JP6636566B2 - 光学式センサ及び非光学式センサを備えたナビゲーションシステム - Google Patents
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Description
変化を求めることにより、前記対象を追跡するナビゲーションシステムに関する。より具
体的には、本発明は、光学式センサ及び非光学式センサを用いて対象の位置及び向きの少
なくとも一方を求めるナビゲーションシステムに関する。
本願は、2012年9月26日出願の米国仮特許出願第61/705,804号及び2
013年9月24日出願の米国非仮出願第14/035207号に基づく優先権及び利益
を主張するものである。これら米国出願の全体の内容は、引用することにより本明細書の
一部をなすものとする。
のである。例えば、ナビゲーションシステムは、産業、航空宇宙、防衛、及び医療の用途
において用いられる。医療の分野では、ナビゲーションシステムは、外科医が患者の解剖
学的組織(anatomy)に対して外科用器具を正確に配置することを支援する。
くの場合、器具及び解剖学的組織はともに、ディスプレイに表示されるそれらの相対的な
動きによって追跡される。ナビゲーションシステムは、解剖学的組織の術前画像又は術中
画像とともに、移動する器具を表示することができる。術前画像は、通常、MRIスキャ
ン又はCTスキャンによって作成される一方で、術中画像は、フルオロスコープ、低レベ
ルX線、又は任意の同様のデバイスを用いて作成することができる。あるいは、幾つかの
システムは画像レスであり、これらのシステムでは、患者の解剖学的組織がナビゲーショ
ンプローブによって「描かれ(painted)」、表示用の解剖モデルに数学的にフィッティ
ングされる。
追跡するために、光信号、音波、磁場、RF信号等を用いることができる。光学式ナビゲ
ーションシステムが、そのようなシステムの精度に起因して広く用いられている。
すなわちCCD等)を収容した1以上のカメラユニットを備えている。この光学式センサ
は、器具及び解剖学的組織に取り付けられたトラッカから出された光を検出する。各トラ
ッカは、発光ダイオード(LED)等の複数の光放出器を有している。これらのLEDは
上記センサに対して光を周期的に送り、当該LEDの位置が決定される。
working end)の座標と関係している。解剖学的組織の(複数の)トラッカにおけるLE
Dの位置は、カメラ座標系を基準とした3次元空間における当該解剖学的組織の対象エリ
アの座標と関連がある。したがって、解剖学的組織の対象エリアを基準とした器具の作業
端の位置及び向きの少なくとも一方を追跡し表示することができる。
ことができる。これらのナビゲーションシステムにおいては、器具及び対象となる解剖学
的組織の双方にトラッカが設けられており、ナビゲーションシステムはそれらの位置及び
向きを追跡することができるようになっている。そして、ナビゲーションシステムからの
情報は、器具の動きを制御又は誘導するために制御システムへと提供される。場合によっ
ては、器具がロボットによって保持され、ナビゲーションシステムから該ロボットの制御
システムへと情報が送られる。
めには、ナビゲーションシステムの精度及び速度が、その処置(procedure)の所望の許
容範囲を満たす必要がある。例えば、セメントレス膝関節インプラントに関する許容範囲
は、該インプラントの十分な適合性及び機能を確保するために非常に小さい場合がある。
したがって、ナビゲーションシステムの精度及び速度は、比較的粗い切断処置を上回って
いることが必要な場合がある。
LEDとカメラユニット内の光学式センサとの間の照準線(line-of-sight)に依存して
いるということである。照準線が遮断されていると、システムは、追跡対象の器具及び解
剖学的組織の位置と向きとの少なくとも一方を正確に求めることができない。その結果、
手術が、多くの開始及び停止に遭遇する可能性がある。例えば、ロボット支援による切断
の制御中に、照準線が遮断されると、再び照準線が得られるまで切断ツールを使用不能と
しなければならない。これは、処置にとって大きな遅延及び追加のコストを引き起こす可
能性がある。
のようなシステムでは、LEDは多くの場合、順に点灯される。この場合、能動的に点灯
しているLEDの位置のみが、システムによって測定されて判明する一方で、残りの未測
定のLEDの位置は不明である。これらのシステムでは、残りの未測定のLEDの位置は
近似される。この近似は通常、現時点で測定されていないLEDの最後に判明した測定位
置により外挿された線速度データに基づいている。しかしながら、LEDは順に点灯され
るため、どのLEDの測定の間にもかなりの遅れが存在する場合がある。この遅れは、シ
ステムにおいてトラッカが追加されて用いられるたびに増加する。さらに、この近似は、
トラッカの回転を考慮しておらず、その結果、トラッカの位置データにさらなる誤差が生
じうる。
ともに、ロボット支援による外科用切断等の高精度の外科的処置において対象の位置及び
向きの少なくとも一方を求める際の精度及び速度のあるレベルを提供する光学式ナビゲー
ションシステムが求められている。
とも一方を求めるシステム及び方法に関する。
このナビゲーションシステムは、トラッカにおける1以上のマーカから光学信号を受信す
る光学式センサを備えている。このトラッカは、非光学信号を生成する非光学式センサを
備えている。コンピューティングシステムは、第1光学信号に基づいて第1の時間におけ
る、マーカのうちの1つのマーカの位置を求める。このコンピューティングシステムは、
第1光学信号と非光学式センサからの非光学信号とに基づいて、第1の時間における1以
上の他のマーカの位置も求める。求められた位置は対象と関連付けられて、該対象の位置
が追跡される。
のナビゲーションシステムは、トラッカにおける3つのマーカから光学信号を順次受信す
る光学式センサを備えている。このトラッカは、非光学信号を生成する非光学式センサも
備えている。コンピューティングシステムは、マーカのうちの第1マーカの第1の時間に
おける位置を、この第1マーカからの第1光学信号に基づいて求める。このコンピューテ
ィングシステムは、マーカのうちの第2マーカ及び第3マーカの第1の時間における位置
を、第1の光学信号と非光学式センサからの非光学信号とに基づいて求める。求められた
位置は対象と関連付けられて、対象の位置が追跡される。
テムは、ロボットマニピュレータ及び切断ツールを備えている。ロボット制御システムは
、少なくとも自由度5で切断ツールの動きを制御又は制約する。ナビゲーションシステム
は、このロボット制御システムと通信する。このナビゲーションシステムは、少なくとも
1つの光学式センサと、ロボットマニピュレータに取り付けられたトラッカとを備えてい
る。患者の解剖学的組織に取り付けられるトラッカも設けられている。この解剖学的組織
のトラッカは、3つのマーカ及び非光学式センサを備えている。光学式センサはマーカか
ら光学信号を受信し、非光学式センサは非光学信号を生成する。ナビゲーションシステム
は、解剖学的組織の位置を示す位置データをロボット制御システムに送り、切断が所定の
境界内で行われるように解剖学的組織の切断が制御される。
えたナビゲーションシステムが提供される。トラッカは光学式センサと通信する。このト
ラッカは、3つのマーカ及び非光学式センサを備えている。コンピューティングシステム
は、光学信号及び非光学信号に基づいて、ローカライザ座標系における3つのマーカの各
々の位置を求める。このコンピューティングシステムは、マッチングアルゴリズムを実行
して、ローカライザ座標系におけるマーカのうちの1以上について求められた位置を、ト
ラッカ座標系を基準として定められたトラッカのモデルにおける上記マーカのうちの1以
上の位置と照合し、トラッカ座標系をローカライザ座標系に変換する変換行列を取得する
。
くとも2つの光学式センサと、対象に取り付けられるトラッカとを備えている。このトラ
ッカは、3つのマーカ及び非光学式センサを有している。これらの少なくとも2つの光学
式センサは、少なくとも100Hzの光学的検出周波数(optical-sensing frequency)
でマーカから光学信号を受信する。非光学式センサは、少なくとも100Hzの非光学的
検出周波数(non-optical sensing frequency)で非光学信号を生成する。
学信号を順次受信するステップと、非光学式センサを動作させて非光学信号を生成するス
テップとを含む。第1の時間におけるマーカのうちの第1マーカの位置は、第1マーカか
