JP2015528713A - 手術ロボットプラットフォーム - Google Patents

Abstract

制御されて移動し位置決めされるように構成された、エフェクタ要素に結合されたロボットを含む医療ロボットシステム。システムは、１つまたは複数の信号を発するように構成された送信器を含むことができ、送信器は、エフェクタ要素に結合された器具に結合される。システムは、ロボットに結合されたモータアセンブリと送信器によって発せられる１つまたは複数の信号を受信するように構成された複数の受信器とをさらに含むことができる。制御ユニットが、モータアセンブリおよび複数の受信器に結合され、制御ユニットは、１つまたは複数の命令信号をモータアセンブリに供給するように構成される。命令信号を、モータアセンブリがエフェクタ要素を選択的に移動させるように構成することができ、命令信号はさらに（ｉ）複数の受信器によって受信される信号の分析により少なくとも１つの送信器の位置を計算し、（ｉｉ）患者の身体に対する少なくとも１つの送信器の位置を表示し、（ｉｉｉ）複数の受信器によって受信される信号に応じてモータアセンブリの作動を選択的に制御するように構成される。

Description

関連出願
本出願は、米国特許法第１１９条に基づいて、２０１２年６月２１日に出願された米国仮特許出願第６１／６６２，７０２号明細書および２０１３年３月１５日に出願された米国仮特許出願第６１／８００，５２７号明細書に対する優先権を主張し、それらは、全体として参照により本明細書に組み込まれる。

さまざまな医療処置において、最適化された治療を行うために体内における外科用器具の３次元位置を正確に特定することが必要である。たとえば、椎骨を固定する外科処置によっては、外科医が所定位置で骨構造に複数の穴をあける必要がある場合がある。固定システムにおいて高度な機械的完全性を達成するために、かつ骨構造で発生する力を平衡させるために、穴は正確な位置にあける必要がある。椎骨は、大部分の骨構造と同様に、非平面の湾曲面から構成された複雑な形状を有しており、それにより精密かつ垂直な穴あけが困難となる。従来、外科医は、手動により、ドリルガイドチューブを保持し、誘導システムを用いてドリルチューブの位置を骨構造の３次元画像の上に重ね合せることにより、ドリルガイドチューブを位置決めする。この手動プロセスは、煩わしく、時間がかかる。外科手術の成功は、それを行う外科医の器用さに大きく依存する。

外科処置用の限定されたロボット支援が、目下利用可能である。たとえば、ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）医療ロボットシステム（ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）は、Ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ Ｓｕｒｇｉｃａｌの登録商標である）は、いくつかの外科手術用途で使用されるロボットである。ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）システムでは、ユーザが、ロボットアクチュエータを制御するマニピュレータを制御する。このシステムは、外科医のすべての動きをロボットアクチュエータの微小移動に変換する。ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）システムは、手の震えをなくし、ユーザが小さい開口部を通して作業を行うことができるようにするが、今日市販されているロボットの多くのように、高価であり、邪魔になり、設定が煩雑である。さらに、胸腰椎弓根スクリュー挿入等の処置の場合、これらの従来の方法は、誤りが起こりやすくかつ煩わしいものであることが知られている。

外科手術用途で用いられる、外科手術を誤りが起こりやすくする現行のロボットの多くの特徴のうちの１つは、それらが一続きの回転関節に基づく関節アームを使用する、ということである。関節システムの使用により、その関節システムにおける各関節にわたってあらゆる誤りのレベルが増大するため、正確に標的にされた位置に到達するのが困難になる可能性がある。

本発明のいくつかの実施形態は、外科用器具の移動がｘ軸、ｙ軸およびｚ軸において個々に制御されるのを可能にするデカルト測位座標系を利用する手術ロボット（および任意選択的に撮像システム）を提供する。いくつかの実施形態では、手術ロボットは、基部と、基部に結合されかつ基部に対して関節接合されるように構成されたロボットアームとともに、ロボットアームの遠位端（先端部）に結合されたエンドエフェクタ（ｅｎｄ−ｅｆｆｅｃｔｕａｔｏｒ）を含むことができる。エフェクタ要素は、外科用器具を含むことができ、または外科用器具に動作可能に結合されるように構成され得る。本発明の幾つかの実施形態は、エンドエフェクタおよび／または外科用器具のロール回転、ピッチ回転およびヨー回転が、ｘ軸、ｙ軸またはｚ軸に沿った移動をもたらすことなく制御されるのを可能にする。

いくつかの実施形態では、エンドエフェクタは、ガイドチューブ、器具、および／または前縁が傾斜している貫通シャフト（角度を付けて斜めに切断されたシャフト）かまたは傾斜していない貫通シャフト（尖った先端で終端するシャフト）を含むことができる。いくつかの実施形態では、傾斜していないエンドエフェクタ要素を採用して、典型的な傾斜組織切断システムによってもたらされる機械的力およびたわみを回避しながら、組織を通る経路を切除して標的位置に達することができる。

手術ロボットのいくつかの実施形態は、３つのリニアモータを備えるモータアセンブリを含むことができ、それらリニアモータは、それぞれのｘ軸、ｙ軸およびｚ軸におけるエフェクタ要素および／または外科用器具の移動を別個に制御する。これらの別個のモータは、従来の手術ロボットが提供しない精度を提供することができ、それにより、外科医が、３次元画像において位置および突当り（ｓｔｒｉｋｅ）角度をより正確に求めることができるようにする。

いくつかの実施形態では、エフェクタ要素および／または外科用器具に少なくとも１つのＲＦ送信器を取り付けることができる。手術ロボットの周辺に３つ以上のＲＦ受信器を取り付けることができる。ＲＦ送信器、したがって外科用器具の位置を、ＲＦ送信器から発せられるＲＦ信号を分析することによって正確に求めることができる。たとえば、送信器から既知の位置に配置されたＲＦ受信器までのＲＦ信号の飛行時間（ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）を測定することにより、患者に対するエンドエフェクタ要素の位置を求めることができる。いくつかの実施形態では、医師または外科医は、背痛を緩和する患者の体内へのステロイドの硬膜外注射を、目下Ｘ線透視技法で必要とされるようなＸ線を使用することなく行うことができる。

本発明のいくつかの実施形態は、ＲＦフィードバックを用いて、手術ロボットの移動を能動的に制御する。たとえば、ＲＦ信号を、ＲＦ送信器から反復的に送信し、その後、反復プロセスで分析して、手術ロボットがエフェクタ要素および／または外科用器具を患者の体内の所望の位置に自動的に移動させることができるようにすることができる。エフェクタ要素および／または外科用器具の位置を、動的に更新することができ、任意選択的にユーザにリアルタイムに表示することができる。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＲＦ送信器を、手術ロボットの他の要素に、または、他のデバイスを追跡するために、侵襲的処置が行われている部屋の内部のいずれかの場所に配置することができる。

本発明のいくつかの実施形態は、侵襲的処置の標的である患者の解剖学的部分に１つまたは複数のＲＦ送信器を配置する。このシステムを用いて、解剖学的標的が処置中に移動した場合に手術ロボットの移動を補正することができる。

いくつかの実施形態では、システムを、エンドエフェクタおよび／または外科用器具を、たとえば椎弓根スクリュー挿入処置中の椎弓根スクリューの選択された軌道等、必要な軌道と正確に位置合せして自動的に位置決めし堅く保持するように構成することができる。患者が動いた場合、システムを、解剖学的関心領域に対する所望の位置合せを維持するようにロボットの位置を自動的に調整するように構成することができる。

手術ロボットを用いることによって医療処置が行われている部屋の部分斜視図であり、手術ロボットの移動は、患者の体内から発せられかつ部屋の中に取り付けられたＲＦ受信器によって受信されるＲＦ信号の分析によって制御される。 本発明の実施形態による手術ロボットの斜視図である。 図２に示す手術ロボットの斜視図であり、本発明の実施形態による手術ロボットの基部のｚ軸方向における移動を示す。 図２に示す手術ロボットの斜視図であり、本発明の実施形態による手術ロボットの基部のｚ軸方向における移動を示す。 ロボットアームをｘ軸方向においていかに移動させることができるかを示す、図２の手術ロボットの部分斜視図である。 ロボットアームをｙ軸方向においていかに移動させることができるかを示す、図２の手術ロボットの部分斜視図である。 ロボットアームをｙ軸方向においていかに移動させることができるかを示す、図２の手術ロボットの部分斜視図である。 エフェクタ要素を、ｙ軸を中心にいかにねじることができるかを示す、図２のロボットアームの一部の斜視図である。 エフェクタ要素を、ｙ軸に対して垂直な枢動軸を中心にいかに枢動させることができるかを示す、図２のロボットアームの一部の斜視図である。 外科用器具３５のエフェクタ要素からｚ軸に沿った移動を示す、図２の手術ロボットの部分斜視図である。 外科用器具３５のエフェクタ要素からｚ軸に沿った移動を示す、図２の手術ロボットの部分斜視図である。 本発明の実施形態による、屋内測位センサ、制御ＰＣおよび無線周波数（ＲＦ）送信器を示すシステム図である。 本発明の実施形態による、制御ＰＣ、ユーザ入力部、およびロボットを制御するモータのシステム図である。 本発明の一実施形態による手術ロボットの全体的な動作のフローチャート図である。 本発明の一実施形態による、手術ロボットを用いて行われるクローズドスクリュー（ｃｌｏｓｅｄ ｓｃｒｅｗ）／針挿入のフローチャート図である。 本発明の一実施形態による、本明細書に記載するような手術ロボットを用いて行われるセーフゾーン手術のフローチャート図である。 本発明の一実施形態による、本明細書に記載するような手術ロボットを用いて行われる可撓性カテーテル挿入処置のフローチャート図である。 本発明の一実施形態による、Ｘ像、Ｙ像およびＺ像での解剖学的構造の設定を示すモニタディスプレイのスクリーンショットを示す。 本発明の一実施形態による、侵襲的処置の間にユーザが見るものを示すモニタディスプレイのスクリーンショットを示す。 本発明の一実施形態による、ｘ方向の移動を追跡するために取り付けられた複数の光学マーカを有する手術ロボットを示す。 本発明の一実施形態による止め機構を有する外科用器具を示す。 本発明の一実施形態による止め機構を有する外科用器具を示す。 本発明の一実施形態による、ドリルビットマーキングに対してドリルストッパを手動で調整する器具を示す。 本発明の一実施形態による、ドリルビットマーキングに対してドリルストッパを手動で調整する器具を示す。 本発明の一実施形態による、ドリルビットマーキングに対してドリルストッパを手動で調整する器具を示す。 本発明の一実施形態による、ドリルビットを設定位置で係止し保持する器具を示す。 本発明の一実施形態による、ドリルビットを設定位置で係止し保持する器具を示す。 本発明の一実施形態による、ドリルビットを設定位置で係止し保持する器具を示す。 本発明の一実施形態による、ドリルビットを設定位置で係止し保持する器具を示す。 本発明の一実施形態による、ドリルビットを設定位置で係止し保持する器具を示す。 本発明の一実施形態による、クリアランス機構を有するエンドエフェクタを示す。 本発明の一実施形態による牽引（ｄｉｓｔｒａｃｔｉｏｎ）力および／または圧迫（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）力をかける取付要素を有するエンドエフェクタを示す。 本発明の一実施形態による牽引（ｄｉｓｔｒａｃｔｉｏｎ）力および／または圧迫（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）力をかける取付要素を有するエンドエフェクタを示す。 本発明の一実施形態による誘導システムとともに校正フレームの使用を示す。 本発明の一実施形態による誘導システムとともに校正フレームの使用を示す。 本発明の一実施形態による誘導システムとともに校正フレームの使用を示す。 本発明の一実施形態による誘導システムとともに校正フレームの使用を示す。 本発明の一実施形態による誘導システムとともに校正フレームの使用を示す。 本発明の一実施形態による標的固定具の可撓性ロール構成を示す。 本発明の一実施形態による、空間内の線に沿ったマーカのあり得る位置を示す。 本発明の一実施形態による固定具を示し、固定具は、広げられた後にその位置を維持するように広げられた固定具に所望の剛性を与えるように使用することができる。 本発明の一実施形態による、患者の頭蓋に適用するように構成された標的固定具および方法を示す。 本発明の一実施形態による、患者の腰椎の棘突起に取り付けられた動的追跡（ｔｒａｃｋｉｎｇ）デバイスを示す。 本発明の一実施形態による方法を示す。 本発明の一実施形態による方法を示す。 本発明の一実施形態による方法を示す。 本発明の一実施形態による方法を示す。 本発明の一実施形態による方法を示す。 本発明の一実施形態による方法を示す。 本発明の一実施形態による方法を示す。 本発明の一実施形態による方法を示す。 本発明の一実施形態による方法を示す。 本発明の一実施形態による方法を示す。 本発明のさまざまな実施形態の実施態様を可能にするコンピューティングプラットフォームを示す。 本発明の一実施形態による手術ロボットを示す。 本発明の一実施形態による手術ロボットを示す。 本明細書に記載する１つまたは複数の実施形態による監視マーカを有する手術ロボットシステムを示す。 本発明の一実施形態による、３つの取り付けられたマーカのアレイを用いて剛体上の視覚的点を追跡する方法の例を示す。 図３７に示す方法から受け取られた画像に基づいて、３つのマーカに対して関心点の位置をモニタリングする手順を示す。 本発明の一実施形態による、３つの取り付けられたマーカのアレイに基づく追跡方法の例を示す。 本発明の一実施形態による、３つの取り付けられたマーカのアレイに基づく追跡方法の例を示す。 本発明の一実施形態による、３つの取り付けられたマーカのアレイに基づく追跡方法の例を示す。 本発明の一実施形態による、３つの取り付けられたマーカのアレイに基づく追跡方法の例を示す。 本発明の一実施形態による、３つの取り付けられたマーカのアレイに基づく追跡方法の例を示す。 本発明の一実施形態による、３つの取り付けられたマーカのアレイに基づく追跡方法の例を示す。 本発明の一実施形態による、Ｙ軸を中心とする回転の２次元表現の例を示す。 本発明の一実施形態による、Ｘ軸を中心とする回転の２次元表現の代替表現を示す。 本発明の一実施形態による、Ｙ軸を中心とする回転の２次元表現の代替表現を示す。 本発明の一実施形態による、Ｚ軸を中心とする回転の２次元表現の代替表現を示す。 データのフレーム内のノイズの描写を提供する。 格納された関心点とともに、図４２に示すようなデータのフレーム内のノイズの描写を示す。 本発明の一実施形態による、基準座標系を確立しおよびマーカを変換するために最小二乗フィッティングアルゴリズムを適用した結果の描写を示す。 ノイズを含む、図４４に示すような基準座標系を確立しおよびマーカを変換するために最小二乗フィッティングアルゴリズムを適用した結果の描写を示す。 本発明の一実施形態による基準座標系マーカに対する誤差計算の描写を示す。 剛体の３次元移動を追跡する方法のグラフィカル表現を示す。 本発明の一実施形態による、外科用器具をエンドエフェクタに取り外し可能に結合するバヨネットマウントを示す斜視図を示す。 本発明の一実施形態による標的固定具の例示を示す。 本発明の一実施形態による標的固定具の例示を示す。 本発明の一実施形態による標的固定具の例示を示す。 本発明の一実施形態による標的固定具の例示を示す。 本発明の一実施形態による標的固定具の例示を示す。 本発明の一実施形態による標的固定具の例示を示す。 本発明の一実施形態による、マーカが付された脊椎の一部の例示例を示す。 本発明の一実施形態による、マーカのある２つの独立したトラッカが付された脊椎の一部のさまざまな例示を示す。 本発明の一実施形態による、マーカのある２つの独立したトラッカが付された脊椎の一部のさまざまな例示を示す。 本発明の一実施形態による、マーカのある２つの独立したトラッカが付された脊椎の一部のさまざまな例示を示す。 本発明の一実施形態による、トラッカの位置に基づく脊椎の一部の表示の表現を示す。 本発明の一実施形態による、トラッカの位置に基づく脊椎の一部の表示の表現を示す。 本発明の一実施形態によるセグメント化されたＣＴスキャンの画像を表す。 本発明の一実施形態によるセグメント化されたＣＴスキャンの画像を表す。 本発明の一実施形態による、Ｘ線透視像で使用される固定具の例を示す。 本発明の一実施形態による、位置がずれたＸ線透視（Ｘ線）装置による脊椎の前後Ｘ線および側面Ｘ線における予測される画像を示す。 本発明の一実施形態による、位置がずれたＸ線透視（Ｘ線）装置による脊椎の前後Ｘ線および側面Ｘ線における予測される画像を示す。 本発明の一実施形態による、十分に位置合せされたＸ線透視（Ｘ線）装置による脊椎の前後Ｘ線および側面Ｘ線における予測される画像を示す。 本発明の一実施形態による、十分に位置合せされたＸ線透視（Ｘ線）装置による脊椎の前後Ｘ線および側面Ｘ線における予測される画像を示す。 本発明の一実施形態による、ロボットエンドエフェクタの計画された軌道および実際の現位置を示す、上に重ねられたコンピュータ生成グラフィカル画像を含む、十分に位置合せされたＸ線透視（Ｘ線）装置による脊椎の前後Ｘ線および側面Ｘ線における予測された画像を示す。 本発明の一実施形態による、ロボットエンドエフェクタの計画された軌道および実際の現位置を示す、上に重ねられたコンピュータ生成グラフィカル画像を含む、十分に位置合せされたＸ線透視（Ｘ線）装置による脊椎の前後Ｘ線および側面Ｘ線における予測された画像を示す。 本発明の一実施形態による、方向性に関する曖昧さを除去するように設計された標的固定具上の特徴を示す、十分に位置合せされたＸ線透視（Ｘ線）装置による脊椎の前後Ｘ線および側面Ｘ線における予測された画像を示す。 本発明の一実施形態による、側面Ｘ線および前後Ｘ線に基づいて脊椎の下絵のような（ｃａｒｔｏｏｎｉｓｈ）軸方向近似をいかに構成することができるかを示す、脊椎の軸位像を示す。 本発明の一実施形態による、標的固定具の例を示し、標的固定具は、Ｘ線画像平面に対する標的固定具の所望の位置合せを容易にする。 本発明の一実施形態による、標的固定具の例を示し、標的固定具は、Ｘ線画像平面に対する標的固定具の所望の位置合せを容易にする。 本発明の一実施形態による、視差が存在する場合の、十分に位置合せされたＸ線透視（Ｘ線）装置による脊椎の前後Ｘ線および側面Ｘ線における予測された画像を示す。 本発明の一実施形態による、視差が存在する場合の、十分に位置合せされたＸ線透視（Ｘ線）装置による脊椎の前後Ｘ線および側面Ｘ線における予測された画像を示す。 本発明の一実施形態による、同一に位置合せされた放射線不透過性マーカを含む２つの平行なプレートを示す。 本発明の一実施形態による、図５９Ａに示すような２つの平行なプレートを用いて、マーカオーバレイが視差によりいかに影響を受けるかを論証した結果としての予測されたＸ線を示す。 本発明の一実施形態による、同じ幾何学形状を有する２つのプレート上の放射線不透過性マーカの上にグラフィカルマーカが重ね合わされた、視差によって影響を受けるＸ線画像を含むコンピュータ画面の描画の表現を示す。 本発明の一実施形態による、像を得るためにユーザがＸ線装置を物理的に整列させるのに役立つように意図されたＸ線画像画面用のグラフィカルオーバレイを示し、視差が像を複雑にする場合に、図５９Ａに示す２つの校正プレートのマーカ。 本発明の少なくとも１つの実施形態による方法を示す。 本発明の少なくとも１つの実施形態による、締付部品を備えた変更されたマウントを含むエンドエフェクタのさまざまな実施形態を示す。 本発明の少なくとも１つの実施形態による、締付部品を備えた変更されたマウントを含むエンドエフェクタのさまざまな実施形態を示す。 本発明の少なくとも１つの実施形態による、締付部品を備えた変更されたマウントを含むエンドエフェクタのさまざまな実施形態を示す。 本発明のいくつかの実施形態による棘突起上の締付部品の作動の実施形態を示す。 本発明のいくつかの実施形態による棘突起上の締付部品の作動の実施形態を示す。 本発明の少なくとも１つの実施形態による、一時的マーカスカートを含む標的固定具によって変更された締付部品を示す。 本発明の一実施形態による、アクティブマーカおよび放射線不透過性マーカに対する１つのあり得る構成を含む、変更されたＭａｙｆｉｅｌｄフレーム６７００を示す。 本発明の少なくとも１つの実施形態による入れ子になった拡張器を含むエンドエフェクタ３０を示す。 本発明の少なくとも１つの実施形態による、円筒状拡張チューブを含むエンドエフェクタのさまざまな実施形態を示す。 本発明の少なくとも１つの実施形態による方法を示す。 本発明の少なくとも１つの実施形態による、湾曲したまたは直線状のワイヤまたは器具と使用される湾曲ガイドチューブに結合されたロボットエンドエフェクタを示す。 本発明の少なくとも１つの実施形態による湾曲したまたは直線状のワイヤまたは器具と使用される直線状ガイドチューブに結合されたロボットエンドエフェクタを示す。 本発明の少なくとも１つの実施形態によるガイドチューブを示す。 本発明の少なくとも１つの実施形態による操縦可能かつ追跡可能な針を示す。 本発明の少なくとも１つの実施形態による骨スクリューを交差させ噛み合せる一実施形態を示す。 スナップ取付式ポストを用いてエンドエフェクタに結合された標的固定具を含む、患者のベッドの横に配置されるロボットの構成を示す。 スナップ取付式ポストを用いてエンドエフェクタに結合された標的固定具を含む、患者のベッドの横に配置されるロボットの構成を示す。 本発明の一実施形態による、校正および追跡移動のために取り付けられた複数の光学マーカを有する手術ロボットを示す。 本発明の一実施形態によるＣＴスキャンおよび方法を示す。 本発明の一実施形態による生検器具を示す。 本発明の一実施形態によるロボットシステムによって行われる脳深部刺激電極配置方法を示す。 本発明の一実施形態による、手術野に投影された光を含む視覚的インジケータを含む手術ロボットシステムの部分図を示す。 本発明の一実施形態による、カメラアームを含むロボットシステムの斜視図を示す。 本発明の一実施形態による、格納位置にあるカメラアームを含むロボットシステムの正面側斜視図を示す。 本発明の一実施形態による、格納位置にあるカメラアームを含むロボットシステムの背面側斜視図を示す。 前立腺、直腸、膀胱および恥骨の通常の相対位置を示す、仰臥位で横たわっている患者の側面図を示す。 本発明の一実施形態による、バルーンの膨張が、恥骨に向かう前立腺の前方変位と、恥骨に対する制御可能な量の圧迫とをいかにしてもたらすことができるかを示す、仰臥位で横たわっている患者の側面図を示す。 本発明の一実施形態による、画像誘導手術処置中に前立腺を追跡するために使用される標的固定具および固定（ｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ）デバイスの概略図を示す。 本発明の一実施形態による、直腸内の適所にある、図８５に示すようなデバイスの例示を示し、前立腺は圧迫されかつ固定され、追跡マーカは直腸まで尾側に突出して見える。 本発明の一実施形態による、可撓性光ファイバケーブルを用いるファイバブラッググレーティング（ｆｉｂｒｅ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ）（「ＦＢＧ」）インタロゲーション（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ）技術の実証を示す。 本発明の一実施形態による、患者の皮膚の表面に取り付けられ、かつ前立腺の正確な追跡を可能にするように光ファイバプローブに堅く相互接続されたトラッカを示す。 本発明の一実施形態による、光学的可視マーキングおよびＭＲＩ可視マーキングを含む、図８８に示すような光ファイバプローブを示す。 本発明の一実施形態による、画像誘導治療に対して前立腺の正確な追跡を可能にする、光ファイバプローブ追跡システムのさまざまな実施形態のうちの１つを示す。 本発明の一実施形態による、画像誘導治療に対して前立腺の正確な追跡を可能にする、光ファイバプローブ追跡システムのさまざまな実施形態のうちの１つを示す。 本発明の一実施形態による、画像誘導治療に対して前立腺の正確な追跡を可能にする、光ファイバプローブ追跡システムのさまざまな実施形態のうちの１つを示す。 本発明の一実施形態による、画像誘導治療に対して前立腺の正確な追跡を可能にする、光ファイバプローブ追跡システムのさまざまな実施形態のうちの１つを示す。 神経検知プローブの一実施形態を示す。

本発明のいかなる実施形態も詳細に説明する前に、本発明は、以下の説明に示すかまたは以下の図面に例示する構成要素の構成および配置の詳細に対してその適用が限定されないことが理解されるべきである。本発明は、他の実施形態が可能であり、さまざまな方法で実施されるかまたは実行されることが可能である。また、本明細書で用いる用語および専門用語は、説明の目的のものであり、限定するものとしてみなされるべきではないことが理解されるべきである。本明細書における「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」およびその変形の使用は、その後に列挙される項目およびその等価物とともに追加の項目を包含するように意図されている。特に指定または限定されない限り、「取り付けられ（ｍｏｕｎｔｅｄ）」、「接続され（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「支持され（ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ）」および「結合され（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語およびその変形は、広く用いられており、直接的および間接的両方の取付、接続、支持および結合を包含する。さらに、「接続され」および「結合され」は、物理的または機械的な接続または結合に限定されない。

以下の考察は、当業者が本発明の実施形態を作製し使用するのを可能にするように提示されている。例示する実施形態に対するさまざまな変形は、当業者には容易に明らかになり、本明細書における包括的な原理を、本発明の実施形態から逸脱することなく他の実施形態および用途に適用することができる。したがって、本発明の実施形態は、図示する実施形態に限定されるようには意図されておらず、本明細書に開示する原理および特徴に一貫する最も広い範囲が与えられるべきである。以下の詳細な説明は、図を参照して読まれるべきであり、異なる図における同様の要素は同様の参照数字を有している。必ずしも正確な縮尺ではない図は、選択された実施形態を示し、本発明の実施形態の範囲を限定するようには意図されていない。当業者は、本明細書に提供する例が、多くの有用な代替形態を有し、本発明の実施形態の範囲内にあることを理解するであろう。

本発明を、以下の詳細な説明、例、図面および特許請求の範囲ならびにそれらの先の説明および以下の説明を参照してより容易に理解することができる。しかしながら、本デバイス、システムおよび／または方法を開示し説明する前に、本発明は、特に指定しない限り、開示する具体的なデバイス、システムおよび／または方法に限定されず、したがって、当然ながら変更が可能であることが理解されるべきである。本明細書で用いる専門用語は、単に特定の態様を説明する目的のものであり、限定するように意図されていないこともまた理解されるべきである。

以下の説明は、本発明のその最良の現時点で既知の実施形態での可能な教示として提供される。この目的で、当業者は、依然として本発明の有益な結果を得ながら、本明細書に記載する発明のさまざまな態様に対して多くの変更を行うことができることを理解し認識するであろう。本発明の所望の利益のうちのいくつかを、本発明の特徴のうちのいくつかを他の特徴を利用することなく選択することによって得ることができることも明らかとなろう。したがって、当業者は、本発明に対する多くの変更および適合が可能であり、状況によってはさらには望ましい場合もあり、本発明の一部であることを理解するであろう。したがって、以下の説明は、本発明の原理を限定するのではなく例示するものとして提供される。

全体を通して用いる単数形「１つの（ａ、ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈に特に明確に示されていない限り、複数の指示対象を含む。したがって、たとえば、「送達導管」と言う場合、それは、文脈に特に示されていない限り、２つ以上のこうした送達導管を含むことができる。

本明細書で用いる「任意選択的な」または「任意選択的に」という用語は、その後に記載する事象または状況が発生する場合もあれば発生しない場合もあることと、その記載が、前記事象または状況が発生する場合と発生しない場合とを含むことを意味する。

いくつかの実施形態において、開示するデバイスおよびシステムは、米国特許出願公開第２００７／０２３８９８５号明細書、同第２００８／０１５４３８９号明細書および同第２００８／０２１５１８１号明細書に記載されているデバイスおよびシステムの要素を含むことができ、それらの開示内容は、全体として参照により本明細書に組み込まれる。

本明細書および添付図面において使用する「ユニット」、「コンポーネント」、「インタフェース」、「システム」、「プラットフォーム」等の用語は、コンピュータ関連エンティティ、または１つあるいは複数の具体的な機能を備えた動作可能な装置に関連するエンティティを含むように意図されており、コンピュータ関連エンティティまたは動作可能な装置に関連するエンティティは、ハードウェア、ハードウェアおよびソフトウェアの組合せ、ソフトウェア、または実行中のソフトウェアのいずれかであり得る。こうしたエンティティのうちの１つまたは複数を、「機能要素」とも呼ぶ。例として、ユニットは、限定されないが、プロセッサで実行しているプロセス、プロセッサ、オブジェクト、実行可能コンピュータプログラム、実行のスレッド、プログラム、メモリ（たとえばハードディスクドライブ）および／またはコンピュータであり得る。別の例として、ユニットを、プロセッサが実行するソフトウェアアプリケーションまたはファームウェアアプリケーションによって動作する電気回路または電子回路によって動作する機械部品によって提供される具体的な機能を備えた装置とすることができ、そこでは、プロセッサを装置の内部または外部とすることができ、プロセッサは、ソフトウェアアプリケーションまたはファームウェアアプリケーションの少なくとも一部を実行する。さらにまたは別法として、ユニットは、ハードウェア要素の物理的構造または具体的な配置に基づく具体的な機能を提供することができる。さらに別の例として、ユニットを、機械部品なしに電子機能素子を通して具体的な機能を提供する装置とすることができ、電子機能素子は、電子機能素子の機能を少なくとも部分的に提供するソフトウェアまたはファームウェアを実行するプロセッサを内部に含むことができる。こうした装置の例示は、プログラマブルロジックコントローラ等の制御回路であり得る。上述した例および関連する例示は、単にいくつかの例であり、限定するようには意図されていない。さらに、こうした例示をユニットに対して提示しているが、上述した例は、コンポーネント、システム、プラットフォーム等にも適用される。いくつかの実施形態では、またはいくつかの態様あるいはその特徴に関して、「ユニット」、「コンポーネント」、「システム」、「インタフェース」、「プラットフォーム」という用語を、同義で利用することができることに留意されたい。

本明細書の説明および特許請求の範囲を通して、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という語および「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」等のその語の変形は、「含むが限定されない」を意味し、たとえば他の付加物、構成要素、完全体またはステップを排除するようには意図されていない。

ここで図１および図３５Ａを参照すると、いくつかの実施形態は、医療処置が行われている部屋１０内に開示された手術ロボットシステム１を含む。いくつかの実施形態では、手術ロボットシステム１は、手術ロボット１５と１つまたは複数の測位センサ１２とを備えることができる。この態様では、手術ロボット１５は、（たとえば、図１０に示すディスプレイ１５０を含む）表示手段２９およびハウジング２７を備えることができる。いくつかの実施形態では、ディスプレイ１５０を手術ロボット１５に取り付けることができ、他の実施形態では、表示手段２９を、手術室１０内でまたは遠隔地で、手術ロボット１５から取り外すことができる。いくつかの実施形態では、ハウジング２７は、ロボットアーム２３と、少なくとも１つのモータ１６０によって制御される、ロボットアーム２３に結合されたエンドエフェクタ３０とを備えることができる。たとえば、いくつかの実施形態では、手術ロボットシステム１は、（図１０では１６０として表す）少なくとも１つのモータを備えるモータアセンブリ１５５を含むことができる。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０は、外科用器具３５を備えることができる。他の実施形態では、エンドエフェクタ３０を外科用器具３５に結合することができる。本明細書で用いる「エンドエフェクタ」という用語は、「エンドエフェクタ」、「エフェクタ要素」および「エフェクタ要素」という用語と同義で用いられている。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０は、外科用器具３５の移動を所望の方法でもたらすあらゆる既知の構造を備えることができる。

いくつかの実施形態では、侵襲的処置を行う前に、患者１８の所望の手術部位の３次元（「３Ｄ」）画像スキャンを取得し、本明細書に記載するような手術ロボット１５と通信するコンピュータプラットフォームに送信することができる（たとえば、図３４に示すコンピューティングデバイス３４０１を含むプラットフォーム３４００を参照）。いくつかの実施形態では、医師は、その後、外科用器具３５が患者１８の体内または体表の所望の解剖学的標的に達するように所望の挿入点および軌道をプログラムすることができる。いくつかの実施形態では、所望の挿入点および軌道を３Ｄ画像スキャンで計画することができ、それを、いくつかの実施形態では、表示手段２９に表示することができる。いくつかの実施形態では、医師は、患者１８のコンピュータ断層撮影スキャン（以下、「ＣＴスキャン」と呼ぶ）で軌道および所望の挿入点（ある場合）を計画することができる。いくつかの実施形態では、ＣＴスキャンは、当技術分野において既知であるように、アイソセントリックＣ−アーム型スキャン、Ｏアーム型スキャンまたは術中ＣＴスキャンであり得る。しかしながら、いくつかの実施形態では、本明細書に記載する本発明の実施形態に従って、あらゆる既知の３Ｄ画像スキャンを用いることができる。

いくつかの実施形態では、手術ロボットシステム１は、外科用器具３５の位置を追跡する屋内測位システム（ｌｏｃａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）（「ＬＰＳ」）サブアセンブリを備えることができる。ＬＰＳサブアセンブリは、エンドエフェクタ３０または外科用器具３５の所望の位置に結合されるかまたは取り付けられる少なくとも１つの無線周波数（ＲＦ）送信器１２０を備えることができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＲＦ送信器１２０は、たとえば少なくとも３つのＲＦ送信器１２０等、複数の送信器１２０を含むことができる。別の実施形態では、ＬＰＳサブアセンブリは、少なくとも１つのＲＦ送信器１２０によって生成された１つまたは複数のＲＦ信号を受信するように構成された少なくとも１つのＲＦ受信器１１０を備えることができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＲＦ受信器１１０は、たとえば少なくとも３つのＲＦ受信器１１０等、複数のＲＦ受信器１１０を含むことができる。これらの実施形態では、ＲＦ受信器１１０を、医療処置が行われる部屋１０内の既知の位置に配置することができる。いくつかの実施形態では、ＲＦ受信器１１０を、部屋１０の床に対して平行な平面内で同一平面状でないように、部屋１０内の既知の位置に配置することができる。

いくつかの実施形態では、使用中、少なくとも１つのＲＦ送信器１２０の各ＲＦ送信器１２０から少なくとも１つのＲＦ受信器１１０（たとえば、１つのＲＦ受信器、２つのＲＦ受信器、３つのＲＦ受信器等）の各ＲＦ受信器１１０へのＲＦ信号の飛行時間を測定して、各ＲＦ送信器１２０の位置を計算することができる。ＲＦ信号の速度が既知であるため、飛行時間の測定により、各ＲＦ送信器１２０に対する（各ＲＦ受信器１１０に対して１つの）少なくとも３つの距離測定値がもたらされる。

いくつかの実施形態では、手術ロボットシステム１は、制御デバイス（たとえば、プロセッサとプロセッサに結合されたメモリとを有するコンピュータ１００）を備えることができる。いくつかの実施形態では、制御デバイス１００のプロセッサを、本明細書に記載するように飛行時間の計算を実行するように構成することができる。さらに、いくつかの実施形態では、侵襲的処置を行うかまたは行うのに役立つように利用される外科用器具３５またはエンドエフェクタ３０の動作端部に対する、少なくとも１つのＲＦ送信器１２０の位置の幾何学的記述を提供するように構成することができる。いくつかのさらなる実施形態では、ＲＦ送信器１２０の位置とともに、外科用器具３５またはエフェクタ要素３０の寸法特性を、モニタ（たとえば、図１０に示すディスプレイ１５０等の表示手段２９）に表示することができる。一実施形態では、エンドエフェクタ３０は、たとえば、脊椎手術の実施を容易にするように患者１８の脊椎に対して所望の位置に配置される、管状要素（たとえばガイドチューブ５０）であり得る。いくつかの実施形態では、ガイドチューブ５０を、対応するロボットモータ１６０によって画定されたｚ軸７０と位置合せすることができ、またはたとえば、ｚ軸７０に対して選択された角度で配置することができる。いずれの場合も、制御デバイス（すなわちコンピュータ１００）のプロセッサを、管状要素の向きおよびＲＦ送信器１２０の位置を考慮するように構成することができる。本明細書においてさらに記載するように、いくつかの実施形態では、制御デバイス（たとえばコンピュータ１００）のメモリは、本明細書に示す外科手術方法ステップの多くを行うために必要な計算および／または分析を実行するソフトウェアを格納することができる。

開示する手術ロボットシステム１の別の実施形態は、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸（図３５Ｂにおける６６、６８、７０を参照）に沿ってエンドエフェクタ３０を移動させることができるロボット１５の利用を含む。この実施形態では、ｘ軸６６はｙ軸６８およびｚ軸７０に直交することができ、ｙ軸６８はｘ軸６６およびｚ軸７０に直交することができ、ｚ軸７０はｘ軸６６およびｙ軸６８に直交することができる。いくつかの実施形態では、ロボット１５を、他の軸とは無関係に１つの軸に沿ってエンドエフェクタ３０の移動をもたらすように構成することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、ロボット１５は、ｙ軸６８またはｚ軸７０に沿ったエンドエフェクタ３０のいかなる著しい移動ももたらすことなく、エンドエフェクタ３０をｘ軸６６に沿って所与の距離移動させることができる。

いくつかのさらなる実施形態では、エンドエフェクタ３０を、ｘ軸６６、ｙ軸６８およびｚ軸７０のうちの１つまたは複数を中心に選択的に回転するように構成することができる（それにより、エンドエフェクタ３０に関連するカルダンオイラー角（たとえば、ロール、ピッチおよび／またはヨー）のうちの１つまたは複数を選択的に制御することができる）。いくつかの実施形態では、動作中、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５を、手術ロボットシステム１を作動させることができるエージェント（たとえば、コンピュータ１００およびプラットフォーム３４００）が選択的に変更しモニタリングすることができる選択された方向付け（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）軸（図３５Ｂにおいて「Ｚチューブ」と標識）と位置合せすることができる。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０の軸方向回転および向きの選択的な制御により、たとえば、回転軸のみを備える６自由度ロボットアーム２３を利用する従来のロボットと比較して精度が著しく向上した医療処置の実施を可能にすることができる。

いくつかの実施形態では、図１に示すように、エンドエフェクタ３０が患者１８の身体に向かってｚ軸に対して選択的に角度が付けられている、患者１８の身体の上方に配置することができるロボットアーム２３。これに関して、いくつかの実施形態では、ロボット手術システム１は、停電時にロボットアーム２３、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５をそれらのそれぞれの位置で安定させるシステムを備えることができる。いくつかの実施形態では、ロボットアーム２３、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５は、ｚ軸７０に沿ったロボットアームの移動をもたらすように構成された、ロボットアーム２３に結合された従来のウォーム駆動機構（図示せず）を備えることができる。いくつかの実施形態では、ロボットアーム２３、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５を安定させるシステムは、ロボットアーム２３に結合された釣合い重りを備えることができる。別の実施形態では、ロボットアーム２３、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５を維持する手段は、たとえばエンドエフェクタ３０等、ロボットアーム２３の少なくとも一部に結合され、かつ手術ロボット１５の電力喪失または「電源切断」状態に応答して起動するように構成された、従来の制動機構（図示せず）を備えることができる。

図１を参照すると、いくつかの実施形態では、手術ロボットシステム１は、部屋１０内に位置する少なくとも１つの従来のＲＦ送信器（図示せず）からＲＦ信号を受信するように構成された複数の測位センサ１２を備えることができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＲＦ送信器１２０を、手術ロボット１５および／または患者１８のさまざまな箇所に配置することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＲＦ送信器１２０を、ハウジング２７、ロボットアーム２３、エンドエフェクタ３０および外科用器具３５のうちの１つまたは複数に取り付けることができる。いくつかの実施形態は、いくつかの実施形態ではＲＦ受信器１１０を備える測位センサ１２を含む。いくつかの実施形態では、ＲＦ受信器１１０は、ＲＦ送信器１２０から信号を受信する、本明細書に記載するコンピュータプラットフォーム（たとえば、図３４のコンピューティングデバイス３４０１を備える３４００を参照）と通信する。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＲＦ送信器１２０の各送信器１２０は、異なる周波数でＲＦエネルギーを送信することができ、それにより、部屋１０内の各送信器１２０の識別（ｉｄｅｎｔｉｔｙ）を確定することができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのＲＦ送信器１２０、したがって送信器１２０が取り付けられる対象の位置は、飛行時間プロセスを用いてコンピュータ（たとえば図３４のコンピューティングデバイス３４０１）によって計算される。

いくつかの実施形態では、コンピュータ（図１には示さず）はまた、手術ロボット１５とも通信する。いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１のコンピュータ１００の従来のプロセッサ（図示せず）を、処置の前に選択された事前に計画された軌道に従って手術ロボット１５の移動をもたらすように構成することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１のコンピュータ１００は、ロボット誘導ソフトウェア３４０６およびロボット誘導データ記憶部３４０７（図３４に示す）を用いて、手術ロボット１５の移動をもたらすことができる。

いくつかの実施形態では、手術ロボット１５が処置の間いつでも外科用器具３５の位置を認識するように、外科用器具３５の位置を動的に更新することができる。したがって、いくつかの実施形態では、手術ロボット１５は、患者１８に対する損傷を最小限に、かつ医師からのいかなるそれ以上の支援なしに（医師がそのように望まない限り）、外科用器具３５を所望の位置に迅速に移動させることができる。いくつかのさらなる実施形態では、手術ロボット１５は、外科用器具３５が選択された事前に計画された軌道から逸れた場合に、外科用器具３５の経路を補正するように構成することができる。

いくつかの実施形態では、手術ロボット１５を、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の移動の停止、変更および／または手動制御を可能にするように構成することができる。したがって、使用時、いくつかの実施形態では、システム１を作動させることができるエージェント（たとえば、医師または他のユーザ）には、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の自律移動を停止させ、変更し、または手動制御する選択肢がある。さらに、いくつかの実施形態では、手術ロボット１５および／またはコンピュータプラットフォーム３４００のプロセッサに許容範囲制御を事前にプログラムすることができる（それにより、指定された条件が満たされることに応じて、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の移動が調整される）。たとえば、いくつかの実施形態では、手術ロボット１５が、少なくとも１つのＲＦ送信器１２０の誤動作のために外科用器具３５の位置を検出することができない場合、手術ロボット１５を、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の移動を停止させるように構成することができる。いくつかの実施形態では、手術ロボット１５が、許容レベルを超える力抵抗またはトルク抵抗等の抵抗を検出した場合に、手術ロボット１５を、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の移動を停止させるように構成することができる。

いくつかの実施形態では、（たとえば、コンピューティングデバイス３４０１によって表される）システムで使用されるコンピュータ１００を、本明細書においてさらに記載するように、手術ロボット１５内に、または別法として、手術室１０内の別の位置にまたは遠隔地に配置することができる。いくつかの実施形態では、コンピュータ１００を、測位センサ１２および手術ロボット１５と動作可能に通信するように配置することができる。

いくつかのさらなる実施形態では、手術ロボット１５を、既存の従来の誘導システムとともに使用することも可能である。したがって、本明細書に具体的に開示するもの以外の代替的な従来の誘導システムは、本発明の範囲および趣旨の中にある。たとえば、外科用デバイスの位置を追跡する従来の光学追跡システム３４１７、またはＯｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）（Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）は、Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｃ．Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ、Ｗａｔｅｒｌｏｏ、Ｏｎｔａｒｉｏ、Ｃａｎａｄａの登録商標である）等の市販の赤外線光学追跡システム３４１７を、患者１８の移動ならびにロボットの基部２５の位置および／または中間軸位置を追跡するために使用し、かつ手術ロボットシステム１とともに使用することができる。手術ロボットシステム１が従来の赤外線光学追跡システム３４１７を備えるいくつかの実施形態では、手術ロボットシステム１は、光を発するかまたは反射するように構成された、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の選択された位置に取り付けられた従来の光学マーカを備えることができる。いくつかの実施形態では、マーカから発せられかつ／または反射された光をカメラ（たとえば、図８１に示すカメラ８２００を含む）および／または光学センサによって読み取ることができ、対象の位置を、三角測量（ステレオ写真測量等）を通して計算することができる。

ここで図２を参照すると、いくつかの実施形態において、手術ロボット１５が車輪３１に接続された基部２５を備えることができることが分かる。これらの実施形態のサイズおよび移動性により、手術ロボットを、要求に応じて患者間でかつ部屋間で容易に移動させることを可能にすることができる。図示するように、いくつかの実施形態では、手術ロボット１５はケース４０をさらに備えることができ、ケース４０は、基部２５が位置する面に対して実質的に垂直なｚ軸７０に沿って上下に摺動することができるように、基部２５に摺動可能に取り付けられている。いくつかの実施形態では、手術ロボット１５は、表示手段２９と、ロボットアーム２３を収容するハウジング２７とを含むことができる。

上述したように、エンドエフェクタ３０は外科用器具３５を備えることができ、他の実施形態では、エンドエフェクタ３０を外科用器具３５に結合することができる。いくつかの実施形態では、外科用器具３５をエンドエフェクタ３０に取り外し可能に取り付けて、アーム２３をエンドエフェクタ３０に接続することができる。

ここで、図２、図３Ａ〜図３Ｂ、図４、図５Ａ〜図５Ｂ、図６、図７および図８Ａ〜図８Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、エフェクタ要素３０は、外面３０ｄを含むことができ、傾斜した前縁３０ｂおよび傾斜していない前縁３０ｃを画定する遠位端３０ａを備えることができる。いくつかの実施形態では、外科用器具３５は、（外科処置、治療処置および診断処置を含む）侵襲的医療処置または非侵襲的医療処置の実施中に使用される、あらゆる既知の従来の器具、デバイス、ハードウェアコンポーネントおよび／または付属品であり得る。たとえば、限定はされないが、いくつかの実施形態では、外科用器具３５を、針７４０５、７４１０、従来のプローブ、従来のスクリュー、従来のドリル、従来のタップ、従来のカテーテル、従来のメス鉗子等に埋め込むことができ、または外科用器具３５はそうしたものを備えることができる。さらにまたは別法として、いくつかの実施形態では、外科用器具３５は、たとえば、限定はされないが、患者１８の体内を通して生物学的に作用する化合物を分散させることができる、従来のシリンジ等の生物学的送達デバイスであり得る。いくつかの実施形態では、外科用器具３５は、１つまたは複数の追加の外科用器具３５を受け入れるように構成された中心ボアを画定するガイドチューブ５０（本明細書では「Ｚチューブ５０」とも呼ぶ）を備えることができる。

いくつかの実施形態では、手術ロボット１５は、標的位置に正確にかつ精密に達する能力を向上させるために、複数の軸（たとえば、ｘ軸６６、ｙ軸６８およびｚ軸７０）において移動可能である。いくつかの実施形態は、デカルト測位座標系で移動するロボット１５を含み、すなわち、異なる軸における移動が、一連の関節の端部を除き、互いに相対的に独立して発生することができる。

ここで図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、手術ロボット１５の基部２５に対するケース４０の移動は、システム１の高さおよび基部２５に対するケース４０の位置の変化として表わされている。図示するように、いくつかの実施形態では、ケース４０を、ｚ軸に沿って基部２５に対して上昇および下降するように構成することができる。いくつかの実施形態は、ケース４０に取り付け、ケース４０が上昇および下降する時にケース４０とともに（ｚフレーム７２によって画定される）ｚ方向に移動するように構成することができる、ハウジング２７を含む。したがって、いくつかの実施形態では、アーム２３、エンドエフェクタ３０および外科用器具３５を、ケース４０が基部２５に対して上昇および下降する際にケース４０とともに移動するように構成することができる。

さらなる実施形態では、ここで図４を参照すると、ハウジング２７を、ケース４０に対してｘ軸６６に沿って、かつケース４０が基部２５に対して移動する方向に対して実質的に垂直に伸長および後退することができるように、ケース４０に摺動可能に取り付けることができる。したがって、いくつかの実施形態では、ロボットアーム２３、エンドエフェクタ３０および外科用器具３５を、ハウジング２７がケース４０に対して伸長および後退する際にハウジング２７とともに移動するように構成することができる。

ここで図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、ｙ軸６８に沿ったアーム２３の伸長が示されている。いくつかの実施形態では、ロボットアーム２３は、ケース４０、基部２５およびハウジング２７に対してｙ軸６８に沿って伸長可能であり得る。したがって、いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０および外科用器具３５を、アーム２３がハウジング２７に対して伸長および後退する際にアーム２３とともに移動するように構成することができる。いくつかの実施形態では、アーム２３を、ハウジング２７に入れられる薄型レールシステム（図示せず）に取り付けることができる。

ここで図６、図７および図８Ａ〜図８Ｂを参照すると、エンドエフェクタ３０の移動が示されている。図６は、ｙ軸６８を中心に回転して、所定のロール６２を有する回転を実施するように構成されたエンドエフェクタ３０の実施形態を示す。図７は、ｘ軸６６を中心に回転して、所定のピッチ６０を有する回転を実施するように構成されたエンドエフェクタ３０の実施形態を示す。図８は、「Ｚチューブ軸６４」と呼ぶ二次可動軸６４であり得る、実質的に垂直な軸に沿って、外科用器具３５を上昇および下降させるように構成されたエンドエフェクタ３０の実施形態を示す。いくつかの実施形態では、ガイドチューブ５０の向きを最初にｚ軸７０に位置合せすることができるが、この向きは、ロール６２および／またはピッチ６０の変化に応じて変化することができる。

図９は、本発明のいくつかの実施形態による３Ｄ測位センサ１１０、コンピュータ１００およびＲＦ送信器１２０のシステム図を示す。図示するように、コンピュータ１００は、測位センサ１１０と通信している。いくつかの実施形態では、作動中、ＲＦ送信器１２０は、手術ロボット１５のさまざまな箇所に取り付けられる。いくつかの実施形態では、ＲＦ送信器１２０を、患者１８の解剖学的標的の上または周囲のさまざまな箇所に取り付けることも可能である。いくつかの実施形態では、コンピュータ１００を、ＲＦ送信器１２０が測位センサ１１０によって読み取られるＲＦ信号を送信するのを促す信号をＲＦ送信器１２０に送信するように構成することができる。いくつかの実施形態では、コンピュータ１００を、無線か有線かに関らず任意の従来の通信手段を用いてＲＦ送信器１２０に結合することができる。いくつかの実施形態では、測位センサ１１０はコンピュータ１００と通信することができ、コンピュータ１００を、測位センサ１１０から受け取られた飛行時間情報に基づいて、すべてのＲＦ送信器１２０の場所の位置を計算するように構成することができる。いくつかの実施形態では、コンピュータ１００を、エージェントに表示することができる、処置において使用されている外科用器具３５および／またはエンドエフェクタ３０の計算された位置を動的に更新するように構成することができる。

いくつかの実施形態は、図１０に示すように提供される、コンピュータ１００、ディスプレイ１５０を含む表示手段２９、ユーザ入力部１７０およびモータ１６０を有する手術ロボットシステム１のシステム図を含むことができる。いくつかの実施形態では、モータ１６０は、手術ロボット１５に設置され、上述したようにエンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の移動を制御することができる。いくつかの実施形態では、コンピュータ１００を、処置で使用されている外科用器具３５の位置を動的に更新するように構成することができ、かつ手術ロボット１５がコンピュータ１００によって受け取られる情報に対応して応答するように、モータ１６０に適切な信号を送信するように構成することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、コンピュータ１００によって受け取られた情報に応じて、コンピュータ１００を、事前に計画された軌道に沿って外科用器具３５を移動させるようにモータ１６０に指示するように構成することができる。

いくつかの実施形態では、たとえば侵襲的外科処置等、医療処置を行う前に、ユーザ入力部１７０を用いて、所望のナビゲーションに対して軌道を計画することができる。医療処置を開始した後に、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の軌道および／または移動について変更が望まれる場合、ユーザは、ユーザ入力部１７０を用いて所望の変更を入力することができ、コンピュータ１００を、ユーザ入力部１７０に応じてモータ１６０に対応する信号を送信するように構成することができる。

