JP2017536144A - 視覚的追跡システムと追跡マーカーとの間でデータを伝送するための、可視光通信システム - Google Patents

Abstract

光学追跡システムは、１〜２，０００ＭＢ／ｓのデータを発生および光学的に受信するための、少なくとも１つの追跡アレイを備える。また、光学的に伝送される１〜２，０００ＭＢ／ｓのデータを光学的に受信するための、少なくとも１つのトラッカーも提供される。追跡システムは、目的物を追跡して追跡情報をすぐに送信するためだけでなく、ユーザーまたは手術室内の他のコンポーネントに、コンピューター支援デバイスのような外部デバイスと関連するさらなるデータを提供するためにも用いられる。膝関節全置換術（ＴＫＡ）のような整形外科の外科的手順は、光学追跡システムを用いて、より効率的かつより良好な結果で実施される。

Description

［関連出願］
本出願は、２０１４年１１月２１日に出願された米国仮出願第６２／０８３，０５２号の優先権の利益を主張するものであり；その内容は、参照により本明細書中に援用される。

［技術分野］
本開示は、概して可視光通信システムに関し、具体的には、外科的状況における、追跡システムと追跡マーカーとの間のデータ伝送に関する。

目的物を空間内に正確に配置、追跡、およびナビゲートするために、追跡およびナビゲーションシステムが様々な適用において用いられている。医療分野では、追跡システムは、医療機器とともに使用されて、外科医が正確な外科的処置を行なうのを助ける。

手術室内で目的物を追跡する典型的な構成および方法は、当技術分野でよく知られている。１つのそのような方法は、光学シグナル（光、高周波、赤外線、音など）および受光器（フォトダイオード、ＣＭＯＳまたはＣＣＤカメラ）を利用して、患者の解剖学的構造に対して医療機器の位置および方位を示す。光学追跡システムは、一般に、それらの精度および適応性に起因して用いられる。

光学追跡システムは、一般に、以下のものを備える。光学シグナルを放射または反射する３以上のアクティブまたはパッシブのマーカーは、追跡アレイ上に、公知の幾何学で配置される。２以上の受光器は、手術室において、患者から離れて収容されて、マーカーから放射または反射されるシグナルを受信する。受光器に電気的に接続された処理装置は、入ってくるシグナルを分析して、追跡アレイの位置および方位を計算する。

追跡アレイは、患者の解剖学的構造および医療機器の両方に対して固定される。当技術分野でよく知られている技術を用いて、光学センサー、追跡アレイ、患者の解剖学的構造、および医療機器の座標フレームを、互いに対して計算することができる。外科的処置中、マーカーは、光学センサーにより捕捉されて処理がされるシグナルを定期的に放射または反射して、目的の患者の解剖学的構造に対する医療機器の位置および方位を計算する。

記載の追跡システムは、様々な医療用途に利用されている。例えば、マーカーアレイは、Ｓｔｒｙｋｅｒ製のＥＳ２ Ｓｐｉｎａｌ Ｓｙｓｔｅｍなどのハンドヘルドデバイスに取り付けられている。外科医は、ＯＲ内の表示モニター上に、患者椎骨に対する椎弓根スクリューの配置を視覚化することができる。別の適用は、股関節全置換術における寛骨臼の用意中にリーマーの位置および方位に関する視覚的なフィードバックを提供する、Ｍａｋｏ製のＲＩＯ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ａｒｍ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｏｒｔｈｏｐｅｄｉｃ Ｓｙｓｔｅｍなどの半アクティブコンピューター支援デバイスとともに、追跡システムを使用することである。同様に、追跡システムを、完全にアクティブのコンピューター支援デバイスとともに用いて、患者の解剖学的構造に対するデバイスの動作をガイドする制御装置へ送信される位置情報を提供することができる。

現在のところ、マーカーから放射または反射されるシグナルは、空間におけるマーカー位置を正確に検出するための手段を単に提供し、マーカーをバックグラウンドから識別するだけである（信号対雑音）。しかしながら、特に医療現場における複数の貴重な用途に役立つことのできる、これまで実行可能なものよりも高速にデータを伝送する手段を提供する発光ダイオード（ＬＥＤ）技術には、近年の進歩が存在している。

最近になって、１．６Ｇｂｉｔ／ｓを超えるデータ速度が、ＣＣＤまたはＣＭＯＳカメラのような光学センサーおよびＬＥＤから放射される可視光を用いて示されている。必要とされるコンポーネントのサイズが小さくて、電気接続を通して長い距離をシグナル送信する能力があるので、いくつかの新たな適用が、この技術に関して毎日生じている。例えば、ＬＥＤは、今では、家、ショッピングセンター、デパートまたはオフィスの職場の様々な場所に置かれて、コンピューター、携帯電話、ファックスなどにデータを伝送することができる。ストリームされたデータは、ユーザーをインターネットに接続することや、広告を送信することや、位置情報を提供することなどができる。

加えて、伝統的な無線周波とは対照的に、可視光を用いてデータを伝送することには多くの利点が存在する。電波は、周囲の電子装置と電磁気干渉を引き起こし得て、壁を通過し得て、それは潜在的にセキュリティリスクがある。しかしながら光は、視線に限局され、電磁干渉のリスクを保有せず、電波と比較して、およそ１０，０００倍広い帯域幅が利用可能である。

ＬＥＤマーカーおよび光学センサーを既に備える伝統的な光学追跡システムを考慮すると、システムは、追跡およびさらなる情報を、５００Ｍｂ／秒を超過する理論速度で伝送するように変更して、複数の機能を果たすことができる。残念ながら、外科的処置と関連する高い耐性および外科的状況の複雑性が、外科的状況におけるＬＥＤデータ伝送を阻止している。

