JP2020163130A - ニューロナビゲーションを登録し、ロボットの軌道をガイダンスするためのシステムと、関連する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ニューロナビゲーションを登録し、ロボットの軌道をガイダンスするためのシステムと、関連する方法および装置を提供する。【解決手段】画像容積内の複数の基準マーカー９５４のそれぞれの基準マーカーの位置が決定される。決定された位置に基づいて、解剖学的特徴９２８に対する登録固定具９３０の位置と配向が決定される。登録固定具上の第一の複数の追跡されたマーカー、および、追跡データフレームのロボットアーム上の第二の複数の追跡されたマーカーのそれぞれの追跡マーカー９４２の位置が決定される。追跡されたマーカーの決定された位置に基づいて、登録固定具および外科手術ロボットのロボットアームの位置および配向が決定される。【選択図】図９

Description

本開示は、医療装置およびシステムに関し、より詳細には、ニューロナビゲーションを登録し、ロボットの軌道をガイダンスするためのシステムと、関連する方法および装置に関する。

ロボット支援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。

位置認識システムは、オブジェクトを登録し、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。これらのセンサを使用することで、システムは、一つまたは複数のカメラ、信号、またはセンサなどからの情報、またはそれらに関する情報に基づいて、センサの３次元位置を幾何学的に決定することができる。したがって、これらの手術システムは、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ことができる。よって、外科手術環境においてニューロナビゲーション登録およびロボット軌道ガイダンスを効率的且つ正確に提供するシステムが必要とされている。

本発明の概念の一部の実施形態では、システムは、プロセッサ回路およびプロセッサ回路に連結されたメモリを含む。メモリは機械可読命令を含み、その機械可読命令は、プロセッサ回路に、患者の解剖学的特徴と、患者の解剖学的特徴に対して固定された登録固定具と、登録固定具に対して固定された第一の複数の基準マーカーとを含む第一の画像容積に基づいて、第一の複数の基準マーカーのそれぞれの基準マーカーについて、画像容積に対する基準マーカーの位置を決定させるよう構成されている。機械可読命令は、さらに、プロセッサ回路に、第一の複数の基準マーカーの決定された位置に基づいて、解剖学的特徴に対する登録固定具の位置と配向を決定させるように構成される。機械可読命令は、さらに、登録固定具に関して固定された第二の複数の追跡マーカーを含む追跡システムからのデータフレームに基づいて、第二の複数の追跡マーカーのそれぞれの追跡マーカーについて、追跡マーカーの位置を決定させるように構成される。機械可読命令は、さらに、プロセッサ回路に、第二の複数の追跡マーカーの決定された位置に基づいて、外科手術ロボットのロボットアームに対する登録固定具の位置と配向を決定させるように構成される。機械可読命令は、さらに、プロセッサ回路に、解剖学的特徴に対する登録固定具の決定された位置および配向、および、ロボットアームに対する決定された登録固定具の位置および配向に基づいて、ロボットアームに対する解剖学的特徴の位置および配向を決定させるよう構成される。機械可読命令は、さらに、プロセッサ回路に、ロボットアームに対する解剖学的特徴の決定された位置および配向に基づいて、ロボットアームを制御させるよう構成される。

本発明の概念のいくつかのその他の実施形態によると、コンピュータ実装方法が開示されている。コンピュータ実装方法は、プロセッサ回路に、患者の解剖学的特徴と、患者の解剖学的特徴に対して固定された登録固定具と、登録固定具に対して固定された第一の複数の基準マーカーとを含む第一の画像容積に基づいて、第一の複数の基準マーカーのそれぞれの基準マーカーについて、基準マーカーの位置を決定させるよう構成された機械可読命令を含む。コンピュータ実装方法は、さらに、第一の複数の基準マーカーの決定された位置に基づいて、解剖学的特徴に対する登録固定具の位置と配向を決定することを含む。コンピュータ実装方法は、さらに、登録固定具に対して固定された第二の複数の追跡マーカーを含む追跡データフレームに基づいて、第二の複数の追跡マーカーのそれぞれの追跡マーカーについて、追跡マーカーの位置を決定することを含む。コンピュータ実装方法は、さらに、第二の複数の基準マーカーの決定された位置に基づいて、外科手術ロボットのロボットアームに対する登録固定具の位置と配向を決定することを含む。コンピュータ実装方法は、さらに、解剖学的特徴に対する登録固定具の決定された位置および配向、および、ロボットアームに対する決定された登録固定具の位置および配向に基づいて、ロボットアームに対する解剖学的特徴の位置および配向を決定することを含む。コンピュータ実装方法は、さらに、ロボットアームに対する解剖学的特徴の決定された位置および配向に基づいて、ロボットアームを制御することを含む。

本発明の概念のいくつかの他の実施形態によれば、手術用システムが開示されている。外科手術システムは、プロセッサ回路およびメモリを有する術中の外科手術追跡コンピュータを含む。メモリは、プロセッサ回路に、画像スペースを画定する医療画像容積を提供するように構成された機械可読命令を含む。医療画像容積は、患者の解剖学的特徴と、患者の解剖学的特徴に対して固定された登録固定具と、登録固定具に対して固定された複数の基準マーカーとを含む。機械可読命令は、さらに、プロセッサ回路に、医療画像容積に基づいて、複数の基準マーカーのそれぞれの基準マーカーについて、画像スペースに対する基準マーカーの位置を決定させるように構成される。機械可読命令は、さらに、プロセッサ回路に、複数の基準マーカーの決定された位置に基づいて、解剖学的特徴に対する登録固定具の位置と配向を決定させるように構成される。機械可読命令は、プロセッサ回路に、追跡スペースを画定する追跡データフレームを提供するようにさらに構成され、追跡データフレームは、登録固定具に対して固定された第一の複数の追跡されたマーカーの位置を含む。機械可読命令は、さらに、プロセッサ回路に、追跡データフレームに基づいて、追跡スペースの第一の複数の追跡されたマーカーに対する解剖学的特徴の位置を決定させるように構成される。外科手術システムは、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を有する外科手術ロボットをさらに含む。外科手術ロボットは、ロボットアームに接続されたコントローラをさらに含む。コントローラは、追跡データフレームに基づいて、追跡スペースに対するロボットアームの位置を決定することを含む動作を実行するように構成される。コントローラは、登録固定具に対する解剖学的特徴の決定された位置および配向、および、追跡スペースに対するロボットアームの決定された位置および配向に基づいて、ロボットアームに対する解剖学的特徴の位置および配向を決定することを含む動作を実行するように構成される。コントローラは、ロボットアームに対する解剖学的特徴の決定された位置および配向に基づいて、ロボットアームの動きを制御することを含む動作を実施して、患者の上の位置に対して手術用エンドエフェクタを位置付け、患者の外科手術を容易にするよう構成される。

