JP2005518246A

JP2005518246A - 外科機器システム

Info

Publication number: JP2005518246A
Application number: JP2003570717A
Authority: JP
Inventors: レビー・イアン; スロムジーコウスキー・ミヒャル
Original assignee: DePuy International Ltd
Current assignee: DePuy International Ltd
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2005-06-23
Also published as: AU2003212505A1; EP1478296B1; EP1478297A1; WO2003071969A1; EP1478296A1; AU2003212506A1; GB0204549D0; JP2005518245A; ATE538747T1; US20050203544A1; US9775626B2; US20050251186A1; JP4387200B2; WO2003071968A1; US20110082460A1

Abstract

【課題】ツールを特定するマーカーリングをツールのシャフト上に配置した外科機器システムを提供する。
【解決手段】外科機器システムは、ツールの軸を規定する長尺シャフトを含むツール（２）を含むものである。このシャフトは、その軸の周囲に延在するようにシャフトの表面上に所定パターンで配置され、上記ツールを特定するマーカーリング（１０，１１，１２）を有している。このシステムは、上記マーカーリングからの信号を受信する装置（１４）と、上記マーカーリングからの信号を分析しかつ上記ツールの特定に関する情報を生成するデータプロセッサ（１６）とを含むものである。

Description

発明の技術分野

この発明は外科機器システムに関するものである。この外科機器システムはイメージガイド外科の分野に特定の用途を見出すものである。

発明の背景

いくつかの外科的方法では、コンピュータ装置を用いて自動化することができる。例えば、外科機器の位置を制御するための信号を生成するコンピュータを使用することが知られている。これらの外科的方法では、例えば患者に関連するイメージデータと共に、外科的処置が施されるべき組織の例えば位置、大きさ、方向等に関するデータを使用することができる。特に、外科機器の位置を外科的処置が施されるべき組織に関連して決定できる場合には、ある状況において、コンピュータによって生成される信号を用いて処置全体にわたって機器の操作を制御することが可能である。

このような自動外科的処置では、信頼できる性能として、機器の位置が正確に決定されるべきであることが必要とされる。この正確な位置決めは、上記機器から信号を検出できる１つまたはそれ以上の検出器を用いて行うことができる。例えば、マーカーは、信号の検出が可能な機器上に設けることができる。このマーカーは、例えば反射性材料から得られる受動的なものとすることができるか、あるいは光を発する２つまたはそれ以上の装置（発光ダイオード等）を含む能動的なものとすることができる。

ドリルビット等の軸回りに回転する外科用ツールの場合では、ドライブユニットの位置をモニタするためのマーカーを設けることが知られている。これは、ツールが長尺の場合、回転部分の端部（その位置が最も重要であるような）がドライブユニット上のマーカーから離間している場合、例えばツールの可撓性のために不正確さの元となることがある。

発明の概要

この発明は、マーカーリングがツールのシャフト上に配置された外科機器システムを提供するものである。

したがって、１つの局面において、この発明は、ａ．ツールの軸を規定し、その軸の周囲に延在するように表面上に所定パターンで配置され、上記ツールを特定する複数のマーカーリングを有する長尺シャフトを含むツールと、ｂ．上記マーカーリングからの信号を受信する装置と、ｃ．上記マーカーリングからの信号を分析しかつ上記ツールの特定に関する情報を生成するデータプロセッサとを含む、外科機器システムを与えるものである。

この発明の機器システムは、ハンドルまたは他の制御部分上に設けられたマーカーを必要とすることなしに、特定信号データがツールから得られることを可能にする利点を有するものである。したがって、この信号データは患者組織に接触するツールの端部に接近できる機器の一部から得ることができ、したがって、信号データはツールの特定が処置の成果を制御するのに特に重要であるこの発明のシステムの上記一部から生じるものである。

また、上記信号データは、受信装置を基準としたツールの位置および方向に関する情報を与えることができる。ツール上のマーカーに基づく上記データを与えることで、信号データは、ハンドルまたはドライブユニット上に位置決めされたマーカーに関連付けることができ、例えばツールの可撓性から生じる不正確なものに陥らない。

ツールのシャフト上に設けられた複数のマーカーリングの特質は、受信装置で見た場合に、ツールが一方の側から見られた場合、特にシャフトがその軸回りに回転しているときにツールの軸を含む一平面に対して直交する矩形として見えることである。上記装置が一方の側から斜めに見た場合に、上記マーカーリングは、矩形の両側が湾曲しているように見える点で正四角形である形状から逸脱しているように見える。

