JP4439812B2 - 材料切除または材料加工の方法およびデバイス・システム - Google Patents

Description

本発明は材料または組織切除、または材料または組織処置のための方法およびデバイス・システムに関し、医学および歯科、ならびに特許請求の範囲第１項の先行技術部分に記載の様々な利用分野およびモデル加工における異なる種類の材料加工のために応用可能である。

本発明による方法およびデバイス・システムは、例えばハンドピースの制御された配置およびガイド、ならびにインプラント、インレー、およびオンレーの保存および挿入のための準備として最適に組織を切除するために、外科および歯科におけるエフェクタ出力のオン、オフ、調整、またはパラメータ化のために利用できる。さらに、高い精度で切除面を設定することができる。

現在では医学における組織切除のために医療用ハンドピースのチャックに挿入されたドリル、フライス、およびソーのような器具が主として使用されている。まれには軟組織および硬組織を分離および／または切除可能であるレーザ・システムも採用されている。

組織切除の場合、組織切除面、組織開口、および組織穴（空洞）または通路が生じるようにし、かつ、これらは医学的な基準（例えば残留組織に腫瘍がない、細菌がない、虫歯がない、または残留組織が極めて固いなど）および／またはその他の基準（例えば除去された組織の幾何形状が対応物を嵌込むための特殊な嵌込みフォームを有している）を満たす必要がある。

測定技術から、基準座標系に対する工具の状態（位置および向き）を測定することができる座標測定システムが公知である。

コンピュータを利用した外科から、組織が位置合わせされた後、患者の組織に対する器具の状態（位置および向き）を表示できる医療用ナビゲーション・システムが公知である。

さらにロボットを利用した外科から、例えば穴が特定の状態（位置および向き）に到達し、または特殊な幾何形状を有している空洞が穿孔されるように、器具をロボットにより予め予定された進路で移動させることが可能な医療用ロボット・システムが公知である。

その上、ロボットを利用した外科から、器具は受動的（能動性が制動された）または能動的（能動的に動く）運動装置に固定されるが、例えば穴を特定の状態（位置および向き）にセットし、または特殊な幾何形状を有している必要がある空洞を穿孔するために、規定のボリューム内で、規定の平面上に、かつ規定の進行経路（直進、カーブ）に沿って医師によって器具または運動装置が直接操作されることによって手動的に移動可能である医療用対話システムが公知である。さらにロボットを利用した外科から、器具は能動的な運動装置（スレーブ・マニピュレータ）に固定されるが、例えば穴を特定の状態（位置および向き）にセットし、または特殊な幾何形状を有している必要がある空洞を穿孔するために、連結された入力運動装置（マスター・マニピュレータ）を介して、規定のボリューム内で、規定の平面上に、かつ規定の進行経路（直進、カーブ）に沿って医師によって直接操作されることによって手動的に移動可能である医療用対話システムが公知である。

歯科の場合は、フィルム投影またはその他の方法によって三次元表面モデルを高い精度で計測できるハンドスキャナが公知である。

手動操作の器具では、組織切除の状態および／または幾何形状が事前に、または動的に規定された医学的基準（例えば残留組織に腫瘍がない、細菌がない、虫歯がない、または残留組織が極めて固いなど）または幾何形状的な基準（例えば残留組織、または除去された組織の幾何形状が対応物を嵌め込むための特殊な嵌込みフォームを有している）を高い忠実度で満たすように組織切除を実施することはこれまでは医師にとって不可能である。

このことは手を基準座標系内で空間的に精密に位置合わせするための人間の能力が欠如していることに関連している。

ナビゲーション・システムを用いた場合でも、手動操作の器具では、組織切除の状態および／または幾何形状が事前に、または動的に規定された医学的基準（例えば残留組織に腫瘍がない、細菌がない、虫歯がない、または残留組織が極めて固いなど）または幾何形状的な基準（例えば残留組織、または除去された組織の幾何形状が対応物を嵌め込むための特殊な嵌込みフォームを有している）を高い忠実度で満たすように組織切除を実施することはこれまでは医師にとって不可能である。

例えばレーザ・ビームのような非接触的な組織切除エフェクタによって、ユーザは硬組織の手動的な処置に際して接触によってではなく、切除される組織の幾何形状、または発生する嵌込みフォームの幾何形状を検出することが可能である。したがって手動的には特定の基準（例えば円筒形）を満たす嵌込みフォームを製造することはできない。

ロボット制御、遠隔操作、または対話型ロボットによって操作される器具の導入には常に著しい機器の経費が伴い、その結果コストが上昇する。その上、関与する医療要員ならびに看護要員の高レベルの訓練および目的意識（モチベーション）が要求される。膨大な教育費用および設備投資が費やされなければならない。手術はロボットなしの場合よりも長くかかる場合がよくある。

ロボットによって所望のクオリティを達成するには、患者は固定されなければならない。

歯科では組織切除センサおよび／または器具との接触によって誤って隣接する組織を不要に傷つけてしまう場合がよくある。ナビゲーションを援用しても空洞をきちんと形成することは不可能である。事前に製造されたインプラントをきちんと嵌め込むことはできない。後に嵌め込まれるインレー、オンレーまたはブリッジを前もって製造することはできない。後に嵌め込まれる超構造を前もって製造し、これを完璧に嵌め込むことはできない。インプラント・メーカーまたはそれと同等のメーカーで極めて高い品質で製造される標準形インレー、オンレーまたはブリッジでも、これを使用することはできない。特定の医学的基準（例えば感染したり、腫瘍があったりする組織との距離）を満たすように、空洞をきちんと形成することはできない。特定の製造技術上の基準（例えば３軸フライスによる製造のための嵌込み体の成形）を満たすように空洞をきちんと形成することはできない。嵌込み体の組込みのための特定の基準（押し込み、差し込み、回転可能に固定する）を満たすように空洞をきちんと形成することはできない。基準の組合せを満たすように空洞をきちんと形成することはできない。（例えばモデルで）手動的に実施される組織切除を検出し、記憶し、同一または別の対象（例えば患者の組織）での最適な形式の組織切除のための「パターン」として使用することはできない。

軟組織外科では、特定の医学的基準（例えば感染したり、腫瘍があったりする組織との距離）および／またはトランスプラントおよびインプラントの組込みのための基準（例えば組織切除後のバスト）を満たすように、切除面を設定することはできない。

膝の義肢術では固定具、または運動装置によるガイドなしで互いにきちんと規定された切除面を有する多層切除面を製造することはできない。

脊柱外科では、組織の固定、および／または器具の運動装置によるガイドなしで減圧術および脊内ねじの挿入を行うことはできない。

公知の解決方法のその他の欠点は、先行技術によるナビゲーション・システムは遷移マトリクスが事前に判明していない工具を使用できないことにある。それによってユーザは特定の会社の工具セットの使用に限定されてしまう。ユーザは新規の工具を簡便に較正することができない。較正には少なくとも１つのボタンを押すことが伴う。例えばハンドピースのような器具の工具を交換する場合、位置合わせされていない工具を使用する恐れが大きい。このことは患者を傷つけることがあるが、それは位置と角度の指定が誤っていても、そのことを認知できないからである。

特にコンピュータを利用した歯科用のハンドピースは様々な公刊物に記載されている。歯科では現在、空間的な基準設定のためにハンドピースのマーキングが必要な２つの方法がある。その一方はナビゲートされた状態の配向を伴う手動的な穿孔であり、他方は例えばロボットのような移動構造による穿孔である。

米国特許明細書第４８２４３６７号は、歯科用ハンドピースによって作動されるフライス・ヘッドの配向を表示する電気角度信号を発生するための角度表示器と、予め調整された軸の位置を表示する電気基準信号を調整するための調整素子と、角度信号が予め調整された領域外にある場合は警報信号を発する警報素子とからなる、歯科用ハンドピースの平行な配向を表示する装置を記載している。

米国特許明細書第５０１７１３９号は、前端と後端とを有する構造が生ずるように互いに順次連結された複数個のアーム・セグメントと、構造の第１端部を固定プラットフォームに固定するための第１固定部材と、手術器具を構造の第２端部に装着するための第２固定部材と、複数個のエンコーダとからなっていて、各エンコーダは、個々のセグメントの位置を示す電気信号を発生することによって手術器具の位置を継続的にフォローできるようにするためにアーム・セグメントと連結されている構成の、三次元輪郭情報を得るための歯科／医科用の手術器具を有する装置を記載している。

米国特許明細書第６０００９３９号は、歯科用ハンドピースに取り付けるための、穿孔角度の信号を発する配向素子と、歯の構造に取り付けるための、歯の角度信号を発する配向素子と、双方の角度信号の差が事前調整された範囲外にある場合に警報信号を発する比較素子とからなる、歯科用ドリルを精密に位置合わせするための装置を記載している。

欧州特許明細書第０ ７４１ ９９４ Ａ１号は、下記のステップ、すなわち状態を特定するための装置をマーキング・ポイントによって人の口腔内に誘導するステップと、結像方法によって顎の少なくとも１枚の写真を作成し、その際にマーキング・ポイントが共に撮影されるステップと、マーキング・ポイントを特定するステップとからなり、表示のために以下の点、すなわち当該の顎の外側に三次元センサを取り付けること、状態を特定するための装置がその間に取り外された場合は、この装置を写真作成時と同じ状態で更めて口腔内に誘導し、その際に装置は三次元センサを搭載していること、装置の三次元センサと顎の外側の三次元センサとの状態の関係を特定すること、状態を特定するための装置を取り外すこと、顎の光学画像と適正状態の配位のデータセットとのスーパーインポーズを作成すること、が実施される人の顎を表示する方法を記載している。

