JP2023502759A - 骨切り術校正方法、校正ツール、読み取り可能な記憶媒体、および整形外科手術システム - Google Patents

骨切り術校正方法、校正ツール、読み取り可能な記憶媒体、および整形外科手術システム Download PDF

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Abstract

骨切り術校正方法、校正ツール、読み取り可能な記憶媒体、および整形外科手術システムを提供する。骨切り術校正方法は、初めに、平面校正ツールを使用して現在の骨切り面の計算位置情報を取得し、その後、計画された骨切り面の所定位置情報に基づいて、計算位置情報と計画された骨切り面の所定位置情報との位置誤差を確定し、位置誤差が既定値を超える場合、ロボットアーム（２）を制御および再位置決めするために再位置決め情報を計算してロボットアーム（２）に送信する。最初の骨切り術によって形成された現在の骨切り面と計画された所定の骨切り面との間の位置誤差を比較および特定し、ロボットアーム（２）を再位置決めし、骨切り面の２次的な修正を行うことによって、骨切り面の最終的な精度を向上できる。加えて、ロボットアーム（２）の再位置決めおよび骨切り面の２次的な修正によって、骨切り術ナビゲーションツール（４）を骨に固定するための追加の骨釘を回避できる。したがって、患者の外傷面と手術時間を縮小することができる。【選択図】 図４

Description

本発明は、ロボット支援手術システムおよび方法の分野に関し、特に、骨切り術校正方法、校正ツール、読み取り可能な記憶媒体、および整形外科手術システムに関する。
人工関節置換手術では、骨切り術の作業精度が確保できるように、人工関節の装着前に、骨切り術のために様々なポジショナやナビゲーション装置等が必要となる。人工膝関節全置換術（TKA）の手術中に骨切り術ナビゲーションツールの位置決めを達成するように外科医を支援する様々な方法が提案されている。一般に、既存のロボット支援手術システムでは、骨切り術ツールがロボットアームの端部に配置され、骨切り術ツールの動きがロボットアームによって制御されて、膝関節形成手術中の骨切り術ツールの位置決めを実現する。しかしながら、精度はロボットアームの絶対位置決め精度によって決定し、骨切り術中に骨切り面を追跡および校正することはできず、これは手術の精度に影響を及す。加えて、骨切り術中、鋸刃が力によって鋸刃に垂直な方向に振れ、このことは計画された骨切り位置と実際の骨切り位置との間に簡単に誤差を引き起こし得る。
本発明の目的は、既存の骨切り術の精度の低さの問題を解決するために、骨切り術校正方法、校正ツール、読み取り可能な記憶媒体、および整形外科手術システムを提供することである。
上述の技術的問題点を解決するために、本発明の第１態様によると、骨切り術校正方法が提供され、
現在の骨切り面に配置されている平面校正ツールの探知面の位置情報を計算し、前記探知面の前記位置情報を前記現在の骨切り面の計算位置情報として定義することと、
計画された骨切り面の所定位置情報に基づき、前記計算位置情報と前記所定位置情報との位置誤差を確定し、前記位置誤差が既定値を超える場合、再位置決め情報を計算してロボットアームに送信し、前記ロボットアームを制御して再位置決めすることと、を備える。
任意選択的に、骨切り術校正方法においては、前記計算位置情報は、計算法線ベクトルおよび計算位置を含み、前記位置誤差は、前記計画された骨切り面の所定法線ベクトルおよび所定位置に基づいて得られた前記計算法線ベクトルと前記所定法線ベクトルとの間の法線ベクトル回転行列と、前記計算位置と前記計画された骨切り面の前記所定位置との間の位置偏差と、を含む。
任意選択的に、骨切り術校正方法においては、前記法線ベクトル回転行列および前記位置偏差のうち少なくとも１つが既定値を超える場合、前記法線ベクトル回転行列および前記位置偏差に基づいて前記ロボットアームを制御して再位置決めする。
任意選択的に、骨切り術校正方法においては、前記探知面には、追跡可能要素が設けられ、前記探知面の前記位置情報を計算するステップは、前記平面校正ツールの追跡可能要素座標系における前記探知面の法線ベクトルnpおよび位置PP(xp,yp,zp)に基づき、前記追跡可能要素座標系と下肢DICOMデータ座標系との間の変換行列MP→Vを用いて、前記下肢DICOMデータ座標系における前記探知面の計算法線ベクトルnVおよび計算位置Pv(xv,yv,zv)を得ることを含む。
任意選択的に、骨切り術校正方法においては、前記平面校正ツールは、２以上の現在の骨切り面を校正するための２以上の探知面を含み、前記探知面の少なくとも１つには追跡可能要素が設けられ、前記追跡可能要素が設けられた前記探知面は第１探知面として定義され、前記第１探知面に隣接する他の探知面は第２探知面として定義され、前記探知面の前記位置情報を計算するステップは、前記第１探知面の位置情報を計算することと、前記第１探知面とそれに隣接する前記第２探知面との間の第１角度を取得することと、前記第１角度に基づいて前記第２探知面の位置情報を計算することと、を含む。
任意選択的に、骨切り術校正方法においては、前記第２探知面とそれに隣接する前記第１探知面の前記追跡可能要素との間の距離は調整可能であり、前記探知面の前記位置情報を計算するステップは、前記追跡可能要素に対する前記第２探知面の変位を取得することと、前記第１角度および前記変位に基づいて前記第２探知面の位置情報を計算することと、をさらに含む。
任意選択的に、骨切り術校正方法においては、前記平面校正ツールは、第３探知面を含み、前記第３探知面の第１側および前記第１探知面は、少なくとも１つの前記第２探知面によって離間されており、前記探知面の前記位置情報を計算するステップは、前記第３探知面の前記第１側に隣接する探知面の位置情報を取得することと、前記第３探知面と前記第３探知面の前記第１側に隣接する探知面との間の第２角度を取得することと、前記第１側に配置されるとともに前記第３探知面に間接的に隣接する探知面に対する前記第３探知面の変位を取得することと、前記第２角度および前記変位に基づいて前記第３探知面の位置情報を計算することと、を含む。
任意選択的に、骨切り術校正方法においては、前記探知面には追跡可能要素が設けられ、前記骨切り術校正方法は、前記探知面と前記追跡可能要素との相対位置を校正することを含む。
任意選択的に、骨切り術校正方法においては、先端を有する追跡可能要素を使用することで前記探知面上の複数のマーク点を校正することと、前記追跡可能要素の反射球座標系における前記複数のマーク点の座標を取得することと、前記探知面の実際の位置および実際の法線ベクトルを計算することと、前記平面校正ツールが変形したかどうかを検出するために、前記実際の位置および前記実際の法線ベクトルとオリジナルデータとを比較することと、を備える。
上述の技術的問題点を解決するために、本発明の第２態様によると、平面校正ツールが提供され、少なくとも１つの探知面と、少なくとも１つの追跡可能要素とを備え、前記追跡可能要素は、少なくとも１つの前記探知面に配置され、前記追跡可能要素と前記探知面との間の相対位置が固定され、前記探知面は、現在の骨切り面上に配置されるように構成され、前記追跡可能要素は、位置決めのために構成される。
任意選択的に、前記平面校正ツールは、２以上の探知面を含み、前記探知面のそれぞれには、１つの前記追跡可能要素が設けられ、全ての前記探知面は、回転可能に順に接続され、前記探知面が２よりも多い場合、前記探知面の少なくとも中間の１つの長さは調整可能である。
任意選択的に、前記平面校正ツールは、回転可能に順に接続されている２以上の探知面を含み、前記探知面の少なくとも１つには前記追跡可能要素が設けられ、前記追跡可能要素が設けられた前記探知面は第１探知面として定義され、前記第１探知面に隣接する他の探知面は第２探知面として定義され、前記第１探知面の前記追跡可能要素とそれに隣接する前記第２探知面との間の距離は固定され、隣接する第１探知面及び第２探知面の間に角度センサが配置され、前記角度センサは前記第１探知面と前記第２探知面との間の角度を検知するように構成されている。
任意選択的に、前記平面校正ツールは、回転可能に順に接続されている３以上の探知面を含み、前記探知面の少なくとも中間のものの長さが調整可能である。
任意選択的に、前記平面校正ツールは、少なくとも１つの第３探知面を含み、前記第３探知面は、第１側と前記第１側の反対側の第２側とを有し、前記第３探知面の第１側および前記第１探知面は、少なくとも１つの第２探知面によって離間されており、前記第３探知面と前記第３探知面の第１側に隣接する探知面との間に角度センサが配置され、前記第３探知面の第１側に配置されるとともに前記第３探知面に隣接する探知面に変位センサが配置され、前記変位センサは、前記第１側に配置されるとともに前記第３探知面に間接的に隣接する探知面に対する前記第３探知面の変位を検知するように構成されている。
