JP2024507281A - 術中定位ナビゲーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 手術環境内に位置する患者の解剖学的構造に対する外科用ツールの配向を決定するための術中定位ナビゲーションシステムを提供する。【解決手段】 システム１０は、視野ＦＯＶ２０を画定し、ＦＯＶ２０内の物体までの相対距離、物体への方向、及び物体の配向のうち少なくとも１つを決定するレーダベースセンサ１８と、センサ１８を患者２６及びツール１２のうちの一方に取り外し可能に固定して、他方がＦＯＶ２０内にあることを可能にするように構成されたマウント（２４）と、を含む。プロセッサ２８は、レーダベースセンサ１８と通信可能に接続可能であり、患者２６及びツール１２の少なくとも１つに関連する相対距離、方向及び／又は配向の情報のうち少なくとも１つをセンサ１８から受信すること、並びに手術環境１６に対する患者２６の配向に関連する情報を受信することに応答して、ツール１２の配向を決定する。【選択図】 図１

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０２１年２月８日に出願された豪州仮特許出願第２０２１／９００２９３号の優先権を主張し、その内容はその全体が本明細書に組み込まれる。

本開示は、概して、手術中にプロテーゼを患者に移植するために臨床医を誘導するために典型的に使用される術中ナビゲーションシステムに関する。

プロテーゼインプラントを伴う外科的処置では、移植時の患者の身体に対するプロテーゼの配向が処置の成功に重要であり得る。

例えば、股関節形成術は、プロテーゼインプラントによる股関節の置換を伴う。インプラントは、寛骨臼（股関節ソケット）内に配置するように設計された寛骨臼カップを含む異なる部品からなり得る。寛骨臼カップは、寛骨臼カップインパクタを使用して所定の位置に配置され、寛骨臼カップインパクタは、一般に、細長いロッドの形態をとり、一端に取り外し可能に固定されたカップを有し、寛骨臼内にカップを挿入及び配向するために使用される。寛骨臼カップが正しく機能し、著しく摩耗しないか又は患者に損傷を与えないようにするには、カップが寛骨臼内で正確に配向及び配置されることが重要である。

本明細書に含まれている文書、行為、材料、デバイス、物品などに関するいかなる説明も、これらの事項のいずれか又は全てが、従来技術の基礎の一部を形成するか、又は添付の特許請求の範囲の各々の優先日の前に存在した、本開示に関連する分野における技術常識であったことを認めるものとして解釈されるべきではない。

本開示の一態様では、手術環境内に位置する患者の解剖学的構造に対する外科用ツールの配向を決定するための術中定位ナビゲーションシステムが提供され、このシステムは、視野（ＦＯＶ）を画定し、ＦＯＶ内の１つ以上の物体までの相対距離、１つ以上の物体への方向、及び１つ以上の物体の配向のうちの少なくとも１つを決定するように動作可能なレーダベースセンサと、患者及びツールのうちの他方がＦＯＶ内にあることを可能にするようにレーダベースセンサを患者及びツールのうちの１つに取り外し可能に固定するように構成されたマウントと、レーダベースセンサと通信可能に接続可能であり、患者及びツールのうちの少なくとも１つに関連する相対距離、方向、及び配向の情報のうちの少なくとも１つをレーダベースセンサから受信すること、及び手術環境に対する患者の配向に関連する情報を受信すること、に応答してツールの配向を決定するように構成されたプロセッサと、を含む。

プロセッサは、患者の解剖学的構造又はツールの一部によって画定される１つ以上の点に関連する相対距離情報及び方向情報のうちの少なくとも１つをレーダベースセンサから受信することに応答して、ツールの配向を決定するように構成されてもよい。少なくとも２つの点は、患者の解剖学的構造及びツールのうちの１つによって画定されてもよく、少なくとも２つの点に関連する相対距離情報及び方向情報のうちの少なくとも１つをレーダベースセンサから受信することに応答して、プロセッサは、少なくとも２つの点の間に画定されたベクトルを決定して、患者の解剖学的構造又はツールの位置を決定するように構成される。

システムは、少なくとも１つの点を画定し、患者、ツール、及び手術環境のうちの１つに取り付けられるように構成された少なくとも１つのトラッカを更に含んでもよく、プロセッサは、トラッカ又は各トラッカに関連する相対距離情報及び方向情報のうちの少なくとも１つをレーダベースセンサから受信することに応答してツールの配向を決定するように構成されてもよい。少なくとも２つの点は、少なくとも１つのトラッカによって画定されてもよく、少なくとも２つの点に関連する相対距離情報及び方向情報のうちの少なくとも１つをレーダベースセンサから受信することに応答して、プロセッサは、少なくとも２つの点の間に画定されたベクトルを決定して、患者の解剖学的構造、ツール、又は手術環境の位置を決定するように構成される。マウントは、レーダベースセンサを患者に取り外し可能に固定するように構成されてもよく、トラッカ又は各トラッカは、ツールに取り付けられるように構成されてもよい。マウントは、レーダベースセンサを外科用ツールに取り外し可能に固定するように構成されてもよく、トラッカ又は各トラッカは、患者に取り付けられるように構成されてもよい。トラッカ又は各トラッカに関連する相対距離情報及び方向情報のうちの少なくとも１つを受信することに応答して、プロセッサは、外科用ツールの配向、外科用ツールの速度、外科用ツールの加速度、外科用ツールの角変位、外科用ツールの角速度、及び外科用ツールの角加速度のうちの少なくとも１つを決定するように構成されてもよい。

