JP2016539681A - 外科用ツールシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明の実施形態は、センサを含む誘導管と、誘導管内で移動可能な検出可能な特性を含む外科用器具と、を有し、センサが、外科用器具が誘導管に挿入されるとき、検出可能な特性を検出することが可能である、誘導外科用ツールアセンブリを提供する。一部の実施形態は、センサパッドと、外科用器具に連結される誘導停止具と、誘導管に連結される圧縮可能なバネ機構、及びセンサパッドによって感知されることが可能なワイパを含む、プランジャ機構と、を含む。一部の実施形態は、プロセッサ、及び少なくとも１つのデータ入力／出力インターフェースを含む、ツールセンサシステムを備える、誘導外科用ツールアセンブリシステムを含む。一部の実施形態は、誘導外科用ツールアセンブリを有し、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸のうちの１つ以上に沿った制御された移動及び位置付けのために構成されるイフェクチュエータ要素に連結される、ロボットを含む、医療用ロボットシステムを含む。

Description

発明の詳細な説明

〔関連出願〕
本出願は、米国特許法第１２０条の下、２０１３年６月２１日出願の米国特許出願第１３／９２４，５０５号への優先権を主張するものであり、これは、米国特許法第１１９条の下、２０１２年６月２１日出願の米国仮特許出願第６１／６６２，７０２号、及び２０１３年３月１５日出願の米国仮特許出願第６１／８００，５２７号への優先権を主張するものであり、これらの各々はそれらの全体として参照することにより本明細書に組み込まれる。

〔背景技術〕
種々の医療手技は、最適化された処置をもたらすために、身体内の外科用器具の３次元位置の精密な位置特定を必要とする。例えば、椎骨を融合するための一部の外科手技は、外科医が特定の場所で骨構造の中へ複数の穴を掘削することを必要とする。融合システムにおける高レベルの機械的統合性を達成するために、かつ骨構造において創出される力のバランスを取るために、穴が正確な場所で掘削されることが必要である。椎骨は、ほとんどの骨構造のように、精密かつ垂直な掘削を困難にする、非平面的な湾曲した表面を含む、複雑な形状を有する。従来、外科医は、掘削管の位置を骨構造の３次元画像上へ重ね合わせるために、誘導システムを使用することによって、掘削誘導管を手動で保持し、位置付ける。この手動プロセスは、面倒であり、かつ時間がかかる。手術の成功は、それを実施する外科医の器用さに大いに依存する。

外科手技のための制限されたロボット支援は、現在利用可能である。例えば、ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）医療用ロボットシステム（ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）は、Ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ Ｓｕｒｇｉｃａｌの登録商標である）は、ある外科用途において使用されるロボットである。ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）システムにおいて、ユーザは、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。システムは、外科医の体動を、ロボットアクチュエータの微小動に変換する。ｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）システムは、手の振戦を排除し、ユーザに小さい開口を通って作業する能力を提供するが、今日、商業的に入手可能なロボットのうちの多くのように、高価であり、押し付けがましく、設定が厄介である。更に、胸腰部の椎弓根スクリュー挿入等の手技に対して、これらの従来の方法は、間違いが生じやすく、かつ面倒であることが既知である。

間違いを生じやすくする、外科用途において使用される現在のロボットのうちの多くの特徴のうちの１つは、一度器具が患者の一部分内に埋没されると、外科用器具の自主的な移動及び的確な配置が、機械的フィードバックの欠如、及び／または視覚的配置の喪失によって妨げられ得るということである。

〔発明の概要〕
本発明の一部の実施形態は、少なくとも１つのセンサを含む誘導管と、誘導管内で移動可能な少なくとも１つの検出可能な特性を含む外科用器具と、を備える、誘導外科用ツールアセンブリを提供する。一部の実施形態において、少なくとも１つのセンサは、外科用器具が、誘導管内に少なくとも部分的に挿入されるとき、少なくとも１つの検出可能な特性を検出するように構成及び配設される。

一部の実施形態は、磁束場を発生させることが可能な磁気的に検出可能な特性を備える、検出可能な特性を含み、一部の実施形態において、センサは、磁束場を検出することが可能な位置センサである。一部の実施形態はまた、磁気的に検出可能な特性を感知することによって、誘導管の中への外科用器具の挿入及びその中での移動を検出するように構成及び配設される、位置センサを含む。一部の実施形態において、位置センサは、フェライト系磁気材料、希土類系磁気材料、アルミニウム−ニッケル−コバルト系磁気材料、及びこれらの混合物から成る群から選択される、磁束場センサである。

一部の実施形態において、検出可能な特性は、少なくとも１つの長手方向の磁気ストリップと、少なくとも１つの半径方向の磁気ストリップと、を含む。更に、一部の実施形態において、誘導管は、少なくとも３つの位置センサを含み、一部の実施形態において、少なくとも３つの位置センサは、長手方向の磁気ストリップ、または半径方向の磁場ストリップ、または双方からの磁場束を感知するように構成及び配設される。

一部の実施形態において、誘導管における外科用器具の長手方向の位置は、長手方向の磁気ストリップからの磁場束の測定値を使用して、少なくとも部分的に判定され得る。他の実施形態において、誘導管における外科用器具の半径方向の位置は、半径方向の磁気ストリップからの磁場束の測定値を使用して、少なくとも部分的に判定され得る。

一部の実施形態は、光学的に検出可能な特性を備える検出可能な特性と、少なくとも１つの光学センサを備える少なくとも１つのセンサと、を含む。一部の実施形態において、光学的に検出可能な特性は、誘導外科用ツールアセンブリの少なくとも部分的な長手方向の長さに沿って分配される、対照的、または高コントラストマーキングを備える。

一部の実施形態は、フォトダイオード、フォトトランジスタ、光ファイバセンサ、フォトマルチプライヤ、ＣＣＤ、カメラ、またはこれらの組み合わせから成る群から選択される、感光性検出器を備える、少なくとも１つの光学センサを含む。

一部の実施形態において、誘導管における外科用器具の長手方向の位置は、少なくとも１つの光学センサを使用して、高コントラストマーキングからの光を光学的に感知することによって、少なくとも部分的に判定され得る。

一部の実施形態は、誘導外科用ツールアセンブリの少なくとも部分的な長手方向の長さに沿って分配される段階的なコーティングを備える、光学的に検出可能な特性を含む。一部の実施形態において、段階的なコーティングは、段階的な反射性コーティングを備える。他の実施形態において、段階的なコーティングは、段階的な色コーティングを備える。

一部の実施形態において、誘導管における外科用器具の長手方向の位置は、少なくとも１つの光学センサを使用して、段階的なコーティングからの光を光学的に感知することによって、少なくとも部分的に判定され得る。

一部の実施形態は、誘導外科用ツールアセンブリであって、誘導管が、遠位誘導管端及び近位誘導管端を備え、外科用器具が、遠位端及び近位端を含む、誘導外科用ツールアセンブリを含む。一部の実施形態において、センサは、少なくとも１つのセンサパッドを備える。誘導外科用ツールアセンブリは、外科用器具の近位端に連結される誘導停止具と、プランジャ機構と、を更に備えることができる。プランジャ機構は、誘導管の遠位端に連結される圧縮可能なバネ機構と、少なくとも１つのセンサパッドによって感知されるように構成及び配設されるワイパと、を含むことができる。

誘導外科用ツールアセンブリの一部の実施形態において、誘導管内の外科用器具の長手方向の移動（誘導停止具が誘導管の近位端に向かって移動する場合）は、バネを少なくとも部分的に圧縮させ、少なくとも１つのセンサパッドに対してワイパを移動させ得る。他の実施形態において、誘導停止具が誘導管の近位端から離れて移動する場合の誘導管内の外科用器具の長手方向の移動は、バネを少なくとも部分的に伸長させ、少なくとも１つのセンサパッドに対してワイパを移動させ得る。

一部の実施形態は、少なくとも１つのプロセッサ、及び少なくとも１つのデータ入力／出力インターフェースを含む、ツールセンサシステムを備える、誘導外科用ツールアセンブリシステムを含む。一部の実施形態において、少なくとも１つのセンサを含むデータ入力インターフェース、少なくとも１つのセンサを含む誘導管、及び誘導管内で移動可能な外科用器具。一部の実施形態において、外科用器具は、少なくとも１つの検出可能な特性を含み、少なくとも１つのセンサは、少なくとも１つの検出可能な特性を検出するように構成及び配設される。

