JP2020526364A - 手術中アラインメント評価システム及び方法 - Google Patents

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Abstract

一部の実施形態は、患者の脊椎アラインメント情報及び治療デバイスデータを解析して提供するシステム及び方法を含む。一部の実施形態では、システム及び／又は方法は、初期患者データを取得し、かつ脊椎アラインメント輪郭情報を取得することができる。一部の実施形態では、システム及び／又は方法は、患者の局所解剖学的特徴を評価し、かつ解剖学的領域データを取得することができる。一部の実施形態では、システム及び／又は方法は、局所生体構造と治療デバイス場所及び輪郭形成とを解析することができる。一部の実施形態では、システム及び／又は方法は、局所生体構造解析及び治療デバイス輪郭形成データをディスプレイ上に出力することができる。
【選択図】図１

Description

〔関連出願〕
この出願は、引用によって本明細書にその内容全体が組み込まれている２０１７年７月３日出願の米国仮特許出願第６２／５２８，３９０号に対する優先権を主張するものである。
現在のツールは、特に脊椎が矯正中に操作された後で患者の脊椎の手術中アラインメントを迅速かつ正確に評価する外科医の能力を制限している。これに加えて、従来技術オプションの殆どは、過度の放射線露出、当該の解剖学的標認点の不十分な視覚化、及び手術ワークフローに対する長々しい中断を導入する又はそれに頼っている。
一部の実施形態は、患者の脊椎アラインメント情報及び治療デバイスデータを解析して提供する方法を含む。一部の実施形態では、本方法は、初期患者データを取得する段階と脊椎アラインメント輪郭情報を取得する段階とを含むことができる。一部の実施形態では、本方法は、患者の局在性解剖学的特徴を評価する段階と解剖学的領域データを取得する段階とを含むことができる。一部の実施形態では、本方法は、局在性生体構造と治療デバイス場所及び輪郭付けとを解析する段階を含むことができる。一部の実施形態では、本方法は、局在性解剖学的解析と治療デバイス輪郭付けデータとをディスプレイ上に出力することができる。
本発明の一部の実施形態により脊椎アラインメント、局所生体構造生体力学、ロッド輪郭、及びロッドの能動輪郭付けを評価するための並びに基準の初期化及び様々な出力の対話型表示のためのシステムを示す図である。 本発明の一部の実施形態により身体−面−装着可能基準パッチの表現を示す図である。 本発明の一部の実施形態によりパッチが付加された患者のＸ線画像上で可視であると考えられる図２Ａの基準パッチのＸ線不透過要素を表示する図である。 本発明の一部の実施形態により骨に締結された骨−装着式基準を有する椎骨を表示する図である。 本発明の一部の実施形態により骨−装着式基準と骨−装着式基準に結合するための上部基準とを有する椎骨のアセンブリ図である。 本発明の一部の実施形態により上部基準に結合された骨−装着式基準を有する椎骨を示す図である。 本発明の一部の実施形態により皮膚−面−装着式基準が患者の背部皮膚に彼らが手術台上に腹臥位で位置決めされた時に付加される組立又は手術プロセスを示す図である。 本発明の一部の実施形態により解剖学的モデルに適用された皮膚基準のサンプルＸ線写真側面像を示す図である。 本発明の一部の実施形態により注釈ベクトルを有する図４ＢのサンプルＸ線写真側面像を示す図である。 本発明の一部の実施形態により画像取得及びその後の基準マーカの初期化に向けて利用することができるタイプのＸ線撮像システムのＣ−アームベースのマウントを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図４Ａ図４Ｂのものとは異なる撮像角度からの脊椎−基準対のサンプルＸ線画像を示す図である。 本発明の一部の実施形態により注釈ベクトルを含む図４ＥのサンプルＸ線画像を示す図である。 本発明の一部の実施形態により各Ｘ線画像平面間の入力又は計算角度に基づいて２ＤＸ線の各々の上に描かれた変位ベクトルをその上に追加することができる基準原点に対する３Ｄ軸線を示す図である。 本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡カメラ座標内で基準を局在化するシステム及び方法を示す図である。 本発明の一部の実施形態により基準の独特な場所及び姿勢が図４Ｈの時点でそれを用いて登録された３Ｄ取得システムの軸線を表示する図である。 本発明の一部の実施形態による光学追跡システムを示す図である。 本発明の一部の実施形態により追跡される動的座標系を備えた超音波プローブを示す図である。 本発明の一部の実施形態により皮膚−装着式基準に登録することができると考えられる骨生体構造の特定領域の表現として椎骨の断面図の上に重なる患者の皮膚面のアセンブリ図又はプロセス図である。 本発明の一部の実施形態により皮膚−装着式基準及びその関連のドレープ上方基準を付加するためのアセンブリ図又はプロセス図である。 本発明の一部の実施形態により皮膚−装着式基準及びその関連のドレープ上方嵌合基準のアセンブリ図である。 本発明の一部の実施形態により手術部位の外側にあるが３Ｄ追跡座標内のそれらの場所が既知であることが望ましい下にある生体構造の領域の上に位置付けられた領域内の解剖学的幻影に付加された皮膚−装着式基準の一実施形態を示す図である。 本発明の一部の実施形態により手術ドレープ／タオルを横切ってそのドレープ上方基準に嵌合する皮膚−装着式基準の実施形態を示す図である。 本発明の一部の実施形態による基準のアセンブリ図である。 本発明の一部の実施形態による基準のアセンブリ図である。 本発明の一部の実施形態により嵌合する上面基準と共に組み立てられた皮膚−面基準を示す図である。 本発明の一部の実施形態により図９Ａの基準のアセンブリ図である。 本発明の一部の実施形態により剛的に取り付けられた追跡可能動的座標系を備えた３Ｄ追跡可能プローブを示す図である。 本発明の一部の実施形態による図１０Ａのプローブの作動先端及び可変高度選択深度ストップの拡大斜視図である。 本発明の一部の実施形態により図１０Ａ〜図１０Ｂのプローブに嵌合するように設計されたレセプタクルを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図１０Ｃの特定レセプタクルに嵌合された図１０Ａのプローブを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図１０Ｄに示すものとは異なるプローブ高度セレクタに嵌合するように設計されたレセプタクルに嵌合された図１０Ａのプローブを示す図である。 本発明の一部の実施形態によるプローブの一部分のアセンブリ図である。 本発明の一部の実施形態による図１０Ｆのプローブの部分アセンブリ図である。 本発明の一部の実施形態により３又は４以上の追跡されるマーカを含有するドレープ上方基準に嵌合された皮膚面基準の上部斜視アセンブリ図である。 本発明の一部の実施形態により図１１Ａの基準の側部斜視アセンブリ図である。 本発明の一部の実施形態により追跡される動的座標系の表現を示す図である。 本発明の一部の実施形態により脊椎のサンプル断面ＣＴ走査図である。 本発明の一部の実施形態により追跡される動的座標系を備えたツールを示す図である。 本発明の一部の実施形態により異なる配置にある図１４Ａのツールを示す図である。 本発明の一部の実施形態により異なる配置にある図１４Ａのツールを示す図である。 本発明の一部の実施形態により様々な構成にある追跡される動的座標系（ＤＲＦ）を備えたプローブを示す図である。 本発明の一部の実施形態により様々な構成にある追跡される動的座標系（ＤＲＦ）を備えたプローブを示す図である。 本発明の一部の実施形態により様々な構成にある追跡される動的座標系（ＤＲＦ）を備えたプローブを示す図である。 本発明の一部の実施形態による回転符号器を示す図である。 本発明の一部の実施形態による図１６の符号器との併用のための滑車−歯車システムを示す図である。 本発明の一部の実施形態による図１７Ａの滑車−歯車システムの歯車を示す図である。 本発明の一部の実施形態により図１７の滑車−歯車システムに使用するためのコードスプールの斜視図である。 本発明の一部の実施形態により図１７の滑車−歯車システムに使用するためのコードスプールの側面図である。 本発明の一部の実施形態により図２３Ａの３Ｄ追跡システムのボールアセンブリを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図２３Ａの３Ｄ追跡システムのボールアセンブリを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図２３Ａの３Ｄ追跡システムのボールアセンブリを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図２３Ａの３Ｄ追跡システムのボール−及び−ソケットアセンブリを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図２３Ａの３Ｄ追跡システムのボール−及び−ソケットアセンブリを示す図である。 本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡システムのプローブを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図２０のプローブの構成要素の外観を示す図である。 本発明の一部の実施形態により図２０のプローブの構成要素の外観を示す図である。 本発明の一部の実施形態により図２０のプローブの構成要素の外観を示す図である。 本発明の一部の実施形態により図２０のプローブの構成要素の外観を示す図である。 本発明の一部の実施形態により図２０のプローブの構成要素の外観を示す図である。 本発明の一部の実施形態によりコード固定点に結合されたプローブを含む３Ｄ追跡システムのアセンブリを示す図である。 本発明の一部の実施形態によりコード固定点に結合されたプローブを含む３Ｄ追跡システムのアセンブリを示す図である。 本発明の一部の実施形態によりプローブの３Ｄ追跡を可能にする例示的システムを示す図である。 本発明の一部の実施形態により例示的３Ｄ追跡システムを示す図である。 本発明の一部の実施形態によりエンクロージャ内の３Ｄ追跡システムを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図２３Ｂの３Ｄ追跡システムの分解アセンブリ図である。 本発明の一部の実施形態によりプローブの３Ｄ追跡を可能にするシステムを示す図である。 本発明の一部の実施形態によりプローブの３Ｄ追跡を可能にするシステムを示す図である。 本発明の一部の実施形態によりプローブの３Ｄ追跡を可能にするシステムを示す図である。 本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡方法の表現を含む図である。 本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡方法の表現を含む図である。 本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡方法の表現を含む図である。 本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡方法の表現を含む図である。 本発明の一部の実施形態により例示的３Ｄ追跡システムを示す図である。 本発明の一部の実施形態によりシステムの作動構成要素及び処理構成要素に向けて構成されたコンピュータシステムを示す図である。 本発明の一部の実施形態により追跡される動的座標系を備えたスクリュー−ヘッド−登録スクリュードライバを示す図である。 本発明の一部の実施形態により追跡される動的座標系を備えたスクリュー−ヘッド−登録スクリュードライバを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図２９Ａ〜図２９Ｂのスクリュードライバのスクリュードライバヘッド及び押下可能先端の拡大斜視図である。 本発明の一部の実施形態によりスクリュードライバ−スクリューインタフェースの断面図である。 本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡カメラシステムを示す図である。 本発明の一部の実施形態により追跡される座標系の画像を含む図である。 本発明の一部の実施形態により身体装着式３Ｄ追跡カメラを示す図である。 本発明の一部の実施形態により脊椎の後部要素の輪郭を解釈する方法を表示する図である。 本発明の一部の実施形態による有茎（pedicle）スクリューを示す図である。 本発明の別の実施形態による有茎スクリューを示す図である。 本発明の一部の実施形態により多軸チューリップヘッドに嵌合した有茎スクリューを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図３３Ｂの有茎スクリューにインタフェースするように設計されたツールを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図３３Ｄのツールと図３３Ｃのスクリューの間の結合の視覚化を示す図である。 本発明の一部の実施形態により有茎スクリューに結合されたスクリュードライバを示す図である。 本発明の一部の実施形態による図３３Ａのスクリューの上面図である。 本発明の一部の実施形態による図３３Ｂのスクリューの上面図である。 本発明の一部の実施形態により有茎スクリューにインタフェースするためのツールを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図３４のツールの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により図３４のツールの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により図３４のツールの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により図３４のツールの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により図３４のツールの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により図３４のツールの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により有茎スクリューにインタフェースするためのツールの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により有茎スクリューにインタフェースするためのツールの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により有茎スクリューにインタフェースするためのツールの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により有茎スクリューにインタフェースするためのツールの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により有茎スクリューにインタフェースするためのツールの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により結合有茎スクリュー又はチューリップヘッドなしの図３５Ａ〜図３５Ｅのツールの拡大斜視図である。 本発明の一部の実施形態により有茎スクリューのチューリップヘッドと直接にインタフェースするように設計されたツールを示す図である。 本発明の一部の実施形態により有茎スクリューのチューリップヘッドと直接にインタフェースするように設計されたツールを示す図である。 本発明の一部の実施形態により有茎スクリューのチューリップヘッドと直接にインタフェースするように設計されたツールを示す図である。 本発明の一部の実施形態により有茎スクリューのチューリップヘッドと直接にインタフェースするように設計されたツールを示す図である。 本発明の一部の実施形態により有茎スクリューのチューリップヘッドと直接にインタフェースするように設計されたツールを示す図である。 本発明の一部の実施形態により有茎スクリューのチューリップヘッドと直接にインタフェースするように設計されたツールを示す図である。 本発明の一部の実施形態により有茎スクリューのチューリップヘッドと直接にインタフェースするように設計されたツールを示す図である。 本発明の一部の実施形態により有茎スクリューシャフトなしの図３６Ａ〜図３６Ｇのツールの斜視図である。 本発明の一部の実施形態により有茎スクリューシャフトなしの図３６Ａ〜図３６Ｇのツールの斜視図である。 本発明の一部の実施形態により２つの埋め込み有茎スクリューと直接にインタフェースするためのツールの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により２つの埋め込み有茎スクリューと直接にインタフェースするためのツールの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により２つの埋め込み有茎スクリューと直接にインタフェースするためのツールの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により２つの埋め込み有茎スクリューと直接にインタフェースするためのツールの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により２つの埋め込み有茎スクリューと直接にインタフェースするためのツールの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により２つの埋め込み有茎スクリューと直接にインタフェースするためのツールの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により２つの埋め込み有茎スクリューと直接にインタフェースするためのツールの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により深度ストップを有する有茎スクリューシャフトを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図３８の深度ストップを有する有茎スクリューシャフトの上面図である。 本発明の一部の実施形態により結合ハンドルを有するスクリューインタフェース領域を示す図である。 本発明の一部の実施形態により図３８Ｂのスクリューインタフェース領域と図３８〜図３８Ａの深度ストップを有する有茎スクリューシャフトの間で結合する例示的アセンブリの図である。 本発明の一部の実施形態により図３８〜図３８Ａの深度ストップを有する有茎スクリューシャフトに結合された図３８Ｂのスクリューインタフェース領域の図である。 本発明の一部の実施形態により図３８〜図３８Ａの深度ストップを有する有茎スクリューシャフトに結合された図３８Ｂのスクリューインタフェース領域の図である。 本発明の一部の実施形態により図３８〜図３８Ａの深度ストップを有する有茎スクリューシャフトに結合された図３８Ｂのスクリューインタフェース領域の図である。 本発明の一部の実施形態により図３８〜図３８Ａの深度ストップを有する有茎スクリューシャフトに結合された図３８Ｂのスクリューインタフェース領域の図である。 本発明の一部の実施形態により骨生体構造を操作して運動範囲を手術中に評価するのに使用されるデバイスの全体斜視図である。 本発明の一部の実施形態により図３９Ａに関して上述したツールのハンドルの別の実施形態を示す図である。 本発明の一部の実施形態により図３９Ａ〜図３９Ｂに関して上述した実施形態の底面図である。 本発明の一部の実施形態により図３９Ａ〜図３９Ｃに関して上述したツールの断面側面図を表示する図である。 本発明の一部の実施形態によりツールのスクリュー−インタフェース場所間の距離の変動を可能にする幅−調節機構の底面図である。 本発明の一部の実施形態により図３９Ａ〜図３９Ｅに関して上述したデバイスの幅−調節機構、ネジ−締め付けノブ、及びスリーブ本体の拡大斜視図である。 本発明の一部の実施形態により真っ直ぐな脊椎曲線を有する脊椎モデルとモデルに係合した２つの可撓性評価ツールとの側面図である。 本発明の一部の実施形態により前弯脊椎曲線を有する脊椎モデルにインタフェースする２つの可撓性評価デバイスの一実施形態を示す図である。 本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡カメラ視点からの本発明の実施形態を示す図である。 本発明の一部の実施形態により図３４〜図３６、図３９、図４０に関して上述した可撓性評価デバイスのスクリュー−インタフェース構成要素の一実施形態の側面図である。 本発明の一部の実施形態により図４１Ａに関して上述した実施形態の前面図である。 本発明の一部の実施形態により図３９〜図４０に関して上述した可撓性評価デバイスと共に組み立てられた図４１Ａ〜図４１Ｂのデバイスを示す図である。 本発明の一部の実施形態により解除タブ、中心−アラインメントポスト、周囲アラインメントピン、スクリュー−インタフェースロッド、側部タブ延長部、及びバネ装荷式スナップアームを表示する切り離し可能スクリュー−インタフェース構成要素の斜視アセンブリ図である。 本発明の一部の実施形態により下記で図４３を参照して説明する調節可能架橋デバイスを有する図４１に上述した切り離し可能スクリューインタフェース構成要素を備えた図３９〜図４０の可撓性評価デバイスを示す図である。 本発明の一部の実施形態によりチューリップヘッドにインタフェースすることによって有茎スクリューに剛的に結合された図４２Ａに関して上述した可撓性評価デバイスを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図３９、図４１、及び図４２Ａ〜図４２Ｂに関して上述した既に嵌合したデバイスからのユーザ−定義式距離で脊椎レベルにインタフェースする第２の可撓性評価デバイスを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図３９、図４１、図４２Ａ〜図４２Ｃに関して上述した２つの嵌合された可撓性評価デバイスを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図３９、図４１、及び図４２Ａ〜図４２Ｄに関して上述したように脊椎に剛的に取り付けられた２つの可撓性評価デバイスを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図３９、図４１、及び図４２Ａ〜図４２Ｆに関して上述した脊椎に剛的に取り付けられた２つの可撓性評価デバイスを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図４２Ａ〜図４２Ｆに関して上述した計装された脊椎を示す図である。 本発明の一部の実施形態により図４２Ａ〜図４２Ｇに関して上述した計装された脊椎を表示する図である。 図４２Ａ〜図４２Ｈに関して上述した計装された脊椎を示す図である。 本発明の一部の実施形態により図４２Ａ〜図４２Ｉに関して上述した計装された脊椎を示す図である。 本発明の一部の実施形態により図４２Ａ〜図４２Ｊに関して上述した計装された脊椎を示す図である。 本発明の一部の実施形態により調節可能架橋デバイスの図である。 本発明の一部の実施形態により調節可能架橋デバイスの図である。 本発明の一部の実施形態により調節可能架橋デバイスの図である。 本発明の一部の実施形態により調節可能架橋デバイスの図である。 本発明の一部の実施形態により調節可能架橋デバイスの図である。 本発明の一部の実施形態により調節可能架橋デバイスの図である。 本発明の一部の実施形態によりクロスバーが装備されて図３Ａ〜図３Ｃに関して上述したように椎骨の脊椎板に剛的に固定された骨埋め込み式基準を示す図である。 本発明の一部の実施形態により骨埋め込み式基準とスクリュードライバの端部で押下可能摺動シャフトに結合された追跡されるＤＲＦ及びＴＭＳＭを装備した骨−基準嵌合スクリュードライバとの係合前のプロセス図である。 本発明の一部の実施形態により骨埋め込み式基準とスクリュードライバの端部で押下可能摺動シャフトに結合された追跡されるＤＲＦ及びＴＭＳＭを装備した骨−基準嵌合スクリュードライバとの係合を示す図である。 本発明の一部の実施形態によりクロスバーを有する骨埋め込み式基準と上に重なる骨−基準−嵌合スクリュードライバとを示す図である。 本発明の一部の実施形態により椎骨係合とレンダリング処理とを示す図である。 本発明の一部の実施形態により椎骨係合とレンダリング処理とを示す図である。 本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡ツールを示す図である。 本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡ツールを示す図である。 本発明の一部の実施形態によりＸ線撮像及び追跡システムを示す図である。 本発明の一部の実施形態により脊椎のＸ線画像の上へのＸ線検出器の近くに位置決めされた追跡される手術ツールの仮想オーバーレイを示す図である。 本発明の一部の実施形態によりＸ線撮像及び追跡システムを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図４６Ｅに示すようにエミッタの近くに位置決めされた追跡される手術ツールの仮想オーバーレイを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図４６Ｄ〜図４６Ｆに上述したツール位置から９０度回転された追跡される手術ツールの仮想オーバーレイを示す図である。 本発明の一部の実施形態により追跡される末端キャップの構成要素を示す図である。 本発明の一部の実施形態により図４７Ａに関して上述した追跡される末端キャップに固定されたロッドにインタフェースするように設計された追跡されるスライダーの構成要素を示す図である。 本発明の一部の実施形態により末端キャップの一部分の拡大図である。 本発明の一部の実施形態により図４７Ａの構成要素から組み立てられた末端キャップの斜視図である。 本発明の一部の実施形態により図４８Ｂの末端キャップの側面図である。 本発明の一部の実施形態により単一リングロッド評価デバイスアセンブリを示す図である。 本発明の一部の実施形態により単一リングロッド評価デバイスアセンブリを示す図である。 本発明の一部の実施形態により単一リングロッド評価デバイスアセンブリを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図４７Ａ及び図４８Ａ〜図４８Ｂに関して上述したロッド及び追跡される末端キャップに結合された図４９Ａ〜図４９Ｃのアセンブリを示す図である。 本発明の一部の実施形態により固定ベース可変リング可動ロッド評価デバイスを示す図である。 本発明の一部の実施形態により固定ベース可変リング可動ロッド評価デバイスを示す図である。 本発明の一部の実施形態により固定ベース可変リング可動ロッド評価デバイスを示す図である。 本発明の一部の実施形態により固定ベース可変リング可動ロッド評価デバイスを示す図である。 本発明の一部の実施形態により末端キャップに結合されたロッドに係合した図５０Ａ〜図５０Ｄの固定ベース可変リング可動ロッド評価デバイスを示す図である。 本発明の一部の実施形態により手持ち式可動ロッド輪郭評価デバイスの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により手持ち式可動ロッド輪郭評価デバイスの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により手持ち式可動ロッド輪郭評価デバイスの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により手持ち式可動ロッド輪郭評価デバイスの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により手持ち式可動ロッド輪郭評価デバイスの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により手持ち式可動ロッド輪郭評価デバイスの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により手持ち式可動ロッド輪郭評価デバイスの様々な図である。 本発明の一部の実施形態により図５１Ａ〜図５１Ｇの手持ち式可動ロッド輪郭評価デバイスを用いた埋め込みの前にロッドの輪郭を登録する処理又は方法の図である。 本発明の一部の実施形態により図５１Ａ〜図５１Ｇの手持ち式可動ロッド輪郭評価デバイスを用いた埋め込みの前にロッドの輪郭を登録する処理又は方法の図である。 本発明の一部の実施形態によるＴＭＳＭベースの埋め込みロッド輪郭評価デバイスの構成要素を示す図である。 本発明の一部の実施形態により図５２Ａの構成要素に結合するための押下可能摺動シャフトを示す図である。 本発明の一部の実施形態による図５２Ａの構成要素の上面図である。 本発明の一部の実施形態による図５２Ｂの押下可能摺動シャフトの拡大斜視図である。 本発明の一部の実施形態により手術部位内に埋め込まれた後のロッドの輪郭を評価するのに使用される図５２Ａ及び図５２Ｂの構成要素のアセンブリを示す図である。 本発明の一部の実施形態による図５３Ａのアセンブリの一部分の拡大背面図である。 本発明の一部の実施形態による図５３Ａ〜図５３Ｂのアセンブリのロッド−インタフェース領域の拡大図である。 本発明の一部の実施形態によりロッドにインタフェースする図５３Ａ〜図５３Ｃのアセンブリを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図５３Ａ〜図５３Ｄのアセンブリ図の追跡可能ＤＲＦ部分の拡大図である。 本発明の一部の実施形態により図５３Ａ〜図５３Ｄのアセンブリ図の追跡可能ＤＲＦ部分の拡大図である。 本発明の一部の実施形態により導電率ベースのロッド輪郭評価デバイスを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図５４Ａのデバイスのロッド中心化フォーク及び電気接触パッドを示す図である。 本発明の一部の実施形態によりロッドにインタフェースする図５４Ｂのロッド中心化フォークを示す図である。 本発明の一部の実施形態によりロッドにインタフェースする図５４Ｂのロッド中心化フォークを示す図である。 本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡される手動可動ロッド曲げ器の様々な図である。 本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡される手動可動ロッド曲げ器の様々な図である。 本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡される手動可動ロッド曲げ器の様々な図である。 本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡される手動可動ロッド曲げ器の様々な図である。 本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡される手動可動ロッド曲げ器の様々な図である。 本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡される手動可動ロッド曲げ器の様々な図である。 本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡される手動可動ロッド曲げ器の様々な図である。 本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡される手動可動ロッド曲げ器の様々な図である。 本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡される手動可動ロッド曲げ器の様々な図である。 本発明の一部の実施形態により追跡されるＤＲＦ装備式末端キャップ、事前登録されたロッド、及びＴＭＳＭを装備した手動曲げ器の様々な図である。 本発明の一部の実施形態により追跡されるＤＲＦ装備式末端キャップ、事前登録されたロッド、及びＴＭＳＭを装備した手動曲げ器の様々な図である。 本発明の一部の実施形態により追跡されるＤＲＦ装備式末端キャップ、事前登録されたロッド、及びＴＭＳＭを装備した手動曲げ器の様々な図である。 本発明の一部の実施形態により追跡されるＤＲＦ装備式末端キャップ、事前登録されたロッド、及びＴＭＳＭを装備した手動曲げ器の様々な図である。 本発明の一部の実施形態により追跡されるＤＲＦ装備式末端キャップ、事前登録されたロッド、及びＴＭＳＭを装備した手動曲げ器の様々な図である。 本発明の一部の実施形態により追跡されるＤＲＦ装備式末端キャップ、事前登録されたロッド、及びＴＭＳＭを装備した手動曲げ器の様々な図である。 本発明の一部の実施形態によりロッドに結合されたＤＲＦ追跡されるトリガ−装備式式原位置曲げ器を示す図である。 本発明の一部の実施形態により脊椎に結合されたロッドに結合されたＤＲＦ追跡されるトリガ−装備式式原位置曲げ器を示す図である。 本発明の一部の実施形態により図５７Ａのロッドの拡大アセンブリ図である。 本発明の一部の実施形態により延長位置にある押下可能摺動シャフト先端の図を含む図５７Ａに示した曲げ器のロッドインタフェースヘッドの拡大図である。 本発明の一部の実施形態により２又は３以上のＸ線画像を用いて皮膚−装着式基準又は経皮基準を手術中に初期化するワークフローを示す図である。 本発明の一部の実施形態により手術中に置かれた１又は２以上の骨−装着式基準を骨−装着式基準の配置の前に撮影された２又は３以上のＸ線画像を用いて初期化するワークフローを示す図である。 本発明の一部の実施形態により骨−装着式基準の配置の後に撮影された２又は３以上のＸ線画像を用いて手術中に置かれた１又は２以上の骨−装着式基準を初期化するワークフローを示す図である。 本発明の一部の実施形態により手術中に解剖学的基準平面を登録する方法を示す図である。 本発明の一部の実施形態により追跡されるプローブを用いた身体面にわたるトレースを通じて脊椎の輪郭に関する情報を取得するための配置を示す図である。 本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡されるプローブを用いたトレースを通じて取得された身体面輪郭の表示を示す図である。 本発明の一部の実施形態により変換されたトレースデータの表示を示す図である。 本発明の一部の実施形態により深度平行移動を施した図６２Ｂ〜図６２Ｃのデータの表示を示す図である。 本発明の一部の実施形態により動的座標系（ＤＲＦ）を有する追跡されるツールに対する１又は２以上の追跡される可動漂遊マーカ（ＴＭＳＭ）のアナログトリガ検出のためのワークフローを示す図である。 本発明の一部の実施形態による追跡プローブアセンブリを示す図である。 本発明の一部の実施形態により図６４Ａに関して上述したプローブ上のＤＲＦに対する回転ＴＭＳＭ位置の解釈及び計算を示す図である。 本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡されるプローブを用いた身体面及び骨面のトレースの患者固有の解釈の初期化に向けて使用される断面画像上の個別の身体面又は骨面注釈の表示を示す図である。 本発明の一部の実施形態によりＣＴ走査からの断面注釈の３Ｄ斜視図である。 本発明の一部の実施形態によるコロナ投影座標のプロット図である。 本発明の一部の実施形態によるサジタル投影座標のプロット図である。 本発明の一部の実施形態により対応する解剖学的標認点と椎体重心の間の算定断面距離を示す図である。 本発明の一部の実施形態により椎骨（ａ）の断面スライスのそれらの相対解剖軸線での表示を示す図である。 本発明の一部の実施形態により両側でトレースされた座標と患者初期化データとによって計算された椎体の表示を示す図である。 本発明の一部の実施形態により手術中トレースに基づいて脊椎アラインメントパラメータを計算するワークフローを示す図である。 本発明の一部の実施形態により手術部位のみ内のプローブベースのトレースを用いて脊椎アラインメント曲線を取得するワークフローを示す図である。 本発明の一部の実施形態により手術部位よりも大きい範囲のプローブベースのトレースデータを用いて脊椎アラインメント曲線を取得するワークフローを示す図である。 本発明の一部の実施形態により可撓性評価デバイスを用いて手術中に脊椎の可撓性を評価するワークフローを示す図である。 本発明の一部の実施形態により手術中Ｘ線の上に手術器具の実時間オーバーレイを生成するワークフローを示す図である。 本発明の一部の実施形態によりナビゲート／登録されたスクリューの挿入の後に手術ナビゲーションシステムを迅速に再登録するワークフローを示す図である。 本発明の一部の実施形態によりツールシャフトの端部の上のロッド中心化フォークを示す図である。 本発明の一部の実施形態によりロッドと完全に係合した図７第３Ａのフォークを示す図である。 本発明の一部の実施形態により埋め込みの前に２つの手持ち式の追跡されるツールを用いてロッドの輪郭を評価するワークフローを示す図である。 本発明の一部の実施形態により埋め込みの前に１つの手持ち式の追跡されるツールと１つの剛的に固定されたリングとを用いてロッドの輪郭を評価するワークフローを示す図である。 本発明の一部の実施形態により埋め込みの後にロッドの輪郭を評価するワークフローを示す図である。 本発明の一部の実施形態により手術部位内のチューリップヘッドにロッドが埋め込まれた後にロッド輪郭の評価によって生成されたデータの解釈の様々な表示を示す図である。 本発明の一部の実施形態により手術部位内のチューリップヘッドにロッドが埋め込まれた後にロッド輪郭の評価によって生成されたデータの解釈の様々な表示を示す図である。 本発明の一部の実施形態により手術部位内のチューリップヘッドにロッドが埋め込まれた後にロッド輪郭の評価によって生成されたデータの解釈の様々な表示を示す図である。 本発明の一部の実施形態によりディスプレイモニタ上の患者画像上へのオーバーレイとして登録されたロッドの対話型ユーザ配置のためのワークフローを示す図である。 本発明の一部の実施形態により追跡されるロッド曲げデバイスを解釈及び計算する処理を表示する図である。 本発明の一部の実施形態により追跡されるロッド曲げデバイスを解釈及び計算する処理を表示する図である。 本発明の一部の実施形態により追跡されるロッド曲げデバイスを解釈及び計算する処理を表示する図である。 本発明の一部の実施形態により追跡されるロッド曲げデバイスを解釈及び計算する処理を表示する図である。 本発明の一部の実施形態により追跡されるロッド曲げデバイスを解釈及び計算する処理を表示する図である。 本発明の一部の実施形態により追跡されるロッド曲げデバイスを解釈及び計算する処理を表示する図である。 本発明の一部の実施形態により追跡されるロッド曲げデバイスを解釈及び計算する処理を表示する図である。 本発明の一部の実施形態によりロッドの埋め込みの前に動的ロッド輪郭の実時間フィードバックを用いてロッドを手動で曲げるためのワークフローを示す図である。 本発明の一部の実施形態により手術中Ｘ線画像の上に動的ロッド輪郭の投影を重ねるように指示されたソフトウエア入力を用いてロッドの埋め込みの前にロッドを手動で曲げるためのワークフローを示す図である。 本発明の一部の実施形態によりプローブ較正の処理又は方法を示す図である。 本発明の一部の実施形態によりプローブ較正の処理又は方法を示す図である。 本発明の一部の実施形態により追跡されないディスプレイを使用するユーザインタフェースシステムに対するレーザポインターアナログとして機能するようにトリガ−装備式式プローブを利用するワークフローを示す図である。 本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡されるディスプレイモニタを使用するユーザインタフェースに対するレーザポインターアナログとして機能するようにトリガ−装備式式プローブを利用するワークフローを示す図である。 本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡されるディスプレイモニタを使用するユーザインタフェースに対するレーザポインターアナログとして機能するようにトリガ−装備式式プローブを利用するワークフローを示す図である。 本発明の一部の実施形態によりユーザ−定義式追跡パッドアナログを通じて追跡されないディスプレイに対するインタフェースデバイスとして機能するようにトリガ−装備式式プローブを利用するワークフローを示す図である。 本発明の一部の実施形態によりアラインメント評価の出力表示を示す図である。 本発明の一部の実施形態によりアラインメント評価の出力表示を示す図である。 本発明の一部の実施形態によりアラインメント評価の出力表示を示す図である。 本発明の一部の実施形態によりアラインメント評価の出力表示を示す図である。 本発明の一部の実施形態により追跡されるＤＲＦ装備式末端キャップに固定されて追跡されるロッド曲げ器にインタフェースする事前登録された輪郭を有するロッドを示す図である。 本発明の一部の実施形態により登録されたロッド輪郭のサジタル投影を示す図である。 本発明の一部の実施形態により登録されたロッド輪郭のコロナ投影を示す図である。 本発明の一部の実施形態によりロッドの断面図に対するロッド曲げ器の中心ロッド輪郭付け面の場所の表示を示す図である。 本発明の一部の実施形態により登録されたロッド輪郭のサジタル投影の表示を示す図である。 本発明の一部の実施形態により登録されたロッド輪郭のオーバーレイ、並びに事前登録されたロッドに対する追跡されるロッド曲げ器の場所のオーバーレイ表示を有するサジタル患者画像を示す図である。 本発明の一部の実施形態により登録されたロッド輪郭のオーバーレイ、並びに事前登録されたロッドに対する追跡されるロッド曲げ器の場所のオーバーレイ表示を有する手術計画に向けて調節されたサジタル患者画像を示す図である。 本発明の一部の実施形態によりディスプレイモニタ上にロッド及びロッド曲げ器の場所の表示を含む図である。 本発明の一部の実施形態によりディスプレイモニタ上にロッド及びロッド曲げ器の場所の表示を含む図である。 本発明の一部の実施形態により曲げ器及びロッドの表示を示す図である。 本発明の一部の実施形態により曲げ器及びロッドの表示を示す図である。 本発明の一部の実施形態により曲げ器及びロッドの表示を示す図である。 本発明の一部の実施形態により曲げ器及びロッドの表示を示す図である。 本発明の一部の実施形態により登録されたロッド輪郭のサジタル投影、登録されたロッド輪郭に対するロッド曲げ器の現在の場所の表示、ユーザがロッド曲げ器を置くべきソフトウエア命令式場所の表示、及び生体軸線ラベルを示す図である。 本発明の一部の実施形態によりコロナ平面に適用された図８第８Ａの表示を示す図である。 本発明の一部の実施形態によりロッドの断面表示、ロッド曲げ器の中心輪郭付け面の現在の場所、ロッド曲げ器の中心輪郭付け面が置かれるべきソフトウエア命令式場所、及び生体軸線ラベルを示す図である。 本発明の一部の実施形態により既知の直径のロッドに対して誘導される曲げの程度に直接関連する曲げ器のハンドルの現在の相対位置の表示表現を示す図である。 本発明の一部の実施形態により既知の直径のロッドに対して誘導される曲げの程度に直接関連する曲げ器のハンドルのソフトウエア命令式相対位置（ｋ）の表示表現を示す図である。 本発明の一部の実施形態による曲げ角度表示ゲージを示す図である。 本発明の一部の実施形態により患者固有の画像からアラインメントパラメータを模擬するように調節可能ベンチトップ脊椎モデルを適合させるワークフローを示す図である。 本発明の一部の実施形態によりサジタル及びコロナの重ね合わせた脊椎輪郭トレースと、解剖学的モデル上への調節可能マウントの個別ソフトウエア命令式配置と、調節可能ベンチトップモデル上に位置決めされるこれらの調節可能マウントの各々の座標に関する命令とを有するサジタル及びコロナの患者画像を示す図である。 本発明の一部の実施形態による解剖学的モデル装着の分解アセンブリ図である。 本発明の一部の実施形態による解剖学的モデルに対する締結インタフェースを示す図である。 本発明の一部の実施形態により装着された脊椎解剖学的モデルを示す図である。 本発明の一部の実施形態により選択されたモジュール式ツール先端として係合した真っ直ぐなプローブ延長部と係合時のＤＲＦに対するその関連の独特なＴＭＳＭ位置とを示す図である。 本発明の一部の実施形態によりモジュール式ツール先端とＴＭＳＭ装備式ＤＲＦの間の結合機構を示す図である。 本発明の一部の実施形態により選択されたモジュール式ツール先端として係合した湾曲したプローブ延長部と係合時のＤＲＦに対するその関連の独特なＴＭＳＭ位置とを示す図である。
本発明のいずれかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明がその適用において以下の説明に例示する又は以下の図面で例示する構成及び構成要素配置の詳細に限定されないことは理解されるものとする。本発明は、他の実施形態が可能であり、様々な方式を用いて実施又は実行することができる。更に、本明細書に使用する表現法及び用語法が説明目的であり、限定的なものと見なすべきではないことは理解されるものとする。本明細書での「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、又は「ｈａｖｉｎｇ」、及びこれらの変形の使用は、これらの後に列記する品目、その均等物、並びに追加品目を包含するように意図したものである。別途指定又は限定しない限り、「装着される」、「接続される」、「支持される」、及び「結合される」という用語、及びこれらの変形は、広義に使用するものであり、直接的と間接的の両方の装着、接続、支持、及び結合を包含する。更に、「接続される」及び「結合される」は、物理的又は機械的な接続又は結合に限定されない。
以下の解説は、当業者が本発明の実施形態を製造及び使用することを可能にするために提示するものである。当業者には、例示する実施形態への様々な修正が明らかであり、本明細書での包括的な原理を本発明の実施形態から逸脱することなく他の実施形態及び用途に適用することができる。従って、本発明の実施形態は、本明細書に示す実施形態に限定されず、本明細書に開示する原理及び特徴に従う最も広い範囲に適合することになる。以下の詳細説明は、異なる図にある類似の要素が類似の参照番号を有する複数の図を参照して読まれるものとする。必ずしも正確な縮尺とは限らないこれらの図は、代表的な実施形態を示しており、本発明の実施形態の範囲を限定するように意図したものではない。当業者は、本明細書で提示する例が本発明の実施形態の範囲に収まる多くの有利な変形を有することを認識するであろう。
本明細書に使用する場合に、「追跡される」は、追跡システムの座標系に対して追跡される物体の３Ｄ座標を追跡する追跡デバイス（例えば、少なくとも図１７Ａ〜図１７Ｂ、図１８Ａ〜図１８Ｂ、図１９Ａ〜図１９Ｃ、図１９Ｄ〜図１９Ｅ、図２０Ａ〜図２０Ｅ、図２１Ａ〜図２１Ｂ、図２２、図２３Ａ、図２３Ｂ、図２３Ｃ、図２４〜図２６、図２７Ａ〜図２７Ｄ、図２８Ａ等の３Ｄ追跡光学手術ナビゲーション電気機械デバイス）とインタフェースする特定の物体の機能を意味する。「追跡される」物体の一例は、物体が、３Ｄ空間内で追跡される剛的に取り付けられた動的座標系を有する場合である。
本明細書に使用する場合に、動的座標系（dynamic reference frame，以下では「ＤＲＦ」）は、その面上の個別点（マーカ）が認識されて物体の場所と姿勢の両方の計算を可能にし、更に、ＤＲＦに対する相対座標系を定めることを可能にするように一意的に識別可能な構成で位置決めされた３又は４以上の点を意味する。更に、本明細書に使用する場合に、漂遊マーカは、ＤＲＦに関連付けられるが、隣接ＤＲＦとは別個の（漂遊）構造として識別することができる典型的に光反射性又は光放出性のいずれかを有する３Ｄ追跡される物体を意味する。
本明細書に使用する場合に、追跡される可動漂遊マーカ（ＴＭＳＭ）は、他の漂遊マーカ又は隣接ＤＲＦのいずれかに対して移動するように設計され、かつコンピュータ取得システムに情報を通信することができるそれらの他のエンティティに対する位置及び／又は運動を有する漂遊マーカを意味する。
本明細書に使用する場合に、プローブは、場所及び方位が３Ｄ空間内で既知であり、かつこれらの情報を用いてシステムが追跡される物体（例えば、先端、シャフト、固有特徴部など）上の他の点の場所及び方位をこれらが独立に追跡されない場合であっても推定することができるように追跡されるデバイスを意味する及び／又は定める。
本明細書に使用する場合に、基準は、それが当該の物体／領域の近くに置かれた時に当該の物体に対する基準の相対位置を初期化することができ、それによってその後に基準の場所及び方位が参照された時に初期化された当該の物体の正確な場所を計算することができることで空間内の別の点に対する基準として主として使用される物体である。多くの場合に、基準は、３Ｄ追跡されるプローブが相互作用した時に取得システムが３Ｄの場所及び方位を計算することができるようにタッピングされる凹部又はトレースされる溝のいずれかの形態にある独特な面パターンを有する。更に、基準は、最も一般的にはＸ線画像撮像による基準の視覚化及び登録を可能にする埋め込みＸ線不透過性マーカを有する物体である。仮に「基準マーカ」を使用される場合に、この用語は、Ｘ線で視覚化することができる基準構造内に埋め込まれた「Ｘ線不透過性マーカ」と特定的に記さない限り同等語である。
本明細書に使用する場合に、「３Ｄ剛体変換」は、回転変換と平行移動変換の両方を含む行列の適用を含む数学演算を表している。３Ｄ剛体変換は、システムが、物体の変形を伴わずに物体の関係を１つの座標軸から別のものに変換することを必要とする場合に利用される。例えば、３Ｄ追跡取得システムを基準とする３Ｄ追跡されるツールの場所座標及び方位値を有する代わりに、３Ｄ追跡されるツールは、空間の範囲にある別の３Ｄ追跡されるツールの座標及び方位を基準とするように剛体変換することができる。
本明細書に使用する場合に、有茎スクリューは、茎と呼ばれる脊椎骨の生体構造の中に挿入されるスクリューである。このスクリューに言及する場合は必ず、システムがいずれかの他のスクリュー、並びに他の手術インプラント（例えば、ケージ、ロッドなど）に適合することができると考える。
本明細書に使用する場合に、チューリップヘッドは、スクリューヘッドに取り付けられ、かつ運動範囲で多軸又は単軸とすることができる物体である。一般的に、チューリップヘッドは、ファスナがこの構造と剛的に係合することを可能にする雌ネジを有する。チューリップヘッドは、デバイスを剛的に取り付けることを可能にする嵌合特徴部を外壁／面上に有することができる。一般的に、チューリップヘッドは、ロッドインプラントの挿入を受け入れるように設計される。
本明細書に使用する場合に、ロッドは、円と同様であるが、他の形状（例えば、鍵穴、半円など）にも似た断面を有するあらゆる物体とすることができる。ロッドは、いずれかの長さ及び曲率とすることができる。ロッドは、追跡される又は追跡されないツールに結合することができる。一般的に、ロッドは、チューリップヘッドのキャビティの中に挿入され、次いで、チューリップヘッドの内壁上のネジ山によって締結されたキャップスクリューによって定位置に剛的に固定される。