実施形態による他の方法および関連するシステム、ならびに対応する方法およびコンピュータプログラム製品は、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。このような装置およびシステム、および対応する方法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、本開示の範囲内であり、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１Ａは、一部の実施形態による、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配置の俯瞰図である。 図１Ｂは、一部の実施形態による、頭蓋外科施術中の、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代替的配置の俯瞰図である。 図２は、一部の実施形態による、患者に対して手術用ロボットおよびカメラを位置付けることを含むロボットシステムを示す。 図３は、一部の実施形態による、外科手術ロボットのロボットアームに対する患者の解剖学的特徴の位置および配向を決定するためのコンピュータ実装動作を図示したフローチャート図である。 図４は、一部の実施形態による、外科手術ロボットのロボットアームに対する患者の解剖学的特徴の位置および配向を決定するためのデータの処理を図示した図である。 図５Ａは、一部の実施形態による、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）ローカライザ、フレーム基準アレイ（ＦＲＡ）、および動的基準ベース（ＤＲＢ）を使用して患者の解剖学的特徴を登録するためのシステムを示す。 図５Ｂは、一部の実施形態による、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）ローカライザ、フレーム基準アレイ（ＦＲＡ）、および動的基準ベース（ＤＲＢ）を使用して患者の解剖学的特徴を登録するためのシステムを示す。 図５Ｃは、一部の実施形態による、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）ローカライザ、フレーム基準アレイ（ＦＲＡ）、および動的基準ベース（ＤＲＢ）を使用して患者の解剖学的特徴を登録するためのシステムを示す。 図６Ａは、一部の実施形態による、蛍光透視法（フルオロ）撮像を使用して患者の解剖学的特徴を登録するためのシステムを示す。 図６Ｂは、一部の実施形態による、蛍光透視法（フルオロ）撮像を使用して患者の解剖学的特徴を登録するためのシステムを示す。 図７は、一部の実施形態による、術中ＣＴ固定具（ＩＣＴ）およびＤＲＢを使用して患者の解剖学的特徴を登録するためのシステムを図示する。 図８Ａは、一部の実施形態による、ＤＲＢおよびＸ線円錐ビーム撮像装置を使用して患者の解剖学的特徴を登録するためのシステムを示す。 図８Ｂは、一部の実施形態による、ＤＲＢおよびＸ線円錐ビーム撮像装置を使用して患者の解剖学的特徴を登録するためのシステムを示す。 図９は、一部の実施形態による、ナビゲーションプローブおよび解剖学的特徴のポイントツーポイントマッピングのための基点を使用して、患者の解剖学的特徴を登録するためのシステムを図示する。 図１０は、一部の実施形態による、中心点アーク機構の調整範囲の二次元視覚化を図示する。 図１１は、一部の実施形態による、仮想点回転機構の二次元視覚化を図示する。

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。

一部の他の実施形態によれば、ニューロナビゲーションを登録し、ロボットの軌道をガイダンスするためのシステム、および関連する方法および装置が開示されている。一部の実施形態では、患者の解剖学的特徴と、患者の解剖学的特徴に対して固定された登録固定具と、登録固定具に対して固定された第一の複数の基準マーカーとを有する第一の画像が分析され、第一の複数の基準マーカーのそれぞれの基準マーカーについて、位置が決定される。次に、第一の複数の基準マーカーの決定された位置に基づいて、解剖学的特徴に対する登録固定具の位置と配向が決定される。登録固定具に対して固定された第二の複数の追跡マーカーを含むデータフレームも分析され、第二の複数の追跡マーカーのそれぞれの追跡マーカーについて、位置が決定される。第二の複数の基準マーカーの決定された位置に基づいて、外科手術ロボットのロボットアームに対する登録固定具の位置と配向が決定される。解剖学的特徴に対する登録固定具の決定された位置および配向、および、ロボットアームに対する決定された登録固定具の位置および配向に基づいて、ロボットアームに対する解剖学的特徴の位置および配向が決定され、ロボットアームに対する解剖学的特徴の決定された位置および配向に基づいてロボットアームが制御されるのを可能にする。

このような利点とその他の実施形態には、幅広い種類の様々な登録ハードウェアおよび方法に対応した、ニューロナビゲーションおよびロボット軌道アライメントを一つのシステムに組み合わせる能力が含まれる。例えば、以下に詳細に記載されるように、実施形態は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）と蛍光透視法（フルオロ）登録技術の両方に対応することができ、フレームベースおよび／またはフレームレス外科手術配置を利用しうる。さらに、多くの実施形態では、登録固定具の動きによって初回（例えば、術前）登録が損なわれる場合、登録固定具の登録（および延長による解剖学的特徴の登録）が、手術を中断したり、術前画像を再撮影することなく、手術中に再確立されうる。

ここで図面を参照すると、図１Ａは、一実施形態による外科手術ロボットシステム１００を示す。外科手術ロボットシステム１００は、例えば、外科手術ロボット１０２と、一つまたは複数のロボットアーム１０４と、ベース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。ロボットアーム１０４は、ユーザからの入力、処理装置から受信されたコマンド、またはその他の方法に応答して、ベース１０６に対する軸に沿って、および／または、軸を中心に可動であってもよい。外科手術ロボットシステム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をも含む患者追跡装置１１６を含むことができる。以下でより詳細に検討されるように、追跡マーカー１１８は、患者２１０の解剖学的特徴に対して固定された定位フレームに固定されるか、またはその一部であってもよい。定位フレームはまた、手術中に、患者２１０が動かないようにするための固定具に固定されてもよい。

代替的実施形態によると、図１Ｂは、頭蓋外科手技中の、ロボットシステム１００、患者２１０、外科医１２０、および他の医療従事者の位置の代替的配置の俯瞰図である。頭蓋手技の間、例えば、ロボット１０２は、患者２１０の頭部１２８の後ろに位置付けられうる。ロボット１０２のロボットアーム１０４は、手技中、外科手術器具１０８を保持しうるエンドエフェクタ１１２を有する。この例では、定位フレーム１３４は、患者の頭部１２８に対して固定され、患者２１０および／または定位フレーム１３４はまた、患者ベース２１１に対する患者の頭部１２８の動きを防止するため、患者ベース２１１に固定されうる。さらに、患者２１０、定位フレーム１３４、および／または患者ベース２１１は、補助アーム１０７等によって、ロボットベース１０６に固定され、手術中のロボット１０２の構成要素に対する患者２１０の相対運動を防止する。術中ＣＴ装置１３０、麻酔科ステーション１３２、洗浄ステーション１３６、神経調節ステーション１３８、および／または、手技中にロボット１０２および／またはその他の装置またはシステムを制御するための一つまたは複数の遠隔ペンダント１４０といった、様々な装置が、手技を容易にする所望に応じて、患者の頭部１２８および／または患者のベース２１１に対して位置付けられてもよい。

図１Ａおよび／または図１Ｂの例における外科手術ロボットシステム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といったセンサ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定の測定容積内にある、例えば能動的または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る）を識別することができる、一つまたは複数のカメラ（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。本実施例では、カメラ２００は、所定の測定容積をスキャンし、追跡マーカー１１８から出る光を検出して、追跡マーカー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、追跡マーカー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、受動追跡マーカー１１８は、例えば、カメラ２００上の照明器または他の適切なセンサまたはその他の装置によって発光される、赤外線またはその他の光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。