一群の記載内容は、顎のモデルを表示する方法、および顎のモデルと顎を表示するための方法をも記載している。一群の記載内容はさらに、顎もしくはそのモデルの写真またはビデオ画像が補足的に作成され、それが結像方法による写真と重複される、顎および／またはそのモデルを表示するための方法を記載している。

米国特許明細書第５６８８１１８号から歯内に空洞を作製するように歯科医を訓練するシステムが公知である。その際に処置椅子に顎のモデルを伴う人体模型のトルソー（胴体）が設置される。生徒は、構造と動作方法もしくは応用方法が患者の治療用の「本物の」処置ユニットとは異なっている空気圧ドリル駆動器具およびハンドピースからなる特別の訓練ユニットで処置を行う。三次元測定システムを介して「ハンドピース」および「ドリル」ならびに「ミラー」の空間的な位置および向きを測定することができる。このシステムの目的は、歯と共に顎のモデルの三次元画像をスクリーンに表示し、人体模型の画像データと対比した、生徒が持っている歯科医用ハンドピースの位置をスクリーンに表示することにある。これには歯科医用ミラーの「画像」をモデル・データから計算し、表示するという目的がある。また、空洞を準備する訓練で、歯科医の訓練時間を短縮するという目的がある。歯の空洞を実際に穿孔する場合と同様の騒音と感触が伝わる必要がある。この機器は生徒に対して、後にナビゲーションの援助なしで本物の患者と本物の処置ユニットで処置する状況で、聴覚、触覚、および視覚の情報を正しく解釈し、それに応じて処置を調整するようにする効果を及ぼす。生徒は訓練の計画で指定されている歯の状況を考慮に入れて、人体模型の義歯に空洞を穿孔するという任務を有している。生徒に対して処置状況の特定の特徴を聴覚的、および視覚的に伝えるために、空気圧駆動器具の圧力供給をバルブで調整できる。硬質の歯材料をシミュレートする場合にはドリルの出力は低減され、軟質の歯材料をシミュレートする場合にはドリルの出力は上昇される。制御は基本的に、シミュレートされる歯のモデルのプログラムされた、幾何的にモデリングされた特性に応じて行われる。システム全体は人間工学的な観点から、歯科医の処置システムとの光学的な類似性を有することができる。このシステムはそのコンセプトおよび動作の方法の点で処置システムとして導入することはできない。

米国特許明細書第５２５７２０３号には、他の歯科モデル加工を実施できる工具機械の制御方法が記載されている。このような機械は独自の発明を優れて補完するものである。しかし、この機械は患者には導入されず、患者の空洞の添窩（アンダーカット）を事後的に補正することはできない。

米国特許明細書第５７２５３７６号には、ドリル型板の製造方法が記載されている。実際にはこの方法には、ドリル型板を口の粘膜に固定することが困難であり、かつ正に穿孔すべき位置にハンドピースをガイドするための型板があるという決定的な欠点がある。この方法は空洞の任意の形成には利用できない。

ドイツ特許明細書第１９５３４５９０号には、歯の硬質材料を除去する方法が記載されている。この場合、レーザ出力はレーザ・ハンドピースと組織の距離に応じて切換えられる。特定の幾何形状的特性を有する組織切除はできない。

ドイツ特許明細書第１９９ ０２ ２７３ Ａ１号は、目下のインプラント・ドリル位置を三次元レントゲン撮影で結像し、空間内の位置を固定された動的な基準フレームによって特定するナビゲーション・システムによって歯科医インプラントの顎骨内への配置を相互運用可能に決定する装置であって、動的な基準フレームは少なくとも１つの歯および／または顎への固定部材と、これに関連する動的な基準フレームを有する取外し可能な部材とからなることを特徴とする装置を記載している。しかしこの方法は既に１９９８年以来Ｃｈａｒｉｔeで使用され、発表されている。

米国特許明細書第５３３２３９１号は、ドリル軸が歯の閉塞面に対して垂直に位置合わせされるように、各々の歯科用ハンドピースがドリル軸の別の角度を有する多数の歯科用ハンドピースを支持する装置であって、歯科用ハンドピースをガイドするためのホルダと、閉塞面に対するドリルの向きを一定に保持するため、回転の支点が固定されている自由端との平行構造の形式の連結部と、ホルダを回転の支点と連結するために回転の支点の近傍に配設された部材とからなり、ホルダは取外し可能である装置を記載している。

米国特許明細書第５９８９０２４号は、２つの端部を有する調整可能なアームと、工具を一端に固定するためのクランプ装置と、動作ピースに固定可能である他端にあるベースとからなり、アームは工具の前後軸に沿って移動可能である第１の部分を含む構成の、工具が空間内で動かされる場合に、工具の軸を一定に保持する前後軸を有する、被動工具と連動する装置を記載している。

米国特許明細書第５２８１１３６号は、アームを歯科用ドリルの一端に固定でき、アームがドリルの軸を事前調整された処置面に対して常に垂直に保持するように構成されている、固定された基準点に固定可能である可動アームと、椅子に固定可能であるヘッド・レストおよび、顎をヘッド・レストに固定するための部材からなる、患者の頭および顎を安定させるための部品とからなる、歯科用ドリルを支持するための装置を記載している。

米国特許明細書第５５７５６４６号は、ベアリングと、互いに連続して連結され、方形の一方はベアリングと連結され、他方は歯科用ドリル器具を保持する部分と連結されることで、ドリル器具の軸が一定に保たれる２個の方形部材を有するアームと、動作軸の方向を調整するための調整部材とからなり、ベアリングは椅子の背もたれと連結するための固定部材を備えており、方形部材は互いに９０°の角度で配置されていることにより、一方の部材は患者の上方にあり、他方の部材は患者の前方にある、歯科用ドリルを支持する装置を記載している。

米国特許明細書第６０３０２１１号は、一点に固定されたキャリッジと、キャリッジの一端に固定され、第１の縦座標ｚ内を移動可能であり、ヒンジ継手を介して連結アームを受けるための他端を有する中間部と、器具ホルダを保持する前記連結アームに取り付けられた動作ヘッドと、器具ホルダを他の２つの縦軸ｘおよびｙに動かすことによって、器具ホルダがｘ、ｙ、およびｚ、および回転軸で移動可能であるようにする２つの部材とからなる、操作装置を記載している。

ＷＯ９８／４００３０号は、シミュレートされた歯科用インプラントの位置を、レントゲン撮影機から、患者の顎の鋳型内で穿孔するために使用されるロボットへと移転させるシステムを記載している。このシステムには機械的ベアリング、ならびに鋳型を再現可能な状態でベアリングに固定するための部材を含んでおり、鋳型はレントゲン撮影で目視可能な少なくとも２つの方形部材を含んでいる。

現在の技術水準では、問題なくナビゲーション・システムと共に使用できるように、歯科医のハンドピースに僅かな修正で事後的にマーキングを備えることはできない。この用途のための特殊なハンドピースはあるが、これは歯科医が入手するには高価である。それは通常のタービンを使用できず、タービンとハンドピースを簡単に分離できない。

歯科医は「ノーマル」であると同時に「ナビゲート可能な」ハンドピースを備えなければならない。

米国特許明細書第４８２４３６７号

米国特許明細書第５０１７１３９号

米国特許明細書第６０００９３９号

欧州特許明細書第０ ７４１ ９９４ Ａ１号

米国特許明細書第５６８８１１８号

米国特許明細書第５２５７２０３号

米国特許明細書第５７２５３７６号

ドイツ特許明細書第１９５３４５９０ Ａ１号

ドイツ特許明細書第１９９ ０２ ２７３ Ａ１号

米国特許明細書第５３３２３９１号

米国特許明細書第５９８９０２４号

米国特許明細書第５２８１１３６号

米国特許明細書第５５７５６４６号

米国特許明細書第６０３０２１１号

ＷＯ９８／４００３０号

本発明の目的は、専攻技術のよく知られた欠点を回避し、かつユーザが材料または組織を制御された状態で切除し、または処置することができ、切除の際には過剰な、または過少な材料または組織を除去しないようにする方法とデバイス・システムとを創出することにある。さらに、材料または組織は適正な位置で精密に除去されなければならず、かつデバイス・システムは機器とともに様々な工具を自由に危険なく使用できるものでなければならない。

上記の目的は本発明によって特許請求の範囲第１項から３８項の特徴部分に記載の方法およびデバイス・システムによって達成される。本発明の目的に適った実施形態はそれぞれ従属項に含まれている。なお本発明の材料切除または材料加工の方法における材料は、人の組織を除外したものである。本発明のデバイス・システムの使用についても同様である。

