JP2019018018A - 多軸力及びモーメントフィードバックを使用した外科用ツール挿入ためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボット支援外科手技の間に、外科用器具の予想外の移動を検出するためのデバイス、システム、及び方法を提供する。【解決手段】外科手技の間に外科用器具１６００が受ける力及びトルクを測定、監視し、外科手技について予想される、既定の範囲または閾値と比較することにより、力及びトルクが、許容範囲内にあるかどうかを判定する構成とし、また予想外の移動の存在を検出すると、ユーザに通知するよう更に構成される。【選択図】図１３

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１６年１２月７日に出願された米国特許出願第１５／３７１，３０４号の一部継続出願であり、その米国特許出願は、２０１６年５月１８日に出願された米国特許出願第１５／１５７，４４４号の一部継続出願であり、その米国特許出願は、２０１６年４月１１日に出願された米国特許出願第１５／０９５，８８３号の一部継続出願であり（米国特許出願公開第２０１６／０２２０３２０号Ａ１として公開される）、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号の一部継続出願であり（米国特許出願公開第２０１４／０２７５９５５号Ａ１として公開される）、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（米国特許出願公開第２０１３／０３４５７１８号Ａ１として公開され、米国特許出願公開第２０１６／０２４２８４９号Ａ９として訂正出願される）、その米国特許出願は、２０１２年６月２１日に出願された米国仮特許出願第６１／６６２，７０２号に対する優先権を主張するものであり、また、２０１３年３月１５日に出願された米国仮特許出願第６１／８００，５２７号に対する優先権を主張するものであり、これらの全ての内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本開示は、ロボット支援外科技法を使用した、改善されたツール挿入に関する。

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次元位置の正確な位置測定を必要とする。例えば、椎骨を融合させるための一部の外科手技は、外科医が、ある場所において骨構造の中へ複数の穴を掘削することが必要とされる。融合システムにおける高レベルの機械的完全性を達成するために、かつ骨構造において生成される力のバランスをとるために、穴を正しい場所に掘削することが必要である。椎骨は、大部分の骨構造のように、正確かつ垂直な掘削を困難にする、非平面で湾曲した表面を含む、複雑な形状を有する。従来、外科医は、掘削器管の位置を骨構造の３次元画像の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、掘削器誘導管を手動で保持し、位置付ける。この手動のプロセスは、面倒であり、かつ時間がかかる。手術の成功は、それを行う外科医の器用さに大きく依存する。

鋭利な物体、例えば、針、掘削器、またはネジ等を骨の中へ駆動することを含む手術において、課題となるのは、鋭利な器具の先端部が、意図された穿孔場所から逸脱することを防止することである。鋭利な器具の骨の中への駆動または掘削は、器具の先端部が骨に垂直であるときには比較的容易であり得、穿孔される骨の表面がより急になるにつれて、先端部の遊走または摺動（「スカイビング」）が問題になり得る。これは、骨の表面に平行であるツールと骨との反力成分が、より急な角度においてより大きくなることに起因する。

このため、医療手技の間に外科用器具のスカイビングまたは意図しない移動を防ぐ必要性が存在する。これは、ロボット支援外科技法を使用して、本開示において述べられるように達成され得る。

この及び他の必要性にかなうために、外科手技の間に外科用器具の意図しない移動の存在を検出するためのデバイス、システム、及び方法が提供される。

１つの例示的な実施形態によれば、外科用ロボットシステムの外科用器具の予想される移動を検出するための方法が提供されてもよい。方法は、挿入力を外科用器具に加えて、器具を患者の骨の中へ駆動することと、挿入力と関連付けられた１つ以上の力及び１つ以上のモーメントを監視することであって、監視される力及びモーメントが、ロボットシステムの１つ以上のロードセルによって測定される、監視することとを含んでもよい。方法は、監視される力及びモーメントを、外科手技について予想される、既定の範囲または閾値と比較することと、監視される力及びモーメントが、既定の範囲または閾値から外れたことを検出した時点で、ロボットシステムを介して、通知を提供することとを更に含んでもよい。

