JP2021146218A - ニューロナビゲーション位置合わせおよびロボット軌道誘導のためのシステム、ならびに関連する方法およびデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】基準フレームが取り付けられた状態でＣＴスキャンが取得されることを必要とせずに、頭蓋手術のために、定位フレームのリング、アーク、および線形オフセットの値が決定されることを可能にする、患者の脳内にインプラントを挿入するための外科用ロボットを使用する方法を提供する。【解決手段】頭蓋手術に使用可能なリング、アーク、およびオフセットの値を有することにより、外科医は、ロボットが使用できない場合のフォールバック戦略として、従来の定位リング−アークフレーム誘導に戻ることが可能になる。【選択図】図１２Ｂ

Description

＜関連出願＞
本出願は、２０１９年３月２２日に出願された、それぞれの内容全体が、あらゆる目的のために、参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願第１６／３６１，８６３号の一部継続出願である。

本開示は、医療デバイスおよびシステムに関し、より具体的には、ニューロナビゲーション位置合わせおよびロボット軌道誘導のためのシステム、ならびに関連する方法およびデバイスに関する。

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、外科用器具といった特定の物体を、例えば、その器具がロボットまたは医師によって位置付けられ、動かされる際に、高精度で追跡する必要がある。

位置認識システムは、オブジェクトの位置の位置合わせおよび追跡のために受動および／または能動センサもしくはマーカを使用することができる。これらのセンサを使用して、システムは１つ以上のカメラ、信号、またはセンサなどからのまたはそれらに対する情報に基づいてセンサの３次元位置を幾何学的に分解することができる。したがって、これらの外科用システムは、位置フィードバックを活用して、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。したがって、手術環境において、ニューロナビゲーション位置合わせおよびロボット軌道誘導を効率的かつ正確に提供するシステムが必要である。

さらに、市販の定位リング−アークシステムは、ＣＴ画像とフレームとの位置合わせを完了するために、ＣＴスキャン内で基準構成要素が検出されることを要する。フレームが解剖学的画像に位置合わせされ、軌道計画がＣＴ画像座標系内で計画されると、所望の軌道を達成するために適用されなければならないリング座標および円弧座標が計算され得る。

基準アレイまたはＣＴスキャナのいずれかが使用できない、いくつかの場合には、リング座標および円弧座標を決定するために、他の手段が必要になる。したがって、基準アレイを使用することなく、リングおよび円弧の設定を計算するためのシステムおよび方法が求められている。

発明概念のいくつかの実施形態によれば、患者の脳内にインプラントを挿入するための外科用ロボットを使用する方法は、手術台に装着された定位フレームベース内に患者の頭蓋骨をクランプすることと、ダイナミックリファレンスベースを定位フレームベースに取り付けることと、脳の医用画像を取得することと、医用画像をダイナミックリファレンスベースに位置合わせすることと、フレームリファレンスアレイを定位フレームベースに装着することと、フレームリファレンスアレイおよびダイナミックリファレンスベースの位置を同時に追跡することと、ダイナミックリファレンスベースを定位フレームベースに位置合わせすることと、医用画像を定位フレームベースに位置合わせすることと、定位フレームベースからフレームリファレンスアレイを取り外すことと、リング−アークアセンブリを定位フレームベースに取り付けることと、リング−アークアセンブリを軌道に設定することと、リング−アークアセンブリを使用して、インプラントを軌道に沿って脳内に挿入することと、を含む。

発明概念のいくつかの他の実施形態によれば、医用画像をリング−アークアセンブリに位置合わせする方法は、手術台に装着された定位フレームベース内に患者の頭蓋骨をクランプすることと、ダイナミックリファレンスベースを定位フレームベースに取り付けることと、脳の医用画像を取得することと、医用画像をダイナミックリファレンスベースに位置合わせすることと、フレームリファレンスアレイを定位フレームベースに装着することと、フレームリファレンスアレイおよびダイナミックリファレンスベースの位置を同時に追跡することと、ダイナミックリファレンスベースを定位フレームベースに位置合わせすることと、医用画像を定位フレームベースに位置合わせすることと、定位フレームベースからフレームリファレンスアレイを取り外すことと、を含む。

以下の添付図面は、本開示のさらなる理解をもたらすために含まれ、本出願の一部を構成するのに組み込まれ、本発明概念の特定の非限定実施形態を示す。図面は、以下の通りである：
いくつかの実施形態による、外科手術中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の配設の俯瞰図である。 いくつかの実施形態による、頭蓋外科手術中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の代替配設の俯瞰図である。 いくつかの実施形態による、患者に対する外科用ロボットおよびカメラの位置決めを含むロボットシステムを示す。 いくつかの実施形態による、外科用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施操作を示すフローチャート図である。 いくつかの実施形態による、外科用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示す図である。 いくつかの実施形態による、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）ローカライザ、フレームリファレンスアレイ（ＦＲＡ）、およびダイナミックリファレンスベース（ＤＲＢ）を使用して患者の解剖学的特徴を位置合わせするためのシステムを示す。 いくつかの実施形態による、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）ローカライザ、フレームリファレンスアレイ（ＦＲＡ）、およびダイナミックリファレンスベース（ＤＲＢ）を使用して患者の解剖学的特徴を位置合わせするためのシステムを示す。 いくつかの実施形態による、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）ローカライザ、フレームリファレンスアレイ（ＦＲＡ）、およびダイナミックリファレンスベース（ＤＲＢ）を使用して患者の解剖学的特徴を位置合わせするためのシステムを示す。 いくつかの実施形態による、蛍光透視（フルオロ）撮像を使用して患者の解剖学的特徴を位置合わせするためのシステムを示す。 いくつかの実施形態による、蛍光透視（フルオロ）撮像を使用して患者の解剖学的特徴を位置合わせするためのシステムを示す。 いくつかの実施形態による、術中ＣＴ器具（ＩＣＴ）およびＤＲＢを使用して患者の解剖学的特徴を位置合わせするためのシステムを示す。 いくつかの実施形態による、ＤＲＢおよびＸ線コーンビーム撮像デバイスを使用して患者の解剖学的特徴を位置合わせするためのシステムを示す。 いくつかの実施形態による、ＤＲＢおよびＸ線コーンビーム撮像デバイスを使用して患者の解剖学的特徴を位置合わせするためのシステムを示す。 いくつかの実施形態による、ナビゲートされたプローブと、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準とを使用して患者の解剖学的特徴を位置合わせするためのシステムを示す。 いくつかの実施形態による、中心点−円弧機構の調整範囲の２次元視覚化を示す。 いくつかの実施形態による、仮想点回転機構の２次元視覚化を示す。 調整可能な剛体リンケージを介してフレームベースに取り付けられた追跡球体を有する例示的なダイナミックリファレンスベースを示す。 調整可能な剛体リンケージを介してフレームベースに取り付けられた追跡球体を有する例示的なダイナミックリファレンスベースを示す。

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。

いくつかの他の実施形態によれば、ニューロナビゲーション位置合わせおよびロボット軌道誘導のためのシステム、ならびに関連する方法およびデバイスが開示される。いくつかの実施形態では、患者の解剖学的特徴、患者の解剖学的特徴に対して固定される位置合わせ器具、および位置合わせ器具に対して固定される第１の複数の基準マーカを有する第１の画像が解析され、第１の複数の基準マーカの各基準マーカについて位置が決定される。次に、第１の複数の基準マーカの決定された位置に基づいて、解剖学的特徴に対する位置合わせ器具の位置および配向が決定される。位置合わせ器具に対して固定される第２の複数の追跡マーカを含むデータフレームも解析され、第２の複数の追跡マーカの各追跡マーカについて位置が決定される。第２の複数の追跡マーカの決定された位置に基づいて、外科用ロボットのロボットアームに対する位置合わせ器具の位置および配向が決定される。解剖学的特徴に対する位置合わせ器具の決定された位置および配向と、ロボットアームに対する位置合わせ器具の決定された位置および配向とに基づいて、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、これにより、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ができる。