このシステムは、複数のトラッカを更に備えてもよく、トラッカのうちの少なくともいくつかは、手術環境に取り付けられるように構成されてもよく、トラッカのうちの少なくともいくつかに関連する相対距離情報及び方向情報のうちの少なくとも１つを受信することに応答して、プロセッサは、手術環境に対する患者の配向を決定するように構成されてもよい。トラッカ又は各トラッカは、反射マーカであってもよい。

システムは、プロセッサに通信可能に接続可能であり、手術環境に対する患者の配向を決定するように動作可能な配向センサを更に含んでもよい。配向センサは、患者によって画定される少なくとも２つのベクトルを決定するように動作可能であってもよい。配向センサは、レーダベースセンサ及びマウントのうちの１つに取り外し可能に固定可能であってもよい。配向センサ及びレーダベースセンサは、共通のハウジングに取り付けられてもよい。

マウントは、レーダベースセンサを患者に取り外し可能に固定するように構成されてもよく、システムは、更なるレーダベースセンサをツールに取り外し可能に固定するように構成された更なるマウントと、複数のトラッカと、を含んでもよく、少なくとも１つのトラッカは、レーダベースセンサのＦＯＶ内にあるように更なるマウント及び更なるレーダベースセンサのうちの１つに取り付けられるように構成されてもよく、少なくとも１つの他のトラッカは、更なるレーダベースセンサのＦＯＶ内にあるように患者に取り付けられるように構成されてもよく、プロセッサは、更なるレーダベースセンサに通信可能に接続されて、相対距離情報を受信してもよい。

システムは、信号を発し、ＦＯＶ内にあることを可能にするように患者、ツール、及び手術環境のうちの１つに取り付けられるように構成された少なくとも１つの更なるレーダベースセンサを更に含んでもよく、レーダベースセンサは、更なるレーダベースセンサから信号を受信するように動作可能であり、プロセッサは、更なるレーダベースセンサに関連する相対距離情報及び方向情報のうちの少なくとも１つをレーダベースセンサから受信することに応答して、ツールの配向を決定するように構成される。

本開示の別の態様では、手術環境内に位置する患者の解剖学的構造に対する外科用ツールの配向を決定するための術中定位ナビゲーションシステムが提供され、このシステムは、視野（ＦＯＶ）を画定し、ＦＯＶ内の１つ以上の物体までの相対距離、１つ以上の物体への方向、及び１つ以上の物体の配向のうちの少なくとも１つを決定するように動作可能なレーダベースセンサと、環境に対してレーダベースセンサを取り外し可能に固定するように構成されたマウントと、各トラッカがＦＯＶ内にあることを可能にするように各々が患者及びツールのうちの１つに取り付けられるように構成された複数のトラッカと、レーダベースセンサと通信可能に接続され、各トラッカに関連する相対距離、方向、及び配向の情報のうちの少なくとも１つを受信することに応答して、ツールの配向を決定するように構成されたプロセッサと、を含む。

本開示の更に別の態様では、術中定位ナビゲーションシステムが提供され、このシステムは、視野（ＦＯＶ）を画定し、ＦＯＶ内の１つ以上の物体までの相対距離、１つ以上の物体への方向、及び１つ以上の物体の配向のうちの少なくとも１つを決定するように動作可能なレーダベースセンサを含む外科用ツールと、レーダベースセンサと通信可能に接続可能であり、患者の解剖学的構造及びツールのうちの少なくとも１つに関連する相対距離、方向、及び配向の情報のうちの少なくとも１つをレーダベースセンサから受信すること、及び患者を取り巻く手術環境に対する患者の配向に関連する情報を受信すること、に応答して、患者の解剖学的構造に対するツールの配向を決定するように構成されたプロセッサと、を含む。

本開示の態様のいずれにおいても、マウントは、レーダベースセンサ又は各レーダベースセンサの一体化部であってもよく、外科用ツールは、寛骨臼カップインパクタであってもよく、レーダベースセンサ又は各レーダベースセンサは、ミリ波センサであってもよく、患者の解剖学的構造は、骨を含んでもよい。

本開示の態様のいずれも、複数のレーダベースセンサ及びそれぞれの複数のマウントを備えてもよい。このような実施形態において、相対距離、方向、及び配向の情報のうちの少なくとも１つを複数のレーダベースセンサから受信することに応答して、プロセッサは、レーダベースセンサのうちの２つ以上の相対位置を決定するように構成されてもよい。そのような実施形態では、プロセッサは、２つ以上のレーダベースセンサの相対位置を決定することに応答して、ツールの配向を決定するように更に構成されてもよい。

本明細書全体を通して、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、又は「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」若しくは「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの変化形は、定められた要素、整数若しくはステップ、又は要素、整数若しくはステップの群を包含することを意味するが、任意の他の要素、整数若しくはステップ、又は要素、整数若しくはステップの群を除外することを意味するものではないことが理解されるであろう。