一部の実施形態において、誘導外科用ツールアセンブリシステムは、遠位誘導管端及び近位誘導管端を備える、誘導管を含み、外科用器具は、遠位端及び近位端を含む。一部の実施形態において、センサは、少なくとも１つのセンサパッドを備え、誘導外科用ツールアセンブリは、外科用器具の近位端に連結される誘導停止具を更に備え、プランジャ機構は、誘導管の遠位端に連結される圧縮可能なバネ機構と、少なくとも１つのセンサパッドによって感知されるように構成及び配設されるワイパと、を含むことができる。少なくとも１つのプロセッサは、器具が、誘導管において少なくとも部分的に挿入または移動されるとき、少なくとも１つの外科用器具を検出するように構成及び配設することができる。

誘導外科用ツールアセンブリシステムの一部の実施形態において、検出可能な特性は、磁束場を発生させることが可能な磁気的に検出可能な特性を備える。センサは、磁束場を検出することが可能な位置センサであり得、磁気的に検出可能な特性を感知することによって、誘導管の中への外科用器具の挿入及びその中での移動を検出するように構成及び配設され得る。

一部の実施形態は、誘導外科用ツールアセンブリシステムであって、検出可能な特性が、光学的に検出可能な特性を備え、少なくとも１つのセンサが、少なくとも１つの光学センサを備える、誘導外科用ツールアセンブリシステムを含む。光学的に検出可能な特性は、誘導外科用ツールアセンブリの少なくとも部分的な長手方向の長さに沿って分配される、対照的、または高コントラストマーキングを備えることができる。一部の実施形態において、検出可能な特性は、光学的に検出可能な特性を備え、少なくとも１つのセンサは、少なくとも１つの光学センサを備える。光学的に検出可能な特性は、誘導外科用ツールアセンブリの少なくとも部分的な長手方向の長さに沿って分配される、段階的なコーティングを備えることができる。

一部の実施形態は、制御された移動及び位置付けのために構成されるイフェクチュエータ要素に連結されるロボットと、ロボットに連結されるモータアセンブリと、を備える、医療用ロボットシステムを含む。モータアセンブリは、ｘ、ｙ、またはｚ軸のうちの１つに沿ったイフェクチュエータ要素の移動が、ｘ、ｙ、及びｚ軸のうちの他方の軸に沿ったイフェクチュエータ要素の移動とは独立して生じるように、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸のうちの１つ以上に沿ってイフェクチュエータ要素を移動させるように構成することができ、ｘ軸は、ｙ及びｚ軸に対して実質的に垂直であり、ｙ軸は、ｘ及びｚ軸に対して実質的に垂直であり、ｚ軸は、ｘ及びｙ軸に対して実質的に垂直である。

一部の実施形態において、医療用ロボットシステムはまた、少なくとも１つのプロセッサ、及び少なくとも１つのデータ入力／出力インターフェースを含む、ツールセンサシステムを備え、データ入力インターフェースは、少なくとも１つのセンサを含み、誘導管は、少なくとも１つのセンサを含む。一部の実施形態において、外科用器具は、誘導管内で移動可能であり、外科用器具は、少なくとも１つの検出可能な特性を含む。更に、一部の実施形態において、少なくとも１つのセンサは、少なくとも１つの検出可能な特性を検出するように構成及び配設され、少なくとも１つのプロセッサは、外科用器具が誘導管内に少なくとも部分的に挿入されるときを検出するように構成及び配設される。一部の実施形態において、検出可能な特性は、器具の長さ、タイプ、トルク範囲、処置パラメータ及び他の器具パラメータの深さのうちの１つ以上を含むことができる。一部の実施形態は、外科用器具に連結される追跡マーカを含む。

本発明の一実施形態に従う、外科用ロボットを例解する。 本発明の別の実施形態に従う、エンドイフェクチュエータの並進及び配向の制御を伴う、外科用ロボットの一部分を例解する。 本発明の一実施形態に従う、較正及び追跡移動のために装着される、複数の光学マーカを有する、外科用ロボットの部分的な図を例解する。 本発明の一実施形態に従う、患者上で動作する外科用ロボットを例解する。 本発明の一実施形態に従う、誘導停止具機構を有する外科用器具を含む、ツールアセンブリを各々例解する。 本発明の一実施形態に従う、誘導停止具機構を有する外科用器具を含む、ツールアセンブリを各々描写する。 本発明の一実施形態に従う、掘削ビットマーキングを参照して、掘削停止具を手動で調節するためのツールを各々例解する。 本発明の一実施形態に従う、設定位置において、掘削ビットを係止及び保持するためのツールを各々例解する。 ロボットシステムに連結されるロボットエンドイフェクチュエータとともに、図５Ａ〜５Ｆに描写されるようなツールの使用方法を各々例解する。 本発明の一実施形態に従う、センサに対応した誘導停止具機構を有する外科用器具を含む、ツールアセンブリを例解する。 本発明の一実施形態に従う、ツールアセンブリシステムアーキテクチャを例解する。 本発明の別の実施形態に従う、誘導停止具機構を有する外科用器具を備える、ツールを例解する。 本発明の一実施形態に従う、図７Ｃに示されるツールアセンブリとの使用のための修正された誘導管である。 本発明の一実施形態に従う、ツールアセンブリを形成するように、図７Ｂに示される修正された誘導管内に挿入された、図７Ａに示されるツールを示す。 本発明の別の実施形態に従う、誘導停止具機構を有する外科用器具を含む、ツールアセンブリを例解する。 本発明の別の実施形態に従う、修正された誘導管内に挿入された誘導停止具を有する外科用器具を含む、ツールアセンブリを例解する。 本発明の別の実施形態に従う、修正された誘導管内に挿入された誘導停止具を有する外科用器具を含む、ツールアセンブリを例解する。 本発明の更なる実施形態に従う、少なくとも１つの追跡マーカを有する外科用器具を含む、ツールアセンブリを例解する。

〔発明を実施するための形態〕
本発明のいかなる実施形態も詳細に説明する前に、本発明が、その用途において、以下の説明において記載され、かつ以下の図面において例解される、構成要素の構築及び配設の詳細に制限されないことが理解されるものとする。本発明は、他の実施形態、及び種々の方法において実践されること、または実行されることが可能である。また、本明細書において使用される専門表現及び専門用語が、説明目的のためであり、制限として見なされるべきではないことが理解されるものとする。本明細書における「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、及びこれらの変化形の使用は、その後に列記される項目、及びそれらの同等物、ならびに追加の項目を包含することが意味される。別途指定または制限されない限り、「装着された（ｍｏｕｎｔｅｄ）」、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「支持された（ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ）」、及び「連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語、ならびにこれらの変化形は、広義に使用され、直接的及び間接的双方の装着、接続、支持、及び連結を包含する。更に、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」及び「連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」は、物理的または機械的接続または連結に制限されない。

以下の考察は、当業者が本発明の実施形態を作製及び使用することを可能にするために提示される。例解される実施形態への種々の修正は、当業者には容易に明らかであり、本明細書における一般的な原理は、本発明の実施形態から逸脱することなく、他の実施形態及び用途に適用され得る。このため、本発明の実施形態は、示される実施形態に制限されることを意図しないが、本明細書において開示される原理及び特性と一致する最も広い範囲が与えられるものとする。以下の発明を実施するための形態は、異なる図面における同様の要素が同様の参照番号を有する図面を参照して読まれるものとする。図面は、必ずしも縮尺通りではなく、選択された実施形態を描写し、本発明の実施形態の範囲を制限することを意図しない。当業者は、本明細書において提供される実施例が、多くの有用な代替物を有し、本発明の実施形態の範囲内にあることを認識するであろう。

図１Ａ〜１Ｂは、本発明の一実施形態に従う、外科用ロボットシステム１を例解し、図１Ｃは、本発明の別の実施形態に従う、エンドイフェクチュエータの並進及び配向の制御を伴う、外科用ロボットシステム１の一部分を例解する。ここで、図１Ａ〜１Ｂを参照すると、一部の実施形態は、外科用ロボットシステム１を含む。示されるように、一部の実施形態において、外科用ロボット１５は、表示器２９と、筐体２７と、を備えることができる。一部の実施形態において、表示器２９は、外科用ロボット１５に取設することができる。他の実施形態において、表示器２９は、外科用ロボット１５を伴う手術室、または遠隔の場所のいずれかにおいて、外科用ロボット１５を取り外すことができる。一部の実施形態において、筐体２７は、ロボットアーム２３と、少なくとも１つの従来のモータによって制御される、ロボットアーム２３に連結される、エンドイフェクチュエータ３０と、を備えることができる。一部の実施形態において、エンドイフェクチュエータ３０は、患者１８上で手術を実施するために使用される器具（例えば、図３Ａ〜３Ｂ、４Ａ〜４Ｄ、６Ａ、７Ａ、７Ｃ、８Ａ〜８Ｂ、９、及び１０に描写される外科用器具３５等）を備えることができる。他の実施形態において、エンドイフェクチュエータ３０は、外科用器具３５に連結することができる。本明細書において使用される際、「エンドイフェクチュエータ」という用語は、「イフェクチュエータ要素」という用語と同義的に使用される。一部の実施形態において、エンドイフェクチュエータ３０は、所望の様態における外科用器具３５の移動をもたらすための任意の既知の構造を備えることができる。

