JP2017223657A - ロボット支援手術と共に使用するための赤外信号に基づく位置認識システム - Google Patents

Abstract

【課題】物体の３次元位置の検出において使用するための、空気を通して伝送される赤外信号を再生するための改善されたデバイスを提供する。
【解決手段】再生デバイスは、赤外信号伝送器と、伝送器によって伝送した赤外信号に応答する応答赤外信号を物体から受信する検出器とを含む。ローパスフィルタが、検出器から応答赤外信号を受信し、ローパスフィルタリングされた信号を出力する。比較器が、赤外信号検出器の出力とローパスフィルタの出力とを比較し、この比較に基づき、論理状態を表現する出力を発生する。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年４月１１日に出願された米国特許出願第１５／０９５，８８３号の一部継続であり、その米国特許出願は、２０１３年１０月２４日に出願された米国特許出願第１４／０６２，７０７号の一部継続であり、その米国特許出願は、２０１３年６月２１日に出願された米国特許出願第１３／９２４，５０５号の一部継続出願であり、その米国特許出願は、２０１２年６月２１日に出願された仮出願第６１／６６２，７０２号に対する優先権を主張し、及び２０１３年３月１５日に出願された仮出願第６１／８００，５２７号に対する優先権を主張し、それらの全ては、全ての目的のために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。

〔技術分野〕
本開示は位置認識システムに関し、特にロボット支援手術と共に使用するための赤外線に基づく位置認識システムに関する。

〔背景技術〕
位置認識システムは、３次元における特定の物体の位置を判定するために及びその物体を追跡するために使用される。ロボット支援手術において、例えば、ある物体、例えば、外科用器具等は、その器具が、医師によって位置付けられ、移動される際に、高度の的確さをもって追跡される必要がある。

赤外信号に基づく位置認識システムは、パッシブまたはアクティブセンサのいずれかを使用する。パッシブセンサにおいて、追跡されるべき物体、例えば、球体ボール等は、追跡されるべき物体の効果的な場所に位置付けられる。赤外伝送器は、既定の波形パターンを有する信号を伝送する。球形ボールは、信号を反射し、反射信号は、一般的に伝送器の近くに位置する赤外信号検出器によって受信される。

アクティブセンサにおいて、追跡されるべき物体は、それら自体の赤外伝送器を有し、このため、位置認識システムの赤外伝送器から伝送された信号に応答して、それら自体の赤外信号を発生する。

アクティブまたはパッシブセンサのいずれかにおいて、追跡されるべき物体からの応答赤外信号が、受信され、可能な限り元の赤外信号に近い形態に増幅される。増幅信号は、次いで、信号プロセッサによって使用可能なデジタル信号に変換される。システムは、次いで、変換されたデジタル信号、カメラ、増幅信号のデジタル波形の形状、球形ボールの既知の場所、距離、それが応答信号を受信するためにかかった時間、またはこれらの組み合わせのうちの１つ以上に基づいて、球形ボールの３次元位置を幾何学的に解明する。

１つの問題は、赤外信号の減衰に起因して、従来の位置認識システは、システム及び追跡されるべき物体間の距離の比較的限定された作用範囲を有することである。典型的には、作用範囲は、増幅信号が有用であるのに十分な元の波形情報を失う前に、良くても、約３〜５メートルに限定される。

更に、従来のシステムは、比較的高い帯域幅、高スルーレート増幅器を要求し、それは、複雑かつ高価な回路を伴う。したがって、より長い作用範囲を有し、精密であり、かつ安価である、物体の３次元位置を認識するために改善されたシステム及び方法を提供するニーズがある。

〔発明の概要〕
この及び他のニーズを満たすために、物体の３次元位置を判定するためのデバイス、システム、及び方法が提供される。例えば、物体の３次元位置の検出において使用するための、空気を通して伝送される赤外信号を再生するための改善されたデバイスが提供される。

一実施形態によれば、外科用ロボットシステムは、ロボット基部及び表示器、ロボット基部に連結されたロボットアーム、ならびにロボットアームに連結されたエンドエフェクタを有するロボットであって、エンドエフェクタが、１つ以上の追跡マーカを有し、エンドエフェクタの移動が、ロボットによって電子的に制御される、ロボットを含む。本システムは更に、１つ以上の追跡マーカを検出することができる少なくとも１つのカメラを含むカメラスタンドであって、カメラが、１つ以上の追跡マーカから赤外信号を受信する少なくとも１つの赤外信号検出器を含み、ロボットが、赤外信号に基づき、１つ以上の追跡マーカの３次元位置を判定し、赤外信号が、バースト信号を含む、カメラスタンドを含む。赤外信号は、一定時間の前記バースト信号及び一定時間の非バースト信号を含むバーストパターンを含み得る。

別の実施形態によれば、本再生デバイスは、赤外信号伝送器と、赤外伝送器によって伝送した赤外信号に応答する応答赤外信号を物体から受信する赤外信号検出器とを含む。ローパスフィルタが、検出器から応答赤外信号を受信し、ローパスフィルタリングされた信号を出力する。比較器が、赤外信号検出器の出力に接続された第１の入力及びローパスフィルタの出力に接続された第２の入力を有する。比較器は、第１及び第２の入力の間での比較に基づき、論理状態を表現する出力を発生する。

有利なことに、本発明は、高帯域幅、高スルー出力増幅の要求を緩和し、かつ信号振幅変動の感受性の低さに起因して長距離にわたる物体の位置認識を可能にする。

〔図面の簡単な説明〕
図１は、外科手技の間のロボットシステム、患者、外科医、及び他の医療要員の場所についての潜在的配設の頭上図である。

図２は、一実施形態に従って患者に対する外科用ロボット及びカメラの位置付けを含むロボットシステムを例解する。

図３は、例示的な実施形態に従って外科用ロボットシステムを例解する。

図４は、例示的な実施形態に従って外科用ロボットの一部分を例解する。

図５は、例示的な実施形態に従って外科用ロボットのブロック図を例解する。

図６は、例示的な実施形態に従って外科用ロボットを例解する。

図７Ａは、例示的な実施形態に従ってエンドエフェクタを例解する。

図７Ｂは、例示的な実施形態に従ってエンドエフェクタを例解する。

図７Ｃは、例示的な実施形態に従ってエンドエフェクタを例解する。

図８は、一実施形態に従ってエンドエフェクタの誘導管への外科用器具の挿入前及び後の、外科用器具及びエンドエフェクタを例解する。

図９Ａは、例示的な実施形態に従ってエンドエフェクタ及びロボットアームの一部分を例解する。

図９Ｂは、例示的な実施形態に従ってエンドエフェクタ及びロボットアームの一部分を例解する。

図９Ｃは、例示的な実施形態に従ってエンドエフェクタ及びロボットアームの一部分を例解する。

図１０は、例示的な実施形態に従う動的参照アレイ、画像化アレイ、及び他の構成要素を例解する。

図１１は、例示的な実施形態に従って登録の方法を例解する。

図１２Ａは、例示的な実施形態に従って画像化デバイスの実施形態を例解する。

図１２Ｂは、例示的な実施形態に従って画像化デバイスの実施形態を例解する。

図１３は、例示的な赤外信号の波形である。

図１４は、一実施形態に従う赤外信号再生回路の機能図である。

図１５は、一態様に従う、ロボット支援手術と共に使用するための赤外信号に基づく位置認識システムの機能図である。

図１６は、図１４の赤外信号再生回路の種々のノードにおける信号出力を例解するグラフである。

〔発明を実施するための形態〕
本開示は、その用途において、本明細書における説明に記載される、または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。本開示の教示は、他の実施形態において使用及び実践されてもよいし、種々の方法において実践または実行されてもよい。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、物理的もしくは機械的接続または連結に制限されない。

以下の考察は、当業者が本開示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、本明細書における原理は、本開示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、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、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、実施形態の範囲内にあることを認識するであろう。

