JP2021171657A - 手術中の支援されたナビゲーションのための拡張現実ヘッドセットのカメラによって追跡された参照アレイを備えた手術器具の位置合わせ - Google Patents

Abstract

【課題】リアルタイムの姿勢フィードバックを使用して、外科手術中に手術器具をナビゲートすることができるコンピュータ支援ナビゲーションのためのカメラ追跡システムを提供する。【解決手段】カメラ追跡システムは、エクステンデッドリアリティ（ＸＲ）ヘッドセットに取り付けられた追跡カメラのセットによって追跡される参照アレイ２１０２を識別し、参照アレイが、手術器具データベースで定義された複数の手術器具２１００のうちの１つの特性と対になって位置合わせされているかどうかを判定するように構成されている。カメラ追跡システムは、さらに、位置合わせされていないと判定されてユーザ入力を受信する参照アレイに基づいて、ユーザ入力に基づいて選択された複数の手術器具のうちの１つの特性と対になる参照アレイを位置合わせするように構成されている。【選択図】図３０

Description

本開示は、医療デバイスおよびシステム、より具体的には、外科手術中のコンピュータ支援ナビゲーションに使用されるカメラ追跡システムに関する。

手術中のコンピュータ支援ナビゲーションは、患者の解剖学的構造の医用画像に関連する手術器具の現在の姿勢のコンピュータ化された視覚化を外科医に提供することができる。コンピュータ支援ナビゲーション用のカメラ追跡システムは、通常、カメラのセットを使用して、手術中に外科医または他のユーザによって配置されている手術器具に取り付けられた基準のセットを追跡する。動的参照アレイまたは動的参照ベース（ＤＲＢ）とも呼ばれる基準のセットにより、カメラ追跡システムは、医用画像内の解剖学的構造および患者に表示するための患者に対する手術器具の姿勢を判定することができる。これにより、外科医は、リアルタイムの姿勢フィードバックを使用して、外科手術中に手術器具をナビゲートすることができる。

エクステンデッドリアリティ（ＸＲ）ヘッドセットは、カメラ追跡システムと組み合わされており、外科医が、患者に重ねられたグラフィックオブジェクトとしてリアルタイムの姿勢フィードバックを確認することを可能にする。ＸＲヘッドセットを装着した外科医が、器具選択のエラーを減らし、外科手術中の外科医の集中力の中断を減らしながら、無数のタイプの手術器具を操作することができるようにする継続的な必要性がある。

本明細書に開示される様々な実施形態は、外科手術中のコンピュータ支援ナビゲーションの改善を対象とする。ＸＲヘッドセットは、カメラ追跡システムによって識別される参照アレイに手術器具の特性を位置合わせするのを支援するために使用される。特性の表現がＸＲヘッドセットに表示されて、ユーザが位置合わせプロセスの正確さを確認することを可能にする。位置合わせプロセス中にＸＲヘッドセットを使用することは、外科医や他の医療従事者（ユーザ）が手術前および／または手術中に手術器具をカメラ追跡システムに位置合わせするための、より直感的で時間効率が高く信頼性の高いプロセスを提供することができる。

一実施形態では、手術中のコンピュータ支援ナビゲーション用のカメラ追跡システムは、ＸＲヘッドセットに取り付けられた追跡カメラのセットによって追跡されている参照アレイを識別するように構成される。カメラ追跡システムは、参照アレイが、手術器具データベースで定義された複数の手術器具のうちの１つの特性と対になって位置合わせされているかどうかを判定する。位置合わせされていないと判定されてユーザ入力を受信する参照アレイに基づいて、カメラ追跡システムは、ユーザ入力に基づいて選択された複数の手術器具のうちの１つの特性と対になって参照アレイを位置合わせする。次に、カメラ追跡システムは、ユーザに表示するために、ＸＲヘッドセットのディスプレイデバイスに特性の表現を提供する。

カメラ追跡システムのための関連するコンピュータプログラム製品および方法が開示される。

実施形態にかかる他のカメラ追跡システム、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際に当業者にとって明らかであるか、または明らかになるであろう。そのような全てのカメラ追跡システム、コンピュータプログラム製品、および方法は、本説明に含まれ、本開示の範囲内にあり、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、本明細書に開示される全ての実施形態が別々に実装されても、任意の方法および／または組み合わせで組み合わされてもよいことが意図される。

本開示のさらなる理解を提供するために含まれ、且つ本出願に組み込まれてそ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例示する。図面では、以下のとおりである：

図１は、本開示のいくつかの実施形態にかかる外科手術システムの実施形態を示している。 図２は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、図１の外科手術システムの外科手術ロボットコンポーネントを示している。 図３Ａは、本開示のいくつかの実施形態にかかる、図１の外科手術システムのカメラ追跡システムコンポーネントを示している。 図３Ｂは、本開示のいくつかの実施形態にかかる、図１の外科手術システムとともに使用されることができる別のカメラ追跡システムコンポーネントの正面図を示している。 図３Ｃは、本開示のいくつかの実施形態にかかる、図１の外科手術システムとともに使用されることができる別のカメラ追跡システムコンポーネントの等角図を示している。 図４は、ロボットアームに接続可能であり、且つ本開示のいくつかの実施形態にしたがって構成されたエンドエフェクタの実施形態を示している。 図５は、外科手術ロボットおよびカメラシステムが患者の周りに配設されている医療手術を示している。 図６は、医療手術に使用される図５の外科手術システムのコンポーネントのブロック図を示している。 図７は、外科手術システムのナビゲーション機能を使用するときに図５および図６のディスプレイに表示されることができる様々な表示画面を示している。 図８は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、外科手術ロボットのいくつかの電気的コンポーネントのブロック図を示している。 図９は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、カメラ追跡システムおよび／または外科手術ロボットに動作可能に接続できるコンピュータプラットフォームに接続された撮像デバイスを含む外科手術システムのコンポーネントのブロック図を示している。 図１０は、本開示のいくつかの実施形態にしたがって外科手術ロボットと組み合わせて使用できるＣアーム撮像デバイスの実施形態を示している。 図１１は、本開示のいくつかの実施形態にしたがって外科手術ロボットと組み合わせて使用できるＯアーム撮像デバイスの実施形態を示している。 図１２は、本開示のいくつかの実施形態にしたがって動作する１対のＸＲヘッドセットおよび補助追跡バーを含む外科手術システムのコンポーネントのブロック図を示している。 図１３は、本開示のいくつかの実施形態にしたがって構成されたＸＲヘッドセットを示している。 図１４は、本開示のいくつかの実施形態にしたがってコンピュータプラットフォーム、撮像デバイス（単数または複数）、および／または外科手術ロボットに動作可能に接続できるＸＲヘッドセットの電気的コンポーネントを示している。 図１５は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、ＸＲヘッドセットの光学部品の配置を示すブロック図を示している。 図１６は、本開示のいくつかの実施形態にしたがって医療処置中に外科手術器具を操作するためにナビゲーション支援を提供するためのＸＲヘッドセットの表示画面を介した例示的な図を示している。 図１７は、本開示のいくつかの実施形態にしたがって構成された２対のステレオカメラを有する補助追跡バーの例示的な構成を示している。 図１８は、本開示のいくつかの実施形態にしたがって集合的に動作する１対のＸＲヘッドセットおよび補助追跡バーに追跡カメラを含む外科手術システムのコンポーネントのブロック図を示している。 図１９は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、手術中の手術器具のコンピュータ支援ナビゲーションで使用するために参照アレイが手術器具に位置合わせされているときにＸＲヘッドセットによって表示される手術器具の特性のグラフィカル表現を示している。 図２０は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、図１９の手術器具の特性のグラフィカル表現を提供するためにカメラ追跡システムによって実行される位置合わせ動作のフローチャートを示している。 図２１は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、ＸＲヘッドセットによって表示される位置合わせされた能動的に使用される手術器具のグラフィカル表現を示している。 図２２は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、図２１で位置合わせされた能動的に使用される手術器具のグラフィカル表現を提供するためにカメラ追跡システムによって実行される動作のフローチャートを示している。 図２３は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、ユーザが手術器具を見ている間に、位置合わせされた参照アレイについてＸＲヘッドセットによって表示される追跡精度情報のグラフィカル表現を示している。 図２４は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、図２３の追跡精度情報のグラフィカル表現を提供するためにカメラ追跡システムによって実行される動作のフローチャートを示している。 図２５は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、参照アレイがＸＲヘッドセットに対して定義された検査領域内にあるかどうかに応じて、参照アレイのユーザ位置合わせを選択的に可能にするためにカメラ追跡システムによって実行される動作のフローチャートを示している。 図２６は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、参照アレイがＸＲヘッドセットに対して定義された検査領域内にあるかどうかに応じて、参照アレイに位置合わせされた手術器具の特性を選択的に表示するためにカメラ追跡システムによって実行される動作のフローチャートを示している。 図２７は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、グラフィカル表示が参照アレイの基準の識別された姿勢と少なくとも部分的に重複して表示され、別のグラフィカル表示が欠落した基準の推定姿勢と少なくとも部分的に重複して表示された、ＸＲヘッドセットを通して見た手術器具を示している。 図２８は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、図２７に示されるように、識別されて欠落している基準に関連するグラフィカル表示を表示するためにカメラ追跡システムによって実行される動作のフローチャートを示している。 図２９は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、ユーザの手が、参照アレイに対して決定されたハンド−ユーザインターフェース除外ゾーン内に少なくとも部分的にあるかどうかに基づいて、ハンドジェスチャ入力の受信を選択的に可能にするためにカメラ追跡システムによって実行される動作のフローチャートを示している。 図３０は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、参照アレイに対して判定されたハンド−ユーザインターフェース除外ゾーンを示している。

ここで、本発明の概念の例示的な実施形態が示されている添付の図面を参照して、本発明の概念を以下でより完全に説明する。しかしながら、本発明の概念は、多くの異なる形態で具体化されてもよく、本明細書に記載される実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的且つ完全であり、様々な本発明の概念の範囲を当業者に完全に伝えるように提供される。これらの実施形態が相互に排他的ではないことにも留意されたい。１つの実施形態からのコンポーネントが、別の実施形態に存在するか、または別の実施形態で使用されると暗に想定され得る。

本明細書に開示される様々な実施形態は、外科手術中のコンピュータ支援ナビゲーションの改善を対象とする。エクステンデッドリアリティ（ＸＲ）ヘッドセットは、外科手術システムに動作可能に接続され、外科医、助手、および／または他の従事者が患者の画像を視認し、および患者の画像内から選択し、コンピュータで生成された外科手術ナビゲーション情報を視認し、および外科手術ナビゲーション情報内から選択し、および／または手術室内の外科器具を制御することができるインタラクティブな環境を提供するように構成されている。以下に説明するように、ＸＲヘッドセットは、コンピュータで生成されたＸＲ画像によって実世界シーンを増強するように構成されることができる。ＸＲヘッドセットは、コンピュータで生成されたＸＲ画像を、実世界シーンからの光が通過してユーザによって組み合わせて視認することができるシースルー表示画面に表示することにより、拡張現実（ＡＲ）表示環境を提供するように構成されることができる。あるいは、ＸＲヘッドセットは、ユーザがコンピュータで生成されたＡＲ画像を表示画面上で視認している間、実世界シーンからの光がユーザによって直接視認されるのを防止または実質的に防止することによって、仮想現実（ＶＲ）表示環境を提供するように構成されることができる。ＸＲヘッドセットは、ＡＲおよびＶＲ表示環境の双方を提供するように構成されることができる。一実施形態では、ＡＲおよびＶＲ表示環境の双方は、ＶＲ表示環境が不透明度の高いバンドに位置合わせされたＸＲ画像に提供され、ＡＲ表示環境が不透明度の低いバンドに位置合わせされたＸＲ画像に提供されるように、シースルー表示画面と実世界シーンとの間に配置された実質的に異なる不透明度の横方向バンドによって提供される。別の実施形態では、ＡＲおよびＶＲ表示環境の双方は、ユーザによって視認されるＸＲ画像と組み合わせるために、実世界シーンからの光がシースルー表示画面を通過する量を可変的に制限する不透明度フィルタのコンピュータ調整可能な制御によって提供される。したがって、ＸＲヘッドセットはまた、ＡＲヘッドセットまたはＶＲヘッドセットと呼ばれることもできる。

図１は、本開示のいくつかの実施形態にかかる外科手術システム２の実施形態を示している。整形外科手術または他の外科的処置の実施前に、例えば、図１０のＣアーム撮像デバイス１０４または図１１のＯアーム撮像デバイス１０６を使用して、またはコンピュータ断層撮影（ＣＴ）画像もしくはＭＲＩなどの別の医療撮像デバイスから、患者の計画された外科手術エリアの三次元（「３Ｄ」）画像スキャンを行うことができる。このスキャンは、術前（例えば、最も一般的には処置の数週間前）または術中に行うことができる。しかしながら、外科手術システム２の様々な実施形態にしたがって、任意の既知の３Ｄまたは２Ｄ画像スキャンを使用することができる。画像スキャンは、カメラ追跡システムコンポーネント６、外科手術ロボット４（例えば、図１のロボット２）、撮像デバイス（例えば、Ｃアーム１０４、Ｏアーム１０６など）、および患者の画像スキャンを保存するための画像データベース９５０を含むことができる外科手術システム９００（図９）のコンピュータプラットフォーム９１０などの、外科手術システム２と通信するコンピュータプラットフォームに送信される。コンピュータプラットフォーム９１０（図９）のディスプレイデバイス上で画像スキャン（単数または複数）をレビューする外科医は、患者の解剖学的構造に対する外科的処置中に使用される手術道具の目標姿勢を定義する外科手術計画を生成する。器具とも呼ばれる例示的な外科手術器具として、ドリル、スクリュードライバ、のこぎり、開創器、および、スクリュー、スペーサ、椎体間固定デバイス、プレート、ロッドなどのインプラントを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。いくつかの実施形態では、ターゲット平面を画定する外科手術平面は、ディスプレイデバイスに表示される３Ｄ画像スキャンで計画される。

本明細書で使用される場合、「姿勢」という用語は、別のオブジェクトおよび／または定義された座標系に対する、あるオブジェクト（例えば、動的参照アレイ、エンドエフェクタ、手術道具、解剖学的構造など）の位置および／または回転角度を指す。したがって、姿勢は、別のオブジェクトおよび／または定義された座標系に対するあるオブジェクトの多次元位置のみに基づいて、別のオブジェクトおよび／または定義された座標系に対するオブジェクトの多次元回転角度のみに基づいて、または多次元位置と多次元回転角度との組み合わせに基づいて定義されることができる。したがって、「姿勢」という用語は、位置、回転角度、またはそれらの組み合わせを指すために使用される。

図１の外科手術システム２は、例えば、器具を保持すること、器具を位置合わせすること、器具を使用すること、器具を誘導すること、および／または使用するために器具を位置決めすることによって、医療処置中に外科医を支援することができる。いくつかの実施形態では、外科手術システム２は、外科手術ロボット４と、カメラ追跡システムコンポーネント６と、を含む。外科手術ロボット４とカメラ追跡システムコンポーネント６とを機械的に結合する機能により、外科手術システム２を単一のユニットとして操作し、移動することが可能になり、外科手術システム２は、面積の小さいフットプリントを有することが可能になり、狭い通路および曲がり角を通る動きをより容易にすることが可能になり、ならびにより狭い面積内のストレージを可能にすることができる。

外科的処置は、外科手術システム２を医療ストレージから医療処置室まで移動させることで開始することができる。外科手術システム２は、出入口、ホール、およびエレベータから医療処置室に到達するまでずっと操作されることができる。部屋の中で、外科手術システム２は、２つの分離した別個のシステム、外科手術ロボット４およびカメラ追跡システムコンポーネント６に、物理的に分離されることができる。外科手術ロボット４は、医療従事者を適切に支援するために、任意の好適な場所で患者に隣接して位置決めされることができる。カメラ追跡システムコンポーネント６は、患者の基部、患者の肩、または、外科手術ロボット４および患者の部分の現在の姿勢と追跡位置の姿勢の移動とを追跡するのに好適な任意の他の場所に位置決めされることができる。外科手術ロボット４およびカメラ追跡システムコンポーネント６は、オンボード電源によって電力供給され、および／または外部壁コンセントに差し込まれることができる。

外科手術ロボット４を使用して、医療処置中に用具を保持および／または使用することによって外科医を支援することができる。器具を適切に利用および保持するために、外科手術ロボット４は、適切に機能する複数のモータ、コンピュータ、および／またはアクチュエータに依存することができる。図１に示されるように、ロボット本体８は、複数のモータ、コンピュータ、および／またはアクチュエータが外科手術ロボット４内に固設されることができる構造として作用することができる。ロボット本体８はまた、ロボット伸縮式支持アーム１６のための支持を提供することができる。ロボット本体８のサイズは、取り付けられたコンポーネントを支持する強固なプラットフォームを提供することができ、且つ取り付けられたコンポーネントを動作させることができる複数のモータ、コンピュータ、および／またはアクチュエータを収容し、隠し、且つ保護することができる。

ロボット基部１０は、外科手術ロボット４の下部支持として作用することができる。いくつかの実施形態では、ロボット基部１０は、ロボット本体８を支持することができ、且つロボット本体８を複数の動力付きホイール１２に取り付けることができる。ホイールへのこの取り付けにより、ロボット本体８は空間内を効率的に移動することができる。ロボット基部１０は、ロボット本体８の長さおよび幅方向に延びていてもよい。ロボット基部１０は、約２インチ〜約１０インチの高さとすることができる。ロボット基部１０は、動力付きホイール１２を被覆、保護、および支持することができる。

