JP2019202130A - 外科手術のロボットガイダンスに関連するシステムおよび方法 - Google Patents

外科手術のロボットガイダンスに関連するシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

【課題】位置フィードバックを利用し、患者の手術部位に対するロボットアームおよびツールの動きを正確に誘導するシステムを提供する。【解決手段】外科手術インプラント計画コンピュータは、患者の骨に対してインプラント装置を位置付ける。骨の初期画像２１００が取得され、インプラント装置上の位置と初期画像の骨に対する対応する位置との間のマッピングを定義するデータを含む初期位置データ構造が得られる。患者の骨の標的画像２１１０が取得され、標的画像の骨の対応する部分の輪郭に適合するための定義された規則を満たすために、初期画像の骨の一部分の輪郭を変換する変形マトリクスが生成される。初期位置データ構造に変形マトリクスを適用することに基づいて、変形した位置データ構造が生成される。インプラント装置のグラフィカル表現が、変形した位置データ構造に基づいて決定された骨の標的画像上の位置にオーバーレイ２１２０されて表示される。【選択図】図２１

Description

［関連出願の相互参照］
この出願は、２０１７年５月３１日に出願された米国特許出願第１５／６０９，３３４号の一部継続出願であり、これは、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、これは、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、これは、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、これは、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、これは、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、および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、および２０１８年１月１０日に出願された仮出願代６２／６１５，４９２号に対する優先権を主張し、これらの全てはその全体が本明細書に組み込まれる。
本開示は、医療装置に関し、より詳細には、手術用ロボットシステムと関連方法および関連装置に関する。
ロボット支援外科手術のための位置認識システムは、３次元（３Ｄ）における特定のオブジェクトの位置を決定し、それを追跡するために使用される。ロボット支援手術では、例えば、外科用器具のような特定のオブジェクトは、器具がロボットまたは医師によって位置決めされ、動かされるとき、高度の精度で追跡される必要がある。
赤外線信号に基づく位置認識システムは、オブジェクトを追跡するために能動および／または受動センサまたはマーカーを使用することができる。受動センサまたはマーカーでは、追跡されるオブジェクトは、反射球状ボールのような受動センサを含むことができ、受動センサは、追跡されるオブジェクトの戦略的位置に配置される。赤外線送信機は信号を送信し、反射球状ボールは信号を反射して、オブジェクトの３次元位置を決定するのを助ける。能動センサまたはマーカーにおいて、追跡されるオブジェクトは、発光ダイオード（ＬＥＤ）などのアクティブ赤外線送信機を含み、したがって、３Ｄ検出のためにそれ自身の赤外線信号を生成する。
能動または受動追跡センサのいずれかを用いて、システムは、一つまたは複数の赤外線カメラ、デジタル信号、能動および／または受動センサの既知の位置、距離、応答信号を受信するのに要した時間、他の既知の変数、またはそれらの組み合わせからの情報、またはそれらへの情報に基づいて、能動および／または受動センサの３次元位置を幾何学的に解決する。
したがって、位置フィードバックを利用して、患者の手術部位に対するロボットアームおよびツールの動きを正確に誘導する。現在、外科手術ロボットを使用するとき、ねじ、ツール、またはその他の外科手術インプラント装置が移植される所望の位置に対する外科手術計画の開発は、外科医によって手動で実施される。外科医は患者の医療画像を分析し、画像をマークアップして外科手術計画を作成しうる。各患者は異なるが、多くの類似点を共有する。したがって、外科手術計画を作成するために画像をマークアップするプロセスは、各ケースについて最初から開始する必要はない。これらの外科手術システムは、特定の骨の中へと移植される外科手術インプラント装置の特徴の計画、ならびに正確な場所、進入角度、および装置の移植の深さの計画のより自動化され、迅速かつ正確なプロセスから利益を得ることができる。こうしたプロセスは、以前の患者のために作成された成功した外科手術計画に基づくものでありうる。
本開示の様々な実施形態は、外科手術計画の自動生成を可能にし、および／または外科医が一つの医療画像に示す骨に関する外科手術インプラント装置を移植するための外科手術計画の開発することを可能にし、かつ別の医療画像に示される骨の中へと外科手術インプラント装置を移植するのに使用するための外科手術計画を自動的に変換する、外科手術システムを対象とする。一部の実施形態では、外科医は、骨の初期画像に対してインプラント装置の移植を計画でき、これはこの初期の画像または別の患者の画像に対応するか、または一般的な外科手術骨モデルに対応しうる。次に、手術または準備の間など、患者の骨の標的画像が得られた時、外科手術システムは、初期画像に示される一つまたは複数の骨輪郭を形質転換して、標的画像内の対応する一つまたは複数の骨輪郭に適合させることに関する変形マトリクスを生成できる。次に、外科手術システムは変形マトリクスを使用して、初期画像に対して開発された外科手術計画を今や標的画像に対して相対的であるように変換する。初期画像に示される骨に関して以前に特定されたインプラント装置の位置、進入角度、および移植深度および／またはインプラント装置のサイズは、それによって標的画像に示される骨に対して変換することができる。変形した外科手術計画は、外科医によるレビューのために表示されてもよく、および／または患者の骨に対する手術用ロボットシステムの外科手術エンドエフェクタの位置決めを制御するために、手術用ロボットシステムに提供されてもよい。
本発明の概念の一部の実施形態によれば、外科手術インプラント装置を患者の骨に対して配置するための外科手術インプラント計画コンピュータを操作するための方法が提供されている。骨の初期画像が取得される。外科手術インプラント装置上の一組の位置と、初期画像の骨に対する対応する位置との間のマッピングを定義するデータを含む初期位置データ構造が得られる。患者の骨の標的画像が取得される。標的画像の骨の対応する部分の輪郭に適合するための定義された規則を満たすために、初期画像の骨の一部分の輪郭を変換する変形マトリクスが生成される。初期位置データ構造に変形マトリクスを適用することに基づいて、変形した位置データ構造が生成される。外科手術インプラント装置のグラフィカル表現が、変形した位置データ構造に基づいて決定された骨の標的画像上の位置にオーバーレイされて表示される。
一部のさらなる実施形態では、変形した位置データ構造は、変形した位置データ構造のデータに基づいて、患者の骨における位置に対する手術用ロボットシステムの外科手術エンドエフェクタの位置決めを制御するための手術用ロボットシステムに提供される。骨の標的画像の基準座標系における変形した位置データ構造によって定義される場所は、外科手術エンドエフェクタの別の基準座標系に変換することができる。患者の骨上の位置に対して外科手術エンドエフェクタを位置決めするための手術用ロボットシステムによる外科手術エンドエフェクタの移動は、変形した位置に基づいて制御され、患者の骨内への外科手術インプラント装置の移植を容易にすることができる。
対応する外科手術インプラント計画コンピュータ、外科手術システム、およびコンピュータプログラム製品が開示されている。
本発明の主題の実施形態による外科手術インプラント計画コンピュータ、外科手術システム、およびコンピュータプログラム製品に対応するさらに他の方法が、以下の図面および詳細な説明を検討することにより当業者に明らかであり、または明らかになるであろう。このような方法、外科手術インプラント計画コンピュータ、外科手術システム、およびコンピュータプログラム製品は全て、本明細書の記載内に含まれ、本発明の主題の範囲内であり、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図される。さらに、本明細書で開示されるすべての実施形態は、別々に実装されてもよく、または任意の方法および／または組み合わせで組み合わされて実装されてもよい。
本開示のさらなる理解を提供するために含まれ、本出願の一部を構成する添付の図面は、本発明の概念の特定の非限定的な実施形態を示す。図面において：
図１は、外科施術中のロボットシステム、患者、外科医、および他の医療従事者の位置のあり得る配置の俯瞰図である。 図２は、一実施形態による、患者に対する手術用ロボットおよびカメラの位置決めを含むロボットシステムを示す。 図３は、例示的な実施形態による手術用ロボットシステムを示す。 図４は、例示的な実施形態による手術用ロボットの一部を示す。 図５は、例示的な実施形態による手術用ロボットのブロック図を示す。 図６は、例示的な実施形態による手術用ロボットを示す。 図７Ａは、例示的な実施形態によるエンドエフェクタを示す。 図７Ｂは、例示的な実施形態によるエンドエフェクタを示す。 図７Ｃは、例示的な実施形態によるエンドエフェクタを示す。 図８は、一実施形態によるエンドエフェクタのガイドチューブ内に外科用器具を挿入する前後の外科用器具およびエンドエフェクタを示す。 図９Ａは、例示的な実施形態によるエンドエフェクタおよびロボットアームの部分を示す。 図９Ｂは、例示的な実施形態によるエンドエフェクタおよびロボットアームの部分を示す。 図９Ｃは、例示的な実施形態によるエンドエフェクタおよびロボットアームの部分を示す。 図１０は、例示的な実施形態による動的基準アレイ、撮像アレイ、および他のコンポーネントを示す。 図１１は、例示的な実施形態による登録の方法を示す。 図１２Ａは、例示的な実施形態による撮像装置の実施形態を示す。 図１２Ｂは、例示的な実施形態による撮像装置の実施形態を示す。 図１３Ａは、例示的な実施形態による、ロボットアームとエンドエフェクタとを含むロボットの一部を示す。 図１３Ｂは、エンドエフェクタの拡大図であり、図１３Ａに示すように、複数の追跡マーカーがその上にしっかりと固定される。 図１３Ｃは、一実施形態による、複数の追跡マーカーがその上にしっかりと固定されたツールまたは器具である。 図１４Ａは、第一構成の可動追跡マーカーを有するエンドエフェクタの代替バージョンである。 図１４Ｂは、第二の構成の可動追跡マーカーを有する図１４Ａに示すエンドエフェクタである。 図１４Ｃは、図１４Ａの第一の構成における追跡マーカーのテンプレートを示す。 図１４Ｄは、図１４Ｂの第二の構成における追跡マーカーのテンプレートを示す。 図１５Ａは、単一の追跡マーカーのみがその上に固定されたエンドエフェクタの代替バージョンを示す。 図１５Ｂは、ガイドチューブを介して配置された器具を有する図１５Ａのエンドエフェクタを示す。 図１５Ｃは、二つの異なる位置に器具を有する図１５Ａのエンドエフェクタを示し、器具がガイドチューブ内にまたはガイドチューブの外側に配置されるかどうかを決定するための結果のロジックを示す。 図１５Ｄは、図１５Ａのエンドエフェクタを示すが、器具は、二つの異なるフレームでかつガイドチューブ上の単一の追跡マーカーに対して相対的な距離でガイドチューブ内にある。 図１５Ｅは、座標系に対して図１５Ａのエンドエフェクタを示す。 図１６は、ロボットのエンドエフェクタを所望の標的軌道にナビゲートして移動させる方法のブロック図である。 また、図１７Ａおよび図１７Ｂは、それぞれ、収縮および拡張位置に固定および可動追跡マーカーを有する拡張可能インプラントを挿入するための器具を示す。 また、図１８Ａおよび図１８Ｂは、それぞれ、挿入位置および傾斜位置に固定および可動追跡マーカーを有する関節のあるインプラントを挿入するための器具を示す。 図１９Ａは、交換可能または代替のエンドエフェクタを含むロボットの一実施形態を示す。 図１９Ｂは、器具スタイルのエンドエフェクタが結合されたロボットの実施形態を示す。 図２０は、一部の例示的な実施形態に従って動作する手術用ロボットシステムに接続された外科手術インプラント計画コンピュータを含む外科手術システムのブロック図を示す。 図２１は、いくつかの例示的な実施形態による、標的画像内の骨の上のオーバーレイ用の初期画像において外科手術インプラント装置を骨に対して移植するための外科手術計画を変換する変形マトリクスを生成するためにディスプレイ装置に表示することができる一連の画像および外科手術インプラント計画コンピュータによって実行される関連操作を示す。 図２２は、一部の例示的な実施形態による、外科手術インプラント計画コンピュータによる動作のフローチャートを図示する。 図２３は、一部の例示的な実施形態による、外科手術インプラント計画コンピュータによる動作のフローチャートを図示する。 図２４は、一部の例示的な実施形態による動作を介してディスプレイ装置上に表示され得るオーバーレイされた外科手術インプラント装置を有する骨の一組の画像を示す。 図２５は、一部の例示的な実施形態による、図２４に示す画像の骨に対する外科手術インプラント装置の位置を調節するための、外科手術インプラント計画コンピュータによる操作のフローチャートを図示する。 図２６は、一部の例示的な実施形態に従って動作するように構成された外科手術インプラント計画コンピュータの構成要素のブロック図を示す。
以下の議論は、当業者が本開示の実施形態を作成し使用することを可能にするために提示される。例解された実施形態に対する様々な変更は、当業者には容易に明らかであり、本明細書の原理は、本開示の実施形態から逸脱することなく他の実施形態およびアプリケーションに適用することができる。したがって、実施形態は、示された実施形態に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示された原理および特徴と一致する最も広い範囲が与えられるべきである。以下の詳細な説明は、図面を参照して読まれるべきであり、異なる図における同様の要素は、同様の参照番号を有する。必ずしも縮尺通りではない図面は、選択された実施形態を示しており、実施形態の範囲を限定するものではない。当業者は、本明細書で提供される例が多くの有用な代替物を有し、実施形態の範囲内に入ることを認識するであろう。
上述のように、外科医は、患者の医療画像を解析し、その画像をマーキングして、装置の移植を支援する外科手術ロボットを使用するときには、ねじ、器具、または他の外科手術インプラント装置が移植される所望の場所に対する外科手術計画を作成することができる。手術用ロボットシステムを使用する場合、所望のねじ位置は、コンピュータ化されたインターフェースを使用して手術前に計画してもよい。このインターフェースでは、外科医は、ＣＴスキャン、Ｘ線、またはＭＲＩなどの患者の医療画像の図をスクロールし、またはそうでなければ操作して、骨の表示された医療画像上に重なり合うねじの所望の位置を表すグラフィックオブジェクトを位置決めする。システムは、通常、医療画像の体積スキャンの座標系における各ねじの先端およびテールのｘ、ｙ、ｚデカルト座標を保存することによって、または透視検査のガイダンスの場合には、フルオロ撮影画像が投影される、座標システム内の先端およびテールの位置座標を保存することによって、計画されたねじ位置をシステムメモリに保存する。後に、ロボットが起動されると、ねじ位置が計画されている座標系は、追跡カメラの座標系に登録され、ロボットは計画された位置に移動し、ねじ穴の準備およびねじの挿入のためのガイド管を保持する。
本明細書に開示される様々な実施形態によれば、外科手術計画プロセスは、外科医が患者の画像を見る前にねじおよび／または外科手術インプラント装置の所望の位置を自動的に予測し、ねじまたは他の装置配置（好ましい深さ、好ましい角度など）に関する外科医の好みを、初期医療画像に関して自動的な予測外科手術計画に組み込むことができる、外科手術インプラント計画コンピュータを提供することによって改善される。代替的または追加的に、外科手術インプラント計画コンピュータは、初期医療画像に対してねじまたはその他のインプラント装置を移植するための外科医によって開発された初期手術計画を取得する。システムは、初期医療画像に関して作製された自動予測外科手術計画および／または外科医の初期外科手術計画を、標的医療画像に示される骨に外科手術インプラント装置を移植するのに使用するための変形計画に変換する。こうした自動的な計画は、手術に必要な時間を減少させ、計画の精度を高めることができる。
骨にねじを移植するための外科手術計画を開発する文脈において、様々な実施形態が記載されているが、本開示はこれに限定されない。本明細書に開示される実施形態は、任意のタイプの外科手術インプラント装置の骨、組織、軟骨、またはその他の解剖学的構造への移植を計画するために使用され得る。
一例としての手術用ロボットシステムは、初めは以下に詳細に記述され、次いで本開示の実施形態による、外科手術システムの一部として、外科手術インプラント計画コンピュータの様々な構成および動作が記述される。
［手術用ロボットシステム］
ここで図面を参照すると、図１および図２は、例示的な実施形態による手術用ロボットシステム１００を示す。手術用ロボットシステム１００は、例えば、手術用ロボット１０２と、一つまたは複数のロボットアーム１０４と、基部１０６と、ディスプレイ１１０と、ガイドチューブ１１４を含むエンドエフェクタ１１２と、一つまたは複数の追跡マーカー１１８とを含む。手術用ロボットシステム１００は、患者２１０に直接（例えば、患者２１０の骨に）固定されるように適合された一つまたは複数の追跡マーカー１１８も含む患者追跡装置１１６を含むことができる。手術用ロボットシステム１００は、例えば、カメラスタンド２０２上に位置決めされたカメラ２００を利用することもできる。カメラスタンド２０２は、カメラ２００を所望の位置に移動させ、方向付けし、支持するための任意の適切な構成を有することができる。カメラ２００は、カメラ２００の視点から見ることができる所与の測定ボリューム内にある、例えば能動的および受動的な追跡マーカー１１８（図２の患者追跡装置１１６の一部として示され、図１３Ａ−１３Ｂの拡大図によって示される）を識別することができる、一つまたは複数の赤外線カメラ（例えば、二焦点カメラまたはステレオ写真カメラ）などの適切なカメラを含んでもよい。カメラ２００は、所与の測定ボリュームを走査し、マーカー１１８から来る光を検出して、マーカー１１８の三次元での位置を識別し、決定することができる。例えば、能動マーカー１１８は、電気信号によって作動する赤外線発光マーカー（例えば、赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ））を含むことができ、および／または、受動マーカー１１８は、例えば、カメラ２００上の照明器または他の適切な装置によって発光される、赤外線を反射する再帰反射マーカー（例えば、それらは、入射ＩＲ照射を入射光の方向へ反射する）を含むことができる。
