JP2023502410A - 骨切りガイドのキャリブレーション方法、キャリブレーションシステムおよび検出用ターゲット - Google Patents
骨切りガイドのキャリブレーション方法、キャリブレーションシステムおよび検出用ターゲット Download PDFInfo
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Abstract
Description
骨切りガイドの特徴部分のガイド基準マーカ座標系における位置および姿勢パラメータを取得するステップと、
取得した前記骨切りガイドの特徴部分の位置および姿勢パラメータと、対応する標準値とを比較することにより、前記骨切りガイドの特徴部分の位置および姿勢パラメータと前記標準値との誤差値を求めるステップと、
を含み、
前記誤差値が期待値より大きい場合、前記骨切りガイドが変形していると判定する。
骨切りガイドの骨切りガイドブロックのすべての表面のガイド基準マーカ座標系における位置および姿勢パラメータを取得するステップと、
すべての前記表面の位置および姿勢パラメータに基づいて、すべての前記表面のうちそれぞれ対向する2つの表面の間の中間平面を算出するステップと、
すべての前記中間平面の交差点を前記骨切りガイドブロックの幾何学的中心点として決定し、前記骨切りガイドブロックの前記幾何学的中心点の前記ガイド基準マーカ座標系における位置および姿勢パラメータを計算するステップと、
を含む。
検出用ターゲットを用いて、前記骨切りガイドブロックの各表面においてそれぞれ複数の特徴点または特徴線の位置および姿勢パラメータを取得するステップと、
各表面上の前記複数の特徴点の位置および姿勢パラメータまたは前記特徴線の位置および姿勢パラメータに基づいて、前記表面の位置および姿勢パラメータを決定するステップと、
を含む。
検査端に前記骨切りガイドブロックの前記ガイド溝および/または前記ガイドホールの検出用ターゲットを挿入することにより、前記骨切りガイドブロックの前記ガイド溝および/または前記ガイドホールの前記内表面の前記ガイド基準マーカ座標系における位置および姿勢パラメータを取得するステップと、
を含む。
前記検出用ターゲットの前記検査端が前記ガイド溝の延在方向に沿って前記ガイド溝内をスライドする情報を取得するステップと、
を含む。
前記検出用ターゲットの前記検査端が各前記ガイド溝の2つの開口端のそれぞれに沿ってそれぞれ1回スライドする情報を取得することにより、各前記ガイド溝の内表面の2つの開口端のそれぞれにおける位置および姿勢パラメータを取得するステップと、
を含む。
前記検出用ターゲットの前記検査端が各前記ガイド溝の延在方向に沿って1回スライドする情報を取得することにより、各前記ガイド溝の内表面の位置および姿勢パラメータを取得するステップと、
を含む。
2つの前記開口端における前記ガイド溝の内表面の位置および姿勢パラメータが同一平面上にあるか否かを判断するステップと、を含み、
同一平面上にない場合は、前記ガイド溝が変形していると判断し、
同一平面上にある場合は、2つの前記開口端における前記内表面の位置および姿勢パラメータと、前記ガイド溝の標準値とを比較する。
前記骨切りガイドの特徴部分のガイド基準マーカ座標系における位置および姿勢パラメータを取得するステップは、
前記骨切りガイドブロックの所定の幾何学的中心点の周りを回転するように、前記ロボットアームにより前記骨切りガイドを駆動するステップと、
前記骨切りガイドに接続されたガイド基準マーカの回転中に形成された点群情報に基づいて、前記ガイド基準マーカ座標系における前記骨切りガイドブロックの前記幾何学的中心点の位置および姿勢パラメータを算出するステップと、
を含む。
前記骨切りガイドの特徴部分に接触する検査端と、
前記検査端に接続され、前記骨切りガイドの前記特徴部分のガイド基準マーカの座標系における位置および姿勢パラメータを提供する位置決めターゲットと、
を含む。
骨切りガイドブロックおよび前記骨切りガイドブロックに接続されるターゲット取付部を備える骨切りガイドと、
前記ターゲット取付部に接続するガイド基準マーカと、
