JP2020096829A - ドリルガイド固定具、頭蓋挿入固定具、および関連する方法およびロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】患者の動きを追跡して電極ホルダを患者の頭蓋骨に取り付けるための手術用ロボットシステムを提供する。【解決手段】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。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年１２月４日に出願された米国特許出願第１６／２０９，２６６号の一部継続出願であり、これはすべての目的のためにその全体が参照により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、頭蓋手技のための医療装置、関連方法、およびロボットシステムに関する。

画像誘導されて脳へ針または電極を挿入するには、外科医はまず、三本以上のピンを使用して、患者の頭蓋骨に金属フレームを固定する場合がある。その後、頭蓋骨およびフレームのＣＴスキャンを行い、スキャン内のフレームの基準位置を自動的に検出し、それによってスキャンの座標系とフレームの座標系との間の変換を可能にすることにより、このフレームが脳の解剖学的構造に自動的に登録される。外科医がＣＴ画像上で脳内に所望の軌道を計画した後（一般に、共に登録されたＭＲ画像から可視化が改善されている）、フレーム座標系に較正された多軸機械的アーク機構は、ガイドチューブを頭蓋骨に対して適切な位置に保持し、計画軌道と整列されるように調整される。次に、外科医はこのガイドチューブを通して針を挿入する。ガイドチューブは機械的アークおよびフレームを介して頭蓋骨に相互接続されているため、針の挿入中に患者にぶつかったり、患者が呼吸したり、咳をしたりしても、ガイドチューブに対して患者が動く可能性を低くできる。

ロボット誘導の可能な代替案は、ロボットと患者の頭蓋骨上のアレイとに追跡カメラを登録し、次いで、ロボットが、頭蓋骨の隣のそのエンドエフェクタによって保持されるガイドチューブを、所望の軌道に合わせて自動的に位置決めする。外科医は次に、ロボットに保持されたガイドチューブを通して針を挿入することになる。しかしながら、こうした方法では、患者が急に動くと、針および脳の相対運動を引き起こす可能性がある。例えば、患者が自発的にまたは非自発的に筋肉を収縮させるか、または咳をすると、患者が急速な痙動を起こす可能性がある。ロボットは床に強固に取り付けられているため、ロボットのガイドチューブは患者に対して静止したままであり、針がガイドチューブと脳内に同時にあった場合、針が脳組織を横方向に掻き切る可能性がある。針の挿入中、ロボットは光学または力フィードバックを介してその位置を動的かつ継続的に調節している場合、そうした動きの間でもガイドチューブが脳に対して静止したままであるように、ロボットはガイドチューブを素早く再位置決めすることが可能であるが、現在利用可能なフィードバック／応答時間は、そのような素早い動きを追跡するのには十分でない場合があり、フィードバックパス（例えば、光学追跡するための見通し線）は、手技全体において損なわれない状態である必要がありうる。

発明の概念の一部の実施形態によれば、電極ホルダを患者の頭蓋骨に取り付けるための手術用ロボットシステムが記述され、電極ホルダが、患者の脳に挿入されることになる電極を受けるように構成されている。手術用ロボットシステムは、コンピュータを備えるロボット基部と、ロボット基部に結合されたロボットアームと、ロボットアームに結合されるよう構成されたエンドエフェクタと、ガイド先端の遠位先端に配置された脱着可能な電極ホルダおよびガイドチューブの近位端近くに配置された追跡アレイを有するガイドチューブであって、エンドエフェクタに結合するように構成されたガイドチューブと、ガイドチューブの上を摺動し、頭蓋骨に対してガイドチューブの角度の微調整を可能にするよう構成された三脚機構と、を含む。

本発明の概念の一部の実施形態によれば、電極ホルダを患者の頭蓋骨に取り付けるための手術用ロボットを使用する方法が記述されており、電極ホルダは、患者の脳に挿入されることになる電極を受けるように構成される。方法は、軌道を計画し、手術用ロボットを使用して頭蓋骨に電極ホルダを取り付け、電極を脳内に挿入するための電極ホルダを使用することを含む。手術用ロボットは、コンピュータを備えるロボット基部と、ロボット基部に結合されたロボットアームと、ロボットアームに結合されるよう構成されたエンドエフェクタとを含む。ガイドチューブは、ガイド先端の遠位先端に配置された脱着可能な電極ホルダと、ガイドチューブの近位端近くに配置された追跡アレイと、ガイドチューブの上を摺動し、頭蓋骨に対してガイドチューブの角度の微調整を可能にするよう構成された三脚機構と、を含み、ガイドチューブは、エンドエフェクタに結合するように構成される。方法はさらに、頭蓋骨上に動的基準ベースを位置決めすることと、一時的なスカート固定具を動的基準ベースに位置決めすることと、動的基準ベースと一時的なスカート機能の医療画像を取得することと、一時的なスカート固定具を使用して、動的基準ベースを医療画像に登録することと、一時的なスカート固定具を取り除くことと、取得した医療画像を使用して電極の軌道を計画することと、ロボットを使用してロボットアームとエンドエフェクタを、計画した軌道に沿って、頭蓋骨に隣接する所望の位置に移動させることと、ロボットがドリルを誘導する間は、ドリルを使用して頭蓋骨に穴を提供することと、穴にガイドチューブと電極ホルダを提供し、ロボットを取り除くことと、三脚機構を下降させ、ガイドチューブにロックすることと、追跡アレイをガイドチューブに提供して、計画した軌道に対するガイドのアライメントを確認することと、ガイドチューブ内に、電極ホルダを通って電極を挿入することと、ガイドチューブを電極ホルダから取り除くことと、を含む。

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〜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〜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〜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、本発明の概念の一部の実施形態による、ロボットコントローラを図示するブロック図である。 図２１は、本発明の概念の一部の実施形態による、一時的な頭蓋挿入固定具を図示した図である。 図２２は、本発明の概念の一部の実施形態による、ドリルガイド固定具を示す図である。 図２３は、本発明の概念の一部の実施形態による、電極保持インプラントを図示する断面図である。 図２４は、本発明の概念の一部の実施形態による、電極ガイダンスチューブを図示する断面図である。 図２５は、本発明の概念の一部の実施形態による、頭蓋骨内の電極保持インプラントと電極ワイヤを図示する断面図である。 図２６は、本発明の概念の一部の実施形態による、ガイドチューブ支持機構を図示する断面図である。 図２７は、本発明の概念の一部の実施形態による、ロボットシステムの座標系を図示する。 図２８Ａ、図２８Ｂ、図２８Ｃ、および図２８Ｄは、本発明の概念の一部の実施形態による、頭部フレームおよび基準固定具を図示する。 図２９Ａ、図２９Ｂ、図２９Ｃ、および図２９Ｄは、本発明の概念の一部の実施形態による、別の基準固定具と併用される頭部フレームを図示する。 図３０Ａおよび図３０Ｂは、本発明の概念の一部の実施形態による、ロボットエンドエフェクタを用いた局在化機能の使用を図示する。 図３１は、本発明の概念の一部の実施形態による、単眼カメラを含むロボットを備えたパターン付き標的の使用を図示する。 図３２Ａおよび図３２Ｂは、本開示の原理と一致する動的基準アレイの様々な図を示す。 図３３Ａおよび図３３Ｂは、本開示の原理と一致する、それぞれ一時的なスカート固定具のない、および、一時的なスカート固定具を有する、動的基準アレイを図示する。 図３４Ａは、本開示の原理と一致する、ガイドチューブおよび脱着可能な電極ホルダを図示する。 図３５Ｂは、本開示の原理と一致する、ガイドチューブ、脱着可能な電極ホルダ、および三脚機構を図示する。 図３５Ｃは、本開示の原理と一致する、ガイドチューブ、脱着可能な電極ホルダ、三脚機構、および追跡アレイを図示する。 図３５は、本開示の原理と一致する、動的基準アレイおよびエンドエフェクタを図示する。 図３６は、本開示の原理と一致する、動的基準アレイおよびエンドエフェクタを図示する。 図３７は、本開示の原理と一致する、動的基準アレイと、脱着可能な電極ホルダを有するガイドチューブを図示する。 図３８は、本開示の原理と一致する、動的基準アレイと、脱着可能な電極ホルダを有するガイドチューブと、三脚機構を図示する。 図３９Ａは、本開示の原理と一致する軌道を用いてガイドチューブを整列させる図を示す。 図３９Ｂは、本開示の原理と一致する、動的基準アレイと、脱着可能な電極ホルダと追跡アレイとを有するガイドチューブと、三脚機構を図示する。

本開示は、その適用において、本明細書の説明に記載された、または図面に示された構成の詳細およびコンポーネントの配置に限定されないことを理解されたい。本開示の教示は、他の実施形態において使用され、実施され、様々な方法で実施され、または実行されてもよい。また、本明細書で使用される表現および用語は、説明のためのものであり、限定的であると見なされるべきではないことを理解されたい。本明細書中の「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」または「有す（ｈａｖｉｎｇ）」の使用およびそれらの変形は、その後に列挙されるアイテムおよびその等価物ならびに追加のアイテムを含むことを意味する。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。

