JP6840815B2 - 追跡マーカーを備えた手術用ロボットオートメーション - Google Patents

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Description

［関連出願の相互参照］
この出願は、２０１７年５月３１日に出願された米国特許出願第１５／６０９，３３４号の一部継続出願であり、これは、２０１６年５月１８日に出願された米国特許出願第１５／１５７，４４４号の一部継続出願であり、これは、２０１６年４月１１日に出願された米国特許出願第１５／０９５，８８３号の一部継続出願であり、これは、２０１３年１０月２４日に出願された米国特許出願第１４／０６２，７０７号の一部継続出願であり、これは、２０１３年６月２１日に出願された米国特許出願第１３／９２４，５０５号の一部継続出願であり、これは、２０１２年６月２１日に出願された仮出願第６１／６６２，７０２号に対する優先権を主張し、および２０１３年３月１５日に出願された仮出願第６１／８００，５２７号に対する優先権を主張し、これらの全ては、すべての目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は、位置認識システムに関し、特に、ロボット支援手術中のエンドエフェクタおよびツールの追跡および操作に関する。
位置認識システムは、３次元（３Ｄ）における特定のオブジェクトの位置を決定し、それを追跡するために使用される。ロボット支援手術では、例えば、外科用器具のような特定のオブジェクトは、器具がロボットまたは医師によって位置決めされ、動かされるとき、高度の精度で追跡される必要がある。
赤外線信号に基づく位置認識システムは、オブジェクトを追跡するために能動および／または受動センサまたはマーカーを使用することができる。受動センサまたはマーカーでは、追跡されるオブジェクトは、反射球状ボールのような受動センサを含むことができ、受動センサは、追跡されるオブジェクトの戦略的位置に配置される。赤外線送信機は信号を送信し、反射球状ボールは信号を反射して、オブジェクトの３次元位置を決定するのを助ける。能動センサまたはマーカーにおいて、追跡されるオブジェクトは、発光ダイオード（ＬＥＤ）などのアクティブ赤外線送信機を含み、したがって、３Ｄ検出のためにそれ自身の赤外線信号を生成する。
能動または受動追跡センサのいずれかを用いて、システムは、一つまたは複数の赤外線カメラ、デジタル信号、能動および／または受動センサの既知の位置、距離、応答信号を受信するのに要した時間、他の既知の変数、またはそれらの組み合わせからの情報、またはそれらへの情報に基づいて、能動および／または受動センサの３次元位置を幾何学的に解決する。
一つの問題は、追跡センサは通常、追跡されることになるオブジェクトの一部分に強固に取り付けられ、通常はそのオブジェクト上は移動可能ではないことである。また、システムは通常、オブジェクトの位置を正確に決定するために、複数のマーカーを必要とし、そのマーカーは四つであることが多い。したがって、正確であり、且つ、移動可能であり得るか、および／または、例えば、オブジェクトまたはその位置に関する追加情報を提供するためのセンサまたはマーカーをほとんど備えない、オブジェクトの三次元位置を認識するための改善されたシステムおよび方法を提供する必要性がある。
こうした、およびその他のニーズを満たすために、ロボットが補助する外科手術に使用される、オブジェクトの三次元位置を決定するための装置、システム、および方法が提供される。
一実施形態によれば、手術用ロボットシステムは、ロボット基部とディスプレイとを有するロボットと、ロボット基部に連結されたロボットアームと、ロボットアームに連結されたエンドエフェクタとを含み、エンドエフェクタは一つまたは複数の追跡マーカーを有し、エンドエフェクタの動きはロボットによって電子制御される。システムは、一つまたは複数の追跡マーカーを検出することができる少なくとも一つのカメラを含むカメラスタンドをさらに含み、ロボットは一つまたは複数の追跡マーカーの三次元位置を決定する。
別の実施形態によれば、手術用ロボットシステムは、ロボット基部を有するロボットと、ロボット基部に結合されたロボットアームと、ロボットアームに結合されたエンドエフェクタと、を含む。エンドエフェクタは、エンドエフェクタの基部に貼り付けられた第一の複数の追跡マーカーと、エンドエフェクタのガイド管に貼り付けられた第二の複数の追跡マーカーとを有する。第二の複数の追跡マーカーは、第一の複数の追跡マーカーに対して、第一の構成から第二の構成へ移動可能である。システムは、第一の構成および第二の構成における第一および第二の複数の追跡マーカーを検出することができる少なくとも一つのカメラをさらに含む。ロボットは、第一および第二の複数の追跡マーカーの第一の構成または第二の構成に対応する少なくとも一つのテンプレートから、エンドエフェクタの三次元位置を決定する。
別の実施形態によれば、手術用ロボットシステムは、ロボット基部を有するロボットと、ロボット基部に結合されたロボットアームと、ロボットアームに結合されたエンドエフェクタと、を含む。エンドエフェクタは、中央長手方向軸を有するガイド管と、ガイド管に貼り付けられた単一の追跡マーカーとを有する。単一の追跡マーカーは、固定距離によって中央長手方向軸から分離される。システムは、中心線と、複数の追跡マーカーが取り付けられた、器具から延在するアレイとを有する器具を含む。システムはさらに、ガイド管上の単一の追跡マーカーと、器具上の複数の追跡マーカーとを検出することができる少なくとも一つのカメラを含む。ロボットは、器具の中心線と単一の追跡マーカーとの間の検出された距離を決定して、検出された距離が固定距離と一致するかどうかを決定する。このように、ロボットは、器具がガイド管内に位置付けられているかどうかを決定し得る。
さらに別の実施形態によれば、手術用ロボットシステムは、ロボット基部を有するロボットと、ロボット基部に結合されたロボットアームと、ロボットアームに結合されたエンドエフェクタと、を含み、エンドエフェクタはガイド管を有する。システムは、複数の固定追跡マーカーと、移動可能な追跡マーカーを備えた、器具から延在するアレイを有する器具を含み、その器具はガイド管内で受容可能である。システムはまた、患者に挿入されるように構成されたインプラントを含み、インプラントは器具に分離可能に結合されるよう構成される。システムはさらに、複数の固定追跡マーカーと、器具上の移動可能な追跡マーカーとを検出することができる少なくとも一つのカメラをさらに含み、ロボットは、移動可能な追跡マーカーの位置または移動を決定して、インプラントの変数を決定する。インプラントは、拡張可能インプラント、接関インプラント、または移動可能なインプラントであってもよく、変数は、拡張可能インプラントの高さ、関節インプラントの移動角度、等であってもよい。
別の実施形態によれば、手術用ロボットシステムは、ロボット基部を有するロボットと、ロボット基部に結合されたロボットアームと、ロボットアームに結合されたエンドエフェクタと、を含み、ロボットは、エンドエフェクタの移動を制御して、所定の外科手術手技を実施するよう構成され、エンドエフェクタは、それぞれが様々な外科手術手技を実施するよう構成されたその他のエンドエフェクタと交換可能である。
別の実施形態によれば、手術用ロボットシステムは、ロボット基部を有するロボットと、ロボット基部に結合されたロボットアームと、ロボットアームに連結されたプローブと、を含み、プローブは、近位端と遠位端とを有するシャフトと、シャフトの遠位端に連結されたプローブヘッドであって、シャフトを横断して延在し、脊椎固定要素内に挿入されるよう構成されたプローブヘッドと、シャフトの近位端に連結された追跡アレイと、を備える。
図１は、外科施術中のロボットシステム、患者、外科医、および他の医療従事者の位置のあり得る配置の俯瞰図である。 図２は、一実施形態による、患者に対する手術用ロボットおよびカメラの位置決めを含むロボットシステムを示す。 図３は、例示的な実施形態による手術用ロボットシステムを示す。 図４は、例示的な実施形態による、外科手術ロボットの一部分を図示する。 図５は、例示的な実施形態による手術用ロボットのブロック図を示す。 図６は、例示的な実施形態による手術用ロボットを示す。 図７Ａ〜７Ｃは、例示的な実施形態によるエンドエフェクタを示す。 図８は、一実施形態によるエンドエフェクタのガイドチューブ内に外科用器具を挿入する前後の外科用器具およびエンドエフェクタを示す。 図９Ａ〜９Ｃは、例示的な実施形態によるエンドエフェクタおよびロボットアームの部分を示す。 図１０は、例示的な実施形態による動的基準アレイ、撮像アレイ、および他のコンポーネントを示す。 図１１は、例示的な実施形態による登録の方法を示す。 図１２Ａ〜１２Ｂは、例示的な実施形態による撮像装置の実施形態を示す。 図１３Ａは、例示的な実施形態による、ロボットアームとエンドエフェクタとを含むロボットの一部を示す。
図１３Ｂは、エンドエフェクタの拡大図であり、図１３Ａに示すように、複数の追跡マーカーがその上にしっかりと固定される。
図１３Ｃは、一実施形態による、複数の追跡マーカーがその上にしっかりと固定されたツールまたは器具である。
図１４Ａは、第一構成の可動追跡マーカーを有するエンドエフェクタの代替バージョンである。
図１４Ｂは、第二の構成の可動追跡マーカーを有する図１４Ａに示すエンドエフェクタである。
図１４Ｃは、図１４Ａの第一の構成における追跡マーカーのテンプレートを示す。
図１４Ｄは、図１４Ｂの第二の構成における追跡マーカーのテンプレートを示す。
図１５Ａは、単一の追跡マーカーのみがその上に固定されたエンドエフェクタの代替バージョンを示す。 図１５Ｂは、ガイドチューブを介して配置された器具を有する図１５Ａのエンドエフェクタを示す。 図１５Ｃは、二つの異なる位置に器具を有する図１５Ａのエンドエフェクタを示し、器具がガイドチューブ内にまたはガイドチューブの外側に配置されるかどうかを決定するための結果のロジックを示す。 図１５Ｄは、図１５Ａのエンドエフェクタを示すが、器具は、二つの異なるフレームでかつガイドチューブ上の単一の追跡マーカーに対して相対的な距離でガイドチューブ内にある。 図１５Ｅは、座標系に対して図１５Ａのエンドエフェクタを示す。 図１６は、ロボットのエンドエフェクタを所望の標的軌道にナビゲートして移動させる方法のブロック図である。 また、図１７Ａおよび１７Ｂは、それぞれ、収縮および拡張位置に固定および可動追跡マーカーを有する拡張可能インプラントを挿入するための器具を示す。 また、図１８Ａおよび１８Ｂは、それぞれ、挿入位置および傾斜位置に固定および可動追跡マーカーを有する関節のあるインプラントを挿入するための器具を示す。 図１９Ａは、交換可能または代替のエンドエフェクタを含むロボットの一実施形態を示す。
図１９Ｂは、器具スタイルのエンドエフェクタが結合されたロボットの実施形態を示す。
図２０は、本開示の実施形態によるプローブを使用できる脊椎固定装置を図示する。 図２１Ａは、本開示の実施形態によるロボットシステムと併用されるプローブの正面図を図示する。
図２１Ｂは、図２１Ａのプローブの側面図を図示する。
図２１Ｃは、図２１Ａのプローブのプローブヘッドの拡大図を図示する。
図２１Ｄは、図２１Ｂのプローブのプローブヘッドの拡大図を図示する。
図２２は、脊椎固定要素の位置を決定するための例示的方法を提供する。
本開示は、その適用において、本明細書の説明に記載された、または図面に示された構成の詳細およびコンポーネントの配置に限定されないことを理解されたい。本開示の教示は、他の実施形態において使用され、実施され、様々な方法で実施され、または実行されてもよい。また、本明細書で使用される表現および用語は、説明のためのものであり、限定的であると見なされるべきではないことを理解されたい。本明細書中の「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」または「有す（ｈａｖｉｎｇ）」の使用およびそれらの変形は、その後に列挙されるアイテムおよびその等価物ならびに追加のアイテムを含むことを意味する。別段に特定または限定されていない限り、「装着される（ｍｏｕｎｔｅｄ）」、「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「支持される（ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ）」および「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語およびそれらの変形は、広範に使用され、直接的および間接的な取り付け、接続、支持および結合の両方を包含する。さらに、「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」および「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」は、物理的または機械的な接続または結合に限定されない。
以下の議論は、当業者が本開示の実施形態を作成し使用することを可能にするために提示される。例解された実施形態に対する様々な変更は、当業者には容易に明らかであり、本明細書の原理は、本開示の実施形態から逸脱することなく他の実施形態およびアプリケーションに適用することができる。したがって、実施形態は、示された実施形態に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示された原理および特徴と一致する最も広い範囲が与えられるべきである。以下の詳細な説明は、図面を参照して読まれるべきであり、異なる図における同様の要素は、同様の参照番号を有する。必ずしも縮尺通りではない図面は、選択された実施形態を示しており、実施形態の範囲を限定するものではない。当業者は、本明細書で提供される例が多くの有用な代替物を有し、実施形態の範囲内に入ることを認識するであろう。
ここで図面を参照すると、図１および図２は、例示的な実施形態による手術用ロボットシステム１００を示す。手術用ロボットシステム１００は、例えば、手術用ロボット１０２と、一つまたは複数のロボットアーム１０４と、基部１０６と、ディスプレイ１１０と、ガイドチューブ１１４を含むエンドエフェクタ１１２と、一つまたは複数の追跡マーカー１１８とを含む。手術用ロボットシステム１００は、患者２１０に直接（例えば、患者２１０の骨に）固定されるように適合された一つまたは複数の追跡マーカー１１８も含む患者追跡装置１１６を含むことができる。手術用ロボットシステム１００は、例えば、カメラスタンド２０２上に配置されたカメラ２００を利用することもできる。カメラスタンド２０２は、カメラ２００を所望の位置に移動させ、方向付けし、支持するための任意の適切な構成を有することができる。カメラ２００は、好適な任意のカメラ、または、カメラ２００の視点から見ることができる所与の測定ボリューム内にある、例えば能動的および受動的な追跡マーカー１１８を識別することができる、一つまたは複数の赤外線カメラ（例えば、二焦点カメラまたは立体写真測量カメラ）等のカメラを含んでもよい。カメラ２００は、所与の測定ボリュームを走査し、マーカー１１８から来る光を検出して、マーカー１１８の三次元での位置を識別し、決定することができる。例えば、能動マーカー１１８は、電気信号によって作動する赤外線発光マーカー（例えば、赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ））を含むことができ、受動マーカー１１８は、例えば、カメラ２００上の照明器または他の適切な装置によって発光される、赤外線を反射する再帰反射マーカー（例えば、それらは、入射ＩＲ照射を入射光の方向へ反射する）を含むことができる。
