JP5244602B2

JP5244602B2 - コンピュータ支援手術用多面追跡装置

Info

Publication number: JP5244602B2
Application number: JP2008538236A
Authority: JP
Inventors: セバスチャン・ユトラス; ルイ−フィリップ・アミオ; ベノワ・ペルティエール
Original assignee: オーソソフトインコーポレイテッド
Priority date: 2005-11-03
Filing date: 2006-11-02
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2026-11-02
Also published as: CA2622607A1; AU2006308766B2; CA2622607C; EP1951140B1; US8386022B2; EP1951140A4; WO2007051304A1; CN101299971B; US20070100325A1; CN101299971A; KR20080081907A; EP1951140A1; AU2006308766A1; JP2009514571A

Description

関連出願との相互関係

本願は、２００５年１１月３日に出願済みの米国仮特許出願番号６０／７３２、６７４に基づく優先権を主張する。

本発明は、コンピュータ支援手術システムに関し、より具体的には、コンピュータ支援手術中に手術器具の追跡に用いられる器具に関する。

手術器具又は道具の追跡は、コンピュータ支援手術（以下ＣＡＳと言う）に不可欠の部分である。身体の部品に関する情報が得られるような方法により、器具の位置および／又は方向が追跡される。かかる情報は、その後、人工骨置換術(bone alterations)、インプラントの位置調整、切開等の身体に関する様々な診療に用いられる。

通常、これらには２つのタイプの追跡システムが用いられる。動的追跡システムは、追跡される器具上に発信器を設け、当該発信器は、受信される信号に応じて器具の位置および／又は方向を演算するＣＡＳシステムのプロセッサーで受信される信号を発信する。動的追跡システムの送信器は、ＣＡＳシステムに有線接続され、あるいは、独立した電源を設けること等により、信号を発信するよう動作する。

静的追跡システムでは、器具上に動的な発信器を設けることがないので、殺菌に関する問題が生じにくいことを表している。静的追跡システムに関連するＣＡＳシステムは、器具上の光学素子を視覚的に検出する光学センサ装置を有している。かかる光学素子は、静的なものであるから、それらに電源は付随していない。

位置および／又は方向についての値を入手するため、前記光学素子は、光学センサ装置の視界内に存在しなければならない。したがって、静的追跡システムを用いた場合、手術は、光学センサ装置と光学素子間で要求される視界に応じて、特定の方向において行われる。

既知の実施形態において、前記光学素子は、前記ＣＡＳシステムの光学センサ装置によって検出可能な再帰反射球体（retro-reflective spheres)である。かかる再帰反射球体は、光学素子と関連する器具の位置および／又は方向の情報が計算可能となるよう、認識可能なパターン内に位置する。再帰反射球体の形状は、良好な視界を提供するという利点を有している。しかし、再帰反射球体は、製造コストが比較的高価なものとなってしまう。

なし

発明の概要

したがって、本発明の目的は、従来技術に関する問題に対処する追跡装置を提供することである。

すなわち、本発明は、手術器具に関連づけられ、少なくとも前記手術器具の位置を演算するよう、ＣＡＳシステムによる空間での追跡が可能なタイプの追跡装置であって、前記手術器具に接続するよう適用される支持体、第一の視程(a first range of visibility)に従って前記ＣＡＳシステムにより検出されるよう、第一のパターンで前記支持体に取り付けられた少なくとも２の光学素子、および第二の視程(a second range of visibility)に従って前記ＣＡＳシステムにより検出されるよう、第二のパターンで前記支持体に取り付けられた少なくとも２の他の光学素子であって、ほぼ共通する部分を有する前記第一の視程ならびに前記第二の視程を有するもの、を備え、これにより、前記光学素子のいずれかのパターンの検出結果に応じて、少なくとも前記手術器具の一部が、前記第一の視程および第二の視程内で追跡されることを特徴とする追跡装置、を提供する。

