JP2015534480A - 光学式センサ及び非光学式センサを備えたナビゲーションシステム - Google Patents

Abstract

光学式センサ及び非光学式センサを用いて対象の位置及び向きの少なくとも一方を求めるシステム及び方法である。ナビゲーションシステム（２０）は、マーカ（５０）から光学信号を受信する光学式センサ（４０）と、ジャイロスコープ等の、非光学データを生成する非光学式センサ（６０）とを備えている。ナビゲーションコンピュータ（２６）は、光学データ及び非光学データに基づいて対象の位置及び向きの少なくとも一方を求める。【選択図】図２

Description

本発明は概して、空間における対象の位置及び向きの少なくとも一方における経時的な変化を求めることにより、前記対象を追跡するナビゲーションシステムに関する。より具体的には、本発明は、光学式センサ及び非光学式センサを用いて対象の位置及び向きの少なくとも一方を求めるナビゲーションシステムに関する。

［関連出願］
本願は、２０１２年９月２６日出願の米国仮特許出願第６１／７０５，８０４号及び２０１３年９月２４日出願の米国非仮出願第１４／０３５２０７号に基づく優先権及び利益を主張するものである。これら米国出願の全体の内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。

ナビゲーションシステムは、ユーザが対象の位置を正確に突き止めることを支援するものである。例えば、ナビゲーションシステムは、産業、航空宇宙、防衛、及び医療の用途において用いられる。医療の分野では、ナビゲーションシステムは、外科医が患者の解剖学的組織（anatomy）に対して外科用器具を正確に配置することを支援する。

ナビゲーションシステムが用いられる外科には、神経外科及び整形外科が含まれる。多くの場合、器具及び解剖学的組織はともに、ディスプレイに表示されるそれらの相対的な動きによって追跡される。ナビゲーションシステムは、解剖学的組織の術前画像又は術中画像とともに、移動する器具を表示することができる。術前画像は、通常、ＭＲＩスキャン又はＣＴスキャンによって作成される一方で、術中画像は、フルオロスコープ、低レベルＸ線、又は任意の同様のデバイスを用いて作成することができる。あるいは、幾つかのシステムは画像レスであり、これらのシステムでは、患者の解剖学的組織がナビゲーションプローブによって「描かれ（painted）」、表示用の解剖モデルに数学的にフィッティングされる。

ナビゲーションシステムは、器具及び解剖学的組織の位置と向きとの少なくとも一方を追跡するために、光信号、音波、磁場、ＲＦ信号等を用いることができる。光学式ナビゲーションシステムが、そのようなシステムの精度に起因して広く用いられている。

従来の光学式ナビゲーションシステムは通常、１以上の光学式センサ（電荷結合素子、すなわちＣＣＤ等）を収容した１以上のカメラユニットを備えている。この光学式センサは、器具及び解剖学的組織に取り付けられたトラッカから出された光を検出する。各トラッカは、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の複数の光放出器を有している。これらのＬＥＤは上記センサに対して光を周期的に送り、当該ＬＥＤの位置が決定される。

器具トラッカにおけるＬＥＤの位置は、カメラ座標系を基準とした当該器具の作業端（working end）の座標と関係している。解剖学的組織の（複数の）トラッカにおけるＬＥＤの位置は、カメラ座標系を基準とした３次元空間における当該解剖学的組織の対象エリアの座標と関連がある。したがって、解剖学的組織の対象エリアを基準とした器具の作業端の位置及び向きの少なくとも一方を追跡し表示することができる。

ナビゲーションシステムは、外科用器具の動きを制御するために閉ループ方式で用いることができる。これらのナビゲーションシステムにおいては、器具及び対象となる解剖学的組織の双方にトラッカが設けられており、ナビゲーションシステムはそれらの位置及び向きを追跡することができるようになっている。そして、ナビゲーションシステムからの情報は、器具の動きを制御又は誘導するために制御システムへと提供される。場合によっては、器具がロボットによって保持され、ナビゲーションシステムから該ロボットの制御システムへと情報が送られる。

制御システムが、器具と対象の解剖学的組織との間の相対的な動きを迅速に把握するためには、ナビゲーションシステムの精度及び速度が、その処置（procedure）の所望の許容範囲を満たす必要がある。例えば、セメントレス膝関節インプラントに関する許容範囲は、該インプラントの十分な適合性及び機能を確保するために非常に小さい場合がある。したがって、ナビゲーションシステムの精度及び速度は、比較的粗い切断処置を上回っていることが必要な場合がある。

光学式ナビゲーションシステムの精度及び速度に関する１つの制限は、このシステムがＬＥＤとカメラユニット内の光学式センサとの間の照準線（line-of-sight）に依存しているということである。照準線が遮断されていると、システムは、追跡対象の器具及び解剖学的組織の位置と向きとの少なくとも一方を正確に求めることができない。その結果、手術が、多くの開始及び停止に遭遇する可能性がある。例えば、ロボット支援による切断の制御中に、照準線が遮断されると、再び照準線が得られるまで切断ツールを使用不能としなければならない。これは、処置にとって大きな遅延及び追加のコストを引き起こす可能性がある。

精度に関する別の制限は、トラッカにおける能動的なＬＥＤを用いるときに生じる。このようなシステムでは、ＬＥＤは多くの場合、順に点灯される。この場合、能動的に点灯しているＬＥＤの位置のみが、システムによって測定されて判明する一方で、残りの未測定のＬＥＤの位置は不明である。これらのシステムでは、残りの未測定のＬＥＤの位置は近似される。この近似は通常、現時点で測定されていないＬＥＤの最後に判明した測定位置により外挿された線速度データに基づいている。しかしながら、ＬＥＤは順に点灯されるため、どのＬＥＤの測定の間にもかなりの遅れが存在する場合がある。この遅れは、システムにおいてトラッカが追加されて用いられるたびに増加する。さらに、この近似は、トラッカの回転を考慮しておらず、その結果、トラッカの位置データにさらなる誤差が生じうる。

本技術分野において、非光学ベースの追加的なデータを利用して、追跡を向上させるとともに、ロボット支援による外科用切断等の高精度の外科的処置において対象の位置及び向きの少なくとも一方を求める際の精度及び速度のあるレベルを提供する光学式ナビゲーションシステムが求められている。

本発明は、光学式センサ及び非光学式センサを利用して、対象の位置及び向きの少なくとも一方を求めるシステム及び方法に関する。

本発明の１つの形態によれば、対象を追跡するナビゲーションシステムが提供される。このナビゲーションシステムは、トラッカにおける１以上のマーカから光学信号を受信する光学式センサを備えている。このトラッカは、非光学信号を生成する非光学式センサを備えている。コンピューティングシステムは、第１光学信号に基づいて第１の時間における、マーカのうちの１つのマーカの位置を求める。このコンピューティングシステムは、第１光学信号と非光学式センサからの非光学信号とに基づいて、第１の時間における１以上の他のマーカの位置も求める。求められた位置は対象と関連付けられて、該対象の位置が追跡される。

本発明の別の形態によれば、対象を追跡するナビゲーションシステムが提供される。このナビゲーションシステムは、トラッカにおける３つのマーカから光学信号を順次受信する光学式センサを備えている。このトラッカは、非光学信号を生成する非光学式センサも備えている。コンピューティングシステムは、マーカのうちの第１マーカの第１の時間における位置を、この第１マーカからの第１光学信号に基づいて求める。このコンピューティングシステムは、マーカのうちの第２マーカ及び第３マーカの第１の時間における位置を、第１の光学信号と非光学式センサからの非光学信号とに基づいて求める。求められた位置は対象と関連付けられて、対象の位置が追跡される。

本発明の更に別の形態によれば、ロボット外科用切断システムが提供される。このシステムは、ロボットマニピュレータ及び切断ツールを備えている。ロボット制御システムは、少なくとも自由度５で切断ツールの動きを制御又は制約する。ナビゲーションシステムは、このロボット制御システムと通信する。このナビゲーションシステムは、少なくとも１つの光学式センサと、ロボットマニピュレータに取り付けられたトラッカとを備えている。患者の解剖学的組織に取り付けられるトラッカも設けられている。この解剖学的組織のトラッカは、３つのマーカ及び非光学式センサを備えている。光学式センサはマーカから光学信号を受信し、非光学式センサは非光学信号を生成する。ナビゲーションシステムは、解剖学的組織の位置を示す位置データをロボット制御システムに送り、切断が所定の境界内で行われるように解剖学的組織の切断が制御される。

本発明の別の形態によれば、少なくとも１つの光学式センサを有するローカライザを備えたナビゲーションシステムが提供される。トラッカは光学式センサと通信する。このトラッカは、３つのマーカ及び非光学式センサを備えている。コンピューティングシステムは、光学信号及び非光学信号に基づいて、ローカライザ座標系における３つのマーカの各々の位置を求める。このコンピューティングシステムは、マッチングアルゴリズムを実行して、ローカライザ座標系におけるマーカのうちの１以上について求められた位置を、トラッカ座標系を基準として定められたトラッカのモデルにおける上記マーカのうちの１以上の位置と照合し、トラッカ座標系をローカライザ座標系に変換する変換行列を取得する。

本発明の別の形態では、対象を追跡するシステムが提供される。このシステムは、少なくとも２つの光学式センサと、対象に取り付けられるトラッカとを備えている。このトラッカは、３つのマーカ及び非光学式センサを有している。これらの少なくとも２つの光学式センサは、少なくとも１００Ｈｚの光学的検出周波数（optical-sensing frequency）でマーカから光学信号を受信する。非光学式センサは、少なくとも１００Ｈｚの非光学的検出周波数（non-optical sensing frequency）で非光学信号を生成する。

対象を追跡する方法も提供される。本方法は、光学式センサを動作させてマーカから光学信号を順次受信するステップと、非光学式センサを動作させて非光学信号を生成するステップとを含む。第１の時間におけるマーカのうちの第１マーカの位置は、第１マーカからの第１光学信号に基づいて求められる。第１の時間におけるマーカのうちの第２マーカ及び第３マーカの位置は、上記第１光学信号と非光学式センサからの非光学信号とに基づいて求められる。これらの第１マーカ、第２マーカ、及び第３マーカについて求められた位置は、対象と関連付けられて、外科的処置の際の対象の位置が追跡される。

外科的処置の際に対象を追跡する別の方法が提供される。本方法では、光学式センサが３つのマーカから光学信号を順次受信できるように、３つのマーカが光学式センサの視野において位置決めされる。次に、コンピューティングシステムを動作させ、マーカのうちの第１マーカからの第１光学信号に基づいて、該第１マーカの第１の時間における位置を求め、第１光学信号と非光学式センサからの非光学信号とに基づいて、第１の時間におけるマーカのうちの第２マーカ及び第３マーカの位置を求める。次に、これらの位置が対象と関連付けられて、外科的処置の際の対象の位置が追跡される。