本明細書に使用する場合に、登録は、３Ｄ追跡されるツール又は物体が物体の状態、３Ｄ場所、３Ｄ方位、独特なアイデンティティ、他の物体に対する相対位置、又はシステムのアルゴリズムのための他の関連情報に関する情報を信号送信するいずれかの時を意味する。例えば、「３Ｄ追跡されるプローブは、基準の位置及びアイデンティティを登録することができる」は、特定の基準が３Ｄ追跡取得システムに対する特定の３Ｄ空間内位置を有することを３Ｄ追跡されるプローブがコンピュータシステムに通信することができることを意味する。
本明細書に使用する場合に、サジタルは、視点が患者の左半身又は右半身のいずれの側からのものであるかに依存して患者の上部（例えば、頭）が右側又は左側にあり、かつ患者の下部（例えば、足）がその反対端にある患者の側面図を意味する解剖学的平面である。
本明細書に使用する場合に、コロナは、視点が患者の下方又は上方のいずれの側からのものであるかに依存して患者の上部（例えば、頭）が上部又は下部にあり、かつ患者の下部（例えば、足）がその反対端にある患者の上面図を意味する解剖学的平面である。
本明細書に使用する場合に、軸線方向は、視点が患者の腹臥位又は仰臥位のいずれの側からのものであるかに依存して患者の後部が上部又は下部にあり、かつ患者の前部がその反対端にある患者の断面図を意味する解剖学的平面である。
本明細書に使用する場合に、横断方向、「軸線方向と同義」、及び「押下可能な摺動シャフト又はプランジャ」は、面、バネ装荷式ボタン、又は他の機械的作動手段を押すことによって作動する押下可能、時にバネ装荷式の摺動シャフトを意味する。一般的に、プランジャは、隣接ＤＲＦ又は他の追跡される漂遊マーカの位置に対するプランジャに沿う自体の位置を通信することができる機械的にリンクされた追跡される可動漂遊マーカを有する。このシャフトは、一般的に、３Ｄ追跡されるツールと同軸である。シャフトは、物体内で係合することができるので、必ずしも物体から突出しなくてもよい。
本明細書に使用する場合に、電気機械３Ｄ追跡システムは、３Ｄ空間内で独立に追跡される複数の延長可能コードへの機械的リンケージを通じて空間内のプローブの３Ｄの場所及び方位を追跡する本明細書を通して説明する発明を意味する。このシステムは、延長可能コードの長さを測定するための回転符号器、並びにボール−及び−ソケットインタフェースを通って進むコードの軌道の球面回転角を検出するためのセンサを含む。
本明細書に使用する場合に、セグメント及び／又は全長の脊椎アラインメントの評価の脊椎アラインメントパラメータは、各関連のＸ線画像アラインメントパラメータ（例えば、コブ角、腰椎前彎（ＬＬ）、胸椎後弯（ＴＫ）、Ｃ２−Ｃ７のサジタル垂直軸（ＳＶＡ）、Ｃ７−Ｓ１のＳＶＡ、Ｃ２−Ｓ１のＳＶＡ、仙骨正中線（ＣＳＶＬ）、Ｔ１骨盤角（Ｔ１ＰＡ）、骨盤傾斜（ＰＴ）、骨盤形態角（ＰＩ）、顎眉垂直角（ＣＢＶＡ）、Ｔ１傾斜、仙骨傾斜（ＳＳ）、Ｃ１−２の椎前彎、Ｃ２−Ｃ７の椎前彎、Ｃ０−Ｃ２の椎前彎、Ｃ１−Ｃ２の椎前彎、ＰＩ−ＬＬの不整合、Ｃ２の骨盤傾斜（ＣＰＴ）、Ｃ２−Ｔ３の角度、Ｔ１からの脊椎−骨盤傾度（Ｔ１ＳＰｉ）及びＴ９からの脊椎−骨盤傾度（Ｔ９ＳＰｉ）Ｃ０傾斜、Ｔ１傾斜と頸椎前彎の間の不整合（Ｔ１Ｓ−ＣＬ）、及び／又は広域サジタル角（ＧＳＡ））に関する値を用いて生成される。本明細書でアラインメント評価又はアラインメントパラメータの計算に言及する時には必ず、上述のパラメータ及び言及しない他のパラメータのいずれも当該説明部分において計算することができると仮定することができる。
本明細書に使用する場合に、３Ｄ追跡取得システムは、３Ｄ空間内の点を取得して３Ｄ追跡されるツールによって特定の指令を登録するための３Ｄ追跡システムの使用を広義に意味する。この用語の主な例は、手術ナビゲーションに使用されるもののような光学追跡システム（例えば、図１２、図１５Ａ〜図１５Ｃ等に示すようにツール又は物体を追跡する図５Ａに示すＮＤＩ Ｐｏｌａｒｉｓ Ｓｐｅｃｔｒａ立体視カメラシステム）、及び／又は少なくとも図１６、図１７Ａ〜図１７Ｂ、図１８Ａ〜図１８Ｂ、図１９Ａ〜図１９Ｃ、図１９Ｄ〜図１９Ｅ、図２０Ａ〜図２０Ｅ、図２１Ａ〜図２１Ｂ、図２２、図２３Ａ、図２３Ｂ、図２３Ｃ、図２４〜図２６、図２７Ａ〜図２７Ｄ、図２８Ａ等で説明する電気機械追跡システムである。
本明細書に使用する場合に、３Ｄ追跡されるプローブは、光学手術ナビゲーションシステム（例えば、図５ＡのＮＤＩ Ｐｏｌａｒｉｓ立体視カメラ）又は電気機械３Ｄ追跡システム（例えば、図１６、図１７Ａ〜図１７Ｂ、図１８Ａ〜図１８Ｂ、図１９Ａ〜図１９Ｃ、図１９Ｄ〜図１９Ｅ、図２０Ａ〜図２０Ｅ、図２１Ａ〜図２１Ｂ、図２２、図２３Ａ、図２３Ｂ、図２３Ｃ、図２４〜図２６、図２７Ａ〜図２７Ｄ、図２８Ａに説明する新しい追跡システム）のようないずれかの３Ｄ追跡取得システムによって３Ｄ物理空間内で追跡される手持ち式又はロボット保持式とすることができるツールである。光学手術ナビゲーションシステムに頼る一実施形態は、剛的に取り付けられた３Ｄ追跡されるＤＲＦを有するプローブを含む。一部の実施形態は、その運動を直線的又は回転的に（例えば、プローブ上のヒンジピボットの周りに）作動させることができる押下可能、バネ装荷式、又はユーザ作動式の摺動シャフト上に装着された機械的にリンクされた３Ｄ追跡される可動漂遊マーカ（ＴＭＳＭ）の包含も伴っている。
本明細書に使用する場合に、光学３Ｄ追跡システムは、シーン又は追跡−適合物体の場所、方位、及びアイデンティティの３Ｄマッピングを提供することができるいずれかの光学系を広義に意味する。光学３Ｄ追跡システムの一例は、ＮＤＩ Ｐｏｌａｒｉｓ Ｓｐｅｃｔｒａ立体視カメラシステムである図５Ａに示す手術ナビゲーションシステムである。この例は、主として本発明の大部分にわたって着目するものであるが、広範囲にわたるカバレージの目的で、ほぼあらゆる３Ｄ追跡光学ベースのシステムからの類似の情報を収集することができることに注意されたい。
本明細書に使用する場合に、皮膚−装着式基準は、特に、患者の皮膚面上に直接に又は皮膚内に経皮方式で装着することができる。本明細書に使用する場合に、ドレープ上方嵌合基準は、特に、手術ドレープ又はいずれかの他の遮蔽材料の下にある別の基準に嵌合することができる。
本明細書に使用する場合に、追跡される漂遊マーカ（「ＴＳＭ」）は、ＤＲＦの一部として登録されない独立した光反射性又は光放出性のマーカとして定められた光学３Ｄ追跡される漂遊マーカを意味する。この特定の漂遊マーカは、動的基準マーカに対する直接移動を示さないが、様々な独特な指令を取得ユニットに信号送信するためのトグルとして使用することができる。
本明細書に使用する場合に、追跡される可動漂遊マーカ（ＴＭＳＭ）は、ＤＲＦの一部として登録されない独立した光反射性又は光放出性のマーカとして定められた光学３Ｄ追跡される漂遊マーカを意味する。この特定の漂遊マーカは、取得ユニット及びコンピュータシステムに様々な独特な指令を信号送信する様々な作動方法（例えば、直線変位、ヒンジの周りの回転、これら２つの組合せなど）によって動的基準マーカに対する移動を体験することができる。
本明細書に使用する場合に、ディスプレイモニタは、システムの出力、システムのフィードバックシステム及び命令、システムの計算、及び利用可能な他の関連の情報又は設定を視覚的に描くことができるいずれかのディスプレイ実施形態を意味する。
本明細書に使用する場合に、「追跡される末端キャップ」は、剛的に取り付けられた３Ｄ追跡されるＤＲＦを含み、ロッド又はロッド状物体に剛的に取り付けることができる３Ｄ追跡される物体を意味する。末端キャップは、インプラントの輪郭がトレースされ、構造的に操作／輪郭付けされ、又はいずれかの他の評価が行われる間にインプラントに対する座標系を確立する方式でロッドの座標系を与える。同義語である「追跡されるＤＲＦ装備式末端キャップ」の形態でもこの用語を使用する。
本明細書に使用する場合に、追跡されるスライダーは、剛的に取り付けられた３Ｄ追跡されるＤＲＦを含み、かつロッド面と機械的に係合してロッドの長さに沿ってトレースすることによってロッドの輪郭を登録することができる３Ｄ追跡される物体を意味する。一般的に、スライダーツールは、３Ｄ追跡される末端キャップツールに対する３Ｄ座標及び方位値を出力するように変換される。この用語は、「ＤＲＦを備えたスライダーツール」の形態でも使用され、一般的にロッド輪郭を評価するのに使用される。
本明細書に使用する場合に、取得システムは、上述した３Ｄ追跡取得システムという用語と同義である。一般的に、このシステムは、３Ｄ追跡カメラ（例えば、ＮＤＩ Ｐｏｌａｒｉｓ立体視カメラ）及びそれが通信するコンピュータシステムである。
本明細書に使用する場合に、エンドエフェクタは、３Ｄ場所、３Ｄ方位、独特なアイデンティティ、シーン内の他の物体への物理的な又はアイデンティティに基づく関係、物体に印加される力、又はエンドエフェクタが受ける力を含むがこれらに限定されない情報の登録又は通信を可能にする方式で別の面又は物体と相互接続する物体のいずれかの構成要素を意味する。
本明細書に使用する場合に、トレースは、３Ｄトレースされるプローブ又は物体によって面に沿う個別点又は連続点を取得する方法を意味する。
本明細書に使用する場合に、端板は、椎間円板及びその他方の側に結合された近くの椎骨にインタフェースする脊椎骨の面を意味する。端板は、当該の標認点（例えば、腰椎のＬ４椎骨）の構成要素として容易に識別及び計算することができる線セグメントのように出現するので、主として端板面が２ＤＸ線上に出現する方法に起因して患者の脊椎アラインメントパラメータ（例えば、コブ角）を測定するのに使用される一般的な解剖学的標認点である。
本明細書に使用する場合に、姿勢は、別の物体又は３Ｄ追跡取得システムに対する物体の方位を意味する。物体の姿勢は、複数の視点からの冗長的なものとすることができ、又は一意的に識別可能な出力３Ｄ方位値とすることができる。
本明細書に使用する場合に、独特という用語は、一般的に物体の際立ったアイデンティティ又はその識別可能な方位を意味する。本明細書に使用する「独特なパターン」という表現は、一般的に、１）電気機械３Ｄ追跡システム（図１６、図１７Ａ〜図１７Ｂ、図１８Ａ〜図１８Ｂ、図１９Ａ〜図１９Ｃ、図１９Ｄ〜図１９Ｅ、図２０Ａ〜図２０Ｅ、図２１Ａ〜図２１Ｂ、図２２、図２３Ａ、図２３Ｂ、図２３Ｃ、図２４〜図２６、図２７Ａ〜図２７Ｄ、図２８Ａに示す）内のボール構成要素上に埋め込まれたパターン面、２）物体群を別の追跡される／登録される物体群と比較して一意的に識別可能な方式で登録することができる物体の非対称又は識別可能な配置のいずれかを意味する。
本明細書に使用する場合に、レベルは、脊椎の椎骨の範囲にある一定の脊椎骨を意味する。レベルは、椎骨のうちのいずれか（例えば、Ｌ５、Ｔ１０、Ｃ１、Ｓ３など）を意味することができる。この例の略記号は、腰椎骨、胸椎骨、頸椎骨、及び仙椎骨を意味する。
本明細書に使用する場合に、「完全に係合する」は、物体を３Ｄ空間内で互いに対して確実に登録することを可能にする方式で完全にリンク、嵌合、又は位置合わせされた２又は３以上の物体を表すために使用される。完全に係合することにより、一般的に、コンピュータシステムへの特定の指令の通信又は格納するための取得がトリガされることになる。
本明細書に使用する場合に、トリガは、データを格納するために、指令を解釈するために、又は物体のアイデンティティを登録するためにコンピュータ又は取得システムに信号送信するボタン又は通信時点のいずれかを表すために使用される。
本発明の一部の実施形態は、外科医が患者のアラインメント及び生体力学的能力の手術中の評価及び調節を行うことを可能にするシステムを含む。本発明の開示のシステムの複数の実施形態は、様々な計算及びアルゴリズムを用いて患者の脊椎の生体力学的品質及びこれらの品質を高めるために使用されるカスタム化インプラントの定量的評価を生成するために、患者の局所及び／又は全長の脊椎の湾曲及び可撓性を登録し、更に脊椎の立体構造を操作するのに使用される器具／インプラントを登録する。これらの定量的評価は、脊椎の広域アラインメントとセグメントアラインメントの両方に関する様々なＸ線画像パラメータに関して計算される値（例えば、腰椎前彎、仙骨正中線、Ｔ１骨盤角、胸椎後弯、コブ角など）を含むがこれらに限定されない。
本明細書に説明する実施形態のうちの１又は２以上の一部の重要な特徴は、３Ｄ追跡取得システムに対して初期化される当該の解剖学的標認点（すなわち、Ｃ７、Ｓ１など）を含むことができる。一部の実施形態では、連続的又は個別の３Ｄ追跡される取得は、手術部位の範囲と範囲外（例えば、皮膚面）の両方で脊椎の面（例えば、後部、前部、又は側部）に沿って行われる。一部の実施形態では、取得点と当該の解剖学的領域（例えば、椎体の重心）の間の関係を識別するために、一連のアルゴリズムは、連続的又は個別の３Ｄ追跡されるプローブデータをフィルタリングする。一部の実施形態では、セグメント及び／又は全長の脊椎アラインメントの評価は、各関連のＸ線画像パラメータ（例えば、コブ角、腰椎前彎、胸椎後弯、Ｃ２−Ｃ７椎前彎、Ｃ７−Ｓ１サジタル垂直軸、仙骨正中線、Ｔ１骨盤角、骨盤形態角、骨盤形態角−腰椎前彎不整合など）に対する値を用いて生成される。一部の実施形態では、スクリュー、ロッド、又はケージのような計装ハードウエアの輪郭、位置、アラインメントの評価を生成することができる。
一部の実施形態は、生体構造内／上に埋め込まれた又は埋め込まれることになるインプラントを評価及び調節するための登録された当該の解剖学的標認点の３Ｄ動的レンダリングを含む定量的フィードバックのシステムを含む。一部の実施形態では、セグメント、領域、又は全長の可撓性及び運動範囲の評価は、椎骨セグメントの選択範囲の間で生成することができる。一部の実施形態では、視覚ディスプレイは、脊髄の湾曲及びアラインメント、定量的Ｘ線画像アラインメントパラメータ値、計装ハードウエア解析、脊椎の可撓性又は運動範囲、並びにＸ線画像を取得及び解析するための様々な手法に関する情報を出力する。一部の実施形態では、視覚ディスプレイは、ユーザがシステム又は当該の解剖学的領域の定量的又は視覚的な解析を計算するために、それに対する作動を開始するために、又はそれを出力するための特定の指令をシステムに信号送信するための対話型フィードバック及びインタフェースを可能にする。
本提案の実施形態のいずれも独立した発明とすることができ、他の発明又は図１に示す明示的なシステムワークフロー（例えば、患者の初期化、アラインメント輪郭取得など）の前段又は後段とする必要はない。例えば、本明細書に説明する本発明の一部の実施形態は、脊椎の手術中アラインメントを評価し、計装ハードウエアの輪郭又はアラインメントに関する情報を抽出し、患者の脊椎の生体力学的品質のうちの一部を評価するためのデバイス、アセンブリ、システム、及び方法を含む。全体システムの一部の実施形態を図１に例示しており、この場合に、中央ソフトウエアシステムは、個別的及び／又は連続的な場所（例えば、手術部位の内側及び／又は外側）データからの入力を受け入れることができ、これらのデータは、患者の脊椎のセグメント間又は全長のアラインメント、湾曲、位置、運動範囲、及び生体力学的可撓性に関する視覚的及び定量的な出力を生成するために非Ｘ線画像又はＸ線画像の実施形態、アルゴリズム計算、又はユーザに基づく手動対話によって収集される。本明細書に説明する実施形態のいずれも独立した実施形態とすることができ、これらの実施形態は、本発明の一部の実施形態により脊椎アラインメント、局所生体構造生体力学、ロッド輪郭、及びロッドの能動輪郭付け、並びに基準の初期化及び様々な出力の対話型表示のためのシステムを示す図１に示す明示的な一連の系統的段階（例えば、３Ｄトレース、局所生体構造、標認点など）の範囲にある必要はない。図１の全体システム１００は、１又は２以上のコンピュータ実装方法の１又は２以上のソフトウエアモジュール１２１を利用する処理を含む図のうちの１又は２以上を参照して以下の説明に説明するデバイス、アセンブリ、システム、及び／又は方法を含むことができる。一部の実施形態では、システム１００は、患者初期化１０７、アラインメント輪郭取得１１５、参照／検出された解剖学的領域１１７、第三者ソフトウエア統合１１９、局所生体構造評価１０５、ロッド輪郭評価１０９、ロッド輪郭付け支援１１１、及び出力表示１１３のためのデバイス、アセンブリ、システム、及び方法を含むことができる。
本発明の一部の実施形態は、可視面グリッドに対する下にある骨生体構造の相対位置を与える皮膚面マーカ又は経皮アクセスデバイスの正確な配置のためのシステム及び方法に関する。一部の実施形態では、本明細書に説明するシステム及び方法は、骨生体構造に対する重ね置きデバイス又は経皮デバイス場所を検証するために要するＸ線の本数を低減することができる。例えば、図２Ａは、Ｘ線不透過性グリッド線をＸ線画像上に視覚化することができる本発明の一部の実施形態による身体−面−装着可能基準パッチの表現を示している。本明細書での他の関連の図及び解説は、図６Ｂ、図９Ａ〜図９Ｂ、及び図１１Ａ〜図１１Ｂのようなパッチ上に付加するための皮膚基準マーカの例に関するものを含むことができる。図２Ａに示すように、一部の実施形態は、可視及び／又はＸ線不透過性のグリッド線２０１を有するＸ線不透過性マーカアレイを含むことができる身体−面−装着可能基準パッチ２００を含む。一部の実施形態では、グリッド線２０１によって定められる形状又はマーカは、Ｘ線不透過性を有する赤色グリッド面「Ｒ」（ラベル２０９）、Ｘ線不透過性を有する青色グリッド面「Ｂ」（ラベル２１１）、Ｘ線不透過性を有する黄色グリッド面「Ｙ」ラベル２０５、及び／又はＸ線不透過性を有する緑色グリッド面「Ｇ」（ラベル２０７）を含むがこれらに限定されない識別子を用いて着色及び／又はマーク付けすることができる。一部の実施形態では、グリッド線は、図示のものよりも広いか又は狭いとすることができる。一部の実施形態では、マーカは、この非限定的な実施形態では示すものよりも大きく、小さく、少なく、又は多いとすることができる。一部の実施形態では、身体−面−装着式基準パッチ２００は、下にある骨構造の認識を必要とする面−装着式物体又は印刷デバイスの正確な配置を可能にすることができる。
パッチ２００の可視面は、色分布である必要はなく、Ｘ線画像上に有意な方式で同じく表示されるいずれかの識別可能パターンで構成することができることに注意しなければならない。一部の実施形態では、パッチは、接着剤（図示せず）又は他の方法によって解剖学的面構造に接着することができる。一部の実施形態では、パッチ上の一意的な識別可能グリッドセクションのサイズ及び密度は、特定の用途に基づいて異なるとすることができる。
図２Ｂは、本発明の一部の実施形態によりパッチが付加された患者のＸ線画像上で可視であると考えられる図２Ａの基準パッチのＸ線不透過要素を表示している。例えば、Ｘ線患者画像２２５は、その上に放射線不透性基準グリッドパッチ２００ａが表示された状態で示されており、パッチ２００が付加された患者のＸ線画像２２５上で可視であると考えられる基準パッチ２００のＸ線不透過要素を表示している。一部の実施形態では、患者に付加されたパッチ２００のＸ線を撮影した後に、ユーザは、下にある当該の生体構造をパッチ上で表す対応するグリッド場所に基づいて面基準を配置すること、又は当該の骨生体構造に向けて経皮アクセスデバイスを誘導することができる。この非限定的な例示的実施形態では、Ｘ線不透過性を有する赤色グリッド面「Ｒ」（ラベル２０９）が２０９ａとして示され、Ｘ線不透過性を有する青色グリッド面「Ｂ」（ラベル２１１）が２１１ａとして示されている。更に、Ｘ線画像２２５内には、Ｘ線不透過性を有する黄色グリッド面「Ｙ」ラベル２０５が２０５ａとして示され、Ｘ線不透過性を有する緑色グリッド面「Ｇ」（ラベル２０７）が２０７ａとして示されている。一部の実施形態では、このようにして使用される場合に、図２Ａのパッチ２００及び図２Ｂの画像は、正しい手術部位アクセス点の正確な選択を支援することができ、切開部が手術を受けることになる望ましい骨生体構造の上に重なることを保証する。これに加えて、一部の実施形態では、このパッチ２００は、２次的皮膚−装着式基準をこれらが下にある当該の骨生体構造に重なるように正確に配置するために使用することができる。パッチ画像上に付加することができる基準の一部の例示的実施形態は、図６Ｂ、図９Ａ〜図９Ｂ、図１１Ａ〜図１１Ｂを含む。一部の実施形態では、パッチ２００は、接着剤又は他の従来方法を用いて患者の皮膚に付加することができる。一部の実施形態では、識別可能面マーカのタイプは、図示の非限定的な実施形態とは異なる可能性がある。
図３Ａ〜図３Ｃは、３Ｄ空間内の基準の場所及び姿勢を登録する（例えば、直接追跡されている個別場所をトレースする、タッピングする）ことを支援するか、Ｘ線画像を撮影する時に基準を初期化することを支援するか、又は１又は２以上の嵌合デバイスが結合された後に基準及びそれが取り付けられた骨生体構造を直接操作するかのいずれかを行うことができるこれらの嵌合デバイスにインタフェースするためのクロスバーを有するように設計された骨−装着式基準デバイスを示している。一部の実施形態では、骨生体構造に装着された基準を撮像した後に、後で基準が位置決めされる時に対応する骨生体構造要素も局在化可能であるように、骨生体構造の別の解剖学的セグメントに対する基準の空間内相対場所を登録することができる。骨−装着式基準３２０が骨に締結された状態の椎骨３００が示されている。一部の実施形態では、基準３２０は右脊椎板の内側縁に締結することができるが、この基準の小さいサイズ及び外形に起因して、骨生体構造上のどこにでも装着することができる。一部の実施形態では、骨−装着式基準３２０は、骨（例えば、椎骨３００）に剛的に締結することができるようにネジ付きの又は平滑な骨−穿刺構成要素（図示せず）を含むことができる。一部の実施形態では、骨−穿刺構成要素は、骨生体構造の反対側まで穿通しないように又は他にいずれの繊細な生体構造も損傷しないように有意に小型化することができる。
一部の実施形態では、基準３２０は、基準３２０を横断する１又は２以上のクロスバー３２５を含むことができる。一部の実施形態では、クロスバー３２５は、結合される基準３５０の嵌合インタフェースがクロスバー３２５と直接係合することを可能にするための開放空間がクロスバー３２５の下に存在するように配置することができる。この事例では、基準３２０は、追跡されるデバイスによってアクセスされる時に空間内の基準の姿勢及び場所を解釈するように基準３５０に剛的に固定することができる（下記の図３Ｂを参照されたい）。
これに加えて、一部の実施形態は、３Ｄ追跡されるプローブによってトレースする又は個別的に登録することができる溝３２７及び他の識別可能パターンを含むがこれらに限定されないパターン付き周囲面を含む（図３Ｂ）。図３Ｂは、骨−装着式基準３２０が関連基準３５０と様々な機構によって機械的に結合することができるような骨−装着式基準３２０の嵌合機能を示す骨−装着式基準３２０と、それに結合するための基準３５０とを有する椎骨３００でのアセンブリ図を示している。例えば、１つの非限定的機構は、関連基準３５０が機構３５５の係合設計の中に９０度回転して入れられる時に関連基準３５０がベース骨基準３２０のクロスバー３２５の中に緊密に引っ張り込まれるような４分の１回転係合機構３５５を含む。一部の実施形態では、関連基準３５０の構造は、３又は４以上の識別可能凹部３７０の非対称パターンを含むがこれに限定されない面特徴部を含むことができるようなものである。一部の実施形態では、識別可能凹部３７０は、更に下記で図３Ｃ及び図４４Ｂ〜図４４Ｄを参照してより詳細に説明するように、３Ｄ追跡可能デバイスとのインタフェースによって３Ｄ空間内の独特な位置及び姿勢を認識することを可能にすることができる。一部の他の実施形態では、基準との他の従来の嵌合機構は、４分の１回転、半回転、剛的にクランプするデバイス、及びバネ装荷式スナップ−インデバイスを含むがこれらに限定されない。
３Ｄ追跡されるプローブと相互作用する時に３Ｄ空間内の基準の一実施形態の登録に向けて使用することができる関連基準３５０の一意的に識別可能な面構造は、１）３又は４以上の一意的に離間した凹部、２）基準の場所及び姿勢を識別するために３Ｄ追跡されるプローブがトレースすることができる一意的に識別可能な溝、３）３Ｄ追跡カメラによって追跡することができる３Ｄ空間内場所を有する３又は４以上の追跡されるマーカのセットを含むインサート、４）追跡されるＤＲＦ、５）独特な姿勢及び場所をＸ線撮像によって識別可能にすることを可能にするための放射線不透性特徴部を有するより大きい実施形態、及び６）基準に剛的に結合することができる追跡されるプローブが下記で図４４Ａ〜図４４Ｄを参照して説明するように空間内の基準の場所及び姿勢を解釈することができるような追跡されるプローブとのインタフェースを含むことができるがこれらに限定されない。例えば、図３Ｃは、本発明の一部の実施形態により上部基準（基準３５０）に結合された骨−装着式基準３２０を有する椎骨３００を示している。骨−装着式基準３２０は、剛的に取り付けられた関連基準３５０を含み、３Ｄ追跡されるプローブによって登録することができる一意的に識別可能な面パターン３７０（面凹部）の一実施形態を例証している。一部の実施形態では、面パターン３７０を構成する３又は４以上の個別凹部は、面パターン３７０内に結合されて入ることができる３Ｄ追跡されるプローブの少なくとも一部分と結合することができる。その結果、次いで、１又は２以上のコンピュータシステムを用いて３Ｄ空間内の基準の場所及び独特な姿勢を算定することができる。
図４Ａは、本発明の一部の実施形態により皮膚−面−装着式基準４００を患者４２５に付加するための組立処理又は手術処理４５０を示している。皮膚−面−装着式基準４００は、患者が手術台４３５の上に腹臥位で位置決めされている時に患者の背部皮膚に付加される。一部の実施形態では、この基準４００は、取り付けられた接着剤化合物、ステープル、縫合糸、又は重ね置き接着性ドレープによって患者の皮膚に接着することができる。
図４Ｂは、本発明の一部の実施形態により解剖学的モデルに適用された皮膚基準マーカ４４４のサンプルＸ線写真側面像を示している。一部の実施形態では、基準マーカ４４４のＸ線不透過要素は、それ自体をＸ線画像上で明瞭に視覚化して識別することを可能にする。更に、Ｘ線不透過性マーカ４４４の既知のサイズは、Ｘ線画像４４１内での基準スケーリングを可能にする。更に、この場合に、同じくＸ線画像４４１の視野の範囲にある近くの生体構造を下記で図４Ｃ及び図４Ｆに説明するためにＸ線画像４４１の平面内に変位ベクトルを示すことができるように初期化することができる。一部の実施形態では、いずれの視点からの基準のＸ線画像も、システムが基準の３Ｄ方位を自動的に推定することを可能にすることができるパターンの独特な姿勢を視覚化することを可能にするために、放射線不透性基準マーカ４４４の配置を非対称パターンで設計することができる。例えば、図４Ｃは、本発明の一部の実施形態により注釈ベクトルを有する図４ＢのサンプルＸ線写真側面像４４０を示している。図４Ｃは、基準の位置に対して知ることが望ましい位置を有する解剖学的要素に隣接して設けられた基準に対する初期化処理の一態様を表示している。一部の実施形態では、手動又は自動のソフトウエア注釈（マーカ４４４間を延びるベクトル４６５及び４６０として示す）は、基準内のＸ線不透過性マーカの識別を可能にすることができる。
これらのＸ線不透過性マーカの互いに対するサイズ、並びに互いに対する方位が与えられると、Ｘ線画像４４０の平面に対する基準４４２の姿勢を判別することができる。一部の実施形態では、ユーザは、システムにインタフェースして基準４４２からの変位ベクトル４７０を計算する１又は２以上の追加の点を選択する。この例では、大きい円（例えば、４２７として示す）に示す特定の椎体の中心領域が選択されており、ソフトウエアは、ディスプレイモニタ上での各Ｘ線不透過性マーカ４４４とこの注釈領域の間のピクセル距離を計算している。基準内又は上のＸ線不透過性マーカの既知のサイズに基づいて、ピクセルを単位として測定された長さを距離の単位（例えば、ｍｍ、ｃｍなど）で測定された長さに変換することができるように画像をスケーリングすることができる。他の実施形態では、ソフトウエアはまた、たとえいくつかの椎骨にわたってさえも基準からあらゆる当該の解剖学的標認点までの変位ベクトルを計算することができる。
図４Ｄは、本発明の一部の実施形態により画像取得及びその後の基準マーカの初期化に向けて利用することができるタイプのＸ線撮像システムのＣ−アーム４８０ベースのマウントを示している。一部の実施形態では、撮影された第１のＸ線画像に続いて、患者−基準複合体とＸ線エミッタの間の相対角度が既知又は未知のいずれかの量だけ回転され、その後の画像が撮影される。第２の画像は、第１のＸ線画像の平面の外側の追加情報が基準と当該の骨生体構造の間の３Ｄ変位ベクトルを構成することを可能にする。このＸ線システムは、Ｃ−アームベースのデバイスである必要はなく、Ｏ字アーム、平板Ｘ線、ＣＴ走査、ＭＲＩ、及び壁装着又はベッド装着式取得システムを含むがこれらに限定されない他の画像取得システムで構成することができる。
図４Ｅは、本発明の一部の実施形態により図４Ａ図４Ｂとは異なる撮像角度からの脊椎−基準対のサンプルＸ線画像４８５を示しており、更に近くにある当該の解剖学的区域に対するスケーリング及び局在化を可能にするために基準内又は上で分散されたＸ線不透過性マーカの配置の一実施形態として基準放射線不透性マーカ（４８７ａ、４８７ｂとして示す）を示している。
図４Ｆは、本発明の一部の実施形態により注釈ベクトルを含む図４ＥのサンプルＸ線画像４８５を示している。図４Ｆは、撮像されたものであって図４Ｅに上述した基準−身体対に関するＸ線画像初期化処理を表示している。注釈ベクトル４８８は、基準４４２（図４Ｂ〜図４Ｃ）内のＸ線不透過性マーカ４８７ａ、４８７ｂの各々の相対位置を参照するために、並びに基準４４２が後のこの基準の局在化後に基準点として機能することができるユーザが示した近くにある当該の解剖学的領域（４８９として示す）に対する変位ベクトルの計算を行うために使用される。一部の実施形態では、いずれかの視点からの基準のＸ線画像が、システムが基準の３Ｄ方位を自動的に推定することを可能にすることができるパターンの独特な姿勢を視覚化することを可能にするために、放射線不透性基準マーカの配置は、Ｘ線不透過性マーカ４８７ａと４８７ｂの間にある例示的な独特な三角形ベクトルパターンによって見られるように非対称パターンで設計することができる。この点に関して、基準の方位の推定により、システムが基準軸線に対するベクトルを計算することが可能になる。
図４Ｇは、本発明の一部の実施形態により図４Ｈの時点で基準の独特な場所及び姿勢を登録した際に用いた３Ｄ取得システムの軸線を表示している。この非限定的な実施形態では、３Ｄ追跡取得システム座標軸４９２は、変換された３Ｄ変位ベクトル４９４を用いて示している。例えば、図４Ｇは、図４Ｈで説明するように、基準の独特な場所及び姿勢を登録した際に用いた３Ｄ追跡取得システムの軸線４９２を表示している。一部の実施形態では、図４Ｃ、図４Ｆ〜図４Ｇに上述した基準原点から当該の解剖学的領域への既知の変位ベクトルに基づいて、この変位ベクトルは剛体変換を受け、３Ｄ追跡取得システムの軸線に対する基準軸線を定める。取得されるこのベクトル（４９４として示す）は、注釈された解剖学的領域の場所を３Ｄ追跡取得システムの軸線内で知ることを可能にすることができ、１つの同じ取得システムによってアクセスされる他の場所に対する当該解剖学的領域の空間内場所の解釈が可能になる。
図４Ｈは、本発明の一部の実施形態により３Ｄ追跡カメラ座標内で基準を局在化するためのシステム及び方法を示している。この非限定的な実施形態には、識別可能トレースパターン４９５と、トリガ機能４９６を有する追跡されるプローブと、基準座標軸４９７とを示している。図４Ｈは、３Ｄ追跡カメラ座標内で基準を局在化する１つの方法を非限定的な実施形態として表示している。図示のように、基準には、追跡されるプローブ（４９６）が基準の痕跡パターンをその中にトレースすることができる独特な溝パターン（パターン４９５）が装備される。上記で図４Ａに関して上述したように、基準の識別可能特徴部は、一意的にトレース可能なパターンに限定されず、タッピングされる個別点、追跡されるマーカに対する装着場所、及び基準の位置及び姿勢を解釈するためにプローブの姿勢を使用することができるような追跡されるプローブとの剛的な結合でもある。追跡されるプローブによって基準上の独特な面パターンをトレースすることにより、次いで、基準の軸線（ｉ）及び原点を３Ｄ追跡取得システムの座標系に関して解釈することができる。一部の実施形態では、取得システムは、下記で図４Ｉに説明するように初期化された近くの解剖学的領域の場所を解釈することができることになる。
図４Ｉは、本発明の一部の実施形態により各Ｘ線画像平面間の入力角度又は計算角度に基づいて２ＤＸ線の各々の上に描かれた変位ベクトルを追加することができる基準原点に対する３Ｄ軸線を示している。この非限定的な実施形態は、Ｘ線画像座標系４９８ａと３Ｄ変位ベクトル４９８ｂとを含み、Ｘ線画像平面の各々の間の入力角度又は計算角度に基づいて２ＤＸ線の各々の上に描かれた変位ベクトルを追加することができる基準原点に対する３Ｄ軸線を表示している。取得されるこのベクトルは、基準原点からユーザが入力した当該の解剖学的骨領域（４９９）まで描かれた３Ｄベクトル（４９８ｂ）を表している。一部の実施形態では、これは、図４Ｈに説明しているように、他の３Ｄ追跡取得システム軸線内で基準の場所及び姿勢を解釈することによって当該の解剖学的骨領域の局在化が可能になる。
図５Ａ〜図５Ｃは、図４Ａ〜図４Ｉを参照して上述したように、下にある当該の解剖学的領域に対する基準点として機能する基準を初期化する構成要素、システム、及び方法を表示している。しかし、Ｘ線画像を利用する代わりに、これらの方法は、追跡カメラによって視覚化された時に場所及び姿勢を算定することができるように追跡されるＤＲＦを備えた超音波ベースのプローブを利用することができる。例えば、図５Ａは、本発明の一部の実施形態による光学追跡システム５５０を示し、図５Ｂは、本発明の一部の実施形態により追跡されるＤＲＦ５８０を備えた超音波プローブ５７５を示している。更に、図５Ｃは、本発明の一部の実施形態により椎骨５９６の断面図の上に重なる患者の皮膚面５９４のアセンブリ図又はプロセス図５９０を皮膚−装着式基準５９２に対して登録することができる骨生体構造の特定領域の表現として例示している。本発明の一部の実施形態では、図５Ａの光学３Ｄ追跡システム５５０は、本明細書を通して言及する３Ｄ追跡取得システムに向けて利用することができる。このシステムは、カメラ放出赤外線光を反射する追跡されるマーカの場所を検出するために立体視カメラ５５１を利用する。この検出は、本明細書を通して３Ｄ座標の取得に向けて使用することができる追跡システム５５０の一例であるが、光放出マーカ、電子通信などを含むがこれらに限定されない他の方法によって達成することができる。更に、一部の実施形態では、図５Ｂの超音波プローブ５７５には、マーカ５８５を用いてプローブの場所及び姿勢を３Ｄ空間内で追跡することを可能にする追跡されるＤＲＦ５８０が装備される。一部の実施形態では、プローブの正確な場所を追跡することにより、当該の生体構造点への３Ｄ変位ベクトルを生成するために使用することができる各撮像平面の間の相対角度を記録することが可能になる。
図６Ａ〜図６Ｄは、場所を知ることが望ましい身体の骨生体構造の上に重なる面をドレープが遮蔽する手順中に基準を視覚化し、それと共に参照することができるように、皮膚−装着式基準を手術ドレープを横切って嵌合することを可能にする上部嵌合構成要素と共に付加するデバイス、システム、及び処理の描写を含む。
図６Ａは、皮膚−装着式基準（ａ）と、その関連のドレープ上方嵌合基準（ｂ）とを付加する段階を使用することができるサンプルシナリオを描いている。患者が手術台上に腹臥位で位置決めされた状態で、手術に向けて露出することにはならないが、他の解剖学的領域に対する場所を知ることが望ましい骨生体構造を下に含む領域の上に皮膚−装着式基準を付加することができる。手術ドレープ（ｆ）が皮膚−装着式基準の上にあてがわれた後に、次いで、ドレープ上方嵌合基準を用いて下にある皮膚−装着式基準の位置を解釈することができ、これに対しては下記で図６Ｂ〜図６Ｄにおいてより詳細に説明する。例えば、図６Ａは、本発明の一部の実施形態により皮膚−装着式基準６２５と、その関連のドレープ上方基準６３５とを付加する段階に関するアセンブリ図又はプロセス図６００を示しており、図６Ｂは、本発明の一部の実施形態により皮膚−装着式基準４００及びその関連のドレープ上方嵌合基準４１５のアセンブリ図６５０を示している。一部の実施形態では、基準６２５は基準４００を含み、基準６３５は基準４１５を含むことができる。
皮膚−装着式基準４００及びその関連のドレープ上方嵌合基準４１５の一実施形態の詳細な構成要素を示す図６Ｂを参照すると、一部の実施形態では、皮膚−装着式基準４００は、接着性材料、皮膚に縫合又はステープル吻合されるループ領域、及び身体面に密に巻き付くように取り付けられるバンドを含むがこれらに限定されない皮膚面（図示せず）に接着する方法を含むことができる。一部の実施形態では、基準のうちのいずれかの内部に又はその上に含まれるのは、基準のＸ線画像上で容易に視覚化される１又は２以上のＸ線不透過性マーカ４０８とすることができる。更に、一部の実施形態では、上記で図４に上述したように、これらのＸ線不透過性マーカ４０８は、これらを２ＤＸ線画像上で基準の姿勢を識別するために使用することができるように互いに及び基準本体それ自体に対して位置決めすることができる。一部の実施形態では、基準は、手術ドレープ（図６Ａに６０５として示す）によって分離されている時に２つの基準を確実に締結することを支援するようにこれらの基準の面内又は上に埋め込まれた磁石（例えば、基準４００内に磁石４０４として、基準４１５内に４１９として示す）を含有することができる。一部の実施形態では、これらの磁石は様々な幾何学形状を有することができる。例えば、一部の実施形態は、Ｘ線不透過性マーカの機能、並びにドレープを横切って嵌合基準をインタフェースすることを支援するための特徴部の機能の両方として機能するように使用することができる球体磁石を含む。一部の実施形態では、皮膚−装着式基準には、機械的アラインメント嵌合部（４０２ａ及び４０２ｂとして示す）として機能する突起を装備することができる。一部の実施形態では、嵌合部は、一方の基準から（例えば、図示のように４００から、及び／又はこれに代えて基準４００と基準４１５の両方から）突出し、反対の基準内に嵌合切欠き部を有し、両方の基準が互いに対して適正に位置合わせすることを保証することを支援することができる。突起は、図６Ｂの非限定的な実施形態では形状が円錐形であるが、他の実施形態では先細又は非先細の幾何学形状を有するように製造することができる。
図６Ｃは、本発明の一部の実施形態により手術部位の外側にあるが、３Ｄ追跡座標内の場所が既知であることが望ましい下にある生体構造の領域の上に位置付けられた領域内で解剖学的幻影に付加される皮膚−装着式基準の一実施形態を示している。更に、図６Ｄは、本発明の一部の実施形態により手術ドレープ／タオルを横切ってドレープ上方基準に嵌合する皮膚−装着式基準の実施形態を示している。図６Ｃを参照すると、一部の実施形態では、本発明の一部の実施形態に従って手術部位６８１の外側にあるが、３Ｄ追跡座標内の場所が既知であることが望ましい下にある生体構造の領域の上に位置付けられた領域内で解剖学的幻影６７７に皮膚−装着式基準４００を付加することができる。例えば、図６Ｄは、本発明の一部の実施形態により手術ドレープ／タオル６７９を横切ってドレープ上方基準４１５に嵌合する皮膚−装着式基準４００の実施形態を示している。一部の実施形態では、ドレープ上方嵌合基準４１５は皮膚−面基準４００と予想可能な方式で機械的に嵌合されるので、ドレープ上方嵌合基準４１５の場所及び姿勢を用いて、下にある皮膚−装着式基準４００の場所及び姿勢を算定することができる。更に、皮膚−装着式基準４００が近くの生体構造に対して予め初期化されていた場合に、ドレープ上方嵌合基準４１５の場所及び姿勢を下にある当該の生体構造に対する代用基準点として使用することができる。
図７は、本発明の一部の実施形態により基準７４０のアセンブリ図７００を示しており、１つの基準の別のものに対する一意的な識別を可能にする実施形態を描いている。一部の実施形態では、この実施形態は、１よりも多い基準が使用され、基準のアイデンティティを必要とする時のシナリオに適用することができる。この実施形態では、基準７４０に嵌合する電極７３５を有するように設計されたインタフェースプローブ７０３が示されている。一部の実施形態では、電極は、基準７４０に結合するか又はその中に挿入することができ、基準材料内に組み込まれた回路の特性（例えば、電気抵抗、キャパシタンスなど）に基づいて嵌合プローブによって基準の独特なアイデンティティを既知にすることができる。図示のように、一部の実施形態では、プローブ７０３は、追跡可能マーカ７２５を有する追跡されるＤＲＦ７１５に結合されたプローブシャフト７０５を含むことができる。更に、一部の実施形態では、基準７４０は、２つの組み込み電極を含むことができ、電極間に埋め込まれた識別回路構成要素（例えば、抵抗器、コンデンサーなど）を有することができる。このようにして、追跡されるＤＲＦ７１５を備えたプローブ７０３は、それが、基準７４０にインタフェースすることができる嵌合電極７３５を有し、基準７４０の独特な電気特性を測定し、同時に３Ｄ空間内のこの基準の場所及び姿勢を識別するように設計することができる。従って、上述した実施形態は、複数の基準が配備される時に有利とすることができる一意的な基準の識別を可能にすることができる。
図８は、本発明の一部の実施形態による基準のアセンブリ図８００を示しており、１つの基準の別のものに対する一意的な識別を可能にする。この実施形態は、１よりも多い基準が使用され、基準の独特なアイデンティティを知ることが望ましい時のシナリオに適用することができる。この設計では、ＲＦＩＤ読取回路を備えたプローブが、基準内のバネ埋め込みＲＦＩＤタグ回路にインタフェースする。このようにして、プローブ８０３は、バネ装荷式一時的プッシュボタンの押下によってアクセスされた基準をトリガすることができ、同時にどの基準が参照されたかに関する情報を取得することができる。図示のように、プローブ８０３は、バネ装荷式ボタン８５５を含む埋め込みＲＦＩＤ読取器８５０に結合されるように構成された追跡可能マーカ７２５を有する追跡されるＤＲＦ７１５を含むことができる。一部の実施形態では、シャフト７０５の先端７０７は、ボタン８５５の面８５８と結合することができ、バネ８６４を押圧して最終的に端子８６２とＲＦＩＤタグ８７０との接触を可能にする。一部の実施形態では、追跡されるＤＲＦ７１５に加えてＲＦＩＤ読取器８５０を備えたプローブ８０３によってアクセスされるとバネ８６４を押下するプローブ８０３は、１）それが接近した基準をトリガし、２）基準面の場所を解釈し、３）基準の独特なアイデンティティをその埋め込みＲＦＩＤタグに基づいて解釈するという３つのタスクを同時に実施することができる。
図９Ａは、図６Ａ〜図６Ｂに関して上述した皮膚−面基準の別の実施形態を表示している。この事例では、組み立てられた皮膚−面基準９００は、皮膚−装着式基準に結合された嵌合上面基準９０５を含む。例えば、図９Ａは、ドレープ上方嵌合基準９０５と共に組み立てられた皮膚−面基準９３０を表示している。底面基準９３０には、皮膚面に接着する機構が装備される。基準対９０５、９３０は、予想可能な嵌合構成を維持しながら手術ドレープ又はタオルを受け入れるように設計されたインタフェース９２５で互いに接合する。上部基準の一実施形態は、図４Ａ〜図４Ｉに関して上述したように、追跡されるプローブ（例えば、本明細書に説明する追跡されるプローブのうちのいずれか）がパターンをトレースし、その情報から基準の独特なアイデンティティ、並びに空間内の基準の場所及び姿勢を解釈し、基準ベースの軸線の識別を可能にすることができるような独特な幾何学形状（例えば、この図に示す「ｚ」幾何学形状）にある溝（トレースパターン９１０）を含有する。
基準９００の外部設計は、情報をユーザに埋め込み命令として通信するように構成される。基準の一実施形態は、外部矢印外観（すなわち、組み立てられる基準９００が矢印として成形される）を有し、それを用いてユーザがこの基準をどのように配置しなければならないかを示すことができる（例えば、矢印が手術部位と対向するように基準を配置する）。一部の実施形態では、ユーザが基準９０５の面９１５から基準９０５が位置決めされた基準９３０の本体面９２０に下方にプローブをトレースすることを容易にするために既知の幾何学形状の傾斜付き下降９２０を実施することができる。一部の実施形態では、基準９００のフレーム付き構造は、基準溝９１０から下にある面への移行部にわたってより予想可能なトレースを可能にすることができる。これに加えて、一部の実施形態では、この構造は、基準の傾斜設計の既知の幾何学形状を所与として下にある身体面の場所を計算する機能を与える。
図９Ｂは、本発明の一部の実施形態により図９Ａに従って基準９００のアセンブリ図を示している。この非限定的な実施形態では、皮膚−装着式基準９３０は、図６Ｂに関して上述したものと類似の雄アラインメント支援突起９４０を含む。更に、この突起は、手術ドレープの場合のように追加体積の重ね置き材料を受け入れるために扁平上部９２２を有する。このようにして、この構造は、挟まれたドレープの存在下で２つの基準の間にあるドレープのテンティングを回避することによってこれらの基準嵌合部の間近の接近を可能にする。一部の実施形態では、基準９０５、９３０には、図６Ｂに上述したものと同じとすることができるＸ線不透過性マーカと磁気の両方を受け入れるための切欠き部９２４が装備される。切欠き部９２４の一実施形態は、あらゆるＸ線画像視角において独特な姿勢推定を可能にする相対構成でＸ線不透過性マーカを剛的に埋め込む非対称幾何学パターンを含む。２つの基準を接近させることを支援するために使用される磁石の代わりに、他の実施形態は、手術ドレープを跨ぐ緊密な機械的リンクを可能にする４分の１回転機構又は捻回機構を有する突起を含むことができる。一部の実施形態では、ドレープ上方嵌合基準９０５には、皮膚−装着式基準９３０上の突起９４０、９２２の場所に嵌合するように構成された雌アラインメント支援切欠き部９０８が装備される。これらの突起及び嵌合切欠き部の場所、サイズ、及び幾何学形状は様々なものとすることができ、この実施形態は、一実施形態に過ぎないことに注意しなければならない。更に、突起を皮膚−装着式基準上だけに設置することは必要ではなく、ドレープ上方嵌合基準上の切欠き部は、形状とサイズとの様々な組合せを含むことができる。
磁石の代わりに、一部の実施形態は、「ドレープ上方クランプ」特徴部（すなわち、上部基準の上のタブが、下の基準側の上から間にドレープを把持しながら下に押さえ付けることになる）を含むことができる。本発明の他の実施形態は、ドレープ上方基準の上に装備され、手術ドレープによって分離された時の適正なアラインメントを保証するために下側基準の対応する領域の上にスナップ留めするように設計された２つのクランプアームを含む。
一部の実施形態では、基準には、本明細書を通して言及する他の構成要素（例えば、深度ストップベースの基準及びプローブ組合せ（図１０Ａ〜図１０Ｇ））を装備することができる。一意的に識別可能であることを可能にする基準の他の実施形態は、下記で図１０Ａ〜図１０Ｇを参照して説明するように、深度感知技術を備えたプローブに嵌合するように設計された個別深度の戻り止めを含み、それによって基準及びそれに対する戻り止めの独特な場所を計測戻り止め深度の分布に基づいて決定することができる。
一部の実施形態では、下部基準が患者の皮膚の不均等な面輪郭に成功裏に接着することを可能にするために、この基準に可撓性構成要素を付加することができる。デバイスの他の実施形態は、不均等な身体面輪郭との嵌合をより確実に可能にする可撓性材料を用いて底面を構成する段階を含む。
一部の実施形態は、バネ装荷式摺動シャフトの押下の深度を示す作動追跡されるマーカに結合された追跡されるプローブ、並びにシャフトにインタフェースし、それを個別量だけ偏向させるように設計された嵌合基準の実施形態を含む。この設計の目的は多元的である。例えば、図１０Ａは、本発明の一部の実施形態により剛的に取り付けられた追跡可能ＤＲＦ１０２０を備えた３Ｄ追跡可能プローブ１０００を示している。一部の実施形態では、下記で少なくとも図１５Ａ〜図１５Ｃ及び図６３を参照して説明するように、追跡されるプローブ１０００上の作動されるマーカ１０３０は、プローブ１０００と取得システムの間のアナログ通信を可能にする。一部の実施形態では、作動されるマーカ１０３０は、プローブの先端（１０４９として示す）でのシャフトの偏向深度に関する情報を伝達する。更に、完全に係合した時に設定高度だけシャフト先端を偏向させるように設計された嵌合基準に結合された時に、プローブ１０００は、１）それが嵌合基準と完全に係合した時、２）嵌合基準の場所及び姿勢、及び３）嵌合基準の独特なアイデンティティという３つの事柄を基準が摺動シャフトに対してもたらすことになる設計押下深度に基づいて伝達することができる。図示のように、追跡されるＤＲＦ１０２０は、固定マーカ１０２５ａ、１０２５ｂ、１０２５ｃ、１０２５ｄを含む。フレーム１０２０内に示すこれらのマーカ１０２５ａ、１０２５ｂ、１０２５ｃ、１０２５ｄの一部又は全ては、本明細書に説明するＤＲＦのあらゆるものに対して使用することができる。一部の実施形態では、本明細書に説明するＤＲＦのいずれもこれらのマーカを使用することができ、又はそれ未満のマーカを使用することができる。一部の実施形態では、本明細書に説明するＤＲＦのいずれも、マーカ１０２５ａ、１０２５ｂ、１０２５ｃ、及び／又は１０２５ｄのうちのいずれかと類似である又は等しいより多くのマーカを使用することができる。一部の実施形態では、本明細書に説明するプローブ又はＤＲＦのいずれも、マーカ１０２５ａ、１０２５ｂ、１０２５ｃ、及び／又は１０２５ｄのいずれかであるが異なる幾何学形状又は形状を有するものを含むことができる（すなわち、マーカは、図示のものよりも小さい又は大きいとすることができ、又はプローブシャフトからの異なる距離に配置することができる）。
本発明の一実施形態は、剛的に取り付けられた追跡されるＤＲＦ１０２０を備えた３Ｄ追跡されるプローブを含む。更に、追跡される可動漂遊マーカ１０３０が、プローブ１０００と同軸であるバネ装荷式シャフト１０１０に剛的に取り付けられ、プローブ１０００の長さに沿った貫通孔内で作動する。一部の実施形態では、摺動シャフトは、それを追跡される可動漂遊マーカ１０３０に対するマウント１００５と共に平行移動する押下可能先端１０４９ｂによって作動させることができる。プローブのこの実施形態は、プローブ先端１０４９ｂの近くに一連の同心状に向けられた様々な直径の突起１０４０を更に含む。これらの様々な直径の突起１０４０は、プローブ上の特定の深度ストップに嵌合するために様々な内径を有するように設計された下記で図１０Ｃを参照して説明する深度ストップ基準に嵌合する時に可変深度ストップ選択肢（１０４５、１０４７、１０４９）として機能することができる。例えば、図１０Ｂは、図１０Ａに上述した作動先端及び可変深度ストップを有するプローブ１０００のより詳細な斜視図を表示している。追跡されるプローブシャフト１０１０は、押下可能摺動シャフト先端１０４９ｂ及びその関連のＴＭＳＭ（１０３０）をコンピュータシステムに通信される独特なトリガ信号に対する様々な高度（１０４１、１０４５、１０４７）まで作動させるための深度ストップとして機能する様々な高度の同軸円筒形押出部１０４０を含む。
図１０Ｃは、図１０Ａ〜図１０Ｂに関して上述したようにプローブに嵌合するように設計された深度ストップ基準の一実施形態を表示している。これらの深度ストップ基準（１０５０、１０５２）は、プローブ上の様々な深度ストップと結合することができるように可変の内径を有する。ＤＲＦ１０２０に対する追跡される可動漂遊マーカ１０３０の識別可能な偏向をもたらすことができるプローブ（例えば、プローブ１０００など）上の定められた深度ストップに嵌合する可変の内径を有するのに加えて、これらの深度ストップ基準の更に他の実施形態は、適合する内径を有する深度ストップ基準に嵌合しているにも関わらず摺動プローブ先端１０４９ｂを様々な量だけ作動させることができるように可変の床面深度を更に含む。このようにして、これらの深度ストップ基準１０５０、１０５２は互いに区別することができ、これらの嵌合内径及び／又は深度ストップは、追加の一意的識別子を与える。従って、これらの深度ストップ基準は、図３Ａ〜図３Ｂ、図６Ａ〜図６Ｄ、及び図９Ａ〜図９Ｂに関して上述した基準に結合されるプローブ−インタフェース構成要素として結合することができる。