また、図１および図２は、手術室環境における手術用ロボットシステム１００の配置のあり得る構成を示す。例えば、ロボット１０２は、患者２１０の近くに、または患者２１０の隣に配置することができる。患者２１０の頭の近くに描かれているが、ロボット１０２は、手術を受ける患者２１０の領域に応じて、患者２１０の近くの任意の適切な場所に配置することができることが理解されよう。カメラ２００は、ロボットシステム１００から分離され、患者２１０の足に配置されてもよい。この位置は、カメラ２００が外科手術領域２０８に対して視覚的に直接視線を有することを可能にする。ここでも、カメラ２００は、外科手術領域２０８に対し視線を有する任意の適切な位置に配置することができると考えられる。示された構成では、外科医１２０はロボット１０２の反対側に配置されるが、依然としてエンドエフェクタ１１２およびディスプレイ１１０を操作することができる。外科医助手１２６もエンドエフェクタ１１２とディスプレイ１１０の両方にアクセスできるよう、外科医１２０の反対側に、配置することができる。必要に応じて、外科医１２０と助手１２６の位置を逆にしてもよい。麻酔医１２２および看護師または手術室技師１２４のための従来からの領域は、ロボット１０２およびカメラ２００の位置によって妨げられないままである。
ロボット１０２の他のコンポーネントに関して、ディスプレイ１１０は、手術用ロボット１０２に取り付けることができ、他の例示的な実施形態では、ディスプレイ１１０は、外科手術用ロボット１０２から離され、手術用ロボット１０２と一緒に手術室内か、または、遠隔地に置かれる。エンドエフェクタ１１２は、ロボットアーム１０４に結合され、少なくとも一つのモータによって制御されてもよい。例示的な実施形態では、エンドエフェクタ１１２は、患者２１０に対して外科手術を行うために使用される外科用器具６０８（本明細書でさらに説明する）を受け入れて配向することができるガイドチューブ１１４を含むことができる。本明細書で使用される用語「エンドエフェクタ」は、「エンドエフェクチュエータ」および「エフェクチュエータ要素」という用語と交換可能に使用される。概してガイドチューブ１１４で示されるが、エンドエフェクタ１１２は、外科手術での使用に適した任意の適切な器具で置き換えることができることが理解されよう。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ１１２は、外科用器具６０８の移動を所望の方法で行うための任意の既知の構造を含むことができる。
手術用ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２の並進および配向を制御することができる。ロボット１０２は、例えば、エンドエフェクタ１１２をｘ、ｙ、ｚ軸に沿って移動させることができる。エンドエフェクタ１１２は、（エンドエフェクタ１１２に関連するオイラーアングル（例えば、ロール、ピッチ、および／またはヨー）の一つまたは複数が選択的に制御できるように）ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の一つまたは複数、およびｚフレーム軸の回りに選択的に回転するよう構成することができる。いくつかの例示的な実施形態では、エンドエフェクタ１１２の並進および配向の選択的制御は、例えば、回転軸のみを含む６自由度のロボットアームを利用する従来のロボットと比較して、大幅に改善された正確性を有する医療処置の実行を可能にする。例えば、手術用ロボットシステム１００は患者２１０上で動作するために使用され、ロボットアーム１０４は患者２１０の身体の上方に位置付けられ、エンドエフェクタ１１２は患者２１０の身体に向かってｚ軸に対して選択的に角度付けされる。
いくつかの例示的な実施形態では、外科用器具６０８の位置を動的に更新して、手術用ロボット１０２が手術中に外科用器具６０８の位置を常に知ることができるようにすることができる。その結果、いくつかの例示的な実施形態では、手術用ロボット１０２は、（医師が望む場合を除いて）外科用器具６０８を医師のさらなる助けなしに素早く所望の位置に移動させることができる。さらなるいくつかの実施形態では、外科用器具６０８が選択されたあらかじめ計画された軌道から逸脱する場合、外科用器具６０８の経路を修正するように手術用ロボット１０２を構成することができる。いくつかの例示的な実施形態では、手術用ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２および／または外科用器具６０８の動きの停止、変更、および／または手動制御を可能にするように構成され得る。したがって、使用中、例示的な実施形態では、医師または他のユーザは、システム１００を操作することができ、エンドエフェクタ１１２および／または外科用器具６０８の自律移動を停止、修正、または手動で制御する選択肢を有する。手術用ロボット１０２による外科用器具６０８の制御および移動を含む手術用ロボットシステム１００のさらなる詳細は、同時係属中の米国特許出願番号１３／９２４，５０５に見出すことができ、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
ロボット外科手術システム１００は、ロボットアーム１０４、エンドエフェクタ１１２、患者２１０、および／または外科用器具６０８の三次元での動きを追跡するように構成される一つまたは複数の追跡マーカー１１８を含むことができる。例示的な実施形態では、複数の追跡マーカー１１８を、例えばロボット１０２の基部１０６上、ロボットアーム１０４上、またはエンドエフェクタ１１２上等のロボット１０２の外面に取り付ける（そうでなければ固定する）ことができるが、これに限定されない。例示的な実施形態では、複数の追跡マーカー１１８のうちの少なくとも一つの追跡マーカー１１８をエンドエフェクタ１１２に取り付けるか、または別の方法で固定することができる。一つまたは複数の追跡マーカー１１８は、患者２１０にさらに取り付けてもよい（または別の方法で固定されてもよい）。例示的な実施形態では、外科医、外科用ツール、またはロボット１０２の他の部分によって不明瞭になる可能性を低減するために、複数の追跡マーカー１１８を外科手術領域２０８から離れた患者２１０上に配置することができる。さらに、一つまたは複数の追跡マーカー１１８を外科用ツール６０８（例えば、スクリュードライバ、拡張器、インプラント挿入器など）にさらに取り付ける（または別の方法で固定する）ことができる。したがって、追跡マーカー１１８は、マークされたオブジェクト（例えば、エンドエフェクタ１１２、患者２１０、および外科用ツール６０８）のそれぞれをロボット１０２によって追跡することを可能にする。例示的な実施形態では、システム１００は、マークされたオブジェクトのそれぞれから収集された追跡情報を使用して、例えばエンドエフェクタ１１２、外科用器具６０８（例えば、エンドエフェクタ１１２のチューブ１１４内に配置される）の配向と位置および患者２１０の相対位置計算することができる。
マーカー１１８は、放射線不透過性または光学マーカーを含むことができる。マーカー１１８は、球形、回転楕円形、円筒形、立方体、直方体などを含む適切な形状にすることができる。例示的な実施形態では、一つまたは複数のマーカー１１８は光学マーカーであってもよい。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ１１２上の一つまたは複数の追跡マーカー１１８の位置決めは、エンドエフェクタ１１２の位置を確認または確認するよう機能することによって、位置測定の精度を最大にすることができる。手術用ロボット１０２および外科用器具６０８の制御、移動および追跡を含む手術用ロボットシステム１００のさらなる詳細は、同時係属中の米国特許出願第１３／９２４，５０５号に見出すことができ、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
例示的な実施形態は、外科用器具６０８に結合された一つまたは複数のマーカー１１８を含む。例示的な実施形態では、例えば、患者２１０および外科用器具６０８に結合されたこれらのマーカー１１８、ならびにロボット１０２のエンドエフェクタ１１２に結合されたマーカー１１８は、従来の赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ）、またはＯｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）のような市販の赤外線光学追跡システムを使用して追跡可能なＯｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）ダイオードを含むことができる。Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）は、カナダ、オンタリオ州、ウォータールーのＮｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｃ．の登録商標である。他の実施形態では、マーカー１１８は、Ｐｏｌａｒｉｓ Ｓｐｅｃｔｒａなどの市販の光学追跡システムを使用して追跡することができる従来の反射球を含むことができる。Ｐｏｌａｒｉｓ ＳｐｅｃｔｒａはＮｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ，Ｉｎｃ．の登録商標である。例示的な実施形態では、エンドエフェクタ１１２に結合されたマーカー１１８は、オンおよびオフにすることができる赤外線発光ダイオードを含む能動マーカーであり、患者２１０および外科用器具６０８に結合されたマーカー１１８は受動反射球体を含む。
例示的な実施形態では、マーカー１１８から放射された、および／またはマーカー１１８によって反射された光は、カメラ２００によって検出され、マークされたオブジェクトの位置および動きを監視するために使用され得る。代替的な実施形態では、マーカー１１８は、無線周波数および／または電磁気反射器または受信機を含むことができ、カメラ２００は、無線周波数および／または電磁気受信機を含むか、またはそれらに置き換えることができる。
手術用ロボットシステム１００と同様に、図３は、本開示の例示的な実施形態に従う、ドッキングされた構成の手術用ロボットシステム３００およびカメラスタンド３０２を示す。手術用ロボットシステム３００は、ディスプレイ３０４と、上アーム３０６と、下アーム３０８と、エンドエフェクタ３１０と、縦柱３１２と、キャスター３１４と、キャビネット３１６と、タブレット引出し３１８と、コネクタパネル３２０と、制御パネル３２２と、情報のリング３２４とを含むロボット３０１を含む。カメラスタンド３０２は、カメラ３２６を含むことができる。これらのコンポーネントは、図５を参照してより拡大して説明される。図３は、例えば使用されていないときに、カメラスタンド３０２がロボット３０１と入れ子になっているドッキング構成の手術用ロボットシステム３００を示す。当業者であれば、カメラ３２６およびロボット３０１は、互いに分離され、外科施術中に、例えば、図１および図２に示されるように、任意の適切な位置に配置され得ることが理解されよう。
図４は、本開示の例示的な実施形態と一致する基部４００を示す。基部４００は、手術用ロボットシステム３００の一部であってもよく、キャビネット３１６を含んでもよい。キャビネット３１６は、バッテリ４０２、電力分配モジュール４０４、プラットフォームインターフェースボードモジュール４０６、コンピュータ４０８、ハンドル４１２、およびタブレット引出し４１４を含むがこれに限定されない手術用ロボットシステム３００の特定のコンポーネントを収容することができる。これらのコンポーネント間の接続および関係は、図５を参照してより詳細に説明される。
図５は、手術用ロボットシステム３００の例示的な実施形態の特定のコンポーネントのブロック図を示す。手術用ロボットシステム３００は、プラットフォームサブシステム５０２、コンピュータサブシステム５０４、動作制御サブシステム５０６、および追跡サブシステム５３２を含むことができる。プラットフォームサブシステム５０２は、バッテリ４０２、電力分配モジュール４０４、プラットフォームインターフェースボードモジュール４０６、およびタブレット充電ステーション５３４をさらに含むことができる。コンピュータサブシステム５０４は、コンピュータ４０８、ディスプレイ３０４、およびスピーカ５３６をさらに含むことができる。動作制御サブシステム５０６は、駆動回路５０８、モータ５１０、５１２、５１４、５１６、５１８、安定器５２０、５２２、５２４、５２６、エンドエフェクタ３１０、およびコントローラ５３８をさらに含むことができる。追跡サブシステム５３２は、位置センサ５４０およびカメラ変換器５４２をさらに含むことができる。システム３００はまた、フットペダル５４４およびタブレット５４６を含むことができる。
入力電力は、電力分配モジュール４０４に供給され得る電源５４８を介してシステム３００に供給される。電力分配モジュール４０４は、入力電力を受け取り、システム３００の他のモジュール、コンポーネント、およびサブシステムに提供される異なる電源供給電圧を生成するように構成される。電力分配モジュール４０４は、プラットフォームインターフェースモジュール４０６に異なる電圧を供給するように構成することができるが、電圧は、コンピュータ４０８、ディスプレイ３０４、スピーカ５３６、例えば電力モータ５１２、５１４、５１６、５１８およびエンドエフェクタ３１０のドライバ５０８、モータ５１０、リング３２４、カメラ変換器５４２、およびシステム３００のための他のコンポーネント（例えばキャビネット３１６内の電気部品を冷却するためのファン）、などの他のコンポーネントに提供することができる。
電力分配モジュール４０４はまた、タブレット引出し３１８内に配置され得るタブレット充電ステーション５３４などの他のコンポーネントに電力を供給し得る。タブレット充電ステーション５３４は、テーブル５４６の充電のために、タブレット５４６との無線または有線通信してもよい。タブレット５４６は、本開示と一致し、本明細書に記載される外科医によって使用され得る。
