JP2018509949A - 動的基準点アレイ及び使用方法 - Google Patents

Abstract

動的基準点アレイは、マーカ及びトラッカを使用して、コンピュータシステムに患者の解剖学的構造を位置合わせする。動的基準点アレイは、患者の棘状突起にねじ込む、棘状突起にクランプする、または柱を用いて棘状突起に取り付けることができる。実施形態では、動的基準点アレイは、取付部材及び足場を備える単一構造を備えてもよい。代替的な実施形態では、動的基準点アレイは、外科手技を妨げないようにしつつ、位置合わせを容易にするために動的基準点アレイが回動すること及び折りたたまれることを可能にする別個の構造を備えることができる。

Description

発明の詳細な説明

関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年６月２１日に出願された「Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｒｏｂｏｔ Ｐｌａｔｆｏｒｍ」という名称の米国特許出願第１３／９２４，５０５号の一部継続出願であり、当該特許出願第１３／９２４，５０５号は、２０１２年６月２１日に出願された米国仮特許出願第６１／６６２，７０２号に基づく優先権を主張する仮出願である２０１３年３月１５日に出願された米国特許出願第６１／８００，５２７号の本出願である。なお、これらの文献は参照によって、その全体が本明細書に援用されるものとする。
［背景技術］
実施形態は、外科的なナビゲーション手法を対象とし、より詳しくは、実施形態は、放射線不透過性の基準マーカまたは追跡マーカとし得る複数の作動部材を含む動的基準点アレイを対象とする。

動的基準点アレイは、典型的に、ナビゲートされる外科的な手技の間に患者の解剖学的構造に一時的に取り付け得る剛体とすることができる。動的基準点アレイは、通常「標的合わせ治具（ｔａｒｇｅｔｉｎｇ ｆｉｘｔｕｒｅｓ）」と呼ぶこともできる。動的基準点アレイは、骨へのピンあるいはクランプを用いて患者の解剖学的構造に取り付け得るマーカツリーを含むことができる。動的基準点アレイの目的は、患者の解剖学的構造の３次元位置のリアルタイムな追跡と、患者の解剖学的構造のコンピュータ化された３次元（３Ｄ）座標系へのマッピングとを可能にすることにある。動的基準点アレイが位置合わせされたときに、例えばロボットのような機械的システムは、コンピュータ化された３次元座標系における既知の場所に対応する、患者の解剖学的構造上での場所を標的とすることが可能であり、その機械的システムがネジもしくはニードルの挿入をガイドし、または標的合わせを必要とする他の外科的なもしくは治療的な手技を実行することを可能にする。動的基準点アレイの位置合わせは、ポイント間での位置合わせ、ポイントクラウド位置合わせ、または代替的な方法を用いてなすことができる。

ポイント間の位置合わせは、カメラ座標系及び解剖学的座標系に共通の既知の点が識別されることを必要とする。動的基準点アレイの構造上での解剖学的な目印または基準点マークは、デジタル化プローブを用いて識別できるが、それは埋め込まれた追跡マーカを有するワンドとすることができ、ワンドのハンドルに埋め込まれた基準マーカの位置に基づいてワンドの先端の３次元場所をシステムが外挿できるようにする。例えば、画像誘導システムは、ソフトウェアの機能によりＬ４棘状突起の先端にワンドで触れなければならないことをユーザに表示することができ、かつユーザはソフトウェア上でこの手順を確認しつつ、そのツールでその点に物理的に触れることができる。続いて、システムはＬ５棘状突起の先端をワンドで触れなければならないことを表示することができ、次いで他の点については、解剖学的座標系とカメラ座標系の良好な相互の位置合わせを確実にするために十分な点が識別されるまでこのプロセスが繰り返される。

ポイントクラウド位置合わせは、典型的に骨の表面の全体にわたってデジタル化プローブまたはワンドの先端を引きずることにより、点のアレイ（クラウド）がユーザにより手動で識別されることを必要とし得る。骨の輪郭が特徴付けられ得ると、システムは、合致する骨の表面輪郭について解剖学的画像を検索できる。物理的に識別された点アレイの輪郭が、骨の解剖学的構造の画像処理により見出された輪郭に合致する場合、解剖学的座標系とカメラ座標系は、正確に相互に位置合わせすることができる。これらのポイント間の位置合わせ及びポイントクラウド位置合わせの方法は、当該技術分野において既知である。

ポイント間の位置合わせ及びポイントクラウド位置合わせの方法を用いることに加えて、動的基準点アレイ上に一時的にあるいは恒久的に装着された追加の部片を活用する自動的な位置合わせの代替的な方法を用いることができる。この位置合わせ方法は、ソフトウェアにおいて、自動であるいは手動で「基準点アレイ」と呼ばれる３つ以上の放射線不透過性基準点マーカの３次元の医学画像空間内の位置を突き止めることができる。放射線不透過性は、医学画像の３次元空間内において、基準点マーカが可視でありかつ識別可能な特性を指す。これらの基準点マーカの物理的な位置はユーザの介入なしに光学追跡システムにより見出すことができる。基準点マーカは、動的基準点アレイの一部である追跡マーカに対し既知の位置において、動的基準点アレイに装着できるからである。基準点マーカの追跡マーカに対する固定された関係、３次元画像空間内の基準点マーカの既知の位置、及びカメラ座標系における追跡マーカの検出された位置を用いることにより、カメラ座標系と画像座標系の相互の位置合わせが可能である。

患者の手術を実行する場所の近くに基準点アレイを装着することが好ましい。基準点マーカからの距離が増加すると、解剖学的構造の場所を突き止める精度が低下するからである。しかしながら、追跡マーカが手術の道具や開創器等と干渉しないように、患者の手術を実行する場所から離して追跡マーカを装着することが好ましい。