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。

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、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付けられ、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の画定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三つのマーカー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オーバーレイすることができる。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ック表示（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。このグラフィック表示は、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のグラフィック表示を、標的解剖学的構造の画像上にオーバーレイすることができる。

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オーバーレイしてもよい。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のグラフィック表示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を参照すると、固定および可動有する撮像装置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いように構成され、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の位置が完全に画定される。

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Ｄ_Ｆ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Ｄ_Ｄ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Ｄ_Ｆ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Ｄ_Ｄが固定距離Ｄ_Ｆ．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Ｄ_Ｄ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Ｄ_Ｆ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Ｄ_Ｄ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Ｄ_Ｄ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画定する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。

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、背骨用途を参照して一般に説明されるが、ロボットシステムは、他の外科手術への適用において使用されるように構成される。他の外科手術には、外傷の手術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、腫瘍学、歯科および他の外科手術および処置が挙げられるが、これらに限定されない。

次いで、ロボット脊椎（またはその他の）処置中、動的基準ベース（ＤＲＢ）が患者に（例えば、患者の骨に）固定され、患者の解剖学的構造を追跡するのに使用され得る。患者は呼吸しているため、（患者の身体に取り付けられる）ＤＲＢの位置は振動し得る。外科手術ツールが標的軌道にロボット制御で移動され、位置にロックされると、患者の動作（例えば、呼吸による）により、エンドエフェク（例えば、外科手術ツール）が所定位置にロックされていても標的軌道からのずれが生じる場合がある。したがって、このずれ／シフト（未認識、意図しない場合）によって、システムおよび／または外科施術の精度が低減し得る。

ガイダンス下で針または電極を脳内に挿入するプロセスの間、脳が、針または電極の挿入を誘導するのに使用するガイドチューブに対して（わずかであっても）動かないことが重要でありうる。本明細書では、ロボット誘導下で頭蓋骨を準備し、次いで、ロボットガイダンスを使用して頭蓋骨に取り付けるための、正確で一時的な針ガイド固定具を送達させる方法が開示されている。次に、ロボットを脇へ置き、一時的なガイド固定具のみを参照して針を挿入する。一時的なガイド固定具は頭蓋骨に対して固定されているため、針の挿入中に患者が動いても、脳の損傷のリスクが低減されることになる。

一部の実施形態によれば、ロボットガイダンスが頭蓋骨を準備するために使用されてもよく、一時的なガイド固定具（頭蓋挿入固定具とも呼ばれる）は、準備した頭蓋骨に取り付けられてもよい。次に、針（またはその他の医療装置）は、ロボットによるさらなる支援なしで、一時的なガイド固定具を通して脳に挿入されうる。頭蓋骨の準備中、または一時的な装置の送達または取り付け中に、患者が痙攣を起こしても、脳組織に対する損傷はほとんど、または全くない。一時的な装置を通して電極を挿入している間に患者が痙攣を起こしても、脳に対する装置／針の相対運動が低減されるか、またはなくなり、ここでも、脳組織に対する損傷が低減されるか、またはなくなる。

こうした一時的なガイド固定具は、頭蓋骨上のその取付け点に送達される必要があり、且つ、取付けプロセスによってその位置における実質的なずれを引き起こすことなく、取り付けられる必要がありうる。一時的ガイド固定具は、その使用時、頭蓋骨との境界面において、安定しているべきである。こうした一時的なガイド固定具２１０５の設計は、本発明の概念の一部の実施形態による図２１に示されている。いくつかの実施形態では、一時的なガイド固定具２１０５は、頭蓋骨２１０３に取り付けられた後、且つ、追跡要素２１１５（追跡アレイとも呼ばれる）がそれに取り付けられた後に、いくらかの調節を可能にしうる。

図２１は、一時的な頭蓋挿入固定具２１０５（一時的なガイド固定具、一時的な針ガイド／構造物、または一時的な電極ガイド／構造物とも呼ばれる）が、スクリュー固定具２１０１およびガイドチューブ２１０７で頭蓋骨２１０３に取り付けられた状態の頭蓋骨２１０３を示す。ガイドチューブ２１０７（固定具の隣接したベース２１２１）の遠位端は、安定させるために頭蓋骨２１０３内の凹部２１０３ａに置かれる。ガイドチューブ２１０７を通る中央穴は、医療装置２１０９（針または電極など）の挿入を誘導するために使用される。ガイドチューブ２１０７は、取付け後、または取付けプロセス中に、チューブ位置のずれが発生した後、所望の軌道の変化を補正するため、二つ以上の伸縮式調節部材２１１１および／または移動可能な連結部２１２７を介した、いくらかの角度調節機能を有してもよい。一部の実施形態によれば、ガイドチューブ２１０７は、球状接合部などの移動可能な連結部２１２７を使用して、頭蓋挿入固定具２１０５のベース２１２１と結合されて、ベース２１２１に対するガイドチューブ２１０７の角度移動を可能にする。追跡アレイ２１１５は、一旦頭蓋骨２１０３に取り付けられると、チューブ位置および軌道の追跡を可能にし、一時的な針ガイドチューブ２１０７の最終位置についての追加的フィードバックを提供することができる。追跡アレイについては、例えば、追跡アレイ６１２に関して上述されている。

図２１の頭蓋挿入固定具２１０５（一時的な針ガイド固定具とも呼ばれる）を受けるよう頭蓋骨２１０３を準備するプロセスは、ロボットガイダンスシステムが、図２２に示したようにロボットのエンドエフェクタ２２０１がドリルガイド固定具２２０３を位置付けることができる、頭蓋骨２１０３に隣接した位置にある、図２２のロボットエンドエフェクタ２２０１を登録し、計画し、且つ自動位置決めすることを含みうる。このドリルガイド固定具２２０３は、図２１の頭蓋挿入固定具２１０５のための図２１の固定ねじ２１０３ａおよび２１０３ｂを保持するために使用される、中央穴（図２１の凹部２１０３ａとして示される）およびパイロット穴２２０５ａおよび２２０５ｂの、誘導されたドリル加工を可能にしうる。中央ドリルガイド２２０７は、中央穿頭孔（図２１の凹部２０１３ａとして示される）が、頭蓋骨２１０３を通って部分的に、または完全に、ドリル加工されるのを可能にしうる。完全ではなく、部分的な穿頭孔によって、頭蓋挿入固定具２１０５を頭蓋骨２１０３へ送達し、頭蓋挿入固定具２１０５の取付けを固定することが可能となり、その後、より小さいビットを有する第二ドリルが、（ロボットではなく）頭蓋挿入固定具２１０５のガイドチューブ２１０７によって誘導されて、頭蓋骨２１０３を貫通する穿頭孔２１０３ｂを創出することができる。頭蓋挿入固定具２１０５（この、より小さな直径の二次的な貫通穴２１０３ｂのためのドリルガイドとしても機能しうる）はナビゲートされているため、二次的ドリルは調節可能なドリル停止部と併せて動作して、二次的ドリルが、貫通しすぎる（脳に損傷を与えうる）ことなく、ちょうど頭蓋骨２１０３の厚みだけ貫通することをもたらしうる。

よって、ドリルガイド固定具２２０３は、頭蓋挿入固定具２１０５を取付けるために頭蓋骨２１０３を準備するように構成されうる。図２２に示すように、ドリルガイド固定具２２０３は、中央ドリルガイド２２０７を通って中央ドリルガイド穴を画定する中央ドリルガイド２２０７を含み、中央ドリルガイド穴が、ドリルガイド固定具のベースにおいて第一開口部２２２５と、ドリルガイド固定具のベースから離間した第二開口部２２２７とを有する。図２２にさらに示すように、ドリルガイド固定具２２０３は、ドリルガイド固定具２２０３のベースにおいて骨固定ドリルガイド２２２９を含み、骨固定ドリルガイド２２２９は、骨固定ドリルガイド２２２９の周りに離間した複数の（例えば、少なくとも三つの）骨固定ドリルガイド穴２２１１を画定する。一部の実施形態によれば、骨固定ドリルガイド２２２９は、中央ドリルガイド２２０７を囲むリング（またはその他の寸法／形状）として提供されてもよく、各骨固定ドリルガイド穴２２１１は、中央ドリルガイド穴の方向に対して垂直な方向に、中央ドリルガイド穴からオフセットされてもよい。図２２の配向では、中央ドリルガイド穴は垂直方向に配向され、また、各骨固定ドリルガイド穴は、中央ドリルガイド穴に対して水平にオフセットされる。さらに、各骨固定ドリルガイド穴２２１１は、ねじ２１０１のために頭蓋挿入固定具２１０５のベース２１２１のそれぞれの穴に対応してもよく、その結果、頭蓋挿入固定具２１０５のベース２１２１の穴が、骨固定ドリルガイド穴２２１１を使用して、それぞれのパイロット穴２２０５と一致する。

