JP2003522984A - レーザポインタ - Google Patents

レーザポインタ

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JP2003522984A JP2001559360A JP2001559360A JP2003522984A JP 2003522984 A JP2003522984 A JP 2003522984A JP 2001559360 A JP2001559360 A JP 2001559360A JP 2001559360 A JP2001559360 A JP 2001559360A JP 2003522984 A JP2003522984 A JP 2003522984A
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ノルベルト スーム
ペーター メスマー
ピートロ レガツォーニ
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エーオー−エントヴィックルングスインスティチュート ダフォス
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Abstract

(57)【要約】 手術室内の３次元座標系の内部で手術者により決定できる直線の位置を定めるための外科ナビゲーションシステム用であり、上表面（２）と少なくとも３つの波（１９）を与えるマーカー（３）とを備えた本体（１）を有し、マーカーの位置は３次元座標系の内部で外科ナビゲーションシステムに属する位置検出器により決定できる。本体（１）に装着されるレーザ（４）は、本体（１）から離れる方向へレーザビーム（５）を放射し、レーザビームは幾何学的中心ビーム（６）と、可視範囲の波長とを有する。レーザビーム（５）はマーカー（３）に関して幾何学的に定められる位置で放射され、中心ビーム（６）の位置は、３次元座標系に関して、マーカー（３）の測定される位置から、同様に、外科ナビゲーションシステムに対して計算するコンピュータにより計算できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は、特許請求の範囲の請求項１に記載のように手術室内で３次元座標系
の内部で手術者により決定できる一直線の位置を定めるための外科ナビゲーショ
ンシステム用の装置に関するものである。
【０００２】 （背景技術） 外科手術室内で、骨折の処置のために、コンピュータ補助外科システム（ＣＡ
Ｓ）として知られているいわゆるコンピュータ補助外科ナビゲーションシステム
または外科ナビゲーションシステムが度々、使用されている。この装置は、手術
室内に固定された３次元座標系の内部で、外科器具や装置の局部測定を可能にす
ることにより、画像支援をもって、最小侵入の外科的処置の利用を可能にする。
それで、例えば、医療ロボットまたは可動レントゲン装置は、特に、３次元で可
動なＣ形状湾曲体の、一端部に装備されたレントゲン線源と、他端部に装備され
たレントゲン線検出器（以下において短くＣ湾曲体と呼ぶ）とを有し、室内でコ
ンピュータ制御にて移動および位置決めをすることができる。そのようにモータ
駆動され、コンピュータ制御されるＣ湾曲体は、国際特許出願ＰＣＴ／ＣＨ００
／０００２２で公開されている。
【０００３】 室内で可動な外科器具や装置の位置測定のための一体化されたコンピュータと
、位置検出器とを備えた外科ナビゲーションシステムは、例えば、ＵＳ５３８３
４５４、ＢＵＣＨＯＬＺおよびＥＰ０３５９７７３、ＳＣＨＬＯＮＤＯＲＦＦで
開示されている。そのような外科ナビゲーションシステムは、例えば、ＭＥＤＩ
ＶＩＳＩＯＮ社，Ｏｂｅｒｄｏｒｆ，Ｓｃｈｗｅｉｚから”Ｓｕｇｉｇａｔｅ”
の名称で販売されている。レントゲン画像もしくは先行して撮影され蓄えられた
全コンピュータ断層写真（ＣＴ）を記録するためのデータメモリを備えたコンピ
ュータと並んで、または診断目的のためもしくは遂行されるべき関与を計画する
ための処置の間、このシステムは、少なくとも一つの位置検出器を含む。度々、
オプトエレクロニクス技術の位置検出器が設置され、その装置により、手術室内
の３次元座標系の内部で外科器具または装置に装着される光学マーカーの位置を
測定できる。例えば、オプトエレクトロニクス位置検出器は、名称Ｏｐｔｏｔｒ
ａｋ３０２０（製造者；Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｔａｌ，Ｏｎｔａｒｉｏ，Ｃ
ａｎａｄａ）で商業的に購入できる。
【０００４】 光マーカーとして、通常、ＬＥＤ（発光ダイオード）またはＩＲＥＤ（赤外線