らの第1光学信号に基づいて求められる。第1の時間におけるマーカのうちの第2マーカ
及び第3マーカの位置は、上記第1光学信号と非光学式センサからの非光学信号とに基づ
いて求められる。これらの第1マーカ、第2マーカ、及び第3マーカについて求められた
位置は、対象と関連付けられて、外科的処置の際の対象の位置が追跡される。
3つのマーカから光学信号を順次受信できるように、3つのマーカが光学式センサの視野
において位置決めされる。次に、コンピューティングシステムを動作させ、マーカのうち
の第1マーカからの第1光学信号に基づいて、該第1マーカの第1の時間における位置を
求め、第1光学信号と非光学式センサからの非光学信号とに基づいて、第1の時間におけ
るマーカのうちの第2マーカ及び第3マーカの位置を求める。次に、これらの位置が対象
と関連付けられて、外科的処置の際の対象の位置が追跡される。
良く理解されるにつれて、容易に理解される。
図1に、外科用ナビゲーションシステム20を示している。システム20は、医療施設
の手術室等の外科用のものとして示されている。ナビゲーションシステム20は、手術室
における様々な対象の動きを追跡するようにセットアップされている。このような対象に
は、例えば、外科用器具22、患者の大腿骨F、及び患者の脛骨Tが含まれる。ナビゲー
ションシステム20は、これらの対象の相対的な位置及び向きを外科医に対して示すため
に、そして、場合によっては、所定の経路又は解剖学的境界を基準とした外科用器具22
の動きを制御又は制限するために、対象を追跡する。
ンピュータカートアセンブリ24を備えている。ナビゲーションインタフェースは、ナビ
ゲーションコンピュータ26と通信できるようになっている。このナビゲーションインタ
フェースは、滅菌野(sterile field)の外部に位置するディスプレイ28と、滅菌野の
内部に位置するディスプレイ29とを備えている。ディスプレイ28、29は、コンピュ
ータカートアセンブリ24に調整可能に取り付けられている。マウス及びキーボード等の
入力デバイス30、32は、情報をナビゲーションコンピュータ26に入力するために用
いることもできるし、又は、ナビゲーションコンピュータ26の幾つかの態様を選択又は
制御するために用いることもできる。ディスプレイ28、29上のタッチスクリーン(図
示せず)又は音声駆動を含む他の入力デバイスも考えられる。
では、ローカライザ34は、光学式ローカライザであり、カメラユニット36を備えてい
る。カメラユニット36は、1以上の光学式センサ40を収容した外部ケーシング38を
有している。幾つかの実施形態では、少なくとも2つの光学式センサ40、好ましくは3
つの光学式センサが用いられる。これらの光学式センサ40は、3つの別々の高解像度型
電荷結合素子(charge-coupled device, CCD)とすることができる。1つの実施形態
では、3つの1次元CCDが用いられる。他の実施形態では、別々のCCD又は2以上の
CCDをそれぞれが有する別々のカメラユニットを手術室内に配置することもできること
を認識されたい。CCDは、赤外線(IR)信号を検出する。
下に説明するトラッカの視野がカメラユニット36に提供されるように、調整可能なアー
ムに取り付けられている。この視野は、理想的には障害物がない。
するカメラコントローラ42を備えている。カメラコントローラ42は、有線接続又は無
線接続(不図示)のいずれかによりナビゲーションコンピュータ26と通信する。このよ
うな接続の1つとして、高速通信及びアイソクロナス型リアルタイムデータ転送のための
シリアルバスインタフェース規格であるIEEE1394インタフェースとすることがで
きる。接続には、企業独自のプロトコルを用いることもできる。他の実施形態では、光学
式センサ40は、ナビゲーションコンピュータ26と直接的に通信する。
ビゲーションコンピュータ26へと送られる。コンピュータカートアセンブリ24、ディ
スプレイ28、及びカメラユニット36は、2010年5月25日発行の、Malackowski
らに対する「Surgery System」という名称の米国特許第7,725,162号に記載され
たものと同様のものとすることができる。この米国特許の内容は、引用することにより本
明細書の一部をなすものとする。
ュータとすることができる。ナビゲーションコンピュータ26は、ディスプレイ28と、
中央処理ユニット(CPU)及び他のプロセッサの少なくとも一方と、メモリ(不図示)
と、記憶装置(不図示)とを有している。ナビゲーションコンピュータ26には、以下で
説明するようなソフトウェアがロードされる。このソフトウェアは、カメラユニット36
から受信した信号を、追跡対象の位置及び向きを表すデータへと変換する。
ッキングデバイス44、46、48を備えている。図示した実施形態では、1つのトラッ
カ44は患者の大腿骨Fに強固に取り付けられ、別のトラッカ46は患者の脛骨Tに強固
に取り付けられている。トラッカ44、46は、骨部分に強固に取り付けられている。ト
ラッカ44、46は、米国特許第7,725,162号に示されている方法で大腿骨Fに
取り付けることができる。この米国特許の内容は、引用することにより本明細書の一部を
なすものとする。別の実施形態では、追加のトラッカ(不図示)が膝蓋骨に取り付けられ
、その膝蓋骨の位置及び向きを追跡する。更なる実施形態では、トラッカ44、46は、
解剖学的組織(anatomy)の他の組織タイプ又は組織部分に取り付けることができる。
は、製造時に外科用器具22に統合することもできるし、外科的処置の準備の際に外科用
器具22に別個に取り付けることもできる。追跡されている外科用器具22の作業端(wo
rking end)は、回転バー、電気的アブレーションデバイス等とすることができる。図示
した実施形態では、外科用器具22は、手術用マニピュレータのエンドエフェクタである
。このような装置は、「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Ins
trument in either a Semi-Autonomous Mode or a Manual, Boundary Constrained Mode
」という名称の米国仮特許出願第61/679,258号に示されている。この米国仮特
許出願の開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。また、この
ような装置は、「Navigation System for use with a Surgical Manipulator Operable i
n Manual or Semi-Autonomous Mode」という名称の米国特許出願第13/958,834
号にも示されている。この米国特許出願の開示内容は、引用することにより本明細書の一
部をなすものとする。
るし、カメラユニット36のように、好ましくは外部電力を受け取るナビゲーションコン
ピュータ26を通じて電力を受け取るリード線を有するものとすることもできる。
若しくはロボット等の他の制約メカニズムの支援を受けることなく、ユーザの手のみによ
って手動で位置決めすることができる。このような外科用器具は、「Surgical Instrumen
t Including Housing, a Cutting Accessory that Extends from the Housing and Actua
tors that Establish the Position of the Cutting Accessory Relative to the Housin
g」という名称の米国仮特許出願第61/662,070号に記載されている。この米国
仮特許出願の内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。また、この
ような外科用器具は、「Surgical Instrument Including Housing, a Cutting Accessory
that Extends from the Housing and Actuators that Establish the Position of the
Cutting Accessory Relative to the Housing」という名称の米国特許出願第13/60
0,888号にも記載されている。この米国特許出願の内容は、引用することにより本明
細書の一部をなすものとする。
する。図示した実施形態では、トラッカ44、46、48は、能動型トラッカである。こ