また、本発明は、術中の手術器具を追跡するコンピュータ支援手術システムであって、少なくとも１の手術器具と、前記手術器具に固定された追跡装置であって、第一の視程に従って視認可能な光学素子の第一の幾何パターンおよび第二の視程に従って視認可能な光学素子の第二の幾何パターンを有する追跡装置と、前記器具が前記第一の視程および／又は前記第二の視程を移動すると、前記幾何パターンのいずれかを追跡するセンサユニット、幾何パターンデータおよび器具／追跡装置の関係データを記憶するデータベース、および、前記幾何パターンデータから追跡された前記幾何パターンを識別し、前記センサユニットから識別された前記幾何パターンの前記追跡結果に応じ、前記追跡装置の位置および方向を演算するため、前記センサユニットおよび前記データベースに接続される位置兼方向演算器、を有する追跡システムと、を備えており、当該追跡システムは、前記追跡装置の位置および方向、ならびに、前記器具／追跡装置関係データに応じて、前記器具の前記位置および方向を演算することを特徴とするコンピュータ支援手術システム、を提供する。

好ましい実施形態の説明

他の実施形態の多面追跡装置は、図４および図６において１０’として示されているが、ここで、図面、より具体的には、図１を参照すると、一実施形態に基づく多面追跡装置は、通常１０として示されている。さらに、図８および図９における別の実施形態においては、１０’’として示されている。かかる多面追跡装置１０は、支持体１２ならびに追跡端部１４を有している。

支持体１２は、追跡装置１０と手術器具（たとえば、レジストレーション・ポインター(registration pointer)、外科用やすり(rasp)、ドリルガイド、リファレンス・ベース等のＣＡＳで用いられる器具）を相互に関連づけるため設けられる。かかる支持体１２は、ＣＡＳシステムの光学センサー装置が視覚的にパターンを認識するよう、与えられた空間において追跡端部１４を支持する。追跡端部１４のパターンを追跡することにより、ＣＡＳシステムは、追跡装置１０に関連する手術器具又はツールの位置および／又は方向を演算する。

追跡端部１４は、幾何パターンを構成し、ＣＡＳシステムの光学センサ装置によって視覚的に検出可能な、光学素子を支持する。

図１から図３を参照すると、支持体１２は、３本のアーム２０を有して示されている。かかるアーム２０は、中央に集まり、それぞれがその自由端に追跡端部１４の１つを有している。図３に示すように、支持体１２の下側に雌コネクタ２１が設けられているが、それに代えて追跡端部１４の下面に設けるようにしてもよい。

したがって、図４に示すように、追跡装置１０’は、図１から図３の追跡装置１０とほぼ同様であるが、手術器具の支持体Ａと接続するようにしてもよい。かかる支持体Ａは、３つの雄コネクタを有するタイプであり、その２つは、Ｂで示されている。かかる雄コネクタＢは、支持体Ａ上の検出可能な球体を支持するために設けられたスナップ式のフィンガーである。支持体Ａおよび追跡装置１０／１０’間の３点接続は、追跡装置１０／１０’に対する構造強度を高めることが指摘される。

したがって、ある実施形態においては、追跡装置１０／１０’／１０’’（図８および図９）を手術器具の既存の支持体Ａと共に用いることが可能である。しかし、追跡装置１０／１０’／１０’’を手術器具に接続するため、別タイプの接続システムを設けることが検討される。

追跡される物体の位置および方向を空間において求めるためには、前記物体に関連する少なくとも２つの点が認識されていなくてはならない。２つの点を用いることにより、特定の条件（たとえば、物体と前記２つの追跡点が同一線上にあり、較正後も視覚を遮らない）下で位置および方向を求めるため物体を追跡することができる。通常、６自由度の追跡(six-degree-of-freedom tracking)には、非線状の追跡可能な３点による幾何パターンが用いられるが、追跡の精度を向上させるため、より多くの追跡可能な点を用いるようにしてもよい。

したがって、図１の実施形態においては、３つの検出可能素子の３セットにおいて、３つの追跡端部１４が設けられている。図１および図５を同時に参照すると、追跡端部１４のそれぞれには、面４１Ａ、４１Ｂならびに４１Ｃ（特に述べられていない限り、以下、面４１と言う）を有するピラミッド形状の本体４０が設けられている。かかる面４１は、所定の幾何的形状を有する開口４２をそれぞれ定義する。図１および図５の実施形態において、所定の幾何的形状は円形である。面４１には、面取り加工が施された表面４３が設けられ、開口４２を取り囲んでいる。