図１及び２は、例示的な実施形態に従って外科用ロボットシステム１００を例解する。外科用ロボットシステム１００は、例えば、外科用ロボット１０２、１つ以上のロボットアーム１０４、基部１０６、表示器１１０、例えば、誘導管１１４を含む、エンドエフェクタ１１２、及び１つ以上の追跡マーカ１１８を含んでもよい。外科用ロボットシステム１００は、患者追跡デバイス１１６を含んでもよく、また、患者追跡デバイス１１６は、１つ以上の追跡マーカ１１８を含み、それは、患者２１０に（例えば、患者２１０の骨に）直接固定されるように適合される。外科用ロボットシステム１００はまた、例えば、カメラスタンド２０２上に位置付けられた、カメラ２００を利用してもよい。カメラスタンド２０２は、カメラ２００を所望の位置に移動、配向、及び支持するために、任意の適切な構成を有することができる。カメラ２００は、任意の適切なカメラまたは複数のカメラ、例えば、カメラ２００の視点から見ることができる所与の測定量においてアクティブ及びパッシブ追跡マーカ１１８を識別することができる、例えば、１つ以上の赤外カメラ（例えば、２焦点カメラ）等を含んでもよい。カメラ２００は、所与の測定量をスキャンしてもよく、３次元におけるマーカ１１８の位置を識別及び判定するために、マーカ１１８から来る光を検出してもよい。例えば、アクティブマーカ１１８は、電気信号（例えば、赤外発光ダイオード（ＬＥＤ））によって作動される赤外発光マーカを含んでもよく、パッシブマーカ１１８は、例えば、カメラ２００または他の適切なデバイス上の照明器によって発出される赤外光を反射するレトロな反射性マーカ（例えば、それらは、入射光の方向に入射するＩＲ放射を反射する）を含んでもよい。

図１及び２は、動作室環境における外科用ロボットシステム１００の配置のための潜在的な構成を例解する。例えば、ロボット１０２は、患者２１０の近くまたは次に位置付けられてもよい。患者２１０の頭部の近くが描写されるが、ロボット１０２は、手術を受けている患者２１０の領域に応じて、患者２１０の近くの任意の適切な場所に位置付けることができることが理解されるであろう。カメラ２００は、ロボットシステム１００から分離されてもよいし、患者２１０の足に位置付けられてもよい。この場所は、カメラ２００が、手術野２０８への直接的な視線を有することを可能にする。再度、カメラ２００は、手術野２０８への見通し線を有する任意の適切な位置に位置してもよいことが意図される。示される構成において、外科医１２０は、ロボット１０２の向かいに位置付けられてもよいが、依然として、エンドエフェクタ１１２及び表示器１１０を操作することができる。外科助手１２６は、更にまた、エンドエフェクタ１１２及び表示器１１０の双方にアクセス可能に、外科医１２０の向かいに位置付けられてもよい。所望される場合、外科医１２０及び助手１２６の場所は、逆にされてもよい。麻酔医１２２及び看護師または洗浄技師１２４のための伝統的な領域は、ロボット１０２及びカメラ２００の場所によって邪魔されないままである。

ロボット１０２の他の構成要素に関して、表示器１１０は、外科用ロボット１０２に取設することができ、他の例示的な実施形態において、表示器１１０は、外科用ロボット１０２を伴う手術室内、または遠隔の場所のいずれかにおいて、外科用ロボット１０２から取り外すことができる。エンドエフェクタ１１２は、ロボットアーム１０４に連結されてもよく、少なくとも１つのモータによって制御されてもよい。例示的な実施形態において、エンドエフェクタ１１２は、患者２１０上で手術を実施するために使用される（本明細書において更に説明される）外科用器具６０８を受け入れる及び配向させることができる、誘導管１１４を備えることができる。本明細書において使用される際、「エンドエフェクタ」という用語は、「エンドイフェクチュエータ」及び「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。誘導管１１４を用いて一般的に示されるが、エンドエフェクタ１１２は、手術中の使用に適した任意の適切な器具類と置き換えてもよいことが理解されるであろう。一部の実施形態において、エンドエフェクタ１１２は、所望の様態における外科用器具６０８の移動をもたらすために任意の既知の構造を備えることができる。

外科用ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２の並進及び配向を制御することができる。ロボット１０２は、例えば、ｘ、ｙ、及びｚ軸に沿って、エンドエフェクタ１１２を移動させることができる。エンドエフェクタ１１２は、（エンドイフェクチュエータ１１２と関連付けられるオイラー角（例えば、ロール、ピッチ、及び／またはヨー）のうちの１つ以上を選択的に制御することができるように）ｘ、ｙ、及びｚ軸、ならびにＺフレーム軸のうちの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。一部の例示的な実施形態において、エンドエフェクタ１１２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、外科用ロボットシステム１００は、患者２１０上で動作させるために使用されてもよく、ロボットアーム１０４は、患者２１０の身体の上に位置付けることができ、エンドエフェクタ１１２は、患者２１０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。

一部の例示的な実施形態において、外科用器具６０８の位置は、外科用ロボット１０２が、手技中、常に外科用器具６０８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、一部の例示的な実施形態において、外科用ロボット１０２は、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６０８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１０２は、外科用器具６０８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６０８の経路を補正するように構成することができる。一部の例示的な実施形態において、外科用ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２及び／または外科用器具６０８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、例示的な実施形態において、医師または他のユーザは、システム１００を動作させることができ、エンドエフェクタ１１２及び／または外科用器具６０８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１０２による外科用器具６０８の制御及び移動を含む、外科用ロボットシステム１００の更なる詳細は、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通し番号第１３／９２４，５０５号において見出すことができる。

ロボット外科用システム１００は、３次元においてロボットアーム１０４、エンドエフェクタ１１２、患者２１０、及び／または外科用器具６０８の移動を追跡するように構成された１つ以上の追跡マーカ１１８を備えることができる。例示的な実施形態において、複数の追跡マーカ１１８は、例えば、制限することなく、ロボット１０２の基部１０６上、ロボットアーム１０４上、またはエンドエフェクタ１１２上等の、ロボット１０２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。例示的な実施形態において、複数の追跡マーカ１１８のうちの少なくとも１つの追跡マーカ１１８は、エンドエフェクタ１１２に装着またはそうではければ固定することができる。１つ以上の追跡マーカ１１８は、更に患者２１０に装着（またはそうではければ固定）することができる。例示的な実施形態において、複数の追跡マーカ１１８は、外科医、外科用ツール、またはロボット１０２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２０８から離間して、患者２１０上に位置付けることができる。更に、１つ以上の追跡マーカ１１８は、外科用ツール６０８（例えば、スクリュードライバ、拡張器、インプラント挿入器、または同様のもの）に更に装着（またはそうではければ固定）することができる。このため、追跡マーカ１１８は、マークされた物体（例えば、エンドエフェクタ１１２、患者２１０、及び外科用ツール６０８）のそれぞれが、ロボット１０２によって追跡されることを可能にする。例示的な実施形態において、システム１００は、例えば、エンドエフェクタ１１２、（例えば、エンドエフェクタ１１２の管１１４内に位置付けられた）外科用器具６０８の、配向及び場所、ならびに患者２１０の相対位置を計算するために、マークされた物体のそれぞれから収集された追跡情報を使用することができる。

例示的な実施形態において、マーカ１１８のうちの１つ以上は、光学マーカであってもよい。一部の実施形態において、エンドエフェクタ１１２上の１つ以上の追跡マーカ１１８の位置付けは、エンドエフェクタ１１２の位置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。外科用ロボット１０２及び外科用器具６０８の制御、移動、ならびに追跡を含む、外科用ロボットシステム１００の更なる詳細は、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通し番号第１３／９２４，５０５号において見出すことができる。

例示的な実施形態は、外科用器具６０８に連結された１つ以上のマーカ１１８を含む。例示的な実施形態において、例えば、患者２１０及び外科用器具６０８に連結される、これらのマーカ１１８、ならびにロボット１０２のエンドエフェクタ１１２に連結されるマーカ１１８は、従来の赤外発光ダイオード（ＬＥＤ）または、例えば、Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）等の商業的に入手可能な赤外光追跡システムを使用して追跡されることが可能なＯｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）ダイオード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。他の実施形態において、マーカ１１８は、Ｐｏｌａｒｉｓ Ｓｐｅｃｔｒａ等の商業的に入手可能な光学追跡システムを使用して追跡されることが可能な従来の反射性球体を備えることができる。Ｐｏｌａｒｉｓ Ｓｐｅｃｔｒａはまた、Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｃ．の登録商標である。例示的な実施形態において、エンドエフェクタ１１２に連結されたマーカ１１８は、オン及びオフにされ得る赤外発光ダイオードを備えるアクティブマーカであり、患者２１０及び外科用器具６０８に連結されるマーカ１１８は、パッシブ反射性球体を備える。

例示的な実施形態において、マーカ１１８から発出された及び／またはマーカ１１８によって反射された光は、カメラ２００によって検出することができ、マークされた物体の場所及び移動を監視するために使用することができる。代替の実施形態において、マーカ１１８は、無線周波数及び／もしくは電磁リフレクタまたはトランシーバを備えることができ、カメラ２００は、無線周波数及び／もしく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。

