JP2021006249A - ニューロナビゲーションを登録し、ロボットの軌道をガイダンスするためのシステムと、ロボット外科手術と、関連する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位置フィードバックを利用して、患者の手術部位に対するロボットアームおよびツールの動きを正確に誘導することができる手術システムを提供する。【解決手段】ロボット外科手術のためのシステムは、外科手術ツールの群の任意の選択された一つが、エンドエフェクタ１１２を利用する。エンドエフェクタはツールインサートロック機構１１７を利用し、患者の解剖学的特徴に対して、外科手術ツールの選択した一つをそれぞれの、所定の高さ、配向角度だけでなく、回転位置で、固定する。ツールインサートロック機構は、複数のツールを同じエンドエフェクタに相互接続するための交換可能なインサートを含みうる。エンドエフェクタはまた、ツール停止部１２１を含み、ツール停止部は、ツールの挿入またはエンドエフェクタの移動を選択的に阻害するように位置付けられうる、移動可能な停止機構と関連付けられたセンサを有する。【選択図】図１２

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年３月２２日に出願された米国特許出願第１６／３６１，８６３号の一部継続出願であり、その全体がすべて参照により本明細書に組み込まれる。

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

ロボット支援手術のための位置認識システムは、３次元（３Ｄ）における特定のオブジェクトの位置を決定し、それを追跡するために使用される。ロボット支援手術では、例えば、外科用器具のような特定のオブジェクトは、器具がロボットまたは医師によって位置決めされ、動かされるとき、高度の精度で追跡される必要がある。

位置認識システムは、オブジェクトを登録し、追跡するために能動および／または受動センサまたはマーカーを使用することができる。これらのセンサを使用することで、システムは、一つまたは複数のカメラ、信号、またはセンサなどからの情報、またはそれらに関する情報に基づいて、センサの３次元位置を幾何学的に決定することができる。したがって、これらの手術システムは、位置フィードバックを利用して、患者の手術部位に対するロボットアームおよびツールの動きを正確に誘導することができる。よって、外科手術環境においてニューロナビゲーション登録およびロボット軌道ガイダンスを効率的且つ正確に提供するシステムが必要とされている。

ロボット外科手術で使用されるエンドエフェクタは、特定の手順のみで使用されるよう制限されてもよく、または、その他の欠点または不利益を被る場合がある。

一部の実装によれば、外科手術ロボットシステムは、患者の解剖学的特徴の手術のために構成され、外科手術ロボットと、こうした外科手術ロボットに接続されたロボットアームと、ロボットアームに接続されたエンドエフェクタとを含む。エンドエフェクタは、それに接続されたツールインサートロック機構を有する。ツールインサートロック機構は、患者の解剖学的特徴に対して、複数の外科手術ツールのいずれか一つをそれぞれの、所定の高さ、配向角度、および回転位置に固定するように構成される。同様に、外科手術ロボットシステムは、エンドエフェクタ上に位置し、それに接続されたツール停止部を含みうる。ツール停止部は、停止機構を備え、センサも含む構成要素を有する。停止機構は、二つの位置の間で選択的に移動可能であり、二つの位置とは、外科手術ツールがエンドエフェクタに接続されることを防ぐ係合位置と、外科手術ツールがこのようなエンドエフェクタに選択的に接続されうる係合解除位置である。センサは、停止機構が係合位置または係合解除位置にあるかどうかを検出することができる。センサが、停止機構が係合解除位置にあると判断すると、プロセッサは好適な命令を実行し、この命令が、解剖学的特徴に対するエンドエフェクタの移動を阻止する。

さらに他の実装によると、エンドエフェクタは、エンドエフェクタの近位面と遠位面との間に延在する円筒形の孔を含んでおり、ツールインサートロック装置は近位面に配置され、ツール停止部は遠位面に配置されている。この実装では、ツール停止部およびツールインサートロック機構はそれぞれ、孔と軸方向に整列した円形の開口部を有する。そのため、孔の開口部は、エンドエフェクタと併用するための一組の外科手術ツールの任意の望ましい一つを受容するようサイズ決めされ、形状付けされている。

さらに別の実装および関連する変形においては、停止機構は、孔と軸方向にも整列したリングを含んでもよい。リングは、所望の場合に手動で回転させ、前述の係合位置と係合解除位置との間で停止機構を移動させるように、取り付けられる。

さらに別の変動では、上述の停止機構は、リング上に配置され、リングに取り付けられる戻り止め機構を含むように、構築されうる。このように、戻り止め機構は、停止機構が係合位置にある場合にリングを回転運動に対してロックするように、リングおよび停止機構に対して固定されうる。さらに、リングを手動で回転させて、係合位置から係合解除位置へと移動させるように、戻り止め機構は、前にロックされたその位置からリングを解除するよう解除、あるいは手動で作動可能であってもよい。

別の実装では、上述の外科手術ロボットシステムおよび変形のいずれかのツール停止部は、旋回可能なレバーアームを含みうる。停止機構が係合位置に変えられると、レバーアームが停止機構の開口部を閉じるように動くように、レバーアームはエンドエフェクタの孔に隣接して取り付けられて作動するか、あるいは、停止機構に操作可能に接続される。閉位置では、レバーアームによって、ツールがエンドエフェクタに取り付けられるのを防止する。逆に、レバーアームは、停止機構が係合解除位置に移動しているのに応答して開口部を開くように旋回可能であり、また、外科手術ツールの選択された一つがエンドエフェクタに取り付けられうる。

上述の実装のいずれかは、同様に、磁石と連動して動作するホール効果センサ（Ｈａｌｌ Ｅｆｆｅｃｔ ｓｅｎｓｏｒ）の形態のセンサを含みうる。例えば、ホール効果センサおよび磁石は、互いに対して配置され、移動可能であり、センサによって検出可能であり、且つ、リングの係合位置および係合解除位置にそれぞれ対応した、それぞれの磁場を発生させる。係合解除位置が感知されると、レバーアームは開口部を塞ぎ、ツールの取り付けを許可し、センサがシステム１００に信号を出して、エンドエフェクタ１１２の移動を阻止する。係合位置が感知されると、レバーアームが開口部を塞ぎ、ツールがエンドエフェクタの孔に挿入されるのは不可能であるため、エンドエフェクタの動きが許可される。

本開示のさらなる実装において、上述の任意のシステムの任意のツールインサートロック機構はコネクタを含むことができ、そのコネクタは、患者の解剖学的特徴に関連する接続ツールに所望される、または好ましい高さ、配向角度、および回転位置において、複数の外科手術ツールのうちの選択された一つと嵌合し、固定するよう構成されている。ツールインサートロック機構のコネクタは、回転可能なフランジを含んでもよく、そのフランジはスロットを有し、そのスロットは、複数のツールのうちの選択された一つと関連付けられる、対応する舌部をスロットを通して受容するよう適合されている。

その他の実装では、スロットおよび舌部の嵌合特徴は、ツールがツールインサートロック機構に接続され、次いでエンドエフェクタに接続されるのを可能にするのに好適な、その他の形態が考えられうる。そのため、例えば、ツールと関連付けられる嵌合部分は、こうしたツールに直接接続されてもよく、またはその他の好適な実装では、嵌合部分はアダプタに接続されてもよい。こうしたアダプタは、一方ではアダプタをツールインサートロック機構へ選択的に取り付けることによって、他方では一つまたは複数の外科手術ツールをアダプタに選択的に取り付けることによって、複数の外科手術ツールおよびエンドエフェクタのうちの少なくとも一つを相互接続するように構成されうる。