この実施形態および他の実施形態の利点は、多種多様の異なる位置合わせハードウェアおよび方法をサポートする、ニューロナビゲーションとロボット軌道整列とを１つのシステムに組み合わせる能力を含む。例えば、以下で詳細に説明されるように、実施形態は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）位置合わせ技術および蛍光透視（フルオロ）位置合わせ技術の両方をサポートすることができ、また、フレームベースおよび／またはフレームレスの外科的配設を利用することができる。さらに、多くの実施形態では、最初の（例えば、術前の）位置合わせが、位置合わせ器具の動きによって損なわれたとしても、位置合わせ器具（および、転じて解剖学的特徴）の位置合わせを、手術を中断すること、および術前画像を再捕捉することなく、術中に再確立することができる。

ここで図面を参照すると、図１Ａは、一実施形態による外科用ロボットシステム１００を示す。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、ベース１０６、ディスプレイ１１０、例えば、ガイドチューブ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。ロボットアーム１０４は、ユーザからの入力、処理デバイスから受信したコマンド、または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／またはその周りを動くことができる。外科用ロボットシステム１００は、患者２１０に（例えば、患者２１０の骨に）直接固定されるように適応される、１つ以上の追跡マーカ１１８を含む患者追跡デバイス１１６を含んでもよい。以下で詳しく考察されるように、追跡マーカ１１８は、患者２１０の解剖学的特徴に対して固定されている定位フレームに固定されてもよく、またはその一部であってもよい。定位フレームはまた、手術中の患者２１０の動きを防止する器具に固定されてもよい。

代替実施形態によれば、図１Ｂは、頭蓋外科手術中のロボットシステム１００、患者２１０、外科医１２０、および他の医療関係者の場所の代替配設の俯瞰図である。例えば、頭蓋手術中、ロボット１０２は、患者２１０の頭部１２８の後ろに位置付けられてもよい。ロボット１０２のロボットアーム１０４は、手術中に、外科用器具１０８を保持することができ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に固定されて、患者ベース２１１に対する患者の頭部１２８の動きを防止する。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、例えば、補助アーム１０７を介してロボットベース１０６に固定されて、手術中のロボット１０２のコンポーネントに対する患者２１０の相対的な動きを防止する。術中ＣＴデバイス１３０、麻酔ステーション１３２、スクラブステーション１３６、神経調節ステーション１３８、ならびに／または手術中にロボット１０２および／もしくは他のデバイスを制御する１つ以上のリモートペンダント１４０といった様々なデバイスを、手術を容易にするために、所望に応じて、患者の頭部１２８および／または患者ベース２１１に対して位置付けることができる。

図１Ａおよび／または１Ｂの例におけ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上に位置付けられるカメラ２００といったセンサを使用することもできる。カメラスタンド２０２は、カメラ２００を所望の位置に動かす、配向する、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、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ボリューム内の能動および受動追跡マーカ１１８（図２の患者追跡デバイス１１６の一部として示される）を特定することができる１つ以上のカメラ（例えば、２焦点または立体写真測量カメラ）といった任意の好適なカメラ（複数可）を含んでもよい。この例では、カメラ２００は、所与の測定ボリュームをスキャンし、追跡マーカ１１８から来る光を検出して、３次元における追跡マーカ１１８の位置を特定および決定することができる。例えば、能動追跡マーカ１１８は、電気信号によって作動される赤外線発光マーカ（例えば、赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ））を含んでよく、受動追跡マーカ１１８は、例えば、カメラ２００または他の好適なセンサもしくは他のデバイス上の発光体が出す赤外線または他の光を反射する逆反射マーカ（例えば、これらは入射するＩＲ放射線を当該入射光の方向に反射する）を含んでもよい。

多くの外科手術において、例えば、脳内のターゲットといった外科的に関心のある１つ以上のターゲットが外部リファレンスフレームに対して位置特定される。例えば、定位神経外科は、フレームに装着されたアークを介して患者の位置特定およびインプラント挿入を容易にする、外部装着された定位フレームを使用する場合がある。ニューロナビゲーションを使用して、術前または術中の撮像に基づいて、脳内のターゲットが位置合わせ、例えば、マッピングされる。この術前または術中の撮像を使用して、撮像と手術環境の実際の解剖学的構造との間にリンクおよび関連付けを作製することができ、これらのリンクおよび関連付けを、手術中にロボット軌道システムが活用することができる。

いくつか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、脳内の器具またはインプラントの場所を計画、位置合わせ、配置、および検証するために使用することができるシステムを作成することができる。これらのシステムは、図１Ａおよび／または１Ｂの外科用ロボット１０２といった外科用ロボットを統合することができ、また、外科ナビゲーションシステムおよび計画ソフトウェアを使用して、外科用ロボットをプログラムおよび制御することができる。追加または代替として、外科用ロボット１０２は、例えば、非滅菌の人員が遠隔操作することができる。

ロボット１０２は、患者２１０の近くまたは隣りに位置付けられてよく、また、ロボット１０２は、手術を受けている患者２１０の領域に応じて、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も、外科用ロボットシステム１００から分離されて、患者２１０の近くまたは隣りで、カメラ２００が手術野２０８への直接の視線を有することができるようにする任意の好適な位置に位置付けることができる。図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およびディスプレイ１１０を操作することができる。外科助手１２６が外科医１２０の向かいに位置付けられて、ここでもエンドエフェクタ１１２およびディスプレイ１１０の双方にアクセスすることができる。所望される場合、外科医１２０および助手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器械出し技師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の他のコンポーネントに関して、ディスプレイ１１０は、外科用ロボット１０２に取り付けることができ、他の実施形態では、ディスプレイ１１０は、外科用ロボット１０２から取り外されて、外科用ロボット１０２と共に手術室内か、遠隔の場所のいずれかにあってもよい。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１つのモータによって制御されてもよい。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ１１２は、患者２１０における手術を行うために使用される外科用器具１０８を受容し、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。本明細書において使用される場合、「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に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では、エンドエフェクタ１１２は、所望の様式で外科用器具１０８の動きをもたらすための任意の既知の構造を含むことができる。

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に関連付けられたオイラー角（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軸のうちの１つ以上の周りで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使用する従来のロボットと比較して大幅に向上された精度で医療処置を行うことを可能にし得る。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。

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、外科用ロボット１０２が手術中に外科用器具１０８の場所を常に認識することができるようにすることができる。そのため、いくつかの実施形態では、外科用ロボット１０２は、医師からのいかなるさらなる支援を受けずに（ただし、医師がそうすることを所望する場合を除く）外科用器具１０８を素早く所望の位置に動かすことができる。いくつかのさらなる実施形態では、外科用ロボット１０２は、外科用器具１０８が選択された予め計画された軌道から外れた場合、外科用器具１０８の経路を修正するように構成することができる。いくつかの実施形態では、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１０８の移動の停止、変更、および／または手動制御を可能にするように構成することができる。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、変更、または手動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１０８の制御および移動を含む外科用ロボットシステム１００のさらなる詳細は、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公開第２０１３／０３４５７１８号に記載されている。

以下でより詳細に説明するように、外科用ロボットシステム１００は、３次元でのロボットアーム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上といったようにロボット１０２の外面に装着する（または別の方法で固定する）ことができるが、これに限定されない。例えば、以下の図３の実施形態といったいくつかの実施形態では、１つ以上の追跡マーカを、エンドエフェクタ１１２に装着するか、または別の方法で固定することができる。１つ以上の追跡マーカを、患者２１０にさらに装着する（または別の方法で固定する）ことができる。いくつかの実施形態では、外科医、外科用ツール、またはロボット１０２の他の部分によって不明瞭になる可能性を低減するために、複数の追跡マーカを手術野２０８から離間した患者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等）にさらに装着する（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）のそれぞれが外科用ロボットシステム１００によって追跡されることを可能にする。いくつかの実施形態では、システム１００は、マークされたオブジェクトの各々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、（例えば、エンドエフェクタ１１２のチューブ１１４内に位置付けられた）外科用器具１０８の配向および位置、ならびに患者２１０の相対位置を計算することができる。外科用ロボット１０２および外科用器具１０８の制御、移動、および追跡を含む外科用ロボットシステム１００のさらなる詳細は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許公開第２０１６／０２４２８４９号に記載されている。