前記ガイド基準マーカと通信接続され、前記骨切りガイドの特徴部分のガイド基準マーカ座標系における位置および姿勢パラメータを取得するナビゲーション装置と、
前記ナビゲーション装置と通信接続され、取得した前記骨切りガイドの前記特徴部分の前記ガイド基準マーカ座標系における位置および姿勢パラメータと、対応する標準値と比較することにより、前記骨切りガイドの特徴部分の位置および姿勢パラメータと前記標準値との誤差値を求める制御装置と、
含み、
前記誤差値が期待値より大きい場合、前記骨切りガイドが変形していると判定する。
骨切りガイドの特徴部分のガイド基準マーカ座標系における位置および姿勢パラメータを取得するステップと、
取得した前記骨切りガイドの特徴部分の位置および姿勢パラメータと、対応する標準値とを比較することにより、前記骨切りガイドの特徴部分の位置および姿勢パラメータと前記標準値との誤差値を求めるステップと、を含み、前記誤差値が期待値より大きい場合、前記骨切りガイドは変形していると判断する。
以下、図面を参照しながら説明する。
骨切りガイド4の特徴部分のガイド基準マーカ座標系における位置および姿勢パラメータを取得する。
取得した骨切りガイド4の前記特徴部分の位置および姿勢パラメータを対応する標準値と比較し、骨切りガイド4の前記特徴部分の位置および姿勢パラメータの前記標準値との誤差値を求める。前記誤差値が期待値より大きい場合、前記骨切りガイド4が変形していると判断する。骨切りガイド4の特徴部分の位置および姿勢パラメータをキャリブレーションすることにより、骨切りガイド4の繰り返し使用時や運搬時の変形が位置決め精度に影響を与えることを防止し、手術を行うことができる。
(ステップSA1)
骨切りガイド4の骨切りガイドブロック40の全表面のガイド基準マーカ座標系における位置および姿勢パラメータを取得する。
(ステップSA2)
全ての前記面の位置および姿勢パラメータに基づいて、前記対向する面間の中間平面を算出する。
(ステップSA3)
全ての前記中間平面の交差点を前記骨切りガイドブロック40の幾何学的中心点Pとして決定し、前記ガイド基準マーカ座標系における前記骨切りガイドブロック40の幾何学的中心点Pの位置および姿勢パラメータを算出する。
検出用ターゲット100を用いて、前記骨切りガイドブロック40の各表面における特徴線の位置および姿勢パラメータを取得するステップと、
前記各表面上の前記特徴線の位置および姿勢パラメータに基づいて、前記表面の位置および姿勢パラメータを決定するステップと、
を含む。一部の実施形態において、いずれかの面上に取得された前記特徴線は曲線であり、前記曲線は、たとえば、「S」字形等であってもよい。実際には、検出用ターゲット100の尖端部101を骨切りガイド4の各面上でS字状にスライドさせればよい。特性線は曲線であるため、固有の平面を決定することができるため、ステップSA1において骨切りガイドブロック40の一面を決定することができる。もちろん、当業者は、実用上の必要性に応じて、折り返し線のような他の形態の特徴線を選択することができる。本実施形態の第2の好ましい例の残りの方法ステップは、本実施形態の第1の好ましい例のものと同じであり、上記の説明で見つけることができる。
この構成では、骨切りガイドの繰り返し使用時や運搬時に骨切りガイドが変形し、位置決め精度に影響を与え、ひいては手術に影響を与えることを回避するために、骨切りガイドをキャリブレーションすることができる。
図7から図13に示すように、図7は本発明の実施形態2の第1の好ましい実施形態に係る骨切りガイドのキャリブレーションシステムの構成を示す図であり、図8は本発明の実施形態2の第2の好ましい実施形態に係る骨切りガイドのキャリブレーションシステムの構成を示す図、図9は本発明の実施形態2の第3の好ましい実施形態に係る骨切りガイドのキャリブレーションシステムの構成を示す図であり、図10は、本発明の実施形態2の第4の好ましい実施形態に係る骨切りガイドのキャリブレーションシステムの構成を示す図であり、図11は、本発明の実施形態2の第5の好ましい実施形態に係る骨切りガイドのキャリブレーションシステムの構成を示す図であり、図12は、本発明の実施形態2の第6の好ましい実施形態に係る骨切りガイドのキャリブレーションシステムの構成を示す図であり、図13は、本発明の第7の好ましい実施形態に係る骨切りガイドのキャリブレーションシステムの構成を示す図である。
