JP2022059591A - ナビゲーションアレイを固定するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学ナビゲーションアレイを人間の解剖学的構造、特に脛骨や大腿骨などの骨にしっかりと接続することが必要である。【解決手段】ナビゲートピンガイドドライバシステムを使用して、膝関節を切除するためのシステムおよび方法。ナビゲートピンガイドドライバシステムは、ナビゲーションシステムと通信して、ユーザが切断ブロックピンを膝関節に配置するのを支援する。ナビゲートピンガイドドライバシステムは、ハンドルと、ナビゲーションシステムと電子的に通信する参照要素と、１つ以上の切断ブロックに対応し得る１つ以上のピンガイドチューブと、骨に取り付けるように構成された遠位先端と、を含み得る。【選択図】図４９

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１９年９月３０日に出願された米国出願第１６／５８７，２０３号の一部継続出願である、２０２０年１月８日に出願された米国出願第１６／７３７，０５４号の一部継続出願である、２０２０年４月７日に出願された米国出願第１６／８４１，９２７号の一部継続出願である。米国出願第１６／７３７，０５４号はまた、２０１９年９月２７日に出願された米国仮出願第６２／９０６，８３１号の利益を主張する。これらの出願の各々の内容は、あらゆる目的のためにそれらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、医療デバイスおよびシステムに関し、かつより具体的には、患者の解剖学的構造の切断を制御するためのロボットシステムおよび関連するエンドエフェクタ、ならびに関連する方法およびデバイスに関する。

膝関節全置換術（ＴＫＡ）は、遠位大腿骨および近位脛骨の切除面にインプラントを配置することを伴う。切除計画の場所および向きが、インプラントの場所および向きを規定し、これがひいては患者の転帰に影響を与える。外科医の間では、彼らが患者の既存の解剖学的構造に従ってインプラントをより正確に計画および配置することを可能にするナビゲーション技法を使用して、インプラントを配置することが望まれている。

ナビゲーションを使用する場合、ロボットシステムが外科手術行動を正しく向け、一致させ、実施できるようにするために、人間の解剖学的構造への何らかの参照が必要である。様々な方法を採用することができるが、１つの方法は、光学的参照／追跡アレイ（さらに「アレイ」と称される）を解剖学的構造にしっかりと配置し、それらをグローバル座標系に参照することを含む。特に整形外科手術の場合、堅固な接続を保証するために、皮質ピンを骨に配置し、アレイを皮質ピンに接続することができる。

ピンの配置および機能に関するいくつかの要件は、（１）解剖学的構造（骨）とアレイとの堅固な接続、（２）参照された解剖学的構造に対してアレイの望ましくない回転がないこと、（３）参照された解剖学的構造に対してアレイの望ましくない並進／曲げがないこと、（４）軟部組織の損傷が可能な限り少ないこと、（５）骨の損傷が可能な限り少ないこと、（６）神経／血管の損傷のリスクが可能な限り少ないこと、（７）可能な限り低侵襲であること、および（８）ナビゲーションを必要とせずに手動で１人で配置すること、であり得る。

しかしながら、皮質ピンを使用してナビゲーションアレイを大腿骨および脛骨に配置することは、いくつかの不利益がある場合がある。例えば、ピンを配置するために２つの切開が必要になる場合があり、感染のリスクや処置の時間が増加する。意図せずに骨を貫通すると、処置の最後に骨の安定が低下し、患者の身体の治癒するスポットを増加させる可能性がある。ピンを正しい向きおよびパターン／距離に配置することは、ジグを用いるか、または（多くの処置の後で）経験によってのみ可能であるため、経験の浅い外科医にとっては困難である。貫通の深さ、ならびに角度の向きおよび位置は恣意的であり得、したがって経験に依存する。骨折のリスクは、皮質壁に埋め込まれたピンおよび穴の数と共に増加する。

したがって、必要なのは、光学ナビゲーションアレイを人間の解剖学的構造、特に脛骨や大腿骨などの骨にしっかりと接続するための上記の８つの要件を満たすデバイスおよび／または方法である。他の骨構造での使用、動物での使用、骨折した骨をしっかりと接続するための使用、または光学追跡アレイ以外の構造の固定のための使用など、他の用途の分野も含まれ得る。

本開示のいくつかの実施形態は、ロボット支援外科手術で使用するための、ナビゲーションアレイを骨構造に固設するための固定デバイスを対象とする。固定デバイスは、トロカール、トロカールに挿入されるように構成された皮質ピン、および皮質ピンに取り付けられるように構成されたダボを含む。ダボは、骨構造内での皮質ピンの回転を阻止するように構成されている。固定デバイスは、皮質ピンに取り外し可能に取り付けられるように構成されたナビゲーションアレイを含む。

本開示のいくつかの実施形態は、ロボット支援外科手術で使用するための、ナビゲーションアレイを骨構造に固設するための固定デバイスを使用して、膝関節置換外科手術を実施するための方法を対象とする。この方法は、患者の軟部組織の切開を通してトロカールを挿入することと、トロカールを通して患者の骨に皮質ピンを挿入することと、ダボを骨に展開することと、を含む。ダボは、皮質ピンの先端に配設され、固定デバイスの回転を阻止する様式で骨に配設されるように構成されている。この方法は、ナビゲーションアレイを皮質ピンに取り付け、患者をナビゲーションシステムに対して位置合わせすることを含む。

本開示のさらなる理解を提供するために含まれ、か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：
本開示のいくつかの実施形態による、外科手術システムの一実施形態を例示している。 本開示のいくつかの実施形態による、図１の外科手術システムの外科手術ロボット構成要素を例示している。 本開示のいくつかの実施形態による、図１の外科手術システムのカメラ追跡システム構成要素を例示している。 ロボットアームに接続可能であり、本開示のいくつかの実施形態に従って構成された受動的なエンドエフェクタの実施形態を例示している。 外科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す。 本開示のいくつかの実施形態による、受動的なエンドエフェクタに接続するように構成されたロボットアームのエンドエフェクタカプラの実施形態を例示している。 図６のエンドエフェクタカプラの切り欠きの実施形態を例示している。 本開示のいくつかの実施形態による外科手術システムの構成要素のブロック図を例示している。 本開示のいくつかの実施形態による、外科手術ロボットとは別個のものであり、外科手術ロボットに動作可能に接続することができるか、または外科手術ロボット内に少なくとも部分的に組み込むことができる外科手術計画コンピュータを含む、外科手術システムコンピュータプラットフォームのブロック図を例示している。 本開示のいくつかの実施形態による、外科手術ロボットおよび受動的なエンドエフェクタと組み合わせて使用することができるＣアーム撮像デバイスの実施形態を例示している。 本開示のいくつかの実施形態による、外科手術ロボットおよび受動的なエンドエフェクタと組み合わせて使用することができるＯアーム撮像デバイスの実施形態を例示している。 本開示のいくつかの実施形態に従って構成される受動的なエンドエフェクタの代替実施形態を例示している。 本開示のいくつかの実施形態に従って構成される受動的なエンドエフェクタの代替実施形態を例示している。 本開示のいくつかの実施形態に従って構成される受動的なエンドエフェクタの代替実施形態を例示している。 本開示のいくつかの実施形態に従って構成される受動的なエンドエフェクタの代替実施形態を例示している。 本開示のいくつかの実施形態に従って構成される受動的なエンドエフェクタの代替実施形態を例示している。 本開示のいくつかの実施形態に従って構成される受動的なエンドエフェクタの代替実施形態を例示している。 本開示のいくつかの実施形態に従って構成される受動的なエンドエフェクタの代替実施形態を例示している。 本開示のいくつかの実施形態に従って構成される受動的なエンドエフェクタの代替実施形態を例示している。 外科手術処置中の骨の切断の進捗を示すディスプレイのスクリーンショットである。 本開示の原理に矛盾しない直接的なブレード誘導システムの例示的な実施形態を例示している。 本開示の原理に矛盾しない例示的な直接的なブレード誘導システムを例示している。 本開示の原理に矛盾しない直接的なブレード誘導システムの一部分の例示的な実施形態を例示している。 本開示の原理に矛盾しない直接的なブレード誘導システムの一部分の例示的な実施形態を例示している。 本開示の原理に矛盾しない直接的なブレード誘導システムの例示的な実施形態を例示している。 本開示の原理に矛盾しない直接的なブレード誘導システムの例示的な実施形態を例示している。 本開示の原理に矛盾しない直接的なブレード誘導システムの例示的な実施形態を例示している。 本開示の原理に矛盾しない直接的なブレード誘導システムの一部分の例示的な実施形態を例示している。 本開示の原理に矛盾しない直接的なブレード誘導システムの例示的な実施形態を例示している。 本開示の原理に矛盾しない直接的なブレード誘導システムの例示的な実施形態を例示している。 本開示の原理に矛盾しないブレードアダプタの例示的な実施形態を例示している。 本開示の原理に矛盾しない直接的なブレード誘導システムの例示的な実施形態を例示している。 本開示の原理に矛盾しない膝の外科手術を実施する方法のためのフローチャートを例示している。 本開示の原理に矛盾しないナビゲートピンガイドドライバシステムを例示している。 本開示の原理に矛盾しないナビゲートピンガイドドライバシステムを例示している。 本開示の原理に矛盾しないナビゲートピンガイドドライバシステムを例示している。 本開示の原理に矛盾しないナビゲートピンガイドドライバシステムを例示している。 本開示の原理に矛盾しないナビゲートピンガイドドライバシステムを使用して挿入された切断ブロックピンを例示している。 本開示の原理に矛盾しないナビゲートピンガイドドライバシステムを使用して挿入された切断ブロックを例示している。 本開示の原理に矛盾しないナビゲートピンガイドドライバシステムを使用して挿入された切断ブロックを例示している。 本開示の原理に矛盾しないナビゲートピンガイドドライバシステムを例示している。 本開示の原理に矛盾しないナビゲートピンガイドドライバシステムを使用して挿入された切断ブロックを例示している。 本開示の原理に矛盾しないナビゲートピンガイドドライバシステムを使用して切除された膝関節を例示している。 本開示の原理に矛盾しないナビゲートピンガイドドライバシステムを例示している。 本開示の原理に矛盾しないナビゲートピンガイドドライバシステムを使用して挿入された切断ブロックを例示している。 本開示の原理に矛盾しないナビゲーションアレイの固定デバイスを例示している。 本開示の原理に矛盾しないナビゲーションアレイの固定デバイスを例示している。 本開示の原理に矛盾しないナビゲーションアレイの固定デバイスを例示している。 本開示の原理に矛盾しないナビゲーションアレイの固定デバイスを例示している。 本開示の原理に矛盾しない例示的な回転防止ダボを例示的している。 本開示の原理に矛盾しない例示的な回転防止ダボを例示的している。 本開示の原理に矛盾しない例示的な回転防止ダボを例示的している。 例示的な逆グリッパデバイスを例示している。 折り紙／タコの指のような形状を有し得るデバイスを例示している。 巻き戻しばねデバイスを例示している。 本開示の原理に矛盾しないナビゲーションアレイの固定デバイスを例示している。

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。ただし、本発明の概念は、多くの様々な形態で具体化され得、本明細書に打ち出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、本開示が徹底的かつ完全になり、当業者に様々な本発明の概念の範囲を完全に伝えるように、これらの実施形態が提供される。これらの実施形態が相互排他的ではないことにも留意されたい。ある実施形態からの構成要素が別の実施形態に存在するまたは使用されることが暗黙のうちに前提とされ得る。

本明細書に開示される様々な実施形態は、骨切り術を必要とする外科手術的介入を実施するときの外科手術システムの操作における改善を対象とする。外科手術ロボットによって位置決めされるロボットアームに接続可能な受動的なエンドエフェクタが開示されている。受動的なエンドエフェクタは、用具取り付け機構の動きを、ある動きの範囲に制約する対の機構を有する。用具取り付け部は、発振する鋸ブレードを有する矢状鋸などの切断用の外科手術鋸に接続可能である。本機構は、作業面と平行になるように鋸ブレードの切断面を制約するように構成され得る。外科手術ロボットは、解剖学的構造が切断される場所を規定する外科手術計画に基づいて、および解剖学的構造の姿勢に基づいて、目標面の姿勢を決定することができ、目標面の姿勢と外科手術鋸の姿勢との比較に基づいて操縦情報を生み出すことができる。操縦情報は、鋸ブレードの切断面と目標面とが一致し、鋸ブレードが、受動的なエンドエフェクタの用具取り付け機構の動きの範囲内にある、切断される解剖学的構造からの距離に位置決めされるように、受動的なエンドエフェクタを移動させる必要がある場所を示す。

これらおよび他の関連する実施形態は、外科手術のための他のロボットおよび手動（例えば、ジグ）の解決策と比較して、鋸ブレードの誘導の精度を改善するように操作することができる。受動的なエンドエフェクタの機構により、外科医は、受動的なエンドエフェクタによって誘導される外科手術鋸を使用して骨を切断しながら、直接的なフォースフィードバックを解釈することに集中することが可能になり得る。本機構は、例えば、目標面と一致するように切断面を制約するように構成される、１～３つの適切に選択された自由度（例えば、１つの並進もしくは回転、２つの回転、３つの回転、または他の組み合わせなど）の端部関節を有する、平面状の機構であってもよい。外科医は、外科手術ロボットを通じて提供される音声および／または視覚による通知フィードバックに基づいて、骨を取り除く速度をより正確に監視および制御することもできる。

これらの実施形態は、関節の外科手術、とりわけ、高精度、高剛性、十分な作業空間、および直接的なフォースフィードバックを伴う膝の外科手術中に誘導を提供することができる。以下で詳細に説明されるように、骨を切断するために、追跡システムを使用して、切断面と目標面とを正確に一致させることができる。高精度の切断は、外科医が鋸ブレードを切断面に沿って移動させ、骨を切断中の鋸ブレードのフォースフィードバックを直接感知する間に、切断面と目標面とを一致させたままに制約する、平面状の機構によって達成され得る。さらに、これらの実施形態は、既存の受け入れられた外科手術ワークフローの規定された変更を通じて、外科手術の実践で迅速に展開することができる。

図１は、本開示のいくつかの実施形態による、外科手術システム２の一実施形態を示す。整形外科手術の実施前に、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従って、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、外科手術ロボット８００（例えば、図１のロボット２）および外科手術計画コンピュータ９１０を含む図９の外科手術システムコンピュータプラットフォーム９００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られる。外科手術計画コンピュータ９１０（図９）のディスプレイデバイス上の画像スキャンを概説する外科医は、患者の解剖学的構造が切断される目標面を規定する外科手術計画を生み出す。この平面は、患者の解剖学的制約、選択されたインプラント、およびそのサイズの関数である。いくつかの実施形態では、目標面を規定する外科手術計画は、ディスプレイデバイス上に表示される３Ｄ画像スキャン上で計画される。

図１の外科手術システム２は、例えば、使用するために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６と、を含む。両方のシステムを一緒に、任意の様々な機構によって機械的に結合することができる。好適な機構としては、機械的ラッチ、接合、クランプ、もしくはバットレス、または磁気もしくは磁化表面を挙げることができるが、これらに限定されない。外科手術ロボット４とカメラ追跡システム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。

整形外科手術処置は、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することができる。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６に、物理的に分離され得る。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得る。カメラ追跡システム６は、患者基部、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および軌道の姿勢の動きを追跡するのに好適な任意の他の場所に位置決めすることができる。外科手術ロボット４およびカメラ追跡システム６は、オンボード電源によって電力供給され、かつ／または外部壁コンセントに差し込まれ得る。

