JP6755308B2 - 音響式整形外科的追跡システムおよび方法 - Google Patents
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Description
本特許文献は、2015年10月8日出願の米国仮特許出願第62/239,169号の利益を主張する。前述した特許出願の内容全体が、本出願の開示の一部として参照により組み込まれる。
図1Aおよび図1Bは、例示的な音響式整形外科的追跡システム(OTS)100の図および画像をそれぞれ示す。音響OTS100は、「構造体」とも呼ばれる音響トランスデューサアレイおよび支持構造体110を含み、この構造体は、腕もしくは下肢、頭部、頸部、胸部、胴、または他の身体部分を含む使用者の身体に適合するように構成されており、音響撮像データを獲得するために、たとえば音響画像を作成するために、レンジドップラ測定を行うために、および/または外科手術に作用する整形外科手術システムなどの治療システム内へ送出するために、音響OTS100によって使用される。音響OTS100は、音響トランスデューサアレイ構造体110と信号生成および処理デバイス140(図1Cに示す)との間のインターフェースを提供するための信号インターフェースモジュール120を含む。信号インターフェースモジュール120は、信号生成および処理デバイス140による信号の伝送および受信のためにアレイの音響トランスデューサ素子によって伝送および受信される電気信号の増幅、多重化、アナログ-デジタル(A/D)変換、および/またはデジタル-アナログ(D/A)変換、またはその他の方法による調整を行うための信号処理回路および構成要素を含むことができる。
以下の例は、本技術のいくつかの実施形態の例示である。以下に挙げる例の前、または以下に挙げる例の後に、本技術の他の例示的な実施形態を提示することができる。
開示する音響式整形外科的追跡システム(OTS)は、整形外科手術前および整形外科手術中に正確な適時の6DoF骨位置を提供することによって、たとえば双方向の整形外科手術のためのロボットアームなどの手術システムを増強するために使用することができる。開示する音響OTS技術は、非撮像データ(たとえば、レンジドップラ測定)を提供することができ、追加または別法として、撮像データを提供することができる。開示する音響OTSによって与えられる利点のため、開示するシステムは、少なくとも部分的に、典型的には患者の大腿骨および脛骨にピンで留めたLED電気光学追跡装置を利用する現在の追跡システムに取って代わることが考えられる。
設定モード:設定モードは、第3者ホストシステムの操作者が、3D骨固体モデルを読み込むこと、およびアレイ較正を含む他の保守タスクを実行することを可能にする。設定モードは、3D固体モデルがシステム内へ読み込まれていないときのデフォルトモードとすることができる。
6DoF追跡:音響OTSは、ロボット支援整形外科手術のために患者の骨に登録された事前定義された座標系に対する超音波トランスデューサアレイの6DoF追跡を提供するために、3PSNSシステムのサブシステムとして使用されるようにプログラムすることができる。
大腿骨アレイ位置:OTS大腿骨アレイは、膝関節から6から12cmの間の大腿骨皮質表面をマッピングすることが可能になるように構成することができる。
脛骨アレイ位置:OTS大腿骨アレイは、膝関節から6から12cmの間の脛骨皮質表面をマッピングすることが可能になるように構成することができる。
Claims (40)
- 生物被検体の身体部分に連結するように湾曲した形状を有する支持フレーム、および前記湾曲した支持フレーム上に配置されたトランスデューサ素子のアレイを含むように構築された音響プローブデバイスであって、前記トランスデューサ素子のアレイが、前記身体部分内の整形外科的構造の標的体積の方へ音響波形を伝送し、前記整形外科的構造の前記標的体積の少なくとも一部から戻る戻り音響波形を受信するように動作可能である、音響プローブデバイスと、
前記トランスデューサ素子のアレイに連結された音響結合構成要素であって、前記トランスデューサ素子と、前記音響結合構成要素に接触しているときの前記生物被検体の前記身体部分と、の間で前記音響波形を伝えるように動作可能な音響結合構成要素と、