マーカーリングは、ツールのシャフトの周囲に連続的に延在することが好ましい。しかしながら、いくつかの用途に関しては、マーカーリングは、その縁部の位置および間隔を決定する上で著しく妨害を与えないものであれば、マーカーリング内に設けられた小さな裂け目を有することができる。

各マーカーリングの軸方向に間隔をあけて形成された縁部によって規定された複数の平面は、互いに平行であり、かつシャフトの軸に対して直交している。複数のマーカーリングは、ツールを一方の側から見た場合にツールのシャフトを含む一平面に直交する矩形として見える。ツールを一方の側から斜めに見た場合に、マーカーリングの縁部は湾曲しているように見え、ツールの軸回りに連続的に等距離（平行）の関係にある。このことは、マーカーリングの縁部が受信装置にとって直線的に見えないときでさえ、コンピュータによるマーカーリングの位置データの分析を容易にすることができるという利点を有している。

ツールの位置を決定するには、受信装置で見た場合にマーカーリングの相対的位置の正確な決定がしばしば必要となるはずである。マーカーリングの相対的位置の決定に含まれるステップとしては、ａ．上記マーカーリングの両縁部から等距離にある（上記シャフトの軸と平行な方向に延在する）線分に沿って概ね延在する上記シャフトの軸を位置決めするステップと、ｂ．上記マーカーリングの両縁部から等距離にある（上記シャフトの軸に対して直交する方向に延在する）線分に対して交差する各マーカーリングの中央線を位置決めするステップのうち、１つまたはそれ以上のステップを含めることができる。

データプロセッサは、好ましくは、ａ．上記マーカーリングの両縁部から等距離にある（上記シャフトの軸と平行な方向に延在する）線分に沿って概ね延在する上記シャフトの軸を位置決めするステップと、ｂ．上記マーカーリングの両縁部から等距離にある（上記シャフトの軸に対して直交する方向に延在する）線分に対して交差する各マーカーリングの中央線を位置決めするステップとを実行するように設定されている。

データプロセッサは、好ましくは、ａ．上記シャフトを一方の側から見たときに上記シャフト上に上記マーカーリングを表す概ね３つの矩形領域を特定するステップと、ｂ．上記ツールの軸と平行に調整された上記各矩形領域の中央を表す上記各矩形領域の線分の位置決めを決定するステップと、ｃ．隣接する上記矩形領域の線分間の角度を決定するステップとを実行するように設定されている。

特にマーカーリングが狭い場合、マーカーリングの相対的位置が、その中心線（上記ステップｂ）を位置決めすることなしに十分な正確性で決定されてもよく、これにより位置の誤りを減らすことができる。

受信装置で見た場合にマーカーリングの相対的位置を決定するステップは、データプロセッサにより、例えば関連した縁部の座標を決定した後に、関連した中央線の位置決めを修正することにより実行することができる。

この外科機器システムは、好ましくは、シャフトの表面上に設けられた少なくとも３つのマーカーリングを含むものである。第１のマーカーリングとこの第１のマーカーリングの近傍に位置する第２のマーカーリングとの距離は、好ましくは、上記第２のマーカーリングとこの第２のマーカーリングの近傍で上記第１のマーカーリングから離れた上記第２のマーカーリングの反対側に位置する第３のマーカーリングとの距離と同一である。

シャフト上に設けられた複数のマーカーリングは、例えばツールを特定するのに使用される情報を含むツールに関する情報を与えるのに使用可能である。このことは、上記外科機器システムによって特定可能な所定の配置でマーカーリングを設けることによって達成可能である。例えば、マーカーリングは、他の文脈から分かるようにバーコードとしてシャフト上に設けることができる。データプロセッサは、使用される一般的なタイプのツールに関係するデータ検索表を備えることができ、これによりマーカーリングからの信号を分析することによって得られたデータは、ツールの特定を可能にするために、検索表中のデータと比較することができる。例えば、ツールは、バンド幅、あるいは隣接するバンド間の間隔、あるいはその双方を参照することによって特定することができる。マーカーリングの寸法（幅、間隔等）は、受信装置の解像度、マーカーリングの明瞭な検査に対する妨害の可能性（例えば、使用中のツール近傍における体液のせいで起こる）、受信装置からツールへの距離範囲等に従って設定されることになる。