外科手術ロボット４は、医療処置中にツールを保持しかつ／または使用することによって外科医を補助するのに使用され得る。ツールを正しく利用し、保持するのに、外科手術ロボット４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正しく機能することに頼る場合がある。図１に示されるロボット本体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内で固定され得る構造体としての役割を果たし得る。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し得る。いくつかの実施形態では、ロボット本体８は、任意の好適な材料で作製され得る。好適な材料は、チタン、アルミニウム、もしくはステンレス鋼などの金属、炭素繊維、ガラス繊維、または頑丈なプラスチックであり得るが、これらに限定されない。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、か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、か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、ロボット本体８を複数の動力付き車輪１２に取り付けることができる。車輪へのこの取り付けにより、ロボット本体８が空間を効率良く動くことが可能になる。ロボット基部１０は、ロボット本体８の長さおよび幅に及び得る。ロボット基部１０は、約２インチ～約１０インチの高さであり得る。ロボット基部１０は、任意の好適な材料で作製され得る。好適な材料は、チタン、アルミニウム、もしくはステンレス鋼などの金属、炭素繊維、ガラス繊維、または頑丈なプラスチックもしくは樹脂であり得るが、これらに限定されない。ロボット基部１０は、動力付き車輪１２を覆い、保護し、また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。それぞれの個々の動力付き車輪１２は、いずれの方向にも垂直軸を中心として回転することができる。モータは、動力付き車輪１２の上に、中に、またはそれに隣接して配設され得る。このモータによって、外科手術システム２は、いずれの場所にも移動し、外科手術システム２を安定化させかつ／または水平にすることができる。動力付き車輪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められ得る。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得る。好適な金属は、ステンレス鋼、アルミニウム、またはチタンであり得るが、これらに限定されない。さらに、ロッドは、接触面側の端部に、図示されていない緩衝材を備えることができ、緩衝材は、ロッドが滑ることを阻止し、かつ／または好適な接触面を作り出すことができる。その材料は、緩衝材として作用するのに好適な任意の材料であり得る。好適な材料は、プラスチック、ネオプレン、ゴム、またはテクスチャ加工された金属であり得るが、これらに限定されない。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車輪１０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。各車輪上のロッドによる小さな接触範囲を通して支持される、外科手術システム２の重さは、外科手術システム２が医療処置中に動くのを防ぐ。この堅固な位置決めは、物体および／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、ロボット手すり１４を使用して容易にすることができる。ロボット手すり１４は、人に、ロボット本体８を掴むことなく、外科手術システム２を動かす能力を与える。図１に例示されるように、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より短く延びていてもよく、かつ／またはロボット本体８の長さより長く延びていてもよい。ロボットレール材１４は、任意の好適な材料で作製され得る。好適な材料は、チタン、アルミニウム、もしくはステンレス鋼などの金属、炭素繊維、ガラス繊維、または頑丈なプラスチックであり得るが、これらに限定されない。ロボット手すり１４は、ロボット本体８に対する保護をさらに備え、物体および／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、以下で「ＳＣＡＲＡ」と称される、選択的コンプライアンス多関節ロボットアームに支持を与えることができる。ＳＣＡＲＡ２４は、ロボットアームの再現性およびコンパクトさゆえに、外科手術システム２内で使用するのに都合の良いものであり得る。ＳＣＡＲＡのコンパクトさは、医療専門家が、過度の動き回りや範囲を限定することなく、医療処置を行うことを可能にし得るさらなるスペースを医療処置内に与えることができる。ＳＣＡＲＡ２４は、ロボット伸縮式支持体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で構成され得る。ロボット伸縮式支持体１６は、ロボット本体８に沿って配設され得る。図１に示されるように、ロボット伸縮式支持体１６は、ＳＣＡＲＡ２４およびディスプレイ３４に支持を与えることができる。いくつかの実施形態では、ロボット伸縮式支持体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体１６は、任意の好適な材料で作製され得る。好適な材料は、チタンもしくはステンレス鋼などの金属、炭素繊維、ガラス繊維、または頑丈なプラスチックであり得るが、これらに限定されない。ロボット伸縮式支持体１６の本体は、それに加えられる応力および重量を支持する任意の幅および／または高さであり得る。

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ＳＣＡＲＡ２４を移動させることができる。コマンドは、ディスプレイ３４および／またはタブレットで受信された入力から生じ得る。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由来し得る。図４および５に最もよく例示されるように、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み得る。起動アセンブリ６０は、移動コマンドをＳＣＡＲＡ２４に送信して、オペレータがＳＣＡＲＡ２４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ＳＣＡＲＡ２４を容易に移動させる能力を有することができる。さらに、ＳＣＡＲＡ２４が移動させるためのコマンドを受信していないとき、ＳＣＡＲＡ２４は、従事者および／または他の物体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、ＳＣＡＲＡ２４は、図４および５に示される受動的なエンドエフェクタ１１００および接続された外科手術鋸１１４０が医療手術で使用するための準備が整った強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体１６上に配設され得る。いくつかの実施形態では、図１および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体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体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、任意の好適な場所でロボット支持アーム１８に接続することができる。ロボットアーム２０は、様々な機構によってロボット支持アーム１６に取り付けられ得る。好適な機構は、ナットおよびボルト、ボールおよびソケット嵌合、圧入嵌合、溶接、接着、ねじ、リベット、クランプ、ラッチ、および／またはそれらの任意の組み合わせであり得るが、これらに限定されない。ロボットアーム２０は、ロボット支持アーム１８に対して任意の方向に回転することができ、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。この自由な回転により、オペレータは計画どおりにロボットアーム２０を位置決めすることができる。

図４および５の受動的なエンドエフェクタ１１００は、任意の好適な場所でロボットアーム２０に取り付けられ得る。以下でさらに詳細に説明されるように、受動的なエンドエフェクタ１１００は、基部、第１の機構、および第２の機構を含む。基部は、外科手術ロボット４によって位置決めされるロボットアーム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。基部をエンドエフェクタカプラ２２に取り付けることができる様々な機構としては、ラッチ、クランプ、ナットおよびボルト、ボールおよびソケット嵌合、圧入嵌合、溶接、接着、ねじ、リベット、および／またはそれらの任意の組み合わせを挙げることができるが、これらに限定されない。第１の機構は、基部への回転可能な接続部と用具取り付け機構への回転可能な接続部との間に延在する。第２の機構は、基部への回転可能な接続部と用具取り付け機構への回転可能な接続部との間に延在する。第１および第２の機構は、回転可能な接続部を中心として旋回し、かつ用具取り付け機構の動きを作業面内の動きの範囲に制約するように構成され得る。回転可能な接続部は、１つの自由度（ＤＯＦ）の運動を可能にする旋回関節であっても、２つのＤＯＦの運動を可能にするユニバーサル関節であっても、３つのＤＯＦの運動を可能にするボール関節であってもよい。用具取り付け機構は、鋸ブレードを有する外科手術鋸１１４０に接続されるか、または鋸ブレードに直接接続されるように構成される。外科手術鋸１１４０は、切断するために鋸ブレードを振幅させるように構成され得る。第１および第２の機構は、作業面と平行になるように鋸ブレードの切断面を制約するように構成され得る。旋回関節は、好ましくは、受動的なエンドエフェクタが、鋸ブレードの運動を切断面に制約するように構成される場合、平面状の機構を接続するために使用され得る。

用具取り付け機構は、ねじ、ナットおよびボルト、クランプ、ラッチ、接合、圧入嵌合、または磁石を含み得るが、これらに限定されない、様々な機構を介して、外科手術鋸１１４０または鋸ブレードに接続され得る。いくつかの実施形態では、動的基準アレイ５２は、受動的なエンドエフェクタ１１００、例えば、用具取り付け機構に取り付けられ、かつ／または外科手術鋸１１４０に取り付けられる。本明細書では「ＤＲＡ」とも称される動的基準アレイは、ナビゲートされた外科手術処置において、患者、外科手術ロボット、受動的なエンドエフェクタ、および／または外科手術鋸に配設され得る堅固な本体である。カメラ追跡システム６または他の３Ｄ位置特定システムは、ＤＲＡの追跡マーカの姿勢（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る。追跡マーカは、ボールまたは他の光学マーカの例示される配列を含み得る。追跡マーカの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空間におけるＤＲＡ５２の姿勢を決定することができる。

図１に示されるように、光表示器２８は、ＳＣＡＲＡ２４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し得る。例えば、緑の照明は、すべてのシステムが正常であることを示し得る。赤く照明されているのは、外科手術システム２が正常に動作していないことを示し得る。パルス状の光とは、外科手術システム２が機能を実施していることを意味し得る。光とパルスの組み合わせにより、現在の動作状況、状態、または他の動作表示を通信するためのほぼ無限の量の組み合わせを作り出すことができる。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し得るＬＥＤ電球によって生成され得る。光インジケータ２８は、光インジケータ２８全体を通して光を輝かせることができる完全に透過性の材料を含み得る。

光表示器２８は、下部ディスプレイ支持体３０に取り付けられ得る。下部ディスプレイ支持体３０は、図２に示されるように、オペレータが、適切ないずれの場所にもディスプレイ３４をうまく移動させるのを可能にし得る。下部ディスプレイ支持体３０は、任意の好適な機構によって光インジケータ２８に取り付けられ得る。実施形態では、下部ディスプレイ支持体３０は、光インジケータ２８を中心として回転し得る。実施形態では、下部ディスプレイ支持体３０は、光インジケータ２８にしっかりと取り付けられ得る。次いで、光インジケータ２８は、ロボット支持アーム１８を中心として３６０度回転し得る。下部ディスプレイ支持体３０は、任意の好適な長さのものであってもよく、好適な長さは、約８インチ～約３４インチであってもよい。下部ディスプレイ支持体３０は、上部ディスプレイ支持体３２の基部として作用し得る。

上部ディスプレイ支持体３２は、任意の好適な機構によって下部ディスプレイ支持体３０に取り付けられることができる。上部ディスプレイ支持体３２は、任意の好適な長さのものであってもよく、好適な長さは、約８インチ～約３４インチであってもよい。実施形態では、図１に例示されるように、上部ディスプレイ支持体３２は、ディスプレイ３４を上部ディスプレイ支持体３２に対して３６０度回転させることができる。同様に、上部ディスプレイ支持体３２は、下部ディスプレイ支持体３０に対して３６０度回転することができる。

ディスプレイ３４は、上部ディスプレイ支持体３２によって支持され得る任意のデバイスであり得る。実施形態では、図２に例示されるように、ディスプレイ３４は、カラー画像および／または白黒画像を生成し得る。ディスプレイ３４の幅は、約８インチ～約３０インチの幅であり得る。ディスプレイ３４の高さは、約６インチ～約２２インチの高さであり得る。ディスプレイ３４の深さは、約１／２インチ～約４インチであり得る。

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。実施形態では、テーブルは、ディスプレイ３４の代わりに上部ディスプレイ支持体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体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、任意の適切な無線接続および／または有線接続によって、外科手術ロボット４に接続することが可能であり得る。いくつかの実施形態では、タブレットは、医療手術中、外科手術システム２をプログラムし、かつ／または制御することが可能であり得る。タブレットで外科手術システム２を制御する際、すべての入力コマンドおよび出力コマンドがディスプレイ３４上に再現され得る。タブレットの使用により、オペレータは、患者５０の周りで動くかつ／または外科手術ロボット４に移動する必要なく外科手術ロボット４を巧みに操ることができる。

図５に例示されるように、カメラ追跡システム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と連動して働く。図１および５を参照すると、カメラ追跡システム６は、外科手術ロボット４と同様のいくつかの構成要素を含み得る。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、上にカメラ４６が装着される構造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得る。カメラ追跡システム６は、無線および／または有線ネットワークによってタブレットおよび／またはディスプレイ３４と直接通信して、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として機能し得る。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６が外科手術ロボット４と接続することを可能にし得る。図１に例示されるように、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であり得る。カメラ追跡システム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の支持を可能にし得る。

ロボット基部１０と同様に、複数の動力付き車輪１２がカメラ基部３８に取り付けられることができる。動力付き車輪１２により、カメラ追跡システム６は、ロボット基部１０および動力付き車輪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６が医療処置中に移動することを阻止することができ、図５に示されるように、カメラ４６が指定されたエリア５６内の解剖学的構造５４および／または用具５８に接続された１つ以上のＤＲＡ５２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６に追加の支持を提供することができる。具体的には、図５に例示されるように、広いカメラ基部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６が転倒するのを阻止することができる。広いカメラ基部３８がない場合、広げられたカメラ４６は、カメラ追跡システム６のバランスを崩す場合があり、その結果、カメラ追跡システム６が倒れる可能性がある。

カメラ伸縮式支持体４０は、カメラ４６を支持することができる。実施形態では、伸縮式支持体４０は、カメラ４６を垂直方向に上下に移動させることができる。伸縮式支持体４０は、カメラ４６を支持するための任意の好適な材料で作製され得る。好適な材料は、チタン、アルミニウム、もしくはステンレス鋼などの金属、炭素繊維、ガラス繊維、または頑丈なプラスチックであり得るが、これらに限定されない。カメラハンドル４８は、任意の好適な場所でカメラ伸縮式支持体４０に取り付けられ得る。カメラルハンドル４８は、任意の好適なハンドル構成であり得る。好適な構成は、棒、円形、三角形、正方形、および／またはそれらの任意の組み合わせであり得るが、これらに限定されない。図１に例示されるように、カメラハンドル４８は三角形であってもよく、それにより、オペレータは、医療手術の前にカメラ追跡システム６を計画された位置まで移動させることができる。実施形態では、カメラハンドル４８を使用して、カメラ伸縮式支持体４０を下降および上昇させることができる。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、カメラ伸縮式支持体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体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、伸縮式支持体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、カメラ４６を支持するための任意の好適な材料で作製され得る。好適な材料は、チタン、アルミニウム、もしくはステンレス鋼などの金属、炭素繊維、ガラス繊維、または頑丈なプラスチックであり得るが、これらに限定されない。下部カメラ支持アーム４２の断面は、任意の好適な形状であり得る。好適な断面形状は、円形、正方形、長方形、六角形、八角形、またはｉビームであり得るが、これらに限定されない。断面の長さおよび幅は、約１～１０インチであり得る。下部カメラ支持アームの長さは、約４インチ～約３６インチであり得る。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体４０に接続することができる。好適な機構は、ナットおよびボルト、ボールおよびソケット嵌合、圧入嵌合、溶接、接着、ねじ、リベット、クランプ、ラッチ、および／またはそれらの任意の組み合わせであり得るが、これらに限定されない。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に取り付けられ得る。好適な機構は、ナットおよびボルト、ボールおよびソケット嵌合、圧入嵌合、溶接、接着、ねじ、リベット、および／またはそれらの任意の組み合わせであり得るが、これらに限定されない。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３に例示されるように、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に取り付けられ得る。好適な機構は、ナットおよびボルト、ボールおよびソケット嵌合、圧入嵌合、溶接、接着、ねじ、リベット、クランプ、ラッチ、および／またはそれらの任意の組み合わせであり得るが、これらに限定されない。湾曲レール４４は、任意の好適な形状であり得、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であり得る。実施形態では、湾曲レール４４は、任意の適切な長さであり得る。適切な長さは、約１フィート～約６フィートであり得る。カメラ４６は、湾曲レール４４に沿って移動可能に配設され得る。カメラ４６は、任意の好適な機構によって湾曲レール４４に取り付けられ得る。好適な機構は、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であり得るが、これらに限定されない。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３に例示されるように、医療処置中に、カメラ４６が１つ以上のＤＲＡ５２を視認することを物体が阻止している場合、モータは、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。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６を移動させることなく、物体によってもはや妨げられない新しい位置に移動することができる。カメラ４６がＤＲＡ５２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６は、停止信号を外科手術ロボット４、ディスプレイ３４、および／またはタブレットに送ることができる。停止信号は、カメラ４６がＤＲＡ５２を再び入手するまで、ＳＣＡＲＡ２４が移動するのを阻止することができる。この停止により、外科手術システム２によって追跡されることなく、ＳＣＡＲＡ２４および／またはエンドエフェクタカプラ２２が医療用具を移動させ、かつ／または使用することが阻止され得る。

図６に例示されるように、エンドエフェクタカプラ２２は、様々なタイプの受動的なエンドエフェクタを外科手術ロボット４に接続するように構成される。エンドエフェクタカプラ２２は、鞍関節６２、起動アセンブリ６０、ロードセル６４（図７）、およびコネクタ６６を含み得る。鞍関節６２は、エンドエフェクタカプラ２２をＳＣＡＲＡ２４に取り付けることができる。鞍関節６２は、任意の好適な材料で作製され得る。好適な材料は、チタン、アルミニウム、もしくはステンレス鋼などの金属、炭素繊維、ガラス繊維、または頑丈なプラスチックであり得るが、これらに限定されない。鞍関節６２は、エンドエフェクタに追加の強度および耐久性を提供することができる単一の金属片で作製することができる。鞍関節６２は、取り付け点６８によってＳＣＡＲＡ２４に取り付けられ得る。鞍関節６２の周りに配設された複数の取り付け点６８があってもよい。取り付け点６８は、鞍関節６２上で陥没していても、鞍関節６２と同じ高さであっても、かつ／または鞍関節６２上に配設されていてもよい。いくつかの実施例では、ねじ、ナットおよびボルト、ならびに／またはそれらの任意の組み合わせは、取り付け点６８を通過して、鞍関節６２をＳＣＡＲＡ２４に固設することができる。ナットおよびボルトは、鞍関節６２をＳＣＡＲＡ２４内の例示されていないモータに接続することができる。モータは、鞍関節６２を任意の方向に移動させることができる。モータは、現在の場所で能動的にサーボ制御すること、またはばね作動式ブレーキをかけることによって、鞍関節６２が偶発的な衝突および／または偶発的な接触により移動することをさらに阻止することができる。

エンドエフェクタカプラ２２は、鞍関節６２と、接続された受動的なエンドエフェクタとの間に介在するロードセル６４を含み得る。ロードセル６４は、図７に例示されるように、任意の好適な機構によって鞍関節６２に取り付けられ得る。好適な機構は、ねじ、ナットおよびボルト、螺刻、圧入嵌合、および／またはそれらの任意の組み合わせであり得るが、これらに限定されない。