図１Ｃは、本発明の別の実施形態に従う、エンドイフェクチュエータの並進及び配向の制御を伴う、外科用ロボット１５の一部分を例解する。示されるように、一部の実施形態は、ｘ、ｙ、及びｚ軸（図１Ｃの６６、６８、７０を参照されたい）に沿ってエンドイフェクチュエータ３０を移動させる能力を有するロボット１５の利用が可能な外科用ロボットシステム１を含む。この実施形態において、ｘ軸６６は、ｙ軸６８及びｚ軸７０に対して直角であり得、ｙ軸６８は、ｘ軸６６及びｚ軸７０に対して直角であり得、ｚ軸７０は、ｘ軸６６及びｙ軸６８に対して直角であり得る。一部の実施形態において、ロボット１５は、他方の軸とは独立して、１つの軸に沿ったエンドイフェクチュエータ３０の移動をもたらすように構成することができる。例えば、一部の実施形態において、ロボット１５は、ｙ軸６８またはｚ軸７０に沿ったエンドイフェクチュエータ３０のいかなる実質的な移動も引き起こすことなく、エンドイフェクチュエータ３０に、ｘ軸６６に沿って所与の距離を移動させることができる。この文脈において使用される際、「実質的な」は、意図される経路から２度未満の偏差を意味する。

一部の更なる実施形態において、エンドイフェクチュエータ３０は、ｘ軸６６、ｙ軸６８、及びｚ軸７０のうちの１つ以上の周囲の選択的回転のために構成することができる（エンドイフェクチュエータ３０と関連付けられるＣａｒｄａｎｉｃ Ｅｕｌｅｒ Ａｎｇｌｅのうちの１つ以上（例えば、ロール、ピッチ、及び／またはヨー）を、選択的に制御することができるように）。一部の実施形態において、動作中、エンドイフェクチュエータ３０及び／または外科用器具３５は、ロボットシステム１によって選択的に偏向かつ監視することができる、選択された配向軸（図１Ｃにおいて「Ｚ管」と標識される）と整合させることができる。

一部の実施形態において、エンドイフェクチュエータ３０の並進及び配向の選択的制御は、例えば、回転軸のみを備える６自由度のロボットアーム２３を利用する従来のロボットと比較して、有意に改善された精密性でもって医療手技の実施を可能にすることができる。例えば、一部の実施形態において、図２に示されるように、図１Ａ〜１Ｃに描写されるような外科用ロボットシステム１は、患者上で動作させるために使用することができ、ロボットアーム２３は、患者１８の身体の上に位置付けることができ、エンドイフェクチュエータ３０は、患者１８の身体に向かってｚ軸に対して選択的に角度付けられる。

一部の実施形態において、外科用器具３５の位置は、外科用ロボット１５が、手技中、常に外科用器具３５の場所を認識することができるように、動的に更新することができる。結果として、一部の実施形態において、外科用ロボット１５は、患者１８への最小の損傷を伴って、かつ医師からのいかなる更なる支援も伴わずに（医師がそのように所望しない限り）、素早く所望の位置に外科用器具３５を移動させることができる。一部の更なる実施形態において、外科用ロボット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外れた場合、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。一部の実施形態において、外科用ロボット１５は、エンドイフェクチュエータ３０及び／または外科用器具３５の移動の停止、修正、及び／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。このため、使用中、一部の実施形態において、医師または他のユーザは、システム１を動作させることができ、エンドイフェクチュエータ３０及び／または外科用器具３５の自主的な移動を停止、修正、または手動で制御するオプションを有する。外科用ロボット１５による外科用器具３５の制御及び移動を含む、外科用ロボットシステム１の更なる詳細は、本出願が米国特許法第１２０条の下、その優先権を主張するものであり、かつその全体として参照することにより本明細書に組み込まれる、同時係属米国特許出願第１３／９２４，５０５号において見出すことができる。

一部の実施形態において、誘導管５０は、患者１８上で動作するために外科用器具３５とともに使用される。例えば、一部の実施形態は、遠位端５０ａ及び近位端５０ｂを備える、誘導管５０を含む。本明細書において使用される際、「管」は、任意の１つ以上の所望の断面形状のいくらか中空の構造を指すために使用される。一部の実施形態において、外科用器具３５が、誘導管５０の支援を伴って、患者１８の組織の中へ前進するとき、外科用器具３５は、それが既定の量の突出に到達したとき、外科用器具３が前進することを防止するように構成される、誘導停止具５２を備えることができる。例えば、図３Ａ〜３Ｂは、本発明の一実施形態に従う、誘導停止具５２を有する外科用器具３５を含む、ツールアセンブリ１００を各々例解する。図３Ｂに示されるように、誘導停止具５２が誘導管５０の近位端５０ｂに接触するとき、器具３５は、更に延伸することを防止される。一部の実施形態において、誘導管５０及び外科用器具３５の長さ、外科用器具３５のそれぞれの端間の距離、ならびに誘導停止具５２が取設される場所を知ることにより、外科用器具３５が突出し得る、誘導管５０の端を過ぎた最大距離（したがって、手技中の誘導管遠位端５０ａに対する、遠位端３５ａにおける先端３５ｃの延伸の長さ及び場所）を判定することが可能である。一部の実施形態において、器具３５は、誘導構造によって誘導され得る（及び少なくとも部分的に囲繞し得る）、またはそれに接触し得る。

一部の実施形態において、挿入プロセス中、周期的に、またはいかなる時点においても、外科用器具３５の最大突出距離だけでなく、実際の突出距離も監視することが望ましくあり得る。したがって、一部の実施形態において、ロボット１５は、突出距離を周期的に、または実質的に継続的に監視することができ、一部の実施形態において、距離を表示することができる（例えば、表示器２９等に）。一部の実施形態において、突出距離は、圧縮可能なバネ装荷機構５５ａ、及び連結ワイパ５６を有するセンサパッド５５ｂを含む、バネ装荷プランジャ５４を使用して、実質的に継続的に監視することができる（例えば、図４Ａ〜４Ｄを参照されたい）。一部の実施形態において、外科用器具３５上の誘導停止具５２は、それが誘導管５０の近位端に当面する十分に前に、バネ装荷機構５５に接触するように構成することができる。図４Ａ〜４Ｄに示されるように、誘導管５０内の外科用器具３５の位置を比較することにより、一部の実施形態において、外科用器具３５が誘導管５０の遠位端５０ａに向かって延伸する際、遠位端３５ａは、誘導管の遠位端５０ａに近付くことができる（図４Ｂ）。更に、外科用器具３５が更に下方に移動する（即ち、誘導停止具５２が誘導管５０の近位端５０ｂに向かって移動する）際、遠位端３５ａは、誘導管の遠位端５０ａから離れて外方に延伸することができる（遠位端３５ａの延伸、及び領域３６として示される、停止具５２がプランジャ５４に接触した後の先端３５ｃ位置の変化を示す、図４Ｃを参照されたい）。更に、外科用器具３５が更に下方に移動し、かつ誘導停止具５２が誘導管５０に接触する際、遠位端３５ａは、停止することができ、誘導管５０の遠位端５０ａから離れて延伸する（先端３５ｃ位置の変化（領域３６）を示す図４Ｄを参照されたい。図４Ｃ〜４Ｄに示されるように、誘導停止具５２が誘導管５０の近位端５０ｂに向かって移動する際、バネ装荷プランジャ５４内の圧縮可能なバネ装荷機構５５ａは、圧縮することができる。当業者は、逆に、器具３５が誘導管５０から後ろに移動するとき、誘導停止具５２が誘導管５０の近位端５０ｂから離れて移動するため、バネ装荷プランジャ５４内の圧縮可能なバネ装荷機構５５ａは、圧縮状態から伸長することができることを認識するであろう。