図１０Ｄは、図１０Ｃに関して上述した特定の深度ストップ基準（１０５０として示す）に嵌合された図１０Ａ〜図１０Ｂに関して上述したプローブ１０００を表示している。これら２つの構成要素がこのようにして結合された状態で、追跡される可動漂遊マーカ１０３０をプローブシャフト１０１０と同軸上で作動させることができ、プローブとその嵌合深度ストップ基準の両方の既知の幾何学形状に基づいて、追跡されるＤＲＦに対する偏向を測定し、プローブの深度ストップ高度１０６１への特定の嵌合に基づいて予想された偏向量と比較することができる。このようにして、摺動先端と摺動シャフトに取り付けられた追跡される可動漂遊マーカとの計測偏向（「Ｍ」）は、プローブ（例えば、１０００及び／又は１００１）が特定の深度ストップ基準（１０６０）と完全に係合した時の一意的識別子として機能することができる。
図１０Ｅは、図１０Ｄに関して示したものとは異なるプローブ１０００の深度ストップ１０８２に嵌合するように設計された深度ストップ基準１０８４に嵌合された図１０Ａに関して上述したものであるプローブ１００２を表示している。図１０Ｄと比較すると、この図は、多高度選択プローブ（１０８２）上の異なる嵌合領域をそれに関連付けられた追跡される可動漂遊マーカ（１０３０）の異なる偏向高度（「Ｐ」）と共に表示しており、摺動プローブ先端の異なる押下深度を示す（「Ｐ」を図１０Ｄの「Ｍ」と比較されたい）。
図１０Ｆは、本発明の一部の実施形態によるプローブ１０００の実施形態の一部分のアセンブリ図１０９９を示している。一実施形態では、図１０Ａに関して上述した３Ｄ追跡されるプローブ１０００は、図１０Ｃに関して上述した深度ストップ基準のうちのいずれかに係合することができる非対称突出押出部（１０９１）を含み、対応するスロット（１０９３）がこのプローブの押出部に嵌合し、プローブは、深度ストップ基準と１つの方位にしか嵌合することができない。この非対称アラインメントは、プローブが基準の座標軸の独特な方位を登録し、従って、基準が登録間でどのように回転及び平行移動するかを検出することを可能にする。図１０Ｇは、両方共に図１０Ｆに関して示した深度ストップを備えた３Ｄ追跡されるプローブと部分係合状態にある深度ストップ基準の斜視図を示している。
図１１Ａ〜図１１Ｂは、皮膚面と図６Ａ〜図６Ｂ及び図９Ａ〜図９Ｂに上述した嵌合基準設計との実施形態を表示している。この設計での主な相違点は、上部基準の場所、姿勢、及びアイデンティティの全てを追跡されるプローブにインタフェースする必要なく３Ｄ追跡取得ユニットによって識別することができるようにこの基準に装着された追跡されるマーカが存在する点である。このようにして、基準の情報は、この基準が３Ｄ追跡カメラシステムの視線内である限り常に登録される。組み立てられた基準は、初期化された後に上述したものと同じ目的、すなわち、下にある生体構造の空間内３Ｄ場所に対する面基準点として機能することができる。例えば、図１１Ａは、３又は４以上の追跡されるマーカ１１３５を含有するドレープ上方嵌合基準１１０５に嵌合された皮膚−面基準１１５５の上面アセンブリ図１１００を表示している。これらのマーカは、カメラ取得システムがそれを当該基準に関する独特なエンティティとして認識することができるような予め決められた構成で位置決めされる。これらの追跡されるマーカ１１３５は、それがカメラの視線内にある限り３Ｄ空間内の基準の場所及び姿勢の常時登録を可能にする。これらの追跡されるマーカ１１３５がカメラの視線内にない場合に、上部基準構成要素（１１０５）は、追跡されるプローブによってアクセス及びトレースすることができる面輪郭１１１０を更に含む。このようにして、基準アセンブリ（１１０５、１１５５）は、追跡されるマーカの視線が遮蔽されているか否かに関わらず３Ｄ空間内でこの基準アセンブリを登録することができることを保証する冗長性を有するように設計される。
一部の実施形態では、基準上に装着されたマーカは、基準の一意的な識別を可能にする方式で配置することができる。他の実施形態は、一意的識別可能パターン（例えば、非対称三角形）で位置決めされた３又は４以上の３Ｄ追跡されるマーカを含有する。
一部の実施形態は、２つの座標系にわたる局在化を可能にする光学系と融合された高度なＸ線撮像を可能にするために、図６Ａ〜図６Ｄ、図９Ａ〜図９Ｂ、図１１Ａ〜図１１Ｂに示す基準の例示的実施形態の上に図２７Ａ〜図２７Ｂに示す独特なパターンを埋め込む段階を含む。一部の実施形態では、独特なパターン（例えば、ＣＡＬＴａｇ／ＡＲｔａｇ）を基準パッチ又は皮膚ベースの基準に適用することができる。この設計は、３Ｄ追跡カメラ空間内と２Ｄ又は３ＤＸ線撮像空間内の両方で容易に視覚化することができるＸ線不透過性の独特なパターン面（例えば、ＣａｌＴａｇ）を伴っている。一部の実施形態は、別個のＸ線画像間の相対的な場所及び姿勢を計算するために独特なパターン面に対するＣ−アームの絶対場所を使用する段階を含み、これらの画像の空間関係及び重複を理解するロバスト縫い合わせアルゴリズムを可能にする。本発明は、Ｘ線撮像デバイスに装着された対応する光センサと併用することができると考えられ、システムは、カメラとＸ線撮像デバイスのエミッタ又は検出器との間の相対的な幾何学関係を知っている。このシステムは、縫い合わせ、独特な３Ｄ姿勢検出、絶対場所関係を可能にすることができ、回転された／傾斜したＸ線撮像システムを用いて取得されたＸ線画像によってロバストであるべきである。Ｘ線画像内で視覚化される独特なパターン面は、物理単位（例えば、ミリメートル）への画像の自動スケーリングを可能にし、並びに当該の生体構造に対するかつＸ線撮像デバイスに対する基準の姿勢を自動的に検出することができると考えられる。
図１１Ｂは、患者の皮膚に接着性裏当て１１５７を通じて装着された皮膚−装着式基準１１５５に結合されたドレープ上方嵌合基準１１０５上に追跡されるマーカを備えた基準実施形態の別の図を表示している。この実施形態は、磁石及び電子機器１１２５、１１６０の挿入のための挿入スロットを含有することができる。図１１Ａ〜図１１Ｂには示していないが、この基準には、図６Ａ〜図６Ｄ及び図９Ａ〜図９Ｂに関して上述した突起と嵌合切欠き部とをアラインメントに向けて装備することができることに注意しなければならない。
一部の実施形態は、相対的な解剖学的基準平面の表示を備えた追跡されるＤＲＦを含む。この事例では、機能態様は、追跡されるＤＲＦが取得システムに示す上でどのようにして追跡されるＤＲＦの方位を最適に定めるべきか、解剖学的軸線座標に対するカメラ座標をどのように解釈されるかをユーザに通知する外部表示方法にある。例えば、図１２は、解剖学的相対参照軸線を通信するための組み込み表示を有する追跡されるＤＲＦ１２５０の表現１２００を表示している。この設計は、ＤＲＦを定めるが、患者の近くにＤＲＦをどのようにして適切に位置決めするかをユーザに命令することを支援する重ね置き身体外形基準１２２５も定める４つの追跡されるマーカ１２７５を含む。このデバイスには、それが患者の方位に位置合わせするまでユーザがデバイスを回転させ、次いで、それを定位置にロックすることを可能にする調節可能装着面（フレーム１２５０の下にある１２８０として記している）が取り付けられる。このデバイスは、取得システムが、ＤＲＦを登録することだけではなく、動的基準平面の既知の幾何学形状に対する解剖学的基準平面を定めることも可能にする。このデバイスを利用することにより、取得システムが、被検体に対するカメラの方位に依存して多くの場合に歪んで見えてユーザが解釈することが困難なカメラ座標ではなく解剖学的基準平面上にデータを表示することが可能になる。このデバイス上に解剖学的基準軸線を示す方法は、この図に示す人体オーバーレイに限定されないことに注意しなければならない。他の方法は、ソフトウエアインタフェースが、患者に対してＤＲＦの方位を適切に定めるようにユーザをウォークスルーさせることができるような関連の解剖学的軸線を表示する書込みテキスト、解剖学的方位を表す個別身体部位の画像、及び特定の解剖学的軸線に位置合わせすべき領域に対する英数字ラベル付け又は独特なパターンのラベル付けを含むがこれらに限定されない。注意される点は、この座標系はほぼどこにでも装着することができ、調節可能マウントを有する必要はなく、剛体／直交軸線とすることができる点である。例えば、他の実施形態は、座標系を手術台又はいずれかの剛性面に１つの方位で剛的に装着する段階、又は患者の生体構造（例えば、脊椎の棘突起）に剛的に直接装着する段階を含む。
一部の実施形態は、脊椎の断面ＣＴ走査図を含み、トレース方法によって脊椎の輪郭の評価を実施する前に、下記で図６５Ａ〜図６５Ｅ及び図６６Ａ〜図６５Ｂを参照してより詳細に説明するように患者データを初期化するために使用することができる当該の少数の解剖学的領域を強調表示する。一部の実施形態では、これをある一定の領域（例えば、皮膚面、脊椎板、横断方向処理）と他の当該領域（例えば、椎体の重心、椎体の前セグメントなど）との間の断面変位を解釈するために使用することができる。脊椎アラインメントの手術中評価の前にＣＴ走査図を用いて患者を初期化することにより、ソフトウエアが他の領域（例えば、椎体重心）の場所に対する代用物として露出領域（例えば、脊椎板）の局在性をより的確に解釈することが可能になる。そうするのに、取得データの手術中解釈を図３Ａ〜図３Ｂ、図４Ａ〜図４Ｉ、図６Ａ〜図６Ｂ、図９Ａ〜図９Ｂ、及び図１１Ａ〜図１１Ｂに関して上述した基準標認点の使用を用いて又は用いずに実施することができる。例えば、図１３は、背部皮膚面１３３５、並びに椎骨１３５８及びその骨要素のうちの多くのものの断面図を含む特定の解剖学的領域が可視である患者のサンプル断面ＣＴ画像１３００を表示している。ＣＴ画像セットから、特定の当該領域から別のものまでの（例えば、皮膚中間点から椎体重心までの更に脊椎板から椎体重心までの）変位ベクトル１３２５を計算することによって患者の生体構造を初期化することができる。このようにして初期化した後に、ソフトウエアは、他の初期化された当該領域に対する１つの領域の相対場所に関してこの領域の場所を解釈することができる。例えば、脊椎アラインメントパラメータを解釈するためには椎体重心の場所が最も有利とすることができるが、手術中に皮膚又は脊椎板しか露出しない場合に、露出要素の座標を初期化データに基づいて収集し、平行移動して非露出領域（例えば、椎体重心）の場所を表すことができる。
一部の実施形態は、取得システムへの個別信号送信に向けて利用することができる追跡されるマーカ配置を有するアセンブリを含む。一部の実施形態では、アセンブリ内に動的座標系（ＤＲＦ）を構成する４つの追跡されるマーカと、２つの追跡される漂遊マーカ（ＴＳＭ）とが含まれる。この実施形態では、アセンブリの中心は、選択ＴＳＭを遮蔽するか又は全く遮蔽しないように配置することができる回転シールドを含むことができる。ツールの幾何学形状が既知である場合に、取得システムソフトウエアは、どのＴＳＭが露出しているかを解釈することができ、事前プログラミングされた組合せに基づいて、ツールは、走査システムと個別メッセージを通信することができる。例えば、第１のＴＳＭが遮蔽されている場合に、システムが特定の状態にあることを示すことができ、一方、第２のＴＳＭが遮蔽されている場合に、別の状態を示すことになる。ツールはＤＲＦを含むので、その場所及び姿勢を３Ｄ追跡カメラが解釈することができ、次いで、遮蔽された漂遊マーカと露出した漂遊マーカとの配置を通信に向けて使用することができる。
図１４Ａは、マーカ１４２０を有する追跡されるＤＲＦ１４０１、１４２２ａ（見えていない）及び１４２２ｂとラベル付けして示す２つの追跡される漂遊マーカを備えたツールを表示している。更に、ツールには、この時点では１４２２ａの可視性を遮るように位置決めされている回転シールド１４１５が装備される。ツールにはＤＲＦが装備されているので、３Ｄ追跡カメラは、空間内のツールの場所及び姿勢を決定し、更に、ＤＲＦとして機能する４つのマーカとＴＳＭとして機能するものとの間で区別することができる。ツールは、可視又は不可視なＴＳＭの様々な組合せを有することによって取得システムと通信するようにプログラムすることができる。例えば、１４２２ａが遮蔽されている時には、システムは、図１４Ｂに示すように１４２２ｂが遮蔽されている場合とは異なり、更に図１４Ｃに示すようにＴＳＭのいずれも遮蔽されないことによって通信される状態とも異なるある一定の状態にあることを示している。このツールに関する１又は２以上のＴＳＭのあらゆる組合せが存在することができ、更にＴＳＭの個々のもの又は組合せを遮蔽する状態又は露出させる状態のあらゆる置換も可能であり、様々な状態が取得システムに通信されることに注意しなければならない。この図に示す回転シールドは、３Ｄ追跡カメラのＴＳＭ視覚化をどのようにして阻止するかの一実施形態に過ぎない。視覚化を阻止する他の実施形態は、バネ装荷式回転ワイパー、直線運動スライダー、ＴＳＭが遮蔽位置から露出位置に移動するようにＴＳＭを作動すること、及びＴＳＭの様々な組合せを遮蔽するか又は露出させることができるように複数のパネルを有する回転シールドを含むがこれらに限定されない。ＴＳＭを遮蔽し、露出させることによって信号送信するこの技術は、図１０Ａ〜図１０Ｇを参照して上述したように、更に下記で図１５Ａ〜図１５Ｃ、図６３、及び図６４Ａ〜図６４Ｂに関してより詳細に説明するように、ＴＳＭを作動させる段階と組み合わせることができることに注意しなければならない。
図１４Ｂ〜図１４Ｃは、本発明の一部の実施形態により異なる配置にある図１４Ａのツールを示している。例えば、図１４Ｂは、図１４Ａに関して解説したが、この配置では回転シールド１４１５がＴＳＭ１４２２ｂの視覚化を遮っており、ＴＳＭ１４２２ａが露出しているツールの一実施形態を表示している。この組合せを用いて、その独特な状態を取得システムソフトウエアに通信することができる。更に、図１４Ｃは、図１４Ａに関して解説したが、この配置では両方のＴＳＭ１４２２ａ及び１４２２ｂが可視であるように回転シールド１４１５が位置決めされたツールの一実施形態を表示しており、この位置決めを用いて独特な状態が取得システムソフトウエアに通信される。
一部の実施形態は、追跡されるＤＲＦと、ユーザが作動させてアナログ情報又はバイナリ情報を取得システムソフトウエアに示すのに利用することができる追跡される可動漂遊マーカ（ＴＭＳＭ）とを備えた３Ｄ追跡されるプローブを含む。例えば、図１５Ａ〜図１５Ｃは、本発明の一部の実施形態により様々な構成にある追跡される動的座標系（ＤＲＦ）を備えたプローブを示している。プローブシャフト内のピボット点の周りに回転する追跡される可動漂遊マーカをユーザが作動させることにより、ＤＲＦに対する追跡される可動漂遊マーカの場所を計算することができ、更にある一定の位置で視覚化される時に、この場所を用いて様々なメッセージを取得システムのソフトウエアに通信することができる。図１５Ａを参照すると、プローブ１５００の一実施形態には、追跡される動的座標系（ＤＲＦ）１５１０、六角形押出プローブシャフト１５０５上のピボットヒンジ１５５０の周りに回転するアーム１５３０に結合された追跡される可動漂遊マーカ（ＴＭＳＭ）１５２５を装備することができる。アーム１５３０は、ユーザが押下可能タブ１５７０を同軸プローブシャフトに向けて内向きに押下することによって作動させることを可能にするスパニング外部バネマウント１５８０、１５７５によってバネ装荷される（バネ１５７８により）。図示のプローブ１５００の実施形態は、繊細な生体構造を損傷することを回避するために鈍頭の半球形先端１５６０を有し、更にユーザによるより力強い把持に向けて六角形の押出プローブシャフト１５０５を有する。このプローブ１５００は、ユーザが押下可能タブ１５７０を押下又は解除した時にＴＭＳＭ１５２５をピボットヒンジ１５５０の周りに回転させるように設計される。ＤＲＦ１５１０に対するＴＭＳＭ１５２５の場所及び相対角度は、本発明の開示のシステムのうちのいずれかのものの取得ソフトウエアによって計算され、それは、図６３及び図６４Ａ〜図６４Ｂに関してより詳細に説明するように、システムとのバイナリ又はアナログの両方の通信に向けて使用することができる。
ＴＭＳＭ１５２５の構成要素の運動のタイプに関して、ＴＭＳＭ１５２５は、図１０Ａ〜図１０Ｅに関して上述したように直線的に、回転的に、又はこれら２つのタイプの運動の組合せで移動することができることに注意しなければならない。作動方法に関して、一実施形態は、この図に示すようにユーザ押下可能タブであるが、ユーザ摺動ボタン、回転ボタン、及び図１０Ａ〜図１０Ｂに関して上述したように押下可能摺動シャフトで構成することができる。バネの場所に関して、外部圧縮バネを示すが、これは一実施形態に過ぎず、これは、以下に限定されるものではないが、捩りバネ、内部圧縮バネ、形状記憶を有する変形可能材料を含むことができる。プローブシャフト１５０５に関して、図示の六角形押出形状は一実施形態に過ぎず、他の実施形態は、円形、三角形、四角形、五角形の押出部、及びユーザ把持と限られたアクセス環境内へのプローブ配置とに向けて不均一な回転プロファイルを含むがこれらに限定されない。プローブシャフト１５０５は直線形又は対称である必要はない。押下可能タブ１５７０に関して、その場所は、ツールの本体上のどこにでも配置することができる。プローブ先端１５６０に関して、この先端は、その端点で様々な形状及び尖鋭度を含むことができるので、鈍頭半球形設計は一実施形態に過ぎない。他の実施形態は、直線的／回転的な運動タイプを含むことができ、更に他の作動方法を含むことができる。一部の実施形態は、ユーザボタン対スライダー対押下可能摺動シャフト（前に図１０Ａ〜図１０Ｂに示した）を含む。他の実施形態は、バネの異なる場所、内部又は外部への配置、捩りバネ、圧縮性バネ、又は非圧縮性バネを含む。他の実施形態は、先端の鈍頭又は尖頭の代わりの形状及びサイズを含む。一部の更に別の実施形態は、図３３Ｄ〜図３３Ｆ及び図４４Ｂ〜図４４Ｄのような他の締結デバイス内に示す嵌合先端を含む。
図１５Ｂを参照すると、図１５Ａに関して上述したアナログ通信に向けて回転追跡される可動漂遊マーカ１５２５を有する追跡されるプローブ１５００を使用することができる。この実施形態は、押下可能タブ１５７０が非押下場所にあり、バネ１５７８は最圧縮状態にある時の追跡される可動漂遊マーカ１５２５の場所を表示している。ＤＲＦ１５１０に対する追跡される可動漂遊マーカ１５２５の場所及び角度を図６３及び図６４Ａ〜図６４Ｂに関してより詳細に説明するように計算することができる。
図１５Ｃは、図１５Ａに関して上述したアナログ通信に向けて使用される回転追跡される可動漂遊マーカ１５２５を有する追跡されるプローブ１５００の一実施形態を表示している。この実施形態は、押下可能タブ１５７０が押下場所にあり、バネ１５７８が最延長状態にある追跡される可動漂遊マーカ１５２５の場所（１５２５ａと記している）を表示している。追跡される可動漂遊マーカが進む円弧（１５０９と記している）は、ＴＭＳＭ１５２５の場所を追跡されるＤＲＦ１５１０に対して比較することによって視覚化することができ、その例を図１５Ａ〜図１５Ｃに示している。ＤＲＦ１５１０に対する追跡される可動漂遊マーカ１５２５の場所及び角度は、図６３及び図６４Ａ〜図６４Ｂに関してより詳細に説明するように計算することができる。
本発明の一部の実施形態は、電気機械３Ｄ追跡システム（例えば、図２３Ｂ〜図２３Ｃに示すシステムなど）の外側に格納される延長可能コードの正確な長さを測定するのに使用される回転符号器を利用する。この計算は、機械的にリンクされたコードが格納に起因してもたらす回転の量を符号器が測定することによって達成される。回転符号器は、通過するコードと機械的に直接リンクされ、又はコードの数回転分を格納するスプールとリンクされるかのいずれかである。電気機械追跡システムのこの構成要素は、取得ユニットとプローブとの間で延長可能なコードの正確な長さ測定を提供する。電気機械追跡システムの回転測定システムは、回転度を測定することができるシステムと、回転測定処理を可能にするか又は改善するいずれかの支援機械システムとで構成される。回転測定システムは、延長可能コード及び／又は格納スプール／引張システムと機械的にインタフェースし、符号器にインタフェースされた延長可能コードの直線距離を測定する。例えば、回転測定システムの一実施形態は、図１６に示す回転符号器１６００である。回転符号器は、本体１６１０の周りのシャフト１６３０の位置又は運動を電気信号に変換する電気機械デバイスである。一部の実施形態では、回転符号器の電気的インタフェース１６５０は、回転符号器のタイプ及び製造業者に依存する。回転符号器１６００の内側にある内部回路は、シャフトの回転量、シャフトの回転方向を自動的に計算するか又はデジタル又はアナログのインタフェースを通じて測定データを通信することができる。回転測定を通信する方法及びインタフェースは、符号器システムに対して重要ではない。直線距離の計算に対してはシャフト１６３０の回転の程度及び方向が重要である。他の実施形態では、回転、特に、電気機械３Ｄ追跡システムの外側に能動的に格納される延長可能コードの長さを測定するための長さ較正に対する必要性を排除することができる絶対回転を測定するために電位差計を使用することができる。
図１７Ａは、本発明の一部の実施形態により図１６の符号器１６００との併用のための滑車−歯車システム１７０１を示しており、図１７Ｂは、本発明の一部の実施形態により図１７Ａの滑車−歯車システム１７０１の歯車１７１０を示している。図２３Ａ〜図２３Ｂに示す電気機械３Ｄ追跡システムのこの構成要素は、エンクロージャを横断し、システムを超えて図２０に示すプローブ２０００まで延びる延長可能コードの長さ測定の高い精度を可能にする。滑車−歯車実施形態１７０１は、符号器によって行われる回転測定の感度をコードインタフェースプーリと符号器シャフト歯車の間に機械的に位置決めされた１組の歯車間の歯車比にほぼ等しい倍率で増倍する方式で図１６に示す符号器シャフト１６５０（構成要素１６５０）の歯車ベースの作動を可能にする。
一部の実施形態は、図１６に示す回転測定システムの精度を高めるために符号器シャフト、格納スプール／引張システム、及び／又は延長可能コードの間に位置付けられた滑車−歯車システムを含む。滑車−歯車システムの一実施形態を図１７Ａに示している。延長可能コード１７０５の直線移動は、延長可能コード１７０５と、プーリの内径を取り囲む高摩擦Ｏリング１７４８との間の面摩擦を用いて滑車−歯車１７１０に結合される。滑車−歯車１７１０（図１７Ｂに詳細に示す）は、回転符号器シャフト歯車１７１５と機械的にインタフェースし、延長可能コード１７０５の直線移動中に、滑車−歯車１７１０のあらゆる回転は回転符号器シャフト歯車１７１５のより大きい回転度に対応し、対応するこれらの回転の関係は、１７１０と１７１５の間の歯車比によって決定される。回転符号器１７２０の分解能は、本説明の滑車−歯車システム１７０１を用いて固定量だけ高めることができ、それによって延長可能コード長の測定精度の改善がもたらされる。一部の実施形態では、本説明の滑車−歯車１７１０は、Ｏリングの簡単な取り外しを可能にするノッチ１７４５を有するように設計することができ、滑車−歯車の中心に位置決めされた切欠き部１７４５は、ユーザがプローブを応答方式で格納するためのシステムの使い勝手に対して多大な効果を有する可能性がある滑車−歯車１７１０の中心軸線の周りのその最小限の摩擦の回転を可能にするベアリングの挿入を可能にするように設計される。
延長可能コード１７０５と機械的にインタフェースする滑車−歯車１７１０の面の一部の実施形態は、延長可能コード１７０５と滑車−歯車１７１０の面との間の摩擦を高める特定の幾何学的断面輪郭を伴う可能性がある。１つの例示的実施形態は、コード１７０５の面を締め付けるＶ字溝を含み、この設計は、全体システムが引張下に置かれた時にコードと滑車−歯車１７１０の間に緊密公差適合を形成する。他の実施形態は、滑車−歯車システムと延長可能コードの複数回転分を格納する引張スプールシステム（下記で図１８Ａ〜図１８Ｂを参照してより詳細に説明する）との直接リンケージを含むことができる。
図１８Ａは、本発明の一部の実施形態により図１７の滑車−歯車システムに使用するためのコードスプールの斜視図を示し、図１８Ｂは側面図を示している。図２３Ａ〜図２３Ｂに示す電気機械３Ｄ追跡システムのこの構成要素は、回転毎に定められた長さでスプールの内と外とに置換される延長可能コードの螺旋格納を含む。一部の実施形態は、いずれかの時点でエンクロージャから延ばし出されるコードの回転数を測定するために図１６に示す回転符号器と機械的に直接にインタフェースするスプールを含む。
スプールシステムの一実施形態は、図１７Ａに示す滑車−歯車システム及び／又は図１６に示す回転符号器１６００内の結合を最大に高めるために延長可能コード１７０５に対向する力を与える引張システムとのリンケージを含む。一部の実施形態では、引張システムは、延長可能コードに沿ってたるみがないことを保証するためにコードで予備装荷され、引張調整することができる。コード上にたるみが起こると、符号器システムの周りの回転度の正確な測定が最適性を失う。格納スプール／引張システムの一実施形態は、延長可能コードに引張を与えるバネベースのシステムである。格納スプール／引張システムの一実施形態は、ユーザの指定値に変更可能な延長可能コードの引張度を可能にするサブシステムを含むことができる。格納スプール／引張システムの一実施形態は、予備引張を受けた延長可能コードが突然解除された場合に延長可能コードが危険な程高速に進むことを防止するためにスプールの運動を減速及び／又は停止する機構を含むことができる。
格納スプールは、延長可能コードを内部に含むことができるシステムを提供する。例えば、図１８Ａ〜図１８Ｂに示すコードスプール１８００の一実施形態は、コード１７０５をスプールの中心の周りに設定された回転区分で回転させることができるように側部から取り除かれたコード進入スロット１８４０を有する円筒ディスク１８０５から構成される。この実施形態は、コードの直径よりもかなり大きい厚みを有するコード進入スロット１８４０を有することができる。この実施形態は、コードをスプールの中心から外向きに単一回転厚み螺旋スタック状に螺旋するように強いるようにコードの大体の直径のものであるコード進入スロット１８４０を有することができる。この実施形態は、固定値のものである内側コードスプール半径１８２０を有することができる。この実施形態は、方程式で表すことができる内側コードスプール半径１８２０を有することができる。一実施形態では、アルキメデス螺旋の半径方向距離がコードの直径に等しく、従って、延長可能コードはそれ自体の周りにアルキメデス螺旋によって表されるものと同じく連続的に巻き付き、それによって直線コード距離の計算に加えてスプールの中心とコードの中心の間の距離の計算が容易になる。
一実施形態は、スプール１８０５の設計取付点１８３０によって設定される既知の半径でスプールへの固定を開始するコードを含む。一実施形態は、コードの長さがスプール内に完全に含まれるまで、又はコードがスプール外縁（外半径１８１０によって定められる）に達するまでコードスプール内面（内半径１８２０によって定められる）の周りに巻き付くコードを含む。スプール外縁が大きい程、コードの移動によって印加される可能性がある高いトルク及び弱い抵抗力をユーザがコード引張システムの格納に携わる時に感じることになる。しかし、大きい半径の内面は、符号器の回転感度の単一分解能ステップに含まれるコードの長さが長くなることによって精度の低い測定を招く。
本明細書に説明する回転測定システムでは、延長可能コード１７０５は、格納スプールと回転測定センサの間に機械接続を与える。延長可能コード１７０５は、プローブ（図１９Ａ〜図１９Ｅ）と符号器システム１６００（図１６）の間に機械接続を与え、プローブが空間を通って移動する時にプローブ先端の場所の３次元測定を可能にする。延長可能コードの一般的な実施形態は、細い直径の低延伸コードである。延長可能コードの一実施形態は、金属ケーブルであり、一部の実施形態は、ナイロンコーティングのような特殊コーティングを含む。延長可能コードの一実施形態は、Ｋｅｖｌａｒケーブルである。
図１９Ａ〜図１９Ｃは、本発明の一部の実施形態により図２３Ａの３Ｄ追跡システムのボールアセンブリ１９００を示している。図２３Ｂ〜図２３Ｃに示す電気機械３Ｄ追跡システムのこの構成要素は、ボールの中心を通過する延長可能コードの通過運動によって操作されるボール−及び−ソケットインタフェースを含む。一部の実施形態では、延長可能コード（例えば、図１７Ａに示すコード１７０５、図２１Ａに示すコード２１２０、又は図２１Ｂに示すコード２１５０など）は、中心バレルを通ってのコード挿入点（コード進入通路１９０３）への進入によってボール−及び−ソケットシステムを通過することができる。コードに対する進入点は、球形構造の中心と交わるように構造化され、後に球体の回転中心に登録する。コード進入点のこのアラインメント（バレル１９３０）は、コードの移動をコードスプールとボールの中心の間の直線、並びにボールの中心とプローブ（図２０）の間の直線という２つのセクションに数学的に分離することを可能にする。一部の実施形態では、バレルは、コードの移動中にバレルを偏向させる可能性があるコードによって印加される望ましくない力及びトルクを最小にするために追加された機械的構造によって支持される。一部の実施形態では、ボールアセンブリは、ボール（又は球体）１９０１のバレル支持構造体を含むことができる。バレルは、ボールの前部を出る時に内部で補強壁１９０２によって支持される。コード進入場所でのバレルの偏向を最小にするために、支持棒１９４０が、コードの移動中に達成される偏向を最小にするための機械的剛性をバレルに与える。
一部の実施形態では、球体は、球面の上部から押し出された円筒形の溝１９５０を含み、この溝は、画像又はいずれかの独特なパターンの設置をパターン面のいずれの球形歪みも伴わずに可能にする。この場合に、撮像センサを用いて、円筒形溝１９５０上のパターンが撮像センサに対してどのように回転及び平行移動するかを精査することによってボールの回転を球面座標シータ及びファイで測定することができる。円筒形溝ボール１９０１の中心及び撮像センサとの円筒形溝のアラインメントを維持するために、ボール１９０１は、バレル構造体の周りのボールの回転を防止する円筒形窓に直交する押出部（ロール防止ロッド１９２０）を含む。
一部の実施形態では、図１９Ｂ及び図１９Ｄに示すように、ボール１９０１は、その内側で始まってその前の固定距離まで半径方向に延びる円筒形バレル１９３０を含む。コード（例えば、コード１７０５など）は、ボールの後方にある押出部を通過し、コード挿入点（１９０３として示す）においてバレルに進入し、バレルを通じてボールの前方でバレルを出る（バレル１９３０を通って）。バレル１９３０は、その内側とコードの外側の間の面接触面積を低減し、バレル１９３０を通る滑らかなコード移動を保証することを支援する非常に多くの孔（バレル開窓１９２２）を含む。このバレル設計は、符号器（例えば、符号器１６００など）に、直線コード距離の計算に必要とされる固定の退出点を設ける。バレル１９３０は、ボール１９０１を前方で出る時にバレルシャフトベースコーナ隅肉（バレル先端コーナ隅肉１９２４）によって補強された壁によって外部で支持される。更に、一部の実施形態では、円筒形溝１９５０は断面的に平坦な面を与え、そこから撮像センサがパターンの歪みによって引き起こされる追加の変換を必要とすることなく球形ボールの回転度を計算することができる。図１９Ｃを参照すると、円筒形溝（溝１９５１）は、球面の上部から押し出され、画像又はいずれかの独特なパターンの設置をパターン面のいずれの球形歪みも伴わずに可能にする。一部の実施形態では、図示のバレルの剛性を補強するための支持構造体は、最終製品には必要とされず、脆弱な材料を用いた３Ｄプリントによって製造されたプロトタイプのための構成要素を含むことができる。
図１９Ｄ〜図１９Ｅは、本発明の一部の実施形態により図２３Ａの３Ｄ追跡システムのボール−及び−ソケットアセンブリを示している。ボール１９０１に対するソケットエンクロージャ１９５０は、延長可能コードでの通過運動及び軌道変化に起因して内部で回転するためのインタフェース面を与える。ソケット実施形態は、バレル１９３０の移動を定められた運動範囲（窓１９３２内）に制限する窓切欠き部１９８０を含む。窓の境界は、複数のボール−及び−ソケットシステムにコードが互いに交わるか又は進行を妨害するままにさせることなく電気機械３Ｄ追跡システムに対する最適な追跡体積を維持することを支援する。システムは、ボールからのロッド押出部の制限付き移動が、バレルの周りのボールの回転を防止する経路に沿って進むことを可能にする支援的なロール防止チャネル１９７６を更に含む。システムのロール制限の特徴は、円筒形窓がプレビュー窓１９９９内で常に見える状態にあり、それによってパターンのあらゆる移動が撮像センサに対して常に補足可能になることの保証も与える。ボールの外側とソケットの内側の間の面摩擦を最小にするために複数のソケット領域１９９８がソケット構造体の上部及び下部から取り除かれる。何度も言及するように、ソケットとボールとコードの間の摩擦を最小にする必要性は、３次元追跡システムの機能性に対して重大である。本提案の方法は、ボール−及び−ソケット構造体の一実施形態を表している。一実施形態は、ボールとソケット面の間に位置付けられたボールベアリングの層を含むことができる。一実施形態は、ボールとソケット面の間に位置決めされたいずれかの形態の潤滑剤を含むことができる。一実施形態は、バレルとコード面の間に位置決めされたいずれかの形態の潤滑剤を含むことができる。ボール−及び−ソケットの構造的完全性を維持するためには高強度及び高耐久性の材料が必要である。ボール−及び−ソケットシステムの他の実施形態は、金属、ポリマー、又はプラスチックで構成することができる。
図２０は、本発明の一部の実施形態による３Ｄ追跡システムのプローブ２０００を示しており、図２０Ａ〜図２０Ｅは、本発明の一部の実施形態による図２０のプローブ２０００の構成要素の図を示している。図２３Ｂ〜図２３Ｃに示す電気機械３Ｄ追跡システムのこの構成要素は、空間内の３Ｄ点を登録するのに使用されるプローブを含み、それに対して追跡システムは、その座標系に関するプローブの３Ｄの場所及び方位を動的に登録する。プローブ２０００は、３Ｄ空間内で追跡される延長可能コードが固定の距離だけ離れて装着される２つの自由回転固定点を含む。一部の実施形態では、プローブ２０００はプローブシャフト２０２５を含むことができる。プローブ２０００は、電気機械３Ｄ追跡システムに様々な機能を与える。第１に、プローブ２０００は、ユーザが３次元面に沿ってトレースすることを可能にする。第２に、プローブは、各符号器の延長可能コードに対する固定の機械的インタフェースを与える。プローブ２０００の３Ｄ姿勢は、各符号器からの直線コード距離の計算、各コード接続点の間の固定距離、及び三角関数の公式から導出することができる。プローブ２０００の姿勢と直線コード距離とを用いてプローブ先端２０２４の正確な場所を３次元空間内で推定することができる。第３に、プローブ２０００は、電気的、機械的、又は電気機械的なインタフェースを通じて複数の材料との相互作用を識別する機能を有する。第４に、プローブ２０００は、ユーザがそれを保持してコード又はいずれか追加の測定システムと干渉することなく３次元面をトレースすることを可能にする把持区域を有する。
プローブ２０００の一実施形態を図２０に示しており、この実施形態は、２つのコードに対する取付点を有する。符号器（図１６に上述したものなど）からのコードは、コード固定マウント２０１０に結合することができ、これらのコード固定マウントの各々は、シャフト２０２５に結合されたコード装着スペーサ２００１によって分離された個々のベアリングに機械的に結合され、各ベアリングの内面は、プローブエンクロージャと同軸である内部ロッド構造体に剛的に装着される。スペーサ及びベアリングは、ユーザが把持することができるプローブ半体に固定された内部ロッドと同軸である（例えば、ベアリング２０４４を参照されたい）。一部の実施形態では、内部ロッド構造体は、剛性キャップ２００５によってプローブエンクロージャ内に維持される。しかし、プローブキャップ２００５を含むがこれに限定されないいくつかの構成要素は任意的であることに注意しなければならない。コードマウント及びベアリングシステムは、プローブ２０００が符号器実施形態の測定システムの精度に影響を及ぼすことなくあらゆる方向に自由に移動することを可能にする。プローブ把持区域（シャフト２０２５上の）は、ユーザが３次元でトレースするための間隔を与える。
一部の実施形態は、２つの３Ｄ追跡されるコード固定点の間の機械的作動によって調節可能な距離だけ離間したこれら２つの固定点に機械的にリンクされたプローブを含む図２３Ａ〜図２３Ｃに示す電気機械３Ｄ追跡システムの構成要素を含む。例えば、図２１Ａ〜図２１Ｂは、コード固定点に結合されたプローブ２１００ａ及び２１００ｂを含む３Ｄ追跡システムのアセンブリを示す（プローブ２１００ａ、２１００ｂから延びる延長可能コード２１２０、２１５０を参照されたい）。一部の実施形態では、これらのプローブは、押下可能摺動シャフト２１１５ａ、２１１５ｂとバネ装荷式トリガ２１４０（プローブ２１００ｂの）とを有するプローブハンドル２１３０ａ、２１３０ｂを含む。各３Ｄ追跡されるプローブ２１００ａ、２１００ｂは、押下可能シャフト（示していないバネ装荷された）が面２１１５ａ、２１１５ｂに対して押圧された時に、又はユーザによってプローブ２１００ａ、２１００ｂのシャフト２１３０ａ、２１３０ｂ上のバネ装荷式ボタン２１４０を通じて手動で作動された時に延長可能コード固定マウント間の距離が選択的に変更されるような埋め込み機械システムを含む。延長可能コード２１２０、２１５０は、電気機械３Ｄ追跡システムに機械的にリンクされる。
一部の実施形態では、処理アルゴリズムは、コードマウント間の相対距離変化を検出し、電気機械３Ｄ追跡システムがプローブ先端において点を能動的に登録されることをこのシステムに信号送信するか又はどのタイプの測定をプローブが実施しているか又はプローブが相互作用している場所アイデンティティを指定する特定の指令を解釈する。プローブの軸線に関する２つの動的コード固定マウントの間の距離は、プローブ先端の座標及び姿勢に関する３Ｄコード固定マウント座標を剛体変換することによって計算することができる。このようにして、コード固定マウントとそこから電気機械３Ｄ追跡システムまでの相対距離との間で他方のコード固定マウントと比較して変化する関係によって引き起こされる計算の変化なくコード固定マウント間の３Ｄ距離を計算することができる。
図２２は、本発明の一部の実施形態によりプローブの３Ｄ追跡を可能にする例示的システムを示す図である。図２３Ａ〜図２３Ｃに示す電気機械３Ｄ追跡システムのこの構成要素は、プローブの場所及び方位の３Ｄ追跡を可能にするために通信する能動的及び受動的な構成要素から構成されるシステムを伴う。電気機械３Ｄ追跡システムにリンクされたプローブに対するいくつかの実施形態が存在し、図２２は、プローブの３Ｄ追跡を可能にするために互いに通信し合うシステムの構成要素間のインタフェースを示している。一部の実施形態は、上述の実施形態で説明したように、符号器実施形態及び処理ソフトウエアがトレース中に検出を行うことになる電気的又は機械的なフィードバックシステムを持たないプローブを含む。埋め込み電気サブシステム（図２２）を有するプローブは、ユーザが点の登録とプローブ（図２１Ａ〜図２１Ｂ）の追跡とを制御することを可能にする非常に多数のユーザ制御トグルスイッチを含むことができる。一部の実施形態は、無線電磁放射線（ＲＦ）光放出デバイスによって伝達することができるマイクロコントローラ又はコンピュータ処理システムへの通信の方法を含む。一部の実施形態では、コードをドッキングされた追跡システムに機械的にリンクすることができる。一部の実施形態は、位置追跡のためのプローブに機械的にリンクされた２つのコードの間に印加された電圧によってプローブに電力を供給する方法を含む。再充電機能を有するバッテリシステム又はコンデンサーのような同等のエネルギ源を含めることができる。一部の実施形態では、不使用中にプローブがエンクロージャ上に置かれている時にエネルギを供給するためにプローブとエンクロージャの間に電気接続が存在する。一部の実施形態では、プローブの運動及び／又は姿勢を測定するために、感知システムの複数のセンサは、複数の慣性測定ユニット、加速度計、及び／又はジャイロスコープとすることができる。この実施形態は、符号器又は延長可能コードとの機械的リンケージに対する必要性を排除することができる。一実施形態は、傾きセンサとすることができる。一実施形態は、プローブ上のコードマウントの回転を測定するセンサとすることができる。一実施形態は、プローブ及び／又はプローブ先端に印加される機械力を測定するためのシステムとすることができる。一部の実施形態では、プローブ上の固定場所に位置決めされた無線周波数識別（ＲＦＩＤ）タグ及び／又は読取器は、プローブに位置決めされたＲＦＩＤ読取器がＲＦＩＤタグを読み取って３Ｄでの点の登録とプローブ先端の能動的追跡とを開始又は停止するＲＦＩＤを含むことができる。ＲＦＩＤの一実施形態は、プローブに位置決めされてプローブの使用中に特定のアイデンティティを有する場所を識別するために特定の場所に位置決めされたＲＦＩＤタグを読み取るＲＦＩＤ読取器である。例えば、蓄電器２２１２、電力インタフェース２２１４、通信システム２２１６、マイクロコントローラ２２１８、センサ２２２０、プローブ２２１０のＲＦＩＤ２２２２、符号器２２２６に結合されたコード２２３０、２２２８に結合されたコード２２３２、デジタル信号２２３４ａ（符号器２２２６からの）、及びデジタル信号２２３４ｂ（符号器２２２８からの）を参照されたい。更に、コンピュータシステム内のデータストレージ及び処理ソフトウエア２２３８にインタフェース２２３６を通じて結合されたデータ取得コントローラ２２２４を参照されたい。
一部の実施形態は、複数の様々な面上に装着することができる追跡システムの構成要素の全てを小型の形態で含む電気機械３Ｄ追跡システムのエンクロージャを含む。例えば、図２３Ａは、ボール構造体２３２０（例えば、図１９Ａ〜図１９Ｅに関して上述したものなど）から延びる延長可能コード２３５０と、結合されたプローブ２３４０と、構造体２３１０、２３３０、２３２０に結合された剛性面マウント２３０５とを含む本発明の一部の実施形態による例示的３Ｄ追跡システム２３００を示している。図示のように、一実施形態は、様々な設定で利用することを可能にする締結装着機構に対するインタフェースを含む。締結装着機構２３０５は、吸引カップマウントと剛性構造体（例えば、２３１０、２３３０、２３２０）に嵌合するためのファスナ孔とを含むことができる。一部の実施形態は、手術台、ベッド、麻酔ポール、患者の手術部位の上に又はその近くに位置決めされるように構成された可動スタンド（例えば、メイヨースタンド）、患者の生体構造に対して操作されるように構成された可動スタンド上の取外し可能器具トレイ、又はいずれかの他の剛性構造体にインタフェースするフック及びクランプを含む。一部の実施形態は、個別的及び連続的なトレース登録を収集するためにプローブ２３４０を用いてユーザが格納する延長可能コード（２３５０として示す）を含む。
電気機械３Ｄ追跡システムの構成要素は、小型設計に集約し、封入デバイスによって取り囲むことができる。例えば、図２３Ｂは、本発明の一部の実施形態によるエンクロージャ内の３Ｄ追跡システムを示している。一部の実施形態では、エンクロージャ２３６０は、球体２３７４、２３６５のバレル２３６７、２３７２から延びる延長可能コード２３７０（コード２３５０とすることができる）と共に示されている（コードが図２３Ａのプローブ２３４０のようなプローブに結合された状態で）。一部の実施形態では、エンクロージャ２３６０は、内部構成要素を異物、外傷、体液、及び露光から保護することができる。更に、エンクロージャ２３６０は、延長可能プローブシステムが使用されていない時のためにプローブ（例えば、プローブ２３４０など）をエンクロージャ２３６０に剛的に固定する外部プローブ装着システムを含むことができる。一部の実施形態では、エンクロージャは、プローブに取り付けられる２つの延長可能コードを送り出すスプールシステムを更に含み、各コード２３７０は、各球体のバレル構造体を通じてプローブの電気機械三角測位を可能にする。
一部の実施形態は、カメラシステムのための照明の変化を防止するために内部光源を含む。一部の実施形態は、電力及び／又はデータをドッキング状態にある時のプローブに送信する及び／又はそこから受信することを可能にする電気的インタフェースを含む。電気的インタフェースの一実施形態は、プローブ装着システムから延びてプローブ上の電気接点に結合する金属接点とすることができる。
図２３Ｃは、本発明の一部の実施形態による図２３Ｂの３Ｄ追跡システムの分解アセンブリ図を示している。例えば、一部の実施形態は、回転符号器２３９９、スプールバネ（図示せず）に対する固定のバネ引張アーム２３９０、スプール２３９２、ソケットの上半体２３９５（図１９Ｄ〜図１９Ｅを参照されたい）及び独特な埋め込みパターン２３８３、ボール２３７４（図１９Ａ〜図１９Ｃを参照されたい）、ボールのバレル２３６５を含むエンクロージャ２３６１と、埋め込み光センサ（図示せず）を有する封入蓋２３６２とを含む。図２３は、電気機械３Ｄ追跡システムの一実施形態からの構成要素の集約体を示している。２つの回転符号器２３９９の各々は、プローブ（図示せず）に結合された延長可能コードの長さを測定する。各延長可能コード（図示せず）は、剛性エンクロージャに装着されたバネ引張アーム２３９０によって一端が固定されたバネ（図示せず）によって引張されているスプール２３９２によって保存及び格納される。各延長可能コードは、ボールの回転中にコードの制御式移動を可能にするために、観察窓（図示せず）を有するソケット（２３９５）内で回転することができるボール２３７４をその中心から進むバレル（２３６５）を経て通過することができる。ボールの回転は、ボールの中心の上方に位置合わせされて球面座標においてボールのファイ及びシータの回転を反映することができるボール面上の埋め込みパターン２３８３によって測定される。エンクロージャは、その下部構成要素（２３６１）と結合して保護環境を生成することを支援することができ、一方、光センサ（図示せず）、照明（図示せず）、及びマイクロコントローラ（図示せず）を埋め込み光センサ及び回転符号器からの視覚出力及び電気出力を記録して解析するために更に含む蓋２３６２を含む。他の実施形態では、エンクロージャ内に無線通信構成要素（図示せず）が更に含まれる。
図２４は、本発明の一部の実施形態によるプローブの３Ｄ追跡を可能にするシステムを示している。この実施形態は、プローブ（例えば、本明細書に説明するプローブのうちのいずれかのものなど）の先端にある３Ｄ点の電気機械的局在化を可能にする構成要素から構成されるシステムを示している。３つの延長可能コード（２４２８、２４３０、２４３２）が、３つの別個の回転符号器２４２２、２４２４、２４２６から延びる接続部を通ってプローブ２４２０のプローブ先端２４２１に機械的にリンクし、これらの回転符号器は各コードの長さを測定し、そこからソフトウエアシステムが三角測位幾何方程式によってプローブ先端の３Ｄ点を計算する。符号器（符号器２４２２、２４２４、２４２６のうちのいずれかのものなど）のこの実施形態は、延長可能コード（例えば、２４２８、２４３０、２４３２など）を巻き付けるスプールと、引張力を与えるいずれかのシステムによって表すことができるバネ装荷式格納システムと、回転度を検出するのに使用される他のセンサによって表すことができる回転符号器とによって表される。３つの符号器実施形態は、互いに対して固定された距離に位置決めされる。プローブ２４２０は、全てのコード２４２８、２４３０、２４３２をプローブ２４２０にインタフェースさせる単一コードマウント接続部をプローブ先端２４２１に含有する。プローブ２４２０が３次元で移動される時に、コード長が回転符号器２４２２、２４２４、２４２６（例えば、図１６に示す）によって測定されるが、引き伸ばしたコードの長さを検出するのに他のセンサを使用することができる。各符号器２４２２、２４２４、２４２６の間の既知の距離、プローブ先端２４２１までの計測コード長を用いて、システムの三角測位アルゴリズムは、データを幾何学的関係によって処理してプローブ先端２４２１の３次元場所を計算することができる。三コード符号器システムは、３次元位置を計算するのに少なくとも３つの符号器実施形態を必要とする。
図２３Ｂ〜図２３Ｃに示す電気機械３Ｄ追跡システムの別の実施形態は、システム内に図２５に示す構成要素を含むことができ、この場合に、球面座標においてボールのファイ及びシータの移動を測定する（例えば、ボール−及び−ソケットシステム又はボール−及び−ソケットアセンブリ毎に２つの符号器を用いて）機械的にリンクされた回転符号器によってボール−及び−ソケット移動が感知される。図２５に示す符号器ベースの３Ｄ追跡システム実施形態は、プローブ２５１０、コード２５２０、２５２２、符号器２５１４、２５２６、機械的リンケージ及び測定システム２５１８、２５１２、２５２８、２５３０、ボール−及び−ソケット２５１６、２５２４、データ取得器２５５０、２５５５、コンピュータ２５６０を含む。各ボール−及び−ソケット２５１６、２５２４は、符号器２５１４、２５２６に機械的にリンクされる。延長可能コード２５２０、２５２２は、ボールの中心に位置付けられたバレルを半径方向に通してプローブ２５１０に接続され、バレルが延長可能コードの場所に従うことを可能にする。バレルはボールの中心に固定され、ボールの回転軸線は、ソケット上のスロット内に着座するロッドによって固定されるので、ボールは、バレルの軸線の周りに半径方向に回転することができず、バレルは、プローブの場所を追跡することができる。ソケット内のボールの回転の測定は、３Ｄ空間を通じてプローブを移動する時にバレルの角度テークオフの球面座標計算を可能にする。コード長は、図１６に関して上述したように回転符号器によって測定されるが、引き伸ばしたコードの長さを検出するのに他のセンサを使用することができる。コード長及び角度テークオフの測定は、球面座標系でのプローブの３Ｄ場所を計算するほど十分なデータを提供する。
角度テークオフを計算するのに使用される測定システムの一実施形態は、ボールの面と回転符号器の間の機械的リンケージであるが、回転度を検出するのに他のセンサを使用することができる。プローブの平行移動に起因してボールがシータ方向とファイ方向とに回転する時に、機械的リンケージは、回転符号器のシャフトを回転させ、各球面座標面内のボールの回転度を計算することができる。
考えられる１つの機械的リンケージは、図１６に上述したように、回転測定システムに半径方向に固定された球形又は円筒形の結合物体である。回転測定デバイスの一実施形態は、回転符号器とすることができる。回転符号器の位置は、円筒形物体がボールと物理的に接触し、回転符号器シャフトに機械的に固定されるように固定される。プローブのあらゆる移動は、ボールの回転、円筒形物体の回転、従って、回転符号器シャフトの回転をもたらす。シータ方向とファイ方向とのボールのバレルの回転を計算するには、互いに直交するように向けられた本説明の機械的リンケージの２つの実施形態が必要である。
一部の実施形態では、アルゴリズムは、円筒形物体の半径、回転符号器によって測定された回転、及びボールの半径からシータとファイでボールの回転度を計算する。バレルのファイ及びシータを計算した後に、次いで、システムは、球面座標公式を用いてボールの中心から第１のコードがプローブに嵌合する場所までのベクトルを計算する。第２のボール−及び−ソケット対に対して、ボールの球面回転を感知するために同じく機械的リンケージを使用する同じ処理が繰り返される。第２のボール−及び−ソケットシステムは、ボールの中心から第２のコードがプローブに嵌合する端の場所までの３次元ベクトルを計算する。