の実施形態では、各トラッカ44、46、48は、光信号を光学式センサ40に送る少な
くとも3つの能動型マーカ50を有している。能動型マーカ50は、発光ダイオードすな
わちLED50とすることができる。光学式センサ40は、好ましくは100Hz以上、
より好ましくは300Hz以上、最も好ましくは500Hz以上のサンプリングレートを
有するものである。実施形態によっては、光学式センサ40は、1000Hzのサンプリ
ングレートを有する。このサンプリングレートは、光学式センサ40が、順次点灯するL
ED50から光信号を受信するレートである。実施形態によっては、LED50からの光
信号は、トラッカ44、46、48ごとに異なるレートで点灯される。
、46、48のハウジング(不図示)内に位置するトラッカコントローラ62に接続され
ている。このトラッカコントローラは、ナビゲーションコンピュータ26との間でデータ
を送受信する。1つの実施形態では、トラッカコントローラ62は、ナビゲーションコン
ピュータ26との有線接続により、数メガバイト/秒のオーダーでデータを送信する。他
の実施形態では、無線接続を用いることができる。これらの実施形態では、ナビゲーショ
ンコンピュータ26は、トラッカコントローラ62からデータを受信する送受信機(図示
せず)を有する。
光を反射する反射器等の受動型マーカ(不図示)を有するものとすることができる。反射
光は、光学式センサ40によって受け取られる。能動型装置及び受動型装置は、当該技術
分野においてよく知られている。
る3次元ジャイロスコープセンサ60も備えている。当業者によく知られているように、
ジャイロスコープセンサ60は、ジャイロスコープ座標系のx軸、y軸、及びz軸を基準
とした角速度を示す読み取り値を出力する。これらの読み取り値に、製造業者によって定
められた変換定数が乗じられ、ジャイロスコープ座標系のx軸、y軸、及びz軸のそれぞ
れに対する、度/秒による測定値が得られる。そして、これらの測定値は、ラジアン/秒
で定められる角速度ベクトル
0がトラッカ44、46、48を追跡する際に、追加の非光学ベースの運動学的データを
提供する。ジャイロスコープセンサ60は、トラッカ44、46、48の各座標系の軸に
沿った向きとすることができる。他の実施形態では、各ジャイロスコープ座標系は、ジャ
イロスコープデータがトラッカ44、46、48の座標系のx軸、y軸、及びz軸に関す
る角速度を反映したものとなるように、そのトラッカ座標系へと変換される。
内にあるトラッカコントローラ62と通信する。このトラッカコントローラは、ナビゲー
ションコンピュータ26との間でデータを送受信する。ナビゲーションコンピュータ26
は、ジャイロスコープセンサ60からデータを受信する1以上の送受信機(図示せず)を
有する。このデータは、有線接続又は無線接続のいずれかにより受信することができる。
z以上、最も好ましくは500Hz以上のサンプリングレートを有する。実施形態によっ
ては、ジャイロスコープセンサ60は、1000Hzのサンプリングレートを有する。ジ
ャイロスコープセンサ60のサンプリングレートは、角速度データに変換されるために信
号がジャイロスコープセンサ60から送られるレートである。
学的測定値ごとに、対応する角速度の非光学的測定値が存在するものとなるように、設定
又は時間合わせされている。
れぞれに沿った加速度を測定する3軸加速度計70をも備えている。加速度計70は、ナ
ビゲーションシステム20がトラッカ44、46、48を追跡する際の、追加の非光学ベ
ースのデータを提供する。
カコントローラ62と通信する。このトラッカコントローラは、ナビゲーションコンピュ
ータ26との間でデータを送受信する。ナビゲーションコンピュータの送受信機(図示せ
ず)のうちの1以上は、加速度計70からデータを受信する。
できる。他の実施形態では、各加速度計座標系は、加速度計データがトラッカ44、46
、48の座標系のx軸、y軸、及びz軸に関する加速度を反映するものとなるように、そ
のトラッカ座標系へと変換される。
メラユニット36は、トラッカ44、46、48のLED50から光学信号を受信し、ロ
ーカライザ34を基準としたトラッカ44、46、48のLED50の位置に関する信号
をプロセッサ52に出力する。ジャイロスコープセンサ60は、該ジャイロスコープセン
サ60によって測定された3次元角速度に関する非光学信号をプロセッサ52に送る。受
信した光学信号及び非光学信号に基づいて、ナビゲーションプロセッサ52は、ローカラ
イザ34を基準としたトラッカ44、46、48の相対的な位置及び向きを示すデータを
生成する。
1以上のプロセッサを含むことができることが理解されるべきである。これらのプロセッ
サは、任意のタイプのマイクロプロセッサシステム又はマルチプロセッサシステムとする
ことができる。プロセッサという用語は、本発明の範囲を単一のプロセッサに限定するこ
とを意図するものではない。
る。トラッカ44、46、48の位置及び向きと、事前にロードされたデータとに基づい
て、ナビゲーションプロセッサ52は、外科用器具22の作業端が適用される組織を基準
とした、この作業端の位置及び外科用器具22の向きを求める。幾つかの実施形態では、
ナビゲーションプロセッサ52は、これらのデータをマニピュレータコントローラ54に
送る。そして、マニピュレータコントローラ54は、「Surgical Manipulator Capable o
f Controlling a Surgical Instrument in either a Semi-Autonomous Mode or a Manual
, Boundary Constrained Mode」という名称の米国仮特許出願第61/679,258号
に記載されているように、また、「Navigation System for use with a Surgical Manipu
lator Operable in Manual or Semi-Autonomous Mode」という名称の米国特許出願第13
/958,834号にも記載されているように、このデータを用いてロボットマニピュレ
ータ56を制御することができる。これらの米国仮特許出願及び米国特許出願の開示内容
は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
を示す画像信号も生成する。これらの画像信号は、ディスプレイ28、29に印加される
。ディスプレイ28、29は、これらの信号に基づいて画像を生成する。これらの画像に
よって、外科医及びスタッフは、手術部位に対する外科用器具作業端の相対的な位置を視
認することが可能になる。ディスプレイ28、29は、上記で説明したように、コマンド
のエントリを可能にするタッチスクリーン又は他の入力/出力デバイスを含むことができ
る。
図3に示しているように、対象の追跡は、一般に、ローカライザ座標系(localizer co
ordinate system)LCLZを基準として行われる。ローカライザ座標系は、原点及び向
き(x軸、y軸、z軸の組み合わせ)を有している。処置時の1つの目標は、ローカライ
ザ座標系LCLZを静止状態に保つことである。以下で更に説明するように、カメラユニ
ット36に取り付けられた加速度計は、カメラユニット36が手術要員によって不注意で
ぶつけられたときに起こり得るような、ローカライザ座標系LCLZの突然の動き又は予
期しない動きを追跡するために用いることができる。
別の、独自の座標系を有する。独自の座標系を有するナビゲーションシステム20の構成
要素は、骨トラッカ44、46及び器具トラッカ48である。これらの座標系は、それぞ
れ、骨トラッカ座標系BTRK1、BTRK2、及び器具トラッカ座標系TLTRとして
表される。
置を監視することによって患者の大腿骨F及び脛骨Tの位置を監視する。大腿骨座標系は
FBONEであり、脛骨座標系はTBONEである。これらの座標系は、骨トラッカ44
、46が強固に取り付けられている骨の座標系である。
前画像)が生成される。これらの画像は、患者の解剖学的組織のMRIスキャン、放射線
スキャン、又はコンピュータ断層撮影(CT)スキャンに基づくものとすることができる
。これらの画像は、当該技術分野においてよく知られている方法を用いて大腿骨座標系F
BONE及び脛骨座標系TBONEへとマッピングされる。1つの実施形態では、独自の
トラッカPT(図2参照)を有する、Malackowskiらに対する米国特許第7,725,1
62号に開示されているようなポインタ機器Pを用いて、大腿骨座標系FBONE及び脛