図２２にさらに示すように、骨固定ガイド２２２９が中央ドリルガイドに対して回転可能であるように、回転連結部２２１０（例えば、回転軸受）は、中央ドリルガイド２２０７と骨固定ドリルガイド２２２９との間に提供されうる。中央ドリルガイド穴およびそれぞれの骨固定ドリルガイド穴は、円筒形であってもよい。さらに、骨固定ドリルガイド２２２９の回転軸は、中央ドリルガイド穴の軸方向に対して平行（例えば、一致）しうる。さらに、ドリルガイド固定具２２０７のベースに隣接した各骨固定ドリルガイド穴２２１１の第一開口部は、ドリルガイド固定具のベースから離間した、それぞれの骨固定ドリルガイド穴の第二開口部よりも、中央ドリルガイド穴に近くてもよい。従って、各骨固定ドリルガイド穴２２１１は、中央ドリルガイド穴２２２７に対して非平行であってもよい。

図２２にさらに示すように、中央ドリルガイド穴の幅（例えば、直径）は、骨固定ドリルガイド穴２２１１の幅（例えば、直径）より大きくてもよい。一部の実施形態によれば、中央ドリルガイド穴および骨固定ドリルガイド穴は、円筒形であってもよい。さらに、コネクタ２２３１は、ロボットアクチュエータのエンドエフェクタ２２０１を有する、脱着可能な連結部を提供するように構成されうる。

図２０は、ロボット外科手術システムのためのコントローラ２０００（例えば、コンピュータ４０８および／またはコンピュータサブシステム内に実装される）の要素を図示するブロック図である。示すように、コントローラ２０００は、入力インターフェース回路２００１（入力インターフェースとも称される）と、出力インターフェース回路２００３（出力インターフェースとも称される）と、制御インターフェース回路２００５（制御インターフェースとも称される）と、メモリ回路２００９（メモリとも称される）とに結合されるプロセッサ回路２００７（プロセッサとも称される）を含み得る。メモリ回路２００９は、プロセッサ回路２００７によって実行されると、本明細書に開示された実施形態において、手術用ロボットシステムに動作を実施させるコンピュータ可読プログラムコードを含み得る。その他の実施形態では、プロセッサ回路２００７は、別のメモリ回路が必要とされないよう、メモリを含んで画定され得る。

本明細書に記載のように、手術用ロボットシステムの動作は、（プロセッサ２００７、入力インターフェース２００１、出力インターフェース２００３、および／または制御インターフェース２００５を含む）コントローラ２０００によって実行され得る。例えば、プロセッサ２００７は、入力インターフェース２００１を通してユーザ入力を受信し得、そうしたユーザ入力は、フットペダル５４４、タブレット５４６、等を通して受信されるユーザ入力を含み得る。プロセッサ２００７はまた、追跡システム５３２および／またはカメラ２００から入力インターフェース２００１を通して位置センサ入力を受信し得る。プロセッサ２００７は、出力インターフェース２００３を通して出力を提供し得、そのような出力は、ディスプレイ３０４上のグラフィック／視覚的情報および／またはスピーカ５３６を通して提供されることになる音声出力を表示する情報を含み得る。プロセッサ２００７は、制御インターフェース２００５を通してモーション制御サブシステム５０６へロボット制御情報を提供し得、ロボット制御情報は、ロボットアーム１０４といったロボットアクチュエータ（ロボットアームとも称される）および／またはエンドエフェクタ１１２（図２２のエンドエフェクタ２２０１として示す）。プロセッサ２００７はまた、制御インターフェース２００５を通してフィードバック情報を受信し得る。手術用ロボットシステムの動作（患者の解剖学的位置に対して手術用エンドエフェクタおよび／またはドリルガイド固定具２２０３を位置付けるよう構成されるロボットアクチュエータを含む）は、発明概念のいくつかの実施形態において、以下に説明される。例えば、モジュールは、図２０のメモリ２００９に保存され得、これらのモジュールは、モジュールの命令がプロセッサ２００７によって実行されると、プロセッサ２００７がそれぞれの動作を実行するよう、ロボットアクチュエータおよび／またはエンドエフェクタを制御する。

図２２のいくつかの実施形態によれば、手術用ロボットシステムは、エンドエフェクタ２２０１を通るロボットアーム１０４といった、ロボットアクチュエータに連結されたドリルガイド固定具２２０３を含みうる。上述のように、ドリルガイド固定具２２０３は、頭蓋骨を通して脳内に医療装置（針および／または電極など）を挿入するために使用される頭蓋挿入固定具２１０５（図２１に示す）を取り付けるために頭蓋骨を準備するように構成されうる。ドリルガイド固定具２２０３の要素は、図２２に関して上述されている。ロボットアクチュエータ（例えば、ロボットアーム１０４）は、エンドエフェクタ２２０１を含むように画定されてもよく、ドリルガイド固定具２２０３は、ロボットアクチュエータおよび／またはエンドエフェクタ２２０１と分離可能に連結されてもよい。さらに、ロボットアクチュエータは、ドリルガイド固定具２２０３を位置付けるように構成されてもよい。コントローラ２０００（例えば、プロセッサ２００７、メモリ２００９、制御インターフェース２００５、など）は、上述のように、ロボットアクチュエータと連結されてもよく（例えば、制御インターフェース２００５を介して）、および、コントローラ２００３は、頭蓋骨および／または脳に関連する医療用撮像情報に基づいて、および、脳へ医療装置を挿入するために計画された軌道に基づいて、ロボットアクチュエータを制御して、ドリルガイド固定具２００３を頭蓋骨２１０３に移動させるよう構成されうる。

ドリルガイド固定具２２０３が、医療装置（例えば、針または電極）のために計画された軌道に基づいて上述したように位置決めされた状態で、医師は、図２２に示したように、中央ドリルガイド２２０７を通して適切なドリルおよび／またはドリルビット２２４１を挿入して、頭蓋骨２１０３に中央穴をドリル加工することができる。医師は、骨固定ドリルガイド穴２２１１を通して適切なドリルおよび／またはドリルビット（例えば、ドリルビット２２４１より小さい）を挿入して、骨固定ねじ２１０１のために使用されるパイロット穴２２０５をドリル加工することができる。骨固定ドリルガイド２２２９と中央ドリルガイド２２０７との間に回転連結部２２１０を提供することによって、医師は、骨固定ドリルガイド２２２９を回転させて、頭蓋骨上の所望の位置に固定ドリルガイド穴２２１１（および結果として得られるパイロット穴２２０５）を配向させることができる。医師が骨固定ドリルガイド２２２９を所望の配向に回転させたら、骨固定ドリルガイド穴２２１１を使用して頭蓋骨２１０３内にパイロット穴２２０５をドリル加工している間は骨固定ドリルガイド２２２９が動かないように、ロック機構を使用して、中央ドリルガイド２２０７に対する骨固定ドリルガイド２２２９の配向をロックする。よって、骨固定ドリルガイド穴２２１１は、ねじ２１０１のための固定具２１０５のベース２１２１の穴と一致する、頭蓋骨２１０３のパイロット穴２２０５を提供するように配置される。従って、骨固定ドリルガイド２２２９の回転は、パイロット穴２２０５をドリル加工する前にロックされて、互いに対するパイロット穴２２０５の適切な配向を維持しうる。

ロボットにより配置されたドリルガイド固定具２２０３を使用して、上述のように中央およびパイロット穴をドリル加工すると、ロボットアクチュエータ、エンドエフェクタ、およびドリルガイド固定具が頭蓋骨から離されて、中央およびパイロット穴を使用して頭蓋挿入固定具２１０５の取付けを可能にすることができる。図２１に示すように、ねじ２１０１は、ベース２１２１を通り、パイロット穴２２０５内へと提供されて、頭蓋挿入固定具２１０５を頭蓋骨２１０３に固定してもよく、および、ガイドチューブ２１０７のベースは、凹部２１０３ａ（ドリル２２４１および中央ガイドチューブ２２０７を使用して形成される）に配置されてもよい。一部の実施形態によれば、ねじ２１０１の代わりに接着パッドを使用して、ベース２１２１を頭蓋骨２１０３に固定しうる。一部のその他の実施形態によれば、ガイドチューブ２１０７は、ねじ２１０１がベース２１２１を頭蓋骨２１０３に固定する必要がないように、凹部２１０３ａで頭蓋骨２１０３に固定されうる。このような実施形態では、ねじ２１０１が省略されてもよく、またはねじ２１０１が、ガイドチューブ２１０７の配向（例えば、ベース２１２１と頭蓋骨２１０３の異なる位置の間で異なる間隔を提供する）を調節するために、頭蓋骨に対して（頭蓋骨を貫通することなく）押すように提供されてもよい。