ここで、本開示の実施形態は、もっぱら以下の添付の図面を参照して一例として説明される。

術中定位ナビゲーションシステムの実施形態の概略図を示す。 使用中の図１に示される術中定位ナビゲーションシステムの別の実施形態の斜視図を示す。 使用中の図１に示される術中定位ナビゲーションシステムの別の実施形態の斜視図を示す。 使用中の図１に示される術中定位ナビゲーションシステムの別の実施形態の斜視図を示す。 使用中の図１に示される術中定位ナビゲーションシステムの別の実施形態の斜視図を示す。 使用中の図１に示される術中定位ナビゲーションシステムの別の実施形態の斜視図を示す。 使用中の図１に示される術中定位ナビゲーションシステムの別の実施形態の斜視図を示す。

＜例示的な実施形態の詳細な説明＞
図面において、参照番号１０は、一般に、手術環境１６内に位置する患者の解剖学的構造に対する、寛骨臼カップインパクタなどの外科用ツール１２の配向を決定するための術中定位ナビゲーションシステム１０を示す。システム１０は、視野（ＦＯＶ）２０（図２）を画定し、ＦＯＶ２０内の１つ以上の物体までの相対距離、１つ以上の物体への方向、及び１つ以上の物体の配向のうちの少なくとも１つを決定するように動作可能であるレーダベースセンサ１８と、センサ１８を患者２６及びツール１２のうちの一方に取り外し可能に固定して、患者２６及びツール１２のうちの他方がＦＯＶ２０内にあることを可能にするように構成されたマウント２４と、を含む。システム１０は、レーダベースセンサ１８と通信可能に接続可能なプロセッサ２８を更に含み、患者２６及びツール１２のうちの少なくとも１つに関連する相対距離、方向、及び／又は配向の情報のうちの少なくとも１つをセンサ１８から受信すること、及び手術環境１６に対する患者２６の配向に関連する情報を受信すること、に応答して、ツール１２の配向を決定するように構成されている。

図１は、システム１０の概略図である。レーダベースセンサ１８は、電磁（ＥＭ）信号２１、２７を送受信するように構成される。いくつかの実施形態では、センサ１８は、送信された信号２１がミリメートル範囲の波長、及び約２４～３００ＧＨｚ、及び最も典型的には７４ＧＨｚを超える周波数を有するように、「ミリメートル（ｍｍ）波」レーダセンサとして構成される。いくつかの実施形態において、レーダベースセンサ１８は、周波数の範囲を含む信号２１の「チャープ」を送信するように動作可能である。他の実施形態（図示せず）では、センサ１８は、高周波電波センサなどの代替的なレーダ型センサとして構成される。

センサ１８は、図１に示すように、信号２１を送信し、物体２２からセンサ１８に戻り反射される信号２７などの信号２７を受信するように動作可能な少なくとも１つのアンテナ（図示せず）を含む。いくつかの実施形態において、第２のセンサ１８は、第１のセンサ１８が第２のセンサ１８から送信される信号２１を受信し得るように、第１のセンサ１８のＦＯＶ内に配置されてもよい。

いくつかの実施形態において、センサ１８は、互いに離間されるように配置された複数のアンテナを含む。複数のアンテナのこの配置は、ビーム形成などによってＦＯＶを画定することを可能にする。ＦＯＶは、信号２１、２７が１つ以上のアンテナによって発信又は受信され得る領域であることを理解されたい。アンテナの数及び配置は、必要な角度分解能を達成するように構成され、特に、角度分解能及び測定精度に関して、より多くのアンテナがシステム性能を向上させるために使用されてもよい。例えば、アンテナは、カスケード接続されたレーダ配置として構成されてもよい。

いくつかの実施形態において、プロセッサ２８は、スマートフォン又はサーバなどのコンピューティングデバイスにおいてセンサ１８から遠隔にホストされ、プロセッサ２８及びセンサ１８は、インターネットを介しているいくつかの実施形態において、無線又は有線接続によって通信可能に接続される。他の実施形態において、プロセッサ２８は、センサ１８の一体構成要素であるように構成されている。外科用ツール１２は、寛骨臼カップインパクタ、リーマ、又は切断ブロックなど、患者２６に対する配向、位置、速度などを決定することが有益と考えられる任意の好適なツールであってもよい。

センサ１８は、電磁信号２１を送信し、ＦＯＶ２０内の物体２２によって画定された１つ以上の点から反射された信号２７を受信するように動作可能である。信号２１は、パルス及び／又は周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）として送信される。受信された信号２７は、センサ１８及び／又はプロセッサ２８によって処理され、１つ以上の局在点とセンサ１８との間の相対間隔（「範囲」とも称される）を決定する。センサ１８及び／又はプロセッサ２８は、２．５ｍｍ以内までの相対距離を決定するように構成される。いくつかの用途では、センサ１８は、０．２５ｍｍ以内、及び特定の用途では０．１ｍｍ以内、最大約２．５ｍの範囲で相対距離を決定するように構成される。

