JP6944939B2

JP6944939B2 - 仮想オブジェクトにより規定される患者の標的部位に対して外科手術を行うシステムおよび方法

Info

Publication number: JP6944939B2
Application number: JP2018534657A
Authority: JP
Inventors: マラコウスキー，ドナルド・ダブリュー
Original assignee: ストライカー・コーポレイション
Priority date: 2015-12-31
Filing date: 2016-12-29
Publication date: 2021-10-06
Anticipated expiration: 2036-12-29
Also published as: CN108472096A; US20200281663A1; WO2017117369A1; AU2016380277A1; US11103315B2; AU2022201768B2; AU2022201768A1; KR20180099702A; EP3397188B1; JP2022002711A; JP2019501718A; EP3397188A1; CN113925610A; EP3777749A3; US10667868B2; CN108472096B; CA3009787A1; US20240000518A1; EP3777749A2; US11806089B2

Description

［関連出願］
本出願は２０１５年１２月３１日に出願した米国特許仮出願第６２／２７３５４３号の優先権の利益を主張するものであり、そのすべての開示内容は参照することにより本明細書の一部をなすものとする。

［発明の分野］
本開示は、一般的に、仮想オブジェクトにより規定される患者の標的部位に対して外科手術を行うシステムおよび方法に関する。

ナビゲーションシステムは、ユーザが対象物の位置を正確に特定することを支援するものである。例えば、ナビゲーションシステムは、工業用途や、航空宇宙用途、医療用途で使用されている。医療分野においては、ナビゲーションシステムは、外科医が患者の標的部位に対して外科器具を正確に配置するのを支援する。通常、標的部位は、組織除去などの何らかの形の治療を必要としている部位である。場合によっては、標的部位は、３Ｄモデルなどの仮想オブジェクトを使用してナビゲーションシステムにおいて規定される。その場合、外科手術中に仮想オブジェクトの表現形をユーザに表示することにより、標的部位に対する器具の治療端の位置をユーザが視覚的に捉えるのを支援することができる。例えば、標的部位が患者の骨に関連する部位であってもよく、仮想オブジェクトが器具の治療端によって除去すべき骨の体積を規定してもよい。

従来のナビゲーションシステムでは、複数のトラッカと協働するローカライザを使用して、例えば除去すべき骨の体積などの、器具や標的部位に関連する位置データ、向きデータまたはその両方のデータが提供されている。通常、ローカライザは、トラッカを視野に収めるように配置される。各トラッカは、器具や患者と一緒に動くように器具や患者に対して固定される。患者に取り付けられるトラッカは、治療中の骨に対して取り付けられるが、骨が硬質であるため、標的部位に対するトラッカの固定的な関係が維持される。そして、器具と患者に対してそれぞれ別個のトラッカを使用することによって、器具の治療端が標的部位の内部に留まるように、治療端を正確に配置することが可能となる。

標的部位は、外科手術中に避けるべき軟組織などの繊細な生体的構造に隣接して位置することが多い。繊細な生体的構造は、弾力性や柔軟性を有しているためにトラッカからずれてしまう場合があるため、従来のトラッカを用いて追跡することが難しい。同様に、開創器などのツールも標的部位の近くに配置されることが多く、これらも外科手術中に避けるべきものである。開創器などのツールは、患者の治療に使用する器具と同じ方法で追跡することができるが、開創器などのツール用にトラッカを追加すれば、特に、ナビゲーションシステムの追跡対象のオブジェクトの数が増えてしまうなどのため、ナビゲーションシステムのコストや複雑性の大幅な増大につながりかねない。したがって、現行の外科処置では、標的部位の近くにあるかもしれない繊細な生体的構造や、追跡対象ではないツールは、ユーザの責任において避けなければならない場合があり、従ってユーザはそれらを避けるために多大な注意を払わなければならなかった。

従って、本技術分野においては、外科手術中に避けるべき繊細な生体的構造、他の構造物、あるいはその両方の識別に対処するナビゲーションシステムおよび方法が必要とされている。

一実施形態では、仮想オブジェクトによって規定された標的部位に対して外科手術を行うための外科手術用ナビゲーションシステムが提供される。外科手術用ナビゲーションシステムは、患者に取り付けられる患者トラッカを備えている。ローカライザは、患者トラッカと協働して、標的部位に関連するローカライザデータを外科手術中に生成する。外科手術用ナビゲーションシステムはまた、標的部位と標的部位の周囲の各面とに関連する画像データを生成するビジョン装置も備えている。ローカライザおよびビジョン装置と通信を行うナビゲーションコンピュータは、ローカライザデータと画像データとに基づいて、標的部位の外側の避けるべき領域を特定するように構成されている。

他の実施形態では、仮想オブジェクトによって規定された標的部位に対して外科手術を行うためのロボット外科手術システムが提供される。ロボット外科手術システムは、ロボット装置を備えている。ロボット装置には、標的部位を治療するためのエンドエフェクタが接続されている。ロボット外科手術システムはまた、患者に取り付けられる患者トラッカも備えている。ローカライザは、患者トラッカと協働して、標的部位に関連するローカライザデータを外科手術中に生成する。ロボット外科手術システムは、標的部位と標的部位の周囲の各面とに関連する画像データを生成するビジョン装置も備えている。ローカライザおよびビジョン装置と通信を行うナビゲーションコンピュータは、ローカライザデータと画像データとに基づいて、標的部位の外側にある、外科手術中に避けるべき領域を特定するように構成されている。ナビゲーションコンピュータは、ロボット装置が、避けるべき領域を避けながら、標的部位に対してエンドエフェクタを移動させるように動作可能となるようにロボット装置と通信を行う。

他の実施形態では、仮想オブジェクトによって規定された標的部位に対して外科手術を行う方法が提供される。本方法は、患者トラッカが患者に取り付けられている状態で、標的部位に関連するローカライザデータを生成するステップを含んでいる。標的部位と標的部位の周囲の各面とに関連する画像データも生成される。また、本方法は、ローカライザデータと画像データとに基づいて、標的部位の外側にある、外科手術中に避けるべき領域を特定するステップをさらに含んでいる。

上述のシステムおよび方法によって、いくつかの利点が得られる。例えば、ローカライザを用いてローカライザデータを撮像し、ビジョン装置を用いて画像データを撮像することにより、ナビゲーションコンピュータは、標的部位の外側に位置する避けるべき領域を特定することができる。よって、いくつかの実施形態では、上述のシステムおよび方法によって、他のシステムや方法では追跡が難しかった繊細な生体的構造や、トラッカが別途取り付けられてはいない、標的部位の近くに配置されている他のツールを避けて、外科器具を正確な場所に置くことができる。

本発明の利点は、以下の詳細な説明を添付の図面と関連させて考察することにより、よりよく理解され、容易に理解されるであろう。

ローカライザとビジョン装置とを備えるロボット外科手術システムの斜視図である。ロボット外科手術システムを制御するための制御システムの模式図である。ロボット外科手術システムで使用される複数の座標系の斜視図である。ビジョン装置からの画像データと、ローカライザからのローカライザデータとを組み合わせて、避けるべき領域を規定する仮想オブジェクトを生成することを説明する図である。患者を治療する方法によって実行されるステップのフローチャートである。