いくつかの実施形態では、図１に示されるように、少なくとも１つの動力付きホイール１２をロボット基部１０に取り付けることができる。動力付きホイール１２は、任意の場所でロボット基部１０に取り付けられることができる。各個々の動力付きホイール１２は、任意の方向に垂直軸を中心として回転することができる。モータは、動力付きホイール１２の上、その中、またはそれに隣接して配設されることができる。このモータにより、外科手術システム２を任意の場所へと操作し、外科手術システム２を安定化し、および／または水平にすることができる。動力付きホイール１２内またはそれに隣接して位置するロッドは、モータによって表面に押し込まれることができる。図示されていないロッドは、外科手術システム２を持ち上げるのに好適な任意の金属で作製されることができる。ロッドは、外科手術システム２を持ち上げることができる動力付きホイール１２を、患者に対して外科手術システム２の向きを水平にするか、または別様に固定するのに必要な任意の高さまで持ち上げることができる。外科手術システム２の重量は、各ホイール上のロッドによって小さい接触面積で支持され、医療処置中に外科手術システム２が移動することを阻止する。この堅固な位置決めは、オブジェクトおよび／または人々が偶発的に外科手術システム２を移動させることを阻止することができる。

外科手術システム２の移動を、ロボットレール材１４を使用して容易にすることができる。ロボットレール材１４は、ロボット本体８を把持することなく、外科手術システム２を移動させる能力を人に提供する。図１に示されるように、ロボットレール材１４は、ロボット本体８の長さ方向にロボット本体８よりも短く延びていてもよく、および／またはロボット本体８の長さよりも長く延びていてもよい。ロボットレール材１４は、ロボット本体８に対する保護をさらに備え、オブジェクトおよび／または従事者がロボット本体８に接触すること、ぶつかること、または衝突することを阻止することができる。

ロボット本体８は、以後「スカラ」と称する水平多関節ロボットのための支持を提供することができる。スカラ２４は、ロボットアームの同時再現性およびコンパクトさゆえに、外科手術システム２内で使用するのに有益であり得る。スカラのコンパクトさは、医療処置内に追加の空間を提供することができ、それにより、医療専門家は、過度な乱雑さと制限されたエリアなしに、医療処置を実施することが可能になる。スカラ２４は、ロボット伸縮式支持１６、ロボット支持アーム１８、および／またはロボットアーム２０を含むことができる。ロボット伸縮式支持１６は、ロボット本体８に沿って配設されることができる。図１に示されるように、ロボット伸縮式支持１６は、スカラ２４およびディスプレイ３４のための支持を提供することができる。いくつかの実施形態では、ロボット伸縮式支持１６は、垂直方向に延在および収縮することができる。ロボット伸縮式支持１６の本体は、本体に加えられる応力および重量を支持するように構成された任意の幅および／または高さとすることができる。

いくつかの実施形態では、医療従事者は、医療従事者によって提出されたコマンドを介してスカラ２４を移動させることができる。コマンドは、以下にさらに詳細に説明するように、ディスプレイ３４、タブレット、および／またはＸＲヘッドセット（例えば、図９のヘッドセット９２０）で受信された入力から発信されることができる。ＸＲヘッドセットは、医療従事者がディスプレイ３４またはタブレットなどの任意の他のディスプレイを参照する必要性を排除することができ、これにより、ディスプレイ３４および／またはタブレットなしでスカラ２４を構成することが可能になる。コマンドは、スイッチの押し下げおよび／または複数のスイッチの押し下げによって生成されることができ、および／または以下にさらに詳細に説明するように、ＸＲヘッドセットによって感知されるハンドジェスチャコマンドおよび／またはボイスコマンドに基づいて生成されることができる。

図５に示されるように、起動アセンブリ６０は、スイッチおよび／または複数のスイッチを含むことができる。起動アセンブリ６０は、移動コマンドをスカラ２４に送信して、オペレータがスカラ２４を手動で操作することを可能にするように動作可能であり得る。スイッチまたは複数のスイッチが押し下げられると、医療従事者は、加えられた手の移動を介してスカラ２４を移動させる能力を有することができる。これに代えて、またはこれに加えて、オペレータは、以下にさらに詳細に説明するように、ＸＲヘッドセットによって感知されるハンドジェスチャコマンドおよび／またはボイスコマンドを介してスカラ２４の移動を制御することができる。さらに、スカラ２４が移動させるためのコマンドを受信していないとき、スカラ２４は、従事者および／または他のオブジェクトによる偶発的な移動を阻止するように所定の位置にロックすることができる。所定の位置にロックすることにより、スカラ２４は、エンドエフェクタ２６が医療処置中に外科手術器具を誘導することができる堅固なプラットフォームを提供する。

ロボット支持アーム１８は、様々な機構によってロボット伸縮式支持１６に接続されることができる。いくつかの実施形態では、図１および図２に最もよく見られるように、ロボット支持アーム１８は、ロボット伸縮式支持１６に対して任意の方向に回転する。ロボット支持アーム１８は、ロボット伸縮式支持１６の周りで３６０度回転することができる。ロボットアーム２０は、任意の好適な位置で、ロボット支持アーム１８に対して任意の方向への回転を可能にする様々な機構によって、ロボット支持アーム１８に接続することができる。一実施形態では、ロボットアーム２０は、ロボット支持アーム１８に対して３６０度回転することができる。この自由回転により、オペレータは、外科手術計画にしたがってロボットアーム２０を位置決めすることができる。

図４および図５に示されるエンドエフェクタ２６は、任意の好適な場所でロボットアーム２０に取り付けられることができる。エンドエフェクタ２６は、外科手術ロボット４によって位置決めされたロボットアーム２０のエンドエフェクタカプラ２２に取り付けられるように構成されることができる。例示的なエンドエフェクタ２６は、外科的処置が実施される解剖学的構造に対して挿入された外科手術器具の移動を誘導する管状ガイドを含む。

いくつかの実施形態では、動的参照アレイ５２は、エンドエフェクタ２６に取り付けられている。本明細書で「ＤＲＡ」および「参照アレイ」とも呼ばれる動的参照アレイは、手術室内の従事者によって着用されている１つ以上のＸＲヘッドセット、エンドエフェクタ、外科手術ロボット、ナビゲートされる外科的処置における外科手術器具、および患者の解剖学的構造（例えば、骨）上に取り付けまたは形成されることができる剛体、マーカ、または他の指標とすることができる。カメラ追跡システムコンポーネント６または他の３Ｄ位置特定システムと組み合わされるコンピュータプラットフォーム９１０は、ＤＲＡの姿勢（例えば、位置および回転の向き）をリアルタイムで追跡するように構成されている。ＤＲＡは、例示されるボールの配列などの基準を含む。ＤＲＡの３Ｄ座標のこの追跡により、外科手術システム２は、図５の患者５０の目標の解剖学的構造に関連する任意の多次元空間におけるＤＲＡの姿勢を判定することができる。

図１に示されるように、光インジケータ２８は、スカラ２４の頂部上に位置決めされることができる。光インジケータ２８は、外科手術システム２が現在動作している「状況」を示すために、任意のタイプの光として照明することができる。いくつかの実施形態では、光は、光インジケータ２８の周りにリングを形成することができるＬＥＤ電球によって生成されることができる。光インジケータ２８は、光インジケータ２８の全体にわたって光を輝かせることができる完全に透過性の材料を含むことができる。光インジケータ２８は、下部ディスプレイ支持３０に取り付けられることができる。図２に示されるように、下部ディスプレイ支持３０により、オペレータは、ディスプレイ３４を任意の好適な場所まで操作することが可能になる。下部ディスプレイ支持３０は、任意の好適な機構によって光インジケータ２８に取り付けられることができる。いくつかの実施形態では、下部ディスプレイ支持３０は、光インジケータ２８を中心として回転することができるか、または光インジケータ２８に堅固に取り付けられることができる。上部ディスプレイ支持３２は、任意の好適な機構によって下部ディスプレイ支持３０に取り付けられることができる。

いくつかの実施形態では、タブレットをディスプレイ３４と併せて、および／またはディスプレイ３４なしで使用することができる。タブレットは、ディスプレイ３４の代わりに上部ディスプレイ支持３２上に配設されてもよく、医療手術中に上部ディスプレイ支持３２から取り外し可能であってもよい。さらに、タブレットは、ディスプレイ３４と通信することができる。タブレットは、任意の好適な無線および／または有線接続によって外科手術ロボット４に接続することができ得る。いくつかの実施形態では、タブレットは、医療手術中に外科手術システム２をプログラムおよび／または制御することができ得る。タブレットを用いて外科手術システム２を制御しているとき、全ての入力および出力コマンドをディスプレイ３４上で複製することができる。タブレットの使用により、オペレータは、患者５０の周りを移動し、および／または外科手術ロボット４まで移動する必要なしに、外科手術ロボット４を操作することができる。

以下に説明するように、いくつかの実施形態では、外科医および／または他の従事者は、ディスプレイ３４および／またはタブレットと組み合わせて使用されることができるＸＲヘッドセットを着用することができるか、またはＸＲヘッド（単数または複数）は、ディスプレイ３４および／またはタブレットの使用の必要性を排除することができる。

図３Ａおよび図５に示されるように、カメラ追跡システムコンポーネント６は、有線または無線の通信ネットワークを介して外科手術ロボット４と協働する。図１、図３、および図５を参照すると、カメラ追跡システムコンポーネント６は、外科手術ロボット４と同様のいくつかのコンポーネントを含むことができる。例えば、カメラ本体３６は、ロボット本体８に見られる機能を提供することができる。ロボット本体８は、カメラ４６が取り付けられる補助追跡バーを提供することができる。ロボット本体８内の構造も、カメラ追跡システムコンポーネント６を動作させるために使用される電子機器、通信デバイス、および電源のための支持を提供することができる。カメラ本体３６は、ロボット本体８と同じ材料で作製されることができる。カメラ追跡システムコンポーネント６は、無線および／または有線のネットワークによってＸＲヘッドセット、タブレット、および／またはディスプレイ３４と直接通信して、ＸＲヘッドセット、タブレット、および／またはディスプレイ３４がカメラ追跡システムコンポーネント６の機能を制御することを可能にすることができる。

カメラ本体３６は、カメラ基部３８によって支持される。カメラ基部３８は、ロボット基部１０として機能することができる。図１の実施形態では、カメラ基部３８は、ロボット基部１０よりも広くてもよい。カメラ基部３８の幅は、カメラ追跡システムコンポーネント６が外科手術ロボット４と接続することを可能にすることができる。図１に示されるように、カメラ基部３８の幅は、ロボット基部１０の外側に嵌合するのに十分な大きさとすることができる。カメラ追跡システムコンポーネント６と外科手術ロボット４とが接続されているとき、カメラ基部３８の追加の幅は、外科手術システム２の追加の操作性と外科手術システム２の支持を可能にすることができる。

ロボット基部１０と同様に、複数の動力付きホイール１２がカメラ基部３８に取り付けられることができる。動力付きホイール１２により、カメラ追跡システムコンポーネント６は、ロボット基部１０および動力付きホイール１２の動作と同様に、患者５０に対して固定された向きを安定化して水平にするか、またはそれを設定することができる。この安定化により、カメラ追跡システムコンポーネント６が医療処置中に移動することを防止することができ、図３Ａおよび図５に示されるように、補助追跡バー上のカメラ４６が、ＸＲヘッドセットおよび／または外科手術ロボット４に接続されたＤＲＡの軌跡を見失うこと、および／または指定されたエリア５６内の解剖学的構造５４および／または器具５８に接続された１つ以上のＤＲＡ５２の軌跡を見失うことを阻止することができる。追跡のこの安定性と維持は、カメラ追跡システムコンポーネント６で効果的に動作する外科手術ロボット４の能力を強化する。さらに、広いカメラ基部３８は、カメラ追跡システムコンポーネント６に追加の支持を提供することができる。具体的には、図３Ａおよび図５に示されるように、幅広のカメラ基部３８により、カメラ４６が患者の上に配設されたときに、カメラ追跡システムコンポーネント６が転倒するのを防止することができる。

カメラ伸縮式支持４０は、補助追跡バー上のカメラ４６を支持することができる。実施形態では、伸縮式支持４０は、カメラ４６を垂直方向に上下に移動させる。カメラハンドル４８は、任意の好適な位置でカメラ伸縮式支持４０に取り付けられることができ、オペレータが医療手術の前にカメラ追跡システムコンポーネント６を計画された位置に移動させることを可能にするように構成されることができる。実施形態では、カメラハンドル４８を使用して、カメラ伸縮式支持４０を下降および上昇させる。カメラハンドル４８は、ボタン、スイッチ、レバー、および／またはそれらの任意の組み合わせの押し下げによって、カメラ伸縮式支持４０の上昇および下降を実施することができる。

下部カメラ支持アーム４２は、任意の好適な場所でカメラ伸縮式支持４０に取り付けることができ、実施形態では、図１に示されるように、下部カメラ支持アーム４２は、伸縮式支持４０の周りで３６０度回転することができる。この自由な回転により、オペレータはカメラ４６を任意の好適な場所に位置決めすることができる。下部カメラ支持アーム４２は、任意の好適な機構によって伸縮式支持４０に接続することができる。下部カメラ支持アーム４２を使用して、カメラ４６のための支持を提供することができる。カメラ４６は、任意の好適な機構によって下部カメラ支持アーム４２に取り付けられることができる。カメラ４６は、カメラ４６と下部カメラ支持アーム４２との間の取り付け面積で任意の方向に旋回することができる。実施形態では、湾曲レール４４は、下部カメラ支持アーム４２上に配設されることができる。

湾曲レール４４は、下部カメラ支持アーム４２上の任意の好適な場所に配設されることができる。図３Ａに示されるように、湾曲レール４４は、任意の好適な機構によって下部カメラ支持アーム４２に取り付けられることができる。湾曲レール４４は、任意の好適な形状とすることができ、好適な形状は、三日月形、円形、卵形、楕円形、および／またはそれらの任意の組み合わせとすることができる。カメラ４６は、湾曲レール４４に沿って移動可能に配設されることができる。カメラ４６は、例えば、ローラ、ブラケット、ブレース、モータ、および／またはそれらの任意の組み合わせによって、湾曲レール４４に取り付けられることができる。例示されていないモータおよびローラを使用して、湾曲レール４４に沿ってカメラ４６を移動させることができる。図３Ａに示されるように、医療処置中に、カメラ４６が１つ以上のＤＲＡを視認することをオブジェクトが阻止している場合、モータは、それに応答して湾曲レール４４に沿ってカメラ４６を移動させることができる。この電動化された動きにより、カメラ４６は、カメラ追跡システムコンポーネント６を移動させることなく、オブジェクトによってもはや妨げられない新たな位置に移動することができる。カメラ４６が１つ以上の追跡されるＤＲＡを視認することが妨げられている間、カメラ追跡システムコンポーネント６は、停止信号を外科手術ロボット４、ＸＲヘッドセット、ディスプレイ３４、および／またはタブレットに送信することができる。停止信号は、カメラ４６が追跡されるＤＲＡ５２を再取得するまで、および／またはＸＲヘッドセットを装着しているおよび／またはディスプレイ３４および／またはタブレットを視認しているオペレータに警告することができるまで、スカラ２４が移動することを防止することができる。このスカラ２４は、カメラ追跡システムがＤＲＡの追跡を再開することができるまで、ベースおよび／またはエンドエフェクタカプラ２２のさらなる移動を停止することによって、停止信号の受信に応答するように構成されることができる。

図３Ｂおよび図３Ｃは、図１の外科手術システムとともに使用されることができるか、または外科手術ロボットとは独立して使用されることができる別のカメラ追跡システムコンポーネント６’の正面図および等角図を示している。例えば、カメラ追跡システムコンポーネント６’は、ロボットガイダンスの使用を伴わないナビゲートされる外科手術を提供するために使用されることができる。図３Ｂおよび図３Ｃのカメラ追跡システムコンポーネント６’と図３Ａのカメラ追跡システムコンポーネント６との違いの１つは、図３Ｂおよび図３Ｃのカメラ追跡システムコンポーネント６’が、コンピュータプラットフォーム９１０を運搬するハウジングを含むことである。コンピュータプラットフォーム９１０は、カメラ追跡動作を実行してＤＲＡを追跡し、外科手術ナビゲーション情報をディスプレイデバイス、例えば、ＸＲヘッドセットおよび／または他のディスプレイデバイスに提供するナビゲートされる外科手術動作を実行し、本明細書に開示される他の計算動作を実行するように構成されることができる。したがって、コンピュータプラットフォーム９１０は、図１４の１つ以上のナビゲーションコンピュータなどのナビゲーションコンピュータを含むことができる。

図６は、医療手術に使用される図５の外科手術システムのコンポーネントのブロック図を示している。図６を参照すると、補助追跡バー上の追跡カメラ４６は、ナビゲーション視野６００を有し、ここで、患者に取り付けられた参照アレイ６０２の姿勢（例えば、位置および向き）、外科手術器具に取り付けられた参照アレイ６０４、およびロボットアーム２０が、追跡される。追跡カメラ４６は、以下に記載される動作を実行するように構成されたコンピュータプラットフォーム９１０を含む、図３Ｂおよび図３Ｃのカメラ追跡システムコンポーネント６’の一部とすることができる。参照アレイは、既知のパターンで光を反射することによって追跡を可能にし、既知のパターンがデコードされて、外科手術ロボット４の追跡サブシステムによってそれぞれの姿勢を判定する。患者の参照アレイ６０２と補助追跡バー上の追跡カメラ４６との間の視線が（例えば、医療従事者、器具などによって）遮断された場合、外科手術器具のさらなるナビゲーションを実行することができない可能性があり、応答通知は、ロボットアーム２０および外科手術ロボット４のさらなる移動を一時的に停止し、ディスプレイ３４に警告を表示し、および／または医療従事者に可聴警告を提供することができる。ディスプレイ３４は、外科医６１０および助手６１２がアクセス可能であるが、視認するには、患者から顔をそらし、眼の焦点を異なる距離および場所に変化させる必要がある。ナビゲーションソフトウェアは、外科医からの音声指示に基づいて、技術従事者６１４によって制御されることができる。

