JP5190510B2 - 神経外科用多機能ロボット化プラットフォームと位置調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、医療で用いられる、より特定的には神経外科で用いられる機材の分野に属するものである。
より特徴的には、本発明は、神経外科用の多機能ロボット化プラットフォームおよび関連する実施方法に関するものである。

神経外科の実務では、ますます多くの専用の外科設備や機材を使う必要があることが知られている。

したがって、とりわけ、腫瘍生体検査あるいは刺激電極の精密な位置決定のために、定位固定フレームが使われている。
そのようなフレームには、観血手術に対応していない、あるいは、ほとんど対応していないという不都合がある。
該フレームがかさばることの他に、もう一つの重要な不都合は、脳頭蓋の骨にしっかり固定することが必要となるということにある。

また、定位固定フレームの代替として使うことのできるロボットも知られている。

さらに、従来技術では、観血手術に対する適切な解決法を与えてくれるニューロナビゲーション・システムも知られている。
そのようなシステムによって、コンピュータ断層撮影、磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）またはその他によって与えられた術前画像と、たとえば赤外線帯域で放出する、機器に取り付けられた複数の光源を備えた三次元の定位システムとに基づいて解剖学的構造の位置を特定することが可能となる。

該システムはさらに、赤外線を感知することと、信号を送信することに適した一つまたは複数のカメラを備え、該信号は、外科用機器の先端の位置といった、該機器の空間位置および方向のデータを計算することに適した適切な計算機で処理されることになる。

典型的には、画像法の実施に先立ち、患者の頭蓋には、パレット形をし、皮膚にでも貼れるようになっているＸ線不透過性マーカーが取り付けられる。
取得されたデジタル画像は、計算機の記憶ブロックに転送される。
外科用機器あるいは特定の機器を用いて、外科医は、この機器の先端を、Ｘ線不透過性マーカーのそれぞれと接触させる。
このようにして、機器の位置を、先に取得されているデジタル医療画像に対して特定することが可能である。
同様に、とりわけ外科的行為を行っている間に、機器の画像およびその位置は、デジタル画像と重ねることで、視覚化モニター上に同時に表示することができる。

ニューロナビゲーション・システムは、とりわけ脳腫瘍の位置特定と切除のために用いられる。

また、露出下での神経外科的行為（例：皮質切除術）の際の視覚化器具として用いられる、外科用顕微鏡も知られている。

上述した外科的用途および関連する設備は、神経外科における日常実務の大部分を占めるものである。

しかし、設備の多様性および神経外科用途の一タイプへの特定性は、病院のロジスティクス管理において不利益をもたらすものであり、手術ブロックの柔軟性および多機能性という目的と矛盾している。

ニューロナビゲーションに特有のもう一つの不都合は、構築されたデジタルモデル、患者、そして器具の間での位置調整に誤差の可能性があるということである。
これは主として、Ｘ線不透過性パレットが動く器官である皮膚に貼り付けられ、頭蓋骨に固定的に導入されないことに起因している。

しかしながら、これらＸ線不透過性マーカーを設置するために、臨床医は、マーカーが思いがけず動くことにより位置調整の精度が失われる危険性にもかかわらず、あらゆる侵襲的方法を避けようとする。

また、従来技術では、外科用器具をガイドするためのロボット装置も知られている。
このような用具は、とりわけ仏国特許出願公開第２８７１３６３号明細書に記載されている。
このロボット装置は、ロボットアーム、ロボットアームを用いた解剖学的目印の収集手段、これら解剖学的目印の処理手段および外科用器具をガイドする機器の自動位置決定手段を備えており、このガイド機器は、ロボットアームに担持されている。

このガイド装置には、術野の画像の取得手段も、術野を視覚化する特定の手段も備えられていない。

この装置は、本発明が追求する目的に応えるものではない。

本発明は、一方では、上記にリストしたすべての装置に取って代わる多機能性の解決法を提案し、他方では、治療すべき解剖区域のデジタルモデルと、患者、外科用器具とのよりよい位置調整を目的とした方法を提案することで、上記で言及した問題を解決することを目指すものである。

そのため、神経外科用の多機能ロボット化プラットフォームは、主として、
・とりわけデジタル画像を受信し、処理することができる処理手段を統合したプランニング・コンソールと、
・アームの複数の区画を有し、該区画の一方が近端部で他方が遠端部であり、前記各区画が関節によって互いに連結され、アームの遠端部区画が器具、機器およびその他を受けるように構成された受容機構を具備し、プランニング・コンソールによって操作される位置決定ロボットアームと、
・治療すべき解剖区域の画像を取得することに適し、プランニング・コンソールが具備する処理手段に電気的に接続することができ、アームの遠端部区画が具備する受容機構に位置付けられ、取り外し可能に固定されることに適している少なくとも一つのビデオ画像取得手段と、
・アームの遠端部区画の受容機構に位置付けられ、取り外し可能に固定されるように適合化された器具、機器およびその他と、
・術前および術中の画像の視覚化手段であり、視覚化すべき画像に固有のビデオ信号を受信するためにプラニング・コンソールに電気的に接続され、かつ／または画像取得手段に電気的に接続されている視覚化手段、
を具備することを特徴としている。

本発明のもう一つの特徴によると、位置決定ロボットアームは、少なくとも６自由度、つまり３スライド自由度と３回転自由度を有しており、該自由度のおかげで、該ロボットアームが担持する器具あるいは機器およびその他を、空間内であらゆる可能な仕方で位置決定し、方向付けることができる。

本発明のもう一つの特徴によると、ロボットアームは力センサーを具備し、使用者がロボットアームの端部を掴んで該ロボットアームを手動で動かすことができるモードにしたがって作動するように適合化されている。
このとき、ロボットアームは、協働モードで作動する。

本発明のもう一つの特徴によると、プランニング・コンソールは、制御モニターと、手術のプランニング・パラメータを使用者から受信するように適合化された通信インタフェースとを備えている。

