JP2023180235A - フラットパネル位置合わせ固定具を備えた手術ナビゲーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】医用画像を三次元追跡空間に位置合わせするために提供される位置合わせ固定具を提供する。
【解決手段】医用画像を三次元追跡空間に位置合わせするための位置合わせ固定具２は、基部フレーム６と、配向プレート１４と、位置合わせプレートと、を含む。基部フレームは、Ｘ線医用撮像デバイスに装着されるように適合される。配向プレートは、基部フレームに取り付けられ、中心位置から延在する少なくとも４本の放射状線に沿って配置された第１の放射線不透過性マーカのセットを有する。放射状線は、中心位置を中心に角度的に離間している。放射線不透過性マーカのうちの少なくとも３つは、放射状線の各々に沿って配置されている。位置合わせプレートは、基部フレームに取り付けられ、配向プレートから離間している。位置合わせプレートは、円に沿って配置された、第２の放射線不透過性マーカのセットを含む。
【選択図】図３８

Description

本開示は、位置認識システムに関し、特に、三次元追跡空間への医用画像の位置合わせに関する。

手術ナビゲーションは、医用画像又は医用画像のセットを三次元追跡空間に位置合わせして、その結果、追跡空間内で剛体として検出された外科用デバイスが、患者の解剖学的構造に対して正しい位置で医用画像に重ね合わされたグラフィックとして表示可能になることを必要とする。このプロセスは、追跡座標系に対する画像の一方向の位置合わせである。ロボットナビゲーションでは、画像座標系から追跡座標系への剛体の位置決めを可能にするために、画像座標系と追跡座標系との双方向の相互位置合わせも必要である。実際には、所望の軌道が医用画像に重ね合わされて、医用画像座標系において医療用物体（例えば、外科用ねじ）を剛体として定義し、相互位置合わせによって、剛体が追跡空間において同時に定義されることが可能になる。ロボットは、追跡空間におけるその位置が既知であるように較正されるので、ロボットは、次いで所望の軌道に沿って既知の位置に移動して、ねじ、針、又は他の器具が所望の軌道を辿ることを可能にする外科用ツールを保持することができる。

コンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャンなど三次元画像ボリュームを追跡空間と相互に位置合わせするプロセスは、ＣＴ画像ボリュームとカメラ空間の両方が明確に定義されているので可能である。画像ボリューム内の基準の位置は、画像処理によって正確に検出することができ、カメラ空間内の追跡マーカの位置は、立体写真測量法によって正確に検出することができる。したがって、既知の相対位置に追跡マーカ及び撮像基準の両方を含む位置合わせ固定具は、三次元画像での作業時に必要な相互位置合わせを提供することができる。しかしながら、複数の二次元（２Ｄ）画像での作業時には、これらの画像を追跡空間と位置合わせするプロセスは困難になる。

現在の術前ＣＴロボット／ナビゲーションワークフローでは、術前３Ｄ ＣＴは、一対の２Ｄ追跡蛍光透視画像を使用して追跡カメラの座標系に位置合わせされる。画像面及びエミッタの位置は、蛍光透視画像ごとに蛍光透視ユニットに取り付けられた固定具を介して、光学的に追跡される。アルゴリズムは、ＣＴボリュームを通るＸ線経路をシミュレートすることによって数学的に合成蛍光透視ショット（デジタル再構成画像（ＤＲＲ））を生成することによって機能する。実際のＸ線画像とＤＲＲとの間に一致が見出されると、画像面及びエミッタの位置がＣＴボリューム及びカメラに対して同時に知られるため、位置合わせが達成される。

ＣＴ画像を追跡カメラに位置合わせするための上記アルゴリズムの一部は、患者トラッカに対する画像面及びエミッタの位置を正確に追跡することであり、その結果、ＤＲＲは、ＣＴボリュームに対する仮想エミッタ及び仮想コレクタの正しい、対応する構成で生成される。既存のソフトウェアが画像面を追跡する方法は、Ｃアームの画像コレクタの表面に直接取り付けられた固定具を追跡することによる。次いで、一般に使用される「ピンホールカメラ」アルゴリズムを実施することによってエミッタ位置が正確に決定され、固定具を通過するＢＢの２つの平面の影が、かかる影を生成するためにコレクタに対してエミッタが存在する必要のあった位置を決定するために分析される。

ＣＴ蛍光透視位置合わせプロセスの１つの基礎となる仮定は、ＢＢ平面が、Ｘ線を検出するハードウェアから実際には数センチメートルの位置にあっても、Ｃアームの物理的コレクタに直面する追跡対象の蛍光透視固定具の遠ＢＢ平面は、Ｘ線画像面と一致するとみなされ得るということである。この簡略化が有効である理由は、ＢＢ面を撮像ハードウェアから離れるように移動させる唯一の効果が、画像を均一に拡大することであったことである。すなわち、コレクタをエミッタから直線的に離れるように移動させ、蛍光透視固定具をエミッタに対して同じ場所に残すことが可能である場合、ＢＢの相当する影が異なるコレクタ距離において生成され、異なるコレクタ位置からの画像間の唯一の違いは画像倍率の増加である。図１７は、コレクタプレートの平面に垂直な平面を見たときの主要寸法を示しており、ＢＢは視野内にあり、その影はコレクタプレート上に現れる。Ｘ線画像の解像度（ピクセル／ｍｍ）は、Ｘ線ショットの撮影時には未知であり、位置合わせプロセスにおいて重要ではない。したがって、画像面が固定具平面に対して実際に直線的にオフセットしている任意の倍率は、重要ではないことがあり得る。

本開示のいくつかの実施形態は、医用画像を三次元追跡空間に位置合わせするために提供される位置合わせ固定具を対象とする。位置合わせ固定具は、基部フレームと、配向プレートと、位置合わせプレートと、を含む。基部フレームは、Ｘ線医用撮像デバイスに装着されるように適合される。配向プレートは、基部フレームに取り付けられ、中心位置から延在する少なくとも４本の放射状線に沿って配置された第１の放射線不透過性マーカのセットを有する。放射状線は、中心位置を中心に角度的に離間している。放射線不透過性マーカのうちの少なくとも３つは、放射状線の各々に沿って配置されている。位置合わせプレートは、基部フレームに取り付けられ、配向プレートから離間している。位置合わせプレートは、円に沿って配置された、第２の放射線不透過性マーカのセットを有する。

本開示のいくつかの実施形態は、医用画像を三次元追跡空間に位置合わせするための手術ナビゲーションシステムを対象とする。手術ナビゲーションシステムは、少なくとも１つのプロセッサと、動作を実行するために少なくとも１つのプロセッサによって実行可能なプログラム命令を記憶する、少なくとも１つのメモリと、を含む。動作は、Ｘ線医用撮像デバイスによって生成された画像を取得することを含む。動作は、第１の放射線不透過性マーカのセットが中心位置から延在する少なくとも４本の放射状線に沿って配置されていることを認識することに基づいて、放射状線が中心位置を中心に角度的に離間していることを認識することに基づいて、かつ放射線不透過性マーカのうちの少なくとも３つが放射状線の各々に沿って配置されていることを認識することに基づいて、画像内で第１の放射線不透過性マーカのセットを識別する。動作は、第２の放射線不透過性マーカのセットが円に沿って配置されていることを認識することに基づいて、画像内で第２の放射線不透過性マーカのセットの位置を識別し、第１の放射線不透過性マーカのセットは配向プレート上にあり、第２の放射線不透過性マーカのセットは配向プレートから離間した位置合わせプレート上にあり、配向プレート及び位置合わせプレートは、Ｘ線医用画像デバイスに装着された固定具の基部フレームに取り付けられている。動作は、画像内の第１の放射線不透過性マーカのセットの位置と画像内の第２の放射線不透過性マーカセットの位置との比較に基づいて、画像を三次元追跡空間に位置合わせする。

本発明のこれら及び他のシステム、方法、目的、特徴、及び利点は、以下の好ましい実施形態の詳細な説明及び図面から当業者に明らかになるであろう。本明細書で言及される全ての文書は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本発明及びその特定の実施形態の以下の詳細な説明は、以下の図面を参照することによって理解され得る。
外科的処置中のロボットシステム、患者、外科医、及び他の医療従事者の場所に関する潜在的な配置の俯瞰図である。 一実施形態による患者に対する外科用ロボット及びカメラの位置付けを含むロボットシステムを示す。 例示的な一実施形態による外科用ロボットシステムを示す。 例示的な一実施形態による外科用ロボットの一部分を示す。 例示的な一実施形態による外科用ロボットのブロック図を示す。 例示的な一実施形態による外科用ロボットを示す。 例示的な一実施形態によるエンドエフェクタを示す。 例示的な一実施形態によるエンドエフェクタを示す。 例示的な一実施形態によるエンドエフェクタを示す。 一実施形態による、外科用器具をエンドエフェクタのガイド管に挿入する前後の、外科用器具及びエンドエフェクタを示す。 例示的な一実施形態によるエンドエフェクタ及びロボットアームの部分を示す。 例示的な一実施形態によるエンドエフェクタ及びロボットアームの部分を示す。 例示的な一実施形態によるエンドエフェクタ及びロボットアームの部分を示す。 例示的な一実施形態による、動的基準配列、撮像配列、及び他の構成要素を示す。 例示的な一実施形態による位置合わせの方法を示す。 例示的な実施形態による撮像デバイスの実施形態を示す。 例示的な実施形態による撮像デバイスの実施形態を示す。 ナビゲーション固定具の一実施形態を示す。 ソースから異なる距離にある２つの平面内の小さな金属球（以下、「ＢＢ」と呼ぶ）の理論的投影を示すＸ線（蛍光透視鏡）コレクタプレートを示す。 ３Ｄの場所を生成するために２つの異なる視点からの、同じ放射線不透過性ポイントから取られた２つのＸ線投影を示す。 ＢＢのグリッドのコレクタプレートに平行な平面を通して撮影されたＸ線画像を示す。 コレクタプレートの平面に垂直な平面を見たときの主要寸法を示しており、ＢＢは視野内にあり、その影はコレクタプレート上に現れる。 ２つの平行なプレート上のｂｂパターンと、蛍光透視ユニットの画像増倍管に取り付けられる固定具の設計とを示す。 位置合わせ固定具のＢＢパターンを示す。 十字線を有する平行リングから構成された蛍光透視位置合わせ固定具を示す。 Ｘ線コレクタがリングの平面と平行であり、リングがＸ線コレクタと同心であるときの、Ｘ線上のリング位置合わせ固定具の外観を示す。 固定具がコレクタプレート及びリングに対して険しい角度にあるときの、Ｘ線上のリング位置合わせ固定具の理論的外観を示す。 座標系マッピングプロセスにおけるｚを中心にθだけ回転させる変換ステップを示す。 座標系マッピングプロセスにおいてｙを中心にαだけ回転させる変換ステップを示す。 座標系マッピングプロセスにおける、放射線写真の視点に一致するように平面内回転させる変換ステップを示す。 座標系マッピングプロセスにおける、座標系中心からｄｘ，ｄｙだけ変位させる変換ステップを示す。 座標系マッピングプロセスにおける、視差に応じて拡大させる変換ステップを示す。 コレクタプレートの平面に垂直な平面で見たときの主要寸法の概略を示しており、コレクタに平行なリングは視野内にあり、その影はコレクタプレート上に現れる。 リング平面を横切るように見た視点から、コレクタ平面に対して任意の入射角にあるリングを横切る図を示し、リング平面はページの内外にある。 リング平面を横切るように見た視点から、コレクタ平面に対して任意の入射角にある一対の同心リングを横切る図を示し、リング平面はページの内外にある。 回転した視点からの任意の入射角にあるリングの図を示す。 任意の入射角にある一対のリングの図を示す。 ｙ軸を中心として生じるα＝２０°の入射角を有する２つの円形リングのＸ線（視差を有する）上のモデル化された外観を示す。 ｙ軸を中心として生じるα＝２４．５°の入射角を有する２つの平行な円形リングのＸ線（視差を有する）上のモデル化された外観を示しており、両方のリングは、Ｘ線の中心からオフセットされており、両方の楕円の長軸は、ｙ軸に対して可視的に角度をなしているように見える。 ｙ軸を中心として生じるα＝２４．５°の入射角を有する２つの平行な円形リングのＸ線（視差を有する）上のモデル化された外観を示しており、両方のリングは、Ｘ線の中心からオフセットされており、遠視野楕円は、近視野楕円及び遠視野楕円が近視野楕円及び遠視野楕円の長軸において等しくなるまで、画像の中心の周りでスケーリングされている。 ピンクッション歪みを示す。 ｓ字歪みを示す。 本発明の一態様による、医用撮像デバイスのフラットパネル検出器に装着されるように設計された新規な位置合わせ固定具の斜視図である。 本発明の一態様による、垂直方向に離間配置された２組の埋め込まれた放射線不透過性マーカを有する放射線透過性プレートの平面図である。 所定のパターンの放射線不透過性マーカを伴う、図３９の放射線透過性プレートの第１のプレートの平面図である。 所定のパターンの放射線不透過性マーカを伴う、図３９の放射線透過性プレートの第２のプレートの平面図である。 組み立て前の図３８の位置合わせ固定具の基部フレーム及び側部フレームの斜視図である。 非貫通式クランプを示す、図４１の側部フレームの運動学的マウントの側面図である。 図３８の位置合わせ固定具の代替的な非貫通式運動学的クランプの外側斜視図である。 図３８の位置合わせ固定具の代替的な非貫通式運動学的クランプの外側斜視図である。 図４３Ａの側部フレームの断面図である。 フラットパネル検出器に装着するための１組のストラップ及びラチェットを有する、図３８の基部フレームの斜視図である。 図４５に示すようなストラップ及びラチェットを用いてフラットパネル検出器に装着された図３８の基部フレームを示す。 Ｃアームに取り付けられた、Ｇｌｏｂｕｓ Ｍｅｄｉｃａｌ，Ｉｎｃ．からの９インチ及び１２インチ蛍光透視固定具をそれぞれ用いて撮影されたＸ線画像を示す。 Ｃアームに取り付けられた、Ｇｌｏｂｕｓ Ｍｅｄｉｃａｌ，Ｉｎｃ．からの９インチ及び１２インチ蛍光透視固定具をそれぞれ用いて撮影されたＸ線画像を示す。 配向プレート上の第１のＢＢのセット及び位置合わせプレート上の第２のＢＢのセットの上面図を示し、第１及びＢＢのセットは、いくつかの実施形態に従って配向される。 配向プレート上の第１のＢＢのセット及び位置合わせプレート上の第２のＢＢのセットの上面図を示し、第１及びＢＢのセットは、いくつかの実施形態に従って配向される。 いくつかの実施形態による、手術ナビゲーションシステムによって実行され得る動作のフローチャートを示す。 いくつかの実施形態による、手術ナビゲーションシステムによって実行され得る動作のフローチャートを示す。

本発明を特定の好ましい実施形態に関連して説明してきたが、他の実施形態は当業者によって理解され、本明細書に包含される。

本開示は、本明細書の説明に記載又は図面に示される構成の詳細及び構成要素の配列に対するその用途に限定されないことを理解されたい。本開示の教示は、他の実施形態で使用及び実施され得、様々な方法で実施又は実行され得る。また、本明細書で使用される表現及び専門用語は、説明の目的のためであり、限定するものとみなされるべきではないことを理解されたい。本明細書の「含む」、「備える」、又は「有する」、及びその変形の使用は、その後に列挙された項目及びその等価物、並びに追加の項目を包含することを意味する。別途指定されない限り、又は限定されない限り、「取り付けられた」、「接続された」、「支持された」、及び「結合された」という用語並びにそれらの変形は、広く使用され、直接及び間接的な取り付け、接続、支持、及び結合の両方を包含する。更に、「接続された」及び「結合された」は、物理的又は機械的接続又は結合に限定されない。

以下の考察は、当業者が本開示の実施形態を作製及び使用することを可能にするために提示されるものである。図示された実施形態に対する様々な修正は、当業者には、非常に明らかであり、本明細書の原理は、本開示の実施形態から逸脱することなく、他の実施形態及び用途に適用され得る。したがって、実施形態は、示される実施形態に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示される原理及び特徴と一致する最も広い範囲を与えられるべきである。以下の詳細な説明は、図面を参照して読まれるべきであり、異なる図の同様の要素は、同様の参照番号を有する。図は必ずしも縮尺どおりではなく、選択された実施形態を示し、実施形態の範囲を限定することを意図するものではない。当業者は、本明細書で提供される実施例が、多くの有用な代替物を有し、実施形態の範囲内にあることを認識するであろう。

ここで図面を参照すると、図１及び図２は、例示的な実施形態による外科用ロボットシステム１００を示す。外科用ロボットシステム１００は、例えば、外科用ロボット１０２と、１つ以上のロボットアーム１０４と、基部１０６と、ディスプレイ１１０と、例えばガイド管１１４を含むエンドエフェクタ１１２と、１つ以上の追跡マーカ１１８と、を含み得る。外科用ロボットシステム１００は、患者２１０に（例えば、患者２１０の骨に）直接固定されるように適合された１つ以上の追跡マーカ１１８も含む患者追跡デバイス１１６を含み得る。外科用ロボットシステム１００はまた、例えば、カメラスタンド２０２上に位置付けられたカメラ２００を利用し得る。カメラスタンド２０２は、カメラ２００を所望の位置に移動、配向、及び支持するための任意の好適な構成を有し得る。カメラ２００は、１つ以上の赤外線カメラ（例えば、二焦点又は立体写真測量カメラ）などの任意の好適なカメラ（単数又は複数）を含んでもよく、例えば、カメラ２００の視点から視認可能な所与の測定体積において、アクティブ及びパッシブ追跡マーカ１１８を識別し得る。カメラ２００は、所与の測定体積をスキャンし、三次元においてマーカ１１８の位置を識別し、決定するためにマーカ１１８に由来する光を検出し得る。例えば、アクティブマーカ１１８は、電気信号（例えば、赤外線発光ダイオード（light emitting diode、ＬＥＤ））によってアクティブ化される赤外線発光マーカを含み得、パッシブマーカ１１８は、例えば、カメラ２００又は他の好適なデバイス上の照明器によって発せられる赤外光を反射する（例えば、入射光の方向への入射ＩＲ放射を反射する）再帰反射マーカを含み得る。

