JP2023002737A - ロボットの配置をユーザーにガイドするための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ワークスペース、および、外科的プランを実行するためのタスク要求、マニピュレーター要求、またはユーザーの好みに基づいて、外科的コンテキストにおいて、ロボットを動的に配置または再配置するためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】外科的手順前または外科的手順中に、患者の解剖学的構造に対するロボット１０２に関する最適な位置を正確に決定して示す。ロボットに関する最適な位置は、ユーザーに対して直感的に示され、外科的手順は、膝関節、腰関節、脊椎、肩関節、肘関節、足首関節、顎、腫瘍部位、手または足の関節、および、他の適切な外科的部位に対する外科的処置を例示的に含む。【選択図】図１

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１６年２月２６日に出願された、米国仮特許出願番号６２／３００，２３４の優先権を主張するものであり、それは参照により本明細書中に援用される。

［本発明の分野］
本発明は概して、ロボットおよびコンピューター支援外科的処置の分野に関し；特に、ワークスペースおよびタスク要求に基づいて外科的ロボットを動的に配置するための新規で有用な方法およびシステムに関する。

ロボット外科的手順は、高レベルの精度を要する多くの複雑な外科的処置のための好ましい医学技術となっている。ロボットのようなコンピューター支援外科的デバイスは、手作業で行なわれる外科的処置と比較して長期の臨床転帰を改善することができて補綴の生存率を増加させることができる、手術前に計画してその計画を正確に実行して患者の骨内で補綴の正確な最終位置および方位を確保するためのツールとして人気を得ている。一般に、コンピューター支援外科的システムは、２つのコンポーネント、インタラクティブの手術前プランニングソフトウェアプログラム、および、外科医が手順を正確に実行するのを支援するためにソフトウェアからの手術前データを利用するコンピューター支援外科的デバイスを備える。

従来のインタラクティブの手術前プランニングソフトウェアは、患者のコンピューター断層撮影（ＣＴ）または磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）画像データセットから、患者の骨の解剖学的構造の三次元（３Ｄ）モデルを作成する。製造元の補綴の３Ｄコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルのセットは、ソフトウェア内に事前にロードされて、それは、所望の補綴のコンポーネントを骨の解剖学的構造の３Ｄモデルにユーザーが置いて、骨への補綴の最も合う位置および方位を指示するのを可能にする。最終の外科的プランデータは、外科的デバイスに関する指示、例えば、組織のボリュームを正確に改変する、または、外科医が組織を改変して計画のゴールを達成するのを支援するための、カットファイル内の点のセットまたは触覚仮想境界のセットを含んでよい。

ロボット支援を用いて行なわれる一般的な外科的手順は、全体的および部分的な関節置換である。関節置換（一次関節形成とも呼ばれる）は、関節の関節表面が補綴コンポーネントによって置換される外科的手順である。関節置換は、特に、腰、膝、肩および足首のための成功的な手順となっていて、変形性関節症と関連する痛みを大いに低減しながら人々が機能を回復するのを可能にする。全体的および部分的関節置換を実行するための工業用ロボットシステムは、ＴＳｏｌｕｔｉｏｎ Ｏｎｅ（商標）Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ（ＴＨＩＮＫ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｉｎｃ．，Ｆｒｅｍｏｎｔ，ＣＡ）およびＲＩＯ（登録商標）Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｏｒｔｈｏｐｅｄｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ（Ｓｔｒｙｋｅｒ－Ｍａｋｏ，Ｆｔ．Ｌａｕｄｅｒｄａｌｅ，ＦＬ）を含む。これらのロボットシステムの例は、米国特許第５，０８６，４０１号および第７，２０６，６２６号により詳細に説明される。

ロボットシステムを用いて関節置換手順を行なうためには、患者に対するロボットの正しい配置が重大である。例えば、ＴＳｏｌｕｔｉｏｎ Ｏｎｅ（商標）Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍでは、可動ベースは、現在のところ、標的の解剖学的構造の隣で手作業で操られて、可動ベース上のブレーキ機構を用いて所定の位置に固定される。固定器アームがそれから、骨に対して固定されて、骨をシステムに固定する。続いて、骨の位置および方位（ＰＯＳＥ）が、追跡機構（例えば、光学追跡システム、機械的追跡システム）を用いて外科的プランおよびシステムに登録される。登録後に、ロボットシステムは、解剖学的構造に対してロボットのエンドエフェクターツールが外科的タスクを行なう（すなわち、外科的プランを実行する）ことができるかどうか決定する。タスクにおける全ての点および境界は、ロボットのワークスペース内であるべきであり、したがって、全ての点または境界は、ロボットによって到達可能であるべきである。換言すれば、エンドエフェクターツールは、標的解剖学的構造に関する外科的プランにおいて指定される全ての点または境界に到達する必要がある。

現行の方法での主な問題は、ロボットを用いて患者に接近する前のロボットベースに関する最適な位置に関するプライオリ情報に制限される。したがって、ロボットシステムが、患者に対して既に固定されているベースを用いてエンドエフェクターツールが外科的タスクを行なうことが不可能であると決定した場合、ベースが再配置される必要があり得て、骨が再登録される必要があり得る。加えて、ベースに関する新たな位置が外科的タスクを行なうのに適切である保証はない。解剖学的構造に対するベースの位置が変化した場合、このことは、指定された点または境界もロボットのワークスペース内で変化させる可能性もある。一部のこれらの点または境界は、ワークスペースの外に押され得て、到達できなくなる。ときには、ベースの高さの観点からのロボットの高さの変化が十分であり（すなわち、操作アームの上方または下方の並進）、一方で、他の場合では、ベースの位置は、解剖学的構造に関して完全に再配置される必要がある。これは、エンドエフェクターツールがしばしば何度も再配向される膝関節全置換術（ＴＫＡ）の場合に、より重要になる。これらの問題の全ては、特に標的の解剖学的構造がロボットシステムに固定される必要がある場合は、手術を行なうのに必要とされる時間を大いに増大させ得る（例えば、米国特許第５，０８６，４０１号に記載のロボット骨固定を参照）。