一部の実施形態において、ツールアセンブリシステム１０００（図６Ｂに示される）は、ワイパ５６に連結されるセンサパッド５５ｂを含む、データ入力／出力システムを含むことができる。示されるように、一部の実施形態は、アプリケーションインターフェース１０５０を含む、ネットワークインターフェース１０４０に連結される、少なくとも１つのプロセッサ１０１０を備える、システム１０００を含む。一部の実施形態において、アプリケーションインターフェース１０５０は、少なくとも１つのオペレーティングシステム１０２０、及び少なくとも１つの企業アプリケーション１０３０に連結される。一部の実施形態において、少なくとも１つのプロセッサ１０１０は、少なくともネットワークインターフェース１０４０、及びアプリケーションインターフェース１０５０から、データを送信及び受信することができる。更に、ネットワークインターフェース１０４０は、一部の実施形態において、データソース１０６０ａ、及びデータ記憶装置１０６０ｂを含むことができる、少なくとも１つのコンピュータが読み取り可能な媒体１０６０に連結することができる。

一部の実施形態において、外科用ロボットシステム１は、ツールアセンブリシステム１０００に連結されてもよい。一部の他の実施形態において、外科用ロボットシステム１は、ツールアセンブリシステム１０００を備えてもよい。一部の実施形態において、データ入力／出力インターフェース１１００は、表示器２９に連結、方向付けられてもよく（例えば、１つ以上のセンサから直接表示するように）、他の実施形態において、データ入力／出力インターフェース１１００は、外科用ロボットシステム１、または表示器２９、または双方に連結されてもよい。一部の実施形態において、データ入力／出力インターフェース１１００は、１つ以上のセンサ５５ｂ、５６、３１０、及び５１０に連結される従来の低電圧回路を含んでもよい。他の実施形態において、データ入力／出力インターフェース１１００は、１つ以上のセンサ５５ｂ、５６、３１０、及び５１０に連結される従来の低電圧回路に連結されてもよい。一部の実施形態において、１つ以上のセンサ５５ｂ、５６、３１０、及び５１０は、従来の低電圧回路を通じて、データ入力／出力インターフェースによって給電されてもよい。一部の他の実施形態において、１つ以上のセンサ５５ｂ、５６、３１０、及び５１０は、従来の低電圧回路を通じて給電され、かつデータ入力／出力インターフェースに連結されてもよい。

一部の実施形態において、少なくとも１つのプロセッサ１０１０は、少なくとも１つのデータ入力／出力インターフェース１１００からデータを受信することができる。図６Ｂに描写されるように、一部の実施形態において、データ入力／出力インターフェース１１００は、少なくともセンサパッド５５ａ、及び連結ワイパ５６を含むことができる。一部の実施形態において、ワイパ５６が位置センサパッド５５ｂにわたって移動するとき、その線形位置は、ツールアセンブリシステム１０００によってサンプリングされ、少なくとも１つのプロセッサ１０１０を使用して処理されてもよい。例えば、一部の実施形態において、外科用器具３５が誘導管５０の遠位端５０ａを過ぎて突出する距離の計算は、実質的にリアルタイムで処理されてもよい。例えば、図４Ａ〜４Ｄに示されるように、誘導管５０内の外科用器具３５の位置が変化する際、外科用器具３５は、誘導管５０の遠位端５０ａに向かって延伸するため、ワイパ５６は、誘導管の遠位端５０ａに向かって、かつ掃拭領域５８内のセンサパッド５５ｂにわたって移動することができる（例えば、図４Ｂ〜図４Ｃからの移動を参照されたい）。更に、外科用器具３５が誘導管５０の遠位端５０ａに向かって更に下方に移動し、かつ誘導停止具５２が近位端において誘導管５０と接触する際、ワイパ５６は、誘導管５０の遠位端５０ａに向かって、かつ掃拭領域５８の下端に向かってセンサパッド５５ｂにわたって移動することができる（図４Ｄを参照されたい）。

一部の実施形態において、ワイパ５６が掃拭領域５８の下端に向かってセンサパッド５５ｂにわたって移動する際、ツールアセンブリシステム１０００は、ワイパ５６の位置、及び／またはセンサパッド５５ｂに対するワイパ５６の移動を通信することができる。先で説明されるように、一部の他の実施形態において、外科用ロボットシステム１は、ツールアセンブリシステム１０００を備えてもよく、データ入力／出力インターフェース１１００は、外科用ロボットシステム１が、センサパッド５５ｂ上のワイパ５６位置、またはセンサパッド５５ｂに対するワイパ５６の移動を読み取ることを可能にするように、外科用ロボットシステム１に連結されてもよい。

一部の実施形態において、外科用器具は、掘削ビット４２を備えることができる。一部の実施形態は、掘削ビット４２上の停止具が、掘削ビット４２上のマーキング４４を参照して、手動で調節されることを可能にする、器具３５を含む。例えば、図５Ａ〜５Ｃは、本発明の一実施形態に従う、掘削ビット４２マーキング４４を参照して、掘削停止具４６を手動で調節するためのツールを各々例解する。更に、図５Ｄ〜５Ｆは、本発明の一実施形態に従う、設定位置において、掘削ビットを係止及び保持するためのツールを各々例解し、図５Ｇ〜５Ｈは、外科用ロボットシステム１に連結されるロボットエンドイフェクチュエータ３０とともに、図５Ａ〜５Ｆに描写されるようなツールの使用方法を各々例解する。示されるように、一部の実施形態において、掘削ビット４２は、掘削停止具４６の各端上に、商業的に入手可能な反対に配向された１方向バネ装荷解放機構４８ａ、４８ｂを含むことができる。それらのバネに対して引っ張られていないとき、１方向解放機構は、１つの方向における移動を防止するが、反対の方向における自由移動を可能にする。例えば、図５Ａにおいて、停止具４６の左側の静止解放具４８ａは、掘削ビット４２が、右から左へ解放具４８ａを通じて自由に移動することを可能にするが、左から右への掘削ビット４２の移動は防止する。停止具４６の右への解放具４８ｂは、掘削ビット４２が、左から右へ解放具４８ｂを通じて自由に移動することを可能にするが、右から左への移動を防止する。一部の実施形態において、したがって、解放具４８ａ、４８ｂのいずれも引っ張られていないとき、いずれの方向においてもビット４２を移動させることは可能ではない。一部の実施形態において、掘削停止具４６の一方の端上の解放具４８ａまたは４８ｂが引っ張られる場合、引っ張り方向から離れて、掘削ビット４２のシャフトの上へ掘削停止具４６を移動させることが可能である。一部の実施形態において、掘削停止具４６の他方の端上の解放具４８ａまたは４８ｂが引っ張られる場合、シャフトの下へ掘削停止具４６を移動させることが可能である（引っ張り方向から離れて、図５Ｂ及び５Ｃの移動の方向を参照されたい）。解放具４８ａ、４８ｂが引っ張られる方向は、１つの解放具４８ａ、４８ｂの偶発的な引っ張りが、掘削停止具４６の意図されない移動をもたらさないように、掘削停止具４６の移動が可能となる方向とは反対である。例えば、図５Ｂの左に向かって解放具４８ａを引っ張ることは、掘削停止具４６が、右に向かって移動されることを可能にする。一部の実施形態において、解放機構４８ａ、４８ｂのいずれも引っ張られない場合、掘削停止具４６は、揺さぶられた場合でさえも、いずれの方向においても移動しない。

一部の実施形態は、それが収容される誘導管５０に対して、設定位置において、掘削ビット４２を係止及び保持するための能力を含む。例えば、一部の実施形態において、掘削ビット４２は、係止機構を使用して、誘導管５０に対して掘削停止具４６を係止することによって、係止することができる。図５Ｄ〜５Ｈは、本発明の一実施形態に従う、設定位置において、掘削ビット４２を係止及び保持するためのツールを例解する。一部の実施形態において、図５Ｆに示される係止機構４９は、２つのクラムシェル４９を備えることができる（図５Ｄに示される）。一部の実施形態において、掘削ビット４２は、掘削停止具４６の周囲でクラムシェルを組み立てることによって、位置に係止させることができる（図５Ｅに示される）。例えば、この特性は、先端が誘導管５０の端を過ぎてわずかに突出するように、ユーザが、掘削ビット４２をある位置に係止することを可能にする（図５Ｇ及び５Ｈを参照されたい）。この位置において、ユーザは、誘導管５０が軟組織を貫通することを強制して、誘導管５０が骨に接触することを強制することができる（例えば、経皮的脊椎スクリュー挿入中）。図５Ａ〜５Ｇに例解され、上で説明されるツールの更なる詳細は、本出願が米国特許法第１２０条の下、その優先権を主張するものであり、かつその全体として参照することにより本明細書に組み込まれる、同時継続米国特許出願第１３／９２４，５０５号において見出すことができる。