本発明の利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することで本発明がより良く理解されるにつれて、容易に理解される。

ロボットマニピュレータとともに用いられる本発明のナビゲーションシステムの斜視図である。 ナビゲーションシステムの説明図である。 ナビゲーションシステムとともに用いられる座標系の説明図である。 ナビゲーションシステムのローカライゼーションエンジンによって実行されるステップの流れ図である。 測定されたＬＥＤをトラッカモデルと照合して変換行列を得る説明図である。 第１の代替的実施形態におけるローカライゼーションエンジンによって実行されるステップの流れ図である。 実際のＬＥＤ及び仮想的なＬＥＤを有するトラッカモデルの説明図である。 第２の代替的実施形態におけるローカライゼーションエンジンによって実行されるステップの流れ図である。 １以上のＬＥＤの測定が妨害されたときにローカライゼーションエンジンによって実行されるステップの流れ図である。

［Ｉ．概説］
図１に、外科用ナビゲーションシステム２０を示している。システム２０は、医療施設の手術室等の外科用のものとして示されている。ナビゲーションシステム２０は、手術室における様々な対象の動きを追跡するようにセットアップされている。このような対象には、例えば、外科用器具２２、患者の大腿骨Ｆ、及び患者の脛骨Ｔが含まれる。ナビゲーションシステム２０は、これらの対象の相対的な位置及び向きを外科医に対して示すために、そして、場合によっては、所定の経路又は解剖学的境界を基準とした外科用器具２２の動きを制御又は制限するために、対象を追跡する。

外科用ナビゲーションシステム２０は、ナビゲーションコンピュータ２６を収容したコンピュータカートアセンブリ２４を備えている。ナビゲーションインタフェースは、ナビゲーションコンピュータ２６と通信できるようになっている。このナビゲーションインタフェースは、滅菌野（sterile field）の外部に位置するディスプレイ２８と、滅菌野の内部に位置するディスプレイ２９とを備えている。ディスプレイ２８、２９は、コンピュータカートアセンブリ２４に調整可能に取り付けられている。マウス及びキーボード等の入力デバイス３０、３２は、情報をナビゲーションコンピュータ２６に入力するために用いることもできるし、又は、ナビゲーションコンピュータ２６の幾つかの態様を選択又は制御するために用いることもできる。ディスプレイ２８、２９上のタッチスクリーン（図示せず）又は音声駆動を含む他の入力デバイスも考えられる。

ローカライザ３４は、ナビゲーションコンピュータ２６と通信する。図示した実施形態では、ローカライザ３４は、光学式ローカライザであり、カメラユニット３６を備えている。カメラユニット３６は、１以上の光学式センサ４０を収容した外部ケーシング３８を有している。幾つかの実施形態では、少なくとも２つの光学式センサ４０、好ましくは３つの光学式センサが用いられる。これらの光学式センサ４０は、３つの別々の高解像度型電荷結合素子（charge-coupled device, ＣＣＤ）とすることができる。１つの実施形態では、３つの１次元ＣＣＤが用いられる。他の実施形態では、別々のＣＣＤ又は２以上のＣＣＤをそれぞれが有する別々のカメラユニットを手術室内に配置することもできることを認識されたい。ＣＣＤは、赤外線（ＩＲ）信号を検出する。

カメラユニット３６は、処置が行われるゾーンの上方に光学式センサ４０が位置し、以下に説明するトラッカの視野がカメラユニット３６に提供されるように、調整可能なアームに取り付けられている。この視野は、理想的には障害物がない。

カメラユニット３６は、光学式センサ４０と通信して光学式センサ４０から信号を受信するカメラコントローラ４２を備えている。カメラコントローラ４２は、有線接続又は無線接続（不図示）のいずれかによりナビゲーションコンピュータ２６と通信する。このような接続の１つとして、高速通信及びアイソクロナス型リアルタイムデータ転送のためのシリアルバスインタフェース規格であるＩＥＥＥ１３９４インタフェースとすることができる。接続には、企業独自のプロトコルを用いることもできる。他の実施形態では、光学式センサ４０は、ナビゲーションコンピュータ２６と直接的に通信する。

位置及び向きについての信号及びデータの少なくとも一方が、対象を追跡するためにナビゲーションコンピュータ２６へと送られる。コンピュータカートアセンブリ２４、ディスプレイ２８、及びカメラユニット３６は、２０１０年５月２５日発行の、Malackowskiらに対する「Surgery System」という名称の米国特許第７，７２５，１６２号に記載されたものと同様のものとすることができる。この米国特許の内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。

ナビゲーションコンピュータ２６は、パーソナルコンピュータ又はラップトップコンピュータとすることができる。ナビゲーションコンピュータ２６は、ディスプレイ２８と、中央処理ユニット（ＣＰＵ）及び他のプロセッサの少なくとも一方と、メモリ（不図示）と、記憶装置（不図示）とを有している。ナビゲーションコンピュータ２６には、以下で説明するようなソフトウェアがロードされる。このソフトウェアは、カメラユニット３６から受信した信号を、追跡対象の位置及び向きを表すデータへと変換する。

ナビゲーションシステム２０は、本明細書においてトラッカとも呼ばれる、複数のトラッキングデバイス４４、４６、４８を備えている。図示した実施形態では、１つのトラッカ４４は患者の大腿骨Ｆに強固に取り付けられ、別のトラッカ４６は患者の脛骨Ｔに強固に取り付けられている。トラッカ４４、４６は、骨部分に強固に取り付けられている。トラッカ４４、４６は、米国特許第７，７２５，１６２号に示されている方法で大腿骨Ｆに取り付けることができる。この米国特許の内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。別の実施形態では、追加のトラッカ（不図示）が膝蓋骨に取り付けられ、その膝蓋骨の位置及び向きを追跡する。更なる実施形態では、トラッカ４４、４６は、解剖学的組織（anatomy）の他の組織タイプ又は組織部分に取り付けることができる。

器具トラッカ４８は、外科用器具２２に強固に取り付けられている。器具トラッカ４８は、製造時に外科用器具２２に統合することもできるし、外科的処置の準備の際に外科用器具２２に別個に取り付けることもできる。追跡されている外科用器具２２の作業端（working end）は、回転バー、電気的アブレーションデバイス等とすることができる。図示した実施形態では、外科用器具２２は、手術用マニピュレータのエンドエフェクタである。このような装置は、「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in either a Semi-Autonomous Mode or a Manual, Boundary Constrained Mode」という名称の米国仮特許出願第６１／６７９，２５８号に示されている。この米国仮特許出願の開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。また、このような装置は、「Navigation System for use with a Surgical Manipulator Operable in Manual or Semi-Autonomous Mode」という名称の米国特許出願第１３／９５８，８３４号にも示されている。この米国特許出願の開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。

トラッカ４４、４６、４８は、内部バッテリを用いたバッテリ駆動式とすることもできるし、カメラユニット３６のように、好ましくは外部電力を受け取るナビゲーションコンピュータ２６を通じて電力を受け取るリード線を有するものとすることもできる。

他の実施形態では、外科用器具２２は、任意の切断ガイド、ジブ、又はマニピュレータ若しくはロボット等の他の制約メカニズムの支援を受けることなく、ユーザの手のみによって手動で位置決めすることができる。このような外科用器具は、「Surgical Instrument Including Housing, a Cutting Accessory that Extends from the Housing and Actuators that Establish the Position of the Cutting Accessory Relative to the Housing」という名称の米国仮特許出願第６１／６６２，０７０号に記載されている。この米国仮特許出願の内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。また、このような外科用器具は、「Surgical Instrument Including Housing, a Cutting Accessory that Extends from the Housing and Actuators that Establish the Position of the Cutting Accessory Relative to the Housing」という名称の米国特許出願第１３／６００，８８８号にも記載されている。この米国特許出願の内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。

ローカライザ３４の光学式センサ４０は、トラッカ４４、４６、４８から光信号を受信する。図示した実施形態では、トラッカ４４、４６、４８は、能動型トラッカである。この実施形態では、各トラッカ４４、４６、４８は、光信号を光学式センサ４０に送る少なくとも３つの能動型マーカ５０を有している。能動型マーカ５０は、発光ダイオードすなわちＬＥＤ５０とすることができる。光学式センサ４０は、好ましくは１００Ｈｚ以上、より好ましくは３００Ｈｚ以上、最も好ましくは５００Ｈｚ以上のサンプリングレートを有するものである。実施形態によっては、光学式センサ４０は、１０００Ｈｚのサンプリングレートを有する。このサンプリングレートは、光学式センサ４０が、順次点灯するＬＥＤ５０から光信号を受信するレートである。実施形態によっては、ＬＥＤ５０からの光信号は、トラッカ４４、４６、４８ごとに異なるレートで点灯される。

図２に示しているように、ＬＥＤ５０のそれぞれは、関連付けられているトラッカ４４、４６、４８のハウジング（不図示）内に位置するトラッカコントローラ６２に接続されている。このトラッカコントローラは、ナビゲーションコンピュータ２６との間でデータを送受信する。１つの実施形態では、トラッカコントローラ６２は、ナビゲーションコンピュータ２６との有線接続により、数メガバイト／秒のオーダーでデータを送信する。他の実施形態では、無線接続を用いることができる。これらの実施形態では、ナビゲーションコンピュータ２６は、トラッカコントローラ６２からデータを受信する送受信機（図示せず）を有する。

他の実施形態では、トラッカ４４、４６、４８は、カメラユニット３６から放出された光を反射する反射器等の受動型マーカ（不図示）を有するものとすることができる。反射光は、光学式センサ４０によって受け取られる。能動型装置及び受動型装置は、当該技術分野においてよく知られている。

トラッカ４４、４６、４８のそれぞれは、トラッカ４４、４６、４８の角速度を測定する３次元ジャイロスコープセンサ６０も備えている。当業者によく知られているように、ジャイロスコープセンサ６０は、ジャイロスコープ座標系のｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を基準とした角速度を示す読み取り値を出力する。これらの読み取り値に、製造業者によって定められた変換定数が乗じられ、ジャイロスコープ座標系のｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸のそれぞれに対する、度／秒による測定値が得られる。そして、これらの測定値は、ラジアン／秒で定められる角速度ベクトル