これらの装置によって、処理手段は、手術のプランニング・パラメータを考慮して、位置決定ロボットアームの軌道、より特定的には器具または機器の軌道、あるいは該アームが担持している画像取得手段の軌道を制御することができる。

したがって、たとえば、頸部腫瘤における頭蓋の執刀点と標的点は、単純で分かりやすいグラフィカル・インタフェースによってプラットフォームに提供することができる。

たとえば、通信インタフェースは、キーボード、タッチ式インタフェースおよび／または、たとえばマウスタイプのポインティング装置の形をとることができる。

本発明独自の特徴によると、処理手段は、手術のプランニング・パラメータおよび位置調整要素の空間座標に基づいて行われる三次元計算により、各軌道を画定するように適合化されている。

本発明のもう一つの特徴によると、器具は、少なくとも一つの接触式または非接触式のセンサーおよび／または少なくとも一つの超音波プローブ、および／または少なくとも一つの測距器を含む。

本発明のもう一つの特徴によると、センサーは、ロボットアームに取り外し可能に固定されるように適合化された機械的ポインティング機器である。

協働モードでは、使用者は、手動でポインティング機器を動かし、標的と接触するようにすることで、患者の頭部にある要素を指示することができる。
このようなセンサーによって、使用者は、たとえば目立った解剖学的地点またはＸ線不透過性マーカーの位置、あるいは患者の皮膚と接触している複数の点の位置を取得し、再構成によって面を得られるようになっている。

もう一つの特徴によると、センサーは、距離測定用の光学モジュール、たとえばレーザー測距器である。

ロボットアームのエンコーダの情報、センサーのジオメトリおよび光学モジュールによって与えられた距離測定に基づき、システムは、ロボットアームの座標系において直接、レーザービームと交わっている対象点の三次元位置を計算することができることになる。

この場合、センサーは、非接触式の仮想的なポインティングという解決法を提供する。
機械的なポインティング機器を使うときと同様に、このようなセンサーによって、使用者は、目立っている解剖学的地点の位置、Ｘ線不透過性マーカーの位置または患者の皮膚と接触している複数の点の位置を取得し、再構成によって面を得られるようになっている。

本発明のもう一つの特徴によると、器具の少なくとも一つは、管状ガイドまたはガイド用の管で構成される。

これらの特徴によって、位置決定アームの受容機構に固定的に取り付けられた管状ガイドまたは管を備えているロボット化されたプラットフォームは、定位固定フレームとして用いることができ、位置決定ロボットアームによって固定された空間位置で維持される管は、穿孔ドリル用、電極用、針用および定位固定神経外科の枠組みで使用可能なその他の機器および手段用の軸方向のガイドを提供する。

術前の画像（スキャナー、ＭＲＩまたはその他の方法）と患者の位置との間の対応付けを行うとき、システムはロボットアームによって担持されている一つまたは複数の機器の位置を認識する。

プランニングにしたがってロボットアームによって位置決定されるこの機器は、レーザーポインターまたはその他のタイプのポインターとすることができる。
レーザーポインターによって、術前の画像法で同定された患者における解剖学的構造に狙いを定めることが可能となる。
協働モード（上記で定義したとおり）では、使用者は、レーザーポインターを装備した位置決定ロボットアームの端部を掴み、該アームを手動で動かすことによって、患者の頭部にある標的を指示することができる。
指示された方向は、プランニング・コンソールの術前画像に表示される。

このように、本発明の目的であるプラットフォームは、ニューロナビゲーション・システムの好適な代替となる。

このようなロボットアームの利点は、該アームがポインターを一定位置に維持できることにあり、これは、現状のニューロナビゲーション・システムではポインターが手で掴まれているときにはないことである。

本発明のもう一つの特徴によると、器具のうち少なくとも一つは外科用機器によって構成される。
こうして、外科行為は、外科医によってではなく、プランニングにしたがって、ロボットアームによって行われることになる。

画像取得手段は、ロボットアームの端部に取り外し可能に固定されるようになっている。
この画像取得手段は、たとえば、少なくとも一つのビデオカメラ、たとえばデジタル・タイプのビデオカメラを具備している。

この画像取得手段によって、使用者は患者の対象区域、たとえば術前画像法で同定された区域を視覚化することができる。
協働モードでは、上記で定義したように、使用者は、位置決定アームの端部を掴み、該アームを手動で動かすことで患者の頭部における選択した区域を視覚化することができる。
視覚化された区域は、プランニング・コンソールの術前画像に表示される。

カメラによる画像の視覚化手段は、たとえば、非限定的には、２Ｄタイプのモニターおよび／または２Ｄタイプのヘッドセット、あるいは、立体視技術が利用されるときには、より好ましくは３Ｄタイプのヘッドセットとすることができる。

このように、本発明の目的であるプラットフォームは、ナビゲートされた外科用顕微鏡に対する好適な代替となる。
画像取得手段によって放出されるビデオ・ストリームは、プランニング・コンソールのモニターに同時に送信される。
したがって、外科医および該外科医のチームの他のメンバーは、手術中に解剖区域の同一ビデオ画像を視覚化する。
ビデオ・ストリームは、その他の視覚化手段だけではなく、同時に、このその他の視覚化手段およびプランニング・コンソールのモニターに送信することができる。

協働モードにおいて、ロボットアームを掴むことで画像取得手段を手動で動かす代わりに、使用者は、制御ボックスを介してロボットアームの動きを操作することもできる。
この同じ制御ボックスによって、画像取得手段の一つまたは複数のカメラ、とりわけズームレベルや焦点距離の調整が可能となる。
この制御ボックスは、制御ボタンおよび／または少なくとも一つの制御レバーを具備することができる。

その他の方法として、協働モードにおける画像取得手段の位置決定、つまり、この取得手段を備えた位置決定アームの端部を掴んで手動で該アームを動かすことによる位置決定は、プランニング・コンソールのレベルでの空間対応なしで行うことができる。
このとき、本発明の目的であるプラットフォームは、単純な外科用顕微鏡と同等のものである。