さらにその他の実装では、ツールインサートロック機構は、カラーの形態で回転可能なフランジを使用することができ、カラーは近位に配向された表面と、こうした近位に配向された表面に半径方向に離間した複数のスロットとを有する。こうした実装では、複数のスロットは、複数のツールのいずれか一つに直接接続されているか、または、そうではなく、回転可能なフランジに取り外し可能に受容されたアダプタに接続されている、対応する舌部を、スロットを通して受容するよう構成される。このように、対応する舌部のスロットにより、こうしたツールが患者の解剖学的特徴に対して所定の配向角度および回転位置にある場合のみ、複数のツールから選択した一つを固定するのを可能にする。

本開示のさらにその他の実装では、回転可能なフランジが、開位置と閉位置の間で手動で回転可能となるように適合されうる。開位置とは、アダプタの一つまたは複数の舌部またはツールが、対応する一つまたは複数のスロットを通して受容される位置である。閉位置とは、回転可能なフランジの一部を対応する舌部と係合させ、それによって、選択した一つのツール、またはそのツールが受容されるアダプタを、患者の解剖学的特徴に対する所定の高さ、配向角度、および回転位置それぞれにおいて固定できるよう、スロットを通して舌部を受容した後にフランジを回転させることによって達成される位置である。

アダプタを使用するこれらの実装では、回転可能なフランジが内周縁を有する一方、アダプタが外周縁を有し、選択したそれぞれの寸法は、アダプタが回転可能なフランジに受容されるときに縁が互いに対して対向するように選択される。アダプタは、前述の実装の一部について言及された、舌部を有し、また、このようなアダプタに対して選択された一つのツールを接続するよう適合されたツールレシーバをさらに含む。そのため、アダプタの舌部が回転可能なフランジのスロットに受容され、それにロックされると、および、そのツールの選択された一つがアダプタのツールレシーバに接続されると、そのような選択されたツールが、解剖学的特徴に対して所定の高さ、配向角度、および回転位置に固定される。

さらなる実装では、外科手術システムは、複数のアダプタを含んでもよく、アダプタは交換可能なインサートの形態であるように構成されている。こうしたインサートは、回転可能なフランジの前述の内周内に受容可能となるようサイズ決めされた、実質的には同一の、所定の外周を有する。さらに、このような交換可能なインサートは、それを通って延在する孔を有し、その孔は、複数のツールのうち対応するものを中に受容するよう選択された、それぞれの異なる径を有する。このように、こうしたアダプタに関連付けられたツールに応じて、および、患者の解剖学的特徴に行う所定の手技のためのエンドエフェクタにそのようなツールを取り付ける必要性に応じて、インサートが、ツールインサートロック機構に選択的に接続されるか、または、ツールインサートロック機構から取り外されてもよい。

さらにその他の変形では、同様に、エンドエフェクタに、エンドエフェクタの遠位面に取り付けられた少なくとも一つの照射要素が装備されてもよい。特定の実装では、中に受容されたツールが、ツールインサートロック機構に受容されるときに照射を遮らないように、照射要素はツール停止部から離間した位置に取り付けられる。

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

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

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

実施形態による他の方法および関連するシステム、ならびに対応する方法およびコンピュータプログラム製品は、以下の図面および詳細な説明を検討することにより、当業者に明らかであり、または明らかになるであろう。このような装置およびシステム、および対応する方法およびコンピュータプログラム製品は全て、本明細書の記載内に含まれ、本開示の範囲内であり、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図される。さらに、本明細書で開示されるすべての実施形態は、別々に実装されてもよく、または任意の方法および／または組み合わせで組み合わされて実装されてもよい。

本開示のさらなる理解を提供するために含まれ、本出願の一部を構成する添付の図面は、本発明の概念の特定の非限定的な実施形態を示す。図面において：
図１Ａは、一部の実施形態による、外科施術中の、ロボットシステム、患者、外科医、および他の医療従事者の位置の配置の俯瞰図である。 図１Ｂは、一部の実施形態による、頭蓋外科施術中の、ロボットシステム、患者、外科医、および他の医療従事者の位置の代替的配置の俯瞰図である。 図２は、一部の実施形態による、患者に対して外科手術ロボットおよびカメラを位置付けることを含むロボットシステムを示す。 図３は、一部の実施形態による、外科手術ロボットのロボットアームに対する患者の解剖学的特徴の位置および配向を決定するためのコンピュータ実装動作を図示したフローチャート図である。 図４は、一部の実施形態による、外科手術ロボットのロボットアームに対する患者の解剖学的特徴の位置および配向を決定するためのデータの処理を図示した図である。 図５Ａ〜図５Ｃは、一部の実施形態による、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）ローカライザ、フレーム基準アレイ（ＦＲＡ）、および動的基準ベース（ＤＲＢ）を使用して患者の解剖学的特徴を登録するためのシステムを示す。 同上。 同上。 図６Ａおよび図６Ｂは、一部の実施形態による、蛍光透視法（フルオロ）撮像を使用して患者の解剖学的特徴を登録するためのシステムを示す。 同上。 図７は、一部の実施形態による、術中ＣＴ固定具（ＩＣＴ）およびＤＲＢを使用して患者の解剖学的特徴を登録するためのシステムを図示する。 図８Ａおよび図８Ｂは、一部の実施形態による、ＤＲＢおよびＸ線円錐ビーム撮像装置を使用して患者の解剖学的特徴を登録するためのシステムを示す。 同上。 図９は、一部の実施形態による、ナビゲーションプローブおよび解剖学的特徴のポイントツーポイントマッピングのための基点を使用して、患者の解剖学的特徴を登録するためのシステムを図示する。 図１０は、一部の実施形態による、中心点アーク機構の調整範囲の二次元視覚化を図示する。 図１１は、一部の実施形態による、仮想点回転機構の二次元視覚化を図示する。 図１２は、本開示による、エンドエフェクタの考えられる一つの実装の等角図である。 図１３は、本開示のエンドエフェクタの考えられる別の実装の等角図である。 図１４は、本開示による、エンドエフェクタの考えられるさらに別の実装の部分的に切り取られた等角図である。 図１５は、本開示による、エンドエフェクタの考えられるさらに別の実装の底面角度等角図である。 図１６は、本開示による、エンドエフェクタと併用するための、考えられる一つのツール停止部の等角図である。 図１７および図１８は、本開示によるエンドエフェクタのツールインサートロック機構の考えられる一つの実施の上面図である。 同上。 図１９および図２０は図１６のツール停止部の上面図であり、それぞれ、開位置と閉位置を示している。 同上。

本開示は、その適用において、本明細書の説明に記載された、または図面に示された構成の詳細およびコンポーネントの配置に限定されないことを理解されたい。本開示の教示は、他の実施形態において使用され、実施され、様々な方法で実施され、または実行されてもよい。また、本明細書で使用される表現および用語は、説明のためのものであり、限定的であると見なされるべきではないことを理解されたい。本明細書中の「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」または「有す（ｈａｖｉｎｇ）」の使用およびそれらの変形は、その後に列挙されるアイテムおよびその等価物ならびに追加のアイテムを含むことを意味する。別段に特定または限定されていない限り、「装着される（ｍｏｕｎｔｅｄ）」、「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「支持される（ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ）」および「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語およびそれらの変形は、広範に使用され、直接的および間接的な取り付け、接続、支持および結合の両方を包含する。さらに、「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」および「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」は、物理的または機械的な接続または結合に限定されない。