図７は、外科手術システム２のナビゲーション機能を使用するときに、外科手術ロボット４によって図５および図６のディスプレイ３４に表示されることができる様々な表示画面を示している。表示画面は、開発された外科手術計画に基づいて、および／または追跡される参照アレイの姿勢に基づいて、解剖学的構造に対して表示画面に位置決めされた器具のモデルのグラフィカル表現がオーバーレイされた患者の放射線写真、外科的処置の異なる段階および仮想的に投影されたインプラントの寸法パラメータ（例えば、長さ、幅、および／または直径）を制御するための様々なユーザ選択可能なメニューを含むことができるが、これに限定されるものではない。

ナビゲートされる外科手術のために、外科手術の術前計画、例えば、インプラント配置、および計画された外科的処置中の１人または複数のユーザにナビゲーション情報を提供するためのコンピュータプラットフォーム９１０への計画の電子転送を可能にする、以下に記載される様々な処理コンポーネント（例えば、コンピュータプラットフォーム９１０）および関連付けられたソフトウェアが提供される。

ロボットナビゲーションのために、外科手術の術前計画、例えば、インプラント配置、および外科手術ロボット４への計画の電子転送を可能にする、以下に記載される様々な処理コンポーネント（例えば、コンピュータプラットフォーム９１０）および関連付けられたソフトウェアが提供される。外科手術ロボット４は、計画を使用して、ロボットアーム２０および接続されたエンドエフェクタ２６を誘導して、計画された外科的処置のステップのための患者の解剖学的構造に対する外科手術器具の目標姿勢を提供する。

以下の様々な実施形態は、外科医６１０、助手６１２、および／または他の医療従事者が着用できる１つ以上のＸＲヘッドセットを使用して、外科手術ロボット、カメラ追跡システム６／６’、および／または手術室の他の医療機器から情報を受信し、および／またはこれらに制御コマンドを提供するための改善されたユーザインターフェースを提供することを対象とする。

図８は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、外科手術ロボット４のいくつかの電気的コンポーネントのブロック図を示している。図８を参照すると、ロードセル（図示せず）は、エンドエフェクタカプラ２２に加えられた力を追跡するように構成されることができる。いくつかの実施形態では、ロードセルは、複数のモータ８５０、８５１、８５２、８５３、および／または８５４と通信することができる。ロードセルが力を感知する際、加えられた力の量に関する情報が、スイッチアレイおよび／または複数のスイッチアレイからコントローラ８４６に配信されることができる。コントローラ８４６は、ロードセルから力情報を取得し、力情報をスイッチアルゴリズムで処理することができる。スイッチアルゴリズムは、コントローラ８４６によって使用されて、モータドライバ８４２を制御する。モータドライバ８４２は、モータ８５０、８５１、８５２、８５３、および８５４のうちの１つ以上の動作を制御する。モータドライバ８４２は、特定のモータに、例えば、モータを介してロードセルによって測定された等しい量の力を生成するように指示することができる。いくつかの実施形態では、生成される力は、コントローラ８４６の指示どおりに、複数のモータ、例えば、８５０〜８５４から生じることができる。さらに、モータドライバ８４２は、コントローラ８４６から入力を受信することができる。コントローラ８４６は、ロードセルによって感知された力の方向に関してロードセルから情報を受信することができる。コントローラ８４６は、運動コントローラアルゴリズムを使用して、この情報を処理することができる。このアルゴリズムを使用して、特定のモータドライバ８４２に情報を提供することができる。力の方向を複製するために、コントローラ８４６は、特定のモータドライバ８４２を起動および／または起動解除することができる。コントローラ８４６は、１つ以上のモータ、例えば８５０〜８５４のうちの１つ以上を制御して、ロードセルによって感知された力の方向にエンドエフェクタ２６の運動を誘起することができる。この力によって制御される運動により、オペレータは、スカラ２４および受動的なエンドエフェクタ２６を楽に、および／またはほとんど抵抗なく移動させることができる。エンドエフェクタ２６の移動は、医療従事者が使用するために、エンドエフェクタ２６を任意の好適な姿勢（すなわち、規定された三次元（３Ｄ）直交基準軸に対する場所および角度の向き）に位置決めするように実行されることができる。

図５に最もよく例示されている起動アセンブリ６０は、エンドエフェクタカプラ２２を包むブレスレットの形態をなすことができる。起動アセンブリ６０は、スカラ２４の任意の部分、エンドエフェクタカプラ２２の任意の部分に位置することができ、医療従事者および／またはそれらの任意の組み合わせによって着用される（および無線で通信する）ことができる。起動アセンブリ６０は、一次ボタンおよび二次ボタンを備えることができる。

一次ボタンを押し下げることにより、オペレータは、スカラ２４およびエンドエフェクタカプラ２２を移動させることができ得る。一実施形態によれば、一旦設置されると、スカラ２４およびエンドエフェクタカプラ２２は、オペレータがスカラ２４およびエンドエフェクタカプラ２２を移動させるように外科手術ロボット４をプログラムするまで移動しないことが可能であるか、または一次ボタンを使用して移動される。いくつかの例では、スカラ２４およびエンドエフェクタカプラ２２がオペレータコマンドに応答する前に、少なくとも２つの隣接しない一次起動スイッチを押し下げることを必要とすることができる。少なくとも２つの一次起動スイッチを押し下げることにより、医療処置中のスカラ２４およびエンドエフェクタカプラ２２の偶発的な移動を防止することができる。

一次ボタンによって起動されると、ロードセルは、オペレータ、すなわち、医療従事者によってエンドエフェクタカプラ２２に及ぼされる力の大きさおよび／または方向を測定することができる。この情報は、スカラ２４およびエンドエフェクタカプラ２２を移動させるために使用されることができる、スカラ２４内の１つ以上のモータ、例えば８５０〜８５４のうちの１つ以上に転送されることができる。ロードセルによって測定された力の大きさおよび方向に関する情報は、１つ以上のモータ、例えば８５０〜８５４のうちの１つ以上に、ロードセルによって感知されるのと同じ方向にスカラ２４およびエンドエフェクタカプラ２２を移動させることができる。この力制御型の動きにより、モータがスカラ２４およびエンドエフェクタカプラ２２を移動させるのと同時に、オペレータがスカラ２４およびエンドエフェクタカプラ２２を移動させるため、オペレータは、楽に、且つ大きな労力なしに、スカラ２４およびエンドエフェクタカプラ２２を移動することが可能になり得る。

いくつかの例では、二次ボタンは、「選択」デバイスとしてオペレータによって使用されることができる。医療手術中、外科手術ロボット４は、ＸＲヘッドセット（単数または複数）９２０、ディスプレイ３４および／または光インジケータ２８によって特定の状況を医療従事者に通知することができる。ＸＲヘッドセット（単数または複数）９２０は各々、シースルー表示画面上に画像を表示して、シースルー表示画面を通して視認可能な実世界のオブジェクト上にオーバーレイされるエクステンデッドリアリティ画像を形成するように構成されている。医療従事者は、外科手術ロボット４によって、機能、モードを選択し、および／または外科手術システム２の状況を評価するように促されることがある。二次ボタンを１回押し下げることにより、特定の機能、モードが起動され、および／またはＸＲヘッドセット（単数または複数）９２０、ディスプレイ３４、および／もしくは光インジケータ２８を介して医療従事者に伝達される情報が確認されることができる。これに加えて、二次ボタンを素早く連続して複数回押し下げると、追加の機能、モードを起動し、および／またはＸＲヘッドセット（単数または複数）９２０、ディスプレイ３４、および／もしくは光インジケータ２８を介して医療従事者に伝達される情報を選択することができる。

図８をさらに参照すると、外科手術ロボット４の電気的コンポーネントは、プラットフォームサブシステム８０２、コンピュータサブシステム８２０、運動制御サブシステム８４０、および追跡サブシステム８３０を含む。プラットフォームサブシステム８０２は、バッテリ８０６、配電モジュール８０４、コネクタパネル８０８、および充電ステーション８１０を含む。コンピュータサブシステム８２０は、コンピュータ８２２、ディスプレイ８２４、およびスピーカ８２６を含む。運動制御サブシステム８４０は、ドライバ回路８４２、モータ８５０、８５１、８５２、８５３、８５４、スタビライザ８５５、８５６、８５７、８５８、エンドエフェクタコネクタ８４４、およびコントローラ８４６を含む。追跡サブシステム８３０は、位置センサ８３２、およびカメラコンバータ８３４を含む。外科手術ロボット４はまた、取り外し可能なフットペダル８８０、および取り外し可能なタブレットコンピュータ８９０を含むことができる。

入力電力は、配電モジュール８０４に提供されることができる電源を介して外科手術ロボット４に供給される。配電モジュール８０４は、入力電力を受け取り、且つ外科手術ロボット４の他のモジュール、コンポーネント、およびサブシステムに提供される異なる電源電圧を生成するように構成されている。配電モジュール８０４は、コンピュータ８２２、ディスプレイ８２４、スピーカ８２６、ドライバ８４２などの他のコンポーネントに、例えば、動力モータ８５０〜８５４およびエンドエフェクタカプラ８４４に提供され、且つカメラコンバータ８３４および外科手術ロボット４の他のコンポーネントに提供されることができる、異なる電圧供給をコネクタパネル８０８に提供するように構成されることができる。配電モジュール８０４はまた、バッテリ８０６に接続されてもよく、バッテリは、配電モジュール８０４が入力電力から電力を受信しない場合の一時的な電源として役立つ。他の場合には、配電モジュール８０４は、バッテリ８０６を充電するのに役立つ場合がある。

コネクタパネル８０８は、異なるデバイスおよびコンポーネントを外科手術ロボット４ならびに／または関連付けられたコンポーネントおよびモジュールに接続するのに役立つことができる。コネクタパネル８０８は、異なるコンポーネントからの配線または接続部を受容する１つ以上のポートを含むことができる。例えば、コネクタパネル８０８は、外科手術ロボット４を他の機器に接地することができる接地端子ポートと、フットペダル８８０を接続するポートと、位置センサ８３２、カメラコンバータ８３４、およびＤＲＡ追跡カメラ８７０を含むことができる追跡サブシステム８３０に接続するポートと、を有することができる。コネクタパネル８０８はまた、コンピュータ８２２などの他のコンポーネントへのＵＳＢ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ、ＨＤＭＩ（登録商標）通信を可能にする他のポートを含むことができる。いくつかの実施形態によれば、コネクタパネル８０８は、１つ以上のＸＲヘッドセット９２０を追跡サブシステム８３０および／またはコンピュータサブシステム８２０に動作可能に接続するための有線および／または無線インターフェースを含むことができる。

制御パネル８１６は、外科手術ロボット４の動作を制御し、および／またはオペレータが観察するための外科手術ロボット４からの情報を提供する、様々なボタンまたはインジケータを提供することができる。例えば、制御パネル８１６は、外科手術ロボット４の電源を入れたり切ったりするため、垂直支柱１６を持ち上げたり下降させたりするため、ならびにキャスタ１２と係合して外科手術ロボット４を物理的に移動しないようにロックするように設計されることができるスタビライザ８５５〜８５８を持ち上げたり下降させたりするための、ボタンを含むことができる。他のボタンは、緊急事態の際に外科手術ロボット４を停止することができ、これにより、全てのモータ電力を取り除いて、機械的ブレーキを適用して、全ての運動の発生を停止することができる。制御パネル８１６はまた、配線電力インジケータまたはバッテリ８０６の充電状態などの特定のシステムの状況をオペレータに通知するインジケータを有することができる。いくつかの実施形態によれば、１つ以上のＸＲヘッドセット９２０は、例えばコネクタパネル８０８を介して通信して、外科手術ロボット４の動作を制御し、および／またはＸＲヘッドセット９２０を装着している人による観察のために外科手術ロボット４によって生成された情報を受信および表示することができる。

コンピュータサブシステム８２０のコンピュータ８２２は、外科手術ロボット４の割り当てられた機能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８２２は、情報をオペレータに表示するために、他のコンポーネント（例えば、追跡サブシステム８３０、プラットフォームサブシステム８０２、および／または運動制御サブシステム８４０）から情報を受信して処理することができる。さらに、コンピュータサブシステム８２０は、スピーカ８２６を介してオペレータに出力を提供することができる。スピーカは、外科手術ロボットの一部とすることができるか、ＸＲヘッドセット９２０の一部とすることができるか、または外科手術システム２の別のコンポーネント内にあることができる。ディスプレイ８２４は、図１および図２に示されるディスプレイ３４に対応することができる。

追跡サブシステム８３０は、位置センサ８３２、およびカメラコンバータ８３４を含むことができる。追跡サブシステム８３０は、図３のカメラ追跡システムコンポーネント６に対応することができる。ＤＲＡ追跡カメラ８７０は、位置センサ８３２とともに動作して、ＤＲＡ５２の姿勢を判定する。この追跡は、ＬＥＤまたは反射基準（マーカとも呼ばれる）などのＤＲＡ５２の能動的または受動的な要素の場所をそれぞれ追跡する赤外線または可視光技術の使用を含む、本開示に矛盾しない様式で行うことができる。

追跡サブシステム８３０およびコンピュータサブシステム８２０の機能的動作は、図３Ａおよび図３Ｂのカメラ追跡システムコンポーネント６’によって運搬できるコンピュータプラットフォーム９１０に含めることができる。追跡サブシステム８３０は、姿勢、例えば、追跡されるＤＲＡの位置および角度の向きを判定するように構成されることができる。コンピュータプラットフォーム９１０はまた、判定された姿勢を使用して、計画された外科的処置中に、位置登録された患者画像および／または追跡される解剖学的構造に対する追跡される器具の動きを誘導するナビゲーション情報をユーザに提供するように構成されたナビゲーションコントローラを含むことができる。コンピュータプラットフォーム９１０は、図３Ｂおよび図３Ｃのディスプレイ、および／または１つ以上のＸＲヘッドセット９２０に情報を表示することができる。コンピュータプラットフォーム９１０は、外科手術ロボットとともに使用される場合、コンピュータサブシステム８２０および図８の他のサブシステムと通信して、エンドエフェクタ２６の移動を制御するように構成されることができる。例えば、以下に説明するように、コンピュータプラットフォーム９１０は、表示されるサイズ、形状、色、および／または姿勢を有する、患者の解剖学的構造、外科手術器具、ユーザの手などの、１つ以上の追跡されるＤＲＡの判定された姿勢（単数または複数）に基づいて制御されるグラフィカル表現を生成することができ、および表示されるそのグラフィカル表現を動的に修正して、判定された姿勢の経時的な変化を追跡することができる。

運動制御サブシステム８４０は、垂直支柱１６、上部アーム１８、下部アーム２０を物理的に移動させるか、またはエンドエフェクタカプラ２２を回転させるように構成されることができる。物理的な動きは、１つ以上のモータ８５０〜８５４を使用することによって行うことができる。例えば、モータ８５０は、垂直支柱１６を垂直に持ち上げるまたは下降させるように構成されることができる。モータ８５１は、図２に示されるように、垂直支柱１６との係合点の周りで上部アーム１８を横方向に移動させるように構成されることができる。モータ８５２は、図２に示されるように、上部アーム１８との係合点の周りで下部アーム２０を横方向に移動させるように構成されることができる。モータ８５３および８５４は、エンドエフェクタカプラ２２を移動させて、三次元軸の周りに沿って並進の動きおよび回転を提供するように構成されることができる。図９に示されるコンピュータプラットフォーム９１０は、エンドエフェクタカプラ２２の移動を誘導するコントローラ８４６に制御入力を提供して、エンドエフェクタカプラに接続された受動的なエンドエフェクタを、計画された外科的処置中に手術される解剖学的構造に対して、計画された姿勢（すなわち、定義された３Ｄ直交基準軸に対する場所および角度の向き）で位置決めすることができる。運動制御サブシステム８４０は、統合された位置センサ（例えば、エンコーダ）を使用して、エンドエフェクタカプラ２２および／またはエンドエフェクタ２６の位置を測定するように構成されることができる。

図９は、カメラ追跡システムコンポーネント６（図３Ａ）または６’（図３Ｂ、図３Ｃ）、および／または本開示のいくつかの実施形態にかかる外科手術ロボット４に動作可能に接続されることができるコンピュータプラットフォーム９１０に接続された撮像デバイス（例えば、Ｃアーム１０４、Ｏアーム１０６など）を含む外科手術システムのコンポーネントのブロック図を示している。これに代えて、コンピュータプラットフォーム９１０によって実行されるものとして本明細書に開示される少なくともいくつかの動作は、追加的または代替的に、外科手術システムのコンポーネントによって実行されることができる。

図９を参照すると、コンピュータプラットフォーム９１０は、ディスプレイ９１２、少なくとも１つのプロセッサ回路９１４（簡潔にするためにプロセッサとも呼ばれる）、コンピュータ可読プログラムコード９１８を内包する少なくとも１つのメモリ回路９１６（簡潔にするためにメモリとも呼ばれる）、および少なくとも１つのネットワークインターフェース９０２（簡潔にするためにネットワークインターフェースとも呼ばれる）を含む。ディスプレイ９１２は、本開示のいくつかの実施形態にかかるＸＲヘッドセット９２０の一部とすることができる。ネットワークインターフェース９０２は、図１０のＣアーム撮像デバイス１０４、図１１のＯアーム撮像デバイス１０６、別の医療撮像デバイス、患者の医療画像を内包する画像データベース９５０、外科手術ロボット４のコンポーネント、および／または他の電子機器に接続するように構成されることができる。

