JP2016522016A - インプラントモデリングのための３次元抽出追跡 - Google Patents

Abstract

本発明にかかる手術部位内に位置する骨の構造のためのインサートを製造するための方法は、前記骨の構造から素材を除去できるよう、素材除去ツールを用いて骨の構造で作動する段階と、前記骨の構造の位置及び方向を３次元で追跡する段階と、前記素材除去ツールの作業用チップの位置及び方向を３次元で追跡する段階と、前記骨の構造から除去された素材の体積のソフトウェアモデルを生成する段階と、前記ソフトウェアモデル内のモデルデータに基づき、前記インサートを製造する段階とを含む。連携システムは、コントローラと、前記骨の構造に堅く取り付けられた３次元トラッキングマーカーと、前記素材除去ツールに堅く取り付けられた３次元トラッキングマーカーを追跡するためのトラッカーを含む。前記コントローラから獲得された前記モデルデータに基づき、前記インサートを製造するための製造装置が使用される。【選択図】図７

Description

本発明は、位置モニタリングハードウェアシステム及びソフトウェアシステムに関する。さらに詳細には、本発明は、手術に使われる補綴（ｓｕｒｇｉｃａｌ ｐｒｏｓｔｈｅｓｅｓ）を製造するため、手術状態をモニタリングし、関連した手術情報を誘導するための手術装備及びソフトウェアに関するものである。

手術手順を観測し、モニタリングするための視覚的及び他の感覚的システムが業界に公知されている。現在、かかる観察及びモニタリングシステムを用いてコンピュータが補助する手術が可能であり、実際、日常的に行われている。かかる手順において、コンピュータソフトウェアは、患者の臨床映像及び現在の手術手順から観察された手術映像と相互作用し、手術を行う際、外科医を案内する。例えば、一つの公知のシステムにおいて、キャリアアセンブリは患者の顎骨に対し、正確に繰り返せる位置で取り付け要素の上部に少なくとも一つの基準マーカーを有する。その基準マーカーと患者の顎骨の間に位置登録を提供するため、そのキャリアアセンブリを採択し、その位置登録を使用してドリルリングアセンブリを案内するトラッキングシステムを採択することで、人工の歯（インプラント）を移植する。このような相対的に新しいコンピュータ具現技術を備えることで、更なる改良は手術手順の効率性を一層向上させることができる。

補綴手術分野において、様々な種類の歯の補綴物若しくはインプラントを取付または挿入できるよう、既存の歯は適切なドリルを用いて再成形される。既存若しくは残存歯の外部に前記補綴物が位置するようにモデリングする技術が存在するが、インプラント若しくは補綴物の移植可能な部分は、通常、アルギン酸ナトリウム、ポリエーテル若しくはシリコンといった素材を適用するモデリング技法における補綴物の設計にかかっている。歯医者や口腔外科医者は、モルディング工程でモルディングされた領域を見られないという意味で、前記モデリング技法は本質的に盲目的である。同様の制限は、骨の手術のより一般的な分野に適用される。

本発明の一側面から、本発明の実施形態は、手術部位内に位置する骨の構造の挿入ポイントへのインサートを製造するための方法を提供する。前記方法は、前記骨の構造から素材を除去できるよう、作業用チップ（ｗｏｒｋｉｎｇ ｔｉｐ）を有する素材除去ツールを前記挿入ポイントで作動させる段階と、トラッカーを用いて前記骨の構造の位置及び方向を３次元で追跡する段階と、前記トラッカーを用いて前記素材除去ツールの作業用チップの位置及び方向を３次元で追跡する段階と、前記挿入ポイントにおいて、前記骨の構造から除去された前記素材が元々占めていた体積のソフトウェアモデルを生成する段階と、前記ソフトウェアモデル内のモデルデータに基づき、前記インサートを製造する段階とを含む。前記方法は、前記インサートに追加されるべき構造に関する既存の構造情報を前記ソフトウェアモデルに追加する段階をさらに含むことができる。

他の側面から、本発明の実施形態は、骨の構造の挿入ポイント内部に挿入されるインサートを製造するための方法であって、トラッカーを用いて前記骨の構造の位置及び方向を３次元で追跡する段階と、前記トラッカーを用い、前記挿入ポイントでの作動に適合であり、且つ前記骨の構造から素材を除去するに適切な素材除去ツールの作業用チップの位置及び方向を３次元で追跡する段階と、前記挿入ポイントにおいて、前記骨の構造から除去された前記素材が元々占めていた体積のソフトウェアモデルを生成する段階と、前記ソフトウェアモデル内のモデルデータに基づき、前記インサートを製造する段階とを含む方法を提供する。

前記骨の構造の位置及び方向を３次元で追跡する段階は、前記挿入ポイントに近接する前記骨の構造に堅く、且つ着脱可能に取り付けられる第１の３次元トラッキングマーカーの位置及び方向を３次元で追跡する段階を含むことができる。前記第１の３次元トラッキングマーカーは、前記挿入ポイントに近接する前記骨の構造に堅く、且つ着脱可能に取り付けられる基準レファレンスを介し、前記骨の構造に堅く、且つ着脱可能に取り付けることができる。前記基準レファレンスは、前記手術部位のスキャンからその位置及び方向が決定される標識若しくは形状を有することができる。

前記第１の３次元トラッキングマーカーを３次元で追跡する段階は、前記手術部位の既存のスキャンデータから前記基準レファレンスを識別する段階と、前記挿入ポイントに対する前記基準レファレンスの３次元位置及び方向を決定する段階と、前記挿入ポイントに対する前記基準レファレンスの前記３次元位置及び方向に基づき、前記挿入ポイントに対する前記第１の３次元トラッキングマーカーの３次元位置及び方向を決定する段階とを含むことができる。

前記素材除去ツールの前記作業用チップの位置及び方向を３次元で追跡する段階は、前記作業用チップに対し、事前に設定された相対的位置及び方向を用い、前記素材除去ツールに堅く取り付けられた第２の３次元トラッキングマーカーの位置及び方向を３次元で追跡する段階を含むことができる。

前記挿入ポイントにおいて、前記骨の構造から除去された前記素材が元々占めていた体積のソフトウェアモデルを生成する段階は、前記骨の構造の追跡から骨の構造の追跡情報を誘導する段階と、前記作業用チップの追跡から作業用チップの追跡情報を誘導する段階と、前記骨の構造の追跡情報と前記作業用チップの追跡情報との重なりに基づき、３次元の素材除去マップを誘導する段階とを含むことができる。

前記インサートを製造する段階は、前記ソフトウェアモデルからモデルデータを抽出する段階と、前記モデルデータを製造装置に提供する段階と、前記モデルデータに基づき、前記インサートを製造する段階とを含むことができる。前記モデルデータは、前記製造装置に直接提供されてもよく、ストレージ媒体に保存された後に製造装置に提供されてもよい。

さらに他の側面から、本発明の実施形態は、手術部位内に位置する骨の構造の挿入ポイントへのインサートを製造するためのシステムであって、前記手術部位を含み、前記手術部位に対する映像情報を獲得できるように配置される視界を有するトラッカーと、前記挿入ポイントに近接し、前記視界内で前記骨の構造に堅く、且つ着脱可能に取り付けられる第１の３次元トラッキングマーカーと、作業用チップ及び堅く取り付けられる第２の３次元トラッキングマーカーを有し、前記視界内に位置する素材除去ツールと、少なくとも一つのプロセッサ及び少なくとも一つのメモリを含むコントローラとを含み、前記メモリは、前記手術部位のスキャンデータとソフトウェアを含み、前記ソフトウェアは、前記少なくとも一つのプロセッサによって実行された際、前記スキャンデータ及び前記映像情報に基づき、前記挿入ポイントにおいて、前記骨の構造から前記素材除去チップによって除去された素材が元々占めていた体積のソフトウェアモデルを生成するように構成されるシステムを提供する。

さらに他の側面から、本発明の実施形態は、骨の構造の挿入ポイント内へ挿入されるインサートを製造するための方法であって、トラッカーを用いて前記骨の構造の位置及び方向を３次元で追跡する段階と、前記トラッカーを用い、前記挿入ポイントでの作動に適合であり、且つ前記骨の構造から素材を除去するに適合な素材除去ツールの作業用チップの位置及び方向を３次元で追跡する段階と、前記挿入ポイントにおいて、前記骨の構造から除去された前記素材が元々占めていた体積のソフトウェアモデルを生成する段階と、前記ソフトウェアモデル内のモデルデータに基づき、前記インサートを製造する段階とを含む方法を提供する。

前記第１の３次元トラッキングマーカーは、前記挿入ポイントに近接する前記骨の構造に堅く、且つ着脱可能に取り付けられる基準レファレンスを介し、前記骨の構造に堅く、且つ着脱可能に取り付けることができ、前記基準レファレンスは、前記スキャンデータからその位置及び方向が決定される標識若しくは形状を有することができる。他の実施形態において、前記第１の３次元トラッキングマーカーは、前記挿入ポイントに近接する前記骨の構造に堅く、且つ着脱可能に取り付けられる基準レファレンスであってもよく、前記第１トラッキングマーカーは、前記スキャンデータからその位置及び方向が決定される標識若しくは形状を有することができる。