電力分配モジュール４０４は、電力分配モジュール４０４が入力電力５４８から電力を受け取らない場合に一時的な電源として働くバッテリ４０２に接続されてもよい。他の時には、電力分配モジュール４０４は、必要に応じてバッテリ４０２を充電するように働くことができる。
プラットフォームサブシステム５０２の他のコンポーネントは、コネクタパネル３２０、制御パネル３２２、およびリング３２４も含むことができる。コネクタパネル３２０は、異なる装置およびコンポーネントをシステム３００および／または関連するコンポーネントおよびモジュールに接続するように機能することができる。コネクタパネル３２０は、異なるコンポーネントからラインまたは接続を受ける一つまたは複数のポートを含むことができる。例えば、コネクタパネル３２０は、システム３００を他の機器に接地する接地端子ポート、フットペダル５４４をシステム３００に接続するポート、追跡サブシステム５３２（位置センサ５４０、カメラ変換器５４２、カメラスタンド３０２に関連するカメラ３２６と、を含むことができる）に接続するポートを有することができる。コネクタパネル３２０は、コンピュータ４０８のような他のコンポーネントへのＵＳＢ、イーサネット（登録商標）、ＨＤＭＩ（登録商標）通信を可能にする他のポートを含むこともできる。
制御パネル３２２は、システム３００の動作を制御する、および／またはシステム３００に関する情報を提供する様々なボタンまたはインジケータを提供することができる。例えば、制御パネル３２２は、システム３００の電源をオンまたはオフするためのボタン、縦柱３１２を上げるか、または下げるためのボタン、およびシステム３００を物理的に移動させるのを防ぐためにキャスター３１４に係合するように設計された安定器５２０〜５２６を上げるかまたは下げるためのボタンを含むことができる。緊急事態が発生した場合には、他のボタンがシステム３００を停止させてもよいが、これによりすべてのモータ動力が除去され、機械的ブレーキが加えられてすべての動作が停止する。制御パネル３２２はまた、バッテリ４０２のライン電力インジケータまたは充電状態などの特定のシステム状態をユーザに通知するインジケータを有することができる。
リング３２４は、システム３００のユーザに、システム３００が動作している異なるモードおよびユーザに対するある種の警告を通知する視覚的インジケータとすることができる。
コンピュータサブシステム５０４は、コンピュータ４０８と、ディスプレイ３０４と、スピーカ５３６とを含む。コンピュータ５０４は、システム３００を動作させるオペレーティングシステムと、ソフトウェアとを含む。コンピュータ５０４は、ユーザに情報を表示するために、他のコンポーネント（例えば、追跡サブシステム５３２、プラットフォームサブシステム５０２、および／または動作制御サブシステム５０６）から情報を受信し処理することができる。さらに、コンピュータサブシステム５０４は、ユーザにオーディオを提供するスピーカ５３６を含むこともできる。
追跡サブシステム５３２は、位置センサ５０４と変換器５４２とを含むことができる。追跡サブシステム５３２は、図３に関して説明したカメラ３２６を含むカメラスタンド３０２に対応することができる。位置センサ５０４は、カメラ３２６であってもよい。追跡サブシステムは、外科施術中にユーザが使用するシステム３００の異なるコンポーネントおよび／または器具上に位置する特定のマーカーの位置を追跡することができる。この追跡は、それぞれ、ＬＥＤまたは反射マーカーなどの能動または受動素子の位置を追跡する赤外線技術の使用を含む、本開示と一致する方法で行われてもよい。これらのタイプのマーカーを有する構造体の位置、配向、および配置は、ディスプレイ３０４上のユーザに示されるコンピュータ４０８に提供されてもよい。例えば、これらのタイプのマーカーを有し、このようにして（ナビゲーション空間と呼ぶことができる）追跡される外科用器具６０８は、患者の解剖学的構造の三次元画像に関連してユーザに示されてもよい。
動作制御サブシステム５０６は、縦柱３１２、上アーム３０６、下アーム３０８、を物理的に移動させ、または回転エンドエフェクタ３１０回転させるように構成することができる。物理的な移動は、一つまたは複数のモータ５１０〜５１８の使用を通じて行うことができる。例えば、モータ５１０は縦柱３１２を垂直に持ち上げるかまたは下降させるように構成することができる。モータ５１２は、図３に示すように、縦柱３１２との係合点の周りで上アーム３０８を横方向に移動させるように構成することができる。モータ５１４は、図３に示すように、下アーム３０８を上アーム３０８との係合点の周りで横方向に移動させるように構成することができる。モータ５１６および５１８は、ひとつがロールを制御し、ひとつが傾斜を制御して、エンドエフェクタ３１０を移動させるように構成することができ、それによって、エンドエフェクタ３１０を移動させることができる複数の角度を提供することができる。これらの動きは、エンドエフェクタ３１０上に配置され、ユーザが所望の方法でシステム３００を移動させるためにこれらのロードセルに係合することによって起動される、ロードセルを介してこれらの動きを制御するコントローラ５３８によって達成され得る。
さらに、システム３００は、ディスプレイ３０４（タッチスクリーン入力装置とすることができる）上でユーザがディスプレイ３０４上の患者の解剖学的構造の三次元画像上の外科用器具またはコンポーネントの位置を示すことにより、縦柱３１２、上アーム３０６、および下アーム３０８の自動移動を提供することができる。ユーザは、フットペダル５４４またはいくつかの他の入力手段を踏んでこの自動移動を開始することができる。
図６は、例示的な実施形態による手術用ロボットシステム６００を示す。手術用ロボットシステム６００はと、エンドエフェクタ６０２と、ロボットアーム６０４と、ガイドチューブ６０６と、器具６０８と、ロボット基部６１０とを含むことができる。器具ツール６０８は、一つまたは複数の追跡マーカー（マーカー１１８など）を含む追跡アレイ６１２に取り付けられ、関連する軌道６１４を有することができる。軌道６１４は、ガイドチューブ６０６を通って位置決めされるかまたは固定されると、器具ツール６０８が移動するように構成される移動経路（例えば器具ツール６０８が患者に挿入される経路など）を表すことができる。例示的な動作では、ロボット基部６１０は、ロボットアーム６０４およびエンドエフェクタ６０２と電子的に通信するように構成され、手術用ロボットシステム６００は、患者２１０上で動作する際、ユーザ（例えば外科医）を支援する。手術用ロボットシステム６００は、前述した手術用ロボットシステム１００および３００と一致し得る。
追跡アレイ６１２は、器具ツール６０８の位置および配向を監視するために、器具６０８に据え付けられてもよい。追跡アレイ６１２は、器具６０８に取り付けられてもよく、追跡マーカー８０４を含んでもよい。図８に最もよく示されるように、追跡マーカー８０４は、例えば、発光ダイオードおよび／または他のタイプの反射マーカー（例えば、本明細書の別の場所で説明したマーカー１１８）であってもよい。追跡装置は、手術用ロボットシステムに関連する一つまたは複数の視線装置であってもよい。例として、追跡装置は、手術用ロボットシステム１００、３００に関連する一つまたは複数のカメラ２００、３２６であってもよく、ロボットアーム６０４、ロボット基部６１０、エンドエフェクタ６０２、および／または患者２１０に関連して器具６０８の定義された領域または相対的な配向について追跡アレイ６１２を追跡してもよい。追跡装置は、カメラスタンド３０２および追跡サブシステム５３２に関連して説明した構造と一致していてもよい。
また、図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃは、例示的な実施形態によるエンドエフェクタ６０２の上面図、正面図、および側面図をそれぞれ示す。エンドエフェクタ６０２は、一つまたは複数の追跡マーカー７０２を含むことができる。追跡マーカー７０２は、発光ダイオードまたは他のタイプの能動および受動マーカー、例えば前述の追跡マーカー１１８であってもよい。例示的な実施形態では、追跡マーカー７０２は、電気信号（例えば、赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ））によって起動される能動赤外線発光マーカーである。したがって、追跡マーカー７０２は、赤外線マーカー７０２がカメラ２００、３２６に見えるようにアクティブにしてもよい、または赤外線マーカー７０２がカメラ２００、３２６には見えないように非アクティブにしてもよい。したがって、マーカー７０２がアクティブであるとき、エンドエフェクタ６０２はシステム１００、３００、６００によって制御され、マーカー７０２が非アクティブ化されると、エンドエフェクタ６０２は所定の位置にロックされ、システム１００、３００、６００によっては動くことができない。
マーカー７０２は、マーカー７０２が一つまたは複数のカメラ２００、３２６、または手術用ロボットシステム１００、３００、６００に関連する他の追跡装置によって視認されるように、エンドエフェクタ６０２の上または内部に配置されてもよい。カメラ２００、３２６または他の追跡装置は、追跡マーカー７０２の移動に追従して異なる位置および視野角に移動するときにエンドエフェクタ６０２を追跡することができる。マーカー７０２および／またはエンドエフェクタ６０２の位置は、手術用ロボットシステム１００、３００、６００に関連するディスプレイ１１０、３０４、例えば図２に示すディスプレイ１１０および／または図３に示すディスプレイ３０４に示されてもよい。このディスプレイ１１０、３０４により、ユーザは、エンドエフェクタ６０２がロボットアーム６０４、ロボット基部６１０、患者２１０、および／またはユーザに対して望ましい位置にあることを確実にすることができる。
例えば、図７Ａに示すように、マーカー７０２をエンドエフェクタ６０２の表面の周りに配置して、外科手術領域２０８から離れて配置され、ロボット１０２、３０１およびカメラ２００、３２６の方を向いている追跡装置が、追跡装置１００、３００、６００に対するエンドエフェクタ６０２の一般的な配向の範囲を通って少なくとも３つのマーカー７０２を見ることができる。例えば、このようにマーカー７０２を分布させることにより、エンドエフェクタ６０２が外科手術領域２０８内で移動および回転されるときに、追跡装置によってエンドエフェクタ６０２を監視することが可能になる。
さらに、例示的な実施形態では、エンドエフェクタ６０２は、外部カメラ２００、３２６がマーカー７０２を読み取る準備ができているときを検出することができる赤外線（ＩＲ）受信機を含むことができる。この検出に際して、エンドエフェクタ６０２はマーカー７０２を照らすことができる。外部カメラ２００、３２６がマーカー７０２を読み取る準備ができていることをＩＲ受信機が検出することにより、発光ダイオードであってもよいマーカー７０２のデューティサイクルを外部カメラ２００、３２６に同期させる必要があることを知らせることができる。これはまた、全体としてロボットシステムによるより低い電力消費を可能にすることができ、それにより、マーカー７０２は、連続的に照射される代わりに適切な時間にのみ照射される。さらに、例示的な実施形態では、マーカー７０２の電源をオフにして、異なるタイプの外科用器具６０８などの他のナビゲーションツールとの干渉を防止することができる。
図８は、追跡アレイ６１２および追跡マーカー８０４を含む一つのタイプの外科用器具６０８を示す。追跡マーカー８０４は発光ダイオードまたは反射球を含む、本明細書に記載された任意のタイプのものでよいが、これに、限定するものではない。マーカー８０４は、手術用ロボットシステム１００、３００、６００に関連する追跡装置によって監視され、一つまたは複数の視線カメラ２００、３２６であってもよい。カメラ２００、３２６は、追跡アレイ６１２およびマーカー８０４の位置および配向に基づいて器具６０８の位置を追跡することができる。外科医１２０のようなユーザは、追跡アレイ６１２およびマーカー８０４が、追跡装置またはカメラ２００、３２６によって十分に認識され、器具６０８およびマーカー８０４を、例えば例示的な手術用ロボットシステムのディスプレイ１１０上に表示するように器具６０８を向けることができる。
外科医１２０が器具６０８をエンドエフェクタ６０２のガイドチューブ６０６内に配置し、器具６０８を調整する方法は、図８において明らかである。エンドエフェクタ１１２、３１０、６０２の中空チューブまたはガイドチューブ１１４、６０６は、外科用器具６０８の少なくとも一部分を受容するような大きさおよび構成を有する。ガイドチューブ１１４、６０６は、外科用器具６０８の挿入および軌道が患者２１０の体内または体上の所望の解剖学的標的に到達できるように、ロボットアーム１０４によって方向付けられるように構成される。外科用器具６０８は、略円筒形の器具の少なくとも一部を含み得る。スクリュードライバが外科用ツール６０８として例示されるが、任意の適切な外科用ツール６０８がエンドエフェクタ６０２によって位置決めされてもよいことは理解されよう。一例として、外科用器具６０８は、一つまたは複数のガイドワイヤ、カニューレ、レトラクタ、ドリル、リーマ、スクリュードライバ、挿入ツール、除去ツールなどを含み得る。中空チューブ１１４、６０６は全体として円筒形状を有するものとして示されるが、当業者であれば、ガイドチューブ１１４、６０６は、外科用器具６０８を収容し、手術部位にアクセスするのに望ましい任意の適切なサイズおよび構成を有することができる。
また、図９Ａ〜図９Ｃは、例示的な実施形態によるエンドエフェクタ６０２およびロボットアーム６０４の一部を示す。エンドエフェクタ６０２は、本体１２０２およびクランプ１２０４をさらに含むことができる。クランプ１２０４は、ハンドル１２０６、ボール１２０８、バネ１２１０、およびリップ１２１２を含むことができる。ロボットアーム６０４は、窪み１２１４、取り付けプレート１２１６、リップ１２１８、および磁石１２２０をさらに含むことができる。
エンドエフェクタ６０２は、一つまたは複数のカップリングを介して手術用ロボットシステムおよびロボットアーム６０４と機械的にインターフェースおよび／または係合することができる。例えば、エンドエフェクタ６０２は、位置決めカップリングおよび／または補強カップリングを介してロボットアーム６０４と係合することができる。これらの結合によって、エンドエフェクタ６０２は、可撓性で無菌の障壁の外側でロボットアーム６０４に固定することができる。例示的な実施形態では位置決めカップリングは磁気キネマティックマウントであってもよく、補強カップリングは五つの棒状オーバーセンタクランピングリンク機構であってもよい。