図８は、本開示のいくつかの実施形態による外科手術システム８００の構成要素のブロック図を例示している。図７および８を参照すると、ロードセル６４は、力を検出および測定するために使用される任意の好適な器具であり得る。いくつかの実施例では、ロードセル６４は、６軸ロードセル、３軸ロードセル、または単軸ロードセルであり得る。ロードセル６４を使用して、エンドエフェクタカプラ２２に加えられた力を追跡することができる。いくつかの実施形態では、ロードセル６４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６４が力を感知すると、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に分配され得る。コントローラ８４６は、ロードセル６４から力情報を取得し、それ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６４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から生じ得る。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６４によって感知された力の方向に関してロードセル６４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。このアルゴリズムは、特定のモータドライバ８４２に情報を提供するのに使用され得る。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６４によって感知された力の方向に受動的なエンドエフェクタ１１００の運動を誘発することができる。この力制御型の運動により、オペレータはＳＣＡＲＡ２４および受動的なエンドエフェクタ１１００を楽に、かつ／またはほとんど抵抗なく移動させることができる。受動的なエンドエフェクタ１１００の動きは、医療従事者が使用するために、受動的なエンドエフェクタ１１００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施され得る。

コネクタ６６は、受動的なエンドエフェクタ１１００の基部に接続可能であるように構成されており、ロードセル６４に接続される。コネクタ６６は、取り付け点６８、感知ボタン７０、用具ガイド７２、および／または用具接続部７４を含み得る。図６および８に最もよく例示されているように、複数の取り付け点６８があってもよい。取り付け点６８は、コネクタ６６をロードセル６４に接続することができる。取り付け点６８は、コネクタ６６上に陥没していても、コネクタ６６と同じ高さであっても、かつ／またはコネクタ６６上に配設されてもよい。取り付け点６８および７６を使用して、コネクタ６６をロードセル６４および／または受動的なエンドエフェクタ１１００に取り付けることができる。いくつかの実施例では、取り付け点６８および７６は、ねじ、ナットおよびボルト、圧入嵌合、磁気取り付け、および／またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。

図６に例示されるように、感知ボタン７０は、コネクタ６６の中心の周りに配設され得る。受動的なエンドエフェクタ１１００がＳＣＡＲＡ２４に接続されているとき、感知ボタン７０を押し下げることができる。感知ボタン７０を押し下げると、外科手術ロボット４、ひいては、医療従事者に、受動的なエンドエフェクタ１１００がＳＣＡＲＡ２４に取り付けられていることを警告することができる。図６に例示されるように、ガイド７２を使用して、ＳＣＡＲＡ２４への受動的なエンドエフェクタ１１００の適切な取り付けを容易にすることができる。ガイド７２は、コネクタ６６上に陥没していても、コネクタ６６と同じ高さであっても、かつ／またはコネクタ６６上に配設されてもよい。いくつかの実施例では、複数のガイド７２があってもよく、任意の好適なパターンを有することができ、任意の好適な方向に向けられてもよい。ガイド７２は、ＳＣＡＲＡ２４への受動的なエンドエフェクタ１１００の取り付けを容易にするように任意の好適な形状であってもよい。好適な形状は、円形、卵形、正方形、多面体、および／またはそれらの任意の組み合わせであり得るが、これらに限定されない。さらに、ガイド７２は、斜角、一直線、および／またはそれらの任意の組み合わせで切断されてもよい。

コネクタ６６は、取り付け点７４を有し得る。図６に例示されるように、取り付け点７４は、レッジおよび／または複数のレッジを形成し得る。取り付け点７４は、受動的なエンドエフェクタ１１００がクランプすることができる表面をコネクタ６６に提供することができる。いくつかの実施形態では、取り付け点７４は、コネクタ６６の任意の表面の周りに配設され、コネクタ６６に対して任意の好適な様式で向けられる。

図６および７に最もよく例示されている起動アセンブリ６０は、コネクタ６６を取り囲んでもよい。いくつかの実施形態では、起動アセンブリ６０は、コネクタ６６を包むブレスレットの形態をとることができる。いくつかの実施形態では、起動アセンブリ６０は、外科手術システム２内の任意の好適なエリア内に位置し得る。いくつかの実施例では、起動アセンブリ６０は、ＳＣＡＲＡ２４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し得、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（および無線で通信し）得る。起動アセンブリ６０は、任意の好適な材料で作製され得る。好適な材料は、ネオプレン、プラスチック、ゴム、ゲル、炭素繊維、布帛、および／またはそれらの任意の組み合わせであり得るが、これらに限定されない。起動アセンブリ６０は、一次ボタン７８および二次ボタン８０を備え得る。一次ボタン７８および二次ボタン８０は、コネクタ６６の全体を取り囲んでもよい。

一次ボタン７８は、図６に例示されるように、コネクタ６６を取り囲んでもよい単一の隆起であってもよい。いくつかの実施例では、一次ボタン７８は、鞍関節６２から離れる方向に最も遠い端部に沿って起動アセンブリ６０上に配設され得る。一次ボタン７８は、図７に最もよく例示されている一次起動スイッチ８２上に配設され得る。一次起動スイッチ８２は、コネクタ６６と起動アセンブリ６０との間に配設され得る。いくつかの実施例では、一次ボタン７８の全長に沿って一次ボタン７８に隣接して真下に配設され得る、複数の一次起動スイッチ８２があってもよい。一次起動スイッチ８２上で一次ボタン７８を押し下げることにより、オペレータはＳＣＡＲＡ２４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。上で考察されるように、一旦設置されると、ＳＣＡＲＡ２４およびエンドエフェクタカプラ２２は、オペレータがＳＣＡＲＡ２４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させることができないか、または一次ボタン７８および一次起動スイッチ８２を使用して移動される。いくつかの実施例では、ＳＣＡＲＡ２４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８２を押し下げることが必要な場合がある。少なくとも２つの一次起動スイッチ８２を押し下げることにより、医療処置中のＳＣＡＲＡ２４およびエンドエフェクタカプラ２２の偶発的な移動を阻止することができる。

一次ボタン７８および一次起動スイッチ８２によって起動されると、ロードセル６４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、ＳＣＡＲＡ２４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することができる、ＳＣＡＲＡ２４内のモータに転送され得る。ロードセル６４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により、モータは、ロードセル６４によって感知された方向と同じ方向にＳＣＡＲＡ２４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ＳＣＡＲＡ２４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ＳＣＡＲＡ２４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、かつ大きな労力なしに、ＳＣＡＲＡ２４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。

図６に例示されるように、二次ボタン８０は、鞍関節６２に最も近い起動アセンブリ６０の端部上に配設され得る。いくつかの実施例では、二次ボタン８０は、複数の隆起を含み得る。複数の隆起は、互いに隣接して配設され得、コネクタ６６を取り囲み得る。さらに、二次ボタン８０は、二次起動スイッチ８４上に配設され得る。図７に例示されるように、二次起動スイッチ８４は、二次ボタン８０とコネクタ６６との間に配設され得る。いくつかの実施例では、二次ボタン８０は、「選択」デバイスとしてオペレータによって使用され得る。医療手術中、外科手術ロボット４は、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。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、かつ／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。二次起動スイッチ８４上で二次ボタン８０を１回押し下げると、特定の機能、モードを起動し、かつ／またはディスプレイ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確認することができる。さらに、二次起動スイッチ８４上で二次ボタン８０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、かつ／またはディスプレイ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。いくつかの実施例では、二次ボタン８０が適切に機能する前に、少なくとも２つの隣接しない二次起動スイッチ８４を押し下げることができる。この要件は、二次ボタン８０の意図しない使用により医療従事者が起動アセンブリ６０に偶発的に衝突することを阻止することができる。一次ボタン７８および二次ボタン８０は、ソフトウェアアーキテクチャ８６を使用して、医療従事者のコマンドを外科手術システム２に通信することができる。

図８は、本開示のいくつかの実施形態に従って構成されており、上記の外科手術システム２に対応し得る、外科手術システム８００の構成要素のブロック図を例示している。外科手術システム８００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、安定化装置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。外科手術システム８００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を含み得る。

入力電力は、配電モジュール８０４に提供され得る電源を介して外科手術システム８００に供給される。配電モジュール８０４は、入力電力を受信し、かつ外科手術システム８００の他のモジュール、構成要素、およびサブシステムに提供される異なる電源電圧を生み出すように構成される。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などの他の構成要素から、例えば、電力モータ８５０～８５４およびエンドエフェクタ８４４に提供され、かつカメラコンバータ８３４および外科手術システム８００の他の構成要素に提供され得る、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得る。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８０６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構成要素を外科手術システム８００ならびに／または関連付けられた構成要素およびモジュールに接続するのに役立つ場合がある。コネクタパネル８０８は、異なる構成要素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み得る。例えば、コネクタパネル８０８は、外科手術システム８００を他の機器にアースし得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、およびマーカ追跡カメラ８７０を含み得る追跡サブシステム８３０に接続するポートと、を有し得る。コネクタパネル８０８は、コンピュータ８２２などの他の構成要素へのＵＳＢ通信、イーサネット通信、ＨＤＭＩ通信を可能にする他のポートも含み得る。

制御パネル８１６は、外科手術システム８００の動作を制御し、かつ／またはオペレータが観察するための外科手術システム８００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し得る。例えば、制御パネル８１６は、外科手術システム８００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システム８００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得る安定化装置８５５～８５８を持ち上げたり下降させたりするための、ボタンを含み得る。他のボタンは、緊急事態の際に外科手術システム８００を停止することができ、これにより、すべ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、すべ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。

コンピュータサブシステム８２０のコンピュータ８２２は、外科手術システム８００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、他の構成要素（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であっても、頭部装着型ディスプレイ構成要素の一部であっても、外科手術システム２の別の構成要素内にあってもよい。ディスプレイ８２４は、図１および２に示されるディスプレイ３４に対応し得るか、またはシースルーディスプレイ画面に画像を投影し、シースルーディスプレイ画面を介して視認可能な実世界の物体にオーバーレイされる拡張現実（ＡＲ）画像を形成する、頭部装着型ディスプレイであり得る。

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６に対応し得る。マーカ追跡カメラ８７０は、位置センサ８３２と共に動作して、ＤＲＡ５２の姿勢を決定する。この追跡は、ＬＥＤまたは反射マーカなどの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。ＤＲＡ５２などのこれらのタイプのマーカを有する構造の場所、向き、および位置は、コンピュータ８２２に提供され、ディスプレイ８２４上でオペレータに示すことができる。例えば、図４および５に示されるように、ＤＲＡ５２を有するか、またはこの様式で追跡されるＤＲＡ５２を有するエンドエフェクタカプラ２２に接続されている、外科手術鋸１２４０（ナビゲーション空間とも称され得る）は、患者の解剖学的構造の三次元画像に関連してオペレータに示され得る。

運動制御サブシステム８４０は、垂直柱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の使用を通して行われ得る。例えば、モータ８５０は、垂直柱１６を垂直に上げるまたは下げるように構成され得る。モータ８５１は、図２に示されるように、垂直柱１６との係合点の周りに上部アーム１８を横方向に動かすように構成され得る。モータ８５２は、図２に示されるように、上部アーム１８との係合点の周りに下部アーム２０を横方向に動かすように構成され得る。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得る。図９に示される外科手術計画コンピュータ９１０は、エンドエフェクタカプラ２２の動きを誘導するコントローラ８４６に制御入力を提供して、接続されている受動的なエンドエフェクタを、外科手術中に切断される解剖学的構造に対して、計画された姿勢（すなわち、規定された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、受動的なエンドエフェクタ構造の位置を測定するように構成され得る。実施形態のうちの１つでは、位置センサは、受動的なエンドエフェクタ構造の少なくとも１つの関節に直接接続されているが、構造内の別の場所に位置決めし、タイミングベルト、ワイヤの相互接続、または任意の他の同期送信相互接続によって関節位置を遠隔で測定することもできる。

図９は、本開示のいくつかの実施形態による、外科手術ロボット８００とは別個のものであり、外科手術ロボット８００に動作可能に接続することができるか、または外科手術ロボット８００内に少なくとも部分的に組み込むことができる外科手術計画コンピュータ９１０を含む、外科手術システムコンピュータプラットフォーム９００のブロック図を例示している。代替的に、外科手術計画コンピュータ９１０について本明細書に開示される動作のうちの少なくとも一部分は、コンピュータサブシステム８２０などによる外科手術ロボット８００の構成要素によって実施され得る。

図９を参照すると、外科手術計画コンピュータ９１０は、ディスプレイ９１２と、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称される）と、コンピュータ可読プログラムコード９１８を含む少なくとも１つのメモリ回路９１６（簡潔にするためにメモリとも称される）と、少なくとも１つのネットワークインターフェース９２０（簡潔にするためにネットワークインターフェースとも称される）と、を含む。ネットワークインターフェース９２０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、医療画像の画像データベース９５０、外科手術ロボット８００の構成要素、および／または他の電子機器に接続するように構成され得る。

外科手術計画コンピュータ９１０が外科手術ロボット８００内に少なくとも部分的に統合されている場合、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／または頭部装着型ディスプレイに対応し得、ネットワークインターフェース９２０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に対応し得、プロセッサ９１４は、図８のコンピュータ８２２に対応し得る。

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、外科手術計画コンピュータによって実施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すべてを含み得る動作を実施するように構成される。

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９２０を介して画像データベース９５０から受信された骨の画像をディスプレイデバイス９１２に表示するように動作し得る。プロセッサ９１４は、計画された外科手術切断のためにディスプレイ９１２上の場所を選択するオペレータタッチによって、または計画された外科手術切断の場所を規定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、すなわち、１つ以上の骨が切断される場所のオペレータの規定を受信する。

外科手術計画コンピュータ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など、膝の外科手術に有用な解剖学的測定を可能にする。一部の測定は自動であってもよいが、一部の他の測定は、人間の入力または支援を伴う。この外科手術計画コンピュータ９１０により、オペレータは、サイズおよび一致度の選択を含む、患者のための正しいインプラントを選択することが可能になる。外科手術計画コンピュータ９１０は、ＣＴ画像または他の医療画像のための自動または半自動（人間の入力を伴う）セグメント化（画像処理）を可能にする。患者の外科手術計画は、外科手術ロボット８００による検索のためにクラウドベースのサーバに記憶され得る。外科手術中、外科医は、コンピュータ画面（例えば、タッチスクリーン）または例えば、頭部装着型ディスプレイを介した拡張現実の相互作用を使用して、どの切断（例えば、後部大腿骨、近位脛骨など）を行うかを選択する。外科手術ロボット４は、計画された切断の目標面が外科手術鋸ブレードとロボットアーム２０とを相互接続する受動的なエンドエフェクタの作業空間内に最適に配置されるように、外科手術鋸ブレードを計画された位置まで自動的に移動させることができる。動きを可能にするコマンドは、様々なモダリティ、例えば、フットペダルを使用してユーザによって与えられてもよい。

いくつかの実施形態では、外科手術システムコンピュータプラットフォーム９００は、２つのＤＲＡを使用して、１つは患者の脛骨、もう１つは患者の大腿骨に関して、患者の解剖学的位置を追跡することができる。プラットフォーム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。追跡された解剖学的形態に関連してＤＲＡの動きを検出することができる追跡マーカを使用することもできる。

膝の外科手術における重要な困難は、膝のインプラントの位置をどのように計画するかであり、それを、多くの外科医は、３Ｄの解剖学的形態の２Ｄ表現であるコンピュータ画面で行うため苦労している。プラットフォーム９００は、拡張現実（ＡＲ）頭部装着型ディスプレイを使用して、実際の患者の膝の周りにインプラントオーバーレイを生み出すことによって、この問題に対処することができる。例えば、外科医は、操作上、仮想ハンドルを表示させて、インプラントを把持して所望の姿勢まで移動させ、計画されたインプラント配置を調節することができる。その後、外科手術中に、プラットフォーム９００は、ＡＲ頭部装着型ディスプレイを介してナビゲーションをレンダリングして、直接見えないものを外科医に示すことができる。また、骨を取り除く進捗、例えば、深さまたは切断をリアルタイムで表示することができる。ＡＲを介して表示され得る他の特徴としては、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オーバーレイ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、これらに限定されない。

いくつかの実施形態では、外科手術計画コンピュータ９１０により、標準インプラント、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／または外傷に関する外科手術のための是正システムの使用を計画することが可能になる。

プロセッサ９１２は、解剖学的構造を切断するためにオペレータによって選択された場所で、表示された解剖学的構造と交差する１つ以上の切断面をディスプレイ９１２上にグラフィカルに例示することができる。プロセッサ９１２はまた、外科手術鋸ブレードの切断面と目標面とを一致させて、オペレータが規定した切断を実施するように、エンドエフェクタカプラ２２を位置決めしなければならない角度の向きおよび場所の１つ以上のセットを決定し、それらの角度の向きおよび場所のセットを外科手術計画データ構造内のデータとして記憶する。プロセッサ９１２は、受動的なエンドエフェクタの用具取り付け機構の動きの既知の範囲を使用して、ロボットアーム２０に取り付けられたエンドエフェクタカプラ２２を位置決めする必要がある場所を決定する。