へと変換することができる。

ジャイロスコープセンサ６０によって測定される角速度は、ナビゲーションシステム２０がトラッカ４４、４６、４８を追跡する際に、追加の非光学ベースの運動学的データを提供する。ジャイロスコープセンサ６０は、トラッカ４４、４６、４８の各座標系の軸に沿った向きとすることができる。他の実施形態では、各ジャイロスコープ座標系は、ジャイロスコープデータがトラッカ４４、４６、４８の座標系のｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸に関する角速度を反映したものとなるように、そのトラッカ座標系へと変換される。

ジャイロスコープセンサ６０のそれぞれは、関連付けられているトラッカのハウジング内にあるトラッカコントローラ６２と通信する。このトラッカコントローラは、ナビゲーションコンピュータ２６との間でデータを送受信する。ナビゲーションコンピュータ２６は、ジャイロスコープセンサ６０からデータを受信する１以上の送受信機（図示せず）を有する。このデータは、有線接続又は無線接続のいずれかにより受信することができる。

ジャイロスコープセンサ６０は、好ましくは１００Ｈｚ以上、より好ましくは３００Ｈｚ以上、最も好ましくは５００Ｈｚ以上のサンプリングレートを有する。実施形態によっては、ジャイロスコープセンサ６０は、１０００Ｈｚのサンプリングレートを有する。ジャイロスコープセンサ６０のサンプリングレートは、角速度データに変換されるために信号がジャイロスコープセンサ６０から送られるレートである。

ジャイロスコープセンサ６０及び光学式センサ４０のサンプリングレートは、位置の光学的測定値ごとに、対応する角速度の非光学的測定値が存在するものとなるように、設定又は時間合わせされている。

トラッカ４４、４６、４８のそれぞれは、加速度計座標系のｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸のそれぞれに沿った加速度を測定する３軸加速度計７０をも備えている。加速度計７０は、ナビゲーションシステム２０がトラッカ４４、４６、４８を追跡する際の、追加の非光学ベースのデータを提供する。

加速度計７０のそれぞれは、関連付けられているトラッカのハウジング内にあるトラッカコントローラ６２と通信する。このトラッカコントローラは、ナビゲーションコンピュータ２６との間でデータを送受信する。ナビゲーションコンピュータの送受信機（図示せず）のうちの１以上は、加速度計７０からデータを受信する。

加速度計７０は、トラッカ４４、４６、４８の各座標系の軸に沿った向きとすることができる。他の実施形態では、各加速度計座標系は、加速度計データがトラッカ４４、４６、４８の座標系のｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸に関する加速度を反映するものとなるように、そのトラッカ座標系へと変換される。

ナビゲーションコンピュータ２６は、ナビゲーションプロセッサ５２を備えている。カメラユニット３６は、トラッカ４４、４６、４８のＬＥＤ５０から光学信号を受信し、ローカライザ３４を基準としたトラッカ４４、４６、４８のＬＥＤ５０の位置に関する信号をプロセッサ５２に出力する。ジャイロスコープセンサ６０は、該ジャイロスコープセンサ６０によって測定された３次元角速度に関する非光学信号をプロセッサ５２に送る。受信した光学信号及び非光学信号に基づいて、ナビゲーションプロセッサ５２は、ローカライザ３４を基準としたトラッカ４４、４６、４８の相対的な位置及び向きを示すデータを生成する。

ナビゲーションプロセッサ５２は、ナビゲーションコンピュータ２６の動作を制御する１以上のプロセッサを含むことができることが理解されるべきである。これらのプロセッサは、任意のタイプのマイクロプロセッサシステム又はマルチプロセッサシステムとすることができる。プロセッサという用語は、本発明の範囲を単一のプロセッサに限定することを意図するものではない。

外科的処置の開始の前に、追加のデータがナビゲーションプロセッサ５２にロードされる。トラッカ４４、４６、４８の位置及び向きと、事前にロードされたデータとに基づいて、ナビゲーションプロセッサ５２は、外科用器具２２の作業端が適用される組織を基準とした、この作業端の位置及び外科用器具２２の向きを求める。幾つかの実施形態では、ナビゲーションプロセッサ５２は、これらのデータをマニピュレータコントローラ５４に送る。そして、マニピュレータコントローラ５４は、「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in either a Semi-Autonomous Mode or a Manual, Boundary Constrained Mode」という名称の米国仮特許出願第６１／６７９，２５８号に記載されているように、また、「Navigation System for use with a Surgical Manipulator Operable in Manual or Semi-Autonomous Mode」という名称の米国特許出願第１３／９５８，８３４号にも記載されているように、このデータを用いてロボットマニピュレータ５６を制御することができる。これらの米国仮特許出願及び米国特許出願の開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。

ナビゲーションプロセッサ５２は、手術部位に対する外科用器具作業端の相対的な位置を示す画像信号も生成する。これらの画像信号は、ディスプレイ２８、２９に印加される。ディスプレイ２８、２９は、これらの信号に基づいて画像を生成する。これらの画像によって、外科医及びスタッフは、手術部位に対する外科用器具作業端の相対的な位置を視認することが可能になる。ディスプレイ２８、２９は、上記で説明したように、コマンドのエントリを可能にするタッチスクリーン又は他の入力／出力デバイスを含むことができる。

［ＩＩ．座標系及び変換］
図３に示しているように、対象の追跡は、一般に、ローカライザ座標系（localizer coordinate system）ＬＣＬＺを基準として行われる。ローカライザ座標系は、原点及び向き（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の組み合わせ）を有している。処置時の１つの目標は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺを静止状態に保つことである。以下で更に説明するように、カメラユニット３６に取り付けられた加速度計は、カメラユニット３６が手術要員によって不注意でぶつけられたときに起こり得るような、ローカライザ座標系ＬＣＬＺの突然の動き又は予期しない動きを追跡するために用いることができる。

各トラッカ４４、４６、４８及び追跡される対象も、ローカライザ座標系ＬＣＬＺとは別の、独自の座標系を有する。独自の座標系を有するナビゲーションシステム２０の構成要素は、骨トラッカ４４、４６及び器具トラッカ４８である。これらの座標系は、それぞれ、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１、ＢＴＲＫ２、及び器具トラッカ座標系ＴＬＴＲとして表される。

ナビゲーションシステム２０は、骨に強固に取り付けられた骨トラッカ４４、４６の位置を監視することによって患者の大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔの位置を監視する。大腿骨座標系はＦＢＯＮＥであり、脛骨座標系はＴＢＯＮＥである。これらの座標系は、骨トラッカ４４、４６が強固に取り付けられている骨の座標系である。

処置の開始前に、大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔの術前画像（又は他の実施形態では他の組織の術前画像）が生成される。これらの画像は、患者の解剖学的組織のＭＲＩスキャン、放射線スキャン、又はコンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャンに基づくものとすることができる。これらの画像は、当該技術分野においてよく知られている方法を用いて大腿骨座標系ＦＢＯＮＥ及び脛骨座標系ＴＢＯＮＥへとマッピングされる。１つの実施形態では、独自のトラッカＰＴ（図２参照）を有する、Malackowskiらに対する米国特許第７，７２５，１６２号に開示されているようなポインタ機器Ｐを用いて、大腿骨座標系ＦＢＯＮＥ及び脛骨座標系ＴＢＯＮＥを術前画像にマッピングすることができる。この米国特許の内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。これらの画像は、大腿骨座標系ＦＢＯＮＥ及び脛骨座標系ＴＢＯＮＥにおいて固定される。

処置の初期段階において、骨トラッカ４４、４６は、患者の骨に強固に取り付けられる。座標系ＦＢＯＮＥ及びＴＢＯＮＥの姿勢（位置及び向き）が、それぞれ座標系ＢＴＲＫ１及びＢＴＲＫ２にマッピングされる。骨と骨トラッカ４４、４６との間の固定された関係が与えられると、座標系ＦＢＯＮＥ及びＴＢＯＮＥの姿勢は、処置全体を通じて、それぞれ座標系ＢＴＲＫ１及びＢＴＲＫ２を基準として固定された状態に保たれる。この姿勢を表すデータは、マニピュレータコントローラ５４及びナビゲーションプロセッサ５２の双方と一体になったメモリに記憶される。

外科用器具２２の作業端（エネルギーアプリケータの遠位端とも呼ばれる）は、独自の座標系ＥＡＰＰを有する。座標系ＥＡＰＰの原点は、例えば、外科用切断バーの重心を表すものとすることができる。座標系ＥＡＰＰの姿勢は、処置が開始される前に、器具トラッカ座標系ＴＬＴＲの姿勢に固定される。したがって、これらの座標系ＥＡＰＰ、ＴＬＴＲの互いを基準とした姿勢が決まる。この姿勢を表すデータは、マニピュレータコントローラ５４及びナビゲーションプロセッサ５２の双方と一体になったメモリに記憶される。

［ＩＩＩ．ソフトウェア］
図２に示しているように、ローカライゼーションエンジン（位置測定エンジン）１００は、ナビゲーションシステム２０の一部とみなすことのできるソフトウェアモジュールである。ローカライゼーションエンジン１００の要素は、ナビゲーションプロセッサ５２上で動作する。本発明の幾つかの形態では、ローカライゼーションエンジン１００は、マニピュレータコントローラ５４上で動作することができる。

ローカライゼーションエンジン１００は、カメラコントローラ４２からの光学ベースの信号及びトラッカコントローラ６２からの非光学ベースの信号を入力として受信する。これらの信号に基づいて、ローカライゼーションエンジン１００は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおける骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１及びＢＴＲＫ２の姿勢（位置及び向き）を求める。器具トラッカ４８に関して受信した同様の信号に基づいて、ローカライゼーションエンジン１００は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおける器具トラッカ座標系ＴＬＴＲの姿勢を求める。

ローカライゼーションエンジン１００は、トラッカ４４、４６、４８の姿勢を表す信号を座標変換部１０２に送る。座標変換部１０２は、ナビゲーションプロセッサ５２上で動作するナビゲーションシステム用ソフトウェアモジュールである。座標変換部１０２は、患者の術前画像と患者のトラッカ４４、４６との間の関係を定めたデータを参照する。座標変換部１０２は、器具トラッカ４８を基準とした外科用器具の作業端の姿勢を示すデータの記憶もする。

処置時に、座標変換部１０２は、ローカライザ３４に対するトラッカ４４、４６、４８の相対的な姿勢を示すデータを受信する。これらのデータ及び事前にロードされたデータに基づいて、座標変換部１０２は、座標系ＥＡＰＰと骨座標系ＦＢＯＮＥ及びＴＢＯＮＥとの、ローカライザ座標系ＬＣＬＺに対する相対的な位置及び向きを示すデータを生成する。