以下の議論は、当業者が本開示の実施形態を作成し使用することを可能にするために提示される。例解された実施形態に対する様々な変更は、当業者には容易に明らかであり、本明細書の原理は、本開示の実施形態から逸脱することなく他の実施形態およびアプリケーションに適用することができる。したがって、実施形態は、示された実施形態に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示された原理および特徴と一致する最も広い範囲が与えられるべきである。以下の詳細な説明は、図面を参照して読まれるべきであり、異なる図における同様の要素は、同様の参照番号を有する。必ずしも縮尺通りではない図面は、選択された実施形態を示しており、実施形態の範囲を限定するものではない。当業者は、本明細書で提供される例が多くの有用な代替物を有し、実施形態の範囲内に入ることを認識するであろう。

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

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

ここで図面を参照すると、図１Ａは、一実施形態による外科手術ロボットシステム１００を示す。外科手術ロボットシステム１００は、例えば、外科手術ロボット１０２と、一つまたは複数のロボットアーム１０４と、ベース１０６と、ディスプレイ１１０と、ガイドチューブ１１４を含むエンドエフェクタ１１２と、一つまたは複数の追跡マーカー１１８とを含む。ロボットアーム１０４は、ユーザからの入力、処理装置から受信されたコマンド、またはその他の方法に応答して、ベース１０６に対する軸に沿って、および／または、軸を中心に可動であってもよい。外科手術ロボットシステム１００は、患者２１０に直接（例えば、患者２１０の骨に）固定されるように適合された一つまたは複数の追跡マーカー１１８をも含む患者追跡装置１１６を含むことができる。以下でより詳細に検討されるように、追跡マーカー１１８は、患者２１０の解剖学的特徴に対して固定された定位フレームに固定されるか、またはその一部であってもよい。定位フレームはまた、手術中に、患者２１０が動かないようにするための固定具に固定されてもよい。

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

図１Ａおよび／または図１Ｂの例における外科手術ロボットシステム１００は、例えば、カメラスタンド２０２上に位置決めされた、カメラ２００といったセンサを利用することもできる。カメラスタンド２０２は、カメラ２００を所望の位置に移動させ、方向付けし、支持するための任意の適切な構成を有することができる。カメラ２００は、カメラ２００の視点から見ることができる所定の測定容積内にある、例えば能動的または受動的な追跡マーカー１１８（図２の患者追跡装置１１６の一部として示される）を識別することができる、一つまたは複数のカメラ（例えば、二焦点カメラまたはステレオ写真カメラ）などの適切なカメラを含んでもよい。本実施例では、カメラ２００は、所定の測定容積をスキャンし、追跡マーカー１１８から出る光を検出して、追跡マーカー１１８の三次元での位置を識別し、決定することができる。例えば、追跡マーカー１１８は、電気信号によって作動する赤外線発光マーカー（例えば、赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ））を含むことができ、および／または、受動追跡マーカー１１８は、例えば、カメラ２００上の照明器または他の適切なセンサまたはその他の装置によって発光される、赤外線またはその他の光を反射する再帰反射マーカー（例えば、それらは、入射ＩＲ照射を入射光の方向へ反射する）を含むことができる。

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

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

ロボット１０２は、患者２１０の近くに、または隣に位置付けられてもよく、ロボット１０２は、手術を受ける患者２１０の領域に応じて、患者２１０の近くの任意の適切な場所に配置することができることが理解されよう。カメラ２００は、外科手術ロボットシステム１００から分離され、カメラ２００が外科手術領域２０８に対して視覚的に直接視線を有することを可能にする好適な任意の位置に、患者２１０の近くまたは横に位置付けられてもよい。示された構成では、外科医１２０はロボット１０２の反対側に配置されるが、依然としてエンドエフェクタ１１２およびディスプレイ１１０を操作することができる。外科医助手１２６もエンドエフェクタ１１２とディスプレイ１１０の両方にアクセスできるよう、外科医１２０の反対側に、配置することができる。必要に応じて、外科医１２０と助手１２６の位置を逆にしてもよい。麻酔医１２２および看護師または手術室技師１２４のための従来からの領域は、ロボット１０２およびカメラ２００の位置によって妨げられないままである場合がある。

ロボット１０２の他のコンポーネントに関して、ディスプレイ１１０は、外科手術ロボット１０２に取り付けることができ、他の実施形態では、ディスプレイ１１０は、外科手術ロボット１０２から離され、外科手術ロボット１０２と一緒に手術室内か、または、遠隔地に置かれる。エンドエフェクタ１１２は、ロボットアーム１０４に結合され、少なくとも一つのモータによって制御されてもよい。一部の実施形態では、エンドエフェクタ１１２は、患者２１０に対して外科手術を行うために使用される外科用器具１０８を受け入れて配向することができるガイドチューブ１１４を含むことができる。本明細書で使用される用語「エンドエフェクタ」は、「エンドエフェクチュエータ」および「エフェクチュエータ要素」という用語と交換可能に使用される。概してガイドチューブ１１４で示されるが、エンドエフェクタ１１２は、外科手術での使用に適した任意の適切な器具で置き換えることができることが理解されよう。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ１１２は、外科用器具１０８の移動を所望の方法で行うための任意の既知の構造を含むことができる。

外科手術ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２の並進および配向を制御することができる。ロボット１０２は、例えば、エンドエフェクタ１１２をｘ、ｙ、ｚ軸に沿って移動させることができる。エンドエフェクタ１１２は、（エンドエフェクタ１１２に関連するオイラーアングル（例えば、ロール、ピッチ、および／またはヨー）の一つまたは複数が選択的に制御できるように）ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の一つまたは複数を中心に、選択的に回転するよう構成することができる。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ１１２の並進および配向の選択的制御は、例えば、回転軸のみを含む６自由度のロボットアームを利用する従来のロボットと比較して、大幅に改善された正確性を有する医療処置の実行を可能にする。例えば、外科手術ロボットシステム１００は患者２１０上で動作するために使用され、ロボットアーム１０４は患者２１０の身体の上方に位置付けられ、エンドエフェクタ１１２は患者２１０の身体に向かってｚ軸に対して選択的に角度付けされる。

いくつかの実施形態では、外科用器具１０８の位置を動的に更新して、外科手術ロボット１０２が手術中に外科用器具１０８の位置を常に知ることができるようにすることができる。その結果、いくつかの実施形態では、外科手術ロボット１０２は、（医師が望む場合を除いて）外科用器具１０８を医師のさらなる助けなしに素早く所望の位置に移動させることができる。さらなるいくつかの実施形態では、外科用器具１０８が選択されたあらかじめ計画された軌道から逸脱する場合、外科用器具１０８の経路を修正するように外科手術ロボット１０２を構成することができる。いくつかの実施形態では、外科手術ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２および／または外科用器具１０８の動きの停止、変更、および／または手動制御を可能にするように構成され得る。したがって、使用中、いくつかの実施形態では、医師または他のユーザは、システム１００を操作することができ、エンドエフェクタ１１２および／または外科用器具１０８の自律移動を停止、修正、または手動で制御する選択肢を有する。外科手術ロボット１０２による外科用器具１０８の制御および移動を含む外科手術ロボットシステム１００のさらなる詳細は、同時係属中の米国特許出願番号２０１３／０３４５７１８号に見出すことができ、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