外科手術ロボット８００のコンピュータサブシステム８２０は、外科手術計画データ構造からのデータ、ならびに切断される解剖学的構造の現在の姿勢を示し、受動的なエンドエフェクタおよび／またはＤＲＡを介して追跡された外科手術鋸の現在の姿勢を示すカメラ追跡システム６からの情報を受信する。コンピュータサブシステム８２０は、解剖学的構造が切断されるべき場所を規定する外科手術計画、および解剖学的構造の姿勢に基づいて、目標面の姿勢を決定する。コンピュータサブシステム８２０は、目標面の姿勢と外科手術鋸の姿勢との比較に基づいて操縦情報を生み出す。操縦情報は、鋸ブレードの切断面と目標面とが一致し、鋸ブレードが、受動的なエンドエフェクタの用具取り付け機構の動きの範囲内にある、切断される解剖学的構造からの距離に位置決めされるように、受動的なエンドエフェクタを移動させる必要がある場所を示す。

上で説明されるように、外科手術ロボットは、ロボット基部と、ロボット基部に接続されたロボットアームと、ロボット基部に対してロボットアームを移動させるように動作可能に接続された少なくとも１つのモータと、を含む。外科手術ロボットはまた、少なくとも１つのモータに接続され、動作を実施するように構成されている、少なくとも１つのコントローラ、例えば、コンピュータサブシステム８２０および運動制御サブシステム８４０を含む。

図１２～１９に関して以下でさらに詳細に説明されるように、受動的なエンドエフェクタは、ロボットアームの起動アセンブリに取り付けられるように構成された基部と、第１の機構と、第２の機構と、を含む。第１の機構は、基部への回転可能な接続部と用具取り付け機構への回転可能な接続部との間に延在する。第２の機構は、基部への回転可能な接続部と用具取り付け機構への回転可能な接続部との間に延在する。第１および第２の機構は、回転可能な接続部を中心として旋回し、用具取り付け機構の動きを作業面内の動きの範囲に制約するように構成され得る。回転可能な接続部は、１つの自由度（ＤＯＦ）の運動を可能にする旋回関節であっても、２つのＤＯＦの運動を可能にするユニバーサル関節であっても、３つのＤＯＦの運動を可能にするボール関節であってもよい。用具取り付け機構は、切断用の鋸ブレードを含む外科手術鋸に接続するように構成される。第１および第２の機構は、作業面と平行になるように鋸ブレードの切断面を制約するように構成され得る。

いくつかの実施形態では、外科手術ロボットの少なくとも１つのコントローラによって実施される動作には、鋸ブレードの切断面と目標面とが一致し、鋸ブレードが、受動的なエンドエフェクタの用具取り付け機構の動きの範囲内にある、切断される解剖学的構造からの距離に位置決めされるように、操縦情報に基づいて少なくとも１つのモータの動きを制御して、受動的なエンドエフェクタを再位置決めすることも含まれる。操縦情報は、外科手術鋸のオペレータの動きを誘導するように表示されてもよいし、かつ／または外科手術鋸を自動的に移動させるように少なくとも１つのコントローラによって使用されてもよい。

一実施形態では、外科手術ロボットの少なくとも１つのコントローラによって実施される動作には、鋸ブレードの切断面と目標面とが一致し、鋸ブレードが、受動的なエンドエフェクタの用具取り付け機構の動きの範囲内にある、切断される解剖学的構造からの距離に位置決めされるように、操縦情報を表示用にディスプレイデバイスに提供して、受動的なエンドエフェクタのオペレータの動きを誘導することも含まれる。ディスプレイデバイスは、ディスプレイ８２４（図８）、図１のディスプレイ３４、および／または頭部装着型ディスプレイに対応し得る。

例えば、操縦情報は、シースルーディスプレイ画面に画像を投影し、シースルーディスプレイ画面を介して視認可能な実世界の物体にオーバーレイされる拡張現実画像を形成する、頭部装着型ディスプレイ上に表示され得る。本動作は、骨にオーバーレイされた姿勢と、それらの間の相対的な向きとを有する目標面のグラフィック表現を表示することができ、骨をどのように切断するかを計画するための外科手術計画に対応する。本動作は、代替的にまたは追加的に、鋸ブレードの切断面のグラフィック表現を表示することができ、それにより、オペレータは、切断面と、骨を切断するための計画された目標面とをより容易に一致させることができる。それによって、オペレータは、鋸ブレードの切断面と目標面とを一致させる動きを視覚的に監視および実施することができ、それにより、鋸ブレードは、骨に対して計画された姿勢で、かつ受動的なエンドエフェクタの用具取り付け機構の動きの範囲内に位置決めされる。

自動撮像システムを外科手術計画コンピュータ９１０および／または外科手術システム２と併せて使用して、患者の術前、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－ａｒｍ（登録商標）１０６（図１１）である。（Ｏ－ａｒｍ（登録商標）は、米国コロラド州ルイビルに事業所がある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得る、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線を撮影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－ａｒｍは、２つの自由度でのアームの回転運動を可能にするように（すなわち、球面運動での２つの直角軸を中心として）据え付けられている。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－ａｒｍ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条件に関して確定された通りに最適な角度で患者のＸ線写真を撮ることができる。

図１１に例示されているＯ－ａｒｍ（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。画像取り込み部分は、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－ａｒｍ（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得る。検出器システムは、投射角ごとに放射線を検出して、物体画像を複数の投射平面から擬似同時的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、車輪を備えた車輪付き移動式カートなどの支持構造Ｏ－ａｒｍ（登録商標）支持構造体に取り付けられ得る。位置付けユニットは、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、ガントリを予定の位置および向きに並進させかつ／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と検出器とを含み得る。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する状態でガントリの内部を中心として回転させることができるモータ付きロータに固定され得る。供給源は、ガントリの内側に位置する目標物体の多平面撮像のために、部分的および／または完全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得る。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軸受けシステムをさらに備えることができ、このシステムは、供給源および検出器を担持することができる。Ｏ－ａｒｍ（登録商標）１０６およびＣアーム１０４の両方および／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。

自動撮像システムによってキャプチャされた画像は、外科手術計画コンピュータ９１０、外科手術ロボット８００、および／または外科手術システム２の別の構成要素のディスプレイデバイスに表示され得る。

ここで、外科手術システムで使用するように構成される受動的なエンドエフェクタの様々な実施形態を、図１２～１９の文脈において記載する。

以下でさらに詳細に説明されるように、図１２～１９に例示される様々な受動的なエンドエフェクタは各々、基部、第１のプレーナ機構、および第２のプレーナ機構を含む。基部は、外科手術ロボットによって位置決めされるロボットアーム（例えば、図１および２のロボットアーム１８）のエンドエフェクタカプラ（例えば、図４および５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。様々なクランプ機構を使用して、基部をエンドエフェクタカプラにしっかりと取り付け、バックラッシュを取り除き、好適な剛性を確保することができる。基部をエンドエフェクタカプラに取り付けるために使用され得る不可逆的なクランプ機構としては、トグル関節機構または不可逆的なロックねじを挙げることができるが、これらに限定されない。ユーザは、ねじドライバ、トルクレンチ、またはドライバなどの追加の用具を使用して、クランプ機構を起動または締着することができる。第１の機構は、２つの基部への回転可能な接続部と用具取り付け機構への回転可能な接続部との間に延在する。第２の機構は、基部への回転可能な接続部と用具取り付け機構への回転可能な接続部との間に延在する。第１および第２の機構は、回転可能な接続部を中心として旋回する。回転可能な接続部は、１つの自由度（ＤＯＦ）の運動を可能にする旋回関節であっても、２つのＤＯＦの運動を可能にするユニバーサル関節であっても、３つのＤＯＦの運動を可能にするボール関節であってもよい。旋回関節を使用する場合、第１および第２の機構は、用具取り付け機構の動きを作業面内の動きの範囲に制約するように構成され得る。用具取り付け機構は、切断するために発振するように構成される鋸ブレードを有する外科手術鋸に接続するように構成される。第１および第２の機構は、例えば、１つのＤＯＦの運動を有する旋回関節を介して、作業面と平行になるように鋸ブレードの切断面を制約するように構成され得る。用具取り付け機構は、ねじ、ナットおよびボルト、クランプ、ラッチ、接合、圧入嵌合、または磁石を含み得るが、これらに限定されない、様々な機構を介して、外科手術鋸または鋸ブレードに接続され得る。ＤＲＡを用具取り付け機構または外科手術鋸に接続して、カメラ追跡システム６（図３）による鋸ブレードの姿勢の追跡を可能にすることができる。

上で説明されるように、外科手術システム（例えば、図１および２の外科手術システム２）は、外科手術ロボット（例えば、図１および２の外科手術ロボット４）と、鋸ブレードによって切断される解剖学的構造の姿勢を決定し、鋸ブレードの姿勢を決定するように構成される追跡システム（例えば、図１および３のカメラ追跡システム６）と、を含む。外科手術ロボットは、ロボット基部と、ロボット基部に回転可能に接続され、受動的なエンドエフェクタを位置決めするように構成されたロボットアームと、を含む。少なくとも１つのモータは、ロボット基部に対してロボットアームを移動させるように動作可能に接続されている。少なくとも１つのコントローラは、少なくとも１つのモータに接続され、かつ解剖学的構造が切断される場所を規定する外科手術計画と、解剖学的構造の姿勢とに基づいて、目標面の姿勢を決定することを含む、動作を実施するように構成されており、外科手術計画は、オペレータ、例えば、外科医または他の外科手術人員からの入力に基づいて、図９の外科手術計画コンピュータ９１０によって生み出され得る。本動作は、目標面の姿勢と外科手術鋸の姿勢との比較に基づいて操縦情報を生み出すことをさらに含む。操縦情報は、鋸ブレードの切断面と目標面とが一致するように、受動的なエンドエフェクタの作業面を位置決めするために、受動的なエンドエフェクタを移動させる必要がある場所を示す。

いくつかのさらなる実施形態では、少なくとも１つのコントローラによって実施される動作には、鋸ブレードの切断面と目標面とが一致し、鋸ブレードが、受動的なエンドエフェクタの用具取り付け機構の動きの範囲内にある、切断される解剖学的構造からの距離に位置決めされるように、操縦情報に基づいて少なくとも１つのモータの動きを制御して、受動的なエンドエフェクタを再位置決めすることもさらに含まれる。

本動作には、鋸ブレードの切断面と目標面とが一致し、鋸ブレードが、受動的なエンドエフェクタの用具取り付け機構の動きの範囲内にある、切断される解剖学的構造からの距離に位置決めされるように、操縦情報を表示用にディスプレイデバイスに提供して、受動的なエンドエフェクタのオペレータの動きを誘導することが含まれ得る。

上で説明されるように、いくつかの外科手術システムは、外科医、診療看護師、および／または外科手術処置を支援する他の人物が着用することができる頭部装着型ディスプレイデバイスを含み得る。外科手術システムは、着用者が受動的なエンドエフェクタをより正確に位置決めすること、および／または鋸ブレードと、解剖学的構造上の計画された場所を切断するための目標面とが一致した状態で、受動的なエンドエフェクタが正確に位置決めされたことを確認することを可能にする情報を表示することができる。ディスプレイデバイスに操縦情報を提供する動作には、鋸ブレードの切断面と目標面とが一致し、鋸ブレードが、受動的なエンドエフェクタの用具取り付け機構の動きの範囲内にある、解剖学的構造からの距離に位置決めされるように、切断される解剖学的構造上のオーバーレイとして操縦情報を表示するシースルーディスプレイ画面を有する頭部装着型ディスプレイデバイスへの表示用に操縦情報を構成して、受動的なエンドエフェクタのオペレータの動きを誘導することが含まれ得る。

頭部装着型ディスプレイデバイスへの表示用に操縦情報を構成する動作には、切断される解剖学的構造に係留され、それと一致したオーバーレイとして表示される目標面のグラフィック表現を生み出すことと、鋸ブレードに係留され、それと一致したオーバーレイとして表示される鋸ブレードの切断面の別のグラフィック表現を生み出すことと、が含まれ得る。それによって、着用者は、外科手術鋸を移動させて、グラフィカルにレンダリングされた目標面とグラフィカルにレンダリングされた切断面との間に視覚的に観察された一致を提供することができる。

頭部装着型ディスプレイデバイス上への表示用に操縦情報を構成する動作には、切断されている解剖学的構造のグラフィック表現内に、鋸ブレードによって行われた切断の深さのグラフィック表現を生み出すことが含まれ得る。したがって、着用者は、切断が組織または他の構造によって妨げられていることを直接観察しているにもかかわらず、鋸ブレードがどのように骨を貫いて切断しているかをよりよく監視するために、切断の深さのグラフィック表現を使用することができる。

追跡システムは、追跡マーカ、例えば、解剖学的構造に取り付けられたＤＲＡの姿勢を決定することに基づいて、鋸ブレードによって切断される解剖学的構造の姿勢を決定するように構成され得、外科手術鋸および受動的なエンドエフェクタのうちの少なくとも１つに接続された追跡マーカの姿勢を決定することに基づいて、外科手術鋸の姿勢を決定するように構成され得る。追跡システムは、用具取り付け機構が作業面内で動いている間、第１および第２の機構の回転位置を測定するように構成される回転式位置センサに基づいて、外科手術鋸の姿勢を決定するように構成され得る。上で説明されるように、位置センサは、受動的なエンドエフェクタ構造の少なくとも１つの関節に直接接続され得るが、構造内の別の場所に位置決めし、タイミングベルト、ワイヤの相互接続、または任意の他の同期送信相互接続によって関節位置を遠隔で測定することもできる。さらに、鋸ブレードの姿勢は、構造基部に取り付けられた追跡マーカ、受動的な構造の位置センサ、および構造の運動学的なモデルに基づいて決定され得る。

本明細書に開示される様々な受動的なエンドエフェクタは、滅菌可能なまたは非滅菌（滅菌ドレープで被覆された）の受動的な３つのＤＯＦ（自由度）の機械構造であってもよく、鋸ブレードに平行な平面における２回の並進（切断面を規定する）、およびこの切断面と直交する１回の回転（器具の向き）に沿った、矢状鋸などの外科手術鋸または鋸ブレードの機械的誘導を可能にする。外科手術中、外科手術ロボット４は、切断されるすべての骨が受動的なエンドエフェクタの作業空間内にあるように、エンドエフェクタカプラ２２、ならびに受動的なエンドエフェクタおよびそこに取り付けられた外科手術鋸を、膝または他の解剖学的構造に近い位置まで自動的に移動させる。この位置は、行われる切断、ならびに外科手術計画およびインプラント構築物に依存する。図１２に示されるように、受動的なエンドエフェクタは、切断面で矢状鋸または鋸ブレードを誘導するための３つのＤＯＦを有することができ、２回の並進（ＸおよびＹ方向）と１回の（Ｚ軸を中心とした）回転を提供する。

外科手術ロボット４は、計画された位置に到達すると、その位置を（ブレーキまたは能動的なモータ制御のいずれかで）保持し、特定の骨の切断中に移動しない。計画された目標面に沿って外科手術鋸の鋸ブレードを動かすことを可能にするのが受動的なエンドエフェクタである。かかる平面状の切断は、すべての骨の切断が平面状である古典的な膝関節全置換術に特に有用である。膝関節部分置換術には、「オンレイ」と呼ばれる特別なタイプのインプラントがあり、これを鋸で準備した骨表面（ｓａｗ－ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｏｎｅ ｓｕｒｆａｃｅ）と併せて使用することができる。様々な受動的なエンドエフェクタは、古典的なジグよりも高い精度で切断時の誘導の精度を確保することができる機械構造を有し、計画されたすべての骨を切断するための作業空間範囲の十分な範囲を提供し、かつ一方で、外科医が加える力および骨の反動力に加えて、外科手術鋸から生じる考えられるかなりの量の振動にもかかわらず、（ロックされたＤＯＦに対応する）十分な横剛性を提供する。

同時に、外科手術ロボット４が外科医にどれだけの骨が取り除かれたか（処置の進捗）を知らせることが可能であるため、受動的なエンドエフェクタの位置を測定することが好ましい。骨の取り除きに関するリアルタイムの情報を提供する１つの方法は、骨が切断された場所のみをブレードは通過することができるため、鋸ブレードが骨に関してどこを通過したかを、外科手術ロボット４が測定することである。鋸ブレードの位置を測定するために、ＤＲＡを外科手術鋸および／または受動的なエンドエフェクタに装着することができる。これにより、３Ｄ空間での鋸の位置を直接または間接的に測定することができる。鋸ブレードの位置を測定する代替的な方法は、受動的なエンドエフェクタの幾何学形状の位置と鋸ブレードの先端の位置との間の規定された関係の数理モデルを使用して鋸ブレードの位置を計算するために、受動的なエンドエフェクタの位置情報に位置（回転または並進）センサ（例えば、エンコーダ、リゾルバ）を統合することである。