そして、座標変換部１０２は、器具作業端が適用される組織（例えば骨）を基準とした、外科用器具２２の作業端の位置及び向きを示すデータを生成する。これらのデータを表す画像信号はディスプレイ２８、２９に送られ、外科医及びスタッフがこの情報を確認することができる。ある実施形態では、これらのデータを表す別の信号をマニピュレータコントローラ５４に送り、マニピュレータ５６と、対応する外科用器具２２の動きとを制御することができる。

ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおけるトラッカ座標系ＢＴＲＫ１、ＢＴＲＫ２、ＴＬＴＲの各々の姿勢を求めるための各ステップは同じであるため、１つのみを詳細に説明することにする。図４に示しているステップは、アクティブな１つのトラッカのみ、すなわちトラッカ４４のみに基づいている。以下の説明において、トラッカ４４のＬＥＤは、第１のＬＥＤ５０ａ、第２のＬＥＤ５０ｂ、及び第３のＬＥＤ５０ｃを示す符号５０ａ、５０ｂ、５０ｃによって表されるものとする。

図４に記載のステップは、光学ベースのセンサデータ及び非光学ベースのセンサデータを用いた、トラッカ４４のＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃの位置の決定を示している。これらの位置から、ナビゲーションプロセッサ５２は、トラッカ４４の位置及び向きを求めることができ、したがって、このトラッカが取り付けられた大腿骨Ｆの位置及び向きを求めることができる。光学式センサ４０から受信した信号から導き出される光学ベースのセンサデータは、ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃと光学式センサ４０との間の照準線に依存した照準線ベースのデータを提供する。他方、非光学ベースのセンサデータを生成するための非光学ベースの信号を提供するジャイロスコープセンサ６０は、照準線に依存したものではなく、ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃのうちの２つが測定されていないとき（一度に１つのＬＥＤしか測定されないため）、又はＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃのうちの１以上が処置時に光学式センサ４０から見えないときに、ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃの位置をより良好に近似するために、ナビゲーションシステム２０に組み込むことができる。

まず、初期化ステップ２００において、システム２０は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおけるトラッカ４４用のＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃの位置を測定し、初期の位置データを定める。これらの測定は、ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃを順次点灯することによって行われる。この点灯によって、光信号が光学式センサ４０に送られる。光信号を光学式センサ４０が受けると、それに対応する信号が光学式センサ４０によって生成され、カメラコントローラ４２に送られる。ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃの点灯の間の周波数は、１００Ｈｚ以上、好ましくは３００Ｈｚ以上、より好ましくは５００Ｈｚ以上である。場合によっては、点灯の間の周波数は１０００Ｈｚ、すなわち点灯の間隔が１ミリ秒である。

実施形態によっては、一度に１つのＬＥＤのみを光学式センサ４０が読み取ることができる。カメラコントローラ４２は、Malackowskiらに対する米国特許第７，７２５，１６２号に記載されているように、１以上の赤外線送受信機又はＲＦ送受信機（カメラユニット３６及びトラッカ４４上にある）を通じて、ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃの点灯を制御することができる。この米国特許の内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。あるいは、トラッカ４４は、（トラッカ４４上のスイッチ等によって）ローカルにアクティブ化することができ、アクティブ化されると、カメラコントローラ４２からの命令なく、ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃを順次点灯する。

光学式センサ４０からの入力に基づいて、カメラコントローラ４２は、生の位置信号を生成する。この位置信号は、その後、ローカライゼーションエンジン１００に送られ、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおける、対応する３つのＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃのそれぞれの位置が求められる。

初期化ステップ２００において、初期の位置データを確立するには、トラッカ４４の動きが所定の閾値よりも小さくなければならない。この所定の閾値の値は、ナビゲーションコンピュータ２６に記憶されている。ステップ２００において確立された初期位置データは、本質的には、プロセス内の残りのステップの基礎となる初期時間ｔ０における３つのＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃの位置の静的スナップショットを提供するものである。初期化において、ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃの速度が、サイクル（すなわち、３つのＬＥＤ測定の各セット）間でローカライゼーションエンジン１００によって計算され、これらの速度が十分に低い、すなわち、ほぼ動いていないことを示す所定の閾値未満であると、この初期位置データ又は静的スナップショットが確立される。幾つかの実施形態では、所定の閾値（静的速度限界とも呼ばれる）は、任意の軸に沿った２００ｍｍ／ｓ以下、好ましくは１００ｍｍ／ｓ以下、より好ましくは１０ｍｍ／ｓ以下である。所定の閾値が１００ｍｍ／ｓである場合、計算された速度は、静的なスナップショットを確立するにあたって１００ｍｍ／ｓ未満でなければならない。

図４及び図４Ａに示しているように、静的なスナップショットが得られると、ステップ２０２において、測定されたＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃの位置がトラッカ４４のモデルと比較される。このモデルは、ナビゲーションコンピュータ２６に記憶されたデータである。このモデルデータは、トラッカ座標系ＢＴＲＫ１におけるトラッカ４４のＬＥＤの位置を示すものである。システム２０は、各トラッカの座標系における各トラッカ４４、４６、４８のＬＥＤ５０の数及び位置を記憶している。トラッカ４４、４６、４８の場合、それらの座標系の原点は、トラッカ４４の全てのＬＥＤ位置の重心に設定される。

ローカライゼーションエンジン１００は、剛体マッチングアルゴリズム（rigid body matching algorithm）又は点マッチングアルゴリズム（point matching algorithm）を利用して、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおける測定されたＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃを、記憶されたモデルにおけるＬＥＤと照合する。最良に適合したものが求められると、ローカライゼーションエンジン１００は、この適合したもののずれを評価し、測定されたＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃが、このモデルの記憶された所定の許容範囲内に収まるか否かを判断する。この許容範囲は、適合したものが結果的に過度に大きな距離をもたらす場合には、初期化ステップを繰り返さなければならなくなるような、対応するＬＥＤの間の距離に基づくことができる。幾つかの実施形態では、ＬＥＤの位置は、モデルから２．０ｍｍよりも大きく逸脱してはならず、好ましくは０．５ｍｍよりも大きく逸脱してはならず、より好ましくは０．１ｍｍよりも大きく逸脱してはならない。

適合したものが所定の許容範囲内にある場合は、ステップ２０４において、モデル内の他の任意の未測定のＬＥＤを、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１からローカライザ座標系ＬＣＬＺへと変換する変換行列が生成される。このステップは、以下で更に説明するように、４以上のＬＥＤが用いられる場合又は仮想ＬＥＤが用いられる場合に利用される。実施形態によっては、トラッカ４４、４６、４８は、４以上のＬＥＤを有するものとすることができる。ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおける全ての位置が確立されると、ＬＥＤクラウドが作成される。このＬＥＤクラウドは、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおける全てのＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃのｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸上の位置に基づく、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおけるトラッカ４４上の全てのＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃの配置である。

ＬＥＤクラウドがまず確立されると、ナビゲーションシステム２０は、外科的処置の間においてトラッカ４４の追跡を続行することができる。上記で説明したように、これは、シーケンスにおける次のＬＥＤを点灯することを含む。一例として、ＬＥＤ５０ａが点灯される。したがって、ＬＥＤ５０ａは、光信号を光学式センサ４０に送る。これらの光信号を光学式センサ４０が受けると、対応する信号が、光学式センサ４０によって生成され、カメラコントローラ４２に送られる。

光学式センサ４０からの入力に基づいて、カメラコントローラ４２は、生の位置信号を生成する。この生の位置信号は、次に、ローカライゼーションエンジン１００に送られ、時間ｔ１において、ローカライザ座標系ＬＣＬＺのｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を基準としたＬＥＤ５０ａの新たな位置が求められる。これは、新たなＬＥＤ測定としてステップ２０６に示されている。

ｔ０、ｔ１、．．．、ｔｎ等の時間の指定は、別々の時間又は別々の時間的範囲若しくは時間的期間を示す例として用いており、特定の時間又は限定的な時間に本発明を限定するものではないことが認識されるべきである。

ＬＥＤ５０ａの新たな位置が求められると、ステップ２０８において、ローカライゼーションエンジン１００がＬＥＤ５０ａの線速度（linear velocity）ベクトルを計算することができる。

トラッカ４４は、剛体として扱われる。したがって、ＬＥＤ５０ａの線速度ベクトルは、その直線位置の変化の時間レートに等しいベクトル量である。ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおけるこの速度は、各ＬＥＤの加速度であっても、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおけるそのＬＥＤの以前に測定された位置及び時間と、現在測定された位置及び時間とから計算することができる。ＬＥＤの以前に測定された位置及び時間と現在測定された位置及び時間とは、そのＬＥＤの位置の履歴を定めるものである。ＬＥＤ５０ａの速度計算は、以下のような最も単純な形を取ることができる。

ただし、

であり、これは、時間ｔ_ｐにおけるＬＥＤ５０ａの以前に測定された位置である。そして、

であり、これは、時間ｔ_ｎにおけるＬＥＤ５０ａの現在測定されている位置である。当業者によく知られているように、各ＬＥＤの速度及び加速度の少なくとも一方を、そのＬＥＤのＬＥＤ位置履歴のデータフィッティングにより得ることもできる。

時間ｔ１において、ステップ２１０では、ジャイロスコープセンサ６０は、トラッカ４４の角速度も測定している。ジャイロスコープセンサ６０は、この角速度に関連する信号をトラッカコントローラ６２に送る。

次に、トラッカコントローラ６２は、対応する信号をローカライゼーションエンジン１００に送り、ローカライゼーションエンジン１００がこれらの信号から角速度ベクトル

を計算することができるようにする。ステップ２１０において、ジャイロスコープ座標系も骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１へと変換され、ローカライゼーションエンジン１００によって計算された角速度ベクトル

が、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１において表されるようにする。

ステップ２１２において、位置ベクトル

に対する骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１の原点についての相対速度ベクトル

が計算される。この位置ベクトル

も、後続の計算に際してローカライゼーションエンジン１００によるアクセスに備えて、ナビゲーションコンピュータ２６内のメモリに記憶される。この計算は、ジャイロスコープ信号から導き出された角速度ベクトル

と、ＬＥＤ５０ａから原点に対する位置ベクトルとの外積を計算することにより、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１の原点の相対速度

を求める。

次に、ローカライゼーションエンジン１００は、残りの未測定のＬＥＤ５０ｂ、５０ｃ（これらのＬＥＤは点灯されておらず、したがって、それらの位置は測定されていないので、未測定である）についての相対速度ベクトル

を計算する。これらの速度ベクトルは、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１の原点に関して計算することができる。