したがって、光に基づくデータ伝送システムの必要性が存在する。ロボット外科的処置の関連におけるそのようなシステムの必要性がさらに存在する。

光学追跡システムは、１〜２，０００ＭＢ／ｓのデータを発生および光学的に伝送するための、少なくとも１つの追跡アレイを備える。また、光学的に伝送される１〜２，０００ＭＢ／ｓのデータを光学的に受信するための、少なくとも１つのトラッカーも提供される。追跡システムは、目的物を追跡して追跡情報をすぐに送信するためだけでなく、ユーザーまたは手術室内の他のコンポーネントに、コンピューター支援デバイスのような外部デバイスと関連するさらなるデータを提供するためにも用いられる。膝関節全置換術（ＴＫＡ）のような整形外科の外科的手順は、光学追跡システムを用いて、より効率的かつより良好な結果で実施される。

本発明の追跡アレイおよびそれと関係がある様々な構成の処理装置を備える外部デバイスを示す。 本明細書に開示のエレメントを備える本発明の追跡システムの例を示す。 手術室内の外科用ライトに取り付けられたフォトセンサーの本発明の配置を示す。 本発明の追跡アレイおよびその中に取り付けられた処理装置および／またはフォトセンサーを備える外部デバイスの様々な例を示す。 データ伝送のための発光ダイオードと関連するフォトセンサーの配置の本発明の例である。 データ・リンク・ターゲッティンに利用することのできるＬＥＤおよび／またはフォトセンサーを備える、マルチフェイスの本発明の追跡アレイを示す。 データターゲッティングのためのフォトセンサーの周辺の物理的バリアの箇所を示す。

本明細書に開示の発明は、概して、追跡システム、ＬＥＤマーカー、および、医療現場または医療現場内の患者において使用される他の外部デバイスの間で、伝送データを、より明確かつ高速にデータ伝送するための、追跡システムの既存のコンポーネントを使用するための方法およびデバイスとして有用性がある。

値の範囲が与えられる場合、その範囲は、明確にその範囲とともに含まれてその範囲の最後の有効数字が変化するように、その範囲のエンドポイント値だけでなく、その範囲の中間値も含むことを意図することが理解されるべきである。例として、１〜４と挙げられた範囲は、１〜２、１〜３、２〜４、３〜４、および１〜４を含むことが意図される。

本明細書において用いられる「高速」は、１Ｍｂ／秒よりも大きな速度を含むデータ伝送に関して定義されるが、ＬＥＤ作動は、現在のところ、１〜２，０００Ｍｂ／秒の範囲内の速度を含み得ることが当技術分野で知られている。

本明細書に開示の発明を使用する主な利点は、目的物を追跡して追跡情報をすぐに送信するためだけでなく、ユーザーまたは手術室内の他のコンポーネントに、コンピューター支援デバイスのような外部デバイスと関連するさらなるデータを提供するためにも用いられる、追跡システムの能力である。そのようなコンピューター支援デバイスは、例示的に、ロボット、外科用鋸、外科用ドリル、触覚的に制御されるデバイス、自律的および半自律的外科的デバイス、およびそれらの組み合わせを備える。

例として、膝関節全置換術（ＴＫＡ）は、遠位大腿骨および近位脛骨を切断して、補綴の膝移植のための膝を用意する必要がある。切断の位置、傾きおよび方位は、補綴が正確に合うのを確実にさせて膝関節の配置を復元するのに決定的な意味を持つ。ＴＫＡ手順は、一般に、以下を含む。外科医は、患者のＭＲＩまたはＣＴスキャンをレビューして、疾患の程度を評価して、手術前に手順を計画する。手術中に、外科医は、膝関節を曝露させて、典型的に患者特有のジグの補助とともに外科用鋸を用いて、大腿および脛骨を正確に切断する。切断をした後に、試験移植片を用いて、患者の動作範囲および移植片の適合を評価する。動作範囲および適合が外科医により許容される場合は、補綴を移植して膝を閉じる。

本明細書に記載のマーカーは、一般に、可視光、高周波、赤外線、音、および電磁気シグナルなどのシグナルを反射または放射することが可能な、任意のパッシブまたはアクティブの伝送機を指す。より具体的には、本発明は、データを追跡および／または伝送するためのアクティブのＬＥＤマーカー、特に、データを伝送するためのＬＥＤマーカーの使用は、任意のスペクトル／周波数の光であるが好ましくは３２０ナノメートル〜７６０ナノメートルの範囲の波長を放射し得ることを開示する。本明細書において用いられる追跡アレイは、複数のマーカーの構成を考慮する。

本明細書において用いられる発光ダイオード（ＬＥＤ）は、エレクトロルミネセンスを電気的に変調することが可能な任意の光源として定義される。

本発明において作動するＬＥＤは、当技術分野で知られている複数の半導体材料で容易に作られて、任意のスペクトル／周波数で光を生じる。そのような材料の例は、例示的に、リン化ガリウム砒素、リン化インジウムガリウムアルミニウム、リン化ガリウム（ＩＩＩ）、セレン化亜鉛、ケイ素、炭化ケイ素、窒化インジウムガリウム、前述のいずれかのナノ結晶−または色素−増感型、およびそれらの任意の組み合わせを含む。また、任意の波長を生じることが可能なＬＥＤが商業上容易に入手されることもまた、本明細書において定義されることも理解されよう。例えば、赤、緑および青色のＬＥＤの組み合わせは、白色光を放射することが知られていて、または、当該分野では、Ｈ．Ｓ．Ｃｈｅｎ，Ｃ．Ｋ．Ｈｓｕ，ａｎｄ Ｈ．Ｙ．Ｈｏｎｇ，“ＩｎＧａＮ−ＣｄＳｅ−ＺｎＳｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ ｗｈｉｔｅ ＬＥＤｓ，”ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．１８（１），１９３−１９５（２００６）により明らかにされたように、単一の白色光ＬＥＤも知られている。