位置決めカップリングに関して、ロボットアーム６０４は、非磁性材料、一つまたは複数の窪み１２１４、リップ１２１８、および磁石１２２０であってもよい取り付けプレート１２１６を含むことができる。磁石１２２０は、窪み１２１４の各々の下に取り付けられている。クランプ１２０４の部分は、磁性材料を含み、一つまたは複数の磁石１２２０によって引き付けられる。クランプ１２０４およびロボットアーム６０４の磁気吸引により、ボール１２０８はそれぞれの窪み１２１４内に着座するようになる。例えば、図９Ｂに示すボール１２０８は、図９Ａに示すように、窪み１２１４内に着座する。この座は、磁気アシストキネマティックカップリングと考えることができる。磁石１２２０は、エンドエフェクタ６０２の配向にかかわらず、エンドエフェクタ６０２の全重量を支持するのに十分な強度を有するように構成することができる。位置決めカップリングは、６自由度を一意的に制限する任意のスタイルのキネマティックマウントである。
補強カップリングに関して、クランプ１２０４の部分は、固定接地リンクとなるように構成することができ、そのようなクランプ１２０４は、五つの棒状リンク機構として機能することができる。リップ１２１２およびリップ１２１８が、エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４を固定するようにクランプ１２０４に係合するとき、閉鎖クランプハンドル１２０６は、エンドエフェクタ６０２をロボットアーム６０４に固定してもよい。クランプハンドル１２０６が閉じられているとき、クランプ１２０４がロック位置にある間、バネ１２１０は伸張されてもよいし応力が加えられてもよい。ロック位置は、中心を過ぎたリンク機構を提供する位置であってもよい。クランプ１２０４を解放するためにクランプハンドル１２０６に適用される力がない場合には、リンク機構は開かない。したがって、ロック位置において、エンドエフェクタ６０２は、ロボットアーム６０４にしっかりと固定され得る。
バネ１２１０は、張力のある湾曲ビームであってもよい。バネ１２１０は、未使用のＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）のような高い剛性と高降伏歪みを示す材料で構成することができる。エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４との間のリンク機構は、二つのカップリングの締結を妨げることなく、エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４との間の無菌バリアを提供し得る。
補強カップリングは、複数のバネ部材とのリンク機構であってもよい。補強カップリングは、カムまたは摩擦に基づく機構でラッチすることができる。補強カップリングは、エンドエフェクタ１０２をロボットアーム６０４に固定するのを支援する、十分に強力な電磁石であってもよい。補強カップリングは、エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４との間のインターフェースを滑り、ねじ機構、オーバーセンタリンク機構、または、カム機構で固定するエンドエフェクタ６０２および／またはロボットアーム６０４から完全に分離する多数のカラーであってもよい。
図１０および図１１を参照すると、外科施術の前または間に、ナビゲーション空間および画像空間の両方において、患者２１０のオブジェクトおよび標的解剖学的構造を追跡するために、特定の登録手順が実施されてもよい。このような登録を行うために、登録システム１４００を図１０に示すように使用することができる。
患者２１０の位置を追跡するために、患者追跡装置１１６は、患者２１０の硬い解剖学的構造に固定される患者固定器具１４０２を含み、動的基準ベース（ＤＲＢ）１４０４は、患者固定器具１４０２に固定的に取り付けられてもよい。例えば、患者固定器具１４０２は、動的基準ベース１４０４の開口部１４０６に挿入されてもよい。動的基準ベース１４０４は、追跡サブシステム５３２のような追跡装置に見えるマーカー１４０８を含むことができる。これらのマーカー１４０８は、本明細書で前述したように、光学マーカーまたは追跡マーカー１１８などの反射球であってもよい。
患者固定器具１４０２は、患者２１０の硬い解剖学的構造に取り付けられ、外科施術中に取り付けられたままであり得る。例示的な実施形態では、患者固定器具１４０２は、患者２１０の硬い領域、例えば、外科施術の対象となる標的解剖学的構造から離れて位置する骨に取り付けられる。標的解剖学的構造を追跡するために、動的基準ベース１４０４は、動的基準ベース１４０４を標的解剖学的構造の位置で登録するために、標的解剖学的構造上またはその付近に一時的に配置される登録固定具の使用を通して、標的解剖学的構造と関連する。
登録固定具１４１０は、枢動アーム１４１２を使用して患者固定器具１４０２に取り付けられる。枢動アーム１４１２は、患者固定器具１４０２を登録固定具１４１０の開口部１４１４に挿入することによって患者固定器具１４０２に取り付けられる。枢動アーム１４１２は、例えば、枢動アーム１４１２の開口部１４１８にノブ１４１６を挿入することによって、登録固定具１４１０に取り付けられる。
枢動アーム１４１２を使用して、登録固定具１４１０を標的解剖学的構造の上に配置することができ、その位置は、登録固定具１４１０上の追跡マーカー１４２０および／または基準１４２２を使用して画像空間およびナビゲーション空間において決定することができる。登録固定具１４１０は、ナビゲーション空間で見えるマーカー１４２０の集合を含むことができる（例えば、マーカー１４２０は、追跡サブシステム５３２によって検出可能であり得る）。追跡マーカー１４２０は、本明細書で前述したように、赤外光で可視的な光学マーカーであってもよい。登録固定具１４１０は、撮像空間（例えば、三次元ＣＴ画像）内で視認可能な、例えばベアリングボールなどの基準点１４２２の集合体を含むこともできる。図１１を参照してより詳細に説明するように、登録固定具１４１０を使用して、標的解剖学的構造を動的基準ベース１４０４に関連付けることができ、それにより、解剖学的構造の画像にナビゲーション空間内のオブジェクトの描写を重ね合わせることができる。標的解剖学的構造から離れた位置に配置された動的基準ベース１４０４は、基準点となり、それにより、登録固定具１４１０および／または枢動アーム１４１２を手術領域から除去することができる。
図１１は、本開示による、登録のための例示的な方法１５００を提供する。方法１５００は、ステップ１５０２から始まり、標的解剖学的構造のグラフィカル表現（または画像）をシステム１００、３００、６００、例えばコンピュータ４０８にインポートすることができる。このグラフィカル表現は、登録固定具１４１０および検出可能な基準の撮像パターン１４２０を含む、患者２１０の標的解剖学的構造の三次元ＣＴまたは蛍光透視スキャンであってもよい。
ステップ１５０４において、基準点１４２０の撮像パターンが検出され、撮像空間に登録され、コンピュータ４０８に記憶される。任意選択的に、ステップ１５０６においてこの時点で、登録固定具１４１０のグラフィカル表現を、標的解剖学的構造の画像上に重ねることができる。
ステップ１５０８では、マーカー１４２０を認識することによって、登録固定具１４１０のナビゲーションパターンが検出され、登録される。マーカー１４２０は、位置センサ５４０を介して追跡サブシステム５３２によって赤外線によってナビゲーション空間内で認識される光学マーカーであってもよい。したがって、標的解剖学的構造の位置、配向、および他の情報がナビゲーション空間に登録される。したがって、登録固定具１４１０は、基準点１４２２の使用による画像空間およびマーカー１４２０の使用によるナビゲーション空間の両方で認識され得る。ステップ１５１０で、画像空間における登録固定具１４１０の登録がナビゲーション空間に転送される。この転送は、例えば、マーカー１４２０のナビゲーションパターンの位置と比較した基準１４２２の撮像パターンの相対位置を使用することによって行われる。
ステップ１５１２において、登録固定具１４１０のナビゲーション空間の登録（画像空間で登録される）は、さらに、患者固定器具１４０２に取り付けられた動的登録アレイ１４０４のナビゲーション空間に転送される。したがって、ナビゲーション空間が画像空間に関連付けられているため、登録固定具１４１０を除去し、動的基準ベース１４０４を使用して、ナビゲーション空間および画像空間の両方の標的解剖学的構造を追跡することができる。
ステップ１５１４および１５１６において、ナビゲーション空間は、ナビゲーション空間において認識できるマーカー（例えば、光学マーカー８０４を用いる外科用器具６０８）を用いて、画像空間およびオブジェクト上に重ね合わせてもよい。オブジェクトは、標的解剖学的構造の画像上の外科用器具６０８のグラフィカル表現を通して追跡することができる。
また、図１２Ａ〜図１２Ｂは、患者２１０の術前、手術中、手術後、および／またはリアルタイム画像データを取得するためにロボットシステム１００、３００、６００と共に使用され得る撮像装置１３０４を示す。任意の適切な主題は、撮像システム１３０４を使用して、任意の適切な手順のために画像化することができる。撮像システム１３０４は、撮像装置１３０６および／またはＣ−アーム１３０８装置などの任意の撮像装置とすることができる。ｘ線システムで必要とされる患者２１０の頻繁な手動の再位置決めの必要性なしに、いくつかの異なる位置から患者２１０のｘ線を取得することが望ましい場合がある。図１２Ａに示すように、撮像システム１３０４は、「Ｃ」字形の対向する遠位端１３１２で終端する細長いＣ字形部材を含むＣ−アーム１３０８の形態であってもよい。Ｃ字形部材１１３０は、ｘ線源１３１４および画像レセプタ１３１６をさらに含むことができる。アームのＣ−アーム１３０８内の空間は、医師がｘ線支持構造１３１８からの干渉が実質的にない患者を診断するための余地を提供することができる。図１２Ｂに示すように、撮像システムは、図示されていない画像取り込み部を取り囲むことができるホイール１３３２を含むホイール付き移動カート１３３０のような、支持構造撮像装置支持構造１３２８に取り付けられたガントリハウジング１３２４を参照すると、固定および可動有する撮像装置１３０６を含むことができる。画像取り込み部は、互いに約１８０度に配置され、画像取り込み部の追跡に対して回転子（図示せず）に取り付けられたｘ線源および／または放出部と、ｘ線受取りおよび／または画像受取り部とを含むことができる。画像取り込み部は、画像取得中に３６０度回転するように動作可能であってもよい。画像取り込み部は、中心点および／または軸の周りを回転することができ、患者２１０の画像データを複数の方向からまたは複数の平面において取得することを可能にする。特定の撮像システム１３０４が本明細書で例示されるが、任意の適切な撮像システムが当業者によって選択されてもよいことは理解されよう。
ここで図１３Ａ〜図１３Ｃを参照すると、手術用ロボットシステム１００、３００、６００は、所望の手術領域に対するエンドエフェクタ１１２、６０２、外科用器具６０８、および／または患者２１０（例えば、患者追跡装置１１６）の正確な位置決めに依存する。図１３Ａ〜図１３Ｃに示す実施形態では、を参照すると、追跡マーカー１１８、８０４は、器具６０８および／またはエンドエフェクタ１１２の一部分に固定的に取り付けられている。
図１３Ａは、基部１０６、ロボットアーム１０４、およびエンドエフェクタ１１２を含むロボット１０２を含む手術用ロボットシステム１００の一部を示す。ディスプレイ、カメラなどの図示されていない他の要素もまた、本明細書で説明するように存在してもよい。図１３Ｂは、ガイドチューブ１１４を有するエンドエフェクタ１１２と、エンドエフェクタ１１２にしっかりと固定された複数の追跡マーカー１１８の拡大図を示す。この実施形態では、複数の追跡マーカー１１８がガイドチューブ１１２に取り付けられている。図１３Ｃは、器具６０８にしっかりと固定された複数の追跡マーカー８０４を有する器具６０８（この場合、プローブ６０８Ａ）を示す。本明細書の他の箇所に記載されるように、器具６０８は、ガイドワイヤ、カニューレ、レトラクタ、ドリル、リーマ、スクリュードライバ、挿入ツール、除去ツール、などの適切な外科用器具を含み得るが、それらに限定されない。
器具６０８、エンドエフェクタ１１２、または３Ｄで追跡される他のオブジェクトを追跡する場合、追跡マーカー１１８、８０４のアレイは、ツール６０８またはエンドエフェクタ１１２の一部に固定的に取り付けられてもよい。追跡マーカー１１８、８０４は、マーカー１１８、８０４がじゃまにならない（例えば、外科手術、視界などを妨げない）ように取り付けられることが好ましい。マーカー１１８、８０４は、例えば、アレイ６１２を用いて、器具６０８、エンドエフェクタ１１２、または追跡される他のオブジェクトに固定されてもよい。通常、三つまたは四つのマーカー１１８、８０４がアレイ６１２と共に使用される。アレイ６１２は、直線部分、クロスピースを含むことができ、マーカー１１８、８０４が互いに異なる相対位置および位置にあるように非対称であってもよい。例えば、図１３Ｃに示すように、４−マーカー追跡アレイ６１２を有するプローブ６０８Ａが示されており、図１３Ｂは、異なる４マーカー追跡アレイ６１２を有するエンドエフェクタ１１２を示す。
図１３Ｃでは、追跡アレイ６１２は、プローブ６０８Ａのハンドル６２０として機能する。したがって、四つのマーカー８０４は、プローブ６０８Ａのハンドル６２０に取り付けられ、シャフト６２２および先端６２４から離れている。これらの四つのマーカー８０４の立体写真測量による追跡は、器具６０８を剛体として追跡することを可能にし、追跡システム１００、３００、６００が、プローブ６０８Ａが追跡カメラ２００、３２６の前方動かされる間に先端６２４の位置およびシャフト６２２の配向を正確に決定することができる。
一つまたは複数のツール６０８、エンドエフェクタ１１２、または３Ｄで追跡される他のオブジェクト（例えば、複数の剛体）の自動追跡を可能にするために、各ツール６０８、エンドエフェクタ１１２などのマーカー１１８、８０４が、既知のマーカー間間隔で非対称に配置される。非対称アラインメントの理由は、どのマーカー１１８、８０４が剛体上の特定の位置に対応するか、マーカー１１８、８０４が正面または背面から見られているかどうか、すなわち鏡像化されるかは明瞭にするためである。例えば、マーカー１１８、８０４がツール６０８またはエンドエフェクタ１１２上の正方形に配置されていた場合、どのマーカー１１８、８０４が正方形のどの隅に対応するかは、システム１００、３００、６００にとっては不明である。例えば、プローブ６０８Ａの場合、どのマーカー８０４がシャフト６２２に最も近いかは不明である。したがって、シャフト６２２がどのようにアレイ６１２から伸びていたかは分からない。したがって、各アレイ６１２、したがって各ツール６０８、エンドエフェクタ１１２、または追跡される他のオブジェクトは、他のツール６０８または追跡されている他のオブジェクトから区別できるように、固有のマーカーパターンを有さなければならない。非対称性およびユニークなマーカーパターンは、システム１００、３００、６００が個々のマーカー１１８、８０４を検出し、保存されたテンプレートに対してマーカー間隔をチェックして、それらが、どのツール６０８、エンドエフェクタ１１２、または他のオブジェクトを表しているのかを決定することを可能にする。次に、検出されたマーカー１１８、８０４を自動的にソートし、追跡された各オブジェクトに正しい順序で割り当てることができる。この情報がなければ、ユーザがどの検出されたマーカー１１８、８０４がそれぞれの剛体上のどの位置のどの位置に対応するかを手動で指定しない限り、例えばツール先端６２４およびシャフト６２２のアライメントなどの重要な幾何情報を抽出するために剛体計算を実行することができないであろう。これらの概念は、３Ｄ光学追跡の方法の当業者には一般に公知である。