図１には、患者２２を治療するためのシステム２０が示されている。図１では、システム２０が、医療施設の手術室などの外科環境にある状態を示している。図示の実施形態において、システム２０は、機械加工ステーション２４と、案内ステーション２６とを備えている。案内ステーション２６は、手術室内の様々なオブジェクト（対象物）の動きを追跡するように設定されている。そのようなオブジェクトとしては、例えば、外科器具３０や、患者の大腿骨Ｆ、患者の脛骨Ｔなどが挙げられる。案内ステーション２６は、それらの相対的な位置および向きをユーザに表示する目的のため、そして場合によっては、標的部位に対する外科器具３０の動きを制御または制限する目的のために、これらのオブジェクトを追跡する。図１では、外科器具３０を機械加工ステーション２４の一部として示している。しかしながら、他の実施形態では、ユーザが外科器具３０を手に持って移動させる。

外科器具３０による治療の対象である標的部位は、仮想オブジェクトによって規定される。図示の実施形態では、大腿骨Ｆに関連する大腿骨標的部位ＴＳが示されている。もちろん、脛骨Ｔの標的部位などの他のいくつかの標的部位も可能であり、それぞれの標的部位が、各標的部位に固有の別個の仮想オブジェクトによって規定される。標的部位を表す仮想オブジェクトは、ユーザによって術前に設定されてもよく、治療対象の物質の体積や、外科器具３０の軌道、外科器具３０で切断する平面、穿孔する穴、などを規定するように自動的に生成されてもよく、あるいはその両方を用いて設定されてもよい。図示の実施形態では、仮想オブジェクトＶＢ（図４を参照）は、大腿骨Ｆから除去すべき物質の体積を規定する。場合によっては、仮想オブジェクトは、術中すなわち外科処置の最中に設定されたり、再設定されたりする。なお、以下では、整形外科処置に関連して説明を行っているが、本明細書に記載のシステムおよび方法は、任意の種類の外科処置にも同様に適していることを理解されたい。

案内ステーション２６は、ナビゲーションコンピュータ３４を収容するナビゲーションカートアセンブリ３２を備えている。ナビゲーションインターフェースは、ナビゲーションコンピュータ３４と動作可能に通信を行う。ナビゲーションインターフェースは、滅菌環境の外に設置するように適合された第１のディスプレイ３６と、滅菌環境の中に位置するように適合された第２のディスプレイ３８とを備えている。ディスプレイ３６，３８は、ナビゲーションカートアセンブリ３２に調整可能に取り付けられている。キーボードやマウスなどの第１の入力装置４０や第２の入力装置４２を使用して、ナビゲーションコンピュータ３４に情報を入力するか、あるいは、ナビゲーションコンピュータ３４の何らかの特性に対して他の選択や制御を行うことができる。なお、入力装置としては、タッチスクリーン（図示せず）や音声駆動などの他の入力装置も考えられる。

ローカライザ４４は、ナビゲーションコンピュータ３４と通信を行う。図示の実施形態では、ローカライザ４４は光学ローカライザであり、ローカライザカメラユニット４６を備えている。ローカライザカメラユニット４６は、１つ以上の光学位置センサ５０を収容する外部ケーシング４８を有している。いくつかの実施形態では、少なくとも２つの光学センサ５０が使用され、好ましくは、３つ、４つまたはそれ以上の光学センサ５０が使用される。光学センサ５０は、３つの別体の電荷結合素子（ＣＣＤ）であってもよい。一実施形態では、３つの１次元ＣＣＤが使用される。他の実施形態では、それぞれが１つまたは２つ以上の別体のＣＣＤを有する、複数の別体のローカライザカメラユニットを、手術室内の各所に配置することもできることを理解されたい。ＣＣＤによって赤外線信号が検出される。さらに、ローカライザ４４が異なるモダリティを採用していてもよく、電磁ローカライザや、ＲＦローカライザ、超音波ローカライザ、あるいはオブジェクトを追跡することができる他の従来のローカライザであってもよい。

ローカライザカメラユニット４６は調整可能なアームに取り付けられ、後述するトラッカを光学センサ５０の（理想的には障害物がない）視野に収められるように光学センサ５０が位置決めされる。いくつかの実施形態では、ローカライザカメラユニット４６は、回転ジョイントを中心に回転することによって、少なくとも１つの自由度で調整可能とされている。他の実施形態では、ローカライザカメラユニット４６は、約２つ以上の自由度で調整可能とされている。

ローカライザカメラユニット４６は、光学センサ５０と通信して光学センサ５０から信号を受信するローカライザカメラコントローラ５２を備えている。ローカライザカメラコントローラ５２は、有線接続または無線接続（図示せず）のいずれかを介してナビゲーションコンピュータ３４と通信を行う。そのような接続の１つとして、高速通信およびアイソクロナスリアルタイムデータ転送用のシリアルバスインターフェース規格であるＩＥＥＥ１３９４インターフェースを挙げることができる。接続には、企業独自のプロトコルを使用することもできる。他の実施形態では、光学センサ５０は、ナビゲーションコンピュータ３４と直接通信を行う。

オブジェクトを追跡する目的のため、位置や向きの信号、データ、あるいはその両方が、ナビゲーションコンピュータ３４に送信される。ナビゲーションカートアセンブリ３２、ディスプレイ３６，３８、およびローカライザカメラユニット４６は、２０１０年５月２５日に「Surgery System（外科手術システム）」の名称で発行されているMalackowski他による米国特許第７７２５１６２号明細書に記載されているものと同様のものであってもよい。なお、同文献は、参照することによって本明細書の一部をなすものとする。

ナビゲーションコンピュータ３４は、いずれも本明細書に記載の機能を実行するために必要な、ディスプレイ３６，３８と、中央処理装置（ＣＰＵ）などのプロセッサ６２と、メモリ（図示せず）と、記憶装置（図示せず）とを有している。ナビゲーションコンピュータ３４には、以下に説明するようなソフトウェアがロードされる。このソフトウェアは、ローカライザカメラユニット４６から受信した信号を、追跡中のオブジェクトの位置および向きを表すローカライザデータに変換するものである。

案内ステーション２６は、複数の追跡装置（本明細書では「トラッカ」とも呼ぶ）５４，５６，５８と協働して動作することができる。図示の実施形態では、１つのトラッカ５４が患者の大腿骨Ｆにしっかりと貼り付けられ、別のトラッカ５６が患者の脛骨Ｔにしっかりと貼り付けられている。すなわち、トラッカ５４，５６は、それぞれ骨の各部にしっかりと貼り付けられている。トラッカ５４，５６は、米国特許第７７２５１６２号明細書に示される方法で、大腿骨Ｆおよび脛骨Ｔに取り付けることができる。なお、同文献は、参照することによって本明細書の一部をなすものとする。また、トラッカ５４，５６を、２０１４年１月１６日に「navigation Systems and Methods for Indicating and Reducing Line-of-Sight Errors（視線誤差を表示・低減するためのナビゲーションシステムおよび方法）」の名称で出願されている米国特許出願公開第２０１４／０２００６２１号に示されているトラッカと同様に取り付けることもできる。同文献も、参照することによって本明細書の一部をなすものとする。さらに別の実施形態では、トラッカ５４，５６を他の生体構造に取り付けることもできる。