米国特許第６，０６１，６４４号に記載されるもののような、医療分野で用いられる追跡システムまたはトラッカーのタイプは、当技術分野でよく知られている。光学追跡システムの精度および信頼性は、特定の設計挑戦であり、マーカー構成、フォトセンサーのタイプ、シグナル処理方法、および、マーカーとフォトセンサーとの間の距離などの、多くの変数の関数である。各変数の記載は、開示の発明の範囲を超えるが、本明細書に記載の実施態様は、任意の追跡システム構成に適用し得ることが理解されるべきである。

追跡アレイおよび外部デバイスデータ伝送
ここで図１Ａを参照して、本発明の光学追跡システムは、データ伝送のための少なくとも１つのＬＥＤ １０３を備え、時間または周波数領域の変調技術を用いてＬＥＤ（単数または複数）１０３を作動させて高速でデータを伝送する少なくとも１つの処理装置１０２を備える、追跡アレイ１０１を備える。伝送されるデータは、追跡アレイ１０１の内部処理装置１０２により作成される。本発明の少なくとも一実施態様では、伝送されるデータは、追跡アレイ１０１と外部デバイス１０４との間の電気接続を用いて、追跡アレイ１０１によって外部デバイス１０４から受信されて、ここで、内部プロセッサ１０２は、ＬＥＤを作動させて、外部デバイスから受信される、生成されたままの（ａｓ−ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ）、処理前の、または処理された形態でデータを送信することができる。処理装置１０２は、様々なシグナル処理操作、例えば、制限されないが、ＦＦＴ／ＩＦＦＴをコードする、変調する、インターリーブするなどのエラー訂正コードを実行することが可能である。また、プロセッサは、所望のシグナルでＬＥＤを駆動するための、少なくとも１つの発光エレメント駆動回路を備える。加えて、処理装置１０２は、例えば、制限されないが、オンオフキーイング変調、振幅変調、パルス幅変調、Ｍ−レベル直角位相振幅変調などの技術を用いて、シグナルを変調することが可能である。処理装置１０２は、例えば、制限されないが、周波数分割多重化、時分割多重化、オルトゴナル周波数分割多重化、およびそれらの組み合わせを用いて、シグナルを多重化することが可能である。特定の本発明の実施態様では、処理装置１０２は、シグナルを多重化および変調することがさらに可能である。

例として、本出願の譲受人に割り当てられ、その全体で参照により本明細書中に援用される、国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０５１７１３に記載の２自由度（２ＤＯＦ）のハンドヘルドドリルのような外部デバイスは、ドリルに取り付けられて電気的に接続されることにより、本発明の追跡アレイを具備する。本発明の一実施態様では、追跡アレイの内部プロセッサは、ＬＥＤ（単数または複数）１０３を通して、内部プロセッサで生産されたデータを送信することができる（例えば、データは、追跡アレイの識別コードであり、または、データは、追跡アレイ自体に本来備わっているものであり、または、追跡アレイ上のＩＭＵデータである）。一方で、別の本発明の実施態様では、２ＤＯＦドリル由来のデータは、内部プロセッサに送信されて、それはＬＥＤを作動させて、ドリルに本来備わっているデータ（例えば、ドリル先端の切断速度、ユーザープロンプト、ドリルにより受けた力に関するデータ、および以下に記載の他のデータ）をワイヤレス伝送する。

本発明の特定の実施態様では、追跡アレイは、高速データ伝送のための少なくとも１つのＬＥＤ １０３、および、可視光、高周波、赤外線、音、または電磁気シグナルのような光学シグナルを放射または反射し得る２以上のアクティブおよび／またはパッシブのマーカーを備える。２以上のアクティブおよび／またはパッシブのマーカーは、特に伝統的な追跡に用いられ得て、一方で、作動されたＬＥＤ １０３は、特にデータ伝送に用いられる。本発明の特定の実施態様では、追跡アレイは、図１Ａ〜Ｃに示されるように、高速でデータを伝送することが可能な２以上のＬＥＤ １０３を備える。データ伝送が可能なＬＥＤ（単数または複数）１０３は、追跡アレイおよびそれに取り付けられた任意の目的物、例えば外部デバイス１０４を追跡するための光学的トラッカーに関するソースとしても用いられ得ることが理解されるべきである。

本発明の特定の実施態様では、内部処理装置１０２は、外部デバイス１０４の中／上に収容または配置されて、個々のＬＥＤ １０３に電気的に接続されて、図１Ｂに示すように作動を制御する。また、外部デバイス１０４は、シグナル処理のための少なくとも１つのプロセッサを収容し得て、図１Ｃに示すように、電気接続によって追跡アレイ１０１の内部プロセッサ１０２に接続される。また、外部デバイス１０４の中／上に収容されるプロセッサ１０２も、外部デバイス１０４を制御し得る。

トラッカーデータ受信機
ここで図２を参照して、ＬＥＤ １０３から伝送されるデータ１１２は、トラッカー１０９の少なくとも１つのフォトセンサー１０６によって受信される。また、トラッカー１０９は、これらのフォトセンサー１０６および当技術分野で知られている任意の標準的な追跡、較正および登録方法を用いて、追跡アレイ１０１およびそれに取り付けられた任意の目的物の位置および方位を判定することが可能である。少なくとも１つのフォトセンサー１０６は、当技術分野で知られている任意の検出センサー、例えば、制限されないが、フォトダイオード、ＣＣＤおよび／またはＣＭＯＳカメラであり得ることが理解されるべきである。デバイスの少なくとも一実施態様では、２以上のフォトセンサー１０６が、トラッカー１０９内の公知の構成に配置される。特定の実施態様では、追跡に特化した２以上のフォトセンサー１０６および伝送されたデータ１１２の受信に特化した１つまたは複数のさらなるフォトセンサーが存在する。少なくとも一実施態様では、トラッカー１０９は、図２に示されるように、手術室（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｕｉｔｅ）内に置くことのできる土台を備える剛性構造に取り付けられる。