本発明の特別の利点は、エフェクタの位置および／または向き、および少なくとも１つの標準体の状態に対する前記位置および／または向きの変化に関するデータが検出され、記憶され、かつコンピュータ処理されるとともに、エフェクタの所定の処置容積、および／または材料切除容積、および／または材料残留容積に応じてオン／オフ機能へとスイッチされ、またはオン機能ではその出力および／またはパラメータ化に関して制御および／または調整されるように、制御および／または調整の命令が起動されることによって、最短時間内で正確な材料切除または高精度の再現性がある材料加工を実現可能であることにある。

到達した対象表面の状態と幾何形状が検出され、それ以降の加工プロセスのために同じ対象または別の対象が記憶されることによって、多様な使用分野が開拓される。

材料切除または材料処置の方法およびデバイス・システムは、少なくとも１つの基準を満たすために対象の材料が処置され、または切除され、好適には配置された、および／またはガイドされた材料処置用または材料切除用のエフェクタの出力および／または幾何形状および／または状態は、基準ができるだけ最適に満たされることができ、かつ到達した対象表面の状態と幾何形状が検出され、かつそれ以降の処置プロセスのために同じ対象または別の対象が記憶され、かつ好適には、使用される嵌込み体の製造、加工、ならびに材料切除と製造された、または既存の嵌込み体の嵌込みとの時間間隔が短縮されるように制御または調整されることに基づくものである。

この方法とシステムは、例えばハンドピースの制御された配置およびガイド、ならびにインプラント、インレー、およびオンレーの保存および挿入のための準備として最適に組織を切除するために、外科および歯科におけるエフェクタ出力のオン、オフのために利用できる。さらに高い精度で切除面を設定することができる。

幾何形状的な要求に関して、きちんとした精密な切除面を設定し、穿孔し、空洞または歯の基部をフライス削りし、動きをきちんと計測することができる。

歯科医学では、あたかもガイド用運動装置が使用されたように正確にインプラント用の穴をフリーハンドで穿孔することも可能になる。その場合、歯科医学ではインレー、オンレーまたはブリッジを前もって製造し、既にあるインレーまたはオンレーを完璧に空洞内に、または歯の基部に嵌め込むように空洞を形成することが可能になる。それによってインレーまたはオンレーを現場製造しなくても済む。インレーおよびオンレーは明らかに適正価格で高い性能で量産され、貯蔵することができる。形成と供給との間の期間は著しく短縮される。

歯科医学では、同時に組織を医学的な観点から除去しつつ、これと並行して組織を最大に保存して（アンダーカットなしで）嵌込み体との接合を可能にする空洞または歯の基部を形成することが可能になる。複雑な幾何形状を実現することができる。

軟組織外科では、例えば電磁リフレクタに基づく組織位置測定システムを同時に使用すれば、複雑な組織構造の分離の際に（内蔵外科）手動により完璧な組織分離を達成することが可能になる。器具をガイドするためのコストが高い機械構造は不要になる。ロボットを導入しなくても、手動による器具ガイドで匹敵する結果を達成できる。これは現在の状況と比較して著しい改良である。医療用フライス・ロボットの機能を充分に代用できる。組織切除の場合も、組織切除の幾何形状を測定し、次にこの幾何形状を何度も使用できる。これはモデル加工を他の種類の組織に移行させる場合に有利である。さらに、型を、軸を支点に、または三次元モデリングとして映すことができる（雄型、雌型）。

パターンも単数または複数の軸を支点に映すことができる。幾何形状の一部を雌型から雄型内へと映すことができる。

ユーザは手動的にガイドされる器具を使用して、組織切除の状態および／または幾何形状が事前に、または動的に規定された医学的基準（例えば残留組織に腫瘍がない、細菌がない、虫歯がない、または残留組織が極めて固いなど）または幾何形状的な基準（例えば残留組織、または除去された組織の幾何形状が対応物を嵌め込むための特殊な嵌込みフォームを有している）を高い忠実度で満たすように、組織切除を実施することができる。手を基準座標系内で空間的に精密に位置合わせするための人間の能力の欠如は補償される。

歯科では、事前に製造された超構造、インレー、オンレー、またはブリッジを使用できる。複雑な幾何形状のフォームを手動的に製造できる。切除のＣＡＤデータを作成することができる。幾何形状データはインプラントを製造するために、またはトランスプラントを分離するために使用できる。幾何形状データは品質の証明に利用できる。

脊柱外科では、手動的に孔およびフライス面をよりきちんと製造できる。膝の義肢術では手動的に切除面をよりきちんと設定できる。医学のほとんど全ての分野で器具のガイドで明確な利点が得られる。この方法によって、例えば硬組織の手動的な処置におけるレーザ・ビームのような非接触的な組織切除を行うエフェクタを使用しても、特定の基準（例えば円筒形）を満たす嵌込みフォームを製造することができるようになる。

本発明の他の利点は、工具保持装置を有するハンドピースの位置と向きを伴う状態Ｔ＿ＨＡＮＤが検出され、または計算されることによって、位置合わせされた工具で妨害なく処置することが可能になることにあり、ハンドピースと工具保持装置の間の遷移マトリクスＨＡＮＤ＿Ｔ＿ＳＰＡＮＮが記憶され、長さのような欠如した状態−自由度を除く工具保持装置と工具エフェクタの間の遷移マトリクスＳＰＡＮＮ＿Ｔ＿ＷＥＲＫおよび位置合わせポイントＰ−ＲＥＧが判明する。

時間の経過と共に幾何形状が変化する工具は繰り返し較正される。全ての器具は常時較正される。本発明の利点は、較正プロセスが妨害と感じられずキーを押す必要がないことにある。較正には機械との対話が全く必要なく、ポイントに触り、信号を待てばよい。工具の較正を忘れることはもはやあり得ない。工具を交換する医療用ナビゲーション・システムの確実性と操作性は著しく高まる。

本発明のその他の利点は、従来のハンドピースをナビゲーション・システムに利用できることであり、ハンドピースはマーキング支持体を事後的に取り付けるための少なくとも１つの開口を設けており、開口はハンドピースとマーキング支持体を取り付けた状態でマーキング支持体の隆起部と遊びなくぴったりと合って係合するように形成されており、またはハンドピースはマーキング支持体を事後的に固定するための少なくとも１つの隆起部を備え、この隆起部はハンドピースとマーキング支持体を取り付けた状態でマーキング支持体の開口と遊びなくぴったりと合って係合するように形成されている。

次に本発明の少なくとも一部を図示した実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１は組織対象５の基準状態４に対して測定可能なエフェクタ状態（位置および向き）にある組織切除エフェクタ２を有する医療器具のハンドピース１を示している。組織を削除するエフェクタ２の幾何形状は準不変であるものとして知られており（例えばフライス、ドリル）、または測定もしくは調整可能である（例えばレーザ）。組織を切除する出力は少なくともオン・オフ切換えでき、または好適には制御もしくは調整できる。エフェクタ２とは、のこ刃、ドリル、フライス、水または粒子噴射、レーザ・ビーム、超音波、または組織切除のためのその他のエフェクタである。組織対象５の基準状態４Ｔ＿ＯＢＪに対する組織切除エフェクタ３の相対的な状態Ｔ＿ＥＦＦは、例えば人口的な、または解剖学的な測定マークの上に公知の状態で構成された座標測定方法によって算定できる。図１にはエフェクタまたは組織対象に対する状態がしっかりと固定されているマーキング支持体６が示されている。マーキング支持体６には、図１に示すように、光学座標測定システム内の信号リフレクタとして使用できる、反射性のガラス玉からなるマーキング７が配置されている。

マーキング７は一般に、相互の、およびそれぞれのマーキング基準系８に対する相対的な状態（位置および／または向き）が事前に判明している多数のポイント、パターンまたはボデーであり、必要があれば少なくとも１つの状態測定座標系に対するその状態を特定することができる。そのためには様々な測定方法（信号送信、信号受信および信号反射ポイント、パターンまたはボデーを有する光学式、音響式、電磁式、レーダ使用、レーザ使用、ライン・カメラ、フラット・カメラ、ビデオ・シーケンス、三次元表面カメラ、三次元レーザ・カメラ、三次元レーダ方式等）を使用できる。

あるいはマーキング７を、それぞれのマーキング基準系８に対して判明している状態で測定ゲージを支持するフランジとして実施することもできる。マーキング７はそれぞれのマーキング支持体６に取り付けられ、刻み目が付けられ、かつ／またはマーキング支持体６の幾何形状の一部に刻印されることができる。それぞれのマーキング支持体６はさらに、エフェクタ２のハンドピース１または対象自体によって形成されることもできる。

図２は、エフェクタの幾何形状２を測定されたエフェクタの状態３に空間的に重ねることによって計算される作用容積または作用幾何形状９を示している。作用容積とは、作用エフェクタによって最大限掃引される空間幾何形状のことである。さらに−組織切除前の−基準状態４にある組織対象容積５の切除量および作用容積９から構成された切除幾何形状１０または切除容積も記載されている。切除容積とは、エフェクタ２によって実際に切除される対象の容積である。組織切除にとって重要な対象組織幾何形状は、奥行き画像作成、または容積画像作成方法（レントゲン、超音波、レーザ、ＭＲＴ、ＣＴ、または表面画像等）、または表面画像作成方法（二次元、三次元表面スキャナ、ビデオ画像、ハンドスキャナ）、または触覚的もしくは非触覚的な距離画像作成方法（距離レーザ、触覚的測定ゲージ等）を介して後述の表面ネットワーク生成によって作成できる。最も簡単な場合は、エネルギーを使用しないエフェクタの幾何形状２によって表面への接触がなされ、そうすることで（測定ポイントから表面格子を作成することによって）表面が触覚的に測定され、あるいは距離を測定する、または表面を測定するセンサがハンドピース１に固定され、またはハンドピース１に組み込まれる。