いくつかの実施形態では、モータ１６０を従来のパルスモータとすることができ、またはモータ１６０はそうしたパルスモータを備えることができる。この態様では、いくつかの実施形態では、パルスモータは、外科用器具３５に取り付けられた従来の直接駆動構成またはベルト駆動機構およびプーリの組合せであり得る。別法として、他の実施形態では、モータ１６０は、従来のベルト駆動ラック・ピニオンシステムまたは同等の従来の動力伝達構成要素に取り付けられる従来のパルスモータであり得る。

いくつかの実施形態では、手術ロボット１５内で従来のリニアパルスモータを用いることにより、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５に対して非固定位置を確立することを可能にすることができる。したがって、いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５は、完全に固定された位置に固定されず、むしろ、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５を、エージェント（たとえば、外科医または他のユーザ）がｘ軸６６およびｙ軸６８を越えて、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５をその現位置から移動させることができるように構成することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、こうした軸を越えるために必要な力の量を、自動的にまたはエージェントによって調整し構成することができる。いくつかの実施形態では、手術ロボット１５は、以下のうちの１つまたは複数をモニタリングするように構成された回路を備えることができる。すなわち、（ａ）ｘ軸６６、ｙ軸６８およびｚ軸７０に沿ったロボットアーム２３、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の位置、（ｂ）ｘ軸（６６）、ｙ軸（６８）およびｚ軸（７０）に対するロボットアーム２３、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の回転位置（たとえば、ロール６２およびピッチ６０）、ならびに（ｃ）エンドエフェクタ３０および外科用器具３５に対して常に平行である再方向付け可能な軸（Ｚチューブ軸６４）の行程に沿ったエンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の位置である。

一実施形態では、ｘ軸６６、ｙ軸６８、ｚ軸７０、Ｚチューブ軸６４、ロール６２および／またはピッチ６０の位置をモニタリングする回路は、モータ１６０のうちの少なくとも１つの従来のアクチュエータおよび／または軸受内に埋め込まれるかまたはそれらに機能的に結合された相対的なまたは絶対的な従来のエンコーダユニット（エンコーダとも呼ぶ）を備えることができる。任意選択的に、いくつかの実施形態では、手術ロボット１５の回路を、軌道に対する所望の量の位置許容範囲（たとえば、回転許容範囲、並進許容範囲、それらの組合せ等）が超過された場合に、外科医または他のユーザに聴覚、視覚および／または触覚フィードバックを提供するように構成することができる。いくつかの実施形態では、位置許容範囲を、たとえば度および／またはミリメートルの単位で、構成可能とし定義することができる。

いくつかの実施形態では、ロボット１５は、外科医が、たとえば、限定はされないが従来のスクリュー、生検針８１１０等の選択された外科用器具３５を送達する用意ができている、選択された位置まで移動する。いくつかの実施形態では、外科医が、作業する際に、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５を所望の軌道から不注意で外した場合、システム１が、可聴警告および／または視覚的警告を提供するように構成することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、システム１は、可聴警告音を生成し、かつ／または、許容可能な許容範囲が超過された軸も表示しながら、「警告：軌道外（Ｗａｒｎｉｎｇ：Ｏｆｆ Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ）」等の警告メッセージを表示手段２９に表示することができる。

いくつかの実施形態では、可聴警告に加えてまたはその代りに、エンドエフェクタ３０、ガイドチューブ５０、患者１８の手術部位（すなわち、手術野１７）またはこれらの領域の組合せに、光照明を向けることができる。たとえば、いくつかの実施形態は、患者１８の手術野１７を照明することができる少なくとも１つの視覚的指示９００を含む。いくつかの実施形態は、手術野１７に照明を投影することによって標的ロックを示すことができる少なくとも１つの視覚的指示９００を含む。いくつかの実施形態では、システム１は、ロボット１５が標的上でロックされているか否かに関するフィードバックをユーザに提供することができる。いくつかの他の実施形態では、システム１は、少なくとも１つのマーカ７２０が遮られているか否か、またはシステム１が１つあるいは複数のマーカ７２０を能動的に探しているか否かに関する警報をユーザに提供することができる。

いくつかの実施形態では、ロボットエンドエフェクタ３０にまたはその近くに取り付けられた１つまたは複数の従来の発光ダイオードによって、視覚的指示９００を投影することができる。いくつかの実施形態では、視覚的指示は、現状を示す色を含む、手術野１７に投影される光を含むことができる（たとえば、図８０を参照）。いくつかの実施形態では、緑色の投影光は標的ロックオン状況を表すことができ、いくつかの実施形態では、赤色の照明は軌道エラーまたはマーカ７２０が覆い隠されたことを示すことができる。いくつかの他の実施形態では、黄色の照明は、システム１が１つまたは複数のマーカ７２０を能動的に探していることを示すことができる。

いくつかの実施形態では、外科医が許容可能な許容範囲を超えようとしている場合、ロボット１５を、このようなエンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の移動に対する機械的抵抗（「押し返し」または触覚フィードバック）を提供し、それによりエンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５を正確な選択された向きに戻るように移動させるように構成することができる。いくつかの実施形態では、その後、外科医が不適切な位置を補正し始めると、ロボット１５を、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５を所望の軌道に実質的に即座に戻すように構成することができ、その時点で、可聴および視覚的警告および警報を終了するように構成することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、視覚的警告は、許容範囲が超過されていない場合の緑色の光、または許容範囲が超過されようとしているかまたは超過された場合の赤色の光を含むことができる、視覚的指示９００を含むことができる。

理解されるように、従来のウォーム駆動システムは、完全に固定であり、こうしたウォーム駆動システムを有するロボット１５は、外科医がいかに激しく押しても、（ロボット１５を破壊せずには）受動的に移動させることができない。さらに、完全に固定の関節接合システムは、本質的に患者１８に対して安全ではない可能性がある。たとえば、こうしたロボット１５が患者１８に向かって移動しており、不注意で組織にぶつかった場合、これらの組織は損傷を受ける可能性がある。これらのリスクを補償するように、こうしたロボット１５の表面に従来のセンサを配置することができるが、こうしたセンサは、システム１全体に対して相当な複雑性を加える可能性があり、フェールセーフモードで動作することが困難である。対照的に、本明細書に記載するロボット１５の使用中、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５が患者１８の組織と不注意にぶつかった場合、衝突は、こうした組織に損傷を与える可能性が低い、より許与可能な力で発生する。さらに、いくつかの実施形態では、障害物を克服するために必要な電流の増大を示すように、上述したような可聴フィードバックおよび／または視覚的フィードバックを提供することができる。さらに、いくつかの実施形態では、ロボット１５のエンドエフェクタ３０を、必要なモータ１６０電流閾値になった場合に不注意に接触した組織からそれ自体が変位する（離れるように移動する）ように構成することができる。いくつかの実施形態では、この閾値を、組織とエンドエフェクタ３０との間の係合に関連する適度な力を認識しかつ／または回避することができるように、各軸に対して（たとえば制御コンポーネントにより）構成することができる。

いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の位置決めおよび向きに関連する固定（ｒｉｇｉｄｉｔｙ）量を、選択的に変更することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、ロボット１５を、高固定モードと低固定モードとの間でシフトするように構成することができる。いくつかの実施形態では、ロボット１５を、エンドエフェクタ３０および外科用器具３５が標的軌道および／または標的位置に近づくにしたがって、開始位置から、それらが１つの軌道から別の軌道にシフトする際に低固定モードに自動的にシフトするようにプログラムすることができる。さらに、いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５が、たとえば標的の約１°および約１ｍｍ以内等、標的軌道および／または標的位置の選択された距離内になると、ロボット１５を、高固定モードにシフトするように構成することができる。いくつかの実施形態では、ロボット１５は、低固定モードにある間に患者１８と不注意にぶつかった場合に損傷をもたらす可能性が低いため、この機構は安全性を向上させることができる。

いくつかの実施形態は、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の移動を選択された一続きの別個の移動でもたらすように構成することができるロボット１５を含む。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５が１つの軌道から別の軌道に移動している間、ｘ軸６６、ｙ軸６８、ロール６２および６０ピッチ６０の向きはすべて同時に変化し、エンドエフェクタ３０の移動の速度を上昇させることができる。したがって、エンドエフェクタ３０が移動する位置の範囲により、患者１８の組織との衝突の可能性もまた増大する可能性がある。このため、いくつかの実施形態では、ロボット１５を、ｘ軸６６およびｙ軸６８内のエンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の位置が、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５のロール６２およびピッチ６０が調整される前に調整されるように、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の移動をもたらすように構成することができる。いくつかの代替実施形態では、ロボット１５を、ロール６２およびピッチ６０が０°にシフトするように、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の移動をもたらすように構成することができる。ｘ軸６６およびｙ軸６８内のエンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の位置が調整され、その後、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５のロール６２およびピッチ６０が調整される。

いくつかの実施形態は、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５が、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の位置および／または軌道の変化がもたらされる前に、ｘ軸７０に沿って垂直に（患者１８から離れるように）選択された量だけ移動することを確実にするように、任意選択的に構成することができるロボット１５を含む。たとえば、いくつかの実施形態では、エージェント（たとえば、外科医あるいは他のユーザ、または機器）が、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の軌道を第１軌道から第２軌道に変更した場合、ロボット１５を、（ｘ軸６６構成およびｙ軸６８構成を、たとえば第１軌道ベクトルであり続けるように調整しながら）エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５を患者１８の身体からｚ軸７０に沿って選択された量だけ垂直に変位させ、その後、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の位置および／または向きの変化をもたらすように構成することができる。これにより、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５が患者１８の組織内に埋め込まれている間に横方向に移動しないことが確実になる。任意選択的に、いくつかの実施形態では、ロボット１５を、最初にエンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５をｚ軸に沿って変位させることなく、安全にエンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の軌道の変更に進むことができるという確認をエージェント（たとえば、外科医あるいは他のユーザまたは機器）に求める警告メッセージを生成するように構成することができる。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つの従来の力センサ（図示せず）を、方向付け軸（Ｚチューブ軸６４）に沿って外科用器具３５に加えられる力を受けるように、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５に結合することができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの力センサを、デジタル信号を生成するように構成することができる。たとえばいくつかの実施形態では、デジタル信号は、外科用器具３５が患者１８の組織内に前進するにしたがい、患者１８の身体によって外科用器具３５に対してＺチューブ軸６４の方向に加えられる力を示すことができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの力センサは、従来の歪みゲージ機構に基づく小型の従来の単軸ロードセルであり得る。いくつかの実施形態では、単軸ロードセルを、たとえばアナログ・デジタルフィルタリングに結合して、システム１に連続的なデジタルデータストリームを供給することができる。任意選択的に、いくつかの実施形態では、少なくとも１つの力センサを、現時点で外科用器具３５に加えられている力を示す信号を実質的に連続的に生成するように構成することができる。いくつかの実施形態では、ｘ軸６６およびｙ軸６８に沿ったエンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の位置が、選択された軌道ベクトルとの位置合せが実質的に維持されるように調整されている間に、外科用器具３５を、ｚ軸７０を下降させることによって患者１８の組織内に前進させることができる。さらに、いくつかの実施形態では、外科用器具３５が選択された軌道ベクトルに沿って向けられたままであるように、ロール６２およびピッチ６０の向きは、ｘ軸（６６）、ｙ軸（６８）およびｚ軸（７０）の移動中、一定のままであるかまたは自動調整することができる。いくつかの実施形態では、外科用器具３５が患者１８の組織内に前進する際に、ｚ軸７０に沿ったエンドエフェクタ３０の位置を、（患者１８から選択された距離、間隔が空けられている）選択された中間位置で固定することができる。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の剛性を、本明細書においてさらに記載するように、選択されたレベルに設定することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５のＺチューブ軸６４位置の剛性を、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５に所望の長手方向剛性特性を与えるように構成された従来の機械的固定具（図示せず）に結合することができる。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５に十分な長手方向剛性がない場合、外科用器具３５の貫入中に患者１８の皮膚によってかけられる反対の力が、外科用器具３５の前進の方向に対抗する可能性があり、それにより、外科用器具３５は選択された軌道ベクトルに沿って前進することができない。言い換えれば、ｚ軸７０が下方に前進する際、Ｚチューブ軸６４が強制的に上昇する可能性があり、外科用器具３５の正味の前進がない可能性がある。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの力センサにより、エージェント（たとえば、外科医あるいは他のユーザまたは機器）が、（エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の力センサによってモニタリングされる加えられた力のレベルの急な上昇に基づいて）、外科用器具３５が患者１８の体内の骨または他の所定の構造に遭遇した時を判断することを可能にすることができる。

いくつかの代替的な実施形態では、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５ならびにｘ軸６６およびｙ軸６８の方向付け角度を、Ｚチューブ軸６４を、完全に後退したＺチューブ位置における所望の軌道ベクトルと位置合せするように構成することができ、一方で、ｚ軸７０位置は、外科用器具３５の遠位先端が組織に入る状態で保たれるように設定される。この構成では、いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０を、たとえば、ガイドチューブ５０に沿ってのみ前進するかのように、軌道ベクトルに沿って正確にまたは実質的に正確に移動することができるように、配置することができる。こうしたシナリオにおいて、いくつかの実施形態では、Ｚチューブ軸６４を前進させることにより、ガイドチューブ５０が組織内に入ることができ、エージェント（外科医あるいは他のユーザ、機器等）は、荷重センサから力の変化をモニタリングすることができる。外科用器具３５が骨に接触した時点で加えられる力の急な増大が検出されるまで、前進を続けることができる。

いくつかの実施形態では、ロボット１５を、Ｚチューブ軸６４を前進させる１つまたは複数のモータ１６０の作動を停止させ、それにより、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の位置がモニタリングされ続けている間に、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５がＺチューブ軸６４方向に自由に移動することができるように、構成することができる。いくつかの実施形態では、外科医は、その後、エンドエフェクタ３０をＺチューブ軸６４（所望の軌道ベクトルと一致する）に沿って手で押し下げることができる。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０の位置が軌道ベクトルと整列しないようにずらされた場合、外科用器具３５の位置を、ｘ軸（６６）および／またはｙ軸（６８）に沿ったかつ／またはロール６２および／またはピッチ６０の方向における調整によって補正することができる。いくつかの実施形態では、外科用器具３５のＺチューブ５０の移動に関するモータ１６０の作動が停止すると、エージェント（たとえば、外科医あるいは他のユーザまたは機器）は、外科用器具３５の触覚が骨、または身体の別の既知の領域と接触するまで、外科用器具３５を手動で前進させることができる。

いくつかのさらなる実施形態では、ロボット手術システム１は、複数の従来の追跡マーカ７２０を備えることができ、それらは、ロボットアーム２３、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の移動を３次元で追跡するように構成されている。追跡マーカ７２０からの３次元位置情報を、ロボット１５の各軸における絶対的なまたは相対的な従来のリニアエンコーダからの１次元線形位置情報とともに用いて、高い精度を維持することができることが認識されるべきである。いくつかの実施形態では、複数の追跡マーカ７２０を、たとえば、限定はされないがロボット１５の基部２５またはロボットアーム２３等の、ロボット１５の外面に取り付ける（または他の方法で固定する）ことができる。いくつかの実施形態では、複数の追跡マーカ７２０を、ロボット１５アーム、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５の移動を追跡するように構成することができる。いくつかの実施形態では、コンピュータ１００は、追跡情報を利用して、ｘ軸６６、ｙ軸６８、ｚ軸７０、Ｚチューブ軸６４ならびにロール６２およびピッチ６０の軸に沿ったエンコーダカウントに基づいて、外科用器具３５の遠位先端３０ａの向きおよび座標を計算することができる。さらに、いくつかの実施形態では、複数の追跡マーカ７２０を、外科医、手術用具、またはロボット１５の他の部分によって覆い隠される可能性を低減するように、手術野１７から間隔を空けて、ロボット１５の基部に配置することができる。いくつかの実施形態では、複数の追跡マーカ７２０のうちの少なくとも１つの追跡マーカ７２０を、エンドエフェクタ３０に取り付けるかまたは他の方法で固定することができる。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０に１つまたは複数の追跡マーカ７２０を配置することにより、（ロボット１５の基部のマーカからの位置情報ならびにｘ軸（６６）、ｙ軸（６８）、ロール６２軸、ピッチ６０軸およびＺチューブ軸６４のエンコーダカウントから計算された）エンドエフェクタ３０の位置を検査するかまたは検証する役割を果たすことにより、位置測定の精度を最大限にすることができる。

いくつかのさらなる実施形態では、ロボット１５の基部２５のマーカ７２０の代りにまたはそれに加えて、複数の光学追跡マーカ７２０のうちの少なくとも１つの光学マーカを、ロボット１５の基部２５とエンドエフェクタ３０との間でロボット１５に配置することができる（図１６を参照）。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの追跡マーカ７２０を、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５のｘ軸に沿った移動をもたらすロボット１５の一部に取り付けて、エンドエフェクタ３０および外科用器具３５がｘ軸６６に沿って移動する際に、追跡マーカ７２０が、ｘ軸６６に沿って移動するのを可能にすることができる（図７６を参照）。追跡マーカ７２０をこのように配置することにより、外科医がカメラまたは検出デバイスから追跡マーカ７２０を遮るか、または追跡マーカ７２０が外科医に対する障害物となる可能性を低減することができる。いくつかの実施形態では、追跡マーカ７２０の出力および／または各軸からのエンコーダカウントに基づいてエンドエフェクタ３０の向きおよび位置を計算する精度が高いため、エンドエフェクタ３０の位置を非常に正確に求めることを可能にすることができる。たとえば、いくつかの実施形態では、ｘ軸６６と基部２５との間である、ｚ軸７０用の軸エンコーダのカウントを知る必要なしに、ｘ軸６６におけるマーカ７２０の位置とｙ軸（６８）、ロール６２軸、ピッチ６０軸およびＺチューブ軸６４におけるエンコーダのカウントとのみを知ることにより、エンドエフェクタ３０の位置の計算を可能にすることができる。いくつかの実施形態では、ロボット１５のあらゆる中間軸にマーカ７２０を配置することもまた、こうしたマーカ７２０の位置とマーカ７２０とエンドエフェクタ３０との間の軸（６６、６２、６０、６４）におけるエンコーダのカウントとに基づいて、エンドエフェクタ３０の正確な位置を計算することを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、ロボット１５（たとえば、図２を参照）の構成から、基部２５からエンドエフェクタ３０までの軸の順序は、ｚ（７０）、ｘ（６６）、ｙ（６８）、ロール６２、ピッチ６０、Ｚチューブ６４である。したがって、たとえば、追跡マーカ７２０が、ロール６２軸とともに移動するロボット１５のハウジング２７に配置される実施形態では、こうした追跡マーカ７２０の位置とピッチ６０軸およびＺチューブ軸６４のエンコーダカウントとが、エンドエフェクタ３０の位置を計算するために十分であり得る。

いくつかの実施形態では、外科用器具３５は、ガイドチューブ５０を用いて患者１８の組織内に前進すると、所定量の突出（たとえば、図１７Ａ〜図１７Ｂを参照）に達した時に外科用器具３５が前進するのを防止するように構成された止め機構５２を備えることができる。いくつかの実施形態では、ガイドチューブ５０および外科用器具３５の長さと、外科用器具３５のそれぞれの端部の間の距離と、止め機構５２が取り付けられる位置を知ることにより、外科用器具３５が突出することができる、ガイドチューブ５０の端部を越えた最大距離を求めることができる。

いくつかの実施形態では、外科用器具３５の最大突出距離のみでなく、挿入プロセス中のあらゆる瞬間における実際の突出距離もモニタリングすることが望ましい場合がある。したがって、いくつかの実施形態では、ロボット１５は、突出距離を実質的に連続的にモニタリングすることができ、いくつかの実施形態では、距離をディスプレイ（表示手段２９等）に表示することができる。いくつかの実施形態では、突出距離を、ばね式機構５５ａとワイパ５６が結合されたセンサパッド５５ｂとを含むばね式プランジャ５４を用いて、実質的に連続的にモニタリングすることができる（たとえば図１７Ｂを参照）。いくつかの実施形態では、外科用器具３５の止め機構５２を、ガイドチューブ５０の端部と接触する前にばね式機構５５と十分に接触するように構成することができる。いくつかの実施形態では、ワイパ５６が位置センサパッド５５ｂを横切って移動すると、その線形位置がサンプリングされ、それにより、外科用器具３５がガイドチューブ５０の端部を越えて突出する距離の実質的にリアルタイムでの計算が可能になる。いくつかの実施形態では、任意の従来のリニアエンコード機構を用いて、本明細書においてさらに記載するように、プランジャの押下深さをモニタリングし、その情報をコンピュータ１００に送信することができる。

いくつかの実施形態は、ドリルビット４２のストッパが、ドリルビット４２のマーキング４４に対して手動で調整されるのを可能にする器具を含む。たとえば、図１７Ｃ〜図１７Ｅは、本発明の一実施形態による、ドリルビットマーキング４４に対してドリルストッパ４６を手動で調整する器具を示す。図示するように、いくつかの実施形態では、ドリルビット４２は、ドリルストッパ４６の各端部に解除機構４８を含むことができる。いくつかの実施形態では、ドリルストッパ４６の一端の解除機構４８が引っ張られた場合、ドリルストッパ４６をドリルビット４２のシャフトを上昇して移動させることができる。いくつかの実施形態では、ドリルストッパ４６の他端の解除機構４８が引っ張られると、ドリルストッパ４６を、シャフトを下降して移動させることができる（図１７Ｄおよび図１７Ｅの移動の方向を参照）。いくつかの実施形態では、いずれの解除機構４８も引っ張られない場合、ドリルストッパ４６は、ぶつかった場合であっても、いずれの方向にも移動しない。

いくつかの実施形態は、ドリルビット４２を、それが収容されているチューブ５０に対して設定された位置で係止し保持する機能を含むことができる。たとえば、いくつかの実施形態では、ドリルビット４２を、係止機構を用いてドリルストッパ４６をチューブ５０に対して係止することによって係止することができる。図１７Ｆ〜図１７Ｊは、本発明の一実施形態による、ドリルビット４２を設定された位置で係止し保持する器具を示す。いくつかの実施形態では、図１７Ｈに示す係止機構４９は、２つのクラムシェル４９を備えることができる（図１７Ｆに示す）。いくつかの実施形態では、クラムシェルをドリルストッパ４６の周囲に組み付けることにより（図１７Ｇに示す）、ドリルビット４２を適所に係止することができる。この機能により、ユーザは、先端がチューブ５０の端部をわずかに越えて突出するような位置でドリルビット４２を係止することができる（図１７Ｉおよび図１７Ｊを参照）。この位置で、ユーザは、（たとえば経皮的脊椎スクリュー挿入中に）チューブ５０を骨と接触させるように、チューブ５０を軟組織に貫通させることができる。

いくつかのさらなる実施形態では、エンドエフェクタ３０を、追跡光学マーカ７２０を遮るかまたは外科医の妨げとなることがないように構成することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、図１８Ａおよび図１８Ｂに示すように、エンドエフェクタ３０は、この構成を可能にするアクチュエータ３３ａを含むクリアランス機構３３を備えることができる。図示するように、ガイドチューブ５０を、２つのシャフト３２を用いてエンドエフェクタ３０のハウジング内に固定することができる。いくつかの実施形態では、シャフト３２は互いに対して移動し、クリアランス機構３３の平行四辺形効果により、ガイドチューブ５０の位置は、エンドエフェクタ３０の位置を模倣することができる（図１８Ｂを参照）。

頸部固定手術または腰椎固定手術等の用途では、ハードウェアを適所に係止する前に、脊椎の１つまたは複数のレベルにわたって牽引または圧迫を（前方にまたは後方に）加えることが有益である場合がある。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０は、こうした力を加えるように構成された取付要素３７（たとえば図１９Ａ〜図１９Ｂを参照）を備えることができる。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０の取付要素３７を、クリアランス機構３３と実質的に同じ位置でエンドエフェクタ３０に結合するように構成することができる。いくつかの実施形態では、取付要素３７のあるエンドエフェクタ３０は、取付要素３７のないエンドエフェクタ３０と同じ場所にスナップ式に嵌まる。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０の取付要素３７の使用中、角形成３０ｅによってもたらされる２つのシャフト３２の相対移動により、ピッチ６０方向における移動はもたらされず、代りに、（図１９Ａにおける取付要素３７の距離３７ａから図１９Ｂにおける距離３７Ｂまで移動するものとして示す）牽引がもたらされる。さらに、図１９Ａ〜図１９Ｂに示すようなシャフト３２の移動によって牽引がもたらされるが、３０ｅによって表される方向に対して反対方向のアクチュエータ３３ａの回転は圧迫をもたらす（すなわち、図１９Ｂにおける距離３７ｂが図１９Ａにおける距離３７ａに向かって移動する）。

上述した実施形態を鑑みて、開示した主題に従って実施することができるいくつかの実施形態を、図２４〜図３３のフローチャートを参照してよりよく理解することができる。説明を簡略化する目的で、本明細書に記載する実施形態によって開示する方法は、一連のステップとして提示し記載するが、いくつかの行為は、本明細書に図示し記載するものとは異なる順序でかつ／または他の行為と同時に行われる可能性があるため、請求項に係る主題は行為の順序によって限定されないことが理解され認識されるべきである。たとえば、本発明のいくつかの実施形態のさまざまな方法またはプロセスを、別法として、状態図等、一連の相互に関連する状態または事象として表わすことができる。さらに、本発明のいくつかの実施形態による方法を実施するために、例示するすべての行為が必要であるとは限らない。さらに、開示する方法またはプロセスのうちの２つ以上を、互いに組み合せて実施することにより、本明細書に記載する１つまたは複数の特徴または利点を達成することができる。

本明細書を通して記載するさまざまな実施形態に開示する方法を、こうした方法をコンピューティングデバイス（たとえば、デスクトップコンピュータ、モバイルコンピュータ、携帯電話、ブレードコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ等）に、コンピューティングデバイスのプロセッサによる実行、したがって実施のために、またはそのメモリに格納するために、搬送し転送するのを容易にするために、製品またはコンピュータ可読媒体に格納することができることがさらに認識されるべきである。

いくつかの実施形態では、外科用ロボット１５は、エンドエフェクタ３０を意図された（すなわち計画された）位置まで移動させるために、その姿勢を自動的に連続的にまたは実質的に連続的に調整することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、外科用ロボット１５は、追跡マーカ、ＬＰＳまたは他の追跡データの現スナップショットによって提供されるようなエンドエフェクタ３０および外科手術標的の現位置に基づいて、その姿勢を自動的に連続的にまたは実質的に連続的に調整することができる。いくつかの位置調整戦略は非効率であり得ることがさらに認識されるべきである。たとえば、ロボット１５が標的位置を見つける非効率な戦略は、必要な移動方向を推定し、標的位置に向かって移動し、その後、現位置と標的位置との不整合（誤差と呼ぶ不整合）を評価し、新たな方向を推定し、標的位置が十分な誤差範囲内で達成されるまで、推定−移動−評価のサイクルを繰り返す反復的アルゴリズムであり得る。逆に、本発明のいくつかの実施形態による位置調整戦略は、反復的戦略より実質的に効率的である。たとえば、いくつかの実施形態では、手術ロボット１５は、移動を行い、個々の軸の各々を正確な位置まで移動させることができる必要なモータエンコーダカウントの一意の組の、追跡データの各フレームにおける各軸の相対的な動きの方向を校正する（コンピュータ１００によるソフトウェアまたはファームウェアの実行を介する計算を可能にする）ことにより、その位置を調整することができる。いくつかの実施形態では、開示するロボット１５のデカルト設計により、ロボット１５の座標系を確立し主要回転軸を求めることによって、こうした構成が行われるのを可能にすることができる。

以下より詳細に記載するように、いくつかの実施形態では、ロボット１５の軸の相対的な方向を校正する方法は、各々が単一軸にある、一続きの注意深く計画された移動を利用することができる。いくつかの実施形態では、これらの移動中、一時的追跡マーカ７２０がエンドエフェクタ３０に取り付けられ、エンドエフェクタ３０の動きを取り込む。開示する方法では、ロボット１５の軸が正確にまたは実質的に垂直である必要はなく、特定の軸（ｘ軸６６等）が移動する際に沿うベクトルが、回転（主にｘ軸６６を中心に発生するピッチ６０等）が発生する際に中心となるベクトルと一致する必要もない。いくつかの実施形態では、開示する方法は、直線で発生する所定のロボット１５軸に沿う動きを含む。いくつかの実施形態では、ロボット１５の軸の相対的な移動方向を校正する開示する方法は、エンドエフェクタ３０のガイドチューブ５０に一時的に取り付けられたマーカ７２０から、ｘ軸（６６）、ｙ軸（６８）、ロール軸（６２）、ピッチ軸（６０）およびＺチューブ軸６４において行われる個々の移動の最後に取り込まれる追跡データの１つまたは複数のフレームを利用することができる。いくつかの実施形態では、個々の軸を移動させる時、他のすべての軸を、ゼロ位置（たとえば、その軸のエンコーダが０カウントを示す位置）にあるように構成することができる。さらにまたは別法として、０カウント（中立位置）にあるすべてのロボット１５軸による追跡データの１つまたは複数のフレームが必要である場合があり、ガイドチューブ５０の長手方向軸を中心とする異なる位置まで回転した一時的マーカ７２０によるデータの１つまたは複数のフレームが必要である場合がある。いくつかの実施形態では、これらの移動からのマーカ７２０の位置を用いて、ロボット１５のデカルト座標系を確立することができ、そこでは、原点（０，０，０）は、エンドエフェクタ３０の中心を通り、ピッチ６０が発生する場所に最も近いエンドエフェクタ３０に沿った位置にある。さらにまたは別法として、いくつかの実施形態では、この座標系を、ロボット１５のｙ軸６８移動が座標系のｙ軸６８に正確にまたは実質的に沿って発生することができ、一方でロボット１５のｘ軸６６移動が、ｙ軸６８に対して実質的に垂直に発生するが、座標系の構成により、ｚ軸７０座標にはいかなる変化ももたらされない。位置合せまで回転することができる。いくつかの実施形態では、少なくとも上述した個々の移動に基づいてロボット１５の座標系を確立するステップは、以下を含むことができる。まず、エンドエフェクタ３０の長軸を中心とする追跡マーカ７２０の手動回転の初期位置および最終位置から、運動の有限らせん軸（ｆｉｎｉｔｅ ｈｅｌｉｃａｌ ａｘｉｓ）が計算され、それを、エンドエフェクタ３０に中心が置かれかつそれと位置合せされるベクトルによって表すことができる。３つ以上のマーカの２つの位置から運動の有限らせん軸を計算する方法は、たとえば、ＳｐｏｏｒおよびＶｅｌｄｐａｕｓによってによって、文献に記載されている（Ｓｐｏｏｒ，Ｃ．Ｗ．およびＦ．Ｅ．Ｖｅｌｄｐａｕｓ，“Ｒｉｇｉｄ ｂｏｄｙ ｍｏｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｓｐａｔｉａｌ ｃｏ−ｏｒｄｉｎａｔｅｓ ｏｆ ｍａｒｋｅｒｓ，”Ｊ Ｂｉｏｍｅｃｈ１３（４）：３９１−３９３（１９８０））。いくつかの実施形態では、らせん軸を計算するのではなく、エンドエフェクタ３０に中心が置かれかつそれと位置合せされるベクトルを、Ｚチューブ軸６４上のガイドチューブ５０の入口および出口に一時的に取り付けることができる２つの別個の剛体に取り付けられる２つの点を相互接続することによって、定義しまたは構築することができる。この場合、２つの剛体の各々は、少なくとも１つの追跡マーカ７２０（たとえば、１つの追跡マーカ７２０、２つの追跡マーカ７２０、３つの追跡マーカ７２０、４つ以上の追跡マーカ７２０等）を含むことができ、追跡マーカに対してガイドチューブ５０の入口および出口に隣接する剛体の位置を示す情報を提供する校正を行うことができる。

ピッチ６０移動から、ロボット１５のｘ軸に対して実質的に平行であるが計算された第１らせん軸との垂線にも近いベクトルを提供する、第２らせん軸を計算することができる。いくつかの実施形態では、第１らせん軸上の第２らせん軸に最も近い点（またはエンドエフェクタ３０に位置合せされたベクトル）が、単純な幾何学形状を用いて計算され、ロボットの座標系の原点（０，０，０）を定義するために使用される。ロール６２軸の２つの位置から第３らせん軸が計算される。いくつかのシナリオでは、ロールが発生する際の中心となるベクトル（第３らせん軸）とｙ軸６８が移動する際に沿うベクトルとは正確にまたは実質的に平行であると想定することはできない。さらに、ピッチ６０が発生する際に中心となるベクトルとｘ軸６６の動きが発生する際に沿うベクトルとが正確にまたは実質的に平行であると想定することはできない。ｘ軸６６およびｙ軸６８の動きのベクトルを、ｘ軸６６およびｙ軸６８の中立位置および伸長位置から求め、別個に格納することができる。本明細書に記載するように、いくつかの実施形態では、座標系を再度位置合せして、ロボット１５のｙ軸移動が、正確にまたは実質的に座標系のｙ軸６８方向において発生し、ロボット１５のｘ軸６６移動がｚ座標（７０）にいかなる変化もなしに発生するのを可能にすることができる。概して、座標系のこうした変換を行うために、座標軸を中心とする一連の回転が、現座標系のすべての関心点に対して実行され適用される。そして、各点は、新たな座標系において表されるものとみなされる。いくつかの実施形態では、特定の軸を中心として３×１ベクトルによって表される点の回転を適用するために、ベクトルに、３×３回転行列を事前に乗算することができる。ｘ軸を中心とするＲｘ度の回転に対する３×３回転行列は以下の通りである。

ｙ軸を中心とするＲ_ｙ度の回転に対する３×３回転行列は以下の通りである。

ｚ軸を中心とするＲ_ｚ度の回転に対する３×３回転行列は以下の通りである。

いくつかの実施形態では、座標系を変換するために、一続きの３回転を行うことができる。たとえば、こうした回転を、ｘ移動ベクトル、ｙ移動ベクトルおよびらせん軸の各々を含む、現座標系のすべてのベクトルおよび関心点に適用して、ｙ移動ベクトルを新たな座標系のｙ軸と位置合せし、ｘ移動ベクトルを、ｚ＝０における新たな座標系のｘ軸に可能な限り近く位置合せすることができる。２回以上のあり得る連続したこれらの回転を行って、実質的に同じ目標を達成することができることも認識されるべきである。たとえば、いくつかの実施形態では、一連の３回転は、（１）ｙ移動ベクトルをそのｚ座標が０に等しくなるまで回転させるのに適切なＲ_ｘ値を用いるｘを中心とする回転と、それに続く（２）ｙ移動ベクトルをそのｘ座標が０に等しくなるまで回転させるのに適切なＲ_ｚ値を用いるｚを中心とする回転と、それに続く（３）ｘ移動ベクトルをそのｚ座標が０に等しくなるまで回転させるために適切なＲ_ｙ値を用いるｙを中心とする回転とを含むことができる。いくつかの実施形態では、所与の回転を達成するために適切な回転角度を見つけるために、逆正接関数を利用することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、ｙ１＝０までｚ軸を中心とする点またはベクトル（ｘ１，ｙ１，ｚ１）を回転させるために必要な角度は、−ａｒｃｔａｎ（ｙ１／ｘ１）である。

座標系の変換の後、いくつかの実施形態では、手術ロボット１５のｙ移動軸が座標系のｙ軸６８と正確にまたは実質的に正確に位置合せされるように位置合せされるが、ロボット１５のロール６２回転移動は、座標系のｙ軸６８と位置合せされたベクトルを中心として正確にまたは実質的に正確に発生するようには想定されるべきではないことが認識されるべきである。同様に、いくつかの実施形態では、手術ロボット１５のピッチ６０移動は、座標系のｘ軸と位置合せされたベクトルを中心として正確にまたは実質的に正確に発生するものと想定されるべきではない。いくつかの実施形態では、ロール６２およびピッチ６０の回転移動において、運動のらせん軸から最も近い座標軸まで線形かつ方向性の「オフセット」がある可能性がある。いくつかの実施形態では、追跡されたマーカを用いて上記のように求められたらせん軸から、こうしたオフセットを計算し保持する（たとえば、コンピューティングデバイスのメモリに格納する）ことができ、それにより、作動中に発生するいかなる回転に対しても、オフセットを適用することができ、回転を行うことができ、その後、負のオフセットを適用して、回転運動によって発生する位置の変化が真の回転中心を考慮するようにすることができる。

いくつかの実施形態では、追跡中、所望の軌道を、最初に医療画像座標系において計算し、その後、アクティブマーカの少なくとも既知の相対位置に基づいてロボット１５座標系に変換することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、光学追跡システム３４１７に関連する従来の発光マーカおよび／または従来の反射マーカを用いることができる（たとえば図２０Ａのアクティブマーカ７２０を参照）。他の実施形態では、電磁追跡システムに関連する従来の電磁センサを用いることができる。いくつかの他の実施形態では、放射線不透過性マーカ（たとえば、図２０Ａに示すマーカ７３０）を、ＣＴ撮像システムで用いることができる。いくつかの実施形態では、放射線不透過性マーカ７３０（少なくとも部分的に金属または他の高密度材料から形成された球体）を用いて、少なくとも部分的にＸ線を吸収することができるマーカ７３０を提供し、ＣＴスキャン画像に球体の高コントラストな画像を生成することができる。

いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０がロボット１５の座標系の所望の位置に達するために必要なカウントを、以下のプロセス例に基づいて計算することができる。まず、所望の角度方向に達するために必要なカウントを計算することができる。いくつかの実施形態では、一連の３回転を適用して、座標系を一時的に新たな座標系にシフトさせることができ、そこでは、ｙ軸６８はロール６２に対する運動のらせん軸と一致するかまたは実質的に一致し、ｘ軸６６はピッチ６０に対する運動のらせん軸と定義上、大部分位置合せされ、ピッチ６０に対する運動のらせん軸は定数ｚ＝０を有する。そして、所望のピッチ６０を達成するために必要なカウントの数を、このピッチ６０がロール６２にいかに影響を与え得るかを追跡して求めることができる。一実施態様では、所望のピッチを達成するために必要なカウントを見つけるために、ピッチ角６０の変化に、ピッチに対して１度あたりの先に校正されたモータカウントを乗算することができる。ピッチ６０のこの変化によってもたらされるロール６２の変化を、らせん軸の向きとらせん軸を中心とする回転角（ピッチ）とから計算することができる。そして、計画された軌道位置合せに達するように所望のロール６２に達するために必要なロール６２を計算することができ、それには、ロール６２の適用により、座標系の定義上、それ以上ピッチにいかなる変化ももたらされないという利点がある。そして、座標系は、上記適用した３回転の逆回転によって、上述したロボット１５座標系に戻るようにシフトされる。そして、所望のｘ軸６６位置に達するために必要なカウントを、またこのｘ軸６６位置の変化がｙ軸６８位置にいかに影響を与えるかを追跡して計算することができる。そして、所望のｙ軸位置に達するために必要なｙ軸６８カウントを容易に計算することができ、それには、ｙ軸動きベクトルが定義上ロボットのｙ軸６８に位置合せされるため、ｙ軸６８座標の変化が他のいかなる軸にも影響を与えないようにすることができるという利点がある。Ｚチューブ５０位置が能動的に制御されているシナリオでは、Ｚチューブ５０移動ベクトルの向きは、ロール６２およびピッチ６０を調整する時に調整され、それが軌道ベクトルに沿った所望の位置まで移動するために必要なカウントは、オフセットから計算される。いくつかの実施形態では、すべての軸において所望の位置に達するために必要なカウントが上述したように計算された後、これらのカウントを、軸を計算された位置まで移動させるために、コンピュータアクセス可能命令（たとえば、コンピュータ可読命令および／またはコンピュータ実行可能命令）として、各軸に対するそれぞれのコントローラに送信することができる。

図２４は、本発明の一実施形態による１つまたは複数の態様による、軟組織を通して位置決めし前進させる方法２４００のフローチャートである。図示するように、いくつかの実施形態では、ブロック２４１０において、医療画像がアクセスされる（たとえば、受信され、検索され、または他の方法で取得される）。本明細書に記載するように、医療画像は、限定されないがＣＴスキャン、磁気共鳴画像スキャン（以下、「ＭＲＩスキャン」と呼ぶ）、Ｘ線画像または他の解剖学的スキャンを含む、３Ｄ解剖学的画像スキャンであり得る。３Ｄ解剖学的スキャンを、手術ロボット１５で利用することができ、それは、本発明の範囲内にあることが認識されるべきである。いくつかの実施形態では、ブロック２４２０において、医療画像に対して標的固定具６９０が校正される。いくつかの実施形態では、校正は、半自動または自動であり得る。いくつかの実施形態では、ブロック２４３０において、医療画像に関連する意図された軌道を示すデータが受け取られる。いくつかの実施形態では、ブロック２４４０において、ロボット１５は意図された軌道に実質的に維持される。いくつかの実施形態では、制御プラットフォーム（たとえば、図３４に示すプラットフォーム３４００）は、意図された軌道を実質的に維持するためにロボット１５の移動を調整することができる。

図２５〜図２６は、本発明の１つまたは複数の実施形態による医療画像に対して標的固定具６９０を校正する方法のフローチャートである。図２５に示すように、いくつかの実施形態では、方法２５００は、半自動校正法を採用することができ、いくつかのシナリオではブロック２４２０の一部として実施され（たとえば実行され）得る。いくつかの実施形態では、ブロック２５１０において、複数の放射線不透過性マーカ（たとえば、放射線不透過性マーカ７３０）の表現を有する医療画像を示すデータが受け取られる。一実施形態では、本明細書に記載するように、こうした複数の放射線不透過性マーカは４つの放射線不透過性マーカ７３０を含むことができる。いくつかの実施形態では、ブロック２５２０において、医療画像に関連する座標系において、各放射線不透過性マーカ７３０の幾何学的中心が求められる。いくつかの実施形態では、画像閾値処理を利用して、各放射線不透過性マーカ７３０の１つまたは複数の縁およびその幾何学的中心を定義することができる。閾値処理は、２Ｄ領域内のピクセル強度をモニタリングすることができる画像処理技法を指す。たとえば、強度が所定値に達するピクセルのｘ、ｙ位置（たとえばｍｍで表現される）を取得することができる。同様に、閾値は、明から暗の遷移光強度を指す。いくつかの実施形態では、医療画像の２Ｄスライスにおいて、放射線不透過性マーカ７３０は明るく見える可能性があり、隣接する空間（組織または空気等）は暗く見える可能性がある。いくつかの実施形態では、放射線不透過性マーカの縁に現れる強度で閾値処理基準を満たすピクセルを表示することにより、医療画像上でマーカの輪郭を描く大部分円形であるトレースをもたらすことができる。いくつかの実施形態では、マーカ７３０は球状であり得るため、２Ｄ像でマーカ７３０の中心を見つける方法は、２Ｄ像を、最初に、中心に向かって球体の高強度画像があり外縁に向かって低強度のピクセルがあるサンプリング領域に制限することを含むことができる。第２に、方法は、平均ｘ閾値位置（たとえば、閾値基準を満たすピクセルの最大ｘ座標に、閾値基準を満たすピクセルの最小ｘ座標を足して２で割る）を見つけることと、同様の方法を用いて平均ｙ閾値位置を見つけることとを含むことができる。いくつかの実施形態では、球体の中心を、２つの直交する像における同じマーカ７３０を通るスライスの２Ｄ中心を求めることによって見つけることができる。たとえば、いくつかの実施形態では、方法は、ｘｙスライスから平均ｘおよび平均ｙを見つけ、その後、ｘｙスライスから平均ｘおよび平均ｚを見つけて、マーカ７３０の中心を表す平均ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸座標を得ることを含むことができる。さらに、平均ｘ、平均ｙおよび平均ｚが見つかった時または見つかった後、新たなｘｙスライスおよびｘｚスライスを再度評価することができ、最大および最小のｘ閾値、ｙ閾値およびｚ閾値を再度求めて、各像における閾値処理された対象の寸法を評価することができる。この方法から、いくつかの実施形態では、脊椎の側部から離れるように延在する皮質骨の小突起等、高強度の非球状の対象は、突起が１つまたは複数の方向において領域から延出する可能性があるため、（１）領域の中間の近くが高強度であって全体的に低強度である条件、または（２）中心が求められた対象のｘ、ｙおよびｚの寸法が互いに一致しないという条件（たとえば非球状の場合）を満たさなくなる可能性がある、ということを認識することができる。

図２５に示すように、いくつかの実施形態では、ブロック２５３０において、校正されている固定具に対する各放射線不透過性マーカ７３０に対して、１つの中心が求められた球体が確定されたか否かが確認される。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのこうした球体が確定または特定されない場合、閾値設定が調整され、フローはブロック２５１０に向けられる。いくつかの実施形態では、ブロック２５４０において、各中心が求められた球体は、複数の放射線不透過性マーカ７３０のうちの各放射線不透過性マーカ７３０にマッピングされる。図示するように、いくつかの実施形態では、ブロック２５４０は、いくつかの実施形態では、複数の放射線不透過性マーカ７３０のうちの所定の１つに関連する所定の中心が求められた球体を確立するように分類プロセスを実施することを含むことができるマッピング作用を表すことができる。いくつかの実施形態では、複数の放射線不透過性マーカ７３０は、（たとえば、ＯＰ１、ＯＰ２、ＯＰ３およびＯＰ４として表わされる）４つの放射線不透過性マーカ７３０を含む。いくつかの実施形態では、分類プロセスは、４つの中心が求められたマーカ７３０の各々１つをＯＰ１、ＯＰ２、ＯＰ３またはＯＰ４のうちの１つにマッピングすることができる。いくつかの実施形態では、分類プロセスは、４つの特定されていないマーカ７３０の平均位置からマーカ間距離を測定し、こうした距離を、マーカ固定具上の各マーカ７３０に対して、現存のマーカ間距離（たとえば、事前に測定され、大容量記憶装置３４０４等のメモリに保持されているもの）と比較することにより、所定のマーカ７３０を特定することができる。いくつかの実施形態では、固定具６９０上の放射線不透過性マーカ７３０を非対称に配置することができ、各マーカ７３０を、こうしたマーカ７３０に対応するマーカ間距離の一意の組から特定することができる。たとえば、医療画像から測定された他の３つのマーカ７３０に対する１つの未知のマーカ７３０のマーカ間距離の合計がＤであるいくつかの実施形態では、単一の物理的マーカ７３０（ＯＰ１、ＯＰ２、ＯＰ３またはＯＰ４のうちの１つ）が、Ｄの指定された公差（±１ｍｍ等）内で一致するマーカ間距離合計を有することができる。いくつかの実施形態では、ブロック２５５０において、各中心が求められた球体の座標を（たとえば、コンピュータプラットフォーム３４００のメモリに）保持することができる。本明細書に記載するように、いくつかの実施形態では、こうした座標を、ロボット１５の移動を追跡するプロセスで利用することができる。

いくつかの実施形態は、自動化校正方法を具現化することができ、いくつかのシナリオではブロック２４２０の一部として実施され（たとえば実行され）得る方法２６００（図２６におけるフローチャートとして示す）を含む。いくつかの実施形態では、ブロック２６０５において、Ｚ位置に対し、テスト領域正方形のｘ−ｙグリッドが生成される。いくつかの実施形態では、各テスト領域正方形を、画像化されると放射線不透過性として現れる材料から構成された、標的固定具６９０に関連する球体（放射線不透過性マーカ７３０）の直径より大きくすることができる。いくつかの実施形態では、各テスト領域正方形は、少なくとも１つの隣接するテスト領域正方形と少なくとも部分的に重なることができる。本発明の一実施形態では、テスト領域正方形の表面の略半分が、隣接するテスト領域正方形の表面と重なることができる。いくつかの実施形態では、ブロック２６１０において、校正が、場所Ｚ＝０、ｘ−ｙグリッド行０、ｘ−ｙグリッド列０で初期化される。いくつかの実施形態では、ブロック２６１５において、第１テスト領域正方形内の医療画像の輪郭が求められる。いくつかの実施形態では、球体を円形領域として描くことができるが、医療画像において表される骨の一部は非対称である可能性があることが認識されるべきである。いくつかの実施形態では、本明細書に記載する１つまたは複数の態様による閾値処理プロセスを実施して、対象のｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の輪郭が、形状が球形であることと一貫して、実質的に等価な寸法であるか否かを評価することにより、１つまたは複数の無効なマーカ７３０を排除することができる。

いくつかの実施形態では、ブロック２６２０において、最大（ｍａｘ）輪郭座標がテスト領域の最大座標より小さいか否か、最小（ｍｉｎ）輪郭座標がテスト領域の最小座標より大きいか否か、および画像に描写された特徴の垂直スパンがこうした特徴の水平スパンと等しいあるいは実質的に等しいか否かが判断される。図２６に示すように、いくつかの実施形態では、否定の場合、フローはブロック２６４５に向けられ、そこでは、第１テスト領域が次のグリッド位置および次のＺ平面に移動する。逆に、３つの上記条件が満たされる場合、フローはブロック２６２５に向けられ、そこで、Ｘ座標およびＹ座標は現テスト領域の中心に中心合せされる。いくつかの実施形態では、ブロック２６３０において、ＸＺ平面および／またはＹＺ平面において上方にかつ下方に広がる第２テスト領域正方形を生成することによってＺ座標が調査され、対象の１つまたは複数の輪郭が求められる。いくつかの実施形態では、ブロック２６３５において、ＸＺ平面において観察された対象の輪郭が、対象の形状が球体であることと一貫して、ｘ−ｙ平面における輪郭に対して（垂直にかつ水平に）実質的に等価な相対的間隔であるか否かが判断される。いくつかの実施形態では、こうした輪郭の間隔が異なる場合、フローはブロック２６４５に向けられる。逆に、こうした輪郭の間隔が像間で実質的に等価である場合、ブロック２６４０において、Ｘ座標、Ｙ座標およびＺ座標に中心がある球体が特定され、フローはブロック２６４５に向けられる。

いくつかの実施形態では、ブロック２６５０において、ｘ−ｙグリッドにおける最後の行および列に達し、ブロック２６４５における第１テスト領域を更新した結果として最後のＺ平面に達したか否かが判断される。いくつかの実施形態では、否定の場合、フローはブロック２６１５に向けられ、そこでは、第１領域は先の第１領域の更新された場合であり、フローはブロック２６２０からブロック２６４５のうちの１つまたは複数を再度反復する。逆に、肯定の場合、フローはブロック２６５５に向けられ、そこで、無効なマーカ７３０を排除することができる。いくつかの実施形態では、対化プロセスを実施して１つまたは複数の無効なマーカ７３０を排除することができる。この対化プロセスに対して、いくつかの実施形態では、標的固定具６９０上のＮ個（Ｎは自然数）の放射線不透過性マーカ７３０の各々と標的固定具６９０上の各他の放射線不透過性マーカ７３０との間の既知の間隔を、医療画像で見つかったマーカ７３０と比較することができる。医療画像においてＮ個を超えるマーカ７３０が見つかったシナリオでは、Ｎ−１個の他のマーカ７３０に対して、たとえばリストに保持された既知の間隔の許容可能な許容範囲内にある間隔を有していない、医療画像上で見つかったいかなる球体も、無効であるとみなすことができる。たとえば、標的固定具６９０が４つの放射線不透過性マーカ７３０を有する場合、６個の既知の間隔があり、各マーカ７３０は、他の３つのマーカ７３０に対して定量化可能な間隔、すなわち、マーカ１−２、１−３、１−４、２−３、２−４および３−４に対するマーカ間間隔を有している。標的固定具６９０の３Ｄ医療画像において、いくつかの実施形態では、医療画像上に５つのあり得るマーカ７３０が見つかる場合、それらのマーカ間間隔を計算することができる。このシナリオでは、１０個のマーカ間間隔、すなわち１−２、１−３、１−４、１−５、２−３、２−４、２−５、３−４、３−５および４−５があり、各球体は、４つの他のマーカ７３０に対して定量可能な間隔を有している。５つのあり得るマーカ７３０の各々を個々に考慮すると、こうした５つのマーカ７３０のいずれも、６つの先に定量化された既知の間隔のリストにおいて、間隔の非常に小さい距離内にその４つのマーカ間間隔のうちの３つを有していない場合、それは無効であるとみなされる。

