JP2005066345A - 手術ナビゲーションシステム用の複合構成配列体 - Google Patents

Abstract

【課題】 手術環境内の物体に取り付けるための追跡配列体を提供すること。
【解決手段】 手術環境内の物体に取付けるための追跡配列体が、物体の追跡を可能にするために手術ナビゲーションシステムによって検出可能な追跡要素を含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、手術ナビゲーションシステムと共に使用されるデバイスに関するものである。特に、本発明は、手術ナビゲーションシステムが手術中に物体の位置及び方向を追跡することを可能にするために物体に取り付け可能な追跡要素の改良された配列体に関するものである。

現在多くの外科手術が手術ナビゲーションシステムを使って実施されており、前記手術ナビゲーションシステムではセンサーが、手術器具、インプラント、又は患者の身体部分のような、手術現場における物体に既知の関係で取り付けられた追跡要素を検出する。センサーの情報は、コンピュータに送られ、次にコンピュータが、手術ナビゲーションシステム座標系内の追跡要素の位置を三角測量する。こうしてコンピュータは物体の位置及び方向を解明して、外科医への案内のために位置及び方向を表示する。例えば、位置及び方向を、Ｘ線、ＣＴスキャン、超音波、又は他の画像化技術によって得られた患者の解剖学的構造の画像に重ね合わせて示すことが可能である。

特定の追跡配列体を認識して、それを特定の追跡される物体に結びつけることができることが手術ナビゲーションシステムには望ましいことである。個々の追跡配列体を識別する能力は、複数の物体の同時追跡を含む外科手術において特に重要である。

本発明は、手術環境における物体に取り付けるための追跡配列体を提供する。追跡配列体は、物体の追跡を可能にするために、手術ナビゲーションシステムによって検出可能な追跡要素を含んでいる。

本発明の一態様では、手術ナビゲーションシステムは、所定数の追跡要素の位置を検出することによって物体を追跡する追跡手段を含んでいる。物体に取り付けられた配列体本体は、所定数の追跡要素より多い所定数の追跡要素取付場所を有する。所定数の追跡要素は、追跡要素を追跡要素取付場所の、異なるサブセットに取り付けることによって、代替の所定の空間的構成で配列体本体に取り付けられる。代替の所定の空間的構成の各々が、追跡要素が取り付けられた別の物体を識別するために使用可能であるように、代替の所定の空間的構成の各々は、追跡手段によってユニークに識別可能である。

本発明の別の態様では、手術ナビゲーションシステム用の一組の追跡配列体が、各配列体における所定数の追跡要素より多い所定数の追跡要素取付場所を有する第一及び第二配列体本体を含んでいる。追跡要素取付場所は所定の空間的パターンで配列されている。第一配列体本体は、追跡要素の配列を所定の空間的構成で生み出すために追跡要素取付場所に取り付けられた追跡要素の第一グループを有している。第二配列体本体は、所定の空間的構成にある追跡要素の第二の配列を生み出すために、追跡要素取付場所に取り付けられた追跡要素の第二グループを有しており、前記所定の空間的構成は、追跡要素の第一の配列の所定の空間的構成から区別されるものである。

本発明の他の態様では、手術ナビゲーションシステムと共に使用するための複合構成追跡配列体が、位置情報を提供するために手術ナビゲーションシステムによって認識可能な所定数の追跡要素を含んでいる。配列体本体は、所定数の追跡要素より多い数の追跡要素取付場所を有している。所定数の追跡要素は、代替構成の取付場所で配置可能であり、そして異なる構成がシステム内の異なる追跡物体に相互に関連付けられるように、手術ナビゲーションシステムによって区別可能な代替パターンを作り出す。

本発明の他の態様では、外科手術中に物体を追跡するための手術ナビゲーションシステムは、所定数の追跡要素の位置を検出することによって物体を追跡する追跡手段を含んでいる。各追跡要素は、平坦な反射面を有している。配列体本体は物体に取り付けられ、また所定数の追跡要素取付場所を有している。所定数の追跡要素は、所定の空間的構成が、追跡要素が取り付けられた異なる物体を識別するために使用され得るように、追跡手段によって識別可能な所定の空間的構成で配列体本体に取り付け可能である。