コンピューター支援は、多くの場合、制限された入力、例えば、特定の補綴と相関する切断空洞の寸法および骨モデルにおける補綴の位置に制限された入力に基づく、切断パラメーターを用いた外科的プランの実行にも制限されている。結果として、外科医は、軟組織の問題と今もなお手作業で争わなければならない。加えて、ベースを配置する前に対処されなければならないロボットシステムの他のパラメーターがある。これは、どのように操作アームを連接してタスクを行なうか、および、これらの連接のいずれかが、特異性の欠点のような、欠点またはエラーを生じ得るかどうかを含み得る。外科医または外科的チームは、ロボットシステムが他の方法で妨げられ得る手術部位への特定のアクセスポイントまたはコリドーを有するという好みが存在し得る。光学追跡システムが存在する場合は、ベースは、手順全体を通して任意の追跡マーカーおよび追跡システムの間の視線を維持するように配置されるべきである。解剖学的構造の隣のベースに関する位置を単純に推測することにより、これらのパラメーターは、最適でないであろう。

最後に、ベースに関する最適な位置が決定された時点で、その位置は、直観および正確な様式で外科的チームに送られる必要がある。ベース位置における数ミリメートルは、外科的手順ワークフローおよび全体的な外科的時間に対して効果を有し得る。

したがって、外科的プランを実行するためのタスク要求、マニピュレーター要求、またはユーザーの好みに従って、患者の解剖学的構造に関してロボットシステムを最適に配置または再配置するためのシステムおよび方法に関する必要性が存在する。ロボットシステムに関する最適な位置をユーザーに直感的に示す必要性がさらに存在する。

手術台を備える手術室内でロボットを配置するための方法が提供されて、ロボットは、可動ベース、操作アーム、およびエンドエフェクターツールを備える。当該方法は、手術室における可動ベースの最初の位置を評価するステップ（ロボットは、プログラムされた外科的プランを有する）；可動ベースを最初の位置から手術台に向かって衝突防止モビリティソフトウェアを用いて第一の決定された位置に動かすステップ；可動ベースを止めるステップ；および、操作アームおよびエンドエフェクターツールを係合するステップ、を含む。

上に骨がある手術台を備える手術室内でロボットを配置するための方法が提供されて、ロボットは、可動ベース、操作アーム、操作アームに取り付けられたエンドエフェクターツール、および、外科的プランプログラムおよびプランを操作アームに通信するためのハードウェアを備えるコンピューターを備える。当該方法は、骨の軸の所望の位置を表わすエンドエフェクターツールの軸を形成するために、操作アームによって特定の位置および方位（ＰＯＳＥ）を仮定するステップ、および、登録された骨の軸およびエンドエフェクターツールの軸をほぼ整列させるために、可動ベースまたは登録された骨を動かすステップを含む。

手術台を備える手術室内でロボットを配置するための方法が提供されて、ロボットは、可動ベース、操作アーム、およびエンドエフェクターツールを備える。当該方法は、手術室における可動ベースの第一の位置を決定するステップ（ロボットは、プログラムされた外科的プランを有する）；可動ベースを、最初の位置から手術台に向けて、決定された第一の位置へ動かすステップ；可動ベースを止めるステップ；および、操作アームおよびエンドエフェクターツールを係合するステップ、を含む。

床上で操作するロボット外科的システムが提供される。ロボット外科的システムは、ベースを備えるコンピューター支援外科的ロボット、ロボットから突き出たエンドエフェクターツール、基準マーカーアレイ、および、対象の骨に対してエンドエフェクターを追跡または誘導するための光学追跡システムを備える。外科的システムは、対象の骨に対して行なわれる手術の外科的プラン、および、手術の外科的プランの少なくとも１つの手術に適合するために、床上にロボットのベースに関する所望の位置の画像を投影するための、レーザー、２Ｄ画像、またはホログラフィック画像プロジェクターをさらに備える。

本発明は、以下の図面に関してさらに詳述される。これらの図面は、本発明の範囲を制限することを意図しないが、むしろ、その特定の属性を説明する。

本発明の実施態様に係る、ロボットコンピューター支援デバイス、コンピューティングシステム、および、追跡システムを備える、外科的システムを備える本発明の手術室を示し、ロボットデバイスは、患者の解剖学的構造に対するロボットに関する最適な位置の表示をユーザーに提供するための配置表示機を備える。 本発明の実施態様に係る、ベースに関する最適な位置を示す表示機、および、最適な位置にデバイスのベースをガイドするための他のセンサーを備える、ロボットコンピューター支援デバイスを備える本発明の手術室を例示的に示す。 本発明の実施態様に係る、ロボット外科的デバイスのベースに関する最適な位置を表示するための、拡張現実デバイスの使用を例示的に示す。 本発明の実施態様に係る、いかなる追加の表示機またはセンサーも備えないロボットコンピューター支援デバイスを備える本発明の手術室を例示的に示し、ここで、ロボットベースは、ロボット操作アームの方位に従って適切な位置にガイドされる。