したがって、同一の動的基準点アレイ上で放射線不透過性の基準点部材及び追跡部材の両方を用いることができる装置の必要性がある。更に、手術の間に手術の道具と干渉しないようにしつつ、患者の解剖学的構造にできる限り近づけて動的基準点アレイを配置する必要性がある。単一の動的基準点アレイで患者の手術を実行する能力は、手術の準備及び手術の間に消費する時間を大幅に減少させる。動的基準点アレイの適用及び動的基準点アレイと共に用いる技術は、全体的な外科手術及び手術の結果を改良できる。
［発明の概要］
当該技術分野における、これら及び他の必要性は、一実施形態において対処される。そこにおいて、動的基準点アレイは、足場、足場に連結される複数のマーカ、及び回動機構を有する足場に連結される取付部材を備え、該取付部材は、取付部材に対する足場の移動を可能にしつつ、動的基準点アレイを患者に固定するように構成される。他の実施態様においては、動的基準点アレイを用いて、動的基準点アレイを患者に取り付けることと、動的基準点アレイ上の足場が第１の位置にある間に患者を走査することと、患者の解剖学的構造に対して動的基準点アレイを位置合わせすることと、動的基準点アレイが患者に取り付けられたままである間へと足場を移動させることとを含むことができる、方法に取り組む。

前述は、以下の発明の詳細な説明がよりよく理解することができるように、本発明の特徴及び技術的利点をやや広義に概説した。本発明の追加の特徴及び利点は、本発明の請求項の対象となる以下に記載されている。開示される概念及び特定の実施形態が、本発明の同じ目的を実行するための他の実施形態を変更するかまたは設計するための基礎として、容易に利用できることを当業者は理解するであろう。当業者には、そのような等価な実施形態が添付の請求項に記載の本発明の趣旨及び範囲から逸脱しないことも理解されるべきである。
［図面の簡単な説明］
本発明の好ましい実施形態の詳細な説明のために、ここで添付の図面を参照する。

［図１］人間の脊椎モデルの腰椎の棘状突起に装着された動的追跡装置の一実施形態を図示している。

［図２］位置合わせ（較正）及び追跡するための方法の一実施形態を図示している。

［図３］放射線不透過性基準点マーカの検出座標を用いて医学画像を位置合わせする方法の一実施形態を図示している。

［図４Ａ］誘導システムと共にした較正フレームの使用の一実施形態を図示している。

［図４Ｂ］誘導システムと共にした較正フレームの使用の一実施形態を図示している。

［図４Ｃ］誘導システムと共にした較正フレームの特徴付けの一実施形態を図示している。

［図４Ｄ］誘導システムと共にした較正フレームの使用の一実施形態を図示している。

［図４Ｅ］誘導システムと共にした較正フレームの使用の一実施形態を図示している。

［図５Ａ］クランプ機構を備える変更されたマウントを備える、動的基準点アレイの一実施形態を図示している。

［図５Ｂ］クランプ機構を備える変更されたマウントを備える動的基準点アレイの一実施形態を図示している。

［図５Ｃ］クランプ機構を備える変更されたマウントを備える動的基準点アレイの一実施形態を図示している。

［図６Ａ］棘状突起上でのクランプ機構の作動の一実施形態を図示している。

［図６Ｂ］棘状突起上でのクランプ機構の作動の一実施形態を図示している。

［図７Ａ］棘状突起上でのクランプ機構の作動の一実施形態を図示している。

［図７Ｂ］棘状突起上でのクランプ機構の作動の一実施形態を図示している。

［図８Ａ］仮のマーカスカートを含む動的基準点アレイにより変更されたクランプ機構を図示している。

［図８Ｂ］仮のマーカスカートが取り外された動的基準点アレイにより変更されたクランプ機構を図示している。

［図９Ａ］下降位置の動的基準点アレイを図示している。

［図９Ｂ］上昇位置の動的基準点アレイを図示している。

［図１０Ａ］静的位置にある代替的なトラッカと共に下降位置にある動的基準点アレイを図示している。

［図１０Ｂ］静的位置にある代替的なトラッカと共に下降位置にある動的基準点アレイを図示している。

［図１１Ａ］動的基準点アレイを骨に固定するために用い得る２つの柱を図示している。

［図１１Ｂ］２つの柱を選択された位置に固定するために用いられる開いたクランプの内側の視野を示している。

［図１１Ｃ］２つの柱を動きから固定している、閉じたクランプを図示している。
［発明を実施するための形態］
動的基準点アレイは、本明細書において、「ＤＲＡ」と呼ぶが、ナビゲートされる外科的手技の間に一時的に患者に取り付けられる剛体である。それらの目的は、ＤＲＡに埋め込まれている追跡マーカの位置を３次元位置測定システムが追跡できるようにし、それによって、関連する解剖学的構造のリアルタイムな位置を追跡することにある。そのような追跡が有益なデータを提供することができる前に必要となり得るステップは、解剖学的構造を位置合わせすることであり得、それにより、解剖学的構造の座標系（例えば、３次元ＣＴ走査空間）から追跡システムの座標系への変換を定めることができる。位置合わせの方法を以下に簡単に説明する。

図１は、患者１のモデルの範囲内の棘状突起２を表示している。ＤＲＡ４は棘状突起２に取り付けることができる。この特定のＤＲＡ４は、足場６、複数の追跡マーカ８、及びクランプ機構１０を備えている。足場６とクランプ機構１０は、単一構造とし、または図９Ａ、図９Ｂ、図１０Ａ及び図１０Ｂに図示されているように角度調整のための回動機構１２によって、接続できる。回動機構１２はヒンジ、ボールとソケット、または他の適切な継手を含むことができ、ＤＲＡ４が骨に堅固に固定されまたは締結されたままである間に足場６の配向を調整できるようにする。追跡マーカ８は、足場６上の何らかの適切な場所に配置できる。追跡マーカ８は、その３次元位置をセンサを用いて正確に検出できる何らかの軽量な装置とすることができる。例えば、追跡マーカ８は、２つ以上の光学カメラによる立体写真計測法を用いて追跡される反射球体、２つ以上の光学カメラによる立体写真計測法を用いて追跡される赤外発光ダイオード、磁界の範囲内の位置を検出できる磁気センサ、及び／またはその位置を部屋の周りの既知の位置に固定された無線周波受信機への飛行時間を計測する方式により検出できる無線周波エミッタとすることができる。それらの追跡システムに対する追跡マーカ８の位置は、回動機構１２を用いて調整できる。例えば、ＤＲＡ４上の反射球体の位置は、カメラから治具へのより良好な見通し線が存在するように回動機構１２を用いて調整できる。

