JP2021126521A - 患者の骨を画像化するための画像化デバイスの最適な３次元位置および配向を判定するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】身体インプラントまたは椎体などの身体構造の画像を撮影するための画像化アームの最適な３次元位置および配向を判定する方法を提供する。【解決手段】関心対象の椎体のテスト画像が、最初にユーザによって撮影され、画像化デバイスによって受信される。テスト画像は通常、椎体のＡＰおよび横方向Ｘ線画像を含む。テスト画像から、椎体がセグメント化される。次いで、椎体の３次元モデルが、テスト画像内の対応する椎体に対して整合される。整合に基づいて、最適なＡＰおよび横方向Ｘ線画像を撮影するための画像化アームの３次元位置および配向が、整合された３次元モデルに基づいて判定される。本方法は、最適な画像を見つけるために手動でフルオロショットを繰り返し撮影する必要性を排除し、それにより、処置時間、Ｘ線曝露、および処置コストを低減する。【選択図】図２７Ｂ

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０２０年２月１７日に出願された米国仮出願第６２／９７７，４３５号および２０２０年３月１６日に出願された米国仮出願第６２／９９０，０６４号の優先権を主張するものであり、これらの出願はいずれも、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、外科用画像化システム、特に、ロボット支援手術のための２次元画像化デバイスの３次元位置および配向を判定するためのシステムに関する。

外科医は、脊椎の画像化を使用して、椎体間スペーサおよび椎弓根スクリューなどのインプラントの正確な配置を支援する。脊椎処置は、より大きな切開のために外科医が脊椎の良好な視認可能性を有する開腹手術、または非常に小さな切開のために外科医が脊椎の視認可能性を有しない低侵襲手術（ＭＩＳ）である可能性がある。脊椎処置がロボット支援または少なくともナビゲーション支援ＭＩＳに移行するにつれて、脊椎インプラントを正確に配置するために、より多くのＸ線画像が必要になる。今日、Ｃアームは、２次元（２Ｄ）Ｘ線画像（代替的に、および同義的に「フルオロ」画像と称する）を生成する、使用されている主要な外科用画像化システムである。典型的なフルオロ画像は、前後（ＡＰ）画像である（図１９Ａの１９０２を参照）。１つの２Ｄ画像では深度を判定できないため、ＡＰ画像から９０度オフセットされた第２の画像が撮影される。これは、図１９Ｂに見られるように、横方向画像１９０４と呼ばれる。

外科医がインプラントを解剖学的構造に整合させることができるように、Ｃアームを脊椎の椎体に適切に整合させることが重要である。図２０は、腰椎の斜めの不適切に整合された横方向画像を示している。かかる画像の不整合があると、経験豊富な外科医でもインプラントを正確に配置することは非常に困難である。

最適な画像を撮影するために、放射線技師（ＲＴ）は、ＡＰ画像および横方向画像の各々に対してＣアームまたは患者用ベッドを繰り返し位置付けする。各位置調整後、フルオロ画像が撮影され、検査される。経験豊富なＲＴの場合、良好なＡＰまたは横方向画像を取得するためのショット数は３つである。経験の浅いＲＴの場合、その数値は１０を超える。各椎骨レベルには２つの画像（ＡＰと横方向）が必要なため、３つの椎骨レベルを含む脊椎の場合は、経験豊富なＲＴによって各レベルで少なくとも６つのフルオロショット（ＡＰに３ショット、横方向に３ショット）、総計１８のフルオロショットが必要になる。経験の浅いＲＴの場合、同じ３つの椎骨処置のためのフルオロショットの総数は６０を超える場合がある（ＡＰに１０ショット、横方向に１０ショット）。

理解されているように、典型的な脊椎処置は、患者、ＲＴ、および外科医を大量の放射線に曝露させる。さらに、手術中の多数のフルオロショットは、外科処置を遅くし、患者へのリスクを大幅に高め、コストを高くする。

したがって、脊椎手術に必要なフルオロショットの数を減らすためのシステムおよび方法を提供することが望ましいであろう。

このニーズおよび他のニーズを満たすために、画像化デバイスの画像化アームの最適な３次元位置および配向を判定するためのデバイス、システム、および方法が提供される。

本発明の一態様によれば、椎体の画像を撮影するための画像化アームの最適な３次元位置および配向を決定する方法。この方法によれば、椎体のテスト画像がユーザによって撮影され、画像化デバイスによって受信される。テスト画像は、椎体のＸ線画像と、第１のＸ線画像とは異なる角度での第２のＸ線画像とを含む。通常、２つの画像は互いに約９０度で撮影される。テスト画像から、関心対象の椎体がユーザまたはコンピュータのいずれかによって識別される。次いで、椎体は、ユーザからの助けの有無にかかわらず、コンピュータによってセグメント化される。次いで、椎体の３次元モデルが、テスト画像内の対応する椎体に対して整合される。整合に基づいて、最適なＡＰおよび横方向Ｘ線画像を撮影するための画像化アームの３次元位置および配向が、整合された３次元モデルに基づいて判定される。

コンピュータに画像化デバイスの画像化アームの最適な位置および配向を判定させることにより、本方法は、最適な画像を見つけるために手動でフルオロショットを繰り返し撮影する必要性を排除する。

外科処置の間のロボットシステム、患者、外科医、および他の医療関係者の場所についての潜在的配置の頭上図である。 一実施形態に係る患者に対する外科用ロボットおよびカメラの位置付けを含むロボットシステムを例解する。 例示的な実施形態に従う外科用ロボットシステムを例解する。 例示的な実施形態に従う外科用ロボットの一部分を例解する。 例示的な実施形態に従う外科用ロボットのブロック図を例解する。 例示的な実施形態に従う外科用ロボットを例解する。 例示的な実施形態に従うエンドエフェクタを例解する。 例示的な実施形態に従うエンドエフェクタを例解する。 例示的な実施形態に従うエンドエフェクタを例解する。 一実施形態に係るエンドエフェクタの誘導管への外科用器具の挿入前および後の、外科用器具およびエンドエフェクタを例解する。 例示的な実施形態に従うエンドエフェクタおよびロボットアームの一部分を例解する。 例示的な実施形態に従うエンドエフェクタおよびロボットアームの一部分を例解する。 例示的な実施形態に従うエンドエフェクタおよびロボットアームの一部分を例解する。 例示的な実施形態に従う動的参照アレイ、画像化アレイ、および他の構成要素を例解する。 例示的な実施形態に従う位置合わせ方法を例解する。 例示的な実施形態に係る画像化デバイスの実施形態を示す。 例示的な実施形態に係る画像化デバイスの実施形態を示す。 例示的な実施形態に従うロボットアームおよびエンドエフェクタを含むロボットの一部分を例解する。 図１３Ａに示された、複数の追跡マーカが強固に取り付けられた、エンドエフェクタのクローズアップ図である。 一実施形態に係る複数の追跡マーカが強固に取り付けられたツールまたは器具である。 移動可能な追跡マーカが第１の構成にあるエンドエフェクタの代替版である。 移動可能な追跡マーカが第２の構成にある図１４Ａに示されたエンドエフェクタである。 図１４Ａからの第１の構成における追跡マーカのテンプレートを示す。 図１４Ｂからの第２の構成における追跡マーカのテンプレートを示す。 単一追跡マーカのみが取り付けられたエンドエフェクタの代替版を示す。 器具が誘導管を通して配置された図１５Ａのエンドエフェクタを示す。 ２つの異なる位置における器具を伴う図１５Ａのエンドエフェクタ、および器具が誘導管内または誘導管の外側に位置付けられているかを判定するための結果として生じる論理を示す。 ２つの異なるフレームにおける誘導管内の器具を伴う図１５Ａのエンドエフェクタ、および誘導管上の単一追跡マーカに対するその相対距離を示す。 座標系に対して図１５Ａのエンドエフェクタを示す。 ロボットのエンドエフェクタを所望の対象軌道へとナビゲートして移動させるための方法のブロック図である。 それぞれ、収縮および拡張位置に固定され、かつ移動可能な追跡マーカを有する拡張可能なインプラントを挿入するための器具を描写する。 それぞれ、収縮および拡張位置に固定され、かつ移動可能な追跡マーカを有する拡張可能なインプラントを挿入するための器具を描写する。 それぞれ、挿入および角度付き位置に固定され、かつ移動可能な追跡マーカを有する関節インプラントを挿入するための器具を描写する。 それぞれ、挿入および角度付き位置に固定され、かつ移動可能な追跡マーカを有する関節インプラントを挿入するための器具を描写する。 脊椎の典型的なＡＰおよび横方向画像を示す。 脊椎の典型的なＡＰおよび横方向画像を示す。 背骨の不整合の横方向画像を示す。 本発明の一態様による、椎体の最適な画像を撮影するための画像化デバイスの画像化アームの３次元位置を判定する方法を示す。 本発明の一態様による追跡マーカを有する較正リングを示す。 本発明の一態様による、Ｃアームの３Ｄ位置および配向に関して自動位置決め機能を有するＸ線画像化デバイスの例。 本発明の一態様による、異なる椎骨レベルで利用可能な画像の選択を示すグラフィカルユーザインターフェースの例。 本発明の一態様による、隣接する椎骨レベルでの追加の利用可能な画像の選択を示すグラフィカルユーザインターフェースの例。 本発明の一態様による、Ｃアームを最適な位置に位置付けるようにユーザを案内するグラフィカルユーザインターフェースの例。 本発明の一態様による椎体のセグメント化を実行する方法の描出。 本発明の一態様による、選択された椎体の３ＤモデルをスキャンされたＡＰおよび横方向画像に整合させる方法を図式的に示す。 本発明の一態様による、選択された椎体の３ＤモデルをスキャンされたＡＰおよび横方向画像に整合させる方法を図式的に示す。

本開示は、その用途において、本明細書における説明に記載される、または図面において例解される、構成要素の構築および配設の詳細に制限されないことが理解されるものとする。本開示の教示は、他の実施形態において使用および実践されてもよく、種々の方式で実践または実行されてもよい。また、本明細書において使用される専門表現および専門用語が、説明目的のためであり、制限として見なされるべきではないことが理解されるものとする。本明細書における「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、およびこれらの変化形の使用は、その後に列記される項目、およびそれらの同等物、ならびに追加の項目を包含することが意味される。別途指定または制限されない限り、「装着された（ｍｏｕｎｔｅｄ）」、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「支持された（ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ）」、および「連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語、ならびにこれらの変化形は、広義に使用され、直接的および間接的双方の装着、接続、支持、および連結を包含する。さらに、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」および「連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」は、物理的もしくは機械的接続または連結に制限されない。

以下の考察は、当業者が本開示の実施形態を作製および使用することを可能にするために提示される。例解される実施形態への種々の修正は、当業者に容易に明らかになり、本明細書における原理は、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用途に適用され得る。このため、実施形態は、示される実施形態に制限されることを意図しないが、本明細書において開示される原理および特性と一致する最も広い範囲が与えられるものとする。以下の発明を実施するための形態は、異なる図面における同様の要素が同様の参照番号を有する図面を参照して読まれるものとする。図面は、必ずしも縮尺通りではなく、選択された実施形態を描写し、実施形態の範囲を制限することを意図しない。当業者は、本明細書において提供される実施例が、多くの有用な代替物を有し、実施形態の範囲内にあることを認識するであろう。

ここで、図面を参照すると、図１および２は、例示的な実施形態に従って外科用ロボットシステム１００を例解する。外科用ロボットシステム１００は、例えば、外科用ロボット１０２、１つ以上のロボットアーム１０４、基部１０６、表示器１１０、例えば、誘導管１１４を含む、エンドエフェクタ１１２、および１つ以上の追跡マーカ１１８を含んでもよい。外科用ロボットシステム１００は、患者追跡デバイス１１６を含んでもよく、また、患者追跡デバイス１１６は、１つ以上の追跡マーカ１１８を含み、それは、患者２１０に（例えば、患者２１０の骨に）直接固設されるように適合される。外科用ロボットシステム１００はまた、例えば、カメラスタンド２０２上に位置付けられた、カメラ２００を利用してもよい。カメラスタンド２０２は、カメラ２００を所望の位置に移動、配向、および支持するために、任意の好適な構成を有することができる。カメラ２００は、任意の好適なカメラまたは複数のカメラ、例えば、カメラ２００の視点から見ることができる所与の測定量においてアクティブおよびパッシブ追跡マーカ１１８を識別することができる、例えば、１つ以上の赤外カメラ（例えば、２焦点または立体写真測量カメラ）などを含んでもよい。カメラ２００は、所与の測定量をスキャンしてもよく、３次元におけるマーカ１１８の位置を識別および判定するために、マーカ１１８から来る光を検出してもよい。例えば、アクティブマーカ１１８は、電気信号（例えば、赤外発光ダイオード（ＬＥＤ））によって作動される赤外発光マーカを含んでもよく、パッシブマーカ１１８は、例えば、カメラ２００または他の好適なデバイス上の照明器によって発出される赤外光を反射するレトロな反射性マーカ（例えば、それらは、入射光の方向に入射するＩＲ放射を反射する）を含んでもよい。

図１および２は、動作室環境における外科用ロボットシステム１００の配置のための潜在的な構成を例解する。例えば、ロボット１０２は、患者２１０の近くまたは次に位置付けられてもよい。患者２１０の頭部の近くが描写されるが、ロボット１０２は、手術を受けている患者２１０のエリアに応じて、患者２１０の近くの任意の好適な場所に位置付けることができることが理解されるであろう。カメラ２００は、ロボットシステム１００から分離されてもよく、患者２１０の足に位置付けられてもよい。この場所は、カメラ２００が、手術野２０８への直接的な視線を有することを可能にする。再度、カメラ２００は、手術野２０８への見通し線を有する任意の好適な位置に位置してもよいことが意図される。示される構成において、外科医１２０は、ロボット１０２の向かいに位置付けられてもよいが、依然として、エンドエフェクタ１１２および表示器１１０を操作することができる。外科助手１２６は、さらにまた、エンドエフェクタ１１２および表示器１１０の双方にアクセス可能に、外科医１２０の向かいに位置付けられてもよい。所望される場合、外科医１２０および助手１２６の場所は、逆にされてもよい。麻酔医１２２および看護師または洗浄技師１２４のための伝統的なエリアは、ロボット１０２およびカメラ２００の場所によって妨げられないままである。