次いで、プローブの姿勢が、２つの計算されたコードベクトルのベクトル減算から計算される。プローブの既知の寸法とプローブ上のコード固定点間の距離とを所与として、プローブ先端の３次元の位置及び方位を推定することができる。
図２３Ａ〜図２３Ｃに示す電気機械３Ｄ追跡システムの別の実施形態は、図２６に示す構成要素から構成されるシステムを含むことができ、この場合に、画像センサに対するボール装着パターンの回転及び相対場所を解釈する光センサによってボール−及び−ソケット移動が感知される。このシステムは、球面座標においてボールのファイ移動とシータ移動とを測定する。プローブの場所及び姿勢の３Ｄ追跡を可能にする図２６に示すシステム２６００の機械構成要素と、電気構成要素と、電気機械構成要素と、光学構成要素との組合せは、プローブ２６１０と、結合されたコード２６１２、２６１４と、結合されたボール−及び−ソケット２６１６、２６２０と、符号器２６１８、２６２２と、カメラ２６２４と、プロセッサ又はコントローラ２６２４と、カメラ２６２８と、プロセッサ又はコントローラ２６３０と、データ取得器２６３２と、コンピュータ２６３４と、モデム２６３６とを含む。２つの符号器は、コードの長さを測定することができ、２つのボール−及び−ソケットアセンブリは、ボールの中心を通り過ぎたコードに関するコード軌道の測定を可能にする（図１９Ａ〜図１９Ｅを参照されたい）。ボールの球面回転を測定するために、ボール−及び−ソケット実施形態毎に１つの光学感知及び独特なパターン実施形態が存在する（図２７Ａ〜図２７Ｄに示す）。１つのプローブ実施形態は、３Ｄ追跡される延長可能コードに空間内でリンクし、ユーザに３Ｄ点を取得するための手段（図２０に示す）を提供することである。
一実施形態では、延長可能コードは、球体の回転中心を通過し、プローブに装着された延長可能コード端部の場所に追う半径方向バレルを経て出る。球体の中心の場所は、出るコードを追跡するバレルの自由移動を可能にするスロットを有するソケットによって拘束された球体によって固定される。ソケットは、球体に装着された支援ロッド先端を受け入れて球体の中心と同心状にあるソケット内の半径方向スロットによって球体がそのバレルシャフトの周りに回転することができないことを保証する。
コード長は回転符号器によって測定されるが、使用中のコードの長さ変化を検出するのに他のセンサを使用することができる。延長可能コードのうちで球体の中心を超えた部分は、符号器の近くにある延長可能コードの開始部分ともはや常に同軸であるわけではないので、プローブに装着されたコード端部の３Ｄ場所を計算するのに必要とされる球面座標を生成するためには、コードが通過する球体のバレルの角度テークオフの測定を行わなければならない。
球体のバレルの角度テークオフを計算する一実施形態は、球体の円筒形窓上にパターンを埋め込み、それによって空間内のコードの平行移動に起因して球体が移動する間に、このパターンが、球体の中心の座標系に対してバレルによってもたらされるファイ及びシータの角度を模擬する方式で球体の中心の周りに回転するようにすることである。
考えられる１つのパターンは、拡張現実登録マーカに使用されるものと類似の独特な白黒タグパターンを盤の各正方形内に有するチェッカー盤である。独特なチェッカー盤は、その１つのマス目が原点であり、各正方形が既知のサイズの１つの単位を表すように設定されたｘ−ｙ座標系を有する。
ソケット内に埋め込まれ、球体の中心とソケットのプレビュー窓の両方と同心状に位置付けられた光センサは、ソケットのプレビュー窓を通じて見ることができる全体パターンの観察可能部分を記録する。光センサは、コンピュータビジョンアルゴリズムを利用してチェッカー盤パターンの可視な全てのマス目を検出し、各可視正方形の痕跡を識別し、全体パターンの範囲にある各正方形の既知の場所を参照する処理ソフトウエアに画像フレームを伝達する。画像フレーム内のピクセルは、パターン面の可視正方形のうちの１つの既知の辺長に関してピクセルとミリメートルの間の比を計算することによってミリメートル又はいずれかの他の物理単位に変換される。画像フレームの中心は、球体の中心を表している。
次いで、アルゴリズムは、独特なパターンに沿って画像の中心の絶対場所を計算し、物理的パターンユニット内で正確な場所を識別する。有効画像フレーム内の現在の画像中心と、バレルがソケットの側窓と同心状にあり、ゼロシータをもたらす時に画像中心に登録するパターン面上の場所との間の円弧長を識別することによって画像中心の垂直の場所を用いてバレルのシータが計算される。この円弧長入力は、球体の中心に関するパターン面の既知の半径と組み合わされ、次いで、円弧セクションの角度を推定する円弧長公式を用いてシータが計算される。バレルのシータ角は、バレルの上下の運動を表している。
これに加えて、画像中心に最も近いチェッカー盤のマス目と、この第１のマス目に最も近く、パターンの座標系において互いに垂直に一直線上のマス目との間のベクトルが計算される。第２のベクトルは、画像中心を通過する画像の垂直軸に沿って計算される。これらのアルゴリズムは、これら２つのベクトルのクロス積の逆余弦を計算することによって２つのベクトルの間の相対角度を計算し、この計算は、公知の幾何学公式を用いていくつかの異なる手法で行うことができる。これらのベクトルの間の角度は、バレルの左右の運動を示すバレルのファイ角に対応する。独特なパターン上の画像中心の場所と、光センサに対するパターンの姿勢とによってバレルのファイ及びシータを計算した後に、システムは、次に、球面座標公式を用い、かつ球体の中心を通り過ぎて存在するコードの入力長さを所与として、プローブ先端に嵌合するコード端部の場所を計算する。プローブシャフト上に既知の計算された３Ｄ場所を有する２つのコード固定点を所与として、システムは、これら２つの固定マウントの間の３Ｄベクトルを計算することができ、次いで、プローブの既知の寸法を所与として、プローブ先端の３Ｄ場所を推定し、プローブ先端とこの３Ｄ線の間のオフセットを計算する。
プローブに装着された第２の延長可能コード端部の３Ｄ場所を計算するために、同じく埋め込みパターンと光センサとの組合せを有する第２のボール−及び−ソケット対に対して同じ処理が繰り返される。電気機械３Ｄ追跡システムの一実施形態は、ボールの回転中心を横断する延長可能コードの移動に対応するボールの球面回転を測定するために光センサを使用する段階を含む。カメラに対して観察可能なパターンはボールの中心の上方にあるように位置合わせされた状態にあるので、バレルがボールの球面座標系のファイ平面内で左右に平行移動すると埋め込みパターンも同じ角度だけ回転する。従って、システムは、球面座標でのバレルのファイ角を計算するために光センサに対するパターンの角度を測定する。図２３Ａ〜図２３Ｃに示す電気機械３Ｄ追跡システムの一部の実施形態は、図２７Ａ〜図２７Ｄに示す（かつ図２３Ｃの２３８３に関して解説した）ボール面上に埋め込まれた独特なパターンの使用を伴う可能であり、この場合に、ボール−及び−ソケットの移動は、画像センサに対するボール装着パターンの回転及び相対場所を解釈する光センサによって感知される。独特なパターンは、システムのコンピュータビジョンアルゴリズムがグリッドベースのパターンの座標系に関する画像センサの絶対中心位置を計算することを可能にする。このシステムは、球面座標においてボールのファイ移動とシータ移動とを測定する。上述のパターンは、その面上の絶対位置を計算する機能をシステムに与えるので、コンピュータマウスに使用される典型的な光センサとは異なり、このシステムは、画像フレームが失われた場合又はいずれかの理由によって計算することができない場合にパターンに関する位置の認識を失うことはない。バレルのファイ回転２７１０、ボール２７０５、及びパターン２７０１が示されている。
図２７Ｂを及びバレルのシータ回転２７１５を参照すると、電気機械３Ｄ追跡システムの一実施形態は、ボールの回転中心を横断する延長可能コードの移動に対応するボールの球面回転を測定するために光センサを使用する段階を伴う。バレルがボールの球面座標系のシータ平面内で垂直に上下に平行移動する時にボールはｙ軸線の周りに回転するので、埋め込みパターンは、画像センサの中心から離れるように平行移動する。その後に、システムは、グリッド座標系に関する画像中心の場所を測定し、グリッドの垂直部分に沿う平行移動を計算し、次いで、ボール中心とパターン面の間の既知の半径を用いて球面座標でのバレルのシータ角２７１５を計算する。
図２７Ｃ〜図２７Ｄを参照すると、画像中心に最も近いチェッカー盤のマス目と、この第１のマス目に最も近く、パターンの座標系において互いに垂直に一直線上のマス目との間のベクトルが計算される。第２のベクトルは、画像中心を通過する画像の垂直軸に沿って計算される。これらのアルゴリズムは、これら２つのベクトルのクロス積の逆余弦を計算することによって２つのベクトルの間の相対角度を計算し、この計算は、公知の幾何学公式を用いていくつかの異なる手法で行うことができる。この角度は、グリッド軸線２７２１ａ及びカメラ軸線２７１９ａの各々から１のベクトルを用いて計算され、ゼロファイ角に最も近い角度を有する２つのベクトルが選択される。これらのベクトルの間の角度は、バレルの左右の運動を示すバレルのファイ角に対応する。独特なパターン上の画像中心の場所と光センサに対するパターンの姿勢とによってバレルのファイ及びシータを計算した後に、システムは、次に、球面座標公式を用い、球体の中心を通り過ぎて存在するコードの入力長さを所与として、プローブ先端に嵌合するコード端部の場所を計算する。バレルのシータ角は、バレルの上下の運動を表している。システムアルゴリズムは、独特なパターンに沿う画像の絶対中心場所を計算し、物理的パターンユニット内で正確な場所を識別する。最初にカメラ軸線２７１９ｂに関するグリッド軸線２７２１ｂの回転、次いで、画像中心２７２２が識別される。次いで、グリッド軸線原点と画像センサの間のベクトルの投影長さが計算される。この円弧長入力は、球体の中心に関するパターン面の既知の半径と組み合わされ、次いで、円弧セクションの角度を推定する円弧長公式を用いてシータが計算される。
図２３Ａ〜図２３Ｃに示す電気機械３Ｄ追跡システムの別の実施形態は、図２８Ａに示す構成要素から構成されるシステムを含むことができ、この場合に、バレルの移動に起因してボールが回転する時に画像センサに対するボール面の相対平行移動を解釈する光センサによってボール−及び−ソケット移動が感知される。このシステムは、球面座標においてボールのファイ移動とシータ移動とを測定する。システム２８００は、コードの長さを測定する符号器実施形態と、ボールの中心を通り過ぎたコードに関するコード軌道の測定を可能にする２つのボール−及び−ソケットアセンブリと、ボールの球面回転を計算するために画像センサに対するボール面の平行移動を測定するためのボール−及び−ソケットアセンブリ毎に２つの光センサと、空間内の３Ｄ追跡される延長可能コードをリンクする１つのプローブアセンブリとを含み、３Ｄ点を取得するための手段をユーザに提供することができる。例えば、システム２８００は、プローブ先端２８０３を有するプローブ２８０２と、コード２８０４、２８０５と、ボール−及び−ソケット２８０９、２８１５と、光学的に結合されたセンサ及び処理基板２８０７、２８１３、２８１９、及び２８２１と、結合された符号器２８１１、２８１７と、データ取得マイクロコントローラ２８２３、２８２５と、データストレージ及処理ソフトウエアを有するコンピュータシステム２８２７とを含む結合構成要素を含むことができる。
各ボール−及び−ソケット実施形態に対して、１つの符号器実施形態と２つの光センサ実施形態とが存在する。延長可能コードは、ボールの中心に位置付けられたバレルを半径方向に通してプローブに接続され、バレルが延長可能コードの場所に従うことを可能にする。バレルはボールの中心に固定され、ボールの回転軸線は、ソケット上のスロット内に着座するロッドによって固定されるので、ボールは、バレルの軸線の周りに半径方向に回転することができず、バレルは、プローブの場所を追跡することができる。ソケット内のボールの回転の測定は、３次元空間を通じてプローブを移動する時にバレルの角度テークオフの計算を可能にする。コード長は、図１６に上述したように回転符号器によって測定されるが、引き伸ばしたコードの長さを検出するのに他のセンサを使用することができる。コード長及び角度テークオフの測定は、球面座標系でのプローブの３次元場所を計算するほど十分なデータを与える。
角度テークオフを計算するのに使用される測定システムの一実施形態は、ボール−及び−ソケットに対して直角に、更に互いに直交するように向けられ、各々がボールシステムのシータ及びファイの球面座標面に登録された１対の光センサである。
一実施形態では、光放出デバイスが有限スペクトル内の光を放出し、この光はボールの面から反射されて光検出器アレイを通じて電気信号に変換される。変換されたデータは、次いで、光検出器アレイデータをカメラに対するボール面の平行移動変化に変換するアルゴリズムを用いて処理される。データ取得コンピュータシステムが、平行移動データを直交座標から球面座標に変換し、その後に、感知されているボールの既知の半径に基づいて球体のシータ回転及びファイ回転を計算する。システムの一実施形態は、レーザダイオード及びフォトダイオードアレイ、光放出ダイオード及びフォトダイオードアレイ、及び／又は撮像センサを含むことができる。ボールの円筒形窓上に位置付けられたパターン又は画像は、光学信号のコントラスト、反射率、感度を高め、更に、高いＳＮ比を発生させ、シータとファイとの球面座標の計算の精度を高めることになる。このパターン又は画像は、パターン及び／又は色の反復変化を含むことができ、光放出デバイスと光検出器アレイの間の光学結合を最大に強める反射面を用いて製造することができる。
別の実施形態は、製造工程中にボール面上にエッチングされた面パターンを含み、この面パターンは、画像センサに対するボール面のごく僅かな平行移動変化に対する光学信号の感度を高める。
一部の実施形態は、ボール面に対していずれかの可能な有限光スペクトルの照明を供給する追加の光源を伴う場合があり、このスペクトルからのある一定の光源周波数は、システムが回転変化の高分解能感知を有するが、実際には発生しておらずにむしろ光学ノイズのアーチファクトである移動を誤って推定しないための最適な感度を与える。
図２８Ｂは、本明細書に開示するシステムのうちのいずれかのものの作動構成要素及び処理構成要素に向けて構成されたコンピュータシステム２８２９を示している。例えば、一部の実施形態では、コンピュータシステム２８２９は、図２４〜図２６及び図２８Ａを含むがこれらに限定されない本明細書での図のうちの１又は２以上に示すシステムのうちのいずれかのものの１又は２以上のソフトウエアモジュールのコンピュータ実行可能コードを作動させる及び／又は処理することができる。一部の実施形態では、システム２８２９は、少なくとも１つのプロセッサ２８３２を含む少なくとも１つのコンピュータデバイスを含むことができる。一部の実施形態では、少なくとも１つのプロセッサ２８３２は、１又は２以上のサーバプラットフォームに存在するか又はそれに結合されたプロセッサを含むことができる。一部の実施形態では、システム２８２９は、少なくとも１つのオペレーティングシステム２８４０を処理することができる少なくとも１つのプロセッサ２８３２に結合されたネットワークインタフェース２８５０ａとアプリケーションインタフェース２８５０ｂとを含むことができる。更に、少なくとも１つのプロセッサ２８３２に結合されたインタフェース２８５０ａ、２８５０ｂは、ソフトウエアモジュール（例えば、エンタープライズアプリケーションなど）のうちの１又は２以上を処理するように構成することができる。一部の実施形態では、ソフトウエアモジュール２８３８はサーバベースのソフトウエアを含むことができ、及び／又は少なくとも１つのユーザアカウント及び／又は少なくとも１つのクライアントアカウントをホストするように作動させることができ、少なくとも１つのプロセッサ２８３２を用いてこれらのアカウントのうちの１又は２以上の間でデータを伝達するように作動する。
上述の実施形態を念頭に置き、本発明は、コンピュータシステムに格納されたデータを含む様々なコンピュータ実装作動を使用することができることを理解しなければならない。更に、システム２８２９を通じて上述したデータベース及びモデルは、解析モデル及び他のデータをシステム２８２９内のコンピュータ可読ストレージ媒体及びシステム２８２９に結合されたコンピュータ可読ストレージ媒体上に格納することができる。更に、上述した２８２９システムのアプリケーションは、システム２８２９内のコンピュータ可読ストレージ媒体及びシステム２８２９に結合されたコンピュータ可読ストレージ媒体上に格納することができる。これらの作動は、物理量の物理的操作を必要とするものである。必ずしもそうではないが通常は、これらの量は、格納する、伝達する、組み合わせる、比較する、及び別途操作することができる電気信号、電磁信号、又は磁気信号の形態、光学形態又は光磁気形態を取る。本発明の一部の実施形態では、システム２８２９は、少なくとも１つのデータソース２８３７ａ、少なくとも１つのデータストレージデバイス２８３７ｂ、及び／又は少なくとも１つの入力／出力デバイス２８３７ｃに結合された少なくとも１つのコンピュータ可読媒体２８３６を含むことができる。一部の実施形態では、本発明は、コンピュータ可読媒体２８３６上にコンピュータ可読コードとして実施することができる。一部の実施形態では、コンピュータ可読媒体２８３６は、コンピュータシステム（システム２８２９など）によって後に読み取ることができるデータを格納することができるあらゆるデータストレージデバイスとすることができる。一部の実施形態では、コンピュータ可読媒体２８３６は、望ましい情報、データ、又は命令を有形的に格納するために使用することができ、かつコンピュータ又はプロセッサ２８３２がアクセス可能なあらゆる物理媒体又は材料媒体とすることができる。一部の実施形態では、コンピュータ可読媒体２８３６は、ハードドライブ、ネットワーク接続ストレージ（ＮＡＳ）、読取専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、フラッシュベースのメモリ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ、磁気テープ、他の光学的及び非光学的データストレージデバイスを含むことができる。一部の実施形態では、ルータ、非公開又は公開のネットワーク、又は他の送信デバイス又は有線と無線の両方のチャネルを含む様々な他の形態のコンピュータ可読媒体２８３６は、コンピュータ２８４０及び／又は少なくとも１人のユーザ２８３１に命令を伝達又は搬送することができる。一部の実施形態では、ソフトウエアモジュール２８３８は、データをデータベース（例えば、データベースを含むことができるデータソース２８３７ａ及びデータストレージ２８３７ｂを含むコンピュータ可読媒体２８３６）に送信するかつそこから受信することができ、更にデータは、ソフトウエアモジュール２８３８が少なくとも１つの他のソースから受信することができる。一部の実施形態では、ソフトウエアモジュール２８３８のうちの少なくとも１つを少なくとも１つのデジタルディスプレイ上にレンダリングされた少なくとも１つのグラフィカルユーザインタフェースを通じてデータを少なくとも１人のユーザ２８３１に出力するようにシステム内で構成することができる。
本発明の一部の実施形態では、コンピュータ可読媒体２８３６は、ネットワークインタフェース２８５０ａを通じて従来のコンピュータネットワーク上で分散させることができ、この場合に、コンピュータ可読コードによって実施された２８２９システムは、分散方式で格納及び実行することができる。例えば、一部の実施形態では、ローカルエリアネットワーク（「ＬＡＮ」）２８３９ａ及び／又はインターネット結合ネットワーク２８３９ｂ（例えば、無線インターネットなど）を通じてデータを送信及び／又は受信するようにシステム２８２９の１又は２以上の構成要素を結合することができる。一部の更に別の実施形態では、ネットワーク２８３９ａ、２８３９ｂは、広域ネットワーク（「ＷＡＮ」）、直接に接続（例えば、ユニバーサルシリアルバスポートを通じた）、又は他の形態のコンピュータ可読媒体２８３６、又はその組合せを含むことができる。
一部の実施形態では、ネットワーク２８３９ａ、２８３９ｂの構成要素は、例えば、デスクトップコンピュータ及び／又はラップトップコンピュータ、又はＬＡＮ２８３９ａを通じて結合されたいずれかの固定の一般的に移動不能なインターネット電化製品を含むパーソナルコンピュータのようないずれかの個数のユーザデバイスを含むことができる。例えば、一部の実施形態は、管理者を含むいずれかのタイプのユーザに向けて構成することができるＬＡＮ２８３９ａを通じて結合されたパーソナルコンピュータ２８４０ａを含む。他の実施形態は、ネットワーク２８３９ｂを通じて結合されたパーソナルコンピュータを含むことができる。一部の更に別の実施形態では、インターネットネットワーク（例えば、ネットワーク２８３９ｂなど）を通じてデータを送信又は受信するようにシステム２８２９の１又は２以上の構成要素を結合することができる。例えば、一部の実施形態は、少なくとも１つのエンタープライズアプリケーション２８３８を含むシステムの１又は２以上のソフトウエアモジュールに入力及び出力（「Ｉ／Ｏ」）デバイス２８３７ｃを通じて無線結合されてアクセスする少なくとも１人のユーザ２８３１を含む。一部の他の実施形態では、システム２８２９は、エンタープライズアプリケーション２８３８にアクセスするために少なくとも１人のユーザ２８３１をＬＡＮ２８３９ａを通じ、Ｉ／Ｏデバイス２８３７ｃを通じて結合することを可能にすることができる。一部の実施形態では、ユーザ２８３１は、デスクトップコンピュータ及び／又はラップトップコンピュータ又はインターネット２８３９ｂを通じて結合されたいずれかの固定の一般的に移動不能な電化製品を用いてシステム２８２９に結合されたユーザ２８３１ａを含むことができる。一部の更に別の実施形態では、ユーザ２８３１は、システム２８２９に結合されたモバイルユーザ２８３１ｂを含むことができる。一部の実施形態では、ユーザ２８３１ｂは、携帯情報端末、及び／又はセルラー電話、携帯電話、又はスマート電話、及び／又はポケットベル、デジタルタブレット、及び／又は固定又可動のインターネット電化製品を含むがこれらに限定されず、システム２８２９に無線結合されたいずれかのモバイルコンピュータデバイス２８３１ｃを使用することができる。
本発明の一部の実施形態では、システム２８２９は、１又は２以上のユーザ２８３１が、システム２８２９の上で作動する１又は２以上のエンタープライズアプリケーション２８３８からデータを受信し、解析、入力、修正、生成してこれらのアプリケーションに送信することを可能にすることができる。一部の実施形態では、１又は２以上のプロセッサ２８３２上で作動する少なくとも１つのソフトウエアアプリケーション２８３８をネットワーク２８３９ａ、２８３９ｂを介し、インターネット２８３９ｂを通じた通信に向けて結合されるように構成することができる。一部の実施形態では、ネットワーク２８３９ａ、２８３９ｂの有線又は無線で結合された１又は２以上の構成要素は、データ格納のための１又は２以上のリソースを含むことができる。例えば、一部の実施形態では、このリソースは、情報を格納するためのコンピュータ可読媒体２８３６に加えていずれかの他の形態のコンピュータ可読媒体を含むことができ、更に１つの電子デバイスから別の電子デバイスに情報を通信するためのいずれかの形態のコンピュータ可読媒体を含むことができる。
図２９Ａ〜図２９Ｂは、本発明の一部の実施形態による追跡される動的座標系を備えたスクリュー−ヘッド−登録スクリュードライバを示している。図２９Ｃは、本発明の一部の実施形態による図２９Ａ〜図２９Ｂのスクリュードライバのスクリュードライバヘッド及び押下可能先端２９５７の拡大斜視図を示している。更に、図２９Ｄは、本発明の一部の実施形態によるスクリュードライバ−スクリューインタフェースの断面図を示している。図２９Ａ〜図２９Ｂは、１）スクリューの位置及び姿勢を示す、２）１）を行うためにスクリュードライバインタフェース内に完全に係合する、３）ツールの２９５７から延び、ツールが嵌合スクリューと完全に係合した時に作動される追跡される可動漂遊マーカに結合された押下可能摺動シャフトによってツールが完全に係合した時を信号送信するという３つの機能を提供するツールを表示している。本発明の全体的な目的は、この追跡されるツールによってスクリューの場所及び姿勢を識別することであり、ツールがスクリューと完全に係合した時を取得システムに示すために追跡される可動漂遊マーカを通じたトリガシステムを有する。このツール及び他の実施形態は、スクリュー内に着座し、スクリューヘッドとのツールのインタフェースを阻害するロッドが存在しない時に適用することができる。図示のように、ツールは、追跡されるＤＲＦ２９２９（２９３０マーカを有する）と、スクリュー−ヘッド−登録スクリュードライバ２９１０と、追跡される可動漂遊マーカ（非押下状態にある）２９４５と、ハンドル２９４０と、スクリュードライバヘッド２９５０と、押下可能摺動シャフト（非押下状態にある）２９５７と、有茎スクリュー２９６０と、２９３５結合器とを含むことができる。
このツール（スクリュードライバ）２９００は、スクリューを締め付けることと緩めることの両方のためにスクリューのヘッドに係合することができるが、スクリューヘッド内に完全に係合した時に、ツールのシャフトがスクリュー２９６０のシャフトに対する１つの方位に固定されるように有茎スクリュー２９６０にインタフェースするように設計される。このようにして、このツール２９００を用いてスクリューヘッド２９５０にアクセスするだけでスクリュー２９６０の場所と姿勢の両方を迅速に登録することができる。図示のように、追跡される可動漂遊マーカ２９４５は、非押下状態、従って、非係合状態にあるスクリュードライバ押下可能シャフト２９５７に対応する位置にある。この実施形態は、図１０Ａ〜図１０Ｇに関して上述した押下可能先端２９５７によって追跡される可動マーカ２９４５を作動させるものと類似の設計を有する。ツールの押下可能先端２９５７及びスクリューヘッドインタフェース構成要素が多くの異なる実施形態を有することができることに注意しなければならない。
一部の実施形態では、摺動シャフト（先端２９５７）は、ツール又はスクリュードライバのシャフト内に常に留まるように構造化することができ、スクリュー２９６０のヘッドは、スクリュードライバの内側摺動シャフトを偏向させる中心突起を有するように設計される。このようにして、摺動シャフトの先端２９５７は、シャフトの内側に嵌合することができないいずれの物体によっても作動させることができない。追跡される可動漂遊マーカ２９４５が作動されると、取得システムのソフトウエアがこのマーカの運動を検出し、マーカがスクリューヘッドと完全に係合している時又は部分的に係合している時を下記で図６３を参照してより詳細に説明するようにツール及びインタフェーススクリューの既知の幾何学形状によって区別することができる。追跡される可動漂遊マーカ２９４５の運動は、直線的なもの、回転的なもの、又はこれらのあらゆる組合せとすることができることに注意しなければならない。更に、追跡される可動漂遊マーカの運動を検出する機構は、図１４に関して上述した摺動シャフトの作動によって特定の漂遊マーカを遮蔽し、露出させる段階で構成することができる。更に、スクリュードライバヘッドの設計は、このヘッドが、完全に係合した時に１つの方位しか達成することができないようにスクリュー２９６０と機械的に結合することになることを保証することを可能にする構成要素を更に有するようなものとすることができる。一部の実施形態では、このようにして係合することを支援する構造体は、拡大するスクリュードライバヘッド、スクリュードライバヘッドがスクリューヘッドに位置合わせすることを支援する深度ストップフランジ、及びスクリュードライバシャフトがヘッド内に完全に着座した時に１つの方位に固く係合することを保証する深めのスクリューヘッドを有するように設計されたスクリューを含むがこれらに限定されない。これに加えて、表示される追跡されるＤＲＦ２９２９の場所はＤＲＦを剛的に取り付ける唯一の方式ではないので、ＤＲＦは、剛的に取り付けることができる限り手術ツールスクリュードライバ上のどこにでも配置することができ、調節可能継手の上にさえも配置することができることに注意しなければならない。
図２９Ｂは、この画像ではツール２９００がスクリューヘッド２９５０と完全に係合し、完全に着座していることを取得ソフトウエアシステムに示すために追跡される可動漂遊マーカ２９４５の新しい位置を強調表示し、この位置からスクリュー２９６０のシャフトの場所及び姿勢を計算することができることを除き、図２９Ａを参照して示したツールの別の実施形態を表示している。
図２９Ｃは、本発明の一部の実施形態による図２９Ａ〜図２９Ｂのスクリュードライバ２９００のスクリュードライバヘッド２９０９及び押下可能先端２９５０の拡大斜視図を示しており、上述の押下可能摺動シャフト２９５７（非押下状態にある）を示している。図２９Ｃは、図２９Ａ〜図２９Ｂに関して上述したスクリュードライバツール２９００のスクリュードライバヘッド２９５０及び押下可能先端２９５７のより詳細な斜視図、及び有茎スクリューヘッド２９６０とのこのツールのインタフェースを示している。この図では、スクリュードライバとスクリューヘッドとのインタフェース、並びに非押下状態に示す押下可能先端２９５７を見ることができる。他の実施形態は、スクリュードライバヘッド内に含まれる押下可能摺動シャフトを含む。このバネ装荷式押下可能シャフトは、スクリューヘッド内の雄の突起がスクリューヘッドに同軸に係合する時にのみ係合することができ、次いで、シャフトは押し上げられてシャフトに取り付けられたＴＭＳＭを作動させ、３Ｄ追跡されるツールとスクリューとが係合したこと、及びそれによって３Ｄ空間内で登録する準備が整ったことが信号送信される。
図２９Ｄは、本発明の一部の実施形態によるスクリュードライバ−スクリューインタフェースの断面図を示しており、押下可能摺動シャフト先端（部分押下状態にある）２９６５を示している。この図に示すように、追跡される可動漂遊マーカ２９４５は追跡されるＤＲＦに対して完全には作動されないことになるので、スクリュードライバは、それが完全に係合したことを取得システムに信号送信することにはならない。
一部の実施形態では、追跡されるＤＲＦは、ツールのシャフトに剛的に取り付けなくてもよく、ツールシャフトの周りに回転することを許す（例えば、ベアリングでリンクする）ことができる。この図面に簡単に示すように、ＤＲＦが邪魔をすることでユーザに対してこのツールを使用するのが非常に困難になる。この設計の他の実施形態では、追跡されるＤＲＦが異なる手法でスクリュードライバに位置付けられ、それと共に取り付けられることに注意しなければならない。例えば、一部の実施形態では、追跡されるＤＲＦは、スクリュードライバシャフトの長軸線の周りに回転することが許されるようにベアリングを通じてスクリュードライバシャフトに結合される。他の実施形態では、追跡されるＤＲＦは、それがスクリュードライバシャフト軸線の周りに回転することを可能にするためにベアリングを用いて又は用いずにハンドルの上方に位置決めされる。
一部の実施形態では、有茎スクリュー挿入キャップが、一連の追跡される３Ｄマーカをスクリュー上のチューリップヘッドのヘッドに取り付けることができる。このようにして、マーカがカメラの視線内にある時には必ずチューリップヘッドを３Ｄ空間内で追跡することができ、マーカの空間内位置を登録するのにプローブがマーカにインタフェースする必要はない。図３０Ａは、この取得マーカ及び本明細書にわたるあらゆる追跡されるマーカに対する取得デバイスとして使用することができる光学３Ｄ追跡システム３０００を表示している。図３０Ｂは、有茎スクリュー２９６０のチューリップヘッド２９５５に剛的に装着される嵌合機構３０６０を備えた追跡されるＤＲＦ３０７０を表示している。スクリュー２９６０に取り付けられたこの追跡される座標系３０７０を用いて、それが３Ｄ追跡カメラの視線内の限り、有茎スクリュー２９６０の場所を空間内で追跡することができる。ＤＲＦ３０７０とチューリップヘッド２９５５の間のインタフェースは、下記で図３４〜図３７を参照してより詳細に説明する機構のアレイで構成することができる。
図３１は、３Ｄ追跡カメラと手術部位の間の視線遮蔽を回避するように作動する本発明の一部の実施形態による身体装着式３Ｄ追跡カメラを示している。この設計は、より大きい視野の３Ｄ追跡カメラに対して身体装着式カメラの場所及び姿勢が常に可視になり、既知であることになるので、ユーザの視野と外部３Ｄ追跡カメラとの間で情報を融合することができるように身体装着式３Ｄ追跡カメラに剛的に固定された身体装着式追跡されるＤＲＦを備えたユーザを含む。図３１は、追跡されるＤＲＦ３１１０を備えた身体装着式３Ｄ追跡センサ３１３５を表示している。この実施形態では、大きい視野のカメラの視線から一般的に遮蔽される手術部位を身体装着式３Ｄ追跡光センサによって視覚化することができる。身体装着式光センサには剛的に装着された追跡されるＤＲＦが装備されるので、より大きい視野のカメラは、３Ｄ空間内の身体装着式光センサの場所及び姿勢を登録し、これらの情報を用いてヘッドセット装着３Ｄ追跡光センサによって視覚化されたシーンを解釈し、大きい視野のカメラの座標系に対する広域座標系の動的３Ｄ縫い合わせマッピングを生成することができる。
図３２は、展性物体を手術で露出させた骨要素の上に、展性物体が露出した脊椎の輪郭に適合するように被せて配置し、次いで、この展性物体を取り外し、その輪郭を立体視カメラを含む光学系を用いて登録し、この段階で脊椎の後部要素の輪郭に対する代用物として機能する展性物体の面輪郭に関する情報から脊椎アラインメントパラメータを計算することによって脊椎の後部要素の輪郭を解釈する方法を表示している。他の関連の図（ソフトウエアアルゴリズムによって処理される展性材料の３Ｄ輪郭に関する）は、図６５Ａ〜図６５Ｅ、図６６Ａ〜図６６Ｂ、及び図６８を含む。図３２は、ソフトウエア解釈に向けて特定の脊椎レベルを登録するために展性ロッド３２１５を調節可能クリップ３２１０と共に脊椎３２３０の手術で露出させた要素の上に配置する方法３２００を表示している。ロッド３２１５が手術部位の中に挿入された後に、展性材料は、露出した脊椎要素の輪郭３２２５に適合する立体配座になる。この展性ロッドは、次いで、光学的に登録され３２４１、ロッドの３Ｄ輪郭が解釈される。展性材料の３Ｄ輪郭は、下記で図６５Ａ〜図６５Ｅ、図６６Ａ〜図６６Ｂ、及び図６８を参照して詳細に説明するソフトウエアアルゴリズムによって処理される。光学登録システム（図示せず）は、ロッドに対する回転ベースを有する深度センサアレイ、立体視ビジョンカメラ、及び立体照明系を含むがこれらに限定されず、３Ｄ面輪郭を登録するあらゆる光学系とすることができる。脊椎レベルを示す光学方法及び関連のクリップ（ａ）を用いて展性ロッドの３Ｄ輪郭を登録するための一部の実施形態に基づいて、システムは、ロッドの各解剖学的平面の脊椎アラインメントパラメータ３２５０を計算することができる。
一部の実施形態は、スクリュードライバがスクリューシャフトと同軸になるように両方のデバイスを機械的に結合する機能を与え、次いで、骨の中に固定された場合に骨構造を操作する機能を有するシャフトを剛的に操作する機能を更に有するスクリューとスクリュードライバとの組合せを含む。例えば、図３３Ａは、本発明の一部の実施形態による有茎スクリューを示しており、図３３Ｂは、本発明の別の実施形態による有茎スクリューを示している。更に、図３３Ｃは、本発明の一部の実施形態による多軸チューリップヘッドに嵌合した有茎スクリューを示しており、図３３Ｄは、本発明の一部の実施形態による図３３Ｂの有茎スクリューにインタフェースするように設計されたツールを示している。図３３Ｅは、本発明の一部の実施形態による図３３Ｄのツールと図３３Ｃのスクリューの間の結合の視覚化を示している。更に、図３３Ｆは、本発明の一部の実施形態による有茎スクリューに結合されたスクリュードライバを示しており、図３３Ｇは、本発明の一部の実施形態による図３３Ａのスクリューの上面図を示しており、図３３Ｈは、本発明の一部の実施形態による図３３Ｂのスクリューの上面図を示している。図示のように、一部の実施形態は、六角レンチインサート３３２５と、単一剛性クロスバー３３２０と、結合されたネジ付きシャフト３３０５と、湾曲スクリューヘッド３３１５とを含み、図３３Ａは、六角レンチインサート３３２５、スクリューヘッドの側壁にわたって張っているがインサートの上方にギャップを与える剛性クロスバー３３２０、ネジ付きシャフト３３０５、チューリップヘッドとの嵌合を可能にする湾曲スクリューヘッド３３１５の一実施形態を表示している。図３３Ｂは、図３３Ａに関して上記で詳細に上述したスクリューの別の実施形態を表示している。この実施形態は、異なるツールにインタフェースすることを可能にする交差する２つのクロスバー３３５０を有するスクリューヘッドを表示している。これらの図に描いたスクリューの例は、本発明の一部の実施形態を表すに過ぎないことに注意しなければならない。クロスバーは、各スクリューヘッドに対して異なる輪郭、個数、及び相対配置とすることができる。図３３Ｃは、ロッド３３７５にインタフェースするための切欠き部と、締め付けキャップを受け入れるネジ３３７０とを有する多軸チューリップヘッド３３６５に嵌合した図３３Ｂに関して上述したスクリューの実施形態を表示している。
図３３Ｄは、図３３Ｂに関して詳細に上述したスクリューにインタフェースするように設計されたツールの一実施形態を表示している。このツールは、４分の１回転によってスクリューヘッドクロスバーに係合するように設計された４つの機械的結合延長部３３９０から構成される。４分の１回転を実施した後に、ツールは、スクリューヘッド及びシャフトに剛的に固定された状態になる。スクリューの中心シャフトの端部は、図１０Ａ〜図１０Ｅ及び図２９Ａ〜図２９Ｃに関して詳細に上述した通信方法においてツールとスクリューとの完全係合を示す追跡される可動漂遊マーカ（図示せず）に結合することができる押下可能摺動シャフト３３９３を有する。このツールの先端の中心は、摺動ロッドをスクリューヘッドの剛性クロスバーを押圧するためにツールの上部（図示せず）で締め付けて下ろされるネジ付きシャフトで構成することができることに注意しなければならない。このようにして、ツールは、スクリューヘッドインタフェースにおいて高い固定強度を有する。このネジ付き中心シャフトは、スクリュードライバに装着された追跡されるＤＲＦ（図示せず）に対する追跡される可動漂遊マーカの位置を示すためにこのマーカに取り付けることができる。更に、図３３Ｅは、図３３Ｃ及び図３３Ｄに関して解説した組み合わされたスクリューとスクリュードライバの間のインタフェースの透視図を表示している。この図からは、２つの部品が互いに係合した時のネジ付きスクリューシャフト３３９１、湾曲スクリューヘッド壁３３１８と、ツールの機械的結合延長部３３９０とを見ることができる。更に、図３３Ｆは、スクリュードライバ（３３９２）及びクロスバー装備スクリュー３３９５の図３３Ｅに示したものとは異なる斜視図を表示している。この視点からは、スクリュードライバシャフトとスクリューシャフトとの同軸アラインメントが判別可能である。図３３Ｇは、図３３Ｂに関して上述したクロスバー装備スクリューの下側の図を示しており、この図は、スクリューヘッドの湾曲壁にインタフェースするチューリップヘッドの円形切欠き部３３８０を強調表示している。
一部の実施形態は、回転チューリップヘッドを有茎スクリューシャフトに対して剛的に固定し、次いで、下記で図３９Ａ〜図３９Ｆ及び図４２Ａ〜図４２Ｋを参照してより詳細に説明するように、測定デバイス及び操作デバイスがアラインメントの測定及び固定を支援するように脊椎要素に対して作用することを可能にするように有茎スクリューのチューリップヘッドと直接にインタフェースするツール又はアセンブリを含む。
図３４は、本発明の一部の実施形態による有茎スクリューにインタフェースするためのツールを示している。図３４Ａは、有茎スクリューのチューリップヘッドのネジ付きインサートと直接にインタフェースした場所の断面図を表示している。この図は、有茎スクリューシャフト３４１０（ネジは示していない）と、関連のチューリップヘッド３４２０と、インタフェースデバイスのネジ締め付けノブ３４４０と、そのスリーブ本体３４２５と、デバイス本体接続部３４３０と、スクリューヘッドに向けて剛的に押圧する突出先端３４２３と、デバイスの内側シャフトネジ３４２２とを表示している。ネジ締め付けノブ３４４０によるデバイスの締め付けは、内側シャフトネジ３４２２にチューリップヘッドネジと直接にインタフェースさせて突出先端３４２３にスクリューヘッドを押圧させる。このようにして締め付けることにより、多軸チューリップヘッドの運動が制限され、３つ全ての部品が互いに結合されるようなデバイスとチューリップヘッドと有茎スクリューの間の剛的な接続が可能になる。この図に表示するデバイス本体接続部３４３０は、下記で図３９Ａ〜図３９Ｄ、図４０Ａ〜図４０Ｃ、図４１Ｃ、及び図４２Ａ〜図４２Ｆを参照してより詳細に以下に説明するより大きいツールにインタフェースするように設計される。この図に表示する突出先端はこのデバイスの一実施形態に過ぎず、他の実施形態は、内側シャフトと同軸であるか又はそれに対して垂直であり、内側シャフトの軸線の周りの回転を可能にするリベット又は他の機構を通じて結合された円筒形押出部、球形先端、及び非剛性円筒形押出部を含むがこれらに限定されないことに注意しなければならない。
図３４Ｂ〜図３４Ｃは、有茎スクリューにインタフェースする図３４に関して上述したデバイスの非断面側面図を表示している。ロッドにインタフェースするためのチューリップヘッド切欠き部に被さって延びる側部タブ延長部３４２１を見ることができる。これらの側部タブ延長部は、デバイスとスクリューのチューリップヘッドの間の追加の剛的なインタフェースを可能にし、デバイスとチューリップヘッドとスクリューとを互いに剛的に固定することを更に支援する。
図３４Ｄは、有茎スクリューにインタフェースする図３４Ａに関して上述したデバイスの断面図を表示している。図３４Ｅは、有茎スクリューにインタフェースする図３４Ａに関して上述したデバイスの非断面レンダリング側面図を表示している。図３４Ｆは、有茎スクリューにインタフェースする図３４Ａに関して上述したデバイスの非断面レンダリング前面図を表示している。
図３５Ａ〜図３５Ｆは、回転チューリップヘッドを有茎スクリューシャフトに対して剛的に固定し、次いで、下記で図３９Ａ〜図３９Ｆ及び図４２Ａ〜図４２Ｋを参照してより詳細に説明するように、測定デバイス及び操作デバイスがアラインメント測定及び固定を支援するように脊椎要素に対して作用することを可能にするように有茎スクリューのチューリップヘッドと直接にインタフェースするように設計されたアセンブリ又はツール３５００を表示している。これは、図３４Ａ〜図３４Ｆに関して詳細に上述したものとは別の実施形態である。図示のように、ツール３５００は、有茎スクリューシャフト３５１０と、チューリップヘッド３５０３と、ドラフトシャフト前進ノブ３５４０と、スリーブ本体３５２５と、デバイス本体接続部３５３０と、突出先端３５０４と、外側シャフトネジ３５３５と、突出先端前進ノブ３５４５と、ドラフトピン３５４６と、保持リング３５０２と、拡大歯３５２７とを含む。作動時には、チューリップヘッド３５０３と直接にインタフェースした後に、ドラフトシャフト前進ノブ３５４０が、チューリップヘッドネジと直接にインタフェースするように外側シャフトネジ３５３５に拡大歯３５２７の拡大を駆動する。保持リング３５０２は、過剰応力を防止するようにデバイスの拡大を制限し、次いで、拡大した歯に対するチューリップヘッドネジによる引張力を高めるために突出先端前進ノブ３５４５を締め付けることができ、それによってデバイスとチューリップヘッドとスクリューシャフトとが互いに剛的に固定される。この図に表示されたデバイス本体接続部３５３０は、下記で図３９Ａ〜図３９Ｆ及び図４２Ａ〜図４２Ｋを参照してより詳細に以下に説明するより大きいツールにインタフェースするように設計される。
図３５Ｂは、有茎スクリューにインタフェースする図３５Ａに関して上述したデバイスの非断面前面図を表示している。この図では、ロッドにインタフェースするためのチューリップヘッド切欠き部に被さって延びる側部タブ延長部３５２９を見ることができる。これらの側部タブは、デバイスとスクリューのチューリップヘッドの間の追加の剛的なインタフェースを可能にし、デバイスとチューリップヘッドとスクリューとを互いに剛的に固定することを更に支援する。図３５Ｃは、有茎スクリューにインタフェースする図３５Ａに関して上述したデバイスの非断部斜視図を表示している。図３５Ｄは、有茎スクリューにインタフェースする図３５Ａに関して上述したデバイスの断面レンダリング図を表示している。図３５Ｅは、有茎スクリューにインタフェースする図３５Ａに関して上述したデバイスの非断面レンダリング前面図を表示している。図３５Ｆは、本発明の一部の実施形態による有茎スクリュー又はチューリップヘッドが結合されていない図３５Ａ〜図３５Ｅのツールの拡大斜視図を示している。図３５Ｆは、インタフェースする有茎スクリュー及びチューリップヘッドがない図３５Ａに関して上述したデバイスの非断面レンダリング前面図を表示している。この図では、拡大歯と側部タブ延長部とがより明確に可視である。
一部の更に別の実施形態は、回転チューリップヘッドを有茎スクリューシャフトに対して剛的に固定し、次いで、下記で図３９Ａ〜図３９Ｆ及び図４２Ａ〜図４２Ｋを参照してより詳細に説明するように、測定デバイス及び操作デバイスがアラインメントの測定及び固定を支援するように脊椎要素に対して作用することを可能にするように４分の１回転によって有茎スクリューのチューリップヘッドと直接にインタフェースすることができるツール又はアセンブリを含む。これは、図３４〜図３４Ｆ及び図３５Ａ〜図３５Ｆに関して詳細に上述したものとは別の実施形態である。例えば、図３６Ａは、４分の１回転機構によって有茎スクリューのチューリップヘッドのネジ付きインサートと直接にインタフェースするための本発明の一実施形態の断面図を表示している。この図は、有茎スクリューシャフト３６１０（ネジは示していない）と、関連のチューリップヘッド３６２０と、４分の１回転ノブ３６３５と、そのスリーブ本体３６４０と、デバイス本体接続部３６４５と、スクリューヘッドに向けて剛的に押圧する突出先端３６５０と、突出先端前進ノブ３６３７と、側部タブ延長部３６９５と、４分の１回転保持器３６９９とを表示している。ネジが係合しないようにデバイスをチューリップヘッド内に挿入した後に、４分の１回転ネジをチューリップヘッドのネジに係合するために４分の１回転ノブが９０度回転される。９０度回転した後には４分の１回転保持器が余剰回転を防止し、突出先端前進ノブを締め付けることによってネジに対する引張力を高める前にネジが係合することを保証する。突出先端前進ノブを締め付けることにより、突出先端は、スクリューのヘッドに対して直接に駆動され、４分の１回転ネジに対する引張力が高まり、それによって多軸チューリップヘッドから公差が取り除かれる。このようにしてこのデバイスは、チューリップヘッドとスクリューシャフトとを互いに剛的に固定する。この図に表示するデバイス本体接続部は、下記で図３９Ａ〜図３９Ｆ及び図４２Ａ〜図４２Ｋを参照してより詳細に以下に説明するより大きいツールにインタフェースするように設計される。
図３６Ｂは、有茎スクリューにインタフェースする図３６Ａに関して上述したデバイスの非断面前面図を表示している。この図では、図３５Ｂに関して詳細に上述した側部タブ延長部３６９５がより明確に可視である。更に、この図では、図３６Ａに関して詳細に上述した４分の１回転保持器３６９９がより明確に可視であるようになっている。更に、図３６Ｃは、有茎スクリューにインタフェースする図３６Ａに関して上述したデバイスの非断面側面図を表示しており、図３６Ｄは、有茎スクリューにインタフェースする図３６Ａに関して上述したデバイスの非断部斜視図を表示している。図３６Ｅは、有茎スクリューにインタフェースする図３６Ａに関して上述したデバイスの非断部斜視図を表示しており、図３６Ｆは、有茎スクリューにインタフェースする図３６Ａに関して上述したデバイスの断面レンダリング図を表示している。この図は、チューリップヘッドネジに係合した４分の１回転ネジを表示している。図３６Ｇは、有茎スクリューにインタフェースする図３６Ａに関して上述したデバイスの断面レンダリング図を表示している。この図は、チューリップヘッドネジから切断された４分の１回転ネジを表示している。図３６Ｈは、チューリップヘッド（有茎スクリューシャフトは示していない）にインタフェースする図３６Ａに関して上述したデバイスの非断面レンダリング側面図を表示している。図３６Ｉは、チューリップヘッド（有茎スクリューシャフトは示していない）にインタフェースする図３６Ａに関して上述したデバイスの非断面レンダリング前面図を表示している。
一部の実施形態は、チューリップヘッドに剛的に接続され、多軸チューリップヘッドと有茎スクリューの間の公差を取り除き、それによって椎骨又はスクリューが中に挿入される他の骨生体構造に機械的にリンクされるように２つの埋め込み有茎スクリューと直接にインタフェースするためのデバイスを含む。明瞭化のために、図３７Ａ〜図３７Ｇは、図３９Ａ〜図３９Ｆ及び図４２Ａ〜図４２Ｋを参照してより詳細に説明するように、このデバイスが脊椎要素を操作又は保持しながらユーザに定量的データを提供することを可能にするためにこのデバイスに取り付けることができる追跡されるＤＲＦ及びトリガ機構を含まない。図３７Ａ〜図３７Ｇのアセンブリを含む本発明の実施形態は、締め付けノブ３７４０、ハンドル３７０５、幅−調節機構３７０７、ガイドレール（×２）３７２３、チューリップヘッド側部支持台３７２７、足板３７１０、及び／又はクランプ解除レバー３７５０を含む結合された様々な構成要素を含むことができる。例えば、図３７Ａは、脊椎又は他の骨要素の中に既に埋め込まれた２つのスクリューを剛的にインタフェースするように設計された本発明の一実施形態の背面図を表示している。この実施形態には、締め付けノブ３７４０と、ハンドル３７０５と、幅−調節機構３７０７と、２つのガイドレール３７２３と、チューリップヘッドの側壁に近いチューリップヘッド支持台３７２７と、チューリップヘッドの下で摺動する足板３７１０と、クランプ解除レバー３７５０とが装備される。下記で図３９Ａ〜図３９Ｆ及び図４２Ａ〜図４２Ｋを参照して詳細に説明するように使用中にツールの位置及び運動の評価を行うためにデバイスに付加することができる追跡されるＤＲＦ及び追跡される漂遊マーカを示していない（明瞭化の目的で）。更に、図３７Ｂは、図３７Ａに上述した本発明の一実施形態の前面図を表示している。この視点からは、ハンドルとチューリップヘッド側部支持台の間の距離を調節するのに使用される幅調節ノブ３７０９を見ることができる。この視点は、チューリップヘッド側部支持台を互いに引き寄せるか又は遠ざけることを可能にする幅−調節機構の正面透視図も提供している。更に、一部の実施形態は、スクリューヘッドインタフェース突起３７６０とクランプ３７４９とを含む。例えば、図３７Ｃは、閉鎖位置にある図３７Ａに上述した本発明の一実施形態の斜視図を表示している。この視点からは、スクリューヘッドインタフェース突起３７６０と、デバイスを有茎スクリューに確実に締結するのに使用されるクランプ３７４９と、チューリップヘッドの下で摺動する足板３７１０とを見ることができる。この視点は、ハンドルとスクリューインタフェースアームとを接続するガイドレール３７２３のより明確な視点を表示する。更に、図３７Ｅは、開放位置にある図３７Ａに上述した本発明の一実施形態のレンダリング斜側面図を表示しており、図３７Ｄは、閉鎖位置にある図３７Ａに上述した本発明の一実施形態の側部斜視図を表示している。この視点からは、バネ３７２８と、その圧壊位置にある中心上方バネ構造体３７３２とを見ることができる。