図２は位置合わせ方法に用い得るアルゴリズムを図示している。図示されるように、位置合わせの方法１４はブロック１６から始まる。ブロック１６は、医学画像にアクセスする（例えば、受信する、読み出す、または取得する）ことを含むことができる。本明細書に説明するように、その医学画像は、ＣＴ走査、磁気共鳴画像走査（以下「ＭＲＩ走査」と記載）、３次元蛍光透視法走査、及び／または他の解剖学的な走査を含む３次元解剖学的画像走査とすることができるが、それらには限定されない。ここで理解されるべきことは、どの３次元解剖学的走査も、図示しない外科的なロボットと共に用いることができ、かつ本発明の範囲内であり得ることである。いくつかの実施形態では、ブロック１８において、位置合わせ方法１４は、ＤＲＡ４を医学画像に対して較正することを更に含むことができる。いくつかの実施形態では、その較正は半自動または自動とすることができる。いくつかの実施形態では、ブロック２０において、位置合わせ方法１４は、医学画像に関連する意図された軌道を表すデータを受信することを更に含むことができる。いくつかの実施形態では、ブロック２２において、位置合わせが完了した後、位置合わせ方法１４は、実質的に意図された軌道上にロボットを維持することを更に含むことができる。いくつかの実施形態では、制御プラットフォーム（図示されない）は、実質的に意図された軌道を維持するためにロボットの移動を調整できる。

図３に図示するように、医学画像にＤＲＡ４を位置合わせするブロック１８は、半自動の較正方法を実施できる。ブロック２６から始め、複数の放射線不透過性基準点マーカ２４（例えば、図１上の基準点マーカ２４）の表示を含む医学画像を表すデータを受信できる。一実施形態においては、本明細書に記載するように、そのような複数とは４つの基準点マーカ２４を含むことができる。いくつかの実施形態では、ブロック２８において、医学画像に関する座標系における各基準点マーカ２４の幾何学的な中心を決定できる。

いくつかの実施形態では、各基準点マーカ２４の１つ以上のエッジとその幾何学的な中心を定めるために、画像二値化処理を用いることができる。二値化処理は、２次元（２Ｄ）領域内の画素強度をモニターし得る画像処理技術を指す。例えば、予め定められた値に達する強度の画素のｘ、ｙ位置（例えばミリメートルで表される）を読み出すことができる。同様に述べると、その閾値は明るいものから暗いものへの画素強度の遷移を指す。いくつかの実施形態では、医学画像の２次元スライス上で、基準点マーカ２４は明るく見えかつ隣接する空間（例えば組織または空気）は暗く見え得る。いくつかの実施形態では、基準点マーカ２４の縁部において遭遇する強度での二値化基準を満たす画素を表示することは、医学画像上にマーカの輪郭を描く主に円形の図形を生み出し得る。いくつかの実施形態では、基準点マーカ２４を球体とし得るので、基準点マーカ２４の中心を２次元視野内に見出す方法は、第１に、球体の高強度の画像が領域の中心に向かいかつ低強度の画素が領域の外縁部に向かうサンプリング領域に２次元視野を限定することを含み得る。第２に、この方法は、平均×閾値の位置を見出すこと（例えば、閾値基準を満たす画素の最大のｘ座標に閾値基準を満たす画素の最小のｘ座標を加算して２で除算すること）、及び類似の方法を用いて平均ｙ閾値の位置を見出すことを含み得る。

いくつかの実施形態では、球体の中心は、直交する２つの視野において、同じ基準点マーカ２４を通過するスライスの２次元中心を決定することにより見出すことができる。例えば、いくつかの実施形態では、この方法は、ｘｙスライスからの平均のｘと平均のｙを見出し、次にｘｚスライスから平均のｘと平均のｚを見出して、基準点マーカ２４の中心を表す平均のｘ、ｙ及びｚ座標を得ることができる。更に、平均のｘ、平均のｙ及び平均のｚを見出したときにまたは見出した後に、新しいｘｙ及びｘｚスライスを再び評価し、かつ最大及び最小のｘ、ｙ及びｚの閾値を再び決定して各視野における閾値対象の寸法を評価できる。この方法により、いくつかの実施形態では、高強度の非球体の対象、例えば脊椎の側面から離れて延びる皮質骨の小さい突起は、（１）その突起が１つ以上の方向において、その領域から飛び出し得ることにより、領域の中央近くは高強度であるが辺り一帯は低強度であるという条件、または（２）中心合わせされた対象のｘ、ｙ及びｚの寸法が互いに整合しない（例えば、非球体の場合）という条件、を満たさないことがあり得ることが認められ得る。

図３に図示するように、いくつかの実施形態では、ブロック３０において、較正される治具の各基準点マーカ２４についての１つの中心合わせされた球体が決定されたかどうかが確認される。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのそのような球体が決定されないまたは特定されない場合、閾値の設定が調整され、かつフローはブロック２６に向かう。いくつかの実施形態では、ブロック３２において、各中心合わせされた球体は複数の基準点マーカ２４のうちの各基準点マーカ２４にマップされる。図示のように、いくつの実施形態では、ブロック３２は、いくつかの実施形態において、特定の中心合わせされた球体を複数の基準点マーカ２４のうちの特定の１つに関連付けるためのソートプロセスを実施することを含み得るマッピング動作を表し得る。

いくつかの実施形態では、複数の基準点マーカ２４は、（例えば、ＯＰ１、ＯＰ２、ＯＰ３及びＯＰ４として表される）４つの基準点マーカ２４を含むことができる。いくつかの実施形態では、ソートプロセスは、４つの中心合わせされた基準点マーカ２４の各々をＯＰ１、ＯＰ２、ＯＰ３またはＯＰ４のうちの１つにマップすることができる。いくつかの実施形態では、ソートプロセスは、４つの特定されていない基準点マーカ２４の平均位置からのマーカ間距離を測定すると共に、マーカ治具上の各基準点マーカ２４について、現存しているマーカ間距離（例えば予め測定されてメモリ、例えば大量記憶装置に保持されているもの）とそのような距離を比較することにより、特定の基準点マーカ２４を区別できる。いくつかの実施形態では、ＤＲＡ４上の基準点マーカ２４は非対称に配置することができ、各基準点マーカ２４は、そのような基準点マーカ２４に対応するマーカ間距離の一意のセットから特定できる。例えば、いくつかの実施形態において、医学画像から測定された、１つの未知の基準点マーカ２４の他の３つの基準点マーカ２４に対するマーカ間距離の合計がＤであるときに、１つの物理的な基準点マーカ２４（ＯＰ１、ＯＰ２、ＯＰ３またはＯＰ４のうちの１つ）は、Ｄについて特定の誤差（例えば±１ｍｍ）の範囲内の整合したマーカ間距離の合計を有することができる。いくつかの実施形態では、ブロック３４において、中心合わせされた球体の座標を（例えばコンピュータプラットフォームのメモリ内に）保持できる。