シャフトの軸に沿って測定されたマーカーリングの幅は、受信装置の種類およびマーカーリングから受信装置により受信された信号等のファクタ、およびツールと受信装置との距離に従って設定されるはずである。マーカーリングは、受信装置により認識できるのに十分な幅とされるべきである。しかしながら、マーカーリングの幅は、しばしば視認性の要求基準と整合性のある最小値に維持されることが好ましく、これによりマーカーリングの相対的位置を決定する場合の誤りを最小とすることができる。

各マーカーリングの幅は、約１０ｍｍ以下、例えば約５ｍｍ以下であることが好ましい。一般に、各マーカーリングの幅は、少なくとも３ｍｍとされる。

隣接するマーカーリングの隣接する縁部間の間隔は、少なくとも約１ｍｍ、より好ましくは少なくとも約３ｍｍ、特に好ましくは少なくとも約５ｍｍとされる。上記間隔は、約２０ｍｍを超えず、より好ましくは約１０ｍｍを超えないものとされる。

マーカーリングは、これらが配置されたシャフトの残り部分と対照をなす色または質感の表面を有することができる。例えば、シャフトは概ね光沢のない表面を有してもよく、マーカーリングは相対的に滑らかな表面を有してもよく、特にこれにより光沢が出たものでもよい。シャフトは概ね暗い表面を有してもよく、マーカーリングは相対的に明るい表面を有してもよい。したがって、マーカーリングは、これらが配置されるシャフトの表面より反射性が高いことが好ましい。

ツールのシャフトは概ね金属製とされる。外科機器、特に切削ツールの製造に頻繁に使用される金属は、特定のステンレス鋼を含むものである。マーカーリングは、しばしば様々な材料、例えば高分子材料または無機質材料を用いて付けられる。マーカーリングの材料の性質については、（ａ）その反射性または受信装置により検出されるマーカーリングに必要な他の特性および（ｂ）機器の使用前、使用中および使用後にマーカーリングが曝される状態等のファクタに従って選択されるはずである。マーカーリングがツールのシャフトに付けられ、永続的に残すように企画されている場合に、これらマーカーリングはツールが使用のために用意されたときに曝される状態、例えば上昇した温度および圧力に曝される状態に耐えることが求められることがある。特定の顔料（高分子材料を基剤とされることがある）は使用に適切であるとすることができる。例えば、顔料はエポキシ樹脂等の硬化性高分子材料内に含めることができる。様々なファクタは、１つの処置の目的のためのツールのシャフトにマーカーリングが付けられたときに適用可能である。例えば、マーカーリングは、高分子スリーブ上に、例えばインクによって与えられるマーキングとして設けることができる。スリーブの好適な構造は、透明な高分子材料から形成されるスリーブと、このスリーブの内表面に位置決めされた複数のコントラストバンド（明暗比または濃淡差のある帯）とを含めてもよい。

マーカーリングに使用された材料は、受信装置の種類に依存することになる。受信装置が可視光で観察できるカメラである場合には、マーカーリングは、これらが配置されたシャフトの表面とは見てわかるように対比されるべきである。受信装置が電磁スペクトルの可視領域内にないデータを受信する場合には、異なるマーカーリング材料が使用されている可能性がある。例えば、受信装置が赤外光または紫外光を受信する場合には、マーカーリングは赤外光源または紫外光源からの光をそれぞれ反射するはずである。

この発明の外科機器システムは、ツール上のマーカーリングからの立体映像信号を受信するために間隔をおいて配置された２つ（またはそれ以上）の受信装置、あるいはツールの位置、特に方向を正確に決定するための３つまたはそれ以上の受信装置を含むものである。適正な位置決め用の複数の受信装置を使用することで、隣接するマーカーリング間の観察間隔上の視差効果を特定することによってツールの方向を決定することが可能となる。また、２つの受信装置を使用することで、視線を遮るリスクを減らしてツールの位置および方向を監視することが可能となる。

受信装置の位置は、これらの装置を用いたツールの視線を遮らない状態で、ツールの動作範囲を最適化するために決定される。複数の受信装置の概括的な視線が互いに平行でないことが好ましく、これら視線間の角度は概ね１５０°以下、例えば約１２０°以下とされる。この角度は概ね約３０°以上、例えば約６０°以上とされる。適切に設定された角度は、ツールの方向および位置の三次元寸法を与えるのに役立てることができる。