骨座標系TBONEを術前画像にマッピングすることができる。この米国特許の内容は、
引用することにより本明細書の一部をなすものとする。これらの画像は、大腿骨座標系F
BONE及び脛骨座標系TBONEにおいて固定される。
。座標系FBONE及びTBONEの姿勢(位置及び向き)が、それぞれ座標系BTRK
1及びBTRK2にマッピングされる。骨と骨トラッカ44、46との間の固定された関
係が与えられると、座標系FBONE及びTBONEの姿勢は、処置全体を通じて、それ
ぞれ座標系BTRK1及びBTRK2を基準として固定された状態に保たれる。この姿勢
を表すデータは、マニピュレータコントローラ54及びナビゲーションプロセッサ52の
双方と一体になったメモリに記憶される。
座標系EAPPを有する。座標系EAPPの原点は、例えば、外科用切断バーの重心を表
すものとすることができる。座標系EAPPの姿勢は、処置が開始される前に、器具トラ
ッカ座標系TLTRの姿勢に固定される。したがって、これらの座標系EAPP、TLT
Rの互いを基準とした姿勢が決まる。この姿勢を表すデータは、マニピュレータコントロ
ーラ54及びナビゲーションプロセッサ52の双方と一体になったメモリに記憶される。
図2に示しているように、ローカライゼーションエンジン(位置測定エンジン)100
は、ナビゲーションシステム20の一部とみなすことのできるソフトウェアモジュールで
ある。ローカライゼーションエンジン100の要素は、ナビゲーションプロセッサ52上
で動作する。本発明の幾つかの形態では、ローカライゼーションエンジン100は、マニ
ピュレータコントローラ54上で動作することができる。
信号及びトラッカコントローラ62からの非光学ベースの信号を入力として受信する。こ
れらの信号に基づいて、ローカライゼーションエンジン100は、ローカライザ座標系L
CLZにおける骨トラッカ座標系BTRK1及びBTRK2の姿勢(位置及び向き)を求
める。器具トラッカ48に関して受信した同様の信号に基づいて、ローカライゼーション
エンジン100は、ローカライザ座標系LCLZにおける器具トラッカ座標系TLTRの
姿勢を求める。
を座標変換部102に送る。座標変換部102は、ナビゲーションプロセッサ52上で動
作するナビゲーションシステム用ソフトウェアモジュールである。座標変換部102は、
患者の術前画像と患者のトラッカ44、46との間の関係を定めたデータを参照する。座
標変換部102は、器具トラッカ48を基準とした外科用器具の作業端の姿勢を示すデー
タの記憶もする。
の相対的な姿勢を示すデータを受信する。これらのデータ及び事前にロードされたデータ
に基づいて、座標変換部102は、座標系EAPPと骨座標系FBONE及びTBONE
との、ローカライザ座標系LCLZに対する相対的な位置及び向きを示すデータを生成す
る。
、外科用器具22の作業端の位置及び向きを示すデータを生成する。これらのデータを表
す画像信号はディスプレイ28、29に送られ、外科医及びスタッフがこの情報を確認す
ることができる。ある実施形態では、これらのデータを表す別の信号をマニピュレータコ
ントローラ54に送り、マニピュレータ56と、対応する外科用器具22の動きとを制御
することができる。
Rの各々の姿勢を求めるための各ステップは同じであるため、1つのみを詳細に説明する
ことにする。図4に示しているステップは、アクティブな1つのトラッカのみ、すなわち
トラッカ44のみに基づいている。以下の説明において、トラッカ44のLEDは、第1
のLED50a、第2のLED50b、及び第3のLED50cを示す符号50a、50
b、50cによって表されるものとする。
を用いた、トラッカ44のLED50a、50b、50cの位置の決定を示している。こ
れらの位置から、ナビゲーションプロセッサ52は、トラッカ44の位置及び向きを求め
ることができ、したがって、このトラッカが取り付けられた大腿骨Fの位置及び向きを求
めることができる。光学式センサ40から受信した信号から導き出される光学ベースのセ
ンサデータは、LED50a、50b、50cと光学式センサ40との間の照準線に依存
した照準線ベースのデータを提供する。他方、非光学ベースのセンサデータを生成するた
めの非光学ベースの信号を提供するジャイロスコープセンサ60は、照準線に依存したも
のではなく、LED50a、50b、50cのうちの2つが測定されていないとき(一度
に1つのLEDしか測定されないため)、又はLED50a、50b、50cのうちの1
以上が処置時に光学式センサ40から見えないときに、LED50a、50b、50cの
位置をより良好に近似するために、ナビゲーションシステム20に組み込むことができる
。
におけるトラッカ44用のLED50a、50b、50cの位置を測定し、初期の位置デ
ータを定める。これらの測定は、LED50a、50b、50cを順次点灯することによ
って行われる。この点灯によって、光信号が光学式センサ40に送られる。光信号を光学
式センサ40が受けると、それに対応する信号が光学式センサ40によって生成され、カ
メラコントローラ42に送られる。LED50a、50b、50cの点灯の間の周波数は
、100Hz以上、好ましくは300Hz以上、より好ましくは500Hz以上である。
場合によっては、点灯の間の周波数は1000Hz、すなわち点灯の間隔が1ミリ秒であ
る。
きる。カメラコントローラ42は、Malackowskiらに対する米国特許第7,725,16
2号に記載されているように、1以上の赤外線送受信機又はRF送受信機(カメラユニッ
ト36及びトラッカ44上にある)を通じて、LED50a、50b、50cの点灯を制
御することができる。この米国特許の内容は、引用することにより本明細書の一部をなす
ものとする。あるいは、トラッカ44は、(トラッカ44上のスイッチ等によって)ロー
カルにアクティブ化することができ、アクティブ化されると、カメラコントローラ42か
らの命令なく、LED50a、50b、50cを順次点灯する。
生成する。この位置信号は、その後、ローカライゼーションエンジン100に送られ、ロ
ーカライザ座標系LCLZにおける、対応する3つのLED50a、50b、50cのそ
れぞれの位置が求められる。
きが所定の閾値よりも小さくなければならない。この所定の閾値の値は、ナビゲーション
コンピュータ26に記憶されている。ステップ200において確立された初期位置データ
は、本質的には、プロセス内の残りのステップの基礎となる初期時間t0における3つの
LED50a、50b、50cの位置の静的スナップショットを提供するものである。初
期化において、LED50a、50b、50cの速度が、サイクル(すなわち、3つのL
ED測定の各セット)間でローカライゼーションエンジン100によって計算され、これ
らの速度が十分に低い、すなわち、ほぼ動いていないことを示す所定の閾値未満であると
、この初期位置データ又は静的スナップショットが確立される。幾つかの実施形態では、
所定の閾値(静的速度限界とも呼ばれる)は、任意の軸に沿った200mm/s以下、好
ましくは100mm/s以下、より好ましくは10mm/s以下である。所定の閾値が1
00mm/sである場合、計算された速度は、静的なスナップショットを確立するにあた
って100mm/s未満でなければならない。
202において、測定されたLED50a、50b、50cの位置がトラッカ44のモデ
ルと比較される。このモデルは、ナビゲーションコンピュータ26に記憶されたデータで
ある。このモデルデータは、トラッカ座標系BTRK1におけるトラッカ44のLEDの
位置を示すものである。システム20は、各トラッカの座標系における各トラッカ44、
46、48のLED50の数及び位置を記憶している。トラッカ44、46、48の場合
、それらの座標系の原点は、トラッカ44の全てのLED位置の重心に設定される。
atching algorithm)又は点マッチングアルゴリズム(point matching algorithm)を利
用して、ローカライザ座標系LCLZにおける測定されたLED50a、50b、50c
を、記憶されたモデルにおけるLEDと照合する。最良に適合したものが求められると、
ローカライゼーションエンジン100は、この適合したもののずれを評価し、測定された
LED50a、50b、50cが、このモデルの記憶された所定の許容範囲内に収まるか
否かを判断する。この許容範囲は、適合したものが結果的に過度に大きな距離をもたらす
場合には、初期化ステップを繰り返さなければならなくなるような、対応するLEDの間
の距離に基づくことができる。幾つかの実施形態では、LEDの位置は、モデルから2.