また、図１および図２は、手術室環境における手術用ロボットシステム１００の配置のあり得る構成を示す。例えば、ロボット１０２は、患者２１０の近くに、または患者２１０の隣に配置することができる。患者２１０の頭の近くに描かれているが、ロボット１０２は、手術を受ける患者２１０の領域に応じて、患者２１０の近くの任意の適切な場所に配置することができることが理解されよう。カメラ２００は、ロボットシステム１００から分離され、患者２１０の足に配置されてもよい。この位置は、カメラ２００が外科手術領域２０８に対して視覚的に直接視線を有することを可能にする。ここでも、カメラ２００は、外科手術領域２０８に対し視線を有する任意の適切な位置に配置することができると考えられる。示された構成では、外科医１２０はロボット１０２の反対側に配置されるが、依然としてエンドエフェクタ１１２およびディスプレイ１１０を操作することができる。外科医助手１２６もエンドエフェクタ１１２とディスプレイ１１０の両方にアクセスできるよう、外科医１２０の反対側に、配置することができる。必要に応じて、外科医１２０と助手１２６の位置を逆にしてもよい。麻酔医１２２および看護師または手術室技師１２４のための従来からの領域は、ロボット１０２およびカメラ２００の位置によって妨げられないままであり得る。
ロボット１０２の他のコンポーネントに関して、ディスプレイ１１０は、手術用ロボット１０２に取り付けることができ、他の例示的な実施形態では、ディスプレイ１１０は、外科手術用ロボット１０２から離され、手術用ロボット１０２と一緒に手術室内か、または、遠隔地に置かれる。エンドエフェクタ１１２は、ロボットアーム１０４に結合され、少なくとも一つのモータによって制御されてもよい。例示的な実施形態では、エンドエフェクタ１１２は、患者２１０に対して外科手術を行うために使用される外科用器具６０８（本明細書でさらに説明する）を受け入れて配向することができるガイドチューブ１１４を含むことができる。本明細書で使用される用語「エンドエフェクタ」は、「エンドエフェクチュエータ」および「エフェクチュエータ要素」という用語と交換可能に使用される。概してガイドチューブ１１４で示されるが、エンドエフェクタ１１２は、外科手術での使用に適した任意の適切な器具で置き換えることができることが理解されよう。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ１１２は、外科用器具６０８の移動を所望の方法で行うための任意の既知の構造を含むことができる。
手術用ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２の並進および配向を制御することができる。ロボット１０２は、例えば、エンドエフェクタ１１２をｘ、ｙ、ｚ軸に沿って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に関連するオイラーアングル（例えば、ロール、ピッチ、および／またはヨー）の一つまたは複数が選択的に制御できるように）ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の一つまたは複数、およびｚフレーム軸の回りに選択的に回転するよう構成することができる。いくつかの例示的な実施形態では、エンドエフェクタ１１２の並進および配向の選択的制御は、例えば、回転軸のみを含む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、大幅に改善された正確性を有する医療処置の実行を可能にする。例えば、手術用ロボットシステム１００は患者２１０上で動作するために使用され、ロボットアーム１０４は患者２１０の身体の上方に位置決めされ、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され得る。
いくつかの例示的な実施形態では、外科用器具６０８の位置を動的に更新して、手術用ロボット１０２が手術中に外科用器具６０８の位置を常に知ることができるようにすることができる。その結果、いくつかの例示的な実施形態では、手術用ロボット１０２は、（医師が望む場合を除いて）外科用器具６０８を医師のさらなる助けなしに素早く所望の位置に移動させることができる。さらなるいくつかの実施形態では、外科用器具６０８が選択されたあらかじめ計画された軌道から逸脱する場合、外科用器具６０８の経路を修正するように手術用ロボット１０２を構成することができる。いくつかの例示的な実施形態では、手術用ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２および／または外科用器具６０８の動きの停止、変更、および／または手動制御を可能にするように構成され得る。したがって、使用中、例示的な実施形態では、医師または他のユーザは、システム１００を操作することができ、エンドエフェクタ１１２および／または外科用器具６０８の自律移動を停止、修正、または手動で制御する選択肢を有する。手術用ロボット１０２による外科用器具６０８の制御および移動を含む手術用ロボットシステム１００のさらなる詳細は、同時係属中の米国特許出願番号１３／９２４，５０５に見出すことができ、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
ロボット外科手術システム１００は、ロボットアーム１０４、エンドエフェクタ１１２、患者２１０、および／または外科用器具６０８の三次元での動きを追跡するように構成される一つまたは複数の追跡マーカー１１８を含むことができる。例示的な実施形態では、複数の追跡マーカー１１８を、例えばロボット１０２の基部１０６上、ロボットアーム１０４上、および／または、エンドエフェクタ１１２上等のロボット１０２の外面に取り付ける（そうでなければ固定する）ことができるが、これに限定されない。例示的な実施形態では、複数の追跡マーカー１１８のうちの少なくとも一つの追跡マーカー１１８をエンドエフェクタ１１２に取り付けるか、または別の方法で固定することができる。一つまたは複数の追跡マーカー１１８は、患者２１０にさらに取り付けてもよい（または別の方法で固定されてもよい）。例示的な実施形態では、外科医、外科用ツール、またはロボット１０２の他の部分によって不明瞭になる可能性を低減するために、複数の追跡マーカー１１８を外科手術領域２０８から離れた患者２１０上に配置することができる。さらに、一つまたは複数の追跡マーカー１１８を外科用ツール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など）にさらに取り付ける（または別の方法で固定する）ことができる。したがって、追跡マーカー１１８は、マークされたオブジェクト（例えば、エンドエフェクタ１１２、患者２１０、および外科用ツール６０８）のそれぞれをロボット１０２によって追跡することを可能にする。例示的な実施形態では、システム１００は、マークされたオブジェクトのそれぞれから収集された追跡情報を使用して、例えばエンドエフェクタ１１２、外科用器具６０８（例えば、エンドエフェクタ１１２のチューブ１１４内に配置される）の配向と位置および患者２１０の相対位置計算することができる。
マーカー１１８は、放射線不透過性または光学マーカーを含むことができる。マーカー１１８は、球形、回転楕円形、円筒形、立方体、直方体などを含む適切な形状にすることができる。例示的な実施形態では、一つまたは複数のマーカー１１８は光学マーカーであってもよい。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ１１２上の一つまたは複数の追跡マーカー１１８の位置決めは、エンドエフェクタ１１２の位置を確認または確認するよう機能することによって、位置測定の精度を最大にすることができる。手術用ロボット１０２および外科用器具６０８の制御、移動および追跡を含む手術用ロボットシステム１００のさらなる詳細は、米国特許出願第２０１６／０２４２８４９号に見つけることができ、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
例示的な実施形態は、外科用器具６０８に結合された一つまたは複数のマーカー１１８を含む。例示的な実施形態では、例えば、患者２１０および外科用器具６０８に結合されたこれらのマーカー１１８、ならびにロボット１０２のエンドエフェクタ１１２に結合されたマーカー１１８は、従来の赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ）、またはＯｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）のような市販の赤外線光学追跡システムを使用して追跡可能なＯｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）ダイオードを含むことができる。Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）は、カナダ、オンタリオ州、ウォータールーのＮｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｃ．の登録商標である。他の実施形態では、マーカー１１８は、Ｐｏｌａｒｉｓ Ｓｐｅｃｔｒａなどの市販の光学追跡システムを使用して追跡することができる従来の反射球を含むことができる。Ｐｏｌａｒｉｓ ＳｐｅｃｔｒａはＮｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ，Ｉｎｃ．の登録商標である。例示的な実施形態では、エンドエフェクタ１１２に結合されたマーカー１１８は、オンおよびオフにすることができる赤外線発光ダイオードを含む能動マーカーであり、患者２１０および外科用器具６０８に結合されたマーカー１１８は受動反射球体を含む。
例示的な実施形態では、マーカー１１８から放射された、および／またはマーカー１１８によって反射された光は、カメラ２００によって検出され、マークされたオブジェクトの位置および動きを監視するために使用され得る。代替的な実施形態では、マーカー１１８は、無線周波数および／または電磁気反射器または受信機を含むことができ、カメラ２００は、無線周波数および／または電磁気受信機を含むか、またはそれらに置き換えることができる。
手術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に従う、ドッキングされた構成の手術用ロボットシステム３００およびカメラスタンド３０２を示す。手術用ロボットシステム３００は、ディスプレイ３０４と、上アーム３０６と、下アーム３０８と、エンドエフェクタ３１０と、縦柱３１２と、キャスター３１４と、キャビネット３１６と、タブレット引出し３１８と、コネクタパネル３２０と、制御パネル３２２と、情報のリング３２４とを含むロボット３０１を含む。カメラスタンド３０２は、カメラ３２６を含むことができる。これらのコンポーネントは、図５を参照してより拡大して説明される。図３は、例えば使用されていないときに、カメラスタンド３０２がロボット３０１と入れ子になっているドッキング構成の手術用ロボットシステム３００を示す。当業者であれば、カメラ３２６およびロボット３０１は、互いに分離され、外科施術中に、例えば、図１および図２に示されるように、任意の適切な位置に配置され得ることが理解されよう。
図４は、本開示の例示的な実施形態と一致する基部４００を示す。基部４００は、手術用ロボットシステム３００の一部であってもよく、キャビネット３１６を含んでもよい。キャビネット３１６は、バッテリ４０２、電力分配モジュール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、およびタブレット引出し４１４を含むがこれに限定されない手術用ロボットシステム３００の特定のコンポーネントを収容することができる。これらのコンポーネント間の接続および関係は、図５を参照してより詳細に説明される。
図５は、手術用ロボットシステム３００の例示的な実施形態の特定のコンポーネントのブロック図を示す。手術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、動作制御サブシステム５０６、および追跡サブシステム５３２を含むことができる。プラットフォームサブシステム５０２は、バッテリ４０２、電力分配モジュール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、およびタブレット充電ステーション５３４をさらに含むことができる。コンピュータサブシステム５０４は、コンピュータ４０８、ディスプレイ３０４、およびスピーカ５３６をさらに含むことができる。動作制御サブシステム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、およびコントローラ５３８をさらに含むことができる。追跡サブシステム５３２は、位置センサ５４０およびカメラ変換器５４２をさらに含むことができる。システム３００はまた、フットペダル５４４およびタブレット５４６を含むことができる。
入力電力は、電力分配モジュール４０４に供給され得る電源５４８を介してシステム３００に供給される。電力分配モジュール４０４は、入力電力を受け取り、システム３００の他のモジュール、コンポーネント、およびサブシステムに提供される異なる電源供給電圧を生成するように構成される。電力分配モジュール４０４は、プラットフォームインターフェースモジュール４０６に異なる電圧を供給するように構成することができるが、電圧は、コンピュータ４０８、ディスプレイ３０４、スピーカ５３６、例えば電力モータ５１２、５１４、５１６、５１８およびエンドエフェクタ３１０のドライバ５０８、モータ５１０、リング３２４、カメラ変換器５４２、およびシステム３００のための他のコンポーネント（例えばキャビネット３１６内の電気部品を冷却するためのファン）、などの他のコンポーネントに提供することができる。
電力分配モジュール４０４はまた、タブレット引出し３１８内に配置され得るタブレット充電ステーション５３４などの他のコンポーネントに電力を供給し得る。タブレット充電ステーション５３４は、テーブル５４６の充電のために、タブレット５４６との無線または有線通信してもよい。タブレット５４６は、本開示と一致し、本明細書に記載される外科医によって使用され得る。
電力分配モジュール４０４は、電力分配モジュール４０４が入力電力５４８から電力を受け取らない場合に一時的な電源として働くバッテリ４０２に接続されてもよい。他の時には、電力分配モジュール４０４は、必要に応じてバッテリ４０２を充電するように働くことができる。
プラットフォームサブシステム５０２の他のコンポーネントは、コネクタパネル３２０、制御パネル３２２、およびリング３２４も含むことができる。コネクタパネル３２０は、異なる装置およびコンポーネントをシステム３００および／または関連するコンポーネントおよびモジュールに接続するように機能することができる。コネクタパネル３２０は、異なるコンポーネントからラインまたは接続を受ける一つまたは複数のポートを含むことができる。例えば、コネクタパネル３２０は、システム３００を他の機器に接地する接地端子ポート、フットペダル５４４をシステム３００に接続するポート、追跡サブシステム５３２（位置センサ５４０、カメラ変換器５４２、カメラスタンド３０２に関連するカメラ３２６と、を含むことができる）に接続するポートを有することができる。コネクタパネル３２０は、コンピュータ４０８のような他のコンポーネントへのＵＳＢ、イーサネット(登録商標)、ＨＤＭＩ(登録商標)通信を可能にする他のポートを含むこともできる。
制御パネル３２２は、システム３００の動作を制御する、および／またはシステム３００に関する情報を提供する様々なボタンまたはインジケータを提供することができる。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するためのボタン、縦柱３１２を上げるか、または下げるためのボタン、およびシステム３００を物理的に移動させるのを防ぐためにキャスター３１４に係合するように設計された安定器５２０〜５２６を上げるかまたは下げるためのボタンを含むことができる。緊急事態が発生した場合には、他のボタンがシステム３００を停止させてもよいが、これによりすべてのモータ動力が除去され、機械的ブレーキが加えられてすべての動作が停止する。制御パネル３２２はまた、バッテリ４０２のライン電力インジケータまたは充電状態などの特定のシステム状態をユーザに通知するインジケータを有することができる。
リング３２４は、システム３００のユーザに、システム３００が動作している異なるモードおよびユーザに対するある種の警告を通知する視覚的インジケータとすることができる。
コンピュータサブシステム５０４は、コンピュータ４０８と、ディスプレイ３０４と、スピーカ５３６とを含む。コンピュータ５０４は、システム３００を動作させるオペレーティングシステムと、ソフトウェアとを含む。コンピュータ５０４は、ユーザに情報を表示するために、他のコンポーネント（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、および／または動作制御サブシステム５０６）から情報を受信し処理することができる。さらに、コンピュータサブシステム５０４は、ユーザにオーディオを提供するスピーカ５３６を含むこともできる。
追跡サブシステム５３２は、位置センサ５０４と変換器５４２とを含むことができる。追跡サブシステム５３２は、図３に関して説明したカメラ３２６を含むカメラスタンド３０２に対応することができる。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、外科施術中にユーザが使用するシステム３００の異なるコンポーネントおよび／または器具上に位置する特定のマーカーの位置を追跡することができる。この追跡は、それぞれ、ＬＥＤまたは反射マーカーなどの能動または受動素子の位置を追跡する赤外線技術の使用を含む、本開示と一致する方法で行われてもよい。これらのタイプのマーカーを有する構造体の位置、配向、および配置は、ディスプレイ３０４上のユーザに示されるコンピュータ４０８に提供されてもよい。例えば、これらのタイプのマーカーを有し、このようにして（ナビゲーション空間と呼ぶことができる）追跡される外科用器具６０８は、患者の解剖学的構造の三次元画像に関連してユーザに示されてもよい。
動作制御サブシステム５０６は、縦柱３１２、上アーム３０６、下アーム３０８、を物理的に移動させ、または回転エンドエフェクタ３１０回転させるように構成することができる。物理的な移動は、一つまたは複数のモータ５１０〜５１８の使用を通じて行うことができる。例えば、モータ５１０は縦柱３１２を垂直に持ち上げるかまたは下降させるように構成することができる。モータ５１２は、図３に示すように、縦柱３１２との係合点の周りで上アーム３０８を横方向に移動させるように構成することができる。モータ５１４は、図３に示すように、下アーム３０８を上アーム３０８との係合点の周りで横方向に移動させるように構成することができる。モータ５１６および５１８は、ひとつがロールを制御し、ひとつが傾斜を制御して、エンドエフェクタ３１０を移動させるように構成することができ、それによって、エンドエフェクタ３１０を移動させることができる複数の角度を提供することができる。これらの動きは、エンドエフェクタ３１０上に配置され、ユーザが所望の方法でシステム３００を移動させるためにこれらのロードセルに係合することによって起動される、ロードセルを介してこれらの動きを制御するコントローラ５３８によって達成され得る。
さらに、システム３００は、ディスプレイ３０４（タッチスクリーン入力装置とすることができる）上でユーザがディスプレイ３０４上の患者の解剖学的構造の三次元画像上の外科用器具または構成要素の位置を示すことにより、縦柱３１２、上アーム３０６、および下アーム３０８の自動移動を提供することができる。ユーザは、フットペダル５４４またはいくつかの他の入力手段を踏んでこの自動移動を開始することができる。
図６は、例示的な実施形態による手術用ロボットシステム６００を示す。手術用ロボットシステム６００はと、エンドエフェクタ６０２と、ロボットアーム６０４と、ガイドチューブ６０６と、器具６０８と、ロボット基部６１０とを含むことができる。器具ツール６０８は、一つまたは複数の追跡マーカー（マーカー１１８など）を含む追跡アレイ６１２に取り付けられ、関連する軌道６１４を有することができる。軌道６１４は、ガイドチューブ６０６を通って位置決めされるかまたは固定されると、器具ツール６０８が移動するように構成される移動経路（例えば器具ツール６０８が患者に挿入される経路など）を表すことができる。例示的な動作では、ロボット基部６１０は、ロボットアーム６０４およびエンドエフェクタ６０２と電子的に通信するように構成され、手術用ロボットシステム６００は、患者２１０上で動作する際、ユーザ（例えば外科医）を支援する。手術用ロボットシステム６００は、前述した手術用ロボットシステム１００および３００と一致し得る。