図４Ａ〜図４Ｅは、外科的ロボットシステムと共に用いる代替的な誘導システムを図示している。実施形態では、外科的ロボットシステム（図示せず）は、誘導システムと用いるためにＤＲＡ４を含むことができる。いくつかの実施形態では、１つのＤＲＡ４は、図４Ａ〜図４Ｅに図示された較正フレーム３６を含んでいる。較正フレーム３６は、多くの侵襲性の手技と共に用いることができる。例えば、較正フレーム３６は、より精密な軌道位置の達成を助けるために、胸腰椎の椎根ねじの挿入に用いることができる。いくつかの実施形態では、較正フレーム３６の使用は、較正の手順を単純化できる。本発明のいくつかの実施形態では、較正フレーム３６は、患者１（例えば、図１）の医学的な手技のために選択された部位を囲む皮膚に一時的に固定することができ、続いて較正フレーム３６によって定められるウインドウを介して医学的な手技を実行できる。

図４Ａ及び図４Ｂに図示するように、本発明のいくつかの実施形態において、較正フレーム３６は基準点マーカ２４と追跡マーカ８の組み合せを含むことができる。いくつかの実施形態では、基準点マーカ２４はＣＴ走査領域３８の内側に配置することができ、かつ追跡マーカ８はＣＴ走査領域３３の外側に配置することができる。いくつかの実施形態では、外科的な術野４０（すなわち、侵襲性の手技が生じる領域）は、基準点マーカ２４により作成される周辺の内部に配置することができる。いくつかの実施形態では、基準点マーカ２４と追跡マーカ８の互いの実際の距離は、較正フレーム３６の高精度レーザー走査から測定できる。それに加えてまたはそれに代えて、いくつかの実施形態では、ほとんど同時にまたは同時にポインティングデバイス、例えば通常のデジタル化プローブで基準点マーカ２４の表面上の１つ以上の場所を指し示しつつ、追跡マーカ８の位置を能動的に測定することにより、実際の相対距離を測定できる。ある実施形態では、デジタル化プローブは、剛体４０とその剛体４０から延びている先端に埋め込まれた追跡マーカ８を含むことができる。

いくつかの用途においては、追跡マーカ８と基準点マーカ２４の間の空間的な関係を確定するために、通常のデジタル化プローブ、例えばプローブの先端（例えば図４Ｃを参照）に対し既知の関係にある追跡マーカ８が埋設された６マーカプローブを用いて各基準点マーカ２４を指し示すことができる。いくつかの実施形態では、プローブの先端と較正フレーム３６上の追跡マーカ８の位置を同時に記録しつつ、プローブが球体の基準点マーカ２４の２つの反対側の表面上の場所を指し示すことができる。続いて、球体の中心に相当する２つの表面座標の平均位置を得ることができる。ＤＲＡ４と共に用い得るロボット４６の画像が図４Ｄに図示されている。通常の外科的なネジの配置、生体組織検査、注射または他の手技のために、いくつかの実施形態では、ロボット４６は較正フレーム３６により形成されるウインドウを介して作業できる。外科的な手技の間、いくつかの実施形態では、作業のための入口は較正フレーム３６の内部に保持され、基準点マーカは手術が実行される領域から離れて装着されて、較正フレーム３６の外側の基準点マーカ２４はシステムの精度を改善できる。理論や、シミュレーション及び／またはモデリングにより束縛されることは望まないが、改善された精度の理由は、追跡される較正フレーム３６の周辺に追跡マーカ８が配置される場合に、追跡マーカ８の最適な精度を達成できることにあると考えられる。

較正フレーム３６の更なる実施形態が図４Ｅに図示されている。この実施形態は外科医にとってより邪魔にならないように単純化されている。いくつかの実施形態では、較正フレーム３６は、上に記載されかつ図４Ａ〜図４Ｄに描かれている追跡マーカ８より低い輪郭を有する４つの追跡マーカ８を含むことができる。例えば、較正フレーム３６は、較正フレーム３６から約１０°離れる方向に角度が付けられた複数の直立した柱４２を含むことができる。いくつかの実施形態では、追跡マーカ８は１０°だけ後方に角度が付けられた柱４２に装着され、かつこの角度形成は、患者が水平であるにも関わらず、追跡マーカ８がカメラを向き続けるようにする。

更に、いくつかの実施形態では、較正フレーム３６の前側に配置された一対の追跡マーカ８は、較正フレーム３６の後側に配置された一対の追跡マーカ８を覆い隠す機会がより少なくなるように構成できる。例えば、カメラから最も遠くに離れているまたは追跡システム４４の検出装置から最も遠く離れている柱４２は、図９Ａ、図９Ｂ、図１０Ａ及び図１０Ｂに図示されているように、カメラに最も近い柱４２よりも背が高くかつ横方向により広く間隔を開けて配置できる。

追加の実施形態では、較正フレーム３６は、医学画像スキャナによる検出のために放射線不透過性の特性および追跡マーカ８の特性を有する基準点マーカ２４を含むことができ、基準点マーカ２４をカメラにより視認できるまたはリアルタイムな追跡システム４４によって、検出できるようにする。いくつかの実施形態では、基準点マーカ２４が両方のタイプの検出特性を有しているので、基準点マーカ２４と追跡マーカ８の関係は測定しまたは確定する必要がないものとし得る。したがって、いくつの実施形態では、ＣＴ走査（または画像走査）から位置が決定されると直ちに、ロボット４６と患者１の解剖学的構造との間の空間的な関係を定めることができる。

