JP7323590B2 - ロボットナビゲーションシステム - Google Patents

Description

本開示は、改善されたロボット支援手術のためのシステムおよび方法に関し、具体的には、椎体間固定装置のアクセス、準備、および／または配置のためのナビゲートされる外科用器具に関する。

位置認識システムは、３次元（３Ｄ）における特定の物体の位置を判定するためにおよびその物体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、外科用器具といった特定の物体を、例えば、その器具がロボットまたは医師によって位置付けられ、動かされる際に、高精度で追跡する必要がある。

赤外線信号に基づく位置認識システムは、物体を追跡するために、パッシブおよび／またはアクティブセンサまたはマーカを使用し得る。パッシブセンサまたはマーカにおいて、追跡されるべき物体は、パッシブセンサ、例えば、反射性球体ボールなどを含んでもよく、それらは、追跡されるべき物体上の効果的な場所に位置付けられる。赤外伝送器は信号を伝送し、反射性球体ボールは信号を反射して、３Ｄにおける物体の位置の判定を助ける。アクティブセンサまたはマーカにおいて、追跡されるべき物体は、アクティブ赤外伝送器、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）などを含み、このため、３Ｄ検出のためにそれら自体の赤外信号を発生する。

アクティブまたはパッシブ追跡センサのいずれかを用いて、システムは、次いで、赤外カメラ、デジタル信号、アクティブもしくはパッシブセンサの既知の場所、距離、それが応答信号を受信するためにかかった時間、他の既知の変数、またはこれらの組み合わせのうちの１つ以上からの情報あるいはそれに関する情報に基づいて、アクティブおよび／またはパッシブセンサの３次元位置を幾何学的に解明する。

例えば、ロボット支援手術ための改善されたシステムおよび方法、外科用器具の改善されたナビゲーション、ならびに／または椎体間固定装置のアクセス、準備、および／もしくは配置のための改善されたハードウェアおよびソフトウェアを提供する必要性が存在している。異なる種類の光学マーカを利用することによって、追跡の喪失を克服すること、または追跡精度を高めることに対する特定の必要性が存在する。

こうした、および他の必要性を満たすために、椎体間固定装置のアクセス、準備、および配置のための装置、システム、および方法を提供する。１つ以上の外科的処置を伴うユーザを支援する外科用ロボットシステムを提供する。ナビゲートすることが可能な器具を含むナビゲート可能な器具、およびナビゲーションソフトウェアは、椎体間固定装置または他の外科用装置のナビゲートされる配置を可能にする。椎体間インプラントナビゲーションは、アクセス器具（例えば、拡張器、リトラクタ、ポート）、椎間板準備器具、トライアル、インサータ器具などのナビゲーションを含み得る。本システムは、切開処置または低侵襲（ＭＩＳ）処置における解剖学的構造の位置特定、ならびに外科用器具および椎体間固定装置のナビゲーションを可能にする。

一実施形態によれば、外科手術ロボットシステムは、コンピュータを含むベースと、コンピュータに電子的に結合されたディスプレイと、コンピュータに電子的に結合され、かつコンピュータによって処理されたコマンドに基づいて移動可能であるロボットアームと、ロボットアームに電子的に結合されたエンドエフェクタであって、クイックコネクタを含むエンドエフェクタと、クイックコネクタによってエンドエフェクタに結合された第１の端部、および第２の端部を有する関節運動アームと、関節運動アームの第２の端部に結合されたアクセス器具と、１つ以上の追跡マーカを検知するように構成されたカメラと、を有するロボットを含む。アクセス器具は、例えば、リトラクタまたはアクセスポートであり得る。

外科用ロボットシステムは、以下の特徴のうちの１つ以上を含み得る。エンドエフェクタは、ロボットアームに取り付けられたときにロボットアームの運動を防止するように構成されたモーションロックエンドエフェクタであり得る。クイックコネクタは、関節運動アームの第１の端部内の雌型部分内で受容可能な雄型部分を含み得る。関節運動アームは、関節運動アームのエンドエフェクタに対する迅速な取り付けおよび取り外しを可能にするように構成された解除ボタンを含み得る。エンドエフェクタは、滅菌アームドレープの上でクランプすることによってロボットアームに接続し得る。関節運動アームの第２の端部は、アクセス器具に取り付けるためのねじ付き取り付けマウントを含み得る。関節運動アームは、ロッキングノブによってロックおよびロック解除されるように構成された複数のジョイントを含むことができる。

一実施形態によれば、ロボットナビゲーションシステムは、ロボットと、少なくとも１つのナビゲート可能な器具と、を含む。ロボットは、コンピュータを含むベースと、コンピュータに電子的に結合されたディスプレイと、コンピュータに電子的に結合され、かつコンピュータによって処理されたコマンドに基づいて移動可能であるロボットアームと、ロボットアームに電子的に結合されたエンドエフェクタであって、クイックコネクタを含むエンドエフェクタと、クイックコネクタによってエンドエフェクタに結合された第１の端部、および第２の端部を有する関節運動アームと、関節運動アームの第２の端部に結合されたアクセス器具と、１つ以上の追跡マーカを検知するよう構成されたカメラと、を含み得る。ナビゲート可能な器具は、カメラによって追跡可能な追跡マーカのアレイを含み得る。ナビゲート可能な器具は、椎体間インプラントにアクセスする、それを準備する、および／または配置するように構成され得る。例えば、ナビゲート可能な器具は、トライアル、カップキュレット、リングキュレット、コブ、エレベータ、オステオトーム、ラスプ、レーキ、サイザ、シェーバ、パドルディストラクタ、スクレーパ、拡張器、またはインサータであり得る。

一実施形態によれば、ロボットナビゲーションの方法は、コンピュータ、コンピュータに電子的に結合されたディスプレイ、および追跡マーカを検出するように構成されたカメラを備えるロボットからの出力に基づいて、初期拡張器を含む拡張器および複数の追跡マーカを有する追跡アレイをある位置までナビゲートするステップ、追跡アレイを初期拡張器から取り除くステップ、後続の拡張器を挿入して、アクセス空間を準備するステップ、アクセス器具をアクセス空間で配置しながら、追跡アレイを拡張器の１つに再度取り付けて、位置を追跡するステップ、ならびにアクセス器具を、ロボットのアームに装着されたエンドエフェクタに結合された関節運動アームに接続するステップ、のうちの１つ以上を含み得る。この方法では、手術部位に対して、初期拡張器が直接的にナビゲートされ得、アクセス器具が間接的にナビゲートされ得る。

別の実施形態によれば、ロボットナビゲーションシステムは、ロボットと、ナビゲート可能なインサータと、を含む。ナビゲート可能なインサータは、長手方向軸を有するスリーブと、スリーブに結合された回転可能な本体と、回転可能な本体に接続された追跡マーカのアレイと、を含み得る。回転可能な本体は、カメラによってアレイが視認可能であるように、長手方向軸を中心に回転するように構成され得る。インサータは、例えば、ねじ付きまたはフォーク状インサータであり得る。ねじ付きインサータは、ねじ付きロッドと、本体およびスリーブを通して位置付け可能なドライバシャフトと、を含み得る。ねじ付きロッドは、インプラントに係合するように構成された遠位ねじ付き先端部によって終端し得る。フォーク状インサータは、本体およびスリーブを通して位置付け可能なフォーク状ロッドを含み得る。フォーク状ロッドは、インプラントに係合するように構成された遠位フォーク状先端部によって終端し得る。

インサータは、以下の特徴のうちの１つ以上を含み得る。回転可能な本体は、テーパ状キーを含む並進部材を収容する空胴を含み得る。テーパ状キーは、インサータのスリーブ内の１つ以上のキーシートと嵌合するように構成され得る。ばねは、並進部材に沿って位置付けられ得、ばねは、キーシート内でキーを保持するための力を提供し得る。回転可能な本体は、ボタンを含み得る。ボタンが押下されると、ばねが圧縮され、テーパ状キーがキーシートから離れて並進し、それによって、回転可能な本体およびアレイが回転することを可能にする。ボタンが解除されると、キーがキーシートと係合し、それによって、回転可能な本体およびアレイをロックする。アレイは、第１のインデックス位置と、第１のインデックス位置に１８０度対向した第２のインデックス位置とを有し得る。回転可能な本体は、ロックナットと、長手方向軸と同心の軸方向に位置付けられたばねと、を含み得る。回転可能な本体は、２つのテーパ状面を含み得、スリーブは、２つのテーパ状面が共に嵌合したときに回転可能な本体およびアレイが適所にロックされるように、２つの対応するテーパ状面を含み得る。ロックナットが下降位置にあるときは、テーパ状面が嵌合し、回転可能な本体およびアレイがロックされ、ロックナットが上昇位置にあるときは、テーパ状面が分離し、回転可能な本体およびアレイが自由に回転する。

別の実施形態によれば、ロボットナビゲーションの方法は、コンピュータ、コンピュータに電子的に結合されたディスプレイ、および追跡マーカを検出するように構成されたカメラを備えるロボットからの出力に基づいて、長手方向軸、スリーブに結合された回転可能な本体、および回転可能な本体に接続される追跡マーカのアレイを有するスリーブを備えるインサータをある位置までナビゲートすることと、追跡マーカがカメラの視線内にあるように、回転可能な本体およびアレイを回転させることと、を含み得る。例えば、アレイは、互いに１８０度対向する２つのインデックス位置のうちの１つに、または互いに９０度間隔の４つのインデックス位置のうちの１つに移動され得る。

別の実施形態によれば、ロボットナビゲーションシステムは、ロボットと、ナビゲート可能な器具と、を含む。ナビゲート可能な器具は、長手方向軸を有するハンドルと、ハンドルに結合された本体と、アレイポストによって本体に接続された追跡マーカのアレイと、外科用機能を行うように構成された取り外し可能なシャフトおよび／または取り外し可能な先端部と、を含み得る。例えば、先端部は、トライアル、カップキュレット、リングキュレット、コブ、エレベータ、オステオトーム、ラスプ、レーキ、サイザ、シェーバ、パドルディストラクタ、またはスクレーパであり得る。

ナビゲート可能な器具は、以下の特徴のうちの１つ以上を含み得る。シャフトは、ハンドル内の孔で受容されるように構成された延長部を含み得、シャフトは、半径方向肩部と、半径方向肩部と延長部との間の移行部と、を含み得る。移行部は、ハンドル内の１つ以上のスロットで受容されるように構成されたクロスピンを含み得る。肩部は、１つ以上のテーパ状面を含み得、ハンドルは、１つ以上の対応するテーパ状面を含み得る。シャフトがハンドルに接続されると、テーパ状面が係合し、それによって、ハンドルに対するシャフトの移動を拘束する。延長部は、凹部を含み得、ハンドルは、凹部内に位置付けられ、それによって、ハンドルをシャフトにロックするように構成されたラッチを含み得る。

さらに別の実施形態によれば、ナビゲート可能なトライアルは、トライアルシャフトと、取り外し可能なトライアルヘッドと、を含む。トライアルシャフトは、ピンを有するその遠位端のフックと、シャフトを通って延在している可動プランジャと、を含む。トライアルヘッドは、可動プランジャを受容するように構成された第１の開口部と、フックのピンを受容するように構成された第２の開口部と、を含む。プランジャがトライアルヘッドの第１の開口部内に位置付けられると、トライアルヘッドが適所にロックされる。トライアルヘッドは、フックおよびプランジャによって回転可能に固定され、これは、トライアルを椎間板腔（ｄｉｓｃ ｓｐａｃｅ）内部で操作することを可能にする。

さらに別の実施形態によれば、ナビゲート可能なトライアルは、トライアルシャフトと、拡張可能なトライアルヘッドと、を含む。ナビゲート可能なトライアルは、複数の固定マーカおよび可動マーカが、所定の経路内を摺動して、拡張可能なトライアルヘッドの高さのフィードバックを提供するように構成されている、アレイを含み、可動マーカの並進は、トライアルヘッドの高さに対応し得る。

また、ナビゲート可能な拡張器と、ナビゲート可能なアクセスおよびトライアル器具と、ナビゲート可能なインサータと、リトラクタおよびアクセスポートと、様々なタイプおよびサイズのインプラントおよび固定装置と、ｋワイヤと、処置を行うための他の構成要素と、を含む、キットも提供される。

例示的な実施形態に従う外科用ロボットシステムを例解する。 患者に手術を行うように構成された、図１の外科用ロボットシステムの拡大図を提供する。 関節運動アームを外科用ロボットシステムに接続するためのエンドエフェクタである。 図３のエンドエフェクタを外科用ロボットのロボットアームに結合することを表すステップである。 図３のエンドエフェクタを外科用ロボットのロボットアームに結合することを表すステップである。 図３のエンドエフェクタを外科用ロボットのロボットアームに結合することを表すステップである。 外科用ロボットのロボットアームとリトラクタまたはアクセスポートなどのアクセス器具との間のリンクとしての役割を果たす、関節運動アームの一実施形態を例解する。 ロボットシステムと共に使用するように構成されたクイック接続特徴を有する、ナビゲート可能な器具およびアレイハンドルアセンブリの一実施形態を示す。 ロボットシステムと共に使用するように構成されたクイック接続特徴を有する、ナビゲート可能な器具およびアレイハンドルアセンブリの一実施形態を示す。 椎間板準備およびトライアル器具を含む複数の異なる器具またはキットを示す。 椎間板準備およびトライアル器具を含む複数の異なる器具またはキットを示す。 椎間板準備およびトライアル器具を含む複数の異なる器具またはキットを示す。 椎間板準備およびトライアル器具を含む複数の異なる器具またはキットを示す。 椎間板準備およびトライアル器具を含む複数の異なる器具またはキットを示す。 椎間板準備およびトライアル器具を含む複数の異なる器具またはキットを示す。 椎間板準備およびトライアル器具を含む複数の異なる器具またはキットを示す。 椎間板準備およびトライアル器具を含む複数の異なる器具またはキットを示す。 椎間板準備およびトライアル器具を含む複数の異なる器具またはキットを示す。 椎間板準備およびトライアル器具を含む複数の異なる器具またはキットを示す。 椎間板準備およびトライアル器具を含む複数の異なる器具またはキットを示す。 椎間板準備およびトライアル器具を含む複数の異なる器具またはキットを示す。 アレイハンドルアセンブリの代替の実施形態を示す。 アレイハンドルアセンブリの代替の実施形態を示す。 アレイハンドルアセンブリの代替の実施形態を示す。 アレイハンドルアセンブリの代替の実施形態を示す。 アレイハンドルアセンブリの代替の実施形態を示す。 直線ハンドルおよびＴ字ハンドルを含む複数の異なるアレイハンドルまたはキットを示す。 直線ハンドルおよびＴ字ハンドルを含む複数の異なるアレイハンドルまたはキットを示す。 直線ハンドルおよびＴ字ハンドルを含む複数の異なるアレイハンドルまたはキットを示す。 直線ハンドルおよびＴ字ハンドルを含む複数の異なるアレイハンドルまたはキットを示す。 直線ハンドルおよびＴ字ハンドルを含む複数の異なるアレイハンドルまたはキットを示す。 直線ハンドルおよびＴ字ハンドルを含む複数の異なるアレイハンドルまたはキットを示す。 異なるインデックス位置を有する椎体間インサータの実施形態を示す。 異なるインデックス位置を有する椎体間インサータの実施形態を示す。 異なるインデックス位置を有する椎体間インサータの実施形態を示す。 異なるインデックス位置を有する椎体間インサータの実施形態を示す。 異なるインデックス位置を有する椎体間インサータの実施形態を示す。 異なるインデックス位置を有する椎体間インサータの実施形態を示す。 異なるインデックス位置を有する椎体間インサータの実施形態を示す。 異なる器具接続特徴を有する椎体間インサータを含む複数の異なる椎体間インサータ器具またはキットを提供する。 異なる器具接続特徴を有する椎体間インサータを含む複数の異なる椎体間インサータ器具またはキットを提供する。 異なる器具接続特徴を有する椎体間インサータを含む複数の異なる椎体間インサータ器具またはキットを提供する。 異なる器具接続特徴を有する椎体間インサータを含む複数の異なる椎体間インサータ器具またはキットを提供する。 異なる器具接続特徴を有する椎体間インサータを含む複数の異なる椎体間インサータ器具またはキットを提供する。 ねじ付きスタイルのコネクタを有するナビゲート可能なインサータアセンブリの一実施形態を示す。 ねじ付きスタイルのコネクタを有するナビゲート可能なインサータアセンブリの一実施形態を示す。 フォーク状スタイルのコネクタを有するナビゲート可能なインサータアセンブリの一実施形態を示す。 フォーク状スタイルのコネクタを有するナビゲート可能なインサータアセンブリの一実施形態を示す。 初期拡張器を有するナビゲート可能な拡張器アレイの一実施形態を提供する。 初期拡張器を有するナビゲート可能な拡張器アレイの一実施形態を提供する。 初期拡張器を有するナビゲート可能な拡張器アレイの一実施形態を提供する。 初期拡張器を有するナビゲート可能な拡張器アレイの一実施形態を提供する。 初期拡張器を有するナビゲート可能な拡張器アレイの一実施形態を提供する。 初期拡張器を有するナビゲート可能な拡張器アレイの一実施形態を提供する。 初期拡張器を有するナビゲート可能な拡張器アレイの一実施形態を提供する。 ナビゲート可能な器具を使用前に検証するのに好適なインサータ検証アダプタの実施形態を提供する。 ナビゲート可能な器具を使用前に検証するのに好適なインサータ検証アダプタの実施形態を提供する。 ナビゲート可能な器具を使用前に検証するのに好適なインサータ検証アダプタの実施形態を提供する。 ナビゲート可能な器具を使用前に検証するのに好適なインサータ検証アダプタの実施形態を提供する。 椎体間インサータの検証の実施形態を示す。 椎体間インサータの検証の実施形態を示す。 椎体間インサータの検証の実施形態を示す。 動的参照ベース（ＤＲＢ）の実施形態を示す。 動的参照ベース（ＤＲＢ）の実施形態を示す。 ロボット支援手術を計画し、実施する際に使用され得る１つ以上のステップを示す。 ロボット支援手術を計画し、実施する際に使用され得る１つ以上のステップを示す。 ロボット支援手術を計画し、実施する際に使用され得る１つ以上のステップを示す。 ロボット支援手術を計画し、実施する際に使用され得る１つ以上のステップを示す。 ロボット支援手術を行う際に使用され得る１つ以上のステップを示す。 ロボット支援手術を行う際に使用され得る１つ以上のステップを示す。 ロボット支援手術を行う際に使用され得る１つ以上のステップを示す。 外科的処置の器具計画、設定およびアクセス、ならびに／またはナビゲーション全体に利用され得る、ソフトウェアユーザインターフェースの実施例を表す。 外科的処置の器具計画、設定およびアクセス、ならびに／またはナビゲーション全体に利用され得る、ソフトウェアユーザインターフェースの実施例を表す。 外科的処置の器具計画、設定およびアクセス、ならびに／またはナビゲーション全体に利用され得る、ソフトウェアユーザインターフェースの実施例を表す。 外科的処置の器具計画、設定およびアクセス、ならびに／またはナビゲーション全体に利用され得る、ソフトウェアユーザインターフェースの実施例を表す。 外科的処置の器具計画、設定およびアクセス、ならびに／またはナビゲーション全体に利用され得る、ソフトウェアユーザインターフェースの実施例を表す。 外科的処置の器具計画、設定およびアクセス、ならびに／またはナビゲーション全体に利用され得る、ソフトウェアユーザインターフェースの実施例を表す。 外科的処置の器具計画、設定およびアクセス、ならびに／またはナビゲーション全体に利用され得る、ソフトウェアユーザインターフェースの実施例を表す。 ナビゲートされる拡張器ホルダの別の実施形態を提供する。 ナビゲートされる拡張器ホルダの別の実施形態を提供する。 ナビゲートされる拡張器ホルダの別の実施形態を提供する。 ナビゲートされる拡張器ホルダの別の実施形態を提供する。 ナビゲートされる拡張器ホルダの別の実施形態を提供する。 ナビゲートされる拡張器ホルダの別の実施形態を提供する。 ナビゲートされる拡張器ホルダの別の実施形態を提供する。 ナビゲートされる拡張器ホルダの別の実施形態を提供する。 取り外し可能な置換ツールおよび／または器具先端部を有するナビゲート可能な器具の実施形態を表す。 取り外し可能な置換ツールおよび／または器具先端部を有するナビゲート可能な器具の実施形態を表す。 取り外し可能な置換ツールおよび／または器具先端部を有するナビゲート可能な器具の実施形態を表す。 ナビゲートされる器具のためのクイック接続および解除機構の実施形態を表す。 ナビゲートされる器具のためのクイック接続および解除機構の実施形態を表す。 ナビゲートされる器具のためのクイック接続および解除機構の実施形態を表す。 ナビゲートされる器具のためのクイック接続および解除機構の実施形態を表す。 ナビゲートされる器具のためのクイック接続および解除機構の実施形態を表す。 回転位置の間にインデックスを付けて、器具を所望のカメラの場所に整列させるように構成されたアレイを有する、ナビゲートされる器具ハンドルの一実施形態を示す。 回転位置の間にインデックスを付けて、器具を所望のカメラの場所に整列させるように構成されたアレイを有する、ナビゲートされる器具ハンドルの一実施形態を示す。 回転可能なアレイ機構を有するナビゲートされる器具ハンドルの別の実施形態を提供する。 回転可能なアレイ機構を有するナビゲートされる器具ハンドルの別の実施形態を提供する。 回転可能なアレイ機構を有するナビゲートされる器具ハンドルの別の実施形態を提供する。 回転可能なアレイ機構を有するナビゲート可能なインプラントインサータの別の実施形態を示す。 回転可能なアレイ機構を有するナビゲート可能なインプラントインサータの別の実施形態を示す。 回転可能なアレイ機構を有するナビゲート可能なインプラントインサータの別の実施形態を示す。 回転可能なアレイ機構の別の実施形態を提供する。 回転可能なアレイ機構の別の実施形態を提供する。 回転可能なアレイ機構の別の実施形態を提供する。 インラインアレイを使用した器具配向の識別の実施形態を提供する。 インラインアレイを使用した器具配向の識別の実施形態を提供する。 インラインアレイを使用した器具配向の識別の実施形態を提供する。 インラインアレイを使用した器具配向の識別の実施形態を提供する。 ナビゲート可能なモジュール式トライアルの実施形態を含む。 ナビゲート可能なモジュール式トライアルの実施形態を含む。 ナビゲート可能なモジュール式トライアルの実施形態を含む。 ナビゲート可能なモジュール式トライアルの実施形態を含む。 ナビゲート可能なモジュール式トライアルの実施形態を含む。 ナビゲート可能なモジュール式トライアルの実施形態を含む。 ナビゲート可能なモジュール式トライアルの実施形態を含む。 ナビゲート可能な固定トライアルの一実施形態を示す。 ナビゲート可能な固定トライアルの一実施形態を示す。 ナビゲート可能で拡張可能なトライアルの一実施形態を示す。 ナビゲート可能で拡張可能なトライアルの一実施形態を示す。 ナビゲート可能なオウル先端部タップの実施形態を示す。 ナビゲート可能なオウル先端部タップの実施形態を示す。 好適な追跡可能な椎間板アセンブリの一実施形態を例解する。 好適な追跡可能な椎間板アセンブリの一実施形態を例解する。 追跡可能な椎間板アセンブリの別の実施形態を例解する。 追跡可能な椎間板アセンブリの別の実施形態を例解する。 追跡可能なディスクアセンブリのさらに別の好適な実施形態を例解する。 追跡可能な球体アセンブリの一実施形態を例解する。 追跡可能な球体アセンブリの一実施形態を例解する。 追跡可能な球体アセンブリのさらに別の実施形態を例解する。 追跡可能なディスクの斜視図を例解する。 追跡可能なディスクの上面図を例解する。 追跡可能なディスクの側面図を例解する。 図３８Ａ、図３８Ｂ、および図３８Ｃの追跡可能なディスクを受容するための固定具の一実施形態を例解する。 光学カメラシステムおよび撮像装置を使用して椎間板または球体の場所を処理するためのアルゴリズムのフローチャートである。