別の例示的な実施形態によれば、ロボットシステムと関連付けられた外科用器具の予想される移動を検出するための外科用ロボットシステムが提供されてもよい。ロボットシステムは、ロボット基部と、ロボット基部に接続され、かつそれと電子通信するロボットアームと、ロボットアームに接続され、かつロボット基部と電子通信するエンドエフェクタであって、エンドエフェクタが、１つ以上のロードセル及び誘導管を備える、エンドエフェクタとを含んでもよい。１つ以上のロードセルは、誘導管内に配置された外科用器具の挿入力と関連付けられた力及びモーメントを測定するように構成されてもよく、ロボット基部は、測定された力及びモーメントを受信し、かつ測定された力及びモーメントが測定された力及びモーメントの予想される範囲から外れたときを示すように構成されてもよい。

本発明及びそのある実施形態の以下の詳細な説明は、以下の図を参照することによって理解されてもよい。
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。 一実施形態に係る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う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う外科用ロボットの一部を例解する。 例示的な実施形態に従う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う外科用ロボットを例解する。 例示的な実施形態に従うエンドエフェクタを例解する。 例示的な実施形態に従うエンドエフェクタを例解する。 例示的な実施形態に従うエンドエフェクタを例解する。 一実施形態に係る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う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う登録方法を例解する。 例示的な実施形態に係る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係る画像化デバイスの実施形態を例解する。 外科用ツールから対象骨に加えられるある力を例解する。 本開示の原理と一致するロボットシステムのエンドエフェクタを例解する。 本開示と一致する外科用器具の予想外の移動を検出するための例示的な方法を例解する。 外科用器具の偏向を検出するための例示的な方法を例解する。 誘導管に関する器具の偏向を検出するための二軸式方法を例解する。 軸切削能力を有する器具対軸方向及び横方向の切削能力を有する器具の比較を例解する。 傾斜面を通した器具の挿入のための方法を例解する。

本開示は、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その用途において限定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。

ここで、図面を参照すると、図１及び２は、例示的な実施形態に従う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焦点または立体写真測量カメラ）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、手術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。図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、（エンドエフェクタ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な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（またはそうでなければ固定）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も、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、プラットフォ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、プラットフォームサブシステム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。プラットフォームサブシステム５０２は、バッテリ４０２、配電モジュール４０４、プラットフォ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フォ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。他のときには、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。

プラットフォームサブシステム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ならびに／または関連付けられた構成要素及び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、及び／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に係合するように計画され得る安定器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、プラットフォームサブシステム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、ある一定の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を横方向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を横方向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示すことを通じて、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として例解されるが、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、ならびに／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の一部分は、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に示すボール１２０８は、図９Ａに示す凹部１２１４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、ある位置合わせ手技が、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。かかる位置合わせを行うために、位置合わせシステム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を位置合わせするために、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位置合わせ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。

位置合わせ固定具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、位置合わせ固定具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、位置合わせ固定具１４１０に取設される。

枢動アーム１４１２を使用して、位置合わせ固定具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、位置合わせ固定具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。位置合わせ固定具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。位置合わせ固定具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、位置合わせ固定具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、外科用領域からの位置合わせ固定具１４１０及び／または枢動アーム１４１２の取り外しを可能にする。