図１及び図２は、手術室環境における外科用ロボットシステム１００の配置に関する潜在的な構成を示す。例えば、ロボット１０２は、患者２１０の近く又はその隣に位置付けられてもよい。患者２１０の頭部の近くに示されているが、ロボット１０２は、手術を受ける患者２１０の領域に応じて、患者２１０の近くの任意の適切な場所に位置付けられ得ることが理解されよう。カメラ２００は、ロボットシステム１００から分離され、患者２１０の足元に位置付けられてもよい。この場所により、カメラ２００は、術野２０８に対する直接的な視線を有することが可能になる。繰り返すが、カメラ２００は、術野２０８への視線を有する任意の適切な位置に配置され得ることが企図される。図示の構成では、外科医１２０は、ロボット１０２の向かい側に位置付けられてもよいが、依然としてエンドエフェクタ１１２及びディスプレイ１１０を操作することができる。外科助手１２６は、エンドエフェクタ１１２及びディスプレイ１１０の両方にアクセスできるように、同じく外科医１２０の向かい側に位置付けられてもよい。必要に応じて、外科医１２０及び助手１２６の場所は逆にされてもよい。麻酔医１２２及び看護師又は外科技術師１２４の従来の領域は、ロボット１０２及びカメラ２００の場所にとらわれない。

ロボット１０２の他の構成要素に関して、ディスプレイ１１０は、外科用ロボット１０２に装着されてもよく、他の例示的な実施形態では、ディスプレイ１１０は、外科用ロボット１０２のある手術室内又は遠隔場所のいずれかにおいて、外科用ロボット１０２から取り外されてもよい。エンドエフェクタ１１２は、ロボットアーム１０４に結合され、少なくとも１つのモータによって制御され得る。例示的な実施形態では、エンドエフェクタ１１２は、患者２１０に手術を行うために使用される外科用器具６０８（本明細書で更に説明される）を受容し、配向することができるガイド管１１４を含み得る。本明細書で使用される場合、「エンドエフェクタ」という用語は、「エンドエフェクチュエータ」及び「エフェクチュエータ要素」という用語と互換的に使用される。一般的にガイド管１１４と共に示されるが、エンドエフェクタ１１２は、手術での使用に適した任意の好適な器具類に置き換えられてもよいことが理解されるであろう。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ１１２は、所望の方法で外科用器具６０８の移動をもたらすための任意の既知の構造を含み得る。

外科用ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２の並進及び配向を制御することが可能である。ロボット１０２は、例えば、ｘ、ｙ、及びｚ軸に沿ってエンドエフェクタ１１２を移動させることが可能である。エンドエフェクタ１１２は、ｘ、ｙ、及びｚ軸、並びにＺフレーム軸（エンドエフェクタ１１２に関連するオイラー角（例えば、ロール、ピッチ、及び／又はヨー）のうちの１つ以上が選択的に制御され得るように）のうちの１つ以上を中心に選択的に回転するように構成され得る。いくつかの例示的な実施形態では、エンドエフェクタ１１２の並進及び配向の選択的制御は、例えば、回転軸のみを含む６自由度ロボットアームを利用する従来のロボットと比較して、著しく改善された精度を有する医療処置の実行を可能にすることができる。例えば、外科用ロボットシステム１００は、患者２１０上で動作するために使用され得、ロボットアーム１０４は、患者２１０の身体の上に位置付けられ得、エンドエフェクタ１１２は、患者２１０の身体に向かってｚ軸に対して選択的に角度付けされている。

いくつかの例示的な実施形態では、外科用器具６０８の位置は、外科用ロボット１０２が処置中に常に外科用器具６０８の場所を認識することができるように、動的に更新され得る。その結果、いくつかの例示的な実施形態では、外科用ロボット１０２は、医師からの更なる支援なしに（医師がそのように望む場合を除いて）、外科用器具６０８を所望の位置に迅速に移動させ得る。いくつかの更なる実施形態では、外科用ロボット１０２は、外科用器具６０８が選択された予め計画された軌道から外れる場合、外科用器具６０８の経路を補正するように構成され得る。いくつかの例示的な実施形態では、外科用ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２及び／又は外科用器具６０８の移動の停止、修正、及び／又は手動制御を可能にするように構成され得る。したがって、使用中、例示的な実施形態では、医師又は他のユーザは、システム１００を動作させることができ、エンドエフェクタ１１２及び／又は外科用器具６０８の自律移動を停止、修正、又は手動制御する選択肢を有する。外科用ロボット１０２による外科用器具６０８の制御及び移動を含む外科用ロボットシステム１００の更なる詳細は、同時係属中の米国特許出願第１３／９２４，５０５号に見出すことができ、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

ロボット外科用システム１００は、ロボットアーム１０４、エンドエフェクタ１１２、患者２１０、及び／又は外科用器具６０８の移動を三次元で追跡するように構成された１つ以上の追跡マーカ１１８を備え得る。例示的な実施形態では、複数の追跡マーカ１１８は、例えば、限定することなく、ロボット１０２の基部１０６上、ロボットアーム１０４上、又はエンドエフェクタ１１２上などのロボット１０２の外側表面上に取り付けられ得る（ないしは別の方法で固定され得る）。例示的な実施形態では、複数の追跡マーカ１１８のうちの少なくとも１つの追跡マーカ１１８は、エンドエフェクタ１１２に取り付けられるか、ないしは別の方法で固定され得る。１つ以上の追跡マーカ１１８が、更に患者２１０に取り付けられ得る（ないしは別の方法で固定され得る）。例示的な実施形態では、複数の追跡マーカ１１８は、外科医、外科用ツール、又はロボット１０２の他の部分によって覆い隠される可能性を低減するために、術野２０８から離間して患者２１０上に位置付けられ得る。更に、１つ以上の追跡マーカ１１８は、外科用ツール６０８（例えば、ねじ回し、拡張器、インプラント挿入器など）に更に装着され得る（ないしは別の方法で固定され得る）。このようにして、追跡マーカ１１８は、マーキングされた物体（例えば、エンドエフェクタ１１２、患者２１０、及び外科用ツール６０８）のそれぞれがロボット１０２によって追跡されることを可能にする。例示的な実施形態では、システム１００は、マーキングされた物体のそれぞれから収集された追跡情報を使用して、例えば、エンドエフェクタ１１２、外科用器具６０８（例えば、エンドエフェクタ１１２の管１１４内に位置付けられている）、及び患者２１０の相対位置の配向及び場所を計算し得る。

例示的な実施形態では、マーカ１１８のうちの１つ以上は、光学マーカであってもよい。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ１１２上の１つ以上の追跡マーカ１１８の位置決めは、エンドエフェクタ１１２の位置をチェック又は検証する役割を果たすことによって、位置測定の精度を最大化し得る。外科用ロボット１０２及び外科用器具６０８の制御、移動、及び追跡を含む外科用ロボットシステム１００の更なる詳細は、同時係属中の米国特許出願第１３／９２４，５０５号に見出すことができ、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

例示的な実施形態は、外科用器具６０８に結合された１つ以上のマーカ１１８を含む。例示的な実施形態では、例えば、患者２１０及び外科用器具６０８に結合されたこれらのマーカ１１８、並びにロボット１０２のエンドエフェクタ１１２に結合されたマーカ１１８は、従来の赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ）、又はＯｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）などの市販の赤外線光学追跡システムを使用して追跡することができるＯｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）ダイオードを含み得る。Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）は、Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｃ．，Ｗａｔｅｒｌｏｏ，Ｏｎｔａｒｉｏ，Ｃａｎａｄａの登録商標である。他の実施形態では、マーカ１１８は、Ｐｏｌａｒｉｓ Ｓｐｅｃｔｒａなどの市販の光学追跡システムを使用して追跡することができる従来の反射球を含み得る。Ｐｏｌａｒｉｓ Ｓｐｅｃｔｒａも、Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ，Ｉｎｃ．の登録商標である。例示的な一実施形態では、エンドエフェクタ１１２に結合されたマーカ１１８は、オン及びオフにすることが可能な赤外線発光ダイオードを含むアクティブマーカであり、患者２１０及び外科用器具６０８に結合されたマーカ１１８は、パッシブ反射球を含む。

例示的な実施形態では、マーカ１１８から放射された光及び／又はマーカ１１８によって反射された光は、カメラ２００によって検出され得、マーキングされた物体の場所及び移動を監視するために使用され得る。代替の実施形態では、マーカ１１８は、無線周波数及び／又は電磁反射器若しくはトランシーバを含み得、カメラ２００は、無線周波数及び／若しくは電磁トランシーバを含むか、又は無線周波数及び／若しくは電磁トランシーバに置き換えられ得る。

外科用ロボットシステム１００と同様に、図３は、本開示の例示的な一実施形態と一致する、ドッキング構成の外科用ロボットシステム３００及びカメラスタンド３０２を示す。外科用ロボットシステム３００は、ディスプレイ３０４、上部アーム３０６、下部アーム３０８、エンドエフェクタ３１０、垂直カラム３１２、キャスター３１４、キャビネット３１６、タブレットドロワ３１８、コネクタパネル３２０、制御パネル３２２、及び情報のリング３２４を含むロボット３０１を備え得る。カメラスタンド３０２は、カメラ３２６を含み得る。これらの構成要素は、図５に関してより詳細に説明される。図３は、例えば、使用されていないときに、カメラスタンド３０２がロボット３０１と入れ子になるドッキング構成の外科用ロボットシステム３００を示す。カメラ３２６及びロボット３０１は、例えば、図１及び図２に示されるように、外科的処置中に相互から分離され、任意の適切な場所に位置付けられてもよいことが、当業者には理解されよう。図４は、本開示の例示的な実施形態と一致する基部４００を示す。基部４００は、外科用ロボットシステム３００の一部分であってもよく、キャビネット３１６を含んでもよい。キャビネット３１６は、バッテリ４０２、配電モジュール４０４、プラットフォームインターフェースボードモジュール４０６、コンピュータ４０８、ハンドル４１２、及びタブレットドロワ４１４を含むがこれらに限定されない、外科用ロボットシステム３００の特定の構成要素を収容し得る。これらの構成要素間の接続及び関係は、図５に関してより詳細に説明される。

図５は、外科用ロボットシステム３００の例示的な一実施形態の特定の構成要素のブロック図を示す。外科用ロボットシステム３００は、プラットフォームサブシステム５０２、コンピュータサブシステム５０４、動き制御サブシステム５０６、及び追跡サブシステム５３２を備え得る。プラットフォームサブシステム５０２は、バッテリ４０２、配電モジュール４０４、プラットフォームインターフェースボードモジュール４０６、及びタブレット充電ステーション５３４を更に備え得る。コンピュータサブシステム５０４は、コンピュータ４０８、ディスプレイ３０４、及びスピーカ５３６を更に備え得る。動き制御サブシステム５０６は、ドライバ回路５０８、モータ５１０、５１２、５１４、５１６、５１８、安定器５２０、５２２、５２４、５２６、エンドエフェクタ３１０、及びコントローラ５３８を更に備え得る。追跡サブシステム５３２は、位置センサ５４０及びカメラコンバータ５４２を更に備え得る。システム３００はまた、フットペダル５４４及びタブレット５４６を備え得る。

入力電力は、配電モジュール４０４に提供され得る電源５４８を介してシステム３００に供給される。配電モジュール４０４は、入力電力を受信し、システム３００の他のモジュール、構成要素、及びサブシステムに提供される異なる電源電圧を生成するように構成されている。配電モジュール４０４は、プラットフォームインターフェースモジュール４０６に異なる電圧供給を提供するように構成されてもよく、異なる電圧供給は、コンピュータ４０８、ディスプレイ３０４、スピーカ５３６、ドライバ５０８などの他の構成要素に提供され、例えば、モータ５１２、５１４、５１６、５１８及びエンドエフェクタ３１０、モータ５１０、リング３２４、カメラコンバータ５４２、並びにシステム３００の他の構成要素、例えば、キャビネット３１６内の電気構成要素を冷却するためのファンに電力を供給し得る。

配電モジュール４０４はまた、タブレットドロワ３１８内に位置し得るタブレット充電ステーション５３４などの他の構成要素に電力を供給し得る。タブレット充電ステーション５３４は、テーブル５４６を充電するためにタブレット５４６と無線又は有線通信し得る。タブレット５４６は、本開示と一致し、本明細書に記載される外科医によって使用され得る。［００５５］配電モジュール４０４はまた、配電モジュール４０４が入力電力５４８から電力を受信しない場合に一時的な電源として機能するバッテリ４０２に接続されてもよい。他の時点で、配電モジュール４０４は、必要に応じてバッテリ４０２を充電するのに役立ち得る。

プラットフォームサブシステム５０２の他の構成要素はまた、コネクタパネル３２０、制御パネル３２２、及びリング３２４を含み得る。コネクタパネル３２０は、異なるデバイス及び構成要素をシステム３００並びに／又は関連付けられた構成要素及びモジュールに接続するのに役立ち得る。コネクタパネル３２０は、異なる構成要素からの回線又は接続を受容する１つ以上のポートを含み得る。例えば、コネクタパネル３２０は、システム３００を他の機器に接地し得る接地端子ポートと、フットペダル５４４をシステム３００に接続するためのポートと、位置センサ５４０、カメラコンバータ５４２、及びカメラスタンド３０２に関連付けられたカメラ３２６を備え得る追跡サブシステム５３２に接続するためのポートと、を有し得る。コネクタパネル３２０はまた、コンピュータ４０８などの他の構成要素へのＵＳＢ、イーサネット、ＨＤＭＩ通信を可能にするための他のポートを含み得る。［００５７］制御パネル３２２は、システム３００の動作を制御する、及び／又はシステム３００に関する情報を提供する、様々なボタン又はインジケータを提供し得る。例えば、制御パネル３２２は、システム３００の電源をオン又はオフにするためのボタン、垂直カラム３１２を上げ下げするためのボタン、及びキャスター３１４と係合してシステム３００が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器５２０～５２６を上げ下げするためのボタンを含み得る。全てのモータ電力を除去し、機械的ブレーキを適用して全ての運動が発生するのを停止させ得る他のボタンは、緊急時にシステム３００を停止させ得る。制御パネル３２２はまた、バッテリ４０２の回線電力インジケータ又は充電状態などの特定のシステム状態をユーザに通知するインジケータを有し得る。

リング３２４は、システム３００が動作している種々のモードと、ユーザへの特定の警告とをシステム３００のユーザに通知するための視覚的インジケータであり得る。

コンピュータサブシステム５０４は、コンピュータ４０８と、ディスプレイ３０４と、スピーカ５３６と、を含む。コンピュータ５０４は、システム３００を動作させるためのオペレーティングシステム及びソフトウェアを含む。コンピュータ５０４は、情報をユーザに表示するために、他の構成要素（例えば、追跡サブシステム５３２、プラットフォームサブシステム５０２、及び／又は動き制御サブシステム５０６）から情報を受信し、処理し得る。更に、コンピュータサブシステム５０４は、ユーザに音声を提供するために、スピーカ５３６も含み得る。

追跡サブシステム５３２は、位置センサ５０４及びコンバータ５４２を含み得る。追跡サブシステム５３２は、図３に関して説明したようなカメラ３２６を含むカメラスタンド３０２に対応し得る。位置センサ５０４はカメラ３２６であってもよい。追跡サブシステムは、システム３００の異なる構成要素及び／又は外科的処置中にユーザによって使用される器具上に位置する特定のマーカの場所を追跡し得る。この追跡は、ＬＥＤ又は反射マーカなどのアクティブ要素又はパッシブ要素の場所をそれぞれ追跡する赤外線技術の使用を含む、本開示と一致する方法で行われ得る。これらのタイプのマーカを有する構造の場所、配向、及び位置は、コンピュータ４０８に提供され、ディスプレイ３０４上でユーザに示されてもよい。例えば、これらのタイプのマーカを有し、（ナビゲーション空間と称され得る）この方法で追跡される外科用器具６０８は、患者の解剖学的構造の三次元画像に関連してユーザに示されてもよい。動き制御サブシステム５０６は、垂直カラム３１２、上部アーム３０６、下部アーム３０８を物理的に移動させるか、又はエンドエフェクタ３１０を回転させるように構成され得る。物理的な移動は、１つ以上のモータ５１０～５１８の使用を通じて行われ得る。例えば、モータ５１０は、垂直カラム３１２を垂直に上げ下げするように構成され得る。モータ５１２は、図３に示されるように、垂直カラム３１２との係合点の周りで上部アーム３０８を横方向に移動させるように構成され得る。モータ５１４は、図３に示されるように、上部アーム３０８との係合点の周りで下部アーム３０８を横方向に移動させるように構成され得る。モータ５１６及び５１８は、１つがロールを制御し得、１つが傾斜を制御し得るような方法でエンドエフェクタ３１０を移動させるように構成されてもよく、それによって、エンドエフェクタ３１０が移動され得る複数の角度を提供する。これらの移動は、エンドエフェクタ３１０上に配設され、ユーザによって起動されるロードセルを介してこれらの移動を制御し、これらのロードセルに係合してシステム３００を所望の方法で移動させ得るコントローラ５３８によって達成され得る。

更に、システム３００は、ユーザがディスプレイ３０４（タッチスクリーン入力デバイスであってもよい）上で、ディスプレイ３０４上の患者の解剖学的構造の三次元画像上の外科用器具又は構成要素の場所を示すことを通じて、垂直カラム３１２、上部アーム３０６、及び下部アーム３０８の自動移動を提供し得る。ユーザは、フットペダル５４４を踏むか又は他の何らかの入力手段によって、この自動移動を開始することができる。