いくつかの実施形態では、ブロック２６６０において、ブロック２６４０において特定された各中心が求められた放射線不透過性マーカ７３０を、複数の放射線不透過性マーカ７３０の各放射線不透過性マーカ７３０にマッピングすることができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載する１つまたは複数の態様による分類プロセスを実施して、こうしたマーカ７３０を放射線不透過性マーカ７３０にマッピングすることができる。いくつかの実施形態では、ブロック２６６５において、各中心が求められた球体の座標を（たとえば、コンピュータプラットフォーム３４００のメモリに）保持することができる。本明細書に記載するように、いくつかの実施形態では、こうした座標を、ロボット１５の移動を追跡するプロセスで利用することができる。いくつかの実施形態では、追跡中、アクティブマーカ７２０と放射線不透過性マーカ７３０との間の確立された（たとえば校正された）空間的関係を利用して、座標系を医療画像の座標系から追跡システム３４１７の座標系に変換することができ、その逆も可能である。いくつかの実施形態は、座標を医療画像の座標系から追跡システムの座標系に変換するプロセスを含み、４つのアクティブマーカＡＭ１、ＡＭ２、ＡＭ３、ＡＭ４（たとえば、アクティブマーカ７２０）に対する堅く固定された位置に、４つの放射線不透過性マーカＯＰ１、ＯＰ２、ＯＰ３およびＯＰ４（たとえば、放射線不透過性マーカ７３０）を備えた固定具６９０を含むことができる。いくつかの実施形態では、固定具６９０の校正が発生した時点で、この位置関係を、いかなる後のデータのフレームにおいても変換を通して容易に到達可能であり得る４つの任意の基準デカルト座標系の組で、後にアクセスするために、リアルタイムでまたは実質的にリアルタイムでコンピュータメモリ（たとえば、システムメモリ３４１２）に保持することができる。いくつかの実施形態では、各基準座標系は、アクティブマーカ７２０のうちの３つの明確な位置決めを利用することができる。いくつかの実施形態は、ＡＭ１、ＡＭ２およびＡＭ３に対する基準座標系を含むことができ、それは、ＡＭ１を原点（たとえば、３次元ベクトル（０，０，０）に配置することができ、ＡＭ２をｘ軸に配置することができ（たとえば、ｘ座標ＡＭ２ｘ＞０、ｙ座標ＡＭ２ｙ＝０およびｚ座標ＡＭ２ｚ＝０）、ＡＭ３をｘ−ｙ平面に配置することができる（たとえば、ｘ座標ＡＭ３ｘ制限なし、ｙ座標ＡＭ３ｙ＞０およびｚ座標ＡＭ３ｚ＝０）座標系であり得る。いくつかの実施形態は、こうした座標系への変換を生成する方法を含み、それは、（１）ＡＭ１ベクトル位置が（０，０，０）であるようなＡＭ１、ＡＭ２、ＡＭ３、ＯＰ１、ＯＰ２、ＯＰ３およびＯＰ４の並進と、（２）ｚ＝０における位置ＡＭ２に好適な角度でのｘ軸を中心とする回転（たとえば、ＡＭ２、ＡＭ３およびＯＰ１〜ＯＰ４に適用された回転）と、（３）ｙ＝０およびｘ＞０における位置ＡＭ２に対して好適な角度でのｚ軸を中心とする回転（たとえば、ＡＭ２、ＡＭ３およびＯＰ１〜ＯＰ４に適用された回転）と、（４）ｚ＝０およびｙ＞０での位置ＡＭ３に対して好適な角度でのｘ軸を中心とする回転（たとえば、ＡＭ３およびＯＰ１〜ＯＰ４に適用された回転）を含むことができる。いくつかの実施形態では、これらの変換をたとえばコンピュータメモリに保持することは不要であり、むしろ、後にアクセスするために保持される情報は、こうした基準座標系におけるＡＭ１〜ＡＭ３およびＯＰ１〜ＯＰ４の座標であり得ることが認識されるべきである。いくつかの実施形態では、別のこうした基準座標系は、ＡＭ２、ＡＭ３およびＡＭ４を利用することによってＯＰ１〜ＯＰ４を変換することができる。いくつかの実施形態では、別のこうした基準座標系は、ＡＭ１、ＡＭ３およびＡＭ４を利用することによってＯＰ１〜ＯＰ４を変換することができる。いくつかのさらなる実施形態では、別のこうした基準座標系は、ＡＭ１、ＡＭ２およびＡＭ４を利用することによってＯＰ１〜ＯＰ４を変換することができる。

いくつかの実施形態では、追跡の時点で、あらゆる所与のデータのフレーム中、アクティブマーカＡＭ１〜ＡＭ４の座標を、追跡システム３４１７によって提供することができる。いくつかの実施形態では、マーカＡＭ１、ＡＭ２およびＡＭ３を利用することにより、基準座標系の条件に達するために好適な変換を適用することができる。いくつかの実施形態では、こうした変換は、ｘ−ｙ平面上のＡＭ１、ＡＭ２およびＡＭ３を、この基準座標系に対してコンピュータメモリに以前に格納された位置に近接した位置に配置することができる。いくつかの実施形態では、たとえば、それらの格納された位置においてアクティブマーカ７２０の三つ組の最良適合を達成するために、最小二乗アルゴリズムを利用して、マーカ７２０の三つ組にオフセットおよび回転を適用することができる。一実施態様では、最小二乗アルゴリズムを、Ｓｎｅａｔｈによって記載されているように実施することができる（Ｓｎｅａｔｈ Ｐ．Ｈ．Ａ．，Ｔｒｅｎｄ−ｓｕｒｆａｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｇｒｉｄｓ，Ｊ．Ｚｏｏｌｏｇｙ １５１，６５−１２２（１９６７））。いくつかの実施形態では、最小二乗調整を含む、基準座標系に達するために好適な変換を、メモリ（たとえば、システムメモリ３４１２および／または大容量記憶装置３４０４）に保持することができる。いくつかの実施形態では、こうした基準座標系におけるＯＰ１〜ＯＰ４の保持された座標を検索することができ、基準座標系を達成するための保持された変換の逆をこうした座標に適用することができる。ＯＰ１〜ＯＰ４の新たな座標（変換の逆の適用からもたらされる座標）は、追跡システム３４１７の座標系にあることが認識されるべきである。同様に、いくつかの実施形態では、アクティブマーカ７２０の残りの３つの三つ組を利用することにより、ＯＰ１〜ＯＰ４の座標を取得することができる。

いくつかの実施形態では、アクティブマーカ７２０の異なる三つ組から計算することができる追跡システムの座標系におけるＯＰ１〜ＯＰ４座標の４つの組が、およそ等価である座標を有するものと考えられる。いくつかの実施形態では、座標が等価でない場合、データセットを分析して、現フレームにおけるアクティブマーカ７２０の各三つ組がアクティブマーカ７２０の保持された位置にいかに正確に重なるかを評価することによって、アクティブマーカ７２０のうちのいずれが非好適な（または不十分な）データを提供するかを判断することができる。いくつかの他の実施形態では、座標が略等価である場合、４つの組から得られた平均値を、各放射線不透過性マーカ７３０に利用することができる。いくつかの実施形態では、他のデータ（医療画像座標系からの軌道等）の座標を追跡システムの座標系に変換するために、データに対して同じ変換を適用することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、軌道ベクトルの先端および末端を、４つの基準座標系に変換し、その後、データの任意のフレームにおいてアクティブマーカ７２０の三つ組を用いて取り出し、追跡システムの座標系に変換することができる。

図２７は、本発明のいくつかの実施形態による、手術ロボット１５を実質的に軌道上に自動的に維持する方法２７００のフローチャートである。いくつかの実施形態では、ブロック２７１０において、Ｚフレーム７２またはＺチューブ５０のうちの１つまたは複数の位置を示すデータが受け取られる。いくつかの実施形態では、ブロック２７２０において、各軸モータ１６０のエンコーダカウント等、手術ロボット１５の各ロボット１５関節を示すデータがアクセスされる。いくつかの実施形態では、ブロック２７３０において、計画された軌道上の現ロボット１５位置がアクセスされる（その位置は、カメラ座標系または他の追跡デバイスの座標系で表される）。一実施形態では、計画された軌道をオペレータが生成することができる。たとえば、オペレータ（たとえば外科医）が、所望の解剖学的構造を３つの直交する平面（典型的には、矢状スライス、冠状スライスおよび軸方向スライス）を表す３つのウィンドウで見ることができるまで、画像スライスを通してスクロールおよび回転させることができる。そして、オペレータは、１つのウィンドウにおいて所望の傾斜および位置に線を描くことができ、線は、同時に計算され、それが描かれたウィンドウの画面および向きの像によって制約される他の２つのウィンドウに現れる。

別の実施形態では、角度および位置の両方において画像に固定されている線（たとえば、線ｔと呼ぶ）は所望の軌道を表し、外科医は、画像を回転させかつスクロールさせて、この軌道を解剖学的構造の所望の位置および向きに位置合せしなければならない。こうした実施形態の少なくとも１つの利点は、所望の軌道に関して解剖学的構造のより完全な全包括的な像を提供することができ、それにより、オペレータが描かれた後の線を消去し最初からやり直すかまたは少しずつ動かす必要をなくすことができるということであり、したがって、このプロセスが採用された。いくつかの実施形態では、計画された軌道をコンピューティングデバイス（たとえば、コンピューティングデバイス３４０１）のメモリに保持することができ、コンピューティングデバイスは、手術ロボット１５を制御し、または所定の処置の間に使用されるように手術ロボット１５に結合される。いくつかの実施形態では、各計画された軌道を、計画された軌道とともにメモリに保持することができる記述子に関連付けることができる。例として、記述子は、スクリュー挿入が計画される脊椎のレベルおよび面であり得る。

別の実施形態では、（所望の軌道を表す、角度および位置の両方において画像に固定された）線ｔは、ロボットのエンドエフェクタ３０の現位置によって、または、エンドエフェクタガイドチューブ５０の外挿（器具３５が同じベクトルに沿ってそのガイドチューブ５０から延出するとすれば）によって決まる。いくつかの実施形態では、ロボット１５が、個々のまたは結合された軸６４、６６、６８、７０を制御するモータ１６０を作動させることによって、患者１８の上に手動で押し出される際、この外挿線（ロボットのエンドエフェクタ３０）の位置は、ロボットに取り付けられたマーカ７２０、軸の現位置を示す従来のエンコーダ、またはそれら記録器の組合せに基づいて、医療画像上で更新される。いくつかの実施形態では、所望の軌道に達すると、医療画像座標系におけるそのベクトルの位置がコンピュータメモリに（たとえば、コンピュータプラットフォーム３４００のメモリに）格納され、それにより、後に呼び出されると、ロボット１５は、このベクトルを横切るように水平面において自動的に移動することになる。いくつかの実施形態では、モータ１６０を作動させることによってロボット１５を手動で駆動する代りに、ロボットの軸を受動状態にすることができる。いくつかの実施形態では、受動状態では、マーカ７２０は、ロボットアーム２３位置に関するデータを補正し続け、各軸６４、６６、６８、７０上のエンコーダは、軸の位置に関する情報を提供し続け、したがって、外挿線の位置は、受動ロボット１５が水平面においていかなる向きおよび位置に引っ張られる際にも、医療画像上で更新され得る。いくつかの実施形態では、所望の軌道に達すると、その位置をコンピュータメモリに格納することができる。いくつかの実施形態は、位置または軌道を即座に堅く保持し、患者１８の移動の補償を開始するように、ロボット１５を能動状態にすることができる、従来のソフトウェア制御または従来のスイッチ起動を含む。

いくつかのさらなる実施形態では、方法２７００を実施し、または手術ロボット１５に結合されるコンピューティングデバイスは、１つまたは複数の計画された軌道を描くことができる。こうした情報により、各所望の軌道に達するために必要なモータ１６０エンコーダカウントを計算し、カウントが各軸のあり得るカウントの範囲内にあるか否かを評価することにより、計画された軌道がロボット１５のリーチの範囲内にあることを確認するのを可能にすることができる。

いくつかの実施形態では、各軌道が範囲内にあるか否かと、各軌道がいかに範囲から外れる寸前であるかとを含む情報を、エージェント（外科医あるいは他のユーザまたは機器）に提供することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、表示手段２９（表示装置３４１１等）が、各標的軌道が目下位置している、１つまたは複数の軸の軸カウントの限界値または線形あるいは角度位置および各軸の位置を描く（すなわち、表示する）ことができる。

別の実施形態では、表示装置３４１１（たとえば、ディスプレイ１５０）は、水平作業場の像を矩形として描くことができ、そこではロボットのｘ軸６６移動およびｙ軸６８移動の範囲が、それぞれ矩形の水平寸法および垂直寸法を定義している。いくつかの実施形態では、矩形上のマーク（たとえば、円）が、患者１８に対するロボット１５の現物理的位置における各計画された軌道の位置を表すことができる。別の実施形態では、３Ｄデカルトボリュームが、ロボット１５のｘ軸６６移動、ｙ軸６８移動およびｚ軸７０移動の範囲を表すことができる。いくつかの実施形態では、ボリュームに描かれた線分または円柱は、患者１８に対するロボット１５の現位置における各計画された軌道の位置を表すことができる。ロボット１５または患者１８の所望の軌道の範囲内にある位置への再配置は、この時点で行われる。他の実施形態では、外科医はＺフレーム７２の位置を調整することができ、それは、ロボット１５が到達することができる軌道のｘ軸６６範囲およびｙ軸６８範囲に影響を与える可能性がある（たとえば、ロボット１５がｘ軸７０において下降するほど、収束する軌道に必要なｘ軸６６またはｙ軸リーチが小さくなる）。この間、同時に、画面は、患者１８およびロボット１５上の追跡マーカが追跡システム（たとえば、図３４に示す光学追跡システム３４１７および図８１におけるカメラ８２００）の検出デバイスの視野内にあるか否かを示す。必要な場合は、追跡センサのすぐれた可視性または最適な検出のために、この時点でカメラ８２００の再配置も行われる。

いくつかの実施形態では、ブロック２７４０において、ロボット１５座標系におけるエンドエフェクタ３０の向きが計算される。いくつかの実施形態では、ブロック２７５０において、ロボット１５座標系におけるエンドエフェクタ３０の位置が計算される。いくつかの実施形態では、ブロック２７６０において、ロボット１５座標系において計画された軌道を定義する線ｔが求められる。いくつかの実施形態では、ブロック２７７０において、ロボット１５位置は、計画された軌道において現Ｚレベルで固定される。いくつかの実施形態では、ブロック２７８０において、軌道固定の質を示す情報を提供することができる。いくつかの実施形態では、手術ロボット１５の実際の座標を、計画された軌道のそれぞれの座標とともに描くことができる。いくつかの実施形態では、こうした質に基づいて、聴覚的しるしを提供することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、高周波数および／または高振幅ノイズが、低質な固定を表すのに好適な聴覚的しるしを具現化することができる。いくつかの代替実施形態では、計画された軌道への固定の成功を示すように、コンピュータによってＵＳＢメモリデバイスの認識の成功に関連する音等、短いメロディを繰り返し再生することができる。他の実施形態では、軸に機械的に過度の力が加わっているためにロボット１５がその標的に達することができない場合、または追跡マーカ７２０がカメラ８２００または他のマーカ位置センサによって検出不可能である場合に、バズまたは他の警告音を鳴らすことができる。

いくつかの実施形態では、ブロック２７９０において、外科処置が終了したか否かが判断され、肯定の場合、フローは終了する。他の実施形態では、フローはブロック２７１０に向けられる。いくつかの実施形態では、方法２７００は、いくつかのシナリオではブロック２４４０の一部として実施され（すなわち実行され）得る。いくつかの実施形態では、方法２７００はまた、ロボット１５の移動を可能にする少なくとも１つの機能を有するあらゆるロボット１５に対しても実施され得ることが認識されるべきである。

図２８Ａは、本発明の１つの少なくとも１つの実施形態による、ロボット１５におけるエンドエフェクタ３０の位置および／または向きを計算する方法２８００ａのフローチャートである。いくつかの実施形態では、位置および／または向きを、少なくとも、ロボットのｘ軸６６に取り付けられた追跡アレイ６９０のモニタリングされた位置と、ｙ軸６８、ロール６２、ピッチ６０およびＺチューブ軸６４のアクチュエータ上のエンコーダのモニタリングされたカウントとに基づいて、計算することができる。いくつかの実施形態では、位置および／または向きは、ロボット１５座標系で計算される。いくつかの実施形態では、方法２８００ａは、ブロック２７４０または２７５０のうちの１つまたは複数を具現化することができる。いくつかの実施形態では、ブロック２８０５ａにおいて、ｘ軸６６に取り付けられたロボット１５追跡マーカの現位置（すなわち、３Ｄ位置）がアクセスされる。いくつかの実施形態では、ブロック２８１０ａにおいて、ロボット１５に取り付けられた追跡アレイ６９０の現位置は、中立位置に変換される。これは、先に格納された位置であり、ロボット１５が、トラッカ６９０とロボット１５基部との間の各軸（この構成ではｘ軸６６およびｚ軸７０）上でゼロカウントであった追跡アレイ６９０の位置を表す。いくつかの実施形態では、現位置から中立位置に変換する変換（Ｔ１）の組を、コンピュータメモリ（たとえば、システムメモリ３４１２および／または大容量記憶装置３４０４）に保持することができる。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０と整列するベクトルを表す線分の先端および末端を、少なくとも本明細書に記載するプロセスに基づいて計算することができる。いくつかの実施形態では、このプロセスにより、ロボット１５座標系を確立し、追跡マーカ７２０をエンドエフェクタ３０に一時的に取り付けることができる場合、ロボット１５の移動の軸の相対的な向きを校正することができる。いくつかの実施形態では、空間におけるベクトルの位置を、ガイドチューブ５０の周りの２つの位置まで手動で回転したマーカ７２０の運動の有限らせん軸を見つけることによって求めることができる。いくつかの実施形態では、空間におけるベクトルの位置を、（追跡マーカ７２０のある一時的に取り付けられた剛体６９０によって特定される）ガイドチューブ５０の入口に位置する点を、（追跡マーカ７２０がある第２の一時的に取り付けられた剛体６９０によって特定される）ガイドチューブ５０の出口に位置する点に接続することによって求めることができる。

いくつかの実施形態では、線分の先端を、ピッチ中の運動のらせん軸を表すベクトルに最も近いベクトルに沿った点として得ることができる。いくつかの実施形態では、線分の末端に、ガイドチューブ５０および／または第１らせん軸に位置合せされたベクトルを進んだ任意の距離（たとえば、約１００ｍｍ）を設定することができる。いくつかの実施形態では、こうした先端位置および末端位置のデカルト座標を、本明細書に記載する座標系に変換することができ、そこでは、ｙ軸６８移動は座標系のｙ軸６８と一致することができ、ｘ軸６６を、ｘ軸６６移動によって、ｘ軸６６の方向において最大の変化をもたらすことができ、ｙ軸６８において穏やかな変化をもたらすことができ、ｚ軸７０において変化がないように位置合せすることができる。いくつかの実施形態では、これらの座標を、後に検索するためにコンピュータメモリ（たとえば、システムメモリ３４１２）に保持することができる。いくつかの実施形態では、ブロック２８１５ａにおいて、中立に対する先端座標および末端座標がアクセスされる（すなわち、検索される）。いくつかの実施形態では、ブロック２８２０ａにおいて、先端および末端は、モニタリングされたＺチューブ５０カウント分、Ｚチューブ５０中立単位ベクトルに沿って並進する。いくつかの実施形態では、ブロック２８２５ａにおいて、瞬間回転軸（「ＩＡＲ」）にアクセスされる。ＩＡＲは、中立に対するピッチ６０のらせん軸に沿った並進の要素を無視した運動のらせん軸と同じである。上述したように、いくつかの実施形態では、このＩＡＲに対するベクトルは、ロボット１５の座標系が校正された時点でコンピュータメモリに事前に格納されている。いくつかの実施形態では、ブロック２８３０ａにおいて、先端座標、末端座標ならびにＩＡＲベクトルの方向および位置座標は、ＩＡＲがＸ軸に位置合せされる新たな座標系に変換される（たとえば、反復的に変換される）。いくつかの実施形態では、こうした変換（Ｔ２）を示すデータを格納することができる。いくつかの実施形態では、ブロック２８３５ａにおいて、先端座標および末端座標は、ピッチ６０角度、Ｘ軸を中心に回転する。いくつかの実施形態では、ブロック２８４０ａにおいて、先端座標および末端座標は、Ｔ２の逆によって、先の座標系に戻るように変換される。いくつかの実施形態では、ブロック２８４５ａにおいて、ロール６２に対するＩＡＲを表す、事前に格納されたベクトルがアクセスされる。いくつかの実施形態では、ブロック２８５０ａにおいて、先端座標、末端座標、ＩＡＲ座標が、ＩＡＲがｙ軸６８に位置合せされる新たな座標系に変換される（たとえば、反復的に変換される）。いくつかの実施形態では、こうした変換（Ｔ３）示すデータをメモリに保持することができる。いくつかの実施形態では、ブロック２８５５ａにおいて、先端座標および末端座標は、ロール６２角度、ｙ軸６８を中心に回転する。いくつかの実施形態では、ブロック２８６０ａにおいて、先端座標および末端座標は、Ｔ３の逆によって、先の座標系に戻るように変換される。いくつかの実施形態では、ブロック２８６５ａにおいて、先端座標および末端座標は、モニタリングされたカウント分、ｙ軸６８単位ベクトル（たとえば、この座標系ではｙ軸６８に位置合せされたベクトル）に沿って並進する。いくつかの実施形態では、ブロック２８７０ａにおいて、先端座標および末端座標は、Ｔ１の逆によって、追跡システム３４１７によってモニタリングされた現座標系に戻るように変換される。

図２８Ｂは、本発明の一実施形態による、ロボット１５におけるエンドエフェクタ３０の位置および／または向きを計算する方法２８００ｂのフローチャートである。いくつかの実施形態では、位置および／または向きを、少なくとも、ロボット１５のロール６２軸に取り付けられた追跡アレイ６９０のモニタリングされた位置と、ピッチ６０およびＺチューブ５０のアクチュエータ上のエンコーダのモニタリングされたカウントとに基づいて計算することができる。いくつかの実施形態では、位置および／または向きを、ロボット１５座標系で計算することができる。本発明のいくつかの実施形態によれば、方法２８００Ｂは、ブロック２７４０または２７５０のうちの１つまたは複数を具現化することができる。いくつかの実施形態では、ブロック２８０５ｂにおいて、１つまたは複数のロボット１５追跡マーカ７２０のアレイの現位置がアクセスされる。いくつかの実施形態では、現位置は３Ｄ位置であり、ロボット１５追跡マーカ７２０のアレイを、ロボット１５のロール６２軸に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、ブロック２８１０ｂにおいて、ロボット１５に取り付けられたロボット１５追跡マーカ７２０のアレイの現位置は、中立位置に変換される。いくつかの実施形態では、中立位置を、事前に格納された位置とすることができ、それは、ロボット１５がトラッカ６９０とロボット基部２５との間の各軸（たとえば、この構成ではｚ軸７０、ｘ軸６８、ｙ軸６６およびロール６２軸）においてゼロカウントを有していた時のロボット１５追跡アレイ６９０の位置を表すことができる。いくつかの実施形態では、現位置から中立位置への変換（Ｔ１）の組を示すデータを、コンピュータメモリ（たとえば、大容量記憶装置３４０４またはシステムメモリ３４１２）に格納することができる。

いくつかの実施形態では、ロボット１５座標系を確立しロボット１５の移動の軸の相対的な向きを校正するために、追跡マーカ７２０が一時的に取り付けられたエンドエフェクタ３０と整列するベクトルを表す線分の先端および末端の位置が特定される。いくつかの実施形態では、空間におけるベクトルの位置を、ガイドチューブ５０の周囲の２つの位置まで手動で回転したマーカの運動の有限らせん軸を見つけることによって求めることができる。他の実施形態では、空間におけるベクトルの位置を、（追跡マーカ７２０のある一時的に取り付けられた剛体６９０によって特定される）ガイドチューブ５０の入口に位置する点を、（追跡マーカ７２０のある第２の一時的に取り付けられた剛体６９０によって特定される）ガイドチューブ５０の出口に位置する点に接続することによって、求めることができる。

いくつかの実施形態では、線分の先端を、ピッチ中の運動のらせん軸を表すベクトルに最も近いベクトルに沿った点として見つけることができる。いくつかの実施形態では、線分の末端に、ガイドチューブ／第１らせん軸に位置合せされたベクトルを進んだ任意の距離（たとえば、略１００ｍｍ）に設定することができる。いくつかの実施形態では、これらの先端位置および末端位置のデカルト座標を、本明細書に記載する座標系に変換することができ、そこでは、ｙ軸６８移動は実質的に座標系のｙ軸６８に一致し、ｘ軸６６移動は、いくつかの実施形態では、ｘ軸６６移動により、ｘ軸６６の方向において最大の変化がもたらされ、ｙ軸６８ではわずかな変化がもたらされ、ｚ軸７０では変化がないように、位置合せされる。こうした座標を、後に検索するためにメモリ（たとえば、システムメモリ３４１２）に保持することができることが認識されるべきである。いくつかの実施形態では、ブロック２８１５ｂにおいて、中立位置に対する先端座標および末端座標がアクセスされる（すなわち、検索されるかまたは他の方法で取得される）。いくつかの実施形態では、ブロック２８２０ｂにおいて、先端および末端は、モニタリングされたＺチューブ５０カウント分、Ｚチューブ５０中立単位ベクトルに沿って並進する。いくつかの実施形態では、ブロック２８２５ｂにおいて、ＩＡＲがアクセスされる。一実施態様では、このＩＡＲに対するベクトルを、コンピュータメモリにおいて入手可能とすることができ、たとえば、こうしたベクトルを、本明細書に記載する１つまたは複数の実施形態に従ってロボット１５の座標系が校正される時点で、コンピュータメモリに保持することができる。いくつかの実施形態では、ブロック２８３０ｂにおいて、先端座標、末端座標ならびにＩＡＲベクトルの方向および位置の座標は、ＩＡＲがｘ軸６６に位置合せされる新たな座標系に変換される。いくつかの実施形態では、適用された変換（Ｔ２）を示すデータを、コンピュータメモリに保持することができる。いくつかの実施形態では、ブロック２８３５ｂにおいて、先端座標および末端座標は、ピッチ６０角度、ｘ軸６６を中心に回転する。いくつかの実施形態では、ブロック２８４０ｂにおいて、先端座標および末端座標は、Ｔ２の逆を適用することにより、先の座標系に戻るように変換される。いくつかの実施形態では、ブロック２８７０ｂにおいて、先端座標および末端座標は、Ｔ１の逆を適用することにより、追跡システム３４１７によってモニタリングされる現座標系に戻るように変換される。

図２９は、本発明の一実施形態による、ロボット１５座標系において軌道を示す線を確定する方法２９００のフローチャートである。いくつかの実施形態では、軌道は、外科処置に関連する計画された軌道であり得る。いくつかの実施形態では、ブロック２９１０において、標的固定具６９０上の一組の現アクティブマーカ７２０位置に対して、剛体源（固定具６９０等）からそれぞれの放射線不透過性マーカ７３０位置がアクセスされる。いくつかの実施形態では、ブロック２９２０において、放射線不透過性マーカ７３０位置は、画像座標系における表現から現アクティブマーカ７２０座標系における表現に変換される。いくつかの実施形態では、ブロック２９３０において、計画された軌道が、画像座標系における表現から現アクティブマーカ７２０座標系における表現に変換される。いくつかの実施形態では、ブロック２９４０において、ロボット１５上の一組の現マーカ７２０位置は、ロボット１５座標系における表現に変換される。いくつかの実施形態では、ブロック２９５０において、計画された軌道は、現アクティブマーカ７２０座標系における表現からロボット１５座標系に変換される。

図３０は、本発明の一実施形態による軌道で固定するようにロボット１５位置を調整する方法３０００のフローチャートである。図示するように、いくつかの実施形態では、軌道を、現Ｚ平面で、または手術野１７の上方で水平に固定することができる。いくつかの実施形態では、ブロック３００５において、エンドエフェクタ３０のロール６２が（線ｔ（またはｔ）によって表される）軌道のロールに一致するか否かが判断される。否定の場合、いくつかの実施形態では、ブロック３０１０において、ロール６２軸を移動させる命令が送信され、フローはブロック３０１５に向けられる。逆に、肯定の場合、いくつかの実施形態では、フローはブロック３０１５に向けられ、そこで、エンドエフェクタ３０のピッチ６０が軌道のピッチに一致したか否かが判断される。否定の場合、ブロック３０２０において、ピッチ６０軸を移動させる命令が送信され、フローはブロック３０２５に向けられる。肯定の場合、いくつかの実施形態では、フローはブロック３０２５に向けられ、そこで、エンドエフェクタ３０のベクトル上の点のｘ軸６６座標が所望の軌道ベクトルのｘ軸６６座標を遮るか否かが判断される。否定の場合、いくつかの実施形態では、ｘ軸６６を移動させる命令が送信され、フローは３０３５に向けられる。肯定の場合、いくつかの実施形態では、フローはブロック３０３５に向けられ、そこで、エンドエフェクタ３０のベクトル上の点のｙ軸６８座標が所望の軌道ベクトルのｙ軸６８座標を遮るか否かが判断される。否定の場合、いくつかの実施形態では、ブロック３０４０において、ｙ軸６８を移動させる命令を送信することができ、フローはブロック３０４５に向けられる。肯定の場合、いくつかの実施形態では、フローはブロック３０４５に向けられ、そこでＺチューブ５０が調整されているか否かが判断される。いくつかの実施形態では、エンドユーザは、たとえば、Ｚチューブ５０を所望の位置に制御するように、Ｚチューブ５０が調整されていることを示す情報（すなわち、データまたはメタデータ）を構成することができる。否定の場合、いくつかの実施形態では、フローは終了する。肯定の場合、いくつかの実施形態では、フローはブロック３０５０に向けられ、ぞこで、Ｚチューブ５０が解剖学的構造から所定距離に配置されているか否かが判断される。肯定の場合、いくつかの実施形態では、フローは終了し、Ｚチューブ５０は、解剖学的構造（骨、生検部位等）における標的位置に対して所望の位置に配置される。否定の場合、いくつかの実施形態では、ブロック３０５５において、Ｚチューブ軸６４を移動させる命令が送信され、フローはブロック３０５０に向けられる。本方法３０００では、いくつかの実施形態において、ただしすべての実施形態ではなく、示された軸（ｘ軸６６、ｙ軸６８、Ｚチューブ軸６４、ロール６２およびピッチ６０）の各々における移動が、方法フローにおける以前の他の軸に影響を与えることなく発生する必要がある場合があることが留意されるべきである。たとえば、いくつかの実施形態では、ブロック３０４０におけるｙ軸６８移動は、ブロック３０２５においてすでに検査されたｘ軸６６座標の位置の変化をもたらすべきではない。いくつかの実施形態では、方法３０００を、軸が完全に独立して移動しない場合、所望の最終位置に達するために反復的に実施することができる。いくつかの実施形態では、方法３０００は、すべての軸位置を略同時に考慮することができ、各軸において必要な移動の正確な量を求めることができ、従って、より効率的であり得る。

図３１は、本発明の一実施形態による、空間においてエンドエフェクタ３０を位置決めする方法３１００のフローチャートである。いくつかの実施形態では、位置決めは、エンドエフェクタ３０を第１平面（たとえば、ｘ−ｙ平面または水平面）において位置決めすることと、第１平面に対して実質的に垂直な方向に沿ってエンドエフェクタ３０を移動させることとを含むことができる。図３２〜図３３は、本発明の一実施形態による、エンドエフェクタ３０を処置位置に駆動する方法のフローチャートである。例として、いくつかの実施形態では、処置位置は、ハードウェアの他の部品の従来のスクリューが挿入されるべき骨の表面の位置であり得る。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０に、ガイドチューブ５０または従来の拡張器を備えることができる。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０を備える手術ロボット１５のＺチューブ５０が固定され、Ｚフレーム７２が前進するべきであるシナリオでは、方法３２００を実施する（すなわち、実行する）ことができる。従来のスクリューが骨内に押し込まれる用途では、外科医は、ガイドチューブ５０または従来の拡張器が備えられたエンドエフェクタ先端３０を、骨に至るまで移動させたい場合がある（たとえば、後述する図６２を参照）。いくつかの実施形態では、第１横方向移動が、患者１８が横たわっている高さを越えて発生するため、図３１〜図３３および図６２に示す方法は、ロボット１５が患者１８とランダムにぶつかる可能性を軽減することができる。いくつかの実施形態では、方法はまた、ロボットのデカルトアーキテクチャと、無限軌道ベクトルに沿って整合された移動を容易に行うことができることとを利用することも可能である。すなわち、いくつかの実施形態では、このベクトルに沿って移動するために、ロール６２軸およびピッチ６０軸は調整が不要であり、一方で、ｘ軸６６、ｙ軸６８およびＺフレーム７２軸は固定速度で移動する。いくつかの実施形態では、関節ロボット１５がこうした移動を行うために、複数の角度軸は、すべての軸が可変速度で同時に移動して、非線形に同期しなければならない。

図３４は、本発明のいくつかの実施形態による、本発明のさまざまな特徴、および本明細書に開示するさまざまな方法の実施を可能にするコンピューティングデバイス３４０１を有するコンピュータプラットフォーム３４００のブロック図を示す。いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、本明細書に記載する態様に従って、手術ロボット１５および光学追跡システム３４１７の動作を制御することができる。いくつかの実施形態では、制御は、相対的な座標系の校正、計画された軌道の生成、手術ロボット１５のさまざまなユニットおよび／またはそれに機能的に結合されたユニットの位置のモニタリング、および安全プロトコルの実施等を含むことができる。たとえば、いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、本明細書に記載するような手術ロボット１５の動作を制御することができるプログラマブルコントローラを具現化することができる。本発明のいくつかの実施形態によれば、動作環境３４００は、動作環境の単なる例であり、動作環境アーキテクチャの使用または機能性の範囲に関していかなる限定も示唆するようには意図されていないことが認識されるべきである。本発明のいくつかの実施形態では、動作環境３４００を、任意の１つの機能要素（たとえば、ユニット、コンポーネント、アダプタ等）または機能要素の組合せに関していかなる依存性または要件もあるようには解釈するべきではない。

本発明のさまざまな実施形態は、多数の他の汎用または専用コンピューティングシステム環境または構成で動作可能であり得る。本発明のシステムおよび方法との使用に好適であり得る周知のコンピューティングシステム、環境および／または構成の例は、パーソナルコンピュータ、サーバコンピュータ、ラップトップデバイスまたはハンドヘルドデバイス、およびマルチプロセッサシステムを含む。追加の例は、モバイルデバイス、プログラム可能な家電、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータ、上記システムまたはデバイスのうちのいずれかを含む分散コンピューティング環境等を含む。

いくつかの実施形態では、開示するシステムおよび方法において実施される処理を、ソフトウェアコンポーネントが実行することができる。いくつかの実施形態では、開示するシステムおよび方法を、コンピューティングデバイス３４０１または他のコンピューティングデバイス等の１つまたは複数のコンピュータによって実行されている、プログラムモジュール等のコンピュータ実行可能命令の一般的文脈で記述することができる。一般に、プログラムモジュールは、特定のタスクを実行するかまたは特定の抽象データタイプを実施する、コンピュータコード、ルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等を含む。開示する方法を、グリッドベースおよび分散コンピューティング環境で実施することも可能であり、そこでは、タスクは、通信ネットワークを通してリンクされるリモート処理デバイスによって実行される。分散コンピューティング環境では、プログラムモジュールを、メモリ記憶装置を含むローカルコンピュータ記憶媒体およびリモートコンピュータ記憶媒体の両方に配置することができる。

さらに、当業者は、本明細書に開示するシステムおよび方法を、コンピューティングデバイス３４０１の形態の汎用コンピューティングデバイスを介して実施することができることを認識するであろう。いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１のコンポーネントは、限定されないが、１つまたは複数のプロセッサ３４０３または処理ユニット３４０３、システムメモリ３４１２、およびプロセッサ３４０３を含むさまざまなシステムコンポーネントをシステムメモリ３４１２に結合するシステムバス３４１３を含むことができる。いくつかの実施形態では、複数の処理ユニット３４０３の場合、システムは並列コンピューティングを利用することができる。

概して、プロセッサ３４０３または処理ユニット３４０３は、限定されないが、シングルコアプロセッサ、ソフトウェアマルチスレッド実行機能を有するシングルプロセッサ、マルチコアプロセッサ、ソフトウェアマルチスレッド実行機能を有するマルチコアプロセッサ、ハードウェアマルチスレッド技術を有するマルチコアプロセッサ、並列プラットフォーム、および分散共有メモリを有する並列プラットフォームを含む、あらゆる計算処理ユニットまたは処理デバイスを指す。さらにまたは別法として、プロセッサ３４０３または処理ユニット３４０３は、集積回路、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、複合プログラマブルロジックデバイス（ＣＰＬＤ）、ディスクリートゲートまたはトランジスタロジック、ディスクリートハードウェアコンポーネント、または本明細書に記載する機能を実行するように設計されたそれらの任意の組合せを指すことができる。本明細書で言及するプロセッサまたは処理ユニットは、本発明のさまざまな態様を実施することができるコンピューティングデバイスの空間使用率を最適化しまたは性能を向上させるために、分子および量子ドットベースのトランジスタ、スイッチおよびゲート等、ナノスケールアーキテクチャを利用することができる。いくつかの実施形態では、プロセッサ３４０３または処理ユニット３４０３を、計算処理ユニットの組合せとして実施することも可能である。

システムバス３４１３は、メモリバスまたはメモリコントローラ、周辺バス、アクセラレイテッドグラフィックスポート（ａｃｃｌｅｒａｔｅｄ ｇｒａｐｈｉｃｓ ｐｏｒｔ）、および種々のバスアーキテクチャのうちのいずれかを使用するプロセッサまたはローカルバスを含む、いくつかのあり得るタイプのバス構造のうちの１つまたは複数を表す。例として、こうしたアーキテクチャは、業界標準アーキテクチャ（Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）（ＩＳＡ）バス、マイクロチャネルアーキテクチャ（Ｍｉｃｒｏ Ｃｈａｎｎｅｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）（ＭＣＡ）バス、拡張ＩＳＡ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ−ＩＳＡ）（ＥＩＳＡ）バス、ビデオエレクトロニクスタンダーズアソシエーション（Ｖｉｄｅｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）（ＶＥＳＡ）ローカルバス、アクセラレイテッドグラフィックポート（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｏｒｔ）（ＡＧＰ）バス、およびペリフェラルコンポーネントインターコネクト（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ）（ＰＣＩ）、ＰＣＩエクスプレスバス、パーソナルコンピュータメモリカードインダストリーアソシエーション（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｍｅｍｏｒｙ Ｃａｒｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）（ＰＣＭＣＩＡ）、ユニバーサルシリアルバス（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）（ＵＳＢ）等を含むことができる。バス３４１３、ならびに本明細書および添付図面で指定するすべてのバスを、有線または無線ネットワーク接続を介して実施することも可能であり、プロセッサ３４０３、大容量記憶装置３４０４、オペレーティングシステム３４０５、ロボット誘導ソフトウェア３４０６、ロボット誘導データ記憶部３４０７、ネットワークアダプタ３４０８、システムメモリ３４１２、入出力インタフェース３４１０、ディスプレイアダプタ３４０９、表示装置３４１１およびヒューマンマシンインタフェース３４０２を含むサブシステムの各々を、実質的に完全分散システムを実施する、この形態のバスを通して機能的に連結された（たとえば、通信可能に連結された）、物理的に別個の位置にある１つまたは複数のリモートコンピューティングデバイス３４１４ａ、３４１４ｂ内に含めることができる。

いくつかの実施形態では、ロボット誘導ソフトウェア３４０６は、コンピューティングデバイス３４０１またはそのプロセッサを、本発明の態様によるローカルロボット３４１６（たとえば、手術ロボット１５）の位置の自動制御を実行するように構成することができる。こうした制御を、少なくとも部分的に追跡システム３４１７によって可能にすることができる。いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１が、手術ロボット１５に機能的に結合されたコンピュータ１００を具現化する場合、ロボット誘導ソフトウェア３４０６は、こうしたコンピュータ１００を、本発明において記載する機能を実行するように構成することができる。いくつかの実施形態では、ロボット誘導ソフトウェア３４０６を、コンピュータアクセス可能命令（たとえば、コンピュータ可読命令、コンピュータ実行可能命令またはコンピュータ可読コンピュータ実行可能命令）群としてメモリに保持することができる。いくつかの実施形態では、コンピュータアクセス可能命令群は、（本発明のいくつかの実施形態による図２４〜図３３に示す方法等）本発明の方法をコード化することができる。いくつかの実施形態では、コンピュータアクセス可能命令群は、コンピュータビジョントラッキング（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｖｉｓｉｏｎ ｔｒａｃｋｉｎｇ）用のさまざまなフォーマリズム（たとえば、画像セグメンテーション）をコード化することができる。いくつかの実施形態は、こうしたコンピュータアクセス可能命令のコンパイルされたインスタンス、こうしたコンピュータアクセス可能命令のリンクされたインスタンス、こうしたコンピュータ実行可能命令のコンパイルされリンクされたインスタンス、またはコンピュータアクセス可能命令群の他の実行可能インスタンスを含むことができる、ロボット誘導ソフトウェア３４０６を含む。

いくつかの実施形態は、ロボット誘導ソフトウェア３４０６の実施（たとえば、コンパイル、リンク、実行およびそれらの組合せ）を可能にすることができるさまざまなタイプのデータを含むことができるロボット誘導データ記憶部３４０７を含む。いくつかの実施形態では、ロボット誘導データ記憶部３４０７は、術中撮像、ローカルロボット３４１６および／またはリモートロボット３４２２の位置の自動調整等に関連するデータを含むことができる。いくつかの実施形態では、ロボット誘導データ記憶部３４０７に保持されたデータを、業界標準フォーマットにおける任意の画像データに従ってフォーマットすることができる。図示するように、いくつかの実施形態では、リモート追跡システム３４２４が、少なくとも部分的にリモートロボット３４２２の制御を可能にすることができる。いくつかの実施形態では、情報は、追跡情報、軌道情報、外科処置情報、安全プロトコル等を含むことができる。

本発明のいくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、典型的には、種々のコンピュータ可読媒体を含む。可読媒体は、コンピュータ３４０１によってアクセス可能であり、たとえば、限定するようには意図されていない、揮発性および不揮発性両方の媒体、リムーバブルおよび非リムーバブル両方の媒体を含む、あらゆる入手可能な媒体であり得る。いくつかの実施形態では、システムメモリ３４１２は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等の揮発性メモリおよび／またはリードオンリメモリ（ＲＯＭ）等の不揮発性メモリの形態のコンピュータ可読媒体を含む。いくつかの実施形態では、システムメモリ３４１２は、典型的には、データ（コードバッファに採用されるトークン群等）および／または処理ユニット３４０３によって即座にアクセス可能でありかつ／または処理ユニット３４０３が目下動作させているオペレーティングシステム３４０５およびロボット誘導ソフトウェア３４０６等のプログラムモジュールを含む。いくつかの実施形態では、オペレーティングシステム３４０５は、Ｗｉｎｄｏｗｓオペレーティングシステム、Ｕｎｉｘ、Ｌｉｎｕｘ、Ｓｙｍｂｉａｎ、Ａｎｄｒｏｉｄ、Ａｐｐｌｅ ｉＯＳオペレーティングシステム、Ｃｈｒｏｍｉｕｍ、および無線コンピューティングデバイスまたはコード付き（ｔｅｔｈｅｒｅｄ）コンピューティングデバイス用の実質的にあらゆるオペレーティングシステム等、オペレーティングシステムを含むことができる。Ａｐｐｌｅ（登録商標）は、米国および他の国において登録されたＡｐｐｌｅ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ，Ｉｎｃ．の商標である。ｉＯＳ（登録商標）は、Ｃｉｓｃｏの登録商標であり、Ａｐｐｌｅ Ｉｎｃ．によるライセンスの下で使用されている。Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ（登録商標）およびＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）は、米国および／または他の国でＭｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの登録商標または商標である。Ａｎｄｒｏｉｄ（登録商標）およびＣｈｒｏｍｅ（登録商標）オペレーティングシステムは、Ｇｏｏｇｌｅ Ｉｎｃ．の登録商標である。Ｓｙｍｂｉａｎ（登録商標）は、Ｓｙｍｂｉａｎ Ｌｔｄ．の登録商標である。Ｌｉｎｕｘ（登録商標）は、Ｌｉｎｕｓ Ｔｏｒｖａｌｄｓの登録商標である。ＵＮＩＸ（登録商標）は、Ｔｈｅ Ｏｐｅｎ Ｇｒｏｕｐの登録商標である。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、他のリムーバブル／非リムーバブル、揮発性／不揮発性コンピュータ記憶媒体を含むことができる。図示するように、いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、コンピュータコード（たとえば、コンピュータ実行可能命令）、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、およびコンピューティングデバイス３４０１用の他のデータの不揮発性記憶機構を提供することができる、大容量記憶装置３４０４を含む。たとえば、いくつかの実施形態では、大容量記憶装置３４０４は、ハードディスク、リムーバブル磁気ディスク、リムーバブル光ディスク、磁気カセットまたは他の磁気記憶装置、フラッシュメモリカード、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）または他の光学ストレージ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、電気的に消去可能なプログラム可能リードオンリメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）等であり得る。

いくつかの実施形態では、任意選択的には、例としてオペレーティングシステム３４０５および追跡ソフトウェア３４０６を含む、あらゆる数のプログラムモジュールを大容量記憶装置３４０４に格納することができる。いくつかの実施形態では、オペレーティングシステム３４０５および追跡ソフトウェア３４０６の各々（またはそれらの何らかの組合せ）は、プログラミングおよび追跡ソフトウェア３４０６の要素を含むことができる。いくつかの実施形態では、データおよびコード（たとえば、コンピュータ実行可能命令、患者特定軌道および患者１８の解剖学的データ）を、追跡ソフトウェア３４０６の一部として保持し、大容量記憶装置３４０４に格納することができる。いくつかの実施形態では、追跡ソフトウェア３４０６ならびに関連データおよびコードを、当技術分野において既知である１つまたは複数のデータベースのいずれかに格納することができる。こうしたデータベースの例は、ＤＢ２（登録商標）、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ（登録商標）Ａｃｃｅｓｓ、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ（登録商標）ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ、Ｏｒａｃｌｅ（登録商標）、ｍｙＳＱＬ、ＰｏｓｔｇｒｅＳＱＬ等を含む。さらなる例としては、ｍｅｍｂａｓｅデータベースおよびフラットファイルデータベースが挙げられる。データベースを集中化することができ、または複数のシステムにわたって分散させることができる。

ＤＢ２（登録商標）は、米国においてＩＢＭの登録商標である。

Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ（登録商標）、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ（登録商標）Ａｃｃｅｓｓ（登録商標）およびＭｉｃｒｏｓｏｆｔ（登録商標）ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ^ＴＭは、米国および／または他の国においてＭｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの登録商標または商標である。

Ｏｒａｃｌｅ（登録商標）は、Ｏｒａｃｌｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎおよび／またはその系列会社の登録商標である。

ＭｙＳＱＬ（登録商標）は、米国、欧州連合および他の国においてＭｙＳＱＬ ＡＢの登録商標である。

ＰｏｓｔｇｒｅＳＱＬ（登録商標）およびＰｏｓｔｇｒｅＳＱＬ（登録商標）ロゴは、米国および他の国においてＴｈｅ ＰｏｓｔｇｒｅＳＱＬ Ｇｌｏｂａｌ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｇｒｏｕｐの商標または登録商標である。

いくつかの実施形態では、エージェント（たとえば、外科医あるいは他のユーザまたは機器）は、コマンドおよび情報を、入力デバイス（図示せず）を介してコンピューティングデバイス３４０１に入力することができる。こうした入力デバイスの例は、限定されないが、カメラ（または非光学的追跡マーカ用の他の検出デバイス）、キーボード、ポインティングデバイス（たとえばマウス）、マイクロフォン、ジョイスティック、スキャナ（たとえば、バーコードスキャナ）、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）リーダまたは磁気ストライプリーダ等のリーダデバイス、触覚入力デバイス（たとえば、タッチスクリーン、グローブおよび他の体を覆うものまたはウェアラブルデバイス）等のジェスチャによる入力デバイス、音声認識デバイスまたは自然なインタフェース等を含むことができる。いくつかの実施形態では、これらおよび他の入力デバイスを、システムバス３４１３に結合されるヒューマンマシンインタフェース３４０２を介して処理ユニット３４０３に接続することができる。他のいくつかの実施形態では、それらを、パラレルポート、ゲームポート、ＩＥＥＥ１３９４ポート（ファイヤワイヤポートとしても知られる）、シリアルポートまたはユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）等、他のインタフェースおよびバス構造によって接続することができる。

いくつかのさらなる実施形態では、表示装置３４１１を、ディスプレイアダプタ３４０９等のインタフェースを介してシステムバス３４１３に機能的に結合することも可能である。いくつかの実施形態では、コンピュータ３４０１は、２つ以上のディスプレイアダプタ３４０９を有することができ、コンピュータ３４０１は２つ以上の表示装置３４１１を有することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、表示装置３４１１は、モニタ、液晶ディスプレイまたはプロジェクタであり得る。さらに、表示装置３４１１に加えて、いくつかの実施形態は、入出力インタフェース３４１０を介してコンピュータ３４０１に接続されることが可能なスピーカ（図示せず）およびプリンタ（図示せず）等のコンポーネントを含むことができる他の出力周辺デバイスを含むことができる。いくつかの実施形態では、入出力インタフェース３４１０は、コンピューティングデバイス３４１０に繋がれているかまたは無線で連結されている、ポインティングデバイスであり得る。いくつかの実施形態では、本方法のあらゆるステップおよび／または結果を、あらゆる形態で出力デバイスに出力することができる。いくつかの実施形態では、出力は、限定されないが、テキスト、グラフィック、アニメーション、音声、触覚等を含むあらゆる形態の視覚的表現であり得る。

いくつかの実施形態では、１つまたは複数のカメラ（たとえば、図８１に示すカメラ８２００）を、追跡システム３４１７に含めるかまたは機能的に連結することができ、追跡システム３４１７は、１つまたは複数の入出力インタフェース３４１０のうちの入出力インタフェースを介してシステムバス３４１３に機能的に連結される。こうした機能的連結により、１つまたは複数のカメラを、コンピューティングデバイス３４０１の他の機能的要素に連結することを可能にすることができる。一実施形態では、入出力インタフェース、システムバス３４１３の少なくとも一部およびシステムメモリ３４１２は、１つまたは複数のカメラのうちの少なくとも１つによって取得される撮像データを受け取るのを可能にすることができるフレームグラバユニットを具現化することができる。いくつかの実施形態では、フレームグラバは、アナログフレームグラバ、デジタルフレームグラバまたはそれらの組合せであり得る。いくつかの実施形態では、フレームグラバがアナログフレームグラバである場合、プロセッサ３４０３は、アナログ・デジタル変換機能およびデコーダ機能を提供して、フレームグラバが医療撮像データで動作するのを可能にすることができる。さらに、いくつかの実施形態では、入出力インタフェースは、１つまたは複数のカメラのうちの少なくとも１つのカメラから受け取られたアナログ信号を収集する回路を含むことができる。いくつかの実施形態では、プロセッサ３４０３による実行に応じて、追跡ソフトウェア３４０６は、本明細書に記載するさまざまな態様に従って撮像データを受け取るようにフレームグラバを動作させることができる。