前記ソフトウェアは、前記メモリに保存され、前記プロセッサによって実行できる第１セットの実行可能な命令をさらに含むことができ、前記第１セットの実行可能な命令は、前記スキャンデータ及び前記映像情報に基づき、前記ソフトウェアモデルを生成するための第２セットの命令と、前記ソフトウェアモデルからモデルデータを抽出するための第３セットの命令とを含み、前記モデルデータは、前記ソフトウェアモデルによる前記インサートに関連する製造情報を製造装置に提供するように構成することができる。

前記第２セットの命令は、前記スキャンデータを獲得するための命令と、前記トラッカーから前記映像情報を獲得するための命令と、前記映像情報から骨の構造の追跡情報を獲得するための命令と、前記映像情報から作業用チップの追跡情報を獲得するための命令と、前記骨の構造の追跡情報と前記作業用チップの追跡情報との重なりに基づき、３次元の素材除去マップを獲得するための命令と、前記３次元の素材除去マップに基づき、前記インサートのためのモデルの外形を確立するための命令とを含むことができる。

前記システムは、前記コントローラと通信する製造装置をさらに含み、前記製造装置は、前記ソフトウェアモデルによる前記モデルデータに基づき、前記インサートを製造するように構成することができる。

図面と共に後述する本発明の実施形態の説明を参照することによって、上記で言及したり、若しくは他の特徴及び目的、かかる特徴及び目的を達成するための方法はさらに明確になり、本発明そのものはさらに理解できるであろう。

本発明の実施形態が利用できるネットワークシステムの概略的な模式図である。 コンピューティングシステム（サーバまたはクライアント、または適切であれば両方共）のブロック図であって、このコンピューティングシステムは選択的な入力装置（例えばキーボード、マウス、タッチスクリーンなど）と出力装置、ハードウェア、ネットワークコネクション、一つ以上のプロセッサ並びにデータ及びモジュールのためのメモリ／ストレージを備えており、本発明の実施形態と共にコントローラ及びディスプレイとして利用することができる。 本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。 本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。 本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。 本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。 本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。 本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。 本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。 本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。 本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。 本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。 本発明の位置登録方法の一つの実施形態を示すフローチャート模式図である。 本発明の位置登録方法の一つの実施形態を示すフローチャート模式図である。 本発明の位置登録方法の一つの実施形態を示すフローチャート模式図である。 本発明の一つの実施形態によってトラッキングポールと歯用ドリルを備える歯用基準キーの図面である。 本発明の他の実施形態によって基準キー、内視鏡、生検針を示す内視鏡手術部位の図面である。 図５を詳細に拡大した図面であって、手術部位内に位置する骨の構造の挿入ポイント内部へのインサートを製造するためのシステムを示す図面である。 骨の手術のための手術インサートを製造するための方法に関する概略的なフローチャートである。

多数の図面全体において相応する参照記号は相応する部分を示す。たとえ図面が本発明の実施形態を示していても、それら図面は必ずしも同じ割合ではなく、本発明をさらに上手く例示し、説明できるよう、ある特徴は誇張になっていることもある。フローチャートとスクリーンショットもまた、本質上、代表的であるが、本発明の実際の実施形態は、図面に示していない他の特徴及び段階を含むことができる。本明細書で開示された例示は、一つの形態で本発明の実施形態を説明する。しかし、そのような例示は、決して本発明の範囲を制限するものとして解釈されてはならない。

下記に開示された実施形態は、網羅的だったり、後述する詳細な説明に開示されている正確な形態に本発明を制限したりしようとする意図ではない。寧ろ、開示された実施形態における教示を本技術分野における通常の技術者が活用できるよう、実施形態が選択され、説明されている。

後述する詳細な説明は、英数字文字または他の情報を表すコンピュータメモリ内でデータビット上の作動に対するアルゴリズム及び記号表現で部分的に提示されている。前記ハードウェアコンポーネントは特定のスキャニング法を利用し、特定形態と相対的な方向及び大きさを備えているものに示されているが、一般的な場合、通常の技術者であれば本発明の教示内で様々な特定形態、方向及びスキャニング法が使用できることを認識することができる。コンピュータは、映像データーを獲得して処理するインターフェースを含み、一般的に命令を行うプロセッサと、命令及びデータを保存するためのメモリとを含む。汎用コンピュータが、そのメモリ内に保存されている一連のマシンエンコーディングされた命令を有する場合、かかるエンコーディングされた命令に応じて作動するコンピュータは、特定形態のマシン、即ち、その一連の命令により具現化された作動を行うよう、特別に構成されているコンピュータであり得る。命令の一部は、他のマシンの作動を制御する信号を生成するため、適応することができる。よって、命令の一部はそれらの制御信号を介して作動し、コンピュータ自体から遠く離れている素材を変形させることができる。これら説明及び表示は、データ処理分野における通常の技術者によって、彼らの作業内容をその分野における通常の技術者に最も効率よく伝達するに用いられる手段である。

本明細書において、そして一般的にアルゴリズムは希望する結果を誘導する、一貫性ある一連の段階として認識されている。これらの段階は物理量を物理的に処理するに要求され、手術部位の周辺物質を表すスキャニングされたデータを観察し、測定する段階である。必ずしも必要なものではないが、通常、それら量は、保存、転送、変形、組合、比較及び他の方法で処理できる電気的若しくは磁気的パールスまたは信号の形態を有する。時々、主に一般的使用との理由で、それら信号を物理的アイテムや顕示に対するレファレンスとしてビット、値、記号、文字、ディスプレイデータ、ターム、数字などで呼ぶことが便利であると判明されたが、物理的なアイテムや顕示においてそれらの信号は、映像の基礎となるデータを確保するよう、具現或いは表現されている。しかし、それら及び類似の用語は全て適切な物理量と関連しており、本明細書でそれら量に適用される便利なラベルとして単に使用されていることに留意すべきである。

一部のアルゴリズムは情報を入力すると同時に希望する結果を生成するためにデータ構造を利用することができる。データ構造はデータ処理システムによるデータ管理を非常に促進させ、精巧なソフトウェアシステムを介さなければアクセスすることができない。データ構造はメモリの情報コンテンツではなく、寧ろメモリ内に保存された情報に対する物理的構造を付与、若しくは顕示する特定の電子的構造要素を表す。単なる抽象化を飛び越え、データ構造はメモリ内の特定の電気的または磁気的な構造要素であって、時々関連アイテムのデータモデリングの物理的特性である複雑なデータを正確に表し、同時にコンピュータの作動における効率性を増加させる。

さらに、行われる処理作業は、通常、人間操作員によって行われる精神的動作に関連している、比較若しくは追加のような用語で時々言及される。本発明の一部分を形成する、本発明で説明した任意の作動において、人間操作員のそのような能力は全く必要でないか、若しくは殆どの場合に好ましくなく、かかる作動は機械作動である。本発明の作動を行うための有用な機械は、汎用デジタルコンピュータまたは他の類似の機器を含む。全ての場合において、コンピュータを作動する際の作動方法と、コンピュータ操作自体の方法の間の区別は認識されるべきである。本発明は、電気的または他の（例えば機械的、化学的）物理的信号を処理する際、他の希望する物理的顕示または信号を生成することができるようにコンピュータを作動させる方法及び装置に関するものである。前記コンピュータはソフトウェアモジュールで作動するが、このソフトウェアモジュールは一連の機械命令を表す媒体に保存されている信号の収集所（コレクション）であり、一連の機械命令を通じ、コンピュータプロセッサはアルゴリズム段階を具現する機械命令を行うことができる。かかる機械命令は、プロセッサがその命令を具現するように解析する実際のコンピュータコードであっても良く、代わりとして実際のコンピュータコードを獲得できるように解析される、かかる命令のハイレベルのコーディングであっても良い。ソフトウェアモジュールはまた、ハードウェアコンポーネントを含むことができるが、アルゴリズムの一部の様相は命令の結果としてではなく、回路自体によって行われる。

また、本発明は、それら作動を行うための装置に関する。この装置は、要求される目的のために特別に構成することができ、若しくはコンピュータ内に保存されているコンピュータプログラムによって選択的に起動したり、若しくは再構成される汎用コンピュータを含むことができる。特定のハードウェアを必要とすると明示的に示されない限り、本明細書に提示するアルゴリズムは、任意の特定コンピュータまたは他の装置と本質的に連係していない。一部の場合において、コンピュータプログラムは特定のプロトコールで構成されている信号を介し、他のプログラムまたは道具と通信したり連係したりするが、このプログラムまたは道具は、相互作用できる特定のハードウェアまたはプログラミングを必要としたり、必要としなかったりする。特に、本明細書における教示に従って記録されたプログラムが備えられている多様な汎用マシンを使用することができ、または要求される方法段階を行うためにさらに特化した装置を構成する方が一層好都合であると判明されるかもしれない。様々なこれらマシンのために要求される構造は、下記の説明から明らかになるであろう。