図６は、例示的な一実施形態に一致する外科用ロボットシステム６００を示す。外科用ロボットシステム６００は、エンドエフェクタ６０２と、ロボットアーム６０４と、ガイド管６０６と、器具６０８と、ロボット基部６１０と、を備え得る。器具ツール６０８は、１つ以上の追跡マーカ（マーカ１１８など）を含む追跡配列６１２に装着され得、関連付けられた軌道６１４を有し得る。軌道６１４は、器具ツール６０８が、ガイド管６０６を通して位置付けられるか又はガイド管６０６内に固定されると進行するように構成される移動の経路、例えば、器具ツール６０８の患者内への挿入経路を表し得る。例示的な手術において、ロボット基部６１０は、外科用ロボットシステム６００が、患者２１０を手術する際にユーザ（例えば、外科医）を支援し得るように、ロボットアーム６０４及びエンドエフェクタ６０２と電子通信するように構成され得る。外科用ロボットシステム６００は、前述の外科用ロボットシステム１００及び３００と一致し得る。

追跡配列６１２は、器具ツール６０８の場所及び配向を監視するために、器具６０８上に取り付けられ得る。追跡配列６１２は、器具６０８に装着され得、追跡マーカ８０４を含み得る。図８に最もよく見られるように、追跡マーカ８０４は、例えば、発光ダイオード及び／又は他のタイプの反射マーカ（例えば、本明細書の他の場所に記載されるようなマーカ１１８）であってもよい。追跡デバイスは、外科用ロボットシステムに関連付けられた１つ以上の視線デバイスであってもよい。一例として、追跡デバイスは、外科用ロボットシステム１００、３００に関連付けられた１つ以上のカメラ２００、３２６であってもよく、また、ロボットアーム６０４、ロボットベース６１０、エンドエフェクタ６０２、及び／又は患者２１０に対する器具６０８の画定された範囲又は相対的な配向について追跡配列６１２を追跡してもよい。追跡デバイスは、カメラスタンド３０２及び追跡サブシステム５３２に関連して説明される構造と一致してもよい。

図７Ａ、図７Ｂ、及び図７Ｃは、例示的な一実施形態に一致するエンドエフェクタ６０２の上面図、正面図、及び側面図をそれぞれ示す。エンドエフェクタ６０２は、１つ以上の追跡マーカ７０２を含み得る。追跡マーカ７０２は、発光ダイオード、又は前述した追跡マーカ１１８などの他のタイプのアクティブマーカ及びパッシブマーカであり得る。例示的な一実施形態では、追跡マーカ７０２は、電気信号（例えば、赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ））によってアクティブ化される赤外線発光のアクティブマーカである。したがって、追跡マーカ７０２は、赤外線マーカ７０２がカメラ２００、３２６に可視であるようにアクティブ化されてもよく、又は赤外線マーカ７０２がカメラ２００、３２６に不可視であるように非アクティブ化されてもよい。したがって、マーカ７０２がアクティブであるとき、エンドエフェクタ６０２は、システム１００、３００、６００によって制御され得、マーカ７０２が非アクティブ化されているとき、エンドエフェクタ６０２は、所定の位置にロックされ、システム１００、３００、６００によって移動させることが不可能になり得る。

マーカ７０２は、マーカ７０２が１つ以上のカメラ２００、３２６又は外科用ロボットシステム１００、３００、６００に関連付けられた他の追跡デバイスに可視であるように、エンドエフェクタ６０２上又はその内部に配設されてもよい。カメラ２００、３２６又は他の追跡デバイスは、エンドエフェクタ６０２が異なる位置及び視野角に移動する際に、追跡マーカ７０２の移動に追従することによってエンドエフェクタ６０２を追跡し得る。マーカ７０２及び／又はエンドエフェクタ６０２の場所は、外科用ロボットシステム１００、３００、６００に関連付けられたディスプレイ１１０、３０４、例えば、図２に示されるディスプレイ１１０及び／又は図３に示されるディスプレイ３０４上に表示され得る。このディスプレイ１１０、３０４は、エンドエフェクタ６０２がロボットアーム６０４、ロボット基部６１０、患者２１０、及び／又はユーザに対して望ましい位置にあることをユーザが確実にすることを可能にし得る。

例えば、図７Ａに示されるように、マーカ７０２は、術野２０８から離れて配置され、ロボット１０２、３０１及びカメラ２００、３２６の方を向いている追跡デバイスが、追跡デバイス１００、３００、６００に対するエンドエフェクタ６０２の共通配向の範囲を通して、マーカ７０２のうちの少なくとも３つを視認することができるように、エンドエフェクタ６０２の表面の周りに配置されてもよい。例えば、このようにマーカ７０２を分散させることにより、エンドエフェクタ６０２が術野２０８内で並進及び回転されるときに、エンドエフェクタ６０２が追跡デバイスによって監視されることが可能になる。

加えて、例示的な実施形態では、エンドエフェクタ６０２は、外部カメラ２００、３２６がマーカ７０２を読み取る準備ができているときを検出し得る赤外線（ＩＲ）受信機を装備してもよい。この検出に際し、エンドエフェクタ６０２は次いで、マーカ７０２を照明してもよい。外部カメラ２００、３２６がマーカ７０２を読み取る準備ができていることがＩＲ受信機によって検出されると、発光ダイオードであり得るマーカ７０２のデューティサイクルを外部カメラ２００、３２６に同期させる必要があることが信号で知らされ得る。これはまた、ロボットシステム全体としてのより低い電力消費を可能にし得、マーカ７０２は、連続的に照明される代わりに、適切な時間にのみ照明されることになる。更に、例示的な実施形態では、マーカ７０２は、異なるタイプの外科用器具６０８などの他のナビゲーションツールとの干渉を防止するために、電源オフにされてもよい。

図８は、追跡配列６１２及び追跡マーカ８０４を含む１つのタイプの外科用器具６０８を示す。追跡マーカ８０４は、発光ダイオード又は反射球を含むがこれらに限定されない、本明細書に記載の任意のタイプのものであり得る。マーカ８０４は、外科用ロボットシステム１００、３００、６００に関連付けられた追跡デバイスによって監視され、視線カメラ２００、３２６のうちの１つ以上であり得る。カメラ２００、３２６は、追跡配列６１２及びマーカ８０４の位置及び配向に基づいて、器具６０８の場所を追跡し得る。外科医１２０などのユーザは、例えば、例示的外科用ロボットシステムのディスプレイ１１０上に器具６０８及びマーカ８０４を表示するために、追跡配列６１２及びマーカ８０４が追跡デバイス又はカメラ２００、３２６によって十分に認識されるように、器具６０８を配向することができる。

外科医１２０が器具６０８をエンドエフェクタ６０２のガイド管６０６内に配置し、器具６０８を調整し得る方法は、図８で明らかである。エンドエフェクタ１１２、３１０、６０２の中空管又はガイド管１１４、６０６は、外科用器具６０８の少なくとも一部分を受容するようにサイズ決めされ、構成される。ガイド管１１４、６０６は、外科用器具６０８の挿入及び軌道が患者２１０の身体の中又はその上の所望の解剖学的標的に到達することができるように、ロボットアーム１０４によって配向されるように構成される。外科用器具６０８は、概ね円筒形の器具の少なくとも一部分を含み得る。ねじ回しが外科用ツール６０８として例示されているが、任意の好適な外科用ツール６０８がエンドエフェクタ６０２によって位置付けられ得ることが理解されよう。例として、外科用器具６０８は、ガイドワイヤ、カニューレ、レトラクタ、ドリル、リーマー、ねじ回し、挿入ツール、除去ツールなどのうちの１つ以上を含み得る。中空管１１４、６０６は、概して、円筒形構成を有するものとして示されているが、ガイド管１１４、６０６は、外科用器具６０８を収容し、手術部位にアクセスするために所望される任意の好適な形状、サイズ、及び構成を有し得ることが、当業者には理解されよう。

図９Ａ～図９Ｃは、例示的な一実施形態と一致するエンドエフェクタ６０２及びロボットアーム６０４の一部分を示す。エンドエフェクタ６０２は、本体１２０２及びクランプ１２０４を更に含み得る。クランプ１２０４は、ハンドル１２０６、ボール１２０８、ばね１２１０、及びリップ１２１２を含み得る。ロボットアーム６０４は、凹部１２１４、取り付けプレート１２１６、リップ１２１８、及び磁石１２２０を更に含み得る。［００７２］エンドエフェクタ６０２は、１つ以上の結合を介して外科用ロボットシステム及びロボットアーム６０４と機械的に干渉及び／又は係合し得る。例えば、エンドエフェクタ６０２は、位置決め結合部及び／又は補強結合を介してロボットアーム６０４と係合し得る。これらの結合によって、エンドエフェクタ６０２は、可撓性の無菌バリアの外側でロボットアーム６０４と締結し得る。例示的な一実施形態では、位置決め結合は、磁気運動学的マウントであり得、補強結合は、５棒オーバーセンタークランプリンケージであり得る。

位置決め結合に関して、ロボットアーム６０４は、非磁性材料であり得る取り付けプレート１２１６、１つ以上の凹部１２１４、リップ１２１８、及び磁石１２２０を含み得る。磁石１２２０は、凹部１２１４のそれぞれの下に取り付けられる。クランプ１２０４の部分は、磁性材料を含み、１つ以上の磁石１２２０によって引き付けられ得る。クランプ１２０４及びロボットアーム６０４の磁気引力によって、ボール１２０８は、それぞれの凹部１２１４内に着座する。例えば、図９Ｂに示されるようなボール１２０８は、図９Ａに示されるような凹部１２１４内に着座することになる。この着座は、磁気的に補助された運動学的結合と見なされ得る。磁石１２２０は、エンドエフェクタ６０２の配向にかかわらず、エンドエフェクタ６０２の全重量を支持するのに十分な強度を有するように構成され得る。位置決め結合は、６自由度を独自に拘束する任意の形式の運動学的マウントであり得る。

補強結合に関して、クランプ１２０４の部分は、固定接地リンクであるように構成されてもよく、したがって、クランプ１２０４は、５棒リンケージとして役立ち得る。リップ１２１２及びリップ１２１８が、エンドエフェクタ６０２及びロボットアーム６０４を固定するようにクランプ１２０４に係合する際、クランプハンドル１２０６を閉鎖することにより、エンドエフェクタ６０２はロボットアーム６０４に締結され得る。クランプハンドル１２０６が閉鎖されると、クランプ１２０４がロック位置にある一方、ばね１２１０は伸張されるか又は応力が加えられ得る。ロック位置は、中心を越えたリンケージを提供する位置であってもよい。閉鎖位置が中心を越えているため、クランプ１２０４を解放するためにクランプハンドル１２０６に力が加えられなければリンケージは開放されない。したがって、ロック位置では、エンドエフェクタ６０２は、ロボットアーム６０４に堅固に固定され得る。

ばね１２１０は、張力がかかった湾曲ビームであってもよい。ばね１２１０は、バージンＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）などの高い剛性及び高い降伏歪みを呈する材料から構成されてもよい。エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４との間のリンケージは、２つの結合の締結を妨げることなく、エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４との間に無菌バリアを提供し得る。

補強結合は、複数のばね部材を有するリンケージであってもよい。補強結合は、カム又は摩擦ベースの機構でラッチしてもよい。補強結合はまた、エンドエフェクタ１０２をロボットアーム６０４に締結することを支持する十分に強力な電磁石であってもよい。補強結合は、エンドエフェクタ６０２及び／又はロボットアーム６０４のいずれかから完全に分離したマルチピースカラーであってもよく、エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４との間の境界面上を摺動し、ねじ機構、オーバーセンターリンケージ、又はカム機構で締め付ける。

図１０及び図１１を参照すると、外科的処置の前又は最中に、ナビゲーション空間及び画像空間の両方において物体及び患者２１０の標的解剖学的構造を追跡するために、特定の位置合わせ処置が行われ得る。このような位置合わせを行うために、図１０に示すような位置合わせシステム１４００が使用され得る。

患者２１０の位置を追跡するために、患者追跡デバイス１１６は、患者２１０の剛性解剖学的構造に固定される患者固定器具１４０２を含み得、動的基準基部（ＤＲＢ）１４０４は、患者固定器具１４０２にしっかりと装着され得る。例えば、患者固定器具１４０２は、動的基準基部１４０４の開口部１４０６内に挿入され得る。動的基準基部１４０４は、追跡サブシステム５３２などの追跡デバイスに可視であるマーカ１４０８を含み得る。これらのマーカ１４０８は、本明細書で前述したように、追跡マーカ１１８などの光学マーカ又は反射球であり得る。

患者固定器具１４０２は、患者２１０の硬い解剖学的構造に装着され、外科的処置を通して装着されたままであってもよい。例示的な一実施形態では、患者固定器具１４０２は、患者２１０の硬い領域、例えば、外科的処置を受ける標的解剖学的構造から離れて位置する骨に装着される。標的解剖学的構造を追跡するために、動的基準基部１４０４は、標的解剖学的構造の場所に動的基準基部１４０４を位置合わせするために、標的解剖学的構造上又はその近くに一時的に配置される位置合わせ固定具を使用することによって、標的解剖学的構造に関連付けられる。

位置合わせ固定具１４１０は、枢動アーム１４１２を使用することによって患者固定器具１４０２に装着される。枢動アーム１４１２は、位置合わせ固定具１４１０の開口部１４１４を通して患者固定器具１４０２を挿入することによって患者固定器具１４０２に装着される。枢動アーム１４１２は、例えば、枢動アーム１４１２の開口部１４１８を通してノブ１４１６を挿入することによって、位置合わせ固定具１４１０に装着される。

位置合わせ固定具１４１０は、枢動アーム１４１２を使用して、標的解剖学的構造の上に配置されてもよく、その場所は、位置合わせ固定具１４１０上の追跡マーカ１４２０及び／又は基準１４２２を使用して、画像空間及びナビゲーション空間内で決定され得る。位置合わせ固定具１４１０は、ナビゲーション空間内で可視であるマーカ１４２０の集合を含み得る（例えば、マーカ１４２０は、追跡サブシステム５３２によって検出可能であり得る）。追跡マーカ１４２０は、本明細書で前述したように、赤外光で可視の光学マーカであってもよい。位置合わせ固定具１４１０はまた、撮像空間（例えば、三次元ＣＴ画像）内で可視である、例えば、ベアリングボールなどの基準１４２２の集合を含み得る。図１１に関してより詳細に説明されるように、標的解剖学的構造は、位置合わせ固定具１４１０を使用して動的基準基部１４０４と関連付けられ得、それによって、ナビゲーション空間内の物体の描写を解剖学的構造の画像上に重ね合わせることが可能になる。標的解剖学的構造から離れた位置に配置された動的基準基部１４０４は、基準点になり得、それによって、位置合わせ固定具１４１０及び／又は枢動アーム１４１２を手術領域から除去することが可能になる。

図１１は、本開示と一致する位置合わせのための例示的な方法１５００を示す。方法１５００は、ステップ１５０２で始まり、標的解剖学的構造のグラフィカル表現（又は画像（複数可））が、システム１００、３００、６００、例えばコンピュータ４０８にインポートされ得る。グラフィカル表現は、位置合わせ固定具１４１０及び基準１４２０の検出可能な撮像パターンを含む、患者２１０の標的解剖学的構造の三次元ＣＴ又は蛍光透視スキャンであり得る。

ステップ１５０４において、基準１４２０の撮像パターンが検出され、撮像空間において位置合わせされ、コンピュータ４０８に記憶される。任意選択的に、この時点でステップ１５０６において、位置合わせ固定具１４１０のグラフィカル表現が、標的解剖学的構造の画像上に重ね合わされてもよい。

ステップ１５０８において、マーカ１４２０を認識することによって、位置合わせ固定具１４１０のナビゲーションパターンが検出され、位置合わせされる。マーカ１４２０は、位置センサ５４０を介して追跡サブシステム５３２によって赤外光を通してナビゲーション空間内で認識される光学マーカであってもよい。したがって、標的解剖学的構造の場所、配向、及び他の情報は、ナビゲーション空間内で位置合わせされる。したがって、位置合わせ固定具１４１０は、基準１４２２の使用による画像空間と、マーカ１４２０の使用によるナビゲーション空間との両方において認識され得る。ステップ１５１０において、画像空間における位置合わせ固定具１４１０の位置合わせがナビゲーション空間に転送される。この転送は、例えば、マーカ１４２０のナビゲーションパターンの位置と比較した基準１４２２の撮像パターンの相対位置を使用することによって行われる。

ステップ１５１２において、（画像空間と位置合わせされた）位置合わせ固定具１４１０のナビゲーション空間の位置合わせは、患者固定器具１４０２に装着された動的位置合わせ配列１４０４のナビゲーション空間に更に転送される。したがって、ナビゲーション空間が画像空間に関連付けられているため、位置合わせ固定具１４１０は除去されてもよく、動的基準基部１４０４が、ナビゲーション空間と画像空間の両方で標的解剖学的構造を追跡するために使用されてもよい。

ステップ１５１４及び１５１６において、ナビゲーション空間は、ナビゲーション空間内で可視のマーカを有する画像空間及び物体（例えば、光学マーカ８０４を有する外科用器具６０８）に重ね合わされてもよい。物体は、標的解剖学的構造の画像上の外科用器具６０８のグラフィカル表現を通じて追跡され得る。

図１２Ａ～図１２Ｂは、患者２１０の術前、術中、術後、及び／又はリアルタイムの画像データを取得するためにロボットシステム１００、３００、６００と併せて使用され得る撮像デバイス１３０４を示す。任意の適切な対象物が、任意の適切な処置のために、撮像システム１３０４を使用して撮像され得る。撮像システム１３０４は、撮像デバイス１３０６及び／又はＣアーム１３０８デバイスなどの任意の撮像デバイスであり得る。Ｘ線システムにおいて必要とされ得る患者２１０の頻繁な手動再配置を必要とせずに、多数の異なる位置から患者２１０のＸ線を撮ることが望ましい場合がある。図１２Ａに示されるように、撮像システム１３０４は、「Ｃ」字形状の対向する遠位端１３１２で終端する細長いＣ字形部材を含むＣアーム１３０８の形態であってもよい。Ｃ字形部材１１３０は、Ｘ線源１３１４及び画像レセプタ１３１６を更に含んでもよい。アームのＣアーム１３０８内の空間は、医師がＸ線支持構造１３１８からの干渉を実質的に受けずに患者に接する余地を提供し得る。図１２Ｂに示されるように、撮像システムは、図示されない画像捕捉部分を囲い込み得る、車輪１３３２を伴う車輪付き移動カート１３３０などの支持構造撮像デバイス支持構造１３２８に装着されるガントリハウジング１３２４を有する、撮像デバイス１３０６を含み得る。画像捕捉部分は、Ｘ線源及び／又は発光部分並びにＸ線受信部分及び／又は画像受信部分を含み、これらは、互いに約１８０度に配設され、画像捕捉部分の軌道に対してロータ（図示せず）に取り付けられてもよい。画像捕捉部分は、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。画像捕捉部分は、中心点及び／又は軸の周りを回転してもよく、患者２１０の画像データが複数の方向から又は複数の平面内で取得されることを可能にする。特定の撮像システム１３０４が本明細書において例示されるが、任意の好適な撮像システムが当業者によって選択され得ることが理解されよう。

