JP4201891B2 - ツール較正装置及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は顕微鏡較正に関し、特に、神経外科、神経生検、ＣＴテーブル針身体生体組織検査、胸部生体組織検査、内視鏡処置、整形外科術などの種々の医学的処置に関連する顕微鏡較正に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
脳、脊椎、および他の身体部分の三次元診断画像は、ＣＴスキャナや磁気共鳴画像装置などのような画像診断装置により生成される。これらの画像診断物理療法は、多くの場合、構造的な詳細を１ミリメートル以上の分解能で与える。
画像管理外科装置は、手術前計画の際及び患者の身体内の関心領域を精密に探知する際に、外科医を補佐するためのデータを利用するために開発された。手術領域において、画像管理外科装置は、その患者の画像に対する正しい位置にある外科的ツールの位置と向きを表示するのに使用される。画像管理外科装置の一例は、ここで引用することにより、組み込まれたカルファス（Kalfas）他による日本国特許出願０８０５２１１５号（特開平８−５２１１５号）の定位手術棒とツールガイドである。
【０００３】
３つ、場合によっては、４つの画像データの画像が、外科医に対して視覚可能にモニター上に表示される。これらの画像は典型的に患者の軸性図、矢状図及び冠状図を含んでいる。４番目の斜位像が表示されることもあり、ツールの先端と直交する平面の画像データを提供する。ツールの先端の位置、ツールの軌跡及びツールヘッドの直径はこれらの１つ又はそれ以上の画像上に表示される。また、ツールの先端と所望位置の間の代数的な距離も、数値的に、モニター上に表示されることがある。
画像管理外科処置の性質上、ツールの先端の位置、ツールの軌跡及びツールヘッドの直径を高精度で追跡できることが必要で、多くの場合、１ｍｍ未満の精度での較正が要求される。ツールは、追跡装置又はロカライザを使って、手術室又は他の領域内で追跡される。追跡装置は、間隔を隔てて配置され、ツールに一定の関係で連結された赤外線エミッタや反射鏡などの３以上の位置信号出力装置により、ツールを追跡する。位置信号出力装置は、追跡装置があるツールを他のツールから区別することができるようにするために、各ツールごとに独自のパターンで位置決めされる。言い換えれば、独自のパターンはツールを特徴付けると言うことができる。
【０００４】
追跡装置に接続された中央コンピュータは、各ツールの先端と軌跡が、ツールの位置信号出力装置に対して、どこにあるかに関する情報及びツールヘッドの直径に関する情報を用いて、予めプログラムされる。例えば、３つの赤外線エミッタを有する追跡プローブについて、中央コンピュータは、３個の赤外線エミッタによって決定された平面上の選択された点との関係で、プローブの先端がどこにあるかについての情報を保持する。この情報に基づいて、ツールの先端の精密な位置が中央コンピュータにより計算され、モニターの一つに表示される。
ドリル、プローブ、内視鏡などの種々の外科ツールでは、ツールヘッドの直径と同じくらい先端の位置に影響を与えるツールに交換することは、外科医又は他の人にとって、しばしば有益である。例えば、外科ドリルでは、異なった外科処置に対処するために、外科医がツール内に位置したドリルビットの大きさと長さを変えることができるということは、しばしば有用である。さらに、プローブに関しては、患者の異なる部分に届くように、プローブハンドル上の軸の長さと直径を変えることがしばしば望まれる。
【０００５】
残念なことに、ツール位置信号出力装置に対する各ツールの先端の位置が、各ツールに関連付けられたメモリに予めプログラムされ、ツールヘッドの直径の情報とともに、中央コンピュータに伝達されるので、ツールの先端の位置とツールヘッドの直径に影響を与えるツールの変更を容易に行うことができない。変更を行なう場合には、オペレータはツールの先端とツールの位置信号出力装置との間の新たな関係を決定し、この情報を中央コンピュータに入力することが必要である。さらに、ツールヘッドの直径に関連する新しい情報もまた、入力することが必要になる場合がある。この手順は時間がかかり、しかも、やっかいである。新しい情報が中央コンピュータに入力されなければ、ツールの先端は適切に追跡されず、モニターにも表示されないことになる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に従って、外科ツールの特性を決定するためのツールが提供される。ツールは、外科ツールの先端をツールの所望の位置に位置決めする手段と、この所望の位置に関して固定された位置信号出力装置とを含んでいる。