頭蓋挿入固定具２１０５を送達して、頭蓋骨２１０３に取り付けた後、針ガイドチューブ２１０７は、挿入プロセス中のチューブ位置のいくらかのずれにより、または、外科医が所望の軌道を変えることにより、さらなる軌道の調整が必要となる場合がある。取り付けられた一時的な針ガイド装置の正確な位置は、取り付けられた追跡アレイ２１１５を有し、このアレイは以前に取り付けられて登録されたＤＲＢに対して追跡されるため、周知となりうる。図２１の一時的な針ガイド固定具２１０５の一部である、調節機構が提供されうる。このような調節機構は、わずかな調節を可能にするためにのみ必要とされうる。大きな調節が必要な場合は、異なる貫通穴および固定パイロット穴がドリル加工されてもよく、針ガイド装置全体が再配置されてもよい。図２１の実施形態では、調節機構は、チューブの角度付けのみを許容する伸縮調節部材を含みうる。調節機構はまた、チューブの位置における直線的なずれを可能にしうる。よって、調節機構は、ソフトウェアからの命令に従って、および／または、光学追跡からのフィードバックを確認しながら、ユーザが独立して調節できる、一つまたは複数の様々な伸縮自在、角縮、または調節可能な部材／機構２１１１を含むことができる。調節可能な部材／機構２１１１は、例えば、追跡アレイ２１１５を使用したカメラ２００からの光学フィードバック、頭蓋骨２１０３および脳２１４１の医療画像情報（例えば、ＣＴスキャンまたはＭＲＩ）、および／または、医療装置のために計画された軌道に基づいて、コントローラ２０００の制御下で動作する、電気および／または油圧作動部材であってもよい。

よって、頭蓋挿入固定具２１０５は、医療装置（例えば、針および／または電極）を脳２１４１に挿入するためのガイダンスを提供するように構成されうる。示されるように、頭蓋挿入固定具２１０５は、ベース２１２１と、ガイドチューブ２１０７と、移動可能な連結部２１２７と、調節部材２１１１とを含みうる。ベース２１２１は、頭蓋骨２１０３と接触するように構成された複数の離間した接触領域と、ねじ２１０１のための、複数の離間した固定ねじ穴とを含みうる。ねじ穴は、例えば、それぞれの接触領域で提供されうる。

ガイドチューブ２１０７は、ベース２１２１に連結されてもよく、ガイドチューブ２１０７は接触端と挿入端とを含む。さらに、接触端は、頭蓋骨２１０３の開口部２１０３ａに接触するように構成されてもよく、挿入端（頭蓋骨２１０３から離間している）は、医療装置２１０９を受けるように構成されてもよい。さらに、移動可能な連結部２１２７は、ベース２１２１とガイドチューブ２１０７の第一部分との間に提供されてもよく、調節部材２１１１は、ベース２１２１とガイドチューブ２１０７の第二部分との間に連結されてもよい。さらに、移動可能な連結部２１２７は、ベース２１２１に対するガイドチューブ２１０７の角度移動を許容するように構成された球面接合部であってもよい。

一部の実施形態によれば、三つの調節部材２１１１が提供されてもよく、各調節部材は、ベース２１２１とガイドチューブ２１０７の第二の部分との間で連結された、少なくとも三つの伸縮調節部材を含んでもよい。さらに、伸縮調節部材は、ガイドチューブを、ベースに対して様々な角度配向でロックするように構成されうる。各調節部材は、ガイドチューブ２０１７を、ベース２１２１に対して様々な角度配向に移動させるように構成された、伸縮自在アクチュエータ（例えば、手動、電気、および／または油圧作動のアクチュエータ）を備えうる。一部の実施形態によれば、こうしたアクチュエータは、コントローラ２０００によって制御されて、医療撮像情報、ガイドチューブ２０１７に結合された追跡アレイ２１１５を使用して決定した位置決め情報、および／または、計画軌道に基づいて、ガイドチューブ２１０７の軌道を自動的に設定することができる。

図２２は、頭蓋骨２１０３を準備して、頭蓋挿入固定具２１０５を受けるための、ドリルガイド２２０３のロボット位置決めを示す。中央ドリルガイド２２０７は、針が挿入されることになる、主要穴（図２１では凹部２１０３ａとして示す）のドリル加工を誘導する。骨固定ドリルガイド穴２２１１の目的は、頭蓋骨２１０３に取り付けられた頭蓋挿入固定具２１０５を保持する骨固定ねじ２１０１のための、パイロット穴２２０５ａおよび２２０５ｂのドリル加工を誘導することである。この実施形態では、骨固定ドリルガイド２２２９が三つ以上の骨固定ドリルガイド穴２２１１を含んでもよく、中央穴２１０３ａに対して頭蓋骨２１０３上またはその中の望ましいところに穴２２０５を回転させて位置決めするように、骨固定ドリルガイド２２２９は、回転軸受２２１０によって中央ドリルガイド２２０７に接続されうる。

図２３〜図２６に関して考察した一部の実施形態によれば、頭蓋電極および／または針挿入は、ピンベースの頭蓋骨フレームを取り付ける必要なく実施することができ、それによって、手技の罹患率を低減する。さらに、頭蓋電極および／または針挿入は、取り付けられたアーク機構を必要とする代わりに、ロボット支援を利用して実施することができ、手技の速度および／または精度を向上させる。

インプラントの位置決めは、現在、頭蓋／頭蓋骨を通して比較的大きな穿頭孔を使用する場合があり、直径が１４ミリメートルを超えることが多い。このサイズの穴を使用することによって、外科手術はもはや、最小限の侵襲的手術（ＭＩＳ）とはみなされなくなる場合がある。さらに、大きなサイズの穴は、脳脊髄液（ＣＳＦ）漏れの通り道を提供しうる。この流体が漏れることにより、頭蓋骨内の圧力変化および／または頭蓋骨内の脳のずれを引き起こしうる。こうした穴のサイズは、電極を配置した後に穴を覆うための、美容的に望ましくないインプラントも必要としうる。

本発明の概念の実施形態は、漏れを低減／防止するために穴を同時に塞ぎつつ、インプラントガイダンス方法とロック機構を組み合わせて、電極インプラントを標的位置に正確に案内し、その間、ＭＩＳとみなされる十分小さい切開部を使用する。このような実施形態によれば、外科医は、医療装置（例えば、電極）を小さな穴を通して挿入し、穴を塞いで圧力変化と脳シフトを低減させつつ、より良い美容術で穴を固定することができる。一部の他の実施形態によれば、ロボット位置決め器が取り除かれた後に、電極が挿入されてもよい。

脳に電極を配置する現在の方法では、電極およびその保持インプラントは、頭蓋骨の大きな穿頭孔を通して挿入されうる。大きな穿頭孔（直径が１４ｍｍ以上が多い）は、手術中に電極位置を調節できるようにするのに有用でありうる。ところが、電極を所定位置に置いたら、永久カバーを、電極を頭蓋骨に対してその最終位置に保持するように埋め込む必要があり、ワイヤの頭蓋外の部分が皮下に経路指定するのを可能にしつつ、ワイヤを締め付けてワイヤが動くのを防止する。上述のように、こうした埋込みは美容的に望ましくない場合がある。

よって、現在のインプラント保持設計は大きくなる場合があり、よって、髪の大きな範囲が、手技のために剃られる必要がある場合がある。さらに、ミーリングが注意深く行われない場合、インプラントカバーによって治癒後に頭皮下にこぶが残る場合がある。

本発明の概念の一部の実施形態によれば、手術用ロボットの高い正確性およびより柔軟性のある位置決め範囲によって、（従来の手技に使用されてきたよりも）小さな穴を通して電極を挿入することが可能でありうる。より小さい穴によって、電極と穿頭孔の縁部との間により小さな隙間を残してもよく、これによって、電極取付け装置がより小さくなることを可能にしうる。一部の実施形態では、インプラントはまた、頭蓋骨を効果的に封止し、圧力および／またはＣＳＦの漏れの変化を低減／防止することができる。

図２３は、本発明の概念の一部の実施形態による電極保持インプラントを図示する断面図である。示されるように、電極保持インプラントは、頭蓋骨（クレイニアムとも呼ばれる）を通って穴の中に配置されてもよい。機構のねじ山付き外部２３１１は、完全に取り付けられると、頭蓋骨内で一旦把持され、安定性をもたらす。示されるように、ガイダンス機構は、ハウジング２３０３と、圧縮可能な挿入ブッシング２３０５と、歪み緩和キャップ２３０７と、Ｏリング２３０９とを含みうる。よって、図２３のガイダンス機構は、医療装置（電極２３１５または針など）の脳への挿入を誘導するために使用されうる。患者の医療画像容積（ＭＲＩおよび／またはＣＴ画像量）上に所望の電極軌道を計画した後、ロボットシステムは、脊椎へのロボットねじ配置で使用される方法と同様に、自動的に所定位置に移動し、計画された軌道でガイドチューブを保持し、頭蓋骨の真上に位置決めされる。ロボットにより位置決めされたガイドチューブ（図示せず）を通して、外科医は頭蓋骨を通る穴をドリル加工しうる。その後、外科医は、電極保持インプラントを頭蓋骨の穴に挿入しうる。

一部の実施形態では、頭蓋骨の穿頭孔は、電極保持インプラントの、対応するねじ山と係合することができるねじ山を残すようにタップしうる。一部のその他の実施形態では、骨はタップされていなくてもよく、電極保持インプラントのねじ山は自己切断してもよい。さらにその他の実施形態では、穿頭孔はタップされていなくてもよく、電極保持インプラントは、周辺のセットスクリューを使用して、または頭蓋骨への接着、捲縮、および／または締付けによって頭蓋骨内に固定されうる。