本開示は、その用途において、本明細書における説明に記載される、または図面において例解される、構成要素の構築および配設の詳細に制限されないことが理解されるものとする。本開示の教示は、他の実施形態において使用および実践されてもよく、種々の方式で実践または実行されてもよい。また、本明細書において使用される専門表現および専門用語が、説明目的のためであり、制限として見なされるべきではないことが理解されるものとする。本明細書における「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、およびこれらの変化形の使用は、その後に列記される項目、およびそれらの同等物、ならびに追加の項目を包含することが意味される。別途指定または制限されない限り、「装着された（ｍｏｕｎｔｅｄ）」、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「支持された（ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ）」、および「連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語、ならびにこれらの変化形は、広義に使用され、直接的および間接的双方の装着、接続、支持、および連結を包含する。さらに、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」および「連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」は、物理的もしくは機械的接続または連結に制限されない。

以下の考察は、当業者が本開示の実施形態を作製および使用することを可能にするために提示される。例解される実施形態への種々の修正は、当業者に容易に明らかになり、本明細書における原理は、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用途に適用され得る。このため、実施形態は、示される実施形態に制限されることを意図しないが、本明細書において開示される原理および特性と一致する最も広い範囲が与えられるものとする。以下の発明を実施するための形態は、異なる図面における同様の要素が同様の参照番号を有する図面を参照して読まれるものとする。図面は、必ずしも縮尺通りではなく、選択された実施形態を描写し、実施形態の範囲を制限することを意図しない。当業者は、本明細書において提供される実施例が、多くの有用な代替物を有し、実施形態の範囲内にあ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２は、例示的な実施形態に従って外科用ロボットシステム１０を例解する。外科用ロボットシステム１０は、例えば、外科用ロボット１２と、１つ以上のロボットアーム１４と、ベース１６と、ディスプレイまたはモニタ２０（および随意の無線タブレット）と、例えば関節運動アーム２４を固定するためのエンドエフェクタ２２と、１つ以上の追跡マーカ１８と、を含み得る。外科用ロボットシステム１０は、患者２に（例えば、患者２の骨に）直接固定されるように適合された１つ以上の追跡マーカ１８を含む、患者追跡装置２６を含み得る。

手術ロボットシステム１０は、例えば、カメラスタンド３２上に位置付けられたカメラ３０を利用することもできる。カメラスタンド３２は、カメラ３０を所望の位置に移動、配向、および支持するために、任意の好適な構成を有することができる。カメラ３０は、任意の好適なカメラまたは複数のカメラ、例えば、カメラ３０の視点から見ることができる所与の測定量においてアクティブおよびパッシブ追跡マーカ１８を識別することができる、例えば、１つ以上の赤外カメラ（例えば、２焦点または立体写真測量カメラ）などを含んでもよい。カメラ３０は、所与の測定量をスキャンし、３次元におけるマーカ１８の位置を識別および判定するために、マーカ１８から来る光を検出し得る。例えば、アクティブマーカ１８は、電気信号によって作動される赤外発光マーカ（例えば、赤外発光ダイオード（ＬＥＤ））を含み得、パッシブマーカ１８は、例えば、カメラ３０または他の好適なデバイス上の照明器によって射出される赤外光を反射する（例えば、入射する赤外線を入射する光の方向に反射する）回帰反射マーカを含み得る。

手術ロボット１２は、エンドエフェクタ２２の並進および配向を制御することができる。ロボット１０は、例えば、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に沿ってエンドエフェクタ２２を動かすことができる。エンドエフェクタ２２は、（エンドエフェクタ２２に関連するオイラー角（例えば、ロール、ピッチ、および／またはヨー）のうちの１つ以上を選択的に制御できるように）ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸、ならびにＺフレーム軸のうちの１つ以上を中心に選択的に回転するように構成され得る。いくつかの例示的な実施形態では、エンドエフェクタ２２の並進および配向の選択的制御により、大幅に改善された精度で医療処置を行うことができる。

ロボット位置付けシステム１２は、外科医が手術中の患者の画像に対する定位器具の位置を計画するのを支援する、１つ以上のコンピュータ制御ロボットアーム１４を含む。システム１０は、２Ｄおよび３Ｄ撮像ソフトウェアを含み、これは、脊椎、整形、または他の装置を配置するための、動的参照ベース、ナビゲートされる器具、および位置付けカメラ３０を通した術前の計画、ナビゲーション、およびガイダンスを可能にする。外科用ロボットおよびナビゲーションシステムのさらなる詳細は、例えば、米国特許出願公開第２０１９／００２１７９５号および米国特許出願公開第２０１７／０２３９００７号に見出すことができ、これらは、全ての目的についてそれらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。

図２にさらに注目すると、ロボット１２および／または外科医は、エンドエフェクタ２２および関節運動アーム２４を、リトラクタまたはポートシステムなどの、アクセス器具３４を装着するための所望の位置に位置付け得、これにより、外科医は、ナビゲートされる器具を使用して、手術を行うことができる。モーションロックエンドエフェクタ２２がアーム１４に取り付けられた時点で、ロボットアーム１４への動力が遮断され得る。一実施形態では、これは外科医に器具の完全な制御を提供し、システム１０は、手術を行わないか、または物理的に案内しない。ナビゲーションカメラ３０は、リアルタイムで器具の位置を追跡して、患者の画像と共に、モニタ２０に画像を提供して、例えば、外科医にガイダンスを提供する。

図３～図５を参照すると、モーションロックエンドエフェクタ２２および関節動作アーム２４がより詳細に示されている。モーションロックエンドエフェクタ２２および関節運動アーム２４は、外科用リトラクタ（図１９Ｂに示す）またはアクセスポート（図１９Ｃに示す）などのアクセス器具３４に対する堅固な取り付け接続を提供する。あるいは、所望に応じて、標準テーブルを装着した関節運動アーム、リトラクタ、またはポートが使用され得る。モーションロックエンドエフェクタ２２は、ロボットアーム１４に取り付けられると、ロボットアームの運動を防止する。エンドエフェクタ２２は、関節運動アーム２４に対する堅固で迅速な接続を提供し、これを使用して、アクセス器具３４（例えば、リトラクタまたはアーム装着のポート）を堅固に取り付け、位置付ける。

図４Ａ～図４Ｃに示すように、エンドエフェクタ２２は、滅菌アームドレープ２８の上にクランプすることによって、ロボットアーム１４に接続する。エンドエフェクタ２２は、関節運動アーム２４の一方の端部内の雌型部分内で受容可能である、雄型部分２３を含む。関節運動アーム２４は、解除ボタン３６を有するエンドエフェクタ２２の雄型部分２３に取り付ける。解除ボタン３６は、エンドエフェクタ２２に対する関節運動アーム２４の迅速な取り付けおよび取り外しを可能にする。関節運動アーム２４の対向端部への取り付けマウント３８は、アクセス器具３４（例えば、リトラクタまたはアーム装着のポート）に取り付ける。関節運動アーム２４の遠位端は、リトラクタシステムまたはポート３４への接続のためのねじ付き取り付けマウント３８を有し得る。関節運動アーム２４が位置付けられ、アクセス器具３４が取り付けられた時点で、ロッキングノブ４０を締めて、アセンブリを固定し得る。関節運動アーム２４は、ロボットアーム１４と外科用リトラクタまたはアクセスポート３４との間のリンクとしての役割を果たす。関節運動アーム２４は、ロッキングノブ４０を締めるまたは緩めることによってロックおよびロック解除されるいくつかのジョイントを有し得、標準テーブル装着のリトラクタアームと同様に、リトラクタ位置の迅速な調整を可能にする。

このように、ロボットアーム１４は、リトラクタまたはポート３４のための堅固な固定点として使用して、脊椎へのアクセスを提供し得る。滅菌ドレープ２８がロボット１２の上に嵌合された時点で、ロボットアーム１４を所定の位置に移動させることができる。エンドエフェクタ２２は、滅菌ドレープ２８の上でインターフェースプレートを通してロボットアーム１４に取り付けられ得る。磁気の支援は、エンドエフェクタ２２を位置付けて自己整列させるのを補助し得る。ドレープフレンドリクランプ２９は、ドレープ２８に損傷を与えることなく、１回の処置において最大３回まで、エンドエフェクタ２２を取り外すこと、および再度取り付けることを可能にする。エンドエフェクタ２２は、ロボットアーム１４から無線で給電される。モーションロックエンドエフェクタ２２は、ロボットアーム１４に取り付けられると、システム１０に信号を送信して、アクセス器具３４（例えば、リトラクタブレードまたはアクセスポート）が患者２に使用されて手術が行われている間、全ての運動（例えば、スタビライザおよびロボットアーム１４）を制限し、安全特徴として、意図しない移動を防止する。

ここで図６Ａ～図６Ｂを参照すると、ナビゲート可能な器具５０が示されている。ナビゲートされる器具５０としては、拡張器、椎間板準備器具（例えば、キュレット、コブエレベータ、ラスプ、スクレーパなど）、トライアル、およびインサータが挙げられ得る。ナビゲート可能な器具５０は、ハンドル部分５２と、シャフト部分５４と、器具５０を追跡するための１つ以上の追跡マーカ１８を含むアレイ５６と、を含み得る。アレイ５６は、アレイポスト６４によってハンドル本体５２に固定され得る。アレイ５６は、ハンドル５２の中心軸を中心に回転するように構成され得る。ハンドル部分５２は、直線ハンドルおよびＴ字ハンドルのスタイルを含み得る。シャフト部分５４は、１つ以上の機能を行うように構成された先端部５８をその遠位端に有し得、ハンドル部分５２に対して迅速に接続および接続解除するように構成されたクイックコネクタ６０をその近位端に有し得、それによって、ハンドルアセンブリのアレイへの堅固な取り付けを提供する。シャフト５４のスロット６２は、器具を保持し、ピン６３は、配向を制御する。器具５０は、位置合わせピン６３および溝６２を整列させた状態で、完全に着座するまで器具シャフト５４をハンドル５２に挿入することによって、選択されたアレイハンドル５２と共に組み立てられる。完全に挿入されると、可聴のクリック音が聞こえて、器具５０がロックされる。

図７Ａ～図７Ｌに示すように、椎間板準備およびトライアル器具５０としては、トライアル（図７Ａおよび図７Ｂに示す）、カップキュレット（図７Ｃに示す）、リングキュレット（図７Ｄに示す）、コブ（図７Ｅに示す）、エレベータ（図７Ｆに示す）、オステオトーム（図７Ｇに示す）、ラスプ（図７Ｈに示す）、レーキ（図７Ｉに示す）、サイザ／シェーバ（図７Ｊに示す）、パドルディストラクタ（図７Ｋに示す）、スクレーパ（図７Ｌに示す）、および他の好適な器具が挙げられ得る。横方向に使用するための器具５０は、長さがより長くなり得、後方に使用するためのものは、長さがより短くなり得る。キットには、様々なサイズの様々な異なる器具５０が提供され得る。

椎間板準備およびトライアル器具５０は、様々なアレイハンドル５２と交換可能に使用され得る。ユーザは、使用前に、ソフトウェアにおいて器具をアレイハンドル５２に割り当て得る。椎間板準備およびトライアル器具５０の代表的なモデルは、ソフトウェアにおいてロードされ、ユーザインターフェースにおいて器具のリストから選択され得る。

図８Ａ～図８Ｅを参照すると、器具５０は、ナビゲーションのための一体化アレイ５６を有し得る、取り外し可能なアレイハンドル５２と共に使用され得る。器具５０はまた、所望に応じて、ナビゲーションを伴わずにフリーハンドでも使用され得る。各器具シャフト５４および対応するアレイハンドル５２は、使用前に組み立てられる。アレイハンドル５２は、例えばユーザ選好に合うように、直線およびＴ字のスタイルであり得る。各アレイ５６は、システム１０によって認識される一意のマーカパターンを有する。アレイ５６は、反射マーカ１８を取り付けるための、１つ以上のポスト６６（例えば、４つのポスト６６）を有し得る。各アレイ５６は、システム１０がアレイ５６を識別し、それによって、器具５０のタイプを識別することを可能にする一意のパターンを有する。アレイハンドル５２は、ナビゲーションのために、椎間板準備器具およびトライアルのシャフト５４に取り付けられる。ハンドル５２は、椎間板準備器具またはトライアルのシャフト５４を取り外すための解除ボタン６８を含み得る。図８Ｄに示すように、アレイハンドル５２は、器具および検証ディボット７０の使用を通じて検証され得る。アレイポスト６４上に位置する検証ディボット７０は、例えば器具先端部５８をディボット７０の中へ配置することによって、他のナビゲートされる器具を検証するために使用され得る。