本発明の他の実施形態に従って、外科ツールの特性を決定するための装置が提供される。この装置は、ツールと、信号出力装置を追跡する追跡手段と、追跡手段によって追跡された情報を処理する処理手段とを含んでいる。ツールは、外科ツールの先端を所望の位置に固定する手段と、その所望の位置に関して固定された信号出力装置とを含んでいる。
本発明のさらに他の実施形態に従って、外科ツールの特性を決定するためのツールが提供される。ツールは第１の部分、第１の部分に対して移動可能な第２の部分、第１の部分に対して固定された少なくとも一つの位置信号出力装置及び第２の部分に対して固定された少なくとも一つの位置信号出力装置を含む。
【０００７】
本発明のさらに他の実施形態に従って、画像管理外科装置で使用する外科ツールの特性を決定する方法が提供される。この方法は、外科ツールの先端を位置信号出力装置に対して固定された所望の位置に位置決めする段階、前記所望の位置に対して適所に外科ツールを固定する段階及び画像管理外科装置の構成要素によって位置信号出力装置の位置を検出する段階とを含んでいる。
本発明のさらに他の実施形態に従って、画像管理外科装置で使用する外科ツールの特性を決定する方法が提供される。この方法は、第１の部分に対して外科ツールのツールヘッドを位置決めする段階、第２の部分を使って前記第１の部分に対してツールヘッドを所望の位置に固定する段階を含み、前記第１の部分と前記第２の部分がスライド可能に互いに係合しており、さらに、前記第１の位置を検出する段階及び第２の位置を検出する段階を含んでいる。
【０００８】
ツール較正器は、スライド可能に係合し、ツールを所望の位置に固定するように形づくられた二つの可動ブロックを含んでいる。ツールは、千鳥状に配置された一連のＶ形溝によって、ツールのツールヘッドの直径と既知の幾何学的関係を有する二つの可動ブロックの各々の上に固定される。ツール較正器は、さらに、手術室又はその他の領域内で、ツール較正器の位置を伝達する少なくとも一つの位置信号出力装置を含んでいる。ツールの先端の位置及び向きは、ツール較正器内に固定されたツールの位置を二つの可動ブロックの各々の位置と比較することにより、決定される。さらに、２個の可動ブロックの各々の位置に基づいて、ツールヘッドの直径が計算される。
好ましい実施形態においては、ツール較正器は、ツール先端の位置、前記先端が向いている方向及びツールヘッドの直径を同時に較正することができる。ツールの先端が向いている方向は、ツールを固定している二つの可動ブロックの各々に連結された位置信号出力装置の間の関係を、ツールに連結された位置信号出力装置と比較することによって決定される。ツールの先端の位置は、ツール較正器に連結された位置信号出力装置の位置とツールに連結された位置信号出力装置の位置とを比較することによって決定される。ツールの直径は、二つの可動ブロックのＶ形溝とツールヘッドの直径との間の既知の幾何学的関係によって決定される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、同様の要素に対しては同様の参照数字が使用された図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態につき説明を加える。
図１ａを参照すると、患者（図示せず）は、手術台の上又は他の対象物支持体１０に受け入れられ、一般的に符号ｌ４で示される画像管理外科装置を有する手術室又は外科室１２内で適切に位置決めされる。ヘッドクランプ１６のような締着手段は、問題の患者や対象物の一部をしっかりと位置決めする。赤外線ロカライザ（ｌｏｃａｌｉｓｅｒ）のような位置探査装置２０は、少なくとも１つの外科ツールの位置と方向を決定する。ツールとは、位置探査装置２０によって追跡される外科手術室内のあらゆる器具及び装置を指している。
【００１０】
好ましい実施形態においては、位置探査装置２０は、カナダ国オンタリオ州ワーテルローのノザンデジタル社によって供給されるポラリス（登録商標）ロカライザ装置のような、赤外線ロカライザである。ロカライザ装置は、センサヘッド２４に間隔を隔てて取付けられた２個の赤外線カメラ２２を含んでいる。センサヘッド２４の方は、手術室１２内の固定位置、たとえば、床に置かれているスタンド２６に取り付けられる。カメラ２２は、天井もしくは壁または対象物支持具１０などの手術室ｌ２の他の既知の位置に取り付けられてもよい。超音波、光学的、ＲＦ、または電磁ロカライザのような他の位置探査装置を使用してもよいことは当然である。また、外科用手術ツールは位置探査装置として機能する多関節アームに取り付けられてもよい。
