JP6790000B2 - Ｘ線透視外科手術ナビゲーションのための光ファイバリアルシェイプ感知 - Google Patents

Description

本開示は、概して、任意の種類のＸ線透視ベースの外科手術処置（例えば、脊椎の外科手術、外傷の外科手術、腫瘍及び神経外科）中のＸ線透視イメージャ及び外科手術ツールの追跡に関する。本開示は、詳細には、任意の種類のＸ線透視ベースの外科手術処置中にＸ線透視イメージャ及び外科手術ツールを追跡するための光ファイバリアルシェイプ（「ＦＯＲＳ」：Ｆｉｂｅｒ−Ｏｐｔｉｃａｌ ＲｅａｌＳｈａｐｅ）センサの新規的で発明的な組み込みに関する。

当技術分野において知られる１つの整形外科器具は、ガイド、アンカーとしての、又は骨の断片を安定化するためのＫｉｒｓｃｈｎｅｒワイヤ（「ｋワイヤ」）である。より具体的には、ｋワイヤは、小さな直径（例えば、１〜５ｍｍ）を有し、一時的に又は恒久的に骨の中に詰め込まれる金属ワイヤである。ｋワイヤは、骨折を安定化するために、又は脊椎の固定のために、単独で又はカニューレを有するスクリューとともに利用される。ｋワイヤは、骨折の固定及び外傷の外科手術においても使用される。

当技術分野において知られる別の整形外科器具は、ニードルのルーメン内に挿入可能な先細状の切削先端を有する筒状のニードルであるＪａｍｓｈｉｄｉ（登録商標）ニードル（「ｊニードル」）である。ｊニードルの重要な特徴は、マレットで叩いてニードルを骨の中に挿入するために使用可能な平坦なハンドル面である。骨の中への挿入の後で、切削先端をルーメン内から取り出す際に、ｋワイヤ又は他のツールは、ニードルのルーメン内に挿入される。

当技術分野において知られる例示的な椎弓根スクリュー設置は、概して、以下の、
（１）患者を横臥状態でテーブル上に配置するステップと、
（２）患者の椎弓根の良好な視像を取得するためにＣアームを配置するステップと、
（３）患者の脊椎へアクセスするステップと、
（４）横突起と椎間関節複合体（ｆａｃｅｔ ｃｏｍｐｌｅｘ）との間の接合部にｊニードルをドッキングさせるステップと、
（５）フリーハンドで又はＸ線透視による可視化のもとで、マレットでｊニードルを優しく叩いてｊニードルを椎弓根を貫通して前進させるステップと、
（６）ｊニードルが椎体の深さの４分の１又は半分まで到達した際に、切削先端をｊニードルのルーメンから取り出し、ｊニードルのルーメンにｋワイヤを挿入するステップと、
（７）ｋワイヤを更に骨の中に通過させ、ｊニードルを取り出すステップと、
（８）カニューレを有する筋肉拡張器（ｍｕｓｃｌｅ ｄｉｌａｔｏｒ）をｋワイヤを覆うように設置するステップと、
（９）椎弓根を叩き、カニューレを有する適切なスクリューを設置するステップと
からなる。

上記の脊椎固定術において、特には生体の神経及び血管に非常に近接しているので、脊椎の２つ以上の椎骨を融着させるために、スクリューを椎弓根内に正確に設置することが重要である。上述のように椎弓根スクリューをフリーハンドで設置する場合、高い確率で置き違い及び重大な破損が生じる。従って、整形外科のための画像誘導方式の外科手術が好ましい。

詳細には、脊椎の外科手術において、撮像は、術前の計画及び評価のためと、術中の誘導（例えば、ＣＴ、ＭＲＩ、Ｘ線透視、Ｘ線など）のためとの両方に使用される。術中のＸ線透視は、通常は、ドリル又はスクリューが所定位置に設置される前に、ｊニードル及び／又はｋワイヤの配置を確認するために使用される。Ｘ線透視の欠点は、患者及び医師の両者に電離放射線を浴びせることであり、３次元（「３Ｄ」）位置を２次元（「２Ｄ」）投影として提供することである。従って、臨床医は、最も一般的には、当技術分野において知られるように、前後方向及び横方向の視像である垂直２ＤＸ線透視視像を取得することによって、患者及び医師への最小限の放射線被曝で３Ｄ透視図を得るように頻繁に試みることになる。そのような視像を単一の検知器Ｃアームを使用して取得するためには、アームを９０度（９０°）にわたって回転させることが必要である。これは、手術室内におけるワークフローの課題をもたらす。加えて、任意の時間ポイントにおいて、単一の検知器Ｃアームから１つの視像しか得られない。

コンピュータ支援外科手術は、処置中に解剖学的構造に対するツールの３Ｄ誘導を提供するために、術前及び／又は術中撮像へのナビゲーションツールの追加を伴う。いくつかの整形外科処置（例えば、脊椎固定術及び椎弓根スクリュー設置）においては、典型的には、当技術分野において知られるように、ナビゲーション中に二面（ｂｉ−ｐｌａｎｅ）視像を生むために使用可能な術前ＣＴ画像又は術中３ＤＸ線画像が存在する。そのような３Ｄ画像を使用するとき、いくらかのツール追跡及びレジストレーションなしには、ツールの位置及び向きに関するライブツール情報を画像内に入手することはできない。最も一般的には、光学的追跡が、患者の解剖学的構造に対するツール位置を追跡するために使用される。そのためには、光学的トラッカが作業器具に装着されることを必要とし、それらのトラッカは常にカメラの見通し線（ｃａｍｅｒａ ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ）内にとどまっていなければならない。光学的追跡の利点は、単一のカメラが、同時に複数のトラッカとともに使用できることである。従って、複数の作業器具とＣアームの位置とが追跡可能である。しかしながら、光学的追跡の１つの重大な欠点は、光学的トラッカが常にカメラの見通し線内にとどまっていなければならないことである。光学的追跡の別の欠点は、光学的トラッカは相当に大きく、従って、任意の整形外科器具の近位端部に装着されなければならないことである。これにより、近位に装着された光学的トラッカから先端位置を推論するための十分な剛性を欠いた小型で柔軟な整形外科器具（例えば、ｋワイヤ）を追跡する光学的トラッカの能力は制限される。

整形外科により特有のことであるが、術中のＸ線透視画像はナビゲーションのために使用され、これらの画像は、必要な時に患者内又は患者の周りに配置可能で、他のときは患者から離れるように移動される移動式Ｃアームから導出される。移動式Ｃアームは、手術室における移動式Ｃアームの位置及び向きに関するリアルタイムの情報を提供するために備えられるものではなく、従って、移動式Ｃアームは、ナビゲーションを可能にするために患者及び器具に対して追跡されることが必要である。

本開示は、外科手術処置中に手術空間内においてＸ線透視イメージャ及び外科手術器具を追跡するための光ファイバリアルシェイプ（「ＦＯＲＳ」）センサを利用する発明を提供する。

本開示の発明の目的のために、「光ファイバリアルシェイプ（「ＦＯＲＳ」）センサ」という用語は、当技術分野において知られるように、光ファイバ内に発せられて光ファイバ内を伝播した光であって、伝播した光と反対の方向に光ファイバ内で反射された光、及び／又は伝播した光の方向に光ファイバから透過された光から導出される光ファイバの高密度応力測定を引き出すために構造的に構成された光ファイバを広範に包含する。

ＦＯＲＳセンサの例としては、光周波数領域反射測定（ＯＦＤＲ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）の原理の下で、光ファイバ内に発せられて光ファイバ内を伝播した光であって、伝播した光と反対の方向に光ファイバ内で反射された光、及び／又は伝播した光の方向に光ファイバから透過された光から、光ファイバ内の制御された格子パターン（例えば、ファイバブラッグ格子）、光ファイバの特性後方散乱（例えば、レイリー後方散乱）又は光ファイバに埋め込まれ、エッチングされ、刻印され又は他の方法で形成された反射素子及び／又は透過素子の任意の他の配置を介して導出される光ファイバの高密度応力測定を引き出すために構造的に構成された光ファイバがあるが、これに限定されない。

商業的及び学術的に、光ファイバリアルシェイプは、光学的形状感知（「ＯＳＳ」：ｏｐｔｉｃａｌ ｓｈａｐｅ ｓｅｎｓｉｎｇ）としても知られている。

本開示の発明の目的のために、「外科手術処置」、「Ｘ線透視イメージャ」及び「外科手術器具」という用語は、本開示の技術分野において理解され、本明細書において例示的に説明される意味に解釈されるべきである。

外科手術処置の一般的なカテゴリの例としては、心血管、婦人科学、腹部、神経外科学、産科学、眼科学、整形外科学、耳鼻咽喉学、再建、胸郭、及び泌尿器科学があるが、これらに限定されない。より具体的には、整形外科処置の例としては、脊椎の外科手術、関節／膝／股関節／肩／足首の置換、腱板（ｒｏｔａｒｙ ｃｕｆｆ）の修復、ＡＣＬ再建手術、外傷、及び関節鏡手術があるが、これらに限定されない。