ここで図１４Ａ〜図１４Ｄを参照すると、可動追跡マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを有するエンドエフェクタ９１２の代替バージョンが示される。図１４Ａでは、可動追跡マーカー９１８Ａ−９１８Ｄを有するアレイが第一の構成で示され、図１４Ｂにおいて、可動追跡マーカー９１８Ａ−９１８Ｄは、第一の構成に対して傾斜した第二の構成で示される。図１４Ｃは、例えば、図１４Ａの第一の構成におけるカメラ２００、３２６によって見られるように、追跡マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄのテンプレートを示す。図１４Ｄは、例えば、図１４Ｂの第二の構成におけるカメラ２００、３２６によって見られるように、追跡マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄのテンプレートを示す。
この実施形態では、４マーカーアレイ追跡が企図されるが、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄが剛体に対してすべて固定位置にあるわけではなく、その代わりに一つまたは複数のアレイマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄが、例えばテスト中に調整され、追跡されるマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの自動検出およびソートのためのプロセスを中断することなく、追跡される剛体に関する最新の情報を与えることができる。
ロボットシステム１００、３００、６００のエンドエフェクタ９１２に接続されたガイドチューブ９１４のような任意のツールを追跡する場合、追跡アレイの主な目的は、カメラ座標系におけるエンドエフェクタ９１２の位置を更新することである。固定システムを使用する場合、例えば、図１３Ｂに示すように、反射マーカー１１８のアレイ６１２は、ガイドチューブ１１４から固定的に延びている。追跡マーカー１１８は固定的に接続されるので、カメラ座標系におけるマーカー位置の情報はまた、カメラ座標系におけるガイドチューブ１１４の中心線、先端およびテールの正確な位置を提供する。通常、このようなアレイ６１２からのエンドエフェクタ１１２の位置に関する情報、および別の追跡されたソースからの標的軌道の位置に関する情報は、ガイドチューブ１１４を軌道と整列するように移動させ、先端を軌道ベクトルに沿った特定の位置に移動させるロボット１０２の各軸に対して入力されなければならない必要な移動を計算するために使用される。
場合によっては、所望の軌道は厄介なまたは到達不能な位置にあるが、ガイドチューブ１１４を旋回させることができる場合には到達することができる。例えば、ガイドチューブ１１４がピッチ（手首上下角）軸の限界を超えて上方に枢動可能である場合、ロボット１０２の基部１０６から離れて指し示す非常に急な軌道は到達可能であり得るが、もし、ガイドチューブ１１４が、それを手首の端部に接続するプレートに平行に取り付けられるならば到達できないかもしれない。このような軌道に達するためには、ロボット１０２の基部１０６を移動させるか、または異なるガイドチューブアタッチメントを有する異なるエンドエフェクタ１１２を作業用エンドエフェクタと交換することができる。これらの解決の両方は、時間がかかり、扱いにくい場合がある。
図１４Ａおよび図１４Ｂに最もよく示されるように、もし、アレイ９０８がマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの一つまたは複数が固定位置になく、その代わりにマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの一つまたは複数が調整、旋回、枢動、または移動できるならば、ロボット１０２は、検出および追跡プロセスを中断することなく、追跡されているオブジェクトに関する更新された情報を提供することができる。例えば、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの一つは定位置に固定され、他のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは移動可能であってもよい。マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの二つは、定位置に固定され、他のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは、移動可能であってもよい。マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの三つは、定位置に固定され、他のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは、移動可能であってもよい。またはマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄのすべてが可動であってもよい。
図１４Ａおよび図１４Ｂに示す実施形態では、マーカー９１８Ａ、９１８Ｂは、エンドエフェクタ９１２の基部９０６に直接的に固定的に接続され、マーカー９１８Ｃ、９１８Ｄは、チューブ９１４に固定的に接続される。アレイ６１２と同様に、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄをエンドエフェクタ９１２、器具６０８、または追跡される他のオブジェクトに取り付けるために、アレイ９０８を設けることができる。しかしながら、この場合、アレイ９０８は、複数の別個のコンポーネントから構成される。例えば、マーカー９１８Ａ、９１８Ｂは、第一のアレイ９０８Ａによって基部９０６に接続され、マーカー９１８Ｃ、９１８Ｄは、第二のアレイ９０８Ｂによってガイドチューブ９１４に接続されてもよい。マーカー９１８Ａは、第一のアレイ９０８Ａの第一の端部に取り付けられてもよく、マーカー９１８Ｂは、直線距離に分離され、第一のアレイ９０８Ａの第二の端部に固定されてもよい。第一のアレイ９０８は実質的に直線状であるが、第二のアレイ９０８Ｂは、曲がり構成、またはＶ形状構成を有し、それぞれの根元端がガイドチューブ９１４に接続され、そこからＶ字形で遠位端に分岐し、一つの遠位端にマーカー９１８Ｃを有し、他方の遠位端にはマーカー９１８Ｄを有す。特定の構成が本明細書に例示されるが、異なる数およびタイプのアレイ９０８Ａ、９０８Ｂおよび異なる配置、数、およびタイプのマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを含む他の非対称設計が企図されることが理解されよう。
ガイドチューブ９１４は、例えば、基部９０６に対するヒンジ９２０または他のコネクタを横切って、基部９０６に対して移動可能、枢動可能、または枢動可能であってもよい。したがって、マーカー９１８Ｃ、９１８Ｄは、ガイドチューブ９１４が枢動し、旋回し、または移動するときに、マーカー９１８Ｃ、９１８Ｄも枢動、旋回または移動するように移動可能である。図１４Ａに最もよく示されるように、ガイドチューブ９１４は、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄが第一の構成を有するように、実質的に法線方向または垂直の向きに整列された長手方向軸９１６を有する。ここで図１４Ｂを参照すると、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄが第一の構成と異なる第二の構成を有するように、長手方向軸９１６が垂直方向に対して角度をなすように、ガイドチューブ９１４が枢動、旋回、または移動される。
図１４Ａ〜図１４Ｄに記載された実施形態とは対照的に、四つのマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの全てがガイドチューブ９１４に固定的に取り付けられた状態で、ガイドチューブ９１４とアーム１０４（例えば、手首アタッチメント）との間にスイベルが存在し、このスイベルがユーザによって調整された場合、ロボットシステム１００、３００、６００は、ガイドチューブ９１４の配向が変化したことを自動的に検出することができない。ロボットシステム１００、３００、６００は、マーカーアレイ９０８の位置を追跡し、ガイドチューブ９１４が以前の配向で手首（ロボットアーム１０４）に取り付けられていると仮定して、不正確なロボット軸の動きを計算する。一つまたは複数のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄ（例えば、二つのマーカー９１８Ｃ、９１８Ｄ）を、チューブ９１４上に固定して保持し、一つまたは複数のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄ（例えば、二つのマーカー９１８Ａ、９１８Ｂ）をスイベルを横切って保持することによって、新しい位置の自動検出が可能となり、ロボットアーム１０４の端部上の新しいツールまたはエンドエフェクタ１１２、９１２の検出に基づいて正しいロボットの動きが計算される。
一つまたは複数のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは、任意の適切な手段にしたがって移動、枢動、旋回等されるように構成される。例えば、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは、クランプ、バネ、レバー、摺動、トグルなどのヒンジ９２０によって、またはマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを個々にまたは組み合わせて移動させるための、または、アレイ９０８Ａ、９０８Ｂを個々にまたは組み合わせて移動させるための、または、エンドエフェクタ９１２の任意の部分を別の部分に対して移動させるための、または、ツール６０８の任意の部分を別の部分に対して移動させるための、任意の他の適切な機構によって、動かしても良い。
図１４Ａおよび図１４Ｂに示すように、アレイ９０８およびガイドチューブ９１４は、単に、クランプまたはヒンジ９２０を緩め、アレイ９０８Ａ、９０８Ｂの一部を他の部分９０８Ａ、９０８Ｂに対して移動させ、ヒンジ９２０を再調整して、ガイドチューブ９１４が異なる位置に向けられるように構成可能であってもよい。例えば、二つのマーカー９１８Ｃ、９１８Ｄはチューブ９１４と固定的に相互接続され、二つのマーカー９１８Ａ、９１８Ｂはヒンジ９２０を介してロボットアーム１０４に取り付けられるエンドエフェクタ９１２の基部９０６に固定的に相互接続され得る。ヒンジ９２０は、ユーザが第一の構成（図１４Ａ）と第二の構成（図１４Ｂ）との間を素早く切り替えることを可能にするためにゆるめて締めることができるウイングナットなどのクランプの形態であってもよい。
カメラ２００、３２６は、例えば、図１４Ｃおよび図１４Ｄで識別されたテンプレートの一つにおいてマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを検出する。アレイ９０８が第一の構成（図１４Ａ）にあり、追跡カメラ２００、３２６がマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを検出する場合、追跡されるマーカーは１４Ｃに示すようにアレイテンプレート１と一致する。アレイ９０８が第二の構成（図１４Ｂ）であり、追跡カメラ２００、３２６が同じマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを検出した場合、追跡されるマーカーは図１４Ｄに示すようにアレイテンプレート２と一致する。アレイテンプレート１およびアレイテンプレート２は、ガイドチューブ９１４、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄ、およびロボットアタッチメント間に固有に画定された空間的関係を有する二つの異なるツールとしてシステム１００、３００、６００によって認識される。したがって、ユーザは、システム１００、３００、６００に変更を通知することなく、第一および第二の構成の間でエンドエフェクタ９１２の位置を調整することができ、システム１００、３００、６００は、ロボット１０２の動きを軌道上にあるように適切に調整する。
この実施形態では、マーカーアレイが、システム１００、３００、６００がアセンブリを二つの異なるツールまたは二つの異なるエンドエフェクタとして認識することを可能にする固有のテンプレートと一致する二つのアセンブリ位置が存在する。これらの二つの位置の間または外側のスイベルの任意の位置では、（すなわち、それぞれ図１４Ｃおよび図１４Ｄに示すアレイテンプレート１およびアレイテンプレート２）マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄはいずれのテンプレートとも一致せず、システム１００、３００、６００は、カメラ２００、３２６によって個々のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄが検出されるにもかかわらず、存在するアレイを検出せず、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄがカメラ２００、３２６の視界から一時的にブロックされた場合と同じ結果になる。他のアレイテンプレートが、例えば、異なる器具６０８または他のエンドエフェクタ１１２、９１２などを識別する他の構成用に存在してもよいことが理解されよう。