本発明は「客体指向」ソフトウェア、特に「客体指向」運営体制を取り扱うことができる。この「客体指向」ソフトウェアは「客体」に編成されるが、それぞれの客体はその客体に転送された「メッセージ」若しくはその客体と一緒に発生する「イベント」に応えて行われる様々な手順（方法）を記述するコンピュータ命令のブロックを含む。例えば、かかる作動は変数の処理、外部イベントによる客体の活性化、及び他の客体への一つ以上のメッセージの伝達を含む。必ずしも必要なわけではないが、物理的客体は、物理的装置から観察されたデータを収集し、ソフトウェアシステムにその観察されたデータを転送できる相応するソフトウェア客体を有する。かかる観察されたデータは単に便利であるという点で物理的客体及び／またはソフトウェア客体からアクセスすることができる。従って、後述する説明で「実際のデータ」が使用される場合、かかる「実際のデータ」は器具自体からあっても良く、または相応するソフトウェア客体若しくはモジュールからあっても良い。

メッセージはプロセスを行う任意の機能と知識を有する客体の間で転送及び受信される。メッセージはユーザーの命令に応じて発生するが、例えば、イベントを生成する「マウス」ポインターでアイコンを活性化させるユーザーによって発生する。また、メッセージはメッセージの受信に応じる客体によって発生し得る。客体のうちの一つの客体がメッセージを受信する際、その客体は受信したメッセージに相応する作動（メッセージ手順）を行い、必要であれば、その作動の結果を返す。それぞれの客体は、客体自体の内部状態（インスタンス変数）が保存される領域を有するが、その領域で他の客体のアクセスは許容されない。客体指向システムの一つの特徴は、継承である。例えば、ディスプレイ上に「円」を描くための客体は、ディスプレイ上に「外形」を描くための他の客体から機能と知識を継承することができる。

プログラマーは、個別のコードブロックを記録することにより、客体指向プログラミング言語で「プログラム化する」が、それぞれのコードブロックは、その方法を定義することで客体を生成する。メッセージにより相互通信するように適合に変わっているこれら客体のコレクションは、客体指向プログラムを含む。客体指向コンピュータプログラミングは、対話型システムのモデリングを容易にするが、このモデリングでシステムのそれぞれのコンポーネントは客体を用いてモデリングすることができ、それぞれのコンポーネントの行為はそれに相応する客体の方法によってシミュレーションされ、コンポーネントの間の相互作用は、客体の間に転送されるメッセージによってシミュレーションされる。

操作員は、客体のうちの一つの客体にメッセージを転送することで、客体指向プログラムを含む相互関連した客体のコレクションを誘発することができる。メッセージを受信すると予め設定された機能を行うことにより、客体に反応させることができるが、予め設定された機能は一つ以上の他の客体に追加的なメッセージを転送することを含むことができる。その他の客体は受信したメッセージに応じ、順次に追加的な機能を行うことができるが、追加的な機能はさらに多くのメッセージを転送することを含む。この方式で、メッセージと応答のシーケンスは、無限に続けられることができ、または全てのメッセージが応答され、且つ新しいメッセージが転送されなかったときに終了することができる。客体指向言語を活用するシステムをモデリングする際、プログラマーは、モデリングされたシステムのそれぞれのコンポーネントが一つの誘発にどう反応するかだけについて考えればよく、一部の誘発に応じて行われる作動手順については考える必要がない。かかる作動手順は、本質的にその誘発に応答する客体の間における相互作用の結果から得られ、プログラマーによって予め定められる必要はない。

たとえ客体指向プログラミングが、相互関連したコンポーネントシステムのシミュレーションをさらに直観的になるようにすることはできるとしても、順次に構成されたプログラムの場合のように、通常、一つの客体指向プログラムによって行われる作動手順は、ソフトウェアのリストから直ちに明確になるわけではないため、客体指向プログラムの作動は時々理解し難い。また、客体指向プログラムの作動が非常に明白に顕示されることを観察して、客体指向プログラムがどのように動作するかを決めることも容易ではない。一つのプログラムで単に相対的に少数の段階のみ観察できるコンピュータ出力を生成するため、プログラムに応じ、コンピュータによって行われる殆どの作動は観察者に見えない。

後述する説明において頻繁に用いられるいくつかの用語は、本明細書の脈絡で特別な意味を有する。用語「客体」は一連のコンピュータ命令及び関連したデータに関するものであって、ユーザーにより、直接的に若しくは間接的に活性化することができる。用語「ウィンドウ環境」、「ウィンドウ実行」及び「客体指向運営体制」は、ラスタースキャンされた動画ディスプレイにおいて、有界領域（ｂｏｕｎｄｅｄ ｒｅｇｉｏｎ）の内部のように動画ディスプレイで情報が処理され、ディスプレイされるコンピュータユーザーインターフェースを示すために用いられる。用語「ネットワーク」「近距離通信網」、「ＬＡＮ」、「広域通信網」、若しくは「ＷＡＮ」はコンピュータの間でメッセージが転送できる方式で接続されている２台以上のコンピュータを意味する。かかるコンピュータネットワークにおいて、一つ以上のコンピュータは、通常、ハードディスクドライブのような大きいストレージ装置とプリンター、若しくはモデムのような周辺装置を作動させる通信ハードウェアを備えたコンピュータである「サーバ」として作動する。「ワークステーション」という用語が用いられる他のコンピュータはユーザーインターフェースを提供し、コンピュータネットワークのユーザーは共有データファイル、共通周辺装置及びワークステーションの相互間通信のようなネットワークリソースにアクセスすることができる。ユーザーはコンピュータプログラムまたはネットワークリソースを活性化し、「プロセス」を生成するが、そのプロセスは入力変数によって決定される特定の作動特性が備えられたコンピュータプログラムの一般的な作動とその環境を全て含む。プロセスに類似しているのがエージェントであるが（たまに知能型エージェントと呼ばれる）、エージェントはユーザーの干渉なく、いくつかの周期的なスケジュールに従い、情報を収集するか、若しくはいくつかの他のサービースを行うプロセスである。一般的にエージェントは、ユーザーによって通常提供されるパラメータを使用し、ホストマシン上でまたはネットワーク上の他の一部のポイントで位置を探索し、そのエージェントの目的に関する情報を収集し、その情報を周期的にユーザーに提供する。

用語「デスクトップ」はそのデスクトップに関連したユーザーに、関連したセッティングを備えている客体のメニュー、若しくはディスプレイを提示する特定のユーザーインターフェースを意味する。デスクトップがネットワークリソースにアクセスする際、通常、遠隔サーバで実行できる応用プログラムが必要となるが、デスクトップは応用プログラムインターフェース、即ちＡＰＩを呼び出して、ユーザーがネットワークリソースにコマンドを提供し、任意の出力を観察できるようにする。用語「ブラウザ」は、ユーザーに必ずしも明白ではないが、デスクトップとネットワークサーバの間にメッセージを転送し、ネットワークユーザーのディスプレイ及びネットワークユーザーとの相互作用に関与するプログラムのことを指す。ブラウザは、コンピュータの汎世界的なネットワーク、即ち「ワールドワイドウェブ」、若しくは簡単に「ウェブ」でテキスト及びグラフィック情報を転送するための通信プロトコルを活用するよう設計されている。本発明に常用できるブラウザの例は、マイクロソフト社で販売しているインターネットエクスプローラー（インターネットエクスプローラーは、マイクロソフト社の商標）、オペラソフトウェアＡＳＡで作ったオペラブラウザプログラム、またはモジラファウンデーションで配布しているファイアフォックスブラウザプログラム（ファイアフォックスは、モジラファウンデーションの登録商標）を含む。後述する説明はブラウザのグラフィックユーザーインターフェースという面でその作動を詳細に説明するが、本発明は、グラフィック基盤のブラウザの多い機能を有している、テキスト基盤のインターフェース、さらには音声若しくは視覚的に活性化されたインターフェースにおいても実行することができる。

ブラウザディスプレイ情報は、標準汎用文書記述言語（ＳＧＭＬ）若しくはハイパーテキスト文書記述言語（ＨＴＭＬ）でフォーマットされているが、この２つの言語は全てスクリプティング言語であって、特定のＡＳＣＩＩテキストコードを使用し、テキスト文書内に非視覚的コードを内蔵している。これらのフォーマットでのファイルは、インターネットのようなグローバル情報ネットワークを含む、コンピュータネットワークを渡り、容易に転送することができ、ブラウザがテキスト、映像をディスプレイできるようにし、音声及び映像の録音物を演奏できるようにする。ウェブは、その通信プロトコルと共にこれらのデータファイルフォーマットを活用し、サーバとワークステーションの間でかかる情報を転送する。ブラウザはまた、拡張性文書記述言語（ＸＭＬ）のファイル内に提供されている情報をディスプレイできるよう、プログラム化できるが、ＸＭＬファイルがあれば様々な文書型定義（ＤＴＤ）を使用することができるため、本質上、ＳＧＭＬ若しくはＨＴＭＬより汎用的である。データフォマッティング及びスタイルシートフォマッティングが別に含まれているため（フォマッティングは情報をディスプレイする方法として考えられるので、ＸＭＬファイルはデータ及び関連した方法を有する）、ＸＭＬファイルは客体に類推することができる。