医用画像の追跡空間への一方向位置合わせを通じて手術を支援するために、蛍光透視画像上に重ね合わされた外科用ツールのシミュレートされた投影を表示する方法がある。例えば、較正固定具は、図１３に示されるように、蛍光透視鏡の画像増倍管に装着されてもよい。固定具は、Ｘ線画像上に現れる既知の間隔を有する小さな金属球（以下、「ＢＢ」と呼ぶ）の列を含み、追跡空間内の固定具の三次元（３Ｄ）位置を提供する光学追跡配列も含む。画像処理及び幾何学的計算を通じて、Ｘ線の経路に配置されたツールがＸ線画像上の投影としてどのように現れるかが決定され得る。追跡配列が取り付けられたツールの３Ｄ位置は、トラッカ（例えば、カメラ）の座標系において追跡される。次いで、ツールのグラフィック表現がＸ線画像上に重ね合わされて、術野にツールを保持しながら連続Ｘ線が撮影された場合に見られるのとほぼ同じ視覚情報を有する「仮想蛍光透視法」が提供される。この方法の利点は、仮想蛍光透視法が単一のＸ線画像上に重ね合わされたツール位置の連続的な更新を提供し得ることから、患者及び医療スタッフが曝される放射線がはるかに少なくなることである。

この方法は、３Ｄツール位置を２次元（２Ｄ）医用画像にマッピングするが、この用途では、２Ｄ医用画像上で検出された点を３Ｄ追跡空間にマッピングすること、すなわち、医用画像空間を追跡空間と共に位置合わせすることは必要とされない。しかしながら、エミッタからコレクタに延びるベクトルを考えることによって、そのようなマッピングを得ることは可能である。図１４は、ソース１７０８から異なる距離にある２つの平面１７０４及び１７０６内のＢＢ１７１０の理論的投影を示すＸ線（例えば、蛍光透視鏡）コレクタプレート１７０２を示す。Ｘ線コレクタプレート１７０２、平面１ １７０６、及び平面２ １７０４は、平行かつ同心であるように示されている。この例では、Ｘ線エミッタ１７０８は点であると仮定され、ソースからコレクタへの光線は、この点から円錐形パターンで出ていく。この円錐形パターンのため、平面１ １７０６のＢＢ １７１０は、平面２ １７０４のＢＢ １７１０に対してＸ線コレクタプレート１７０２上で拡大されて見えるが、この例では実際には同じ間隔で配置されている。この現象は視差として知られている。

図１５に示されるように、１つのＸ線図が別のＸ線図とは実質的に異なる視点から撮影され、追跡又は他の手段から３Ｄにおけるコレクタ及びエミッタの正確な位置が既知である場合を考えると、エミッタからコレクタへ円錐形パターンで延びるベクトルは、それらベクトルが両方のＸ線図に存在する解剖学的関心点１８０２と交差する場所まで遡って追跡され得る。この場合、「ベクトル」は、ＢＢの可視Ｘ線影から決定されるベクトル、又は可視Ｘ線影から推定される円錐パターンに一致するように計算された（例えば、補間された）任意のベクトルを意味し得る。次いで、２つのＸ線図からのベクトルの交点に一意な解が存在するため、その解剖学的関心点の３Ｄ位置が決定され得る。すなわち、基準点は、ソースからエミッタへのベクトルに沿ったいずれの場所にもあり得、コレクタプレート上の同じ位置に現れるため、１つのＸ線図から基準点の３Ｄ位置を推定することは不可能である。２つ目のＸ線図は、基準点があるべきベクトルに沿った一意な位置を提供する。

図１４は、２つの平行な平面１７０４及び１７０６上のちょうど４つのＢＢ １７１０を示している。これらのＢＢは、複数の２ＤのＸ線図から３Ｄにおける物体の位置を検出するための方法の基礎を提供し得る。しかしながら、より良い精度を提供するために、図１６に示されるようなＢＢの密なグリッド（例えば、数十又は数百）が代わりに使用されてもよく、これは、ベクトルがより精密に補間されることを可能にする。より多くのＢＢの使用は、より正確な補間及び最終的により良好な３Ｄ精度を可能にするが、より多くのＢＢからのＸ線影はまた、外科医がＸ線画像上で関心のある解剖学的構造を視覚化することを妨げる。

暗黙の仮定は、両方のショット中に３Ｄにおけるコレクタプレート及びエミッタソースの位置が既知であるということである。例えば、コレクタプレートは、取り付けられた追跡配列を有してもよく、したがって、その３Ｄ位置は直接追跡される。エミッタ上にトラッカを配置することも可能であり得る。しかしながら、そのようにすることには、主に、両方のトラッカを観察するために追跡領域を非常に大きくする必要があり、コレクタとエミッタとの間の距離は典型的には１メートル程度になる場合があるという欠点がある。光学トラッカなどの追跡システムは、１立方メートル未満の追跡領域しか有しない場合がある。加えて、エミッタは、いくつかの臨床的に典型的なＸ線ショットのために視野外に位置付けられ得る。エミッタソース位置は、代わりに、コレクタ配列に対して較正され得るが、エミッタの場所を定義する際の外挿精度は、コレクタとエミッタとの間の大きい距離、及び蛍光透視鏡が異なるように配向されるときの異なる量のサグに伴って低くなり得る。あるいは、コレクタに対するエミッタソースの距離及び方向は、図１４及び図１７に示されるように、既知の間隔ｄ_ａｂ １７１２を有するＢＢの２つの平行面の蛍光透視画像から計算され得る。式１に提供される式は、図１７に示される幾何学的形状２０００に基づいて成り立つ。

式中、
●ｄ_ｅｃは、エミッタからコレクタまでのｍｍ単位の距離である。
●ｋは、蛍光透視出力上のピクセル座標をｍｍに変換するためのスケーリング係数である。
●ｌ_ａは、ＢＢ１ａとＢＢ２ａとの間の平面Ａ内の横方向のｍｍ単位の距離である。
●ｌ_ｂは、ＢＢ１ｂとＢＢ２ｂとの間の平面Ｂ内の横方向のｍｍ単位の距離である。
●ｙ_１ａは、中心ビームからＢＢ１ａまでの横方向のｍｍ単位の距離である。
●ｙ_１ｂは、中心ビームからＢＢ１ｂまでの横方向のｍｍ単位の距離である。
●ｙ_２ａは、中心ビームからＢＢ２ａまでの横方向のｍｍ単位の距離である。
●ｙ_２ｂは、中心ビームからＢＢ２ｂまでの横方向のｍｍ単位の距離である。
●ｚ_ｅａは、エミッタから平面Ａ（ＢＢ１ａ及びＢＢ２ａ）までのｍｍ単位の距離である。
●ｚ_ｅｂは、エミッタから平面Ｂ（ＢＢ１ｂ及びＢＢ２ｂ）までのｍｍ単位の距離である。
●ｄ_ａｂは、平面Ａと平面Ｂとの間の長手方向のｍｍ単位の距離である。
●Ｌ_２ａは、コレクタ上の平面Ａ内のＢＢの影間のピクセル座標における距離である。
●Ｌ_２ｂは、コレクタ上の平面Ｂ内のＢＢの影間のピクセル座標における距離である。
ｄ_ｅｃについて解くと、次式が得られる。

したがって、平面間の間隔が既知であり、ＢＢ間の間隔が既知である場合、エミッタからコレクタまでの距離は、これらのＢＢを含むＸ線画像の画像処理を通して決定され得る。図１７は、２つの平面内の隣接する２つのＢＢの影間の距離が測定されることを示していることに留意されたい。実際には、Ｘ線画像上のＢＢのいくつかの対間の距離が測定され、これらの距離が平均化され得る。加えて、図１７は、平面Ａ及び平面Ｂ上のＢＢ間の距離が同じであるように示しているが、ＢＢ間の物理的距離は異なっていてもよく、式中ではｌ_ａ及びｌ_ｂによって説明される。実際には、ＢＢの投影が互いに部分的に隠れることを防止するために、ＢＢを同じ間隔にそろえるのではなく、オフセットすることが望ましい場合がある。

コレクタに対するエミッタの位置を定義するためのこの方法は、エミッタの方向並びに距離を定義する際に２つの平行なプレートを利用する。位置合わせ固定具がコレクタに取り付けられた状態で、エミッタからコレクタへの方向は、コレクタの平面及びＢＢを含む平面に垂直であると仮定される。この仮定が真でない場合、近視野面及び遠視野面からのＢＢの投影は、Ｘ線画像上に対称的に重なり合わない。ＢＢ平面からのＸ線平面の角度偏差の所与の量に対して、対称投影からのＢＢの影のオフセットの量は、ＢＢ平面間の距離に比例し、より大きい平面の分離は、Ｘ線画像上の投影のより大きい横方向の変位として現れる。幾何学的形状を通して、ＢＢの影の横方向オフセットは、コレクタ平面に対するＢＢ平面の実際の配向、したがって３Ｄにおけるエミッタの位置を精密に決定するために使用され得るか、又はＢＢ平面及びコレクタプレートが真に同一平面上になるまで、画像増倍管上の位置合わせ固定具の配向を手動又は自動で調整するために使用され得る。

スケーリング係数ｋは、上の式に存在するが、この係数は、一般化された点の３Ｄ座標の後続の３Ｄから２Ｄへのマッピングに必要である。一般に、座標ｘ、ｙ、ｚを有する３Ｄ点を、画像のＸ軸及びＹ軸をデカルト座標系のｘ軸及びｙ軸とそろえられた２Ｄ Ｘ線画像上にマッピングするために、式３が成り立つ。

式中、Ｘは、デカルトＸ軸とそろえられた２Ｄ Ｘ線画像の座標軸であり、Ｙは、デカルトｙ軸とそろえた２Ｄ Ｘ線画像の座標軸であり、ｚは、Ｘ線画像に垂直なデカルト軸である。

２つの蛍光透視ショットが、１つの一般的な臨床前後方向ショット及び１つの一般的な臨床横方向ショットなど、最大９０度離れた異なる配向で撮影される場合、（Ｘ１，Ｙ１）は、点がＸ線画像１（例えば、前後方向画像）上に現れるときのその点のＸ線座標（ｘ，ｙ，ｚ）として定義され得る。そのＸ線平面とそろえられたローカル座標系における点のデカルト座標は、（ｘ１，ｙ１，ｚ１）として定義され得る。同様に、（Ｘ２，Ｙ２）は、Ｘ線画像２（例えば、横方向画像）上に現れるものと同じ点のＸ線座標として定義され得る。そのＸ線平面とそろえられたローカル座標系における点のデカルト座標は、（ｘ２，ｙ２，ｚ２）として定義され得る。蛍光透視鏡がそれぞれの配向にある間、Ｘ線コレクタの３Ｄ位置を検出するために追跡システムが使用され得るため、デカルト座標系１からデカルト座標系２への変換Ｔ１２は既知であり、Ｔ１２は、本分野で一般的に使用されるような標準の４×４変換行列である。したがって、式４となる一意な解が存在する。

２つの座標系はそれぞれ、ｚ軸がそれぞれのＸ線平面に垂直であり、ｚ軸の原点がそれぞれのＸ線平面にあり、ｘ軸及びｙ軸の原点がＸ線平面の中心にあるように配向されていることに留意されたい。Ｘ線平面に対するｘ及びｙの方向は任意であってもよい。例えば３Ｄ光学追跡を使用して３ＤにおけるＸ線平面の場所を追跡することによって、第１の３Ｄ座標系から第２の３Ｄ座標系への変換（Ｔ_１２）が決定され得る。

２つの蛍光透視図に関連付けられた３Ｄデカルト座標系を定義するための方法は、ＢＢが画像増倍管上に均一に投影されるものと仮定し得る。しかしながら、蛍光透視鏡から得られる画像は、一般にピンクッション歪み、ｓ字歪みなどの歪みを伴う。これらのタイプの歪みは、本明細書に記載される方法を適用する前に画像処理を使用して補正され得る。歪み補正は、ＢＢが位置合わせデバイス上に対称パターンで配置されるという事実を利用し得る。したがって、既知の対称パターンを通して投影されるＸ線は、一致する対称性を有する画像を生成するはずである。ＢＢ間の間隔及びＢＢの列のアラインメントは、画像処理を通じて決定され、ＢＢの予想される投影と比較され得る。アフィン変換などの画像処理において一般的に知られているアルゴリズムが、投影されたＸ線画像を既知の対称性及び予想される対称性に一致させるために使用されてもよい。同じ補正がＸ線上の解剖学的画像にも適用され得るので、結果として得られるＸ線画像は、歪みのない投影を表すはずであり、本明細書で説明されるような位置合わせの有効な計算を可能にするはずである。

実施形態では、歪みを補正するために使用される対称パターンは、図１６に示されるような正方形パターン、ＢＢが画像の中心を中心とした極座標系に分布される径方向対称パターンであって、ＢＢは共通の半径及び方位角を共有する、径方向対称パターン、又は図１８及び図１９の固定具に示されるような任意の好適なパターンであり得る。位置合わせ固定具に埋め込まれた実際のＢＢのパターンが既知である限り、Ｘ線画像上のＢＢの対応する影は予測され得、画像を予測パターンに一致させるために歪み補正が適用され得る。

画像の２Ｄから３Ｄへのマッピングのプロセスは、Ｘ線画像上の方向の正しい解釈に依存する。例えば、２ＤのＸ線画像が前後方向画像である場合、２Ｄ画像がエミッタ前部及びコレクタ後部を有するショットを表すか、又はエミッタ後部及びコレクタ前部を有するショットを表すかを知る必要がある。加えて、蛍光透視画像は一般に円形であるため、どの方向が左、右、上又は下を指すかをＢＢの影から正確に決定する手段が必要である。固定具のＢＢの平面は、Ｘ線コレクタの最も近くに位置するＢＢを使用して、Ｘ線画像を回転方向に配向するための情報、並びに反射に関する情報を提供するなど、アラインメント補正のための情報を提供し得る。例えば、ＢＢパターンは、正のｚ方向が可視平面の前側又は後側のどちらから延びているかを決定し得る。実施形態では、固定具は、画像の回転及びフリップなど、アラインメントの態様を一意に識別するように配置された大きなＢＢの外側リングを含み得る。配向及び／又はフリップを識別するためのＢＢのパターンは、画像の回転及びフリップの一意な組み合わせを提供するパターンの能力、並びに検出の信頼性を高めるための冗長ＢＢを提供するパターンの能力に基づいて選択され得る。ツール又はインプラントからのＢＢの影の妨害、又は画像の一部を通した不十分なＸ線透過に起因して、全てのＢＢが任意の所与のＸ線ショット上で可視であるとは限らないため、冗長ＢＢは重要であり得る。

実施形態では、図１９に示されるように、標準の円形蛍光透視画像の外周に様々な間隔で配置されたＢＢのリンクが用いられてもよく、外周のＢＢの影がビットコード（例えば、３２ビットコード）を形成する。実施形態では、第１の点の配列を有する第１の平面２２０２と、第２の点の配列を有する第２の平面２２０４とが投影されて、合成画像２２０６が形成され得る。コード長は、ＢＢの場所を検出する際の誤差によって、ＢＢの場所が誤って隣接するビットの場所に入る可能性はわずかであり、依然としてビットの欠落に左右されない十分な情報を提供するように、ＢＢの間隔が十分に空くことを可能にするように選択されるべきである。既存のＢＢのサブセットのみが検出され、ＢＢの影のいくつかが検出されない場合、サブセットと既知のテンプレートとの比較は、どのＢＢが欠落しているかにかかわらず、正しい画像配向及びフリップを提供し得る。欠落しているＢＢの数が多いサブセットが検出された場合、アルゴリズムが正しい画像の配向及びフリップを決定し得る。実施形態では、アルゴリズムの限界を知るため、システムは、アルゴリズムを進ませる前に、ある最小数のＢＢが検出されることを要求し得る。

実施形態では、配向マッチングは、点一致アルゴリズム（例えば、Ｋａｂｓｃｈ点一致アルゴリズム）、又は両方の点セットが同じにスケーリングされるものと仮定する他の好適な点一致アルゴリズムを利用し得る。次いで、アルゴリズムは、２つの点セット間の変換を決定し得、一方の点セットは、配向ＢＢの検出から得られ、他方の点セットは、固定具３Ｄモデルから得られる。次いで、固定具の配向マーカが画像空間内に投影され得る。両方の点セットが同じようにスケーリングされる必要があるので、アルゴリズムは、投影スケーリングの範囲をテストして最良の一致を見つける。最良の一致が見つかると、変換は適切にスケーリングされ、アルゴリズムは、検出された画像マーカと物理的固定具マーカとの間の点対応を割り当てる。次いで、得られた変換が画像に適用されて画像が回転及び／又はフリップされ、固定具とのアラインメントが生成され得る。

リング位置合わせ固定具：
配向を確立するためのＢＢの配列の代替として、金属ワイヤなどの放射線不透過性材料から形成されるようなリング又は他の形状を、位置合わせ固定具における基準として使用することが可能である。図２０を参照すると、リング位置合わせ固定具２３００は、同じ又は異なる直径（例えば、５０～３００ｍｍ）の２つの平行リング２３０４及び２３０６と共に示されており、これらのリングは、離間した（例えば、５０～３００ｍｍだけ離間した）平行平面内に同心円状に位置付けられている。リング２３０４及び２３０６の中心の識別を容易にするために、リングはまた、リング自体と同じ又は異なる直径のワイヤ又は他の放射線不透過性材料で形成された１つ以上の十字線２３０８Ａ及び２３０８Ｂを有してもよい。リングのいくつかの望ましい特徴としては、正確に円形であるリング、投影された楕円及び十字線交点の直径が正確であるように十字線が正確な中心を通過するリングなどが挙げられる。加えて、リングがＸ線画像に対してある角度にある場合にリングが適切に投影されるように、リングの断面が平坦ではなく円形であることが望ましい場合がある。リングを形作るための可能な方法としては、ワイヤの切片を溶接するか、ないしは別の方法で接着すること、放射線不透過性構築材料を使用して高速プロトタイピング（３Ｄ印刷）を行うこと、プリント回路基板の製作に使用されるのと同じ方法でエッチングすることなどが挙げられる。