本発明の他の態様では、手術ナビゲーションシステムと共に使用する追跡配列体を作る方法が、第一の組の所定数の追跡要素を準備する段階、及び所定数の追跡要素より多い所定数の追跡要素取付場所であって、空間的パターンで配列されている追跡要素取付場所を有する第一配列体本体を準備する段階、及び第一配列体本体に取り付けられた追跡要素の第一の空間的配列を形成するために、第一の所定数の追跡要素を、第一配列体本体の所定数の追跡要素取付場所のサブセットに取り付ける段階を含んでいる。

本発明の様々な実施例が、添付図面を参照して論述される。これらの図面は、本発明の例示的実施例のみを描いており、また本発明の範囲を限定すると見なされるべきではない。

手術ナビゲーションシステムと共に使用する追跡配列体の実施例は、配列体本体と、配列体本体に取り付けられた追跡要素とを含んでいる。追跡要素の三次元位置が手術ナビゲーション座標系に関係付けられるように、追跡要素は手術ナビゲーションシステムによって検出され得る。例えば、手術ナビゲーションシステムは、追跡要素の位置情報をコンピュータに供給する複数のセンサーを既知の場所に含む。そしてコンピュータは、複数のセンサーからの位置情報を使用して、手術ナビゲーション座標系の中で各追跡要素の位置を三角測量で測量する。追跡配列体は、手術器具、インプラント、又は患者の身体のような物体に既知の方向で取り付けられる。次いで手術ナビゲーションシステムは、追跡配列体の位置と方向を検出して、追跡配列体と物体との間の既知の関係から物体の位置と方向を解明することによって、物体の位置と方向を決めることができる。

追跡要素は、画像、音、電磁気、又は他の適切な検出手段によって検出可能である。さらに、追跡要素は能動的又は受動的である。能動的追跡要素の例は、画像システムにおける発光ダイオード、音響システムにおける超音波エミッター、及び電磁気システムにおける電磁場エミッターを含んでいる。受動的追跡要素の例は、反射面をもつ要素を含んでいる。

単一の追跡要素は、手術ナビゲーション座標系内の点を識別する。一対の追跡要素は、手術ナビゲーション座標系内の線を識別する。三つの追跡要素は、手術ナビゲーション座標系内の平面を識別する。三つの追跡要素を使って、追跡配列体に結合された物体の位置と方向が決められる。四以上の追跡要素を提供することによって、手術ナビゲーション座標系内の平面の冗長的識別が可能であり、その結果、冗長的追跡要素の一つが一時的に検出を妨げられた場合に、手術ナビゲーションシステムは、追跡配列体及び結合された物体の追跡を継続することが可能である。手術ナビゲーションシステムは、各配列体に関して所定数の追跡要素を、冗長的追跡要素が与えられているならそれも含めて、追跡するように構成されている。

追跡配列体は、所定の空間的配列で配列された追跡要素を備えており、前記所定の空間的配列は、配列体の追跡を可能にするだけでなく、所定の空間的配列を検出することによって特定の配列体の識別も可能にする。追跡配列体は、共通の配列体本体が、追跡要素の配置を異なるユニークな空間的配列で受け入れるところの複合構成配列体である。従って、一つの配列体本体の幾何形状が、安価に多量に作り出されて、ユニークな配列体構成を個々に組み立てるために使用可能である。手術ナビゲーションシステムは、特定の配列体のユニークな追跡要素の空間的構成を検出することによって、手術ナビゲーション座標系において異なる物体を識別できる。複合構成配列体は、配列体本体を含んでおり、前記配列体本体は、各配列体に関連する追跡要素の所定数より多い所定数の追跡要素取付場所を有している。同一の配列体本体及び追跡要素からユニークに識別可能な追跡配列体を作り出すために、追跡要素が、追跡要素を追跡要素取付場所の異なるサブセットに取り付けることによって、代替の空間的構成で配列体本体に取り付けられる。追跡要素の数は、冗長的情報が提供されるように、追跡される物体の位置と方向を識別するために必要な最小数より大である。追跡要素の空間的配置は、冗長的追跡要素の一つが検出を妨げられた場合に、残りの追跡要素がまだユニークな空間的配列を形成するようになっている。