図３７Ｆは、閉鎖位置にある図３７Ａに上述した本発明の一実施形態のレンダリング斜側面図を有茎スクリューシャフト３７９０（ネジは示していない）に取り付けられたチューリップヘッド３７７０と片側でインタフェースするデバイスの詳細図で表示している。この視点からは、スクリューに係合するスクリューヘッドインタフェース突起が見え、足板がチューリップヘッドを上方に引っ張る間にスクリューヘッドを締め付けて下ろすように駆動することによって多軸チューリップヘッドと有茎スクリューシャフトの間の公差が縮小されてこれら３つの構造体の間の剛的な固定がもたらされる。スクリューヘッドインタフェース突起の設計及び幾何学形状は、円筒形押出部、球形ヘッド、及びピボットレバーアームを含むがこれらに限定されない一部の実施形態を有することができることに注意しなければならない。
図３７Ｇは、図３７Ａに上述した本発明の一実施形態のレンダリング底面図を表示している。この視点は、ガイドレールの可視性を支援するための幅−調節機構と、チューリップヘッド側部支持台とスクリューヘッドインタフェース突起の間にトルクを印加することを可能にするためのガイドレールの切除溝とを含まない。この図では幅−調節機構が示されていないので、ハンドルは、デバイスの２つのスクリューヘッドインタフェース構成要素の間の中心にないことに注意しなければならない。上述のこのデバイスの他の実施形態では、ハンドルがスクリューヘッドインタフェース構成要素間の中心にある状態に留まることを幅選択機構が保証する。
図３８及び図３８Ａ〜図３８Ｇを参照すると、一部の実施形態は、本発明の一部の実施形態による深度ストップを有する有茎スクリューシャフト（ネジなしで表す）を含む。一部の実施形態は、多軸チューリップヘッドを備えた時に、チューリップヘッド内に予め埋め込まれて着座したロッドの存在下で又は存在を伴わずにスクリューシャフトの場所及び姿勢の評価を可能にする。この実施形態の第１の態様は、チューリップヘッドの下の場所でスクリューシャフトに剛的に取り付けられるが、取り付けられた多軸チューリップヘッドの完全な可動性を依然として可能にする深度ストップリングを有するように設計されたスクリューである。一部の実施形態では、深度ストップは、この実施形態の第２の態様である追跡される深度ストップ評価ツールであり、３Ｄ空間内のスクリューシャフトの場所及び姿勢の解釈を可能にし、更に、ツールが適正に係合した時にのみスクリューシャフトの場所の評価が行われることを保証するために評価ツールが深度ストップ内に完全に着座した時を示すように評価ツールにインタフェースすることになる特定のパターンを有する。図示の表示方法は、図１０Ａ〜図１０Ｇ、図１４Ａ〜図１４Ｃ、及び図２９Ａ〜図２９Ｃに関して詳細に上述した追跡される可動漂遊マーカの作動によるものであるが、追跡される可動漂遊マーカの手動作動、追跡される漂遊マーカの遮蔽又は露出、又は電子通信を含むがこれらに限定されない他の方法によって達成することができる。
図３８Ａは、本発明の一部の実施形態による図３８の深度ストップを有する有茎スクリューシャフトの上面図を示している。例えば、一部の実施形態は、シャフト３８１０（ネジは示していない）、スクリューシャフトに剛的に取り付けられて深度ストップ嵌合パターン３８１８を有するように設計された深度ストップ３８１５、深度ストップ嵌合孔３８１７、並びに多軸チューリップヘッドに対するインタフェースを有する有茎スクリューを含む。一部の実施形態では、チューリップヘッドインタフェース３８２０からの深度ストップの距離は、多軸ヘッドが、スクリュー上のこのヘッドのボール継手の周りの完全な運動性を維持するようにスクリューを骨生体構造に対して停止するように設計される。一部の実施形態では、図示のように深度ストップは円形とすることができるが、窮屈な解剖学的区域内へのより確実な嵌合を可能にする分断形状及び部分形状を含む多くの形状とすることができる。一部の実施形態では、深度ストップの上の嵌合パターン及び嵌合孔は、下記で図３８Ｂ〜図３８Ｇに関して詳細に説明する評価ツールが、スクリューに対するチューリップヘッドの位置に関係なくデバイスにインタフェースしてスクリューシャフトの場所及び姿勢を解釈することができるように設計される。
図３８Ｂは、図３８Ａに関して詳細に上述したスクリューに嵌合するように設計された評価ツールの部分図と共に結合ハンドルを有するスクリューインタフェース領域を例示している。ツールは、ハンドル３８２５と、部分円筒形スクリューインタフェース領域３８２７と、嵌合突起３８２８と、バネ装荷式（図示せず）嵌合ピン３８２９とで構成される。更に、図３８Ｃは、本発明の一部の実施形態による図３８Ｂのスクリューインタフェース領域と図３８〜図３８Ａの深度ストップを有する有茎スクリューシャフトとの間の結合の例示的アセンブリ図を示しており、更に、嵌合深度ストップに位置合わせされてそれに係合する準備が整った図３８Ｂに関して上述した評価ツールと併せた図３８Ａに関して上述したスクリューの拡大斜視図を表示している。この画像では、スクリューの上部に取り付けられたチューリップヘッド３８０４を見ることができ、チューリップヘッド内に係合された埋め込みロッド３８０３が表示されている。表示する位置では、評価ツールは剛性深度ストップに係合せず、従って、嵌合ピンは押下されない。評価デバイスが深度ストップ内に完全に着座するまでは、バネ装荷式嵌合ピンは押下されず、取得システムに通信するように関連の追跡される可動漂遊マーカ（図示せず）を作動させることができない。
一部の更に別の実施形態は、ジグザグ配置の高度と深度ストップ突起の形状との組合せを含み、プローブにリンクされたＴＭＳＭの高度変化のいくつかの独特な置換を可能にする。この実施形態は、プローブ上に２つのＴＭＳＭを含む。深度ストップ設計は、２つの独特な深度ストップ高度の半径方向に繰り返すパターンで構成することができる。高度変化の方向／順序にも影響を受けるこれらの高度のこの独特な組合せは、プローブの２つの嵌合ピンと相互作用することになり、これらの嵌合ピンは、１つ又は２つのＴＭＳＭと相互作用することになり、次いで、これらのＴＭＳＭは、各々が独特なスクリューアイデンティティ又は解剖学的アイデンティティを信号送信する特定の高度にプローブシャフトに沿って作動される。別の実施形態では、２つのＴＭＳＭの代わりに、異なる深度ストップにおいて係合する２つの嵌合ピンが、それらの深度の差を後に単一ＴＭＳＭをプローブシャフトに沿って一意的な識別可能な高度に作動させる１つのレバーに対して機械的に合算することができる。
図３８Ｄは、深度ストップの上の嵌合パターンに位置合わせされて完全に係合した図３８Ｂに関して上述した評価ツールと併せた図３８Ａに関して上述したスクリューの前面図を表示している。この図からは、多軸チューリップヘッド及び／又は取り付けられたロッドの位置に関わらず、部分円筒スクリューインタフェース領域が評価デバイスとスクリューとの係合を可能にすることが明らかである。図３８Ｅは、深度ストップの上の嵌合パターンに位置合わせされて完全に係合した図３８Ｂに関して上述した評価ツールと併せた図３８Ａに関して上述したスクリューの背面図を表示している。図３８Ｆは、深度ストップの上の嵌合パターンに位置合わせされて完全に係合した図３８Ａに関して上述した評価ツールと併せた図３８Ａに関して上述したスクリューの側面図を表示している。
図３８Ｇは、スクリューの深度ストップに位置合わせされているが非係合状態にある図３８Ａに関して説明た評価ツールと併せた図３８Ａに関して上述したスクリューの斜視図を表示している。この図では、３Ｄ追跡カメラが評価ツールの場所及び姿勢を取得するためにツールハンドルに取り付けられた追跡されるＤＲＦ３８７０と、追跡される可動漂遊マーカ３８７５と、嵌合ピンが漂遊マーカを作動させるために上下に摺動するための溝３８８０とを見ることができる。ＴＭＳＭに結合された嵌合ピン押下可能シャフトに対する直線作動機構のための１つの例示的実施形態は、ハンドルの上方又はその近くにあるＴＭＳＭ対するスロット３８８５である。追跡される可動漂遊マーカの場所は、ツールの本体の上のどこにでも配置することができ、嵌合ピンに関する作動は、直線運動（図示のように）、回転運動、又はその組合せで達成することができることに注意しなければならない。このデバイスの他の実施形態は、ツールとスクリューとの係合を示すために又は他の状態を取得システムに通信するために個々のバネ装荷式嵌合ピンに対にされた１よりも多い追跡される可動漂遊マーカを含有することができることも注意しなければならない。評価ツールがスクリュー深度ストップ嵌合パターンと固く係合した状態で、取得システムは、スクリューの既知の幾何学形状とツール−スクリュー組合せの既知の嵌合幾何学形状とに基づいてスクリューの場所及び姿勢を計算する。
一部の実施形態は、埋め込み有茎スクリュー（図３３Ａ〜図３３Ｈ、図３４、図３５Ａ〜図３５Ｆ、及び図３６Ａ〜図３６Ｉに関して上述した）と剛的にインタフェースするための２つのマウントとの脊椎の手術中の可撓性を評価するために使用することができるデバイスを含む。２つのツールの各々を個々の脊椎レベルに剛的に固定した後に、身体面を直接押圧することにより、又は間接的にツールのハンドルと相互作用することによって脊椎を操作してツールが係合した脊椎レベル間の運動範囲を確立することができる。運動範囲は、下記で図７０を参照してより詳細に説明する３Ｄ可動性又は対応する解剖学的平面上への２Ｄ投影によってディスプレイモニタ上でユーザに対して表示することができる。更に、図４２Ａ〜図４２Ｋを参照してより詳細に説明するようにこのツールを用いて２又は３以上の脊椎レベルを望ましい相対的な方位に調節した後にロッドの挿入前にツールが生体構造をこの構成で一時的に保持するために互いにロックすることができる別の実施形態を以下に説明する。
図３９Ａは、骨生体構造を操作し、運動範囲を手術中に評価するのに使用されるデバイス３９００の全体の斜視図を表示している。一部の実施形態では、２つのデバイスが結合された２又は３以上のセグメントの間の到達可能なアラインメント範囲を評価するために、各デバイスが３Ｄ空間内で追跡される間に脊椎レベル上に確実に締結し、各レベルを互いに対して移動するようにこれら２つのデバイスを同時に使用することができる。デバイスの一実施形態は、３Ｄ追跡カメラが３Ｄ空間内の場所及び姿勢を解釈するための追跡されるＤＲＦ３９０５（マーカ３９０７を有する）と、調節可能ハンドル３９１０と、追跡される漂遊マーカ３９１３が装備され、取得システムソフトウエアが追跡されるＤＲＦとこのマーカの間の距離に基づいてツールのエンドエフェクタに対するハンドルの角度を解釈することを可能にする幅調節ノブ３９１１と、幅−調節機構３９２０と、ハンドルが個別事前設定角度にロックすることを可能にする格納可能バネプランジャ３９１５と、ツールのスクリュー−インタフェース構成要素を含むためのスリーブ本体３９３０と、図３４、図３４Ａ〜図３４Ｆ、図３５Ａ〜図３５Ｅ、及び図３６Ａ〜図３６Ｇに関して詳細に上述したチューリップヘッドと緊密にインタフェースするためのネジ−締め付けノブ３９０９と、デバイスのスクリュー−インタフェース構成要素の場所をラベル付けするための追跡される漂遊マーカ３９０８とで構成される。この実施形態は、デバイスの一実施形態であり、他の実施形態では、幅−調節機構に対するスリーブ本体の角度は、ツールがインタフェースすることになる有茎スクリューを受け入れるために様々な角度に調節可能なもの又はこれらの角度で固定されたもののいずれかとすることができることに注意しなければならない。ツールのハンドルには、図３９Ｂを参照してより詳細に説明するように、追跡される可動漂遊マーカの運動を始動し、そのアクティブ状態を取得システムに示すために使用されるバネ装荷式トリガを装備することができることにも注意しなければならない。ツールの他の実施形態は、ツールの幅調節ノブ又はスクリュー−インタフェース構成要素の上の様々な個数の追跡される漂遊マーカを使用することができることにも注意しなければならない。
図３９Ｂは、摺動シャフト３９５９を通じてバネ装荷式トリガ３９５０に結合されたＴＭＳＭ３９５６を備えた図３９Ａに関して上述したツールのハンドルの別の実施形態を表示している。この実施形態の場合に、ユーザは、プローブがその座標を記録することができるアクティブ状態にあることを図１０Ａ〜図１０Ｇ及び図２９Ａ〜図２９Ｄに関して詳細に記載されているようにＴＭＳＭをツール上の追跡されるＤＲＦに対して作動させることによって取得システムに通信することができる。更に、このツールの他の実施形態は、下記で図４０Ａ〜図４０Ｃ及び図４２Ａ〜図４２Ｋを参照して説明するように、患者の位置決めを調節しながら一意的に識別可能な追跡されるＤＲＦの相対運動を記録することができるように、これらの追跡されるＤＲＦが各々に装備された１又は２以上の追加の可撓性評価デバイスと併用されるように設計される。
図３９Ｃは、上記で図３９Ａ〜図３９Ｂに関して上述した実施形態の底面図を表示している。この図からは、デバイスがインタフェースすることになるスクリューの様々な場所を受け入れるためにデバイスのスクリュー−インタフェース構成要素間の距離の調節を可能にする直線歯車３９２２、３９４４を有する幅−調節機構３９２０が見えるようになっている。図３９Ｄは、図３９Ａ〜図３９Ｃに関して上述したツールの断面側面図を表示している。この視点からは、ツールのハンドルの角度を調節するために個別角度３９３４にある戻り止めのうちの１つの中に係合された格納可能バネプランジャ３９９３が見えるようになっている。このようにして、下記で図４０Ａ〜図４０Ｃ及び図４２Ａ〜図４２Ｋに関して説明するように、ツールハンドルは、手術部位内に位置決めされる追加のツールと干渉しないように調節することができる。この実施形態は、ハンドルが幅−調節機構の中央で接続されるハンドルの一実施形態に過ぎないことに注意しなければならない。他の実施形態では、ツールのハンドルは、幅選択機構の上に中心外の場所で接続され、他の実施形態では、ツールのハンドルは、各ツール上の追跡されるマーカの高い追跡カメラ可視性を可能にするために幅−調節機構に対して非直交角度で突出する。
図３９Ｅは、ツールのスクリュー−インタフェース場所間の距離の変動を可能にする幅−調節機構３９２０の底面図を表示している。更に、図３９Ｆは、本発明の一部の実施形態により上記で図３９Ａ〜図３９Ｅに関して上述したデバイスの幅−調節機構３９２０、ノブ３９０９、及びスリーブ本体３９３０の拡大斜視図である。
一部の実施形態には、本説明のスクリューに嵌合する図３３Ａ〜図３３Ｈに関して上述した４分の１回転先端を装備することができる。このデバイスの他の実施形態は、スクリュー−インタフェース構成要素が上述のようにクロスバー装備スクリューに嵌合することができるようなこれらのスクリュー−インタフェース構成要素の変形を含む。この設計のスクリューにインタフェースする実施形態では、スクリュー−インタフェース構成要素は、図３Ｂ、図３３Ｄ〜図３３Ｆ、及び図４４Ｄに関して上述した４分の１回転機構を有するように設計される。
図４０Ａ〜図４０Ｃは、脊椎の解剖学的モデルに適用された図３９Ａ〜図３９Ｅに関して詳細に上述した可撓性評価デバイスの適用を表示している。これらの図は、脊椎レベルＬ１〜Ｓ１にわたって適用されるデバイスの用途を示している。これらの評価デバイスツールは両方共に追跡されるＤＲＦを含むので、最大及び最小の角度、並びに位置を記録してユーザに対して表示することができるようにデバイスの姿勢が運動中に追跡される。更に、このデバイスの他の実施形態は、これらのデバイスのうちの２又は３以上のものの相対位置が互いにロックすることを可能にし、更に下記で図４１Ａ〜図４０Ｃ及び図４２Ａ〜図４２Ｋを参照して説明するようにハードウエアの挿入が脊椎をこの立体構造に固定することを可能にする。
図４０Ａは、本発明の一部の実施形態による真っ直ぐな脊椎曲線を有する脊椎モデル、及びそれに係合した２つの可撓性評価ツールの側面図を示している。図４０Ａは、真っ直ぐな脊椎曲線４０１０ａと、モデルに係合した２つの可撓性評価ツール（４０７５ａ、４０７５ｂ）と、スクリュー−インタフェース構成要素４０１５とを表示している。この非限定的な実施形態では、ユーザの手４００８が各ツールのハンドル４０７７ａ、４０７７ｂにインタフェースし、各ツールには、３Ｄ空間内のその場所及び姿勢を３Ｄ追跡カメラ（図示せず）によって追跡することを可能にする独特な追跡されるＤＲＦ（４０７６ａ、４０７６ｂ）が装備される。この実施形態では、スクリュー−インタフェース構成要素間の幅及び高度が固定される。この構成内では、これらの評価デバイスが起動されると、その相対３Ｄ角度を計算し、解剖学的基準平面上に投影することができる。図４０Ａでは、図示のハンドル間の角度は１０度であり、それを脊椎屈曲の最大限度としてユーザに対して表示することができる。
図４０Ｂは、前弯した脊椎曲線４０１０ｂを有する脊椎モデルにインタフェースする可撓性評価デバイス（４０７６ａ、４０７６ｂ）の一実施形態を表示している。３Ｄ追跡取得システムは、上記で図４０Ａに関して上述したように対する角度及び位置をユーザに対して表示することができ、この実施形態に適用された場合に、４５度である脊椎伸展最大限度を表示することができる。更に、図４０Ｃは、３Ｄ追跡カメラ（図示せず）の視点からの本発明の実施形態を表示している。両方のツールの独特な追跡されるＤＲＦ４０７６ａ、４０７６ｂ、並びにデバイスのスクリュー−インタフェース構成要素に対して鏡像角度にあるハンドルが示されている。このデバイスの異なる実施形態は、ハンドルを幅−調節機構に対する様々な角度で配置し、更に上記で図３９Ｂに関して上述したようにプローブのアクティブ状態を取得システムに通信するバネ装荷式トリガ（図示せず）を有する。
図４１Ａ〜図４１Ｄは、スクリュー−インタフェース構成要素を切り離すことなくツールのハンドル及び本体の取り外しを可能にする切り離し可能構成要素を備えた図３７Ａ〜図３７Ｇ及び図４０Ａ〜図４０Ｃに関して詳細に上述した可撓性評価デバイスの実施形態を表示している。ハンドルの取り外しは、スクリュー上への剛的な固定を保持し、同時に手術部位内に作業可能空間を取り戻すことを可能にする。更に、ハンドルの取り外しは、下記で図４２Ａ〜図４２Ｋにおいて詳細に説明するように、一方の側でアラインメントをある一定の構成にロックし、デバイスのハンドル及び本体を取り外し、次いで、脊椎をこの構成で固定するようにロッドを配置することによる利用を可能にする。
上述の可撓性評価デバイスのスクリュー−インタフェース構成要素の一実施形態の側面図４１Ａを参照すると、スクリューインタフェースデバイスの切り離し可能構成要素は、解除タブ４１１０を押圧することによって解除することができるバネ装荷式スナップアーム４１０５を通じて下部構成要素に嵌合する。上部構成要素は、図３４、図３４Ａ〜図３４Ｆ、図３５Ａ〜図３５Ｆ、及び図３６Ａ〜図３６Ｉに関して上述したネジ−締め付けノブ（図示せず）に対するポスト４１１５を含有する。２つの構成要素の嵌合インタフェースは、アラインメントを容易にし、構成要素の剛的な嵌合を可能にする中心−アラインメントポスト４１２０と周囲アラインメントピン４１２５とを含む。
図４１Ｂは、上記で図４１Ａに関して上述した実施形態の前面図を表示している。この実施形態のこの図は、チューリップヘッド４１３５、側部タブ延長部４１４０、スナップアーム嵌合戻り止め４１４５、及びバネ装荷式スナップアーム４１０５にインタフェースするために有茎スクリューネジの上面にインタフェースするためのスクリュー−インタフェースロッド４１３０を表示する（部分的に）。更に、図４１Ｃは、本発明の一部の実施形態による図３９Ａ〜図３９Ｆ及び図４０Ａ〜図４０Ｃに関して上述した可撓性評価デバイスと共に組み立てられた図４１Ａ〜図４１Ｂのデバイスを示している。例えば、図４１Ｃは、図４１Ａ〜図４１Ｂに関して上述した切り離し可能スクリュー−インタフェース構成要素が上述の可撓性評価デバイスと共に組み立てられたデバイスの実施形態を表示している。この実施形態では、図３４、図３４Ａ〜図３４Ｆ、図３５Ａ〜図３５Ｅ、及び図３６Ａ〜図３６Ｉに上述した切り離し不能構成要素が可撓性評価デバイスの一方の側に装備される。例えば、チューリップヘッド４１３５にインタフェースするネジと同じくスクリュー−インタフェースロッド４１３０を切り離し不能スクリュー−インタフェース構成要素の上に見ることができる。切り離し可能スクリュー−インタフェース構成要素の上には、側部タブ延長部４１４０、スナップアーム嵌合戻り止め４１４５、及びバネ装荷式スナップアーム４１０５が見えるようになっている。更に、図３９Ａ〜図３９Ｂ及び図４０Ａ〜図４０Ｃに関して上述した可撓性評価デバイスの上には、追跡されるＤＲＦ４１５０、ハンドル４１６０、格納可能バネプランジャ４１６５、幅調節ノブ４１７０、幅調節ノブに対するＴＳＭ４１７５、ネジ−締め付けノブ４１７８、ネジ−締め付けノブに対するＴＳＭ４１８２、幅−調節機構４１８４、及びスリーブ本体４１８６が全て表示されている。更に、有茎スクリュー（ネジは示していない）シャフト４１８８に取り付けられたチューリップヘッド４１９２にインタフェースする切り離し可能スクリュー−インタフェース構成要素が示されている。
図４１Ｄは、解除タブ４１１０、中心−アラインメントポスト４１２０、周囲アラインメントピン４１２５、スクリュー−インタフェースロッド４１３０、側部タブ延長部４１４０、及びバネ装荷式スナップアーム４１５０を表示する切り離し可能スクリュー−インタフェース構成要素の一実施形態の斜視アセンブリ図を表示している。
一部の実施形態は、切り離し可能スクリュー−インタフェース構成要素と調節可能架橋デバイスとを備えた評価デバイスを含む。例えば、図４２Ａ〜図４２Ｃを参照すると、一部の実施形態は、可撓性評価デバイスを特定の位置にロックし、一方の側において固定ロッドの配置を可能にするために反対側から取り外すことを可能にする下記で図４３Ａ〜図４３Ｆを参照して説明する固定機構を備えた上記で図３９Ａ〜図３９Ｆ、図４０Ａ〜図４０Ｃ、及び図４１Ａ〜図４１Ｄに関して上述した脊椎可撓性評価デバイスを含む。このようにして、ユーザは、各可撓性評価デバイス場所を追跡する３Ｄ追跡取得システムからのフィードバックを用いて脊椎を望ましい立体構造に配置することができる。ユーザに対して表示されるフィードバックは、下記で図７０を参照して詳細に説明するように、ツールの相対的位置決め又は初期化された椎骨の相対的な位置決めのいずれかとすることができることに注意しなければならない。
１つの非限定的な実施形態を図４２Ａに示しており、この実施形態は、上述のように調節可能架橋デバイスを有する切り離し可能スクリュー−インタフェース構成要素を備えた可撓性評価デバイス４２０１を示している。このデバイスのこの実施形態は、スクリュー−インタフェース構成要素間の距離を埋め込み有茎スクリューとそれ関連するチューリップヘッド４２２５との間の距離に適合させる幅−調節機構４２０５（例えば、図４１Ｃの４１７０）を含む。図示のように、この実施形態は、手術中に有茎スクリューが脊椎４２１０に位置決めされた後に使用されることに関連する。他の実施形態（図示せず）では、このデバイスには、有茎スクリュー及びインタフェースするためのチューリップヘッドの不在下でデバイスが脊椎に剛的に固定されることを可能にする骨締結機構を装備することができる。
更に、図４２Ｂは、本発明の一部の実施形態によるチューリップヘッドにインタフェースすることによって有茎スクリューに剛的に結合された図４２Ａに関して上述した可撓性評価デバイスを示しており、更にネジ−締め付けノブ４２０９を示している。可撓性評価デバイスが例示されており、スクリュー−インタフェース構成要素は、ネジ−締め付けノブ４２０９を通じてチューリップヘッドに剛的に結合することができる。これらのスクリュー−インタフェース構成要素がチューリップヘッドに緊密に結合されると、有茎スクリューシャフトと多軸チューリップヘッドの間の公差が取り除かれ、その結果、スクリューシャフトとチューリップヘッドと可撓性評価デバイスとの間で剛的に固定されたシステムがもたらされる。
更に、図４２Ｃは、上述の既に嵌合したデバイス（４２０１）からユーザ−定義式距離で脊椎レベルにインタフェースする第２の可撓性評価デバイス（４２０２）を表示している。両方の評価デバイスが独特な追跡されるＤＲＦを有し、３Ｄ追跡取得システムは、これらを互いに区別することができる。更に、図４２Ｄは、これら２つの嵌合された可撓性評価デバイス４２０１、４２０２を表示している。デバイスが脊椎に剛的に取り付けられた後に、デバイスが互いに邪魔し合うことなくより高い自由度を可能にするために格納可能バネプランジャ４１６５を解除し、次いで、再係合することによってデバイスのハンドルをデバイスのスクリュー−インタフェース構成要素に対して調節することができる。３Ｄ取得システムは、ツールの追跡されるＤＲＦを対応するツールの幅−調節機構又はスクリュー−インタフェース構成要素の上に位置付けられたＴＳＭの場所と比較することによってハンドルの位置を解釈する。更に、この実施形態では、評価デバイスがスクリューとの嵌合によって脊椎に剛的に固定された後に、これらのデバイスをユーザトリガによってアクティブ状態に入れて、ソフトウエア表示された測定値にユーザが満足するまで脊椎の輪郭を操作することができる。次いで、これらのデバイスの間の脊椎の相対輪郭を下記で図４２Ｅ〜図４２Ｉ及び図４３Ａ〜図４３Ｄを参照して説明する調節可能架橋デバイスの利用によって定位置に保持することができる。
図４２Ｅは、図３９Ａ〜図３９Ｆ、図４１Ａ〜図４１Ｄ、及び図４２Ａ〜図４２Ｄに関して上述したように脊椎に剛的に取り付けられた２つの可撓性評価デバイスを表示している。脊椎４２１０が望ましい輪郭に保持されるようにデバイスが位置決めされると、幅調節デバイス４２０１、４２０２に取り付けられた調節可能架橋デバイス４２５０を利用してこれらのデバイスを互いにロックすることができる。更に、図４２Ｆは、スクリューインタフェースデバイス４２５５に対する調節可能架橋デバイスを更に含む脊椎４２１０に剛的に取り付けられた２つの可撓性評価デバイス４２０１、４２０２を示している。例えば、幅−調節機構間でデバイスを剛的に接続するのに加えて、スクリュー−インタフェース構成要素を調節可能架橋デバイス４２５５によって互いに剛的に固定することができる。図４２Ｇは、本発明の一部の実施形態による図４２Ａ〜図４２Ｆに関して上述した計装された脊椎を示しており、更に脊椎４２１０に結合されたスクリューインタフェースデバイス４２５５に対する調節可能架橋デバイスを示している。この事例では、切り離し可能スクリュー−インタフェース構成要素は、上述のように評価デバイスの本体と１つのスクリュー−インタフェース構成要素とを取り外し、接続する調節可能架橋デバイス４２５５によって定位置に保持された２つのスクリュー−インタフェース構成要素を残すことを可能にする。
図４２Ｈは、図４２Ａ〜図４２Ｇに関して上述した計装化脊椎４２１０を表示している。脊椎４２１０が固定輪郭で保持された状態での可撓性評価デバイスの構成要素の取り外しは、露出したスクリューセット内へのロッド４２６９の配置を可能にする。更に、図４２Ｉは、本発明の一部の実施形態による図４２Ａ〜図４２Ｈに関して上述した計装化脊椎を示している。露出した有茎スクリューセット内に位置決めされたロッドは、キャップスクリュー４２７１によって定位置に固定される。ロッドが脊椎４２１０を望ましい輪郭で保持した状態で、残りのスクリュー−インタフェース構成要素を次に取り外すことができる。更に、図４２Ｊは、図４２Ａ〜図４２Ｉに関して上述した計装化脊椎４２１０を表示している。脊椎の輪郭が既に固定されたロッド４２６９ｂを用いて定位置に保持された状態で、可撓性評価デバイスの残りの構成要素が取り外され、スクリュー内への第２のロッド４２６９ａの配置が可能になる。更に、図４２Ｋは、図４２Ａ〜図４２Ｊに関して上述した計装化脊椎を表示している。この図は、可撓性評価デバイスを用いて達成された脊椎の事前設定アラインメントを確保する最終段階を表示している。この段階中に、第２のロッドは、キャップスクリュー４２７１を用いて固定される。
図４３Ａは、図３９Ａ〜図３９Ｆ、図４０Ａ〜図４０Ｃ、図４１Ａ〜図４１Ｄ、及び図４２Ａ〜図４２Ｋに関して上述した可撓性評価デバイスの構成要素に嵌合する上記で図４２Ａ〜図４２Ｋに関して上述した調節可能架橋デバイスであるデバイス４３００の一実施形態の上面図を表示している。この実施形態は、図３９Ａ〜図３９Ｆ、図４０Ａ〜図４０Ｃ、図４１Ａ〜図４１Ｄ、及び図４２Ａ〜図４２Ｋに関して上述した幅−調節機構を含む可撓性評価デバイスの構成要素、及び図３４〜図３６、図４１Ａ〜図４１Ｄに関して上述したデバイスのスクリュー−インタフェース構成要素の上の突出ボールに嵌合するように設計された外側スライダーボールソケット４３０１から構成される。この実施形態は、歯付き内部ラック４３０４に係合する歯付き格納可能バネプランジャ４３０３を更に含む。更に、図４２Ａ〜図４２Ｋに上述した第２の可撓性評価デバイス構成要素に嵌合するように設計された内側スライダーボールソケット４３０６が存在する。
図４３Ｂは、上記で図４２Ａ〜図４２Ｋに関して上述した調節可能架橋デバイスである図４３Ａに示したデバイス４３００の一実施形態の底面図を表示している。この視点からは、外側スライダーボールソケット４３０１、歯付き内部ラック４３０４、及び内側スライダーボールソケット４３０６を全て見ることができる。調節可能架橋デバイスの長さを調節するために、ユーザは、歯付き格納可能バネプランジャが歯付き内部ラックから切り離されるように歯付き格納可能バネプランジャを押下する。長さが所望通りである時に、ユーザは、歯付き格納可能バネプランジャが歯付き内部ラック４３０４と再係合するように歯付き格納可能バネプランジャを解除する。図４３Ｄは、歯４３０４付き格納可能バネプランジャ４３０３、外側スライダー位置決めネジ４３２０、及び内側スライダー位置決めネジ４３２２を示している。
図４３Ｅ及び図４３Ｆは、図４１Ａ〜図４１Ｃに関して上述した可撓性デバイスの切り離し可能スクリュー−インタフェース構成要素（この図では４３３５ａ、４３３５ｂとして示され、回転ボール又は継手４３８１を有する結合器４３８０を通じて調節可能に結合された）に係合した図４２Ａ〜図４３Ｋ、図４３Ａ〜図４３Ｄに関して上述した調節可能架橋デバイス４３３３を示している。図示のように、結合される構成要素は、固定ボール４３３０ａ、４３３０ｂ、スナップアーム嵌合場所４３４５ａ、４３４５ｂ（例えば、図４１Ｂに関してスナップアーム嵌合戻り止め４１４５として示した）、周囲アラインメントピン４３５０ａ、４３５０ｂ、有茎スクリューシャフト４３５５ａ、４３５５ｂ、及びチューリップヘッド４３６０ａ、４３６０ｂを含むことができる。この実施形態では、切り離し可能スクリューインタフェースデバイス４３３５ａ、４３３５ｂは、内側及び外側スライダーボールソケットにインタフェースする固定ボール４３３０ａ、４３３０ｂ、スナップアーム嵌合場所４３４５、及び周囲アラインメントピン４３５０ａ、４３５０ｂを有する。更に、スクリュー−インタフェース構成要素は、有茎スクリュー（ネジは示していない）シャフト４３５５ａ、４３５５ｂのチューリップヘッド４３６０ａ、４３６０ｂに係合する。
一部の実施形態は、完全に係合した時を取得システムに示すＴＭＳＭを装備した追跡されるプローブと剛的に嵌合する剛性クロスバーを備えた骨埋め込み式基準を含む。追跡されるプローブは、それが基準と完全に係合した時に１つの立体構造においてしか基準に嵌合することができないので、基準の場所及び姿勢を解釈することができる。基準が椎骨に対して予め初期化されたものである場合に、基準の場所及び姿勢を再評価することにより、椎骨の場所及び姿勢の再登録が可能になる。更に、基準が手術ナビゲーション下に置かれた場合に、プローブを基準にインタフェースすることにより、手術ナビゲーション事例に対する骨生体構造の迅速な再登録が可能になり、生体構造が基準ＤＲＦに対して移動した時の値、又は手術ナビゲーションに向けて生体構造が最後に登録された時から生体構造が立体構造を変化させた時の値が与えられる。このようにして、骨基準は、図３８及び図３８Ａ〜図３８Ｇに上述した生体構造の迅速な再登録の別の方法として機能する。例えば、図４４Ａは、本発明の一部の実施形態によるクロスバーが装備され、図３Ａ〜図３Ｃに関して上述したように椎骨の脊椎板に剛的に固定された骨埋め込み式基準を示している。骨埋め込み式基準４４１０には剛性クロスバー４４１２が装備され、この基準は、上述のように椎骨４４００の脊椎板４４０１に剛的に固定される。更に、図４４Ｂは、本発明の一部の実施形態による骨埋め込み式基準４４１０と、スクリュードライバの端部で押下可能摺動シャフトに結合された追跡されるＤＲＦ４４２０及びＴＭＳＭ４４１５を備えた骨−基準嵌合スクリュードライバ４４５０との係合前のプロセス図４４０１を示している。この実施形態は、図３Ａ〜図３Ｃ、図２９Ａ〜図２９Ｃ、図３３Ａ〜図３３Ｈ、及び図３８、図３８Ａ〜図３８Ｇに上述した空間内の椎骨の場所及び姿勢を解釈するのに使用される他の実施形態に対する変形である。この実施形態では、プローブ先端（４４５０ａ）には、骨埋め込み式基準と緊密に係合する４分の１回転機構が装備される。基準上のクロスバーと完全に係合することにより、押下可能摺動シャフトが作動されて取り付けられたＴＭＳＭを移動し、それによってスクリュードライバの座標を記録して埋め込み骨基準の場所及び姿勢、及びこの基準に関する椎骨が初期化されたものである場合はこの椎骨の場所及び姿勢を計算するように３Ｄ追跡取得システムに信号送信される。例えば、図４４Ｃは、骨埋め込み式基準と、スクリュードライバの端部で押下可能摺動シャフトに結合された追跡されるＤＲＦ及びＴＭＳＭを装備した骨−基準嵌合スクリュードライバとの係合を示しており、更に骨埋め込み式基準４４１０に係合した骨−基準嵌合スクリュードライバ４４５０を表示している。図示のように完全に係合した時に、骨−基準嵌合スクリュードライバ４４５０は、骨埋め込み式基準４４１０と同軸に位置合わせされ、ＴＭＳＭ４４１５が作動されてスクリュードライバ先端４４５０ａが骨埋め込み式基準と完全に係合したことを取得システムに示している。更に、図４４Ｄは、本発明の一部の実施形態によるクロスバーを有する骨埋め込み式基準と、上に重なる骨−基準嵌合スクリュードライバとを示している。一部の実施形態では、４分の１回転嵌合先端４４５５及び押下可能摺動シャフト４４５０ｂが存在する。一部の実施形態では、スクリュードライバ４４５０と基準４４１０の間の完全な係合（クロスバー４４１２の周りに係合する）時に押下される押下可能摺動シャフト４４５０ｂが示されているのと同じく４分の１回転嵌合先端４４５５が示されている。他の実施形態では、取得システムは、基準の場所を計算するためにソフトウエアへのユーザ入力及びＴＳＭ又は電子通信システムを手動トリガすることに基づいてトリガすることができ、下記で図４５Ａ〜図４５Ｂ及び図７２に説明するように、ロッドの埋め込みの前にカメラ座標内の椎骨の場所の迅速な登録に向けて使用することができることに注意しなければならない。
一部の実施形態は、深度ストップスクリュー及び深度−ストップ−係合式スクリュー評価ツールを用いた迅速な再登録を含む。例えば、一部の実施形態は、図３８及び図３８Ａ〜図３８Ｇに関して上述した深度−ストップ−装備式有茎スクリューと深度−ストップ−係合式評価ツールとを利用することによって空間内の椎骨の相対場所の迅速な再登録及び３Ｄレンダリングを可能にするシステム及び方法を含む。この実施形態では、３Ｄ追跡カメラ座標内のスクリューの場所及び姿勢を正確に計算するために、スクリューに取り付けられた深度ストップに深度−ストップ−係合式評価ツールが埋め込みロッドの存在又は不在下でアクセス可能である。スクリューが最初に画像誘導の下で位置決めされた場合に、取得システムは、これらのスクリューが埋め込まれた椎骨に対する各スクリューの相対位置を既に格納及び記録している。これらの情報を用いて、取得ソフトウエアは、空間内の両方のスクリューの新しい場所を再登録した後に、スクリューが挿入された椎骨の場所を再構成することができる。このようにして、手術ナビゲーションシステムが患者の生体構造から分離された状態になった場合に、患者の基準として機能する追跡されるＤＲＦの移動又は画像が取得された時点からの脊椎輪郭の変化のいずれかにより、システムを空間内の患者の現在位置に対して迅速に再登録することができる。
図４５Ａは、深度−ストップ−係合式追跡されるツール４５０５を各椎骨上の各スクリューにインタフェースさせることによって３Ｄ空間内で登録することができる図３８、図３８Ａ〜図３８Ｇに関して上述した深度−ストップ−装備式有茎スクリュー４５４０が２つの椎骨４５２５ａ、４５２５ｂに計装された本発明の一実施形態を表示している。最初にこれらのスクリューが手術ナビゲーション下で位置決めされ、椎骨に対するスクリューシャフトの位置が既知である場合に、各椎骨に対するスクリューシャフトの場所及び姿勢の評価は、空間内の互いに対する各椎骨の３Ｄレンダリング（表現４５６１、４５６２として示す）をもたらすことができる。深度−ストップ−装備式有茎スクリュー及び関連の評価ツールを利用することは、ソフトウエアがこの評価を行うのに必要とされる情報を取得する一実施形態に過ぎないことに注意しなければならない。他の実施形態は、図２９Ａ〜図２９Ｃ及び図３３Ａ〜図３３Ｈに上述したように、スクリューヘッドの場所及び姿勢を解釈するためにスクリューヘッドと直接嵌合することを含む。スクリュー及び従って椎骨の場所の評価がロッドの埋め込み後に望ましい場合に、深度−ストップ−装備式有茎スクリューが、評価ツールによるスクリューシャフトへのアクセスを維持する。更に、図４５Ｂは、椎骨＃１ ４５２５ｃの位置が椎骨＃２ ４５２５ｂの位置に対して変化した場合の図４５Ａに上述した本発明の一実施形態を示している。この場合に、深度−ストップ−装備式追跡される評価ツールを椎骨４５２５ｃ及び椎骨４５２５ｂ内の両方の深度−ストップ−装備式有茎スクリュー４５４０内に係合することにより、取得システムのソフトウエアは、互いに対して相対位置にある各椎骨のレンダリング４５６３をディスプレイモニタ上に再構成することができる。
一部の実施形態では、スクリューの再登録によって椎骨の３Ｄレンダリングを更新するのに使用される図３８に示すプローブは、図３Ａ〜図３Ｃ及び図４４Ａ〜図４４Ｄに示す骨基準との嵌合によって更新することができる。他の実施形態は、３Ｄレンダリングに向けて当該の解剖学的標認点に対して初期化された骨−装着式基準、経皮基準、又は皮膚−装着式基準と直接嵌合することを含む。
一部の実施形態は、低侵襲性手術及び手順中に有意に低いＸ線被爆及び放射線被爆を可能にすることができる。一部の実施形態では、追跡される手術ツールの投影輪郭を事前取得Ｘ線画像内に視覚化された生体構造の上に表示することができるように、このツールを事前取得Ｘ線画像の視野に配置することができる。取得ソフトウエアは、Ｘ線エミッタ／検出器に対するツール面の場所を解釈し、この情報を用いて、下記で図７１を参照して説明するように、ツールの外形の適切なサイズスケーリングを考慮しながら事前取得Ｘ線画像上にツールの位置の実時間オーバーレイを正確に表示することができる。
図４６Ａ〜図４６Ｂは、本発明の一部の実施形態による３Ｄ追跡ツールを示している。この実施形態では、３Ｄ追跡されるツール４６００は、ハンドル４６１０と、追跡されるＤＲＦ４６０５（マーカ４６０７を有する）と、ツール先端４６２０とを含む。本発明の他の実施形態では、使用される手術ツールの各可動構成要素が、このツール内の他の構成要素の各々に対する３Ｄ追跡を必要とすることに注意しなければならない。図４６Ｃは、Ｘ線エミッタ４６８４には、それに対する既知の場所に位置決めされた追跡されるＤＲＦ４６８６が装備され、Ｘ線検出器４６８２にも、それに対する既知の場所に位置決めされた追跡されるＤＲＦ４６９９を装備することができる本発明の一実施形態を表示している。手術台４６８３の上に載っている脊椎４６９１を撮像するＸ線システムの場合に、Ｘ線エミッタが、そのＸ線ビーム４６９５の円錐形容積を生成する。次いで、この円錐形容積の範囲にある全ての物体が、Ｘ線検出器４６８２の上に投影される。Ｘ線システム４６８０の既知の幾何学形状により、この円錐形容積（４６９５）の場所及び姿勢は、Ｘ線システムに装着された追跡されるＤＲＦのうちのいずれかに対して既知である。３Ｄ追跡カメラがエミッタ及び従って円錐形撮像容積の場所を記録した状態でＸ線が撮影されると、取得システムは、追跡される手術ツールのいずれかの構成要素がこの容積の範囲に進入した時を決定することができる。手術ツール４６８９がこの容積の範囲に位置決めされると、その仮想投影を図４６Ｄに示すように事前取得Ｘ線画像の上に重ねることができる。下記で図７１を参照して説明するように、エミッタへの追跡されるツールの面の近似度により、取得ソフトウエアが、オーバーレイ画像内のツールの相対サイズスケールを決定することが可能になる。
図４６Ｄは、本発明の一部の実施形態によるＸ線検出器の近くに位置決めされた追跡される手術ツールの脊椎のＸ線画像の上部での仮想オーバーレイを示している。図示のように、脊椎のＸ線画像４６０１は、検出器４６１５ａの近くに手術ツールのオーバーレイ画像を含む。下記で図７１を参照して説明するように、この仮想オーバーレイは、ツールが事前取得Ｘ線の円錐形容積に対して移動する時に実時間で更新される。図４６Ｅは、追跡される手術ツール４６８９がＸ線エミッタのより近くに位置決めされた図４６Ｃに上述した本発明の実施形態を表示している。更に、図４６Ｆは、図４６Ｅに示すようにエミッタの近くに位置決めされた追跡される手術ツール４６２０ａの仮想オーバーレイ（Ｘ線４６０２）を表示している。ツールの面はＸ線エミッタのより近くに位置付けられるので、その仮想投影は、この位置にあるツールの実際のＸ線画像が取得された場合のものに適合するように更にスケーリングされる。ツールの相対スケーリングサイズのソフトウエア解釈に対しては、下記で図７１を参照して説明する。更に、図４６Ｇは、図４６Ｅ〜図４６Ｆに上述したツール位置から９０度回転された追跡される手術ツール４６２０ｂの仮想オーバーレイ（エミッタの近くにある手術ツールのオーバーレイ画像、Ｘ線４６０３）を表示している。このようにして、空間内の事前取得Ｘ線容積に対するツールの実時間場所を事前取得Ｘ線画像上へのオーバーレイによって表示することができる。
一部の実施形態は、埋め込み前のロッドの輪郭を評価する手持ち式機構のための２部システムを構成する構成要素を含む。例えば、図４７Ａは、ロッドを剛的に保持するのに使用され、３Ｄ追跡カメラに対する解剖学的基準平面を定め、ロッドの場所の全ての座標が記録されることになる座標系を確立する追跡される末端キャップの実施形態の構成要素を表示している。更に、図４７Ｂは、下記で図７４を参照して詳細に説明するように、追跡される末端キャップとの組合せに使用され、ロッドの面に沿って摺動し、追跡される末端キャップによって確立された座標系内でロッドの座標を解釈する追跡されるスライダーの実施形態の構成要素を表示している。図示のように、一部の実施形態は、末端キャップハンドル４７２０、下部４７１８及び後部４７１９から構成されるがこれらに限定されない解剖軸線基準矢印ラベル付けを含むマウント嵌合部４７１４にインタフェースするためのマウント４７２２を含む。更に、この実施形態は、ロッドを挿入するロッド装着孔４７１２と、位置決めネジが末端キャップに対する定位置にロッドを固定するためのネジ孔４７１６と、追跡されるＤＲＦに対する装着プラットフォーム４７１０と、追跡されるＤＲＦ４７３０と、ファスナ４７４０とで構成される。一部の実施形態は、別個の追跡されるＤＲＦを利用するが、他の実施形態では、ＤＲＦベースのマーカは、下記で図５２Ａ〜図５２Ｂ及び図５３Ａ〜図５３Ｆを参照して説明するようにツール面自体の中に直接に装着される。更に、本発明の他の組み立てた実施形態を下記で図４８Ａ〜図４８Ｂ、図４９Ｄ、図５０Ｅ、図５１Ａ〜図５１Ｃ、図５１Ｈ〜図５１Ｉ、及び図５６Ａ〜図５６Ｆを参照して示す。
図４７Ｂは、図４７Ａに関して上述した追跡される末端キャップに固定されたロッドにインタフェースするように設計された追跡されるスライダーの一実施形態の構成要素を表示している。スライダーのこの実施形態は、ハンドル４７７０、マウント嵌合部４７９７と接合するためのマウント４７７２、ロッドの輪郭の取得中にロッドを横切って中心化するように設計されたロッド中心化フォーク４７９８、ファスナ４７９０を通じてＴＭＳＭマウント４７５４に嵌合し、バネ装荷４７９５された押下可能摺動シャフト４７８６を受け入れるための貫通孔４７８４から構成される。更に、この実施形態は、追跡されるＤＲＦ４７８０を受け入れるＤＲＦマウント４７６０及び対応するマウントに取り付けられたＴＭＳＭ４７５３から構成される。このデバイスの他の実施形態を下記で図５１Ｄ〜図５１Ｉを参照して説明する。ロッドにインタフェースするように意図したロッド中心化フォーク構成要素の他の実施形態は、特定のロッド径を受け入れることが意図されたリング形設計、調節可能直径のリング、Ｕ字形設計、及び三角形、四角形、五角形などを含むがこれらに限定されない多角形設計であることに注意しなければならない。
図４８Ａ〜図４８Ｃは、図４７Ａに関して上述した追跡される末端キャップに関する。この実施形態には、ハンドル上にあり、３Ｄ追跡取得システムと通信するのに使用されるトリガによって作動されるバネ装荷式追跡される可動漂遊マーカが装備される。これに加えて、この実施形態は、図４７Ａに上述した位置決めネジとは別のロッド固定方法を含有する。この実施形態では、ロッド装着孔は、ロッドのより迅速な交換及び末端キャップとの固定に向けてカムレバーとネジ付きファスナとの組合せによって分離されて締め付けられる。例えば、図４８Ａは、本発明の一部の実施形態による末端キャップの一部分の拡大図を示しており、ロッド装着孔４８２４と、ロッド４８０５と、末端キャップハンドル４８３０と、カムレバー４８２３と、ヒンジピン４８２１と、ネジ付きファスナ４８２５とを含むアセンブリを示している。ロッド４８０５は、ロッド装着孔４８２４の中に挿入され、カムレバー４８２３がヒンジピン４８２１の周りに回転することによってネジ付きファスナ４８２５に対して締め付けられることによって定位置に固定される。
図４８Ｂは、本発明の一部の実施形態による図４７Ａの構成要素から組み立てられた末端キャップ４８００の斜視図を示しており、ロッド４８０５と、トリガ４８３３と、バネ装荷式ヒンジ４８３１と、トリガアーム４８４１と、ＴＭＳＭ４８１９と、末端キャップ追跡されるＤＲＦ４８１５、４８１７とを示している。この視点は、ロッド４８０５が固定された図４７Ａに示した末端キャップを示している。この実施形態は、結合されたＴＭＳＭ４８１９を有するトリガアーム４８４１を作動させるためにハンドル４８３０の内側でバネ装荷式ヒンジ４８３１の周りに回転する手動作動トリガ４８３３を更に含む。この実施形態は、末端キャップ及びそれに取り付けられたロッドの場所を３Ｄ追跡カメラ（図示せず）によって解釈するのに使用される追跡されるＤＲＦ４８１５を更に含む。下記で図６４Ａ〜図６４Ｂ及び図６５Ａ〜図６５Ｅを参照してより詳細に説明するように、この実施形態上のトリガによって作動されたＴＭＳＭの場所は、追跡されるＤＲＦの場所と取得ソフトウエアによって比較され、ユーザがデバイスをトリガしたか否かが決定される。このデバイスの他の実施形態では、トリガは、電子通信を用いた又はディスプレイモニタインタフェースへの直接ユーザ入力による図１０Ａ〜図１０Ｇ、図２９Ａ〜図２９Ｄ、図３８、図３８Ａ〜図３８Ｇ、図３９Ａ〜図３９Ｆ、図４２Ａ〜図４２Ｋ、図４４Ａ〜図４４Ｄ、及び図４５Ａ〜図４５Ｂに関して上述したような回転ではなく直線運動を用いて、図１４に関して上述したように追跡されるマーカを遮蔽するか又は露出させることのような他の機構によって作動させることができることに注意しなければならない。更に、図４８Ｃは、本発明の一部の実施形態による図４８Ｂの末端キャップ４８００の側面図を示している。この視点は、バネ装荷式ヒンジ４８３１上で回転するトリガ４８３３が装備され、トリガアーム４８４１上にＴＭＳＭ４８１９を装着する末端キャップハンドル４８３０の内側に固定されたロッド４８０５を示している。更に、この図は、３Ｄ空間内の末端キャップの場所及び姿勢を解釈するのに使用される追跡されるＤＲＦ４８１５と、図示の下部４８４９と後部４８４３とを有する２つの相対解剖軸インジケータとを表示している。この実施形態は、下記で図４９Ｄ、図５０Ｅ、図５１Ｈ〜図５１Ｉ、図５６、及び図８７Ａを参照して追跡されるＤＲＦ装備式末端キャップに関して言及するいずれかの用途に適用することができる。
本発明の一部の実施形態は、固定ベースの単一リング評価デバイスを有する図４７Ａ及び図４８Ａ〜図４８Ｃに上述した追跡される末端キャップの実施形態を結合することによって埋め込み前のロッドの輪郭を評価するために使用することができる。上述のようにロッド輪郭を評価するのに２つの手持ち式ツールを利用する代わりに、このデバイスは、ロッドを１つの手持ち式末端キャップに装着し、剛的に固定されたリングデバイスにロッドを通すことによってロッド輪郭評価を可能にする。リングの直径はロッドの直径に厳密に一致するように設計されるか又は調節されるので、この実施形態は、リングに係合したロッドの部分をリングとほぼ同心にする。この実施形態からロッドの輪郭を算定するために、取得システムは、上述のように末端キャップに対してスライダーが進む経路ではなく末端キャップが進む経路を解釈する。本発明のソフトウエア解釈に対しては、下記で図７５を参照して詳細に説明する。
図４９Ａは、ロッドが追跡される末端キャップに取り付けられた時に適用される埋め込みの前のロッドの輪郭を評価するのに使用されるアセンブリ４９００を表示している。この実施形態は、設定直径のロッドが通過するように設計されたロッド受け入れリング４９１０を保持するポスト４９１５が結合された固定ベース４９０５から構成される。リングには、ＴＳＭ４９０３が取り付けられ、更に、閉鎖位置に示すヒンジ式フラップ４９０９が周りを回転するヒンジ４９０７が取り付けられる。ヒンジ式フラップにはＴＭＳＭ４９２０が取り付けられ、ＴＭＳＭ４９２０は、ヒンジ式フラップに取り付けられたこのＴＭＳＭがリングに取り付けられたＴＳＭに対して移動することによってロッドがリングに係合した時を信号送信するのに使用される。この運動のソフトウエア解釈は、ヒンジが閉じた状態にある時対開いた状態にある時のＴＳＭとＴＭＳＭの間の距離を単純に比較することによって完了する。この実施形態では、ヒンジ式フラップは、ロッドの不在下ではヒンジ式フラップに取り付けられたＴＭＳＭに対して作用する重力によって閉じた状態に留まる。他の実施形態では、ヒンジ式フラップは、バネ装荷することができる。この設計の他の実施形態では、固定ベースは、ある面上に載るか又はロボットの構成要素を含む剛性面に装着することができることに注意しなければならない。
図４９Ｂは、ヒンジ式フラップ４９０９及びそれに取り付けられたＴＭＳＭ４９２０が、ロッドがリングの中に挿入されてヒンジ式フラップ４９０９を押し上げる時のＴＭＳＭ４９２０の位置と類似の開放位置にあることを除き、図４９Ａに上述した本発明の実施形態を表示している。図４９Ｃは、ヒンジ式フラップ４９０９及びそれに取り付けられたＴＭＳＭ４９２０が開放位置にある図４９Ａ〜図４９Ｂに上述した本発明の実施形態の異なる図、及びロッド受け入れリング４９１０の正面からのレンダリングを表示している。図４９Ｄは、本発明の一部の実施形態による図４７Ａ及び図４８Ａ〜図４８Ｂに関して上述したロッド及び追跡される末端キャップに結合された図４９Ａ〜図４９Ｃのアセンブリを示している。