前記音響プローブデバイスと通信する信号生成および処理デバイスであって、(i)伝送および受信用電子機器(TRE)ユニットおよび(ii)データ処理ユニットを含むように構築され、前記データ処理ユニットが、データを記憶するメモリおよびデータを処理するように前記メモリに接続されたプロセッサを含み、前記TREユニットが、前記データ処理ユニットと通信する波形生成器、および前記波形生成器と通信して、前記データ処理ユニットによって前記波形生成器を介して提供される波形情報に応じて一つ以上の波形を生成する一つ以上の波形合成器を含み、前記伝送可能な音響波形が、前記信号生成および処理デバイスによって生成される前記一つ以上の波形に対応する、信号生成および処理デバイスと、
前記信号生成および処理デバイスと通信する位置追跡デバイスであって、前記音響プローブデバイスの前記トランスデューサ素子の位置を追跡するように動作可能な位置追跡デバイスとを備え、
前記データ処理ユニットが、前記受信した戻り音響波形を処理して、前記標的体積の前記少なくとも一部からの前記情報を含むデータセットを生成するように動作可能であり、前記情報が、前記身体部分の前記整形外科的構造の6自由度(6DoF)による位置座標、姿勢、または運動の少なくとも一つを含む、
音響式整形外科的追跡システム。 - 前記データ処理ユニットは、手術システムと通信し、前記生成したデータセットを前記手術システムへ伝達するように動作可能であり、それにより前記手術システムは、前記データセット内に含まれる前記情報に基づいて、前記整形外科的構造上で動作または処置を実行することができる、請求項1に記載のシステム。
- 前記位置追跡デバイスは、カメラ、電荷結合デバイス(CCD)を含む画像センサ、または発光ダイオード(LED)の一つ以上を含む光センサを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記音響結合構成要素は、一つ以上の重合可能材料を含むヒドロゲルを含み、前記一つ以上の重合可能材料は、前記ヒドロゲル内に水性流体を閉じ込めるように構築されたネットワークを形成し、前記ヒドロゲルは、前記身体部分の外面および前記トランスデューサ素子に適合するように構築され、
前記音響結合構成要素が前記身体部分の前記外面に接触しているとき、前記音響結合構成要素は、前記受信媒体と前記音響信号トランスデューサ素子との間に音響インピーダンス整合を提供する、請求項1に記載のシステム。 - 前記ヒドロゲルは、前記身体部分と共形となり前記表面に完全に接触するように構築され、音響結合構成要素と前記身体部分との間に空気または空隙の集まりが形成されない、請求項4に記載のシステム。
- 前記TREユニットは、
前記音響プローブデバイスの前記トランスデューサ素子のアレイによって受信された前記受信した戻り音響波形を、前記標的体積の少なくとも一部の情報を含む受信波形として、アナログ方式からデジタル方式に変換するアナログ-デジタル(A/D)変換器のアレイと、
前記一つ以上の波形合成器と通信して、伝送のために前記音響プローブデバイスに提供された前記波形を修正する一つ以上の増幅器と、
前記音響プローブデバイスおよび前記A/D変換器のアレイと通信して、前記A/D変換器に提供された前記受信した戻り音響波形を修正する一つ以上の前置増幅器とを含む、請求項1に記載のシステム。 - 前記音響プローブデバイスは、前記信号生成および処理デバイスの前記TREユニットに接続可能な信号インターフェースモジュールを含み、前記信号インターフェースモジュールは、前記トランスデューサ素子のアレイと通信して、前記波形を前記対応する音響波形に変換する前記アレイの一つ以上の変換素子を選択し、前記戻り音響波形を受信する前記アレイの一つ以上の変換素子を選択する多重化ユニットを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記信号生成および処理デバイスは、任意の波形を生成するように動作可能であり、前記任意の波形は、数学的に記述可能な任意の波形を含