いくつかの実施形態は、１つまたは複数のリモートコンピューティングデバイス３４１４ａ、３４１４ｂ、リモートロボット３４２２および追跡システム３４２４への論理的接続を用いてネットワーク環境（たとえば、産業環境）で動作することができるコンピューティングデバイス３４０１を含む。例として、いくつかの実施形態では、リモートコンピューティングデバイスは、パーソナルコンピュータ、ポータブルコンピュータ、携帯電話、サーバ、ルータ、ネットワークコンピュータ、ピアデバイスまたは他の共通ネットワークノード等であり得る。特に、いくつかの実施形態では、エージェント（たとえば、外科医あるいは他のユーザまたは機器）は、追跡され滅菌されることが可能な手持ち式プローブ等のリモートコンピューティングデバイス３４１４を用いて、患者１８の解剖学的構造を含む他の追跡される構造を指すことができる。いくつかの実施形態では、コンピュータ３４０１とリモートコンピューティングデバイス３４１４ａ、３４１４ｂとの間の論理接続を、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）および汎用広域ネットワーク（ＷＡＮ）を介して行うことができる。いくつかの実施形態では、ネットワーク接続を、ネットワークアダプタ３４０８を通して実施することができる。いくつかの実施形態では、ネットワークアダプタ３４０８を、有線環境および無線環境の両方で実施することができる。いくつかの実施形態は、オフィス、企業規模コンピュータネットワーク、イントラネットにおいて従来のかつ一般的であり得るネットワーキング環境を含む。いくつかの実施形態では、ネットワーキング環境を、概して、有線ネットワークまたは無線ネットワーク（たとえば、第３世代（「３Ｇ」）および第４世代（「４Ｇ」）セルラネットワーク等のセルラネットワーク、設備に基づくネットワーク（たとえば、フェムトセル、ピコセル、ｗｉｆｉネットワーク））で具現化することができる。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のネットワーク３４１５群は、こうしたネットワーキング環境を提供することができる。本発明のいくつかの実施形態では、１つまたは複数のネットワークは、本明細書に記載するシステム１を備える産業環境で展開されるＬＡＮを含むことができる。

例示として、いくつかの実施形態では、アプリケーションプログラム、およびオペレーティングシステム３４０５等の他の実行可能プログラムコンポーネントは、本明細書では別個のブロックとして示すが、こうしたプログラムおよびコンポーネントは、コンピューティングデバイス３４０１の異なる記憶コンポーネントにさまざまな時点で存在し、コンピュータ１００のデータプロセッサによって実行されることが理解される。いくつかの実施形態は、いくつかの形態のコンピュータ可読媒体に格納するかまたはそれらにわたって送信することができる追跡ソフトウェア３４０６の実施態様を含む。開示する方法のいずれも、コンピュータ可読媒体で具現化されたコンピュータ可読命令によって実行することができる。コンピュータ可読媒体は、コンピュータがアクセスすることができるあらゆる入手可能な媒体であり得る。例として限定する意図なしに、コンピュータ可読媒体は、「コンピュータ記憶媒体」または「コンピュータ可読記憶媒体」および「通信媒体」を含むことができる。「コンピュータ記憶媒体」は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュールまたは他のデータ等の情報を格納するあらゆる方法または技術で実施される、揮発性および不揮発性、リムーバブルおよび非リムーバブル媒体を含む。本発明のいくつかの実施形態では、コンピュータ記憶媒体は、限定されないが、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリあるいは他のメモリ技術、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）あるいは他の光学ストレージ、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク記憶装置あるいは他の磁気記憶装置、または所望の情報を格納するために使用することができかつコンピュータがアクセスすることができる他のあらゆる媒体を含む。

本明細書に記載するように、いくつかの実施形態は、ローカルロボット３４１６および／またはリモートロボット３４２２の動作を制御することができるコンピューティングデバイス３４０１を含む。ローカルロボット３４１６またはリモートロボット３４２２が手術ロボット１５である実施形態の範囲において、コンピューティングデバイス３４０１は、こうしたロボット３４１６、３４２２、１５を制御するようにロボット誘導ソフトウェア３４０７を実行することができる。いくつかの実施形態では、ロボット誘導ソフトウェア３４０７は、実行に応じて、リモートでまたはローカルで計画しかつ／または構成することができる軌道（先端座標および末端座標等）を利用することができる。追加の態様または別の態様では、実行に応じて、ロボット誘導ソフトウェア３４０７は、ローカルロボットのコンピュータまたはリモートロボットのコンピュータにおいて本明細書に記載する方法のうちの１つまたは複数を実施して、１つまたは複数の軌道に従ってリモートロボット１５またはローカルロボット１５の移動をもたらすことができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、外科処置の術前計画を可能にすることができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、術中処置の間に、外科用器具（たとえば、器具３５）の空間的位置決めおよび方向付けを可能にすることができる。いくつかのさらなる実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は開腹処置を可能にすることができる。いくつかの他の実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、経皮的処置を可能にすることができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１およびロボット誘導ソフトウェア３４０７は、デバイスおよび患者１８の解剖学的構造の位置を同時にモニタリングするように３Ｄ追跡システム３４１７を具現化することができる。いくつかの実施形態では、３Ｄ追跡システム３４１７を、患者の解剖学的構造およびエンドエフェクタ３０を共通座標系にはめ込むように構成することができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、従来の静的記憶装置から画像データをアクセスする（すなわちロードする）ことができる。いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、患者１８の解剖学的構造の３Ｄボリューム表現が、メモリ（たとえばシステムメモリ３４１２）にロードされ（たとえば表示装置３４１１を介して）表示されるのを可能にすることができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、ロボット誘導ソフトウェア３４０７の実行に応じて、患者の解剖学的構造の３Ｄボリューム表現を通してナビゲーションを可能にすることができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、指定された国で販売されるようにデバイスを提供するために必要な従来の電源で動作することができる。電力を供給する従来の電源ケーブルは、従来の病院のコンセントにアクセスするために十分な長さであり得る。いくつかの実施形態では、停電時、コンピューティングデバイス３４０１は、エージェント（たとえば、外科医あるいは他のユーザまたは機器）がエンドエフェクタ３０を手動で移動させない限り、現エンドエフェクタ３０を適所に保持することができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、システムの物理的状態データをモニタリングすることができる。いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、オペレータ（たとえば外科医）に対して、物理的状態データの各々を報告し、範囲外値を示すことができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、たとえば入出力インタフェース３４１０を用いて、エンドエフェクタ３０の位置決めのための製造校正値の入力および格納を可能にすることができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、適切なアクセスレベルに認証されたエージェント（たとえば、外科医あるいは他のユーザまたは機器）による製造校正値へのアクセスを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、データを、ロボット誘導データ記憶部３４０７に保持することができ、またはデータがリモートコンピューティングデバイス３４１４ａに保持される時に、ネットワーク３４１５を介してデータにアクセスすることができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、（たとえば表示装置３４１１を用いて）エンドエフェクタ３０の位置決め校正およびシステム健全性データのサブセットを用いて技術的画面を描くことができる。情報は、適切なレベルに認証されたエージェント（たとえば、外科医あるいは他のユーザまたは機器）のみがアクセス可能である。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、適切なアクセスレベルに認証されたエージェント（たとえば、外科医あるいは他のユーザまたは機器）のみによるエンドエフェクタ３０位置決めの現場校正を可能にすることができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、視覚的警報あるいは音声警報を用いて、適所にロックされているローカルロボット３４１６、リモートロボット３４２２および／または他のデバイスの状態を知らせることができる。

いくつかのさらなる実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、起動時に、プロセッサ３４０３ではなくデバイスのモータ１６０への電力を使用不可にする緊急停止制御を含むことができる。いくつかの実施形態では、緊急停止制御を、コンピューティングデバイス３４０１のオペレータによってアクセス可能とすることができる。いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、緊急停止状態をモニタリングし、オペレータに対して、緊急停止が起動されたことを示すことができる。

いくつかの他の実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１を、エンドエフェクタ３０の手動位置決めを可能にするモードで作動させることができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、ロボット誘導ソフトウェア３４０６を表すアプリケーションを直接立ち上げることができる。いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、各使用前にシステムチェックを実行することができる。システムチェックが失敗するシナリオでは、コンピューティングデバイス３４０１はオペレータに通知することができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、システム状態を報告するインジケータを生成することができる。

いくつかの実施形態は、処理の遅延を最小限にすることができるかまたは軽減することができ、処理の遅延時にエージェント（たとえば、外科医あるいは他のユーザまたは機器）に通知することができる、コンピューティングデバイス３４０１を含む。たとえば、いくつかの実施形態では、システム状態を評価するためにシステムスキャンが実行されている間に遅延が発生する可能性があり、したがって、コンピューティングデバイス３４０１は、システムスキャンを使用率の低い時に発生するようにスケジュールする（たとえば、プロセスキューを生成する）ことができる。いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１のシステムクロックを、プロセスの計算を完了するために必要な時間の長さを評価する主要プロセスの前および後に読み出すことができる。いくつかの実施形態では、プロセスを完了する実際の時間を、予測された時間と比較することができる。いくつかの実施形態では、許容可能な許容範囲を超える不具合が見つかる場合、エージェントに通知することができ、かつ／または同時に実行している必須ではない計算タスクを終了させることができる。一実施形態では、従来のシステムクロック（図示せず）は、プロセッサ３４０３の一部であり得る。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、標準化ワークフローに従う表示を生成することができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、テキストが、適切な距離から読みやすいように十分なサイズおよびコントラストのフォントで描き、または描かれることを確実にすることができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、オペレータが外科用インプラントまたは器具の意図された位置を特定するのを可能にすることができる。

いくつかのさらなる実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、患者１８の解剖学的構造に対するエンドエフェクタ３０の相対位置を求めることができる。たとえば、少なくともこうした目的で、コンピューティングデバイス３４０１は、光学追跡システム３４１７からデータを収集することができ、データを分析して、こうした相対位置を示すデータを生成することができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、エンドエフェクタ３０の位置および向きを示すことができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、患者１８の解剖学的構造に対するエンドエフェクタ３０の位置の連続的な制御を可能にすることができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、エージェント（たとえば、外科医あるいは他のユーザまたは機器）が外科用インプラントまたは器具（たとえば、器具３５）の意図された位置をマーキングするのを可能にすることができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、従来の手持ち式プローブ（または器具３５）の位置および向きが、患者の解剖学的構造の画像の上に重なって表示されるのを可能にすることができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、エージェント（たとえば、外科医あるいは他のユーザまたは機器）が、従来の外科用スクリューを位置決めするのを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、エージェントによる外科用スクリューの長さおよび直径の選択を可能にすることができる。さらに別の態様では、コンピューティングデバイスは、スクリューの相対位置、サイズおよびスケールが、グラフィカル表現である時にディスプレイ３４１１に維持されることを確実にすることができる。いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、動作範囲に対してスクリュー経路計画を検証し、この範囲外のスクリュー経路計画を排除することができる。さらに別の態様では、コンピューティングデバイス３４０１は、グラフィカルなスクリュー表現の非表示を可能にすることができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、現時点の像を格納することができる機能を使用可能にすることができる。いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、現時点の像を事前に格納された像に戻すように設定する像リセット機能を使用可能にすることができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、認証ベースの階層アクセスシステムを使用可能にすることができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、システムアクティビティのログを記録しシステムアクティビティを格納することができる。いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、適切なレベルに認証されたエージェントによるシステムアクティビティログへのアクセスを可能にすることができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、患者１８データの入力および格納を可能にすることができる。

いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイス３４０１は、患者１８データおよび／または処置データの適切な配置を可能にすることができる。たとえば、こうしたデータが研究のために収集されているシナリオでは、コンピューティングデバイス３４０１は、患者１８のプライバシ要件を満たすためにデータの匿名化を実施することができる。いくつかの実施形態では、匿名化を、メモリ３４１２またはコンピューティングデバイス３４０１がアクセス可能な他の任意のメモリに保持されたコンピュータ実行可能命令の実行に応じて実施することができる。いくつかの実施形態では、匿名化を、患者１８データおよび／または処置データがリポジトリまたは他のいずれかのデータ記憶機構（たとえば大容量記憶装置３４０４を含む）に送信される前に自動的に実行することができる。いくつかの実施形態では、処置の最後に患者１８データおよび／または処置データを永久的に削除するようにエージェント（たとえば、機械または人間）に対して促すように（たとえば表示装置３４１１において）しるし（たとえば、ダイアログボックス）を描くことができる。

図１１は、いくつかの実施形態による、ロボット１５の全体的な動作のフローチャート図１１００を示す。いくつかの実施形態では、ステップ２１０において、屋内測位システム（本明細書では「ＬＰＳ」と呼ぶ）は、侵襲的処置が行われる部屋１０に対して空間座標測定系を確立し、言い換えれば、ＬＰＳが校正される。いくつかの実施形態では、ＬＰＳを校正するために、複数の校正送信器１２０が取り付けられた従来の機械的固定具が、測位センサ１２が位置する部屋１０内に配置される。本発明のいくつかの実施形態では、少なくとも３つの校正送信器１２０が必要であるが、３つを超えるいかなる数の校正送信器１２０も本発明の範囲内にある。また、いくつかの実施形態では、少なくとも３つの測位センサ１２が必要であるが、３つ超えるいかなる数の測位センサ１２も本発明の範囲内にあり、システムの精度は、より多くの測位センサを追加するほど向上する。

いくつかの実施形態では、校正ステップ２１０の前に、校正送信器１２０の各々の間の互いに対する距離が測定される。各校正送信器１２０は、異なる周波数でＲＦ信号を送信し、それにより、測位センサ１２は、いずれの送信器１２０が特定のＲＦ信号を発したかを判断することができる。いくつかの実施形態では、これらの送信器１２０の各々の信号は、測位センサ１２によって受信される。いくつかの実施形態では、校正送信器１２０の各々の間の距離が既知であり、センサ１２が、既知の周波数に基づいて校正送信器１２０の各々からの信号を識別することができるため、飛行時間計算を用いて、測位センサ１２は、測位センサ１２の各々の互いに対する空間的距離を計算することができる。システム１はこの時に校正される。結果として、いくつかの実施形態では、測位センサ１２は、この時、測位センサ１２に対して部屋１０内に導入されるあらゆる新たなＲＦ送信器１２０の空間的位置を求めることができる。

いくつかの実施形態では、解剖学的標的の、ＣＴスキャン等の３Ｄ解剖学的画像スキャンが取得されるステップ２２０ａ。手術ロボット１５ではいかなる３Ｄ解剖学的画像スキャンも使用することができ、それは本発明の範囲内にある。

いくつかの実施形態では、ステップ２３０において、解剖学的標的を追跡するＲＦ送信器１２０の位置が、測位センサ１１０によって読み取られる。これらの送信器１２０は、解剖学的標的の初期位置と処置中の位置のあらゆる変化とを特定することができる。

いくつかの実施形態では、いずれかのＲＦ送信器１２０がＲＦ信号特性を変化させる媒体を通して送信しなければならない場合、システムは、送信器１２０の位置を求める時にこれらの変化を補償する。

いくつかの実施形態では、ステップ２４０において、解剖学的構造の上の送信器１２０の位置が、ＬＰＳ座標系に対して校正される。言い換えれば、ＬＰＳは基準系を提供し、ＬＰＳ座標に対して解剖学的標的の位置が計算される。いくつかの実施形態では、ＬＰＳに対して解剖学的構造を校正するために、解剖学的標的に取り付けられた送信器１２０の位置は、解剖学的画像において同様に特定された厳密に既知の解剖学的目印の上に配置された一時的送信器１２０の位置と同時に記録される。この計算はコンピュータ１００によって実行される。

いくつかの実施形態では、ステップ２５０において、解剖学的標的を追跡するＲＦ送信器１２０の位置が読み取られる。解剖学的標的上の送信器１２０の位置はすでに校正されているため、システムは、解剖学的標的の位置に何らかの変化があったか否かを容易に判断することができる。

いくつかの実施形態はステップ２６０を含み、そこでは、外科用器具３５上の送信器１２０の位置が読み取られる。送信器１２０を、外科用器具３５自体の上に配置することができ、かつ／または手術ロボット１５のさまざまな位置に送信器１２０を取り付けることができる。

本発明のいくつかの実施形態では、手術ロボット１５には、外科用器具３５の位置を求めるのに役立つ複数の従来の位置エンコーダを取り付けることも可能である。いくつかの実施形態では、位置エンコーダは、基準位置に対する位置または移動を示す電子信号を生成するために使用されるデバイスであり得る。いくつかの他の実施形態では、位置信号を、従来の磁気センサ、従来の容量センサおよび従来の光センサを用いて生成することができる。

いくつかの実施形態では、位置エンコーダから読み取られた位置データを用いて、処置で使用される外科用器具３５の位置を求めることができる。いくつかの実施形態では、データは、外科用器具３５上に位置するＲＦ送信器１２０から計算された位置データの冗長であり得る。したがって、いくつかの実施形態では、位置エンコーダからの位置データを用いて、ＬＰＳから読み取られている位置を二重チェックすることができる。

いくつかの実施形態では、ステップ２７０において、外科用器具３５上の送信器１２０の位置および／または位置エンコーダから読み取られた位置の座標が、解剖学的座標系に対して校正される。言い換えれば、いくつかの実施形態では、外科用器具３５の位置データは、患者の解剖学的構造と同じ座標系に同期される。いくつかの実施形態では、この計算は、コンピュータ１００によって自動的に実行され、それは、解剖学的標的上の送信器１２０の位置および外科用器具３５上の送信器１２０の位置は同じ座標系にあり、解剖学的標的上の送信器１２０の位置は解剖学的構造に対してすでに校正されているためである。

いくつかの実施形態では、ステップ２８０において、コンピュータ１００は、ステップ２２０で取得された患者１８の３Ｄ解剖学的画像の上に、外科用器具のステップ２７０において計算された位置の表現を重ね合せる。いくつかの実施形態では、重ね合わされた画像を、エージェントに表示することができる。

いくつかの実施形態では、ステップ２９０において、コンピュータ１００は、モータ１６０に対して手術ロボット１５を駆動するために適切な信号を送信する。いくつかの実施形態では、エージェントが軌道を事前プログラムした場合、ロボット１５は、エージェントからそれ以上の入力がない場合に外科用器具３５が事前プログラムされた軌道に従うように駆動される。いくつかの実施形態では、エージェント入力がある場合、コンピュータ１００は、エージェント入力に応じてロボット１５を駆動する。

いくつかの実施形態では、ステップ２９５において、コンピュータ１００は、解剖学的構造が再校正される必要があるか否かを判断する。いくつかの実施形態では、エージェントは、解剖学的構造を再校正するように選択することができ、その場合、コンピュータ１００はエージェント入力に応答する。別法として、いくつかの実施形態では、コンピュータ１００を、いくつかの事象に応じて解剖学的構造を再校正するようにプログラムすることができる。たとえば、いくつかの実施形態では、解剖学的標的上のＲＦ送信器１２０が解剖学的標的の位置がＲＦ送信器１２０に対してシフトした（すなわち、この空間的関係が調整されるべきである）ことを示す場合、コンピュータ１００を、解剖学的構造を再校正するようにプログラムすることができる。いくつかの実施形態では、解剖学的標的の位置が送信器１２０に対してシフトしたという指標は、コンピュータ１００が、穴あけまたは貫通が実際に行われていない時に外科用器具３５が骨の内側にあるように見えると計算する場合である。

いくつかの実施形態では、解剖学的構造が校正される必要がある場合、ステップ２３０で開始するプロセスが繰り返される。いくつかの実施形態では、解剖学的構造が再校正される必要がない場合、ステップ２５０で開始するプロセスが繰り返される。

いくつかの実施形態では、処置中のいかなる時点でも、いくつかの障害状態により、コンピュータ１００がプログラムに割り込みそれに応じて応答する可能性がある。たとえば、いくつかの実施形態では、ＲＦ送信器１２０からの信号を読み取ることができない場合、コンピュータ１００を、ロボット１５の移動を停止させるかまたは外科用器具３５を患者１８から取り除くようにプログラムすることができる。障害状態の別の例は、ロボット１５が事前プログラムされた許容範囲レベルを超えた抵抗を受ける場合である。

図１２は、本発明の実施形態による、クローズドスクリュー／針挿入処置のフローチャート図１２００を示す。クローズド椎弓根スクリュー挿入処置では、いくつかの実施形態では、ロボット１５は、ガイドチューブ５０を、従来の椎弓根スクリューが組織を通して患者１８の骨内に挿入される箇所において、正確な角度方向で患者１８に隣接して保持する。

いくつかの実施形態では、校正ステップ３００の前に、校正送信器１２０の各々の間の互いに対する距離が測定される。いくつかの実施形態では、各校正送信器１２０は、異なる周波数でＲＦ信号を送信し、そのため、測位センサ１２は、いずれの送信器１２０が特定のＲＦ信号を発したかを判断することができる。いくつかの実施形態では、これらの送信器１２０の各々の信号は、測位センサ１２によって受信される。校正送信器１２０の各々の間の距離が既知であり、かつセンサ１２が、既知の周波数に基づいて校正送信器１２０の各々からの信号を識別することができるため、いくつかの実施形態では、飛行時間計算を用いて、測位センサ１２は、測位センサ１２の各々の互いに対する空間的距離を計算することができる。システム１はこの時に校正される。結果として、いくつかの実施形態では、測位センサ１２は、この時、測位センサ１２に対して、部屋１０内に導入されるあらゆる新たなＲＦ送信器１２０の空間的位置を求めることができる。

いくつかの実施形態では、ステップ３１０において、解剖学的標的のＣＴスキャン等の３Ｄ解剖学的画像スキャンが取得される。手術ロボット１５ではいかなる３Ｄ解剖学的画像スキャンも使用することができ、それは本発明の範囲内にある。

いくつかの実施形態では、ステップ３２０において、オペレータは、ステップ３１０において取り込まれた解剖学的画像上で、外科用器具３５の所望の軌道および挿入箇所を選択する。いくつかの実施形態では、所望の軌道および挿入箇所は、ロボット１５が軌道に従うようにガイドチューブ５０を自動的に駆動することができるように、コンピュータ１００にプログラムされている。

いくつかの実施形態では、ステップ３３０において、解剖学的標的を追跡するＲＦ送信器１２０の位置が、測位センサ１１０によって読み取られる。いくつかの実施形態では、これらの送信器１２０は、解剖学的標的の初期位置と処置中の位置のあらゆる変化とを特定する。

いくつかの実施形態では、いずれかのＲＦ送信器１２０がＲＦ信号特性を変化させる媒体を通して送信しなければならない場合、システムは、送信器１２０の位置を求める時にこれらの変化を補償する。

いくつかの実施形態では、ステップ３４０において、解剖学的構造の上の送信器１２０の位置が、ＬＰＳ座標系に対して校正される。言い換えれば、ＬＰＳは基準系を提供し、ＬＰＳ座標に対して解剖学的標的の位置が計算される。いくつかの実施形態では、ＬＰＳに対して解剖学的構造を校正するために、解剖学的標的に取り付けられた送信器１２０の位置は、解剖学的画像において同様に特定された厳密に既知の解剖学的目印の上の一時的送信器１２０の位置と同時に記録される。この計算はコンピュータによって実行される。

いくつかの実施形態では、ステップ３５０において、解剖学的標的を追跡するＲＦ送信器１２０の位置が読み取られる。解剖学的標的上の送信器１２０の位置はすでに校正されているため、いくつかの実施形態では、システムは、解剖学的標的の位置に何らかの変化があったか否かを容易に判断することができる。

いくつかの実施形態では、ステップ３６０において、外科用器具３５上の送信器１２０の位置が読み取られる。いくつかの実施形態では、送信器１２０を、外科用器具３５の上に配置することができ、かつ／または手術ロボット１５のさまざまな箇所に取り付けることができる。

いくつかの実施形態では、ステップ３７０において、外科用器具３５上の送信器１２０の位置および／または位置エンコーダから読み取られた位置の座標が、解剖学的座標系に対して校正される。言い換えれば、外科用器具３５の位置データは、解剖学的構造と同じ座標系に同期される。この計算は、コンピュータ１００によって自動的に実行され、それは、解剖学的標的上の送信器１２０の位置および外科用器具３５上の送信器１２０の位置は同じ座標系にあり、解剖学的標的上の送信器１２０の位置は解剖学的構造に対してすでに校正されているためである。

いくつかの実施形態では、ステップ３８０において、コンピュータ１００は、ステップ３１０で取得された患者１８の３Ｄ解剖学的画像の上に、外科用器具のステップ３７０において計算された位置の表現を重ね合せる。重ね合わされた画像を、ユーザに表示することができる。

いくつかの実施形態では、ステップ３９０において、コンピュータ１００は、ガイドチューブ５０が、ステップ３２０において計画された軌道に従うように正確な向きおよび位置にあるか否かを判断する。そうでない場合、ステップ３９３に至る。ガイドチューブ５０が軌道に従う正確な向きおよび位置にある場合、ステップ３９５に至る。

いくつかの実施形態では、ステップ３９３において、コンピュータ１００は、ガイドチューブ５０が事前計画された軌道に従うようにするために、いかなる調整を行う必要があるかを判断する。コンピュータ１００は、ガイドチューブの移動を補正するために、モータ１６０を駆動する適切な信号を送信する。

いくつかの実施形態では、ステップ３９５において、コンピュータ１００は、処置が完了したか否かを判断する。処置が完了していない場合、ステップ３５０で開始するプロセスが繰り返される。

いくつかの実施形態では、処置中のいかなる時点でも、いくつかの障害状態により、コンピュータ１００がプログラムに割り込みそれに応じて応答する可能性がある。たとえば、いくつかの実施形態では、ＲＦ送信器１２０からの信号を読み取ることができない場合、コンピュータ１００を、ロボット１５の移動を停止させるかまたはガイドチューブ５０を患者１８から持ち上げるプログラムすることができる。障害状態の別の例は、ロボット１５が事前プログラムされた許容範囲レベルを超えた抵抗を受ける場合である。障害状態の別の例は、解剖学的標的上のＲＦ送信器１２０がシフトして、解剖学的構造の実際の位置および計算された位置が一致しなくなる場合である。解剖学的標的の位置が送信器１２０に対してシフトしたという指標は、コンピュータ１００が、穴あけまたは貫通が実際に行われていない時に外科用器具３５が骨の内側にあるように見えると計算する場合である。

いくつかの実施形態では、各状態に対する適切な応答を、システムにプログラムすることができ、または具体的な応答をユーザが開始することができる。たとえば、コンピュータ１００は、解剖学的構造のシフトに応じて、解剖学的構造が再校正されなければならないと判断する場合があり、ステップ３３０で開始するプロセスが繰り返されるべきである。別法として、障害状態では、フローチャートがステップ３００から繰り返すことが必要である場合がある。別の代替例は、ユーザが、ステップ３３０からの再校正が望まれると判断し、自身でそのステップを開始する場合があるということである。

ここで図１３を参照すると、本発明のいくつかの実施形態による、本明細書に記載するシステムを用いて行われるセーフゾーン外科処置のフローチャート図１３００が示されている。セーフゾーン外科処置では、外科用デバイスが留まらなければならない手術部位の周囲に定義されたセーフゾーンがある。医師は、手術ロボット１５のエンドエフェクタ３０に取り付けられた外科用デバイスを手動で制御する。医師が、外科用デバイスをセーフゾーンの外側に移動させた場合、手術ロボット１５はアーム２３を堅くして、医師が、セーフゾーンの外側に外科用器具３５を移動させるいかなる方向にも器具３５を移動させることができないようにする。

いくつかの実施形態では、校正ステップ４００の前に、校正送信器１２０の各々の間の互いに対する距離が測定される。各校正送信器１２０は、異なる周波数でＲＦ信号を送信し、そのため、測位センサ１２は、いずれの送信器１２０が特定のＲＦ信号を発したかを判断することができる。これらの送信器１２０の各々の信号は、測位センサ１２によって受信される。校正送信器１２０の各々の間の距離が既知であり、センサ１２が、既知の周波数に基づいて校正送信器１２０の各々からの信号を識別することができるため、測位センサ１２は、飛行時間計算を用いて、測位センサ１２の各々の互いに対する空間的距離を計算することができる。システム１はこの時に校正される。結果として、測位センサ１２は、この時、測位センサ１２に対して部屋１０内に導入されるあらゆる新たなＲＦ送信器１２０の空間的位置を求めることができる。

いくつかの実施形態では、ステップ４１０において、解剖学的標的の、ＣＴスキャン等の３Ｄ解剖学的画像スキャンが取得される。手術ロボット１５ではいかなる３Ｄ解剖学的画像スキャンも使用することができ、それは本発明の範囲内にある。

いくつかの実施形態では、ステップ４２０において、オペレータは、ステップ４１０において取得された解剖学的画像において所望のセーフゾーンを入力する。本発明の実施形態では、オペレータは、コンピュータ１００への入力を用いて、ステップ４１０における患者１８の取得されたＣＴスキャン上にセーフゾーンを描く。

いくつかの実施形態では、ステップ４３０において、解剖学的標的を追跡するＲＦ送信器１２０の位置が、測位センサ１１０によって読み取られる。これらの送信器１２０は、解剖学的標的の初期位置と処置中の位置のあらゆる変化とを特定することができる。

いくつかの実施形態では、いずれかのＲＦ送信器１２０がＲＦ信号特性を変化させる媒体を通して送信しなければならない場合、システムは、送信器１２０の位置を求める時にこれらの変化を補償する。

いくつかの実施形態では、ステップ４４０において、解剖学的構造の上の送信器１２０の位置が、ＬＰＳ座標系に対して校正される。言い換えれば、ＬＰＳは基準系を提供し、ＬＰＳ座標に対して解剖学的標的の位置が計算される。ＬＰＳに対して解剖学的構造を校正するために、解剖学的標的に取り付けられた送信器１２０の位置は、解剖学的画像において同様に特定することができる解剖学的構造上の厳密に既知の目印の上の一時的送信器１２０の位置と同時に記録される。この計算はコンピュータ１００によって実行される。

いくつかの実施形態では、ステップ４５０において、解剖学的標的を追跡するＲＦ送信器１２０の位置が読み取られる。解剖学的標的上の送信器１２０の位置はすでに校正されているため、システムは、解剖学的標的の位置に何らかの変化があったか否かを容易に判断することができる。

いくつかの実施形態では、ステップ４６０において、外科用器具３５上の送信器１２０の位置が読み取られる。送信器１２０を、外科用器具３５自体の上に配置することができ、かつ／または手術ロボット１５のさまざまな箇所に送信器１２０を取り付けることができる。

いくつかの実施形態では、ステップ４７０において、外科用器具３５上の送信器１２０の位置および／または位置エンコーダから読み取られた位置の座標が、解剖学的座標系に対して校正される。言い換えれば、外科用器具３５の位置データは、解剖学的構造と同じ座標系に同期される。この計算は、コンピュータ１００によって自動的に実行され、それは、解剖学的標的上の送信器１２０の位置および外科用器具３５上の送信器１２０の位置は同じ座標系にあり、解剖学的標的上の送信器１２０の位置は解剖学的構造に対してすでに校正されているためである。

いくつかの実施形態では、ステップ４８０において、コンピュータ１００は、ステップ４１０で取得された患者１８の３Ｄ解剖学的画像の上に、外科用器具のステップ４７０において計算された位置の表現を重ね合せる。いくつかの実施形態では、重ね合わされた画像を、ユーザに表示することができる。

いくつかの実施形態では、ステップ４９０において、コンピュータ１００は、手術ロボット１５のエンドエフェクタ３０に取り付けられた外科用器具がセーフゾーン境界の指定された範囲内（たとえば、セーフゾーン境界に達する１ミリメートル以内）にあるか否かを判断する。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０が境界まであと少しのところである場合、ステップ４９３に至る。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０が十分にセーフゾーン境界内にある場合、ステップ４９５に至る。

いくつかの実施形態では、ステップ４９３において、コンピュータ１００は、手術ロボット１５のアームを、ユーザが外科用器具３５をセーフゾーン境界により近づけるように移動させることができる任意の方向に堅くする。

いくつかの実施形態では、ステップ４９５において、コンピュータ１００は、解剖学的構造が再校正される必要があるか否かを判断する。いくつかの実施形態では、ユーザは、解剖学的構造を再校正するように選択することができ、その場合、コンピュータ１００はユーザ入力に応答する。別法として、いくつかの実施形態では、コンピュータ１００を、いくつかの事象に応じて解剖学的構造を再校正するようにプログラムすることができる。たとえば、いくつかの実施形態では、解剖学的標的上のＲＦ送信器１２０が解剖学的標的の位置がＲＦ送信器１２０に対してシフトした（すなわち、この空間的関係が調整されるべきである）ことを示す場合、コンピュータ１００を、解剖学的構造を再校正するようにプログラムすることができる。いくつかの実施形態では、解剖学的標的の位置が送信器１２０に対してシフトしたという指標は、コンピュータ１００が、穴あけまたは貫通が実際に行われていない時に外科用器具３５が骨の内側にあるように見えると計算する場合である。

いくつかの実施形態では、解剖学的構造が校正される必要がある場合、ステップ４３０で開始するプロセスが繰り返される。いくつかの実施形態では、解剖学的構造が再校正される必要がない場合、ステップ４５０で開始するプロセスが繰り返される。

いくつかの実施形態では、処置中のいかなる時点でも、いくつかの障害状態により、コンピュータ１００がプログラムに割り込みそれに応じて応答する可能性がある。たとえば、いくつかの実施形態では、ＲＦ送信器１２０からの信号を読み取ることができない場合、コンピュータ１００を、ロボット１５の移動を停止させるかまたは外科用器具３５を患者１８から取り除くようにプログラムすることができる。障害状態の別の例は、ロボット１５が事前プログラムされた許容範囲レベルを超えた抵抗を受ける場合である。

ここで図１４を参照すると、本発明の実施形態による、従来の可撓性カテーテルまたはワイヤの挿入処置のフローチャート図１４００が示されている。カテーテルは、種々の医療処置で患者の体内の所定部位に医薬品を送達するために使用される。多くの場合、所定位置への送達が必要とされ、そのため、その後、標的疾患部位を治療することができる。時として、カテーテルを直接挿入する代りに可撓性ワイヤが最初に挿入され、その上に可撓性カテーテルを摺動させることができる。

いくつかの実施形態では、校正ステップ５００の前に、校正送信器１２０の各々の間の互いに対する距離が測定される。いくつかの実施形態では、各校正送信器１２０は、異なる周波数でＲＦ信号を送信し、そのため、測位センサ１２、１１０は、いずれの送信器１２０が特定のＲＦ信号を発したかを判断することができる。いくつかの実施形態では、これらの送信器１２０の各々からの信号は、測位センサ１２、１１０によって受信される。校正送信器１２０の各々の間の距離が既知であり、センサ１２が、既知の周波数に基づいて校正送信器１２０の各々からの信号を識別することができるため、いくつかの実施形態では、飛行時間計算を用いて、測位センサ１２、１１０は、測位センサ１２、１１０の各々の互いに対する空間的距離を計算することができる。システムはこの時に校正される。結果として、いくつかの実施形態では、測位センサ１２、１１０は、この時、測位センサ１２、１１０に対して部屋１０内に導入されるあらゆる新たなＲＦ送信器１２０の空間的位置を求めることができる。

いくつかの実施形態では、ステップ５１０において、ＲＦ送信器１２０を含む基準針が体内に挿入される。これらの針の目的は、処置中にまたは患者１８の移動により変形する軟組織の主要部位の移動を追跡することである。

いくつかの実施形態では、ステップ５２０において、解剖学的標的の３Ｄ解剖学的画像スキャン（ＣＴスキャン等）が取得される。手術ロボット１５ではいかなる３Ｄ解剖学的画像スキャンも使用することができ、それは本発明の範囲内にある。いくつかの実施形態では、解剖学的画像取込み領域は、基準針の先端を含み、それにより、解剖学的構造に対してそれらの送信器１２０の位置を求めることができる。

いくつかの実施形態では、ステップ５３０において、カテーテルチップおよび基準針からのＲＦ信号が読み取られる。

いくつかの実施形態では、ステップ５４０において、カテーテルチップの位置が計算される。基準針に対するカテーテルチップの位置と解剖学的構造に対する基準針の位置とが既知であるため、コンピュータ１００は、解剖学的構造に対するカテーテルチップの位置を計算することができる。

いくつかの実施形態では、ステップ５５０において、重ね合わされたカテーテルチップおよびシャフトの表現が、ステップ５２０において取得された解剖学的画像の上に表示される。

いくつかの実施形態では、ステップ５６０において、コンピュータ１００は、カテーテルチップが解剖学的標的に向かって前進しているか否かを判断する。カテーテルチップが解剖学的標的まで移動していない場合、ステップ５６３に至る。カテーテルチップが正しく移動している場合、ステップ５７０に至る。

いくつかの実施形態では、ステップ５６３において、ロボット１５アームが、カテーテルチップを所望の方向に誘導するように調整される。解剖学的構造が校正される必要がある場合、いくつかの実施形態では、ステップ５２０で開始するプロセスが繰り返される。解剖学的構造が校正される必要がない場合、ステップ５４０で開始するプロセスが繰り返される。

いくつかの実施形態では、ステップ５７０において、コンピュータ１００は、処置が完了したか否かを判断する。処置が完了していない場合、ステップ５４０で開始するプロセスが繰り返される。

いくつかの実施形態では、処置中のいかなる時点でも、いくつかの障害状態により、コンピュータ１００がプログラムに割り込みそれに応じて応答する可能性がある。たとえば、いくつかの実施形態では、ＲＦ送信器１２０からの信号を読み取ることができない場合、コンピュータ１００を、ロボット１５の移動を停止させるかまたは可撓性カテーテルを患者１８から取り除くようにプログラムすることができる。障害状態の別の例は、ロボット１５が事前プログラムされた許容範囲レベルを超えた抵抗を受ける場合である。障害状態のさらなる例は、解剖学的標的上のＲＦ送信器１２０が、解剖学的構造の実際の位置および計算された位置が一致しなくなるような、解剖学的標的のシフトの位置を示す場合である。いくつかの実施形態では、解剖学的標的の位置が送信器１２０に対してシフトしたという指標は、コンピュータ１００が、穴あけまたは貫通が実際に行われていない時に外科用器具３５が骨の内側にあるように見えると計算する場合である。

いくつかの実施形態では、各状態に対する適切な応答を、システムにプログラムすることができ、または具体的な応答をユーザが開始することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、コンピュータ１００は、解剖学的構造のシフトに応じて、解剖学的構造が再校正されなければならないと判断する場合があり、ステップ５２０で開始するプロセスが繰り返されるべきである。別法として、いくつかの実施形態では、障害状態では、フローチャートがステップ５００から繰り返すことが必要である場合がある。他の実施形態では、ユーザが、ステップ５２０からの再校正が望まれると判断し、自身でそのステップを開始する場合がある。

ここで図１５Ａおよび図１５Ｂを参照すると、本発明のいくつかの実施形態による、記載したシステムで使用されるソフトウェアのスクリーンショットが提供されている。ソフトウェアは、外科手術の標的部位を選択し、手術経路を計画し、手術経路の計画された軌道を検査し、位置決めシステムに対して医療画像を同期させ、外科手術中に位置決めシステムを厳密に制御する方法を提供する。手術位置決めシステムおよびナビゲーションソフトウェアは、位置決めシステムと通信する光学誘導システムまたはＲＦ屋内測位システム（ＲＦ−ＬＰＳ）を含む。

図１５Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、本明細書に記載するようなソフトウェアプログラムを用いるユーザに対する選択ステップのスクリーンショット６００を示す。スクリーンショット６００は、種々の平面に手術標的６３０の３Ｄ解剖学的画像を示すウィンドウ６１５、６２５および６３５を含む。このステップでは、ユーザは、処置が行われる解剖学的位置に対応する適切な３Ｄ画像を選択する。いくつかの実施形態では、ユーザは、グラフィックコントロールを用いて、種々の角度からの画像がより容易に見えるために、画像の視点を変更する。いくつかの実施形態では、ユーザは、それぞれ各ウィンドウ６１５、６２５および６３５におけるデータベースの各解剖学的位置に対して、ｘ軸座標、ｙ軸座標およびｚ軸座標の各々に対して別個の整合された像内で手術標的６３０を見ることができる。

いくつかの実施形態では、手術標的６３０の所望の３Ｄ画像を選択した後、ユーザは、選択された画像上で適切な軌道を計画する。いくつかの実施形態では、外科用器具３５の軌道を計画するために、ソフトウェアとともに入力制御部が使用される。本発明の一実施形態では、入力制御部は、ユーザが軌道を計画することができる生検針８１１０の形態である。

図１５Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、医療処置中のスクリーンショット６５０を示す。いくつかの実施形態では、ユーザは、依然として、ウィンドウ６１５、６２５および６３５上で異なるｘ軸座標像、ｙ軸座標像およびｚ軸座標像で解剖学的標的６３０を見ることができる。スクリーンショット６５０に示すように、ユーザは、複数のウィンドウ６１５および６２５で、計画された軌道線６７０を見ることができる。画像の上に、外科用器具３５の実際の軌道および位置が重ね合わされる（線分６６０として示す）。いくつかの実施形態では、外科用器具３５の実際の軌道および位置は、動的に更新されかつ表示され、線分６６０として示される。いくつかの他の実施形態では、外科用器具３５の実際の軌道および位置を、不確実な領域を表すように、ぼけたまたは半透明な縞によって包囲された台形または実線の中心線として示すことができる。いくつかの実施形態では（組織に入る際に外科用器具が曲がらない完全な条件下で）、追跡システム３４１７およびロボット１５エンコーダは、外科用器具３５が実線または台形の中心に位置するべきであると計算する。いくつかの実施形態では、密度の異なる組織を横切る場合に発生する可能性がある器具３５の曲げのために、曲げがある可能性があり、適合に予測された曲げの量が台形または縞の縁として表示される。いくつかの実施形態では、この縁のサイズを、ガイドチューブ５０内の外科用器具３５の剛性および耐性を知って、かつ事前の制御された条件下で同じ器具３５に対して収集された実験データを使用することによって、推定することができる。いくつかの実施形態では、この不確実な領域を表示することは、ユーザが、システムが物理的に不可能なレベルの精度で器具を標的軌道に送達することを予期するのを防止するのに役立つ。

上述したように、いくつかの実施形態では、手術ロボット１５を、ＬＰＳ以外の代替誘導システムで使用することができる。いくつかの実施形態では、手術ロボットシステム１は、誘導システムと使用される標的固定具６９０を備えることができる。いくつかの実施形態では、図２０Ａ〜図２０Ｅに示すように、１つの標的固定具６９０は校正フレーム７００を備えている。校正フレーム７００を、多くの侵襲的処置に関連して使用することができ、たとえば、胸腰椎弓根スクリュー挿入において、より正確な軌道位置を達成するのに役立つために使用することができる。いくつかの実施形態では、校正フレーム７００の使用は、校正処置を簡略化することができる。本発明のいくつかの実施形態では、校正フレーム７００を、医療処置に対して選択された部位を包囲する患者１８の皮膚に一時的に取り付けることができ、その後、校正フレームによって画定された窓を通して医療処置を行うことができる。

図２０Ａおよび図２０Ｂに示すように、本発明のいくつかの実施形態では、校正フレーム７００は、放射線不透過性マーカ７３０および赤外線または「アクティブ」マーカ７２０の組合せを備えることができる。いくつかの実施形態では、放射線不透過性マーカ７３０を、ＣＴスキャン領域７１０内に配置することができ、アクティブマーカ７２０を、ＣＴスキャン領域７１０の外側に配置することができる。いくつかの実施形態では、手術野１７（すなわち、侵襲性処置が行われる部位）を、放射線不透過性マーカ７３０によって生成された外周部内に配置することができる。いくつかの実施形態では、放射線不透過性マーカ７３０およびアクティブマーカ７２０の互いに対する実際の距離を、校正フレームの高精度レーザスキャンから測定することができる。さらにまたは別法として、いくつかの実施形態では、アクティブマーカ７２０の位置を能動的に測定することにより、実際の相対距離を測定することができ、略同時にまたは同時に、従来のデジタル化プローブ等のポインティングデバイスを用いて、放射線不透過性マーカ７３０の表面上の１つまたは複数の位置を指すことができる。いくつかの実施形態では、デジタル化プローブは、剛体６９０に埋め込まれたアクティブマーカ７２０と剛体から延出している先端とを備えることができる。

いくつかの実施形態では、工場校正または枢動校正等の他の校正法を通して、プローブの剛体に対するプローブ先端の位置を確立することができる。いくつかの実施形態では、その後、プローブのアクティブマーカ７２０からプローブの先端の位置を計算することが可能であり得る。いくつかの実施形態では、上述したように校正される凹状先端を備えたプローブの場合、プローブの作動中に返される空間内の点は、先端の凹面の中心におけるプローブの先端に対して遠位の点を表すことができる。したがって、いくつかの実施形態では、（凹状先端があるように構成され、標的固定具の放射線不透過性マーカ７３０と同じかまたは略同じ直径のマーカ７３０に校正された）プローブは、放射線不透過性マーカ７３０に接触すると、球体の中心を指すことができる。いくつかの実施形態では、ロボット１５および校正フレーム７００の位置を同時にまたは略同時にモニタリングするために、アクティブマーカ７２０をロボットの上にも配置することができる。

いくつかの実施形態では、校正フレーム７００は、手術／生検の前に患者の皮膚の上に取り付けられ、処置全体の間に取り付けられたままになる。手術／生検は、フレーム７００の中心を通して行われる。

いくつかの実施形態では、放射線不透過性マーカ７３０があるプレートの領域が、術中にまたは外科手術の前に（たとえばＣＴスキャナを用いて）スキャンされる場合、ＣＴスキャンは、患者の骨の解剖学的構造の医療画像と、放射線不透過性マーカ７３０の球状表現とをともに含む。いくつかの実施形態では、ソフトウェアを用いて、医療画像上に外科医が画定した軌道に対してマーカ７３０の中心の位置が求められる。ＣＴスキャンのピクセル間隔を、ＤＩＣＯＭ画像のコード化ヘッダ内で搬送することができ、または他の方法で追跡ソフトウェア（たとえば、ロボット誘導ソフトウェア３４０６）に利用可能とすることができるため、いくつかの実施形態では、（たとえばミリメートル、または他の長さ単位での）デカルト座標におけるマーカ７３０の中心の位置を登録することを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、同じ長さ単位で各軌道の先端および末端のデカルト座標を登録することを可能にすることができる。

いくつかの実施形態では、システムは、放射線不透過性マーカ７３０に対する軌道の位置と、アクティブマーカ７２０に対する放射線不透過性マーカ７３０の位置と、ロボット１５上のアクティブマーカ（図示せず）に対する校正フレーム７００上のアクティブマーカ７２０の位置とが既知であるため、画定された軌道に対してロボットのエンドエフェクタ３０を位置決めするために必要なすべての情報を有する。

本発明のいくつかの他の実施形態では、校正フレーム７００は、校正フレーム７００の周辺部に埋め込まれた少なくとも３つの放射線不透過性マーカ７３０を備えることができる。いくつかの実施形態では、少なくとも３つの放射線不透過性マーカ７３０を、校正フレーム７００の周辺部に非対称に配置することができ、それにより、本明細書に記載されるようなソフトウェアは、各マーカ７３０の幾何学的座標のみに基づいて少なくとも３つの放射線不透過性マーカ７３０を分類することができる。いくつかの実施形態では、校正フレーム７００は、アクティブマーカ７２０の少なくとも１つのバンク（ｂａｎｋ）を備えることができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのバンクの各バンクは、少なくとも３つのアクティブマーカ７２０を備えることができる。いくつかの実施形態では、アクティブマーカ７２０の少なくとも１つのバンクは、少なくとも３つのアクティブマーカ７２０を含むことができる。いくつかの実施形態では、アクティブマーカ７２０の少なくとも１つのバンクは、アクティブマーカ７２０の４つのバンクを含むことができる。さらに別の態様では、校正フレーム７００は、校正フレーム７００のそれぞれのコーナ領域に結合された複数の平準化ポスト７７を備えることができる。いくつかの実施形態では、校正フレーム７００のコーナ領域は、放射線透過性材料を含むことができる平準化ポスト７７を含むことができる。いくつかの実施形態では、複数の平準化ポスト７７を、校正フレーム７００と患者１８の皮膚との間に均一な強固な接触を促進するように構成することができる。いくつかの実施形態では、たとえば、限定はされないが３Ｍ^ＴＭ製のＩｏｂａｎ^ＴＭ等の、外科グレードの粘着フィルムを用いて、校正フレーム７００を患者１８の皮膚に一時的に付着させることができる。３Ｍ^ＴＭおよびＩｏｂａｎ^ＴＭは、３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙの登録商標である。いくつかのさらなる実施形態では、校正フレーム７００は、フレーム７００から離れるように角度が付けられた複数の直立ポスト７５を備えることができる（たとえば、図２０Ｂ参照）。いくつかの実施形態では、複数のアクティブマーカ７２０を複数の直立ポスト７５に取り付けることができる。

図２０Ｂに示すように、いくつかの実施形態では、ＯＰ１、ＯＰ２、ＯＰ３、ＯＰ４と標識された、フレームの周辺部に埋め込まれた４つの放射線不透過性マーカ７３０がある。いくつかの実施形態では、空間内で剛体の向きを求めるためには３つのマーカ７３０のみが必要である（第４マーカは、精度を向上させるためにある）。

いくつかの実施形態では、放射線不透過性マーカ７３０は、非対称構成で配置されている（いかにＯＰ１およびＯＰ２がＯＰ３およびＯＰ４より距離をあけて互いから分離されているか、いかにＯＰ１およびＯＰ４が間隙を横切って互いに位置合せされているか、ただし、いかにＯＰ３がＯＰ２より中心に向かって配置されているかに留意されたい）。この配置の理由は、コンピュータアルゴリズムが、４つのマーカの識別ではなく生座標のみが与えられた場合にどれがどれであるかを判断するためにマーカを自動的に分類することができるためである。

いくつかの実施形態では、アクティブマーカ７２０の４つのバンク（バンク毎に３つのマーカ７２０）がある。３つのマーカ７２０の１つのバンクのみが必要である（余分なマーカ７２０は精度を向上させるために、かつ外科医、器具またはロボットがマーカのうちのいくつかを遮っている場合にシステムが依然として作業するようにある）。

いくつかの実施形態では、患者１８が水平に向けられているにも関らず、直立ポストに角が形成されていることにより、アクティブマーカ７２０はカメラ（たとえば、図８１に示すカメラ８２００）または追跡システム（たとえば、追跡システム３４１７）の検出デバイスの方に面することを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、直立ポストを、校正フレームから約１０°離れるように角度を付けることができる。

いくつかの用途では、アクティブマーカ７２０と放射線不透過性マーカ７３０との間の空間的関係を確立するために、プローブの先端に対して既知の関係でアクティブマーカ７２０が埋め込まれた、６マーカプローブ等の従来のデジタル化プローブ（たとえば図２０Ｃを参照）を用いて、放射線不透過性マーカ７３０の各々を指すことができる。いくつかの実施形態では、プローブは、プローブ先端およびフレーム７００上のアクティブマーカ７２０の位置を同時に記録しながら、球形の放射線不透過性マーカ７３０の２つの対向する面の位置を指すことができる。そして、球体の中心に対応する、２つの表面座標の平均位置を取得することができる。この標的固定具６９０と用いられるロボット１５の像を図２０Ｄに示す。従来の外科用スクリューの配置、生検、注射または他の処置のために、いくつかの実施形態では、ロボット１５は、フレーム７００によって形成された窓を通して作業することができる。手術処置中、いくつかの実施形態では、作業パネルは、フレーム７００の内側に維持され、フレーム７００の外側のマーカ７２０は、基準が、手術が行われている部位から離れて取り付けられるシステムに比較して、精度を向上させることができる。理論、シミュレーションおよび／またはモデリングによって束縛されることを望まないが、精度が向上する理由は、追跡マーカ７２０が追跡されているフレーム７００の外周部に配置された場合に、追跡マーカ７２０の最適な精度を達成することができるということであることが考えられる。

本発明のさらなる実施形態を、校正フレーム７００を示す図２０Ｅに示す。この固定具６９０は、外科医の邪魔にならないように簡略化されている。いくつかの実施形態では、校正フレーム７００は、上述しかつ図２０Ａ〜図２０Ｄに示すアクティブマーカ７２０より薄型である４つのアクティブマーカ７２０を備えることができる。たとえば、校正フレーム７００は、校正フレームから約１０°離れるように角度が付けられた複数の直立ポスト７５を備えることができる。いくつかの実施形態では、アクティブマーカ７２０は、１０°後方に角度が付けられたポスト７５に取り付けられており、このように角度が付けられることにより、マーカ７２０は患者が水平になっていてもカメラの方に面した状態で維持される。