相対距離は、パルス信号２７の飛行時間を計算すること、送信された電磁信号２１の位相及び受信された信号２７の位相を比較すること、又はこれら及び他のアプローチの組み合わせなど、いくつかの従来の方法で決定され得ることを理解されたい。

レーダベースセンサ１８は、物体２２によって画定される、及び／又は別のセンサ１８からの信号伝送の位置によって画定されるなど、ＦＯＶ内の１つ以上の点の相対距離を測定するように動作可能である。このようにセンサ１８を動作させることにより、センサ１８及び／又はプロセッサ２８は、１つ以上の点に関連するベクトルを決定することができ、ベクトルは、大きさ及び方向を含み、その結果、物体２２の位置及び／又は配向を決定することができる。例えば、２つの点がＦＯＶ内で識別される場合、センサ１８及び／又はプロセッサ２０は、センサ１８と点のうちの１つとの間の第１のベクトルを決定して、物体２２の位置、及び２つの点の間の第２のベクトルを決定して、物体２２の配向を決定するように構成されてもよい。

いくつかの実施形態において、レーダベースセンサ１８は、物体２２の速度を決定するように動作可能である。物体２２の速度を計算することは、例えば、反射されたパルス信号２７のドップラー効果を分析すること、経時的な位置の変化を計算すること、位相比較、飛行時間、又は位置の微分を適用することによって、従来のアプローチに従って達成され得ることを理解されたい。

環境１６に対する患者２６の配向に関連するプロセッサ２８によって受信される情報は、典型的には、長手方向軸など、患者２６によって画定される少なくとも１つのベクトルを決定することを含む。少なくとも１つのベクトルは、患者の身体２６を横切って、例えば、胸部又は骨盤を横切って、延びる横断ベクトルと、典型的には横断ベクトルに垂直である、患者の体２６に沿った、例えば、頭から足までの長手方向ベクトルと、を含み得る。これらのベクトルは、患者２６及び／又は環境１６の１つ以上のセンサによる直接測定、臨床医によるデータの手動入力、並びに／又は蛍光透視システムなどの外部システムを用いた患者２６の身体の走査からデータを取得することによってなどの、一連のアプローチによって取得され得る。

いくつかの用途では、術前又は術中のイメージングを使用して、患者の解剖学的構造の三次元（３Ｄ）モデルを作成する。代替的に、患者の解剖学的構造の一般的な３Ｄモデルが用いられる。３Ｄモデルは、センサ１８によって追跡されるポインタで解剖学的構造を探針すること、センサ１８による解剖学的構造の直接視覚化、又は解剖学的構造に特異的に適合するように成形された患者固有の３Ｄ部分を使用することを含むいくつかの異なる方法によってセンサ１８に登録され得る。

患者２６の直接測定は、患者２６を横切って対称的に間隔を置いて横方向ベクトルを導出する２つの点の間を測定することと、多関節手術台又はプラットフォーム（図示せず）によって、プラットフォームの回転軸を中心に患者を回転させて長手方向ベクトルを導出することと、を含み得る。いくつかの実施形態では、プロセッサ２８は、横方向ベクトルと長手方向ベクトルとの間の外積関数を実行して、横方向ベクトル及び長手方向ベクトルによって定義される仮想平面に垂直である高さベクトルを生成するように構成される。言い換えれば、３つの直交ベクトルを測定及び／又は生成して、３つの直交軸を画定することを可能にする。このプロセスは、３つのベクトルの交点に原点を有する仮想三次元（３Ｄ）基準系を決定することを可能にする。次いで、これは、センサ１８によって受信された反射信号２７と併せて処理されて、例えば、患者２６に対する空間内の物体２２の位置及び配向を決定し得る。

仮想３Ｄ基準系は、例えば、トラッカを装着したロッドなどの任意の好適な手段を使用して手術環境１６によって画定される２つのベクトルを測定し、２つの測定されたベクトルの外積に基づいて第３の軸を生成することによって形成される所定の３Ｄ軸を使用することによって、配向センサなしで決定され得ることを理解されたい。また、仮想３Ｄ基準系は、トラッカ（図示せず）が装着されたポインタを使用して、手術環境１６及び／又は患者の解剖学的構造によって画定される点を測定することによって判定され得ることも理解されるであろう。

いくつかの実施形態では、システム１０は、典型的には慣性測定ユニット（ＩＭＵ）又は姿勢方位基準システム（ＡＨＲＳ）の形態の配向センサ２９を含む。配向センサ２９は、プロセッサ２８に通信可能に接続され、いくつかの実施形態では、有線又は無線接続を介してレーダベースセンサ１８にも接続される。配向センサ２９は、典型的には、センサ１８及びマウント２４のうちの１つと取り外し可能に係合するように構成される、又は共通のハウジングによってセンサ１８に固定されるなど、レーダベースセンサ１８に対して固定可能である。配向センサ２９は、手術環境１６に対する患者２６の配向が、典型的には、患者２６、又は患者２６の解剖学的構造の一部を軸を中心に回転させることと同時に、重力ベクトルを測定することによって決定されることを可能にするように動作可能である。これは、プロセッサ２８によって、横方向ベクトルと組み合わせて処理され、長手方向ベクトルを決定する。配向センサ２９は、代替的又は追加的に、複数のジャイロスコープ、加速度計などの任意の好適なセンサを含み得ることを理解されたい。