ロボット１０２の他の構成要素に関して、表示器１１０は、外科用ロボット１０２に取り付けることができ、他の例示的な実施形態において、表示器１１０は、外科用ロボット１０２を伴う手術室内、または遠隔の場所のいずれかにおいて、外科用ロボット１０２から取り外すことができる。エンドエフェクタ１１２は、ロボットアーム１０４に連結されてもよく、少なくとも１つのモータによって制御されてもよい。例示的な実施形態において、エンドエフェクタ１１２は、患者２１０上で手術を実行するために使用される（本明細書においてさらに説明される）外科用器具６０８を受容および配向することができる、誘導管１１４を備えることができる。本明細書で使用される場合、「エンドエフェクタ」という用語は、「エンドエフェクタ」および「エフェクタ要素」という用語と同義的に使用される。一般に誘導管１１４で示されているが、エンドエフェクタ１１２は、手術での使用に好適な任意の好適な器具で置き換えられてもよいことが理解されよう。いくつかの実施形態において、エンドエフェクタ１１２は、所望の様態における外科用器具６０８の移動をもたらすために任意の既知の構造を備えることができる。

外科用ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２の並進および配向を制御することができる。ロボット１０２は、例えば、ｘ、ｙ、およびｚ軸に沿って、エンドエフェクタ１１２を動かすことができる。エンドエフェクタ１１２は、（エンドエフェクタ１１２と関連付けられるオイラー角（例えば、ロール、ピッチ、および／またはヨー）のうちの１つ以上を選択的に制御することができるように）ｘ、ｙ、およびｚ軸、ならびにＺフレーム軸のうちの１つ以上の周囲の選択的回転のために構成することができる。いくつかの例示的な実施形態において、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、回転軸のみを備える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、有意に改善された精度でもって医療処置の実行を可能にすることができる。例えば、外科用ロボットシステム１００は、患者２１０を手術するために使用されてもよく、ロボットアーム１０４は、患者２１０の身体の上方に位置付けることができ、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が付けられる。

一部の例示的な実施形態において、外科用器具６０８の位置は、外科用ロボット１０２が、処置中、常に外科用器具６０８の場所を認識することができるように、動的に更新することができる。結果として、いくつかの例示的な実施形態において、外科用ロボット１０２は、医師からのいかなる更なる支援も伴わずに（医師がそのように所望しない限り）素早く所望の位置に外科用器具６０８を移動させることができる。いくつかの更なる実施形態において、外科用ロボット１０２は、外科用器具６０８が、選択された、事前に計画された軌道から外れた場合、外科用器具６０８の経路を補正するように構成することができる。いくつかの例示的な実施形態において、外科用ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２および／または外科用器具６０８の移動の停止、修正、および／または手動制御を可能にするように構成することができる。このため、使用中、例示的な実施形態において、医師または他のユーザは、システム１００を動作させることができ、エンドエフェクタ１１２および／または外科用器具６０８の自主的な移動を停止、修正、または手動で制御するオプションを有する。外科用ロボット１０２による外科用器具６０８の制御および移動を含む、外科用ロボットシステム１００の更なる詳細は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、同時係属中の米国特許出願第１３／９２４，５０５号において見出すことができる。

ロボット外科用システム１００は、３次元においてロボットアーム１０４、エンドエフェクタ１１２、患者２１０、および／または外科用器具６０８の移動を追跡するように構成された１つ以上の追跡マーカ１１８を備えることができる。例示的な実施形態において、複数の追跡マーカ１１８は、例えば、制限することなく、ロボット１０２の基部１０６上、ロボットアーム１０４上、またはエンドエフェクタ１１２上などの、ロボット１０２の外表面に装着（または別様に固設）することができる。例示的な実施形態において、複数の追跡マーカ１１８のうちの少なくとも１つの追跡マーカ１１８は、エンドエフェクタ１１２に装着または別様に固設することができる。１つ以上の追跡マーカ１１８は、さらに患者２１０に装着（または別様に固設）することができる。例示的な実施形態において、複数の追跡マーカ１１８は、外科医、外科用ツール、またはロボット１０２の他のパーツによって遮られる可能性を低減するように、手術野２０８から離間して、患者２１０上に位置付けることができる。さらに、１つ以上の追跡マーカ１１８は、外科用ツール６０８（例えば、スクリュードライバ、拡張器、インプラント挿入器、または同様のもの）にさらに装着（または別様に固設）することができる。このため、追跡マーカ１１８は、マークされた物体（例えば、エンドエフェクタ１１２、患者２１０、および外科用ツール６０８）の各々が、ロボット１０２によって追跡されることを可能にする。例示的な実施形態において、システム１００は、例えば、エンドエフェクタ１１２、（例えば、エンドエフェクタ１１２の管１１４内に位置付けられた）外科用器具６０８の、配向および場所、ならびに患者２１０の相対位置を計算するために、マークされた物体の各々から収集された追跡情報を使用することができる。

例示的な実施形態において、マーカ１１８のうちの１つ以上は、光学マーカであってもよい。いくつかの実施形態において、エンドエフェクタ１１２上の１つ以上の追跡マーカ１１８の位置付けは、エンドエフェクタ１１２の位置をチェックまたは検証する役割を果たすことによって、位置測定値の精度を最大化することができる。外科用ロボット１０２および外科用器具６０８の制御、移動、ならびに追跡を含む、外科用ロボットシステム１００の更なる詳細は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、同時係属中の米国特許出願第１３／９２４，５０５号において見出すことができる。

例示的な実施形態は、外科用器具６０８に連結された１つ以上のマーカ１１８を含む。例示的な実施形態において、例えば、患者２１０および外科用器具６０８に連結される、これらのマーカ１１８、ならびにロボット１０２のエンドエフェクタ１１２に連結されるマーカ１１８は、従来の赤外発光ダイオード（ＬＥＤ）または、例えば、Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）などの商業的に入手可能な赤外光追跡システムを使用して追跡されることが可能なＯｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）ダイオードを備えることができる。Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）は、Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｃ．，Ｗａｔｅｒｌｏｏ，Ｏｎｔａｒｉｏ，Ｃａｎａｄａの登録商標である。他の実施形態において、マーカ１１８は、商業的に入手可能な光学追跡システム、例えば、Ｐｏｌａｒｉｓ Ｓｐｅｃｔｒａなどを使用して追跡されることが可能な従来の反射性球体を備えることができる。Ｐｏｌａｒｉｓ Ｓｐｅｃｔｒａはまた、Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｃ．の登録商標である。例示的な実施形態において、エンドエフェクタ１１２に連結されたマーカ１１８は、オンおよびオフにされ得る赤外発光ダイオードを備えるアクティブマーカであり、患者２１０および外科用器具６０８に連結されるマーカ１１８は、パッシブ反射性球体を備える。

例示的な実施形態において、マーカ１１８から発出されたおよび／またはマーカ１１８によって反射された光は、カメラ２００によって検出することができ、マークされた物体の場所および移動を監視するために使用することができる。代替の実施形態において、マーカ１１８は、無線周波数および／もしくは電磁リフレクタまたはトランシーバを備えることができ、カメラ２００は、無線周波数および／もしくは電磁トランシーバを含むか、またはそれによって置き換えることができる。

外科用ロボットシステム１００と同様に、図３は、本開示の例示的な実施形態と一致するドッキング型構成における、外科用ロボットシステム３００およびカメラスタンド３０２を例解する。外科用ロボットシステム３００は、表示器３０４、上部アーム３０６、下部アーム３０８、エンドエフェクタ３１０、垂直カラム３１２、キャスター３１４、キャビネット３１６、タブレット引き出し３１８、コネクタパネル３２０、制御パネル３２２、および情報のリング部３２４を含む、ロボット３０１を備えてもよい。カメラスタンド３０２は、カメラ３２６を備えてもよい。これらの構成要素は、図５に関してより多く、説明される。図３は、カメラスタンド３０２が、例えば、使用中でないときに、ロボット３０１と入れ子にされる、ドッキング型構成における外科用ロボットシステム３００を例解する。カメラ３２６およびロボット３０１は、例えば、図１および２に示されるように、外科処置中に、互いに分離してもよく、任意の適切な場所に位置付けられてもよいことが、当業者によって理解されるであろう。

図４は、本開示の例示的な実施形態と一致する基部４００を例解する。基部４００は、外科用ロボットシステム３００の一部分であってもよく、キャビネット３１６を備えてもよい。キャビネット３１６は、限定されるものではないが、バッテリ４０２、配電モジュール４０４、プラットホームインターフェースボードモジュール４０６、コンピュータ４０８、ハンドル４１２、およびタブレット引き出し４１４を含む、外科用ロボットシステム３００のある構成要素を収容してもよい。これらの構成要素間の接続および関係は、図５に関してより詳細に説明される。

図５は、外科用ロボットシステム３００の例示的な実施形態のある構成要素のブロック図を例解する。外科用ロボットシステム３００は、プラットホームサブシステム５０２、コンピュータサブシステム５０４、動き制御サブシステム５０６、および追跡サブシステム５３２を備えてもよい。プラットホームサブシステム５０２は、バッテリ４０２、配電モジュール４０４、プラットホームインターフェースボードモジュール４０６、およびタブレット充電ステーション５３４をさらに備えてもよい。コンピュータサブシステム５０４は、コンピュータ４０８、表示器３０４、およびスピーカ５３６をさらに備えてもよい。動き制御サブシステム５０６は、ドライバ回路５０８、モータ５１０、５１２、５１４、５１６、５１８、安定器５２０、５２２、５２４、５２６、エンドエフェクタ３１０、およびコントローラ５３８をさらに備えてもよい。追跡サブシステム５３２は、位置センサ５４０およびカメラ変換器５４２をさらに備えてもよい。システム３００はまた、フットペダル５４４およびタブレット５４６を備えてもよい。

入力電力は、電源５４８を介してシステム３００に供給され、それは、配電モジュール４０４に提供されてもよい。配電モジュール４０４は、入力電力を受け取り、システム３００の他のモジュール、構成要素、およびサブシステムに提供される異なる電力供給電圧を発生するように構成される。配電モジュール４０４は、異なる電圧供給をプラットホームインターフェースモジュール４０６に提供するように構成されてもよく、それは、例えば、コンピュータ４０８、表示器３０４、スピーカ５３６、ドライバ５０８などの他の構成要素に、例えば、電力モータ５１２、５１４、５１６、５１８およびエンドエフェクタ３１０、モータ５１０、リング部３２４、カメラ変換器５４２、ならびにシステム３００のための他の構成要素、例えば、キャビネット３１６内の電気構成要素を冷却するための送風機に提供されてもよい。

配電モジュール４０４はまた、電力を他の構成要素、例えば、タブレット引き出し３１８内に位置し得るタブレット充電ステーション５３４などに提供してもよい。タブレット充電ステーション５３４は、テーブル５４６を充電するためにタブレット５４６と無線または有線通信してもよい。タブレット５４６は、本開示と一致するおよび本明細書に説明される、外科医によって使用されてもよい。

配電モジュール４０４はまた、バッテリ４０２に接続されてもよく、それは、万一、配電モジュール４０４が入力電力５４８から電力を受信しない場合、臨時電源として役割を果たす。他の時には、配電モジュール４０４は、必要な場合、バッテリ４０２を充電する役割を果たしてもよい。

プラットホームサブシステム５０２の他の構成要素はまた、コネクタパネル３２０、制御パネル３２２、およびリング部３２４を含んでもよい。コネクタパネル３２０は、異なるデバイスおよび構成要素をシステム３００および／または関連付けられた構成要素ならびにモジュールに接続する役割を果たしてもよい。コネクタパネル３２０は、異なる構成要素からの線路または接続を受け入れる１つ以上のポートを含んでもよい。例えば、コネクタパネル３２０は、システム３００を他の機器に接地し得る接地端子ポートと、フットペダル５４４をシステム３００に接続するためのポートと、位置センサ５４０、カメラ変換器５４２、およびカメラスタンド３０２と関連付けられたカメラ３２６を備え得る追跡サブシステム５３２に接続するためのポートと、を有してもよい。［コネクタパネル３２０のポートは、スキャンされた画像を受信し、画像化デバイスに取り付けられた光学／ナビゲーションマーカに基づいてＣアームの位置および配向を制御するための画像化デバイスにも接続することができる］コネクタパネル３２０はまた、コンピュータ４０８などの他の構成要素へのＵＳＢ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ、ＨＤＭＩ通信を可能にする他のポートを含み得る。

制御パネル３２２は、システム３００の動作を制御する種々のボタンもしくは指示器を提供してもよく、および／またはシステム３００に関する情報を提供してもよい。例えば、制御パネル３２２は、システム３００の電源をオンまたはオフにするためのボタン、垂直カラム３１２を上げるまたは下げるためのボタン、およびキャスター３１４に係合してシステム３００が物理的に移動することを係止するように設計され得る安定器５２０〜５２６を上げるまたは下げるためのボタンを含んでもよい。万一緊急の場合には、他のボタンがシステム３００を停止してもよく、それは、全てのモータ電力をなくし得、全ての動きの発生を停止するために機械的制動を加え得る。制御パネル３２２はまた、ユーザにあるシステム状況を通知する指示器、例えば、線路電力指示器など、またはバッテリ４０２用の充電の状態を通知する指示器を有してもよい。

リング部３２４は、システム３００のユーザに、システム３００が不十分に動作している異なるモードおよび該ユーザへのある警告を通知するための視覚的指示器であってもよい。

コンピュータサブシステム５０４は、コンピュータ４０８、表示器３０４、およびスピーカ５３６を含む。コンピュータ５０４は、システム３００を動作させるためのオペレーティングシステムおよびソフトウェアを含む。コンピュータ５０４は、情報をユーザに表示するために、他の構成要素（例えば、追跡サブシステム５３２、プラットホームサブシステム５０２、および／または動き制御サブシステム５０６）からの情報を受信および処理してもよい。さらに、コンピュータサブシステム５０４はまた、音声をユーザに提供するためにスピーカ５３６を含んでもよい。

追跡サブシステム５３２は、位置センサ５０４および変換器５４２を含んでもよい。追跡サブシステム５３２は、図３に関して説明されたようなカメラ３２６を含むカメラスタンド３０２に対応してもよい。位置センサ５０４は、カメラ３２６であってもよい。追跡サブシステムは、外科処置中にユーザによって使用されるシステム３００および／または器具の異なる構成要素上に位置するあるマーカの場所を追跡してもよい。この追跡は、それぞれ、アクティブまたはパッシブ要素、例えば、ＬＥＤまたは反射性マーカなどの場所を追跡する赤外技術の使用を含む、本開示と一致する様態で行われてもよい。これらの種類のマーカを有する構造の場所、配向、および位置は、コンピュータ４０８に提供されてもよく、それは、表示器３０４上でユーザに示されてもよい。例えば、これらの種類のマーカを有し、（ナビゲーション空間として呼ばれ得る）この様態で追跡される外科用器具６０８が、患者の解剖学的構造の３次元画像に関連してユーザに示されてもよい。