電極保持インプラントが頭蓋骨に固定されるとき、主要な流体経路がその中心穴（電極が通ることになる）を通ってもよい。二次的な流体経路は、頭蓋骨とインターフェースする、インプラントの外縁に沿うことが可能であってもよいが、Ｏリング２３０９（例えば、生体適合性があり、再吸収可能なエラストマ材料を備える）は、この外側部分を封止して、流体漏れを低減／防止するのに役立ちうる。その他の実施形態では、Ｏリングの代わりに、またはそれに加えて、ゲルおよび／またはペーストの層を使用して、頭蓋骨インプラントインターフェースの外側部分を封止するのを助ける。中央穴は、電極に対して同心であってもよく、ロック電極保持機構を収容してもよい。

図２３は、頭蓋骨の穴に配置された電極保持インプラントを図示した断面図である。機構のねじ山付き外部２３１１は、完全に取り付けられると、頭蓋骨との把持と、安定性をもたらす。Ｏリング２３０９は、インプラントと骨のインターフェースを封止するのに役立つ。歪み緩和キャップ２３０７は、下向きに押されると挿入ブッシング２３０５を圧縮する摺動金属片である。歪み緩和キャップ２３０７は、下向きに押されるときに、電極２３１５を前進させないようにするため、電極の外径よりも大きな内径を有することに留意すべきである。挿入ブッシング２３０５は、歪み緩和キャップ２３０７によって圧縮されると、電極を前進させることなく電極を把持する穴の方へ（電極２３１５に向かって）拡張するように、エラストマ材料で作製されてもよい。

電極保持インプラントは、図２４に示すように電極案内チューブ２４０３と脱着可能に相互接続されてもよく、電極ガイダンスチューブ２４０３は、例えばスクリュードライバといった電極保持インプラント２４０３を使用して電極保持インプラント（図２４ではチューブ２４０３の底部に示す）を挿入し、所望の軌道に沿って電極の通路を同心円状に誘導するために使用されてもよい。あるいは、二つの別個のツールを使用しうる。例えば、第一ドライバツールを使用して、電極保持インプラントを挿入し、次に、電極ガイドチューブを電極保持インプラントに接続し、所望の軌道に沿って電極の通路を誘導するために使用しうる。一部の実施形態では、電極ガイダンスチューブは、電極保持インプラントの面取りされた頂部端でねじ山にインターロックする面取り部の底部に配置されるねじ山を有しうる。よって、電極自体は、その所望の深さにワイヤガイドを通して挿入されうる。電極を所定位置に置いたら、歪み緩和キャップを下向きに（頭蓋骨に向かって／頭蓋骨内に）押す機構が配置され、電極を保持するブッシングを圧縮しうる。

一部の実施形態では、電極保持装置はまた、セットスクリューが前進すると、歪み緩和キャップ２３０７が下向きに（頭蓋骨に向かって／頭蓋骨内に）押されて、挿入ブッシング２３０５を圧縮するように、歪み緩和キャップ２３０７の近位にセットスクリュー機構を有しうる。セットスクリューは、インプラントの一部として所定位置に置かれて、挿入ブッシングを圧縮したまま保持しうる。その他の実施形態では、電極ガイダンスチューブ内のプランジャが下に押されて、遠位歪み緩和キャップを下向きに（頭蓋骨に向かって／頭蓋骨内に）押し、挿入ブッシング２３０５を圧縮しうる。この構成に保持されている間、別の機構が、挿入ブッシングをその圧縮状態に保持するよう、接着剤、捲縮機、および／または追加的なセットスクリューを配置しうる。

図２４に示すように、電極２３１５は、電極ガイダンスチューブおよび電極保持インプラントを通して挿入されうる。電極ガイダンスチューブは、電極保持インプラントの面取り部の中に置かれ、かつそれと強固に接続されうる。

電極保持インプラントおよび電極２３１５が所定位置にあり、固定された後、電極ガイダンスチューブが取り外されうる。よって、外科医は、図２５に示すように、穿頭孔から離れた皮下で埋め込まれた電極２３１５を通すことができる。面取り縁部は、図２５に示すように、頭蓋骨に対して平らに置かれるときにワイヤへの損傷を低減／防止するよう、電極をやさしく移行させることができる。電極ワイヤの経路は、電極保持インプラントおよび電極が所定位置にあると、電極ワイヤがインプラント位置から、患者の耳の後ろを通り、肩の下から、鎖骨に隣接する胸部内へ、皮膚の下を移動することができる。

図２５は、ガイドチューブが取り除かれ、インプラントと電極との間の間隙が封止された後、電極ワイヤが電極保持インプラントを通過し、頭蓋骨と同一平面となるよう９０度曲がるように徐々に湾曲することができる。面取りされるか、または丸みづけられた縁部は、平らな穴よりもより緩やかな曲がりを可能にし、それによって、経時的にインプラントのロック機構の摩耗を低減／防止する。

その他の実施形態によれば、カニューレが電極を脳内の適切な位置に誘導するために配置されてもよい。こうしたプロセスのワークフローは、以下のように提供されうる。外科医は電極保持インプラントを挿入してから、カニューレを所望の深さに挿入しうる。カニューレをより硬くし、流体がその中に入るのを低減／防ぐためには、カニューレは挿入時に探査針（固いワイヤー）で占められうる。カニューレおよび探査針が挿入されていると、ブッシングは一時的に圧縮されてカニューレを保持しうる。外科医は次に、探査針をカニューレから取り除き、探査針の代わりに電極ワイヤを挿入しうる。電極が正しく位置付けられると、外科医は、ブッシングへの圧縮を解放し、カニューレを取り除き、最後にブッシングを電極に再ロックする。

電極ガイダンスチューブの別の実施形態では、一時的に取り付けられたチューブは、電極をその最終深さに位置付けるためのさらなるロボット支援なしに使用される。このような方法の利点は、ロボットおよび固定フレームが外科医および撮像装置を妨害しないようにすることができ、手術室から、電極先端に対して脳の構造をより良く視覚化することができ、患者が目覚めている、または眠っている状態で電極位置をさらに調節しやすくすることができる、別の部屋／施設（ＭＲＩおよび／またはＣＴ撮像の撮像室等）に患者を連れていくことができることである。こうした方法は、電極ガイダンスチューブが頭蓋骨に対して所望の軌道内に強固に留まることを必要としうる。そのため、方法は、図２４に示す通り、電極保持インプラントを頭蓋骨に強固にインターロックし、電極ガイダンスチューブを電極保持インプラントに強固にインターロックすることを必要とする。

別の実施形態は、電極ガイダンスチューブ２３１５が所望の軌道内に維持されることをさらにもたらすよう、図２６に示す、電極ガイダンスチューブの直径の外側に追加的な安定化機構を含みうる。こうした安定化機構は、調節機構を有する複数の、少なくとも三つの脚部２６０１または拡張リムを含んでもよく、それにより、安定器（例えば、脚部）を軽い力で頭蓋骨に押し付けて、ガイダンスチューブの静的軌道を維持することができる。

図２６は、ロボットで制御されたアライメントチューブが取り外された後に、頭蓋骨に対して静的位置にチューブの軌道を維持するための、電極ガイダンスチューブ上のアウトリガー機構を示す切欠側面図を示す。一つまたは複数のアウトリガー脚部２６０１は、チューブを静的位置に保持し、三脚のように、三つの脚部が所望の安定性を提供する。脚部２６０１には、頭蓋骨に対する各脚部の圧力を調節する、それぞれの調節機構が提供されうる。

小さな穴を通して電極を所定の位置に固定することによって、発明の概念の実施形態は、脳電極配置手術のためのより良い代替案を提供しうる。こうした実施形態は、より小さい穿頭孔サイズおよび穴のより有効な／即時の封止により、ＣＳＦ漏れを低減させうる。ガイドは、さらなる締結具を固定する必要なく、挿入された場合に、頭蓋骨に直ちに固定しうる。さらに、ロボットアームまたはヘッドフレームが存在しない状態で、インプラントおよび電極ガイドのみを使用して、最終的な電極挿入または調節を実施してもよく、これは、患者をより簡単に手術室の外（すなわち、ＭＲＩまたはその他の画像撮像装置）に移動させて、電極の配置を最終確定することができる。

図２７〜図３１に関して以下で考察した一部の実施形態によれば、ロボット外科手術は、患者およびロボットの光学および／または電磁追跡を必要とせずに、提供されうる。こうした方法は、深部脳刺激ＤＢＳ電極配置などの頭蓋手術に適していてもよい。

床に取り付けられた５軸ロボットは（図２７の座標系に従い）、エンドエフェクタが手首の関節に遠位である状態で、ベースから先端、肩の関節において垂直直動ｚ軸からｚ軸を中心とした回転、上側アームを下側アームに接続する肘の関節におけるｚ軸を中心とした第二の回転、下側アームを中心とした回転から手首の関節におけるピッチ、の順に提供する。こうしたロボットは、ロボットまたは患者の光学追跡を必要としないモードで利用できる。こうしたモードでは、ロボットのベースの座標系は、構造体に直接登録されうる。