一実施形態では、従来の矢状鋸機構を、ほとんどまたはまったく変更することなく、外科手術システムコンピュータプラットフォーム９００と共に使用することができる。潜在的な変更は、外科手術鋸を受動的なエンドエフェクタに簡単に取り付けることを可能にするように外部シールドを適合することを伴うことになるが、必ずしも内部機構の変更を伴うとは限らない。受動的なエンドエフェクタは、例えば、ＤｅＳｏｕｔｔｅｒ社によって提供される従来の矢状鋸に接続するように構成され得る。さらに、鋸ブレードは、鋸ハンドピースなしで受動的なエンドエフェクタに直接取り付けられてもよい。

外科手術ロボット４が受動的なエンドエフェクタを位置決めするときに、鋸が意図しない受動的なエンドエフェクタの動きを阻止するため、例えば、重力によって外科手術鋸が患者の上に落ちるのを阻止するために、受動的なエンドエフェクタは、係合動作と係脱動作との間で移動するロック機構を含み得る。係合している間、ロック機構は、外科手術鋸の自由度（ＤＯＦ）をロックすることによって直接的に、または受動的なエンドエフェクタの特定の関節にブレーキをかけるか、もしくは当該関節をロックすることによって間接的に、ロボットエンドエフェクタカプラに対する鋸ブレードの動きを阻止する。係脱されている間、受動的なエンドエフェクタの第１および第２の機構は、ロック機構からの干渉なしに、基部に対して移動することができる。ロック機構はまた、外科医が外科手術鋸を保持し、外科手術鋸に力およびトルクを加えることによって外科手術ロボット４の動きを制御するときに使用されてもよい。外科手術ロボット４は、ロボットアーム２２の遠位端に統合されている、図６および７のロードセル６４を使用して、加えられた力およびトルクを測定し、応答する力およびトルクをロボットアーム２２上に生み出すため、外科医は、より簡単に受動的なエンドエフェクタを前後左右に移動させ、様々な軸を中心として回転を加えることができる。

受動的なエンドエフェクタの第１の実施形態が図１２に示されている。図１２を参照すると、受動的なエンドエフェクタ１２００は、外科手術ロボットによって位置決めされるロボットアーム（例えば、図１および２のロボットアーム１８）のエンドエフェクタカプラ（例えば、図４および５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た、基部１２０２を含む。受動的なエンドエフェクタ１２００は、基部１２０２への回転可能な接続部と用具取り付け機構への回転可能な接続部との間に延在する、第１および第２の機構をさらに含む。回転可能な接続部は、１つの自由度（ＤＯＦ）の運動を可能にする旋回関節であっても、２つのＤＯＦの運動を可能にするユニバーサル関節であっても、３つのＤＯＦの運動を可能にするボール関節であってもよい。第１および第２の機構は、外科手術鋸の回転軸を切断面に位置決めする平行アーキテクチャを形成する。

第１および第２の連結セグメント１２１０ａおよび１２２０ａは第１のプレーナ機構を形成し、第３および第４の連結セグメント１２１０ｂおよび１２２０ｂは第２のプレーナ機構を形成する。第１の連結セグメント１２１０ａは、基部１２０２上の第１の場所への回転可能な接続部と第２の連結セグメント１２２０ａの端部への回転可能な接続部との間に延在する。第３の連結セグメント１２１０ｂは、基部１２０２上の第２の場所への回転可能な接続部と第４の連結セグメント１２２０ｂの端部への回転可能な接続部との間に延在する。基部１２０２上の第１および第２の場所は、ロボットアームによって回転されたときに、基部カラーの回転軸の両側に離間されている。用具取り付け機構は、基部１２０２に対して第２の連結セグメント１２２０ａおよび第４の連結セグメント１２２０ｂの遠位端への回転可能な接続部の間に延在する第５の連結セグメントによって形成される。第１および第２の機構（第１および第２の連結セグメント１２１０ａ～１２２０ａ、ならびに第３および第４の連結セグメント１２１０ｂ～１２２０ｂ）は、それらの回転可能な接続部を中心として旋回して、用具取り付け機構１２３０の動きを作業面内の動きの範囲に制約する。用具取り付け機構１２３０は、切断するために発振するように構成される鋸ブレード１２４２を有する外科手術鋸１２４０に接続するように構成される。第１および第２の機構（第１および第２の連結セグメント１２１０ａ～１２２０ａ、ならびに第３および第４の連結セグメント１２１０ｂ～１２２０ｂ）は、例えば、１つのＤＯＦの運動を有する旋回関節を介して、作業面と平行になるように鋸ブレード１２４２の切断面を制約するように構成され得る。用具取り付け機構１２３０は、ねじ、ナットおよびボルト、クランプ、ラッチ、接合、圧入嵌合、または磁石を含み得るが、これらに限定されない、様々な機構を介して、外科手術鋸１２４０に接続され得る。ＤＲＡ５２を用具取り付け機構１２３０または外科手術鋸１２４０に接続して、カメラ追跡システム６（図３）による鋸ブレード１２４２の姿勢の追跡を可能にすることができる。

受動的なエンドエフェクタ１２００は、外科手術鋸１２４０の受動的な誘導を提供して、鋸ブレード１２４２を規定された切断面に制約し、その可動性を３つの自由度（ＤＯＦ）、鋸ブレード１２４２の切断面に平行な平面での２回の並進ＴｘおよびＴｙと、切断面と直交する軸を中心とした１回の回転Ｒｚと、に低減する。

いくつかの実施形態では、追跡システムは、受動的なエンドエフェクタ１２００の連結セグメントのうちの少なくともいくつかの回転関節に接続された回転式位置センサに基づいて、鋸ブレード１２４２の姿勢を決定するように構成される。回転式位置センサは、作業面内で用具取り付け機構が動いている間、接合された連結セグメントの回転位置を測定するように構成される。例えば、回転式位置センサは、基部１２０２に対する第１の連結セグメント１２１０ａの回転を測定するように構成することができ、別の回転式位置センサは、第１の連結セグメント１２１０ａに対する第２の連結セグメント１２２０ａの回転を測定するように構成することができ、別の回転式位置センサは、第２の連結セグメント１２２０ａに対する用具取り付け機構１２３０の回転を測定するように構成することができる。外科手術鋸１２４０は、用具取り付け機構１２３０に対して固定された向きを有するように接続され得る。直列化された連結セグメントおよび旋回関節を有する、鋸ブレード１２４２およびロボットアーム２２を接続する受動的なエンドエフェクタ１２００の直列の運動学的な連鎖は、必要な可動性を外科手術鋸１２４０に提供する。受動的な運動学的な連鎖によって画定された、平面における鋸ブレード１２４２の先端の位置は、回転式位置センサを介して感知される関節角度、および相互接続された連結セグメントの構造上の幾何学形状によって完全に決定され得る。したがって、例えば、基部１２０２と外科手術鋸１２４０との間の１つ以上の相互接続経路に沿った、接続された各連結セグメント間の相対的な角度を測定することによって、切断空間における鋸ブレード１２４２の先端の位置を、提案された順運動学的なモデルを使用してコンピュータ化することができる。骨に対するロボットアーム２２の遠位端の位置および向きの位置および向きが既知である場合、骨に対する鋸ブレード１２４２の位置および向きをコンピュータ化し、外科医へのフィードバックとして表示することができる。鋸ブレードが受動的なエンドエフェクタに直接取り付けられている例示的な実装例では、回転式位置センサによって提供される測定の周波数は、振幅中でも鋸ブレードの位置を測定するために、鋸ブレードの振幅周波数より少なくとも２倍高くなり得る。

本明細書における受動的なエンドエフェクタと共に使用され得る回転式位置センサの例示的なタイプとしては、電位差計センサ、光学センサ、容量式センサ、回転式可変差動変圧器（ＲＶＤＴ）センサ、線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）センサ、ホール効果センサ、およびインコーダ（ｉｎｃｏｄｅｒ）センサを挙げることができるが、これらに限定されない。

電位差計ベースのセンサは、受動的な電子構成要素である。電位差計は、均一な抵抗を横切って、摺動接点の位置を変化させることによって機能する。電位差計では、入力電圧全体は抵抗器の全長を横切って加えられ、出力電圧は固定接点と摺動接点との間の電圧降下である。受信するため、および絶対位置、キャリブレーション位置が必要である。電位差計は、３６０°より小さい測定範囲を有する場合がある。

光学エンコーダは、回転ディスク、光源、および光検出器（光センサ）を含み得る。回転シャフト上に装着されたディスクには、不透明および透明なセクタのパターンがディスクにコード化されている。ディスクが回転すると、これらのパターンが、光検出器に照射される光を遮り、デジタルまたはパルス信号出力を生み出す。ディスク上での信号のエンコードにより、絶対測定および相対測定、ならびにマルチターン測定が可能である。

容量式エンコーダは、高周波数基準信号を使用して容量の変化を検出する。これは、固定送信機、ロータ、および固定受信機の３つの主要部分で達成される。容量式エンコーダはまた、ロータおよび送信機／受信機の組み合わせとの２つの部分の構成で提供され得る。ロータは、正弦波パターンでエッチングされてもよく、ロータが回転するにつれて、このパターンが予測可能な方法で送信機の高周波数信号を変調する。エンコーダはマルチターンエンコーダであってもよいが、絶対測定は実現が困難である。スタートアップ時のキャリブレーションが必要である。

ＲＶＤＴセンサおよびＬＶＤＴセンサは、変圧器のコアがヌルの位置にある場合に動作し、一次および二次の２つの巻線の出力電圧の大きさは等しいが、方向は反対である。ヌルの位置の全体的な出力は常にゼロである。ヌルの位置からの角度変位は、合計差動出力電圧を誘発している。したがって、合計角度変位は、線形差動出力電圧に正比例する。差動出力電圧は、時計回りに増加し、反時計回りに減少する。このエンコーダは絶対測定で機能し、マルチターンとは互換性がない場合がある。アセンブリ時のキャリブレーションが必要である。

ホール効果センサでは、金属の薄いストリップに沿って電流が加えられる。磁場の存在下で、金属ストリップ内の電子は、１つのエッジに向かって偏向し、ストリップの短辺を横切って、すなわち、給電電流と直交して電圧勾配を生成する。その最も単純な形態では、センサは、アナログトランスデューサとして動作し、直接電圧を戻す。既知の磁場を用いて、ホールプレートからの距離を決定することができる。センサのグループを使用して、磁石の相対的な位置を推定することができる。複数のセンサ要素とパターン化された磁石プレートとを組み合わせることによって、光学エンコーダと同様に、絶対位置と相対位置を検出することができる。

インコーダセンサは、回転式可変変圧器センサ、ブラシレスレゾルバ、またはシンクロと同様な方法で機能する。ステータは、ＤＣ電力を受信し、ステータとロータとの間に低電力のＡＣ電磁場を生成する。この磁場は、角度に応じてロータによって修正される。ステータは、結果として生じる磁場を感知し、回転角度をアナログまたはデジタル信号として出力する。リゾルバとは異なり、インコーダは、巻線スプールではなく、積層回路を使用する。この技術により、高精度の設置を伴わずに、インコーダをコンパクトな形態、低質量、低慣性、高精度にすることができる。１回のフル回転をカウントする信号（Ｚ）が送信される。マルチターンおよび絶対感知が可能である。

受動的なエンドエフェクタの第２の実施形態が図１３に示されている。図１３を参照すると、受動的なエンドエフェクタ１３００は、外科手術ロボットによって位置決めされるロボットアーム（例えば、図１および２のロボットアーム１８）のエンドエフェクタカプラ（例えば、図４および５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、基部１３０２を含む。受動的なエンドエフェクタ１３００は、基部１３０２への回転可能な接続部と用具取り付け機構への回転可能な接続部との間に延在する、第１および第２の機構をさらに含む。回転可能な接続部は、１つのＤＯＦの運動を可能にする旋回関節であっても、２つのＤＯＦの運動を可能にするユニバーサル関節であっても、３つのＤＯＦの運動を可能にするボール関節であってもよい。第１および第２の連結セグメント１３１０ａおよび１３２０ａは第１のプレーナ機構を形成し、第３および第４の連結セグメント１３１０ｂおよび１３２０ｂは第２のプレーナ機構を形成する。第１の連結セグメント１３１０ａは、基部１３０２上の第１の場所への回転可能な接続部と第２の連結セグメント１３２０ａの端部への回転可能な接続部との間に延在する。第３の連結セグメント１３１０ｂは、基部１３０２上の第２の場所への回転可能な接続部と第４の連結セグメント１３２０ｂの端部への回転可能な接続部との間に延在する。基部１３０２上の第１および第２の場所は、ロボットアームによって回転されたときに、基部カラーの回転軸の両側に離間されている。基部１３０２からの第２の連結セグメント１３２０ａおよび第４の連結セグメント１３２０ｂの遠位端は、互いに、および用具取り付け機構１３３０に回転可能に接続される。第１および第２の機構（第１および第２の連結セグメント１３１０ａ～１３２０ａ、ならびに第３および第４の連結セグメント１３１０ｂ～１３２０ｂ）は、それらの回転可能な接続部を中心として、例えば、１つのＤＯＦの運動を有する旋回関節を介して旋回して、用具取り付け機構１３３０の動きを作業面内の動きの範囲に制約するように構成され得る。用具取り付け機構１３３０は、切断するために発振するように構成される鋸ブレード１２４２を有する外科手術鋸１２４０に接続するように構成される。第１および第２の機構（第１および第２の連結セグメント１３１０ａ～１３２０ａ、ならびに第３および第４の連結セグメント１３１０ｂ～１３２０ｂ）は、作業面と平行になるように鋸ブレード１２４２の切断面を制約する。用具取り付け機構１３３０は、ねじ、ナットおよびボルト、クランプ、ラッチ、接合、圧入嵌合、または磁石を含み得るが、これらに限定されない、様々な機構を介して、外科手術鋸１２４０に接続され得る。ＤＲＡを用具取り付け機構１３３０または外科手術鋸１２４０に接続して、カメラ追跡システム６（図３）による鋸ブレード１２４２の姿勢の追跡を可能にすることができる。

受動的なエンドエフェクタの第３の実施形態が図１４に示されている。図１４を参照すると、受動的なエンドエフェクタ１４００は、外科手術ロボットによって位置決めされるロボットアーム（例えば、図１および２のロボットアーム１８）のエンドエフェクタカプラ（例えば、図４および５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、基部１４０２を含む。基部１４０２は、ロボットアームによって回転されたときに、基部１４０２の回転軸の両側の離間された場所から延在する、第１および第２の細長い基部セグメント１４０４ａおよび１４０４ｂを含む。第１および第２の細長い基部セグメント１４０４ａおよび１４０４ｂは、受動的なエンドエフェクタ１４００に取り付けられたときに、ロボットアームのエンドエフェクタカプラから離れる方向に延在する。受動的なエンドエフェクタ１４００は、細長い基部セグメント１４０４ａおよび１４０４ｂへの回転可能な接続部と用具取り付け機構への回転可能な接続部との間に延在する、第１および第２の機構をさらに含む。この実施形態について開示される回転可能な接続部のうちの１つ以上は、１つのＤＯＦの運動を可能にする旋回関節であっても、２つのＤＯＦの運動を可能にするユニバーサル関節であっても、３つのＤＯＦの運動を可能にするボール関節であってもよい。

第１の機構は、第１の連結セグメント１４１１ａ、第２の連結セグメント１４１０ａ、第３の連結セグメント１４２０ａ、および第４の連結セグメント１４３０ａを含む。第１および第２の連結セグメント１４１１ａおよび１４１０ａは、第１の細長い基部セグメント１４０４ａ上の離間された場所への回転可能な接続部と、第３の連結セグメント１４２０ａ上の離間された場所への回転可能な接続部との間で互いに平行に延在する。第３の連結セグメント１４２０ａの端部は、第４の連結セグメント１４３０ａの端部に回転可能に接続されている。

第２の機構は、第５の連結セグメント１４１１ｂ、第６の連結セグメント１４１０ｂ、および第７の連結セグメント１４２０ｂを含む。第５および第６の連結セグメント１４１１ｂおよび１４１０ｂは、第２の細長い基部セグメント１４０４ｂ上の離間された場所への回転可能な接続部と、第７の連結セグメント１４２０ｂ上の離間された場所への回転可能な接続部との間で互いに平行に延在する。用具取り付け機構は、基部１４０２から第４および第７の連結セグメント１４３０ａおよび１４２０ｂの遠位端への回転可能な接続部の間で延在する、第８の連結セグメント１４４０を含む。さらなる実施形態では、用具取り付け機構の第８の連結セグメント１４４０は、基部１４０２から離れる方向に、外科手術鋸１２４０に接続するように構成される回転可能なコネクタまで延在する、取り付け部材１４４２を含む。取り付け部材１４４２は、第７の連結セグメント１４２０ｂよりも第４の連結セグメント１４３０ａに近い、第８の連結セグメント１４４０上の場所から延在する。