本発明の少なくとも一実施態様では、トラッカー１０９が取り付けられた剛性構造は、少なくとも１自由度の物理的座標系で、フォトセンサー１０６が配置されたトラッカー１０９を調節するためのコンポーネント（図示せず）を備える。自由度の動作に関する座標系は、例示的に、デカルトおよび球状を含む。本発明の少なくとも一実施態様では、コンポーネントは、ユーザーにより手作業で、フォトセンサー１０６が配置されたトラッカー１０９を調節するように操作される。本発明の少なくとも一実施態様では、フォトセンサー１０６が配置されたトラッカー１０９を調節するためのコンポーネントは、トラッカー処理装置および／またはコンピューター１１１、または、追跡アレイ１０１、コンピューター１１１、および／または他の外部デバイス上のＬＥＤ １０３から生じるデータに基づいてトラッカー１０９を移動および／または回転させることが可能な他の処理装置（図示せず）によって制御され得る。本発明の少なくとも一実施態様では、複数のトラッカー１０９が、手術室じゅう（ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｒｏｏｍ）に配置される。

本発明の少なくとも一実施態様では、フォトセンサー１０６を備えるトラッカー１０９は、手術室内の他の目的物に取り付けられる。トラッカー１０９の取り付けのための目的物は、制限されないが、手術室の壁、手術室の天井、手術室の床、医療機器、外科用ライト、およびそれらの組み合わせであり得る。少なくとも一実施態様では、トラッカー１０９は、手術室内の特定の目的物、例えば、図３Ａに示されるように外科用ライト１１６に取り付けるように構成され得て、または、図３Ｂに示されるように外科用ライト１１６’の中に直接作られ得る。

フォトセンサー１０６は、トラッカー処理装置に電気的に接続されて、ＬＥＤ（単数または複数）１０３から伝送されるデータ１１２を逆処理し、ＯＲ内の任意の追跡された目的物のＰＯＳＥを決定するプロセッサであってもよい。トラッカー処理装置は、異なるシグナル処理技術、例えば、制限されないが、復調、ＦＦＴ／ＩＦＦＴ、エラー訂正、脱インターリーブ、およびそれらの組み合わせを用いて、受信データを復元することが可能である。本発明の少なくとも一実施態様では、フォトセンサー１０６は、デジタルまたは物理的フィルターを用いて、特定のＬＥＤおよび／またはデータ周波数を抜き出す。例示的に、物理的フィルターのタイプは、制限されないが、吸収フィルター、二色性フィルター、単色、ロングパス、バンドパス、ショートパス、偏光子などを含んでよい。デジタルフィルトレーションのタイプは、制限されないが、ＦＦＴ／ＩＦＦＴ、バンドパス、Ｋａｌｍａｎフィルター、Ｂｅｓｓｅｌフィルター、ハイ−パス、ロー−パス、およびそれらの組み合わせを含んでよい。

トラッカー処理装置は、トラッカー１０９の中／上に配置されてよく、および／または、コンピューター１１１の一部であり、および／または、トラッカー１０９が取り付けられた剛性構造の土台上に配置され、および／または、外部デバイス上に配置される。

追跡アレイおよび外部デバイスデータ受信機
図４に関して、追跡アレイ１０１は、データ受信機として働く少なくとも１つのフォトセンサー１１３を備える。フォトセンサー１１３は、フォトダイオード、ＣＣＤおよび／またはＣＭＯＳカメラを例示的に含む、任意の光検出センサーである。フォトセンサー１１３により受信されるデータは、本発明の一部の実施態様では、逆処理されて、内部プロセッサ１０２（図４Ａ）により復元され、またはあるいは、データは、外部デバイス上に配置されたプロセッサに、マーカーと外部デバイス（図４Ｂ）との間の電気接続を用いて伝達される。本発明の少なくとも一実施態様では、追跡アレイ１０１は、図４Ｃに示されるように、入ってくるデータの逆処理のみに供されるフォトセンサー１１３に電気的に接続された、さらなる処理装置１１４を備える。

本発明の少なくとも一実施態様では、フォトセンサー１１３は、外部デバイス１０４上に配置されて、図４Ｄに示されるように、外部デバイス上の処理装置を用いて逆処理および復元できるデータを受信する。本発明の少なくとも一実施態様では、外部デバイス１０４上に配置された少なくとも１つのフォトセンサー１１３から受信されるデータは、図４Ｅに示されるように、逆処理および復元される追跡アレイ１０１上の内部処理装置１０２に、電気接続を経由して伝達され得る。少なくとも一実施態様では、追跡アレイおよび外部デバイスの両方とも、図４Ｆに示されるように、電気接続を経由して追跡アレイと外部デバイスとの間を伝送され得るデータを受信および処理することのできる、１つのフォトセンサーおよび少なくとも１つの処理装置をそれぞれ備える。

少なくとも一実施態様では、外部デバイス１０４および／または追跡アレイ１０１上の処理装置１０２は、フォトセンサー１１３による受信シグナルを逆処理するためのコンポーネントを備える。処理装置１０２および／または１１４は、シグナル処理技術、例えば、制限されないが、復調、ＦＦＴ／ＩＦＦＴ、エラー訂正、脱インターリーブなどを用いて、受信データを復元することが可能である。本発明の少なくとも一実施態様では、データは、追跡アレイ１０１上のフォトセンサー１１３により受信されて、処理装置１０２および／または１１４により逆処理されて、ここで、処理されたデータはそれから、電気接続を介して外部デバイス１０４に送信されて、外部デバイス１０４により使用される。他の実施態様では、データは、外部デバイス１０４上のフォトセンサー１１３により受信されて、処理装置１０２および／または１１４により逆処理されて、ここで、処理されたデータはそれから、追跡アレイ１０１のＬＥＤ １０３を用いて高速で伝達される。

