JP2020515372A - 3次元ロボットバイオプリンタ - Google Patents
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Abstract
Description
(i)カニューレの横寸法と同程度の横寸法を有する面開口を通じて被検者に挿入するように構成されるカニューレであって、カニューレは、手術ロボットに取り付けられるように構成され、その遠位端において、1つまたは複数のバイオインクを吐出して被検者内に生体材料の少なくとも1つの層を形成するように適合されたノズルを備える、カニューレと、
(ii)カニューレから遠位方向に1つまたは複数のバイオインクを吐出するように構成された少なくとも1つのバイオインク押出し機構と、
(iii)コントローラと、
を備え、コントローラは、
(i)術前手術計画に従って、被検者内でカニューレの長手方向の位置および向きを調整するように手術ロボットに指示し、
(ii)被検者内でのカニューレの長手方向の位置および向きに従ってバイオインクが吐出されるように押出し機構を制御する、
ように適合され、
システムは、被検者内で、カニューレの横寸法よりも大きい寸法を有する3次元組織要素の形成を可能にし、
手術ロボットは、カニューレの向きのための枢動点として面開口を用いて、被検者内でのカニューレの向きの調整を行うように構成される、システムが提供される。
そのようなシステムのまた他の実装形態は、手術ロボットに関連付けられた少なくとも1つの3次元追跡ターゲットを更に含むことができ、コントローラは、少なくとも1つの3次元追跡ターゲットを用いて、3次元術前画像セットに対する手術ロボットの座標系のレジストレーションを行うように適合される。そのような場合、システムは、被検者の少なくとも1つの解剖学的要素上に配設された基準マーカ、または透視下で撮像された解剖学的要素を更に含むべきであり、コントローラは、少なくとも1つの3次元追跡ターゲットを用いて、基準マーカまたは透視下で撮像された解剖学的要素に対する手術ロボットの座標系のレジストレーションを行うように更に適合される。そのような場合、コントローラは、解剖学的基準マーカまたは透視下で撮像された解剖学的要素のいずれかに関係する手術ロボットの座標系を含む疑似3次元画像を作成し、疑似3次元画像の選択されたウィンドウを、3次元術前画像セットの同様に選ばれたウィンドウと相関付け、手術ロボットの位置が、術前手術計画とレジストレーションされ得るようにするように更に適合することができる。
手術ロボットのための手術計画を決定する方法であって、手術ロボットは、手術ロボットによって面開口を通じて被検者に挿入されるカニューレを利用し、カニューレは、その遠位端において、1つまたは複数のバイオインクを吐出して被検者内に生体材料の少なくとも1つの層を形成するように適合された少なくとも1つのノズルを備え、この方法は、
(i)被検者の3次元術前画像セットを得るステップと、
(ii)少なくとも3次元術前画像セットに基づいて、少なくとも、手術ロボットによって形成される3次元組織要素の(a)形状と、(b)組成と、(c)位置と、(d)寸法とを含む術前手術計画を決定するステップと、
(iii)術前手術計画に従って少なくとも1つのノズルのための計画軌道を計算するステップと、
(iv)術前手術計画に従って被検者内に生体材料の少なくとも1つの層を形成するために、少なくとも1つのノズルが計画軌道をトラバースするときの、1つまたは複数のバイオインクの吐出計画を生成するステップと、
(v)手術ロボットを操作し、1つまたは複数のバイオインクの吐出を制御するように適合されたコントローラに、計画軌道を入力するステップであって、ノズルが吐出計画と協調して計画軌道をトラバースすることができるようにし、手術ロボットによって3次元組織要素が被検者内に自律的に形成されることを可能にするステップと、
を含む、方法。
(i)被検者の3次元術前画像セットを得るステップと、
(ii)3次元術前画像セットから、少なくとも、3次元組織要素の(a)形状と、(b)組成と、(c)位置と、(d)寸法とを含む手術計画を決定するステップと、
(iii)手術計画に従ってノズルのための計画軌道を決定するステップと、
(iv)手術計画に従って、ノズルが計画軌道をトラバースするときの、少なくとも2つのバイオインクの吐出計画を提供するステップと、