発光ダイオード）が取り付けられ、その位置は３次元座標系内部でセンサー、例
えば、カメラ、または、ＣＣＤ（電荷結合デバイス）、または、位置検出器によ
り検出できる。
【０００５】 別の位置検出器は、電磁波の代わりに音波を使用でき、または、磁界に基づき
作動できる。
【０００６】 Ｃ湾曲体により占められる画像平面または画像垂線を定めるため、例えば、Ｕ
Ｓ５３８３４５４、ＢＵＣＨＯＬＺが開示するようなマーカーのあるポインタは
、手術者により患者の体の先端で位置決めされ、ポインタの軸は撮影されるレン
トゲン画像の画像垂線に一致する選択された方向へ向けられる。例えば、そのよ
うなポインタは、Ｏｐｔｏｔｒａｋ Ｄｉｇｉｔｉｚｉｎｇ Ｐｒｏｂｅｓの商
品名（製造者；Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｔａｌ，Ｏｎｔａｒｉｏ，Ｃａｎａｄ
ａ）で商業的に購入できる。ポインタに固定されるマーカーの位置は、位置検出
器により測定され、さらに、手術室内の３次元座標系の内部でポインタの長手軸
線で定まる直線の位置や方向が、コンピュータにより計算される。続いて、Ｃ湾
曲体はコンピュータ制御されて、ポインタの長手軸線の画像垂線と一致する位置
決め、および投影を行うことができる。そのようなポインタの使用上の欠点は、
ポインタが比較的短く、それで、ポインタを持つ手術者は患者の近くで作業をし
なければならないことである。さらに、この既知のポインタでは、患者に対する
画像垂線の位置が示されず、結果として出る投影は、粗雑でのみ評価できる。そ
のような小寸法のポインタでのマーカーの可視は、ナビゲーションシステムにと
って手術者、患者およびＣ湾曲体により強く制限され、そして、その上、マーカ
ーは、時々、全く見えないことになる。
【０００７】 （発明の開示） ここで、本発明はこの課題のための解決手段を提供するであろう。本発明は、
手術者が大きい間隔で画像垂線または投影面を示すことができるポインタを構成
することを課題としている。本発明により可能な、手術者、患者および装置間の
大きい空間的距離は、位置検出器のセンサーによるマーカーの妨害のない検出を
許容する。それで、例えば、コンピュータ制御され、モータ駆動されて運動可能
なＣ湾曲体は、手術者とＣ湾曲体との相互衝突のリスクなしにて、患者に対し接
近して位置決め可能である。
【０００８】 本発明は、請求項１に記載の特徴を有する外科ナビゲーションシステムの装置
のために用いられることにより前記の課題を解決する。
【０００９】 外科ナビゲーションシステムのための本発明による装置は、手術室内の３次元
座標系内部で、手術者により設定できる一直線および該直線と垂直な平面の位置
を定めるために役立つ。この装置は、少なくとも３個のマーカーを備える本体を
含み、マーカーは室内へ波を出す。レーザーは本体内で一体化され、レーザービ
ームは中心ビームに集中して本体から離れる方向に放射される。レーザービーム
の波長は、可視領域内にあり、手術者は、処置すべき患者において、装置および
レーザビームの対応する整合により、手術室内で患者と交差する直線を定めるこ
とができ、前記直線は、例えば、Ｃ湾曲体の設定位置および投影の画像垂線と一
致する。レーザは、本体内で、マーカーに関して定まった位置で固定され、中心
ビームの方向はマーカーの位置に関して定められる。マーカーの位置は、外科ナ
ビゲーションシステムに属する位置検出器により測定され、同様に、外科ナビゲ
ーションシステムに属するコンピュータにより、手術室内の３次元座標系内部の
直線の位置を決定でき、例えば、Ｃ湾曲体はコンピュータ制御されて手術者によ
り所望の位置および投影へ移動できる。
【００１０】 一実施形態では、本発明による装置は、電池作動レーザの場合、電池を収容す
る中空室を備えることができるハンドグリップを含む。
【００１１】 レーザの出力は、２ｍＷから１Ｗ、好ましくは、２ｍＷから２５ｍＷの間の範
囲である。マーカーから出る波は、設置される位置検出器に対応して電磁波また
は音波である。電磁波を出すマーカーの場合、マーカーの以下の実施形態が可能
である。 −ＬＥＤ（発光ダイオード） −ＩＲＥＤ（赤外線放射ダイオード） −光反射体 −光源により給電される光ファイバ導体 音波を出すマーカーの場合、マーカーは音波発信器として構成される。
【００１２】 本発明による一実施形態では、本体は長手軸線を持つプリズム状バーまたは円
筒バーとして構成される。レーザは、好ましくは、バー内で一体化され、中心ビ
ームはバーの長手軸線と一致し、レーザビームはバー端部から離れる方向へ放射
される。３個のマーカーは、バーに非共線的に装着でき、または、一直線、好ま
しくは、長手軸線上に配置でき、その際、レーザビームの放射方向の設定に対し