図４Ａ〜Ｆに示される実施態様は、様々な構成のフォトセンサー（単数または複数）および／または処理装置１１３、１１４を示す。本明細書に開示の発明は、図４Ａ〜Ｆに示す例の任意の組み合わせを含み得て、例示を意図し、限定することを意味しない。

少なくとも一実施態様では、図４Ａ〜Ｆに示される処理装置１０２は、ＬＥＤを作動させてデータを伝送することができ、ならびに、フォトセンサー１１３により受信される、入ってくるデータを処理することができる。ここで、伝送されるデータは、追跡アレイ１０１上の処理装置１０２によって、外部デバイス１０４から、外部デバイス１０２の処理装置から、および／または、少なくとも１つのフォトセンサー１１３により受信されるデータから、およびそれらの任意の組み合わせから、作ることができる。追跡アレイ１０１、外部デバイス１０４、トラッカー１０９、外部デバイス１１０、コンピューター１１１、および、電気的に接続され、および／または、追跡アレイ１０１を備える、任意の他のデバイスの間の、データ回復／伝送、処理／逆処理の様々な組み合わせを使用してよいことが理解されるべきである。

トラッカーデータ伝送
図５に関して、トラッカー１０９は、少なくとも１つのＬＥＤ １１５を備えてよい。ＬＥＤ １１５は、トラッカー１０９上に配置されて、外部デバイス１０４および／または追跡アレイ１０１上に配置されたフォトセンサー１１３に、データを高速で伝送する。本発明の少なくとも一実施態様では、ＬＥＤ １１５は、フォトセンサー（単数または複数）１０６の近くに配置され得るが以前に記載のようにケージング内に収容されない。例えば、ＬＥＤ １１５は、図３Ａ〜Ｂに示されるもののような外科用ライトに取り付けられた同一のトラッカー１０９上に配置することができる。

本発明の少なくとも一実施態様では、ＬＥＤ １１５を作動させて、追跡アレイ１０１の処理装置１０２に関して記載した方法およびコンポーネントを用いて高速でデータを伝送することができる。本発明の他の実施態様では、ＬＥＤは、トラッカー処理装置、および／またはコンピューター１１１、および／または外部デバイス、および／または、トラッカー１０９内に配置または外部で電気的に接続されたさらなる処理装置（図示せず）により作動される。

トラッカー１０９上のＬＥＤ（単数または複数）１１５から伝達されるデータは、複数のソースから作られ得る。例として、制限されることを意味せずに、データは、トラッカー処理装置により内部的に作られ得て、処理装置は、モニター１０９、コンピューター１１１、キーボード１０７およびマウスを経由してユーザーからデータを受信することができ、データは、ＵＳＢのようなメモリ保管デバイス（図示せず）、またはＣＤのような伝達メディアにより作られ得て、データは、トラッカー処理装置に電気的に接続された外部デバイスから作られ得て、および／または、データは、追跡アレイ１０１または外部デバイス１０４により送信されるデータから作られ得る。

データのタイプおよび機能
複数のデバイス、追跡アレイ、または追跡システムにより伝送／受信されるデータのタイプは、複数の異なる機能に用いられる複数の異なる情報を含み得る。伝送／受信されるデータのタイプは、以下の情報を例として含み得て、限定または強制を決して意味しない。例えば、データは、特定のＬＥＤの識別および位置、外部デバイスの操作状態、患者の解剖学的構造の位置および方位、外部デバイスを制御するためのプロンプト、外部デバイスのハードウェアまたはソフトウェアバージョン、外部デバイスによりログが取られたデータ、外部デバイスの操作パラメーター、速度特性、位置および方位、加速、電流、温度、電池寿命、デバイスにより、またはデバイス上に発揮される力、警告、遮断、故障、手術前計画の状態、手術計画、手術計画に関する医療画像データ、手術計画アプリケーション、例えば実行可能なプログラム、および、二成分の流れのデータを含み得る。当業者は、特にコンピューター支援の医療機器に関して、本発明により伝送することのできる情報およびデータタイプの多元的可能性を理解するであろう。

本発明の少なくとも一実施態様では、伝送されるデータを用いてマーカーＬＥＤの動きを追跡する。ドップラーアルゴリズムの使用を通して、空間内の装置の３次元の動き、体の動き、体の方向、呼吸速度などのような、いくつかのタイプの動きを測定し得ることが理解されよう。本発明により生じる三次元データは、患者の体の構造、装置、およびそれらの組み合わせ；その間の動的な相互作用；座標空間における少なくとも１つのマーカーの位置；マーカー間の動的な位置的変化；および前述の組み合わせを例示的に含む、イメージを含む。

少なくとも一実施態様では、ＬＥＤマーカーを用いて、睡眠時無呼吸を監視し得る。本発明の少なくとも一実施態様では、マーカーＬＥＤの動きは、リアルタイムで監視される。本発明の他の実施態様では、ＬＥＤマーカーを用いて、リアルタイムで患者の動きを医療機器に対して同期させる。本発明の少なくとも一実施態様では、ＬＥＤマーカーを用いて、患者の動きを１つまたは複数の医療用直線加速器の動きに同期させて、放射線治療ビームを患者の動きに合わせることにより、治療される腫瘍のターゲッティングを最大にして、その結果、腫瘍部位への放射線量を最大にして、一方で、周辺組織および臓器に対する副次的ダメージを最小限にする。