前述で定義したように、用語「個人携帯情報端末」、または「ＰＤＡ」は、コンピューティング、電話、ファックス、電子メール及びネットワーキングの特徴が結合されている任意の携帯用モバイル機器を意味する。用語「無線広域通信網」、または「ＷＷＡＮ」は、携帯用機器とコンピュータの間でデータ転送のための媒体として機能する無線ネットワークを意味する。用語「同期化」は、有線または無線のうち、一つを経由し、例えば携帯用機器の第１機器と、例えばデスクトップコンピュータの第２機器との間における情報交換を意味する。同期化は２つの機器におけるデータが同一（少なくとも同期化時点で）であることを保障する。

無線広域通信網において、通信はアナログ、デジタルセルラー、または個人携帯通信サービース（ＰＣＳ）ネットワーク上の無線信号の転送を介して主に行われる。信号は、極超短波及び他の電磁気波を介しても転送することができる。現在、殆どの無線データ通信は、符号分割多重接続（ＣＤＭＡ）、時分割多重接続（ＴＤＭＡ）、世界移動通信システム（ＧＳＭ）のような２世代技術、３世代技術（ワイドバンド若しくは３Ｇ）、４世代（ブロードバンド若しくは４Ｇ）、個人デジタルセルラー（ＰＤＣ）を使用するセルラーシステムを経由したり、または高度携帯電話システム（ＡＭＰＳ）で使用されているセルラーデジタルパケットデータ（ＣＤＰＤ）のようなアナログシステムにおけるパケットデータ技術を通じて発生する。

用語「無線応用通信プロトコル」、即ち「ＷＡＰ」は、小型ユーザーインターフェースが備えられた携帯用機器及びモバイル機器でウェブ基盤データの伝達及び提示を容易にする汎用仕様を意味する。「モバイルソフトウェア」は、応用プログラムが移動電話またはＰＤＡのようなモバイル機器で具現できるようにするソフトウェア運営体制を指す。モバイルソフトウェアの例は、Ｊａｖａ及びＪａｖａ ＭＥ（ＪａｖａとＪａｖａ ＭＥはカリフォルニア州・サンタクララ所在のサンマイクロシステムズ社の商標）、ＢＲＥＷ（ＢＲＥＷはカリフォルニア州・サンディエゴ所在のクアラコム社の登録商標）、Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｍｏｂｉｌｅ（Ｗｉｎｄｏｗｓはワシントン州・レドモンド所在のマイクロソフト社の登録商標）、Ｐａｌｍ ＯＳ（Ｐａｌｍはカリフォルニア州・サニーベール所在のパーム社の登録商標）、Ｓｙｍｂｉａｎ ＯＳ（Ｓｙｍｂｉａｎは英国・ロンドン所在のシンビアンソフトウェア株式会社の登録商標）、ＡＮＤＲＯＩＤ ＯＳ（ＡＮＤＲＯＩＤはカリフォルニア州・マウンテンビュー所在のグーグル社の登録商標）、ｉＰｈｏｎｅ ＯＳ（ｉＰｈｏｎｅはカリフォルニア州・クパチーノ所在のアップル社の登録商標）、及びＷｉｎｄｏｗｓ Ｐｈｏｎｅ７がある。「モバイルアプリ」は、モバイルソフトウェアを用いて実行するように記録されたソフトウェアプログラムを指す。

用語「スキャン」、「基準レファレンス」、「基準位置」、「マーカー」、「トラッカー」及び「映像情報」は、本開示において特別な意味を有する。本開示の目的に関連し、「スキャン」またはその派生語は、Ｘレイ、磁気共鳴映像（ＭＲＩ）、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、超音波検査、コーンビームコンピュータ断層撮影（ＣＢＣＴ）または患者の定量的な空間再現を生成する任意のシステムを指す。用語「基準レファレンス」または単純に「基点」は、認識可能な固定ポイントとしてユニークに識別できるスキャン映像における客体またはレファレンスを指す。本明細書において、用語「基準位置」は、基準レファレンスが取り付けられる有用な位置を指す。「基準位置」は、普通、手術部位に隣接する。用語「マーカー」または「トラッキングマーカー」は、外科または歯の手術位置に隣接し、センサーにより認識できる客体またはレファレンスを指すが、ここでセンサーは、光センサー、無線識別装置（ＲＦＩＤ）、音声感知センサー、紫外線若しくは赤外線センサーであっても良い。用語「トラッカー」は、マーカーの位置と、手術中、リアルタイムで連続的にマーカーの方向及び動きを決定できる機器、若しくは機器システムを指す。具現可能な例として、例えばマーカーが印刷されたターゲットで構成されていれば、前記トラッカーはステレオカメラのペアを含むことができる。一部の実施形態において、前記トラッカーは非ステレオ光学トラッカー、例えばカメラであってもよい。前記カメラは例えば、可視光線領域若しくは赤外線領域で作動することができる。本明細書において用語「映像情報」は、光学、若しくは別の方法でトラッカーによって取得される情報を説明するために用いられ、マーカーの位置と、手術中、リアルタイムで連続的にマーカーの方向及び移動を決定するため、用いることができる。

図１は、一つの実施形態によるコンピューティング環境１００の高水準のブロック図である。図１は、ネットワーク１１４により接続されているサーバ１１０と３つのクライアント１１２を例示している。説明を簡略且つ明確にできるよう、図１に３つのクライアント１１２のみを示している。コンピューティング環境１００の実施形態は、例えばインターネットであるネットワーク１１４に接続されている数千、若しくは数万のクライアント１１２を有することができる。ユーザー（不図示）はクライアント１１２のうちの一つでソフトウェア１１６を作動させ、サーバ１１０及び関連した通信装備及びソフトウェア（不図示）を経由し、ネットワーク１１４にメッセージを送信・受信することができる。

図２はサーバ１１０、若しくはクライアント１１２を具現するに適切なコンピュータシステム２１０のブロック図である。コンピュータシステム２１０はバス２１２を含むが、バス２１２は、中央プロセッサ２１４、システムメモリ２１７（普通、ＲＡＭであるが、ＲＯＭ、フラッシュＲＡＭ、若しくはその他のメモリも含むことができる）、入力・出力コントローラ２１８、音声出力インターフェース２２２を経由するスピーカシステム２２０のような外部音声装置、ディスプレイアダプタ２２６を経由するディスプレイスクリーン２２４、シリアルポート２２８、２３０、（キーボードコントローラ２３３で接続される）キーボード２３２、ストレージインターフェース２３４、フロッピーディスク２３８を収容し、作動するディスクドライブ２３７、ファイバーチャネルネットワーク２９０に接続され、作動するホストバスアダプタインターフェースカード２３５Ａ、ＳＣＳＩバス２３９に接続され、作動するホストバスアダプタインターフェースカード２３５Ｂ、及び光ディスク２４２を収容し、作動する光ディスクドライブ２４０のような外部装置のコンピューティングシステム２１０の主要なサブシステムを互いに接続する。また、マウス２４６（または、他のポイント・クリック機器、シリアルポート２２８を経由してバス２１２に接続）、モデム２４７（シリアルポート２３０を経由してバス２１２に接続）、及びネットワークインターフェース２４８（バス２１２に直接接続）が含まれている。

バス２１２は、中央プロセッサ２１４とシステムメモリ２１７との間でデータ通信を可能にさせるが、前述した通り、システムメモリはリードオンリーメモリ（ＲＯＭ、不図示）若しくはフラッシュメモリ（不図示）、そしてランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ、不図示）を含むことができる。一般的にＲＡＭは主メモリであって、運営体制及び応用プログラムがその中にローディングされる。ＲＯＭ若しくはフラッシュメモリは、他のソフトウェアコードの中でも基本入力・出力システム（ＢＩＯＳ）を含むことができるが、ＢＩＯＳは、周辺コンポーネントとの相互作用のような基本的なハードウェア作動を制御する。コンピュータシステム２１０に常駐する応用プログラムは、一般的にハードディスクドライブ（例えば、固定ディスク２４４）、光ディスク（例えば、光ドライブ２４０）、フロッピーディスクユニット２３７、若しくは他のストレージ媒体のようなコンピュータ可読媒体に保存され、その媒体を経由してアクセスされる。さらに、ネットワークモデム２４７、若しくはネットワークインターフェース２４８、若しくは他の通信装備（不図示）を経由し、応用プログラムにアクセスする際、応用プログラムは、応用及びデータ通信技術によって変調された電子信号の形であっても良い。

コンピュータシステム２１０の他のストレージインターフェースと同様に、ストレージインターフェース２３４は情報の保存及び／または検索のため、固定ディスクドライブ２４４のような標準コンピュータ可読媒体に接続することができる。固定ディスクドライブ２４４は、コンピュータシステム２１０の一部であっても良く、または別個に分離され、他のインターフェースシステムを介してアクセスすることができる。モデム２４７は、電話接続、またはインターネットサービース提供者（ＩＳＰ、不図示）を経由するインターネットを介し、遠隔サーバへの直接接続を提供することができる。ネットワークインターフェース２４８はＰＯＰ（相互接続位置）を経由するインターネットへの直接ネットワークリンクを介し、遠隔サーバへの直接接続を提供することができる。ネットワークインターフェース２４８は無線技術を使用し、かかる接続を提供することができるが、無線技術はデジタルセルラー電話接続、セルラーデジタルパケットデータ（ＣＤＰＤ）接続、デジタル衛星データ接続、若しくは他の接続を含む。