外科用ロボットシステム１００と同様に、図３は、本開示の例示的な実施形態と一致するドッキング型構成における、外科用ロボットシステム３００及びカメラスタンド３０２を例解する。外科用ロボットシステム３００は、表示器３０４、上部アーム３０６、下部アーム３０８、エンドエフェクタ３１０、垂直カラム３１２、キャスタ３１４、キャビネット３１６、タブレット引出し３１８、コネクタパネル３２０、制御パネル３２２、及び情報のリング部３２４を含む、ロボット３０１を備えてもよい。カメラスタンド３０２は、カメラ３２６を備えてもよい。これらの構成要素については、図５に関してより多く説明される。図３は、カメラスタンド３０２が、例えば、使用中でないときに、ロボット３０１と入れ子にされる、ドッキング型構成における外科用ロボットシステム３００を例解する。カメラ３２６及びロボット３０１は、例えば、図１及び２に示されるように、外科手技中に、互いに分離してもよいし、任意の適切な場所に位置付けてもよいことが、当業者によって理解されるであろう。

図４は、本開示の例示的な実施形態と一致する基部４００を例解する。基部４００は、外科用ロボットシステム３００の一部分であってもよく、キャビネット３１６を備えてもよい。キャビネット３１６は、限定されるものではないが、バッテリ４０２、配電モジュール４０４、プラットホームインターフェースボードモジュール４０６、コンピュータ４０８、ハンドル４１２、及びタブレット引出し４１４を含む、外科用ロボットシステム３００のある構成要素を収容してもよい。これらの構成要素間の接続及び関係は、図５に関してより詳細に説明される。

図５は、外科用ロボットシステム３００の例示的な実施形態のある構成要素のブロック図を例解する。外科用ロボットシステム３００は、プラットホームサブシステム５０２、コンピュータサブシステム５０４、動き制御サブシステム５０６、及び追跡サブシステム５３２を備えてもよい。プラットホームサブシステム５０２は、バッテリ４０２、配電モジュール４０４、プラットホームインターフェースボードモジュール４０６、及びタブレット充電ステーション５３４を更に備えてもよい。コンピュータサブシステム５０４は、コンピュータ４０８、表示器３０４、及びスピーカ５３６を更に備えてもよい。動き制御サブシステム５０６は、駆動回路５０８、モータ５１０、５１２、５１４、５１６、５１８、安定器５２０、５２２、５２４、５２６、エンドエフェクタ３１０、及びコントローラ５３８を更に備えてもよい。追跡サブシステム５３２は、位置センサ５４０及びカメラ変換器５４２を更に備えてもよい。システム３００はまた、フットペダル５４４及びタブレット５４６を備えてもよい。

入力電力は、電源５４８を介してシステム３００に供給され、それは、配電モジュール４０４に提供されてもよい。配電モジュール４０４は、入力電力を受け取り、システム３００の他のモジュール、構成要素、及びサブシステムに提供される異なる電力供給電圧を発生するように構成される。配電モジュール４０４は、異なる電圧供給をプラットホームインターフェースモジュール４０６に提供するように構成されてもよく、それは、例えば、コンピュータ４０８、表示器３０４、スピーカ５３６、ドライバ５０８等の他の構成要素に、例えば、電力モータ５１２、５１４、５１６、５１８及びエンドエフェクタ３１０、モータ５１０、リング部３２４、カメラ変換器５４２、ならびにシステム３００のための他の構成要素、例えば、キャビネット３１６内の電気構成要素を冷却するための送風機に提供されてもよい。

配電モジュール４０４はまた、電力を他の構成要素、例えば、タブレット引出し３１８内に位置し得るタブレット充電ステーション５３４等に提供してもよい。タブレット充電ステーション５３４は、テーブル５４６を充電するためにタブレット５４６と無線または有線通信してもよい。タブレット５４６は、本開示と一致する及び本明細書に説明される外科医によって使用されてもよい。

配電モジュール４０４はまた、バッテリ４０２に接続されてもよく、そのバッテリは、万一配電モジュール４０４が入力電力５４８からの電力を受信しない場合において、一時的な電源としての役割を果たす。他の時には、配電モジュール４０４は、必要な場合、バッテリ４０２を充電する役割を果たしてもよい。

プラットホームサブシステム５０２の他の構成要素はまた、コネクタパネル３２０、制御パネル３２２、及びリング部３２４を含んでもよい。コネクタパネル３２０は、異なるデバイス及び構成要素をシステム３００及び／または関連付けられた構成要素ならびにモジュールに接続する役割を果たしてもよい。コネクタパネル３２０は、異なる構成要素からの線路または接続を受け入れる１つ以上のポートを含んでもよい。例えば、コネクタパネル３２０は、システム３００を他の機器に接地し得る接地端子ポート、フットペダル５４４をシステム３００に接続するためのポート、位置センサ５４０、カメラ変換器５４２、及びカメラスタンド３０２と関連付けられたカメラ３２６を備え得る追跡サブシステム５３２に接続するためのポートを有してもよい。コネクタパネル３２０はまた、他の構成要素、例えば、コンピュータ４０８等へのＵＳＢ、イーサネット（登録商標）、ＨＤＭＩ（登録商標）通信を可能にするために、他のポートを含んでもよい。

制御パネル３２２は、システム３００の動作を制御する種々のボタンもしくは指示器を提供してもよいし、かつ／またはシステム３００に関する情報を提供してもよい。例えば、制御パネル３２２は、システム３００の電源をオンまたはオフにするためのボタン、垂直カラム３１２を上げるまたは下げるためのボタン、及びシステム３００が物理的に移動することを係止するようにキャスタ３１４に係合するように設計され得る安定器５２０〜５２６を上げるまたは下げるためのボタンを含んでもよい。万一緊急の場合には、他のボタンがシステム３００を停止してもよく、それは、全てのモータ電力をなくし得、全ての動きの発生を停止するために機械的制動を加え得る。制御パネル３２２はまた、ユーザにあるシステム状況を通知する指示器、例えば、線路電力指示器等、またはバッテリ４０２用の充電の状態を通知する指示器を有してもよい。

リング部３２４は、システム３００のユーザに、システム３００が不十分に動作している異なるモード及び該ユーザへのある警告を通知するための視覚的指示器であってもよい。

コンピュータサブシステム５０４は、コンピュータ４０８、表示器３０４、及びスピーカ５３６を含む。コンピュータ５０４は、システム３００を動作させるためのオペレーティングシステム及びソフトウェアを含む。コンピュータ５０４は、情報をユーザに表示するために、他の構成要素（例えば、追跡サブシステム５３２、プラットホームサブシステム５０２、及び／または動き制御サブシステム５０６）からの情報を受信及び処理してもよい。更に、コンピュータサブシステム５０４はまた、音声をユーザに提供するためにスピーカ５３６を含んでもよい。

追跡サブシステム５３２は、位置センサ５０４及び変換器５４２を含んでもよい。追跡サブシステム５３２は、図３に関して説明されたようなカメラ３２６を含むカメラスタンド３０２に対応してもよい。位置センサ５０４は、カメラ３２６であってもよい。追跡サブシステムは、外科手技中にユーザによって使用されるシステム３００及び／または器具の異なる構成要素上に位置するあるマーカの場所を追跡してもよい。この追跡は、それぞれ、アクティブまたはパッシブ要素、例えば、ＬＥＤまたは反射性マーカ等の場所を追跡する赤外技術の使用を含む、本開示と一致する様態で行われてもよい。これらの種類のマーカを有する構造の場所、配向、及び位置は、表示器３０４上でユーザに表示され得るコンピュータ４０８に提供されてもよい。例えば、これらの種類のマーカを有し、（ナビゲーション空間として呼ばれ得る）この様態で追跡される外科用器具６０８が、患者の解剖学的構造の３次元画像に関連してユーザに示されてもよい。