物体２２までの距離、物体２２への方向、及び／又は物体２２の速度を測定することに加えて、レーダベースセンサ１８は、同じ物体２２上の２つ以上の別個の位置でこれらの値を測定して、物体２２の配向、加速度、角変位、角速度、及び角加速度を決定するように構成されてもよい。同様に、センサ１８は、２つ以上の物体２２の値を同時に測定するように構成され得ることを理解されたい。

センサ１８を動作させることにより、送信された信号２１のうちのいくつかが、物体２２によって吸収又は散乱される。信号の吸収及び散乱は、検出された反射信号２７又は反射信号が無いことに応答して、プロセッサ２８が物体２２の異なる特徴又は領域の間を区別することを可能にする。例えば、物体２２が異なる材料から形成され、異なる表面仕上げを画定し、又は可変の内部構造を有する場合、反射信号２７は散乱され、したがってより拡散し得るか、又は送信された信号２１を反射しない場合がある。手術環境では、これは、プロセッサ２８が、装置及び患者と、組織、血液、及び骨などの患者の解剖学的構造の態様との間を区別することを可能にするのに有用であり得る。

図２は、レーダベースセンサ１８が、この実施形態では、マウント２４を介して患者の骨１４である患者の解剖学的構造に取り外し可能に固定されるように構成されるシステム１０の一実施形態１００を示す。この実施形態では、マウント２４は、骨１４と取り外し可能に係合することを可能にする骨ピン３６を含む。配向センサ２９及びプロセッサ２８は、共通のハウジング２３内のレーダベースセンサ１８に対して固定される。２つ以上の骨ピン３６を使用して、レーダベースセンサ１８を骨１４に取り外し可能に係合させ得ることを理解されたい。

システム１００は、センサ１８のＦＯＶ２０内に配置されるように外科用ツール１２に取り付けられた複数の反射（受動）トラッカ３８を更に含む。トラッカ３８は、送信された信号２１の反射を最適化して、センサ１８によるトラッカ３８までの相対距離、トラッカ３８への方向、及び／又はトラッカ３８の配向の決定を強化するように構成される。

トラッカ３８は、ツール１２のシャフト４０に固定可能なボーブル、リング、及び／又はカラーなどを含む、信号２７の反射を強化するように様々な形態で構成可能である。いくつかの実施形態において、トラッカ３８は、３つの垂直に配置された平面を画定して内部コーナを形成するコーナ反射器を含む。コーナ反射器は、入射方向に送信された信号２１を反射するように構成され、センサ１８による反射信号２７の検出を強化することができる。

図２に示されるようにセンサ１８及びトラッカ３８を取り付けることは、センサ１８が実質的に静止した基準枠を有することを意味する一方、トラッカ３８は、臨床医がツール１２の位置を調整する場合に移動する。したがって、トラッカ３８は、トラッカ３８に関連する相対距離、方向、及び／又は配向の情報のうちの少なくとも１つをセンサ１８から受信することに応答して、プロセッサ２８が、ツール１２の配向を決定及び監視することを可能にする、移動する基準点を画定する。プロセッサ２８はまた、図２に示されるように取り付けられたセンサ１８及びトラッカ３８を用いて、ツール１２の速度、位置、加速度、及び／又は他の前述のパラメータのいずれかを決定し得ることを理解されたい。

ツール１２は、一対のトラッカ３８を携えるように示されているが、これは例示的な配置であり、より多くの又はより少ないトラッカ３８がツール１２に取り付けられて、センサ１８によって取得された測定値からツール１２の位置及び／又は配向を決定することを可能にし得ることを理解されたい。更に、受動トラッカ３８は、能動信号発信トラッカ（図示せず）に置き換えられ得ることを理解されたい。そのような能動トラッカは、典型的には、電力供給され、ＥＭ信号を発してセンサ１８による検出を可能にするように動作可能である。

いくつかの実施形態（図示せず）において、追加のトラッカ３８は、手術環境１６に取り付けられる。これらがセンサ１８のＦＯＶ２０内に配置されると、これにより、プロセッサ２８は、手術環境１６に対する患者２６の配向を決定することができる。これは典型的には、患者２６が外科用プラットフォームによって画定された軸を中心に回転されるなどによって、環境１６に取り付けられたトラッカ３８に対する患者２６の動きを検出することを含む。

図３は、レーダベースセンサ１８がマウント２４を介してツール１２のシャフト４０に取り外し可能に固定されるように構成されるシステム１０の別の実施形態２００を示す。この実施形態では、マウント２４は、センサ１８の一体化部であり、ツール１２を取り外し可能に把持するように動作可能なクランプ機構２５を含む。配向センサ２９（図示せず）は、レーダベースセンサ１８とは別個であり、例えば、骨ピン型マウントを介して患者２６に固定するように構成される。プロセッサ２８は、センサ１８から遠隔に位置し、センサ１８に通信可能に接続される。