を含み、
少なくとも2つのバイオインクは、吐出前に層状にされ、各バイオインク層の量、位置および組成は、計画軌道および吐出計画に従って選択され、3次元組織要素が手術ロボットによって自律的に形成され得るようにする、方法が更に提供される。
(i)カニューレを設けるステップであって、カニューレは、その遠位端において、1つまたは複数のバイオインクを吐出して被検者内に生体材料の少なくとも1つの層を形成するように適合された少なくとも1つのノズルを備える、ステップと、
(ii)面開口を通じて被検者内にカニューレを挿入するステップと、
(iii)ノズルが、被検者内で生体材料の少なくとも1つの層を生成するのに適切な軌道を辿るようにカニューレを操作し、ノズルの運動と協調して1つまたは複数のバイオインクを吐出するステップと、
を含み、
操作するステップは、少なくとも、ノズルが生体材料の少なくとも1つの層を生成するのに適切な軌道を辿っていることを検証するために、外部に配設された撮像システムを用いて行われる、方法が更に提供される。
Claims (34)
- 少なくとも3次元術前画像セットに基づく術前手術計画に従って、被検者内に3次元組織要素(tissue element)を形成するためのシステムであって、
カニューレ(cannula)の横寸法と同程度の横寸法を有する面開口を通じて前記被検者に挿入するように構成されるカニューレであって、手術ロボットに取り付けられるように構成され、その遠位端において、1つまたは複数のバイオインク(bio-ink)を吐出(eject)して前記被検者内に生体材料(biomaterial)の少なくとも1つの層を形成するように適合されたノズルを備える、カニューレと、
前記カニューレから遠位方向に前記1つまたは複数のバイオインクを吐出するように構成された少なくとも1つのバイオインク押出し機構(extruding mechanism)と、
コントローラと
を備え、前記コントローラは、
(i)前記術前手術計画に従って、前記被検者内で前記カニューレの長手方向の位置および向きを調整するように前記手術ロボットに指示し、
(ii)前記被検者内での前記カニューレの前記長手方向の位置および前記向きに従って前記バイオインクが吐出されるように前記押出し機構を制御する、
ように適合され、
前記システムは、前記被検者内で、前記カニューレの前記横寸法よりも大きい寸法を有する3次元組織要素の形成を可能にし、
前記手術ロボットは、前記カニューレの前記向きのための枢動点(pivot point)として前記面開口を用いて、前記被検者内での前記カニューレの前記向きの前記調整を行うように構成される、システム。 - 前記コントローラは、前記3次元術前画像セットに対する前記手術ロボットの座標系のレジストレーションを得るように更に適合される、請求項1に記載のシステム。
- 前記術前手術計画は、少なくとも、前記3次元組織要素の(i)幾何学的形態と、(ii)組成と、(iii)位置と、(iv)寸法とを含む、請求項1または2に記載のシステム。
- 前記術前手術計画は、少なくとも部分的に、(i)前記3次元術前画像セットの画像処理と、(ii)外科医からの入力と、のうちの少なくとも1つを用いて前記コントローラによって決定される、請求項1から3のいずれかに記載のシステム。
- 前記術前手術計画の前記決定は、医用データベースからのデータの解析を更に利用する、請求項4に記載のシステム。
- 前記1つまたは複数のバイオインクは、(i)前記カニューレ内、または(ii)前記カニューレに流体接続された1つまたは複数のバイオインクストレージボリューム(volume)内、のいずれかに収容される、請求項1から5のいずれかに記載のシステム。
- 前記カニューレは、前記カニューレの長さに沿って配列された層内に少なくとも2つのバイオインクを収容するように構成され、前記層は、所定の量、組成および順序を有する、請求項6のオプション(i)に記載のシステム。
- 前記層の前記所定の量、組成および順序は、前記術前手術計画に従って前記コントローラによって決定される、請求項7に記載のシステム。
- 前記3次元組織要素の全体は、前記カニューレを前記被検者から取り除くことを必要とすることなく形成される、請求項1から8のいずれかに記載のシステム。