動き制御サブシステム５０６は、垂直カラム３１２、上部アーム３０６、下部アーム３０８を物理的に移動させる、またはエンドエフェクタ３１０を回転させるように構成されてもよい。物理的移動は、１つ以上のモータ５１０〜５１８の使用を通じて行われてもよい。例えば、モータ５１０は、垂直カラム３１２を垂直に上げるまたは下げるように構成されてもよい。モータ５１２は、図３に示されるように垂直カラム３１２との係合点の周囲に、上部アーム３０８を横に移動させるように構成されてもよい。モータ５１４は、図３に示されるように上部アーム３０８との係合点の周囲に、下部アーム３０８を横に移動させるように構成されてもよい。モータ５１６及び５１８は、一方がロールを制御し得、かつもう一方が傾きを制御し得るような様態で、エンドエフェクタ３１０を移動させるように構成されてもよく、それによって、エンドエフェクタ３１０が移動され得る複数の角度を提供する。これらの移動は、コントローラ５３８によって達成されてもよく、そのコントローラは、エンドエフェクタ３１０上に配置されたロードセルを通してこれらの移動を制御し得、ユーザが、これらのロードセルを係合することによって作動され得、所望の様態においてシステム３００を移動させる。

更に、システム３００は、ユーザが、（タッチスクリーン入力デバイスであってもよい）表示器３０４上に、表示器３０４上の患者の解剖組織の３次元画像上に外科用器具または構成要素の場所を指示することを通じて、垂直カラム３１２、上部アーム３０６、及び下部アーム３０８の自動移動を提供してもよい。ユーザは、フットペダル５４４を踏むことまたはいくらかの他の入力手段によって、この自動移動を開始してもよい。

図６は、例示的な実施形態と一致する外科用ロボットシステム６００を例解する。外科用ロボットシステム６００は、エンドエフェクタ６０２、ロボットアーム６０４、誘導管６０６、器具６０８、及びロボット基部６１０を備えてもよい。器具ツール６０８は、１つ以上の追跡マーカ（例えば、マーカ１１８等）を含む追跡アレイ６１２に取設してもよく、関連付けられた軌道６１４を有してもよい。軌道６１４は、器具ツール６０８が、一度それが誘導管６０６を通して位置付けられるまたは誘導管６０６内に固定されると進むように構成される移動の経路、例えば、患者への器具ツール６０８の挿入の経路を表現してもよい。例示的な動作において、ロボット基部６１０は、外科用ロボットシステム６００が、患者２１０上で動作している際に、ユーザ（例えば、外科医）を支援してもよいように、ロボットアーム６０４及びエンドエフェクタ６０２と電子通信するように構成されてもよい。外科用ロボットシステム６００は、前に説明した外科用ロボットシステム１００及び３００と一致してもよい。

追跡アレイ６１２は、器具ツール６０８の場所及び配向を監視するために、器具６０８上に装着されてもよい。追跡アレイ６１２は、器具６０８に取設されてもよく、追跡マーカ８０４を備えてもよい。図８に最も良く見られるように、追跡マーカ８０４は、例えば、発光ダイオード及び／または他の種類の反射性マーカ（例えば、本明細書における他の箇所に説明されるようなマーカ１１８）であってもよい。追跡デバイスは、外科用ロボットシステムと関連付けられた１つ以上の見通し線デバイスであってもよい。例として、追跡デバイスは、外科用ロボットシステム１００、３００と関連付けられた１つ以上のカメラ２００、３２６であってもよいし、また、ロボットアーム６０４、ロボット基部６１０、エンドエフェクタ６０２、及び／または患者２１０に対する器具６０８の定義された領域または相対的配向について追跡アレイ６１２を追跡してもよい。追跡デバイスは、カメラスタンド３０２及び追跡サブシステム５３２と併せて説明された構造のものと一致してもよい。

図７Ａ、７Ｂ、及び７Ｃは、例示的な実施形態と一致するエンドエフェクタ６０２のそれぞれ、上面図、正面図、及び側面図を例解する。エンドエフェクタ６０２は、１つ以上の追跡マーカ７０２を備えてもよい。追跡マーカ７０２は、発光ダイオードまたは他の種類のアクティブ及びパッシブマーカ、例えば、前に説明した追跡マーカ１１８等であってもよい。例示的な実施形態において、追跡マーカ７０２は、電気信号によって作動されるアクティブ赤外発光マーカ（例えば、赤外発光ダイオード（ＬＥＤ））である。このため、追跡マーカ７０２は、赤外マーカ７０２がカメラ２００、３２６に認識できるように作動させてもよいし、または赤外マーカ７０２がカメラ２００、３２６に認識できないように非作動にしてもよい。このため、マーカ７０２がアクティブであるとき、エンドエフェクタ６０２は、システム１００、３００、６００によって制御されてもよいし、マーカ７０２が非作動にされるとき、エンドエフェクタ６０２は、適切な位置に係止され、システム１００、３００、６００によって移動されることができなくてもよい。

マーカ７０２は、マーカ７０２が、外科用ロボットシステム１００、３００、６００と関連付けられた１つ以上のカメラ２００、３２６または他の追跡デバイスによって認識されることができるような様態で、エンドエフェクタ６０２上または内に配置してもよい。カメラ２００、３２６または他の追跡デバイスは、追跡マーカ７０２の移動を追うことによって、エンドエフェクタ６０２を、それが異なる位置及び視野角に移動する際に、追跡してもよい。マーカ７０２及び／またはエンドエフェクタ６０２の場所は、外科用ロボットシステム１００、３００、６００と関連付けられた表示器１１０、３０４、例えば、図２に示されるような表示器１１０及び／または図３に示される表示器３０４上に示されてもよい。この表示器１１０、３０４は、ユーザが、エンドエフェクタ６０２が、ロボットアーム６０４、ロボット基部６１０、患者２１０、及び／またはユーザに対する望ましい位置にあることを確保することを可能にし得る。

例えば、図７Ａに示されるように、マーカ７０２は、追跡デバイスが、手術野２０８から離れて配置され、ロボット１０２、３０１の方に向くように、かつ、カメラ２００、３２６が、追跡デバイス１００、３００、６００に対するエンドエフェクタ６０２の共通配向の範囲を通してマーカ７０２のうちの少なくとも３つを見ることができるように、エンドエフェクタ６０２の表面の周囲に配置されてもよい。例えば、マーカ７０２の分配は、このようにして、エンドエフェクタ６０２が手術野２０８において並進及び回転されるときに、エンドエフェクタ６０２が追跡デバイスによって監視されることを可能にする。

加えて、例示的な実施形態において、エンドエフェクタ６０２は、外部カメラ２００、３２６がマーカ７０２を読み取る準備ができたときを検出することができる赤外（ＩＲ）受信機を装備してもよい。この検出の直後、エンドエフェクタ６０２は、次いで、マーカ７０２を照明してもよい。外部カメラ２００、３２６がマーカ７０２を読み取る準備ができているというＩＲ受信機による検出は、外部カメラ２００、３２６に、発光ダイオードであり得るマーカ７０２のデューティーサイクルを同期させる必要性を信号で伝えてもよい。これはまた、全体としてロボットシステムによる低電力消費を可能にし得、それによって、マーカ７０２が、連続的に照明される代わりに、適時にのみ照明されるであろう。更に、例示的な実施形態において、マーカ７０２は、他のナビゲーションツール、例えば、異なる種類の外科用器具６０８等との干渉を防ぐために、電源をオフにしてもよい。

図８は、追跡アレイ６１２及び追跡マーカ８０４を含む１つの種類の外科用器具６０８を描写する。追跡マーカ８０４は、限定されるものでないが、発光ダイオードまたは反射性球体を含む、本明細書に説明される任意の種類のものであってもよい。マーカ８０４は、外科用ロボットシステム１００、３００、６００と関連付けられた追跡デバイスによって監視され、カメラ２００、３２６の見通し線のうちの１つ以上であってもよい。カメラ２００、３２６は、追跡アレイ６１２及びマーカ８０４の位置ならびに配向に基づいて、器具６０８の場所を追跡してもよい。ユーザ、例えば、外科医１２０等は、追跡アレイ６１２及びマーカ８０４が、追跡デバイスまたはカメラ２００、３２６によって十分に認識され、器具６０８及びマーカ８０４を、例えば、例示的な外科用ロボットシステムの表示器１１０上に表示させるような様態で、器具６０８を配向させてもよい。

外科医１２０が、器具６０８をエンドエフェクタ６０２の誘導管６０６の中に配置し得、器具６０８を調節し得る様態が、図８において明らかである。エンドエフェクタ１１２、３１０、６０２の中空管または誘導管１１４、６０６は、外科用器具６０８の少なくとも一部分を受け入れるようにサイズ決定及び構成される。誘導管１１４、６０６は、外科用器具６０８のための挿入及び軌道が、患者２１０の身体内またはその上で所望の解剖学的対象に到達することができるように、ロボットアーム１０４によって配向されるように構成される。外科用器具６０８は、略円筒形器具の少なくとも一部分を含んでもよい。スクリュードライバが外科用ツール６０８として例示されるが、任意の適切な外科用ツール６０８がエンドエフェクタ６０２によって位置付けられてもよいことが理解されるであろう。例として、外科用器具６０８は、誘導ワイヤ、カニューレ、レトラクタ、掘削器、リーマ、スクリュードライバ、挿入ツール、除去ツール、または同様のもののうちの１つ以上を含んでもよい。中空管１１４、６０６は円筒形構成を有するように一般的に示されるが、誘導管１１４、６０６は、外科用器具６０８に適応するために及び手術位置にアクセスするために所望された任意の適切な形状、サイズ、及び構成を有してもよいことが当業者によって理解されるであろう。