第１および第２の機構（連結セグメント１４１１ａ、１４１０ａ、１４２０ａ、１４３０ａのセット、および連結セグメント１４１１ｂ、１４１０ｂ、１４２０ｂのセット）は、それらの回転可能な接続部を中心として旋回して、用具取り付け機構１４４０の動きを作業面内の動きの範囲に制約するように構成され得る。用具取り付け機構１４４０は、切断するために発振するように構成される鋸ブレード１２４２を有する外科手術鋸１２４０に接続するように構成される。第１および第２の機構は、例えば、１つのＤＯＦの運動を有する旋回関節を介して、作業面と平行になるように鋸ブレード１２４２の切断面を制約するように構成され得る。用具取り付け機構１４４０は、ねじ、ナットおよびボルト、クランプ、ラッチ、接合、圧入嵌合、または磁石を含み得るが、これらに限定されない、様々な機構を介して、外科手術鋸１２４０に接続され得る。ＤＲＡを、取り付け部材１４４２などの用具取り付け機構１４４０、または外科手術鋸１２４０に接続して、カメラ追跡システム６（図３）による鋸ブレード１２４２の姿勢の追跡を可能にすることができる。

図１４の受動的なエンドエフェクタ１４００は、切断面での回転軸を中心とした外科手術鋸の位置決めを可能にする平行アーキテクチャを有する。横平行四辺形の同期および／または異なる運動により、外科手術鋸の回転軸を切断面に位置決めすることができる。

受動的なエンドエフェクタの第４の実施形態が図１５に示されている。受動的なエンドエフェクタ１５００は、外科手術ロボットによって位置決めされるロボットアーム（例えば、図１および２のロボットアーム１８）のエンドエフェクタカプラ（例えば、図４および５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、基部１５０２を含む。基部１５０２は、ロボットアームによって回転されたときに、基部１５０２の回転軸の両側の離間された場所から延在する、第１および第２の細長い基部セグメントを含み得る。第１および第２の細長い基部セグメントは、互いに離れる方向に延在する。受動的なエンドエフェクタ１５００は、基部１５０２への回転可能な接続部と用具取り付け機構への回転可能な接続部との間に延在する、第１および第２の機構をさらに含む。この実施形態について開示される回転可能な接続部のうちの１つ以上は、１つのＤＯＦの運動を可能にする旋回関節であっても、２つのＤＯＦの運動を可能にするユニバーサル関節であっても、３つのＤＯＦの運動を可能にするボール関節であってもよい。

第１の機構は、第１の連結セグメント１５１０ａを含む。第２の機構は、第２のセグメント１５１０ｂを含む。用具取り付け機構は、第３の連結セグメント１５２０、第４の連結セグメント１５３０、第５の連結セグメント１５４０ａ、第６の連結セグメント１５４０ｂ、および第７の連結セグメント１５５０を含む。第１および第２の連結セグメント１５１０ａおよび１５１０ｂはそれぞれ、基部１５０２上の第１および第２の場所、例えば、基部１５０２から離れる方向に延在する第１および第２の細長い基部セグメントへの回転可能な接続部と、第３の連結セグメント１５２０の両端部にある回転可能な接続部との間に延在する。基部１５０２上の第１および第２の場所は、ロボットアームによって回転されたときに、基部の回転軸の両側に離間されている。第４の連結セグメント１５３０は、第３の連結セグメント１５２０から基部１５０２に向かう方向に延在する。第５および第６の連結セグメント１５４０ａおよび１５４０ｂは、第４の連結セグメント１５３０上の離間された場所への回転可能な接続部と、第７の連結セグメント１５５０上の離間された場所への回転可能な接続部との間で互いに平行に延在する。第７の連結セグメント１５５０は、外科手術鋸１２４０に接続するように構成される回転可能なコネクタを有するように構成される。

第１～第６の連結セグメント１５１０ａおよびｂ、１５２０、１５３０、ならびに１５４０ａおよびｂは、それらの回転可能な接続部を中心として旋回して、第７の連結セグメント１５５０の動きを作業面内の動きの範囲に制約するように構成され得る。第７の連結セグメント１５５０は、切断するために振幅するように構成される鋸ブレード１２４２を有する外科手術鋸１２４０に接続するように構成される。第１～第６の連結セグメント１５１０ａおよびｂ、１５２０、１５３０、ならびに１５４０ａおよびｂは、例えば、１つのＤＯＦの運動を有する旋回関節を介して、作業面に平行になるように鋸ブレード１２４２の切断面を制約するように構成され得る。第７の連結セグメント１５５０は、ねじ、ナットおよびボルト、クランプ、ラッチ、接合、圧入嵌合、または磁石を含み得るが、これらに限定されない、様々な機構を介して、外科手術鋸１２４０に接続され得る。ＤＲＡを第７の連結セグメント１５５０または外科手術鋸１２４０に接続して、カメラ追跡システム６（図３）による鋸ブレード１２４２の姿勢の追跡を可能にすることができる。

受動的なエンドエフェクタの第５の実施形態が図１６に示されている。受動的なエンドエフェクタ１６００は、外科手術ロボットによって位置決めされるロボットアーム（例えば、図１および２のロボットアーム１８）のエンドエフェクタカプラ（例えば、図４および５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、基部１６０２を含む。受動的なエンドエフェクタ１６００は、基部１５０２への回転可能な接続部と用具取り付け機構への回転可能な接続部との間に延在する、第１および第２の機構をさらに含む。第１の機構は、第１の連結セグメント１６１０ａを含む。第２の機構は、第２のセグメント１６１０ｂを含む。用具取り付け機構は、第３の連結セグメント１６２０、第４の連結セグメント１６３０、第５の連結セグメント１６４０ａ、第６の連結セグメント１６４０ｂ、および第７の連結セグメント１６５０を含む。この実施形態について開示される回転可能な接続部のうちの１つ以上は、１つのＤＯＦの運動を可能にする旋回関節であっても、２つのＤＯＦの運動を可能にするユニバーサル関節であっても、３つのＤＯＦの運動を可能にするボール関節であってもよい。

第１および第２の連結セグメント１６１０ａおよび１６１０ｂはそれぞれ、基部１６０２上の第１および第２の場所への回転可能な接続部と、第３の連結セグメント１６２０の両端部にある回転可能な接続部との間に延在する。基部１６０２上の第１および第２の場所は、ロボットアームによって回転されたときに、基部１６０２の回転軸の両側に離間される。第４の連結セグメント１６３０は、第３の連結セグメント１６２０から、基部１６０２から離れる方向延在する。第５および第６の連結セグメント１６４０ａおよび１６４０ｂは、第４の連結セグメント１６３０上の離間された場所への回転可能な接続部と、第７の連結セグメント１６５０上の離間された場所への回転可能な接続部との間で互いに平行に延在する。第７の連結セグメント１６５０は、外科手術鋸１２４０に接続するように構成される回転可能なコネクタを有するように構成される。

第１～第６の連結セグメント１６１０ａおよびｂ、１６２０、１６３０、ならびに１６４０ａおよびｂは、それらの回転可能な接続部を中心として旋回して、第７の連結セグメント１６５０の動きを作業面内の動きの範囲に制約するように構成され得る。第７の連結セグメント１６５０は、切断するために発振するように構成される鋸ブレード１２４２を有する外科手術鋸１２４０に接続するように構成される。第１～第６の連結セグメント１６１０ａおよびｂ、１６２０、１６３０、ならびに１６４０ａおよびｂは、作業面に平行になるように鋸ブレード１２４２の切断面を制約しながら旋回するように構成され得る。第７の連結セグメント１６５０は、ねじ、ナットおよびボルト、クランプ、ラッチ、接合、圧入嵌合、または磁石を含み得るが、これらに限定されない、様々な機構を介して、外科手術鋸１２４０に接続され得る。ＤＲＡを第７の連結セグメント１６５０または外科手術鋸１２４０に接続して、カメラ追跡システム６（図３）による鋸ブレード１２４２の姿勢の追跡を可能にすることができる。

受動的なエンドエフェクタ１６００は、外科手術鋸の回転軸を切断面に位置決めするための２つの直交する並進の動きを提供し、この２つの並進は、平行四辺形によって実装される。

受動的なエンドエフェクタの第６の実施形態が図１７に示されている。受動的なエンドエフェクタ１７００は、外科手術ロボットによって位置決めされるロボットアーム（例えば、図１および２のロボットアーム１８）のエンドエフェクタカプラ（例えば、図４および５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、基部１７０２を含む。受動的なエンドエフェクタ１７００は、基部１７０２への回転可能な接続部と用具取り付け機構への回転可能な接続部との間に延在する、第１および第２の機構をさらに含む。この実施形態について開示される回転可能な接続部のうちの１つ以上は、１つのＤＯＦの運動を可能にする旋回関節であっても、２つのＤＯＦの運動を可能にするユニバーサル関節であっても、３つのＤＯＦの運動を可能にするボール関節であってもよい。第１および第２の機構は、平行四辺形の中心から各辺までの距離に沿って並進を提供するように接続される。第１の機構は、第１および第２の連結セグメント１７１０および１７２０ｂを含む。第１の連結セグメント１７１０は、基部１７０２への回転可能な接続部と第２の連結セグメント１７２０ｂの端部への回転可能な接続部との間に延在する。第２の機構は、第３の連結セグメント１７２０ａを含む。用具取り付け機構は、第４の連結セグメント１７３０を含む。第２および第３の連結セグメント１７２０ｂおよび１７２０ａは、基部１７０２から離れる方向に、第１の連結セグメント１７１０上の離間された場所への回転可能な接続部と第４の連結セグメント１７３０上の離間された場所への回転可能な接続部との間で互いに平行に延在する。第４の連結セグメント１７３０は、基部から離れる方向に、外科手術鋸１２４０に接続するように構成される回転可能なコネクタまで延在する、取り付け部材１７３２を含む。取り付け部材１７３２は、第２の連結セグメント１７２０ｂよりも第３の連結セグメント１７２０ａに近い、第４の連結セグメント１７３０上の場所から延在する。

第１～第３の連結セグメント１７１０、１７２０ｂ、１７２０ａは、それらの回転可能な接続部を中心として旋回して、第４の連結セグメント１７３０の動きを作業面内の動きの範囲に制約するように構成され得る。第４の連結セグメント１７３０は、切断するために発振するように構成される鋸ブレード１２４２を有する外科手術鋸１２４０に接続するように構成される。第１～第３の連結セグメント１７１０、１７２０ｂ、１７２０ａは旋回し、かつ作業面に平行になるように鋸ブレード１２４２の切断面を制約するように構成され得る。第４の連結セグメント１７３０、例えば、その取り付け部材１７３２は、ねじ、ナットおよびボルト、クランプ、ラッチ、接合、圧入嵌合、または磁石を含み得るが、これらに限定されない、様々な機構を介して、外科手術鋸１２４０に接続され得る。ＤＲＡを、第４の連結セグメント１７３０、例えば、取り付け部材１７３２、または外科手術鋸１２４０に接続して、カメラ追跡システム６（図３）による鋸ブレード１２４２の姿勢の追跡を可能にすることができる。

受動的なエンドエフェクタの第７の実施形態が図１８に示されている。受動的なエンドエフェクタ１８００は、外科手術ロボットによって位置決めされるロボットアーム（例えば、図１および２のロボットアーム１８）のエンドエフェクタカプラ（例えば、図４および５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、基部１８０２を含む。受動的なエンドエフェクタ１８００は、基部１８０２への回転可能な接続部と用具取り付け機構への回転可能な接続部との間に延在する、第１および第２の機構をさらに含む。この実施形態について開示される回転可能な接続部のうちの１つ以上は、１つのＤＯＦの運動を可能にする旋回関節であっても、２つのＤＯＦの運動を可能にするユニバーサル関節であっても、３つのＤＯＦの運動を可能にするボール関節であってもよい。第１の機構は、第１の連結セグメント１８１０ａを含む。第２の機構は、第２の連結セグメント１８１０ｂを含む。用具取り付け機構は、第３の連結セグメント１８２０を含む。第１および第２の連結セグメント１８１０ａおよび１８１０ｂはそれぞれ、基部１８０２上の第１および第２の場所への回転可能な接続部と、第３の連結セグメント１８２０の両端部にある回転可能な接続部との間に延在する。基部１８０２上の第１および第２の場所は、ロボットアームによって回転されたときに、基部１８０２の回転軸の両側に離間される。第３の連結セグメント１８２０は、基部１８０２から離れる方向に、外科手術鋸１２４０に接続するように構成される回転可能なコネクタまで延在する、取り付け部材１８２２を含む。取り付け部材１８２２は、第２の連結セグメント１８１０ｂよりも第１の連結セグメント１８１０ａに近い、第３の連結セグメント１８２０上の場所から延在する。この実施形態について開示される回転可能な接続部のうちの１つ以上は、１つのＤＯＦの運動を可能にする旋回関節であっても、２つのＤＯＦの運動を可能にするユニバーサル関節であっても、３つのＤＯＦの運動を可能にするボール関節であってもよい。

第１および第２の連結セグメント１８１０ａおよび１８１０ｂは、それらの回転可能な接続部を中心として、基部１８０２と第３の連結セグメント１８２０との間で旋回して、取り付け部材１８２２の動きを作業面内の動きの範囲に制約するように構成され得る。いくつかの他の実施形態では、回転可能な接続部のうちの１つ以上は、動きが作業面に制約されないように、２つのＤＯＦの運動を可能にするユニバーサル関節であっても、３つのＤＯＦの運動を可能にするボール関節であってもよい。取り付け部材１８２２は、切断するために発振するように構成される鋸ブレード１２４２を有する外科手術鋸１２４０に接続するように構成される。第１および第２の連結セグメント１８１０ａおよび１８１０ｂは、作業面に平行になるように鋸ブレード１２４２の切断面を制約しながら旋回する。取り付け部材１８２２は、ねじ、ナットおよびボルト、クランプ、ラッチ、接合、圧入嵌合、または磁石を含み得るが、これらに限定されない、様々な機構を介して、外科手術鋸１２４０に接続され得る。ＤＲＡを、第３の連結セグメント１８２０、例えば、取り付け部材１８２２、または外科手術鋸１２４０に接続して、カメラ追跡システム６（図３）による鋸ブレード１２４２の姿勢の追跡を可能にすることができる。

受動的なエンドエフェクタの第８の実施形態が図１９に示されている。受動的なエンドエフェクタ１９００は、外科手術ロボットによって位置決めされるロボットアーム（例えば、図１および２のロボットアーム１８）のエンドエフェクタカプラ（例えば、図４および５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、基部１９０２を含む。受動的なエンドエフェクタ１９００は、第１の連結セグメント１９１０および第２の連結セグメント１９２０をさらに含む。第１の連結セグメント１９１０は、基部１９０２への回転可能な接続部と、第２の連結セグメント１９２０の一方の端部への回転可能な接続部との間に延在する。第２の連結セグメント１９２０のもう一方の端部は、用具取り付け機構に回転可能に接続される。回転軸ｑ１、ｑ２、およびｑ３は、ブレード１２４２に平面状の切断面を提供するように、互いに平行である。したがって、鋸１２４０の３つのＤＯＦの運動には、ｘ方向Ｔｘ、ｙ方向Ｔｙ、およびｚ軸を中心とした回転方向Ｒｚが含まれる。この実施形態について開示される回転可能な接続部のうちの１つ以上は、１つのＤＯＦの運動を可能にする旋回関節であっても、２つのＤＯＦの運動を可能にするユニバーサル関節であっても、３つのＤＯＦの運動を可能にするボール関節であってもよい。

骨（例えば、脛骨および大腿骨）上の追跡マーカと共に、エンドエフェクタ基部１９０２および鋸１２４０に取り付けられた追跡マーカ５２を使用して、切断中の患者の骨に対するブレード１２４２およびブレード先端のリアルタイムの場所を正確かつ連続的に監視することができる。他の図には明示的に示されていないが、切断中の患者の骨に対するブレードの場所を追跡するために、すべての実施形態において、追跡マーカを鋸１２４０およびすべてのエンドエフェクタ１９０２に取り付けることができる。示されていないが、追跡マーカの代替として、または追跡マーカに加えて、常に鋸ブレードの先端がどこにあるかを正確に決定するために、エンコーダを連結セグメント１９１０および１９２０の各々の中に位置決めすることができる。