同様に、複数のデバイス、追跡アレイ、追跡システム、および／またはそれらの組み合わせにより伝送／受信されるデータを、複数の異なる機能に用いることができる。例えば、限定または強制を決して意味しないが、少なくとも１つの実施態様では、データは、モニター１０９に直接表示され、または、他の外部デバイスに中継され、データは、ユーザーにタスクを実行するように指示することができ、データは、手術計画などを実行するための外部デバイスに関する指示のセットであり、データは、手術野内の外部デバイスに、追跡アレイ１０１を備える別のデバイスおよび／または外部デバイス１０４の位置および／または方位に基づいて動くように指示することができ、外部デバイスは、追跡されている患者の解剖学的構造の位置および方位に基づいて動くように指示され得る。

データターゲッティング
本発明の少なくとも一実施態様では、伝送／受信されるデータは、特定のフォトセンサーおよびＬＥＤへ／からターゲッティングすることができる。特定の追跡アレイ、ＬＥＤ、および／またはフォトセンサーのターゲッティングは、多くの異なる方法により達成することができる。少なくとも一実施態様では、ＬＥＤ（単数または複数）およびまたはフォトセンサー（単数または複数）の視野は、特定の範囲に制限される。例えば、ＬＥＤの典型的な放射場は、円錐型に１２０度である。ＬＥＤおよび／またはフォトセンサー、またはそれらの組み合わせは、図６に示されるもののような多数の面を有する追跡アレイ上に、様々な構成で配置することができる。ＬＥＤ／フォトセンサーの放射／受信場は、放射／受信シグナルが追跡アレイの方位に基づいてより高い強度である位置を作る。データを高速で伝達する能力に起因して、シグナルをより高い強度で放射／受信する面は、「アクティブ」面としてターゲッティングされ得る。したがって、伝送／受信されるデータは、「アクティブ」面へ／から向けられ得る。

本発明の少なくとも一実施態様では、ターゲッティングは、データリンクを視線内のフォトセンサー（単数または複数）およびＬＥＤ（単数または複数）のみに限定することにより達成される。処理装置は、フォトセンサーの視線から遮断されているＬＥＤからのデータリンクの不存在を計算し得る。遮断されたＬＥＤ／フォトセンサーから放射／受信されるデータは、中止することができ、伝送／受信されるデータは、より「アクティブ」である別のＬＥＤおよび／またはフォトセンサーに伝達／ターゲッティングされ得る。したがって、データは、単独または組み合わせて、また、特定のＬＥＤ、フォトセンサー、追跡アレイ、追跡アレイ面、外部デバイス、およびトラッカーに／からターゲッティングする少なくとも１つとともに用いられて、手術室内の計算デバイスへ伝達され得る。

本発明の少なくとも一実施態様では、ＬＥＤは、同時に作動されて、冗長伝送システムを作り、１つのマーカーがフォトセンサーによって見られない場合でさえ、データはなおも正確に伝送される。例えば、ＬＥＤ（単数または複数）を、各フォトセンサーと共配置して、冗長マルチ−フォトセンサーシステムを作ることができる。したがって、１つまたは複数のフォトセンサーは、それらの関係があるＬＥＤとブロックされる場合は、他のＬＥＤがなお使用されてデータを追跡および伝送することができる。別の例では、多数のフォトセンサーは、トラッカー上に共配置されて、別の冗長マルチ−フォトセンサーシステムを作ることができる。１つのフォトセンサーがブロックされると、トラッカー上に配置された別のフォトセンサーがなお可視であり得て、伝送ＬＥＤによってデータを受信する。

加えて、ＬＥＤは、独立に作動されて、データ伝送速度を増大し得る。少なくとも一実施態様では、個々のＬＥＤは、他のＬＥＤとは独立に、異なるタイプのデータを伝送することができる。例として、１つのＬＥＤは、外部デバイス１０４の操作状態を継続的に送信して、一方で、隣接ＬＥＤは、外部デバイス１０４の速度データを継続的に送信する。本発明の少なくとも一実施態様では、ＬＥＤは、連続して作動されて、特定のデータを伝送して、１つまたは複数のＬＥＤがフォトセンサー１０６から遮断されるようになる場合にデータが受信されるチャンスを改善する。例えば、第一のＬＥＤは、外部デバイスの操作状態を所定の期間伝送して、それから、外部デバイスの操作状態は、第二のＬＥＤにより別の期間伝送されて、それから、データは、第三のＬＥＤにより伝送されて、必要であり得るさらなるＬＥＤにより伝送され続ける。したがって、第一および第二のＬＥＤがフォトセンサー１０６の視線から遮断される状況では、最終的に、第三のＬＥＤ、またはいくつかの他のＬＥＤが、外部デバイスの操作状態を伝送する。

少なくとも一実施態様では、データ伝達速度の２以上のモードまたは設定が存在する。例示的に、１つのモードは、約１Ｍｂ／ｓの速度でデータを送信することができ、一方で、別のモードは、約１０Ｍｂ／ｓの速度でデータを送信することができる。１Ｍｂ／ｓでのモードは、例示的に、追跡アレイまたはＬＥＤの一致性などのデータおよび他の「バックグラウンド」情報を送信することができ、１０Ｍｂ／ｓでの他のモードは、追跡情報を送信することができる。また、１０Ｍｂ／ｓでのモードは、例示的に、手術計画、ソフトウェアのアップグレードのためのアプリケーション実行可能な伝達、および、より大きなパケットの形態であり得る他のデータなどの、データを送信するために用いることができる。一実施態様では、１つのモードから別のモードへの変更は、伝達されるデータのサイズによって自動的になされ得る。例示的に、コンピューターは、送達されるデータのサイズを知っていて、プロセッサ１０７と通信して、データが大きい場合には、１０Ｍｂ／ｓデータ伝達モードに切り替える。プロセッサ１０７は、追跡アレイのフォトセンサー１１３およびプロセッサ１０２へＬＥＤ １１５を作動させることにより、最初のシグナルを送信して受信モードに切り替えることができ、その結果、適切なデータ速度でデータを収集および解読することができる。