図９Ａ～図９Ｆに示す一実施形態によれば、色および／またはエッチングされた数字によってユーザが区別し得る６つの異なるアレイ５６が存在する。ハンドル５２としては、例えば、赤色のアレイ５６を有する直線ハンドル５２（図９Ａに示す）、金色のアレイ５６を有する直線ハンドル５２（図９Ｂに示す）、緑色のアレイ５６を有する直線ハンドル５２（図９Ｃに示す）、青色のアレイ５６を有する直線ハンドル５２（図９Ｄに示す）、紫色のアレイ５６を有するＴ字ハンドル５２（図９Ｅに示す）、および灰色のアレイ５６を有するＴ字ハンドル５２（図９Ｆに示す）が挙げられ得る。各アレイパターンは、光学カメラ３０によって追跡される反射マーカ１８を取り付けるための４つのポスト６６を含み得る。これらのポスト６６の配設は、アレイハンドル５２ごとに一意である。アレイプレート５６は、各々が一意の色でレーザマーキングされた数字（例えば、赤色の「１」）を有し得る。これらのインジケータは、ユーザが、ソフトウェアにおいて、椎間板準備器具シャフト５４を対応するアレイハンドル５２に迅速に割り当てる（例えば、赤色１、コブ１０ｍｍ）ことを可能にする。アレイハンドル５２が検証された時点で、処置中に器具５０が交換され得る。ナビゲーションのために器具５０が正しく表示されるように、新しい器具５０を再度割り当てて、アレイの位置を調整しなければならない。処置中に、様々な器具５０がナビゲートされ得る。

図１０Ａ～図１０Ｂに注目すると、アレイハンドル５２は、アレイ５６が、ハンドル５２の中心軸を中心に回転して、アレイ５６がカメラ３０の視野内にあることを確実にすること、または患者の解剖学的構造およびアレイ５６に対する器具５０の配向を変化させることを可能にする。ユーザは、所望に応じて、回転インデックスボタン７２を押して、アレイ５６を新しいインデックス位置７４においてクリック音がするまで回転させ得る。インデックス位置７４は、例えば、ハンドル５２にインジケータ７６がエッチングされ得る。第１のインデックス位置７４は、ディボット７０の隣の長方形のマーキングと整列された文字Ａ（図８Ａでインジケータ７６として示す）によって識別される。図１０Ａに示すように、Ｔ字ハンドル５２は、９０°間隔で位置する４つのインデックス位置７４（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）に器具５０をインデックスし得る。図１０Ｂに示すように、直線ハンドル５２は、１８０°間隔である２つのインデックス位置７４（Ａ、Ｃ）に器具５０をインデックスし得る。各インデックス位置７４は、それぞれのインデックス位置７４に対応するインジケータ文字７６（それぞれ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、またはＡ、Ｃ）によって、アレイハンドル５２上に示され得る。器具シャフト５４およびアレイハンドル５２が組み立てられると、インデックス位置７４は、ハンドル５２上の位置識別子７６に示されるように、「Ａ」から始まる。全ての器具５０は、検証されて、最初に「Ａ」のインデックス位置７４でソフトウェアに表示され得る。次いで、ユーザは、アレイ５６を新しいインデックス位置７４まで回転させたときに、インデックスの配向をソフトウェアに入力して、表示された器具モデルが、実際の器具５０と同じ位置に配向されていることを確実にする。

アレイ５６は、シャフト５４に対して回転させて、アレイ５６がカメラ３０の視野内にあることを確実にすることができる。ユーザは、インデックスボタン７２を押して、インデックス位置７４のうちの１つにおいてクリック音がするまで、アレイ５６をハンドル５２の周りに回転させる。インデックス位置７４は、「Ａ」から始まる。インデックス位置７４が「Ｂ」、「Ｃ」、「Ｄ」に変更される（または後で「Ａ」に戻される）と、ユーザは、ロボット１２のタッチスクリーンモニタ２０で位置を入力する。これは、モニタ２０が、対応する器具モデルの正確な配向を表示することを可能にする。実施形態には、２つまたは４つのインデックス位置７４が示されているが、任意の好適な数および場所のインデックス位置７４が使用され得ることが認識されるであろう。

全てのアレイハンドル５２は、同じクイック接続および解除の取り付け機構を有し得る。これは、任意の椎間板準備またはトライアル器具シャフト５４を任意のアレイハンドル５２に組み立てることを可能にする。ユーザは、ソフトウェアにおいて、器具５０を各ハンドルアレイ５６に割り当てる。アレイハンドル５２上の解除ボタン６８は、押したときに、器具シャフト５４を挿入することまたは取り外すことを可能にする。スロット６２は、接続機構に組み込まれ得、該接続機構は、全ての嵌合する椎間板準備およびトライアル器具のピンと嵌合して、回転配向を制御する。

図１０Ｃを参照すると、ナビゲート可能な椎体間インサータ器具または椎体間インサータ８０がさらに説明されている。ナビゲート可能な椎体間インサータ８０は、例えば、経椎間孔椎体間固定術（ＴＬＩＦ）、後方椎体間固定術（ＰＬＩＦ）、および側方椎体間固定術（ＬＬＩＦ）で使用される、腰椎椎体間インプラントを設置するように構成され得る。また、インサータ８０が他の椎体間装置またはインプラントを設置するように構成され得ることも想到され得る。インプラント設計に応じて、椎体間インサータ８０は、椎体間インプラントを保持するためのフォーク状先端部９６またはねじ付き先端部９８を有し得るか、または別様にインプラントを保持するよう構成され得る。

椎体間インサータ８０は、アレイプレート８２と、シャフトまたはスリーブ８４と、回転可能な本体８８と、アレイプレート８２を本体８８に接続するアレイポスト９０と、を有し得る。ねじ付きインサータ８０について、インサータ８０は、ねじ付きロッド１００と、インサータ本体８８を通して、およびスリーブ８４を通して位置付け可能なドライバシャフト１０２と、を含み得る。ねじ付きロッド１００は、インプラントに係合するように構成された遠位ねじ付き先端部９８によって終端し得る。フォーク状インサータ８０について、インサータ８０は、インサータ本体およびスリーブ８４を通して位置付け可能なフォーク状ロッド１０４を含み得、インプラントに係合するように構成された遠位フォーク状先端部９６によって終端し得る。

一実施形態では、アレイポスト９０は、インサータ８０の本体８８に恒久的に一体化され得、本体８８は、インサータ８０のシャフトまたはスリーブ８４を中心に自由に回転する。アレイプレート８２は、光学カメラ３０によって追跡される反射マーカ１８を取り付けるための、１つ以上のポスト８６（例えば、４つのポスト８６）を有し得る。アレイパターンは、インサータ８０に一意であり得る。例えば、どのインプラントが配置されているかにかかわらず、全てのインサータ８０が同じアレイパターンを有し得る。インサータアレイパターンは、他のアレイ器具（例えば、アレイ４６、拡張器アレイ１１４）のパターンとは異なり得る。

図１０Ｄ～図１０Ｇに注目すると、回転可能な本体８８（および取り付けたアレイ８２）は、中心軸スリーブ８４を中心に回転させて、アレイ８２がカメラ３０の視野内にあることを確実にすること、または患者の解剖学的構造に対するインサータ８０の配向を変化せることを可能にし得る。ユーザは、所望に応じて、回転インデックスボタン９４を押して、および／またはノブ９２を操作して、新しいインデックス位置７４に配向されるまでアレイ８２を回転させ得る。インサータ８０のアレイ８２は、図１０Ｂに示すように、２つのインデックス位置７４（それぞれ、Ａ、Ｃ）にインデックスされ得る。インデックス位置７４は、器具５０に関する説明と同じ様態で、１８０°間隔で、レーザマーキングによって器具８０上で識別され得る。これは、アレイ８２を回転させて、例えば、アレイ８２がカメラ３０の視野内にあることを確認することを可能にする。ユーザは、インデックス位置７４の間で切り換えるために、ねじ付きノブ９２を緩めて、アレイ８２を、例えば対向する場所まで１８０°回転させ得る。そして、位置を固定するために、ノブ９２を締め得る。別の実施形態では、ユーザは、インデックスボタン９４を押して、アレイ８２を回転させる。図１０Ｅおよび図１０Ｇでは、インサータ８０は、位置「Ａ」として識別されるインデックス位置７４に示されている。図１０Ｄおよび図１０Ｆでは、インサータ８０のインデックス位置７４は、位置「Ｃ」に変更されている。インデックス位置７４が「Ｃ」に変更される（または後で「Ａ」に戻される）と、ユーザは、モニタ２０で位置を入力する。これは、モニタ２０が、対応する器具モデルの正確な配向を表示することを可能にする。

図１１Ａ～図１１Ｅを参照すると、インサータ８０のいくつかの実施形態が示されている。図１１Ａでは、インサータ８０は、静的後方椎体間スペーサを保持するように構成されたフォーク状遠位先端９６を含み得る。図１１Ｂでは、インサータ８０は、関節運動する拡張可能なＴＬＩＦスペーサを保持するように構成されたねじ付き遠位先端９８を含み得る。図１１Ｃでは、インサータ８０は、拡張可能な側方腰椎固定装置を保持するように構成されたフォーク状先端部９６を含み得る。図１１Ｄでは、インサータ８０は、拡張可能な腰椎固定インプラントを保持するように構成されたフォーク状先端部９６を含み得る。図１１Ｅでは、インサータ８０は、一体的な固定によって、拡張可能な椎体間固定スペーサを保持するように構成されたねじ付き先端部９８を含み得る。フォーク状の実施形態９６およびねじ付きの実施形態９８が示されているが、インサータ８０の遠位端は、あらゆる方法で、処置中にインプラントを保持するように構成され得ることが認識されるであろう。選択したインプラントシステムに基づいて、ソフトウェアにおいて、インプラントシステムに対応するインプラントインサータ８０が識別される。インプラントインサータ８０は、システム１０によるナビゲーションのための一体型アレイ８２を含み得る。

図１２Ａ～図１３Ｂを参照すると、インサータ８０は、以下のように組み立てられ得る。図１２Ａ～１２Ｂに注目すると、ねじ付きインサータ８０を組み立てるために、スリーブ８４がアレイアセンブリに挿入され得、ねじ付きロッド１００および駆動シャフト１０２がインサータ本体８８の中へ、スリーブ８４を通して挿入され得る。スリーブ８４の１つ以上のプロング８５は、インサータ本体８８と整列させて、その中にスリーブ８４が挿入され得る。ノブ８９は、時計方向に回転させて、スリーブ８４にねじ込んで、アセンブリを固定し得る。図１３Ａ～図１３Ｂに注目すると、プロング付きインサータ８０を組み立てるために、スリーブ８４がアレイアセンブリに挿入され得、フォーク状シャフト１０４がインサータ本体８８の中へ、スリーブ８４を通して挿入され得る。スリーブ８４の１つ以上のプロング８５は、インサータ本体８８と整列させて、その中にスリーブ８４が挿入され得る。ノブ８９は、時計方向に回転させて、スリーブ８４にねじ込んで、アセンブリを固定し得る。

締め付けレンチおよびトルク制限ドライバなどの（拡張可能な装置のインサータのための）ナビゲートされない器具は、特に椎体間インサータ８０と協働するように提供され得る。これらの補助器具は、対応するナビゲートされない椎体間インサータと協働する器具と同じ機能を果たす。これらのナビゲートされない器具は、例えば、患者の画像にはレンダリングされず、インサータ８０の機械的機能を支持するために使用され得る。

ここで図１４Ａ～図１４Ｇを参照すると、ナビゲート可能な拡張器具または拡張器１１０が示されている。ナビゲート可能な拡張器１１０は、ロボットナビゲーションシステム１０によって追跡されるように構成された初期拡張器１１２および拡張器アレイ１１４を含み得る。拡張器アレイ１１４は、一意のアレイパターンと、空胴または取り付け窓１１６と、解除ボタン１１８と、検証ディボット１２０と、を含み得る。アレイ５６および８２と同様に、アレイ１１４は、追跡マーカ１８を取り付けるための、１つ以上のポスト１２２（例えば、４つのポスト１２２）を有し得る。アレイ１１４は、システム１０がアレイ１１４を識別し、それによって、ナビゲーションのために拡張器１１０を識別することを可能にする、一意のパターンを有する。検証ディボット１２０は、器具先端部５８をディボット１２０の中へ配置することによって、他のナビゲートされる器具５０を検証するために使用され得る。検証ディボット１２０は、例えば、アレイ１１４の上に位置し得る。

拡張器アレイ１１４は、初期拡張器１１２に取り付けられ得る。初期拡張器１１２としては、２ｍｍカニューレ、絶縁カニューレＡ、ステンレス鋼カニューレＡ、または他の好適なカニューレなどのカニューレもしくは拡張器が挙げられ得る。図１４Ｄに示すように、初期拡張器１１２および拡張器アレイ１１４を組み立てるには、解除ボタン１１８を押して、取り付け窓１１６を開き得る。拡張器１１２は、窓１１６を通してその中へ挿入され得る。図１４Ｅに示すように、側部ビューウィンドウ１２４は、拡張器１１２がアレイ１１４に完全に挿入されたことを確実にするために確認され得る。

図１４Ｆ～図１４Ｇに示すように、マーカ１８（例えば、使い捨て反射マーカ）は、アレイ１１４のマーカポスト１２２の各々に取り付けられ得る。図１４Ｇに示すように、組み立てるには、マーカ１８をポスト１２２に完全に着座させる。マーカ１８は、本明細書で説明する同様のアレイ５６、８２のポスト６６、８６に同様に固定され得ることが認識されるであろう。

拡張器アレイ１１４は、システム１０によるナビゲーションのために、初期拡張器１１２に取り付けられ得る。ユーザは、ソフトウェアインターフェース上で、アレイ１１４と共に使用されるべき特定の初期拡張器１１２を選択し得る。拡張器１１２およびアレイ１１４が組み立てられて、検証されると、軟組織の拡張中に、選択された拡張器１１０の代表画像が患者の解剖学的画像に重ね合わせられる。拡張器１１０が配置された時点で、所望に応じて、ナビゲートされないカニューレによって順次拡張が行われ得る。

ここで図１５Ａ～図１５Ｄを参照すると、例えば器具５０（例えば、椎間板準備器具またはトライアル）または検証のためのインプラントを有するインサータ８０に代わるものとして、検証アダプタ１３０の実施形態が、検証について記載されている。図１５Ｃに最も良く見られるように、各アダプタ１３０は、他のアレイ器具５０、１１０上に位置する検証ディボット７０、１２０に嵌合する、尖頭先端部１３２（例えば、円錐先端部）を有する。各タイプのインサータ８０は、アダプタ１３０上で識別される、特定の検証アダプタ１３０と嵌合する。各アダプタ１３０の近位端は、所与のインサータ８０が整合アダプタ１３０を保持するように構成されるように、対応するインプラント特徴に整合する１つ以上の嵌合特徴１３４（例えば、突出部、凹部、スロット）を有する。

一実施形態では、検証アダプタ１３０は、アレイハンドル５２に取り付けられた器具シャフト５４を交換するために使用され得る。この場合、アダプタ１３０は、検証のために、アレイハンドル５２の上へ配置される。検証後に、アダプタ１３０を取り外し得、その意図する機能のために、器具シャフト５４をハンドル５２の上へ配置する。検証アダプタ１３０は、アレイハンドル５２の検証ディボット７０または検証ディボット７０、１２０を有する任意の器具の内部に容易に嵌合する、円錐先端部１３２を有し得る。アダプタ１３０は、湾曲したキュレットまたはオステオトームなどの、検証に好都合な先端部５８を有しない器具５０を検証するために、オプションとして提供され得る。

図１５Ｄに示す別の実施形態では、検証アダプタ１３０はまた、インサータ８０と共に使用され得る。インサータ検証アダプタ１３０は、インサータ８０に固定されるインプラントの代替物として、使用前に椎体間インサータ器具８０を検証するために使用され得る。各アダプタ１３０は、特定のインサータ８０およびインプラントタイプに対応する。アダプタ１３０は、インサータ８０の遠位端の上へ配置されて、検証のための尖頭先端部１３２を提供する。検証後に、アダプタ１３０を取り外し、ナビゲーションのために、所望のインプラントをインサータ８０の上へ配置する。

図１６Ａ～図１６Ｃを参照すると、検証手順が説明されている。任意の器具５０（例えば、椎間板準備器具またはトライアル）またはインサータ８０は、ソフトウェア検証のために、別のアレイハンドル５２の検証ディボット７０、１２０、拡張器アレイ１１４、または他の好適なディボットに配置され得る。図１６Ａに注目すると、インサータ８０は、検証アダプタ１３０の先端部１３２を、別のアレイハンドル５２上に位置する検証ディボット７０に配置することによって検証され得る。図１６Ｂでは、インサータ８０は、検証アダプタ１３０の先端部１３２を拡張器アレイ１１４上に位置する検証ディボット１２０に配置することによって、ソフトウェアにおいて検証され得る。ソフトウェア検証は、両方の器具５０、８０、１１０が、視認可能であること、カメラ３０に面していること、および垂直位置に安定して保持されていることを確実にする。各アレイ５６、８２、１１４の中心軸は、検証を完了するために互いに対して平行にするべきである。

図１６Ｃに示すように、ポップアップ画面がモニタ２０（または他のスクリーン）上に現れて、検証の進捗を示す。ナビゲートされる器具５０、８０、１１０は、光学マーカの場所、先端部の場所、および検証ディボットの場所を含む、ソフトウェアに記憶された寸法情報によって事前に較正される。アレイハンドル５２に取り付けられた最大６つの器具シャフト５４が、一度に検証およびナビゲートされ得る。検証中に、事前に定義した次元情報を使用して、器具の位置を定義する。ユーザは、検証画面へ進む前に、インプラントファミリを選択する。インプラントファミリが選択された時点で、外科用器具５０の先端部５８の場所がソフトウェアに知らされる。アレイおよび／または一体型器具アレイ５６、８２、１１４は、使用前に、ナビゲーションシステム１０によって検証される。検証アダプタ１３０は、必要に応じて、器具ハンドル５２またはインサータ８０に取り付けられ得る。精度検証（レジストレーション）中に、ユーザは、１つのナビゲートされる器具５０またはインサータ８０の先端部５８、１３２を、別のアレイハンドル５２、拡張器アレイ１１４、または他の好適な器具の検証ディボット７０、１２０に保持する。アレイ５６、８２、１１４のどれも、各器具シャフトの中心軸が互いに平行であるように、カメラ３０に視認可能で、かつ垂直位置に安定して保持されなければならない。完了した時点で、検証結果が、成功アイコン（例えば、図１６Ｃの左側に示される緑色の円）または失敗アイコン（例えば、図１６Ｃの右側に示される赤色の斜線付き円）として表示される。