時間ｔ１における未測定のＬＥＤ５０ｂ、５０ｃの各々についての相対速度ベクトル

を求めるためにローカライゼーションエンジン１００によって行われる計算は、時間ｔ１における角速度ベクトル

と、位置ベクトル

及び

との外積に基づいている。これらの位置ベクトルは、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１の原点から未測定のＬＥＤ５０ｂ、５０ｃの各々に向けて取られるものである。これらの位置ベクトル

及び

は、後続の計算に際してローカライゼーションエンジン１００によるアクセスに備えて、ナビゲーションコンピュータ２６内のメモリに記憶される。

また、ステップ２１２において、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１において計算されたこれらの相対速度は、ステップ２０２において求められた変換行列を用いてローカライザ座標系ＬＣＬＺに変えられる。ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおける相対速度は、ステップ２１４における計算に用いられる。

ステップ２１４において、時間ｔ１でのローカライザ座標系ＬＣＬＺにおける、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１の原点の速度ベクトル

が、時間ｔ１におけるＬＥＤ５０ａの測定された速度ベクトル

に基づいて、ローカライゼーションエンジン１００によってまずは計算される。この速度ベクトル

は、時間ｔ１におけるＬＥＤ５０ａの速度ベクトル

と、ＬＥＤ５０ａの原点に対する位置ベクトルを基準として表される、時間ｔ１における原点の相対速度ベクトル

とを加えることによって計算される。したがって、時間ｔ１における原点の速度ベクトルは、次のように計算される。

次に、時間ｔ１でのローカライザ座標系ＬＣＬＺにおける残りの未測定のＬＥＤの速度ベクトルを、時間ｔ１でのローカライザ座標系ＬＣＬＺにおける骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１の原点の速度ベクトル

と、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１の原点を有するそれらの位置ベクトルを基準として表される、時間ｔ１における各々の相対速度ベクトルとに基づいて、ローカライゼーションエンジン１００が計算することができる。時間ｔ１における各速度ベクトルは、次のように計算される。

ステップ２１６において、ローカライゼーションエンジン１００は、未測定のＬＥＤ５０ｂ、５０ｃの各々について時間ｔ０から時間ｔ１までの動き、すなわち（デカルト座標における）位置の変化量Δｘを、ＬＥＤ５０ｂ、５０ｃの計算された速度ベクトルと時間変化とに基づいて計算する。実施形態によっては、各ＬＥＤの測定の時間変化Δｔは、２ミリ秒以下であり、１ミリ秒以下の場合もある。

次に、これらの計算された位置（ｘ，ｙ，ｚ）の変化量を、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおけるＬＥＤ５０ｂ、５０ｃの各々に関して以前に求められた位置に加えることができる。したがって、ステップ２１８において、位置の変化量を、静的なスナップショットの間に求められた時間ｔ０におけるＬＥＤ５０ｂ、５０ｃの以前の位置に加えることができる。これは、次のように表される。

ステップ２２０において、時間ｔ１におけるＬＥＤ５０ｂ、５０ｃの各々について計算されたこれらの位置を、時間ｔ１におけるＬＥＤ５０ａの、求められた位置と組み合わせる。次に、ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃに関する新たに求められた位置を、点マッチングアルゴリズム又は剛体マッチングアルゴリズムを用いて、トラッカ４４のモデルと照合し、最良に適合したものを得る。この最良に適合したものがシステム２０の規定の許容範囲内にある場合、その結果として、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１をローカライザ座標系ＬＣＬＺに関連付けるために、新たな変換行列がナビゲーションプロセッサ５２によって得られる。

ステップ２２２では、新たな変換行列を用いて、未測定のＬＥＤ５０ｂ、５０ｃに関して新たに計算された位置がモデルに対して調整され、調整された位置が得られる。ＬＥＤ５０ａについて測定された位置は、再計算もされるようにマッチングアルゴリズムによっても調整することもできる。これらの調整は、ＬＥＤクラウドに対する更新とみなされる。幾つかの実施形態では、ＬＥＤ５０ａについて測定された位置は、マッチング処理時にＬＥＤ５０ａの、モデルの位置に固定される。

最良適合変換が完了すると、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおけるＬＥＤ５０ａの測定された（及び場合によっては調整された）位置と、ＬＥＤ５０ｂ、５０ｃの計算された（及び調整された）位置とにより、座標変換部１０２は、大腿骨座標系ＦＢＯＮＥと、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１と、ローカライザ座標系ＬＣＬＺとの間の前述した関係に基づいて、大腿骨Ｆの新たな位置及び向きを求めることが可能となる。

その後、ステップ２０６〜２２２は、次の時間ｔ２において繰り返され、ＬＥＤ５０ｂのローカライザ座標系ＬＣＬＺにおける測定から開始する。ＬＥＤ５０ａ、５０ｃが未測定のＬＥＤである。各時間ｔ１、t２．．．ｔｎにおけるこのループの結果、各ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃの位置が測定されるか（１つのＬＥＤが各時間において点灯される）又は計算され、この計算された位置は、光学式センサ４０及びジャイロスコープセンサ６０による測定に基づいて非常に正確に近似される。ＬＥＤ５０の新たな位置を求めるステップ２０６〜２２２のこのループは、ローカライゼーションエンジン１００が、少なくとも１００Ｈｚ、より好ましくは少なくとも３００Ｈｚ、最も好ましくは少なくとも５００Ｈｚの周波数で実行することができる。

図５に示しているように、ＬＥＤクラウドは、仮想ＬＥＤを含んでいてもよい。このような仮想ＬＥＤは、モデル上で特定される所定の点であり、トラッカ４４における物理的なＬＥＤに実際に対応するものではない。これらの点の位置も、時間ｔ１、ｔ２、．．．、ｔｎにおいて計算することができる。これらの仮想ＬＥＤは、図４のような未測定のＬＥＤと同じ方法で計算することができる。唯一の違いは、仮想ＬＥＤは、決して点灯されることもなければ、一連の光学的測定に含まれることもないということである。なぜならば、仮想ＬＥＤは、どの光源にも対応せず、本質的に単なる仮想のものにすぎないからである。ステップ３００〜３２２は、実際のＬＥＤ及び仮想ＬＥＤを用いてトラッカ４４、４６、４８を追跡するのに用いられるステップを示している。ステップ３００〜３２２は、仮想ＬＥＤが追加されていることを除いて、ステップ２００〜２２２に概ね対応している。仮想ＬＥＤは、上記で説明したのと同じ式を用いて未測定のＬＥＤと同様に扱われる。

ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃに加えて仮想ＬＥＤを用いる１つの目的は、例えば、上記で説明した速度計算における誤差の影響を低減することである。これらの誤差は、ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃの計算された位置に影響を及ぼすことはほとんどないが、対象となる点がＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃから遠く離れて位置しているほど、この誤差が拡大する可能性がある。例えば、トラッカ４４を有する大腿骨Ｆを追跡するときに、トラッカ４４に組み込まれたＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃは、それらの計算された位置について約０．２ミリメートルの僅かな誤差を受ける場合がある。これに対し、ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃから１０センチメートルを越えて離れて位置する場合がある大腿骨Ｆの表面を考える。ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃにおける０．２ミリメートルの僅かな誤差は、大腿骨Ｆの表面上では０．４ミリメートル〜２ミリメートルの誤差になる可能性がある。大腿骨ＦがＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃから遠く離れて位置しているほど、この誤差は増加する。図５のステップにおいて仮想ＬＥＤを用いることにより、以下に説明するようにそのような誤差の潜在的な増幅を低減することができる。

図５Ａに示しているように、１つの仮想ＬＥＤ５０ｄは、大腿骨Ｆの表面に位置するものとすることができる。他の仮想ＬＥＤ５０ｅ、５０ｆ、５０ｇ、５０ｈ、５０ｉ、５０ｊ、５０ｋは、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸のそれぞれに沿ったロケーション及び６つの仮想ＬＥＤを得るためのこれらの軸に沿った原点の両側のロケーション等の、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１におけるランダムなロケーションに位置決めすることができる。これらの仮想ＬＥＤは、図５Ａに示され、ステップ３０２及び３２０において用いられるトラッカ４４のモデルの一部分として含まれる。実施形態によっては、仮想ＬＥＤ５０ｅ〜５０ｋのみを用いる。他の実施形態では、仮想ＬＥＤは、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸のそれぞれに沿ったロケーションであるが、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１の原点から異なる距離のロケーションに位置決めすることができる。別の更なる実施形態では、仮想ＬＥＤのうちの一部又は全ては、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸から離れて位置するものとすることができる。

このとき、モデルには、実際のＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃと仮想ＬＥＤ５０ｄ〜５０ｋとが存在する。各時間ｔ１、t２、．．．、ｔｎにおいて、この拡張モデルは、ステップ３２０において、実際のＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃについて測定、計算された位置及び仮想ＬＥＤ５０ｄ〜５０ｋについて計算された位置と照合され、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１をローカライザ座標系ＬＣＬＺと関連付ける変換行列が得られる。このとき、実際のＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃから離れた位置に位置する、モデルに含まれる仮想ＬＥＤ５０ｄ〜５０ｋを用いると、回転行列における誤差を低減することができる。本質的には、剛体マッチングアルゴリズム又は点マッチングアルゴリズムは照合に用いられる追加の点を有し、これらの追加の点のうちの幾つかは、実際のＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃを定めた点の外側に放射状に位置しているため、照合が回転安定性のあるものとなる。

図５のプロセスの別の変形形態では、使用中に、トラッカ４４の動きに応じて仮想ＬＥＤ５０ｅ〜５０ｋのロケーションを動的に変更することができる。時間ｔ１における未測定の実際のＬＥＤ５０ｂ、５０ｃ及び仮想ＬＥＤ５０ｅ〜５０ｋの計算された位置は、トラッカ４４が低速に移動するほど、より正確になる。したがって、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１の原点を基準とするｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に沿った仮想ＬＥＤ５０ｅ〜５０ｋのロケーションは、トラッカ４４の速度に基づいて調整することができる。したがって、仮想ＬＥＤ５０ｅ〜５０ｋのロケーションが、それぞれ（ｓ，０，０）、（−ｓ，０，０）、（０，ｓ，０）、（０，−ｓ，０）、（０，０，ｓ）、（０，０，−ｓ）で表される場合において、ｓはトラッカ４４が低速で移動するときに増加し、トラッカ４４がより高速で移動するときにより小さな値に減少する。これは、ｓの実験式によって処理することもでき、又は、ｓは速度の誤差の推定値及び計算された位置に基づいて調整することもできる。