Ｘ線透視イメージャの例としては、患者の解剖学的構造のリアルタイムＸ線撮像のための固定式Ｃアーム及び移動式Ｃアームがあるが、これらに限定されない。

外科手術ツールの形態の外科手術器具の例としては、メス、焼灼器、切除デバイス、ニードル、鉗子、ｋワイヤ及び関連するドライバ、内視鏡、突き錐、スクリュードライバ、骨刀、チゼル、マレット、キューレット、クランプ、ペリオステオム（ｐｅｒｉｏｓｔｅｏｍｅ）及びｊニードルがあるが、これらに限定されない。

移植可能な用具の形態の外科手術器具の例としては、ニードル、ピン、ネイル、スクリュー、及びプレートがあるが、これらに限定されない。

本開示の発明の目的のために、「追跡する」という用語及びその任意の時制は、本開示の技術分野において理解され、本明細書において例示的に説明される意味に解釈されるべきである。

本開示の発明の目的のために、「手術空間」という用語は、外科手術処置、特には患者の解剖学的構造に関連した外科手術処置が行われている部屋の任意のエリアを広範に包含する。

本開示の発明の１つの形態は、ＦＯＲＳセンサと、ナビゲーションコントローラと、Ｘ線透視イメージャと、及びＸ線透視イメージャに接合される機械的コネクタとを用いたＸ線透視外科手術システムである。術中に、機械的コネクタは、Ｘ線透視イメージャにＦＯＲＳセンサを取り外し可能に装着するために利用され、ナビゲーションコントローラは、手術空間内におけるＸ線透視イメージャの追跡を制御するために、手術空間内において固定的な又は移動可能な基準ポイントに対するＦＯＲＳセンサの形状再構成の情報を与える感知データを処理する。

本開示の発明の第２の形態は、外科手術器具を更に用いたＸ線透視外科手術システムであり、イメージャによる患者の解剖学的構造のＸ線透視撮像と同時に又はその後に、ＦＯＲＳセンサはその後Ｘ線透視イメージャから取り外されて外科手術器具に取り外し可能に装着されるか、又はＦＯＲＳセンサは、Ｘ線透視イメージャ及び外科手術器具に、同時に取り外し可能に装着される。ナビゲーションコントローラは、手術空間内における外科手術器具の追跡を制御するために、手術空間内において固定的な又は移動可能な基準ポイントに対するＦＯＲＳセンサの追加的形状再構成の情報を与える感知データを処理する。

代替的に、ＦＯＲＳセンサは外科手術器具としての役割を果たしてよく、イメージャによる患者の解剖学的構造のＸ線透視撮像と同時に又はその後に、ＦＯＲＳセンサは、Ｘ線透視イメージャに取り外し可能に装着されたままになるか、又はＸ線透視イメージャから取り外される。ナビゲーションコントローラは、手術空間内における外科手術器具としての役割を果たすＦＯＲＳセンサの追跡を制御するために、手術空間内において固定的な又は移動可能な基準ポイントに対するＦＯＲＳセンサの追加的形状再構成の情報を与える感知データを処理する。

本開示の発明の目的のために、「機械的コネクタ」という用語は、Ｘ線透視イメージャにＦＯＲＳセンサを取り外し可能に装着するために構造的に構成され、それにより、Ｘ線透視イメージャ及びＦＯＲＳセンサが同期して動きつつ互いに異なる別個の機械的動作を維持するような、当技術分野における任意のコネクタを広範に包含する。

本開示の発明の目的のために、「接合する（ａｄｊｏｉｎ）」という用語及びその任意の時制は、コンポーネント間の直接的な物理的接触又はコンポーネントの隣接した設置を伴うコンポーネントの任意の種類の恒久的又は取り外し可能な結合、接続、取り付け（ａｆｆｉｘｉｎｇ）、締め留め（ｃｌａｍｐｉｎｇ）、据え付け（ｍｏｕｎｔｉｎｇ）などを広範に包含し、「取り外し可能に装着する（ｄｅｔａｃｈａｂｌｙ ａｔｔａｃｈ）」という用語及びその時制は、コンポーネント間の直接的な物理的接触又はコンポーネントの隣接した設置を伴うコンポーネントの取り外し可能な接合を広範に包含する。

本開示の発明の目的のために、「感知データ」及び「形状再構成」という用語は、本開示の技術分野において理解され、本明細書において例示的に説明される意味に解釈されるべきである。

本開示の目的のために、「コントローラ」という用語は、本明細書において後述される本発明の様々な発明的な原理の適用を制御するためにワークステーション内に収容された又はワークステーションとリンクされた特定用途向けメインボード又は特定用途向け集積回路の全ての構造的構成を広範に包含する。コントローラの構造的構成は、プロセッサ、コンピュータが使用可能な／コンピュータが読み取り可能な記憶媒体、オペレーティングシステム、アプリケーションモジュール、周辺デバイスコントローラ、スロット、及びポートを含むが、これらに限定されない。

本開示の目的のために、本明細書において「コントローラ」という用語のために使用される「ナビゲーション」というラベルは、識別の目的のために、ナビゲーションコントローラを本明細書において説明及び特許請求される他のコントローラから、「コントローラ」という用語にいかなる追加的な限定も規定したり、加えたりすることなく区別する。

「ワークステーション」の例としては、クライアントコンピュータ、デスクトップ又はタブレットの形態の、１つ又は複数のコンピューティングデバイス、ディスプレイ／モニタ、及び１つ又は複数の入力デバイス（例えば、キーボード、ジョイスティック及びマウス）の組立体があるが、これに限定されない。

本開示の目的のために、「アプリケーションモジュール」という用語は、特定のアプリケーションを実行するための、電子回路及び／又は実行可能なプログラム（例えば、実行可能なソフトウェア及びファームウェア）からなるワークステーションのコンポーネントを広範に包含する。

本開示の発明の第３の形態は、（１）ＦＯＲＳセンサが、Ｘ線透視イメージャに取り外し可能に装着されるステップと、（２）ＦＯＲＳセンサが、Ｘ線透視イメージャへのＦＯＲＳセンサの機械的装着に基づき、手術空間内において固定的な又は移動可能な基準位置に対するＦＯＲＳセンサの形状再構成の情報を与える感知データを生成するステップと、（３）ナビゲーションコントローラが、Ｘ線透視イメージャへのＦＯＲＳセンサの機械的装着に基づき、ＦＯＲＳセンサによって生成された感知データに応答して、手術空間内におけるＸ線透視イメージャの追跡を制御するステップと、（４ａ）ＦＯＲＳセンサが、Ｘ線透視イメージャから取り外されて外科手術器具に取り外し可能に装着されるか、又はＦＯＲＳセンサが、Ｘ線透視イメージャ及び外科手術器具に、同時に取り外し可能に装着されるステップと、（５ａ）ＦＯＲＳセンサが、外科手術器具へのＦＯＲＳセンサの機械的装着に基づき、手術空間内において固定的な基準位置に対するＦＯＲＳセンサの形状再構成の情報を与える感知データを生成するステップと、（６ａ）ナビゲーションコントローラが、外科手術器具へのＦＯＲＳセンサの機械的装着に基づき、ＦＯＲＳセンサによって生成された感知データに応答して、手術空間内における外科手術器具の追跡を制御するステップとを有するＸ線透視外科手術方法である。

代替的に、当技術分野において知られるような外科手術器具の省略を鑑みると、方法は、（４ｂ）ＦＯＲＳセンサが、Ｘ線透視イメージャから取り外されて外科手術器具としての役割を果たすか、又はＦＯＲＳセンサが、Ｘ線透視イメージャに取り外し可能に装着されたまま外科手術器具としての役割を果たすステップと、（５ｂ）ＦＯＲＳセンサが、ＦＯＲＳセンサが外科手術器具としての役割を果たすことに基づき、手術空間内において固定的な又は移動可能な基準位置に対するＦＯＲＳセンサの形状再構成の情報を与える感知データを生成するステップと、（６ｂ）ナビゲーションコントローラが、ＦＯＲＳセンサが外科手術器具としての役割を果たすことに基づき、ＦＯＲＳセンサによって生成された感知データに応答して、手術空間内におけるＦＯＲＳセンサの追跡を制御するステップとを有する。

本発明の前述の形態及び他の形態並びに本発明の様々な特徴及び利点は、添付の図面と関連して読まれる本発明の様々な実施形態の以下の詳細な説明から更に明らかになるであろう。詳細な説明及び図面は本発明の単なる例示であって、限定的なものではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって規定される。

本発明の発明的な原理による、特には二面撮像のための、例示的なＸ線透視外科手術システムを示す図である。 本開示の発明的な原理による、一体化された機械的コネクタを用いた図１のＸ線透視外科手術ナビゲーションの例示的な実施形態を示す図である。 本開示の発明的な原理による、複数部品構成型の機械的コネクタを用いた図１のＸ線透視外科手術ナビゲーションの例示的な実施形態を示す図である。 本発明の発明的な原理による、特にはＸ線透視撮像のための、例示的なＸ線透視外科手術システムを示す図である。 本開示の発明的な原理による、ＦＯＲＳセンサの例示的な実施形態を示す図である。 本開示の発明的な原理による、コネクタクリップの例示的な実施形態を示す図である。 本開示の発明的な原理による、機械的コネクタとのドレープの一体化の例示的な実施形態を示す図である。