他の実施形態では、ＤＲＡ４は可撓性ロール構成を含むことができる。いくつかの実施形態では、ＤＲＡ４は、堅固な外側フレームを定める３つ以上の放射線不透過性の基準点マーカ２４と、可撓性ロール材料に埋設された９つ以上の追跡マーカ８を備えることができる。先に説明したように、基準点マーカ２４は、ＣＴ走査及び／または他の医学的な診断画像、例えばＭＲＩ上、またはＯ−ａｒｍまたはＩｓｏ−Ｃ走査からの再構築により可視とすることができ、かつそれらの重心は３次元画像から決定できる。追跡マーカ８は、カメラまたは他の手段を用いてリアルタイムに検出可能な３次元座標を有する追跡マーカ８を含むことができる。いくつかの実施形態では、反射光システム、赤外線放出マーカシステム、電磁システム、または局地測位システム（「ＬＰＳ」）に基づく追跡マーカシステムを利用できる。

いくつかの実施形態では、ＤＲＡ４は、患者１の皮膚への一時的な取り付けのために構成された付着可能な治具とすることができる。例えば、いくつかの実施形態では、ＤＲＡ４は画像形成の間に患者１に一時的に付着され、取り除かれ、続いてその後に続く医学的な手技、例えば手術の間に再び付着される。いくつかの実施形態では、ＤＲＡ４は、脳深部刺激療法のための電極設置における使用のために患者１の頭蓋骨に適用できる。いくつかの実施形態では、この方法は単一の足場６または２つの関連する足場６を使用できる。この例では、２つの関連する足場６は同一の表面形状を共有できる。しかしながら、１つの足場６は医学画像の走査の間に一時的に取り付けることができ、かつ（追跡マーカ８ではなく）基準点マーカ２４を含むことができ、かつ第２の足場６は手術のときに取り付けることができ、かつ（基準点マーカ２４ではなく）追跡マーカ８を含むことができる。

本発明の実施形態では、ＤＲＡ４を患者１にしっかりと取り付けるために、ＤＲＡ４は通常のクランプ機構１０（例えば、図１）を備えることができる。例えば、いくつかの実施形態では、ＤＲＡ４は、外科医が棘状突起１０を外科的に露出させた後に、患者１の棘状突起１０にクランプするように構成できる。図５Ａ〜図５Ｃは、いくつかの実施形態による、患者１の腰椎の棘状突起１０に装着されるＤＲＡ４の下側の支持体を示している。

実施形態では、画像ガイダンスを具備する通常のクランプ機構１０を有したＤＲＡ４を使用する間、基準点マーカ２４と患者１の骨の解剖学的構造との関係は位置合わせプロセスを用いて確定することができ、既知の目印をデジタル化プローブで触れると同時にトラッカ上の追跡マーカ８を認識できる。本発明のいくつかの実施形態では、プローブ自体は一群の基準点マーカ２４または追跡マーカ８から突出するシャフトを有することができ、それによって、図９Ａ、図９Ｂ、図１０Ａ及び図１０Ｂに図示されている追跡システム４４が、基準点マーカ２４または追跡マーカ８に対するプローブ先端の座標を計算できるようにする。

実施形態では、ＤＲＡ４のクランプ機構１０は、ＤＲＡ４が実質的に静止して容易に移動することができないように、棘状突起１０にクランプするように構成することができ、または患者１の骨に固定されるように構成できる。いくつかの更なる実施形態では、ＤＲＡ４は、ＣＴまたは他の３次元画像上で検出される、少なくとも３つの追跡マーカ８と別個の基準点マーカ２４を、好ましくは（骨に近い）クランプ１６の近くに備える。実施形態では、追跡マーカ８自体は、ＣＴまたは他の３次元画像上に正確に視覚化されるように構成できる。ある実施形態では、足場６のうち基準点マーカ２４を含む部分は、３次元画像を取得した後に足場６から取り外すことができるように取り外し可能に作ることができる。実施形態では、基準点マーカ２４と追跡マーカ８の組み合せは、上に記載したフレームタイプのＤＲＡ４で可能なものと同じやり方で、ロボット４６での追跡を可能とすることができる。

代替的な誘導システムを用いる手技の更なる図解として、いくつかの実施形態では、光学誘導システムを用いるオープンスクリュー挿入手技ステップが記載される。いくつかの実施形態では、外科的に露出させた後、追跡マーカ８の小さいツリー、例えば追跡マーカ８を備えているＤＲＡ４を関心の領域の骨隆起に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、追跡システム４４及び医学画像に対する解剖学的構造を確定するために、画像ガイダンスのための通常の較正手順を用いることができる。他の実施例については、ＤＲＡ４は、堅固に装着された、実質的に恒久的な、または取り外し可能な、ＣＴ走査によって撮像できる、基準点マーカ２４を含むことができる。いくつかの実施形態では、ロボット４６及び医学画像に対して解剖学的構造を確定するために、較正フレーム３６について述べたものに一致する較正の手順を用いることができる。

実施形態では、追跡マーカ８を再構築する方法に対する拡張は、同一の追跡マーカ８を追跡する複数のカメラにより複数の不明瞭な同期された見通し線を用いることである。例えば、ＤＲＡ４またはロボット４６上の追跡マーカ８に焦点を合わせた異なる見通しの２つ以上のカメラをセットアップすることができる。実施形態では、１つのカメラユニットは患者のベッドの足元に配置することができ、かつもう１つはロボット４６に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、他のカメラユニットを天井に装着できる。実施形態では、全てのカメラが実質的に同時に追跡マーカ８を見るときに、座標を共通の座標系に変換することができ、いずれかの追跡マーカ８の位置は、用いる全てのカメラからのそのマーカの３次元位置の平均値（平均）であると考えることができる。実施形態では、極めて正確なカメラであっても平均を必要とし得る。システムノイズにより、異なるカメラにより知覚された座標が必ずしも等しくなり得ないからである。しかしながら、１つの見通し線が妨げられたときには、ロボット４６及びＤＲＡ４を追跡するために（追跡マーカ８をまだ見ることができる）他のカメラからの見通し線を用いることができる。実施形態では、１つの見通し線が失われたときにロボット４６が引っ張られる動きを軽減するために、妨げられていない見通し線に関連して最後に記憶された追跡マーカ８の位置の間の仮定された固定関係に基づいて前述した方法を用いることで、妨げられた見通し線からの追跡マーカ８の位置を再構築することが可能である。更に、実施形態では、追跡マーカ８のカメラ２からの位置に対するカメラ１からの位置を記憶することができ、カメラ１が妨げられた場合は、その見通し線が回復するまで、この相対位置をコンピュータメモリ（例えばコンピュータプラットフォームのメモリ）から読み出すことができ、かつ追跡マーカ８のカメラ２からの記録された位置に基づいてカメラ１からの追跡マーカ８の再構築を挿入できる。いくつかの実施形態では、この方法は、見通し線の一時的な障害、例えば１つのカメラユニットの前に立っているかまたは歩いている人を補うことができる。

