JP6894466B2 - 外科手術のロボットガイダンスに関連するシステムおよび方法 - Google Patents
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Description
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、および2018年1月10日に出願された仮出願代62/615,492号に対する優先権を主張し、これらの全てはその全体が本明細書に組み込まれる。
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上に位置決めされたカメラ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、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(図2の患者追跡装置116の一部として示され、図13A−13Bの拡大図によって示される)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ステレオ写真カメラ)などの適切な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、および/または、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。
図20は、一部の実施形態に従って作動するよう構成された手術用ロボットシステム100に接続された、外科手術インプラント計画コンピュータ2000を含む、外科手術システムのブロック図を示す。外科手術インプラント計画コンピュータ2000は、外科手術インプラント装置カタログサーバ2010に接続して、異なる寸法の骨ねじなどの外科手術インプラント装置の入手可能なタイプおよび特性を定義する情報を得ることができ、またさらに接続して患者医療画像サーバ2020から画像を取得することができ、接続して医療モデル画像サーバ2030からの解剖学的モデル画像を取得することができる。
図26は、一部の例示的な実施形態に従って動作するように構成された外科手術インプラント計画コンピュータ2000の構成要素のブロック図を示す。コンピュータ2000は、ディスプレイ装置2630、無線および/または有線ネットワークインターフェース回路2640、少なくとも一つのプロセッサ回路2610(プロセッサ)、および少なくとも一つのメモリ回路2620(メモリ)を含みうる。プロセッサ2610は、メモリ2620、ディスプレイ装置2630、およびネットワークインターフェース回路2640に接続される。メモリ2620は、プロセッサ2610により実行されるプログラムコード2622を保存し、動作を実行する。プロセッサ2610は、一般的な目的および/または専用の目的プロセッサ(例えば、マイクロプロセッサおよび/またはデジタル信号プロセッサ)などの一つまたは複数のデータ処理回路を含んでもよく、一つまたは複数のデータネットワークにわたって配置または分配されてもよい。プロセッサ2610は、コンピュータ可読媒体として以下に記述されるメモリ2620のプログラムコード2622間のコンピュータプログラム命令を実行し、外科手術インプラント計画コンピュータ2000について本明細書に開示される一つまたは複数の実施形態について、いくつかまたはすべての動作および方法を実行するように構成される。ネットワークインターフェース回路2640は、有線ネットワーク(例えば、イーサネット、USBなど)および/または無線ネットワーク(例えば、Wi−Fi、Bluetooth(登録商標)、携帯など)を介して、サーバ2010、2020、および/または2030などの別の電子装置、および手術用ロボットシステム100と通信するように構成される。
本発明の概念の様々な実施形態の上記の説明において、本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明する目的のみのものであり、本発明の概念を限定するものではないことを理解されたい。他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての用語(技術用語および科学用語を含む)は、本発明の概念が属する当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書に定義されているもののような用語は、明細書および関連技術の文脈における意味と一致する意味と有すると解釈されるべきであり、本明細書において明確に定義されていない限り、理想的または過度に形式的に解釈されるうべきではないことも理解されよう。
Claims (18)
- 患者の骨に対して外科手術インプラント装置を配置するための外科手術インプラント計画コンピュータによる方法であって、
前記患者の前記骨とは異なる代表的な骨の第一の画像を取得することと、
前記外科手術インプラント装置上の一組の位置と、移植後の前記外科手術インプラント装置のための前記第一の画像の前記代表的な骨に対する対応する一組の位置との間のマッピングを定義するデータを含む初期位置データ構造を取得することと、