動き制御サブシステム５０６は、垂直カラム３１２、上部アーム３０６、下部アーム３０８を物理的に移動させる、またはエンドエフェクタ３１０を回転させるように構成されてもよい。物理的移動は、１つ以上のモータ５１０〜５１８の使用を通じて行われてもよい。例えば、モータ５１０は、垂直カラム３１２を垂直に上げるまたは下げるように構成されてもよい。モータ５１２は、図３に示されるように垂直カラム３１２との係合点の周囲に、上部アーム３０８を横に移動させるように構成されてもよい。モータ５１４は、図３に示されるように上部アーム３０８との係合点の周囲に、下部アーム３０８を横に移動させるように構成されてもよい。モータ５１６および５１８は、一方がロールを制御し得、かつもう一方が傾きを制御し得るような様態で、エンドエフェクタ３１０を移動させるように構成されてもよく、それによって、エンドエフェクタ３１０が移動され得る複数の角度を提供する。これらの移動は、コントローラ５３８によって達成されてもよく、そのコントローラは、エンドエフェクタ３１０上に配置されたロードセルを通してこれらの移動を制御し得、ユーザが、これらのロードセルを係合することによって作動され得、所望の様態においてシステム３００を移動させる。

さらに、システム３００は、ユーザが、（タッチスクリーン入力デバイスであってもよい）表示器３０４上に、表示器３０４上の患者の解剖組織の３次元画像上に外科用器具または構成要素の場所を指示することを通じて、垂直カラム３１２、上部アーム３０６、および下部アーム３０８の自動移動を提供してもよい。ユーザは、フットペダル５４４を踏むことまたはいくつかの他の入力手段によって、この自動移動を開始してもよい。

図６は、例示的な実施形態と一致する外科用ロボットシステム６００を例解する。外科用ロボットシステム６００は、エンドエフェクタ６０２、ロボットアーム６０４、誘導管６０６、器具６０８、およびロボット基部６１０を備えてもよい。器具ツール６０８は、１つ以上の追跡マーカ（例えば、マーカ１１８など）を含む追跡アレイ６１２に取り付けられてもよく、関連付けられた軌道６１４を有してもよい。軌道６１４は、器具ツール６０８が、一度それが誘導管６０６を通して位置付けられるまたは誘導管６０６内に固設されると進むように構成される移動の経路、例えば、患者への器具ツール６０８の挿入の経路を表現してもよい。例示的な動作において、ロボット基部６１０は、外科用ロボットシステム６００が、患者２１０上で動作している際に、ユーザ（例えば、外科医）を支援し得るように、ロボットアーム６０４およびエンドエフェクタ６０２と電子通信するように構成されてもよい。外科用ロボットシステム６００は、前に説明された外科用ロボットシステム１００および３００と一致してもよい。

追跡アレイ６１２は、器具ツール６０８の場所および配向を監視するために、器具６０８上に装着されてもよい。追跡アレイ６１２は、器具６０８に取り付けられてもよく、追跡マーカ８０４を備えてもよい。図８に最も良く見られるように、追跡マーカ８０４は、例えば、発光ダイオードおよび／または他の種類の反射性マーカ（例えば、本明細書における他の箇所に説明されるようなマーカ１１８）であってもよい。追跡デバイスは、外科用ロボットシステムと関連付けられた１つ以上の見通し線デバイスであってもよい。例として、追跡デバイスは、外科用ロボットシステム１００、３００と関連付けられた１つ以上のカメラ２００、３２６であってもよく、また、ロボットアーム６０４、ロボット基部６１０、エンドエフェクタ６０２、および／または患者２１０に対する器具６０８の画定された領域または相対的配向について追跡アレイ６１２を追跡してもよい。追跡デバイスは、カメラスタンド３０２および追跡サブシステム５３２と併せて説明された構造のものと一致してもよい。

図７Ａ、７Ｂ、および７Ｃは、例示的な実施形態と一致するエンドエフェクタ６０２のそれぞれ、上面図、正面図、および側面図を例解する。エンドエフェクタ６０２は、１つ以上の追跡マーカ７０２を備えてもよい。追跡マーカ７０２は、発光ダイオードまたは他の種類のアクティブおよびパッシブマーカ、例えば、前に説明した追跡マーカ１１８などであってもよい。例示的な実施形態において、追跡マーカ７０２は、電気信号によって作動されるアクティブ赤外発光マーカ（例えば、赤外発光ダイオード（ＬＥＤ））である。このため、追跡マーカ７０２は、赤外マーカ７０２がカメラ２００、３２６に対して視認可能であるように作動させてもよく、または赤外マーカ７０２がカメラ２００、３２６に対して視認可能でないように非作動にしてもよい。このため、マーカ７０２がアクティブであるとき、エンドエフェクタ６０２は、システム１００、３００、６００によって制御されてもよく、マーカ７０２が非作動にされるとき、エンドエフェクタ６０２は、適所に係止され、システム１００、３００、６００によって移動されることができない可能性がある。

マーカ７０２は、マーカ７０２が、外科用ロボットシステム１００、３００、６００と関連付けられた１つ以上のカメラ２００、３２６または他の追跡デバイスによって視認可能であるような様態で、エンドエフェクタ６０２上または内に配置されてもよい。カメラ２００、３２６または他の追跡デバイスは、追跡マーカ７０２の移動を追うことによって、エンドエフェクタ６０２を、それが異なる位置および視野角に移動する際に、追跡してもよい。マーカ７０２および／またはエンドエフェクタ６０２の場所は、外科用ロボットシステム１００、３００、６００と関連付けられた表示器１１０、３０４、例えば、図２に示されるような表示器１１０および／または図３に示される表示器３０４上に示されてもよい。この表示器１１０、３０４は、ユーザが、エンドエフェクタ６０２が、ロボットアーム６０４、ロボット基部６１０、患者２１０、および／またはユーザに対する望ましい位置にあることを確保することを可能にし得る。

例えば、図７Ａに示されるように、マーカ７０２は、追跡デバイスが、手術野２０８から離れて配置され、ロボット１０２、３０１の方に向くように、かつ、カメラ２００、３２６が、追跡デバイス１００、３００、６００に対するエンドエフェクタ６０２の共通配向の範囲を通してマーカ７０２のうちの少なくとも３つを見ることができるように、エンドエフェクタ６０２の表面の周囲に配置されてもよい。例えば、マーカ７０２の分配は、このようにして、エンドエフェクタ６０２が手術野２０８において並進および回転されるときに、エンドエフェクタ６０２が追跡デバイスによって監視されることを可能にする。

加えて、例示的な実施形態において、エンドエフェクタ６０２は、外部カメラ２００、３２６がマーカ７０２を読み取る準備ができたときを検出することができる赤外（ＩＲ）受信機を装備してもよい。この検出の直後、エンドエフェクタ６０２は、次いで、マーカ７０２を照明してもよい。外部カメラ２００、３２６がマーカ７０２を読み取る準備ができているというＩＲ受信機による検出は、外部カメラ２００、３２６に、発光ダイオードであり得るマーカ７０２のデューティーサイクルを同期させる必要性を信号で伝えてもよい。これはまた、全体としてロボットシステムによる低電力消費を可能にし得、それによって、マーカ７０２が、連続的に照明される代わりに、適時にのみ照明されるであろう。さらに、例示的な実施形態において、マーカ７０２は、他のナビゲーションツール、例えば、異なる種類の外科用器具６０８などとの干渉を防ぐために、電源をオフにしてもよい。

図８は、追跡アレイ６１２および追跡マーカ８０４を含む１つの種類の外科用器具６０８を描写する。追跡マーカ８０４は、限定されるものでないが、発光ダイオードまたは反射性球体を含む、本明細書に説明される任意の種類のものであってもよい。マーカ８０４は、外科用ロボットシステム１００、３００、６００と関連付けられた追跡デバイスによって監視され、カメラ２００、３２６の見通し線のうちの１つ以上であってもよい。カメラ２００、３２６は、追跡アレイ６１２およびマーカ８０４の位置ならびに配向に基づいて、器具６０８の場所を追跡してもよい。ユーザ、例えば、外科医１２０などは、追跡アレイ６１２およびマーカ８０４が、追跡デバイスまたはカメラ２００、３２６によって十分に認識され、器具６０８およびマーカ８０４を、例えば、例示的な外科用ロボットシステムの表示器１１０上に表示させるような様態で、器具６０８を配向させてもよい。

外科医１２０が、器具６０８をエンドエフェクタ６０２の誘導管６０６の中に配置し得、器具６０８を調節し得る様態が、図８において明らかである。エンドエフェクタ１１２、３１０、６０２の中空管または誘導管１１４、６０６は、外科用器具６０８の少なくとも一部分を受け入れるようにサイズ決定および構成される。誘導管１１４、６０６は、外科用器具６０８のための挿入および軌道が、患者２１０の体内または身体上で所望の解剖学的対象に到達することができるように、ロボットアーム１０４によって配向されるように構成される。外科用器具６０８は、略円筒形器具の少なくとも一部分を含んでもよい。スクリュードライバが外科用ツール６０８として例示されるが、任意の好適な外科用ツール６０８がエンドエフェクタ６０２によって位置付けられてもよいことが理解されるであろう。例として、外科用器具６０８は、誘導ワイヤ、カニューレ、レトラクタ、ドリル、リーマ、スクリュードライバ、挿入ツール、除去ツール、または同様のもののうちの１つ以上を含んでもよい。中空管１１４、６０６は円筒形構成を有するように一般的に示されるが、誘導管１１４、６０６は、外科用器具６０８に適応するためにおよび手術位置にアクセスするために所望された任意の好適な形状、サイズ、および構成を有してもよいことが当業者によって理解されるであろう。

図９Ａ〜９Ｃは、例示的な実施形態と一致するエンドエフェクタ６０２およびロボットアーム６０４の一部分を例解する。エンドエフェクタ６０２は、本体１２０２およびクランプ１２０４をさらに備えてもよい。クランプ１２０４は、ハンドル１２０６、ボール１２０８、ばね１２１０、およびリップ部１２１２を備えてもよい。ロボットアーム６０４は、凹部１２１４、装着プレート１２１６、リップ部１２１８、および磁石１２２０をさらに備えてもよい。

エンドエフェクタ６０２は、１つ以上の連結を通して外科用ロボットシステムおよびロボットアーム６０４と機械的にインターフェースおよび／または係合してもよい。例えば、エンドエフェクタ６０２は、位置決め連結および／または補強連結を通してロボットアーム６０４と係合してもよい。これらの連結を通して、エンドエフェクタ６０２は、可撓性および無菌バリアの外側でロボットアーム６０４と締結してもよい。例示的な実施形態において、位置決め連結は、磁気運動学的マウントであってもよく、補強連結は、５つの棒状オーバーセンタクランピングリンク機構であってもよい。

位置決め連結に関して、ロボットアーム６０４は、装着プレート１２１６を備えてもよく、それは、非磁気材料、１つ以上の凹部１２１４、リップ部１２１８、および磁石１２２０であってもよい。磁石１２２０は、凹部１２１４の各々の下に装着される。クランプ１２０４の部分は、磁気材料を備えてもよく、１つ以上の磁石１２２０によって吸引されてもよい。クランプ１２０４およびロボットアーム６０４の磁気吸引を通して、ボール１２０８は、それぞれの凹部１２１４の中に着座されることになる。例えば、図９Ｂに示されるようなボール１２０８は、図９Ａに示されるような凹部１２１４内に着座される。この着座は、磁気的に支援される運動学的連結と考えられ得る。磁石１２２０は、エンドエフェクタ６０２の配向に関わらず、エンドエフェクタ６０２の全重量を支持するのに十分強いように構成されてもよい。位置決め連結は、６自由度を固有に抑制する任意の様式の運動学的マウントであってもよい。

補強連結に関して、クランプ１２０４の部分が、固定接地リンクであるように構成されてもよく、そのように、クランプ１２０４は、５つの棒リンク機構としての役割を果たしてもよい。クランプハンドル１２０６を閉じることにより、リップ部１２１２およびリップ部１２１８が、エンドエフェクタ６０２およびロボットアーム６０４を固設する様態でクランプ１２０４に係合する際に、エンドエフェクタ６０２をロボットアーム６０４に締結し得る。クランプハンドル１２０６が閉じられると、ばね１２１０は、クランプ１２０４が係止位置にある間に伸長または加圧され得る。係止位置は、中心を過ぎたリンク機構を提供する位置であり得る。中心を過ぎた閉じ位置のため、リンク機構は、クランプ１２０４を解放するためにクランプハンドル１２０６に加えられる力がなければ開かない。このため、係止位置において、エンドエフェクタ６０２は、ロボットアーム６０４に強固に固設され得る。

ばね１２１０は、張力における曲がり梁であってもよい。ばね１２１０は、高剛性および高降伏ひずみを呈する材料、例えば、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）バージン材などから成ってもよい。エンドエフェクタ６０２およびロボットアーム６０４間のリンク機構は、エンドエフェクタ６０２およびロボットアーム６０４間に、２つの連結の締結を妨害せずに、無菌バリアを提供し得る。

補強連結は、複数のばね部材を用いるリンク機構であってもよい。補強連結は、カムまたは摩擦に基づく機構を用いて掛止めしてもよい。補強連結はまた、ロボットアーム６０４へのエンドエフェクタ１０２の締結を支持する十分に強力な電磁石であってもよい。補強連結は、エンドエフェクタ６０２およびロボットアーム６０４間の界面上を滑り、かつスクリュー機構、オーバーセンタリンク機構、またはカム機構を用いて締め付ける、エンドエフェクタ６０２および／またはロボットアーム６０４のいずれかから完全に分離したマルチピースカラーであってもよい。

図１０および１１を参照すると、外科処置の前または間に、ある位置合わせ処置が、ナビゲーション空間および画像空間の両方において、物体および患者２１０の対象の解剖学的構造を追跡するために行われてもよい。かかる位置合わせを行うために、位置合わせシステム１４００は、図１０に例解されるように使用されてもよい。

患者２１０の位置を追跡するために、患者追跡デバイス１１６は、患者２１０の硬い解剖学的構造に固設されるべき患者固定器具１４０２を含んでもよく、動的参照基部（ＤＲＢ）１４０４は、患者固定器具１４０２に確実に取り付けられてもよい。例えば、患者固定器具１４０２は、動的参照基部１４０４の開口部１４０６に挿入されてもよい。動的参照基部１４０４は、追跡デバイス、例えば、追跡サブシステム５３２などが視認可能であるマーカ１４０８を含んでもよい。これらのマーカ１４０８は、本明細書で前に考察されたように、光学マーカまたは反射性球体、例えば、追跡マーカ１１８などであってもよい。

患者固定器具１４０２は、患者２１０の硬い解剖組織に取り付けられ、外科処置全体を通して取り付けられたままであってもよい。例示的な実施形態において、患者固定器具１４０２は、患者２１０の硬いエリア、例えば、外科処置を受ける対象の解剖学的構造から離れて位置する骨に取設される。対象の解剖学的構造を追跡するために、動的参照基部１４０４は、対象の解剖学的構造の場所を用いて動的参照基部１４０４を位置合わせするために、対象の解剖学的構造上またはその近くに一時的に配置される位置合わせ固定具の使用を通して対象の解剖学的構造と関連付けられる。