任意選択的に、前記平面校正ツールは、回転可能に順に接続されている２以上の探知面を含み、前記探知面の少なくとも１つには前記追跡可能要素が設けられ、前記追跡可能要素が設けられた前記探知面は第１探知面として定義され、前記第１探知面に隣接する他の探知面は第２探知面として定義され、前記第１探知面の前記追跡可能要素とそれに隣接する前記第２探知面との間の距離は調整可能で、前記第１探知面に変位センサが設けられ、前記変位センサは前記追跡可能要素に対する前記第２探知面の変位を検知するように構成されている。
任意選択的に、前記平面校正ツールは、少なくとも１つの第３探知面を含み、前記第３探知面は、第１側と前記第１側の反対側の第２側とを有し、前記第３探知面の第１側および前記第１探知面は、少なくとも１つの第２探知面によって離間されており、前記第３探知面と前記第３探知面の第１側に隣接する探知面との間に角度センサが配置され、前記第３探知面の第１側に配置されるとともに前記第３探知面に隣接する探知面に変位センサが配置され、前記変位センサは、前記第１側に配置されるとともに前記第３探知面に間接的に隣接する探知面に対する前記第３探知面の変位を検知するように構成されている。
上述の技術的問題点を解決するために、本発明の第３態様によると、プログラムを記憶している読み取り可能な記憶媒体が提供され、前記プログラムは、上述の骨切り術校正方法を実施するためのプロセスによって実行される。
上述の技術的問題点を解決するために、本発明の第４態様によると、整形外科手術システムが提供され、
制御装置と、
ナビゲーション装置と、
ロボットアームと、
上述の平面校正ツールと、
を備え、
前記ナビゲーション装置は、前記平面校正ツールの追跡可能要素とマッチして前記追跡可能要素の位置情報を取得し、前記位置情報を前記制御装置にフィードバックし、
前記制御装置は、前記平面校正ツールの追跡可能要素の位置情報に基づいて現在の骨切り面の計算位置情報を取得し、前記計算位置情報と計画された骨切り面の所定位置情報との位置誤差を確定するように構成されており、前記位置誤差が既定値を超える場合、前記制御装置は、前記ロボットアームを駆動して再位置決めする。
要約すれば、本発明によって提供される骨切り術校正方法、校正ツール、読み取り可能な記憶媒体、および整形外科手術システムは、初めに、平面校正ツールを使用して現在の骨切り面の計算位置情報を取得し、その後、計画された骨切り面の所定位置情報に基づき、計算位置情報と所定位置情報との位置誤差を確定し、位置誤差が既定値を超える場合、再位置決め情報を計算してロボットアームに送信し、ロボットアームを制御して再位置決めする。このようにして、最初の骨切り術によって形成された現在の骨切り面と計画された所定の骨切り面との間の位置誤差を比較して識別し、ロボットアームを再位置決めし、骨切り面の２次的な修正を行うことによって、骨切り面の最終的な精度を向上できる。さらに、ロボットアームを再位置決めし、骨切り面を２次的に修正することによって、ナビゲーションツールを骨に固定するための追加の骨釘を回避できる。したがって、患者の外傷面と手術時間を縮小することができる。
当業者は、添付の図面が本発明のより良い理解のために提供されていること、およびいかなる方法であっても本発明の範囲が限定されることはないことを理解するであろう。
本発明の実施形態１による整形外科手術システムの使用による膝関節形成術の模式図である。 本発明の実施形態１による骨切り術校正方法のフローチャートである。 本発明の実施形態１の第１例による平面校正ツールの模式図である。 本発明の実施形態１の第１例による平面校正ツールの使用法の模式図である。 本発明の実施形態１の第２例による平面校正ツールの模式図である。 本発明の実施形態１の第３例による平面校正ツールの模式図である。 本発明の実施形態１の第３例による平面校正ツールの使用法の模式図である。 本発明の実施形態１の第４例による平面校正ツールの模式図である。 本発明の実施形態１の第５例による平面校正ツールの模式図である。 本発明の実施形態１の第６例による平面校正ツールの模式図である。 本発明の実施形態１の第７例による平面校正ツールの模式図である。 本発明の実施形態１の第８例による平面校正ツールの模式図である。 本発明の実施形態２の第１例による平面校正ツールの模式図である。 本発明の実施形態２の第２例による平面校正ツールの模式図である。 本発明の実施形態２の第３例による平面校正ツールの模式図である。 図１５に示されているような平面校正ツールの側面図である。 本発明の実施形態２の第４例による平面校正ツールの模式図である。 本発明の実施形態２の第５例による平面校正ツールの模式図である。 本発明の実施形態２の第６例による平面校正ツールの模式図である。
本発明の特徴および利点は、以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。図面は非常に簡略化された形態で提供されており、必ずしも縮尺通りに描かれているわけではなく、実施形態を説明する際の利便性および明確さを容易にすることのみを意図としていることに留意されたい。加えて、図面に示されている構造は、多くの場合、実際の構造の一部である。特に、図面の異なる強調を示す必要があり、場合によっては異なる縮尺が使用される。
本発明で使用されているような、単数形「１つ」、「１個」、および「該」は、内容において別途指定のない限り、複数の指示対象を含む。本発明で使用されているような、「または」という用語は、内容において別途指定のない限り、一般に「および／または」を含む意味で使用される。本発明で使用されているような、「複数」という用語は、内容において別途指定のない限り、一般に「少なくとも１つ」を含む意味で使用される。本発明で使用されているような、「少なくとも２つ」という用語は、内容において別途指定のない限り、一般に「２以上」を含む意味で使用される。さらに、「第１」、「第２」、および「第３」という用語は説明目的でのみ使用され、相対的な重要性を示したり暗示したり、示された技術的特徴の数を暗に示したりするものとして理解されることがあってはならない。したがって、「第１」、「第２」、および「第３」として定義される特徴には、明示的または暗黙的に１つまたは少なくとも２つの特徴が含まれてもよい。
本発明は、既存の骨切り術の精度の低さの問題を少なくとも解決するための、骨切り術校正方法、校正ツール、読み取り可能な記憶媒体、および整形外科手術システムを提供するものである。
骨切り術校正方法は、平面校正ツールの探知面を現在の骨切り面に配置することで探知面の位置情報を計算し（すなわち現在の骨切り面に配置されている平面校正ツールの探知面の位置情報を計算し）、探知面の位置情報を現在の骨切り面の計算位置情報として定義することと、計画された骨切り面の所定位置情報に基づき、計算位置情報と所定位置情報との位置誤差を確定し、位置誤差が既定値を超える場合、再位置決め情報を計算してロボットアームに送信し、ロボットアームを制御して再位置決めすることと、を備える。
平面校正ツールは、少なくとも１つの探知面と、少なくとも１つの追跡可能要素とを備え、追跡可能要素は、少なくとも１つの探知面に配置され、追跡可能要素と探知面との間の相対位置が固定され、探知面は、現在の骨切り面上に配置されるように構成され、追跡可能要素は、位置決めのために構成される。
読み取り可能な記憶媒体はプログラムを記憶しており、プログラムが実行されると、上述のような骨切り術校正方法にしたがってプログラムが実施される。
整形外科手術システムは、制御装置と、ナビゲーション装置と、ロボットアームと、上述の平面校正ツールと、を備え、ナビゲーション装置は、平面校正ツールの追跡可能要素とマッチして追跡可能要素の位置情報を取得し、位置情報を制御装置にフィードバックし、制御装置は、平面校正ツールの追跡可能要素の位置情報に基づいて現在の骨切り面の計算位置情報を取得し、計算位置情報と計画された骨切り面の所定位置情報との位置誤差を確定するように構成されており、位置誤差が既定値を超える場合、制御装置は、ロボットアームを駆動して再位置決めする。
このようにして、最初の骨切り術によって形成された現在の骨切り面と計画された所定の骨切り面との間の位置誤差を比較して識別し、ロボットアームを再位置決めし、骨切り面の２次的な修正を行うことによって、骨切り面の最終的な精度を向上できる。さらに、ロボットアームを再位置決めし、骨切り面を２次的に修正することによって、ナビゲーションツールを骨に固定するための追加の骨釘を回避できる。したがって、患者の外傷面と手術時間を縮小することができる。
以下、図面を参照して説明する。
［実施形態１］
図１から１２を参照し、図１は、本発明の実施形態１により提供されている整形外科手術システムを使用する膝関節形成術の模式図である。図２は、本発明の実施形態１により提供されている骨切り術校正方法のフローチャートである。図３は、本発明の実施形態１の第１例により提供されている平面校正ツールの模式図である。図４は、本発明の実施形態１の第１例により提供されている平面校正ツールの使用方法の模式図である。図５は、本発明の実施形態１の第２例により提供されている平面校正ツールの模式図である。図６は、本発明の実施形態１の第３例により提供されている平面校正ツールの模式図である。図７は、本発明の実施形態１の第３例により提供されている平面校正ツールの使用方法の模式図である。図８は、本発明の実施形態１の第４例により提供されている平面校正ツールの模式図である。図９は、本発明の実施形態１の第５例により提供されている平面校正ツールの模式図である。図１０は、本発明の実施形態１の第６例により提供されている平面校正ツールの模式図である。図１１は、本発明の実施形態１の第７例により提供されている平面校正ツールの模式図である。図１２は、本発明の実施形態１の第８例により提供されている平面校正ツールの模式図である。