実施形態では、基準点マーカ２４及び追跡マーカ８の組み合せを含むＤＲＡ４の代わりに、他の一時的なＤＲＡ４の中間的な位置合わせを介して主たるＤＲＡ４を位置合わせすることが可能である。例えば、いくつかの実施形態では、そのような較正方法の実施例は、基準点マーカ２４を含んでいる仮の堅固なプレート（図示せず）を取り付け、追跡マーカ８を既知の位置にいつでも取り付けることができるマウント（例えば止め金、磁石、ベルクロ、または他の構成）を開放すること、を含むことができる。次に、この方法は、（例えばＣＴ、ＭＲＩ等を用いて）対象を走査すること、（例えば先に記載した）図示しない主たるＤＲＡ４または３つ以上の追跡マーカ８を有して患者１の解剖学的構造に堅固に固定される他のＤＲＡを取り付けること、次いで止め金、磁石、ベルクロ等によって、追跡マーカ８を規定された周知の位置において、仮のＤＲＡ４に取り付けること、を含む。この主たるＤＲＡ４は如何なる基準点マーカ２４も必要とし得ない。仮のＤＲＡ１５の基準点マーカ２４の位置により位置合わせが実行されるからである。いくつかの実施形態では、更なるステップは、第２の仮のＤＲＡ４と同時に患者１の解剖学的構造に固定された主たるＤＲＡ４の位置を読み込むために、カメラを作動させること含み得る。このステップは、主たるＤＲＡ４上の追跡マーカ８の位置に対する、仮のＤＲＡ４上の追跡マーカ８の位置を確定する。仮のＤＲＡ４上の追跡マーカ８に対する仮のＤＲＡ４上の基準点マーカ２４の位置は知られていて、主たるＤＲＡ４上の追跡マーカ８に対する解剖学的構造の位置を確定するからである。位置を確定した後、その追跡マーカ８及び基準点マーカ２４を含めて、仮のＤＲＡ４を取り除くことができる。堅固に固定された主たるＤＲＡ４上の追跡マーカ８に位置合わせが移行したので、これらのマーカはもはや必要ではない。

図５Ａ〜図５Ｃに図示されている実施形態では、棘状突起１０の完全な露出なしにＤＲＡ４が棘状突起２上でクランプ機構１０をスライドさせることができるようにする、ＤＲＡ４に対する変更を含むことができる。図示されるように、クランプ機構１０は、少なくとも１つの面取り縁部５０とクランプ歯５２を含むクランプ４８を有することができる。手術の間、外科医は、正中線に刺切創を作り、次いでクランプ機構１０クランプ４８を棘状突起２の側面に沿ってスライドさせ、クランプ機構１０の先端が前進するときに組織を押しのけることができる。いくつかの実施形態では、図６Ａ及び図６Ｂに図示するように、クランプ機構１０の先頭の縁部は、面取りし（クランプ機構１０の各クランプ４８の先頭の面取り縁部５０を参照）、かつ骨膜剥離器と類似の形状を有することができる。この形状は、クランプ機構１０が前進するときに、筋組織を骨の棘状突起２から切り離すことができるようにする。いくつかの実施形態では、クランプ機構１０の先頭の面取りされた縁部５０は、過剰な出血を防止するために筋肉及び結合組織を通ってより容易にスライドできるようにすべく、電流を流すことができる。

いくつかの実施形態では、シャフト上の更に後部から作動する機構（例えばターンスクリューまたは通常のばね等）は、クランプ４８上のクランプ歯５２を展開するために作動させることができる。同一の機構または他の機構は、クランプ機構１０を棘状突起２（図５Ｂ〜図５Ｃを参照）に確実に固定するために、クランプ４８を閉じて互いに加圧できる。加えて、いくつかの実施形態では、棘状突起２内へのねじ切りにより、ハンドル５６に位置合わせされたネジ５４を配置できる（例えば、図５Ｃを参照）。

上に記載しかつ図５Ａ〜図５Ｃに図示されている実施形態は、経皮的椎弓根スクリューロッド手術に特に適し得る。クランプ機構１０を装着するために作った穴を、通常の椎弓根スクリューヘッドを相互に接続するための通常のロッドを挿入するための穴として用いることができるからである。更に、上に記載しかつ図５Ａ〜図５Ｃに図示されている実施形態は、（他の骨隆起、例えば横突起、長骨、頭蓋底、他のために）マーカツリーを装着するために有益でもある。

図６Ａ〜図６Ｂ及び図７Ａ〜図７Ｂは、いくつかの実施形態による、棘状突起２上で作動するクランプ機構１０の実施形態を図示している。いくつかの実施形態では、クランプ歯５２を配置するための機構は中空キャビティ５８を有しており、そこに収容されているクランプ歯５２は、挿入の間は中空キャビティ５８の一方の側にあるが、その機構が配置されたときには埋設された歯が骨を貫通するように反対側に押動できる（図７Ａ及び図７Ｂの貫通したクランプ歯５２の図解を参照）。

図７Ａ〜図７Ｂは、棘状突起２上のクランプ機構１０の作動の代替的な実施形態を図示している。図示のように、クランプ歯５２のグループは中空キャビティ５８を狭めるロッド６０に取り付けることができる。ロッド６０はハンドル５６（描かれてない枢支点）上で回動し、クランプ歯５２を一体に押動する。例えば、実施形態では、ロッド６０は、骨から離れた側において、中空キャビティ５８内に駆動することができ、クランプ歯５２を骨に対して及び内部に押動する（例えば、図７Ｂにおける貫通したクランプ歯５２を参照）。

