JP2022033229A - ロボット支援レーザ手術システム - Google Patents
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Abstract
【課題】生体組織を加工するためのシステムを提供すること。【解決手段】 当該システムは、作業の１つ以上のアクションを実行するよう動作可能なレーザを備えるツールと；作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう生体組織に対してツールを配置する位置決め手段と；コントローラと；コントローラを制御するための電子プログラム命令を格納するストレージと；入力手段と；を備え、コントローラは、電子プログラム命令の制御下で、入力手段を介して入力を受け取り、入力を処理し、該処理に基づいて生体組織を加工するように位置決め手段及びツールを制御するよう動作可能である。【選択図】図１
Description
本発明は、一般に、骨を含む生体組織のレーザ成形に関して作業（work）を行うことに関する。
本発明は、特に生きている人間の生体組織を含む動的試料に対して行われる整形外科的処置の１つ以上のアクションを含む作業に関連して説明されるが、本発明の実装は、他の生体組織に関して、そして追加及び／又は代替アクションを含む作業のために使用されてもよいことが認識されよう。
本明細書全体にわたって、背景技術のいかなる議論も、そのような背景技術が先行技術であること、並びにそのような背景技術が、オーストラリア又は世界中においてその分野で広く知られているか又は共通の一般的な知識の一部を形成するということの自認として解釈されるべきではない。
生体組織は加工（work）することが難しい可能性がある。
加工することが難しい生体組織の一種は骨である。試料加工の観点から、骨等の硬い生体組織は、多成分（リン酸カルシウム（セラミック）、コラーゲン（有機）及び水）に基づくその複雑な物理的性質及び階層構造に起因して、都合の悪い試料（material）である。
骨切り術（Osteotomy）は骨の外科的切断である。この技術は整形外科手術で、例えば関節形成術中に日常的に使用される。関節形成術では、関節炎又は損傷した関節の一部を取り除き、通常の健康な関節の動き再現するよう意図されるインプラント／人工補綴物（prosthesis）等の１つ以上の構成要素と置き換える。
切断プロセスは、整形外科的処置中に重要な骨成形術のうちの１つを形成する。関節形成術の成功は、構成要素のアライメント及び骨に対する固定の安全性を確実にする、正確かつ精密な骨切り術に依拠する。骨の準備の正確性と品質は、長期のインプラントの残存性と良好な臨床転帰における重要な因子である。
例えば人工膝関節全置換（ＴＫＲ：Total Knee Replacement）術のレシピエントの転帰（outcome）は、補綴物インプラント（prosthetic implants）の内部形状を一致させるために、手術の一部として行われる１組の切除（resections）の正確性に大きく依存する。各切除は、結果として得られる表面の位置、角度及び平坦さに関して、理想的な切断面とは異なる可能性がある。位置及び角度の不正確性は、補綴物の機能不足、並びにインプラントの潜在的な緩みにつながる。いずれかの表面の平坦さにおける不正確性は、骨を損傷する可能性があり、かつインプラントの位置決めに影響する「点負荷（point loading）」につながり、インプラントの寿命及び患者の生活品質を低下させることとなる。
以下で更に詳細に説明されるように、現在の関節手術技術は、切除を位置決めする際の正確性に欠ける。人工膝関節全置換術患者の２０％が、術後の手術の成果に不満があり、無菌状態の弛緩（aseptic loosening）が、手術の１０年以内の再置換の主な原因として根強く残り続けていることが報告されている。
骨切り手術は、センサ及びコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ベースの患者固有に定義される関節設計及び骨機械加工（成形／切断）パラメータの生成等の現代的なツールの適応／統合を通して、はるかに進歩してきた。とは言え、現在骨切り手術を行うためには、のこぎりやドリル、ハンマー、超音波カッター、のみ及びグラインダーといった従来の機械的ツールを使用する。これらの機器は、正確性及びサブミリメートル（submillimetre）の精度を欠き、熱損傷を引き起こし、振動及び生体力学的応力を近接する骨に伝達すること、そして骨断片化を引き起こす可能性があることを含め、複数の欠点に悩まされる。
特に、従来の鋸引き技術は、インプラントの固定及び位置に影響を与えるほどに大きい間隙のある不均一な骨表面を作り出す。現代の手術機器は、切除正確性を改善するよう設計された様々な機能（例えば鋸刃をガイドするための狭いスロット等）を組み込んでいる。それにもかかわらず、臨床環境で現在の機器で精密な骨切断を行うことは難しく、４度の内反－外反の切断誤差と１０度の屈曲－伸展誤差が報告されている。臨床研究は、多孔性被覆への骨成長の成功には、多孔性表面への密な骨付加（close bone apposition）と、インプラントの十分な初期固定の双方が必要であることを示している。さらに、重い機械的負荷とともに摩擦によって引き起こされる、機械的骨切りで生じる熱は、組織の壊死（死）につながる可能性がある。組織の壊死は、インプラントへの骨の統合に悪影響を与え、長期のインプラントの生存性を低下させる。
現在、整形外科医は、切断治具とともに使用される機械的切断ツール、コンピュータナビゲーション及び患者適合切断ブロックの組合せに依拠する。これらのツールは、ゴールドスタンダードとして現在広く受け入れられているが、これらは各々固有の程度の誤差がある。外科医の経験や技術的能力等の追加的因子を考慮すると、この誤差の累積的影響は、指数関数的に増加する。
実際に、整形外科手術の従来の方法は、人間及びツールの属性に関連付けられ、そのような属性は主に、熱損傷（壊死）のリスクを潜在的に増加させることにつながる。この状況は、作業ツール及び技術の更なる発展のとてつもない余地がある。更なる発展は、これらに限定されないが、１）修復／手術した領域内及びその周囲の組織の深刻な損傷；２）修復／手術した骨に対する最終的な寸法公差における低い精度；３）比較的遅い手術プロセス；４）術後の組織外傷；５）激しい痛み；及び６）場合によっては、更なる手術及び関連する追加のコストを必要とする術後の合併症；そして、７）最終的な構成要素の位置決めにおける低い精度、を含め、整形外科手術の悪影響に対処する必要がある。
カッティングソー及び骨刀は整形外科手術中の骨切断に用いられる従来的なツールである。より新しい技術はバリ（burrs）を含む。手動の操作であることは、人的誤差と熟練した外科医の必要性を含み、したがって再現性の達成を困難にする。これらの変動性とは別に、それらの使用に関連付けられる他の問題、例えば従来の機械的成形／切断中の骨の重い機械的負荷とともに切断ツールと骨との間の摩擦／摩耗につながる、切断／成形ツールと骨との間の長期間の物理的接触に起因する温度の上昇によって始まる、上述の熱駆動の組織の壊死等の問題が存在する。一般に、カッティングソーの刃は、カッティングバリよりもかなり荒く、骨の温度は１００℃超に上昇する。この温度上昇の背後にある理由は、のこぎりの歯と骨の大きな接触面積である。加えて、骨を成形するために行う必要がある多くの切断がある。バリを使用する切断操作では中程度の温度（５０～６０℃）であるが、バリでの切断は浅い切断に制限され、カッティングソーの理想的な代替物ではない。
温度上昇に対処し、関連する壊死を避けるために、多くの治療法が公開されている。これらの治療法は主に、（ａ）ツール設計の変更、（ｂ）操作方法を改善すること、そして最も一般的には（ｃ）食塩水冷却（saline cooling）を用いること、に焦点を当てている。これらのうち、（ａ）及び（ｂ）は依然として、より低発熱を達成するために注意深い操作手順を必要とする。（ｃ）の場合は、温度上昇を制御することはできるが、効果的な冷却システムを設計することが必要である。切断ツールについては、内部冷却ツールが、外部噴霧器／ミスト冷却よりも熱制御に関して優れていることが報告されている。低発熱を達成するためには、複雑に設計されたツールと注意深い温度及び流量制御が必要とされる。さらに、機械的切断ツールと骨との間の物理的接触に起因して、感染のリスクを回避するために、ツールに対して非常に慎重な殺菌処理が必要とされる。これらの問題とは別に、従来の骨成形／切断は、事後の組織外傷、激しい痛み及び長い治癒／回復時間も伴う。
骨関節炎（ＯＡ：Osteoarthritis）は、先進国における障害の主な原因である。オーストラリアでは、成人人口の１６．５％（３９０万人のオーストラリア人）が苦しんでいる。全関節形成術は、末期骨関節炎のための治療の選択肢と考えられる。オーストラリアで行われた全関節形成術の数は過去１０年で２倍になり、２０１４年には８万例を超える手術が行われ、オーストラリアの医療制度には１０億を超えるオーストラリアドルの費用がかかった。
世界保健機関（ＷＨＯ）によると、２０５０年には世界中で１億３０００万人がＯＡに罹患することになり、そのうち４０００万人が、この疾患によって重度の障害を負うことになる。
人口増加、高齢化及びより活発な人口増加等のやむを得ない人口統計的傾向と、肥満率の上昇が、ＯＡの継続的増加の主要な推進要因となることが予想される。国連によると、２０５０年までに、６０歳以上の人々が世界の人口の２０％超を占めることになる。その２０％のうち、控えめな見積もりで１５％がＯＡの兆候を有し、これらの人々の３分の１が重度の障害を負うことになる。ＷＨＯによると、２０１４年には、１８歳以上の１９億人を超える成人が過体重であったと推定されている。これらのうちの６億人以上が肥満であった。アメリカの疫学誌によると、肥満女性は、非肥満女性の約４倍、膝のＯＡを患うリスクがあり、肥満男性は、非肥満男性の約５倍、膝のＯＡを患うリスクがあった。
患者が極度の痛みに苦しむＯＡの最も重篤な場合には、再建関節手術が必要とされることがある。再建関節手術は、罹患した関節の周囲の骨領域の除去と、罹患した骨の置換として１つ以上の製造されたインプラントの挿入を伴う。Knowledge Enterprises社によると、膝、腰、肘、手首、指及び肩を含む関節置換製品市場は全体として、２０１３年には世界中で１４９億ドルに達したと推定される。Frost & Sullivanによると、膝と腰のインプラントシステムが２つの最も大きな部門を表す、グローバルな関節インプラント市場は２０１４年には３４９億ドルであった。
この背景に対して本発明が開発された。
本発明の目的は、先行技術の欠点の少なくとも１つ以上を克服又は改善すること、あるいは有益な代替案を提供することにある。
本明細書を通して、文脈上別段の要求がない限り、「comprise（備える）」、「comprises」及び「comprising」という用語は、記載されるステップ又は要素あるいはステップ又は要素のグループを含むことを暗示するが、いずれかの他のステップ又は要素あるいはステップ又は要素のグループの除外は意図しないことが理解されよう。
本明細書で使用されるとき「including（含む）」又は「which includes」又は「that includes」という用語のうちの任意の１つも、やはりその用語に続く要素／特徴を少なくとも含むが、他を除外しないオープン用語である。したがって、「including（含む）」は「comprising（備える）」と同義であり、それを意味する。
特許請求の範囲、並びに上記の概要及び下記の説明では、「comprising（備える）」、「including（含む）」、「carrying（担持する）」、「having（有する）」、「containing（包含する）」、「involving（伴う）」、「holding（保持する）」、「composed of（構成される）」及び同様語等のすべての移行句は、オープンエンドであるように、すなわち「・・を含むが限定されない」を意味することが理解されよう。「consisting of（から成る）」及び「consisting essentially of（本質的に・・から成る）」という移行句のみだけが、それぞれクローズ又はセミクローズの移行句であるものとする。
「リアルタイム」という用語、例えば「リアルタイムデータを表示する」は、システムの処理制限及びデータを正確に測定するのに必要な時間を考えて、意図的な遅延なくデータを表示することを指す。
本明細書に記載されたものと同様又は同等のいずれかの方法及び試料を本発明の実施又は試験に使用することができるが、好ましい方法及び試料を説明する。本明細書で説明される方法、装置及びシステムは、様々な方法で様々な目的のために実装され得ることが認識されよう。ここでの説明は例示にすぎない。
本明細書で概説される様々な方法又は処理は、様々なオペレーティングシステム又はプラットフォームのうちのいずれか１つを採用する１つ以上のプロセッサで実行可能なソフトウェアとしてコード化されてよい。加えて、そのようなソフトウェアは、複数の適切なプログラミング言語及び／又はプログラミング若しくはスクリプトツールのいずれかを使用して書かれてもよく、フレームワーク又は仮想マシンで実行される実行可能なマシン言語コード又は中間コードとしてコンパイルされてもよい。
この点において、様々な発明概念は、１つ以上のコンピュータ又は他のプロセッサによって実行されると、上述の本発明の様々な実施形態を実装する方法を実行する１つ以上のプログラムでエンコードされる、コンピュータ読取可能記憶媒体（又は複数のコンピュータ読取可能記憶媒体）（例えばコンピュータメモリ、１つ以上のフロッピーディスク、コンパクトディスク、光ディスク、磁気テープ、フラッシュメモリ、フィールドプログラマブルゲートアレイ又は他の半導体デバイス内の回路構成、あるいは他の非一時的媒体又は有形のコンピュータ記憶媒体）として具現化されてよい。コンピュータ読取可能な媒体（１つ又は複数）は、媒体に格納された１つ又は複数のプログラムを、１つ以上の異なるコンピュータ又は他のプロセッサにロードして、上述の本発明の様々な態様を実装することができるように可搬式にすることができる。
「プログラム」又は「ソフトウェア」という用語は、本明細書では、上述の本発明の様々な態様を実装するようにコンピュータ又は他のプロセッサをプログラムするために用いることができる、任意のタイプのコンピュータコード又はコンピュータ実行可能な命令のセットを指すように一般的な意味で使用される。加えて、一態様によると、実行されるときに本発明の方法を実行する１つ以上のコンピュータプログラムは、必ずしも単一のコンピュータ又はプロセッサに存在する必要はなく、本発明の様々な態様を実装するよう、複数の異なるコンピュータ又はプロセッサの中にモジュール方式で分散されてもよいことを認識されたい。
コンピュータ実行可能な命令は、１つ以上のコンピュータ又は他のデバイスによって実行されるプログラムモジュール等の多くの形であってよい。一般に、プログラムモジュールは、特定のタスクを実行するか特定の抽象データタイプを実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等を含む。典型的には、プログラムモジュールの機能は、様々な実施形態において所望のとおりに、組み合わせてもよく、分散されてもよい。
また、データ構造は、任意の適切な形式でコンピュータ読取可能媒体に格納されてよい。説明の簡潔性のために、データ構造は、該データ構造内の位置を通して関係するフィールドを有するように表されてよい。そのような関係は、フィールド用のストレージを、そのフィールド間の関係を伝えるコンピュータ読取可能媒体内の位置に割り当てることによっても同様に達成され得る。しかしながら、ポインタ、タグ又はデータ要素間の関係を確立する他の機構の使用を含め、任意の適切な機構を使用してデータ構造のフィールド内の情報間の関係を確立することができる。
また、様々な発明概念は１つ以上の方法として具現化されてよく、その例が提供されている。方法の一部として実行される動作は、任意の適切な方法で順序付けされてよい。したがって、動作が図示されるものと異なる順序で実行される実施形態が構築されてよく、そのような実施形態は、例示の実施形態では順次動作として示されているとしても一部の動作を同時に実行することを含んでよい。
本明細書及び特許請求の範囲で使用されるとき、「及び／又は」というフレーズは、そのように結合される要素の「いずれか又は双方」、すなわち、場合によっては結合的に存在し、他の場合には分離して存在する要素を意味するように理解されるべきである。「及び／又は」で列挙される複数の要素は同じように、すなわち、そのように結合される要素の「１つ又は複数」と解釈されるべきである。具体的に特定される要素のそれらの要素に関連するか関連しないかに関わらず、「及び／又は」節で具体的に特定される要素以外の他の要素が任意選択で存在してもよい。したがって、非限定的な例として、「Ａ及び／又はＢ」への言及は、「備える」等のオープンエンドの言語とともに使用されるとき、一実施形態ではＡのみ（任意選択でＢ以外の要素を含む）を指し、別の実施形態ではＢのみ（任意選択でＡ以外の要素を含む）を指し、更に別の実施形態ではＡとＢの双方（任意選択で他の要素を含む）等を指す可能性がある。
本明細書及び特許請求の範囲で使用されるとき、「又は（or）」は、上記で定義された「及び／又は」と同じ意味を有するように理解されるべきである。例えばリスト内の項目を分けるとき「又は」や「及び／又は」は、包括的であるものとして、すなわち、少なくとも１つの包含だけでなく、複数の要素又は要素リストのうちの２つ以上、任意選択で列挙されていない追加の項目も含むものとして解釈されるものとする。「・・のうちのただ１つ」や「・・のうちのちょうど１つ」、あるいは特許請求の範囲で使用されるときの「から成る」のように反対に明確に示された用語だけが、複数の要素又は要素リストのうちのちょうど１つの要素の包含を指すであろう。一般に、本明細書で使用されるとき、「又は」という用語は、「いずれか」、「・・のうちの１つ」、「・・のうちのただ１つ」又は「・・のうちのちょうど１つ」等のような排他的な用語が先行するときにのみ、排他的な選択肢を示す（すなわち、「１つ又は、双方以外の他のもの」）を含むものとして解釈されるものとする。特許請求の範囲で使用されるとき「本質的に・・からなる」は、特許法の分野で使用されるときのその通常の意味を有するものとする。
本明細書及び特許請求の範囲で使用されるとき、１つ以上の要素のリストに関連して、「少なくとも１つ」というフレーズは、要素リスト内の要素のいずれか１つ以上から選択された少なくとも１つの要素を意味するように理解されるべきであるが、必ずしも、要素リスト内に具体的に列挙される各々すべての要素のうちの少なくとも１つを含まず、要素リスト内の要素の任意の組合せを除外しない。この定義は、「少なくとも１つ」というフレーズで言及する要素リスト内で具体的に特定される要素以外の要素が、具体的に特定されるそれらの要素に関連するか関連しないかに関わらず、任意選択で存在し得ることも許容する。したがって、非限定的な例として、「Ａ及びＢのうちの少なくとも１つ」（あるいは、同等に「Ａ又はＢのうちの少なくとも１つ」、あるいは同等に「Ａ及び／又はＢのうちの少なくとも１つ」）は、一実施形態では、少なくとも１つのＡ、任意選択で２つ以上のＡを含み、かつＢは存在しない（及び任意選択でＢ以外の要素を含む）ことを指し、別の実施形態では、少なくとも１つのＢ、任意選択で２つ以上のＢを含み、Ａは存在しない（及び任意選択でＡ以外の要素を含む）ことを指し、更に別の実施形態では、少なくとも１つのＡ、任意選択で２つ以上のＡを含み、かつ少なくとも１つのＢ、任意選択で２つ以上のＢを含む（及び任意選択で他の要素を含む）こと等を指す可能性がある。
本明細書の目的のため、方法のステップは順番に説明されるが、順番を解釈する他の論理的方法がない限り、この順番は必ずしも、ステップがその順番の時間的順序に実行されるべきことを意味しない。
加えて、発明の特徴又は態様は、マーカッシュグループに関して説明されるが、当業者には、本発明がそれにより、マーカッシュグループのいずれか個々のメンバ又はサブグループに関しても説明されていることが認識されよう。
本発明の実施形態は、上述の先行技術の欠点の１つ以上を克服するか少なくとも軽減し、あるいは消費者に有益又は商的な選択肢を提供しようとする。
本発明の実施形態の他の利点は、説明及び例示として本発明の好ましい実施形態の説明が開示される添付の図面と併せて、以下の説明から明らかになるであろう。
本発明の第１の態様によると、骨を含む生体組織のレーザ成形のためのロボット支援レーザ骨切り術システムが提供される。当該システムは、作業（work）の少なくとも１つのアクションを実行するよう動作可能なレーザを備えるツールを備えてよい。システムは更に、作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう生体組織に対してツールを位置決めする位置決め手段（positioning means）を備えてよい。システムは更にコントローラを備えてよい。システムは更に、コントローラを制御するための電子プログラム命令を格納するストレージを備えてよい。システムは更に入力手段を備えてよい。コントローラは、電子プログラム命令の制御下で、入力手段を介して入力を受け取るように動作可能であってよい。コントローラは更に、入力を処理するよう動作可能であってよい。処理に基づいて、コントローラは、生体組織を加工（work）するよう位置決め手段及びツールを制御するよう動作可能であってよい。
第１の態様の特定の構成によると、骨を含む生体組織のレーザ成形のためのロボット支援レーザ骨切り術システムが提供され、当該システムは：
レーザアブレーションを含む作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう動作可能なレーザを備えるツールと；
作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう生体組織に対してツールを位置決めする位置決め手段と；
コントローラと；
コントローラを制御するための電子プログラム命令を格納するストレージと；
入力手段と；
を備え、
コントローラは、電子プログラム命令の制御下で、
入力手段を介して入力を受け取り、
入力を処理し、該処理に基づいて、生体組織を加工するよう位置決め手段及びツールを制御する、
よう動作可能である。
レーザアブレーションを含む作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう動作可能なレーザを備えるツールと；
作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう生体組織に対してツールを位置決めする位置決め手段と；
コントローラと；
コントローラを制御するための電子プログラム命令を格納するストレージと；
入力手段と；
を備え、
コントローラは、電子プログラム命令の制御下で、
入力手段を介して入力を受け取り、
入力を処理し、該処理に基づいて、生体組織を加工するよう位置決め手段及びツールを制御する、
よう動作可能である。
上述の態様の実施形態及び実装並びに以下で説明されるこれらの態様は、以下の任意選択の特徴のうちの１つ以上を組み込んでよい。
コントローラによって実行される入力の処理は、入力の分析と、該分析に基づいて決定を行うことを含んでよい。決定が行われると、コントローラは、電子プログラム命令の制御下で、決定に基づいてアクションを開始して、生体組織を加工するように位置決め手段及びツールを制御するよう動作可能である。
一実施形態では、分析の少なくとも一部として、コントローラは、電子プログラム命令の制御下で、作業の少なくとも１つのアクションに関連する１つ以上の基準を入力に基づいて生成するか、入力として受け取り、上記の決定を行う際に基準を使用するよう動作可能である。
別の実施形態において、基準は、作業の少なくとも１つのアクションのスピード、作業の少なくとも１つのアクションの正確性、作業の少なくとも１つのアクションの安全性及び作業の少なくとも１つのアクションの清潔さ（cleanliness）のうちの少なくとも１つを含む。
分析の少なくとも一部として、コントローラは、電子プログラム命令の制御下で、生体組織の表現を入力に基づいて生成するか、入力として受け取るように動作可能であってよい。コントローラは更に、生体組織の他の表現を入力に基づいて生成するか、入力として受け取るように動作可能であってよく、生体組織の他の表現は、生体組織の異なる表現である。コントローラは更に、生体組織の表現と生体組織の他の表現に基づいて評価を行い、上記の決定を行う際にその評価を使用するよう動作可能であってよい。
生体組織の表現は、生体組織の状態の表現を備えてよい。生体組織の状態は、作業の少なくとも１つのアクションが実行された後の生体組織のプランニングされた状態（planned state）に対応し得る。
生体組織の他の表現は、生体組織の他の状態の表現を備えてよい。生体組織の他の状態は、作業の少なくとも１つのアクションが実行された後の生体組織の実際の状態に対応し得る。
評価を行うことは、作業の少なくとも１つのアクションが実行された後の生体組織の実際の状態を生体組織のプランニングされた状態と比較することを含んでよい。
入力手段は少なくとも１つのセンサを備えてよく、該少なくとも１つのセンサは、センサシステム又はセンサセットの一部であってよい。センサセット内の個々のセンサは、当該システム、生体組織及び周囲環境、あるいはそれらに関連付けられるかそれらに結合されるコンポーネント、システム又はデバイスのうちの１つ以上についての、１つ以上の特性、性質及び／又はパラメータに関連付けられるかこれに関連するセンサデータ及び／又は情報を、モニタし、感知し、かつ収集又は測定するよう動作可能である。