図４９Ｄは、図４７Ａ及び図４８に上述したロッド４９６０及び追跡される末端キャップ４９９０に結合された図４９Ａ〜図４９Ｃに上述した固定ベースの単一リングロッド評価デバイスの実施形態を表示している。この実施形態は、ヒンジ式フラップ４９０９を押して退け、そうすることでヒンジ式フラップ４９０９に取り付けられたＴＭＳＭ４９２０を作動させるロッドを示している。ソフトウエア取得システムが、ヒンジ式フラップが閉じている時のものよりも近いＴＳＭ４９０３とＴＭＳＭ４９２０の間の距離を検出すると、システムはトリガされて末端キャップの座標を記録する。記録された末端キャップの経路の座標は、次いで、図７５において詳細に説明するようにロッドの輪郭を計算するために使用することができる。他の実施形態では、ユーザが、図４８Ｂに関して上述した他のトリガ方法によって取得をトリガすることができることに注意しなければならない。追跡される末端キャップに取り付けられたロッドの輪郭の登録に続いて、追跡される末端キャップは、下記で図７８を参照して詳細に説明するように、ユーザが、ロッド輪郭を描写するディスプレイモニタと直接にインタフェースするために使用することができる。
図５０Ａ〜図５０Ｄは、本発明の一部の実施形態による固定ベース可変リング可動ロッド評価デバイスの実施形態を示している。一部の実施形態では、このデバイスアセンブリは図４９Ａ〜図４９Ｄに上述したものであり、この場合に、可変リングサイズ選択構成要素によって一連のロッド径の輪郭評価を受け入れることができる。ユーザが格納可能バネプランジャを使用することによってヒンジ式フラップの前にある適切な直径のリングを回転させた後に、追跡される末端キャップに取り付けられた対応する直径のロッドを次に図４９Ａ〜図４９Ｄに関して上述したものと同じ方法でリングに通してこのロッドの輪郭を解釈することができる。
最初に、実施形態５０００の前面図を示す図５０Ａを参照すると、ポスト５００５に結合された固定ベース５００１が示されており、このポスト５００５には、異なる直径の複数のロッド受け入れリング５００９を含む回転ロッド幅セレクタ５００７がファスナ５０１１を通じて結合され、格納可能バネプランジャ５０１３によって事前設定角度に回転させることができ、更にＴＳＭ５０１７がポストに固定される。異なる直径のリングを含むロッド幅セレクタは、複数のデバイスを必要とするのではなくデバイスのこの実施形態が様々な直径のロッドを受け入れることを可能にするように設計される。
図５０Ｂは、回転ロッド幅セレクタ、格納可能バネプランジャ、及びファスナが取り外された図５０Ａに示すデバイスの実施形態５００１の斜景図を表示している。個別角度戻り止め５０１５が、設定角度の場所で格納可能バネプランジャを受け入れる。ヒンジ５０１９は、閉鎖位置に示されて図４９Ａ〜図４９Ｄに関して上述したようにＴＭＳＭ５０２３が取り付けられたヒンジ式フラップ５０２１とインタフェースする。図５０Ｃは、図５０Ｂに示す本発明の実施形態５００２の背面図を表示している。図５０Ｄは、固定リングのうちの１つを通過し、ヒンジ式フラップ５０２１及びそれに取り付けられたＴＭＳＭ５０２３を開放位置に押しやったロッド４９６０にインタフェースする図５０Ａ〜図５０Ｃに関して上述した本発明の実施形態５００３を表示している。
図５０Ｅは、本発明の一部の実施形態による末端キャップ５０９５に結合されたロッド４９６０に係合した図５０Ａ〜図５０Ｄの固定ベース可変リング可動ロッド評価デバイスを示している。図４９Ｄに上述したように、ロッド４９６０の長さが固定リングを通過する時にロッド４９６０の端部の経路を追跡するために末端キャップ５０９５が用いられる。この相互作用からロッドの輪郭を計算するソフトウエアに対して、下記で図７５を参照して説明する。この図に示すヒンジ式フラップは、本発明の一実施形態に過ぎないことに注意しなければならない。他の実施形態は、ロッドが固定リングに通される時に移動さされる直線作動ＴＭＳＭを含む。追跡される末端キャップに取り付けられたロッドの輪郭の登録に続いて、ユーザは、下記で図７８を参照して詳細に説明するように、ロッド輪郭を描写するディスプレイモニタと直接にインタフェースするために追跡される末端キャップを使用することができる。
一部の実施形態は、手持ち式可動ロッド輪郭評価デバイスを含む。図５１Ａ〜図５１Ｉを参照すると、一部の実施形態は、２つの手持ち式の追跡されるデバイスを用いた埋め込みの前のロッドの輪郭を評価する方法を含む。これらの実施形態を利用してロッドの輪郭を登録するために、ロッドは、図４８Ａ〜図４８Ｃ、図４９Ｄ、及び図５０Ｅに上述したように追跡される末端キャップ内に剛的に固定され、次いで、図４７Ｂに上述した追跡されるスライダーがロッドの面にわたって１回又は２回以上摺動される。例えば、図５１Ａは、図４７Ａ、図４８、図４９Ｄ、及び図５０Ｅに上述した追跡される末端キャップである本発明の一実施形態５１００の側面図を表示している。この実施形態５１００は、ハンドル５１０１と、ロッド装着孔５１０３と、解剖軸基準ラベル付け（５１０５、５１０７）と、追跡されるＤＲＦ５１８９と、ロッドを定位置に剛的に固定するための位置決めネジ５１０９とで構成される。このデバイス内に挿入されて固定されると、ロッドは、デバイス上に含まれる解剖学的ラベル付けに対して取得ソフトウエアによって解釈される。図５１Ｂは、図５１Ａに示した本発明の一実施形態である追跡される末端キャップの前面図を表示している。図５１Ｃは、図５１Ａ〜図５１Ｂに示した本発明の一実施形態である追跡される末端キャップの背面図を表示している。
図５１Ｄは、ハンドル５１２９と、ロッド中心化フォーク５１３０と、追跡されるＤＲＦ５１３５と、バネ装荷式押下可能シャフト５１４０と、シャフト装着ＴＭＳＭ５１４５とで構成される図４７Ｂに関して上述した本発明の一実施形態である追跡されるスライダーのアセンブリ図を表示している。図５１Ａ〜図５１Ｃに関して上述した追跡される末端キャップに固定されたロッドと併用される場合に、この実施形態は、ロッドの面に沿って摺動することによってロッドの座標を登録することができる。スライダーがロッドの面と完全に係合した状態で、摺動シャフト及びそれに取り付けられたＴＭＳＭが作動されてロッドの中心に対応する座標が記録される。ロッドの座標を計算するソフトウエアに対しては、下記で図７３Ａ〜図７３Ｂ及び図７４を参照して説明する。スライダーに取り付けられたロッド中心化フォークは、このデバイスの一実施形態に過ぎないことに注意しなければならない。他の実施形態は、図４９Ａ〜図４９Ｄ及び図５０Ａ〜図５０Ｅを参照して上述したように結合されたリングを含む。更に、ＴＭＳＭを直線的に作動させることは、スライダーがロッドと完全に係合したという取得システムに対するトリガの１つの方法に過ぎない。他の実施形態は、ＴＭＳＭの回転運動、追跡されるスライダー又は追跡される末端キャップ上での手持ち式トリガ、追跡される末端キャップ又は追跡されるスライダー上に埋め込まれた電子機器からの電子通信を含むがこれらに限定されない。
図５１Ｅは、押下可能シャフト５１４０と、ロッド中心化フォーク５１３０と、追跡されるＤＲＦ５１３５とを表示する図５１Ｄに示した実施形態の背面図を表示している。図５１Ｆは、追跡されるＤＲＦ５１３５と、バネ５１３０及びバネ装荷式押下可能シャフト先端５１４０と、それに取り付けられたＴＭＳＭ５１４５とを見ることができる図５１Ｄ〜図５１Ｅに示した実施形態の拡大図を表示している。この実施形態のこの構成では、摺動シャフト５１４０及びそれに装着されたＴＭＳＭは延長位置にあり、追跡されるスライダーがロッドに係合していないことを示している。
図５１Ｇは、押下可能シャフト５１５５及びそれに装着されたＴＭＳＭ５１６０が、ロッド径に対応する事前設定高度が使用される場合に追跡されるスライダーがロッドと固く係合してロッドの座標を記録されることを取得ソフトウエアに示すことになる押下場所にある図５１Ｄ〜図５１Ｆに示した実施形態の拡大図である。更に、図５１Ｈは、ロッド５１７０を追跡される末端キャップ内に剛的に固定し、追跡されるスライダーをロッドにわたって１回又は２回以上摺動させることによって埋め込みの前のロッドの輪郭を登録する機構である本発明の一実施形態を表示している。追跡される末端キャップに取り付けられたロッドの輪郭の登録に続いて、追跡される末端キャップは、下記で図７８を参照して詳細に説明するように、ユーザが、ロッド輪郭を描写するディスプレイモニタと直接にインタフェースするために使用することができる。図５１Ｉは、図５１Ｈに示した本発明の実施形態の別の図である。
一部の実施形態は、ＴＭＳＭベースの埋め込みロッド輪郭評価デバイスを含む。一部の実施形態は、患者内に埋め込まれた後のロッドの輪郭を評価するのに使用される。この実施形態は、追跡されるプローブが手術部位の中に嵌合し、埋め込みロッドにわたってトレースすることができるように、追跡されるプローブの端部の上に図４７Ａ及び図５１Ｄ〜図５１Ｉに上述した摺動シャフト及びバネ装荷式ＴＭＳＭを有するロッド中心化フォーク設計を利用する。このプローブは、摺動シャフトが事前設定直径のロッドによって押下されることに対応する位置にＴＭＳＭがある時だけを記録するようにしか取得システムがトリガされないので、あらゆる妨害ハードウエアをその座標を記録することなく飛び越すことができる。ロッド輪郭を計算及び解釈するためのソフトウエアに対しては、下記で図７６及び図７７Ａ〜図７７Ｃに関して説明する。
図５２Ａは、本発明の一部の実施形態によるＴＭＳＭベースの埋め込みロッド輪郭評価デバイス５２００の構成要素を示している。一部の実施形態では、デバイス５２００は、プローブシャフト５２１０と、ロッドにインタフェースするためのロッド中心化フォーク５２３０、５２３５と、挿入される追跡されるＤＲＦマーカに対するマウント５２１５と、バネに対するマウント５２２５と、摺動シャフトに対する深度ストップ５２２５と、挿入されたシャフト（図示せず）が回転することを防ぐための摺動シャフトガイド５２０５とを含む。この実施形態は、下記で図５２Ｂを参照して説明する実施形態と結合されることに関する。
図５２Ｂは、本発明の一部の実施形態による鈍頭先端５２６４を有する押下可能摺動シャフト５２５０と、バネに対するマウント５２６０と、調節可能深度ストップに対するネジ孔５２６８と、ＴＭＳＭに対するマウント５２０９と、上記で図５２Ａに関して上述した相補的プローブ内に挿入された時に回転を防ぐガイド適合プロファイル５２５２とを含む図５２Ａの構成要素に結合する押下可能摺動シャフトを示している。
図５２Ｃは、本発明の一部の実施形態による図５２Ａの構成要素の上面図を示しており、バネマウント５２２５と、図５２Ｂに関する摺動シャフト５２５０を受け入れることができる摺動シャフト貫通孔５２２９とを示している。図５２Ｄは、押下可能摺動シャフト５２５０、バネマウント５２６０、調節可能深度ストップに対するネジ孔５２６８、ＴＭＳＭに対するマウント５２０９、及びガイド適合プロファイル５２５２のより近い可視化を可能にする図５２Ｂに示した実施形態の別の図である。
図５３Ａは、手術部位内に埋め込まれた後のロッドの輪郭を評価するように構成されたデバイス５３００の一実施形態を表示している。この図で説明する実施形態は、図５２Ａ〜図５２Ｄに関して上述した構成要素のアセンブリを含む。一部の実施形態では、デバイス５３００は、ロッド中心化フォーク５３１５を有する追跡されるプローブ５３１０と、ＴＭＳＭ５３２５が結合された押下可能摺動シャフト５３３５を受け入れる貫通孔（図示せず）と、追跡されるＤＲＦ５３２０とを含む。この実施形態は、ロッドが押下可能摺動シャフトを押下し、それによって取り付けられたＴＭＳＭを取り付けられた追跡されるＤＲＦに対して移動するように埋め込みロッドに係合するように使用される。ＴＭＳＭが追跡されるＤＲＦに対してロッド径に基づいて事前設定された量だけ移動すると、取得システムは、下記で図７６〜図７７を参照して説明するように、ロッドの中心に対応する座標を記録するようにトリガされる。更に、図５３Ｂは、本発明の一部の実施形態による図５３Ａのアセンブリの一部分５３０１の拡大背面図を示している。更に、図５３Ｂは、押下可能摺動シャフト５３２５と、それに取り付けられたＴＭＳＭ５２２５と、追跡されるＤＲＦ５３２０と、バネ５３５４と、摺動シャフトに対する深度ストップ５３５６と、フォークの分岐よりも大きい摺動シャフト先端の最大突出長さを調節するのに使用される深度ストップ位置決めネジ５３５２とを見えるようにした図５３Ａに示した本発明の実施形態の背面図を表示している。この調節可能深度ストップ設計は、本発明の一実施形態に過ぎないことに注意しなければならない。他の実施形態は、摺動シャフトの最大突出長さを調節する機構を持たない。更に、この実施形態で言及する外部バネは、他の実施形態の範囲では内部圧縮性バネ、捩りバネ、及び形状記憶材料で構成することができる。この図は、摺動シャフトガイドが摺動シャフトの回転をどのように防いでＴＭＳＭを追跡されるＤＲＦに対する直線運動に制限するかを表示している。
図５３Ｃは、図５３Ａ〜図５３Ｂに示した実施形態のロッド−インタフェース領域を大きく拡大した図を表示している。この実施形態では、バネ装荷式押下可能摺動シャフト５３３５は延長位置にある。この位置では、プローブが、測定されるロッドにインタフェースしていることを示さないので、取得システムは、プローブの座標を記録するようにトリガされることはない。更に、図５３Ｄは、ロッド中心化フォーク５３１５内でロッド５３６７にインタフェースし、摺動シャフト５３３５を押下位置に押下し、取り付けられたＴＭＳＭ（図示せず）をプローブに取り付けられたＤＲＦに対して移動して取得システムに対してロッドの断面の中心に対応する座標を記録することを示す図５３Ａ〜図５３Ｃに上述した実施形態の図を表示している。
図５３Ｅは、図５３Ａ〜図５３Ｄに関して上述したデバイス実施形態の追跡されるＤＲＦ部分を大きく拡大した図を表示している。図示の追跡されるＤＲＦ５３２０に対するＴＭＳＭ５３２５の場所は、図５３Ｃに示す延長位置にある押下可能シャフトに対応する。この構成では、取得ソフトウエアがプローブの座標を記録するようにトリガされることなはい。図５３Ｆは、摺動シャフトガイド５３２９を示す図５３Ａ〜図５３Ｅに関して上述したデバイス実施形態の追跡されるＤＲＦ部分を大きく拡大した図を表示している。図示の追跡されるＤＲＦ５３２０に対するＴＭＳＭ５３２５の場所は、図５３Ｄに示す押下位置にある押下可能シャフト５３３５に対応する。この構成では、取得ソフトウエアは、プローブの場所を記録するようにトリガされ、この記録からロッドの座標を下記で図７６〜図７７を参照して説明するように計算することができる。
一部の実施形態は、導電率ベースの埋め込みロッド輪郭評価デバイスを含む。一部の実施形態は、手術部位内に埋め込まれた後のロッドの輪郭を評価することに関する。この実施形態は、ロッド中心化フォークの内壁上に電気接点端子を有する通電により、図５２Ａ〜図５２Ｄ及び図５３Ａ〜図５３Ｆに関して上述したものとは異なる。この場合に、これらの電気的に分離された端子は、これらの間の導電率を感知するのに使用される。両方の端子に接触するロッドの不在下では、これらの端子の間に電流は流れない。しかし、ロッドがフォーク内に完全に係合されると、一方の接点から他方の接点に電流が流れ、それによってデバイスがロッドと完全に係合したことが示され、輪郭評価デバイスは、デバイスの座標を記録されることを３Ｄ追跡取得システムと無線又は有線のいずれかによって電気的に通信する。従って、プローブ内には、バッテリ又はコンデンサーによる小さい電源と、取得システムと通信する回路構成要素とが埋め込まれる。例えば、図５４Ａは、一端にロッド中心化フォーク５４２５及び他端に追跡されるＤＲＦ５４１５が装備されたプローブシャフト５４１５を含む本発明の一実施形態（アセンブリ５４００）を表示している。本発明のこの実施形態は、既に埋め込まれた脊椎ロッドに適用され、ロッドの露出面に沿って摺動させることによってロッドの３Ｄ輪郭を評価するために使用することができる。このデバイスは、ロッド中心化フォークの内面上に下記で図５４Ｂを参照して説明する電気接点端子を有し、これらの端子の間に電流が流れる時を検出する内部電子機器（図示せず）をロッド内に有する。これらの端子の間に電流が流れると、輪郭評価ツールは、取得システムが空間内のツールの場所を記録するように信号送信する。取得システムとのプローブの通信方法の他の実施形態は、無線高周波送信、システムによって検出されるプローブ上の要素の赤外線光又は可視光の照明による光学信号送信、及び有線信号送信を含むがこれらに限定されない。プローブに対するロッドの場所及び輪郭を解釈する処理に対しては、下記で図７６及び図７７Ａ〜図７７Ｃを参照して説明する。
図５４Ｂは、本発明の一部の実施形態による図５４Ａのデバイスのロッド中心化フォーク及び電気接触パッドを示している。図５４Ｂは、ロッド中心化フォーク５４２５、及びその各アームの内面上に位置付けられた電気接触パッド５４２７ａ、５４２７ｂのより良い可視化を提供している。この実施形態の場合に、プローブは、導体が両方の接点端子を接続しない限りプローブがアクティブであることを信号送信することができない。他の実施形態では、接点端子の形状は、円筒形、半円筒形、平面、及びフォークの内面からの突出距離において変化を有する湾曲面を含むがこれらに限定されず、異なる場合があることに注意しなければならない。
図５４Ｃは、フォーク内に完全には着座していないロッド５４４０にインタフェースする図５４Ａ〜図５４Ｂに関して上述した実施形態を表示している。この構成では、ロッド５４４０は、両方の電気接点板の近くになく、従って、評価デバイスは非アクティブで非追跡の状態にある。更に、図５４Ｄは、フォーク内で完全に係合したロッド５４４０にインタフェースする図５４Ａ〜図５４Ｃに関して上述した実施形態を表示している。この構成では、金属ロッドは、フォークの両方の電気接触パッド（図５４Ｂの５４２７ａ、５４２７ｂ）の近くにあり、従って、それ自体を通じて電流を導通させる。電流が導通されると、次いで、プローブは、アクティブであることを３Ｄ追跡取得システムに信号送信し、プローブの座標が記録され、下記で図７６及び図７７Ａ〜図７７Ｃを参照して説明するようにロッド輪郭を算定するのに使用される。
一部の実施形態は、３Ｄ追跡される手動可動ロッド曲げ器を含む。一部の実施形態は、追跡される末端キャップに取り付けられた既に登録されたロッドに対してロッドを曲げ、それと共に曲げ中にロッドの最新の輪郭を再登録するのに利用することができる。更に、この実施形態は、事前登録されたロッドに対する追跡される手持ち式ロッド曲げ器の正確な位置の視覚化をディスプレイモニタ上で可能にする。更に、このシステムは、ロッドを予め決められた形状に輪郭形成するために追跡される手持ち式ロッド曲げ器を何処に配置するか、及びどのように操作するかを命令するソフトウエア支援かつソフトウエア誘導の曲げも可能にする。この実施形態及びその変形の機能に対しては、下記で図５６Ａ〜図５６Ｆ、図７９Ａ〜図７９Ｇ、及び図８１を参照してより詳細に説明する。
図５５Ａは、中心ロッド輪郭形成面５５０３と左外側ローラ５５０５とを含有するハンドル＃１ ５５０７ａと、右外側ローラ５５０６を含有するハンドル＃２ ５５０７ｂという２つのハンドルからなる手持ち式ロッド曲げ器５５０１である本発明の一実施形態を表示している。図示の実施形態は、曲げ器ハンドル（５５０７ａ、５５０７ｂ）が互いに開いた角度で配置された時にローラと中心曲げ面の両方に近い真っ直ぐなロッド５５１１ａとインタフェースする。更に、図５５Ｂは、ロッド曲げ器のハンドル間が近づけられ、湾曲したロッド５５１１ｂの輪郭がもたらされた図５５Ａに関して上述した本発明の実施形態を表示している。図５５Ｃは、湾曲したロッド５５１１ｂにインタフェースする図５５Ｂに示した曲げ器５５０１のロッド−インタフェース点を大きく拡大した図を表示している。
図５５Ｄは、ハンドル＃１ ５５０７ａに固定された追跡されるＤＲＦ５５５０と、外側ローラ５５０６上に装着されたローラマウント５５０８と、そこに固定されたＴＭＳＭ５５４０とが装備された図５５Ａ〜図５５Ｃに関して上述したロッド５５１１ａに結合された手持ち式ロッド曲げ器からなる本発明の一実施形態を表示している。表示するように、ロッド曲げ器５５０１は真っ直ぐなロッド５５１１ａにインタフェースし、それには、真っ直ぐなロッドを受け入れるために曲げ器のハンドル５５０７ａ、５５０７ｂが互いに広角で配置されることが必要である。ハンドル＃１ ５５０７ａに装着された追跡されるＤＲＦ５５５０を用いて、３Ｄ追跡取得システムは、中心ロッド輪郭形成面と左外側ローラの両方の場所及び姿勢を登録することができる。次いで、右外側ローラ５５０６に取り付けられたＴＭＳＭ５５４０を用いて、取得システムが、曲げ器の２つの他のロッド−インタフェース点に対する右外側ローラの場所を登録することが可能になる。３Ｄ空間内の曲げ器上の３つ全てのロッド−インタフェース点の場所を決定する機能により、取得システムは、曲げハンドルの間の相対角度を解釈し、更に既知のロッド径を用いてロッド内に誘導された曲げの程度を解釈することができる。本発明のこの実施形態が、図４９Ｄ、図５０Ｅ、図５１Ｈ〜図５１Ｉに関して上述したように、追跡される末端キャップに固定された事前登録されたロッドに結合されると、取得システムは、追跡される曲げ器上の３つのロッド−インタフェース点が事前登録されたロッドに係合する時を解釈することができる。この場合に、ソフトウエアシステムは、下記で図５６、図７９〜図８１、及び図８７〜図８８を参照して説明するように、ロッドに対する曲げ器のライブ追跡、曲げ中のロッド輪郭の実時間更新、及びソフトウエア支援式曲げ命令を提供することができる。更に、図５５Ｅは、ロッド曲げ器ハンドル５５０７ａ、５５０７ｂ間が結合されて湾曲したロッド５５１１ｂがもたらされた図５５Ｄに上述したデバイス５５０１の一実施形態を表示している。更に、図５５Ｆは、図５５Ｅに示して図５５Ｄに関して上述した実施形態の別の図を表示している。この視点は、ハンドル＃１ ５５０７ａに取り付けられた追跡されるＤＲＦ５５５０に対する装着ポスト５５５１の可視化を可能にする。他の実施形態では、追跡されるＤＲＦ５５５０はハンドル＃１ ５５０７ａ上の様々な場所に様々な角度で結合され、ハンドルから高度がオフセットされることに注意しなければならない。この図は、ロッド曲げ器ハンドルに対する追跡されるＤＲＦ５５５０の相対的位置決めの一実施形態を表示するに過ぎない。同じ変形は、ハンドル＃２ ５５０７ｂに対するＴＭＳＭ５５０８（図５５Ｄに印している）の相対的位置決めに関しても適用される。図示の実施形態では、ＴＭＳＭ５５０８は、右外側ローラ５５０６の上に直接に位置付けられているが、本発明の上述の実施形態を計算するのにソフトウエアが必要とする入力情報を提供するのにハンドル＃２ ５５０７ｂ上のいずれの場所にも配置することができる。
一部の実施形態は、ロッドが中心ロッド輪郭形成面に対して完全に押圧された時にしか漂遊マーカを移動せず、それによってロッドが曲げ器と完全に係合した時のインジケータとして機能するようにロッド曲げ器の中心ロッド輪郭形成面に取り付けられたバネ装荷式の追跡される可動漂遊マーカを含む。例えば、他の実施形態は、ロッドがロッド曲げ器の中心ロッド輪郭形成面に対して完全に近似した時にしか完全に偏向されることがないように中心ロッド輪郭形成面に接続されたバネ装荷式（図示せず）の追跡される可動漂遊マーカ（図示せず）を含む。このようにして、取得システムは、ロッドの輪郭が能動的に曲げられている時を示す追加の方法を有する。
図５５Ａ〜図５５Ｉ及び図５６Ａ〜図５６Ｆを参照すると、一部の実施形態では、追跡される曲げ器は、他のユーザ作動式ロッド曲げ器、特に、手術室に使用されるベンチトップ曲げ器に適用することができるように保護することができる。更に、ロッドのデジタルオーバーレイが切断されることになる場所を確認するのと同じ方法で追跡をロッドカッターに同じく装備することができることに注意することも非常に重要である。これらの実施形態は、湾曲を誘導するためにロッドとの２又は３以上の接点を含む他のユーザ作動式ロッド曲げ器に適用することができることに注意しなければならない。他の実施形態では、これらの原理は、事前登録されたロッドに対するカッターの場所を視覚化することができるようにロッド切断に向けて使用される器具に適用される。
図５５Ｇは、ロッド曲げ器のハンドル＃１ ５５０７ａ上に２つのＴＭＳＭ（５５７１、５５７２として示す）、及びハンドル＃２ ５５０７ｂ上に１つのＴＭＳＭ５５７３が装備された図５５Ｄ〜図５５Ｆに関して上述したものからの本発明の代替曲げ器実施形態を表示している。３つのＴＭＳＭ５５７１、５５７２、５５７３は、曲げ器上の各ロッド−インタフェース点の位置を決定するのに利用される。図示のこれら３つのＴＭＳＭ取付点は、ロッド曲げ器の３つのロッド−インタフェース点のすぐ上であり、取得ソフトウエアは、３つのマーカ５５７１、５５７２、５５７３によって定められたロッド曲げ器の平面を決定することができ、次いで、ＴＭＳＭと曲げ器上のロッド−インタフェース点との間の既知のオフセットに基づく既知の量だけこの平面をオフセットする。取得システムは、ＴＭＳＭ平面の法線ベクトルをこれら３つのマーカの中心から３Ｄ追跡カメラに描かれたベクトルから９０度よりも小さいものとして定める単一光学３Ｄ追跡システムの視野角制限に基づいて、３つのＴＭＳＭによって定められた平面からのオフセットの方向を確実に解釈することができる。この構成では、追跡される曲げ器は、図５５Ｄに関して上述したものと同じ機能を達成することができる。ロッド曲げ器に取り付けられた３つのＴＭＳＭは本発明の一実施形態に過ぎず、他の実施形態は、曲げ器に３よりも多いＴＭＳＭを取り付けること、並びにＴＭＳＭをロッド曲げ器のロッド−インタフェース構成要素のすぐ上ではなく別の場所に配置することを含むことに注意しなければならない。この図に示すように、追跡される曲げ器は真っ直ぐなロッド５５１１ａにインタフェースしており、曲げ器ハンドルの間の互いの角度を広角で配置することを必要とする。この構成では、中心曲げ面から外側ローラの各々までの距離は同じであるので、曲げ器ハンドル間の角度及び従って曲げ程度は、中心ＴＭＳＭ５５７１から均等に離間したＴＭＳＭ５５７２と５５７３の間の角度に基づいて計算することができる。
図５５Ｈは、ロッド曲げ器ハンドル間が近く、湾曲したロッド５５１１ｂをもたらしていることを除き、図５５Ｇに上述した本発明の一実施形態を表示している。図５５Ｉは、図５５Ｈに示して図５５Ｇに関して上述した実施形態の別の図を表示している。
図５６Ａ〜図５６Ｆは、図５５Ａ〜図５５Ｉに関して上述した本発明の実施形態を更に詳しく描いている。曲げを実時間で追跡するのに必要な本発明の構成要素が示されており、更に、ソフトウエア支援式命令式曲げを利用する段階が全て表示されている。更に、この図の中に、曲げの実時間追跡を算定し、更に再登録されるロッドを算定する時に、曲げ中及び後にロッド材料が有する可能性がある形状記憶を考慮する機能を可能にするデバイスの追加の実施形態が導入されている。例えば、図５６Ａは、事前登録されたロッド５６１０が追跡されるＤＲＦ装備式末端キャップ５６０５内に固定され、追跡されるロッド曲げ器５５０１ｇにロッドにインタフェースする３つのＴＭＳＭが装備された図５５Ｇ〜図５５Ｉに関して上述したデバイスの一実施形態５６００を表示している。この構成では、取得ソフトウエアは、追跡される末端キャップの相対座標系内で事前登録されたロッドに対する追跡されるロッド曲げ器の場所を解釈することができる。この構成を用いて、取得システムは、下記で図７９Ａ〜図７９Ｇ、図８１、図８７Ａ〜図８７Ｇ、及び図８８Ａ〜図８８Ｆを参照して説明するように、ロッドに対する曲げ器のライブ追跡、曲げ中のロッド輪郭の実時間更新、及びソフトウエア支援式曲げ命令を提供することができる。
図５６Ｂは、追跡されるロッド曲げ器５６００が湾曲したロッドの別の場所に係合し、図５６Ａに示すように曲げ器がロッドの真っ直ぐな部分にインタフェースしている時からハンドルと関連のＴＭＳＭの間の角度がどのように変化するかを表示する図５６Ａに関して上述した実施形態の別の構成を示している。
図５６Ｃは、事前登録されたロッドが、追跡されるＤＲＦ装備式末端キャップと、一方のハンドル上に追跡されるＤＲＦ５５５０及び他方の上にＴＭＳＭが装備された追跡されるロッド曲げ器（末端キャップ５６０５とロッド曲げ器５５０１とのアセンブリ５６０１）との内部に固定された図５５Ｄ〜図５５Ｆに関して上述したデバイスの一実施形態（アセンブリ５６０１）を表示している。この構成を用いて、取得システムは、下記で図７９Ａ〜図７９Ｇ、図８１、図８７Ａ〜図８７Ｋ、及び図８８Ａ〜図８８Ｆを参照して説明するように、ロッドに対する曲げ器のライブ追跡、曲げ中のロッド輪郭の実時間更新、及びソフトウエア支援式曲げ命令を提供することができる。
図５６Ｄは、追跡されるロッド曲げ器５５０１が湾曲したロッド（５６１０）の別の場所に係合し、図５６Ｃに示すように曲げ器がロッドの真っ直ぐな部分にインタフェースしている時から追跡されるＤＲＦに対するハンドルと関連のＴＭＳＭの間の角度がどのように変化するかを表示する図５６Ｃに関して上述した実施形態５６０１の別の構成を示している。
図５６Ｅは、事前登録されたロッド５６１０に固定された追跡されるＤＲＦ装備式末端キャップ５６０５と、追跡されない手動曲げ器５５０１ｃと、ＴＭＳＭ５６９５が装着されたロッドキャップ５６９０とで構成される本発明の更に別の実施形態５６００を表示している。この実施形態は、事前登録されたロッドが手持ち式曲げ器によって曲げられている間に事前登録されたロッド輪郭を更新する別の機構及び方法を表している。この実施形態では、曲げ器は追跡されないので、ＴＭＳＭの場所は、ロッドが固定された追跡される末端キャップに対して検出される。取得システムは、ＴＭＳＭと末端キャップ上の追跡されるＤＲＦの間の相対運動を検出する時に必ず、末端キャップに対してＴＭＳＭが進む経路を記録する。ロッド曲げ器の中心曲げ面の既知の幾何学形状と共にＴＭＳＭの経路を用いて、下記で図８０を参照して説明するように各曲げの場所及び曲率が計算される。
図５６Ｆは、事前登録されたロッド５６１０に固定された追跡されるＤＲＦ装備式末端キャップ５６０５と、追跡されるＤＲＦ５５５０及び１つのＴＭＳＭが装備された追跡される手動曲げ器５５０１と、ＴＭＳＭ５６９５が装着されたロッドキャップ５６９０とを含む５６０１の実施形態を表示している。この実施形態では、曲げ中に事前登録されたロッドの輪郭は、図５５Ｄ〜図５５Ｆに関して上述したロッドのインタフェース領域でのロッド曲げ器の立体構造と、ロッドが固定された追跡される末端キャップに対するＴＭＳＭ装備ロッドキャップの運動との両方の追跡の組合せによって更新される。この構成では、取得システムは、ＴＭＳＭがロッドキャップに装着されていない上述の実施形態ではすることができないロッド材料での形状記憶を考慮することができる。この実施形態ではＤＲＦ装備式末端キャップと反対のロッド端部が追跡されるで、ロッドの特定領域にインタフェースする時にロッド曲げ器がハンドル間の最小角度に到達した後に、ロッド材料がその形状記憶の一部を保持して跳ね返って戻る場合はＴＭＳＭ装備ロッドキャップはＤＲＦ装備式末端キャップに対して移動することになり、取得システムソフトウエアは、図８０に関してより詳細に説明するようにロッドの輪郭を再算定する時に今度はこの記憶を考慮することができる。図５６Ａ〜図５６Ｅに上述した他の実施形態の場合と同様に、この構成も、下記で図７９Ａ〜図７９Ｇ、図８０〜図８１、図８７Ａ〜図８７Ｇ、及び図８８Ａ〜図８８Ｆを参照して説明するように、ソフトウエア支援式曲げ、及びディスプレイモニタとのインタフェースを可能にする。
一部の実施形態は、手術部位内に既に埋め込まれたロッドの曲げを追跡する機能を可能にする３Ｄの追跡される手動埋め込みロッド曲げシステムを含む。この実施形態では、ユーザは、埋め込みロッドの輪郭を事前登録した後に図５２Ａ〜図５２Ｄ、図５３Ａ〜図５３Ｆ、及び図５４Ａ〜図５４Ｂに関して上述した機構を通じてＤＲＦ追跡されるトリガ−装備式式の原位置曲げ器を用いて埋め込みロッドとインタフェースする。例えば、一部の実施形態は、本発明の一部の実施形態によるロッドに結合されたＤＲＦ追跡されるトリガ−装備式式原位置曲げ器を含む。一部の実施形態では、各々に独特な追跡されるＤＲＦが装備された２つの追跡される原位置曲げ器が、埋め込み後の事前登録されたロッドの輪郭を変更するためにこのロッドにインタフェースすることができる。追跡される原位置曲げ器は既に登録されたロッドにインタフェースするので、登録されたロッドに対するこの曲げ器の位置をディスプレイモニタを通じて表示することができる。更に、これらの曲げ器には、ロッドと完全に係合した時を示すトリガとして機能する押下可能摺動シャフトが装備されるので、２又は３以上の原位置曲げ器が同時にトリガされてその間に互いに対して移動されない限り、これらの曲げ器の移動が登録されたロッドのソフトウエア記録輪郭の変更をもたらすことにはならない。例えば、図５７Ａは、ハンドル５７１０ａ、５７１０ｂを有する追跡される原位置曲げ器と、事前登録されたロッド５７１１に結合された押下可能摺動シャフト（図示せず）が装備されたロッド−インタフェースヘッド５７２５ａ、５７２５ｂと、押下可能摺動シャフトに装着されたＴＭＳＭ５７０７ａ、５７０７ｂと、追跡されるＤＲＦ５７０５ａ、５７０５ｂとで構成される本発明の一実施形態５７００を表示している。更に、有茎スクリューシャフト５７１８と、チューリップヘッド５７３９と、埋め込まれた事前登録されたロッド５７５０と、キャップスクリュー５７３８とを有する脊椎５７１３を有する実施形態５７０１を示す図５７Ｂを参照すると、一部の実施形態では、これらの曲げ器上の両方のトリガを押下することができ、関連のＤＲＦに対してＴＭＳＭが作動され、曲げ器がロッドと完全に係合したことが取得システムに示されている。
図５７Ｃは、本発明の一部の実施形態による図５７Ａのロッド（５７１１と記している）の拡大図を示しており、更に事前登録されたロッド５７１１に係合する図５７Ａに図示の実施形態の別の図を表示している。図５７Ｄは、ロッド５７１１を受け入れることができる面５７３０に向けて延びた位置にある押下可能摺動シャフト先端５７３５の図をこのアセンブリ図内に含む図５７Ａに示す曲げ器のロッド−インタフェースヘッド５７２５の拡大図を示している。
本発明の一部の実施形態は、下にある解剖学的標認点の場所を計算することを可能にする代用マーカとして機能する皮膚装着式基準マーカの使用を可能にする。例えば、図５８は、本発明の一部の実施形態による２又は３以上のＸ線画像によって皮膚装着式基準又は経皮基準を手術中に初期化するワークフロー５８００を示している。この図は、基準マーカと当該の解剖学的領域の間の３Ｄ変位ベクトルを初期化及び計算するためにユーザと取得システムとがインタフェースする処理を説明している。この処理に関するいくつかの図は、多平面Ｘ線（図４Ａ〜図４Ｇ，図１３）、患者の皮膚面上又は内への基準配置に関するフィードバック（図２Ａ〜図２Ｂ）、ドレープ横断／二半体基準設計（図６Ａ〜図６Ｄ及び図９Ａ〜図９Ｂ）、カメラ座標での基準の登録＋独特なアイデンティティの決定（図４Ｈ〜図４Ｉ、図５、図７〜図８、図１０Ａ〜図１０Ｄ、及び図１１Ａ〜図１１Ｂ）を用いた３Ｄ変位ベクトルのＸ線初期化を含む。
一部の実施形態では、ワークフロー５８００の１又は２以上の段階を皮膚装着式基準マーカ又は経皮基準マーカと当該の解剖学的標認点の間の３Ｄ変位ベクトルの登録に向けて利用することができる。患者を手術台上に配置する段階５８０２に続いて、段階５８０４は、当該の解剖学的領域内の軟組織上又は内への基準の配置を含むことができる。例えば、一実施形態は、ユーザが基準を当該の一般領域上又は内に置く段階を含む。本発明の別の実施形態は、ユーザが、面上で基準デバイスを配置又は挿入するのに最適な場所を示す基準マーカの配置に関するフィードバックを放射線不透過性パッチを通じて受け入れる段階を含むことができ、この段階に対しては、図２Ａ及び図２Ｂに関して描写かつ議論した。
一部の実施形態は、手術部位の外側への手術ドレープ及び他の遮蔽材料の導入後に基準へのアクセスを維持するために軟組織上又は内に配置されたオリジナル基準マーカへの第２の半体基準の嵌合段階を伴う。本発明の１又は２以上の実施形態を達成するための例示的実施形態を図６Ａ〜図６Ｄ及び図９Ａ〜図９Ｂに示している。一部の実施形態では、段階５８０６は、基準と、それによって識別される望ましい解剖学的骨構造とを含む第１のＸ線画像を取得する段階を含むことができる。更に、段階５８０８はＸ線エミッタの回転を含むことができ、段階５８１０は、基準と、それによって識別される望ましい解剖学的骨構造とを含む第２のＸ線画像を取得する段階を含むことができる。
一部の実施形態は、基準に対する独特な視点から取得された各画像に関して基準マーカと当該の解剖学的標認点の間の２Ｄベクトルに注釈を付ける処理を更に含む。この変位ベクトル初期化処理に対しては、図４Ａ〜図４Ｆを参照して描写かつ議論した。初期化処理の全体的な目標は、図１３に示した断面図に視覚化することができる。更に、一部の実施形態は、各画像に関する２Ｄ変位ベクトルを計算への入力として用いて基準マーカと当該の解剖学的標認点の間の３Ｄ変位ベクトルを計算するために基準の２又は３以上のＸ線画像の間の相対的な回転及び平行移動オフセット情報を使用する処理を伴う。複数の２Ｄ変位ベクトルの間の剛体変換に基づいて３Ｄ変位ベクトルを計算するこの処理に対しては図４Ｇに示している。例えば、段階５８１２は、Ｘ線画像への望ましい解剖学的骨構造の場所の注釈を含むことができ、段階５８１４は、基準上の放射線不透過性マーカの既知のサイズによるＸ線画像の距離の較正を含むことができる。更に、段階５８１６は、Ｘ線画像上にスケーリングされた変位ベクトルを基準原点から示された当該の解剖学的骨構造まで示す段階を含むことができ、段階５８１８は、Ｘ線画像間の変位角を入力又は算定する段階を含むことができる。更に、段階５８２０は、基準原点から注釈領域までの３Ｄ変位ベクトルを生成するための変位ベクトルを追加する段階を含むことができる。
段階８５２２〜５８３０は、３Ｄ追跡されるデバイスを用いて３Ｄ追跡取得ユニットの座標系に関する基準マーカの場所及び方位を登録し、次いで、取得された位置情報をＸ線に基づく３Ｄ変位ベクトルに剛体変換として適用してこのベクトルを撮像単位から３Ｄ追跡取得ユニットの単位に変換する処理を説明している。この処理は、図４Ｈ、図４Ｉ、図５、図７〜図８、図１０Ａ〜図１０Ｄ、及び図１１Ａ〜図１１Ｂに示したものとすることができる。更に、これらの上述の図は、システムがいくつかの基準マーカを一度に利用することができるように基準マーカの独特なアイデンティティを決定し、どの基準が当該の独特な解剖学的標認点との特定の数学関係に関連するかを理解するための一部の実施形態を示している。例えば、段階５８２２は、カメラ座標内への基準原点の解釈を含むことができ、段階５８２４は、基準の姿勢を示すために追跡されるプローブによって基準を個別点でトレース又はタッピングする段階を含むことができる。更に、段階５８２６は、基準の姿勢を取得するための追跡されるプローブと基準との機械的な嵌合段階又は結合段階を含むことができ、段階５８２８は、基準上に装着されたマーカを直接に追跡する段階を含むことができ、段階５８３０は、当該の初期化された隣接骨点に対する基準点として次に機能する基準へのアクセスを含む。
一部の実施形態では、ワークフロー５８００に関する上述の処理、方法、又は手順のいずれも、段階又は処理５８０２、５８０４、５８０６、５８０８、５８１０、５８１２、５８１４、５８１６、５８１８、５８２０、５８２２、５８２４、５８２６、５８２８、及び５８３０のうちの１又は２以上を含むか又はそれによって達成することができる。一部の実施形態では、ワークフロー５８００のこれらの段階は、図示の通りの順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー５８００の段階のうちのいずれも示す順序以外の順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー５８００の段階のうちの１又は２以上は省略することができる。
本発明の一部の実施形態は、マーカが剛的に取り付けられた解剖学的骨構造内に又はその近くに位置付けられた解剖学的標認点を表す骨装着式基準マーカの登録を可能にする。例えば、図５９は、本発明の一部の実施形態により手術中に配置された１又は２以上の骨装着式基準を１又は２以上の骨装着式基準の配置の前に撮影された２又は３以上のＸ線画像を用いて初期化するワークフロー５９００を示している。この図は、皮膚ベースの基準及びそこから当該の解剖学的標認点までの３Ｄ変位ベクトルの以前のＸ線初期化を用いて骨装着式基準場所及び姿勢を以前の３Ｄ変位ベクトルのカメラベースの登録座標に対して変換し、骨装着式基準マーカと当該の解剖学的領域の間の関係を説明するバックエンドシステムの処理を説明している。他の関連の図は、骨装着式基準設計及び追加基準への結合（図３Ａ〜図３Ｃを参照されたい）、及びカメラ座標での基準の登録＋その独特なアイデンティティの決定（図１０Ａ〜図１０Ｄ及び図４４Ａ〜図４４Ｄ）に関する実施形態を含むことができる。
一部の実施形態では、この処理の段階５９１０、５９１２は、撮像座標、並びに３Ｄ追跡取得ユニットの単位で皮膚ベースの基準又は経皮基準に関する３次元変位ベクトルを登録するための処理を略述する図５８のワークフローに上述した段階を伴う可能性がある。手術部位の場所が生体構造の登録された基準マーカの場所へのアクセスを必要とすることに起因してこの基準マーカを取り外さなければならない場合に、ユーザは、この処理を利用して他の当該の解剖学的標認点に関する情報を提供する３Ｄ変位ベクトルへのアクセスを元に戻すことができる。段階５９１４は、皮膚基準の取り外しを含むことができ、段階５９１６は、皮膚切開及び手術部位の露出を含むことができる。
一部の実施形態では、段階５９１８及び５９２０は、ユーザが小型基準マーカを解剖学的骨構造の中に埋め込み、次いで、３Ｄ追跡されるプローブによって３Ｄ追跡取得ユニットに対するこの基準マーカの場所及び方位を登録する段階を含むことができる。この処理の一実施形態は、図３Ａ〜図３Ｂ及び図４Ａ〜図４Ｄに示している。
段階５９２２、５９２４、５９２６、及び／又は５９２８に説明する一部の実施形態は、３Ｄ追跡取得ユニットの座標に関する基準の３Ｄの場所及び方位を登録するために、３Ｄ追跡されるプローブが基準面をトレースするか又は基準上の個別点をタッピングする段階を含むことができる。他の実施形態のうちの一部を図１０Ａ〜図１０Ｄに示している。
一部の実施形態では、段階５９３０は、登録された骨装着式基準の場所及び方位を手術部位の切開の前に皮膚ベースの基準の初期化によって３Ｄ追跡取得システムの座標に変換された以前の３Ｄ変位ベクトルによって初期化された登録された標認点と比較する段階を含むことができる。更に、一部の実施形態では、段階５９３２及び５９３４は、３Ｄ追跡取得システムからの座標で登録された解剖学的標認点に適用される剛体変換に対する入力として段階５９３０で計算された関係を利用する段階を含むことができる。
一部の実施形態では、ワークフロー５９００に関する上述の処理、方法、又は手順のいずれも、段階又は処理５９１０、５９１２、５９１４、５９１６、５９１８、５９２０、５９２２、５９２４、５９２６、５９２８、５９３０、５９３２、及び５９３４のうちの１又は２以上を含むか又はそれによって達成することができる。一部の実施形態では、ワークフロー５９００のこれらの段階は、図示の通りの順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー５９００の段階のうちのいずれも示す順序以外の順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー５９００の段階のうちの１又は２以上は省略することができる。
図５８及び図５９に示した実施形態と同様に、図６０は、本発明の一部の実施形態による骨装着式基準の配置の後に撮影された２又は３以上のＸ線画像を用いて手術中に配置された骨装着式基準を初期化するワークフローを示している。一部の実施形態では、ユーザは、手術部位を生成し、解剖学的骨構造を露出させた後に、小型基準マーカをそれがこの生体構造に剛的に固定されるまで解剖学的骨構造面内に埋め込むことができる。この実施形態の例を図３Ａ及び図３Ｂに示している。一部の実施形態は、当該の解剖学的標認点までの３Ｄ変位ベクトルに注釈を付けるために、Ｘ線画像内の骨装着式基準マーカの視覚化を改善するためのこの基準マーカの面に嵌合するより大きい基準マーカの使用を伴う。この実施形態の例を図３Ｃに示している。
段階６００２において皮膚を切開して手術部位を露出させ、段階６００４において骨装着式基準を当該の脊椎レベルにアクセス可能な場所で締結し、更に段階６００６においてＸ線初期化を支援するために嵌合デバイス（任意的）を骨装着式基準に取り付ける。一部の実施形態では、段階６０１２、６０１０、６００８、６０１４、６０１６、６０１８、６０２０、６０２２、及び６０２４は、骨装着式基準マーカと当該の解剖学的標認点の間の３Ｄ変位ベクトルを撮像座標で生成するための図５８に上述した基準マーカのＸ線ベースの登録を含むことができる。この場合に、一部の実施形態は、３Ｄ追跡取得システムの座標に関する基準マーカの場所及び方位を取得することによって当該の解剖学的標認点までの骨装着式基準の３Ｄ変位ベクトルを３Ｄ追跡取得システムの座標で登録する。この処理の例を図４Ｈ〜図４Ｉ、図１０Ａ〜図１０Ｄ、更に図４４Ａ〜図４４Ｄに示している。
一部の実施形態では、骨装着式基準がＸ線撮像システムと３Ｄ追跡取得システムとの両方において登録された状態で、ユーザが最新の場所及び方位を登録する段階に戻る度に、この基準の現在位置と以前の登録のものとの間の相対関係が計算され、３Ｄ空間内で基準マーカに関して現在存在する当該の解剖学的標認点の最も正確な場所を計算するために剛体変換を通じて適用される。例えば、段階６０２６において、処理は、基準上に刻印された独特なパターンを追跡されるプローブによってトレースすることを含む段階６０２８と、追跡される嵌合プローブを基準に剛的に結合する段階６０３０と、追跡されるマーカを基準に剛的に結合する段階６０３２と、基準又は基準嵌合付属品上の個別点を追跡されるプローブによってタッピングする段階６０３４とを含むがこれらに限定されない初期化された基準の場所及び姿勢を評価する段階を含むことができる。
一部の実施形態では、ワークフロー６０００に関する上述の処理、方法、又は手順のいずれも、段階又は処理６００２、６００４、６００６、６０１２、６０１０、６００８、６０１４、６０１６、６０１８、６０２０、６０２２、６０２４、６０２６、６０２８、６０３０、６０３２、６０３４、及び６０３６のうちの１又は２以上を含むか又はそれによって達成することができる。一部の実施形態では、ワークフロー６０００の段階のうちのいずれも示す順序以外の順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー６０００の段階のうちの１又は２以上は省略することができる。
本発明の一部の実施形態は、手順中に生成される測定値を評価されている生体構造の寸法の正確な基準とすることを可能にするための３Ｄ追跡取得システムの座標に関する患者の解剖学的平面の初期化に関する。例えば、図６１は、本発明の一部の実施形態による解剖学的基準平面を手術中に登録する方法を示している。一部の実施形態では、ユーザが手術ナビゲーション技術の初期化処理によって測定システムの座標を既に確立した場合に、３Ｄ追跡取得システムによって出力されるデータの座標は、既に患者の解剖学的平面に関する基準になっている。一部の実施形態では、ユーザが手術ナビゲーション技術の初期化処理によって測定システムの座標を依然として確立していない場合に、ユーザは、図６１に説明する実施形態のうちの一部を利用して３Ｄ追跡データ出力を患者の解剖学的平面に関して初期化する。
一部の実施形態は、追跡されるＤＲＦ（例えば、図１２）及び関連の３Ｄ追跡取得システムに関する３Ｄの方位及び場所を患者の解剖学的平面の基準とするために３Ｄ追跡されるデバイスによって出力される測定値の３Ｄ剛体変換への入力として利用する段階を含む。３Ｄ追跡されるデバイスによって出力された測定値を患者の解剖学的平面に位置合わせされた追跡される動的基準を通じて患者の解剖学的平面に関するものに変換するこの処理の一例を図６２Ａ〜図６２Ｃに示している。
患者の解剖学的平面を初期化するための他の実施形態のうちの一部は、３Ｄ追跡取得システムに対する患者の解剖学的平面の方向、場所、及び方位を定めるために空間内の２又は３以上のデータ点を３Ｄ追跡されるプローブによって取得する段階を含むことができる。一部の更に別の実施形態は、プローブを空間内で特定の方位及び場所に保持し、３Ｄ追跡取得システムに対するこの位置を３Ｄ追跡されるデバイスによって出力される全ての取得測定値の新しい座標系として登録する段階を伴う可能性がある。
一部の実施形態では、判断段階６１０２は、患者の生体構造／画像が３Ｄ追跡カメラ軸に関して登録されたものであるか否かの決定を含むことができる。一部の実施形態では、肯定的な返答に対して、処理は、ナビゲーションカメラを用いた患者の断面画像融合のための基準として機能する追跡されるＤＲＦを含む段階６１０４と、解剖学的平面の方位を解釈することを含む段階６１０６と、カメラ座標を解剖軸内で解釈することを含むことができる段階６１２６とを含むことができる。
一部の実施形態では、段階６１０２に対する否定は、ＤＲＦの基準平面ラベル付けが患者の解剖学的平面に位置合わせされるようにＤＲＦの位置を調節することを含む段階６１１０、患者に登録された各解剖軸を表すために空間内の２つの点を追跡されるプローブによってタッピングすることを含む段階６１１２、更に追跡されるプローブを命令された方位に一時的に保持することを含む段階６１１４とを含むがこれらに限定されない解剖学的平面の位置をカメラ軸に関して示す段階６１０８に至ることができる。一部の実施形態では、段階６１１６（段階６１１０又は判断段階６１１８の肯定から到達する）は、カメラ軸をＤＲＦ基準解剖軸に剛体変換する段階を含むことができ、カメラ座標を解剖軸で解釈する段階６１２６に進む。
一部の実施形態では、患者の生体構造を示す上で専用ＤＲＦを使用するか否かを検査する判断段階６１１８から、否定は、カメラ軸を基準解剖軸に剛体変換する段階６１２０へ、更に判断段階６１２２に進むことができる。段階６１２２から、肯定は、段階６１０８に戻る段階６１２４に至ることができ、否定は、段階６１２６（上述した）に移る段階を含むことができる。
一部の実施形態では、ワークフロー６２００に関する上述の処理、方法、又は手順のいずれも、段階又は処理６１０２、６１０４、６１０６、６１０８、６１１０、６１１２、６１１４、６１１６、６１１８、６１２０、６１２２、６１２４、及び６１２６のうちの１又は２以上を含むか又はそれによって達成することができる。一部の実施形態では、これらの段階のうちの少なくとも１つは、１又は２以上のその後の段階がステータス、判断、状態、又は他の条件に依存する判断段階（例えば、段階６１０２又は６１２２など）を含むことができる。一部の実施形態では、ワークフロー６１００のこれらの段階は、図示の通りの順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー６１００の段階のうちのいずれも示す順序以外の順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー６１００の段階のうちの１又は２以上は省略することができる。
一部の実施形態は、３Ｄ追跡されるプローブを用いて身体面をトレースし、上述の事前初期化された皮膚基準マーカにインタフェースすることによる脊椎輪郭の取得及び解釈である。この実施形態では、トレースは、トレースを受けている身体面のタイプ（例えば、皮膚、脊椎板など）を示すために、及び下記で図６９を参照して説明するように身体面と接触する時にのみプローブがアクティブ状態にあることを保証するために、図１０Ａ〜図１０Ｇ及び図１５Ａ〜図１５Ｃに関して上述したトリガ−装備式式プローブによって実施することができる。この実施形態から得られた取得されたトレースデータは、次いで、下記で図６６Ａ〜図６６Ｂ及び図６７を参照して説明するように脊椎アラインメントパラメータを自動的に算定するために使用することができる。