本発明は、ワークスペース、および、タスク要求、マニピュレーター要求、またはユーザーの好みに基づいて、外科的コンテキストで、ロボットを動的に配置または再配置するためのシステムおよび方法としてユーティリティがある。本発明のシステムおよび方法の実施態様は、外科的手順前または外科的手順中に、患者の解剖学的構造に対するロボットに関する最適な位置を正確に決定して示す。

本発明の好ましい実施態様の以下の説明は、本発明をこれらの好ましい実施態様に制限することを意図しないが、むしろ、任意の当業者が本発明を作成および使用するのを可能にする。本明細書に記載される発明は、例として膝関節全置換術（ＴＫＡ）を例示的に用いる。しかしながら、膝関節全置換術は、開示された実施態様から恩恵を受け得る１つの手順であり、他の外科的手順は、膝関節、腰関節、脊椎、肩関節、肘関節、足首関節、顎、腫瘍部位、手または足の関節、および、他の適切な外科的部位に対する外科的処置を例示的に含んでよい。

図面に関して、図１は、ロボット支援外科的手順のための外科的システムおよび手術室（ＯＲ）の一実施態様を示す。外科的システム１００は、一般に、外科的ロボット１０２、コンピューティングシステム１０４、および、追跡システム１０６を備える。

外科的ロボット１０２は、可動ベース１０８、可動ベース１０８に連結された操作アーム１１０、操作アーム１１０の遠位端に配置されたエンドエフェクターフランジ１１２、および、ツールチップ１１５を備えるエンドエフェクターツール１１３を備え、ツール１１３ｚは、エンドエフェクターフランジ１１２に着脱可能に取り付けられる。可動ベース１０８は、ベース１０８を操るための一組のホイール１１７を備えてよく、それは、液圧ブレーキのようなブレーキ機構を用いて所定の位置に固定されてよい。操作アーム１１０は、様々な自由度で制御または動きを提供する様々な関節および連結部を備える。関節は、プリズム、外旋、またはそれらの組み合わせであってよい。ツール１１３は、例えば、バール、鋸、エンドミル、カッター、レーザーアブレーションデバイス、鉗子、内視鏡、電気焼灼デバイス、ドリル、ピンドライバー、リーマー、超音波ホーン、カテーテルガイド、またはプローブを含む、患者の解剖学的構造に接触または作用するための任意のデバイスであってよい。ツール１１３および操作アーム１１０は、コンピューティングシステム１０４からのコマンドによって制御される。

コンピューティングシステム１０４は、一般に、プロセッサを備えるプランニングコンピューター１１４；プロセッサを備えるデバイスコンピューター１１６；プロセッサを備える追跡コンピューター１３６；および、周辺機器を備える。プランニングコンピューター１１４、デバイスコンピューター１１６、および、追跡コンピューター１３６は、外科的システムに応じて、別個の物体、単一のユニット、またはそれらの組み合わせであってよい。周辺機器は、ユーザーが外科的システムコンポーネントとインターフェース接続するのを可能にして、１つまたは複数のユーザー－インターフェース、例えばディスプレイまたはモニター１１８；および、ユーザー－入力機構、例えば、キーボード１２０、マウス１２２、ペンダント１２４、ジョイスティック１２６、フットペダル１２８を備えてよく、または、モニター１１８は、タッチスクリーン機能を備えてよい。

プランニングコンピューター１１４は、手術前または手術中のいずれかの外科的手順のプランニングに好ましくは専用であるハードウェア（例えば、プロセッサ、コントローラー、および、メモリ）、ソフトウェア、データおよびユーティリティを備える。これは、臨床画像データを読み取るステップ、画像データをセグメント化するステップ、三次元（３Ｄ）仮想モデルを構築するステップ、コンピューター支援設計（ＣＡＤ）ファイルを保存するステップ、ユーザーが外科的手順をプラニングするのを支援するための様々な機能またはウィジェットを提供するステップ、および、外科的プランデータを作成するステップを含んでよい。最終的な外科的プランは、登録、患者識別情報、ワークフロー指示、および、解剖学的構造に対して規定される組織のボリュームを改変するための手術データ、例えば、骨のボリュームを自律的に改変するためのカットファイル内の点のセット、骨を改変するために規定された境界内でツールを触覚的に強制するように規定された仮想境界のセット、骨内にピンをドリルで開けるためのドリルホールまたは平面のセット、または、組織を改変するための指示のグラフィカルに誘導されるセットを、促進するための点を有する三次元の骨モデルを含んでよい。プランニングコンピューター１１４から作成されるデータは、手術室（ＯＲ）内でワイヤまたはワイヤレス接続を通してデバイスコンピューター１１６および／または追跡コンピューター１３６に転送され得て；または、プランニングコンピューター１１４がＯＲの外に位置する場合は、非一時的なデータ保存媒体（例えば、コンパクトディスク（ＣＤ）、ポータブル・ユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）ドライブ）を介して転送される。

デバイスコンピューター１１６は、可動ベース１０８内に格納され得て、外科的デバイス１０２の操作に好ましくは専用であるハードウェア、ソフトウェア、データおよびユーティリティを備える。これは、外科的デバイスコントロール、ロボットマニピュレーターコントロール、運動学的および逆運動学的データの処理、登録アルゴリズムの実行、キャリブレーションルーチンの実行、外科的プランデータの実行、座標変換処理、ユーザーへのワークフロー指示の提供、および、追跡システム１０６からの位置および方位（ＰＯＳＥ）データの利用を含んでよい。