切除容積１０は歯科の場合、例えば穿孔され、フライス削りされ、またはレーザ切除された歯、顎骨、またはモデル内の空洞であろう。切除容積１０は歯科では、冠を被せるための歯の基部を形成するために切除された組織であるとも言える。これに対応する例が外科にもある。切除容積１０は硬組織外科（骨切術）において組織を分離するための切除面、または軟外科（例えば内臓外科）における切除面であるとも言える。

図３は、切除される組織の容積１０を有する組織対象５と、切除容積の幾何形状１０、ならびにその他の医学的基準、および／または嵌込み体１１を製造し、かつ／または嵌込み体１１と残余組織容積５、１２を一体化するための基準に基づく嵌込み体１１の幾何形状とを示している。医学的基準とは、例えば嵌込み体１１の外表面または内表面が切除される組織１０に対して、または特定の組織特性（腫瘍、細菌、硬組織、海綿体、皮膚、神経、臓器等）を有する組織に対して最低距離を有しているということでもよく、または例えば細菌の温床（中空空間）を与えないということでもよい。歯科では嵌込み体１１は最適な咬合わせ（様々な顎の歯相互の適合）のような他の医学的基準をも満たさなければならない。嵌込み体１１を製造する基準は、基本素材または材料量が貯蔵庫にあること、または嵌込み体１１を公知の、および／または既存の工具、または工作機械で製造できることであってよく、したがってこれは特定の材料特性（例えば強度、または特定の幾何的形状）を有していなければならない。基準は、対応する嵌込み体１１が貯蔵庫に在庫していなければならないことである場合もある。

嵌込み体１１と残余組織容積５、１２の一体化の基準は、嵌込み体１１と残余組織容積の接合嵌込み、すなわち対象嵌込みフォーム１２に関係する。何故ならば、硬組織は嵌込み体１１がきちんと接合できるようにぴったりに事前処置されなければならないからである。それには特定の幾何的な形状も必要である。嵌込み体の形状を拡大および／または縮小して、残余組織容積と嵌込み体１１を連結した後に所望の最終形態になるようにすることもこれに含まれる。

そこで嵌込み体の幾何形状を、例えば材料量または材料容積を測定するため、またはＣＡＤ／ＣＡＭ方式を用いて、もしくは高速プロトタイプ形成方式で嵌込み体１１を製造するためにデータを使用するために利用することができる。このように例えば基本素材から嵌込み体１１をフライス加工するフライス機械を制御することができる。

あるいはそのために、事後加工しない方がよい、または事後加工にあまり適さない、適合する基本素材を貯蔵庫から選別し、取り出すこともできる。

図４は、嵌込み体１１により最適な対象嵌込みフォーム１２が既に判明しているが、切除すべき組織の全てが切除されてはいない組織対象５（歯の基部）を示している。図では、実際の嵌込み体１２の幾何形状と、実際の切除容積１０とから判明する差分容積１３が切除面の形成による断面図から分かる。差分容積１３または差分幾何形状はスクリーンに視覚的に表示されることができ、かつ／または差分容積１３と嵌込みフォーム１２の境界面までのエフェクタ２の距離を音響信号で伝えることができる。上記の視覚表示はその後、手動的に（手と目の、および／または手と耳の連係）またはモータで駆動され、かつ調整されて（例えばロボットを使用して）エフェクタ２が差分容積１３の組織だけに到達するように、または到達できるようにエフェクタを動かすために利用できる。これによって組織削除は最適に最少化される。切除幾何形状は継続的に調べられるので、このシステムは自然発生する空洞の測定および記録、ならびに測定データの再処理のために使用することもできる。エフェクタ２は触覚による位置測定キャリパ・ヘッドとしても使用できる。

図５は、組織対象５または対象嵌込みフォーム１２、およびなお切除される組織である差分幾何形状１３を示している。組織切除エフェクタ２の出力は、遅くともエフェクタの幾何形状が差分幾何形状１３からずれ、または嵌込み体の幾何形状１１と差分幾何形状１２を合わせた量からずれた場合にオフに遮断される。組織切除エフェクタ２の出力は、遅くともエフェクタの幾何形状が差分幾何形状１３の範囲内、または嵌込み体の幾何形状１１と差分幾何形状１３を合わせた量に入ったときにスイッチ・オンされる。エフェクタ２の出力は対象嵌込みフォーム１２に対するエフェクタ２の距離に応じて上昇し、または距離が縮まるとともに低下する。好適には出力変化は対象嵌込みフォームの表面１２を基点とするスロットル・インタバルに制限される。

図６は、組織切除のためのエネルギーを、嵌込み体１１用の所望の嵌込みフォーム１２が生ずるように制御されて境界面に放出するエフェクタの幾何形状ボディ１４を装着したハンドピース１（例えばレーザ・ハンドピース）を示している。レーザを使用する、適宜の光伝導性、もしくは発光性のエフェクタの幾何形状ボディ１４の場合は、例えば雄ねじまたは雌ねじが正確に所望の状態（位置および向き）にあり、その上、突出する螺旋の後端部が分かるように雄ねじまたは雌ねじをレーザで切断することができる。

図７はこの場合は嵌込み体としてモデリングされている２つの切除面ＩＩが設定される軟組織対象５を示している。組織の状態は例えばＧＰＳに類似した電磁位置測定方法で測定されるマーキング７を介して検出される。この方法によって軟組織の部分容積の位置および状態をも特定できる。組織５が分離プロセスでずれないように、組織は好適には形状安定マトリクス１５内にある。形状安定マトリクス１５は切除面を設定する際にもその形状を保持できるようにする必要があろう。これはスカルペル・エフェクタ２の場合はフォイルでよく、または事前に製造された好適には格子形のボディでよく、またはレーザ・スカルペルの場合は組織を切除するようにレーザ出力をマトリクス１５の組織側に放出できる光透過性、光伝導性フォイルでよい。

図８は、図１と合わせた概観で、組織対象５の基準状態４に対するハンドピース１内のエフェクタ２のエフェクタ状態３を測定するための状態測定システム１６からなる本発明によるデバイス・システムを示している。図８では状態測定システムは、球形の受動マーカーとして構成されたマーキング７を有する光学ナビゲーション・システム１６として示されており、マーキングの支持体６は仮のインプラント１７を介して顎骨とねじ連結され、またはハンドピース１に取り付けられる。

出力制御機器１８（フットスイッチ、ハンドスイッチ、センサ）で制御される、材料または組織切除するエフェクタ２用のエネルギー変換装置１９（駆動モータ）の出力は、スロットル装置２０を介してスイッチオフおよび／またはスイッチ・オンする、かつ／または適切な出力にまで低下させることができる。スロットル装置２０はエネルギー変換装置１９と一体の部品でもよく、機器のスロットル・インターフェース２１を介して制御される。

状態測定システム１６の測定データを読み取り、評価するために、好適には表示装置２３（例えばスピーカ付きスクリーン）を備えたコンピュータである制御ユニットが使用される。必要ならば最初にエフェクタ２の長さまたは形状が、この実施形態では位置合わせポイントに構成されている測定装置２４で測定される。制御ユニットでは規定の基準に基づいて、切除される材料または組織の少なくとも１つの状態（位置および向き）が判明しており、または動作中に（オンラインで）確認できる。少なくとも１つの嵌込みフォーム１２および／または嵌込み体１１が事前に記憶され、または動作中に（オンラインで）画成されることができる。その代替として、またはそれを補足して、少なくとも１つの嵌込み／嵌込み体１１、１２をオンラインで動的に計算するための基準が事前に記憶され、または対応する基準を動作中に（オンラインで）確認できる。制御ユニットでは、動作中に事前に判明していたか、使用前に測定されたか、または接触に付随して組織切除の直前に測定される対象幾何形状５が記憶される。そこで制御ユニットは、必要に応じて、または準継続的に作用容積９、切除容積１０を計算し、嵌込み体幾何形状１１および適宜の嵌込みフォーム１２を選択または計算し、差分幾何形状１３を計算する。差分幾何形状は適宜にスクリーンに表示され、目的に合わせて差分幾何形状を切除できるようなハントピースの手動的な配置およびガイドを可能にする。その際に制御ユニット２２は前述のように、スロットル・インターフェース２１を介してエフェクタ２の出力をスイッチオフ、スイッチ・オンでき、またはスロットル調整できる。引き続いて貯蔵庫２５から既に準備された（例えば歯科技工士によって、または標準体として歯科メーカーによって製造された）適宜の嵌込み体が取り出され、または（歯科技工士、または製造機械によって）事後に製造される。このボディは嵌込みフォームと一体化され、適宜に事後加工され、その際には出力のスロットル調整を絶えず作動させておくことができる。モデルが加工されると、他のモデルまたは患者の組織での同じ加工を複製できる。