ＬＥＤ５０（実際のもの及び仮想のもの）の新たな位置を求めることは、少なくとも１００Ｈｚ、より好ましくは少なくとも３００Ｈｚ、最も好ましくは少なくとも５００Ｈｚの周波数で実行することができる。

加速度計７０からのデータは、ＬＥＤ５０の光学的測定が照準線の干渉により妨害される状況で用いることができる。測定対象のＬＥＤが妨害されると、ローカライゼーションエンジン１００は、原点の等速を仮定して位置を推定する。しかし、この状況における等速の仮定は不正確な場合があり、結果として誤差が生じる。加速度計７０は、本質的には、その時間期間における等速の仮定が正確であるか否かを監視するものである。図６及び図７に示すステップは、この仮定をどのように確認するかを示している。

一例としてトラッカ４４を引き続き用いると、図６のステップ４００〜４２２は、図５のステップ３００〜３２２に概ね対応する。ただし、ステップ４２４において、システム２０は最後の測定サイクルにおいて、測定されたＬＥＤが３つ未満であるか否かを判断する。測定されたＬＥＤが３つ未満であるということは、このサイクルにおいて１以上のＬＥＤが測定できなかったということを意味する。これは、照準線の問題等により生じる可能性がある。トラッカ４４のサイクルは、最後に試みられた３つの測定である。この最後の３つの測定の際に、ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃのそれぞれが見えて測定できた場合は、システム２０は、ステップ４０８に進み、図５に関して述べたように処理を続ける。

システム２０が、ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃのうちの１以上をこのサイクルにおいて測定することができない、すなわち、測定が妨害されていると判断した場合に、アルゴリズムは、それでもなおステップ４０８に進む。しかし、ステップ４０６において測定されるべき新たなＬＥＤが測定できないものである場合、システムは、以下で説明するように何らかの速度仮定を行う。

ステップ４０６において、ＬＥＤ５０ａなどのあるＬＥＤが測定時間ｔｎにおいて光学式センサ４０から見えない場合、前の時間ｔ（ｎ−１）でのローカライザ座標系ＬＣＬＺにおけるトラッカ４４の原点に関する以前に計算された速度ベクトル

は、一定のままであると仮定される。したがって、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおけるＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃの速度ベクトルは、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおける以前に計算された速度ベクトル

と、ジャイロスコープ６０からの新たに測定された角速度ベクトルから導かれたＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃの相対速度ベクトルとに基づいて計算することができる。ステップ３１６〜３２２において記載した式は、この場合、ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃの新たな位置を求めるために用いることができる。

まず、ＬＥＤ５０ａがステップ４０６において測定されることとなるが、妨害されている場合は、原点の速度ベクトルが、以前の計算時と同じであると仮定される。したがって、新たなＬＥＤの速度は、ステップ４０８において計算されない。

ステップ４１０は、ステップ３１０と同じように行われる。

ステップ４１２において計算されたＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃの相対速度ベクトル

は、この場合、以前の速度ベクトル

と、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１におけるジャイロスコープ６０からの新たに測定された角速度ベクトルとに基づいている。

ステップ４１４において、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおける速度ベクトルは、原点速度ベクトル

と、ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃの相対速度ベクトル

とを用いて計算することができる。

ステップ４１６〜４２２は、ステップ３１６〜３２２と同じように行われる。

ステップ４２４において、システム２０が、ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃのうちの１以上をサイクル中に測定することができない、すなわち、測定が妨害されていると判断した場合は、そのサイクルにおけるＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃの全てが光学式センサ４０から見える完全な測定サイクルが行われるまで、別のアルゴリズムが図７に示すステップ５００〜５０６において同時に実行される。システム２０は、全ての可視測定を伴う完全なサイクルが行われるまで「妨害」状態にあるとみなされる。

ステップ５００〜５０６は、システム２０が妨害状態にある間、継続して実行される。

ステップ５００において、ナビゲーションプロセッサ５２は、システム２０がどの程度の時間、妨害状態にあるかを追跡するクロックを始動する。妨害状態にある時間を以下において、t（ｂｌｏｃｋｅｄ）と呼ぶ。

ステップ５０２において、加速度計７０は、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に沿った加速度を測定し、一定速度という仮定における誤差を追跡する。加速度計の読み取り値は、ジャイロスコープの読み取り値と同様に、加速度計座標系から骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１に変換される。

加速度計７０が、所定の（複数の）加速度許容範囲を超える（複数の）加速度を検出した場合、ナビゲーションコンピュータ２６は、システム２０を誤差状態に置く。これらの加速度許容範囲は、各ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸に沿って異なったものとして定めることもできるし、各軸に沿って同じものとすることもできる。測定された加速度が許容範囲を超えている場合、等速という仮定は信頼することができず、外科ナビゲーションのその特定の用途に用いることはできない。用途によって、異なる許容範囲を用いることができる。例えば、ロボットによる切断時には、許容範囲を非常に小さくすることができる。その一方で、視覚によるナビゲーションのみの場合、すなわち、切断制御ループに対してフィードバックがされない場合は、許容範囲をより大きく設定することができる。

ステップ５０４において、光学式センサ４０を基準としたＬＥＤ５０の位置に関連する速度誤差が、妨害状態にある際に考慮され、監視される。ＬＥＤ５０の各々について、速度誤差ｖ_{ｅｒｒｏｒ}に、妨害状態にある時間ｔ_{ｂｌｏｃｋｅｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ}を乗じたものは、システム２０が誤差状態とされることを防ぐために、位置誤差許容範囲γよりも小さくなければならない。したがって、次式を満たさなければならない。

この式において、速度誤差ｖ_{ｅｒｒｏｒ}は、ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃの各々について次のように計算される。

位置誤差ｘ_{ｅｒｒｏｒ（ｔ）}及びｘ_{ｅｒｒｏｒ（ｔ−１）}は、時間ｔ及びｔ−１における、光学式センサ４０を基準としたロケーションに基づくシステム２０における所定の位置誤差である。本質的には、ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃが光学式センサ４０から遠く離れて位置しているほど、この潜在的な位置誤差は大きくなる。これらの位置誤差は、実験的又は理論的に導き出され、ルックアップテーブル内又は式として置かれる。そして、デカルト座標（ｘ，ｙ，ｚ）におけるＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃの各々の位置において、関連する位置誤差が提供される。

ステップ５０４において、ローカライゼーションエンジン１００は、このルックアップテーブルにアクセスするか又はこの式を計算して、現在の時間ｔ及び前の時間ｔ−１におけるＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃの各々についての位置誤差を求める。位置誤差は、このように、現在の時間ｔ及び前の時間ｔ−１についてステップ４２２にてシステム２０により計算された、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおけるデカルト座標による位置に基づいている。時間変数Δｔは、その後の位置計算に要する時間を表し、それゆえ、ｔとｔ−１との間の差分を表しており、これは例えば１ミリ秒とすることができる。

位置誤差の許容範囲γは、ローカライゼーションエンジン１００によるアクセスに備えてナビゲーションコンピュータ２６において事前に定められる。位置誤差の許容範囲γは、ミリメートル単位で表すことができる。位置誤差の許容範囲γは、０．００１ミリメートルから１ミリメートルとすることができ、実施形態によっては、特に０．５ミリメートルに設定される。そして、位置誤差の許容範囲γが０．５ミリメートルに設定されている場合、次式が満たされなければならない。

以上のように、システム２０の妨害状態が長くなるほど、時間変数がこの式において有する影響が大きくなり、したがって、許容される速度誤差は小さくなる。実施形態によっては、この式は、ステップ５０４において、ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃの各々について別々にローカライゼーションエンジン１００により計算される。別の実施形態では、ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃがトラッカ４４上でどれだけ接近して配置されているかによって、ＬＥＤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃのうちの１つのみの速度誤差が、適合性を判断するためにこの計算において用いられる。

ステップ５０６において、（複数の）誤差が位置誤差の許容範囲γを超えている場合、システム２０は誤差状態とされる。そのような状態では、例えば、切断ツール又はアブレーションツールのいかなる制御又は動きも中止され、それらのツールの機能は停止される。

［ＩＶ．他の実施形態］
一実施形態では、トラッカ４４、４６、４８の各々がアクティブに追跡されているとき、ＬＥＤの点灯は、トラッカ４４の１つのＬＥＤが点灯され、次いで、トラッカ４６の１つのＬＥＤが点灯され、次いで、トラッカ４８の１つのＬＥＤが点灯され、次いで、トラッカ４４の第２のＬＥＤが点灯され、次いで、トラッカ４６の第２のＬＥＤが点灯され、以下、全てのＬＥＤが点灯されるまで同様に行われ、このシーケンスが繰り返されるように行われる。この点灯の順序は、カメラユニット３６の送受信機（不図示）からトラッカ４４、４６、４８の送受信機（不図示）へと送られる命令信号を通じて行うことができる。

ナビゲーションシステム２０は、閉ループ形式で用いられ、外科用切断器具によって行われる外科的処置を制御することができる。ナビゲーションシステム２０が器具２２及び骨等の切断される解剖学的組織の位置及び向きを追跡することができるように、器具２２及び切断される解剖学的組織の双方にトラッカ５０が設けられる。

一実施形態では、ナビゲーションシステムは、組織を治療するロボット外科用システムの一部分である。幾つかの形態では、このロボット外科用システムは、骨又は軟組織等の患者の解剖学的組織から組織材（material）を切り取るロボット外科用切断システムである。この切断システムは、股関節インプラント、及び単顆（unicompartmental）膝関節インプラント、二顆（bicompartmental）膝関節インプラント、又は全膝関節インプラントを含む膝関節インプラントといった外科用インプラント用の骨を準備するために用いることができる。これらのタイプのインプラントのうちの幾つかは、「Prosthetic Implant and Method of Implantation」という名称の米国特許出願第１３／５３０，９２７号に示されている。この米国特許出願の開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。

ロボット外科用切断システムは、マニピュレータ（例えば、図１参照）を備えている。このマニピュレータは、複数のアームと、当該複数のアームのうちの少なくとも１つによって担持された切断ツールとを有する。ロボット制御システムは、少なくとも自由度５で切断ツールの動きを制御又は制約する。そのようなマニピュレータ及び制御システムの一例は、「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in either a Semi-Autonomous Mode or a Manual, Boundary Constrained Mode」という名称の米国仮特許出願第６１／６７９，２５８号に示され、また、「Navigation System for use with a Surgical Manipulator Operable in Manual or Semi-Autonomous Mode」という名称の米国特許出願第１３／９５８，８３４号にも示されている。これらの米国仮特許出願及び米国特許出願の開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。