一部の実施形態において、ツールアセンブリシステム１０００は、少なくとも１つの位置センサ３１０を有するデータ入力／出力インターフェース１１００を含むことができる。一部の実施形態において、少なくとも１つのプロセッサ１０１０は、少なくともネットワークインターフェース１０４０及びアプリケーションインターフェース１０５０から、データを送信及び受信することができ、少なくとも１つの位置センサ３１０を有するデータ入力／出力インターフェース１１００からデータを受信してもよい。

図６Ａは、本発明の一実施形態に従う、センサに対応した誘導停止具５２を有する外科用器具３５を含む、ツールアセンブリ３００を例解する。示されるように、一部の実施形態において、外科用器具３５は、器具３５の長手方向の長さの一部の部分に沿って延伸する磁気ストリップ３２０を含むことができ、外科用器具３５は、少なくとも１つの位置センサ３１０を含むことができる。図６Ａに示される実施形態は、誘導停止具５２に実質的に直接隣接する領域から延伸し、かつ外科用器具３５の長さの約４分の３まで延伸する、磁気ストリップ３２０を含む。

一部の他の実施形態において、磁気ストリップ３２０は、外科用器具３５の遠位端３５ａにより近くへ、またはそれからより離れて延伸してもよい。示されるように、一部の実施形態において、磁気ストリップ３２０は、外科用器具３５の外表面上に位置付けられる。しかしながら、一部の他の実施形態において、磁気ストリップ３２０は、器具３５の外表面の下に位置付けることができる（即ち、磁気ストリップ３２０は、器具３５内に埋め込まれてもよい）。一部の実施形態において、磁気ストリップ３２０は、適切な機械的統合性を保持するために十分である厚さを含む。例えば、一部の実施形態において、磁気ストリップ３２０は、位置センサ３１０によって検出される十分な磁場束を有しつつ、使用中に適切な耐久性を保持するために十分である厚さを含む。

一部の実施形態において、磁気ストリップ３２０は、約０．００１〜約０．１５インチの厚さを有する、薄い、可撓性の、剛性の、または半剛性の磁気材料を含むことができる。一部の実施形態において、磁気ストリップ３２０は、０．００１インチよりも薄くてもよく、他の実施形態において、磁気ストリップ３２０は、０．１５インチよりも厚くてもよい。一部の実施形態において、磁気ストリップ３２０は、サイズ決定するように切断することができ、かつ外科用器具３５に接着させることができる、自己支持テープまたは類似の材料を含む。他の実施形態において、磁気ストリップ３２０は、液体または半液体（例えば、定義された場所において器具３５の表面に適用され、次いで、乾燥させて、磁気ストリップ３２０を形成する、磁気塗料）から、外科用器具３５上に形成される。一部の実施形態において、磁気ストリップ３２０は、フェライト系磁気材料を含む。他の実施形態において、磁気ストリップ３２０は、希土類系磁気材料（例えば、ネオジム系永久磁石）を含む。一部の更なる実施形態において、磁気ストリップ３２０は、アルニコ系磁気材料（即ち、アルミニウム−ニッケル−コバルト系磁気材料）を含む。例えば、一部の実施形態において、磁気ストリップ３２０は、フェライト系磁気材料、ネオジム系永久磁石、アルニコ系磁気材料、及びこれらの混合物から成る群から選択される材料を含む、薄い、可撓性の、剛性の、または半剛性の磁気ストリップ３２０を含むことができる。代替的に、一部の他の実施形態において、磁気ストリップ３２０は、フェライト系磁気材料、ネオジム系永久磁石、アルニコ系磁気材料、及びこれらの混合物から成る群から選択される材料を含む、液体または半液体（例えば、磁気塗料）から、外科用器具３５上に形成される。一部の実施形態において、磁気ストリップ３２０は、器具３５の内部構造内に埋め込むことができる。例えば、器具３５の中核部に位置付けられてもよい。他の実施形態において、器具３５が管状である場合、磁気ストリップ３２０は、管状の口の内側表面上に配置することができる。

一部の実施形態において、ツールアセンブリ３００は、誘導管５１ａに連結される位置センサ３１０を含むことができる（図６Ａを参照されたい）。一部の実施形態において、位置センサ３１０は、磁気ストリップ３２０から検出される磁場に応答して、出力電圧を変化させることが可能なホール効果センサであり得る。一部の実施形態において、位置センサ３１０は、磁気感知コイル、または磁気抵抗読取ヘッドを備えることができる。一部の実施形態において、位置センサ３１０が磁気ストリップ３２０に対して移動し、かつ磁気変動が検出される際、出力信号が、データ入力／出力インターフェース１１００によって発生される。一部の実施形態において、誘導管５１ａにおける外科用器具３５の挿入は、位置センサ３１０を使用して検出することができる。一部の実施形態において、磁気ストリップ３２０は、それが磁気ストリップ３２０に対して移動する際、位置センサ３１０によって検出されることが可能な可変磁場束を含むことができる。例えば、一部の実施形態において、磁気ストリップ３２０の磁場束は、磁気ストリップ３２０の長手方向の長さの少なくとも一部分を通じて、周期的に上昇及び下降することができる。位置センサ３１０がホール効果センサである場合、この移動は、それが低磁場束の領域からより高い磁場束の領域へ移動する際、磁気ストリップ３２０から検出される磁場に応答して、様々な出力電圧を生成することができる。

一部の実施形態において、磁気ストリップ３２０は、それが磁気ストリップ３２０に対して移動する際、位置センサ３１０によって検出されることが可能なより高い及びより低い磁場束強度の領域の代替的な配設を含むことができる。一部の他の実施形態において、より高い及びより低い磁場束強度の領域の代替的な配設は、磁気ストリップ３２０によって検出されることが可能な磁気バーコードを備えることができ、かつデータ入力／出力インターフェース１１００を通じて、少なくとも１つのプロセッサ１０１０を使用して処理する。一部の実施形態において、より高い及びより低い磁場束強度の領域の配設は、磁気バーコード（図６Ａに示される磁気ストリップ３２０の磁気的にコード化された領域３２１として描写される）を含むことができる。一部の実施形態において、磁気的にコード化された領域３２１の少なくとも一部分は、外科用器具３５を識別する目的で、磁気ストリップ３２０によって検出されることが可能であり得る。例えば、一部の実施形態において、外科用器具３５は、少なくとも外科用器具３５のタイプコードを有する、磁気的にコード化された領域３２１を含む、磁気ストリップ３２０を含むことができる。更に、一部の実施形態において、外科用ロボットシステム１は、外科手技におけるその使用の前に、外科用器具３５のチェックを実施するための安全性プロトコルを含むことができる。一部の実施形態において、例えば、誘導管５１ａにおける外科用器具３５の挿入は、それがセンサ３１０を通過する際、磁気ストリップ３２０内の磁気的にコード化された領域３２１を読み取ることが可能であり得る、位置センサ３１０を使用して、検出することができる。一部の実施形態において、誘導管５１ａの中へ挿入される器具３５に関する情報は、手術前に、磁気ストリップ３２０に磁気的に、かつ永久的に、または半永久的に記憶することができる。次いで、手術中、ツールが誘導管５１ａに導入されるとき、センサ３１０は、ストリップ３２０の磁気的にコード化された領域３２１を読み取り、ツールの直径、長さ、形状、または他の重要な情報に関するデータを検出することができる。これらのデータは、自動的にプロセッサ１０１０に伝達され、データ入力／出力インターフェース１１００を介してユーザへ表示することができる。

一部の実施形態は、追加のまたは代替的な位置センサ３１０を含むことができる。例えば、図７Ａは、本発明の別の実施形態に従う、誘導停止具５２を有する外科用器具３５を例解する。示されるように、外科用器具３５は、外科用器具３５上で実質的に等しく離間した３つの位置センサ３１０を含むことができる。一部の実施形態において、誘導管５１ａにおける外科用器具３５の挿入は、位置センサ３１０を使用して検出することができ、誘導管５１ａ内の外科用器具３５の移動は、それが、残りの位置センサ（外科用器具３５の長さの約半分下位置し、かつ外科用器具３５の遠位端３５ａに隣接する）を超えて通過する際に、検出することができる。磁気ストリップ３２０が、誘導管５１ａ内の器具３５の任意の長手方向の位置において、少なくとも１つのセンサ３１０に常に隣接するように、異なる数の位置センサ３１０を必要とする、異なる長さの誘導管５１ａ及び器具３５を組み立てることができるということは、当業者には明らかであるはずである。