図１１は、本開示と一致する位置合わせ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、位置合わせ固定具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され、かつ位置合わせされ、コンピュータ４０８内に記憶される。任意選択的に、このときに、ステップ１５０６において、位置合わせ固定具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、位置合わせ固定具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され、かつ位置合わせされる。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位置合わせされる。したがって、位置合わせ固定具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、画像空間内の位置合わせ固定具１４１０の位置合わせが、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、（画像空間を用いて位置合わせされた）位置合わせ固定具１４１０のナビゲーション空間の位置合わせが、患者固定器具１４０２に取設された動的位置合わせアレイ１４０４のナビゲーション空間に更に転移される。このため、位置合わせ固定具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を有する車輪付移動可能カート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が本明細書に例解されるが、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、本開示の図１３を参照すると、図１３は、先端部１６０２を伴う外科用ツール１６００、及び外科手技の間の患者の対象骨であってもよい骨１６０４を例解する。また、例えば外科医が患者の骨を掘削する場合の医療手技の間に、ツール１６００が骨１６０４に穿孔するときの、ツールと関連付けられた３つの力（Ｆ挿入、Ｆｐ、及びＦｎ）も例解される。外科用ツール１６００は、限定されるものではないが、掘削器、千枚通し、タップ、スクリュードライバ、または他の種類の外科用ツールを含む、外科用途と関連付けられた任意の外科用器具またはツールであってもよい。これらの力は、骨に穿孔することが意図される力がツールに加えられたときの、ツールと骨との間の界面における反応力と呼ばれ得る。挿入力（Ｆ挿入）は、表面に垂直な分力（ＦＮ）及び表面に平行な分力（ＦＰ）に分解することができる。

器具１６００の先端部１６０２が骨１６０４の表面に配置され、準備を整えている間、上述した力の結果として生じる物理的機構には、以下が含まれる。（１）骨１６０４が、挿入力（Ｆ挿入）から一斉に遠ざかり得ること、（２）先端部１６０２の滑りを防止する摩擦抵抗が打ち勝って、その結果、先端部１６０２を、Ｆｐの方向において骨の表面１６０４に平行な方向に横方向へ進行し得ること、または（３）先端部が、意図された方向、例えば、Ｆ挿入等で骨に穿孔し得ること。

本開示は、器具１６００を所望される場所に整列させた状態を保ち、かつ骨の表面１６０４に平行な力（Ｆｐ）による先端部１６０２の遊走または「スカイビング」を防止することを目指す。器具１６００は、管の内径とツールの外径との間に精密な許容差を伴って誘導管を強固に保持することを通して動作され得る。かかる誘導管は、前に本明細書で説明してきた。器具１６００または別のハードウェアを骨１６０４の中へ駆動する際に、誘導管を完全に有効にするために、管は、骨１６０４に対して移動させてはならず、器具１６００または他のハードウェアは、管または骨１６０４に対して曲がってはならない。

本明細書において前に説明されるように、床に強固に係止することができる外科用ロボットは、誘導管（例えば、ロボットシステム３００）の静止した強固な位置を維持する際に有効であり得る。スカイビングは、ロボット支援手術の文脈において複数のシナリオをもたらし得る。例えば、誘導管を通して、かつ骨１６０４と接触して、ある角度で器具１６００を挿入する間、骨１６０４に平行に発生される力は、器具の挿入力及び挿入角に少なくとも部分的または完全に依存し得、器具の曲がり及び／または患者の移動につながり得る。

別の例として、骨１６０４に対してある角度で、または骨１６０４に対して垂直に、誘導管を通して器具１６００を挿入することで、器具１６００がある深さまたは点に到達する結果となり、そこでは、器具１６００が完全に誘導管内にあるか、または器具のハンドルが底部に到達する（すなわち、ハンドルが誘導管の完全に頂部入口上にあり、その点において、ツールは、管が長手方向に進まない限り、それ以上挿入することはできない）。器具１６００が底部に到達した後に外科医が追加的な下向きの力を加えた場合、その力は、誘導管によって吸収され、器具１６００が骨１６０４を更に穿孔するように転移されない。この実施例は、いくつかの意図しない結果につながり得る。１つの意図しない結果は、器具１６００が底部に到達したことを外科医が認識していない場合に、ネジまたはタップを前方へ移動させることができない間にスクリュードライバまたはタップを回転させることによって、追加的な力が、患者の骨のネジ穴に損傷を与え得ること、またはネジ山を潰し得ることであり得る。別の意図しない結果は、外科医が前進させようとしている器具またはツールの所望のまたは予想される穿孔を外科医が達成し得ないことであり得る。