器具トラッカ５８は、外科器具３０にしっかりと取り付けられる。器具トラッカ５８は、製造時に外科器具３０に内蔵してもよく、あるいは外科処置の準備の際に外科器具３０に別途取り付けてもよい。器具トラッカ５８が追跡する外科器具３０の治療端は、回転バー（回転切削器）や電気アブレーション装置などであってもよい。

トラッカ５４，５６，５８は、内蔵電池で駆動することができるほか、ナビゲーションコンピュータ３４を介して給電を受けるリードを有することもできる。なお、ナビゲーションコンピュータ３４は、ローカライザカメラユニット４６と同様に、外部電力で給電されるのが好ましい。

図示の実施形態では、外科器具３０は、機械加工ステーション２４のマニピュレータ６６に取り付けられている。マニピュレータ６６は、ロボット装置またはロボットアームとも呼ばれるものである。そのような装置は、「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in Multiple Modes（複数のモードで外科器具を制御可能な外科マニピュレータ）」の名称で発行されている米国特許第９１１９６５５号明細書に示されている。同文献の開示内容は、参照することによって本明細書の一部をなすものとする。なお、他の実施形態では、外科器具３０は、その位置、向き、またはその両方をロボットによって制約されるのではなく、手動操作されることを理解されたい。外科器具３０は、医療処置や外科処置を行うのに有用な任意の外科器具（ツールとも呼ぶ）であってもよい。外科器具３０は、切削器具、電気外科器具、超音波器具、リーマ、インパクタ、矢状鋸などの器具であってもよい。いくつかの実施形態では、複数の外科器具を使用して患者の治療が行われ、それぞれがローカライザ４４によって個別に追跡される。

トラッカ５４，５６，５８からの光信号は、ローカライザ４４の光学センサ５０によって受信される。図示の実施形態では、トラッカ５４，５６，５８は能動トラッカである。この実施形態では、各トラッカ５４，５６，５８は、光学センサ５０に光信号を送信する少なくとも３つの能動追跡素子（能動追跡マーカ）を有している。例えば、能動マーカは、赤外線などの光を送信する発光ダイオード（ＬＥＤ）６０であってもよい。光学センサ５０は、好ましくは１００Ｈｚ以上、より好ましくは３００Ｈｚ以上、最も好ましくは５００Ｈｚ以上のサンプリングレートを有する。いくつかの実施形態では、光学センサ５０は、８０００Ｈｚのサンプリングレートを有する。サンプリングレートは、ＬＥＤ６０から順次発信される光信号を光学センサ５０が受信する速度である。いくつかの実施形態では、ＬＥＤ６０からの光信号は、各トラッカ５４，５６，５８に対して異なる速度で発信される。

ここで図２を参照して、各ＬＥＤ６０はトラッカコントローラ６１に接続されている。トラッカコントローラ６１は、対応するトラッカ５４，５６，５８のハウジングに配置されて、ナビゲーションコンピュータ３４との間でデータを送受信するものである。一実施形態では、トラッカコントローラ６１は、ナビゲーションコンピュータ３４との有線接続を介して数メガバイト／秒程度でデータを送信する。他の実施形態では、無線接続を用いることもできる。これらの実施形態では、ナビゲーションコンピュータ３４は、送受信機（図示せず）を有して、トラッカコントローラからのデータを受信する。

他の実施形態では、トラッカ５４，５６，５８は、ローカライザカメラユニット４６からの光を反射する反射器などの受動マーカ（図示せず）を有していてもよい。反射された光は、光学センサ５０によって受信される。なお、能動構成あるいは受動構成については、当該技術分野において公知である。

いくつかの実施形態では、２０１５年４月１４日に「Navigation System Including Optical and Non-Optical Sensors（光学センサと非光学センサとを備えるナビゲーションシステム）」の名称で発行されているＷｕによる米国特許第９００８７５７号明細書に示されているトラッカなどのように、トラッカ５４，５６，５８は、ジャイロセンサと加速度センサとをさらに備えている。なお、同文献は、参照することによって本明細書の一部をなすものとする。

ナビゲーションコンピュータ３４は、ナビゲーションプロセッサ６２を備えている。ナビゲーションプロセッサ６２は、ナビゲーションコンピュータ３４の動作を制御するための１つ以上のプロセッサを備えうることを理解されたい。これらのプロセッサは、任意の種類のマイクロプロセッサまたはマルチプロセッサシステムであってもよい。いずれの実施形態においても、「プロセッサ」という用語によって、実施形態の範囲を１つのプロセッサに限定することは意図していない。

ローカライザカメラユニット４６は、トラッカ５４，５６，５８のＬＥＤ６０から光学信号を受信し、ローカライザ４４に対するトラッカ５４，５６，５８のＬＥＤ６０の位置に関する信号をナビゲーションプロセッサ６２に出力する。受信した光学信号（いくつかの実施形態では、これに加えて非光学信号）に基づいて、ナビゲーションプロセッサ６２は、三角測量法などの公知の手法によって、ローカライザ４４に対するトラッカ５４，５６，５８の相対的な位置および向きを示すデータを生成する。いくつかの実施形態では、このデータは、ローカライザカメラコントローラ５２によって生成され、ナビゲーションコンピュータ３４に送信される。

外科処置が開始される前に、ナビゲーションプロセッサ６２には、追加のデータがロードされる。ナビゲーションプロセッサ６２は、トラッカ５４，５６，５８の位置および向きと、事前にロードされたデータとに基づいて、大腿骨標的部位ＴＳなどの、外科器具３０の治療端を当てるべき標的部位に対する治療端の位置（例えば、外科バーの重心など）や、外科器具３０の向きを決定する。いくつかの実施形態では、ナビゲーションプロセッサ６２がこれらのデータをマニピュレータコントローラ６４に転送する。これに対し、マニピュレータコントローラ６４は、これらのデータを使用して、「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in Multiple Modes（複数のモードで外科器具を制御可能な外科マニピュレータ）」の名称で発行されている米国特許第９１１９６５５号明細書に記載されているように、マニピュレータ６６を制御することができる。なお、同文献の開示内容は、参照することによって本明細書の一部をなすものとする。一実施形態では、マニピュレータ６６は、外科医が設定した仮想オブジェクトに対して制御される。本明細書に記載の実施形態では、仮想オブジェクトＶＢは、外科器具３０で除去すべき大腿骨Ｆの物質の体積を規定するものである。従って、仮想オブジェクトＶＢによって、外科器具３０の治療端（すなわち、外科器具の治療端に関連する別の仮想オブジェクト）がその内部に留まるべき仮想境界が得られる。