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記任意の波形は、矩形パルス、三角パルス、衝撃パルス、ガウス形パルス、正弦波パルス、シンクパルス、メキシコ帽型ウェーブレットパルス、ハールウェーブレットパルス、線形FMチャープパルス、双曲線FMチャープパルス、コード化パルス、2進コード化パルス、3進コード化パルス、位相コード化パルス、相補2進コード化パルス、振幅コード化パルス、位相および振幅コード化パルス、周波数コード化パルス、ステップ正弦波パルス、成形スペクトルパルス、またはこれらの組合せの一つ以上を含む、請求項8に記載のシステム。
- 前記信号生成および処理デバイスは、前記任意の波形をビーム形成およびステアリングするように動作可能である、請求項8に記載のシステム。
- 前記信号生成および処理デバイスは、前記波形情報に応じて前記一つ以上の波形合成器によって生成された一つ以上の周波数帯域に対応する個別直交コード化波形の二つ以上を備える合成波形を生成するように動作可能であり、前記個別直交コード化波形は、互いに相互に直交し、異なる周波数帯域に対応し、それにより前記各個別直交コード化波形は、対応する位相を有する固有の周波数を含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記各個別直交コード化波形は、それぞれ個別に振幅加重および個別に位相加重された複数の振幅および複数の位相を含む、請求項11に記載のシステム。
- 前記信号生成および処理デバイスは、各個別直交コード化波形の周波数帯域、振幅、時間帯域幅積パラメータ、および位相パラメータを判定するように動作可能である、請求項11に記載のシステム。
- 前記位相パラメータは、1組の擬似乱数または1組の決定論的数から判定される、請求項13に記載のシステム。
- 前記標的体積は、前記生物被検体の組織構造を含み、前記プローブデバイスの成形部分は、前記生物被検体の前記身体部分に接触する、請求項1に記載のシステム。
- 前記身体部分は、腹部、胸部、咽喉を含む頸部、腕、脚、膝関節、股関節、足関節、肘関節、肩関節、手関節、胸部、生殖器、または頭蓋を含む頭部を含む、請求項15に記載のシステム。
- 前記生物構造は、癌性もしくは非癌性の腫瘍、内部損傷、結合組織の捻挫、組織断裂、または骨を含む、請求項15に記載のシステム。
- 音響波形を使用して整形外科データを生成する方法であって、
音響プローブデバイスのアレイ内の複数の音響トランスデューサ素子から、前記音響プローブデバイスが接触している生物被検体の身体部分の整形外科的構造の標的体積の方へ、音響信号を伝送するステップと、
前記標的体積の少なくとも一部から戻る音響エコーを前記トランスデューサ素子の一つ以上で受信するステップであって、前記受信した音響エコーは、前記伝送された音響信号に対応する少なくともいくつかの波形成分を含む、受信するステップと、
前記音響信号の前記伝送および前記音響エコーの前記受信中に前記音響プローブデバイスの前記音響トランスデューサ素子の位置を判定するステップと、
軟組織および骨の一つまたは両方を含む前記整形外科的構造からの戻り音響エコーに対応する空間情報を生成するように、前記受信した音響エコーを処理するステップであって、前記整形外科的構造の組織と骨の境界面から戻った前記音響エコーに関連する固有の鏡面パターンデータを含むエコーサインを判定することを含む、処理するステップと、
前記整形外科的構造からの前記空間情報に基づいて、前記音響トランスデューサ素子の前記判定した位置を使用してサンプルパターンと定量的に比較することによって、6自由度(6DoF)座標空間内の前記整形外科的構造の位置もしくは姿勢、または両方を判定するステップとを含む方法。 - 前記整形外科的構造からの前記空間情報に基づいて、前記音響トランスデューサ素子の前記判定した位置を使用してサンプルパターンと定量的に比較することによって、6自由度(6DoF)座標空間内の前記整形外科的構造の前記骨のトポグラフィを判定するステップ
を含む、請求項18に記載の方法。 - 前記音響トランスデューサ素子の前記位置を判定する前記ステップは、3次元空間内の固定点に対する前記トランスデューサ素子の位置を判定することを含む、請求項18に記載の方法。