別の実施態様では、データは、並行して２以上のモードで送信される。例として、追跡アレイは、一方の１Ｍｂ／ｓのモードで一致性情報を送信して、一方で、他方のモードの１０Ｍｂ／ｓで追跡情報をさらに送信する。１Ｍｂ／ｓおよび１０Ｍｂ／ｓ例としてここに与えられているので、当業者は、本発明によって、より高いまたはより低いデータ速度が達成され得ることを理解するであろう。

また、多チャネル伝送は、異なる波長を有することにより、または、伝送ＬＥＤのそれぞれに関する異なるタイプの変調を有することにより、達成され得る。１つのＬＥＤは、第一の波長でデータを伝送し得て、同一の追跡アレイまたは別個の追跡アレイのいずれかの上の別のＬＥＤは、第二の波長でデータを伝送し得る。これは、別個の追跡アレイ／外部デバイスを区別する、または異なるタイプのデータを送信するために用いることのできる、多チャネル伝送システムを作る。

特定の実施態様では、データは、フォトセンサーの周りに配置された物理的バリアを用いてターゲッティングされ得る。図７に関して、トラッカー１０９は、トラッカー１０９のフォトセンサーの周りに配置された円錐型の物理的バリア１１７とともに示される。物理的バリア１１７は、伝送ＬＥＤ（単数または複数）の放射場よりも小さい円錐型の角度を有し得る。トラッカー１０９が上述の機構を介して調節可能である場合は、トラッカーのフォトセンサーは、ＯＲ内の伝送ＬＥＤまたは特定の追跡アレイに向けられ得る。したがって、これらのＬＥＤからのデータのみが、トラッカー１０９へ伝送される。物理的バリアは、任意の形状またはサイズであってよく、トラッカー、追跡アレイ、または外部デバイス（単数または複数）上の任意のフォトセンサーの周りに配置されてよい。

本明細書に開示の発明は、複数のデバイス、患者の解剖学的構造、追跡アレイ、および、手術室内の多数の追跡システムの間に高速データネットワークを作ることができることが理解されよう。加えて、データは、多くの適用において有用であり得る特定の伝送機／受信機に／からターゲッティングされ得て、それ自体を典型的な光忠実性（ＬｉＦｉ）構想から区別する。

さらなる追跡装置
本発明の少なくとも一実施態様では、当技術分野で知られているさらなる追跡コンポーネントを追跡アレイ１０１に取り付けて、位置および方位に関するさらなる情報を提供することができる。例として、開始の参照位置が提供される回転および移動の動きを計算するための、ジャイロスコープおよび加速度計を含む慣性計測装置（ＩＭＵ）が用いられ得る。ＩＭＵからのデータは、追跡アレイの内部プロセッサ１０２により処理され得て、ＬＥＤ １０３によって追跡システムのフォトセンサー１０６および続いて他の外部デバイスに伝送され得る。ＩＭＵからのデータおよび追跡アレイ上のＬＥＤの検出位置は融合され得て、現在の光学追跡システムで見られる待ち時間を改善することのできる処理装置１０７により処理され得る。現在の追跡システムに加えて、１つだけのＬＥＤ １０３がフォトセンサー１０６の視線内にある場合は、他のＬＥＤの位置および方位は、プロセッサ１０７により計算されるそれらの以前の位置および速度ベクトルに基づいて推定される。ＩＭＵからのさらなる位置および方位の情報を用いることにより、および、そのＬＥＤから高速でデータをさらに伝達する能力を有することにより、推定された位置および方位の精度が上がる。したがって、ＩＭＵ、伝統的な追跡システムおよびデータを高速で伝達する能力を用いることにより、コンピューター支援の医療機器を追跡、ナビゲーションおよびガイドする待ち時間および精度の両方とも、非常に改善される。

ＩＭＵは、最初の参照位置がドリフトし始める時にエラーを蓄積するという内部問題を有することを理解すべきである。ドリフトは、空間内のトラッカーアレイの真の位置および方位のエラーを引き起こし得る。少なくとも一実施態様では、ＩＭＵドリフトを克服するために、さらなるＧＰＳ装置がＩＭＵに接続されて、全体的な参照位置を提供する。少なくとも一実施態様では、追跡システムは、ＬＥＤがフォトセンサーにより可視であり、ＧＰＳ装置を必要としない場合、ＩＭＵの参照位置をリセットすることができる。

本発明は、その詳細な説明と合わせて説明されているが、前述の説明は、例証を目的としており、添付の特許請求の範囲により定義される本発明の範囲を制限しないことが理解されるべきである。他の態様、利点、および改変は、以下の特許請求の範囲内である。

光学追跡システムは、患者の解剖学的構造および触覚的にガイドされるハンドヘルド外科用鋸とともに用いられて、ユーザーが膝関節全置換術を行なうのを支援する。１つの追跡アレイ１０１は、外科用鋸１０４に電気的に接続されて、一方で、さらなる追跡アレイ１０１は、外科的部位付近で患者の大腿骨および脛骨に固定される。ユーザーは、触覚的にガイドされる外科用鋸を、露出した大腿骨および脛骨の周りの全身領域に配置する。外科医は、モニターを経由して、手術室において、手術前または手術中の手術計画を確認する。手術計画データは、プロセッサ１０７によって変調および／または多重化されて、それから、トラッカー１０９上のＬＥＤ １１５を作動させて、その結果、データを高速で送信する。データは、フォトセンサー１１３または１１４により受信されて、外科用鋸上の追跡アレイ１０１の追跡プロセッサ１０２により解読される。手術計画データが解読されて、外科用鋸内で触覚フィードバック機構の起動を引き起こし、ユーザーの方位および位置を正確な箇所に調節して、計画に従って大腿または脛骨を切断する。