本発明の実施形態１は、整形外科手術システムを提供する。図１は、整形外科手術システムを使用する膝関節形成術の模式図を示す。しかしながら、本発明の整形外科手術システムは、適用環境に特に制限なく、股関節等のその他の整形外科手術にも適用できる。以下の説明では、整形外科手術システムは、例として、膝関節形成術を使用して説明されているが、本発明を限定するために使用されるべきではない。
図１に示すように、整形外科手術システムは、制御装置、ナビゲーション装置、ロボットアーム２、および骨切り術ナビゲーションツール４を含む。制御装置は、実施形態によってはコンピュータであるが、本発明はそれに限定されない。コンピュータは、制御部、主ディスプレイ８、およびキーボード１０を備えており、より好ましくは、補助ディスプレイ７も含む。本実施形態では、補助ディスプレイ７および主ディスプレイ８に表示される内容は同じであり、例えば、両方とも骨切り術位置画像を表示するために使用される。ナビゲーション装置は、電磁位置決めナビゲーション装置、光学位置決めナビゲーション装置、または電磁位置決めナビゲーション装置として選択される。本実施形態では、ナビゲーション装置は、光学位置決めナビゲーション装置である。他のナビゲーション方法と比較して、光学位置決めナビゲーションは高い計測精度を有することで、骨切り術ナビゲーションツールの位置決め精度を効果的に向上できる。以下の説明では、光学位置決めナビゲーション装置を説明の例として取り上げるが、それに限定されない。
ナビゲーション装置は、ナビゲーションマーカーおよびトラッカー６を含む。ナビゲーションマーカーは、基部追跡可能要素１５およびツール追跡可能要素３を含む。基部追跡可能要素１５は固定、例えば、基部追跡可能要素１５は外科用トロリー１に固定されて、基部座標系（基部追跡可能要素座標系とも呼ばれる）を提供する。ツール追跡可能要素３は、骨切り術ナビゲーションツール４の位置を追跡するために、骨切り術ナビゲーションツール４に取り付けられている。骨切り術ナビゲーションツール４は、骨切り術ナビゲーションツール４がロボットアーム２によって支持され、骨切り術ナビゲーションツール４の空間位置および姿勢が調整されるように、ロボットアーム２の端部に取り付けられている。
実際には、トラッカー６は、ツール追跡可能要素３によって反射される信号（例えば、光信号）を捕捉し、ツール追跡可能要素３の位置（すなわち、基部追跡可能要素システム下のツール追跡可能要素の位置および姿勢）を記録するために使用される。制御装置のメモリに記憶されているコンピュータプログラムは、ツール追跡可能要素の現在の位置および所望の位置にしたがってロボットアーム２の動きを制御する。ロボットアーム２は、ツール追跡可能要素３が所望の位置に到達するように骨切り術ナビゲーションツール４およびツール追跡可能要素３を駆動して移動させる。ツール追跡可能要素３の所望の位置は、骨切り術ナビゲーションツール４の所望の位置に対応する。
したがって、整形外科手術システムの適用のために、骨切り術ナビゲーションツール４の自動位置決めが実現でき、骨切り術ナビゲーションツール４のリアルタイム姿勢は、手術中にツール追跡可能要素３によって追跡およびフィードバックされ、骨切り術ナビゲーションツール４の位置および姿勢の調整は、ロボットアームの動きを制御することによって達成される。骨切り術ナビゲーションツール４は、高い位置決め精度を実現するだけでなく、ロボットアーム２によっても支持され、これはつまり、ナビゲーションツールを人体に固定する必要がなく、人体への２次的または更なる損傷を回避できる。
一般に、整形外科手術システムは、外科用トロリー１およびナビゲーショントロリー９をさらに含む。制御装置およびナビゲーション装置の一部は、ナビゲーショントロリー９に取り付けられ、例えば、制御部はナビゲーショントロリー９の内側に取り付けられ、キーボード１０は操作のためにナビゲーショントロリー９の外側に配置される。主ディスプレイ８、補助ディスプレイ７、およびトラッカー６のそれぞれは、ブラケットに取り付けられ、ブラケットは、ナビゲーショントロリー９に垂直に固定され、ロボットアーム２は、外科用トロリー１に取り付けられる。外科用トロリー１およびナビゲーショントロリー９の使用は、外科手術全体をより便利にする。実施形態によっては、制御装置の少なくとも一部は、外科用トロリー１および／またはナビゲーショントロリー９に配置されている。他の実施形態では、制御装置は他の独立した装置に配置されているが、本出願はそれに限定されない。
膝関節形成手術を行う場合、本実施形態の整形外科システムの使用には、一般に、以下の操作が含まれる。初めに、外科用トロリー１とナビゲーショントロリー９を病床の隣の適切な位置に移動させる。続いて、ナビゲーションマーカー（ナビゲーションマーカーは大腿骨追跡可能要素１１および脛骨追跡可能要素１３も含む）、骨切り術ナビゲーションツール４、およびその他の関連コンポーネント（例えば、滅菌バッグ）を取り付ける。続いて、術者１８は、例えば骨切り面の座標、プロテーゼのモデル、プロテーゼの取り付け方向、およびその他の情報を含む骨切り術計画を取得するように、患者１７の骨のCT／MRスキャンモデルを術前計画のためにコンピュータにインポートする。具体的には、CT／MRスキャンから得られた患者の膝関節画像データに基づき、膝関節の３次元デジタルモデルを作成し、その後、膝関節の３次元デジタルモデルに基づいて骨切り術計画を作成することで、術者は骨切り面に応じた術前評価を行うことができる。より具体的には、骨切り術計画は、膝関節の３次元デジタルモデルならびに得られたプロテーゼのサイズ仕様および骨切り術プレートの設置位置に基づいて決定される。骨切り術計画は、最終的に、外科手術者のための基準の提供のため、骨切り面座標、骨切り量、骨切り角度、プロテーゼの仕様、プロテーゼの設置位置、手術補助具等の一連の基準データを記録し、特に、骨切り角度の選択の理由等の一連の論理的説明を含む、外科レポートの形態で出力される。その中でも、膝関節の３次元デジタルモデルは主ディスプレイ８に表示でき、術者は、キーボード１０によって外科的パラメータを入力して、術前計画を容易にすることができる。術前評価後、術者１８は、追跡可能要素のペンを使用して、患者の大腿骨および脛骨上の特徴点をマーキングし（すなわち、術者は、患者の大腿骨上の複数の大腿骨の解剖学的特徴点および脛骨上の複数の脛骨の解剖学的特徴点をマーキングし）、ナビゲーション装置（基部追跡可能要素１５を基準とする）を使用して、患者の脛骨１４および大腿骨１２上の全ての特徴点の位置を記録し、全ての特徴点の位置を制御部に送信し、その後、制御部は、照合アルゴリズムによって大腿骨１２および脛骨１４の実際の向きを取得する。大腿骨１２および脛骨１４の実際の向きは、大腿骨１２および脛骨１４のCT／MR画像の向きと一致する。続いて、大腿骨および脛骨の実際の向きは、ナビゲーション装置を通して大腿骨および脛骨に取り付けられている対応する追跡可能要素にリンクされることで、大腿骨追跡可能要素１１および脛骨追跡可能要素１３は、リアルタイムで骨の実際の位置を追跡できる。手術中、骨に対する追跡可能要素の相対位置が固定されている限り、骨の動きは手術効果に影響を与えない。さらに、手術前に計画された骨切り面の座標は、ナビゲーション装置を通してロボットアーム２に送られる。ロボットアーム２がツール追跡可能要素３を通じて骨切り面の位置を特定し、所定位置に移動した後、ロボットアーム２は保持状態を維持する（すなわち、動かない）。その後、術者は、振子式鋸または電気ドリル等の手術ツール５を使用することにより、骨切り術ナビゲーションツール４を用いて骨切りおよび／またはドリル作業を行うことができる。骨切りおよびドリル作業が完了した後、術者はプロテーゼを取り付けて他の外科手術を行うことができる。
位置決め用ロボットアームのない従来の手術およびナビゲーション手術システムは、骨切り術ナビゲーション位置決めツールの手動調整を必要とするが、これは精度が悪く、調整効率が低い。ロボットアーム位置決めナビゲーションツールを使用すると、術者は追加の骨釘で骨にナビゲーションツールを固定する必要がないため、患者の外傷面および手術時間が縮小される。
本実施形態では、ナビゲーションマーカーは、大腿骨追跡可能要素１１および脛骨追跡可能要素１３をさらに含む。大腿骨追跡可能要素１１は、大腿骨１２の空間的位置および姿勢を特定するために使用され、脛骨追跡可能要素１３は、脛骨１４の空間的位置および姿勢を特定するために使用される。前述の通り、ツール追跡可能要素３は、骨切り術ナビゲーションツール４に取り付けられているが、他の実施形態では、ツール追跡可能要素３は、ロボットアーム２の端部接合部に取り付けられてもよい。