位置合わせ固定具１４１０は、枢動アーム１４１２の使用を通じて、患者固定器具１４０２に取り付けられる。枢動アーム１４１２は、位置合わせ固定具１４１０の開口部１４１４を通して患者固定器具１４０２を挿入することによって、患者固定器具１４０２に取り付けられる。枢動アーム１４１２は、例えば、枢動アーム１４１２の開口部１４１８を通してノブ１４１６を挿入することによって、位置合わせ固定具１４１０に取り付けられる。

枢動アーム１４１２を使用して、位置合わせ固定具１４１０は、対象の解剖学的構造の上に配置されてもよく、その場所は、位置合わせ固定具１４１０上の追跡マーカ１４２０および／または基準１４２２を使用して、画像空間およびナビゲーション空間において判定されてもよい。位置合わせ固定具１４１０は、ナビゲーション空間において視認可能であるマーカ１４２０の集合物を含んでもよい（例えば、マーカ１４２０は、追跡サブシステム５３２によって検出可能であってもよい）。追跡マーカ１４２０は、本明細書において前に説明されたように、赤外光において視認可能な光学マーカであってもよい。位置合わせ固定具１４１０はまた、画像化空間（例えば、３次元ＣＴ画像）において視認可能である基準１４２２、例えば、軸受ボールなどの集合物を含んでもよい。図１１に関してより詳細に説明されるように、位置合わせ固定具１４１０を使用して、対象の解剖学的構造は、動的参照基部１４０４と関連付けられてもよく、それによって、ナビゲーション空間における物体の描写が、解剖学的構造の画像上に重ね合わされることを可能にする。対象の解剖学的構造から離れた位置に位置する動的参照基部１４０４は、参照点になり得、それによって、外科エリアからの位置合わせ固定具１４１０および／または枢動アーム１４１２の取外しを可能にする。

図１１は、本開示と一致する位置合わせのための例示的な方法１５００を提供する。方法１５００は、ステップ１５０２において始まり、そのステップにおいて、対象の解剖学的構造のグラフィカル表現（または画像（複数可））が、システム１００、３００、６００、例えば、コンピュータ４０８にインポートされてもよい。グラフィカル表現は、位置合わせ固定具１４１０および基準１４２０の検出可能な画像化パターンを含む、患者２１０の対象の解剖学的構造の３次元ＣＴまたは蛍光透視スキャンであってもよい。

ステップ１５０４において、基準１４２０の画像化パターンが、画像化空間において検出および位置合わせされ、コンピュータ４０８内に記憶される。任意選択的に、このときに、ステップ１５０６において、位置合わせ固定具１４１０のグラフィカル表現が、対象の解剖学的構造の画像上に重ね合わされてもよい。

ステップ１５０８において、位置合わせ固定具１４１０のナビゲーションパターンは、マーカ１４２０を認識することによって検出および位置合わせされる。マーカ１４２０は、位置センサ５４０を介して追跡サブシステム５３２によって赤外光を通してナビゲーション空間において認識される光学マーカであってもよい。このため、対象の解剖学的構造の場所、配向、および他の情報は、ナビゲーション空間において位置合わせされる。したがって、位置合わせ固定具１４１０は、基準１４２２の使用による画像空間とマーカ１４２０の使用によるナビゲーション空間の両方において認識されてもよい。ステップ１５１０において、画像空間内の位置合わせ固定具１４１０の位置合わせが、ナビゲーション空間に転移される。この転移は、例えば、マーカ１４２０のナビゲーションパターンの位置と比較して、基準１４２２の画像化パターンの相対位置を使用することによって、行われる。

ステップ１５１２において、（画像空間を用いて位置合わせされた）位置合わせ固定具１４１０のナビゲーション空間の位置合わせが、患者固定器具１４０２に取り付けられた動的位置合わせアレイ１４０４のナビゲーション空間にさらに転移される。このため、位置合わせ固定具１４１０は、取り外されてもよく、動的参照基部１４０４は、ナビゲーション空間が画像空間と関連付けられるので、ナビゲーションおよび画像空間の両方において、対象の解剖学的構造を追跡するために使用されてもよい。

ステップ１５１４および１５１６において、ナビゲーション空間は、ナビゲーション空間において視認可能であるマーカ（例えば、光学マーカ８０４を用いる外科用器具６０８）を用いて、画像空間および物体上に重ね合わせてもよい。物体は、対象の解剖学的構造の画像上の外科用器具６０８のグラフィカル表現を通して追跡されてもよい。

図１２Ａ〜１２Ｂは、患者２１０の手術前、手術中、手術後、および／またはリアルタイムの画像データを取得するためにロボットシステム１００、３００、６００と併せて使用され得る画像化デバイス１３０４を例解する。任意の適切な主題が、画像化システム１３０４を使用して任意の適切な処置のために画像化されてもよい。画像化システム１３０４は、任意の画像化デバイス、例えば、画像化デバイス１３０６および／またはＣアーム１３０８デバイスなどであってもよい。Ｘ線システムにおいて要求され得る患者２１０の頻繁な手動の再位置付けを必要とせずに、いくらかの異なる位置から患者２１０のＸ線写真を取ることが望ましいであろう。図１２Ａに例解されるように、画像化システム１３０４は、「Ｃ」形状の両遠位端１３１２において終端する細長いＣ形状部材を含むＣアーム１３０８の形態にあってもよい。Ｃ形状部材１１３０は、Ｘ線源１３１４および画像受信器１３１６をさらに備えてもよい。アームのＣアーム１３０８内の空間は、Ｘ線支持構造１３１８からの実質的な干渉なしで患者を診療するための余地を医師に提供し得る。図１２Ｂに例解されるように、画像化システムは、支持構造画像化デバイス支持構造１３２８、例えば、車輪１３３２を有する車輪付移動可能カート１３３０などに取り付けられるガントリー筐体１３２４を有する画像化デバイス１３０６を含んでもよく、それは、例解されない、画像捕捉部分を取り囲んでもよい。画像捕捉部分は、Ｘ線源および／または発出部分ならびにＸ線受信および／または画像受信部分を含んでもよく、それらは、互いから約１８０度に配置されてもよく、画像捕捉部分の軌道に対してロータ（例解されない）上に装着されてもよい。画像捕捉部分は、画像取得の間に３６０度回転するように動作可能であってもよい。画像捕捉部分は、中心点および／または軸の周囲に回転してもよく、患者２１０の画像データが、多方向からまたは複数の平面において取得されることを可能にする。ある画像化システム１３０４が本明細書に例示されるが、任意の好適な画像化システムが、当業者によって選択されてもよいことが理解されるであろう。

次に、図１３Ａ〜１３Ｃを参照して、外科用ロボットシステム１００、３００、６００は、所望の外科エリアに対するエンドエフェクタ１１２、６０２、外科用器具６０８、および／または患者２１０（例えば、患者追跡デバイス１１６）の正確な位置付けに頼る。図１３Ａ〜１３Ｃに示される実施形態では、追跡マーカ１１８、８０４が、器具６０８および／またはエンドエフェクタ１１２の一部分に強固に取り付けられる。

図１３Ａは、基部１０６、ロボットアーム１０４、およびエンドエフェクタ１１２を含むロボット１０２を有する外科用ロボットシステム１００の一部分を描写する。例解されない他の要素、例えば、表示器、カメラなどがまた、本明細書に説明されるように存在してもよい。図１３Ｂは、誘導管１１４を有するエンドエフェクタ１１２およびエンドエフェクタ１１２に強固に取り付けられた複数の追跡マーカ１１８のクローズアップ図を描写する。この実施形態では、複数の追跡マーカ１１８が、誘導管１１２に取り付けられる。図１３Ｃは、複数の追跡マーカ８０４が器具６０８に強固に取り付けられた器具６０８（この場合において、プローブ６０８Ａ）を描写する。本明細書のどこかに説明されるように、器具６０８は、任意の好適な外科用器具、例えば、限定されるものではないが、誘導ワイヤ、カニューレ、レトラクタ、ドリル、リーマ、スクリュードライバ、挿入ツール、除去ツール、または同様のものなどを含み得る。

３Ｄにおいて追跡されるべき器具６０８、エンドエフェクタ１１２、または他の物体を追跡するとき、追跡マーカ１１８、８０４のアレイは、ツール６０８またはエンドエフェクタ１１２の一部分に強固に取り付けられてもよい。好ましくは、追跡マーカ１１８、８０４は、マーカ１１８、８０４が邪魔にならない（例えば、外科手術、視認可能性などを妨げない）ように取り付けられる。マーカ１１８、８０４は、例えば、アレイ６１２と共に、追跡されるべき器具６０８、エンドエフェクタ１１２、または他の物体に取り付けられてもよい。通常、３つまたは４つのマーカ１１８、８０４が、アレイ６１２と共に使用される。アレイ６１２は、直線区分、横材を含んでもよく、マーカ１１８、８０４が互いに対して異なる相対位置および場所にあるように非対称的であってもよい。例えば、図１３Ｃに示されるように、４つのマーカ追跡アレイ６１２を伴うプローブ６０８Ａが示され、図１３Ｂは、異なる４つのマーカ追跡アレイ６１２を伴うエンドエフェクタ１１２を描写する。

図１３Ｃでは、追跡アレイ６１２がプローブ６０８Ａのハンドル６２０として機能する。このため、４つのマーカ８０４が、プローブ６０８Ａのハンドル６２０に取り付けられ、それは、シャフト６２２および先端部６２４の邪魔をしない。これらの４つのマーカ８０４の立体写真測量追跡は、器具６０８が剛体として追跡されること、ならびにプローブ６０８Ａが追跡カメラ２００、３２６の前であちこち移動される間に追跡システム１００、３００、６００が、先端部６２４の位置およびシャフト６２２の配向を精密に判定することを可能にする。

３Ｄ（例えば、複数の剛体）で追跡されるべき１つ以上のツール６０８、エンドエフェクタ１１２、または他の物体の自動追跡を可能にするために、各ツール６０８、エンドエフェクタ１１２、または同様のもの上のマーカ１１８、８０４は、既知のマーカ間隔を用いて非対称的に配設される。非対称的な整合の理由は、どのマーカ１１８、８０４が剛体上の特定の場所に対応するかおよびマーカ１１８、８０４が前または後から見られる、すなわち、鏡映を作られるかどうかが明白であるためである。例えば、マーカ１１８、８０４がツール６０８上またはエンドエフェクタ１１２上で四角形に配設された場合、システム１００、３００、６００は、どのマーカ１１８、８０４が四角形のどの角に対応したかが不明であろう。例えば、プローブ６０８Ａの場合、どのマーカ８０４がシャフト６２２に最も近かったかが不明であろう。このため、どの方向へシャフト６２２がアレイ６１２から延在していたかが分からないであろう。したがって、各アレイ６１２、およびそれゆえ、追跡されるべき各ツール６０８、エンドエフェクタ１１２、または他の物体は、固有のマーカパターンを有するべきであり、それが、追跡されている他のツール６０８または他の物体と区別されることを可能にする。非対照的および固有のマーカパターンは、システム１００、３００、６００が、個々のマーカ１１８、８０４を検出することを可能にし、次いで、記憶されたテンプレートに対するマーカ間隔をチェックして、それらがどのツール６０８、エンドエフェクタ１１２、または他の物体を表すかを判定する。検出されたマーカ１１８、８０４は、次いで、自動的に分類され得、各追跡された物体に正しい順序で割り当てられ得る。この情報なしでは、剛体計算は、ユーザが、検出されたマーカ１１８、８０４のどれが各剛体上のどの位置に対応したかを手動で特定しない限り、重要な幾何学的情報、例えば、ツール先端部６２４およびシャフト６２２の整合などを抽出するように実行することができない可能性がある。これらの概念は、３Ｄ光学追跡方法における当業者に一般に知られている。

次に、図１４Ａ〜１４Ｄを参照して、移動可能な追跡マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄを用いるエンドエフェクタ９１２の代替版が示される。図１４Ａでは、移動可能な追跡マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄを用いるアレイが第１の構成において示され、図１４Ｂでは、移動可能な追跡マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが第２の構成において示され、それは、第１の構成に対して角度付けられる。図１４Ｃは、例えば、図１４Ａの第１の構成において、カメラ２００、３２６によって見られるような、追跡マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄのテンプレートを示す。図１４Ｄは、例えば、図１４Ｂの第２の構成において、カメラ２００、３２６によって見られるような、追跡マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄのテンプレートを示す。

この実施形態では、４つのマーカアレイ追跡が意図され、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄの全てが剛体に対して固定位置にあるとは限らず、代わりに、アレイマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの１つ以上が、例えば、試験中に、追跡されたマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄの自動検出および分類のためのプロセスを阻害せずに、追跡されている剛体についての更新情報を与えるように調節され得る。

任意のツール、例えば、ロボットシステム１００、３００、６００のエンドエフェクタ９１２に接続された誘導管９１４などを追跡するとき、追跡アレイの主な目的は、カメラ座標系におけるエンドエフェクタ９１２の位置を更新することである。剛性システムを使用するとき、例えば、図１３Ｂに示されるように、反射性マーカ１１８のアレイ６１２は、誘導管１１４から強固に延在する。追跡マーカ１１８は強固に接続されるので、カメラ座標系におけるマーカの場所の知識はまた、カメラ座標系における誘導管１１４の中心線、先端部、および尾部の正確な場所を提供する。典型的には、かかるアレイ６１２からのエンドエフェクタ１１２の位置についての情報および別の追跡されたソースからの対象軌道の場所についての情報が、誘導管１１４を軌道との整合に移動するおよび先端部を軌道ベクトルに沿って特定の場所に移動するロボット１０２の各軸について入力される必要がある要求された移動を計算するために使用される。

場合によっては、所望の軌道が、厄介なまたは到達できない場所にあるが、誘導管１１４が旋回されるならば、それは到達され得る。例えば、誘導管１１４が、ピッチ（手首の上げ下げ角度）軸の限界を超えて上向きに旋回され得る場合、ロボット１０２の基部１０６から離れたところを指す非常に急峻な軌道は、到達可能であり得るものの、誘導管１１４が、それを手首の端部に接続するプレートに平行に取り付けられる場合、到達不可能であろう。かかる軌道に到達するために、ロボット１０２の基部１０６が移動され得るか、または異なる誘導管取り付け具を伴う異なるエンドエフェクタ１１２が、作業中のエンドエフェクタと交換され得る。これらの解決策は両方とも、時間がかかり得、面倒であり得る。