いくつかの実施形態では、術前撮像を使用して、手術対象とされる解剖学的構造を特定することができる。外科医が所望する場合、計画パッケージによって再フォーマットされた座標系の定義が可能になる。この再フォーマットされた座標系には、神経外科手術の前交連（ＡＣ）および後交連（ＰＣ）といった特定の解剖学的ランドマークに固定された座標軸がある。いくつかの実施形態では、解剖学的構造上の任意の所与の点の座標を他のすべての術前検査画像上の対応する点に変換することができるように、多数の術前検査画像（例えば、ＣＴまたは磁気共鳴（ＭＲ）画像）を共位置合わせすることができる。

本明細書で使用する際、位置合わせは、ある座標系から別の座標系への座標変換を確定するプロセスである。例えば、術前画像の共位置合わせでは、ＣＴスキャンをＭＲスキャンに共位置合わせすることは、ＣＴスキャンからの解剖学的点の座標をＭＲスキャンにおける対応する解剖学的場所に変換することができることを意味する。また、室内の患者の解剖学的点の術中のあらゆる動きがロボットシステム１００によって検出され、外科用ロボット１０２の補償的な動きによって説明されるように、カメラ２００がリアルタイムでカメラ空間内の患者の位置を追跡することを可能にする、ダイナミックリファレンスベース（ＤＲＢ）といった一般的な位置合わせ器具の座標系に少なくとも１つの検査画像座標系を位置合わせすることが有利であり得る。

図３は、いくつかの実施形態による、外科用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施操作３００を示すフローチャート図である。操作３００は、第１の時間に、術前画像捕捉デバイスから、ＣＴスキャンといった第１の画像ボリュームを受け取ることを含むことができる（ブロック３０２）。第１の画像ボリュームは、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る位置合わせ器具の少なくとも一部分とを含む。位置合わせ器具は、位置合わせ器具に対して固定される第１の複数の基準マーカを含む。操作３００は、第１の複数の基準マーカの各基準マーカについて、第１の画像ボリュームに対する基準マーカの位置を決定することをさらに含む（ブロック３０４）。操作３００は、第１の複数の基準マーカの決定された位置に基づいて、解剖学的特徴に対する位置合わせ器具上の追跡マーカのアレイ（基準位置合わせアレイ、つまり、ＦＲＡ）の位置を決定することをさらに含む（ブロック３０６）。

操作３００は、第１の時間よりも後の第２の時間に、複数の追跡カメラを含む術中追跡デバイスから、追跡データフレームを受け取ることをさらに含むことができる（ブロック３０８）。追跡フレームは、位置合わせ器具（ＦＲＡ）に対して固定される複数の追跡マーカおよびロボットに対して固定される複数の追跡マーカの位置を含む。操作３００は、位置合わせ器具の追跡マーカの位置に基づいて、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さらに含む（ブロック３１０）。操作３００は、ロボット上の複数の追跡マーカの決定された位置に基づいて、追跡カメラに対する外科用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さらに含む（ブロック３１２）。

操作３００は、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、ならびに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さらに含む（ブロック３１４）。操作３００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、例えば、１つ以上の定義された軸に沿ったおよび／またはその周りを回転する、解剖学的特徴に対するロボットアームの移動を制御することをさらに含む（ブロック３１６）。

図４は、いくつかの実施形態による、外科用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、多数座標変換システムのデータフロー４００を示す図である。この例では、複数の検査画像に基づく複数の検査画像空間４０２からのデータを変換して、共通検査画像空間４０４に組み合わせることができる。共通検査画像空間４０４からのデータ、および検証画像に基づく検証画像空間４０６からのデータを変換して、位置合わせ画像空間４０８に組み合わせることができる。位置合わせ画像空間４０８からのデータを患者基準座標４１０に変換することができ、これは、ＤＲＢ４１２用の座標に変換される。追跡カメラ４１４が、ＤＲＢ４１２の移動を検出することができ（ＤＲＢ４１２’によって表される）、また、プローブトラッカ４１６の場所も検出して、ＤＲＢ４１２の座標を経時的に追跡することができる。ロボットアームトラッカ４１８が、ロボット計画システム（ＲＰＳ）空間４２０または同様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。

これらの特徴および他の特徴を使用して様々に組み合わせて、画像空間、すなわち、画像ボリュームからの座標を追跡空間、すなわち、外科用ロボットがリアルタイムで使用するための座標に位置合わせすることができることを理解されるべきである。以下で詳細に考察されるように、これらの特徴には、ＣＴローカライザを有する定位フレーム、術中蛍光透視法を使用して位置合わせされた術前ＣＴまたはＭＲＩ、任意の取得されたスキャンの座標が追跡空間に対して事前に較正されている較正済みスキャナ位置合わせ、および／または例えば、追跡されたプローブを使用した表面位置合わせといった基準ベースの位置合わせが含まれてもよい。

一例では、図５Ａ〜５Ｃは、患者の解剖学的特徴を位置合わせするためのシステム５００を示す。この例では、定位フレームベース５３０は、例えば、患者の頭部である患者の解剖学的特徴５２８に固定される。図５Ａに示すように、頭蓋骨をクランプするピンまたは他の方法を使用する位置合わせの前に、定位フレームベース５３０を、患者の頭部５２８に固定することができる。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、およびＣＴローカライザ５３６またはＦＲＡ器具５３４を交互に保持するための位置合わせおよび追跡プラットフォームの両方として作動することができる。ＣＴローカライザ５３６は、複数の基準マーカ５３２（例えば、Ｎパターンの放射線不透過ロッドまたは他の基準）を含み、これらは、画像処理を使用して画像空間で自動的に検出される。ベース５３０へのＣＴローカライザ５３６の正確な取り付け機構により、これら基準マーカ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が取り付けられている患者の３Ｄ ＣＴスキャンが取られ、画像ボリュームは患者の頭部５２８、およびＣＴローカライザ５３６の基準マーカ５３２の両方を含む。この位置合わせ画像は、例えば、手術室または放射線科のどちらかで、術中または術前に撮ることができる。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に示すように、位置合わせ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から取り外され、フレームリファレンスアレイ器具５３４が定位フレームベース５３０に取り付けられる。しかしながら、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り、手術中に患者を固定するために使用され、フレームリファレンスアレイ器具５３４の取り付け点として機能する。フレームリファレンスアレイ器具５３４は、フレームリファレンスアレイ（ＦＲＡ）を含む。これは、光学追跡の主なリファレンスであってもよい３つ以上の追跡されたマーカ５３９からなる剛体アレイである。ＦＲＡの追跡されたマーカ５３９を定位フレームベース５３０に対して固定で既知の場所および配向に位置決めすることによって、患者の頭部５２８の位置および配向をリアルタイムで追跡することができる。ＦＲＡ器具５３４および定位フレームベース５３０の装着点は、最小（すなわち、サブミリメトリック）の変動で、ＦＲＡ器具５３４が定位フレームベース５３０に再現性をもって取り付けられるように設計することができる。定位フレームベース５３０のこれらの装着点は、スキャンが行われた後に取り外されたＣＴローカライザ５３６によって使用された同じ装着点にすることができる。（例えば、図１Ｂの補助アーム１０７といった）補助アームまたは他の取り付け機構をまた使用して、患者をロボットベースにしっかりと固定し、確実にロボットベースが患者に対して動かないようにすることができる。