本発明のもう一つの特徴によると、術野およびその他の適切な解剖区域の画像取得手段は、立体カメラのペア、たとえばデジタル・タイプの立体カメラのペアを具備することで、治療すべき解剖区域の二つの立体ビデオ画像を取得し、本発明の一部をなす立体画像の視覚化システムによって、該区域の３Ｄ映像を再現できるようになっている。

この方法の利点は、外科医に起伏を知覚させ、それにより外科医の外科行為の質を高めることにある。

本発明のもう一つの特徴によると、画像取得手段は、それ自体が冷光源に接続された光ケーブルに仲介されるように適合化された光学モジュールを統合している。
したがって、装置は、治療すべき解剖区域のビデオ・ストリームを受信するのと同時に該区域を照射する。

ある種の手術用顕微鏡で知られている不都合は、双眼鏡に送信された画像が十分な光度を有するように、解剖区域の強い照射を必要とすることにある。
デジタル・タイプのビデオカメラは、強い照射を必要としないため、該カメラを用いることは確かな利点である。
解剖区域の正しい視認のためには、室内照明だけで十分となり得る。

本発明のもう一つの特徴によると、画像取得手段は、二つのレーザー・モジュールを統合しており、これらのレーザー・モジュールが、可視レーザービームを照射する。
これらレーザービームは、一点に収束し、該点は、立体カメラの二つの光学軸の交差点となるように調整することができる。

これらの収束レーザー・モジュールは、起伏を知覚するために最適な作業区域を指示するので、使用中の利点をもたらしてくれる。
また、該収束レーザー・モジュールは、製造面で、二つの立体カメラの中心を同一点に設定することを容易にし、画像取得手段である器具のジオメトリを決定するという利点も有している。

本発明のもう一つの特徴によると、画像取得手段は、立体カメラのペアの中央光学軸に並べられた中央レーザー・モジュールを統合している。
この可視レーザービームは、解剖区域のビデオ画像が得られる軸を実現する。

本発明のもう一つの特徴によると、中央レーザー・モジュールは、レーザー測距器であり、該レーザー測距器は、その外部表面とレーザービームによって指示される最も近くの対象との間の距離を測定することに適している。

本発明のもう一つの特徴によると、画像取得手段は、その光学軸を中心とした機械的回転システムを統合している。
したがって、使用者は、外科行為の必要性に応じて、解剖区域のビデオ画像を方向付けるために、ハンドルによって画像取得手段を回転させることができる。

もう一つの特徴によると、本発明は少なくとも一つの可視マーカーを備えた機械的ポインターを統合しており、該マーカーは、それ自体で知られたものであり、画像取得手段で取得されたビデオ画像上で位置を特定されるように適合化されている。
ポインターの先端の位置は、二つの立体画像における一つまたは複数のマーカーを同定し、三角測量によって計算することができる。

この計算には、二つのカメラそれぞれの事前のキャリブレーション（内在的パラメータ）ならびに立体画像システムのキャリブレーション（一方のカメラの他方に対する位置と方向）が必要となる。
この解決法の利点は、立体カメラのペアが治療すべき解剖区域に近い領域に位置付けられることと、それにより光学的な位置決定による現状のニューロナビゲーション・システムに共通する「視線」という問題が克服されることにある。

術前の画像（スキャナー、ＭＲＩまたはその他の方法）と患者の位置との間の対応付けが行われるとき、システムは、ロボットアームによって担持されている画像取得手段の位置を認識する。
このとき、本システムは、ニューロナビゲーション・システムと結合した顕微鏡の好適な代替とすることができる。
解剖区域とプランニング・コンソールの術前画像に表示された対象となる地点は、たとえば収束レーザービームの交差点および／または中央レーザービームの衝撃点および／または可視マーカーを備えた機械的ポインターの接触点とすることができる。

本発明のもう一つの特徴によると、三次元タイプの立体画像の視覚化システムが用意されている。

本発明の一つの特徴によると、立体画像の視覚化システムは、異なるソースに由来する二つのビデオ画像を表示するように適合化された二つのモニターで構成される。
これらモニターが、好適にはヘッドセットまたは眼鏡に取り付けられることで、外科医は、外科行為を行うために手を空けておくことができる。

この視覚化システムは、３Ｄ仮想対象の現実的な像を表示するために、コンソール上での医療行為のプランニング過程の間に用いることができる。
たとえば、術前画像、あるいは、標的地点、執刀地点、直線経路、対象となる面、対象となる容積といったプランニング上の仮想的な対象に基づいて作成された患者のデジタルモデルである。

したがって、二次元の形で情報を表示するモニターしか利用可能ではない既存のニューロナビゲーション・システムとは異なり、外科医は三次元の形で情報を直接操作する。

また、本装置は、画像取得手段に由来するビデオ画像を視覚化システムによって表示することで、手術用顕微鏡に対する好適な代替とすることができる。
このとき、外科医は、外科行為を行うために最適と考えられる位置で手術を行うことができる。

術前画像（スキャナー、ＭＲＩまたはその他の方法）と手術ブロックにおける患者の位置との間の対応付けがいったん行われると、プランニング・コンソールは、ロボットアームによって担持されている画像取得手段の位置を認識する。
カメラの投射モデルを事前に知っていることで、仮想の画像を実際の画像に重ねて標的となっている解剖区域の画定された要素を視覚化することができる。
この要素は、たとえば腫瘍切除の場合には腫瘍であり、もしくは、標的点、執刀地点、軌道、機器あるいは対象となる解剖区域であることもある。
このとき、立体視覚化システムは、プランニングの仮想要素によって補強された、解剖区域のビデオ画像を表示する。
このように、拡張現実機能が保証される。