ロボットが十分に較正されている場合、各ロボット軸（前方運動学）の位置に基づいて、エンドエフェクタの位置を決定し、エンドエフェクタを標的位置および軌道（逆運動学）へ駆動するのに使用される、各ロボット軸の位置を決定することが可能でありうる。上述の例示的な５軸ロボットでは、各軸の現在の動的位置が、例えば、各軸のモータにおけるエンコーダまたはホール効果センサを通して周知となる場合であり、且つ、各角度接合部が真の平面で回転する場合、直線ｚ軸は、真の直線で移動し、製造されたセグメント長さおよび相対関節面角度が正確に周知され、さらに、順運動学を使用して、エンドエフェクタによって保持されるガイドチューブの位置を正確に決定することができる。同様に、エンドエフェクタのガイドチューブが所望の位置および配向にあるところまでロボットを駆動するために、逆運動学を使用して、必要な位置を計算して、各接合部を動的に送ることができる。

現在のエンドエフェクタ位置を検出する、または、所望の位置までエンドエフェクタの位置を駆動するこの能力を、ｎ軸ロボットに一般化することができる。外科的空間の所望の位置および軌道は、図２７に示すように、患者のフレームに対するデカルト座標系を介して参照されうる。逆運動学を使用して、エンドエフェクタを所望の軌道で所望の先端位置に位置付けるために、各接合部が駆動されるべき位置を決定することができる。各接合位置が周知になったら、最終ステップは、接合部位置を正確に設定するために必要なアクチュエータ位置を決定することである。この考察は、直線、回転、結合、非直線、等を含みうる、数多くの様々なタイプのアクチュエータ設計を考慮すると、重要となりうる。例えば、直線アクチュエータは、角度接合部の一方の側にあるレバーに取り付けて、接合部の角度移動を作り出すことができ、所望の関節角度を達成するために必要な正確なアクチュエータ位置は、適切に較正されるべきである。

本発明の概念の一部の実施形態による方法では、ロボットのエンドエフェクタを、患者およびロボット基部に同時に強固に固定された、患者取り付け型の基準固定具上の基地のランドマークの上の位置に移動させ、各軸上のエンコーダからロボットの接合部の位置を自動的にサンプリングし、順運動学を使用して、ロボットのベース座標系内のランドマークの位置を決定することによって、登録を実施することができる。この手順は、ロボット座標系に対してヘッドフレームを登録してもよい。基準固定具はまた、ヘッドフレームに対して周知の位置に、無線不透過性の基準も含むため、解剖学的座標系に対するヘッドフレームの登録が達成される。これらの基準はＣＴスキャンで検出され、それらの位置は画像処理を介して自動的に決定される。ロボットがヘッドフレームに対して登録され、解剖学的構造がヘッドフレームに対して登録された状態で、ロボットが解剖学的構造に対して登録される。基準固定具が取り付けられたヘッドフレームが、手技の残りの部分に対して、患者およびロボット基部に強固に貼り付けられたままであり、そのため、この強固な相互接続が持続する限りは、ロボットは患者の解剖学的構造に登録されたままとなる。次いで、外科手術手技は、光学追跡を使用して既存の方法で現在行われている通り、ロボットによって完了されうる。

頭蓋手技では、このような基準固定具は、図２８Ａ、図２８Ｂ、図２８Ｃ、および図２８Ｄに示すように、追加の登録機能を有するリークセルフレームと現在使用されている、Ｎ形状のローカライザといった、ローカライザを含みうる。図２８Ｂのこの基準固定具は、図２８Ｃおよび図２８Ｄの患者の頭蓋骨にピン留めされた、図２８Ａのフレームに一時的に取り付けられ、それ自体がロボット基部に（図２８Ａ、図２８Ｃ、および図２８Ｄのアームを介して）取り付けられて、ロボットに対するフレームの剛性をもたらす。

あるいは、図２９Ａのローカライザ固定具、および、柱、穴、ボール、またはソケットを有する、図２９Ｂの別個のロボット基準固定具は、それらが図２９Ａ、図２９Ｂ、図２９Ｃ、および図２９Ｄに示すように、ヘッドフレームに対して、および互いに対して固定のオフセットを有する特定の位置に固定する限り、図２９Ｃおよび図２９Ｄに示したように、順に使用されうる。例えば、図２９Ａのローカライザ固定具（Ｎ形状の基準ロッドを有する）は、ＣＴスキャンを収集する前に、図２９Ｃに示すように、ヘッドフレームに接続しうる。ＣＴスキャンを収集した後、ローカライザ固定具を取り外すことができ、ポストを有する図２９Ｂのロボット基準固定具を、ローカライザ固定具と同じ取付け位置を使用して、図２９Ｄに示すように、フレームに固定することができる。次に、ロボットのエンドエフェクタを有するロボット基準固定具上の基準点に触れることにより、ロボットが登録される。あるいは、順番が逆でもよい。すなわち、ロボットのヘッドフレームへの登録は、まずロボットの基準固定具上のタッチポイントまでロボットを移動させることによって実施され、さらに、ロボット基準固定具が取り外され、ＣＴ基準固定具が取り付けられ、ＣＴが収集される。どちらの場合も、ロボットおよびＣＴ登録を実施した後、両方の固定具が取り除かれ、ヘッドフレームのみが残る。

図２８Ａ〜図２８Ｄは、ヘッドフレーム（例えば、リークセル）および基準固定具を示す。図２８Ａは、ヘッドフレームをロボット基部に固定する剛性アームを有するヘッドフレームを図示する。四つのねじ山付きピンは、ヘッドフレームを患者の頭部に固定するために可視である。図２８Ｂは、リークセルフレームローカライザを使用して現在実施されているＣＴ登録を可能にする、Ｎ形状の基準ロッドを有する基準固定図を図示する。さらに、図２８Ｂは、ロボットの登録を可能にするポストを示す。図２８Ｃは、患者の頭部に取り付けられた図２８Ａのフレームを示し、図２８Ｄは、図２８Ａのフレームと、患者の頭部に取り付けられた図２８Ｂの基準固定具を示す。

図２９Ａ、図２９Ｂ、図２９Ｃ、および図２９Ｄは、ＣＴおよびロボット登録を実施するための二つの別個の基準固定具を使用した、代替的な連続的方法を示す。図２９Ｃにおいて、図２９ＡのＣＴ基準固定具（Ｎ字形の局所化）は、ＣＴスキャンの間に一時的にヘッドフレーム（例えば、図２８Ａ）に取り付けられる。図２９Ｄでは、図２９Ｂのロボット基準固定具は、ロボットのガイドチューブが通過するポストを有し、ＣＴ基準固定具と同じ取付け点を使用してロボット登録のためにヘッドフレームに一時的に取り付けられる。図２９Ｃでは、ＣＴ基準固定具はヘッドフレームおよび患者に取り付けられ、図２９Ｄでは、ロボット基準固定具がヘッドフレームおよび患者に取り付けられる。

上述のように、ヘッドフレームに対するロボット登録のため、ロボットアームは、参照位置を確立するために患者およびロボットに同時に強固に取り付けられた基準固定具（例えば、図２８Ｂ／図２８Ｄまたは図２９Ｂ／図２９Ｄ）上のポスト、穴、ボール、またはソケット上に誘導されうる。すなわち、ロボットおよびロボット基準固定具上の嵌合特徴のための、一部の非限定的オプションは、（１）エンドエフェクタによって保持されるチューブが底に到達するまで摺動する、基準固定具上のポスト（例えば、図２８Ｂ／図２８Ｄまたは図２９Ｂ／図２９Ｄ）、（２）ロボットのエンドエフェクタによって保持されるポストが底に到達するまで摺動する、基準固定具上の穴、（３）ロボットによって保持されるソケット形状アセンブリが嵌合する、基準固定具から突出した球形、または、（４）ロボットによって保持される、端部が球形の片が嵌合する、基準固定具上のソケット、であってもよい。その他任意の好適な嵌合特徴も有効でありうる。ポスト／穴は単一の点ではなく、空間の直線の一致を必要としうるため、機能の検出位置においてより良い正確性が達成されることになるため、ポスト／穴のほうがボールまたはソケットよりも好まれる場合がある。図３０Ａおよび図３０Ｂは、三つのポストのうちの二つの上に位置付けられているロボットを示す。登録のために、少なくとも二つの非平行ポスト（直線）を識別する必要があるか、または、少なくとも三点（ボール／ソケット）を識別する必要がある場合がある。また、直線に沿って既知の位置で底に到達するまで、ロボットをポストの上で駆動させることが利点である場合があるが、ポストが平行でなければ、解決法を見出す必要はない。

ロボットは、ジョイスティック制御、力制御（ユーザが加える力に応答するエンドエフェクタ上のブレスレットを利用する）、または自動制御を介して、ポスト／穴またはボール／ソケット上で手動で駆動することができる。自動制御には、例えば、そのガイドチューブが基準固定具上のポストの上で摺動するにつれて、ロボットアームの動きを誘導する力フィードバック機構を含み、ポストをガイドチューブ内の中心に維持する。または、自動制御には、光学追跡フィードバックが含まれる場合があり、追跡システムは基準固定具上のポストを検出し、エンドエフェクタのガイドチューブをポスト上に移動させる。あるいは、自動制御は、光学および力のフィードバックの組み合わせを含みうる。