再帰反射面は、追跡端部１４の面４１Ａ、４１Ｂならびに４１Ｃ内にそれぞれ設けられる光学素子４４Ａ、４４Ｂならびに４４Ｃを形成するよう、開口４２内に位置する。光学素子４４には、他の形状も考えられる。再帰反射面は、ＣＡＳシステムに付随する光学センサ装置によって検出される再帰反射素材により形成されている。たとえば、再帰反射素材として用いるのには、スコッチライト^TM という素材が適している。

ＣＡＳシステムの光学センサ装置によって認識されるため、光学素子４４は、所定の幾何パターンでなければならないので、かかる光学素子４４は、ある実施形態において３つのセットに再編成される。図１を参照すると、３つの素子４４は、それぞれが異なる追跡端部１４に存する光学素子４４Ａから構成される。同様に、第二のセットは、光学素子４４Ｂから構成され、第三のセットは、光学素子４４Ｃから構成される。

図１の実施形態において、同じセットの各光学素子（たとえば、素子４４Ａの第一のセット）は、同じ平面に対して平行である。したがって、素子４４Ａは、同じ視界から見ることができる。

素子４４のセットは、追跡装置１０の視程を最適化するよう、互いに戦略的に配されている。より具体的には、かかるセットは、ＣＡＳシステムの光学センサ装置がセットの１つを見失ったとしても、他のセットが見えるよう位置する。これにより、所定範囲の視界において追跡装置１０の連続的な追跡が可能となる。

前記セットのそれぞれは、ＣＡＳシステムの光学センサ装置により認識される幾何パターンを形成する。円形の開口４２と再帰反射面の組み合わせが、光学素子４４に対して円形形状を提供する。光学センサ装置の視角によると、これらの円は、常に円形として現れるわけではない。したがって、光学センサ装置により視角から認識された形状に応じて、円の中心位置を計算することができる。

このことから、図１の実施形態において、幾何パターンは、前記セットの光学素子４４の中心により定義される三角形から構成される。光学素子４４の３つの異なるセットの３つの三角形は、器具に対する特定の方向に関連づけられているそれぞれの三角形を有する、異なる形状であることが好ましい。なお、３つの異なるセットにより形成されるかかる３つの三角形は、同じであってもよいが、反射面４４のどのセットが見えるかを識別するため、円形と認識される反射面４４の形状を用いなければならない。

ここでは、三角形の幾何パターンが描かれているが、線および様々な多角形等の他の幾何パターンを用いることが検討される。

それに追跡装置１０が設けられた手術器具の較正は、前記器具に対する検出可能な幾何パターンそれぞれの位置および／又は方向を調整するため、追跡装置１０の使用前に実行されることが好ましいことが指摘される。追跡装置１０の視程を最適化するため、追跡端部１４上の円形の光学素子４４の構成が考慮される。

図６を参照すると、他の実施形態に基づく多面追跡装置は、通常、１０’として示されている。かかる追跡装置１０’および前記多面追跡装置１０は、同じ部品を有しているので、同じ部品には同じ参照符号が用いられている。

追跡装置１０’の追跡端部１４’は、各追跡端部１４’が円形の光学素子４４を２つだけ、すなわち、３つの素子４４Ａのセットおよび３つの素子４４Ｂしか備えていない点で追跡装置１０’のそれと異なっている。したがって、追跡装置１０’は、追跡装置１０と比べて狭い視程を提供する。

光学素子４４を構成するために用いられる反射素材を交換することが検討される。より具体的には、図７に示すように、追跡端部１４は、再帰反射素材の使い捨てられたパッチ(throwaway patches)を収納するよう、開口４２に対向する凹部４５を有するよう示されている。したがって、新しい再帰反射パッチが追跡端部１４に挿入された状態で、支持体１２ならびに空の追跡端部１４を再使用のため消毒することができる。追跡装置１０の使用予定（たとえば、再使用、使い捨て）に応じ、支持体１２ならびに空の追跡端部１４は、プラスチックあるいは金属による鋳造によって成形される。また、他の素材も考慮される。手術器具が使い捨てであってもよい。たとえば、１回だけの使用の場合、手術器具を追跡装置１０／１０’と一体形成するようにしてもよい。