トラッカ３８は、例示される実施形態では、患者２６に取り付けられるように構成されており、センサ１８のＦＯＶ２０内に配置されるように骨１４に直接取り付け可能である。この実施形態では、センサ１８が臨床医がツール１２を動かすことに応答して移動可能な間も、トラッカ３８は実質的に静止したままである。これは、実質的に、図２に示される実施形態１００の逆配置であり、したがって、ツール２２の配向が実質的に同じ方法でプロセッサ２８によって決定されることを可能にする。

いくつかの実施形態（図示せず）において、図３の実施形態２００は、代替的に、レーダベースセンサ１８及び任意にプロセッサ２８がツール１２と一体化され、マウント２４が省略されるように構成される。しかしながら、このような実施形態は、統合された電子機器の機能を維持しながら、ツール１２を清掃及び滅菌することが実用的かつ費用効果のある用途にのみ適している。

図４は、一対のレーダベースセンサ１８を含むシステム１０の更なる実施形態３００を示す。第１のセンサ３０２は、前述のように、患者の骨１４に取り外し可能に固定され、第２のレーダベースセンサ３０４は、前述のように、ツール１２に取り外し可能に固定される。この実施形態は、トラッカ３８の２つのセットを含み、第１のセットのトラッカ３０６は、第１のセンサ３０２のＦＯＶ２０内にあるように、センサ３０４又は関連するマウント２４に直接など、第２のセンサ３０４に対して取り付けられ、第２のセットのトラッカ３０８は、第２のセンサ３０４のＦＯＶ２０内にあるように患者２６に取り付けられる。プロセッサ２８は、センサ３０２とセンサ３０４との両方に通信可能に接続され、トラッカ３０６、３０８のいずれかに関連する相対距離、方向、及び配向の情報のうちの少なくとも１つを受信することを可能にするように構成される。

実施形態３００の代替の配置では、トラッカ３０６、３０８は存在せず、代わりに、第１のセンサ３０２及び第２のセンサ３０４のうちの１つは、信号を受信しないで送信のみを行うように動作可能である。このシナリオでは、送信専用センサ３０２、３０４は、送信専用センサ３０２、３０４から反射された信号からの相対距離を測定する他のセンサ３０２、３０４に加えて、他のセンサ３０２、３０４による角度測定を可能にするような能動トラッカを効果的に提供する。このように動作することは、送信専用センサ３０２、３０４の位置と配向との両方が決定されることを可能にする。そのような実施形態では、センサ３０２、３０４は、互いに通信するように構成されて較正を可能にし、その結果、送信専用センサ３０２から他のセンサ３０４に移動する信号の飛行時間を決定することが可能になり得る。

図５は、図３に示される実施形態２００と実質的に同一であるが、トラッカ３８が省略されているシステム１０の別の実施形態４００を示す。この実施形態では、プロセッサ２８は、骨１４によって画定される１つ以上の局所化された点を検出するなど、患者の骨１４に関連する相対距離情報を受信することに応答して、ツール１２の配向を判定する。センサ１８は、骨１４から反射された信号２７を検出するように動作され、プロセッサ２８によって骨のトポグラフィを決定し、その結果、ツール１２及び骨１４の相対的な配向を決定することを可能にする。例えば、前上腸骨棘又は坐骨結節などの骨目印が、反射基準点として検出され得る。この配置では、センサ１８は、ＥＭ信号２１が骨質量によってのみ反射されるように、皮膚及び組織を通してＥＭ信号２１を送信するように動作可能である。

図６は、センサ１８を手術室（図示せず）の天井又は壁に固定するなど、マウント２４がレーダベースセンサ１８を手術環境１６に対して固定するように構成されたシステム１０の実施形態５００を示す。任意に、トラッカ３８は、患者２６及び／又はツール１２に取り付けられるように含まれ、構成される。この図では、一対のトラッカ３８がツール１２のシャフト４０に取り付けられている。プロセッサ２８は、センサ１８に通信可能に接続され、トラッカ３８によって画定されるような１つ以上の点に関連する相対距離、方向、及び配向の情報のうちの少なくとも１つを受信することに応答して、ツール１２の配向を決定するように動作可能である。

いくつかの用途について、センサ１８は、送信されたＥＭ信号２１が手術環境を通って伝播するように動作可能である。図７に示される更なる実施形態６００では、システム１０は、複数のレーダベースセンサ１８及びそれぞれのマウント２４を含み、各センサ１８は、プロセッサ２８に通信可能に接続されている。いくつかの実施形態において、複数のレーダベースセンサ１８及び／又はプロセッサ２８の各々は、２つのセンサ１８間の相対的な間隔を決定するように動作可能であり、結果として、２つ以上のセンサ１８の相対位置及び／又は配向を決定することを可能にする。これは、例えば、ＥＭ信号２１が侵入できない物体がセンサ１８のうちの１つの前に配置される状況において、システム１０の冗長性を有用に提供して操作範囲を増大させる。センサ１８は、例えば、直接測定によって画定された位置により、又はユーザ入力から、手術環境１６内の画定された位置に配置され得ることを理解されよう。