器具シャフト５４をアレイ５６に取り付ける場合は、同じ器具名をモニタ３０上の対応するアレイに割り当てられなければならない。検証後に、器具５０が起動され、モニタ３０に表示される。アレイハンドル５２およびインサータ８０は、１回の手術当たり１回の検証だけを必要とし得る。検証後には、検証アダプタ１３０を取り外すことができ、所望の器具シャフト５４または椎体間スペーサが、それぞれ、アレイハンドル５２または椎体間インサータ８０に取り付けられ得る。ナビゲートされる器具のデジタル表現が、一般的な器具としてではなく、器具特有の詳細を表す単純化された３Ｄ図として、登録された患者画像にレンダリングされる。計画されたインプラント（ナビゲートされ得ない）もまた、インプラント特有の詳細を表す単純化された３Ｄ図面として、患者画像にレンダリングされる。ナビゲートされない器具は、患者画像にレンダリングされ得ない。検証の特定の特徴を本明細書で説明しているが、追加的な器具または構成を使用して、外科的処置の構成要素が検証され得ることが認識されるであろう。

ここで図１７Ａ～図１７Ｂを参照すると、動的参照ベース１４０、１４２（ＤＲＢ）の実施形態が示されている。動的参照ベース１４０、１４２は、患者２に（例えば、患者２の骨に）直接固定されるように適合された１つ以上の追跡マーカ１８を含む、患者追跡装置２６である。動的参照ベース１４０、１４２は、全てのナビゲーション追跡が参照される、光学空間内の固定参照点を確立するために使用され得る。図１７Ａに示される動的参照ベース１４０の一実施形態は、より長い作動距離に対して、一度に２つの動的参照ベース１４０、１４２を使用することを可能にする。図１７Ａに示す動的参照ベース１４０はまた、図１７Ｂに示される動的参照ベース１４２の代替物として、唯一の動的参照ベース１４０としても使用され得る。

動的参照ベース１４０、１４２は、各々が、アレイ本体１４４と、クランプ機構１４６と、を含む。動的参照ベース１４０、１４２は、クアトロスパイク、低プロファイルのクアトロスパイク、骨クランプ、ロッドアタッチメントなどの、堅固な患者固定装置１３８に取り付ける。動的参照ベース１４０、１４２は、外科空間に位置付けるように調整され得る。

動的参照ベース１４０、１４２は、反射マーカ１８を取り付けるための、１つ以上のポスト１４８（例えば、４つのポスト１４８）を伴うアレイ１４４を有する。各アレイ１４４は、一意のパターンを有し、これは、システム１０が、アレイ１４４を識別し、それによって、動的参照ベース１４０、１４２を識別することを可能にする。動的参照ベース１４０は、システム１０によって一意的に識別されるように、動的参照ベース１４２とは異なるアレイパターンを有する。

図１７Ａに示す実施形態では、動的参照ベース１４０は、患者の固定ポスト１３８に取り付けられるように構成されたクランプ機構１４６を含む。動的参照ベース１４０は、ポスト１３８にクランプするための摺動機構１５０を有し、ドライバ（例えば、ヘクサロビュラドライバ）によって締められ得る。図１７Ｂに示す実施形態では、動的参照ベース１４２は、固定ロッドの周囲のクラスプを圧縮する蝶ねじ１５２を伴うクランプ１４６を有する。動的参照ベース１４０、１４２は、非滅菌で提供され、手術で使用する前に滅菌され得る。動的参照ベース１４０は、単独で、または長い構造物の場合には動的参照ベース１４２と併せて使用され得る。

ここで図１８Ａ～図１８Ｄを参照すると、ナビゲートされる外科的処置をセットアップするためのステップが示されている。処置を開始する前に、滅菌ドレープ２８が、ロボットアーム１４、モニタ２０、およびベースステーション１６の正面部分を覆って配置される。パッシブマーカ１８は、全てのナビゲートされる器具のアレイ５６、８２、１１４、１４４および装置５０、８０、１１０、１４０、１４２に加えられる。図１８Ａに示すように、外科医は、計画ソフトウェアを使用して、椎体間インプラントの場所および患者画像２０上の器具を決定することができる。計画は、手術前の撮像ワークフローのための画像レジストレーションの前に、または手術中の撮像ワークフローまたは２Ｄ撮像ワークフローのための画像レジストレーションの後に行われ得る。器具の計画は、外科医が、画像レジストレーションの後にフットペダルを押すかまたはタッチスクリーンモニタ２０で確認することによって、ナビゲートされる器具５０、８０、１１０を伴う椎体間装置（またはねじ）を計画することを可能にする。外科医は、タッチスクリーンモニタ２０で、ならびに手術前撮像を伴うタブレットで計画することができる。インプラントは、ソフトウェアにおいて選択されて、患者画像上の所望の位置へ移動される。

図１８Ｂに示すように、患者２が準備され、外科医の開始準備が整った時点で、患者固定ポスト１３８が、手術部位に近接した患者の骨の解剖学的構造に固定される。図１８Ｃに示すように、動的参照ベース１４０、１４２は、患者固定ポスト１３８に取り付けられ得る。加えて、別個の監視マーカ１５４もまた、手術部位に近接した患者の骨の解剖学的構造に固定され得る。監視マーカ１５４は、単一の追跡マーカ１８を含み得、また、処置中に動的参照ベース１４０、１４２が移動しない、といった追加的な検証を提供するために使用され得る。

最初に、特定の解剖学的位置を、その場所を追跡するために、既知の座標フレームを参照して患者２に位置合わせする。図１８Ｄに示すように、これは、ＣＴ基準およびパッシブマーカ１８の両方を含む、動的参照ベース１４０、１４２および手術中のレジストレーション固定具１５６を、（例えば、手術中ＣＴ撮像モダリティに適用可能な）患者取り付け器具１３８に堅固に取り付けることによって達成され得る。動的参照ベース１４０、１４２は、患者取り付け器具１３８に堅固に固定される。動的参照ベース１４０、１４２は、カメラ３０によって容易に見ることができる場所に配置される。手術中のレジストレーション固定具１５６は、枢動アーム１５８によって患者取り付け器具１３８のポストにクランプされる。枢動アーム１５８は、固定具を手術部位の上に直接位置付けることができるように、６自由度を有し得る。

ここで図１９Ａ～図１９Ｃを参照すると、ナビゲートされる外科的処置を行うための１つ以上のステップが示されている。図１９Ａに示すように、所望に応じて、拡張器１１０をナビゲートすることによって、アクセス器具３４（例えば、図１９Ｂに示すリトラクタまたは図１９Ｃに示すポートシステム）の初期位置および軌道が確立され得る。拡張器アレイ１１４は、システム１０によって検証され得る。初期拡張器１１２は、アクセス軌道に位置するようにナビゲートされ得る。拡張器アレイ１１４は、組織拡張のために取り外され得る。例えば、サイズを増大させる拡張器（カニューレ）を使用した順次拡張が外科医によって行われ得る。アクセス器具３４は、拡張器の上に位置付けられ得る。関節運動アーム２４は、アクセス器具３４、およびロボットアーム１４に結合されたエンドエフェクタ２２に取り付けられ得る。ロッキングノブ４０は、関節運動アーム２４を固定するために締められ得る。アクセス器具３４が位置付けられた時点で、椎体間インプラントを設置するために、ナビゲート可能な器具５０およびインサータ８０のいずれかが、本明細書で説明するように利用され得る。

ここで図２０Ａ～図２０Ｇを参照すると、外科的処置の器具計画、セットアップおよびアクセスのために、ならびに／またはナビゲーション全体にわたって利用され得る、ソフトウェアユーザインターフェースの実施例が提供されている。器具５０、８０、１１０は、椎体間固定装置の準備および配置のために、外科的処置中にフリーハンドでナビゲートされ得る。ねじは、様々なワークフローを使用して、椎体間スペーサの前または後に配置され得る。器具５０、８０、１１０の位置は、カメラ３０によって追跡される。外科医は、標準的な手術と同様の、椎間板腔の解剖学的構造および外科用器具５０、８０、１１０の触感を有する。椎体間スペーサを配置するために、標準的な外科技術に従って、トライアル、カップキュレット、リングキュレット、コブエレベータ、エレベータ、オステオトーム、ラスプ、レーキ、スクレーパ、サイザ／シェーバ、パドルディストラクタ、およびトライアルを含む、器具５０が使用され得る。ナビゲート可能な器具５０、８０、１１０の位置は、リアルタイムで監視される。外科医は、器具５０、８０、１１０を手動で操作して、正確な配置および位置付けを決定する。外科用器具５０、８０、１１０は、所望に応じて、取り付けられたアクセス器具３４（例えば、リトラクタまたはポート）を通して使用され得る。

ロボットソフトウェアユーザインターフェースは、典型的な処置を通して外科医およびスタッフを支援するように構成されている。スクリーン２０上のタブは、以下のようなプロセスの各ステップを表し得る。（１）ワークフローステップ１６２は、ユーザが、インプラントセットおよびインプラント配置の一般的な場所を選択することを可能にする。（２）検証ステップ１６４は、ユーザが、ナビゲーション器具を検証して、例えば、器具が前回の使用によって損傷していないことを確実にすることを可能にする。（３）画像ステップ１６６は、ユーザが、患者画像をインポートおよび選択することを可能にする。（４）計画ステップ１６８は、ユーザが、患者の医療画像へのインプラントの配置を計画することを可能にする。（５）ナビゲートステップ１７０は、患者の医療画像上の器具およびインプラントの場所を示す。

図２０Ａを参照すると、ワークフローステップ１６２の器具計画は、脊椎のシミュレーションされた解剖学的図を伴うスクリーンビュー１６０から開始され得る。ワークフロータブ１６２では、所望の手術の順序（例えば、椎体間を最初に配置する）で、所望の処置のステージ（例えば、椎体間またはねじの配置）が選択され得る。各ステージについて、撮像モダリティ、椎体間インプラントシステム、および解剖学的モデルに関する所望の椎体間レベルが選択され得る。「ステージを追加（Ａｄｄ Ｓｔａｇｅ）」ボタン１７２をクリックして事例にステージを追加することによって、ステージがワークフローに追加され得る。例えば、脊髄レベルインジケータの円またはバブル１７４をダブルクリックして、計画のための脊髄レベルを選択または選択解除にすることによって、脊髄レベルが選択され得る。「器具の検証（Ｖｅｒｉｆｙ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）」ボタン１７６は、次のタブへ進むために選択され得る。

任意のナビゲート可能な器具５０、８０、１１０は、器具を計画するために使用することができる。器具計画は、ナビゲートされる器具５０、８０、１１０の軌道を所望のインプラント軌道に整列させ、ユーザ入力を通してこの軌道を確認することによって、インプラント計画を作成することを指す。器具計画機能は、ユーザが、インプラント計画が器具５０の先端５８において作成されるか、またはその軌道に沿ったその先端５８からいくらか離れて作成されるか、を選択することを可能にする。ユーザは、患者の解剖学的構造の画像に最良に適合するように、計画されたインプラントのタイプおよび寸法を選択することができる。ユーザは、ソフトウェアにおいて、器具５０、８０、１１０を、所望の位置にナビゲートして、患者画像上のインプラントにドロップする。

図２０Ｂを参照すると、検証タブ１６４は、ワークフロータブ１６２上で選択された器具５０、８０、１１０の可視性、場所、および検証状態を含む、ナビゲーションの詳細を表示する。例えば、検証は、取り扱い中に全ての器具５０、８０、１１０が損傷していないことを確実にするために使用され得る。アレイ５６、８２、１１４を有する全ての器具５０、８０、１１０は、適宜、検証アダプタ１３０、器具５０、インプラント、または拡張器１１０のいずれかと共に使用する前に検証され得る。検証タブ１６４は、カメラ視野および器具の状態を示し得る。カメラ視野は、カメラ３０の視点からのリアルタイムの視野であり、１つ以上の色付き円１７８が、器具の場所を示す。中実の色付き円１７８は、器具５０、８０、１１０がカメラ３０によって視認可能であることを示し得、一方で、中空の円は、該器具が視認不可能であることを示し得る。色付き円１７８は、器具５０、８０、１１０が物理的カメラ３０のより近くへ移動するにつれて大きくなり得、該器具がカメラ３０からより離れて移動するにつれて小さくなり得る。カメラ３０からの理想的な距離は、約２メートルまたは６フィートであるが、該距離が変化し得ることが認識されるであろう。器具の状態は、各器具５０、８０、１１０を識別するための対応する色付き円によって、各器具５０、８０、１１０、およびその検証状態をリストし得る。検証状態シンボルは、検証の成功を示す緑色マーカと、検証の失敗を示す赤色マーカと、を含み得る。検証タブ１６４のアイコンは、ワークフロータブ１６２に戻ること示す逆矢印と、クリックして次の画像タブ１６６へ進むためのロードスキャンボタンと、を含み得る。

図２０Ｃを参照すると、アレイ５６、８２、１１４は、取り扱い中、洗浄中、または殺菌中にそれらが損傷していないことを確実にするために、ナビゲーションシステム１０によって検証される。カメラ３０は、アレイ５６、８２、１１４に固定された反射マーカ１８の一意のパターンを検出する。各アレイ５６、８２、１１４は、器具シャフト５４、検証アダプタ１３０、インプラント（インサータ８０用）、または拡張器１１２（拡張器アレイ１１４用）をアレイハンドル５２またはインサータ８０に取り付けて、アセンブリの先端部を、別のアレイハンドル５２の検証ディボット７０、１２０または拡張器アレイ１１４の中へ配置することによって、使用前に検証されなければならない。検証後には、検証アダプタ１３０を取り外し（使用した場合）、所望の器具シャフト５４または椎体間スペーサが、それぞれ、アレイハンドル５２またはインサータ８０に取り付けられる。器具シャフト５４をアレイハンドル５２に取り付ける場合は、ソフトウェアにおいて、同じ器具名を、対応するアレイに割り当てられなければならない。この時点で、仮想器具または器具１８０が起動され、モニタ２０に表示される。検証が完了した時点で、検証状態がスクリーン２０に示される。誤差が存在する場合、先端部の誤差がｍｍで表示され得る。図１６Ｃに示すように、スクリーンビュー１６０は、検証に失敗したかどうかを示し得（例えば、赤色の斜線付き円が表示され得る）、成功する（例えば、緑色の円が表示され得る）まで、検証が繰り返され得る。全ての器具の検証が成功したときに、「ロードスキャン（Ｌｏａｄ Ｓｃａｎ）」ボタンを選択して、次のタブへ進み得る。

図２０Ｄおよび図２０Ｅを参照すると、計画ステップ１６８は、椎体間インプラントを配置するための随意の計画を可能にする。計画タブ１６８は、ユーザが、患者画像のスクリーンビュー１６０に重ね合わせられた全ての仮想椎体間インプラント１８２の配置を計画することを可能にする。インプラントは、ワークフロータブ１６２において行った選択に基づいて、スクリーン１６０の右パネル上にプレロードされ得る。インプラント計画は、所望のインプラント１８２を患者画像にドラッグアンドドロップすることによって、または器具５０、８０、１１０を所望の位置にナビゲートして、患者画像のその位置にインプラント１８２をドロップすることによって作成され得る。インプラント位置およびサイズは、計画タブ１６８上で調整され得る。

図２０Ｄでは、所望のインプラント標識は、スクリーン２０の右パネル上で選択され、画像上にドラッグされ得る。整列させた時点で、計画されたインプラント１８２が解除されて、それを画像１６０上にドロップし得る。アクティブなインプラント１８２は、計画中に、右パネル上にハイライトされ得る。選択されると、アイコンは、ハンドアイコンへ切り替わり得る。図２０Ｅでは、スクリーン２０の右パネル上の器具計画アイコンを選択して、器具計画が起動され得る。選択されると、アイコンは、視認可能なアイコンへ切り替わり得る。所望のインプラントラベルが、スクリーン２０の右パネル上で選択され得る。検証された器具を使用して、所望の軌道が患者画像上にナビゲートされ得る。所望のインプラントの場所を保存するために、フットペダルが押され得るか、または確認軌道ボタンが選択され得る。計画されたインプラント１８２が画像１６０上にドロップされた時点で、インプラント計画特徴を使用して、インプラント画像１８２をタッチスクリーン２０上にドラッグすることによって、インプラントの場所が調整され得る。特定のインプラントサイズ（例えば、幅、長さ、高さ、脊柱前湾）が、スクリーン２０の右パネル上で選択され得る。青色のアイコンは、クリックしてインプラント１８２を患者画像１６０上にドロップすることで、軌道を確認し得る。手のシンボルは、クリックして器具計画モードに移行することで、器具計画アイコンを示し得る。眼のシンボルは、ユーザが器具計画モードにあることを示すための、視認可能なアイコンを示し得る。レベルバブルインジケータ１８４は、計画されているアクティブインプラントおよび脊髄レベルを示し得る。

図２０Ｆおよび図２０Ｇを参照すると、ナビゲーションタブ１７０は、椎間板準備、トライアル、および椎体間配置を可能にし得る。ナビゲーション前に、所望に応じて、モーションロックエンドエフェクタ２２を使用して、手術のためのアクセス器具３４（例えば、リトラクタまたはアクセスポート）を取り付けることができる。ドレープをかけることに続いて、ユーザは、例えば、ブレスレットまたはフットペダルを押すことによって、リストモードでロボットアーム１４を移動させることができる。ユーザは、手動でアーム１４を、手術部位の近くの手術領域内の所望の位置へ移動させる。次いで、滅菌モーションロックエンドエフェクタ２２が、ドレープ２８の上でロボットアーム１４に取り付けられる。これは、ロボットアーム１４の運動をロックする。リトラクタまたはポート３４は、関節運動アーム２４に取り付けて、処置期間中に、その位置および配向を堅固に固定し得、脊椎へのアクセス通路を提供する。関節運動アーム２４およびリトラクタまたはポート３４は、モニタ２０に表示され得ない。関節運動アーム２４は、解除ボタン３６を押して、それを取り付けることによって、モーションロックエンドエフェクタ２２に固定され得る。リトラクタまたはポート３４は、関節運動アーム２４の取り付けマウント３８に取り付けられ得る。所望に応じて、拡張器アレイ１１４は、初期拡張器１１２に取り付けて、リトラクタまたはポート３４の初期位置および軌跡にナビゲートされ得る。所望の位置が確立された時点で、所望のリトラクタまたはポート３４上の関節運動アーム２４が、取り付けマウント３８に接続され得る。ロッキングノブ４０は、関節運動アーム２４をロックするために固定される。関節運動アーム２４およびリトラクタまたはポート３４が所望の位置にある時点で、外科的処置が行われ得る。