追跡アレイ６１２は、器具ツール６０８の位置および配向を監視するために、器具６０８に据え付けられてもよい。追跡アレイ６１２は、器具６０８に取り付けられてもよく、追跡マーカー８０４を含んでもよい。図８に最もよく示されるように、追跡マーカー８０４は、例えば、発光ダイオードおよび／または他のタイプの反射マーカー（例えば、本明細書の別の場所で説明したマーカー１１８）であってもよい。追跡装置は、手術用ロボットシステムに関連する一つまたは複数の視線装置であってもよい。例として、追跡装置は、手術用ロボットシステム１００、３００に関連する一つまたは複数のカメラ２００、３２６であってもよく、ロボットアーム６０４、ロボット基部６１０、エンドエフェクタ６０２、および／または患者２１０に関連して器具６０８の定義された領域または相対的な配向について追跡アレイ６１２を追跡してもよい。追跡装置は、カメラスタンド３０２および追跡サブシステム５３２に関連して説明した構造と一致していてもよい。
また、図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃは、例示的な実施形態によるエンドエフェクタ６０２の上面図、正面図、および側面図をそれぞれ示す。エンドエフェクタ６０２は、一つまたは複数の追跡マーカー７０２を含むことができる。追跡マーカー７０２は、発光ダイオードまたは他のタイプの能動および受動マーカー、例えば前述の追跡マーカー１１８であってもよい。例示的な実施形態では、追跡マーカー７０２は、電気信号（例えば、赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ））によって起動される能動赤外線発光マーカーである。したがって、追跡マーカー７０２は、赤外線マーカー７０２がカメラ２００、３２６に見えるようにアクティブにしてもよい、または赤外線マーカー７０２がカメラ２００、３２６には見えないように非アクティブにしてもよい。したがって、マーカー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、マーカー７０２が非アクティブ化されると、エンドエフェクタ６０２は所定の位置にロックされ、システム１００、３００、６００によっては動くことができない。
マーカー７０２は、マーカー７０２が一つまたは複数のカメラ２００、３２６、または手術用ロボットシステム１００、３００、６００に関連する他の追跡装置によって視認されるように、エンドエフェクタ６０２の上または内部に配置されてもよい。カメラ２００、３２６または他の追跡装置は、追跡マーカー７０２の移動に追従して異なる位置および視野角に移動するときにエンドエフェクタ６０２を追跡することができる。マーカー７０２および／またはエンドエフェクタ６０２の位置は、手術用ロボットシステム１００、３００、６００に関連するディスプレイ１１０、３０４、例えば図２に示すディスプレイ１１０および／または図３に示すディスプレイ３０４に示されてもよい。このディスプレイ１１０、３０４により、ユーザは、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、および／またはユーザに対して望ましい位置にあることを確実にすることができる。
例えば、図７Ａに示すように、外科手術領域２０８から離れて配置され、ロボット１０２、３０１およびカメラ２００、３２６の方を向いている追跡装置が、追跡装置に対するエンドエフェクタ６０２の一般的な配向の範囲を通って少なくとも３つのマーカー７０２を見ることができるよう、マーカー７０２はエンドエフェクタ６０２の表面の周りに配置され得る。例えば、このようにマーカー７０２を分布させることにより、エンドエフェクタ６０２が外科手術領域２０８内で移動および回転されるときに、追跡装置によってエンドエフェクタ６０２を監視することが可能になる。
さらに、例示的な実施形態では、エンドエフェクタ６０２は、外部カメラ２００、３２６がマーカー７０２を読み取る準備ができているときを検出することができる赤外線（ＩＲ）受信機を含むことができる。この検出に際して、エンドエフェクタ６０２はマーカー７０２を照らすことができる。外部カメラ２００、３２６がマーカー７０２を読み取る準備ができていることをＩＲ受信機が検出することにより、発光ダイオードであってもよいマーカー７０２のデューティサイクルを外部カメラ２００、３２６に同期させる必要があることを知らせることができる。これはまた、全体としてロボットシステムによるより低い電力消費を可能にすることができ、それにより、マーカー７０２は、連続的に照射される代わりに適切な時間にのみ照射される。さらに、例示的な実施形態では、マーカー７０２の電源をオフにして、異なるタイプの外科用器具６０８などの他のナビゲーションツールとの干渉を防止することができる。
図８は、追跡アレイ６１２および追跡マーカー８０４を含む一つのタイプの外科用器具６０８を示す。追跡マーカー８０４は発光ダイオードまたは反射球を含む、本明細書に記載された任意のタイプのものでよいが、これに、限定するものではない。マーカー８０４は、手術用ロボットシステム１００、３００、６００に関連する追跡装置によって監視され、一つまたは複数の視線カメラ２００、３２６であってもよい。カメラ２００、３２６は、追跡アレイ６１２およびマーカー８０４の位置および配向に基づいて器具６０８の位置を追跡することができる。外科医１２０のようなユーザは、追跡アレイ６１２およびマーカー８０４が、追跡装置またはカメラ２００、３２６によって十分に認識され、器具６０８およびマーカー８０４を、例えば例示的な手術用ロボットシステムのディスプレイ１１０上に表示するように器具６０８を向けることができる。
外科医１２０が器具６０８をエンドエフェクタ６０２のガイドチューブ６０６内に配置し、器具６０８を調整する方法は、図８において明らかである。エンドエフェクタ１１２、３１０、６０２の中空チューブまたはガイドチューブ１１４、６０６は、外科用器具６０８の少なくとも一部分を受容するような大きさおよび構成を有する。ガイドチューブ１１４、６０６は、外科用器具６０８の挿入および軌道が患者２１０の体内または体上の所望の解剖学的標的に到達できるように、ロボットアーム１０４によって方向付けられるように構成される。外科用器具６０８は、略円筒形の器具の少なくとも一部を含み得る。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によって位置決めされてもよいことは理解されよう。一例として、外科用器具６０８は、一つまたは複数のガイドワイヤ、カニューレ、レトラクタ、ドリル、リーマ、スクリュードライバ、挿入ツール、除去ツールなどを含み得る。中空チューブ１１４、６０６は全体として円筒形状を有するものとして示されるが、当業者であれば、ガイドチューブ１１４、６０６は、外科用器具６０８を収容し、手術部位にアクセスするのに望ましい任意の適切なサイズおよび構成を有することができる。
また、図９Ａ〜図９Ｃは、例示的な実施形態によるエンドエフェクタ６０２およびロボットアーム６０４の一部を示す。エンドエフェクタ６０２は、本体１２０２およびクランプ１２０４をさらに含むことができる。クランプ１２０４は、ハンドル１２０６、ボール１２０８、バネ１２１０、およびリップ１２１２を含むことができる。ロボットアーム６０４は、窪み１２１４、取り付けプレート１２１６、リップ１２１８、および磁石１２２０をさらに含むことができる。
エンドエフェクタ６０２は、一つまたは複数のカップリングを介して手術用ロボットシステムおよびロボットアーム６０４と機械的にインターフェースおよび／または係合することができる。例えば、エンドエフェクタ６０２は、位置決めカップリングおよび／または補強カップリングを介してロボットアーム６０４と係合することができる。これらの結合によって、エンドエフェクタ６０２は、可撓性で無菌の障壁の外側でロボットアーム６０４に固定することができる。例示的な実施形態では位置決めカップリングは磁気キネマティックマウントであってもよく、補強カップリングは五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。
位置決めカップリングに関して、ロボットアーム６０４は、非磁性材料、一つまたは複数の窪み１２１４、リップ１２１８、および磁石１２２０であってもよい取り付けプレート１２１６を含むことができる。磁石１２２０は、窪み１２１４の各々の下に取り付けられている。クランプ１２０４の部分は、磁性材料を含み、一つまたは複数の磁石１２２０によって引き付けられる。クランプ１２０４およびロボットアーム６０４の磁気吸引により、ボール１２０８はそれぞれの窪み１２１４内に着座するようになる。例えば、図９Ｂに示すボール１２０８は、図９Ａに示すように、窪み１２１４内に着座する。この座は、磁気アシストキネマティックカップリングと考えることができる。磁石１２２０は、エンドエフェクタ６０２の配向にかかわらず、エンドエフェクタ６０２の全重量を支持するのに十分な強度を有するように構成することができる。位置決めカップリングは、６自由度を一意的に制限する任意のスタイルのキネマティックマウントである。
補強カップリングに関して、クランプ１２０４の部分は、固定接地リンクとなるように構成することができ、そのようなクランプ１２０４は、五つの棒状リンク機構として機能することができる。リップ１２１２およびリップ１２１８が、エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４を固定するようにクランプ１２０４に係合するとき、閉鎖クランプハンドル１２０６は、エンドエフェクタ６０２をロボットアーム６０４に固定してもよい。クランプハンドル１２０６が閉じられているとき、クランプ１２０４がロック位置にある間、バネ１２１０は伸張されてもよいし応力が加えられてもよい。ロック位置は、中心を過ぎたリンク機構を提供する位置であってもよい。クランプ１２０４を解放するためにクランプハンドル１２０６に適用される力がない場合には、リンク機構は開かない。したがって、ロック位置において、エンドエフェクタ６０２は、ロボットアーム６０４にしっかりと固定され得る。
バネ１２１０は、張力のある湾曲ビームであってもよい。バネ１２１０は、未使用のＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）のような高い剛性と高降伏歪みを示す材料で構成することができる。エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４との間のリンク機構は、二つのカップリングの締結を妨げることなく、エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４との間の無菌バリアを提供し得る。
補強カップリングは、複数のバネ部材とのリンク機構であってもよい。補強カップリングは、カムまたは摩擦に基づく機構でラッチすることができる。補強カップリングは、エンドエフェクタ１０２をロボットアーム６０４に固定するのを支援する、十分に強力な電磁石であってもよい。補強カップリングは、エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４との間のインターフェースを滑り、ねじ機構、オーバーセンタリンク機構、または、カム機構で固定するエンドエフェクタ６０２および／またはロボットアーム６０４から完全に分離する多数のカラーであってもよい。
図１０および図１１を参照すると、外科施術の前または間に、ナビゲーション空間および画像空間の両方において、患者２１０のオブジェクトおよび標的解剖学的構造を追跡するために、特定の登録手順が実施されてもよい。図１０に示すように、このような登録を行うため、登録システム１４００を使用することができる。
患者２１０の位置を追跡するために、患者追跡装置１１６は、患者２１０の硬い解剖学的構造に固定されることになる患者固定器具１４０２を含み得、動的基準ベース（ＤＲＢ）１４０４は、患者固定器具１４０２に固定的に取り付けられてもよい。例えば、患者固定器具１４０２は、動的基準ベース１４０４の開口部１４０６に挿入されてもよい。動的基準ベース１４０４は、追跡サブシステム５３２のような追跡装置に見えるマーカー１４０８を含むことができる。これらのマーカー１４０８は、本明細書で前述したように、光学マーカーまたは追跡マーカー１１８などの反射球であってもよい。
患者固定器具１４０２は、患者２１０の硬い解剖学的構造に取り付けられ、外科施術中に取り付けられたままであり得る。例示的な実施形態では、患者固定器具１４０２は、患者２１０の硬い領域、例えば、外科施術の対象となる標的解剖学的構造から離れて位置する骨に取り付けられる。標的解剖学的構造を追跡するために、動的基準ベース１４０４は、動的基準ベース１４０４を標的解剖学的構造の位置で登録するために、標的解剖学的構造上またはその付近に一時的に配置される登録固定具の使用を通して、標的解剖学的構造と関連する。
登録固定具１４１０は、枢動アーム１４１２を使用して患者固定器具１４０２に取り付けられる。枢動アーム１４１２は、患者固定器具１４０２を登録固定具１４１０の開口部１４１４に挿入することによって患者固定器具１４０２に取り付けられる。枢動アーム１４１２は、例えば、枢動アーム１４１２の開口部１４１８にノブ１４１６を挿入することによって、登録固定具１４１０に取り付けられる。
枢動アーム１４１２を使用して、登録固定具１４１０を標的解剖学的構造の上に配置することができ、その位置は、登録固定具１４１０上の追跡マーカー１４２０および／または基準１４２２を使用して画像空間およびナビゲーション空間において決定することができる。登録固定具１４１０は、ナビゲーション空間で見えるマーカー１４２０の集合を含むことができる（例えば、マーカー１４２０は、追跡サブシステム５３２によって検出可能であり得る）。追跡マーカー１４２０は、本明細書で前述したように、赤外光で可視的な光学マーカーであってもよい。登録固定具１４１０は、撮像空間（例えば、三次元ＣＴ画像）内で視認可能な、例えばベアリングボールなどの基準点１４２２の集合体を含むこともできる。図１１を参照してより詳細に説明するように、登録固定具１４１０を使用して、標的解剖学的構造を動的基準ベース１４０４に関連付けることができ、それにより、解剖学的構造の画像にナビゲーション空間内のオブジェクトの描写を重ね合わせることができる。標的解剖学的構造から離れた位置に配置された動的基準ベース１４０４は、基準点となり、それにより、登録固定具１４１０および／または枢動アーム１４１２を手術領域から除去することができる。
図１１は、本開示による、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から始まり、標的解剖学的構造のグラフィカル表現（または画像）をシステム１００、３００、６００、例えばコンピュータ４０８にインポートすることができる。このグラフィカル表現は、登録固定具１４１０および検出可能な基準の撮像パターン１４２０を含む、患者２１０の標的解剖学的構造の三次元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、基準点１４２０の撮像パターンが検出され、撮像空間に登録され、コンピュータ４０８に記憶される。任意選択的に、ステップ１５０６においてこの時点で、登録固定具１４１０のグラフィカル表現を、標的解剖学的構造の画像上に重ねることができる。
ステップ１５０８では、マーカー１４２０を認識することによって、登録固定具１４１０のナビゲーションパターンが検出され、登録される。マーカー１４２０は、位置センサ５４０を介して追跡サブシステム５３２によって赤外線によってナビゲーション空間内で認識される光学マーカーであってもよい。したがって、標的解剖学的構造の位置、配向、および他の情報がナビゲーション空間に登録される。したがって、登録固定具１４１０は、基準点１４２２の使用による画像空間およびマーカー１４２０の使用によるナビゲーション空間の両方で認識され得る。ステップ１５１０で、画像空間における登録固定具１４１０の登録がナビゲーション空間に転送される。この転送は、例えば、マーカー１４２０のナビゲーションパターンの位置と比較した基準１４２２の撮像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、登録固定具１４１０のナビゲーション空間の登録（画像空間で登録される）は、さらに、患者固定器具１４０２に取り付けられた動的登録アレイ１４０４のナビゲーション空間に転送される。したがって、ナビゲーション空間が画像空間に関連付けられているため、登録固定具１４１０を除去し、動的基準ベース１４０４を使用して、ナビゲーション空間および画像空間の両方の標的解剖学的構造を追跡することができる。
ステップ１５１４および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ー（例えば、光学マーカー８０４を用いる外科用器具６０８）を用いて、画像空間およびオブジェクト上に重ね合わせてもよい。オブジェクトは、標的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することができる。
また、図１２Ａ〜図１２Ｂは、患者２１０の術前、手術中、手術後、および／またはリアルタイム画像データを取得するためにロボットシステム１００、３００、６００と共に使用され得る撮像装置１３０４を示す。任意の適切な主題は、撮像システム１３０４を使用して、任意の適切な手順のために画像化することができる。撮像システム１３０４は、撮像装置１３０６および／またはＣ−アーム１３０８装置などの任意の撮像装置とすることができる。ｘ線システムで必要とされる患者２１０の頻繁な手動の再位置決めの必要性なしに、いくつかの異なる位置から患者２１０のｘ線を取得することが望ましい場合がある。図１２Ａに示すように、撮像システム１３０４は、「Ｃ」字形の対向する遠位端１３１２で終端する細長いＣ字形部材を含むＣ−アーム１３０８の形態であってもよい。Ｃ字形部材１１３０は、ｘ線源１３１４および画像レセプタ１３１６をさらに含むことができる。アームのＣ−アーム１３０８内の空間は、医師がｘ線支持構造１３１８からの干渉が実質的にない患者を診断するための余地を提供することができる。図１２Ｂに示すように、撮像システムは、図示されていない画像取り込み部を取り囲むことができるホイール１３３２を含むホイール付き移動カート１３３０のような、支持構造撮像装置支持構造１３２８に取り付けられたガントリハウジング１３２４を有する撮像装置１３０６を含むことができる。画像取り込み部は、互いに約１８０度に配置され、画像取り込み部の追跡に対して回転子（図示せず）に取り付けられたｘ線源および／または放出部と、ｘ線受取りおよび／または画像受取り部とを含むことができる。画像取り込み部は、画像取得中に３６０度回転するように動作可能であってもよい。画像取り込み部は、中心点および／または軸の周りを回転することができ、患者２１０の画像データを複数の方向からまたは複数の平面において取得することを可能にする。特定の撮像システム１３０４が本明細書で例示されるが、任意の適切な撮像システムが当業者によって選択されてもよいことは理解されよう。
ここで図１３Ａ〜図１３Ｃを参照すると、手術用ロボットシステム１００、３００、６００は、所望の手術領域に対するエンドエフェクタ１１２、６０２、外科用器具６０８、および／または患者２１０（例えば、患者追跡装置１１６）の正確な位置決めに依存する。図１３Ａ〜図１３Ｃに示す実施形態では、を参照すると、追跡マーカー１１８、８０４は、器具６０８および／またはエンドエフェクタ１１２の一部分に固定的に取り付けられている。