多くの外科手技では、例えば脳内の標的といった、外科的対象の一つまたは複数の標的は、外部基準フレームに局在化されている。例えば、定位神経外科手術では、患者を局在化しやすくし、および、フレームに取付けられたアークを介してインプラントを挿入しやすくする、外部取付け式定位フレームを使用しうる。ニューロナビゲーションは、術前または術中の撮像に基づいて、脳内にマップや標的といったものを登録するのに使用されうる。この術前または術中の撮像を使用することで、外科手術環境において撮像と実際の解剖学的構造との間でリンクおよび関連付けを行うことができ、これらのリンクおよび関連付けは、手術中にロボット軌道システムによって利用されうる。

一部の実施形態によれば、様々なソフトウェアおよびハードウェア要素を組み合わせて、脳内における機器またはインプラントの配置を計画し、登録し、配置し、および検証するのに使用され得るシステムを作成しうる。これらのシステムは、図１Ａおよび／または図１Ｂの外科手術ロボット１０２といった、外科手術ロボットを一体化することができ、外科手術ナビゲーションシステムおよび計画ソフトウェアを用いて、外科手術ロボットをプログラムおよび制御しうる。さらに、またはあるいは、外科手術ロボット１０２は、非滅菌作業者などによって、遠隔制御されうる。

ロボット１０２は、患者２１０の近くに、または隣に位置付けられてもよく、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、外科手術ロボットシステム１００から分離され、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好適な任意の位置に、患者２１０の近くまたは横に位置付けられてもよい。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る場合がある。

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。一部の実施形態では、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１０８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１０８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を中心に、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、外科手術ロボットシステム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。

いくつかの実施形態では、外科用器具１０８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１０８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１０８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１０８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１０８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１０８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、いくつかの実施形態では、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１０８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による科用器具１０８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２０１３／０３４５７１８号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。

下記にさらに詳述されるように、手術用ロボットシステム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１０８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を含むことができる。いくつかの実施形態では、複数の追跡マーカーを、例えばロボット１０２のベース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。一部の実施形態では、例えば、以下の図３の実施形態といった、一つまたは複数の追跡マーカーが、エンドエフェクタ１１２に取り付けるか、またはエンドエフェクタ１１２に固定することができる。一つまたは複数の追跡マーカーは、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）。いくつかの実施形態では、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を外科用器具１０８（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、および外科用器具１０８）のそれぞれを外科手術ロボットシステム１００によって追跡することを可能にする。一部の実施形態では、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１０８（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。手術用ロボット１０２および外科用器具１０８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。

一部の実施形態では、手技において標的とされることになる解剖学的構造を特定するために、術前撮像を用いることができる。外科医が所望する場合、計画パッケージは再形成された座標系の画定を可能にすることになる。この再形成座標系は、神経外科手術のための、前交連（ＡＣ）および後交連（ＰＣ）といった、特定の解剖学的目印に固定された座標軸を有することになる。いくつかの実施形態では、複数の術前試験画像（例えば、ＣＴまたは磁気共鳴（ＭＲ）画像）が、解剖学的構造上の所定の任意の点の座標をその他すべての術前試験画像上の対応する点に変換することが可能であるように、同時登録されうる。

本明細書で使用されるように、登録は、一つの座標系から別の座標系への座標変換を決定するプロセスである。例えば、術前画像の同時登録では、ＣＴスキャンをＭＲスキャンに同時登録することは、ＣＴスキャンからＭＲスキャンの対応する解剖学的位置への解剖学的点の座標を変換可能であることを意味する。少なくとも一つの試験画像座標系を、動的基準ベース（ＤＲＢ）といった一般的な登録固定具の座標系に登録することは、有利となる場合があり、それによって、手術室の患者の解剖学的点の術中のいかなる動きも、ロボットシステム１００によって検知され、外科手術ロボット１０２の補正移動によって説明されうるように、カメラ２００がリアルタイムでカメラ空間における患者の位置の追跡し続けることが可能となりうる。

図３は、一部の実施形態による、外科手術ロボットのロボットアームに対する患者の解剖学的特徴の位置および配向を決定するためのコンピュータ実装動作３００を図示したフローチャート図である。動作３００は、ＣＴスキャンといった第一画像容積を、一回目に術前画像捕捉装置から受信することを含みうる（ブロック３０２）。第一画像容積は、患者の解剖学的特徴と、患者の解剖学的特徴に対して固定された登録固定具の少なくとも一部分とを含む。登録固定具は、登録固定具に対して固定された第一の複数の基準マーカーを含む。動作３００は、さらに、第一の複数の基準マーカーのそれぞれの基準マーカーに対して、第一画像容積に対する基準マーカーの位置を決定することを含む（ブロック３０４）。動作３００は、さらに、第一の複数の基準マーカーの決定された位置に基づいて、解剖学的特徴に対する登録固定具（基準登録アレイまたはＦＲＡ）上の追跡マーカーのアレイの位置を決定することを含む（ブロック３０６）。

動作３００は、さらに、一回目よりも後の二回目に複数の追跡カメラを備える、術中追跡装置から追跡データフレームを受けることを含みうる（ブロック３０８）。追跡フレームは、登録固定具（ＦＲＡ）に対して固定された複数の追跡マーカーと、ロボットに対して固定された複数の追跡マーカーとの位置を含む。動作３００は、さらに、登録固定具の追跡マーカーの位置に基づいて、追跡カメラに対する解剖学的特徴の位置および配向を決定することを含む（ブロック３１０）。動作３００は、さらに、ロボット上の複数の追跡マーカーの決定された位置に基づいて、追跡カメラに対する外科手術ロボットのロボットアームの位置および配向を決定することを含む（ブロック３１２）。

動作３００は、さらに、追跡カメラに対する解剖学的特徴の決定された位置および配向、および、追跡カメラに対するロボットアームの決定された位置および配向に基づいて、ロボットアームに対する解剖学的特徴の位置および配向を決定することを含む（ブロック３１４）。動作３００は、さらに、ロボットアームに対する解剖学的特徴の決定された位置および配向に基づいて、例えば一つまたは複数の画定された軸に沿って、および／または、その軸を中心に、解剖学的特徴に対するロボットアームの動きを制御することを含む（ブロック３１６）。

図４は、一部の実施形態による、外科手術ロボットのロボットアームに対する患者の解剖学的特徴の位置および配向を決定することを可能にする、複数の座標変換システムのための、データフロー４００を図示した図である。この実施では、複数の試験画像空間４０２からのデータは、複数の試験画像に基づいて、共通試験画像空間４０４に変換され、組み合わされてもよい。共通試験画像空間４０４からのデータおよび検証画像空間４０６からのデータは、検証画像に基づいて、登録画像空間４０８に変換され、組み合わされうる。登録画像空間４０８からのデータは、患者基準座標４１０に変換されてもよく、それは、ＤＲＢ４１２の座標に変換される。追跡カメラ４１４は、ＤＲＢ４１２（ＤＲＢ４１２’によって表示される）の動作を検出することができ、経時的にＤＲＢ４１２の座標を追跡するプローブトラッカー４１６の位置を検出しうる。ロボットアームトラッカー４１８は、ロボット計画システム（ＲＰＳ）空間４２０または類似のモデリングシステムからの変換データ、および／または、追跡カメラ４１４からの変換データに基づいて、ロボットアームの座標を決定する。