外科的システム１００の追跡システム１０６は、剛性体上に独自に配列された基準マーカーの位置を検出するための２以上の受光器１３０（例えば、再帰反射球体、活性発光ダイオード（ＬＥＤ））を備える。剛性体上に配列された基準マーカーは、基準マーカーアレイ１３２と総称されて、それぞれの基準マーカーアレイ１３２は、基準マーカーの独自の配列、または、マーカーが活性ＬＥＤである場合は独自の送信波長／周波数を有する。光学追跡システムの例は、米国特許第６，０６１，６４４号に記載される。追跡システム１０６は、ブーム、スタンド１４２（図２に示される）上に位置する外科的ライト１３４に作り付けられてよく、または、ＯＲの壁または天井に作り付けられてよい。追跡システム１０６は、局所的または全体的な座標フレーム内に、物体（例えば、大腿骨Ｆ、脛骨Ｔ、外科的デバイス１０２）のＰＯＳＥを決定するための、追跡ハードウェア１３６、ソフトウェア、データおよびユーティリティを備えてよい。物体のＰＯＳＥは、本明細書においてＰＯＳＥデータと総称されて、このＰＯＳＥデータは、ワイヤまたはワイヤレス接続を通してデバイスコンピューター１１６に通信され得る。あるいは、デバイスコンピューター１１６は、受光器１３０から検出される基準マーカーの位置を用いて、直接、ＰＯＳＥデータを決定し得る。

ＰＯＳＥデータは、受光器１３０から検出される位置データ、および、操作／処理、例えば、画像処理、画像フィルタリング、三角測量アルゴリズム、幾何学的関係処理、登録アルゴリズム、キャリブレーションアルゴリズム、および座標変換処理を用いて決定される。例えば、取り付けられたプローブ基準マーカーアレイ１３２ｄによるデジタイザプローブ１３８のＰＯＳＥは、米国特許第７，０４３，９６１号に記載のようにプローブチップが連続的に知られるようにキャリブレーションされ得る。エンドエフェクターツール１１３のツール軸またはチップ１１５のＰＯＳＥは、米国仮特許出願６２／１２８，８５７に記載のキャリブレーション方法を用いて、デバイス基準マーカーアレイ１３２ｃに関して知られ得る。デバイス基準マーカー１３２ｃは、操作アーム１１０上に示されるが、ベース１０８またはツール１１４上に配置されてもよい。登録アルゴリズムは、米国特許第６，０３３，４１５号、および第８，２８７，５２２号に記載のもののような当技術分野で知られている登録方法を用いて、骨（例えば、大腿骨Ｆ、脛骨Ｔ）、骨基準マーカーアレイ（１３２ａ、１３２ｂ）、外科的プラン、および、任意のそれらの組み合わせの間のＰＯＳＥおよび／または座標変換を決定するために実行され得る。

外科的処置の前の外科的ロボット１０２へのデバイス追跡アレイ１３２ｃの組み立ての際に、座標系のＰＯＳＥ、１３２ｃおよび１１３は、互いに対して固定されて、骨の解剖学的構造（例えば、大腿骨Ｆ、および脛骨Ｔ）に対する外科的処置中に（例えば米国特許公報２０１４００３９５１７Ａ１を参照）、エンドエフェクターツール１１３を正確に追跡するためにメモリ内に保存される。ＰＯＳＥデータは、コンピューティングシステム１０４によって手順中に用いられ得て、ロボットおよび外科的プラン座標変換をアップデートするので、外科的ロボット１０２は、任意の骨の動きが生じる場合に外科的プランを正確に実行することができる。特定の実施態様では、電磁場追跡システムまたは機械的追跡システムのような外科的システム１００を備える他の追跡システムが、取り込まれ得ることが理解されるべきである。機械的追跡システムの例は、米国特許第６，３２２，５６７号に記載される。

上述の解剖学的構造に対するベース１０８を配置する臨界に起因して、ロボットに関する最適な位置が、全体的および局所的な最適化アルゴリズムに多く起因するいくつかのアルゴリズムを用いて決定され得る。最適化アルゴリズムは、ロボットシステムの運動学的モデル、および、患者の解剖学的構造の公知のＰＯＳＥを用いてよく（ロボットを用いて患者に到達する前に、骨に対して外科的プランを登録することによって決定される）、外科的プランにおいて規定される、手術ボリューム、例えば、カットファイルの点、境界のセット、またはドリルホールまたは平面切断のセット内の所望の到達可能性を達成するための、ベースに関する最適な位置を決定する。最適化アルゴリズは、最適な位置を決定するためのさらなる制約を含んでもよい。制約は、外科的プランの実行のあいだの操作アームの、特異性、関節制限、または、衝突の回避のような、マニピュレーター要求を含んでよい。制約は、追跡システムに対する基準マーカーアレイの位置が特定のベース位置または操作アーム構成に関して最適化され得る場合、見通し線の考慮を含んでよい。制約は、ロボットがなおも外科的プランを実行することが可能である手術部位に対する特定のアクセスポイントまたはコリドーをユーザーに提供するための、ベースの位置に関するユーザーの好みをさらに含んでよい。好みは、受動性または触覚の外科的ロボットが用いられる場合に、操作アームまたはエンドエフェクターツールを簡単に把持して扱うためにどのようにベースが配向されるべきかも含んでよい。アルゴリズム制約は、患者因子、例えば、患者の肥満度指数（ＢＭＩ）、手術サイド（例えば、左または右大腿骨）、または標的化された解剖学的構造の曝露の量を含んでもよい。ユーザーの好みおよび患者因子の制約は、手術室または外科的プランにおいて定義されてよく、最適化アルゴリズムを走らせる前に追跡システム１０６またはコンピューティングシステム１０４にロードされる。マニピュレーター接合および結合のシミュレーションは、ベースに関する最適な位置がこれらのマニピュレーター要求に適応することが分かるまで、解剖学的構造／プランに対して様々な潜在的ベース位置で運動学的モデルを用いることによって、強制された最適化アルゴリズムとともに、またはその代わりに、行なわれてもよい。最終的に、ベースの最適な位置である最適化アルゴリズムおよび／またはシミュレーションの出力は、それから、手術室（ＯＲ）スタッフによって、解剖学的構造に関してロボットを配置または再配置するのに用いられ得る。