インプラント術のために硬組織内に空洞を製造するため、この方法および対応するデバイス・システムは下記のように使用される。

硬組織５には、基準座標系８に対する硬組織幾何形状の状態を準継続的に特定し、または測定できるようにする測定マーキング７が取り付けられる。その際に硬組織５は、定置的に固定してもよく、または自由に移動できてもよい。測定マーキングに対する硬組織の相対的な状態は様々な距離、容積、または表面画像結像方法によって検出することができる。歯科や頭部外科では、歯に固定された位置合わせテンプレートを使用することができ、他の分野の外科では表面測定またはマーカー位置合わせが使用される。

エフェクタ２は例えば適宜のハントピース１を介して手動的に（しかし勿論、運動装置によって支持され、制動され、減速され、または駆動されることもできる）ガイドされるフライス、ドリル、またはレーザであってよい。ハンドピース１にも測定マーキング７が設けられている。マーカーの相対的な状態、ひいてはマーキング基準系８をも測定できる位置および／または状態測定システム１６が使用される。それには固定的な、または可変的なマーカー幾何形状を有する光学的、電磁的、音響的、表面距離測定式のナビゲーション・システムを使用できる。歯科では特に簡単なのは受動マーカーを有する光学式ナビゲーション・システムを使用することである。ハンドピース１のマーキング基準系８に対するエフェクタ２の幾何形状および状態は、事前に判明しているか、または位置合わせポイント２４もしくは位置合わせフォームに接触させることによって較正される。レーザ・ハンドピースの場合は、焦点を適宜に調整し、またはその位置を測定することも可能である。このように、座標変換を介して対象組織５の状態に対するナビゲーション・システムを利用して切除するエフェクタの幾何形状の状態３を準継続的に測定することができる。そこで手動的に、または運動装置を利用して、エフェクタ２によって組織が切除されるが、−好適にはコンピュータを利用して−組織切除するエフェクタの幾何形状の位置および向きがプロトコル化され、エフェクタの幾何形状の重複から作用幾何形状９が、また対象幾何形状５と作用幾何形状９の切除面形状から、切除される組織容積１０の幾何形状が計算される。したがって切除される組織の幾何形状が直接計算される。切除の際に医師は特定の基準を遵守しようとする。それは例えば眼（色、削り屑）、鼻（臭い）、触覚情報（組織の固さや固さの変化）、または聴覚的に知覚され、直接変換される組織に関する情報でよい。空洞または空洞幾何形状の特定の位置、向きが確認される事前プランからの情報でもよい。その際に、例えばインプラントを受容する空洞が形成されなければならない。最も簡単な場合は、事前に定められたインプラントまたはトランスプラント用の空洞が仕上げられる。更に、その他の基準を考慮に入れて、既存の様々なインプラントからインプラントを選択することも可能である。この場合は、空洞はインプラントの嵌込み体１１のための嵌込みフォーム１２の基準をも満たさなければならない。このような理由から、嵌込み体１１用の嵌込みフォーム１２を形成するためには更に除去されなければならない組織を囲む差分体１３が計算される。この差分幾何形状１３は、組織切除のためのエフェクタ２を最適に配置し、かつガイドするために利用される。それは例えば医師のためにスクリーンでのグラフィック表示によって行われ、またはロボットと類似した運動装置の制御によって行われる。差分幾何形状に基づいて、嵌込みフォーム１２を直接作成するエフェクタの幾何形状ボディ１４をも選択できる。これは例えば組織切除するレーザを備えたレーザ・ハンドピースの場合は、組織を切除するレーザ・ビームがエフェクタの幾何形状ボディ１４から放出されると、硬組織５内の嵌込みフォーム１２としてねじ山を切断するように光透過性である円筒形のエフェクタ幾何形状ボディ１４によって行われる。嵌込みフォーム１２が組織５内に作製されると、インプラントまたは嵌込み体１１を貯蔵庫２５から取り出し、直接組み込むことができる。エフェクタ２が手動的に、または運動装置を援用して構成され、ガイドされる場合、組織５が誤って切除され、最適な嵌込みフォーム１２が破壊され、または必要な基準が満たされないことを回避するために、エフェクタ２が差分幾何形状１３の外、および／または差分幾何形状１３と嵌込み体幾何形状１１を合わせた部分量の範囲外にあると、組織を切除するエフェクタの出力はコンピュータ制御で遮断される。好適にはエフェクタ出力は安全上の理由から、エフェクタ２が差分幾何形状１３の範囲内、および／または差分幾何形状１３と嵌込み体幾何形状１１を合わせた部分量の範囲内にある場合だけスイッチ・オンされる。

特にぴったりとした嵌込みフォーム１２を得るため、嵌込みフォーム１２から誤って組織を切除することができるだけないように、嵌込みフォーム１２と差分幾何形状１３の間の境界面までのエフェクタ２の距離が縮小するのに合わせてエフェクタの出力をスロットル調整することが有意義である。ハンドピース１には好適には臭い、ならびに煙、およびその他の粒子を吸引するための吸引機構が取り付けられる。

インレー、オンレー、または冠の被せを取り付けるために歯に空洞を形成するため、この方法および対応するシステムは骨の処置と同様に使用される。しかしこの場合は、インレー、オンレー、またはブリッジの形式の嵌込み体１１は事前に準備された標準体を備えた貯蔵庫から取り出されるか、または高速プロトタイプ形式方式（フライス削り、焼結等）で、または事前に歯科技工士によって製造され、基準に合わせられる。材料のサイズを計測し、嵌込み体の周囲の空洞もしくはフォーム内に充填することもできる。

この方法は歯科では、モデル加工および超構造の作製または修正にも利用できる。その場合は患者の組織だけではなくモデルまたは超構造でも加工されるが、それは公知の方法（位置合わせテンプレート）に任せることができる。

この方法は、極めて多くの切断面が骨に設定され、または互いの面がフライス削りされる膝の義肢術にも使用できる。この場合は、極めて簡単に骨にマーキング支持体をねじ止めすることができる。

この方法は、減圧術および脊椎体のねじ止めの事前準備にも利用できる。

硬組織を分離するため、この方法および対応するシステムは下記のように使用される。嵌込み体は少なくとも１つの切除面として、または少なくとも１つの切除容積として定義される。必ずしも嵌込み体が使用される必要はない。

例えば内臓外科で軟組織を分離するには、この方法および対応するシステムが以下のように使用される。それは例えば組織を分離し、または除去するために軟組織５内にきちんとした切除面を設定するために使用される。その際に軟組織５の状態（位置および向き）が、例えば、軟組織内にマーキング７が備えられる軟性部位ＧＰＳを介して利用される。マーキングの位置測定の際、組織構造の部分的に独立な変位および移動を測定することができる。そこで、組織分離のための出力制御されたエフェクタ２と共に、きちんとした切除面が設定される。組織は、組織切除の出力が供給される前に、事前に形状安定マトリクス１５内に配置され、圧縮され、または吸引されることもできる。切除面を適切にマトリクスを通して案内できるように、マトリクス１５はエネルギー透過性であってもよい。切断ツールはこの場合は好適には、組織を走査して案内され、自動的に切断位置を測定するレーザである。出力は計画されている切除縁、もしくは切除面だけに接続される。その際に形状を成形するマトリクス１５は光伝導性の材料でよい。自動的な較正のプロセスを図９を参照して詳細に説明する。

図９は、工具取付け具（１ａ）と、取り付けられた工具（２ａ）とを有するハンドピース（１）を示しており、ハンドピースのために工具エフェクタ（２）の状態（位置および向き）が測定される必要がある。位置合わせポイント（２４ａ）、作業容積（２７）、およびこの実施形態ではピンとして設計された較正体（２８）も図示されている。位置測定は、基準座標系（２９）に対する遷移マトリクスをも記憶する位置測定システム（１６）によって実施される。

図面ではこれは受動リフレクタを有する光学式ナビゲーション・システムとして示されている。

システムをスイッチ・オンした後、ユーザにはハンドピース（１）を較正するように指示する信号が発せられる。そのためにユーザはハンドピースを嵌込み体に差し込む。そこでユーザは例えばドリルのような工具（２ａ）を取り付けることができる。作業容積（２７）に進入する前に、ユーザは工具の先端で位置合わせポイント（２４ａ）に接触し、位置合わせ信号を待つ。その後、ユーザは作業容積（２７）内でナビゲートされて作業する。一旦、器具を作業容積（２７）の外側に置くと、ユーザは次に作業容積（２７）に進入する前に更めて位置合わせポイント（２４ａ）に接触しなければならない。同じことが工具の交換後の状況にも当てはまる。

図１０は、例えばドリルのようなエフェクタ２を取り付けるための、例えばチャックのようなエフェクタ取付け具１ａを備えたハンドピース１を示している。

エフェクタ取付け具１ａはエフェクタ取付け具１ａ内にあるエフェクタ２の元の位置および元の向きを規定するエフェクタ基準状態３６を有している。

ハンドピース１には、ハンドピース・マーキング３５がエフェクタ基準状態３６に対して事前に判明している少なくとも１つの状態（位置および向き）に取り付けられ、固定されることができるように、ハンドピース・マーキング３５を有するハンドピース・マーキング支持体３２が取り付けられている。