本開示の発明は、Ｘ線透視イメージャ／外科手術器具と好ましくは単一のＦＯＲＳセンサを使用した患者の解剖学的構造の術中撮像との間のレジストレーションを容易にするＦＯＲＳ感知ソリューションを提案する。レジストレーションは、ＦＯＲＳセンサを、画像取得フェーズ中には、取得されたＸ線透視画像が手術空間（例えば、患者座標フレーム）内においてレジストレーションされるようにＸ線透視イメージャに対して、及び器具ナビゲーションフェーズ中には、手術空間内において外科手術器具の位置及び向きを知ることができるように外科手術器具に対して、二者択一的に装着することによって達成可能である。

本開示の様々な発明の理解を促進するために、図１についての以下の説明は、Ｘ線透視外科手術システムによる外科手術処置中のＦＯＲＳ感知の実施態様の基本的な発明的な原理を教示する。この説明から、当業者は、本開示のＸ線透視外科手術システム及び方法の追加的な実施形態を形成し、使用するために、どのように本開示の発明的な原理を適用するかを理解されよう。図１に図示される本開示のコンポーネントは、縮尺通りに描かれているのではなく、本開示の発明的な原理を概念的に視覚化するために描かれていることに留意されたい。

図１を参照すると、本開示のＸ線透視外科手術システムは、手術空間２０内において手術テーブル２１上に横臥状態で横になっている患者２３を伴う外科手術処置を実行するために、Ｘ線透視イメージャ３０（例えば、図示されるような移動式Ｃアーム）と、ＦＯＲＳセンサ４０と、機械的コネクタ５０と、任意の種類の外科手術器具６０と、ナビゲーションコントローラ７０とを用いる。

当技術分野において知られるように、Ｘ線透視イメージャ３０は、概して、Ｘ線生成器３１と、画像増幅器３２と、Ｘ線透視イメージャ３０を回転させるための鍔部３３とを含む。術中に、Ｘ線透視イメージャ３０は、患者２３の解剖学的エリアのＸ線透視画像を示す撮像データ３４を生成する。

ＦＯＲＳセンサ４０は、制御された格子パターン（例えば、ファイバブラッグ格子）、特性後方散乱（例えば、レイリー後方散乱）又は光ファイバに埋め込まれ、エッチングされ、刻印され又は他の方法で形成された反射素子及び／又は透過素子の任意の他の配置を有する光ファイバを含む。実際には、制御された格子、特性後方散乱又は反射／透過素子は、光ファイバの任意の部分又はその全体に延在してよい。同じく実際には、ＦＯＲＳセンサ４０は、螺旋状の又は螺旋状でない１つ又は複数の、又は個別のファイバを含んでよい。

実際には、ＦＯＲＳセンサ４０の光ファイバは、部分的に又は全体的に、任意のガラス、シリカ、リン酸塩ガラス又は他のガラスで作られ、又は、ガラス及びプラスチック、プラスチック、又は光ファイバを形成するために使用される他の材料で作られる。手動又はロボット挿入によって患者の解剖学的構造内に導入されるときのＦＯＲＳセンサ４０への任意の損傷を防ぐために、ＦＯＲＳセンサ４０の光ファイバは、医療デバイス（例えば、ガイドワイヤ又はカテーテル）内に埋め込まれ、又は保護スリーブによって恒久的に包囲される。実際には、保護スリーブは、ペバックス、ニチノール、分岐チューブ、撚り合わせ金属チューブを含むがそれらに限定されない、特定の硬さの任意の柔軟な材料から作られる。同じく実際には、保護スリーブは、重なり合う及び／又は連続的な配置の、同一の又は異なる程度の柔軟性及び硬さの２つ以上の管状のコンポーネントからなる。

術中に、ＦＯＲＳセンサ４０は、手術テーブル２１のレール２２Ｒに接合されるローンチ４２から遠位方向に延在し、光ファイバ４１は、ローンチ４２から光結合器４４に向かって近位方向に延在する。実際には、光ファイバ４１は、ローンチ４２においてＦＯＲＳセンサ４０に接続される別個の光ファイバであるか、又はＦＯＲＳセンサ４０の近位方向延長部である。

当技術分野において知られるように、ＦＯＲＳコントローラ４３は、光結合器４４による光ファイバ４１を介したＦＯＲＳセンサ４０内への発光を制御し、光はＦＯＲＳセンサ４０を通過してその遠位端部まで伝播し、手術空間２０内において固定的な基準位置としての役割を果たすローンチ４２に対するＦＯＲＳセンサ４０の形状再構成の情報を与える感知データ４５を生成する。実際には、ＦＯＲＳセンサ４０の遠位端部は、特には光を反射するＦＯＲＳセンサ４０の実施形態のためには閉塞され、又は、特には光を透過するＦＯＲＳセンサ４０の実施形態のためには開放されている。

機械的コネクタ５０は、図示されるようにＸ線生成器３１において又は任意の他の適切な場所において、Ｘ線透視イメージャ３０に接合され、本開示において更に説明されるように、Ｘ線透視イメージャ３０にＦＯＲＳセンサ４０を取り外し可能に装着するために使用される。１つの実施形態において、機械的コネクタ５０は、一体構成型のコネクタ５０ａである。代替的な実施形態において、機械的コネクタ５０は、コネクタベース５０ｂとコネクタクリップ５０ｃとを含む複数部品構成型のコネクタである。

術中に、機械的コネクタ５０は、ＦＯＲＳセンサ４０を、画像取得フェーズ中には、取得されたＸ線透視撮像データ３４が手術空間２０（例えば、患者座標フレーム）内においてレジストレーションされるようにＸ線透視イメージャ３０に対して、及び器具ナビゲーションフェーズ中には、手術空間内において外科手術器具６０の位置及び向きを知ることができるように外科手術器具６０に対して、二者択一的に装着する。

ナビゲーションコントローラ６０は、モニタ８１、キーボード８２、及びコンピュータ８３の既知の配置を含むワークステーション８０内に設置される。

ナビゲーションコントローラ７０は、画像トラッカ７１、器具トラッカ７２、患者トラッカ７３、及び外科手術アプリケーション７４の形態のアプリケーションモジュールを含む。

ＦＯＲＳセンサ４０が機械的コネクタ５０を介してＸ線透視イメージャ３０に装着された状態で、画像トラッカ７１は、当技術分野において知られるようにＸ線透視イメージャ３０に対する機械的コネクタ５０ａ又はコネクタベース５０ｂのキャリブレーションに基づき、当技術分野において知られるようにＦＯＲＳセンサ４０の形状再構成から導出される、手術空間２０内におけるＸ線透視イメージャ３０の位置及び向きを追跡する。

ＦＯＲＳセンサ４０が機械的コネクタ又は他の手段を介して外科手術器具６０に装着された状態で、又は代替的に外科手術器具６０に埋め込まれた状態で、器具トラッカ７２は、当技術分野において知られるように外科手術器具６０に対するＦＯＲＳセンサ４０のキャリブレーションに基づき、当技術分野において知られるようにＦＯＲＳセンサ４０の形状再構成から導出される、手術空間２０内における外科手術器具６０の位置及び向きを追跡する。

実際には、外科手術器具６０が省略され得、これに限定されるわけではないがガイドワイヤとしての役割を果たすＦＯＲＳセンサ４０など、ＦＯＲＳセンサ４０が追加的に外科手術器具としての役割を果たす。そのような実施形態については、器具トラッカ７２は、当技術分野において知られるようにＦＯＲＳセンサ４０の形状再構成から導出される、手術空間２０内における外科手術器具としての役割を果たすＦＯＲＳセンサ４０の位置及び向きを追跡する。

ＦＯＲＳセンサ４０が任意の実行可能な手段によって患者２３に装着された状態で、患者トラッカ７３は、当技術分野において知られるようにＦＯＲＳセンサの患者の解剖学的構造２３に対するキャリブレーションに基づき、当技術分野において知られるようにＦＯＲＳセンサ４０の形状再構成から導出される、手術空間２０内における患者２３の運動を追跡する。

外科手術アプリケーション７４は、患者２３内の外科手術器具６０及びそれに装着されたツールの軌道及び位置決めを計画する画像計画アプリケーション、及びＸ線透視画像及び／又は手術画像（例えば、図示されているようなモニタ８１によって表示される二面Ｘ線画像８４及び８５）上への外科手術器具６０の重畳を表示するための画像誘導アプリケーションを含むがこれらに限定されない、外科手術処置を実施するための１つ又は複数の既知のアプリケーションを含む。手術画像の例としては、術前及び／又は術中のＣＴ、ＭＲＩ又はＸ線画像があるが、これらに限定されない。

なおも図１を参照すると、本開示の様々な発明の理解を更に促進するために、図２Ａ〜図２Ｆについての以下の説明は、機械的コネクタ５０ａ（図１）を組み込んだＸ線透視外科手術システムによる外科手術処置中のＦＯＲＳ感知の実施態様の基本的な発明的な原理を教示する。この説明から、当業者は、機械的コネクタ５０ａを組み込んだ本開示のＸ線透視外科手術システム及び方法の追加的な実施形態を形成し、使用するために、どのように本開示の発明的な原理を適用するかを理解されよう。図２Ａ〜図２Ｆに図示される本開示のコンポーネントは、縮尺通りに描かれているのではなく、本開示の発明的な原理を概念的に視覚化するために描かれていることに留意されたい。