さらに、いくつかの実施形態では、正面マーカ７２０が背面マーカ７２０を覆い隠す可能性を低くすることができる。たとえば、カメラから最も遠くまたは追跡システム３４１７の検出デバイスから最も遠く離れているポスト７５を、カメラに最も近いポスト７５より縦長にし、横方向により間隔を空けることができる。

本発明のいくつかのさらなる実施形態では、校正フレーム７００は、医療撮像スキャナによって検出されるように放射線不透過性であるとともに、カメラによって可視であるかまたはリアルタイム追跡システム３４１７によって他の方法で検出可能である、マーカ７３０を備えることができる。いくつかの実施形態では、放射線不透過性マーカ７３０とアクティブマーカ（７３０、７２０）との関係は、それらが同じものであるため、測定されるかまたは確立される必要はない。したがって、いくつかの実施形態では、ＣＴスキャン（または他の撮像スキャン）から位置が特定されるとすぐに、ロボット１５と患者１８の解剖学的構造との空間的関係を定義することができる。

他の実施形態では、標的固定具６９０は、可撓性ロール構成を備えることができる。いくつかの実施形態では、標的固定具６９０は、剛性の外枠を画定する３つ以上の放射線不透過性マーカ７３０と、可撓性ロール状の材料（たとえば、図２１Ａの可撓性ロール７０５）に埋め込まれた９個以上のアクティブマーカ７２０とを備えることができる。上述したように、放射線不透過性マーカ７３０は、ＣＴスキャン、および／またはＭＲＩ等の他の医療診断画像、またはＯアームあるいはＩｓｏ−Ｃスキャンからの復元において可視であり、それらの重心を、３Ｄ画像から求めることができる。アクティブマーカ７２０は、カメラまたは他の手段を用いてリアルタイムに検出可能な３Ｄ座標を有する追跡マーカ７２０を含む。いくつかの実施形態は、Ｍｏｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｉｎｃ．またはＰｅａｋ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ等の反射光学系に基づくアクティブマーカシステムを利用することができる。他の好適な技術としては、Ｏｐｔｏｔｒａｋ等の赤外線放射マーカシステム、ＭｅｄｔｒｏｎｉｃのＡｘｉｅｍ（登録商標）あるいはＦｌｏｃｋ ｏｆ Ｂｉｒｄｓ（登録商標）等の電磁システム、または米国特許出願公開第２００７／０２３８９８５号明細書においてＳｍｉｔｈらによって記載されている屋内測位システム（「ＬＰＳ」）が挙げられる。

Ｆｌｏｃｋ Ｏｆ Ｂｉｒｄｓ（登録商標）は、Ａｓｃｅｎｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの登録商標である。

Ａｘｉｅｍは、Ｍｅｄｔｒｏｎｉｃ，Ｉｎｃ．およびその系列会社の商標である。

Ｍｅｄｔｒｏｎｉｃ（登録商標）は、外科用および医療用の装置、機器および器具（Ｓｕｒｇｉｃａｌ ａｎｄ Ｍｅｄｉｃａｌ Ａｐｐａｒａｔｕｓ，Ａｐｐｌｉａｎｃｅｓ ａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）に対して使用される登録商標である。

本発明のいくつかの実施形態では、可撓性ロール７０５の少なくとも一部は、たとえば、限定はされないが日常的に使用されている手術室製品モデル６６５１ＥＺ（３Ｍ、Ｓｔ．Ｐａｕｌ、ＭＮ）に類似する、３Ｍ^ＴＭＩｏｂａｎ^ＴＭ粘着フィルム（ヨウ素含浸透明サージカルドレープ）等の、自己粘着フィルムを含むことができる。Ｉｏｂａｎ^ＴＭは、３Ｍ社の商標である。

いくつかの実施形態では、可撓性ロール７０５内で、放射線不透過性マーカおよびアクティブマーカ（７３０、７２０）を互いに堅く結合することができ、各放射線不透過性マーカ７３０は３つ以上のアクティブマーカ７２０に結合される。別法として、いくつかの実施形態では、マーカは、同時に放射線不透過性マーカおよびアクティブマーカとしての役割を果たすことができ（たとえば、カメラまたは他のセンサから位置を検出することができるアクティブマーカ７２０）、３Ｄ医療画像から確定される位置は、実質的に正確にマーカ７２０の中心に対応することができる。いくつかの実施形態では、３つ程度のこうしたマーカ７２０を可撓性ロール７０５に埋め込むことができ、それらが依然として、ロボット１５と患者１８の解剖学的構造との間の空間的関係の確定を可能にすることができる。放射線不透過性マーカ７３０およびアクティブマーカ７２０が同じものでない場合、いくつかの実施形態では、剛体上の点の相対位置を明確に定義するために３つの別個の非同一直線上の点が必要であるため、少なくとも３つのアクティブマーカ７２０を各放射線不透過性マーカ７３０に堅く接続しなければならない。すなわち、１つまたは２つのアクティブマーカ７２０しか見えない場合、堅く結合された放射線不透過性マーカがあり得る２つ以上のあり得る計算された位置がある。

本発明のいくつかの実施形態では、他の考慮事項を用いて、放射線不透過性マーカ７３０毎に２つのアクティブマーカ７２０の使用を可能にすることができる。たとえば、いくつかの実施形態では、２つのアクティブマーカ７２０および１つの放射線不透過性マーカ７３０が、放射線不透過性マーカ７３０が２つのアクティブマーカ７２０の間の厳密に中間点にあって、意図的に同一直線状に配置された場合、放射線不透過性マーカ７３０の位置を、２つのアクティブマーカ７２０の中間位置として求めることができる。別法として、いくつかの実施形態では、２つのアクティブマーカ７２０および放射線不透過性マーカ７３０が、同一直線上に、ただし放射線不透過性マーカ７３０が一方のアクティブマーカ７２０に他方のアクティブマーカ７２０より近いように意図的に配置された場合（たとえば、図２１Ｂを参照）、いくつかの実施形態では、放射線不透過性マーカ７３０は、２つのアクティブマーカ７２０によって形成された空間内で線に沿った２つのあり得る位置のうちの１つでなければならない（図２１Ｂを参照）。この場合、いくつかの実施形態では、可撓性ロール７０５は、アクティブマーカ７２０の各対が（その最終位置にある時）、一方のマーカ７２０が可撓性ロール７０５の中心により向かうように向けられるように構成される場合、種々の領域からのすべてのマーカまたはマーカのいくつかの組合せの向きから、各領域内の２つのあり得る位置のうちのいずれが放射線不透過性マーカ７３０に対して正しい位置であるかを確定することができる（胴部の上に巻かれて示されかつマーカ７２０、７３０を適所に配置して胴部の上で広げられて示されている可撓性ロール７０５を示す図２１Ｃを参照）。図示するように、放射線不透過性マーカ７３０を、フレーム７０５）の内側に向けて配置することができ、図の上部に近い方のマーカ群は、放射線不透過性マーカ７３０がアクティブマーカ７２０の下方に配置されており、図の底部に近いマーカ群は、放射線不透過性マーカがアクティブマーカ７２０の上方に配置されている。

いくつかの実施形態では、可撓性ロール７０５を、患者の背中または他の部位を横切って配置し、広げられる際に患者１８の皮膚に付着させることができる。いくつかの実施形態では、アクティブマーカ７２０の各三つ組と堅く結合された放射線不透過性マーカ７３０との間の空間的関係を知ることにより、ロボット１５（それ自体のアクティブマーカ７２０によって位置が確立される）と解剖学的構造（ＭＲＩ、ＣＴまたは他の３Ｄスキャン上の放射線不透過性マーカ７３０とともに視覚化される）との関係を確立することができる。いくつかの実施形態では、可撓性ロール７０５を完全に使い捨てとすることができる。別法として、他のいくつかの実施形態では、可撓性ロール７０５は、患者１８に付着するように各面に医療グレード接着剤がある使い捨てロールと一体化された再使用可能マーカ群とマーカ群７２０、７３０とを備えることができる。いくつかのさらなる実施形態では、可撓性ロール７０５は、患者１８を覆うように可撓性ロール７０５内に組み込まれたドレープを備えることができ、ドレープは、ロール７０５から外側に折り重なるように構成されている。

いくつかの実施形態では、ロール７０５は、広げられた後、患者１８の骨の解剖学的構造に対してその位置が実質的に変化しないように所望の剛性を有することができる。本発明のいくつかの実施形態では、従来の放射線透過性ワイヤをフレーム７００の外周部に埋め込むことができる。いくつかの実施形態では、図２１Ｄに示す市販の三脚等、プラスチックビーズの鎖、または市販の「スネークライト」型固定具を採用して、広げられた固定具に、それが広げられた後にその位置を維持するように、所望の剛性を与えることができる。たとえば、いくつかの実施形態では、図示するようなプラスチックビーズの鎖のビーズを、移動するとそれらの位置を保持するように、高摩擦力で互いに取り付けることができる。さらに、いくつかの実施形態では、ビーズの鎖が、フレーム７００の外周部に組み込まれ、かつその外周部を画定することができる。いくつかの実施形態では、このタイプのフレームに、塗布時に混合する従来の化学物質を装填することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、従来の二液性エポキシ樹脂の成分を、ユーザが最初にビーズの操作を開始した時にははじけて開く、フレーム内の別個の破れやすい小さい袋の中に保持することができる。いくつかの実施形態では、ユーザは、フレームを患者１８に取り付け、それを患者の身体の輪郭に沿わせる。短時間後、フレーム７００は固化して、非常に剛性のフレームを形成し、ビーズをそれらの現向きで固定する。

本発明のいくつかの実施形態では、標的固定具６９０を、患者１８の皮膚に一時的に取り付けられるように構成された付着可能固定具とすることができる。たとえば、いくつかの実施形態では、標的固定具６９０を、撮像中、患者１８に一時的に付着させ、取り外し、その後、外科手術等、引き続きの医療処置中に再度取り付けることができる。いくつかの実施形態では、標的固定具６９０を、脳深部刺激用の電極の配置に使用するために、患者１８の頭蓋骨に適用することができる。いくつかの実施形態では、この方法は、単一の固定具６９０、または２つの関連する固定具を使用することができる。この例では、２つの関連する固定具が、同じ表面形状を共有することができる。しかしながら、１つの固定具６９０を、医療画像スキャン時に一時的に取り付けることができ、その固定具６９０は（アクティブマーカ７２０ではなく）放射線不透過性マーカ７３０を含むことができ、第２固定具６９０を外科手術時に取り付けることができ、その固定具６９０が、（放射線不透過性マーカ７３０ではなく）アクティブマーカ７２０を含むことができる。

いくつかの実施形態では、第１固定具（スキャン用）は、３つ以上の埋め込まれた放射線不透過性マーカ７３０と、マーキング（図２２Ｂにおいて７５０として示すマーキング）の適用のための２つ以上の開口部７４０とを備えた、フレーム６９０を備えることができる。いくつかの実施形態では、デバイス６９０を、患者１８の頭皮に付着させることができ、開口部７４０を用いて、たとえばヘナまたは染料を用いて頭皮上に（図２２Ｂにおいて「＋」マーク７５０として示す）マークを塗ることができる。この固定具６９０が適所に配置されると、いくつかの実施形態では、患者１８は３Ｄスキャン（たとえば、ＭＲＩまたはＣＴスキャン）を受けることができ、そこでは、放射線不透過性マーカ７３０が取り込まれる。図２２Ｂによって示すように、いくつかの実施形態では、その後、頭皮上に染料マーク７５０を残して、固定具６９０を取り除くことができる。いくつかの実施形態では、後日（染料マーク７５０が徐々に消える前）、患者１８は戻ることができ、外科医または技師は、術中追跡のためにアクティブマーカ７２０を含む第２固定具（手術用）を取り付けることができる（図２２Ｃ〜図２２Ｄを参照）。いくつかの実施形態では、図２２Ｃに示す固定具６９０を、頭皮に取り付け、事前に配置された染料マーク７５０が第２固定具６９０の穴と整列することを確実にすることにより、先に付着した第１固定具（図２２Ａに示す）と同じ位置において空間的に位置決めし方向付けることができる（図２２Ｃに示す位置合せ矢印を参照）。任意選択的に、いくつかの実施形態では、固定具６９０は、十分な視覚化のために透明なフレームを有することができる。上述した方法では、マーク７５０の位置は、スキャンと外科手術のために患者１８が戻る時との間の期間にわたって変化しないものと想定する。（スキャンにおいて現れる）一時的（第１）固定具６９０からの放射線不透過性マーカ７３０と適用された第２固定具６９０上のアクティブマーカ７２０との間の相対位置が、校正を通してかつ／または固定具６９０の注意深い製造によって既知であるため、解剖学的構造の座標系とアクティブマーカ７２０の座標系とを同期させることができ、それにより、ロボット１５は、本明細書にさらに記載するように３Ｄ画像上のあらゆる計画された軌道を標的にすることができる。さらに、いくつかの実施形態では、この方法は、１回のみの術前スキャンで、患者１８が術前スキャン後に帰宅する必要なしに、画像誘導を可能にすることができる。これにより、患者１８が、患者１８の頭皮に侵襲的に開けられる標的スクリューからの創傷に対処する必要がなくなる。

本発明のいくつかの実施形態では、標的固定具６９０は、標的固定具６９０を患者１８に固定して取り付ける従来の締付機構を備えることができる。たとえば、いくつかの実施形態では、標的固定具６９０を患者１８の棘突起６３０１に、外科医が棘突起を外科的に露出させた後、締め付けるように構成することができる。図２３は、本発明のいくつかの実施形態による、患者１８の腰椎の棘突起２３１０に取り付けられた動的追跡デバイス２３００を示す。この標的固定具は、ＭｅｄｔｒｏｎｉｃのＳｔｅａｌｔｈＳｔａｔｉｏｎとともに使用される。この図は、Ｂａｒｔｏｌｏｍｅｉ Ｊ，Ｈｅｎｎ ＪＳ，Ｌｅｍｏｌｅ ＧＭ Ｊｒ．，Ｌｙｎｃｈ Ｊ，Ｄｉｃｋｍａｎ ＣＡ，Ｓｏｎｎｔａｇ ＶＫＨ，Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒａｍｅｌｅｓｓ ｓｔｅｒｅｏｔａｘｙ ｔｏ ｓｐｉｎａｌ ｓｕｒｇｅｒｙ，Ｂａｒｒｏｗ Ｑｕａｒｔｅｒｌｙ １７（１），３５−４３ （２００１）から転載したものである。

ＳｔｅａｌｔｈＳｔａｔｉｏｎ（登録商標）は、Ｍｅｄｔｒｏｎｉｃ，Ｉｎｃ．およびその系列会社の商標である。

いくつかの実施形態では、画像誘導とともに従来の締付機構を有する標的固定具６９０の使用中、マーカ７２０、７３０と患者１８の骨の解剖学的構造との間の関係を、レジストレーション（ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）プロセスを用いて確立することができ、そこでは、トラッカ上のマーカが可視であるのと同じ時点で、既知の目印にデジタル化プローブで接触する。本発明のいくつかの実施形態では、プローブ自体が、マーカ７２０、７３０群から突出するシャフトを有することができ、それにより、追跡システム３４１７は、マーカ７２０、７３０に対してプローブ先端の座標を計算することができる。

いくつかの実施形態では、標的固定具６９０の締付機構を、棘突起２３１０に締め付けられるように構成することができ、または固定具６９０が実質的に固定され容易に移動しないように、患者１８の骨に係留されるように構成することができる。いくつかのさらなる実施形態では、標的固定具６９０は、少なくとも３つのアクティブマーカ７２０と、好ましくは（骨に近接する）締付具の近くで、ＣＴまたは他の３Ｄ画像上で検出される別個の放射線不透過性マーカ７３０とを備えることができる。いくつかの代替実施形態では、アクティブマーカ７２０自体を、ＣＴまたは他の３Ｄ画像上で正確に視覚化されるように構成しなければならない。いくつかの実施形態では、放射線不透過性マーカ７３０を含む固定具６９０の部分を、３Ｄ画像が取得された後に取り付け具からの取り外しを可能にするように脱着可能とすることができる。いくつかのさらなる実施形態では、放射線不透過性マーカ７３０およびアクティブマーカ７２０の組合せにより、上述したフレーム型標的固定具６９０で可能な方法と同様に、ロボット１５による追跡を可能にすることができる。

いくつかの実施形態では、本明細書に開示するソフトウェアおよび／またはファームウェアの一態様は、ＣＴスキャンが、典型的にはｚ方向に１．５ｍｍ以上間隔が開けられ、かつｘ軸方向およびｙ軸方向に約０．３ｍｍ解像度でサンプリングされるスライスを含むことができるという事実を利用する、上述したマーカ７３０の中心の位置を特定する一意のプロセスである。いくつかの実施形態では、放射線不透過性マーカ７３０の直径がこのスライス間隔より数倍大きいため、球体の異なるｚスライスは、各連続するｘ−ｙ平面スライス上の異なる直径の円として現れることになる。いくつかの実施形態では、球体の直径が事前に定義されているため、スライスに対する球体の中心の必要なｚ位置を計算して、さまざまな直径の円の所与の組を提供することができる。同様に、いくつかの実施形態では、実質的に正確に球の中心を通るｚスライスが、球体の半径と実質的に同じである半径Ｒを有する円をもたらすことができる。いくつかの実施形態では、球体の頂部または底部の点を通るｚスライスが、半径Ｒがゼロに近づく円をもたらすことができる。いくつかの他の実施形態では、球体の中心と頂部または底部との間のｚ軸座標Ｚ１を通るｚスライスが、半径Ｒ１＝Ｒｃｏｓ（ａｒｃｓｉｎ（Ｚ１／Ｒ））である円をもたらすことができる。

本発明のいくつかの実施形態では、スライス間間隔が既知であるｚスライス上の円の観察された半径を、Ｒ１＝Ｒｃｏｓ（ａｒｃｓｉｎ（Ｚ１／Ｒ））によって定義された式を用いて分析することができる。これは、球体の中心からの各スライスの距離の確定を可能にする一意の数学的解を提供する。球体が、球体を通るいくつかのスライスのみが医療画像上に現れるために十分小さい直径を有する場合、このプロセスにより、球体の中心をより精密に提供することができる。

校正フレーム７００の使用のいくつかの実施形態について、使用方法をさらに明確にするように説明する。たとえば、いくつかの実施形態は、以下のように、校正フレーム７００を利用する、従来のクローズドスクリューまたは従来の針（たとえば、生検針８１１０）挿入処置のステップを含む。いくつかの実施形態では、校正フレーム７００が、実質的に手術／生検が行われる領域内で、患者１８の皮膚に取り付けられる。いくつかの実施形態では、患者１８は、仰臥位または伏臥位のいずれか、その位置決めにより校正フレーム７００が上方に向けられる方で、ＣＴスキャンを受け取る。いくつかの実施形態では、外科医は、後に、患者１８のＣＴ画像の３つの２次元像を回転および並進により操作する。いくつかの実施形態では、その後、外科医は、エンドエフェクタ３０の所望の位置および突当り角度を定義する軌道を画像上に描く。いくつかの実施形態では、校正フレーム７００の放射線不透過性マーカ７３０の中心を得て、アクティブマーカ７２０と放射線不透過性マーカ７３０との間の格納された関係を利用するために、自動校正を実行することができる。この手続きにより、ロボット１５が、解剖学的構造の座標系および／または描かれた軌道において移動することができる。

いくつかの実施形態では、その後、ロボット１５は所望の位置まで移動する。いくつかの実施形態では、事前設定された許容範囲を超える強力な抵抗が超過された場合、ロボット１５は一時停止する。いくつかのさらなる実施形態では、ロボット１５は、ガイドチューブ５０を所望の位置および突当り角度で保持して、外科医が従来のスクリューまたは針（たとえば、針７４０５、７４１０または生検針８１１０）を挿入することができるようにすることができる。いくつかの実施形態では、組織が加えられた力に応じてまたは呼吸により移動する場合、その移動は、光学マーカ７２０によって追跡され、ロボットの位置は自動的に調整される。

代替誘導システムを用いる処置のさらなる例として、いくつかの実施形態では、光学誘導システムを利用するオープン（ｏｐｅｎ）スクリュー挿入処置のステップについて説明する。いくつかの実施形態では、外科的露出の後、たとえば、光学マーカの小さいツリーを備える標的固定具６９０を、関心部位において骨の隆起部に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、画像誘導のための従来の校正手続きを利用して、光学追跡システム３４１７および医療画像に対して解剖学的構造を確立することができる。別の例では、標的固定具６９０は、ＣＴスキャンで画像化することができる、堅く取り付けられた、実質的に永久的なまたは脱着可能な放射線不透過性マーカ７３０を含むことができる。いくつかの実施形態では、校正フレーム７００に対して述べたものと一貫する校正手続きを利用して、ロボット１５および医療画像に対して解剖学的構造を確立することができる。

いくつかの実施形態では、外科医は、患者のＣＴ画像の３つの二次元像を、回転および並進を用いて操作する。いくつかの実施形態では、外科医はその後、エンドエフェクタ３０の所望の位置および突当り角度を定義する軌道を画像の上に描く。いくつかの実施形態では、ロボット１５は所望の位置まで移動する。いくつかの実施形態では、事前設定された許容範囲を超える強力な抵抗が超過された場合、ロボット１５は一時停止する。いくつかの実施形態では、ロボット１５は、ガイドチューブ５０を、外科医が従来のスクリューを挿入するのを可能にするように所望の位置および突当り角度で保持する。いくつかの実施形態では、組織が加えられた力に応じてまたは呼吸により移動すると、その移動は、光学マーカ７２０によって追跡され、ロボットの位置は自動的に調整される。

図３６は、本発明の１つまたは複数の態様による、監視マーカ７１０を利用する手術ロボットシステム１の例としての実施形態３６００を示す。図示するように、例としての実施形態３６００は、患者１８に取り付けられかつ監視マーカを有する４マーカトラッカアレイ３６１０と、ロボット１５上の４マーカトラッカアレイ３６２０とを備えている。いくつかの実施形態では、使用中、患者１８上のトラッカアレイまたはトラッカ（図３６の３６１０）が不注意にシフトする可能性がある。たとえば、トラッカ３６１０が取り付けられる患者１８の棘突起２３１０上に配置された従来の締付具に外科医の腕がぶつかり、それが棘突起２３１０に対して新たな位置に移動する（すなわち、曲がるかまたは並進する）可能性がある。または、患者１８の皮膚に取り付けられるトラッカ３６１０が、皮膚が経時的に沈下するかまたは伸縮する際、皮膚とともに徐々に移動する可能性がある。この場合、トラッカ３６１０が、トラッカに対して医療画像スキャン中にあった位置と同じ位置でなくなる医療画像からの骨の解剖学的構造を参照する可能性があるため、ロボット１５移動の精度が喪失する可能性がある。こうした問題に対処するために、本発明のいくつかの実施形態は、図３６に示すように、監視マーカ７１０を提供する。図示するように、いくつかの実施形態では、監視マーカ７１０を、第１トラッカアレイ３６１０が取り付けられる位置とは異なる位置、たとえば、異なる棘突起２３１０、皮膚上、または腸骨内にドリルで挿入された小さいポスト上で、患者１８に堅く取り付けられた１つまたは複数のマーカ７１０として具現化することができ、またはそうしたマーカ７１０を含むことができる。したがって、いくつかの実施形態では、監視マーカ７１０を、第１トラッカアレイ３６１０と同じ剛体であるが、剛体の異なる位置に配置することができる。

一実施形態では、監視マーカ７１０の配置に応じて、制御ソフトウェアアプリケーション（たとえば、ロボット誘導ソフトウェア３４０６）の実行により、エージェント（たとえば、外科医、看護師、診断医）が「設定された監視マーカ」を選択するのを可能にすることができる。この時点で、監視マーカ７１０と第１トラッカアレイ３６１０上のマーカ３６１１、３６１２、３６１３および３６１４の各々との間のベクトル（３Ｄ）距離を取得して、コンピュータ１００メモリ（制御ソフトウェアアプリケーションを実行するコンピューティングデバイス３４０１のメモリ等）に保持することができる。４マーカトラッカアレイ３６１０が利用される実施形態（図３６）では、監視マーカ７１０とマーカ３６１１、３６１２、３６１３および３６１４との間の距離を表す４つの距離３６１１ａ、３６１２ａ、３６１３ａおよび３６１４ａを取得し保持することができる。こうした実施形態では、処置中のリアルタイムデータの各フレームにおいて、本明細書に開示する手術ロボットシステム１は、第１トラッカアレイ３６１０上のマーカ３６１１、３６１２、３６１３および３６１４の各々と監視マーカ７１０との間の更新された距離を計算することができる。そして、システム１は、更新された距離またはその計量（たとえば、各距離の大きさの合計）を入手可能な値（たとえば、コンピュータ１００メモリに保持された値）と比較することができる。いくつかの実施形態では、監視マーカ７１０およびトラッカアレイ３６１０が同じ剛体上にあり得ることを鑑みて、更新された距離および／またはその計量（それらの合計等）が、トラッカアレイ３６１０または監視マーカ７１０のうちの１つまたは複数がシフトするまで、実質的に固定されたままであり得る。いくつかの実施形態では、トラッカアレイ３６１０あるいは監視マーカ７１０または両方のシフトに応じて、エージェントに対して移動精度の喪失を警告するように通知を発行することができる。いくつかの実施形態では、監視マーカ７１０オフセットが事前設定量を超過した場合、手術ロボットシステム１の動作を一時停止させることができる。いくつかの実施形態では、ユーザがトラッカアレイ３６１０または監視マーカ７１０を新たな位置に意図的にシフトさせることに応じて、制御ソフトウェアアプリケーションの実行により、後続するフレームと比較するために一組の１つまたは複数の格納された距離を新たな値で上書きするのを可能にすることができる。

いくつかの実施形態では、図３６に示すように、手術ロボットシステム１の実施形態３６００は、監視マーカ７１０と、患者１８に取り付けられた４マーカトラッカアレイ３６１０と、ロボット１５上の４マーカトラッカアレイ３６２０とを利用する。いくつかの実施形態では、ロボット１５上の４マーカトラッカアレイ３６２０は、患者１８上の４マーカアレイトラッカ３６１０に対する方法と同様に意図しないシフトがある可能性があることが認識されるべきである。したがって、いくつかの実施形態では、こうした意図しない移動を少なくとも部分的に制御するために、ロボット１５アーム上のロボットの４マーカトラッカアレイ３６２０とは異なる位置に、監視マーカ（図示せず）を取り付けることができる。いくつかの実施形態では、ロボット１５アームを、ロボットのトラッカアレイ３６２０または監視マーカ（図示せず）がシフトする可能性をごくわずかまたは最小限にして製造することができることを鑑みて、ロボット１５上の監視マーカが提供する効率が、患者１８上の監視マーカ７１０より低い可能性がある。さらにまたは別法として、他の実施形態は、ロボットのトラッカアレイ３６２０に対して企図することができる、トラッカ３６２０が移動したか否かを登録する手段を含むことができる。たとえば、いくつかの実施形態では、登録する手段は、監視マーカを含まない可能性があるが、現存のロボット１５追跡システム３４１７と入手可能な従来のエンコーダのうちの１つまたは複数とを備えることができる。いくつかの実施形態では、システム１およびエンコーダは、トラッカ３６２０から登録された移動を、各ロボット１５軸上のエンコーダ（図示せず）のカウントから登録された移動と比較することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、ロボットのトラッカアレイ３６２０が、（ｚ軸７０、ｘ軸６６、ｙ軸６８およびロール６２軸より基部２５から遠くに離れている可能性がある）ロール６２軸で回転するハウジング２７に取り付けられる場合、ｚ軸７０、ｘ軸６６、ｙ軸６８およびロール６２軸のエンコーダカウントの変化が、追跡システム３４１７およびロボット１５の座標系におけるロボットのトラッカアレイ３６２０の位置の十分予測可能な変化を提供することができる。いくつかの実施形態では、既知のカウントの適用後のエンコーダカウントおよびトラッカアレイ３６２０の追跡された３Ｄ位置に基づく予測された移動を比較することができ、値が実質的に異なる（または値が所定閾値を超える）場合、エージェントに対して、動作上の問題または誤動作の存在を警告することができる。動作上の問題は、カウントの登録における誤動作（すなわち、電気機械的問題）、トラッカのマーカ３６２１、３６２２、３６２３、３６２４のレジストレーションにおける誤動作（たとえば、追跡システムの最適値外）、または移動中のロボット１５の表面上のトラッカ３６２０の位置のシフトのうちの１つまたは複数から発生する可能性がある。

手術ロボットシステム１におけるロボット１５の移動の追跡を阻止する可能性がある動作上の問題に対応するために、他の技法（たとえば、方法、システムおよびそれらの組合せ等）を実施することができることが認識されるべきである。一実施形態では、より安定した追跡のために、マーカ復元を実施することができる。いくつかの実施形態では、マーカ復元により、エージェントが、開示する手術ロボットシステム１の動作中にマーカを部分的に遮る場合であっても、ロボットエンドエフェクタ３０を安定して維持することができる。

本明細書に記載するように、いくつかの実施形態では、ロボットのエンドエフェクタ３０の追跡移動の少なくともいくつかの特徴は、１つまたは複数のマーカ７２０のアレイを利用して剛体上の視覚的点を追跡することを含むことができ、こうした追跡は、１つまたは複数の連続した並進および回転を含む。例示として、３つの取り付けられたマーカのアレイを用いて剛体上の視覚的点を追跡する方法例について、本明細書においてより詳細に説明し、こうした方法を利用して、本発明の１つまたは複数の態様によるマーカ復元技法を実施することができる。たとえば、図３７は、３つの取り付けられたマーカ４００１、４００２、４００３のアレイを用いて剛体上の視覚的点４０１０を追跡する方法の例を示す。いくつかの実施形態では、方法は、基準データフレームを企図することを含む。いくつかの実施形態では、基準データフレームを、マーカ４００１、４００２、４００３の相対位置（ただし、必ずしも定義された位置ではない）に対する一組の再現可能な条件に関連付けることができる。

図３８は、本発明のいくつかの実施形態による、図３７に示す方法から受け取られた画像に基づいて、３つのマーカ４００１、４００１、４００３に対する関心点４０１０の位置をモニタリングする手続きを示す。図示するように、方法は、図示するような条件によりマーカ４００１、４００２、４００３および関心点４０１０を並進させかつ回転させることを含む。いくつかの実施形態では、方法は、将来使用するために、この基準座標系における関心点４０１０のｘ軸座標、ｙ軸座標およびｚ軸座標を保存することを含むことができる。いくつかの実施形態では、各後続するデータフレームに対して方法は、以下のステップを含むことができる。すなわち、１）基準座標系に対して定義された条件を用いて（回転および並進を追跡して）マーカ４００１、４００２、４００３を変換ステップ、２）（基準座標系を確立した後に保存された）関心点４０１０を追加するステップ、および３）ステップ１からの保存された並進および回転の逆を用いて、関心点４０１０をマーカ４００１、４００２、４００３の現位置に戻るように変換するステップである。いくつかの実施形態では、上記ステップ１を完了した時またはその後、マーカ４００１、４００２、４００３のそれらの元の基準データフレームに対する実際の近接性が、マーカノイズおよび剛体の剛性（ｒｉｇｉｄｉｔｙ）によって決まる。いくつかの実施形態では、マーカは、基準座標系を確立する時に格納されたそれらの対応するマーカと決して完全には重ならない。いくつかの実施形態では、開示する方法により、マーカ４００１、４００２、４００３は、それらの元の相対間隔に可能な限り近づくのを可能にすることができる。

図３９Ａ〜図３９Ｆは、本発明のいくつかの実施形態による、３つの取り付けられたマーカ４００１、４００２および４００３のアレイに基づく追跡方法の例を示す。いくつかの実施形態では、目標は、（図３９Ａに示す）原点上のマーカ４００１と、正のｘ軸上のマーカ４００２と、正のｙ方向におけるｘ−ｙ平面のマーカ４００３であり得る。図３９Ｂに示すような開始構成を想定すると、いくつかの実施形態では、方法は、マーカ４００１が図３９Ｃに示すような原点にあるように、剛体を並進させることを含むことができる。いくつかの実施形態では、方法は、次いで、マーカ４００２がｘ−ｙ平面（すなわち、ｚ＝０）にあるようなｙ軸を中心とする回転を含むことができる（図３９Ｄを参照）。いくつかの実施形態では、方法は、次いで、（図３９Ｅに示すように）マーカ４００２がｙ＝０、正のｘ座標にあるようにｚ軸を回転させることを含むことができる。最後に、いくつかの実施形態では、方法は、マーカ４００３がｚ＝０、正のｙ座標にあるようにｘ軸を中心として回転させることを含むことができる。いくつかの実施形態では、関心点を追加した後に負の値を利用して位置を戻すように変換するために、並進および回転の記録を保持することができる。いくつかの実施形態では、マーカ４００１が原点に移動するように剛体を並進させる場合、各マーカの位置ベクトルに追加されるベクトルは、単純に負の４００１位置ベクトルである。いくつかの実施形態では、ステップ２、３および４において回転行列に代入するθの値を求めるために、逆正接を用いる。たとえば、ｙ軸を中心としてマーカ４００２をｚ＝０まで以下のように回転させる。

図４０は、本発明のいくつかの実施形態による、ｙ軸を中心とする回転の２次元表現の例を示す。図示するように、図４０は、回転が発生する際の中心となる軸を見下ろす２次元表現を示す一実施形態を示す（たとえば、ｙ軸がページ内に入っている）。この例では、４００２をｚ＝０にするために、ｙ軸を中心とするθ＝５６．３°の位置回転が必要である。回転行列に代入する回転角度の適切な方向（＋または−）は複雑であり得ることが認識されるべきである。いくつかの実施形態では、ページ表面に含まれる平面から出る回転軸による回転の平面を描くことが有益であり（たとえば、右手の法則は好適な向きを提供することができる）、その後、左回りの回転は正であり、右回りの回転は負である。上述した例では、軸はページ表面に入り、したがって、右回り回転が正であった。

図４１Ａ〜図４１Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、各平面を左回りに正および右回りに負に対していかに描くことができるかを示す、軸を中心とする回転の２次元表現の代替表現を示す。図示するように、図４１Ａは、Ｘ軸を中心とする回転に対する２次元表現の代替表現を示す。図４１Ｂは、Ｙ軸を中心とする回転に対する２次元表現の代替表現を示す。図４１Ｃは、Ｚ軸を中心とする回転に対する２次元表現の代替表現を示す。

いくつかの実施形態では、４００２がｘ−ｙ平面（ｚ＝０）となるようにｙ軸を中心に剛体を回転させるためには、以下の通りである。

いくつかの実施形態では、４００２がｙ＝０となるようにｚ軸を中心に剛体を回転させるためには、以下の通りである。

いくつかの実施形態では、４００３がｚ＝０となるようにｘ軸を中心に剛体を回転させるためには、以下の通りである。

本明細書に記載するように、マーカ４００１、４００２、４００３を基準座標系に可能な限り近いように変換する方法例は、１）４００１が原点（０，０，０）にあるように剛体を並進させ、２）４００２がｘ−ｙ平面（すなわち、ｚ＝０）にあるようにｙ軸を中心に回転させ、３）４００２がｙ＝０、正のｘ座標にあるようにｚ軸を中心に回転させ、４）４００３がｚ＝０、正のｙ座標にあるようにｘ軸を中心に回転させることを含むことができる。他の実施形態では、同じ基準に達する方法は、１）４００１が原点（０，０，０）にあるように剛体を並進させ、２）４００２がｘ−ｙ平面（すなわちｚ＝０）にあるようにｘ軸を中心に回転させ、３）４００２がｙ＝０、正のｘ座標にあるようにｚ軸を中心に回転させ、４）４００３がｚ＝０、正のｙ座標にあるようにｘ軸を中心に回転させることを含むことができる。選択された基準座標系において、かつ剛体がいかにそこに達するように操作されるかにおいて、他のあり得る方法および関連する行為があることが認識されるべきである。記載する方法は単純であるが、マーカを等しく扱わない。基準座標系は、４００１が最も制限され（点にされ）、４００２はそれより制限されず（線にされ）、４００３は最も制限されない（平面にされる）ことを必要とする。結果として、マーカのノイズからの誤差は、非対称に現れる。たとえば、（図４２に示すように）、あるデータのフレームにおいて、ノイズにより３つのマーカの各々が実際にまたは基準座標系が格納された時（４００１ａ、４００２ａおよび４００３ａによって表す）よりさらに外側に見えることになる場合を考慮する。

いくつかの実施形態では、明らかなマーカをそれらの基準位置に「可能な限り近く」位置合せするために変換が行われる場合、それらはずれることになる。たとえば、格納された関心点が追加されると、それは、マーカがアルゴリズムにおいて４００１として選択された方向において間違った場所に置かれることになる（図４３におけるたとえば４００３、４００３ａおよび４００２、４００２ａを参照）。

いくつかの実施形態は、実際のマーカ位置を格納された基準位置と重ね合せるより対称的な方法を含むことができる、関心点を追跡する追加のまたは別の方法を提供する。たとえば、いくつかの実施形態では、３つのマーカ４００１、４００２、４００３に対して、動物学において通常利用される２次元フィッティング法を実施することができる。（たとえば、Ｓｎｅａｔｈ Ｐ．Ｈ．Ａ．，“Ｔｒｅｎｄ−ｓｕｒｆａｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｇｒｉｄｓ，”Ｊ．Ｚｏｏｌｏｇｙ １５１，６５−１２２（１９６７）を参照されたい。）方法は、基準座標系を確立し、マーカを基準に可能な限り近づくように変換する、最小二乗フィッティングアルゴリズムを含むことができる。この場合、基準座標系は、共通平均点（以下、「ＣＭＰ」と呼ぶ）がマーカ４００１ではなく原点であることを除き、上述したものと同じである。いくつかの実施形態では、マーカをｘ−ｙ平面になるようにした後のＣＭＰは、以下の式で定義される（図４４に表すことができる）。

いくつかの実施形態では、マーカがＣＭＰに中心合せされるように、ＣＭＰを４００１、４００２および４００３から減算することにより、マーカを並進させることができる。追跡されている関心点はＣＭＰ_ｒｅｆの確定に含まれないことが留意されるべきである。

いくつかの実施形態では、この基準座標系に可能な限り近づくようにマーカを並進させる方法は、１）４００１が原点（０，０，０）にあるように剛体を並進させることと、２）４００２がｘ−ｙ平面（すなわち、ｚ＝０）にあるようにｙ軸を中心に回転させることと、３）４００２がｙ＝０、正のｘ座標にあるように、Ｘ線平面に入るように、ｚ軸を中心に回転させることと、４）４００３がｚ＝０、正のｙ座標にあるようにｘ軸を中心に回転させることと、最後に、５）マーカ４００１、４００２、４００３に対するＣＭＰを計算し、ＣＭＰが原点にあるように剛体を並進させる（すなわち、変換された各点からＣＭＰを減算する）こととを含むことができる。いくつかの実施形態では、ステップ１〜５は、関心点の位置が既知であるマーカの元の組に対して、かつ関心点を追加している新たな組に対して行われる。新たな組に対してさらなるステップ、たとえば、６）格納された基準マーカに最もよく重なるようにｚ軸を中心に回転させるステップを含めることができる。いくつかの実施形態では、以下のようにＳｎｅａｔｈからの公式を用いて回転角度θが見つけられる。

いくつかの実施形態では、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３が格納された基準マーカを示し、Ｍ’１、Ｍ’２、Ｍ’３が、このデータフレームにおいて追跡されている位置を示す場合、以下のように式を書くことができる。

この回転角度を小さくする（たとえば、約１°より小さくする）ことができることが留意されるべきである。いくつかの実施形態では、マーカ４００１、４００２、４００３が重なった後、本発明のいくつかの実施形態は、関心点を追加することと、その後、関心点を、現データのフレームにおいてその真の現位置に戻るように変換することとを含むことができる。いくつかの実施形態では、戻るように変換するために、上述したような順方向変換ステップ１〜６から保存された負の値を利用することができる。すなわち、たとえば、負のθだけ回転させることにより、ステップ６からステップ５に進み、ＣＭＰを加算することによってステップ５からステップ４に進む等である。）

いくつかの実施形態では、この最小二乗アルゴリズムを用いて、ノイズがより対称的に現れ、関心点は、その実際の位置により近くなるように計算される可能性が高くなる。これを、基準座標系を確立し、ノイズを含む図４４に示すようなマーカ４００１、４００２、４００３を変換する最小二乗フィッティングアルゴリズムを適用した結果の説明を示す、図４５に示すことができる。いずれの方法が用いられるかには無関係に、所与のデータのフレームにおけるマーカ位置と基準マーカ位置との間の誤差をモニタリングすることが有益であり得る。いくつかの実施形態では、方法は、各マーカのベクトル距離を計算しそれを合計し、その値をｍｍで報告することを含むことができる。

図４６は、たとえば、本発明のいくつかの実施形態による、基準座標系マーカに対する誤差計算の説明を示す。いくつかの実施形態では、この誤差値を連続的に表示することにより、マーカ４００１、４００２、４００３が部分的に覆い隠された場合、またはマーカ４００１、４００２、４００３が剛体に固定してまたは堅く取り付けられなくなった場合、エージェントに対して警告することができる。いくつかの実施形態では、４つ以上のマーカに対して最良適合を実行する時、それらを平面にすることはできず、したがって、問題ははるかにより困難になる。いくつかの実施形態では、１つの解決法は、３つのマーカ４００１、４００２、４００３群によって形成されたすべてのまたは略すべてのあり得る三角形を検査し、いずれが頂点の角度の最小標準偏差を与えるかを評価することである。Ｃｈｅｚｅ Ｌ，Ｆｒｅｇｌｙ Ｂ．Ｊ．，Ｄｉｍｎｅｔ Ｊ，：Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｎｏｔｅ： Ａ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｔｏ ｆａｃｉｌｉｔａｔｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ａｎａｌｙｓｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖｉｄｅｏ ｓｙｓｔｅｍ ｄａｔａ，”Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ ２８（７），８７９−８８４（１９９５）を参照されたい。いくつかの他の実施形態では、方法は、行列分解を行うように反復を必要とする、幾何学的形状の頂点の最小二乗適合を計算することを含むことができる（すなわち、ニュートン・ラフソン（Ｎｅｗｔｏｎ−Ｒａｐｈｓｏｎ）法）。たとえば、Ｖｅｌｄｐａｕｓ ＦＥ，Ｗｏｌｔｒｉｎｇ ＨＪ，Ｄｏｒｔｍａｎｓ ＬＪＭＧ，‘Ａ ｌｅａｓｔ−ｓｑｕａｒｅｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｑｕｉｆｏｒｍ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｓｐａｔｉａｌ ｍａｒｋｅｒ ｃｏ−ｏｒｄｉｎａｔｅｓ’，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ ２１（１），４５−５４（１９８８）を参照されたい。

いくつかの実施形態では、剛体（たとえば、ロボット１５エンドエフェクタ３０または標的の骨）の３Ｄ移動を、剛体の堅く取り付けられる３つの追跡マーカ４００１、４００２、４００３のアレイを使用して追跡する時、動きを定量化する１つの方法例は、第１（中立）位置（本明細書では「Ａ」として定義）から第２（現フレーム）位置（本明細書では「Ｂ」と呼ぶ）に移動するための変換（並進および回転）を確定することを含むことができる。いくつかの実施形態では、回転を、位置Ｂにおける剛体の３×３方向変換行列（方向余弦）として記述し、３つの並進値を、位置Ｂに変換された位置Ａ座標系の原点のｘ座標、ｙ座標、ｚ座標を含む３×１ベクトルとして扱うことが好都合であり得る。いくつかの実施形態では、方向余弦行列は３×３行列であり、その列は、中立座標系のｘ座標、ｙ座標およびｚ座標とそれぞれ最初に位置合せされた単位ベクトルを含む。いくつかの実施形態では、方向余弦行列を構築するために、３×３行列Ａを、その列が、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸にそれぞれ位置合せされた単位ベクトルｉ、ｊおよびｋであるように定義することができる。

座標系の回転が発生した時またはその後、いくつかの実施形態では、（方向余弦行列Ａ’である）新たな行列は以下のようになり、そこでは、単位ベクトルｉ’、ｊ’およびｋ’は、座標軸に最初に位置合せされた単位ベクトルの新たな向きを表す。

いくつかの実施形態では、方向余弦および並進ベクトルを求めるために、原点および単位ベクトルを、本明細書に記載するように４つの追跡された関心点として座標軸と位置合せされるものとして扱うことができる。たとえば、原点（ｏ）および３つの単位ベクトル（ｉ、ｊ、ｋ）が座標軸と位置合せされる場合、それらは、以下の座標の仮想追跡関心点として扱われる。

いくつかの実施形態では、これらの関心点は、位置Ａから位置Ｂへ３つのマーカとともに移動した時の移動に対する方向余弦および並進を提供することができる。いくつかの実施形態では、仮想点を３×４行列Ｐに配置されたこれらの４つの点に移動する方法を実施する（たとえば、実行する）ことが好都合であり得る。

いくつかの実施形態では、行列は以下のように位置Ａにある。

いくつかの実施形態では、行列は以下のように位置Ｂにある。

いくつかの実施形態では、移動後、方向余弦行列は以下のようになる。

いくつかの実施形態では、ベクトルｏ’は原点の新たな位置を表す。いくつかの実施形態では、３つのマーカ４００１、４００２、４００３を位置Ａから位置Ｂに移動させ、３つのマーカ４００１、４００２、４００３とともに４つの点を（３×４行列として）もたらした後、原点の並進は第１列によって記述される。さらに、いくつかの実施形態では、軸の新たな角度方向を、第２列、第３列および第４列から原点を減算することによって得ることができる。これらの方法は、剛体の３次元移動を追跡する方法のグラフィカル表現を示す図４７における、続くグラフィック表現から容易に明らかなはずである。

いくつかの実施形態では、剛体の移動を追跡するために、４つ以上のマーカ４００１、４００２、４００３が利用される場合、同じ方法を、存在する程度の多くのマーカの三つ組に対して繰返し実施することができる。たとえば、４つのマーカＭ１、Ｍ２、Ｍ３およびＭ４が剛体に取り付けられるシナリオでは、４つの三つ組、すなわち｛Ｍ１、Ｍ２，Ｍ３｝、｛Ｍ１，Ｍ２，Ｍ４｝、｛Ｍ１，Ｍ３，Ｍ４｝および｛Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４｝によって形成されるものがある。いくつかの実施形態では、これらの三つ組の各々を、剛体の動きを計算するために本明細書において上述した方法において独立して使用することができる。いくつかの実施形態では、その後、並進および回転の最終的な値は、４つの三つ組を用いて求められた値の平均であり得る。いくつかの実施形態では、別法としてまたはさらに、４つ以上のマーカを用いる場合に最良適合に達する他の方法を使用することができる。

いくつかの実施形態では、４つのマーカを用いて追跡する場合、４つのマーカのうちの１つが覆い隠されるシナリオでは、４つではなく残りの３つのマーカを用いて剛体を追跡するように切り替わることが望ましい場合がある。しかしながら、この追跡モダリティの変化により、追跡に利用される１つまたは複数の計算の結果が急に変動する可能性がある。いくつかの実施形態では、１つの残りの三つ組からの解が４つの三つ組の平均と実質的に異なる可能性があるため、変動が発生する可能性がある。いくつかの実施形態では、ロボット１５エンドエフェクタの位置を制御するためにフィードバックループにおいて剛体の追跡された位置を用いる場合、計算の結果の急な変動は、ロボット１５エンドエフェクタ３０の位置の物理的な急なシフトとして現れる可能性がある。いくつかの実施形態では、ロボット１５は、非常に高精度でガイドチューブ５０を安定して保持するように意図されているため、この挙動は望ましくない。

いくつかの実施形態は、４つのマーカＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４のうちの１つが遮られ、それにより位置が４つの三つ組の平均ではなく単一の三つ組から計算されることになる時に発生する急な変動の問題に対処する方法例を含み、視覚的マーカとして遮られたマーカを復元することを含むことができる。いくつかの実施形態では、こうした復元ステップを高精度で実施するために、４つのマーカＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４すべてが可視である最新のデータのフレームを、実質的に連続的にまたは略連続的に（たとえば、本方法例を実施するコンピューティングデバイスのメモリに）保持することができる。いくつかの実施形態では、４つのマーカＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４すべてが見える場合、４つのマーカＭ１、Ｍ２、Ｍ３およびＭ４の各々のｘ軸座標、ｙ軸座標およびｚ軸座標がコンピュータ１００メモリに格納される。いくつかの実施形態では、すべてまたは実質的にすべてのフレームのログを記録することは不要である可能性があり、同じメモリブロックを完全に可視のフレームからの最新のマーカ座標で上書きすることで十分であることが認識されるべきである。そして、いくつかの実施形態では、４つのマーカＭ１、Ｍ２、Ｍ３およびＭ４のうちの１つが喪失されたデータのフレームにおいて、喪失されたマーカの位置を、残りの三つ組に基づいて、残りの３つのマーカに対して本明細書に記載する方法例を用いて計算することができる。すなわち、三つ組（３つの可視マーカ）が基準に変換される。そして、格納されたマーカの組が、この時、仮想目印として作用している第４マーカとともに対応する三つ組を用いて、同じ基準に変換される。そして、喪失された第４マーカの回復された位置を、それを基準位置にした変換の逆を用いて、空間内の現位置に戻るように変換することができる。いくつかの実施形態では、喪失されたマーカの位置が復元された後、第４三つ組の平均、または位置Ａから位置Ｂに剛体を変換する他の最良適合法に基づいて、上述したように剛体移動の計算を行うことができる。

いくつかの実施形態では、マーカ７２０を復元する方法の拡張は、同じマーカ７２０を追跡する複数のカメラ８２００を介して複数の曖昧な同期された視線を用いることである。たとえば、２つ以上のカメラ８２００（Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）またはＰｏｌａｒｉｓ（登録商標）等）を、標的固定具６９０またはロボット１５上の追跡マーカ７２０に焦点合せされた異なる視点から設定することができる。いくつかの実施形態では、１つのカメラユニットを患者のベッドの脚に配置することができ、別のカメラユニットをロボット１５に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、別のカメラユニットを天井に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、すべてのカメラ８２００が実質的に同時にマーカ７２０を見る場合、座標を共通座標系に変換することができ、マーカ７２０のうちのいずれの位置も、使用されるすべてのカメラからのそのマーカの３次元位置の平均（中間）であるとみなされる。いくつかの実施形態では、極めて正確なカメラを用いても、システムノイズにより、異なるカメラから感知された座標が正確に等しくないため、平均は必要である。しかしながら、１つの視線が覆い隠された場合、（マーカ７２０を依然として見ることができる）他のカメラ８２００からの視線を用いて、ロボット１５および標的固定具６９０を追跡することができる。いくつかの実施形態では、１つの視線が喪失された時にロボット１５の痙攣のような移動を緩和するために、覆い隠された視線からのマーカ７２０位置を、覆い隠されていない視線に対するマーカ７２０の最後に格納された位置の間の想定された固定関係に基づいて、上述したような方法を用いて復元することができる可能性がある。さらに、いくつかの実施形態では、すべてのフレームにおいて、カメラ２からのマーカ１の位置に対するカメラ１からのマーカ７２０の位置が格納され、その後、カメラ１が覆い隠された場合、視線が復元されるまで、この相対位置が（たとえば、コンピュータプラットフォーム３４００のメモリにおける）コンピュータメモリから呼び戻され、カメラ１からのマーカ７２０の復元が、カメラ２からのマーカの記録された位置に基づいて挿入される。いくつかの実施形態では、本方法は、１つのカメラユニットの正面で立っているかまたは歩いている人等、一時的な視線の障害物を補償することができる。