ハンドピース・マーキング３５を有するハンドピース・マーキング支持体３２は永続的に、または取外し可能にハンドピース１に取り付けることができる。ハンドピース１はそれ自体がハンドピース・マーキング支持体３２であってもよい。

図１１は、ハンドピース・マーキング支持体３２を上記のようにハンドピース１に取り付ける形態を示している。ハンドピースのコーン３０に中空円錐台形のスリーブ・コーン３１が押し込まれている。これはハンドピース・マーキング支持体３２をハンドピース１で支えるための外側支持体の役割を果たす。スリーブ・コーン３１の内径は、エフェクタ取付け具１ａにハンドピース・コーン３０まで押し込まれることができるのに充分な大きさであるが、ハンドピース・コーン３０の最大寸法の外径よりは小さい。ハンドピース・マーキング支持体３２のハンドピース１への取付けはスリーブ・ナット３３によって達成され、その内径は、エフェクタ取付け具１ａおよびハンドピース１に押込まれることができるのに充分な大きさであるが、スリーブ・コーン３１の最大寸法の外径よりは小さい。スリーブ・ナット３３の雌ねじはマーキング支持体３２の雄ねじにねじ込まれる。

ハンドピース・マーキング支持体３２、スリーブ・コーン３１、およびスリーブ・ナット３３は、好適には軽量で形状安定性の抗菌性材料から製造される。これら３つの部品は全て、継手３８を介したエフェクタ駆動部３４の接続も、ハンドピース１の手動的な使用も妨げない。スリーブ・ナット３３は手でねじ込み易くするため、粗くザラザラにされた外表面を有している。

図１２は、ハンドピース・マーキング支持体３２の側方に設けられた、位置合わせバネとして形成された少なくとも１つの隆起部４０を押し込むためのノッチ、すなわち切欠き部として形成された少なくとも１つの開口３９を有するハンドピース・コーン３０を示している。１つの実施形態は、ピンとして形成された隆起部４０をマーキング支持体の雄ねじ内の側部に設けられた孔に差込むものである。ピン４０および切欠き部３９は、マーキング支持体がエフェクタの基準状態３７に対して回転することを防止するための嵌合いとして設計されなければならない。

アングル・ハンドピース１を上顎および下顎に位置合わせする際に最適にマーキングできるようにするため、ノッチとして形成された開口３９は、駆動軸を支点に２回目の１８０°回転をさせて配される。マーキング支持体３２内のピン４０およびコーン３０内のノッチ３９の代わりに、コーン３０内のピン４０、および支持体３２内のノッチ３９を配することもできる。

図１３は、相互に差込まれて図１１と同じ幾何形状になる２つの半部からなるハンドピース・マーキング支持体３２の実施形態を示している。この実施形態では、ハンドピース１内の切欠き部３９は平坦な孔に限定されるが、それは両方の半部を差込むことができ、その際にピン４０が直接フィットして孔３９内に到達するからである。両方の半部をプラグ接続部として形成することが有利である。スリーブ・ナット３３は両方の半部をハンドピースの周囲に固定するので、この解決方法ではスリーブ・コーン３１を省くことができる。

図１４は、スリーブ・コーン３１およびスリーブ・ナット３３によってハンドピース１と前もって判明している状態で固く連結されたマーキング支持体３２を有するハンドピース１を示している。マーキング支持体３２には、信号リフレクタとして光学座標測定系内で使用できる反射性のガラス球からなるマーキング３５が取り付けられている。

マーキング３５は一般に多数のポイント、パターンまたはボデーであり、その相互の、または多次元状態基準座標系３７に対する相対的な状態（位置および向き）は事前に判明しており、また必要に応じて少なくとも１つの状態測定座標系に対するその状態を特定することができる。そのためには様々な測定方法（信号送信、信号受信および信号反射ポイント、パターンまたはボデーを有する光学式、音響式、電磁式、レーダ使用、レーザ使用、ライン・カメラ、フラット・カメラ、ビデオ・シーケンス、三次元表面カメラ、三次元レーザ・カメラ、三次元レーダ方式等）を使用できる。

あるいは、マーキングを、判明しているハンドピース基準状態３７での測定ゲージを取り付けるためのフランジとして実施することができる。ハンドピース・マーキング３５のハンドピース基準状態３７（位置および向き）、ひいてはエフェクタ基準状態３６はそれぞれの状態測定システムの基準座標系に対する少なくとも１つの状態測定システムで特定することができる。

ハンドピース・マーキング３５はハンドピース・マーキング支持体３２に取り付けられ、刻み目が付けられ、かつ／またはハンドピース・マーキング支持体３２の幾何形状の一部に刻印されることができる。先ず、ハンドピース・マーキング３５が取り付けられるハンドピース１にマークが付けられる。そのためにスリーブ機構が使用される場合、ハンドピース・マーキング支持体３２は支持体ばね４０およびコーン・スリーブ切欠き部３９を介してハンドピース・コーン３０とピン止めされる。引き続いて、スリーブ・コーン３１が、その後スリーブ・ナット３３がハンドピースに押し込まれ、スリーブ・コーン３１がハントピース・マーキング支持体３２と共に、エンド・ストッパに達するまで、または支持体ばね４０が最大限コーン切欠き部３９内に差し込まれるまでスリーブ・ナット３３で締め付けられる。そこでハンドピース・マーキング３５を介してハントピース１の状態が状態測定システムによって測定できる。駆動部３４は継手３８を介して事後的に接続できる。

この方法は医療の他に、完全自動のコンピュータ制御加工機械を導入できない、例えば工場的手工業または手工業の小企業（家具職人、大工、木船大工）、または日曜大工の材料切除でも利用できる。それは機械が例えば大きすぎたり、高価すぎたり、またはそもそも購入できないというような場合である。この場合、この方法および、これに対応して装備される手動加工機械（電気日曜大工加工機械）は、数値制御の自動機械と匹敵する結果をもたらすことができる。この場合の応用例は古い車を修復するための「イン・フォーム」研磨、または古いヨットのＧＦＫ−シェルの研磨である。その場合は、判明している元の設計図、もしくは技術的な図面に基づいて基準ボディが設定される。加工対象には例えば差分ＧＰＳ、または光学式もしくはレーザ、レーダ等に基づく座標測定装置または測定アームのような座標測定装置の基準ポイントが取り付けられる。例えば砥石のようなエフェクタ幾何形状が分かっているか、またはフォーム内で較正される。組織を切除する機械のエフェクタ幾何形状（研磨機、フライス・ヘッド、研磨ヘッド）のエフェクタ位置が継続的に特定され、研磨時には機械の出力（回転数）は、機械出力が組織切除エフェクタの実際の状態と、基準幾何形状の表面状態との距離の関数として調整されるように規定される。このように、機械は例えば表面まで２ｍｍの距離まではフル出力で運転され、その後、表面まで０ｍｍの距離までは比例して出力も低下するように制御される。その他の調整方法は用途に応じて有意義になり得る。対象幾何形状に対する基準ボディまたは基準幾何形状の状態は、対象ボディの状態が例えば位置測定ゲージで少なくとも１つの対称軸（例えば船首の先端、船尾の縁部、キールの舵の脚部）に接触することによって、または平均化、表面測定、および対称形成によって対象ボディの特別に刻印された部分幾何形状の表面を検出し位置合わせすることによって達成される。

この方法は更に、表面がきちんとしておらず、非対称に充填されている場合に事後的に、例えば最小限の材料切除で、少ない空気抵抗または水抵抗、または対称性のような規定された最適化基準を満たす表面を作製するためにも利用できる。

この方法は更に、厚板または肋材を事後的に最適な位置に配するためにも利用でき、その際に対象ボディは嵌込み体に正確に適合するように事前準備され、または嵌込み体が対象ボディに嵌込まれるように事前準備される。

加工される材料としては、例えば様々な利用分野における金属、ガラス、セラミック、木材、プラスチックがあり得る。

本発明はここに記載した実施形態に限定されるものではない。むしろ、記載した手段と特徴の組合せによって本発明の枠を外れることなくその他の実施形態のバリエーションを実現できる。

組織対象に介する基準状態の組織切除エフェクタを示す図である。 対象内の作用幾何形状および切除幾何形状を示す図である。 切除される組織の製造された嵌込み体と嵌込みフォームを示す図である。 エフェクタをガイドするための差分幾何形状の視覚化を示す図である。 エフェクタ出力を制御し、調整するためのスロットル・インタバルを示す図である。 嵌込みフォームを作製するエフェクタ幾何形状ボディを有するレーザ・ハンドピースを示す図である。 軟組織内での切除面の設定を示す図である。 手動的な最適な組織切除を実施するためのシステムを示す図である。 ハンドピース・マーキングを備えた器具ハントピースを示す図である。 ハンドピース・マーキングを備えた器具ハントピースを示す図である。 マーキング支持体とハントピースとを取り付ける実施形態を示す図である。 マーキング支持体とハントピース・コーンとの状態を確実に固定する実施形態を示す図である。 ハントピース・マーキング支持体の実施形態を示す図である。 マーキング支持体とマーキングとを有するハンドピースを示す図である。