図３０Ａおよび図３０Ｂは、基準固定具上の位置付け機構の上に手動または自動で誘導されるロボットエンドエフェクタを示す。図３０Ａにおいて、エンドエフェクタのガイドチューブは、左後方ポストの上に部分的に示され、図３０Ｂでは、エンドエフェクタのガイドチューブは、右正面のポストの上に完全に（底に到達して）示されている。

ロボットを使用してフレームの位置を見つけるステップの追加実施は、較正されたカメラをエンドエフェクタに取り付け、可視または赤外線ＩＲ光でモノトラッキング（ステレオ追跡とは対照的）を実行することでありうる。パターン付き物体は、ヘッドフレーム上で周知の位置および配向に配置されてもよく、ロボットはロボットをヘッドフレームに登録するように手動でまたは自動的に位置付けられてもよい。モノトラッキングと併用するため、特定の不明瞭なベクトルから確認するパターンが好ましい場合がある。例えば、リングがエンドエフェクタの特定の位置で同心性のみである、異なる距離で、二つの同一または異なるサイズのリングを有する「ブルズアイ」が使用されうる。または、球または円錐に適用されるリングパターンは、球または円錐が特定の配向から見た場合にのみ同心および円形である場合に、使用される。あるいは、暗いパターンを球のサブ部分にのみ適用することができ、それによって、エンドエフェクタが特定の視点からパターンを確認する場合に、カメラはパターンを対称的に捉える。実施例は、図３１に関して以下に記載されている。

図３１は、チューブの中心線と整列された視界を提供するカメラを保持するロボットエンドエフェクタを示す。ロボットは、標的のパターンを対称にする視点から各標的を見るまで、ロボットは自動的または手動で位置付けられ、一つのロボット座標系のみが三つの視点の同時アライメントを達成できるため、三つ以上の整列した視点が見えるときに登録を可能にする。この例では、半球上のパターンは「Ｘ」として表現されるが、直線の視点から見たときのみである。軸外視点から、カメラはパターンを非対称として検出し、Ｘの脚部が様々な長さとなり、Ｘは中心から外れる。

この方法はまた、初期設定中に従来の双眼鏡光学追跡（例えば、Ｐｏｌａｒｉｓ Ｓｐｅｃｔｒａ、Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ、Ｉｎｃ．）と併用することもできる。光学マーカーは、動的基準ベース（ＤＲＢ）などのヘッドフレーム、および活性マーカーアレイ（ＡＭＡ）または受動的チューブアレイ（ＰＴＡ）などのエンドエフェクタのガイドチューブ内またはその周囲に配置されうる。フレームに対するＤＲＢの位置が既知であり、エンドエフェクタに対するＡＭＡ／ＰＴＡの位置が既知である場合、カメラがＤＲＢおよびＡＭＡ／ＰＴＡの両方が視界にある状態で、追跡情報のフレームを捉えるとすぐに、登録を完了させる。追跡データが捕捉され、ロボットが患者に強固にロックされており、動くことができないとなると、ＤＲＢとＡＭＡ／ＰＴＡとの転換が既知となりえ、ＤＲＢおよびＡＭＡ／ＰＴＡは不要であり、取り除くかまたは停止できる。ＤＲＢおよびアマランス／ＰＴＡが取り除かれ／停止されると、次いで、前述のようなロボットの逆および順運動学が、手技中にさらなる位置決めのために使用される。患者の体位変換が必要な場合、ＤＲＢを再取り付けし、ＰＴＡを再取り付けし、または、ＡＭＡを再起動させ、新たな追跡データを捉えることによって、ロボットを新しい患者位置に簡単に再登録することができる。

本発明の概念の一部の実施形態によれば、ロボットは、現在光学的に追跡されたロボットシステムと共通でありうる、視覚的な問題を低減／除去するために、手技中に光学追跡を必要とすることなく、使用されうる。

図３２Ａ〜図３９Ｂを参照すると、頭蓋電極を配置するための、脱着可能なドリルガイドの例示的な実施形態が開示されている。現在、頭蓋電極を配置する方法は、患者トラッカーまたは動的基準ベース（ＤＲＢ）と、医療画像を追跡空間に登録するための方法を含みうる。ロボット支援脊椎手術といった、その他の用途に開発されたＤＲＢと、術中ＣＴ登録固定具（ＩＣＴ）といったさらなる追跡固定具を使用して登録および追跡することが可能であるが、頭蓋骨のほぼ球状の形状は、カスタマイズされた登録および追跡固定具を可能にしうる。脊椎では、棘突起クランプまたは腸骨へのスパイクが使用されて、ＤＲＢを取り付ける。しかしながら、頭蓋骨では、こうした方法は加工が難しいか、または、または実施不可能でありうる。ＤＲＢが回転できない、または外れるようにＤＲＢを頭蓋骨に取り付ける一つの方法は、複数のねじを使用することである。しかしながら、本開示の例示的な実施形態に従って、患者の頭蓋骨に形成された穴の数を最小限に抑えるために、単一のねじを有するＤＲＢ３２００が、図３２Ａおよび図３２Ｂに図示されている。ＤＲＢ３２００はまた、骨への追加の穴の罹患を伴わずに、頭皮または露出した頭蓋骨上でのさらなる摩擦安定性を追加するスパイク３２０２を有する。

図３２Ａおよび図３２Ｂは、頭蓋ＤＲＢ３２００の上面図および底面図を示す。開口部３２０４を通る単一ねじは、ＤＲＢ３２００を頭蓋骨に固定する。ＤＲＢの下側の三つのスパイク３２０２により、さらに安定する。ＤＲＢ３２００はまた、以下に記載される登録スカートを整列するためのノッチ３２０８を含みうる。

登録するために、無線不透過性金属球３３０２が、ＤＲＢ３２００の光球３２１０に対する既知の位置においてスカートフレーム内に埋め込まれた、既知の寸法のスカート固定具３３００が一時的に取り付けられている（図３３Ａ〜図３３Ｂ）。固定具３３００は、ＣＴスキャン中は所定位置にあり、次いで、スキャンが取得された後に取り除かれる。

図３３Ａは固定具３３００が取り付けられたＤＲＢ３２００、図３３Ｂは固定具３３００が取り付けられていないＤＲＢ３２００を示し、これはスキャン中のみ存在する。固定具は、一つの配向でＤＲＢ３２００のベースにロックされ、ＤＲＢ３２００のベースで視認できる非対称なノッチ３２０８によって示されている。固定具３３００は、複数の軸受ボール（ＢＢ）と共に埋め込まれてもよく、例えば七つのＢＢが、画像処理を使用してＣＴスキャン容積から自動的に検出される、非対称なパターンで埋め込まれてもよい。一つまたは複数の追跡カメラは、ＤＲＢ３２００上の光学追跡半球３２１０の位置を追跡してもよく、ＢＢに対する半球３２１０の位置は固定され、既知であるため、解剖学的構造への追跡の登録が達成されうる。

電極配置ツールの使用前に、ＤＲＢ３２００は、まず電極部位から離れた位置にある患者の頭蓋骨に取り付けられ、ＣＴスキャン、または、Ｏアーム（円錐ビームＣＴ）スキャンといった、別のタイプのスキャンを収集することによって、登録される。

本開示の原理と一致する例示的な電極ガイド３４００が図３４Ａ〜図３４Ｃに図示されている。図３４Ａ〜図３４Ｃは、ガイドチューブ３４０２および付属品を図示する。図３４Ａは、ガイドチューブ３４０２の遠位先端における脱着可能な電極ホルダ３４０４を有するガイドチューブ３４０２を図示する。電極ホルダ３４０４が頭蓋骨にねじ込まれてもよく、それはドリル加工され、電極ホルダ３４０４のねじ山付き部分を受けるようにタップされてもよい。ガイドチューブ３４０２は、ガイドチューブ３４０２の挿入をレンチで支援するため、ガイドチューブ３４０２の上部付近に平坦部分３４０６を含みうる。

図３４Ｂでは、ガイドチューブ３４０２が頭蓋骨内に配置されると、三脚機構３４０８がガイドチューブ３４０２の上に下降して、頭蓋骨に対するガイドチューブ３４０２の角度を調整する。三脚機構３４０８は、ガイドチューブ３４０８をセットスクリューで一時的にロックして、三脚機構３４０８がガイドチューブ３４０２を上下に摺動させるのを防止する。三脚機構３４０８の脚部３４１０は、頭蓋骨に対して押し付けられるが、頭蓋骨には付着しておらず、ノブ３４１２を使用して調節可能であってもよい。

図３４Ｃにおいて、ガイドチューブ３４０２の上部に取り付けられた、追跡されたアレイ３４１４を使用して、解剖学的構造に対する現在のチューブ角度が監視される。システムはベクトル（線）を辿ってガイドチューブ３４０２の中心を追跡するためだけに必要なため、アレイ３４１４はガイドチューブ３４０２の軸を中心に自由に回転し、これは電極の経路となる。

本明細書に記載されるシステムを使用する方法またはワークフローは、以下の工程を含みうる。ＤＲＢ３２００は、患者の頭蓋骨に取り付けられてもよく、一時的なスカート固定具３３００は、ＤＲＢ３２００に取り付けられてもよい。ＣＴスキャンまたはＯアームスピンは、標的の解剖学的構造の画像を受けるために取得されてもよく、システムソフトウェアは、ＢＢを自動検出し、追跡を画像に自動的に検出してもよい。