【００１１】
外科プローブ、ドリル又は内視鏡などの外科ツール３５が、ハンドル部分３７及び交換可能なツールヘッド３９を有するように、図示されている。ツール３５上の位置は、位置ツール基準系に対して画定される。例えば、ツール基準系は、原点がツール３５のハンドル上のある点に存するように画定され、ツール３５の指向軸線と実質的に共線の軸線を有する。ツール３５は、位置信号出力装置４３として総称される赤外線又は（超）音波エミッタ若しくは反射鏡などの少なくとも三つの位置信号出力装置４３ａ，４３ｂ，４３ｃを含み、ツール基準系と既知の関係を有する。位置信号出力装置４３の一つとカメラ２２の間の通視線が遮られる場合に、冗長性のある表示を提供し、あるいは、ツール３５の位置の正確な決定をするために、さらに、位置信号出力装置４３を用いてもよい。カメラ２２によって検出された信号に基づいて、ツール３５の位置と向きが、従ってカメラ２２に関するツール基準系が、従って手術室基準系が決定される。
【００１２】
ツールに位置信号出力装置４３が予め設けられていない場合、或いは、既存の位置信号出力装置４３が位置探査装置２０に接続するツール３５に対して、適切に位置していない場合には、取り外し可能な基準系ターゲットがツール３５に取り付けられる。例えば、図１ｂに示すように、ドリル４４はドリルヘッド４５とドリルヘッド４５を固定するハンドル部分４６とを含んでいる。ドリル４４はハンドル部分４６に直接取り付けられた位置信号出力装置４３を含んでいない。取り外し可能な基準系ターゲット４７はドリル４４のハンドル部分４６に取り付けられたものとして示されている。より詳細には、基準系ターゲット４７は、ドリル４４のハンドル部分４６の対応するねじ孔４９に平頭ねじ４８を締め付けることにより、ドリル４４のハンドル部分４６に強固に取り付けられる。また、基準系ターゲット４７はクランプ法又は他の方法によって取り付けられてもよい。４つの位置信号出力装置５１が十字形ターゲット５３上に設けられて、ドリル４４に位置探査装置２０によって探知されることのできる基準系を与えている。４つの位置信号出力装置５１が図示されているが、３つ又それ以上の位置信号出力装置を使用してもよい。手術室１２の位置探査装置２０の形式によっては、位置信号出力装置は、例えば、赤外線エミッタ、（超）音波エミッタ、ＲＦエミッタ又は反射鏡であってよい。ターゲット５３は、回転され、かつ、ロック可能な継手５４ａ，５４ｂ，５４ｃにより、ツール４４に対して所望の位置で固定されてもよい。取り外し可能な基準系ターゲット４７は、いかなる装置も画像管理外科装置内で位置探査装置２０によって追跡されるようにすることを可能にしていることがわかるであろう。例えば、基準系ターゲット４７は共通の日常ツール、手術器具又はいかなる他の物にも取り付けることができる。さらに、その上に基準系ターゲット４７が取り付けられる対象物が、それが手術室内のモニター上に示された画像に対して、追跡をすることが望ましいツールヘッド及び／又はツールヘッドの先端を含む場合、以下に詳細に説明するように、本発明によれば、そのような特性を正確かつ迅速に決定し、中央コンピュータ４２に格納することができる。
【００１３】
ツール基準系に対してツール３５の先端４０の位置を適切に追跡するために、ツール基準系上の選択点とツール３５の先端４０との間のオフセットに関する情報を、コンピュータシステム４２に予めプログラムするか、或いは、外科ツール較正器５０を介して較正してもよい。以下、ツール較正器５０に関する構造と作用をより詳細に述べる。ツール３５の先端４０と患者の解剖学的構造との間の適切な関係を確実に相関させるために、ツール３５の先端４０の精密な位置を追跡することが必要である。より詳細には、画像管理外科処置において、ツール３５の先端４０の追跡された位置と軌跡とがは患者の画像に重ねられ、モニター５２を介して、あるいは、他の方法で、外科医や他の人に表示されることがしばしばある。外科医は、こうして表示された結果を信じて、処置を完了させるための助けとする。
【００１４】
引き続き、図１ａを参照し、さらに、図２を参照すると、オペレータコンソール５５はコンピュータシステム４２を収容する。或いは、コンピュータシステム４２を遠方に位置させ、ケーブル接続によってオペレータコンソール５５と接続することもできる。コンピュータシステム４２は処理装置５７を含み、データメモリ５９は処理装置５７に接続される。データメモリ５９は患者又は対象物の三次元画像を示すデータを格納する。データを三次元長方形格子として視覚化することができるので、従来の手法を用いて、データの選択可能な直交面及び他の斜めの面を、データメモリ５９から容易に引き出すことができる。そのようなデータは、たとえば、外科医が見るのに便利なように、手術室１２でオーバモニター５２に表示することができる。