システム１０は、患者の骨１４に対する外科用ツール１２の配向を正確に決定するように構成される。これは、典型的には、センサ１８から骨１４及びツール１２のうちの１つまでの距離及び／又は方向の組み合わせを決定し、及び手術環境１６に対する患者２６の配向を決定することによって達成される。したがって、プロセッサ２８によってこれらの要因を処理することは、ツール１２の配向を正確に識別すること及び監視することを可能にする。この配向の情報は、寛骨臼カップを寛骨臼と正しく位置合わせし、寛骨臼に挿入するなど、成功した外科的処置の実行を強化できるため、臨床医に有用なものであること示すことができる。

レーダベースセンサ１８は、送信された信号２１の高周波及び結果として生じる反射信号２７により、ミリメートルの数分の１ほどの小さな動きを検出するように動作可能である。有利にも、これは、システム１０の使用により、ツール１２の配向を約１ミリメートルの精度内で決定すること及び監視することを可能になることを意味する。したがって、システム１０の精度は、外科用適用の成功を結果的に高め、患者２６の改善された結果を提供することができる。

システム１０は、ツール１２上の２つの点の位置のみを測定することによって、ツール１２の角度位置を決定することができる。２点のみの測定値を処理することは、計算の複雑さを低減し、結果として、プロセッサ２８の効率を高める。その結果、これは、患者２６に対するツール１２の配向の決定を強化することができる。

本開示の広い一般的な範囲から逸脱することなく、上記の実施形態に多数の変形及び／又は修正が行われ得ることは、当業者によって理解されるであろう。したがって、本実施形態は、全ての点で例示的であり、限定的ではないと見なされるべきである。

Claims (24)