- 前記3次元組織要素は、(a)第1の深さにおける前記カニューレの前記向きの調整を、前記カニューレの長手方向の漸進的(incremental)移動と併せて行い、生体材料の第1の層を形成することと、(b)その後、前記カニューレを前記被検者内の第2の深さまで移動させ、前記第2の深さにおける前記カニューレの前記向きの調整を、前記カニューレの長手方向の漸進的移動と併せて行い、生体材料の第2の層を形成し、前記3次元組織要素が形成されるまで(b)を繰り返すことと、によって形成される、請求項1から9のいずれかに記載のシステム。
- 前記面開口は、前記被検者の膝関節へのアクセスを提供するために利用することができる、請求項1から10のいずれかに記載のシステム。
- 前記バイオインク押出し機構は、ピストン、外部加圧デバイス、ガス圧デバイス、またはバイオインクジェットプリントヘッドのうちのいずれかである、請求項1から11のいずれかに記載のシステム。
- 前記カニューレの直径は1mm未満である、請求項1から12のいずれかに記載のシステム。
- 前記カニューレの直径は3mm未満である、請求項1から13のいずれかに記載のシステム。
- 前記生体材料の層のうちの少なくとも1つは、軟骨(cartilage)、骨培養基(bone medium)、筋肉、血管または靭帯(ligament)材料を含む、請求項1から14のいずれかに記載の手術システム。
- 前記システムは、前記手術ロボットに関連付けられた少なくとも1つの3次元追跡ターゲットを更に含み、前記コントローラは、前記少なくとも1つの3次元追跡ターゲットを用いて、前記3次元術前画像セットに対する前記手術ロボットの座標系のレジストレーションを行うように適合される、請求項1から15のいずれかに記載のシステム。
- 前記システムは、前記被検者の少なくとも1つの解剖学的要素上に配設された基準マーカ、または透視下で撮像された解剖学的要素を更に含み、前記コントローラは、前記少なくとも1つの3次元追跡ターゲットを用いて、前記基準マーカまたは前記透視下で撮像された解剖学的要素に対する前記手術ロボットの前記座標系のレジストレーションを行うように更に適合される、請求項16に記載の手術システム。
- 前記コントローラは、前記解剖学的基準マーカまたは前記透視下で撮像された解剖学的要素のいずれかに関係する前記手術ロボットの座標系を含む疑似3次元画像を作成し、前記疑似3次元画像の選択されたウィンドウを、前記3次元術前画像セットの同様に選ばれたウィンドウと相関付け、前記手術ロボットの前記位置が、前記術前手術計画とレジストレーションされ得るようにするように更に適合される、請求項17に記載のシステム。
- 前記カニューレの前記ノズルを所望の方向にステアリングするためのステアリング機構を更に備える、請求項1から18のいずれかに記載のシステム。
- 前記カニューレは、少なくとも1つの制御されたリンクまたはジョイントを含み、前記ノズルのアクセス可能性を増大させるようにする、請求項1から19のいずれかに記載のシステム。
- 手術ロボットのための手術計画を決定する方法であって、前記手術ロボットは、前記手術ロボットによって面開口を通じて前記被検者に挿入されるカニューレを利用し、前記カニューレは、その遠位端において、1つまたは複数のバイオインクを吐出して前記被検者内に生体材料の少なくとも1つの層を形成するように適合された少なくとも1つのノズルを備える方法において、
前記被検者の3次元術前画像セットを得るステップと、
少なくとも前記3次元術前画像セットに基づいて、少なくとも、前記手術ロボットによって形成される3次元組織要素の(i)形状と、(ii)組成と、(iii)位置と、(iv)寸法とを含む術前手術計画を決定するステップと、
前記術前手術計画に従って前記少なくとも1つのノズルのための計画軌道を計算するステップと、
前記術前手術計画に従って前記被検者内に前記生体材料の少なくとも1つの層を形成するために、前記少なくとも1つのノズルが前記計画軌道をトラバースするときの、前記1つまたは複数のバイオインクの吐出計画を生成するステップと、
前記手術ロボットを操作し、前記1つまたは複数のバイオインクの吐出を制御するように適合されたコントローラに、前記計画軌道を入力するステップであって、前記ノズルが前記吐出計画と協調して前記計画軌道をトラバースすることができるようにし、前記手術ロボットによって前記3次元組織要素が前記被検者内に自律的に形成されることを可能にする、ステップと、