この実施形態では、ナビゲーションシステム２０は、ロボット制御システム（マニピュレータコントローラ５４を備えたものとすることができる）と通信する。ナビゲーションシステム２０は、位置データ及び向きデータの少なくとも一方を上記ロボット制御システムとやり取りする。これらの位置データ及び向きデータの少なくとも一方は、解剖学的組織を基準とした器具２２の位置及び向きの少なくとも一方を示す。この通信は、解剖学的組織の切断が所定の境界内で行われるようにこの切断を制御する閉ループ制御を提供する。

この実施形態では、ＬＥＤ測定が行われる度に、マニピュレータ５６による器具２２の対応する動きが存在するものとなるように、マニピュレータの動きは、ＬＥＤ測定に合わせて行うことができる。しかし、常にそうであるというわけではない。例えば、制御ループ動作のためにナビゲーションコンピュータ２６からマニピュレータ５６に送られた位置データ及び向きデータの少なくとも一方が信頼できなくなるような遅れが、直近のＬＥＤ測定とマニピュレータ５６による動きとの間に存在する場合がある。そのような場合、ナビゲーションコンピュータ２６は、マニピュレータコントローラ５４に運動学的データも送信するように構成することができる。そのような運動学的データは、トラッカ４４、４６、４８のための以前に求められた線速度及び角速度を含む。これらの速度は既に知られているので、時間の遅れに基づいて位置を計算することができる。次に、マニピュレータコントローラ５４は、マニピュレータ５６の動きを制御するために、トラッカ４４、４６、４８の位置及び向きを計算することができ、したがって、大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔの少なくとも一方に対する器具２２（又は器具先端部）の相対的な位置及び向きを計算することができる。

この実施形態では、器具２２は、ある形態の機械的制約を動きに対して与える図１に示したマニピュレータ又は他のロボットによって保持される。この制約は、器具２２の動きを所定の境界内に制限する。器具２２が所定の境界を越えて逸脱した場合、切断を停止する制御が器具２２に送られる。

器具２２と切断される解剖学的組織との双方をこれらのシステムにおいてリアルタイムで追跡しているとき、解剖学的組織を所定の位置に強固に固定する必要をなくすことができる。器具２２及び解剖学的組織の双方が追跡されるため、解剖学的組織に対する器具２２の相対的な位置及び向きの少なくとも一方に基づいて、器具２２の制御を調整することができる。また、ディスプレイ上の器具２２及び解剖学的組織の表現は、互いに相対的に動かすことができ、それらの実世界の動きがエミュレートされる。

一実施形態では、大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔのそれぞれは、外科用器具２２の作業端によって除去される組織材の目標体積を有する。これらの目標体積は、１以上の境界によって定められる。これらの境界は、処置後に残るべき骨の表面を定めるものである。実施形態によっては、「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in either a Semi-Autonomous Mode or a Manual, Boundary Constrained Mode」という名称の仮特許出願第６１／６７９，２５８号に開示されているように、システム２０は、作業端、例えばバーが組織材の目標体積のみを除去し、境界を越えて拡張しないことを確実にするように外科用器具２２を追跡及び制御する。上記仮特許出願の内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。

説明した実施形態では、器具２２の制御は、目標体積を基準としたバー又は他の切断ツールの位置及び向きを示す、座標変換部１０２によって生成されたデータを利用することによって行われる。これらの相対的な位置を知ることによって、所望の組織材のみが除去されるように、外科用器具２２又はこの外科用器具が取り付けられたマニピュレータを制御することができる。

他のシステムでは、器具２２は、ハンドヘルドハウジングを基準とした自由度３で移動可能であるとともに切断ジグ、ガイドアーム、又は他の制約メカニズムの援助なしで外科医の手によって手動で位置決めされる切断ツールを有する。そのようなシステムは、「Surgical Instrument Including Housing, a Cutting Accessory that Extends from the Housing and Actuators that Establish the Position of the Cutting Accessory Relative to the Housing」という名称の米国仮特許出願第６１／６６２，０７０号に示されている。この米国仮特許出願の開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。

これらの実施形態では、システムは、切断ツールを有するハンドヘルド外科用切断器具を備えている。「Surgical Instrument Including Housing, a Cutting Accessory that Extends from the Housing and Actuators that Establish the Position of the Cutting Accessory Relative to the Housing」という名称の米国仮特許出願第６１／６６２，０７０号に示されているように、制御システムが、内部のアクチュエータ又はモータを用いて少なくとも自由度３で切断ツールの動きを制御する。上記米国仮特許出願の開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。ナビゲーションシステム２０は制御システムと通信する。１つのトラッカ（トラッカ４８等）が、器具に取り付けられる。他のトラッカ（トラッカ４４、４６等）は、患者の解剖学的組織に取り付けられる。

この実施形態では、ナビゲーションシステム２０は、ハンドヘルド外科用切断器具の制御システムと通信する。ナビゲーションシステム２０は、位置データ及び向きデータの少なくとも一方を制御システムとやり取りする。これらの位置データ及び向きデータの少なくとも一方は、解剖学的組織を基準とした器具２２の位置及び向きの少なくとも一方を示す。この通信は、切断が所定の境界（所定の境界という用語は、所定の軌道、体積、線、他の形状又は幾何学的形態等を含むものとして理解される）内で行われるように解剖学的組織の切断を制御する閉ループ制御を提供する。

本発明の特徴は、カメラユニット３６が手術要員によってぶつけられたときに起こり得るようなローカライザ座標系ＬＣＬＺの突然の動き又は予期しない動きを追跡するために用いることができる。カメラユニット３６に取り付けられた加速度計（不図示）が、衝突を監視し、衝突が検出されると、システム２０を停止させる。この実施形態では、加速度計はカメラコントローラ４２と通信し、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸のいずれかに沿って測定された加速度が所定の値を越えた場合に、カメラコントローラ４２は、対応する信号をナビゲーションコンピュータ２６に送ってシステム２０を使用不可にし、カメラユニット３６が安定するのを待って測定を再開する。場合によっては、ナビゲーションの再開前に初期化ステップ２００、３００、４００を繰り返さなければならない。

実施形態によっては、仮想ＬＥＤは、器具２２の作業先端部に位置決めされる。この実施形態では、作業先端部のロケーションが継続的に計算されるように、仮想ＬＥＤは、器具トラッカ４８のモデルにおける作業先端部のロケーションに位置する。

意図した特許請求の範囲の目的は、本発明の真の趣旨及び範囲内に含まれる全ての変更及び変形を包含することである。さらに、上記で説明した実施形態は、医療の用途に関係したものであるが、本明細書において説明された本発明は、産業、航空宇宙、防衛等の他の用途にも適用することができる。

Claims (55)