図３Ａ〜Ｉのハードウェアコンポーネントを含む、他の多くの装置、若しくはサブシステム（不図示）を類似の方式で接続することができるが（例えば、文書スキャナ、デジタルカメラなど）、これらはその代替として近距離通信網、広域通信網、無線通信網、若しくは通信システムを介して関連したコンピュータリソースと通信することができる。従って、一般的に本開示においてはハードウェアコンポーネントがコンピューティングリソースに直接接続されている実施形態を議論することができるが、本技術分野の通常の技術者は、かかるハードウェアはコンピューティングリソースと遠隔で接続できることが分かる。逆に、本開示を実行するため、図２に示す全ての装置が存在する必要はない。装置及びサブシステムは、図２とは異なる方法で相互接続することができる。図２に示したようなコンピュータシステムの作動は、当業界によく知られているので、本出願では詳細に説明しない。本開示を具現できるソフトウェアのソースコード及び／またはオブジェクトコードは、一つ以上のシステムメモリ２１７、固定ディスク２４４、光ディスク２４２、若しくはフロッピー（登録商標）ディスク２３８のようなコンピュータ可読記憶媒体に保存することができる。コンピュータシステム２１０に提供される運営体制は多様であるか、または別バージョンのＭＳ−ＤＯＳ（ＭＳ−ＤＯＳはワシントン州・レドモンド所在のマイクロソフト社の登録商標）、ＷＩＮＤＯＷＳ（ＷＩＮＤＯＷＳはワシントン州・レドモンド所在のマイクロソフト社の登録商標）、ＯＳ／２（ＯＳ／２はニューヨーク州・アーモンク所在のＩＢＭ社の登録商標）、ＵＮＩＸ（ＵＮＩＸはイギリス・レディング所在のエックスオープン社の登録商業）、Ｌｉｎｕｘ（Ｌｉｎｕｘはオレゴン州・ポートランド所在のリーナストーバルズの登録商標）、若しくは他の公知されたり開発されたりした運営体制のうち、一つであり得る。

さらに、本明細書で説明する信号に関し、通常の技術者であれば、信号が第１ブロックから第２ブロックに直接転送、または信号がそれらブロックの間で変調（例えば、増幅、減衰、遅延、ラッチ、バッファリング、反転、フィルターリング、若しくは他の変更）できることが分かる。前述した実施形態の信号は一つのブロックから次のブロックに転送されることが特徴とされているが、信号の情報及び／または機能の面がブロックの間で転送される限り、本開示の他の実施形態は、そのような直接転送された信号に代わって変調された信号を含むことができる。ある程度、関連した回路の物理的限界（例えば、ある程度の減衰及び遅延が必然的にあるはず）により、第２ブロックにおける信号入力は、第１ブロックからの第１信号出力に由来する第２信号として概念化することができる。従って、本明細書において用いられる第１信号に由来する第２信号は、第１信号、または回路制限若しくは第１信号の情報及び／または最終機能の面を変えない他の回路素子の通過による、第１信号に対する任意の変調を含む。

本発明は、手術ハードウェア及びソフトウェアモニタリングシステム及び方法に関するものであって、患者の手術までに余裕がある間、例えば、患者が手術を準備する間、このシステムが手術部位をモデル化できるよう手術計画を可能にする。前記システムは、図３Ａにおいて基準キー１０で表示されている、特別に構成されるハードウェアピースを使用し、手術の重要領域（ｃｒｉｔｉｃａｌ ａｒｅａ）に対して前記モニタリングシステムのトラッキングマーカー１２の方向を確定する。基準キー１０は意図された手術領域に隣接した位置に取り付けられるが、図３Ａの歯の手術領域の例示的な実施形態において、基準キー１０は歯の副木１４に取り付けられている。トラッキングマーカー１２はトラッキングポール１１によって基準キー１０に接続することができる。手術部位に関する映像情報を獲得する適切なトラッカーに前記基準レファレンスが直接見える実施形態において（例えば、図５及び図６を参照）、トラッキングマーカーは基準レファレンスに直接取り付けることができる。前記トラッカーは、非ステレオ光学トラッカーであり得る。例えば、歯の手術で、手術領域の近くに基準キー１０を確実に位置付けすることができるよう、歯のトラッキングマーカー１４を使用することができる。トラッカーによってトラッキングマーカー１２から獲得されたデータの持続的な映像処理のため、前記基準キー１０はレファレンスポイント、即ち、基点として使用することができる。

他の実施形態において、追加のトラッキングマーカー１２は基準キー１０及びその基準キーに関連した任意のトラッキングポール１１、またはトラッキングマーカー１２とは独立したアイテムに取り付けることができる。そのため、前記独立したアイテムがトラッカーによって追跡される。かかる追加的なトラッキングマーかーに関する他の実施形態は、図６及び図７を用いて詳細に説明する。

さらに他の実施形態において、手術部位に隣接したアイテム、若しくは器具のうち、少なくとも一つは本発明のモニタリングシステムのためのトラッカーとして機能し、前記トラッキングマーカー１２及び前記手術領域のスキャンデータに対し、任意の追加のトラッキングマーカーの方向及び位置を感知できるように取り付けられるトラッカーを選択的に有することができる。一例として、器具に取り付けられている前記トラッカーは小型デジタルカメラであっても良い。例えば、歯医者用ドリルに取り付けられても良い。前記アイテム、若しくは器具に取り付けられたトラッカーによって追跡される任意の他のマーカーは、そのトラッカーの視界の中になければならない。

歯の手術の例を使用すると、手術部位の初期スキャンを得るため、患者はスキャニングされる。基準キー１０の特定の形により、メモリ内に保存されており、例えば、図２のコンピュータ２１０のプロセッサ２１４及びメモリ２１７の適切なコントローラで実行されるコンピュータソフトウェアは、前記スキャンデータから手術部位内で基準キーの相対的な位置を認識することができるので、基準キー１０の位置及び方向を参照し、更なる観察を行うことができる。一部の実施形態において、前記基準レファレンスはスキャニングされた際、認識可能な識別象徴として明確なマーキングを含む。他の実施形態において、スキャンで見える身体はスキャンの分析から明確に決定できる前面、後面、上面、下面及び左／右が定義されている表面を示し、それによって基準レファレンスの位置はもちろん、その方向までも決定できるようにする非対称的な形を有しているという点で、前記基準レファレンスは、区別される形状を含んでいる。

さらに、前記コンピュータソフトウェアは、歯、顎骨、皮膚及び歯茎組織、他の手術器具などのようにスキャン内の客体を構成するための座標系を生成することができる。前記座標系はスキャンの映像を基点周辺の空間に関連付けし、方向と位置、両方共によってマーカーが付けられた前記器具を位置付けする。続いて、モニタリングシステムにより生成された前記モデルは、境界条件を点検するために使用することができ、トラッカーと協同してリアルタイムでその配置を適切なディスプレイ、例えば、図２のディスプレイ２２４上に表示する。

一つの実施形態において、前記コンピュータシステムは基準キー１０の物理的な構成に関し、予め設定された知識を有しており、基準キー１０の位置を調べるため、スキャンのスライス／セクションを点検する。基準キー１０の位置を調べる作業は、その独特な形状に基づいたり、または基準キー上部、若しくはトラッキングマーカー１２のような前記基準キー１０への取付物上部ではっきりと識別され、且つ方向性を有するマーキングに基づくことができる。基準キー１０を構築する際、放射線不透過性素材、若しくは高密度素材を採択した高い映像処理コントラストを通じ、基準キー１０がスキャンではっきりと見えるようにすることができる。他の実施形態において、適切な高密度、若しくは放射線不透過性インク、若しくは素材を使用して、はっきりと識別され、方向性を有するマーキング素材を生成することができる。

基準キー１０が識別されると、分割スキャンから前記基準キー１０の位置及び方向が決定され、基準キー１０内の一つのポイント（地点）が座標系の中央に割り当てられる。そのように選択されたポイントは任意に選択することができ、またはその選択は数々の有用な基準に基づくことができる。モデルは続いて変形マトリクスの形に誘導され、基準システムに関連付けされるが、一つの特定実施形態において、基準キー１０が手術部位の座標系に関連付けされる。その結果で生成される仮想の構築物は、意図されている手術の仮想モデリングのための手術手順計画ソフトウェアによって使用されることができ、代替手段として手術ソフトウェアのための映像支援を提供し／提供したり手術手順を行うための経路をグラフに表したりするための目的で、器具を構成するための計測ソフトウェアによって使用されることができる。