前記骨切りガイドブロック40のガイド溝41および/またはガイドホール42に検出用ターゲット100の検査端101を挿入する。
前記検出用ターゲット100に基づいて、前記骨切りガイドブロック40のガイド溝41および/またはガイドホール42の内表面のガイド基準マーカ座標系における位置および姿勢パラメータを取得する。
本発明の実施形態3に係る骨切りガイドのためのキャリブレーションシステムの構成を示す図である図14を参照されたい。本発明の実施形態3に係る骨切りガイドのキャリブレーション方法、キャリブレーションシステムおよび検出用ターゲットは、実施形態1に係る骨切りガイドのキャリブレーション方法、キャリブレーションシステムおよび検出用ターゲットと基本的に同じであり、同じ部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
(ステップSC1)
前記骨切りガイド4を前記骨切りガイドブロック40の所定の幾何学的中心点の周りにロボットアーム2で駆動する。この所定の幾何学的中心点のロボットアーム座標系における座標は、工場で3座標キャリブレーション器により決定してもよいし、骨切りガイド4の設計値から得てもよい。
(ステップSC2)
前記骨切りガイド4に接続されたガイド基準マーカ3の回転中に形成された点群に基づいて、前記ガイド基準マーカ座標系における前記骨切りガイドブロック40の幾何学的中心点の位置および姿勢パラメータが計算される。ナビゲーション装置6により、制御装置は、ガイド基準マーカ3の回転経路(すなわち点群情報)を取得し、これをさらに演算して、ガイド基準マーカ座標系における骨切りガイドブロック4の回転中心の位置、すなわちガイド基準マーカ座標系における骨切りガイドブロック40の幾何学的中心の位置を取得する。
2 ロボットアーム、
3 ガイド基準マーカ、
4 骨切りガイド、
5 手術用具、
6 追跡装置、
7 スレーブモニタ、
8 マスターモニタ、
9 ナビゲーションカート、
10 キーボード、
11 大腿骨基準マーカ、
12 大腿骨、
13 脛骨基準マーカ、
14 脛骨、
15 ベース基準マーカ、
16 キャリブレーション基準マーカ、
17 患者、
18 オペレータ、
30 ターゲット取付部、
40 骨切りガイドブロック、
41 ガイド溝、
42 ガイドホール、
405 右脚滑車溝のための骨切りガイド溝、
407、411 0°ガイド溝、
408、410 45°ガイド溝、
412 左脚滑車溝のための骨切りガイド溝、
100 検出用ターゲット、
101 検査端、
102 位置決めターゲット。
Claims (20)
- 骨切りガイドの特徴部分のガイド基準マーカ座標系における位置および姿勢パラメータを取得するステップと、
取得した前記骨切りガイドの特徴部分の位置および姿勢パラメータと、対応する標準値とを比較することにより、前記骨切りガイドの特徴部分の位置および姿勢パラメータと前記標準値との誤差値を求めるステップと、
を含み、
前記誤差値が期待値より大きい場合、前記骨切りガイドが変形していると判定する、骨切りガイドのキャリブレーション方法。 - 前記特徴部分は、前記骨切りガイドの骨切りガイドブロックの幾何学的中心点を含み、前記骨切りガイドの特徴部分のガイド基準マーカ座標系における位置および姿勢パラメータを取得するステップは、
骨切りガイドの骨切りガイドブロックのすべての表面のガイド基準マーカ座標系における位置および姿勢パラメータを取得するステップと、
すべての前記表面の位置および姿勢パラメータに基づいて、すべての前記表面のうちそれぞれ対向する2つの表面の間の中間平面を算出するステップと、
すべての前記中間平面の交差点を前記骨切りガイドブロックの幾何学的中心点として決定し、前記骨切りガイドブロックの前記幾何学的中心点の前記ガイド基準マーカ座標系における位置および姿勢パラメータを計算するステップと、