符号の説明

１ ハンドピース
１ａ 工具保持装置
２ エフェクタ
２ｂ エフェクタ軸
３ エフェクタ状態
４ 基準状態
５ 組織対象
６ マーキング支持体
７ マーキング
８ マーキング基準系
９ 作用容積／作用幾何形状
１０ 切除容積／作用幾何形状
１１ 嵌込み体幾何形状
１２ 嵌込みフォーム／読込み幾何形状
１３ 差分体幾何形状
１４ エフェクタ幾何形状ボディ
１５ 形状安定マトリクス
１６ 状態測定システム
１７ 仮インプラント
１８ 出力制御デバイス
１９ エネルギー変換装置
２０ スロットル装置
２１ スロットル・インターフェース
２２ 制御ユニット
２３ スクリーン
２４ 較正装置
２４ａ 位置合わせポイント
２５ 貯蔵庫
２６ 仕上げ機械
２７ 作業容積
２８ 較正体
２９ 基準座標系
３０ ハンドピース・コーン
３１ スリーブ・コーン
３２ ハンドピース・マーキング支持体
３３ スリーブ・ナット
３４ エフェクタ駆動部
３５ ハンドピース・マーキング
３６ エフェクタ基準システム
３７ ハンドピース基準システム
３８ 駆動継手
３９ 開口
４０ 隆起部

Claims (55)