図５Ｃに示すように、ダイナミックリファレンスベース（ＤＲＢ）５４０を定位フレームベース５３０に取り付けることもできる。この例におけるＤＲＢ５４０は、３つ以上の追跡されたマーカ５４２からなる剛体アレイを含む。この例では、ＤＲＢ５４０および／または他の追跡されたマーカは、補助装着アーム５４１、ピン、または他の取り付け機構を使用して、定位フレームベース５３０に、および／または、直接患者の頭部５２８に取り付けることができる。定位フレームベース５３０の明白な位置特定のために１つの方法のみで装着されるＦＲＡ器具５３４とは異なり、ＤＲＢ５４０は、一般に、妨げられない外科的および機器アクセスを可能にするために必要に応じて取り付けることができる。ＤＲＢ５４０およびＦＲＡ器具５３４が取り付けられると、最初はＦＲＡの追跡マーカ５３９に関係付けられていた位置合わせは、任意選択的にＤＲＢ５４０の追跡マーカ５４２に転送または関係付けることができる。例えば、ＦＲＡ器具５３４の任意の部分が外科的アクセスを妨げる場合、外科医はＦＲＡ器具５３４を取り外して、ＤＲＢ５４０のみを使用してナビゲートすることができる。しかしながら、ＦＲＡ器具５３４が手術の邪魔になっていない場合、外科医は、ＤＲＢ５４０を使用せずにＦＲＡマーカ５３９からナビゲートすることを選択するか、またはＦＲＡマーカ５３９およびＤＲＢ５４０の両方を使用してナビゲートすることができる。この例では、ＦＲＡ器具５３４および／またはＤＲＢ５４０は、光学マーカを使用し、その追跡された位置は、ＣＴローカライザ５３６と同様に、定位フレームベース５３０に対して既知の場所にあるが、他の多くの追加および／または代替の技術が使用されてもよいことを理解すべきである。

図６Ａおよび６Ｂは、いくつかの実施形態による、蛍光透視（フルオロ）撮像を使用して患者の解剖学的特徴を位置合わせするためシステム６００を示す。この実施形態では、画像空間は、追跡された位置合わせ器具６４４を使用して撮られた多数の術中蛍光透視（フルオロ）画像を使用して追跡空間に位置合わせされる。患者の解剖学的特徴（例えば、患者の頭部６２８）は、残りの手術の間、クランプ装置６４３内で静止位置に位置付けられて、しっかりと固定される。患者をしっかりと固定するためのクランプ装置６４３は、所望に応じて、メイフィールドクランプなどの３ピン固定システム、手術台に取り付けられた定位フレームベース、または別の固定方法であってもよい。クランプ装置６４３はまた、患者追跡アレイまたはＤＲＢ６４０の支持構造体としても機能することができる。補助装着アーム６４１または他の手段を使用して、ＤＲＢをクランプ装置に取り付けることができる。

患者が位置付けられると、フルオロ器具６４４は、フルオロユニットのＸ線収集画像増強管（図示せず）取り付けられ、クランプ足部６３２を締めることによって固定される。フルオロ器具６４４は、フルオロ画像捕捉デバイスによって捕捉された２Ｄフルオロ画像上で可視であり、標準の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１メートル離れている、画像増強管に対するＸ線源の場所を計算するために使用することができる基準マーカ（例えば、この例では２つの平面に置かれる図示しない金属球体）を含む。フルオロ画像捕捉デバイスによって捕捉されたフルオロ画像内の金属球体の検出はまた、ソフトウェアがフルオロ画像をデワープする（すなわち、ピンクッションおよびＳひずみを取り除く）ことを可能にする。さらに、フルオロ器具６４４は、追跡空間におけるフルオロ器具６４４の場所および配向を決定するための３つ以上の追跡マーカ６４６を含む。いくつかの実施形態では、ソフトウェアが、以前に捕捉されたＣＴ画像に基づいてＣＴ画像ボリュームを通してベクトルを投影して、実際のフルオロ画像（すなわち、デジタル的に再構成された放射線写真（ＤＲＲ））に類似して出現するＣＴ画像内のコントラストレベルに基づいて合成画像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順次繰り返すことにより、２つ以上の視点でフルオロ画像とＤＲＲとの間で一致を見つけることができ、この一致に基づいて、Ｘ線源および検出器に対する患者の頭部６２８の場所が計算される。フルオロ器具６４４上の追跡マーカ６４６は画像増強管の位置を追跡し、画像増強管に対するＸ線源の位置は２Ｄ画像上に投影されたフルオロ器具６４４の金属基準から計算されることから、追跡空間におけるＸ線源および検出器の位置がわかり、システムは、画像と追跡との位置合わせを実現することができる。

図６Ａおよび６Ｂに示すように、装着アーム６４１を介して位置合わせ器具６３０に固定されているＤＲＢ６４０のアレイマーカ６４２およびフルオロ器具６４４上の追跡マーカ６４６を追跡しながら、２つの異なる視点から、フルオロ画像捕捉デバイスによって患者の頭部６２８の２つ以上のショットが撮られる。追跡データおよびフルオロデータに基づいて、アルゴリズムが手術のための追跡空間に対する頭部６２８または他の解剖学的特徴の場所を計算する。画像と追跡との位置合わせを通じて、画像ボリューム空間内の任意の追跡された任意のツールの場所を計算することができる。

例えば、一実施形態では、第１のフルオロ視点から撮られた第１のフルオロ画像を、ＣＴ画像ボリュームを通る第１の視点から構築された第１のＤＲＲと比較することができ、第２のフルオロ視点から撮られた第２のフルオロ画像を、同じＣＴ画像ボリュームを通る第２の視点から構築された第２のＤＲＲと比較することができる。比較に基づいて、第１のＤＲＲが、解剖学的特徴の投影されたビューに関して第１のフルオロ画像と実質的に同等であり、第２のＤＲＲが、解剖学的特徴の投影されたビューに関して第２のフルオロ画像と実質的に同等であると決定することができる。等価性は、カメラ空間において追跡された実際のフルオロマシン上の放射体から収集体へのＸ線経路の位置および配向が、ＣＴ空間においてＤＲＲを生成するときに指定された放射体から収集体へのＸ線経路の位置および配向と一致することを裏付け、したがって、追跡空間のＣＴ空間への位置合わせが達成される。

図７は、いくつかの実施形態による、術中ＣＴ器具（ＩＣＴ）およびＤＲＢを使用して患者の解剖学的特徴を位置合わせするためのシステム７００を示す。図７に示すように、１つの応用では、複数の追跡マーカ７５１および放射線不透過性の基準リファレンスマーカ７３２を有する術中ＣＴ器具（ＩＣＴ）７５０を使用する基準ベースの画像と追跡と位置合わせを利用して、ＣＴ空間を追跡空間に位置合わせすることができる。３ピンメイフィールドフレームおよび／または定位フレームなどのクランプ装置７３０を使用して解剖学的特徴７２８（例えば、患者の頭部）を安定させた後、外科医は、ＩＣＴ７５０を、解剖学的特徴７２８、ＤＲＢ７４０、またはクランプ装置７３０に、装着アーム７４１または他の剛体手段によって適所に保持され得るＤＲＢ７４０の追跡マーカ７４２に対して静止位置にあるように固定する。ＩＣＴ７５０の基準リファレンスマーカ７３２を包含するＣＴスキャンが、解剖学的特徴７２８の関連の解剖学的構造も捕捉しつつ捕捉される。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、ＩＣＴ７５０の追跡マーカに対して固定位置にある、ＣＴボリューム内のＩＣＴの基準リファレンスマーカ７３２の場所を（画像処理を通じて）自動的に特定し、画像と追跡との位置合わせが提供される。最初はＩＣＴ７５０の追跡マーカ７５１に基づいていたこの位置合わせは、次に、ＤＲＢ７４０の追跡マーカ７４２に関係付けられるまたは転送されて、次に、ＩＣＴ７５０を取り外すことができる。

図８Ａは、いくつかの実施形態による、ＤＲＢおよびＸ線コーンビーム撮像デバイスを使用して患者の解剖学的特徴を位置合わせするためシステム８００を示す。Ｘ線マシンまたは他のスキャンデバイスなどの術中スキャナ８５２が、位置合わせのために上に装着された追跡マーカ８５５を有する追跡アレイ８５４を有することができる。スキャンデバイス上の追跡アレイ８５４の固定の既知の位置に基づいて、システムは較正されて、追跡空間を、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直接マッピング（位置合わせ）することができる。位置合わせが達成されると、最初はスキャナのアレイ８５４の追跡マーカ８５５（例えば、ガントリマーカ）に基づいている位置合わせは、装着アーム８４１または他の剛体手段によって患者の頭部８２８を保持するクランプ器具８３０に固定され得るＤＲＢ８４０の追跡マーカ８４２に関係付けられるまたは転送される。位置合わせを転送した後は、スキャナのマーカは使用されなくなり、所望に応じて、取り外される、無効にされる、または覆われてもよい。いくつかの実施形態では、このようにして追跡空間をスキャナによって取得された任意の画像に位置合わせすることにより、画像空間における基準または他の参照マーカの必要性を回避することができる。