また、患者上の追跡アレイと外科用鋸上の追跡アレイとの間のデータは、外科用鋸を正確に配置するのにも役立つことができる。追跡アレイの方位が患者の解剖学的構造に対して分かっていて、追跡アレイの方位が外科用鋸上で分かっている場合、その結果、追跡アレイの異なる面の間のシグナル強度は、正しい箇所に配置するのを助け得る。特定の面が追跡アレイの間に配置される場合、その結果、２つの間のデータのシグナル強度は、配置に用いることができる（ＬＥＤデータターゲッティング。加えて、触覚フィードバック機構は、鋸の位置および方位を調節するのを助けるので、フィードバック機構の操作に関するデータは、鋸上の追跡アレイ１０１によりトラッカーに戻して中継することができ、内部プロセッサ１０２によるＬＥＤ １０３の適切な作動を介してモニター上に表示される。トラッカー装置と外科用鋸との間に電気接続は必要とされない。

外科用鋸が規定された面を切断しているとき、追跡アレイ１０１は、ＬＥＤ １０３を介して、操作速度、鋸の先で受ける力、どれくらいの量の骨が取り除かれているか、平面切断の位置および方位の精度、および、デバイスが軟組織に遭遇した場合の警告を含む、外科用鋸の操作データを送信する。患者の解剖学的構造上の追跡アレイは、外科用鋸が配置される、間違って配置される、または、特定の構造を危険にさらすデータを受信して、データを追跡システムおよび外科用鋸に伝送して、正確な配置を確認し、外科用鋸が間違って配置されている場合にそれを訂正およびまたは休止し、または、潜在的な安全性懸念が存在する場合はユーザーに警告を送信する。外科用鋸がそのタスクを完了した後に、外科用鋸は、新たな指示を求めるプロンプトをユーザーに伝送する。

少なくとも１つの例示的な実施態様がこの前述の詳細な説明に示されているが、膨大な数の変型が存在することが理解されるべきである。また、例示的な実施態様（単数または複数）は単なる例示であり、説明された実施態様の範囲、適用性、または構成を限定することを決して意図しないことも理解されるべきである。むしろ、前述の詳細な説明は、例示的な実施態様（単数または複数）を実施するための便利な手引きを当業者に提供する。添付の特許請求の範囲およびその法律的な同等物に記載の範囲を逸脱せずに、様々な変更がエレメントの機能および配置においてなされ得ることが理解されるべきである。加えて、医療用途が本明細書において示されたので、この技術は、他の産業においても実施できることが理解されるべきである。

Claims (14)

1. 光学追跡システムであって、
   前記システムは、
   １〜２，０００ＭＢ／ｓのデータを発生および光学的に伝送するための、少なくとも１つの追跡アレイ；および、
   前記の光学的に伝送される１〜２，０００ＭＢ／ｓのデータを光学的に受信するための、少なくとも１つのトラッカー、
   を備える、
   システム。
2. 請求項１のシステムであって、
   前記の少なくとも１つの追跡アレイは、少なくとも１つの光学センサーおよび少なくとも１つの内部処理装置をさらに備える、
   システム。
3. 請求項１のシステムであって、
   前記処理装置は、ＦＦＴ／ＩＦＦＴを、コードする、変調する、多重化する、インターリーブする、エラー訂正コードまたはそれらの組み合わせを提供する、
   システム。
4. 請求項２のシステムであって、
   前記処理装置は、前記の少なくとも１つの光学センサーを作動させる、
   システム。
5. 請求項２から４のいずれかのシステムであって、
   前記処理装置は、時間／周波数領域の変調を用いてデータを伝送する、
   システム。
6. 請求項２から４のいずれかのシステムであって、
   前記の少なくとも１つの光学センサーは、複数の光学センサーである、
   システム。
7. 請求項２から４のいずれかのシステムであって、
   前記の少なくとも１つの光学センサーは、ＬＥＤである、
   システム。
8. 請求項２から４のいずれかのシステムであって、
   高速データ伝送のための少なくとも１つのＬＥＤ、および、光学シグナル、例えば、可視光、高周波、赤外線、または音を放射または反射するための、少なくとも２つのマーカーを、さらに備える、
   システム。
9. 請求項１のシステムであって、
   前記の少なくとも１つの追跡アレイは、少なくとも１つのフォトセンサーを備える、
   システム。
10. 請求項９のシステムであって、
    前記のフォトセンサーは、フォトダイオード、ＣＣＤ、ＣＭＯＳカメラ、またはそれらの組み合わせである、
    システム。
11. 請求項１０のシステムであって、
    前記の少なくとも１つの追跡アレイは、光学的に伝送されるデータを解読、移動および追跡するための機械可読な命令を有するコンピューターおよびトラッカー処理装置をさらに備える、
    システム。
12. 請求項２から４のいずれかのシステムであって、
    前記の少なくとも１つの追跡アレイは、高速データ伝送のための少なくとも１つのＬＥＤを備える、
    システム。
13. 請求項１から４のいずれかのシステムであって、
    前記の少なくとも１つのトラッカーは、複数のトラッカーである、
    システム。
14. 請求項１から４のいずれかのシステムであって、
    前記追跡アレイは、少なくとも１つのトラッカーからデータを受信するためのフォトセンサーをさらに備える、
    システム。