前に説明されるように、ロボットシステム３００は、エンドエフェクタ３１０上に配置されたロードセル（ロボットアームの多軸移動を制御する）を含んでもよい。誘導管及び／またはエンドエフェクタに装着された多軸ロードセルを使用することで、手術の間にリアルタイムで、上で説明した横方向の偏向及び長手方向の底部到達の力／トルクを定量化してもよい。本開示と一致して、ロボットシステム３００は、ロボットの誘導管上の多軸ロードセルによって監視される力及びモーメントを使用して、あるフィードバックを外科医に提供して、器具またはツールが不正確に、不完全に、または不十分に挿入されることを防止するように補助してもよい。

図１４は、本開示と一致するロボットアーム１７００の例示的な一実施形態を例解する。ロボットアーム１７００は、エンドエフェクタ１７０２、誘導管１７０４、及びエンドエフェクタ１７０２に装着されたブレスレット１７０６を含んでもよい。ブレスレット１７０６は、１つ以上の多軸ロードセル１７０８を更に含んでもよい。

ブレスレット１７０６を介してエンドエフェクタ１７０２に装着された多軸ロードセル１７０８は、誘導管の軸（例えば、誘導管１７０４の長手方向軸）に沿って、その周りに、及びそれを横断してトルク及び力の測定値を提供することが可能であり得る。多軸ロードセル１７０８は、硬い内部部材がごくわずかな量だけ弾性的に変形している間の力及びトルクを正確に測定し得るように、適切に配向された硬い内部部材を横断して適用されるひずみゲージを備えてもよい。

多軸ロードセル１７０８は、誘導管１７０４に加えられた力及びモーメントをロードセル１７０８の１つ以上によって検出することができるような様態で、エンドエフェクタ１７０２及び誘導管１７０４を支持してもよい。図１４に示されるように、１つ以上のロードセル１７０８によって感知される力の方向及びモーメントは、矢印Ｍｘ、Ｍｙ、及びＭｚ、ならびにＸ、Ｙ、及びＺと標識された矢印で描写される。

外科医が、誘導管１７０４を通して器具１６００（例えば、掘削器）を挿入し、平面に垂直な位置で、器具１６００によって骨１６０４に穿孔する場合、外科医によって加えられる力の大部分は、長手方向の力が掘削器ビットの軸を下るにつれて掘削器に転移され得る。誘導管の軸（図１４に示されるＭｘまたはＭｙ）を横断する比較的小さい横方向の力（図１４に示されるＸまたはＹ方向）またはトルクが予想されることになり、誘導管１７０４に加えられる比較的小さい縦方向の力（例えば、図１４に示されるＺ方向の）が予想されることになり得る。

最後の例を続けると、外科医がツールにトルクを与えるときに、ツールを誘導管１７０４の内側で自由に回転させなければならないので、比較的少ない量のそのトルクがロードセルに転移されなければならない（図１４においてＭｚとして示される）。外科医は、加えられる力の整列を誤り得る可能性があり、その場合、強固に保持された誘導管１７０４は、ツールが横方向に移動することを防止するように作用し得る。この横方向の力は、適度な横方向（Ｘ、Ｙ、または組み合わせたＸＹ）の力として、多軸ロードセル１７０８の１つ以上によって監視されてもよい。

器具１６００（例えば、掘削器またはツール）が先端部１６０２をスカイビングさせる急な角度で骨１６０４に衝突する条件の下で、器具１６００が挿入される場合、１つ以上の多軸ロードセル１７０８によって検出される力は、ある予測可能な方法で変化し得る。例えば、誘導管１７０４を横断するモーメント（図１４に示されるＭｘまたはＭｙ）が増加し得、誘導管に１７０４に対する横方向の力（図１４のＸまたはＹ方向）が増加し得る。この増加したモーメントのＸ−Ｙ配向は、図１３に示されるように、骨１６０４の傾斜の方向に垂直であり得る。同様に、力の配向は、図１３に示されるように骨１６０４の下り傾斜の方向になり、かつ増加したモーメントに垂直になる。器具１６００を誘導管１７０４の側部に押圧し、わずかに曲げる横方向の力により、誘導管１７０４に対するわずかに増加した下向き（図１４に示されるＺ方向）の力が予想され得る。この例において、この曲げモーメント及び横方向の力は、顕著な増加した値でなければならないことがあり得る。