図１３Ａは、基部１０６、ロボットアーム１０４、およびエンドエフェクタ１１２を含むロボット１０２を含む手術用ロボットシステム１００の一部を示す。ディスプレイ、カメラなどの図示されていない他の要素もまた、本明細書で説明するように存在してもよい。図１３Ｂは、ガイドチューブ１１４を有するエンドエフェクタ１１２と、エンドエフェクタ１１２にしっかりと固定された複数の追跡マーカー１１８の拡大図を示す。この実施形態では、複数の追跡マーカー１１８がガイドチューブ１１２に取り付けられている。図１３Ｃは、器具６０８にしっかりと固定された複数の追跡マーカー８０４を有する器具６０８（この場合、プローブ６０８Ａ）を示す。本明細書の他の箇所に記載されるように、器具６０８は、ガイドワイヤ、カニューレ、レトラクタ、ドリル、リーマ、スクリュードライバ、挿入ツール、除去ツール、などの適切な外科用器具を含み得るが、それらに限定されない。
器具６０８、エンドエフェクタ１１２、または３Ｄで追跡される他のオブジェクトを追跡する場合、追跡マーカー１１８、８０４のアレイは、ツール６０８またはエンドエフェクタ１１２の一部に固定的に取り付けられてもよい。追跡マーカー１１８、８０４は、マーカー１１８、８０４がじゃまにならない（例えば、外科手術、視界などを妨げない）ように取り付けられることが好ましい。マーカー１１８、８０４は、例えば、アレイ６１２を用いて、器具６０８、エンドエフェクタ１１２、または追跡される他のオブジェクトに固定されてもよい。通常、三つまたは四つのマーカー１１８、８０４がアレイ６１２と共に使用される。アレイ６１２は、直線部分、クロスピースを含むことができ、マーカー１１８、８０４が互いに異なる相対位置および位置にあるように非対称であってもよい。例えば、図１３Ｃに示すように、４−マーカー追跡アレイ６１２を有するプローブ６０８Ａが示されており、図１３Ｂは、異なる４マーカー追跡アレイ６１２を有するエンドエフェクタ１１２を示す。
図１３Ｃでは、追跡アレイ６１２は、プローブ６０８Ａのハンドル６２０として機能する。したがって、四つのマーカー８０４は、プローブ６０８Ａのハンドル６２０に取り付けられ、シャフト６２２および先端６２４から離れている。これらの四つのマーカー８０４の立体写真測量による追跡は、器具６０８を剛体として追跡することを可能にし、追跡システム１００、３００、６００が、プローブ６０８Ａが追跡カメラ２００、３２６の前方動かされる間に先端６２４の位置およびシャフト６２２の配向を正確に決定することができる。
一つまたは複数のツール６０８、エンドエフェクタ１１２、または３Ｄで追跡される他のオブジェクト（例えば、複数の剛体）の自動追跡を可能にするために、各ツール６０８、エンドエフェクタ１１２などのマーカー１１８、８０４が、既知のマーカー間間隔で非対称に配置される。非対称アラインメントの理由は、どのマーカー１１８、８０４が剛体上の特定の位置に対応するか、マーカー１１８、８０４が正面または背面から見られているかどうか、すなわち鏡像化されるかは明瞭にするためである。例えば、マーカー１１８、８０４がツール６０８またはエンドエフェクタ１１２上の正方形に配置されていた場合、どのマーカー１１８、８０４が正方形のどの隅に対応するかは、システム１００、３００、６００にとっては不明である。例えば、プローブ６０８Ａの場合、どのマーカー８０４がシャフト６２２に最も近いかは不明である。したがって、シャフト６２２がどのようにアレイ６１２から伸びていたかは分からない。したがって、各アレイ６１２、したがって各ツール６０８、エンドエフェクタ１１２、または追跡される他のオブジェクトは、他のツール６０８または追跡されている他のオブジェクトから区別できるように、固有のマーカーパターンを有さなければならない。非対称性およびユニークなマーカーパターンは、システム１００、３００、６００が個々のマーカー１１８、８０４を検出し、保存されたテンプレートに対してマーカー間隔をチェックして、それらが、どのツール６０８、エンドエフェクタ１１２、または他のオブジェクトを表しているのかを決定することを可能にする。次に、検出されたマーカー１１８、８０４を自動的にソートし、追跡された各オブジェクトに正しい順序で割り当てることができる。この情報がなければ、ユーザがどの検出されたマーカー１１８、８０４がそれぞれの剛体上のどの位置のどの位置に対応するかを手動で指定しない限り、例えばツール先端６２４およびシャフト６２２のアライメントなどの重要な幾何情報を抽出するために剛体計算を実行することができないであろう。これらの概念は、３Ｄ光学追跡の方法の当業者には一般に公知である。
ここで図１４Ａ〜図１４Ｄを参照すると、可動追跡マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを有するエンドエフェクタ９１２の代替バージョンが示される。図１４Ａでは、可動追跡マーカー９１８Ａ−９１８Ｄを有するアレイが第一の構成で示され、図１４Ｂにおいて、可動追跡マーカー９１８Ａ−９１８Ｄは、第一の構成に対して傾斜した第二の構成で示される。図１４Ｃは、例えば、図１４Ａの第一の構成におけるカメラ２００、３２６によって見られるように、追跡マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄのテンプレートを示す。図１４Ｄは、例えば、図１４Ｂの第二の構成におけるカメラ２００、３２６によって見られるように、追跡マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄのテンプレートを示す。
この実施形態では、４マーカーアレイ追跡が企図されるが、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄが剛体に対してすべて固定位置にあるわけではなく、その代わりに一つまたは複数のアレイマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄが、例えばテスト中に調整され、追跡されるマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの自動検出およびソートのためのプロセスを中断することなく、追跡される剛体に関する最新の情報を与えることができる。
ロボットシステム１００、３００、６００のエンドエフェクタ９１２に接続されたガイドチューブ９１４のような任意のツールを追跡する場合、追跡アレイの主な目的は、カメラ座標系におけるエンドエフェクタ９１２の位置を更新することである。固定システムを使用する場合、例えば、図１３Ｂに示すように、反射マーカー１１８のアレイ６１２は、ガイドチューブ１１４から固定的に延びている。追跡マーカー１１８は固定的に接続されるので、カメラ座標系におけるマーカー位置の情報はまた、カメラ座標系におけるガイドチューブ１１４の中心線、先端およびテールの正確な位置を提供する。通常、このようなアレイ６１２からのエンドエフェクタ１１２の位置に関する情報、および別の追跡されたソースからの標的軌道の位置に関する情報は、ガイドチューブ１１４を軌道と整列するように移動させ、先端を軌道ベクトルに沿った特定の位置に移動させるロボット１０２の各軸に対して入力されなければならない必要な移動を計算するために使用される。
場合によっては、所望の軌道は厄介なまたは到達不能な位置にあるが、ガイドチューブ１１４を旋回させることができる場合には到達することができる。例えば、ガイドチューブ１１４がピッチ（手首上下角）軸の限界を超えて上方に枢動可能である場合、ロボット１０２の基部１０６から離れて指し示す非常に急な軌道は到達可能であり得るが、もし、ガイドチューブ１１４が、それを手首の端部に接続するプレートに平行に取り付けられるならば到達できないかもしれない。このような軌道に達するためには、ロボット１０２の基部１０６を移動させるか、または異なるガイドチューブアタッチメントを有する異なるエンドエフェクタ１１２を作業用エンドエフェクタと交換することができる。これらの解決の両方は、時間がかかり、扱いにくい場合がある。
図１４Ａおよび図１４Ｂに最もよく示されるように、もし、アレイ９０８がマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの一つまたは複数が固定位置になく、その代わりにマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの一つまたは複数が調整、旋回、枢動、または移動できるならば、ロボット１０２は、検出および追跡プロセスを中断することなく、追跡されているオブジェクトに関する更新された情報を提供することができる。例えば、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの一つは定位置に固定され、他のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは移動可能であってもよい。マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの二つは、定位置に固定され、他のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは、移動可能であってもよい。マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの三つは、定位置に固定され、他のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは、移動可能であってもよい。またはマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄのすべてが可動であってもよい。
図１４Ａおよび図１４Ｂに示す実施形態では、マーカー９１８Ａ、９１８Ｂは、エンドエフェクタ９１２の基部９０６に直接的に固定的に接続され、マーカー９１８Ｃ、９１８Ｄは、チューブ９１４に固定的に接続される。アレイ６１２と同様に、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄをエンドエフェクタ９１２、器具６０８、または追跡される他のオブジェクトに取り付けるために、アレイ９０８を設けることができる。しかしながら、この場合、アレイ９０８は、複数の別個のコンポーネントから構成される。例えば、マーカー９１８Ａ、９１８Ｂは、第一のアレイ９０８Ａによって基部９０６に接続され、マーカー９１８Ｃ、９１８Ｄは、第二のアレイ９０８Ｂによってガイドチューブ９１４に接続されてもよい。マーカー９１８Ａは、第一のアレイ９０８Ａの第一の端部に取り付けられてもよく、マーカー９１８Ｂは、直線距離に分離され、第一のアレイ９０８Ａの第二の端部に固定されてもよい。第一のアレイ９０８は実質的に直線状であるが、第二のアレイ９０８Ｂは、曲がり構成、またはＶ形状構成を有し、それぞれの根元端がガイドチューブ９１４に接続され、そこからＶ字形で遠位端に分岐し、一つの遠位端にマーカー９１８Ｃを有し、他方の遠位端にはマーカー９１８Ｄを有す。特定の構成が本明細書に例示されるが、異なる数およびタイプのアレイ９０８Ａ、９０８Ｂおよび異なる配置、数、およびタイプのマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを含む他の非対称設計が企図されることが理解されよう。
ガイドチューブ９１４は、例えば、基部９０６に対するヒンジ９２０または他のコネクタを横切って、基部９０６に対して移動可能、枢動可能、または枢動可能であってもよい。したがって、マーカー９１８Ｃ、９１８Ｄは、ガイドチューブ９１４が枢動し、旋回し、または移動するときに、マーカー９１８Ｃ、９１８Ｄも枢動、旋回または移動するように移動可能である。図１４Ａに最もよく示されるように、ガイドチューブ９１４は、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄが第一の構成を有するように、実質的に法線方向または垂直の向きに整列された長手方向軸９１６を有する。ここで図１４Ｂを参照すると、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄが第一の構成と異なる第二の構成を有するように、長手方向軸９１６が垂直方向に対して角度をなすように、ガイドチューブ９１４が枢動、旋回、または移動される。
図１４Ａ〜図１４Ｄに記載された実施形態とは対照的に、四つのマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの全てがガイドチューブ９１４に固定的に取り付けられた状態で、ガイドチューブ９１４とアーム１０４（例えば、手首アタッチメント）との間にスイベルが存在し、このスイベルがユーザによって調整された場合、ロボットシステム１００、３００、６００は、ガイドチューブ９１４の配向が変化したことを自動的に検出することができない。ロボットシステム１００、３００、６００は、マーカーアレイ９０８の位置を追跡し、ガイドチューブ９１４が以前の配向で手首（ロボットアーム１０４）に取り付けられていると仮定して、不正確なロボット軸の動きを計算する。一つまたは複数のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄ（例えば、二つのマーカー９１８Ｃ、９１８Ｄ）を、チューブ９１４上に固定して保持し、一つまたは複数のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄ（例えば、二つのマーカー９１８Ａ、９１８Ｂ）をスイベルを横切って保持することによって、新しい位置の自動検出が可能となり、ロボットアーム１０４の端部上の新しいツールまたはエンドエフェクタ１１２、９１２の検出に基づいて正しいロボットの動きが計算される。
一つまたは複数のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは、任意の適切な手段にしたがって移動、枢動、旋回等されるように構成される。例えば、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは、クランプ、バネ、レバー、摺動、トグルなどのヒンジ９２０によって、またはマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを個々にまたは組み合わせて移動させるための、または、アレイ９０８Ａ、９０８Ｂを個々にまたは組み合わせて移動させるための、または、エンドエフェクタ９１２の任意の部分を別の部分に対して移動させるための、または、ツール６０８の任意の部分を別の部分に対して移動させるための、任意の他の適切な機構によって、動かしても良い。
図１４Ａおよび図１４Ｂに示すように、アレイ９０８およびガイドチューブ９１４は、単に、クランプまたはヒンジ９２０を緩め、アレイ９０８Ａ、９０８Ｂの一部を他の部分９０８Ａ、９０８Ｂに対して移動させ、ヒンジ９２０を再調整して、ガイドチューブ９１４が異なる位置に向けられるように構成可能であってもよい。例えば、二つのマーカー９１８Ｃ、９１８Ｄはチューブ９１４と固定的に相互接続され、二つのマーカー９１８Ａ、９１８Ｂはヒンジ９２０を介してロボットアーム１０４に取り付けられるエンドエフェクタ９１２の基部９０６に固定的に相互接続され得る。ヒンジ９２０は、ユーザが第一の構成（図１４Ａ）と第二の構成（図１４Ｂ）との間を素早く切り替えることを可能にするためにゆるめて締めることができるウイングナットなどのクランプの形態であってもよい。
カメラ２００、３２６は、例えば、図１４Ｃおよび図１４Ｄで識別されたテンプレートの一つにおいてマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを検出する。アレイ９０８が第一の構成（図１４Ａ）にあり、追跡カメラ２００、３２６がマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを検出する場合、追跡されるマーカーは１４Ｃに示すようにアレイテンプレート１と一致する。アレイ９０８が第二の構成（図１４Ｂ）であり、追跡カメラ２００、３２６が同じマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを検出した場合、追跡されるマーカーは図１４Ｄに示すようにアレイテンプレート２と一致する。アレイテンプレート１およびアレイテンプレート２は、ガイドチューブ９１４、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄ、およびロボットアタッチメント間に固有に画定された空間的関係を有する二つの異なるツールとしてシステム１００、３００、６００によって認識される。したがって、ユーザは、システム１００、３００、６００に変更を通知することなく、第一および第二の構成の間でエンドエフェクタ９１２の位置を調整することができ、システム１００、３００、６００は、ロボット１０２の動きを軌道上にあるように適切に調整する。
この実施形態では、マーカーアレイが、システム１００、３００、６００がアセンブリを二つの異なるツールまたは二つの異なるエンドエフェクタとして認識することを可能にする固有のテンプレートと一致する二つのアセンブリ位置が存在する。これらの二つの位置の間または外側のスイベルの任意の位置では、（すなわち、それぞれ図１４Ｃおよび図１４Ｄに示すアレイテンプレート１およびアレイテンプレート２）マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄはいずれのテンプレートとも一致せず、システム１００、３００、６００は、カメラ２００、３２６によって個々のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄが検出されるにもかかわらず、存在するアレイを検出せず、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄがカメラ２００、３２６の視界から一時的にブロックされた場合と同じ結果になる。他のアレイテンプレートが、例えば、異なる器具６０８または他のエンドエフェクタ１１２、９１２などを識別する他の構成用に存在してもよいことが理解されよう。
記載された実施形態では、二つの別個の組立位置が図１４Ａおよび１４Ｂに示される。しかし、スイベルジョイント、直線ジョイント、スイベルジョイントと直線ジョイントの組み合わせ、ペグボード、または他のアセンブリ上に複数の離散的な位置が存在することが理解されよう。ここで、アレイの一つまたは複数のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの位置をお互いに調整することによってユニークなマーカーテンプレートを作成することができ、各離散的な位置は、特定のテンプレートと一致し、異なる既知の属性を有する固有のツール６０８またはエンドエフェクタ１１２、９１２を定義する。さらに、エンドエフェクタ９１２について例示されるが、移動可能な固定マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは、任意の適切な器具６０８または追跡される他のオブジェクトとともに使用されてもよいことが理解されよう。
外部３Ｄ追跡システム１００、３００、６００を使用してロボットのエンドエフェクタ１１２に取り付けられた三つ以上のマーカーの完全な剛体アレイを追跡する場合（例えば、図１３Ａおよび１３Ｂに示すように）、カメラ２００、３２６の座標系におけるロボット１０２の各セクションの３Ｄ位置を直接的に追跡するか、または計算することができる。トラッカーに対するジョイントの幾何学的な配向は設計によって既知であり、ジョイントの線形位置または角度位置は、ロボット１０２の各モータのエンコーダから既知であり、エンドエフェクタ１１２から基部１１６までのすべての可動部品の３Ｄ位置を完全に規定する。同様に、トラッカーがロボット１０２の基部１０６（図示せず）に取り付けられている場合、既知のジョイントジオメトリおよび各モータのエンコーダからのジョイント位置に基づいて、基部１０６からエンドエフェクタ１１２までのロボット１０２の各セクションの３Ｄ位置を追跡または計算することも同様に可能である。