記載された実施形態では、二つの別個の組立位置が図１４Ａおよび１４Ｂに示される。しかし、スイベルジョイント、直線ジョイント、スイベルジョイントと直線ジョイントの組み合わせ、ペグボード、または他のアセンブリ上に複数の離散的な位置が存在することが理解されよう。ここで、アレイの一つまたは複数のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの位置をお互いに調整することによってユニークなマーカーテンプレートを作成することができ、各離散的な位置は、特定のテンプレートと一致し、異なる既知の属性を有する固有のツール６０８またはエンドエフェクタ１１２、９１２を定義する。さらに、エンドエフェクタ９１２について例示されるが、移動可能な固定マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは、任意の適切な器具６０８または追跡される他のオブジェクトとともに使用されてもよいことが理解されよう。
外部３Ｄ追跡システム１００、３００、６００を使用してロボットのエンドエフェクタ１１２に取り付けられた三つ以上のマーカーの完全な剛体アレイを追跡する場合（例えば、図１３Ａおよび１３Ｂに示すように）、カメラ２００、３２６の座標系におけるロボット１０２の各セクションの３Ｄ位置を直接的に追跡するか、または計算することができる。トラッカーに対するジョイントの幾何学的な配向は設計によって既知であり、ジョイントの線形位置または角度位置は、ロボット１０２の各モータのエンコーダから既知であり、エンドエフェクタ１１２から基部１１６までのすべての可動部品の３Ｄ位置を完全に規定する。同様に、トラッカーがロボット１０２の基部１０６（図示せず）に取り付けられている場合、既知のジョイントジオメトリおよび各モータのエンコーダからのジョイント位置に基づいて、基部１０６からエンドエフェクタ１１２までのロボット１０２の各セクションの３Ｄ位置を追跡または計算することも同様に可能である。
いくつかの状況では、エンドエフェクタ１１２に固定的に取り付けられた三つ未満のマーカー１１８からロボット１０２のすべてのセグメントの位置を追跡することが望ましい場合がある。具体的には、ツール６０８がガイドチューブ１１４内に導入される場合、一つの追加のマーカー１１８のみが追跡されて、ロボット９０２の完全な剛体運動を追跡することが望ましい場合がある。
ここで図１５Ａ〜図１５Ｅを参照すると、単一の追跡マーカー１０１８のみを有するエンドエフェクタ１０１２の代替バージョンが示される。エンドエフェクタ１０１２は、本明細書に記載の他のエンドエフェクタと同様であってもよく、長手方向軸１０１６に沿って延在するガイドチューブ１０１４を含んでもよい。本明細書で説明する他の追跡マーカーと同様の単一の追跡マーカー１０１８を、ガイドチューブ１０１４にしっかりと固定することができる。この単一マーカー１０１８は、完全な剛体追跡を可能にするために欠けている自由度を追加する目的に役立ち、および／またはロボットおよびカメラの位置決めに関する仮定が有効であることを保証する監視マーカーとして機能する目的に役立ち得る。
単一追跡マーカー１０１８は、任意の好都合な方向に突出し、外科医の視界を妨げないエンドエフェクタ１０１２に対する剛性の延長部として、ロボット式エンドエフェクタ１０１２に取り付けられてもよい。追跡マーカー１０１８は、ガイドチューブ１０１４またはエンドエフェクタ１０１２上の任意の他の適切な位置に固定することができる。ガイドチューブ１０１４に取り付けられたとき、追跡マーカー１０１８は、ガイドチューブ１０１４の第一の端部と第二の端部との間の位置に配置されてもよい。例えば、図１５Ａでは、単一追跡マーカー１０１８は、ガイドチューブ１０１４から前方に延在し、ガイドチューブ１０１４の長手方向の中間点の上でかつガイドチューブ１０１４の入口の下方に位置する細いシャフト１０１７の端部に取り付けられた反射球として示される。この位置は、マーカー１０１８がカメラ２００、３２６によって全体的に見えることを可能にするだけでなく、外科医１２０の視界を妨げず、手術の近傍の他のツールまたはオブジェクトと衝突しない。さらに、この位置のマーカー１０１８を有するガイドチューブ１０１４は、ガイドチューブ１０１４に導入された任意のツール６０８上のマーカーアレイを、ガイドチューブ１０１４上の単一マーカー１０１８が見えると同時に見ることができるように設計される。
図１５Ｂに示すように、ぴったりとフィットするツールまたは器具６０８がガイドチューブ１０１４内に配置されると、器具６０８は、６つの自由度のうちの４つで機械的に拘束される。すなわち、器具６０８は、ガイドチューブ１０１４の長手方向軸線１０１６を除いて、いかなる方向にも回転させることができず、器具６０８は、ガイドチューブ１０１４の長手方向軸線１０１６に沿って以外の方向に並進することができない。言い換えれば、器具６０８は、ガイドチューブ１０１４の中心線に沿って並進移動しかつ回転させることだけができる。（１）ガイドチューブ１０１４の長手方向軸１０１６周りの回転角度、（２）ガイドチューブ１０１４に沿った位置のようにさらに二つのパラメータが既知であれば、カメラ座標系におけるエンドエフェクタ１０１２の位置が完全に定義される。
次に図１５Ｃに示すように、システム１００、３００、６００は、ツール６０８がガイドチューブ１０１４の内部に実際に配置され、代わりにガイドチューブ１０１４の外側ではなく、カメラ２００、３２６の視界のどこかにあるときを知ることができるべきである。ツール６０８は、長手方向軸または中心線６１６と、複数の追跡されるマーカー８０４を有するアレイ６１２とを有する。剛体計算を使用して、ツール６０８上のアレイ６１２の追跡位置に基づいて、ツール６０８の中心線６１６がカメラ座標系内に位置する場所を決定することができる。
単一マーカー１０１８からガイドチューブ１０１４の中心線または長手方向軸１０１６までの固定された法線（垂直）距離ＤＦは固定され、幾何学的に既知であり、単一マーカー１０１８の位置を追跡することができる。したがって、ツール中心線６１６から単一マーカー１０１８までの検出距離ＤＤが、ガイドチューブ中心線１０１６から単一マーカー１０１８までの既知の固定距離ＤＦと一致する場合、ツール６０８がガイドチューブ１０１４内にある（ツール６０８およびガイドチューブ１０１４の中心線６１６、１０１６が一致）か、またはこの距離ＤＤが固定距離ＤＦに一致する可能性のある位置の軌跡のある点に存在していることを判定できる。例えば、図１５Ｃに示すように、ツール中心線６１６から単一マーカー１０１８までの法線方向の検出距離ＤＤが、二つの位置において、透明なツール６０８によって表される両方のデータフレーム（追跡されるマーカー座標）においてガイドチューブ中心線１０１６から単一マーカー１０１８までの固定距離ＤＦと一致する。したがって、ツール６０８がガイドチューブ１０１４内に配置されるときを決定するために追加の考慮が必要とされ得る。
ここで図１５Ｄを参照すると、プログラムされたロジックを使用して、ツール６０８がガイドチューブ１０１４内を移動しているという条件を満たすよう、ツール６０８がスペース内で単一の球体１０１８に対して、ある程度の最小距離だけ移動しても、ツール中心線６１６から単一マーカー１０１８までの検出距離ＤＤが正しい長さに固定されたままである、追跡データのフレームを探すことができる。例えば、第一のフレームＦ１は、第一の位置のツール６０８によって検出され、第二のフレームＦ２は、第二の位置のツール６０８によって検出され得る（すなわち、第一の位置に対して直線的に移動される）。ツールアレイ６１２上のマーカー８０４は、第一のフレームＦ１から第二のフレームＦ２へ所与の量より多く（例えば、合計５ｍｍ超）だけ移動することができる。この移動であっても、ツール中心線ベクトルＣ’から単一マーカー１０１８までの検出距離ＤＤは、第一のフレームＦ１と第二のフレームＦ２の両方において実質的に同一である。
論理的には、外科医１２０またはユーザは、ツール６０８をガイドチューブ１０１４内に配置し、ガイドチューブ１０１４内にそれをわずかに回転させるかまたは滑り込ませることができ、システム１００、３００、６００は、ツール６０８が五つのマーカー（ツール６０８上の四つのマーカー８０４に加えガイドチューブ１０１４上の単一マーカー１０１８）から、ガイドチューブ１０１４内にあることを検知することができる。ツール６０８がガイドチューブ１０１４内にあることを知り、空間内のロボット式エンドエフェクタ１０１２の位置および配向を定める６自由度の全てを計算することができる。単一マーカー１０１８がなければ、ツール６０８がガイドチューブ１０１４内にあることが確実に分かっていても、ガイドチューブ１０１４がツールの中心線ベクトルＣ’に沿ってどこに位置するか、およびガイドチューブ１０１４が中心線ベクトルＣ’に対しどのように回転するかは不明である。
図１５Ｅで強調するように、ツール６０８上四つのマーカー８０４と合わせて単一マーカー１０１８が追跡されるので、ガイドチューブ１０１４およびツール６０８の中心線ベクトルＣ’および単一マーカー１０１８および中心線ベクトルＣ’による法線ベクトルを構築することができる。この法線ベクトルは、手首の遠位のロボットの前腕（この例では、そのセグメントに平行に配向される）に対して既知の配向であり、特定の固定位置で中心線ベクトルＣ’と交差する配向を有する。便宜上、図１５Ｅに示すように、三つの相互に直交するベクトルｋ’、ｊ’、ｉ’を構成することができ、ガイドチューブ１０１４の剛体位置および配向を画定することができる。三つの相互に直交するベクトルの一つである、ｋ’は、中心線ベクトルＣ’から構成され、第二のベクトルｊ’は、単一マーカー１０１８を通る法線ベクトルから構成され、第三のベクトルｉ’は、第一と第二のベクトルｋ’、ｊ’のベクトル積である。これらのベクトルｋ’、ｊ’、ｉ’に対するロボットのジョイント位置は、すべてのジョイントがゼロになると既知であり、固定され、したがって剛体計算を使用して、ロボットがホームポジションにいるとき、これらのベクトルｋ’、ｊ’、ｉ’に対するロボットの任意の部分の位置を決定することができる。ロボットの移動中に、ツールマーカー８０４の位置（ツール６０８がガイドチューブ１０１４内にある間）および単一マーカー１０１８の位置が追跡システムから検出され、各ジョイントの角度／直線位置がエンコーダから既知であれば、ロボットの任意の部分の位置および方向を決定することができる。
いくつかの実施形態では、ガイドチューブ１０１４に対するツール６０８の配向を固定することが有用であり得る。例えば、エンドエフェクタガイドチューブ１０１４は、マシニングまたはインプラントの位置決めを可能にするために、その軸１０１６の周りの特定の位置に向けられてもよい。ガイドチューブ１０１４内に挿入されたツール６０８に取り付けられたあらゆる物の配向は、ツール６０８上の追跡されるマーカー８０４から分かるが、ガイドチューブ１０１４上の追加の追跡マーカー１０１８（または他の実施形態では複数の追跡マーカー）がなければ、カメラ座標系におけるガイドチューブ１０１４自体の回転方向は不明である。このマーカー１０１８は、本質的に、中心線ベクトルＣ’に対するマーカー１０１８の配向に基づいて−１８０°〜＋１８０°の「クロック位置」を提供する。したがって、単一マーカー１０１８は、完全な剛体追跡を可能にする追加の自由度を提供することができ、および／またはロボットおよびカメラの位置決めに関する仮定が有効であることを保証する監視マーカーとして機能することができる。
図１６は、ロボット１０２のエンドエフェクタ１０１２（または本明細書に記載の他の任意のエンドエフェクタ）を所望の標的軌道にナビゲートおよび移動させるための方法１１００のブロック図である。ロボットエンドエフェクタ１０１２またはガイドチューブ１０１４上の単一マーカー１０１８の別の使用は、ロボット１０２に取り付けられたフル追跡アレイなしでロボット１０２の自動安全移動を可能にする方法１１００の一部である。この方法１１００は、追跡カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動しないで（すなわち、それらが固定位置にある）、追跡システムの座標系およびロボットの座標系が共に登録され、ガイドチューブ１０１４の位置および配向が、各ロボット軸の符号化された位置にのみ基づいて、ロボットのデカルト座標系において正確に決定することができるように、ロボット１０２が較正されるとき、機能する。
この方法１１００では、トラッカーとロボットの座標系を共に登録しなければならないが、これは、追跡システムのデカルト座標系からロボットのデカルト座標系への座標変換が必要であることを意味する。便宜上、この座標変換は、ロボット工学の分野で周知である４ｘ４の並進行列および回転行列であり得る。この変換はＴｃｒと呼ばれ、「変換−カメラからロボットに」を指す。この変換が分かれば、追跡される各マーカーに対しベクトル形式でｘ、ｙ、ｚ座標として受け取られる追跡データの新しいフレームに４ｘ４行列を乗算することができ、結果のｘ、ｙ、ｚ座標はロボットの座標系にある。Ｔｃｒを得るためには、ロボットのフル追跡アレイが、ロボットの座標系で既知の位置にロボットに固定的に取り付けられている間に追跡され、次いで既知の剛体法が座標の変換を計算するために使用される。ロボット１０２のガイドチューブ１０１４に挿入された任意のツール６０８は、追加のマーカー１０１８も読み取られたときに、固定的に取り付けられたアレイと同じ剛体情報を提供することができることは明らかである。すなわち、ツール６０８は、ガイドチューブ１０１４内の任意の位置に、ガイドチューブ１０１４内の任意の回転で、挿入するだけで良い。固定された位置および配向に挿入する必要はない。したがって、追跡アレイ６１２を含む任意のツール６０８をガイドチューブ１０１４に挿入し、ツールのアレイ６１２とガイドチューブ１０１４の単一マーカー１０１８とを読み取ることにより、Ｔｃｒを決定することが可能である。同時に、それぞれの軸上のエンコーダからロボットの座標系におけるガイドチューブ１０１４の現在位置を決定できる。
ロボット１０２を標的軌道にナビゲートして移動させるための論理は、図１６の方法１１００において提供される。ループ１１０２に入る前に、変換Ｔｃｒが以前に記憶されたと仮定する。したがって、ループ１１０２に入る前に、ステップ１１０４において、ロボット基部１０６が固定された後、ロボットが静止している間にガイドチューブに挿入されたツールの追跡データの一つかまたはそれ以上のフレームが格納される。ステップ１１０６において、この静的データおよび以前の較正データから、カメラ座標からロボット座標Ｔｃｒへのロボットガイドチューブ位置の変換が計算される。Ｔｃｒは、カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して動かない限り有効であるべきである。カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動し、Ｔｃｒを再取得する必要がある場合、システム１００、３００、６００は、ガイドチューブ１０１４内にツール６０８を挿入するようにユーザに促し、次いで必要な計算を自動的に実行ことができる。