センサセット内のセンサは：ラマン分光法（Raman spectroscopy）；ハイパースペクトルイメージング；光学イメージング；熱イメージング（thermal imaging）；蛍光分光法（fluorescence spectroscopy）、顕微鏡検査（microscopy）、音響、３Ｄ計測学（3D metrology）、光学コヒーレンストモグラフィ（optical coherence tomography）、レーザパワー及び任意の非侵襲的感知；に基づくものを含んでよい。
当該システムによって実行される動作は、外科医の制御下で半自動的に、あるいは人的介入を必要とせずに自動的に起こってよい。
作業の少なくとも１つのアクションは、外科的処置、好ましくは、整形外科的処置（orthopaedic surgical procedure）の一部であってよい。
ツールは、作業の少なくとも１つのアクションとして減法アブレーション（subtractive ablation）を実行するよう動作可能なレーザを備えてよい。
一実施形態において、上記入力の処理は、アブレーションの速度（rate）を向上させるために、レーザによって生成される放射ビームと生体組織との間の相互作用の力学（dynamics of interaction）に基づいてレーザの動作を最適化することを含む。
別の実施形態において、最適化は、安全性及び正確性の少なくとも一方を含む基準を考慮して、切断される生体組織の体積を増加させるか最大限にしようとすることを含む。
更なる実施形態において、放射ビームは、レーザによってパルスで生成され、レーザパルスは、生体組織にわたる異なる位置における事前計算されたパルスのセットを含むアブレーション実行（ablation runs）にバッチ処理（batch）される。
一実施形態において、上記制御は、アブレーションが実行された後に生体組織の最終表面に対する損傷を減少又は軽減するように低電力でレーザを作動させることを含む。
別の実施形態において、システムは、該システムの１つ以上のコンポーネントを冷却するための冷却手段を備える。
更なる実施形態において、冷却手段は、レーザを冷却するための冷却剤を冷やすための冷却剤冷却装置（coolant chiller）を備える。
一実施形態において、レーザの動作の最適化は、レーザアブレーションを助け、かつ、少なくともある程度まで生体組織を熱損傷から保護するために、生体組織に液体を噴霧するための噴霧器を備える。
別の実施形態において、噴霧器の液体は、水又は水由来の溶液、例えば食塩水等を含み、好ましくは使用前に殺菌される。代替的な実施形態において、噴霧器の液体は、生体組織に対する冷却剤として作用するように適合され、並びに、アブレーションプロセスを助けるためにレーザ放射線を吸収することができる、生体適合性（すなわち、非毒性かつ不活性）溶液を含む。
更なる実施形態において、冷却手段は、少なくとも２つの区分された断熱された導管（partitioned insulated conduits）のバンドル（bundle）を含む。
一実施形態において、生体組織の作業中に保護を提供するためのシールドを備える。
別の実施形態において、シールドは消耗シールドを含む。
更なる実施形態において、消耗シールドは、粒子状物質を濾過及び格納するための粒子収集器及び／又は一連のフィルタ及び／又はトラップを含む。
一実施形態において、位置決め手段はロボットアームを含む。
別の実施形態において、ツールの作業部分（working portion）はロボットアームのエンドエフェクタ上に設けられる。
更なる実施形態において、システムは、ツールの作業部分を向上した正確性で方向付けるための微動手段を備える。
一実施形態において、入力が３Ｄ計測学センサからの入力を含むとき、上記の処理は、入力を使用して、生体組織のジオメトリ（geometry）及び周囲環境をマッピングすることを含む。
別の実施形態において、上記の処理は、３次元（３Ｄ）と２次元（２Ｄ）の間を変換するための平面、球状、円柱又は任意の他の座標系に基づいて、３次元（３Ｄ）ジオメトリの次元を減らして１組又は一連の２次元（２Ｄ）マップにすることを更に含む。
更なる実施形態において、上記の処理は、同じ２Ｄマップ上に他のセンサ情報をオーバーレイすることを更に含む。
一実施形態において、入力が、ハイパースペクトルセンサ、ラマン分光センサ、顕微鏡センサ、光学イメージングセンサ又は光学コヒーレンストモグラフィセンサからの入力を含むとき、上記の処理は、入力を使用して、生体組織と潜在的な試料の構成成分（constituent composition）を区別することを含む。
別の実施形態において、入力が熱センサからの入力を含むとき、上記の処理は、入力を使用して、加工される生体組織に対する熱損傷等のいずれかの温度効果と、更なる加工で生じる可能性が高い任意の更なる影響を決定することを含む。
別の実施形態において、入力が音響センサからの入力を含むとき、上記の処理は、音響センサの入力を使用して、ツールが、意図しない又は予期しない生体組織又は試料を加工したかどうかを検出することを含む。
別の実施形態において、入力がレーザパワーセンサからの入力を含むとき、上記の処理は、入力を使用して、レーザビームによって生じている実際のパワーを決定することを含む。
更なる実施形態において、システムは、追跡のためにレーザによって生体組織上に設けられる基準マーク（fiducial mark）を含む。
一実施形態において、入力が少なくとも１つのセンサからの入力を含むとき、上記の処理は、センサ入力を使用して、生体組織を加工するよう位置決め手段及びツールの制御を改良（refine）することを含む。
一実施形態において、コントローラは、システムのインテリジェント制御を提供するためのインテリジェントコントローラを含む。
更なる実施形態において、インテリジェントコントローラは、シミュレーション、テスト及びデータロギング操作（data logging operations）のうちの１つ以上を含む、システムの動作を制御するためのマスターシステムコーディネータを含む。
更なる実施形態において、インテリジェントコントローラは、機械知覚又は機械学習を含むがこれらに限定されない、人工知能（ＡＩ：Artificial Intelligence）ソフトウェアを含む。
更なる実施形態において、システムは、動的集束光学系（dynamic focusing optics）及び動的集束光学系コントローラを更に備え、動的集束光学系は、動的集束光学系コントローラを介してコントローラによって望まれるとおりに決定される目標距離でレーザビームの焦点距離及び焦点ビームを動的に変更するよう動作可能である。
本発明の第２の態様によると、生体組織を加工するための方法が提供される。当該方法は、コントローラを制御するための電子プログラム命令を格納するステップを含んでよい。当該方法は、プログラム命令を介してコントローラを制御し、入力手段を介して入力を受け取る更なるステップを含んでよい。当該方法は、プログラム命令を介してコントローラを制御し、入力を処理し、該処理に基づいて、生体組織を加工するために、作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう動作可能なツールと、作業の少なくとも１つのアクションを実行するために生体組織に対してツールを位置決めする位置決め手段とを制御する更なるステップを含む。
第２の態様の特定の構成によると、生体組織を加工するための方法が提供され、当該方法は：
コントローラを制御するための電子プログラム命令を格納するステップと；
入力手段を介して入力を受け取り、
入力を処理し、該処理に基づいて、生体組織を加工するために、作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう動作可能なツールと、作業の少なくとも１つのアクションを実行するために生体組織に対してツールを位置決めする位置決め手段とを制御する
ように電子プログラム命令を介してコントローラを制御するステップと；
を含む。
コントローラを制御するための電子プログラム命令を格納するステップと；
入力手段を介して入力を受け取り、
入力を処理し、該処理に基づいて、生体組織を加工するために、作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう動作可能なツールと、作業の少なくとも１つのアクションを実行するために生体組織に対してツールを位置決めする位置決め手段とを制御する
ように電子プログラム命令を介してコントローラを制御するステップと；
を含む。
本発明の第３の態様によると、演算手段によって実行されると、該演算手段に、前述のような第２の広範な態様による方法を実行させる命令が格納される、コンピュータ読取可能記憶媒体が提供される。
本発明の第４の態様によると、前述のような第２の広範な態様による方法を実行するようにプログラムされた演算手段が提供される。
本発明の第５の態様によると、コンピューティングシステムが受け取って解釈することができる少なくとも１つの命令を含むデータ信号であって、命令が、前述のような第２の広範な態様による方法を実施する、データ信号が提供される。
本発明の第６の態様によると、生体組織を加工するためのコンピュータプログラムが記録されたコンピュータ読取可能媒体を有するコンピュータプログラム製品が提供される。コンピュータ読取可能媒体は、コントローラを制御するための命令を備え、当該コンピュータプログラム製品は：電子プログラム命令を介してコントローラを制御するためのコンピュータプログラムコード手段と；入力手段を介して入力を受け取るためのコンピュータプログラムコード手段と；入力を処理し、該処理に基づいて、生体組織を加工するために、作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう動作可能なツールと、作業の少なくとも１つのアクションを実行するために試料に対してツールを位置決めする位置決め手段とを制御するためのコンピュータプログラムコード手段と；を備える。
本発明の第７の態様によると、生体組織を加工するためのコンピュータプログラムが提供される。当該プログラムは：コントローラを制御するための命令であって、コンピュータ読取可能媒体に格納されている命令を取り出すためのコードと；電子プログラム命令を介してコントローラを制御するためのコードと；入力手段を介して入力を受け取るためのコードと；入力を処理し、該処理に基づいて、生体組織を加工するために、作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう動作可能なツールと、作業の少なくとも１つのアクションを実行するために試料に対してツールを位置決めする位置決め手段とを制御するためのコードと；を備える。
本発明の第８の態様によると、電子デバイスが提供される。当該電子デバイスは：ユーザからの入力を受け取るよう構成される入力コンポーネントと；ユーザに出力を提供するよう構成される出力コンポーネントと；入力コンポーネント及び出力コンポーネントに結合されるプロセッサと；プロセッサによって実行されると、プロセッサに、コントローラを制御するための命令であって、コンピュータ読取可能媒体に格納された命令を取得させ、電子プログラム命令を介して、入力手段を介して入力を受け取り、入力を処理し、該処理に基づいて、生体組織を加工するために、作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう動作可能なツールと、作業の少なくとも１つのアクションを実行するために試料に対してツールを位置決めする位置決め手段とを制御するように、コントローラを制御させる、プログラム命令を含むコンピュータ読取可能記憶媒体と；を備える。
本発明の範囲内に含まれ得るいずれかの他の形式にかかわらず、本発明の好ましい実施形態／複数の好ましい実施形態は、単なる例示として添付の図面に関連して説明される。
本発明は、以下の具体的な実施形態の範囲に限定されない。この詳細な説明は例示の目的のためだけに意図される。機能的に等価な製品、構成物及び方法は、本明細書で説明される本発明の範囲内にある。この見解と一貫して、本明細書で説明される本発明は、具体的に説明されるもの以外の変形及び修正を受け入れる余地があることが当業者には認識されよう。本発明はすべてのそのような変形及び修正を含むことが理解されよう。本発明は、本明細書で言及されるか示されるステップ、特徴、構成物及び混合物のすべてを、個々に又は集合的に、そして、それらのステップ又は特徴の任意及びすべての組合せ又は任意の２つ以上も含む。
本発明の更なる特徴は、本明細書の例でより十分に説明される。しかしながら、この詳細な説明は、本発明を例示する目的のためだけに含まれており、いかなるようにも前述の本発明の広範な説明に対する制限として理解されるべきではないことを理解されたい。
本明細書で引用されるすべての刊行物（特許、特許出願、雑誌記事、実験マニュアル、本又は他の文書を含む）のすべての開示は、参照によって本明細書に組み込まれる。参考文献のいずれかが先行技術を構成するか、あるいは本発明が関連する分野で作業する者の一般常識の一部であることを自認するものではない。
本明細書全体を通して、文脈がそうでないことを必要としない限り、「comprise（備える）」という用語又は「comprises」や「comprising」等のような変形は、説明される完全体（integer）又は完全体のグループの包含を暗示するが、いずれかの他の完全体又は完全体のグループの排除は意図しないことが理解されよう。
さらに、本明細書全体を通して、文脈がそうでないことを必要としない限り、「includes（含む）」という用語又は「includes」や「including」等のような変形は、説明される完全体又は完全体のグループの包含を暗示するが、いずれかの他の完全体又は完全体のグループの排除は意図しないことが理解されよう。
本明細書で使用される選択された用語についての他の定義は、本発明の詳細な説明の中に見出され、全体を通して当てはまることがある。他に定義されない限り、本明細書で使用されるすべての他の科学技術用語は、本発明が属する技術分野の当業者に一般的に理解されるものと同じ意味を有する。
本明細書で説明される発明は、値の１つ以上の範囲（例えばサイズ、変位及び場の強さ（field strength）等を含み得る。値の範囲は、範囲を定義する値、並びに範囲の境界を定義する値に直接隣接する値と同じ又は実質的に同じ結果をもたらす範囲に隣接する値を含む、範囲内にあるすべての値を含むように理解されよう。例えば当業者は、ある範囲の上限又は下限の１０％の変動は完全に適切である可能性があり、本発明によって包含されることを理解するであろう。より具体的には、範囲の上限及び下限の変動は５％であるか、当技術分野で一般に認識されるように、どちらか大きい方である。
本明細書全体を通して、「約（about）」及び「ほぼ（approximately）」等の相対的な言語が使用される。この言語は、指定された数又は範囲に少なくとも１０％の変動を取り入れようとする。そのような変動は、指定された特定の数のプラス１０％又はマイナス１０％であってよい。
図面では、同様の特徴が同様の参照番号で示されている。
本明細書の背景技術の説明から、従来の切断／成形技術は欠点があるにもかかわらず、依然として使用されていることが明らかである。本発明の実施形態は、（ａ）複雑なシステム構成、（ｂ）人的因子によってもたらされる変動性、そして（ｃ）切断／成形ツールと骨との間の物理的接触、の排除を目的とすることによって、この状況を改善しようとする。
このために、実装は優れた成形／切断操作を探すために異なるアプローチをとる。それは、成形／切断のエネルギ源として非物理的接触型の高強度レーザビームの極めて短時間の使用に基づく。レーザモジュール１３０からのレーザパルスのパルス幅（代替的にはパルス期間）は、約０．１～１０００μｓの間の範囲内であってよい。レーザモジュール１３０からのレーザの平均出力パワーは、約０．１～２０００Ｗの間の範囲内であってよい。そのような高強度集束レーザビームは、有利には、骨とレーザの干渉領域６３の周囲の試料に対するいかなる熱的壊死及び機械損傷も招くことなく、あるいは少なくとも低減して、極めて短い時間期間で骨材除去を実施することができる。レーザビーム３０は、生体試料（biological material）１２にレーザエネルギを届けるために、約０．１～１０００Ｊ／ｃｍ２の範囲、通常の操作下では典型的に約１０～１５０Ｊ／ｃｍ２の範囲のエネルギ密度（フルエンス）を有するレーザエネルギで試料を切断（ablating）するために、典型的には直径約３００～１０００μｍのスポットサイズで、生体試料１２上のスポットに集束される。さらに、以下で更に詳細に説明されるように、開示されるレーザベースの骨成形／切断技術は、成形／切断における精度を増加させるとともに、人的介入及び操作時間における自動化及び短縮に非常に適している。加えて、これらの主な利点は、迅速な患者の回復及びコストの低減等のような副次的な利点をもたらし得る。
骨成形／切断操作に適した任意のレーザタイプが使用されてよい。例えば：（約９μｍ～約１２μｍの間の発光波長を有する）CO2レーザ等のガスレーザ；Er:YAGレーザ（波長：２９４０ｎｍ）、Nd:YAGレーザ（波長：１０６４ｎｍ）、Tm:YAGレーザ（波長２０００ｎｍ）、Ho:YAGレーザ（波長：２１００ｎｍ）、あるいは好ましくは水による吸収に適合した発光波長を有する、当業者によって認識されるであろう他の適切なレーザシステム等の固体レーザを含む。なお、水は生体組織内に豊富であり、かつレーザ放射３０と水性溶液との間の相互作用を通してアブレーションプロセスの効率を向上させるために相互作用部位にも適用され得る。水は、約３μｍの有意な吸収係数を有し、したがって、レーザ源は、この吸収ピークの周囲でレーザ発光が可能である（例えば２９４０ｎｍで発光するEr:YAGレーザは、生体組織１２内のレーザアブレーションプロセスに特に適している）。提案されるレーザベースの成形は、半自動化又は完全自動化にとても適していることを認識されたい。
図１では、本発明の態様による生体組織１２を加工するシステム１０の実施形態が示されており、物理的コンポーネントの相互接続されたコレクションとして高レベルに図示されている。
説明される実施形態において、生体組織１２は、生きている人間である患者１４の一部を含む動的試料である。作業は、患者１４に対して行われる外科的処置の１つ以上のアクションを含む。生体組織１２は、軟骨等の軟組織と、骨等の硬組織を含み、システム１０によってその小区分（subsection）を切断することができ、それにより、関節形成術のために補綴物インプラントにとって理想的な切除表面がもたらされる。生体組織１２のいわゆる「動的」な性質は、処置の間にその生体組織がシフト又は移動する可能性があることを示し、後に更に詳細に説明されるように、表面を正確に目標にすることを保証するために、アブレーション方法ではこれを考慮する必要がある。
システム１０は、インテリジェントロボット支援型減法レーザアブレーションシステム（ＩＲＡＳＬＡＳ（登録商標）：Intelligent Robot Assisted Subtractive Laser Ablation System）と呼ばれることがあり、説明されるように、コンピュータ制御ロボットポジショニング、精密なレーザアブレーション、そしてプロセスを評価して結果として得られるジオメトリを報告するセンサを使用して、骨切り術、関節形成術、あるいは任意の他の整形外科的処置又は再建術に必要とされる１つ以上の切除を実行するよう動作可能である。
しかしながら、本発明は、作業される生体組織、作業する目的又は実行される作業のアクションに関して限定されず、代替的な実施形態において、本発明は、説明されるものに対する追加の及び／又は代替的なアクションを含む作業を介して、動的又は静的試料を含め、追加及び／又は代替的試料の作業にも適用され得ることが認識されよう。実装に応じて、試料は生物の身体又はその１つ以上の部分、あるいは非生物の身体又はその１つ以上の部分であってもよい。
システム１０は、適切な回路、コンピュータチップ（集積回路）、トランシーバ／レシーバアンテナ、ソフトウェア及び接続を介して動作可能に結合される複数のコンポーネント、サブシステム及び／又はモジュールを含み、システム１０が、本明細書で説明される機能及び操作を実行する際に、コンピュータ制御機器の精度をレーザの忠実性と有利に組み合わせることを可能にする。
特に、図１に図示されるように、システム１０は：作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう動作可能なツール２４；外科的手順の一部として要求される作業の少なくとも１つのアクションを実行するために、生体組織１２及び有向レーザ光ビーム３０に対してツール２４を位置決めする、位置決め手段２５；この実施形態ではコントローラ１００を備える演算手段と、コントローラ１００を制御するための電子プログラム命令と情報及び／又はデータを格納するためのストレージ１８；ユーザインタフェース２１を表示するためのディスプレイ２０と、外科医１６がシステム１０と対話する入力手段２２；そして、コンジット２６を介してツールに接続する、ベースユニット２７内に格納されるハードウェアコンポーネントを備える。
位置決め手段（position means）２５は、ツール２４が生体組織１２に対して作業の少なくとも１つのアクションを実行することができるように、ツール２４及び／生体組織１２を相互に対して動かすように動作可能な任意のコンポーネント又はコンポーネントのアセンブリを備えてよい。
好ましい実施形態において、ツール２４は、位置決め手段２５を備えるロボットアーム１０５の作業端部に動作可能に取り付けられるエンドエフェクタ２８を備える。エンドエフェクタ２８は、外科的処置の間に組織１２に行う必要があるアクションを実行し、かつその結果を感知するよう動作可能なレーザビーム３０を形成して方向付ける、本明細書で更に説明されるような、いくつかのコンポーネントとセンサを備えるハードウェアアセンブリである。これらのアクションは、外科的アブレーション（物質の除去）を含む。
ロボットアーム１０５は、マニピュレータ２３と、該マニピュレータ２３を操作して制御するように特別に設計されるロボットアームコントローラ１０６を備える。実施形態では、ロボットアーム１０５は有利には、エンドエフェクタ２８が、作業の少なくとも１つのアクションが正しく実行されるように、システム１０によって生体組織１２に対して最適に位置決めされ、かつ安定的に保持されることを可能にする。ロボットアーム１０５は、システム１０の動作中に必要とされる可動域にとって十分な、安定したプラットフォームを提供するベースユニット２７にしっかりと取り付けられる。ロボットアーム１０５は少なくとも５自由度を有し、動きに対する抵抗を感知することによって人々の近くで使用されることを可能にする安全性機能を含む。ロボットアームコントローラ１０６は、その活動をガイドしてモニタするよう動作可能なコントローラ１００に接続する。
コントローラ１００は、ストレージ１８からの電子プログラム命令の制御下で、入力手段２２を介して入力を受け取り、安全性、局所化（localization）、手術プランニング及びセンサデータを含む入力をリアルタイムで組み合わせて解釈し、そして、精密な制御、安全性及び局所化についての感知、生体組織１２の表現及び行うべき作業を利用及び制御し、機械知覚又は他の手段を介して入力を処理し、該処理に基づいて、外科医１６の監督下で、位置決め手段２５及びツール２４を制御して生体組織１２を加工する。生体組織１２は、作業の少なくとも１つのアクションを行うツール２４によって作業される。実施形態において、コントローラ１００は、システムのコンポーネントと通信して制御するコンピュータシステムを備える。
実施形態において、ツール２４の機能に必要なシステム１０のコンポーネントは主に、ベースユニット２７を備えるハウジング内に存在する。レーザ関連コンポーネント、粒子フィルタ関連のコンポーネント、水噴霧器コンポーネント、コントローラ１００、センサコントローラ１０３、動的集束光学系コントローラ１３７、ストレージ１８、ハードウェアフェールセーフウォッチドッグ１７５、制御システム及びシステム１０の電力関連コンポーネントを含む上述のコンポーネントを、以下で更に説明する。
システム１０は、コンピュータ支援手術（ＣＡＳ：computer assisted surgery）ナビゲーションセンサとも呼ばれ得る位置決めセンサ（positioning sensor）１７０を使用して、作業されている生体組織１２の位置及び動きを三次元で追跡する。位置決めセンサ１７０は、屋根、壁、アーム又はスタンドのいずれかに取り付けられる高い位置で高所に動作可能に配置され、生体組織１２及び周辺に対して明確な視野を有する。いくつかの既存のシステムが市販されており、現在の外科的手法で使用されている。コンピュータナビゲートされるＴＫＲの典型的なプロセスは、大腿骨と脛骨にピンを挿入して、基準マーカ７０－位置決めセンサ１７０によって認識及び配向され得る反射マーカアレイ（reflective arrays of markers）－を取り付けることである。基準マーカ７０の位置データは、位置決めコントローラ１７１によってコントローラ１００にストリーミングされて、切除を正しく位置決めして位置合わせすることを助ける。この入力データは、作業されている生体組織１２の手術中の位置及び動きを理解するためのシステム１０の主な方法である。基準マーカ７０は、切除を正しいアライメントで正しい位置に位置決めするために、現在の標準的方法として処置で使用される外科的ツールにも取り付けられる。