これらおよびその他の特徴は、様々な方法で使用および組み合わされて、画像空間、すなわち画像容積からの座標を、追跡空間、すなわちリアルタイムで外科手術ロボットが使用する座標に、登録することを達成することが理解されるべきである。以下で詳細に論じるように、これらの特徴は、例えば、ＣＴローカライザ、術前ＣＴ、または術中透視撮影装置を使用して登録されたＭＲＩを使用して、定位フレームといった基準ベース登録、取得した任意のスキャンの座標が追跡空間に対して事前校正される、校正スキャナ登録、および／または、追跡されたプローブを使用した表面登録を含みうる。

一実施例では、図５Ａ〜図５Ｃは、患者の解剖学的特徴を登録するためのシステム５００を図示する。この実施例では、定位フレームベース５３０は、例えば、患者の頭部といった解剖学的特徴５２８に固定される。図５Ａに示すように、定位フレームベース５３０は、頭蓋骨をクランプするピンを使用した登録、またはその他の方法の前に、患者の頭部５２８に貼り付けることができる。定位フレームベース５３０は、患者の頭部５２８を固定位置に保持するための固定プラットフォームと、ＣＴローカライザ５３６またはＦＲＡ固定具５３４を交互に保持するための登録および追跡プラットフォームの両方として作用しうる。ＣＴローカライザ５３６は、複数の基準マーカー５３２（例えば、Ｎ−パターン無線ロッドまたはその他の基準）を含み、それらは、画像処理を使用して自動的に画像空間で検出される。ＣＴローカライザ５３６をベース５３０に正確に取り付ける機構により、これらの基準マーカー５３２は、定位フレームベース５３０に対して既知の空間にある。ＣＴローカライザ５３６を使用した患者の３ＤのＣＴスキャンは、患者の頭部５２８およびＣＴローカライザ５３６の基準マーカー５３２の両方を含む画像容積と共に、撮影される。この登録画像は、例えば、手術室内または放射線科のいずれかで、術中に、または術前に、撮影されうる。捕捉された３Ｄ画像データセットは、コンピュータメモリに保存される。

図５Ｂに示されるように、登録画像が捕捉された後、ＣＴローカライザ５３６は定位フレームベース５３０から削除され、フレーム基準アレイ固定具５３４は、定位フレームベース５３０に取り付けられる。定位フレームベース５３０は、患者の頭部５２８に固定されたままであるが、外科手術中に患者を固定するために使用され、フレーム基準アレイ固定具５３４の取付点として役割を果たす。フレーム基準アレイ固定具５３４は、三つ以上の追跡されたマーカー５３９の剛直なアレイである、フレーム基準アレイ（ＦＲＡ）を含み、これは、光学追跡のための主要基準であってもよい。定位フレームベース５３０に対して固定された、既知の位置および配向でＦＲＡの追跡されたマーカー５３９を位置づけることにより、患者の頭部５２８の位置および配向が、リアルタイムで追跡されうる。ＦＲＡ装置５３４および定位フレームベース５３０上の取付点は、ＦＲＡ装置５３４が最小限（すなわち、サブミリ）の変動で定位フレームベース５３０に取り付くように、設計されうる。定位フレームベース５３０上のこれらの取付け点は、ＣＴローカライザ５３６によって使用される同一の取付点であってもよく、これは、スキャンが撮影された後に取り除かれる。（例えば、図１Ｂの補助アーム１０７といった）補助アーム、または、その他の取付機構はまた、患者をロボットベースに確実に固定して、ロボットベースが患者に対して動くことを可能にしないことを確実にするために使用されうる。

図５Ｃに示すように、動的基準ベース（ＤＲＢ）５４０はまた、立体フレームベース５３０に取り付けられうる。この実施例のＤＲＢ５４０は、三つ以上の追跡されたマーカー５４２の剛直アレイを含む。この実施例では、ＤＲＢ５４０および／またはその他の追跡されたマーカーは、立体フレームベース５３０、および／または、補助取付けアーム５４１、ピン、またはその他の取付け機構を使用して患者の頭部５２８に直接取り付けられうる。立体フレームベース５３０を明確に局地化するための唯一の方法で取り付けるＦＲＡ固定具５３４とは異なり、ＤＲＢ５４０は一般に、妨げられていない外科手術および装置のアクセスを可能にするために必要に応じて取り付けられうる。ＤＲＢ５４０およびＦＲＡ装置５３４が一旦取り付けられると、ＦＲＡの追跡マーカー５３９に最初に関連付けられた登録は、任意に変換され、ＤＲＢ５４０の追跡マーカー５４２に関連付けられうる。例えば、ＦＲＡ装置５３４の任意の部分が外科手術アクセスを妨げる場合、外科医は、ＦＲＡ固定具５３４を取り除き、ＤＲＢ５４０のみを使用して誘導することができる。しかしながら、ＦＲＡ固定具５３４が外科手術の妨げにならない場合、外科医はＤＲＢ５４０を使用することなく、ＦＲＡマーカー５３９から誘導することを選択でき、または、ＦＲＡマーカー５３９およびＤＲＢ５４０の両方を使用して誘導することができる。この実施例では、ＦＲＡ装置５３４および／またはＤＲＢ５４０は、光学マーカーを使用し、ＣＴローカライザ５３６に類似した、定位フレームベース５３０に対して既知の位置にある追跡された位置を使用するが、多くのその他の追加および／または代替技術が使用されうることが理解されるべきである。

図６Ａおよび図６Ｂは、一部の実施形態による、蛍光透視法（フルオロ）撮像を使用して患者の解剖学的特徴を登録するためのシステム６００を示す。この実施形態では、追跡された登録固定具６４４を使用して撮影した複数の術中蛍光透視法（フルオロ）画像を使用して、画像空間が追跡空間に登録される。患者の解剖学的特徴（例えば、患者の頭部６２８）は、残りの手技のためにクランピング装置６４３を静的位置に位置付けし、強直に固定される。剛直に患者を固定するためのクランピング装置６４３は、所望の通り、メイフィールドクランプといった三ピン固定システム、手術台に取り付けられた立体フレームベース、または別の固定方法であってもよい。クランピング装置６４３はまた、患者追跡アレイまたはＤＲＢ６４０の支持構造としても機能しうる。ＤＲＢは、補助取付アーム６４１またはその他の手段を使用して、クランピング装置に取り付けられてもよい。