図６２Ａは、追跡されるプローブを用いて身体面にわたってトレースすることによって脊椎の輪郭に関する情報を取得する段階からなる本発明の一実施形態を表示している。この実施形態は、脊椎解剖学的骨構造６２１１と、手術部位６２２０を表すために分断されたその上に重なる皮膚６２１５と、重ね置き手術ドレープ６２０８と共に手術部位の外側の２つの領域に付加された皮膚装着式基準６２２６、６２２８と、ドレープ上嵌合基準６２２５、６２２７とで構成される。３Ｄ追跡されるプローブを用いて、トレース座標が、頸胸椎６２０２の皮膚、手術部位６２０４、及び腰仙椎６２０５の皮膚にわたって取得される。このトレースデータを取得した後に、取得システムソフトウエアは、図４Ａ〜図４Ｉ及び図５８に関して上述した基準初期化データを用いてこのデータを解釈し、下記で図６７及び図６９を参照して説明するように脊椎アラインメントパラメータを計算することを可能にする１つの完全な骨面輪郭を表すことができる。
図６２Ｂは、ドレープ上嵌合基準６２５１、頸胸皮膚トレース６２５３、手術部位トレース６２５５、及び腰仙皮膚トレース６２５７の３Ｄ座標を含む光学３Ｄ追跡カメラの軸内で３Ｄ追跡されるプローブを用いたトレースを通じて取得された身体面輪郭の表示である本発明の一実施形態を表示している。これらのデータを適正に解釈するために、取得ソフトウエアは、データがカメラ軸ではなく解剖学的基準軸線内で表されるようにこれらのデータを剛体変換しなければならない。解剖学的基準軸線を確立する機構に対しては図１２及び図６１に関して説明しており、変換データを下記で図６２Ｃを参照して示している。
図６２Ｃは、図６２Ａ〜図６２Ｂに関して上述したように取得されたトレースデータをドレープ上嵌合基準６２６１、頸胸皮膚トレース６２６３、手術部位トレース６２０５、及び腰仙トレース６２６７の座標を含む解剖学的基準軸線内で解釈及び表示されるものに変換する本発明の一実施形態を表示している。取得された３Ｄトレースデータをこのようにして解釈及び表示することにより、下記で図６２Ｄ及び図６７に関して説明するその後の操作及び計算が可能になる。
図６２Ｄは、図６２Ａ〜図６２Ｃに関して上述した取得されたトレースデータの平行移動である本発明の一実施形態を表示している。この実施形態では、初期化された皮膚基準と当該の解剖学的領域の間の変位ベクトルに基づいて、更に手術部位トレースに最も近い皮膚トレース場所と手術部位トレースの端点の間の変位ベクトルに基づいて、いずれかの皮膚面トレースを平行移動して解剖学的骨構造の連続トレースを表したものである。図に示すように、この実施形態は、頸部基準６２８１、頸胸皮膚トレース６２８３、腰仙トレース６２８５、及び腰仙基準６２８７から構成される。平行移動したトレースを手術部位トレースに結合するデータから（適応可能な場合）、脊椎アラインメントパラメータを下記で図６７を参照して説明するように次に計算することができる。これに加えて、手術部位だけに関してアラインメントの定量的評価が望ましい場合に、それは、この実施形態で取得されたデータを下記で図６８を参照してより詳細に説明するように用いて同じく達成可能である。
本発明の一部の実施形態は、３Ｄ追跡されるツールのエンドエフェクタに対する追跡される可動漂遊マーカ（ＴＭＳＭ）の追跡される動的運動によってコンピュータシステムに特定の指令を通信するための追跡される可動漂遊マーカ（ＴＭＳＭ）の使用を伴う。例えば、図６３は、本発明の一部の実施形態によるＤＲＦを有する追跡されるツールに対する１又は２以上の追跡される可動漂遊マーカ（ＴＭＳＭ）のアナログトリガ検出のためのワークフロー６３００を示している。一部の実施形態では、プローブシャフトに対するＴＭＳＭの直線作動に関する他の関連の図は、図１０Ａ〜図１０Ｅ、図２９Ａ〜図２９Ｃ、図３８Ｃ及び図３８Ｇ、図３９Ａ〜図３９Ｂ、図４４Ｂ〜図４４Ｄ、図４５Ａ〜図４５Ｂ、図５１Ｅ〜図５１Ｈ、図５３Ａ、図５３Ｃ、及び図５３Ｄ、並びに図５７Ａ〜図５７Ｂを含むことができるがこれらに限定されない。一部の実施形態では、プローブシャフトに対する剛性アーム上のＴＭＳＭの回転作動に関する他の関連の図は、図４Ｈ、図１５Ａ〜図１５Ｃ、図４８Ｂ〜図４８Ｃ、図４９Ａ〜図４９Ｄ、図５０Ａ〜図５０Ｅ、及び図８２Ａ〜図８２Ｂを含むことができるがこれらに限定されない。一部の実施形態では、プローブシャフトに対するＴＭＳＭの角度の計算に関する一部の関連の図は、図６４Ａ〜図６４Ｂを含むことができるがこれらに限定されない。
本発明の一部の実施形態は、３Ｄ追跡されるツールに機械的リンクされたＴＭＳＭの使用、及び結合されたＤＲＦ及び関連のツール定義ファイルによって定められた３Ｄ追跡されるツールの座標に対するＴＭＳＭの動的位置を追跡する段階を含む。一部の実施形態は、３Ｄ追跡されるツールのシャフトと同軸であるロッドを作動させる押下可能先端の使用を伴う。一部の実施形態では、ＴＭＳＭは押下可能ロッドに取り付けられ、その後に、直線運動経路を辿る押下可能先端の作動時に、３Ｄ追跡されるツール又はいずれかの他の定められる構成要素の先端からのこのツールのＤＲＦに対するＴＭＳＭの距離が動的に変えることができる。このシステムの一部の実施形態は、ＴＭＳＭの３Ｄ場所を用い、それを３Ｄ追跡取得ユニットに対する３Ｄ追跡されるツールの３Ｄの場所及び方位の３Ｄ剛体変換に適用する。この段階で、ＴＭＳＭ場所データは、３Ｄ追跡されるツールの座標系に関するものに変換され、従って、押下可能先端をトリガして３Ｄ追跡されるツールに対するＴＭＳＭの場所を変化させなければ３Ｄ追跡されるツールを空間内で移動することに関して摂動しない。一部の実施形態では、取得される変換されたＴＭＳＭと３Ｄ追跡されるツールエンドエフェクタとの間のベクトルの大きさは、システムが情報を記録するか又は３Ｄ追跡されるツールの位置によって生成されたデータを格納するための事象が発生した時を検出するのに追跡される非常に正確なものである。
一部の実施形態では、変換されたＴＭＳＭ座標と３Ｄ追跡されるツールのエンドエフェクタの座標との間のベクトルの大きさの動的変化は、バイナリシステム挙動に対する特定の大きさの閾値を検出するために解析することができ、又は３Ｄ追跡されるツールのエンドエフェクタに対するＴＭＳＭの運動の可能な範囲にわたる様々な大きさのレベルで解析し、よりアナログ的なシステム挙動を表すことができる。一部の例示的実施形態を図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｄ、図１０Ｅ、図２９Ａ、図２９Ｂ、図２９Ｃ、図３８Ｃ、図３８Ｇ、図３９Ａ、図３９Ｂ、図４４Ｂ、図４４Ｃ、図４４Ｄ、図４５Ａ、図４５Ｂ、図５１Ｅ、図５１Ｆ、図５１Ｇ、図５１Ｈ、図５３Ａ、図５３Ｃ、図５３Ｄ、図５７Ａ、及び図５７Ｂに示している。更に、システムの一部の実施形態は、特定の指令を通信するためにＴＭＳＭの挙動が使用される時を通信するための２つのベクトル（例えば、３Ｄ追跡されるツールのエンドエフェクタと、ＴＭＳＭが剛的に取り付けられた３Ｄ追跡されるツールに機械的リンクされたアームの回転軸との間のベクトル、及びＴＭＳＭと、ＴＭＳＭが剛的に取り付けられた３Ｄ追跡されるツールに機械的リンクされたアームの回転軸との間のベクトルなど）の間の角度を計算することができる。一部の実施形態では、システムは、３Ｄ追跡されるツールの使用中にこれら２つのベクトルの間の角度を計算し、３Ｄ追跡されるツールの座標に関して定められたベクトルの角度を常に解析する。一部の実施形態では、図６４Ａ及び図６５Ｂに説明する例のようなこの動的角度計算値は、様々な用途に向けて様々な指令を３Ｄ追跡取得ユニットに通信することを可能にするために、上述したようなバイナリ方式又はアナログ方式で感知することができる。１つの例示的実施形態は、選択領域において脊椎をトレースし、３Ｄ追跡されるツール上のボタンの作動によってＴＭＳＭ基準の角度がある一定の閾値に到達している間にのみ３Ｄ追跡されるツールの場所及び方位のデータを格納するようにシステムに通信する回転作動ＴＭＳＭを有する３Ｄ追跡されるツールの使用を伴う。一部の例示的実施形態を図４Ｈ、図１５Ａ、図１５Ｂ、図１５Ｃ、図４８Ｂ、図４８Ｃ、図４９Ａ、図４９Ｂ、図４９Ｃ、図４９Ｄ、図５０Ａ、図５０Ｂ、図５０Ｃ、図５０Ｄ、図５０Ｅ、図８２Ａ、及び図８２Ｂに示している。
一部の実施形態では、ワークフロー６３００に関する上述の処理、方法、又は手順のいずれも、段階又は処理６３１０、６３１２、６３１４、６３２０、６３１８、６３１６、６３２２、６３２４、６３２６、６３２８、６３３０、６３３２、６３３４、６３３６、６３３８、６３４０、６３４２、６３４４、６３４６、６３５０、６３５４、及び６３５６のうちの１又は２以上を含むか又はそれによって達成することができる。一部の実施形態では、これらの段階のうちの少なくとも１つは、１又は２以上のその後の段階がステータス、判断、状態、又は他の条件に依存する判断段階（例えば、段階６３２８など）を含むことができる。一部の実施形態では、ワークフロー６３００のこれらの段階は、図示の通りの順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー６３００の段階のうちのいずれも示す順序以外の順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー６３００の段階のうちの１又は２以上は省略することができる。
図６４Ａは、先端６４１５を有するプローブと、追跡されるＤＲＦ６４０５と、ＴＭＳＭ６４２５を含有し、ピボットヒンジ６４１０の周りにピボット回転するピボットアーム６４３０とで構成される本発明の一実施形態を表示している。この実施形態では、追跡されるＤＲＦ軸に関するプローブ先端、ピボットヒンジ、及びＴＭＳＭの座標が既知であり、ＤＲＦに対するＴＭＳＭ位置を下記で図６４Ｂを参照して説明するように相対角度に関して計算することができる。更に、図６４Ｂは、図６４Ａに関して上述したプローブ上のＤＲＦに対する回転ＴＭＳＭ位置の解釈及び計算からなる本発明の一実施形態を表示している。このソフトウエア解釈では、プローブ先端６４１５からピボットヒンジ６４１０までのベクトルＶ１が定められ、ピボットヒンジからＴＭＳＭ６４２５までのベクトルＶ２が定められる。Ｖ１とＶ２の間の角度シータは、図６３に関して上述したように計算され、３Ｄ追跡取得システムにアナログ又はバイナリの信号を通信する方法として使用される。この実施形態は、図１５Ａ〜図１５Ｃ、図４８Ａ〜図４８Ｃ、図５５Ａ〜図５５Ｉ、図５６Ｃ〜図５６Ｄ、及び図５６Ｆを参照して説明したもののように追跡されるＤＲＦに対してヒンジの周りに回転するＴＭＳＭを伴う本発明のあらゆる実施形態に適用することができる。
一部の実施形態では、断面画像（図示のＣＴ）から取得されたデータに基づいて相対的な身体面及び骨面に手動又は自動で注釈を付け、次いで、各面上の点から互いまでの相対的変位ベクトル（例えば、脊椎板の中点から椎体重心までの変位ベクトル）を計算することができる。取得ソフトウエアは、この情報を３Ｄ追跡されるプローブを用いて身体面をトレースすることによって生成されたデータの操作への入力として利用することができる。例えば、図６５Ａは、本発明の一部の実施形態による３Ｄ追跡されるプローブを用いた身体面及び骨面のトレースの患者固有の解釈の初期化に向けて使用される個別の身体面又は骨面注釈又は断面画像の表示を示している。図６５Ａは、３Ｄ追跡されるプローブを用いた身体面及び骨面のトレースの患者固有の解釈の初期化に向けて使用すべき断面画像（６５１０、６５１２）上への身体面又は骨面注釈を表示している。これらの注釈領域は、皮膚面、棘突起、脊椎板、横突起、有茎、椎体、及び椎体重心を含むがこれらに限定されない。
図６５Ｂは、本発明の一部の実施形態によるＣＴ走査からの断面注釈の３Ｄ斜視図を示しており、この場合に、これらの注釈に基づいて、ソフトウエア比較アルゴリズムは、骨面にわたる３Ｄ追跡されるトレース輪郭を断面画像からの注釈面と比較し、この比較を用いて輪郭評価トレースに続いて脊椎の３Ｄ斜視図を表示しようと試る。更に、一実施形態では、これらのデータは、手術部位内のトレースされた輪郭によって表される脊椎レベルを自動的に検出するのに利用することができる。
図６５Ｃは、本発明の一部の実施形態によるコロナ投影座標のプロット図を示している。図６５Ｃは、注釈が付けられた横突起（６５１４、６５２０）、脊椎板（６５１６、６５１８）、椎体重心、皮膚面（図示せず）、及び棘突起（図示せず）のコロナ投影座標を表示している。この実施形態は、様々な骨要素にわたる注釈のコロナ輪郭の類似性を表示している。更に、この実施形態は、コロナ平面内の変位ベクトルを算定する段階の基礎を表示している。更に、図６５Ｄは、本発明の一部の実施形態によるサジタル投影座標のプロット図を示しており、注釈が付けられた横突起（６５２８）と、脊椎板（６５２０）と、椎体重心と、皮膚面（６５２２）と、棘突起（６５２４）とを含む。この実施形態は、脊椎板、横突起、及び椎体重心にわたって脊椎の長さにわたる注釈のサジタル輪郭の類似性を表示しており、この類似性は、図６２Ａ〜図６２Ｄに上述した３Ｄトレースデータの解釈、並びに下記で図６７を参照して説明するトレースからの脊椎アラインメントパラメータの自動計算への貴重な入力として機能する。
図６５Ｅは、本発明の一部の実施形態による対応する解剖学的標認点と椎体重心の間の算定断面距離を示している。図示のものは、対応する解剖学的標認点と、椎体重心（例えば、左脊椎板中点（６５３０）、右脊椎板中点（６５３２）、左横突起中点（６５３４）、及び右横突起中点（６５３６）など）との間の算定断面距離である。
一部の実施形態では、取得された３Ｄトレースデータを解釈して、基準を用いた又は用いない初期化に基づいて椎体重心の輪郭を表すことができる。図６６Ａは、断面画像上に手術で露出させた左脊椎板にわたる３Ｄ追跡されるプローブを用いたトレースからの座標（６６０３）、右脊椎板（図示せず）、及び椎体重心を表す対応する算定座標（６６０５）を有する本発明の一部の実施形態による椎骨（６６０１）の断面スライスのその相対的解剖軸での表示を示している。
一部の他の実施形態は、本発明の一部の実施形態による両側トレース座標と患者初期化データとによって計算された椎体の表示を含む。例えば、図６６Ｂは、断面画像（６６０１）の椎体重心（６６１５）の場所を両側トレース座標と患者初期化データとによって計算した本発明の一実施形態を表示している。更に、この実施形態は、追跡される３Ｄプローブトレースからの入力として左（６６０７）及び右（６６０９）の脊椎板座標と、２つの脊椎板座標を接続する線セグメント（６６１１）と、脊椎板接続部と患者初期化情報に基づく距離との中点からの直交線セグメント（６６１３）とで構成される。本発明では、図１３及び図６５Ａ〜図６５Ｅを参照して説明したＣＴ画像注釈、手術中Ｘ線画像注釈、規範的患者データセット、図４Ａ〜図４Ｉ、図６Ａ〜図６Ｃ、図９、図４４Ａ〜図４４Ｄ、図４５Ａ〜図４５Ｂ、図５８〜図６０、及び図６２Ａ〜図６２Ｄを参照して説明した基準ベースの初期化を含むがこれらに限定されない患者の生体構造の初期化の様々な実施形態が存在することに注意しなければならない。
本発明の一部の実施形態は、３Ｄ追跡されるツールによって生成された輪郭トレースをフィルタリング及びセグメント化する処理を伴う。一部の実施形態では、手術部位の内外で生成され、当該の特定の解剖学的標認点の注釈を有するか又は持たないトレースデータから計算値を導出することができる。例えば、図６７は、本発明の一部の実施形態による手術中トレースに基づいて脊椎アラインメントパラメータを計算するワークフロー６７００を示している。一部の関連の図は、図９Ａ〜図９Ｂ、図２１Ａ〜図２１Ｂ、及び図６４Ａ〜図６４Ｂ（トレースシーケンスの初期化に関する）、図１２（患者の解剖学的平面の初期化に関する）、図８６（アラインメントパラメータ出力に関する）、図６２、及び図６５〜図６６（他の解剖学的標認点場所を接続することによって生成された曲線への３Ｄ変位オフセットによるトレースデータの変換に関する）を含むことができるがこれらに限定されない。
本発明の一部の実施形態は、図２３Ａ及び図２３Ｂに示す電気機械３Ｄ追跡システムの使用を伴う。他の実施形態は、図５Ａに示す光学３Ｄ追跡システムの使用を伴う。更に、一部の実施形態は、追跡されるＤＲＦによって定められた座標変換基準による患者の解剖学的平面の初期化（例えば、図１２）、又は初期化の後に３Ｄ追跡されるツールによって生成された測定値が変換されることになる際に基準とする解剖学的平面基準の方位、方向、及び場所を定める独特なパターン又は平面のトレースを伴う。更に、本発明の一部の実施形態は、特定の当該解剖学的領域（例えば、棘突起、脊椎板、皮膚面、横突起など）に対するトレースデータの関係に基づくトレースデータの分類を含む。トレースデータのこの解剖学的分類の一部の実施形態は、ソフトウエアベースのユーザ入力、３Ｄ追跡取得システムに対する既知の関連的な場所を有する登録された基準マーカ又は解剖学的標認点の近くの近似度ベースの検出、既知の寸法を有する独特なパターンの登録、又は３Ｄ追跡されるツールに取り付けられた追跡される可動漂遊マーカのトリガのような３Ｄ追跡されるツール又はＤＲＦによって作動されるユーザに基づく選択的トグルによるものの結果である。これらの一部の実施形態の例は、図９Ａ、図９Ｂ、図２１Ａ、図２１Ｂ、図６４Ａ、及び図６４Ｂを含む。
一部の実施形態では、３Ｄ追跡取得システムに関する３次元座標に使用される３Ｄ追跡されるツールによって一連の連続的又は個別の点が取得された状態で、システムのアルゴリズムは、データ（例えば、当該の１又は２以上の解剖学的標認点までの基準ベースの３Ｄ変位ベクトル、患者集団の規範的データ、又はトレースされる解剖学的領域と当該の解剖学的標認点の間の３Ｄ変位ベクトルを定める手術前画像注釈）を利用して、トレース領域にわたる重要な解剖学的標認点にある点を接続することによって生成される輪郭を近似するもの（例えば、線をいくつかの椎体重心に当て嵌めることによって生成される曲線）にトレースデータを変換することができる。この説明の変換突起の例を図６２Ａ、図６２Ｄ、図６５Ａ、図６５Ｂ、図６５Ｃ、図６５Ｄ、図６５Ｅ、図６６Ａ、及び図６６Ｂに示している。
一部の実施形態は、曲線の極大値、極小値、及び変曲点を識別するためにフィルタリングされたトレース輪郭の１次微分及び２次微分の使用を伴う。一部の実施形態は、端板ベースのコロナ測定値（例えば、コブ角）の計算に使用される基準線としてこれらの計算変曲点を使用する段階を含む。
一部の実施形態は、注釈された１又は２以上の解剖学的標認点によって定められる特定の領域内の椎骨セグメントのアラインメントの端板ベースの測定を行うために使用される垂直線をアルゴリズムが算定されるトレースセグメントへの入力として１又は２以上の当該の解剖学的標認点の注釈の使用を伴う。注釈処理の一部の実施形態は、３Ｄ追跡されるツールを用いた解剖学的標認点の登録、手順の前又は最中の断面画像に対する登録されたレファレンスに基づく又はトレースデータに対する登録された基準マーカの場所によるソフトウエアベースの推定を伴う。一部の実施形態では、トレースデータのこれらのセグメント化注釈から、一部の実施形態は、脊椎アラインメントパラメータ（例えば、コブ角、腰椎前彎（ＬＬ）、胸椎後弯（ＴＫ）、Ｃ２−Ｃ７のサジタル垂直軸（ＳＶＡ）、Ｃ７−Ｓ１のＳＶＡ、Ｃ２−Ｓ１のＳＶＡ、仙骨正中線（ＣＳＶＬ）、Ｔ１骨盤角（Ｔ１ＰＡ）、骨盤傾斜（ＰＴ）、骨盤形態角（ＰＩ）、顎眉垂直角（ＣＢＶＡ）、Ｔ１傾斜、仙骨傾斜（ＳＳ）、Ｃ１−２の椎前彎、Ｃ２−Ｃ７の椎前彎、Ｃ０−Ｃ２の椎前彎、Ｃ１−Ｃ２の椎前彎、ＰＩ−ＬＬの不整合、Ｃ２の骨盤傾斜（ＣＰＴ）、Ｃ２−Ｔ３の角度、Ｔ１からの脊椎−骨盤傾度（Ｔ１ＳＰｉ）及びＴ９からの脊椎−骨盤傾度（Ｔ９ＳＰｉ）Ｃ０傾斜、Ｔ１傾斜と頸椎前彎の間の不整合（Ｔ１Ｓ−ＣＬ）、及び／又は広域サジタル角（ＧＳＡ））のアルゴリズム計算を伴う。計算されたこれらのアラインメントパラメータ、並びに本明細書において患者固有の手術目標に対して予め定められた閾値の表示の一実施形態を図８６Ａ、図８６Ｂ、及び図８６Ｃに示している。
一部の実施形態では、ワークフロー６７００に関する上述の処理、方法、又は手順のいずれも、図示の段階又は処理６７０２、６７０４、６７０６、６７１２、６７１０、６７０８、６７１４、６７１６、６７１８、６７２０、６７２２、６７２４、６７２６、６７２８、６７３０、６７３２、６７３８、６７４０、６７３４、６７３６、６７４２、６７４４、６７４６、及び６７４８のうちの１又は２以上を含むか又はそれによって達成することができる。一部の実施形態では、ワークフロー６７００のこれらの段階は、図示の通りの順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー６７００の段階のうちのいずれも示す順序以外の順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー６７００の段階のうちの１又は２以上は省略することができる。
本発明の一部の実施形態は、手術部位内の点のみを登録する３Ｄ追跡されるツールによって生成された輪郭トレースをフィルタリング及びセグメント化する処理を伴う。一部の実施形態では、手術部位の内側で生成され、当該の特定の解剖学的標認点の注釈を有するか又は持たず、更に、手術部位内の骨装着式基準マーカの登録が行われた又は行われていないトレースデータから計算値が導出される。例えば、図６８は、本発明の一部の実施形態による手術部位のみ内においてプローブベースのトレースを用いて脊椎アラインメント曲線を取得するワークフローを示している。他の関連の図は、１又は２以上の当該の解剖学的標認点に関する骨装着式基準マーカの登録（図５９及び図６０）、３Ｄ追跡されるツールに取り付けられた追跡される可動漂遊マーカのトリガ（図６３）、手術中トレースに基づく脊椎アラインメントパラメータの計算（図６７を参照されたい）に関するものを含むことができる。
一部の実施形態は、図５９〜図６０に示す処理のような近くにある１又は２以上の当該の解剖学的標認点に対して３Ｄ変位ベクトルによって登録される骨装着式基準マークの使用を伴う。一部の実施形態は、図６３に示す処理のようなトレース又は登録を行う指令の３Ｄ追跡取得システムへの通信を含む。一部の実施形態は、登録された基準マーカのトレース又は個別点タッピング又は３Ｄ追跡されるツールと基準マーカの間の機械的結合のような処理によってユーザが特定の解剖学的標認点に注釈を付ける段階を含む。一部の実施形態は、３Ｄ追跡されるツールが骨装着式基準マーカの登録又は近似度検出事象で開始及び終了する当該の解剖学的領域の輪郭のトレース又は直接登録を行う間に３Ｄ追跡されるツールによって生成されるデータのみをコンピュータシステムが格納する段階を含む。一部の実施形態は、ユーザが患者の解剖学的区域に関する当該のトレース領域をトレースの範囲が張ることになる標認点を定める手動ディスプレイモニタ入力によって識別する段階を含む。一部の実施形態は、トレースデータの登録された輪郭、及び／又は１又は２以上の当該の解剖学的標認点の注釈に基づく脊椎アラインメントパラメータの計算を含む。この処理の一部の例は、図６７に上述している。
一部の実施形態では、ワークフロー６８００に関する上述の処理、方法、又は手順のいずれも、６８０２、６８０４、６８０６、６８０８、６８１０、６８１２、６８１６、６８１４、６８１６、６８２２、６８１８、６８２０、６８２２、６８２４、６８２６、６８２８、６８３０、６８３２、６８３４、６８３６、６８３８、６８４０、６８４２、及び６８４４のような段階又は処理のうちの１又は２以上を含むか又はそれによって達成することができる。一部の実施形態では、これらの段階のうちの少なくとも１つは、１又は２以上のその後の段階がステータス、判断、状態、又は他の条件に依存する判断段階（例えば、段階６８１４など）を含むことができる。一部の実施形態では、ワークフロー６８００のこれらの段階は、図示の通りの順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー６８００の段階のうちのいずれも示す順序以外の順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー６８００の段階のうちの１又は２以上は省略することができる。
図６９は、本発明の一部の実施形態による手術部位よりも大きい範囲のプローブベースのトレースデータを用いて脊椎アラインメント曲線を取得するワークフロー６９００を示している。本発明の一部の実施形態は、手術部位の内部及びそれを超えた場所にある３Ｄ追跡されるツール登録点によって生成される輪郭トレースをフィルタリング及びセグメント化する処理を伴う。一部の実施形態では、手術部位の内側で生成され、１又は２以上の当該の特定の解剖学的標認点の注釈を有するか又は持たず、手術部位内の骨装着式基準マークの登録が行われた又は行われておらず、更に、手術部位を超えた場所にある皮膚装着式基準マーカの登録が行われた又は行われていないトレースデータから計算値が導出される。一部の他の関連の図は、図５９〜図６０（１又は２以上の当該の解剖学的標認点に関する骨装着式基準マーカの登録に関する）及び図６３（３Ｄ追跡されるツールに取り付けられた追跡される可動漂遊マーカのトリガ）を含む。他は、図６７（手術中トレースに基づいて脊椎アラインメントパラメータを計算する段階に関する）、図６８（トレース及び骨装着式基準を用いてアラインメントを計算する処理を略例示する）、図６Ｂ、図９Ａ〜図９Ｂ、図１１Ａ〜ｆ１１Ｂ（血縁ベースの基準マーカに関する）、及び図６２Ａ、図６２Ｄ、図６５Ａ〜図６５Ｅ、図６６Ａ〜図６６Ｂ（トレースデータと当該の解剖学的標認点の間の変位オフセットを計算する段階に関する）を含む。
本発明の一部の実施形態は、脊椎アラインメントパラメータ計算に必要とされるもののような重要な当該の解剖学的標認点を初期化する段階を伴う。一部の実施形態は、図６Ｂ、図９Ａ〜図９Ｂ、図１１Ａ〜図１１Ｂ、図５９、図６０、及び図６８に示す可視化を含む。一部の実施形態は、手術部位内の生体構造をトレースする段階、並びに手術部位を超えた場所にある皮膚ベースの基準マーカのような標認点を登録する段階を伴う。これらの実施形態のうちの一部は、図６２Ａ、図６２Ｄ、図６５Ａ〜図６５Ｅ、及び図６６Ａ〜図６６Ｂに示す例のような初期化された３Ｄ変位ベクトルに基づいてオフセットを適用する段階を伴う。更に、トレースデータを格納する時を通信し、特定のトレースを解剖学的領域に関するものとして分類する一部の実施形態は、図９Ａ〜図９Ｂ、図６２Ａ〜図６２Ｄ、図５９、及び図６３に示す例示的実施形態を含む。
一部の実施形態では、ワークフロー６９００に関する上述の処理、方法、又は手順のいずれも、６９０２、６９０４、６９０６、６９０８、６９１０、６９１２、６９１４、６９１６、６９１８、６９２０、６９２２、６９２４、６９２６、６９２８、６９３０、６９３２、及び６９３４のような段階又は処理のうちの１又は２以上を含むか又はそれによって達成することができる。一部の実施形態では、これらの段階のうちの少なくとも１つは、１又は２以上のその後の段階がステータス、判断、状態、又は他の条件に依存する判断段階（例えば、段階６９２４など）を含むことができる。一部の実施形態では、ワークフロー６９００のこれらの段階は、図示の通りの順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー６９００の段階のうちのいずれも示す順序以外の順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー６９００の段階のうちの１又は２以上は省略することができる。
本発明の一部の実施形態は、当該の特定の解剖学的領域の可撓性又は運動範囲を計算する処理を伴う。一部の実施形態は、ユーザが脊椎領域の定量的可撓性を計算しながら脊椎の立体構造を機械的に操作することを可能にする。例えば、図７０は、本発明の一部の実施形態による可撓性評価デバイスを用いて手術中に脊椎の可撓性を評価するワークフロー７０００を示している。他の関連の図（例えば、可撓性評価デバイスに関するものなど）は、図３４Ａ〜図３４Ｇ、図３５Ａ〜図３５Ｆ、図３６Ａ〜図３６Ｉ、図３７Ａ〜図３７Ｇ、図３９Ａ〜図３９Ｆ、及び図４０Ａ〜図４０Ｃを含むことができる。更に、脊椎の矯正を調節する設定−及び−保持操作中を含む脊椎に関する可撓性評価デバイスは、図４２Ａ〜図４２Ｆ及び図７０を含む。
本発明の一部の実施形態は、露出手術部位内に椎骨がある場合に有茎スクリューのような取り付け剛性標認点によって調節可能な構成で配置することができる３Ｄ追跡されるツールの剛的な固定を伴う。更に、システムの一部の実施形態は、椎骨上の１よりも多い有茎スクリューに同時に剛的に取り付けられる３Ｄ追跡されるツールの機能を含む。様々な用途及び形態でのものであるが、可能な全ての開発された設計の置換に対して網羅的ではない一部の実施形態の例は、少なくとも図３４Ａ〜図３４Ｇ、図３５Ａ〜図３５Ｆ、図３６Ａ〜図３６Ｉ、図３７Ａ〜図３７Ｇ、図３９Ａ〜図３９Ｆ、及び図４０Ａ〜図４０Ｃに示すものを含む。
一部の実施形態は、３Ｄ追跡されるツールの側面に対する椎骨端板の角度のＸ線ベースの登録を含む。システムの一部の実施形態は、複数の生体構造領域を操作し、３Ｄ追跡取得システムによって検出される場所及び方位の情報を格納するために指定の３Ｄ追跡されるツールのうちの１又は２以上のものの使用を伴う。システムの一部の実施形態は、当該の評価領域の端部で椎骨に剛的に取り付けられた２又は３以上の３Ｄ追跡されるツールの間の相対角度の計算を含む。一部の実施形態では、システムは、取り付けられた椎骨の最大運動範囲を調査する操作中に２又は３以上の３Ｄ追跡されるツールの間の相対角度を測定することができるので、この角度は、脊椎の可撓性の評価を可能にすることができる。この操作及び測定の処理の一部の例を図４２Ａ〜図４２Ｆに示している。
一部の実施形態では、ワークフロー７０００に関する上述の処理、方法、又は手順のいずれも、７００２、７００４、７００６、７００８、７０１０、７０１２、７０１４、７０１６、７０１８、７０２０、７０２２、７０２４、７０２６、及び７０２８のような段階又は処理のうちの１又は２以上を含むか又はそれによって達成することができる。一部の実施形態では、これらの段階のうちの少なくとも１つは、１又は２以上のその後の段階がステータス、判断、状態、又は他の条件に依存する判断段階（例えば、段階７０１４など）を含むことができる。一部の実施形態では、ワークフロー７０００のこれらの段階は、図示の通りの順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー７０００の段階のうちのいずれも示す順序以外の順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー７０００の段階のうちの１又は２以上は省略することができる。
本発明の一部の実施形態は、当該の解剖学的領域の２ＤＸ線画像上で器具の２Ｄ投影形状を近似するために３Ｄ追跡動的基準マーカを用いて手術器具を重ねる処理を伴う。例えば、図７１は、本発明の一部の実施形態による手術中Ｘ線の上への手術器具の実時間オーバーレイを生成するワークフローを示している。例えば、３Ｄ追跡されるツール及びＣ字アームＸ線画像を用いたオーバーレイの処理の実施形態に関する一部の他の図は、図４６Ａ〜図４６Ｇに関して上述している。
本発明の一部の実施形態は、結合された追跡されるＤＲＦを有する３Ｄ追跡されるツールを利用する段階を伴う。一部の実施形態はまた、Ｃ字アームのようなＸ線撮像システムのエミッタに剛的に取り付けられたＤＲＦの使用を伴う。更に、一部の実施形態は、Ｘ線撮像システムに対する３Ｄ追跡されるツールの相対的な距離及び方位を使用してＤＲＦが取り付けられた手術ツールのＸ線画像上の適切なサイズ及び２Ｄ投影形状を計算する段階を伴う。
一部の実施形態では、システムは、Ｘ線撮像システムに対する適切なスケール及び姿勢で追跡される手術ツールの正確な２Ｄ投影を生成するために、全てが３Ｄ追跡取得システムの座標に関するＸ線撮像システムからの３Ｄ追跡される手術ツールの既知の距離、手術ツールのサイズ及び寸法、手術ツールの場所及び方位、並びに撮像システムの場所及び方位を利用する。一部の実施形態は、ツールの場所及び方位を撮像システム座標に関して出力されるものに変換するために追跡される手術ツールと撮像システムの間の剛体変換を算定する段階を伴う。更に、システムの一部の実施形態は、Ｘ線撮像システムの円錐ビームの容積に対する３Ｄ追跡される手術ツールの距離及び姿勢に基づく３Ｄ追跡される手術ツールの算定２Ｄ投影の視覚的オーバーレイを可能にする。一部の実施形態では、ワークフロー７１００に関する上述の処理、方法、又は手順のいずれも、７１０２、７１０４、７１０６、７１０８、７１１０、７１１２、７１１４、７１１６、７１１８、７１２０、７１２２、７１２４、７１２６、７１２８、７１３０、７１３２、７１３４、７１３６、７１３８、７１４０、及び７１４２のような段階又は処理のうちの１又は２以上を含むか又はそれによって達成することができる。一部の実施形態では、ワークフロー７０００のこれらの段階は、図示の通りの順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー７０００の段階のうちのいずれも示す順序以外の順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー７０００の段階のうちの１又は２以上は省略することができる。
本発明の一部の実施形態は、椎骨及びそれを取り囲む当該の解剖学的標認点に対して登録されたアクセス可能な基準マーカ、手術インプラント、又は解剖学的標認点による場所及び方位の登録処理を伴う。例えば、図７２は、本発明の一部の実施形態によるナビゲート／登録されたスクリュー挿入の後に手術ナビゲーションを迅速に再登録するワークフロー７２００を示している。ワークフロー７２００は、椎骨の３Ｄベースの取得された画像（例えば、ＣＴ走査図）内で登録された既知の標認点に対して当該の椎骨の場所及び姿勢を登録することによって当該の椎骨の３Ｄレンダリングを生成する方法を説明している。一部の他の関連の図は、図４４Ａ〜図４４Ｄ（椎骨の剛的に取り付けられた標認点を登録する方法に関する）及び図４５Ａ〜図４５Ｂ（既知の標認点（例えば、有茎スクリューシャフト）によって操作される椎骨を再登録する処理に関する）を含む。
システムの一部の実施形態は、有茎スクリューシャフトと椎体の間の関係を登録するためのナビゲーション有茎スクリューの使用を伴う。システムの一部の実施形態は、取り付けられた椎骨の当該の解剖学的標認点までの３Ｄ変位ベクトルに関する登録された骨装着式基準の使用を伴う。１つの例示的実施形態を図４４Ａ〜図４４Ｄに示している。
一部の実施形態は、ＣＴ走査又はＯ字アーム走査のようなモダリティによる生体構造の立体的３Ｄ再構成を用いた椎骨の当該の標認点の登録を伴う。更に、一部の実施形態は、１又は２以上のアクセス可能な基準マーカ、手術インプラント、又は解剖学的標認点を椎骨の３Ｄ再構成の関連の構成要素として登録する段階を伴う。このようにして、説明した品目のうちの１又は２以上が３Ｄ追跡取得システムによって場所及び方位の出力を用いて登録される度に、システムは、関連の３Ｄ再構成を有する当該の解剖学的物体の最新の位置及び方位を計算することができる。１つの例示的実施形態を図４５Ａ及び図４５Ｂに示している。
一部の実施形態では、ワークフロー７２００に関する上述の処理、方法、又は手順のいずれも、７２０２、７２０４、７２０５、７２０６、７２０８、７２１０、７２１２、７２１４、７２１６、７２１８、７２２０、７２２２、７２２４、７２２６、７２２８、７２３０、７２３２、７２３４、７２３６、７２３８、７２４０、７２４２、７２４４、７２４６、及び７２４８のような段階又は処理のうちの１又は２以上を含むか又はそれによって達成することができる。一部の実施形態では、これらの段階のうちの少なくとも１つは、１又は２以上のその後の段階がステータス、判断、状態、又は他の条件に依存する判断段階（例えば、段階７２１２など）を含むことができる。一部の実施形態では、ワークフロー７２００のこれらの段階は、図示の通りの順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー７２００の段階のうちのいずれも示す順序以外の順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー７２００の段階のうちの１又は２以上は省略することができる。
図７３Ａ〜図７３Ｂは、図４７Ｂ、図５１Ｄ〜図５１Ｉ、図５３Ａ〜図５３Ｆ、及び図５４Ａ〜図５４Ｄに関して上述したロッド中心化フォークにインタフェースすることによるロッド輪郭の解釈からなる本発明の一実施形態を表示している。この取得システムの計算は、既知の直径のロッドが既知の幾何学形状のフォークと完全に係合した時のフォークの分岐からロッドの断面中心点までの距離計算に基づいている。例えば、図７３Ａは、追跡されるＤＲＦ（図示せず）が取り付けられたツールシャフト（７３０５）の端部上のロッド中心化フォーク（７３１５）、点Ｃでの分岐（７３１０）からなり、ロッド（７３１１）にインタフェースする本発明の一実施形態７３００を表示している。この構成では、フォークがロッドと完全には係合していない（すなわち、ロッドがフォークの両方の側壁の近くにあるわけではない）ので、ツールは、その座標を記録するように取得システムをトリガしない。フォークがロッドと固く係合していることを示すこのトリガ機構は、直線作動ＴＭＳＭ、回転作動ＴＭＳＭ、フォーク装着電気接点端子間でロッドを通る通電、無線又は有線の電子通信、及び可視光又は赤外線光による光学信号送信を含むがこれらに限定されないいくつかの様々な実施形態によって達成することができる。
図７３Ｂは、本発明の一部の実施形態による実施形態７３０１として表すロッドと完全に係合した図７３Ａのフォークを示している。例えば、図７３Ｂは、フォーク７３１５の両方の内壁がロッド面に近いようにロッド７３１７と完全に係合したツールシャフト（７３０５）上のロッド中心化フォーク（７３１５）を表示している。この実施形態では、フォークの分岐を示す点Ｃ７３１０は、ツールに取り付けられた追跡されるＤＲＦ（図示せず）に対して既知である。既知であるロッドの直径及びフォークの幾何学形状に基づいて、Ｃ７３１０からロッドの計算上の中心点Ｃ’（７３１８）に方位、フォークを二分する線に沿って位置するベクトルＶ１（７３１９）が生成される。フォーク装備ツールに取り付けられた追跡されるＤＲＦに対する点Ｃ’７３１８の場所を解釈した後に、適用可能な場合はＣ’７３１８の座標が剛体変換を受けてＤＲＦ装備式末端キャップの座標内の表される。図５２Ａ〜図５２Ｄ、図５３Ａ〜図５３Ｆ、及び図５４Ａ〜図５４Ｄに関して上述した結合された末端キャップを含まない実施形態では、ロッド座標は、カメラ座標又は存在する場合は解剖学的基準マーカに対して解釈される。
本発明の一部の実施形態は、複数の３Ｄ追跡されるツールの組合せによってロッドインプラントの輪郭を登録する処理を伴う。例えば、図７４は、本発明の一部の実施形態による埋め込みの前に２つの手持ち式の追跡されるツールを用いてロッドの輪郭を評価するワークフローを示している。一部の他の関連の図（例えば、ロッド輪郭を評価するのに使用されるツールなど）は、図４８Ａ〜図４８Ｃ、図４９Ｄ、図５０Ｄ〜図５０Ｅ、図５１Ｈ〜図５１Ｉ、図５３Ｃ〜図５３Ｄ、及び図５４Ｃ〜図５４Ｄを含む。更に、追跡される可動漂遊マーカをトリガとして使用するツールに関する他の図及び説明は図６３を含む。
本発明の一部の実施形態は、剛的に取り付けられた追跡されるＤＲＦを有する１又は２以上の３Ｄ追跡されるツールの使用を伴う。システムの一部の実施形態は、手術用ロッドの一端に剛的に取り付けられた３Ｄ追跡されるツールを使用する段階を伴う。一部の例示的実施形態を図４８Ａ〜図４８Ｃ及び図４９Ｄに示している。図６３に示す一部の実施形態は、３Ｄ追跡されるツールと、コンピュータシステムが図６３に示すようにトリガとして検出することができる剛的に取り付けられた追跡される可動漂遊マーカ（ＴＭＳＭ）とを用いた様々な通信信号によってロッドを選択する段階を含む（例えば、図４９Ｄ及び図５０Ｄ〜図５０Ｅ）。
一部の実施形態は、第２の３Ｄ追跡されるツールのシャフトと同軸である押下可能シャフトを含むロッド面と立体配座のエンドエフェクタを有する第２の３Ｄ追跡されるツールを使用する段階を伴う。一部の実施形態では、３Ｄ追跡されるツールがロッド面に対して押圧されると、押下可能先端が３Ｄ追跡されるツールを作動させて、押下可能シャフトに剛的に取り付けられたＴＭＳＭを平行移動する（それによってロッドが係合状態にあることが３Ｄ追跡取得システムに信号送信される）。このシステムの一部の実施形態は、アクティブ／トリガ状態にあるこの３Ｄ追跡されるツールを用いてロッドの輪郭をトレースし、同時に３Ｄ追跡取得システムに対して動的な場所座標及び方位を有する３Ｄ追跡される末端キャップを基準とするようにトレースデータの各個別点に対して剛体変換を適用する。
このシステムの一部の実施形態は、３Ｄ追跡される末端キャップツールに取り付けられたロッド、及び反対端をロッドの断面が通過することを可能にするトロイド形の物体（ロッド断面はこの物体の入口と平行である）の中に挿入する段階を伴う。この事例では、３Ｄ追跡される末端キャップが進む動的経路を用いて、３Ｄ追跡される末端キャップに対する進行経路をもたらす曲げの制約条件の関連付けによってロッドの輪郭を計算することができる。様々な用途及び形態でのこのシステムの一部の例示的実施形態を少なくとも図４８Ａ〜図４８Ｃ、図４９Ｄ、図５０Ｄ〜図５０Ｅ、図５１Ｈ〜図５１Ｉ、図５３Ｃ〜図５３Ｄ、及び図５４Ｃ〜図５４Ｄに示している。
一部の実施形態では、ワークフロー７４００に関する上述の処理、方法、又は手順のいずれも、７４０２、７４０４、７４０６、７４０８、７４１０、７４１２、７４１４、７４１６、７４１８、７４２０、７４２２、７４２４、７４２６、７４２８、７４３０、７４３２、７４４２、７４４３、７４４０、７４３８、７４３４、及び７４３６のような段階又は処理のうちの１又は２以上を含むか又はそれによって達成することができる。一部の実施形態では、これらの段階のうちの少なくとも１つは、１又は２以上のその後の段階がステータス、判断、状態、又は他の条件に依存する判断段階（例えば、段階７４０４又は７４２２など）を含むことができる。一部の実施形態では、ワークフロー７４００のこれらの段階は、図示の通りの順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー７４００の段階のうちのいずれも示す順序以外の順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー７４００の段階のうちの１又は２以上は省略することができる。
本発明の一部の実施形態は、３Ｄ追跡されるツールと静止物体との組合せによってロッドインプラントの輪郭を登録する処理を伴う。図７５は、本発明の一部の実施形態による埋め込みの前に手持ち式の追跡されるツールと１つの剛的に固定されたリングとを用いてロッドの輪郭を評価するワークフロー７５００を示している。一部の実施形態では、他の関連の図は、ロッド輪郭を評価するのに使用されるツール（図４８Ａ〜図４８Ｃ、図５０Ｂ〜図５０Ｃ）、リングベースのトレースツール（図４９Ａ〜図４９Ｄ）、及びロッド輪郭評価の類似の追跡される末端キャップベースの処理（例えば、図７４〜図７５など）を含む。
このシステムの一部の実施形態は、剛的に追跡されるＤＲＦを有する３Ｄ追跡される末端キャップツールが、ロッド輪郭に対する追跡される座標系基準として機能するように使用される図７４に上述したものと類似の処理を伴う。このシステムの一部の実施形態は、ロッドの反対端を空間内に固定されたトロイド形の物体（その入口と平行なロッド断面が通過することを可能にする）の中に挿入する段階を伴う。この事例では、３Ｄ追跡される末端キャップツールが進む動的経路を用いて、３Ｄ追跡される末端キャップに対する進行経路をもたらす曲げの制約条件の関連付けによってロッドの輪郭が計算される。
一部の実施形態は、固定のトロイド形物体に取り付けられた１又は２以上の追跡される可動漂遊マーカ（ＴＭＳＭ）の使用を伴い、この場合に、ロッドがこの物体の通路の中に挿入される時を３Ｄ追跡取得システムに示すために１つのヒンジ着座ＴＭＳＭが固定ＴＭＳＭに対して作動される。一部の例示的実施形態は、図４９Ａ〜図４９Ｄを含む。
一部の実施形態は、３Ｄ追跡される取得ユニットに対する固定のトロイド形物体の場所及び方位に剛体変換を適用し、この物体の位置を３Ｄ追跡される末端キャップツールの場所及び方位に対するものに変換する段階を伴う。様々な用途及び形態での一部の実施形態の例を図４８Ａ〜図４８Ｃ及び図５０Ｂ〜図５０Ｃに示している。
一部の実施形態では、ワークフロー７５００に関する上述の処理、方法、又は手順のいずれも、７５０２、７５０４、７５０６、７５０８、７５１０、７５１２、７５１４、７５１６、７５１８、７５２０、７５２２、７５２４、７５２６、７５２８、７５３０、７５３２、７５３４、７５３６、７５３８、７５４０、７５４２、７５４４、７５４６、７５４８、７５５０のような段階又は処理のうちの１又は２以上を含むか又はそれによって達成することができる。一部の実施形態では、これらの段階のうちの少なくとも１つは、１又は２以上のその後の段階がステータス、判断、状態、又は他の条件に依存する判断段階（例えば、段階７５０４又は７５３２など）を含むことができる。一部の実施形態では、ワークフロー７５００のこれらの段階は、図示の通りの順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー７５００の段階のうちのいずれも示す順序以外の順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー７５００の段階のうちの１又は２以上は省略することができる。
本発明の一部の実施形態は、解剖学的脊椎構造の中に埋め込まれた後に複数の３Ｄ追跡されるツールの組合せによってロッドインプラントの輪郭を登録する処理を伴う。図７６は、本発明の一部の実施形態による埋め込み後にロッドの輪郭を評価するワークフロー７６００を示している。一部の実施形態では、他の関連の図は、３Ｄ追跡されるツールのロッド輪郭トリガ（図５３Ａ及び図５３Ｃ〜図５３Ｄ、図５４Ａ〜図５４Ｄ、並びに図７３Ａ〜図７３Ｂ）及びロッドが埋め込まれている間のロッド輪郭評価処理（図７７Ａ〜図７７Ｃ）に関するものを含む。
一部の実施形態は、３Ｄ追跡されるツールのシャフトと同軸である押下可能シャフトを有する設計を含み、この場合に、押下可能シャフトは、ＴＭＳＭが３Ｄ追跡ツールのエンドエフェクタに対して作動された時にロッドがトレースされることを３Ｄ追跡取得システムに信号送信することができる追跡される移動可能漂遊マーカ（ＴＭＳＭ）に機械的にリンクされる。この処理の一部の実施形態の例を図５３Ａ及び図５３Ｃ〜図５３Ｄに示している。３Ｄ追跡されるツールがロッド面に対して押圧される時を感知するための他の実施形態を図５４Ａ〜図５４Ｄ及び図７３Ａ〜図７３Ｂに示している。
一部の実施形態は、本説明のロッド感知３Ｄの追跡されるツールを用いて、ロッドが埋め込まれている間にロッドの輪郭をトレースし、処理中にツールの３Ｄの場所及び姿勢を収集する段階を伴う。一部の実施形態は、埋め込まれたロッドの完全な輪郭を推定するために、他の手術インプラント（例えば、有茎スクリューヘッド）によって引き起こされたトレース内の分断間にコンピュータシステムが線を当て嵌める段階を伴う。このシステムの一部の実施形態の例を図７７Ａ〜図７７Ｃに示している。
一部の実施形態では、ワークフロー７６００に関する上述の処理、方法、又は手順のいずれも、７６０２、７６０４、７６０６、７６０８、７６１０、７６１２、７６１４、７６２０、７６１８、７６１６、７６２２、及び７６２４のような段階又は処理のうちの１又は２以上を含むか又はそれによって達成することができる。一部の実施形態では、ワークフロー７６００の段階のうちのいずれも示す順序以外の順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー７６００の段階のうちの１又は２以上は省略することができる。
一部の実施形態は、ロッドが手術部位内のチューリップヘッドに埋め込まれた後にロッド輪郭の評価によって生成された図５２Ａ〜図５２Ｄ、図５３Ａ〜図５３Ｆ、図５４Ａ〜図５４Ｄ、図７３Ａ〜図７３Ｂ、及び図７６に関して上述した実施形態からのいずれかのデータを含むデータの解釈を含む。
図７７Ａは、有茎スクリュー７７４５を用いて計装され、これらのスクリューのチューリップヘッド７７２２内にロッド７７２０が埋め込まれた脊椎骨７７４０を含む本発明の一実施形態を表示している。このロッドの輪郭は、手術部位内に埋め込まれている間に上述の実施形態の利用によって上述したようにして評価することができる。図７７Ｂは、図７７Ａに関して上述した埋め込みロッド及び周囲要素と、起動されたデバイス７７２８の座標が記録され、一方で非アクティブ座標７７８２が放棄されるように埋め込みロッドにインタフェースしてその座標をトレースするための図５２Ａ〜図５２Ｄ、図５３Ａ〜図５３Ｆ、図５４Ａ〜図５４Ｄに関して上述した埋め込み後ロッド輪郭評価デバイス７７８０の使用とで構成される本発明の一実施形態を表示している。輪郭評価デバイスは、それがロッドと完全に係合した時にのみ取得システムがデバイスの座標を記録するようにトリガし、従って、経路を妨害するハードウエアの周りをナビゲートするためにデバイスがロッドから取り外された時にはトリガしないように設計される。評価デバイスの座標に基づく埋め込みロッドの座標の取得処理及び解釈を説明する実施形態に対しては、図７３及び図７６に関して上述している。更に、図７７Ｃは、能動的にトリガされた評価デバイス７７９０からのロッド輪郭を表すプロット座標と、記録されたロッドデータ点の解釈に基づいて再構成されたロッド輪郭７７９２とで構成される図７７Ａ〜図７７Ｂに上述したデバイスを用いた埋め込みロッドの輪郭評価から取得されたデータを解釈するための本発明の一実施形態を表示している。一実施形態では、この再構成された輪郭は、記録されたロッド座標の入力によって定められるスプラインを通じて生成される。この再構成ロッドを生成する他の実施形態は、記録されたロッド座標に適用される可変次数多項式当て嵌め及び平滑化フィルタを含むがこれらに限定されない。
本発明の一部の実施形態は、脊椎ロッドの登録された３Ｄ輪郭のオーバーレイをディスプレイモニタ上の患者画像の上に投影し、ユーザが、ロッドオーバーレイを対話的に配置し、その位置を調節することを可能にする処理を伴う。例えば、図７８は、本発明の一部の実施形態によるディスプレイモニタ上の患者画像の上への登録されたロッドのオーバーレイとしての対話型ユーザ配置に関するワークフロー７８００を示している。一部の他の関連の図及び説明は、図７４〜図７６（埋め込みの前及び後のロッドの輪郭を評価するための処理に関する）及び図８７Ｆ〜図８７Ｇ（患者画像上への登録されたロッドの対話型オーバーレイに関する）を含む。
本発明の一部の実施形態は、事前登録されたロッド輪郭に剛的に取り付けられた３Ｄ追跡される末端キャップツールの使用を維持する段階を伴う。本発明の一部の実施形態は、登録されたロッドを有する３Ｄ追跡される末端キャップツールをディスプレイモニタに向け、ユーザがディスプレイモニタ上で操作するのに直感的な方式でオーバーレイをマップする上／下及び左／右の運動に３Ｄ追跡される末端キャップツールの方位が適合した時に追跡される移動可能漂遊マーカ（ＴＭＳＭ）によってトリガすることにより、ユーザがオーバーレイ対話の座標を確認する段階を伴う。
一部の実施形態は、ディスプレイモニタの方位に対して事前選択された３Ｄ追跡される末端キャップツールの方位に沿うこのツールの移動によってロッドの登録された輪郭の２Ｄ投影をユーザが操作する段階を伴う。一部の実施形態は、患者の手術前又は手術中の画像を物理単位（例えば、ミリメートル）でスケーリングする段階を含み、登録されたロッド輪郭のオーバーレイの正確なスケーリングを可能にする。一部の更に別の実施形態は、ユーザが画像上でロッド輪郭オーバーレイが交差しなければならない２又は３以上の点を選択し、その輪郭の位置及び方位をこれらの点交差制約条件を満たすように操作することができる段階を伴う。様々な用途及び形態での本発明の一部の実施形態の例は、図７４〜図７６に示しており、患者画像を有するディスプレイモニタ上でのロッド輪郭の対話型オーバーレイは、図８７Ｆ〜図８７Ｇに示している。