【００１５】
外科ツール３５、ツール較正器５０及び他のツール６０は、ツールインタフェイスユニット６２を介して、コンピュータシステム４２に接続される。ツールインタフェイスユニット６２は、さらに処理をするために、コンピュータシステム４２に情報を伝達するのに先立って、これら装置間での座標変換を行う機能を果たす。外科ツール３５についての上述したのと同様に、ツール較正器５０を含む手術室１２のツールの各々は、ツールインタフェイスユニット６２によって手術室基準系に対して、方向付けされた位置基準系によって画定されてもよい。
カメラ２２によって探知され、ツールインタフェイスユニット５５に伝達された情報に基づいて、患者とツールと手術室基準系の間の変換を容易に計算することができる。本技術分野においてよく知られているように、変換されるべき基準系の間のオフセット値ｘ_offset，ｙ_offset，ｚ_offsetを決定することによって、変換を実行することができる。二つの基準系の間で平行移動が必要なときは、これらｘ_offset，ｙ_offset，ｚ_offsetの値が、基準系の一方の基準に加算または減算される。次いで、基準系は、原点まわりに角度α，β，γで相対的に回転されて、それぞれのｘ、ｙおよびｚ軸線が一致させられる。
【００１６】
今、図３ないし図７を参照すると、好ましい実施形態のツール較正器５０がより詳細に示されている。ツール較正器５０はスライド可能に協働している二つのブロック７０ａ，７０ｂを含んでいる。好ましい実施形態においては、各ブロック７０ａ，７０ｂは、アルミニウムで作られているが、これに代えて、他の金属やプラスチック又は木材を含む他の耐久性のある材料を用いることもできる。ブロック７０ａは前面７２ａ、上面７４ａ及び底面７６ａを含んでいる。同様に、ブロック７０ｂも前面７２ｂ、上面７４ｂ及び底面７６ｂを含んでいる。
図３及び図４からもっともよく分かるように、ブロック７０ａ及び７０ｂは、一対の噛合するＶ形舌片及び溝を介して、スライド可能に係合するように形づくられている。より詳しくは、ブロック７０ａの上面７４ａ及びブロック７０ｂの底面７６ｂはそれぞれＶ形舌片７８ａ，７８ｂを含んでいる。舌片７８ａ，７８ｂは、それぞれの面７４ａ，７６ｂの全距離を横切って、延びていることが示されている。舌片７８ｂと噛合している噛合溝８０ａは、底面７６ａに近い方のブロック７０ａの側に位置している。舌片７８ａと噛合している噛合溝８０ｂは、上面７４ｂに近いブロック７０ｂの側方に位置している。各噛合溝８０ａ，８０ｂは、スライド方向を除いてどの方向にも実質的に動かないように、それぞれその舌片７８ｂ，７８ａを受け入れる大きさに形成されている。
【００１７】
ツール較正器５０に導入されたツールヘッドを位置決めし、固定し、大きさを決定するために、ブロック７０ａは、交互に配置された指状部分８２ａ及び８４ａを含み、ブロック７０ｂは交互に配置された指状部分８２ｂ及び８４ｂを含んでいる。ブロック７０ａ，７０ｂが図１ａに示すような接近した位置に位置決めされる場合、各指状部分８２ａ，８２ｂ，８４ａ，８４ｂは、一方を他方の上に部分的に重ねるように位置決めされる。図３及び図５からもっともよく分かるように、各指部分８２ａ，８２ｂ，８４ａ，８４ｂは、それぞれ、Ｖ形溝部分８６ａ，８６ｂ，８８ａ，８８ｂを含んでいる。さらに、ブロック７０ｂの底部９０ｂはＶ形溝９２ｂを含んでいる。この実施形態におけるＶ形溝部分８６ａ，８６ｂ，８８ａ，８８ｂ，９２ｂは、各々９０度の角度であるが、任意適当な角度を選択することができる。さらに、この実施形態の溝部分はＶ形を有するものとして説明されているが、他の形状又は円形，八角形などを含む形状の組み合わせを用いてもよい。また、Ｖ形という用語は、正確に角部を有する形状を除外するものでなく、むしろ、湾曲され、あるいは、それ以外の方法で形づくられた角部を有する実質的にＶ形の溝を含むことも明らかであろう。
【００１８】
図４から最もよく表されているように、ブロック７０ａのＶ形溝部分８６ａ，８８ａ、ブロック７０ｂのＶ形溝部分８６ｂ，８８ｂ，９２ｂは、それぞれ、軸線１１５ａ，１１５ｂを画定する。図４に示すように、ブロック７０ａに関連する軸線１１５ａは表面９７ａに実質的に直交し、Ｖ形溝８６ａ，８８ａによって形成された９０度の角度の角部に一致する。また、ブロック７０ｂに関連する軸線１１５ｂは、ブロック７０ｂがブロック７０ａに連結されたときに、表面９７ａに実質的に直交し、軸線１１５ｂはＶ形溝８６ｂ，８８ｂ，９２ｂによって形成された９０度の角度の角部に一致する。