いくつかの状況では、エンドエフェクタ１１２に固定的に取り付けられた三つ未満のマーカー１１８からロボット１０２のすべてのセグメントの位置を追跡することが望ましい場合がある。具体的には、ツール６０８がガイドチューブ１１４内に導入される場合、一つの追加のマーカー１１８のみが追跡されて、ロボット９０２の完全な剛体運動を追跡することが望ましい場合がある。
ここで図１５Ａ〜図１５Ｅを参照すると、単一の追跡マーカー１０１８のみを有するエンドエフェクタ１０１２の代替バージョンが示される。エンドエフェクタ１０１２は、本明細書に記載の他のエンドエフェクタと同様であってもよく、長手方向軸１０１６に沿って延在するガイドチューブ１０１４を含んでもよい。本明細書で説明する他の追跡マーカーと同様の単一の追跡マーカー１０１８を、ガイドチューブ１０１４にしっかりと固定することができる。この単一マーカー１０１８は、完全な剛体追跡を可能にするために欠けている自由度を追加する目的に役立ち、および／またはロボットおよびカメラの位置決めに関する仮定が有効であることを保証する監視マーカーとして機能する目的に役立ち得る。
単一追跡マーカー１０１８は、任意の好都合な方向に突出し、外科医の視界を妨げないエンドエフェクタ１０１２に対する剛性の延長部として、ロボット式エンドエフェクタ１０１２に取り付けられてもよい。追跡マーカー１０１８は、ガイドチューブ１０１４またはエンドエフェクタ１０１２上の任意の他の適切な位置に固定することができる。ガイドチューブ１０１４に取り付けられたとき、追跡マーカー１０１８は、ガイドチューブ１０１４の第一の端部と第二の端部との間の位置に配置されてもよい。例えば、図１５Ａでは、単一追跡マーカー１０１８は、ガイドチューブ１０１４から前方に延在し、ガイドチューブ１０１４の長手方向の中間点の上でかつガイドチューブ１０１４の入口の下方に位置する細いシャフト１０１７の端部に取り付けられた反射球として示される。この位置は、マーカー１０１８がカメラ２００、３２６によって全体的に見えることを可能にするだけでなく、外科医１２０の視界を妨げず、手術の近傍の他のツールまたはオブジェクトと衝突しない。さらに、この位置のマーカー１０１８を有するガイドチューブ１０１４は、ガイドチューブ１０１４に導入された任意のツール６０８上のマーカーアレイを、ガイドチューブ１０１４上の単一マーカー１０１８が見えると同時に見ることができるように設計される。
図１５Ｂに示すように、ぴったりとフィットするツールまたは器具６０８がガイドチューブ１０１４内に配置されると、器具６０８は、６つの自由度のうちの４つで機械的に拘束される。すなわち、器具６０８は、ガイドチューブ１０１４の長手方向軸線１０１６を除いて、いかなる方向にも回転させることができず、器具６０８は、ガイドチューブ１０１４の長手方向軸線１０１６に沿って以外の方向に並進することができない。言い換えれば、器具６０８は、ガイドチューブ１０１４の中心線に沿って並進移動しかつ回転させることだけができる。（１）ガイドチューブ１０１４の長手方向軸１０１６周りの回転角度、（２）ガイドチューブ１０１４に沿った位置のようにさらに二つのパラメータが既知であれば、カメラ座標系におけるエンドエフェクタ１０１２の位置が完全に定義される。
次に図１５Ｃに示すように、システム１００、３００、６００は、ツール６０８がガイドチューブ１０１４の内部に実際に配置され、代わりにガイドチューブ１０１４の外側ではなく、カメラ２００、３２６の視界のどこかにあるときを知ることができるべきである。ツール６０８は、長手方向軸または中心線６１６と、複数の追跡されるマーカー８０４を有するアレイ６１２とを有する。剛体計算を使用して、ツール６０８上のアレイ６１２の追跡位置に基づいて、ツール６０８の中心線６１６がカメラ座標系内に位置する場所を決定することができる。
単一マーカー１０１８からガイドチューブ１０１４の中心線または長手方向軸１０１６までの固定された法線（垂直）距離ＤＦは固定され、幾何学的に既知であり、単一マーカー１０１８の位置を追跡することができる。したがって、ツール中心線６１６から単一マーカー１０１８までの検出距離ＤＤが、ガイドチューブ中心線１０１６から単一マーカー１０１８までの既知の固定距離ＤＦと一致する場合、ツール６０８がガイドチューブ１０１４内にある（ツール６０８およびガイドチューブ１０１４の中心線６１６、１０１６が一致）か、またはこの距離ＤＤが固定距離ＤＦに一致する可能性のある位置の軌跡のある点に存在していることを判定できる。例えば、図１５Ｃに示すように、ツール中心線６１６から単一マーカー１０１８までの法線方向の検出距離ＤＤが、二つの位置において、透明なツール６０８によって表される両方のデータフレーム（追跡されるマーカー座標）においてガイドチューブ中心線１０１６から単一マーカー１０１８までの固定距離ＤＦと一致する。したがって、ツール６０８がガイドチューブ１０１４内に配置されるときを決定するために追加の考慮が必要とされ得る。
ここで図１５Ｄを参照すると、プログラムされたロジックを使用して、ツール６０８がガイドチューブ１０１４内を移動しているという条件を満たすよう、ツール６０８がスペース内で単一の球体１０１８に対して、ある程度の最小距離だけ移動しても、ツール中心線６１６から単一マーカー１０１８までの検出距離ＤＤが正しい長さに固定されたままである、追跡データのフレームを探すことができる。例えば、第一のフレームＦ１は、第一の位置のツール６０８によって検出され、第二のフレームＦ２は、第二の位置のツール６０８によって検出され得る（すなわち、第一の位置に対して直線的に移動される）。ツールアレイ６１２上のマーカー８０４は、第一のフレームＦ１から第二のフレームＦ２へ所与の量より多く（例えば、合計５ｍｍ超）だけ移動することができる。この移動であっても、ツール中心線ベクトルＣ’から単一マーカー１０１８までの検出距離ＤＤは、第一のフレームＦ１と第二のフレームＦ２の両方において実質的に同一である。
論理的には、外科医１２０またはユーザは、ツール６０８をガイドチューブ１０１４内に配置し、ガイドチューブ１０１４内にそれをわずかに回転させるかまたは滑り込ませることができ、システム１００、３００、６００は、ツール６０８が五つのマーカー（ツール６０８上の四つのマーカー８０４に加えガイドチューブ１０１４上の単一マーカー１０１８）から、ガイドチューブ１０１４内にあることを検知することができる。ツール６０８がガイドチューブ１０１４内にあることを知り、空間内のロボット式エンドエフェクタ１０１２の位置および配向を定める６自由度の全てを計算することができる。単一マーカー１０１８がなければ、ツール６０８がガイドチューブ１０１４内にあることが確実に分かっていても、ガイドチューブ１０１４がツールの中心線ベクトルＣ’に沿ってどこに位置するか、およびガイドチューブ１０１４が中心線ベクトルＣ’に対しどのように回転するかは不明である。
図１５Ｅで強調するように、ツール６０８上四つのマーカー８０４と合わせて単一マーカー１０１８が追跡されるので、ガイドチューブ１０１４およびツール６０８の中心線ベクトルＣ’および単一マーカー１０１８および中心線ベクトルＣ’による法線ベクトルを構築することができる。この法線ベクトルは、手首の遠位のロボットの前腕（この例では、そのセグメントに平行に配向される）に対して既知の配向であり、特定の固定位置で中心線ベクトルＣ’と交差する配向を有する。便宜上、図１５Ｅに示すように、三つの相互に直交するベクトルｋ’、ｊ’、ｉ’を構成することができ、ガイドチューブ１０１４の剛体位置および配向を画定することができる。三つの相互に直交するベクトルの一つである、ｋ’は、中心線ベクトルＣ’から構成され、第二のベクトルｊ’は、単一マーカー１０１８を通る法線ベクトルから構成され、第三のベクトルｉ’は、第一と第二のベクトルｋ’、ｊ’のベクトル積である。これらのベクトルｋ’、ｊ’、ｉ’に対するロボットのジョイント位置は、すべてのジョイントがゼロになると既知であり、固定され、したがって剛体計算を使用して、ロボットがホームポジションにいるとき、これらのベクトルｋ’、ｊ’、ｉ’に対するロボットの任意の部分の位置を決定することができる。ロボットの移動中に、ツールマーカー８０４の位置（ツール６０８がガイドチューブ１０１４内にある間）および単一マーカー１０１８の位置が追跡システムから検出され、各ジョイントの角度／直線位置がエンコーダから既知であれば、ロボットの任意の部分の位置および方向を決定することができる。
いくつかの実施形態では、ガイドチューブ１０１４に対するツール６０８の配向を固定することが有用であり得る。例えば、エンドエフェクタガイドチューブ１０１４は、マシニングまたはインプラントの位置決めを可能にするために、その軸１０１６の周りの特定の位置に向けられてもよい。ガイドチューブ１０１４内に挿入されたツール６０８に取り付けられたあらゆる物の配向は、ツール６０８上の追跡されるマーカー８０４から分かるが、ガイドチューブ１０１４上の追加の追跡マーカー１０１８（または他の実施形態では複数の追跡マーカー）がなければ、カメラ座標系におけるガイドチューブ１０１４自体の回転方向は不明である。このマーカー１０１８は、本質的に、中心線ベクトルＣ’に対するマーカー１０１８の配向に基づいて−１８０°〜＋１８０°の「クロック位置」を提供する。したがって、単一マーカー１０１８は、完全な剛体追跡を可能にする追加の自由度を提供することができ、および／またはロボットおよびカメラの位置決めに関する仮定が有効であることを保証する監視マーカーとして機能することができる。
図１６は、ロボット１０２のエンドエフェクタ１０１２（または本明細書に記載の他の任意のエンドエフェクタ）を所望の標的軌道にナビゲートおよび移動させるための方法１１００のブロック図である。ロボットエンドエフェクタ１０１２またはガイドチューブ１０１４上の単一マーカー１０１８の別の使用は、ロボット１０２に取り付けられたフル追跡アレイなしでロボット１０２の自動安全移動を可能にする方法１１００の一部である。この方法１１００は、追跡カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動しないで（すなわち、それらが固定位置にある）、追跡システムの座標系およびロボットの座標系が共に登録され、ガイドチューブ１０１４の位置および配向が、各ロボット軸の符号化された位置にのみ基づいて、ロボットのデカルト座標系において正確に決定することができるように、ロボット１０２が較正されるとき、機能する。
この方法１１００では、トラッカーとロボットの座標系を共に登録しなければならないが、これは、追跡システムのデカルト座標系からロボットのデカルト座標系への座標変換が必要であることを意味する。便宜上、この座標変換は、ロボット工学の分野で周知である４ｘ４の並進行列および回転行列であり得る。この変換はＴｃｒと呼ばれ、「変換−カメラからロボットに」を指す。この変換が分かれば、追跡される各マーカーに対しベクトル形式でｘ、ｙ、ｚ座標として受け取られる追跡データの新しいフレームに４ｘ４行列を乗算することができ、結果のｘ、ｙ、ｚ座標はロボットの座標系にある。Ｔｃｒを得るためには、ロボットのフル追跡アレイが、ロボットの座標系で既知の位置にロボットに固定的に取り付けられている間に追跡され、次いで既知の剛体法が座標の変換を計算するために使用される。ロボット１０２のガイドチューブ１０１４に挿入された任意のツール６０８は、追加のマーカー１０１８も読み取られたときに、固定的に取り付けられたアレイと同じ剛体情報を提供することができることは明らかである。すなわち、ツール６０８は、ガイドチューブ１０１４内の任意の位置に、ガイドチューブ１０１４内の任意の回転で、挿入するだけで良い。固定された位置および配向に挿入する必要はない。したがって、追跡アレイ６１２を含む任意のツール６０８をガイドチューブ１０１４に挿入し、ツールのアレイ６１２とガイドチューブ１０１４の単一マーカー１０１８とを読み取ることにより、Ｔｃｒを決定することが可能である。同時に、それぞれの軸上のエンコーダからロボットの座標系におけるガイドチューブ１０１４の現在位置を決定できる。
ロボット１０２を標的軌道にナビゲートして移動させるための論理は、図１６の方法１１００において提供される。ループ１１０２に入る前に、変換Ｔｃｒが以前に記憶されたと仮定する。したがって、ループ１１０２に入る前に、ステップ１１０４において、ロボット基部１０６が固定された後、ロボットが静止している間にガイドチューブに挿入されたツールの追跡データの一つかまたはそれ以上のフレームが格納される。ステップ１１０６において、この静的データおよび以前の較正データから、カメラ座標からロボット座標Ｔｃｒへのロボットガイドチューブ位置の変換が計算される。Ｔｃｒは、カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して動かない限り有効であるべきである。カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動し、Ｔｃｒを再取得する必要がある場合、システム１００、３００、６００は、ガイドチューブ１０１４内にツール６０８を挿入するようにユーザに促し、次いで必要な計算を自動的に実行ことができる。
方法１１００のフローチャートでは、収集されるデータの各フレームは、患者２１０上のＤＲＢ１４０４の追跡された位置、エンドエフェクタ１０１４上の単一マーカー１０１８の追跡された位置、および各ロボット軸の位置のスナップショットからなる。ロボットの軸の位置から、エンドエフェクタ１０１２上の単一マーカー１０１８の位置が計算される。この計算された位置は、追跡システムから記録されたマーカー１０１８の実際の位置と比較される。値が一致すれば、ロボット１０２が既知の位置にあることを保証することができる。変換Ｔｃｒは、ロボット１０２の標的がロボットの座標系に関して提供されるように、ＤＲＢ１４０４の追跡された位置に適用される。次いで、ロボット１０２は、標的に到達するために移動するように命令され得る。
ステップ１１０４、１１０６の後、ループ１１０２は、追跡システムからＤＲＢ１４０４の剛体情報を受信するステップ１１０８と、標的先端および軌道を画像座標から追跡システム座標に変換するステップ１１１０と、標的先端および軌道をカメラ座標からロボット座標に変換する（Ｔｃｒを適用する）ステップ１１１２とを含む。ループ１１０２はさらに、追跡システムからロボットのための単一の漂遊マーカー位置を受信するステップ１１１４と、単一の漂遊マーカーを追跡システム座標からロボット座標に変換する（格納Ｔｃｒを適用する）ステップ１１１６とを含む。ループ１１０２はまた、順運動学からロボット座標系における単一のロボットマーカー１０１８の現在位置を決定するステップ１１１８を含む。ステップ１１１６および１１１８からの情報は、変換された追跡された位置からの漂遊マーカー座標が、所定の公差よりも小さい計算された座標と一致するかどうかを決定する（ステップ１１２０）ために使用される。イエスであれば、ステップ１１２２に進み、標的ｘ、ｙ、ｚおよび軌道にロボット移動を計算して適用する。いいえの場合は、ステップ１１２４に進み、一旦停止し、処理を続行する前にガイドチューブ１０１４への完全なアレイ挿入を要求し、ステップ１１２６でアレイが挿入された後に、Ｔｃｒを再計算する。その後、ステップ１１０８、１１１４および１１１８を繰り返すように進む。
この方法１１００は、位置を確認するために単一マーカー１０１８の連続的な監視が省略される方法に優る利点を有する。単一マーカー１０１８がなければ、Ｔｃｒを使用してエンドエフェクタ１０１２の位置を決定し、エンドエフェクタ１０１２を標的位置に送信することは可能であるが、ロボット１０２が実際に予想される場所にいることを確認することはできない。例えば、カメラ２００、３２６が突き当たり、Ｔｃｒがもはや有効でない場合、ロボット１０２は誤った位置に移動することになる。このため、単一マーカー１０１８は安全性に関する価値を提供する。
ロボット１０２の所与の固定位置に対して、理論的には、追跡カメラ２００、３２６を、単一の追跡されるマーカー１０１８は、アレイではなく単一の点であるので、移動されないままである、新しい位置に移動することが可能である。そのような場合、システム１００、３００、６００は、単一マーカー１０１８の計算された位置と、追跡された位置が一致するので、何らエラーを検出しない。しかしながら、ロボットの軸がガイドチューブ１０１２を新しい位置に移動させると、計算された位置と追跡された位置は不一致となり、安全チェックが有効になる。
「監視マーカー」という用語が、例えば、ＤＲＢ１４０４に対して固定位置にある単一マーカーを参照して使用することができる。この例では、ＤＲＢ１４０４が突き当てられるか、またはそうでなければ取り外されると、監視マーカーの相対位置が変化し、外科医１２０に、ナビゲーションに問題がある可能性があることを警告することができる。同様に、本明細書に記載の実施形態では、ロボットのガイドチューブ１０１４上に単一マーカー１０１８を用いて、システム１００、３００、６００は、カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動したかどうかを連続的にチェックすることができる。カメラ２００、３２６が突き当たったり機能不全になったり、ロボットが誤動作したりするなどして、追跡システムの座標系のロボットの座標系への登録が失われた場合、システム１００、３００、６００はユーザに警告し、修正を加えることができる。したがって、この単一マーカー１０１８は、ロボット１０２に対する監視マーカーと考えることもできる。
ロボット１０２に恒久的に取り付けられたフルアレイ（例えば、図７Ａ−７Ｃに示されるエンドエフェクタ６０２上の複数の追跡マーカー７０２）の場合、ロボット監視マーカーのような単一マーカー１０１８のそのような機能は、カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して固定位置にあることが要求されず、Ｔｃｒはロボット１０２の追跡された位置に基づいて各フレームで更新されるので、必要ではない。完全なアレイの代わりに単一マーカー１０１８を使用する理由は、完全なアレイがよりかさばってじゃまであり、それによって、単一マーカー１０１８よりも外科医の視界および外科手術領域２０８へのアクセスが妨げられ、フルアレイに対する視線が、単一マーカー１０１８に対する視線よりも容易にブロックされるからである。
ここで図１７Ａ−１７Ｂおよび図１８Ａ−１８Ｂを参照すると、固定および可動追跡マーカー８０４、８０６の両方を含むインプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃなどの器具６０８が示される。インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃは、ハンドル６２０と、ハンドル６２０から延在する外側シャフト６２２とを有してもよい。シャフト６２２は、図示されるように、ハンドル６２０に対して実質的に垂直に、または任意の他の適切な配向に配置され得る。内側シャフト６２６は、一方の端部にノブ６２８を有する外側シャフト６２２を通って延在することができる。インプラント１０、１２は、シャフト６２２に他方の端部で、当業者に公知である典型的な接続機構を使用して、インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃの先端６２４で接続する。ノブ６２８は、例えば、インプラント１０、１２を拡張させまたは関節接合させるために回転させることができる。米国特許第８，７０９，０８６号および第８，４９１，６５９号は、本明細書で参照により盛込まれるが、拡張可能な融合装置および取り付け方法を記載している。
インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃのようなツール６０８を追跡するとき、追跡アレイ６１２は、アレイ６１２を構成するまたは、そうでなければインプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃに取り付けられる、固定マーカー８０４と一つまたは複数の可動マーカー８０６の組み合わせを含むことができる。ナビゲーションアレイ６１２は、インプラントホルダ器具６０８Ｂ、６０８Ｃに対して既知の位置に配置される少なくとも一つまたは複数（例えば、少なくとも二つ）の固定位置マーカー８０４を含むことができる。これらの固定マーカー８０４は、器具の幾何学的形状に対してどの方向にも動くことができず、器具６０８が空間中でどこにあるかを定義するのに有用である。さらに、少なくとも一つのマーカー８０６が存在し、これは、固定マーカー８０４に対して所定の境界内で動くことができる（例えば、摺動、回転など）アレイ６１２または器具自体に取り付けることができる。システム１００、３００、６００（例えば、ソフトウェア）は、可動マーカー８０６の位置をインプラント１０の特定の位置、配向、または他の属性に関係づける（例えば、図１７Ａ〜１７Ｂに示す拡張可能な椎体間スペーサの高さ、図１８Ａ〜１８Ｂに示される関節のある椎体間スペーサの角度）。したがって、システムおよび／またはユーザは、可動マーカー８０６の位置に基づいてインプラント１０、１２の高さまたは角度を決定することができる。
図１７Ａ〜図１７Ｂに示す実施形態では、四つの固定マーカー８０４を使用してインプラントホルダ６０８Ｂを画定し、第五の可動マーカー８０６を所定の経路内で摺動させて、インプラント高さ（例えば、収縮位置または拡張位置）にフィードバックを提供することができる。図１７Ａは、拡張可能なスペーサ１０をその初期高さで示しており、図１７Ｂは、可動マーカー８０６が異なる位置に並進された、拡張状態のスペーサ１０を示す。この場合、可動マーカー８０６は、インプラント１０が拡張されたときに固定マーカー８０４に近づくが、この移動が逆転してもよいし、そうでなければ異なってもよいと考えられる。マーカー８０６の直線並進の量は、インプラント１０の高さに対応する。二つの位置のみが示されるが、これを連続的な機能として有することが可能であり、それにより、任意の所定の拡張高さを可動マーカー８０６の特定の位置に相関させることができる。
ここで図１８Ａ〜図１８Ｂを参照すると、四つの固定マーカー８０４がインプラントホルダ６０８Ｃを画定するために使用され、第五の可動マーカー８０６がインプラント関節角度に対してフィードバックを提供するために所定の経路内で摺動するよう構成される。図１８Ａは、関節のあるスペーサ１２をその初期線形状態で示しており、図１８Ｂは、可動マーカー８０６が異なる位置に移動されたあるオフセット角での関節動作した状態にあるスペーサ１２を示す。マーカー８０６の線形並進量は、インプラント１２の関節角度に対応する。二つの位置だけが示されるが、これを連続機能として有することが可能であり、それによって、任意の所与の関節角度が可動マーカー８０６の特定の位置に相関されることができる。
これらの実施形態では、可動マーカー８０６は、位置に基づいてインプラント１０、１２の属性に関するフィードバックを提供するために連続的に摺動する。また、インプラント属性に関するさらなる情報を提供することができる可動マーカー８０６がなければならない周到な位置が存在し得ることも考えられる。この場合、全てのマーカー８０４、８０６の周到な構成は、特定の配向または特定の高さにおける、インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃおよびインプラント１０、１２の特定の幾何学的形状と相関する。さらに、可動マーカー８０６の任意の動きは、任意の他のタイプのナビゲートされるインプラントの他の可変属性に使用することができる。
可動マーカー８０６の線形移動に関して図示および説明されるが、可動マーカー８０６は、単に摺動に限定されるべきではない。マーカー８０６の回転または他の動きがインプラント１０、１２に関する情報を提供するのに有用であり得る用途があり得る。一組の固定マーカー８０４と可動マーカー８０６との間の位置の相対的変化は、インプラント１０、１２または他のデバイスに関する関連情報となり得る。さらに、拡張可能で関節のあるインプラント１０、１２が例示されるが、器具６０８は、他の医療機器およびスペーサ、ケージ、プレート、ファスナ、釘、ねじ、ロッド、ピン、ワイヤ構造、縫合糸、アンカークリップ、ステープル、ステント、骨移植片、生物製剤、セメントなどの材料ともに機能することができる。
ここで図１９Ａを参照すると、ロボットエンドエフェクタ１１２は、他のタイプのエンドエフェクタ１１２と交換可能であることが想定される。さらに、各エンドエフェクタ１１２は、所望の外科施術に基づいて一つまたは複数の機能を実行することができると考えられる。例えば、ガイドチューブ１１４を有するエンドエフェクタ１１２は、本明細書で説明されるように器具６０８を案内するために使用されてもよい。さらに、エンドエフェクタ１１２は、例えば、外科用デバイス、器具、またはインプラントを制御する、異なるまたは代替のエンドエフェクタ１１２で置き換えることができる。
代替のエンドエフェクタ１１２は、ロボットに結合され、ロボットによって制御可能な一つまたは複数の装置または器具を含むことができる。非限定的な例として、図１９Ａに示すエンドエフェクタ１１２は、レトラクタ（例えば、米国特許第８，９９２，４２５号および第８，９６８，３６３号に開示される一つまたは複数のレトラクタ）、または以下のような外科用デバイスを挿入または設置するための一つまたは複数の機構を含むことができる。それは、拡張可能な椎間融合装置（米国特許第８，８４５，７３４号、第９，５１０，９５４号、および第９，４５６，９０３号に例示される拡張可能インプラントなど）、スタンドアロンの椎間融合装置（米国特許第９，３６４，３４３号および第９，４８０，５７９号に例示されるようなインプラントなど）、拡張可能な骨切除装置（米国特許第９，３９３，１２８号および第９，１７３，７４７号に例示される骨矯正インプラントなど）、関節のあるスペーサ（米国特許第９，２５９，３２７号に例示されるインプラントなど）、ファセットプロテーゼ（米国特許第９，５３９，０３１号に例示されるデバイスなど）、椎弓形成術装置（米国特許第９，４８６，２５３号に例示されたデバイスなど）、棘突起スペーサ（米国特許第９，５９２，０８２号に例示されるインプラントなど）、インフレータブル製品、多軸スクリュー、一平面スクリュー、椎弓根スクリュー、ポストスクリューなどを含むファスナ、骨固定プレート、ロッド構築物および変更デバイス（米国特許第８，８８２，８０３号に例示されるデバイスなど）、人工および天然ディスク、動作保存装置、インプラント、および脊髄刺激装置（米国特許第９，４４０，０７６号に例示される装置など）、ならびに他の外科用デバイスである。エンドエフェクタ１１２は、骨セメント、骨移植片、生きた細胞、医薬品、または外科手術標的への他の送達物を提供するために、ロボットに直接的または間接的に結合された一つまたは複数の器具を含むことができる。エンドエフェクタ１１２はまた、椎間板切除術、脊柱後弯形成、椎骨縫合、拡張、または他の外科施術を行うために設計された一つまたは複数の器具を含むことができる。
エンドエフェクタそれ自体および／またはインプラント、デバイスまたは器具は、マーカー１１８の場所および位置が三次元で識別されるように、一つまたは複数のマーカー１１８を含むことができる。マーカー１１８は、カメラ２００に直接的または間接的に視認可能な、本明細書に記載される能動または受動マーカー１１８を含むことができると考えられる。したがって、例えば、インプラント１０上に配置された一つまたは複数のマーカー１１８は、インプラント前、インプラント中およびインプラント後のインプラント１０の追跡を提供することができる。
図１９Ｂに示すように、エンドエフェクタ１１２は、ロボットアーム１０４に結合された器具６０８またはその一部を含むことができ（例えば、器具６０８は、図９Ａ〜図９Ｃに示す結合機構によってロボットアーム１０４に結合され得る）、ロボットシステム１００によって制御可能である。したがって、図１９Ｂに示す実施形態では、ロボットシステム１００は、インプラント１０を患者に挿入し、拡張可能インプラント１０を拡張または収縮させることができる。したがって、ロボットシステム１００は、外科医を補助するか、または部分的にまたは完全に独立して動作するように構成することができる。したがって、ロボットシステム１００は、その特定の機能または外科施術のために各代替エンドエフェクタ１１２を制御することができることが想定される。
［外科手術インプラント計画コンピュータおよび手術用ロボットシステムを備えたシステム］
図２０は、一部の実施形態に従って作動するよう構成された手術用ロボットシステム１００に接続された、外科手術インプラント計画コンピュータ２０００を含む、外科手術システムのブロック図を示す。外科手術インプラント計画コンピュータ２０００は、外科手術インプラント装置カタログサーバ２０１０に接続して、異なる寸法の骨ねじなどの外科手術インプラント装置の入手可能なタイプおよび特性を定義する情報を得ることができ、またさらに接続して患者医療画像サーバ２０２０から画像を取得することができ、接続して医療モデル画像サーバ２０３０からの解剖学的モデル画像を取得することができる。
図２０を参照すると、外科手術インプラント計画コンピュータ２０００は、初期医療画像に関する外科手術計画の自動生成を可能にし、および／または初期医療画像に対して外科手術インプラント装置を移植するために外科医によって開発された外科手術計画を使用する。外科手術インプラント計画コンピュータ２０００は、標的の医療画像に示される骨に外科手術インプラント装置を移植するのに使用するための外科手術計画を自動的に変換する。外科手術インプラント計画コンピュータ２０００は、手術用ロボットシステム１００に変換した外科手術計画を提供して、手術用ロボットシステムにより外科手術エンドエフェクタ１１２の動きを制御し、患者の骨の位置に対する外科手術エンドエフェクタ１１２を位置決めし、外科手術インプラント装置の骨への移植を容易にする。
一つの例示的な実施形態では、外科医は、外科手術インプラント計画コンピュータ２０００とインターフェースして、ねじが挿入される骨の代表的なスキャンまたは画像（集合的に「医療画像」、「画像スキャン」、および「画像」と称される）の骨ねじの位置に対する外科手術計画を生成できる。外科手術インプラント計画コンピュータ２０００は、患者の脊柱のＣＴスキャンなどの患者医療画像サーバ２０２０からのできれば特定のまたは平均の身長、年齢および体重の被験者からの正常な脊柱の初期画像を得ることができるか、またはＰａｃｉｆｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｉｎｃ．によるＳａｗｂｏｎｅｓモデルなどに基づいた画像を有しうる、医療モデル画像サーバ２０３０からの適切な解剖構造のモデル化された初期画像を得ることができる。ねじを予見可能に必要としうる場所で、初期画像に示される骨に対して、任意の予見可能な位置にねじを移植することができるかを特定する外科手術計画を作成することができる。この外科手術計画は、画像処理を通して利用可能な骨回路の場所を考慮するアルゴリズムによって、またはねじの適切な外科手術配置について知識を持つ個人によって手動で作成されうる。例えば、胸部腰仙脊椎の画像スキャンでは、外科手術計画は、画像中のＴ１−Ｓ３のすべての椎弓根において椎弓根スクリューを移植することができる場所を特定する、画像体積およびマーキング位置を外科医がスクロールすることによって作成されうる。対応するねじ位置を特定する初期画像および外科手術計画は、ローカルまたはリモートメモリーデータベースで外科手術インプラント計画コンピュータ２０００によって保存され、後に呼び出されて、特定の識別された患者、またはより一般的に将来の新しい患者に使用される。
患者の新しい標的画像が受け取られ、ねじ計画が必要な時、外科医は外科手術インプラント計画コンピュータ２０００とインターフェースして、標的画像に示される骨の一つまたは複数の領域にねじを挿入する場所を指定する。コンピュータ２０００は、それに応じて初期画像、外科手術計画、および標的画像を取得し、定義された規則に従って、指定された位置での標的画像の輪郭に十分に一致するように初期画像の輪郭を変形する空間的変換を実行する。必要なモーフィング量を最小化するために、患者医療画像サーバ２０２０または医療モデル画像サーバ２０３０から取得した初期画像を、目標画像の年齢、性別、身長、体重、人種またはその他の要因に一致させて、近似値を提供するよう選択しうる。画像の異なるセクションは、初期画像からの各対象の特定の骨を標的画像十分に一致させるように、最適な操作に従うなどして、異なる変形を用いてモーフィングされうる。例えば、初期画像から標的画像の対応する三つのレベルまで腰椎の三つのレベルを一致させようとする場合、コンピュータ２０００は、標的画像に示される各対応する椎骨と最適に一致するように、初期画像の各椎骨が独立して変形するように動作してもよい。さらに、キーポイント周辺の骨の異なる部分内で、初期画像および標的画像の対応する部分間の適合のために画定された規則を満たすために、異なる方法で延伸および回転させることができる。例えばモーフィングなどの変形するための動作は、一定のアスペクト比を維持するために変形される本体を必要としないアフィン変形を含みうる。
図２１は、いくつかの例示的な実施形態による、標的画像内の骨の上のオーバーレイ用の初期画像において外科手術インプラント装置を骨に対して移植するための外科手術計画を変換する変形マトリクスを生成するためにディスプレイ装置に表示することができる一連の画像および外科手術インプラント計画コンピュータ２０００によって実行される関連操作を示す。
図２１を参照すると、画像は、初期画像２１００、標的画像２１１０、初期画像２１００および標的画像２１１０の最初のオーバーレイされた複合視野２１２０を含み、ここでは総水平スケーリング、総垂直スケーリング、回転および変換のみが許容され、および標的画像２１１０のオーバーレイされた複合視野２１３０を含み、これは初期画像２１００により一致するように画像のサブセット内にさらに非対称に変形されている。初期画像２１００は、骨２１０８、および外科手術ねじ２１０２の先端位置２１０６およびテール位置２１０４が骨２１０８への移植後に位置する初期外科手術計画を示す。上述のように、初期画像２１００に示される最初の外科手術計画は、外科医が患者または別の患者（例えば、患者医療画像サーバ２０２０から）または医療モデル（例えば、医療モデル画像サーバ２０３０から）の初期画像２１００における骨２１０８を見ることによって開発されるか、または骨２１０８の定義されたおよび／または決定された特徴に対して、ねじまたは他の装置の配置（好ましい深さ、好ましい角度など）に関する外科医のあらかじめ定義された好みに基づいて作成された一つまたは複数の規則を満たすように動作する間、初期画像２１００に示される骨２１０８に関して、外科手術インプラント計画コンピュータ２０００によって自動的に作成されてもよい。初期画像２１００は、標的画像２１１０よりも顕著に小さく、初期的なオーバーレイ２１２０を達成するために、初期画像２１００は、全体的な前後寸法と横方向寸法が標的画像２１１０のものと一致するようにスケールされる。
以下に説明されるように、外科手術インプラント計画コンピュータ２０００は、ＣＴスキャン、Ｘ線、またはその他の医療的撮像プロセスによって得られた患者の標的画像２１１０に示す骨２１１２と併用するために、外科手術計画で定義された主要な解剖学的領域２１２２内のインプラント位置をさらに非対称的に変形する。変形したインプラント位置、例えば、外科手術スクリュー２１３２の変形した先端部およびテール位置は、手術用ロボットシステム１００に提供され、手術用ロボットシステム１００により外科手術エンドエフェクタ１１２の動きを制御し、患者の骨に対する外科手術エンドエフェクタ１１２を位置決めし、外科手術ねじ２１３２の骨への移植を容易にする。
図２２および２３は、一部の例示的な実施形態による外科手術計画のための変形マトリクスを生成および使用するための、外科手術インプラント計画コンピュータ２０００による動作のフローチャートを図示する。
図２１および２２を参照すると、コンピュータ２０００は、骨の初期画像２１００である２２００を取得し、外科手術インプラント装置の一組の位置、例えばねじ２１０２の先端２１０６とテール２１０４、および初期画像２１００において骨２１０８に対してオーバーレイされた対応する一組の位置の間のマッピングを定義するデータを含む初期位置データ構造２２０２を取得する。初期画像２１００の骨２１０８に対する外科手術ねじ２１０２の先端部およびテールの位置は、初期位置データ構造のデータに基づいて決定されうる。初期画像にマップされる外科手術インプラント装置および関連する場所（例えば、先端、テール、その他の定義された位置および／または輪郭）のタイプは、外科手術インプラント装置カタログサーバ２０１０から取得されてもよく、また初期画像は、医療モデル画像サーバ２０３０および／または患者医療画像ジサーバ２０２０から取得されてもよい。コンピュータ２０００はまた、患者医療画像サーバ２０２０から、患者の骨２１１２の標的画像２１１０である２２０４を取得する。
コンピュータ２０００は、初期画像２１００内の骨２１０８の一部分２１２２の輪郭を変形する変形マトリクスを生成２２０６し、標的画像２１１０の骨２１１２の対応する部分の輪郭に適合するように定義された規則を満たし、ここでオーバーレイ画像２１２０の例示的部分は図２１の２１１２に図示される。変形マトリクスは、初期画像２１００の部分２１２２における骨２１０８の表面輪郭を画定するポイントのどれだけの群が、標的画像２１１０の部分２１２２における骨２１１２の対応する表面輪郭に一致するために定義された規則を満たすように、個別に移動または集合的に延伸および／または回転する必要があるかに基づいて生成されうる。定義された規則は、骨２１０８をモーフィングすることに対応して、部分２１２２内の骨２１１２のそれぞれの表面輪郭の最適な嵌合を達成しうる。モーフィングの操作には、限定されないが、本体が一定のアスペクト比を維持するために形成されることを必要としないアフィン変形が含まれる。
オーバーレイされた複合画像２１２０は、標的画像２１１０内の骨２１１２と同一の全体サイズをおおよそ持つように、初期画像２１００で骨２１０８を、例えば引き伸ばすなどして、変形することによって生成されうる。変形したオーバーレイされた複合物視野２１３０は、ターゲット画像２１１０内の骨２１１２の対応する輪郭により一致させるように、初期画像２１１０内の骨２１０８の前面および後面の外面および脊柱管の表面に沿った複数の輪郭を、例えば伸張および回転させるなどのモーフィングによってさらに変形することによって生成され得る。
次に、コンピュータ２０００は、例えばねじ２１０２などの外科手術インプラント装置の初期位置データ構造に変形マトリクスを適用すること、またはねじ先端２１０６およびねじテール２１０４などの初期位置データ構造のキーポイントに変形マトリクスを適用することに基づいて、２２０８変形位置データを生成する。この違いは、異なるように変形された二つの領域２１２２および２１２４を横切るねじ全体を変形すると曲がったねじ２１３２が得られるが、先端とテールのみを変形して、これらの点を直線で再接続すると、まっすぐなねじ２１３２が得られるために生じる。コンピュータ２０００は、変形した位置データ構造に基づいて決定される標的画像２１１０内の骨２１１２上の位置にオーバーレイされた、例えば、ねじ２１３２などの外科手術インプラント装置のグラフィカル表現をディスプレイ装置上に表示２２１４する。