システム１０はまた、レーザを使用して、生体組織の上に１つ以上の視覚的に追跡可能なパターンを消えないようにマークすることができ、レーザ処理される（lasered）（すなわち、レーザによって形成される、例えばレーザで刻まれる）基準マーク７１を作成する。十分に高スピードの（例えば約６０Ｈｚよりも大きい速度で動作する）光学イメージングセンサは、システム１０が、特にアブレーションのために生体組織１２を標的化（targeting）する際に誤差のリスクが最も高いツールの視点から横方向に、以前の画像と比較することにより横方向のマークの動きを検出することができる、高解像度イメージングを提供することができる。レーザ処理の基準マーク７１は、上述の基準マーカ７０によって提供される追跡を補うことができる。
システム１０への入力は、作業される生体組織１２及び実行される作業に適切である。実施形態では、入力は、生体組織１２、患者１４、整形外科的処置、システム１０の１つ以上のコンポーネント及び周囲環境のうちの１つ以上の詳細を含むか、それに関連付けられる。そのような詳細は適切なデータ及び／又は情報を含む。
データ及び／又は情報は、１つ以上のソースからそのようなデータ及び／又は情報を取り出すこと、受け取ること、抽出すること、感知すること及び識別することのうちの１つ以上によって取得されてよい。データ及び／又は情報の１つ以上のソースは、システム１０の一部であっても、ストレージ１８等のシステム１０のコンポーネント上に存在しても、かつ／又はシステム１０から離れた別の場所にあるか存在してもよい。
データ及び／又は情報は：実験及び履歴データ；生体組織１２と患者１４の適切な医療イメージング及び患者１４についての臨床／手術プランを含む、術前データ；及び手術中の術中センシングを介して取得されるデータ（以下で更に説明される）；を含む。データ及び／又は情報は、少なくとも１つの慣性測定装置（ＩＭＵ：inertial measurement unit）を使用して、歩行分析を介して生成される関節運動学データを含んでよい。ＩＭＵは、加速度計とジャイロスコープの組合せ、場合によっては磁気計も使用して、身体の固有の力、角速度及び場合によっては身体の周囲の磁場を測定してこれを報告するよう動作可能な電子デバイスである。本発明の実施形態において、データ及び／又は情報は、例えば活動トラッカ（ＦＩＴＢＩＴ（登録商標）という商標の下に提供されるもの等）、スマートブレース（smart braces）及びスマートスプリント（smart splints）を含むデバイスによって生成されてもよく、かつ／又はそのようなデバイスから取得されてもよい。
本発明の実施形態では、ユーザインタフェース２１を表示するためのディスプレイ２０及びユーザ入力手段２２がタッチスクリーンに一体化される。代替的な実施形態では、これらのコンポーネントは、別個の要素又はアイテムとして提供されてもよい。
タッチスクリーンディスプレイ２０は、システム１０のディスプレイエリア内のタッチの存在及び位置を感知又は検出するよう動作可能である。タッチスクリーンディスプレイ２０の感知される「タッチ」の形のシステム１０に対する入力コマンドは、コマンド又は命令としてシステム１０に入力されて、コントローラ１００に伝達される。ユーザ入力手段２２はタッチスクリーンを備えることに限定されず、本発明の代替的な実施形態では、入力、コマンド又は命令を受け取り、制御された対話を提供するための任意の適切なデバイス、システム又はマシンが使用されてよく、例えばキーパッド又はキーボード、プリンティングデバイス又は複合デバイス、並びに音声活性化、音声及び／又は思考コントロール、及び／又はホログラフィック／投影型イメージングを含むシステムを含むことを認識されたい。
典型的には、ユーザは、一実施形態では、整形外科医１６のように、システム１０を使用して生体組織１２に対する作業を実行するよう適切に資格があり経験のある人である。ユーザは、ユーザインタフェース２１のタッチスクリーンディスプレイ２０を介してシステム１０を管理及び指示する訓練された医療専門家である。
ディスプレイ２０及びユーザインタフェース２１は、良好な視認性及び容易な対話を維持するよう、外科医１６に近い便利な位置に配置される。
図面の図２Ａは、様々なコンポーネント及びコンジット２６を介したベースユニット２７内の他の構成要素への接続を含むエンドエフェクタ２８としてのツール２４の好ましい実施形態を図示している。
レーザモジュール１３０は、生体組織１２のアブレーションに適した好ましい波長でコヒーレント光ビーム３０を放射するよう動作可能である。
レーザ電流源１３１は、レーザモジュール１３０に、光ビーム３０を生成するために必要な電流を供給するよう動作可能である。コントローラ１００は、レーザ電流源１３１の異なるパラメータを選択して、生成される、結果として得られる光ビーム３０を変調するよう動作可能である。
冷却装置１４０の形の冷却手段は、循環する冷却材４０によりレーザモジュール１３０を冷却して、以下で更に詳細に説明されるように、走査ヘッド１１７及び水５５を含むシステム１０の他のコンポーネントとともにレーザモジュール１３０がオーバーヒートすることを防ぐ。
レーザシャッタ１３３は、光ビーム３０をブロックする切り替え可能な物理的バリアを使用して、レーザモジュール１３０からの光の偶発的な放射から保護するよう動作可能である。
レーザシャッタコントローラ１３４は、コントローラ１００によって指示されるようにレーザシャッタ１３３の機能を制御するよう動作可能である。
動的集束光学系１３６は、動的集束光学系コントローラ１３７を介してコントローラ１００によって所望のとおりに決定される目標距離において光ビーム３０の焦点距離及び集束ビーム半径（focus beam diameter）を動的に変更するよう構成される。
鏡３３は、動的集束光学系１３６の正しい機能のための位置合わせ（alignment）で光ビーム３０を反射するよう動作可能である。鏡３３の取付位置は、レーザモジュール１３０の位置及び動的集束光学系１３６への正しい経路に依存して較正され得る位置合わせを保証するように調整可能である。好ましい実施形態では、鏡３３は、レーザモジュール１３０のパワー出力を感知するよう動作可能なレーザパワーセンサ１２８に対して、非常に小さい所定の比の透過ビーム３１をビーム分割するよう動作可能であるように、部分反射性である。コントローラ１００は、感知された透過エネルギの既知の比を補償することによって、レーザモジュール１３０の全パワー出力を計算することができる。レーザエネルギを必ずしも動的に感知する必要がない別の実施形態では、鏡３３は完全反射性にすることができる。
鏡３４は、光ビーム３０の波長帯の光を走査ヘッド１１７のビーム入口へ反射し、光路３２に沿ってその波長帯の外側にある光を透過するよう動作可能な二色性フィルタである。鏡３４の取付位置は、反射位置合わせが、動的集束光学系１３６を通る光ビーム３０の経路及び走査ヘッド１１７への正しい経路に依存して較正されることを可能にするよう調整可能である。
現状の技術のロボットアーム１０５の精度は、エンドエフェクタ２８からアブレーションのための生体組織１２にレーザビーム３０を配向する唯一の方法であるためには十分ではない。微動手段は、ミクロンスケールの正確性でレーザビーム３０の指向性標的化の二次的方法を可能にするよう動作可能である。
好ましい実施形態において、典型的に２つのガルバノメータ・スキャナ配置ミラー（galvanometer scanner aligned mirrors）（図示せず）を備える走査ヘッド１１７を微動手段として使用して、図１の微動コントローラ１１１として動作する走査ヘッドコントローラ１６０によって指示されるようにレーザを、素早く標的変更する。走査ヘッド１１７は、典型的に、平らな目標面を横切る集束距離を補正するｆシータレンズ（f-theta lens）を有するが、我々の目標は自由形状であるので、実施形態は、ｆシータレンズを必要とせず、代わりに動的集束光学系１３６を使用する。回転ポリゴンミラー、チップ／チルトミラー、スチュワート（Stewart）プラットフォーム等のように異なる微動手段を有する他の実施形態が以下で更に詳細説明される。
鏡３５は、レーザビーム３０の経路と直線見通し線（direct line-of-sight）内でセンサセット１０１へ光路３２を反射するよう動作可能である。鏡３５の取付位置は、反射位置合わせが光ビーム３０及びセンサセット１０１で較正されることを可能にするよう調整可能である。
センサセット１０１は、生体組織上のアブレーションの目標に対してレーザビーム３０と同じ経路に沿って光を感知するか、かつ／又は放射することを必要とする複数のコンポーネントを含む。センサセット１０２は、それ自体の観点（vantage point）から生体組織又は環境を感知するか、かつ／又はこれと相互作用するよう動作可能なエンドエフェクタ２８の表面上に配置される、複数のコンポーネントを含む。術中の安全性、局所化及び精密な成形のために、レーザ成形に先行して生体組織１２を非侵襲的に識別する必要がある。センサは以下で更に詳細に説明される。
光源８０は、センサセット１０１／１０２が正しくかつ最適に生体組織１２及び環境を感知することができるように照明を提供するよう動作可能である。以下で更に詳細に説明されるハイパースペクトルのイメージングセンサ等の様々なセンサにとって、この照明は、感知されている波長及びモダリティの範囲にわたって動作可能であろう。
外科的アブレーションに適したレーザは、水、生体組織１２の一般的で豊富なコンポーネントによって強く吸収される波長で光ビーム３０を生成する。水は約３μｍの波長で強い吸収ピークを有する。この特定の波長範囲で動作し、本明細書で開示されるようなレーザアブレーション処置に特に適した例示のレーザ源は、約２９４０ｎｍの発光波長を有するEr:YAG固体レーザシステムを含む。水の瞬間加熱は、それにより生体組織１２の表面から試料が切断されるプロセスである。レーザ光ビーム３０のエネルギを効率的に吸収するために十分な水が存在しない場合、切断効果は低下し、生体組織１２は単に炭化する危険がある。多すぎる水が存在する場合、水を瞬間的に沸騰させるために多すぎるエネルギが単に浪費され、切除効果はやはり低下するが、生体組織１２を炭化させる危険性はほとんどない。これらの２つの極端な場合を考えると、最適な量の水が存在すれば、それにより、光ビーム３０で使用される最小量のエネルギで炭化させることなく、ほとんどの生体組織１２が切断される。
生体組織１２に多すぎる水が存在する場合、実施形態のシステム１０にとっては、光ビーム３０で追加のエネルギを消費して水を蒸発させること以外に水を減らす直接的な方法はない。間接的な方法は、目標点の近くで吸引（suction）を使用していくらかの水を除去するよう外科チームに頼ることであろう。
追加の水を生体組織１２に導入することは、それを取り除くことよりも容易である。好ましい実施形態では、これは、消耗コンテナ又はパイプ式供給源を介して提供され、かつ切断される生体組織１２の表面に噴霧するための水５５を提供するよう動作可能な、適切な無菌状態の水供給源１５５を備える。
好ましい実施形態では、噴霧器の液体は、例えば水又は水由来の溶液等の溶液又は当業者によって認識されるような同様のものを備える。適切な溶液は、アブレーションプロセスをより効率的なものにすることを助ける噴霧器の液体の瞬間加熱をもたらすよう、レーザモジュール１３０によって生成されるレーザビームの波長において光の強い吸収を有し、同時に生体組織１２を炭化から保護するために生体組織１２のための冷却材として作用することが好ましいであろう。
水噴霧器１５７の形の指向手段（directing means）は、生体組織１２を洗浄するよう動作可能である。これは、有利には、より効率的なアブレーションを可能にし、生体組織１２を炭化から保護することを助ける。本発明の代替的な実施形態では、水以外の又は水に加えて液体を使用してもよい。
圧空供給源１５６は、水噴霧器１５７を通して水５５を前進させるように動作可能である。好ましい実施形態では、これは、手術環境から無菌空気をとりこむコンプレッサを含み、この空気は次いで圧縮されて、圧空５６が水噴霧器１５７に向けられる。本発明の代替的な実施形態では、コンテナ又はパイプ式供給源が、圧空供給源１５６として使用されてもよい。
生体組織１２のアブレーションは、表面から排出される、気化されて断片化された試料のプルーム（plume）５０をもたらす。プルームは、サブミリメートルスケール及びサブミクロンスケールの粒子を含む。粒子を吸入することは呼吸器系に損傷を与える可能性があるので、一部のごく小さい粒子は、システム１０及び患者１４の近くの操作スタッフに健康被害を招く。この問題に対する好ましい解決策は、システム１０が、プルーム５０を捕捉して濾過する抽出手段を備えることである。
好ましい実施形態では、抽出手段は、プルームを捕捉して濾過により粒子を抽出するよう動作可能な粒子収集器１５０、粒子フィルタ１５１、微粒子フィルタ１５２、真空１５３を備える。
粒子収集器１５０は、それが粒子の大部分又はすべてを確実に収集するよう、アブレーションプルーム５０が排出される場所の近くに動作可能に配置される複数の開口部からなる。プルーム５０は最初に、より小さい粒子を徐々に濾過する粒子フィルタ１５１を通過する－アブレーション試料の体積を所与とすると、単一の高効率（微細）フィルタを満たさないことが重要である。実質的に粒子の体積が減少した、濾過された空気５１は、微粒子フィルタ１５２に向けられ、微粒子フィルタ１５２は、粒子フィルタ１５１によって捕捉されなかった、残りのより細かな粒子を濾過して保持することになる。真空１５３は、空気を濾過システムに引き込み、環境に向けられる微粒子フィルタからクリーンな空気を吐き出すように圧力を提供する。
好ましい実施形態では、粒子フィルタ１５１は、プルーム５０内の粒子の大部分を保持し、本明細書でより詳細に説明される、操作ごとに交換することができる消耗フィルタシールド４３である。微粒子フィルタ１５２は高効率微粒子空気（ＨＥＰＡ：high efficiency particulate air）フィルタを備える。
図２Ｂは、外科的処置中に患者の骨組織を再構築するための図１又は図２Ａのシステム１０のエンドエフェクタ２８の例示的な利用構成を示す。レーザモジュール１３０からのレーザビーム３０は、干渉領域６３を定義するスポットサイズ６４で生体試料（例えば骨）１２に衝突する。本明細書で開示されるシステム及び方法の操作のために典型的なスポットサイズは、約３０～１０００μｍの範囲に及び、例えば骨等の生体組織１２のレーザアブレーションプロセスのためのシステム１０の効率的な操作に必要な干渉領域６３内の必要なレーザビームフルエンス（requisite laser beam fluence）を与える。
図面の図３は、図１の微動コントローラ１１１として動作するポリゴンミラーアレイコントローラ１６１によって指示されるように回転ポリゴンミラーアレイ１１５の代替的な微動手段を利用する、システム１０のエンドエフェクタ２８としてツール２４の実施形態を示している。
ポリゴンミラーアレイ１１５は、正確に一定の速度で回転するポリゴンの周囲に増分角度（incrementing angles）配置される１組のミラーである。
ミラーの角度は、光路３２が、それらの間にストライド距離（stride distance）をおいて数行で掃引（sweep）することを意味する（それらの間に等しい幅及び距離の線を有する正方形のバーコードといくらか似ているようにみえる）。最終的に、アレイが完全に回転すると、光路３２は、最初の線の始点に戻り、パターンを繰り返す。
コントローラ１００は、ポリゴンミラーアレイ１１５が、アブレーションを必要とする表面位置を標的としているときに一致するように光ビーム３０パルスの時間を定める。
微動のこの方法の利点は、回転するポリゴンミラーアレイ１１５が簡単であり、より安価なコンポーネントを必要とすることにある。
この方法の不利な点は、ポリゴンミラーアレイ１１５が、必要な標的化のための位置へ回転し、アブレーションの設定パターンが存在するまでコントローラ１００が待機する必要があることにあり、これは必要最小限の時間での理想的なアブレーションにとっては不都合であり得る。
図面の図４は、図１の微動コントローラ１１１として動作するチップ／チルトコントローラ１６２によって指示されるようにチップ／チルトミラー１１９の代替的な微動手段を利用する、システム１０のエンドエフェクタ２８としてツール２４の実施形態を示す。
チップ／チルトミラー１１９は、その端部にピエゾ制御式ミラーを有する小さなデバイスである。チップ／チルトミラー１１９は、Ｘ／Ｙ軸で角度付けされ得る。
これは、走査ヘッド１１７と同様であるが、潜在的により早く、下側により低い標的角度範囲を有する。
チップ／チルトミラー１１９を使用する本発明の実施形態では、チップ／チルトミラー１１９は、該チップ／チルトミラー１１９が「ニュートラル」の位置にあるとき、光ビーム３０が直接下に（入射光路に対して９０°で）反射されるように、光ビーム３０に対して４５°に位置合わせされる。このようにして、チップ／チルトミラー１１９は、レーザビーム３０を円錐形の標的範囲に向け直すことができる。
そのような技術の主な利点は、光ビーム３０のほぼ瞬時かつ精密な標的化にある。早く動くチップ／チルトミラー１１９は、システム１０がレーザビーム３０を再配置してレーザをより早くパルスし、これにより、より大きな体積の生体組織１２を切断させることができることを意味する。
不利な点は、標的円錐の範囲がレーザ走査ヘッド１１７を使用する場合よりも小さいことであり得る。標的角度を最大にするためには、チップ／チルトミラー１１９をエンドエフェクタ２８の上部にできるだけ近くに配置することが有利であり得るが、その結果、外側に開くシールドをもたらすことがあり、物体がレーザビーム３０の道へ入り込むことを保護する効果を弱める可能性もある。
チップ／チルトミラー１１９の使用から生じる利点は：小さな慣性質量（加速度の影響がほとんどない）；レーザビーム３０の速い動き；そして、実装の容易性を含む。
図面の図５は、図１の微動コントローラ１１１として動作するスチュワートプラットフォームコントローラ１６３によって指示される、「ヘキサパッド（hexapod）」と呼ばれることもある、スチュワートプラットフォーム１１３の形のアクチュエータの代替的な微動手段を使用する、システム１０のエンドエフェクタ２８としてツール２４の実施形態を示す。
スチュワートプラットフォーム１１３は、６つのプリズムアクチュエータを有するパラレルロボットの一種である。６つのプリズムアクチュエータは、例えば油圧ジャッキ又は電気アクチュエータであってよく、スチュワートプラットフォーム１１のベースプレート上の３つの位置にペアで取り付けられ、スチュワートプラットフォーム１１３の上面の３つの取付点と交差する。上面に配置されるデバイス等のアイテムは、自由に吊り下げられた本体（freely-suspended body）が動くことができる６自由度で動かすことができる。これらは、３つの線形運動ｘ、ｙ及びｚ（横方向、縦方向及び垂直方向）と３つの回転運動のピッチ、ロール及びローである。
スチュワートプラットフォーム１１３を使用することは、必要な場合に目標表面の輪郭から設定された距離を維持するために、Ｚ線形運動の利点を有する、非常に精密なＸＹ線形運動を可能にする解決策である。解決策に応じて、レーザビーム３０の角度付け並びに線形運動も可能にする。十分な耐荷重があれば、他のコンポーネント及びカバーを直接取り付けることも可能である。
スチュワートプラットフォーム１１３の使用によって与えられる利点は：広範囲の運動；３Ｄ運動（焦点を維持）；及びすべてのツール（水噴霧器１５７、粒子収集器１５０、レーザモジュール１３０、センサセット１０１及び１０２のセンサ）が同じ運動を維持することを含む。
スチュワートプラットフォーム１１３の使用から生じる不利な点、例えば慣性質量；加速度及び減速度（複雑なレーザ制御）；システム全体における複雑な実装（最小で１２ＤＯＦ）；及びエンドエフェクタ２８上の他のセンサをわかりにくくすること、といった不利な点も存在し得る。
慣性質量の主な不利点は、レーザビーム３０を生体組織１２上の次の目標位置に向けるためにかかる時間の量に大きな影響を有する。走査ヘッド１１７又はチップ／チルトミラー１１９は、個々に、すべての形状にまたがって毎秒少なくとも４００個のレーザパルスを目標にすることができるが、スチュワートプラットフォーム１１３は合致し得ない。
エンドエフェクタの質量は、数キログラムの中程度の重量さえも運動量の問題を引き起こす可能性が高いことを意味する。ミクロンスケールの正確性でプラットフォームを動かすことは、動きを時間内に正確に留めることができないので「オーバシュート（overshoot）」させるか、バックラッシュ（backlash）の反対の問題を生じる可能性がある。これらの問題の一部は、アブレーションに先立ってエンドエフェクタ２８の速度を上げて設定速度に維持し、レーザビーム３０を時限的に（例えば振り子と同様に）発射することによって緩和され得る。
エンドエフェクタ２８への代替的なレーザパワー伝達が可能であることを理解されたい。図面の図６に示される本発明の代替的な実施形態では、レーザモジュール１３０をエンドエフェクタ２８内に取り付けるのではなく、光ビーム３０を、ベースユニット２７に取り付けられるレーザモジュール１３０から、ファイバカップリング光学系（fibre coupling optics）１３８を有する光ファイバ３６を介してエンドエフェクタ２８に透過させることが可能である。光ファイバ３６の使用は単に、導波管や多関節アームを含む、レーザエネルギを透過させる標準的な方法の好ましい実施形態と見なされるべきである。
同様に、図面の図６に図示される本発明の代替的な実施形態では、センサセット１０１を、ベースユニット２７に収容することができ、光路３２は、光ファイバ３６を介してエンドエフェクタ２８から透過される。
この代替的な方法の利点には、エンドエフェクタ２８において、必要とされる空間が少なく、重量が低減されることが含まれる。エンドエフェクタ２８に組み込む必要があるコンポーネントに応じて、物理的空間が利用可能でないか、あるいは動的集束光学系１３６との必要な位置合わせが実用的でないことがあり得る。そのような実施形態では、ベースユニット２７からパワー及び水を運ぶために必要とされるワイドケーブルではなく、必要とされるのは単一の細い光ファイバ６８だけである。
そのような利点は、例えば吸引及び無菌空気／水のために他のケーブルが必要とされる実施形態では最小限であり得る。
エンドエフェクタ２８において、レーザ光ビーム３０を光ファイバ３６に向け、かつレーザ光ビーム３０を光ファイバ６８からデカップリングするために必要とされる、より複雑なカップリング光学系が存在し得ることに留意されたい。光ファイバを通して結合することにより、実質的なレーザパワーの損失が存在し得る。一般的に言うと、光ファイバ６８自体は２５％のパワー損失を有し、必要とされるカップリング／デカップリング光学系は更に２３％の損失に寄与し得る。これらの因子は、より多くのコスト及び稼働電力要件を有する、よりパワフルなレーザ電流源１３１を必要とすることを意味する。さらに、一般的に言うと、光ファイバは壊れやすく、過度に遠くに曲げられるか、十分な衝撃力で衝撃を与えられると破損するであろう。
図面の図７は、コンジット２６を介してベースユニット２７内のセンサコントローラのセット１０３の関連するコントローラへの接続を有する、エンドエフェクタ２８内のセンサセット１０１及びセンサセット１０２の実施形態を示す。一部の実施形態において、センサは、視線光路３２内の光を感知し、かつ／又はセンサセット１０２の一部として別の観点から生体組織を感知するよう動作可能に配置されるセンサセット１０１であってよい。
個々のセンサは、入力をコントローラ１００に提供し、コントローラ１００によって指示されるプロセスにおいて、システム１０、生体組織１２、患者１４、周囲環境、コンポーネント、それらに関連付けられるかそれらに結合されるシステム又はデバイスの１つ以上の特性、性質及び／又はパラメータに関連付けられるか、これに関連するセンサデータ及び／又は情報を、モニタし、感知し、かつ収集又は測定するよう動作可能である。
ガイドレーザ１２２は、システム１０が、外科医１６や外科チームのメンバ等の観察者に、生体組織１２上の提案されるアブレーション目標エリアの視覚的フィードバックを提供することを可能にする。これは有利には、単にディスプレイ２０を介するのではなく、生体組織１２上に視覚的フィードバックを明確に提供することにより、システム１０におけるユーザ信頼性を高める。実施形態において、アブレーションレーザビーム３０は裸眼では可視ではないので、ガイドレーザ１２２がなければ、システム１０が切断しようとプランニングしている又は現在切断している場所は正確には明確でない場合がある。ガイドレーザ１２２はコントローラ１００によって操作される。ガイドレーザは可視光レーザであり、好ましい実施形態では、ガイドレーザは赤色レーザである。
ラマン分光センサ１８２は、ラマン分光コントローラ１８３を介してコントローラ１００によって指示されるように、生体組織１２における振動、回転及び他の低周波数モードを観察するよう動作可能である。