図３及び５からもっともよく分かるように、ブロック７０ａは較正されるべきツールの先端４０が位置決めされる表面９５ａを含んでいる。さらに詳しくは、較正されるべきツールの先端は図５に破線で示す表面９５ａ上の領域９７ａに位置決めされる。較正前は、領域９７ａにおけるツール３５の先端４０の精密な位置は、ツールヘッド３９の直径Ｄ（図８参照）及びＶ形溝８６ａ，８６ｂ，８８ａ，８８ｂ，９２ｂに基づいている。
【００１９】
カメラ２２によって、ツール較正器５０の各ブロック７０ａ，７０ｂを追跡するのに便利なように、各ブロック７０ａ，７０ｂは、ブロック７０ａ，７０ｂの前面７２ａ，７２ｂにそれぞれ位置決めされている位置信号出力装置１００として総称される４つの位置信号出力装置１００_a1, １００_a2, １００_a3, １００_a4及び１００_b1, １００_b2, １００_b3, １００_b4を含んでいる。好ましい実施形態における位置信号出力装置１００は赤外線位置探査装置で使用される赤外線エミッタであるが、使用される位置探査装置２０の特性に応じて、反射鏡、（超）音波エミッタ、ＲＦエミッタまたは他の装置を使用することができる。位置信号出力装置は、各ブロック（図４参照）の前面７０ａ，７０ｂの段付の孔１０２_a1, １０２_a2, １０２_a3, １０２_a4及び１０２_b1, １０２_b2, １０２_b3, １０２_b4に固定又は取り付けられる。この実施形態においてては、各ブロック７０ａ，７０ｂに配置された４つの位置信号出力装置１００を示しているが、好ましい実施形態において、ツール較正器５０の追跡を行うには、そのような位置信号出力装置の３つのみが各ブロック７０ａ，７０ｂ上に必要であることが理解されるであろう。
【００２０】
図３を参照すると、メモリチップ１０４ａ，１０４ｂがそれぞれ、各ブロック７０ａ，７０ｂ内に配置されている。メモリチップ１０４ａは、ブロック７０ａ上に配置された位置信号出力装置１００_a のブロック７０ａの位置基準系に関連する選択された点に対する位置決めに関する情報を格納している。好ましい実施形態では、それから位置信号出力装置１００_a が計算される点は、位置信号出力装置１００_a1の中心に位置する点Ａである。同様に、メモリチップ１０４ｂは、ブロック７０ｂ上に配置された位置信号出力装置１００_b のブロック７０ｂの位置基準系に関連する選択された点に対する位置決めに関する情報を含んでいる。好ましい実施形態では、それから位置信号出力装置１００_b が計算される点は、位置信号出力装置１００_b1の中心に位置する点Ｂである。
【００２１】
今、図６を参照すると、ブロック７０ａに関連する選択された点Ａに対する軸線１１５ａの位置もまた、メモリ１０４ａに格納され、ツールインタフェイスユニット６２に伝達される。軸線１１５ａの位置は、点Ａと軸線１１５ａ上の２点１１５_a1，１１５_a2との間のオフセット値を決定することによって格納される。オフセット値は、ブロック７０ａの三次元位置基準系に対して画定されるようなｘ，ｙ，ｚ軸方向の三次元オフセット値として各々格納される。点Ａに対する表面９５ａの位置もまた、同様に、メモリ１０４ａに格納され、ツールインタフェイスユニット６２に伝達される。
軸線１１５ｂの位置はブロック７０ｂの選択点Ｂに対して決定される。ブロック７０ａと同様に、点Ｂと軸線１１５ｂ上の２点１１５ｂ及び１１５ｂ₂ との間の二つのオフセット値はメモリ１０４ｂに格納され、ツールインタフェースユニット６２に伝達される。オフセット値は、ｘ，ｙ，ｚ軸方向の３つの三次元オフセット値を含み、ブロック７０ｂの位置基準系に対して格納される。
【００２２】
電源と制御信号とともに、メモリチップ１０４ａ，１０４ｂからの情報が、各ブロック１０４ａ，１０４ｂに連結された７ピン雌形コネクタ１０８ａ，１０８ｂを介して、ブロック７０ａ，７０ｂの間でツールインタフェースボックス６２に供給される。好ましい実施形態においては、点Ａ及びＢは、位置信号出力装置１０８ａ₁ ，１０８ｂ₁ の中心に位置するようにそれぞれ選択されているが、各ブロック７０ａ，７０ｂの位置基準系に対して、点Ａ及びＢをどの位置に選択してもよいことは理解できるであろう。