て、３個のマーカーは相互に関して距離（Ａ）と距離（Ｂ）にて配置され、距離
（Ａ）は距離（Ｂ）と等しくない。
【００１３】 本発明の別の実施形態では、本体は平面板として構成され、その際、マーカー
は、特に、非共線的に配置され、板の上面から離れる方向の波が出される。レー
ザは実質的に板の中心に挿入され、レーザビームは板の下面から離れる方向へ放
射される。 好ましくは、マーカーは上面と平行な面に配置され、その際、平面と上面は一
致でき、レーザビームは、この平面に対し垂直に放射される。
【００１４】 本発明による別の実施形態では、レーザは、マーカーの位置を幾何学的に定め
る位置および方向に関して、レーザビームの放射を可能とするため、レーザビー
ム波長に適合するレンズ系を含む。レンズ系の代わりに、光ファイバ、光ミラー
系または他のビーム偏向系を設置できる。
【００１５】 本発明の別の有利な実施形態は、従属請求項で特徴付けられる。 本発明により達成される長所は、実質的に、本発明による装置のため、一直線
並びに該直線に対し垂直な平面を、手術室内の患者に関して定めることができ、
それらは、医療装置のコンピュータ制御される位置決め、特に、Ｃ湾曲体の位置
および投影の設定のための簡単な表示として役立つ。レーザビームの到達距離に
より、直線表示の場合、手術者は本発明による装置により、室内で自由に移動で
き、例えば、Ｃ湾曲体は手術者を妨げることなく位置決めできる。
【００１６】 （発明を実施するための最良の形態） 本発明と本発明の実施形態を数々の実施形態の部分的概要図に基づいて、以下
に、より詳細に説明する。
【００１７】 図１は、上面１１および下面１２を備える平らな三角形板として構成される本
体１と、板輪郭部に関して中央に配置され、レーザビーム５を下面１２から手術
室へ放射するレーザ４とを備えた本発明に係る装置の実施形態を示す。放射され
るレーザビーム５は、可視領域での波長と幾何学上の中心軸線６とを有する。そ
れで、レーザビーム５はマーカー３に関して幾何学的に定められる位置および方
向へ放射でき、レーザ４は、特に、レンズ系として構成でき、下面１２の範囲で
レーザ４の前方に装着される手段２０を含む。同様に、本体１には、ＬＥＤとし
て構成される３個のマーカー３が装着され、各マーカーは、それぞれ、板輪郭部
の角に配置され、電磁波の形状の波（１９）が上面１１から手術室へ放射される
。板の側には、本体１を手動で自由に運動できるハンドグリップ８が取り付けら
れる。ハンドグリップ８は、中空室１０を含み、中空室内にはレーザ４のエネル
ギー源として２個の電池９が収容される。レーザ４の電流供給は、電池９からレ
ーザ４に至り、本体１内で一体化されるケーブル１４を介して行われる。ケーブ
ル１４のケーブルガイドは本体１での外部で下面１２または上面１１に沿って通
すことができる。本体１の長手部分で、マーカー３の電流供給を保証するケーブ
ル１３が一体化される。ＬＥＤとして構成されるマーカー３の給電は、ナビゲー
ションシステムから中央で行われる。その際、ＬＥＤとして構成されるマーカー
３はナビゲーションシステムによりパルスで制御される。制御パルスと個々のマ
ーカー３の急な輝きとの間の時間的補正は、ナビゲーションシステムにより、手
術室でのマーカー３のある外科器具の位置的識別を可能にする。
【００１８】 本発明による装置の図２で示す実施形態は、本体１が円筒形またはプリズム状
バー１５として形成されることだけにおいて図１で示す実施形態と異なる。バー
１５は、中心軸線１６と、前端部１８と、後端部１７とを有する。レーザ４は、
バー１５内で中心軸線１６に対して共通軸線に一体化される。ここでは、特に、
レンズ系として実施されるマーカー３に関する幾何学的に定められる位置および
方向において放射されるべきレーザビーム５の放射手段２０は、上の形態と同様
に好ましくはレンズ系の形で実現され、レーザ４の前方で前端部１８の方向に装
着され、レーザビーム５の幾何学的中心ビーム６は、中心軸線１６と一致する。
中心軸線１６に対し垂直で、レーザ４のエネルギー供給を引き受ける２個の電池
９を収容する中空室１０を持つハンドグリップ８は、中心軸線１６に対して直角
にバー１５上に装着される。レーザ４の電流供給は、バー１５内で一体化され、
レーザ４を電池９と接続するケーブル１４を介して行われる。さらに、ＬＥＤか
ら成る３個のマーカー３は中心軸線１６と一致する直線上に配置され、その際、
マーカー３の一つは前端部１８の近くに配置され、他のマーカー３は後端部１７
の近くに配置され、第３のマーカー３はバー１５上でそれらの間に装着される。
中間マーカー３と後端部の近くのマーカー３との間では、距離Ａがあり、他方、
中間マーカー３と前端部１８の近くのマーカー３との間では、距離Ｂがある。ナ