別の例において、器具１６００（例えば、掘削器またはツール）が誘導管１７０４内の底部に到達した場合、外科医が追加的な下向きの力を加えたときに、任意の他の検出されるモーメントまたは力のいかなる大幅な増加も伴うことなく、誘導管１７０４の方向における下向きの長手方向（図１４に示されるのＺ方向）の力の突然のスパイクが予想され得る。加えて、外科医が、器具１６００を解放した場合、器具１６００が依然として誘導管１７０４と相互作用し得るので、一部の残留する下向きの力（Ｚ）が予想され得る。例えば、外科医が、スクリュードライバを解放したした後に係止スクリュードライバを使用してネジを挿入したが、スクリュードライバが底部に到達していた場合、誘導管の頂部に対して張力を受けているそのハンドルは、下向きの力を維持させる。

ソフトウェアを介したロボットシステムは、力及びモーメントを連続的に監視し、各力及びモーメントが通常の予想される範囲または閾値内のままであるかどうかをチェックしてもよい。ソフトウェアは、上の予想される望ましくない状況を満たす力／モーメントパターンに遭遇したときに、メッセージングと作用し得る。メッセージの例は、「注意−ツールのスカイビングが起こる可能性があります」または「注意−ツールがその深さストッパに到達したようです」であり得る。

図１５は、外科手技の間に器具のスカイビングの存在を検出するための例示的な方法１８００を例解する。方法１８００は、ステップ１８０２において始まり、そのステップにおいて、本明細書に前に考察されたように、エンドエフェクタ及びガイドが、外科手技を受けている患者に対する場所に自動的にまたは手動で位置付けられてもよい。ステップ１８０４において、器具またはツール（例えば、器具１６００）が、ロボットシステムの誘導管の中へ挿入されてもよい。ステップ１８０６において、器具が、患者に挿入され、また、外科手技のために、患者の対象骨に接触するまで前進されてもよい。例えば、器具は、前に説明されるように、椎弓根ネジのためのネジ穴を掘削するために、対象骨に接触するまで前進されてもよい。ステップ１８０８において、ロボットシステムが、ロボットシステム上に存在する、例えば、エンドエフェクタ上に配置された１つ以上のロードセルによって測定される力及びモーメントを監視してもよい。ステップ１８１０において、監視される力及びモーメントが、外科手技と一致する予想される力及びモーメントと比較されてもよい。ステップ１８１２において、監視される力及びモーメントが、予想される範囲または既定の閾値内に入っている場合、外科手技は、前に説明されるように、ステップ１８１４において続けられ、そして、方法１８００は、ステップ１８１０に続く。監視される力及びモーメントが、予想される範囲または既定の閾値内に入っていない場合は、ロボットシステムによって、スカイビングの存在を示す警報または通知が提供される。

別の実施形態において、起こるスカイビングのミリメートルの数の量を定める方法及び起こる任意のスカイビングを克服する方法が提供される。

上に説明されたように、ロボットアームに装着された６軸ロードセルは、誘導管に対して横方向に配向された力を検出するように構成される。最適な手技において、誘導管に加えられる横方向の力は、一般的に最小であるべきである。一実施形態において検出及び加えられる主力は、誘導管の軸に沿っているべきである。実施形態において、起こる横方向の力が存在する場合、これらの力は骨を穿孔することなく骨の表面に沿って外科用器具のスカイビングまたは移動を引き起こし得るか、そうでなければ力は、骨が外科用器具から遠ざかる過剰な横方向のスカイビングまたは移動を引き起こす。一部の実施形態において、横方向の力は、ツールの先端部を、外科用器具のシャフト及び誘導管の中心軸から離れて横方向に曲げ及び偏向させ得る。