上述の整形外科手術システムに基づいて、ロボット支援手術が実現でき、このことは、術者が骨切り位置を特定することに役立ち、骨切り術を容易にすることに役立つ。術者が整形外科手術システムまたは他の方法（ロボット支援なく手動で骨切り術を行う等）によって骨切り術を行った後、複数の骨切り面が得られる（以下、現在の骨切り面と呼ぶ）。背景技術において説明したように、現在の骨切り面の精度は、ロボットアームの位置決め精度や鋸刃の振れ等の理由により制限されている。したがって、図２に示されるように、本実施形態は、以下を含む骨切り術校正方法を提供する。
ステップＳ１：現在の骨切り面に配置されている平面校正ツールの探知面の位置情報を計算し、探知面の位置情報を現在の骨切り面の計算位置情報として定義する。
ステップＳ２：計画された骨切り面の所定位置情報に基づき、計算位置情報と所定位置情報との位置誤差を確定し、位置誤差が既定値を超える場合、再位置決め情報を計算してロボットアームに送信し、ロボットアームを制御して再位置決めする。
上述の骨切り術校正方法を達成するために、本実施形態は平面校正ツールを提供する。平面校正ツールは、少なくとも１つの探知面と、少なくとも１つの追跡可能要素とを備え、追跡可能要素は、少なくとも１つの探知面に配置され、追跡可能要素と探知面との間の相対位置が固定され、探知面は、現在の骨切り面の位置情報を取得するために、現在の骨切り面上に配置されるように構成されている。追跡可能要素は、ナビゲーション装置とマッチし、ナビゲーション装置との間の通信接続を通じて追跡可能要素自体の位置情報を確定し、後の探知面の位置情報計算のために制御装置に提供する。ここで参照される追跡可能要素と探知面との間の相対的な位置関係は固定されているが、これら２つが固定的に接続されなくてはいけないことに限らず、むしろ組み立て後のそれらの間の相対的な位置関係が固定されている。実施形態によっては、探知面および追跡可能要素は、取り外し可能に接続されている。平面校正ツールが変形する、または探知面を交換しなくてはならない場合は、平面校正ツール全体を交換せずに、探知面を直接交換できる。さらに、整形外科手術システムは、上述のような平面校正ツールを含んでいる。ナビゲーション装置６は、平面校正ツールの追跡可能要素２００とマッチして、追跡可能要素２００の位置情報を取得し、その位置情報を制御装置にフィードバックする。制御装置は、平面校正ツールの追跡可能要素２００の位置情報に基づいて現在の骨切り面の計算位置情報を取得し、計算位置情報と計画された骨切り面の所定位置情報との間の位置誤差を確定するように構成され、位置誤差が既定値を超える場合、制御装置はロボットアーム２を駆動して再位置決めする。具体的には、所定位置情報に位置誤差を重畳させて再位置決め情報を取得し、再位置決め情報をロボットアーム２に送信してロボットアームを再位置決めする。
図３を参照すると、この実施形態の第１例では、平面校正ツールは、探知面および追跡可能要素２００を含み、追跡可能要素２００は、探知面上に配置される。以下、追跡可能要素２００が配置されている探知面を第１探知面１１１と呼ぶ。任意選択で、追跡可能要素２００は、４つの反射球２０１を含み、４つの反射球２０１は、光学ナビゲーションシステムNDI（すなわち、前述のナビゲーション装置）によって認識される幾何学的アレイを形成する。第１探知面１１１と追跡可能要素２００との相対位置は固定されており、相対位置関係は事前に記憶装置に記憶されている。具体的には、光学ナビゲーションシステムは、追跡可能要素２００上の反射球２０１によってフィードバックされた情報を受信／追跡するように構成され、こうして、追跡可能要素２００の位置情報が取得され、その後、位置情報が制御装置に送信される。制御装置は、探知面に対する追跡可能要素の事前に記憶されている位置関係に従い、探知面の位置情報を計算し、探知面の位置情報を現在の骨切り面の計算位置情報として定義する。制御装置は、計画された骨切り面の所定位置情報（事前に記憶装置に記憶されている）に基づき、計算位置情報と所定位置情報との位置誤差を確定し、位置誤差が既定値を超える場合、再位置決め情報を計算してロボットアームに送信し、ロボットアームを制御して再位置決めする。好ましくは、第１探知面１１１上に３つのマーク点が提供される。平面校正ツールを使用することによって現在の骨切り面の計算位置情報を取得する前に、骨切り術校正方法は、第１探知面１１１と追跡可能要素２００との相対位置を校正することを含む。当然、実施形態によっては、平面校正ツールを使用することによって現在の骨切り面の計算位置情報を取得した後、第１探知面１１１と追跡可能要素２００との相対位置を校正する。実施形態によっては、先端のある追跡可能なツールを使用することによって、第１探知面１１１上の複数のマーク点（例えば、３つのマーク点１１１a）を校正することで、反射球座標系における３つのマーク点１１１aの座標が得られ、第１探知面１１１の実際の位置および実際の法線ベクトルを計算し、実際の位置および実際の法線ベクトルをオリジナルのデータ（例えば工場出荷時のデータ）と比較して、平面校正ツールが変形しているかどうかを検出する。平面校正ツールが変形している場合は、校正するまたは変形していない他の平面校正ツールと交換する。
さらに、計算位置情報は、計算法線ベクトルおよび計算位置を含み、第１探知面１１１の位置情報を計算するステップは、平面校正ツールの追跡可能要素座標系（すなわち、反射球座標系）における第１探知面１１１の法線ベクトルnpおよび位置PP(xp,yp,zp)に基づき、追跡可能要素座標系と下肢DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine 医用デジタル画像および通信)データ座標系との間の変換行列MP→Vを用いて、下肢DICOMデータ座標系における探知面の計算法線ベクトルnVおよび計算位置Pv(xv,yv,zv)を得ることを含む。図４に示すように、任意選択で、追跡可能要素座標系と下肢DICOMデータ座標系との間で座標変換が行われる場合、大腿骨（または脛骨）追跡可能要素座標系は間接的に使用される。これは、大腿骨（または脛骨）上の追跡可能要素及び平面校正ツールの追跡可能要素２００が、光学ナビゲーションシステムNDIにおいてそれぞれの位置および姿勢情報を有するからである。具体的には、まず、追跡可能要素座標系と大腿（または脛骨）追跡可能要素座標系との間の変換行列MP→Vを用いて、追跡可能要素座標系における第１探知面１１１の法線ベクトルnpおよび位置PP(xp,yp,zp)が、大腿骨（または脛骨）追跡可能要素座標系における法線ベクトルnBおよび位置PB(xB,yB,zB)に変換され、その後、大腿骨（または脛骨）追跡可能要素座標系の第１探知面１１１の法線ベクトルnBおよび位置PB(xB,yB,zB)が大腿骨（または脛骨）反射球座標系と下肢DICOMデータ座標PV(xv,yv,zv)との間の変換行列MB→Vを用いて、下肢DICOMデータ座標系における計算法線ベクトルnVおよび計算位置Pv(xv,yv,zv)に変換される。
さらに、位置誤差は、計画された骨切り面の所定法線ベクトルおよび所定位置に基づいて得られた計算法線ベクトルと所定法線ベクトルとの間の法線ベクトル回転行列と、計算位置と計画された骨切り面の所定位置との間の位置偏差とを含む。具体的には、下肢DICOMデータ座標系における第１探知面１１１の計算法線ベクトルnVおよび計算位置PV(xv,yv,zv)を、それぞれ、計画された骨切り面の所定法線ベクトルn0および所定位置PO(xO,yO,zO)と比較する。２つの法線ベクトルを通じて、第１探知面１１１と計画された骨切り面との間のオイラー角が得られ、更に、回転行列R3×3が得られる。回転行列R3×3を用いて計画された骨切り面と平行になるように第１探知面１１１を回転し、２つの平面間の距離dが計算される。法線ベクトル回転行列R3×3および位置偏差dは、第１探知面１１１と計画された骨切り面との間の位置誤差である。第１探知面１１１は現在の骨切り面上に位置するため、法線ベクトル回転行列R3×3および位置偏差dは、現在の骨切り面と計画された骨切り面との間の位置誤差である。
さらに、計算位置情報と計画された骨切り面の所定位置情報との位置偏差を確定した後、法線ベクトル回転行列R3×3（法線ベクトル回転行列R3×3がオイラー角に変換された後の各軸の回転量）および位置偏差dのうちの少なくとも１つが既定値を超える場合、所定位置情報に法線ベクトル回転行列R3×3と位置偏差dを重畳させて再位置決め情報を取得し、再位置決め情報をロボットアームに送信してロボットアームを制御して再位置決めする。当業者は、実際の状況に応じて、適切な既定値を法線ベクトル回転行列R3×3および位置偏差dにそれぞれ設定することができ、法線ベクトル回転行列R3×3および位置偏差dの少なくとも１つが設定された既定値を超える場合、最初の骨切り術によって形成された現在の骨切り面の精度が要件を満たしておらず、２回目の骨切り術が必要であることが考えられる。このように法線ベクトル回転行列R3×3および位置偏差dをロボットアーム２の再位置決めに加え、ロボットアーム２に送信してロボットアーム２を再位置決めし、さらなる骨切り術を行うことで、より正確な骨切り結果が得られる。一方、法線ベクトル回転行列R3×3および位置偏差dのそれぞれが既定値に一致する場合は、つまり、現在の骨切り面の精度が要件を満たし、外科的処置を続行できる。