ビゲーションシステムによるマーカー３の位置測定から、レーザビーム５の放射
方向を識別するため、距離ＡとＢは等しくない長さにて構成される（Ａ＜Ｂ）。
さらに、マーカー３の電流供給を保証するケーブル１３は、長さの一部が本体１
内に一体化され、ハンドグリップ８からナビゲーションシステムへ至る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による装置の実施形態の斜視図を示す。
【図２】 本発明による装置の別の実施形態の側面図を示す。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１４年２月１１日（２００２．２．１１）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】 Ｃ湾曲体により占められる画像平面または画像垂線を定めるため、例えば、Ｕ
Ｓ５３８３４５４、ＢＵＣＨＯＬＺが開示するようなマーカーのあるポインタは
、手術者により患者の体の先端で位置決めされ、ポインタの軸は撮影されるレン
トゲン画像の画像垂線に一致する選択された方向へ向けられる。例えば、そのよ
うなポインタは、Ｏｐｔｏｔｒａｋ Ｄｉｇｉｔｉｚｉｎｇ Ｐｒｏｂｅｓの商
品名（製造者；Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｔａｌ，Ｏｎｔａｒｉｏ，Ｃａｎａｄ
ａ）で商業的に購入できる。ポインタに固定されるマーカーの位置は、位置検出
器により測定され、さらに、手術室内の３次元座標系の内部でポインタの長手軸
線で定まる直線の位置や方向が、コンピュータにより計算される。続いて、Ｃ湾
曲体はコンピュータ制御されて、ポインタの長手軸線の画像垂線と一致する位置
決め、および投影を行うことができる。そのようなポインタの使用上の欠点は、
ポインタが比較的短く、それで、ポインタを持つ手術者は患者の近くで作業をし
なければならないことである。さらに、この既知のポインタでは、患者に対する
画像垂線の位置が示されず、結果として出る投影は、粗雑でのみ評価できる。そ
のような小寸法のポインタでのマーカーの可視は、ナビゲーションシステムにと
って手術者、患者およびＣ湾曲体により強く制限され、そして、その上、マーカ
ーは、時々、全く見えないことになる。 案内スリーブの軸線と同軸にレーザビームを放射するレーザを有する外科的器
具を案内するための装置は、ＵＳ５７３２７０３、ＫＡＬＦＡＳにより、既知で
ある。この既知の装置は、案内スリーブに取り付けられ、その位置が３次元座標
システム内でＣＣＤカメラにより測定可能なマーカーを備えている。この座標手
段により、人体への外科的器具の挿入ポイント及び案内スリーブの軸線の軌道が
算定される。この装置は、手術内で得られるレントゲン線画像の投影面を決定す
るのを助けるために、レーザビームに対し垂直な平面が外科医により想像されな
ければならず、それによりレントゲン線のその後の調整を要する食い違いが起こ
るという欠点を有する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スーム ノルベルト ドイツ連邦共和国、79576 ヴィル−ハル ティンゲン、ヘレネ−ツァプフ−ヴェーク 10 (72)発明者 メスマー ペーター スイス国、ツェーハー−4104 オーバーヴ ィル シュミーデンガッセ（番地なし) (72)発明者 レガツォーニ ピートロ スイス国、ツェーハー−4054 バーゼル、 ベンケンシュトラーセ 17 (72)発明者 ヒーリ マルクス スイス国、ツェーハー−7276 フラウエン キルヒ、イュンケルボデン（番地なし) (72)発明者 ミュラー パオル スイス国、ツェーハー−4125 リーヘン、 ヴァイルシュトラーセ 14

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 手術室内の３次元座標系内で、手術者により決定できる直線
    の位置を決めるための外科ナビゲーションシステム用であり、 Ａ）表面（２）と、外科ナビゲーションシステムに属する位置検出手段により
    、３次元座標系の内部で位置が決定される少なくとも３つの波（１９）を与える
    マーカー（３）とを備えた本体（１）を含む装置において、 Ｂ）本体（１）は、該本体（１）から離れる方向へレーザビーム（５）を放射
    するレーザ（４）を含み、レーザビームは幾何学的中心ビーム（６）と、可視領
    域での波長を有し、そして Ｃ）マーカー（３）の測定から、３次元座標系に関する中心ビーム（６）の位
    置を、同様に、外科ナビゲーションシステムの部分でもあるコンピュータの手段
    によって計算できることを特徴とする前記装置。