図９Ａ〜９Ｃは、例示的な実施形態と一致するエンドエフェクタ６０２及びロボットアーム６０４の一部分を例解する。エンドエフェクタ６０２は、本体１２０２及びクランプ１２０４を更に備えてもよい。クランプ１２０４は、ハンドル１２０６、ボール１２０８、バネ１２１０、及びリップ部１２１２を備えてもよい。ロボットアーム６０４は、凹部１２１４、装着プレート１２１６、リップ部１２１８、及び磁石１２２０を更に備えてもよい。

エンドエフェクタ６０２は、１つ以上の連結を通して外科用ロボットシステム及びロボットアーム６０４と機械的にインターフェースを取ってもよいし、かつ／または係合してもよい。例えば、エンドエフェクタ６０２は、位置決め連結及び／または補強連結を通してロボットアーム６０４と係合してもよい。これらの連結を通して、エンドエフェクタ６０２は、可撓性及び無菌バリアの外側のロボットアーム６０４と締結してもよい。例示的な実施形態において、位置決め連結は、磁気運動学的装着であってもよく、補強連結は、５つの棒状オーバーセンタクランピングリンク機構であってもよい。

位置決め連結に関して、ロボットアーム６０４は、装着プレート１２１６を備えてもよく、それは、非磁気材料、１つ以上の凹部１２１４、リップ部１２１８、及び磁石１２２０であってもよい。磁石１２２０は、凹部１２１４のそれぞれの下に装着される。クランプ１２０４の部分は、磁気材料を備えてもよく、１つ以上の磁石１２２０によって吸引されてもよい。クランプ１２０４及びロボットアーム６０４の磁気吸引を通して、ボール１２０８は、それぞれの凹部１２１４の中に着座されることになる。例えば、図９Ｂに示されるようなボール１２０８は、図９Ａに示されるような凹部１２１４内に着座される。この着座は、磁気的に支援された運動学的連結と考えられ得る。磁石１２２０は、エンドエフェクタ６０２の配向に関わらず、エンドエフェクタ６０２の全重量を支持するのに十分強いように構成されてもよい。位置決め連結は、６自由度を固有に抑制する任意の様式の運動学的装着であってもよい。

補強連結に関して、クランプ１２０４の一部分は、固定接地リンクであるように構成されてもよく、そのように、クランプ１２０４は、５つの棒リンク機構としての役割を果たしてもよい。クランプハンドル１２０６を閉じることは、リップ部１２１２及びリップ部１２１８が、エンドエフェクタ６０２及びロボットアーム６０４を固定するような様態でクランプ１２０４に係合する際に、エンドエフェクタ６０２をロボットアーム６０４に締結し得る。クランプハンドル１２０６が閉じられると、バネ１２１０は、クランプ１２０４が係止位置にある間に伸長または加圧され得る。係止位置は、中心を過ぎたリンク機構を提供する位置であり得る。中心を過ぎた閉じた位置の理由で、リンク機構は、クランプ１２０４を解放するためにクランプハンドル１２０６に加えられる力がなければ開かない。このため、係止位置において、エンドエフェクタ６０２は、ロボットアーム６０４に強固に固定され得る。

バネ１２１０は、張力における曲がり梁であってもよい。バネ１２１０は、高剛性及び高降伏ひずみを呈する材料、例えば、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）バージン材等から成ってもよい。エンドエフェクタ６０２及びロボットアーム６０４間のリンク機構は、エンドエフェクタ６０２及びロボットアーム６０４間に、２つの連結の締結を妨害せずに、無菌バリアを提供し得る。

補強連結は、複数のバネ部材を用いるリンク機構であってもよい。補強連結は、カムまたは摩擦に基づく機構を用いて掛止めしてもよい。補強連結はまた、ロボットアーム６０４へのエンドエフェクタ１０２の締結を支持する十分に強力な電磁石であってもよい。補強連結は、エンドエフェクタ６０２及びロボットアーム６０４間の界面上を滑り、かつスクリュー機構、オーバーセンタリンク機構、またはカム機構を用いて締め付ける、エンドエフェクタ６０２及び／またはロボットアーム６０４のいずれかから完全に分離したマルチピースカラーであってもよい。

図１０及び１１を参照すると、外科手技の前または間に、ある登録手技が、ナビゲーション空間及び画像空間の両方において、物体及び患者２１０の対象の解剖学的構造を追跡するために行われてもよい。かかる登録を行うために、登録システム１４００は、図１０に例解されるように使用されてもよい。

患者２１０の位置を追跡するために、患者追跡デバイス１１６は、患者２１０の硬い解剖学的構造に固定されるべき患者固定器具１４０２を含んでもよく、動的参照基部（ＤＲＢ）１４０４は、患者固定器具１４０２に確実に取設されてもよい。例えば、患者固定器具１４０２は、動的参照基部１４０４の開口部１４０６に挿入されてもよい。動的参照基部１４０４は、追跡デバイス、例えば、追跡サブシステム５３２等が認識できるマーカ１４０８を含んでもよい。これらのマーカ１４０８は、本明細書に前に考察されたように、光学マーカまたは反射性球体、例えば、追跡マーカ１１８等であってもよい。

患者固定器具１４０２は、患者２１０の硬い解剖組織に取設され、外科手技全体を通して取設されたままであってもよい。例示的な実施形態において、患者固定器具１４０２は、患者２１０の硬い領域、例えば、外科手技を受ける対象の解剖学的構造から離れて位置する骨に取設される。対象の解剖学的構造を追跡するために、動的参照基部１４０４は、対象の解剖学的構造の場所を用いて動的参照基部１４０４を登録するために、対象の解剖学的構造上またはその近くに一時的に配置される登録固定具の使用を通して対象の解剖学的構造と関連付けられる。

登録固定具１４１０は、枢動アーム１４１２の使用を通じて、患者固定器具１４０２に取設される。枢動アーム１４１２は、登録固定具１４１０の開口部１４１４を通して患者固定器具１４０２を挿入することによって、患者固定器具１４０２に取設される。枢動アーム１４１２は、例えば、枢動アーム１４１２の開口部１４１８を通してノブ１４１６を挿入することによって、登録固定具１４１０に取設される。

枢動アーム１４１２を使用して、登録固定具１４１０は、対象の解剖学的構造の上に配置されてもよく、その場所は、登録固定具１４１０上の追跡マーカ１４２０及び／または基準１４２２を使用して、画像空間及びナビゲーション空間において判定されてもよい。登録固定具１４１０は、ナビゲーション空間において認識できるマーカ１４２０の集合物を含んでもよい（例えば、マーカ１４２０は、追跡サブシステム５３２によって検出可能であってもよい）。追跡マーカ１４２０は、本明細書において前に説明されるように、赤外光において認識できる光学マーカであってもよい。登録固定具１４１０はまた、画像化空間（例えば、３次元ＣＴ画像）において認識できる基準１４２２、例えば、軸受ボール等の集合物を含んでもよい。図１１に関してより詳細に説明されるように、登録固定具１４１０を使用して、対象の解剖学的構造は、動的参照基部１４０４と関連付けられてもよく、それによって、ナビゲーション空間における物体の描写が、解剖学的構造の画像上に重ね合わされることを可能にする。対象の解剖学的構造から離れた位置に位置する動的参照基部１４０４は、参照点になり得、それによって、外科用領域からの登録固定具１４１０及び／または枢動アーム１４１２の取外しを可能にする。

図１１は、本開示と一致する登録のための例示的な方法１５００を提供する。方法１５００は、ステップ１５０２において始まり、そのステップにおいて、対象の解剖学的構造のグラフィカル表現（または画像（複数可））が、システム１００、３００ ６００、例えば、コンピュータ４０８にインポートされてもよい。グラフィカル表現は、登録固定具１４１０及び基準１４２０の検出可能な画像化パターンを含む、患者２１０の対象の解剖学的構造の３次元ＣＴまたは蛍光透視スキャンであってもよい。