患者が位置付けられると、フルオロ固定具６４４は、フルオロユニットのＸ線回収画像増強器（図示せず）に取り付けられ、クランピングフィート６３２を締め付けることによって固定される。フルオロ固定具６４４は、フルオロ画像捕捉装置によって捕捉された２Ｄフルオロ画像上で見ることができる基準マーカー（例えば、この例では二つの平面にわたって配置される金属球であり、図示せず）を含み、標準ピンホールカメラモデルを使用して、通常は患者の反対側に約１ｍ離れた、画像増幅器に対してＸ線源の位置を計算するために使用されうる。フルオロ画像捕捉装置によって捕捉されたフルオロ画像における金属球を検出することによって、ソフトウェアは、フルオロ画像をデワープ（ｄｅ−ｗａｒｐ）する（すなわち、ピンクッションおよびＳ歪曲を除去する）ことも可能になる。さらに、フルオロ固定具６４４は、追跡空間においてフルオロ固定具６４４の配置および配向を決定するための、３つ以上の追跡マーカー６４６を含む。いくつかの実施形態では、以前に捕捉されたＣＴ画像に基づいて、ＣＴ画像容積を通してベクトルを投影して、実際のフルオロ画像に類似して現れる、ＣＴ画像内のコントラストレベルに基づいた合成画像（すなわち、デジタル再構成放射線写真（ＤＲＲ））を生成することができる。ＤＲＲが実際のフルオロショットと一致するまで、フルオロビームの理論上の位置を繰り返すことによって、フルオロ画像とＤＲＲの間で二つ以上の点において一致が見出され、この一致に基づいて、患者の頭部６２８の、Ｘ線源および検出器に対する位置が計算される。フルオロ固定具６４４上の追跡マーカー６４６は、画像増幅器の位置を追跡し、画像増幅器に対するＸ線源の位置が２Ｄ画像上に投影されたフルオロ固定具６４４上の金属基準から計算されるため、追跡空間のＸ線源および検出器の位置が既知であり、システムは画像から追跡の登録を達成できる。

図６Ａおよび図６Ｂに示すように、ＤＲＢ６４０のアレイマーカー６４２を追跡しつつ、二つの異なる視点からフルオロ画像捕捉装置によって患者の頭部６２８の、二つ以上のショットが取られ、それは、取付アーム６４１、および、フルオロ固定具６４４上の追跡マーカー６４６を介して、登録固定具６３０に固定される。追跡データおよびフルオロデータに基づいて、アルゴリズムは、手技のため、追跡空間に対する頭部６２８またはその他の解剖学的特徴の位置を演算する。画像−追跡登録を通して、画像容積空間で追跡された任意のツールの位置が計算されうる。

例えば、一実施形態では、第一のフルオロ視点から取られた第一のフルオロ画像が、ＣＴ画像容積を通して第一の視点から構築される第一のＤＲＲと比較されることができ、第二のフルオロ視点から取られた第二のフルオロ画像が、同一のＣＴ画像容積を通して第二の視点から構築される第二のＤＲＲと比較されうる。比較に基づいて、第一のＤＲＲは、解剖学的特徴の投影図に対して第一のフルオロ画像と実質的に同等であり、第二のＤＲＲは、解剖学的特徴の投影図に対して第二のフルオロ画像と実質的に同等であることが決定されうる。等価性により、実際のフルオロ機械上で送信機から受信機までのＸ線経路の位置および配向が、ＣＴ空間にＤＲＲを生成するときに特定される、送信機から受信機までのＸ線経路の位置および配向と一致することが確認され、そのため、ＣＴ空間への追跡空間の登録が達成される。

図７は、一部の実施形態による、術中ＣＴ固定具（ＩＣＴ）およびＤＲＢを使用して患者の解剖学的特徴を登録するためのシステム７００を図示する。図７に示すように、一つのアプリケーションでは、複数の追跡マーカー７５１および放射線不透過性基準参照マーカー７３２を有する術中ＣＴ固定具（ＩＣＴ）７５０を使用して、ＣＴ空間を追跡空間に登録することができる、基準ベースの画像−追跡登録が利用されうる。３ピンのメイフィールドフレームおよび／または定位フレームといった、クランピング装置７３０を使用して、解剖学的特徴７２８（例えば、患者の頭部）を安定化させた後、外科医は、ＩＣＴ７５０を解剖学的特徴７２８、ＤＲＢ７４０、またはクランピング装置７３０に取り付けることになり、それによって、それはＤＲＢ７４０の追跡マーカー７４２に対して静的位置にあり、それは、取付アーム７４１またはその他の剛直な方法によって所定の位置に保持されてもよい。解剖学的特徴７２８の関連する解剖学的構造も捕捉しつつ、ＩＣＴ７５０の基準参照マーカー７３２を包含するＣＴスキャンが捕捉される。ＣＴスキャンがソフトウェアにロードされると、システムは、ＣＴ容積内のＩＣＴの基準参照マーカー７３２の位置を（画像処理を通して）自動識別し、それらは、ＩＣＴ７５０の追跡マーカーに対する固定位置にあり、画像−追跡登録を提供する。この登録は、初めはＩＣＴ７５０の追跡マーカー７５１に基づいており、次いで、ＤＲＢ７４０の追跡マーカー７４２に関連付けられるか、または、変換され、その後ＩＣＴ７５０は取り除かれてもよい。

図８Ａは、一部の実施形態による、ＤＲＢおよびＸ線円錐ビーム撮像装置を使用して患者の解剖学的特徴を登録するためのシステム８００を示す。Ｘ線機またはその他のスキャン装置といった、術中スキャナ８５２は、追跡マーカー８５５を有し、その上に登録のために取り付けられた、追跡アレイ８５４を有してもよい。スキャン装置上の追跡アレイ８５４の固定された、既知の位置に基づいて、システムは、システムによって取得された任意のスキャンの画像空間に追跡空間を直接マップ（登録）するように校正されてもよい。登録が完了したら、登録は、初めはスキャナのアレイ８５４の追跡マーカー８５５（例えば、ガントリーマーカー）に基づいており、ＤＲＢ８４０の追跡マーカー８４２に関連付けられるか、または変換され、それは、取付アーム８４１を取り付けるか、またはその他の剛直な手段によって、患者の頭部８２８を保持するクランピング固定具８３０に取り付けられてもよい。登録が変換された後、スキャナ上のマーカーは使用されなくなり、所望に応じて、取り外されても、作動停止されても、または覆われてもよい。追跡空間をこのようにスキャナによって取得された任意の画像に登録することにより、一部の実施形態では、画像空間における基準またはその他の参照マーカーの必要性を回避することができる。

図８Ｂは、本明細書ではＣアームスキャナ８５３として称されている、ポータブル術中スキャナを使用する代替システム８００’を図示する。この例では、Ｃアームスキャナ８５３は、手術の他の態様を妨げることなく、Ｃアームスキャナ８５３が所定の位置に動かされ、必要に応じて取り除かれるのを可能にする移動可能ベース８５８に結合されたＣ型アーム８５６を含む。アーム８５６は、術中に患者の頭部８２８の周りに位置付けられ、アーム８５６は、患者の頭部８２８に対して回転、および／または、並進されて、Ｃアームスキャナ８５３が患者から取り除かれうる点において、登録を達成するためのＸ線またはその他のタイプのスキャンを捕捉する。

一部の実施形態による、例えば患者の頭部といった、患者の解剖学的特徴の別の登録方法は、解剖学的特徴の表面輪郭マップを使用することであってもよい。表面輪郭マップは、ナビゲーションまたは追跡されたプローブ、またはレーザーポインタ、３Ｄカメラなどのその他の測定または感知装置を使用して構成されうる。例えば、外科医は、ナビゲーションプローブを用いて頭部の表面上の点をドラッグするか、または連続して接触し、頬骨、眉弓、鼻峯、眉、等といった、固有の突出部にわたる表面を捕捉しうる。次に、システムは結果として得られる表面輪郭をＣＴおよび／またはＭＲ画像から検出された輪郭と比較し、最も近い一致を提供する輪郭の位置および配向を探す。患者の動きを考慮し、また、すべての輪郭点が同じ解剖学的特徴に対して取られることを確実にするために、各輪郭点は、記録された時点で患者のＤＲＢ上の追跡マーカーに関連付けられる。輪郭マップの位置は、追跡されたプローブおよび追跡されたＤＲＢから追跡空間において既知であり、対応する輪郭が画像空間において発見されると、追跡−画像登録が得られる。