ラマン分光法は、通常はレーザ源からの単色光の非弾性散乱に依拠し、生体組織１２上の単一の点から追加の情報を提供するよう動作可能である。システム１０は、外科的処置の試料識別のためにラマン分光法を使用するよう動作可能である。ガイドとして機能することに加えて、上述のガイドレーザ１２２のビームは、ラマン分光法の赤色レーザ光源として機能するという二次的目的を果たすことができる。ラマン散乱プロセスでは、赤色レーザビームの光子のごく一部が非弾性的に散乱する。すなわち、これらは目標サンプルを作る分子に対するエネルギを失う。光子当たりのエネルギ損失量は、分子の振動エネルギに関連する。したがって、例えば骨はヒドロキシアパタイト（Ca5(PO4)3(OH)）を含み、PO結合（PO bond）は、９５９ｃｍ－１で特徴的なラマン線を有する。ラマン散乱光におけるこの線の存在は、ガイドレーザ１２２が骨の上であることを示す。実行される作業アクションと（以下で更に詳細に説明される）行われる分析及び制御決定に応じて、骨が目標であり、他の条件が満たされる場合、コントローラ１００は、レーザビーム３０をアクティブにして生体組織１２を切断するように動作可能である。また、軟骨や靭帯等の他の関節組織は、これらを同様に識別することを可能にする特徴的なラマンスペクトルを有する。
顕微鏡センサ１８６は、顕微鏡コントローラ１８７を介してコントローラ１００によって指示されるように、生体組織１２の詳細な拡大された視覚画像を提供するよう動作可能である。システム１０は、顕微鏡センサ１８６によって集められた情報を使用し、既知のサンプルに対する視覚的比較を介して生体組織１２の組成を検出することを助けるよう動作可能である。生成された詳細な解像度の画像を外科チームに提供して、エンドエフェクタ２８の位置決めの必要性を考えると、垂直の向きから見ることが不可能であり得る、目標の良好な視点を提供することができる。
ハイパースペクトルイメージングセンサ１８０は、ハイパースペクトルイメージングコントローラ１８１を介してコントローラ１００によって指示されるように、広いスペクトルにわたって（可視範囲を超えて）反射又は吸収された光の強度及び周波数を検出するよう動作可能である。ハイパースペクトルイメージングセンサ１８０のスペクトル範囲をカバーする光源８０で目標を照明することにより、反射された光のサンプルをとることができる。好ましい実施形態では、４００ｎｍ～１０００ｎｍのスペクトル範囲が使用される。
変化する強度は、生体組織１２のタイプ及び組成を予測するためにシステム１０によって使用されるシグネチャを含む。この予測は、更に詳細に説明されるように機械学習を用いて実行され得る。
ハイパースペクトルデータを機械学習で使用して、生体組織１２のタイプ、性質及び組成を識別することができる。
熱センサ１８４は、熱センサコントローラ１８５を介してコントローラ１００によって指示されるように、生体組織１２の温度をマップアウト（map out）するために電磁スペクトルの中赤外から遠赤外範囲の放射線を検出するよう動作可能である。レーザ成形中及びその後に、システム１０は、熱衝撃（thermal impact）を非侵襲的に評価するように動作可能であり、その結果を使用して、後のアブレーション実行におけるレーザパラメータの選択を最適化することができる。
光学イメージングセンサ１８８は、生体組織１２の視覚画像を提供するよう動作可能である。画像を分析して、生体組織１２のタイプ及び組成の予測を助けることができる。これを使用して、光学イメージングコントローラ１８９を介してコントローラ１００によって指示されるように、視野内の物体を高スピードで追跡することもできる。上述のように、レーザ処理の基準マーク７１を光学イメージングセンサで追跡することもできる。
３Ｄ計測学センサ１９０は、３Ｄ計測学コントローラ１９１を介してコントローラ１００によって指示されるように、生体組織１２の表面のジオメトリを検出するよう動作可能である。システム１０によって接触なしに表面のジオメトリを決定するために使用される情報が収集された。生体組織１２の表面のジオメトリは、システム１０にとってアブレーションの前後の形状を決定することを可能にするために非常に重要である。
飛行時間、レーザ三角測量、構造化光投影及び変調光を含め、３Ｄジオメトリを感知するために幾つかの異なるタイプの技術が存在する。必要なミクロンスケールの解像度を達成するために、システム１０は、構造化光投影技術、線プロファイルセンサ、あるいはクロマティック共焦点センサ等の点プロファイルセンサを使用する。実施形態では、構造化光スキャナは、対象物の上に光のパターンを投影し、２つのオフセットカメラが、表面を横切る変形を観察する－これは、ほんの一瞬（fractions of a second）しかかからず、比較的大きなエリアを素早く操作することができるプロセスである。好ましい実施形態では、クロマティック共焦点センサはセンサセット１０１の一部であり、微動手段が、表面を横切る光ビーム３０をトラバースすると、読取値をとり、経時的に完全なジオメトリを構築する。
光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ：Optical coherence tomography）センサ１９２は、光学コヒーレンストモグラフィコントローラ１９３を介してコントローラ１００によって指示されるように、生体組織１２のミクロンスケールの解像度の３次元画像をキャプチャするよう動作可能である。ＯＣＴは、低コヒーレント干渉法に基づいて、光を使用してミクロンスケールの解像度の３次元画像をキャプチャする。これは、生体組織１２の表面の下の約１０００～２０００μｍまでの生体組織等の散乱媒体を貫通し、切断される組織の下にある構造のデータを取得することを可能にする。システムは、周囲組織への熱誘発損傷を引き起こす可能性がある周囲組織への熱影響が最小の最大アブレーション効率のためのアブレーションプロセスをプランニングするために、ＯＣＴセンサ１９２から取得されたデータを、表面及び下にある組織組成を検出する機構として使用する。
アブレーションが行われている間、システム１０は、同じマイクロ秒時間フレームでは環境を感知することができず、目標の試料が予想されるものと異なる、あるいは異物が光ビーム３０へ導入されるリスクがある。このリスクを軽減し、実施形態で使用される１つの可能な方法は、環境から及び生体組織１２の周囲の圧力波を測定するよう動作可能な、音響センサ１７８の使用である。図２８の方法２８００に関連して、レーザ光ビーム３０が生体組織１２等の切断する試料を作る、別個の圧力波を測定することができ、測定されたデータの分析を介して、システム１０は、音響コントローラ１７９を介して、予期しない試料に当たったかどうかをリアルタイムで判断するよう動作可能である。硬い生体組織は、柔らかい生体組織及び任意の他のタイプの試料とは異なる音がする。以前のパルスのアブレーションの音を（好ましくは常に）検査することにより、アブレーションの目標だった試料のタイプの予想される音と一致しない音に遭遇した場合にシステム１０の動作を停止することが可能である。この安全性機能は、最初のレーザパルスが予期しない試料に当たることは防止し得ないが、さもなければいずれかの全体の再感知の前に起こり得るであろう、後続のレーザパルスについては防止することができる。
上記の感知技術を本発明の実装で使用して、生体組織１２を識別してモニタし、インテリジェント制御の下で、成形レーザと協働して安全かつ正確性が高く精密なシステム１０を届ける。
更に詳細に説明されるように、システム１０は、熱効果（すなわち、非局所化の残差組織の生体的品質）、切断されている骨の生体的形成（biological make up）、残差表面の平坦さ、平面アライメント及び機械軸に対する関係（グローバルアライメント）を含む、１つ以上の関連する因子を考慮する減法レーザアブレーションを実行するよう動作可能である。レーザ光ビーム３０は、定義されたチャネル又はホール、あるいは適切であり得る場合には他の形状又は成形を切断して、図面の図８に図示されるようにインプラント／補綴物あるいはその１つ以上の部分又は構成要素１３を許容／収容することになる骨にすることができる。図８は、脛骨と大腿骨の接合端部（joint ends）のマッチング切除（matching resections）６０を示している。
骨に加えて、レーザ光ビーム３０は、患者１４の皮膚、筋肉、脂肪、半月板、腱、結合組織、関節軟骨、被嚢（capsule）、靭帯及び筋膜を含む、すべての人の組織を切るようにも動作可能である。
消耗フィルタシールド４３は以下で図面の図９に関連して説明される。
実施形態において、生体組織１２からのエンドエフェクタ２８の操作距離は、１５０～３００ｍｍの間である。この距離は、センサと光ビーム微細手段の共同作業範囲である。また、汚染をもたらす可能性があるエンドエフェクタ２８の外面を直ぐにコーティングすることなく、アブレーションプルームを排出することができる物理的ギャップも可能にする。
しかしながら、その距離は、汚染を防止するには有益であるが、物体－より厳密には－（患者１４以外の）人間の部分が、エンドエフェクタ２８と生体組織１２との間に物体が偶然配置されるための余地を提供するリスクを高める。主な危険は、レーザビームが発射するときに偶然に目標を覆っていた（患者１４以外の人間の）軟組織に損傷を与える可能性があるレーザビーム３０である。レーザビームの焦点からの距離が遠いほど損傷のリスクは指数関数的に減少する（ジュール単位のエネルギ密度又はフルエンス（すなわちｃｍ２当たりの放射レーザエネルギは、焦点から離れると減少する）が、依然として処置中の外科チームに対するリスクはある。別のリスクは、レーザエネルギのスペクトル反射を引き起こす光沢のある又は鏡のような人間以外の物体である。しかしながら、これは、反射されたエネルギは散乱され、収束しない可能性が高く、使用中の実施形態では、操作スタッフにとって目の保護のために安全眼鏡の更なる保護は必須であるので、非常に小さいリスクである。
生体組織１２とエンドエフェクタ２８との間の垂直空間によって定義される危険ゾーンに対する物理的バリアを形成するために、システム１０は、実施形態では、開放式円錐形（open-ended cone shaped）の消耗フィルタシールド４３の形を有する、保護を提供するシールドを含む。消耗フィルタシールド４３のより大きな開口端が、消耗フィルタシールド４３を定位置にしっかりと保持する取付点４５を介してエンドエフェクタ２８に取り付けられる。消耗フィルタシールド４３のより小さな開口端は、それ自体と目標の生体組織１２との間に空間又はギャップを提供する。そのようなギャップは、有利には、アブレーションアクションが起こっている間に、外科医１６等のシステム１０のユーザによる容易な視覚的調査を可能にし；位置がシフトしている生体組織１２と消耗フィルタシールド４３との間の衝突に対する予防策として機能し；そして、例えば開創器、吸引、洗浄又は他の外科的器具のための作業空間を可能にする。
水（又は適切な代替物）は、複数の水噴霧器１５７を介して生体組織１２に適用され、アブレーションプロセスを強化し、生体組織１２のための冷却材として機能するよう動作可能である。
上述のように、アブレーションプルーム５０ごく小さい粒子は、粒子を吸い込むことは肺に損傷を与えるので、システム１０の操作スタッフ及び患者１４に対して健康上有害である。この問題に対する好ましい解決策は、消耗フィルタシールド４３が、アブレーション蒸気が排出される場所の比較的近くに動作可能に配置される複数の開口部の形の粒子収集器１５０を含み、プルーム５０内の特定の試料の大部分を確実に集めることである。真空１５３は、粒子収集器１５０へ、そして消耗フィルタシールド４３を囲むらせん状コンジット４６へとプルーム５０を引き込む。
消耗フィルタシールド４３は、プルーム制御１４９の手段として、より小さな開口端の外に圧空５６を向けるよう動作可能である。圧空５６の流れは、光ビーム３０から離れて粒子収集器１５０の方へとプルームを導く。
切断された試料のフィルタリング及び収集の最初の方法は、消耗フィルタシールド４３の周囲のらせん状コンジット４６へ構築された一連の「トラップ」及びフィルタ１５１を介する。したがって、消耗フィルタシールド４３はプラスチック等の適切な材料の単一の層ではなく、外側の層と内側の層を有する。そのような実施形態では、図面の図９に図示されるように、傾斜した分割器は、切断された試料が（最も大きい粒子から最も小さい粒子へ）徐々にフィルタされて直接吸い込み気流から離れたエリアで収集することを可能にする、一連の角度付けされたフィルタ１５１を有することができる。粒子収集器１５０は好ましくはその断面がかなり狭い。このことは、空気流束を高くするであろう（すなわち、強い真空）。らせん状コンジット４６は、消耗フィルタシールド４３を上るにつれて高さが増すことができる。これは、断面がより大きくなると、空気流を減少させることになり、より重い切断された試料は速度を失い、らせん状コンジット４６の下に落ちることになる。らせん状コンジット４６に沿って配置されるトラップ１５１を形成する角度付けされたフィルタを有することによって、切断された試料が集まり、下に滑り落ちないであろう。らせん状コンジット４６の断面の増大率を制御することによって、各点で集まる切断された試料の体積を、切断された試料の相対的な割合分布を調べることから制御することができる。好ましくは、らせん状コンジット４６が、真空管が接続するキャビティに到達する時間までに、らせん状コンジット４６の断面は著しく増大し、切断された細かな試料さえも収集することができる。
実施形態において、システム１０に関連する各手術の後に廃棄されるべき消耗フィルタシールド４３内で切断された試料の部分を収集することにより、微粒子フィルタ１５２によって収集する必要がある総切断試料は低減される。これは有利には、ＴＫＲで切断される約５０ｃｍ３の生体組織１２を考えると、そうでなければ非常に短い時間で切断された試料により詰まってしまうであろう、より高価な微粒子フィルタ１５２の有効寿命を延ばす。
図面の図１０は、システム１０を形成し、エンドエフェクタ２８に設置されていない、すべての機器及び消耗品を含む、ベースユニット２７の実施形態を示す。機器のいくつかは大きくて重く、これは、重心の中心を低くし、作動のためシステム１０を安定させるために、ベースユニット２７内の低い位置にするには理想的である。
エンドエフェクタ２８との通信及びコンジットは、ロボットアーム１０５に固定されるか又はロボットアーム１０５内に固定されるバンドルケーブル（bundled cable）を介する。他のものの中でも特に、バンドルケーブルは、電源４１；冷却材４０（へ／から）；部分的にフィルタされた空気５１；水５５：圧空５６；制御ワイヤ及び／又は光ファイバ３６を含む。バンドルを絶縁コンジットに分割することによって、冷却装置１４０からの冷却材を、バンドルケーブルの長さに沿って水５５のチューブに密にパックすることができる。この結果、有利には、バンドルケーブル内だけの配置によって水５５を冷却することができ、システム１０の複雑性を低減し、水５５を冷却する別個のプロセスの必要性をなくすことができる。
図面の図１１は、破線でマークされたプランニングされた切除６０を有する、生体組織１２の断面図を示す。線の上の生体組織１２は、アブレーションを必要とする試料の量を示し、線の下の試料は、未損傷のままであるべきである。
各レーザパルスは、極めて少量の試料を切断する。各々の完全な切除６０が非常に大きな体積を切断することを必要とすることを考えると、それは、極めて多くの数のレーザパルスである必要があることになる。
必要な時間期間の間に切除６０を完了するために、実施形態のシステム１０は、好ましくは、生成された減法レーザビーム３０及び微動手段が許容するのとほぼ同じ速さで、これらのレーザパルスを実行する。
しかしながら、競合する要件は、アブレーションを安全かつ正確に実行することである。システム１０が、生体組織１２及び周囲の作業環境を感知するための主な方法は、センサセット１０１及び１０２のイメージングセンサ又は走査センサを用いることである。これは、レーザパルスが正しい試料を切断するように指示される点及び邪魔になる他の試料が存在しないことを、自信をもって分析及び決定するために、システム１０に豊富なデータのセットを提供する。しかしながら、センサセット１０１及び１０２のイメージングセンサ及び走査センサの一部は、その環境を感知するために数十から数百ミリ秒かかる。システム１０が、各レーザパルス間でこれらの感知を使用する場合、切除６０を完了するのに受け入れることができない量の時間がかかるであろう。したがって、実施形態では、レーザの各単一のパルスの間に生体組織１２を再感知することは望ましくない。
実施形態の解決策は、生体組織１２の表面にわたる異なる場所で事前計算されたパルスのセットを備えるアブレーション実行６２にレーザパルスをバッチ処理することである。システム１０は、環境を感知した後に各アブレーション実行６２を実行するよう動作可能である。所望の最終的な切除６０の表面が達成されるまで、生体表面を徐々に小さくする複数のアブレーション実行６２で切除が実行される。そのような操作は、（確実な）感知と速度の最適なバランスを提供することができる。
図１１に図示されるように、付随的組織損傷（collateral tissue damage）のリスクは、切断されている生体組織１２の体積のエッジの周囲で最も大きく、これは、光ビーム３０による誤標的（miss-targeting）の危険性を表す。加えて、表面組織損傷のリスクは、最終的な切除６０の位置に近づくにつれて最も大きく、これは理想点を越えて表面を切断し続ける危険性を表す。
システム１０のレーザパラメータを説明する。
システム１０は、レーザモジュール１３０、微動手段（好ましい実施形態では、レーザ走査ヘッド１１７）、ロボットアーム１０５、プルーム制御１４９及び水噴霧器１５７を含む、いくつかのアクチュエータを通して、外科手術環境と相互作用する。これらのコンポーネントの各々は、いくつかの制御パラメータを有する。これらは、次のものを含む：
上記のテーブルの各パラメータの隣に列挙された範囲は、妥当な切除を実行することが予測される、実施形態における各パラメータについての上限、下限及び典型的な範囲の推定である。
レーザパラメータは：平均出力パワー（ワット単位）－生成される光ビーム３０のレーザパワー；パルス期間（マイクロ秒単位）－各レーザパルスが生成される時間量；スポットサイズ（マイクロメートル単位）－集束光ビーム３０の直径；エネルギ密度（ジュール／平方センチメートル単位）－単位面積当たりに届けられるレーザエネルギ；パルス周波数（サイクル毎秒単位）－毎秒生成されるパルスの数、を含む。
円形ビームプロファイルの平面アブレーションでは、滑らかな表面を得るために、レーザアブレーションは、表面を等しく減少させるよう、パターン又はグリッドでオーバーラップしなければならない。
本発明者らによる指示的調査は、２００～６００マイクロンのビーム直径及びオーバーラップパターンが、平らな切断表面を作るのに十分であることを示唆している。
これは、必要とされるアブレーションの深度を考慮する前であっても、オーバーラップのみに起因して、表面上の任意の所与の点が複数回切断されることになることを意味する。これは、表面でレーザ光ビーム３０を発射する迅速な方法の必要性を強調する。
図面の図１２Ａは、好ましいレーザビームアブレーションチャネル寸法の例を示す。チャネルを形成するとき、光ビーム直径又はスポットサイズ６４は、後続パルスがギャップ６５で最初のパルスとオーバーラップするチャネルの幅を示す。このように続けることにより、切断されたチャネルが試料内に形成される。最終的な平坦な面を形成するよう、チャネルの側面を除去することができるように、その間にストライド６６を有するように複数のチャネルを形成することができる。
しかしながら、そのような方法で表面にわたる複数のレーザパルスは熱衝撃を蓄積し、熱衝撃は、特に最終的な切除６０の表面に望ましくない、生体組織１２に対する損傷を引き起こす可能性がある。
代替的なアブレーションパターンは、図１２Ｂに示されるように、表面にわたるレーザパルスのインターリーブされたグリッドである。
第１パルスシリーズ７４は、「１」でマークされており、局所化された同じエリア内に熱衝撃を構築するのを防ぐように間隔をあけられる。第２パルスシリーズ７５は「２」でマークされており、第１シリーズの間に配置される。第３及び第４パルスシリーズ７６、７７は、それぞれ「３」、「４」でマークされており、第１及び第２シリーズの間の表面をオーバーラップして完成させる。このようにして、最小の熱衝撃で最適なカバレッジが達成される。
図面の図１３は、コントローラのアーキテクチャを示す。
コントローラ１００は、コンピュータ上で動作するシステム管理ソフトウェアを含む。コントローラ１００は、システム１０を管理するソフトウェアを更に含む。コントローラは任意選択で、リアルタイムで受け取られる入力を融合（fuse）及び解釈してシステム１０を作動させるよう動作可能な人工知能制御システムを更に備える。
コントローラ１００の責任は、以下の分野を含む：すなわち、システム１０のハードウェアコンポーネントと通信すること；様々な情報を処理して、所与の状況に応じてとるべきアクションを決定すること；ユーザインタフェース２１においてシステム１０の現在の動作状態を伝えること；ストレージ１８へデータ及びストレージ１８からデータをロード及び格納すること、を含む。
特に、コントローラ１００は、センサセット１０１及び１０２のうちのセンサ、生体組織１２及び実行すべき作業に関連する複数の表現のうちの１つ以上、機械知覚、ロボットアーム１０５及びレーザ関連のコンポーネントを利用及び制御するよう動作可能である。このようにして、コントローラ１００は、行われた決定と受け取ったコマンドに従ってアクションを実施するよう動作可能である。
コントローラ１００はプロセッサの形の処理手段を備える。
ストレージ１８は読取専用メモリ（ＲＯＭ）及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を備える。他の中でも特に、ストレージ１８は、患者固有のデータ及びシステム１０が実行すべき処置プラン（procedure plans）を提供する。
システム１０は、ＲＯＭ又はＲＡＭで保持され、プロセッサによって実行可能であり得る命令を受け取ることができる。プロセッサは、以下で更に説明されるように、命令を処理／実行すること、そしてシステム１０を介するデータ及び情報の流れを管理することを含め、電子プログラム命令の制御下でアクションを実行するよう動作可能である。
実施形態では、システム１０のための電子プログラム命令は、ストレージ１８に格納されたソフトウェアを介して提供される。
以下で更に詳細に説明されるように、ソフトウェアを介して、システム１０は、データを抽出し、変換し、そして組み合わせること、並びにシステム１０を通過するすべてのリアルタイムデータを記録することを含む機能を実行するよう動作可能である。
収集されたすべてのデータ及び情報は、本明細書で説明されるような使用のためにシステム１０内に分散される。
システム１０は、コマンドを発行することができ、ソフトウェアと対話して、システムに本明細書で説明される本発明の実施形態によるそれぞれのステップ、機能及び／又は手順を実行させるように構成される、オペレーティングシステムも含む。オペレーティングシステムはシステム１０に適切である。
システム１０は、１つ以上の通信リンクを介して通信するよう動作可能であり、通信リンクは、サーバ、パーソナルコンピュータ、端末、無線若しくはハンドヘルドコンピューティングデバイス、ランドライン通信デバイス又はモバイル（セル）電話等のモバイル通信デバイスといった、１つ以上のリモートデバイスに様々に接続することができる。複数の通信リンクのうちの少なくとも１つが、電気通信ネットワークを通して外部コンピューティングネットワークに接続されてよい。
システム１０のコンピューティングコンポーネントのためのソフトウェア及び他の電子命令又はプログラムは、当業者に周知であるような任意の適切な言語で書くことができる。本発明の実施形態では、電子プログラム命令は、実装又は実施形態の要件に応じて、スタンドアロンアプリケーションとして、１組の又は複数のアプリケーションとして提供されてよく、ネットワークを介してもよく、ミドルウェアとして追加されてもよい。
本発明の代替的な実施形態では、ソフトウェアは１つ以上のモジュールを含んでよく、ソフトウェアで実装されてもよい。そのような場合、例えばモジュールは、各々本技術分野で周知の以下の技術：すなわち、データ信号に対する論理関数を実施するための論理ゲートを有する離散論理回路、適切な組合せの論理ゲートを有する特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルゲートアレイ（ＰＧＡ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）等、のうちのいずれか１つ又は組合せで実装されてよい。
演算手段は、プロブラマブル論理コントローラ（ＰＬＣ）；デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）；マイクロコントローラ；パーソナル、ノートブック又はタブレットコントローラ、あるいは専用のサーバ又はネットワーク化サーバ、を含む任意の適切なタイプのシステムとすることができる。
プロセッサは、演算手段に関連付けられるいくつかのプロセッサの中で、１つ以上のカスタムメイド又は市販のプロセッサ、中央処理ユニット（ＣＰＵ）、グラフィクス処理ユニット（ＧＰＵ）、データ信号プロセッサ（ＤＳＰ）又は補助プロセッサのうちのいずれか１つ又は組合せを含むことができる。本発明の実施形態では、処理手段は、例えば半導体ベースのマイクロプロセッサ（マイクロチップの形）又はマクロプロセッサであってよい。