上述の説明では、４つの反射球が追跡可能要素２００として概略的に使用されていることを理解されたい。反射球の配置は、図３に示すように、矩形分配に限らず、図４に示すように、木のように分配することもでき、反射球の数もまた４つに限らない。追跡可能要素２００は、光学的追跡可能要素球の形態に限らないことに留意されたい。図５に示すように、本実施形態の第２例では、磁気コイル２０２が追跡可能要素２００として使用される。具体的には、５DOFコイルを追跡可能要素２００として使用でき、コイルのケーブルの端部は、SIUモジュール２０３に接続されている。この構成では、ナビゲーション装置はNDI磁気ナビゲーションAURORAを使用できる。このようにして、追跡可能要素２００の位置情報も、コイルの位置および向きを検知することによって取得される。
上述の骨切り術校正は、各骨切り術のステップが完了した後に行われるか、または複数の骨切り術のステップが完了した後に一度で行われることが理解されたい。骨切り術校正のタイミングは、作業習慣に応じて決定され、つまり、いつ骨切り術校正を行うかは、作業習慣に応じて決定される。実施形態によっては、平面校正ツールは、２以上の第１探知面１１１を含み、各第１探知面１１１には、追跡可能要素２００が設けられ、全ての第１探知面１１１は、回転可能に順に接続され、第１探知面１１１が２よりも多い場合、第１探知面１１１のうちの少なくとも中間の１つの長さが調整可能である。図６および図７を参照し、本実施形態の第３例では、平面校正ツールは２つの第１探知面１１１を含み、各第１探知面１１１は、追跡可能要素２００（好ましくは反射球追跡可能要素）を備え、２つの第１探知面１１１は、２つの現在の骨切り面を校正するために使用される。実際には、大腿骨または脛骨の端部に骨切り術を行うと、通常、その後のプロテーゼの取り付けのために複数の角度を有する骨切り面となる。本例では、２つの第１探知面１１１をそれぞれ２つの現在の骨切り面に配置することができる。２つの第１探知面１１１のそれぞれに追跡可能要素２００が設けられているため、制御装置は、ナビゲーション装置６によって得られる２つの追跡可能要素２００の位置情報に基づいて、２つの第１探知面１１１の位置情報を取得し、さらに、２つの第１探知面１１１に対応する２つの現在の骨切り面の計算位置情報を取得する。上述の方法を参照し、２つの現在の骨切り面の計算位置情報を取得した後、２つの現在の骨切り面の計算位置情報は、計画された骨切り面の所定位置情報と比較され、その後の２回目の骨切り術のためにさらに送信される。詳細については、ここでは繰り返されないため、前述の方法を参照する。平面校正ツールは、複数の第１探知面１１１を含むため、好ましくは、この例示的な例では、校正ステップは、複数の骨切り術のステップを完了した後に一度で行われてもよい。第１探知面１１１は回転可能に順に接続されているため、校正ステップは、各骨切りステップが完了した後に行われる。図８を参照し、本実施形態の第４例では、磁気コイル２０２が追跡可能要素２００として使用され、各第１探知面１１１には、追跡可能要素２００として使用される磁気コイル２０２が設けられている。詳細については、本実施形態の第２例を参照する。
図９を参照すると、本実施形態の第５例では、平面校正ツールは、３つの第１探知面１１１を含み、各第１探知面１１１には、追跡可能要素２００が設けられ、追跡可能要素２００は、好ましくは、反射球追跡可能要素である。３つの第１探知面１１１は回転可能に順に接続され、第１探知面１１１の中間の１つの長さは、３つの現在の骨切り面の校正に対応するように調整可能である。実際には、３つの第１探知面１１１のそれぞれが現在の骨切り面に当接する。図１０を参照し、本実施形態の第６例では、磁気コイル２０２が追跡可能要素２００として使用され、各第１探知面１１１には、追跡可能要素２００として磁気コイル２０２が設けられている。同様に、本実施形態の第７例および第８例の模式図である図１１および図１２を参照する。本実施形態の第７例では、平面校正ツールは、５つの第１探知面１１１を含み、各第１探知面１１１は、好ましくは反射球追跡可能要素である追跡可能要素２００に接続され、５つの第１探知面１１１は回転可能に順に接続され、中間に位置する３つの第１探知面１１１の長さは、５つの現在の骨切り面を校正するために調整可能である。具体的には、３つの第１探知面１１１のそれぞれは伸縮装置を含む。第８例では、磁気コイル２０２が追跡可能要素２００として使用され、各第１探知面１１１には、追跡可能要素２００として磁気コイル２０２が設けられている。第５例から第８例の原理は、第３例および第４例の原理と同じである。各第１探知面１１１に追跡可能要素２００が設けられているため、ナビゲーション装置は、各第１探知面１１１の位置情報を取得し、その後、各第１探知面１１１に対応する現在の骨切り面の計算位置情報を計算する。詳細については上記説明を参照する。
上記方法によれば、最初の骨切り術によって形成された現在の骨切り面と計画された所定の骨切り面との位置誤差を比較して識別し、ロボットアーム２を再位置決めし、骨切り面の２次的な修正を行うことによって、骨切り面の最終的な精度を向上できる。さらに、ロボットアーム２を再位置決めし、骨切り面を２次的に修正することによって、ナビゲーションツールを骨に固定するための追加の骨釘を回避できる。したがって、患者の外傷面と手術時間を縮小することができる。当然、校正は、骨切り術が完了した直後に行うこともできるし、全ての骨切り術のステップが完了した後に一度で行うこともできる。これに基づき、本実施形態はまた、プログラムが記憶されている読み取り可能な記憶媒体を提供し、プログラムが実行される際、上述の骨切り校正方法が実施される。代替的には、上記プログラムは、整形外科手術システムの制御装置に一体化されている等、ハードウェア装置に一体化されている。
［実施形態２］
図１３から図１９を参照し、図１３は、本発明の実施形態２の第１例により提供されている平面校正ツールの模式図であり、図１４は、本発明の実施形態２の第２例により提供されている平面校正ツールの模式図であり、図１５は、本発明の実施形態２の第３例により提供されている平面校正ツールの模式図であり、図１６は、図１５の平面校正ツールの側面図であり、図１７は、本発明の実施形態２の第４例により提供されている平面校正ツールの模式図であり、図１８は、本発明の実施形態２の第５例により提供されている平面校正ツールの模式図であり、図１９は、本発明の実施形態２の第６例により提供されている平面校正ツールの模式図である。
実施形態２によって提供される骨切り術校正方法、校正ツール、読み取り可能な記憶媒体、および整形外科手術システムは、実施形態１によって提供されるものと基本的に同じである。同じ部分は説明せず、相違点のみを以下に説明する。
実施形態２では、平面校正ツールは、回転可能に順に接続された２以上の探知面を含み、探知面の少なくとも１つには追跡可能要素２００が設けられ、追跡可能要素２００が設けられた探知面は第１探知面１１１として定義され、第１探知面１１１に隣接する他の探知面は、第２探知面１１２として定義され、第１探知面１１１の追跡可能要素２００とそれに隣接する第２探知面１１２のとの間の距離は固定され、これらの探知面の間には角度センサ１１４が配置され、角度センサ１１４は第１探知面１１１と第２探知面１１２との間の角度を検知するように構成されている。さらに、平面校正ツールが、回転可能に順に接続された３以上の探知面を含む場合、探知面の少なくとも中間の１つの長さは調整可能である。
実施形態２では、平面校正ツールは、追跡可能要素２００が設けられている第１探知面１１１のみならず、第１探知面１１１に隣接する第２探知面１１２も含み、第２探知面には追跡可能要素２００が直接的に設けられていない。上述の構成に基づいて、本実施形態で提供されている骨切り術校正方法において、第１探知面１１１および第２探知面１１２の位置情報を計算するステップは、追跡可能要素２００が設けられている探知面（すなわち、第１探知面１１１）の位置情報を計算すること、第１探知面１１１と第１探知面に隣接する第２探知面１１２との間の角度を取得すること、および角度に応じて第２探知面１１２の位置情報を計算することを含む。
図１３を参照し、実施形態２の第１例では、平面校正ツールは、１つの第１探知面１１１および１つの第２探知面１１２を含む。回転可能に接続されている（すなわち、ヒンジ接続と同様）第１探知面１１１および第２探知面１１２は、２つの現在の骨切り面上にそれぞれ配置されている。第１探知面１１１には、追跡可能要素２００が設けられている。追跡可能要素２００は、好ましくは、反射球追跡可能要素である。第１探知面１１１と第２探知面１１２との間には、角度センサ１１４が配置されている。角度センサ１１４は、第１探知面１１１と第２探知面１１２との間の接続部（例えば、ヒンジ上）に配置されている。角度センサ１１４は、第１探知面１１１と第２探知面１１２との間の角度を検知でき、Bluetooth（登録商標）送信装置等を通してその角度のデータを制御装置に送信する。