予定された手術のタイプにもよるが、一部の光学素子４４のセットは必要とされない。たとえば、あるタイプの外科手術においては、広い視程が必要とされない場合があり、したがって、開口４２の一部に再帰反射素材が設けられないことがある。

面４１から後退して再帰反射素材を設けるために面取り表面４３が設けられることが指摘される。これは、身体の細胞と再帰反射素材が接触するリスクを減少させる一つの方法を表している。また、身体的物質が再帰反射素材の反射性を低下させることがある。

図８および図９を参照すると、追跡装置１０’’が詳細に示されている。多面追跡装置１０’’ならびに多面追跡装置１０／１０’（図１から図７）は、同じ部品を有しているので、同じ部品には同じ参照符号が用いられている。

前記多面追跡装置１０’’は、追跡端部１４’’毎に３つの光学素子４４を有する点で多面追跡装置１０（図１から図３）と同じである。しかし、多面追跡装置１０’’の追跡端部１４’’は、追跡装置１０用のピラミッド本体４０とは対照的に、３本足構造(three-legged structures)４０’’を備えている。

各３本足構造４０’’は、３本の足を有しており、それぞれが光学素子４４（すなわち、４４Ａ、４４Ｂならびに４４Ｃ）を定義する。各足は、開口４２および面取り表面４３を有する環状キャップ４１’’（すなわち、４１Ａ’’、４１Ｂ’’）を有している。かかるキャップ４１’’は、フランジ支持体４５’’上に取り外し可能に留められる。反射素材でできたトークン４６（すなわち、４６Ａ、４６Ｂ４６Ｃ）は、キャップ４１’’と支持体４５’’との間に固定され、開口４２の周囲により光学素子４４を定義する。

手術の後、キャップ４１’’が除去され、反射素材製のトークン４６は、廃棄され又は消毒される。かかるキャップ４１’’は、消毒又は廃棄され、支持体１２は、後の使用のために消毒される。

図９に示すように、追跡装置１０’’の追跡端部１４’’は、支持体１２等の支持体の雄コネクタとスナップ留め(snap-fitted)するため、それぞれ雌コネクタ４７を有する。追跡装置１０’’は、図３に示したようにアーム２０上に設けられた雌コネクタの第１セット、ならびに、大きな支持体１２用に大きな三角形を形成する雌コネクタ４７を伴う第２セットを有している。したがって、追跡装置１０’’は、２つの異なるサイズの支持体１２に用いることができる。追跡装置１０ならびに１０’にも、かかる特徴を適用することができる。

また、追跡端部１４／１４’／１４’’は、支持体Ａの雄コネクタＢに接続されている場合に、追跡端部１４／１４’／１４’’が特定の位置に固定されている限り、共通の支持体１２なしで用いることができる。

図１０を参照すると、追跡装置１０を用いるコンピュータ支援手術システムの全体が１００で表されている。かかるコンピュータ支援手術システム１００は、支持体を介して手術器具Ｔに固定された、追跡装置１０を組み込んでいる。図１から図９によると、追跡装置１０は、２又は３の異なる幾何パターン、すなわち、パターン４４Ａ、４４Ｂならびに４４Ｃを提供する。前述のように、各パターン４４Ａ、４４Ｂならびに４４Ｃは、所定の視程と関連づけられている。図１０の追跡装置１０が示されているが、コンピュータ支援手術システム１００に、追跡装置１０’および１０’’を用いることもできる。

コンピュータ支援手術システムは、通常、プロセッサを備えたコンピュータである追跡システム１０１を有している。かかる追跡システム１０１は、パターン４４Ａから４４Ｃまでの光学素子を視覚的に追跡するために設けられたセンサーユニットを有している。通常、センサユニット１０２は、一対のセンサ（たとえば、Navitrack^TM ）を含んでいる。

コントローラー１０４は、センサユニット１０２に接続されている。したがって、かかるコントローラー１０４は、センサユニット１０２からパターンの追跡結果を受け取る。

データベース１０６は、幾何パターンデータを記憶するよう設けられている。より具体的に述べると、データベース１０６には、追跡装置１０の様々なパターンが記憶される。同様に、器具と追跡装置間の関係がデータベース１０６に記憶される。器具／追跡装置間の関係は、コンピュータ支援手術システムを使用する最初の段階で実行される較正から生じる。