を含む、ことを特徴とする請求項1に記載の骨切りガイドのキャリブレーション方法。 - 骨切りガイドの骨切りガイドブロックのすべての表面のガイド基準マーカ座標系における位置および姿勢パラメータを取得するステップは、
検出用ターゲットを用いて、前記骨切りガイドブロックの各表面においてそれぞれ複数の特徴点または特徴線の位置および姿勢パラメータを取得するステップと、
各表面上の前記複数の特徴点の位置および姿勢パラメータまたは前記特徴線の位置および姿勢パラメータに基づいて、前記表面の位置および姿勢パラメータを決定するステップと、
を含む、ことを特徴とする請求項2に記載の骨切りガイドのキャリブレーション方法。 - いずれかの表面において取得された前記複数の特徴点のうち、少なくとも3つの点が共線しておらず、または、いずれかの表面において取得された前記特徴線は曲線である、ことを特徴とする請求項3に記載の骨切りガイドのキャリブレーション方法。
- 前記特徴部分は、前記骨切りガイドの骨切りガイドブロックのガイド溝および/またはガイドホールの内表面を含み、前記骨切りガイドの特徴部分のガイド基準マーカ座標系における位置および姿勢パラメータを取得するステップは、
検査端に前記骨切りガイドブロックの前記ガイド溝および/または前記ガイドホールの検出用ターゲットを挿入することにより、前記骨切りガイドブロックの前記ガイド溝および/または前記ガイドホールの前記内表面の前記ガイド基準マーカ座標系における位置および姿勢パラメータを取得するステップと、
を含む、ことを特徴とする請求項1に記載の骨切りガイドのキャリブレーション方法。 - 前記特徴部分は、前記骨切りガイドブロックの前記ガイド溝を含み、前記検出用ターゲットの前記検査端に前記ガイド溝が挿入された後、前記骨切りガイドの特徴部分のガイド基準マーカ座標系における位置および姿勢パラメータを取得するステップは、
前記検出用ターゲットの前記検査端が前記ガイド溝の延在方向に沿って前記ガイド溝内をスライドする情報を取得するステップと、
を含む、ことを特徴とする請求項5に記載の骨切りガイドのキャリブレーション方法。 - 前記検出用ターゲットの前記検査端が前記ガイド溝の延在方向に沿って前記ガイド溝内をスライドする情報を取得するステップは、
前記検出用ターゲットの前記検査端が各前記ガイド溝の2つの開口端のそれぞれに沿ってそれぞれ1回スライドする情報を取得することにより、各前記ガイド溝の内表面の2つの開口端のそれぞれにおける位置および姿勢パラメータを取得するステップと、
を含む、ことを特徴とする請求項6に記載の骨切りガイドのキャリブレーション方法。 - 前記検出用ターゲットの前記検査端の幅は、前記ガイド溝の幅に適合され、前記検出用ターゲットの前記検査端が前記ガイド溝の延在方向に沿って前記ガイド溝内をスライドする情報を取得するステップは、
前記検出用ターゲットの前記検査端が各前記ガイド溝の延在方向に沿って1回スライドする情報を取得することにより、各前記ガイド溝の内表面の位置および姿勢パラメータを取得するステップと、
を含む、ことを特徴とする請求項6に記載の骨切りガイドのキャリブレーション方法。 - 取得した前記骨切りガイドの特徴部分の位置および姿勢パラメータと、対応する標準値とを比較するステップは、
2つの前記開口端における前記ガイド溝の内表面の位置および姿勢パラメータが同一平面上にあるか否かを判断するステップと、を含み、
同一平面上にない場合は、前記ガイド溝が変形していると判断し、
同一平面上にある場合は、2つの前記開口端における前記内表面の位置および姿勢パラメータと、前記ガイド溝の標準値とを比較する、ことを特徴とする請求項6に記載の骨切りガイドのキャリブレーション方法。 - 前記骨切りガイドは、ロボットアームの先端に設けられ、前記特徴部分は、前記骨切りガイドの骨切りガイドブロックの幾何学的中心点を含み、
前記骨切りガイドの特徴部分のガイド基準マーカ座標系における位置および姿勢パラメータを取得するステップは、
前記骨切りガイドブロックの所定の幾何学的中心点の周りを回転するように、前記ロボットアームにより前記骨切りガイドを駆動するステップと、