図９は、一部の実施形態による、ナビゲーションまたは追跡されたプローブおよび解剖学的特徴のポイントツーポイントマッピングのための基点を使用して、患者の解剖学的特徴９２８（例えば、患者の頭部）を登録するためのシステム９００を図示する。ソフトウェアは、ＣＴまたはＭＲ画像で見つけられる一連の解剖学的ランドマーク点を、追跡されたプローブで指すよう、ユーザに指示する。ユーザがソフトウェアで示されるランドマークを指すと、システムはプローブ上およびＤＲＢ上の追跡マーカーの追跡された位置で、追跡データのフレームを捕捉する。プローブ上のマーカーの追跡された位置から、プローブの先端の座標が計算され、ＤＲＢ上のマーカーの位置に関連付けられる。両方の空間において３つ以上の点が見つかったら、追跡−画像の登録が達成される。自然解剖学的ランドマークを指すことの代替として、ステッカー基準または金属基準といった、基準９５４（すなわち、基準マーカー）が使用されてもよい。外科医は、例えば、ＣＴと併用される場合は金属を含み、ＭＲと併用される場合はビタミンＥを含む、撮像において不透明である物質で構築された、基準９５４を患者に取り付けることになる。撮像（ＣＴまたはＭＲ）は、基準９５４を配置した後に行われる。外科医またはユーザは、次いで、画像容量の基準の座標を手動で見つけるか、または、ソフトウェアが画像処理で自動的にそれらを見つける。クランピング装置９３０に接続された取付アーム９４１またはその他の剛直な手段を通して、患者に追跡マーカー９４２を有するＤＲＢ９４０を取り付けた後、外科医またはユーザは、プローブ上（図示せず）またはＤＲＢ９４０上の追跡マーカーを同時に記録しながら、追跡されたプローブで基準９５４に接触することによって、ＤＲＢ９４０に対する物理的空間に基準９５４を配置することもできる。同じ点の座標が画像空間および追跡空間で周知であるため、登録は達成される。

本明細書に記載した実施形態についての一つの使用は、軌道を計画し、所望の軌道にロボットを動かすよう制御し、その後、外科医がロボットによって保持されるガイドチューブを通して電極などのインプラントを配置することになる。追加の機能には、リークセルフレームなど既存の定位フレームと共に使用される座標をエクスポートすることを含み、それは、五つの座標：Ｘ、Ｙ、Ｚ、環角度および円弧角度を使用する。画像空間に対する計画段階で特定された標的および軌道を使用し、定位フレームベースまたはその他の登録固定具に対する環およびアークの位置および配向を知る、これら五つの座標が確立される。

図１０に示すように、球体の中心および軌道が標的位置１０５８を中心に旋回できるよう、定位フレームにより、解剖学的特徴１０２８の標的位置１０５８（例えば、患者の頭部）が、治療されるのを可能にする。標的位置１０５８への軌道は、定位フレーム（例えば、リークセルフレーム）の環およびアーク角度によって調節される。これらの座標は手動で設定されてもよく、またロボットが故障したり、追跡または登録ができない場合には、定位フレームはバックアップとして、または冗長化システムとして使用されてもよい。中心点にオフセットした直線ｘ、ｙ、ｚ（すなわち、標的位置１０５８）は、フレームの機構を介して調節される。円錐１０６０は、標的位置１０５８の周りで中心付けられ、リークセルまたはその他のタイプのフレームの環およびアーク角度を変更することによって達成されうる調整ゾーンを示す。この図は、環およびアーク調節を有する定位フレームが、入力点を頭蓋骨内へ変えながら、角度範囲から固定標的位置に達するのに十分に適していることを図示する。

図１１は、一部の実施形態による、仮想点回転機構の二次元視覚化を図示する。この実施形態では、ロボットアームは、５軸機械フレームでは容易に達成できないが、本明細書に記載の実施形態を使用すれば達成されうる新しい動きのモードを可能にする、異なるタイプの点回転機能を作り出すことができる。本明細書に記載の登録技術を使用してロボットの軸の調整された制御を通して、このモードによって、ユーザが空間内の任意の固定点を中心にロボットのガイド管を旋回させることができる。例えば、ロボットは、入力点１１６２を中心に、解剖学的特徴１１２８（例えば、患者の頭部）内に旋回しうる。この入力点の旋回は、ユーザが、術中に標的位置１１６４を調節するその能力を制限することなく、より小さなバリ穴を作ることを可能にするため、有利である。円錐１１６０は、単一の入力穴を介して到達可能な軌道の範囲を表す。さらに、入力点の旋回は、ユーザが、二つの異なる標的位置１１６４および１１６６に、同一の小さな入力バリ穴を通って到達するのを可能にするため、有利である。または、ロボットは、頭蓋骨内で標的点（例えば、図１０に示す位置１０５８）を中心に旋回して、図１０に図示するように、様々な角度または軌道から標的位置に到達するのを可能にする。こうした内部旋回ロボットは、血管や神経の後ろにある標的に到達するときにそうした重要構造物が横切らないように腫瘍を照射したり、経路を調節したりするときといった、複数のアプローチから、同じ標的位置１０５８にユーザがアプローチするのを可能にする、定位フレームと同一の利点を有する。標的／旋回点を固定して保持する固定リングおよびアーク関節に依存する定位フレームとは異なり、ロボットは、軸の制御された作動を通して旋回点を調節し、そのため、図１０および図１１に示すモードの間で必要に応じて旋回点およびスイッチを動的に調整することができる。

ロボットまたは環およびアーク固定具を使用した移植または装置の挿入に続いて、これらおよびその他の実施形態は、術中に撮像を使用してインプラント位置を検証することを可能にしうる。計画軌道に対する器具またはインプラントの配置の正確性は、ユーザに定性的および／または定量的に示されうる。計画位置を配置された位置を比較するための一つの選択肢は、術後検証ＣＴ画像を術後の画像のいずれかに融合することである。術前および術後の画像が融合され、計画が上書きされると、術後ＣＴ上のインプラントの影を計画と比較して、配置の正確性を評価できる。術後ＣＴ上の影のアーチファクトの検出は、画像処理、および、先端および入口におけるミリメートルオフセットおよび経路に沿った角度オフセットにおける数値的に示されたオフセットを通して、自動で実施されうる。この選択肢は、画像間の登録が骨の解剖学的輪郭に基づいて実行されるため、検証画像に存在する任意の基準を必要としない。