外科手術ロボット４とともに使用される場合、ディスプレイ９１２は、図２のディスプレイ３４、および／または図８のタブレット８９０、および／または外科手術ロボット４に動作可能に接続されたＸＲヘッドセット９２０に対応することができ、ネットワークインターフェース９０２は、図８のプラットフォームネットワークインターフェース８１２に対応することができ、プロセッサ９１４は、図８のコンピュータ８２２に対応することができる。ＸＲヘッドセット９２０のネットワークインターフェース９０２は、有線ネットワーク、例えば、シンワイヤＥｔｈｅｒｎｅｔを介して、および／または１つ以上の無線通信プロトコル、例えば、ＷＬＡＮ、３ＧＰＰ ４Ｇおよび／または５Ｇ（新無線）セルラー通信規格などにしたがって無線ＲＦ送受信リンクを介して通信するように構成されることができる。

プロセッサ９１４は、汎用および／または専用プロセッサ、例えば、マイクロプロセッサおよび／またはデジタル信号プロセッサなどの１つ以上のデータ処理回路を含むことができる。プロセッサ９１４は、メモリ９１６内のコンピュータ可読プログラムコード９１８を実行して、外科手術計画、ナビゲートされる外科手術、および／またはロボット外科手術のために実行されるものとして本明細書に記載される動作の一部または全てを含むことができる動作を実行するように構成されている。

コンピュータプラットフォーム９１０は、外科手術計画機能性を提供するように構成されることができる。プロセッサ９１４は、撮像デバイス１０４および１０６のうちの一方から、および／またはネットワークインターフェース９０２を介して画像データベース９５０から受信された解剖学的構造、例えば椎骨の画像をディスプレイデバイス９１２および／またはＸＲヘッドセット９２０に表示するように動作することができる。プロセッサ９１４は、計画された外科的処置のためにオペレータタッチがディスプレイ９１２上の場所を選択することによって、または計画された外科的処置のための場所を定義するためにマウスベースのカーソルを使用することなどによって、１つ以上の画像で示される解剖学的構造が、外科的処置、例えばスクリュー配置を受ける場所のオペレータの定義を受信する。画像がＸＲヘッドセット９２０に表示される場合、ＸＲヘッドセットは、着用者によって形成されたジェスチャベースのコマンドで感知するように、および／または着用者によって話されたボイスベースのコマンドを感知するように構成されることができ、これを使用してメニュー項目間の選択を制御し、および／または以下にさらに詳述するように、ＸＲヘッドセット９２０にオブジェクトがどのように表示されるかを制御することができる。

コンピュータプラットフォーム９１０は、股関節の中心、角度の中心、天然の目印（例えば、トランス上顆線、ホワイトサイド線、後顆線など）などを決定する様々な角度の測定のような、膝の外科手術に特に有用であり得る生体構造の測定を可能にするように構成されることができる。いくつかの測定は、自動とすることができる一方で、いくつかの他の測定は、人間の入力または支援を伴うことができる。コンピュータプラットフォーム９１０は、オペレータが、サイズおよび整列の選択を含む、患者のための正しいインプラントの選択を入力することを可能にするように構成されることができる。コンピュータプラットフォーム９１０は、ＣＴ画像または他の医療画像に対して自動または半自動（人間の入力を伴う）のセグメンテーション（画像処理）を実行するように構成されることができる。患者の外科手術計画は、外科手術ロボット４による検索のために、データベース９５０に対応することができるクラウドベースのサーバに記憶されることができる。

例えば、整形外科手術中に、外科医は、コンピュータ画面（例えば、タッチ画面）または例えばＸＲヘッドセット９２０を介したエクステンデッドリアリティ（ＸＲ）インタラクション（例えば、ハンドジェスチャベースのコマンドおよび／またはボイスベースのコマンド）を使用して、どのカットを作成するか（例えば、後部大腿骨、近位脛骨など）を選択することができる。コンピュータプラットフォーム９１０は、外科的処置を実行するために外科医に視覚的ガイダンスを提供するナビゲーション情報を生成することができる。外科手術ロボット４とともに使用される場合、コンピュータプラットフォーム９１０は、外科手術ロボット４がエンドエフェクタ２６を目標姿勢に自動的に移動させて、外科手術器具が目標場所に整列されて解剖学的構造に対する外科的処置を実行するようにすることを可能にするガイダンスを提供することができる。

いくつかの実施形態では、外科手術システム９００は、２つのＤＲＡを使用して、患者の脛骨に接続されたもの、および患者の大腿骨に接続されたものなど、患者の生体構造の位置を追跡することができる。システム９００は、位置合わせおよび確認のための標準のナビゲート器具（例えば、脊椎外科手術のためにＧｌｏｂｕｓ ＥｘｃｅｌｓｉｕｓＧＰＳシステムで使用されるものと同様のポインタ）を使用することができる。

ナビゲートされる外科手術で特に難しい作業は、３Ｄ解剖学的構造の２Ｄ表現であるコンピュータ画面上で外科医が作業を実行するのに苦労する脊椎、膝、および他の解剖学的構造におけるインプラントの位置を計画する方法である。システム９００は、ＸＲヘッドセット９２０を使用して、解剖学的構造および候補インプラントデバイスのコンピュータで生成された三次元（３Ｄ）表現を表示することによって、この問題に対処することが可能である。コンピュータで生成された表現は、コンピュータプラットフォーム９１０のガイダンスの下で、表示画面上で互いに対してスケーリングおよび姿勢決めされ、ＸＲヘッドセット９２０を介して視認される間、外科医によって操作されることができる。外科医は、例えば、ＸＲヘッドセット９２０によって感知されるハンドジェスチャベースのコマンドおよび／またはボイスベースのコマンドを使用して、解剖学的構造、インプラント、外科手術器具などの、表示された、コンピュータで生成された表現を操作することができる。

例えば、外科医は、仮想インプラント上の表示された仮想ハンドルを視認することができ、仮想ハンドルを操作し（例えば、つかんで移動させ）て、仮想インプラントを所望の姿勢に移動させ、解剖学的構造のグラフィカル表現に対する計画されたインプラントの配置を調整することができる。その後、外科手術中に、コンピュータプラットフォーム９１０は、ＸＲヘッドセット９２０を介してナビゲーション情報を表示することが可能であり、これにより、インプラントを挿入するための外科的計画により正確に追従し、および／または解剖学的構造に対する別の外科的処置を実行する外科医の能力が増進される。外科的処置が骨除去を伴う場合、骨除去の進行、例えば切込みの深さを、ＸＲヘッドセット９２０を介してリアルタイムで表示することができる。ＸＲヘッドセット９２０を介して表示されることができる他の特徴として、関節運動の範囲に沿った間隙または靭帯のバランス、関節運動の範囲に沿ったインプラントの接触線、色または他のグラフィックレンダリングによる靭帯の緊張および／または弛緩などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。

いくつかの実施形態では、コンピュータプラットフォーム９１０は、標準の外科手術器具および／またはインプラント、例えば、後方安定化インプラントおよび十字型保持インプラント、セメント固定およびセメントレスインプラント、例えば、膝関節全置換もしくは部分置換術、および／または股関節置換術、および／または外傷に関連した外科手術のための是正システムの使用を計画することを可能にすることができる。

自動撮像システムをコンピュータプラットフォーム９１０と連携して使用して、解剖学的構造の術前、術中、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ことができる。例示的な自動撮像システムが、図１０および図１１に例示されている。いくつかの実施形態では、自動撮像システムは、Ｃアーム１０４（図１０）撮像デバイスまたはＯアーム（登録商標）１０６（図１１）である。（Ｏアーム（登録商標）は、米国コロラド州ルイスビルに事業所を置くＭｅｄｔｒｏｎｉｃ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，Ｉｎｃ．が著作権を所有している）。Ｘ線システムで必要とされることができる、患者の頻繁な手動による再位置決めを必要とすることなく、いくつかの異なる位置から患者のＸ線を撮像することが望ましい場合がある。Ｃアーム１０４のＸ線診断機器は、頻繁な手動による再位置決めの問題を解決することができ、外科手術および他の介在する処置の医療分野でよく知られている場合がある。図１０に示されるように、Ｃアームは、「Ｃ」形状の対向する遠位端１１２で終端する細長いＣ形状の部材を含む。Ｃ形状の部材は、Ｘ線源１１４および画像受信器１１６に取り付けられている。アームのＣアーム１０４内の空間は、Ｘ線支持構造からの干渉が実質的にない状態で医師が患者に付き添う余地を提供する。

Ｃアームは、２つの自由度における（すなわち、球面運動における２つの直交軸を中心とする）アームの回転の動きを可能にするように装着されている。Ｃアームは、Ｘ線支持構造に摺動可能に装着され、これにより、Ｃアームの曲率中心を中心とした周回回転方向の動きが可能になり、Ｘ線源１１４および画像受信器１１６を垂直および／または水平方向に選択的に向けることを可能にすることができる。Ｃアームはまた、横方向（すなわち、患者の幅および長さの双方に対するＸ線源１１４および画像受信器１１６の選択的に調節可能な位置決めを可能にする周回方向に対して直交方向）に回転可能であってもよい。Ｃアーム装置の球面回転の態様により、医師は、撮像されている特定の解剖学的状況に関して決定された最適な角度で患者のＸ線を撮像することができる。

図１１に示されているＯアーム（登録商標）１０６は、例示されていない画像キャプチャ部分を取り囲むことができるガントリハウジング１２４を含む。画像キャプチャ部分は、Ｘ線源および／または放射部分と、Ｘ線受信および／または画像受信部分と、を含み、これらを互いに約１８０度に配設し、画像キャプチャ部分の追跡に対してロータ（例示せず）上に装着することができる。画像キャプチャ部分は、画像取得中に３６０度回転するように動作可能であってもよい。画像キャプチャ部分は、中心点および／または軸を中心として回転することができ、患者の画像データが複数の方向から、または複数の平面で取得されることを可能にする。

ガントリハウジング１２４を備えたＯアーム（登録商標）１０６は、撮像される物体の周りに位置決めするための中央開口部と、ガントリハウジング１２４の内部の周りで回転可能な放射線源と、を有し、放射線源は、複数の異なる投影角度から放射線を投影するように適合されることができる。検出器システムは、各投影角度で放射線を検出して、物体画像を複数の投影面から擬似的に同時に取得するように適合されている。ガントリは、カンチレバー様式で、ホイールを有するホイール付き移動式カートなどの支持構造Ｏアーム（登録商標）支持構造に取り付けることができる。位置決めユニットは、好ましくはコンピュータ化された運動制御システムの制御下で、ガントリを計画された位置および向きに並進および／または傾斜させる。ガントリは、ガントリ上で互いに対向して配設された供給源および検出器を含むことができる。供給源および検出器は、供給源および検出器を互いに協調させてガントリの内部の周りで回転させることができる電動ロータに固設されることができる。供給源は、ガントリの内側に位置する目標オブジェクトの多平面撮像のために、部分的および／または完全に３６０度の回転にわたって複数の位置および向きでパルス化されることができる。ガントリは、ロータが回転するときにロータを誘導するためのレールおよび支承システムをさらに備えることができ、これは、供給源および検出器を搬送することができる。Ｏアーム（登録商標）１０６およびＣアーム１０４の双方および／またはいずれかを自動撮像システムとして使用して、患者をスキャンし、情報を外科手術システム２に送ることができる。

撮像システムによってキャプチャされた画像は、ＸＲヘッドセット９２０および／またはコンピュータプラットフォーム９１０の別のディスプレイデバイス、外科手術ロボット４、および／または外科手術システム９００の別のコンポーネントに表示されることができる。ＸＲヘッドセット９２０は、例えば、コンピュータプラットフォーム９１０を介して、撮像デバイス１０４および／または１０６のうちの１つ以上、および／または画像データベース９５０に接続されて、画像データベース９５０からの画像を表示することができる。ユーザは、ＸＲヘッドセット９２０を介して制御入力、例えば、ジェスチャおよび／またはボイスベースのコマンドを提供して、撮像デバイス１０４および／または１０６および／または画像データベース９５０のうちの１つ以上の動作を制御することができる。

図１２は、図１３に示されるＸＲヘッドセット９２０に対応し、且つ本開示のいくつかの実施形態にしたがって動作することができるＸＲヘッドセット９２０（ヘッドマウントディスプレイＨＭＤ１およびＨＭＤ２）の対を含む外科手術システムの構成要素のブロック図を示している。

図１２の例示的なシナリオを参照すると、助手６１２および外科医６１０は、双方とも、それぞれＸＲヘッドセット９２０を着用している。助手６１２がＸＲヘッドセット９２０を着用することは任意である。ＸＲヘッドセット９２０は、着用者が、以下にさらに記載するように、外科的処置に関連した情報を視認し、および情報とインタラクトすることができるインタラクティブな環境を提供するように構成されている。このインタラクティブなＸＲベースの環境は、図６に示される技術従事者６１４が手術室に存在する必要性を排除することができ、図６に示されるディスプレイ３４の使用の必要性を排除することができる。各ＸＲヘッドセット９２０は、手術器具、患者の解剖学的構造、エンドエフェクタ２６、および／または他の機器に取り付けられたＤＲＡまたは他の参照アレイの追加の追跡ソースを提供するように構成された１つ以上のカメラを含むことができる。図１２の例では、ＸＲヘッドセット９２０は、ＤＲＡおよび他のオブジェクトを追跡するための視野（ＦＯＶ）１２０２を有し、ＸＲヘッドセット９２０は、ＤＲＡおよび他のオブジェクトを追跡するためのＦＯＶ１２０２と部分的に重なるＦＯＶ１２１２を有し、追跡カメラ４６は、ＤＲＡおよび他のオブジェクトを追跡するために、ＦＯＶ１２０２および１２１２と部分的に重複する別のＦＯＶ６００を有する。

１つ以上のカメラが、追跡されるオブジェクト、例えば外科手術器具に取り付けられたＤＲＡを視認するのを妨げられているが、ＤＲＡが１つ以上の他のカメラを視野に入れている場合、追跡サブシステム８３０および／またはナビゲーションコントローラ８２８は、ナビゲーションを喪失せずにシームレスにオブジェクトを追跡し続けることができる。これに加えて、１つのカメラの観点からＤＲＡが部分的に隠れているが、ＤＲＡ全体が複数のカメラソースを介して視認可能である場合、カメラの追跡入力を統合して、ＤＲＡのナビゲーションを続けることができる。ＸＲヘッドセットおよび／または追跡カメラ４６のうちの１つは、ＸＲヘッドセットの別の１つでＤＲＡを表示および追跡して、コンピュータプラットフォーム９１０（図９および図１４）、追跡サブシステム８３０、および／または別のコンピューティングコンポーネントを有効にし、１つ以上の定義された座標系、例えば、ＸＲヘッドセット９２０、追跡カメラ４６、および／または患者、テーブル、および／または部屋に対して定義された別の座標系に対するＤＲＡの姿勢を判定することができる。

ＸＲヘッドセット９２０は、ビデオ、写真、および／または他の受信情報を表示するように、および／または神経モニタリング、顕微鏡、ビデオカメラ、および麻酔システムを含むがこれらに限定されない手術室内の様々な機器を制御するコマンドを提供するように動作可能に接続されることができる。様々な機器からのデータは、例えば、患者のバイタルサインまたは顕微鏡フィードの表示など、ヘッドセット内で処理および表示されることができる。

例示的なＸＲヘッドセットコンポーネントと、ナビゲートされた外科手術、外科手術ロボット、およびその他の機器への統合
図１３は、本開示のいくつかの実施形態にしたがって構成されたＸＲヘッドセット９２０を示している。ＸＲヘッドセットは、ＸＲヘッドセットを着用者の頭に固定するように構成されたヘッドバンド１３０６、ヘッドバンド１３０６によって支持される電子的コンポーネントエンクロージャ１３０４、および電子的コンポーネントエンクロージャ１３０４を横切って下向きに延びる表示画面１３０２を含む。表示画面１３０２は、シースルーＬＣＤディスプレイデバイス、またはディスプレイデバイスによって着用者の眼に向けて投影された画像を反射する半反射レンズとすることができる。ヘッドセットの片側または両側に配置された既知の間隔を空けて、例えばドットなどのＤＲＡ基準１３１０のセットがペイントされるかまたは取り付けられる。ヘッドセットのＤＲＡは、補助追跡バー上の追跡カメラがヘッドセット９２０の姿勢を追跡することを可能にし、および／または別のＸＲヘッドセットがヘッドセット９２０の姿勢を追跡することを可能にする。

表示画面１３０２は、ディスプレイデバイスのディスプレイパネルからユーザの眼に向けて光を反射する、コンバイナとも呼ばれるシースルー表示画面として動作する。ディスプレイパネルを、電子的コンポーネントエンクロージャとユーザの頭との間に位置させることができ、ユーザの眼に向けた反射のために、表示画面１３０２に向けて仮想コンテンツを投影するように角度付けすることができる。表示画面１３０２が半透明および半反射であることにより、ユーザに、実世界シーンのユーザのビューに重畳された反射された仮想コンテンツが見えるようになる。表示画面１３０２は、下側横方向バンドよりも高い不透明度を有する図示の上側横方向バンドなど、異なる不透明度領域を有することができる。表示画面１３０２の不透明度は、実世界シーンからユーザの眼に通過する光の量を調整するために電子的に制御されることができる。表示画面１３０２の高不透明性構成は、実世界シーンの薄暗いビュー上にオーバーレイされた高コントラストの仮想画像をもたらす。表示画面１３０２の低不透明性構成は、実世界シーンのよりクリアなビュー上にオーバーレイされた、よりかすかな仮想画像をもたらすことができる。不透明度は、表示画面１３０２の表面に不透明な材料を適用することによって制御されることができる。