一実施形態では、外科手術インプラント計画コンピュータ２０００は、外科医が見て必要に応じて調整するために、患者の標的画像上の自動計画ねじ位置を表示表示するように構成されうる。コンピュータ２０００は、画定された既知のねじ先端およびテール座標に基づいて、骨２１０８の寸法に基づいて、および外科手術インプラント装置カタログサーバ２０１０から得た、入手可能なねじの特徴データに基づいて、ねじの長さを自動的に決定する。コンピュータ２０００は、初期画像２１００内の骨に対するオリジナルのねじの長さと、標的画像２１１０内の骨２１１２に対する変形したねじの長さとの間に生じる、決定されたスケーリングに基づいて、ねじの直径を自動的にスケールするように構成されうる。例えば、例えば、初期画像２１００において５０ｍｍのねじが骨２１０８に適合するが、骨２１１２に一致するように骨２１０８を変形した後、ねじの長さが４０ｍｍに減少した場合、この減少はねじの長さの２０％の減少に相当する。コンピュータ２０００は、それに対応してねじの直径を２０％減少させるように構成されうる。代替的にまたは追加的に、コンピュータ２０００は、様々な骨の画定領域に対応する様々な長さのねじと共に使用するためにどのねじ径が選択されたかを識別する、様々な長さのねじを有する実際の患者のグループについて提供された履歴リポジトリのデータにアクセスしうる。代替的または追加的に、コンピュータ２０００は、表面適合性、通過するねじが自動的に測定されうるねじが通過する領域内で利用可能な空間の量、および自動的に選択されるねじの最適直径について、初期画像２１００の変換中に評価されるターゲット画像２１１０の骨輪郭の位置について既知の情報を使用することができる。
例示的実施形態において、外科手術ねじ２１０２は、初期画像の骨に対する初期位置データ構造によって画定される先端位置とテール位置とを有し、コンピュータ２０００は、変形マトリクスに基づいて標的画像２１００の骨２１０８に対して画定される外科手術ねじの先端位置とテール位置との間の距離をスケーリングする（図２２の２２１０）。さらなる実施形態では、コンピュータ２０００は、外科手術ねじの先端位置とテール位置との間の距離のスケーリングに基づいて、外科手術ねじの直径をスケーリングする（図２２の図２２１２）。
上述のように、骨上の異なる部分におけるキーポイントに沿った輪郭は、異なる方法で延伸および回転して、初期画像および標的画像の対応する部分間の適合のために画定された規則を満たすことができる。図２１では、オーバーレイ画像２１２０内の別の部分２１２４が示されており、ここで骨２１０８の輪郭は、部分２１２４内でも標的画像２１１０内の対応する骨２１１２にさらに厳密に一致するように変形されうる。オーバーレイ画像２１２０の部分２１２４内で実行される変形に基づいて、同一または別の変形マトリクスを生成または改良することができる。例えば、良好な椎弓根スクリューの配置は、脊柱管のサイズおよび正中線からの椎弓根のオフセットも維持しながら、椎弓根の幅が重なり合うように、初期画像形状を椎骨の後部領域の目標画像形状に合わせることが望ましい場合がある。こうした目標は、異なる変形マトリクスで変形される椎骨の異なる部分を必要とする場合があり、また椎骨全体の単一変形マトリクスの使用を遮断することができる。
領域間の境界での連続性を維持しながら、初期画像の個々の領域を変換して標的画像の対応する領域に一致させるための一般化された方法は、画像が変形される動画ビデオをデジタル作成するのに用いられる技術と同様の技術を用いて適用できる（例えば、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｌｅａｒｎｏｐｅｎｃｖ．ｃｏｍ／ｆａｃｅ−ｍｏｒｐｈ−ｕｓｉｎｇ−ｏｐｅｎｃｖ−ｃｐｐ−ｐｙｔｈｏｎ／参照）。このモーフィング技術は、初期画像から標的画像への目印の対応を有する一連のポイントを使用し、ドローネ三角形分割を用いて画像領域または体積を個別領域に分割し、次いで各三角形（２Ｄ）または四面体（３Ｄ）に対してアフィン変形を適用して、初期画像から標的画像への各三角形領域または体積を適合させる。現在の用途では、例えば、理想的な脊椎の初期画像体積を、新しい患者の脊椎の標的画像体積に一致させるために、棘突起、椎弓板、横突起、椎弓根、および椎体などの主要な目印を、パターン認識および画像処理によって初期画像および標的画像内で自動的に識別できるか、またはユーザが画像内をスクロールしてこれらの位置をマーキングして、点対応集合を作成することによって手動で識別される。既知の技術を使用して、最良の適合のためのドローネ三角形分割およびアフィン変形が自動的に生成されうる。先端ポイントおよびテールポイントがその中にある四面体に対応するアフィン変形は、その後ねじの先端ポイントおよびテールポイントに適用される。ねじ本体は、その円筒形状を変える可能性があるため、変形しない。代わりに、変形した先端ポイントおよびテールポイントを使用して新しいねじ本体が位置付けて、標的ねじ計画を達成する。
一部のさらなる実施形態では、変形マトリクスを生成するための動作２２０６は、初期画像２１００の骨２１０８の一部の輪郭のサイズおよび／または回転角度を変更することを含み得、標的画像２１１０における骨２１１２の対応する部分の輪郭のサイズおよび／または回転角度に適合させるために定義された規則を満たす。さらに、上述のように、動作は繰り返されて、初期画像２１００における骨２１０８の複数の部分の輪郭のサイズおよび／または回転角度を変更し、標的画像２１１０内の骨２１１２の対応する複数の部分の輪郭のサイズおよび／または回転角度に適合させるために定義された規則を満たす。
一つのさらなる実施形態において、初期画像２１００の骨２１０８の部分の輪郭のサイズおよび／または回転角度を変更するための動作は、初期画像２１００内の骨２１０８の部分の輪郭のサイズおよび／または回転角度の最適な変形を適用して、オーバーレイ複合画像２１２０および／またはさらなる変形したオーバーレイ複合画像２１３０に示されるように、標的画像２１１０内の骨２１１２の対応する部分の輪郭のサイズおよび／または回転角度を適合するための定義された規則を満たすことを含み得る。別のさらなる実施形態において、初期画像２１００の骨２１０８の部分の輪郭のサイズおよび／または回転角度を変更するための動作は、初期画像２１００内の骨２１０８の部分の輪郭のサイズおよび／または回転角度のアフィン変形を適用して、標的画像２１１０内の骨２１１２の対応する部分の輪郭のサイズおよび／または回転角度を適合するための定義された規則を満たすことを含み得る。
さらなる実施形態では、変形マトリクスを初期位置データ構造に適用することに基づいて変形された位置データ構造を生成するための動作は、初期位置データ構造で定義された外科手術インプラント装置上の最初の位置の一つに対し、初期画像２１００の骨２１０８に対する初期位置データ構造によって定義された対応する第一の位置の一つを変形するために、変形マトリクスを、標的画像２１１０内の骨２１１２に対する画定された変形された第一の位置に適用することと、変形した位置データ構造内の変形した第一の位置を、外科手術インプラント装置上の第一の位置の一つと関連付けて保存することとを含みうる。
動作はさらに、初期画像２１００内の骨２１０８の別の部分２１２４の輪郭を変形する別の変形マトリクスを生成することをさらに含んで、標的画像２１１０内の骨２１１２の対応する別の部分２１２４の輪郭に適合するように画定された規則を満たすことができる。変形マトリクスを初期位置データ構造に適用することに基づいて変形された位置データ構造を生成するための動作は、初期位置データ構造で定義された外科手術インプラント装置上の第二の位置の一つに対し、初期画像２１００の骨２１０８に対する初期位置データ構造によって定義された対応する第二の位置の一つを変形するために、変形マトリクスを、標的画像２１１０内の骨２１１２に対する画定された変形された第二の位置に適用することと、変形した位置データ構造内の変形した第二の位置を、外科手術インプラント装置上の第二の位置の一つと関連付けて保存することとをさらに含みうる。
ここで、図２３のフローチャートを参照して、初期画像２１００に示される骨２１０８へのねじ２１０２上の位置のマッピングを、標的画像２１１０に示される骨２１１２へのねじ２１０２上の位置の対応するマッピングに変換するために実行され得る例示的な動作を示す。適合するように定義された規則を満たすために、初期画像２１００内の骨２１０８の第一の部分の輪郭を、標的画像２１１０内の骨２１１２の対応する第一の部分の輪郭に変換する、第一の変形マトリクス２３００が生成される。第一の変形マトリクスは、初期位置データ構造で画定された外科手術ねじ上の先端位置に適用される２３０２。変形した先端位置は次に、変形した位置データ構造に保存される２３０４。適合するように定義された規則を満たすために、初期画像２１００内の骨２１０８の第二の部分の輪郭を、標的画像２１１０内の骨２１１２の対応する第二の部分の輪郭に変換する、第二の変形マトリクス２３０６が生成される。第二の変形マトリクスは、初期位置データ構造で定義された外科手術ねじ上のテール位置に適用され２３０８、変形したテール位置は、次いで変形した位置データ構造にに保存される２３１０。
解剖学的モデルを使用してねじまたは他の装置を患者の骨に埋め込むための外科手術計画を自動的に生成するための動作が一部のシナリオで想定されるが、一部の患者にとって許容可能な解決策を提供しない場合がある。例えば、骨のコリドーは、ねじの先端およびテールが初期画像（例えば、解剖学的モデルまたはその他の患者に対応する）内に位置付けられる場所の間に直線的な接続とすることができるが、患者の標的画像における患者の骨の対応するコリドーは過度に湾曲しうる。様々なこうしたシナリオが、図２４に示す骨の画像に図示されており、ここで外科手術インプラント装置（例えば、ねじ）は骨上のオーバーレイとして表示される。
図２４を参照すると、画像２４００は、ねじ、ロッド、またはその他の装置２４０２を移植できる直線のコリドーを持つ骨２４０４を図示する。鋭利なコントラストでは、画像２４１０は、インプラント装置２４０２が移植されうる実質的に湾曲したコリドーを有する骨２４１２を図示する。しかし、インプラント装置２４０２が表面を貫通し、湾曲した領域を通して骨２４１２の外側に延びることは、医学的に許容されるものではない。本明細書の実施形態によると、外科手術インプラント計画コンピュータ２０００は、インプラント装置２４０２の位置を調節して骨部２４１２内に完全に延長することによって、こうした湾曲した領域を特定および補正するように構成されうる。画像２４２０の実施例では、装置２４０２骨２４１２内に移植される場所に対して外科手術計画を生成する場合、コンピュータ２０００は、骨２４１２の外に出ないように、位置２４０２’からインプラント装置２４０２の位置に内向きに移動する。
図２５は、外科手術プランを生成する時に骨湾曲または他の骨の窪みを補正するために、外科手術インプラント計画コンピュータ２０００が実施しうる対応する操作のフローチャートである。図２５を参照すると、距離は、標的画像内の変形した位置データ構造および骨の隣接する表面によって画定される外科手術インプラント装置上の位置間で決定される２２００。決定された距離に応答して、コンピュータ２０００は２２０４を調節し、ここで外科手術インプラント装置のグラフィカル表現は、骨の標的画像上のオーバーレイとして表示される。
外科手術計画を生成するための操作は、外科医の好みに基づいて定義される規則に基づいてインプラント装置の位置を付勢または制限することを含みうる。コンピュータ２０００は、標的イメージ内の骨の表面に対する外科手術インプラント装置の貫通の深さおよび貫通角度を定義する一組の規則を取得して２２０２、その一連の規則を使用して調整し２２０４、ここで外科手術インプラント装置のグラフィカル表現は、骨の標的画像上のオーバーレイとして表示される。例えば、一部の外科医は、腰部の下部において腰椎のねじを後ろから前までまっすぐに移植することを好むが、その他の外科医は横方向から中間部に移植されたねじを有することを好む場合がある。代替的にまたは追加的に、一部の外科医は、椎体の深さの５０％に椎弓根スクリューを貫通させることを好むが、その他の外科医は椎体の深さの７５％に椎弓根スクリューを貫通させることを好む場合がある。スクリュー配置およびインプラント装置の他の好みに対する外科医のこれらおよびその他の好みは、外科医が初期画像に対して作成する外科手術計画で保存でき、また外科手術計画は、標的画像に向けるための手術計画の変形中にコンピュータ２０００によって使用される。コンピュータ２０００は、予測可能なすべてのねじおよび／または他の装置インプラント位置を計画するプロセスを実行することを好まない外科医を、特定された好みに最も近い選択肢の定義済みセット（例えば、図）から代わりに選択することを可能にしうる。
このようにして、初期医療画像に関して作成される、自動的に生成される予測外科手術計画および／または外科医の初期外科手術計画を、標的医療画像に示される患者の骨に外科手術インプラント装置を移植するのに使用するための変形された計画に変換する、外科手術システムが提供される。こうした自動的な計画は、手術に必要な時間を減少させ、計画の精度を高めることができる。変形した外科手術計画は、外科医によるレビューのために表示されてもよく、および／または患者の骨に対する手術用ロボットシステムの外科手術エンドエフェクタの位置決めを制御するために、手術用ロボットシステムに提供されてもよい。
本明細書に記載されるロボットおよび関連するシステムは、背骨または他の骨の用途を参照して一般に説明されるが、外科手術システムは、他の外科手術への用途、例えば、外傷または他の整形外科手術（例えば、髄内釘、プレートなどの配置）、頭蓋、神経、心胸郭、血管、結腸直腸、腫瘍、歯および他の外科手術および処置も考えられるが、これらに限定されない。
［外科手術インプラント計画コンピュータの構成要素］
図２６は、一部の例示的な実施形態に従って動作するように構成された外科手術インプラント計画コンピュータ２０００の構成要素のブロック図を示す。コンピュータ２０００は、ディスプレイ装置２６３０、無線および／または有線ネットワークインターフェース回路２６４０、少なくとも一つのプロセッサ回路２６１０（プロセッサ）、および少なくとも一つのメモリ回路２６２０（メモリ）を含みうる。プロセッサ２６１０は、メモリ２６２０、ディスプレイ装置２６３０、およびネットワークインターフェース回路２６４０に接続される。メモリ２６２０は、プロセッサ２６１０により実行されるプログラムコード２６２２を保存し、動作を実行する。プロセッサ２６１０は、一般的な目的および／または専用の目的プロセッサ（例えば、マイクロプロセッサおよび／またはデジタル信号プロセッサ）などの一つまたは複数のデータ処理回路を含んでもよく、一つまたは複数のデータネットワークにわたって配置または分配されてもよい。プロセッサ２６１０は、コンピュータ可読媒体として以下に記述されるメモリ２６２０のプログラムコード２６２２間のコンピュータプログラム命令を実行し、外科手術インプラント計画コンピュータ２０００について本明細書に開示される一つまたは複数の実施形態について、いくつかまたはすべての動作および方法を実行するように構成される。ネットワークインターフェース回路２６４０は、有線ネットワーク（例えば、イーサネット、ＵＳＢなど）および／または無線ネットワーク（例えば、Ｗｉ−Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ(登録商標)、携帯など）を介して、サーバ２０１０、２０２０、および／または２０３０などの別の電子装置、および手術用ロボットシステム１００と通信するように構成される。
［さらなる定義および実施形態］
本発明の概念の様々な実施形態の上記の説明において、本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明する目的のみのものであり、本発明の概念を限定するものではないことを理解されたい。他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての用語（技術用語および科学用語を含む）は、本発明の概念が属する当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書に定義されているもののような用語は、明細書および関連技術の文脈における意味と一致する意味と有すると解釈されるべきであり、本明細書において明確に定義されていない限り、理想的または過度に形式的に解釈されるうべきではないことも理解されよう。
ある要素が、別の要素に「接続されている（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「結合されている（ｃｏｕｐｌｅｄ）」「応答している（ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ）」、またはその変形として称される場合、別の要素の直接接続され、結合され、または、応答してもよく、あるいは、介在要素が存在してもよい。対照的に、ある要素が別の要素に「直接接続されている（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「直接結合されている（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ）」、「直接応答している（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ）」、またはその変形として称される場合、介在要素は存在しない。同一番号は、全体を通して同一要素を指す。別段に特定または限定されていない限り、「装着される（ｍｏｕｎｔｅｄ）」、「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「支持される（ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ）」および「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語およびそれらの変形は、広範に使用され、直接的および間接的な取り付け、接続、支持および結合の両方を包含する。さらに、「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」および「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」は、物理的または機械的な接続または結合に限定されない。本明細書で使用されているように、単数形「一つの（ａ、ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限りは、複数形も含むものとする。周知の機能または構成は、簡潔さおよび／または明瞭さのために、詳細に説明され得ない。用語「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」は、関連して列挙した項目の一つまたは複数の組み合わせのいずれかおよびすべてを含む。
用語第一、第二、第三等が様々な要素／動作を説明するために本明細書において使用され得るが、これらの要素／動作はこれらの用語に限定されるべきではないことが理解されよう。これらの用語は、ある要素／動作を別の要素／動作から区別するためにのみ使用される。よって、いくつかの実施形態における第一要素／動作は、本発明概念の教示から逸脱することなく、他の実施形態において第二の要素／動作と称されてもよい。同一参照番号または同一参照指定子は、明細書全体を通して、同一または類似の要素を示す。
本明細書中で使用される場合、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「有する（ｈａｖｅ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」またはそれらの変形は、オープンエンドであり、一つまたは複数の述べられた特徴、整数、要素、ステップ、構成要素、機能を含むが、一つまたは複数の他の特徴、整数、要素、ステップ、構成要素、機能またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではない。さらに、本明細書で使用されるように、ラテン語の句「例示的なグラシア」に由来する一般的な略語「ｅ．ｇ．」は、前述のアイテムの一般的な例を導入または特定するために使用されてもよく、そのような項目を限定することを意図しない。ラテン語句「ｉｄ ｅｓｔ」に由来する一般的な略語「ｉ．ｅ．」を使用し、より一般的な暗唱から特定の項目を指定することができる。