  2. 【請求項２】 レーザ（４）は、レーザビーム（５）をマーカー（３）に関
    して幾何学的に定まる位置と方向内に放射できる手段（２０）を含むことを特徴
    とする請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 本体（１）はハンドグリップ（８）を含むことを特徴とする
    請求項１または２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 レーザ（４）は、少なくとも１つの電池（９）により駆動で
    きることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
  5. 【請求項５】 ハンドグリップ（８）は、少なくとも１つの電池（９）を設
    置できる中空室（１０）を含むことを特徴とする請求項４に記載の装置。
  6. 【請求項６】 レーザ（４）は、２ｍＷ〜１Ｗ、好ましくは、２ｍＷと２５
    ｍＷとの間の出力を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の装
    置。
  7. 【請求項７】 波（１９）は電磁波であることを特徴とする請求項１〜６の
    いずれかに記載の装置。
  8. 【請求項８】 マーカー（３）はＬＥＤ（発光ダイオード）であることを特
    徴とする請求項７に記載の装置。
  9. 【請求項９】 マーカー（３）はＩＲＥＤｓ（赤外線発光ダイオード）であ
    ることを特徴とする請求項７に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 マーカー（３）は光反射体であることを特徴とする請求項
    ７に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 マーカー（３）は光源により給電される光ファイバ伝導体
    であることを特徴とする請求項７に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 波（１９）は音波であることを特徴とする請求項１〜６の
    いずれかに記載の装置。
  13. 【請求項１３】 マーカー（３）は音発信器であることを特徴とする請求項
    １２に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 本体（１）は、長手軸線（１６）と、前端部（１８）と、
    後端部（１７）とを備えるバー（１５）であり、レーザ（４）はバー（１５）内
    に一体化され、レーザビーム（５）は長手軸線（１６）に対して共軸で端部（１
    ７；１８）から離れる方向に放射されることを特徴とする請求項１〜１３のいず
    れかに記載の装置。
  15. 【請求項１５】 ３個のマーカー（３）は一直線上に配置され、前記マーカ
    ー（３）のうちの２個は、互いに関して距離（Ａ）だけ離れ、そして他の２個は
    距離（Ｂ）だけ離れており、距離（Ａ）と距離（Ｂ）とは等しくないことを特徴
    とする請求項１〜１４のいずれかに記載の装置。
  16. 【請求項１６】 前記直線は中心ビーム（６）と一致することを特徴とする
    請求項１５に記載の装置。
  17. 【請求項１７】 本体（１）は、上面（１１）と下面（１２）を備えた平面
    板であり、マーカー（３）は非共線的に配置され、上面（１１）から波が出され
    、レーザ（４）は実質的に板の中央に差し込まれ、レーザビーム（５）は下面（
    １２）から離れる方向へ放射されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか
    に記載の装置。
  18. 【請求項１８】 マーカー（３）は上面（１１）と平行な平面内に配置され
    、レーザビーム（５）は、この平面に対し垂直に放射されることを特徴とする請
    求項１７に記載の装置。
  19. 【請求項１９】 前記平面が上面（１１）によって形成されることを特徴と
    する請求項１８に記載の装置。
  20. 【請求項２０】 手段（２０）は、レーザビーム（５）の波長に適合するレ
    ンズ系を含むことを特徴とする請求項２〜１９のいずれかに記載の装置。
  21. 【請求項２１】 手段（２０）は、レーザビーム（５）がマーカー（３）に
    関して、幾何学的に決まる位置および方向にて放射されるようにするファイバ光
    学器を含むことを特徴とする請求項２〜１９のいずれかに記載の装置。
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