位置兼方向演算器１０８は、コントローラー１０４に関連づけられている。かかる位置兼方向演算器１０８は、幾何パターンデータとともに、センサユニット１０２からパターンの追跡結果を受け取る。したがって、位置兼方向演算器１０８は、トラッカー装置のパターンのどれが追跡されているかを識別する。追跡されたパターンを識別することにより、位置兼方向演算器は、追跡装置１０の位置および方向を演算する。

追跡装置１０の位置および方向は、コントローラー１０４に送られる。かかるコントローラー１０４は、器具Ｔの位置および方向を演算するよう、この情報とパターンデータベース１０６からの器具／追跡装置の関係とを結合する。コンピュータ支援手術システムのユーザーが、コンピュータ支援手術で既知の様々な形式で器具Ｔの位置ならびに方向に関する情報（たとえば、視角による表示、角度、距離等の数値）を入手するよう、この情報は、ユーザインターフェース１１０に送られる。データベース１０６は、コントローラー１０４又は位置兼方向演算器１０８の一部であってもよいことが指摘される。

発明の一般的な性質を記述することにより、好ましい実施形態を例示する方法に示された以下の添付図面が参照される。
図１は、本発明の実施形態に基づき構成された多面追跡装置の正面図である。図２は、正面から見た、図１の多面追跡装置の斜視図である。図３は、裏面から見た、図１の多面追跡装置の斜視図である。図４は、本発明の他の実施形態に基づき構成された多面追跡装置であって、静的追跡支持体に接続されるものを表す斜視図である。図５は、図１の多面追跡装置の拡大された追跡端部を示す斜視図である。図６は、図４の多面追跡装置の正面図である。図７は、図１の断面線VII−VIIに沿った追跡端部の断面図である。図８は、本発明の他の実施形態に基づき構成された多面追跡装置の斜視図である。図９は、図８の断面線IX−IXに沿った追跡端部の断面図である。図１０は、図１から図９のいずれかの多面追跡装置を用いたコンピュータ支援手術システムのブロック図である。