一部の他の実施形態において、ツールアセンブリ４００（図７Ｃに示される）は、長手方向の磁気ストリップ４２０及び半径方向の磁気ストリップ４３０を含む、代替的な誘導管５１ｂを含むことができる。本明細書において使用される際、「管」は、完全な円形または他の取り囲む構造を形成してもよい、またはしなくてもよい、円形及び他の形状の構造を網羅することが意図される。例えば、図７Ｂは、本発明の一実施形態に従う、図７Ａに示される器具３５との使用のための修正された誘導管５１ｂである。図７Ｃは、本発明の一実施形態に従う、図７Ｂに示される修正された誘導管５１ｂ内に挿入された、図７Ａに示される器具３５を含む、ツールアセンブリ４００を示す。一部の実施形態において、誘導管５１ｂにおける外科用器具３５の挿入は、長手方向の磁気ストリップ４２０を使用して、位置センサ３１０を使用して検出することができ、誘導管５１ｂ内の外科用器具３５の移動は、それが、残りの位置センサ（外科用器具３５の長さの約半分下位置し、かつ外科用器具３５の遠位端３５ａに隣接する）を超えて通過する際に、長手方向の磁気ストリップ４２０を使用して、検出することができる。一部の実施形態において、誘導管５１ａ内の器具の回転移動は、それが、位置センサ３１０のうちのいずれか１つに対して移動する際、半径方向の磁気ストリップ４３０を使用して検出することができる。例えば、一部の実施形態において、ツールアセンブリシステム１０００は、少なくとも１つの位置センサ３１０を有する、データ入力／出力インターフェース１１００を含むことができる。少なくとも１つのプロセッサ１０１０は、少なくともネットワークインターフェース１０４０、及びアプリケーションインターフェース１０５０から、データを送信及び受信することができ、長手方向の磁気ストリップ４２０または半径方向の磁気ストリップ４３０のいずれかとの相互作用を通じて、少なくとも１つの位置センサ３１０を有するデータ入力／出力インターフェース１１００からデータを受信してもよい。したがって、一部の実施形態において、外科用ロボットシステム１は、少なくとも誘導管５１ｂに対して長手方向の外科用器具３５の移動、及び器具３５が誘導管５１ｂ内で捻転しているときを検出することができる。一部の他の実施形態において、器具３５は、誘導管の外部表面に連結させることができる。

磁場に基づく感知に加えて、一部の実施形態は、誘導管における外科用器具３５の移動の光学的感知を含む。例えば、図８Ａは、本発明の別の実施形態に従う、誘導停止具５２を有する外科用器具３５を例解し、図８Ｂは、本発明の別の実施形態に従う、修正された誘導管５１ｃ内に挿入された誘導停止具５２を有する、外科用器具３５を含む、ツールアセンブリ５００を例解する。示されるように、一部の実施形態において、外科用器具３５は、器具３５の少なくとも部分的な長手方向の長さに沿って分配される、複数の高コントラストマーキング５２０を含むことができる。一部の他の実施形態において、複数の高コントラストマーキング５２０は、実質的に器具３５の長手方向の長さ全体にわたって延伸してもよい。

一部の実施形態において、修正された誘導管５１ｃは、複数の高コントラストマーキング５２０のうちの少なくとも１つを感知することが可能な少なくとも１つの光学センサ５１０を含むことができる。一部の実施形態において、外科用器具３５が誘導管５１ｃにおいて挿入される際、少なくとも１つの光学センサ５１０は、複数の高コントラストマーキング５２０のうちの少なくとも１つを感知することが可能であり得る。更に、一部の実施形態において、ツールアセンブリシステム１０００は、複数の高コントラストマーキング５２０のうちの少なくとも１つと連結される、データ入力／出力インターフェース１１００を含むことができる。少なくとも１つのプロセッサ１０１０は、少なくともネットワークインターフェース１０４０、及びアプリケーションインターフェース１０５０から、データを送信及び受信することができ、少なくとも１つの光学センサ５１０との相互作用を通じて、複数の高コントラストマーキング５２０のうちの少なくとも１つを有するデータ入力／出力インターフェース１１００からデータを受信してもよい。したがって、一部の実施形態において、外科用ロボットシステム１は、光学センサ５１０が、複数の高コントラストマーキング５２０のうちの少なくとも１つを検出する際、少なくとも誘導管５１ｃに対する長手方向の外科用器具３５の移動を検出することができる。

一部の実施形態において、光学センサ５１０は、フォトダイオード、フォトトランジスタ、光ファイバセンサ、フォトマルチプライヤ、ＣＣＤ、カメラ、または説明されるものの組み合わせであり得る。一部の実施形態において、光学センサ１０は、複数の高コントラストマーキング５２０を含む外科用器具３５から反射される周辺光を検出することができる。他の実施形態において、従来の光源（例えば、白熱灯またはＬＥＤ光）を、光学センサ５１０及び高コントラストマーキング５２０と組み合わせて使用することができ、光学センサ５１０は、光源によって発出され、複数の高コントラストマーキング５２０を含む外科用器具３５から反射される光を検出することができる。

一部の実施形態は、外科用器具３５の代替的な光学的認識を含むことができる。例えば、図９は、本発明の別の実施形態に従う、修正された誘導管５１ｃ内に挿入された誘導停止具５２を有する外科用器具３５を含む、ツールアセンブリ６００を例解する。示されるように、一部の実施形態において、外科用器具３５は、光学的に段階的なコーティング３７を含むことができる。一部の実施形態において、光学的に段階的なコーティング３７は、器具３５の少なくとも部分的な長手方向の長さにわたって、色の目盛りを含むことができる。一部の他の実施形態において、光学的に段階的なコーティング３７は、器具３５の少なくとも部分的な長手方向の長さにわたって、光反射性の目盛りを含むことができる。例えば、一部の実施形態において、光学的に段階的なコーティング３７は、近位端（図９の誘導停止具５２に隣接する実質的に無色の領域として示される）から、遠位端３５ａに隣接するより暗い領域まで延伸する、光反射性の目盛りを含むことができる。一部の実施形態において、外科用器具３５が誘導管５１ｃにおいて挿入される際、少なくとも１つの光学センサ５１０は、コーティング３７を感知することが可能であり得る。更に、一部の実施形態において、ツールアセンブリシステム１０００は、コーティング３７と連結されるデータ入力／出力インターフェース１１００を含むことができる。少なくとも１つのプロセッサ１０１０は、少なくともネットワークインターフェース１０４０、及びアプリケーションインターフェース１０５０から、データを送信及び受信することができ、少なくとも１つの光学センサ５１０との相互作用を通じて、複数の高コントラストマーキング５２０のうちの少なくとも１つを有するデータ入力／出力インターフェース１１００からデータを受信してもよい。したがって、一部の実施形態において、外科用ロボットシステム１は、光学センサ５１０がコーティング３７を検出する際、少なくとも誘導管５１ｃに対して長手方向の外科用器具３５の移動を検出することができる。例えば、外科用器具３５が最初に誘導管５１ｃの中へ挿入されるとき、光学センサ５１０は、暗い色及び／または低反射性を含むコーティング３７により、低レベルの光を検出し得る。外科用器具３５が誘導管５１ｃの中へ更に挿入される際、光学センサ５１０は、段階的に次第により明るい色及び／またはより高い反射性を含むコーティング３７にわたって移動する光学センサ５１０により、増加するレベルの光を検出し得る。