本発明の実施形態において、ストレージは、揮発性メモリ素子（例えば動的ランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、静的ランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）等のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ））と不揮発性メモリ素子（例えば読取専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブル読取専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブル読取専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、プログラマブル読取専用メモリ（ＰＲＯＭ）、テープ、コンパクトディスク読取専用メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）等）のうちのいずれか１つ又は組合せを含むことができる。それぞれのストレージは、電子、磁気、光学及び／又は他のタイプの記憶媒体を組み込んでよい。さらに、ストレージは、様々なコンポーネントが相互からリモートに配置されるが処理手段によってアクセスすることができる、分散アーキテクチャを有することができる。例えばＲＯＭは、システム１０の動作を制御するために処理手段によって実行されるべき様々な命令、プログラム、ソフトウェア又はアプリケーションを格納してよく、ＲＡＭは変数又は操作の結果を一時的に格納してよい。
ソフトウェアアプリケーションを使用するコンピュータの使用及び動作は当業者には公知であり、本発明に関連するものを除いて、本明細書では更に詳細に説明する必要はない。
さらに、任意の適切な通信プロトコルを使用して、有線及び無線を含め、システム１０の任意のサブシステム又はコンポーネントと他のデバイス又はシステムとの間の接続及び通信を容易にすることができ、これは当業者には公知であるので、本発明に関連するものを除いて、本明細書では更に詳細に説明する必要はない。
「格納する（store）」、「保持する（hold）」及び「保存する（save）」という用語又は同様の用語が本発明の文脈で使用されるが、これらの用語は、データ又は情報を、後に取り出すために格納手段、デバイス又は媒体に永続的及び／又は一時的に維持又は保持することと、例えば実行されている処理動作の一部として瞬間的に又は即座に維持又は保持することの双方についての言及を含むものとして理解されたい。
加えて、「システム」、「デバイス」及び「機械」という用語が本発明の文脈で使用されるが、これらの用語は、相互に近くに、相互から別個に、相互に一体化されて又は相互から離散して配置され得る、機能的に関連するか相互作用する、相互に関連する相互依存又は関連付けられるコンポーネント又は要素のいずれかのグループについての言及を含むものとして理解されたい。
さらに、本発明の実施形態では、「決定する」という用語は、関連するデータ又は情報を受け取ること又はアクセスすることを含むように理解される。
システムコーディネータ２００は、全体コントローラ１００を包含し、システム１０のソフトウェアコンポーネントのすべてを組織化して相互接続する「バックボーン」を形成する。
システムコーディネータ２００の責任は：システム１０のコンポーネントを構成すること；コンポーネントの寿命を管理すること；ランタイムサービスをコンポーネントに提供すること；そしてシステムの全体的な安全性を実施すること、を含み、これらを実行するよう動作可能である。
システムコーディネータ２００の指示で操作を促進するコンポーネントは：微動コンポーネント２０４；ロボット動きコンポーネント２０２；レーザ制御コンポーネント２０６；プランニングコンポーネント２０８；生体分析コンポーネント２１０、レーザ最適化コンポーネント２１４、マッピングコンポーネント２１２及び切除表面分析コンポーネント２１６を含む。
更に詳細には、システムコーディネータ２００は以下の機能を促進するよう動作可能である。
構成：システム１０の動作は、システムコーディネータ２００によって含まれて構成される固有のセットのコンポーネントによって決定される。
コンポーネントバージョン：システム１０の各コンポーネントは、その機能にアクセスするためにシステムコーディネータ２００によって使用される特定のインタフェースを有する。システムコーディネータ２００がコンポーネントの構成及び初期化を制御すると、コンポーネントのインタフェースには従うが異なる機能を実行する特別に作られた代替物によって、いずれかのコンポーネントを置換することが可能である。これは、開発、テスト、検証、品質制御及びシミュレーションを含む活動に有益である。
開発：システム１０の開発の初期段階では、実際の関数（function）を全く実行しないが、純粋に、非関数（non-functional）「スタブ」を用いてインタフェース要件を満たすために存在する、大部分のコンポーネントのバージョンが存在し得る。これらの「スタブ」コンポーネントは、残りのシステム１０が機能的に中立である間に、システムコーディネータ２００が、特定の単一のライブコンポーネントに焦点を合わせた開発を促進することを可能にする。
シミュレーション：予め記録された又は製作された機能及びデータを「再生」することになる、コンポーネントの様々なシミュレーションバージョンを作成することができる。このバージョンのコンポーネントの主な目的は、成功及び失敗のシナリオ下で、統合テストと機能の検証をサポートすることである。このバージョンの第２の目的は、以前に記録されたライブラン（live run）の再作成と分析であり得る。
ライブ：実施形態の生産構築（production build）で使用される、各コンポーネントの単一のライブバージョンが存在する。これは、開発される製品によって要求される現実の機能を提供する。
管理：システムコーディネータ２００は、各コンポーネントの動作及び寿命を管理するよう動作可能である。
コンポーネントの分離（Component isolation）：各コンポーネントのランタイム環境を、インスタンス化の目的及び状況に応じてシステムコーディネータ２００によって設定し、制御することができる。開発のために、各コンポーネントを順次実行して、デバッグを支援し、決定的タイミングについてデータフローを単純化することができる。しかしながら、テスト、検証及びライブ環境については、コンポーネントごとに別個の処理スレッドを設定して、タイムクリティカルな機能をより細かく制御することを可能にすることができる。
状態管理：システムコーディネータ２００は、タスクからタスクへ遷移するときにシステム１０の状態を管理するよう動作可能である。これは、近いタスクの現在の操作に必要に応じて、各コンポーネントにおける様々な機能を起動することになる。
コンポーネント調整／データフロー：この実施形態において、データは、コンポーネントからコンポーネントは直接送信されないが、システムコーディネータ２００を通して送信される。これは、より容易な開発及びテストのために、コンポーネント間の低結合（low coupling）を可能にする。システムコーディネータ２００が、送信時にサニティチェック、ロギング及びデータ記録等をする一方でデータに対する追加の関数を実行することができる挿入点も提供する。
ランタイムサービス：この実施形態において、各コンポーネントは、システム１０にわたって共通で同期化されるグローバル機能へのアクセスを必要とする。これは、基礎を成すサービスのプラットフォーム依存機能をカプセル化することもできる。この機能のセットは、システムコーディネータ２００によって各コンポーネントに提供される。
ロギング：集中化ロギング（centralised logging）は、各コンポーネントがランタイムステータス情報を提供することを可能にし、そのようなランタイムステータス情報を、コンソール、ログファイル又はデータベース等のいくつかの異なる宛先に向けることができる。このロギングは、システムコーディネータ２００によって重大性、冗長性及び粒度のレベルに対して構成され得る。
データ記録：システム１０の任意の特定の実行のために、コンポーネント間のデータフローを、後の分析、検証又は再生のためにデータベースに記録することができる。このデータ記録を使用して、後の実行におけるシミュレーションコンポーネントを構成することができる。
タイミング（高分解能クロック）：システム１０の複数のアクションは、正確なタイミングを必要とする。少なくともマイクロ秒レベルのタイムキーピングを可能にするよう動作可能な、高分解能クロックが提供される。システム１０がシミュレーションモードにあるとき、このクロックを、提供されたデータ記録等の外部ソースに同期させることができる。
安全性：システム１０の安全性は最も重要であり、システムコーディネータ２００は最終的に、実施形態において、フェールセーフ手順の実施に関与する。安全性の問題が検出されると、システムコーディネータ２００は、各コンポーネントがきちんとしたフェールセーフに入り、操作スタッフによる更なる命令のためにシステム１０が安全な姿勢に置かれることを確実にするよう動作可能である。以下で更に詳細に説明されるように、システムコーディネータ２００が、システム１０をフェールセーフに入れることになる問題を検出することができるいくつかの方法がある。
コンポーネント能動障害（Component active fault）：この実施形態では、各コンポーネントは、システムフェールセーフを開始することになる障害をシステムコーディネータ２００に能動的に報告することができる。これは、例えば検出されたハードウェア障害、安全なパラメータ外の操作、予期しない又は未知の操作状況等に起因する可能性がある。
コンポーネント受動障害（Component passive fault）：この実施形態では、各コンポーネントは、絶えずそれ自体の正しい機能及び操作を報告する。コンポーネントが、要求される仕様で適時に報告しない場合、システムコーディネータ２００は、それが望ましくない悪い状態又は未知の状態にあると仮定して、フェールセーフを開始するよう動作可能である。
システムコーディネータ２００自体は、障害なし（faultless）であるとは想定されないが、実施形態では、それ自体の正しい機能を、本明細書ではウォッチドッグ１７５と呼ばれる独立のハードウェアデバイスに報告しなければならない。ウォッチドッグ１７５は、各成功の報告を受けると、ハードウェアタイマーをリセットすることになる。システムコーディネータ２００が、要求される時間期間内に報告しないと、ウォッチドッグ１７５は、システム１０のすべてのハードウェアのハードワイヤードシャットダウンをトリガするよう動作可能である。ロボットアーム１０５については、これは安全回路を含むことができ、レーザサブシステムについては、これはシャッターを活性化して、関連するパワーリレーを無効にすることを含んでよい。
ウォッチドッグ１７５に関して、実施形態のシステム１０は、コントローラ１００のソフトウェア、基礎を成すオペレーティングシステム、ドライバ又はハードウェアの正しい動作だけに依拠しない可能性がある。これらのレイヤのうちのいずれか１つの障害の可能性は常にあり、実行しているソフトウェアによって検出可能なことも、検出不可能なこともあり得る。
図面の図１４は、システム１０のウォッチドッグ（ハードウェアフェールセーフ）手順の間にとられるアクションの方法１４００のフローチャートを示す。
ウォッチドッグ１７５が、システム１０の初期化においてコントローラ１００によって開始される（１４０１）。それは、マイクロ秒単位の安全性閾値を有するように構成され（１４０３）、タイマーはゼロにリセットされる（１４０５）。
高解像度リアルタイムクロックから読み取るごとに、経過した時間量が増分的にタイマーに追加される（１４０７）。タイマーは、システム１０が自分自身を既知の良好な状態で最後に報告してから経過したマイクロ秒数を表す。
タイマーは、安全性閾値の値と比較される（１４０９）。
閾値を超えていなかった場合、次いで、ループバックして、コントローラ１００からタイマーリセット信号を受け取ったかどうか（１４１１）を見ることになる。リセット信号が受け取られると、タイマーは再びゼロに設定される。
閾値を超える場合、次いでフェールセーフシャットダウンプロセスが開示される（１４１３）。実施形態のシステム１０では、これは、重大なリスクを有する２つのコンポーネント、すなわち、レーザ電流源１３１とロボットアーム１０５（ロボットアームコントローラ１０６）において緊急停止をアクティブにすること（１４１５）を含む。そのようなアクションは、レーザ光ビーム３０が発射すること及びロボットアーム１０５が動くことを直ぐに停止させることになる。
図１５は、システムコーディネータ２００によって実行されるアクションの方法１５００のフローチャートを示す。
システムコーディネータ２００は一時停止状態で開始する。
外科医１６は、システムコーディネータ２００に、実行すべきアクションのプラン１５０２をストレージ１８からロードする（１５０１）ように指示するであろう。プラン１５０２は、患者固有データ１５０４と外科的処置データ１５０６から成る。
外科医１６がシステム１０を再開することを選択した場合は、ロードされたプランが存在しており、プラン１５０２は、プラン実行プロセスによって実行（１５０３）されることになる。
プラン実行プロセス１５０３の間に、ハードウェアフェールセーフウォッチドッグ１７５は、フェールセーフがアクティブにされることを防ぐ「すべてＯＫ（everything is ok）」信号を連続的に送信する（１５０５）。システムコーディネータ２００が、閾値タイムアウト内に信号を送信できなかった場合、次いで、システム１０は未知の状態であると見なされ、ハードウェアは、以前に方法１４００に関連して上述したような安全状態に設定される。
実施形態において、システムコーディネータ２００によって実行される入力の処理は、入力の分析と、分析に基づいて決定を行うことを含む。決定が行われた後は、システムコーディネータ２００は、その決定に基づいてアクションを開始し、生体組織１２を加工するためにロボットアーム１０５及びレーザを制御するよう動作可能である。
分析の一部として、システムコーディネータ２００は、生体組織１２の少なくとも１つの第１表現を入力に基づいて生成するか、かつ／又は入力として受け取るように動作可能である。実施形態では、生体組織１２の少なくとも１つの第１の表現は、作業の少なくとも１つのアクションが実行される前の生体組織１２の実際の状態に対応する、生体組織１２の最初の又はアクション前（pre-action）（初期）状態の表現を含む。生体組織１２の少なくとも１つの第１表現は、生体組織１２の１つ以上の特性の指示を説明又は提供するパラメータを含む。
実施形態において、生体組織１２の少なくとも１つの第１表現は、生体組織１２のアクション前の状態のマップ又はモデルを含む。
図１６は、マップを生成するためにとられる、システム１０のマッピング操作の間に実行されるアクションの方法１６００のフローチャートを示す。
実施形態のシステム１０は、生体組織１２及び周囲環境の３Ｄ表面及び組成を理解する必要がある。この物理的現実の表現は、実行されることになるアクションを推論してプランニングするために、システム１０のいくつかのサブシステムによって使用される。マッピングの正確性は、システム１０が、硬い生体組織の切除を安全かつ正しく行うことができるために十分であることが重要である。
システム１０が、必要なマッピング情報を感知するには、以下のようないくつかの方法がある。
本明細書で説明されるように、システム１０は、この情報のすべてを照合して、システム１０の一部が所与の自分自身の要件に関して推論することができる凝集モデル（cohesive model）にそれを組み込むように動作可能である。
少なくとも１つの第１表現は、実行されるべき作業についてのプランを含んでよく、そのようなプランは、作業の１つ以上の特徴又は特性を定義するパラメータの設定を含んでよい。
実施形態のシステム１０は、プランニングコンポーネントを使用して、実施形態では外科的処置の切除を含む、必要なアクションを正しく実行するために必要とされるアクションを調整するよう動作可能である。
図１７は、システム１０のプランニング操作の間に実行されるアクションの方法１７００のフローチャートを示す。
プランニングプロセスは、ストレージ１８からロードされたプラン１５０２に従うときに起こる順次アクションを制御する。
次のステップがプランから取得され（１７０１）、マッチングステッププロセスが実行される。
これは、プランのステップのすべてが完了するまで繰り返される。実施形態では、プランのステップには：待機操作ステップ１７０３；ランドマークレジストレーション操作ステップ１７０５；試料上の位置決め（position over material）操作ステップ１７０７；スタンバイ時の位置決め（position at standby）操作ステップ１７０９；及び補綴物切除（prosthetic resections）操作ステップ１７１１が含まれ得る。
図１８は、システム１０のランドマークレジストレーション操作の間に実行されるアクションの方法１８００のフローチャートを示す。
ランドマークレジストレーションプロセスは、取り付けられた基準マーカ７０を有するツールを使用して外科医１６により３次元空間内の点の段階的レジストレーション（step-by-step registration）を含み得る。位置決めセンサ１７０は、各点がユーザインタフェース２１によって求められると、ツールの作業端部の位置を決定する。患者１４の膝に対する外科的処置の状況の実施形態では、ランドマークレジストレーションプロセスの開始と、ランドマークレジストレーションプロセスの終わりとの間に順に以下の部位１８０１を含む：すなわち、大腿骨機械軸点；内側上顆；外側上顆；外側前方大腿皮質（Lateral Anterior Femoral Cortex）；Whitesideライン；大腿骨内側顆（Medial Femoral Condyle）の表面；大腿骨外側顆（Lateral Femoral Condyle）の表面；内果；外果；前脛骨点；脛骨内側顆；脛骨外側顆；脛骨傾斜を含む。
図１９は、システム１０の試料上の位置決め操作の間に実行されるアクションの方法１９００のフローチャートを示す。
試料上の位置決めプロセス１９００は、ロボットアーム１０５が、生体組織１２上の正しい相対位置まで安全に操縦されることを保証する。
最初に、チェック（１９０１）が行われて、ロボットアーム１０５が、生体組織１２から始まって円錐の側面が４５°になるように垂直に伸びる所定の円錐体積（conical volume）を含む術野内にあるかどうかを判断する。ロボットアーム１０５が術野内にない場合、作業される生体組織試料の上に位置決めされた術野内に入るまでエンドエフェクタ２８を生体組織１２に向かって横方向に動かすとともに、エンドエフェクタ２８を伸張限度まで上昇させることによって、ロボットアーム１０５を再配置する（１９０３）。
ロボットアーム１０５が術野内に入ると（１９０５）、生体組織１２上の正しい位置に向けてエンドエフェクタ２８の下降を開始する（１９０７）。正しい位置に入ると、ロボットアーム１０５を動かすのを止める（１９１１）。
ロボットアーム１０５は、例えばマニピュレータ２３の１つ以上の関節上の増大したトルク力を介して検出されることによって、あるいはマニピュレータ２３の体節の外側の１つ以上の感圧パッドの操作によって、任意の段階で障害物に遭遇すると、次いで、環境内の人又は他の物体に衝突するのを防ぐために停止する（１９１１）。
図２０は、システム１０のスタンバイ時の位置決め操作の間に実行されるアクションの方法２０００のフローチャートを示す。
これは、ロボットアーム１０５が、生体組織１２から離れてスタンバイ位置まで安全に操縦されることを保証する。
ロボットアーム１０５が術野内にある場合（２００１）、エンドエフェクタ２８は、該エンドエフェクタ２８をスタンバイ位置の方向に横方向に動かすとともに、ロボットアーム１０５の伸張限度に向けて上昇させることによって、再配置される（２００３）。実施形態において、スタンバイ位置は、ロボットアーム１０５が、外科的作業スペース内で行われるすべての妥当なアクションを妨げない、あるいはそのようなアクションに対する障害物となり得ないような、ベースユニット２７上のロボットアーム１０５の位置である。
ロボットアーム１０５がスタンバイ位置上で術野の外に出ると（２００５）、エンドエフェクタ２８は、到達するまで、同じ方向で横方向に移動し続けながら、スタンバイ位置に向けて下降する（２００７）。次いで停止することになる（２０１１）。
図１９に図示される方法１９００で実行されるアクションの方法２１００のフローチャートと同じように、ロボットアーム１０５は任意の段階で障害物に遭遇すると、停止することになる（２０１１）。
図２１は、システム１０の補綴物切除操作の間に実行されるアクションの方法２１００のフローチャートを示す。
プロセス２１００は、プラン１５０２から次の補綴構成要素切除を取得する（２１０１）。プラン内の切除の順番は、図１７に見られるような外科的処置データによって決定されている。
外科医１６は、システム１０がプランニングされた切除を実施する前に、プランニングされた切除を変える又は変更する機会を与えられる（２１０３）。これは、例えば切除のパラメータを調整するか、あるいは次に実施すべき異なる切除を選択することができる。
外科医１６が切除ステップを変えることを望まない場合、システム１０は次いで、図２２を参照して更に説明されるように、切除を実行するよう動作可能である（２１０５）。
プラン内の切除のすべてがまだ行われていない場合、プロセスは、すべての切除が行われるまでプランから次の切除を取り出す（２１０１）ことになる。
プラン内の切除がすべて行われると、システム１０は、補綴構成要素のフィット及びアライメント分析（fit and alignment analysis）を実行する（２１０７）。
この実施形態では、この評価は、図２６を参照して更に詳細に説明されるように、補綴構成要素のフィット及びアライメント分析を実行するシステム１０によって行われる。
構成要素の切除のすべてが、十分な位置決めのためフィット及びアライメントの公差に合致しない場合、次いでシステム１０は、修正切除（revision resections）ステップを実行して、理想的なフィット及びアライメントと、現在のジオメトリのフィット及びアライメントとの間の不一致を補正するように、プランを変更して修正切除ステップを実行する（２１０９）。
補綴構成要素のフィット及びアライメント分析が十分である場合、次いで外科医１６には、その分析を独立にレビューし（２１１１）、フィット及びアライメントに対するバリエーションに影響するよう、任意選択で切除プランに対して修正を行う機会が与えられる。これは、補綴物を試して、例えば関節の屈曲及び伸展が正しい隙間（correct clearances）を提供せず、切除調整又は異なるサイズの補綴構成要素が必要とされると判断した後に重要であり得る。
図２２は、システム１０の切除操作の間に実行されるアクションの方法２２００のフローチャートを示す。
実施形態において、作業の少なくとも１つのアクションが実行された後の生体組織１２のプランニングされた状態は、減法アブレーションを介して生体組織１２上の露出される必要がある、３Ｄ空間の理想的な平面又はメッシュを含む。切除プロセスには、処理で使用するための理想的な平面又はメッシュが与えられる。
プロセスは、ロボットアーム１０５が生体組織１２上の正しい位置に配置されていることを確認する（２２０１）。生体組織１２が依然として正確に保持されていないとすると、同じ相対位置を維持するために、本明細書で説明されるようにエンドエフェクタ２８の絶対位置を常に確認して再調整する必要がある（２２０３）。生体組織１２の位置は、位置決めセンサコントローラ１７１を介して基準マーカ７０の位置を取得した、マッピングコンポーネントから取得される。
「安全操作エリア（safe operating area）」は、ロボットアーム１０５が離れることを許容されない仮想的な領域である。ロボットアーム１０５がこの安全操作エリアの外部に位置変更を試みると、システム１０は次いで、ユーザによって解放されるまで一時停止状態に置かれるように動作可能である。これは、ロボットアーム１０５が、例えば外科スタッフと物理的に接触することを防ぐための追加的安全機構である。
正しい相対位置では、システム１０は、３Ｄ計測学センサ１９０を使用して目標のジオメトリを走査するよう動作可能である。センサセット１０１及び１０２のうちのいくつかのセンサが、次いで生体組織１２を走査して（２２０５）、その組成を決定する。これらのセンサは、ハイパースペクトルイメージング、ラマン分光法、熱イメージング、顕微鏡法、音響及び光学イメージングのためのものを含む。走査の集合結果は、システム１０によって分析され、組み合わされ、格納され、マッピングコンポーネントにより利用可能にされる。
切除表面は、３Ｄ情報から２Ｄマップに変換され（２２０７）、切除表面分析において表面のトポグラフィー及び組成を処理するために不必要なデータを取り出す。ジオメトリは２Ｄ高さマップに低減され、関連するハイパースペクトル及び熱２Ｄマップが同じ座標空間でオーバーレイする。
プロセスは、高さマップ及びマッピングを用いて所望の切除ジオメトリを分析し（２２０９）、正確に完了される切除に必要な公差に対する表面の現在の整合性を決定する。表面が公差内で完了している場合、この切除を終了する（２２１１）。
そうでなければ、システム１０は、アブレーション実行（ablation run）２２３０－試料のレイヤによって表面を減少させることになる一連のレーザアブレーション－を計算するよう動作可能である。
システム１０は、生体組織１２のアクション後の状態（post-action state）が生体組織１２のプランニングされた状態に合っている程度の分析を実行して、必要とされるアブレーション実行のパラメータを決定するよう動作可能である。
特に、この実施形態では、プロセスは、切断体積を、マッピング組成結果（mapping composition results）及び３Ｄ表面データ、以前のアブレーションから取得された組成データ及び任意の熱データとともに分析して（２２０９）、光ビーム３０のための最適なパラメータセットに対する、感知されたジオメトリの現在の整合性を判断し、炎症や壊死なしに、生体組織１２の表面を安全かつ効率的に減少させるようにアブレーション実行２２３０を行う。