図２Ａを参照すると、示された外科手術処置の画像取得フェーズは、機械的コネクタ５０ａ内へのＦＯＲＳセンサ４０ａの埋め込みを介したＸ線透視イメージャ３０へのＦＯＲＳセンサ４０ａの取り外し可能な装着を伴う。これに先立ち、これと同時に、又はこれに続いて、画像取得フェーズは、Ｘ線透視イメージャ３０によるＸ線３５の射出を更に伴う。画像トラッカ７１は、Ｘ線透視イメージャ３０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ａの形状再構成７６ａから導出される、手術空間２０の座標系７５（例えば、患者座標系）内における結果的なＸ線透視画像７７の位置及び向きを追跡する。

続く外科手術処置の器具ナビゲーションフェーズは、Ｘ線透視イメージャ３０からのＦＯＲＳセンサ４０ａの取り外し及び外科手術器具６０内へのＦＯＲＳセンサ４０ａの埋め込みを伴う。器具トラッカ７２は、外科手術器具６０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ａの形状再構成７８ａから導出される、手術空間２０の座標系７５内における外科手術器具６０の位置及び向きを追跡する。

図２Ｂを参照すると、示された外科手術処置の画像取得フェーズは、機械的コネクタ５０ａを貫通したＦＯＲＳセンサ４０ｂの埋め込みを介したＸ線透視イメージャ３０へのＦＯＲＳセンサ４０ｂの取り外し可能な装着を伴う。これに先立ち、これと同時に、又はこれに続いて、画像取得フェーズは、Ｘ線透視イメージャ３０によるＸ線３５の射出を更に伴う。画像トラッカ７１は、Ｘ線透視イメージャ３０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ｂの形状再構成７６ｂから導出される、手術空間２０の座標系７５（例えば、患者座標系）内における結果的なＸ線透視画像７７の位置及び向きを追跡する。

ＦＯＲＳセンサ４０ｂは、ＦＯＲＳセンサ４０ａの長尺バージョンである（図２Ｂ）。そのため、続く外科手術処置の器具ナビゲーションフェーズは、機械的コネクタ５０ａを介したＸ線透視イメージャ３０へのＦＯＲＳセンサ４０ｂの装着を維持しつつ、外科手術器具６０内へのＦＯＲＳセンサ４０ｂの埋め込みを伴う。器具トラッカ７２は、外科手術器具６０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ｂの形状再構成７８ｂから導出される、手術空間２０の座標系７５内における外科手術器具６０の位置及び向きを追跡する。

図２Ｃを参照すると、示された外科手術処置の画像取得フェーズは、機械的コネクタ５０ａ内へのＦＯＲＳセンサ４０ａの埋め込みを介したＸ線透視イメージャ３０へのＦＯＲＳセンサ４０ａの取り外し可能な装着を伴う。これに先立ち、これと同時に、又はこれに続いて、画像取得フェーズは、Ｘ線透視イメージャ３０によるＸ線３５の射出を更に伴う。画像トラッカ７１は、Ｘ線透視イメージャ３０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ａの形状再構成７６ａから導出される、手術空間２０の座標系７５（例えば、患者座標系）内における結果的なＸ線透視画像７７の位置及び向きを追跡する。

実際には、外科手術器具６０は、ルーメンを有して構成されなくてもよく、又は本開示のＦＯＲＳセンサ４０のために使用可能な追加的なルーメンを有さなくてもよい。そのため、ＦＯＲＳセンサ４０のためのルーメンを有する器具コネクタ６１が、外科手術器具６０内に一体化され得（例えば、器具コネクタ６１は、外科手術器具６０のコンポーネントとして製造され、又は外科手術器具６０に恒久的に固定される）、又は外科手術器具６０に（例えば、外科手術器具６０の適切なコンポーネントへの取り外し可能なプレス嵌め又は磁気的締め付けによって）後付けされ得る。

器具コネクタ６１に基づき、続く外科手術処置の器具ナビゲーションフェーズは、Ｘ線透視イメージャ３０からのＦＯＲＳセンサ４０ａの取り外し及び外科手術器具６０にクリップ、締め付け又は他のやり方で接続された器具コネクタ６１内へのＦＯＲＳセンサ４０ａの埋め込みを伴う。器具トラッカ７２は、外科手術器具６０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ａの形状再構成７８ａから導出される、手術空間２０の座標系７５内における外科手術器具６０の位置及び向きを追跡する。

図２Ｄを参照すると、示された外科手術処置の画像取得フェーズは、機械的コネクタ５０ａを貫通したＦＯＲＳセンサ４０ｂの埋め込みを介したＸ線透視イメージャ３０へのＦＯＲＳセンサ４０ｂの取り外し可能な装着を伴う。これに先立ち、これと同時に、又はこれに続いて、画像取得フェーズは、Ｘ線透視イメージャ３０によるＸ線３５の射出を更に伴う。画像トラッカ７１は、Ｘ線透視イメージャ３０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ｂの形状再構成７６ｂから導出される、手術空間２０の座標系７５（例えば、患者座標系）内における結果的なＸ線透視画像７７の位置及び向きを追跡する。

続く外科手術処置の器具ナビゲーションフェーズは、機械的コネクタ５０ａを介したＸ線透視イメージャ３０へのＦＯＲＳセンサ４０ｂの装着を維持しつつ、外科手術器具６０にクリップ、締め付け又は他のやり方で接続された器具コネクタ６１内へのＦＯＲＳセンサ４０ｂの埋め込みを伴う。器具トラッカ７２は、外科手術器具６０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ｂの形状再構成７８ｂから導出される、手術空間２０の座標系７５内における外科手術器具６０の位置及び向きを追跡する。

図２Ｅを参照すると、示された外科手術処置の画像取得フェーズは、機械的コネクタ５０ａ内へのＦＯＲＳセンサ４０ａの埋め込みを介したＸ線透視イメージャ３０へのＦＯＲＳセンサ４０ａの取り外し可能な装着を伴う。これに先立ち、これと同時に、又はこれに続いて、画像取得フェーズは、Ｘ線透視イメージャ３０によるＸ線３５の射出を更に伴う。画像トラッカ７１は、Ｘ線透視イメージャ３０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ａの形状再構成７６ａから導出される、手術空間２０の座標系７５（例えば、患者座標系）内における結果的なＸ線透視画像７７の位置及び向きを追跡する。

続く外科手術処置の器具ナビゲーションフェーズは、機械的コネクタ５０ａを介したＸ線透視イメージャ３０へのＦＯＲＳセンサ４０ａの装着を維持しつつ、外科手術器具６０内への補助ＦＯＲＳセンサ４６の埋め込みを伴う。器具トラッカ７２は、外科手術器具６０に装着された補助ＦＯＲＳセンサ４６の形状再構成７８ｃから導出される、手術空間２０の座標系７５内における外科手術器具６０の位置及び向きを追跡する。

図２Ｆを参照すると、示された外科手術処置の画像取得フェーズは、機械的コネクタ５０ａ内へのＦＯＲＳセンサ４０ａの埋め込みを介したＸ線透視イメージャ３０へのＦＯＲＳセンサ４０ａの取り外し可能な装着を伴う。これに先立ち、これと同時に、又はこれに続いて、画像取得フェーズは、Ｘ線透視イメージャ３０によるＸ線３５の射出を更に伴う。画像トラッカ７１は、Ｘ線透視イメージャ３０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ａの形状再構成７６ａから導出される、手術空間２０の座標系７５（例えば、患者座標系）内における結果的なＸ線透視画像７７の位置及び向きを追跡する。

続く外科手術処置の器具ナビゲーションフェーズは、機械的コネクタ５０ａを介したＸ線透視イメージャ３０へのＦＯＲＳセンサ４０ａの装着を維持しつつ、外科手術器具６０にクリップ、締め付け又は他のやり方で接続された器具コネクタ６１内への補助ＦＯＲＳセンサ４６の埋め込みを伴う。器具トラッカ７２は、外科手術器具６０に装着された補助ＦＯＲＳセンサ４６の形状再構成７８ｃから導出される、手術空間２０の座標系７５内における外科手術器具６０の位置及び向きを追跡する。

再び図１を参照すると、本開示の様々な発明の理解を更に促進するために、図３Ａ〜図３Ｉについての以下の説明は、コネクタベース５０ｂ（図１）とコネクタクリップ５０ｃ（図１）とを含む機械的コネクタを組み込んだＸ線透視外科手術システムによる外科手術処置中のＦＯＲＳ感知の実施態様の基本的な発明的な原理を教示する。この説明から、当業者は、コネクタベース５０ｂとコネクタクリップ５０ｃとを組み込んだ本開示のＸ線透視外科手術システム及び方法の追加的な実施形態を形成し、使用するために、どのように本開示の発明的な原理を適用するかを理解されよう。図３Ａ〜図３Ｉに図示される本開示のコンポーネントは、縮尺通りに描かれているのではなく、本開示の発明的な原理を概念的に視覚化するために描かれていることに留意されたい。