いくつかの実施形態では、マーカＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４が喪失されるが、本明細書に記載する１つまたは複数の態様に従ってうまく復元される場合、復元されたマーカを、表示装置３４１１に描くことができる。一実施態様例では、各マーカを表す円をグラフィカルに描き、うまく追跡されるマーカＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４に対する円を緑色に、うまく復元されるマーカＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４に対する円を青色に、追跡することも復元することもできないマーカＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４に対する円を赤色に着色することができる。エージェントに対するこうした警告は、状態が追跡に対して最適ではないことと、たとえば、カメラを再配置するかまたはマーカが遮られていない異なる位置で立つことにより、４つの追跡マーカのすべてが完全に可視になるように努力することが賢明であることとを示すのに役立つことができることが理解されるべきである。他のフォーマットおよび／またはしるしを利用して、視覚的マーカを描き、かつ／またはこうしたマーカをうまく追跡されたマーカから識別することができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載する方法を、５つ以上のマーカによる状況に拡張することができる。たとえば、１つの剛体において５つのマーカが利用され、５つのマーカのうちの１つが遮られる実施形態では、４つの残りの三つ組の平均から、または５つのマーカすべての格納された最後の可視位置に対する４つの残りのマーカの最良適合のための別の方法から、遮られたマーカを復元することが可能である。いくつかの実施形態では、復元されると、剛体の平均位置は、１０個のあり得る三つ組、すなわち｛Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３｝、｛Ｍ１，Ｍ２，Ｍ４｝、｛Ｍ１，Ｍ２，Ｍ５｝、｛Ｍ１，Ｍ３，Ｍ４｝、｛Ｍ１，Ｍ３，Ｍ５｝、｛Ｍ１，Ｍ４，Ｍ５｝、｛Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４｝、｛Ｍ２，Ｍ３，Ｍ５｝、｛Ｍ２，Ｍ４，Ｍ５｝、｛Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５｝の平均から、または５つのマーカの位置Ａから位置Ｂへの最良適合の別の方法から計算される。

上述したように、いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０を、外科用器具３５に動作可能に結合することができる。この動作可能な結合を、多種多様の構造を用いる多種多様の方法で達成することができる。いくつかの実施形態では、図４８に示すように、バヨネットマウント５０００を用いて、外科用器具３５がエンドエフェクタ３０に取り外し可能に結合される。たとえば、図４８は、外科用器具３５をエンドエフェクタ３０に取り外し可能に結合するために用いられるバヨネットマウント５０００を例示する斜視図を示す。いくつかの実施形態では、バヨネットマウント５０００は、エンドエフェクタ３０に対して外科用器具３５を適所に固定して保持し、外科用器具３５の動作可能な縁または先端の反復可能かつ予測可能な位置を可能にする。

いくつかの実施形態では、バヨネットマウント５０００は、外科用器具３５の識別を可能にしかつ同様に互換性のある接続を確保する傾斜部５０１０を含むことができる。いくつかの実施形態では、傾斜部５０１０を、外科用器具３５に結合されるかまたは外科用器具３５に一体化されたバヨネットマウント５０００の周囲において一貫するまたは異なるサイズとすることができる。いくつかの実施形態では、図４８に示すように、サイズの異なる傾斜部５０１０が、エンドエフェクタ３０に結合されるかまたはそれに一体化した相補的溝穴５０２０に係合することができる。

いくつかの実施形態では、設置されている特定の外科用器具３５を一意に識別するように、異なる外科用器具３５は異なる傾斜部５０１０および相補的溝穴５０２０を含むことができる。さらに、いくつかの実施形態では、異なる傾斜部５０１０および溝穴５０２０構成は、特定の処置に対して正しい外科用器具３５のみが設置されることを確実にするのに役立つことができる。

いくつかの実施形態では、外科用器具３５の自動識別を可能にするために、傾斜部５０１０にまたはそれに隣接して、従来の軸方向突起（インタフェースの詳細を示すために必要に応じて本明細書に組み込まれる米国特許第６，９４９，１８９号明細書に示すもの等）を取り付けることができる。いくつかの実施形態では、外科用器具３５の自動識別を可能にするために、傾斜部５０１０にまたはそれに隣接して他の追加の構造を取り付けることができる。いくつかの実施形態では、軸方向突起は、特定の外科用器具３５の識別をコンピューティングデバイス３４０１または他の所望のユーザインタフェースに通信するために、マイクロスイッチまたは多種多様な他の従来の近接センサと接触することができる。別法として、本発明の幾つかの他の実施形態では、特定の外科用器具３５の識別を、コンピューティングデバイス３４０１または他の所望のユーザインタフェースに手動で入力することができる。

いくつかの実施形態では、放射線不透過性マーカ７３０およびアクティブマーカ７２０の組合せからなる標的固定具６９０の代りに、中間校正を介して標的固定具６９０に対してレジストレーションを行うことができる。たとえば、いくつかの実施形態では、こうした校正方法の例は、放射線不透過性マーカ７３０、アクティブマーカ７２０を後に既知の位置に取り付けることができる開放支持具７８５（スナップ、磁石、Ｖｅｌｃｒｏまたは他の機構等）を含む、一時的な剛性プレート７８０を取り付けることを含むことができる。たとえば、本発明の一実施形態による、患者１８の脊椎部分１９に結合された標的固定具６９０の例示を示す図４９Ａ〜図４９Ｆを参照されたい。）そして、本方法は、（たとえばＣＴ、ＭＲＩ等を用いて）対象をスキャンすることと、それに続く、上述したものなどの経皮的トラッカ７９５、またはたとえば図４９Ｂにおけるような解剖学的構造１９に堅く取り付けられる３つ以上のアクティブマーカ７２０の他のアレイを取り付けることと、その後、図４９Ｃに示すように、スナップ、磁石、ｖｅｌｃｒｏ等によって指定された既知の位置においてアクティブマーカ７２０を一時的プレート７８０に取り付けることを含むことができる。いくつかの実施形態では、さらなるステップは、一時的プレート７８０上のアクティブマーカ７２０と同時に解剖学的構造１９に堅く取り付けられたトラッカ７９５の位置を読み取るように、カメラ８２００を起動させることを含むことができる。このステップは、一時的プレート７８０上の放射線不透過性マーカ７３０に対する一時的プレート７８０上のアクティブマーカ７２０の位置とともに、一時的プレート７８０上のアクティブマーカ７２０に対するトラッカ７９５上のアクティブマーカ７２０の位置を確立し、したがって、トラッカ７９５上のアクティブマーカ７２０に対する解剖学的構造の位置を確立する。アクティブマーカ７２０および放射線不透過性マーカ７３０を含む一時的プレート７８０を（図４９Ｄに示すように）取り除くことができる。これらのマーカは、堅く取り付けられたトラッカ７９５上のアクティブマーカに対してレジストレーションが行われたため、不要となる。

いくつかの代替実施形態では、上述したステップの順序の変形も用いることができる。たとえば、アクティブマーカ７２０を、スキャンの時点ですでに取り付けることができる。この方法は、放射線不透過性マーカ７３０を、それらがアクティブマーカ７２０を備えたトラッカ７９５にいかに取り付けられるかに関する問題なしに、対象となる解剖学的構造に近接して配置することができるという利点がある。しかしながら、レジストレーションプロセスに追加のステップが必要であるという不都合がある。いくつかの実施形態では、精度を向上させるために、アクティブマーカ７２０の２つのトラッカが関心領域の上方および下方に取り付けられるこの方法の変形を用いることも可能である。たとえば、関心領域に対して吻側のトラッカ（７９５として示す）を、上位腰椎における棘突起２３１０締付具とすることができ、関心領域に対して尾側のトラッカ（８００として示す）を、仙骨内にねじ込まれるアクティブマーカ７２０の剛性アレイとすることができる（たとえば図４９Ｅを参照）。校正の後、一時的プレート７８０は取り除かれ、（領域８０５内の）２つのトラッカの間の部位に対してレジストレーションが行われる（たとえば図４９Ｆを参照）。

いくつかの実施形態は、レジストレーションを転写する方法を含むことができる。たとえば、医療画像座標系（ＣＴスキャンされた脊椎等）をカメラの座標系に移すために変換を確立するように実行されるレジストレーションを、後に異なる基準に転写することができる。図４９Ａ〜図４９Ｆに関連して上述した例では、放射線不透過性マーカ７３０およびアクティブマーカ７２０を備えた一時的固定具７８０が患者１８の上に配置され、それに対してレジストレーションが行われる。その後、アクティブマーカ７２０のみを備える異なる固定具７９５が患者に取り付けられる。そして、カメラ（たとえば、カメラ８２００）が起動され、一時的プレート７８０上のアクティブマーカ７２０は、新たな追跡固定具７９５上のアクティブマーカ７２０と同時に見られる。一時的マーカ（一時的プレート７８０上のマーカ）から新たなマーカ（すなわち、固定具７９５上のマーカ）にするために必要な変換が確立され、その後、一時的プレート７８０を取り除くことができる。言い換えれば、レジストレーションが新たな基準（固定具７９５）に転写された。いくつかの実施形態では、この転写をいかなる回数繰り返すことも可能であるべきである。重要なことには、いくつかの実施形態では、１回のレジストレーションを二重にして複数の基準に転写することも可能である。いくつかの実施形態では、レジストレーションの複数の基準への転写は、２つの剛体の相対的な動きを追跡する手段を提供する。たとえば、一時的標的固定具を用いて、カメラ８２００に対して解剖学的構造に対しレジストレーションを行うことができる。そして、２つの新たな標的固定具を、レジストレーションに使用された医療画像にともに含まれる別個の骨の上に配置することができる。一時的標的固定具からのレジストレーションが新たな標的固定具の両方に転写された場合、これらの骨の両方を同時に追跡することができ、両骨に対するロボットエンドエフェクタ３０または他の任意の追跡されたプローブあるいは器具の位置を視覚化することができる。そして、一方の骨が他方の骨に対して移動する場合、エンドエフェクタの位置が、２つのトラッカおよび２つの医療画像に対して異なるように特定される（たとえば、脊椎１９の上に配置された２つのトラッカ７９６および７９７を示す図５０Ｂ〜図５０Ｄを参照）。

いくつかの実施形態では、レジストレーションが両トラッカ７９６、７９７に転写された後、ロボットエンドエフェクタ３０を、図示するように配置される両トラッカ７９６、７９７によって感知することができる。いくつかの実施形態では、図５０Ｃに誇張して示すように、トラッカが取り付けられる骨のうちの一方が他方の骨に対して移動する可能性がある。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０が固定されているとみなされる場合、追跡システム３４１７およびソフトウェアによる認識は、いずれのトラッカが追従されるかに応じて、脊椎１９が２つのあり得る相対位置に配置されたというものである（たとえば、図５０Ｄの表現を参照）。したがって、いくつかの実施形態では、両医療画像の表現を重ね合せることにより、トラッカ７９６、７９７が取り付けられる骨の相対移動を視覚化することが可能になる。たとえば、画面上に再スライスされた医療画像を表示しその画像に対してロボットエンドエフェクタ３０の位置を示す代りに、２つの再スライスされた医療画像を部分的に重ね（各々が幾分かの透過性を可能にする）、同時に表示し、ロボットエンドエフェクタが目下両画像に対して配置されている１つの位置を示すことができる（図５０Ｅ〜図５０Ｆを参照）。しかしながら、骨の二重化により表現が雑然とし、したがって、いくつかの実施形態では、特定のトラッカ７９６、７９７に対して移動しない骨のみが画像上に表現されるように、医療画像を自動的にまたは手動でセグメント化することを可能にすることができる（図５０Ｅにおいて、領域１９ｂが薄くなり、骨１９ａが、トラッカ７９６に対して意味のある骨領域に関連するものとして強調表示されて示され、図５０Ｆにおいて、領域１９ｂが薄くなり、骨１９ａが、トラッカ７９７に対して意味のある骨領域に関連して強調表示されて示されている）。セグメント化は、（図５０Ｅおよび図５０Ｆにおいて薄くなった領域１９ｂとして表わす）ユーザが見たくない３Ｄ医療画像ボリュームの部分を、隠すこと、薄くすること、または切り取ることを意味する。

いくつかの実施形態では、セグメント化は、３Ｄ画像ボリューム上の輪郭を定める壁、または医療画像を含む２Ｄスライス上の輪郭を定める曲線を識別することを含むことができる。いくつかの実施形態では、単純な６面ボリュームをセグメント化することにより、タスクに対して重要な要素の十分な分離を視覚化することができる。いくつかの実施形態では、図５０Ｇおよび図５０Ｈに示すＣＴスキャンからのスライス上の骨は、図５０Ｅおよび図５０Ｆにおいて参照した骨領域１９ａに対応する領域２０ａ、および領域１９ｂに対応する領域２０ｂにセグメント化した状態で示されている。いくつかの実施形態では、領域２０ａおよび２０ｂを異なる色合いで表すことができる（たとえば、２０ａは青色、２０ｂは黄色）。さらに、図示するように、表示されるようなセグメント化は、ＣＴボリューム全体を含むようにページの内外に進むように示される。さらに、椎間板腔を一通り通るが、このセグメント化は、図５０Ｇの画像において１つの棘突起２３１０を横断し、図５０Ｈに表された異なるスライスに示すように、独立して移動する骨をセグメント化するように椎間関節の関節接合部は追従しない。しかしながら、これらの部分的に重なったボリュームの再スライスされた画像は、たとえば、椎弓根スクリューを配置する場合、椎弓根が画像において適切にセグメント化されるため、依然として有用であるはずである。

レジストレーションの複数のトラッカへの転写の例は、従来の椎弓根スクリュー配置と、それに続く椎骨の圧迫および牽引とを含む。たとえば、椎弓根スクリューが腰椎骨Ｌ４およびＬ５に配置されている場合、トラッカをＬ３に配置し、それに対してレジストレーションを行うことができる。いくつかの実施形態では、その後、従来の椎弓根スクリューをＬ４およびＬ５に配置することができ、配置の後、各スクリュー頭部からの延長部が残る。いくつかの実施形態では、その後、２つの新たなトラッカ（たとえば、７９６、７９７に実質的に類似するトラッカ）を、スクリュー頭部の延長部に、１つをＬ４に１つをＬ５に取り付けることができる。そして、レジストレーションを、これらの新たなトラッカの両方に転写することができ、Ｌ３のトラッカを取り除き、その後は無視することができる。いくつかの実施形態では、Ｌ４および吻側の解剖学的構造がＬ４のトラッカに対して示されるように医療画像がセグメント化される（一方で、Ｌ５および尾側の解剖学的構造はＬ５のトラッカに対して示される）場合、Ｌ４およびＬ５の椎骨が、その関節を横切って圧迫力または牽引力が加えられる際に互いに対していかに移動するかを見ることを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、こうした圧迫または牽引を、椎間板腔を椎体間スペーサに対して用意するかあるいはスペーサを挿入する時、または椎体間スペーサが適所に置かれた後に外科用器具を用いて椎骨を合せて圧迫する時、かつ骨を相互接続する椎弓根スクリューを固定する前に、外科医によって加えることができる。

いくつかの実施形態では、たとえば、脊椎の蛇行がある場合、従来のスクリューが適所に押し込まれるかまたは外科医が脊椎の１つの部分に局所的な力を加えると、２つのマーカツリーが、異なる量、かつ異なる向きに移動する（図５０Ａに示す）（トラッカ７９５の場合は７９５ａ、トラッカ８００の場合は８００ａとして示す）。トラッカ７９５、８００の変更された向きおよび位置を用いて、脊椎がいかに蛇行したかを計算し、ロボット１５またはプローブの感知された位置を、補償するように調整することができる。いくつかの実施形態では、椎骨の複数の自由度があるため、２つのトラッカの向きがいかにシフトするかを知ることにより、単一の一意の解は可能とならない。しかしながら、新たな位置を計算するためにすべての椎骨の間で曲げが対称であると想定することができ、この想定が完全でない場合であっても、適度に正確な解を提供するはずである。いくつかの実施形態では、死体の脊椎が局所的な力にいかに反応するかを追跡する実験を用いて、特定のタイプの外部荷重の間に腰椎の２つの端部がいかに反応するかを予測するのに役立つデータを収集することができる。

いくつかの実施形態では、２つのＸ線透視像のみが得られる異なる状況において３Ｄ画像化を用いるナビゲーションに対して、すでに説明したものと同じ手術ロボット１５を使用することが可能である。この場合、手術ロボット１５は、これらの２つのＸ線透視像上に事前に計画される所望の位置まで正確に移動することができる。２つのＸ線透視像は、外科医または放射線技師がすでに慣れている像を表すことができるため、これらの像の上で軌道を計画することは簡単明瞭であるはずである。Ｘ線透視像を得る際、ロボット１５の座標系に対する解剖学的構造の座標系の位置を確立する方法が必要である。いくつかの実施形態では、このレジストレーションを遂行する方法は、Ｘ線透視画像上で識別可能な特徴を含む標的固定具６９０が患者１８に取り付けられている間にＸ線透視像を得るというものである。たとえば、図５１は、本発明の一実施形態による、Ｘ線透視像で使用される固定具の例を示す。いくつかの実施形態では、図示するような標的固定具６９０は、２つのＸ線透視像の上に現れることになる特徴と、リアルタイム追跡のためのアクティブマーカ７２０とを含むことができる。この標的固定具６９０は、２つのＸ線透視画像から解剖学的構造の座標系を設定するのを可能にするのに役立つ特性を有する。たとえば、いくつかの実施形態では、図示するようなポスト７５は、ポスト７５および／またはそれらの埋め込まれたマーカ７３０がＸ線画像上で重なるように、フレーム７００の周囲に対称に間隔を空けて配置されている。すなわち、視差がない場合、位置合せされた位置にある２つのポスト７５は、２つではなく単一の線分として現れ、各々に２つの放射線不透過性マーカ７３０が埋め込まれている２つのポスト７５は、Ｘ線画像上に４つのドットの代りに２つのドットとして現れる。これらの特徴により、患者１８またはＸ線装置の位置を、こうした重なりが達成されるまで調整することが可能になりかつ容易になる。同様に、頂部からまたは底部から見て、ポスト７５および／またはそれらの埋め込まれたマーカ７３０は重なり、Ｘ線透視装置および患者１８が要求通りに位置合せされるように調整されると、単一ポストが線分ではなくドットとして現れるか、または１つのポストの２つの埋め込まれたマーカ７３０が２つではなく１つのドットとして現れる。いくつかの実施形態では、ポスト７５を、一時的に挿入されるように設計することができる（すなわち、それらは、スキャン中に存在するが、後に、手術中にはフレームから引き抜かれ、そのためユーザの邪魔にならない）。いくつかの実施形態では、アクティブマーカ７２０は、後の追跡に必要であるが、放射線不透過性マーカ７３０に対してフレーム７００上の既知の位置に対して高精度で取り付けることができる限り、必ずしもスキャン中に存在する必要はない。たとえば、いくつかの実施形態では、固定具６９０上の従来のソケットにより、後に、アクティブマーカ７２０を、フレーム７００の製造によって決まるかまたはデジタル化プローブを用いて校正される位置にスナップ留めすることができる。さらに、目的は、必ずしも、脊椎または他の解剖学的構造の完全な側面および前後の解剖学的像を得ることではないことに留意されたい。目的は、Ｘ線像上で固定具７００を位置合せすることである。それは、解剖学的平面との位置合せも達成するために、視覚化されているものを理解するのに有益であり得るが、レジストレーションには不要である。図５２Ａ〜図５２Ｂに、標的固定具６９０が、患者の背中に取り付けられているがまだＸ線投影と位置合せされない時の、前後すなわち「Ａ−Ｐ」および側面のＸ線にいかに現れる可能性があるかの例を示す。

いくつかの実施形態では、患者１８およびＸ線透視ユニットの位置を調整した後、放射線不透過性マーカ７３０によって画像に対する確実性の高いオーバレイを得ることができる。図５３Ａ〜図５３Ｂは、たとえば、本発明の一実施形態による、十分に位置合せされたＸ線透視（Ｘ線）装置による脊椎の前後および側面のＸ線上の予測された画像を示す。図示するように、Ｘ線透視画像では、フレーム７００が、解剖学的構造に正確に位置合せされるように配置されるかまたは垂直および水平であるように回転する必要はない。いくつかの実施形態では、Ｘ線透視法によって得られた画像は、画像が校正された座標系を適切に表すように、正確なアスペクト比を有する必要はない。いくつかの実施形態では、ポスト７５間またはマーカ７３０間の既知の距離、ポスト７５のＸ線可視長を用いて、または画像が完全に円形または正方形であるはずであると想定して、アスペクト比を調整するように画像を再スケーリングすることが可能である。これらの距離は、製造プロセスにより、またはデジタル化プローブあるいは他の手段を用いる校正により、画像を取得するのに先立って既知である。いくつかの実施形態では、視差が考慮されると、既知のマーカ間距離の比を、平面画像上で測定されかつ正確なアスペクト比を達成するために平面画像をスケーリングするために使用されるマーカ間距離の比と比較することができる。いくつかの実施形態では、画像を再スケーリングする必要はないが、それは、適切なアスペクト比で表示された時、画像および解剖学的構造をユーザがより適切に可視化するのに役立つことができる。いくつかの実施形態では、比較を用いて、放射線不透過性マーカ７３０の相対位置ならびに計画された軌道の先端および末端を確定するのに使用するために、画像上で１ｍｍあたりのピクセルの数を求めることも可能である。いくつかの実施形態では、再スケーリングにより、ｘ方向およびｙ方向における１ｍｍあたりのピクセルは同じ値であるため、２Ｄ空間と３Ｄ空間との間のマッピングの式が容易になる。

いくつかの実施形態では、２つの画像を得た後、それら２つの画像は２つの直交する像からの同じもの（固定具）の画像を表すため、それら２つの画像を用いて３Ｄデカルト座標系を構成することができる。たとえば、Ａ−Ｐ画像を用いてＸ−Ｚ平面を表すことができ、側面画像を用いてＹ−Ｚ平面を表すことができる。Ａ−Ｐ画像上の放射線不透過性マーカ７３０は、（製造プロセスから記録されるように、またはデジタル化プローブあるいは他の手段を用いる校正により）既知のｘ軸座標およびｚ軸座標を有し、同じ放射線不透過性マーカ７３０は、側面画像の上に既知のｙ軸座標およびｚ軸座標を有する。したがって、いくつかの実施形態では、マーカ７３０のｘ軸座標、ｙ軸座標およびｚ軸座標を２つの画像で見つけることができ、これらの基準に対する解剖学的構造および計画された軌道の位置をこれらの基準位置に関連付けることができる。いくつかの実施形態では、点の３Ｄ空間から２Ｄ画像へのマッピングおよびその逆を、冠状画像または矢状画像上のピクセルあたりの一定のｍｍ、Ｃを知り、画像の中心および座標系が重なるようにシフトした場合にこれらの定数を点に乗算または除算して、実行することができる。

図５４Ａ〜図５４Ｂは、本発明の一実施形態による、十分に位置合せされたＸ線透視（Ｘ線）装置による脊椎の前後および側面のＸ線における予測された画像を示す。図示するように、図５４Ａ〜図５４Ｂは、重ねられたコンピュータ生成グラフィカル画像を含み、ロボット１５エンドエフェクタ３０の計画された軌道（赤色６００１）と現時点の実際の位置（明るい青色６００３）とを示す。６００１における赤色の円は、ユーザが計画された軌道の末端を（先端に対するものとして）識別するために提供される。他の実施形態では、線分は、末端から先端を識別するために異なる色の端部、または各端部の異なる形状（とがった端部対鈍い端部）を有することができる。

いくつかの実施形態では、Ａ−ＰのＸ線がＸ−Ｚ平面を表し、側面のＸ線がＹ−Ｚ平面を表すものと想定すると、軌道を計画しこの計画された軌道をロボット１５座標系に関連づけるアルゴリズムは、以下のステップを含むことができる。すなわち、１）Ａ−Ｐおよび側面のＸ線像の上に、所望の軌道が配置されるべきである場所を表す線を引くステップ（たとえば図５４Ａ〜図５４Ｂを参照）である。いくつかの実施形態では、次のステップは、２）Ａ−Ｐ像から、基準放射線不透過性マーカならびに所望の軌道の先端および末端のＸ座標およびＺ座標を見つけるステップと、３）側面像から、基準放射線不透過性マーカならびに所望の軌道の先端および末端のＹ座標およびＺ座標を見つけるステップと、４）放射線不透過性マーカに対するアクティブマーカの既知の座標に基づいて、先端／末端のＸ座標、Ｙ座標、Ｚ座標をアクティブマーカの座標系に変換するステップを含むことができる。いくつかの実施形態では、本方法は、後に検索するために、コンピュータ１００メモリにこの座標系における先端および末端の位置を格納することを含むことができる。いくつかの実施形態では、方法の次のステップは、５）リアルタイムで任意のフレームにおいて、カメラ８２００の座標系においてアクティブマーカ７２０位置を検索するステップと、６）アクティブマーカ７２０に対する先端および末端の格納された座標と、カメラ８２００の座標系におけるアクティブマーカ７２０の現位置とに基づいて、カメラ８２００の座標系における所望の先端および末端の現位置を計算するステップとを含むことができる。いくつかの実施形態では、方法の次のステップは、７）ロボット１５上のマーカが基準として利用される上述した方法を用いて、アクティブマーカ７２０の位置および軌道の先端／末端位置をロボット１５の座標系に変換するステップと、８）上述した方法を用いてロボット１５を所望の先端／末端位置に送るステップとを含むことができる。

いくつかの実施形態では、ロボット１５が所望の向きおよび位置になるように移動する間、以下を含むことができる方法によって、Ｘ線透視画像の上にロボット１５の現位置のグラフィカル表現を重ね合せることができる。すなわち、１）ロボットに取り付けられたアクティブマーカ７２０に基づいて、カメラ８２００の座標系におけるロボット１５ガイドチューブ５０の現位置を検索することと、２）標的固定具６９０上のアクティブマーカの位置に基づいて、ガイドの先端および末端を医療画像の座標系に変換することと、３）Ａ−Ｐ画像の上にガイドチューブ５０の先端／末端の現位置を、先端のＸ座標、Ｚ座標を末端のＸ座標、Ｚ座標に接続する線分（または他の好適なグラフィカル表現）によって、表すことと、４）側面画像の上にガイドチューブ５０の先端／末端の現位置を、先端のＹ座標、Ｚ座標を末端のＹ座標、Ｚ座標に接続する線分（または他の好適なグラフィカル表現）によって、表すこととである。

いくつかの実施形態では、２つの画像に基づいてデカルト座標系を構成する際、方向性を考慮することが重要である。すなわち、いくつかの実施形態では、Ｘ−Ｚ平面のＸ線画像は、右側に正のＸ、左側の負のＸ、またはその逆を示すことができる。いくつかの実施形態では、そのＸ線画像は、上方に正のＺ、下方に負のＺ、またはその逆を示すことができる。いくつかの実施形態では、Ｙ−Ｚ平面のＸ線画像は、右側に正のＹ、左側に負のＹ、またはその逆を示すことができる。いくつかの実施形態では、そのＸ線画像は、上方に正のＺ、下方に負のＺ、またはその逆を示すことができる。いくつかの実施形態では、軸のうちの１つの方向性に関して不正確な想定が行われる場合、それは、構成された３Ｄ座標系が、その軸のうちの１つまたは複数が間違った方向に向いていることを意味する。いくつかの実施形態では、これにより、ロボット１５が間違った位置に送られる可能性がある。いくつかの実施形態では、正確な方向性を確保する１つの方法は、画像上の方向性の検証を要求し、かつ／またはユーザがディスプレイ２９、１５０、３４０１上で画像を反転させる（反射させる）のを可能にして、ユーザに問い合せるというものである。いくつかの実施形態では、正確な方向性を確保する別の方法は、放射線不透過性マーカ７３０が非対称に間隔を空けて配置されるように標的固定具６９０を設計するというものである。いくつかの他の実施形態では、正確な方向性を確保する別の方法は、標的固定具６９０を、画像上の頂部、底部、左、右、正面および背面を明確に識別する追加の放射線不透過性特徴があるように設計するというものである。たとえば、図５５Ａ〜図５５Ｂは、十分に位置合せされたＸ線透視（Ｘ線）装置を用いる脊椎の前後および側面のＸ線における予測された画像を示す。図示するように、図５５Ａ〜図５５Ｂに示す標的固定具６９０は、本発明の一実施形態による、方向性に関する曖昧さを実質的になくすように設計された特徴７５５を含む。図示するように、特徴７５５は、方向の曖昧さを実質的になくすように、像が正確である場合にＸ線上に「Ｌ」、「Ｔ」または他の記号を示すことができる。さらに、「Ｔ」という特徴を、スクリプト

または使用する他の非対称文字あるいは記号で描くことができ、それにより、反転されるかまたは反射したＸ線画像が提示された場合に、反転された特質が明らかとなり、それを補償することができる。

いくつかの実施形態では、本明細書に記載するアルゴリズムは、ユーザに、軌道を計画するために用いる垂直なＸ線像を提供し、プローブの現位置の視覚的フィードバックを提供する。典型的には、これらの２つの像は、側面像および前後（Ａ−Ｐ）像であり得る。いくつかの実施形態では、ユーザが、第３平面（たとえば、軸方向平面）を見ることが望ましい場合もある。Ｘ線で可視である解剖学的構造および目印の知識に基づき、いくつかの実施形態では、軸位像を示す大まかな「下絵（ｃａｒｔｏｏｎ）」を生成することが可能である。いくつかの実施形態では、下絵は、ユーザが、ロボット１５またはプローブのおよその現位置を理解するのに役立つことができる。図５６は、Ｘ線からいかに下絵を生成することができるかを示す。下絵は、椎骨体の湾曲等の詳細に関して不完全となるが、椎弓根境界等、主要目印は、適度の十分に画定されるべきであることに留意されたい。こうした手法は、典型的な椎骨がいかなる形状であるかに基づく。たとえば、図５６は、本発明の一実施形態による、側面Ｘ線５６０２および前後Ｘ線５６０３に基づいて、脊椎５６０１の下絵のような軸方向近似をいかに構成することができるかを示す、脊椎の軸位像を示す。図示するように、隣接するＸ線像における主要目印が下絵と交差する位置を、下絵およびＸ線と重なる水平線または垂直線によって識別することができる。ユーザが、ソフトウェアインタフェースを用いてこれらのラインを配置し、またはソフトウェアが、Ｘ線におけるこれらの特徴を自動的に認識して、線が、椎体左輪郭５６０４、椎体右輪郭５６０５、椎体前壁５６０６、椎外後壁５６０７、後方脊柱管５６０８、左内側椎弓根輪郭５６０９、左外側椎弓根輪郭５６１０、棘突起５６１１の先端等にちょうど接する線等、主要目印と交差する。ソフトウェアを用いてこれらの線を、Ｘ線において正確な位置と交差するように移動させた後、ソフトウェアは、必要に応じて下絵を引き伸ばし変形させて、これらの解剖学的境界線に適合させることができる。この下絵とロボットまたはプローブの計画された軌道および現位置のコンピュータディスプレイ上の像を、ユーザに対してさらなる視覚的フィードバックを提供するように、ソフトウェアによって生成することができる。

いくつかの実施形態では、図５３Ａ〜図５３Ｂに示すもののような十分に位置合せされたＸ線を達成するために、１つのあり得る方法は、試行錯誤法である。たとえば、ユーザは、Ｘ線装置を標的固定具６９０に位置合せされるように試み、位置合せを目で評価しようとし、その後、Ｘ線を放射して、それがいかに見えるかを視認することができる。いくつかの実施形態では、（たとえば図５２Ａ〜図５２Ｂに示すように）ドットがずれている場合、調整が行われ、新たなＸ線画像を用意することができる。この方法は有効であり得るが、位置合せを評価し補正を行うオペレータの技能によって決まる可能性があり、したがって、患者１８およびスタッフがＸ線に曝露する結果となる可能性がある。いくつかの実施形態では、標的固定具６９０の位置合せに役立つように器具を生成することが可能である。いくつかの実施形態では、器具は、Ｘ線が進む方向に対して平行なレーザビームを通すことができる、Ｘ線装置の放射源または集光パネルに取り付けることができる従来のレーザであり得る。いくつかの実施形態では、レーザを、有向ビームが固定具６９０に向かって照らすことができるようにして、Ｘ線装置から延出し正確な方向に向けられたアームに接続されるように、一時的に（従来の磁石または接着剤を用いて）または永久的に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、固定具６９０が、このレーザ光のベクトル方向に関してユーザに視覚的または他のフィードバックを可能にする幾何学的特徴、電子的特徴または他の特徴を有する場合、それは、いかなるＸ線も取り込むことなくＸ線アームの位置合せを可能にする。図５７Ａおよび図５７Ｂに、こうした特徴の例を示す。図５７Ａ〜図５７Ｂは、本発明の一実施形態による、標的固定具６９０の例を示し、それは、Ｘ線画像平面に対する標的固定具６９０の所望の位置合せを容易にする。図示するように、いくつかの実施形態は、標的固定具６９０に一時的に追加される特徴７６５を含む。いくつかの実施形態では、（Ｘ線放射源または集光器の表面に取り付けられた）レーザが、開口部７６６を通って基部の十字線に向かうように向けられた場合に、ＡＰ像からのＸ線画像平面に対する標的固定具６９０の所望の位置合せを容易にする、一時的に追加された特徴７６５。いくつかの実施形態では、レーザ光が十字線７６７の正確な中心に突き当たらない場合、Ｘ線ユニットの向きのさらなる調整が必要である。（Ｘ線放射源または集光器の正面に取り付けられた）レーザが、開口部を通って反対側の面における十字線に向かうように向けられた場合、側面像からのＸ線画像平面に対する標的固定具６９０の所望の位置合せを容易にする、一時的に追加された特徴７６５。いくつかの実施形態では、レーザ光が十字線の正確な中心に突き当たらない場合、Ｘ線ユニットの向きのさらなる調整が必要である。

いくつかの実施形態では、放射線不透過性マーカ７３０を位置合せするこの方法は、視差効果によって提供を受ける試行錯誤法に比較して有利であり、後述するように、必要に応じてマーカを位置合せする能力を混乱させない。たとえば、視差により、マーカ７３０が画像の中心の周囲にいかに対称に配置されるかに応じて、マーカ７３０の十分な位置合せが達成される時がユーザに明らかではない可能性がある。

視差誤差により、Ｘ線は、対象を直線で通過せず、代りに、放射源から受光器まで円錐状パターンで進む可能性がある。円錐状経路により、Ｘ線の放射源により近接した２Ｄ Ｘ線における解剖学的構造の細部が、受光板により近接した解剖学的構造の細部より横方向にさらに離れて見える画像が生成される可能性がある。図５３Ａ〜図５３ＢにおけるＸ線画像の場合、放射線不透過性マーカ７３０が重なって見える代りに、それらは図５８Ａ〜図５８Ｂに示すように見える可能性がある。たとえば、図５８Ａ〜図５８Ｂは、本発明の一実施形態による、視差が存在する場合の、十分に位置合せされたＸ線透視（Ｘ線）装置による脊椎の前後および側面のＸ線における予測された画像を示す。図示するように、視差は、画像のｘ、ｙ中心の周囲で対称に間隔をあけて配置することに影響を与え、Ｘ線ユニットの受光板に近い方のマーカ７３０の位置ほど、画像の中心に近く見える。

さらに、本明細書では、使用する２つの用語は「近平面（ｎｅａｒ ｐｌａｎｅ）」および「遠平面（ｆａｒ ｐｌａｎｅ）」であり、これらの用語は、視差のために相対的に離れているかまたは互いに相対的に知いように見える２Ｄ像におけるマーカを指す。マーカが相対的に離れているかまたは互いに相対的に近い理由は、Ｘ線装置の放射源または集光部に対するそれらの近接性のためであり、放射源に近いマーカほど離れて見え、集光器に近いマーカほど互いに近づいて見える。しかしながら、放射源および集光器からの距離に言及するのではなく、「近平面」は、拡大されて（目により近く）見えるマーカを指し、「遠平面」は、より遠くに見えるマーカを指す。

視差は、画像の中心の周囲において画像に対して対称に影響を与える。たとえば、いくつかの実施形態では、同じ投影位置にありかつ画像の中心にある２つのマーカ７３０（１つは近平面にあり１つは遠平面にある）は、厳密に互いに重なって見える可能性があり、同じ投影位置にあるが画像の縁に近い、近平面および遠平面にあるマーカ７３０は、実質的な距離、分離して見える可能性がある。

図５９Ａは、本発明の一実施形態による、同一に位置合せされた放射線不透過性マーカ７３０を備えた２つの平行プレートを示す。図示するように、これは、同じ投影された視線にある２つの平面上のマーカ７３０からのＸ線におけるあり得るマーカ７３０の分離を示す。図５９Ｂは、本発明の一実施形態による、図５９Ａに示すような２つの平行プレートを用いて、マーカオーバレイが視差によっていかに影響を受けるかを論証する、結果としての予測されたＸ線を示す。図５９Ａに示す同一に配置された放射線不透過性マーカ７３０を備えた２つの平行プレートを比較することにより、図５９Ｂにおける結果としての予測されたＸ線は、マーカオーバレイが視差によっていかに影響を受けるかを論証する。いくつかの実施形態では、この視差の影響を考慮するアルゴリズムを実施することができる。そうすることにより、プローブまたはロボット１５の位置を示すグラフィカル画像を、視差によってもたらされる知覚されたずれをより正確に考慮するように調整することができる。

いくつかの実施形態では、アルゴリズムでは、画像上のマーカ７３０の近平面の位置および遠平面の位置で情報が収集される必要がある。すなわち、ユーザは、図６０に示すように、ソフトウェアまたは画像の自動スキャンを用いて、マーカ７３０間の間隔を示すことができ、図６０は、本発明の一実施形態による、同じ形状を有する２つのプレート上の放射線不透過性マーカ７３０の上にグラフィカルマーカ７３２、７３４が上に重なっている、視差によって影響を受けるＸ線画像を含む、コンピュータ画像の描写の表現を示す。いくつかの実施形態では、マーカ７３０が埋め込まれるプレート７００の初期の校正のために、近平面のマーカ７３０と近平面のマーカ７３０との間の間隔は既知であり、画像の中心に対するマーカ７３０の水平位置および垂直位置は検出可能である。したがって、いくつかの実施形態では、マーカの視差ずれを計算し、あらゆる計算された３次元点の２次元画像へのマッピング、およびあらゆる必要な位置ずれの適用にも適用することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、２次元画像の上に、（光学追跡を用いて追跡されている）プローブまたはロボット１５のガイドチューブ５０のシャフトが、Ｘ線撮像に従っていかに見えるかを表す線分を表示することが重要である場合がある。いくつかの実施形態では、（光学追跡データから計算された）線分の各端部のｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の位置を、既知の視差に基づいて移動させることができる。さらに、いくつかの実施形態では、投影された対象が２Ｄ Ｘ線画像でいかに見えるべきかをよりよく表す新たな線分を表示することができる。

いくつかの実施形態では、ロボット１５を制御するために２つの直交するＸ線透視画像のこのシステムを実施する方法は、ロボット１５およびＸ線透視ユニットを単一の相互接続されたデバイスに結合することを含むことができる。この結合のいくつかの利点があり得る。たとえば、蛍光アームを適所まで旋回させると同時に、（ロボット１５は、通常、蛍光アームと同時に手術野１７にないため）ロボットアームをずらすように旋回させることができる、従来の回転する向き変更可能な機構を組み込むことができる。さらに、いくつかの実施形態では、ロボットアーム２３のサイズを、独立型ロボット１５に比較して低減することができ、それは、蛍光アームの質量が、ロボットアーム２３を安定させるのに役立つ釣合いおもりとしての役割を果たすためである。さらに、いくつかの実施形態では、統合化により、Ｘ線透視ユニットは、より迅速に画像をコンピュータ１００に転送し、たとえば、画像の中心で開始し画像の周囲に放射状に延在する（パイのスライスに類似する）線分としてのグラフィカルプロットと重ね合せて、適切なマーカ７３０のオーバレイを容易にすることができる。いくつかの実施形態では、重ね合わされた近平面のマーカ７３０および遠平面のマーカ７３０は、対象の埋め込まれたマーカ７３０を含むプレート６９０が実質的に平行に位置合せされる場合に、同じ放射線上に常にあるはずである（たとえば、ユーザがＸ線装置を物理的に配置調整するのに役立つように意図されたＸ線画像画面に対するグラフィカルオーバレイを示す図６１を参照）。いくつかの実施形態では、Ｘ線画像画面に対するグラフィカルオーバレイは、ユーザが視差を回避するようにＸ線装置を物理的に配置調整するのに役立つことができる。視差により、２つのプレート上の対応するマーカのいかなる対も同じ放射状線の上にあるべきであるが、遠平面のマーカが画像の中間により近く位置することになる。いくつかの実施形態では、このオーバレイは、透明フィルム等の物理的物体、またはコンピュータ生成グラフィカル画像であり得る。いくつかの実施形態では、線は１０度、半径方向に間隔を空けて配置されるが、実際の間隔（線の頻度）および線が引かれる領域は、ユーザが選択可能であり得る。

いくつかの実施形態は、視差を考慮しながら、３Ｄ解剖学的座標系を２つの２Ｄ直交像にマッピングすること（およびその逆）を含むことができる。たとえば、いくつかの実施形態では、患者に剛性フレームが取り付けられ、２つの垂直なＸ線が取り込まれて、３Ｄ座標系が生成される。この３Ｄ座標系を定義するために、２Ｄ像（各々に視差がある）からの点を３Ｄボリュームにマッピングしかつその逆を行う必要がある。３Ｄ座標系は座標ｘ、ｙ、ｚを有し、２つの２Ｄ座標系は、座標ｘ_ＡＰ、ｚ_ＡＰおよびｘ_Ｌａｔ、ｚ_Ｌａｔを有する（「ＡＰ」は「前後」像、「Ｌａｔ」は「側面」像）。

いくつかの実施形態では、放射源から受光器までのＸ線経路が円錐状であると想定することができ、したがって、線形内挿／外挿を用いて、表された点の位置を調整することができる。いくつかの実施形態では、ソフトウェアは、各目印から画像の中心までの距離（破線矢印または点線矢印によって示す）を計算することができる。これらの距離は、近平面プレートと遠平面プレートとの間の既知の距離とともに、位置が３Ｄで既知であるグラフィカルオブジェクトをこの２Ｄ画像に戻すようにマッピングする時に、視差ずれを考慮するために必要な情報を提供することができる。

いくつかの実施形態は、ｘ、ｙ、ｚをｘ_ＡＰ、ｚ_ＡＰおよびｘ_Ｌａｔ、ｚ_Ｌａｔにマッピングするように解くことを含むことができる。たとえば、以下のように表される２つの中間２Ｄ ＡＰ像および側面像を考慮する。

ｘ_ｔａおよびｚ_ｔａを、ＡＰ平面におけるｘおよびｚの一時的にスケーリングされた値と呼ぶことができる場合、ｙ_ｔｌおよびｚ_ｔｌは、Ｌａｔ平面におけるｙおよびｚの一時的にスケーリングされた値であり、ｓ_ＡＰは、既知の近平面^１のマーカ間隔から求められる、ＡＰ平面における倍率である。ｓ_Ｌａｔは、側面マーカの既知の近平面のマーカ間隔から求められる、Ｌａｔ平面における倍率であり、ｘ_ｏａ、ｚ_ｏａ、ｙ_ｏｌおよびｚ_ｏｌは、マーカを、画像上のマーカのレジストレーションが行われた位置から求められる画像に中心合せされて見えるようにマーカを位置付ける、ＡＰ平面およびＬａｔ平面におけるオフセットである。言い換えれば、（ｘ_ｔａ，ｚ_ｔａ）＝（０，０）は、ＡＰ画像の中心を表し、（ｙ_ｔｌ，ｚ_ｔｌ）＝（０，０）は側面画像の中心を表す。これらの平面値は、視差存在するか、または近平面のマーカのみが表示されていた場合に２Ｄ表現を表示するのに十分である。

いくつかの実施形態では、Ｘ線における中心からの距離の比が、一時的にスケーリングされた値における中心からの距離からの距離の比と同じであるため、ｘ_ｏａ、ｚ_ｏａ、ｙ_ｏｌおよびｚ_ｏｌを求めるために、Ｘ線における点の対を考慮する。たとえば、以下の通りである。

いくつかの実施形態では、この式から、ｘ_ＡＰ１≒ｘ_ＡＰ２である点（それによりゼロ除算エラーがもたらされるため）から離れることが重要であることが分かる。以下のように、ｚ_ｏａ、ｙ_ｏｌおよびｚ_ｏｌに対して同様の式を書くことができる。

この一時的にスケーリングされた値へのマッピングにより、正確にマッピングされた近平面のマーカが得られるが、以下のように、近平面以外のあらゆる位置を考慮するために調整が必要である。

指定されるように、ｋ_ａはｙの関数であり、ｋ_ｌはｘの関数である。ｋ_ａの場合、この関数は、線形補間関数であり、そこでは、ｙが近平面のｙ位置（ｙ_ｎ）である場合、ｋ_ａ＝１であり、ｙが遠平面のｙ位置（ｙ_ｆ）である場合、ｋ_ａは、近平面の間隔に対する遠平面の間隔の比、ｒ_ａである。ｋ_ｌの場合、この関数は線形補間関数であり、そこでは、ｘが近平面のｘ位置（ｘ_ｎ）である場合、ｋ_ｌ＝１であり、ｘが遠平面のｘ位置（ｘ_ｆ）である場合、ｋ_ｌは、近平面の間隔に対する遠平面の間隔の比、ｒ_ｌである。ｙ_ｎ、ｙ_ｆ、ｘ_ｎおよびｘ_ｆは、画像の中心に原点がある座標系にあることに留意されたい。

以下のように式を結合する。

ｘ_ＡＰ、ｚ_ＡＰ、ｙ_Ｌａｔおよびｚ_Ｌａｔをｘ、ｙ、ｚにマッピングすることも可能であるべきである。４つの式および４つの未知数がある。

そして、以下のようにこの式に代入する。

また、ｘ_ｔａに対して以下のように解く。

二次方程式

式中

そして、ｙ_ｔｌに対して以下のようにこの式に代入して解く。

そして、ｚ_ｔｌに対して以下のようにこの式に代入して解く。

そして、ｚ_ｔａに対して以下のようにこの式に代入して解く。

以下のように、ｚに対して別の選択肢を与えるように異なるように解く。

以下のように代入する。

また、ｙ_ｔｌに対して以下のように解く。

二次方程式

式中

これらの式から、既知のｘ、ｙ、ｚ座標から、２つの像における感知されたｘ_ＡＰ、ｚ_ＡＰおよびｘ_Ｌａｔ、ｚ_Ｌａｔにするか、または２つの像における既知のｘ_ＡＰ、ｚ_ＡＰおよびｘ_Ｌａｔ、ｚ_Ｌａｔ座標を３Ｄ座標系におけるｘ、ｙ、ｚ座標にすることが可能である。したがって、ｘ_ＡＰ、ｚ_ＡＰおよびｘ_Ｌａｔ、ｚ_Ｌａｔの像において軌道を計画し、この軌道の先端および末端を確定することが可能であり、ｘ_ＡＰ、ｚ_ＡＰおよびｘ_Ｌａｔ、ｚ_Ｌａｔの像において、ロボットのエンドエフェクタの現位置を表示することも可能である。

いくつかの実施形態では、追加の測定ハードウェア（たとえば、従来の超音波、レーザ、光学追跡、またはテープメジャーのような物理的延長部）を、Ｘ線透視ユニットに取り付けて、取り付けられたプレート、または解剖学的構造上の他の点までの距離を測定して、Ｘ線透視画像が得られる時にプレートが平行であることを確実にすることができる。

いくつかの実施形態では、外科用器具３５の識別を、手術ロボットシステム１用のコンピューティングデバイス３４０１の制御システムまたは他のコントローラによって使用することができる。いくつかの実施形態では、制御システム３４０１は、外科用器具３５の識別に基づいて、軸方向挿入および／または力ならびに加えられるトルクを自動的に調整することができる。

いくつかの実施形態では、針７４０５、７４１０またはプローブの挿入（生検、椎間関節ブロック（ｆａｃｅｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）、腫瘍焼灼、脳深部刺激等）に対して典型的な処置を行う時、最初に、外科医または技師により患者１８に標的固定具６９０が取り付けられる。標的固定具６９０は、（開腹または経皮的に）骨に締め付けられるか、皮膚に剛性物体として付着させられるか、（たとえば、図２１Ａにおいて７０５として示す可撓性ロールを用いて）広げられて皮膚に付着させられる。いくつかの実施形態では、ロール７０５には、使い捨てドレープを組み込むことができる。可撓性ロール７０５が使用される場合、その後、いくつかの実施形態では、反射マーカ７２０が適所にスナップ留めされる。

いくつかの実施形態では、標的固定具６９０が取り付けられると、患者１８は、関心領域とともに視野内に含まれる放射線不透過性マーカ７３０によって術中３Ｄ画像（Ｉｓｏ−Ｃ、Ｏ−Ａｒｍまたは術中ＣＴ）を受けることができる。いくつかの実施形態では、最良の精度および解像度のために、微細スライス画像が好ましい（ＣＴスライス間隔＝１ｍｍ以下）。３Ｄスキャンは、放射線不透過性マーカ７３０および対象の解剖学的構造を含まなければならず、両方を含まないと、ロボット１５に対する校正は可能とならない。

いくつかの実施形態では、一連の３Ｄ画像は、ロボット１５のコンピュータ１００に転送される（または、直接取得される）。３Ｄ画像は、標的固定具６９０に埋め込まれる放射線不透過性マーカ７３０の３Ｄ画像の位置を用いて空間におけるロボットの位置に対して校正されなければならない。いくつかの実施形態では、この校正を、技師が画像スライスをスクロールし、ソフトウェアを用いてそれらにマーキングすることにより、または、自動的に医療画像の各スライスを検査し、マーカ７３０を見つけて、それらが、それらの物理的間隔に基づいて対象となるマーカ７３０であることを検証するアルゴリズム（アルゴリズムは、本明細書において文書化されている）によって、行うことができる。いくつかの実施形態では、精度を確保し、主観性を制限し、プロセスを高速化するために、放射線不透過性マーカ７３０の縁を画定し、その後、マーカ７３０の中心を見つけるのに役立つように、画像閾値処理が用いられる（プログラムは、本明細書において文書化されている）。ソフトウェアのいくつかの実施形態は、標準剛体計算を通して解剖学的構造に対するロボットマーカの室内の位置を求めるために必要な空間変換を行うことができる。たとえば、医療画像の座標系における放射線不透過性マーカ７３０の位置を知り、これらの放射線不透過性マーカ７３０に対する校正フレーム７００におけるアクティブマーカ７２０の位置を知り、ロボット１５および標的固定具６９０上のアクティブマーカの位置をモニタリングすることによる。

いくつかの実施形態により、外科医は、ソフトウェアを用いて針／プローブ７４０５、７４１０に対する軌道を計画することができる。いくつかの実施形態では、ソフトウェアにより、あらゆる数の軌道を処置中に使用するために格納することができ、各軌道には記述子が付随している。

いくつかの実施形態では、ロボット１５は、処置台の隣まで移動し、ロボット１５および患者１８を追跡するカメラ８２００が起動される。カメラ８２００およびロボット１５は、外科医が対象部位にアクセスするのに好都合ないかなる場所にも配置される。ロボット１５上のマーカ支持具は、マーカ７２０が各あり得る構成でカメラ８２００の方に面することができるように調整可能な位置を有している。いくつかの実施形態では、ロボット１５が、計画されるすべての軌道に対して、現Ｚフレーム７２の位置に対して配置されている場所を示すように、画面にアクセスすることができる。いくつかの実施形態では、この画面の使用により、計画された軌道がロボットのリーチの範囲内にあることを確認することができる。いくつかの実施形態では、すべての軌道の範囲内にある位置へのロボット１５の再配置は、この時点で行われる。別法としてまたはさらに、いくつかの実施形態では、外科医は、ロボット１５が達することができる軌道の範囲に影響を与えるＺフレーム７２位置を調整することができる（ロボット１５がｚ軸７０において下方にあるほど、収束する軌道に必要なｘ−ｙリーチは短くなる）。この間、実質的に同時に、画面は、患者１８およびロボット１５上のマーカ７２０、７３０がカメラ８２００の視野にあるか否かを示す。必要な場合は、この時点で、可視性を向上させるために、カメラ８２００の再配置も行われる。