一部の実施形態において、ロボット外科用システム１は、３次元でのロボットアーム２３、エンドイフェクチュエータ３０、及び／または外科用器具３５の移動を追跡するように構成される、複数の追跡マーカ７２０を備えることができる。追跡マーカ７２０からの３次元の位置情報は、高度の精密性を維持するように、ロボット１５の各軸上の絶対的または相対的な従来の線形エンコーダからの１次元の線形位置情報と併せて使用することができることが理解されるべきである。一部の実施形態において、複数の追跡マーカ７２０は、例えば、かつ制限することなく、ロボット１５の基部２５、またはロボットアーム２３（例えば、図１Ｂを参照されたい）等のロボット１５の外表面に装着（またはそうでなければ固定）することができる。一部の実施形態において、複数の追跡マーカ７２０は、ロボット１５アーム、エンドイフェクチュエータ３０、及び／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。一部の実施形態において、ロボット外科用システム１は、ｘ軸６６、ｙ軸６８、ｚ軸７０、Ｚ管軸６４、ならびにロール６２、及びピッチ６０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の配向及び座標を計算するために、追跡情報を利用することができる。更に、一部の実施形態において、複数の追跡マーカ７２０は、外科医、外科用ツール、またはロボット１５の他のパーツによって遮られる可能性を低減するように、手術野１７から離間して、ロボット１５の基部２５上に位置付けることができる。一部の実施形態において、複数の追跡マーカ７２０の少なくとも１つの追跡マーカ７２０は、エンドイフェクチュエータ３０に装着、またはそうでなければ固定することができる（例えば、図１Ｄを参照されたい）。更なる実施形態である、複数の光学的追跡マーカ７２０の少なくとも１つの光学的マーカは、ロボット１５の基部２５上のマーカ７２０の代わりに、またはそれに加えて、ロボット１５の基部２５とエンドイフェクチュエータ３０との間で、ロボット１上に位置付けることができる。一部の実施形態において、エンドイフェクチュエータ３０上の１つ以上の追跡マーカ７２０の位置付けは、エンドイフェクチュエータ３０位置（ロボット１５の基部２５上のマーカからの位置情報、ならびにｚ７０、ｘ６６、ｙ６８、ロール６２、ピッチ６０、及びＺ管６４軸のエンコーダカウントから計算される）をチェックまたは検証する役割を果たすことによって、位置測定値の精密性を最大化することができる。一部の実施形態において、少なくとも１つの追跡マーカ７２０は、エンドイフェクチュエータ３０及び外科用器具３５がｘ軸６６に沿って移動する際、追跡マーカ７２０がｘ軸６６に沿って移動することを可能にするように、ｘ軸に沿ったエンドイフェクチュエータ３０及び／または外科用器具３５の移動をもたらす、ロボット１５の一部分に装着することができる（図１Ｄを参照されたい）。一部の実施形態において、説明されるような追跡マーカ７２０の配置は、外科医がカメラまたは検出デバイスから追跡マーカ７２０を遮断する、または追跡マーカ７２０が手術への障害になる可能性を低減することができる。

ある実施形態において、追跡マーカ７２０出力及び／または各軸からのエンコーダカウントに基づく、エンドイフェクチュエータ３０の配向及び位置の計算の高い精密性により、エンドイフェクチュエータ３０の位置を非常に精密に判定することが可能であり得る。例えば、一部の実施形態において、ｚ軸７０（ｘ軸６６と基部２５との間にある）に対する軸エンコーダのカウントの知識を必要とすることなく、ｘ軸６６上のマーカ７２０の位置、ならびにｙ軸６８、ロール軸６２、ピッチ６０、及びＺ管軸６４上のエンコーダのカウントのみを知ることは、エンドイフェクチュエータ３０の位置の算出を可能にすることができる。一部の実施形態において、ロボット１５上のいずれかの中間軸上のマーカ７２０の配置は、エンドイフェクチュエータ３０の正確な位置が、かかるマーカ７２０の場所、及びマーカ７２０とエンドイフェクチュエータ３０との間の軸（６６、６２、６０、６４）上のエンコーダのカウントに基づいて、計算されることを可能にすることができる。外科用ロボット１５及び外科用器具３５の制御、移動、及び追跡を含む、外科用ロボットシステム１の更なる詳細は、先で挙げられるように、本出願が米国特許法第１２０条の下、その優先権を主張するものであり、かつその全体として参照することにより本明細書に組み込まれる、同時係属米国特許出願第１３／９２４，５０５号において見出すことができる。

一部の実施形態は、外科用器具３５に連結される１つ以上のマーカ７２５を含む。一部の実施形態において、マーカ７２０、７２５は、従来の発光ダイオードもしくはＯｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）ダイオード、またはＯｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）等の商業的に入手可能な赤外光学追跡システムを使用して追跡されることが可能な反射性Ｐｏｌａｒｉｓ球体を備えることができる。Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）は、Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｃ．，Ｗａｔｅｒｌｏｏ，Ｏｎｔａｒｉｏ，Ｃａｎａｄａの登録商標である。一部の実施形態において、マーカ７２０、７２５から発出される、及び／またはそれによって反射される光は、ロボット１５の場所及び移動を監視するために使用されるカメラ８２００によって読み取ることができる（例えば、カメラアーム８２１０上に装着され、図２に示されるカメラアームジョイント８２１０ａ及びカメラアームジョイント８２１０ｂを通じて移動が可能なカメラ８２００を参照されたい）。一部の他の実施形態において、マーカ７２０、７２５は、無線周波数及び／または電磁リフレクタもしくはトランシーバを備えることができ、カメラ８２００は、無線周波数及び／または電磁トランシーバを含むか、またはそれによって置き換えることができる。

図１０は、本発明の更なる実施形態に従う、少なくとも１つの追跡マーカ７２５を有する外科用器具３５を含む、ツールアセンブリ９００を例解する。一部の実施形態において、単一のマーカ７２５は、誘導管５０が追跡アレイ６９０で追跡される場合、誘導管５０内の器具３５の線形位置を判定するために適切であり得る。図１０に描写されるように、この単一の追跡マーカ７２５が、ツール５０の長手方向の正中線からずれてツールに連結される場合、誘導管５０に対する空間におけるマーカの位置は、誘導管５０内の器具３５の半径方向の配向及び長手方向の位置の双方に関する情報を提供することができる。一部の他の実施形態において、複数のマーカ７２５は、誘導管５０が追跡アレイ６９０で追跡される場合、誘導管５０内の器具３５の線形位置を判定するために使用することができる。

本発明のいくつかの実施形態を、前述の明細書において開示してきたが、本発明が関連し、前述の説明及び関連する図面において提示される教示の利益を有する、本発明の多くの修正及び他の実施形態が着想されようことが理解される。このため、本発明が上で開示される具体的な実施形態に制限されないこと、ならびに多くの修正及び他の実施形態が、添付の請求項の範囲内に含まれることが意図されることが、理解される。更に、本明細書、ならびに以下の請求項において、具体的な用語が採用されるが、それらは、一般的かつ説明的意味においてのみ使用され、説明される発明も、以下の請求項も制限する目的で使用されない。

本発明は、特定の実施形態及び実施例と併せて上で説明されているが、本発明は、必ずしもそのように制限されないこと、かつ多数の他の実施形態、実施例、使用、修正、ならびに該実施形態、実施例、及び使用からの逸脱が、本明細書において添付される請求項によって包含されることが意図されるということが、当業者によって理解されるであろう。本明細書において引用される各特許及び公開物の開示全体は、各かかる特許または公開物が本明細書において参照することにより個々に組み込まれるかのように、参照することにより組み込まれる。本発明の種々の特性及び利点は、以下の請求項において記載される。

Claims (28)