図３Ａ〜図３Ｉを参照すると、コネクタベース５０ｂはＸ線透視イメージャ３０に接合され、コネクタクリップ５０ｃはコネクタベース５０ｂに取り外し可能に装着可能である。

図３Ａを参照すると、示された外科手術処置の画像取得フェーズは、コネクタクリップ５０ｃ内へのＦＯＲＳセンサ４０ａの埋め込みを介したＸ線透視イメージャ３０へのＦＯＲＳセンサ４０ａの取り外し可能な装着を伴う。これに先立ち、これと同時に、又はこれに続いて、画像取得フェーズは、Ｘ線透視イメージャ３０によるＸ線３５の射出を更に伴う。画像トラッカ７１は、Ｘ線透視イメージャ３０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ａの形状再構成７６ｃから導出される、手術空間２０の座標系７５（例えば、患者座標系）内における結果的なＸ線透視画像７７の位置及び向きを追跡する。

続く外科手術処置の器具ナビゲーションフェーズは、コネクタベース５０ｂからのコネクタクリップ５０ｃの取り外し及び外科手術器具６０内へのコネクタベース５０ｂのクリップ、締め付け又は他のやり方での接続を伴う。器具トラッカ７２は、外科手術器具６０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ａの形状再構成７８ａから導出される、手術空間２０の座標系７５内における外科手術器具６０の位置及び向きを追跡する。

図３Ｂを参照すると、示された外科手術処置の画像取得フェーズは、コネクタクリップ５０ｃを貫通したＦＯＲＳセンサ４０ｂの埋め込みを介したＸ線透視イメージャ３０へのＦＯＲＳセンサ４０ｂの取り外し可能な装着を伴う。これに先立ち、これと同時に、又はこれに続いて、画像取得フェーズは、Ｘ線透視イメージャ３０によるＸ線３５の射出を更に伴う。画像トラッカ７１は、Ｘ線透視イメージャ３０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ｂの形状再構成７６ｄから導出される、手術空間２０の座標系７５（例えば、患者座標系）内における結果的なＸ線透視画像７７の位置及び向きを追跡する。

本明細書において既に述べられたように、ＦＯＲＳセンサ４０ｂは、ＦＯＲＳセンサ４０ａの長尺バージョンである（図３Ａ）。そのため、続く外科手術処置の器具ナビゲーションフェーズは、コネクタベース５０ｂからのコネクタクリップ５０ｃの取り外し及び外科手術器具６０内へのＦＯＲＳセンサ４０ｂの埋め込みを伴う。器具トラッカ７２は、外科手術器具６０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ｂの形状再構成７８ｃから導出される、手術空間２０の座標系７５内における外科手術器具６０の位置及び向きを追跡する。

図３Ｃを参照すると、示された外科手術処置の画像取得フェーズは、コネクタクリップ５０ｃを貫通したＦＯＲＳセンサ４０ｂの埋め込みを介したＸ線透視イメージャ３０へのＦＯＲＳセンサ４０ｂの取り外し可能な装着を伴う。これに先立ち、これと同時に、又はこれに続いて、画像取得フェーズは、Ｘ線透視イメージャ３０によるＸ線３５の射出を更に伴う。画像トラッカ７１は、Ｘ線透視イメージャ３０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ｂの形状再構成７６ｃから導出される、手術空間２０の座標系７５（例えば、患者座標系）内における結果的なＸ線透視画像７７の位置及び向きを追跡する。

続く外科手術処置の器具ナビゲーションフェーズは、コネクタベース５０ｂからのコネクタクリップ５０ｃの取り外し及び外科手術器具６０にクリップ、締め付け又は他のやり方で接続された器具コネクタ６１内へのＦＯＲＳセンサ４０ｂの埋め込みを伴う。器具トラッカ７２は、外科手術器具６０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ｂの形状再構成７８ｃから導出される、手術空間２０の座標系７５内における外科手術器具６０の位置及び向きを追跡する。

図３Ｄを参照すると、示された外科手術処置の画像取得フェーズは、コネクタクリップ５０ｃ内へのＦＯＲＳセンサ４０ａの埋め込みを介したＸ線透視イメージャ３０へのＦＯＲＳセンサ４０ａの取り外し可能な装着を伴う。これに先立ち、これと同時に、又はこれに続いて、画像取得フェーズは、Ｘ線透視イメージャ３０によるＸ線３５の射出を更に伴う。画像トラッカ７１は、Ｘ線透視イメージャ３０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ａの形状再構成７６ｃから導出される、手術空間２０の座標系７５（例えば、患者座標系）内における結果的なＸ線透視画像７７の位置及び向きを追跡する。

続く外科手術処置の器具ナビゲーションフェーズは、コネクタクリップ５０ｃからのＦＯＲＳセンサ４０ａの取り出し及び外科手術器具６０を貫通したＦＯＲＳセンサ４０ａの埋め込みを伴う。器具トラッカ７２は、外科手術器具６０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ａの形状再構成７８ａから導出される、手術空間２０の座標系７５内における外科手術器具６０の位置及び向きを追跡する。

図３Ｅを参照すると、示された外科手術処置の画像取得フェーズは、コネクタクリップ５０ｃを貫通したＦＯＲＳセンサ４０ｂの埋め込みを介したＸ線透視イメージャ３０へのＦＯＲＳセンサ４０ｂの取り外し可能な装着を伴う。これに先立ち、これと同時に、又はこれに続いて、画像取得フェーズは、Ｘ線透視イメージャ３０によるＸ線３５の射出を更に伴う。画像トラッカ７１は、Ｘ線透視イメージャ３０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ｂの形状再構成７６ｄから導出される、手術空間２０の座標系７５（例えば、患者座標系）内における結果的なＸ線透視画像７７の位置及び向きを追跡する。

続く外科手術処置の器具ナビゲーションフェーズは、コネクタクリップ５０ｃを貫通したＦＯＲＳセンサ４０ｂの埋め込みを維持しつつ、外科手術器具６０内へのＦＯＲＳセンサ４０ｂの埋め込みを伴う。器具トラッカ７２は、外科手術器具６０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ｂの形状再構成７８ｄから導出される、手術空間２０の座標系７５内における外科手術器具６０の位置及び向きを追跡する。

図３Ｆを参照すると、示された外科手術処置の画像取得フェーズは、コネクタクリップ５０ｃ内へのＦＯＲＳセンサ４０ａの埋め込みを介したＸ線透視イメージャ３０へのＦＯＲＳセンサ４０ａの取り外し可能な装着を伴う。これに先立ち、これと同時に、又はこれに続いて、画像取得フェーズは、Ｘ線透視イメージャ３０によるＸ線３５の射出を更に伴う。画像トラッカ７１は、Ｘ線透視イメージャ３０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ａの形状再構成７６ｃから導出される、手術空間２０の座標系７５（例えば、患者座標系）内における結果的なＸ線透視画像７７の位置及び向きを追跡する。

続く外科手術処置の器具ナビゲーションフェーズは、コネクタクリップ５０ｃからのＦＯＲＳセンサ４０ａの取り出し及び外科手術器具６０にクリップ、締め付け又は他のやり方で接続された器具コネクタ６１内へのＦＯＲＳセンサ４０ａの埋め込みを伴う。器具トラッカ７２は、外科手術器具６０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ａの形状再構成７８ａから導出される、手術空間２０の座標系７５内における外科手術器具６０の位置及び向きを追跡する。

図３Ｇを参照すると、示された外科手術処置の画像取得フェーズは、コネクタクリップ５０ｃを貫通したＦＯＲＳセンサ４０ｂの埋め込みを介したＸ線透視イメージャ３０へのＦＯＲＳセンサ４０ｂの取り外し可能な装着を伴う。これに先立ち、これと同時に、又はこれに続いて、画像取得フェーズは、Ｘ線透視イメージャ３０によるＸ線３５の射出を更に伴う。画像トラッカ７１は、Ｘ線透視イメージャ３０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ｂの形状再構成７６ｄから導出される、手術空間２０の座標系７５（例えば、患者座標系）内における結果的なＸ線透視画像７７の位置及び向きを追跡する。

続く外科手術処置の器具ナビゲーションフェーズは、コネクタクリップ５０ｃを貫通したＦＯＲＳセンサ４０ｂの埋め込みを維持しつつ、外科手術器具６０にクリップ、締め付け又は他のやり方で接続された器具コネクタ６１内へのＦＯＲＳセンサ４０ｂの埋め込みを伴う。器具トラッカ７２は、外科手術器具６０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ｂの形状再構成７８ｄから導出される、手術空間２０の座標系７５内における外科手術器具６０の位置及び向きを追跡する。

図３Ｈを参照すると、示された外科手術処置の画像取得フェーズは、コネクタクリップ５０ｃ内へのＦＯＲＳセンサ４０ａの埋め込みを介したＸ線透視イメージャ３０へのＦＯＲＳセンサ４０ａの取り外し可能な装着を伴う。これに先立ち、これと同時に、又はこれに続いて、画像取得フェーズは、Ｘ線透視イメージャ３０によるＸ線３５の射出を更に伴う。画像トラッカ７１は、Ｘ線透視イメージャ３０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ａの形状再構成７６ｄから導出される、手術空間２０の座標系７５（例えば、患者座標系）内における結果的なＸ線透視画像７７の位置及び向きを追跡する。