今、図６及び７を参照して好ましい実施形態の作用につき、説明を加える。本発明のツール較正器５０は、一段階のプロセスで、外科ツールのいくつかの特性を決定するのに使用される。この特性には、ツールの位置基準系に対して、ツールの先端の位置を決定すること、ツールの位置基準系に対して、ツールヘッドが向いている方向又は軌跡を決定すること、及び、ツールヘッドの直径を決定することが含まれる。外科医は、例えば、処置を始める前に、モニター５２に示された（一つ又は複数の）ツールの画像がツールの正確な位置と向きを示すように、一つ又は多数のツールの特性を決定することを望む場合がある。さらに、ツールの現に存在するツールヘッドを、異なる寸法を有するツールヘッドに交換する場合、外科医は、手術中に、ツールを再較正するため、本発明のツール較正器５０を使用することがある。従って、例えば、手術中に、異なる大きさのドリル用ドリルビットが必要とされるときは、外科医は、速やかにかつ効率よく、ドリルを再較正し、新しいドリルビットを有するドリルの画像がモニター５２上に正確に再生されるようにすることができる。
【００２３】
ツール３５などのツールを較正するために、まず、ブロック７０ｂをブロック７０ａに対して、千鳥状に配置されたＶ形溝部分８６ａ，８６ｂ，８８ａ，８８ｂ，９２ｂにより画定された開口がツールヘッド３９を容易に受け入れるのに十分大きくなるような位置にスライドさせる。ツールヘッド３９の先端４０は、次いで、ブロック７０ａの表面９５ａの領域９７ａ上に位置決めされる。次いで、ユーザーは、図７にもっともよく示すように、ツールヘッド３９の外径１１０がＶ形溝部分８６ａ，８６ｂ，８８ａ，８８ｂ，９２ｂによって、適所に固定されるように、ブロック７０ｂをブロック７０ａに対して、スライドさせることによって、ツールヘッド３９を適所に固定する。これらが完了すると、ユーザーは、ツール較正器５０の位置信号出力装置１００及びツール３５の位置信号出力装置４３が全て、カメラ２２によって検出可能なように、ツール較正器５０を位置させる。最後に、コンピュータシステム４２が検出された情報を記録するように、ユーザーは、コンピュータシステム４２に新しいツール較正が行われていることを示すコマンドを入力する。
【００２４】
図４及び図６からもっともよくわかるように、好ましい実施形態においては、２つの軸線１１５ａ，１１５ｂを比較することによって、先端４０が向いている方向とともに、ツール３５の先端４０の位置が決定される。手術室に対する軸線１１５ａ及び１１５ｂと面９５ａの位置を、ツールインタフェイスユニット６２及びコンピュータシステム４２が知ると、コンピュータシステム４２は、ツール３５の位置基準系に対するツールヘッド３９の方向と先端４０の位置とを決定する。ツール３５の位置基準系に対するツールヘッド３９の方向は、ツールヘッド３９の長手方向軸線１２０の位置を計算することにより、コンピュータシステム４２によって決定される。より詳細には、ツールヘッド３９が、Ｖ形溝８６ａ，８６ｂ，８８ａ，８８ｂ，９２ｂにより適所に固定されると、ツールヘッド３９の軸線１２０は軸線１１５ａ，１１５ｂの間の中間部分に位置される。従って、軸線１１５ａ，１１５ｂの間の中間点を計算することによって、先端４０が向いている方向が容易に決定される。
【００２５】
今、図６を参照すると、ツール３５に関して選択された点とツール較正器５０に関して選択された点との間のオフセット値を計算することによって、先端４０の位置が計算される。好ましい実施形態では、ツール３５に対して選択された点は、位置信号出力装置４３ａの中心に位置している点Ｃである。さらに、ツール較正器５０のために選択された点は点Ａである。点Ｃ及び点Ａの両方がカメラ２２によって追跡されるので、これら点の間の精密なオフセットを容易に決定することが可能である。この例では、点Ｃと点Ａの間のオフセットは、ある値Ｌ１として示されている。さらに、点Ａと表面９５ａの間の既知のオフセットＬ２がわかり、メモリ１０４ａに格納される。従って、先端４０が点Ｃから位置決めされる（Ｌ１＋Ｌ２に等しい）完全なオフセット値及び先端４０がツール３５の軸線１２０に沿って位置決めされていることを知ることによって、本技術分野でよく知られているように、ツール３５の位置基準系に対する先端４０の精密な位置を計算することができる。この例では、先端４０の位置からのオフセットは点Ａ及びＣに対して計算されたが、ツール較正器５０及びツール３５の位置基準系に対する任意の２点をそれぞれ使用できることが理解できるであろう。
【００２６】
今、図８を参照して、ツールヘッド３９の直径Ｄの決定に関する計算につき、さらに詳細に説明を加える。上述のように、各Ｖ形溝８６ａ，８６ｂ，８８ａ，８８ｂ，９２ｂの角部の角度は９０度である。したがって、ツールヘッド３９の直径の如何にかかわらず、図７に示すように、ツールヘッド３９を支持する千鳥状に配置されたＶ形溝８６ａ，８６ｂ，８８ａ，８８ｂ，９２ｂの上面図は、常に正方形をなす。幾何学を用いて、ツールヘッドの直径Ｄを容易に計算できる。より詳細には、軸線１１５ａと１１５ｂの位置を知ることによって、上述したように、コンピュータシステムは前述した２つの軸線間の距離Ｘを決定することができる。次に、斜辺がツールヘッドの直径Ｄに等しい二等辺三角形を想定することによって、直径は既知の幾何学的な関係を使って容易に計算可能である。本発明においては、直径Ｄと距離Ｘの間の関係は、次式によって表される。