図８Ｂは、ここではＣアームスキャナ８５３と称される携帯型術中スキャナを使用する代替システム８００’を示す。この例では、Ｃアームスキャナ８５３は、手術の他の側面に干渉することなく、Ｃアームスキャナ８５３を必要に応じて所定の位置に移動すること、およびそこから取り外すことを可能にする可動ベース８５８に結合されたｃ字型アーム８５６を含む。アーム８５６は、術中、患者の頭部８２８の周りに位置付けられ、アーム８５６を患者の頭部８２８に対して回転および／または平行移動して、Ｘ線または他のタイプのスキャンを捕捉して位置合わせを達成し、その時点で、Ｃアームスキャナ８５３を患者から取り外すことができる。

いくつかの実施形態によれば、患者の解剖学的特徴、例えば患者の頭部の別の位置合わせ方法は、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、ナビゲートもしくは追跡されたプローブ、またはレーザーポインター、３Ｄカメラなどといった他の測定もしくは検知デバイスを使用して構成することができる。例えば、外科医は、ナビゲートされたプローブで、頭部の表面上の点をドラッグするか、連続的にタッチして、頬骨、眉弓、鼻梁、眉毛などといった一意の突起の表面を捕捉することができる。システムは、次いで、結果として得られた表面輪郭を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場所および配向を探す。患者の動きを考慮し、すべての輪郭点が同じ解剖学的特徴に対して確実に取られるようにするために、各輪郭点は、それが記録されたときの患者上のＤＲＢの追跡マーカに関係付けられる。追跡空間における輪郭マップの場所は、追跡されたプローブおよび追跡されたＤＲＢから既知であるため、対応する輪郭が画像空間で見つかると、追跡と画像との位置合わせが得られる。

図９は、いくつかの実施形態による、ナビゲートもしくは追跡されたプローブと、解剖学的特徴９２８（例えば、患者の頭部）のポイントツーポイントマッピングのための基準とを使用して患者の解剖学的特徴を位置合わせするためのシステム９００を示す。ソフトウェアが、ユーザに、追跡されたプローブを用いてＣＴまたはＭＲ画像に見つけることができる一連の解剖学的ランドマーク点を指し示すように指示する。ユーザがソフトウェアによって示されたランドマークを指し示すと、システムは、プローブおよびＤＲＢ上の追跡マーカの追跡された場所を有する追跡データのフレームを捕捉する。プローブ上のマーカの追跡された場所から、プローブの先端の座標が計算され、ＤＲＢ上のマーカの場所に関係付けられる。両方の空間で３つ以上の点が見つかると、追跡と画像との位置合わせが達成される。自然の解剖学的ランドマークを指し示す代わりに、ステッカー基準または金属基準などの基準９５４（すなわち、基準マーカ）を使用することができる。外科医は、基準９５４を患者に取り付ける。これらは、撮像時に不透過の材料で構成される。例えば、ＣＴで使用する場合は金属を、ＭＲで使用する場合はビタミンＥを含む。撮像（ＣＴまたはＭＲ）は、基準９５４を配置した後に行われる。次いで、外科医またはユーザが、画像ボリューム内の基準の座標を手動で見つけるか、ソフトウェアがそれらを画像処理で自動的に見つける。クランプ装置９３０または剛体手段に接続された装着アーム９４１を通じて、追跡マーカ９４２を有するＤＲＢ９４０を患者に取り付けた後、外科医またはユーザはまた、追跡されたプローブで基準９５４にタッチし、同時に、プローブ（図示せず）およびＤＲＢ９４０上の追跡マーカを記録することによって、物理空間におけるＤＲＢ９４０に対する基準９５４の位置を特定することができる。同じ点の座標が画像空間および追跡空間において既知であるため、位置合わせが達成される。

本明細書に記載される実施形態の１つの用途は、軌道を計画し、ロボットを制御して所望の軌道に移動させ、その後、外科医がロボットによって保持された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である。追加機能には、５つの座標、すなわち、Ｘ、Ｙ、Ｚ、リング角度、および円弧角度を使用するＬｅｋｓｅｌｌフレームなどの既存の定位フレームで使用される座標のエクスポートが含まれる。これらの５つの座標は、画像空間に対して計画段階で特定されたターゲットおよび軌道を使用し、定位フレームベースまたは他の位置合わせ器具に対するリングおよび円弧の位置および配向を知ることによって確立される。

図１０に示すように、定位フレームは、解剖学的特徴１０２８（例えば、患者の頭部）のターゲット場所１０５８が球体の中心として扱われ、軌道がターゲット場所１０５８を中心に枢動することを可能にする。ターゲット場所１０５８への軌道は、定位フレーム（例えば、Ｌｅｋｓｅｌｌフレーム）のリングおよび円弧の角度によって調整される。これらの座標は手動で設定することができ、定位フレームは、ロボットが故障する場合、またはうまく追跡もしくは位置合わせすることができない場合のバックアップまたは冗長システムとして使用することができる。中心点（すなわち、ターゲット場所１０５８）に対する線形のｘ、ｙ、ｚオフセットは、フレームの機構を介して調整される。コーン１０６０は、ターゲット場所１０５８を中心とし、また、Ｌｅｋｓｅｌｌまたは他のタイプのフレームのリングおよび円弧の角度を変更することによって達成することができる調整ゾーンを示す。この図は、リングおよび円弧の調整を有する定位フレームが、頭蓋骨への進入点を変更しつつ、ある範囲の角度から固定のターゲット場所に到達するのによく適していることを示す。

図１１は、いくつかの実施形態による仮想点回転機構の２次元視覚化を示す。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することができないが、本明細書に記載される実施形態を使用して達成することができる新しい移動モードを可能にする異なるタイプの点回転機能を作成することができる。本明細書に記載される位置合わせ技術を使用するロボットの軸の協調制御により、このモードは、ユーザがロボットのガイドチューブを空間内の任意の固定点を中心に枢動させることを可能にする。例えば、ロボットは、解剖学的特徴１１２８（例えば、患者の頭部）への進入点１１６２を中心に枢動することができる。この進入点枢動は、術中にターゲット場所１１６４を調整する能力を制限することなく、ユーザがより小さな穿頭孔を開けることを可能にするので、有利である。コーン１１６０は、１つの進入孔を通って到達可能である軌道の範囲を表す。さらに、進入点枢動は、ユーザが、同じ小さな進入穿頭孔を通って２つの異なるターゲット場所１１６４および１１６６に到達することを可能にするので、有利である。代わりに、ロボットは、頭蓋骨内のターゲット点（例えば、図１０に示す場所１０５８）を中心に枢動し、図１０に示すように、異なる角度または軌道からターゲット場所に到達することができる。このようなロボットによる内部枢動は、腫瘍を照射するとき、または血管もしくは神経といった重要な構造が、それらを越えてターゲットに到達するときに横断されないように経路を調整するときなどに、ユーザが多数のアプローチから同じターゲット場所１０５８に近づくことを可能にするので、定位フレームと同じ利点がある。ターゲット／枢動点を固定したままにするために固定のリングおよび円弧のアーティキュレーションに依存する定位フレームとは異なり、ロボットは、軸の制御されたアクティブ化を通じて枢動点を調整する。したがって、ロボットはその枢動点を動的に調整し、必要に応じて図１０および１１に示されているモードを切り替えることができる。