（例示的な外科手術処置）
手術室（ＯＲ）で外科手術ロボット４を使用する例示的な外科手術処置としては、以下を挙げることができる。
任意選択のステップ：外科手術は医療画像に基づいて術前に計画される。
１．外科手術ロボット４システムは、手術室（ＯＲ）の外側にある。看護師は、
患者が外科手術の準備を受けているときに、システムをＯＲに運ぶ。
２．看護師は、ロボットの電源を入れ、ロボットアームを展開する。看護師は、ロボットおよび追跡システムの精度を検証する。
３．滅菌された受動的なエンドエフェクタの場合、手術室看護師がロボットアーム上に滅菌ドレープを付け、矢状鋸を備えた受動的なエンドエフェクタをロボットアーム上に装着する。手術室看護師は、受動的なエンドエフェクタをロック機構でロックする。（必要な場合）手術室看護師はドレープを介してＤＲＡを受動的な構造に取り付ける。滅菌されていない受動的なエンドエフェクタの場合、ロボットアーム上に受動的なエンドエフェクタを取り付けた後にドレープが配置され、ＤＲＡは間にドレープが介在する状態で受動的なエンドエフェクタに取り付けられ、滅菌鋸または鋸ブレードは間にドレープが介在する状態で受動的なエンドエフェクタに取り付けられる。エンドエフェクタカプラに対する鋸ブレードの位置を固定するために、ロック機構を係合させる。
４．外科医は、ナビゲーションマーカを患者の骨、例えば、脛骨および大腿骨に取り付ける。骨は、例えば、Ｈｏｒｎポイントツーポイントアルゴリズム、面合わせアルゴリズム、または他のアルゴリズムを使用して、カメラ追跡システム６と位置合わせされる。軟部組織バランスの評価を実施することができ、これにより、本システムは、例えば、外科医が異なる方向に力（例えば、内反／外反力）を加えたときの大腿骨と脛骨の相対的な動きを追跡することによって、外科医が手術室内で軟部組織バランスを評価することを可能にする。軟部組織バランスの情報を使用して、外科手術計画を変更することができる（例えば、インプラント部品の移動、インプラントタイプの変更など）。
５．外科医が骨を切断する準備が整うと、手術室看護師は、外科手術ロボット４を手術される膝の近くに手術台へと運び、床上で外科手術ロボット４を安定化する。本システムは、すべての切断面がロボットおよび受動的な構造の作業空間にあるように、ロボット４の位置を見つける際に看護師を誘導することができる。
６．外科医は、（切断される骨、所望の切断面など）第１の切断を行う外科医の計画に従って、外科手術ロボット４の画面で異なるパラメータを選択する。
７．外科手術ロボット４は、鋸ブレードの切断面と目標面とが一致し、鋸ブレードが、受動的なエンドエフェクタの用具取り付け機構の動きの範囲内にある、切断される解剖学的構造からの距離に位置決めされるように、ロボットアーム２２を自動的に移動させて、受動的なエンドエフェクタを再位置決めする。
８．外科医は受動的なエンドエフェクタをロック解除する。
９．外科医は、受動的なエンドエフェクタによって提供される切断面に制約された切断を実施する。外科手術ロボット４は、骨に対する鋸ブレードの追跡された場所のリアルタイム表示を提供することができ、それにより、外科医は骨を取り除く進捗を監視することができる。１つの方法では、追跡サブシステムは、カメラ画像と、鋸、ロボットアーム、エンドエフェクタ、大腿骨、および脛骨に取り付けられた様々な追跡マーカとに基づいて、骨に対する鋸の場所をリアルタイムで処理する。次いで、外科医は、切断が完了すると、ロック機構を使用して受動的なエンドエフェクタをロックすることができる。
１０．外科医は、画面上で実行する次の切断を選択し、前と同じように続行する。
１１．外科医は、試行的なインプラント配置および中間の軟部組織バランス評価を実施することができ、かつそれらに基づいて、インプラント計画および関連付けられた切断を変更することができる。
１２．すべての切断の完了後、看護師は外科手術ロボット４を手術台から取り除き、受動的なエンドエフェクタをロボットアームから装着解除する。
１３．外科医は、インプラントを配置し、外科手術を終了する。

上記のステップ９では、骨の周りの組織および靭帯と、切断により作り出されるデブリと、骨の近くにある他の外科手術器具とにより、医師が切断の進捗を視覚的に確認することが困難な場合がある。目視による確認が許容可能な場合でも、骨の後方部分が切断されるなど、医師が見ることができない骨のエリアがある。

有利には、本発明の１つのロボットシステムの実施形態は、骨が多次元で切断されている進捗を医師が確認するための方法を提供する。カメラ追跡システム６は、エンドエフェクタ基部（１１００、１２０２、１３０２、１４０２、１５０２、１６０２、１７０２、１８０２、１９０２）、ロボットアーム２０、および鋸（１１４０、１２４０）に取り付けられた追跡マーカと共に、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が、骨に対する鋸ブレードの正確な位置をリアルタイムで計算することを可能にし、それにより、外科医は、骨の取り除きの進捗を監視することができる。

図２０は、外科手術処置中の骨の切断の進捗を示すディスプレイのスクリーンショットである。図２０は、側面図、ＡＰ図、および上面図の３つの画像を表示するサブシステム８３０および８２０を示している。各画像において、骨（例えば、脛骨２０００）に対する鋸ブレード１２４２のリアルタイムの場所がディスプレイ３４に表示される。側面図および上面図は、簡単には見ることができない鋸ブレードの位置を表示するため、医師にとってとりわけ有用な場合がある。ディスプレイの上部で、コンピュータサブシステム８３０、８２０は、切断プログラムの数、および現在作動中のプログラムがなんであるかを表示する。例えば、スクリーンショットが示すように、医師は、６つの平面状の切断をプログラムしている場合があり、現在の切断プログラムは第１の切断である。また、サブシステム８３０および８２０は、ブレードが進んだ可能性のある場所を追跡マーカによって追跡することができるため、特定の切断プログラムの骨の切断（切断されたエリア）がどれだけ完了したかを決定することができ、進捗率がディスプレイ３４に表示される。骨画像自体は、より正確な表現のために、患者の身体の実際の画像から得られることが好ましい。骨画像は、皮質骨２００４および海綿骨２００２を示す輪郭線を用いてサブシステム８２０によって拡張される。切断に対する抵抗の量は２つのタイプの骨の間で大きく異なるため、これは医師にとって重要な場合がある。

拡張現実（ＡＲ）頭部装着型ディスプレイが使用される場合、コンピュータサブシステム８２０は、皮質骨および海綿骨を示す同じ輪郭線を生み出し、それを、医師が自身の頭を移動するのにつれて連続的に実際の脚の上に重ねることができる。すでに切断されたエリアを、暗い色合いで実際の骨の上にオーバーレイさせることができる。さらに、切断面積にわたって挿入されるインプラントを骨の上にオーバーレイさせて、医師がインプラントの平面に沿って切断が正しく行われていることを示すこともできる。これは、サブシステム８３０および８２０が追跡マーカおよびカメラサブシステムと共にブレードの位置および骨に対するブレードの動きの履歴を追跡することができるため、すべて可能である。

ここで図２１～３２を参照すると、整形外科手術の文脈において直接的なブレード誘導システムの例示的な実施形態が記載されている。図２１、２２、２９、および３０に示されるように、直接的なブレード誘導システム２１００は、エンドエフェクタアーム（ＥＥＡ）２１０２を保持するロボットシステムを含み得る。ＥＥＡ２１０２は、ロボットアームのエンドエフェクタカプラに取り付けるように構成された基部を含み得る。本開示の原理に矛盾しないエンドエフェクタアームの他の例示的な実施形態は、図１２～１９に関して記載されている。平面状の切断を達成するために、鋸ブレード２１０４は、それが振動する平面内で誘導されるべきである。鋸ブレードの高い振動周波数（例えば、２００～３００Ｈｚ）は、機械的誘導の実現を困難にする。ＥＥＡ２１０２は、ＥＥＡ２１０２の先端２１１０の平面上での動きを実現するために使用され得る、いくつかの関節および連結部２１０６、２１０８を含み得る。図１２～１８の実施形態と同様に、ＥＥＡ２１０２の先端２１１０は、３つの自由度、平面上での２つの方向の動き、およびその平面に垂直な軸を中心とした回転を有し得る。ＥＥＡ２１０２は、平面状の切断を可能にし、すべての角度から目標の骨に近づくことができる。システム２１００は、ハンドピース２１１２およびブレードアダプタ２１１４を含むこともでき、各々は、ＥＥＡ２１０２およびブレード２１０４に接続される。

鋸ブレード２１０４を直接誘導する概念は、連結部２１１０の遠位端（ＥＥＡ２１０２の遠位回転関節２１１６）の回転軸とブレードの振動軸とを一致させることを含む。矢状鋸は、鋸ブレード取り付け部に近い軸を中心として鋸ブレードの小さな回転の動き（振動／振幅）を生み出す実装機構の大部分に存在する。回転軸とＥＥＡ２１０２の遠位回転関節２１１６とを（連結部２１０８の遠位端で）一致させることにより、関節２１１６を、一般的な鋸ハンドピースの回転を可能にし、鋸ブレードの振動を可能にするように構成することができる。

鋸ブレード２１０４は、ブレードアダプタ２１１４によってＥＥＡ２１０２の遠位関節回転軸に連結されるように構成され得る。ブレードアダプタ２１１４は、鋸ブレード２１０４を締着するように構成され得る。ブレードアダプタ２１１４を適合させることにより、異なる矢状鋸をシステム２１００に統合することができる。本開示に矛盾しないブレードアダプタ２１１４の例示的な構成を以下で考察する。例示的なブレードアダプタが図３１に例示される。

（恒久固定）
恒久固定構成では、ブレード２１０４は、ブレードアダプタ２１１４に恒久的にクランプされ得る。ユーザ（例えば、手術室看護師）は、外科医が外科手術野を準備している間に、ブレード２１０４をブレードアダプタ２１１４に組み立てることができる。例示的な恒久固定構成は、以下を含み得る。
・ブレード２１０４は、ブレード２１０４に対してクランプ力を提供するように構成されたねじまたはばね式ラッチなどの構成要素を使用して、ブレードアダプタ２１１４にしっかりとクランプされ得る。
・ブレード２１０４は、ブレード２１０４をブレードアダプタ２１１４に固定するように構成されたスルーホールなどのインターフェースを含み得る。
・ブレード２１０４およびブレードアダプタ２１１４は、後でＥＥＡ２１０２上に提供される単一の再利用可能なデバイスとして製造され得る。例示的な実装例は、ＰＥＥＫまたはステンレス鋼のブレードアダプタに取り付けられた金属ブレードを伴う。ブレードアダプタへのブレードの組み立ては、手術室看護師によって実施される。
・ブレード２１０４およびブレードアダプタはまた、滅菌状態で届けられる使い捨て（シングルユース）デバイスとして製造されてもよい。例示的な実装例は、プラスチック射出成形技術を使用してオーバーモールドされた金属ブレードを伴う。

図２２は、本開示の原理に矛盾しない例示的な実施形態であるシステム２２００を例示している。この実施形態では、ブレードアダプタは、鋸ブレードの回転軸を中心として回転することができる基部、およびねじによってブレードをブレードアダプタ基部にクランプするクランプ構成要素内で鋸ブレードに恒久的に付着することができる。図２３は、この構成に矛盾しないブレード２２０４、ブレードアダプタ２２１４、遠位回転関節２２１６、およびクランプ２２１８を例示している。これらの構成要素は、図２１に関して先に記載される構成要素と同じであっても、同様であってもよい。

（分離可能な固定）
分離可能な固定構成では、ブレードを現場で迅速にブレードアダプタに取り付け、かつブレードアダプタから分離することができる。ブレードアダプタは、能動的（通常は閉じられており、電気信号によって開くクランプ機構）であっても、受動的（迅速結合および／または迅速解放機構）であってもよい、クランプ機構を統合する。

（慣性モーメント）
ブレードアダプタ２１１４は、ブレードの回転軸を中心として回転する結合された「ブレード／ブレードアダプタ」の慣性モーメントを大幅に増加させ得る。ブレードアダプタ２１１４が鋸ブレード２１０４と一緒に振動するとすぐに、不均衡な慣性により動的な力およびトルクが生み出され、力およびトルクが機械構造ならびに外科医の手に伝えられる。実装例を最適化するために、振動軸を中心とする振動要素の慣性を最小限に抑えることができる。つまり、振動軸と比べて振動要素の質量が軽く、近いほど優れている。ハンドピース誘導の概念に関する振動軸を中心とした鋸ブレード要素の慣性モーメントは次のとおりである。
・Ｉ_ｈ＝Ｉ_ｄ＋ＭＤ^２

Ｄはブレード振動軸と遠位関節回転軸との間の距離であり、Ｍはブレードの重量（鋸ブレード要素の重量）であり、Ｉ_ｄはブレード振動軸を中心とした鋸ブレード要素の慣性モーメントである。次いで、慣性モーメントが直接的なブレード誘導の概念を用いてＭＤ^２だけ低減する。これは、振動軸とブレード振動軸との間の距離が０である（軸が組み合わされている）ときに最小になる。

図２４は、標準的なジグ２４０２を使用したシステムを例示している。本明細書で考察される原理の下では、直接的なブレード誘導は、図２４に例示されるジグ２４０２などの標準的なジグによって提供されるものよりも長い、ブレードの有効切断長を提供し得る。Ｌ_Ｇは誘導長（鋸ブレードが誘導される長さ）を表し、Ｌ_Ｅはブレードの有効長を表す。直接的なブレード誘導の概念により誘導長を短くすることができるため、ブレードの有効長は結果的に長くなる。これは、外科医にとってより快適な場合があり、外科医はより多くの骨を貫いて切断することができる。

切断の精度は、ロボットシステム、ＥＥＡ２１０２、ハンドピース矢状鋸、鋸ブレードの振幅機構（ブレードアダプタ２１１４または２２１４）、および鋸ブレード２１０４、２２０４を含む、床から鋸ブレードの先端までの、ロボットシステムを構成する種々の要素の剛性によって決まる。直接的なブレード誘導では、鋸ブレードがブレードアダプタと直接締着されるため、ハンドピースのバックラッシュおよび不正確さが大幅に最小化されるか、または完全に阻止される場合がある。

さらに、直接的なブレード誘導の概念は、様々な既存の矢状鋸との統合が容易になる場合がある。ブレードアダプタは、形状を単純にすることができる鋸ブレードを締着するだけでよい要素であるため、矢状鋸の形状に固有（製造業者固有）の構成要素を構築する必要がない場合がある。さらに、ブレードアダプタは簡単に滅菌することができる。これは、小さく軽量で比較的単純な機械要素であり、いずれの狭い空間もなく、簡単に分解することができるような方法で作製することができる。前述のように、ブレードアダプタを含むブレードは、単一の再利用可能なデバイスとして届けられる場合がある。

（追跡）
図２５は、矢状鋸ハンドピース２１１２に取り付けられたナビゲーションマーカまたは一連のマーカ２５００を含み得る、直接的なブレード誘導システム２１００を例示している。マーカ２５００により、矢状鋸をカメラ追跡システム６などのカメラによって追跡することが可能になる。光学追跡により、鋸の位置を測定することができるが、切断中に直接的な鋸ブレードの位置を測定することが難しい場合がある（ブレードの振動の高い周波数）。さらに、ブレード／鋸ハンドピース接続の剛性が低いため、追跡は、ブレード２１０４に対する鋸ハンドピース２１１２の偏向を直接測定することになる。

直接的な鋸ブレードの位置を測定するために、図２６は、ＥＥＡ２１０２の関節に統合されたエンコーダ２６００、２６０２、および２６０４を備えたシステム２１００を例示している。エンコーダ測定は通常、光学追跡を使用するよりも高い周波数と回転精度で行うことができる。例えば、測定周波数は、鋸ブレードの振幅の周波数よりも少なくとも２倍高い場合がある。ブレードの位置信号を用いると、鋸の振動周波数、オン／オフ状態、（例えば、振動およびその派生物を解釈することによって）鋸ブレードが骨の中で動かなくなることなどの追加の有用な情報を抽出することができる。

本開示の原理に矛盾しない例示的な実施形態では、外科医によって保持される矢状鋸ハンドピースの振動を低減することができる。ハンドピースの振動を減少させることにより、触覚フィードバックを改善することができ、切断効率を増加させることができる。前述のように、外科医の手に伝えられる振動は、ブレード回転軸を中心としたブレード／ブレードアダプタの結合の不均衡な慣性によって生み出された、伝えられた動的な力およびトルクから生じる。

振動をフィルタリングすることにより、振動を低減するための１つのアプローチを達成することができる。図２７では、減衰要素２７００が、ハンドピース２１１２とＥＥＡ２１０２との間に接続され得る。これは、ゴム、空気圧、または油圧シリンダを使用して実装され得る。

振動を低減するための別のアプローチは、鋸の回転軸を中心とした、結合された鋸／鋸アダプタの慣性のバランスを動的に保つことによって達成することができる。これは、同じ動力学で正反対の動きを実施する補正慣性を使用して、振動する鋸ブレードによって生み出された、伝えられる力およびトルクを動的に補正することによって実装することができる。図２８および３２は、機械的インバータ２８００を使用してバランスを保つために補正慣性を主慣性に結合することができる、例示的な実施形態を例示している。