図１４Ａおよび１４Ｂに最も良く見られるように、アレイ９０８は、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの１つ以上が固定位置になく、代わりに、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの１つ以上が調節、旋回、枢動、または移動され得るように構成される場合、ロボット１０２は、検出および追跡プロセスを阻害せずに、追跡されている物体についての更新情報を提供することができる。例えば、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの１つが適所に固定されてもよく、かつ他のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが移動可能であってもよい。マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの２つが適所に固定されてもよく、かつ他のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが移動可能であってもよい。マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの３つが適所に固定されてもよく、かつ他のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが移動可能であってもよい。または、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄの全てが移動可能であってもよい。

図１４Ａおよび１４Ｂに示される実施形態では、マーカ９１８Ａ、９１８Ｂは、エンドエフェクタ９１２の基部９０６に直接的に強固に接続され、マーカ９１８Ｃ、９１８Ｄは、管９１４に強固に接続される。アレイ６１２と同様に、アレイ９０８は、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄを追跡されるべきエンドエフェクタ９１２、器具６０８、または他の物体に取り付けるために提供されてもよい。しかしながら、この場合において、アレイ９０８は、複数の別個の構成要素から成る。例えば、マーカ９１８Ａ、９１８Ｂは、第１のアレイ９０８Ａを用いて基部９０６に接続してもよく、マーカ９１８Ｃ、９１８Ｄは、第２のアレイ９０８Ｂを用いて誘導管９１４に接続してもよい。マーカ９１８Ａは、第１のアレイ９０８Ａの第１の端部に取り付けられてもよく、マーカ９１８Ｂは、ある直線距離だけ隔てられ得、第１のアレイ９０８Ａの第２の端部に取り付けられてもよい。第１のアレイ９０８は実質的に直線であるが、第２のアレイ９０８Ｂは、湾曲またはＶ形状構成を有し、根端に関して、誘導管９１４に接続され、一方の遠位端においてマーカ９１８Ｃおよび他方の遠位端においてマーカ９１８Ｄを有するＶ形状において、そこから遠位端へと分岐する。特定の構成が本明細書に例示されるが、異なる数および種類のアレイ９０８Ａ、９０８Ｂならびに異なる配設、数、および種類のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄを含む他の非対称的設計が意図されることが理解されるであろう。

誘導管９１４は、例えば、ヒンジ９２０または他のコネクタをわたって基部９０６へと、基部９０６に対して移動可能、旋回可能、または枢動可能であってもよい。このため、マーカ９１８Ｃ、９１８Ｄは、誘導管９１４が枢動、旋回、または移動するときに、マーカ９１８Ｃ、９１８Ｄもまた枢動、旋回、または移動するように移動可能である。図１４Ａに最も良く見られるように、誘導管９１４は、長手方向軸９１６を有し、それは、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが第１の構成を有するように、実質的に法線または垂直配向に整合される。次に、図１４Ｂを参照して、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが第１の構成とは異なる第２の構成を有するように、長手方向軸９１６が、今度は、垂直配向に対して角度付けられるように、誘導管９１４が枢動、旋回、または移動される。

図１４Ａ〜１４Ｄについて説明される実施形態とは対照的に、旋回部が誘導管９１４およびアーム１０４間に存在し（例えば、手首取り付け具）、４つのマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄの全てが、誘導管９１４に強固に取り付けられたままであり、この旋回部が、ユーザによって調節された場合、ロボットシステム１００、３００、６００は、誘導管９１４の配向が変化したことを自動的に検出することができない。ロボットシステム１００、３００、６００は、マーカアレイ９０８の位置を追跡し、誘導管９１４が前の配向において手首（ロボットアーム１０４）に取り付けられたことを想定して、不正確なロボット軸移動を計算する。１つ以上のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄ（例えば、２つのマーカ９１８Ｃ、９１８Ｄ）を強固に管９１４上におよび旋回部にわたって１つ以上のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄ（例えば、２つのマーカ９１８Ａ、９１８Ｂ）を保持することによって、新しい位置の自動検出が可能になり、正確なロボットの移動が、ロボットアーム１０４の端部上の新しいツールまたはエンドエフェクタ１１２、９１２の検出に基づいて、計算される。

マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの１つ以上は、任意の好適な手段に従って移動され、枢動され、旋回されるように、または同様に構成される。例えば、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄは、ヒンジ９２０、例えば、クランプ、ばね、レバー、スライド、トグル、もしくは同様のものなど、あるいはマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄを個々にもしくは組み合わせて移動する、アレイ９０８Ａ、９０８Ｂを個々にもしくは組み合わせて移動する、別の部分に対してエンドエフェクタ９１２の任意の部分を移動する、または別の部分に対してツール６０８の任意の部分を移動するための任意の他の好適な機構によって移動されてもよい。

図１４Ａおよび１４Ｂに示されるように、アレイ９０８および誘導管９１４は、誘導管９１４が異なる位置に配向されるように、単にクランプまたはヒンジ９２０を緩めて、アレイ９０８Ａ、９０８Ｂの部分を他の部分９０８Ａ、９０８Ｂに対して移動させて、ヒンジ９２０を再び締めることによって、再構成可能になり得る。例えば、２つのマーカ９１８Ｃ、９１８Ｄは、管９１４と強固に相互に接続されてもよく、２つのマーカ９１８Ａ、９１８Ｂは、ヒンジ９２０をわたってロボットアーム１０４に取り付けるエンドエフェクタ９１２の基部９０６へと強固に相互に接続されてもよい。ヒンジ９２０は、クランプ、例えば、蝶ナットまたは同様のものなどの形態であってもよく、それは、緩められ得、再び締められ得、ユーザが、第１の構成（図１４Ａ）および第２の構成（図１４Ｂ）の間で迅速に切り換えることを可能にする。

カメラ２００、３２６は、例えば、図１４Ｃおよび１４Ｄにおいて識別されるテンプレートのうちの１つにおいて、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄを検出する。アレイ９０８が第１の構成（図１４Ａ）にあり、かつ追跡カメラ２００、３２６がマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄを検出する場合には、追跡されたマーカが、図１４Ｃに示されるようなアレイテンプレート１に一致する。アレイ９０８が第２の構成（図１４Ｂ）にあり、かつ追跡カメラ２００、３２６が、同じマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄを検出する場合には、追跡されたマーカが、図１４Ｄに示されるようなアレイテンプレート２に一致する。アレイテンプレート１およびアレイテンプレート２は、システム１００、３００、６００によって２つの別個のツールとして認識され、各々、誘導管９１４、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄ、およびロボットの取り付け具の間のそれ自体の固有に画定された空間的関係を有する。したがって、ユーザは、システム１００、３００、６００に変化を通知せずに、エンドエフェクタ９１２の位置を第１および第２の構成の間で調節することができ、システム１００、３００、６００は、ロボット１０２の移動を軌道上にとどめるように適切に調節することになる。

この実施形態では、マーカアレイが、システム１００、３００、６００がアセンブリを２つの異なるツールまたは２つの異なるエンドエフェクタとして認識することを可能にする固有のテンプレートに一致する、２つのアセンブリ位置が存在する。これらの２つの位置（すなわち、それぞれ、図１４Ｃおよび１４Ｄに示されるアレイテンプレート１およびアレイテンプレート２）の間または外側の旋回部の任意の位置では、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄは、どのテンプレートにも一致せず、システム１００、３００、６００は、個々のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが、カメラ２００、３２６によって検出されるにも関わらず、存在するどのアレイも検出せず、結果は、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄがカメラ２００、３２６の視野から一時的に遮られた場合と同じである。他のアレイテンプレートが、例えば、異なる器具６０８または他のエンドエフェクタ１１２、９１２などを識別する、他の構成のために存在してもよいことが理解されるであろう。

説明される実施形態では、２つの別個のアセンブリ位置が図１４Ａおよび１４Ｂに示される。しかしながら、旋回接合、直線接合、旋回および直線接合の組み合わせ、穴あきボード、または他のアセンブリ上に複数の別個の位置が存在し得ることが理解されるであろう。その場合、固有のマーカテンプレートが、他に対してアレイの１つ以上のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄの位置を調節することによって生成され、各別個の位置が、特定のテンプレートに一致し、異なる既知の属性を用いて固有のツール６０８またはエンドエフェクタ１１２、９１２を画定する。加えて、エンドエフェクタ９１２について例示したが、移動可能および固定されたマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが、追跡されるべき任意の好適な器具６０８または他の物体と共に使用されてもよいことが理解されるであろう。

外部３Ｄ追跡システム１００、３００、６００を使用して、（例えば、図１３Ａおよび１３Ｂに描写されるように）ロボットのエンドエフェクタ１１２に取り付けられた３つ以上のマーカの剛体アレイ全体を追跡するとき、カメラ２００、３２６の座標系においてロボット１０２の全ての区分の３Ｄ位置を直接的に追跡または計算することが可能である。追跡機に対する接合の幾何学的配向は、意図的に知られ、接合の直線または角度位置は、ロボット１０２の各モータのためのエンコーダから知られ、エンドエフェクタ１１２から基部１１６へと移動する部分の全ての３Ｄ位置を十分に画定する。同様に、追跡機がロボット１０２の基部１０６上に装着される場合（図示せず）、同様に、各モータのエンコーダから知られた接合幾何形態および接合位置に基づいて、基部１０６からエンドエフェクタ１１２までのロボット１０２の全ての区分の３Ｄ位置を追跡または計算することが可能である。

いくつかの状況では、エンドエフェクタ１１２に強固に取り付けられた３つ未満のマーカ１１８からロボット１０２の全ての区分の位置を追跡することが望ましいであろう。具体的には、ツール６０８が誘導管１１４に導入される場合、ロボット９０２の剛体全体の動きを追跡し、ただ１つの追加的なマーカ１１８が追跡されることが望ましいであろう。

次に、図１５Ａ〜１５Ｅを参照して、単一追跡マーカ１０１８のみを有するエンドエフェクタ１０１２の代替版が示される。エンドエフェクタ１０１２は、本明細書に説明される他のエンドエフェクタと同様であってもよく、長手方向軸１０１６に沿って延在する誘導管１０１４を含んでもよい。単一追跡マーカ１０１８は、本明細書に説明される他の追跡マーカと同様に、誘導管１０１４に強固に取り付けられてもよい。この単一マーカ１０１８は、不足している自由度を追加して、剛体全体の追跡を可能にする目的に役立つことができ、ならびに／または、ロボットおよびカメラの位置付けに関する想定が有効であることを確実にするように、監視マーカとして働く目的を果たすことができる。

単一追跡マーカ１０１８は、任意の便利な方向に突出し、かつ外科医の視野を遮らないエンドエフェクタ１０１２の剛性延在部分としてロボットエンドエフェクタ１０１２に取り付けられてもよい。追跡マーカ１０１８は、誘導管１０１４またはエンドエフェクタ１０１２上の任意の他の好適な場所に取り付けられてもよい。誘導管１０１４に取り付けられるとき、追跡マーカ１０１８は、誘導管１０１４の第１および第２の端部間のある場所において位置付けられ得る。例えば、図１５Ａでは、単一追跡マーカ１０１８が、誘導管１０１４から前方へ延在し、かつ長手方向に誘導管１０１４の中点の上方および誘導管１０１４の入口の下方に位置付けられた細いシャフト１０１７の端部上に装着された反射性球体として示される。この位置は、マーカ１０１８がカメラ２００、３２６によって一般に視認可能であることを可能にするものの、さらに、外科医１２０の視野を遮らないか、または手術室の近傍における他のツールもしくは物体と衝突しない。加えて、マーカ１０１８がこの位置にある誘導管１０１４は、誘導管１０１４に導入された任意のツール６０８上のマーカアレイが、誘導管１０１４上の単一マーカ１０１８が視認可能であるのと同時に視認可能とするために設計される。

図１５Ｂに示されるように、ぴったりと収まるツールまたは器具６０８が誘導管１０１４内に配置されると、器具６０８は、６自由度のうちの４つに機械的に制限されることになる。すなわち、器具６０８は、誘導管１０１４の長手方向軸１０１６の周りを除くあらゆる方向に回転することができず、器具６０８は、誘導管１０１４の長手方向軸１０１６に沿う方向を除くあらゆる方向に転移することができない。換言すれば、器具６０８は、誘導管１０１４の中心線に沿って転移することおよびその中心線の周りに回転することのみができる。もう２つのパラメータ、例えば（１）誘導管１０１４の長手方向軸１０１６の周りの回転の角度、および（２）誘導管１０１４に沿う位置などが知られる場合には、カメラ座標系におけるエンドエフェクタ１０１２の位置が十分に画定されることになる。

次に、図１５Ｃを参照すると、システム１００、３００、６００は、ツール６０８が誘導管１０１４の内側に、その代わりに、誘導管１０１４の外側ではなくて、ただカメラ２００、３２６の視野のどこかに実際に位置付けられるときに知ることができるはずである。ツール６０８は、長手方向軸または中心線６１６と、複数の追跡されたマーカ８０４を伴うアレイ６１２を有する。剛体計算が、ツール６０８上のアレイ６１２の追跡された位置に基づいて、ツール６０８の中心線６１６がカメラ座標系に位置する場所を判定するために使用されてもよい。

単一マーカ１０１８から誘導管１０１４の中心線または長手方向軸１０１６までの固定された法線（垂直）距離ＤＦは、固定され、幾何学的に知られ、単一マーカ１０１８の位置は、追跡することができる。したがって、ツール中心線６１６から単一マーカ１０１８までの検出された距離Ｄ_Ｄが、誘導管中心線１０１６から単一マーカ１０１８までの既知の固定距離Ｄ_Ｆに一致するとき、ツール６０８が、誘導管１０１４内にある（ツール６０８および誘導管１０１４の中心線６１６、１０１６が一致する）か、またはこの距離Ｄ_Ｄが固定距離Ｄ_Ｆに一致する可能な位置の軌跡におけるある点にあることが判定され得る。例えば、図１５Ｃでは、ツール中心線６１６から単一マーカ１０１８までの検出された法線距離Ｄ_Ｄが、２つの位置における透明なツール６０８によって表されたデータの両方のフレーム（追跡されたマーカ座標）において誘導管中心線１０１６から単一マーカ１０１８までの固定距離Ｄ_Ｆに一致し、このため、ツール６０８が誘導管１０１４内に位置するときを判定するために追加的な考察が必要であろう。

次に図１５Ｄを参照すると、プログラム化された論理が、追跡データのフレームを探すために使用され得、それにおいて、ツール６０８が単一球体１０１８に対してある最小距離を超える分だけ空間内を移動して、ツール６０８が誘導管１０１４内を移動している条件を満たすにも関わらず、ツール中心線６１６から単一マーカ１０１８までの検出された距離Ｄ_Ｄは、正確な長さに固定されたままである。例えば、第１のフレームＦ１が、第１の位置にあるツール６０８を用いて検出されてもよく、第２のフレームＦ２が、（すなわち、第１の位置に対して直線的に移動した）第２の位置にあるツール６０８を用いて検出されてもよい。ツールアレイ６１２上のマーカ８０４は、第１のフレームＦ１から第２のフレームＦ２までの所与の量を超える（例えば、合計で５ｍｍを超える）分だけ移動してもよい。この移動があるにも関わらず、ツール中心線ベクトルＣ’から単一マーカ１０１８までの検出された距離Ｄ_Ｄは、第１のフレームＦ１および第２のフレームＦ２において実質的に同一である。