ステップ１５０４において、基準１４２０の画像化パターンが、画像化空間において検出及び登録され、コンピュータ４０８内に記憶される。任意選択的に、この時に、ステップ１５０６において、登録固定具１４１０のグラフィカル表現が、対象の解剖学的構造の画像上に重ね合わされてもよい。

ステップ１５０８において、登録固定具１４１０のナビゲーションパターンが、マーカ１４２０を認識することによって検出及び登録される。マーカ１４２０は、位置センサ５４０を介して追跡サブシステム５３２によって赤外光を通してナビゲーション空間において認識される光学マーカであってもよい。このため、対象の解剖学的構造の場所、配向、及び他の情報が、ナビゲーション空間において登録される。したがって、登録固定具１４１０は、基準１４２２の使用による画像空間とマーカ１４２０の使用によるナビゲーション空間の両方において認識されてもよい。ステップ１５１０において、画像空間内の登録固定具１４１０の登録が、ナビゲーション空間に転移される。この転移は、例えば、マーカ１４２０のナビゲーションパターンの位置と比較して、基準１４２２の画像化パターンの相対位置を使用することによって、行われる。

ステップ１５１２において、（画像空間を用いて登録された）登録固定具１４１０のナビゲーション空間の登録が、患者固定器具１４０２に取設された動的登録アレイ１４０４のナビゲーション空間に更に転移される。このため、登録固定具１４１０は、取り外されてもよく、動的参照基部１４０４は、ナビゲーション空間が画像空間と関連付けられるので、ナビゲーション及び画像空間の両方において、対象の解剖学的構造を追跡するために使用されてもよい。

ステップ１５１４及び１５１６において、ナビゲーション空間は、ナビゲーション空間において認識できるマーカ（例えば、光学マーカ８０４を用いる外科用器具６０８）を用いて、画像空間及び物体上に重ね合わせてもよい。物体は、対象の解剖学的構造の画像上の外科用器具６０８のグラフィカル表現を通して追跡されてもよい。

図１２Ａ〜１２Ｂは、患者２１０の手術前、手術中、手術後、及び／またはリアルタイムの画像データを取得するためにロボットシステム１００、３００、６００と併せて使用され得る画像化デバイス１３０４を例解する。任意の適切な主題が、画像化システム１３０４を使用して任意の適切な手技のために画像化されてもよい。画像化システム１３０４は、任意の画像化デバイス、例えば、画像化デバイス１３０６及び／またはＣアーム１３０８デバイス等であってもよい。Ｘ線システムにおいて要求され得る患者２１０の頻繁な手動の再位置付けを必要とせずに、いくらかの異なる位置から患者２１０のＸ線写真を撮ることが望ましいであろう。図１２Ａに例解されるように、画像化システム１３０４は、「Ｃ」形状の両遠位端１３１２において終端する細長いＣ形状部材を含むＣアーム１３０８の形態にあってもよい。Ｃ形状部材１１３０は、Ｘ線源１３１４及び画像受信器１３１６を更に備えてもよい。アームのＣアーム１３０８内の空間は、Ｘ線支持構造１３１８からの実質的な干渉なしで患者を診療するための余地を医師に提供し得る。図１２Ｂに例解されるように、画像化システムは、支持構造画像化デバイス支持構造１３２８、例えば、車輪１３３２を有する車輪付可動カート１３３０等に取設されるガントリー筐体１３２４を有する画像化デバイス１３０６を含んでもよく、それは、例解されない、画像捕捉部分を取り囲んでもよい。画像捕捉部分は、Ｘ線源及び／または発出部分ならびにＸ線受信及び／または画像受信部分を含んでもよく、それらは、互いから約１８０度に配置されてもよいし、画像捕捉部分の軌道に対してロータ（例解されない）上に装着されてもよい。画像捕捉部分は、画像取得の間に３６０度回転するように動作可能であってもよい。画像捕捉部分は、中心点及び／または軸の周囲に回転してもよく、患者２１０の画像データが、多方向からまたは複数の平面において取得されることを可能にする。ある画像化システム１３０４が本明細書に例示されるが、任意の適切な画像化システムが、当業者によって選択されてもよいことが理解されるであろう。

次に、図１３〜１６を参照して、外科用ロボットシステム１００、３００、６００は、所望の外科用領域に対するエンドエフェクタ１１２、６０２、外科用器具６０８、及び患者２１０（例えば、患者追跡デバイス１１６）の精密な位置付けに頼る。図１４に最も良く見られるように、赤外信号に基づく方法は、本明細書に説明した追跡マーカ、例えば、マーカ１１８、７０２、及び同様のもの等の３次元位置を判定するために使用してもよい。例示的な実施形態では、本明細書に説明した赤外信号方法は、エンドエフェクタ１１２、６０２上のアクティブマーカ７０２及び／または外科用器具６０８もしくは患者追跡デバイス１１６上のパッシブマーカ１１８に対して特に適切であり得る。

図１３及び１４に示されるように、赤外信号伝送器（例えば、赤外ＬＥＤ）１６０２は、バースト信号１６０４、非バースト信号１６０６、または示されるように両方の組み合わせから成り得る赤外信号１６００を伝送することができる。赤外信号１６００は、バーストパターンの形態にあってもよい。例えば、バーストパターンは、一定時間のバースト信号１６０４及び一定時間の非バースト信号１６０６を含み得る。このバーストパターンは、所与の時間繰り返してもよい。バーストパターンは、任意の適切な期間、バースト信号１６０４及び非バースト信号１６０６の任意の適切な組み合わせを含み得る。例えば、バースト信号１６０４の周波数は、約３４０μ秒のバースト期間で、約１１０ｋＨｚであってもよい。非バースト信号１６０６の期間は、約７３０μ秒であってもよい。赤外信号伝送器１６０２及び赤外信号検出器Ｄ１は、カメラまたはカメラ２００、３２６と共に組み込むことができる。あるいは、赤外信号伝送器１６０２及び赤外信号検出器Ｄ１は、カメラスタンド２０２の一部分、例えば、カメラまたはカメラ２００、３２６の近くまたは隣接に取設することができる。

ロボット支援手術システム１００、３００、６００は、例えば、外科用ツール６０８等の物体の３次元位置の判定における使用のために無線伝送された赤外信号を再生するために改善された回路／デバイス１６７２を使用する。図１４の赤外信号再生デバイス１６７２は、Ｖｓｉｇとして受信した赤外信号を増幅し、Ｖｓｉｇよりもわずかに下回る参照信号Ｖｒｅｆを生成する。再生デバイス１６７２は、次いで、そのレベルをＶｒｅｆと比較することによって、Ｖｓｉｇの振幅ピークを検出し、このため、バースト信号１６０４のための切換え電圧、及び非バースト信号１６０６のための単一端を生成する。

前に説明したように、追跡マーカ１１８、７０２、例えば、球形ボール（追跡されるべき物体）２０８等は、外科用ツール６０８、エンドエフェクタ１１２、６０２、患者２１０、または他の適切な場所上に位置付けることができる。球形ボール１６０８として図１４において識別されるように、伝送される信号１６００は、１つ以上の球形ボール１６０８から反射され得、応答信号１６６４の形態にある反射信号は、赤外検出器Ｄ１によって受信される。あるいは、アクティブセンサ、例えば、図７Ａ〜７Ｃにおけるエンドエフェクタ６０１上の追跡マーカ７０２を用いるシステムにおいて、物体１６０８は、それら自体の赤外伝送器１６６２を含み、それは、伝送器１６０２によって伝送された赤外信号に応答して、既知のパターン（例えば、受信したのと同じ波形パターン）を有する赤外信号を伝送する。

（アクティブセンサの場合では赤外伝送器１６０２からの信号に応答して物体１６０８内の赤外伝送器によって伝送されたか、またはパッシブセンサの場合では赤外伝送器１６０２からの信号から物体によって反射された）応答赤外信号１６６４は、アナログ形態で赤外検出器Ｄ１によって受信される。例解を目的として図１４では１つしか示されていないが、典型的には、ロボットシステム１００、３００、６００において効果的に位置付けられる複数の赤外検出器が存在する。

赤外検出器Ｄ１によって受信されたアナログ信号１６６４は、次いで、増幅器１６６６に供給される。増幅器は、例えば、比較的安価な演算増幅器、例えば、Ｄａｌｌａｓ、ＴｅｘａｓのＴｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓからの部品番号ＯＰＡ２３８１等とすることができる。１つの増幅器１６６６のみを示すが、アナログ信号１６６４の増幅は、並列もしくは直列またはその双方に連結される複数の増幅器を含んでもよい。