拡張現実によって、外科医が手術している間に、詳細な情報を外科医に提供することが可能となる。
拡張現実によって、外科医は自分が手術している区域と、モニターに表示されている術前画像とを交互に見なくてもよくなり、これらの情報の対応を頭の中でとらずに済むため、これは非常に有用な機能である。
すべての情報は、同一のモニター上に重ねて投射される。
立体視覚化システムは、とりわけ、ありのままの情報、たとえば距離や容積などを表示することができる。

これらの特徴は、プラットフォームに多機能性を与えることになり、該性質は、ロジスティック管理およびメンテナンスという意味で中核病院の必要性に応え、手術ブロックの柔軟性と多機能性という目的に応えるものである。

また、本発明は、治療すべき解剖区域、そのデジタルモデルとロボットアームの間の位置調整の精度を高めることを目指した方法も目的としている。

このため、本発明による方法は、
・神経外科的手術の前に、治療すべき区域の第一のデジタル画像を取得し、記憶し処理するためにこれらのデジタル画像をネットワークまたは物理媒体を介してプランニング・コンソールに送信することと、
・手術中に、ロボットアームの遠端部区画の受容機構によって担持されている走査機器を用いて、第一のデジタル画像上に既に表示されている患者の体の領域の適切な部分の第二のデジタル画像を取得し、これら第二のデジタル画像を、記憶し処理するためにプランニング・コンソールに送信することと、
・第一のデジタル画像に基づき、患者の適切な体の領域を表す第一の三次元デジタルモデルを構築することと、
・第二のデジタル画像に基づき、同じく患者の適切な体の領域を表す第二の三次元デジタルモデルを構築することと、
・一方および他方のモデルに表されている適切な体の領域の各表示を重ねることで、第一および第二のモデルの対応をとること、
から構成される。

このような方法によって、Ｘ線不透過性マーカーの存在から解放され、術前モデル、患者およびロボットアームの間の位置調整の精度が高められる。

本発明のその他の利点および特徴は、添付図面を参照して非限定的な例として挙げられた好ましい実施態様の説明を読むことで明らかになるものである。

本発明によるプラットフォームの概観図。 本発明によるプラットフォームの斜視図。 本発明によるプラットフォームの詳細な図。 展開した位置における、床に対するケースの固定手段の実施例を示す概略図。 手術すべき患者の頭部を受容するために設けられたヘッドレストにケースを固定する手段の実施例を示す概略図。 ロボットアームによって担持されている非接触式センサーの実施例を示す概略図。 画像取得手段の実施例を示す概略図。 三次元タイプの視覚化手段の実施例を示す概略図。 可視マーカーを備えた機械的ポインターの実施例を示す概略図。

示したように、本発明にしたがった、神経外科用の多機能ロボット化プラットフォームは、搭載することができ、とりわけデジタル画像を受信し、処理することのできる処理手段２を統合したプランニング・コンソール１と、アームの複数の区画を有する位置決定ロボットアーム３とを備え、該区画の一方が近端部、他方が遠端部となっており、前記各区画が関節によって互いに連結され、アームの遠端部区画が、取り外し可能に固定される器具４、機器およびその他を受容するように構成された受容機構５を具備しており、前記ロボットアームはプランニング・コンソール１によって操作される。

また、プラットフォームは、一連の器具、および場合によっては、前述したように、アームの遠端部区画の受容機構５に位置付けられ、取り外し可能に固定されるように適合化された一連の外科用機器、ならびに、術野のビデオ画像取得手段１４および術前・術中の画像の視覚化手段６も統合している。
これらの視覚化手段は、視覚化すべき画像に関するビデオ信号を受信するためにプラニング・コンソールに電気的に接続され、かつ／またはカメラのようなビデオ画像取得手段１４に電気的に接続されている。

視覚化手段は、三次元タイプの視覚化手段を含むことができる。

また、プラットフォームは、制御モニター６０と、使用者から手術のプランニング・パラメータを受信するように適合化された通信インタフェース６１も備えている。

位置決定ロボットアーム３には、中央ユニットと、前述した通信インタフェースの一部を成すことができるデータの情報入力インタフェースとが接続されている。

位置決定ロボットアーム３は、その近端部区画によって方向付け用のタレットに固定されており、該タレットは平行六面体のケース７の上部に固定的に設置されている。
このケースは、とりわけアーム３の制御に固有の電子工学系を収容している。

位置決定ロボットアーム３のアームの各区画の間には、たとえば六個の関節が設けられており、該関節は、各関節の位置、軸あるいは該関節が画定する旋回軸のそれぞれに、モーターと、関連するインクリメンタル・エンコーダーを具備している。
各モーターは、隣接する二つの区画を互いに対して旋回駆動させることに適しており、関連する各インクリメンタル・エンコーダーは、これらの区画の一方に対する他方の角度位置に関する情報を与えることに適している。
関節によって、末端の器具、機器およびその他の位置（３自由度）ならびに方向（３自由度）を決定することが可能となる。
インクリメンタル・エンコーダーによって測定された角度の値は、ロボットアームの認識されているジオメトリと、アーム３によって担持されている器具、機器およびその他の認識されているジオメトリによって、ロボットアームの遠端部のデカルト座標、器具、機器およびその他の端部のデカルト座標および空間内でのこの器具の方向を計算することを可能にする。

説明したアームは、ほこりまたは病原要素が滞留し、繁殖することを避けるために、最小限度の内奥部を有するように適合化された流線型のカバーとなっている。

ケース７は、下部にキャスターのような全方向性の回転移動機構８を具備しており、該キャスターは、それぞれ垂直の回転軸を有する全方向性のフレームによって支えられている。
これらのキャスター８およびフレームによって、床での容易な移動が保証される。

ケース７は、外科手術中に動くことを防止するために、床に対する固定手段を具備している。

第一の実施態様によると、これらの固定手段は、それ自体は既知であり、キャスター８およびフレームに接続されたブロック機構で構成され、該固定手段が作動中のとき、キャスターが自然な回転軸を中心に回転し、フレームが垂直軸を中心に旋回することを禁止する。
したがって、ケースは床に対して固定される。