論理学的に、外科医１２０またはユーザは、ツール６０８を誘導管１０１４内に配置して、それをわずかに回転することまたはそれを誘導管１０１４の中に下に摺動することができ、システム１００、３００、６００は、５つのマーカ（ツール６０８上の４つのマーカ８０４に加えて誘導管１０１４上の単一マーカ１０１８）の追跡から、ツール６０８が誘導管１０１４内にあることを検出することができる。ツール６０８が誘導管１０１４内にあることを知ることで、空間におけるロボットエンドエフェクタ１０１２の位置および配向を画定する全ての６自由度が計算され得る。単一マーカ１０１８を用いないと、たとえツール６０８が誘導管１０１４内にあることが確実に知られたとしても、誘導管１０１４がツールの中心線ベクトルＣ’に沿って位置する場所およびどのように誘導管１０１４が中心線ベクトルＣ’に対して回転されるかは分からない。

図１５Ｅに重点を置くと、単一マーカ１０１８の存在が、ツール６０８上の４つのマーカ８０４と共に追跡され、誘導管１０１４およびツール６０８の中心線ベクトルＣ’と、単一マーカ１０１８を通るおよび中心線ベクトルＣ’を通る法線ベクトルとを構築することが可能である。この法線ベクトルは、手首の遠位にあるロボットの前腕に対して既知の配向にある配向を有し（この例では、その区分に平行に配向され）、ある特定の固定位置において中心線ベクトルＣ’に交差する。便宜のために、図１５Ｅに示されるように、３つの互いに直交するベクトルｋ’、ｊ’、ｉ’が構築され得、誘導管１０１４の剛体位置および配向を画定する。３つの互いに直交するベクトルのうちの１つｋ’は、中心線ベクトルＣ’から構築され、第２のベクトルｊ’は、単一マーカ１０１８を通る法線ベクトルから構築され、第３のベクトルｉ’は、第１および第２のベクトルｋ’、ｊ’のベクトル外積である。これらのベクトルｋ’、ｊ’、ｉ’に対するロボットの接合位置は、全ての接合がゼロにあるときに知られおよび固定され、したがって、剛体計算は、ロボットがホーム位置にあるときのこれらのベクトルｋ’、ｊ’、ｉ’に対するロボットの任意の区分の場所を判定するために使用され得る。ロボット移動の間、（ツール６０８が誘導管１０１４内にある間の）ツールマーカ８０４の位置および単一マーカ１０１８の位置が追跡システムから検出され、かつ各接合の角度／直線位置がエンコーダから知られる場合には、ロボットの任意の区分の位置および配向が、判定され得る。

いくつかの実施形態では、誘導管１０１４に対してツール６０８の配向を固定することが有用であろう。例えば、エンドエフェクタ誘導管１０１４は、機械加工またはインプラントの位置付けを可能にするためにその軸１０１６の周りのある特定の位置において配向されてもよい。誘導管１０１４に挿入されたツール６０８に取り付けられたものの配向は、ツール６０８上の追跡されたマーカ８０４から分かるが、カメラ座標系における誘導管１０１４自体の回転配向は、誘導管１０１４上の追加的な追跡マーカ１０１８（または他の実施形態では複数の追跡マーカ）を用いないと分からない。このマーカ１０１８は、中心線ベクトルＣ’に対するマーカ１０１８の配向に基づいて−１８０°〜＋１８０°までの「クロック位置」を本質的に提供する。このため、単一マーカ１０１８は、追加的な自由度を提供することができ、剛体全体の追跡を可能にし、ならびに／または監視マーカとして機能することができ、ロボットおよびカメラの位置付けが有効であることについての想定を確保する。

図１６は、ロボット１０２のエンドエフェクタ１０１２（または、本明細書に説明される任意の他のエンドエフェクタ）を所望の対象軌道へとナビゲートして移動するための方法１１００のブロック図である。ロボットエンドエフェクタ１０１２または誘導管１０１４上の単一マーカ１０１８の別の使用は、方法１１００の一部として、ロボット１０２に取り付けられた全体の追跡アレイを用いずに、ロボット１０２の自動化された安全な移動を可能にすることである。この方法１１００は、追跡カメラ２００、３２６が、ロボット１０２に対して移動しない（すなわち、それらが固定位置にある）ときに機能し、追跡システムの座標系およびロボットの座標系が共に位置合わせされ、ロボット１０２は、誘導管１０１４の位置および配向が、各ロボット軸の符号化された位置のみに基づいて、ロボットのデカルト座標系において正確に判定され得るように較正される。

この方法１１００のために、追跡機およびロボットの座標系は、共に位置合わせされる必要があり、追跡システムのデカルト座標系からロボットのデカルト座標系への座標変換が必要とされることを意味する。便宜のために、この座標変換は、ロボット工学の分野において周知である並進および回転の４×４行列であり得る。この変換は、Ｔｃｒと呼ばれ、「カメラからロボットへの変換」を意味する。一旦この変換が知られると、各追跡されたマーカについてのベクトル形態におけるｘ、ｙ、ｚ座標として受信される追跡データの任意の新しいフレームが、４×４行列を乗じられ得、結果として生じるｘ、ｙ、ｚ座標は、ロボットの座標系にある。Ｔｃｒを得るために、ロボット上の全体の追跡アレイは、それが、ロボットの座標系において既知である場所においてロボットに強固に取り付けられている間に追跡され、次いで、既知の剛体方法が、座標の変換を計算するために使用される。ロボット１０２の誘導管１０１４に挿入された任意のツール６０８は、追加的なマーカ１０１８もまた読み取られるときに強固に取り付けられたアレイと同じ剛体情報を提供することができることは明らかであろう。すなわち、ツール６０８は、固定位置および配向ではなく、単に、誘導管１０１４内の任意の位置におよび誘導管１０１４内の任意の回転において挿入される必要がある。このため、追跡アレイ６１２を用いる任意のツール６０８を誘導管１０１４に挿入して、ツールのアレイ６１２に加えて誘導管１０１４の単一マーカ１０１８を読み取ることによって、一方で、同時に、ロボットの座標系における誘導管１０１４の現在の場所を各軸上のエンコーダから判定することによって、Ｔｃｒを判定することが可能である。

ロボット１０２を対象軌道へとナビゲートして移動するための論理は、図１６の方法１１００に提供される。ループ１１０２に入る前に、変換Ｔｃｒが前に記憶されたことが想定される。このため、ループ１１０２に入る前に、ステップ１１０４において、ロボット基部１０６が固設された後、ロボットが静止している間に誘導管内に挿入されたツールの追跡データの１つ以上のフレームが記憶され、ステップ１１０６において、カメラ座標からロボット座標へのロボット誘導管位置の変換Ｔｃｒが、この静止データおよび前の較正データから計算される。カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動しない限り、Ｔｃｒは、有効のままであるべきである。カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動し、Ｔｃｒが再び取得される必要がある場合、システム１００、３００、６００は、ユーザにツール６０８を誘導管１０１４に挿入することを促させ得、次いで、必要な計算を自動的に実行させ得る。

方法１１００のフローチャートにおいて、収集されたデータの各フレームは、患者２１０上のＤＲＢ１４０４の追跡された位置、エンドエフェクタ１０１４上の単一マーカ１０１８の追跡された位置、および各ロボット軸の位置のスナップショットから成る。ロボットの軸の位置から、エンドエフェクタ１０１２上の単一マーカ１０１８の場所が計算される。この計算された位置は、追跡システムから記録されたようなマーカ１０１８の実際の位置と比較される。これらの値が合致する場合、ロボット１０２が既知の場所にあることが保証され得る。ロボット１０２の対象がロボットの座標系に関して提供され得るように、変換Ｔｃｒが、ＤＲＢ１４０４の追跡された位置に適用される。次いで、ロボット１０２は、対象に到達するように移動することを命令され得る。

ステップ１１０４、１１０６の後、ループ１１０２は、追跡システムからＤＲＢ１４０４についての剛体情報を受信するステップ１１０８と、画像座標から追跡システム座標へと対象先端部および軌道を変換するステップ１１１０と、カメラ座標からロボット座標へと対象先端部および軌道を変換する（Ｔｃｒを適用する）ステップ１１１２と、を含む。ループ１１０２は、追跡システムからロボットについての単一逸脱マーカ位置を受信するステップ１１１４と、追跡システム座標からロボット座標へと単一逸脱マーカを変換する（記憶されたＴｃｒを適用する）ステップ１１１６と、をさらに含む。ループ１１０２はまた、順運動学からロボット座標系における単一ロボットマーカ１０１８の現在の場所を判定するステップ１１１８を含む。ステップ１１１６および１１１８からの情報は、変換された追跡された位置からの逸脱マーカ座標が、所与の許容値よりも少ない計算された座標と合致するかどうかを判定するステップ１１２０のために使用される。合致する場合、ステップ１１２２に進み、ロボットの移動を計算して、対象ｘ、ｙ、ｚおよび軌道に適用する。合致しない場合、ステップ１１２４に進み、進行の前に、停止して、誘導管１０１４への全体のアレイ挿入を要求する。アレイが挿入された後、ステップ１１２６は、Ｔｃｒを再び計算し、次いで、ステップ１１０８、１１１４、および１１１８の繰り返しに進む。

この方法１１００は、場所を検証するための単一マーカ１０１８の連続的な監視が省略される方法に勝る。単一マーカ１０１８を用いずに、依然として、Ｔｃｒを使用してエンドエフェクタ１０１２の位置を判定することおよびエンドエフェクタ１０１２を対象の場所に送ることが可能になるが、ロボット１０２が予想された場所に実際にあったかを検証することは可能ではない。例えば、カメラ２００、３２６が落とされ、Ｔｃｒがもはや有効ではなくなった場合、ロボット１０２は、誤った場所へと移動することになる。この理由のために、単一マーカ１０１８は、安全性に関する価値を提供する。

ロボット１０２の所与の固定位置のために、理論的には追跡カメラ２００、３２６を新しい場所へ移動することが可能であり、そこにおいて、単一の追跡されるマーカ１０１８は、アレイではなくて単一点であるので、移動されないままである。かかる場合において、システム１００、３００、６００は、単一マーカ１０１８の計算および追跡された場所における合致が存在するので、誤りを検出しないことになる。しかしながら、一旦ロボットの軸が誘導管１０１２を新しい場所に移動させると、計算および追跡された位置が合致せず、安全性チェックが有効になる。

「監視マーカ」という用語は、例えば、ＤＲＢ１４０４に対して固定された場所にある単一マーカに関して、使用され得る。この場合において、ＤＲＢ１４０４が落とされるか、または別様に取り除かれる場合、監視マーカの相対的な場所が変化し、外科医１２０は、ナビゲーションに問題があり得ることを警告され得る。同様に、本明細書に説明される実施形態では、ロボットの誘導管１０１４上の単一マーカ１０１８を用いて、システム１００、３００、６００は、カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動したかどうかを連続的にチェックすることができる。ロボットの座標系への追跡システムの座標系の位置合わせが、例えば、カメラ２００、３２６が落とされることまたは誤動作することによって、あるいはロボットの誤動作によって失われた場合、システム１００、３００、６００は、ユーザに警告することができ、補正がなされ得る。このため、この単一マーカ１０１８はまた、ロボット１０２のための監視マーカであると考えられ得る。

ロボット１０２上に永久的に装着された全てのアレイ（例えば、図７Ａ〜７Ｃに示されるエンドエフェクタ６０２上の複数の追跡マーカ７０２）を用いると、ロボット監視マーカとしての単一マーカ１０１８のかかる機能は、必要とされないことは明らかであろう。なぜなら、カメラ２００、３２６が、ロボット１０２に対して固定位置にあることを要求されないからであり、Ｔｃｒは、ロボット１０２の追跡された位置に基づいて各フレームにおいて更新される。全体のアレイの代わりに単一マーカ１０１８を使用する理由は、全体のアレイがよりかさばるおよび目障りであり、それによって、単一マーカ１０１８よりも外科医の視野および手術野２０８へのアクセスを遮り、全体のアレイへの見通し線は、単一マーカ１０１８への見通し線よりも簡単に遮られるからである。

次に、図１７Ａ〜１７Ｂおよび１８Ａ〜１８Ｂを参照すると、器具６０８、例えば、インプラント容器６０８Ｂ、６０８Ｃなどが描写され、それは、固定されたおよび移動可能な追跡マーカ８０４、８０６の両方を含む。インプラント容器６０８Ｂ、６０８Ｃは、ハンドル６２０およびハンドル６２０から延在する外部シャフト６２２を有してもよい。シャフト６２２は、図示されるように、ハンドル６２０に実質的に垂直に、または任意の他の好適な配向に位置付けられてもよい。内部シャフト６２６は、一端にノブ６２８を伴って、外部シャフト６２２まで延在してもよい。インプラント１０、１２は、他端において、当業者に既知の典型的な接続機構を使用してインプラント容器６０８Ｂ、６０８Ｃの先端部６２４において、シャフト６２２に接続する。ノブ６２８は、回転され得、例えば、インプラント１０、１２を拡張するかまたは関節式に連結する。本明細書に参照によって組み込まれる米国特許第８，７０９，０８６号および第８，４９１，６５９号は、拡張可能な融合デバイスおよび設置方法を説明する。

ツール６０８、例えば、インプラント容器６０８Ｂ、６０８Ｃなどを追跡するとき、追跡アレイ６１２は、アレイ６１２を構成する固定されたマーカ８０４および１つ以上の移動可能なマーカ８０６の組み合わせを含有してもよく、または別様にインプラント容器６０８Ｂ、６０８Ｃに取り付けられる。ナビゲーションアレイ６１２は、少なくとも１つ以上の（例えば、少なくとも２つの）固定位置マーカ８０４を含んでもよく、それらは、インプラント容器器具６０８Ｂ、６０８Ｃに対して既知の場所を用いて位置付けられる。これらの固定されたマーカ８０４は、器具の幾何形態に対してどの配向にも移動することができず、器具６０８が空間内にある場所を画定するのに有用である。加えて、アレイ６１２または器具自体に取り付けられ得る少なくとも１つのマーカ８０６が存在し、それは、固定されたマーカ８０４に対して事前に決められた境界内を移動すること（例えば、摺動する、回転することなど）ができる。システム１００、３００、６００（例えば、ソフトウェア）は、移動可能なマーカ８０６の位置をインプラント１０の特定の位置、配向、または他の属性（例えば、図１７Ａ〜１７Ｂに示される拡張可能な椎体間スペーサの高さもしくは図１８Ａ〜１８Ｂに示される関節椎体間スペーサの角度など）に相関させる。このため、システムおよび／またはユーザは、移動可能なマーカ８０６の場所に基づいて、インプラント１０、１２の高さまたは角度を判定することができる。