増幅器１６６６の出力は、ダイオードＤ２に供給され、そのダイオードは、ローパスフィルタ１６６８に接続される。ダイオードは、小さな電圧降下をもたらし、増幅器１６６６の元の出力Ｖｓｉｇに対する比較のための信号を準備する。ダイオードＤ２は、例えば、約４００ｍＶの順バイアス電圧を有するショットキーダイオードとすることができる。ショットキーダイオードは、その高速応答時間に起因して、普通のｐｎ接合型ダイオードに好ましい可能性がある。

ローパスフィルタ１６６８は、ＲＣ回路（抵抗器Ｒ１、キャパシタＣ１）及びキャパシタＣ１に並列に接続された抵抗器Ｒ２を含む。抵抗器Ｒ１及びＲ２は、ダイオードＤ２の出力を分割するための分圧器として機能する。抵抗器Ｒ１、Ｒ２の値は、例えば、それぞれ、３００オーム及び５０００オームとすることができる。したがって、電圧降下の大部分が、抵抗器Ｒ２上で発生する。

図１４に見られるように、ローパスフィルタ１６６８の出力Ｖｒｅｆは、分圧器の出力と同じである。出力Ｖｒｅｆは、比較器１６７０の一方の入力（−入力）に供給されるのに対して、増幅器１６２６６の出力は、比較器の他方の入力（＋入力）に供給される。比較器１６７０は、例えば、ＣＭＯＳ比較器、例えば、Ｄａｌｌａｓ、ＴｅｘａｓのＴｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓからの部品番号ＴＬＶ７２１１等とすることができる。

図１４及び１６を参照すると、信号再生回路１６７２の動作が、次に説明される。増幅器１６６６の出力において、増幅信号は、増幅器の帯域幅及び出力スルー限定に起因して、入力の完全にスケーリングされた複製でなくてもよい。しかしながら、本発明の一態様によれば、これは、次に説明する理由のために許容できる。

Ｄ２、Ｒ１、Ｃ１、及びＲ２は、パッシブピーク検出器を形成し、電圧レベル

が、発生される。その平均値は、以下となる。

ここで、
Ｖ_{ｓｉｇｐｋ}＝増幅赤外信号Ｖｓｉｇのピーク電圧、
Ｖ_Ｄ２ｆ＝Ｄ２の順電圧である。

電圧信号Ｖｒｅｆは、比較器１６７０に供給され、Ｖｓｉｇに対して比較される。比較に基づき、比較器１６７０は、低及び高論理状態を表現する電圧Ｖｏｕｔを発生し、それは、追跡される種々の物体の３次元位置を判定するためにデジタル信号プロセッサによって使用することができる。換言すれば、比較器１６７０は、アナログ信号をデジタル信号に変換し、それは、プロセッサ１６４６、例えば、マイクロコントローラまたは同様のデバイス等によって容易に処理することができる。

図１６は、赤外検出器Ｄ１が、赤外伝送器１６０２によって伝送された赤外信号１６００の反射であり得る応答赤外信号１６６４を受信するときの波形Ｖｓｉｇ、Ｖｒｅｆ、及びＶｏｕｔを示す。増幅器の帯域幅及び出力スルーの限定に起因して、信号Ｖｓｉｇは、急峻に画定された立ち上がり及び立ち下がり端を有する元の信号１６００ではなくて、正弦波として出現する。

信号Ｖｒｅｆは、信号Ｖｓｉｇよりも電圧が低い。電圧降下の量は、ダイオードＤ２の順バイアス電圧降下及び抵抗器Ｒ１にわたる電圧降下に基づいて事前に決定される。信号Ｖｒｅｆは、ローパスフィルタ２６８に起因して、比較的平坦な波形を有する。

比較器１６７０は、ＶｓｉｇがＶｓｉｇよりも大きいときに高論理信号（例えば、５ボルトの信号）及びＶｓｉｇがＶｒｅｆを下回るときに低論理信号（例えば、０ボルトの信号）を発生させる。見られるように、Ｖｒｅｆにおける電圧は、Ｖｓｉｇに比例する。より低い電圧において（すなわち、物体１６０８と赤外検出器Ｄ１の距離が、比較的長いとき）、Ｖｓｉｇ及びＶｒｅｆ間の差は、ダイオードＤ２の存在なしで、比較器１６７０を切り換えるのに十分ではない可能性がある。ダイオードＤ２は、Ｖｓｉｇ及びＶｒｅｆ間の少なくとも事前に設定した電圧差（すなわち、ダイオードＤ２の順バイアス電圧）が存在することを確保する。したがって、演算増幅器１６６６とローパスフィルタ１６６８との間のダイオードＤ２の存在は重要であり得る。

図１６における波形Ｖｏｕｔに見られるように、それは、応答信号１６６４が実質的に劣化されているにも関わらず、赤外伝送器１６０２及び物体１６０８間の長い距離にわたって元の信号１６００のかなり精密な再生を生じる。

有利なことに、この構成は、高帯域幅、高スルー出力増幅の要求を緩和する。それはまた、単純な増幅ほどの振幅変動に対する感受性がない。これは、物体１６０８及び赤外伝送器１６０２間の距離が長くなるときにＶｓｉｇが減少する際、Ｖｒｅｆもまた減少するからである。それは、比較器１６７０が、必要とされるときに、正しく切り換わり続けることを可能にする。これは、物体１６０８及び赤外伝送器１６０２間の実効作用距離が７５％〜２００％（７〜１０メートル）増加することを結果としてもたらす。

図１５は、本発明のある態様に従う、ロボット支援手術と共に使用するための赤外信号に基づく位置認識システム１６４０の機能図である。

システム１６４０は、通信リンク１６５２を通して比較器１６７０の出力に接続され、その通信リンクは、Ｉ／Ｏインターフェース１６４２に接続され、そのインターフェースは、通信リンク１６５２から情報を受信し、通信リンク１６５２上で情報を送信する。システム１６４０は、メモリ記憶装置１６４４、例えば、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、プロセッサ（ＣＰＵ）１６４６、プログラム記憶装置１６４８、例えば、ＦＰＧＡ、ＲＯＭ、またはＥＥＰＲＯＭ（登録商標）等、及びデータ記憶装置１６５０、例えば、ハードディスク等を含み、それらは全て、バス１６５３を通して互いに共通して接続される。プログラム記憶装置１６４８は、とりわけ、プロセッサ１６４６によって実行されるべきソフトウェアを含有する位置認識モジュール１６５４を記憶する。位置認識モジュール１６５４は、通信リンク１６５２を通してデジタル波形Ｖｏｕｔを受信し、デジタル波形、増幅信号の形状、物体及び赤外検出器Ｄ１の既知の場所、ならびに事によると、応答信号１６６４を受信するのにかかった時間に基づき、物体１６０８の３次元位置を判定する。位置認識モジュール１６５４はまた、カメラ２００、３２６（例えば、ステレオカメラ）及び追跡システム１００、３００、６００の助けを用いて、物体１６０８の３次元位置を判定してもよい。カメラまたは複数のカメラ２００、３２６は、規則的な光学画像もしくは赤外画像またはその双方を記録することができる。

位置認識モジュール１６５４はまた、最初の信号１６０６が伝送される時間から受信されるべき応答信号のためにかかる時間を分析することによって、追跡されている物体が、パッシブまたはアクティブ物体であるかどうかを判定する。アクティブ物体は、信号１６０６の伝送及び応答信号の受信の間により長い既知の遅延量を有するので、モジュール１６５４は、追跡される物体の種類（例えば、パッシブまたはアクティブ）を区別することができる。

位置認識モジュール１６５４は、表示デバイス１６１１及び入力デバイス、例えば、キーボード１６１２及びポインティングデバイス１６１４等、例えば、矢印キー、マウス、またはトラックボール等を通して、ユーザと相互作用するユーザインターフェースモジュールを含む。ユーザインターフェースモジュールは、物体１６０８の３次元位置認識を行うためにモジュール１６５４のプログラミングにおいてユーザを支援する。プログラム記憶装置１６４８内のソフトウェアプログラムモジュール及びデータ記憶装置１６５０からのデータのいずれかを、必要に応じて、メモリ１６４４に転移することができ、ＣＰＵ１６４６によって実行する。

１つの例示的なシステム１６４０は、Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ、ＣＡのＩｎｔｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからの８０５１マイクロコントローラであってもよい。しかしながら、任意のデジタル信号プロセッサ、プロセッサ、またはマイクロコントローラを使用することができる。