方法１１００のフローチャートでは、収集されるデータの各フレームは、患者２１０上のＤＲＢ１４０４の追跡された位置、エンドエフェクタ１０１４上の単一マーカー１０１８の追跡された位置、および各ロボット軸の位置のスナップショットからなる。ロボットの軸の位置から、エンドエフェクタ１０１２上の単一マーカー１０１８の位置が計算される。この計算された位置は、追跡システムから記録されたマーカー１０１８の実際の位置と比較される。値が一致すれば、ロボット１０２が既知の位置にあることを保証することができる。変換Ｔｃｒは、ロボット１０２の標的がロボットの座標系に関して提供されるように、ＤＲＢ１４０４の追跡された位置に適用される。次いで、ロボット１０２は、標的に到達するために移動するように命令され得る。
ステップ１１０４、１１０６の後、ループ１１０２は、追跡システムからＤＲＢ１４０４の剛体情報を受信するステップ１１０８と、標的先端および軌道を画像座標から追跡システム座標に変換するステップ１１１０と、標的先端および軌道をカメラ座標からロボット座標に変換する（Ｔｃｒを適用する）ステップ１１１２とを含む。ループ１１０２はさらに、追跡システムからロボットのための単一の漂遊マーカー位置を受信するステップ１１１４と、単一の漂遊マーカーを追跡システム座標からロボット座標に変換する（格納Ｔｃｒを適用する）ステップ１１１６とを含む。ループ１１０２はまた、順運動学からロボット座標系における単一のロボットマーカー１０１８の現在位置を決定するステップ１１１８を含む。ステップ１１１６および１１１８からの情報は、変換された追跡された位置からの漂遊マーカー座標が、所定の公差よりも小さい計算された座標と一致するかどうかを決定する（ステップ１１２０）ために使用される。イエスであれば、ステップ１１２２に進み、標的ｘ、ｙ、ｚおよび軌道にロボット移動を計算して適用する。いいえの場合は、ステップ１１２４に進み、一旦停止し、処理を続行する前にガイドチューブ１０１４への完全なアレイ挿入を要求し、ステップ１１２６でアレイが挿入された後に、Ｔｃｒを再計算する。その後、ステップ１１０８、１１１４および１１１８を繰り返すように進む。
この方法１１００は、位置を確認するために単一マーカー１０１８の連続的な監視が省略される方法に優る利点を有する。単一マーカー１０１８がなければ、Ｔｃｒを使用してエンドエフェクタ１０１２の位置を決定し、エンドエフェクタ１０１２を標的位置に送信することは可能であるが、ロボット１０２が実際に予想される場所にいることを確認することはできない。例えば、カメラ２００、３２６が突き当たり、Ｔｃｒがもはや有効でない場合、ロボット１０２は誤った位置に移動することになる。このため、単一マーカー１０１８は安全性に関する価値を提供する。
ロボット１０２の所与の固定位置に対して、理論的には、追跡カメラ２００、３２６を、単一の追跡されるマーカー１０１８は、アレイではなく単一の点であるので、移動されないままである、新しい位置に移動することが可能である。そのような場合、システム１００、３００、６００は、単一マーカー１０１８の計算された位置と、追跡された位置が一致するので、何らエラーを検出しない。しかしながら、ロボットの軸がガイドチューブ１０１２を新しい位置に移動させると、計算された位置と追跡された位置は不一致となり、安全チェックが有効になる。
「監視マーカー」という用語が、例えば、ＤＲＢ１４０４に対して固定位置にある単一マーカーを参照して使用することができる。この例では、ＤＲＢ１４０４が突き当てられるか、またはそうでなければ取り外されると、監視マーカーの相対位置が変化し、外科医１２０に、ナビゲーションに問題がある可能性があることを警告することができる。同様に、本明細書に記載の実施形態では、ロボットのガイドチューブ１０１４上に単一マーカー１０１８を用いて、システム１００、３００、６００は、カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動したかどうかを連続的にチェックすることができる。カメラ２００、３２６が突き当たったり機能不全になったり、ロボットが誤動作したりするなどして、追跡システムの座標系のロボットの座標系への登録が失われた場合、システム１００、３００、６００はユーザに警告し、修正を加えることができる。したがって、この単一マーカー１０１８は、ロボット１０２に対する監視マーカーと考えることもできる。
ロボット１０２に恒久的に取り付けられたフルアレイ（例えば、図７Ａ〜７Ｃに示されるエンドエフェクタ６０２上の複数の追跡マーカー７０２）の場合、ロボット監視マーカーのような単一マーカー１０１８のそのような機能は、カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して固定位置にあることが要求されず、Ｔｃｒはロボット１０２の追跡された位置に基づいて各フレームで更新されるので、必要ではない。完全なアレイの代わりに単一マーカー１０１８を使用する理由は、完全なアレイがよりかさばってじゃまであり、それによって、単一マーカー１０１８よりも外科医の視界および外科手術領域２０８へのアクセスが妨げられ、フルアレイに対する視線が、単一マーカー１０１８に対する視線よりも容易にブロックされるからである。
ここで図１７Ａ−１７Ｂおよび図１８Ａ−１８Ｂを参照すると、固定および可動追跡マーカー８０４、８０６の両方を含むインプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃなどの器具６０８が示される。インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃは、ハンドル６２０と、ハンドル６２０から延在する外側シャフト６２２とを有してもよい。シャフト６２２は、図示されるように、ハンドル６２０に対して実質的に垂直に、または任意の他の適切な配向に配置され得る。内側シャフト６２６は、一方の端部にノブ６２８を有する外側シャフト６２２を通って延在することができる。インプラント１０、１２は、シャフト６２２に他方の端部で、当業者に公知である典型的な接続機構を使用して、インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃの先端６２４で接続する。ノブ６２８は、例えば、インプラント１０、１２を拡張させまたは関節接合させるために回転させることができる。米国特許第８，７０９，０８６号および第８，４９１，６５９号は、本明細書で参照により盛込まれるが、拡張可能な融合装置および取り付け方法を記載している。
インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃのようなツール６０８を追跡するとき、追跡アレイ６１２は、アレイ６１２を構成するまたは、そうでなければインプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃに取り付けられる、固定マーカー８０４と一つまたは複数の可動マーカー８０６の組み合わせを含むことができる。ナビゲーションアレイ６１２は、インプラントホルダ器具６０８Ｂ、６０８Ｃに対して既知の位置に配置される少なくとも一つまたは複数（例えば、少なくとも二つ）の固定位置マーカー８０４を含むことができる。これらの固定マーカー８０４は、器具の幾何学的形状に対してどの方向にも動くことができず、器具６０８が空間中でどこにあるかを定義するのに有用である。さらに、少なくとも一つのマーカー８０６が存在し、これは、固定マーカー８０４に対して所定の境界内で動くことができる（例えば、摺動、回転など）アレイ６１２または器具自体に取り付けることができる。システム１００、３００、６００（例えば、ソフトウェア）は、可動マーカー８０６の位置をインプラント１０の特定の位置、配向、または他の属性に関係づける（例えば、図１７Ａ〜１７Ｂに示す拡張可能な椎体間スペーサの高さ、図１８Ａ〜１８Ｂに示される関節のある椎体間スペーサの角度）。したがって、システムおよび／またはユーザは、可動マーカー８０６の位置に基づいてインプラント１０、１２の高さまたは角度を決定することができる。
図１７Ａ〜図１７Ｂに示す実施形態では、四つの固定マーカー８０４を使用してインプラントホルダ６０８Ｂを画定し、第五の可動マーカー８０６を所定の経路内で摺動させて、インプラント高さ（例えば、収縮位置または拡張位置）にフィードバックを提供することができる。図１７Ａは、拡張可能なスペーサ１０をその初期高さで示しており、図１７Ｂは、可動マーカー８０６が異なる位置に並進された、拡張状態のスペーサ１０を示す。この場合、可動マーカー８０６は、インプラント１０が拡張されたときに固定マーカー８０４に近づくが、この移動が逆転してもよいし、そうでなければ異なってもよいと考えられる。マーカー８０６の直線並進の量は、インプラント１０の高さに対応する。二つの位置のみが示されるが、これを連続的な機能として有することが可能であり、それにより、任意の所定の拡張高さを可動マーカー８０６の特定の位置に相関させることができる。
ここで図１８Ａ〜図１８Ｂを参照すると、四つの固定マーカー８０４がインプラントホルダ６０８Ｃを画定するために使用され、第五の可動マーカー８０６がインプラント関節角度に対してフィードバックを提供するために所定の経路内で摺動するよう構成される。図１８Ａは、関節のあるスペーサ１２をその初期線形状態で示しており、図１８Ｂは、可動マーカー８０６が異なる位置に移動されたあるオフセット角での関節動作した状態にあるスペーサ１２を示す。マーカー８０６の線形並進量は、インプラント１２の関節角度に対応する。二つの位置だけが示されるが、これを連続機能として有することが可能であり、それによって、任意の所与の関節角度が可動マーカー８０６の特定の位置に相関されることができる。
これらの実施形態では、可動マーカー８０６は、位置に基づいてインプラント１０、１２の属性に関するフィードバックを提供するために連続的に摺動する。また、インプラント属性に関するさらなる情報を提供することができる可動マーカー８０６がなければならない周到な位置が存在し得ることも考えられる。この場合、全てのマーカー８０４、８０６の周到な構成は、特定の配向または特定の高さにおける、インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃおよびインプラント１０、１２の特定の幾何学的形状と相関する。さらに、可動マーカー８０６の任意の動きは、任意の他のタイプのナビゲートされるインプラントの他の可変属性に使用することができる。
可動マーカー８０６の線形移動に関して図示および説明されるが、可動マーカー８０６は、単に摺動に限定されるべきではない。マーカー８０６の回転または他の動きがインプラント１０、１２に関する情報を提供するのに有用であり得る用途があり得る。一組の固定マーカー８０４と可動マーカー８０６との間の位置の相対的変化は、インプラント１０、１２または他のデバイスに関する関連情報となり得る。さらに、拡張可能で関節のあるインプラント１０、１２が例示されるが、器具６０８は、他の医療機器およびスペーサ、ケージ、プレート、ファスナ、釘、ねじ、ロッド、ピン、ワイヤ構造、縫合糸、アンカークリップ、ステープル、ステント、骨移植片、生物製剤、セメントなどの材料ともに機能することができる。
ここで図１９Ａを参照すると、ロボットエンドエフェクタ１１２は、他のタイプのエンドエフェクタ１１２と交換可能であることが想定される。さらに、各エンドエフェクタ１１２は、所望の外科施術に基づいて一つまたは複数の機能を実行することができると考えられる。例えば、ガイドチューブ１１４を有するエンドエフェクタ１１２は、本明細書で説明されるように器具６０８を案内するために使用されてもよい。さらに、エンドエフェクタ１１２は、例えば、外科用デバイス、器具、またはインプラントを制御する、異なるまたは代替のエンドエフェクタ１１２で置き換えることができる。
代替のエンドエフェクタ１１２は、ロボットに結合され、ロボットによって制御可能な一つまたは複数の装置または器具を含むことができる。非限定的な例として、図１９Ａに示すエンドエフェクタ１１２は、レトラクタ（例えば、米国特許第８，９９２，４２５号および第８，９６８，３６３号に開示される一つまたは複数のレトラクタ）、または以下のような外科用デバイスを挿入または設置するための一つまたは複数の機構を含むことができる。それは、拡張可能な椎間融合装置（米国特許第８，８４５，７３４号、第９，５１０，９５４号、および第９，４５６，９０３号に例示される拡張可能インプラントなど）、スタンドアロンの椎間融合装置（米国特許第９，３６４，３４３号および第９，４８０，５７９号に例示されるようなインプラントなど）、拡張可能な骨切除装置（米国特許第９，３９３，１２８号および第９，１７３，７４７号に例示される骨矯正インプラントなど）、関節のあるスペーサ（米国特許第９，２５９，３２７号に例示されるインプラントなど）、ファセットプロテーゼ（米国特許第９，５３９，０３１号に例示されるデバイスなど）、椎弓形成術装置（米国特許第９，４８６，２５３号に例示されたデバイスなど）、棘突起スペーサ（米国特許第９，５９２，０８２号に例示されるインプラントなど）、インフレータブル製品、多軸スクリュー、一平面スクリュー、椎弓根スクリュー、ポストスクリューなどを含むファスナ、骨固定プレート、ロッド構築物および変更デバイス（米国特許第８，８８２，８０３号に例示されるデバイスなど）、人工および天然ディスク、動作保存装置、インプラント、および脊髄刺激装置（米国特許第９，４４０，０７６号に例示される装置など）、ならびに他の外科用デバイスである。エンドエフェクタ１１２は、骨セメント、骨移植片、生きた細胞、医薬品、または外科手術標的への他の送達物を提供するために、ロボットに直接的または間接的に結合された一つまたは複数の器具を含むことができる。エンドエフェクタ１１２はまた、椎間板切除術、脊柱後弯形成、椎骨縫合、拡張、または他の外科施術を行うために設計された一つまたは複数の器具を含むことができる。
エンドエフェクタそれ自体および／またはインプラント、デバイスまたは器具は、マーカー１１８の場所および位置が三次元で識別されるように、一つまたは複数のマーカー１１８を含むことができる。マーカー１１８は、カメラ２００に直接的または間接的に視認可能な、本明細書に記載される能動または受動マーカー１１８を含むことができると考えられる。したがって、例えば、インプラント１０上に配置された一つまたは複数のマーカー１１８は、インプラント前、インプラント中およびインプラント後のインプラント１０の追跡を提供することができる。