図１は、中央部分１２、及び中央部分１２から外側に延在する第一拡張部又はフィンガ１４、第二拡張部又はフィンガ１６、第三拡張部又はフィンガ１８、第四拡張部又はフィンガ２０、及び第五拡張部又はフィンガ２２を含む手のひら状レイアウトを有する例示的配列体本体１０を示している。第一拡張部１４及び第二拡張部１６は、一直線に整列されて、配列体本体１０の基部１７を形成している。第一拡張部１４及び第二拡張部１６の各々は、追跡要素取付場所３０、３２を含んでいる。第三拡張部１８は、四つの追跡要素取付場所３４、３５、３６、及び３７を含んでいる。第四拡張部２０も、四つの追跡要素取付場所３８、３９、４０、及び４１を含んでいる。第五拡張部２２も、四つの追跡要素取付場所４２、４３、４４、及び４５を含んでいる。従って、配列体本体は十四の追跡要素取付場所を含んでいる。取付け穴４６が、追跡される物体への配列体本体１０の取付けを容易にする。

追跡要素４８は、追跡要素取付場所に取り付けられて、図２及び３に示されるような追跡配列体５０、５２を形成する。図２は、ユニークに構成された追跡配列体５０を示しており、そこでは追跡要素が、十四の追跡要素取付場所の四つ３０、３２、３７、３８のサブセットに取り付けられて、所定の空間的構成を形成している。図３は、ユニークに形成された代替の追跡配列体５２を示しており、そこでは追跡要素４８は、追跡要素取付場所の四つ３０、３２、３４、３５の別のサブセットに取り付けられて、代替のユニークな所定の空間的配列を形成している。図２及び３の、代替的に構成された配列体５０、５２は、手術ナビゲーションシステムによって追跡される別の物体に取り付けられる。代替の構成は、手術ナビゲーションシステムが、個々の配列体５０と５２を、及び従ってそれら配列体が取り付けられた異なる物体を識別することを可能にする。多様な配列体構成５０、５２の母体として共通の配列体本体１０を設けることによって、配列体５０、５２は、迅速且つ安価に製造される。単一の製造設備が、必要に応じて構成される多数の配列体本体１０を作り出す。これは、必要な工具工作機械一式の数を低減させることと、機器設定変更の必要性を除くこととによって、製造の時間と費用を節約して、異なる幾何形状を有する本体１０を作り出す。本体１０は、機械加工されるか、又は鋳造されるか、そうでなければ成形される。本体１０は、金属、ポリマー、又は他の適切な材料で作られる。例えば、本体１０は、迅速且つ安価に多量の本体１０を作るために、ポリマー樹脂から射出成形されることがある。そして配列体５０、５２は、追跡要素４８を本体１０に取り付けることによって形成される。追跡要素４８は、製造の間に又は最終使用者によって取り付けられる。追跡要素４８は、特定の配列の再構成を可能にするために取外し可能に取り付けられるか、又は追跡要素は恒久的に取り付けられる。取付け方法は、スナップ嵌め、圧入、接着、溶着、ねじ込み、又は他の適切な取外し可能な若しくは恒久的な取付けを含んでいる。

図４及び５の例示的配列体５４、６６は、光学的に追跡される受動的追跡要素５６、６８を含んでいるが、他のタイプの追跡要素が考えられて、本発明の範囲の中に含まれる。図４の追跡要素５６は、手術ナビゲーションシステムによって検出可能な所定の光の波長を反射するために、球状反射面５７を有している。例えば、反射面５７は、手術ナビゲーション環境において反射される可視光からの誤検出の機会を減らすために、赤外波長を反射する。追跡要素５６は、追跡要素５６から延びるポスト５８と、本体１０の追跡要素取付場所に形成された係合穴６０とによって本体１０に取り付けられる。図５の追跡要素６８は円形平坦反射面６７を有している。追跡要素６８は、配列体本体１０の円筒状凹部６９に係合する円筒状本体を有している。円形平坦反射面６７は、図４の球状反射面５７より安価に製造される。例えば、円形平坦反射面６７は、反射材料のシートから打抜き機を使って打抜かれる。球状反射面５７は、反射材料の二つの円形片を打抜いてそれらを半球面に成形することを必要とする。次に半球面は、球面を形作るために共に接合されなければならない。