図１７Ａ〜１７Ｂに示される実施形態では、４つの固定されたマーカ８０４が、インプラント容器６０８Ｂを画定するために使用され、第５の移動可能なマーカ８０６が、事前に決められた経路内で摺動することができ、インプラントの高さについてのフィードバック（例えば、収縮位置または拡張位置）を提供する。図１７Ａは、その最初の高さにおける拡張可能なスペーサ１０を示し、図１７Ｂは、移動可能なマーカ８０６が異なる位置に転移された拡張状態におけるスペーサ１０を示す。この場合において、移動可能なマーカ８０６は、インプラント１０が拡張されるときに、固定されたマーカ８０４の近くに移動するが、この移動は、逆にされてもよく、または別様に異なってもよいことが意図される。マーカ８０６の直線転移の量は、インプラント１０の高さに対応する。２つの位置のみが示されるが、これを連続的な機能として有することが可能であろう。それによって、任意の所与の拡張高さが移動可能なマーカ８０６のある特定の位置に相関され得る。

次に、図１８Ａ〜１８Ｂを参照して、４つの固定されたマーカ８０４が、インプラント容器６０８Ｃを画定するために使用され、第５の移動可能なマーカ８０６が、事前に決められた経路内で摺動するように構成され、インプラント関節角度についてのフィードバックを提供する。図１８Ａは、その最初の直線状態における関節スペーサ１２を示し、図１８Ｂは、移動可能なマーカ８０６が異なる位置に転移された状態で、あるオフセット角度において有節状態にあるスペーサ１２を示す。マーカ８０６の直線転移の量は、インプラント１２の関節角度に対応する。２つの位置のみが示されるが、これを連続的な機能として有することが可能であろう。それによって、任意の所与の関節角度が、移動可能なマーカ８０６のある特定の位置に相関され得る。

これらの実施形態では、移動可能なマーカ８０６は、連続的に摺動して、位置に基づいてインプラント１０、１２の属性についてのフィードバックを提供する。また、移動可能なマーカ８０６が、同様にインプラント属性についての更なる情報を提供することができるところにある必要があるという慎重な位置が存在し得ることも意図される。この場合において、全てのマーカ８０４、８０６の各慎重な構成は、ある特定の配向においてまたはある特定の高さにおいてインプラント容器６０８Ｂ、６０８Ｃおよびインプラント１０、１２の特定の幾何形態に相関させる。加えて、移動可能なマーカ８０６の任意の動きが、任意の他の種類のナビゲートされたインプラントの他の変数属性のために使用され得る。

移動可能なマーカ８０６の直線移動に関して描写および説明されたが、マーカ８０６の回転または他の移動が、インプラント１０、１２についての情報を提供するために有用であり得る適用が存在し得るので、移動可能なマーカ８０６は、摺動することだけに限定されるべきではない。１組の固定されたマーカ８０４および移動可能なマーカ８０６間の位置における相対的な変化が、インプラント１０、１２または他のデバイスについての関連した情報であり得る。加えて、拡張可能な関節インプラント１０、１２が例示されるが、ツール６０８は、他の医療デバイスおよび材料、例えば、スペーサ、ケージ、プレート、締結具、釘、ねじ、ロッド、ピン、ワイヤ構造体、縫合糸、固定用クリップ、ステープル、ステント、骨移植片、生物製剤、または同様のものなどと共に働くことができる。

ここで、椎体の最適な画像を撮影するための画像化デバイスの画像化アームの３次元位置を判定することに関連する本発明の一態様を、図１９〜２７を参照して説明する。

ほとんどの従来のシステムにはナビゲーション機能がなく、Ｃアームの位置付けは、ユーザに依存している。一部のシステムには、ユーザが以前に保存した位置に戻ることができるナビゲーション機能がいくつかある場合がある。言い換えれば、既存のシステムは、画像化システムが過去にあった可能性がある場所をユーザに知らせる機能を備えている可能性がある。対照的に、図１９〜２７で説明される本発明は、最適な画像を撮影するために画像化システムが将来どこにある必要があるかをユーザに知らせることを提案する。

図２３は、本発明の一態様による、Ｃアーム２３１６の３Ｄ位置および配向に関して自動位置決め機能を有するＸ線画像化デバイス２３００の例である。画像化デバイス２３００は、Ｘ線源２３１２からのＸ線伝送を受信するためのセンサアレイ（図示せず）を含む検出器パネルアセンブリ２３１４を含む。画像化デバイス２３００は、参照により本明細書に組み込まれる、本発明の出願人に譲渡された米国特許第１，０４４，８９１０号により完全に記載されている。画像化デバイス２３００は、物理的Ｉ／Ｏケーブルによってコネクタパネル３２０を介して、またはＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈなどを含む周知の無線伝送方法を通して無線で外科用ロボットシステム３００と通信することができる。

較正リングを必要としない画像化システム２３００とは異なり、１３０８などの手動で操作されるＣアームは、通常、図１２Ａに示されるように、検出器パネルアセンブリ１３１６に装着された較正リング２２００を有するであろう。較正リング２２００は、各々が平面を有する２つの離間したリング２２１０、２２１２を含む。各平面は、選択されたパターンで互いに離間した複数の放射線不透過性マーカ２２０６、２２０８を含む。複数の円周方向に離間した光学マーカ２２０２、２２０４の２つのセットもまた、リング２２１０、２２１２に装着されている。放射線不透過性マーカ２２０６、２２０８は、画像化デバイス１３０８の初期位置合わせ（すなわち、画像化空間からカメラ座標系への患者に対するＣアームの位置および配向のマッピング）を実行するために使用され、それによって、追跡サブシステム５３２は、外科処置中にＣアーム１３０８の位置および配向を追跡することができる。ａｕ自動ナビゲート画像化システム２３００の場合、較正リングは不要であり、システムの追跡およびナビゲーションは、システムの全ての可動部分に位置付けられた光学マーカ２３１０またはエンコーダを用いて行うことができる。エンコーダは、使用中いつでもＣアーム２３１６の相対的な位置および配向をマークするために使用することができる。

初期位置合わせが実行されると、追跡サブシステム５３２のカメラ３２６は、外科処置中に、光学マーカ２２０２、２２０４、および任意選択的にＣアーム２３１６上のマーカ２３１０を介して、Ｃアーム２３１６の位置および配向を連続的に追跡することができる。

図２１は、必要な画像が１セットのみとなるように、最適なＡＰおよび横方向画像を取得するために、各椎骨レベルに対する画像化デバイスの３次元（３Ｄ）位置および配向を判定する方法のフローチャートを示す。図２１の処理ステップは、コンピュータ４０８内の画像制御モジュール４０９、画像化デバイス２３００自体のプロセッサ、他の遠隔に位置するプロセッサ、またはそれらの組み合わせによって実行することができる。一実施形態では、画像制御モジュール４０９は、メモリ４１０に格納されたコンピュータ実行可能コードを含む。

ステップ２１００において、ユーザ（通常、手術室のＸ線技師）は、手術台（図示せず）上に横臥している患者がＣアーム２３１６の内側に位置するように、画像化デバイス２３００を手術台の周辺に位置付ける。画像化デバイス２３００が位置付けられると、関心対象の椎骨レベルが含まれている限り、Ｃアーム２３１６が正確にまたは最適に位置付けられているかどうかにかかわらず、ユーザによって一組のＸ線画像（１つのＡＰ画像および１つの横方向画像）が撮影される。典型的なＡＰ画像２６０２および横方向画像２６０４が図２６に示されている。２つの画像が撮影されると、それらはコンピュータ４０８によって受信および保存される。

画像と共に、コンピュータ４０８はまた、２つの画像２６０２、２６０４の各々に対して、Ｃアームの３Ｄ位置および配向（例えば、画像パネル／増強器もしくはＣアームのＸ線源、またはその両方の３Ｄ位置および配向）を受信および格納する。

ステップ２１０２において、関心対象の椎体は、後の分析のためにセグメント化される。セグメント化は、椎体などの体の部分の特定のポイントまたは特徴を識別するプロセスである。手動、半自動、または全自動にすることができる。セグメント化された椎体の図が図２６に示されている。椎体の関連する点を識別するための半自動または全自動のセグメント化方法は、当該技術分野でよく知られている。例えば、「ＩＴＫ−ＳＮＡＰ」（ｗｗｗ．ｉｔｋｓｎａｐ．ｎｅｔで入手可能）と呼ばれるオープンソースソフトウェアプログラムを使用すると、ユーザは各椎体をインタラクティブにセグメント化することができる。

ステップ２１０２はまた、セグメント化プロセスの一部として椎骨レベルを識別することができる。この識別プロセスは完全に手動で行うことができ、ユーザは各レベルを識別する必要がある。代替的に、識別プロセスは、半自動または完全自動にすることもできる。半自動の場合、ユーザは少なくとも１つのレベルを識別でき、残りのレベルは画像処理に基づいて自動的に適用される。例えば、ユーザが１つの椎体をＬ４であると識別すると（図２６に示されるように）、コンピュータ４０８は、例えば、セグメント化された椎体の脊柱前弯角に基づいて、他の全てのレベルを自動的に識別する。二重チェックとして、コンピュータ４０８は、半自動または全自動プロセスのいずれかによって自動的に識別されたレベルが正しいことを確認するようにユーザに求めることができる。

ステップ２１０４において、コンピュータ４０８は、どの椎骨レベルが関心対象のものであるかを識別するようにユーザに求める。次いで、ユーザは、例えば、タッチスクリーン表示デバイス３０４上に表示されたレベル（例えば、Ｌ１〜Ｌ４までの４つのレベル）に触れることによって、グラフィカルユーザインターフェースを使用して、それらを識別する。

ステップ２１０６において、コンピュータ４０８は、データベースから、関心対象の椎体を含む脊椎の３Ｄモデル２７０２を取り出す。３Ｄモデルは、ほとんどの脊椎が通常は標準パターンに従うため、どの患者にも固有ではない統計モデルに基づいている場合もあれば、３Ｄスキャンからの問題となっている特定の患者に基づいている場合もある。代替的に、標準の３Ｄモデルは、画像２６０２、２６０４から導出された脊柱前弯および後弯角などの患者固有のデータによって強化することができる。次いで、取り出された椎体２７０２は、椎体のサイズがＡＰおよび横方向画像のものと同じになるようにスケーリングされる。スケーリングは、ステップ２１０２から得られたセグメント化情報に基づくことができる。

ステップ２１０６において、各関心対象の椎体に対して、コンピュータ４０８は、選択された椎体の取り出された３Ｄモデルの、ＡＰおよび側方画像２６０２、２６０４内の対応するセグメント化された椎骨体への整合を実行する。使用できる方法の１つは、例えば「フルオロＣＴマージ」である。フルオロＣＴマージの１つのアルゴリズムは、２０１５年５月２８日に公開されたＡｐｐｌｉｅｄ Ｂｉｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ、第２０１５巻、記事ＩＤ ４７８０６２、９ページ、「Ｉｍａｇｅ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｓｐｉｎａｌ Ｓｕｒｇｅｒｙ」と題する記事（ｈｔｔｐ：／／ｄｘ．ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１１５５／２０１５／４７８０６２からダウンロード）で見つけることができ、これは参照により本明細書に組み込まれる。基本的に、３Ｄ椎骨モデルの位置および配向（Ｘ、Ｙ、Ｚ、ヨー、ロールおよびピッチを含む）は、最適な整合が達成されるまで、コンピュータ４０８によって調整される。

図２７Ａおよび図２７Ｂは、整合方法を図で示している。図２７Ｂは、Ｘ線源２７０８からの横方向テスト画像２７１０を示している。横方向テスト画像２７１０およびＸ線源２７０６は、それぞれ、テスト画像が撮影されたときの画像化デバイス２３００の検出器パネルアセンブリ２３１４およびＸ線源２３１２の検出器パネル２７１０に対応する。ＡＰテスト画像２７１０およびＸ線源２７０６は、それぞれ、テスト画像が撮影されたときの画像化デバイス２３００の検出器パネル２７１０およびＸ線源２３１２に対応する。見て分かるように、モデルの椎体２７０２は、椎体がＡＰおよび横方向画像の対応する椎体と最も密接に整合するまでスケーリングおよび操作される。

ステップ２１０６は、ステップ２１０４で識別されるように、各関心対象の椎体に対して繰り返される。

次いで、ステップ２１１０において、ステップ２１０８で判定された椎体の最適な３Ｄ位置および配向に基づいて、コンピュータ４０８は、最適なＣアーム２３１６の配向および位置（例えば、検出器パネル２３１４もしくはＸ線源２３１２、またはその両方のいずれかの３Ｄ位置および配向）を判定し、椎体を完全なＡＰおよび横方向の角度で中心に置くようにする。次いで、椎体に対して判定された最適なＣアーム２３１６の配向および位置が、メモリ４１０に記憶される。

ステップ２１１０のこの最適なＣアーム２３１６の配向および位置の決定は、図２７Ａで部分的に見ることができる。図２７Ａは、ＡＰおよび側面テスト画像２６０２、２６０４において対応する椎体と整合されたモデル椎体２７０２を示している。試験ＡＰ画像２６０２を示す左のスクリーンショット２７２０から容易に分かるように、Ｃアーム２３１６の最適な位置は、それを時計回りに約１５度回転させ、椎骨レベルの約半分だけ下に移動させて、椎体を中心に置くことを含むであろう。横方向テスト画像２６０４を示す右のスクリーンショット２７２２から、Ｃアーム２３１６の最適な位置は、それを反時計回りに約１０度回転させ、椎骨レベルの約半分だけ左に移動させて、画像における椎体を中心に置くことを含むであろう。

次いで、椎体の最適なＣアーム２３１６の配向および位置がメモリに保存される。一実施形態では、２つの画像のうちの１つを撮影するための配向および位置情報が格納される。ついで、他の画像を撮影するには、Ｃアーム２３１６を９０度回転させるだけでよい。代替の実施形態では、ＡＰ画像および横方向画像の両方を撮影するための配向および位置情報が格納される。処理されていない追加のレベルがある場合は、ステップ２１０６〜２１１０を繰り返すことができる。