図１９Ｂに示すように、エンドエフェクタ１１２は、ロボットアーム１０４に結合された器具６０８またはその一部を含むことができ（例えば、器具６０８は、図９Ａ〜図９Ｃに示す結合機構によってロボットアーム１０４に結合され得る）、ロボットシステム１００によって制御可能である。したがって、図１９Ｂに示す実施形態では、ロボットシステム１００は、インプラント１０を患者に挿入し、拡張可能インプラント１０を拡張または収縮させることができる。したがって、ロボットシステム１００は、外科医を補助するか、または部分的にまたは完全に独立して動作するように構成することができる。したがって、ロボットシステム１００は、その特定の機能または外科施術のために各代替エンドエフェクタ１１２を制御することができることが想定される。
ここで図２０および２１を参照すると、ロボットシステム（手術用ロボットシステム１００など）と併用するためのプローブ２１００の実施形態が説明される。発明者は、安定化ロッドが通過している、複数の脊椎固定要素を有する脊椎固定システムでは、安定化ロッドが適切に曲がることが、脊椎の正しい曲率を達成するのに重要であることを発見した。ところが、従来の曲げ技術によって、脊椎固定要素を通過する安定化ロッドの一部分が曲がる場合がある。結果として、安定化ロッドのその部分が、脊椎固定要素内で適切に着座し、ロックされないため、安定化に悪影響を及ぼす。したがって、発明者らは、所定構成に曲げられた安定化ロッドが決められた位置（すなわち、脊椎固定要素の位置）では直線のままであるように、患者に埋められた固定装置の位置を決定するためのロボットシステムと併用されるプローブ２１００を開発した。結果として、安定化ロッドは有利なことに、それぞれの脊椎固定要素内で同一平面に着座し、その中に適切に固定される。
図２０は、本発明のプローブを使用し得る例示的な脊椎固定要素２０００を図示する。脊椎固定要素２０００は例示のみのものであり、プローブは、曲げを必要とする安定化ロッドを利用する任意の脊椎固定システムと併用され得ることに留意されたい。いくつかの実施形態では、脊椎固定要素２０００は、キャップ２０１０と、連結本体２０２０と、締結具２０３０とを有する多軸ねじアセンブリを含む。キャップ２０１０は、略円筒形の形状である。二つの突出部２０１２、２０１４（目視不可）は、略円筒形キャップ２０１０の外周側壁２０１１に沿っている。各突出部は、キャップ側壁２０１１の周囲に部分的に延在する。突出部２０１２、２０１４は、下述のように、挿入時に突出部２０１２、２０１４が連結本体チャネル２０３４、２０３６の中へと回転することができる位置に、側壁２０１１に沿って配置される。
図２０に示すように、連結本体２０２０も図示されている。本発明の実施形態では、連結本体２０２０は、上位方向に長軸方向に延在する、二つの上向きに延在するアーム２０２２、２０２４を含む。連結本体は、上向きに延在するアーム２０２２、２０２４に形成され、距離２０５０だけ分離された、二つのスロット２０２６、２０２８を有する。二つのスロット２０２６、２０２８は、細長いロッド（図示せず）を受けるように構成される。連結本体２０２０のアーム２０２２、２０２４は、内面および外面を有する。アーム２０２２、２０２４の内面２０２３、２０２５はそれぞれ、チャネルまたは溝と共に構成される。アーム２０２２、２０２４の上面２０３１、２０３３に形成された凹部２０２７、２０２９もまた、図２０に示される。凹部２０２７、２０２９は、アーム２０２２、２０２４の側壁２０２３、２０２５へ、内側に延在する。凹部２０２７、２０２９は、キャップが連結本体２０２０に挿入されると、キャップ２０１０のリップまたはリム２０１６、２０１８を受容するよう設計されている。このように、設計は、連結本体への挿入後、キャップを長軸方向に所定位置に位置付ける機構または機能を提供する。脊椎固定要素２０００の位置決め特徴は、キャップの突出部を連結本体のチャネルに整列させる。
ここで図２１を参照すると、外科手術手技の前またはその間に、ナビゲーション空間および撮像空間の両方において、患者内に埋め込まれた脊椎固定要素（例えば、脊椎固定要素２０００）の位置を登録するために、登録手順を実施し得る。このような登録を実施するため、プローブ２１００を使用してもよい。プローブ２１００は、近位端２１０４および遠位端２１０６を有するシャフト２１０２を含む。プローブヘッド２１０８は、シャフト２１０２の遠位端２１０６に連結され、シャフト２１０２に対して横断方向に延在する。いくつかの実施形態では、プローブヘッド２１０８は、シャフト２１０２に対して垂直である。プローブ２１００の位置を追跡するため、追跡アレイ２１１２は、シャフト２１０２の近位端２１０４に連結される。追跡アレイ２１１２は、所定構成に配置された一つまたは複数の追跡マーカー２１１０を含む。追跡アレイ２０１２は、プローブ２１００の位置および配向を監視するよう、シャフト２１０２上に取り付けられる。追跡マーカー２１１０は、例えば、発光ダイオードおよび／または他のタイプの反射マーカー（例えば、本明細書の別の場所で説明したマーカー１１８）であってもよい。追跡装置は、手術用ロボットシステムに関連する一つまたは複数の視線装置であってもよい。例として、追跡装置は、手術用ロボットシステム１００、３００に関連する一つまたは複数のカメラ２００、３２６であってもよく、様々な実施形態（ロボットアーム６０４、ロボット基部６１０、エンドエフェクタ６０２、および／または患者２１０）に関連したプローブ２１００の定義された領域または相対的な配向について追跡アレイ２１１２を追跡してもよい。追跡装置は、カメラスタンド３０２および追跡サブシステム５３２に関連して説明した構造と一致していてもよい。
図２１Ｃおよび図２１Ｄに示すように、プローブヘッド２１０８は、直径２１１４および長さ２１１６を有する。プローブヘッド２１０８の長さ２１１６は、プローブヘッドの第一の端２１１５と第二の端２１１７との間の距離である。いくつかの実施形態では、直径２１１４は、脊椎安定化システムで使用される安定化ロッド（図示せず）の直径と等しく、長さ２１１６は、脊椎固定要素２０００の二つのスロット２０２６と２０２８との間の距離２０５０と等しい。このように構成された直径２１１４と長さ２１１６とを有することにより、安定化ロッドが脊椎固定要素２０００を通過する位置の最も正確な測定値を提供する。具体的には、プローブヘッド２１０８の長さ２１１６は距離２０５０と等しいため、ロボットシステムは、安定化ロッドが脊椎固定要素２０００に入る場所（例えば、スロット２０２６）、および、脊椎固定要素２０００から出る場所（例えば、スロット２０２８）を認識することができる。このように、プローブヘッド２１０８の第一の端２１１５は、スロット２０２６、２０２８のうちの一つに配置され、第二の端２１１７は、スロット２０２６、２０２８のうちの他方に配置される。
様々なサイズの脊椎固定要素が脊椎固定システムで利用され得るため、対応する複数の、様々なサイズのプローブ２１００が同様にあってもよく、ロボットシステムがどのサイズのプローブ２１００が使用されているかを特定できるように、それぞれが追跡マーカー２１１０の異なる構成を備える。いくつかの実施形態では、シャフト２１０２およびプローブヘッド２１０８は、代替的に、追跡アレイ２１１２に互換可能に連結されてもよい。こうした実施形態では、こうした実施形態における追跡マーカー２１１０の構成は変化しないままであるため、それぞれの交換可能なシャフト／プローブヘッドの寸法は、ロボットシステムに手動で入力されることになる。
図２２は、脊椎固定要素の位置を決定するための例示的方法２２００を提供する。方法２２００は、ステップ２２０２から始まり、標的解剖学的構造のグラフィカル表現（または画像）をシステム１００、３００、６００、例えばコンピュータ４０８にインポートすることができる。このグラフィカル表現は、プローブ２１００および検出可能な追跡マーカーの撮像パターン２１１０を含む、患者２１０の標的解剖学的構造の三次元ＣＴまたは蛍光透視スキャンであってもよい。
ステップ２２０４では、マーカー２１１０を認識することによって、プローブ２１００のナビゲーションパターンが検出され、登録される。マーカー２１１０は、位置センサ５４０を介して追跡サブシステム５３２によって赤外線によってナビゲーション空間内で認識される光学マーカーであってもよい。したがって、プローブ２１００および標的解剖学的構造の位置、配向、および他の情報がナビゲーション空間に登録される。したがって、プローブ２１００は、画像空間およびマーカー２１１０の使用によるナビゲーション空間の両方で認識され得る。
ステップ２２０６では、プローブ２１００のプローブヘッド２１０８は、脊椎安定化システムの脊椎固定要素（例えば、脊椎固定要素２０００）内に配置される。続いて、ステップ２２０８では、上述のように、プローブ２１００の位置および配向が、マーカー２１１０、追跡サブシステム５３２、および位置センサ５４０を使用して記録される。ステップ２２０６および２２０８は、脊椎安定化システムのすべての脊椎固定要素の位置が登録されるまで繰り返される。
ステップ２２１０では、脊椎固定要素の位置を利用して、ステップ２２０６および２２０８で決定される脊椎固定要素の位置においてロッドの直接性（すなわち、直線性）を維持しながら、ロッドがどのように所望の構成に曲げられるかを決定する。最後に、ステップ２２１２において、ロッドが所望の構成に曲げられる。
本明細書に記載されるロボットおよび関連するシステムは、背骨用途を参照して一般に説明されるが、ロボットシステムは、他の外科手術への適用において使用されるように構成される。他の外科手術には、外傷の手術または他の整形外科手術（例えば、髄内釘、プレートなどの配置）、頭蓋、神経、心胸郭、血管、結腸直腸、腫瘍学、歯科および他の外科手術および処置が挙げられるが、これらに限定されない。
本発明のいくつかの実施形態が前述の明細書に開示されているが、本発明の多くの変更および他の実施形態が、発明に関係することが想定され、前述の説明および関連する図面に提示された教示の利益を享受する。したがって、本発明は、上に開示された特定の実施形態に限定されず、多くの修正および他の実施形態が添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されることが理解される。一実施形態の特徴は、本明細書に記載された異なる実施形態の特徴と組み合わせることができ、または使用することがさらに想定される。さらに、特定の用語が、本明細書および以下の特許請求の範囲で用いられているが、それらは包括的で説明的な意味でのみ使用され、記載された発明および以下の特許請求の範囲を限定する目的で使用されるものではない。本明細書に引用された各特許および公報の開示全体は、あたかもそのような各特許または特許公報が参照により個々に本明細書に組み込まれているかのように、その全体が参照により組み込まれる。本発明の様々な特徴および利点が、下記の特許請求の範囲に記載されている。

Claims (16)

  1. 手術用ロボットシステムであって、
    ロボット基部を有するロボットと、前記ロボット基部に連結されたロボットアームと、 椎体上に締結システムを設置するために前記ロボットアームに接続するように適合された外科用器具と、
    前記ロボットと通信するナビゲーションシステムと、
    プローブと、を備え、
    前記締結システムは、締結具と、前記締結具に連結された連結本体とを含み、第１のスロットおよび第２のスロットを定義するための上向きに延在するアームのペアを有し、
    前記プローブが、
    近位端と遠位端とを有するシャフトと、
    前記シャフトの前記遠位端に連結されたプローブヘッドであって、前記シャフトを横断して延在し、前記連結本体に挿入され、前記第１のスロットと前記第２のスロットとの間に収まるサイズとなるように構成されたプローブヘッドと、
    前記シャフトに連結され、前記ナビゲーションシステムにより追跡されるように構成された追跡アレイと、を備える、手術用ロボットシステム。
  2. 前記追跡アレイが、所定構成に配置された複数の追跡マーカーを含む、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記システムが、複数のプローブを含み、それぞれが異なるサイズのプローブヘッドを有する、請求項２に記載のシステム。
  4. 前記複数のプローブがそれぞれ、前記複数のプローブの他方とは異なる構成の追跡マーカーを有する、対応する追跡アレイを含む、請求項３に記載のシステム。
  5. 異なるシャフトおよびプローブヘッドが前記追跡アレイに連結され得るよう、前記シャフトおよびプローブヘッドが互換可能であり、前記異なるシャフトおよびプローブヘッドが、異なるサイズのプローブヘッドを有する、請求項１に記載のシステム。
  6. 前記プローブヘッドが、前記シャフトに垂直である、請求項１に記載のシステム。
  7. 前記プローブヘッドの直径が、安定化ロッドの直径と等しくなるように構成される、請求項１に記載のシステム。
  8. 前記プローブヘッドの長さが、前記連結本体に形成された二つのスロットの間の距離と等しくなるように構成される、請求項１に記載のシステム。
  9. 手術用ロボットシステムで使用するためのプローブであって、前記プローブが、
    近位端と遠位端とを有するシャフトと、
    前記シャフトの前記遠位端に連結されたプローブヘッドであって、前記シャフトを横断して延在し、椎体上に設置された締結システムであって、第１のスロットおよび第２のスロットを定義するための上向きに延在するアームのペアを有する締結システムに、締結具とともに含まれる、前記締結具に連結された連結本体に挿入され、前記第１のスロットと前記第２のスロットとの間に収まるサイズとなるように構成されたプローブヘッドと、
    前記シャフトに連結され、前記手術用ロボットシステムが備えるロボットと通信するナビゲーションシステムにより追跡されるように構成された追跡アレイと、を備える、プローブ。
  10. 前記追跡アレイが、所定構成に配置された複数の追跡マーカーを含む、請求項９に記載のプローブ。
  11. 前記システムが、複数のプローブを含み、それぞれが異なるサイズのプローブヘッドを有する、請求項１０に記載のプローブ。
  12. 前記複数のプローブがそれぞれ、前記複数のプローブの他方とは異なる構成の追跡マーカーを有する、対応する追跡アレイを含む、請求項１１に記載のプローブ。
  13. 異なるシャフトおよびプローブヘッドが前記追跡アレイに連結され得るよう、前記シャフトおよびプローブヘッドが互換可能であり、前記異なるシャフトおよびプローブヘッドが、異なるサイズのプローブヘッドを有する、請求項９に記載のプローブ。
  14. 前記プローブヘッドが、前記シャフトに垂直である、請求項９に記載のプローブ。
  15. 前記プローブヘッドの直径が、安定化ロッドの直径と等しくなるように構成される、請求項９に記載のプローブ。
  16. 前記プローブヘッドの長さが、前記連結本体に形成された二つのスロットの間の距離と等しくなるように構成される、請求項９に記載のプローブ。
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