下記にさらに詳述されるように、外科手術ロボットシステム１００は、ロボットアーム１０４、エンドエフェクタ１１２、患者２１０、および／または外科用器具１０８の三次元での動きを追跡するように構成される一つまたは複数の追跡マーカーを含むことができる。いくつかの実施形態では、複数の追跡マーカーを、例えばロボット１０２のベース１０６上、ロボットアーム１０４上、および／または、エンドエフェクタ１１２上等のロボット１０２の外面に取り付ける（そうでなければ固定する）ことができるが、これに限定されない。一部の実施形態では、例えば、以下の図３の実施形態といった、一つまたは複数の追跡マーカーが、エンドエフェクタ１１２に取り付けるか、またはエンドエフェクタ１１２に固定することができる。一つまたは複数の追跡マーカーは、患者２１０にさらに取り付けてもよい（または別の方法で固定されてもよい）。いくつかの実施形態では、外科医、外科手術ツール、またはロボット１０２の他の部分によって不明瞭になる可能性を低減するために、複数の追跡マーカーを外科手術領域２０８から離れた患者２１０上に配置することができる。さらに、一つまたは複数の追跡マーカーを外科用器具１０８（例えば、スクリュードライバ、拡張器、インプラント挿入器など）にさらに取り付ける（または別の方法で固定する）ことができる。したがって、追跡マーカーは、マークされたオブジェクト（例えば、エンドエフェクタ１１２、患者２１０、および外科用器具１０８）のそれぞれを外科手術ロボットシステム１００によって追跡することを可能にする。一部の実施形態では、システム１００は、マークされたオブジェクトのそれぞれから収集された追跡情報を使用して、例えばエンドエフェクタ１１２、外科用器具１０８（例えば、エンドエフェクタ１１２のチューブ１１４内に配置される）の配向と位置および患者２１０の相対位置計算することができる。外科手術ロボット１０２および外科用器具１０８の制御、移動および追跡を含む外科手術ロボットシステム１００のさらなる詳細は、米国特許出願第２０１６／０２４２８４９号に見つけることができ、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ここで、図１Ａに示した外科手術ロボットシステム１００を参照しながら、図１２〜図１８を全体的に参照すると、エンドエフェクタ１１２は構成要素を装備してもよく、その構成要素は、複数の様々な外科手技のために別のエンドエフェクタに変えることなく、一つのエンドエフェクタがロボットアーム１０４の所定の一つに取り付けられた状態に保たれるように構成されるか、またはそれを可能にする特徴を含む。様々な外科手技とは、単に例として挙げると、脳深部刺激療法（ＤＢＳ）、定位的深部脳波（ＳＥＥＧ）、または内視鏡ナビゲーションおよび腫瘍生検などがある。前述のように、エンドエフェクタ１１２は、患者の解剖学的特徴に近接して動作可能となるように、および、エンドエフェクタ１１２に近接した解剖学的特徴に意図される動作のための一つまたは複数の外科手術ツールを受けることができるように、患者の解剖学的特徴に対向するよう配向可能でありうる。エンドエフェクタ１１２の動きおよび配向は、ナビゲーション、軌道ガイダンス、または本明細書に記載の手法、または特定の動作に好適となりうる手法で達成されうる。

エンドエフェクタ１１２は、複数の外科手術ツール１２９がエンドエフェクタ１１２に選択的に接続可能であるように構成されることが適切である。よって、例えば、探査針１１３（図１３）が、患者の解剖学的特徴の切開点を局在化するために選択的に取り付けられてもよく、または、電極ドライバ１１５（図１４）が、同じエンドエフェクタ１１２に選択的に取り付けられてもよい。

ロボット外科手術システム１００についての前述を参照すると、プロセッサ回路は、こうしたプロセッサ回路によってアクセス可能なメモリ同様に、術前、術中、術後に関わらず、関連付けられた外科手術動作の所定の段階において、解剖学的特徴に対し、実行された場合にエンドエフェクタ１１２を、ＧＰＳの動きなどによって、動かすように構成された様々なサブルーチンおよびその他の機械可読命令を含む。

エンドエフェクタ１１２は、存在する場合はどのツール１２９がエンドエフェクタ１１２に接続されているか、および、接続されているかどうかに応じて、エンドエフェクタの移動を防止するか、または許可する、様々な構成要素および機能を含む。より具体的に図１２を参照すると、エンドエフェクタ１１２は、近位面１１９上に配置され、それに接続されたツールインサートロック機構１１７を含む。ツールインサートロック機構１１７は、上記の探査針１１３、電極ドライバ１１５、または、前述した、または本開示のその他の用途によって意図されているものとして考えられる、様々な手術のためのその他任意のツールといった、複数の外科手術ツールのうちの選択したいずれかの一つを固定するように構成されている。ツールインサートロック機構１１７によるツールの固定は、複数のツールのいずれかがロック機構１１７に固定されることが可能であり、そうした各ツールは、患者の解剖学的特徴に対して所定の高さ、配向角度、および回転位置において動作可能且つ好適に固定されるため、複数のツールが、意図した手技に適したそれぞれの位置において、同一のエンドエフェクタ１１２に固定されうる。

エンドエフェクタ１１２の別の特徴はツール停止部１２１であり、エンドエフェクタ１１２の遠位面１２３、つまり、患者に略対向した面に配置されている。ツール停止部１２１は、図１６、図１９、および図２０を参照してわかるように、停止機構１２５と、それに動作可能に関連付けられたセンサ１２７を有する。停止機構１２５は、エンドエフェクタ１１２に対して、係合位置と係合解除位置の間で選択的に移動可能であるようにエンドエフェクタ１１２に取り付けられており、係合位置は、ツールのいずれもエンドエフェクタ１１２に接続されることを妨げ、係合解除位置は、ツール１２９のいずれかがエンドエフェクタ１１２に選択的に接続されることを許可する。センサ１２７は、センサ１２７によって停止機構１２５が係合位置と係合解除位置のいずれにあるかを検知するよう、好適な位置（図１２、図１４、図１６）においてエンドエフェクタ１１２のハウジング上、またはその中に配置されうる。センサ１２７は、リードスイッチ、ホール効果センサ、またはその他の磁場検出装置を含む、任意のタイプの機械スイッチまたは任意のタイプの磁気センサといった、そのような検出に適した任意の形態をとりうる。考えられる一つの実装では、センサ１２７はホール効果センサ（図示なし）と磁石部分１３１の二つの部分を有し、この二つの部分は、係合位置および係合解除位置それぞれに対応する二つの磁場を発生させ、検出するよう、互いに対して移動する。図示した実施では、磁石部分は二つのレアアース磁石１３１を含み、これらは、磁石１３１に近接して動作するエンドエフェクタ１１２のハウジングに取り付けられた補完検知部分（図示なし）に対して移動して、係合位置と係合解除位置との間で停止機構１２５の動きから関連付けられた磁場の変化を検出する。この実装では、ホール効果センサは双極性であり、磁石のＮ極またはＳ極がセンサに対向するかどうかを検出できる。磁石１３１は、一つの磁石のＮ極がセンサの経路に面し、他方の磁石のＳ極がセンサの経路に面するように構成される。この構成では、センサは、センサが一方の磁石に近い（例えば、係合解除位置にある）場合に信号の増加を検知し、他方の磁石に近い（例えば、係合位置にある）場合に信号の減少を検知し、いずれの磁石にも近接していない場合は信号の変化を検知しない。この実装では、停止機構１２５が図１３および図１９に示す係合解除位置にあるという検出に応答して、センサ１２７によって、外科手術ロボットシステム１００のプロセッサに好適な命令を実行させて、エンドエフェクタ１１２の解剖学的特徴に対する移動を防止する。こうした移動の防止は、ツールがエンドエフェクタ１１２に接続された場合に、そうしたツールが患者の解剖学的特徴に干渉する可能性といった、様々な理由のため、適切である場合がある。