分析の一部として、（図１３の）システムコーディネータ２００は、生体組織１２の少なくとも１つの第３表現を、入力に基づいて生成する、かつ／又は入力として受け取るように動作可能である。この実施形態において、生体組織１２の少なくとも１つの第３表現は、作業の少なくとも１つのアクションが実行された後の生体組織１２の実際のアクション後の状態又は最終状態に対応する生体組織１２の状態の表現を含む（評価２９０９）。生体組織１２の少なくとも１つの第３表現は、生体組織１２の１つ以上の特性の指示を説明する又は提供するパラメータを含み、実施形態によっては、生体組織１２のアクション後の状態のマップ又はモデルを備える。
システム１０は、アブレーション実行の開始のために、目標の生体組織１２上の開始座標を初期化（２２１５）するよう動作可能である。
アブレーション実行の間に、システム１０は、現在の又はパルス中のパラメータ等のレーザパラメータを、各目標座標について予め計算された値に対して、リアルタイムに調整（２２１３）するよう動作可能である。
プロセスは、３Ｄ空間内の２Ｄマップ目標座標の位置を計算する。
微動手段、好ましい実施形態では走査ヘッド１１７は、生体組織１２の表面の目標にポイントするように、レーザ光ビーム３０の方向を再配置するよう動作可能である。レーザ光ビーム３０の各発射シーケンスは、生体組織１２上の点に、実施形態ではミクロンスケールの精度で行われる必要がある。
システム１０は、実施形態では、レーザ光ビーム３０のすべての発射に先行して、外科医１６がシステム１０を停止していないことを保証するために確認するよう動作可能である。
レーザ電流源１３１は、現在のパラメータ設定を使用してレーザ光ビーム３０を発射するように指示される。
アブレーション実行がまだ完了していない場合、マップ内の次の座標が選択され（２２１７）、レーザパラメータが調整され（２２１３）、システム１０はレーザ光ビーム３０の再配置（２２１９）と発射（２２２１）を繰り返す。
アブレーション実行が完了すると、熱衝撃について熱センサ１８４で表面が感知される（２２２３）。そのような感知から生じる熱データ（２２２５）は、将来のアブレーション実行のためにレーザ最適化コンポーネントに利用可能にされる。
エンドエフェクタ２８の位置決めのために生体組織１２の位置が確認され、マッピング、分析及びアブレーションのプロセスが繰り返される。
ロボットの動きに関して、システム１０は、エンドエフェクタ２８内のセンサ、レーザ光学系及び補助ツールを、生体組織１２から設定された相対距離でその上に位置決めするよう動作可能である。
位置決めはロボットアーム１０５の関節角度に依存する。端部位置についての関節角度の計算とその間のすべての遷移位置は、逆運動学に関与する。
好ましくは、システム１０は、ロボットアーム１０５における提供される逆運動学インフラストラクチャに依拠し、これを使用して、エンドエフェクタ２８をあるデカルト点から別のデカルト点へ遷移させるために必要な関節角度及び動きを決定するであろう。これにより、ロボット動きコンポーネントが、その既存の機能の外観（facade）となるであろう。
ロボットアームコントローラ１０６が必要な機能を提供しない場合、次いで、逆運動学計算をサポートする既存又はカスタムライブラリを使用することが必要であろう。
図２３は、切除表面の３Ｄから２Ｄ投影の間に実行されるアクションの方法２３００のフローチャートを示す。
切除が実行されているとき、システム１０は、生体組織１２を所望のジオメトリに低減する減法プロセスに適用されるので、感知されるジオメトリの理解を維持するよう動作可能である。
マッピングコンポーネントは、生体組織１２のジオメトリ及び組成を説明するメッシュ及び他の補助データを保持する。投影プロセスはその情報を使用して、切除パラメータに向けられる、特別に導出されるデータソースを作成する。
プロセスは、マッピングコンポーネントからジオメトリ及び組成データを取り出すように動作可能である（２３０１）。
切除表面が平面の場合、マッピングジオメトリは、切除平面の座標系が（Ｚが上／下の場合）Ｘ及びＹ座標系のゼロ軸に位置合わせされるように、経上顆（transepicondylar）軸の中心の周囲に回転される（２３０３）。
マッピングジオメトリとＸ／Ｙ平面上の正のＺエリアとの間の交差体積を計算する（２３０５）。骨である体積部分は、減法的に切断する必要がある部分である。残りの体積は潜在的に、残す必要があり、したがって切断されるべきではなく、レーザビームの原点とアブレーションの任意の目標点との間の光線投影計算に一致すべきでもない試料を占めている。
骨体積のＸ／Ｙ平面が切除平面と位置合わせされるので、Ｚ値を単に、所望の平坦な最終結果（flat end result）より上の様々な高さにおけるメッシュとして見ることができる。平面アブレーションを実行するために必要な最小スケールの解像度でグリッドを適用することにより、メッシュから高さマップを補間することができる。
切除表面が平面でない場合、ジオメトリが、顆頭（condyle）上の中心から球座標で計算される（２３０７）（切除表面がどの顆頭上に配置されるかに応じて、経上顆軸上の１／４又は３／４位置として定義される）。
表面までの平均距離で、グリッドの間隔が約５０ミクロンになるように、φ及びθ角度は十分に小さい角度でサンプリングされる。本質的に、これはサンプリングされたφが３Ｄマップ上のｘ軸になり、θ角度がｙ軸になることを可能にする。理想的な切除表面は高さゼロであると考えられ、その上のいずれかの既存の生体組織１２は正の高さ値として扱われる。この新たに作成された高さマップはその後、切除が平面上で行われていた場合と同じように分析して処理することができる。
プロセスは、マッピングジオメトリ及び含有物形状（inclusion shape）の交差内に存在しないすべてのジオメトリを除去することによって、オクルージョンジオメトリ（occlusion geometry）を決定するよう動作可能である（２３０９）。
大腿骨頭について、含有物形状は：
（１）経上顆軸の１／４の（軸に沿った）幅半径及び経上顆軸の高さ半径を有する経上顆軸の１／４及び３／４位置上を中心とする２つ楕円と
（２）経上顆軸の長軸及び高さと経上顆軸の３／４の半径を有する固体円柱
の交点を備える。
（１）経上顆軸の１／４の（軸に沿った）幅半径及び経上顆軸の高さ半径を有する経上顆軸の１／４及び３／４位置上を中心とする２つ楕円と
（２）経上顆軸の長軸及び高さと経上顆軸の３／４の半径を有する固体円柱
の交点を備える。
脛骨プラトーについて、含有物形状は、プラトーの幅の距離の１／２の半径の皮質に一致する長軸を有する固体円柱を含む。
プロセスは、高さ、ハイパースペクトル値及び熱値について、同じ座標空間内に２Ｄマップのセット２３１１を作成するよう動作可能である。この低減された次元のデータは、システム１０の様々なコンポーネントによって、切除進行を分析してアブレーションのためにレーザの最適化を決定するために使用される。
分析の一部として、（図１３の）システムコーディネータ２００は、生体組織１２のアクション後の状態の表現を、生体組織１２のプランニングされた状態の表現と比較して、作業の少なくとも１つのアクションを実行した後の生体組織１２の状態が、生体組織１２のプランニングされた状態に合っている程度を評価し（すなわち、図２２のマッピングステップ２２０５及び図２３の方法２３００）、それによりアクションが成功裏に形成された程度を評価するよう動作可能である。成功の指標は、生体組織１２のアクション後の状態の表現が、所定の公差に対して生体組織１２のプランニングされた状態の表現にフィット及び一致する程度に基づいて提供される。このプロセスは、感知された現実をどのようにして、レーザアブレーション目標物を処理及び決定するための有益な方法で内部的に表現するべきかを決定するものとして要約され得る。図２３では、プランニング１３１３及びレーザ最適化２３１５のプロセスによって更に使用される４つの表現２３１１が存在することがわかる。これは、「切除表面２Ｄ高さマップ」２３１１ａ、「切除表面２Ｄハイパースペクトルマップ」２３１１ｂ、「切除表面２Ｄ熱マップ」２３１１及び「切除表面２Ｄ音響マップ」２３１１ｄを含む。
図２４は、データの次元を減らすために使用された３Ｄから２Ｄ投影を反対にするために実行されるアクションの方法２４００のフローチャートを示す。システム１０は、正しい生体組織１２を切断するようレーザ光ビーム３０を位置決めするために、２Ｄマップ上の各目標座標の３Ｄ位置を必要とする。
プロセスは、アブレーション実行からのＸ／Ｙ目標座標及び２Ｄマップにおける高さマップデータを取得するように動作可能である（２４０１）。局所的ジオメトリデータも、マッピングコンポーネントから取得される（２４０３）。
切除表面が平面である場合、Ｘ／Ｙ目標座標は、水平アライメントから切除平面とのアライメントに戻るように回転される（２４０５）。次いで、今回転された平面に直交する高さ距離で３Ｄ目標座標を決定することができる（２４０７）。
切除表面が平面でない場合、プロセスは、Ｘ／Ｙ座標を、顆頭を中心とするφ及びθ角度の球座標に変換するよう動作可能である（２４０９）。次いで、角度φ及びθで顆頭中心から光線に沿った高さ距離で３Ｄ目標座標を決定することができる（２４１１）。
結果として得られる３Ｄ座標は、システム１０が世界座標系の正しい位置で生体組織１２を目標にすることができるように利用可能される（２４１３）。
図２５は、システム１０の切除表面分析操作の間に実行されるアクションの方法２５００のフローチャートを示す。
システム１０は、表面のすべてのジオメトリを取り囲む２つの公差平面（tolerance planes）の間の距離を計算するよう動作可能である（２５０１）。これは、ジオメトリの全体的な平坦さについての１つの定量化を提供する。
システム１０はまた、平面を頂点に最も良くフィットさせることにより、ジオメトリの傾斜を計算するようにも動作可能である（２５０３）。この傾斜情報は、補綴構成要素の全体的なアライメントにとって重要である。
システム１０は、表面ジオメトリを表面プランの理想的なジオメトリと比較した固有の偏差及び整合性を定量化するよう動作可能である（２５０５）。これは、表面属性分析の標準的な方法を使用して決定され得る、プライマリプロファイル（primary profile）、粗さプロファイル（roughness profile）、うねりプロファイル（waviness profile）及び形状プロファイルを含む。
分析の一部として、システムコーディネータ２００は、生体組織１２の少なくとも１つの第２表現を、入力に基づいて生成し、かつ／又は入力として受け取るように動作可能である。この実施形態において、生体組織１２の少なくとも１つの第２表現は、作業の少なくとも１つのアクションが行われた後の生体組織１２のプランニングされた又は意図された状態に対応する、生体組織１２の状態の表現を含む。生体組織１２の少なくとも１つの第２表現は、生体組織１２の１つ以上の特性の指示を説明又は提供するパラメータを含み、実施形態においては、生体組織１２のプランニングされた状態のマップ又はモデルを含む。
結果として得られる分析データのセットは、補綴構成要素のフィット及びアライメント分析で使用するためにプランニングシステムに提供される。
図２６は、システム１０の補綴構成要素のフィット及びアライメント分析操作の間に実行されるアクションの方法２６００のフローチャートを示す。
補綴構成要素ジオメトリが、取り出されたマッピングジオメトリに対して処理するために、ロードされたプランから取り出される（２６０１）。システム１０は、有限要素法によって補綴構成要素をマッピングジオメトリ上にシミュレートして（２６０３）、患者１４の機械軸に対する構成要素のフィット及びその後のアライメントをもたらす可能性がある応力及び変形を検出／計算（２６０５）するように動作可能である。
定量化（２６０７）された整合性、フィット及びアライメントデータが、実行されている切除に関する自動及び外科医１６の意思決定のために、システム１０に利用可能にされる。また、結果はディスプレイ２０を介して外科医にも提示される。
図２７は、システム１０の生体分析操作の間に実行されるアクションの方法２７００のフローチャートを示しており、ここでは、感知情報が、生体組織１２の組成特徴について分析される。これは、システム１０が軟組織を標的にすること、あるいは切除されるべきではない患者１４の部分に対する付随的損傷を引き起こすことを防ぐことを助ける。
マッピングコンポーネント２７０１は既に、センサが生体組織１２から異なる視点で配置されていることを考慮して、センサデータ２７０３をすべてジオメトリ表面に対して位置合わせしている。
本発明の実施形態では、特徴検出を曖昧にする可能性がある、感知された情報内のノイズ及びアーチファクトを除去するためにデータを事前処理することができる（２７０５）。
システム１０は、データ信号を、以前のテストから決定された既知のシグネチャと比較することにより、データに対して特徴抽出を実行する（２７０７）よう動作可能である。これを、センサセット１０１及び１０２の様々な測定センサにわたって同じ目標位置で行って、各点について組成の予測を決定することができる。
システム１０は、システム１０の他の部分による使用のために追加のメタデータを提供し、決定及びアクションをガイドするために、生体分析予測をマッピングコンポーネントに適用（２７０９）し戻すように動作可能である。
図２８は、システム１０の音響サウンド分析操作の間に実行されるアクションの方法２８００のフローチャートを示す。
生体分析コンポーネントはまた、音響センサ１７８を使用して、アブレーションのサウンドが硬い生体組織に対して行われたかどうかも判断する。
骨をレーザ切断することによって生じるサウンドプロファイルは、他の試料によって生じるサウンドとは異なる。システム１０は、これを利用して、アブレーション実行の間の全体的な安全性を高めるように動作可能である。方法２８００は、作業現場の環境及び生体組織１２の周囲から、音響センサ１７８によってピックアップされたサウンドデータ１７７を受け取るステップ（２８０１）と、サウンドデータを分析して（２８０３）、受け取ったサウンドデータが、レーザが骨試料に衝突するときに予測されるものと一致するかどうかを判断するステップを含む。予測しないサウンドが受け取られて分析されると、システム１０はアブレーションを停止する（２８０５）。レーザパルスのスピードに起因して、これは、以前のサウンドプロファイルの処理が完了するまで、より少ないレーザバーストが骨でない表面に当たることを防げない可能性があるが、更なる損傷は防ぐことができる。
システム１０は、レーザ光ビーム３０がちょうど発射されたかどうかを検出して、音波を含む音響センサ１７８のサウンドデータにアクセスするよう動作可能である。音波を分析し、切断されている硬い生体組織のプロファイルにそれが一致するかどうかを、別個の周波数及び振幅によって検出する。
サウンドが一致しない場合、システム１０は動作を停止するように伝達される。
図２９は、システム１０のレーザ最適化動作の間に実行されるアクションの方法２９００のフローチャートである。
このコンポーネントの目的は、最低限観側可能な環境におけるレーザパラメータの自律制御のために、リスクセンシティブな意思決定を行うことである。
アブレーティブレーザ（ablative laser）は、異なる試料とどのように相互作用するかに影響する、いくつかの共依存パラメータを通して制御される。レーザベースの機械加工のタスクは、切断されている試料に適合するようにこれらのパラメータを調整することを要するので、複雑である。この試料は、骨及びその組成（ミネラル、コラーゲン及び含水量）のタイプ、並びに性別、年齢及び民族性といった因子に応じて、患者間で異なる。レーザ最適化は、硬組織を安全に切断するためにレーザ光ビーム３０の最適なパラメータセットを決定する。加えて、システム１０は、意思決定プロセスのすべての段階でその信頼性レベルを定量化するよう動作可能であり、人間が理解可能（human-intelligible）な診断情報を出力する能力を有する。
レーザ最適化コンポーネントは、切除表面分析コンポーネントからデータを取り出す（２９０１）。これは、一連の２Ｄマップ：すなわち、高さ、ハイパースペクトル、生体分析、熱及び音響へと事前処理されている。２Ｄマップは、配向された切除平面（oriented resection plane）又は切除表面についての球座標からのマップのいずれかである。
このデータのベースから、コンポーネントは、データを既知の試料タイプに分類することができる（２９０３）。低レベルの機能として、所望の転帰をもたらすことが予測される候補レーザパラメータのセットが生成される（２９０５）。これらはモデルでテストされて、これらの候補について最も可能性の高い転帰を決定する（２９０７）。
次いで、これらの転帰の適合性が評価される（２９０９）。一部の例では、望ましくない結果が予測される可能性があるので、コンポーネントは、テスト用に新たなパラメータのセットを生成（２９０５）する前に、パラメータ選択に対する制約の一部を緩和（２９１１）する選択肢を有する。
コンポーネントが代替物を試す時間期間を超過した場合、解決策が全くないよりはむしろ部分的な解決を達成する可能性があるパラメータの選択を促進するように、目標物を変更することができる（２９１３）。
コンポーネントが、代替パラメータのための時間期間を使い尽くして、いずれの解決策にも達しなかった場合、システム１０は停止状態（２９１５）に置かれる。
システム１０の安全性、モニタリング及び検証動作は、以下を含む：
・正しい切断位置：
・予測される組織タイプ；及び
・予測される効果（熱、応力、試料除去）
・正しい切断位置：
・予測される組織タイプ；及び
・予測される効果（熱、応力、試料除去）
システム１０の動作から生じ得る転帰及び結果は、以下を含む：
・切断／成形速度を含む、効率；
・切断の物理的属性を含む、ジオメトリ効果；及び
・熱効果を含む、副作用
・切断／成形速度を含む、効率；
・切断の物理的属性を含む、ジオメトリ効果；及び
・熱効果を含む、副作用
図１４～図２９で図示される方法１４００～２９００（及び関連するサブ方法）は、図３０に示されるようなコンピューティングデバイス／コンピュータシステム３０００を使用して実装されてよく、この場合、図１４～図２９の処理は、コンピューティングデバイス３０００内で実行可能な１つ以上のアプリケーションプログラム等のソフトウェアとして実装されてよい。特に、本明細書で開示される方法のステップは、コンピュータシステム３０００内で実行されるソフトウェアの命令によって引き起こされる。命令は、各々が１つ以上の特定のタスクを実行するための１つ以上のコードモジュールとして形成されてよい。ソフトウェアは、第１部分及び対応するコードモジュールが説明される方法を実行し、第２部分及び対応するコードが第１部分とユーザとの間のユーザインタフェースを管理する、２つの別個の部分に分割されてもよい。ソフトウェアは、例えば以下で説明されるストレージデバイスを含む、コンピュータ読取可能媒体に格納されてもよい。ソフトウェアは、コンピュータ読取可能媒体からコンピュータシステム３０００にロードされ、次いでコンピュータシステム３０００によって実行される。その上に記録されたそのようなソフトウェア又はコンピュータプログラムを有するコンピュータ読取可能媒体は、コンピュータプログラム製品である。コンピュータシステム３０００におけるコンピュータプログラム製品の使用は、好ましくは、骨を含む生体組織のレーザ成形に有利な装置をもたらす。
図３０を参照すると、例示のコンピューティングデバイス３０００が図示されている。例示のコンピューティングデバイス３０００は、これらに限定されないが、１つ以上のプロセッサ３００２を備える１つ以上の中央処理ユニット（ＣＰＵ）３００１と、システムメモリ３００３と、システムメモリ３００３を含む様々なシステムコンポーネントを処理ユニット３００２に結合するシステムバス３００４とを含むことができる。システムバス３００４は、メモリバス又はメモリコントローラ、周辺バス、様々なバスアーキテクチャのいずれかを使用するローカルバスを含む、数タイプのバス構造のうちのいずれかであってよい。
コンピューティングデバイス３００は典型的に、コンピューティングデバイス３０００によってアクセス可能であり、揮発性及び不揮発性媒体と取外し可能及び取外し不可能媒体の双方を含む任意の利用可能な媒体を含むことができる、コンピュータ読取可能媒体を含む。限定ではなく例として、コンピュータ読取可能媒体は、コンピュータ記憶媒体と通信媒体を含むことがある。コンピュータ記憶媒体は、コンピュータ読取可能命令、データ構造、プログラムモジュール又は他のデータ等の情報の格納のために任意の方法又は技術で実装される媒体を含む。コンピュータ記憶媒体は、これらに限定されないが、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ又は他のメモリ技術、ＣＤ－ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）又は他の光ディスクストレージ、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスクストレージ又は他の磁気ストレージデバイス、あるいは所望の情報を格納するのに使用することができ、コンピューティングデバイス３０００によってアクセスすることができる任意の他の媒体を含む。通信媒体は典型的に、コンピュータ読取可能命令、データ構造、プログラムモジュール、あるいは搬送波や他の伝送機構のような変調データ信号内の他のデータを具現化し、任意の情報配信媒体を含む。限定ではなく例として、通信媒体は、有線ネットワーク又は直接優先接続等の有線媒体と、音響、ＲＦ、赤外線及び他の無線媒体等の無線媒体を含む。上記のいずれかの組合せもコンピュータ読取可能媒体の範囲内に含まれるべきである。
システムメモリ３００３は、読取専用メモリ（ＲＯＭ）３００５及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）３００６といった揮発性及び／又は不揮発性メモリの形のコンピュータ記憶媒体を含む。起動時等にコンピューティングデバイス３０００の要素間で情報を転送するのを助ける基本ルーチンを含む基本入出力システム（ＢＩＯＳ）３００７は、典型的にＲＯＭ３００５に格納される。ＲＡＭ３００６は典型的に、処理ユニット３００１に対して直ぐにアクセス可能であるか、かつ／又は処理ユニット３００１によって現在操作されているデータ及び／又はプログラムモジュールを含む。限定ではなく例として、図３０は、オペレーティングシステム３００８、他のプログラムモジュール３００９及びプログラムデータ３０１０を図示している。
コンピューティングデバイス３００は、他の取外し可能／取外し不可能、揮発性／不揮発性コンピュータ記憶媒体も含んでよい。単なる例示として、図３０は、取外し不可能な不揮発性磁気媒体から読み出しを行い、かつその媒体へ書き込みを行うハードディスクドライブ３００１を図示している。例示のコンピューティングデバイスとともに使用することができる他の取外し可能／取外し不可能、揮発性／不揮発性コンピュータ記憶媒体は、これらに限定されないが、磁気テープカセット、フラッシュメモリカード、デジタル多用途ディスク、デジタルビデオテープ、固体ＲＡＭ、固体ＲＯＭ等を含む。ハードディスクドライブ３００１は典型的に、インタフェース３０１２等の取外し不可能メモリインタフェースを通してシステムバス３００４に接続される。
上述及び図３０に図示されるドライブ及びそれらに関連付けられるコンピュータ記憶媒体は、コンピュータ読取可能命令、データ構造、プログラムモジュール及びコンピューティングデバイス３０００のための他のデータのストレージを提供する。図３０では、例えばハードディスクドライブ３０１１が、オペレーティングシステム３０１３、他のプログラムモジュール３０１４及びプログラムデータ３０１５を格納するように図示されている。これらのコンポーネントは、オペレーティングシステム３００８、他のプログラムモジュール３００９及びプログラムデータ３０１０と同じとすることも異なるものとすることもできることに留意されたい。オペレーティングシステム３０１３、他のプログラムモジュール３０１４及びプログラムデータ３０１５は、少なくとも異なるコピーであることを示すために、ここでは異なる番号が与えられている。
コンピューティングデバイスは、システムバス３００４に接続される１つ以上の入出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース３０３０も含む。入出力インタフェース３０３０は、ビデオディスプレイ３０３４とラウドスピーカ３０３５のうちの１つ以上を含む出力デバイスに結合する、オーディオ・ビデオインタフェースを含む。入出力インタフェース３０３０は、例えばマウス３０３１、キーボード３０３２、あるいは例えばスマートフォンやタブレットデバイス等のタッチ感知式デバイス３０３３を含む、１つ以上の入力デバイスにも結合する。