計画位置を最終配置と比較するための第二の選択肢は、フルオロ固定具を用いて、または用いないで、術中のフルオロを利用するだろう。二つの面外フルオロ画像を撮影し、これらのフルオロ画像は、登録のために上述の通りに、術前ＣＴまたはＭＲから生成されたＤＲＲに合わせられることになる。上述の登録方法の一部とは異なるが、重要な情報はフルオロ画像の解剖学的構造に対して電極が配置される場所であるため、フルオロ画像が追跡されるのはそれほど重要ではない場合がある。電極の直線またはわずかに湾曲した影が、フルオロ画像上で発見され、このフルオロショットに対応するＤＲＲが発見されたら、フルオロ画像およびＤＲＲの線方向に、またはその方向から外れて配向された面またはシートとしてＣＴ画像容積で複製されうる。すなわち、システムは、所定のショットにおいて、電極がフルオロ画像平面の深さに、またはその外に、どれくらい深く置かれているかを知ることができないが、可能な場所の面またはシートを計算して、３Ｄ容積上のこの面またはシートを表すことができる。第二のフルオロビューでは、異なる平面またはシートを決定し、３Ｄ画像上に重ね合わせることができる。これらの二つの平面またはシートが３Ｄ画像上で交差するところが、電極の検出された経路である。システムは、この検出された経路を３Ｄ画像容積上のグラフィックとして表現し、ユーザが、画像容積を再度スライスして、どこからの視点が所望される場合も、この経路および計画された経路を表示することを可能にし、また、電極の計画位置から配置された位置までの偏差を自動計算または手動計算するのを可能にする。フルオロ固定具の追跡は不要であるが、ＤＲＲ計算の正確性、ＤＲＲとフルオロショットの一致を発見するために反復するときの収束率、および、３Ｄスキャン上に電極を表すシート／面の配置を向上させるため、フルオロ画像をデワープし、Ｘ線エミッタの配置を計算するのを助けるために行われてもよい。

この、およびその他の実施例では、ナビゲーションの完全性を維持する、すなわち、登録および追跡が手技全体にわたって正確なものであることが望ましい。ナビゲーションの完全性を確立し維持する二つの主要な方法としては、ＤＲＢ上のマーカーに対する監視マーカーの位置を追跡することと、画像内のランドマークをチェックすることが含まれる。第一の方法では、この位置が、例えばＤＲＮがぶつかられることによって変化する場合、次いで、システムはナビゲーションの完全性の損失の可能性をユーザに警告しうる。第二の方法では、ランドマークチェックが、スクリーンに表示されたスライスに表示された解剖学的形態が、プローブの先端が指すところと一致しない場合、外科医は、ナビゲーションの完全性が失われていることに気づくことになる。いずれの方法でも、ＣＴローカライザおよびフレーム基準アレイ（ＦＲＡ）の登録方法を使用する場合、外科医は、フレームベースに対して可能な一つのみの方法で取り付けるＦＲＡを再接続して、ＦＲＡ追跡マーカーおよびＣＴＲローカライザ５３６からの、保存された基準に基づいて、追跡−画像登録を復元する選択肢を有する。次に、この登録が、再配置されたＤＲＢ上の追跡マーカーに変換されるか、または、関連付けられうる。所望の場合、登録が完了したら、ＦＲＡを取り除くことができる。