図２０Ｆでは、所望の器具５０（例えば、椎間板準備器具およびトライアル）をアレイハンドル５２に組み立てて、器具検証を行った後に、「アレイ識別子（Ａｒｒａｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ）」ボタンをクリックすることによって、器具５０が所与のアレイ５６に割り当てられ得る。正確なインデックス位置７４は、「アレイインデックス識別子（Ａｒｒａｙ Ｉｎｄｅｘ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ）」ボタンをクリックすることによって識別され得る。アレイ５６が検証された時点で、椎間板準備およびトライアル器具５０は、処置の間スイッチがオフにされ得るが、ナビゲーションのために器具５０が正しく表示されるように、新しい器具５０を再度割り当てて、それに応じて、アレイインデックス位置７４を調整しなければならない。器具５０が損傷していないこと、および器具の設定が正しく設定されていることをチェックするために、解剖学的標識点チェックが行われ得る。椎間板準備およびトライアルは、スクリーン２０に表示されたナビゲートされる器具アセンブリ１８６を使用して行われ得る。

図２０Ｇでは、椎体間インプラントが配置され得る。トライアルは、「アレイ識別子（Ａｒｒａｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ）」ボタンをクリックすることによってアレイハンドル５２に割り当てられ得る。正確なインデックス位置７４は、「アレイインデックス識別子（Ａｒｒａｙ Ｉｎｄｅｘ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ）」ボタンをクリックすることによって割り当てられ得る。トライアルは、所望の場所にナビゲートされ得る。トライアルは、椎間板腔に挿入され得る。これは、所望のインプラントサイズが決定されるまで、様々なトライアルについて繰り返され得る。インサータ８０は、使用されている椎体間装置に対応して選択され得る。器具検証は、検証アダプタ１３０またはインプラントを使用して行われ得る。所望の椎体間インプラントは、インサータ８０に取り付けられる。インプラントサイズ（例えば、幅、長さ、脊柱前湾）は、スクリーン２０の右パネル上で選択され得る。椎体間インプラントは所望の場所にナビゲートされ、仮想インサータおよびインプラント１８８は、患者画像１６０に表示される。インプラントは、例えばモニタ２０に表示されているナビゲーション情報に基づいて、椎間板腔に挿入される。拡張可能なスペーサについて、装置を拡張するために、対応するトルク制限ドライバが使用され得る。椎体間ソフトウェアモジュールは、椎体間固定装置のアクセス、準備、および／または配置のナビゲーションを提供し得る。

ここで図２１Ａ～図２１Ｈを参照すると、ナビゲート可能な拡張器器具または拡張器２１０の別の実施形態が、さらに詳細に記載されている。ナビゲート可能な拡張器２１０は、図１４Ａ～図１４Ｇに示す拡張器１１０と同様であり得る。ナビゲート可能な拡張器２１０は、ロボットナビゲーションシステム１０によって追跡されるように構成された、初期拡張器２１２および拡張器ホルダまたは拡張器アレイ２１４を含み得る。拡張器アレイ２１４は、一意のアレイパターンと、空胴または取り付け窓２１６と、解除ボタン２１８と、検証参照特徴２２０と、を含み得る。アレイ１１４と同様に、アレイ２１４は、追跡マーカ１８を取り付けるための、１つ以上のポスト２２２（例えば、４つのポスト２２２）を有し得る。

低侵襲脊椎手術では、切開部から、典型的には椎間板腔（ｉｎｔｅｒｖｅｒｔｅｂｒａｌ ｄｉｓｃ ｓｐａｃｅ）である手術標的へのアクセスを得るために、順次拡張が使用され得る。切開部、椎間板腔、およびリトラクタの場所を標的にするために、蛍光透視（Ｘ線）が使用され得る。また、椎間板腔にアクセスするために拡張器が所望の軌道に沿って挿入されることを確実にするために、蛍光透視も使用される。複数のＸ線画像によって軌道を確認しながら、初期拡張器を切開部に挿入して、軟組織を通して横断させる。手術部位は、より大きなカニューレを初期拡張器の上に配置することによって逐次的に拡張され得る。部位が十分に拡張された時点で、リトラクタが挿入され得る。リトラクタは、骨切除術器具、椎間板切除器具、および椎体間器具を椎間板腔に挿入するための作業コリドーを提供する。しかしながら、患者、外科医、および外科スタッフは、この拡張方法に必要とされる蛍光透視の量のため、潜在的に有害な放射線に曝露され得る。加えて、不正確に配置された器具によって、合併症が起こり得る。最終的に、この方法は、時間がかかり得、それが外科の効率および患者の安全性を低減させる。

ロボットナビゲーションシステム１０によって、手術中の蛍光透視に対する必要性を大幅に低減または排除し得、精度を高め、および／または手術中の効率を高めながら、初期拡張器２１２がシステム１０によってナビゲートされ得る。本システムは、外科用ロボットナビゲーション技術を通した、外科的にナビゲートされる拡張器２１０の完全な剛体運動を追跡することを可能にする。外科用ロボットナビゲーションによって、器具５０、８０、１１０、２１０が、光学または電磁位置センサ１８を通して追跡され得、関連するコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルが解剖学的ランドマークに対して表示され得、および／または器具５０、８０、１１０、２１０が、ロボットシステム１０を使用して計画位置まで誘導され得る。

外科用ナビゲーションまたはロボットナビゲーションシステムは、光学または電磁マーカ１８のアレイ５６、８２、１１４、２１４の互いに対する位置を測定することによって、器具５０、８０、１１０、２１０の完全な剛体運動を追跡し得る。モデルは、これらの被測定マーカの場所にマッピングされ、３Ｄ空間において配向され、外科医のための解剖学的画像に対して表示され得る。追跡アレイ５６、８２、１１４、２１４の配向を確実にする１つの方法は、アレイをツールに堅固に装着することである。しかしながら、拡張器１１０、２１０については、アレイ１１４、２１４をツールに堅固かつ恒久的に装着することが可能でない場合がある。

順次拡張は、その後に軟組織に挿入される直径を増加させる拡張器を使用することを含む。標的軌道を維持し、かつ組織の損傷を防止するために、順次拡張は、それぞれのより大きい拡張器を、先に挿入した拡張器の周囲に同心状に配置することによって達成され得る。初期拡張器１１２、２１２が、ロボットナビゲーションの支援によって配置され得る。取り外し可能な追跡アレイ１１４、２１４が取り外され得る。次いで、後続の拡張器が挿入され得る。リトラクタまたは他のアクセス器具３４を配置している間、アレイ１１４、２１４が再度取り付けられて、拡張器の位置が追跡され得る。このようにして、取り外し可能なアレイ１１４、２１４は、ナビゲートされる拡張器ホルダとして作用する。この方法を通して、初期拡張器１１２、２１２が直接的にナビゲートされ得、リトラクタまたは他のアクセス器具３４が間接的にナビゲートされ得る。ナビゲーションを通して所望の軌道および深さが決定された時点で、リトラクタまたは他のアクセス器具３４を適所に堅固に固定することができ、拡張器および追跡アレイ１１４、２１４が取り外され得る。

拡張器およびリトラクタの配置に加えて、ナビゲートされる拡張器ホルダまたはアレイ１１４、２１４には、他の利点が存在し得る。拡張器のサイズおよびスタイルは、特定のリトラクタシステムに一意であり得る。初期拡張器１１２、２１２の様々なサイズおよびスタイルに適合する汎用のナビゲートされる拡張器ホルダ１１４、２１４は、設定の複雑さを低減させ、手術中の効率を向上させ、および／または様々な外科医の選好に適合させるための柔軟性を向上させるのを補助し得る。装置１１４、２１４はまた、初期拡張器１１２、２１２に結合されると、解剖学的構造のランドマークを識別する、深さを測定する、および／または軌道を検証するためのナビゲートされるプローブツールとしての役割も果たし得る。ナビゲートされる拡張器ホルダ１１４、２１４の適合性は、器具または器具アダプタに取り付けること、他の器具および器具アレイの追跡精度を検証するための参照アレイとして使用することを可能にし得る。

図２１Ａ～図２１Ｃを参照すると、一実施形態は、初期拡張器２１２に対する迅速な取り付けおよび取り外しが可能な機構によって初期拡張器２１２に堅固に取り付けられた、ナビゲート可能な拡張器ホルダまたは取り外し可能なアレイ２１４を含む。ナビゲートされる拡張器ホルダ２１４は、後続のより大径の拡張器が存在するかどうかにかかわらず、初期拡張器２１２に対する取り付けおよび取り外しが可能である。加えて、アレイ２１４は、器具の遠位先端の位置精度を確実にするように、初期拡張器２１２または他の検証器具に対して繰り返し取り付けおよび取り外しされ得る。検証参照点２２０は、他のナビゲートされる器具を検証するために使用され得る。初期拡張器２１２は、所望に応じて、ｋワイヤを取り付けた状態で配置され得る。ナビゲートされる拡張器ホルダ２１４は、挿入されたｋワイヤとの干渉を回避するために、ｋワイヤのための孔またはスロット２２４を含み得る。

図２１Ｃに最も良く見られるように、アレイ２１４の剛体は、初期拡張器２１２などの軸対称器具を正確に位置させるために、ｖブロック２２６および深さ止め２２８を含み得る。この実施形態では、拡張器２１２は、ばね荷重機構２３０を介してアレイ２１４に対して堅固に位置し得る。初期拡張器２１２は、ｖブロック２２６、深さ止め２２８、およびばね荷重機構２３０を含む剛体の空胴２１６の中へ挿入され得る。アレイ２１４は、アレイ２１４を取り付けて、初期拡張器２１２を正確に位置付けるためのばね荷重クイック解除ボタン２１８によって、拡張器２１２に堅固に取り付けられる。ボタン２１８を押すことなどを通して、ばね荷重機構２３０が圧縮された場合、空胴２１６のサイズが増大し、器具２１２の簡単な挿入および取り外しを可能にする。押しボタン２１８への力を解除することなどを通して、ばね荷重機構２３０が圧縮解除されると、空胴２１６のサイズが減少し、ばね荷重機構２３０に結合された力印加装置２３２によって提供された横方向の力を通して、挿入された拡張器２１２がｖブロック２２６の中央に置かれる。

図２１Ｄ～図２１Ｈに示す別の実施形態では、横方向の力は、ねじに基づく機構２３４によって提供される。ｖブロック２２６は、アレイ２１４を取り付けて、初期拡張器２１２を正確に位置付けるためのねじ２３４または他の好適な機構によってねじ駆動される。各実施形態では、空胴サイズの可変性およびｖブロック２２６の自動調心性質は、様々な拡張器のサイズおよびスタイルの挿入を可能にする。加えて、各実施形態は、拡張器が取り付けられているかどうかにかかわらず、ｋワイヤを挿入するためのスロット２２４を含み得る。深さ止め２２８はまた、取り付け機構での拡張器２１２の繰り返し挿入深さも提供し、これは、正確に追跡することを可能にし、後続のより大径の拡張器との干渉を防止する。初期拡張器２１２は、ロボットナビゲーション方法を通して追跡され得、これは、手術部位を拡張させて、リトラクタまたはアクセス器具３４を配置している間の、蛍光透視に対する必要性を低減または排除する。被追跡アレイ２１４は、迅速にかつ繰り返して拡張器２１２に取り付けられ得、後続の拡張器または解剖学的構造と干渉することなく、後続の拡張を可能にする。被追跡アレイ２１４は、様々な初期拡張器サイズおよびスタイルに適合し、これは、設定の複雑さを低減させ得、手術中の効率を向上させ得、および／または様々な外科医の選好に適合させるための柔軟性を向上させ得る。被追跡アレイ２１４は、他の器具または器具アレイの精度を検証するための参照アレイとして使用され得る。

ここで図２２Ａ～図２２Ｃを参照すると、取り外し可能なシャフト２５４および／または取り外し可能な先端部２５８を有する器具２５０の実施形態が示されている。器具２５０は、図６Ａ～図９Ｆに示す器具５０と同様であり得る。マーカ１８が示されていないが、所望に応じて、好適なアレイ５６およびマーカ１８がこれらの器具２５０に含まれ得ることが認識されるであろう。医療処置中に、しばしば、器具は、摩耗に、および時には損傷につながる応力を受け得る。摩耗した、または損傷した時点で、ツールを交換する必要があり、また、ツールのワンピースまたはユニボディの構造のため、交換は、高いコストをもたらし、また、交換するツールを含むケースを保管するために手術室内の多くの空間が使用される。したがって、いくつかの実施形態では、器具２５０は、取り外し可能なシャフト２５４および／または取り外し可能な先端部２５８を含み得る。交換可能な先端部２５８は、各ツールが１つのシャフト２５４および／または別個の先端部２５８の供給だけしか必要としないことによって、手術室におけるフルサイズの装置に対する必要性が低くなるので、有利であり得る。

取り外し可能なシャフト２５４および／または取り外し可能な先端部２５８は、手術室において必要とされる器具およびグラフィックスケースのサイズおよび数の低減を提供し得る。加えて、バックテーブルおよびＭａｙｏスタンド上の器具の数およびサイズを減少させることによって、手術室の効率が向上され得る。加えて、取り外し可能なシャフト２５４および／または取り外し可能な先端部２５８は、器具全体ではなく摩耗した構成要素（例えば、ツール先端部）の交換を可能にし、これは、保守および修理の費用を減少させる。必要とされるハンドルおよびシャフト構成要素が少なくなるので、各器具セットを製造するコストも減少する。また、モジュラリティは、共通のシャフト－ハンドルアセンブリに嵌合するように単純化されたカスタムツール先端部が作成され得るので、低コストで外科医固有の器具を可能にし得る。

図２２Ｂに示す一実施形態では、器具２５０は、モジュール式ツーピース器具設計を含む。ハンドル２５２は、一体型先端部２５８を有する器具シャフト２５４に嵌合するクイックリリース機構２６０を含み得る。マルチピース器具２５０は、数多くの漸増的サイズが器具セット（例えば、サイザ、シェーバ、パドルディストラクタ、トライアルなど）において必要とされる、サイズ設定用途に見出され得る。モジュール式セットは、器具セットのコストおよびサイズを減少させ得る。

時間の経過と共に、ツールは、手術中に損傷し得るか、または複数の事例にわたる繰り返しの使用によって摩耗し得る。摩耗または損傷のため、器具の修理が必要である場合は、ワンピースの器具全体を交換しなければならない。ツーピースの器具の場合であっても、シャフト先端部の構造物の交換が必要になり得る。図２２Ｃに示す一実施形態では、ツール先端部２５８が交換され得る。例えば、器具２５０は、ハンドル２５２と、接続部２６２においてハンドルに結合されたたシャフト２５４と、接続部２６４においてシャフト２５４に結合された交換可能なツール先端部２５８と、を含み得る。接続部２６２は、シャフト２５４とハンドル２５２との間の堅固で永続的な接続部であり得、またはモジュール式でもあり得る。

図２２Ｃに示すように、接続部２６４は、ツール先端部２５８の器具２５０のシャフト２５４への繰り返し可能で耐久性のある取り付けを提供し得る。接続部２６４は、先端部２５８の一時的な保持、回転の拘束、および／または軸方向の「引き出し」の拘束を可能にし得る。器具シャフト２５４におけるツール先端部２５８の一時的な保持は、先端部２５８を交換するときに先端部２５８が重力によって偶発的に抜け落ちるのを防止する。回転の拘束は、外科環境における典型的なねじり負荷条件において、ハンドル２５２に対するツール先端部２５８の位置を保つ。同様に、軸方向の拘束は、ツール先端部２５８の軸方向位置を保ち、また、外科環境における典型的な軸方向負荷条件において、ツール先端部２５８の意図しない解除を防止する。

ツール先端部２５８の一時的な保持は、磁気、摩擦、および／またはクランプ力が挙げられるがそれらに限定されない、１つ以上の機構を通して達成され得る。磁性－強磁性接続部２６４を有する一実施形態では、ツール先端部２５８の近位端は、磁石を含み、これは、器具シャフト２５４の遠位端または内部空洞の解除機構の強磁性特徴に嵌合する。強磁性－磁性接続部２６４を有する別の実施形態では、ツール先端２５８の近位端は、強磁性特性を含み得、これは、器具シャフト２５４の遠位端または内部空洞の解除機構の磁性特徴に嵌合する。磁性－磁性接続部２６４を有するさらに別の実施形態では、ツール先端部２５８の近位端は、磁石を含み得、これは、器具シャフト２５４の遠位端または内部空洞の解除機構の磁性特徴に嵌合する。

別の実施形態によれば、ツール先端部２５８の近位端は、テーパ状の雄型特徴を含み得、これは、器具シャフト２５４の遠位端または内部空洞の解除機構のテーパ状の雌型特徴に嵌合する。さらに別の実施形態では、ツール先端２５８の近位端は、テーパ状の雌型特徴を含み得、これは、器具シャフト２５４の遠位端または内部空洞の解除機構のテーパ状の雄型特徴に嵌合する。テーパ状の特徴としては、円錐面、テーパ状の円筒、およびテーパ状の角柱などのテーパ状の３次元幾何学が挙げられ得るが、それらに限定されない。テーパ状面のこれらの雌雄対の機能は、構成要素が摩擦を介して一時的に締結されるが、十分な軸方向力によって分解することができるように、組み立てられた構成要素の間に締まり嵌めを作成することである。

別の実施形態によれば、器具シャフト２５４の遠位端または内部空洞の解除機構は、嵌合ツール先端部２５８の近位端が組み立てられたときに押下して、クランプ力を適用する、Ｏリングまたは他の圧縮可能な撓曲部を含み得る。別の実施形態では、この圧縮可能な撓曲部は、直線ばねであり得る。他の実施形態では、クランプ力は、ラッチフック機構またはボールプランジャおよび戻り止め機構によって提供され得る。

別の実施形態によれば、ツール先端部２５８の回転の拘束は、３次元ねじ駆動特徴またはねじ山が挙げられるが、それらに限定されない、様々な機構を通して達成され得る。ねじ駆動特徴は、雄雌対で機能するねじまたはボルトなどの締結具において回転の拘束を提供するために使用され得る。一実施形態では、雄型特徴は、ツール先端部２５８の近位端に位置し得、雌型特徴は、器具シャフト２５４の遠位端または内部空洞の解除機構２６４に位置し得る。別の実施形態では、雌型特徴は、ツール先端部２５８の近位端に位置し得、雄型特徴２５４は、器具シャフト２５４の遠位端または内部空洞の解除機構２６４に位置し得る。ねじ駆動特徴の雌雄対は、正方形、六角形、五角形、溝付き、ヘクサロビュラ、スパナ、クラッチ、交差スロット、またはこれらの幾何学形状の組み合わせなどの、幾何学形状を含み得る。さらに別の実施形態では、回転の拘束は、ねじ付きの雌雄対を通して提供され得る。