第１探知面１１１は追跡可能要素２００に接続されているため、平面校正ツールの追跡可能要素座標系（すなわち、反射球座標系）における第１探知面１１１の法線ベクトルnp1および位置PP1(xp1,yp1,zp1)が得られる。追跡可能要素座標系の角度センサ１１４が取り付けられている回転軸の法線ベクトルnRのデータは工場にて校正され、すなわち、角度センサ１１４が取り付けられている回転軸の法線ベクトルnRは既知である。角度センサ１１４によって提供された第１探知面１１１と第２探知面１１２との間の角度に基づき、第１探知面１１１に対する第２探知面１１２の回転角θが得られる。この回転角は、回転軸の法線ベクトルnRを中心に回転する角度である。これにより、等価回転行列T4×4が計算でき、第２探知面１１２の法線ベクトルは、np2 = -np1・T4×4に基づいて計算される。実施形態によっては、第１探知面１１１に隣接する回転接続装置は、読み取り可能な装置であるように構成される。校正中、視覚的な読み取りが入力装置を通して制御装置の対応位置に入力され、制御装置は角度に応じて等価回転行列T4×4を計算する。
さらに、第１探知面１１１の位置PP1、回転軸の位置PP0により、第２探知面１１２の位置PP2が、三角形の辺│PP2PP0│、│PP1PP0│および第１探知面１１１と第２探知面１１２との間の角度θによって決定される。このように、第２探知面１１２の位置情報は、角度センサ１１４によって検知された角度および第１探知面１１１の位置情報に基づいて計算される。
第１探知面１１１および第２探知面１１２の位置情報は、２つの現在の骨切り面の計算位置情報を実質的に表す。２つの現在の骨切り面の計算位置情報を取得する場合、実施形態１を参照し、２つの現在の骨切り面の計算位置情報を計画された骨切り面の所定位置情報と比較および計算して、その次の２次的骨切り術を行う必要があるかどうかを確定する。詳細に関しては、ここでは省略されている上述の方法を参照する。
図１４を参照すると、実施形態２の第２例では、磁気コイル２０２が追跡可能要素２００として使用され、追跡可能要素２００が第１探知面１１１上に配置されている。実施形態２の第２例では、磁気コイル２０２は、第１例の反射球追跡可能要素に取って代わる。追跡可能要素２００の特定構造および原理に関しては、実施形態１を参照する。第１探知面１１１および角度センサ１１４を使用して第２探知面１１２の位置情報を計算する原理に関しては、実施形態２の第１例を参照する。
図１５および図１６を参照し、実施形態２の第３例では、平面較正ツールは、１つの第１探知面１１１および２つの第２探知面１１２を含む。第１探知面１１１は、２つの隣接する第２探知面１１２にそれぞれ回転可能に接続され、これらは第２探知面１１２、第１探知面１１１、第２探知面１１２の順番で配置される。すなわち、第１探知面１１１は中間に位置し、２つの第２探知面１１２は、第１探知面１１１の両側に配置され、中間に位置する第１探知面１１１の長さは調整可能であって、３つの現在の骨切り面の校正に適応する。角度センサ１１４は、第１探知面１１１と第２探知面１１２との間の接続部にそれぞれ設けられ、３つの探知面は、それぞれ、３つの現在の骨切り面に配置されるために使用される。第１探知面１１１には、追跡可能要素２００が設けられている。追跡可能要素２００は、磁気コイル２０２である。角度センサ１１４は、第１探知面１１１と２つの第２探知面１１２との間にそれぞれ設けられている。第１探知面１１１には、変位センサ１１５も設けられている。第１探知面１１１は、固定セクション１１７および伸縮セクション１１６（図１６に示す）を含み、伸縮セクション１１６は、固定セクションに伸縮的に接続されている。固定セクション１１７には、変位センサ１１５のフィードバック部が設けられており、これは、伸縮セクション１１６と固定セクション１１７との間の相対距離をフィードバックするために使用される。固定セクションと伸縮セクション１１６との間の伸縮によれば、第１探知面１１１全体の長さが調整可能となる。さらに、追跡可能要素２００（例では磁気コイル２０２）は、第１探知面１１１の固定セクション１１７上に配置されている。第１探知面１１１の長さの変化は、固定セクション１１７と伸縮セクション１１６との間で生じ、固定セクション１１７に接続されている第２探知面１１２と追跡可能要素２００との間の距離が固定されることで、第２探知面１１２は、固定セクション１１７に対して回転することのみが可能となる。したがって、実施形態２の第１例の説明によれば、固定セクション１１７に接続された第２探知面の位置情報は、第１探知面１１１の位置情報および固定セクション１１７に接続されている第２探知面１１２と第１探知面１１１との間の角度に基づいて計算できる。伸縮セクション１１６に接続されている第２探知面１１２の追跡可能要素２００に対する距離は、調整可能である。伸縮セクション１１６に接続されている第２探知面１１２の位置情報は、第１探知面１１１の位置情報から直接的に取得できない。したがって、変位センサ１１５も、追跡可能要素２００に対する伸縮セクション１１６に接続されている第２探知面１１２の変位を表す変位情報D12を捕捉するために必要である。具体的には、第１探知面１１１の位置PP1、伸縮セクション１１６に接続されている第２探知面１１２および第１探知面１１１の回転軸の位置PP0、伸縮セクション１１６に接続されている第２探知面１１２と第１探知面１１１との間の角度θ12に応じて、伸縮セクション１１６に接続されている第２探知面１１２の位置PP2が三角形の辺│PP2PP0│、│PP1PP0+D12│および角度θ12によって計算される。このようにして、全ての探知面の位置情報が計算される。実施形態によっては、変位情報D12は、変位センサ１１５によって取得され、好ましくは、Bluetooth（登録商標）送信装置を通じて制御装置に送信される。他の実施形態では、伸縮セクション１１６は、ノギス等の視覚的な読み取りが可能な伸縮装置を含み、ユーザが読み取りデータを、制御装置のコンピュータユーザインターフェースの対応する位置に入力し、コンピュータ内の制御プログラムが位置偏差を自動的に計算する。実施形態によっては、各探知面間の角度センサは、読み取り可能装置である。ユーザは表示可能な角度情報を制御装置のコンピュータユーザインターフェースに入力し、コンピュータの制御プログラムは自動でオイラー角を計算する。
他の例によっては、平面校正ツールは、２つの第１探知面１１１および１つの第２探知面１１２を含み、第２探知面１１２は２つの隣接する第１探知面１１１にそれぞれ回転可能に接続されている。第１探知面１１１、第２探知面１１２、第１探知面１１１の順番で配置されている。すなわち、第２探知面１１２は中間に位置し、２つの第１探知面１１１は、第２探知面１１２の両側に位置する。中間に位置する第２探知面１１２の長さは、３つの現在の骨切り面の校正に適応するように調整できる。第２探知面１１２と第１探知面１１１との２つの接続部間に、一方の接続部には１つの角度センサ１１４のみ設けられている。このため、第１探知面１１１の位置情報に基づいて第２探知面１１２の位置情報が計算される。したがって、この場合、変位センサを設ける必要はない。より多くの数の第１探知面１１１または第２探知面１１２が配置される場合、第２探知面１１２が第１探知面１１１のうちの少なくとも１つに隣接し、中間に配置されている第２探知面１１２は２つの第１探知面１１１に隣接しなければならないため、それに隣接する第１探知面１１１のうちの１つのみを選択して、角度センサ１１４を設定すれば、第２探知面１１２の位置情報を計算することができることが理解されよう。第２探知面１１２が全ての探知面の最初と最後に位置する場合、変位センサ１１５は、伸縮セクション１１６によって第２探知面１１２に接続されている第１探知面１１１上に配置される。具体的な原理に関しては、上記説明を参照する。
好ましくは、平面校正ツールは、（図１７および図１８に示されるように）少なくとも１つの第３探知面１１３をさらに含む。第３探知面１１３は、第１側１１３aおよび第１側の反対側の第２側１１３bを有する。第１側１１３aは、第１探知面１１１に向き、第１側１１３aおよび第１探知面１１１は、少なくとも１つの第２探知面１１２によって離間されている。当然、実施形態によっては、互いに離間されている他の複数の第３探知面１１３が存在する。第３探知面１１３と第３探知面１１３の第１側１１３aに隣接する探知面との間には、角度センサ１１４が配置されている（第３探知面１１３の第１側１１３aに隣接する探知面は、第２探知面１１２であってもよく、他の第３探知面１１３であってもよい）。第３探知面１１３の第１側１１３aに配置されるとともに第３探知面１１３に隣接する探知面には、変位センサ１１５が配置されている（第３探知面１１３に隣接する探知面は、第２探知面１１２であってもよく、他の第３探知面１１３であってもよい）。変位センサ１１５は、第１側１１３aに配置されるとともに第３探知面１１３に間接的に隣接する探知面に対する第３探知面１１３の変位を検知するように構成されている（第３探知面１１３に間接的に隣接する探知面は、第１探知面１１１であってもよく、第２探知面１１２または他の第３探知面１１３であってもよい）。