ここで本開示の原理に矛盾しない図３３～４５を参照すると、ハンドルおよび取り付けられた参照要素を有するナビゲートピンガイドドライバを使用して、配置器具を使用し、配置器具をナビゲートする必要性をなくすことができる。例えば、外科医がハンドルを保持することができ、ナビゲーションシステムが参照要素を追跡することができる。ナビゲーションシステムは、患者の解剖学的構造に対するピンの配置および切断の視覚的表現または切断ブロックの視覚的表現に関するリアルタイムのフィードバックを提供する。外科医は、ナビゲートされたピンハンドルを、フリーハンドか、または本明細書で前述したように受動的なエンドエフェクタと併せて使用することができる。

図３３に、本実施形態の原理に矛盾しない提案されたワークフローが、方法３３００として例示されている。ステップ３３０２で、患者はナビゲーションシステムに対して位置合わせされ得る。ステップ３３０４で、ナビゲーションシステムのフィードバックを使用して、ナビゲートピンガイドドライバシステムを骨の目標エリアと一致させる。ステップ３３０６で、切断ブロックピンが骨に打ち込まれる。ステップ３３０８で、切断ブロックが切断ブロックピンの上で骨に取り付けられ、ステップ３３１０で、切断ブロックを介して切断が実施される。

図３４を参照すると、ナビゲートピンドライバシステム３４００の例示的な概略図が例示されている。ナビゲートピンガイドドライバシステム３４００は、ユーザが保持するためのハンドル３４０２、参照要素３４０４、皮質骨にドッキングするための遠位先端３４０６、およびブリッジ３４１０によって分離された２つの平行なピンガイド（またはガイドチューブ）３４０８を含み得る。ブリッジ３４１０は、ピン間隔が対応する切断ブロックの間隔と等しいことを確保するために間隔を維持する。図３４は、２つの平行なピンガイド３４０８を有する単一の器具で例示されているが、システム３４００は、１つのピンガイド３４０８のみで構築されてもよい。ユーザの視角および人間工学を最適化するために、図３５に示されるように、ブリッジ３４１０および参照要素３４０４は、軸３５００を中心に回転させることが可能である。参照要素は、ナビゲーションシステムによって追跡されるように構成されたマーカ、例えば、赤外線カメラによって検出可能な光学マーカを含み得る。

システム３４００を使用する際、ユーザは、患者をナビゲーションシステム対して位置合わせし、膝関節を露出するために最初の切開を行うことができる。露出されると、ユーザは、ナビゲーションシステムによって示されるようにナビゲートピンドライバシステムを位置決めすることができる。次いで、ユーザは、図３６に示されるように、ピンガイドチューブ３４０８を通して、従来型のピンであり得る切断ブロックピンを挿入し得る。

ナビゲートピンガイドドライバシステム３４００がどのように臨床的に使用され得るかの例は、以下のとおりである：（１）インプラント配置を計画し、（２）患者をナビゲーションシステムに対して位置合わせし、（３）膝を露出し、（４）図３７～３８に示されるように、ナビゲートピンドライバシステム３５００を使用して、遠位大腿骨切断ブロック用のピン３８００を挿入する。

上記のステップ（１）～（４）の後、ステップ（５）で、図３９に示されるように、遠位切断ブロック３９００がピン３８００の上に取り付けられ得る。図４０に示されるように、ステップ（６）で、遠位切除が実施され得る。図４１に示されるように、ステップ（７）で、システム３４００を使用して、４イン１切断ブロック４２００の位置を特定するためにピンが挿入されるかまたは穴が作成され、これは、ステップ（８）で切除されたセクションに取り付けられ、図４２に示されている。

４イン１切断ブロック４２を取り付けた後、ステップ（９）で、４イン１切断ブロック４２００を使用して、前方大腿骨、大腿骨面取部、後方大腿骨、後方面取部の切除が行われる。ステップ（１０）で、ナビゲートピンガイドドライバシステム３４００を使用して、近位脛骨切断ブロック４５００のためにピンが配置される。ステップ（１１）で、近位脛骨切断ブロック４５００は所定の位置に置かれ、切除が実施される。ステップ（１２）で、適切なインプラントを挿入することにより、膝関節全置換術が完了し得る。代替的に、また、本開示の原理から逸脱することなく、大腿骨の切除の前に脛骨に対して切除を実施してもよい。

本開示の原理に矛盾することなく、ナビゲートピンドライバシステム３５００は、鋸歯状の遠位先端の代わりに、適合する型のグリッパを含んでもよい。グリッパは、粉粒ジャミングを使用し、手術室にすでに存在する真空によって起動され得る。

ユーザがピンガイドを直接位置決めすることの代替手段において、また、ナビゲートピンガイドの配置を簡略化するために、ソフトウェアが、以下のワークフローで説明されるようにユーザを支援し得る。
（１）ソフトウェアを介して、骨上の１つのピンガイド（遠位先端）の目標位置をユーザに表示する、例えば、コンピュータ画面、拡張現実（ＡＲ）ヘッドセット、およびレーザポインタ。
（ａ）位置またはエントリポイントのみを表示する。つまり、この段階では、正確な器具回転は不要である。
（ｂ）遠位先端の歯／鋭いエッジは、ユーザが正しいエントリポイントを見つけて維持するのに役立つ。
（ｃ）器具の遠位先端の位置が、目標位置から事前に定義された安全限界（例えば、１ｍｍ）内になると、ソフトウェアを介してユーザに示し（例えば、緑色で表示）、次のステップに進む。
（２）ソフトウェアを介して、ピンガイドの目標回転を表示し、ユーザが第１のピンの正しい軌道を見つけることを可能にする。
（３）ユーザが第１のピンを配置する。
（４）ソフトウェアを介して、第２のピンの正しい軌道を規定するために第１のピンを中心とした目標回転を表示する。
（５）ユーザは第２のピンを配置し、ピンに沿ってガイドを引っ込める。

ここで図４６～５２を参照すると、骨構造に取り付けられた光学ナビゲーションアレイに関連する例示的な固定デバイスおよび方法を説明する。図４６は、接続ブリッジ４６０４を備えた二重皮質ピン４６０２を有する例示的な固定デバイス４６００を例示している。２つの標準的な、丸い、および自動貫通の皮質ピン４６０２が、軟部組織を通して、そして骨皮質および骨溝の両方を通してドリルされる。ピン４６０２間のドリル距離は、ドリルガイド（図示せず）によって示され、深さおよび向きは、個人的な好みに基づいて外科医によって決定され得る。堅固なブリッジ４６０４は、ピン４６０２に取り付けられ（例えば、固定ねじ４６０６を閉じることによって）、ナビゲーションアレイ４６０８の回転を遮断し、ナビゲーションアレイ４６０８への主要な接続点として役立つ。アレイ４６０８のブリッジ４６０４への接続は、２つの直交する回転ＤＯＦおよび１つの並進ＤＯＦで調節可能である。ピン４６０２の取り外しは、ピンを回して脚から引っ張ることによって行われる。皮膚を貫通することから残った切開の縫合が行われる。

図４７は、例示的な外部足固定デバイス４７００を例示している。デバイス４７００は、足装具／誘導にしっかりと接続されている。足および脛骨は、両方のくるぶしに両方の解剖学的目印を押して運動学的な連鎖を閉じる調節可能なねじ４７０２を取り付けることにより、装具にロックされる。これにより、脛骨および足の両方の回転の結合が保証される。ナビゲーションアレイ４７０４は、長さおよび角度（ロッドの中心軸に直交する両方の軸において）において調節可能なロッド４７０６および足装具４７０８に接続されている。大腿骨を追跡するためのナビゲーションアレイに、本明細書において説明される他の固定デバイスを使用することができる。アレイの取り外しに、外科手術的介入は不要である。軟部組織および骨は無傷に保たれる。

図４８は、回転防止クランプ４８０４を備えた皮質ピン４８０２を有する例示的な固定デバイス４８００を例示している。外部の堅固な回転防止クランプ４８０４は、２つのスパイク４８０６で骨表面の切開内に接続されている。１つの皮質ピン４８０２は、ジグ４８０４として回転防止クランプを使用して、切開を通して骨に挿入される。これらは一緒に骨への堅固な係留／接続点を形成する。クランプ４８０４は、調節ねじ４８０７およびフォームフィットによって皮質ピンに接続され、残りのすべてのＤＯＦを遮断する。回転防止クランプ４８０４は、骨皮質を貫通しないが、フォースフィットによってしっかりとクランプされる。ナビゲーションアレイ４８０８は、図４６に説明されているような構造に接続されており、異なる平面での調節の可能性がある。取り外しは、回転防止クランプを開き、脚から皮質ピンを引っ張ることによって実施される。

図４９は、皮質ピン４９０２、回転防止ダボ４９０４、トロカール４９０６、ナビゲーションアレイ４９０８、およびねじ４９１０を有する例示的な固定デバイス４９００を例示している。図５０Ａ～Ｃおよび５１Ａ～Ｃは、固定デバイス４９００と共に使用することができる回転防止ダボの例示的な実施形態を例示している。例示的な方法では、中空シャフト（トロカール）４９０６が、軟部組織の切開を通して骨に挿入される。ピン４９０２は、トロカール４９０６を通して挿入され、ピン４９０２上の事前定義されたエンドストップが正しい深さを示すまで、第１の骨皮質に侵入する。ピン４９０２の先端には、「乾式壁ダボ」係留具のような構造が装備されており、骨管内で自由に開閉できる。ナビゲーションアレイ４９０８は、ねじ４９１０を介して皮質ピン４９０２に取り付けることができる。

図５０Ａ～５１Ｃに回転防止ダボの例が例示されている。一例は、図５０Ａに示される係留デバイス５００２を含む。デバイス５００２は、ピン４９０２の先端で１つの共通軸の周りを旋回し、ピンの中心／長手方向軸に直交して並進することができる（例えば、線形誘導固定を採用することによって）少なくとも２つの翼５００４を含む。デバイス５００２は、固定までの旋回の距離を変更する中心ねじ／中心ピンを延長／短縮することによって開閉することができる。

別の例は、図５０Ｂに示されるモーニングスターデバイス５００６である。モーニングスターデバイス５００６は、端点（中心ねじまたはロッドおよびピン４９０２に固定されている）間の距離を短縮すると、それぞれの中心で旋回できる少なくとも２つの翼５００８が接続され得る。モーニングスターデバイス５００６は、固定までの旋回の距離を変更する中心ねじ／中心ピンを延長／短縮することによって開閉することができる。

さらなる例は、図５０Ｃに示されるモーニングスターデバイス５０１０である。モーニングスターデバイス５０１０は、端点（中心ねじまたはロッドおよびピン４９０２に固定されている）間の距離を短縮することによって丸い形状に曲がる少なくとも２つの翼５０１２を有し得る。デバイス５０１０は、固定までの旋回の距離を変更する中心ねじ／中心ピンを延長／短縮することによって開閉することができる。

図５１Ａは、例示的な逆グリッパデバイス５１０２を例示している。デバイス５１０２は、少なくとも２本のワイヤ５１０４（例えば、ニチノール）および１つの中心ピースフォームのピン４９０２を有し得る。中心ピースは、ワイヤ５１０４を中心（長手方向）軸から押し離して係留具を形成するように制約する形状で終わる。デバイス５１０２は、自由ワイヤ長を延長／短縮することによって開閉することができる。

図５１Ｂは、折り紙／タコの指のような形状を有し得るデバイス５１０６を例示している。デバイス５１０６は、ピン４９０２を形成する少なくとも２つの折り紙構造５１０７（一連の可撓性ヒンジ関節）を有し得る。ワイヤ／ケーブル５１０８が構造を通って配線され、開放を可能にする。折り紙の構造の端は「切断」表面で作製されている。展開された構成では、二重フックのような構造が形成される。このデバイスは、ケーブル５１０８を引っ張る／解放することによって開閉することができる。

図５１Ｃは、巻き戻しばねデバイス５１１０を例示している。デバイス５１１０は、一方の側でピン４９０２の端部に接続され、他方の側で内側のピン／ねじ５１１４に接続され、表面を増加させ、巻き戻すことによってアレイをロックする、少なくとも１つのねじりばねのような構造５１１２を含み得る。このデバイスは、内側のピン／ねじを時計回り／反時計回りに回して開閉することができる。

説明されているダボのいずれかを開くと、可能なすべての並進および回転がロックされる。ナビゲーションアレイの取り付け点としての堅固なコネクタが、（例えば、固定ねじを閉じてフォームフィットすることによって）ピン４９０２に取り付けられる。アレイのコネクタへの接続は、２つの直交する回転ＤＯＦおよび１つの並進ＤＯＦで調節可能である。ピン４９０２の取り外しは、設置ステップの逆戻りによって行われる。

図５２は、例示的なトライポッド固定デバイス５２００を例示している。外部の堅固な回転防止クランプ５２０２は、２つのスパイク５２０４で骨表面の切開内に接続されている。１つの皮質ピン５２０６は、回転を阻止するために切開内に配置される。固定バンド５２０８は、安定性を高めるために脚の周りに締着され、可撓性／弾性５２１０アームを介して回転防止クランプ５２０２に接続されている。可撓性／弾性アームは、脚が動かされるときに制御された力が皮質ピン５２０６に加えられることを確保する（脚の動きの間、皮膚は骨に関連して２ｃｍまで動くことができる）。すべてのＤＯＦがロックされている。スパイク５２０４は骨皮質を貫通しないが、フォースフィットによってしっかりとクランプされる。ナビゲーションアレイはアーム５２１０に接続されており、異なる平面での調節の可能性（２つの回転ＤＯＦおよび１つの並進ＤＯＦ）がある。取り外しは、回転防止クランプ５２０２および固定バンド５２０８を開き、ならびに脚から皮質ピン５２０６を引っ張ることによって実施される。切開内にあるため、皮質ピン位置での縫合は不要である。

（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。別段に定義されない限り、本明細書で使用されるすべての用語（技術用語および科学用語を含む）は、本発明の概念が属する当技術分野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すべ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よう。これらの用語は、ある要素／動作を他の要素／動作から区別するためにのみ使用される。したがって、いくつかの実施形態における第１の要素／動作は、本発明の概念の教示から逸脱することなく、他の実施形態における第２の要素／動作と呼ぶことができる。同じ参照番号または同じ参照符号は、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において指定された機能／作用を実装し、かつそれによって、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。すべてのこのような変更および修正は、本発明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、上で開示された発明の対象は、限定的ではなく例示的であると見なされるべきであり、付け加えられた実施形態の例は、本発明概念の趣旨および範囲内にあるすべてのこのような修正、強化、および他の実施形態に及ぶことが意図されている。したがって、法律によって許される最大限の範囲で、本発明概念の範囲は、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、前述の発明を実施するための形態に制限または限定されるものではないとする。

Claims (10)

1. ロボット支援外科手術で使用するための、ナビゲーションアレイを骨構造に固設するための固定デバイスであって、
   トロカールと、
   前記トロカールに挿入されるように構成された皮質ピンと、
   前記皮質ピンに取り付けられるように構成されたダボであって、前記ダボは、前記骨構造内での前記皮質ピンの回転を阻止するように構成されている、ダボと、
   前記皮質ピンに取り外し可能に取り付けられるように構成されたナビゲーションアレイと、を含む、固定デバイス。
2. 前記ダボは、皮質骨および骨溝に挿入されるように構成されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記ナビゲーションデバイスは、ねじを介して前記皮質ピンに取り外し可能に取り付けられている、請求項１に記載のシステム。
4. 前記ナビゲーションアレイは、赤外線カメラシステムに可視の光学マーカを含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記ダボは、前記皮質ピンの先端で長手方向軸に沿って旋回する２つの翼を有する係留具であり、前記翼は、前記長手方向軸に直交して並進するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
6. 前記ダボは、少なくとも２つの翼を有するモーニングスター構成のデバイスであり、前記翼の各々は、互いに接続され、各翼の中心点で旋回できるように構成されている、請求項１に記載のシステム。
7. 前記ダボは、丸い形状に曲がるように構成された少なくとも２つの翼を有するモーニングスター構成のデバイスである、請求項１に記載のシステム。
8. 前記ダボは、少なくとも２本のワイヤおよび中心ピースを有する逆グリッパであり、前記中心ピースは、前記ワイヤを前記皮質ピンの長手方向軸から押し離すように構成されている、請求項１に記載のシステム。
9. 前記ダボは、前記皮質ピンを通り押すワイヤを介して展開されるように構成された一連の可撓性ヒンジ関節を有するデバイスである、請求項１に記載のシステム。
10. 前記ダボは、前記皮質ピンの先端に展開されるように構成されたねじりばね構造を有するばねデバイスである、請求項１に記載のシステム。
    

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