1. 光学式センサと、
   対象に取り付けられ、３つのマーカと非光学式センサとを備えたトラッカであって、前記光学式センサは前記マーカから光学信号を順次受信し、前記非光学式センサは非光学信号を生成するものである、トラッカと、
   前記マーカのうちの第１マーカの、第１の時間における位置を、該第１マーカからの第１光学信号に基づいて求め、
   前記マーカのうちの第２マーカ及び第３マーカの、前記第１の時間における位置を、前記第１光学信号と前記非光学式センサからの非光学信号とに基づいて求め、
   求められた前記第１マーカの位置と前記第２マーカの位置と前記第３マーカの位置とを前記対象に関連付けて、該対象の位置を追跡するコンピューティングシステムと
   を備えた、対象を追跡するナビゲーションシステム。
2. 前記非光学式センサが、前記マーカの各々に関連した既知の位置に配置されている、請求項１に記載のナビゲーションシステム。
3. 前記マーカが受動型反射器である、請求項１に記載のナビゲーションシステム。
4. 前記マーカが能動型エミッタである、請求項１に記載のナビゲーションシステム。
5. 前記能動型エミッタが発光ダイオードである、請求項３に記載のナビゲーションシステム。
6. 前記光学式センサがカメラユニットに収容され、該カメラユニットが第２光学式センサを備えている、請求項１に記載のナビゲーションシステム。
7. 前記カメラユニットが第３光学式センサを備えている、請求項６に記載のナビゲーションシステム。
8. 前記光学式センサが１次元電荷結合素子である、請求項７に記載のナビゲーションシステム。
9. ３つのマーカと第２非光学式センサとを有する第２トラッカを備えた、請求項１に記載のナビゲーションシステム。
10. 前記第２トラッカは骨に取り付けられるものである、請求項９に記載のナビゲーションシステム。
11. 前記コンピューティングシステムはプロセッサを備えており、
    前記プロセッサは、前記第１光学信号に基づいて前記第１マーカの第１速度を計算することと、該第１速度と前記第１の時間における前記非光学信号とに基づいて前記第２マーカ及び前記第３マーカの速度を計算することとにより、前記第２マーカ及び前記第３マーカの位置を計算するものである、請求項１に記載のナビゲーションシステム。
12. 前記コンピューティングシステムは、求められた前記第１マーカの位置と前記第２マーカの位置と前記第３マーカの位置とを前記対象に関連付けて、前記対象の位置及び向きを追跡するものである、請求項１に記載のナビゲーションシステム。
13. 患者の解剖学的組織における目印を選択するプローブを備え、該プローブは、前記目印の選択の際に前記光学式センサに対して信号を送る複数のマーカを有している、請求項１２に記載のナビゲーションシステム。
14. 前記コンピューティングシステムは、初期において前記第１マーカの位置と前記第２マーカの位置と前記第３マーカの位置とを測定して初期の位置データを決定するものである、請求項１に記載のナビゲーションシステム。
15. 前記コンピューティングシステムは、前記第１マーカと前記第２マーカと前記第３マーカとを順次点灯して前記光学式センサに対して光信号を送ることにより、前記第１マーカの位置と前記第２マーカの位置と前記第３マーカの位置とを測定して前記初期の位置データを決定するものである、請求項１４に記載のナビゲーションシステム。
16. 前記コンピューティングシステムは、前記初期の位置データを決定する際に、前記第１マーカの速度と前記第２マーカの速度と前記第３マーカの速度とを計算し、計算された速度を所定の閾値と比較するものである、請求項１４に記載のナビゲーションシステム。
17. 前記コンピューティングシステムは、前記初期において測定された前記第１マーカの位置と前記第２マーカの位置と前記第３マーカの位置とを、前記コンピューティングシステムに記憶されている前記第１マーカと前記第２マーカと前記第３マーカとのモデルと比較するものである、請求項１４に記載のナビゲーションシステム。
18. 前記コンピューティングシステムは、前記第１マーカと前記第２マーカと前記第３マーカとを前記モデルと照合し、前記モデルに最良に適合するものを提供するものである、請求項１７に記載のナビゲーションシステム。
19. 前記コンピューティングシステムは、１以上の仮想マーカを前記モデルと照合し、前記モデルに最良に適合するものを提供するものである、請求項１８に記載のナビゲーションシステム。
20. 前記コンピューティングシステムは、前記トラッカの座標系からローカライザ座標系への変換行列を生成するものである、請求項１７に記載のナビゲーションシステム。
21. 前記コンピューティングシステムは、前記第１マーカの線速度ベクトルを計算するものである、請求項１に記載のナビゲーションシステム。
22. 前記コンピューティングシステムは、前記第１の時間における前記トラッカの角速度を測定するものである、請求項２１に記載のナビゲーションシステム。
23. 前記コンピューティングシステムは、測定された前記角速度に基づいてトラッカ座標系の原点の相対速度ベクトルを計算するものである、請求項２２に記載のナビゲーションシステム。
24. 前記コンピューティングシステムは、測定された前記角速度に基づいて前記第２マーカ及び前記第３マーカの相対速度ベクトルを計算するものである、請求項２３に記載のナビゲーションシステム。
25. 前記コンピューティングシステムは、前記第１マーカについて計算された線速度ベクトルと、前記トラッカ座標系の原点について計算された相対速度ベクトルとに基づいて、前記原点の速度ベクトルを計算するものである、請求項２４に記載のナビゲーションシステム。
26. 前記コンピューティングシステムは、前記原点について計算された速度ベクトルと、前記第２マーカ及び前記第３マーカについて計算された相対速度ベクトルとに基づいて、前記第１の時間における前記第２マーカ及び前記第３マーカの速度ベクトルを計算するものである、請求項２５に記載のナビゲーションシステム。
27. 前記コンピューティングシステムは、前記第２マーカ及び前記第３マーカについて計算された前記第１の時間における速度ベクトルに基づいて、前記第１の時間における前記第２マーカ及び前記第３マーカの位置を計算するものである、請求項２６に記載のナビゲーションシステム。
28. 前記コンピューティングシステムは、１以上の仮想マーカについての相対速度ベクトルを計算するものである、請求項２７に記載のナビゲーションシステム。
29. 前記コンピューティングシステムは、前記原点について計算された速度ベクトルと、１以上の前記仮想マーカについて計算された相対速度ベクトルとに基づいて、前記第１の時間における１以上の前記仮想マーカの速度ベクトルを計算するものである、請求項２８に記載のナビゲーションシステム。
30. 前記コンピューティングシステムは、１以上の前記仮想マーカについて計算された前記第１の時間における速度ベクトルに基づいて、前記第１の時間における１以上の前記仮想マーカの位置を計算するものである、請求項２９に記載のナビゲーションシステム。
31. ロボットマニピュレータ及び切断ツールと、
    少なくとも自由度５で前記切断ツールの動きを制御又は制約するロボット制御システムと、
    前記ロボット制御システムと通信するとともに少なくとも１つの光学式センサを備えたナビゲーションシステムと、
    前記ロボットマニピュレータに取り付けられたトラッカと、
    患者の解剖学的組織に取り付けられ、３つのマーカ及び非光学式センサを備えたトラッカと
    を備え、
    前記光学式センサは前記マーカから光学信号を受信し、
    前記非光学式センサは非光学信号を生成し、
    前記ナビゲーションシステムは、前記解剖学的組織の位置を示す位置データを前記ロボット制御システムに送り、前記解剖学的組織の切断が所定の境界内で行われるように該切断が制御される、ロボット外科用切断システム。
32. 少なくとも１つの光学式センサを備えたローカライザと、
    前記光学式センサと通信し、３つのマーカ及び非光学式センサを備えたトラッカと、
    光学信号及び非光学信号に基づいてローカライザ座標系における前記３つのマーカの各々の位置を求めるコンピューティングシステムであって、マッチングアルゴリズムを実行して、前記ローカライザ座標系における前記マーカのうちの１以上のマーカについて求められた位置を、トラッカ座標系を基準として定められている前記トラッカのモデルにおける前記マーカのうちの１以上の前記マーカの位置と照合し、前記トラッカ座標系を前記ローカライザ座標系に変換するための変換行列を取得するコンピューティングシステムと
    を備えたナビゲーションシステム。
33. 前記コンピューティングシステムは、前記ローカライザ座標系における仮想的な点について計算された位置を、前記モデルにおける前記仮想的な点の位置と照合し、前記変換行列を取得するプロセッサを備えている、請求項３２に記載のナビゲーションシステム。
34. 前記コンピューティングシステムは、前記変換行列に基づいて、前記マーカについて求められた、前記ローカライザ座標系における位置のうちの１以上を再計算するプロセッサを備えている、請求項３２に記載のナビゲーションシステム。
35. 少なくとも２つの光学式センサと、
    ある対象に取り付けられ、３つのマーカ及び非光学式センサを備えたトラッカと
    を備え、
    少なくとも２つの前記光学式センサは、少なくとも１００Ｈｚの光学的検出周波数で前記マーカから光学信号を受信し、
    前記非光学式センサは、少なくとも１００Ｈｚの非光学的検出周波数で非光学信号を生成するものである、対象を追跡するシステム。
36. 前記光学的検出周波数は少なくとも３００Ｈｚであり、前記非光学的検出周波数は少なくとも３００Ｈｚである、請求項３５に記載のシステム。
37. 光学式センサと、ある対象に取り付けられ、３つのマーカ及び非光学式センサを備えたトラッカと、コンピューティングシステムとを用いて、外科的処置の際に前記対象を追跡する方法であって、
    前記マーカから光学信号を順次受信するステップと、
    非光学信号を生成するステップと、
    前記マーカのうちの第１マーカからの第１光学信号に基づいて、第１の時間における該第１マーカの位置を求めるステップと、
    前記第１光学信号と前記非光学式センサからの非光学信号とに基づいて、前記マーカのうちの第２マーカ及び第３マーカの、前記第１の時間における位置を求めるステップであって、前記光学式センサは、前記第１の時間において前記第２マーカ及び前記第３マーカから光学信号を受信しないものである、ステップと、
    求められた前記第１マーカの位置と前記第２マーカの位置と前記第３マーカの位置とを前記対象に関連付けて、前記外科的処置の際に前記対象の位置を追跡するステップと
    を含む方法。
38. 初期における前記第１マーカの位置と前記第２マーカの位置と前記第３マーカの位置とを測定し、初期の位置データを決定するステップを含む請求項３７に記載の方法。
39. 前記第１マーカの位置と前記第２マーカの位置と前記第３マーカの位置とを測定し、前記初期の位置データを決定するステップが、前記第１マーカと前記第２マーカと前記第３マーカとを順次点灯し、前記光学式センサに対して光信号を送るステップを含むものである、請求項３８に記載の方法。
40. 前記初期の位置データを決定する際に、前記第１マーカの速度と前記第２マーカの速度と前記第３マーカの速度とを計算するステップと、
    計算された速度を所定の閾値と比較するステップと
    を含む請求項３８に記載の方法。
41. 前記初期において測定された前記第１マーカの位置と前記第２マーカの位置と前記第３マーカの位置とを、前記コンピューティングシステムに記憶されている前記第１マーカと前記第２マーカと前記第３マーカとについてのモデルと比較するステップを含む請求項３８に記載の方法。
42. 前記第１マーカと前記第２マーカと前記第３マーカとを、記憶されている前記モデルと照合するステップと、
    前記モデルに最良に適合するものを提供するステップと
    を含む請求項４１に記載の方法。
43. １以上の仮想マーカを記憶されている前記モデルと照合し、前記モデルに最良に適合するものを提供するステップを含む請求項４２に記載の方法。
44. 前記トラッカの座標系からローカライザ座標系への変換行列を生成するステップを含む請求項３８に記載の方法。
45. 前記第１マーカの線速度ベクトルを計算するステップを含む請求項３７に記載の方法。
46. 前記第１の時間における前記トラッカの角速度を測定するステップを含む請求項４５に記載の方法。
47. 測定された角速度に基づいてトラッカ座標系の原点の相対速度ベクトルを計算するステップを含む請求項４６に記載の方法。
48. 測定された角速度に基づいて前記第２マーカ及び前記第３マーカの相対速度ベクトルを計算するステップを含む請求項４７に記載の方法。
49. 前記第１マーカについて計算された線速度ベクトルと、前記トラッカ座標系の原点について計算された相対速度ベクトルとに基づいて、前記原点の速度ベクトルを計算するステップを含む請求項４８に記載の方法。
50. 前記原点について計算された速度ベクトルと、前記第２マーカ及び前記第３マーカについて計算された相対速度ベクトルとに基づいて、前記第１の時間における前記第２マーカ及び前記第３マーカの速度ベクトルを計算するステップを含む請求項４９に記載の方法。
51. 前記第２マーカ及び前記第３マーカについて計算された前記第１の時間における速度ベクトルに基づいて、前記第１の時間における前記第２マーカ及び前記第３マーカの位置を計算するステップを含む請求項５０に記載の方法。
52. １以上の仮想マーカについての相対速度ベクトルを計算するステップを含む請求項５１に記載の方法。
53. 前記原点について計算された速度ベクトルと、１以上の前記仮想マーカについて計算された相対速度ベクトルとに基づいて、前記第１の時間における１以上の前記仮想マーカの速度ベクトルを計算するステップを含む請求項５２に記載の方法。
54. １以上の前記仮想マーカについて計算された前記第１の時間における速度ベクトルに基づいて、前記第１の時間における１以上の前記仮想マーカの位置を計算するステップを含む請求項５３に記載の方法。
55. 光学式センサと、ある対象に取り付けられ、３つのマーカ及び非光学式センサを備えたトラッカと、コンピューティングシステムとを用いて外科的処置の際に前記対象を追跡する方法であって、
    前記光学式センサが前記３つのマーカから光学信号を順次受信できるように、前記光学式センサの視野において前記３つのマーカの位置を決定するステップと、
    前記コンピューティングシステムを動作させ、前記マーカのうちの第１マーカからの第１光学信号に基づいて第１の時間における前記第１マーカの位置を求め、前記第１光学信号と前記非光学式センサからの非光学信号とに基づいて前記マーカのうちの第２マーカ及び第３マーカの前記第１の時間における位置を求め、求められた前記第１マーカの位置と前記第２マーカの位置と前記第３マーカの位置とを前記対象に関連付けて、前記外科的処置の際に前記対象の位置を追跡するステップであって、前記光学式センサは、前記第１の時間において前記第２マーカ及び前記第３マーカから光学信号を受信しないものである、ステップと
    を含む方法。

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