前記患者の前記骨の標的画像を取得することと、
前記第一の画像の前記代表的な骨の一部分の輪郭を変形する変形マトリクスを生成して、前記標的画像の前記骨の対応する部分の輪郭に適合するように定義された規則を満たすことと、
前記変形マトリックスを前記初期位置データ構造に適用することに基づいて変形した位置データ構造を生成することと、
前記変形した位置データ構造に基づいて決定された前記骨の前記標的画像上の位置にオーバーレイされた前記外科手術インプラント装置のグラフィカル表現を表示することと、
前記標的画像の前記骨の表面に対する前記外科手術インプラント装置の貫通の深さおよび前記貫通の角度を定義する一連の規則を取得することと、
前記一組の規則に応答し、前記外科手術インプラント装置の前記グラフィカル表現が、前記骨の前記標的画像上のオーバーレイとして表示される場所を調節することと、を含む、方法。 - 前記外科手術インプラント装置が、外科手術ねじを備え、
前記初期位置データ構造の前記データに基づいて、前記第一の画像の前記代表的な骨に対する前記外科手術ねじの先端およびテール位置を決定することをさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記変形マトリクスの前記生成が、
前記第一の画像の前記代表的な骨の前記部分の前記輪郭のサイズおよび/または回転角度を変更して、前記標的画像の前記骨の前記対応する部分の前記輪郭のサイズおよび/または回転角度に適合するように、前記定義された規則を満たすことを含む、請求項1に記載の方法。 - 前記第一の画像の前記代表的な骨の複数の部分の輪郭の前記サイズおよび/または前記回転角度の前記変更を繰り返して、前記標的画像の前記骨の対応する複数の部分の輪郭の前記サイズおよび/または前記回転角度に適合するように前記定義された規則を満たすことをさらに含む、請求項3に記載の方法。
- 前記第一の画像の前記代表的な骨の前記部分の前記輪郭の前記サイズおよび/または前記回転角度の前記変更が、
前記第一の画像の前記代表的な骨の前記部分の前記輪郭の前記サイズおよび/または前記回転角度の最適変形を適用して、前記標的画像の前記骨の前記対応する部分の前記輪郭の前記サイズおよび/または前記回転角度に適合するように、前記定義された規則を満たすことを含み、
前記最適変形は、前記第一の画像の前記代表的な骨の前記部分の前記輪郭の前記サイズおよび/または前記回転角度を変更して、前記標的画像の前記骨の前記対応する部分の前記輪郭の前記サイズおよび/または前記回転角度に一致させるように設定されている、請求項3に記載の方法。 - 前記第一の画像の前記代表的な骨の前記部分の前記輪郭の前記サイズおよび/または前記回転角度の前記変更が、
前記第一の画像の前記代表的な骨の前記部分の前記輪郭の前記サイズおよび/または前記回転角度のアフィン変形を適用して、前記標的画像の前記骨の前記対応する部分の前記輪郭の前記サイズおよび/または前記回転角度に適合するように、前記定義された規則を満たすことを含む、請求項3に記載の方法。 - 前記変形マトリクスを前記初期位置データ構造に適用することに基づいて、前記変形した位置データ構造の前記生成が、
前記初期位置データ構造で定義された前記外科手術インプラント装置上の前記一組の位置の第一の位置に対し、前記変形マトリクスを適用して、移植後の前記外科手術インプラント装置のための前記第一の画像における前記代表的な骨に対して前記初期位置データ構造によって画定される前記対応する一組の位置の対応する第一の位置を、前記標的画像の前記骨に対して画定される変形した第一の位置に変形することと、
前記変形した位置データ構造に、前記変形した第一の位置を、前記外科手術インプラント装置上の前記一組の位置の前記第一の位置と関連付けて保存することとを含む、請求項1に記載の方法。 - 前記第一の画像の前記代表的な骨の別の部分の輪郭を変形する別の変形マトリクスを生成して、前記標的画像内の前記骨の対応する別の部分の輪郭に適合するように定義された規則を満たすことと、
前記変形マトリクスを前記初期位置データ構造に適用することに基づいて、前記変形した位置データ構造の前記生成が、
前記初期位置データ構造で定義された前記外科手術インプラント装置上の前記一組の位置の第二の位置に対し、前記別の変形マトリクスを適用して、移植後の前記外科手術インプラント装置のための前記第一の画像における前記代表的な骨に対して前記初期位置データ構造によって画定される前記対応する一組の位置の対応する第二の位置を、前記標的画像の前記骨に対して画定される変形した第二の位置に変形することと、
前記変形した位置データ構造に、前記変形した第二の位置を、前記外科手術インプラント装置上の前記第二の前記位置と関連付けて保存することとをさらに含む、請求項7に記載の方法。 - 前記外科手術インプラント装置が、前記外科手術インプラント装置が前記第一の画像の前記代表的な骨に移植された後における前記第一の画像の前記代表的な骨に対して前記初期位置データ構造で定義される先端位置をおよびテール位置を有する外科手術ねじを備え、