特定の実施形態において、ロボットアームは、横方向の力の存在下でさえ、誘導管を移動不可能位置に保持し得る。横方向の力が骨を押し進め、骨を強固な誘導管から遠ざけさせるとき、一実施形態において、起こる骨の移動量は、患者に取設されたＤＲＢ（ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｂａｓｅ、動的参照基部）で追跡され得る。ＤＲＢは、追跡マーカ、例えば、反射性球体のアレイを備え、その位置は、追跡システム、例えば、Ｐｏｌａｒｉｓ Ｓｐｅｃｔｒａ光追跡システム（Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ，Ｉｎｃ．）を使用して、追跡される。骨の移動量は監視されるので、任意のオフセットがシステムによってユーザに報告され得て、誘導管の位置の自動ロボット調整は横方向の力によって引き起こされた追加的な移動をオフセットし得る。

ここで、図１６を参照すると、一部の実施形態において、横方向の力の結果として器具の追跡アレイに対して器具先端部が曲がる場合、その追跡アレイに対する器具の偏向の量が測定され得る。一実施形態において、ひずみゲージが、横方向の力によって引き起こされる器具先端部の偏向を測定するために使用され得る。ひずみゲージは、典型的には抵抗基準であり、表面の長さのわずかな増加または減少を検出するように構成される。一実施形態において、器具の軸に沿って平行に配向及びシャフトの反対側にある器具の表面に取設された一対のひずみゲージは、ひずみゲージのいずれかに向かうまたは離れる偏向を測定し得る。別の実施形態において、３つ以上のゲージは、所与の長手方向位置で、器具の外周の周りに平行に装着され得て、ひずみゲージが取設された位置で器具の外周の周りの長手方向の短縮または延長の大きさの推定値を提供するように構成される。

図１６は、矢印によって示された横方向の力により、器具２０００の拡大された横方向の偏向を例解する。器具２０００の反対側に装着されたひずみゲージ２００２は、力が測定される側部の器具２０００の延長、及び力の反対側の器具２００の短縮を測定する。器具２０００または誘導管が偏向される場合、それに対して偏向されるシャフトの側部は、長さが減少し、シャフトの反対側は、長さが増加する。器具または誘導管のシャフトを備える円筒の偏向は、加えられた横方向の力に応答して、以下の式、偏向＝ＦＬ３／３ＥＩを利用し、式中、Ｆは、先端部において加えられた横方向の力であり、（片持式と仮定される）Ｌは、先端部から支点までの長さであり、Ｅは、シャフト材料、例えばコバルトクロムまたはステンレススチールの弾性率であり、Ｉは、ツールの断面に関する幾何学的特性である慣性のモーメントである。一実施形態において、器具がシリンダとして構成されるとき、Ｉ＝πｄ４／６４であり、式中、ｄは、シリンダの直径である。

器具が均一なシリンダである場合、先端部の偏向は、誘導管内の器具の横方向の力及び接触点を知ることによって推定され得る。一部の実施形態において、器具が先端部に向かって先細りされるか、またはそうでなければ不均一である場合、器具が先細りを始め、管と密接に接触していない点で管内にあるため、誘導管内の接触の正確な点は、判定することが困難であり得る。この場合、先端部の偏向を較正することは、器具に取設されたひずみゲージ、具体的にはひずみゲージの接触点、及び誘導管の内部部分の幾何学形状に基づく。次いで、このデータを器具２０００の推定された偏向を計算するために使用する。

先端部の偏向を較正するための別の実施形態において、器具のシャフトの周りに取設された一組のひずみゲージからのひずみの測定が、ニューラルネットワークと共に使用されてもよい。ニューラルネットワークは、ノードの応答のパターンにおける数学的方法（この場合、ひずみゲージのアレイからの出力）が、出力が入力の異なる組に対して十分特徴的である場合、明確な出力（この場合、横方向の偏向）を生成するための入力として使用される。一部の実施形態において、器具の偏向測定のためのニューラルネットワークは、光追跡、座標測定機（ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍａｃｈｉｎｅ、ＣＭＭ）、または他の手段を使用する偏向の測定の間に、既知の試験負荷を異なる接近角度でツール先端部周りの接触位置に横方向に加えることによって使用される。このデータがニューラルネットワークの一部であるならば、ひずみゲージの出力は、ニューラルネットワークコンピュータモデルに連続して供給され、システムによって偏向データは流し出され、表示され得る。