いくつかの実施形態によれば、外科手術システムは、ＸＲヘッドセット９２０およびＸＲヘッドセットコントローラ、例えば、図１４のコントローラ１４３０を含む。ＸＲヘッドセット９２０は、外科手術中にユーザが着用するように構成されており、ＸＲ画像を表示するように、且つ実世界シーンの少なくとも一部分がユーザによる視認のために通過できるように構成されたシースルー表示画面１３０２を有する。ＸＲヘッドセット９２０はまた、ユーザがシースルー表示画面１３０２を視認するときに、ユーザの眼のうちの少なくとも１つと実世界シーンとの間に配置される不透明フィルタを含む。不透明フィルタは、実世界シーンからの光に対する不透明性を提供するように構成されている。ＸＲヘッドセットコントローラは、ナビゲーションコントローラ、例えば、図１４のコントローラ（単数または複数）８２８Ａ、８２８Ｂ、および／または８２８Ｃと通信して、解剖学的構造に対する外科的処置中にユーザにガイダンスを提供するナビゲーションコントローラからナビゲーション情報を受信するように構成されており、シースルー表示画面１３０２に表示するためのナビゲーション情報に基づいてＸＲ画像を生成するようにさらに構成されている。

表示画面１３０２の不透明度は、表示画面１３０２の上部から下向きの距離でより連続的に変化する不透明性を有する勾配として構成されることができる。勾配の最も暗い点は、表示画面１３０２の上部に位置することができ、不透明度が透明になるか、または存在しなくなるまで、表示画面１３０２上でさらに下方へと徐々に不透明度が低くなる。例示的なさらなる実施形態では、勾配は、表示画面１３０２のほぼ眼の中央のレベルで、約９０％の不透明度から完全に透明に変化することができる。ヘッドセットが適切に調整および配置されている場合、眼の中央のレベルは、ユーザが真っ直ぐに見るポイントに対応し、勾配の端部は、眼の「水平」線に位置する。勾配の暗い部分は、仮想コンテンツの鮮明でクリアなビジュアルを可能にし、頭上の手術室ライトの邪魔な輝度を遮断するのに役立つ。

このように不透明フィルタを使用することにより、ＸＲヘッドセット９２０は、表示画面１３０２の上部に沿って実世界シーンからの光を実質的または完全に遮断することによって仮想現実（ＶＲ）能力を提供し、且つ表示画面１３０２の中央または下部に沿ってＡＲ能力を提供することが可能になる。これにより、ユーザは、必要に応じてＡＲを半透明にできるようになり、処置中における患者の生体構造のクリアな光学系が可能になる。表示画面１３０２を、より一定の不透明性バンドに代えて勾配として構成することにより、着用者は、実世界シーンの輝度と、上向きのビューと下向きのビューとの間のより急速なシフト中などに、なければ眼を緊張させ得る被写界深度と、の急峻な変化を経験することなく、よりＶＲタイプのビューからよりＡＲタイプのビューへのより自然な遷移を体験できるようになる。

ディスプレイパネルおよび表示画面１３０２は、広視野のシースルーＸＲディスプレイシステムを提供するように構成されることができる。例示的な一構成では、それらは、ユーザが仮想コンテンツを視認するための５５°の垂直範囲を備えた８０°の対角視野（ＦＯＶ）を提供する。他の対角ＦＯＶ角度および垂直カバレッジ角度は、異なるサイズのディスプレイパネル、異なる曲率レンズ、および／またはディスプレイパネルと湾曲表示画面１３０２との間の異なる距離および角度の向きを介して提供されることができる。

図１４は、コンピュータプラットフォーム９１０に、Ｃアーム撮像デバイス１０４、Ｏアーム撮像デバイス１０６などの撮像デバイスのうちの１つ以上および／または画像データベース９５０に、および／または本開示の様々な実施形態にかかる外科手術ロボット８００に動作可能に接続されることができるＸＲヘッドセット９２０の電気的コンポーネントを例示している。

ＸＲヘッドセット９２０は、ナビゲートされる外科的処置を実行するための改善されたヒューマンインターフェースを提供する。ＸＲヘッドセット９２０は、例えば、コンピュータプラットフォーム９１０を介して、以下のうちの１つ以上を含むがこれらに限定されない機能を提供するように構成されることができる：ハンドジェスチャベースのコマンドおよび／または音声ベースのコマンドの識別、ディスプレイデバイス１４５０上のＸＲグラフィカルオブジェクトの表示。ディスプレイデバイス１４５０は、表示されたＸＲグラフィックオブジェクトを表示画面１３０２に投影するビデオプロジェクタ、フラットパネルディスプレイなどとすることができる。ユーザは、ＸＲグラフィカルオブジェクトを、表示画面１３０２（図１３）を介して見られる特定の実世界のオブジェクトに固定されたオーバーレイとして見ることができる。ＸＲヘッドセット９２０は、追加的または代替的に、１つ以上のＸＲヘッドセット９２０に取り付けられたカメラおよび他のカメラからのビデオフィードを表示画面１４５０に表示するように構成されることができる。

ＸＲヘッドセット９２０の電気的コンポーネントは、複数のカメラ１４４０、マイクロフォン１４４２、ジェスチャセンサ１４４４、姿勢センサ（例えば、慣性測定ユニット（ＩＭＵ））１４４６、ディスプレイデバイス１４５０を含むディスプレイモジュール１４４８、および無線／有線通信インターフェース１４５２を含むことができる。以下に説明するように、ＸＲヘッドセットのカメラ１４４０は、可視光キャプチャカメラ、近赤外線キャプチャカメラ、または双方の組み合わせとすることができる。

カメラ１４４０は、カメラ（単数または複数）１４４０の視野内で実行されるユーザのハンドジェスチャの識別のためにキャプチャすることによって、ジェスチャセンサ１４４４として動作するように構成されることができる。これに代えて、ジェスチャセンサ１４４４は、近接センサ、および／またはジェスチャセンサ１４４４に近接して実行されるハンドジェスチャを感知し、および／または物理的接触、例えばセンサまたはエンクロージャ１３０４をタッピングすることを感知するタッチセンサとすることができる。姿勢センサ１４４６、例えばＩＭＵは、１つ以上の定義された座標軸に沿ったＸＲヘッドセット９２０の回転および／または加速度を感知することができる多軸加速度計、傾斜センサ、および／または別のセンサを含むことができる。これらの電気的コンポーネントのいくつかまたは全ては、コンポーネントエンクロージャ１３０４に内包されることができるか、または腰もしくは肩などの他の箇所で着用されるように構成された別のエンクロージャに内包されることができる。

上で説明したように、外科手術システム２は、カメラ追跡システムコンポーネント６／６’と、コンピュータプラットフォーム９１０の一部とすることができる追跡サブシステム８３０とを含む。外科手術システムは、撮像デバイス（例えば、Ｃアーム１０４、Ｏアーム１０６、および／または画像データベース９５０）および／または外科手術ロボット４を含むことができる。追跡サブシステム８３０は、解剖学的構造、エンドエフェクタ、外科手術器具などに取り付けられたＤＲＡの姿勢を判定するように構成される。ナビゲーションコントローラ８２８は、例えば、解剖学的構造上で外科手術器具を使用して且つ追跡サブシステム８３０によって判定された解剖学的構造の姿勢に基づいて外科的処置がどこで実行されるかを定義する、図９のコンピュータプラットフォーム９１０によって実行される外科的計画機能からの外科的計画に基づいて、解剖学的構造に対する外科手術器具の目標姿勢を判定するように構成される。ナビゲーションコントローラ８２８は、さらに、外科手術器具の目標姿勢、解剖学的構造の姿勢、および外科手術器具および／またはエンドエフェクタの姿勢に基づいて操舵情報を生成するように構成されることができ、ここで、操舵情報は、外科手術計画を実行するために外科手術器具および／または外科手術ロボットのエンドエフェクタが移動される必要がある場合を示す。ＸＲヘッドセット９２０の様々なカメラ１４４０は、ＤＲＡ、ユーザの手などの姿勢を追跡するために、カメラ追跡システムコンポーネント６／６’に接続されることができる。

ＸＲヘッドセット９２０の電気的コンポーネントは、有線／無線インターフェース１４５２を介してコンピュータプラットフォーム９１０の電気的コンポーネントに動作可能に接続されることができる。ＸＲヘッドセット９２０の電気的コンポーネントは、例えば、様々な撮像デバイス、例えば、Ｃアーム撮像デバイス１０４、Ｉ／Ｏアーム撮像デバイス１０６、画像データベース９５０に、および／または有線／無線インターフェース１４５２を介して他の医療機器に対して、コンピュータプラットフォーム９１０を介して動作可能に接続されることができるかまたは直接接続されることができる。

外科手術システム２は、さらに、ＸＲヘッドセット９２０、コンピュータプラットフォーム９１０、および／または有線ケーブルおよび／または無線通信リンクで接続された別のシステムコンポーネントに常駐することができる少なくとも１つのＸＲヘッドセットコントローラ１４３０（簡潔にするために「ＸＲヘッドセットコントローラ」とも呼ばれる）を含む。様々な機能は、ＸＲヘッドセットコントローラ１４３０によって実行されるソフトウェアによって提供される。ＸＲヘッドセットコントローラ１４３０は、解剖学的構造に対する外科的処置中にユーザにガイダンスを提供するナビゲーションコントローラ８２８からナビゲーション情報を受信するように構成されており、シースルー表示画面１３０２での投影のためのディスプレイデバイス１４５０での表示のためにナビゲーション情報に基づいてＸＲ画像を生成するように構成されている。

表示画面（「シースルー表示画面」とも呼ばれる）１３０２に対するディスプレイデバイス１４５０の構成は、ＸＲヘッドセット９２０を装着しているユーザが、実世界にあるように見えるＸＲ画像を、表示画面１３０２を介して見るようにＸＲ画像を表示するように構成されている。表示画面１３０２は、ユーザの眼の前のヘッドバンド１３０６によって位置決めされることができる。

ＸＲヘッドセットコントローラ１４３０は、表示画面１３０２を視認する間、ユーザの頭またはユーザの体の他の箇所に着用されるように構成されたハウジング内にあることができるか、または表示画面１３０２に通信可能に接続されている間に表示画面１３０２を視認しているユーザから遠隔に位置することができる。ＸＲヘッドセットコントローラ１４３０は、カメラ１４４０、マイクロフォン１４２、および／または姿勢センサ１４４６からの信号伝達を動作可能に処理するように構成されることができ、表示画面１３０２上で視認するユーザのためにディスプレイデバイス１４５０にＸＲ画像を表示するように接続されている。したがって、ＸＲヘッドセット９２０内の回路ブロックとして例示されるＸＲヘッドセットコントローラ１４３０は、ＸＲヘッドセット９２０の他の例示されるコンポーネントに動作可能に接続されているが、必ずしも共通のハウジング（例えば、図１３の電子的コンポーネントエンクロージャ１３０４）内に存在しないか、またはユーザによって運搬可能ではないことを理解されたい。例えば、ＸＲヘッドセットコントローラ１４３０は、ひいては図３Ｂおよび図３Ｃに示されるコンピュータ追跡システムコンポーネント６’のハウジング内に存在することができるコンピュータプラットフォーム９１０内に存在することができる。

ＸＲヘッドセットコンポーネントの光学配置の例
図１５は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、ＸＲヘッドセット９２０の光学コンポーネントの配置を示すブロック図を示している。図１５を参照すると、ディスプレイデバイス１４５０は、そこからの光がＸＲ画像１５００として表示画面１３０２に向けて投影されるＸＲヘッドセットコントローラ１４３０によって生成されたＸＲ画像を表示するように構成されている。表示画面１３０２は、ＸＲ画像１５００の光と実世界シーン１５０２からの光とを組み合わせて、ユーザの眼１５１０に向けられる合成拡張ビュー１５０４となるように構成されている。このように構成された表示画面１３０２は、シースルー表示画面として動作する。ＸＲヘッドセット９２０は、任意の複数の追跡カメラ１４４０を含むことができる。カメラ１４４０は、可視光キャプチャカメラ、近赤外線キャプチャカメラ、または双方の組み合わせとすることができる。

ＸＲヘッドセットを介したユーザビューの例
ＸＲヘッドセットの動作は、２Ｄ画像および３Ｄモデルの双方を表示画面１３０２に表示することができる。２Ｄ画像は、好ましくは、表示画面１３０２のより不透明なバンド（上側バンド）に表示されることができ、３Ｄモデルは、より好ましくは、環境領域として別途知られる、表示画面１３０２のより透明なバンド（下側バンド）に表示されることができる。表示画面１３０２が終了する下側バンドの下方において、着用者は、手術室の遮るもののないビューを有する。ＸＲコンテンツが表示画面１３０２に表示されている場合、流動的であり得ることに留意されたい。３Ｄコンテンツが表示されている場合、コンテンツに対するヘッドセットの位置に応じて、不透明なバンドに移動することができ、２Ｄコンテンツが表示されている場合、透明なバンドに配置されて実世界に安定することができる。これに加えて、表示画面１３０２の全体は、ヘッドセットを外科手術計画のための仮想現実に変換するために電子制御下で暗くされることができるか、または医療処置中に完全に透明にされることができる。上記で説明したように、ＸＲヘッドセット９２０および関連付けられた動作は、ナビゲートされる処置をサポートするだけでなく、ロボットにより支援される処置と組み合わせて実行されることができる。

図１６は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、医療処置中に外科手術器具１６０２を操作しているユーザにナビゲーション支援を提供するためのＸＲヘッドセット９２０の表示画面１３０２を介した例示的なビューを示している。図１６を参照すると、外科手術器具１６０２に接続された動的参照アレイ１６３０および１６３２がカメラ１４４０（図１５）および／または４６（図６）の視野内になるように、外科手術器具１６０２が追跡される解剖学的構造の近傍にもたらされると、器具のグラフィカル表現１６００は、解剖学的構造のグラフィカル表現１６１０に関連して２Ｄおよび／または３Ｄ画像で表示されることができる。ユーザは、視認されたグラフィカル表現を使用して、器具のグラフィカル表現２０００から解剖学的構造のグラフィカル表現１６１０を通って延在するものとして例示されることができる外科手術器具１６０２の軌跡１６２０を調整することができる。ＸＲヘッドセット９２０はまた、テキスト情報および他のオブジェクト１６４０を表示することができる。表示された表示画面を横切って延びる破線１６５０は、異なる不透明度レベルの上側バンドと下側バンドとの間の分割例を表す。

表示画面１３０２に表示されることができる他のタイプのＸＲ画像（仮想コンテンツ）は、これらに限定されるものではないが、以下のいずれか１つ以上を含むことができる：
１）患者の生体構造の２Ｄの体軸ビュー、矢状ビュー、および／または冠状ビュー、
２）計画された器具と現在追跡されている器具との対比と、外科手術インプラント場所と、のオーバーレイ、
３）術前画像のギャラリー、
４）顕微鏡および他の同様のシステム、またはリモートビデオ会議からのビデオフィード、
５）オプションならびに構成の設定およびボタン、
６）外科手術計画情報を有する患者の生体構造の浮遊３Ｄモデル、
７）浮遊する患者の生体構造に関連する外科手術器具のリアルタイム追跡、
８）指示およびガイダンスを有する患者の生体構造の拡張オーバーレイ、および
９）外科手術機器の拡張オーバーレイ。

追跡システムコンポーネントのためのカメラの構成例
図１７は、本開示のいくつかの実施形態にしたがって構成された２対のステレオ追跡カメラを有する補助追跡バー４６の例示的な構成を示している。補助追跡バー４６は、図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃのカメラ追跡システムコンポーネントの一部である。一実施形態にかかる、ステレオ追跡カメラは、間隔を置いて配置された可視光キャプチャカメラのステレオ対と、間隔を空けて配置された近赤外線キャプチャカメラの別のステレオ対とを含む。あるいは、可視光キャプチャカメラの１つのステレオ対のみ、または近赤外線キャプチャカメラの１つのステレオ対のみが補助追跡バー４６において使用されることができる。任意の複数の近赤外線および／または可視光カメラを使用することができる。

姿勢測定連鎖
上で説明したように、ナビゲートされた外科手術は、例えば、カメラ追跡システムにとって既知の方法で配置されたディスクまたは球などの間隔を空けた基準を含む取り付けられたＤＲＡの姿勢を判定することなどによる、外科手術器具のコンピュータビジョン追跡および姿勢（例えば、６自由度座標系における位置および向き）の判定を含むことができる。コンピュータビジョンは、近赤外線および／または可視光をキャプチャするように構成された、間隔を空けて配置された追跡カメラ、例えばステレオカメラを使用する。このシナリオでは、（１）精度、（２）堅牢性、および（３）外科手術中のユーザの人間工学という最適化をめぐって共同で競合する３つのパラメータがある。

コンピュータ動作は、１つ以上のＸＲヘッドセットに取り付けられた追加の追跡カメラを組み込むことによって、上記の３つのパラメータの１つ以上の最適化を改善することができる方法で測定された姿勢を組み合わせる（連鎖する）ことができる。図１７に示されるように、本開示のいくつかの実施形態にしたがって、可視光追跡カメラのステレオ対および近赤外線追跡カメラの別のステレオ対を、カメラ追跡システムコンポーネントの補助追跡バーに取り付けることができる。完全に観察された、または部分的に観察された（例えば、ＤＲＡの全ての基準未満が１対のステレオカメラによって見られる場合）ＤＲＡの姿勢を分析し、観察された姿勢または部分的な姿勢を、ナビゲートされた外科手術中の精度、堅牢性、および／または人間工学を向上させることができる方法で組み合わせる動作アルゴリズムが開示される。

上で説明したように、ＸＲヘッドセットは、コンピュータで生成されたＸＲ画像によって実世界シーンを補強するように構成されることができる。ＸＲヘッドセットは、コンピュータで生成されたＸＲ画像をシースルー表示画面に表示することによってＸＲ表示環境を提供するように構成されることができ、これにより、実世界シーンからの光がそこを通過してユーザによる複合表示を可能にする。あるいは、ＸＲヘッドセットは、実世界シーンからの光が、表示されたＸＲ画像の表示経路に沿ってユーザによって直接見られるのを防止または実質的に防止することによって、ＶＲ表示環境を提供するように構成されることができる。ＸＲヘッドセットは、ＡＲおよびＶＲ表示環境の双方を提供するように構成されることができる。一実施形態では、ＡＲおよびＶＲ表示環境の双方は、不透明度の高いバンドに位置合わせされたＸＲ画像のためにＶＲ表示環境が提供され、不透明度の低いバンドに位置合わせされたＸＲ画像のためにＡＲ表示環境が提供されるように、シースルー表示画面と実世界シーンとの間に配置された実質的に異なる不透明度の横方向バンドによって提供される。別の実施形態では、ＡＲおよびＶＲ表示環境の双方は、ユーザによって見られるＸＲ画像と組み合わせるために実世界シーンからの光がシースルー表示画面を通過する量を可変的に制限する不透明度フィルタのコンピュータ調整可能な制御によって提供される。したがって、ＸＲヘッドセットはまた、ＡＲヘッドセットまたはＶＲヘッドセットと呼ばれることもできる。