前記変形マトリクスを前記初期位置データ構造に適用することに基づいて、前記変形した位置データ構造の前記生成が、
前記第一の画像の前記代表的な骨の第一の部分の輪郭を変形する第一の変形マトリクスを生成して、前記標的画像の前記骨の対応する第一の部分の輪郭に適合するように前記定義された規則を満たすことと、
前記初期位置データ構造で定義された前記外科手術ねじ上の前記先端位置に対し、前記第一の変形マトリクスを適用して、前記外科手術インプラント装置が移植された後における前記第一の画像の前記代表的な骨に対して前記初期位置データ構造によって画定される対応する第一の位置を、前記標的画像の前記骨に対して画定される変形した第一の位置に変形することと、
前記変形した位置データ構造に、前記変形した第一の位置を、前記外科手術ねじ上の前記先端位置と関連付けて保存することと、
前記第一の画像の前記代表的な骨の第二の部分の輪郭を変形する第二の変形マトリクスを生成して、前記標的画像の前記骨の対応する第二の部分の輪郭に適合するように定義された規則を満たすことと、
前記初期位置データ構造で定義された前記外科手術ねじ上の前記テール位置に対し、前記第二の変形マトリクスを適用して、前記外科手術インプラント装置が移植された後における前記第一の画像の前記代表的な骨に対して前記初期位置データ構造によって画定される対応する第二の位置を、前記標的画像の前記骨に対して画定される変形した第二の位置に変形することと、
前記変形した位置データ構造に、前記変形した第二の位置を、前記外科手術ねじ上の前記テール位置と関連付けて保存することと、を含む、請求項7に記載の方法。 - 前記外科手術インプラント装置が、前記第一の画像の前記代表的な骨に対して前記初期位置データ構造によって定義される先端位置をおよびテール位置を有する外科手術ねじを備え、
前記変形マトリクスを前記初期位置データ構造に適用することに基づく前記変形した位置データ構造の前記生成が、前記変形マトリクスに基づいて、前記標的画像の前記骨に対して画定される前記外科手術ねじの前記先端位置とテール位置との間の距離をスケーリングすることを含む、請求項1に記載の方法。 - 前記変形マトリクスを前記初期位置データ構造に適用することに基づいて、前記変形した位置データ構造の前記生成が、
前記外科手術ねじの前記先端位置と前記テール位置との間の前記距離の前記スケーリングに基づいて、前記外科手術ねじの直径をスケールすることをさらに含む、請求項10に記載の方法。 - 前記変形した位置データ構造を手術用ロボットシステムに提供して、前記変形した位置データ構造のデータに基づいて、前記患者の前記骨上の位置に対して前記手術用ロボットシステムの外科手術エンドエフェクタの位置決めを制御することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記骨の前記標的画像の基準座標系における前記変形した位置データ構造によって画定された位置を、前記外科手術エンドエフェクタの別の基準座標系に変形することと、
前記外科手術エンドエフェクタの前記手術用ロボットシステムによって移動を制御して、前記変形した位置に基づいて前記患者の前記骨の前記位置に対して前記外科手術エンドエフェクタを位置決めし、前記患者の前記骨における前記外科手術インプラント装置の移植を容易にすることをさらに含む、請求項12に記載の方法。 - 外科手術インプラント計画コンピュータであって、
少なくとも一つのネットワークサーバに接続された少なくとも一つのネットワークインターフェースと、
ディスプレイ装置と、
少なくとも一つのネットワークインターフェースおよび前記ディスプレイ装置に接続された少なくとも一つのプロセッサと、
少なくとも一つのメモリを備え、前記少なくとも一つのプロセッサによって実行されるプログラム命令を記憶して、動作を実行する少なくとも一つのメモリは、
前記少なくとも一つのサーバから前記少なくとも一つのネットワークインターフェースを介して代表的な骨の第一の画像を取得することと、
前記少なくとも一つのサーバから前記少なくとも一つのネットワークインターフェースを介して、外科手術インプラント装置上の一組の位置と、移植後の前記外科手術インプラント装置のための前記第一の画像の前記代表的な骨に対する対応する一組の位置との間のマッピングを定義するデータを含む初期位置データ構造を取得することと、
前記少なくとも一つのサーバから前記少なくとも一つのネットワークインターフェースを介して、前記外科手術インプラント装置が配置される患者の骨の標的画像を取得することと、
前記第一の画像の前記代表的な骨の一部分の輪郭を変形する変形マトリクスを生成して、前記標的画像の前記骨の対応する部分の輪郭に適合するように定義された規則を満たすことと、
前記変形マトリックスを前記初期位置データ構造に適用することに基づいて変形した位置データ構造を生成することと、
前記変形した位置データ構造に基づいて決定された前記骨の前記標的画像上の位置にオーバーレイされた前記外科手術インプラント装置のグラフィカル表現を前記ディスプレイ装置上に表示することと、