一変形例によると、図４に示しているように、床に対するケース７の固定手段は、少なくとも三つの足７０で構成され、これらの足は、床から離れた状態にある引っ込んだ位置か、あるいはケースを動かなくするために床に接触した状態にある展開位置のいずれかを占めることができ、各足７０は、モーター機構７１によって一方の位置から他方の位置へと動かされる。

特徴的な一実施態様によると、各足は、適切な油圧回路７２に接続された、単動タイプの油圧ジャッキのロッドの端部によって形成され、該油圧回路は、さまざまなジャッキに共通であり、とりわけ、知られているように、少なくとも一つの油圧分散器と、遠隔制御によって操作される電気モーターによって駆動される油圧ポンプとを具備している。
該分散器または各分散器は、たとえば電気制御式である。
モーター７１もまた、電動ジャッキで構成することができる。

したがって、格別な努力を必要とすることなく、使用者はケース７を安定させるために足７０を降ろすことができる。

ケース７は、事前に手術すべき患者が置かれた手術台への固定手段を備えることができ、該患者の頭部Ｈは、台に対して固定されたヘッドレストによって、適切な位置にしっかり維持される。

手術台にケース７を固定する手段は、前記台に対するケースのあらゆる動きを防止するものであり、それぞれが台のレールの一つと固定して協働することに適した二つの固定フランジ９で構成され、各フランジは、ケース７の側部の一方によって担持されているレール支持体１１と協働する支持構造体１０によって、位置を調節可能なように担持されている。
各固定フランジ９は、台のレールの形状およびサイズと相容れる形状およびサイズを有している。
各支持構造体１０は、対応する固定フランジ９を受容する垂直アーム１０ａで構成される。
この固定フランジ９は、垂直アーム１０ａに沿って高さを変えられるように取り付けられており、適切な位置に応じてアーム１０ａに固定するための圧力ねじまたはその他のような締め付け機構を具備している。
各支持構造体は、垂直アーム１０ａに固定された水平アーム１０ｂも有している。
この水平アーム１０ｂは、ケース７が有するレール支持体１１内で位置調節できるように取り付けられている小溝と係合する第二の垂直アーム１０ｃを具備している。
この第二の垂直アームは、ねじによって小溝で固定されることになり、該ねじによって、レール支持体１１内での小溝の固定も確実になされる。

もう一つの実施態様によると、図５に示しているように、ケース７は、手術台Ｔには固定されておらず、手術すべき患者の頭部Ｈを受容するために設けられたヘッドレスト１５に直接固定されており、該患者は手術台Ｔに置かれている。
このケース７は、作動中にはケース７とヘッドレスト１５の間の堅固な結合を保証する固有の固定手段を介してヘッドレスト１５に接続される。
この配置には、手術台Ｔの柔軟性から解放されるという利点がある。
これら固定手段は、ヘッドレスト１５に対するケース７の適切な位置決定を可能にする、非作動と呼ばれる状態に置くことができる。

非限定的例示として、この手段は、関節１６ｂによって二つずつが互いに連結されたアームの複数の区画１６ａで構成された、多関節の機械的アーム１６で構成することができ、該関節は固定フランジに接続されており、該フランジは、それぞれ、図示していないが、関連する関節のロック状態あるいは該関節のロック解除状態のいずれかを占めることができる。

前述のように、位置決定ロボットアーム３には、中央ユニット３０とデータの情報入力インタフェース３２が接続されている。

データの中央ユニット３０は、ケース内に収納することができ、該ケースが搬送する電子工学系の一部を形成することができる。

ロボット化されたプラットフォームは、また、接触式または非接触式のセンサーも具備することができる。

接触タイプのセンサーは、ロボットアームの遠端部区画に担持された機械的ポインターで構成することができる。
得るべき標的と接触するように誘導されるようになっているこの機械的ポインターは、ポインティング・ボールまたはドライポイントを具備することができる。

非接触式センサー１７は、距離測定用の光学モジュール、たとえばレーザー測距器といった種類の光学モジュールで構成され、図６ではロボットアーム３との関連で概略的に示されている。
この図面では、このセンサー１７が、ロボットアームの遠端部区画によって担持され、患者の頭部Ｈの特徴的な地点に向けて方向付けられているのが分かる。

画像取得手段１４は、たとえばデジタル・タイプの少なくとも一つのビデオカメラを具備している。
図７に示しているように、好ましい一実施態様では、術野の画像取得手段は、支持台１４０にたとえばデジタル・タイプの二つの立体カメラ１４１を具備していることで、治療すべき解剖区域の二つの立体ビデオ画像を取得し、以下に説明する立体画像の視覚化システムによって前記区域の３Ｄ映像を再現できるようになっている。
これらの二つの立体カメラ１４１が、中央の光学軸ＡＡ’に対して対称的に配置されていることが注目される。

この画像取得手段は、さらに、光学ケーブルに仲介されるように適合化された光学モジュール１４２を備えており、該ケーブル自体は、治療すべき解剖区域を照射するために、冷光源１４２ａに接続されている。

本発明の好適な一構成によると、画像取得手段１４は、二つの収束レーザー・モジュール１４３を統合しており、該モジュールは立体カメラ１４１の横にあり、好ましくは、光学軸ＡＡ’に対して対称的に配置されている。
これらの収束レーザー・モジュール１４３は、可視レーザービームを照射し、それらビームが、立体カメラの二つの光学軸の交差点となるように調整することのできる一点に収束するように方向付けられている。
確認できるように、収束点は光学軸ＡＡ’に属している。

これらの収束レーザー・モジュール１４３は、起伏を知覚するために最適な作業区域を指示するため、使用中の利点をもたらしてくれる。
また、該収束レーザー・モジュールは、同一点に二つの立体カメラの中心を設定することを容易にし、画像取得手段器具のジオメトリを決定するという点で、製造上の利点も有している。