いくつかの実施形態において、前記モニタリングハードウェアは前記基準レファレンスへのトラッキング取付物を含む。歯の手術に関連する実施形態において、前記基準キー１０への前記トラッキング取付物はトラッキングマーカー１２であるが、前記トラッキングマーカー１２はトラッキングポール１１を介し、基準キー１０に取り付けられている。トラッキングマーカー１２は、特別な識別パターンを有することができる。例えば、トラッキングマーカー１２のような追跡可能な取付物と、さらに関連しているトラッキングポール１１は、公知の構成を有するため、トラッキングポール１１及び／またはトラッキングマーカー１２からの観察データを座標系に正確に図解することができ、それにより、手術手順の進行をモニタリングして、記録することができる。例えば、特に図３Ｊに示すように、基準キー１０は、トラッキングポール１１のインサート１７に締結されるよう特別に調整されている所定の位置にホール１５を有することができる。例えば、かかる配置において、トラッキングポール１１は小さい力で基準キー１０のホール１５内部に取り付けることができ、それにより、かかる取り付けが成功的に完了すると聴覚的な通知を与えることができる。

手術手順において、トラッキングポールの方向を転換することも可能である。例えば、歯の手術が口腔内の反対側の歯を扱う場合、外科医が手を取り替える場合及び／または２番目の外科医が手術の一部を行う場合、手術位置を変更するため、そのような方向転換があり得る。例えば、トラッキングポールの移動は、座標系に対する前記トラッキングポールの再登録のきっかけとなり得るため、その位置をそれに応じて調節することができる。例えば、歯の手術の実施形態の場合、取り付けられたトラッキングマーカー１２を備えたトラッキングポール１１が基準キー１０のホール１５から分離され、関連したトラッキングポールを備えた別のトラッキングマーカーが基準キー１０の代替ホールに接続されるとき、かかる再登録が自動的に開始される。さらに、ソフトウェアで境界条件が具現され、観察データがその外周部領域にアクセスし／アクセスしたり入ったりする際、ユーザーに通知することができる。

本発明を活用するシステムのさらに他の実施形態において、本明細書で「ハンドピース」（図５及び図６）と命名される手術器具、若しくは手術道具は、座標系内で位置が知られ、追跡できる独特な構成を有することができ、本明細書で説明するような適切なトラッキングマーカーを有することができる。仮想の素材との潜在的な衝突を示すための境界条件を設定することができ、ハンドピースが境界条件にアクセスすると感知された際、スクリーン上に指示が現れたり、或いはアラームサウンドが鳴り得る。それだけでなく、希望する手術領域を示せるよう、ターゲットの境界条件を設定することができ、ハンドピースの経路がターゲット領域を離れる傾向にあるとき、そのハンドピースが希望経路を離れていることを示す表示が、スクリーン上に見えたり、或いはアラームサウンドが鳴り得る。

いくつかのハードウェアコンポーネントの代替的な実施形態が図３Ｇ〜Ｉに示されている。基準キー１０´は適切な接続部を備えた接続要素を有しており、トラッキングポール１１´が手術部位に対しトラッキングマーカー１２´を位置付けするようにする。独特な形状を有しているが、概念的に基準キー１０´は、前述の実施形態と非常に同一の方式でポール１１´及びトラッキングマーカー１２´に対するアンカーとして機能する。前記モニタリングシステムの前記ソフトウェアは、それぞれ特別に識別される基準キー、トラッキングポール、及びトラッキングマーカーの構成を有するよう予めプログラムされており、その位置計算は変更された構成パラメータによって変更されるだけである。

規制要件及び実質的な考慮事項により、ハードウェアコンポーネントの素材は異なっても良い。一般的にキー、若しくは基準コンポーネントは、通常、放射線不透過性素材で製造されるため、スキャンのノイズを発生しないが、スキャニングされた映像上に認識できるコントラストを生成するため、それに関連した任意の識別パターンを認識することができる。さらに、一般的に患者に配置されているため、前記素材は軽量であって、患者に置かれた装置への接続に適合しなければならない。例えば、歯の手術の場合、前記基準キーの素材はプラスチック副木への接続に適合すべきであり、トラッキングポールへの接続に適合すべきである。外科手術の場合、前記基準キーの素材は患者の皮膚、若しくは他の特定組織への取り付けに適していなければならない。

それに限定されるものではないが、例えば、高コントラストのパターン彫刻を採択することで、前記トラッキングマーカーは鮮明に識別される。前記トラッキングマーカーの素材としては、オートクレーブ工程における損傷に耐性があり、コネクト構造への堅くて繰り返し可能、且つ迅速な接続に適合性のある素材が選択される。前記トラッキングマーカー及びそれに接続されたトラッキングポールは、異なる手術位置に対し異なる位置に収容され得る性能を有しており、前記基準キーと同様、トラッキングマーカーとトラッキングポールは、患者の上部、若しくは患者に対し安定して配置されるため、相対的に軽量でなければならない。前記トラッキングポールも同様に、オートクレーブ工程に適合性がなければならず、トラッキングポールの中で共有された形のコネクターを有しなければならない。

前記基準キー、トラッキングポール及びトラッキングマーカーを追跡する際に採択される前記トラッカーは、１．５ｍ^２サイズの客体を非常に正確に追跡できなければならない。限定されるものではないが、一例として、前記トラッカーはステレオカメラ、若しくはステレオカメラペアである。感覚的な入力を読み取りできるよう、一般的にトラッカーは有線でコンピューティング装置に接続されるが、前記感覚的なデータをコンピューティング装置に転送できるよう、前記トラッカーは選択的に無線接続を有することができる。

ハンドピースのように追跡可能な器具のピースを追加に採択する実施形態において、かかる追跡可能な器具のピースに取り付けられるトラッキングマーカーはまた軽量でなければならず、９０°の間隔を持つ３つの客体アレイ内で作動できなければならない。また、高コントラストのパターン彫刻と、標準ハンドピースに対し堅く、迅速な装着メカニズムを選択的に有しなければならない。図６及び図７でさらに詳細に記述するように、他の実施形態で、前記トラッキングマーカーはハンドピースの堅い位置方向部に一体に統合されている。

本発明の別の側面において、図４Ａ〜Ｃに示すよう、手術活動を追跡するための自動登録方法が提示される。限定されるものではないが、図４Ａ及び図４Ｂは、スキャンデータから前記基準レファレンスの３次元位置及び方向を決定するための一つの方法のフローチャートである。図４Ｃは、前記トラッカーにより獲得された映像情報から適切なトラッキングマーカーの存在を確認し、前記映像情報に基づいて前記基準レファレンスの３次元位置及び方向を決定するための方法を示すフローチャートである。

図４Ａ及び図４Ｂに示すよう、一旦プロセスが始まると（段階４０２）、前記システムは、例えばＣＴスキャンからスキャンデータセットを獲得し（段階４０４）、前記基点及び前記特別なスキャナモデルの知識に基づいてスキャンと共に提供されるか、或いは提供されない、前記基点に関するＣＴスキャンのデフォルトハンスフィールドユニット（ＨＵ）値をチェックし（段階４０６）、もしかかる閾値が存在しなければ一般化された所定のデフォルト値が採択される（段階４０８）。続いて、前記基準キー値に関連している予測値の範囲外のハンスフィールドデータ値で分割スキャンを除去することで、前記データが処理され（段階４１０）、残っているポイントの収集が続く（段階４１２）。もし前記データが空いていれば（段階４１４）ＣＴ閾値が調整され（段階４１６）、元の値が復元され（段階４１８）、分割スキャンの分割処理が続く（段階４１０）。前記データが空いていなければ、既存データを用いてマスの中央が計算され（段階４２０）、Ｘ・Ｙ・Ｚ軸の計算が行われる（段階４２２）。もしマスの中央がＸ・Ｙ・Ｚ軸の交差点になければ（段階４２４）ユーザーに通知され（段階４２６）、プロセスが終了する（段階４２８）。もしマスの中央がＸ・Ｙ・Ｚ軸の交差点にあれば（段階４２４）そのデータポイントは設計された基準データと比較される（段階４３０）。もし累積誤差が、許容される最大誤差より大きければ（段階４３２）ユーザーに通知され（段階４３４）、このプロセスは終了する（段階４３６）。累積誤差が、許容される最大誤差より大きくなければ、Ｘ・Ｙ・Ｚ軸の交差点で座標系が定義され（段階４３８）、スキャンプロファイルはＨＵユニットに対してアップデートされる（段階４４０）。

図４Ｃを参照すると、適切なカメラ若しくは別のセンサーであるトラッカーから映像情報が獲得される（段階４４２）。トラッキングマーカーが映像情報内に存在するかを決定するため、前記映像情報が分析される（段階４４４）。もし存在しなければ、この手順を続けるべきかどうかがユーザーに問われる（段階４４６）。続けない場合、このプロセスは終了する（段階４４８）。このプロセスが続く場合は、前記映像情報内でトラッキングマーカーが発見されなかったことがユーザーに通知され（段階４５０）、このプロセスは映像情報を獲得する段階に戻る（段階４４２）。もし前記映像情報に基づきトラッキングマーカーが発見されたり、若しくは前述した通知により、ユーザーによってトラッキングマーカーが取り付けられたりしたら（段階４５０）、適切なデータベースから前記基準レファレンスに対する前記トラッキングマーカーのオフセット及び相対的な方向が獲得される（段階４５２）。用語「データベース」は、本明細書において形式的な多重要素、若しくは多次元データベースで構成されたか否かにかかわらず、かかる情報の任意のソース、量及び配置を説明するために用いられる。本発明のこの実施形態の単純な具現において、オフセット値と相対的な方向を含む単一データセットが十分であり、その単一データセットは、例えばユーザーによって提供されてもよく、またはコントローラのメモリユニット内にあるか、若しくは分離されたデータベース、若しくはメモリ内にあってもよい。