上に記載したように、基準点マーカ２４は、解剖学的構造のＣＴ走査の範囲内に存在できる。しかしながら、解像度を改善するためにはできる限り脊椎に接近させてＣＴ走査をトリミングすることが望ましいことがあり得る。いくつかの実施形態では、追跡マーカ８が配置されているところの近くに基準点マーカ２４を用いる代わりに、代替物は、走査するときに棘状突起２の近くに一時的に取り付けることができる基準点マーカ２４を含む堅固な拡張部分を有することができる。いくつかの実施形態では、クランプ機構１０はＤＲＡ４に連結し、またはＤＲＡ４により変更できる。例えば、図８Ａ〜図８Ｂは、本開示の少なくとも１つの実施形態による、仮のマーカスカート６２を含む、ＤＲＡ４により変更したクランプ機構１０を図示しており、図８Ｂは、本開示の少なくとも１つの実施形態による、図８Ａに図示したＤＲＡ４により変更したクランプ機構１０を仮のマーカスカート６２を取り除いた状態で図示している。図示のように、仮のマーカスカート６２は、クランプ装置１６の基部の周囲の仮の「スカート」に基準点マーカ２４を含むことができる。仮のマーカスカート６２とクランプ装置１６の設計は、スカート６２の基準点マーカ２４が、より離れた追跡のための追跡マーカ８に対し既知の場所を有しているものとすることができる。一旦走査がなされると、基準点マーカ２４は必要としないことができる。したがって、実施形態では、通常のリリースを押し下げることにより、仮のマーカスカート６２を取り除くことができ、外科医の方向には存在しないことになる（例えば図８Ｂを参照）。

実施形態では、図９Ａ〜図９Ｂに図示したように、ＤＲＡ４は、走査を取得した後にいくつかのまたは全ての追跡マーカの位置の移動を可能にする回転機構１２を有することができる。この構造の１つの利益は、図９Ａに図示するように、解剖学的構造の近くの皮膚に近いＣＴ走査に最も適した場所に放射線不透過性マーカを配置できるようにすることである。例えば、ＤＲＡ４は（例えば、約１０°またはそれより小さく角度付けられた）患者に沿って略平坦に配置できる。そしてＣＴ走査の後、図９Ｂに図示したように追跡マーカを追跡に適した位置に同時に配置しつつユーザがＤＲＡ４を上方に揺動させ、基準点マーカ２４を手術から離して配置できるようにする。例えば、ＤＲＡ４は直立した位置に移動させることができる。回動は、基準点マーカ２４を他の設計よりも追跡マーカの近くに装着されることを可能にし、それによって、ＤＲＡ４の全体をよりコンパクトなものにする。回動は、同一のマーカが、放射線不透過性の基準点マーカ２４及び追跡マーカ８の両方の二役を勤めることを可能にすることができる。例えば、反射する追跡球体は、放射線不透過性の金属またはセラミックコアによって、製造できる。

回動機構１２の追加の利益及び特徴は、１つ以上の基準点マーカ２４または追跡マーカ８が、回動の間に、他の追跡マーカに対して移動するようにして、図１０Ａ〜図１０Ｂに図示するように、追跡マーカの剛体の関係を変更できることにある。言い換えると、１つ以上の基準点マーカ２４または追跡マーカ８は、コンピュータメモリに記憶されて任意の追跡フレームの間に比較される構成に対して移動できる。剛体アレイの間隔が変更されたときには、アレイが下にあるか上にあるかをソフトウェアが自動的に決定することが可能である。この特徴は、ＤＲＡ４が正しい位置に回動する前に、ユーザが不注意に追跡してナビゲートしようとすることを防止する。加えて、１つ以上の基準点マーカ２４が回動の間に他の基準点マーカ２４に対して移動するようになすことができ、２つの別個の剛体の配置をＣＴ走査上で観察することができて、走査の間にアレイが上にあったか下にあったかをソフトウェアが自動的に検出できることを意味する。ＤＲＡ４が正しい位置にある前に、ユーザが不注意に追跡してナビゲートすることを防止できる。図１０Ａ〜図１０Ｂは、１つの基準点マーカ２４または追跡マーカ３１が、複数の追加の基準点マーカ２４及び／または追跡マーカ８と共に回動できない構成を図示している。

適切に回動するために、ＤＲＡ４は、クランプ機構１０の一部とし得るベース６６を備えることができる。ベース６６は、任意の適切な手段により、基準点マーカ２４及び／または追跡マーカ８と共に、ＤＲＡ４に対する接続点６８に取り付けることができる。適切な手段は、玉継手、ヒンジ、スライド、またはそれらの組み合せとすることができるが、それらには限定されない。更にまた、ＤＲＡ４は、ベース６６に対して任意の方向に回動できる。このことはその構造が左右、上下、斜め、またはそれらの組み合せに移動できるようにする。ベース６６に対するＤＲＡ４の動きは、ガイド７０または外部の部材によって、更に補助できる。実施形態では、図示されていないが、ＤＲＡ４は、ベース６６またはＤＲＡ４上に配置された複数の場所において、回動できる。

場合によっては、クランプ機構１０を装着することができない。例えば、手術は脊椎以外の領域を目的とすることがあり得るし、患者が棘状突起を以前に取り除いた場合の手術を目的とすることがあり得る。図１１Ａ〜図１１Ｃに図示するように、患者１の骨にＤＲＡ４を堅固に装着する代替的な方法は、その上にＤＲＡ４がクランプされる２つの柱７２及び７４を含むことができる。２つの柱７２及び７４が球面構造７６を有して、いくらかの平行移動及び回転の自由度を拘束し、クランプ７８によって、ＤＲＡ４を堅固に固定しかつ反復可能な位置に固定することを可能にすることが予想できる。クランプ７８は、実施形態では、回動機構１２が着座し得るベースとして役立つことができる。この２つの柱の方法については、図１１Ａ〜図１１Ｃに図示するように、柱７２に固定されるクランプ７８の内部は、フレア状の貫通孔を有するソケット形状の特徴部を有することができる。クランプ７８はソケット片のあらゆる平行移動を拘束しつつ、それが回動できるようにする。柱７６の周囲のＤＲＡクランプ７８の一部は、競馬場の形の貫通孔を有した細長いソケット８０を有することができる。この特徴部は、ＤＲＡ４の全ての回転と他のピンの大部分の方向の平行移動を拘束できる。この構成は、２つの柱のＤＲＡ８２を一意の配向及び位置にクランプし、次いで取り除き、かつ同じ位置に繰り返して再取り付けできるようにする。