ロボットまたはリングおよび円弧器具を使用するインプラントまたは器具の挿入に続いて、これらのおよび他の実施形態は、術中撮像を使用してインプラントの場所を検証することを可能にすることができる。計画された軌道に対する器具またはインプラントの配置精度は、ユーザに定性的および／または定量的に示すことができる。計画されたを配置された位置と比較するための１つのオプションは、術後検証ＣＴ画像をいずれかの術前画像とマージすることである。術前画像と術後画像とがマージされ、計画が重ね合わされて示されると、術後ＣＴでのインプラントの影を計画と比較して、配置の精度を評価することができる。術後ＣＴでの影アーチファクトの検出は、画像処理およびミリメートルを単位として数値で表示されるオフセットを通じて自動的に行うことができ、先端と進入でのオフセットおよび経路に沿った角度オフセット。このオプションでは、画像間の位置合わせは骨の解剖学的輪郭に基づいて行われるため、検証画像に基準が存在する必要はない。

計画された位置を最終的な配置と比較するための第２のオプションは、フルオロ器具が取り付けられているまたは取り付けられていない状態での術中フルオロを使用する。２つの面外フルオロ画像が撮られ、これらのフルオロ画像は、位置合わせについて前述したように、術前のＣＴまたはＭＲから生成されたＤＲＲと照合される。しかしながら、いくつかの前述の位置合わせ方法とは異なり、重要な情報は電極がフルオロ画像内の解剖学的構造に対してどこに位置するかであるため、フルオロ画像が追跡されることはそれほど重要ではない場合がある。電極の線形またはわずかに湾曲した影がフルオロ画像上に見つかり、そのフルオロショットに対応するＤＲＲが見つかると、この影は、ＣＴ画像ボリューム内に、フルオロ画像およびＤＲＲの光線方向の内または外に配向される平面またはシートとして再現することができる。つまり、システムは、所与のショットで電極がフルオロ画像面のどれくらい奥にまたは手前にあるのかはわからないが、可能な場所の平面またはシートを計算し、この平面またはシートを３Ｄボリュームで表すことができる。第２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て、３Ｄ画像に重ね合わせることができる。これらの２つの平面またはシートが３Ｄ画像上で交差する場所が、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画像ボリューム上のグラフィックとして表すことができ、ユーザが、画像ボリュームを再スライスして、この経路と計画された経路とを所望される視点から表示することを可能にし、これはまた、電極の計画されたから配置された位置の逸脱を自動または手動で計算することも可能にする。フルオロ器具の追跡は不要であるが、フルオロ画像をデワープし、Ｘ線放射体の場所を計算して、ＤＲＲ計算、一致するＤＲＲとフルオロショットとを見つけるために繰り返すときの収束率、および３Ｄスキャンへの電極を表すシート／平面の配置の精度を向上させるのに役立つように行うことができる。

この例および他の例では、ナビゲーションの整合性を維持すること、つまり、位置合わせと追跡とが手術全体を通じて正確なままであることを確実とすることが望ましい。ナビゲーションの整合性を確立および維持する２つの主な方法には、ＤＲＢ上のマーカに対する監視マーカの位置を追跡することと、画像内のランドマークを確認することとが含まれる。第１の方法では、例えばＤＲＢがぶつかることにより、この位置が変化した場合、システムは、ナビゲーションの整合性が失われた可能性があることをユーザに警告することができる。第２の方法では、ランドマーク確認で、画面に表示されたスライス内に表されている解剖学的構造が、プローブの先端が指し示している解剖学的構造と一致しない場合、外科医もナビゲーションの整合性が失われていることに気が付く。どちらの方法でも、ＣＴローカライザおよびフレームリファレンスアレイ（ＦＲＡ）の位置合わせ方法を使用する場合、外科医は、フレームベースに１つの可能な方法のみで装着されるＦＲＡを再取り付けし、ＦＲＡ追跡マーカおよび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と画像との位置合わせを復元するオプションを有する。この位置合わせを、次に、再配置されたＤＲＢ上の追跡マーカに転送するまたは関係付けることができる。位置合わせが転送されたら、所望される場合、ＦＲＡを取り外すことができる。

伝統的に、脳内への標的直線軌道には、定位ヘッドフレームデバイスが使用され得る。定位フレームの一般的な作業フローは、以下のように示され得る。

１．患者の頭蓋骨が、同様に手術台に装着されたフレームベース内にクランプされる。

２．基準ローカライザが、フレームベースに、および患者の頭蓋骨の周りに、一時的に取り付けられる。

３．頭部のＣＴスキャンが行われ、スキャンボリューム内の基準もキャプチャされる。ＣＴが、（例えば、Ｏアームイメージングデバイスを使用して）術中に、またはＣＴスイート内で撮影され得る。ＣＴ画像ボリューム内の基準位置が自動的に検出されて、ＣＴ画像からフレーム座標への変換を計算することが可能になる。

４．基準ローカライザアレイが取り外され、リング機構およびアーク機構が、フレームベースに装着される。

５．ＣＴ画像からフレーム座標への変換、およびフレームベースに対するリング−アークアセンブリの較正された位置に基づいて、所望の軌道に到達するように、フレームのリング、アーク、およびｘｙｚオフセットのダイヤル位置が設定される。

６．針、電極、または他のデバイスが、リング−アークアセンブリに装着されたチューブまたはワイヤーフィーダーを通して挿入される。

リング位置、アーク位置、およびオフセットの設定が、ＣＴスキャン中にリングおよびアークの代わりに一時的に取り付けられた基準ローカライザアレイの位置合わせに基づいて、決定される。患者がＣＴスキャナに入るときに、スキャン中に一時的に取り付けられた基準ローカライザを用いて、フレームベースが、患者の頭に装着され得る。

図５Ａおよび５Ｂを参照すると、本開示の原理と一致するロボットシステムを使用する例示的な作業フローは、以下のステップを含み得る。

１．図５Ａに示されるように、患者の頭蓋骨５２８が、同様に手術台およびロボットベースに装着されフレームベース５３０内にクランプされる。

２．基準ローカライザアレイ５３６が、フレームベース５３０に一時的に取り付けられる。

３．頭部５２８のＣＴスキャンが行われ、スキャンボリューム内の基準５３２もキャプチャされる。ＣＴ画像ボリューム内の基準位置が自動的に検出されて、ＣＴ画像からフレーム座標への変換を計算することが可能になる。

４．図５Ｂに示されるように、基準ローカライザアレイ５３６が取り外され、光学的基準位置合わせアレイ（ＦＲＡ）５３４が、フレームベース５３０に装着される。

５．ＣＴ画像からフレーム座標への変換、およびフレームベース５３０に対するＦＲＡ５３４の較正された位置に基づいて、ロボットが、所望の軌道に到達するために、追跡空間内の必要な位置に自動的に移動する。

６．針、電極、または別のデバイスが、ロボットのエンドエフェクタに装着されたチューブまたはワイヤーフィーダーを通して挿入され得る。

上記のようにロボットを使用する１つの利点および安全機能が、手順をロボット制御で完了できない場合に、ユーザが定位フレームの作業フローに戻ることを、作業フローが可能にすることである。つまり、位置合わせステップは完了したが、ロボットが故障しているか、使用できない場合、システムが、リングおよびアークの設定を計算するだけで、外科医は、ステップ４で、従来の定位フレームの作業フローを始めることができる。

異なる頭蓋ロボット作業フローは、ＣＴまたはＭＲ画像座標系を追跡座標系に位置合わせし、フレーム座標系とＣＴ画像座標系との位置合わせをバイパスするために、異なる位置合わせ方法を使用し得る。ＣＴ／ＭＲ画像と追跡との位置合わせを達成するための例示的な方法は、（１）術中ＣＴ（ＩＣＴ）器具の位置合わせと、（２）デュアル追跡フルオロショットからの術前ＣＴまたはＭＲＩの位置合わせと、（３）ポイントマッピングと、（４）輪郭マッピングと、を含む。ＣＴ／ＭＲ画像と追跡との位置合わせは、以下の作業フローに従い得る。