特定の実施態様では、特定のワールド座標フレームに関して標的化された骨の位置および方位は、ロボットシステムを配置する前に必要とされることに注意すべきである。例えば、追跡システムが存在する場合は、追跡システムに対する骨の現在の位置は、デジタイザプローブ１３８による部分的または全体的な登録プロセスを用いて決定され得て、ここで、外科的プランデータは、登録前に追跡システム１０６にアップロードされ得る。特定の実施態様では、ユーザーは、手術中に手順を計画し得て、骨モーフィング登録技術を用いて（一般に、画像なしコンピューター支援手順で用いられる）、ワールド座標フレームに対する骨のＰＯＳＥを決定する。ワールド座標フレーム内で知られている骨では、骨に対するロボットのベースに関する最適な位置および方位は、上述の最適化アルゴリズムおよび方法の１つを用いて決定される。最適な位置が決定された時点で、位置は、直観および正確な様式でＯＲスタッフに送られる必要がある。

図２に示される本発明の一実施態様では、レーザー、２Ｄ画像、または、ホログラフィック画像１４４は、床１４６上のロボット１０２のベース１０８に関する適切な位置を表示するために用いられ得る。表示機は、絶対的な座標空間において、またはロボット１０２の現在の位置に対して、位置を示し得る。絶対的な表示機は、ＯＲ内のロボットの最適な位置を、ロボットベース１０８のフットプリント１４４を床１４６上に投影することによって示す。最適な位置の配置に向かってロボットが動くと、投影された画像１４４がアップデートし得るので、フットプリント１４４は、絶対的な座標空間内の最適な位置に保たれる。相対的表示機は、表示矢印１５０のような、最適な位置に到達するようにベース１０８が動かされるまたは回転されるべき方向を示す。ピコプロジェクターのようなプロジェクター１４０は、例えば、ロボット１０２のベース１０８上、または操作アーム１１０上にマウントされる。ベース１０８が画像１４４の上部で動くときに画像１４４が継続的にアップデートされ得るように、プロジェクター１４０はベース１０８の下にマウントされてもよい（例えば、投影は、１４５においてベースの底から発散される）。この実施態様に関して、骨（例えば、大腿骨Ｆ、または脛骨Ｔ）の位置に加えて、ロボット１０２のベース１０８の位置も必要とされる。ロボット１０２のベース１０８のこの位置は、ロボットのアームに取り付けられたデバイス基準マーカーアレイ１３２ｃを、追跡システム１０６に曝露することによって決定され得る。

本発明の一実施態様では、ロボットベース１０８は、ロボット１０２を配置するためにマシンビジョンを利用するためのレーザー距離測定センサー（ＬＩＤＡＲＳ）１４８および／またはカメラを具備してよい。ベース１０８は、ＯＲ内のスタッフおよび物体との衝突を避けながら、自律的ロボットアルゴリズムを用いてそれ自体を最適な位置に安全に誘導する。ロボット１０２のベース１０８の位置は、本実施態様に必要であり、追跡システム１０６を用いて決定され得て、または、オンボード装置（例えば、測定センサー、カメラ）、および、デバイスコンピューター１１６上にロードされたマッピングソフトウェアを用いて決定され得る。動的環境内で動くロボットと比較して、ＯＲは比較的に制御された環境であり、容易にマッピングされることが理解されよう。自律的ロボットベース１０８は、マッピング、局在化、衝突防止、およびパスプランニングのナビゲーションモジュールによって行われる機能を含む、動力付き駆動ホイールシステムに頼って自動的に動くことができる。手順との干渉または重大な衝突を引き起こし得る、麻酔との潜在的干渉および患者サイズにおける変動は、図１および図２においてテーブル１３５の２つの小さな部分として示されるＯＲテーブル１３５の頭の部分の周りに立入禁止区域を作ることによって同時に避けられる。