上でも説明したように、ＸＲヘッドセットは、外科手術器具、患者の解剖学的構造、他のＸＲヘッドセット、および／またはロボットエンドエフェクタに接続されたＤＲＡの基準を追跡するように構成された近赤外線追跡カメラおよび／または可視光追跡カメラを含むことができる。ＸＲヘッドセットで近赤外線追跡および／または可視光追跡を使用すると、単一の補助追跡バー上のカメラが提供することができる範囲を超える追加の追跡ボリュームカバレッジを提供する。既存の補助追跡バーに近赤外線追跡カメラを追加すると、ヘッドセットの位置を可視光よりも確実に追跡することができるが、精度は低くなる。可視および近赤外線追跡座標系を機械的に較正することにより、座標系を十分に位置合わせして、ステレオマッチングを使用して３Ｄ ＤＲＡ基準三角測量動作を実行し、可視および近赤外線追跡座標系間のＤＲＡ基準の姿勢を共同で識別することができる。可視および近赤外線追跡座標系の双方を使用すると、以下のいずれか１つ以上を有効にすることができる：（ａ）単一の座標系を使用して識別されない器具の識別、（ｂ）姿勢追跡精度の向上、（ｃ）外科手術器具、患者の解剖学的構造、および／またはロボットエンドエフェクタの追跡を失うことなく、より広い範囲の動きを可能にすること、および（ｄ）ナビゲートされた外科手術器具と同じ座標系でＸＲヘッドセットを自然に追跡すること。

図１８は、ＸＲヘッドセット９２０の対の追跡カメラ（ヘッドマウントディスプレイＨＭＤ１およびＨＭＤ２）およびコンピュータプラットフォーム９１０を収容するカメラ追跡システムコンポーネント６’のカメラ追跡バーの追跡カメラを含む外科手術システムのコンポーネントのブロック図を示している。コンピュータプラットフォーム９１０は、図１４に先に示したように、追跡サブシステム８３０、ナビゲーションコントローラ８２８、およびＸＲヘッドセットコントローラ１４３０を含むことができる。

図１８の外科手術システムを参照すると、外科医および助手は、双方とも、それぞれが図１３に示すように構成されることができる追跡カメラを含む場合、ＸＲヘッドセットＨＭＤ１ ９２０およびＨＭＤ２ ９２０をそれぞれ着用している。助手がＸＲヘッドセットＨＭＤ２ ９２０を着用することは任意である。

ＸＲヘッドセットＨＭＤ１ ９２０およびＨＭＤ２ ９２０と補助追跡バー上の追跡カメラ４６との組み合わせは、コンピュータプラットフォーム９１０と連動して、患者参照アレイ（Ｒ）、ロボットエンドエフェクタ（Ｅ）、および外科手術器具（Ｔ）または器具の例示的なオブジェクトをより確実に追跡することができる。ＸＲヘッドセットＨＭＤ１ ９２０およびＨＭＤ２ ９２０と、補助追跡バー上の追跡カメラ４６によって提供される、異なる視点からの重なり合うビューを図１２に示す。

図１８においてラベル付けされている各項目は、固有の座標系を表している。座標系ラベルの説明は、以下のとおりである：
Ａ＝第２のヘッドセットＨＭＤ２ ９２０の可視光座標系、
Ｎ３＝第２のヘッドセットＨＭＤ２ ９２０の近赤外線（ＮＩＲ）座標系、
Ｓ＝主ヘッドセットＨＭＤ１ ９２０の可視光座標系、
Ｎ２＝主ヘッドセットＨＭＤ１ ９２０のＮＩＲ座標系、
Ｎ＝補助ナビゲーションバー４６のＮＩＲ座標系、
Ｖ＝補助ナビゲーションバー４６の可視光座標系、
Ｒ＝患者参照基準アレイ６０２のＮＩＲ座標系、
Ｔ＝追跡された器具６０４のＮＩＲ座標系、
Ｅ＝ロボットアーム２０上の追跡されたロボットエンドエフェクタのＮＩＲ座標系、および
Ｗ＝安定した重力ベクトルを有する慣性的にナビゲートされる世界座標系。

これらのラベル付けされたオブジェクトの一部（およびひいては座標系）の空間的関係は、製造プロセス中、機器が手術室に設置されているとき、および／または外科的処置が実行される前に測定および較正されることができる。開示されたシステムでは、以下の座標系が較正される：

ここで、「Ｔ」という用語は、示された２つの座標系間の６自由度（６ＤＯＦ）の均一変換として定義される。したがって、例えば、用語

は、主ヘッドセットＨＭＤ１ ９２０の可視光座標系と主ヘッドセットＨＭＤ１ ９２０のＮＩＲ座標系との間の６ＤＯＦの均一変換である。

一実施形態では、ＸＲヘッドセットＨＭＤ１ ９２０およびＨＭＤ２ ９２０は、図１３に示される参照アレイ基準１３１０など、それらにペイントされるかまたは他の方法で取り付けられた受動可視光基準（座標系ＳおよびＡ）を有する。追跡カメラは、これらの受動基準（座標系Ｎ２およびＮ３）に合わせて空間的に較正される。

上で説明したように、ＸＲヘッドセットＨＭＤ１ ９２０およびＨＭＤ２ ９２０上のカメラ、ならびに補助追跡バー上の追跡カメラ４６は、部分的に重なり合う視野を有する。ＸＲヘッドセットＨＭＤ１ ９２０の１つ以上のカメラが、例えば追跡される器具（Ｔ）などの追跡されるオブジェクトに取り付けられたＤＲＡの表示を妨げられているが、ＤＲＡが他のＸＲヘッドセットＨＭＤ２ ９２０のカメラおよび／または補助追跡バー上の追跡カメラ４６を表示している場合、コンピュータプラットフォーム９１０は、ナビゲーションを失うことなく、ＤＲＡをシームレスに追跡し続けることができる。これに加えて、ＸＲヘッドセットＨＭＤ１ ９２０のカメラの視点からＤＲＡが部分的に閉塞しているが、ＤＲＡ全体が他のＸＲヘッドセットＨＭＤ２ ９２０のカメラおよび／または補助追跡バー上の追跡カメラ４６を介して見える場合、カメラの追跡入力をマージして、ＤＲＡのナビゲーションを続行することができる。

より具体的には、様々な座標系は、ＸＲヘッドセットＨＭＤ１ ９２０およびＨＭＤ２ ９２０ならびに補助追跡バー上の追跡カメラ４６によって提供される様々なカメラシステムを独立して観察することにより、一体に連鎖されることができる。例えば、ＸＲヘッドセットＨＭＤ１ ９２０およびＨＭＤ２ ９２０のそれぞれは、ロボットエンドエフェクタ（Ｅ）の仮想拡張を必要とする場合がある。１つのＸＲヘッドセットＨＭＤ１ ９２０（Ｎ２）および補助追跡バー（Ｎ）上の追跡カメラ４６は、（Ｅ）を見ることができるが、おそらく他のＸＲヘッドセットＨＭＤ２ ９２０（Ｎ３）は見ることができない。（Ｎ３）に対する（Ｅ）の位置は、いくつかの異なる動作方法の１つを介して計算されることができる。患者参照（Ｒ）から姿勢の連鎖を実行する一実施形態にかかる動作。患者参照（Ｒ）が（Ｎ３）と（Ｎ）または（Ｎ２）のいずれかによって見られる場合、（Ｎ３）に対する（Ｅ）の姿勢は、以下の２つの式のいずれかによって直接解くことができる。

この姿勢連鎖の鍵となるのは、各連鎖の最後にあるフレーム間の関係が推測されることである（下方に丸で囲まれて移動される）。連鎖は、任意の長さとすることができ、複数のステレオカメラシステム（例えば、Ｎ、Ｎ２、Ｎ３）を有することによって有効にされる。

カメラ追跡システムは、外科的処置中に、第１の追跡カメラ（例えば、Ｎ３）および第２の追跡カメラ（例えば、Ｎ２）から追跡されるオブジェクトに関連する追跡情報を受信するように構成されることができる。カメラ追跡システムは、第１のオブジェクト（例えば、Ｒ）の姿勢を示す第１の追跡カメラ（例えば、Ｎ３）からの第１のオブジェクト追跡情報に基づいて、第１のオブジェクト（例えば、Ｒ）座標系と、第１の追跡カメラ（例えば、Ｎ３）座標系との間の第１の姿勢変換

を判定することができる。カメラ追跡システムは、第１のオブジェクト（例えば、Ｒ）の姿勢を示す第２の追跡カメラ（例えば、Ｎ２）からの第１のオブジェクト追跡情報に基づいて、第１のオブジェクト（例えば、Ｒ）座標系と、第２の追跡カメラ（例えば、Ｎ２）座標系との間の第２の姿勢変換

を判定することができる。カメラ追跡システムは、第２のオブジェクト（例えば、Ｅ）の姿勢を示す第２の追跡カメラ（例えば、Ｎ２）からの第２のオブジェクト追跡情報に基づいて、第２のオブジェクト（例えば、Ｅ）座標系と、第２の追跡カメラ（例えば、Ｎ２）座標系との間の第３の姿勢変換

を判定することができる。カメラ追跡システムは、第１、第２、および第３の姿勢変換の組み合わせに基づいて、第２のオブジェクト（例えば、Ｅ）座標系と、第１の追跡カメラ（例えば、Ｎ３）座標系との間の第４の姿勢変換

を判定することができる。

いくつかのさらなる実施形態では、カメラシステムは、第４の姿勢変換を介した追跡情報の処理に基づいて、第２のオブジェクト（例えば、Ｅ）および第１の追跡カメラシステム（例えば、Ｎ３）座標系の姿勢をさらに判定することができる。

様々なカメラシステムの視野が重複しているため、カメラ追跡システムは、第１のカメラが第２のオブジェクト（例えば、Ｅ）を見るのを妨げられたときに、第１の追跡カメラ（例えば、Ｎ３）に対する第２のオブジェクト（例えば、Ｅ）の姿勢を判定することができる。例えば、いくつかの実施形態では、カメラ追跡システムは、第２のオブジェクト（例えば、Ｅ）の姿勢を示す第１の追跡カメラ（例えば、Ｎ３）からの追跡情報を使用せずに、第２のオブジェクト（例えば、Ｅ）座標系と、第１の追跡カメラ（例えば、Ｎ３）座標系との間の第４の姿勢変換

を判定するようにさらに構成される。

カメラ追跡システムは、複数のカメラシステムからの同期された画像をマージすることによって、より高い追跡精度を達成することができる。例えば、カメラ追跡システムは、複数の視点（第１および第２の追跡カメラ）からの第２のオブジェクト（例えば、Ｅ）の同期画像をマージすることによって、第１の追跡カメラ（例えば、Ｎ３）に対する第２のオブジェクト（例えば、Ｅ）の姿勢を判定することができ、それぞれのカメラの精度仕様に基づいて判定されることができる重み付けを使用することができる。より具体的には、カメラ追跡システムは、第２のオブジェクト（例えば、Ｅ）の姿勢を示す第１の追跡カメラ（例えば、Ｎ３）からの第２のオブジェクト追跡情報に基づいて、さらに、第１、第２、および第３の姿勢変換の組み合わせの結果に基づいて、第２のオブジェクト（例えば、Ｅ）座標系と、第１の追跡カメラ（例えば、Ｎ３）座標系との間の第４の姿勢変換

を判定するようにさらに構成されることができる。

外科手術システムは、ＸＲヘッドセットのシースルー表示画面上に、第４の姿勢変換に基づいて判定される姿勢を有するＸＲ画像を表示するように構成されることができる。カメラ追跡システムは、第１および第２の追跡カメラからの第１のオブジェクト追跡情報ならびに第２の追跡カメラからの第２のオブジェクト追跡情報の第４の姿勢変換を介した処理に基づいてシースルー表示画面上に提示される第２のオブジェクト（例えば、Ｅ）のグラフィカル表現としてＸＲ画像を生成するようにさらに構成されることができる。

上で説明したように、カメラ追跡システムは、追跡情報を受信するために第１の追跡カメラ（例えば、Ｎ３）および第２の追跡カメラ（例えば、Ｎ２）に通信可能に接続され、第１、第２、第３、および第４の姿勢変換の判定を実行するように構成されたナビゲーションコントローラ８２８を含むことができる。

カメラ追跡システムによって識別された参照アレイへの手術器具の特性の位置合わせ
外科手術中、カメラ追跡システムは、追跡カメラのセットの視野内で保持または支持されている手術器具の姿勢を同時に追跡することができ、例えば、再びピックアップされた後など、手術器具がその視野の外側から内側へ移動したときに手術器具の追跡を再開することができる。多くの手術器具は、適切に追跡するためにソフトウェア構成を必要とする。カメラ追跡システムは、手術器具に取り付けられた、または手術器具上に取り付けられた参照アレイの姿勢を追跡することから、どの追跡された参照アレイにどの手術器具の特性が位置合わせされているかをカメラ追跡システムに通知する必要がある。それにより、ナビゲーションコントローラ８２８（図１４）は、手術器具の特定の特性の知識を用いて動作することができる。例えば、識別された参照アレイから手術器具の先端までの距離の手術器具の特性の位置合わせは、ナビゲーションコントローラ８２８が、外科手術中に外科医の器具先端部の動きをナビゲートすることを可能にする。同様に、識別された参照アレイに対する手術器具の曲率の方向の位置合わせは、ナビゲーションコントローラ８２８が、ＸＲヘッドセット９２０を通して手術器具の正確なグラフィカル表現を表示し、外科手術中に追跡された解剖学的構造に対して正確に提示されることを可能にする。

位置合わせプロセスはまた、ユーザが参照アレイを識別するために追跡カメラのセットの視野内に参照アレイを有する手術器具を保持するペアリングプロセスとも呼ばれ、次に、ユーザは、いくつかの実施形態にかかる、その手術器具の特性を定義する。位置合わせプロセスは、外科手術中に追跡される参照アレイと手術器具の特性との組み合わせごとに繰り返され、参照アレイが１つのタイプの手術器具から取り外されて別のタイプの手術器具に取り付けられたときにさらに繰り返されることができる。ＸＲヘッドセットを着用している外科医または他の医療従事者が、一連の手術器具の位置合わせプロセスを時間効率よく実行し、手術器具の特性を参照アレイに位置合わせする際のエラーを回避することによって外科医を支援し、手術前および手術中の外科医の集中の中断を減らすことを可能にすることが重要であり得る。

本開示のいくつかのさらなる実施形態は、位置合わせプロセス中にＸＲヘッドセットを使用して、識別された参照アレイを手術器具の特性に位置合わせし、ユーザが位置合わせの正確さを検証することができるように、ＸＲヘッドセットを介してそれらの特性の表現を表示することを対象とする。位置合わせプロセス中にＸＲヘッドセットを使用することは、外科医や他の医療従事者（ユーザ）が手術前および／または手術中に手術器具をカメラ追跡システムに位置合わせするための、より直感的で時間効率が高く信頼性の高いプロセスを提供することができる。

位置合わせプロセスは、追跡カメラのセットの視野にもたらされる参照アレイと、識別された参照アレイが手術器具の特性と対になっているものとしてまだ位置合わせされていないと判定するカメラ追跡システムとに応答して自動的に開始されることができる。図１９は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、参照アレイ１９０２が手術中に手術器具１９００のコンピュータ支援ナビゲーションで使用するために手術器具１９００の特性に位置合わせされているときにＸＲヘッドセットによって表示されることができる手術器具の特性のグラフィカル表現１９１０を示している。図２０は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、カメラ追跡システム（例えば、図１８のシステム６）によって実行され、図１９の手術器具の特性のグラフィカル表現を提供することができる位置合わせ動作のフローチャートを示している。

図１９および図２０を参照すると、例示的なＸＲヘッドセットは、例えば、図１３に示されるように、ＸＲヘッドセット９２０の電子的コンポーネントエンクロージャ１３０４に含まれることができる追跡カメラのセットを含む。カメラ追跡システム（例えば、図１８のシステム６）は、追跡カメラからのビデオストリーム内の参照アレイを識別することなどによって、追跡カメラのセットによって追跡される参照アレイ１９０２を識別する（２０００）。上で説明したように、参照アレイは、それぞれの参照アレイを形成する基準のセット間の異なる方向に基づいて一意に識別されることができる。カメラ追跡システムは、識別された参照アレイ１９０２が、手術器具データベースで定義された複数の手術器具のうちの１つの特性と対になって位置合わせされているかどうかを判定する（２００２）。位置合わせされないと判定された（２００２）参照アレイ１９０２に基づいて、およびユーザ入力の受信に基づいて、カメラ追跡システムは、ユーザ入力に基づいて複数の手術器具の中から選択される手術器具１９００の特性と対になっている参照アレイ１９０２を位置合わせする（２００４）。次に、カメラ追跡システムは、ユーザに表示するために、ＸＲヘッドセット９２０のディスプレイデバイスに特性の表現を提供する（２００６）。