ナビゲーションプロセッサ６２はまた、治療端の標的部位に対する相対位置を示す画像信号を生成する。これらの画像信号は、ディスプレイ３６，３８に印加される。これらの信号に基づいてディスプレイ３６，３８は、外科医やスタッフが、治療端の標的部位に対する相対位置を仮想的に見ることを可能にする複数の画像を生成する。多くの場合、ある時点における１つの標的部位に対する治療端の位置が、複数の画像で示される。例えば、大腿骨Ｆと脛骨Ｔの両方を治療する外科処置の場合、大腿骨Ｆからの物質除去を行っている間は、大腿骨標的部位ＴＳと、大腿骨標的部位ＴＳに対する外科器具３０の治療端の相対位置とを視覚的に表すことができる。同様に、ユーザが大腿骨Ｆからの物質の除去を終えて、脛骨Ｔからの物質除去ができる状態になると、ディスプレイ３６，３８は、外科器具３０の治療端の、脛骨Ｔに関連する標的部位に対する位置のみを示すことができる。

ここで図３を参照して、オブジェクトの追跡は、主に、ローカライザ座標系ＬＣＬＺを参照して行われる。ローカライザ座標系ＬＣＬＺは、原点と向き（ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の集合）とを有している。処置中の目標の１つに、ローカライザ座標系ＬＣＬＺを既知の位置に保つことが挙げられる。ローカライザカメラユニット４６に取り付けた加速度センサ（図示せず）を使用して、外科手術の担当者が不注意でローカライザカメラユニット４６にぶつかってしまった場合に起こり得るような、ローカライザ座標系ＬＣＬＺの突発的な動きや予想外の動きを追跡することができる。

ローカライザ座標系ＬＣＬＺとは別に、トラッカ５４，５６，５８および追跡対象のオブジェクトもまた、それぞれ固有の座標系を有する。例えば、トラッカ５４，５６，５８は、それぞれ、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ２、および器具トラッカ座標系ＴＬＴＲを有している。

図示の実施形態では、案内ステーション２６は、骨にしっかりと取り付けられた骨トラッカ５４，５６の位置を監視することによって、患者の大腿骨Ｆと脛骨Ｔの位置を監視する。大腿骨の座標系はＦＢＯＮＥ、脛骨座標系はＴＢＯＮＥであり、それぞれ、骨トラッカ５４，５６がしっかりと取り付けられている骨の座標系である。

処置が開始される前に、大腿骨Ｆと脛骨Ｔの（あるいは他の実施形態の場合、他の組織または構造の）術前画像などの、対象の生体構造の術前画像が生成される。これらの画像は、患者の生体構造のＭＲＩスキャン、放射線スキャン、又はコンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャンによるものであってもよい。これらの画像を使用して、大腿骨Ｆおよび脛骨Ｔの仮想モデル、外科器具３０による治療の対象となる他の生体構造の仮想モデル、あるいはそれら全ての仮想モデルなどの対象の生体構造の仮想モデルが構築される。多くの場合、仮想モデルは、治療中の生体構造の全体あるいは治療対象の生体構造の少なくとも一部を表すデータと、標的部位を規定する仮想オブジェクトを表すデータとを含む３Ｄモデルである。図示の実施形態では、大腿骨の仮想モデルＶＭは、大腿骨Ｆの一部と仮想オブジェクトＶＢとを表すモデルデータを含む３Ｄモデルである（図４を参照）。仮想オブジェクトＶＢは、標的部位ＴＳと、外科処置中に大腿骨Ｆから除去すべき物質の体積とを規定している。仮想オブジェクトは、仮想モデル内で規定することができ、メッシュ面や、ＣＳＧ（constructive solid geometry）モデル、ボクセルで表現できるほか、他の仮想オブジェクト表現技法を用いて表現することもできる。

術前画像、仮想モデル、あるいはそのすべては、当技術分野において公知の方法を用いて、大腿骨座標系ＦＢＯＮＥと脛骨座標系ＴＢＯＮＥとにマッピングされる。これらの術前画像、仮想モデル、あるいはそのすべては、大腿骨座標系ＦＢＯＮＥと脛骨座標系ＴＢＯＮＥに対して固定される。術前画像を撮る代わりに、運動学的な検討や骨の追跡などの方法によって手術室で治療計画を立案することもできる。また、同様の方法を用いて上述の３Ｄ仮想モデルを生成することもできる。

本明細書に記載の処置においては、その初期段階において、骨トラッカ５４，５６が患者の骨にしっかりと貼り付けられる。座標系ＦＢＯＮＥと座標系ＴＢＯＮＥの姿勢（位置および向き）は、それぞれ座標系ＢＴＲＫ１と座標系ＢＴＲＫ２とにマッピングされる。一実施形態では、固有のトラッカＰＴ（図１を参照）を有する、参照することによって本明細書の一部をなすMalackowski他による米国特許第７７２５１６２号明細書に開示されているようなポインタ器具Ｐ（図１を参照）を使用して、大腿骨座標系ＦＢＯＮＥと脛骨座標系ＴＢＯＮＥとを、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１，ＢＴＲＫ２にそれぞれ登録する。これらの骨とそのトラッカ５４，５６との間に固定的な関係を確立させると、大腿骨座標系ＦＢＯＮＥにおける大腿骨Ｆの位置および向きは骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１に、脛骨座標系ＴＢＯＮＥにおける脛骨Ｔの位置および向きは骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ２にそれぞれ変換され、ローカライザカメラユニット４６は、トラッカ５４，５６を追跡することによって、大腿骨Ｆや脛骨Ｔを追跡することができる。姿勢を記述したこれらのデータは、マニピュレータコントローラ６４およびナビゲーションプロセッサ６２と一体のメモリに格納される。

外科器具３０の治療端（エネルギーアプリケータの遠位端とも呼ぶ）は、固有の座標系ＥＡＰＰを有している。例えば、座標系ＥＡＰＰの原点が、外科切削バーの重心を表してもよい。処置が開始される前に、座標系ＥＡＰＰの姿勢は、器具トラッカ座標系ＴＬＴＲの姿勢に対して固定される。これにより、これらの座標系ＥＡＰＰ，ＴＬＴＲの互いに対して相対的な姿勢が特定される。これらの姿勢を記述したデータは、マニピュレータコントローラ６４およびナビゲーションプロセッサ６２と一体のメモリに格納される。

ここで図２を参照して、ローカライズエンジン１００は、ナビゲーションコンピュータ３４の一部とみなすことができるソフトウェアモジュールである。ローカライズエンジン１００のコンポーネントは、ナビゲーションプロセッサ６２上で実行される。ローカライズエンジン１００は、マニピュレータコントローラ６４、ナビゲーションプロセッサ６２、またはこれら両方の上で実行されてもよい。