１．図１２Ａに示されるように、患者の頭蓋骨５２８が、同様に手術台およびロボットベースに装着されたフレームベース５３０内にクランプされる。

２．光学追跡マーカ１２０２を備えたダイナミックリファレンスベース（ＤＲＢ）１２００が、患者の頭蓋骨５２８またはフレームベース５３０に取り付けられる。

３．ＣＴ／ＭＲ画像と追跡との位置合わせが実行される。

４．ＣＴ／ＭＲ画像から追跡座標への変換に基づいて、ロボットが、目的の軌道に到達するために、追跡空間内の必要な位置に自動的に移動する。

５．針、電極、または他のデバイスが、ロボットのエンドエフェクタに装着されたチューブまたはワイヤーフィーダーを通して挿入される。

図１２Ａは、調整可能な剛体リンケージ１２０４を介してフレームベース５３０に取り付けられた追跡球体１２０２を有するＤＲＢ１２００を備える例示的な実施形態を示す。図１２Ｂは、フレームベース５３０に取り付けられたＤＲＢ１２００およびＣＴ画像と追跡との位置合わせ器具（ＩＣＴ）１２０６を示す。ＩＣＴ１２０６は、光学追跡システムによって追跡される４つの追跡球体１２０８と、ＣＴ画像ボリューム内で検出される複数の埋め込まれた放射線不透過性（チタン）基準球体１２１０と、を含み得る。

上記の作業フローでは、ＣＴ／ＭＲ画像からフレームへの変換が決定されていないため、リング−アーク定位デバイスの設定が不明である可能性がある。この変換がないと、前述のようにロボットが故障したか、または使用できない場合に、ユーザは、リング−アークシステムに戻ることができないであろう。

リング−アークシステムに戻るために、代替の位置合わせ方法のうちの１つが使用されている場合であっても、必要に応じて、追加のステップを実行して、リング−アークシステムを使用することを可能にすることができる。図５Ｃに示されるように、このステップは、フレーム位置合わせアレイ（ＦＲＡ）５３４を定位フレーム５３０に取り付けることと、追跡カメラを用いて追跡空間内のＦＲＡ５３４の位置を検出することと、を含み得る。ＦＲＡ５３４の位置は、リング−アークアセンブリの位置に対して固定されているので、ＦＲＡ５３４の追跡された位置は、追跡空間内のリング−アークアセンブリの位置を与える。次に、追跡空間からＣＴ／ＭＲ画像空間への変換が既知であるので、この変換をＦＲＡ５３４の追跡位置に適用することにより、ＣＴ／ＭＲ画像からフレームベース５３０への変換を決定することが可能になる。ロボット誘導の場合から定位フレーム誘導の場合に変換するための作業フローは、以下のようであり得る。

１．患者の頭蓋骨５２８が、同様に手術台に装着されたフレームベース５３０にクランプされる。

２．ＤＲＢ５４０が、図５Ａ〜５Ｃで上記に示したように、患者の頭蓋骨５２８またはフレームベース５３０に取り付けられる。

３．医用画像と追跡との位置合わせが実行される。このステップは、ＩＣＴ１２０６器具が存在する状態でＣＴスキャンを取得することと、術前ＣＴまたはＭＲＩスキャンをロードすることと、追跡されたフルオロショットを取得することと、ポイントマッチングまたは別の方法を実行することと、を含み得る。

４．ＦＲＡ５３４が、フレームベース５３０に装着される。ＦＲＡ５３４の位置が追跡され、同時に、患者５２８またはフレームベース５３０に装着されたＤＲＢ５４０の位置が、追跡される。この追跡データから、ＤＲＢ５４０からフレームベース５３０への変換が決定される。この変換、およびＣＴ／ＭＲ画像からＤＲＢ５４０への既知の変換から、ＣＴ／ＭＲ画像からフレームベースへの変換が決定される。

５．ＦＲＡ５３４が取り外され、定位リング−アークアセンブリが、フレームベース５３０に装着される。

６．ＣＴ／ＭＲ画像からフレームベース座標への変換と、フレームベース５３０に対するリング−アークアセンブリの較正された位置とに基づいて、所望の軌道に到達するように、フレームのリング、アーク、およびｘｙｚオフセットのダイヤル位置が設定される。

７．針、電極、または他のデバイスが、リング−アークアセンブリに装着されたチューブまたはワイヤーフィーダーを通して挿入される。

図５Ｃは、フレームベース５３０に取り付けられたＦＲＡ５３４およびＤＲＢ５４０を示す。両方のアレイが追跡システムで確認できたら、定位リング−アークシステムと追跡システムとの位置合わせが完了し得る。

要約すると、外科医が、ロボットを使用する意図で、上記の頭蓋ロボットシステムの作業フローのステップ１〜３を完了したが、ロボットが使用できないことがわかった場合、ステップ４〜７を完了して、リング−アークアセンブリの使用に切り替える。または、当初からの意図がリング−アークシステムを使用することであるが、ローカライザ基準アレイが使用できない、またはＣＴスキャナが使用できない場合、この作業フロー全体が、中断なく実行され得る。ＣＴスキャナが利用できない可能性のある原因として、ＣＴスキャナの視野が小さすぎて、ＣＴ基準アレイのキャプチャが不可能である場合、または施設がＣＴスキャナを所有していない場合がある。

本開示と一致する実施形態は、基準フレームが取り付けられた状態でＣＴスキャンが取得されることを必要とせずに、頭蓋手術のために、定位フレームのリング、アーク、および線形オフセットの値が決定されることを可能にする。頭蓋手術に使用可能なリング、アーク、およびオフセットの値を有することにより、外科医は、ロボットが使用できない場合のフォールバック戦略として、従来の定位リング−アークフレーム誘導に戻ることが可能になる。本開示は、ＣＴスキャナを有しない施設、または意図された基準ローカライザが使用できないような制限された視野を有するスキャナを有する施設のために、リング−アークシステムを医用画像に位置合わせするための代替方法も提供する。

本発明概念の様々な実施形態の上記の発明を実施するための形態において、本明細書で使用される用語が、特定の実施形態を説明することのみを目的とし、本発明概念を限定することを意図したものではないことを理解されたい。特に定義されない限り、本明細書において使用されるすべての用語（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。さらに、一般的に使用される辞書に定義されるものなどの用語は、本明細書および関連技術の文脈におけるそれらの意味と一致する意味を有するものとして解釈されるべきであり、本明細書でそのように明確に定義されていない限り、理想化されたまたは過度に形式的な意味で解釈されないことが理解されるであろう。

ある要素が別の要素に対して「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」、「応答する（ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ）」、またはそれらの異綴り形であるとして言われる場合、その要素は、他の要素に直に接続され得る、結合され得る、もしくは応答するものであり得るか、または介在する要素が存在し得る。対照的に、ある要素が別の要素に対して「直に接続された（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「直に結合された（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ）」、「直に応答する（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ）」、またはそれらの異綴り形であるとして言われる場合、介在する要素は、存在しない。同じ番号は、全体を通して同じ要素を指す。さらにまた、本明細書で使用される際、「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「応答する（ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ）」、またはそれらの異綴り形には、無線で結合される、接続される、または応答することが含まれ得る。本明細書で使用される際、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈上、そうでないことを明確に示さない限り、複数形も含むことが意図されている。よく知られている機能または構造は、簡潔さおよび／または明確さのために詳細に説明されない場合がある。「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」という用語は、関連する挙げられた項目のうちの１つ以上のありとあらゆる組み合わせを含む。

本明細書では、第１、第２、第３などの用語を使用して様々な要素／動作を説明することがあるが、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るであろう。これらの用語は、ある要素／動作を他の要素／動作から区別するためにのみ使用される。したがって、いくつかの実施形態における第１の要素／動作は、本発明の概念の教示から逸脱することなく、他の実施形態における第２の要素／動作と呼ぶことができる。同じ参照番号または同じ参照符号は、本明細書全体を通して同じまたは類似の要素を示す。