係合された、または係合解除されたツール停止機構１２５を検出するためのセンサ１２７の別の実装は、ハウジング（図示せず）の後ろの単一磁石と、磁石１３１が好ましい実施形態において示される位置に配置された二つのホール効果センサを備えうる。こうした構成では、一極のホール効果センサが好適であり、ロック機構が係合解除されたために磁石が近接している場合にセンサ１が信号を検出し、一方、ロック機構が係合されているために同一の磁石が近接している場合にセンサ２が信号を検出するように構成される。どちらのセンサも、磁石が位置の間にあるか、どちらかのセンサに近接していない場合は、信号を検出しない。センサが係合位置に対して有効であり、係合解除位置に対して無効である構成が考えられるが、電力故障の場合に確実に正確に動作させるためには、係合、係合解除、または移行中を示す三つの信号を有する構成が好ましい。

エンドエフェクタ１１２、ツール停止部１２１、およびツールインサートロック機構１１７はそれぞれ、複数の外科手術ツール１２９の任意の選択された一つがこうした孔および開口部を通して受容されうるように、同軸に整列した孔または開口部を有する。この実装では、エンドエフェクタは、孔１３３とツール停止部１２１とを有し、ツールインサートロック機構１１７は、それぞれの開口部１３５および１３７を有する。停止機構１２５は、ツール停止部１２１の孔１３３および開口部１３５と軸方向に整列したリング１３９を含む。リング１３９は、係合位置と係合解除位置との間で停止機構１２５を移動させるように、矢印Ａが示す方向に（図１６）、選択的に、手動で回転可能である。

考えられる一つの実装では、リング１３９の選択的回転は、リング１３９を係合解除位置または係合位置のいずれかでロックするのを可能にする特徴を含む。そのため、例えば、図示されるように、戻り止め機構１４１はリング１３９上に位置し、所定の位置からある一定の回転移動に対してリング１３９をロックする任意の好適な方法でリング１３９に取り付けられ、この場合は、そのような位置は停止機構１２５が係合位置にある場合の位置である。さまざまな形態の戻り止め機構が本明細書で意図されているが、一つの好適な配置は手動でアクセス可能なヘッドを有し、このヘッドは、リング１３９から外周方向に延び、対応するメス戻り止め部分（図示せず）に係合するため、軸方向内側にばね装填されたオス突出部（図示せず）を有する。戻り止め機構１４１は、したがって、リング１３９をその係合位置からロック解除するために手動で作動可能であり、リング１３９を手動で回転させて、停止機構１２５を係合位置（図２０）から係合解除位置（図１９）へ移動させる。

ツール停止部１２１は、ツール停止部１２１の隣接した開口部１３５に旋回可能に取り付けられたレバーアーム１４３を含むため、レバーアーム１４３の端は、矢印Ｂで示す方向に選択的に旋回する（図１６、図１９、および図２０）。レバーアーム１４３は停止機構１２５に動作可能に接続されており、つまり、図２０に示すように、停止機構１２５が係合位置にあることに応答して、ツール停止部１２１の開口部１３５を閉じる。レバーアーム１４３はまた、停止機構１２５が係合解除位置にあることに応答して、矢印Ｂの方向に旋回して戻り、開口部１３５を開くよう、動作可能に接続されている。したがって、係合位置と係合解除位置との間の停止機構１２５の動きはそれぞれ、レバーアーム１４３による開口部１３５の開閉をもたらす。

レバーアーム１４３は、この実装では、旋回可能に取り付けられた隣接する開口部１３５だけではなく、エンドエフェクタ１１２の遠位面１２３の最遠位点で画定された遠位平面と平行に旋回する。このように、孔１３３および開口部１３５を通して挿入されようと試みられる外科手術ツール１２９のいずれか一つは、レバーアーム１４３が開口部１３５を閉じるように回転する遠位平面を越えて挿入されないように停止する。

ここでツールインサートロック機構１１７（図１３、図１７、図１８）を参照すると、コネクタ１４５は、患者の解剖学的特徴に対して適切な高さ、配向角度、および回転位置において外科手術ツール１２９のいずれか一つに合致し、固定するように構成されている。図示した実施では、コネクタ１４５は回転可能なフランジ１４７を含み、そのフランジ１４７は、複数のツール１２９のうちの選択された一つと関連付けられた、対応する舌部１５１を通って受容する、中に形成された少なくとも一つのスロット１４９を有する。そのため、例えば、図１４において、特定の電極ドライバ１１５は複数の舌部を有し、その舌部１５１のうちの一つが示されている。一部の実装では、回転可能なフランジ１４７はカラー１５３を備えてもよく、そのカラーはさらに、図１２で最良にわかるように、近位に配向された面１５５に半径方向に離間した複数のスロット１４９を有する。カラー１５３の周りに配置された複数のスロット１４７は、複数のツール１２９のうちの選択された一つと関連付けられた複数の舌部１５１のうちの対応する一つを通って受容されるようにサイズ決めされるか、あるいは構成されている。そのため、図１３においてわかるように、複数のスロット１４９および対応する舌部１５１は、選択されたツールが患者の解剖学的特徴に対して正確な、所定の配向角度および回転位置にある場合のみ、複数のツール１２９のうちの選択した一つを固定するのを可能にする。同様に、図１４に示す電極ドライバに関して、舌部１５１（その一つが図１４の切り取り部に示されている）は、電極ドライバ１１５が適切な配向角度および回転位置において受容されるように配列された、半径方向に離間したスロット１４９内に受けられている。

本実装では、回転可能なフランジ１４７は、図１７および図１８にそれぞれ示したように、開位置と閉位置との間の手動回転を容易にするためのグリップ１７３を有する。図１７に示すように、嵌合スロット１４９と舌部１５１の複数組が様々な角度配置で配置されており、この場合は、円の単一径の弦に対しては対称であるが、その他の点では、径方向に非対称となりうる一に配置されており、スロットの少なくとも一つは、異なる寸法を有するか、または、他のスロットとは異なる円弧長を通して延びる。このスロット舌部の配置、および、本開示で意図される任意の数の変形において、回転可能なフランジ１４７が図１７に示される開位置にある場合、ツール１２９（または後で考察したアダプタ１５５）の唯一の回転位置のみがツールインサートロック機構１１７に受けられることになる。つまり、システム１００のユーザが選択されたツール１２９（またはツールアダプタ１５５）を単一の適切な回転位置に移動させると、対応する舌部１５１はスロット１４９を通して受けられうる。舌部１５１をスロット１４９に配置すると、舌部１５１は回転可能なフランジ１４７のコネクタ１４５内でベース面１７５に対向する。舌部１５１をスロット１４９に受容し、それらを下にある基部表面１７５に静止させると、回転可能なフランジ１４７が閉位置に回転するとフランジ部分１５７が径方向に並進して、舌部１５１の部分に重なるか、または係合するように、舌部１５１およびスロット１４９の寸法が、特に回転可能なフランジ１４７に対する高さに関して選択され、そのような係合は図１８に示され、固定ツール１２９（またはアダプタ１５５）は、者の解剖学的特徴に対する所定の高さ、配向角度、および回転位置でコネクタ１４５に受容される。