0mmよりも大きく逸脱してはならず、好ましくは0.5mmよりも大きく逸脱してはな
らず、より好ましくは0.1mmよりも大きく逸脱してはならない。
他の任意の未測定のLEDを、骨トラッカ座標系BTRK1からローカライザ座標系LC
LZへと変換する変換行列が生成される。このステップは、以下で更に説明するように、
4以上のLEDが用いられる場合又は仮想LEDが用いられる場合に利用される。実施形
態によっては、トラッカ44、46、48は、4以上のLEDを有するものとすることが
できる。ローカライザ座標系LCLZにおける全ての位置が確立されると、LEDクラウ
ドが作成される。このLEDクラウドは、ローカライザ座標系LCLZにおける全てのL
ED50a、50b、50cのx軸、y軸、及びz軸上の位置に基づく、ローカライザ座
標系LCLZにおけるトラッカ44上の全てのLED50a、50b、50cの配置であ
る。
においてトラッカ44の追跡を続行することができる。上記で説明したように、これは、
シーケンスにおける次のLEDを点灯することを含む。一例として、LED50aが点灯
される。したがって、LED50aは、光信号を光学式センサ40に送る。これらの光信
号を光学式センサ40が受けると、対応する信号が、光学式センサ40によって生成され
、カメラコントローラ42に送られる。
生成する。この生の位置信号は、次に、ローカライゼーションエンジン100に送られ、
時間t1において、ローカライザ座標系LCLZのx軸、y軸、及びz軸を基準としたL
ED50aの新たな位置が求められる。これは、新たなLED測定としてステップ206
に示されている。
は時間的期間を示す例として用いており、特定の時間又は限定的な時間に本発明を限定す
るものではないことが認識されるべきである。
ションエンジン100がLED50aの線速度(linear velocity)ベクトルを計算する
ことができる。
、その直線位置の変化の時間レートに等しいベクトル量である。ローカライザ座標系LC
LZにおけるこの速度は、各LEDの加速度であっても、ローカライザ座標系LCLZに
おけるそのLEDの以前に測定された位置及び時間と、現在測定された位置及び時間とか
ら計算することができる。LEDの以前に測定された位置及び時間と現在測定された位置
及び時間とは、そのLEDの位置の履歴を定めるものである。LED50aの速度計算は
、以下のような最も単純な形を取ることができる。
、
者によく知られているように、各LEDの速度及び加速度の少なくとも一方を、そのLE
DのLED位置履歴のデータフィッティングにより得ることもできる。
4の角速度も測定している。ジャイロスコープセンサ60は、この角速度に関連する信号
をトラッカコントローラ62に送る。
00に送り、ローカライゼーションエンジン100がこれらの信号から角速度ベクトル
も骨トラッカ座標系BTRK1へと変換され、ローカライゼーションエンジン100によ
って計算された角速度ベクトル
ナビゲーションコンピュータ26内のメモリに記憶される。この計算は、ジャイロスコー
プ信号から導き出された角速度ベクトル
ッカ座標系BTRK1の原点の相対速度
(これらのLEDは点灯されておらず、したがって、それらの位置は測定されていないの
で、未測定である)についての相対速度ベクトル
することができる。
における角速度ベクトル
から未測定のLED50b、50cの各々に向けて取られるものである。これらの位置ベ
クトル
ナビゲーションコンピュータ26内のメモリに記憶される。
らの相対速度は、ステップ202において求められた変換行列を用いてローカライザ座標
系LCLZに変えられる。ローカライザ座標系LCLZにおける相対速度は、ステップ2
14における計算に用いられる。
ッカ座標系BTRK1の原点の速度ベクトル
ベクトル
原点の相対速度ベクトル
は、次のように計算される。
ベクトルを、時間t1でのローカライザ座標系LCLZにおける骨トラッカ座標系BTR
K1の原点の速度ベクトル
れる、時間t1における各々の相対速度ベクトルとに基づいて、ローカライゼーションエ
ンジン100が計算することができる。時間t1における各速度ベクトルは、次のように
計算される。
0b、50cの各々について時間t0から時間t1までの動き、すなわち(デカルト座標
における)位置の変化量Δxを、LED50b、50cの計算された速度ベクトルと時間
変化とに基づいて計算する。実施形態によっては、各LEDの測定の時間変化Δtは、2
ミリ秒以下であり、1ミリ秒以下の場合もある。
ZにおけるLED50b、50cの各々に関して以前に求められた位置に加えることがで
きる。したがって、ステップ218において、位置の変化量を、静的なスナップショット
の間に求められた時間t0におけるLED50b、50cの以前の位置に加えることがで
きる。これは、次のように表される。
されたこれらの位置を、時間t1におけるLED50aの、求められた位置と組み合わせ
る。次に、LED50a、50b、50cに関する新たに求められた位置を、点マッチン
グアルゴリズム又は剛体マッチングアルゴリズムを用いて、トラッカ44のモデルと照合
し、最良に適合したものを得る。この最良に適合したものがシステム20の規定の許容範
囲内にある場合、その結果として、骨トラッカ座標系BTRK1をローカライザ座標系L
CLZに関連付けるために、新たな変換行列がナビゲーションプロセッサ52によって得
られる。
て新たに計算された位置がモデルに対して調整され、調整された位置が得られる。LED
50aについて測定された位置は、再計算もされるようにマッチングアルゴリズムによっ
ても調整することもできる。これらの調整は、LEDクラウドに対する更新とみなされる
。幾つかの実施形態では、LED50aについて測定された位置は、マッチング処理時に
LED50aの、モデルの位置に固定される。
された(及び場合によっては調整された)位置と、LED50b、50cの計算された(
及び調整された)位置とにより、座標変換部102は、大腿骨座標系FBONEと、骨ト
ラッカ座標系BTRK1と、ローカライザ座標系LCLZとの間の前述した関係に基づい
て、大腿骨Fの新たな位置及び向きを求めることが可能となる。
のローカライザ座標系LCLZにおける測定から開始する。LED50a、50cが未測
定のLEDである。各時間t1、t2...tnにおけるこのループの結果、各LED5
0a、50b、50cの位置が測定されるか(1つのLEDが各時間において点灯される
)又は計算され、この計算された位置は、光学式センサ40及びジャイロスコープセンサ
60による測定に基づいて非常に正確に近似される。LED50の新たな位置を求めるス
テップ206〜222のこのループは、ローカライゼーションエンジン100が、少なく
とも100Hz、より好ましくは少なくとも300Hz、最も好ましくは少なくとも50
0Hzの周波数で実行することができる。
うな仮想LEDは、モデル上で特定される所定の点であり、トラッカ44における物理的
なLEDに実際に対応するものではない。これらの点の位置も、時間t1、t2、...