したがって、図１９の例示的な図では、ユーザは、ＸＲヘッドセット９２０に取り付けられた追跡カメラのセットの視野内に手術器具１９００を持ち上げることによって位置合わせを開始することができる。未位置合わせの参照アレイが追跡カメラの視野に入ると、カメラ追跡システムは、ＸＲヘッドセット９２０を介して、ユーザに関連する手術器具の特性に対する参照アレイの位置合わせを実行するように促す視覚的プロンプトを表示させることができる。カメラ追跡システムは、追跡カメラからビデオを受信し、間隔および相対に基づいて参照アレイを識別し（２０００）、識別された参照アレイが手術器具データベースで定義された手術器具の任意の定義された特性とペアになっているものとして位置合わせされていないことを判定する（２００２）。カメラ追跡システムは、手術器具の特性を識別するユーザ入力を受信し、手術器具１９００の特性と対になっているものとして参照アレイを位置合わせする（２００４）。カメラ追跡システム。

手術器具の特性の例は、ドリル、のこぎり、スクリュードライバ、開創器、およびスクリュー、スペーサ、椎体間固定デバイス、プレート、ロッドなどのインプラントの構造的および／または動作上の特性を含むことができるが、これらに限定されるものではない。

カメラ追跡システムは、参照アレイ１９０２に位置合わせされるユーザ選択のためにＸＲヘッドセット９２０を介して表示するためのデータベース内の手術器具のリストを提供することにより（２００８）、識別された参照アレイ１９０２に位置合わせされる手術器具の特性のユーザの定義を容易にすることができる。例えば、位置合わせされないと判定された（２００２）参照アレイ１９０２に基づいて、カメラ追跡システムは、ユーザが参照アレイ１９０２と対になっているものとして位置合わせされる手術器具の１つを選択するために、手術器具データベースで定義された複数の手術器具の少なくともいくつかのリストをＸＲヘッドセット９２０のディスプレイデバイスに提供することができる。

いくつかの手術器具は、非対称であり、位置合わせ時に追加の特性構成を必要とする。図１９の特定の例では、手術器具１９００の先端は、片側に湾曲し、器具先端部が参照アレイ１９０２に対してどの方向に湾曲しているかに基づいて、ユーザが位置合わせ中にリスト１９１０として表示される４つのモードのうちの１つを選択することを必要とする。４つのモードは、＋Ｘ曲率に対応するモードＡ、＋Ｚ曲率に対応するモードＢ、−Ｘ曲率に対応するモードＣ、および−Ｚ曲率に対応するモードＤを含む。そのような手術器具の位置合わせ中にＸＲヘッドセット９２０を使用することは、手術器具の特性のユーザの位置合わせを直感的に容易にするだけでなく、正しい特性が正しい参照アレイ１９０２に位置合わせされることを保証するための保護手段を提供することができる。

カメラ追跡システムは、ユーザの手の動きを追跡し、器具位置合わせプロセス中にユーザ入力として手のジェスチャを識別するように構成されることができる。例えば、図１９の例では、ユーザは、仮想空間に表示されるモードの１つ（モードＡ〜Ｄ）を仮想的にタッチ選択して、選択されたモードが参照アレイ１９０２に位置合わせされるようになるために定義された手術器具の特性を有することができる。より具体的には、カメラ追跡システムは、表示されたリスト１９１０に対するＸＲ空間におけるユーザの手の姿勢を示す追跡カメラのセットからの追跡情報に基づいて、表示されたリスト１９１０の中からユーザの選択を判定するように構成されることができる。

カメラ追跡システムは、ＸＲヘッドセット９２０を通して外科医が見たときに手術器具１９００に隣接してグラフィカルに表示されるリスト１９１０によって示されるものなど、ＸＲヘッドセット９２０を通して外科医が見たときに手術器具１９００の近くに表示されるように特性および他の情報を表示することができる。一実施形態では、カメラ追跡システムは、ＸＲヘッドセット９２０に対する参照アレイ１９０２の姿勢を示す追跡カメラのセットから追跡情報を受信し、追跡情報に基づいて特性（例えば、器具情報）の表現が参照アレイに対してどのように表示されるかについての姿勢を判定する。次に、カメラ追跡システムは、ＸＲヘッドセット９２０を制御して、参照アレイ１９０２に対して判定された姿勢で特性の表現を表示する。

手術器具１９００が参照アレイ１９０２に位置合わせされると、カメラ追跡システムは、位置合わせされた特性の視覚的フィードバックを表示して、外科医が位置合わせの正確さを検証することを可能にすることができる。位置合わせされた手術器具１９００に関する情報の説明を表示することは、正しい手術器具が位置合わせされていることを確実にするための１つのレベルの検証を提供する。別のレベルの検証は、参照アレイ１９０２に位置合わせされた、または位置合わせされている手術器具の特性の２Ｄまたは３Ｄグラフィカル表現を表示することを含むことができる。

図２１は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、ＸＲヘッドセット９２０によって表示される、位置合わせされた能動的に使用される手術器具１９００のグラフィカル表現２１１２を示している。図２２は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、図２１における位置合わせされた能動的に使用される手術器具１９００のグラフィカル表現２１１２を提供するためにカメラ追跡システムによって実行される動作のフローチャートを示している。

図２１および図２２を参照すると、カメラ追跡システムは、少なくとも２次元（すなわち、２Ｄモデルまたは３Ｄモデル）で手術器具１９００のグラフィカル表現２１１２を取得し（２２００）、追跡カメラのセットからＸＲヘッドセット９２０に対する参照アレイ１９０２の姿勢を示す追跡情報を受信する（２２０２）。カメラ追跡システムは、追跡情報に基づいてグラフィカル表現２１１２の姿勢を判定し（２２０４）、判定された姿勢で表示するために、ＸＲヘッドセット９２０のディスプレイデバイスに特性の表現としてグラフィカル表現２１１２を提供する（２２０６）。

図２１の図示の例では、カメラ追跡システムは、位置合わせされた手術器具１９００の３Ｄ表現２１１２を取得し、手術器具１９００に隣接し、手術器具１９００の現在の姿勢に一致する姿勢で３Ｄ表現２１１２をフィードバックウィンドウ２１１０に表示する。これにより、ＸＲヘッドセット９２０の前に手術器具１９００を保持している外科医には、参照アレイ１９０２に位置合わせされている手術器具の特定の１つの特性が示され、これにより、外科医は、位置合わせの正確さを検証するために物理的な手術器具１９００と表示された３Ｄ表現２１１２とを視覚的に比較することができる。これらの動作は、例えば、外科医が、グラフィカル表現２１１２に示される器具先端部の曲げ方向を物理的な手術器具１９００の方向と比較することによって、リスト１９１０（図１９）の中から正しいモードが選択されたことを確認することを可能にする。

追跡カメラのセットが手術器具に接続された参照アレイを識別するとき、カメラ追跡システムは、どれだけ正確に、すなわち、追跡精度（追跡品質とも呼ばれる）の尺度が追跡カメラによって追跡されているかを判定することができる。追跡カメラが手術器具２１００に対して適切に配置されていない場合、１つ以上の基準の位置が基準支持構造の変形によって移動した場合、および／または基準が損傷した場合および／または体液または他の物質によって覆われた場合、追跡精度が低下する可能性がある。したがって、外科医がＸＲヘッドセット９２０を通して手術器具２１００を見ながら追跡精度を観察することを可能にすることが重要であり得る。

図２３は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、ユーザが手術器具２１００を見ている間に、位置合わせされた参照アレイ２１０２についてＸＲヘッドセット９２０によって表示される追跡精度情報のグラフィカル表現２３１２を示している。図２４は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、図２３の追跡精度情報のグラフィカル表現２３１２を提供するためにカメラ追跡システムによって実行される動作のフローチャートを示している。

図２３および図２４を参照すると、カメラ追跡システムは、追跡カメラのセットが現在参照アレイ２１０２の姿勢を追跡している精度を特徴付ける追跡精度情報を取得する（２４００）。次に、カメラ追跡システムは、追跡精度情報の表示２３１２をＸＲヘッドセットのディスプレイデバイスに提供して、ユーザに表示する（２４０２）。図２３の例示的な例では、カメラ追跡システムは、ＸＲヘッドセット９２０を通して見ることができる追跡品質ウィンドウ２３１０内にグラフィカルなスライドスケールの形態で追跡精度を表示しているが、他のグラフィカルな表示、テキストによる説明（例えば、不十分な−追跡された、十分に追跡された、完全に追跡された）、および／または色付きのグラフィカルな表示が表示されることができる。

追跡精度は、参照アレイ２１０２を形成する基準の測定された位置が、参照アレイ２１０２に対して以前に定義された基準の位置（例えば、識別された参照アレイ２１０１に対して定義されたモデル）とどれだけ厳密に一致するかに基づいて、および／または追跡カメラからのビデオにおいて識別された基準の形状が基準の定義された形状（例えば、定義された楕円形）にどれだけよく適合するかに基づいて、判定されることができる。代替的または追加的に、追跡精度は、手術器具の定義された位置（例えば、先端）が既知の位置（例えば、別の位置合わせされた参照アレイ上の較正ディボット）に触れたときに、参照アレイ２１０２の姿勢を予想される姿勢と比較することに基づいて判定されることができる。追跡精度のグラフィカル表現は、判定された精度または追跡カメラが参照アレイ２１０２を追跡している精度を視覚的に示すために生成される。

カメラ追跡システムは、手術器具２１００に関連する他の情報を表示するように構成されることができる。構造的に曲がっていない、または適切な範囲の伸展および／または角運動がないなど、手術中に手術器具が適切に動作することができることを保証するために、それらを定期的に検証することができる。例えば、手術器具の先端が曲がっているかどうかは、既知の較正ディボットなど、カメラ追跡システムが認識している場所に器具先端部を配置して、先端が既知の場所にあるときに、追跡された参照アレイが予想される姿勢をとることを確認することによって判定されることができる。この検証プロセスの結果は、手術データベースに記憶され、手術器具の近くに表示されて、手術器具が使用前に再検証される必要があるように、手術中に器具を使用すべきでないかどうか、および／または最後の検証から十分な時間が経過したかどうかをユーザに通知することを確実にすることができる。カメラ追跡システムは、手術器具２１００が構造的変形を有しないことが最後に検証された日時を示す最終検証日を取得し、ユーザに表示するためにＸＲヘッドセット９２０のディスプレイデバイスに最終検証日を示すように構成されることができる。

手術器具のそのようなグラフィカル特性は、手術器具がＸＲヘッドセット９２０の位置に対して定義された検査領域内にあるかどうかに応じて選択的に表示されることができる。例えば、外科医が、定義された検査領域内で外科医の胸部または首よりも上になるように手術器具を保持する場合、カメラ追跡システムは、手術器具の位置合わせされた特性を表示することによって応答することができる。対照的に、外科医が手術器具を検査領域の下方に保持している間、カメラ追跡システムは、手術器具の位置合わせされた特性の表示を防ぐことができる。これは、外科医が、特定の手術器具に位置合わせされた表示特性を検査領域内に保持することによって迅速に検査することを可能にし、次に、例えば、手術器具が検査領域外に移動すると、外科手術において器具を使用している間は、外科医の手術部位の視界に干渉するのを回避するように、それらの表示特性を見えなくすることを可能にする。

カメラ追跡システムは、器具の一部の形状（例えば、器具２１００のシャフトの形状）を、器具２１００に対して定義されたテンプレート形状と比較することができる。定義された閾値を超える比較された形状の差異は、ＸＲヘッドセット９２０を介して通知を表示させることができる。例えば、シャフトおよび／または器具２１００の交換を必要とすることがある潜在的な問題をユーザに直感的に通知するために、定義されたテンプレート形状から逸脱しているように見える器具２１００のシャフトの一部に重なるグラフィカルハイライトが表示されることができる。

図２６は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、参照アレイがＸＲヘッドセットに対して定義された検査領域内にあるかどうかに応じて、参照アレイに位置合わせされた手術器具の特性を選択的に表示するためにカメラ追跡システムによって実行される動作のフローチャートを示している。

図２６を参照すると、カメラ追跡システムは、参照アレイがＸＲヘッドセットの位置に対して定義された検査領域内にもたらされたときを判定する（２６００）ように構成される。参照アレイが検査領域内にもたらされたとの判定に応答して、カメラ追跡システムは、ユーザに表示するために、ＸＲヘッドセットの表示装置に特性の表現を提供することを開始する（２６０２）。対照的に、参照アレイが検査領域を出たとの判定に応答して、カメラ追跡システムは、ユーザに表示するためにＸＲヘッドセットのディスプレイデバイスへの特性の表現の継続的な提供を停止する（２６０４）。

検査領域を同様に定義して、手術器具に対して位置合わせプロセスを選択的に実行することを可能にすることができる。図２５は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、参照アレイがＸＲヘッドセットに対して定義された検査領域内にあるかどうかに応じて、参照アレイのユーザ位置合わせを選択的に可能にするためにカメラ追跡システムによって実行される動作のフローチャートを示している。

図２５を参照すると、カメラ追跡システムは、参照アレイがＸＲヘッドセットの位置に対して定義された検査領域内にもたらされたときを判定する（２５００）ように構成される。参照アレイが検査領域内にもたらされたとの判定に応答して、カメラ追跡システムは、参照アレイが手術器具データベースで定義された複数の手術器具のうちの１つの特性と対になって位置合わせされているかどうかの判定を開始する（２５０２）。対照的に、カメラ追跡システムは、参照アレイが検査領域内に留まっている間にのみ発生するように、手術器具データベースで定義された複数の手術器具の１つの特性と対になって参照アレイを位置合わせするためのユーザ入力を受信するための動作を制限する（２５０４）ように構成される。

外科的処置中に、参照アレイを形成するように配置された１つ以上の基準は、例えば、外科手術中に損傷したり、体液やその他の物質によって覆われたりしたために、追跡カメラのセットによって不明瞭になったり、見えなくなったりする可能性がある。いくつかの実施形態は、参照アレイ内のどの基準が追跡カメラによって追跡されているかを示す情報を表示することを対象とする。例えば、１つ以上の基準が閉塞されているために追跡が失敗した場合、残りの基準は、漂遊として報告されることができる。この場合、カメラ追跡システムは、いくつかの基準の姿勢（例えば、位置）を識別することができるが、識別された基準を複数の事前定義された参照アレイの１つに一致させるのに十分な情報を有しない。しかしながら、漂遊した基準の姿勢を使用して、どの基準が追跡されているかを外科医に通知することができる。追跡された各基準の仮想表現は、ＸＲヘッドセットを通して見たときに、実世界の姿勢（例えば、位置）でＸＲヘッドセットを介して表示されることができる。このようにして、外科医は、どの基準が閉塞されているか、または調整または交換が必要であるかを知ることができる。

図２７の例示的な実施形態を参照すると、本開示のいくつかの実施形態によれば、参照アレイ２１０２を形成する５つの基準を有する手術器具２１００は、参照アレイ２１０２の基準の４つの識別された姿勢と少なくとも部分的に重なり合って表示されるグラフィカル表示２７００、２７０２、２７０４、２７０６と、欠落している基準の推定姿勢と少なくとも部分的に重複して表示される別のグラフィカル表示２７１０とを有し、ＸＲヘッドセット９２０を通して視認される。

図２８は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、図２７に示されるように、識別されて欠落している基準に関連するグラフィカル表示を表示するためにカメラ追跡システムによって実行される動作のフローチャートを示している。

図２７および図２８を参照すると、カメラ追跡システムは、参照アレイ２１０２の中の複数の基準の姿勢を識別する（２８００）ようにさらに構成される。識別された姿勢を有する参照アレイ２１０２内の複数の基準のそれぞれについて、カメラ追跡システムは、基準の識別された姿勢と少なくとも部分的に重なり合うＸＲヘッドセット９２０のディスプレイデバイスによって表示するためのグラフィカル表示（例えば、２７００、２７０２、２７０４、および２７０６）を提供する（２８０２）。カメラ追跡システムは、参照アレイ２１０２内の基準の１つが識別可能な姿勢を有しない欠落した基準である場合に、識別された姿勢を有する複数の基準に対する欠落した基準の姿勢を推定し（２８０４）、ＸＲヘッドセット９２０のディスプレイデバイスによって表示するための別のグラフィカルな指標２７１０を、欠落している基準の推定された姿勢と少なくとも部分的に重複して提供する（２８０４）ことによって応答するようにさらに構成されることができる。欠落している基準の姿勢を推定するプロセス２８０４は、基準の現在識別された姿勢２７００〜２７０６を、識別された参照アレイ２１０２の基準の相対姿勢の定義されたテンプレートと比較して、欠落した基準の現在の姿勢を推定することに基づいて実行されることができる。このようにして、外科医は、追跡カメラによって適切に追跡されている基準を直感的に識別することができ、また、基準があれば、適切に追跡されていない基準を識別することができる。例えば、欠落している基準が体液または他の材料によって過度に隠されている場合、外科医は、状況を改善して、参照アレイ２１０２の正確な追跡を可能にすることができる。

いくつかのさらなる実施形態は、手術器具を保持している間、ユーザが手追跡入力インターフェースに入力を提供しようとする試みであるとして、ユーザの手の動きの解釈を回避することを対象とする。これは、追跡カメラが手術器具の移動中に手の十分な視界を維持することができず、手の不正確な追跡をもたらす可能性があり、ユーザインターフェースとの偶発的な相互作用を引き起こす可能性があるため、外科医が手術器具を保持しているときに特に重要であり得る。これらのさらなる実施形態によれば、ハンド−ユーザインターフェース除外ゾーンが参照アレイに対して定義される。ユーザの手は、少なくとも部分的にハンド−ユーザインターフェース除外ゾーン内にあると判定されるが、手の追跡情報は、ユーザからユーザインターフェースへの入力として使用されない。

図２９は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、ユーザの手が、参照アレイに対して判定されたハンド−ユーザインターフェース除外ゾーン内に少なくとも部分的にあるかどうかに基づいて、ハンドジェスチャ入力の受信を選択的に可能にするためにカメラ追跡システムによって実行される動作のフローチャートを示している。図３０は、本開示のいくつかの実施形態にかかる、手術器具２１００に接続された参照アレイ２１０２に対して判定されるハンド−ユーザインターフェース除外ゾーン３０００を示している。