画像取得手段１４は、さらに、中央の光学軸ＡＡ’に並べられた中央レーザー・モジュール１４４も統合している。
この可視レーザービームは、解剖区域のビデオ画像が得られる軸を実現する。

中央レーザー・モジュール１４４は、レーザー測距器であり、該レーザー測距器は、その外部表面と、レーザービームによって指示される最も近い対象との間の距離を測定するのに適している。

画像取得手段１４は、その光学軸ＡＡ’を中心とした機械的回転システムを統合することができ、該システムによって視覚化手段に形成されるビデオ画像の方向付けが可能となる。

このような回転システムは、ピボットあるいはスライド・ピボットと、シャフト１４５と連動した上記要素全体との結合によって実現することができる。該シャフトは、ロボットアームの遠端部区画が具備する受容機構５に取り外し可能に固定するための支持体１４８を備えた鞘１４６の貫通した穿孔部に、滑りばめによって係合する。
このシャフト１４５は、支持台１４０に堅固に固定することができる。

鞘１４６の外部では、シャフト１４５が旋回用操作ハンドル１４７を受け、該ハンドルに対して作用することによって、画像取得手段１４を適切に方向付けることができる。
鞘１４６には、たとえばあご付きの締め付け機構を付け加えることができ、該締め付け機構は、図示されていないが、鞘１４６に対する画像取得手段１４のあらゆる旋回運動を防止するために、作動しているときにシャフト１４５を締め付けるようになっている。
このあご機構は、旋回用操作ハンドル１４７に設置された制御体に対する作用によって、非作動の状態にすることができる。
非作動状態では、この締め付け機構は、鞘１４６に対する画像取得手段１４の旋回を許可することになる。

図８には、三次元タイプの視覚化手段１８の一実施例が示されている。
この立体視覚化手段は、外科医に担持されるようになっており、外科医の頭部にはめられるようになっているヘッドセット１８０と、外科医の目の正面に位置調整可能な仕方で用いられる二つの視覚化モニター１８１とを備えている。
視覚化モニターには、治療すべき解剖区域のビデオ画像を表示することができ、該画像は、場合によっては、拡張現実機能を確実にするために、プランニングによる仮想要素によって質が高められている。

図９には、少なくとも一つの可視マーカー２０が備えられた機械的ポインター１９が示されており、該マーカーは画像取得手段によって取得されたビデオ画像上で位置を特定されるように適合化されている。
この図面では、可視マーカー２０が、特にこの場合、白い区域と黒い区域で強く対比された区域を含んでいることが確認できる。
可視マーカー２０のおかげで、機械的ポインター１９の先端の空間位置を、画像取得手段１４の二つのビデオカメラによって提供された二つの立体画像におけるマーカーを特定することによる三角測量によって計算することができる。

本発明の目的であるロボット化されたプラットフォームによって、ガイド、センサーあるいはビデオ画像の取得手段の位置決定が可能となる。
その使用法は四つの過程に基づいており、該過程とは、
・治療すべき区域のデジタル画像（スキャナーまたはＭＲＩ）を取得し、ネットワークまたは物理媒体を介してプランニング・コンソール１に、これらのデジタル画像を送信する第一の過程と、
・これらの画像を処理し、解剖学的構造を同定し、たとえば生検針の軌道を確立するために、執刀点および標的点を画定するといった、外科行為のプランニングを行う第二の過程と、
・以下に説明するモードの一つにしたがって、術前画像と術中の患者の頭部の位置との対応をとる第三の過程と、
・そして、たとえば、ガイド、レーザーポインター、カメラ、取得装置およびその他のような末端の器具４の位置を自動で決定する最後の過程である。

本発明によるロボット化されたプラットフォームは、脳の衰弱および針の起こりうる湾曲に関する、定位固定法、ニューロナビゲーション・システムおよびロボット・システムと同じ仮説を採用している。

術前画像と手術室における患者の位置との間の対応付けは、プラットフォームに統合されているさまざまな技術により複数の仕方で行うことができる。

第一の実施態様によると、位置調整方法は、Ｘ線不透過性マーカーを利用する。

手術の際、術前画像（スキャナーまたはＭＲＩあるいはその他の方法）と患者の頭部の位置との間の対応付けは、画像法で位置を特定されるように適合化されたマーカー、たとえばＸ線不透過性マーカーによって行うことができる。
この場合、前記マーカーは、術前画像を取得する前に患者の頭部に設置される。
該マーカーは、画像の目印の中で位置を判定するために、プランニングの過程において画像上で同定される（手動での修正の可能性を残して自動的に）。

手術の際、外科医は、位置決定ロボットアームを協働モードで配置し、ロボットの目印内でさまざまなマーカーの位置を特定するために、センサーを備えた、この位置決定ロボットアームを手動で動かす。
画像の目印およびロボットの目印において、各マーカーの位置がいったん認識されると、点対点の位置調整アルゴリズムによって、それら二つの目印の対応をとることが可能となる。

この方法は、機械的ポインティング機器および非接触式仮想センサー（レーザー測距器）といった、さまざまなタイプのセンサーで行うことができる。

この方法でなければ、外科医は、画像取得手段１４を備えたロボットアームを、患者の頭部の上に設置する。
外科医は、白黒の可視マーカー２０を備えた機械的ポインター１９を用いて、Ｘ線不透過性マーカーの位置特定を手動で行うことができる。
また、本システムは、患者の頭部Ｈの周囲のさまざまな位置に画像取得手段１４を配置し、Ｘ線不透過性マーカーを含む立体画像を取得し、各Ｘ線不透過性マーカーの位置を特定するために画像を分割し、そしてロボットアームの座標系においてそれらの三次元位置を三角測量によって計算することで、Ｘ線不透過性マーカーの位置特定を自動で行うことができる。
Ｘ線不透過性マーカーの位置特定を容易にするために、視界の中で強い対比を有する特定のマーカーを用いることもできる。