を含む、方法。 - 前記計画軌道に従って前記手術ロボットの計画された運動を決定するステップを更に含む、請求項21に記載の方法。
- 前記手術ロボットの前記計画された運動は、前記ノズルが前記軌道をトラバースするために必要な前記カニューレの任意の角運動が、前記被検者の面開口を枢動点として用いて行われるようになっている、請求項22に記載の方法。
- 前記1つまたは複数のバイオインクの粘性は、前記少なくとも2つのバイオインクが、前記少なくとも2つのバイオインクを混合することなく、前記カニューレ内の長手方向に配置された層内に配設され得るようになっている、請求項21から23のいずれかに記載の方法。
- 前記術前手術計画を決定するステップは、複数の被験者の3次元画像セットを含む医用データベースにアクセスするステップを含む、請求項21から24のいずれかに記載の方法。
- 前記術前手術計画を決定するステップは、前記医用データベースからのデータを解析して、良好な結果の最も高い統計的尤度を有する手術計画を決定することによって行われる、請求項25に記載の方法。
- 前記計画軌道および前記吐出計画のうちの少なくとも1つは、人工知能を用いて計算される、請求項21から26のいずれかに記載の方法。
- 前記計画軌道は、(i)前記カニューレによって損傷を受ける可能性が高い禁止領域(forbidden regions)の回避、(ii)前記3次元組織要素を形成するための最も短い軌道、および(iii)前記被検者の健常な組織に対し引き起こす外傷が最小となる軌道、のうちの少なくとも1つを考慮に入れることによって計算される、請求項21から27のいずれかに記載の方法。
- 被検者内に3次元組織要素を形成するように手術ロボットシステムを構成する方法であって、前記手術ロボットシステムは、面開口を通じて挿入されるカニューレを利用し、前記カニューレは、ノズルを通じて前記被検者内に少なくとも2つのバイオインクを吐出するように構成される方法において、
前記被検者の3次元術前画像セットを得るステップと、
前記3次元術前画像セットから、少なくとも、前記3次元組織要素の(i)形状と、(ii)組成と、(iii)位置と、(iv)寸法とを含む手術計画を決定するステップと、
前記手術計画に従って前記ノズルのための計画軌道を決定するステップと、
前記手術計画に従って、前記ノズルが前記計画軌道をトラバースするときの、前記少なくとも2つのバイオインクの吐出計画を提供するステップと、
を含み、
前記少なくとも2つのバイオインクは、吐出前に層状にされ、各バイオインク層の量、位置および組成は、前記計画軌道および前記吐出計画に従って選択され、前記3次元組織要素が前記手術ロボットによって自律的に形成され得るようにする、方法。 - 前記少なくとも2つのバイオインクの前記層は、前記カニューレの長さに沿って長手方向に収容される、請求項29に記載の方法。
- 前記層は、所定の量、組成および順序を有する、請求項30に記載の方法。
- 前記少なくとも2つのバイオインクの前記層は、前記カニューレに流体接続されたストレージボリューム(storage volume)内に長手方向に収容される、請求項29に記載の方法。
- 前記層は、前記ストレージボリュームの長さに沿って長手方向に配列され、所定の量、組成および順序を有する、請求項32に記載の方法。
- 被検者における3次元組織要素の生成のための手動指示手順を行う方法であって、
カニューレを設けるステップであって、前記カニューレは、その遠位端において、1つまたは複数のバイオインクを吐出して前記被検者内に生体材料の少なくとも1つの層を形成するように適合された少なくとも1つのノズルを備える、ステップと、
面開口を通じて前記被検者内に前記カニューレを挿入するステップと、
前記ノズルが、前記被検者内で前記生体材料の少なくとも1つの層を生成するのに適切な軌道を辿るように前記カニューレを操作し、前記ノズルの運動と協調して前記1つまたは複数のバイオインクを吐出するステップと、
を含み、
前記操作するステップは、少なくとも、前記ノズルが前記生体材料の少なくとも1つの層を生成するのに適切な前記軌道を辿っていることを検証するために、外部に配設された撮像システムを用いて行われる、方法。
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