スキャン後、固定具３３０は、ＤＲＢ３２００から取り外されてもよい。

軌道は、得られた医療画像上の電極に対して計画されてもよい。これらの医療画像は、単に取得されたＣＴスキャン、または、統合したＭＲＩおよびＣＴスキャンを備えうる。ロボットのエンドエフェクタ３５００は、患者の頭皮上の所定の位置内に自動的に移動しうる。エンドエフェクタ３５００によって保持されるレーザーは、図３５に示したように、フラップの切断を支援するための皮膚上の進入点を指すことができる。

頭蓋骨は露出してもよく、またユーザは、ロボットがドリルを誘導する間、頭蓋パイロット穴をドリル加工してもよい。頭蓋骨の穴は、電極ホルダ３４０４にロックするためのねじ山を提供するようにタップされうる。図３６に示すように、ロボットは、タップ３６００を誘導しうる。

電極ホルダ３４０４をねじ山付き穴にねじ込み、ロボットが、配置のためのガイダンスを提供する。その後、図３７に示したように、ロボットは取り外されて電極ホルダ３４０４およびチューブ３４０２を残しうる。

三脚機構３４０８は、ガイドチューブ３４０２上の所定位置まで下降する。脚部３４１０は、三つの脚部が同時に頭皮に触れつつ、三脚機構３４０８がガイドチューブ３４０２の配向を変化させないように、調節されてもよい。さらに、三脚の脚部３４１０を、ガイドチューブ３４０２を中心としたそれらの回転における位置は、それらがＤＲＢや、リトラクタといった隣接するその他の外科手術機器との接触を避けるように、調節されうる。一旦所望位置にあると、三脚機構３４０８は、図３８に示すように、セットスクリューでガイドチューブ３４０２にロックされてもよい。

次に、追跡アレイ３４１４は、図３９Ｂに示す通り、ガイドチューブ３４０２の上部に取り付けられうる。ガイドチューブ３４０２のアライメントは、ナビゲーションを使用して計画に対してチェックされる。脚部３４１０は、計画に合致するために必要に応じて調節されうる。ソフトウェア機能は、図３９Ａに示したように、軌道を微調整することを支援する上下視界３９００を示しうる。さらに、システムは、どの脚部３４１０を調節すべきか、および、どの方向に何回回してそれぞれを調節すべきか、について、ソフトウェアフィードバックを提供しうる。そうするためには、ソフトウェアが、ＤＲＢ３２００に対する脚部３４１０の配向を認知していてもよく、それは、自然に起点が認識されることを通して、三脚の各脚部に起点を配置することによって、または、ソフトウェアインターフェースにおいて脚部がどのように配向されているかを、ユーザが特定することによって、決定することができる。

次に、電極は、電極ホルダ３４０４を通してガイドチューブ３４０２内に、脳内の所望の深さまで挿入される。ガイドチューブ３４０２は、電極ホルダ３４０４から係合解除され、取り除かれ、電極ホルダ３４０４の後ろに残る。この方法またはワークフローは、追加的な電極に対して繰り返されうる。

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。さらには、本明細書で使用されるように、「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「応答した（ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ）」、またはその変形は、無線で結合され、接続され、または応答しすることを含み得る。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有形のコンピュータ可読媒体に格納することができ、コンピュータ可読媒体に格納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. 患者の頭蓋骨に電極ホルダを取り付けるための手術用ロボットシステムであって、前記電極ホルダが前記患者の脳に挿入されることになる電極を受けるように構成され、前記手術用ロボットシステムが、
   コンピュータを備えるロボット基部と、
   前記ロボット基部に連結されたロボットアームと、
   前記ロボットアームに連結されるように構成されたエンドエフェクタと、
   前記ガイド先端の遠位先端に配置された脱着可能な電極ホルダと、前記ガイドチューブの近位端近くに配置された追跡アレイとを有するガイドチューブであって、前記エンドエフェクタと結合するように構成されたガイドチューブと、
   前記ガイドチューブの上で摺動し、前記頭蓋骨に対する前記ガイドチューブの角度の調節を可能にするように構成された三脚機構と、を備える手術用ロボットシステム。
2. ガイドチューブが電極を受けるように構成された、請求項１に記載の手術用ロボットシステム。
3. 前記脱着可能な電極ホルダが、前記頭蓋骨によって受けられるように構成されたねじ山を備える、請求項２に記載の手術用ロボットシステム。
4. 前記ガイドチューブが、前記電極が前記頭蓋骨に導入された後に前記電極ホルダから取り外されるように構成された、請求項３に記載の手術用ロボットシステム。
5. 前記追跡アレイが、カメラを介して前記ガイドチューブの角度を追跡できるように構成された、請求項４に記載の手術用ロボットシステム。
6. 前記三脚機構が、前記頭蓋骨を貫通することなく前記頭蓋骨上に置かれるよう構成されうる、一つまたは複数の脚部を備える、請求項５に記載の手術用ロボットシステム。
7. 前記脚部のそれぞれが、ノブを介して調節されるように構成された、請求項６に記載の手術用ロボットシステム。
8. 前記一つまたは複数の脚部が前記ガイドチューブを角度調節するように構成された、請求項７に記載の手術用ロボットシステム。
9. 前記三脚機構が、セットスクリューで前記ガイドチューブに一時的にロックされるように構成された、請求項８に記載の手術用ロボットシステム。
10. 前記ロボット基部が、前記電極の挿入のための所望の軌道と一致する軌道において、前記頭蓋骨に隣接して前記エンドエフェクタを位置決めするように構成された、請求項９に記載の手術用ロボットシステム。
11. 電極ホルダを患者の頭蓋骨に取り付けるための手術用ロボットを使用する方法であって、前記電極ホルダが前記患者の脳に挿入されることになる電極を受けるように構成され、前記方法は、
    前記手術用ロボットを使用して、前記脳内へ前記電極を挿入するための軌道を計画することであって、前記手術用ロボットが、
    コンピュータを備えるロボット基部と、
    前記ロボット基部に連結されたロボットアームと、
    前記ロボットアームに連結されるように構成されたエンドエフェクタと、
    前記ガイド先端の遠位先端に配置された脱着可能な電極ホルダと、前記ガイドチューブの近位端近くに配置された追跡アレイとを有するガイドチューブであって、前記エンドエフェクタと結合するように構成されたガイドチューブと、
    前記ガイドチューブの上で摺動し、前記頭蓋骨に対する前記ガイドチューブの角度の調節を可能にするように構成された三脚機構と、を備える、計画することと、
    前記頭蓋骨上に動的基準ベースを位置決めすることと、
    一時的なスカート固定具を前記動的基準ベースに位置決めすることと、
    前記動的基準ベースおよび一時的なスカート機能の医療画像を取得することと、
    前記一時的なスカート固定具を使用して、前記動的基準ベースを前記医療画像に登録することと、
    前記一時的なスカート固定具を取り外すことと、
    前記取得された医療画像を使用して、前記電極の軌道を計画することと、
    前記ロボットアームおよびエンドエフェクタを、前記計画された軌道に沿って前記頭蓋骨に隣接した所望の位置に移動させるために前記ロボットを使用することと、
    前記ロボットが前記ドリルを誘導する間、前記頭蓋骨内に穴を提供するために、ドリルを使用することと、
    前記穴に前記ガイドチューブおよび電極ホルダを提供し、前記ロボットを取り外すことと、
    前記三脚機構を下げて、前記ガイドチューブにロックすることと、
    前記ガイドチューブへ前記追跡アレイを提供して、前記計画された軌道に対して前記ガイドの整列を確認することと、
    電極を前記ガイドチューブ内に、前記電極ホルダを通して挿入することと、
    前記ガイドチューブを前記電極ホルダから取り外すことと、を備える方法。
12. ガイドチューブが電極を受けるように構成された、請求項１１に記載の方法。
13. 前記脱着可能な電極ホルダが、前記頭蓋骨によって受けられるように構成されたねじ山を備える、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ガイドチューブが、前記電極が前記頭蓋骨に導入された後に前記電極ホルダから取り外されるように構成された、請求項１３に記載の方法。
15. 前記追跡アレイが、カメラを介して前記ガイドチューブの角度を追跡できるように構成された、請求項１４に記載の方法。
16. 前記三脚機構が、前記頭蓋骨を貫通することなく前記頭蓋骨上に置かれるよう構成されうる、一つまたは複数の脚部を備える、請求項１５に記載の方法。
17. 前記脚部のそれぞれが、ノブを介して調節されるように構成された、請求項１６に記載の方法。
18. 前記一つまたは複数の脚部が前記ガイドチューブを角度調節するように構成された、請求項１７に記載の方法。
19. 前記三脚機構が、セットスクリューで前記ガイドチューブに一時的にロックされるように構成された、請求項１８に記載の方法。
20. 前記ロボット基部が、前記電極の挿入のための所望の軌道と一致する軌道において、前記頭蓋骨に隣接して前記エンドエフェクタを位置決めするように構成された、請求項１９に記載の方法。