【００２７】
（１／２＊Ｘ）² ＋（１／２＊Ｘ）² ＝ Ｄ²
直径Ｄを解くと、直径Ｄはほぼ０．７０７１＊Ｘに等しいことがわかる。Ｖ形溝８６ａ，８６ｂ，８８ａ，８８ｂ，９２ｂが９０度以外の角度の場合には、容易に、他の既知の幾何学的関係を用いて、ツールヘッド３９の直径Ｄを計算するできるのは当然である。従って、本発明のツール較正器５０を使って、先端４０の位置、先端４０が向けられている方向及びツールヘッド３９の直径Ｄを同時に計算することができる。
本発明の他の実施形態では、ツール較正器５０は位置信号出力装置１００も含んでいない。むしろ、上述の実施形態において、位置信号出力装置１００（図３参照）の各々の中心点があった位置に、ブロック７０ａ，７０ｂの前面７２ａ，７２ｂ上に、ディボット（divot)を置いている。代わりに、中心点の位置を表示するために、ドット、十字又は他のマーキングを表面に描きまたは刻み付けてもよい。
【００２８】
他の実施形態のツール較正器５０に導入されたツールを較正するために、ユーザーは、上述したのと同様の方法で、ツールをツール較正器５０に位置させる。ツールがツール較正器５０内に位置させられ、固定されると、ユーザーは、次いで、ツール較正器を表面上に置くか、そうでなければ、ツール較正器を手術室基準系に対する位置に確実に固定するようにする。さらに、ユーザーは、プローブ３５（図１ａ参照）などの適当な追跡プローブを用い、ディボット（divot)又はマーキングの各々にプローブの先端４０を接触させ、それらの位置をコンピュータシステムに登録する。かかる情報がコンピュータシステムに記録されると、較正されているツールの先端の位置、ツールのツールヘッドの方向及びツールヘッドの直径は全て、好ましい実施形態について上述したのと同じ方法で、決定することができる。
【００２９】
本発明を、好ましい実施形態につき説明した。上述の詳細な説明に読み、理解すれば、修正と変更が可能であることは明らかである。例えば、上述の好ましい実施形態において、ブロック７０ａ及び７０ｂの各々を位置させる平面を画定するように、各ブロック７０ａ及び７０ｂは十分な数の位置信号出力装置１００を有することが示されている。しかしながら、各ブロック７０ａ及び７０ｂの前面７２ａ，７２ｂは、互いに連結されたときに同一平面内にあるので、２つの位置信号出力装置をブロック７０ａ，７０ｂの一方に置き、１つだけの位置信号出力装置をブロック７０ａ，７０ｂの他方に置いて、ブロック７０ａ，７０ｂの双方からの組み合わされた情報を用いて、組み合わせの存在する平面を決定することができる。さらに、ツール３５の軸線１２０の位置に関する情報がコンピュータシステム４２にとって既知であり、ツールヘッド３９の長さのみが変えられている場合には、新たな先端４０の位置を計算するため、ただ１つの位置信号出力装置１００を、ツール較正器５０の全体に関連付けるだけでよい。例えば、較正中に、ツール３５の先端４０が接触する表面９５ａ上又はこれに隣接して、単一の位置信号出力装置を置き、ツール３５上の点Ｃとツール較正器５０上の一つの位置信号出力装置との間の単一のオフセット値を測定することができる。添附の特許請求の範囲又はそれらの均等物の範囲内である限り、本発明は、このようなすべての修正と変更を含むものとして解釈されるべきことが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】本発明が設けられる手術室の斜視図である。
【図１ｂ】図１の手術室で使用する取り外し可能な基準系ターゲットを備えたドリルの斜視図である。
【図２】本発明にかかる装置のブロックダイアグラムである。
【図３】本発明の好ましい実施形態のツール較正器の等角図である。
【図４】図３のツール較正器の各ブロックの正面図である。
【図５】図３のツール較正器の各ブロックの平面図である。
【図６】較正のためのツールを受け入れる図３のツール較正器の正面図である。
【図７】ツールの部分断面図を含む図６のツール較正器の上面図である。
【図８】図３のツール較正器とツールのツールヘッドの直径との間の幾何学的関係を示す図である。
【符号の説明】
１２ 手術室
２０ 位置探査装置
２２ カメラ
３５ ツール
３７ ハンドル
３９ ツールヘッド
４０ 先端