続く外科手術処置の器具ナビゲーションフェーズは、コネクタクリップ５０ｃ内へのＦＯＲＳセンサ４０ａの埋め込みを維持しつつ、外科手術器具６０内への補助ＦＯＲＳセンサ４６の埋め込みを伴う。器具トラッカ７２は、外科手術器具６０に装着された補助ＦＯＲＳセンサ４６の形状再構成７８ａから導出される、手術空間２０の座標系７５内における外科手術器具６０の位置及び向きを追跡する。

図３Ｉを参照すると、示された外科手術処置の画像取得フェーズは、コネクタクリップ５０ｃ内へのＦＯＲＳセンサ４０ａの埋め込みを介したＸ線透視イメージャ３０へのＦＯＲＳセンサ４０ａの取り外し可能な装着を伴う。これに先立ち、これと同時に、又はこれに続いて、画像取得フェーズは、Ｘ線透視イメージャ３０によるＸ線３５の射出を更に伴う。画像トラッカ７１は、Ｘ線透視イメージャ３０に装着されたＦＯＲＳセンサ４０ａの形状再構成７６ａから導出される、手術空間２０の座標系７５（例えば、患者座標系）内における結果的なＸ線透視画像７７の位置及び向きを追跡する。

続く外科手術処置の器具ナビゲーションフェーズは、コネクタクリップ５０ｃを介したＸ線透視イメージャ３０へのＦＯＲＳセンサ４０ａの装着を維持しつつ、外科手術器具６０にクリップ、締め付け又は他のやり方で接続された器具コネクタ６１内への補助ＦＯＲＳセンサ４６の埋め込みを伴う。器具トラッカ７２は、外科手術器具６０に装着された補助ＦＯＲＳセンサ４６の形状再構成７８ａから導出される、手術空間２０の座標系７５内における外科手術器具６０の位置及び向きを追跡する。

再び図１を参照すると、本開示のＸ線透視イメージャ３０、ＦＯＲＳセンサ４０及び機械的コネクタ５０は、二面画像８４及び８５によって図示されるように、二面撮像に殊に適しているものとして説明されているが、実際には、Ｘ線透視イメージャ３０、ＦＯＲＳセンサ４０及び機械的コネクタ５０は、単一のＸ線透視撮像にも適している。このために、図１に図示されるように、手術空間２０内に固定的な基準ポイントを確立するために、ローンチ４２がやはり利用され、又は代替的に、図４に図示されるように、ローンチ４２は省略され、光ファイバ４１は、（機械的コネクタ５０ａの形態の、又はコネクタベース５０ｂ及びコネクタクリップ５０ｃの形態の）機械的コネクタ５０から光結合器４４へと近位方向に延在する。

図４を参照すると、ＦＯＲＳセンサ４０は、機械的コネクタ５０から遠位方向に延在し、機械的コネクタ５０が、Ｘ線透視イメージャ３０の任意の運動と同期して移動可能な手術空間２０内の基準ポイントとしての役割を果たし、又は代替的に、基準ポイントは、Ｘ線透視イメージャ３０の固定的な場所（例えば、図示される固定的な場所４７）に確立される。加えて、Ｘ線透視イメージャ３０と外科手術器具６０との間の空間的関係を追跡する目的で、本明細書において前述された本開示の発明的な原理によって、ＦＯＲＳセンサ４０は、外科手術器具６０又は器具コネクタ（不図示）に埋め込まれ又は他のやり方で装着される。Ｘ線透視イメージャ３０と外科手術器具６０との間の空間的関係の追跡は、画像誘導アプリケーションによる、Ｘ線透視画像（例えば、図示されているようなモニタ８１によって表示されるＸ線透視画像８６）上への外科手術器具６０の重畳の表示を容易にする。

図１及び図４を参照すると、本開示の様々な発明の理解を更に促進するために、図５Ａ，図５Ｂ，図６Ａ及び図６Ｂについての以下の説明は、機械的コネクタ５０ａ、コネクタクリップ５０ｃ及び外科手術器具６０並びに器具コネクタ６１（図２Ｃ）内への又はそれらを貫通してのＦＯＲＳセンサ４０の埋め込みを組み込んだＸ線透視外科手術システムによる外科手術処置中のＦＯＲＳ感知の実施態様の基本的な発明的な原理を教示する。この説明から、当業者は、ＦＯＲＳセンサ４０のそのような埋め込みを組み込んだ本開示のＸ線透視外科手術システム及び方法の追加的な実施形態を形成し、使用するために、どのように本開示の発明的な原理を適用するかを理解されよう。図５Ａ，図５Ｂ，図６Ａ及び図６Ｂに図示される本開示のコンポーネントは、縮尺通りに描かれているのではなく、本開示の発明的な原理を概念的に視覚化するために描かれていることに留意されたい。

図５Ａを参照すると、ＦＯＲＳセンサ４０は、ローンチ４２から遠位方向に延在し、オブジェクト９０のルーメン９１内に挿入可能（Ｉ）及びそこから後退可能（Ｒ）であるような大きさの直径を有し、オブジェクト９０は、機械的コネクタ５０ａ（図１）、外科手術器具６０（図１）及び器具コネクタ６１（図２Ｃ）を表す。実際には、オブジェクト９０のルーメン９１内への挿入に際して、ＦＯＲＳセンサ４０の意図される追跡用途に応じて、ＦＯＲＳセンサ４０は、オブジェクト９０のルーメン９１を部分的に又は全体的に占有し、又はオブジェクト９０のルーメン９１を貫通してその外まで延在する。

図５Ｂを参照すると、ＦＯＲＳセンサ４０は、ローンチ４２から遠位方向に延在し、オブジェクト９２のルーメン９３内に挿入可能（Ｉ）及びそこから後退可能（Ｒ）であるような大きさの直径を有し、オブジェクト９２は、コネクタクリップ５０ｃ（図１）を表す。オブジェクト９２は、オブジェクト９４に装着可能（Ａ）及びそこから取り外し可能（Ｄ）であり、オブジェクト９４は、コネクタベース５０ｂ（図１）及び外科手術器具６０（図１）を表す。実際には、オブジェクト９２のルーメン９３内への挿入に際して、ＦＯＲＳセンサ４０の意図される追跡用途に応じて、ＦＯＲＳセンサ４０は、オブジェクト９２のルーメン９３を部分的に又は全体的に占有し、又はオブジェクト９２のルーメン９３を貫通してその外まで延在する。

図６Ａを参照すると、機械的コネクタ５０ａ（図１）又はコネクタクリップ５０ｃ（図１）は、クリップ１００ａとして具現化され、クリップ１００ａは、クリップ１００ａ内へのＦＯＲＳセンサ４０の摩擦嵌合式の挿入及び後退のための、又は代替的にクリップ１００ａ内へのＦＯＲＳセンサ４０の恒久的な埋め込みのための半楕円形のルーメン１０１ａを有する。ルーメン１０１ａは、クリップ１００ａを貫通したＦＯＲＳセンサ４０の摩擦嵌合式の挿入及び後退のための延長部１０１ｂを有してもよい。

図６Ｂを参照すると、機械的コネクタ５０ａ（図１）又はコネクタクリップ５０ｃ（図１）は、クリップ１００ｂとして具現化され、クリップ１００ｂは、クリップ１００ｂ内へのＦＯＲＳセンサの挿入及び後退のためのルーメン１０２ａと、ＦＯＲＳセンサ４０をルーメン１０２ａ内に一時的に又は恒久的に固定するために、ルーメン１０２ａと交差するチャンネル１０２を貫通して延在するスクリュー１０４とを有する。ルーメン１０２ａは、クリップ１００ｂを貫通したＦＯＲＳセンサ４０の摩擦嵌合式の挿入及び後退のための延長部１０２ｂを有してもよい。

再び図１及び図４を参照すると、実際には、本開示のＸ線透視外科手術システムは、典型的には、無菌ドレープによって覆われており、本開示の装着方法は、ドレープの存在を考慮可能でなければならず、しかもなおＸ線透視イメージャ３０へのＦＯＲＳセンサ４０の反復的な装着を促進しなければならない。図７Ａ〜図７Ｄは、ドレープの組み込みに対処する本開示の例示的な実施形態を示す。

図７Ａを参照すると、図示されるように、無菌ドレープ１１０は機械的コネクタ５０ａと一体化される。この実施形態については、機械的コネクタ５０ａは、無菌のものでなければならず、又は外科手術処置間に滅菌されなければならない。

図７Ｂを参照すると、図示されるように、無菌ドレープ１１０はコネクタベース５０ｂと一体化される。この実施形態については、コネクタベース５０ｂ及びコネクタクリップ５０ｃは、無菌のものでなければならず、又は外科手術処置間に滅菌されなければならない。

図７Ｃを参照すると、図示されるように、無菌ドレープ１１０はコネクタクリップ５０ｃと一体化される。この実施形態については、コネクタクリップ５０ｃは、無菌のものでなければならず、又は外科手術処置間に滅菌されなければならない。