前記骨切りガイドに接続されたガイド基準マーカの回転中に形成された点群情報に基づいて、前記ガイド基準マーカ座標系における前記骨切りガイドブロックの前記幾何学的中心点の位置および姿勢パラメータを算出するステップと、
を含む、ことを特徴とする請求項1に記載の骨切りガイドのキャリブレーション方法。 - 前記骨切りガイドブロックの所定の幾何学的中心点の周りを回転するように、前記ロボットアームにより前記骨切りガイドを駆動する間、前記ロボットアームと前記骨切りガイドとの接続点を運動点とすれば、すべての前記運動点が1つの運動面において1つの運動中心点の周りを円周運動し、いずれかの前記運動点と前記所定の幾何学的中心点とを結ぶ線を運動接続線とし、前記運動中心点と前記所定の幾何学的中心点とを結ぶ線を中心接続線とすれば、前記運動接続線と前記中心接続線との間の角度は、30°以上である、ことを特徴とする請求項10に記載の骨切りガイドのキャリブレーション方法。
- 骨切りガイドのキャリブレーションに用いられる検出用ターゲットであって、
前記骨切りガイドの特徴部分に接触する検査端と、
前記検査端に接続され、前記骨切りガイドの前記特徴部分のガイド基準マーカの座標系における位置および姿勢パラメータを提供する位置決めターゲットと、
を含む、検出用ターゲット。 - 前記検査端は尖端部を含み、前記尖端部は、前記骨切りガイドの前記特徴部分に当接している、ことを特徴とする請求項12に記載の検出用ターゲット。
- 前記検査端は挿入ロッドを含み、前記挿入ロッドの幅は、前記骨切りガイドの骨切りガイドブロックのガイド溝の幅に適合され、前記挿入ロッドは、前記ガイド溝内に挿入される、ことを特徴とする請求項12に記載の検出用ターゲット。
- 前記検査端は、挿入カードおよび/またはピンを含み、前記挿入カードの長さは、前記骨切りガイドの骨切りガイドブロックのガイド溝の長さに適合され、前記ピンの外郭寸法は、前記骨切りガイドの骨切りガイドブロックのガイドホールの内側寸法に適合されている、ことを特徴とする請求項12に記載の検出用ターゲット。
- 前記検査端は前記位置決めターゲットに着脱自在に接続されている、ことを特徴とする請求項12に記載の検出用ターゲット。
- 骨切りガイドブロックおよび前記骨切りガイドブロックに接続されるターゲット取付部を備える骨切りガイドと、
前記ターゲット取付部に接続するガイド基準マーカと、
前記ガイド基準マーカと通信接続され、前記骨切りガイドの特徴部分のガイド基準マーカ座標系における位置および姿勢パラメータを取得するナビゲーション装置と、
前記ナビゲーション装置と通信接続され、取得した前記骨切りガイドの前記特徴部分の前記ガイド基準マーカ座標系における位置および姿勢パラメータと、対応する標準値と比較することにより、前記骨切りガイドの特徴部分の位置および姿勢パラメータと前記標準値との誤差値を求める制御装置と、
含み、
前記誤差値が期待値より大きい場合、前記骨切りガイドが変形していると判定する、キャリブレーションシステム。 - 検出用ターゲットを含み、前記検出用ターゲットの前記検査端は、尖端部を含み、前記尖端部は、前記骨切りガイドの特徴部分に当接している、ことを特徴とする請求項17に記載のキャリブレーションシステム。
- 検出用ターゲットを含み、前記検出用ターゲットの前記検査端は、挿入ロッドを含み、前記挿入ロッドの幅は、前記骨切りガイドの骨切りガイドブロックのガイド溝の幅に適合され、前記挿入ロッドは、前記ガイド溝内に挿入される、ことを特徴とする請求項17に記載のキャリブレーションシステム。
- 検出用ターゲットを含み、前記検出用ターゲットの前記検査端は、挿入カードおよび/またはピンを含み、前記挿入カードの長さは、前記骨切りガイドの前記骨切りガイドブロックのガイド溝の長さに適合され、前記ピンの外郭寸法は、前記骨切りガイドの前記骨切りガイドブロックのガイドホールの内側寸法に適合されている、ことを特徴とする請求項17に記載のキャリブレーションシステム。
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