７８ａ，７８ｂ，
８０ａ，８０ｂ インタフェース
８６ａ，８６ｂ，８８ａ
，８８ｂ，９２ｂ Ｖ形溝
１００ 位置指示計

Claims (13)

1. 外科ツール（３５）を較正するのに使用する装置（５０）であって、
   前記外科ツール（３５）の先端（４０）を前記装置の位置（９７ａ）に位置決めし、かつ、前記装置に対する前記外科ツール（３５）のツールヘッドの軌跡を方向付けるための位置決め手段（７０ａ，７０ｂ）を備え、
   前記外科ツール（３５）は、前記先端の位置と、前記ツールヘッドの軌跡を画像管理外科装置の構成要素に連絡するための、前記外科ツール（３５）に取り付けられた位置信号出力装置（４３ａ、４３ｂ、４３ｃ）を備え、
   前記装置は、さらに、前記先端の位置と、前記ツールヘッドの軌跡を前記画像管理外科装置（１４）の構成要素に連絡するために、前記位置（９７ａ）と既知の関係で、前記装置に固定された位置表示計（１００）を有する、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記位置決め手段は、第１の部分（７０ａ）と、第２の部分（７０ｂ）とを含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の部分（７０ａ）及び前記第２の部分（７０ｂ）の各々が、少なくとも一つのＶ形溝（８６ａ，８６ｂ，８８ａ，８８ｂ，９２ｂ）を含んでいることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記Ｖ形溝の各々の角度が実質的に９０度であることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 前記第１の部分（７０ａ）と前記第２の部分（７０ｂ）が、スライド可能なインタフェース（７８ａ，７８ｂ，８０ａ，８０ｂ）を含んでいることを特徴とする、請求項２から４のいずれか１項に記載の装置。
6. さらに、前記第１の部分上に配置された少なくとも３つの位置表示計（１００）と、前記第２の部分上に配置された少なくとも３つの位置指示計（１００）とを有することを特徴とする、請求項２から５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記位置表示計の各々が、反射素子又は赤外線エミッタを含んでいることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 前記位置決め手段が、前記外科ツールの寸法を測定する測定手段を含んでいることを特徴とする、請求項２から７のいずれか１項に記載の装置。
9. さらに、前記外科ツールの測定された寸法を示す信号を与える手段を含んでいることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 外科ツール位置指示計（４３，４７）を有する外科ツール（３５）の特性を較正するのに使用される方法であって、
    較正ツール（５０）に対する位置に前記外科ツールの先端（４０）を位置決めし、前記較正ツール（５０）に対して、既知の関係で、ツールヘッドの軌跡を方向付ける段階を含み、前記位置および方向は、前記較正ツール（５０）に固定された較正ツール位置表示計（１００）と既知の関係を有しており、
    前記方法は、さらに、
    前記較正ツール位置表示計（１００）の位置を示す信号を画像管理外科装置（１４）の構成要素に与える段階と、
    前記外科ツール位置指示計（４３，４７）の位置を示す信号を前記画像管理外科装置（１４）の構成要素に与える段階と、
    与えられた前記信号に応答して、前記外科ツールの特性を決定する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
11. 請求項１０に記載の方法において、
    前記外科ツールの寸法を測定する段階と、
    前記外科ツールの測定された寸法を示す信号を与える段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
12. 前記外科ツールの測定された前記寸法を決定する段階を含んでいることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 決定された前記特性が、前記外科ツールの先端（４０）が前記外科ツール位置表示計上の既知の点（Ａ）から位置決めされる距離（Ｌ２）であることを特徴とする、請求項１０から１２のいずれか１項に記載の方法。

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