図７Ｄを参照すると、図示されるように、無菌ドレープ１１０はコネクタベース５０ｂとコネクタクリップ５０ｃとの間に設置され、無菌ドレープ１１０は、コネクタベース５０ｂへのコネクタクリップ５０ｃの装着によって穴を開けられても開けられなくてもよい。この実施形態については、コネクタクリップ５０ｃは、無菌のものでなければならず、又は外科手術処置間に滅菌されなければならない。

次に、本明細書において、レジストレーションフェーズ、キャリブレーションフェーズ、及び追跡フェーズを含むＸ線透視外科手術システムの例示的なワークフローが、図３Ａのコンテキストにおいて説明される。この説明から、当業者は、更なるワークフロー実施形態に、どのように本開示の発明的な原理を適用するかを理解されよう。より具体的には、実際には、本開示のワークフロー実施形態は、全てのコンポーネントについてレジストレーションフェーズ及びキャリブレーションフェーズを必要とするものではない。例えば、本開示の様々な発明の利点の１つは、Ｘ線透視イメージャ３０及びＦＯＲＳセンサ４０が、手術空間２０内のローンチ４２又は任意の他の固定的な基準位置の使用を通じて、互いに対して自動的にレジストレーションされることである。加えて、実際には、Ｘ線透視イメージャ３０と機械的コネクタ５０との間のキャリブレーションは、典型的には必要とされず、もしも２つ以上のＦＯＲＳセンサが用いられるなら、ＦＯＲＳセンサは、当技術分野において知られる多くのレジストレーション技術のうちの１つによって、互いに対してレジストレーションされる。

レジストレーションフェーズ（ＦＯＲＳセンサ４０）：システムのユーザは、当技術分野において知られるように、光結合器４４へのＦＯＲＳセンサ４０の結合を介してＸ線透視外科手術システムをセットアップし、手術テーブル２１のレール２２Ｒにローンチ４２を装着する。続いてユーザは、ＦＯＲＳセンサ４０のローンチ位置又はローンチ４２から遠位方向に離間したＦＯＲＳセンサ４０の別のレジストレーション位置を、患者の解剖学的構造２３の術前画像にレジストレーションするために、必要に応じて、キーボード８２を介してナビゲーションコントローラ７０のレジストレーションモジュール（不図示）を作動させる。実際には、レジストレーションモジュールによって任意の知られた適用可能なレジストレーション技術が実行される。

キャリブレーションフェーズ（ＦＯＲＳセンサ４０／機械的コネクタ５０）：Ｘ線透視外科手術システムのユーザは、本明細書において前述されたように、コネクタクリップ５０ｃ内への又はそこを貫通してのＦＯＲＳセンサ４０の挿入を介して、Ｘ線透視イメージャ３０にＦＯＲＳセンサ４０をしっかりと装着する。続いてユーザは、ＦＯＲＳセンサ４０をＸ線透視イメージャ３０に対してキャリブレーションするために、必要に応じて、キーボード８２を介してナビゲーションコントローラ７０のキャリブレーションモジュール（不図示）を作動させる。

より具体的には、キャリブレーションは、ＦＯＲＳセンサ４０とコネクタクリップ５０ｃとの間の強固な関係を前提としている。そのため、実際には、ＦＯＲＳセンサ４０及びＸ線透視イメージャ３０をキャリブレーションするために、任意の知られた適用可能なキャリブレーション技術が実行される。

知られたキャリブレーション技術に変わって、本開示は、本開示のコネクタクリップ５０ｃに固有のルーメン形状によるコネクタクリップ５０ｃの自動的な検知及びキャリブレーションを伴うキャリブレーション技術を提供する。詳細には、ＦＯＲＳセンサ４０がコネクタクリップ５０ｃのルーメン内に又はそこを貫通して挿入されると、ナビゲーションコントローラ７０のキャリブレーションモジュールは、ＦＯＲＳセンサ４０の形状再構成の１つ又は複数の形状パラメータ（曲率、位置、向き、軸歪みなど）に基づいて、Ｘ線透視イメージャ３０を自動的に検知する。

追跡フェーズ（Ｘ線透視イメージャ３０）：ＦＯＲＳセンサ４０のレジストレーション及びＸ線透視イメージャ３０に対するＦＯＲＳセンサ４０のキャリブレーションが完了すると、イメージャトラッカ７１は、当技術分野において知られるように、ＦＯＲＳセンサ４０の形状再構成から導出される、手術空間２０内におけるＸ線透視イメージャ３０の位置及び向きの追跡を制御する。実際には、Ｘ線透視イメージャ３０のための追跡フェーズは、Ｘ線透視イメージャ３０が患者の解剖学的構造２３に対して回転されるたびに実施される。

キャリブレーションフェーズ（ＦＯＲＳセンサ４０／外科手術器具６０）：Ｘ線透視外科手術システムのユーザは、コネクタベース５０ｂからコネクタクリップ５０ｃを取り外し、外科手術器具６０にコネクタクリップ５０ｃを装着する。続いてユーザは、ＦＯＲＳセンサ４０を外科手術器具６０に対してキャリブレーションするために、必要に応じて、キーボード１１２を介してキャリブレーションモジュール１１２を作動させる。続いてユーザは、ＦＯＲＳセンサ４０を外科手術器具６０に対してキャリブレーションするために、必要に応じて、キーボード８２を介してナビゲーションコントローラ７０のキャリブレーションモジュール（不図示）を作動させる。より具体的には、キャリブレーションは、ＦＯＲＳセンサ４０と外科手術器具６０との間の強固な関係を前提としている。そのため、実際には、ＦＯＲＳセンサ４０及びＸ線透視イメージャ３０をキャリブレーションするために、任意の知られた適用可能なキャリブレーション技術が実行される。

追跡フェーズ（外科手術器具６０）。ＦＯＲＳセンサ４０のレジストレーション及び外科手術器具６０に対するＦＯＲＳセンサ４０のキャリブレーションが完了すると、器具トラッカ７２は、当技術分野において知られるように、ＦＯＲＳセンサ４０の形状再構成から導出される、手術空間２０内における外科手術器具６０の位置及び向きの追跡を制御する。

実際には、画像誘導が実施されて、外科手術器具６０がデータベースから選択され、次いで外科手術器具６０のモデルが、ＦＯＲＳセンサ４０の形状感知位置及び向きに基づいて、表示される。

同じく実際には、撮像誘導のための追跡精度は、所望の通りに改善される。

例えば、画像ベースの改善は、システムのユーザが、画像重畳における外科手術器具６０の先端部を特定することを伴い、それによりＦＯＲＳセンサ４０の遠位端部と外科手術器具６０との間の距離が測定され、次いでＦＯＲＳセンサ４０の形状を適切な量だけ外挿するために使用される。もしも外科手術器具６０の長手方向のものではない著しい誤差があるなら、この誤差は検知され、ユーザに特定される。

更なる例によって、キャリブレーション前に、ユーザはコネクタクリップ５０ｃを、ローンチ６０の特定の位置（又は別の既知の位置）に設置し、この既知の位置とＦＯＲＳセンサ４０の遠位端部の測定位置との間の距離が計算される。もしもＦＯＲＳセンサ４０の遠位端部の長手方向のものではない著しい誤差があるなら、この誤差は検知され、ユーザに特定される。

更なる例によって、ＦＯＲＳセンサ４０の先端部とＦＯＲＳセンサ４０の先端部の測定値との間の長手方向のオフセットを判定するための知られた技術の実行は、ユーザによってピボット固定を通じて実施される。

図１〜図７を参照すると、移動式Ｃアームを使用した典型的な整形外科ワークフローへのＦＯＲＳ感知の統合に特有のいくつかの課題の克服を含むがそれらに限定されない本発明の多くの利点を、当業者は理解されよう。特には、本開示のソリューションは、単一のＦＯＲＳセンサの好ましい使用を提案し、このことはいくつかの理由で有益である。

第１に、複数の作動状態のＦＯＲＳセンサの使用は、追加的なコストがかかる。本開示は複数の作動状態のＦＯＲＳセンサにも適用可能であるが、本開示のソリューションは、処置中に単一のＦＯＲＳセンサだけが使用されることを可能にする。

第２に、単一のＦＯＲＳセンサは、複雑さを減じ、ワークフローを向上させ、ワークスペースにおける乱雑さを減少させる。

第３に、単一のＦＯＲＳセンサは、室内の停止した位置に固定されるので、撮像とナビゲーションとの間のシームレスなレジストレーションが提供される。

最後に、処置のワークフローは、しばしば、Ｃアームを患者から離れるように移動して、より良好なアクセスを提供することを伴う。本開示のソリューションは、このワークフローを容易にする。