別の実施形態によれば、ツール先端部２５８の軸方向拘束は、ねじ付き機構、１／４回転ロック機構、１／２回転ロック機構、およびフックラッチ機構が挙げられるが、それらに限定されない、１つ以上の機構を通して達成され得る。各実施形態では、軸方向拘束は、雌雄対の特徴によって達成され得、これは、雄型特徴がツール先端部２５８の近位端に位置し、雌型特徴が器具シャフト２５４の遠位端または内部空洞の解除機構２６４に位置するか、またはその逆である。ねじ付き機構、１／４回転ロック機構、および／または１／２回転ロック機構は、捻転運動で適用されるねじり力を通して作動され得る。対照的に、フックラッチ機構は、器具シャフト２５４の解除ボタンを横方向に負荷することを通して作動され得る。

従来の手術設定では、大きい器具のいくつかのケースが、手術前に製造され、運搬され、保管され、滅菌され、そして、開梱される。対照的に、器具２５０は、いくつかの器具の大きいケースの代わりに、一組のより小さいツール先端部２５８および／またはより少ない共通のハンドル軸構造物を使用することを可能にする。１つの利益は、より小さく、より安価で、かつより効率的なパッケージで様々なツール先端部２５８が利用できることであり得る。従来のツール先端部の機能は、手術前または手術中の交換を可能にしながら保たれ得る。ツール先端部２５８の幾何学形状としては、ドリル、タップ、オウル、ねじ回し、カニューレ、カップキュレット、リングキュレット、オステオトーム、コブ、エレベータ、ラスプ、レーキ、パドルディストラクタ、サイザ、シェーバ、スクレーパ、トライアル、およびインプラントインサータが挙げられ得るが、それらに限定されない。

外科医は、標準的な従来の器具の提供よりも、特定の機能的、人間工学的、または審美的な要件を満たすために、特殊な器具を好むことがある。医療用装置企業は、外科医固有の器具を特別に製造することによってこれらの必要性に対応することがあり、これは、非常に高コストで時間がかかり得る。器具全体ではなく器具の重要な構成要素（例えば、ツール先端部２５８）に対する特殊化を分離することにより、時間および／またはコストが節約され得る。カスタムツール先端部２５８は、共通のハンドルシャフト構造物に取り付けられ得る。このようなツール先端部２５８は、好適な仕様を満たし、従来のまたは高度な製造方法によって生成されるように、外科医と共同設計され得る。３Ｄ印刷またはＣＮＣ機械などの高度な製造方法を使用することによって、カスタムツール先端部２５８は、より高い複雑性を有し、かつより低コストで、オートメーション化された環境で生成され得る。

ここで図２３Ａ～図２３Ｅを参照すると、クイックコネクタ２７８を有するナビゲート可能な器具２７０の実施形態が示されている。器具２７０は、例えば、図６Ａ～図９Ｆに示されている器具５０と同様であり得る。ナビゲート可能な器具２７０は、ハンドル２７２と、追跡マーカ１８を有するアレイ２７６と、ハンドル２７２に対する迅速な解除または接続が可能な器具シャフト２７４と、を含み得る。アレイ２７６は、アレイポスト２８０によってハンドル本体２７２に固定され得る。アレイ２７６は、ハンドル２７２に対して適所に固定され得るか、または他の実施形態に記載されているように回転するように構成され得る。直線状のハンドル２５２が示されているが、Ｔ字スタイルのハンドルまたは他の好適なハンドルが使用され得ることが認識されるであろう。

外科用ナビゲーションでは、いくつかの被追跡ツール（例えば、ドリル、タップ、またはねじ回し）は、軸方向に対称であり得る。例えば、ドリルの表現は、ドリルビットがどのように回転しても同じに見える。このようなツールのための追跡アレイ２７６は、ツールの回転位置を監視する必要がないので、その回転座標でツールを中心として移動することができる。したがって、これらの対称のツールを追跡するためのマーカアレイ２７６は、ツールを中心に自由に回転するスリーブにアレイ２７６を伴って設計され得る。ユーザは、ツールを使用している間、それを追跡カメラ３０に向かって面した状態を保つ必要がある場合、ツールシャフトを中心にアレイ２７６を再度位置付けることができる。しかしながら、対称ではないツール（例えば、椎体間スペーサのための湾曲キュレットまたは送達装置）を追跡することが必要な場合がある。このような場合、システム１０は、解剖学的構造体に重ね合わせられたツールの画像を適切に更新するように、ツールの完全な剛体の位置を追跡し得、例えば、キュレットの曲線または切断面がどの方向に面しているのかを示す。これらのツールでは、様々な特徴を使用して、追跡アレイの配向が回転を含む全ての方向においてツールに対して固定されていることを確実にし得る。加えて、ツール－アレイアセンブリを再度較正することなく、手術中に、追跡アレイに対して異なるツールを取り付ける、および取り外すことが望ましくなり得る。これは、正確かつ繰り返し可能である堅固な接続部を必要とし得る。

図２３Ａ～図２３Ｃに示す一実施形態によれば、器具シャフト２７４は、クイックコネクタ２７８によって、ハンドル２７２および追跡アレイ２７６のアセンブリに取り付けられ得る。クイックコネクタ２７８は、ツールシャフト２７４の近位端から突出している延長部２８２を含み得る。延長部２８２は、ハンドル２７２の遠位端内の孔２８４で受容されるように構成されている。延長部２８２の先端部２８６は、テーパ状であり得るか、またはハンドル２７２の孔２８４への受容を高めるように別様に構成され得る。図２３Ｂに最も良く見られるように、ツールシャフト２７４の頂部は、１つ以上のテーパ状面２９０を有する半径方向肩部２８８を含み得、ハンドル２７２のベースは、１つ以上の対応するテーパ状面２９２を含み得る。このように、２つの対向するテーパ状面２９０、２９２をツールシャフト２７４およびハンドル２７２の両方に組み込むことによって、シャフト２７４がハンドル２７２および取り付けられたアレイ２７６に接続され得、よって、テーパ状面２９０、２９２が互いに接触し、ツールの３回転および２並進の自由度を同時に拘束する。最後の自由度は、ハンドル２７２の孔２８４の中へのツールシャフト２７４の延長部２８２によって拘束される。

ハンドル２７２内のボタンまたはラッチ２９４は、シャフト２７４の迅速な解除および取り付けを可能にし得る。ラッチ２９４の底部は、延長部２８２内に画定されたスロット、溝、または凹部２９８で受容され得る。延長部２８２の凹部２９８内に位置付けられたラッチ２９４は、器具を保持し、配向を制御する。ラッチ２９４のベースは、完全に挿入されると、凹部２９８内で受容されて、器具２７０がロックされる。ハンドル２７２は、延長部２８２をプレロードするためのテーパ状ラッチ２９６を収容し得る。ラッチ２９４をハンドル２７２および追跡アレイ２７６のアセンブリに組み込むことによって、２つの構成要素が共に予め負荷され得、ツールシャフト２７４とハンドル２７２との間のバックラッシュまたは「スロップ」が低減または排除され得る。クイックコネクタ２７８は、ハンドル２７２に対して迅速に接続および接続解除することを可能にし、それによって、堅固な取り付けを提供する。

図２３Ｄに示すように、クイックコネクタ２７８の別の実施形態が示されている。クイックコネクタ２７８は、ハンドル２７２の１つ以上のスロット３０２で受容されるように構成された１つ以上のクロスピン３００を含み得る。半径方向肩部２８８と延長部２８２との間の移行部３０４としては、テーパ状面、湾曲面、段付き表面、または任意の好適な移行部が挙げられ得る。一実施形態では、移行部３０４は、雄型円錐テーパ状面３０４であり、ハンドル２７２のベースは、中心孔２８４と連通している対応する雌型円錐テーパ状面３０８を含み得る。ピン３００は、移行領域３０４から延在し得、また、シャフト２７４および延長部２８２の中央長手方向軸に対して横方向（例えば、略垂直）であり得る。クイック接続インターフェースは、シャフト２７４とハンドル２７２との間の回転を防止し、かつ堅固な接続を提供するようにクロスピン３００と組み合わせられた嵌合円錐テーパ３０２、３０４を含み得る。図２３Ａ～図２３Ｃについて記載されているものと同じまたは類似のラッチ機構２９４を使用して、接続部を維持し得、および／または構成要素を共にプレロードし得る。

図２３Ｅに示すように、クイック接続機構の別の実施形態が示されている。この実施形態では、嵌合インターフェースは、３つの対応する平坦なテーパ状面と嵌合するように構成された３つのテーパ状面３０８を含み得る。例えば、平坦なテーパ状面は、互いに半径方向に１２０°間隔で配向され得る。幾何学形状は、ツールの６自由度を拘束し得、それを追跡アレイの軸に沿って中央に置き得、また、１つの回転配向における取り付けを可能にし得る。異なるまたは追加的な嵌合面または特徴は、システム１０によって器具２７０をナビゲートするために、シャフト２７４をハンドル２７２およびアレイ２７６に堅固に結合するように選択され得ることが認識されるであろう。

図２４Ａ～図２４Ｂを参照すると、ハンドル３１２、先端部３１８を有するシャフト３１４、および追跡アレイ３１６を含む器具３１０が、２つの異なる器具位置で示されている。図２４Ａでは、器具３１０は、第１の位置で示され、図２４Ｂでは、器具３１０は、第２の位置で示されている。器具３１０の先端部３１８は、２つの異なる方向で配向されているが、アレイ３１６は、カメラ３０に視認可能であり、システム１０は、アレイ３１６を追跡することが可能である。器具３１０は、本明細書で説明する器具のいずれか、または外科用ナビゲーションのための他の好適な器具を含み得る。

外科用ナビゲーションでは、器具３１０は、光学または電磁位置センサ１８を通して追跡され得、関連するコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルが、解剖学的ランドマークに対して表示される。外科用ロボットナビゲーションでは、器具３１０はまた、ロボットシステム１０を使用して追跡され、かつ計画された位置まで案内され得る。外科用ナビゲーションまたはロボットナビゲーションシステムは、光学または電磁マーカ１８のアレイ３１６の位置を互いに対して測定することによって、器具３１０の完全な剛体運動を追跡し得る。光学追跡システムによって、これは、被追跡ツール３１０がその視線に入るように手術室内に配置された位置センサ（例えば、カメラ３０）を介して達成され得る。ＣＡＤモデルは、これらの被測定マーカの場所にマッピングされ、３Ｄ空間内に配向されて、外科医のための解剖学的画像に対して表示される。追跡アレイ３１６の配向がツール３１０全体に対して既知であることを確実にする１つの方法は、アレイ３１６をツール３１０に堅固に装着することである。

インプラントおよび器具が軸対称である場合は、マーカおよび堅固に固定された器具のアレイを回転させて、カメラ３０に向かって配向することができ、解剖学的構造に対する器具およびインプラントの所望の配向が損なわれない。しかしながら、非軸対称である器具およびインプラントインサータの場合、カメラ３０と共に視線を維持するための器具の回転は、解剖学的構造に対する器具の望ましくない配向を生じさせる場合があり得る。一実施形態は、器具の軸を中心とした光学マーカ１８のアレイ３１６の回転を可能にすることによって、器具３１０は、解剖学的構造に対して所望の配向に配置され得、アレイ３１６は、カメラ３０に向かって独立して回転され得る。ＣＡＤモデルが被測定マーカの場所に正確にマッピングされることを可能にするために、器具の軸に対する器具の配向が既知でなければならない。一実施形態では、インサータの軸に対するアレイの回転位置のインジケータ３３６がユーザに提供され得、次いで、表示されたＣＡＤモデルの対応する回転がスクリーン２０に示され得る。

図２５Ａ～図２５Ｃを参照すると、回転可能な本体３２０を有する器具３１０の一実施形態が示されている。ハンドル３１２は、回転可能な本体３２０を含み、アレイポスト３２２は、アレイ３１６を回転可能な本体３２０に結合し得、それによって、アレイ３１６の回転を提供し得る。アレイ３１６および本体３２０は、器具の長手方向軸Ａを中心に自由に回転し得る。軸Ａは、ハンドル３１２の長手方向中心軸および／または中央シャフトの長手方向軸３１４を含み得る。アレイ３１６は、本体３２０に堅固に取り付けられ得、これは、ハンドルの軸Ａと同心である器具のハンドル３１２の円筒部分を中心に回転することが可能である。アレイ３１６は、位置センサによって測定される既知の位置に堅固に固定された１つ以上のマーカ１８を含み得る。一実施形態では、アレイ３１６は、手術室内の予想される器具の配向およびカメラの場所と整列させるために、２つの別個の回転位置でインデックスすることが可能であり得る。別の実施形態では、アレイ３１６は、９０°刻みの４つの位置などの、２つを超える別個の位置まで回転させることが可能であり得る。アレイ３１６は、任意の好適な位置まで回転させることが可能になり得ることが想定される。

図２６Ａでは、回転可能な本体３２０を有するインサータ器具３３０の一実施形態が示されている。インサータ３３０は、図１０Ｃ～図１３Ｂに示すインサータ８０と同様であり得る。インサータ３３０は、インプラントを保持するためのシャフトまたはスリーブ３３２と、先端部３３４（例えば、フォーク状またはねじ付き先端部）と、を含み得る。回転可能な本体３２０は、アレイ３１６の回転を提供するように、スリーブ３３２を中心に自由に回転し得る。アレイ３１６および本体３２０は、スリーブ３３２の長手方向中心軸Ａを中心に回転することが可能であり得る。本体３２０は、回転位置インジケータ３３６を含み得る。インジケータ３３６は、ユーザおよび／またはシステム１０に、シャフト３３２および／またはインサータの軸Ａに対するアレイ３１６の回転位置に関する情報を提供し得る。

図２６Ｂおよび２６Ｃを参照すると、回転可能な本体３２０の一実施形態がより詳細に示されている。図２６Ｂは、断面斜視図を示し、図２６Ｃは、断面上面図を示す。回転可能な本体３２０は、アレイポスト３２２を含む剛体であり得、アレイ３１６は、締結具３３８（例えば、ねじ）によってアレイポスト３２２の自由端部に取り付けられ得る。回転可能な本体３２０は、並進部材３４０の一方の端部にテーパ状キー３４２を含む並進部材３４０を収容する空胴を含む。テーパ状キー３４２は、インサータ３３０のシャフト３３２内の１つ以上の凹部またはキーシート３４４と嵌合するように構成されている。図２６Ｂに示すようにアレイ３１６が２つのインデックス位置を有する場合は、２つの対向するキーシート３４４が存在し得る。アレイ３１６の所望のインデックス付けを達成するために、任意の好適な数および配向のキーシート３４４が使用され得ることが認識されるであろう。テーパは、テーパ状キー３４２が、キーシート３４４の１つに完全に着座し、アセンブリからあらゆるクリアランスを除去するために必要な限り並進することを可能にし、それによって、構成要素間の移動を排除する。ばね３４６は、キー３４２の反対側の並進部材３４０の端部に位置付けられ得る。ばね３４６は、キー３４２をキーシート３４４に保持するための力を提供し、この力には、押しボタン３４８などのユーザ入力を介して打ち勝つことができる。ボタン３４８が押下されて、ばね３４６がユーザによって圧縮されると、テーパ状キー３４２がキーシート３４４から離れて並進する。ばね３４６が圧縮されると、アレイ３１６は、キー３４２が次のテーパ状キーシート３４４に到達するまでインサータシャフト３３２を中心に回転するのを可能にする。ボタン３４８は、解除され得、キー３４２は、次のキーシート３４４と係合する。２つのキーシート３４４の場合、アレイ３１６は、１８０°間隔である２つのインデックス位置のうちの１つに位置付けられ得る。４つのキーシート３４４の場合、アレイ３１６は、９０°間隔である４つのインデックス位置のうちの１つに位置付けられ得る。

図２７Ａ～図２７Ｃを参照すると、回転可能な本体３２０の別の実施形態が示されている。この実施形態では、アレイ構成要素３１６をインサータの軸Ａに対して所望の配向に保持するために、ばね付勢機構が使用されるが、ばね３５０は、器具の軸Ａと同心であり、かつばね３５０によって提供される力が横断方向ではなく軸方向であるように配設されている。１つ以上の嵌合テーパ状面３５２は、アセンブリからあらゆる遊びを除去するために使用され得、それらの配向は、ばね力の修正された方向と整列させるように変更される。２つのテーパ状面３５２は、回転可能なアレイ本体３２０の底端部に位置付けられ得る。テーパ状面３５２は、器具の中央平面に関して対称であり得る。回転可能なアレイ構成要素３２０は、インサータ３３０上の嵌合テーパ３５２に着座させたときに完全に拘束され、よって、アレイ配向が固定される。アレイ３１６は、軸方向力を印加することによって、インサータの軸Ａを中心に１８０°回転した位置に設定されて、ばね３５０を圧縮し、回転可能な本体３２０のテーパ状面３５２およびインサータ本体３３０を分離することができる。これは、１回転自由度を解放して、アレイ３１６が、その第２の位置に回転することを可能にする。ロックナット３５４は、所望の位置にあるときに、潜在的にインプラントの挿入中のインサータ３３０への衝突荷重から生じる得る不用意なばね圧縮（および、アレイの移動）を防止するために用いられ得る。図２７Ａは、嵌合面３５２によって回転可能な本体３２０とインサータ本体３３０との間の係合を生じさせ、それによって、アレイ３１６を所定の位置にロックする、下降位置のロックナット３５４を示す。図２７Ｂは、嵌合面３５２によって分離を生じさせ、それによって、本体３２０および取り付けたアレイ３１６が回転することを可能にする、上昇位置に後退させたロックナット３５４を示す。

図２８Ａ～図２８Ｄを参照すると、インラインアレイ３６０を使用して器具の配向を識別する実施形態が示されている。インラインアレイ３６０は、アレイプレート３６２に垂直な両方の方向における追跡カメラ３０と器具アレイ３６０との間の視線の可視性を可能にする。器具軸Ａに関して対称でないマーカパターンの場合、カメラ３０およびソフトウェアは、アレイプレート３６２に対する器具先端部３６４の配向を区別することが可能である。