コレクタプレートを中心にしてリング位置合わせ固定具２３００のＸ線画像が撮影されるとき、Ｘ線画像は、図２１に示すように、２つの同心円２４０２及び２４０４として現れるはずである。リング位置合わせ固定具２３００がコレクタプレートに対して平行でないか又は中心に置かれていない間にＸ線画像が撮影されると、Ｘ線画像は、図２２に示すように、２つの楕円２５０２及び２５０４として現れる。

加えて、追跡マーカ２３０２Ａ～Ｄは、光学マーカの配列、磁気センサ、又は他の同様の３Ｄ追跡方法を利用するなど、３Ｄにおけるリング位置合わせ固定具２３００のリングの位置決めのための基準として使用されてもよい。参考にするため、位置合わせ固定具２３００上にローカル座標系を定義することが、都合がよい場合がある。例えば、基準ローカル座標系は、Ｘ線エミッタにより近いリングの中心にその原点を有してもよく、第２の（例えば、平行な）リングはコレクタにより近く、ｘ軸及びｙ軸は、第１のリングの中心を識別する十字線と一致してもよく、ｚ軸は、２つのリングの中心を結ぶベクトルと一致する。

実施形態では、リング位置合わせ固定具を使用して点を３Ｄから２Ｄにマッピングすることは、円錐形パターンを形成するために作製される両方のリング上の既知の点を通るベクトルを利用することができ、次いで、このパターンは、関心領域を通るベクトルを補間するために使用される。

実施形態では、画像上の特徴から推定される変換パラメータなどを用いて、一連の共通変換（すなわち、回転、平行移動、拡大）が適用され得る。一例として、座標系が、近視野リングとしてエミッタにより近い第１のリングと、遠視野リングとしてコレクタにより近い第２のリングとを中心とするような、２リング固定具に基づく３Ｄ座標系について考える。この例では、近視野リング及び遠視野リングは同じ直径であってもよく、この座標系からコレクタプレートの座標系に点をマッピングするために、いくつかの変換が適用されてもよい。

例示的な変換の非限定的な１組の例が、図２３～図２７に示される。図２３は、ｚを中心にθだけ回転する変換ステップ１を示す（例えば、θは、ｙを中心として後続の回転αが生じることを可能にする角度である）。この図では、リングは視差のない３Ｄで表示されており、近視野リング及び遠視野リングは、開始配向で正確に重なり合っていることに留意されたい。図２４は、ｙを中心にαだけ回転する変換ステップ２を示す。回転は、近視野リング（例えば、エミッタにより近いリング）の中心の周りで生じることに留意されたい。図２５は、放射線写真の視点に一致するように平面内で回転する変換ステップ３を示す（例えば、入射角αの回転軸としてｙ軸を使用する代わりに、実際の回転軸に到達するためのｙからの角度をｘ－ｙ平面内に見つける）。図２６は、座標系中心からｄｘ，ｄｙだけ変位する変換ステップ４を示す。図２７は、視差に従って拡大する変換ステップ５を示す。この例では、ステップ５が完了すると、ｘ－ｙ平面は、２Ｄ平面にマッピングされた点を表す。ステップ５では、式３に従って拡大が行われる。

この実施例では、近視野リング上の点が遠視野リング上の点よりも大きいｚ値を有するので、最終画像上では、近視野リングは遠視野リングよりも拡大されて見える。加えて、ｘ－ｙ平面におけるリングの回転は、リングがｘ，ｙ＝０，０からどれだけ離れているかに応じて異なって見える場合がある。

したがって、リング位置合わせ固定具に装着された座標系で指定された３Ｄの点からＸ線平面上の２Ｄの点に移動するために、５つの未知数θ、α、φ、ｄｘ、及びｄｙが存在する場合に一連の変換が適用される。リング自体からこれら５つの未知数を推定するために画像処理を使用することが可能である。したがって、これらの５つのパラメータが定義され、位置合わせが確立されると、基準座標系においてｘ、ｙ、ｚとして指定された任意の新しい点は、Ｘ線画像座標に直接マッピングされ得る。

画像から５つのパラメータを決定するための計算の多くについて、ＢＢ固定具に関して説明したように、ｄ_ｅｃ／ｋの比が必要とされる。この比は、コレクタプレートに対して平行に配向されている間にリングを撮影したＸ線画像から同様に決定され得る。図２８は、コレクタプレートの平面に垂直な平面で見たときの主要寸法の概略を示しており、コレクタに平行なリングは視野内にあり、その影はコレクタプレート上に現れる。図２８に基づいて、ｄ_ｅｃ／ｋを決定するために以下の式を書くことができる。

式中、
ｄ_ｅｃは、エミッタからコレクタまでのｍｍ単位の距離である。
ｋは、蛍光透視出力上のピクセル座標をｍｍに変換するためのスケーリング係数である。
ｌ_ａは、リングＡの直径である。
ｌ_ｂは、リングＢの直径である。
ｙ_１ａは、中心ビームからリングＡの縁部までの横方向のｍｍ単位の距離である。
ｙ_１ｂは、中心ビームからリングＢの縁部までの横方向のｍｍ単位の距離である。
ｙ_２ａは、中心ビームからリングＡの反対側の縁部までの横方向のｍｍ単位の距離である。
ｙ_２ｂは、中心ビームからリングＢの反対側の縁部までの横方向のｍｍ単位の距離である。
ｚ_ｅａは、エミッタから平面Ａまでの（リングＡまでの）ｍｍ単位の距離である。
ｚ_ｅｂは、エミッタから平面Ｂまでの（リングＢまでの）ｍｍ単位の距離である。
ｄ_ａｂは、平面Ａと平面Ｂとの間の長手方向のｍｍ単位の距離である。
Ｌ_２ａは、コレクタ上のリングＡの影のピクセル座標における直径である。
Ｌ_２ｂは、コレクタ上のリングＢの影のピクセル座標における直径である。

次に、５つの未知数（θ、α、φ、ｄｘ、ｄｙ）が決定され得る非限定的な例を説明する。

入射角αの計算：
リングを横切る図が、リング平面を横切るように見た視点からコレクタ平面に対して任意の入射角にある、図２９に示される視点から見たときの、円錐に対して任意の角度の平面に当たって集光プレート上に画像を投影する円錐ビームについて考える。リング平面は、挿入図に示されるようにページの内外にあり、図は正のｚからであり、再フォーマットされたｘ軸及びｙ軸は、３Ｄ座標系に示されるように方向付けられる。この例では、円錐の頂部（例えば、Ｘ線エミッタ）から画像が知覚されるコレクタまでの距離ｄ_ｅｃが固定されている。下付き文字「ａ」が使用されるのは、同じ入射角α及び直径ｌ_０ｂを有するこのリングに平行な第２のリングが存在するためであり、第２のリングは、下付き文字「ｂ」を有する。プレート及びその上の３Ｄ空間の座標系は、２Ｄ画像の中心がＸ_ｐ＝０にあり、３Ｄ空間の中心もｘ_ｒ＝０にあるように位置付けられることに留意されたい。

図２９に基づき、以下の式が成り立つ。

図３０を参照して、ここでは異なる直径の２つの平行リングを有する固定具について考える。パラメータｚ_ｅａ及びｚ_ｅｂは、エミッタからそれぞれのリングの中点（十字線の交点）までのｚ方向の距離を表す。図３０は、リング平面を横切るように見た視点から、コレクタ平面に対して任意の入射角にある一対の同心リングを横切る図を示し、リング平面はページの内外にある（挿入図を参照）。図３０に基づき、以下の式が成り立つ。

ｚ_ｅａ（及びｚ_ｅｂ）を解くために、図２９及び図３０の視点から９０度回転させた視点からの任意の入射角におけるリングの図を提供する図３１に示されるように、最も広い部分を横切るように見たときの、リングの他の視点について考える。このことから次式のようになる。
リングａの場合

リングｂの場合

式７に代入すると、

式中、
Ｌ_２ａ＝画素座標におけるリングａの楕円投影の最大直径。
Ｌ_２ｂ＝画素座標におけるリングｂの楕円投影の最大直径。
ｄ_ｅｃ＝エミッタからコレクタまでのｍｍ単位の距離。
ｄ_ａｂ＝リングａからリングｂまでのｍｍ単位の最短距離。
ｋ＝画素に対するｍｍへの変換係数。
ｌ_０ａ＝リングａのｍｍ単位の既知の実際の直径。
ｌ_０ｂ＝リングｂのｍｍ単位の既知の実際の直径。

式１１は、リングの最も広い投影及び最も狭い投影が測定されることを示し、わずかな変動によってαの不一致が生じる可能性がある。代わりに、誤差の影響を受けにくいリング中心の変位に基づいて式を求めることが有用である。下側リングが、上側リング及び下側リングの直径の既知の比（例えば、リングが同じ直径である場合、比１）に一致するように「拡大」される場合、スケーリングは、リング点が０からオフセットされる座標系におけるリング上のそれぞれの点の値に対して行われるため、リングが垂直方向（ｚ方向）に上方へ移動した場合と同じになる。図３２は、図２９と同じ視点から任意の入射角にある一対のリングの図を示す。遠視野リングが近視野リングの倍率に一致するように拡大される場合、ｚ_ｅａ＝ｚ_ｅｂになるまでｚ軸の上方へと物理的に移動させることと等しくなる。

このｚ位置は、両方の楕円の主軸のｚ位置となる。画像処理は、近視野楕円直径に対する遠視野楕円直径が予想される比に一致するまで、画像の中心の周りの遠視野楕円の画像のスケーリングを可能にする。例えば、遠視野リング及び近視野リングが物理的に同一の直径を有する場合、Ｘ線投影された遠視野楕円は、近視野楕円よりも小さく見える。次いで、遠視野楕円上の点は、遠視野楕円の新しい画像が近視野楕円と同じ直径を有するようにスケーリングされ得る。特に、スケーリングされる必要がある唯一の点は、遠視野リングの十字線の交点によって定義されるような遠視野楕円の中心であり得る。遠視野楕円がスケーリングされ、近視野楕円がスケーリングされていない場合、楕円の中心におけるオフセットは、リング間の距離に等しい斜辺を有する三角形の対辺の画像座標における測定値を表す。このｚ位置において、斜辺は画像座標で決定されてもよく、これは、リング間の距離に、近視野リング直径に対する近視野楕円の主軸の比を掛けた値である（又は、遠視野リング直径に対するスケーリングされた遠視野楕円の主軸の比を掛けた値であり、スケーリング係数の定義によって同じである）。対辺及び斜辺を用いて、αはアークサイン関数で求められ得る。

式中：
Ｄ_ｃａｂ＝スケーリングされていない近視野の中心と、楕円及びスケーリングされた遠視野楕円との間の画像座標における距離。
Ｌ_２ａ＝回転軸の方向に測定された画像座標における近視野楕円の直径（投影された楕円の主軸にほぼ等しい）。
ｌ_０ａ＝ｍｍ単位の近視野リングの直径。
ｄ_ａｂ＝リング間のｍｍ単位の距離。

方位角φの計算：
方位角φ（リング入射の回転軸をｙ軸上に置くのに必要な角度）は、楕円のうちの１つの主軸に対する角度にすぎないように見え得る。例えば、図３３は、ｙ軸を中心として生じるα＝２０°の入射角を有する２つの円形リングのＸ線（視差を有する）上のモデル化された外観を示す。両方の楕円の長軸は、ｙ軸に沿って配向されているように見え、したがって、方位角φ＝０°が予想される。一見したところ、一方又は両方の楕円の長軸の配向は、画像処理を使用して評価され、θを決定するために使用され得る。しかしながら、リング位置が画像の中心からオフセットされる場合、楕円の長軸は方位角を精密に反映しないことが見て取れる。数値データから生成された図３４に示される例では、２つの楕円の主軸の配向に明確な不一致がある。図３４では、モデル化された外観が、ｙ軸の周りに生じるα＝２４．５°の入射角を有する２つの平行な円形リングのＸ線（視差を有する）上に示されている。両方のリングは、Ｘ線の中心からオフセットされている。両方の楕円の長軸は、ｙ軸に対して可視の角度をなしているように見える。加えて、より大きな楕円の長軸は、より小さな楕円のものとは異なる方位角を有するように見える。この場合、方位角はφ＝０°であることが分かっているが、画像処理ではこの角度が正しく与えられない。

更に考慮すべきことは、角度が小さい場合、直径が最大である正確な方向を精密に評価することが困難な場合があり、したがって、θを求めるために楕円の主軸の配向を使用する方法は、精度が低い結果をもたらし得るということである。実施形態では、楕円の主軸の長さを使用する方法は、より良好な結果をもたらすはずである。

図３２を参照して説明したスケーリングの実行において、拡大はリング全体をｚ軸の上方に移動させることに等しいことが見て取れる。したがって、遠視野リングが適切にスケーリングされる場合、２つの楕円形リング画像は、近視野リング及び遠視野リングの同じｚ座標における投影を表す。近視野リング及び遠視野リングの中心が同じｚ座標にある場合、ｘ及びｙにおいて近視野リング及び遠視野リングの中心を結ぶベクトルは、回転軸の経路を表す。実際の回転軸は、この経路に垂直であり、またｘ－ｙ平面内にあることが必要である。したがって、回転軸は、最初に遠視野リングの中心をスケーリングし、次いで、遠視野画像及び近視野リング画像の中心を結ぶ経路を追跡することによって、画像処理を通して抽出され得る。図では、図３５が、ｙ軸を中心として生じるα＝２４．５°の入射角を有する２つの平行な円形リングのＸ線（視差を有する）上のモデル化された外観を示す。両方のリングは、Ｘ線の中心からオフセットされている。遠視野楕円は、近視野楕円及び遠視野楕円が長軸において等しくなるまで、画像の中心を中心としてスケーリングされている。方位角はφ＝０°（すなわち、ｙ軸を中心とした回転。図２４参照）であることが分かっており、これは、スケーリングが実行された後の正しい結果である。

角度θは、視点を考慮した後の、Ｙに対する近視野垂直十字線又はＸに対する水平十字線の角度である。したがって、十字線と楕円との交点の場所を見つけ、次いで逆入射角を適用することにより、平面内の交点が与えられ、角度θが十字線交点のｘ、ｙ座標のアークタンジェントから決定されることが可能になる。

どの十字線がＸ又はＹとそろっているか、及び十字線のどの方向が＋Ｘ又は＋Ｙを指すかを知ることが重要であることに留意されたい。この情報は、基準十字線の正の軸に近いＢＢ若しくはワイヤ、又は任意の他の好適な特徴など、Ｘ線画像上に現れる固定具上の追加の特徴から決定され得る。

オフセット位置ｄｘ，ｄｙは、近視野リングの中心のｘ，ｙ座標のオフセットである。この点は、固定具上のトラッカ及び結果として得られるＸ線上に見られる対応する点に基づいて直接追跡され得る。この点は、位置合わせチェックとして役立ち得る。すなわち、ナビゲートされたプローブが近視野リングの中心に向けられる場合、投影された楕円の十字線の交点にその先端があるプローブの画像が見られるはずである。

位置合わせ固定具が画像増倍管に非常に正確に装着されている場合、上で言及したパラメータのいくつかは０になる。すなわち、入射角α、回転軸基準φ、変位ｄｘ及びｄｙは全て０になり、位置合わせプロセスを簡略化する。したがって、ＢＢ固定具と同様に、Ｘ線上の十字線及びリングの交点の場所は、変換パラメータを抽出するための代わりに調整ツールとして使用され得る。すなわち、図２１に示されるように、Ｘ線がリングの中心と縁部との交点で差異を示す場合、固定具は、Ｘ線が中心合わせを示すまで画像増倍管上で手動又は自動で調整され得、中心合わせを示した時点で変換は簡略化され、マッピングは最良の精度となる。

位置合わせ固定具においてリングを使用する場合、歪みの補正は、ＢＢ固定具に適用される補正と同様の方法で達成され得る。歪み補正を効果的にするために、リング固定具上の十字線は、等間隔のマーキングがそれぞれの十字線に沿って置かれる追加の特徴を必要とする。これらのマーキングは、ハッチマーク、円、ギャップ、又はＸ線画像上の可視投影上に現れる任意のそのような特徴であり得る。次いで、十字線の直線性及び十字線上のインデックス間の間隔の両方を考慮することで、ピンクッション歪み及びｓ字歪みを計算に入れて補正され得る。図３６及び図３７は、リング固定具を使用したときの画像上のピンクッション歪み及びｓ字歪みの発現を示す。ピンクッション歪みは画像の中心の周りで半径方向に対称であるので、十字線が画像の中心を通って一方の縁部から他方の縁部まで延びると仮定すると、ピンクッション歪みを計算に入れて補正するためには、１つの十字線及びマーキングを見るだけでよいと仮定される。ピンクッション歪みが異なる角度で対称でない場合、異なる方向のピンクッションの大きさを評価するために追加の十字線が必要になり得る。

図３６は、正方形のワイヤグリッドを通して撮影されたＸ線をピンクッション歪み画像３６０２として見せる蛍光透視鏡で発生し得るピンクッション歪みを示す。明確にするために、ピンクッションパターンは典型的なものより誇張して示されている。図の下部には、十字線及び十字線における等間隔のギャップを有するリングが、歪みのない状態３６０４（左）で示され、次いでピンクッション歪みのある状態３６０６（右）で示されている。歪みはリングに影響を及ぼさないが、十字線におけるギャップの間隔に明確に現れ、中心から外側のリングに向かって可視の間隔が増大していることに留意されたい。ピンクッション歪みの大きさは、画像の中心から縁部に向かうインデックス間の間隔の増大量として測定される。同様に、樽型歪みは、画像中心からリングへの十字線におけるギャップの減少として現れる。