1. 誘導外科用ツールアセンブリであって、
   少なくとも１つのセンサを含む誘導管と、
   前記誘導管に対して移動可能な外科用器具と、を備え、
   前記外科用器具が、少なくとも１つの検出可能な特性を含み、
   前記少なくとも１つのセンサは、前記外科用器具が、前記誘導管と少なくとも部分的に連結されるとき、前記少なくとも１つの検出可能な特性を検出するように構成及び配設される、前記誘導外科用ツールアセンブリ。
2. 前記検出可能な特性が、磁束場を発生させることが可能な磁気的に検出可能な特性を備え、
   前記センサが、前記磁束場を検出することが可能な位置センサである、請求項１に記載の前記誘導外科用ツールアセンブリ。
3. 前記位置センサが、フェライト系磁気材料、希土類系磁気材料、アルミニウム−ニッケル−コバルト系磁気材料、及びこれらの混合物から成る群から選択される、磁束場センサである、請求項１に記載の前記誘導外科用ツールアセンブリ。
4. 前記位置センサが、前記磁気的に検出可能な特性を感知することによって、前記誘導管における前記外科用器具の挿入及びその中での移動を検出するように構成及び配設される、請求項２に記載の前記誘導外科用ツールアセンブリ。
5. 前記検出可能な特性が、少なくとも１つの長手方向の磁気ストリップと、少なくとも１つの半径方向の磁気ストリップと、を含む、請求項１に記載の前記誘導外科用ツールアセンブリ。
6. 前記誘導管が、少なくとも２つの位置センサを含む、請求項５に記載の前記誘導外科用ツールアセンブリ。
7. 前記少なくとも２つの位置センサが、前記長手方向の磁気ストリップ、または前記半径方向の磁場ストリップ、または双方からの磁場束を感知するように構成及び配設される、請求項６に記載の前記誘導外科用ツールアセンブリ。
8. 前記誘導管における前記外科用器具の長手方向の位置が、前記長手方向の磁気ストリップからの磁場束の測定値を使用して、少なくとも部分的に判定され得る、請求項７に記載の前記誘導外科用ツールアセンブリ。
9. 前記誘導管における前記外科用器具の半径方向の位置は、前記半径方向の磁気ストリップからの磁場束の測定値を使用して、少なくとも部分的に判定され得る、請求項７に記載の前記誘導外科用ツールアセンブリ。
10. 前記検出可能な特性が、光学的に検出可能な特性を備え、
    前記少なくとも１つのセンサが、少なくとも１つの光学センサを備える、請求項１に記載の前記誘導外科用ツールアセンブリ。
11. 前記光学的に検出可能な特性が、前記誘導外科用ツールアセンブリの少なくとも部分的な長手方向の長さに沿って分配される高コントラストマーキングを備える、請求項１０に記載の前記誘導外科用ツールアセンブリ。
12. 前記少なくとも１つの光学センサが、フォトダイオード、フォトトランジスタ、光ファイバセンサ、フォトマルチプライヤ、ＣＣＤ、カメラ、またはこれらの組み合わせから成る群から選択される、感光性検出器を備える、請求項１１に記載の前記誘導外科用ツールアセンブリ。
13. 前記誘導管における前記外科用器具の長手方向の位置が、前記少なくとも１つの光学センサを使用して、前記高コントラストマーキングからの光を光学的に感知することによって、少なくとも部分的に判定され得る、請求項１１に記載の前記誘導外科用ツールアセンブリ。
14. 前記光学的に検出可能な特性が、前記誘導外科用ツールアセンブリの少なくとも部分的な長手方向の長さに沿って分配される段階的なコーティングを備える、請求項１０に記載の前記誘導外科用ツールアセンブリ。
15. 前記段階的なコーティングが、段階的な反射性コーティングを備える、請求項１４に記載の前記誘導外科用ツールアセンブリ。
16. 前記段階的なコーティングが、段階的な色コーティングを備える、請求項１４に記載の前記誘導外科用ツールアセンブリ。
17. 前記誘導管における前記外科用器具の長手方向の位置が、前記少なくとも１つの光学センサを使用して、前記段階的なコーティングからの光を光学的に感知することによって、少なくとも部分的に判定され得る、請求項１４に記載の前記誘導外科用ツールアセンブリ。
18. 前記誘導管が、遠位誘導管端と、近位誘導管端と、を備え、
    前記外科用器具が、遠位端と、近位端と、を含み、
    前記センサが、少なくとも１つのセンサパッドを備え、
    前記誘導外科用ツールアセンブリが、
    前記外科用器具の前記近位端に連結される誘導停止具と、
    前記誘導管の前記遠位端に連結される圧縮可能なバネ機構、ならびに前記少なくとも１つのセンサパッドによって感知されるように構成及び配設されるワイパを含む、プランジャ機構と、を更に備える、請求項１に記載の前記誘導外科用ツールアセンブリ。
19. 前記誘導停止具が前記誘導管の前記近位端に向かって移動する場合の前記誘導管内の前記外科用器具の長手方向の移動が、前記バネを少なくとも部分的に圧縮させ、前記少なくとも１つのセンサパッドに対して前記ワイパを移動させ得る、請求項１８に記載の前記誘導外科用ツールアセンブリ。
20. 前記誘導停止具が前記誘導管の前記近位端から離れて移動する場合の前記誘導管内の前記外科用器具の長手方向の移動が、前記バネを少なくとも部分的に伸長させ、前記少なくとも１つのセンサパッドに対して前記ワイパを移動させ得る、請求項１８に記載の前記誘導外科用ツールアセンブリ。
21. 誘導外科用ツールアセンブリシステムであって、
    少なくとも１つのプロセッサ、及び少なくとも１つのデータ入力／出力インターフェースを含む、ツールセンサシステムであって、前記データ入力インターフェースが、少なくとも１つのセンサを含む、ツールセンサシステムと、
    前記少なくとも１つのセンサを含む、誘導管と、
    前記誘導管内で移動可能な外科用器具と、を備え、
    前記外科用器具が、少なくとも１つの検出可能な特性を含み、
    前記少なくとも１つのセンサが、前記少なくとも１つの検出可能な特性を検出するように構成及び配設される、前記誘導外科用ツールアセンブリシステム。
22. 前記誘導管が、遠位誘導管端と、近位誘導管端と、を備え、
    前記外科用器具が、遠位端と、近位端と、を含み、
    前記センサが、少なくとも１つのセンサパッドを備え、
    前記誘導外科用ツールアセンブリが、
    前記外科用器具の前記近位端に連結される誘導停止具と、
    前記誘導管の前記遠位端に連結される圧縮可能なバネ機構、ならびに前記少なくとも１つのセンサパッドによって感知されるように構成及び配設されるワイパを含む、プランジャ機構と、を更に備え、
    前記少なくとも１つのプロセッサが、前記誘導管において少なくとも部分的に挿入または移動されるとき、前記少なくとも１つの外科用器具を検出するように構成及び配設される、請求項２１に記載の誘導外科用ツールアセンブリシステム。
23. 前記検出可能な特性が、磁束場を発生させることが可能な磁気的に検出可能な特性を備え、
    前記センサが、前記磁束場を検出することが可能な位置センサであり、
    前記位置センサが、前記磁気的に検出可能な特性を感知することによって、前記誘導管の中への前記外科用器具の挿入及びその中での移動を検出するように構成及び配設される、請求項２１に記載の前記誘導外科用ツールアセンブリシステム。
24. 前記検出可能な特性が、光学的に検出可能な特性を備え、
    前記少なくとも１つのセンサが、少なくとも１つの光学センサを備え、
    前記光学的に検出可能な特性が、前記誘導外科用ツールアセンブリの少なくとも部分的な長手方向の長さに沿って分配される高コントラストマーキングを備える、請求項２１に記載の前記誘導外科用ツールアセンブリシステム。
25. 前記検出可能な特性が、光学的に検出可能な特性を備え、
    前記少なくとも１つのセンサが、少なくとも１つの光学センサを備え、
    前記光学的に検出可能な特性が、前記誘導外科用ツールアセンブリの少なくとも部分的な長手方向の長さに沿って分配される段階的なコーティングを備える、請求項２１に記載の前記誘導外科用ツールアセンブリシステム。
26. 前記外科用器具が、少なくとも１つの追跡センサを備える、請求項２１に記載の誘導外科用ツールアセンブリシステム。
27. 医療用ロボットシステムであって、
    イフェクチュエータ要素に連結されるロボットであって、制御された移動及び位置付けのために構成される、前記ロボットと、
    前記ロボットに連結されるモータアセンブリであって、前記モータアセンブリは、ｘ、ｙ、またはｚ軸のうちの１つに沿った前記イフェクチュエータ要素の移動が、前記ｘ、ｙ、及びｚ軸のうちの他方の軸に沿った前記イフェクチュエータ要素の移動とは独立して生じるように、前記ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸のうちの１つ以上に沿って前記イフェクチュエータ要素を移動させるように構成され、前記ｘ軸が、前記ｙ及びｚ軸に対して実質的に垂直であり、前記ｙ軸が、前記ｘ及びｚ軸に対して実質的に垂直であり、前記ｚ軸が、前記ｘ及びｙ軸に対して実質的に垂直である、モータアセンブリと、
    少なくとも１つのプロセッサ、及び少なくとも１つのデータ入力／出力インターフェースを含む、ツールセンサシステムであって、前記データ入力インターフェースが、少なくとも１つのセンサを含む、ツールセンサシステムと、
    前記少なくとも１つのセンサを含む、誘導管と、
    前記誘導管に対して移動可能な外科用器具であって、少なくとも１つの検出可能な特性を含む、前記外科用器具と、を備え、
    前記少なくとも１つのセンサが、前記少なくとも１つの検出可能な特性を検出するように構成及び配設され、
    前記少なくとも１つのプロセッサは、前記外科用器具が、前記誘導管と少なくとも部分的に連結されるときを検出するように構成及び配設される、前記医療用ロボットシステム。
28. 前記外科用器具が、少なくとも１つの追跡センサを含む、請求項２７に記載の医療用ロボットシステム。

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