ローカライズエンジン１００は、ローカライザカメラコントローラ５２からの光学ベースの信号と、いくつかの実施形態では、トラッカコントローラ（図示せず）からの非光学ベースの信号とを入力として受信する。これらの信号に基づいて、ローカライズエンジン１００は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおける骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１，ＢＴＲＫ２の姿勢を特定する。また、ローカライズエンジン１００は、器具トラッカ５８についても同様の信号を受信し、これらの信号に基づいて、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおける器具トラッカ座標系ＴＬＴＲの姿勢を特定する。

ローカライズエンジン１００は、トラッカ５４，５６，５８の姿勢を表す信号を座標変換器１０２に転送する。座標変換器１０２は、ナビゲーションプロセッサ６２上で動作するソフトウェアモジュールである。座標変換器１０２は、術前画像と骨トラッカ５４，５６の関係、患者の各仮想モデルと骨トラッカ５４，５６の関係、あるいはこれらの関係をすべて規定したデータを参照する。座標変換器１０２はまた、器具トラッカ５８に対する外科器具３０の治療端の姿勢を示すデータを格納する。仮想オブジェクトと各仮想モデルとが分かれている場合には、座標変換器１０２は仮想オブジェクトを規定するデータも参照する。

処置の最中、座標変換器１０２は、トラッカ５４，５６，５８のローカライザ４４に対する相対的な姿勢を示すデータを受信する。これらのデータと事前にロードされたデータとに基づいて、座標変換器１０２は、座標系ＥＡＰＰと骨座標系ＦＢＯＮＥ，ＴＢＯＮＥのローカライザ座標系ＬＣＬＺに対する相対的な位置および向きを示すデータを生成する。

その結果、座標変換器１０２は、外科器具３０の治療端を当てている標的部位に対する治療端の位置および向きを示すデータを生成する。これらのデータを表す画像信号は、ディスプレイ３６，３８に転送され、外科医およびスタッフがこの情報を見ることが可能となる。特定の実施形態では、これらのデータを表す他の信号をマニピュレータコントローラ６４に転送して、マニピュレータ６６を案内して、外科器具３０がそれに応じた動きをするように案内することができる。従って、このデータは、外科器具３０の治療端の仮想位置を示すものでもあり、上述の仮想モデルおよび仮想オブジェクトとは別個の仮想オブジェクトとしてモデリングすることもできる。

ここで図１を再び参照して、案内ステーション２６はビジョン装置７２をさらに備えている。図示の実施形態では、ビジョン装置は、ローカライザカメラユニット４６に取り付けられている。他の実施形態では、ビジョン装置７２は、ローカライザカメラユニット４６が取り付けられている調整可能なアームとは別体の調整可能なアームに取り付けられ、ローカライザカメラユニット４６と離間して配置することができる。ビジョン装置７２は、好ましくは、障害物がない視野に標的部位を収めるように配置される。ビジョン装置７２は、ナビゲーションコンピュータ３４と動作可能に通信を行うビジョンコントローラ７３を有している。ビジョン装置７２は、リアルタイムに３Ｄ画像を撮像することができる撮像装置またはデジタル撮像装置とも呼ばれるものである。適切なビジョン装置の一例としては、マイクロソフト社（Microsoft Corporation）から市販されているKinect SDKや、これに類似するＫｉｎｅｃｔモデルが挙げられる。他の実施形態では、ビジョン装置７２は、レーザアレイまたはステレオカメラシステムを備えることができる。

ビジョン装置７２は、１つ以上の画像センサ７８，７９を支持する外部ハウジング７６を有している。画像センサの１つは、奥行き画像を識別するために使用される奥行き画像センサ７８であってもよい。他の画像センサは、カラー画像を生成するために使用されるカラー画像センサ７９であってもよい。画像センサ７８，７９はいずれも、ＣＭＯＳセンサまたは他の適切なセンサの形態をとることができる。さらに、光を生成、発信して、奥行き画像センサ７８の視野内の各面に反射させるための光源８０が、ハウジング７６内に支持されている。

センサ７８，７９および光源８０は、ビジョンコントローラ７３と通信して、ビジョン座標系ＶＩＳ（図３を参照）に対する視野内の各面の距離を特定する。一実施形態では、光源８０が赤外線を発信し、ビジョンコントローラ７３が、赤外線が視野内の各面に反射されて奥行き画像センサ７８に戻るまでに要する時間を特定する。この処理を複数回繰り返すことにより、ビジョン装置７２からビジョン装置７２の視野内の各面までの距離を特定し、点群（point cloud）２０２を生成することができる（図４を参照）。

ナビゲーションコンピュータ３４は、ビジョンコントローラ７３と通信して、点群２０２を表す信号、データ、またはその両方を受信する。ナビゲーションコンピュータ３４には、画像生成モジュールを含んでいる画像ソフトウェアがロードされ、該画像ソフトウェアがナビゲーションプロセッサ６２によって実行されることにより、ビジョン装置７２の視野に基づいた点群２０２が生成される。点群２０２は、ビジョン座標系ＶＩＳ上に生成される。点群２０２は、ビジョン装置７２の視野内の各面に対応する、ビジョン座標系ＶＩＳ内の画像データ点の集合である。これらの画像データ点は、ｘｙｚ座標によって規定される。点群２０２は、画像データファイルとして保存（格納）することができる。

なお、ローカライザカメラユニット４６にビジョン装置７２を内蔵することにより、画像センサ７８，７９の光学センサ５０に対する位置や、光学センサ５０の画像センサ７８，７９に対する位置が既知のものとなり、固定化されるため、ビジョン座標系ＶＩＳのローカライザ座標系ＬＣＬＺへの登録が容易になることを理解されたい。製造時にビジョン装置７２をローカライザ４４に対して較正して、ビジョン装置７２がローカライザ４４と同一の座標系に対するデータを生成するように設定することができるため、座標変換器１０２によって、ビジョン座標系ＶＩＳをローカライザ座標系ＬＣＬＺに変換する必要がなくなる。

ビジョン装置７２がローカライザカメラユニット４６とは別体に設けられるなどの他の実施形態においては、ビジョン装置７２が、ハウジング７６に固く取り付けられたトラッカ（図示せず）を有していてもよく、これによりビジョン座標系ＶＩＳとローカライザ座標系ＬＣＬＺとの間に確固たる関係を構築することができる。例えば、座標変換器１０２に、該トラッカの座標系とビジョン座標系ＶＩＳとの間の関係を規定するデータを予めロードしておき、座標変換器１０２は、このデータを使用し、ローカライザ座標系ＬＣＬＺ内の該トラッカの位置に基づいて、ビジョン座標系ＶＩＳをローカライザ座標系ＬＣＬＺに変換することができる。