図２８Ａおよび図２８Ｂに示す１つのアレイ構成では、反射マーカ１８が、アレイプレート３６２の面を中心に位置付けられたポストに配置されている。この配設は、ポストおよびマーカ１８が位置するアレイプレート面に垂直な方向における追跡カメラ３０と器具アレイ３６０との間の視線の可視性を可能にする。アレイプレート３６２が器具３６６に堅固に取り付けられ、かつ器具３６６を追跡カメラ３０に対して１８０度回転させた場合、アレイプレート３６２によって可視性が遮られ得る。図２８Ａでは、アレイ３６０は、アレイプレートの垂直方向がカメラの視野と整列したときに、追跡カメラ３０で視認可能である。図２８Ｂでは、器具軸Ａを中心にアレイを１８０度回転させたときに、アレイプレート３６２によって可視性が遮られ得る。いくつかのねじ器具の場合、器具３６６が器具軸Ａを中心に軸対称であり得るので、このアレイ構成で十分である。

椎間板準備器具などの非軸対称先端部構成を有する器具３６６の場合、このアレイ構成は、全ての器具配向においてツール先端部３６４を追跡することができない場合がある。例えば、カップキュレットが前部および後部エンドプレートを準備するために使用される場合、器具３６６は、使用中に１８０度反転させることが必要であり得る。図２８Ａおよび図２８Ｂのアレイ構成の場合、アレイプレート３６２による遮断のため、器具３６６を１８０度回転させたときに可視性が失われ得る。

図２８Ｃおよび図２８Ｄでは、アレイ構成は、アレイプレート３６２の縁部に位置するマーカ１８を含み得る。ポストがアレイプレート面に垂直に位置付けられた状態で、マーカ１８をアレイプレート３６２の面に位置させる代わりに、ポストは、アレイプレート３６２の面に平行に位置付けられ得る。ポストがアレイプレート３６２の面に平行に位置付けられた状態で、マーカ１８をアレイプレート３６２の縁部に位置させることによって、マーカ１８は、アレイプレート３６２の正面および背面に垂直な両方の方向から視認可能になり得る。図２８Ｃでは、アレイプレート３６２を器具３６６の本体と整列させた状態の、対称の構成が示されている。図２８Ｄでは、アレイプレート３６２を器具３６６の本体に対してオフセットさせた状態の、非対称の構成が示されている。どちらの場合でも、各アレイ３６０は、インラインアレイ３６０であり、ポストがアレイプレート３６２に平行に位置付けられ、マーカ１８がアレイプレート３６２の縁部に位置されている。

非対称のアレイパターンの場合、このアレイ構成は、追跡カメラ３０およびソフトウェアが、アレイプレート３６２および器具３６６のどちらの側がカメラ３０に面しているかを区別することを可能にする。図２８Ｄに示すように、非対称のアレイ構成は、器具軸Ａからオフセットされたパターンを含み得る。他の非対称のパターンが使用され得ることが想定される。例えば、非対称のパターンは、同じ長さであるマーカ１８のための３つのポストと、より長いまたはより短い１つのポストと、を含み得る。第４の異なるマーカ１８は、アレイ３６２がツールのどちらの面に位置しているかをカメラ３０が決定することに応じて、ツール３６６の配向を示し得る。このように、ソフトウェアは、使用中に器具３６６を１８０度反転させたときに、表示されているＣＡＤモデルを自動的に再配向し得る。

図２９Ａ～図２９Ｇを参照すると、ナビゲート可能なトライアル３７０の実施形態が示されている。椎体間固定では、インプラントは、椎間板腔（ｖｅｒｔｅｂｒａｌ ｄｉｓｃ ｓｐａｃｅ）に配置されて、失われた椎間板の高さを復元しようとする。インプラントのサイズが高さを正確に復元することを確実にするために、セット内のインプラントの幾何学形状に整合するトライアルが椎間板腔の中へ配置され得る。トライアルが正確な場所にあることを検証し、どのインプラントサイズを使用するべきかを決定するために、蛍光透視（Ｘ線）が使用され得る。しかしながら、患者、外科医、および外科スタッフは、トライアリングに必要とされる蛍光透視の量のため、潜在的に有害な放射線に曝露され得る。加えて、器具が不正確に配置されることにより合併症が起こり得、および／またはトライアリングに時間がかかり得、これは、外科の効率および患者の安全性を低減させる。一実施形態によれば、外科用ロボットナビゲーション技術は、手術中の蛍光透視に対する必要性を大幅に低減または排除し得、精度を高め、および／または手術中の効率を高めながら、ナビゲート可能なトライアル器具３７０をナビゲートするために使用され得る。

ナビゲート可能なトライアル３７０は、インサータシャフト３７４に接続可能な取り外し可能なトライアルヘッド３７２を有する、モジュール式トライアル３７０を含み得る。堅固なシャフトに溶接されたヘッドを有するのではなく、モジュール式トライアル３７０のヘッド３７２は、ナビゲートされる器具シャフト３７４から取り外し可能である。１つ以上のヘッド３７２は、各整合インプラントを正確に表すように構成され、また、ナビゲートされるインサータシャフト３７４に対して容易に取り付けおよび取り外され得る。トライアルヘッド３７２は、１つ以上のインプラントの外側の幾何学形状と整合するように構成されている。図２９Ａおよび図２９Ｂに最も良く見られるように、トライアルヘッド３７２は、第１の開口部３６８を有する接続部分を含む。第１の開口部３６８は、器具３７０の長手方向中心軸Ａに沿って整列され得る。トライアルヘッド３７２は、第１の開口部３６８に対して横方向の第２の開口部３７６を含み得る。トライアルヘッド３７２はまた、１つ以上のスロット３７８も含み得る。スロット３７８は、トライアルヘッド３７２の長さに沿って延在し得る。

トライアルヘッド３７２は、インサータシャフト３７４のフック３８０に取り付ける。フック３８０は、シャフト３７４の遠位端に位置付けられ得る。フック３８０は、シャフト３７４に対して横方向に延在している突出部、ピン、またはペグ３８２を含み得る。ペグ３８２は、トライアルヘッド３７２の横方向開口部３７６内で受容されるように構成され得る。シャフト３７４は、インサータシャフト３７４を通って延びる可動プランジャ３８４を含み得る。プランジャ３８４は、トライアルヘッド３７２の開口部３６８の中へ延在するように構成され得る。プランジャ３８４がトライアルヘッド３７２の開口部３６８内に位置付けられると、トライアルヘッド３７２が適所にロックされる。トライアルヘッド３７２は、フック３８０およびプランジャ３８４によって回転可能に固定され、これは、トライアル３７０を椎間板腔内で操作することを可能にする。

プランジャ３８４は、トリガ３８６によって操作され得る。トリガ３８６は、インサータシャフト３７４の外側に位置付けられ得る。図２９Ｅでは、トリガ３８６をシャフト３７４の遠位端に向かって押すことによって、プランジャ３８４を展開する。図２９Ｆでは、トリガ３８６をシャフト３７４の近位端に向かって引くことによって、プランジャを後退させる。プランジャ３８４がその露出位置にある場合（図２９Ｅに示す）、トライアルヘッド３７２は、インサータシャフト３７４の上へ配置され得ない。トライアルヘッド３７２は、プランジャ３８４を後退させるまで（図２９Ｆに示す）、インサータシャフト３７４から取り外され得ない。トリガ３８６は、ロック３８８を組み込み得、これは、プランジャ３８４を移動させるために作動され得る。ロック３８８は、例えば、押しボタンまたはばね荷重ターンおよび引っ張り機構を含み得る。

トライアルインサータ３７４の背部は、クイックコネクタ２７８を含み得、これは、ナビゲートされるアレイハンドル５０、２７０の結合に対応し得る。クイックコネクタ２７８は、本明細書で説明するクイックコネクタと同じまたは類似のものであり得る。これは、ナビゲーションシステム１０と共に使用することができる任意の好適なハンドルの迅速な接続を可能にする。ナビゲートされるモジュール式トライアル３７０は、多数の固定トライアルに対する必要性を排除し得る。長い固定シャフトを有する多数のトライアルヘッドを必要とする代わりに、全てのトライアルヘッド３７２を特徴とするセットにキャディが含まれ得る。取り外し可能なインサータ３７４は、各サイズの間で迅速に交換することができる。

図３０Ａおよび図３０Ｂを参照すると、ナビゲート可能なトライアル３７０の別の実施形態は、固定トライアル３７０を含み得る。ナビゲートされる固定トライアル３７０は、固定トライアルに対するナビゲーション機能を提供する。この実施形態では、器具３７０の遠位端は、堅固に取り付けられたトライアルヘッド３７２を含む。近位端は、ナビゲーションアレイを有する任意の好適なハンドルへの取り付けを可能にする、堅固に取り付けられたクイックコネクタ２７８を含む。ナビゲートされる固定トライアル３７０は、トライアルプロセスの大部分の間の、蛍光透視画像に対する必要性を低減させることが望ましくなり得る。加えて、ナビゲートされる固定トライアル３７０は、トライアルのための堅固で、伝統的かつ単純なオプションを提供する。

図３１Ａおよび図３１Ｂを参照すると、ナビゲート可能な拡張可能なトライアル３９０の実施形態が示されている。ナビゲートされる拡張可能なトライアル３９０は、様々なトライアルサイズに対する必要性を排除し得る。長い固定シャフトを有する数多くのトライアルヘッドまたは数多くのモジュール式トライアルヘッドを必要とする代わりに、単一の拡張可能なトライアル３９０が、全てのトライアルヘッドサイズを包含するセットに含まれ得る。ナビゲート可能な拡張可能なトライアル３９０は、器具シャフト３９４の端部に位置付けられた拡張可能なトライアルヘッド３９２を含み得る。

拡張可能なトライアル３９０は、固定マーカ１８Ａおよび少なくとも１つの可動マーカ１８Ｂの組み合わせを含む追跡アレイを含み得る。ナビゲーションアレイは、トライアルホルダ器具３９０に対する既知の場所に位置付けられた少なくとも２つの固定位置マーカ１８Ａを含み得る。固定マーカ１８Ａは、器具の幾何学形状に対していかなる配向にも移動させることが不可能であり得、また、器具３９０が空間内にある場所を画定する際に有用であり得る。少なくとも１つの可動マーカ１８Ｂは、アレイまたは器具自体に取り付けられ得、これは、上で定義したように、固定マーカに対して所定の境界内を移動すること（例えば、摺動すること、回転することなど）が可能である。トライアルが拡張されると、可動マーカ１８Ｂは、ロボットシステム１０に対する拡張の程度の指示として作用し得る。可動マーカ１８Ｂは、摺動に関して表されているが、マーカ１８Ｂの回転は、インプラントに関する情報を提供するために有用であり得る。一組の固定マーカ１８Ａと１つまたは複数の可動マーカ１８Ｂとの間の適所での任意の相対的な変化が使用され得る。対応するソフトウェアは、相反する可動マーカ１８Ｂを、トライアルの特定の位置、配向、または他の属性（拡張可能な椎体間スペーサの高さまたは関節運動椎体間スペーサの角度など）に相関させる。

図３１Ａおよび図３１Ｂは、拡張可能なトライアル３９０を画定するために４つの固定マーカ１８Ａが使用され、かつ第５の可動マーカ１８Ｂが所定の経路内を摺動して、トライアル高さのフィードバックを提供することを可能にする、一実施例を示している。図３１Ａは、その初期高さにある拡張可能なトライアルヘッド３９２を示し、図３１Ｂは、可動マーカ１８Ｂを異なる位置まで並進させた拡張状態にあるトライアルヘッド３９２を示している。マーカ１８Ｂの並進は、トライアルヘッド３９２の高さに対応し得る。２つの位置だけしか示されていないが、移動は、連続関数であり、それによって、任意の所与の展開高さが可動マーカ１８Ｂの特定の位置に相関され得ることが認識されるであろう。

一実施形態では、可動マーカ１８Ｂは、連続的に摺動して、位置に基づくトライアルの属性に関するフィードバックを提供する。また、可動マーカ１８Ｂが位置付けられる離散的な位置を可動マーカ１８Ｂが有し得、それが、トライアル属性に関するさらなる情報も提供し得ることも想到される。離散的な位置によって、ソフトウェアは、全てのマーカ１８Ａ、１８Ｂの各離散的な構成を決定するように構成され、これは、特定の配向における、または特定の高さでの、インプラントホルダおよび／またはインプラントの特定の幾何学形状に相関する。加えて、可動マーカ１８Ｂの任意の運動は、ナビゲートされるトライアル３９０の他の変数属性に使用され得る。ナビゲートされる拡張可能なトライアル３９０は、インプラントの複数のサイズを補償し得る単一のトライアル器具を可能にする。

図３２Ａおよび図３２Ｂを参照すると、ナビゲート可能なオウル先端部タップ４００の実施形態が示されている。ねじが脊椎の解剖学的構造内に配置される脊椎の外科的処置中には、ドリル加工およびタッピングは、ねじを配置する前に生じ得る、処置内のステップである。この実施形態では、タップの端部の鋭利な先端部４０２は、ねじ孔のタッピング中に支援し得る。オウル先端部４０２は、ねじ孔の部分的または完全なドリル加工を支援し得る。オウル先端部タップ４００のナビゲーションは、タップ４００の鋭利な先端部４０２が解剖学的構造の望ましくない領域を穿孔しないことを確実にするのを補助し得る。

外科的処置をできる限り迅速かつ正確に行うことが目的であり得る。これによって、外科医は、可能であれば、インプラントを挿入する前にステップを組み合わせることを好み得る。オウル先端部のタップ４００は、外科医が、ドリル加工およびタッピング段階を組み合わせることを可能にし、したがって、ステップを排除し、かついくらかの時間を排除する。タップ４００は、ねじまたはねじ付き装置を意図する骨の孔にねじ山を加えるために使用され得る。外科用脊髄処置中に、タップ４００は、ねじ山を加えるために骨へのドリル加工後に使用され得、これは、ねじ孔の内部にねじを配置し、据え付けることを可能にする。鋭利な先端部４０２は、タップ４００を骨に据え付けること、および／またはドリル加工が完全には完了していない場合に骨を通してドリル加工することを支援し得る。オウル先端部タップ４００は、螺旋フルート４０４（図３２Ａに示す）または直線フルート４０６（図３２Ｂに示す）を有し得る。螺旋フルート４０４は、ねじ切りした材料の細片を、タッピング方向から離れるように、表面まで引き出すのを支援し得る。螺旋フルート４０４は、使用中に孔から骨の細片を排出するのを補助し得、これは、外科医が処置のドリル加工ステップを排除している場合に有利であり得る。直線状のフルート４０６は、一般的な目的で使用され得る。ねじ山は、タップ４００のシャフトまで延び得、これは、タップ４００がエンドエフェクタによってナビゲートおよび拘束されている間に該タップを取り外すのを補助し得る。タップ４００の長さに沿ったテーパは、外科医が徐々にゆっくりとねじ山を形成するのを支援し得る。オウル先端部のタップ４００は、他の器具に関する説明と同じ様態でナビゲートされ得る。

ここで図３３Ａおよび図３３Ｂを参照すると、好適な光学マーカの別の実施形態が示されている。上で論じたように、器具は、概して、器具に取り付けられた球体マーカを使用して追跡されるが、いくつかの場合では、軸外を追跡する場合に再帰反射球体が他の球体を遮断するため、再帰反射球体の追跡が限定され得る。追跡の喪失または追跡精度を克服するために、図３３Ａおよび図３３Ｂは、新規な再帰反射ディスク５００の他の実施形態を例解している。

図３３Ａおよび図３３Ｂは、ツーピースのアセンブリとして構成された再帰反射ディスク５００の一実施形態を例解している。ツーピースのアセンブリは、上部分５０２と、下部分５０４と、を含む。上部分５０２は、下部分５０４に結合される。上部分５０２は、黒色面取り境界を含み、器具を追跡することを可能にする。他の実施形態では、様々な他の幾何学形状が、カメラシステムによって視覚化することができる黒色の境界として利用され得る。下部分５０４は、手術野内の他の物体に対する接触または引っ掛かりを低減させるために、アレイ５０６の頂部にスナップ留めされるように構成され、かつアレイ内部に位置付けられるように構成されている。内側部分５０４は、近赤外線の（ＮＩＲ）追跡のための反射表面または可視光を介して追跡するための白色表面を有する上部要素を含む。図３３Ｂに例解するように、内側部分５０４は、上部分５０２内で受容されるように構成されている。上部分５０２は、下部分５０４の最大直径よりも大きい外径を含む。上部分５０２の面取り端部は、黒色境界と共に構成されて、カメラシステムが、再帰反射ディスクを連続的に追跡することを可能にする。別の実施形態では、上部分５０２および下部分５０４は、ユーザがアレイ本体に設置するのを容易にするために、超音波溶接またはエポキシなどの方法を使用して恒久的に接合され得る。

図３４Ａおよび図３４Ｂは、再帰反射ディスク５１０の別の実施形態を例解している。ディスク５１０は、上部分５１２と、下部分５１４と、を含む。上部分５１２は、近位端から遠位端へと延在している貫通孔を含む。上部分５１２は、近位端から遠位端へとテーパ状になっている。上部分５１２の遠位端は、複数のスロット５１４を含み、遠位端の可撓性を可能にする。遠位端は、下部分５１４の上部要素を受容するように構成されている。下部分の上部要素は、カメラシステムがディスク５１０を追跡することを可能にするために、反射フィルムと共に構成されている。図３４Ｂは、上部分５１２および下部分５１４のアセンブリを例解している。下部分５１４は、アレイ５１８の一部分を受容する。ディスク５１０は、スナップ特徴を使用してアレイ５１８の本体に取り付けるように構成されており、ディスク５１０は、アレイ５１８に押し込まれ得、ディスク５１０を適所にロックする干渉がディスク５１０とアレイ５１８との間に存在することになる。ディスク５１０をアレイ５１８から取り外すには、ディスクをアレイ５１８の背部からアレイ５１８の外へ押す。