図３７は、正方形のワイヤグリッドを通して撮影されたＸ線をｓ字歪み画像３７０２として表示されるように見せる蛍光透視鏡で発生し得るｓ字歪みを示す。明確にするために、ｓ字パターンは典型的なものより誇張して示されている。図の下部には、十字線を有するリングが、歪みのない状態３７０４（左）で示され、次いでｓ字歪みのある状態３７０６（右）で示されている。歪みはリングに影響を及ぼさないが、十字線にはっきりと現れ、Ｓ字形状をとっていることに留意されたい。ｓ字歪みの大きさは、２つの十字線がｓ字形状をとる量から測定される。

２Ｄでの３Ｄ手術計画：
外科用ロボットプラットフォームと併用するような医療処置の計画において、外科用ねじなどの医用物体の配置の計画は、２Ｄ画像に基づいて３Ｄで提供され得る。例えば、そのような計画では、２Ｄ図のうちの１つにねじを表すために描かれる線分は、線分が描かれる平面の内外（例えば、ｚ次元）に特定の次元を有するものと仮定され得る。また、その線分が描かれる平面の内外への特定の開始及び終了のｚ座標を有するものと仮定され得る。例えば、椎弓根ねじが前後方向及び横方向のＸ線画像上で計画されている場合、ｚ座標についての適切な仮定は、横方向のＸ線上のねじの寸法がねじの最大長を表すということであり得る。すなわち、ねじは、平面の内外に対して角度をなさず、したがって、横方向画像のローカル座標系上のねじの先端及び尾端のｚ座標は、同一である。先端及び尾端について等しいｚ座標は、前後方向画像の中心にねじを配置するのに適切な値であると仮定され得る。すなわち、ユーザが横方向平面図でｘ座標及びｙ座標を選択する場合、横方向画像のｚ座標が前後方向画像で画面の中心にねじ画像を見せるものであれば、どのようなものでも使用される。

実施形態では、未知の計画平面上の改善された初期推測のために他の手段が使用され得る。例えば、前後方向及び横方向の画像が計画に使用され得、両画像の上部は、吻側の解剖学的方向を表すように配向され得る。ユーザが左ねじを横方向画像上にドロップすることによって配置しようとしていることがソフトウェアのプロンプトを通じて分かっている場合、左画面が左解剖学的方向であると仮定すると、前後方向画像上のねじの開始場所は画面の左側になり得る。

初期位置が一方の図でユーザによって指示され、他方の図でソフトウェアによって推測されるか、ないしは別の方法で指定されると、いずれかの図でのその後のねじの再配置は、３Ｄ座標の２Ｄへの順方向マッピングを満たすことによって他方の図にマッピングされ得る。例えば、ユーザは、横方向のＸ線の撮影中に、位置合わせ固定具に関連付けられたローカルデカルト座標系でねじ先端のｘ、ｙ、ｚ座標を定義している可能性がある。次いで、ソフトウェア対話を介して、ユーザがねじ先端の表現を選択しドラッグする場合、デカルト座標系のｘ－ｙ平面は画像平面に対して平行であるため、ユーザは、そのｚ方向ではなく、そのデカルト座標系のｘ－ｙ平面内で先端を移動させる必要がある。そのローカル座標系におけるｘ及びｙ移動（ｚ移動＝０）は、ユーザ対話を通じて更新され得る。次いで、前後方向Ｘ線のローカル座標系と横方向Ｘ線のローカル座標系との間の変換は追跡によって既知であるため、結果として生じる、前後方向画像のローカル座標系に関連付けられたｘ、ｙ、ｚ座標も更新され得、前後方向画像内の新しい位置へのねじの計画された先端のマッピングが可能になる。一方の画像、次いで他方の画像の一連の更新を通して、ユーザは、位置合わせ固定具の両方の追跡された位置に対して既知であり、したがってカメラ空間及びロボットに既知である３Ｄ位置にねじを移動させることができる。次いで、ロボットは、ねじを正確に配置することを可能にする位置に移動し得る。

画像の２つの座標系が垂直であり、１つが前後方向Ｘ線を表し、１つが横方向Ｘ線を表す場合、ソフトウェア対話を介した前後方向図上のねじの先端又は尾端の計画された表現の吻側尾側方向への移動は、ねじの先端又は尾端の表現を横方向ビューにおいて同じ量だけ吻側尾側に移動させる効果を有することに留意されたい。しかしながら、前後方向ビューにおけるねじの先端又は尾端の左又は右への移動は、横方向画像における計画された先端又は尾端位置に影響を及ぼさない場合がある。逆に、横方向画像におけるねじの先端又は尾端の前方又は後方への移動は、前後方向画像におけるねじの先端又は尾端の位置に影響を及ぼさないが、横方向画像におけるねじの先端又は尾端の位置の吻側又は尾側への移動は、前後方向画像におけるねじの先端又は尾端の表現を同じ量だけ吻側尾側に変化させる。２つのＸ線が垂直に撮影されない場合、一方の図で計画されたねじの先端又は尾端を左、右、上、又は下に移動させると、他方の図の表現は少なくとも幾らかの量だけ移動することになる。

１つの前後方向Ｘ線及び１つの横方向Ｘ線などの２つの図が計画に使用されることを説明してきたが、３Ｄから２Ｄへのマッピングは任意のＸ線画像に対して作製され得るので、画像が撮影されるときに位置合わせ固定具の追跡情報が取得される限り、任意の数のＸ線画像上で計画を同時に表示及び更新することが可能である。例えば、４５度の増分で撮影された４つの画像は、スクリーンの４つの象限に表示され得、計画されたねじは、それぞれの図に位置合わせされ得る。ソフトウェア対話を使用して、計画された位置を１つの図で更新することにより、画像が他の図のそれぞれにおいて変化することになる。

図３８～図４６は、医用撮像デバイスの送信機側ではなくフラットパネル検出器４側に装着するように構成された新規な位置合わせ固定具２を示す。図３８の位置合わせ固定具２は、画像増倍管ベースのＣアームシステムと比較してより低い放射線量及びより高い画質を含む、Ｃアーム上のデジタルフラットパネル検出器４を使用してデジタル撮像技術を利用する医用撮像デバイスに理想的に適している。

位置合わせ固定具２は、基部フレーム６と、第１及び第２の側部フレーム８、１０と、基部フレーム６に取り外し可能に装着される運動学的マウント１２と、を含む。定義上、運動学的マウントは、基部フレーム６に対する側部フレーム８、１０の６自由度全てを拘束する。

基部フレーム６は、最小限の体積及び重量のアルミニウムフレームから構成されるが、いくつかの妥当なコスト、低密度、高強度及び剛性の材料のいずれかから製作され得る。

基部フレーム６には放射線透過性プレート１４が装着される。図３９に示される実施形態では、プレート１６は、互いに垂直方向に離間配置された２つのプレート１４、１６を含む。配向プレート１４は、フラットパネル検出器４のより近くに位置付けられ、位置合わせプレート１６は、配向プレートの上に位置付けられる。

それぞれのプレートは、放射線透過性材料（例えば、炭素繊維、Ｒｏｈａｃｅｌｌ発泡体、アクリル、ＡＢＳ、又は同様の材料）から製造され、画像処理及びナビゲーション目的のために特有の構成で配向される埋め込まれた放射線不透過性マーカ１７、１９を収容する。図示の実施形態では、放射線不透過性マーカ１７、１９は、１／８インチのステンレス鋼ボールであるが、任意の数の放射線不透過性材料及び種々の幾何学的形状から構成され得る。

一実施形態では、プレート１４、１６は、基部フレーム６上の精密な平坦面に取り付けられ、２つのプレート間の分離距離は、１０ｍｍ～７５ｍｍである。別の実施形態では、範囲は、２５ｍｍ～５０ｍｍであり、これは、臨床チームのための外科的作業領域内の障害を最小限にし得る。それにもかかわらず、プレート分離距離は、精度を向上させるために増減され得る。

配向プレート１４及び位置合わせプレート１６は、最適なプレート間アラインメント精度を達成するために、穴及びスロット構成を介して精密なダウエルピン２０とそろえられる。２つのプレートのための穴、スロット、ピンの構成は、不正確な設置を防止するために独自である。

図４０Ａは、所定のパターンで第１の放射線不透過性マーカのセット１７を有する配向プレート１６を示し、図４０Ｂは、所定のパターンで第２の放射線不透過性マーカのセット１９を有する位置合わせプレート１８を示す。

位置合わせプレート１８内の第２のマーカのセット１９は、円形パターンで互いに等間隔に離間配置された複数の放射線不透過性マーカを含む。図示の実施形態では、位置合わせプレート１８内に２４個の均一に離間配置されたマーカが存在する。

配向プレート１６内の第１のマーカのセット１７は、円形パターンで互いに離間配置されたマーカのセットを含むが、マーカの間隔は不均一である。マーカ１７によって形成される円は、位置合わせプレート１８の第２のマーカのセット１９によって画定される円よりも直径が小さい。マーカによって画定される２つの円（マーカ１７によって画定される小円及びマーカ１９によって画定される大円）は、互いに同軸かつ同心である。

第１のマーカのセット１７はまた、円の中心からの想像線が半径方向に延在するマーカ及び円内の対応するマーカと交差するように、不均一なマーカによって画定される小円内の対応するマーカから半径方向外側に延在するマーカ（例えば、対応する不均一に離間配置されたマーカのそれぞれに対して表示されている２つのマーカ）を含む。図示の実施形態では、配向プレート１６内に２４個のマーカ１７が存在している（小円上に８つのマーカがあり、円内の対応するマーカから半径方向に延びる２つのマーカの８つのサブセットがある）。位置合わせプレート１８及び配向プレート１６の両方におけるマーカの数が２４で同じであることに留意することが重要である。

全ての放射線不透過性マーカは、ステンレス鋼ボール又はＢＢの形態であってもよいが、任意の適切な放射線不透過性材料であってもよい。

上述したような位置合わせプレート及び配向プレートにおける放射線不透過性マーカの配置、サイズ及び数は、ナビゲーション精度、コリメーション要件（すなわち、十分なマーカを検出し、パターンを切り捨てるコリメーションが存在する場合であっても外科用インプラントを正確に配置する能力）、ナビゲート処置中の外科医に対する解剖学的障害の最小化、及び画像が１８０度又は９０度フリップされていないかどうかをナビゲーション追跡ソフトウェアが確定的に検出することを可能にするための配向の検出についての最適パラメータを提供する。

放射線透過性プレート１４は、フラットパネル位置合わせ固定具２を参照して説明されているが、それらは、撮像デバイスの送信機側に装着されるように構成されている（図１８に示されるような）位置合わせ固定具の一部として実装されてもよい。

側部フレームは、複数の光学追跡マーカを有し、基部フレーム６と側部フレームとの間に挿入される滅菌ドレープを貫通することなく基部フレーム６に取り外し可能に取り付けられるように適合される。

図３８に示されるように、それぞれの側部フレームは、放射線不透過性マーカと固定された関係にある６つのフラットディスクマーカ及び６つの球状マーカを含む。側部フレーム８、１０は、アルミニウム又はシステム精度要件に対して適切な強度、剛性、重量、及び光学特性を提供する任意の数の材料から構成されてもよい。

側部フレーム８、１０は、多くの表面処理オプションの中でも、潜在的な反射を低減するために、ビードブラスト処理及び黒アルマイト処理されてもよい。図示の実施形態では、２つの側部フレーム８、１０は、互いから１８０度に配向され、基部フレーム６から垂直に延在する。それぞれの側部フレーム８、１０は、ＮＩＲ及び可視光追跡の両方を可能にするために、フラットな追跡ディスク２２及び球状マーカ２４（ポストのみが図３８に示されている）の両方の使用を可能にする取付け特徴を含み得る。

フラットディスクマーカ２２及び球状マーカ２４は、互いに散在している。一実施形態では、一方の側部フレーム８上のマーカ２２、２４のパターン及び間隔は、それぞれの側（すなわち、互いから１８０度）から見たときに他方の側部フレーム１０のパターン及び間隔と同一である。

側部フレーム８、１０は、運動学的マウント構成１２を使用することによって、基部フレーム６に対して正確に自己整合し、配向される。

それぞれの側部フレーム８、１０は、ユーザが偶発的に不正確に設置することを防止する物理的なキーイング特徴を組み込むことによって交換できないように設計されている。

図３８、図４１、及び図４２に示されるように、基部フレーム６は、自己整合によって基部フレーム６上の対応する運動学的マウントポイント２６（３つの切頭球状ボールとして示されている）に取り付けられるように構成された３つの離間した運動学的マウントポイント２８（３つのＶブロックとして示された凹部）を含む。

図４２に示されるように、非貫通式クランプ３０は、回転ピン３４と、回転ピンに結合され、Ｕ字型クランプを基部フレーム６に押し付けるようにＵ字型クランプ３２を移動又は並進させるように構成されたカムハンドル３６と、を含む。Ｕ字型クランプ３２は、側部フレーム８の一部を受容して、基部フレーム６を圧縮又は解放するために側部フレームに対する並進移動又は摺動移動を可能にするスロット４２（図４３Ａを参照）を有する。図３８に示されるような代替実施形態では、Ｕ字型クランプ３２は、基部フレーム６の側壁、及びＵ字型クランプにねじ止めによって結合されたねじ付きシャフト４０を有するハンドル３８にわたって取り付け可能であり、ハンドルの回転によってＵ字型クランプが基部フレーム６に押し付けられて、側部フレーム８が基部フレーム６に固定される。

第１の側部フレーム８は、基部フレーム６の一方の側で横方向に延在し、その追跡マーカ２２、２４は、基部フレームから離れる第１の方向で、基部フレーム６から離れる方向を向き、第２の側部フレーム１０は、基部フレーム６の他方の側で横方向に延在し、その追跡マーカ２２、２４は、第１の方向と反対側の第２の方向で、基部フレーム６から離れる方向を向いている。

図３８に示すように、第１及び第２の側部フレーム８、１０は、基部フレーム６に取り付けられたときに互いに平行である。図示の実施形態では、２つの側部フレーム８、１０は、基部フレーム６に対して垂直に取り付けられている。

一実施形態では、側部フレーム８、１０の球状追跡マーカ２４は、赤外光（ＮＩＲ）を反射するように適合され、フラットディスクマーカ２２は、可視光を反射し、いくつかの実施形態では赤外光（ＮＩＲ）も反射するように適合される。

様々なフラットパネルＣアーム検出器ハウジングへの取り付けを容易にするために、複数の可撓性ラチェットストラップ構成が設計され、実装されてきた。

図４５は、１組のストラップ４８、５０と、パッドアセンブリ５２と、フラットパネル検出器４に装着するためのラチェット５４と、を含むラチェットストラップアセンブリ４６を示す。図４６は、図４５に示されるようなラチェットストラップアセンブリ４６を用いてフラットパネル検出器４に取り付けられた図３８の基部フレーム６を示す。第１のストラップ５０の一端は基部フレーム６に回転可能に装着され、他端はパッドアセンブリ５２を介してラチェット５４に装着されている。第２のストラップ４８（ラダーストラップ）の一端は、基部フレーム６に回転可能に結合され、他端は、第１のストラップ５０に対して摺動調節するためにラチェット５４に結合されている。ラチェット５４は、様々なフラットパネル検出器４の上にフィットするようにストラップ４８、５０を調節することを可能にする。ラチェットストラップアセンブリ４６は、例えば、Ｍ２ Ｉｎｃ．（Ｃｏｌｃｈｅｓｔｅｒ，ＶＴ）から入手可能である。ストラップ４８、５０は、基部フレーム６から延在し、使用中に基部フレーム６をＸ線医用撮像デバイスの検出器パネルに一時的に固定するためにフラットパネル検出器４の下側に巻き付くように構成されている。

一構成では、ラチェットストラップアセンブリの第１のストラップ５０は、調節可能性を促進するために複数の貫通孔を含む延長構成要素から構成される（図４５）。別の構成では、第１のストラップ５０の一端は、フラットパネル検出器４の背後に配設されたリング又はハンドルに装着されたばね仕掛けのカラビナなどのフック構成要素に装着される。

上述したフラットパネル検出器位置合わせ固定具２は、以下の利点を提供する。

ナビゲーション及び画像処理要件のための適切な配向及び位置合わせ基準マーカ検出を依然として可能にしながら、画像のコリメーションが可能である。そのようなコリメーションなしでは、特定のシナリオにおける患者の解剖学的構造の視覚化は非常に困難であり得るため、コリメーションは、画質に関して大きな利点を有する。

光学追跡配列は、滅菌ドレープの貫通を防止するクランプを利用して、精密な運動学的マウント構成に取り付けられる。クランプは、アクチュエータとして一体化されたカムハンドル又は基部フレーム６への堅固な取り付けのためのねじ付きハンドル（親ねじとして作用する）のいずれかによって移動するＵ字型状に設計される。このような取り付け方法は、滅菌ドレープの完全性を保護する。

光学追跡マーカを有する非貫通式側部フレーム８、１０は、ドレープ貫通マウント方法を使用する従来の設計とは異なり、分離可能、滅菌、かつオートクレーブ処理可能な側部フレームのクランプを容易にする。光学追跡マーカを含む側部フレーム８、１０は、基部フレーム６から分離可能であり、使い捨てマーカを利用し、機械洗浄及びオートクレーブ処理可能である。側部フレーム８、１０の分離可能な性質は、改善された精度：サイズ、セグメント長の最適化、潜在的な手術室の障害物に対する位置決めのための最適化の向上を可能にする。

光学追跡アレイは、ＮＩＲ（球状マーカ）及び可視光技術（フラットディスクマーカ）を利用して追跡を容易にするために、受動的に追跡されるディスク及び球体の両方を単一フレームアセンブリに組み込む。