ここで図４を参照して、ビジョン装置７２は、ビジョン装置７２の視野内にある標的部位および標的部位の周囲の各面の画像を収集する。図示の実施形態では、ビジョン装置７２は、ビジョン装置７２の視野内にある標的部位ＴＳおよび標的部位ＴＳの周囲の各面の画像を収集する。ナビゲーションコンピュータ３４は、ビジョンコントローラ７３と協働して、標的部位ＴＳと標的部位ＴＳの周囲の各面とに関連する画像データを規定する、標的部位ＴＳおよび標的部位ＴＳの周囲の各面の点群２０２を生成する。

画像データが生成されると同時に、ローカライザデータも生成される。ナビゲーションコンピュータ３４は、ローカライザ４４と協働して、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおける標的部位を規定する仮想モデルおよび仮想オブジェクトの位置および向きを特定する。図示の実施形態では、ナビゲーションコンピュータ３４は、ローカライザ４４と協働して、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおける、大腿骨Ｆの仮想モデルＶＭの位置および向きおよび仮想オブジェクトＶＢの位置および向きを特定する。このローカライザデータは、仮想モデルＶＭおよび仮想オブジェクトＶＢを規定するモデルデータを含んでいる。場合によっては、モデルデータには、仮想モデルＶＭに関連する点群の形態のデータ点と、仮想オブジェクトＶＢに関連する別の点群の形態のデータ点とが含まれる。

さらに図４を参照して、ナビゲーションプロセッサ６２はデータマージモジュール１０１（図１を参照）を実行する。データマージモジュール１０１は、（ローカライザデータと画像データとが共通の座標系上に配置されるか、あるいは共通の座標系に変換されるかすると直ちに）これらローカライザデータと画像データとをマージしてマージデータを生成するソフトウェアモジュールである。このマージデータは、標的部位ＴＳの外側にある、外科手術中に避けるべき領域Ｒを規定する第２の仮想オブジェクトＶＲを表す。図４では、このようなデータのマージを矢印で示している。図示の実施形態では、第２の仮想オブジェクトＶＲを表すマージデータは、（１）標的部位ＴＳの外側にある、外科器具３０が避けるべき骨に関連するデータ点２０４と、（２）標的部位ＴＳの外側にある、外科器具３０が避けるべき露出した軟組織に関連するデータ点２０６と、（３）外科器具３０が避けるべき開創器に関連するデータ点２０８と、（４）標的部位ＴＳの外側にある患者の皮膚に関連するデータ点２１０とを含んでいてもよい。

いくつかの実施形態においては、図４に示す例のように、マージデータは、点群２０２内のデータポイントのうち、ローカライザデータと画像データとのマージ後に仮想オブジェクトＶＢの外側に座標が位置しているすべてのデータポイントを含んでいる。場合によっては、軟組織や他の繊細な生体的構造が少なくとも部分的に標的部位ＴＳにかかっている場合など、外科器具３０の治療端が標的部位ＴＳに到達するまでの経路が、完全に開かれた状態にはなっていない場合がある。そのような場合には、標的部位ＴＳの外側の目に見える全ての面を第２の仮想オブジェクトＶＲの一部として規定することは、特に有利であり得る。これにより、標的部位ＴＳの外側に位置するすべての繊細な生体的構造や器具などを、外科器具３０が避けることが可能になるためである。

第２の仮想オブジェクトＶＲを表して、避けるべき領域Ｒを規定するマージデータは、ナビゲーションプロセッサ６２によって処理されて、その表現形がディスプレイ３８，３９上に表示され、ユーザに示される。これによりユーザは、領域Ｒに対する外科器具３０の位置および向きを視覚的に捉えることができる。場合によっては、避けるべき領域Ｒを仮想的に規定するデータ点を、メッシュ面や、ＣＳＧモデル、ボクセル、あるいは様々な仮想オブジェクト表現技法を用いて表現した他の種類の仮想オブジェクトなどに変換することもできる。さらに、ナビゲーションプロセッサ６２が、第２の仮想オブジェクトＶＲのサイズ、従って領域Ｒの範囲を自動で限定して、標的部位ＴＳから所定の距離までとなるようにすることができる。あるいは、ユーザが、第２仮想オブジェクトＶＲの外周を規定するなどの方法で、第２仮想オブジェクトＶＲを手動で修正することもできる。

なお、領域Ｒにおいて第２の仮想オブジェクトＶＲによって規定される組織の中には弾力性や柔軟性を有するものがあり、そのような弾力性や柔軟性が原因で、外科処置の間に、第２の仮想オブジェクトＶＲの（例えば、サイズ、形状、位置などの）構成が変化する場合がある。さらに、開創器を調節したり、ビジョン装置７２の視野の中に追加のツールや機器を入れたり出したりすることによっても、領域Ｒは変化し得る。つまり、避けるべき領域Ｒは動的な性質を有しており、絶えず変化する可能性があるが、本明細書に記載のナビゲーション技法を用いれば、第２の仮想オブジェクトＶＲが、新たな画像データおよびローカライザデータのデータセットで（例えば所定の頻度で）絶えず更新されるため、外科手術中に避けるべき領域Ｒに変化があったとしても、ユーザは領域Ｒを避けることできる。

また、この避けるべき領域Ｒを規定する第２の仮想オブジェクトＶＲを、マニピュレータコントローラ６４に送信して、外科器具３０の治療端の侵入が阻止される「飛行禁止（ｎｏ−ｆｌｙ）」ゾーンとして扱うこともできる。これにより、マニピュレータ６６が自律モードで動作する場合に、マニピュレータ６６は、領域Ｒを避けるように外科器具３０の位置決めを制御して、標的部位ＴＳの近くに位置する、軟組織や骨などの温存すべき繊細な生体的構造や、開創器や吸引チューブなどのツールなどを避けることができる。

ここで図５を参照すると、避けるべき領域Ｒを特定する方法の一実施形態が示されている。ステップ３００では、外科医または他の医療従事者が、患者の外科手術計画を立案する。外科手術計画は、行うべき外科処置や施すべき治療を規定するものである。多くの場合、この外科手術計画は、ＭＲＩスキャンまたはＣＴスキャンによる撮像画像などの術前画像を患者の生体的構造の３Ｄ仮想モデルＶＭに変換したものに基づいて立案される。さらに、外科処置の間に治療すべき標的部位ＴＳを規定する仮想オブジェクトＶＢも生成され、外科手術計画の一部として３Ｄ仮想モデルＶＭと関連付けられる。

ステップ３０２では、仮想モデルＶＭと、除去すべき骨の目標体積などの、標的部位ＴＳにおいて治療を施すべき物質の目標体積を規定した仮想オブジェクトＶＢとに関連するデータが、ナビゲーションコンピュータ３４に転送されて、ナビゲーションコンピュータ３４に格納される。

そして、ステップ３０４では、ローカライザデータが生成される。ローカライザデータは、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおける仮想モデルＶＭと仮想オブジェクトＶＢの位置および向きに関連するデータを含んでいる。ナビゲーション中の各時間ステップごとに、対応するローカライザデータおよび画像データが得られるように、ステップ３０６では、同時に画像データも生成される。この画像データは、標的部位ＴＳの各面や標的部位ＴＳ以外の部分の各面を含む、ビジョン装置７２の視野内にある各面の位置および向きを構成する点群２０２を含むものである。