Claims

手術器具に関連づけられ、少なくとも前記手術器具の位置を演算するよう、ＣＡＳシステムによる空間での追跡が可能なタイプの追跡装置であって、
前記手術器具に接続するように構成され、少なくとも６つの異なる光学素子を支持する支持体と、
第一の視程によって前記ＣＡＳシステムにより検出されるよう、それぞれが一つの再帰反射平坦面を有し、少なくとも３つの光学素子のそれぞれの一つの点である第一の多角形の各コーナーによって第一の多角形を定義するような第一のパターンにて前記支持体に取り付けられた、前記少なくとも６つの光学素子のうちの少なくとも３つの光学素子と、
前記第一の視程と共通領域を有する第二の射程によって前記ＣＡＳシステムにより検出されるよう、前記少なくとも３つの光学素子とは別の少なくとも３つの他の光学素子であって、それぞれが一つの再帰反射平坦面を有し、前記少なくとも３つの他の光学素子のそれぞれの一つの点である第二の多角形の各コーナーによって第二の多角形を定義するような第二のパターンにて前記支持体に取り付けられた、前記少なくとも６つの光学素子のうちの少なくとも３つの他の光学素子とを備え、
前記光学素子の前記第一のパターンおよび前記第二のパターンのいずれか一つの検出および特定によって、少なくとも前記手術器具の位置が、前記第一の視程および第二の視程内で追跡されることを特徴とする追跡装置。
請求項１に係る追跡装置において、
前記少なくとも３つの光学素子の再帰反射平坦面は、離れた平面上に配置され、同一の第一平面に平行であり、前記少なくとも３つの他の光学素子の再帰反射平坦面は、離れた平面上に配置され、同一の第二平面に平行であり、
前記第一平面と第二平面は、互いに平行でない関係にある追跡装置。
請求項２に係る追跡装置において、
前記第一の多角形は、第一の三角形に配置された３つの光学素子を有し、前記第二の多角形は、第二の三角形に配置された３つの他の光学素子を有しており、前記手術器具の位置および方向が追跡可能となることを特徴とする追跡装置。
請求項１に係る追跡装置であって、さらに、
３つのさらなる他の光学素子のそれぞれの一つの点である第三の多角形の各コーナーによって、第一の多角形および第二の多角形と異なる第三の多角形を定義するような第三のパターンに支持された少なくとも３つのさらなる他の光学素子であって、前記第一の視程および前記第二の視程の少なくとも一つと共通する領域を有する第三の視程にそってＣＡＳシステムにより検出可能な少なくとも３つのさらなる他の光学素子をさらに備えた追跡装置。
請求項１にかかる追跡装置において、
各光学素子は、前記支持体に固定される環状のキャップ、および、前記環状キャップにより前記支持体にしっかり固定された前記再帰反射平坦面による反射部材によって形成され、前記環状キャップ内の開口は、前記光学素子の配置を定義するよう、前記反射部材に対向することを特徴とする追跡装置。
請求項５にかかる追跡装置において、
前記環状キャップは、使用後に反射部材を交換するため、前記支持体に取り外し可能に固定されることを特徴とする追跡装置。
請求項５にかかる追跡装置において、
偶然の接触から守るため、前記反射部材は、それぞれが、前記環状キャップにより定義された凹部内に存することを特徴とする追跡装置。
請求項７にかかる追跡装置において、
前記凹部は、前記反射素材の視程を広くするために前記反射素材を囲む面取り表面を有することを特徴とする追跡装置。
請求項１にかかる追跡装置において、
前記光学素子のそれぞれは、円形であることを特徴とする追跡装置。
術中の手術器具を追跡するコンピュータ支援手術システムであって、
少なくとも１の手術器具と、
手術器具に関連づけられ、少なくとも前記手術器具の位置を演算するよう、ＣＡＳシステムによる空間での追跡が可能なタイプの追跡装置であって、前記手術器具に接続するように構成され、少なくとも６つの異なる光学素子を支持する支持体と、第一の視程によって前記ＣＡＳシステムにより検出されるよう、それぞれが一つの再帰反射平坦面を有し、少なくとも３つの光学素子のそれぞれの一つの点である第一の多角形の各コーナーによって第一の多角形を定義するような第一のパターンにて前記支持体に取り付けられた、前記少なくとも６つの光学素子のうちの少なくとも３つの光学素子と、前記第一の視程と共通領域を有する第二の射程によって前記ＣＡＳシステムにより検出されるよう、前記少なくとも３つの光学素子とは別の少なくとも３つの他の光学素子であって、それぞれが一つの再帰反射平坦面を有し、前記少なくとも３つの他の光学素子のそれぞれの一つの点である第二の多角形の各コーナーによって第二の多角形を定義するような第二のパターンにて前記支持体に取り付けられた、前記少なくとも６つの光学素子のうちの少なくとも３つの他の光学素子とを備え、前記光学素子の前記第一のパターンおよび前記第二のパターンのいずれか一つの検出および特定によって、少なくとも前記手術器具の位置が、前記第一の視程および第二の視程内で追跡されることを特徴とする追跡装置と、
前記器具の移動により、第一の視程および第二の視程のいずれがセンサーユニットの視線上にあるかに基づいて、前記幾何学的パターンのうちの視認可能な一つを追跡するセンサーユニットと；幾何学的パターンデータおよび器具／追跡装置の関係データを記憶するデータベースと；前記幾何パターンデータから追跡された前記幾何パターンを識別し、前記センサユニットから識別された前記幾何パターンの前記追跡結果に応じ、前記追跡装置の位置および方向を演算するための位置および方向演算器とを有する追跡システムとを備え、
当該追跡システムは、前記追跡装置の位置および方向、ならびに、前記器具／追跡装置関係データに応じて、前記器具の前記位置および方向を演算することを特徴とするコンピュータ支援手術システム。
請求項１０にかかるコンピュータ支援手術システムにおいて、
前記器具／追跡装置関係データは、較正により得られることを特徴とするコンピュータ支援手術システム。
請求項１０にかかるコンピュータ支援手術システムにおいて、
前記追跡装置は、第三の視程に沿った第七、第八、第九の光学素子の第三の幾何学的パターンを有し、当該第三のパターンは、３つのさらなる他の光学素子のそれぞれの一つの点である第三の多角形の各コーナーによって、第一の多角形および第二の多角形と異なる第三の多角形を定義することを特徴とするコンピュータ支援手術システム。