1. ナビゲーション・システムを導入し、かつコンピュータ技術を利用して少なくとも１つのエフェクタによって材料（人体の組織を除く。）を切除し、または加工する方法であって、
   エフェクタの位置および向き、ならびに少なくとも１つの標準体の状態に対する前記位置および向きの変化に関するデータが検出され、記憶され、かつコンピュータ処理されると共に、スイッチオンされると、その出力および／またはパラメータ化に関して制御および／または調整されるように、制御および／または調整の命令が起動され、
   材料（人体の組織を除く。）を切除するエフェクタが、切除される材料（人体の組織を除く。）と達成すべき対象形状とがオーバーラップするときよりも前にスイッチオフされることを特徴とする方法。
2. 到達した対象表面の状態および幾何形状が検出され、同一または別の対象のそれ以降の加工プロセスのために記憶されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 規定された期間にわたって準継続的に対象（人体の組織を除く。）の状態（４）に対する材料切除エフェクタの幾何形状（２）の状態（３）が検出され、切除される材料（人体の組織を除く。）の幾何形状（１０）がそこから計算されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 切除される材料（人体の組織を除く。）の幾何形状（１０）が三次元スキャナからの三次元表面画像データを算入することによって計算されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 達成すべき対象（１２）（人体の組織を除く。）の規定の状態および規定の幾何形状に基づいて、かつ／または既に切除された組織（１０）（人体の組織を除く。）の状態および幾何形状に基づいて、さらに切除すべき対象（１３）（人体の組織を除く。）の状態および幾何形状が計算され、エフェクタを配置しガイドするために利用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 材料切除エフェクタの出力は、少なくとも未だ切除すべき材料（人体の組織を除く。）の幾何形状内で、切除すべき材料（人体の組織を除く。）と達成すべき対象フォーム（１２）の境界面までのエフェクタ状態（３）および／またはエフェクタ幾何形状（２）の距離に基づいて制御され、または調整されることを特徴とする請求項１または５に記載の方法。
7. 材料切除出力は、エフェクタ（２）の状態が変化することなく対象嵌込みフォーム（１２）の一部を達成するために形状を成形するエネルギー移送マトリクスを介して直接送出されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の方法。
8. 達成すべき対象フォーム（１２）は、既に切除された材料（人体の組織を除く。）、および／または対象フォームおよび嵌込み体を製造する基準、および／または対象フォームおよび嵌込み体を一体化する基準に基づいて計算されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の方法。
9. 材料（人体の組織を除く。）を切除するエフェクタの幾何形状（２）の状態（３）が準継続的に検出され、測定時間と共に記憶され、その際に材料（人体の組織を除く。）を切除するエフェクタ幾何形状は判明しており、準継続的に測定時間および／またはエフェクタ容積の状態と共に測定され、検出され、かつ一緒に記憶されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 作用容積は、検出された状態にエフェクタ容積を空間的に重ねることによって計算され、対象容積と共に作用容積の切除量から切除容積が形成され、またはその形状記述が計算され、その際に作用容積に対する対象容積の状態は判明しており、または測定され、切除容積の記述が嵌込み体の幾何形状を計算するために利用され、嵌込み体の幾何形状は補助的な医学的基準（人を対象とするものを除く。）、または嵌込み体を製造または一体化するための基準を満たすために適宜に変更され、最も簡単な場合は切除容積の記述は嵌込み体の形状に対応することを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一項に記載の方法。
11. 嵌込み体の幾何形状は、材料量の測定および／または嵌込み体の製造のために利用されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
12. 標準体として、嵌込み体の少なくとも１つの形状記述を含む少なくとも１つの表が利用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 標準体の表から最適化の基準を満たす標準体が選択され、最も簡単な場合は標準体は表内の嵌込み体の単一の記載に対応し、事後加工される必要がないか、または僅かな範囲しか必要ない、既に事前仕上げされた標準体を備えた、標準体の表に対応する貯蔵庫が存在することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 選択された、または実際に計算された嵌込み体と実際の切除容積の差分容積が計算されることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の方法。
15. エフェクタが嵌込み体の幾何形状外にある場合に、エフェクタのエネルギーが遮断されることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 軟性材料（人体の組織を除く。）は、少なくとも規定通りに材料切除エネルギーを通し、または材料切除エフェクタを実施することができるマトリクスによって充分に形状安定するように安定化されることを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 差分容積幾何形状が、エフェクタを配置しガイドするために利用されることを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 切除の際に発生する切除粒子、煙、および臭いが吸引されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
19. エフェクタは材料切除のためだけではなく、三次元表面幾何形状測定にも使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
20. エフェクタがレーザであると共に、材料切除エフェクタの幾何形状は、例えばアンダーカットする空洞を製造できる交換可能な光伝導性のポジ・エフェクタ幾何形状、および／または光透過性のネガ・エフェクタ幾何形状によって達成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
21. 対象幾何形状は容積画像を供給する方法または表面画像作製方法（三次元表面スキャナ、ハンドスキャナ、接触測定ゲージ）によって直接、またはプリントを介して検出され、かつ計算されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
22. 第１の材料または材料切除はモデルで行われ、検出された材料または材料切除の状態および形状は、同じモデル、別のモデル、または対象（人体の組織を除く。）での切除のために利用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
23. 作用幾何形状、切除面幾何形状もしくは差分幾何形状または三次元表面スキャナを介して検出された材料（人体の組織を除く。）または物質切除は形状モデルとして記憶され、同一または別の対象またはモデルでのそれ以降の材料（人体の組織を除く。）または材料切除プロセスで利用され、その際に例えば空洞、トランスプラントのために適合して分離するために、ポジ幾何形状がネガ幾何形状内に映されることができることを特徴とする請求項１に記載の方法。
24. 既に切除された材料（人体の組織を除く。）の状態および幾何形状、ならびに達成すべき対象フォーム（１２）の規定の状態および規定の幾何形状に基づいて、更に切除すべき材料（人体の組織を除く。）の状態および幾何形状が計算され、スクリーンにグラフィック表示され、かつ達成すべき対象嵌込みフォームと更に切除されるべき材料（人体の組織を除く。）との境界面に対するエフェクタ（２）の状態（３）に関する情報もグラフィック表示および／または音声表示されて、エフェクタの手動的、および／または運動装置による配置とガイドのために利用され、エフェクタの配置およびガイドの動きを制御するために準備された情報がインターフェースを介して発信されることを特徴とする請求項１ないし２３のいずれか一項に記載の方法。
25. 工具保持装置を有するハンドピース（１）の位置および向きを有する状態Ｔ＿ＨＡＮＤが検出または計算されることによって、ハンドピース（１）と工具保持装置の間の遷移マトリクスＨＡＮＤ＿Ｔ＿ＳＰＡＮＮが記憶され、工具保持装置と工具エフェクタ（２）の間の遷移マトリクスＳＰＡＮＮ＿Ｔ＿ＷＥＲＫが、長さ及び位置合わせポイントＰ−ＲＥＧのような、位置の自由度が欠如していた場合を除いて認識されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
26. エフェクタ（２）の通常の使用の場合には作業容積から離脱する必要がないが、工具交換の場合には標準的には離脱するように規定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
27. 位置合わせポイントＰ＿ＲＥＧは、操作者が作業領域に進入する直前にハンドピース（１）で位置合わせポイントを通過しなければならないように配置されることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
28. 工具エフェクタ（２）の計算された状態Ｔ＿ＷＥＲＫ（位置および向き）は、ハンドピース・マーキングと工具エフェクタの間の遷移マトリクスＨＡＮＤ＿Ｔ＿ＷＥＲＫが位置合わせされ、記憶された場合にだけ再利用され、かつ／または先に送られることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
29. 工具エフェクタ（２）の状態Ｔ＿ＷＥＲＫが事前に定められた期間を経過しても検出または計算できなかった場合、または工具エフェクタの位置が事前に定められた期間を経過しても作業容積内に存在しない場合には、ハンドピース・マーキングと工具エフェクタの間の遷移マトリクスＨＡＮＤ＿Ｔ＿ＷＥＲＫ、ひいては位置合わせが消去されることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
30. 事前に定められた期間を経過しても工具エフェクタが外見上、位置合わせポイント周囲の判明している小さい許容差容積内にある場合には、遷移マトリクスＨＡＮＤ＿Ｔ＿ＷＥＲＫの欠如している関連する位置の自由度の計算が自動的に開始されることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
31. 事前に定められた期間を経過しても工具エフェクタが外見上、位置合わせポイント周囲の判明している小さい許容差容積内にある場合には、遷移マトリクスＨＡＮＤ＿Ｔ＿ＷＥＲＫの欠如している関連する位置の自由度の計算が自動的に開始され、その際、事前に定められた期間を経過しても工具エフェクタ（２）が中断されずに外見上、位置合わせポイント周囲の判明している小さい許容差容積内にあり、遷移マトリクスＨＡＮＤ＿Ｔ＿ＷＥＲＫが引き続いて記憶される限りは、遷移マトリクスＨＡＮＤ＿Ｔ＿ＷＥＲＫの欠如している関連する位置の自由度の計算が統計的な評価方法によって実施されることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
32. 位置合わせ状態、および／または位置合わせ計算開始、および／または位置合わせ計算終了が信号で示され、かつ／または位置合わせ計算のパラメータ、および／または計算された重要な自由度が信号で示されることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
33. ハンドピースと工具保持装置の間の遷移マトリクスＨＡＮＤ＿Ｔ＿ＳＰＡＮＮＫＡＬは完全に、または（チャックの対称軸を支点とした回転のような）関連性のない位置の自由度を除いて評価されることによって、ＨＡＮＤ＿Ｔ＿ＳＰＡＮとＨＡＮＤ＿Ｔ＿ＳＰＡＮＮＫとの偏差は許容差限度内ではあるが、不都合な較正許容差の外にあり、嵌込みピンとして形成された較正工具が判明することを特徴とする請求項２５に記載の方法。
34. ハンドピースと工具保持装置の間の遷移マトリクスＨＡＮＤ＿Ｔ＿ＳＰＡＮＮは、遷移マトリクスＨＡＮＤ＿Ｔ＿ＳＰＡＮＮが較正され、記憶された場合にだけ再利用、および／または先に送られることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
35. ハンドピースと工具保持装置の間の遷移マトリクスＨＡＮＤ＿Ｔ＿ＳＰＡＮＮ、ひいてはハンドピースの較正は、最初の使用のような特定の事象の場合に消去され、または事前に定められた期間を経過しても工具保持装置が外見上、較正工具を保持していた状態にある場合には、遷移マトリクスＨＡＮＤ＿Ｔ＿ＳＰＡＮＮの計算が自動的に開始されることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
36. ハンドピースと工具保持装置の間の遷移マトリクスＨＡＮＤ＿Ｔ＿ＳＰＡＮＮの計算は、事前に定められた期間を経過しても工具保持装置が外見上、較正工具を保持していた状態にある限りは統計的な評価方法によって実施され、引き続いて遷移マトリクスＨＡＮＤ＿Ｔ＿ＳＰＡＮＮが記憶されることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
37. ハンドピースの較正状態、または較正の開始、または較正の終了が信号で示されるか、または較正結果のパラメータが信号で示されることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
38. ナビゲーション・システムを導入し、かつコンピュータ技術を利用して少なくとも１つのエフェクタによって材料を切除し、または材料を加工するシステムであって、
    マーキング（７）を有する第１マーキング支持体（６）がエフェクタ（２）を有するハンドピース（１）に取り付けられ、ハンドピース（１）が制御ユニット（２２）と接続され、かつマーキング（７）を有する第２マーキング支持体（６）が材料対象または組織対象（５）に取り付けられ、
    材料を切除するエフェクタが、切除される材料と達成すべき対象形状とがオーバーラップするときよりも前にスイッチオフされることを特徴とするデバイス・システム。
39. 制御ユニット（２２）が、エフェクタの位置及び方向を測定する状態測定システム（１６）およびスクリーン（２３）と接続され、制御ユニット（２２）とハンドピース（１）の間には出力制御器（１８）と、エネルギー変換器（１９）と、スロットル・インターフェース（２１）を有するスロットル装置（２０）とが配置されたことを特徴とする請求項３８に記載のデバイス・システム。
40. 第２マーキング支持体（６）がハンドピース（１）の状態（位置および向き）を較正する較正装置（２４）を備えたことを特徴とする請求項３８に記載のデバイス・システム。
41. 材料切除エフェクタ（２）の出力は制御ユニット（２２）によって、スロットル・インターフェース（２１）またはスロットル装置（２０）を介して、材料を切除するエフェクタが、切除される材料と達成すべき対象形状とがオーバーラップするときよりも前にスイッチオフされることを特徴とする請求項３８または３９に記載のデバイス・システム。
42. 材料切除エフェクタ（２）の出力は制御ユニット（２２）によって、スロットル・インターフェース（２１）もしくはスロットル装置（２０）を介して、切除される材料（１３）と達成すべき対象フォーム（１２）の境界面に対するエフェクタ状態（３）および／またはエフェクタ幾何形状（２）の距離に基づいて、少なくとも更に切除すべき材料の幾何形状（１２）の内部で制御または調整されると共に、エフェクタは材料切除だけではなく三次元表面幾何形状測定にも利用されることを特徴とする請求項３８または３９に記載のデバイス・システム。
43. マーキング（７）は球形の受動マーカーであることを特徴とする請求項３８に記載のデバイス・システム。
44. ハンドピース（１）はマーキング支持体（３２）を事後的に取り付けるための少なくとも１つの開口（３９）を有し、該開口（３９）は、ハンドピース（１）とマーキング支持体（３２）を据付けた状態でマーキング支持体（３２）の隆起部（４０）と遊びなくぴったりと係合するように形成されたことを特徴とする請求項３８に記載のデバイス・システム。
45. ハンドピース（１）はマーキング支持体（３２）を事後的に取り付けるための少なくとも１つの隆起部を有し、該隆起部は、ハンドピース（１）とマーキング支持体（３２）を据付けた状態でマーキング支持体（３２）の開口と遊びなくぴったりと係合するように形成されたことを特徴とする請求項３８に記載のデバイス・システム。
46. ハンドピース（１）は、ハンドピース（１）を１８０°回転させるとマーキング支持体（３２）を取り付けることができるように、隆起部（４０）を保持するために１８０°回転移動した第２開口（３９）を有することを特徴とする請求項４４に記載のデバイス・システム。
47. ハンドピース・マーキング支持体（３２）はハンドピース開口（３９）内に正確に適合して挿入されるための隆起部（４０）を有し、かつエフェクタ（２）の元の位置および下の向きを規定するエフェクタ基準システム（３６）に対する事前に判明している少なくとも１つの位置および向きで取り付けることができると共に、ハンドピース・マーキング（３５）はハンドピース・マーキング支持体（３２）に取り付けられ、刻み目が付けられ、および／またはハンドピース・マーキング支持体（３２）の幾何形状の一部によって刻印され、駆動部（３４）が継手（３８）によって後に連結されることは妨げられないことを特徴とする請求項４４に記載のデバイス・システム。
48. マーキング（３５）は多数のポイント、パターンまたはボディであり、その相互の、および多次元状態座標系（３７）に対する相対的な状態（位置および向き）は事前に判明しており、少なくとも１つの状態測定座標系に対する状態は特定可能であり、そのために、様々な測定方法（信号を送信し、信号を受信し、信号を反射するポイント、パターン、またはボディを有する光学式、音響式、電磁式、レーダ、レーザ、ライン・カメラ、フラット・カメラ、ビデオ・シーケンス、三次元表面カメラ、三次元レーザ・カメラ、三次元レーダ・カメラ）が使用されることを特徴とする請求項４７に記載のデバイス・システム。
49. マーキング（３５）は、事前に判明しているハンドピース基準状態（３７）での測定ゲージを取り付けるためのフランジであり、
    マーキング（３５）のハンドピース基準状態（３７）（位置および向き）、ひいてはエフェクタ基準状態（３６）はそれぞれの状態測定システムの基準座標系に対する少なくとも１つの状態測定システムで特定することができることを特徴とする請求項４７に記載のデバイス・システム。
50. マーキング支持体（３２）はスリーブ・ナット（３３）および／またはスリーブ・コーン（３１）を介して所定の状態に固定できることを特徴とする請求項４４に記載のデバイス・システム。
51. ハンドピース・マーキング（３５）はハンドピース・マーキング支持体に取外し可能に取り付けられることを特徴とする請求項４７に記載のデバイス・システム。
52. 取外し可能な取付けは嵌込みまたはスナップ止めで行われることを特徴とする請求項５１に記載のデバイス・システム。
53. 基本的なシステム・コンポーネントは軽量の、形状が安定した殺菌可能な、および／または抗菌性の材料から製造されることを特徴とする請求項４４ないし５１のいずれか一項に記載のデバイス・システム。
54. 材料（人体の組織を除く。）切除のための請求項３８に記載のデバイス・システムの使用。
55. 材料（人体の組織を除く。）加工、およびモデル加工のための材料（人体の組織を除く。）切除のための請求項３８に記載のデバイス・システムの使用。

Images