前記標的画像の前記骨の表面に対する前記外科手術インプラント装置の貫通の深さおよび前記貫通の角度を定義する一連の規則を取得することと、
前記一組の規則に応答し、前記外科手術インプラント装置の前記グラフィカル表現が、前記骨の前記標的画像上のオーバーレイとして表示される場所を調節することと、を含む、外科手術インプラント計画コンピュータ。 - 前記外科手術インプラント装置が、前記第一の画像の前記代表的な骨に対して前記初期位置データ構造によって定義される先端位置をおよびテール位置を有する外科手術ねじを備え、
前記変形マトリクスを前記初期位置データ構造に適用することに基づく前記変形した位置データ構造の前記生成が、前記変形マトリクスに基づいて、前記標的画像の前記骨に対して画定される前記外科手術ねじの前記先端位置とテール位置との間の距離をスケーリングすることを含む、請求項14に記載の外科手術インプラント計画コンピュータ。 - 前記変形した位置データ構造を、少なくとも一つのネットワークインターフェースを介して、手術用ロボットシステムに提供して、前記変形した位置データ構造のデータに基づいて、前記患者の前記骨上の位置に対して前記手術用ロボットシステムの外科手術エンドエフェクタの位置決めを制御することをさらに含む、請求項14に記載の外科手術インプラント計画コンピュータ。
- 外科手術システムであって、
外科手術インプラント計画コンピュータであって、
少なくとも一つのネットワークサーバに接続された少なくとも一つのネットワークインターフェースと、
ディスプレイ装置と、
少なくとも一つのネットワークインターフェースおよび前記ディスプレイ装置に接続された少なくとも一つのプロセッサと、
少なくとも一つのメモリを備え、前記少なくとも一つのプロセッサによって実行されるプログラム命令を記憶して、動作を実行する少なくとも一つのメモリは、
前記少なくとも一つのサーバから前記少なくとも一つのネットワークインターフェースを介して代表的な骨の第一の画像を取得することと、
前記少なくとも一つのサーバから前記少なくとも一つのネットワークインターフェースを介して、外科手術インプラント装置上の一組の位置と、移植後の前記外科手術インプラント装置のための前記第一の画像の前記代表的な骨に対する対応する一組の位置との間のマッピングを定義するデータを含む初期位置データ構造を取得することと、
前記少なくとも一つのサーバから前記少なくとも一つのネットワークインターフェースを介して、前記外科手術インプラント装置が配置される患者の骨の標的画像を取得することと、
前記第一の画像の前記代表的な骨の一部分の輪郭を変形する変形マトリクスを生成して、前記標的画像の前記骨の対応する部分の輪郭に適合するように定義された規則を満たすことと、
前記変形マトリックスを前記初期位置データ構造に適用することに基づいて変形した位置データ構造を生成することと、
前記変形した位置データ構造に基づいて決定された前記骨の前記標的画像上の位置にオーバーレイされた前記外科手術インプラント装置のグラフィカル表現を前記ディスプレイ装置上に表示することと、
前記標的画像の前記骨の表面に対する前記外科手術インプラント装置の貫通の深さおよび前記貫通の角度を定義する一連の規則を取得することと、
前記一組の規則に応答し、前記外科手術インプラント装置の前記グラフィカル表現が、前記骨の前記標的画像上のオーバーレイとして表示される場所を調節することと、を含み、
手術用ロボットシステムであって、
外科手術エンドエフェクタを位置付けるように構成されたロボットアームと、
前記ロボットアームに接続されたコントローラであって、動作を実行するように構成された前記コントローラが、
前記骨の前記標的画像の基準座標系における前記変形した位置データ構造によって画定された位置を、前記外科手術エンドエフェクタの別の基準座標系に変形することと、
前記外科手術エンドエフェクタの移動を制御して、前記変形した位置に基づいて前記患者の前記骨の位置に対して前記外科手術エンドエフェクタを位置決めし、前記患者の前記骨における前記外科手術インプラント装置の移植を容易にすることを含む、コントローラを備える、手術用ロボットシステムと、を備える、外科システム。 - 前記外科手術インプラント装置が、前記第一の画像の前記代表的な骨に対して前記初期位置データ構造によって定義される先端位置をおよびテール位置を有する外科手術ねじを備え、
前記変形マトリクスを前記初期位置データ構造に適用することに基づく前記変形した位置データ構造の生成する前記動作が、前記変形マトリクスに基づいて、前記標的画像の前記骨に対して画定される前記外科手術ねじの前記先端位置とテール位置との間の距離をスケーリングすることを含み、
前記外科手術エンドエフェクタの移動を制御する前記動作が、前記変形した位置に基づいて前記患者の前記骨の位置に対して前記外科手術エンドエフェクタを位置決めし、前記患者の前記骨における前記外科手術インプラント装置の移植を容易にする、請求項17に記載の外科手術システム。
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