座標系の原点を前記基準レファレンスに定義し、前記映像情報に基づいた前記基準レファレンスの３次元方向を決定できるよう、前記トラッキングマーカーのオフセット及び相対的な方向が使用され（段階４５４）、登録プロセスが終了する（段階４５８）。前記基準レファレンスの位置と方向をリアルタイムでモニタリングできるよう、このプロセスは段階４５４から繰り返され、カメラから新しい映像情報を獲得することができる（段階４４２）。ユーザーがこのプロセスを終了できるよう、適切なクエリポイントが含まれても良い。映像データから予め設定された形状を有したりマーキングされたりしたトラッキングマーカーの方向及び位置を決定するための詳細な方法は、本技術分野の技術者に知られているので、ここでは説明しない。前記手術部位に隣接した、トラッキングマーカーを有する任意のアイテムの動きを追跡できるよう、このように誘導された座標系が使用される。他の登録システムも考えられるが、例えば予め設定されたオフセットではなく、既存の他の感覚的なデータを使用するか、若しくは基点が転送容量を持つようにすることがある。

本発明の実施形態の一例が図５に示されている。所定の歯に取り付けられ、堅く取り付けられたトラッキングマーカー５０４を有する基準キー５０２の他にも、例えば歯用ドリルであり得るハンドピースの追加器具、若しくは道具５０６を前記モニタリングシステムのトラッカーとして機能するカメラ５０８によって観察することができる。

本発明の実施形態の他の例が図６に示されている。例えば、人間の腹や胸であり得る手術部位６００は、トラッキングマーカー６０４を支持できるよう、所定の位置に固定されている基準キー６０２を有することができる。適切なトラッキングマーカーを有する他の装置を、手術部位６００における手術過程に用いることができる。非制限的な例として、内視鏡６０６は別のトラッキングマーカーを有することができ、トラッキングマーカーを有する生検針６０８は手術部位において提示されることができる。前記システムに対するトラッカーとして働くセンサー６１０は、例えばカメラ、赤外線感知器、若しくはレーダーであり得る。特に、前記トラッカーは、本発明の目的に関し、映像情報として用いるための手術部位６００の２次元映像を生成する２次元映像トラッカーであってもよいが、前記映像情報は、前記トラッカーの視界内にある任意のトラッキングマーカーの２次元映像情報を含む。具体的に、トラッカーは、非ステレオ光学トラッカーであってもよい。手術部位６０、内視鏡６０６、生検針６０８、基準キー６０２及びトラッキングマーカー６０４は、すべてトラッカー６１０の視界内にあってもよい。

本発明のさらに他の側面が図７の実施形態に記述されている。図７は、図５の概略的な詳細拡大図である。トリルビット５１２を備える歯用ドリル５０６は、トラッキングマーカー５１０を有する。トラッキングマーカー５１０に対するドリルビット５１２のチップの正確な位置及び方向はコントローラ５１６に知られており、コントローラで利用することができる。コントローラ５１６は、例えば図２のコンピュータ２１０のプロセッサ２１４及びメモリ２１７であり得る。基準レファレンス５０２は、手術部位内の所定の位置に装着されており、堅く装着されたトラッキングマーカー５０４を有する。トラッキングマーカー５０４とトラッキングマーカー５１０は、トラッカー５０８の視界５１４内にある。トラッキングマーカー５１０、５０４は、一部の実施形態で適切なカメラであり得る、トラッカー５０８による視界５１４内で追跡される。前記カメラは測定カメラであり得る。前記カメラは、テレセントリックレンズを装着することができる。トラッカー５０８は、インターフェース５１８を介し、図７に概略的に示す手術部位に関する映像情報をコントローラ５１６に提供する。インターフェース５１８は、一般的に有線インターフェースであるが、これに限定されるものではなく、無線インターフェースであってもよい。

コントローラ５１６は、基準レファレンス５０２を含む手術部位の先に獲得されたスキャンデータを有する。基準レファレンス５０２とトラッキングマーカー５０４との間の前記３次元空間関係は、固定され、知られている。したがって、トラッカー５０８は、前記手術部位に対する、さらに具体的に基準レファレンス５０２に対するドリルビット５１２のチップの位置及び方向を３次元で追跡することができる。前記先に獲得されたスキャンデータが基準レファレンス５０２に対するターゲット歯の位置及び方向を提供するため、コントローラ５１６は、前記ターゲット歯に対するドリルビット５１２のチップの位置及び方向を計算できるすべての空間情報を有している。

ドリルビット５１２がターゲット歯と物理的に相互作用し、前記歯から素材を除去する場合、コントローラ５１６に提供された映像情報によってコントローラ５１６は除去された素材の３次元形状を計算し、前記除去された素材が元々占めていた体積のモデルを生成することができる。続いて、コントローラ５１６のソフトウェアは、前記モデルに基づいた製造プログラムであって、製造装置５２０により実行できる製造プログラムを生成し、例えば、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）マシーンツール（工作機械）のための部分プログラムを生成したり、３次元プリンターと関連する標準テッセレーション言語（ＳＴＬ）ファイルフォーマットでできるコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）を生成することで、前記製造装置５２０が前記モデルによる物品を製造できるようにする。前記モデルはデフォルトファイルフォーマット若しくはユーザーが選択したファイルフォーマットを用いて、適切な３次元ファイルフォーマット内に保存される。

コントローラ５１６が有線インターフェース５２２を介して製造装置５２０に隣接して連結されていると、前記３次元製造パターンを含む前記保存されたファイルは、製造装置５２０に直接に転送されることができる。その代わり、前記ユーザーは、前記保存されたファイルに対する受信先マシンを選択することができるが、受信先マシンは、例えばインターネットのようなネットワーク上で電子メールやファイルトランスファープロトコル（ＦＴＰ）により、前記保存されたファイルが転送される遠隔マシンであり得る。さらに他の実施形態において、受信先マリンが選択された後、適切な製造機器の内部へローディングできるよう、前記システムは前記保存されたファイルを前記３次元製造パターンでコンピュータ可読媒体に保存することができる。

例えば、新しいクラウンができると、前記除去された素材が元々占めていた体積のモデルは、コントローラ５１６によってソフトウェア内で前記クラウンの利用可能なモデルと組合することができ、前記組合された３次元構造は、製造装置５２０によって製造することができる。一つの実施形態において、コントローラ５１６のソフトウエアは、前記除去された素材の正確な形状を決定する。他の実施形態で、コントローラ５１６のソフトウェアは、前記除去された素材に比べ、大きい若しくは小さい代替部品のための適切なモデルを選択できるよう、前記除去された素材の形状及び他のパラメータを利用する。

図８のフローチャートに示すよう、他の側面から本発明の実施形態は、手術部位内に位置する骨の構造の挿入ポイント内部へのインサートを製造するための方法を提供する。前記方法は、前記骨の構造から素材を除去できるよう、作業用チップを有する素材除去ツールを前記挿入ポイントで作動させる段階と、トラッカーを用いて前記骨の構造の位置及び方向を３次元で追跡する段階（段階８３０）と、前記トラッカーを用いて前記素材除去ツールの前記作業用チップの位置及び方向を３次元で追跡する段階（段階８４０）と、前記挿入ポイントで前記骨の構造から除去された前記素材が元々占めていた体積のソフトウェアモデルを生成する段階（段階８６０）と、前記ソフトウェアモデル内のモデルデータに基づき、前記インサートを製造する段階とを含む。前記方法は、前記インサートに追加できる構造に関する既存の構造情報を前記ソフトウェアモデルに追加する段階をさらに含むことができる。一つの非限定的な例として、前記インサートへの補綴歯のクラウンの追加がある。

前記骨の構造の位置及び方向を３次元で追跡する段階（段階８３０）は、前記挿入ポイントに近接する前記骨の構造に堅く、且つ着脱可能に取り付けられている第１の３次元トラッキングマーカーの位置及び方向を３次元で追跡する段階（段階８１０）を含むことができる。前記第１の３次元トラッキングマーカーは、前記挿入ポイントに近接する前記骨の構造に堅く、且つ着脱可能に取り付けられている基準レファレンスを介し、前記骨の構造に堅く、且つ着脱可能に取り付けることができる。前記基準レファレンスは、前記手術部位のスキャンデータからその位置及び方向が決定される標識若しくは形状を有することができる。

前記第１の３次元トラッキングマーカーを３次元で追跡する段階（段階８１０）は、前記手術部位の既存のスキャン内の前記基準レファレンスを識別する段階と、前記挿入ポイントに対する前記基準レファレンスの前記３次元位置及び方向を決定する段階と、前記挿入ポイントに対する前記基準レファレンスの前記３次元位置及び方向に基づき、前記挿入ポイントに対する前記第１の３次元トラッキングマーカーの３次元位置及び方向を決定する段階とを含むことができる。