例示的配列体５０、５２、５４、６６の費用節約の特徴は、それらを使い捨て方式で作ることを可能にする。使い捨て方式は、各手術が新しい配列体を使って実施されるので有利である。従って、先の外科手術における取扱い又は清掃からの損傷が、次の外科手術における配列体の追跡又は識別の精度を損なうことがない。配列体を使い捨て方式にすることは、清掃及び殺菌に耐えることができないより安価な材料の使用を許容することによって配列体のコストを更に低下させる。

図６は、手術器具７０に取り付けられた図５の追跡配列体６６を示している。手術器具７０は作用端７２及び作用端を操縦するためのハンドル７４を含んでいる。追跡配列体６６と手術器具７０とが一定の既知の関係にあるように、取付けポスト７６が手術器具７０から延びて取付け穴４６に係合している。配列体６６を追跡することによって、手術ナビゲーションシステムは、外科手術を実施中の外科医を支援するために、手術器具７０の位置を解明することが可能である。

図示された配列体５０、５２、５４、６６は例示的識別スキームを実証もする。例示的識別スキームは、冗長的な数の追跡要素を提供して位置及び方向を識別するために、四つの追跡要素を利用する。三つの追跡要素が手術ナビゲーションシステムによって検出される限りは、配列体は追跡される。さらに、各配列体における四つの追跡要素の中の任意の三つが可視的であるなら、配列体が識別のためのユニークな空間的パターンを提供するように、識別スキームは一組の規則に従う。第一の規則は、追跡要素４８、６８、５６が、各構成において第一拡張部１４及び第二拡張部１６の追跡要素取付場所３０、３２に取り付けられることを要求する。これら二つの追跡要素は配列体の基部１７を各構成において識別する。追跡要素４８、６８、５６も、残っている取付場所３４〜４５から選択された二つの別の場所に取り付けられる。第二の規則は、残っている場所３４〜４５が、それらのどれもが基部の場所３０、３２と等辺三角形を形作らないように配置されることである。換言すると、基部の取付場所３０、３２から等しい距離の追跡要素取付場所が無いことである。第三の規則は、残っている場所３４〜４５の二つが、基部の追跡要素取付場所３０、３２のどちらとも同一直線上にないことである。換言すると、基部の追跡要素取付場所３０、３２のどちらかの中心から二つの他の追跡要素取付場所３４〜４５の中心を通って直線を引くことができないということである。第四の規則は、同一の拡張部１８、２０、２２上の二つの追跡要素取付場所が同一の構成では決して使用されないことである。換言すると、第三拡張部１８上の四つの追跡要素取付場所３４〜３７が、任意の特定の配列体に関して互いに排他的ということである。これは、第四拡張部２０及び第五拡張部２２上の追跡要素取付場所３８〜４１、４２〜４５についても当てはまる。第五の規則は、残っている場所３４〜４５のどれもが、二つ以上の配列体構成で使用されないことである。換言すると、残っている追跡要素取付場所３４〜４５の一つが一つの配列体構成で使用されると、それは別の配列体構成では使用できないということである。これは、冗長的追跡要素の一つが手術ナビゲーションシステムによって検出を妨げられる場合に、配列体構成が誤識別されることを防止する。例示的識別スキームでは、四つの追跡要素の六の異なる構成が、例示的配列体本体１０を使用してこれらの規則に従って形成される。各々の構成について、四つの追跡要素の任意一つが検出を妨げられた場合、残りの三つの追跡要素はユニークに識別可能な構成を提供する。かくして、四つの追跡要素の各々の配列体構成は、各々が合計で三十のユニークな空間的パターンの、三つの追跡要素の四つのユニークなサブ構成を含んでいる。各配列体構成に結びつけられた識別は従って合計で五つのユニークな空間的パターン、つまりユニークな四つの要素構成及びユニークな三つの要素サブ構成の各々を含んでいる。特定の構成に結びついた五つの空間的パターンのいずれか一つが、手術ナビゲーションシステムによって識別されるなら、特定の配列体、従ってそれが取り付けられた物体が、明確に識別される。他のスキームが、本発明の範囲内で識別のためのユニークなパターンを提供するように構成可能である。冗長性のないスキーム又は複合的冗長性を有するスキームもまた考えられて、開示された本発明に含まれる。