更に、本明細書において提供される教示に鑑みて、当業者は理解されようが、本開示／明細書において説明され及び／又は図面において描かれた特徴、要素、コンポーネントなどは、ハードウェア及びソフトウェアの様々な組み合わせにおいて実施され得、単一の要素又は複数の要素において組み合わせられ得る機能を提供する。例えば、図面において図示され／示され／描かれた様々な特徴、要素、コンポーネントなどの機能は、専用のハードウェアの使用、及び追加的な機能性のための適切なソフトウェアと関連したソフトウェアを実行可能なハードウェアの使用を通じて提供され得る。プロセッサによって提供される場合、機能は、単一の専用プロセッサによって、単一の共有されたプロセッサによって、又はそのうちのいくつかが共有及び／又は多重化され得る複数の個別のプロセッサによって提供され得る。更には、「プロセッサ」又は「コントローラ」という用語の明示的な使用は、ソフトウェアを実行可能なハードウェアを排他的に指すものと解釈されるべきではなく、限定的ではないが、デジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）ハードウェア、メモリ（例えば、ソフトウェアを記憶するための読み出し専用メモリ（「ＲＯＭ」）、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、不揮発性記憶装置など）及びプロセスを実行及び／又は制御することが可能な（及び／又はそのように構成可能な）事実上いかなる手段及び／又はマシン（ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、それらの組み合わせなどを含む）も暗示的に含み得る。

更には、本発明の原理、態様、及び実施形態並びにそれらの特定の例を列挙する本明細書における全ての記述は、それらの構造的及び機能的均等物の両方を包含することが意図される。加えて、そのような均等物は現在知られている均等物及び将来的に開発される均等物（例えば、構造に関わらず同一の又は実質的に同様の機能を実施し得る、開発される任意の要素）の両方を含むことが意図される。従って、例えば、本明細書において提供される教示に鑑みて、本明細書において提示される任意のブロック図は、本発明の原理を具現化する例示的なシステムコンポーネント及び／又は回路の概念図を表現し得ることが、当業者には理解されよう。同様に、本明細書において提供される教示に鑑みて、任意のフローチャート、フロー図などは、コンピュータ可読記憶媒体において実質的に表現され得、コンピュータ、プロセッサ又は処理能力を有する他のデバイスによってそのように実行され得る様々なプロセスを、そのようなコンピュータ又はプロセッサが明示的に図示されているか否かに関わらず、表現し得ることを当業者は理解するはずである。

新規的で発明的なＸ線透視ベースの外科手術処置のための光ファイバリアルシェイプ感知の好ましい、例示的な実施形態が説明されたが（これらの実施形態は例示的なものであると意図され、限定的であることを意図されない）、図面を含む本明細書において提供される教示に照らして、修正及び変形が当業者によってなされ得ることに留意されたい。従って、本明細書において開示される実施形態の範囲内にある本開示の好ましい、例示的な実施形態において／に対して、変更がなされ得ることを理解されたい。

更には、本開示によるデバイス／システムなどを組み込んだ及び／又は実現する対応する及び／又は関連するシステム、又は本開示によるデバイスにおいて／デバイスとともに使用／実現され得るものなども、本発明の範囲内にあるものと想定され、考えられることが、想定される。更に、本開示によるデバイス及び／又はシステムを製造及び／又は使用するための対応する及び／又は関連する方法も、本発明の範囲内にあるものと想定され、考えられる。

Claims (14)

1. ＦＯＲＳセンサであって、手術空間内の基準位置に対する前記ＦＯＲＳセンサの形状再構成の情報を与える感知データを生成する、ＦＯＲＳセンサと、
   Ｘ線透視イメージャと、
   前記Ｘ線透視イメージャに接合される機械的コネクタであって、前記Ｘ線透視イメージャに前記ＦＯＲＳセンサを取り外し可能に装着するように構造的に構成される、機械的コネクタと、
   前記機械的コネクタへの前記ＦＯＲＳセンサの取り外し可能な装着に基づき、前記ＦＯＲＳセンサによる前記感知データの生成に応答して、前記手術空間内における前記Ｘ線透視イメージャの追跡を制御するナビゲーションコントローラと
   を備える、Ｘ線透視外科手術システムにおいて、前記Ｘ線透視外科手術システムは、
   前記基準位置としての役割を果たすローンチを更に備え、
   前記ＦＯＲＳセンサは、前記ローンチから遠位方向に延在し、
   前記基準位置は、前記手術空間内において固定されている、
   ことを特徴とする、Ｘ線透視外科手術システム。
2. 前記Ｘ線透視イメージャへの前記ＦＯＲＳセンサの前記装着は、前記ＦＯＲＳセンサが前記機械的コネクタ内に埋め込まれることを含む、請求項１に記載のＸ線透視外科手術システム。
3. 前記機械的コネクタと一体化されたドレープ
   を更に備える、請求項１に記載のＸ線透視外科手術システム。
4. 前記機械的コネクタは、
   前記Ｘ線透視イメージャに接合されたコネクタベースと、
   前記コネクタベースに前記ＦＯＲＳセンサを取り外し可能に装着するコネクタクリップと
   を含む、請求項１に記載のＸ線透視外科手術システム。
5. 前記コネクタクリップによる前記コネクタベースへの前記ＦＯＲＳセンサの前記装着は、前記ＦＯＲＳセンサが前記コネクタクリップ内に埋め込まれることを含む、請求項４に記載のＸ線透視外科手術システム。
6. ドレープを更に備え、
   前記コネクタクリップによる前記コネクタベースへの前記ＦＯＲＳセンサの前記装着は、前記ドレープが前記コネクタベースと前記コネクタクリップとの間に設置されることを含む、請求項４に記載のＸ線透視外科手術システム。
7. 前記コネクタベース及び前記コネクタクリップのうちの少なくとも１つと一体化されたドレープを更に備える、請求項４に記載のＸ線透視外科手術システム。
8. 外科手術器具を更に備え、
   前記ＦＯＲＳセンサは、前記外科手術器具内に埋め込まれ、
   前記ナビゲーションコントローラは更に、前記外科手術器具内への前記ＦＯＲＳセンサの埋め込みに基づき、前記ＦＯＲＳセンサによる前記感知データの生成に応答して、前記手術空間内における前記外科手術器具の追跡を制御する、請求項１に記載のＸ線透視外科手術システム。
9. 外科手術器具を更に備え、
   前記コネクタクリップは更に、前記外科手術器具に前記ＦＯＲＳセンサを取り外し可能に装着し、
   前記ナビゲーションコントローラは更に、前記コネクタクリップによる前記外科手術器具への前記ＦＯＲＳセンサの取り外し可能な装着に基づき、前記ＦＯＲＳセンサによる前記感知データの生成に応答して、前記手術空間内における前記外科手術器具の追跡を制御する、請求項４に記載のＸ線透視外科手術システム。
10. 外科手術器具と、
    前記外科手術器具に前記ＦＯＲＳセンサを取り外し可能に装着する器具コネクタと
    を更に備え、
    前記ナビゲーションコントローラは更に、前記器具コネクタによる前記外科手術器具への前記ＦＯＲＳセンサの取り外し可能な装着に基づき、前記ＦＯＲＳセンサによる前記感知データの生成に応答して、前記手術空間内における前記外科手術器具の追跡を制御する、請求項１に記載のＸ線透視外科手術システム。
11. 外科手術器具と、
    補助ＦＯＲＳセンサであって、前記手術空間内の前記基準位置に対する前記補助ＦＯＲＳセンサの形状再構成の情報を与える補助感知データを生成する、補助ＦＯＲＳセンサと
    を更に備え、
    前記補助ＦＯＲＳセンサは、前記外科手術器具内に埋め込まれ、
    前記ナビゲーションコントローラは更に、前記外科手術器具内への前記補助ＦＯＲＳセンサの埋め込みに基づき、前記補助ＦＯＲＳセンサによる前記補助感知データの生成に応答して、前記手術空間内における前記外科手術器具の追跡を制御する、請求項１に記載のＸ線透視外科手術システム。
12. 外科手術器具と、
    補助ＦＯＲＳセンサであって、前記手術空間内の前記基準位置に対する前記補助ＦＯＲＳセンサの形状再構成の情報を与える補助感知データを生成する、補助ＦＯＲＳセンサと
    を更に備え、
    前記コネクタクリップは更に、前記外科手術器具に前記補助ＦＯＲＳセンサを取り外し可能に装着し、
    前記ナビゲーションコントローラは更に、前記コネクタクリップによる前記外科手術器具への前記補助ＦＯＲＳセンサの取り外し可能な装着に基づき、前記補助ＦＯＲＳセンサによる前記補助感知データの生成に応答して、前記手術空間内における前記外科手術器具の追跡を制御する、請求項４に記載のＸ線透視外科手術システム。
13. 外科手術器具と、
    補助ＦＯＲＳセンサであって、前記手術空間内の前記基準位置に対する前記補助ＦＯＲＳセンサの形状再構成の情報を与える補助感知データを生成する、補助ＦＯＲＳセンサと、
    前記外科手術器具に前記補助ＦＯＲＳセンサを取り外し可能に装着する器具コネクタと
    を更に備え、
    前記ナビゲーションコントローラは更に、前記器具コネクタによる前記外科手術器具への前記補助ＦＯＲＳセンサの取り外し可能な装着に基づき、前記補助ＦＯＲＳセンサによる前記補助感知データの生成に応答して、前記手術空間内における前記外科手術器具の追跡を制御する、請求項１に記載のＸ線透視外科手術システム。
14. 前記基準位置は、前記Ｘ線透視イメージャへの前記ＦＯＲＳセンサの取り外し可能な装着に基づき、前記手術空間内において移動可能である、請求項１に記載のＸ線透視外科手術システム。

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