、tnにおいて計算することができる。これらの仮想LEDは、図4のような未測定のL
EDと同じ方法で計算することができる。唯一の違いは、仮想LEDは、決して点灯され
ることもなければ、一連の光学的測定に含まれることもないということである。なぜなら
ば、仮想LEDは、どの光源にも対応せず、本質的に単なる仮想のものにすぎないからで
ある。ステップ300〜322は、実際のLED及び仮想LEDを用いてトラッカ44、
46、48を追跡するのに用いられるステップを示している。ステップ300〜322は
、仮想LEDが追加されていることを除いて、ステップ200〜222に概ね対応してい
る。仮想LEDは、上記で説明したのと同じ式を用いて未測定のLEDと同様に扱われる
。
記で説明した速度計算における誤差の影響を低減することである。これらの誤差は、LE
D50a、50b、50cの計算された位置に影響を及ぼすことはほとんどないが、対象
となる点がLED50a、50b、50cから遠く離れて位置しているほど、この誤差が
拡大する可能性がある。例えば、トラッカ44を有する大腿骨Fを追跡するときに、トラ
ッカ44に組み込まれたLED50a、50b、50cは、それらの計算された位置につ
いて約0.2ミリメートルの僅かな誤差を受ける場合がある。これに対し、LED50a
、50b、50cから10センチメートルを越えて離れて位置する場合がある大腿骨Fの
表面を考える。LED50a、50b、50cにおける0.2ミリメートルの僅かな誤差
は、大腿骨Fの表面上では0.4ミリメートル〜2ミリメートルの誤差になる可能性があ
る。大腿骨FがLED50a、50b、50cから遠く離れて位置しているほど、この誤
差は増加する。図5のステップにおいて仮想LEDを用いることにより、以下に説明する
ようにそのような誤差の潜在的な増幅を低減することができる。
のとすることができる。他の仮想LED50e、50f、50g、50h、50i、50
j、50kは、x軸、y軸、z軸のそれぞれに沿ったロケーション及び6つの仮想LED
を得るためのこれらの軸に沿った原点の両側のロケーション等の、骨トラッカ座標系BT
RK1におけるランダムなロケーションに位置決めすることができる。これらの仮想LE
Dは、図5Aに示され、ステップ302及び320において用いられるトラッカ44のモ
デルの一部分として含まれる。実施形態によっては、仮想LED50e〜50kのみを用
いる。他の実施形態では、仮想LEDは、x軸、y軸、z軸のそれぞれに沿ったロケーシ
ョンであるが、骨トラッカ座標系BTRK1の原点から異なる距離のロケーションに位置
決めすることができる。別の更なる実施形態では、仮想LEDのうちの一部又は全ては、
x軸、y軸、z軸から離れて位置するものとすることができる。
0kとが存在する。各時間t1、t2、...、tnにおいて、この拡張モデルは、ステ
ップ320において、実際のLED50a、50b、50cについて測定、計算された位
置及び仮想LED50d〜50kについて計算された位置と照合され、骨トラッカ座標系
BTRK1をローカライザ座標系LCLZと関連付ける変換行列が得られる。このとき、
実際のLED50a、50b、50cから離れた位置に位置する、モデルに含まれる仮想
LED50d〜50kを用いると、回転行列における誤差を低減することができる。本質
的には、剛体マッチングアルゴリズム又は点マッチングアルゴリズムは照合に用いられる
追加の点を有し、これらの追加の点のうちの幾つかは、実際のLED50a、50b、5
0cを定めた点の外側に放射状に位置しているため、照合が回転安定性のあるものとなる
。
D50e〜50kのロケーションを動的に変更することができる。時間t1における未測
定の実際のLED50b、50c及び仮想LED50e〜50kの計算された位置は、ト
ラッカ44が低速に移動するほど、より正確になる。したがって、骨トラッカ座標系BT
RK1の原点を基準とするx軸、y軸、z軸に沿った仮想LED50e〜50kのロケー
ションは、トラッカ44の速度に基づいて調整することができる。したがって、仮想LE
D50e〜50kのロケーションが、それぞれ(s,0,0)、(−s,0,0)、(0
,s,0)、(0,−s,0)、(0,0,s)、(0,0,−s)で表される場合にお
いて、sはトラッカ44が低速で移動するときに増加し、トラッカ44がより高速で移動
するときにより小さな値に減少する。これは、sの実験式によって処理することもでき、
又は、sは速度の誤差の推定値及び計算された位置に基づいて調整することもできる。
00Hz、より好ましくは少なくとも300Hz、最も好ましくは少なくとも500Hz
の周波数で実行することができる。
る状況で用いることができる。測定対象のLEDが妨害されると、ローカライゼーション
エンジン100は、原点の等速を仮定して位置を推定する。しかし、この状況における等
速の仮定は不正確な場合があり、結果として誤差が生じる。加速度計70は、本質的には
、その時間期間における等速の仮定が正確であるか否かを監視するものである。図6及び
図7に示すステップは、この仮定をどのように確認するかを示している。
のステップ300〜322に概ね対応する。ただし、ステップ424において、システム
20は最後の測定サイクルにおいて、測定されたLEDが3つ未満であるか否かを判断す
る。測定されたLEDが3つ未満であるということは、このサイクルにおいて1以上のL
EDが測定できなかったということを意味する。これは、照準線の問題等により生じる可
能性がある。トラッカ44のサイクルは、最後に試みられた3つの測定である。この最後
の3つの測定の際に、LED50a、50b、50cのそれぞれが見えて測定できた場合
は、システム20は、ステップ408に進み、図5に関して述べたように処理を続ける。
て測定することができない、すなわち、測定が妨害されていると判断した場合に、アルゴ
リズムは、それでもなおステップ408に進む。しかし、ステップ406において測定さ
れるべき新たなLEDが測定できないものである場合、システムは、以下で説明するよう
に何らかの速度仮定を行う。
式センサ40から見えない場合、前の時間t(n−1)でのローカライザ座標系LCLZ
におけるトラッカ44の原点に関する以前に計算された速度ベクトル
LED50a、50b、50cの速度ベクトルは、ローカライザ座標系LCLZにおける
以前に計算された速度ベクトル
0a、50b、50cの相対速度ベクトルとに基づいて計算することができる。ステップ
316〜322において記載した式は、この場合、LED50a、50b、50cの新た
な位置を求めるために用いることができる。
る場合は、原点の速度ベクトルが、以前の計算時と同じであると仮定される。したがって
、新たなLEDの速度は、ステップ408において計算されない。
角速度ベクトルとに基づいている。
以上をサイクル中に測定することができない、すなわち、測定が妨害されていると判断し
た場合は、そのサイクルにおけるLED50a、50b、50cの全てが光学式センサ4
0から見える完全な測定サイクルが行われるまで、別のアルゴリズムが図7に示すステッ
プ500〜506において同時に実行される。システム20は、全ての可視測定を伴う完
全なサイクルが行われるまで「妨害」状態にあるとみなされる。
の時間、妨害状態にあるかを追跡するクロックを始動する。妨害状態にある時間を以下に
おいて、t(blocked)と呼ぶ。
、z軸に沿った加速度を測定し、一定速度という仮定における誤差を追跡する。加速度計
の読み取り値は、ジャイロスコープの読み取り値と同様に、加速度計座標系から骨トラッ
カ座標系BTRK1に変換される。
た場合、ナビゲーションコンピュータ26は、システム20を誤差状態に置く。これらの
加速度許容範囲は、各x軸、y軸、及びz軸に沿って異なったものとして定めることもで
きるし、各軸に沿って同じものとすることもできる。測定された加速度が許容範囲を超え
ている場合、等速という仮定は信頼することができず、外科ナビゲーションのその特定の
用途に用いることはできない。用途によって、異なる許容範囲を用いることができる。例
えば、ロボットによる切断時には、許容範囲を非常に小さくすることができる。その一方
で、視覚によるナビゲーションのみの場合、すなわち、切断制御ループに対してフィード
バックがされない場合は、許容範囲をより大きく設定することができる。
速度誤差が、妨害状態にある際に考慮され、監視される。LED50の各々について、速
度誤差verrorに、妨害状態にある時間tblocked conditionを乗
じたものは、システム20が誤差状態とされることを防ぐために、位置誤差許容範囲γよ
りも小さくなければならない。したがって、次式を満たさなければならない。
る、光学式センサ40を基準としたロケーションに基づくシステム20における所定の位
置誤差である。本質的には、LED50a、50b、50cが光学式センサ40から遠く
離れて位置しているほど、この潜在的な位置誤差は大きくなる。これらの位置誤差は、実
験的又は理論的に導き出され、ルックアップテーブル内又は式として置かれる。そして、
デカルト座標(x,y,z)におけるLED50a、50b、50cの各々の位置におい
て、関連する位置誤差が提供される。
テーブルにアクセスするか又はこの式を計算して、現在の時間t及び前の時間t−1にお
けるLED50a、50b、50cの各々についての位置誤差を求める。位置誤差は、こ
のように、現在の時間t及び前の時間t−1についてステップ422にてシステム20に