いくつかの実施形態では、その後、外科医は、第１の計画された軌道を選択し、外科医（または助手）は「準備完了（ｇｏ）」を押す。ロボット１５は、ｘ−ｙ（水平）平面において移動し、エンドエフェクタ３０のチューブが軌道ベクトルと交差するまで、ロール６２およびピッチ６０に角度を付ける。いくつかの実施形態では、この位置までの駆動のプロセスの間、小さいレーザ光が、患者１８に向かう軌道ベクトルに沿ってビームを投射することにより、エンドエフェクタ３０位置を示す。このレーザは、エンドエフェクタ３０のチューブの頂部に単にスナップ式に嵌まっている。いくつかの実施形態では、ロボットのエンドエフェクタ３０のチューブは、軌道ベクトルと一致して指定された許容範囲内にある時、所望の軌道が達成されかつ保持されていることを示すように可聴フィードバックが提供される。別法としてまたはさらに、いくつかの実施形態では、意味のある色の光が手術野１７に投影される。たとえば、いくつかの実施形態では、患者１８またはロボット１５の移動が光学マーカ７２０によって検出され、位置合せを維持するように、必要なｘ軸６６、ｙ軸６８、ロール６２軸およびピッチ６０軸が調整される。

いくつかの実施形態では、その後、外科医は、エンドエフェクタ３０の先端がプローブまたは針の標的（典型的には、皮膚表面）から所望の距離に達するまで、Ｚフレーム７２を下方に駆動する。移動している間、投射されるレーザビーム点は、移動が軌道ベクトルに沿って発生しているため、固定位置にあり続けるべきである。所望のＺフレーム７２位置になると、いくつかの実施形態では、外科医または他のユーザは、呼吸または他の移動中に皮膚から固定距離にあり続けるように、Ｚチューブ５０の位置を固定する選択肢を選択することができる。この時点で、外科医は、プローブまたは針７４０５、７４１０を挿入する用意ができている。ガイドチューブ５０の長さが指定されており、ある長さを通過した後にガイドチューブ５０を制限するように、針７４０５、７４１０またはプローブ上にストッパが存在する場合、いくつかの実施形態では、プローブ／針７４０５、７４１０の先端の最終的な位置を計算し、医療画像上に表示することができる。上述したように、さらに、いくつかの実施形態では、ガイドチューブ５０の入口に、貫通穴があるばね式プランジャ５４から構成され、プローブまたは針７４０５、７４１０が目下ガイドチューブ５０の先端から突出している量に対応する、プランジャ５４の押下の深さを電子的に測定する機構を組み込むことが可能である。

いくつかの実施形態では、処置の間のいかなる時点でも、緊急事態があり、ロボット１５が外科医の邪魔になっている場合、ロボット１５上の「緊急停止（Ｅ−ｓｔｏｐ）」ボタンを押下することができ、その時点で、Ｚフレーム軸７２を除くすべての軸が自由に動くようになり、ロボットのエンドエフェクタ３０を、押すことによって手術野から手動で取り除くことができる。

いくつかの実施形態は、骨スクリューまたはハードウェアによる処置を含むことができる。たとえば、脊椎における従来のスクリューまたはハードウェアの挿入の典型的な処置の間、患者１８は、処置台の上で伏臥位（または他の姿勢）で配置され、支持される。いくつかの実施形態では、外科医または技師により、患者の脊椎に標的固定具６９０が取り付けられる。いくつかの実施形態では、標的固定具６９０は、（開腹または経皮的に）骨に締め付けられるか、または（たとえばロール７０５を用いて）広げて皮膚に付着させられる。ロール７０５に、使い捨てドレープを組み込むことができる。可撓性ロール７０５が使用される場合、その後、いくつかの実施形態では、反射マーカ７２０が適所にスナップ留めされる。

いくつかの実施形態では、標的固定具６９０が取り付けられると、患者１８に対して、放射線不透過性マーカ７３０が骨の関心領域とともに視野に含まれて、術中３Ｄ画像（Ｉｓｏ−Ｃ、Ｏ−Ａｒｍまたは術中ＣＴ）を取得することができる。いくつかの実施形態では、最良の精度および解像度のために、微細スライス画像が好ましい（ＣＴスライス間隔＝１ｍｍ以下）。３Ｄスキャンは、いくつかの実施形態では、放射線不透過性マーカ７３０および骨の解剖学的構造を含まなければならず、両方を含まなければロボット１５に対する校正が可能にならない。

いくつかの実施形態では、一連の３Ｄ画像は、ロボット１５のコンピュータ１００に転送され（または直接取得され）、３Ｄ画像は、針７４０５、７４１０またはプローブの挿入に対して上述した方法と同様に校正される。そして、外科医は、ソフトウェアを用いて、ハードウェア器具類（たとえば、椎弓根スクリュー、椎間関節スクリュー）に対して軌道を計画する。ソフトウェアの幾つかの実施形態により、あらゆる数の軌道を、処置中に使用されるように格納することができ、各軌道には、単にスクリュー挿入が計画される脊椎のレベルおよび面であり得る記述子が付随している。

いくつかの実施形態では、ロボット１５は、処置台の隣まで移動し、ロボット１５および患者１８を追跡するカメラ８２００が起動される。カメラ８２００は、患者の頭部の近くに配置される。いくつかの実施形態では、ロボット１５用のマーカは、カメラ８２００の方に、典型的にはロボットの座標系の正のｙ軸６８方向に面している。いくつかの実施形態では、ロボット１５が、現Ｚフレーム７２位置に対して計画されているすべての軌道に対して配置されている場所を示すように、画面にアクセスすることができる。この画面を用いて、計画されている軌道がロボットのリーチの範囲内にあることを確認することができる。いくつかの実施形態では、すべての軌道の範囲内にある位置に対するロボット１５の再配置は、この時点で行われる。別法としてまたはさらに、いくつかの実施形態では、外科医は、ロボット１５が達することができる軌道の範囲に影響を与えるＺフレーム７２位置を調整することができる（ロボット１５がＺにおいて下方にあるほど、収束する軌道に必要なｘ−ｙリーチは短くなる）。この間、いくつかの実施形態では同時に、画面は、患者１８およびロボット１５上のマーカ７２０がカメラ８２００の視野にあるか否かを示す。必要な場合は、この時点で、可視性を向上させるために、カメラ８２００の再配置も行われる。

いくつかの実施形態では、その後、外科医は、第１の計画された軌道を選択し、外科医（または助手）は「準備完了（ｇｏ）」を押す。ロボット１５は、ｘ−ｙ（水平）平面において移動し、エンドエフェクタ３０のチューブが軌道ベクトルと交差するまで、ロール６２およびピッチ６０に角度を付ける。いくつかの実施形態では、この位置まで駆動するプロセスの間、小さいレーザ光が、患者１８に向かう軌道ベクトルに沿ってビームを投射することにより、エンドエフェクタ３０の位置を示す。このレーザは、エンドエフェクタのガイドチューブ５０の頂部に単にスナップ式に嵌まっている。いくつかの実施形態では、ロボットのエンドエフェクタのガイドチューブ５０は、軌道ベクトルと一致して指定された許容範囲内にある時、所望の軌道が達成されかつ保持されていることを示すように可聴フィードバックが提供される。いくつかの実施形態では、患者１８またはロボット１５の移動が光学マーカ７２０によって検出され、位置合せを維持するように、必要なｘ軸６６、ｙ軸６８、ロール６２軸およびピッチ６０軸が調整される。

本発明のいくつかの実施形態では、その後、外科医は、典型的には、エンドエフェクタ３０の先端が手術部位から適度な開始距離、典型的には手術野１７内にある皮膚表面または第１組織のすぐ近位に達するまで、Ｚフレーム７２を下方に駆動する。移動している間、投射されるレーザビーム点は、移動が軌道ベクトルに沿って発生しているため、固定位置にあり続けるべきである。所望の位置になると、ユーザは、呼吸または他の移動中に解剖学的構造から固定距離にあり続けるように、Ｚチューブ５０の位置を固定する選択肢を選択する場合もあれば選択しない場合もある。

従来のガイドワイヤおよびスクリューをあらゆる量の軟組織を通して骨に挿入する１つの問題は、スクリューまたはワイヤが、骨表面に直交する軌道によって骨とぶつからない場合に望ましくない軌道において、偏向するか、それるか、または骨を「回避する（ｓｋｉｖｅ）」場合があるということである。この難題に対処するために、いくつかの実施形態は、特に経皮的挿入に対して意図された特別に設計されコーティングされたスクリューを使用することができる。いくつかの他の実施形態は、骨まで押し込むことができる、ガイドチューブ５０または拡張器が取り付けられたエンドエフェクタ３０先端を使用することができる。この場合、ガイドチューブ５０は、鋭利な（傾斜した）前縁３０ｂを有する必要があり、骨と接触するとガイドチューブ５０を骨に十分に固定する歯または別の特徴を必要とする可能性がある。この傾斜したチューブ５０（すなわち、傾斜した前縁３０ｂを含むガイドチューブ５０）は、記載するような手術ロボットシステム１を用いる２つの異なる方法のうちの一方により、軟組織を通って骨に隣接するまで押し込まれる。

従来のスクリューが骨に押し込まれる用途では、外科医は、ガイドチューブ５０または従来の拡張器が取り付けられたエンドエフェクタ先端３０を、骨まで移動させたい場合がある。ステップ６２１０、６２１５、６２２０、６２２５、６２３０、６２３５、６２４０、６２４５および６２５０、６２５５、６２６０および６２６０または６２７０、６２７５、６２８０および６２８５を示す図６２を参照すると、２つの実施形態がこの必要に対処する。いくつかの実施形態では、ユーザは、チューブ５０を挿入して、それを手でまたはロボット１５を用いて軸Ｚチューブ軸６４を、力のピークが触感により、または（骨との接触を通知する）エンドエフェクタ３０の従来の力センサにより示されるまで押し下げる。この時点で、それ以上、ドリルビット４２の先端はチューブ５０の先端を越えて配置される必要はない（実際には、わずかに後退させる方がよい）。上述したように、ドリルビット４２はドリルストッパ４６を含むことができ、ドリルビット４２を係止し保持することができる（たとえば、図１７Ｃ〜図１７Ｅおよび図１７Ｆ〜図１７Ｊを参照）。いくつかの実施形態では、その後、ドリルビット４２上のストッパ４６を、解除機構４８のうちの１つを引っ張り、その位置をわずかに調整することによって、調整することができる。そして、チューブ５０を、骨に対して持上げてそこで係止することができる。ここで、ドリルビット４２が先端を越えていかに突出するかを示すように、ストッパ４６を調整することができる。この同じ値を用いて、ドリルビット４２の先端の最終的に至る場所をユーザに示して、ソフトウェアにおいてチューブ５０の先端を補う（外挿する）ことができる。

いくつかの実施形態では、Ｚチューブ軸６４には従来の力センサが取り付けられており、連続した力読取値が画面（表示手段２９等）に表示される。いくつかの実施形態では、その後、チューブ５０を軌道ベクトルに位置合せされたまま維持するようにｘ軸６６およびｙ軸６８を連続的に調整しながら、Ｚフレーム７２が組織内に押し込まれる。いくつかの実施形態では、６２１０、６２１５、６２２０、６２２５、６２３０、６２３５、６２４０、６２４５、６２５０および６２５５のステップを用いて、チューブ５０を標的に向かって押し込むことができる。この場合、Ｚチューブ５０を中間部で堅く係止されるように保持する間、ｘ軸６６、ｙ軸６８およびこのベクトルに沿ったＺ軸７０としてのＺフレーム７２を移動させる間、向きを定義するロール６２およびピッチ６０は変化するべきではない。この手続きに対して、いくつかの実施形態では、Ｚチューブ５０の剛性は非常に高く設定されなければならず、従来の機械的係止が実施される必要がある可能性がある。いくつかの実施形態では、Ｚチューブ５０の剛性が十分でない場合、貫通されている組織からの反力により、Ｚチューブは、Ｚフレーム７２の反対方向に戻るように移動する可能性があり、チューブ５０は、いかなる正味の前進もなくなることになる。いくつかの実施形態では、外科医の事前の経験および研究室試験に基づいて、Ｚフレーム７２は、Ｚチューブ５０に対するモニタリングされた力からの力レベルが骨との衝突に対して典型的な力と一致するまで押し下げられる（ステップ６２６０）。

いくつかの代替実施形態では、Ｚチューブ５０はその範囲の頂部の近くに配置され、Ｚフレーム７２は、（ｘ軸６６およびｙ軸６８を軌道ベクトルに留まるように調整しながら）チューブ５０先端が切開された組織の最外輪郭（すなわち、経皮的処置の間の皮膚）の近くになるまで前進する。いくつかの実施形態では、その後、Ｚチューブのモータ１６０は停止して、Ｚチューブが、その位置を依然としてモニタリングしている間に自由に移動するのを可能にする（ステップ６２７０）。いくつかの実施形態では、その後、外科医は、ｘ軸６６、ｙ軸６８、ロール６２およびピッチ６０の調整によってチューブ５０が軌道ベクトルと位置合せされるのを可能にしながら、エンドエフェクタ３０を押し下げる（ステップ６２７５）。さらに、Ｚチューブ５０が受動的であるため、いくつかの実施形態では、外科医は、チューブが骨にぶつかる触感を感じるまでチューブ５０を手動で前進させることができ、そうした触感を感じた時点で、Ｚチューブ５０の位置は、外科医または助手によって固定される（モータ１６０が作動する）（ステップ６２８０、６２８５）。

この時点で、いくつかの実施形態では、ガイドチューブ５０は骨に隣接し、外科医は、従来のガイドワイヤまたはドリルビットを用いて骨に穴を開けるかまたはスクリューを挿入することを望む可能性がある。スクリューの準備および挿入に対して、いくつかの実施形態では、外科医は、ガイドワイヤを組み込んだ方法またはガイドワイヤを用いない方法のいずれかを使用する。

いくつかの実施形態は、ガイドワイヤ法を含む。たとえば、いくつかの実施形態では、ガイドワイヤは、ガイドチューブ５０を通して骨にドリルで押し込まれる。ガイドワイヤが適所に置かれた後、Ｚフレーム７２およびチューブ５０が、軌道ベクトルに沿って上方に、体外に出るまで引き戻される。いくつかの実施形態では、その後、チューブは、ロボットのエンドエフェクタ３０からクイックリリース機構によって解除され、そのため、チューブを、次の軌道に配置することができる。いくつかの実施形態では、その後、脊椎手術においてすでに一般に使用されているカニューレスクリュー（ｃａｎｎｕｌａｔｅｄ ｓｃｒｅｗ）を、ガイドワイヤにわたって適所に押し込むことができる。

いくつかの実施形態は、非ガイドワイヤ法を含む。たとえば、最初に、パイロット穴をあける場合もあればあけない場合もある。いくつかの実施形態では、その後、スクリューが、骨に当接するガイドチューブ５０を通して直接骨に押し込まれる。いくつかの実施形態では、スクリューの先端は、上述した特別な非回避型（ｎｏｎ−ｓｋｉｖｉｎｇ）設計を有することができる。

いくつかの実施形態では、スクリュー以外のハードウェアが挿入されている場合、外科医は、軟組織を拡張するように望む場合がある。いくつかの実施形態では、拡張された経路により、より大きいかつ／またはより多くの器具およびインプラントを挿入することができる。いくつかの実施形態では、拡張は、最初の中心シャフトまたはチューブの上を一連の径が大きくなっていくチューブを摺動させることによって行われる。いくつかの実施形態では、ロボットのエンドエフェクタ３０に一体化するように特に設計された一連の拡張器が、この目的で互いに逐次スナップ式に嵌まる。

いくつかの実施形態では、スクリューまたはハードウェアが第１軌道で挿入された後、外科医は、ロボット１５を、患者１８から離れるように軌道ベクトルを後退させる。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０がＺ方向において患者１８から離れた後、次の軌道が選択され、ロボット１５は上記ステップを繰り返す。

いくつかの実施形態では、処置の間のいかなる時点でも、緊急事態があり、ロボット１５が外科医の邪魔になっている場合、ロボット１５上の「緊急停止（Ｅ−ｓｔｏｐ）」ボタンを押下することができ、その時点で、Ｚフレーム７２を除くすべての軸が自由に動くようになり、ロボットのエンドエフェクタ３０を、押すことによって手術から手動で取り除くことができる。

いくつかの実施形態では、医療処置中に神経回避のために、ロボット１５で使用することができる特別な従来の拡張チューブ（図示せず）。いくつかの実施形態では、拡張チューブは、その先端に、神経が近接しているか否かを見つけるだけでなく、いずれの半径方向が神経に向かって最も近い方向であるかを見つけるように逐次作動させることができる複数の電極を含むことができる。いくつかの実施形態は、このガイドチューブ５０を組み込み、神経をよけるように識別し、警告し、または自動アルゴリズムを組み込むことができる。

いくつかの実施形態では、椎弓根スクリュー等の骨スクリューの対には、互いの方に向かうように向けられた場合のスクリューの引抜きに対してより優れた抵抗があることが知られている。いくつかの実施形態では、あり得る最適な生物力学的安定性のために、２スクリュー外科用構造物は、ＸＺ平面において相互接続する特別に設計された従来のスクリュー（図示せず）から構成され得る。すなわち、一方のスクリューは他方のスクリューのねじ切り位置を受け入れるソケットを有することができ、それにより、スクリューがそれらの先端で相互接続する。このような手続きには格別な精度が必要であり（そうでなければ、スクリュー先端は適切に交差しない）、したがって、これは手術ロボット１５に特に適している。この種のハードウェアは、本発明のいくつかの実施形態で有用である。

いくつかの実施形態では、外科医は、セーフゾーン手術のために、軌道計画に対して、直線のみではなく、いくつかの選択肢、すなわち、直線、曲線または境界線を有している。曲線経路計画の場合、いくつかの実施形態では、外科医は、医療画像の上に、ユーザが選択可能な半径の曲率を有する経路を描くことができる。いくつかの実施形態では、これらの湾曲経路を実行するために、特別な従来の針およびハウジングを使用することができる。セーフゾーン手術（腫瘍または外傷）では、いくつかの実施形態では、外科医は、最初に、医療画像において、ドリルまたは焼灼器具を組み込んだプローブ先端が存在することができる領域の周囲に、ボックスまたは球を計画する。いくつかの実施形態では、ロボット１５は、上述したように自動的にまたは手動で軌道ベクトルに沿って下方に駆動され、プローブの先端をセーフゾーンの中心にあるように位置付ける。いくつかの実施形態では、外科医は、その後、組織を保存し目下の作業に対する効率および有効性を最大限にする目的で望む所望の衝撃に基づいて、（長軸に直交する）器具の回転軸を選ぶことができる。たとえば、いくつかの実施形態では、皮膚の表面における回転軸を、器具が横方向に移動し皮膚を引き裂く量を最小限にするように選択することができる。

いくつかの実施形態では、ロボット１５は追跡のために光学マーカを使用する。いくつかの実施形態は、患者１８に対するロボット１５の正確な位置特定を提供することができ、視線に制限されないという利点のためにＬＰＳを利用する。さらに、いくつかの実施形態では、（ＬＰＳによって追跡されることが可能である）先端のＲＦ放射源を利用するプローブを、体内で可撓性プローブを操縦するために使用することができる。いくつかの実施形態では、ＬＰＳが位置特定に対してまだ機能しない場合、Ｎｏｒｔｈｅｒｎ ＤｉｇｉｔａｌによるＡｕｒｏｒａ等の電磁システムを用いて位置特定を行うことができる。Ａｕｒｏｒａ（登録商標）は、Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｃ．の登録商標である。たとえば、この場合、電磁コイルおよびＲＦ放射源はともにプローブ先端に存在する。いくつかの実施形態は、操縦可能な針７６００によるＬＰＳまたは電磁気による位置特定の選択肢を提供することができる。本発明のこの実施形態では、外科医は、医療画像上で、プローブ先端が目下配置されている現位置をリアルタイムでモニタリングし、ジョイスティックを用いてプローブ先端を所望の方向に前進させ操縦するようにＲＦ電極を作動させることができる。

上述したように、いくつかの実施形態では、図４８に示すように、エンドエフェクタ３０は、外科用器具３５をエンドエフェクタ３０に取り外し可能に結合するために使用されるバヨネットマウント５０００を含むことができる。いくつかの実施形態は、棘突起６３０１を完全に露出させることなく、棘突起６３０１の上で締付部品６３００を摺動させる機能を可能にする変更を、マウント５０００に含めることができる。本発明の少なくとも１つの実施形態による、締付部品６３００を備えた変更されたマウント５０００を含むエンドエフェクタ３０のさまざまな実施形態を示す図６３Ａ〜図６３Ｂを参照されたい。図示するように、締付部品６３００は、少なくとも１つの傾斜縁６３１０および締付歯６３３０を含む締付具６３０２を備えている。

いくつかの実施形態では、外科医は、中線に刺切創を形成し、その後、締付部品６３００の締付具６３０２を、締付部品の先端が前進するにしたがって組織を押しやって、棘突起６３０１の両側に沿って下方に摺動させる。いくつかの実施形態では、締付機構６３００の前縁は傾斜しており（締付機構６３００の各締付具６３０２の前縁６３０５を参照）、骨膜起子のような形状を有している。これにより、締付機構６３００は、前進する際に、筋組織を骨の棘突起６３０１から分離することができる。いくつかの実施形態では、締付機構６３００の前縁６３０５に通電して、過度な出血を防止するように、締付機構６３００が筋組織および結合組織を通ってより容易に摺動するのを可能にすることができる。

いくつかの実施形態では、シャフト上でさらに後方から起動される機構（たとえば、ねじ回し６３２０、従来のばね等）を作動させて、締付具６３０２上に締付歯６３３０を展開させることができる。同じ機構または別の機構が、締付具６３０２を閉鎖し合せて圧縮して、締付機構６３００を棘突起６３０１に堅固に固定する（図６３Ｂ〜図６３Ｃを参照）。さらに、いくつかの実施形態では、ハンドル６３５０に位置合せされたスクリュー６３４０が、棘突起６３０１内にねじ込まれるように展開することができる（たとえば、図６３Ｃを参照）。

上述し図６３Ａ〜図６３Ｃに示すような実施形態は、締付機構６３００を取り付けるために作製された穴が、従来の椎弓根スクリュー頭部を相互接続するように従来のロッドを挿入するための穴としても使用することができるため、経皮的椎弓根スクリュー−ロッド手術に特に適している。さらに、上述し図６３Ａ〜図６３Ｃに示すような実施形態は、マーカツリー（たとえば、図５０Ａに示すマーカツリー７９５）を、横突起、長骨、頭蓋底等、他の骨の隆起部に取り付けるためにも有用であり得る。

図６４および図６５は、本発明のいくつかの実施形態による、棘突起６３０１における締付部品６３００作動の実施形態を示す。いくつかの実施形態では、締付歯６３３０を展開させる機構を、歯６３３０を含む中空歯先端６３６０から構成することができ、歯６３３０は、挿入中は中空腔６３７０の一方の側にあるが、機構が展開される時は反対側に向かって付勢され、それにより、埋め込まれた歯が骨を貫入する（図６４における貫入した歯６３３０ａの例示を参照）。

図６５は、棘突起６３０１に対する締付部品６３００の作動の代替実施形態を示す。図示するように、歯６３３０群が、中空歯先端６３６０の中空腔６３６０ａを下って伸びるロッド６３６５に取り付けられている。これらのロッド６３６５は、ハンドル６３５０をさらに上方に枢動させ（枢動点は描かれていない）、締付歯６３３０は互いに付勢される。さらに、いくつかの実施形態では、ロッド６３６５は、骨から離れる側において中空歯先端６３６０の中空腔６３６０ａ内に押し込まれ、締付歯６３３０を骨に対してかつ骨内に押し込む（たとえば、図６５における貫入した歯６３３０ａを参照）。

上述したように、解剖学的構造のＣＴスキャンには、放射線不透過性マーカ７３０が含まれなければならない。しかしながら、解像度を向上させるために、ＣＴスキャンを可能な限り脊椎の近くで切り取ることが望ましい。いくつかの実施形態では、アクティブマーカ７２０が位置する場所の近くでマーカ７３０を使用する代りに、代替例は、スキャンが取得される時に脊椎の近くに一時的に取り付けられる放射線不透過性マーカ７３０を含む剛性延長部を有することである。いくつかの実施形態では、締付部品６３００を、標的固定具６９０に結合するかまたは他の方法で標的締付具６９０によって変更することができる。たとえば、図６６Ａは、本発明の少なくとも１つの実施形態による、一時的マーカスカート６６００を含む標的固定具６９０で変更された締付部品６３００を示し、図６６Ｂは、本発明の少なくとも１つの実施形態による、一時的マーカスカート６６００が取り外された、図６６Ａに示すような標的固定具６９０によって変更された締付部品６３００を示す。図示するように、一時的マーカスカート６６００は、締付装置６３００の基部の周囲に一時的「スカート」での放射線不透過性マーカ７３０を含む。一時的マーカスカート６６００および締付装置６３００の設計は、スカート６６００のマーカ７３０が、さらに離れた追跡用のマーカ７２０に対して既知の位置を有している、というものでなければならない。スキャンが取得されると、放射線不透過性マーカ７３０は不要になる。したがって、いくつかの実施形態では、従来の解除機構を押下することにより、スカート６６００を取り除くことができ、そのため、それは、外科医の邪魔とはならない（たとえば図６６Ｂを参照）。

いくつかの実施形態では、標的固定具６９０を患者１８にすでに堅く取り付けられている別の部品に取り付けることもまた望ましい場合がある。たとえば、患者１８がＭａｙｆｉｅｌｄ頭部保持器に配置される脳深部刺激または他の脳処置の場合、頭部保持器は、標的固定具６９０のための取付箇所としての役割を果たすことができる。頭部保持器６７００および頭蓋が剛体を形成するため、頭蓋が頭部保持器６７００と同じ量移動すると想定して、頭部保持器６７００を追跡することが可能である。さらに、本発明のいくつかの実施形態では、監視マーカ（図３６に示すような監視マーカ７１０等）を使用することができる。この標的固定具６９０に対して、アクティブマーカ７２０および放射線不透過性マーカ７３０は、頭部保持器６７００に堅く取り付けられる。放射線不透過性マーカ７３０は、スキャン（ＣＴ、ＭＲＩ等）が取得される時にのみ適所にあればよく、その後に取り除くことが可能である。アクティブマーカ７２０は、スキャンが取得される時に適所にある必要はないが、代りに、追跡を開始する必要がある時に適所にスナップ留めされ得る。たとえば、図６７は、本発明の一実施形態による、Ｍａｙｆｉｅｌｄフレーム６７００に取り付けられたアクティブマーカ７２０および放射線不透過性マーカ７３０に対する１つのあり得る構成を示す。他の標的固定具６９０と同様に、３つ以上の放射線不透過性マーカ７３０および３つ以上のアクティブマーカ７２０が同じ剛体に取り付けられる必要がある。

いくつかのロボット処置での１つの問題は、ガイドチューブ５０がロボットのエンドエフェクタに物理的に堅く取り付けられなければならず、したがって、１つまたは複数の拡張チューブの取付が難題であり得るということである。この問題に対処するために、いくつかの実施形態では、ロボットエンドエフェクタ３０を取り除くことなく、中心ガイドチューブ５０の上に拡張器を配置することができる。たとえば、いくつかの実施形態は、少なくとも１つの拡張チューブ６８００、６８１０を含むエンドエフェクタ３０を含むことができる。たとえば、図６８は、本発明の少なくとも１つの実施形態による、入れ子式拡張器６８０５を含むエンドエフェクタ３０を示す。図示するように、２つ以上の使い捨てまたは非使い捨て拡張器６８００、６８１０の入れ子式の組６８０５を、ロボットのエンドエフェクタ３０に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、各拡張器６８００、６８１０は、外科医または自動機構が拡張器を軟組織内に押し下げるのを可能にする、それ自体の取り外し可能な従来のハンドルを有することができる。いくつかの実施形態は、追加の拡張器を含むことができ、たとえば、低侵襲性スクリュー挿入または外科用インプラントの適用のための入口を生成するために、７ｍｍ、１１ｍｍおよび１４ｍｍの直径の３つの拡張器の入れ子式の組（図示せず）が有用であり得る。いくつかの実施形態では、各拡張器６８００、６８１０は、中心ガイドチューブ５０に近づくほど大きい長さを有することができ、それにより、拡張チューブ６８００、６８１０を半径方向にそれ以上前進させることなく、より中心のチューブ５０を前進させることができる。

いくつかのさらなる実施形態では、システム１は、少なくとも１つの円筒状拡張チューブ６９００に結合されるエンドエフェクタ３０を含むことができる。たとえば、図６９Ａ〜図６９Ｃは、本発明の少なくとも１つの実施形態による、円筒状拡張チューブ６９００を含むエンドエフェクタ３０のさまざまな実施形態を示す。図示するように、いくつかの実施形態では、円筒状拡張チューブ６９００を、互いにスナップ式に嵌まる２つの半体から形成することができる。いくつかの実施形態では、円筒状拡張チューブ６９００を、互いにスナップ式に嵌まる２つの半体から形成することができ、いくつかの実施形態では、２つの半体は、先の拡張チューブ６９００の上でスナップ式に嵌まる。いくつかの実施形態では、チューブ６９００を、半径方向圧縮に耐えるように強力であるが、必ずしも半径方向拡張に耐えるように強力ではない（それらの反対の力は抵抗する軟組織となるため）ように作製することができる。いくつかの実施形態では、チューブ６９００は、従来のハンドルを、ハンドルの容易な挿入および挿入に続くハンドルのその後の除去のために、近位端に一時的に取り付ける機構からも利益を得ることができる。さらに、いくつかの実施形態は、各チューブ６９００またはチューブ６９００のかたまりを把持し抜き取るか、または１つあるいは複数のチューブ６９００を中心ガイドチューブ５０に取り付ける機構を含む。図６９Ｂおよび図６９Ｃに示すように、ロボットのエンドエフェクタ３０が（図６９Ｂに示すチューブ６９００挿入に続いて）上昇すると、チューブ６９００またはチューブ６９００のかたまりがそれとともに抜き取られ、最外拡張器６９１０ａを残し、外科手術用の回廊を形成する。さらに、いくつかの実施形態では、外科医は、所望の軌道を定義する無限ベクトルと一致するように、ただし患者１８の上方にロボットのエンドエフェクタ３０を送ることができる。いくつかの実施形態では、その後、外科医は、中心ガイドピンまたはチューブ５０の先端が軟組織を貫通する用意ができるまで、ロボットのエンドエフェクタ３０をこのベクトルに沿って送る。いくつかの実施形態では、中心ガイドチューブ５０が組織表面を貫通するのに役立つように、始動切開を形成することができる。いくつかの実施形態では、外科医は、ロボットのエンドエフェクタ３０を、軌道ベクトルに沿って送り続け、標的に達する（たとえば、チューブ５０が標的領域の骨と当接する時）まで軟組織を貫通する。そして、いくつかの実施形態では、ロボット１５が中心チューブ５０を安定して保持する間、各連続した拡張器６９００は、先の拡張器６９００の上を、中心チューブ５０の下方に摺動する。所望の拡張が完了すると、いくつかの実施形態では、拡張チューブ６９００の近位端を、患者１８（または外部アセンブリ）に固定することができ、中心チューブ５０と最外拡張チューブ６９１０を除くすべてのチューブとが取り除かれる。

いくつかの実施形態は、ポリマー材料を含むチューブ６９００を含む。いくつかの実施形態では、チューブ６９００は、少なくとも１つの放射線透過性材料または放射線不透過性材料のいずれかを含むことができる。いくつかの実施形態では、拡張器６９００は、それらの位置をＸ線によって容易に確認することができるように、放射線不透過性であり得る。さらに、いくつかの実施形態では、最外拡張器６９１０は、チューブを通して引き抜かれる病変部、またはチューブを通して患者内に渡されるインプラントあるいは物質の位置をＸ線によって視覚化することができるように、放射線透過性であり得る。

上述したように、いくつかの実施形態では、手術ロボット１５内で従来のリニアパルスモータ１６０を使用することにより、エンドエフェクタ３０および／または外科用器具３５に対して非固定位置の確立を可能にすることができる。いくつかの実施形態では、ウォームギア駆動装置を備えたモータの代りにリニアパルスモータ１６０を使用することにより、ロボット１５は、能動モードと受動モードとの間で迅速に切り替わることができる。

能動モードと受動モードとの間で迅速に切り替わることができることは、さまざまな実施形態に対して重要であり得る。たとえば、ロボット１５を手術野内に配置するか、または手術野からロボット１５を取り除く必要がある場合。ロボット１５を手術野に入るかまたは手術野から出るように駆動しなければならない代りに、いくつかの実施形態では、ユーザは、単にモータ１６０を停止させて、ロボット１５を受動的にすることができる。そして、ユーザは、ロボット１５を必要な場合は手動で引っ張り、その後、モータ１６０を再作動させることができる。

能動モードと受動モードとの間で迅速に切り換わることができることは、セーフゾーン手術に対して重要であり得る。いくつかの実施形態では、ユーザは、医療画像の上に病変部（たとえば、腫瘍７３００）のある領域に輪郭を描くことができる（たとえば、表示手段２９上の表示された腫瘍７３１０を示す図７０を参照）。いくつかの実施形態では、その後、領域の境界に達した時にロボット１５が能動モードから受動モードに切り替わるアルゴリズムを実施することができる。たとえば、図７０は、表示手段上に領域７３２５として表示される、患者１８の体内の境界領域７３２０を示す。境界７３２０の外側のいずれの場所でも、ロボットは能動的になり、エンドエフェクタ３０をセーフゾーンに向かって（すなわち境界７３２０内）戻そうとする。境界７３２０内では、ロボット１５は受動的なままであり、外科医は、エンドエフェクタ３０に取り付けられた器具（ドリルビット４２等）を移動させることができる。

いくつかのさらなる実施形態では、ユーザは、セーフゾーン（たとえば、境界７３２０、図７０において境界７３２５として表示される）内で器具によって可能となる向きの範囲に対して制限を（ソフトウェアを通して）課すことができる。いくつかの実施形態では、器具は、厳密に皮膚の高さにあるシャフトに沿った点を中心にのみ枢動することができる。この場合、ロボット１５は、自由に外科医がエンドエフェクタ３０を内外に移動させ枢動させるのを可能にするが、枢動のない左右または前後の移動は可能にしない。たとえば、いくつかの実施形態では、外科医は、腫瘍７３００上の左端の点に達したい場合、器具を、枢動点を中心に枢動させ、境界７３２０条件を満たすように適切な挿入深さまで押し込み、先端（たとえば、ドリルビット４２の先端）をその位置まで押しこまなければならない。この種の制限は、ドリルが腫瘍７３２０を破壊するように移動する際に外科医が組織を「切り裂く」のを防止することができるため、有用であり得る。さらに、外科医が、より近位の重要な構造を避けながら、より遠位のセーフゾーンにアクセスすることも可能にする。

いくつかの実施形態は、標的（たとえば、上述した腫瘍７３２０等）への非線形軌道に対して湾曲した針および／またはシース付き針を含む。いくつかの実施形態では、湾曲軌道の場合、直線軌道を介して達することが本来は不可能であり得る、患者１８の体内の標的に近づくことができる。たとえば、図７１Ａは、本発明の少なくとも１つの実施形態による、湾曲したまたは直線状のワイヤまたは器具７４１０と使用される湾曲したガイドチューブ７４００に結合されたロボットエンドエフェクタ３０を示す。いくつかの実施形態では、湾曲したまたは直線状のワイヤまたは器具７４１０を湾曲したガイドワイヤ７４００に通すことにより、少なくとも幾分かの曲率がワイヤまたは器具７４１０に与えられる。いくつかの実施形態では、湾曲したまたは直線状のワイヤまたは器具７４１０は、ガイドチューブ７４００の曲率に一致することができるコンプライアンスの高いワイヤを含むことができる。いくつかの他の実施形態では、湾曲したまたは直線状のワイヤまたは器具７４１０は、ガイドチューブ７４００に入った後および出た後にその形状を実質的に維持することができる、コンプライアンスの低いワイヤを含むことができる。非常にコンプライアンスの高いワイヤを使用する不都合は、それが接触する組織が、それを容易に所望の経路から外す可能性があるということである。非常にコンプライアンスの低いワイヤを使用する都合は、有用な量の曲率を達成することが困難であるということである。さらに、中間のコンプライアンスの直線状ワイヤを湾曲したガイドチューブ７４００に通すことにより、ワイヤの幾分かの曲率であるが、ガイドチューブ７４００の曲率より小さい曲率を生成することができる。どれくらいの曲率が与えられるかを確定するために、ワイヤ７４１０の機械的挙動を数学的にまたは実験的にモデル化することが可能である。たとえば、ガイドチューブ７４００の向きを知ることにより、いくつかの実施形態では、ロボットを使用して、ワイヤ７４１０が組織を通って移動する際に最終的に至る場所を予測するようにコンピュータ化計画を用いることにより、湾曲したワイヤ７４１０を所望の標的に正確に誘導することができる。さらに、いくつかの実施形態では、非常にコンプライアンスの低いワイヤまたは器具７４１０を、所定の曲率半径である弧の形状で製造し、その後、同じ曲率半径のガイドチューブ７４００を通して供給することができる。ガイドチューブ７４００の向き（すなわち、実質的にワイヤまたは器具７４１０と同じ）を知ることにより、コンピュータ化計画を用いて、ワイヤまたは器具７４１０が組織を通して移動する際に最終的に至る場所を予測することができる。

いくつかの他の実施形態は、湾曲しているかまたは直線状であり得るワイヤまたは器具７４１０とともに直線状のガイドチューブ５０を使用することができる。たとえば、図７１Ｂは、本発明の少なくとも１つの実施形態による、湾曲したまたは直線状のワイヤまたは器具７４０５、７４１０と使用される直線状のガイドチューブ５０に結合されたロボットエンドエフェクタ３０を示す。いくつかの外科手術法は、手動で配置される湾曲した針７４１０を使用する場合がある。概して、針は、剛性の直線状外側ガイドチューブから構成され、そこを、湾曲形状をとる傾向がある内側針７４０５が通される。既存の手動デバイスでは、内側針７４０５は、ニチノール、すなわち形状記憶合金から構成され、著しい曲率で形成される。この湾曲した針７４１０が平坦化され、その後、外側ガイドチューブを通して供給される。内側針７４０５は、ガイドチューブの他端から出る時、その元の湾曲形態に戻るように著しい力で屈曲する。こうしたシステムを、針の出ている部分の出ている単位寸法あたりの曲率が既知である場合、すなわち直線状ハウジングに対する湾曲した針７４１０の半径方向位置が既知である場合、ロボット１５で使用されるように適合させることができる。いくつかの実施形態では、湾曲した針７４１０の半径方向位置を、湾曲部分および直線状部分に配置されたマークを使用することにより、または直線状のガイドチューブおよび湾曲した針７４１０の非円形断面（たとえば、各々の正方形断面）を通して、確定することができる。この場合、いくつかの実施形態では、その後、標的（腫瘍７３００等）への経路を術前に計画し、その後、この経路を通して湾曲したワイヤまたは器具７４１０を誘導するようにロボット１５を調整することが可能である。いくつかの実施形態では、システム１は、ワイヤ（たとえば、ワイヤ７４０５、７４１０等）を、軟組織を通して前進させる間、遠位側を電気的に刺激する機能を含むことができる。たとえば、いくつかの実施形態は、シャフト全体に沿って絶縁されているが先端またはその近くに電極７５１０を有する、エンドエフェクタ３０によってロボット１５に結合されることが可能なガイドチューブ７５００を含む（たとえば、図７２を参照）。いくつかの実施形態では、筋電図検査（ｅｌｅｃｔｒｏｍｙｇｒａｐｈｙ）（「ＥＭＧ」）を行うためにチューブ７５００を使用することにより、システム１は、ガイドチューブ７５００が前進する際に、神経がガイドチューブ７５００と接触するか否かを検出するのを可能にすることができる。いくつかの代替実施形態は、シャフトに沿って絶縁されているが先端は絶縁されていないチューブ７５００の代りに、従来のピン（たとえば、Ｋｉｒｓｃｈｎｅｒワイヤ等のステンレス鋼ピン）を含むことができる。いくつかの実施形態では、ワイヤを、体外の刺激器に接続することができ、ワイヤは、軟組織を通してピンを前進させる間に遠位側を刺激する機能を有する。いくつかの実施形態では、刺激により、重要な組織構造（すなわち、神経、叢等）を識別することを可能にすることができる。

いくつかのさらなる実施形態では、ガイドチューブ７５００の前縁の一部を絶縁する（すなわち、その部分が実質的に非導電性領域を含む）ことができ、前縁の一部を絶縁しなくてもよい（すなわち、その領域は本来導電性領域である）。この場合、チューブ７５００が回転する際に反応を注視することにより、神経に最も近いチューブ７５００の半径方向を求めることを可能にすることができる。すなわち、チューブ７５００が回転する際、ＥＭＧ神経検出は、非絶縁部分が神経に最も近い場合、最も顕著な反応を有し、非絶縁部分が神経から最も遠い場合、最も顕著ではない反応を有する。いくつかの実施形態では、その後、ユーザは、チューブ７５００を神経からさらに離れるように自動的に操縦するようにロボット１５を手動で操縦することができる。さらに、この変更されたチューブ７５００は、下にある筋線維を緩やかに広げるように展開させることができる従来の扇状拡張器（図示せず）を有することができ、それにより、椎間板除去またはスクリュー挿入のために進入点を生成することができる。いくつかの実施形態では、ＥＭＧおよび緩やかな拡張の組合せにより、ロボット支援脊椎手術の安全性を向上させ転帰を改善することができる。

上述したように、指向性筋電図検査反応を利用する１つの方法は、ユーザがチューブ７５００を手動で回転させることである。いくつかの他の実施形態では、チューブ７５００を、電位がモニタリングされている間にその軸を中心に回転させて前後に連続的に振動させることができる。いくつかの実施形態では、チューブ７５００を回転させることなく同じ機能を達成するために、チューブ７５００の前縁は、電位をモニタリングしている間に自動的に逐次作動させることができる導電部分を有することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、２つ、３つ、４つまたはそれより多くの電極７５１０のアレイ（図７２に示す）を、チューブ７５００の前縁の周囲に配置することができる。図７２に示すように、電極７５１０の間の領域７５１１は互いに絶縁されている（７５００の外面が絶縁されているため）。いくつかの実施形態では、電極７５１０を非常に高速で逐次作動させ、その間、電位を記録し、いずれの電極が最大の反応をもたらすかを相関させることができる。

いくつかの実施形態は、体内で追跡することができる操縦可能な針を含むことができる。たとえば、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第８，０１０，１８１号明細書、「Ｓｙｓｔｅｍ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｉｇｎａｌｓ ｆｏｒ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｌｅｎｄｅｒ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｄｕｒｉｎｇ ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｂｏｄｙ」は、操縦に使用される、先端に２つ以上のＲＦ電極がある、操縦可能な可撓性カテーテルについて記載している。米国特許第８，０１０，１８１号明細書に記載されている方法によれば、電極がＲＦを発する先端の１つまたは複数の側部は摩擦が相対的に小さく、したがって、プローブはこれらの側部から離れるように向くことになる。

本発明のいくつかの実施形態では、システム１に操縦可能な針７６００を結合することができる。いくつかの実施形態では、システム１は、結合されたエンドエフェクタ３０を介してロボット１５に結合された操縦可能な針７６００を含むことができ、操縦可能な針７６００を、患者１８の体内で追跡することができる。たとえば、図７３は、本発明の少なくとも１つの実施形態による操縦可能な針７６００を示す。いくつかの実施形態では、操縦可能な針７６００は、プローブの先端に複数の平坦化した角度付き斜面７６０５（すなわち、ファセット）を備えることができ、各斜面７６０５の各平坦面はＲＦ電極７６１０を有している。針７６００内に埋め込まれた磁気コイルセンサ７６２０が、電極７６１０に隣接する先端の位置特定を可能にすることができる。いくつかの実施形態では、（たとえば、上述したＲＦ送信器１２０を用いる）ＲＦを操縦に使用することができ、そこでは、位置特定は、磁気コイルセンサ７６２０とともに電極７６１０を使用する。上述したようないくつかの実施形態は、カテーテルの内側に嵌合することができる小型コイルを有する、Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ，Ｉｎｃ．（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｄｉｇｉｔａｌ．ｃｏｍ）製のＡｕｒｏｒａ（登録商標）等、既製の電磁位置特定システムを使用することができる。

外科処置中、椎弓根スクリューまたは前方椎体スクリューは２つの位置に挿入される。しかしながら、スクリューの引抜きのための不具合の可能性がある。引抜きに対する抵抗を強化するために、スクリューは互いに向かって角度が付けられる。たとえば、いくつかの実施形態は、本発明の少なくとも１つの実施形態による骨スクリュー７７００を交差させ噛み合せる１つの実施形態を示す、図７４に示すもののような骨スクリュー７７００を交差させ噛み合せることを含むことができる。図示するように、骨スクリュー７７００を結合することができ、それらは交差し噛み合うことが可能である７７２０。いくつかの実施形態では、図示するような交差し噛み合う骨スクリュー７７００を、骨の広い領域を破壊することなく取り除くことができる。

システム１のいくつかの実施形態は、二重焦点領域を備えた従来の追跡カメラを含むことができる。たとえば、Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ，Ｉｎｃ．のＯｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）またはＰｏｌａｒｉｓ（登録商標）等のカメラユニットを、それらの校正ボリュームおよび焦点領域が設定されるようにバーに取り付けることができる。Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）またはＰｏｌａｒｉｓ（登録商標）は、Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ，Ｉｎｃの登録商標である（たとえば、カメラバー８２００を示す図８１を参照）。いくつかの実施形態では、光学トラッカ（たとえば、アクティブマーカ７２０）を用いてロボット１５および標的固定具６９０を追跡する場合、マーカ７２０をボリュームの中心に維持することにより、最適な焦点を提供することができる。しかしながら、標的固定具６９０のマーカおよびロボット１５のマーカ両方が同時に実質的に中心合せされることは可能ではなく、したがって、両方は、実質的に同じ距離、中心からずれている。

いくつかの実施形態では、この問題に対する１つの解決法は、カメラ８２００の２つの対を、１のカメラが共有される、すなわち、カメラ１および２が１つの対を形成し、カメラ２および３が別の対を形成するように設定することである。この構成は、Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）システムと同じである（すなわち、単一バーに３つのカメラ）が、Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）には、１つのボリュームおよび１つの共通焦点しかない。逆に、本発明のいくつかの実施形態は、標的固定具６９０およびロボット１５の両方が同時に中心合せされるのを可能にする、２つの焦点および２つのボリュームを有するように調整される。いくつかの実施形態では、側面カメラの向きを、焦点およびボリュームに対する予測可能な影響により、既知の量で調整することができる。

本発明のさらなる実施形態では、２つの別個のカメラユニット（たとえば、２つのＰｏｌａｒｉｓ（登録商標）ユニットを、調整機構（図示せず）を含むカスタマイズされた従来のブラケット固定具に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、この固定具は、ボリュームの方向および焦点までの距離を定義するベクトルを、既知の量で調整可能とすることができるように校正される。いくつかの実施形態では、その後、ユーザは、一方のＰｏｌａｒｉｓ（登録商標）ユニットをロボットマーカに、他方のＰｏｌａｒｉｓ（登録商標）ユニットを標的固定具６９０のマーカ７２０に向けることができる。ブラケット上の調整機構の位置により、コンピュータに対して、一方のカメラの座標系から他方の座標系になるために必要な変換が分かる。

いくつかのさらなる実施形態では、特定の領域に焦点合せされたカメラ８２００（Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）またはＰｏｌａｒｉｓ（登録商標）等）を、カメラ８２００を標的の中心に向ける従来の自動機構によってさらに改善することができる。こうした方法は、一般に、画質は縞に向かうより焦点の中心に向かう方が良くなるため、精度を向上させる。いくつかの実施形態では、従来の電動式タレットを利用して、カメラ８２００のねらいを定める従来のブラケットアセンブリの方位角および仰角（および／または図８１に示すようなカメラアーム８２１０上のカメラ８２００の移動とともに）を調整することができる。いくつかの実施形態では、視野内のアクティブマーカ７２０の現位置からのフィードバックを用いて、カメラ８２００が標的を直接指すまで、標的がロボット１５のマーカ７２０の中心（中間点）にあるか、標的固定具７２０上のマーカ７２０の中心にあるか、またはすべてのマーカ７２０の中心にあるかに関らず、方位角および仰角が調整される。いくつかの実施形態では、こうした方法により、患者１８またはロボットが移動する際にカメラ８２００の焦点の中心が、自動的に連続して移動するのを可能にし、それにより、処置中のすべての時点で最適な向きが確保される。

いくつかの実施形態は、（アクティブマーカ７２０を含む）追跡固定具６９０が取り付けられたスナップ取付式のエンドエフェクタ３０を含むことができる。たとえば、いくつかの実施形態は、エンドエフェクタ３０および追跡固定具６９０に取り付けられたスナップ取付式ポスト７８００を含む。いくつかの実施形態では、スナップ取付式ポスト７８００は、マーカ７２０が各エンドエフェクタ３０に取り付けられるのを可能にすることにより、追跡マーカ７２０を、カメラ８２００を異なる設定で向けるように方向付けるのを容易にすることができる。図７５Ａ〜図７５Ｂは、スナップ取付式ポスト７８００を用いてエンドエフェクタ３０に結合された標的固定具６９０を含む、患者１８のベッドの横に配置されるロボット１５の構成を示す。いくつかの実施形態では、ロボット１５が典型的な構成で患者１８の頭部が左に向いた状態でベッドの横に並ぶと、１つのエンドエフェクタ３０が、ベッドの脚に配置されたカメラ８２００に対して右に向いたマーカ７２０（固定具６９０）（図７５Ａに示す）を有することができる。いくつかの実施形態では、同じタイプのエンドエフェクタ３０が、ベッドの頭部に配置されたカメラ８２００に対して左に面するマーカ７２０（固定具６９０）（図７５Ｂに示す）を有することができる。いくつかの実施形態では、固定具６９０は、エンドエフェクタ３０よりカメラ８２００に近接する場所に取り付けられ、それにより、外科医は、チューブ５０を使用している時にカメラからマーカ７２０を覆い隠すように遮らない。いくつかのさらなる実施形態では、各交換可能なエンドエフェクタ３０は、従来の識別電子回路を含むことができる。たとえば、いくつかの実施形態では、各交換可能エンドエフェクタ３０に、従来のチップを埋め込み、電気コネクタを圧入することができる。いくつかの実施形態では、システム１が、追跡固定具６９０が取り付けられたスナップ取付式エンドエフェクタ３０を含む場合、コンピュータ１００は、識別電子回路を用いて、いずれのエンドエフェクタが目下取り付けられているかを認識することができる。いくつかの実施形態では、システム１は、追跡固定具６９０が取り付けられたスナップ取付式エンドエフェクタ３０を含む場合、コンピュータ１００は、識別電子回路を用いて、いずれのエンドエフェクタが目下取り付けられているかを認識し、格納された校正設定を適用することができる。

ロボットシステム１は、反復プロセスを必要とすることなく標的位置までの精密な移動を可能にするいくつかの一意のソフトウェアアルゴリズムを含む。いくつかの実施形態では、最初のステップは、エンドエフェクタ３０の各座標軸の校正を含む。校正中、ロボット１５は、エンドエフェクタに一時的に取り付けられるアクティブマーカ７２０の移動を記録しながら、一続きの個々の移動を経る（図７６を参照）。直交軸のある座標系に入る必要はないこれらの個々の移動から、すべての軸における必要な移動の要求された組合せが計算される。

いくつかの実施形態では、ロボット１５の基部上に、ロボット１５の移動を追跡する光学マーカ７２０を取り付け、その後、一連の軸の移動に基づいてガイドチューブ５０の向きおよび座標を計算することができる（図１６に関連する先の説明を参照）。ロボット１５の基部にマーカ７２０を取り付ける利点は、それらが邪魔にならず、外科医、器具、またはロボットの部品によって覆い隠される可能性が低くなるということである。しかしながら、マーカ７２０がエンドエフェクタ３０から離れるほど、各関節において誤差が増幅される。その一方で、（図７６に示すように）エンドエフェクタ３０上に光学マーカ７２０を取り付けることが可能である。エンドエフェクタにマーカ７２０を取り付ける利点は、マーカ７２０が、厳密にエンドエフェクタ３０が目下配置されている場所に関するフィードバックを提供するため、精度が最大化されるということである。不都合は、外科医、器具、またはロボット１５の部品がマーカ７２０を容易に覆い隠す可能性があり、それにより、空間におけるエンドエフェクタ３０の位置を求めることができない、ということである。