画像処理及びナビゲーションワークフローを容易にするために、新規な放射線不透過性基準パターンが配向プレート及び位置合わせプレートに組み込まれる。

ラチェットストラップ取り付け構成は、様々なＣアーム検出器パネル形状への蛍光透視固定具の取り付けを容易にするために、非確定的なコンプライアントストラップを利用する。ラチェットストラップは、可撓性ラダーストラップベルトアセンブリと相互作用する、ばね式の機械的ラチェットを伴うコンプライアントパッドに直列に締結される、調節可能な延長構成要素を含む。ラダーストラップは、任意選択的に、係留Ｃアームハンドルに取り付けるためのフック又はカラビナ構成要素を含んでもよい。ベルトアセンブリに組み込まれた任意の設計安全要素としては、ハードストップが挙げられる。

モジュール式ラチェットストラップアセンブリは、自己ロック式クレビスピンの利用を通して蛍光透視固定具の外周に沿って調節される能力を有し、ばね式のウェッジ又は同等の位置特定及び自己ロック特徴を組み込んでいる。クレビスピンの組み込みは、様々なＣアーム検出器ハウジングを考慮したラチェットストラップアセンブリの容易なユーザ調節を促進する。

１００ｍｍ以上のプレート分離距離を有する従来の蛍光透視固定具と比較して、臨床チームのための外科的作業体積内の障害を最小限にするために、配向プレート及び位置合わせプレートの間隔は、一実施形態では、２５ｍｍ～５０ｍｍに最小化にされている。このプレート分離は、精度を高めるように減少又は増加されてもよいが、臨床外科チームが利用できる作業空間を最大化するために最小化されている。

真の蛍光透視固定具の発見
前述したように、ＣＴ画像を追跡カメラに位置合わせするための上記アルゴリズムの一部は、患者トラッカに対する画像面及びエミッタの位置を正確に追跡することであり、その結果、ＤＲＲは、ＣＴボリュームに対する仮想エミッタ及び仮想コレクタの正しい、対応する構成で生成される。ソフトウェアが画像面を追跡することができる１つの方法は、Ｃアームの画像コレクタの面に直接取り付けられた固定具を追跡することによる。次いで、「ピンホールカメラ」アルゴリズムを使用することによってエミッタ位置が正確に決定され、固定具を通過するＢＢの２つの平面の影は、かかる影を生成するためにコレクタに対してエミッタが存在する必要のあった位置を決定するために分析される。ＣＴ蛍光透視位置合わせプロセスの１つの基礎となる仮定は、ＢＢ平面が、Ｘ線を検出するハードウェアから実際には数センチメートルの位置にあっても、Ｃアームの物理的コレクタに直面する追跡対象の蛍光透視固定具の遠ＢＢ平面は、Ｘ線画像面と一致するとみなされ得るということである。

ＢＢの２つの平面の投影に基づいたエミッタ位置の分析では、カメラ較正機能に利用可能なオープンソースソフトウェアに計算手法が使用されることに留意されたい。ある計算手法では、デカルト座標（ｍｍ単位のｘ、ｙ、ｚ位置）における固定具上の３ＤのＢＢの幾何学的位置は物点と呼ばれ、ピクセル座標における２Ｄ Ｘ線上のＢＢの投影された影は像点と呼ばれる。

図１７を参照すると、ＢＢの２つの平面からのＸ線の影の位置が示されている。コレクタが２つのＢＢ面（近平面Ａ及び遠平面Ｂ）の下のいずれに配置されても、Ｌ_２ｂ／Ｌ_２ａの比は一定のままである。したがって、遠平面（平面Ｂ）は実際の画像面と見なされ得る。１つの複雑な要因は、蛍光透視固定具のＢＢ平面が、画像面に対して厳密に平行にＣアームに取り付けられていないことがあり得ることである。このような場合、ＢＢ平面と画像面が一致するという簡略化が有効ではなくなる。しかしながら、ＢＢ平面の角度を補正することによって、蛍光透視固定具及び最も近い画像面に対するエミッタの位置を正確に見出すことが依然として可能である。

画像面が蛍光透視固定具と平行であり、一致するとみなされるように光学系を処理する際に、追跡アレイの既知の位置を使用して、カメラに対する画像面（固定具平面）の位置を直接決定する。画像面の中心ＢＢは、蛍光透視固定具の原点（０，０，０）とみなされるので、球／円板光学アレイの追跡された姿勢は、画像面の追跡された姿勢を表す。

しかしながら、傾斜画像面では、画像面の実際の位置は、実際には、固定具に取り付けられたマーカから外挿された空間内の位置ではない。代わりに、考慮を必要とする、回転軸を中心とし、画像面（ＢＢ平面）の原点を通る回転が存在する。すなわち、Ｃアーム上に角度の付いた固定具を有することは、Ｃアーム上に角度の付いていない固定具を有し、そのＢＢ位置及びアレイ位置が画像面上にある軸を中心とした回転によってシフトされることと同じである。回転を補償するために、以下のアルゴリズムが使用され得る。
１．画像面上の固定具の回転軸と、この軸を中心とする回転度を見出す。
２．この回転を物点に適用して、較正が回転物点に依存するようにする。回転は、固定具の原点の周りで適用される。
３．この回転を追跡アレイの外挿位置に適用して、追跡された位置が固定具平面ではなく画像面の位置を表すようにする。追跡アレイの回転はまた、固定具の原点の周りで適用される。
４．較正アルゴリズムを使用して通常どおりに、ただし対象点を回転させて投影行列を決定する。
５．修正された投影行列及び修正された追跡アレイ位置を位置合わせアルゴリズムに送る。

ステップ１は、較正アルゴリズムによって返される回転行列を知って解くことができる。この回転行列は、（１）固定Ｚ軸を中心とした回転と、続いての（２）固定Ｘ軸を中心とした回転と、続いての（３）固定Ｚ軸を中心とした第２の回転という３つの平面回転のシーケンスとみなすことができる。言い換えれば、画像を回転させて方位角に合わせ、次いで傾斜を適用する。次いで、得られた画像を所望の視点へと回転させる。移動軸を中心とした回転は、固定軸を中心とした回転の逆順であるので、この回転シーケンスは、（１）固定Ｚ軸を中心とした回転、続いての（２）固定Ｘ軸を中心とした回転、続いての（３）固定Ｚ軸を中心とした回転と同じである。

アルゴリズムの次フェーズに進むために、物点は、実際に生成された画像点が傾斜角を示さない位置に物点を移動させるために、３つの回転のシーケンスによって修正され得る。この回転シーケンスは、前述の３つの回転の回転シーケンスと同様であるが、スクリーン回転を補償するために先に使用されたｚ回転が、ここでは傾斜方位角を補償するために使用されるので、わずかに異なる。適用される傾斜の方向が選択され（ｚを中心とする回転）、次に傾斜が適用され（ｘを中心とする回転）、次に関節のねじれがないように補償回転が適用される。第１及び第３の（ｚ）回転は合計して０になるはずである。

これらの修正された物点は、修正された投影行列を計算し、修正された固定具追跡アレイ位置を計算するために使用される。修正された投影行列及び固定具追跡行列を用いて新しい投影行列が計算され、古いアルゴリズムからの投影行列の代わりに位置合わせアルゴリズムに送られる。この新しい投影行列は、固定具平面上ではなく真の画像面上への投影を表し、最終的な蛍光透視－ＣＴ位置合わせにおいてより高い精度を与える。

代替的な固定具傾斜の解決策
上記の分析では、較正関数を使用し、結果として得られる投影行列を操作して、固定具傾斜が決定される。例えば、固定具が傾いており、固定具の調節が必要であることを示す警告をユーザに提供するために使用され得る、固定具傾斜のみが必要とされる場合、別のアプローチは、リングの投影された外観に基づくものであり得る。リングを使用することは、リングが未処理の個々のＢＢ位置よりもピンクッション及びＳ歪みからの形状変化の影響を受けにくい可能性があるので、上述の方法よりも堅固であり得る。

このアプローチは、例えば、Ｇｌｏｂｕｓ Ｍｅｄｉｃａｌ，Ｉｎｃ．からの９インチ及び１２インチの蛍光透視固定具を使用すると効果的であり得る。これは、両方の固定具において、ＢＢのパターンが、画像処理時にリング形状として解釈され得るためである。図４７Ａ及び図４７Ｂは、Ｃアームに取り付けられた、Ｇｌｏｂｕｓ Ｍｅｄｉｃａｌ，Ｉｎｃ．からの９インチ及び１２インチ蛍光透視固定具をそれぞれ用いて撮影されたＸ線画像を示す。図示のＢＢ（黒丸）は、配向平面上の第１のＢＢのセット及び位置合わせ平面上の第２のＢＢのセットから投影された撮像された影である。

より詳細には、図４７Ａは、医用画像を三次元追跡空間に位置合わせする間に使用するために構成された９インチ固定具などのために、いくつかの実施形態に従って配置された、第１及び第２のＢＢのセットを示す。図４７Ｂは、医用画像を三次元追跡空間に位置合わせする間に使用するために構成された１２インチ固定具などのために、いくつかの他の実施形態に従って配置された、第１及び第２のＢＢのセットを示す。

図４７Ａの実施形態を参照すると、配向プレート上の第１のＢＢ４７００又は他の放射線不透過性マーカのセットは、中心位置４７２０から延在する放射状線に沿って配置されており、放射状線は、中心位置４７２０を中心に角度的に離間している。図４７Ａは、２つの円４７０２及び４７１２に沿って配置された、第２のＢＢ４７１０又は他の放射線不透過性マーカのセットを更に示しており、第２のＢＢのセットは、配向プレートから離間している位置合わせプレート上にある。位置合わせプレート及び配向プレートは、位置合わせ固定具の基部フレームに取り付け可能であり、位置合わせ固定具は、Ｘ線医用撮像デバイスのフラットパネル検出器などＸ線医用撮像デバイスに装着されるように適合される。

図４７Ｂの実施形態を参照すると、第１のＢＢ４７５０又は他の放射線不透過性マーカのセットは、配向プレート上に配置されている。図４７Ｂは、３つの円４７７０、４７８０、及び４７９０に沿って配置された、第２のＢＢ４７１０又は他の放射線不透過性マーカのセットを更に示しており、第２のＢＢのセットは、配向プレートから離間している位置合わせプレート上にある。位置合わせプレート及び配向プレートは、位置合わせ固定具の基部フレームに取り付け可能であり、位置合わせ固定具は、Ｘ線医用撮像デバイスに装着されるように適合される。

図４７Ａ及び図４７Ｂでは、第１のセットのＢＢ（４７００及び４７５０）は、第２のセットのＢＢ（４７１０及び４７６０）よりも小さいものとして示されているが、いくつかの他の実施形態では、第１のセットのＢＢは、第２のセットのＢＢよりも大きいか又は同じサイズである。第１のセットと第２のセットとの間で異なるサイズのＢＢを使用することにより、画像処理中にマーカのセットを区別することが容易になる。

図４７Ａ及び図４７Ｂの例示的な実施形態では、それぞれの位置合わせプレート上の１６個のＢＢ ４７１０及び４７６０（「位置合わせＢＢ」とも呼ばれる）は、画像処理中に、図４７Ａの９インチ固定具構成では円４７１２として、図４７Ｂの１２インチ固定具構成では円４７８０として示される円形（「リング状」とも呼ばれる）構成に沿って配置されるものとして識別される。図４７Ａの９インチ固定具構成では、デワープ平面上の配向プレートのＢＢ４７００のセット（「配向ＢＢ」とも呼ばれる）は円形に配置され、同じ平面上の追加のデワープＢＢ ４７００は同じ円４７０２上にあり、円形の更なる改良を可能にする。

あるいは、解剖学的構造又は金属アーチファクトが、図４７Ａに示される円４７０２の大部分を遮断する場合、図４７ＢのグリッドＢＢ ４７５０及び図４７Ａの配向ＢＢ ４７００は、同一平面上にあるので、異なる円が、小径グリッドＢＢのセットから異なる半径で形成され得る。

図４７Ｂの１２インチ固定具構成では、配向プレートの第１のＢＢのセットと同じ円４７７０上に追加のデワープＢＢが存在しないが、デワープ（グリッド）ＢＢの異なるサブグループが円の候補になる可能性がある。配向プレートの大径の第２のＢＢ４７６０のセットから形成された１２インチ固定具の円４７７０は、最初に意図された円と考えられ得るが、異なる半径でＢＢから形成された他の円もまた、適切な候補である。１２個のグリッドＢＢ ４７６０を含む円４７９０が、第２のセットのうちの６個のＢＢ ４７５０のみを使用する円４７７０の適切な代替として形成され得ることに留意されたい。一実施形態によると、この代替リングにおける第２のＢＢのセットは、中心から９４．２５７ｍｍの公称半径を有する。

Ｘ線の経路におけるリングの幾何学的分析を概略的に示す（図３０）。遠平面リングが、上側リング及び下側リングの直径の既知の比（例えば、リングが同じ直径である場合、１）に一致するように「拡大」される場合、スケーリングは、リング点が０からオフセットしている座標系におけるリング上のそれぞれの点の値に対して行われるため、リングＢが垂直方向に上方へ移動していることを表す図３０の概略図の線と同じになる。視差に起因して、このシフトは、リングの投影中心を変更することに留意されたい。

このｚ位置は、両方の楕円の主軸のｚ位置となる。したがって、遠視野楕円がスケーリングされ、近視野楕円がスケーリングされていない場合、楕円の中心におけるオフセットは、リング間の距離に等しい斜辺を有する三角形の対辺の画像座標における測定値を表す。このｚ位置において、斜辺は画像座標で容易に見出される。斜辺は、リング間のｍｍ単位の距離に、近視野リング直径に対する近視野楕円の主軸の比を掛けた値である（又は、遠視野リング直径に対するスケーリングされた遠視野楕円の主軸の比を掛けた値であり、スケーリング係数の定義によって同じである）。

上述の式１２のアークサイン関数は、対辺及び斜辺を用いてαを解くために用いることができる。これらの動作は、各画像が蛍光透視Ｃアームから処理される間に適用されて、固定具が傾斜しているかどうかに関する即時フィードバックをユーザに提供することができる。

更なる実施形態では、動作は、固定具の傾斜角が通知規則を満たす、例えば、閾値の固定具傾斜角を超えるとき、ユーザへの警告通知を生成し得る。警告通知は、固定具がＣアームのフラットパネル検出器に適切に装着されていないことをユーザに知らせる警告メッセージを表示することに対応し得、並びに／又は可聴警告を生成すること及び／若しくはライトをアクティブ化／非アクティブ化することに対応し得る。動作は、固定具の傾斜角が、通知ルールに対応し得る撮像動作ルールを満たすと判定されるまで、撮像時に使用するためのＣアームの動作を更に無効にし得る。

改良されたコリメーション
位置合わせアルゴリズムで使用するために蛍光透視（ｆｌｕｏｒｏｓｃｏｐｙ）（蛍光透視（fluoro））画像を取り込むとき、外科医又は放射線技師は、均一なコントラストを有し、特定領域で過度に暗くも明るくもない画像を生成するために視野をコリメートする必要がある場合がある。コリメーションは、鉛カーテンを使用したＸ線経路の遮断であり、ほとんどのＣアームのコンソールで調整可能である。フルサイズ未満の画像が取り込まれるとき、例えばピンホールカメラモデルを使用したエミッタ位置の分析に利用可能なＢＢの影はより少数である。

部分的にコリメートされた画像を検出する能力を向上させるために、位置合わせ固定具の非限定的な例示的なタイプであるフラットパネル蛍光透視固定具（ＦＰＦＦ）の配向プレート上に複数の配向ＢＢのリングを含めることができる。

医用画像を三次元追跡空間に位置合わせするための位置合わせ固定具は、基部フレームと、配向プレートと、位置合わせプレートと、を含み得る。基部フレームは、Ｘ線医用撮像デバイスに装着されるように適合される。配向プレートは、基部フレームに取り付けられ、中心位置から延在する少なくとも４本の放射状線に沿って配置された第１のＢＢ（又は他の放射線不透過性マーカ）のセットを有し、放射状線は、中心位置を中心に角度的に離間しており、ＢＢのうちの少なくとも３つが放射状線の各々に沿って配置されている。位置合わせプレートは、基部フレームに取り付けられ、配向プレートから離間している。位置合わせプレートは、円に沿って配置された、第２のＢＢ（又は他の放射線不透過性マーカ）のセットを有する。

いくつかの実施形態は、ＢＢを使用するものとして説明されるが、これら及び他の実施形態は、より一般的に、任意のタイプの放射線不透過性マーカを使用し得る。放射線不透過性マーカは、円形であることに限定されず、不連続な離間したマーカ構造であることに限定されない。放射線不透過性マーカは、楕円形、正方形など任意の形状を有し得る。放射線不透過性マーカは、連続材料プレートの離間した、より厚い断面領域であり得、より厚い断面領域は、より厚い断面領域間に介在するプレート領域よりも放射線不透過性であるように構成されている。より厚い断面領域は、Ｘ線医用撮像デバイスによるプレートの画像の画像処理を通じてそれらの位置が認識されるように構成されている。したがって、本明細書における「ＢＢ」への全ての言及は、本開示のこれら及び他の実施形態による「放射線不透過性マーカ」という用語に置き換えることができる。

図４８及び図４９は、配向プレート上の第１のＢＢ４８００のセット及び位置合わせプレート上の第２のＢＢ４８１０のセットの上面図を示し、第１及びＢＢのセットは、いくつかの実施形態に従って配向される。

図４９を参照すると、配向プレート上の第１のＢＢ４８００のセットは、中心位置から延在する８本の放射状線に沿って配置されており、放射状線の中心位置は必ずしも配向プレートの中心に対応しない。８本の放射状線は、図４８に示されるように、例えば、０°、２４°、９６°、１４５°、１８９°、２５１°、２７２°、及び３０７°で中心位置を中心に角度的に離間している。第１のセットのうちの放射線不透過性マーカ４９００ａ、４９００ｂ、４９００ｃの３つは、中心位置から３つの異なる半径で放射状線の各々に沿って配置されている。いくつかの実施形態では、放射状線は、少なくとも２０度離れて角度的に離間している。放射状線は、不均一に角度的に離間していてよく、放射状線の２つの隣接する対の間の角度は、少なくとも２度異なる。換言すれば、放射状線は、隣接する放射状線の間に少なくとも２度異なる固有の角度を有するように配置され得、その結果、画像処理時に、回転及びミラーリングの任意の可能な組合せの下で最大２つのアームを一致させることができる。