図２９を参照すると、カメラ追跡システムは、ＸＲヘッドセットに対する参照アレイ２１０２の姿勢およびユーザの手の姿勢を示す追跡カメラのセットから追跡情報を受信する（２９００）ように構成される。カメラ追跡システムは、追跡情報に基づいて、参照アレイ２１０２の姿勢に関連するハンド−ユーザインターフェース除外ゾーン３０００を判定する（２９０２）。カメラ追跡システムは、ユーザの手が完全にハンド−ユーザインターフェース除外ゾーン３０００の外側にあると判定されている間、追跡情報によって示される手の追跡された姿勢に基づいてユーザからのハンドジェスチャ入力の受信を可能にする（２９０４）。対照的に、カメラ追跡システムは、ユーザの手が少なくとも部分的にハンド−ユーザインターフェース除外ゾーン３０００内にあると判定される間、追跡情報によって示される手の追跡された姿勢に基づいてユーザからのハンドジェスチャ入力の受信を無効にする（２９０６）。したがって、ユーザの手が除外ゾーン３０００の外側にある間、カメラ追跡システムは、ユーザの手の動きを、例えば、手術器具１９００に隣接する仮想空間において図１９に示すように表示されるモードの表示されたリスト１９１０の中から選択するために提供されるジェスチャ入力として解釈することができる。対照的に、手術器具２１００を保持している間など、ユーザの手が少なくとも部分的に除外ゾーン３０００内にある間、カメラ追跡システムは、システムへのジェスチャ入力としてのユーザの手の動きの解釈を防止し、それにより、例えば、ユーザがハンドジェスチャを使用して、表示されたモードのリスト１９１０の中から選択することを可能にしない。

様々な実施形態が、ＸＲヘッドセット上で追跡カメラのセットを使用する状況で説明されてきたが、これらのおよび他の実施形態は、補助追跡バーおよび／または別のＸＲヘッドセット上の追跡カメラのセットなどの任意の形態の追跡カメラとともに使用されることができる。したがって、いくつかの実施形態では、追跡カメラのセットは、カメラ追跡システムが追跡カメラのセットから追跡情報を受信している間、ＸＲヘッドセットから分離されて離間されている。姿勢連鎖のために本明細書に開示される様々な動作を使用して、参照アレイおよび／またはユーザの手の姿勢を追跡することができる。

さらなる定義および実施形態：
本発明の概念の様々な実施形態の上記の説明において、本明細書において使用される用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とし、本発明の概念を限定することを意図しないことを理解されたい。別様に定義されない限り、本明細書において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技術の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るような用語は、本明細書および関連する技術分野の文脈におけるそれらの意味に矛盾しない意味を有するものとして解釈されるべきであり、本明細書で明確にそのように定義された理想化された、または過度に形式的な意味では解釈されないことがさらに理解されよう。

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）」、またはそれらの変異型であるように参照される場合、その要素は、他の要素に直接接続、結合、もしくは応答することができるか、または介在する要素が存在してもよい。対照的に、ある要素が別の要素に対して「直接接続された（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「直接結合された（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ）」、「直接応答する（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ）」、またはそれらの変異型であるように参照される場合、介在する要素は存在しない。同様の符号は、全体を通して同様の要素を指す。さらにまた、本明細書において使用される場合、「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「応答する（ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ）」、またはそれらの変異型は、無線で結合、接続、または応答することを含むことができる。本明細書において使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、複数形も含むことを意図している。周知の機能または構造は、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」という用語は、関連する列挙された項目のうちの１つ以上のいずれかおよび全ての組み合わせを含む。

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、これらの用語によって限定されるべきではないことが理解される。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、明細書全体を通して同じまたは類似の要素を示す。

本明細書において使用される場合、「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、またはそれらの変異型は、限定がなく、１つ以上の記された特徴、整数、要素、ステップ、コンポーネント、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、コンポーネント、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、本明細書において使用される場合、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、前述の項目の全般的な例（複数可）を紹介または指定するために使用されてもよく、かかる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、より全般的な列挙から特定の項目を指定するために使用されてもよい。

例示的な実施形態は、コンピュータ実装方法、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を示すブロック図および／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は、１つ以上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されることが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を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なデータ処理回路のプロセッサ回路に提供して機械を生成することができ、それにより、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は、トランジスタ、メモリの場所に記憶された値、およびかかる回路網内の他のハードウェアコンポーネントを変換および制御して、ブロック図および／またはフローチャートブロック（複数可）において指定された機能／作用を実装し、且つそれによって、ブロック図および／またはフローチャートブロック（複数可）において指定された機能／作用を実装するための手段（機能）および／または構造を作り出す。

これらのコンピュータプログラム命令はまた、コンピュータ可読媒体に記憶された命令がブロック図および／またはフローチャートブロックまたは複数のブロックにおいて指定された機能／作用を実装する命令を含む製造物品を製造するように、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が特定の方法で機能するように指示することができる有形のコンピュータ可読媒体に記憶されてもよい。したがって、本発明の概念の実施形態は、集合的に「回路網」、「モジュール」、またはそれらの変異型と称されることができる、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）で具体化されることができる。

また、いくつかの代替実装形態では、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とは異なる順序で発生す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／作用に応じて、実際には実質的に同時に実行されてもよいかまたはブロックが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２つ以上のブロックの機能は、少なくとも部分的に統合されてもよい。最後に、本発明の概念の範囲から逸脱することなく、図示されているブロックの間に他のブロックが追加／挿入されてもよく、および／またはブロックまたは動作が省略されてもよい。さらに、いくつかの図は、通信の主要な方向を示すために通信経路上に矢印を含んでいるが、通信は、描かれた矢印と反対の方向で発生する場合があることを理解されたい。

本発明の概念の原理から実質的に逸脱することなく、実施形態に対して多くの変更および修正を行うことができる。全てのかかる変更および修正は、本発明の概念の範囲内で本明細書に含まれることが意図されている。したがって、上記で開示された主題は、限定的ではなく例示的であると見なされるべきであり、添付の実施形態の例は、本発明の概念の趣旨および範囲内にある全てのかかる修正例、強化例、および他の実施形態を網羅することを意図するものである。したがって、法律で許容される最大限の範囲で、本発明の概念の範囲は、以下の実施形態の例およびそれらの均等物を含む本開示の最も広い許容可能な解釈によって決定されるべきであり、前述の詳細な説明によって制限または限定されるべきではない。

Claims (20)

1. 手術中のコンピュータ支援ナビゲーション用のカメラ追跡システムであって、前記カメラ追跡システムが、
   エクステンデッドリアリティ（ＸＲ）ヘッドセットに接続された一連の追跡カメラによって追跡される参照アレイを識別し、
   前記参照アレイが、手術器具データベースで定義された複数の手術器具のうちの１つの特性と対になって位置合わせされているかどうかを判定し、
   位置合わせされていないと判定されてユーザ入力を受信する前記参照アレイに基づいて、前記ユーザ入力に基づいて選択された前記複数の手術器具のうちの１つの特性と対になって前記参照アレイを位置合わせし、
   前記ユーザに表示するために、前記ＸＲヘッドセットのディスプレイデバイスに前記特性の表現を提供する、ように構成されている、カメラ追跡システム。
2. さらに、
   位置合わせされていないと判定された前記参照アレイに基づいて、前記ユーザが前記参照アレイと対になって位置合わせされる前記手術器具の前記１つを選択するために、前記手術器具データベースに定義された前記複数の手術器具の少なくともいくつかのリストを前記ディスプレイデバイスに提供するように構成されている、請求項１に記載のカメラ追跡システム。
3. さらに、
   前記表示されたリストに対するＸＲ空間での前記ユーザの手の姿勢を示す前記追跡カメラのセットからの追跡情報に基づいて、前記参照アレイと対になって位置合わせされる前記手術器具のうちの前記１つの前記表示されたリストからの前記ユーザの選択を判定するように構成されている、請求項２に記載のカメラ追跡システム。
4. さらに、
   前記ＸＲヘッドセットに対する前記参照アレイの姿勢を示す前記追跡カメラのセットからの追跡情報を受信し、
   前記追跡情報に基づいて、前記参照アレイに対して前記特性の前記表現が表示される姿勢を判定し、
   前記ＸＲヘッドセットを制御して、前記参照アレイに対して前記判定された姿勢で前記特性の前記表現を表示する、ように構成されている、請求項１に記載のカメラ追跡システム。
5. さらに、
   前記追跡カメラのセットが現在前記参照アレイの姿勢を追跡している精度を特徴付ける追跡精度情報を取得し、
   前記ユーザに表示するために、前記ＸＲヘッドセットの前記ディスプレイデバイスに前記追跡精度情報の表示を提供する、ように構成されている、請求項１に記載のカメラ追跡システム。
6. さらに、
   少なくとも２次元で前記複数の手術器具のうちの前記１つのグラフィカル表現を取得し、
   前記ＸＲヘッドセットに対する前記参照アレイの姿勢を示す前記追跡カメラのセットから追跡情報を受信し、
   前記追跡情報に基づいて前記グラフィカル表現の姿勢を判定し、
   前記判定された姿勢で表示するために、前記ＸＲヘッドセットの前記ディスプレイデバイスに前記特性の前記表現として前記グラフィカル表現を提供する、ように構成されている、請求項１に記載のカメラ追跡システム。
7. さらに、
   前記手術器具の前記１つに構造的変形がないことが最後に確認された日時を示す最終確認日を取得し、
   前記ユーザに表示するために、前記ＸＲヘッドセットの前記ディスプレイデバイスに前記最終確認日の表示を提供する、ように構成されている、請求項１に記載のカメラ追跡システム。
8. さらに、
   前記ＸＲヘッドセットの位置に関連して定義された検査領域内に前記参照アレイがいつもたらされたかを判定し、
   前記参照アレイが前記検査領域内にもたらされという判定に応答して、前記参照アレイが、前記手術器具データベースで定義された複数の手術器具のうちの１つの特性と対になって位置合わせされているかどうかの前記判定を開始し、
   前記参照アレイが前記検査領域内に留まっている間にのみ発生するように、前記手術器具データベースで定義された前記複数の手術器具の１つの特性と対になって前記参照アレイを位置合わせするためのユーザ入力を受信する動作を制限する、ように構成されている、請求項１に記載のカメラ追跡システム。
9. さらに、
   前記ＸＲヘッドセットの位置に関連して定義された検査領域内に前記参照アレイがいつもたらされたかを判定し、
   前記参照アレイが前記検査領域内にもたらされたとの判定に応答して、前記ユーザに表示するために、前記ＸＲヘッドセットの前記ディスプレイデバイスへの前記特性の前記表現の前記提供を開始し、
   前記参照アレイが前記検査領域を出たとの判定に応答して、前記ユーザに表示するために、前記ＸＲヘッドセットの前記ディスプレイデバイスへの前記特性の前記表現の継続的な提供を停止する、ように構成されている、請求項１に記載のカメラ追跡システム。
10. さらに、
    前記参照アレイの中から複数の基準の姿勢を識別し、
    前記識別された姿勢を有する前記参照アレイ間の前記複数の基準のそれぞれについて、前記基準の前記識別された姿勢と少なくとも部分的に重複した前記ディスプレイデバイスによる表示のためにグラフィカル指標を提供する、ように構成されている、請求項１に記載のカメラ追跡システム。
11. さらに、
    前記参照アレイ内の前記基準の１つが識別可能な姿勢を有しない欠落した基準である場合、前記識別された姿勢を有する前記複数の基準に対する前記欠落した基準の姿勢を推定し、前記欠落している基準の前記推定姿勢と少なくとも部分的に重複して前記ディスプレイデバイスによって表示するための別のグラフィカル指標を提供する、ように構成されている、請求項１０に記載のカメラ追跡システム。
12. さらに、
    前記ＸＲヘッドセットに対する前記参照アレイの姿勢と前記ユーザの手の姿勢を示す追跡情報を前記追跡カメラのセットから受信し、
    前記追跡情報に基づいて、前記参照アレイの前記姿勢に関連するハンド−ユーザインターフェースの除外ゾーンを判定し、
    前記ユーザの手が完全に前記ハンド−ユーザインターフェース除外ゾーンの外側にあると判定されている間に、前記追跡情報によって示される前記手の追跡された姿勢に基づいて前記ユーザからのハンドジェスチャ入力の受信を可能にし、
    前記ユーザの手が少なくとも部分的に前記ハンド−ユーザインターフェース除外ゾーン内にあると判定されている間、前記追跡情報によって示される前記手の追跡された姿勢に基づいて、前記ユーザからのハンドジェスチャ入力の受信を無効にする、ように構成されている、請求項１に記載のカメラ追跡システム。
13. コンピュータ支援ナビゲーション手術用のカメラ追跡システムの少なくとも１つのプロセッサによって実行可能なプログラムコードを記憶する非一時的コンピュータ可読媒体を備えるコンピュータプログラム製品であって、前記プログラムコードが、
    エクステンデッドリアリティ（ＸＲ）ヘッドセットに接続された一連の追跡カメラによって追跡される参照アレイを識別し、
    前記参照アレイが、手術器具データベースで定義された複数の手術器具のうちの１つの特性と対になって位置合わせされているかどうかを判定し、
    位置合わせされていないと判定されてユーザ入力を受信する前記参照アレイに基づいて、前記ユーザ入力に基づいて選択された前記複数の手術器具のうちの１つの特性と対になって前記参照アレイを位置合わせし、
    前記ユーザに表示するために、前記ＸＲヘッドセットのディスプレイデバイスに前記特性の表現を提供する、コンピュータプログラム製品。
14. 前記カメラ追跡システムの前記少なくとも１つのプロセッサによって実行可能な前記プログラムコードが、さらに、
    位置合わせされていないと判定された前記参照アレイに基づいて、前記ユーザが前記参照アレイと対になって位置合わせされる前記手術器具の前記１つを選択するために、前記手術器具データベースに定義された前記複数の前記手術器具の少なくともいくつかのリストを前記ディスプレイデバイスに提供するように構成されている、請求項１３に記載のコンピュータプログラム製品。
15. 前記カメラ追跡システムの前記少なくとも１つのプロセッサによって実行可能な前記プログラムコードが、さらに、
    前記ＸＲヘッドセットに対する前記参照アレイの姿勢を示す前記追跡カメラのセットから追跡情報を受信し、
    前記追跡情報に基づいて、前記参照アレイに対して前記特性の前記表現が表示される姿勢を判定し、
    前記ＸＲヘッドセットを制御して、前記参照アレイに対して前記判定された姿勢で前記特性の前記表現を表示する、ように構成されている、請求項１３に記載のコンピュータプログラム製品。
16. 前記カメラ追跡システムの前記少なくとも１つのプロセッサによって実行可能な前記プログラムコードが、さらに、
    前記追跡カメラのセットが現在前記参照アレイの姿勢を追跡している精度を特徴付ける追跡精度情報を取得し、
    前記ユーザに表示するために、前記ＸＲヘッドセットの前記ディスプレイデバイスに前記追跡精度情報の表示を提供する、ように構成されている、請求項１３に記載のコンピュータプログラム製品。
17. 前記カメラ追跡システムの前記少なくとも１つのプロセッサによって実行可能な前記プログラムコードが、さらに、
    少なくとも２次元で前記複数の手術器具のうちの前記１つのグラフィカル表現を取得し、
    前記ＸＲヘッドセットに対する前記参照アレイの姿勢を示す前記追跡カメラのセットから追跡情報を受信し、
    前記追跡情報に基づいて前記グラフィカル表現の姿勢を判定し、
    前記判定された姿勢で表示するために、前記ＸＲヘッドセットの前記ディスプレイデバイスに前記特性の前記表現として前記グラフィカル表現を提供する、ように構成されている、請求項１３に記載のコンピュータプログラム製品。
18. 前記カメラ追跡システムの前記少なくとも１つのプロセッサによって実行可能な前記プログラムコードが、さらに、
    前記ＸＲヘッドセットの位置に関連して定義された検査領域内に前記参照アレイがいつもたらされたかを判定し、
    前記参照アレイが前記検査領域内にもたらされという判定に応答して、前記参照アレイが、前記手術器具データベースで定義された複数の手術器具のうちの１つの特性と対になって位置合わせされているかどうかの前記判定を開始し、
    前記参照アレイが前記検査領域内に留まっている間にのみ発生するように、前記手術器具データベースで定義された前記複数の手術器具の１つの特性と対になって前記参照アレイを位置合わせするためのユーザ入力を受信する動作を制限する、ように構成されている、請求項１３に記載のコンピュータプログラム製品。
19. 前記カメラ追跡システムの前記少なくとも１つのプロセッサによって実行可能な前記プログラムコードが、さらに、
    前記参照アレイの中から複数の基準の姿勢を識別し、
    前記識別された姿勢を有する前記参照アレイ間の前記複数の基準のそれぞれについて、前記基準の前記識別された姿勢と少なくとも部分的に重複した前記ディスプレイデバイスによる表示のためにグラフィカル指標を提供する、ように構成されている、請求項１３に記載のコンピュータプログラム製品。
20. 手術中のコンピュータ支援ナビゲーションのためのカメラ追跡システムによる方法であって、
    エクステンデッドリアリティ（ＸＲ）ヘッドセットに接続された一連の追跡カメラによって追跡される参照アレイを識別することと、
    前記参照アレイが、手術器具データベースで定義された複数の手術器具のうちの１つの特性と対になって位置合わせされているかどうかを判定することと、
    位置合わせされていないと判定されてユーザ入力を受信する前記参照アレイに基づいて、前記ユーザ入力に基づいて選択された前記複数の手術器具のうちの１つの特性と対になって前記参照アレイを位置合わせすることと、
    前記ユーザに表示するために、前記ＸＲヘッドセットのディスプレイデバイスに前記特性の表現を提供することと、を備える、方法。
    
    

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