1. 手術環境内に位置する患者の解剖学的構造に対する外科用ツールの配向を決定するための術中定位ナビゲーションシステムであって、前記システムは、
   視野（ＦＯＶ）を画定し、前記ＦＯＶ内の１つ以上の物体までの相対距離、前記１つ以上の物体への方向、及び前記１つ以上の物体の配向のうちの少なくとも１つを決定するように動作可能なレーダベースセンサと、
   前記レーダベースセンサを前記患者及び前記ツールのうちの一方に取り外し可能に固定して、前記患者及び前記ツールのうちの他方が前記ＦＯＶ内にあることを可能にするように構成されたマウントと、
   前記レーダベースセンサと通信可能に接続可能であり、前記患者及び前記ツールのうちの少なくとも１つに関連する相対距離、方向、及び配向の情報のうちの少なくとも１つを前記レーダベースセンサから受信すること、及び前記手術環境に対する前記患者の前記配向に関連する情報を受信すること、に応答して、前記ツールの前記配向を決定するように構成されたプロセッサと、を含む、システム。
2. 前記プロセッサは、前記患者の解剖学的構造又は前記ツールの一部によって画定される１つ以上の点に関連する相対距離情報及び方向情報のうちの少なくとも１つを前記レーダベースセンサから受信することに応答して、前記ツールの前記配向を決定するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
3. 少なくとも２つの点が、前記患者の解剖学的構造及び前記ツールのうちの１つによって画定され、前記少なくとも２つの点に関連する相対距離情報及び方向情報のうちの少なくとも１つを前記レーダベースセンサから受信することに応答して、前記プロセッサは、前記少なくとも２つの点の間に画定されたベクトルを決定して、前記患者の解剖学的構造又は前記ツールの位置を決定するように構成されている、請求項２に記載のシステム。
4. 少なくとも１つの点を画定し、前記患者、前記ツール、及び前記手術環境のうちの１つに取り付けられるように構成された少なくとも１つのトラッカを更に含み、前記プロセッサは、前記トラッカ又は各トラッカに関連する相対距離情報及び方向情報のうちの少なくとも１つを前記レーダベースセンサから受信することに応答して、前記ツールの前記配向を決定するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
5. 少なくとも２つの点が、前記少なくとも１つのトラッカによって画定され、前記少なくとも２つの点に関連する相対距離情報及び方向情報のうちの少なくとも１つを前記レーダベースセンサから受信することに応答して、前記プロセッサは、前記少なくとも２つの点の間に画定されたベクトルを決定して、前記患者の解剖学的構造、前記ツール、又は前記手術環境の位置を決定するように構成されている、請求項４に記載のシステム。
6. 前記マウントは、前記レーダベースセンサを前記患者に取り外し可能に固定するように構成されており、前記トラッカ又は各トラッカは、前記ツールに取り付けられるように構成されている、請求項４又は５に記載のシステム。
7. 前記マウントは、前記レーダベースセンサを前記外科用ツールに取り外し可能に固定するように構成されており、前記トラッカ又は各トラッカは、前記患者に取り付けられるように構成されている、請求項４又は５に記載のシステム。
8. 前記トラッカ又は各トラッカに関連する相対距離情報及び方向情報のうちの前記少なくとも１つを受信することに応答して、前記プロセッサは、前記外科用ツールの配向、前記外科用ツールの速度、前記外科用ツールの加速度、前記外科用ツールの角変位、前記外科用ツールの角速度、及び前記外科用ツールの角加速度のうちの少なくとも１つを決定するように構成されている、請求項６又は７に記載のシステム。
9. 複数の前記トラッカを備え、前記トラッカのうちの少なくともいくつかは、前記手術環境に取り付けられるように構成されており、前記トラッカのうちの前記少なくともいくつかに関連する相対距離情報及び方向情報のうちの前記少なくとも１つを受信することに応答して、前記プロセッサは、前記手術環境に対する前記患者の前記配向を決定するように構成されている、請求項４～８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 前記トラッカ又は各トラッカは、反射マーカである、請求項４～９のいずれか一項に記載のシステム。
11. 前記プロセッサに通信可能に接続可能であり、前記手術環境に対する前記患者の前記配向を決定するように動作可能な配向センサを更に含む、請求項１～１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. 前記配向センサは、前記患者によって画定される少なくとも２つのベクトルを決定するように動作可能である、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記配向センサは、前記レーダベースセンサ及び前記マウントのうちの１つに取り外し可能に固定可能である、請求項１１又は１２に記載のシステム。
14. 前記配向センサ及び前記レーダベースセンサは、共通のハウジングに取り付けられている、請求項１１又は１２に記載のシステム。
15. 前記マウントは、前記レーダベースセンサを前記患者に取り外し可能に固定するように構成されており、更なるレーダベースセンサを前記ツールに取り外し可能に固定するように構成された更なるマウントと、複数の前記トラッカと、を含み、少なくとも１つのトラッカは、前記更なるマウント及び前記更なるレーダベースセンサのうちの１つに、前記レーダベースセンサの前記ＦＯＶ内にあるように取り付けられるように構成されており、少なくとも１つの他のトラッカは、前記更なるレーダベースセンサの前記ＦＯＶ内にあるように前記患者に取り付けられるように構成されており、前記プロセッサは、前記更なるレーダベースセンサに通信可能に接続され、相対距離情報を受信する、請求項４に記載のシステム。
16. 信号を発し、前記ＦＯＶ内にあることを可能にするように前記患者、前記ツール、及び前記手術環境のうちの１つに取り付けられるように構成された少なくとも１つの更なるレーダベースセンサを更に含み、前記レーダベースセンサは、前記更なるレーダベースセンサから前記信号を受信するように動作可能であり、前記プロセッサは、前記更なるレーダベースセンサに関連する相対距離情報及び方向情報のうちの少なくとも１つを前記レーダベースセンサから受信することに応答して、前記ツールの前記配向を決定するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
17. 手術環境内に位置する患者の解剖学的構造に対する外科用ツールの配向を決定するための術中定位ナビゲーションシステムであって、前記システムは、
    視野（ＦＯＶ）を画定し、前記ＦＯＶ内の１つ以上の物体までの相対距離、前記１つ以上の物体への方向、及び前記１つ以上の物体の配向のうちの少なくとも１つを決定するように動作可能なレーダベースセンサと、
    前記レーダベースセンサを前記環境に対して取り外し可能に固定するように構成されたマウントと、
    複数のトラッカであって、各々が前記患者及び前記ツールのうちの１つに取り付けられて、各トラッカが前記ＦＯＶ内にあることを可能にするように構成されている、複数のトラッカと、
    前記レーダベースセンサと通信可能に接続され、前記トラッカの各々に関連する相対距離、方向、及び配向の情報のうちの少なくとも１つを受信することに応答して、前記ツールの前記配向を決定するように構成されたプロセッサと、を含む、システム。
18. 複数の前記レーダベースセンサと、それぞれの複数のマウントと、を備え、相対距離情報及び方向情報のうちの少なくとも１つを前記複数のレーダベースセンサから受信することに応答して、前記プロセッサは、前記レーダベースセンサのうちの２つ以上の相対位置を決定するように構成されている、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記プロセッサは、前記２つ以上のレーダベースセンサの前記相対位置を決定することに応答して、前記ツールの前記配向を決定するように更に構成されている、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記マウントは、前記レーダベースセンサ又は各レーダベースセンサの一体化部である、請求項１～１９のいずれか一項に記載のシステム。
21. 術中定位ナビゲーションシステムであって、
    視野（ＦＯＶ）を画定し、前記ＦＯＶ内の１つ以上の物体までの相対距離、前記１つ以上の物体への方向、及び前記１つ以上の物体の配向のうちの少なくとも１つを決定するように動作可能なレーダベースセンサを含む外科用ツールと、
    前記レーダベースセンサと通信可能に接続可能であり、前記患者の解剖学的構造及び前記ツールのうちの少なくとも１つに関連する相対距離、方向、及び配向の情報のうちの少なくとも１つを前記レーダベースセンサから受信すること、及び前記患者を取り巻く手術環境に対する前記患者の前記配向に関連する情報を受信すること、に応答して、前記患者の解剖学的構造に対する前記ツールの配向を決定するように構成されている、プロセッサと、を含む、システム。
22. 前記外科用ツールは、寛骨臼カップインパクタである、請求項１～２１のいずれか一項に記載のシステム。
23. 前記レーダベースセンサ又は各レーダベースセンサは、ミリ波センサである、請求項１～２２のいずれか一項に記載のシステム。
24. 前記患者の解剖学的構造は、骨を含む、請求項１～２３のいずれか一項に記載のシステム。
    
    

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