図１７を参照し、実施形態２の第４例では、平面校正ツールは、１つの第１探知面１１１、１つの第２探知面１１２、および１つの第３探知面１１３を含む。第１探知面１１１、第２探知面１１２、および第３探知面１１３は、回転可能に順に接続されている。３つの探知面は、それぞれ３つの現在の骨切り面に配置される。第１探知面１１１には、追跡可能要素２００が設けられている。追跡可能要素２００は、選択的に、反射球追跡可能要素である。第１探知面１１１とそれに隣接する第２探知面１１２との間には、角度センサ１１４が配置されている。第２探知面１１２とそれに隣接する第３探知面１１３との間には、角度センサ１１４が配置されている。第２探知面１１２には、変位センサ１１５が設けられている。２つの角度センサ１１４は、それぞれ、第１探知面１１１と第２探知面１１２との間の角度、および第３探知面１１３と第２探知面１１２との間の角度を取得できる。変位センサ１１５は、第１側１１３aに配置されるとともに第３探知面１１３に間接的に隣接する探知面（すなわち、第１探知面１１１）に対する第３探知面１１３の変位を検知する。実施形態２の第１例に基づき、第１探知面１１１および第２探知面１１２の位置情報は、追跡可能要素２００および第１探知面１１１と第２探知面１１２との間の角度に基づいて計算できる。さらに、第３探知面１１３と第２探知面１１２との間の角度、および第１探知面１１１に対する第３探知面１１３の変位に基づいて、第３探知面１１３の位置情報が計算される。計算の原理に関しては、実施形態２の第３例を参照する。第３探知面１１３の位置PP3は、第２探知面１１２の位置PP2に基づいて得られ、第２探知面１１２の位置PP2は、第１探知面１１１の位置PP1に基づいて得られ、第１探知面１１１の位置PP1は、追跡可能要素２００に基づいて得られ、その結果、各探知面の位置の計算が形成される。追跡可能要素２００の位置情報が得られる限り、全ての探知面の位置情報を順番に計算できる。
図１８を参照し、実施形態２の第５例では、平面校正ツールは、１つの第１探知面１１１、１つの第２探知面１１２、および３つの第３探知面１１３を含む。第１探知面１１１、第２探知面１１２、および３つの第３探知面１１３は、回転可能に順に接続され、第１探知面１１１に向けられた３つの第３探知面１１３のそれぞれの側面は、第１側１１３aと定義され、第１探知面１１１から離れた側面は、第２側１１３bとして定義される。５つの探知面が、それぞれ、５つの現在の骨切り面に配置されるように使用される。第１探知面１１１には、追跡可能要素２００が設けられ、追跡可能要素２００は、好ましくは反射球追跡可能要素である。第１探知面１１１とそれに隣接する第２探知面１１２との間には、角度センサ１１４が配置されている。第２探知面１１２とそれに隣接する第３探知面１１３との間には、角度センサ１１４が配置されている。全て第３探知面１１３の間には、角度センサ１１４が配置されている。最初と最後にそれぞれ位置する第１探知面１１１および第３探知面１１３を除いて、他の全ての探知面には変位センサ１１５が設けられている。説明を容易にするため、第２探知面１１２に隣接する第３探知面１１３は、１つ目の第３探知面１１３として定義される。１つ目の第３探知面１１３に隣接する第３探知面１１３は、２つ目の第３探知面１１３として定義される。第１探知面１１１から離れる方向に沿って、２つ目の第３探知面１１３に隣接する第３探知面１１３は、３つ目の第３探知面１１３として定義される。実施形態２の第４例に基づき、第１探知面１１１、第２探知面１１２、および１つ目の第３探知面１１３の位置情報が計算され、その後、１つ目の第３探知面１１３と２つ目の第３探知面１１３との間の角度、および第２探知面１１２に対する２つ目の第３探知面１１３の変位（１つ目の第３探知面１１３の変位センサ１１５によって測定）に基づき、２つ目の第３探知面１１３の位置情報が計算される。３つ目の第３探知面１１３の位置情報も同じ方法に基づいて計算できることが理解できる。
図１９を参照し、実施形態２の第６例では、平面校正ツールは、１つの第１探知面１１１、２つの第２探知面１１２、および２つの第３探知面１１３を含む。全ての探知面は回転可能に接続されている。探知面の配置は、第３探知面１１３、第２探知面１１２、第１探知面１１１、第２探知面１１２、第３探知面１１３の順番である。第１探知面１１１に向く第３探知面１１３の側面は、第１側１１３aとして定義され、第１探知面１１１から離れている第３探知面１１３の側面は、第２側１１３bとして定義される。５つの探知面は、５つの現在の骨切り面にそれぞれ配置される。第１探知面１１１には、追跡可能要素２００が設けられる。追跡可能要素２００は、好ましくは磁気コイル２０２である。第１探知面１１１とそれに隣接する２つの第２探知面１１２との間には、角度センサ１１４がそれぞれ配置されている。２つの第２探知面１１２とそれに隣接する第３探知面１１３との間には、角度センサ１１４が配置されている。中間に位置する第１探知面１１１及び２つの第２探知面１１２には、変位センサ１１５がそれぞれ配置されている。任意選択で、第１探知面１１１は、固定セクションおよび伸縮セクションを含み、追跡可能要素２００は、第１探知面１１１の固定セクション上に配置されている。実施形態２の第４例に基づき、固定セグメントの側面に接続される第２探知面１１２および第３探知面１１３の位置情報を計算することができ、実施形態２の第３例に基づき、伸縮セクションの側面に接続される第２探知面１１２の位置情報が計算される。さらに、実施形態２の第４例に基づいて、伸縮セクションに接続されている第２探知面１１２の位置情報が既知であり、従って伸縮セクションの側面に接続される第３探知面１１３の位置情報が計算される。このようにすることで、全ての探知面の位置情報が計算される。
任意選択で、平面校正ツールは、角度センサおよび／または変位センサによって検知されたデータを制御装置に送信するためのBluetooth（登録商標）送信機をさらに含むことで、制御装置によって計算が行われる。当然、当業者はまた、角度センサおよび／または変位センサによって検知されたデータを他の送信方法を通じて送信してもよい。
本実施形態では、探知面の数および探知面の配置が限定されないことに留意されたい。上述の複数の例は、単なる例示であり、限定ではない。当業者は、本実施形態に開示された方法を使用して、角度センサおよび／または変位センサを適切な位置に配置して、全ての探知面の位置情報を取得してもよい。特に、追跡可能要素、角度センサ、または変位センサの構成は、必要な最小数よりもある程度の冗長性を有していてもよい。このようにして、冗長な追跡可能要素、角度センサ、または変位センサを使用し、計算された探知面の位置情報が校正できる。したがって、探知面の計算精度が向上する。本発明はそれに限定されない。
本明細書における例示的な実施形態のそれぞれは、漸進的に説明されていることに留意されたい。それぞれが他との相違点に焦点を当てている。それらの間の同じおよび同様の部品に関しては、相互参照する。加えて、例示的な実施形態の異なる部品を組み合わせて使用することもでき、本発明においてこれは限定されない。
要約すれば、本発明によって提供される骨切り術校正方法、校正ツール、読み取り可能な記憶媒体、および整形外科手術システムは、初めに、平面校正ツールを使用して現在の骨切り面の計算位置情報を取得し、その後、計画された骨切り面の所定位置情報に基づき、計算位置情報と所定位置情報との位置誤差を確定し、位置誤差が既定値を超える場合、再位置決め情報を計算してロボットアームに送信し、ロボットアームを制御して再位置決めする。このようにして、最初の骨切り術によって形成された現在の骨切り面と計画された所定の骨切り面との間の位置誤差を比較して識別し、ロボットアームを再位置決めし、骨切り面の２次的な修正を行うことによって、骨切り面の最終的な精度を向上できる。さらに、ロボットアームを再位置決めし、骨切り面を２次的に修正することによって、ナビゲーションツールを骨に固定するための追加の骨釘を回避できる。したがって、患者の外傷面と手術時間を縮小することができる。
上記説明は、本発明の実施形態の説明にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。上述の開示にしたがって発明の技術分野の当業者によって行われるいかなる変更および修正も、特許請求の範囲内にある。
１：外科用トロリー
２：ロボットアーム
３：ツール追跡可能要素
４：骨切り術ナビゲーションツール
５：振子式鋸
６：NDIナビゲーション装置
７：補助ディスプレイ
８：主ディスプレイ
９：ナビゲーショントロリー
１０：キーボード
１１：大腿骨追跡可能要素
１２：大腿骨
１３：脛骨追跡可能要素
１４：脛骨
１５：基部追跡可能要素
１７：患者
１８：術者
１１１：第１探知面
１１１a：マーク点
１１２：第２探知面