他の実施形態では、ディスクは、アレイにねじ込まれ得るか、または磁気を利用して、ディスクをアレイに結合し得る。

図３５は、再帰反射ディスクアセンブリ５２０のさらに別の実施形態を例解している。ディスクアセンブリ５２０は、上部分５２２と、下部分５２４と、反射フィルム５２６と、を含む。上部分５２２は、近位端と、遠位端と、を含む。貫通孔は、上部分５２２の近位端から遠位端へと延在している。上部分は、ディスクアセンブリ５２０の近位端の面取り上面５２８をさらに含む。上部分の遠位端は、下部分５２４との結合を可能にするように構成された結合特徴を含む。一実施形態では、上部分５２２は、複数のスロット５２８と、開口部５３０と、を含む。下部分５２４は、反射フィルム５２６を受容するための上部平坦面５３２を含む。反射フィルム５２６は、平坦面５３２に接着するように構成されている。下部分５２４はまた、開口部５３０内で受容されるように構成された複数の延長部５３４も含む。延長部５３４は、ディスクアセンブリ５４０が組み立てられたときに上部分５２２の対応する開口部に嵌合する、可撓性タブとして設計されている。下部分５２４は、アレイからのポストを受容するために中空である、円筒状下端部を含む。他の実施形態では、反射フィルム５２６は、カメラシステムによって視覚化される任意の色または形状であるように構成され得る。

ここで図３６Ａ、図３６Ｂ、および図３６Ｃを参照すると、Ｘ線撮影ＣＴボリューム内で画像処理を通して検出することができる、光学的に追跡可能な反射球体の別の実施形態が示されている。図３６Ａおよび図３６Ｂは、ＣＴまたは撮像走査で検出されたときと同じ、光学的に追跡されたときの空間内の場所を共有するように構成された、追跡可能な反射球体５４０を例解している。好ましい実施形態では、球体５４０は、ＣＴ上で追跡可能かつ検出可能である単体構造物であり、いずれかの座標系（カメラまたはＣＴボリューム）で共通の中央場所の点を共有する。図３６Ａおよび３６Ｂに示す各４つの球体５４０は、追跡カメラによって個別に追跡可能であり、さらに、画像処理を通してＣＴボリューム内で検出可能である。アレイの足場は、個々の球体の場所の追跡中にマーカの自動ソートを支援するために、非対称のパターンで４つの球体５４０を保持している。

球体５４０は、カメラに面している球体の一部分が遮られずに視認されるように、かつ装着ポストのいかなる部分も視野内に伴うことなく、後方かつ下方へ延在しているポストに装着されている。足場は、球体との良好なコントラストのために、黒色または暗色のプラスチックで作製され得る。足場の左側から右側へとわずかな凹状の湾曲が存在して、固定具が、凸状であると予想される胴体の近くに位置付けることを可能にする。

球体固定具は、４つの球体を保持するために足場を提供し、この固定具は、空間内の球体の既知のレイアウトを提供する。この既知のレイアウトは、球体検出アルゴリズムによって使用して、検索領域を、足場の形状によって予想される領域に限定することによって処理速度を向上させることができる。

一実施形態では、反射球体５４０は、反射フィルムおよび硫酸バリウムなどの放射線不透過性化学物質でコーティングされている。その結果、球体は、カメラシステムを介して追跡され、ＣＴスキャンで検出可能であり得る。別の実施形態では、追跡球体５４０は、放射線不透過性液体または放射線不透過性粉末固体を充填した中空球体であり得る。さらに別の実施形態では、球体５４０は、放射線不透過性であるチタンなどの材料で完全に形成し、次いで、塗装すること、または別様に反射性にするように処理することができる。別の実施形態では、プラスチックなどの適切な材料のシェルが作成され得、その中に金属球体が埋設される。このような複合球体５４０は、オーバーモールドプロセスを通して、または金属球体の周囲にシェルの半割り部を接着またはスナップ留めすることによって生成され得る。追跡球体５４０は、追跡システムのために正確な寸法で構成され得、それによって、ロボットコンピュータシステムが、球体５４０を追跡および監視することを可能にする。

他の実施形態では、球体５４０は、異なる空間を位置合わせするために使用され得る。例えば、一実施形態では、球体５４０は、ビタミンＥまたは他の油を充填した中央などの、ＭＲＩ上に同じくハイコントラストで現れる埋設材料を有し得、一方でまた、追跡するためにＭＲＩのレジストレーションを可能にするための反射性外側シェルも有し、または追加的／代替的に、ＭＲＩ、ＣＴ、および追跡座標系の共レジストレーションを可能にするための金属シェルを有することができる。

球体５４０は、図３６Ａおよび図３６Ｂに示すように、固定アレイに結合され得、または図３７に示すように、可撓性アレイに結合され得る。このような半剛性または可撓性システムなどを通した患者への取り付けは、ＣＴスキャンを取得する前に、所望の場所へ固定具を容易に位置付けることを可能にする。

図３６Ａ、図３６Ｂ、および図３６Ｃは、反射ディスク５５０の別の実施形態を例解している。平坦な円形反射ディスク５５０は、光学的にかつ撮像モダリティを通して追跡されるように構成されている。図３６Ａ～図３６Ｃの実施形態による平坦な円形ディスク５５０は、外科的処置中に器具を追跡するための追加的な精度を提供する。この実施形態は、各カメラがディスク５５０の面を楕円として検出するように、反射ディスクを提供する。ディスク５５０の反射領域の縁部を利用し、楕円の検出された形状を視野角と相関させることで、ディスク構成は、より高い精度を可能にする。

提供されるディスク５５０は、Ｘ線撮影ＣＴボリューム内での画像処理を通して検出されるように構成されている。ディスク５５０は、ＣＴで検出されたときと同じ、光学的に追跡されたときの空間内の場所を共有し、ディスク５５０は、１つのモダリティ内の複数組の検出された点の間の、別のモダリティの対応する点へのより簡単なレジストレーションを可能にする。好ましい実施形態では、ディスク５５０は、追跡マーカおよび放射線不透過性マーカを単一の本体に提供する。

図３８Ａ～図３８Ｃに例解するように、ディスク５５０の視認可能な面の中央点５５２は、立体写真測量を通してディスク５５０を追跡したときに位置推定される３Ｄ点であり、ディスク５５０上の同じ場所は、レジストレーションのために、ＣＴボリュームの画像処理を通して検出されなければならない。

光学的被追跡ディスクを生成または製造するには、反射テープまたはフィルムの小片または反射塗料の薄層を使用して、平坦な可視表面をコーティングし、一方で、正確に既知の領域を含み、かつ明確なリップを有する高コントラストの（典型的に黒色の）リング５５４を、視認可能な領域の周囲に配置する。このようなディスク５５０を好適な実施形態のディスクに作製するには、反射テープまたは塗料が装着された表面を、放射線不透過性金属で形成することができる。位置推定アルゴリズムは、被追跡ディスクの場所をＣＴボリューム内で検出された場所と関連付ける際に、反射フィルムの厚さを補償するべきである。

ディスク５５０の被追跡点は、ディスクの中央点の中央点５５２である。金属である装着ピンなどの、ディスク上の追加的な放射線不透過性の検出可能な特徴が、不可視側を示すために適用され得、レジストレーションのために被追跡ディスクと被検出ディスクとを比較するときに、候補としての不可視のディスク面を排除する。

レジストレーションは、各空間（画像または追跡）において定義するために、６自由度が必要である。好ましい実施形態では、共レジストレーション空間のために、３つ以上のディスク５４０が使用される。図３９に例解するように、固定具５６０は、５つのディスクがわずかに非対称のパターンで位置付けられることが想到される。レジストレーションには３つのマーカだけが必要であるが、５つのマーカが存在する場合、マーカの増加した数は、より多くのデータポイントを提供することによって、両方の座標系においてより良好な位置推定精度を提供する。ディスク面の中央の場所のパターンは、画像と追跡空間との間で検出された点を整合させる際の曖昧性を排除するために非対称である。

固定具５６０は、患者に堅固に結合され得る、ベース５６４に結合された細長い棒５６２を提供し、一方でまた、患者に触れることなく、固定具５６０を手術部位の上に位置付けることも可能にする。固定具５６０から外方に延在している４つの球体取り付け点５６６は、バー５６２のための異なる可能な取り付け点を提供し、手術部位に対するカメラの設定および患者の取り付け点のための最適な取り付け点５６２を選択することを可能にする。締め付け可能な係止機構を有するコネクタ５６８は、位置付けに対する必要性に応じて、固定具の角度を調整することを可能にする。各ディスクは、より良好なカメラ可視性のために、そのハウジング内で３０°に角度付けされ得る。

ディスクが追跡カメラに向かって面しているときに、ディスクが最も正確に追跡される好適な実施形態では、ディスクは、各ディスクがカメラの予想場所に向かって傾斜している場所に、ある角度で配置されるべきであることが想到される。この実施形態では、角度は、３０°に設定される。他の実施形態では、ディスクが固定され得る角度は、０°～９０°の範囲にすることができ、または各ディスクを、固定具の足場への取り付け時に独立して旋回させることができる。

ＣＴ空間内のディスクの中央点の場所を検出する際に、一実施形態では、既知のサイズに近似するが、画像ボリュームの放射線半透過性の領域と対照的な無指定の形状を有する放射線不透過性物体の場所が使用され得る。アルゴリズムは、１つ以上の平坦面を利用し、任意の平坦面の中心を、位置推定された追跡可能な点の候補として位置推定する。

光学マーカおよび放射線半透過性のマーカを追跡するための別の実施形態では、ＣＴ検出アルゴリズムは、検出されたディスクの既知の形状を使用し得、予想したディスク形状にほぼ整合するボリュームを走査し、次いで、検出された形状の予想した形状への最良の適合を行う。ディスク固定具は、少なくとも５つのディスクを保持するための足場を提供し、この固定具は、空間内のディスクの既知の配置を提供する。次いで、この既知のレイアウトは、好適なアルゴリズムによって利用して、検索領域を固定具上の足場の形状によって予想した領域に限定することによって、処理速度を高め得る。好適なアルゴリズムは、各独立したディスクを追跡する精度を利用して、手術時にディスク面中央のパターンを作成して、ＣＴが検出したディスク面中央に整合させる。別の実施形態では、ディスクの１つ以上が、ＣＴ画像ボリューム内で部分的または完全に切り取られ得る。

図４０は、一実施形態による、ディスク固定具を使用したレジストレーションアルゴリズムのフローチャートである。最初に、５７０で、複数のディスクを、動的参照ベースまたはＩＣＴなどの参照ベースに取り付ける。次に、ＩＣＴまたは参照ベースを患者に取り付け、手術部位の上に位置付け、カメラシステムは、追跡可能なディスクを見ることが可能である。追跡可能なディスクまたは球体の場所を取り込み、画像処理アルゴリズムのテンプレートとして使用することができる。次いで、５７２で、撮像走査を開始し、手術領域およびディスクを含む手術部位の走査を撮像する。５７４で、ボリュームの画像を処理し、それによって、画像座標系でのディスク面中央の候補場所の検出を完了する。５７６で、少なくとも３つの候補場所が検出された場合、追跡カメラを使用したカメラ座標系でのディスクの静的な場所を、レジストレーションプロセスに適用する。３つ未満の候補マーカの場所が識別された場合は、５７２で、新しい撮像走査を開始する。５７８で、３つの候補マーカの場所を識別した時点で、カメラ座標系でのディスクまたは球体中央の静的な場所を識別する。次に、５８０で、画像処理による候補マーカ場所およびカメラシステムから受信した追跡場所を処理し、５８２で、コンピュータシステムが、整合が許容限度内であるかどうかを判定する。撮像走査の場所とマーカのカメラシステムの場所との間の整合が許容限度レベル内であった場合、レジストレーションを完了する。許容限度レベルが許容可能なレベル内でなかった場合、５７２で、撮像走査を再度開始する。他の実施形態では、ディスクの場所を決定するために、様々な代替的なアルゴリズムが異なる時間に利用され得ることに留意するべきである。

本明細書で説明するロボットおよび関連システムは、一般に脊椎用途を参照して説明されるが、ロボットシステムが、限定するものではないが、外傷または他の整形外科用途（髄内釘、プレートなどの配置など）、頭蓋、神経、心臓胸部、血管、結腸直腸、腫瘍、歯科、ならびに他の外科手術および手技を含む、他の外科用途に使用するために構成されることも意図される。

本発明のいくつかの実施形態を、前述の明細書において開示してきたが、本発明が関連し、前述の説明および関連する図面において提示される教示の利益を有する、本発明の多くの修正および他の実施形態が着想されようことが理解される。このため、本発明が上で開示される具体的な実施形態に制限されないこと、ならびに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。一実施形態からの特性が、本明細書に説明される異なる実施形態からの特性と組み合わされてもよくまたは使用されてもよいことがさらに想像される。さらに、本明細書、ならびに以下の特許請求の範囲において、具体的な用語が採用されるが、それらは、一般的かつ説明的意味においてのみ使用され、説明される発明も、以下の特許請求の範囲も制限する目的で使用されない。本明細書において引用される各特許および公開物の全開示は、各かかる特許または公開物が本明細書において参照により個々に組み込まれるかのように、その全体が参照により組み込まれる。本発明の種々の特性および利点は、以下の特許請求の範囲において記載される。

Claims (15)

1. ロボットシステムであって、
   コンピュータを含むベースと、
   前記コンピュータに電子的に結合されたディスプレイと、
   前記コンピュータに電子的に結合され、かつ前記コンピュータによって処理されるコマンドに基づいて移動可能であるロボットアームと、
   前記ロボットアームに結合されたエンドエフェクタと、
   １つ以上の追跡マーカと、
   前記１つ以上の追跡マーカを検出するように構成されたカメラと、を備え、
   前記１つ以上の追跡マーカの各々が、前記カメラによる光学認識のための光のパッシブな反射のみのための反射面と、撮像システムによる認識のための金属要素と、を有する円形ディスクと、
   前記反射面から下向きに延在し、前記１つ以上の追跡マーカを含むアレイを固定するアレイ固定具のポストを受容する中空部分を有する下部分と、
   前記円形ディスクの周囲を囲み、前記円形ディスクの前記反射面に対して光学的コントラストを提供するように構成されたリングフレームと、を備え、
   前記コンピュータは、前記カメラからの前記追跡マーカの各々の光学画像を受信し、前記カメラに対する前記円形ディスクの配向に関わらず、前記受信された光学画像に基づいて前記反射面によって定義される平面に存在する前記円形ディスクの中心点を決定するようにプログラムされた画像処理アプリケーションを備える
   ロボットシステム。
2. 前記撮像システムが、コンピュータ断層撮影撮像スキャナである、請求項１に記載のシステム。
3. 前記１つ以上の追跡マーカが、円筒状である、請求項１に記載のシステム。
4. 前記リングフレームは金属である、請求項３に記載のシステム。
5. ロボットナビゲーションシステムであって、
   ロボットであって、
   コンピュータを含むベースと、
   前記コンピュータに電子的に結合されたディスプレイと、
   前記コンピュータに電子的に結合され、かつ前記コンピュータによって処理されるコマンドに基づいて移動可能であるロボットアームと、
   前記ロボットアームに結合されたエンドエフェクタと、
   １つ以上の追跡マーカを検出するように構成されたカメラと、を備える、ロボットと、
   前記カメラによって追跡可能な追跡マーカのアレイを含むナビゲート可能な器具であって、インプラントにアクセスする、それを準備する、および／または配置するように構成されている、ナビゲート可能な器具と、を備え、
   前記１つ以上の追跡マーカの各々が、前記カメラによる光学認識のための光のパッシブな反射のみのための反射面と、撮像システムによる認識のための金属要素と、を有する円形ディスクと、
   前記反射面から下向きに延在し、前記１つ以上の追跡マーカを含むアレイを固定するアレイ固定具のポストを受容する中空部分を有する下部分と、
   前記円形ディスクの周囲を囲み、前記円形ディスクの前記反射面に対して光学的コントラストを提供するように構成されたリングフレームと、を備え、
   前記コンピュータは、前記カメラからの前記追跡マーカの各々の光学画像を受信し、前記カメラに対する前記円形ディスクの配向に関わらず、前記受信された光学画像に基づいて前記反射面によって定義される平面に存在する前記円形ディスクの中心点を決定するようにプログラムされた画像処理アプリケーションを備える
   ロボットナビゲーションシステム。
6. 前記撮像システムが、コンピュータ断層撮影撮像スキャナである、請求項５に記載のシステム。
7. 前記アレイの１つ以上の追跡マーカの各々が、円筒状である、請求項５に記載のシステム。
8. 前記リングフレームは金属である、請求項５に記載のシステム。
9. ロボットシステムであって、
   コンピュータを含むベースと、
   前記コンピュータに電子的に結合されたディスプレイと、
   前記コンピュータに電子的に結合され、かつ前記コンピュータによって処理されるコマンドに基づいて移動可能であるロボットアームと、
   前記ロボットアームに結合されたエンドエフェクタと、
   複数の追跡マーカと、
   前記複数の追跡マーカを検出するように構成されたカメラと、を備え、
   前記複数の追跡マーカの各々は上部分および下部分を備え、
   前記複数の追跡マーカの各々が、前記カメラによる光学認識のための光のパッシブな反射のみのための反射面と、撮像システムによる認識のための金属要素と、を有する円形ディスクと、
   前記円形ディスクの周囲を囲み、前記円形ディスクの前記反射面に対して光学的コントラストを提供するリングフレームと、を備え、前記円形ディスクは前記下部分の一部であり、前記リングフレームは前記上部分の一部であり、前記下部分は反射面から下向きに延在し、前記追跡マーカを含むアレイを固定するアレイ固定具のポストを受容する中空部分を有し、
   前記上部分および前記下部分が、スナップ嵌め接続を介して結合され、
   前記コンピュータは、前記カメラからの各追跡マーカの光学画像を受信し、前記カメラに対する前記円形ディスクの配向に関わらず、前記受信された光学画像に基づいて前記反射面によって定義される平面に存在する前記円形ディスクの中心点を決定するようにプログラムされた画像処理アプリケーションを備える
   ロボットシステム。
10. 前記上部分が、近位部分から遠位部分まで延在している貫通孔を含む、請求項９に記載のシステム。
11. 前記上部分が、近位端と、遠位端と、を含み、前記上部分の前記遠位端が、前記下部分の上部要素を受容する複数のスロットを伴って構成されている、請求項９に記載のシステム。
12. 前記上部分が、カメラシステムに視認可能であるように構成されたマーキングを有する面取り上面を含む、請求項９に記載のシステム。
13. 前記下部分が、前記上部分の複数の開口部内で受容されるように構成された複数のタブを含む、請求項９に記載のシステム。
14. 各円形ディスクの表面は白色であり、前記リングフレームは黒である、請求項１に記載のシステム。
15. 各円形ディスクの表面は白色であり、前記リングフレームは黒である、請求項５に記載のシステム。