本発明の特定の実施態様では、占有マップは、最尤推定問題として局在問題および同時的なマッピングを組み合わせることが習得されて、そこでは、データが与えられる最もあり得るマップを決定しようとする。尤度最大化は、小さなエラーは大きいものよりも可能性が高いので、オドメトリの一貫性を考慮して、Ｓ．Ｔｈｒｕｎ，Ｄ．Ｆｏｘ，ａｎｄ Ｗ．Ｂｕｒｇａｒｄ．Ａｐｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｔ ｍａｐｐｉｎｇ ａｎｄ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔｓ．Ｍａｃｈｉｎｅ Ｌｅａｒｎｉｎｇ，３１，１９９８に詳述されるように、知覚による一貫性を差引く。開放空間で操作するロボットとは対照的に、外科的ロボットベース１０８は、ＯＲの制御されて予測可能な環境において機能する。制御された環境は、本発明のロボットが、Ｍａｒｋｏｖ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ Ｄ．Ｆｏｘ，Ｗ．Ｂｕｒｇａｒｄ，ａｎｄ Ｓ．Ｔｈｒｕｎ，Ｍａｒｋｏｖ Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｒｏｂｏｔｓ ｉｎ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ １１（１９９９）３９１－４２７の仮説内で操作するのを可能にする。それは、ベイズの規則を用いてセンサー信号を取り込み、回旋を用いてロボットの動きを取り込む。はじめに、ロボットはここで、そのポーズを知る；したがって、Ｐｒ（ξ（０））は、均一に分配される。アップデート規則（１）に従って１つのセンサー信号（例えば、ＲＦＩＤ、レーザーまたはカメラ）を取り込んだ後に、Ｐｒ（ξ（１））が分配される。前に動いた後に、および、別のセンサー信号を取り込んだ後に、最終の分配Ｐｒ（ξ（２））は、所望のロボット最終位置とともに、正しいｐｏｓｅ ｒａｗ近接センサー読み出し（ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔ ｐｏｓｅ ｒａｗ ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ ｓｅｎｓｏｒ ｒｅａｄｉｎｇｓ）の周りに中心が置かれて、ロボットのパスおよび速度は、ロボットが動的制約（例えば、トルク制限）と対抗しながら衝撃の前に完全に止まることが常に可能でなければならないことを含む事前に選択された制約に基づいて計算される。穏やかな制約は、最速最短ルートによって最終的な位置に向かって直接動くことを要望するプログラムのバランスを取るために用いられる。組み合わせると、これらの制約は、安全かつスムーズなローカルナビゲーションを確保する。

パス・プランナーは、外科的作用の一方の位置から他方へのパスを計算する。衝突防止モビリティソフトウェアは、ロボットベース１０８がＯＲ内で操るのを可能にする。本発明の一部の実施態様では、衝突を避けるための自動的ブレーキ機能の他に、自律的または手動制御下であるかにかかわらず、通過軌道が衝突をもたらし得るプロセス中である場合に、アラームが提供される。

特定の発明の実施態様では、図３に関して、制限されないが、グーグルガラス、マイクロソフトのホロレンズ、またはＯＤＧのガラスを例示的に含む拡張現実デバイス１５４は、ＯＲ内のロボット１０２の最適な位置を示すために用いられる。最適な位置におけるロボットベース１４４のシルエットは、拡張現実デバイス１５４の視野１５６内に示され得る。相対的な矢印表示１５０もまた、視野１５６内に示され得る。拡張現実デバイス１５４のＰＯＳＥは、拡張現実デバイス１５８の内部センサー（慣性計測装置（ＩＭＵ）、コンパスなど）から、または、追跡システム１０６によって見られ得る現実デバイス１５４上にマウントされた拡張デバイス基準マーカーアレイ１３２ｄから、集められ得る。

特定の発明の実施態様では、図４に関して、操作アーム１１０は、ツール１１３の軸に関する骨の軸の所望の位置を表わす所定のＰＯＳＥを仮定し得る。ユーザーは、それから、患者の解剖学的構造またはロボット１０２のベース１０８を配置することによって、骨（例えば、大腿骨Ｆ、または脛骨Ｔ）がツール１１３の軸とほぼ整列されるように（すなわち、軸１５２に沿って示される骨の軸およびツール軸を整列させる）、ロボット１０２のベース１０８を動かし得る。この方法は、特定のＰＯＳＥを仮定するために、追跡システム１０６または登録情報を必要とせず、外科的プランに対して行なわれた分析にのみ依存する。換言すれば、ロボット１０２は、患者の現在の位置にかかわらず、所望のＰＯＳＥを仮定する。この実施態様では、操作アーム１１０の最初のＰＯＳＥは、マニピュレーター要求、外科医の好み、および患者因子を考慮し得る。操作アーム１１０が６よりも大きな自由度（ＤＯＦ）を有する場合、余剰の自由度は、マニピュレーター要求、外科医の好み、および患者因子を達成するためのより大きな柔軟性を提供する。

本発明の一実施態様では、登録アルゴリズムは、ロボット１０２に関する適切な位置を決定するために用いられ得て、その結果、ロボット１０２は、正しいベース高さを含むｐｏｓｅを仮定する。この方法への入力は、患者の位置および方位を含む完全な登録情報であってよく、または、最小限でも、膝の手順の場合の膝の上部のような解剖学的構造のランドマークであってよい。

モニター１１８上のディスプレイが、ユーザーに配置情報を提供するのに用いられる、グラフィカルユーザーインターフェース（ＧＵＩ）方法もまた提供される。例えば、骨／患者に関するロボット１０２の位置および方位が知られている場合は、患者に関するロボットベース１０８の現在および最適な位置の両方が、スクリーン上に表示される。ロボット１０２のベース１０８が動かされる場合は、スクリーンは、ロボット１０２を最適な位置に動かす視覚支援を提供するようにアップデートされる。さらなる実施態様では、骨およびロボットのベース１０８のフットプリントの側面図および上面図が表示されて、ワークスペースの到達可能な部分に骨があるかどうかを示すために、および、ワークスペース内の到達可能なポイントにつながるであろうベース１０８の動きの方向を示すために、骨の色が変化する。特定の実施態様では、標的記号（例えば、十字線）が、ＧＵＩ上に表示される。標的記号は、最初はスクリーン上で拡大されて現れ得て、それから、ベースが最適な位置に動かされるにつれて、ベースに関して最適な位置にフォーカスする。