以下の説明に関連して、コンピューティングデバイス３０００は、１つ以上のリモートコンピュータへの論理接続を使用して、ネットワーク環境で動作してもよい。説明の簡潔性のために、コンピューティングデバイス３０００は、図３０では、ネットワーク３０２０に接続されるように図示されている。ネットワーク３０２０は、いずれかの特定のネットワーク又はネットワークプロトコルに限定されないが、例えばEthernet（登録商標）、Bluetooth（登録商標）又はIEEE 802.X無線プロトコルを含んでよい。図３０に図示される論理接続は汎用ネットワーク接続３０２１であり、汎用ネットワーク接続３０２１はローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）又は例えばインターネット等の他のネットワークとすることができる。コンピューティングデバイス３０００は、汎用ネットワーク接続３０２１にネットワークインタフェース又はアダプタ３０２２を通して接続され、ネットワークインタフェース又はアダプタ３０２２はシステムバス３００４に接続される。ネットワーク環境では、コンピューティングデバイス３０００又はその部分又はその周辺機器に関連して図示されるプログラムモジュールは、汎用ネットワーク接続３０２１を通してコンピューティングデバイス３００に通信可能に結合される１つ以上の他のコンピューティングデバイスのメモリに格納されてもよい。図示されるネットワーク接続は単なる例であり、コンピューティングデバイス間の通信リンクを確立する他の手段が使用されてもよいことが認識されよう。
本発明の実施形態では、システム１０によって実行される、説明された動作、追加の動作及び／又は代替的な動作のうちの１つ以上は、半自動的に又は人間の介入を必要とせずに自動的に起こる。
説明される実装では、レーザをロボットと結合し、その結合は、光学及び機械的センサに一体化されて、骨系の閉ループの減法レーザ支援式機械加工（closed loop subtractive laser-assisted machining）（機械）を提供し、これにより、高速かつ正確な転帰のために、臨床環境における実際の整形外科手術中の操作パラメータの設計及び選択のための演算的に導出されるプロセスパラメータを可能にする。
説明される本発明の実施形態はいくつかの利点を提供することが認識されよう。
システム１０の実施形態は、サブミリメートルの精度で硬い生体組織を機械加工（machining）することができ、非侵襲的リアルタイム光学感知、レーザパラメータのインテリジェントで動的な制御及び機械加工後の生体検証（post-machining biological validation）という特徴を含む。
本発明の実施形態は：非侵襲的光学感知を使用して、レーザの精密な制御、安全性及び局所化を保証し；リアルタイムのレーザ成形プロセスを制御するために人工知能システムの開発及び教育を含み；細胞及び分子評価に対する最適化されたレーザパラメータの検証を含み；統合システムの性能を最適化する。
本発明の実施形態は、分析及び機械学習技術を使用してレーザのパラメータを最適化することにより、切断の正確性の改善、切断のサブミリメートルの精度の改善、モニタリング能力に起因する安全性の改善、付随的損傷の必要性を回避すること、切断表面の生物学的品質の改善を伴う外科手術を可能にすることができる。
第一世界だけでも、毎年２００万人超の患者が本発明の実施形態の技術から利益を享受し得ることが理解される。
本発明の実施形態は、インテリジェントな適応的成形、低熱の生体力学的衝撃、振動のない成形、そして多重冗長的な安全性を通して、高い正確性及びサブミリメートルの精度を提供する。
本発明の実施形態は、リアルタイムで最適化される、患者用にカスタマイズされたレーザアブレーションを提供する。本発明のシステムは、センサ及びモデルからの連続的フィードバックと、過去のアブレーション評価（残留組織の生体的状態）をとり、レーザパラメータを最適に調整する。絶対的に最小限又は低減された熱衝撃のために、最大又は改善された組織除去をもたらす。
システムの実施形態を介して、各患者に対してカスタマイズ可能であり；熱衝撃がない／熱衝撃が最小／熱衝撃が低減され（生物学的品質）；幾何学的に精密であり；リアルタイムで調整可能なパラメータを有し；複数の安全性レベルを有する（ガイドレーザ、センサ、切断後センシング及び外科医制御を含む）、レーザアブレーションを提供することができる。
本発明の実施形態によって与えられるサブミリメートルの精度、低い機械的及び熱的衝撃は、有利には、インプラント製造における革命、並びに患者の転帰及び生活品質における著しい改善をも導くことができる。
本発明の実施形態は、最小限の人的介入、半自動又は全自動化；高精度、迅速な処置、最小限の侵襲的組織損傷、輸血の低減又は輸血なし、改善されたインプラントの一体化、そして低減されたコストで、最小限の人間の整形外科手術を可能にすることができる。
本発明の実施形態は、有利には、レーザを使用して生体組織を切断し、手術の同じ時間制約内で迅速に、安全に、正確に、かつ清潔にそのように行うことができる。
手術の同じ時間制約内で迅速に硬い生体組織を切断するために、説明される実施形態は、安全性及び正確性を考慮して、除去することができる試料の体積を増加又は最大にする。硬い生体組織の周囲の目標位置が損傷され、いずれにしても後に除去する必要があるとき、試料をより早く切断することができる。液体を冷やすために、ベースユニットからエンドエフェクタまで冷たい冷却材でバンドルされたアブレーション処置の間に、組織を冷却するために組織に加えられる液体を流す。レーザ最適化は、硬い生体組織との相互作用にダイナミクスに基づいており、機械加工の速度を増加又は最大にする。センシング間の迅速なバーストで（quick bursts）一連のレーザアブレーションをカプセル化する「実行（ラン）（run）」でアブレーションを行う。これは、（想定される）感知と速度の最適なバランスを提供することができる。
硬い生体組織を安全に切断するために、説明される実施形態は、最終的な切除された組織表面を損傷（壊死、熱ショック／亀裂）から保護する。これは、低レーザパワーを使用して、最終的な表面が損傷されないことを保証するか最終的な表面への損傷を低減すること、そして水噴霧器を使用して冷たい水を試料に導入し、レーザアブレーションを助け、熱損傷から試料を保護することによって達成される。これは、不注意による怪我又はレーザビームと接触する物体からの損傷を防止することを助ける消耗シールドを用いて、操作スタッフを保護することによっても更に達成される。
硬い生体組織を正確に切断するために、説明される実施形態は、ロボットアームを使用してエンドエフェクタを目標の上に位置決めし、次いで走査ヘッドを使用して、より大きな正確性でレーザを方向付ける。加えて、３Ｄ計測学センサを使用して試料のジオメトリをマップする。これに関して、平面又は球座標系のいずれかに基づいて、３Ｄジオメトリの次元を減らして一連の２Ｄマップにし、これにより、より早い処理と、外科医１６のために理解がより容易な表示を可能にする。すべての他のセンサ情報を同じ２Ｄマップ上にオーバーレイすることができる。切除表面分析は、患者との最良のフィット及びアライメントを可能にする。ハイパースペクトルセンサを使用して組織タイプ間を区別する。音響センサを使用して、レーザが、予期しない物体に衝突したかどうかを検出する。試料上のレーザ処理基準マークを使用して、（位置センサで提供されるものに加えて）高い正確性のトラッキングを可能にする。レーザ機械加工プロセスを改良するためにセンサデータのフィードバックを使用し、シミュレーション、テスト及びデータロギング（ビッグデータ）を可能にするマスターシステムコーディネータを有することで、アブレーションプロセスに対するインテリジェントな制御を提供する。
硬い生体組織を清潔に切断するために、説明される実施形態は、真空バッグとして機能する粒子収集器を消耗シールドに組み込む。加えて、一連のトラップ及びフィルタを使用して特定の物質を格納し、それにより、大きなスケールの粒子ですぐにいっぱいになることから、最終的なＨＥＰＡフィルタを守る。
当業者には、本明細書で説明される本発明に対する変形及び修正が、その精神及び範囲から逸脱することなく明らかになることが理解されよう。当業者に明らかであるような変形及び修正は、本明細書で説明されるような本発明の広範な範囲及び領域内にあるものと思われる。
また、本出願に基づいて又は本出願から優先権を主張して、将来の特許出願がオーストラリア又は海外で出願される可能性がある。以下の暫定的な請求項は、例示のためだけに提供されており、そのようないずれかの将来の出願において特許請求され得るものの範囲を限定するように意図されていないことが理解されよう。本発明を更に定義又は再定義するために、後日、暫定的な請求項に特徴を追加するか又はそれらの請求項から特徴が省略されることがある。
以下に、出願当初の特許請求の範囲の内容を実施例として記載しておく。
［実施例１］
骨を含む生体組織のレーザ成形のためのロボット支援レーザ骨切り術システムであって、当該システムは：
レーザアブレーションを含む作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう動作可能なレーザを備えるツールと；
前記作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう前記生体組織に対して前記ツールを位置決めする位置決め手段と；
コントローラと；
前記コントローラを制御するための電子プログラム命令を格納するストレージと；
入力手段と；
を備え、
前記コントローラは、前記電子プログラム命令の制御下で、
前記入力手段を介して入力を受け取り、
前記入力を処理し、該処理に基づいて、前記生体組織を加工するよう前記位置決め手段及び前記ツールを制御する、
よう動作可能である、システム。
［実施例２］
前記コントローラによって実行される入力の処理は、前記入力の分析と、該分析に基づいて決定を行うことを含み、決定が行われると、前記コントローラは、前記電子プログラム命令の制御下で、前記決定に基づいてアクションを開始して、試料を加工するように前記位置決め手段及び前記ツールを制御するよう動作可能である、
実施例１に記載のシステム。
［実施例３］
前記分析の少なくとも一部として、前記コントローラは、前記電子プログラム命令の制御下で、
前記作業の少なくとも１つのアクションに関連する１つ以上の基準を、入力に基づいて生成するか、入力として受け取り、
前記決定を行う際に前記基準を使用する、
よう動作可能である、
実施例２に記載のシステム。
［実施例４］
前記基準は、前記作業の少なくとも１つのアクションのスピード、前記作業の少なくとも１つのアクションの正確性、前記作業の少なくとも１つのアクションの安全性及び前記作業の少なくとも１つのアクションの清潔さのうちの少なくとも１つを含む、
実施例３に記載のシステム。
［実施例５］
前記分析の少なくとも一部として、前記コントローラは、前記電子プログラム命令の制御下で、
前記生体組織の表現を入力に基づいて生成するか、入力として受け取り、
前記生体組織の他の表現を入力に基づいて生成するか、入力として受け取り、前記生体組織の他の表現は、前記生体組織の異なる表現であり、
前記生体組織の前記表現と前記生体組織の前記他の表現に基づいて評価を行い、前記決定を行う際に前記評価を使用する、
よう動作可能である、
実施例２乃至４のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例６］
前記生体組織の前記表現は、前記生体組織の状態の表現を備える、
実施例５に記載のシステム。
［実施例７］
前記生体組織の前記状態は、前記作業の少なくとも１つのアクションが実行された後の前記生体組織のプランニングされた状態を備える、
実施例６に記載のシステム。
［実施例８］
前記生体組織の前記他の表現は、前記生体組織の他の状態の表現を備える、
実施例７に記載のシステム。
［実施例９］
前記生体組織の前記他の状態は、前記作業の少なくとも１つのアクションが実行された後の前記生体組織の実際の状態を備える、
実施例８に記載のシステム。
［実施例１０］
前記評価を行うことは、前記作業の少なくとも１つのアクションが実行された後の前記生体組織の前記実際の状態を前記生体組織の前記プランニングされた状態と比較することを備える、
実施例９に記載のシステム。
［実施例１１］
前記入力手段は少なくとも１つのセンサを備える、
実施例１乃至１０のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例１２］
前記少なくとも１つのセンサは、センサセットを含むセンサシステムの一部であり、前記センサセット内の個々のセンサは、当該システム、試料及び周囲環境、あるいはそれらに関連付けられるかそれらに結合されるコンポーネント、システム又はデバイスのうちの１つ以上についての、１つ以上の特性、性質及び／又はパラメータに関連付けられるかこれに関連するセンサデータ及び／又は情報を、モニタ、感知及び収集又は測定するよう動作可能である、
実施例１１に記載のシステム。
［実施例１３］
前記センサセット内のセンサは：ラマン分光法；ハイパースペクトルイメージング；光学イメージング；熱イメージング；蛍光分光法、顕微鏡検査、音響、３Ｄ計測学、光学コヒーレンストモグラフィ、レーザパワー及び任意の非侵襲的感知；に基づくものを含む、
実施例１２に記載のシステム。
［実施例１４］
当該システムによって実行される動作は、外科医の制御下で半自動的に、あるいは人的介入を必要とせずに自動的に起こる、
実施例１乃至１３のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例１５］
前記作業の少なくとも１つのアクションは、外科的処置の一部である、
実施例１乃至１４のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例１６］
前記ツールは、前記作業の少なくとも１つのアクションとして減法アブレーションを実行するよう動作可能なレーザを備える、
実施例１乃至１５のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例１７］
前記入力の処理は、アブレーションの速度を向上させるために前記レーザによって生成される放射ビームと前記生体組織との間の相互作用の力学に基づいて前記レーザの動作を最適化することを含む、
実施例１に記載のシステム。
［実施例１８］
前記の最適化は、安全性及び正確性の少なくとも一方を含む基準を考慮して、切断される生体組織の体積を増加させるか最大限にしようとすることを含む、
実施例１７に記載のシステム。
［実施例１９］
放射ビームは前記レーザによってパルスで生成され、レーザパルスは、試料にわたる異なる位置における事前計算されたパルスのセットを含むアブレーション実行にバッチ処理される、
実施例１７又は１８に記載のシステム。
［実施例２０］
前記の制御は、前記アブレーションが実行された後に試料の最終表面に対する損傷を減少又は軽減するように低電力で前記レーザを作動させることを含む、
実施例１７乃至１９のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例２１］
当該システムの１つ以上のコンポーネントを冷却するための冷却手段を備える、
実施例１乃至２０のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例２２］
前記冷却手段は、前記レーザを冷却するための冷却剤を冷やすために冷却剤冷却装置を備える、
実施例２１に記載のシステム。
［実施例２３］
前記レーザの動作の最適化は、レーザアブレーションを助け、かつ、少なくともある程度まで試料を熱損傷から保護するために、前記試料に液体を噴霧するための噴霧器を備える、
実施例１７に記載のシステム。
［実施例２４］
前記噴霧器の液体は水を含む、
実施例２３に記載のシステム。
［実施例２５］
冷却手段は、少なくとも２つの区分された断熱された導管のバンドルを含む、
実施例２１乃至２４のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例２６］
前記生体組織の作業中に保護を提供するためのシールドを備える、
実施例１乃至２５のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例２７］
前記シールドは消耗シールドを含む、
実施例２６に記載のシステム。
［実施例２８］
前記消耗シールドは、粒子状物質を濾過及び格納するための粒子収集器及び／又は一連のフィルタ及び／又はトラップを含む、
実施例２７に記載のシステム。
［実施例２９］
前記位置決め手段はロボットアームを含む、
実施例１乃至２８のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例３０］
前記ツールの作業部分は前記ロボットアームのエンドエフェクタ上に設けられる、
実施例２９に記載のシステム。
［実施例３１］
前記ツールの前記作業部分を向上した正確性で方向付けるための微動コントローラ適合手段を更に備える、
実施例３０に記載のシステム。
［実施例３２］
前記入力が３Ｄ計測学センサからの入力を含むとき、前記の処理は、前記入力を使用して、前記生体組織及び周囲環境のジオメトリをマッピングすることを含む、
実施例１乃至３１のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例３３］
前記の処理は、３次元（３Ｄ）と２次元（２Ｄ）の間を変換するための平面、球状、円柱又は任意の他の座標系に基づいて、３次元（３Ｄ）ジオメトリの次元を減らして１組又は一連の２次元（２Ｄ）マップにすることを更に含む、
実施例３２に記載のシステム。
［実施例３４］
前記の処理は、同じ２Ｄマップ上に他のセンサ情報をオーバーレイすることを更に含む、
実施例３３に記載のシステム。
［実施例３５］
前記入力が、ハイパースペクトルセンサ、ラマン分光センサ、顕微鏡センサ、光学イメージングセンサ又は光学コヒーレンストモグラフィからの入力を含むとき、前記の処理は、前記入力を使用して、前記生体組織と潜在的な試料の構成成分を区別することを含む、
実施例１乃至３４のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例３６］
前記入力が熱センサからの入力を含むとき、前記の処理は、前記入力を使用して、加工される前記生体組織に対する熱損傷等のいずれかの温度効果と、更なる加工で生じる可能性が高い任意の更なる影響を決定することを含む、
実施例１乃至３５のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例３７］
前記入力が音響センサからの入力を含むとき、前記の処理は、前記音響センサの入力を使用して、前記ツールが、意図しない又は予期しない生体組織又は試料を加工したかどうかを検出することを含む、
実施例１乃至３６のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例３８］
前記入力がレーザパワーセンサからの入力を含むとき、前記の処理は、前記入力を使用して、レーザビームによって生じている実際のパワーを決定することを含む、
実施例１乃至３７のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例３９］
追跡のために前記レーザによって前記生体組織の上に設けられる基準マークを含む、
実施例１乃至３８のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例４０］
前記入力が少なくとも１つのセンサからの入力を含むとき、前記の処理は、前記センサの入力を使用して、前記生体組織を加工するよう前記位置決め手段及び前記ツールの制御を改良することを含む、
実施例１乃至３９のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例４１］
前記コントローラは、当該システムのインテリジェント制御を提供するためのインテリジェントコントローラを含む、
実施例１乃至４０のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例４２］
前記インテリジェントコントローラは、シミュレーション、テスト及びデータロギング操作のうちの１つ以上を含む、当該システムの動作を制御するためのマスターシステムコーディネータを含む、
実施例４１に記載のシステム。
［実施例４３］
前記インテリジェントコントローラは、機械知覚又は機械学習を含むがこれらに限定されない人工知能（ＡＩ）ソフトウェアを含む、
実施例４１又は４２に記載のシステム。
［実施例４４］
動的集束光学系及び動的集束光学系コントローラを更に備え、前記動的集束光学系は、前記動的集束光学系コントローラを介して前記コントローラによって望まれるとおりに決定される目標距離でレーザビームの焦点距離及び焦点ビームを動的に変更するよう動作可能である、
実施例１乃至４３のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例４５］
生体組織を加工するための方法であって、当該方法は：
コントローラを制御するための電子プログラム命令を格納するステップと；
入力手段を介して入力を受け取り、
前記入力を処理し、前記生体組織を加工するために、前記処理に基づいて、作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう動作可能なツールと、前記作業の少なくとも１つのアクションを実行するために試料に対して前記ツールを位置決めする位置決め手段とを制御する、
ように前記電子プログラム命令を介して前記コントローラを制御するステップと；
を含む、方法。
［実施例４６］
前記コントローラによって実行される入力の処理は、前記入力の分析と、該分析に基づいて決定を行うことを含み、決定が行われると、当該方法は、前記電子プログラム命令の制御下で、前記決定に基づいてアクションを開始して、前記生体組織を加工するよう前記位置決め手段と前記ツールを制御するように、前記コントローラを制御するステップを含む、
実施例４５に記載の方法。
［実施例４７］
前記分析の少なくとも一部として、前記コントローラは、前記電子プログラム命令の制御下で、
前記生体組織の表現を入力に基づいて生成するか、入力として受け取り、
前記生体組織の他の表現を入力に基づいて生成するか、入力として受け取り、試料の前記他の表現は、前記生体組織の異なる表現であり、
前記生体組織の前記表現と前記生体組織の前記他の表現に基づいて評価を行い、前記決定を行う際に前記評価を使用する、
ように動作可能である、
実施例４６に記載の方法。
［実施例４８］
前記生体組織の前記表現は、前記生体組織の状態の表現を含む、
実施例４７に記載の方法。
［実施例４９］
前記生体組織の前記状態は、前記作業の少なくとも１つのアクションが実行された後の前記生体組織のプランニングされた状態を含む、
実施例４８に記載の方法。
［実施例５０］
前記他の表現は、前記生体組織の他の状態の表現を含む、
実施例４９に記載の方法。
［実施例５１］
前記生体組織の前記他の状態は、前記作業の少なくとも１つのアクションが実行された後の前記生体組織の実際の状態を含む、
実施例５０に記載の方法。
［実施例５２］
演算手段によって実行されると、該演算手段に実施例４５乃至５１のいずれか一項に記載の方法を実行させる命令が格納される、コンピュータ読取可能記憶媒体。
［実施例５３］
実施例４５乃至５１のいずれか一項に記載の方法を実行するようにプログラムされた演算手段。
［実施例５４］
コンピューティングシステムが受け取って解釈することができる少なくとも１つの命令を含む、データ信号であって、前記命令が、実施例４５乃至５１のいずれか一項に記載の方法を実施する、データ信号。
［実施例５５］
生体組織を加工するためのコンピュータプログラムが記録されたコンピュータ読取可能媒体を有するコンピュータプログラム製品であって、前記コンピュータ読取可能媒体は、コントローラを制御するための命令を備え、当該コンピュータプログラム製品は：
電子プログラム命令を介して前記コントローラを制御するためのコンピュータプログラムコード手段と；
入力手段を介して入力を受け取るためのコンピュータプログラムコード手段と；
前記入力を処理し、前記生体組織を加工するために、前記処理に基づいて、作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう動作可能なツールと、前記作業の少なくとも１つのアクションを実行するために試料に対して前記ツールを位置決めする位置決め手段とを制御するためのコンピュータプログラムコード手段と；
を備える、コンピュータプログラム製品。
［実施例５６］
生体組織を加工するためのコンピュータプログラムであって、該プログラムは：
コントローラを制御するための命令であって、コンピュータ読取可能媒体に格納されている命令を取り出すためのコードと；
電子プログラム命令を介して前記コントローラを制御するためのコードと；
入力手段を介して入力を受け取るためのコードと；
前記入力を処理し、前記生体組織を加工するために、前記処理に基づいて、作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう動作可能なツールと、前記作業の少なくとも１つのアクションを実行するために試料に対して前記ツールを位置決めする位置決め手段とを制御するためのコードと；
を備える、コンピュータプログラム。
［実施例５７］
電子デバイスであって：
ユーザからの入力を受け取るよう構成される入力コンポーネントと；
前記ユーザに出力を提供するよう構成される出力コンポーネントと；
前記入力コンポーネント及び前記出力コンポーネントに結合されるプロセッサと；
前記プロセッサによって実行されると、前記プロセッサに、
コントローラを制御するための命令であって、コンピュータ読取可能媒体に格納されている命令を取得させ、
電子プログラム命令を介して、
入力手段を介して入力を受け取り、