柱７４とは異なる脊椎骨に柱７２を装着する実施形態では、この構成は柱７２の柱７４に向かうまたは離れる平行移動を妨げず、その場合は柱７４は細長いソケット８０の内部でスライドすることができる２つの柱のＤＲＡ８２が柱７４の周りに固定されるときに、摩擦がそのような平行移動を禁止するように、誤差を厳しくすることが可能である。または、そのような移動は監視マーカで監視できる。

本発明及びその利点を詳細に記載してきたが、添付の請求の範囲によって定められる本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な変更、置換及び修正を本明細書においてなし得ることが、理解されるべきである。

人間の脊椎モデルの腰椎の棘状突起に装着された動的追跡装置の一実施形態を図示している。 位置合わせ（較正）及び追跡するための方法の一実施形態を図示している。 放射線不透過性基準点マーカの検出座標を用いて医学画像を位置合わせする方法の一実施形態を図示している。 誘導システムと共にした較正フレームの使用の一実施形態を図示している。 誘導システムと共にした較正フレームの使用の一実施形態を図示している。 誘導システムと共にした較正フレームの特徴付けの一実施形態を図示している。 誘導システムと共にした較正フレームの使用の一実施形態を図示している。 誘導システムと共にした較正フレームの使用の一実施形態を図示している。 クランプ機構を備える変更されたマウントを備える、動的基準点アレイの一実施形態を図示している。 クランプ機構を備える変更されたマウントを備える動的基準点アレイの一実施形態を図示している。 クランプ機構を備える変更されたマウントを備える動的基準点アレイの一実施形態を図示している。 棘状突起上でのクランプ機構の作動の一実施形態を図示している。 棘状突起上でのクランプ機構の作動の一実施形態を図示している。 棘状突起上でのクランプ機構の作動の一実施形態を図示している。 棘状突起上でのクランプ機構の作動の一実施形態を図示している。 仮のマーカスカートを含む動的基準点アレイにより変更されたクランプ機構を図示している。 仮のマーカスカートが取り外された動的基準点アレイにより変更されたクランプ機構を図示している。 下降位置の動的基準点アレイを図示している。 上昇位置の動的基準点アレイを図示している。 静的位置にある代替的なトラッカと共に下降位置にある動的基準点アレイを図示している。 静的位置にある代替的なトラッカと共に下降位置にある動的基準点アレイを図示している。 動的基準点アレイを骨に固定するために用い得る２つの柱を図示している。 ２つの柱を選択された位置に固定するために用いられる開いたクランプの内側の視野を示している。 ２つの柱を動きから固定している、閉じたクランプを図示している。

Claims (20)

1. 動的基準点アレイであって、
   足場と、
   前記足場に連結された複数のマーカと、
   回動機構により前記足場に連結された取付部材と、を備え、前記取付部材は、前記取付部材に対する前記動的基準点アレイの移動を可能にしつつ、前記動的基準点アレイを患者に固定するように構成されている、動的基準点アレイ。
2. 前記マーカは、放射線不透過性マーカまたは赤外線マーカとすることができる、請求項１に記載の動的基準点アレイ。
3. 前記マーカのうちの少なくとも一部は、放射線不透過性マーカ及び赤外線マーカの両方である、請求項１に記載の動的基準点アレイ。
4. 前記回動機構は、玉継手、ヒンジピン、またはスライド機構を含んでいる、請求項１に記載の動的基準点アレイ。
5. 前記回動機構は、ヒンジピンである、請求項１に記載の動的基準点アレイ。
6. 前記取付部材は、クランプを含んでいる、請求項１に記載の動的基準点アレイ。
7. 前記取付部材は、患者へ取り付けのための２つのポストを含んでいる、請求項１に記載の動的基準点アレイ。
8. 前記２つのポストは、前記ポストを前記足場に連結する球状特徴部を有しており、前記球状特徴部が前記回動機構の一部を形成している、請求項７に記載の動的基準点アレイ。
9. 前記１つ以上のマーカが他のマーカに対して移動するように構成されるように、前記マーカは、前記足場と前記取付機構に連結されたマーカを含む、請求項１に記載の動的基準点アレイ。
10. 動的基準点アレイを用いる方法であって、
    前記動的基準点アレイを患者に取り付けることと、
    前記動的基準点アレイの足場が第１の位置にある間に前記患者を走査することと、
    前記患者の解剖学的構造に対して前記動的基準点アレイを位置合わせすることと、
    前記動的基準点アレイが前記患者に取り付けられたままである間に前記足場を第２の位置に移動させることと、を含む、方法。
11. 外科的に前記患者の棘状突起を露出させることを更に含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記動的基準点アレイを前記患者に取り付けることは、前記動的基準点アレイを前記患者の棘状突起上にクランプすることを含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記動的基準点アレイを前記患者に取り付けることは、患者に柱を固定することを含む、請求項１０に記載の方法。
14. 前記足場は、前記第１の位置においては前記患者に沿って略水平に置かれ、前記第２の位置においては直立位置に配置される、請求項１０に記載の方法。
15. 前記足場を第２の位置に移動させることは、１つ以上のマーカを１つ以上の他のマーカに対して移動させることを含む、請求項１０に記載の方法。
16. 前記足場は、複数のマーカを備えている、請求項１０に記載の方法。
17. 前記マーカは、放射線不透過性マーカまたは赤外線マーカとすることができる、請求項１５に記載の方法。
18. 前記マーカの少なくとも一部は、放射線不透過性マーカ及び赤外線マーカの両方である、請求項１５に記載の方法。
19. 前記患者を走査することは、ＣＴ走査、Ｘ線、またはＭＲＩ走査を用いて行われる、請求項１０に記載の方法。
20. 前記動的基準点アレイは、足場が移動する間にガイドにより支援される、請求項１０に記載の方法。

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