ツール１２９に関連付けられているものとして記載された舌部１５１は、そのようなツール１２９に直接接続されるか、および／または、舌部１５１が、図１２、図１７、図１８に示すような上述のアダプタ１５５上に配置されるか、またはそれに取り付けられてもよく、そのようなアダプタ１５５は、エンドエフェクタ１１２を用いて複数の外科手術ツール１２９の少なくとも一つで相互接続するよう構成される。記載した実装では、アダプタ１５５は二つの動作部分を含み、一つは、選択された一つまたは複数の外科手術ツール１２９を接続するように適合されたツールレシーバ１５７であり、もう一つは、この実装では、アダプタ１５５の遠位端に取り付けられ、接続されうる一つまたは複数の舌部１５１である、第二の動作部分である。

アダプタ１５５は、この実装においては、回転可能なフランジ１４７の内周部１６１に対向するようサイズ決めされた外周部１５９を有する。アダプタ１５５は、近位端１６３と遠位端１６５との間に延在し、それぞれ、端１６３、１６５の間に延びるアダプタ孔１６７を有する。アダプタ孔１６７は、複数の外科手術ツール１２９のうちの少なくとも一つを受けるようサイズ決めされ、同様に、ツール１２９の少なくとも一つが、アダプタ孔１６７内に受けられたこうしたツールに関連する外科手術手技に対して、少なくとも一つのツール１２９が所定の、適切な高さでエンドエフェクタ１１２に固定されるように、近位端１６３と遠位端１６５とのの間の距離が選択される。

考えられる一つの実装では、システム１００は、実質的に同一の所定の外周部１５９が回転可能なフランジ１４７の内周部１６１内に受容される、交換可能なインサート１６９であるよう構成された、アダプタ１５５のうちの複数を含む。そのような実装ではさらに、交換可能なインサート１６９は様々な、それぞれの径を有する孔を有し、その孔は、複数のツール１２９のうち対応するものを中に受容するよう選択されてもよい。孔１６７は、複数の外科手術ツール１２９に共通の内径を有する円筒形ブッシングを備えてもよい。孔１６７に対する、可能性のある一組の直径は、１２、１５、および１７ミリメートルであってもよく、本開示で特定されたものなどの複数のロボット外科手術に好適である。

図示した実装では、回転可能なフランジ１４７の内周部１６１およびアダプタ１５５の外周部１５９は、円形であり、中心整列軸および対応する半径を有する。回転可能なフランジ１４７のスロット１４９は、図示された実装において回転可能なフランジ１４７の中心軸から半径方向外向きに延在するが、アダプタ１５５の舌部１５１はアダプタ１５５から半径方向外向きに延在する。

さらに他の実装では、エンドエフェクタ１１２は、操作される解剖学的特徴に配向可能な少なくとも一つの照射要素１７１（図１４および図１５）を備えうる。照射要素１７１は、アダプタ１６７内に位置するＬＥＤ１７７（図１４）のリングの形態であってもよく、このアダプタは、ツールロック機構１１７に固定されたブッシングの形態である。照射要素１７１はまた、エンドエフェクタ１１２の遠位面１２３に取り付けられた単一のＬＥＤ１７９であってもよい。エンドエフェクタ１１２の遠位面に、ＬＥＤリング１７７の形態で取り付けられていようが、単一要素ＬＥＤ１７９の形態で取り付けられていようが、またはその他の変形であろうが、エンドエフェクタ１１２の孔１３３を通して受容されるツール１２９が影を落とさないように、または、手術している解剖学的特徴の要素１７１からの照射を妨げないように、照射要素１７１の間隔および配置が選択されうる。

エンドエフェクタ１１２の動作および関連する特徴は、前述の説明から容易に明らかである。ツール停止部１２１は、回転可能であり、選択的にロック可能であり、係合位置と係合解除位置との間で移動可能であり、このような係合解除位置にある間は不本意に移動できないツールが潜在的に存在するため、そのような係合解除位置にある場合は、センサがエンドエフェクタ１１２の動きを防止する。ツールインサートロック機構１１７は同様に、複数の交換可能なインサート１６９およびそのようなインサートの舌部１５１のうちの一つを受容するよう、開位置と閉位置の間で回転可能であり、選択されたツール１２９がそのようなインサート１６９に受容されてもよく、あるいは、舌部１５１をそのようなツール１２９に直接接続させることなどによって、舌部１５１がツール１２９に関連付けられてもよく、舌部を備えたツールは同様に、ツールインサートロック機構１１７の対応するスロット１４９に受容されてもよい。それらが患者の解剖学的特徴に対して適切な、それぞれの高さ、配向角度、および回転位置にあるように、舌部１５１がスロット１４９に受容されている開位置からツールインサートロック機構１１７を回転させ、関連付けられたアダプタ１５５および／またはツール１２９を固定することができる。

複数のアダプタ１５５を備えたそれらの実装について、穴径、高さ、およびその他の好適な寸法を含むそのようなアダプタ１５５の寸法は、単一または最小の数のエンドエフェクタ１１２を多数の外科手術ツール１２９に使用できるように選択される。交換可能なインサート１６９または円筒形ブッシングの形態のものといったアダプタ１５５は、外科手術ツール１２９の拡張セットをエンドエフェクタ１１２に接続することを容易にし、さらに同様に、同じエンドエフェクタ１１２を使用して関連する外科手術特徴の対応する拡張セットを促進しうる。

本発明の概念の様々な実施形態の上記の説明において、本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明する目的のみのものであり、本発明の概念を限定するものではないことを理解されたい。他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての用語（技術用語および科学用語を含む）は、本発明の概念が属する当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書に定義されているもののような用語は、明細書および関連技術の文脈における意味と一致する意味と有すると解釈されるべきであり、本明細書において明確に定義されていない限り、理想的または過度に形式的に解釈されるうべきではないことも理解されよう。

ある要素が、別の要素に「接続されている（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「結合されている（ｃｏｕｐｌｅｄ）」「応答している（ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ）」、またはその変形として称される場合、別の要素の直接接続され、結合され、または、応答してもよく、あるいは、介在要素が存在してもよい。対照的に、ある要素が別の要素に「直接接続されている（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「直接結合されている（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ）」、「直接応答している（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ）」、またはその変形として称される場合、介在要素は存在しない。同一番号は、全体を通して同一要素を指す。さらには、本明細書で使用されるように、「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「応答した（ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ）」、またはその変形は、無線で結合され、接続され、または応答しすることを含み得る。本明細書で使用されているように、単数形「一つの（ａ、ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限りは、複数形も含むものとする。周知の機能または構成は、簡潔さおよび／または明瞭さのために、詳細に説明され得ない。用語「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」は、関連して列挙した項目の一つまたは複数の組み合わせのいずれかおよびすべてを含む。

用語第一、第二、第三等が様々な要素／動作を説明するために本明細書において使用され得るが、これらの要素／動作はこれらの用語に限定されるべきではないことが理解されよう。これらの用語は、ある要素／動作を別の要素／動作から区別するためにのみ使用される。よって、いくつかの実施形態における第一要素／動作は、本発明概念の教示から逸脱することなく、他の実施形態において第二の要素／動作と称されてもよい。同一参照番号または同一参照指定子は、明細書全体を通して、同一または類似の要素を示す。