マーカーリングは、シャフトの表面に付けられたスリーブ上のシャフト上に設けることができる。スリーブは、例えば、加熱または液体に曝される等の適切な処置に曝されたときに収縮可能な材料で形成することができる。その代わりとして、例えばシャフトの表面にコントラスト材料層を塗布することによって、あるいはシャフトの表面に彫ることによって、あるいはこれら２つの方法を組み合わせることによって、マーカーリングをシャフトの表面上に直接付けることができる。

受信装置を基準として規定される座標空間内にツールを登録することが一般に必要となる。登録プロセスは、（ａ）機器の種類を決定すること、および（ｂ）シャフト上のマーカーリングとツールの動作部分（例えば切削歯が位置決めされた端部）との空間的な関係を決定することのうち、いずれかの目的を有することができる。マーカーリングが永続的態様で設けられたツールと比べて、別個のスリーブ上のツールにマーカーリングが付けられた場合には、登録プロセスの特質は異なるものとなる。イメージガイド外科における登録プロセスの特質は、概ね確立されている。

ツールは、例えばドリルまたはリーマのような切削ツールとすることができる。ツールは、例えばポリッシャ等、他のタイプの仕上げ具がもつ他の機能を有することができる。

この発明の外科機器システムは、好ましくは、ツールに回転運動を伝えるドライブユニットを含むものである。例えば、ドライブユニットはドリルビット等のツールに回転運動を伝えるのに従来から使用される種類のものとすることができる。この発明は、ツールが上記の方法で使用された場合に、ツールの回転全体にわたって、ツールのシャフト上でマーカーリングが見えるという点で、特別の利点を有するものである。しかしながら、この発明は、ツールの方向に関係なくマーカーリングが観察可能であるので、ツールがそのシャフト回りに回転しない場合に関連した利点を有するものである。

シャフトの寸法はツールの種類およびその予定された用途に従って変わるはずである。シャフトは、しばしば円形断面を有するものである。シャフト径は約２５ｍｍ以下、例えば約２０ｍｍ以下とされ、あるいは約５ｍｍ以下、さらに約５ｍｍ以下とされる。シャフトの長さは、概ね、所望の位置にツールを使用できることと矛盾しない最小値に維持されることになる。しかしながら、いくつかの用途のためにシャフトを長くすることは正当に評価され、この発明によってもたらされる利点は特別に重要なものとなる。シャフト上の複数のマーカーリングは、好ましくは、ドライブユニットから離れたツールの端部に合理的に可能な限り近接して位置決めされることになる。

好適な実施の形態の詳細な記述

この発明の実施の形態は、添付されている図面を基準とする実施例として記述されることになる。

図面を参照すると、図１は、長尺軸を有する回転可能なドリルビット２を含む外科機器システムを示すものである。シャフトは、切削部分４と平滑面部分６とを有している。ドリルビット２は、外科適用可能レベルのステンレス鋼で形成されている。シャフト径は、図示した実施の形態では６ｍｍであるが、６ｍｍより大きく、あるいは６ｍｍより小さい寸法をドリルビット２が有したとしても、それは正当に評価されるはずである。

この外科機器システムは、ドリルビット２が嵌合するドライブユニット８を含むものであり、その嵌合によりドリルビット２がシャフトにより規定された軸回りに回転することになる。

シャフトの平滑面部分６は、その表面上に、第１のマーカーリング１０、第２のマーカーリング１１および第３のマーカーリング１２を有している。各マーカーリングは、４ｍｍ幅（シャフトの軸に沿って測定された場合）を有している。隣接するマーカーリングの隣接する縁部間の距離は３ｍｍとされ、これによりマーカーリングの中心―中心間の間隔は７ｍｍとされる。シャフトの表面上に設けられたマーカーリングは、適切な顔料を含むエポキシ材料等の硬化性高分子材料により設けられる。

この外科機器システムは、２つのカメラ１４を含むものであり、これらのカメラ１４は、ドライブユニット８および切削ツールを基準として位置決めされ、これにより切削ツールのシャフト上のマーカーリング１０、１１および１２が外科処置における切削ツールの使用中に見えることになる。顔料を用いることで、ドリルビット２の表面からの反射光がマーカーリングとこれらマーカーリング間のシャフト領域との間ではっきりしたコントラストが観察可能にすべきである。