一部の実施形態では、ワークフロー７８００に関する上述の処理、方法、又は手順のいずれも、７８０２、７８０４、７８０６、７８０８、７８１０、７８１２、７８１４、７８１６、７８２２、７８２８、７８３０、７８３２、７８３４、７８３６、７８３８、７８１８、７８２０、７８２６、７８２４、７８４４、７８４０、７８４６、７８４８、７８４２、及び７８５０のような段階又は処理のうちの１又は２以上を含むか又はそれによって達成することができる。一部の実施形態では、ワークフロー７８００の段階のうちのいずれも示す順序以外の順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー７８００の段階のうちの１又は２以上は省略することができる。
図７９Ａ〜図７９Ｇは、図４９Ｄ、図５０Ｅ、及び図５１Ｈ〜図５１Ｉに関して上述した実施形態によって輪郭が事前に登録されたロッドにインタフェースする図５５Ｄ〜図５５Ｉ、図５６Ａ〜図５６Ｄ、及び図５６Ｆに関して上述した追跡されるロッド曲げデバイスを解釈及び計算する処理からなり、ロッドが固定された追跡されるＤＲＦ装備式末端キャップに対して事前登録されたロッド座標に関し、追跡されるロッド曲げ器からの取得システム入力に基づいてロッドの新しい輪郭の解釈及び計算を可能にする本発明の実施形態に関する。
図７９Ａは、ロッド曲げ器上の３つのロッド−インタフェース点のうちの中心のものによって定められたロッド曲げツールの２Ｄ平面像の上に投影された既知の直径を有するロッド７９００の事前登録された輪郭の座標からなる本発明の一実施形態を表示している。図７９Ｂは、図７９Ａに関して上述した事前登録されたロッド輪郭７９００と、ロッド曲げ器の左外側ローラ７９０４、中心ロッド輪郭形成面７９０６、及び右外側ローラ７９０５の相対場所とで構成される本発明の一実施形態を表示している。この実施形態に示すように、曲げ器の３つのロッド−インタフェース構成要素は、ロッドに係合し、事前登録されたロッド輪郭に対してタンジェンシャルであるように表示されることによって示されている。
図７９Ｃは、左の非係合ロッドセグメント７９０１、曲げ器−係合セグメント７９０３、及び右の非係合セグメント７９０２という３つのセグメントに分割された事前登録されたロッド座標からなる本発明の一実施形態を表示している。更に、この実施形態は、中心ロッド輪郭形成面を左外側ローラ７９２０及び右外側ローラ７９２２に接続する線を含み、これらの間の角度７９２４は、これらの線から計算することができる。曲げ器が真っ直ぐなロッドに係合した状態で、この角度は最小になり、一方、曲げ器がロッドに最大曲率を印加している時に、この基準角度は最大になる。
図７９Ｄは、ロッド曲げ器のハンドル間が事前登録されたロッドに曲げを誘導するように近づけられ、それによって図７９Ｃに関して上述した線（７９２０、７９２２）の間の角度７９５２が増大した本発明の一実施形態を表示している。この場合に、追跡される曲げ器の既知の現在の曲げ構成、曲げ器の既知の幾何学形状、及び既知のロッド径から、取得システムソフトウエアは、各ロッド−インタフェース面の間のタンジェント線に関して解くことによって左外側ローラ７９４８、中心輪郭面７９５１、及び右外側ローラ７９５３上のロッド接点（実線の円として表示する）を算定する。
図７９Ｅは、図７９Ｄに関して計算し、説明したロッド接点をこれらの点の各々を接続するスプラインを定めるための制約条件として用い、更にロッド輪郭の新しく算定された曲げ器−係合セグメント７９０３ａを生成し、スプラインの経路長（曲げ器が真っ直ぐな構成にある時よりも湾曲した構成にある時に長い）に基づいて、ロッドの最新の左の非係合セグメント７９０１ａ及び右の非係合セグメント７９０１ｂが解釈される本発明の一実施形態を表示している。更に、図７９Ｆは、ロッドのスプライン生成曲げ器−係合輪郭にタンジェンシャルに近づけるための平行移動と回転の両方を行う剛体変換を適用することによって図７９Ｅに関して上述したロッド輪郭の左の非係合セグメント７９７１と右の非係合セグメント７９７２とをタンジェンシャルに再度近づける段階を含む本発明の一実施形態を表示している。
図７９Ｇは、図７９Ａ〜図７９Ｆに関して上述した実施形態を利用して、追跡される曲げ器を用いた曲げの後のロッド輪郭７９９９の最新の投影座標が生成され、更にロッドの登録された３Ｄ曲率を算定及び更新するために曲げの前の３Ｄ輪郭座標と組み合わされる本発明の一実施形態を表示している。図５５Ｄ〜図５５Ｉ、図５６Ａ〜図５６Ｄ、及び図５６Ｆに上述した追跡されるロッド曲げ器にインタフェースする時に、事前登録されたロッド輪郭を計算及び更新するために、図７９Ａ〜図７９Ｇに関して上述した実施形態を適用することができることに注意しなければならない。
本発明の一部の実施形態は、ロッドの埋め込みの前に新しい形状に輪郭形成される登録されたロッドの動的輪郭を追跡する処理を伴う。例えば、図８０は、本発明の一部の実施形態によるロッドの埋め込みの前にロッドの動的輪郭の実時間フィードバックを用いてロッドを手動で曲げるためのワークフローを示している。他の関連の図及び説明は、図５５Ａ〜図５５Ｉ、図５６Ａ〜図５６Ｆ（登録されたロッドを曲げてその輪郭の変化を追跡するのに使用されるデバイス）、図７９Ａ〜図７９Ｇ（登録されたロッド輪郭のロッド曲げの表示に関する）、図８７Ａ〜図８７Ｇ、図８８Ａ〜図８８Ｆ（登録されたロッド輪郭のロッド曲げフィードバックの表示に関する）、及び図７４〜図７６（埋め込み前及び埋め込み後のロッド輪郭を評価するための処理に関する）を含むことができる。一部の実施形態では、ワークフロー８０は、段階８００２、８００４、８００６、８００８、８０１０、８０１４、８０１６、８０１８、８０２０、８０２２、８０２４、８０２６、８０２８、８０３０、８０３２、８０３４、８０３６、８０４０、８０４４、８０３８、８０４２、及び８０４６を含むことができる。
本発明の一部の実施形態は、結合された追跡されるＤＲＦを有する３Ｄ追跡される末端キャップツールへの剛的な固定を維持している登録されたロッド輪郭の動的変化を追跡する段階を伴う。本発明の一部の実施形態は、一部の例を図７４〜図７６に示す事前登録されたロッドに対する処理を伴う。
このシステムの一部の実施形態は、可動３Ｄの追跡されるロッド曲げ器と、ロッドに取り付けられた３Ｄ追跡される末端キャップツールとは反対の登録されたロッドの端部に剛的に取り付けられた追跡される移動可能漂遊マーカ（ＴＭＳＭ）とを使用する段階を伴う。一部の実施形態は、ロッドの偏向セグメントに基づいて登録されたロッドの大体の新しい輪郭を計算するために、３Ｄ追跡されるロッド曲げ器の曲げ点のハンドル間の角度、ロッド輪郭に沿ったロッド曲げ器の位置、及び３Ｄ追跡取得システムに対する３Ｄ追跡される末端キャップツールの方位に対するロッド曲げ器の方位を解釈する。このアルゴリズム計算処理の一例を図７９Ａ〜図７９Ｇに示している。登録されたロッド輪郭を評価、操作、及び更新することができるシステムの一部であるが全てではない例示的実施形態及び置換を図５５Ａ〜図５５Ｉ、図５６Ａ〜図５６Ｆに示している。システムの一部の実施形態は、登録されたロッド、３Ｄ追跡される末端キャップツールに対して相対的なアクティブである位置及び方位にある３Ｄ追跡されるロッド曲げ器のオーバーレイの対話型で定量的なフィードバックの表示を含む。これらの一部の実施形態の例を図８７Ａ〜図８７Ｇ、図８８Ａ〜図８８Ｆに示している。
一部の実施形態では、ワークフロー８０００に関する上述の処理、方法、又は手順のいずれも、８００２、８００４、８００６、８００８、８０１０、８０１４、８０１６、８０１８、８０２０、８０２２、８０２４、８０２６、８０２８、８０３０、８０３２、８０３４、８０３６、８０４０、８０４４、８０３８、８０４２、及び８０４６のような段階又は処理のうちの１又は２以上を含むか又はそれによって達成することができる。一部の実施形態では、ワークフロー８０００の段階のうちのいずれも示す順序以外の順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー８０００の段階のうちの１又は２以上は省略することができる。
本発明の一部の実施形態は、ロッドの埋め込みの前に新しい形状に輪郭形成された登録されたロッドの動的輪郭を追跡し、手術計画入力に基づいて命令されるソフトウエア対話型フィードバックを提供する処理を伴う。例えば、図８１は、本発明の一部の実施形態による手術中Ｘ線画像の上に動的ロッド輪郭の投影を重ねるように命令されたソフトウエア入力を用いてロッドの埋め込みの前にロッドを手動で曲げるためのワークフロー８１００を示している。一部の他の関連の図は、図８０（例えば、登録されたロッド輪郭を手動で曲げて調節された形態を出力するための処理）及び図８８Ａ〜図８８Ｆ（登録されたロッド輪郭のロッド曲げフィードバックの表示に関する）を含む。
このシステムの一部の実施形態は、ロッド輪郭に沿うどの場所にロッド曲げ器を配置しなければならないか、３Ｄ追跡される末端キャップツールに対するどの方位にロッド曲げ器を配置しなければならないか、及びどの程度の曲げ角の輪郭形成の力及び形状を登録されたロッド輪郭に印加しなければならないかを決定するのにユーザを支援するように指示されたソフトウエアフィードバックを含む。システムの一部の実施形態は、登録されたロッドのロッド輪郭形成処理の実時間フィードバックと、登録されたロッド輪郭の位置及び方位に対するロッド曲げ器の空間内投影とを含む。システムの一部の実施形態は、３Ｄ追跡されるロッド曲げ器のハンドル間の角度に対して発生している曲げの量と、手順に対する手術計画目標に最も的確に一致するロッドの新しい最適な最終輪郭を生成するためにはユーザがこのような場所及び方位でロッド輪郭をどの程度曲げなけれればならないかということとを描く対話型フィードバック表示を含む。
動的ロッド輪郭形成処理の対話的ソフトウエアベースの表示を含む様々な用途及び形態でのこれらの一部の実施形態の例を図８８Ａ〜図８８Ｆに示している。
一部の実施形態では、ワークフロー８１００に関する上述の処理、方法、又は手順のいずれも、８１０２、８１０４、８１０６、８１０８、８１１０、８１１２、８１１４、８１１６、８１１８、８１２０、８１２２、８１２４、８１２６、８１２８、８１３０、８１３２、８１３４、８１３６、８１３８、８１４０、８１４２のような段階又は処理のうちの１又は２以上を含むか又はそれによって達成することができる。一部の実施形態では、ワークフロー８１００の段階のうちのいずれも示す順序以外の順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー８１００の段階のうちの１又は２以上は省略することができる。
一部の実施形態は、図１０Ａ〜図１０Ｇ及び図１５Ａ〜図１５Ｃに関して上述したトリガ機能を有する追跡されるプローブを下記で図８３を参照して詳細に説明する計算と合わせたこの図に説明する較正処理を通じて追跡されないディスプレイモニタを使用するユーザインタフェースデバイスとして利用することができる段階を伴う。
図８２Ａは、トリガ機能８２４０を有する追跡されるプローブを保持しているユーザが、プローブ先端及びその算定軌道線８２４５の方位をディスプレイモニタ上に示す各マーカに順次定めることによって３Ｄ追跡カメラに対する空間内の画面の寸法及び場所に対してプローブを較正することを誘導するために、追跡されないディスプレイモニタ８２１０が較正命令８２０５を通信し、ディスプレイモニタ上に較正マーカ８２３０を表示する本発明の一実施形態を表示している。この較正処理を解釈するワークフローに対しては、下記で図８３を参照して詳細に説明する。追跡されないディスプレイモニタとレーザポインターアナログとしてインタフェースするためにトリガ機能を有する追跡されるプローブを利用する段階は、本発明の一実施形態に過ぎないことに注意しなければならない。他の実施形態は、下記で図８４Ａ〜図８４Ｂを参照して詳細に説明するように追跡されるモニタとレーザポインターアナログとしてインタフェースするためにトリガ機能を有する追跡されるプローブを使用する段階を含み、他の実施形態は、下記で図８５を参照して詳細に説明するように追跡されないディスプレイモニタとインタフェースするためのユーザ−定義式のアナログ追跡パッドを生成するためにトリガ機能を有する追跡されるプローブを使用する段階を伴う。更に、図８２Ｂは、追跡されるプローブの算定軌道線８２４７がディスプレイモニタ上の左上の較正マーカに向けられる図８２Ａに関して上述した本発明の一実施形態を表示している。
本発明の一部の実施形態は、３Ｄ追跡されるトリガが取り付けられた３Ｄ追跡されるツールを用いてディスプレイモニタと対話し、このツールを選択カーソルとして使用する処理を伴う。例えば、図８３は、本発明の一部の実施形態による追跡されないディスプレイを使用するユーザインタフェースシステムに対するレーザポインターアナログとして機能するようにトリガ−装備式式プローブを利用するワークフローを示している。一部の他の関連の図は、図８２Ａ〜図８２Ｂ（トリガ−装備式式ツールとディスプレイモニタとの対話型表示に関する）、図１５Ａ〜図１５Ｃ（対話型表示のカーソル制御に向けて使用することができるトリガ−装備式式の３Ｄ追跡されるツールに関する）、及び図６３（追跡される移動可能漂遊マーカ（ＴＭＳＭ）を３Ｄ追跡されるツールへのトグルスイッチ付属品として使用する処理）を含む。
このシステムの一部の実施形態は、結合された追跡されるＤＲＦを有する３Ｄ追跡されるツール、並びに３Ｄ追跡取得システムに対するツールの場所、方位、及び状態のソフトウエアベースの入力として使用することができる機械的にリンクされた追跡される移動可能漂遊マーカ（ＴＭＳＭ）の使用を伴う。この実施形態の一例を図６３に示している。
一部の実施形態は、３Ｄ追跡されるツールがディスプレイモニタの異なる場所にある１又は２以上のマーカに方位、画面上に表示された１又は２以上のマーカに仮想光線を向けるように３Ｄ追跡されるツールのシャフトが最も適切に位置合わせされたことをユーザが確信した時に各点での選択を信号送信する段階を伴う。様々な形態及び使用状態にある３Ｄ追跡されるツールの一部の例示的実施形態を図１５Ａ〜図１５Ｃに示している。更に、一部の実施形態は、登録されたマーカ点の間の３Ｄ追跡されるツールの移動、場所、及び方位のディスプレイモニタ上でのマッピングをこれらの登録されたマーカ点での３Ｄ追跡されるツールの場所及び方位の結合によって形成される線を計算することによって決定する段階を伴う。一部の実施形態は、ディスプレイモニタに対する３Ｄ追跡されるツールの運動のより適切なマッピングを提供するためにディスプレイモニタの寸法及びピクセル解像度を使用する段階を更に含む。更に、システムの一部の実施形態は、ユーザが３Ｄ追跡されるツールをディスプレイモニタによって視覚化されるソフトウエアシステムに対する仮想カーソル及び入力選択ツールとして使用することを可能にする。様々な用途及び形態でのこれらの一部の実施形態の例を図８２Ａ〜図８２Ｂに示している。
一部の実施形態では、ワークフロー８３００に関する上述の処理、方法、又は手順のいずれも、段階又は処理８３０２、８３０４、８３０６、８３０８、８３１０、８３１２、８３１４、８３１６、８３１８、８３２０、８３２２、８３２４、８３２６、８３２８、８３３０、８３３４、８３３６、８３３８のうちの１又は２以上を含むか又はそれによって達成することができる。一部の実施形態では、これらの段階のうちの少なくとも１つは、１又は２以上のその後の段階がステータス、判断、状態、又は他の条件に依存する判断段階（例えば、段階８３１８又は８３２８など）を含むことができる。一部の実施形態では、ワークフロー８３００のこれらの段階は、図示の通りの順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー８３００の段階のうちのいずれも示す順序以外の順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー８３００の段階のうちの１又は２以上は省略することができる。
本発明の一部の実施形態は、ディスプレイモニタが結合された３Ｄ追跡されるＤＲＦを有することに対して、取り付けられた３Ｄ追跡されるトリガを有する３Ｄ追跡されるツールを用いてディスプレイモニタと対話し、このツールを選択カーソルとして使用する処理を伴う。例えば、図８４Ａ〜図８４Ｂは、本発明の一部の実施形態による３Ｄ追跡されるディスプレイモニタを使用するユーザインタフェースに対するレーザポインターアナログとして機能するようにトリガ−装備式式プローブを利用するワークフローを示している。一部の他の関連の図は、図８２Ａ〜図８２Ｂ（トリガ−装備式式ツールとディスプレイモニタとの対話型表示）、図１５Ａ〜図１５Ｃ（対話型表示のカーソル制御に向けて使用することができるトリガ−装備式式３Ｄの追跡されるツールに関する）、図６３（追跡される移動可能漂遊マーカ（ＴＭＳＭ）を３Ｄ追跡されるツールへのトグルスイッチ付属品として使用する処理）、及び図８３（３Ｄ追跡されるツールをインタフェースディスプレイモニタカーソルとして使用する処理）を含む。このシステムの一部の実施形態は、図８３の処理及びこの図の参照図を含む。
システムの一部の実施形態は、対話型ソフトウエア目的に対して使用されることになる３Ｄ追跡されるＤＲＦをディスプレイモニタに剛的に取り付ける段階を伴う。更に、システムの一部の実施形態は、ＤＲＦ装備式ディスプレイモニタを３Ｄ追跡取得システムの追跡容積内の基準ツールとして使用する段階を伴う。他の実施形態は、トリガ−装備式式の３Ｄ追跡されるツールの移動、場所、及び方位に従ってディスプレイモニタの寸法を較正するための処理の例を説明する図８３に示した処理を伴う。更に、このシステムの例示的実施形態を図８２Ａ〜図８２Ｂに示している。
特に図８４Ｂを参照すると、このシステムの一部の実施形態は、図８４Ａに説明する処理に依存する。このシステムの一部の実施形態は、図８３及び図６３に説明する処理を利用する。このシステムの一部の実施形態は、対話型ソフトウエア目的に対して使用されることになる３Ｄ追跡されるＤＲＦをディスプレイモニタに剛的に取り付ける段階を伴う。更に、このシステムの一部の実施形態は、３Ｄ追跡されるツールのプローブシャフトの方向とディスプレイモニタの方位との適切な光線交差点を計算するために３Ｄ追跡取得システムに対して相対的な３Ｄ追跡されるトリガ−装備式式ツール（例えば、図１５Ａ〜図１５Ｃ）の場所及び方位のアルゴリズム計算を含む。一部の実施形態は、ディスプレイモニタに対する３Ｄ追跡されるツールの運動のより適切なマッピングを提供するためにディスプレイモニタの寸法及びピクセル解像度を使用する段階を伴う。ディスプレイモニタへのＤＲＦの取り付けを含む一部のものであるが全ての包括的な置換ではない例示的実施形態を図８２Ａ〜図８２Ｂに示している。
一部の実施形態では、ワークフロー８４００に関する上述の処理、方法、又は手順のいずれも、段階又は処理８４０２、８４０４、８４０６、８４０８、８４１０、８４１２、８４１４、８４１６、８４１８、８４２０、８４２２、８４２４、８４２６、８４２８、８４３０、８４５４、８４５４、８４５６、８４５８、８４６４、８４６６、８４６８、８４７０、８４６２、及び８４６０のうちの１又は２以上を含むか又はそれによって達成することができる。一部の実施形態では、これらの段階のうちの少なくとも１つは、１又は２以上のその後の段階がステータス、判断、状態、又は他の条件に依存する判断段階（例えば、段階８４０２など）を含むことができる。一部の実施形態では、ワークフロー８４００のこれらの段階は、図示の通りの順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー８４００の段階のうちのいずれも示す順序以外の順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー８４００の段階のうちの１又は２以上は省略することができる。
本発明の一部の実施形態は、取り付けられた３Ｄ追跡されるトリガを有する３Ｄ追跡されるツールを用いてディスプレイモニタと対話し、追跡されない面の較正によってこのツールを選択カーソルとして使用する処理を伴う。例えば、図８５は、本発明の一部の実施形態によるユーザ−定義式追跡パッドアナログを通じて追跡されないディスプレイに対するインタフェースデバイスとして機能するようにトリガ−装備式式プローブを利用するワークフロー８５００を示している。一部の他の関連の図は、図６３（追跡される移動可能漂遊マーカ（ＴＭＳＭ）を３Ｄ追跡されるツールへのトグルスイッチ付属品として使用する処理）、図８３（３Ｄ追跡されるツールをインタフェースディスプレイモニタカーソルとして使用する処理）、図１５Ａ〜図１５Ｃ（対話型表示のカーソル制御に向けて使用することができるトリガ−装備式式の３Ｄ追跡されるツール）、及び図８２Ａ〜図８２Ｂ（トリガ−装備式式ツールとディスプレイモニタとの対話型表示）を含む。例えば、このシステムの一部の実施形態は、図６３及び図８３に説明する処理を利用する。一部の実施形態は、３Ｄ追跡されるツールがディスプレイモニタの異なる場所にある１又は２以上のマーカに方位、及び画面上に表示されたマーカに仮想光線を向けるように３Ｄ追跡されるツールのシャフトが最も適切に位置合わせされたことをユーザが確信した時に各点での選択を信号送信する段階を伴う。様々な形態及び使用状態にある３Ｄ追跡されるツールの一部の例示的実施形態を図１５Ａ〜図１５Ｃに示している。
一部の実施形態は、３Ｄ追跡取得システムに対する剛性の追跡されない物体の境界寸法及びフレームの方位を登録するために、この物体の境界をトレースするか、又はこの物体の境界面上の複数の個別点を登録するかのいずれかのための３Ｄ追跡されるツールの使用を伴う。更に、一部の実施形態は、ディスプレイモニタに対する３Ｄ追跡されるツールの運動のより適切なマッピングを提供するためにディスプレイモニタの寸法及びピクセル解像度を使用する段階を伴う。一部の実施形態は、登録された剛性の追跡されない物体の寸法及び方位とディスプレイモニタの寸法の間のマッピングを計算する段階を伴う。一部の実施形態は、登録された剛性の追跡されない物体の面上でその境界線の範囲にある３Ｄ追跡されるツールエンドエフェクタの場所に基づいてディスプレイモニタ上でのカーソルの対話型配置をアルゴリズミックに計算する。様々な用途及び形態でのこれらのシステム実施形態のうちの一部のものの一部の類似する例を図８２Ａ〜図８２Ｂ及び図８３に示している。
一部の実施形態では、ワークフロー８５００に関する上述の処理、方法、又は手順のいずれも、段階又は処理８５０２、８５０４、８５０６、８５０８、８５１０、８５１２、８５１４、８５１６、８５１８、８５２０、８５２２、８５２４、８５２６、８５２８、及び８５３０のうちの１又は２以上を含むか又はそれによって達成することができる。一部の実施形態では、ワークフロー８５００の段階のうちのいずれも示す順序以外の順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー８５００の段階のうちの１又は２以上は省略することができる。
本明細書に説明するシステムの一部の実施形態は、少なくとも図６２Ａ〜図６２Ｄ、図６５Ａ〜図６５Ｅ、図６６Ａ〜図６６Ｂ、及び図６７〜図６９に関して上述した本発明の実施形態を用いて実施されたアラインメント評価に関する出力表示を生成することができる。
図８６Ａは、算定脊椎アラインメントパラメータの描画８６００及びアラインメント評価から計算されたものとして各パラメータの下に表示されたこれらのパラメータの現在値からなる本発明の一実施形態を表示している。他の実施形態は、これらの表示及び／又は予め決められた手術目標への近似度に基づいて色を変えたこれらの定量値を含み、ユーザが、予め決められた範囲から最も遠いパラメータを視覚化して重点を置くことを可能にする。更に別の実施形態は、事前取得評価と、最新の計測値を正確に表すように輪郭を変化させる動的応答性を有する脊椎線画とをユーザが観察する機能を含む。この図は、全ての実施形態に対する全ての脊椎アラインメントパラメータを含むわけではない一実施形態を表示するに過ぎないことに注意しなければならない。図示して説明する表示は、脊椎の２つの領域の間又は１つの解剖学的領と脊椎又は骨盤の間のあらゆる測定値に適用することができる。これらのパラメータを生成するデータの取得処理及び解釈処理に対しては上述している。
図８６Ｂは、サジタル平面８６５０ａ及びコロナ平面８６５０ｂでの患者画像の出力表示であり、いずれかのソフトウエアオーバーレイを削除するオプションを有する本発明の一実施形態を表示している。更に、図８６Ｃは、手術中評価に基づく現在の脊椎アラインメントを表す患者の解剖学的脊椎構造のサジタル及びコロナのオーバーレイ（８６５１ａ、８６５１ｂそれぞれ）を有するサジタル及びコロナの患者画像からなる本発明の一実施形態を表示している。これらのオーバーレイを生成するために、事前取得患者画像の手動又は自動のセグメント化を用いて脊椎の要素が分離され、次いで、それが前の画像に対する基準点に固定され、更に計測アラインメントの定性的表現を提供するために回転と変形の両方が加えられる。本発明の他の実施形態では、動的に修正されるセグメント化画像のオーバーレイの代わりに、脊椎の輪郭を表す線のオーバーレイが患者画像上に表示される。この曲線は、個別脊椎レベル表示を有するか又は持たないとすることができ、ユーザは、事前取得トレース輪郭評価の表示及び非表示を切り換えることができる。
図８６Ｄは、計測脊椎アラインメントとタンジェンシャルに位置合わせするように個々に平行移動と回転の両方を行う個別椎骨によって表される計測脊椎アラインメントパラメータの出力表示である本発明の一実施形態を表示している。このようにして、出力は局所測定値に動的に適応することができ、例えば、図示の腰椎前彎は１０度８６７５から３０度８６８１まで移動し、この移動は、出力表示の範囲にある関連の端板間のアラインメントを変更する段階を伴う。更に、この実施形態は、コロナ平面（図示せず）に示されるこの動的表示と３Ｄ斜視図とで構成される。この実施形態の別の構成要素は、出力画像に対する個別脊椎レベルラベル８６８３の表示である。
一部の実施形態は、本発明の一部の実施形態による追跡されるＤＲＦ装備式末端キャップに固定された事前登録された輪郭を有し、追跡されるロッド曲げ器と相互作用するロッドを含む。例えば、図８７Ａは、事前登録された輪郭を有し、追跡されるＤＲＦ装備式末端キャップ８７１０に固定され、追跡されるロッド曲げ器８７３０と相互作用するロッド８７１５からなる図５５Ｄ〜図５５Ｉ、図５６Ａ〜図５６Ｄ、及び図５６Ｆに関して上述した本発明の一実施形態を表示している。
図８７Ｂは、登録されたロッド輪郭のサジタル投影８７３５と、末端キャップＤＲＦ軸を基準とする登録されたロッド輪郭に対する追跡されるロッド曲げ器の現在のサジタルの場所を示す表示８７５５と、ユーザ解釈を容易にするための解剖軸に対するラベル８７１７とで構成される本発明の一実施形態を表示している。この実施形態を用いて、ユーザは、ロッド曲げ器がロッドの２Ｄ解剖学的投影に対して何処に位置するかを視覚化することができ、複雑なロッド輪郭の改善された解釈、並びに下記で図８７Ｆ〜図８７Ｇを参照して説明するように患者画像に対する解釈を可能にする。本発明のこの実施形態を利用する前に行われるロッド輪郭登録処理に対しては、上記で図４７Ａ〜図４７Ｂ、図５１Ａ〜図５１Ｇ、図７３Ａ〜図７３Ｂ、及び図７４〜図７５に関して上述していることに注意しなければならない。
図８７Ｃは、登録されたロッド輪郭のコロナ投影８７６５と、末端キャップＤＲＦ軸を基準とする登録されたロッド輪郭に対する追跡されるロッド曲げ器の現在のコロナの場所を示す表示８７６０と、ユーザ解釈を容易にするための解剖軸に対するラベル８７２３とで構成される本発明の一実施形態を表示している。この実施形態では、ロッド曲げ器の場所は、表示平面上への曲げ器の投影として表示される。図示のように、この図では、この投影内に狭い四角形に示すロッド曲げ器は、それが係合したロッドセグメントとコロナ平面の両方に直交するように位置する。曲げ器が曲げを行っている時に、この曲げは、表示平面内で図８７Ｂに関して示したように表示される。
図８７Ｄは、ロッドの断面図８７２５に対する曲げ器の中心ロッド輪郭形成面の場所８７３０を解剖軸に対するラベル８７２７と共に表示している。この実施形態は、ロッドの各セグメントの長軸の周りに回転した追跡されるロッド曲げ器のインタフェース構成要素の場所の解釈を可能にする。
図８７Ｅは、解剖軸に対するラベル８７３３に加えて、登録されたロッド輪郭のサジタル投影８７３５、並びに上部ロッド端点からもたらされる直交線８７４０、及び下部ロッド端点からもたらされる直交線８７４５をこれらの線の間の計算角度８７５０と共に表示する本発明の一実施形態を示している。他の実施形態では、ユーザがロッド上の個別場所を修正及び選択することができ、これらの場所の間に直交線が引かれ、角度が計算されることになる。本発明の他の実施形態では、ロッド及び直交線の間の対応する測定値をコロナ平面上に投影することができる。更に、他の実施形態では、これらの投影及び角度測定を埋め込みの前と後の両方でロッド輪郭を評価した後に実施することができ、そうするのに追跡される曲げ器にインタフェースすることを必要としない。
図８７Ｆは、登録されたロッド輪郭のオーバーレイ８７７７、並びに事前登録されたロッドに対する追跡されるロッド曲げ器の場所のオーバーレイ表示８７７９を有するサジタル患者画像８７７５を表示している。登録されたロッド輪郭の配置場所は、図７８に関して上述した実施形態によって達成することができる。
図８７Ｇは、登録されたロッド輪郭のオーバーレイ８７８３、並びに事前登録されたロッドに対する追跡されるロッド曲げ器の場所のオーバーレイ表示８７８５を有する手術計画８７８１に関して調節されたサジタル患者画像を表示している。この調節された患者画像上の登録されたロッド輪郭の配置場所は、図７８に関して上述した実施形態によって達成することができる。手術目標を模擬するように調節された画像の上に登録されたロッド輪郭を重ねることにより、ロッド輪郭が術後画像上で埋め込み有茎スクリューのチューリップヘッドに固定された状態になる場所に位置付けられるように調節された患者画像の上に重なるまで実時間表示フィードバックを用いてロッド輪郭を調節することができる。
図８７Ｈは、ディスプレイモニタ上のロッド曲げ器の場所を矢印８７８６として表し、ロッドを単一色付き実線８７８７として表した本発明の一実施形態を表示している。
図８７Ｉは、ディスプレイモニタ上のロッド曲げ器の場所を矢印８７８６として表し、図７９に関して上述したようにロッド曲げ器に係合したロッドセグメントが、曲げ器に係合していないロッドセグメント８７８８とは異なる色８７８９である本発明の一実施形態を表示している。他の実施形態では、色変化の代わりに、ロッドの係合セグメントは、線のストローク幅の変化又は破線から実線への変化によってロッドの非係合セグメントから区別することができる。
図８７Ｊは、ディスプレイモニタ上のロッド曲げ器の場所を手動ロッド曲げ器の輪郭線として表し、ハンドル及びロッド−インタフェース領域の外形輪郭線８７９５がハンドルの互いに対する現在の方位に基づいて表示を調整する本発明の一実施形態を表示している。この図では、この輪郭線は、真っ直ぐなロッド８７９３にインタフェースすることを可能にするようにハンドルが完全に開いた（すなわち、ハンドル間に最大角度がある）状態で表示されている。
図８７Ｋは、ディスプレイモニタ上のロッド曲げ器の場所を手動ロッド曲げ器の輪郭線として表し、ハンドル及びロッド−インタフェース領域の外形輪郭線８７９６が、ハンドルの互いに対する現在の方位に基づいて表示を調整する本発明の一実施形態を表示している。この図では、この輪郭線は、ハンドルが完全に閉じ（すなわち、ハンドル間に最小角度がある）、従って、ロッド８７９４の湾曲した領域にインタフェースする状態で表示されている。
図８７Ｌは、ディスプレイモニタ上のロッド曲げ器の場所を真っ直ぐなロッド８７８７に係合した左外側ローラ８７８９、中心ロッド輪郭形成面８７９０、及び右外側ローラ８７９１を表す３つの塗りつぶし円として表す本発明の一実施形態を表示している。更に、図８７Ｍは、ディスプレイモニタ上のロッド曲げ器の場所を真っ直ぐなロッド８７８７に係合した左外側ローラ８７８９、中心ロッド輪郭形成面８７９０、及び右外側ローラ８７９１を表す３つの塗りつぶし円、並びに輪郭線８７９２して表す本発明の一実施形態を表示している。
一部の実施形態は、追跡されるＤＲＦ装備式末端キャップに剛的に固定され、図８７Ａ〜図８７Ｍに関して上述したように追跡されるロッド曲げ器にインタフェースする事前登録されたロッドのソフトウエア命令式による曲げを可能にするディスプレイモニタいインタフェースを含む。これらの実施形態は、ロッドの最終輪郭が事前設定入力に適合するためには追跡されるロッド曲げ器を用いてロッドを何処でどのように曲げるべきかをユーザに命令する機構を可能にする。これらの事前設定入力は様々な形態に実施され、取りわけ、手術前撮像、手術前計画、事前設定測定値入力、及び手術中アラインメント測定に基づくとすることができることに注意しなければならない。これらの実施形態に関するワークフローに対しては、図８０〜図８１を参照して説明した。
一部の実施形態は、本発明の一部の実施形態による登録されたロッド輪郭のサジタル投影と、登録されたロッド輪郭に対するロッド曲げ器の現在の場所の表示と、ユーザがロッド曲げ器を配置されるソフトウエア命令式場所の表示と、解剖軸ラベルとを含む。
図８８Ａは、登録されたロッド輪郭のサジタル投影８８０１と、登録されたロッド輪郭に対するロッド曲げ器の現在の場所の表示８８０３と、ユーザがロッド曲げ器を配置されるソフトウエア命令式場所の表示８８０５と、解剖軸ラベル８８２５とで構成される本発明の一実施形態を表示している。この実施形態は、ロッド曲げ器が存在する場所をユーザがロッド曲げ器をロッド上に配置するようにソフトウエアが命令する場所に対して示す視覚表示及びフィードバックを可能にする。本発明の他の実施形態では、曲げ器のソフトウエア命令式場所の外見は、ユーザが曲げ器の現在の場所を登録されたロッドに対する曲げ器に対するソフトウエア命令式場所の上に成功裏に重ね合わせた時を示すために色、線の太さ、又は形状によって変化する。
図８８Ｂは、登録されたロッド輪郭のコロナ投影８８０７と、ロッドに対する現在の曲げ器の場所のコロナ表示オーバーレイ８８０９と、曲げ器配置場所のソフトウエア命令式曲げインジケータ８８１１と、解剖軸ラベル８８２７とを有する本発明の一部の実施形態に従ってコロナ平面に適用した図８８Ａの表示を示している。
図８８Ｃは、本発明の一部の実施形態によるロッド、ロッド曲げ器の中心輪郭形成面の現在の場所、ロッド曲げ器の中心輪郭形成面が配置されるソフトウエア命令式場所、及び解剖軸ラベルの断面表示を示している。図示のものは、ロッドの断面表示８８１３、曲げ器の現在の方位８８１５、曲げ器配置場所のソフトウエア命令式インジケータ８８１７、解剖軸ラベル８８２９である。
図８８Ｄは、既知の直径のロッドに対して誘導される曲げの程度に直接関連する曲げ器のハンドルの現在の相対位置の表示表現８８５２からなる本発明の一実施形態を表示している。この実施形態では、ハンドル間の角度は調整可能であり、検出された追跡されるロッド曲げ器の立体構造に基づいて変化する。更に、図８８Ｅは、本発明の一部の実施形態による既知の直径のロッドに対して誘導される曲げの程度に直接関連する曲げ器のハンドルのソフトウエア命令式相対位置の表示表現８８５４を示している。曲げ器のハンドルのソフトウエア命令式相対位置の表示表現８８５４は、既知の直径のロッドに対して誘導される曲げの程度に直接に関連する。この実施形態では、ロッド曲げ器は、最大曲げ（すなわち、ハンドル間に最小角度がある）状態で表示されており、曲げ器が、図８８Ａ〜図８８Ｂに上述したようにロッドの長さに沿う示した場所に配置され、図８８Ｃに上述したようにロッドの断面に対して直角に位置付けられると、ロッド曲げ器のハンドルの到達可能な運動範囲のあらゆる角度は、ユーザが一致させるべきソフトウエア命令式曲げ程度として表示することができる。
図８８Ｆは、当該係合点で事前登録されたロッドと追跡されるロッド曲げ器の間に何度の角度が必要であるかということのソフトウエア命令式インジケータ８８６４に加えて、追跡されるロッド曲げ器のハンドル間の現在の角度８６２０を範囲で示す角度ゲージの表示表現８８６６からなる本発明の一実施形態を表している。この実施形態を用いて、ユーザは、ハンドルが互いに近づけられるか又は遠ざけられる時に追跡される曲げ器の現在の曲げ角が変化することを注視することができる。ユーザは、現在角度インジケータがソフトウエア命令式角度インジケータの上に重ね合わされるまでハンドル間の角度を調節し、この点で、ユーザ−インタフェースは、システムに入力された望ましいロッド輪郭に到達するのに必要とされる次の曲げ場所を表示する。
一部の実施形態では、上述のようにロッドが切断される場所をロッドカッターがユーザに命令する場合に上述のシステム及びソフトウエアのいずれも適用することができる。本発明の他の実施形態は、追跡されるＤＲＦ装備式末端キャップと依然として接続されている事前登録されたロッドに対して追跡されるロッド切断デバイスが存在する場所の表示を更に含む。事前登録されたロッドに対するカッターのライブ追跡と、ロッドに対する切断デバイスのソフトウエア命令式配置の両方は、本発明の他の実施形態に含まれる。
本発明の一部の実施形態は、調節可能脊椎ファントムモデルをどのように操作及び配置してこのモデルの画像内で可能な方位及び関係を近似するかに関する命令を対話的に提供する処理を伴う。例えば、図８９は、本発明の一部の実施形態による患者固有の画像からのアラインメントパラメータを模擬するように調節可能ベンチトップ脊椎モデルを適合させるワークフローを示している。他の関連の図は、図９０Ａ〜図９０Ｄ（ベンチトップ脊椎モデルの表示及び対話型調節可能構成要素）を含む。
システムの一部の実施形態は、撮像技術（例えば、ＣＴ、ＭＲＩ、２ＤＸ線画像、超音波など）による生体構造の視覚化に基づくベンチトップ脊椎モデルの脊椎骨レベルの注釈を含む。更に、システムの一部の実施形態は、脊椎モデルの立体構造を空間内に剛的に固定し、それと共にユーザが各多レバー調節可能固定デバイスの位置を解釈するための定量的フィードバックを提供する調節可能漸増測定レバー配置を剛的に取り付ける段階を伴う。多レバー調節可能固定デバイスの１つの例示的実施形態を図９０Ｃに示している。
一部の実施形態は、各脊椎骨レベルへの多レバー調節可能固定デバイスの剛的な取り付けを含む。他の実施形態は、多レバー調節可能固定デバイスに剛的に取り付けられる脊椎モデルの選択レベルを取り付ける段階を伴う。システムの一部の実施形態は、脊椎モデルの画像登録において視覚化された生体構造の構成に適合するように脊椎モデルの立体構造を構成するために１又は２以上の多レバー調節可能固定デバイスの操作によって特定の脊椎セグメントを調節するようにユーザに命令する段階を伴う。一部の更に別の実施形態は、脊椎モデルを特定の立体構造に調節するのにユーザがソフトウエア命令に正しく従ったと仮定してベンチトップ上に現在位置決めされている脊椎モデルの生体構造の生成された変換３ＤＣＴベースの再構成又は断面視覚化推定を含む。
一部の実施形態では、ワークフロー８９００に関する上述の処理、方法、又は手順のいずれも、段階又は処理８９０２、８９０４、８９０６、８９０８、８９１０、８９１２、８９１４、８９１６、８９１８、８９２０、８９２２、８９２４、８９２６、８９２８、８９３０、８９３２、８９３４、８９３６のうちの１又は２以上を含むか又はそれによって達成することができる。一部の実施形態では、これらの段階のうちの少なくとも１つは、１又は２以上のその後の段階がステータス、判断、状態、又は他の条件に依存する判断段階（例えば、段階８９１８など）を含むことができる。一部の実施形態では、ワークフロー８９００のこれらの段階は、図示の通りの順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー８９００の段階のうちのいずれも示す順序以外の順序で進めることができる。一部の実施形態では、ワークフロー８９００の段階のうちの１又は２以上は省略することができる。
一部の実施形態は、脊椎アラインメントの輪郭及びパラメータを示すために解析される患者画像、並びに患者画像内に表示されている脊椎アラインメントパラメータを模擬するためには脊椎の解剖学的モデルに結合された調節可能マウントをどのように配置すればよいかに関する出力命令に関する。このデバイスの他の実施形態は、望ましい個別アラインメントパラメータ値（例えば、３０度の腰椎前彎）をソフトウエアに入力し、次いで、ソフトウエアが入力されたパラメータを有するように解剖学的モデルを構成するためには調節可能マウントの方位をどのように定めればよいかに関する命令を出力する段階を伴う。デバイスの別の実施形態は、ユーザが解剖学的モデルを配置し、次いで、ソフトウエアが解剖学的モデルのアラインメントパラメータに厳密に適合する患者画像を後に出力するための全ての調節可能マウント座標をソフトウエアに入力する段階から構成される。
図９０Ａは、本発明の一部の実施形態によるサジタル及びコロナの脊椎輪郭トレースと、解剖学的モデル上への調節可能マウントの個別ソフトウエア命令式配置と調節可能ベンチトップモデルの上に位置決めされるこれらの調節可能マウントの各々の座標に関する命令とが重ね合わせられたサジタル及びコロナの患者画像を示している。サジタル患者画像９００１及びコロナ患者画像９００５は、サジタル脊椎輪郭トレース９００３及びコロナ脊椎輪郭トレース９００９と、解剖学的モデル上への調節可能マウントの個別ソフトウエア命令式配置（９００５、９０１１）と、調節可能ベンチトップモデルの上に位置決めされるこれらの調節可能マウントの各々の座標に関する命令とが重ね合わせられた状態で示されている。この実施形態に関するソフトウエア注釈に対しては、図８９に関して上述している。更に、図９０Ｂは、本発明の一部の実施形態による解剖学的モデル装着の分解アセンブリ図を示している。
図９０Ｂは、卓上ベース９０２０、距離インジケータ９０２４が装備され、距離インジケータ９０２８が装備されたクロスレール９０２６にインタフェースすることが意図されたサイドレール９０２２であって、解剖学的脊椎モデル（図示せず）上の個々の椎骨にインタフェースするファスナ９０３６を通じて角度調節部品９０３０に嵌合する高度調節スライダー９０３２との嵌合のためのスロット９０３９が装備されたでクロスレール嵌合スロット９０３８内のクロスレール摺動部品９０３４にインタフェースするように設計された上記サイドレール９０２２からなる本発明の一実施形態を表示している。この実施形態は、卓上ベースの上のいずれかの特定の場所への結合された解剖学的モデル（図示せず）の位置決めを可能にする。
図９０Ｃは、組み立てた形態にある図９０Ｂに関して上述した本発明の一実施形態を表示しており、解剖学的モデルのインタフェース面９０４０が見えやすくなっている。図示の実施形態では、このインタフェースは、ファスナ（図示せず）が解剖学的モデルの椎体の前面に剛的に結合するための貫通孔を通じて達成される。他の実施形態では、このインタフェースは、解剖学的モデルがインタフェース点の周りにピボット回転することを可能にするボール継手を含む。他の実施形態では、解剖学的モデルに対するファスナは、インタフェース点の迅速な置換を可能にするために解剖学的モデルの各椎骨の上に事前位置付けられたレセプタクルへのクリップ留め機構を通じて達成される。
図９０Ｄは、脊椎解剖学的モデル９０５０が、図９０Ｂ〜図９０Ｃに関して上述した調節可能マウントを用いて個別アラインメント構成で配置された本発明の一実施形態を表示している。この実施形態では、各マウントは、サイドレールに沿う場所、クロスレールに沿う場所、ベース部品からの高度、高度調節スライダーからの角度、及び当該マウントがインタフェースされる椎骨レベルを含むソフトウエア命令式パラメータに基づいて配置される。他の実施形態では、クロスレールは円筒形であり、クロスバーの周りのベース部品の回転を可能にする。他の実施形態では、選択椎骨レベルに嵌合するだけではなく、より高い精度で輪郭に適合することを可能にするための調節可能マウントが椎骨に装備される。
一部の実施形態は、追跡されるＤＲＦに異なるプローブ状延長部を追加又は交換し、同時にどの延長部が現在結合されているか、従って、関連のＤＲＦを追跡する時にどのツール定義ファイルが参照されるかを取得ソフトウエアに示すことを可能にする。例えば、図９１Ａは、本発明の一部の実施形態により、選択されたモジュール式ツール先端として係合した真っ直ぐなプローブ延長部と、係合時のＤＲＦに対する関連の独特なＴＭＳＭ位置とを示している。
図９１Ａは、独特なプローブ延長部品９１０５に取り付けられた個別距離の突起９１１１（図９１Ｂ）に起因してバネ装荷式（図示せず）ＴＭＳＭ９１０３が内部で摺動するスロットを含む嵌合延長部を有する追跡される動的座標系（ＤＲＦ）９１０１を含む本発明の一実施形態を示している。ＴＭＳＭ９１０３が、追跡されるＤＲＦ９１０１に対して事前設定された場所で検出されると、取得システムは、どのプローブ延長先端が結合されているかを登録し、それに従ってＤＲＦ９１０１に関するツール定義ファイルを更新する。ＤＲＦ９１０１に対するＴＭＳＭ９１０３の運動を検出するアルゴリズム処理に対しては、図６３に関して上述している。
図９１Ｂは、プローブ延長部が追跡されるＤＲＦ９１０１から切断された図９１Ａに上述した本発明の実施形態を示している。この画像では、摺動インサート９１０９に締結されたバネ装荷式ＴＭＳＭ９１０７は、プローブ延長部の独特な嵌合突起９１１１によって押下されておらず、嵌合ピン９１１３及びその関連の嵌合スロット９１１５を見ることができる。この実施形態では、嵌合ピンは、バネ装荷式プランジャ（図示せず）によって嵌合スロット内でＤＲＦに確実に締結される。
図９１Ｃは、図９１Ａ〜図９１Ｂに関して上述した本発明の実施形態を示しており、この図は、ＴＭＳＭ９１２１が、他のプローブ延長部が係合した時とは異なる９１０１に対する位置に摺動される結果をもたらす独自の独特な嵌合突起９１１９を有する別のプローブ延長部９１１７を結合した場所を例証している。図示のこの実施形態では、湾曲したプローブ先端が利用され、取得システムは、９１０１に対するこの特定の位置で９１０７を検出すると、図示の湾曲したプローブ延長部に則した適切なツール定義ファイルを読み込むことができる。
一部の他の実施形態は、１つのＤＲＦに恒久的に結合された複数のプローブ延長部を含み、ＤＲＦに対する個別位置まで移動された１又は２以上のＴＭＳＭは、どのプローブ延長が利用されているか、従って、どのツール定義ファイルが読み込まれるかを取得システムに通信することになる。
更に別の実施形態は、ＴＭＳＭ装備システムに適合するシステムを含み、本発明の他の実施形態は、図１０Ａ〜図１０Ｇ及び図１５Ａ〜図１５Ｃを参照して説明したトリガのためのＴＭＳＭ装備プローブに適合することに注意しなければならない。これらの実施形態では、取得システムは、個々の漂遊マーカの間で区別する。
一部の他の実施形態は、延長部の上にＴＳＭを含み、本発明の他の実施形態は、延長部がＤＲＦに係合した時に事前設定場所にくるような独自の追跡される漂遊マーカ（ＴＳＭ）の１又は２以上を有するプローブ延長部から構成されることに注意しなければならない。この構成はＤＲＦ自体の上に装備された摺動しＴＭＳＭに対する変形である。
モジュール式プローブ延長タイプの一部の実施形態は、真っ直ぐなプローブ、湾曲したプローブ、基準又は別の付属デバイスと結合するための独特な嵌合特徴部を有するプローブ、スクリュードライバヘッド、ロッド中心化フォーク、リング構造体又は他の閉ループ設計を含むがこれらに限定されない。
モジュール式延長部とＤＲＦの間の嵌合機構の一部の他の実施形態は、４分の１回転スナップアーム、ネジ付きスナップアーム、バネ装荷式スナップアーム、及び格納可能バネプランジャを含むがこれらに限定されない。
本発明の一部を形成する本明細書に説明する作動のうちのいずれも有用な機械作動である。本発明は、更に、これらの作動を実施するためのデバイス又は装置に関する。装置は、専用コンピュータのような所要目的に合わせて特別に構成されたものとすることができる。専用コンピュータとして定められる場合に、コンピュータは、特殊目的の一部ではない他の処理、プログラム実行、又はルーチンを実行することができ、同時に依然として特殊目的に対して作動させることができる。これに代えて、作動は、コンピュータメモリ、キャッシュに格納された又はネットワーク上で取得された１又は２以上のコンピュータプログラムによって選択的に作動又は構成される汎用コンピュータによって処理することができる。ネットワーク上でデータが取得される場合に、データは、ネットワーク上の他のコンピュータ、例えば、コンピュータリソースのクラウドによって処理することができる。
本発明の実施形態は、データを１つの状態から別の状態に変換する機械としても定義することができる。データは、電子信号及び電子操作データとして表すことができる物品を表すことができる。一部の場合に、変換されたデータは、ディスプレイ上に視覚的に描くことができ、データの変換からもたらされる物理的物体を表している。変換されたデータは、ストレージに一般的に保存するか又は特に物理的で有形の物体の構成又は描写を可能にするフォーマットで保存することができる。一部の実施形態では、操作は、プロセッサによって実行することができる。そのような例では、プロセッサは、データを１つの物から別のものに変換する。更に別の一部の実施形態は、ネットワーク上で結合することができる１又は２以上の機械又はプロセッサによって処理することができる方法を含む。各機械は、データを１つの状態又は物から別のものに変換することができ、更にデータを処理し、データをストレージに保存し、データをネットワーク上で送信し、かつ結果を表示する又は結果を別の機械に通信することができる。本明細書に使用するコンピュータ可読ストレージ媒体は、物理的な又は有形のストレージ（信号ではない）を意味し、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、又は他のデータのような情報の有形ストレージのためのいずれかの方法又は技術に実施された揮発性又は不揮発性の取外し可能及び取外し不能ストレージ媒体を制限なく含む。
方法作動は特定の順序で説明することができるが、他の維持管理作動をこれらの作動間に実行することができ、又は作動は、若干異なる時点で発生するように調節することができ、又はオーバーレイ作動の処理が望ましい方法で実行される限り処理に関連付けられた様々な間隔での処理作動の発生を可能にするシステム内に分散させることができることは理解しなければならない。
本発明を特定の実施形態及び実施例に関して上述したが、本発明が必ずしもそのように限定されないこと、及び多くの他の実施形態、実施例、使用、修正、及び実施形態、実施例、及び使用からの逸脱が本明細書に添付の特許請求の範囲によって含まれるように意図されていることは当業者によって認められるであろう。本明細書に引用する各特許及び文献の開示全体は、各そのような特許又は文献が本明細書に引用によって個々に組み込まれたかのように引用によって組み込まれている。本発明の様々な特徴及び利点は、以下の特許請求の範囲に列挙されている。
１００ 全体システム
１０５ 局所生体構造評価
１０７ 患者初期化
１０９ ロッド輪郭評価
１１５ アラインメント輪郭取得

Claims (1)

  1. 脊椎アラインメント情報及び治療デバイスデータを解析して提供する方法であって、
    初期患者データを得る段階と、
    アラインメント輪郭情報を取得する段階と、
    局所解剖学的特徴を評価する段階と、
    解剖学的領域データを得る段階と、
    局所生体構造を解析する段階と、
    治療デバイス場所及び輪郭形成を解析する段階と、
    前記局所生体構造解析及び治療デバイス輪郭形成データをディスプレイ上に出力する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
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