本明細書中で使用される場合、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「有する（ｈａｖｅ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」またはそれらの変形は、オープンエンドであり、一つまたは複数の述べられた特徴、整数、要素、ステップ、構成要素、機能を含むが、一つまたは複数の他の特徴、整数、要素、ステップ、構成要素、機能またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではない。さらに、本明細書で使用されるように、ラテン語の句「例示的なグラシア」に由来する一般的な略語「ｅ．ｇ．」は、前述のアイテムの一般的な例を導入または特定するために使用されてもよく、そのような項目を限定することを意図しない。ラテン語句「ｉｄ ｅｓｔ」に由来する一般的な略語「ｉ．ｅ．」を使用し、より一般的な暗唱から特定の項目を指定することができる。

例示的な実施形態は、本明細書において、コンピュータ実装方法、装置（システムおよび／または装置）および／またはコンピュータプログラム製品のブロック図および／またはフローチャート図を参照して説明される。ブロック図および／またはフローチャート図のブロック、およびブロック図および／またはフローチャート図のブロックの組み合わせは、一つまたは複数のコンピュータ回路によって実行されるコンピュータプログラム命令によって実装できることが理解される。これらのコンピュータプログラム命令は、汎用コンピュータ回路、専用コンピュータ回路、および／または他のプログラム可能データ処理回路のプロセッサ回路に供給され、コンピュータおよび／または他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサを介して実行されるこれらの命令が、トランジスタ、メモリ位置に格納された値、およびブロック図および／またはフローチャートブロックまたはブロックに指定された機能／動作を実現するための回路内の他のハードウェア構成要素を変換し、制御し、故に、ブロック図および／またはフローチャートブロックまたはブロックに指定された機能／動作を実現するための手段（機能）および／または構造を作成することができる。

これらのコンピュータプログラム命令はまた、コンピュータまたは他のプログラム可能なデータ処理装置に特定のやり方で機能するよう指示する有形のコンピュータ可読媒体に格納することができ、コンピュータ可読媒体に格納されたこれらの命令は、ブロック図および／またはフローチャートブロックまたはブロックで指定された機能／動作を実装する命令を含む製造品を生成することができる。したがって、本発明の概念の実施形態は、「回路」、「モジュール」またはその変形と総称することができる、デジタル信号プロセッサなどのプロセッサ上で動作するハードウェアおよび／またはソフトウェア（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む）で実施することができる。

また、いくつかの代替実施例では、ブロックに記されている機能／動作が、フローチャートに記載された順序から外れてもよいことにも留意されたい。例えば、連続して示された二つのブロックは、実際には実質的に同時に実行されてもよく、あるいは、関連する機能／動作に応じてブロックが時々逆の順序で実行されてもよい。さらに、フローチャートおよび／またはブロック図の所与のブロックの機能性は、複数のブロックに分離されてもよく、および／またはフローチャートおよび／またはブロック図の二つ以上のブロックの機能性が少なくとも部分的に統合されてもよい。最後に、図示されたブロック間に他のブロックが追加／挿入されてもよく、および／またはブロック／動作が本発明の概念の範囲から逸脱することなく省略されてもよい。さらに、図のいくつかは、通信の主要な方向を示すために通信経路上に矢印を含むが、図示された矢印とは反対の方向に通信が行われてもよいことを理解されたい。

本発明の概念のいくつかの実施形態が前述の明細書に開示されているが、本発明の概念の多くの変更および他の実施形態が、発明の概念に関係することが想定され、前述の説明および関連する図面に提示された教示の利益を享受する。したがって、本発明の概念は、上に開示された特定の実施形態に限定されず、多くの修正および他の実施形態が添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されることが理解される。一実施形態の特徴は、本明細書に記載された異なる実施形態の特徴と組み合わせることができ、または使用することがさらに想定される。さらに、特定の用語が、本明細書および以下の特許請求の範囲で用いられているが、それらは包括的で説明的な意味でのみ使用され、記載された発明概念または以下の特許請求の範囲を限定する目的で使用されるものではない。本明細書に引用された各特許および特許公報の開示全体は、あたかもそのような各特許または特許公報が参照により個々に本明細書に組み込まれているかのように、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。本発明の概念の様々な特徴および／または潜在的な利点は、添付の特許請求の範囲に記載されている。

Claims (20)