本明細書で使用される際、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「有する（ｈａｖｅ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語、またはそれらの異綴り形は、制約のないもので、１つ以上の述べられた特徴、整数、要素、ステップ、構成要素、または機能を含むが、１つ以上の他の特徴、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もしくは追加を排除するものではない。さらにまた、本明細書で使用される際、ラテン語の「例えば（ｅｘｅｍｐｌｉ ｇｒａｔｉａ）」から派生した一般的な略語「例えば（ｅ．ｇ．）」は、前述の項目の一般的な１つまたは複数の例を紹介または明示するのに使用され得、このような項目を限定することを意図するものではない。ラテン語の「すなわち（ｉｄ ｅｓｔ）」から派生した一般的な略語「すなわち（ｉ．ｅ．）」は、より一般的な列挙から特定の項目を明示するのに使用され得る。

実施形態例が、コンピュータ実施方法、装置（システムおよび／もしくはデバイス）、ならびに／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本明細書において説明されている。ブロック図および／またはフローチャート図のブロック、ならびにブロック図および／またはフローチャート図におけるブロックの組み合わせが、１つ以上のコンピュータ回路によって行われるコンピュータプログラム命令によって実施され得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を汎用コンピュータ回路、特殊目的コンピュータ回路、および／または他のプログラム可能なデータ処理回路のプロセッサ回路に与えて、コンピュータのプロセッサおよび／または他のプログラム可能なデータ処理装置を介して実行される命令が、ブロック図および／または１つもしくは複数のフローチャートブロックにおいて明示された機能／作用を実施し、それによって、ブロック図および／またはフローチャートブロックにおいて明示された機能／作用を実施するための手段（機能性）および／または構造を作り出すように、トランジスタ、メモリの場所に格納された値、およびこのような回路網内の他のハードウェア構成要素を変換、制御するような、機械を生み出す。

これらのコンピュータプログラム命令は、有形のコンピュータ可読媒体にも格納され得、有形のコンピュータ可読媒体は、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を、コンピュータ可読媒体に格納された命令が、ブロック図および／または１つもしくは複数のフローチャートブロックに明示された機能／作用を実施する命令を含む製造品を生み出すような特定のやり方で機能させることができる。したがって、本発明概念の実施形態は、集合的に「回路網」、「モジュール」、またはそれらの変異型と呼ばれることがある、デジタル信号プロセッサなどのプロセッサ上で作動するハードウェアでかつ／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）で具体化され得る。

また、いくつかの代替の実装形態において、ブロックに記載されている機能／作用が、フローチャートに記載されている順序から外れて起こる場合があることにも留意されたい。例えば、連続して示されている２つのブロックは、関与する機能性／作用に応じて、実際には実質的に同時に実行されてもよく、またはブロックが逆の順序で実行される場合もある。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けられてもよく、かつ／またはフローチャートおよび／またはブロック図の２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、本発明概念の範囲から逸脱しない限り、示されているブロック間に他のブロックが追加／挿入されてもよく、かつ／またはブロックまたは動作が省かれてもよい。また、図のうちのいくつかは、通信の主要な方向を示すために通信路上に矢印を含んでいるが、通信が、描かれた矢印と反対の方向で起こる場合がある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上記明細書に開示されたが、本発明の概念の多くの修正形態および他の実施形態が、上記の説明および関連する図面に提示された教示の利益を有して、本発明の概念にふさわしいと考えられることが理解される。したがって、本発明の概念が、本明細書の上で開示された具体的な実施形態に限定されるものではなく、多くの修正形態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ていることが理解される。さらに、ある実施形態からの特徴が、本明細書に記載の異なる実施形態（複数可）からの特徴と組み合わされ得るか、またはそれと共に使用され得ると考えられている。また、特定の用語が本明細書およびそれに続く特許請求の範囲において用いられているが、それらは、単に包括的かつ説明的な意味で使用され、記載された本発明の概念もそれに続く特許請求の範囲も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る各特許および特許公開の開示全体は、あたかもそのような各特許または公開が参照により本明細書に個々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ている。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、以下の特許請求の範囲に述べられている。

Claims (20)

1. 患者の脳内にインプラントを挿入するための外科用ロボットを使用する方法であって、前記方法が、
   患者の頭蓋骨を、手術台に装着された定位フレームベース内にクランプすることと、
   ダイナミックリファレンスベースを前記定位フレームベースに取り付けることと、
   前記脳の医用画像を取得することと、
   前記医用画像をダイナミックリファレンスベースに位置合わせすることと、
   フレームリファレンスアレイを前記定位フレームベースに装着することと、
   前記フレームリファレンスアレイおよび前記ダイナミックリファレンスベースの位置を同時に追跡することと、
   前記ダイナミックリファレンスベースを前記定位フレームベースに位置合わせすることと、
   前記医用画像を前記定位フレームベースに位置合わせすることと、
   前記定位フレームベースから前記フレームリファレンスアレイを取り外すことと、
   リング−アークアセンブリを前記定位フレームベースに取り付けることと、
   前記リング−アークアセンブリを軌道に設定することと、
   前記リング−アークアセンブリを使用して、前記インプラントを前記軌道に沿って前記脳内に挿入することと、を含む、方法。
2. 前記ダイナミックリファレンスベースが、複数の第１の光学マーカを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記フレームリファレンスアレイが、複数の第２の光学マーカを含む、請求項２に記載の方法。
4. フレームリファレンスアレイおよび前記ダイナミックリファレンスベースの前記位置を追跡することが、カメラを使用して、前記複数の第１の光学マーカおよび前記複数の第２の光学マーカを追跡することを含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記医用画像を取得することが、術中ＣＴ（ＩＣＴ）器具がフレームベースに取り付けられた状態で前記脳のコンピュータ断層撮影（ＣＴ）画像を取得することをさらに含み、前記ＩＣＴ器具が、複数の第３の光学マーカと、複数の基準と、を含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記複数の基準が、放射線不透過性球体である、請求項５に記載の方法。
7. 前記インプラントが、針である、請求項１に記載の方法。
8. 前記インプラントが、電極である、請求項１に記載の方法。
9. 前記軌道が、リング、アーク、およびｘｙｚオフセットのダイヤル位置を設定することによって決定される、請求項１に記載の方法。
10. 前記ダイナミックリファレンスベースが、剛体リンケージを使用して前記定位フレームベースに取り付けられる、請求項１に記載の方法。
11. 医用画像をリング−アークアセンブリに位置合わせする方法であって、前記方法が、
    患者の頭蓋骨を、手術台に装着された定位フレームベース内にクランプすることと、
    ダイナミックリファレンスベースを前記定位フレームベースに取り付けることと、
    前記脳の医用画像を取得することと、
    前記医用画像をダイナミックリファレンスベースに位置合わせすることと、
    フレームリファレンスアレイを前記定位フレームベースに装着することと、
    前記フレームリファレンスアレイおよび前記ダイナミックリファレンスベースの位置を同時に追跡することと、
    前記ダイナミックリファレンスベースを前記定位フレームベースに位置合わせすることと、
    前記医用画像を前記定位フレームベースに位置合わせすることと、
    前記定位フレームベースから前記フレームリファレンスアレイを取り外すことと、を含む、方法。
12. 前記ダイナミックリファレンスベースが、複数の第１の光学マーカを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記フレームリファレンスアレイが、複数の第２の光学マーカを含む、請求項１２に記載の方法。
14. フレームリファレンスアレイおよび前記ダイナミックリファレンスベースの前記位置を追跡することが、カメラを使用して、前記複数の第１の光学マーカおよび前記複数の第２の光学マーカを追跡することを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記医用画像を取得することが、術中ＣＴ（ＩＣＴ）器具がフレームベースに取り付けられた状態で前記脳のコンピュータ断層撮影（ＣＴ）画像を取得することをさらに含み、前記ＩＣＴ器具が、複数の第３の光学マーカと、複数の基準と、を含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記複数の基準が、放射線不透過性球体である、請求項１５に記載の方法。
17. リング−アークアセンブリを前記定位フレームに取り付けて、患者の脳内にインプラントを提供することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
18. 前記インプラントが、針である、請求項１７に記載の方法。
19. 前記インプラントが、電極である、請求項１８に記載の方法。
20. 前記ダイナミックリファレンスベースが、剛体リンケージを使用して前記定位フレームベースに取り付けられる、請求項１１に記載の方法。

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