配置中のロボットの細かい動きについては、本発明の一実施態様では、エレファントトランク方法が用いられ得る。エレファントトランク方法では、外科医は、ロボット１０２の操作アーム１１０またはツールアセンブリ１１３を、ロボット１０２を動かすためのジョイスティックとして用いる。これは、電気ステアリングによって動かされ得る動力付きロボットベース１０８を必要とする。エレファントトランク方法の説明は、米国仮特許出願番号６２／１４２，６２４にさらに説明されて、それは参照により本明細書中に援用される。

上述の方法は、米国特許第６，０３３，４１５号に記載されてその全体で本明細書中に援用されるロボットシステムに取り付けられた受動デジタイザアームの到達まで及び得ることが理解されるべきである。最適化アルゴリズムは、デジタイザアームが任意のワークスペース、タスク、ユーザー、または患者の要求に応じるように、デジタイザまたはロボットベース１０８に関する最適な位置をさらに決定し得る。

ベース１０８が配置された後に、追跡システム１０６は、ベース１０８が最適な位置にあることを確認し得て、または、最低限、ワークスペースおよびタスク要求が満たされることを確認する。モニター１１８は、ベース１０８の位置をユーザーが認識するためのプロンプトを表示し得る。特定の実施態様では、ユーザーは、手術部位内またはその周りの特定の位置へのアクセスを得るためにベース１０８を再配置することを望み得て、または、より良好に把持して受動または触覚の操作アームを扱うことを望み得る。モニター１１８は、解剖学的構造に対するベース１０８の現在の位置を表示し得る。ユーザーがモニター１１８上でベースの位置を実質的に調節するのを可能にする三連構造または回転カーソルが表示され得る。追跡システム１０６またはコンピューティングシステム１０４は、実質的に調節された位置がなおもワークスペースまたはタスク要求に適応するかどうかを示すフィードバックを提供し得る。したがって、ユーザーは、ベース１０８を実際に動かす前に、どこにベースが再配置され得るかアイディアを有する。新たな位置が決定された時点で、上述の任意の方法は、ロボット１０２のベース１０８を再配置するために用いられ得る。

［他の実施態様］
少なくとも１つの例示的な実施態様が前述の詳細な説明に提示されているが、膨大な数のバリエーションが存在することが理解されるべきである。また、例示的な実施態様（単数または複数）は単に例示であって、いかなる方法においても、記載される実施態様の範囲、適用性、または構成を制限することを意図しないことも理解されるべきである。むしろ、前述の詳細な説明は、例示的な実施態様（単数または複数）を実施するための便利なロードマップを当業者に与える。添付の特許請求の範囲に記載の範囲およびその法的等価物を逸脱せずに、エレメントの機能および配列に様々な変更がなされ得ることが理解されるべきである。

前述の説明は、本発明の特定の実施態様の例示であるが、その実施の際の制限であることを意味しない。以下の特許請求の範囲は、その全ての等価物を含んで、本発明の範囲を定義することが意図される。

Claims (30)