ステップ３０８では、ナビゲーションコンピュータ３４のデータマージモジュール１０１は、ローカライザデータおよび画像データを評価する。具体的には、データマージモジュール１０１は、（例えば、点群２０２などの）画像データに由来するデータ点を、（例えば、仮想オブジェクトＶＢのデータ点などの）ローカライザデータに由来するデータ点とマージする。そして、ステップ３１０では、データマージモジュール１０１は、画像データに由来するデータ点のうち、仮想オブジェクトＶＢの外側にあるすべてのデータ点を識別する。識別されたこの残余データセットによって、避けるべき領域Ｒが生成され、領域Ｒは、外科器具３０が避けるべき第２の仮想オブジェクトＶＲとしてナビゲーションコンピュータ３４内のメモリに保存される。ステップ３１２では、ユーザは外科器具３０を手動またはロボットで操作して、領域Ｒを避けながら目標体積の組織を標的部位から除去する。これらのステップ３０４〜３１２は、例えば、標的部位ＴＳから全ての組織が除去されるまでなど、外科処置が完了するまで、ナビゲーション中の各処理時間ステップごとに繰り返される。これにより、本方法は、外科処置の間に生じる領域Ｒの変化に対応することができる。

なお、他の実施形態として、本明細書に記載の、ローカライザデータと画像データとをマージするシステムおよび方法を用いることにより、領域Ｒのような避けるべき領域を規定する仮想オブジェクト以外の、他の種類の仮想オブジェクトも同様に生成できることを理解されたい。例えば、ローカライザデータと画像データとをマージして、除去すべき物質の体積、外科器具３０の所望の軌道などの、標的部位を規定する仮想オブジェクトを生成することもできる。また、他の目的のために、画像データとローカライザデータとをマージすることも可能である。

当業者であれば理解するように、本実施形態の各態様は、コンピュータ可読プログラムコードが埋め込まれた１つ以上のコンピュータ可読媒体という形で実施されるコンピュータプログラム製品の形態をとることができる。本明細書に記載の方法を実行するための命令またはコードを含むコンピュータソフトウェアは、（例えば、ＲＯＭ、固定メモリ、着脱式メモリなどの）関連メモリデバイスの１つ以上に格納しておき、利用準備が整えば、（例えばＲＡＭに）一部または全体をロードして、ＣＰＵが実行してもよい。そのようなソフトウェアとしては、ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを挙げることができるが、これらに限定されない。

以上、いくつかの実施形態について説明してきたが、本明細書の実施形態は、本発明を包括的に説明することを意図したものではなく、また本発明を特定の形態に限定することを意図したものでもない。上述の記載において使用した用語は、限定的なものではなく記述的なものであることを意図している。また、上述の教示に基づいて多くの変更及び変形が可能であり、上述において具体的に記載したものとは異なる方法によって本発明を実施することも可能である。
なお、本願の出願当初の開示事項を維持するために、本願の出願当初の請求項１〜１５の記載内容を以下に追加する。
（請求項１）
外科手術用ナビゲーションシステムであって、
患者に取り付けられるように構成されたトラッカと、
前記トラッカと協働して、前記患者の、仮想オブジェクトによって規定された標的部位に関連するローカライザデータを生成するように構成されたローカライザと、
前記標的部位と前記標的部位の周囲の各面とに関連する画像データを生成するように構成されたビジョン装置と、
前記ローカライザおよび前記ビジョン装置に接続されているナビゲーションコンピュータであって、前記ローカライザデータと前記画像データとに基づいて、前記標的部位の外側の避けるべき領域を特定するナビゲーションコンピュータと
を備えてなる、外科手術用ナビゲーションシステム。
（請求項２）
前記ナビゲーションコンピュータが、前記ローカライザデータおよび前記画像データを分析することによって、前記避けるべき領域を特定するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
（請求項３）
前記ナビゲーションコンピュータが、前記避けるべき領域を規定する第２の仮想オブジェクトを生成するように構成されている、請求項１または２に記載のシステム。
（請求項４）
前記ナビゲーションコンピュータが、前記ローカライザデータと前記画像データとを共通の座標系上で組み合わせるように構成された座標変換モジュールを有している、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシステム。
（請求項５）
前記ナビゲーションコンピュータが、前記共通の座標系上の前記画像データおよび前記ローカライザデータを評価し、前記画像データと前記ローカライザデータとをマージしてマージデータを生成することによって前記避けるべき領域を特定するように構成されているデータマージモジュールを有している、請求項４に記載のシステム。
（請求項６）
前記ナビゲーションコンピュータが、前記マージデータの少なくとも一部を選択して、前記標的部位の外側にある、前記標的部位の周囲の各面を表す前記避けるべき領域を規定するように構成されている、請求項５に記載のシステム。
（請求項７）
前記ビジョン装置が生成する前記画像データが、前記標的部位の外側にある、前記標的部位の周囲の各面のうちの少なくとも一部の３次元マップを含んでいる、請求項１〜６のいずれか１項に記載のシステム。
（請求項８）
前記３次元マップが、点群、範囲マップ、平面、線および単点のうちの１つ以上を含んでいる、請求項７に記載のシステム。
（請求項９）
ロボット外科手術システムであって、
ロボット装置と、
前記ロボット装置に接続されたエンドエフェクタと、
患者に取り付けられるように構成されたトラッカと、
前記トラッカと協働して、前記患者の、仮想オブジェクトによって規定された標的部位に関連するローカライザデータを生成するように構成されたローカライザと、
前記標的部位と前記標的部位の周囲の各面とに関連する画像データを生成するように構成されたビジョン装置と、
前記ローカライザおよび前記ビジョン装置に接続されているナビゲーションコンピュータであって、前記ローカライザデータと前記画像データとに基づいて、前記標的部位の外側の避けるべき領域を特定するように構成されたナビゲーションコンピュータと
を備えてなり、
前記ロボット装置が、前記避けるべき領域を避けながら、前記標的部位に対して前記エンドエフェクタを移動させるように動作可能となるように、前記ナビゲーションコンピュータが前記ロボット装置に接続されている、ロボット外科手術システム。
（請求項１０）
患者に取り付けられたトラッカと、ローカライザと、ビジョン装置と、ナビゲーションコンピュータとを備えている外科手術用システムを操作する方法であって、
前記患者の、仮想オブジェクトによって規定された標的部位に関連するローカライザデータを生成し、
前記標的部位と前記標的部位の周囲の各面とに関連する画像データを生成し、
前記ローカライザデータと前記画像データとに基づいて、前記標的部位の外側の避けるべき領域を特定する
ことを含んでなる、外科手術用システムを操作する方法。
（請求項１１）
前記ローカライザデータと前記画像データとに基づいて、前記標的部位の外側の避けるべき領域を特定するステップが、前記避けるべき領域を規定する第２の仮想オブジェクトを生成することを含んでいる、請求項１０に記載の方法。
（請求項１２）
前記ローカライザデータと前記画像データとに基づいて、前記標的部位の外側の避けるべき領域を特定するステップが、前記ローカライザデータと前記画像データとを共通の座標系上で組み合わせることを含んでいる、請求項１０または１１に記載の方法。
（請求項１３）
前記ローカライザデータと前記画像データとに基づいて、前記標的部位の外側の避けるべき領域を特定することが、
前記共通の座標系上の前記ローカライザデータおよび前記画像データを評価し、
前記画像データと前記ローカライザデータとをマージしてマージデータを生成し、
前記マージデータの少なくとも一部を選択して、前記標的部位の外側にある、前記標的部位の周囲の各面を表す前記避けるべき領域を規定する
ことを含んでいる、請求項１２に記載の方法。
（請求項１４）
前記ローカライザデータと前記画像データとに基づいて、前記標的部位の外側の避けるべき領域を特定することが、前記標的部位の外側にある、前記標的部位の周囲の各面のうちの少なくとも一部の３次元マップを生成することを含んでいる、請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の方法。
（請求項１５）
前記標的部位の外側にある、前記標的部位の周囲の各面のうちの少なくとも一部の３次元マップを生成することが、点群、範囲マップ、平面、線および単点のうちの１つ以上を生成することを含んでいる、請求項１４に記載の方法。