画像の目印およびロボットの目印の中で、いったん各マーカーの位置が認識されると、点対点の位置調整アルゴリズムによってそれら二つの目印の対応をとることが可能となる。

もう一つの実施態様によると、本方法は、Ｘ線不透過性マーカーを利用しない。

この方法でなければ、画像の目印とロボットの目印の対応付けは、マーカーの代わりに、表面的な解剖学的目印に基づいて行われる。
手術の際、外科医は、センサーを備えた位置決定ロボットアームを手動で動かすことで、鼻、弓状部、耳、歯またはその他のような特徴的な解剖学的点または面の位置を特定する。
点−面あるいは面−面の位置調整アルゴリズムによって、このように術前検査で得られた点または面の位置調整が可能となる。

この方法は、機械的ポインティング機器、非接触式仮想センサー（レーザー測距器）、白黒の可視マーカーを備えた機械的ポインターといった、さまざまなタイプのセンサーによって行うことができる。

この対応付けの方法には、画像法を行う前に患者の頭部にマーカーを設置する必要がないという利点がある。

開示した方法によると、ロボットアームは、外科医によって手動で動かされる。

この方法でなければ、特徴的な解剖面の取得は、患者の頭部Ｈの全体または一部をスキャニングすることで、非接触的かつ自動で行われる。
このような取得方法は、位置決定ロボットアーム３の端部に固定された非接触式測定センサー４、たとえばレーザー測距器によって得ることができる。
前記ロボットアームは、対象となる区域に対して適合化された動き、たとえば直線的なスライドの動きにしたがった一定の速度で前記センサー４を駆動することで、自動的に前記対象となる区域をスキャンする。
ロボットの目印におけるセンサー４の位置を詳しく認識することで、解剖面の再構成が可能となる。

この方法は、画像取得手段がレーザー測距器を統合しているときには、該画像取得手段でも行うことができる。
このことは、手術中に器具を変更する必要がないため、ナビゲートされた顕微鏡による処置の際に特に有利である。

また、非接触式測定センサーの代わりに超音波プローブを用いることもできる。
この場合、画像の目印とロボットの目印との間の対応付けは、強度、勾配およびその他の特性といった画像の特性に基づく処理アルゴリズムによって行うことができる。

これらの自動対応付け方法は、外科医の手動による介入を必要としない。

いったん対応付けが行われると、ロボットは、受容機構に固定されている器具を、プランニングされた軌道上に自動で位置付ける。

当然のことながら、本発明は、以下の特許請求の範囲で定義される本特許の範囲を逸脱しない限り、同等の技術分野のあらゆる変形例も受容できるものである。

１ プランニング・コンソール
２ 処理手段
３ 位置決定ロボットアーム
４ 器具
５ 受容機構
６ 視覚化手段
７ ケース
８ 回転移動機構
９ 固定フランジ
１０ 支持構造体
１０ａ 垂直アーム
１０ｂ 水平アーム
１０ｃ 第二の垂直アーム
１１ レール支持体
１５ ヘッドレスト
１６ａ 区画
１６ｂ 関節
１７ 非接触式センサー
１８ 視覚化手段
１９ 機械的ポインター
２０ 可視マーカー
３０ 中央ユニット
３２ 情報入力インターフェース
６０ 制御モニター
６１ 通信インターフェース
７０ 足
７１ モーター機構
７２ 油圧回路
１４０ 支持台
１４１ 立体カメラ
１４２ 光学モジュール
１４２ａ 冷光源
１４３ 収束レーザー・モジュール
１４４ 中央レーザー・モジュール
１４５ シャフト
１４６ 鞘
１４７ 旋回用操作ハンドル
１４８ 支持体
１８０ ヘッドセット
１８１ 視覚化モニター

仏国特許出願公開第２８７１３６３号明細書

Claims (17)