１１３：第３探知面
１１３a：第１側
１１３b：第２側
１１４：角度センサ
１１５：変位センサ
１１６：伸縮セクション
１１７：固定セクション
２００：追跡可能要素
２０１：反射球
２０２：磁気コイル
２０３：SIUモジュール

Claims (18)

  1. 現在の骨切り面に配置されている平面校正ツールの探知面の位置情報を計算し、前記探知面の前記位置情報を前記現在の骨切り面の計算位置情報として定義することと、
    計画された骨切り面の所定位置情報に基づき、前記計算位置情報と前記所定位置情報との位置誤差を確定し、前記位置誤差が既定値を超える場合、再位置決め情報を計算してロボットアームに送信し、前記ロボットアームを制御して再位置決めすることと、
    を備える骨切り術校正方法。
  2. 前記計算位置情報は、計算法線ベクトルおよび計算位置を含み、
    前記位置誤差は、
    前記計画された骨切り面の所定法線ベクトルおよび所定位置に基づいて得られた前記計算法線ベクトルと前記所定法線ベクトルとの間の法線ベクトル回転行列と、
    前記計算位置と前記計画された骨切り面の前記所定位置との間の位置偏差と、
    を含む、請求項１に記載の骨切り術校正方法。
  3. 前記法線ベクトル回転行列および前記位置偏差のうち少なくとも１つが既定値を超える場合、前記法線ベクトル回転行列および前記位置偏差に基づいて前記ロボットアームを制御して再位置決めする、請求項２に記載の骨切り術校正方法。
  4. 前記探知面には、追跡可能要素が設けられ、前記探知面の前記位置情報を計算するステップは、
    前記平面校正ツールの追跡可能要素座標系における前記探知面の法線ベクトルnpおよび位置PP(xp,yp,zp)に基づき、前記追跡可能要素座標系と下肢DICOMデータ座標系との間の変換行列MP→Vを用いて、前記下肢DICOMデータ座標系における前記探知面の計算法線ベクトルnVおよび計算位置Pv(xv,yv,zv)を得ることを含む、請求項１に記載の骨切り術校正方法。
  5. 前記平面校正ツールは、２以上の現在の骨切り面を校正するための２以上の探知面を含み、前記探知面の少なくとも１つには追跡可能要素が設けられ、前記追跡可能要素が設けられた前記探知面は第１探知面として定義され、前記第１探知面に隣接する他の探知面は第２探知面として定義され、前記探知面の前記位置情報を計算するステップは、
    前記第１探知面の位置情報を計算することと、
    前記第１探知面とそれに隣接する前記第２探知面との間の第１角度を取得することと、
    前記第１角度に基づいて前記第２探知面の位置情報を計算することと、
    を含む、請求項１に記載の骨切り術校正方法。
  6. 前記第２探知面とそれに隣接する前記第１探知面の前記追跡可能要素との間の距離は調整可能であり、前記探知面の前記位置情報を計算するステップは、
    前記追跡可能要素に対する前記第２探知面の変位を取得することと、
    前記第１角度および前記変位に基づいて前記第２探知面の位置情報を計算することと、
    をさらに含む、請求項５に記載の骨切り術校正方法。
  7. 前記平面校正ツールは、第３探知面を含み、前記第３探知面の第１側および前記第１探知面は、少なくとも１つの前記第２探知面によって離間されており、前記探知面の前記位置情報を計算するステップは、
    前記第３探知面の前記第１側に隣接する探知面の位置情報を取得することと、
    前記第３探知面と前記第３探知面の前記第１側に隣接する探知面との間の第２角度を取得することと、
    前記第１側に配置されるとともに前記第３探知面に間接的に隣接する探知面に対する前記第３探知面の変位を取得することと、
    前記第２角度および前記変位に基づいて前記第３探知面の位置情報を計算することと、を含む、請求項５に記載の骨切り術校正方法。
  8. 前記探知面には追跡可能要素が設けられ、前記骨切り術校正方法は、前記探知面と前記追跡可能要素との相対位置を校正することを含む、請求項１に記載の骨切り術校正方法。
  9. 先端を有する追跡可能要素を使用することで前記探知面上の複数のマーク点を校正することと、
    前記追跡可能要素の反射球座標系における前記複数のマーク点の座標を取得することと、
    前記探知面の実際の位置および実際の法線ベクトルを計算することと、
    前記平面校正ツールが変形したかどうかを検出するために、前記実際の位置および前記実際の法線ベクトルとオリジナルデータとを比較することと、
    を備える、請求項８に記載の骨切り術校正方法。
  10. 少なくとも１つの探知面と、少なくとも１つの追跡可能要素とを備え、前記追跡可能要素は、少なくとも１つの前記探知面に配置され、前記追跡可能要素と前記探知面との間の相対位置が固定され、前記探知面は、現在の骨切り面上に配置されるように構成され、前記追跡可能要素は、位置決めのために構成される平面校正ツール。
  11. 前記平面校正ツールは、２以上の探知面を含み、前記探知面のそれぞれには、１つの前記追跡可能要素が設けられ、全ての前記探知面は、回転可能に順に接続され、前記探知面が２よりも多い場合、前記探知面の少なくとも中間の１つの長さは調整可能である、請求項１０に記載の平面校正ツール。
  12. 前記平面校正ツールは、回転可能に順に接続されている２以上の探知面を含み、前記探知面の少なくとも１つには前記追跡可能要素が設けられ、前記追跡可能要素が設けられた前記探知面は第１探知面として定義され、前記第１探知面に隣接する他の探知面は第２探知面として定義され、前記第１探知面の前記追跡可能要素とそれに隣接する前記第２探知面との間の距離は固定され、隣接する第１探知面及び第２探知面の間に角度センサが配置され、前記角度センサは前記第１探知面と前記第２探知面との間の角度を検知するように構成されている、請求項１０に記載の平面校正ツール。
  13. 前記平面校正ツールは、回転可能に順に接続されている３以上の探知面を含み、前記探知面の少なくとも中間のものの長さが調整可能である、請求項１２に記載の平面校正ツール。
  14. 前記平面校正ツールは、少なくとも１つの第３探知面を含み、前記第３探知面は、第１側と前記第１側の反対側の第２側とを有し、前記第３探知面の第１側および前記第１探知面は、少なくとも１つの第２探知面によって離間されており、前記第３探知面と前記第３探知面の第１側に隣接する探知面との間に角度センサが配置され、前記第３探知面の第１側に配置されるとともに前記第３探知面に隣接する探知面に変位センサが配置され、前記変位センサは、前記第１側に配置されるとともに前記第３探知面に間接的に隣接する探知面に対する前記第３探知面の変位を検知するように構成されている、請求項１２に記載の平面校正ツール。
  15. 前記平面校正ツールは、回転可能に順に接続されている２以上の探知面を含み、前記探知面の少なくとも１つには前記追跡可能要素が設けられ、前記追跡可能要素が設けられた前記探知面は第１探知面として定義され、前記第１探知面に隣接する他の探知面は第２探知面として定義され、前記第１探知面の前記追跡可能要素とそれに隣接する前記第２探知面との間の距離は調整可能で、前記第１探知面に変位センサが設けられ、前記変位センサは前記追跡可能要素に対する前記第２探知面の変位を検知するように構成されている、請求項１０に記載の平面校正ツール。
  16. 前記平面校正ツールは、少なくとも１つの第３探知面を含み、前記第３探知面は、第１側と前記第１側の反対側の第２側とを有し、前記第３探知面の第１側および前記第１探知面は、少なくとも１つの第２探知面によって離間されており、前記第３探知面と前記第３探知面の第１側に隣接する探知面との間に角度センサが配置され、前記第３探知面の第１側に配置されるとともに前記第３探知面に隣接する探知面に変位センサが配置され、前記変位センサは、前記第１側に配置されるとともに前記第３探知面に間接的に隣接する探知面に対する前記第３探知面の変位を検知するように構成されている、請求項１５に記載の平面校正ツール。
  17. プログラムを記憶している読み取り可能な記憶媒体であって、
    前記プログラムは、請求項１から９のいずれか１項に記載の骨切り術校正方法を実施するためのプロセスによって実行される、読み取り可能な記憶媒体。
  18. 制御装置と、
    ナビゲーション装置と、
    ロボットアームと、
    請求項１０から１６のいずれか１項に記載の平面校正ツールと、
    を備え、
    前記ナビゲーション装置は、前記平面校正ツールの追跡可能要素とマッチして前記追跡可能要素の位置情報を取得し、前記位置情報を前記制御装置にフィードバックし、
    前記制御装置は、前記平面校正ツールの追跡可能要素の位置情報に基づいて現在の骨切り面の計算位置情報を取得し、前記計算位置情報と計画された骨切り面の所定位置情報との位置誤差を確定するように構成されており、前記位置誤差が既定値を超える場合、前記制御装置は、前記ロボットアームを駆動して再位置決めする、整形外科手術システム。
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