1. 上に骨がある手術台を備える手術室内でロボットを配置するための方法であって、
   前記ロボットは、可動ベース、操作アーム、前記操作アームに取り付けられたエンドエフェクターツール、および、外科的プランおよび前記プランを前記操作アームに通信するためのハードウェアを備えるコンピューターを備え、
   前記方法は、
   前記骨の軸の所望の位置を表わす前記エンドエフェクターツールの軸を形成するために、前記操作アームによって特定の位置および方位（ＰＯＳＥ）を仮定するステップ；および
   前記の骨の軸および前記のエンドエフェクターツールの軸をほぼ整列させるために、前記可動ベースまたは前記骨を動かすステップ
   を含む、
   方法。
2. 請求項１の方法であって、
   前記ロボットは、前記外科的プランに対して行なわれた分析だけに基づいて特定のＰＯＳＥを仮定する、
   方法。
3. 請求項１または２のいずれか一項の方法であって、
   前記ＰＯＳＥは、カットファイルを実行するための前記操作アームの要件、外科医の好み、および患者因子の、少なくとも１つに基づく、
   方法。
4. 請求項１から２のいずれか一項の方法であって、
   前記操作アームによってＰＯＳＥを仮定する前に、前記骨を登録するステップをさらに含み、
   ここで、前記操作アームは、それから、前記操作アームに関する正しい高さをさらに有するＰＯＳＥを仮定する、
   方法。
5. 請求項１から２のいずれか一項の方法であって、
   前記ロボットを動かすためにエレファントトランク方法を使用するステップをさらに含む、
   方法。
6. 請求項１の方法であって、
   前記ロボットに関する動的配置情報を表示するためのグラフィカルユーザーインターフェース（ＧＵＩ）をさらに含む、
   方法。
7. 請求項６の方法であって、
   前記ＧＵＩは、前記可動ベースのフットプリントおよび前記骨のビューを表示する、
   方法。
8. 請求項７の方法であって、
   前記骨が前記エンドエフェクターによって到達可能であるかどうかを示すために、前記骨の表示の色を変更するステップをさらに含む、
   方法。
9. 請求項６の方法であって、
   前記ＧＵＩは、前記ＰＯＳＥを認識するのをユーザーに促す、
   方法。
10. 請求項７の方法であって、
    前記ＧＵＩ上の前記可動ベースの位置を実質的に調節するために三連構造または回転カーソルを操作するステップをさらに含む、
    方法。
11. 手術台を備える手術室内でロボットを配置するための方法であって、
    前記ロボットは、可動ベース、操作アーム、およびエンドエフェクターツールを備え、
    前記方法は、
    前記手術室における前記可動ベースの第一の位置を決定するステップ
    ここで前記ロボットは、プログラムされた外科的プランを有する；
    前記可動ベースを、最初の位置から前記手術台に向けて前記の決定された第一の位置へ動かすステップ；
    前記可動ベースを止めるステップ；および
    前記操作アームおよび前記エンドエフェクターツールを係合するステップ、
    を含む、
    方法。
12. 請求項１１の方法であって、
    前記の第一の位置は、前記手術台上の患者の解剖学的構造に関するものであり、
    前記の第一の位置は、
    前記のエンドエフェクターツールの到達、および、改変される前記解剖学的構造のボリューム；
    前記エンドエフェクターツールが前記解剖学的構造のボリュームを改変する間の前記操作アームの、特異性、関節制限、または、衝突の少なくとも１つの回避；
    追跡システム検出器のＰＯＳＥに関する前記ロボット上にマウントされた基準マーカーアレイの位置および方位（ＰＯＳＥ）、または、
    前記患者の手術サイドまたは手順タイプに対応する外科的プランにおいて規定される位置
    の少なくとも１つに基づいて決定される、
    方法。
13. 請求項１１または１２の方法であって、
    前記の第一の位置を決定する前に、前記患者の前記解剖学的構造を追跡システムに登録するステップをさらに含み、
    前記ロボットの前記の第一の位置は、前記追跡システム上の最適化アルゴリズムを用いて決定される、
    方法。
14. 請求項１１の方法であって、
    前記の第一の位置は、レーザー、２次元画像、または、前記手術室の床上に投影されるホログラフィック画像を含む、表示機によって示される、
    方法。
15. 請求項１４の方法であって、
    前記画像または前記ホログラフィック画像は、前記可動ベースのフットプリントである、
    方法。
16. 請求項１１または１２の方法であって、
    レーザー距離測定センサー（ＬＩＤＡＲＳ）のセットを備える前記可動ベースを具備するステップをさらに含み、
    マシンビジョンは、前記可動ベースを配置するために用いられる、
    方法。
17. 請求項１１または１２の方法であって、
    ユーザーによって装着される拡張現実デバイス上に、前記可動ベースに関する所望の位置を表示するステップをさらに含む、
    方法。
18. 請求項１１または１２の方法であって、
    前記外科的デバイスまたはロボットのツールアセンブリは、前記の外科的デバイスまたはロボットを再配置するためのジョイスティックとして用いられる、
    方法。
19. 請求項１１または１２の方法であって、
    前記可動ベースは、衝突防止モビリティソフトウェアを用いて前記の第一の決定された位置に動く、
    方法。
20. 請求項１１または１２の方法であって、
    前記の第一の決定された位置は、前記手術室内にマッピングされる、固定された機構に関するものである、
    方法。
21. 請求項１１または１２の方法であって、
    前記ロボットは、前記の最初の位置または前記の第一の決定された位置の少なくとも１つに対するロボットベースの動的位置に関する衝突防止モビリティソフトウェアに入力を提供する少なくとも１つのセンサーを備える、
    方法。
22. 請求項１１または１２の方法であって、
    前記ロボットは、自律的に動く、
    方法。
23. 床上で操作するロボット外科的システムであって、
    ベースを備えるコンピューター支援外科的ロボット；
    前記ロボットから突き出たエンドエフェクターツール；
    対象の骨に対して前記エンドエフェクターを追跡または誘導するための、基準マーカーアレイおよび光学追跡システム；
    前記の対象の骨に対して行なわれる手術の外科的プラン；および
    手術の前記外科的プランの少なくとも１つの手術に適合するために、前記床上に前記ロボットの前記ベースに関する所望の位置の画像を投影するための、レーザー、２Ｄ画像、または画像プロジェクター
    を備える、
    システム。
24. 請求項２３のシステムであって、
    ２以上の入力を用いて前記の所望の位置を決定するために最適化アルゴリズムを実行するためのソフトウェアモジュールをさらに備え、
    前記入力は：前記の対象の骨の位置；前記の対象の骨に対して行なわれる前記の少なくとも１つの手術の位置；ロボット運動学的モデル；前記ロボットの位置；または、前記の対象の骨に対してユーザーによって規定される位置、からなる群より選択される、
    システム。
25. 請求項２３のシステムであって、
    手術の前記外科的プランは、手術のカットファイル、手術の仮想境界制約、または、グラフィックに誘導される手術のセットを含む、
    システム。
26. 請求項２３から２５のいずれか一項のシステムであって、
    手術の前記外科的プランにおいて指示される全ての身体的ポイントは、前記可動ベースが前記の所望の位置に配置される場合、前記エンドエフェクターツールによって到達可能である、
    システム。
27. 請求項２３から２５のいずれか一項のシステムであって、
    前記プロジェクターは、ピコプロジェクターである、
    システム。
28. 請求項２３から２５のいずれか一項のシステムであって、
    レーザー距離測定センサー（ＬＩＤＡＲＳ）およびマシンビジョンをさらに備える、
    システム。
29. 請求項２３から２５のいずれか一項のシステムであって、
    前記の所望の位置に前記ベースを誘導するための自律的ロボットアルゴリズムをさらに備える、
    システム。
30. 請求項２３から２５のいずれか一項のシステムであって、
    前記の所望の位置を表示するための拡張現実デバイスをさらに備える、
    システム。

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