- 前記音響信号を伝送する前記ステップは、連続して一度に一つずつ、同時に、または時間差もしくは時間遅延パターンで伝送することを含む、請求項18に記載の方法。
- 前記受信した音響エコーを処理する前記ステップは、前記整形外科的構造の前記軟組織および前記骨からの前記空間情報に対応して前記音響エコーを増幅、フィルタリング、およびデジタルサンプリングすることと、前記空間情報をデータとして記憶することとを含む、請求項18に記載の方法。
- 前記固有の鏡面パターンデータは、前記サンプリングされた空間情報に対する前記骨の長さにわたって横断面パターンを含む、請求項18に記載の方法。
- 前記生成された空間情報は、前記整形外科的構造からの前記音響エコーに対応するスペクトル情報を含む、請求項18に記載の方法。
- データセット内の前記整形外科的構造の前記位置および/または姿勢を、前記データセット内に含まれる前記情報に基づいて前記整形外科的構造上で動作または処置を実行するように動作可能な手術システムへ提供するステップ
をさらに含む、請求項18に記載の方法。 - 前記データセットを前記手術システムへ提供する前記ステップは、前記手術システムによる前記動作または処置中の前記生物被検体との間の前記音響信号の前記伝送および前記音響エコーの前記受信を含む前記方法の実施中に、前記データセットを前記手術処置へ実時間で伝達することを含む、請求項25に記載の方法。
- 生物被検体の身体部分に調和するように湾曲した形状を有する支持フレーム、および前記湾曲した支持フレーム上に配置されたトランスデューサ素子のアレイを含む音響プローブであって、前記トランスデューサ素子のアレイが、前記身体部分内の整形外科的構造の標的体積の方へ音響波形を伝送し、前記整形外科的構造の前記標的体積の少なくとも一部から戻る音響エコーを受信するように動作可能である、音響プローブと、
前記トランスデューサ素子のアレイに連結された音響結合媒体であって、前記トランスデューサ素子と、前記音響結合媒体に接触しているときの前記生物被検体の前記身体部分と、の間で前記音響波形を伝えるように動作可能な音響結合媒体と、
前記トランスデューサ素子と通信する信号生成および処理ユニットであって、ハウジング、前記ハウジング内に配置された伝送および受信用電子機器(TRE)ユニット、および前記ハウジング内に配置されたデータ処理ユニットを含むように構築され、前記データ処理ユニットが、データを記憶するメモリおよびデータを処理するように前記メモリに接続されたプロセッサを含み、前記TREユニットが、前記データ処理ユニットと通信する波形生成器、および前記波形生成器と通信して、前記データ処理ユニットによって前記波形生成器を介して提供される波形情報に応じて一つ以上の波形を生成する一つ以上の波形合成器を含む、信号生成および処理ユニットとを備え、
前記音響波形が、前記信号生成および処理ユニットによって生成される前記一つ以上の波形に対応し、前記戻り音響エコーが、前記伝送音響波形に対応する少なくともいくつかの波形成分を含み、
前記データ処理ユニットが、前記戻り音響エコーを処理して、前記整形外科的構造の組織と骨の境界面から戻った前記音響エコーに関連する鏡面パターンデータを識別することによって、軟組織および骨の一つまたは両方を含む前記整形外科的構造からの前記音響エコーに対応する空間情報を生成し、前記整形外科的構造からの前記空間情報に基づいて、前記音響プローブの伝送および受信動作中に前記トランスデューサ素子の位置データを使用してサンプルパターンと定量的に比較することによって、6自由度(6DoF)座標空間内の前記整形外科的構造の位置もしくは姿勢、または両方を判定するように構成される、
音響式整形外科的追跡デバイス。 - 前記信号生成および処理ユニットは、前記音響プローブの前記伝送および受信動作中に前記信号生成および処理ユニットと通信して、前記音響プローブデバイスの前記トランスデューサ素子の前記位置を追跡する位置追跡デバイスから前記位置データを受信するように動作可能である、請求項27に記載のデバイス。