追跡配列体とその使用法の実施態様が、詳細に記載されまた図解されたが、前記実施態様は、例示のみを目的とすることが意図され、また限定を目的として取り上げられたのではないことが理解されるべきである。従って、追跡配列体とその使用法における変形形態と変更形態とが、本技術分野に通常の知識を有する者には明らかになり、また特許請求の範囲の請求項がそのような全ての変更形態及び均等物を含むように意図される。

本発明による例示的配列体本体の平面図である。 本体に取り付けられた追跡要素のユニークな構成を図式的に示した、図1の配列体本体の平面図である。 本体に取り付けられた追跡要素のユニークな構成を図式的に示した、図1の配列体本体の平面図である。 図1の配列体本体及び代替タイプの追跡要素で作られた配列体の斜視図である。 図1の配列体本体及び代替タイプの追跡要素で作られた配列体の斜視図である。 手術器具に装着された図５の配列体の側面図である。

符号の説明

１０ 配列体本体
１２ 中央部分
１８ 第三拡張部
２０ 第四拡張部
３０ 追跡要素取付場所
３２ 追跡要素取付場所
３４ 追跡要素取付場所
４８ 追跡要素
５０ 追跡配列体

Claims (15)

1. 所定数の追跡要素の位置を検出することによって物体を追跡する追跡手段と、物体に取り付けられる配列体本体と、を具備する手術ナビゲーションシステムであって、
   前記配列体本体が、所定数の追跡要素より多い所定数の追跡要素取付場所を有しており、所定数の追跡要素の各々は追跡要素取付場所の一つに取り付け可能であり、また追跡要素を追跡要素取付場所の異なるサブセットに取り付けることによって、所定数の追跡要素は代替の所定の空間的構成で配列体本体に取り付け可能であり、また追跡要素が取り付けられた異なる物体を識別するために代替の所定の空間的構成の各々が使用され得るように、代替の所定の空間的構成の各々が、追跡手段によってユニークに識別可能である、手術ナビゲーションシステム。
2. 追跡手段によって検出可能な平坦な反射面を追跡要素が有する、請求項１に記載の手術ナビゲーションシステム。
3. 冗長的追跡情報が提供されるように、物体を追跡するために追跡手段によって必要とされる最小数よりも所定数の追跡要素が多く、代替の所定の空間的構成の各々が、冗長的追跡要素の一つが追跡手段による検出を妨げられた場合にユニークに識別可能な、ユニークなサブ構成をさらに含む、請求項１に記載の手術ナビゲーションシステム。
4. 各配列体における所定数の追跡要素を検出することによって個々の配列体を追跡する手術ナビゲーションシステム用の一組の追跡配列体であって、第一配列体本体と、追跡要素の第一グループと、第二配列体本体と、追跡要素の第二グループとを具備する、一組の追跡配列体において：
   前記第一配列体本体が、各配列体における所定数の追跡要素より多い所定数の追跡要素取付場所であって所定の空間的パターンで配列された追跡要素取付場所を有しており；
   前記追跡要素の第一グループが、所定数の追跡要素に数が等しく、追跡要素の第一グループにおける追跡要素の各々が第一配列体本体の追跡要素取付場所の一つに取り付けられて、追跡要素の配列を所定の空間的構成で作り出し；
   前記第二配列体本体が、各配列体における所定数の追跡要素より多い所定数の追跡要素取付場所を有して、追跡要素取付場所が第一配列体本体の所定の空間的パターンと同一の所定の空間的パターンで配列されており；
   前記追跡要素の第二グループが、所定数の追跡要素に数が等しく、追跡要素の第二グループにおける追跡要素の各々が、第二配列体本体の追跡要素取付場所の一つに取り付けられて、追跡要素の第一の配列の所定の空間的構成から区別される所定の空間的構成で追跡要素の第二の配列を作り出す；一組の追跡配列体。
