JP2015534480A5 - - Google Patents

Description

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。
なお、特願２０１５−５３３２９６の出願当初の特許請求の範囲は以下の通りである。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。
［請求項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。

Claims (23)

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マーカの各々の、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、光学信号を順次出す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。
4. 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光学式センサと第３光学式センサとを備えている、請求項１に記載のナビゲーションシステム。
5. 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。
6. 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。
7. 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６に記載のナビゲーションシステム。
8. 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６に記載のナビゲーションシステム。
9. 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６に記載のナビゲーションシステム。
10. 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、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１０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、トラッカ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９に記載のナビゲーションシステム。
13. 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。
14. 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１３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、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、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１５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１６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、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、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１９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２０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、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２１に記載のナビゲーションシステム。
23. カメラユニットと非光学式センサとを用いて、ある対象を追跡する方法であって、
    前記カメラユニットが、第１マーカと第２マーカと第３マーカとから光学信号を順次受信するステップと、
    前記非光学式センサが非光学信号を生成するステップと、
    前記第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、外科的処置の際に前記対象の位置及び向きを追跡するステップと
    を含む方法。