1. 神経外科用の多機能ロボット化プラットフォームであり、
   ・デジタル画像を受信し、処理することのできる処理手段（２）を統合したプランニング・コンソール（１）と、
   ・アームの複数の区画を有し、該区画の一方が近端部であり他方が遠端部であって、前記各区画が関節によって互いに連結され、アームの遠端部区画が器具（４）を受けるように構成された受容機構（５）を具備し、プランニング・コンソール（１）によって操作される位置決定ロボットアーム（３）と、
   ・治療すべき解剖区域の画像を取得することに適し、プランニング・コンソール（１）が具備する処理手段（２）に電気的に接続することができ、アームの遠部区画の受容機構（５）に位置付けられ、取り外し可能に固定されることに適している少なくとも一つのビデオ画像取得手段（１４）であり、中央光学軸（ＡＡ’）を含み、該中央光学軸（ＡＡ’）に並べられた中央レーザー・モジュール（１４４）を統合しており、前記中央レーザー・モジュール（１４４）が、その外部表面とレーザービームによって指示された最も近い対象との間の距離を測定することに適したレーザー測距器である、ビデオ画像取得手段と、
   ・手術前および手術中の画像の視覚化手段（６）であって、視覚化すべき画像に固有のビデオ信号を受信するために前記プラニング・コンソール（１）に電気的に接続され、かつ／または画像取得手段（１４）に電気的に接続されている手術前および手術中の画像の視覚化手段とを具備し、
   前記処理手段（２）が、
   ・手術前に取得するとともに前記プラニング・コンソール（１）に送信され記憶された第一のデジタル画像に基づき、患者の適切な体の領域を表す第一の三次元デジタルモデルを構築することと、
   ・手術中に取得するともに前記プラニング・コンソール（１）に送信された 第二のデジタル画像に基づき、同じく患者の適切な体の領域を表す第二の三次元デジタルモデルを構築することと、
   ・一方および他方のモデルに表されている適切な体の領域の各表示を重ねることで、第一および第二のモデルの対応をとることと、
   該対応に応じて、前記位置決定ロボットアームおよび該位置決定ロボットアームが担持する器具（４）とビデオ画像取得手段（１４）の軌道の制御とを可能にする
   ことを特徴とするプラットフォーム。
2. 前記位置決定ロボットアーム（３）に、中央ユニットおよびデータの情報入力インタフェース（３２）が接続されていることを特徴とする、請求項１に記載のプラットフォーム。
3. 前記位置決定ロボットアーム（３）が、少なくとも６自由度、すなわち３スライド自由度と３回転自由度を有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のプラットフォーム。
4. 前記位置決定ロボットアーム（３）が、力センサーを具備し、使用者が位置決定ロボットアーム（３）の端部を掴んで手動で動かすことができるモードにしたがって作動するように適合化されていることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか一つに記載のプラットフォーム。
5. 制御モニター（６０）と、使用者から手術のプランニング・パラメータを受信するように適合化された通信インタフェース（６１）とを備えていることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか一つに記載のプラットフォーム。
6. 前記処理手段（２）が、手術のプランニング・パラメータおよび解剖学的目印の空間座標に基づいて行われる三次元計算によって、各軌道を画定するように適合化されていることを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれか一つに記載のプラットフォーム。
7. 前記器具（４）が、少なくとも一つのガイド、および／または、少なくとも一つの機械的ポインター、および／または、少なくとも一つのレーザーポインター、および／または、少なくとも一つの超音波プローブ、および／または少なくとも一つの測距器を含むことを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれか一つに記載のプラットフォーム。
8. 前記器具が、少なくとも一つの外科用機器を含むことを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれか一つに記載のプラットフォーム。
9. 前記位置決定ロボットアーム（３）が、その近端部区画によって平行六面体のケース（７）の上部に固定的に設置された方向付け用のタレットに固定され、該ケースが床での回転移動機構および床に対する固定手段を具備することを特徴とする、請求項１〜請求項８のいずれか一つに記載のプラットフォーム。
10. 前記ケース（７）が、手術台への固定手段（９、１０、１１）を備え、該手段が、前記台に対するケースのあらゆる動きを防止することを特徴とする、請求項９に記載のプラットフォーム。
11. 前記ケース（７）が、手術台（Ｔ）によって担持されている患者の頭部（Ｈ）に設置されたヘッドレスト（１５）に、堅固に固定する手段を具備することを特徴とする、請求項９に記載のプラットフォーム。
12. 治療すべき解剖区域の前記ビデオ画像取得手段（１４）が、治療すべき解剖区域の二つの立体ビデオ画像を取得するために二つの立体カメラ（１４１）を備えていることと、前記視覚化手段（６）が、立体画像の視覚化システムを具備していることを特徴とする、請求項１〜請求項１１のいずれか一つに記載のプラットフォーム。
13. 前記ビデオ画像取得手段（１４）が、光学ケーブルに仲介されるように適合化された光学モジュール（１４２）を統合しており、該光学ケーブル自体が、冷光源（１４２ａ）に接続されていることを特徴とする、請求項１２に記載のプラットフォーム。
14. 前記ビデオ画像取得手段（１４）が、二つのレーザー・モジュール（１４３）を統合しており、これらのレーザー・モジュールが、立体カメラ（１４１）の二つの光学軸の交差点となるように調整することに適した一点に収束する可視レーザービームを照射することを特徴とする、請求項１２または請求項１３に記載のプラットフォーム。
15. 前記ビデオ画像取得手段（１４）が、その光学軸ＡＡ’にしたがった回転によって方向付けるための機械的システム（１４５、１４６、１４７、１４８）を統合していることを特徴とする、請求項１２〜請求項１４のいずれか一つに記載のプラットフォーム。
16. 一つまたは少なくとも一つの視覚化手段に、拡張現実機能を保証するために仮想要素によって補強された治療すべき解剖区域のビデオ画像が表示されることを特徴とする、請求項１〜請求項１５のいずれか一つに記載のプラットフォーム。
17. 神経外科用の多機能ロボット化プラットフォームであり、
    ・デジタル画像を受信し、処理することのできる処理手段（２）を統合したプランニング・コンソール（１）と、
    ・アームの複数の区画を有し、該区画の一方が近端部であり他方が遠端部であって、前記各区画が関節によって互いに連結され、アームの遠端部区画が器具（４）を受けるように構成された受容機構（５）を具備し、プランニング・コンソール（１）によって操作される位置決定ロボットアーム（３）と、
    ・治療すべき解剖区域の画像を取得することに適し、プランニング・コンソール（１）が具備する処理手段（２）に電気的に接続することができ、アームの遠部区画の受容機構（５）に位置付けられ、取り外し可能に固定されることに適している少なくとも一つのビデオ画像取得手段（１４）であり、中央光学軸（ＡＡ’）を含み、該中央光学軸（ＡＡ’）に並べられた中央レーザー・モジュール（１４４）を統合しており、前記中央レーザー・モジュール（１４４）が、その外部表面とレーザービームによって指示された最も近い対象との間の距離を測定することに適したレーザー測距器であり、
    前記ビデオ画像取得手段（１４）が、治療すべき解剖区域の二つの立体ビデオ画像を取得するために二つの立体カメラ（１４１）を備えているとともに、視覚化手段（６）が、立体画像の視覚化システムを具備しており、
    かつ、前記ビデオ画像取得手段（１４）が、二つのレーザー・モジュール（１４３）を統合しており、これらのレーザー・モジュールが、前記立体カメラ（１４１）の二つの光学軸の交差点となるように調整することに適した一点に収束する可視レーザービームを照射する、ビデオ画像取得手段と、
    ・アームの遠端部区画の受容機構に位置付けられ、取り外し可能に固定されるように適合化された器具（４）、機器およびその他と、
    ・手術前および手術中の画像の視覚化手段（６）であり、視覚化すべき画像に固有のビデオ信号を受信するためにプランニング・コンソール（１）に電気的に接続され、かつ／または画像取得手段（１４）に電気的に接続された視覚化手段、
    を具備することを特徴とするプラットフォーム。

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