この外科機器システムは、カメラ１４から受信した信号を分析できるデータプロセッサ１６を含むものである。信号は、各カメラ１４で観察されるように、隣接するマーカーリング対間、すなわち第１のマーカーリング１０と第２のマーカーリング１１との間および第２のマーカーリング１１と第３のマーカーリング１２との間の間隔を決定するために分析される。上記間隔を決定するステップは、ａ．上記マーカーリングの両縁部から等距離にある（上記シャフトの軸と平行な方向に延在する）線分に沿って概ね延在する上記シャフトの軸を位置決めするステップと、ｂ．上記マーカーリングの両縁部から等距離にある（上記シャフトの軸に対して直交する方向に延在する）線分に対して交差する各マーカーリングの中央線を位置決めするステップとを含む。ツールのシャフトがカメラと複数のマーカーリングとの間で延在する線分に正確に直交する方向に延在するように配置されている場合には、第１のマーカーリング１０と第２のマーカーリング１１との測定距離と第２のマーカーリング１１と第３のマーカーリング１２との測定距離は、等しくなるはずである。ツールのシャフトがカメラと複数のマーカーリングとの間で延在する線分に正確に直交しないように配置されている場合には、第１のマーカーリング１０と第２のマーカーリング１１との測定距離と第２のマーカーリング１１と第３のマーカーリング１２との測定距離は、異なるはずである。例えば、第３のマーカーリング１２が第１のマーカーリング１０よりカメラ１４から離れている場合には、第１のマーカーリング１０と第２のマーカーリング１１との測定距離は第２のマーカーリング１１と第３のマーカーリング１２との測定距離より大きくなるはずである。カメラ１４を基準としたツールの方向（シャフトの軸と、カメラ１４と複数のマーカーリングとの間で延在する線分との間の角度の点でみさすことができる）は、受信装置からの求められた見掛け距離の情報およびツールの登録から知られた実測距離から単純な三角法で決定することができる。

この発明による外科機器システムを示す模式図である。この発明による外科機器システム用の切削ツールの側面図である。

符号の説明

２ドリルビット（ツール）
４切削部分
６平滑面部分
８ドライブユニット
１０第１のマーカーリング
１１第２のマーカーリング
１２第３のマーカーリング
１４カメラ（受信装置）
１６データプロセッサ

Claims

ａ．ツールの軸を規定し、その軸の周囲に延在するように表面上に所定パターンで配置され、上記ツールを特定する複数のマーカーリングを有する長尺シャフトを含むツールと、ｂ．上記マーカーリングからの信号を受信する装置と、ｃ．上記マーカーリングからの信号を分析しかつ上記ツールの特定に関する情報を生成するデータプロセッサとを含む、外科機器システム。
上記マーカーリングは、このマーカーリングが配置されている上記シャフトの表面よりも反射性が高い、請求項１記載の外科機器システム。
少なくとも３つのマーカーリングが存在する、請求項１記載の外科機器システム。
第１のマーカーリングとこの第１のマーカーリングの近傍に位置する第２のマーカーリングとの距離は、上記第２のマーカーリングとこの第２のマーカーリングの近傍で上記第１のマーカーリングから離れた上記第２のマーカーリングの反対側に位置する第３のマーカーリングとの距離と同一である、請求項３記載の外科機器システム。
上記ツールに回転運動を伝えるドライブユニットを含む、請求項１記載の外科機器システム。
上記ツール上の上記マーカーリングからの立体映像信号を受信し間隔を置いて配置された２つの受信装置を含む、請求項１記載の外科機器システム。
各マーカーリングの軸方向に離れた両縁部によって規定された両平面は、互いに平行でありかつ上記シャフトの軸に対して直交するものである、請求項１記載の外科機器システム。
複数のマーカーリングは上記ツールの表面に嵌合されるスリーブ上に示されている、請求項１記載の外科機器システム。
上記ツールは切削ツールである、請求項１記載の外科機器システム。
上記データプロセッサは、ａ．上記マーカーリングの両縁部から等距離にある（上記シャフトの軸と平行な方向に延在する）線分に沿って概ね延在する上記シャフトの軸を位置決めするステップと、ｂ．上記マーカーリングの両縁部から等距離にある（上記シャフトの軸に対して直交する方向に延在する）線分に対して交差する各マーカーリングの中央線を位置決めするステップとを実行するように設定されている、請求項１記載の外科機器システム。
上記データプロセッサは、ａ．上記シャフトを一方の側から見たときに上記シャフト上に上記マーカーリングを表す概ね３つの矩形領域を特定するステップと、ｂ．上記ツールの軸と平行に調整された上記各矩形領域の中央を表す上記各矩形領域の線分の位置決めを決定するステップと、ｃ．隣接する上記矩形領域の線分間の角度を決定するステップとを実行するように設定されている、請求項１記載の外科機器システム。