1. 患者の解剖学的特徴に対する外科手術のための外科手術ロボットシステムであって、
   外科手術ロボットと、
   前記外科手術ロボットに接続されたロボットアームと、
   前記ロボットアームに接続され、近接して動作可能なように前記解剖学的特徴に対向して配向可能なエンドエフェクタと、
   複数の外科手術ツールであって、前記ツールがそれぞれ、前記エンドエフェクタに選択的に接続される複数の外科手術ツールと、
   プロセッサ回路と、
   前記プロセッサ回路によってアクセス可能であり、実行されると、前記エンドエフェクタを前記解剖学的特徴に対して移動させるように構成された機械可読命令を含む、メモリと、
   前記エンドエフェクタ上に配置されて接続され、前記患者の前記解剖学的特徴に対して、前記複数の外科手術ツールの選択されたいずれか一つをそれぞれの、所定の高さ、配向角度、および回転位置に固定するように構成された、ツールインサートロック機構と、
   前記エンドエフェクタ上に配置されて接続され、停止機構およびセンサを有するツール停止部と、を備え、
   前記停止機構が、前記ツールのいずれも前記エンドエフェクタに接続されないよう防ぐ係合位置と、前記ツールのいずれかが前記エンドエフェクタに選択的に接続されることを許可する係合解除位置との間で選択的に移動可能であるように構成され、
   前記センサが、前記停止機構の前記位置を検出するように構成され、
   前記係合解除位置の検出に応答して、前記センサが、前記プロセッサに命令を実行させて、前記解剖学的特徴に対する前記エンドエフェクタの移動を防止する、外科手術ロボットシステム。
2. 前記エンドエフェクタが、対向する近位面および遠位面を備え、
   前記ツールインサートロック機構が、前記エンドエフェクタの前記近位面上に配置され、接続され、
   前記ツール停止部が、前記エンドエフェクタの前記遠位面上に配置され、接続され、
   前記エンドエフェクタが、前記近位面と前記遠位面との間に延びる円筒形の孔を備え、
   前記ツール停止部および前記ツールインサートロック機構がそれぞれ、前記孔と軸方向に整列した円形の開口部を有し、
   前記開口部および前記孔が、前記複数の外科手術ツールのいずれか選択された一つをそれらを通して受けるように適合される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記停止機構が、前記孔と軸方向に整列したリングを含み、前記リングが、前記停止機構を前記係合位置と前記係合解除位置との間で移動させるように、選択的に、手動で回転可能である、請求項２に記載のシステム。
4. 前記停止機構が、前記リング上に配置されて取り付けられた戻り止め機構を含み、前記戻り止め機構が、前記停止機構が前記係合位置にある場合は、前記リングを回転運動に対してロックするように構成され、
   前記戻り止め機構が、前記リングをロック解除して、前記リングを手動で回転させて、前記停止機構を前記係合位置から前記係合解除位置へ移動させるよう、手動で作動可能である、請求項３に記載のシステム。
5. 前記ツール停止部が、前記ツール停止部の前記開口部に隣接して旋回可能に取り付けられたレバーアームをさらに備え、
   前記レバーアームが前記停止機構に動作可能に接続されて、前記停止機構が前記係合位置にあることに応答して前記開口部を閉じ、それによって、前記ツールが前記エンドエフェクタに取り付けられるのを防止し、および、前記停止機構が前記係合解除位置にあることに応答して前記開口部を開き、それによって、前記エンドエフェクタの移動を許可し、前記ツールの選択された一つが前記エンドエフェクタに取り付けられるのを許可する、請求項４に記載のシステム。
6. 前記エンドエフェクタの前記遠位面が、遠位平面を備え、前記レバーアームが、前記遠位面内で旋回可能であり、前記開口部を十分に閉じて、前記複数の外科手術ツールのいずれも前記遠位平面を遠位に通過して挿入されないよう防止する、請求項５に記載のシステム。
7. 前記センサが、ホール効果センサおよび少なくとも一つの磁石を備え、前記ホール効果センサおよび前記磁石が、互いに対して配置され、移動可能であり、前記センサによって検出可能であり、且つ、前記係合位置および前記係合解除位置にそれぞれ対応した、それぞれの磁場を発生させる、請求項１に記載のシステム。
8. 前記ツールインサートロック機構が、前記患者の前記解剖学的特徴に対して、前記複数のツールのいずれか一つをそれぞれの、所定の高さ、配向角度、および回転位置に嵌合し、固定するように構成されるコネクタを含む、請求項１に記載のシステム。
9. 前記コネクタが、前記複数のツールのうちの前記選択された一つと関連付けられる対応する舌部を通して受容するよう適合されたスロットを有する回転可能なフランジを備える、請求項８に記載のシステム。
10. 前記回転可能なフランジが、近位に配向された表面と、前記近位に配向された表面上に半径方向に離間した複数のスロットとを有するカラーを備え、前記複数のスロットが、前記複数のツールの前記選択された一つと関連付けられる、対応する舌部を通して受容するよう構成され、
    前記スロットおよび対応する舌部は、前記患者の前記解剖学的特徴に対して前記所定の配向角度および回転位置にある場合、前記複数のツールから前記選択した一つを固定するのを可能にするよう配置される、請求項９に記載のシステム。
11. 前記回転可能なフランジが、開位置と閉位置との間で手動で回転可能に適合され、前記開位置は、前記対応する舌部が前記スロットを通して受容されるのを可能にし、前記閉位置は、前記スロットに受容された後に、前記回転可能なフランジの一部を前記対応する舌部と係合させ、前記ツールの前記選択した一つを、前記患者の前記解剖学的特徴に対する所定の高さ、配向角度、および回転位置それぞれにおいて固定する、請求項９に記載のシステム。
12. 前記複数の外科手術ツールおよび前記エンドエフェクタのうちの少なくとも一つを相互接続するように構成されたアダプタをさらに備える、請求項９に記載のシステム。
13. 前記複数のツールの前記選択された一つに関連付けられた前記対応する舌部が、前記アダプタ上に配置され、取り付けられ、
    前記アダプタがさらに、前記ツールの前記選択した一つを前記アダプタに接続するよう適合されたツールレシーバを含み、前記対応する舌部が前記回転可能なフランジの前記スロットに受容され、前記ツールの前記選択された一つが前記ツールレシーバに接続されると、前記ツールの前記選択された一つが、前記解剖学的特徴に対して前記それぞれの所定の高さ、配向角度、および回転位置において固定される、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記回転可能なフランジが、内周縁によって画定される内周を有し、前記アダプタが、外周縁によって画定される外周を有し、前記アダプタが前記回転可能なフランジ内に受容された場合に前記縁が互いに対向するように、前記内周縁と前記外周縁の寸法が選択され、
    前記アダプタが、近位端と遠位端との間に延在し、前記アダプタが、前記遠位端で前記回転可能なフランジに対して固定され、
    前記ツールレシーバが、前記近位端と前記遠位端との間に延在する孔を備え、前記孔がそれを通って前記複数の外科手術ツールのうちの少なくとも一つを受容するようにサイズ決めされる、請求項１３に記載のシステム。
15. 複数の前記アダプタをさらに備え、前記アダプタが、前記回転可能なフランジの前記内周内に受容可能な、実質的に同一の前記所定の外周を有する交換可能なインサートであるように構成され、
    前記交換可能なアダプタは、前記複数のツールのうち対応するものを中に受容するよう選択された、それぞれの異なる径を有する孔を有する、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記回転可能なフランジの前記内周および前記アダプタの前記外周が円形であり、中央の、整列した軸と、対応する半径を有し
    前記回転可能なフランジの前記スロットが、前記回転可能なフランジの前記中心軸から半径方向外向きに延在し、前記アダプタの前記舌部が前記アダプタの前記軸から半径方向外向きに延在する、請求項１４に記載のシステム。
17. 前記エンドエフェクタがさらに、前記ツールインサートロック機構に受容された場合、前記複数のツールのいずれかからの照射を実質的に妨げることなく、前記解剖学的特徴を照射するための、前記ツール停止部から離間した位置で前記遠位面上に取り付けられた少なくとも一つの照射要素をさらに備える、請求項２に記載のシステム。
18. 患者の解剖学的特徴に対する外科手術のための外科手術ロボットであって、前記システムが、
    前記外科手術ロボットに接続されたロボットアームと、
    前記ロボットアームに接続され、近接して動作可能なように前記解剖学的特徴に対向して配向可能なエンドエフェクタと、
    プロセッサ回路と、
    前記プロセッサ回路によってアクセス可能であり、実行されると、前記エンドエフェクタを前記解剖学的特徴に対して移動させるように構成された機械可読命令を含む、メモリと、
    前記エンドエフェクタ上に配置されて接続され、前記患者の前記解剖学的特徴に対して、複数の外科手術ツールの一つをそれぞれの、所定の高さ、配向角度、および回転位置に固定するように構成された、ツールインサートロック機構と、
    前記エンドエフェクタ上に配置されて接続され、停止機構およびセンサを有するツール停止部と、を備え、
    前記停止機構が、前記ツールのいずれも前記エンドエフェクタに接続されないよう防ぐ係合位置と、前記ツールのいずれかが前記エンドエフェクタに選択的に接続されることを許可する係合解除位置との間で選択的に移動可能であるように構成され、
    前記センサが、前記停止機構の前記位置を検出するように構成され、
    前記係合解除位置の検出に応答して、前記センサが、前記プロセッサに命令を実行させて、前記解剖学的特徴に対する前記エンドエフェクタの移動を防止する、外科手術ロボット。
19. 前記エンドエフェクタが、対向する近位面および遠位面を備え、
    前記ツールインサートロック機構が、前記エンドエフェクタの前記近位面上に配置され、接続され、
    前記ツール停止部が、前記エンドエフェクタの前記遠位面上に配置され、接続され、
    前記エンドエフェクタが、前記近位面と前記遠位面との間に延びる円筒形の孔を備え、
    前記ツール停止部および前記ツールインサートロック機構がそれぞれ、前記孔と軸方向に整列した円形の開口部を有し、
    前記開口部および前記孔が、前記複数の外科手術ツールのいずれか一つをそれらを通して受けるように適合される、請求項１に記載の外科手術ロボット。
20. 前記センサが、ホール効果センサおよび少なくとも一つの磁石を備え、前記ホール効果センサおよび前記磁石が、互いに対して配置され、移動可能であり、前記センサによって検出可能であり、且つ、前記係合位置および前記係合解除位置にそれぞれ対応した、それぞれの磁場を発生させる、請求項１８に記載の外科手術ロボット。