より計算された、ローカライザ座標系LCLZにおけるデカルト座標による位置に基づい
ている。時間変数Δtは、その後の位置計算に要する時間を表し、それゆえ、tとt−1
との間の差分を表しており、これは例えば1ミリ秒とすることができる。
てナビゲーションコンピュータ26において事前に定められる。位置誤差の許容範囲γは
、ミリメートル単位で表すことができる。位置誤差の許容範囲γは、0.001ミリメー
トルから1ミリメートルとすることができ、実施形態によっては、特に0.5ミリメート
ルに設定される。そして、位置誤差の許容範囲γが0.5ミリメートルに設定されている
場合、次式が満たされなければならない。
する影響が大きくなり、したがって、許容される速度誤差は小さくなる。実施形態によっ
ては、この式は、ステップ504において、LED50a、50b、50cの各々につい
て別々にローカライゼーションエンジン100により計算される。別の実施形態では、L
ED50a、50b、50cがトラッカ44上でどれだけ接近して配置されているかによ
って、LED50a、50b、50cのうちの1つのみの速度誤差が、適合性を判断する
ためにこの計算において用いられる。
システム20は誤差状態とされる。そのような状態では、例えば、切断ツール又はアブレ
ーションツールのいかなる制御又は動きも中止され、それらのツールの機能は停止される
。
一実施形態では、トラッカ44、46、48の各々がアクティブに追跡されているとき
、LEDの点灯は、トラッカ44の1つのLEDが点灯され、次いで、トラッカ46の1
つのLEDが点灯され、次いで、トラッカ48の1つのLEDが点灯され、次いで、トラ
ッカ44の第2のLEDが点灯され、次いで、トラッカ46の第2のLEDが点灯され、
以下、全てのLEDが点灯されるまで同様に行われ、このシーケンスが繰り返されるよう
に行われる。この点灯の順序は、カメラユニット36の送受信機(不図示)からトラッカ
44、46、48の送受信機(不図示)へと送られる命令信号を通じて行うことができる
。
われる外科的処置を制御することができる。ナビゲーションシステム20が器具22及び
骨等の切断される解剖学的組織の位置及び向きを追跡することができるように、器具22
及び切断される解剖学的組織の双方にトラッカ50が設けられる。
の一部分である。幾つかの形態では、このロボット外科用システムは、骨又は軟組織等の
患者の解剖学的組織から組織材(material)を切り取るロボット外科用切断システムであ
る。この切断システムは、股関節インプラント、及び単顆(unicompartmental)膝関節イ
ンプラント、二顆(bicompartmental)膝関節インプラント、又は全膝関節インプラント
を含む膝関節インプラントといった外科用インプラント用の骨を準備するために用いるこ
とができる。これらのタイプのインプラントのうちの幾つかは、「Prosthetic Implant a
nd Method of Implantation」という名称の米国特許出願第13/530,927号に示
されている。この米国特許出願の開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなす
ものとする。
このマニピュレータは、複数のアームと、当該複数のアームのうちの少なくとも1つによ
って担持された切断ツールとを有する。ロボット制御システムは、少なくとも自由度5で
切断ツールの動きを制御又は制約する。そのようなマニピュレータ及び制御システムの一
例は、「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in eit
her a Semi-Autonomous Mode or a Manual, Boundary Constrained Mode」という名称の
米国仮特許出願第61/679,258号に示され、また、「Navigation System for us
e with a Surgical Manipulator Operable in Manual or Semi-Autonomous Mode」という
名称の米国特許出願第13/958,834号にも示されている。これらの米国仮特許出
願及び米国特許出願の開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする
。
レータコントローラ54を備えたものとすることができる)と通信する。ナビゲーション
システム20は、位置データ及び向きデータの少なくとも一方を上記ロボット制御システ
ムとやり取りする。これらの位置データ及び向きデータの少なくとも一方は、解剖学的組
織を基準とした器具22の位置及び向きの少なくとも一方を示す。この通信は、解剖学的
組織の切断が所定の境界内で行われるようにこの切断を制御する閉ループ制御を提供する
。
対応する動きが存在するものとなるように、マニピュレータの動きは、LED測定に合わ
せて行うことができる。しかし、常にそうであるというわけではない。例えば、制御ルー
プ動作のためにナビゲーションコンピュータ26からマニピュレータ56に送られた位置
データ及び向きデータの少なくとも一方が信頼できなくなるような遅れが、直近のLED
測定とマニピュレータ56による動きとの間に存在する場合がある。そのような場合、ナ
ビゲーションコンピュータ26は、マニピュレータコントローラ54に運動学的データも
送信するように構成することができる。そのような運動学的データは、トラッカ44、4
6、48のための以前に求められた線速度及び角速度を含む。これらの速度は既に知られ
ているので、時間の遅れに基づいて位置を計算することができる。次に、マニピュレータ
コントローラ54は、マニピュレータ56の動きを制御するために、トラッカ44、46
、48の位置及び向きを計算することができ、したがって、大腿骨F及び脛骨Tの少なく
とも一方に対する器具22(又は器具先端部)の相対的な位置及び向きを計算することが
できる。
したマニピュレータ又は他のロボットによって保持される。この制約は、器具22の動き
を所定の境界内に制限する。器具22が所定の境界を越えて逸脱した場合、切断を停止す
る制御が器具22に送られる。
で追跡しているとき、解剖学的組織を所定の位置に強固に固定する必要をなくすことがで
きる。器具22及び解剖学的組織の双方が追跡されるため、解剖学的組織に対する器具2
2の相対的な位置及び向きの少なくとも一方に基づいて、器具22の制御を調整すること
ができる。また、ディスプレイ上の器具22及び解剖学的組織の表現は、互いに相対的に
動かすことができ、それらの実世界の動きがエミュレートされる。
除去される組織材の目標体積を有する。これらの目標体積は、1以上の境界によって定め
られる。これらの境界は、処置後に残るべき骨の表面を定めるものである。実施形態によ
っては、「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in e
ither a Semi-Autonomous Mode or a Manual, Boundary Constrained Mode」という名称
の仮特許出願第61/679,258号に開示されているように、システム20は、作業
端、例えばバーが組織材の目標体積のみを除去し、境界を越えて拡張しないことを確実に
するように外科用器具22を追跡及び制御する。上記仮特許出願の内容は、引用すること
により本明細書の一部をなすものとする。
ールの位置及び向きを示す、座標変換部102によって生成されたデータを利用すること
によって行われる。これらの相対的な位置を知ることによって、所望の組織材のみが除去
されるように、外科用器具22又はこの外科用器具が取り付けられたマニピュレータを制
御することができる。
可能であるとともに切断ジグ、ガイドアーム、又は他の制約メカニズムの援助なしで外科
医の手によって手動で位置決めされる切断ツールを有する。そのようなシステムは、「Su
rgical Instrument Including Housing, a Cutting Accessory that Extends from the H
ousing and Actuators that Establish the Position of the Cutting Accessory Relati
ve to the Housing」という名称の米国仮特許出願第61/662,070号に示されて
いる。この米国仮特許出願の開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすもの
とする。
を備えている。「Surgical Instrument Including Housing, a Cutting Accessory that
Extends from the Housing and Actuators that Establish the Position of the Cuttin
g Accessory Relative to the Housing」という名称の米国仮特許出願第61/662,
070号に示されているように、制御システムが、内部のアクチュエータ又はモータを用
いて少なくとも自由度3で切断ツールの動きを制御する。上記米国仮特許出願の開示内容
は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。ナビゲーションシステム20
は制御システムと通信する。1つのトラッカ(トラッカ48等)が、器具に取り付けられ