Claims

外科手術用ナビゲーションシステムであって、
患者に取り付けられるように構成されたトラッカと、
前記トラッカと協働して、前記患者の、仮想オブジェクトによって規定された標的部位に関連するローカライザデータを生成するように構成されたローカライザと、
前記標的部位と前記標的部位の周囲の各面とに関連する画像データを生成するように構成されたビジョン装置と、
前記ローカライザおよび前記ビジョン装置に接続されているナビゲーションコンピュータであって、前記ローカライザデータと前記画像データとに基づいて、前記標的部位の外側の避けるべき領域を特定するナビゲーションコンピュータと
を備えてなり、
前記ナビゲーションコンピュータは、
前記ローカライザデータと前記画像データとを共通の座標系上で組み合わせて、
前記共通の座標系上の前記画像データおよび前記ローカライザデータを評価し、前記画像データと前記ローカライザデータとをマージしてマージデータを生成することによって前記避けるべき領域を特定し、
前記マージデータの少なくとも一部を選択して、前記標的部位の外側にある、前記標的部位の周囲の各面を表す前記避けるべき領域を規定する
ように構成されている、外科手術用ナビゲーションシステム。
前記ナビゲーションコンピュータが、
前記ローカライザデータに基づいて、前記ローカライザの座標系における前記仮想オブジェクトの位置および向きを決定し、
前記仮想オブジェクトの外側に位置する座標を有する前記画像データ内のデータポイントを前記マージデータから特定して、前記標的部位の外側にある、前記標的部位の周囲の各面を表す前記避けるべき領域を規定するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
前記ナビゲーションコンピュータが、前記避けるべき領域を規定する第２の仮想オブジェクトを生成するように構成され、該第２の仮想オブジェクトは、前記仮想オブジェクトの外側に位置する座標を有する、前記画像データ内の特定された前記データポイントに対応する、請求項２に記載のシステム。
前記ビジョン装置が生成する前記画像データが、前記標的部位の外側にある、前記標的部位の周囲の各面のうちの少なくとも一部の３次元マップを含んでいる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシステム。
前記３次元マップが、点群、範囲マップ、平面、線および単点のうちの１つ以上を含んでいる、請求項４に記載のシステム。
ロボット外科手術システムであって、
ロボット装置と、
前記ロボット装置に接続されたエンドエフェクタと、
患者に取り付けられるように構成されたトラッカと、
前記トラッカと協働して、前記患者の、仮想オブジェクトによって規定された標的部位に関連するローカライザデータを生成するように構成されたローカライザと、
前記標的部位と前記標的部位の周囲の各面とに関連する画像データを生成するように構成されたビジョン装置と、
前記ローカライザおよび前記ビジョン装置に接続されているナビゲーションコンピュータであって、前記ローカライザデータと前記画像データとを共通の座標系上で組み合わせて、前記共通の座標系上の前記画像データおよび前記ローカライザデータを評価し、前記画像データと前記ローカライザデータとをマージしてマージデータを生成することによって避けるべき領域を特定し、前記マージデータの少なくとも一部を選択して、前記標的部位の外側にある、前記標的部位の周囲の各面を表す前記避けるべき領域を規定するように構成されたナビゲーションコンピュータと
を備えてなり、
前記ロボット装置が、前記避けるべき領域を避けながら、前記標的部位に対して前記エンドエフェクタを移動させるように動作可能となるように、前記ナビゲーションコンピュータが前記ロボット装置に接続されている、ロボット外科手術システム。
患者に取り付けられたトラッカと、ローカライザと、ビジョン装置と、前記ローカライザと前記ビジョン装置とに接続されたナビゲーションコンピュータとを備えている外科手術用システムの作動方法であって、
前記ローカライザが、前記患者の、仮想オブジェクトによって規定された標的部位に関連するローカライザデータを生成し、
前記ビジョン装置が、前記標的部位と前記標的部位の周囲の各面とに関連する画像データを生成し、
前記ナビゲーションコンピュータが、前記ローカライザデータと前記画像データとを共通の座標系上で組み合わせて、
前記ナビゲーションコンピュータが、前記共通の座標系上の前記画像データおよび前記ローカライザデータを評価し、前記画像データと前記ローカライザデータとをマージしてマージデータを生成することによって避けるべき領域を特定し、
前記ナビゲーションコンピュータが、前記マージデータの少なくとも一部を選択して、前記標的部位の外側にある、前記標的部位の周囲の各面を表す前記避けるべき領域を規定する
ことを含んでなる、外科手術用システムの作動方法。
前記ナビゲーションコンピュータが、前記ローカライザデータに基づいて、前記ローカライザの座標系における前記仮想オブジェクトの位置および向きを決定し、
前記ナビゲーションコンピュータが、前記仮想オブジェクトの外側に位置する座標を有する前記画像データ内のデータポイントを前記マージデータから特定し、
前記ナビゲーションコンピュータが、前記避けるべき領域を規定する第２の仮想オブジェクトを生成し、該第２の仮想オブジェクトは、前記仮想オブジェクトの外側に位置する座標を有する、前記画像データ内の特定された前記データポイントに対応することをさらに含んでいる、請求項７に記載の作動方法。
前記ローカライザデータと前記画像データとに基づいて、前記標的部位の外側の避けるべき領域を特定することが、前記標的部位の外側にある、前記標的部位の周囲の各面のうちの少なくとも一部の３次元マップを生成することを含んでいる、請求項７または８に記載の作動方法。
前記標的部位の外側にある、前記標的部位の周囲の各面のうちの少なくとも一部の３次元マップを生成することが、点群、範囲マップ、平面、線および単点のうちの１つ以上を生成することを含んでいる、請求項９に記載の作動方法。