ステップ２１１２において、コンピュータ４０８は、ディスプレイデバイス３０４におけるユーザ選択のための最適な画像化のために利用可能な椎骨レベルを表示し、その一例が図２４Ａに示されている。各レベルに対して、ディスプレイ３０４は、２つのユーザ入力ボタン２４０２および２４０４を表示する。これらのボタンは、画像化システム２３００を理想的または最適な画像化位置に位置付けるために使用される。位置決めは、使用している画像機器に応じて、手動または自動のいずれかであり得る。ボタン２４０２はＡＰ画像を撮影するためのものであり、ボックス２４０４は横方向画像を撮影するためのものである。ユーザは、マウス、タッチスクリーン、キーボードなどの入力デバイスで撮影する画像を選択することができる。一実施形態では、ユーザは、ディスプレイデバイス３０４のタッチセンシティブスクリーンを通して入力ボタンに触れることによって選択を行うことができる。

決定２１１４において、コンピュータ４０８は、画像化デバイス２３００が自動位置決め機能を有するかどうかを判定する。自動位置決め機能により、コンピュータ４０８は、位置および配向コマンドを送信して、ステップ２１１０で判定されるように、画像化デバイス２３００のＣアーム２３１６を最適な３Ｄ位置および配向に移動および回転させることができる。

画像化デバイス２３００がかかる能力を有すると判定された場合、制御はステップ２１１６に移る。ステップ２１１６において、コンピュータ４０８は、Ｃアーム２３１６の最適な３Ｄ位置および配向を画像化デバイスに送信する。

一実施形態では、コンピュータ４０８は、絶対位置および配向データを画像化デバイス２３００に送信する。これは、画像化デバイス２３００が手術室内におけるその正確な位置を知っている場合に可能である。別の実施形態では、コンピュータ４０８は、Ｃアーム２３１６を漸進的に移動および位置付ける移動命令を送信する。コンピュータ４０８は、画像化デバイス２３００の最初の位置合わせから、患者に対するＣアーム２３１６の相対的な位置を知っている。位置合わせデータおよびガントリー上の光学マーカ２３１０から、コンピュータ４０８は、患者に対するＣアーム２３１６の相対的な位置および配向を追跡することができる。追跡データから、およびマーカが追跡されている間に、コンピュータは、最適なＣアーム２３１６の位置および配向に到達するまで、一連の漸進的位置決めコマンドを画像化デバイス２３００に発行することができる。

ステップ２１１４において、画像化デバイスがそのような自動位置決め機能（図１２Ａの画像化システム１３０４など）を有していないと判定された場合、制御はステップ２１１８に移る。ステップ２１１８において、コンピュータ４０８は、ディスプレイデバイス３０４上に、最適な位置に対するＣアーム１３０８の位置の表示をグラフィック表示し、ユーザがＣアーム１３０８を移動および配向させることを可能にする。Ｃアーム１３０８がユーザによって移動すると、ディスプレイデバイス３０４上のグラフィック表示は連続的に更新され、Ｃアーム１３０８がその最適な位置にどれだけ近いかをユーザに示す。Ｃアーム１３０８の位置は、較正リング２２００上の光学マーカ２２０２、２２０４、またはＣアーム上に位置付けられた他のいくつかの追跡可能なマーカによって追跡することができる。グラフィック表示の一例が図２５に示されている。

左の画像は、Ｃアーム１３０８のｘーｙーｚ座標を示す。点線の円は、Ｃアーム１３０８の最適な位置を表す。点線の円の中心は最適なＸ−Ｙ位置を表し、点線の円のサイズは最適なＺ位置を表す。実線の円は、Ｃアーム１３０８の実際の位置を表す。ユーザがＣアーム１３０８を移動させると、実線の円が移動し、そのサイズを変更して、最適な位置に対する実際の３Ｄ（ＸーＹーＺ）位置を示す。

右の画像は、Ｃアーム１３０８のヨー−ピッチーロール座標を示す。点線の円は、Ｃアーム１３０８の最適な配向を表す。点線の円の中心は最適なヨーーピッチ位置を表し、点線の円のサイズは最適なロール位置を表す。実線の円は、ヨー、ピッチ、ロールの観点からＣアーム１３０８の実際の位置を表す。ユーザがＣアーム１３０８を移動させると、実線の円が移動し、そのサイズを変更して、最適な位置に対する３Ｄ配向を示す。

両方の座標上の実線の円がそれぞれの点線の円と整合されると、画像化デバイス１３０４は適切な画像を撮影する準備ができている。例えば、Ｌ１−ＡＰ ２４０２がユーザによって選択された場合、画像化デバイス２３００は、ＡＰ画像を撮影する。それは、画像化デバイス上の適切なボタンを作動させることによって行うことができ、またはコンピュータ４０８から指示を送信して行うことができる。

代替的に、椎骨レベルが選択されると、コンピュータ４０８は、ステップ２１０２〜２１１０を通じて判定された、保存された最適な位置および配向に基づいて、最適なＡＰおよび横方向画像の両方を撮影するように、画像化デバイス２３００に指示を送ることができる。

一実施形態では、画像化デバイス２３００によって撮影および格納された全ての画像に対して、コンピュータ４０８はまた、画像ならびにＣアーム２３１６の位置および配向情報をメモリ４１０に格納する。これは、光学マーカ２３１０および２２０２〜２２０４を通して、またはＣアーム２３１６の全ての軸および３Ｄ位置を制御するモータ内のエンコーダなどの画像化デバイスの内部位置決め要素を通して実現することができる。

画像が撮影されると、新たに取得した画像において、追加の椎骨レベルが利用可能になり得る。例えば、最適なＬ１画像が撮影されると、これらの画像はＬ４などの新しいレベルを含み得る。本発明の一態様では、コンピュータ４０８は、新たに取得された画像（ＡＰおよび横方向の両方）ならびにそれらの位置および配向をメモリ４１０に記憶し、次いで、ステップ２１０４で、新しいレベルが関心対象のものとして識別された場合、新しい椎骨レベルに対してステップ２１０２〜２１１２を繰り返す。

本発明の別の態様では、コンピュータ４０８は、すでに取得されている最適な３Ｄ位置および配向データを改良することができる。同じ例では、コンピュータ４０８は、新たに取得されたＡＰおよび横方向画像に基づいて、Ｌ２およびＬ３に対してステップ２１０２〜２１１２を繰り返すことができる。画像はＬ１に対する最適な３Ｄ位置および配向データに基づいて撮影されたため、Ｌ２およびＬ３に対してより最適に整合されたレベルも含み得る。したがって、Ｌ２およびＬ３に対して改良された３Ｄおよび配向位置は、以前よりもさらに正確になる可能性があろう。

ステップ２１１２において、古いレベル（例えば、Ｌ１〜Ｌ３）に対する入力ボタン２４０２、２４０４に加えて、コンピュータ４０８は、新しいレベルに対する入力ボタン２４１０、２４１２（例えば、Ｌ４に対するＡＰおよび横方向）のグラフィック表現をディスプレイデバイス３０４に表示する。

理解できるように、上記の方法は、各椎骨レベルに対して必要なフルオロショットは１０個以上ではなく、２つ（ＡＰおよび横方向画像の１セット）のみであるので、手術室にＸ線画像化デバイスを位置付けるためのセットアップ時間を大幅に短縮する。この有利な特徴は、処置時間の大幅な短縮、患者および医療専門家の放射線曝露の大幅な低減、および処置に必要な時間が短縮されることによる処置のコスト低減を含む、多くの利点をもたらす。おそらくより重要なことに、本発明はより最適な画像を撮影することを可能にするので、それは医師がインプラントをより正確に配置することを可能にし、それは多くの手術においてより良い患者の転帰につながる。

本発明のいくつかの実施形態を、前述の明細書において開示してきたが、本発明が関連し、前述の説明および関連する図面において提示される教示の利益を有する、本発明の多くの修正および他の実施形態が着想されようことが理解される。このため、本発明が上で開示される具体的な実施形態に制限されないこと、ならびに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。例えば、本発明は腰椎に関して説明されてきたが、本発明は、任意の身体インプラント（インプラントの仮想３Ｄモデルを伴う）、任意の身体構造、または頸椎および胸椎を含む脊椎の他の領域、ならびに膝などのＡＰおよび横方向画像を必要とする他の任意の身体部分に適用可能である。さらに、一実施形態からの特徴を、本明細書に記載の異なる実施形態からの特徴と組み合わせまたは使用することができることが想定される。さらに、本明細書、ならびに以下の特許請求の範囲において、具体的な用語が採用されるが、それらは、一般的かつ説明的意味においてのみ使用され、説明される発明も、以下の特許請求の範囲も制限する目的で使用されない。本明細書において引用される各特許および公開物の全開示は、かかる各特許または公開物が本明細書において参照により個々に組み込まれるように、その全体が参照により組み込まれる。本発明の種々の特性および利点は、以下の特許請求の範囲において記載される。

Claims (22)

1. 椎体の最適な画像を撮影するための画像化デバイスの画像化アームの３次元位置および配向を判定する方法であって、
   前記画像化デバイスから、テスト画像を受信することであって、テスト画像が、
   前記椎体の第１のＸ線画像と、
   前記第１のＸ線画像とは異なる角度での前記椎体の第２のＸ線画像と、を含む、受信することと、
   前記テスト画像に含まれる複数の椎体の中から前記椎体を識別することと、
   ストレージデバイスから前記椎体の３次元モデルを取り出すことと、
   前記取り出された３次元モデルを前記テスト画像に対して整合させることと、
   前記整合された３次元モデルに基づいて、最適なＡＰおよび横方向Ｘ線画像を撮影するための前記画像化アームの３次元位置および配向を判定することと、を含む、方法。
2. 前記識別するステップが、前記テスト画像に含まれる複数の椎体を識別することを含み、
   各識別された椎体に対して、前記画像化アームの３次元位置および配向を３次元的に整合して判定するステップを繰り返す、請求項１に記載の方法。
3. 前記識別するステップが、前記テスト画像内の前記椎体をセグメント化することを含み、
   前記３次元的に整合させるステップが、前記セグメント化された椎体に対して前記取り出された３次元モデルを３次元的に整合させることを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記整合させるステップが、前記テスト画像に含まれる前記識別された椎体に対応するように、前記椎体の前記３次元モデルのサイズをスケーリングすることを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記３次元的に整合させるステップが、フルオロＣＴマージを実行することを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記画像化アームの前記判定された３次元位置および配向に基づいて、前記最適なＡＰおよび横方向Ｘ線画像を受信することと、
   前記受信した最適なＡＰおよび横方向Ｘ線画像に含まれる追加の椎体を識別することと、
   前記識別された追加の椎体の３次元モデルを前記ストレージデバイスから取り出すことと、
   前記取り出された３次元モデルを前記受信した最適なＡＰおよび横方向Ｘ線画像に対して３次元的に整合させることと、
   前記追加の椎体の前記整合された３次元モデルに基づいて、前記識別された追加の椎体の最適なＡＰおよび横方向Ｘ線画像を撮影するための前記画像化アームの前記３次元の位置および配向を判定することと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. テスト画像を受信する前に、前記患者の３次元スキャンから前記３次元モデルを導出することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. ナビゲーションマーカを通して前記画像化アームの位置および配向を追跡することと、
   ディスプレイデバイスに、前記最適な３次元の位置および配向に対する前記画像化アームの整合の範囲のグラフィック表現を表示することと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記表示するステップが、
   座標系上の前記画像化アームの最適な位置および配向のグラフィック表現を表示することと、
   同じ座標系上の前記画像化アームの現在の位置および配向のグラフィック表現を表示することと、
   前記画像化アームが動かされるにつれて、前記画像化アームの前記現在の位置の前記グラフィック表現の位置を連続的に更新することと、を含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記連続的に表示するステップが、
    前記画像化アームの前記最適な位置の前記グラフィック表現として、座標系の中心に円を表示することと、
    前記画像化アームがＸ、Ｙ、またはＺ方向に移動するにつれて、前記画像化アームの前記現在の位置の前記グラフィック表現のサイズを変更することと、を含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記表示するステップが、画像化される前記識別された椎体に対して、前記画像化アームが、前記画像化アームの前記最適な３次元位置および配向にどれだけ密接に整合されているかのグラフィック表現を表示することを含む、請求項８に記載の方法。
12. ナビゲーションマーカを通して前記画像化アームの前記位置を連続的に追跡することと、
    前記画像化アームの前記判定された３次元位置および配向に基づいて、前記画像化デバイスに指示を自動的に送信することと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
13. 身体部分の最適な画像を撮影するための画像化デバイスの画像化アームの３次元位置および配向を判定する方法であって、
    前記画像化デバイスから、テスト画像を受信することであって、テスト画像が、
    前記身体部分の第１のＸ線画像と、
    前記第１のＸ線画像とは異なる角度での前記身体部分の第２のＸ線画像と、を含む、受信することと、
    ストレージデバイスから前記身体部分の３次元モデルを取り出すことと、
    前記取り出された３次元モデルを前記テスト画像に対して整合させることと、
    前記整合された３次元モデルに基づいて、最適なＡＰおよび横方向Ｘ線画像を撮影するための前記画像化アームの３次元位置および配向を判定することと、を含む、方法。
14. 前記テスト画像内の前記身体部分をセグメント化することをさらに含み、前記３次元的に整合させるステップが、前記セグメント化された身体部分に対して前記取り出された３次元モデルを３次元的に整合させることを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記整合させるステップが、前記テスト画像に含まれる前記身体部分に対応するように、前記身体部分の前記３次元モデルのサイズをスケーリングすることを含む、請求項１３に記載の方法。
16. 前記３次元的に整合させるステップが、フルオロＣＴマージを実行することを含む、請求項１３に記載の方法。
17. テスト画像を受信する前に、前記患者の３次元スキャンから前記３次元モデルを導出することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
18. ナビゲーションマーカを通して前記画像化アームの位置および配向を追跡することと、
    ディスプレイデバイスに、前記最適な３次元の位置および配向に対する前記画像化アームの整合の範囲のグラフィック表現を表示することと、をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
19. 前記表示するステップが、
    座標系上の前記画像化アームの最適な位置および配向のグラフィック表現を表示することと、
    同じ座標系上の前記画像化アームの現在の位置および配向のグラフィック表現を表示することと、
    前記画像化アームが動かされるにつれて、前記画像化アームの前記現在の位置の前記グラフィック表現の位置を連続的に更新することと、を含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記連続的に表示するステップが、
    前記画像化アームの前記最適な位置の前記グラフィック表現として、座標系の中心に円を表示することと、
    前記画像化アームがＸ、Ｙ、またはＺ方向に移動するにつれて、前記画像化アームの前記現在の位置の前記グラフィック表現のサイズを変更することと、を含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記表示するステップが、画像化される身体部分に対して、前記画像化アームが、前記画像化アームの前記最適な３次元位置および配向にどれだけ密接に整合されているかのグラフィック表現を表示することを含む、請求項１８に記載の方法。
22. ナビゲーションマーカを通して前記画像化アームの前記位置を連続的に追跡することと、
    前記画像化アームの前記判定された３次元位置および配向に基づいて、前記画像化デバイスに指示を自動的に送信することと、をさらに含む、請求項１３に記載の方法。

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