る。他のトラッカ(トラッカ44、46等)は、患者の解剖学的組織に取り付けられる。
御システムと通信する。ナビゲーションシステム20は、位置データ及び向きデータの少
なくとも一方を制御システムとやり取りする。これらの位置データ及び向きデータの少な
くとも一方は、解剖学的組織を基準とした器具22の位置及び向きの少なくとも一方を示
す。この通信は、切断が所定の境界(所定の境界という用語は、所定の軌道、体積、線、
他の形状又は幾何学的形態等を含むものとして理解される)内で行われるように解剖学的
組織の切断を制御する閉ループ制御を提供する。
るようなローカライザ座標系LCLZの突然の動き又は予期しない動きを追跡するために
用いることができる。カメラユニット36に取り付けられた加速度計(不図示)が、衝突
を監視し、衝突が検出されると、システム20を停止させる。この実施形態では、加速度
計はカメラコントローラ42と通信し、x軸、y軸、z軸のいずれかに沿って測定された
加速度が所定の値を越えた場合に、カメラコントローラ42は、対応する信号をナビゲー
ションコンピュータ26に送ってシステム20を使用不可にし、カメラユニット36が安
定するのを待って測定を再開する。場合によっては、ナビゲーションの再開前に初期化ス
テップ200、300、400を繰り返さなければならない。
施形態では、作業先端部のロケーションが継続的に計算されるように、仮想LEDは、器
具トラッカ48のモデルにおける作業先端部のロケーションに位置する。
及び変形を包含することである。さらに、上記で説明した実施形態は、医療の用途に関係
したものであるが、本明細書において説明された本発明は、産業、航空宇宙、防衛等の他
の用途にも適用することができる。
Claims (17)
- ローカライザと、
前記ローカライザと通信し、第1マーカ、第2マーカ及び第3マーカと非光学式センサとを備えたトラッカと、
少なくとも1つのプロセッサを有するコンピューティングシステムと
を備えたナビゲーションシステムであって、
前記プロセッサは、
ローカライザ座標系における前記第1マーカ、第2マーカ及び第3マーカ並びに仮想的な点の位置を、
光学信号及び非光学信号に基づくとともに、
前記光学信号に基づいて前記第1マーカの位置を求め、
前記光学信号に基づいて前記第1マーカの線速度ベクトルを計算し、
前記非光学式センサの前記非光学信号に基づいて、前記トラッカの角速度ベクトルを測定し、
前記トラッカのトラッカ座標系における原点の相対速度ベクトルを、前記第1マーカの位置と、測定された前記トラッカの角速度とを用いて計算し、
測定された前記トラッカの角速度と、前記トラッカ座標系における前記第2マーカ及び前記第3マーカ並びに前記仮想的な点の初期の位置を含む、前記第2マーカ及び前記第3マーカ並びに前記仮想的な点の初期の位置データとを用いて、前記第2マーカ及び前記第3マーカ並びに前記仮想的な点の相対速度ベクトルを計算し、
計算された前記第1マーカの線速度ベクトルと、計算された前記トラッカ座標系の原点の相対速度ベクトルとを用いて、前記トラッカ座標系の原点の速度ベクトルを計算し、
計算された前記トラッカ座標系の原点の速度ベクトルと、計算された前記第2マーカ及び前記第3マーカ並びに前記仮想的な点の相対速度ベクトルとを用いて、前記第2マーカ及び前記第3マーカ並びに前記仮想的な点の速度ベクトルを計算し、
計算された前記第2マーカ及び前記第3マーカ並びに前記仮想的な点の速度ベクトルを用いて、前記第2マーカ及び前記第3マーカ並びに前記仮想的な点の位置を計算することにより、
求め、
前記ローカライザ座標系における前記第1マーカ、第2マーカ及び第3マーカ並びに仮想的な点の位置を、前記コンピュータシステムに記憶され、前記トラッカ座標系を基準として定められた前記トラッカのモデルにおける前記第1マーカ、第2マーカ及び第3マーカ並びに仮想的な点の位置と照合し、前記トラッカ座標系を前記ローカライザ座標系に変換するための変換行列を取得するものである、
ナビゲーションシステム。 - 前記少なくとも1つのプロセッサは、複数の前記仮想的な点の位置を求め、前記トラッカのモデルにおける複数の前記マーカ及び仮想的な点の位置を照合し、前記変換行列を取得するものである、請求項1に記載のナビゲーションシステム。
- 前記複数の仮想的な点は、前記トラッカ座標系のx軸、y軸、z軸の各々に沿って位置する仮想的な点の第1の組を含む、請求項2に記載のナビゲーションシステム。
- 前記複数の仮想的な点は、前記トラッカ座標系のx軸、y軸、z軸の各々に沿って位置する仮想的な点の第2の組を含み、前記仮想的な点の第2の組は、前記仮想的な点の第1の組に対して前記トラッカ座標系の原点の反対側にx軸、y軸、z軸に沿って位置する、請求項3に記載のナビゲーションシステム。
- 前記複数の仮想的な点は、前記トラッカのモデルにおける前記複数のマーカの外側に放射状に位置している、請求項2に記載のナビゲーションシステム。
- 前記少なくとも1つのプロセッサは、剛体マッチングアルゴリズム又は点マッチングアルゴリズムを利用して、前記ローカライザ座標系における前記マーカ及び仮想的な点の位置を、前記トラッカ座標系を基準として定められた前記トラッカのモデルにおける前記マーカ及び仮想的な点の位置と照合するものである、請求項1に記載のナビゲーションシステム。
- 前記少なくとも1つのプロセッサは、前記モデルにおける前記仮想的な点の位置を、前記トラッカの動きに基づいて変更するものである、請求項1に記載のナビゲーションシステム。
- 前記少なくとも1つのプロセッサは、前記マーカ及び仮想的な点の位置を少なくとも500Hzの周波数で求めるものである、請求項1に記載のナビゲーションシステム。
- 前記少なくとも1つのプロセッサは、前記マーカのうちの第1マーカの、第1の時間における位置を、該第1マーカからの第1光学信号に基づいて求めるものである、請求項1に記載のナビゲーションシステム。
- 前記少なくとも1つのプロセッサは、前記マーカのうちの第2マーカ及び第3マーカと前記仮想的な点の、前記第1の時間における位置を、前記第1光学信号と前記非光学式センサからの非光学信号とに基づいて求めるものである、請求項9に記載のナビゲーションシステム。
- ローカライザと、3つのマーカ及び非光学式センサを備えたトラッカと、少なくとも1つのプロセッサを有するコンピューティングシステムとを備えたナビゲーションシステムを用いて、対象を追跡する非手術的な方法であって、
少なくとも1つの前記プロセッサが、ローカライザ座標系における前記マーカの各々と仮想的な点との位置を、
光学信号及び非光学信号に基づくとともに、
前記光学信号に基づいて前記第1マーカの位置を求め、
前記光学信号に基づいて前記第1マーカの線速度ベクトルを計算し、
前記非光学式センサの非光学信号に基づいて、前記トラッカの角速度ベクトルを測定し、
前記トラッカのトラッカ座標系における原点の相対速度ベクトルを、前記第1マーカの位置と、測定された前記トラッカの角速度とを用いて計算し、
測定された前記トラッカの角速度と、前記トラッカ座標系における前記第2マーカ及び前記第3マーカ並びに前記仮想的な点の初期の位置を含む、前記第2マーカ及び前記第3マーカ並びに前記仮想的な点の初期の位置データとを用いて、前記第2マーカ及び前記第3マーカ並びに前記仮想的な点の相対速度ベクトルを計算し、
計算された前記第1マーカの線速度ベクトルと、計算された前記トラッカ座標系の原点の相対速度ベクトルとを用いて、前記トラッカ座標系の原点の速度ベクトルを計算し、
計算された前記トラッカ座標系の原点の速度ベクトルと、計算された前記第2マーカ及び前記第3マーカ並びに前記仮想的な点の相対速度ベクトルとを用いて、前記第2マーカ及び前記第3マーカ並びに前記仮想的な点の速度ベクトルを計算し、
計算された前記第2マーカ及び前記第3マーカ並びに前記仮想的な点の速度ベクトルを用いて、前記第2マーカ及び前記第3マーカ並びに前記仮想的な点の位置を計算することにより、
求めるステップと、
少なくとも1つの前記プロセッサが、前記ローカライザ座標系における前記第1マーカ、第2マーカ及び第3マーカ並びに仮想的な点の位置を、前記コンピュータシステムに記憶され、前記トラッカ座標系を基準として定められた前記トラッカのモデルにおける前記第1マーカ、第2マーカ及び第3マーカ並びに仮想的な点の位置と照合し、前記トラッカ座標系を前記ローカライザ座標系に変換するための変換行列を取得するステップと
を含む方法。 - 複数の前記仮想的な点の位置を求め、前記トラッカのモデルにおける複数の前記マーカ及び仮想的な点の位置を照合し、前記変換行列を取得するステップを含む請求項11に記載の方法。
- 前記複数の仮想的な点を前記トラッカ座標系のx軸、y軸、z軸の各々に沿って配置するステップを含む請求項12に記載の方法。
- 前記複数の仮想的な点を前記トラッカのモデルにおける前記複数のマーカの外側に放射状に配置するステップを含む請求項13に記載の方法。
- 前記モデルにおける前記仮想的な点の位置を、前記トラッカの動きに基づいて変更するステップを含む請求項11に記載の方法。
- 前記マーカのうちの第1マーカの、第1の時間における位置を、該第1マーカからの第1光学信号に基づいて求めるステップを含む請求項11に記載の方法。
- 前記マーカのうちの第2マーカ及び第3マーカと前記仮想的な点の、前記第1の時間における位置を、前記第1光学信号と前記非光学式センサからの非光学信号とに基づいて求めるステップを含む請求項16に記載の方法。
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