前記素材除去ツールの前記作業用チップの位置及び方向を３次元で追跡する段階（段階８４０）は、前記作業用チップに対して予め設定された相対的位置及び方向を使用し、前記素材除去チップに堅く取り付けられた第２の３次元トラッキングマーカーの位置及び方向を３次元で追跡する段階（段階８２０）を含むことができる。

前記挿入ポイントにおいて前記骨の構造から除去された前記素材が元々占めていた体積のソフトウェアモデルを生成する段階（段階８６０）は、前記骨の構造の追跡から骨の構造の追跡情報を誘導する段階と、前記作業用チップの追跡から作業用チップの追跡情報を誘導する段階と、前記骨の構造の追跡情報と前記作業用チップの追跡情報を誘導する段階と、前記骨の構造の追跡情報と前記作業用チップの追跡情報に基づき、３次元の素材除去マップを誘導する段階（段階８６０）とを含むことができる。

前記インサートを製造する段階は、前記ソフトウェアモデルからモデルデータを抽出する段階と、前記モデルデータを製造装置に提供する段階（段階８７０）と、前記モデルデータに基づき、前記インサートを製造する段階（段階８８０）とを含むことができる。前記モデルデータは、前記製造装置に直接提供してもよく、ストレージ媒体に保存した後に前記製造装置に提供してもよい。前記製造装置は、遠隔に位置する製造装置であってもよい。

本発明の実施形態は、インサート、インプラント及び補綴を製造するための装置及び方法を提供する。歯の手術に基づく例と関連する実施形態という脈絡で記述しているが、この分野に限定されるものではない。他の形態の骨の手術に同様に適用できるということは当然である。前記装置及び方法は、既存の３次元形状から除去された素材の前記３次元形状を追跡する必要がある場合、及び一部の例で、インプラントとして製造される必要がある場合、または取付手段として働くよう素材が除去された客体内部へのインサートを製造しなければならない場合にも適用することができる。

本発明は例示的な設計を有するものと記述されたが、本発明は、本開示の精神及び範囲内でさらに変更することができる。したがって、本出願は、その一般的な原理を用いる本発明の任意の変異や使用若しくは変形を包括することを意図する。さらに、本出願は、本発明が属する技術分野で公知されているか、若しくは通常の慣行内に入るような本開示からの逸脱を包括することを意図している。

Claims (15)

1. 骨の構造の挿入ポイント内部に挿入されるインサートを製造するための方法であって、
   トラッカーを用いて前記骨の構造の位置及び方向を３次元で追跡する段階と、
   前記トラッカーを用いて、前記挿入ポイントでの作動に適合であり、且つ前記骨の構造から素材を除去するに適切な素材除去ツールの作業用チップの位置及び方向を３次元で追跡する段階と、
   前記挿入ポイントにおいて、前記骨の構造から除去された前記素材が元々占めていた体積のソフトウェアモデルを生成する段階と、
   前記ソフトウェアモデル内のモデルデータに基づき、前記インサートを製造する段階とを含む方法。
2. 前記骨の構造の位置及び方向を３次元で追跡する段階は、前記挿入ポイントに近接する前記骨の構造に堅く、且つ着脱可能に取り付けられる第１の３次元トラッキングマーカーの位置及び方向を３次元で追跡する段階を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の３次元トラッキングマーカーは、前記挿入ポイントに近接する前記骨の構造に堅く、且つ着脱可能に取り付けられる基準レファレンスを介し、前記骨の構造に堅く、且つ着脱可能に取り付けられ、前記基準レファレンスは、前記手術部位のスキャンからその位置及び方向が決定される標識及び形状のうち、少なくとも一つである、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１の３次元トラッキングマーカーを３次元で追跡する段階は、
   前記手術部位の既存のスキャンデータから前記基準レファレンスを識別する段階と、
   前記挿入ポイントに対する前記基準レファレンスの３次元位置及び方向を決定する段階と、
   前記挿入ポイントに対する前記基準レファレンスの前記３次元位置及び方向に基づき、前記挿入ポイントに対する前記第１の３次元トラッキングマーカーの３次元位置及び方向を決定する段階とを含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記素材除去ツールの前記作業用チップの位置及び方向を３次元で追跡する段階は、前記作業用チップに対し、事前に設定された相対的位置及び方向を用い、前記素材除去ツールに堅く取り付けられる第２の３次元トラッキングマーカーの位置及び方向を３次元で追跡する段階を含む、請求項１ないし請求項４のうち、いずれか１項に記載の方法。
6. 前記挿入ポイントにおいて、前記骨の構造から除去された前記素材が元々占めていた体積のソフトウェアモデルを生成する段階は、
   前記骨の構造の追跡から骨の構造の追跡情報を誘導する段階と、
   前記作業用チップの追跡から作業用チップの追跡情報を誘導する段階と、
   前記骨の構造の追跡情報と前記作業用チップの追跡情報との重なりに基づき、３次元の素材除去マップを誘導する段階とを含む、請求項１ないし請求項５のうち、いずれか１項に記載の方法。
7. 前記インサートを製造する段階は、
   前記ソフトウェアモデルからモデルデータを抽出する段階と、
   前記モデルデータを製造装置に提供する段階と、
   前記モデルデータに基づき、前記インサートを製造する段階とを含む、請求項１ないし請求項６のうち、いずれか１項に記載の方法。
8. 前記モデルデータは、前記製造装置に直接提供されたり、若しくは、まずストレージ媒体に保存された後、製造装置に提供される、いずれか一つである、請求項７に記載の方法。
9. 前記インサートに追加されるべき構造に関する既存の構造情報を前記ソフトウェアモデルに追加する段階をさらに含む、請求項７または請求項８に記載の方法。
10. 手術部位内に位置する骨の構造の挿入ポイントの内部へ挿入されるインサートを製造するためのシステムであって、
    前記手術部位を含むことができ、前記手術部位に対する映像情報を獲得するように配置できる視界を有するトラッカーと、
    前記挿入ポイントに近接し、前記視界内で前記骨の構造に堅く、且つ着脱可能に取り付けることができる第１の３次元トラッキングマーカーと、
    作業用チップ及び堅く取り付けられる第２の３次元トラッキングマーカーを有し、前記視界内に位置できる素材除去ツールと、
    少なくとも一つのプロセッサ及び少なくとも一つのメモリを含むコントローラとを含み、
    前記少なくとも一つのメモリは、前記手術部位のスキャンデータとソフトウェアを含み、前記ソフトウェアは、前記少なくとも一つのプロセッサによって実行された際、前記スキャンデータ及び前記映像情報に基づき、前記挿入ポイントにおいて、前記骨の構造から前記素材除去チップによって除去された前記素材が元々占めていた体積のソフトウェアモデルを生成するように構成されるシステム。
11. 前記ソフトウェアは、前記少なくとも一つのメモリに保存され、前記少なくとも一つのプロセッサによって実行できる第１セットの実行可能な命令をさらに含み、前記第１セットの実行可能な命令は、前記スキャンデータ及び前記映像情報に基づき、前記ソフトウェアモデルを生成するための第２セットの命令と、前記ソフトウェアモデルからモデルデータを抽出するための第３セットの命令とを含み、前記モデルデータは、前記ソフトウェアモデルによる前記インサートに関連する製造情報を製造装置に提供するように構成される、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記第２セットの命令は、
    前記スキャンデータを獲得するための命令と、
    前記トラッカーから前記映像情報を獲得するための命令と、
    前記映像情報から骨の構造の追跡情報を獲得するための命令と、
    前記映像情報から作業用チップの追跡情報を獲得するための命令と、
    前記骨の構造の追跡情報と前記作業用チップの追跡情報との重なりに基づき、３次元の素材除去マップを獲得するための命令と、
    前記３次元の素材除去マップに基づき、前記インサートのためのモデルの外形を確立するための命令とを含む、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記コントローラと通信する製造装置をさらに含み、前記製造装置は、前記ソフトウェアモデルによる前記モデルデータに基づき、前記インサートを製造するように構成される、請求項１１または請求項１２に記載のシステム。
14. 前記第１の３次元トラッキングマーカーは、前記挿入ポイントに近接する前記骨の構造に堅く、且つ着脱可能に取り付けられる基準レファレンスを介し、前記骨の構造に堅く、且つ着脱可能に取り付けられており、前記基準レファレンスは、前記スキャンデータからその位置及び方向が決定される標識及び形状のうち、少なくとも一つである、請求項１０ないし請求項１３のうち、いずれか１項に記載のシステム。
15. 前記第１の３次元トラッキングマーカーは、前記挿入ポイントに近接する前記骨の構造に堅く、且つ着脱可能に取り付けられる基準レファレンスであり、前記第１トラッキングマーカーは、前記スキャンデータからその位置及び方向が決定される標識及び形状のうち、少なくとも一つである、請求項１０ないし請求項１４のうち、いずれか１項に記載のシステム。

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