いくつかの実施形態では、マーカ７２０を、いずれかの端部にまたは中間軸に取り付けることができる。たとえば、いくつかの実施形態では、マーカ７２０をｘ軸６６に取り付けることができる。したがって、ｘ軸６６が移動すると、光学マーカ７２０も移動する。この位置では、外科医がカメラ８２００からそれらを遮るか、またはそれらが外科医の障害物になる可能性が低くなる。各軸からのエンコーダ出力に基づいてエンドエフェクタ３０の向きおよび位置を計算する際の精度が高いため、ｘ軸６６上のマーカの位置のみを知ることにより、エンドエフェクタ３０の位置を非常に正確に求めることができる。

いくつかの実施形態は、医療画像上の放射線不透過性マーカ７３０の中心を自動的に検出するアルゴリズムを含む。このアルゴリズムは、医療画像を全体としてスキャンして、十分な勾配の輪郭によってすべての側部において境界が定められた領域を見つける。さらなるマーカ７３０が見つかる場合、それらは、格納された位置に対して検査され、許容範囲外にある場合、除外される。

生検処置によっては、たとえば、肺生検を行う場合、患者の呼吸プロセスによって影響を受ける可能性がある。処置によっては、臨床医が、正確な呼吸位相の間にサンプルを取得することが困難である。患者の骨に結合された追跡マーカ７２０を使用することは、単独では、標的生検部位の呼吸が引き起こす移動を補償することはできない。いくつかの実施形態は、システム１を用いて呼吸を補正する肺生検を行う方法を含む。現在、肺腫瘍の放射線治療では、呼吸は、ＣＴスキャン取得中、「ベローズ（ｂｅｌｌｏｗｓ）」ベルトを使用してモニタリングされる（たとえば、ベローズ画像８０１０を含む、図７７のＣＴスキャナ８０００を参照。ベローズは、呼吸の位相をモニタリングし、臨床医が患者に息を止めるように伝えると、患者１８のＣＴスキャンが行われる。ベローズ出力８０１０は、ＣＴが取得された位相を示す。後に、治療段階中に、肺がベローズによってモニタリングされたような正しい位置にある時に、的を絞った放射線バーストを適用することができる。ベローズが呼吸位相をモニタリングしている間、かつＣＴスキャン中に患者が息を止めた時に、ＣＴスキャンが取得される。後に、患者１８が再度息を止める必要なしに、同じ位相に達した時に、放射線バーストが瞬時に適用される。

いくつかの実施形態は、システム１を使用して呼吸補正を伴う肺生検を行う方法を含む。いくつかの実施形態では、生検部位と患者１８の腰の上のベローズベルトの近くにおいて、追跡固定具６９０が患者１８に取り付けられる。いくつかの実施形態では、患者が息を止めている状態で、呼吸位相をモニタリングしている間、患者１８のＣＴスキャンが行われる。いくつかの実施形態では、臨床医は、ＣＴボリューム上で標的（たとえば、腫瘍）の位置を特定し、上述したような実施形態のうちの少なくとも１つを用いてロボット１５を標的に対して構成する。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの追跡マーカ７２０、７３０の位置に基づいて、ロボット１５は生検部位の上方の適所まで移動する。いくつかの実施形態では、ベローズベルトは適所にあり続け、他の実施形態では、患者１８上のマーカ７２０、７３０は呼吸位相を追跡することができる。いくつかの実施形態では、ベローズまたは追跡マーカ７２０、７３０に基づいて、プラットフォーム３４００内のコンピューティングデバイス３４０１のコンピュータ１００は、ロボット誘導ソフトウェア３４０６を用いて、標的（腫瘍等）の生検を迅速に抽出するように生検銃（バイオプシガン）を展開させるように、校正された呼吸位相中にトリガを送出することができる。いくつかの実施形態では、従来の生検銃（または、図７８の生検銃先端８１００等の器具）を、ロボットのエンドエフェクタ３０に取り付け、従来の機構により（たとえば、トグル式デジタル出力ポートによる等）作動させることができる。たとえば、図示するように、生検銃先端８１００は、ストローク長８１２０、サンプリング窓８１３０および生検先端部８１４０を含む生検針８１１０を備えることができる。いくつかの実施形態では、生検銃先端８１００の生検針８１１０を、エンドエフェクタ３０に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、生検針８１１０を、標的（たとえば、移動する肺腫瘍）の近くの表面組織内に少なくとも部分的に（ロボット１５による誘導により）挿入することができる。いくつかの実施形態では、生検銃先端８１００は、生検を取得するために必要なわずかな貫通のみで、ソフトウェア３４０６トリガによって指示されるように発射することができる。

脳深部刺激（「ＤＢＳ」）では、電極が脳内の標的に精密に配置される必要がある。現行の技術では、骨の解剖学的構造（頭蓋）に対して脳の解剖学的構造を視覚化するために、ＣＴスキャンおよびＭＲＩスキャンを融合することができる。したがって、３Ｄの結合されたＣＴ／ＭＲＩボリュームを使用して、またはＣＴあるいはＭＲＩのみから、電極に対する軌道を計画することが可能である。いくつかの実施形態は、システム１を用いて睡眠時脳深部刺激のためにロボット１５電極を配置することを含み、そこでは、取得されたボリュームを用いて、ロボット１５を校正し、電極植込みのためにガイド５０を保持するようにロボット１５を適所まで移動させることができる。

いくつかの実施形態では、（本発明の一実施形態による図６７に示す）アクティブマーカおよび放射線不透過性マーカに対する１つのあり得る構成を含む、変更されたＭａｙｆｉｅｌｄフレーム６７００を、睡眠時脳深部刺激に対して電極を配置するために使用することができる。いくつかの実施形態では、アクティブマーカ７２０は、それらの最終的な位置が明確に固定される限り、スキャンの時点で取り付けられる必要はない。いくつかの実施形態では、アクティブマーカ７２０の相対位置がスキャンの時点から変化しないままである限り、放射線不透過性マーカ７３０をスキャンの後に取り除くことができる。いくつかの実施形態では、マーカ７３０を、セラミックまたは金属の球体とすることができ、ＭＲＩの場合、好適なマーカは球形ビタミンＥカプセルである。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０は、従来の電極カニューレで供給し、電極ハウジングを患者１８の頭蓋に（たとえば、デバイスを頭蓋に係留するＭｅｄｔｒｏｎｉｃ ＳｔｉｍＬｏｃ（登録商標）リードを用いて）固定するためのインタフェースを含むことができる。ＳｔｉｍＬｏｃ（登録商標）は、Ｍｅｄｔｒｏｎｉｃ，Ｉｎｃ．およびその系列会社の商標である。

いくつかの実施形態では、システム１は、ＤＢＳ電極配置に対して図７９に概説するような方法ステップ７９１０〜７９９０を実行することができる。図示するように、いくつかの実施形態では、患者１８はＭＲＩ７９１０を受けることができ、標的および軌道を計画することができる７９１５。外科手術を、全身麻酔をかけて開始することができ７９２０、（図６７に示すような）頭部フレームを、頭蓋７９２５に３つのスクリューを用いて患者１８に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、ＣＴスキャンを行うことができ７９３０、事前に取得されたＭＲＩ７９１０をＣＴスキャンと融合することができる７９３５。ＣＴスキャン中、ソフトウェアは、頭部保持器に取り付けられているマーカ７２０、７３０に対して解剖学的構造に対して自動的にレジストレーションを行うことができる。いくつかの実施形態では、ロボット１５は、患者１８の皮膚にレーザを向けることにより皮弁をつけることができる７９４０。いくつかの実施形態では、患者１８の皮膚を用意しドレープで覆い７９４５、頭皮皮弁を用意することができる７９５０。図示するように、いくつかの実施形態では、ロボット１５は、進入穴７９５５をレーザであけることができ、ＳｔｉｍＬｏｃを両側に固定することができる７９６０（永久インプラント、電極毎に２つのスクリュー）。いくつかの実施形態では、ロボット１５は、従来の電極ガイドを、標的から固定（既知）の距離で進入点に隣接して自動配置することができる７９６５。いくつかの実施形態では、硬膜を切開することができ、カニューレおよび電極を挿入することができ、ＳｔｉｍＬｏｃｋクリップを配置することができる７９７０。いくつかの実施形態では、患者の頭蓋の反対側に対してステップ７９６５、７９７０が繰り返される７９７５。いくつかの実施形態では、確認ＣＴスキャンが行われ７９８０、ＳｔｉｍＬｏｃの上にクリップが配置され、皮弁が閉鎖される。

いくつかの実施形態では、ロボットシステム１には少なくとも１つのカメラが搭載されている。たとえば、図８１は、本発明の一実施形態によるカメラアームを含むロボットシステムの斜視図を示す。いくつかの実施形態では、視線の問題に対処するために、ロボットから延出しているアーム８２１０上に、患者１８およびロボット１５を追跡するカメラを搭載することができる。図８１に示すように、いくつかの実施形態では、アーム８２１０は関節８２１０ａを介してカメラアーム８２００に結合され、アーム８２１０は、関節８２１０ｂを介してシステム１に結合されている。いくつかの実施形態では、カメラアーム８２００を患者の上方に（たとえば、図８１に示すようにベッドまたはストレッチャの上に横たわる患者１８の上方に）配置することができる。この位置で、いくつかの実施形態では、システム１が使用される時（たとえば、外科手術および／または患者検査中）外科医がカメラを遮る可能性を低くすることができる。さらに、いくつかの実施形態では、関節８２１０ａ、８２１０ｂを使用して、カメラの現位置（すなわち、カメラアーム８２００の位置）を検知することができる。さらに、いくつかの実施形態では、カメラの座標系におけるエンドエフェクタ３０の正確な位置を、各ロボット軸６６、６８、７０、６４の上のモニタリングされるカウントに基づいて計算することができ、いくつかの実施形態では、したがって、カメラ８２００は、患者１８上のマーカ７２０を追跡するだけでよい。

いくつかの実施形態は、ロボットシステム１の搬送のために小型形態に折り畳むことができるアーム８２１０およびカメラアーム８２００を含む。たとえば、図８２Ａは、本発明の一実施形態による、格納位置にあるカメラアームを含むロボットシステムの正面斜視図を示し、図８２Ｂは、本発明の一実施形態による、格納位置にあるカメラアームを含むロボットシステムの背面斜視図を示す。

いくつかの実施形態は、撮像誘導療法のための追跡を用いる前立腺８３３０固定の方法を含むことができる。いくつかの実施形態では、３Ｄ画像誘導を利用して前立腺８３３０内への針（たとえば、７４０５、７４１０、７６００、８１１０）の挿入を可能にするために、基準マーカ７２０、７３０または他の追跡システム３４１７に対する前立腺８３３０の３Ｄスキャンが必要である。しかしながら、前立腺８３３０は相対的に動きやすく、患者１８の移動によりずれる可能性がある。いくつかの実施形態では、追跡マーカ７２０を近接して配置し固定もしながら、前立腺８３３０を固定して、前立腺８３３０における追跡および画像誘導を改善することが可能であり得る。

前立腺８３３０は、解剖学的に、膀胱８３２０、恥骨８３１０および直腸８３４０に隣接して配置されている（たとえば、前立腺８３３０、直腸８３４０、膀胱８３２０および恥骨８３１０の通常の相対位置を示す、仰臥位で横たわっている患者の側面図を示す図８３を参照）。この位置により、特に拡大した時の前立腺８３３０の、直腸８３４０内で適用される前方変位を介して膀胱８３２０および恥骨８３１０に対する閉じ込めが容易になる。いくつかの実施形態では、変位を、バルーン８４１０、パドル８４２０または２つの要素の組合せを用いて適用することができる。たとえば、図８４Ａは、仰臥位に横たわっている患者の側面図を示し、本発明の一実施形態による、バルーンの膨張により、恥骨８３１０に向かう前立腺８３３０の前方変位と、恥骨８３１０に対する制御可能な量の圧迫とをいかにもたらすことができるかを示す。さらに、図８４Ｂは、仰臥位で横たわっている患者の側面図を示し、本発明の一実施形態による、直腸８３４０内のパドルの移動により、恥骨８３１０に向かう前立腺８３３０の前方変位と、恥骨８３１０に対する制御可能な量の圧迫とをいかにもたらすことができるかを示す。

いくつかの実施形態では、バルーン８４１０には、直腸８３４０内に膨張していない状態で挿入することができ、その後、膨張した時、という利点がある。いくつかの実施形態では、バルーン８４１０は、直腸８３４０の壁および前立腺８３３０を恥骨８３１０に向かって側方に変位させる。いくつかの実施形態では、肛門近くの枢動点が使用される場合、パドル８４２０により、直腸壁および前立腺８３３０の側方変位をもたらすことができる。

いくつかの実施形態では、バルーン８４１０およびパドル８４２０からなるデバイスを、基準がデバイスに埋め込まれ、これらの基準が３Ｄ医療画像（たとえばＭＲＩ等）の上で検出可能であるように構成することができる。たとえば、図８５は、本発明の一実施形態による、画像誘導外科処置中に前立腺８３３０を追跡するために使用される標的固定具および固定デバイスの概略図を示す。図示するように、能動追跡マーカ７２０をパドル要素８４２０に、これらの追跡マーカ７２０が直腸８３４０から突出し、医療処置中に追跡カメラ（たとえば、８２００）に可視であるように、堅く相互接続することができる。たとえば、図８６は、本発明の一実施形態による、直腸８３４０内の適所にある図８５に示すようなデバイスの例示を示し、前立腺８３３０は圧迫され固定され、追跡マーカは、直腸８３４０に対して尾側に突出して見える。

いくつかの実施形態では、直腸８３４０の側から側方の力を加えることに加えて、患者１８の腹部の側から側方の力を加えることも可能である。いくつかの実施形態では、直腸壁からの力とともに用いられるこの第２の側方の力は、前立腺８３３０を固定して維持するのに役立つことができる。さらに、それは、追跡マーカ７２０が取り付けられる支持具としての役割を果たすことができ、より優れた安定性のために直腸パドル／バルーン８４２０、８４１０を取り付けることができる支持具としての役割を果たすことができる。いくつかの実施形態では、腹部支持具は、膀胱８３２０領域の頂部に対して押圧するように前方から後方／下方に向かって押圧する部品から構成され得る。たとえば、脚を取り囲む従来のストラップまたは部品が追加の支持を提供することができる。腹部の形状および脚の形状は患者毎に異なるため、いくつかのカスタマイズが有益である。いくつかの実施形態では、熱可塑性材料製の調整可能なストラップおよび支持具を、カスタマイズに利用することができる。いくつかの実施形態では、市販の（たとえば、Ａｑｕａｐｌａｓｔ Ｉｎｃの）熱可塑性支持具を使用することができる。いくつかの実施形態では、支持具は、最初に支持具材料を温水に浸漬して軟化させ、その後、支持具を患者の皮膚にあてがって成形することによって形成される。温水から支持具材料を取り除いた後、温度は、皮膚を火傷させないように十分低いが、支持具材料を１分間〜５分間軟質で維持するのに十分温かい。いくつかの実施形態では、支持具は、冷めると、それが形成される皮膚輪郭を維持する。いくつかの実施形態では、この種の支持具を、前立腺８３３０形状のような成形可能ブリーフを固定するために作製することができる。この場合、支持具は、温水に浸漬され、その後、外部ストラップおよび／または手動圧力を加えて、支持デバイスを前立腺８３３０に向かって押下げる。さらに、いくつかの実施形態では、支持具を２つの半体で製造し、２つの半体が結び付けられている間に成形し、その後、冷めると取り除く（解放する）ことができる（それにより、後に、処置中に同じ形態で再度取り付けることができる）。

いくつかの実施形態では、上述したような要素の組合せ（バルーン８４１０および／またはパドル８４２０を含む）により、前立腺８３３０のリアルタイム追跡と、画像誘導下での標的化に基づく針（たとえば、７４０５、７４１０、７６００、８１１０）の前立腺８３３０への手動によるまたはロボット支援の挿入とが可能になる。いくつかの実施形態では、処置は、上述したような従来の腹部支持デバイスを含むことができる。デバイスは、軟化するまで温水に浸漬し、その後、膀胱８３２０領域および前立腺８３３０に対して前方から後方／下方に穏やかな圧力を維持するように、患者にあてがうことによって用意される。いくつかの実施形態では、触知により、追跡デバイス（図８５に示すマーカ７２０を含む固定具６９０が結合されたパドル８４２０）が、パドル８４２０および放射線不透過性マーカ７３０が前立腺８３３０に隣接するように、直腸８３４０内に挿入される。この場合、外科医が突出するハンドルに手動で穏やかな圧力を加えることにより、内部パドル８４２０の位置を維持することができる。いくつかの実施形態では、バルーン８４１０が膨張して、前立腺８３３０に対して穏やかな圧迫を維持し、恥骨８３１０に対して前立腺８３３０を固定する。いくつかの実施形態では、従来の腹部デバイスが使用される場合、腹部デバイスは、さらなる安定性のためにこの時点で直腸デバイスに相互接続される。いくつかの実施形態では、ＭＲＩが取得される。ＭＲＩ中、能動追跡マーカ７２０は、金属であるため取り付けられない。いくつかの実施形態では、ソケットまたは他の従来のクイックコネクト機械的装置が、マーカ７２０またはマーカツリー（固定具６９０）が後に挿入される場所に存在する。いくつかの実施形態では、ＭＲＩは、前立腺８３３０とハンドル８４２５に埋め込まれた放射線不透過性マーカ７３０との画像を取り込む。いくつかの実施形態では、ＭＲＩを、患者１８がスキャナのガントリ内にはまることができるように患者の脚を下方にして取り込むことができる。いくつかの実施形態では、患者１８は、脚を上げて処置台に配置される。追跡マーカ７３０は、突出したハンドル上のソケット内にスナップ留めされるか、またはマーカ７２０を含むマーカツリー６９０が他の方法で締結される。いくつかの実施形態では、マーカ７３０、７２０のレジストレーションは、医療画像上の放射線不透過性マーカ７３０の位置を自動的に検出する（たとえば、コンピューティングデバイス３４０１を用いてソフトウェア３４０６の１つまたは複数のモジュールを使用する）ソフトウェアによって達成される。いくつかの実施形態では、能動追跡マーカ７２０および放射線不透過性マーカ７３０の基準の既知の相対位置は、患者１８の解剖学的構造、追跡システム３４１７およびソフトウェア３４０６、ならびにロボット１５の座標系を同期させる。いくつかの実施形態では、外科医は、医療画像上で前立腺８３３０への針７４０５挿入のための軌道を計画し、ロボット１５は、既知の長さの針７４０５が所望の深さまで挿入されるようにガイドチューブ５０を所望の３Ｄ位置まで移動させる。

いくつかの実施形態は、画像誘導療法のために二重モード前立腺８３３０追跡を使用することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、光ファイバ追跡を含む２つの追跡モダリティの組合せを用いて前立腺８３３０を正確に追跡することができる。この代替方法を使用するために、光学トラッカ（光ファイバプローブ８７００）が、最初に外側から適用される。このプローブ８７００は、ＣＴ撮像を用いる脊椎追跡の場合のように、上述した方法と実質的に同様に、３Ｄ医療画像に対して（たとえば、ＭＲＩスキャンを用いて）レジストレーションが行われる。いくつかの実施形態では、医療画像およびカメラ８２００の座標系が同期するようにレジストレーションを行い校正した後、前立腺８３３０の移動に対する更新および補正手段を使用することができる。いくつかの実施形態では、プローブ８７００は、ブラッググレーティング（Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ）による光ファイバセンサを備えることができる。たとえば、図８７は、本発明の一実施形態による、可撓性光ファイバケーブルを用いるファイバブラッググレーティング（「ＦＢＧ」）インタロゲーション（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ）技術の実演を示す。図示するように、この技術は、Ｔｅｃｈｎｏｂｉｓ Ｆｉｂｒｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、Ｕｉｔｇｅｅｓｔ、Ｈｏｌｌａｎｄから入手可能である。光ファイバケーブルが手で曲げられると、システムは、ケーブルが変形する位置を正確に検知する。図８８に示すように、いくつかの実施形態では、プローブ８７００を、センサの先端を前立腺８３３０に配置して尿道内に挿入することができる。前立腺８３３０が尿道を包囲するため、尿道内に配置されたプローブ８７００等のセンサは、前立腺８３３０がいかに移動するかを非常に正確に示すはずである。図示するように、プローブ８７００を、マーカ７２０、７３０を含む固定具６９０に結合し、ロボット１５に結合され、コンピュータ１００に、コンピュータ１００に結合された光学トラッカ電子回路８８１０および光ファイバ電子回路８００によって結合することができる。

いくつかの実施形態では、ＭＲＩで視覚化されることが可能なマーキング８９１０（グラデーション）を、プローブ８７００の外側シャフトに配置することができる（たとえば、図８９を参照）。いくつかの実施形態では、プローブ８７００が尿道内の適所にある間にＭＲＩが取得される場合、プローブ８７００の長さに沿ったいずれの１つまたは複数の点が前立腺８３３０内の主要な目印（たとえば、遠位入口、近位出口、中間点）を表すかを判断することができる。いくつかの実施形態では、その後、処置の間に、光ファイバ電子回路８８００によってこれらの点を追跡することができる。いくつかの実施形態では、その後、それらの点を使用して、周囲の解剖学的構造（特に、追跡マーカ７２０、７４０が取り付けられる解剖学的構造）が前立腺８３３０に対してシフトする場合であっても、局所座標系が光学追跡システム３４１７の座標系と適切に同期したままであるように、前立腺８３３０の座標系を調整することができる。言い換えれば、患者の皮膚の表面における追跡マーカ７２０、７３０の位置は、前立腺８３３０が目下位置する場所のおよその推定を与え、（追跡固定具６９０に堅く相互接続される）光ファイバプローブ８７００は、この位置を、精度を実質的に向上させかつ前立腺８３３０のシフトを考慮するように補正する。

いくつかの実施形態では、上述したような実施形態のうちの１つまたは複数を用いて、画像誘導療法を行うことができる。たとえば、いくつかの実施形態では、図８８に示すような光ファイバプローブは、光学的に可視８９００およびＭＲＩ可視８９１０を含むことができる。いくつかの実施形態では、プローブ８７００は、陰茎内に挿入され、先端が膀胱８３２０内に入るまで進められる（図８９に示す）。いくつかの実施形態では、マーキング８９００、８９１０は、光ファイバのいずれの部分が前立腺８３３０内に配置されているかに関する情報を提供する。いくつかの実施形態では、挿入深さは、陰茎に入っていない近位端における可視マーキング８９００に基づいて記録される。いくつかの実施形態では、この情報を用いて、プローブ８７００が移動したか否かを検査するか、またはプローブ８７００が意図的に動かされた場合にそれを再配置することができる。いくつかの実施形態では、近位端を陰茎に固定して（テープで留めて）患者１８の移動による前進または引抜を防止することができる。いくつかの実施形態では、遠位端は、容易に膀胱８３２０から出るように摺動するのを防止する機構を有することができる。たとえば、図９０に示すように、いくつかの実施形態は、膨張式先端部８９２０を備えたプローブ８７００を含む。いくつかの実施形態では、膨張式先端部８９２０を、先端部の近くの領域で拡大または膨張させることができる。いくつかの実施形態では、先端部８９２０は、先端部が膀胱８３２０内に入った後に膨張可能なバルーンを備え、他の実施形態では、先端部８９２０は、先端部が膀胱８３２０内に入った後に展開する従来の軟質の翼を備える。図９０に示すように、いくつかの実施形態では、標的固定具６９０は、会陰部の領域（または腹部あるいは他の好適な表面）において患者１８に取り付けられる。標的固定具は、ＭＲＩ（または他の３Ｄスキャン）で現れる埋め込まれた放射線不透過性基準マーカ７３０を有し、後に能動追跡マーカ７２０との取付を許容する従来のクイックコネクトインタフェースが備えられている。これらの追跡マーカ７２０は、特にＭＲＩ互換性でない場合、存在する必要はない。標的固定具６９０を、光ファイバプローブ８７００の近位端に堅く相互接続することができる。

いくつかの実施形態では、患者１８は、スキャンの前にＭＲＩスキャナのガントリの外側または中に配置される。いくつかの実施形態では、光ファイバ追跡システム９１００は、後に参照するためにその全長に沿って光ファイバプローブ８７００の位置を記録するように短時間起動される（図９１を参照）。記録されると、光ファイバ追跡システム９１００用の電子インタフェース（８８００）を切り離し、ＭＲＩ領域から取り除くことができる。

いくつかの実施形態では、ＭＲＩスキャンが得られる。スキャンは、前立腺８３３０と、標的固定具６９０上の放射線不透過性基準７３０と、光ファイバプローブ８７００で追跡される尿道管に沿って存在するマーキング８９１０とを視覚化しなければならない。いくつかの実施形態では、スキャン時に光ファイバプローブ８７００に沿った前立腺８３３０の位置は、その表面の放射線不透過性マーキング８９１０から記録される。

いくつかの実施形態では、患者が処置台に配置され、光学追跡マーカ７２０が標的固定具にスナップ留めされ（図９２を参照）起動される。いくつかの実施形態では、マーカ７２０のレジストレーションは、医療画像上の放射線不透過性マーカ７３０の位置を自動的に検出するソフトウェアにより（たとえば、デバイス３４０１内の１つまたは複数のモジュールにより）達成される。能動追跡マーカ７２０および放射線不透過性基準７３０の既知の相対位置は、解剖学的構造、追跡システム３４１７およびロボット１５の座標系を同期させる。光ファイバ追跡システム９１００が起動される。

いくつかの実施形態では、ＭＲＩスキャンに記録された位置からの前立腺８３３０のオフセットが、ＭＲＩスキャン時の位置に対するプローブ８７００の光学的に検知された位置における前立腺８３３０のオフセットとして求められる。いくつかの実施形態では、外科医は、針７４０５を前立腺８３３０に挿入するための軌道を（医療画像から）計画し、ロボット１５は、針７４０５が所望の深さに挿入されるようにガイドチューブ５０を所望の３Ｄ位置まで移動させる（図９３を参照）。幾つかの実施形態では、前立腺８３３０の正確な領域が標的となることを確実にするために必要なオフセットは、プローブ８７００が検知するオフセットとガイドチューブ５０の位置とから求められる。

いくつかの他の実施形態では、プローブ８７００を、食道に挿入して、胃、腸、または消化系のあらゆる部分の移動を追跡することができる。いくつかの実施形態では、プローブ８７００を血管内に挿入して、体内の主要血管の位置を追跡することができる。いくつかの実施形態では、プローブ８７００を、尿道を通して膀胱、尿管または腎臓内に挿入することができる。すべての場合において、それは、治療のためのより優れた追跡のための内部箇所を局所化するのに役立つ。

いくつかのさらなる実施形態では、プローブ８７００を、他の使用のために従来のカテーテルと結合することができる。たとえば、流体を、長さを通してプローブ８７００に取り付けられる中空の従来のカテーテルを通して注入するかまたは抜き取ることができる。さらに、いくつかの実施形態では、従来のバルーンカテーテルも利用することができる。バルーンを、尿道または体内の他の部分の中でプローブ８７００の一部を固定するように一時的に膨張させることができ、それにより、所望の場所に配置されると、プローブ８７００は前方または後方に移動しないことが確実になる。

放射線なしでの軟組織および骨の解剖学的構造のリアルタイム３Ｄ視覚化のための多数の技法が利用可能であり、かつ／または開発中である。いくつかの実施形態では、手術ロボット１５は、外科手術、または他の画像誘導療法中、これらの技術を使用することができる。いくつかの実施形態では、リアルタイム３Ｄ視覚化、自動非直線経路計画、ならびに非直線経路における可撓性カテーテルまたはワイヤ（たとえば、ワイヤ７４０５、７４１０、８６００または８１１０）の自動操縦および前進の使用は、ますます重要になっている。

いくつかの実施形態では、ＭＲＩ（磁気共鳴画像法）と超音波または造影超音波（「ＣＥＵＳ」）とを組み合せることによって軟組織をリアルタイムに視覚化することが可能であり得る。たとえば、いくつかの実施形態では、対象となる解剖学的構造のＭＲＩスキャンおよびベースライン超音波スキャンが得られる。いくつかの実施形態では、超音波で視覚化される目印は、ＭＲＩ（たとえば、器官、血管、骨などの輪郭）に相関される。いくつかの実施形態では、主要な目印の別個の組を、これらの目印の間の他の関心点の移動を補間することができるように相関させることができる。いくつかの実施形態では、コンピュータ化された幾何学モデル（その移動しないベースライン位置はＭＲＩ上で見られる解剖学的構造に対応する）が生成される。そして、超音波で目印点の移動が検出されると、モデルで視覚化された対応する組織の位置を調整することができる。いくつかの実施形態では、超音波を連続的に送ることができ、目印の位置に関するリアルタイムデータが提供される。いくつかの実施形態では、目印の位置の変化を用いて、リアルタイムにモデルを更新し、放射線への曝露なしに軟組織の正確な３Ｄ表現が提供される。いくつかの実施形態では、従来の超音波プローブに取り付けられた光学追跡マーカ７２０は、モデル校正に影響を与える、解剖学的構造に対するプローブの移動に関するデータを提供することができる。いくつかの実施形態では、軟組織上の点の正確な３Ｄ位置に対して、互いに対して固定した向きに係止されたいくつかの従来の超音波プローブを利用する必要がある場合がある。他の実施形態では、超音波プローブを同期させることができ、それにより、それらの相対位置が既知となるかまたはそれを抽出することができる。いくつかの実施形態では、複数の従来の超音波プローブ上の光学マーカ７２０は、同じ座標系における複数の超音波プローブの向きのレジストレーションを可能にする。

本発明のいくつかのさらなる実施形態では、微弱電流として組織の導電性、静電容量またはインダクタンス等、対象となる組織までの距離を評価する他の方法が適用される。

軟組織を視覚化するための上述したモデリング手法では、多数の目印を追跡することが、モデルが正確であることを確実にするのに役立つということが理解されるべきである。しかしながら、多数の目印がプロセスの速度を落とし、リアルタイム更新を不可能にし、または冗長なレジストレーションプロセスを必要とする可能性があるというトレードオフがある。いくつかの実施形態では、追跡される目印が少なくなると、モデルの追跡されない部分の変形を予測する組織モデリングがますます重要になる。いくつかの実施形態では、組織モデリングの場合、組織の弾性および他の機械的特性が必要である。分光法等の機構を通して組織の状態を評価することを可能とすることができ、その場合、組織を通過した光の吸光度が、組織の組成、導電性、ＤＥＸＡスキャン、ＭＲＩスキャン、ＣＴスキャンまたは他の手段に関する情報を提供することができる。この情報を、軟組織の変形のより優れた推定を可能にするためにコンピュータモデルに提供することができる。

軟組織を視覚化する別のあり得る機構は、種々の組織が外部スキャンによって一時的に検出可能となるようにする、患者１８内に従来の液体トレーサを注入することを含むことができる。たとえば、トレーサは、いくつかのタイプの細胞に対して他のタイプの細胞より吸引される放射性同位元素を含むことができる。そして、患者が従来の放射線センサのアレイの近くに配置されると、センサは、種々の空間的位置において同位元素の濃度を検出することができる。

いくつかの実施形態は、ユーザがロボット１５のインタフェースを介して可撓性カテーテルまたはワイヤ（たとえば、ワイヤ７４０５、７４１０、７６００または８１１０）の前進および方向を制御するのを可能にする機構を含む。いくつかの実施形態では、この機構は、ロボットのエンドエフェクタ３０内にスナップ式に嵌まるかまたは係止され得る。いくつかの実施形態では、ロボットのエンドエフェクタ３０のガイドチューブ５０は、カテーテルまたはワイヤのそれが患者の体内に入る箇所における正確に制御された向きおよび位置を提供する。いくつかの実施形態では、その後、この機構により、ユーザは、チューブ５０の前進の速度および量、チューブ５０の回転の速度および量、ならびに（たとえば、図７３において操縦可能な針７６００に関して上述したような）操縦ＲＦエネルギーの作動を制御することができる。いくつかの実施形態では、軟組織の状態と、患者の体内への進入口と標的との間の血管、神経または器官等の障害物の位置とに関する想定に基づいて、非直線経路が、パラメータがユーザに制御されてソフトウェア３４０６によって計画される。たとえば、いくつかの実施形態では、本方法は、「５ｍｍ前進、＋３５°の方位角に向かって操縦するように作動、１°／秒で回転している間に５ｍｍ前進を継続」等、コマンドシーケンスを含むことができる。いくつかの実施形態では、カテーテルまたはワイヤ７６００（または他のワイヤ７４０５、７４１０または８１１０）の前進中、チップのリアルタイム位置は、ＬＰＳまたは他の視覚化手段を用いて追跡される。いくつかの実施形態では、経路計画は、予測された経路からの逸脱に基づいて再計算され、前進が継続する。いくつかの実施形態では、この前進／回転スナップ取付式機構を、傾斜した針と使用して、傾斜の方向、および前進する時に針を傾斜面から離れて側方に移動させる傾斜面偏向力を利用することも可能である。いくつかの実施形態では、ソフトウェア３４０６は、針前進の種々の段階の間に傾斜のいずれの方向が向けられるべきであるかを計画する。

いくつかの実施形態では、上述したものに類似する機構を、自動穴作製およびスクリュー挿入に使用することも可能である。たとえば、いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ３０は、手術野１７の外側のいずれかに位置する従来の器具収納場所から器具が取り出されるのを可能にする従来の機構を有することができる。いくつかの実施形態では、器具ホルダの特徴により、器具の容易な自動係合および係合解除が可能になる。いくつかの実施形態では、器具を取り出した後、エンドエフェクタ３０は、計画されたねじ位置まで移動し、アセンブリを前進させながら最適な穴あけ速度で回転させることによりパイロット穴をあける。いくつかの実施形態では、その後、システム１は、ドリルを収納場所に戻し、適切なサイズのスクリューとともにドライバを取り出すように、ロボット１５を誘導する。いくつかの実施形態では、その後、スクリューは自動的に配置され挿入される。いくつかの実施形態では、スクリューの挿入中、骨内へのスクリューの十分な食い込みを提供するように推力およびトルクが調整されるべきである。すなわち、回転中に適切な量の前方推力が加えられるべきであり、そのため、スクリューは穴をすりへらさない。

本方法のいくつかの実施形態は、従来のスクリューを自動的に位置決めするアルゴリズムも含む。たとえば、いくつかの実施形態では、種々の考慮事項により、スクリューを配置すべき場所の判断が決まる可能性がある。いくつかの実施形態では、スクリューを、スクリューが最も厚く強力な骨によって包囲されるように、骨の中に配置することが望ましい場合がある。いくつかの実施形態では、ＣＴスキャンまたはＤＥＸＡスキャンから最良の質の骨の位置を特定し、スクリューの周囲の骨の幅が最も厚く、または大部分、海綿骨質の代りに皮質骨内に残るような、最適な軌道を見つけるアルゴリズムを使用することができる。いくつかの実施形態では、スクリューに対して最も垂直であるか、または骨の関節接合部のピークまたは勾配の代りに「谷」にある進入点において、骨の中にスクリューを配置することが望ましい場合がある。いくつかの実施形態では、スクリューをこのように配置することにより、挿入中に回避するかまたは回転する可能性が低くなり、したがって、最終的により正確な挿入位置になる可能性が高い。いくつかの実施形態では、表面にアクセスし、骨表面に対して垂直に骨を貫通しながらスクリューを標的に誘導するための最適な進入点を見つけるアルゴリズムを使用することができる。他の実施形態では、スクリュー頭部のすべてが直線でまたは椎弓根湾曲に沿って整列するように、スクリューを多段ケースに配置することが望ましい場合がある。いくつかの実施形態では、スクリュー頭部をこのように位置合せすることにより、外科医が相互接続ロッドを曲げなければならない量が最小限になり、処置の時間が短縮し、曲げの繰返しのために金属ロッドが脆弱化することが低減される。いくつかの実施形態では、予期された頭部位置を計画されている際に追跡し、同等の骨の足掛かりを提供するが、より適切なロッド位置合せを提供する軌道への調整を提案するアルゴリズムを使用することができる。

本発明のいくつかの実施形態は、放射源から受光器のアレイまでのＲＦ信号の飛行時間を用いて放射源の位置を特定する、ＬＰＳシステムを使用することができる。いくつかの実施形態では、ＬＰＳシステムの精度を、それを他のモダリティと組み合せることによって向上させることが可能であり得る。たとえば、いくつかの実施形態では、ＲＦが進む領域における組織および他の媒体の密度および位置を評価するために、磁場、超音波スキャン、レーザスキャン、ＣＴ、ＭＲＩまたは他の手段を使用することが可能であり得る。ＲＦは種々の媒体（空気、組織、金属等）を通って種々の速度で進むため、ＲＦが通って進む媒体の空間的な向きを知ることにより、飛行時間計算の精度が向上する。

いくつかの実施形態では、ロボット１５の拡張は、ガイドチューブ５０内に従来の超音波プローブを挿入することを含むことができる。いくつかの実施形態では、ガイドチューブ５０が前方にあるものを視覚化するのに役立つように、ガイドチューブ５０が軟組織を貫通する際に、超音波プローブを使用することができる。ガイドチューブ５０が前進して、軟組織を貫通し骨に近づくと、超音波プローブは、近づいている骨の輪郭を検出することができる。いくつかの実施形態では、この情報を視覚的基準として使用して、近づいている実際の解剖学的構造が、ロボットがナビゲートしている３Ｄ再スライス医療画像に目下示されている解剖学的構造と同じであることを確認することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、骨の小さい突起が、前方に押されているプローブ／ガイド５０の正確な中心に近づいている場合、隆起した骨を表す超音波場の中心の領域が、骨に対する最短距離を示すべきであり、一方で、外周部に向かう領域は、骨に対するより長い距離を示すべきである。いくつかの実施形態では、再スライス医療画像上の骨の関節接合部の位置が、プローブが近づいている場所の２Ｄ超音波像と整列するように見えない場合、この位置ずれを用いて、医療画像に対するロボット１５のレジストレーションを調整することができる。同様に、いくつかの実施形態では、プローブチップの骨までの距離が医療画像で知覚された距離に一致しない場合もまた、レジストレーションを調整することができる。いくつかの実施形態では、ガイドチューブ５０が骨以外の何かに近づいている場合、この方法は、内部軟組織、器官、血管および神経の相対移動が発生する時を示すためにも有用であり得る。

いくつかの実施形態は神経検知プローブを含むことができる。たとえば、いくつかの実施形態では、貫通するプローブが神経に近いか否かを検知するために、印加された電流に対する筋電図検査（「ＥＭＧ」）反応を使用することができ、ロボット１５が神経をよける能力が可能になる。たとえば、図９４に示すように、プローブ９４００を使用することができ、細いワイヤ９４１０が先端部９４０５から前方に、先端部９４０５の一方の側に伸長するのを可能にするプローブ９４００の中心軸から１つまたは複数の挿管ずれがある。傾斜した先端部９４０５（または円錐状あるいは丸い先端部）を使用することができる。

いくつかの実施形態では、プローブ９４００を手動でまたは自動的に前進させかつ停止させることができ、その後、刺激ワイヤ９４１０を伸長させ電流を印加することができる。いくつかの実施形態では、ＥＭＧを検査して、神経が近接しているか否かを検証することができる。いくつかの実施形態では、刺激ワイヤ９４１０を後退させることができ、刺激ワイヤ９４１０用の入口が異なる方位角指標に配置されるように、プローブ９４００を回転させることができる。いくつかの実施形態では、プローブ９４００を再度伸長させて、前方の異なる領域に神経が存在するか検査することができる。いくつかの実施形態では、神経に遭遇した場合、神経がいずれの方向に位置しているかと、神経を回避するようにプローブ９４００をいずれの方向に操縦される必要があるかとが分かる。いくつかの実施形態では、単一ワイヤ９４１０が伸長し神経があるかを検査する代りに、複数のワイヤ９４１０を、プローブ９４００の周囲のいくつかの入口から同時に伸長させることができる。いくつかの実施形態では、ワイヤ９４１０は逐次起動されて、ＥＭＧ信号を検査し、いずれのワイヤ９４１０が回避するかまたはよける方向を特定するような応答をもたらしたかを識別することができる。いくつかの実施形態では、プローブ９４００の進行を遮ることを回避するようにプローブ９４００をさらに前進させようとする前に、刺激ワイヤ９４１０を完全に後退させる必要がある可能性がある。いくつかの実施形態では、刺激ワイヤ９４１０は、神経損傷をもたらすことなく神経を貫通することができるように十分小さい直径を有する。

本明細書の別の場所で示したように、患者１８の体内への経路に対するロボット１５が実行する軌道は、ソフトウェア（たとえば、コンピュータ１００を含むコンピューティングデバイス３４０１で実行しているソフトウェア３４０６の少なくとも１つのモジュール）を用いて計画され、そこでは、所望のベクトルは、画像上の放射線不透過性マーカ７３０に対して、したがって標的固定具６９０上のアクティブマーカ７２０に対して定義される。いくつかの実施形態では、これらの軌道を、画像が取得された後、レジストレーションが行われる前、または行われた後の任意の時点で計画することができる。いくつかの実施形態では、この軌道計画を、別のコンピュータ化デバイスで行うことができる可能性がある。たとえば、いくつかの実施形態では、従来の携帯型デバイス（タブレットコンピュータ、またはラップトップコンピュータ、またはスマートフォンコンピュータ）を使用することができる。いくつかの実施形態では、３Ｄ画像ボリュームは携帯型デバイスに転送され、その後、ユーザが、所望の軌道を計画し保存する。いくつかの実施形態では、ロボット制御が必要な場合、この同じ画像ボリュームを、ロボット１５を制御するコンソールにロードすることができ、軌道計画を、携帯型デバイスから転送することができる。いくつかの実施形態では、したがって、このアルゴリズムを用いて、一連の患者１８に対して各々に対し追跡固定具６９０が付与されＣＴスキャン等の撮像スキャンが行われることが可能である。いくつかの実施形態では、各患者１８に対する３Ｄボリュームを異なる携帯型デバイスのエクスポートすることができ、同じかまたは異なる外科医が、各患者１８に対して軌道を計画することができる。いくつかの実施形態では、その後、同じかまたは異なるロボット１５が、部屋の間を移動することができる。いくつかの実施形態では、各部屋において、ロボット１５は、滅菌され（または滅菌ドレープがかけられ）、スキャンおよび軌道計画を受ける。その後、ロボット１５は、計画を実行し、その後、次の部屋に移動してプロセスを繰り返す。同様に、放射線不透過性マーカ７３０に対して３Ｄ画像ボリュームが探索されるレジストレーションプロセスの部分を、携帯型デバイスで実行することができる。その後、いくつかの実施形態では、ロボット１５が到着した時、レジストレーション情報および軌道はともにロボット１５コンソールに転送される。いくつかの実施形態では、この手続きに従うことにより、ロボット１５コンソールにおける画像探索アルゴリズムの計算の時間がなくなり、ロボット１５が複数の部屋で必要とされる場合のプロセス全体の効率が向上する。

上記明細書において、本発明のいくつかの実施形態について開示したが、本発明が関連し、上述した説明および関連する図面に提示した教示の利益を有する本発明の多くの変更および他の実施形態が、思い浮かぶことが理解される。したがって、本発明は、本明細書において上で開示した具体的な実施形態に限定されず、添付の請求項の範囲内に多くの変更および他の実施形態が含まれるように意図されていることが理解される。さらに、本明細書において、かつ以下の特許請求の範囲において、具体的な用語が使用されているが、それらは、単に包括的かつ説明的な意味で使用されており、記載した発明および以下の特許請求の範囲を限定する目的ではない。

当業者により、本発明を特定の実施形態および例に関連して上述したが、本発明は必ずしもそのように限定されるものではなく、多数の他の実施形態、例、使用、変更、ならびに実施形態、例および使用からの逸脱が、本明細書に添付の特許請求の範囲によって包含されるように意図されていることが認識されよう。本明細書で引用した各特許および刊行物の開示全体が、こうした特許または刊行物の各々が参照により個々に本明細書に組み込まれているかのように、参照により組み込まれる。本発明のさまざまな特徴および利点を、以下の特許請求の範囲に示す。

Claims (27)

1. 医療ロボットシステムであって、
   エフェクタ要素に結合されたロボットであって、制御されて移動し位置決めされるように構成されたロボットと、
   １つまたは複数の信号を発するように構成された少なくとも１つの送信器であって、前記エフェクタ要素に結合された器具に結合されている少なくとも１つの送信器と、
   前記ロボットに結合されたモータアセンブリであって、前記エフェクタ要素をｘ軸、ｙ軸およびｚ軸のうちの１つまたは複数に沿って移動させ、その際、前記ｘ軸、前記ｙ軸または前記ｚ軸のうちの１つに沿った前記エフェクタ要素の移動が、前記ｘ軸、前記ｙ軸および前記ｚ軸のうちの他の軸に沿った前記エフェクタ要素の移動とは独立して発生するように構成され、前記ｘ軸が前記ｙ軸および前記ｚ軸に対して実質的に垂直であり、前記ｙ軸が前記ｘ軸および前記ｚ軸に対して実質的に垂直であり、前記ｚ軸が前記ｘ軸および前記ｙ軸に対して実質的に垂直である、モータアセンブリと、
   前記少なくとも１つの送信器によって発せられる前記１つまたは複数の信号を受信するように構成された複数の受信器と、
   前記モータアセンブリおよび前記複数の受信器に結合された制御ユニットであって、前記モータアセンブリに１つまたは複数の命令信号を供給するように構成され、前記命令信号が、前記モータアセンブリに対して、前記エフェクタ要素を前記ｘ軸、前記ｙ軸および前記ｚ軸のうちの少なくとも１つに沿って選択的に移動させるように構成され、前記制御ユニットが、（ｉ）前記複数の受信器によって受信される前記信号の分析により前記少なくとも１つの送信器の位置を計算し、（ｉｉ）前記患者の身体に対する前記少なくとも１つの送信器の位置を表示し、（ｉｉｉ）前記複数の受信器によって受信される前記信号に応じて、前記モータアセンブリの作動を選択的に制御するようにさらに構成されている、制御ユニットと、
   を備えるシステム。
2. 前記エフェクタ要素がチューブを備え、前記チューブが、ピッチ軸、ロール軸および前記チューブの回転軸を定義するチューブ軸を有する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記エフェクタ要素が針を備える、請求項１に記載のシステム。
4. 前記複数の受信器が少なくとも３つの受信器を含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記制御ユニットが、前記複数の受信器から反復的に情報を受け取るように適合される、請求項１に記載のシステム。
6. 前記制御ユニットが、前記複数の受信器から動的に情報を受け取るように適合される、請求項１に記載のシステム。
7. 前記制御ユニットが、ユーザが、前記患者の体内の所望の位置を選択するのを可能にし、かつ前記モータアセンブリが前記エフェクタ要素を前記所望の位置まで移動させるのを可能にする情報を動的に提供するように適合される、請求項１に記載のシステム。
8. 前記制御ユニットが、特別に構成されたコンピュータを含む、請求項１に記載のシステム。
9. 前記少なくとも１つの送信器が、前記制御ユニットに動作可能に結合され、前記制御ユニットが、前記少なくとも１つの送信器に対して１つまたは複数の選択された時点で信号を発するように構成される、請求項１に記載のシステム。
10. 前記制御ユニットが、前記少なくとも１つの送信器に対して選択された周波数で信号を発するように適合される、請求項１に記載のシステム。
11. 前記複数の送信器が少なくとも３つの送信器を含む、請求項１に記載のシステム。
12. 前記エフェクタ要素が外面を有し、複数の送信器が、前記エフェクタ要素の外面の周囲に半径方向に間隔を空けて配置される、請求項１に記載のシステム。
13. 前記エフェクタ要素の遠位端が前縁を画定し、前記複数の送信器のうちの少なくとも１つが、前記エフェクタ要素の前記前縁に位置する、請求項１に記載のシステム。
14. 医療ロボットシステムであって、
    エフェクタ要素に結合されたロボットであって、制御されて移動し位置決めされるように構成されたロボットと、
    １つまたは複数の信号を発するように構成された少なくとも１つの送信器であって、前記エフェクタ要素に結合されている少なくとも１つの送信器と、
    前記ロボットに結合されたモータアセンブリであって、前記エフェクタ要素をｘ軸、ｙ軸およびｚ軸のうちの１つまたは複数に沿って移動させ、その際、前記ｘ軸、前記ｙ軸または前記ｚ軸のうちの１つに沿った前記エフェクタ要素の移動が、前記ｘ軸、前記ｙ軸および前記ｚ軸のうちの他の軸に沿った前記エフェクタ要素の移動とは独立して発生するように構成され、前記ｘ軸が前記ｙ軸および前記ｚ軸に対して実質的に垂直であり、前記ｙ軸が前記ｘ軸および前記ｚ軸に対して実質的に垂直であり、前記ｚ軸が前記ｘ軸および前記ｙ軸に対して実質的に垂直である、モータアセンブリと、
    前記少なくとも１つの送信器によって発せられる前記１つまたは複数の信号を受信するように構成された複数の受信器と、
    前記モータアセンブリおよび前記複数の受信器に動作可能に結合された制御ユニットであって、前記エフェクタ要素を前記ｘ軸、前記ｙ軸および前記ｚ軸のうちの少なくとも１つに沿って選択的に移動させるように、前記モータアセンブリを動作可能に制御するように構成され、（ｉ）前記複数の受信器によって受信される前記信号の分析により前記少なくとも１つの送信器の位置を計算し、（ｉｉ）前記患者の身体に対する前記少なくとも１つの送信器の位置を表示し、（ｉｉｉ）前記エフェクタ要素またはそれに結合された器具の所望の軌道の選択を可能にし、（ｉｖ）前記複数の受信器によって受信される前記信号に応じて、前記所望の軌道選択に基づいて前記モータアセンブリの作動を選択的に制御するようにさらに構成されている制御ユニットと、
    を備える医療ロボットシステム。
15. 前記所望の軌道を、前記システムから独立したコンピュータデバイスで選択することができる、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記コンピュータデバイスが、タブレットコンピュータ、ラップトップコンピュータおよびスマートフォンのうちの少なくとも１つを含む、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記エフェクタ要素が、前記器具を結合することができるチューブを備える、請求項１４に記載のシステム。
18. 前記複数の受信器が少なくとも３つの受信器を含む、請求項１４に記載のシステム。
19. 前記制御ユニットが、前記複数の受信器から反復的に情報を受け取るように適合される、請求項１４に記載のシステム。
20. 前記制御ユニットが、前記複数の受信器から動的に情報を受け取るように適合される、請求項１４に記載のシステム。
21. 前記制御ユニットが、ユーザが、前記患者の体内の所望の位置を選択するのを可能にし、かつ前記モータアセンブリが前記エフェクタ要素を前記所望の位置まで移動させるのを可能にする情報を動的に提供するように適合される、請求項１４に記載のシステム。
22. 前記制御ユニットが、特別に構成されたコンピュータを含む、請求項１４に記載のシステム。
23. 前記少なくとも１つの送信器が、前記制御ユニットに動作可能に結合され、前記制御ユニットが、前記少なくとも１つの送信器に対して１つまたは複数の選択された時点で信号を発するように構成される、請求項１４に記載のシステム。
24. 前記制御ユニットが、前記少なくとも１つの送信器に対して選択された周波数で信号を発するように適合される、請求項１４に記載のシステム。
25. 前記複数の送信器が少なくとも３つの送信器を含む、請求項１４に記載のシステム。
26. 前記エフェクタ要素が外面を有し、複数の送信器が、前記エフェクタ要素の外面の周囲に半径方向に間隔を空けて配置される、請求項１４に記載のシステム。
27. 前記エフェクタ要素の遠位端が前縁を画定し、前記複数の送信器のうちの少なくとも１つが、前記エフェクタ要素の前記前縁に位置する、請求項１４に記載のシステム。

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