いくつかの他の実施形態では、配向プレートは、８本未満の放射状線又は８本超の放射状線で構成されている。いくつかの実施形態では、第１の放射線不透過性マーカのセットは、中心位置から延在する少なくとも８本の放射状線に沿って配置されており、放射状線は、中心位置を中心に角度的に離間しており、第１のセットの放射線不透過性マーカのうちの少なくとも３つは、放射状線の各々に沿って配置されている。一実施形態では、第１の放射線不透過性マーカのセットは、９インチ固定具又は１２インチ固定具などのために６本の放射状線に沿って配置されている。別の実施形態では、第１の放射線不透過性マーカのセットは、７本の放射状線に沿って配置されている。放射状線は、隣接する放射状線の対の間が異なる固有の角度であるように配置され得る。各放射状線上の第１の放射線不透過性マーカのセットは、放射線不透過性マーカ間が異なる最小間隔であり、放射状線に沿って異なる径方向位置を有するように配置され得る。別の実施形態では、放射状線は、中心位置を中心に少なくとも２０度で均一に角度的に離間している。

図４８及び図４９に示される配向プレートの第１のＢＢのセットの配向は、第１のセット内のＢＢの数、放射状線（「アーム」）の数、及び放射状線に沿ったＢＢの位置の間の最適化されたバランスを提供し得る。多数の放射状線（例えば、８本）及び３つの異なる半径に位置する第１のセットのＢＢを有することは、以下の４つの考慮事項に基づいて、９インチ又は１２インチの位置合わせ固定具に最適化されたバランスを提供する可能性があると決定された。

第１の考慮事項として、追加の不要な位置合わせ固定具コスト、製造の複雑さ、画像処理の複雑さ、及び撮像された患者の解剖学的構造の不明瞭さを回避するために、配向プレートの第１のセット内の過剰な数のＢＢを回避しつつ、信頼性の高い位置合わせを可能にするために、第１のセット内に十分な数のＢＢがあるべきではない。第１のセット内のＢＢの数を増加させることは、特に、第１のセット内のＢＢが、例えば、頂点として外側ＢＢを有する多角形によって形成される面積に対応する、画像内の大きな広がりを有するとき、概して、位置合わせ精度を向上させることができる。

第２の考慮事項として、配向プレートの第１のセット内のＢＢのパターンは、有意なコリメーションを受けつつ、画像処理を通して認識可能であるべきである。広く分散しているＢＢのパターンを有することが望ましいが、画像の水平、垂直、又は両部分がコリメートされていても、多くの放射状線（アーム）が画像処理を通して依然として認識可能である。非垂直／水平コリメーションがいくつかの系上で生成されることも可能であり、したがって、第１のセット内の少なくともいくつかのＢＢは中心位置の近くにあるべきであり、放射状線は、この中心位置から仮想的に延在する。

第３の考慮事項として、配向プレートの第１のセット内のＢＢのパターンは、第１のセット内のＢＢの一部が認識可能ではない、例えば、画像から欠落している場合であっても、画像の処理中に一意に認識可能なパターンを提供するべきであり、したがって、第１のセット内のＢＢのパターンは、任意の回転において明確に認識されることができ、例えば、いくつかのＣアームＸ線医用撮像デバイスは、色反転及び他の画像処理ステップなどとともに、ソフトウェア処理中に画像を任意選択的に反転させ得るため、第１のセット内のＢＢのパターンは潜在的に反転される。

第４の考慮事項として、位置合わせプレートの第２のＢＢのセットは、エミッタが中心から外れて配置されているか、又は固定具が傾斜している場合であっても、配向プレートの第１のＢＢのセットから（例えば、配向プレート及び位置合わせプレートの平行面に沿って）幾何学的に明確に分離しているべきである。分離により、位置合わせプレートの第２のＢＢのセットのより単純かつより正確な検出が可能になる。これは、それらが、配向プレートの第１のセット内のＢＢの最も内側のリング又は中間のリングのいずれとも交差しないためである。

引き続き図４８及び図４９を参照すると、図示されたＢＢパターンは、位置合わせプレートの第２のセット内の十分な数のＢＢ及び配向プレート配向ＢＢの第１のセット内の十分な数のＢＢが画像処理中に認識されることを可能にすることによって、コリメーションに対して高い耐性を有することができる。画像内で全てのＢＢが認識可能であるか、又は取り込まれるわけではなくても、最良適合円を各ＢＢのセットに適合させることができ、互いに対する放射状線の角度を配向円の中心位置に対して決定することができる。図示されたＢＢのレイアウトは、放射状線に沿った第１のセット内のＢＢの配置間の固有の角度により、配向プレートの第１のセット内の３つのＢＢ及び位置合わせプレートの第２のセット内の３つのＢＢという少ない数でパターンの決定を可能にする。

いくつかの実施形態では、処理中にＢＢの円を正確に認識する能力に対する改善は、配向プレートの第１のセットに少なくとも４つのＢＢを含み、位置合わせプレートの第２のセットに少なくとも６つのＢＢを含むことによって得ることができる。しかしながら、場合によっては、２方向以上にコリメートされた場合及び／又は回転された場合であっても、これらの数よりも多くのＢＢが利用可能である。図４９では、例えば、水平コリメーションにおいて可視である配向プレートの第１のセット内の１４個のＢＢ及び／又は位置合わせプレートの第２のセット内の１４個のＢＢが存在し、垂直において可視である配向プレートの第１のセット内の１４個のＢＢ及び／又は位置合わせプレートの第２のセット内の１６個のＢＢが存在する。両方のコリメーションが組み合わされる場合であっても、内側領域は、依然として、配向プレートの第１のセット内の８つのＢＢと、位置合わせプレートの第２のセット内の６つのＢＢと、を含み、これらは、画像を正確に位置合わせするのに十分であるが、ＢＢの完全なセットの一部のみが画像内で認識可能であるため、場合によってはフル画像よりも精度が低い。

配向プレート上の第１のＢＢのセット及び位置合わせプレート上の第２のＢＢのセットについての図４９に示される例示的なパターンは、２つの衝突のみを有するパターンを識別するためにランダムパターンを反復するＰｙｔｈｏｎプログラミング言語スクリプトを使用して設計され、第１のセットのＢＢは、配向プレート及び位置合わせプレートに対して垂直な方向で第２のセットのＢＢと整列される。約１５０万の潜在的なパターンをチェックし、１２８の潜在的に一致するパターンを見出した後、一致するパターンは、ＰＮＧ画像としてスクリプト内のフラグを介して視覚化され、広がりを有する候補は、より良好なコリメーション抵抗を提供するが、低解像度、より高い傾斜などの下で潜在的により多くの曖昧さを提供するものとして視覚的に選択され、これは、図示されたパターンをもたらした。

いくつかの他の実施形態では、第１の放射線不透過性マーカのセットは、複数の同心円に沿って配置され得る。第１の放射線不透過性マーカのセットは、少なくとも３つの同心円に沿って配置された、少なくとも２４個の放射線不透過性マーカを含み得る。第２の放射線不透過性マーカのセットは、少なくとも４つの放射線不透過性マーカを含み得る。第２の放射線不透過性マーカのセットは、少なくとも２４個の放射線不透過性マーカを含み得る。配向プレート及び位置合わせプレートは、基部フレーム上で互いに平行に取り付けられ得る。

更なる実施形態では、第１の放射線不透過性マーカのセットは、少なくとも３つの同心円に沿って配置された、少なくとも２４個の放射線不透過性マーカを含み、第２の放射線不透過性マーカのセットは、配向プレート及び位置合わせプレートに対して垂直な方向で、第１のセットの少なくとも２４個の放射線不透過性マーカの少なくとも３つの同心円の中心位置と位置合わせされる中心位置を有する円に沿って配置されている。

更なる実施形態では、配向プレート及び位置合わせプレートは互いに平行であり、第１のセットの放射線不透過性マーカのいずれも、配向プレート及び位置合わせプレートに対して垂直な方向で、第２のセットの放射線不透過性マーカのいずれとも整列していない。

更なる実施形態では、位置合わせ固定具は、複数の光学追跡マーカに取り外し可能に装着されるように適合され、かつ基部フレームに取り外し可能に装着されるように適合されたサイドフレームを含む。

更なる実施形態は、医用画像の三次元追跡空間への位置合わせのための手術ナビゲーションシステムを対象とする。手術ナビゲーションシステムは、少なくとも１つのプロセッサと、動作を実行するために少なくとも１つのプロセッサによって実行可能なプログラム命令を記憶する、少なくとも１つのメモリと、を含む。図５０は、いくつかの実施形態による手術ナビゲーションシステムによって実行され得る動作のフローチャートを示す。図５０を参照すると、動作は、Ｘ線医用撮像デバイスによって生成された画像を取得する（５０００）ことを含む。動作は、第１の放射線不透過性マーカのセットが中心位置から延在する少なくとも４本の放射状線に沿って配置されていることを認識することに基づいて、放射状線が中心位置を中心に角度的に離間していることを認識することに基づいて、かつ放射線不透過性マーカのうちの少なくとも３つが放射状線の各々に沿って配置されていることを認識することに基づいて、画像内で第１の放射線不透過性マーカのセットを識別する（５００２）。動作は、第２の放射線不透過性マーカのセットが円に沿って配置されていることを認識することに基づいて、画像内で第２の放射線不透過性マーカのセットの位置を識別する（５００４）。動作は、画像内の第１の放射線不透過性マーカのセットの位置と画像内の第２の放射線不透過性マーカセットの位置との比較に基づいて、画像を三次元追跡空間に位置合わせする（５００６）。

図５１は、いくつかの実施形態による手術ナビゲーションシステムによって更に実行され得る動作のフローチャートを示す。図５１を参照すると、傾斜した画像面を補償するための上述の５つのステップに基づいた更なる実施形態では、画像内の第１の放射線不透過性マーカのセットの位置を画像内の第２の放射線不透過性マーカのセットの位置との比較に基づいて画像を三次元追跡空間に位置合わせする（５００６）動作は、Ｘ線医用撮像デバイスの画像面に対する固定具の回転軸を決定する（５１００）ことと、固定具とＸ線医用撮像デバイスの画像面との間の傾斜角を除去するために、軸を中心に第１及び第２の放射線不透過性マーカのセットの位置を回転させる（５１０２）ことと、を含む。

本発明は、詳細に図示及び記載された好ましい実施形態に関連して開示されているが、その様々な修正及び改良は、当業者には容易に明らかになるであろう。したがって、本発明の趣旨及び範囲は、前述の例によって限定されるものではなく、法律によって許容される最も広い意味で理解されるべきである。

本明細書で参照される全ての文書は、参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (20)

1. 医用画像の三次元追跡空間への位置合わせのための手術ナビゲーションシステムであって、
   少なくとも１つのプロセッサと、
   動作を実行するために前記少なくとも１つのプロセッサによって実行可能な命令を記憶する、少なくとも１つのメモリであって、前記動作は、
   Ｘ線医用撮像デバイスによって生成された画像を取得することと、
   第１の放射線不透過性マーカのセットが中心位置から延在する少なくとも４本の放射状線に沿って配置されていることを認識することに基づいて、前記放射状線が前記中心位置を中心に角度的に離間していることを認識することに基づいて、かつ前記放射線不透過性マーカのうちの少なくとも３つが前記放射状線の各々に沿って配置されていることを認識することに基づいて、前記画像内で前記第１の放射線不透過性マーカのセットを識別することと、
   第２の放射線不透過性マーカのセットが円に沿って配置されていることを認識することに基づいて、前記画像内で前記第２の放射線不透過性マーカのセットの位置を識別することであって、前記第１の放射線不透過性マーカのセットは配向プレート上にあり、前記第２の放射線不透過性マーカのセットは前記配向プレートから離間した位置合わせプレート上にあり、前記配向プレート及び前記位置合わせプレートは、前記Ｘ線医用画像デバイスに装着された固定具の基部フレームに取り付けられている、ことと、
   前記画像内の前記第１の放射線不透過性マーカのセットの位置と前記画像内の前記第２の放射線不透過性マーカセットの位置との比較に基づいて、前記画像を三次元追跡空間に位置合わせすることと、を含む、少なくとも１つのメモリと、を備える、手術ナビゲーションシステム。
2. 前記画像内の前記第１のセットの放射線不透過性マーカの位置と前記画像内の前記第２のセットの放射線不透過性マーカの位置との比較に基づいて、前記画像を前記三次元追跡空間に位置合わせする前記動作は、
   前記Ｘ線医用撮像デバイスの画像面に対する前記固定具の回転軸を決定することと、
   前記軸を中心に前記第１のセットの放射線不透過性マーカ及び前記第２のセットの放射線不透過性マーカの前記位置を回転させて、前記固定具と前記Ｘ線医用撮像デバイスの前記画像面との間の傾斜角を除去することと、を含む、請求項１に記載の手術ナビゲーションシステム。
3. 前記画像内で前記第１の放射線不透過性マーカのセットを識別する前記動作は、
   前記第１の放射線不透過性マーカのセットが、前記中心位置から延在する少なくとも８本の放射状線に沿って配置され、前記中心位置を中心に角度的に離間していることを認識することを含み、前記第１のセットの前記放射線不透過性マーカのうちの少なくとも３つは、放射状線の各々に沿って配置されている、請求項１に記載の手術ナビゲーションシステム。
4. 前記画像内で前記第１の放射線不透過性マーカのセットを識別する前記動作は、
   前記第１の放射線不透過性マーカのセットが、複数の同心円に沿って配置されていることを認識することを含む、請求項１に記載の手術ナビゲーションシステム。
5. 前記画像内で前記第１の放射線不透過性マーカのセットを識別する前記動作は、
   前記第１の放射線不透過性マーカのセットが、少なくとも３つの同心円に沿って配置された、少なくとも２４個の放射線不透過性マーカを含むことを認識することを含む、請求項４に記載の手術ナビゲーションシステム。
6. 前記画像内で前記第２の放射線不透過性マーカのセットを識別する前記動作は、
   前記第２の放射線不透過性マーカのセットが、少なくとも４つの放射線不透過性マーカを含むことを認識することを含む、請求項１に記載の手術ナビゲーションシステム。
7. 前記画像内で前記第２の放射線不透過性マーカのセットを識別する前記動作は、
   前記第２の放射線不透過性マーカのセットが、少なくとも２４個の放射線不透過性マーカを含むことを認識することを含む、請求項１に記載の手術ナビゲーションシステム。
8. 前記基部フレームと、前記基部フレームに取り付けられた前記配向プレートと、前記基部フレームに取り付けられ、前記配向プレートから離間している前記位置合わせプレートと、を含む前記位置合わせ固定具、を更に備える、請求項１に記載の手術ナビゲーションシステム。
9. 医用画像の三次元追跡空間への位置合わせのための位置合わせ固定具であって、
   Ｘ線医用撮像デバイスに装着されるように適合された基部フレームと、
   前記基部フレームに取り付けられ、中心位置から延在する少なくとも４本の放射状線に沿って配置された、第１の放射線不透過性マーカのセットを有する配向プレートであって、前記放射状線は、前記中心位置を中心に角度的に離間しており、前記放射線不透過性マーカのうちの少なくとも３つが前記放射状線の各々に沿って配置されている、配向プレートと、
   前記基部フレームに取り付けられ、前記配向プレートから離間している位置合わせプレートであって、前記位置合わせプレートは、円に沿って配置された第２の放射線不透過性マーカのセットを有する、位置合わせプレートと、を備える、位置合わせ固定具。
10. 前記第１の放射線不透過性マーカのセットは、前記中心位置から延在する少なくとも８本の放射状線に沿って配置されており、
    前記放射状線は、前記中心位置を中心に角度的に離間しており、
    前記第１のセットの前記放射線不透過性マーカのうちの少なくとも３つは、放射状線の各々に沿って配置されている、
    請求項９に記載の位置合わせ固定具。
11. 前記放射状線は、少なくとも２０度離れて不均一に角度的に離間している、
    請求項９に記載の位置合わせ固定具。
12. 放射状線の２つの隣接する対の間の角度は、少なくとも２度異なる、
    請求項１１に記載の位置合わせ固定具。
13. 前記放射状線は、前記中心位置を中心に少なくとも２０度離れて不均一に角度的に離間している、
    請求項９に記載の位置合わせ固定具。
14. 前記第１の放射線不透過性マーカのセットは、複数の同心円に沿って配置されている、
    請求項９に記載の位置合わせ固定具。
15. 前記第１の放射線不透過性マーカのセットは、少なくとも３つの同心円に沿って配置された、少なくとも２４個の放射線不透過性マーカを含む、
    請求項１４に記載の位置合わせ固定具。
16. 前記第２の放射線不透過性マーカのセットは、少なくとも４つの放射線不透過性マーカを含む、
    請求項９に記載の位置合わせ固定具。
17. 前記第２の放射線不透過性マーカのセットは、少なくとも２４個の放射線不透過性マーカを含む、
    請求項９に記載の位置合わせ固定具。
18. 前記配向プレート及び前記位置合わせプレートは互いに平行であり、
    前記第１の放射線不透過性マーカのセットは、少なくとも３つの同心円に沿って配置された、少なくとも２４個の放射線不透過性マーカを含み、
    前記第２の放射線不透過性マーカのセットは、前記配向プレート及び前記位置合わせプレートに対して垂直な方向で、前記第１のセットの前記少なくとも２４個の放射線不透過性マーカの前記少なくとも３つの同心円の前記中心位置と位置合わせされる中心位置を有する円に沿って配置されている、
    請求項９に記載の位置合わせ固定具。
19. 前記配向プレート及び前記位置合わせプレートは互いに平行であり、
    前記第１のセットの前記放射線不透過性マーカのいずれも、前記配向プレート及び前記位置合わせプレートに対して垂直な方向で、前記第２のセットの前記放射線不透過性マーカのいずれとも整列していない、
    請求項９に記載の位置合わせ固定具。
20. 複数の光学追跡マーカに取り外し可能に装着されるように適合され、かつ前記基部フレームに取り外し可能に装着されるように適合されたサイドフレーム、
    を更に備える、請求項９に記載の位置合わせ固定具。
    

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