別の実施形態において、ニューラルネットワークまたは物理モデリングは、図１７に例解されるように、２つの領域における器具２００４及び誘導管２００６の相互作用からのデータを適用することによって使用されてもよい。第１の領域において、誘導管２００６内の器具２００４の先細った端部及びその偏向のためのレバーアームは、器具の最大直径が誘導管に接触する点に対する力の適用点である。レバーアームは、器具２００４がこの領域に残る限り、荷重適用の定点のために固定されたままである。第２の領域において、誘導管２００６外の器具２００４の先細った端部及びその偏向のためのレバーアームは、器具２００４が誘導管２００６を出る点に対する力の適用点である。レバーアームは、器具２００４のうちのより多くが突出するように連続して増加する。誘導管の追跡アレイの位置に対する器具の追跡アレイの位置に基づいて、システムは、現在の領域の軌跡を保持し、ニューラルネットワークモデルまたはツールの物理モデルを適切に解釈し、先端部の力及び変位を計算し得る。

一実施形態において、ロボットアームに取設された６軸ロードセルは、骨と器具の先端部との相互作用によって引き起こされる力及びモーメントを評価し得る。器具に加えられる横方向の力によりスカイビングが起こる場合、起こり得る任意のスカイビングを克服または軽減するために以下の方法が利用されてもよい。一実施形態において、器具の先端部は、鋭利かつ軸切削能力ならびに側部切削能力で骨を穿孔することができるように構成され得る。図１８に示されるように、器具の鋭利な先端部は、横方向の力が加えられるとき、掘削器に対して４５度の角度で表面を掘削するために類似していてもよい。具体的には、図１８は、軸切削能力を有する器具２００８を例解し、器具２０１０は傾斜表面を突く軸方向及び横方向側部切削能力を例解する。

好ましい実施形態において、鋭利な先端部を有する器具は、スカイビングの前に骨の表面を通って切断する。一部の場合において、器具がより高い切断面と共に提供される場合でさえ、スカイビングがまだ可能であり得る。これらの場合において、一実施形態において、繰り返す穿刺動作は、器具を骨の表面を通して、骨を移動することなく挿入するために使用され得る。このタッピングの動きは、外科医によって適用され得、図１９に例解されるように器具が骨の表面を通って進行したときに、穿孔への触覚応答が信号で伝えられる。図１９に示されるような段階的またはタッピングの動きは、スカイビングの発生を防止する。

本発明のいくつかの実施形態が前述の明細書に開示されているが、前述の説明及び関連する図面で提示される教示の利益を有する本発明に関係する多くの変化形態及び本発明の他の実施形態が想起されることが理解される。このため、本発明が本明細書で上に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。
特定の実施形態及び実施例に関連して本発明が上に説明されるが、本発明は必ずしも限定されず、多くの他の実施形態、実施例、使用、改変、及び実施形態からの逸脱、実施例及び使用は、本明細書に添付される請求項に包含されるように意図されることが、当業者によって理解されるであろう。本明細書において参照によって各かかる特許または出版物がそれぞれに組み込まれるように、本明細書に引用される各特許及び出版物の開示全体は、参照によって組み込まれる。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 (20)