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. システムであって、
   プロセッサ回路と、
   メモリであって、前記プロセッサ回路が、
   画像空間を画定する医療画像容積を提供し、前記医療画像容積が、
   患者の解剖学的特徴と、
   前記患者の前記解剖学的特徴に対して固定された登録固定具と、
   前記登録固定具に対して固定された複数の基準マーカーと、を含み、
   前記医療画像容積に基づいて、前記複数の基準マーカーのそれぞれの基準マーカーについて、前記画像空間に対する前記基準マーカーの位置を決定し、
   前記複数の基準マーカーの前記決定された位置に基づいて、前記解剖学的特徴に対する前記登録固定具の位置と配向を決定し、
   前記追跡空間を画定する追跡データフレームを提供し、前記追跡データフレームは、前記登録固定具に対して固定された第一の複数の追跡されたマーカーの位置を含み、
   前記追跡データフレームに基づいて、前記追跡空間の前記第一の複数の追跡されたマーカーに対する前記解剖学的特徴の位置を決定するように構成された、機械可読命令を含むメモリと、を備えるシステム。
2. 前記追跡データフレームが、患者保持構造に対して固定された第二の複数の追跡されたマーカーの位置をさらに含み、
   前記患者の前記解剖学的特徴が、前記患者保持構造に対して固定され、
   前記機械可読命令が、前記プロセッサ回路が、
   前記追跡データフレームと、前記追跡空間の前記第一の複数の追跡されたマーカーに対する前記解剖学的特徴の決定された位置とに基づいて、前記追跡空間内の前記第二の複数の追跡されたマーカーに対する前記解剖学的特徴の位置を決定するようにさらに構成される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記追跡空間の前記第二の複数の追跡されたマーカーに対して、前記解剖学的特徴の位置を決定した後、前記第一の複数の追跡されたマーカーが前記患者から取り除かれる、請求項２に記載のシステム。
4. 前記登録固定具が、前記患者に固定された定位フレームを備える、請求項２に記載のシステム。
5. 前記第二の複数の追跡されたマーカーが、前記定位フレームに取り外し可能に取り付けられた動的基準ベース（ＤＲＢ）に固定して取付られる、請求項４に記載のシステム。
6. 前記登録固定具が、前記患者に固定された定位フレームを備える、請求項１に記載のシステム。
7. 前記医療画像容積が、前記定位フレームのコンピュータ断層撮影（ＣＴ）画像と、前記患者の前記解剖学的特徴と、前記定位フレームに取り外し可能に取り付けられたＣＴローカライザと、を備え、前記ＣＴローカライザが前記複数の基準マーカーを含む、請求項６に記載のシステム。
8. 前記第一の複数の追跡されたマーカーが、前記立体フレームに取り外し可能に取り付けられたフレーム参照配列（ＦＲＡ）上に固定して取り付けられる、請求項６に記載のシステム。
9. 前記登録固定具が、蛍光透視法（フルオロ）画像捕捉装置の画像増強器に固定して取り付けられた固定具を備え、
   前記医療画像容積が、
   前記登録固定具と、前記患者の前記解剖学的特徴と、第一のフルオロ画像の視点からフルオロ画像捕捉装置によって捕捉された前記複数の基準マーカーとの第一フルオロ画像であって、前記複数の基準マーカーが、前記登録固定具に対して第一の視点から固定された前記第一のフルオロ画像上に第一の複数の影を引き起こす、第一のフルオロ画像と、
   前記登録固定具と、前記患者の前記解剖学的特徴と、前記第一のフルオロ画像の視点とは異なる第二のフルオロ画像の視点からフルオロ画像捕捉装置によって捕捉された前記複数の基準マーカーとの第二フルオロ画像であって、前記複数の基準マーカーが、前記登録固定具に対して第二の視点から固定された前記第二のフルオロ画像上に第二の複数の影を引き起こす、第二のフルオロ画像と、を含む、請求項１のシステム。
10. 前記解剖学的特徴に対して前記登録固定具の前記位置および配向を決定することが、
    前記第一フルオロ画像を、第一のＤＲＲ視点を有するコンピュータ断層撮影（ＣＴ）画像容積を通って投影された第一のデジタル再構成放射線写真（ＤＲＲ）と比較することと、
    前記第一のフルオロ画像を前記第一のＤＲＲと比較することに基づいて、前記解剖学的特徴に対する前記第一のＤＲＲの視点が、前記解剖学的特徴に対する前記第一のフルオロ画像の視点に実質的に等しいことを決定することと、
    前記第二のフルオロ画像を、前記第一のＤＲＲ視点とは異なる第二のＤＲＲの視点を有する前記ＣＴ画像容積を通って投影された第二のＤＲＲに比較することと、
    前記第二のフルオロ画像を前記ＤＲＲと比較することに基づいて、前記解剖学的特徴に対する前記第二のＤＲＲの視点が、前記解剖学的特徴に対する前記第二のフルオロ画像の視点に実質的に等しいことを決定することと、
    前記第一のＤＲＲの視点および前記第二のＤＲＲの視点に対して、前記解剖学的特徴の位置および配向を決定することと、
    前記第一のＤＲＲ視点および前記第二のＤＲＲ視点に対する前記解剖学的特徴の前記位置および配向を前記決定することと、前記第一のＤＲＲの視点が前記第一のフルオロ画像の視点と実質的に等しいと前記決定することと、前記第二のＤＲＲの視点が前記フルオロ画像の視点と実質的に等しいと前記決定することと、に基づいて、前記解剖学的特徴に対する前記登録固定具の前記位置および配向を決定することと、を含む、請求項９に記載のシステム。
11. 前記登録固定具が、術中コンピュータ断層撮影（ＩＣＴ）固定具を備え、
    前記複数の基準マーカーが、前記ＩＣＴ固定具に結合された複数の無線不透過性基準マーカーを含み、
    前記第一の複数の追跡されたマーカーが、前記ＩＣＴ固定具に固定され、
    前記医療画像容積が、前記基準マーカーのコンピュータ断層撮影（ＣＴ）画像と、前記患者の前記解剖学的特徴と、を含む、請求項１に記載のシステム。
12. 更新された画像空間を画定する更新された医療画像容積であって、
    前記患者の前記解剖学的特徴と、
    前記患者の前記解剖学的特徴に対して固定された前記登録固定具と、
    前記登録固定具に対して固定される前記複数の基準マーカーと、を含む、更新された医療画像容積をさらに含み、
    前記機械可読命令が、前記プロセッサ回路が、
    前記更新された医療画像容積に基づいて、前記複数の基準マーカーのそれぞれの基準マーカーについて、前記更新された画像空間に対する前記基準マーカーの更新された位置を決定し、
    前記複数の基準マーカーの前記決定された更新された位置に基づいて、前記解剖学的特徴に対する前記登録固定具の更新された位置と配向を決定し、
    前記追跡データフレームに基づいて、前記追跡空間に対する前記解剖学的特徴の更新された位置を決定するようにさらに構成される、請求項１に記載のシステム。
13. 前記追跡データフレームが、外科手術ロボットに対して固定される第二の複数の追跡されたマーカーの位置をさらに含み、
    前記機械可読命令が、前記プロセッサ回路が、
    前記追跡データフレームに基づいて、前記追跡空間に対する前記外科手術ロボットのロボットアームの位置を決定し、
    前記追跡空間に対する前記解剖学的特徴の前記決定された位置および配向、および、前記追跡カメラに対する前記ロボットアームの前記決定された位置および配向に基づいて、前記ロボットアームに対する前記解剖学的特徴の位置および配向を決定し、
    前記ロボットアームに対する前記解剖学的特徴の前記決定された位置および配向に基づいて、前記ロボットアームを制御する、請求項１に記載のシステム。
14. 前記機械可読命令が、前記プロセッサ回路が、
    前記ロボットアームに対する前記解剖学的特徴の前記決定された位置および配向に基づいて、前記追跡空間内の前記解剖学的特徴内の標的位置を決定し、
    前記解剖学的特徴内の前記標的位置にツールを位置付けるように前記ロボットアームを制御するようさらに構成される、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記機械可読命令が、前記プロセッサ回路が、
    前記ロボットアームに対する前記解剖学的特徴の前記決定された位置および配向に基づいて、前記追跡空間内の旋回位置を決定するようさらに構成され、
    前記ロボットアームを制御して前記ツールを前記標的位置に位置付けることが、前記旋回位置を中心に前記ツールを旋回することを含む、請求項１４に記載のシステム。
16. コンピュータ実装方法であって、
    一回目に医療画像容積を受信することであって、前記医療画像容積が、患者の解剖学的特徴と、前記患者の前記解剖学的特徴に対して固定された登録固定具の少なくとも一部分と、を備え、前記登録固定具が、前記登録固定具に対して固定された第一の複数の基準マーカーを含む、受信することと、
    前記第一の複数の基準マーカーのそれぞれの基準マーカーについて、前記医療画像空間に対する前記基準マーカーの位置を決定することと、
    前記第一の複数の基準マーカーの前記決定された位置に基づいた前記プロセッサによって、前記解剖学的特徴に対する前記登録固定具の追跡マーカーのアレイの位置を決定することと、
    前記一回目より後の二回目に複数の追跡カメラを備える術中追跡装置からの追跡データフレームを受信することであって、前記追跡データフレームが、前記登録固定具に対して固定された第一の複数の追跡マーカーの位置を含む、受信することと、
    前記第一の複数の追跡マーカーの前記位置に基づいた前記プロセッサ回路によって、前記複数の追跡カメラに対する前記解剖学的特徴の位置および配向を決定することと、を含む、コンピュータ実装方法。
17. 前記第一の複数の追跡マーカーが、ロボットアームおよび第二の複数の追跡マーカーを含むロボットに対して固定されたコンピュータ実装方法であって、前記方法が、
    前記ロボットの前記第二の複数の追跡マーカーの前記決定された位置に基づいた前記プロセッサ回路によって、前記複数の追跡カメラに対する前記ロボットアームの位置および配向を決定することと、
    前記複数の追跡カメラに対する前記解剖学的特徴の前記決定された位置および配向、および、前記複数の追跡カメラに対する前記ロボットアームの前記決定された位置および配向に基づいて、前記ロボットアームに対する前記解剖学的特徴の位置および配向を決定することと、
    前記プロセッサ回路によって、前記ロボットアームに対する前記解剖学的特徴の前記決定された位置および配向に基づいて、前記解剖学的特徴に対する前記ロボットアームの動きを制御することと、を含む、請求項１６に記載のコンピュータ実装方法。
18. 前記ロボットアームに対して前記解剖学的特徴の前記位置および配向を決定した後に、前記第一の複数の追跡されたマーカーを前記患者から取り除くことをさらに含む、請求項１７に記載のコンピュータ実装方法。
19. 前記登録固定具が、前記患者に固定された定位フレームを備え、
    前記医療画像容積が、前記定位フレームのコンピュータ断層撮影（ＣＴ）画像と、前記患者の前記解剖学的特徴と、前記定位フレームに取り外し可能に取り付けられたＣＴローカライザと、を備え、前記ＣＴローカライザが前記第一の複数の基準マーカーを含む、請求項１６に記載のコンピュータ実装方法。
20. 前記登録固定具が、前記患者に固定された定位フレームを備え、
    前記第一の複数の追跡されたマーカーが、前記立体フレームに取り外し可能に取り付けられたフレーム参照配列（ＦＲＡ）上に固定して取り付けられる、請求項１６に記載のコンピュータ実装方法。