- 前記データ処理ユニットは、前記身体部分の前記整形外科的構造の前記判定された前記6DoF座標空間内の位置、姿勢、または位置および姿勢を含むデータセットを生成するように動作可能である、請求項27に記載のデバイス。
- 前記データ処理ユニットは、手術システムと通信し、前記生成したデータセットを前記手術システムへ伝達するように動作可能であり、それにより前記手術システムは、前記データセット内に含まれる前記情報に基づいて、前記整形外科的構造上で動作または処置を実行することができる、請求項29に記載のデバイス。
- 前記音響結合媒体は、一つ以上の重合可能材料を含むヒドロゲルを含み、前記一つ以上の重合可能材料は、前記ヒドロゲル内に水性流体を閉じ込めるように構築されたネットワークを形成し、前記ヒドロゲルは、前記身体部分の外面および前記トランスデューサ素子に適合するように構築され、
前記音響結合媒体が前記身体部分の前記外面に接触しているとき、前記音響結合媒体は、前記身体部分と前記音響信号トランスデューサ素子との間に音響インピーダンス整合を提供する、請求項27に記載のデバイス。 - 前記TREユニットは、
前記トランスデューサ素子のアレイによって受信した前記戻り音響エコーを、前記標的体積の少なくとも一部の情報を含む受信波形として、アナログ方式からデジタル方式に変換するアナログ-デジタル(A/D)変換器のアレイと、
前記一つ以上の波形合成器と通信して、伝送のために前記音響プローブに提供された前記波形を修正する一つ以上の増幅器と、
前記音響プローブおよび前記A/D変換器のアレイと通信して、前記A/D変換器に提供された前記戻り音響エコーを修正する一つ以上の前置増幅器とを含む、請求項27に記載のデバイス。 - 前記音響プローブは、前記信号生成および処理ユニットの前記TREユニットに接続可能な信号インターフェースモジュールを含み、前記信号インターフェースモジュールは、前記トランスデューサ素子のアレイと通信して、前記波形を前記対応する音響波形に変換する前記アレイの一つ以上の変換素子を選択し、前記戻り音響エコーを受信する前記アレイの一つ以上の変換素子を選択する多重化ユニットを含む、請求項27に記載のデバイス。
- 前記信号生成および処理ユニットは、任意の波形を生成するように動作可能であり、前記任意の波形は、数学的に記述可能な任意の波形を含む、請求項27に記載のデバイス。
- 前記任意の波形は、矩形パルス、三角パルス、衝撃パルス、ガウス形パルス、正弦波パルス、シンクパルス、メキシコ帽型ウェーブレットパルス、ハールウェーブレットパルス、線形FMチャープパルス、双曲線FMチャープパルス、コード化パルス、2進コード化パルス、3進コード化パルス、位相コード化パルス、相補2進コード化パルス、振幅コード化パルス、位相および振幅コード化パルス、周波数コード化パルス、ステップ正弦波パルス、成形スペクトルパルス、またはこれらの組合せの一つ以上を含む、請求項34に記載のデバイス。
- 前記信号生成および処理ユニットは、前記任意の波形をビーム形成およびステアリングするように動作可能である、請求項34に記載のデバイス。
- 前記信号生成および処理ユニットが、前記波形情報に応じて前記一つ以上の波形合成器によって生成された一つ以上の周波数帯域に対応する個別直交コード化波形の二つ以上を備える合成波形を生成するように動作可能であり、前記個別直交コード化波形は、互いに相互に直交し、異なる周波数帯域に対応し、それにより前記各個別直交コード化波形は、対応する位相を有する固有の周波数を含む、請求項27に記載のデバイス。
- 前記各個別直交コード化波形は、それぞれ個別に振幅加重および個別に位相加重された複数の振幅および複数の位相を含む、請求項37に記載のデバイス。
- 前記信号生成および処理ユニットは、各個別直交コード化波形の周波数帯域、振幅、時間帯域幅積パラメータ、および位相パラメータを判定するように動作可能である、請求項37に記載のデバイス。
- 前記位相パラメータは、1組の擬似乱数または1組の決定論的数から判定される、請求項39に記載のデバイス。
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