一実施形態では、入力デバイス１６１２、１６１４及び表示デバイス１６１１を含むシステム１６４０の一部または全体を、ロボットシステム１００、３００、６００、または任意の適切な外科用ロボットシステムに組み込むことができる。例えば、表示器１６１１は、表示器１１０、３０４と同じであってもよい。

位置認識システム１６４０は、赤外信号に関して説明したが、本明細書に開示される原理は、任意の光学信号ならびに他の信号、例えば、超音波信号等と共に使用され得る。また、単一の赤外信号のみが、説明されたが、本システムは、追跡されるべきそれぞれの球形ボールによる反射または伝送のそれぞれのために、異なる波長または波形のいずれかを有する１組の赤外信号を伝送することができる。

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。

外科手技の間のロボットシステム、患者、外科医、及び他の医療要員の場所についての潜在的配設の頭上図である。 一実施形態に従って患者に対する外科用ロボット及びカメラの位置付けを含むロボットシステムを例解する。 例示的な実施形態に従って外科用ロボットシステムを例解する。 例示的な実施形態に従って外科用ロボットの一部分を例解する。 例示的な実施形態に従って外科用ロボットのブロック図を例解する。 例示的な実施形態に従って外科用ロボットを例解する。 例示的な実施形態に従ってエンドエフェクタを例解する。 例示的な実施形態に従ってエンドエフェクタを例解する。 例示的な実施形態に従ってエンドエフェクタを例解する。 一実施形態に従ってエンドエフェクタの誘導管への外科用器具の挿入前及び後の、外科用器具及びエンドエフェクタを例解する。 例示的な実施形態に従ってエンドエフェクタ及びロボットアームの一部分を例解する。 例示的な実施形態に従ってエンドエフェクタ及びロボットアームの一部分を例解する。 例示的な実施形態に従ってエンドエフェクタ及びロボットアームの一部分を例解する。 例示的な実施形態に従う動的参照アレイ、画像化アレイ、及び他の構成要素を例解する。 例示的な実施形態に従って登録の方法を例解する。 例示的な実施形態に従って画像化デバイスの実施形態を例解する。 例示的な実施形態に従って画像化デバイスの実施形態を例解する。 例示的な赤外信号の波形である。 一実施形態に従う赤外信号再生回路の機能図である。 一態様に従う、ロボット支援手術と共に使用するための赤外信号に基づく位置認識システムの機能図である。 図１４の赤外信号再生回路の種々のノードにおける信号出力を例解するグラフである。

Claims (20)

1. 物体の３次元位置の検出において使用するための、空気を通して伝送される赤外信号を再生するためのデバイスであって、
   位置を判定するべき物体に向かって空気を通して赤外信号を伝送する赤外信号伝送器と、
   前記物体から、前記伝送した赤外信号に応答する応答赤外信号を受信する赤外信号検出器と、
   前記検出器から前記応答赤外信号を受信し、フィルタリングされた信号を出力するローパスフィルタと、
   前記赤外信号検出器から前記応答赤外信号を受信する第１の入力及び前記ローパスフィルタから前記フィルタリングされた信号を受信する第２の入力に基づき、論理状態を表現する比較器出力を発生する比較器と、を備える、デバイス。
2. 前記赤外信号検出器が、前記赤外信号伝送器によって伝送された前記赤外信号の反射を、前記応答赤外信号として受信するように構成されている、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記赤外信号検出器と前記ローパスフィルタとの間に連結された増幅器を更に備える、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記赤外信号検出器と前記ローパスフィルタとの間に連結され、増幅応答赤外信号を発生するように動作可能である増幅器と、
   前記増幅応答赤外信号の電圧を既定の量で低減するように、前記増幅器と前記ローパスフィルタとの間に接続されたダイオードと、を更に備える、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記ダイオードが、０．４ボルト以下の順バイアス電圧を有する、請求項４に記載のデバイス。
6. 前記ダイオードが、ショットキーダイオードを含む、請求項４に記載のデバイス。
7. 前記増幅器と前記ローパスフィルタとの間に接続されたダイオードを更に備え、前記ローパスフィルタが、前記ダイオードと地面との間に連結されたコンデンサを含む、請求項１に記載のデバイス。
8. 前記ローパスフィルタが、
   前記赤外信号検出器の前記出力と地面との間で直列に接続された第１及び第２の抵抗器を有する分圧器であって、前記第１及び第２の抵抗器の間のノードが前記分圧器の出力を画定する、分圧器と、
   前記分圧器出力と地面との間に連結されたコンデンサと、を含む、請求項１に記載のデバイス。
9. 前記比較器出力を受信し、前記物体の３次元位置を判定するように適合された信号プロセッサを更に備える、請求項１に記載のデバイス。
10. ロボット支援手術と共に使用するための赤外信号に基づく位置認識システムであって、
    位置を判定するべき物体に向かって空気を通して赤外信号を伝送する赤外信号伝送器と、
    前記物体から、前記伝送した赤外信号に応答する応答赤外信号を受信する赤外信号受信機と、
    前記赤外信号受信機から前記応答赤外信号を受信し、フィルタリングされた信号を出力するローパスフィルタと、
    前記応答赤外信号を受信する第１の入力及び前記ローパスフィルタから前記フィルタリングされた信号を受信する第２の入力に基づき、論理状態を表現する比較器出力を発生する比較器と、
    前記比較器出力を受信し、前記物体の３次元位置を判定するように適合された信号プロセッサと、を備える、位置認識システム。
11. 前記赤外信号受信機と前記ローパスフィルタとの間に連結された増幅器を更に備える、請求項１０に記載の位置認識システム。
12. 前記赤外信号受信機と前記ローパスフィルタとの間に連結され、増幅応答赤外信号を発生するように動作可能である増幅器と、
    前記増幅応答赤外信号の電圧を既定の量で低減するように、前記増幅器と前記ローパスフィルタとの間に接続されたダイオードと、を更に備える、請求項１０に記載の位置認識システム。
13. 前記増幅器と前記ローパスフィルタとの間に接続されたダイオードを更に備え、前記ローパスフィルタが、前記ダイオードと地面との間に連結されたコンデンサを含む、請求項１０に記載の位置認識システム。
14. 前記ローパスフィルタが、
    前記赤外信号受信機の前記出力と地面との間で直列に接続された第１及び第２の抵抗器を有する分圧器であって、前記第１及び第２の抵抗器の間のノードが前記分圧器の出力を画定する、分圧器と、
    前記分圧器出力と地面との間に連結されたコンデンサと、を含む、請求項１０に記載の位置認識システム。
15. ロボット基部及び表示器、前記ロボット基部に連結されたロボットアーム、ならびに前記ロボットアームに連結されたエンドエフェクタを有するロボットであって、前記エンドエフェクタが、１つ以上の追跡マーカを有し、前記エンドエフェクタの移動が、前記ロボットによって電子的に制御される、ロボットと、
    前記１つ以上の追跡マーカを検出することができる少なくとも１つのカメラを含むカメラスタンドであって、前記カメラが、前記１つ以上の追跡マーカから赤外信号を受信する少なくとも１つの赤外信号検出器を含み、前記ロボットが、前記赤外信号に基づき、前記１つ以上の追跡マーカの３次元位置を判定し、前記赤外信号が、バースト信号を含む、カメラスタンドと、を備える、外科用ロボットシステム。
16. 前記赤外信号が、一定時間の前記バースト信号及び一定時間の非バースト信号を含むバーストパターンを含む、請求項１５に記載のシステム。
17. 位置を判定するべき前記１つ以上の追跡マーカに向かって赤外信号を伝送する、前記カメラスタンドの一部分に取設された少なくとも１つの赤外信号伝送器を更に備える、請求項１５に記載のシステム。
18. 前記少なくとも１つの赤外信号伝送器が、バースト信号、非バースト信号、または両方の組み合わせから成る赤外信号を伝送する、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記エンドエフェクタにおける前記１つ以上の追跡マーカが、アクティブ状態及び非アクティブ状態を有するアクティブマーカであり、前記アクティブ状態は、前記赤外信号を発出する、請求項１５に記載のシステム。
20. 前記ロボットシステムによって追跡されるべき１つ以上の追跡マーカを有する外科用器具を更に備え、前記外科用器具が、外科手技のための所与の軌道に沿って前記外科用器具を整合するために、前記エンドエフェクタ内に位置付けられるように構成される、請求項１５に記載のシステム。