前記入力を処理し、生体組織を加工するために、前記処理に基づいて、作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう動作可能なツールと、前記作業の少なくとも１つのアクションを実行するために試料に対して前記ツールを位置決めするための位置決め手段とを制御する、
ように前記コントローラを制御させる、
ためのプログラム命令を含むコンピュータ読取可能記憶媒体と；
を備える、電子デバイス。
［実施例１］
骨を含む生体組織のレーザ成形のためのロボット支援レーザ骨切り術システムであって、当該システムは：
レーザアブレーションを含む作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう動作可能なレーザを備えるツールと；
前記作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう前記生体組織に対して前記ツールを位置決めする位置決め手段と；
コントローラと；
前記コントローラを制御するための電子プログラム命令を格納するストレージと；
入力手段と；
を備え、
前記コントローラは、前記電子プログラム命令の制御下で、
前記入力手段を介して入力を受け取り、
前記入力を処理し、該処理に基づいて、前記生体組織を加工するよう前記位置決め手段及び前記ツールを制御する、
よう動作可能である、システム。
［実施例２］
前記コントローラによって実行される入力の処理は、前記入力の分析と、該分析に基づいて決定を行うことを含み、決定が行われると、前記コントローラは、前記電子プログラム命令の制御下で、前記決定に基づいてアクションを開始して、試料を加工するように前記位置決め手段及び前記ツールを制御するよう動作可能である、
実施例１に記載のシステム。
［実施例３］
前記分析の少なくとも一部として、前記コントローラは、前記電子プログラム命令の制御下で、
前記作業の少なくとも１つのアクションに関連する１つ以上の基準を、入力に基づいて生成するか、入力として受け取り、
前記決定を行う際に前記基準を使用する、
よう動作可能である、
実施例２に記載のシステム。
［実施例４］
前記基準は、前記作業の少なくとも１つのアクションのスピード、前記作業の少なくとも１つのアクションの正確性、前記作業の少なくとも１つのアクションの安全性及び前記作業の少なくとも１つのアクションの清潔さのうちの少なくとも１つを含む、
実施例３に記載のシステム。
［実施例５］
前記分析の少なくとも一部として、前記コントローラは、前記電子プログラム命令の制御下で、
前記生体組織の表現を入力に基づいて生成するか、入力として受け取り、
前記生体組織の他の表現を入力に基づいて生成するか、入力として受け取り、前記生体組織の他の表現は、前記生体組織の異なる表現であり、
前記生体組織の前記表現と前記生体組織の前記他の表現に基づいて評価を行い、前記決定を行う際に前記評価を使用する、
よう動作可能である、
実施例２乃至４のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例６］
前記生体組織の前記表現は、前記生体組織の状態の表現を備える、
実施例５に記載のシステム。
［実施例７］
前記生体組織の前記状態は、前記作業の少なくとも１つのアクションが実行された後の前記生体組織のプランニングされた状態を備える、
実施例６に記載のシステム。
［実施例８］
前記生体組織の前記他の表現は、前記生体組織の他の状態の表現を備える、
実施例７に記載のシステム。
［実施例９］
前記生体組織の前記他の状態は、前記作業の少なくとも１つのアクションが実行された後の前記生体組織の実際の状態を備える、
実施例８に記載のシステム。
［実施例１０］
前記評価を行うことは、前記作業の少なくとも１つのアクションが実行された後の前記生体組織の前記実際の状態を前記生体組織の前記プランニングされた状態と比較することを備える、
実施例９に記載のシステム。
［実施例１１］
前記入力手段は少なくとも１つのセンサを備える、
実施例１乃至１０のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例１２］
前記少なくとも１つのセンサは、センサセットを含むセンサシステムの一部であり、前記センサセット内の個々のセンサは、当該システム、試料及び周囲環境、あるいはそれらに関連付けられるかそれらに結合されるコンポーネント、システム又はデバイスのうちの１つ以上についての、１つ以上の特性、性質及び／又はパラメータに関連付けられるかこれに関連するセンサデータ及び／又は情報を、モニタ、感知及び収集又は測定するよう動作可能である、
実施例１１に記載のシステム。
［実施例１３］
前記センサセット内のセンサは：ラマン分光法；ハイパースペクトルイメージング；光学イメージング；熱イメージング；蛍光分光法、顕微鏡検査、音響、３Ｄ計測学、光学コヒーレンストモグラフィ、レーザパワー及び任意の非侵襲的感知；に基づくものを含む、
実施例１２に記載のシステム。
［実施例１４］
当該システムによって実行される動作は、外科医の制御下で半自動的に、あるいは人的介入を必要とせずに自動的に起こる、
実施例１乃至１３のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例１５］
前記作業の少なくとも１つのアクションは、外科的処置の一部である、
実施例１乃至１４のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例１６］
前記ツールは、前記作業の少なくとも１つのアクションとして減法アブレーションを実行するよう動作可能なレーザを備える、
実施例１乃至１５のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例１７］
前記入力の処理は、アブレーションの速度を向上させるために前記レーザによって生成される放射ビームと前記生体組織との間の相互作用の力学に基づいて前記レーザの動作を最適化することを含む、
実施例１に記載のシステム。
［実施例１８］
前記の最適化は、安全性及び正確性の少なくとも一方を含む基準を考慮して、切断される生体組織の体積を増加させるか最大限にしようとすることを含む、
実施例１７に記載のシステム。
［実施例１９］
放射ビームは前記レーザによってパルスで生成され、レーザパルスは、試料にわたる異なる位置における事前計算されたパルスのセットを含むアブレーション実行にバッチ処理される、
実施例１７又は１８に記載のシステム。
［実施例２０］
前記の制御は、前記アブレーションが実行された後に試料の最終表面に対する損傷を減少又は軽減するように低電力で前記レーザを作動させることを含む、
実施例１７乃至１９のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例２１］
当該システムの１つ以上のコンポーネントを冷却するための冷却手段を備える、
実施例１乃至２０のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例２２］
前記冷却手段は、前記レーザを冷却するための冷却剤を冷やすために冷却剤冷却装置を備える、
実施例２１に記載のシステム。
［実施例２３］
前記レーザの動作の最適化は、レーザアブレーションを助け、かつ、少なくともある程度まで試料を熱損傷から保護するために、前記試料に液体を噴霧するための噴霧器を備える、
実施例１７に記載のシステム。
［実施例２４］
前記噴霧器の液体は水を含む、
実施例２３に記載のシステム。
［実施例２５］
冷却手段は、少なくとも２つの区分された断熱された導管のバンドルを含む、
実施例２１乃至２４のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例２６］
前記生体組織の作業中に保護を提供するためのシールドを備える、
実施例１乃至２５のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例２７］
前記シールドは消耗シールドを含む、
実施例２６に記載のシステム。
［実施例２８］
前記消耗シールドは、粒子状物質を濾過及び格納するための粒子収集器及び／又は一連のフィルタ及び／又はトラップを含む、
実施例２７に記載のシステム。
［実施例２９］
前記位置決め手段はロボットアームを含む、
実施例１乃至２８のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例３０］
前記ツールの作業部分は前記ロボットアームのエンドエフェクタ上に設けられる、
実施例２９に記載のシステム。
［実施例３１］
前記ツールの前記作業部分を向上した正確性で方向付けるための微動コントローラ適合手段を更に備える、
実施例３０に記載のシステム。
［実施例３２］
前記入力が３Ｄ計測学センサからの入力を含むとき、前記の処理は、前記入力を使用して、前記生体組織及び周囲環境のジオメトリをマッピングすることを含む、
実施例１乃至３１のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例３３］
前記の処理は、３次元（３Ｄ）と２次元（２Ｄ）の間を変換するための平面、球状、円柱又は任意の他の座標系に基づいて、３次元（３Ｄ）ジオメトリの次元を減らして１組又は一連の２次元（２Ｄ）マップにすることを更に含む、
実施例３２に記載のシステム。
［実施例３４］
前記の処理は、同じ２Ｄマップ上に他のセンサ情報をオーバーレイすることを更に含む、
実施例３３に記載のシステム。
［実施例３５］
前記入力が、ハイパースペクトルセンサ、ラマン分光センサ、顕微鏡センサ、光学イメージングセンサ又は光学コヒーレンストモグラフィからの入力を含むとき、前記の処理は、前記入力を使用して、前記生体組織と潜在的な試料の構成成分を区別することを含む、
実施例１乃至３４のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例３６］
前記入力が熱センサからの入力を含むとき、前記の処理は、前記入力を使用して、加工される前記生体組織に対する熱損傷等のいずれかの温度効果と、更なる加工で生じる可能性が高い任意の更なる影響を決定することを含む、
実施例１乃至３５のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例３７］
前記入力が音響センサからの入力を含むとき、前記の処理は、前記音響センサの入力を使用して、前記ツールが、意図しない又は予期しない生体組織又は試料を加工したかどうかを検出することを含む、
実施例１乃至３６のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例３８］
前記入力がレーザパワーセンサからの入力を含むとき、前記の処理は、前記入力を使用して、レーザビームによって生じている実際のパワーを決定することを含む、
実施例１乃至３７のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例３９］
追跡のために前記レーザによって前記生体組織の上に設けられる基準マークを含む、
実施例１乃至３８のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例４０］
前記入力が少なくとも１つのセンサからの入力を含むとき、前記の処理は、前記センサの入力を使用して、前記生体組織を加工するよう前記位置決め手段及び前記ツールの制御を改良することを含む、
実施例１乃至３９のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例４１］
前記コントローラは、当該システムのインテリジェント制御を提供するためのインテリジェントコントローラを含む、
実施例１乃至４０のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例４２］
前記インテリジェントコントローラは、シミュレーション、テスト及びデータロギング操作のうちの１つ以上を含む、当該システムの動作を制御するためのマスターシステムコーディネータを含む、
実施例４１に記載のシステム。
［実施例４３］
前記インテリジェントコントローラは、機械知覚又は機械学習を含むがこれらに限定されない人工知能（ＡＩ）ソフトウェアを含む、
実施例４１又は４２に記載のシステム。
［実施例４４］
動的集束光学系及び動的集束光学系コントローラを更に備え、前記動的集束光学系は、前記動的集束光学系コントローラを介して前記コントローラによって望まれるとおりに決定される目標距離でレーザビームの焦点距離及び焦点ビームを動的に変更するよう動作可能である、
実施例１乃至４３のいずれか一項に記載のシステム。
［実施例４５］
生体組織を加工するための方法であって、当該方法は：
コントローラを制御するための電子プログラム命令を格納するステップと；
入力手段を介して入力を受け取り、
前記入力を処理し、前記生体組織を加工するために、前記処理に基づいて、作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう動作可能なツールと、前記作業の少なくとも１つのアクションを実行するために試料に対して前記ツールを位置決めする位置決め手段とを制御する、
ように前記電子プログラム命令を介して前記コントローラを制御するステップと；
を含む、方法。
［実施例４６］
前記コントローラによって実行される入力の処理は、前記入力の分析と、該分析に基づいて決定を行うことを含み、決定が行われると、当該方法は、前記電子プログラム命令の制御下で、前記決定に基づいてアクションを開始して、前記生体組織を加工するよう前記位置決め手段と前記ツールを制御するように、前記コントローラを制御するステップを含む、
実施例４５に記載の方法。
［実施例４７］
前記分析の少なくとも一部として、前記コントローラは、前記電子プログラム命令の制御下で、
前記生体組織の表現を入力に基づいて生成するか、入力として受け取り、
前記生体組織の他の表現を入力に基づいて生成するか、入力として受け取り、試料の前記他の表現は、前記生体組織の異なる表現であり、
前記生体組織の前記表現と前記生体組織の前記他の表現に基づいて評価を行い、前記決定を行う際に前記評価を使用する、
ように動作可能である、
実施例４６に記載の方法。
［実施例４８］
前記生体組織の前記表現は、前記生体組織の状態の表現を含む、
実施例４７に記載の方法。
［実施例４９］
前記生体組織の前記状態は、前記作業の少なくとも１つのアクションが実行された後の前記生体組織のプランニングされた状態を含む、
実施例４８に記載の方法。
［実施例５０］
前記他の表現は、前記生体組織の他の状態の表現を含む、
実施例４９に記載の方法。
［実施例５１］
前記生体組織の前記他の状態は、前記作業の少なくとも１つのアクションが実行された後の前記生体組織の実際の状態を含む、
実施例５０に記載の方法。
［実施例５２］
演算手段によって実行されると、該演算手段に実施例４５乃至５１のいずれか一項に記載の方法を実行させる命令が格納される、コンピュータ読取可能記憶媒体。
［実施例５３］
実施例４５乃至５１のいずれか一項に記載の方法を実行するようにプログラムされた演算手段。
［実施例５４］
コンピューティングシステムが受け取って解釈することができる少なくとも１つの命令を含む、データ信号であって、前記命令が、実施例４５乃至５１のいずれか一項に記載の方法を実施する、データ信号。
［実施例５５］
生体組織を加工するためのコンピュータプログラムが記録されたコンピュータ読取可能媒体を有するコンピュータプログラム製品であって、前記コンピュータ読取可能媒体は、コントローラを制御するための命令を備え、当該コンピュータプログラム製品は：
電子プログラム命令を介して前記コントローラを制御するためのコンピュータプログラムコード手段と；
入力手段を介して入力を受け取るためのコンピュータプログラムコード手段と；
前記入力を処理し、前記生体組織を加工するために、前記処理に基づいて、作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう動作可能なツールと、前記作業の少なくとも１つのアクションを実行するために試料に対して前記ツールを位置決めする位置決め手段とを制御するためのコンピュータプログラムコード手段と；
を備える、コンピュータプログラム製品。
［実施例５６］
生体組織を加工するためのコンピュータプログラムであって、該プログラムは：
コントローラを制御するための命令であって、コンピュータ読取可能媒体に格納されている命令を取り出すためのコードと；
電子プログラム命令を介して前記コントローラを制御するためのコードと；
入力手段を介して入力を受け取るためのコードと；
前記入力を処理し、前記生体組織を加工するために、前記処理に基づいて、作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう動作可能なツールと、前記作業の少なくとも１つのアクションを実行するために試料に対して前記ツールを位置決めする位置決め手段とを制御するためのコードと；
を備える、コンピュータプログラム。
［実施例５７］
電子デバイスであって：
ユーザからの入力を受け取るよう構成される入力コンポーネントと；
前記ユーザに出力を提供するよう構成される出力コンポーネントと；
前記入力コンポーネント及び前記出力コンポーネントに結合されるプロセッサと；
前記プロセッサによって実行されると、前記プロセッサに、
コントローラを制御するための命令であって、コンピュータ読取可能媒体に格納されている命令を取得させ、
電子プログラム命令を介して、
入力手段を介して入力を受け取り、
前記入力を処理し、生体組織を加工するために、前記処理に基づいて、作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう動作可能なツールと、前記作業の少なくとも１つのアクションを実行するために試料に対して前記ツールを位置決めするための位置決め手段とを制御する、
ように前記コントローラを制御させる、
ためのプログラム命令を含むコンピュータ読取可能記憶媒体と；
を備える、電子デバイス。
Claims (18)
- 骨を含む硬い生体組織を成形するためのレーザ骨切り術システムであって、当該システムは：
レーザアブレーションを含む作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう動作可能なレーザを備えるツールと；
前記作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう前記硬い生体組織に対して前記ツールを位置決めする位置決め手段と；
入力手段と；
前記生体組織及び該生体組織の周りの環境からの圧力波を測定するように動作可能な音響センサと；
コントローラと；
を備え、
前記コントローラは、
前記入力手段を介して前記音響センサによって測定された圧力波を含む入力を受け取り、
前記入力に対して処理を実行し、前記ツールが、意図しない又は予期しない生体組織又は試料を加工したかどうかを検出し、該検出には、前記圧力波を分析して、アブレーションが前記ツールによって前記硬い生体組織に対して行われたかどうか又は前記意図しない又は予期しない生体組織が前記ツールによって影響を受けたかの判定が含まれ、前記圧力波の分析には、前記圧力波を１つ又は複数のアブレーションサウンドに関係付けることが含まれ、
前記処理に基づいて、前記硬い生体組織を加工するよう前記位置決め手段及び前記ツールを制御する、
よう動作可能であり、当該システムは、関節形成術及び再建を実行するべく使用されるよう適合される、
システム。 - 前記コントローラによって実行される受け取った前記入力の処理は、電子プログラム命令の制御下で、受け取った前記入力の分析と、該分析及び前記作業の少なくとも１つのアクションに関連する基準に基づいて決定を行い、前記硬い生体組織を加工するように前記位置決め手段及び前記ツールを制御することが含まれ、
前記基準は、前記作業の少なくとも１つのアクションのスピード、前記作業の少なくとも１つのアクションの正確性、前記作業の少なくとも１つのアクションの安全性、及び前記作業の少なくとも１つのアクションの清潔さのうちの少なくとも１つを含む、
請求項１に記載のシステム。 - 前記分析の少なくとも一部として、前記コントローラは、
前記硬い生体組織の第１の表現を入力に基づいて生成するか、入力として受け取り、
前記作業の少なくとも１つのアクションの後の前記硬い生体組織の計画した状態を含む前記硬い生体組織の第２の表現を生成し、
前記硬い生体組織の前記第１の表現及び前記硬い生体組織の前記第２の表現に基づいて評価を行い、前記決定を行う際に前記評価を使用する、
よう動作可能である、
請求項２に記載のシステム。 - 前記入力手段は、センサセットを含む少なくとも１つのセンサシステムを含み、前記センサセット内の個々のセンサは、当該システム、前記硬い生体組織、及び周囲環境、あるいはそれらに関連付けられるかそれらに結合されるコンポーネント、システム、又はデバイスのうちの１つ以上についての、１つ以上の特性、性質及び／又はパラメータに関連付けられるかこれに関連するセンサデータ及び／又は情報を、モニタ、感知及び収集又は測定するよう動作可能であり、前記センサセットのセンサは：ラマン分光法；ハイパースペクトルイメージング；光学イメージング；熱イメージング；蛍光分光法、顕微鏡検査、音響、３Ｄ計測学、光学コヒーレンストモグラフィ、レーザパワー、及び任意の非侵襲的感知；に基づくものを含む、
請求項１に記載のシステム。 - 当該システムによって実行される動作は、外科医の制御下で半自動的に、あるいは人的介入を必要とせずに自動的に起こる、
請求項１に記載のシステム。 - 前記処理は、前記硬い生体組織に対する影響を制御するために前記レーザによって生成される放射ビームと前記硬い生体組織との間の相互作用の力学に基づいて前記レーザの動作を変更することを含み、前記影響には、アブレーション速度の変更、表面に対する損傷の減少又は軽減、前記アブレーションの安全性及び正確性の増加が含まれる、
請求項１に記載のシステム。 - 放射ビームは前記レーザによってパルスで生成され、レーザパルスは、前記硬い生体組織にわたる異なる位置における事前計算されたパルスのセットを含むアブレーション実行にバッチ処理される、
請求項１に記載のシステム。 - 前記レーザを含む前記ツールは、レーザアブレーションを助け、かつ、少なくともある程度まで前記硬い生体組織を熱損傷から保護するために、前記硬い生体組織に対して液体を噴霧するための噴霧器を備える、
請求項１に記載のシステム。 - 当該システムは、当該システムの１つ又は複数のコンポーネント及び液体を冷却するための冷却手段を含む、
請求項１に記載のシステム。 - 前記硬い生体組織の作業中に保護を提供するためのシールドを含み、１つ又は複数のコンポーネントは、人に対する保護を提供すること、粒子状物質を濾過及び／又はトラップし格納すること、使い捨てカバーを使用することにより汚染から当該システムを保護すること、のうちの１つ又は複数を提供するためのシールドである、
請求項１に記載のシステム。 - 前記位置決め手段は多関節アームを含み、前記ツールが該多関節アームに取り付けられる、
請求項１に記載のシステム。 - 前記位置決め手段は、前記ツールの作業部分を向上した正確性で方向付けるよう適合された微動コントローラ手段を含む、
請求項１に記載のシステム。 - 前記の処理は、前記入力を使用して、前記硬い生体組織及び周囲環境のジオメトリをマッピングすることを含む、
請求項１に記載のシステム。 - 第２の入力手段をさらに含み、前記コントローラによる更なる処理には、前記第２の入力手段から前記硬い生体組織のタイプ及び構成を含む配置を推測することが含まれる、
請求項１に記載のシステム。 - 前記ツールは、追跡のために前記硬い生体組織上に１つ又は複数の基準マークを形成するように適合される、
請求項１に記載のシステム。 - 前記コントローラは、機械知覚又は機械学習を含む人工知能（ＡＩ）ソフトウェアを含む、
請求項１に記載のシステム。 - 前記ツールは、目標距離でレーザビームの焦点距離及び焦点ビーム直径を動的に変更するよう動作可能である動的集束光学系を含む、
請求項１に記載のシステム。 - 骨を含む硬い生体組織を加工するための方法であって、当該方法は：
コントローラを制御するための電子プログラム命令を格納するステップと；
電子プログラム命令を介して前記コントローラを制御して、入力手段を介して入力を受け取り、該入力を処理して、前記硬い生体組織からの圧力波に基づいて、ツールによって意図しない又は予期しない生体組織又は試料が加工されたかを検出するステップと；
前記処理に基づいて、作業の少なくとも１つのアクションを実行するよう動作可能なツールと、前記作業の少なくとも１つのアクションを実行するために前記試料に対して前記ツールを位置決めする位置決め手段とを制御するステップと；
を含み、
前記コントローラによって実行される入力の処理には、前記入力の分析と、該分析に基づいて決定を行うことが含まれ、決定が行われると、当該方法は、電子プログラム命令によって前記コントローラを制御して、前記決定に基づくアクションを開始して前記硬い生体組織を加工するように前記位置決め手段及び前記ツールを制御するステップを含み、
前記分析の少なくとも一部として、前記コントローラは、前記電子プログラム命令の制御下で、
前記硬い生体組織の第１の表現を入力に基づいて生成するか、入力として受け取り、
前記硬い生体組織の前記第１の表現とは異なる前記硬い生体組織の第２の表現を入力に基づいて生成するか、入力として受け取り、
前記硬い生体組織の前記第１の表現及び前記硬い生体組織の前記第２の表現に基づいて評価を行い、前記決定を行う際に前記評価を使用する、ように動作可能である、
方法。
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