例示的な実施形態は、本明細書において、コンピュータ実装方法、装置（システムおよび／または装置）および／またはコンピュータプログラム製品のブロック図および／またはフローチャート図を参照して説明される。ブロック図および／またはフローチャート図のブロック、およびブロック図および／またはフローチャート図のブロックの組み合わせは、一つまたは複数のコンピュータ回路によって実行されるコンピュータプログラム命令によって実装できることが理解される。これらのコンピュータプログラム命令は、汎用コンピュータ回路、専用コンピュータ回路、および／または他のプログラム可能データ処理回路のプロセッサ回路に供給され、コンピュータおよび／または他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサを介して実行されるこれらの命令が、トランジスタ、メモリ位置に格納された値、およびブロック図および／またはフローチャートブロックまたはブロックに指定された機能／動作を実現するための回路内の他のハードウェア構成要素を変換し、制御し、故に、ブロック図および／またはフローチャートブロックまたはブロックに指定された機能／動作を実現するための手段（機能）および／または構造を作成することができる。
これらのコンピュータプログラム命令はまた、コンピュータまたは他のプログラム可能なデータ処理装置に特定のやり方で機能するよう指示する固定のコンピュータ可読媒体に保存することができ、これによりコンピュータ可読媒体に保存されたこれらの命令は、ブロック図および／またはフローチャートブロックまたはブロックで指定された機能／動作を実装する命令を含む製造品を生成することができる。したがって、本発明の概念の実施形態は、「回路」、「モジュール」またはその変形と総称することができる、デジタル信号プロセッサなどのプロセッサ上で動作するハードウェアおよび／またはソフトウェア（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む）で実施することができる。
また、いくつかの代替実施例では、ブロックに記されている機能／動作が、フローチャートに記載された順序から外れてもよいことにも留意されたい。例えば、連続して示された二つのブロックは、実際には実質的に同時に実行されてもよく、あるいは、関連する機能／動作に応じてブロックが時々逆の順序で実行されてもよい。さらに、フローチャートおよび／またはブロック図の所与のブロックの機能性は、複数のブロックに分離されてもよく、および／またはフローチャートおよび／またはブロック図の二つ以上のブロックの機能性が少なくとも部分的に統合されてもよい。最後に、図示されたブロック間に他のブロックが追加／挿入されてもよく、および／またはブロック／動作が本発明の概念の範囲から逸脱することなく省略されてもよい。さらに、図のいくつかは、通信の主要な方向を示すために通信経路上に矢印を含むが、図示された矢印とは反対の方向に通信が行われてもよいことを理解されたい。
本発明の概念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、本発明の概念の多くの変更および他の実施形態が、発明の概念に関係することが想定され、前述の説明および関連する図面に提示された教示の利益を享受する。したがって、本発明の概念は、上に開示された特定の実施形態に限定されず、多くの修正および他の実施形態が添付の特許請求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。一実施形態の特徴は、本明細書に記載された異なる実施形態の特徴と組み合わせることができ、または使用することがさらに想定される。さらに、特定の用語が、本明細書および以下の特許請求の範囲で用いられているが、それらは包括的で説明的な意味でのみ使用され、記載された発明概念または以下の特許請求の範囲を限定する目的で使用されるものではない。本明細書に引用された各特許および特許公報の開示全体は、あたかもそのような各特許または特許公報が参照により個々に本明細書に組み込まれているかのように、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。本発明の概念の様々な特徴および／または潜在的な利点は、添付の特許請求の範囲に記載されている。

Claims (20)

  1. 患者の骨に対して外科手術インプラント装置を配置するための外科手術インプラント計画コンピュータによる方法であって、
    骨の初期画像を取得することと、
    前記外科手術インプラント装置上の一組の位置と、前記初期画像の前記骨に対する対応する一組の位置との間のマッピングを定義するデータを含む初期位置データ構造を取得することと、
    前記患者の前記骨の標的画像を取得することと、
    前記初期画像の前記骨の一部分の輪郭を変形する変形マトリクスを生成して、前記標的画像の前記骨の対応する部分の輪郭に適合するように定義された規則を満たすことと、
    前記変形マトリックスを前記初期位置データ構造に適用することに基づいて変形した位置データ構造を生成することと、
    前記変形した位置データ構造に基づいて決定された前記骨の前記標的画像上の位置にオーバーレイされた前記外科手術インプラント装置のグラフィカル表現を表示することと、を含む、方法。
  2. 前記外科手術インプラント装置が、外科手術ねじを備え、
    前記初期位置データ構造の前記データに基づいて、前記初期画像の前記骨に対する前記外科手術ねじの先端およびテール位置を決定することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記変形マトリクスの前記生成が、
    前記初期画像の前記骨の前記部分の前記輪郭のサイズおよび／または回転角度を変更して、前記標的画像の前記骨の前記対応する部分の前記輪郭のサイズおよび／または回転角度に適合するように、前記定義された規則を満たすことを含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記初期画像の前記骨の複数の部分の輪郭の前記サイズおよび／または前記回転角度の前記変更を繰り返して、前記標的画像の前記骨の対応する複数の部分の輪郭の前記サイズおよび／または前記回転角度に適合するように前記定義された規則を満たすことをさらに含む、請求項３に記載の方法。
  5. 前記初期画像の前記骨の前記部分の前記輪郭の前記サイズおよび／または前記回転角度の前記変更が、
    前記初期画像の前記骨の前記部分の前記輪郭の前記サイズおよび／または前記回転角度の最適変形を適用して、前記標的画像の前記骨の前記対応する部分の前記輪郭の前記サイズおよび／または前記回転角度に適合するように、前記定義された規則を満たすことを含む、請求項３に記載の方法。
  6. 前記初期画像の前記骨の前記部分の前記輪郭の前記サイズおよび／または前記回転角度の前記変更が、
    前記初期画像の前記骨の前記部分の前記輪郭の前記サイズおよび／または前記回転角度のアフィン変形を適用して、前記標的画像の前記骨の前記対応する部分の前記輪郭の前記サイズおよび／または前記回転角度に適合するように、前記定義された規則を満たすことを含む、請求項３に記載の方法。
  7. 前記変形マトリクスを前記初期位置データ構造に適用することに基づいて、前記変形した位置データ構造の前記生成が、
    前記初期位置データ構造で定義された前記外科手術インプラント装置上の前記第一の位置の一つに対し、前記変形マトリクスを適用して、前記初期画像における前記骨に対して前記初期位置データ構造によって画定される対応する最初の一つの位置を、前記標的画像の前記骨に対して画定される変形した第一の位置に変形することと、
    前記変形した位置データ構造に、前記変形した第一の位置を、前記外科手術インプラント装置上の前記第一の前記位置と関連付けて保存することとを含む、請求項１に記載の方法。
  8. 前記初期画像の前記骨の別の部分の輪郭を変形する別の変形マトリクスを生成して、前記標的画像内の前記骨の対応する別の部分の輪郭に適合するように定義された規則を満たすことと、
    前記変形マトリクスを前記初期位置データ構造に適用することに基づいて、前記変形した位置データ構造の前記生成が、
    前記初期位置データ構造で定義された前記外科手術インプラント装置上の前記位置の第二の一つに対し、前記他の変形マトリクスを適用して、前記初期画像における前記骨に対して前記初期位置データ構造によって画定される対応する第二の一つの位置を、前記標的画像の前記骨に対して画定される変形した第二の位置に変形することと、
    前記変形した位置データ構造に、前記変形した第二の位置を、前記外科手術インプラント装置上の前記第二の前記位置と関連付けて保存することとをさらに含む、請求項７に記載の方法。
  9. 前記外科手術インプラント装置が、前記初期画像の前記骨に対して前記初期位置データ構造で定義される先端位置をおよびテール位置を有する外科手術ねじを備え、
    前記変形マトリクスを前記初期位置データ構造に適用することに基づいて、前記変形した位置データ構造の前記生成が、
    前記初期画像の前記骨の第一の部分の輪郭を変形する第一の変形マトリクスを生成して、前記標的画像の前記骨の対応する第一の部分の輪郭に適合するように前記定義された規則を満たすことと、
    前記初期位置データ構造で定義された前記外科手術ねじ上の前記先端位置に対し、前記第一の変形マトリクスを適用して、前記初期画像における前記骨に対して前記初期位置データ構造によって画定される対応する第一の位置を、前記標的画像の前記骨に対して画定される変形した第一の位置に変形することと、
    前記変形した位置データ構造に、前記変形した第一の位置を、前記外科手術ねじ上の前記先端位置と関連付けて保存することと、
    前記初期画像の前記骨の第二の部分の輪郭を変形する第二の変形マトリクスを生成して、前記標的画像の前記骨の対応する第二の部分の輪郭に適合するように定義された規則を満たすことと、
    前記初期位置データ構造で定義された前記外科手術ねじ上の前記テール位置に対し、前記第二の変形マトリクスを適用して、前記初期画像の前記骨に対して前記初期位置データ構造によって画定される対応する第二の位置を、前記標的画像の前記骨に対して画定される変形した第二の位置に変形することと、
    前記変形した位置データ構造に、前記変形した第二の位置を、前記外科手術ねじ上の前記テール位置と関連付けて保存することと、を含む、請求項７に記載の方法。
  10. 前記外科手術インプラント装置が、前記初期画像の前記骨に対して前記初期位置データ構造によって定義される先端位置をおよびテール位置を有する外科手術ねじを備え、
    前記変形マトリクスを前記初期位置データ構造に適用することに基づく前記変形した位置データ構造の前記生成が、前記変形マトリクスに基づいて、前記標的画像の前記骨に対して画定される前記外科手術ねじの前記先端位置とテール位置との間の距離をスケーリングすることを含む、請求項１に記載の外科手術インプラント計画コンピュータ。
  11. 前記変形マトリクスを前記初期位置データ構造に適用することに基づいて、前記変形した位置データ構造の前記生成が、
    前記外科手術ねじの前記先端位置と前記テール位置との間の前記距離の前記スケーリングに基づいて、前記外科手術ねじの直径をスケールすることをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記変形した位置データ構造を手術用ロボットシステムに提供して、前記変形した位置データ構造のデータに基づいて、前記患者の前記骨上の位置に対して前記手術用ロボットシステムの外科手術エンドエフェクタの位置決めを制御することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  13. 前記骨の前記標的画像の基準座標系における前記変形した位置データ構造によって画定された位置を、前記外科手術エンドエフェクタの別の基準座標系に変形することと、
    前記外科手術エンドエフェクタの前記手術用ロボットシステムによって移動を制御して、前記変形した位置に基づいて前記患者の前記骨の前記位置に対して前記外科手術エンドエフェクタを位置決めし、前記患者の前記骨における前記外科手術インプラント装置の移植を容易にすることをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記変形した位置データ構造および前記標的画像の前記骨の隣接した表面によって画定される前記外科手術インプラント装置上の位置間の距離を決定することと、
    前記決定された距離に応答し、前記外科手術インプラント装置の前記グラフィカル表現が、前記骨の前記標的画像上のオーバーレイとして表示される場所を調節することと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  15. 前記標的画像の前記骨の表面に対する前記外科手術インプラント装置の貫通の深さおよび前記貫通の角度を定義する一連の規則を取得することと、
    前記一組の規則に応答し、前記外科手術インプラント装置の前記グラフィカル表現が、前記骨の前記標的画像上のオーバーレイとして表示される場所を調節することと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  16. 外科手術インプラント計画コンピュータであって、
    少なくとも一つのネットワークサーバに接続された少なくとも一つのネットワークインターフェースと、
    ディスプレイ装置と、
    少なくとも一つのネットワークインターフェースおよび前記ディスプレイ装置に接続された少なくとも一つのプロセッサと、
    少なくとも一つのメモリを備え、前記少なくとも一つのプロセッサによって実行されるプログラム命令を記憶して、動作を実行する少なくとも一つのメモリは、
    前記少なくとも一つのサーバから前記少なくとも一つのネットワークインターフェースを介して骨の初期画像を取得することと、
    前記少なくとも一つのサーバから前記少なくとも一つのネットワークインターフェースを介して、前記外科手術インプラント装置上の一組の位置と、前記初期画像の前記骨に対する対応する一組の位置との間のマッピングを定義するデータを含む初期位置データ構造を取得することと、
    前記少なくとも一つのサーバから前記少なくとも一つのネットワークインターフェースを介して前記患者の前記骨の標的画像を取得することと、
    前記初期画像の前記骨の一部分の輪郭を変形する変形マトリクスを生成して、前記標的画像の前記骨の対応する部分の輪郭に適合するように定義された規則を満たすことと、
    前記変形マトリックスを前記初期位置データ構造に適用することに基づいて変形した位置データ構造を生成することと、
    前記変形した位置データ構造に基づいて決定された前記骨の前記標的画像上の位置にオーバーレイされた前記外科手術インプラント装置のグラフィカル表現を前記ディスプレイ装置上に表示することと、を含む、外科手術インプラント計画コンピュータ。
  17. 前記外科手術インプラント装置が、前記初期画像の前記骨に対して前記初期位置データ構造によって定義される先端位置をおよびテール位置を有する外科手術ねじを備え、
    前記変形マトリクスを前記初期位置データ構造に適用することに基づく前記変形した位置データ構造の前記生成が、前記変形マトリクスに基づいて、前記標的画像の前記骨に対して画定される前記外科手術ねじの前記先端位置とテール位置との間の距離をスケーリングすることを含む、請求項１６に記載の外科手術インプラント計画コンピュータ。
  18. 前記変形した位置データ構造を、少なくとも一つのネットワークインターフェースを介して、手術用ロボットシステムに提供して、前記変形した位置データ構造のデータに基づいて、前記患者の前記骨上の位置に対して前記手術用ロボットシステムの外科手術エンドエフェクタの位置決めを制御することをさらに含む、請求項１６に記載の外科手術インプラント計画コンピュータ。
  19. 外科手術システムであって、
    外科手術インプラント計画コンピュータであって、
    少なくとも一つのネットワークサーバに接続された少なくとも一つのネットワークインターフェースと、
    ディスプレイ装置と、
    少なくとも一つのネットワークインターフェースおよび前記ディスプレイ装置に接続された少なくとも一つのプロセッサと、
    少なくとも一つのメモリを備え、前記少なくとも一つのプロセッサによって実行されるプログラム命令を記憶して、動作を実行する少なくとも一つのメモリは、
    前記少なくとも一つのサーバから前記少なくとも一つのネットワークインターフェースを介して骨の初期画像を取得することと、
    前記少なくとも一つのサーバから前記少なくとも一つのネットワークインターフェースを介して、前記外科手術インプラント装置上の一組の位置と、前記初期画像の前記骨に対する対応する一組の位置との間のマッピングを定義するデータを含む初期位置データ構造を取得することと、
    前記少なくとも一つのサーバから前記少なくとも一つのネットワークインターフェースを介して前記患者の前記骨の標的画像を取得することと、
    前記初期画像の前記骨の一部分の輪郭を変形する変形マトリクスを生成して、前記標的画像の前記骨の対応する部分の輪郭に適合するように定義された規則を満たすことと、
    前記変形マトリックスを前記初期位置データ構造に適用することに基づいて変形した位置データ構造を生成することと、
    前記変形した位置データ構造に基づいて決定された前記骨の前記標的画像上の位置にオーバーレイされた前記外科手術インプラント装置のグラフィカル表現を前記ディスプレイ装置上に表示することと、を含み、
    手術用ロボットシステムであって、
    外科手術エンドエフェクタを位置付けるように構成されたロボットアームと、
    前記ロボットアームに接続されたコントローラであって、動作を実行するように構成された前記コントローラが、
    前記骨の前記標的画像の基準座標系における前記変形した位置データ構造によって画定された位置を、前記外科手術エンドエフェクタの別の基準座標系に変形することと、
    前記外科手術エンドエフェクタの移動を制御して、前記変形した位置に基づいて前記患者の前記骨の位置に対して前記外科手術エンドエフェクタを位置決めし、前記患者の前記骨における前記外科手術インプラント装置の移植を容易にすることを含む、コントローラを備える、手術用ロボットシステムと、を備える、外科システム。
  20. 前記外科手術インプラント装置が、前記初期画像の前記骨に対して前記初期位置データ構造によって定義される先端位置をおよびテール位置を有する外科手術ねじを備え、
    前記変形マトリクスを前記初期位置データ構造に適用することに基づく前記変形した位置データ構造の生成する前記動作が、前記変形マトリクスに基づいて、前記標的画像の前記骨に対して画定される前記外科手術ねじの前記先端位置とテール位置との間の距離をスケーリングすることを含み、
    前記外科手術エンドエフェクタの移動を制御する前記動作が、前記変形した位置に基づいて前記患者の前記骨の位置に対して前記外科手術エンドエフェクタを位置決めし、前記患者の前記骨における前記外科手術インプラント装置の移植を容易にする、請求項１９に記載の外科手術システム。
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