1. 外科用ロボットシステムの外科用器具の予想される移動を検出するための方法であって、
   挿入力を外科用器具に加えて、前記器具を患者の骨の中へ駆動することと、
   前記挿入力と関連付けられた１つ以上の力を監視することであって、前記監視される力が、前記外科用器具上に位置付けられた１つ以上のセンサによって測定される、監視することと、
   前記監視される力を、外科手技について予想される、既定の範囲または閾値と比較することと、
   前記監視される力が、前記既定の範囲または閾値から外れたことを検出すると、前記ロボットシステムを介して、通知を提供することと、を含む、方法。
2. 前記外科用器具が、切削先端部を伴って構成される、請求項１に記載の方法。
3. 前記外科用器具が、前記ロボットシステムのエンドエフェクタに連結された誘導管を通して挿入される、請求項１に記載の方法。
4. 前記外科用器具が、前記外科用器具が骨に接触するとき、前記外科用器具に加えられた力を判定するためのセンサを含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記センサが、前記外科用器具が骨に接触するとき、前記外科用器具の偏向を測定する、請求項４に記載の方法。
6. 前記ロボットシステムが、前記外科用器具に加えられた前記力に基づいて、スカイビングが起こったかどうかを判定する、請求項１に記載の方法。
7. 前記外科用器具が、先細った先端部を含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記１つ以上の力が、前記ロボットシステムに対してｘ、ｙ、またはｚ方向のうちの少なくとも１つにおいて測定される、請求項１に記載の方法。
9. 前記外科用器具が、切削ツールである、請求項１に記載の方法。
10. 前記測定される力が、前記外科用器具に加えられた横方向の力である、請求項１に記載の方法。
11. ロボットシステムと関連付けられた外科用器具の予想される移動を検出するための外科用ロボットシステムであって、
    ロボット基部と、
    前記ロボット基部に接続され、かつそれと電子通信するロボットアームと、
    前記ロボットアームに接続され、かつ前記ロボット基部と電子通信するエンドエフェクタであって、前記エンドエフェクタが、誘導管を備え、
    １つ以上のセンサが、前記エンドエフェクタに連結された外科用器具上に位置付けられ、前記１つ以上のセンサが、前記誘導管内に配置された前記外科用器具の前記挿入力と関連付けられた力を測定するように構成され、
    前記ロボット基部が、前記測定された力を受信し、かつ前記測定された力が前記測定された力及びモーメントの予想される範囲から外れたときを示すように構成される、エンドエフェクタと、を備える、外科用ロボットシステム。
12. 前記ロボットシステムが、前記外科用器具に加えられたスカイビング力を示す通知を、前記ロボットシステムと関連付けられた表示器上に提供するように構成される、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記スカイビング力が、前記外科用器具に加えられた横方向の力である、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記外科用器具が、骨の中へ切削するための先細った先端部を含む、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記センサが、前記外科用器具の前記先端部の偏向を監視する、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記ロボットが、前記外科用器具の前記偏向を計算するためのニューラルネットワークを使用するように構成されている、請求項１１に記載のシステム。
17. 前記通知が、前記患者の内側の前記外科用器具の位置に基づいて、前記外科用器具が最大深さに到達したことを示す、請求項１１に記載のシステム。
18. 前記１つ以上の力が、前記ロボットシステムに対してｘ、ｙ、またはｚ方向のうちの少なくとも１つにおいて測定される、請求項１１に記載のシステム。
19. 前記外科用器具が、掘削器、千枚通し、タップ、及びスクリュードライバのうちの１つである、請求項１１に記載のシステム。
20. ロボットシステムと関連付けられた外科用器具の予想される移動を検出するための外科用ロボットシステムであって、
    ロボット基部と、
    前記ロボット基部に接続され、かつそれと電子通信するロボットアームと、
    前記ロボットアームに接続され、かつ前記ロボット基部と電子通信するエンドエフェクタであって、前記エンドエフェクタが、誘導管を備え、かつ外科用器具を受け入れるように構成され、
    １つ以上のセンサが、前記エンドエフェクタに連結された前記外科用器具上に位置付けられ、前記１つ以上のセンサが、前記誘導管内に配置された前記外科用器具の前記挿入力と関連付けられた力を測定するように構成され、
    前記１つ以上のセンサが、前記外科用器具に加えられたスカイビング力を測定する、エンドエフェクタと、を備える、外科用ロボットシステム。