5. 配列内の追跡要素のいずれか一つが検出を妨げられた場合に、配列内の残りの追跡要素が、ユニークに識別可能なパターンを形成して、手術ナビゲーションシステム内で配列を能動的に識別するように、追跡要素の第一及び第二の配列の各々が、冗長的識別スキームに従って配列される、請求項４に記載の一組の追跡配列体。
6. 手術ナビゲーションシステムと共に使用するための複合構成追跡配列体であって、手術ナビゲーションシステムが、該配列体が取り付けられた物体の位置を決定するために該配列体を追跡可能なものであり、複合構成追跡配列体が、所定数の追跡要素と、配列体本体とを具備しており：
   前記所定数の追跡要素が、位置情報を提供するために手術ナビゲーションシステムによって認識可能なものであり；
   前記配列体本体が、所定数の追跡要素より多い数の追跡要素取付場所を有しており、所定数の追跡要素が、手術ナビゲーションシステムによって区別可能な代替パターンを作り出すために代替構成の取付場所で配置可能で、異なる構成が、システム内の異なる追跡物体に相互に関係付けられるようになっている、複合構成追跡配列体。
7. 配列体本体がポリマーから成形される、請求項６に記載の複合構成追跡配列体。
8. 配列体本体が、追跡要素取付場所の各々に円筒状凹部を含み、また追跡要素が、円筒状凹部に係合可能な円筒状本体を含む、請求項６に記載の複合構成追跡配列体。
9. 追跡要素が、手術ナビゲーションシステムによって追跡される光を放射する、請求項６に記載の複合構成追跡配列体。
10. 追跡要素が、手術ナビゲーションシステムによって追跡される反射面を含む、請求項６に記載の複合構成追跡配列体。
11. 追跡要素が、手術ナビゲーションシステムによって追跡される音波を放射する、請求項６に記載の複合構成追跡配列体。
12. 追跡要素が、手術ナビゲーションシステムによって追跡される電磁界エネルギーを放射する、請求項６に記載の複合構成追跡配列体。
13. 平坦な反射面を有する所定数の追跡要素の位置を検出することによって、物体を追跡する追跡手段と、物体に取り付けられた配列体本体とを具備する、外科手術中に物体を追跡するための手術ナビゲーションシステムであって、
    前記配列体本体が、所定数の追跡要素取付場所を有しており、所定数の追跡要素の各々が、追跡要素取付場所の一つに取り付け可能であり、また追跡要素が取り付けられた異なる物体を識別すべく所定の空間的構成が使用され得るように、所定数の追跡要素が、追跡手段によって識別可能な所定の空間的構成で配列体本体に取り付け可能である；手術ナビゲーションシステム。
14. 手術ナビゲーションシステムと共に使用する追跡配列体を作る方法であって：
    第一の組の所定数の追跡要素を準備する段階と；
    所定数の追跡要素より多い所定数の追跡要素取付場所であって、空間的パターンで配列された追跡要素取付場所を有する第一配列体本体を準備する段階と；
    第一配列体本体に取り付けられた追跡要素の第一の空間的配列を形成するために、第一の所定数の追跡要素を第一配列体本体の所定数の追跡要素取付場所のサブセットに取り付ける段階と；を含んでなる追跡配列体を作る方法。
15. 第一の組と同一の所定数を有する第二の組の追跡要素を準備する段階と；
    第一配列体本体と同一の数とパターンの追跡要素取付場所を有する第二配列体本体を準備する段階と；
    追跡要素の第一の空間的配列から区別される追跡要素の第二の空間的配列であって、第二配列体本体に取り付けられた追跡要素の第二の空間的配列を形成するために、追跡要素の第二の組を第二配列体本体の追跡要素取付場所のサブセットに取り付ける段階と；をさらに含んでなる請求項１４に記載の追跡配列体を作る方法。

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