JP7344271B2 - 外科手術中の追跡中断を低減するシステムを操作する方法 - Google Patents

Description

本開示は、包括的には、外科手術中に追跡中断を低減するナビゲーションシステム及び
ナビゲーション方法に関する。

［関連出願の相互参照］
本出願は、その内容全体を引用することにより本明細書の一部をなすものとする２０１
５年２月２５日に出願された米国仮特許出願第６２／１２０，５８５号の優先権及び利益
を主張する。

ナビゲーションシステムは、ユーザが物体の位置を突き止めることを支援する。例えば
、ナビゲーションシステムは、産業、航空宇宙、及び医療の用途において用いられる。医
療の分野では、ナビゲーションシステムは、外科医が患者の解剖学的組織を基準として外
科用ツールを配置することを支援する。ナビゲーションシステムが使用される外科処置は
、神経外科的処置及び整形外科的処置を含む。通常、ツール及び解剖学的組織は、ディス
プレイ上に示されるそれらの相対的な動きとともに追跡される。

ナビゲーションシステムは、物体の位置及び／又は向きを追跡するために、光信号、音
波、磁場、無線周波数信号等を利用することができる。多くの場合、ナビゲーションシス
テムは、追跡されている物体に取り付けられたデバイスを追跡することを含む。ローカラ
イザは、追跡デバイス上の追跡要素と協働して、追跡デバイスの位置を求め、最終的に、
物体の位置及び／又は向きを求める。ナビゲーションシステムは、追跡デバイスを介して
物体の移動を監視する。

多くのナビゲーションシステムは、追跡要素と、追跡要素からの追跡信号を受信するロ
ーカライザのセンサとの間の遮断のない視線に依拠する。これらのナビゲーションシステ
ムは、ローカライザの視野内に位置決めされた追跡要素にも依拠する。結果として、追跡
要素とセンサとの間の視線を遮断する尤度を低減し、追跡要素をローカライザの視野内に
維持するための取り組みが行われてきた。例えば、いくつかのナビゲーションシステムで
は、ナビゲーションシステムの初期セットアップ中に、ディスプレイが、ローカライザの
視野を図式的に表示し、追跡要素が視線に対する遮断のない視野内に配置されるように追
跡デバイスの初期配置を誘導する。一方、そのようなナビゲーションシステムは、例えば
、初期セットアップ後及び患者の治療中に視線内に物体を移動させた結果として外科手術
中に生じる場合がある視線に対する遮断を阻止することも、追跡要素が視野の外側に動く
ことを阻止することもできない。

視線が遮断されているとき、又は追跡要素が視野外にあるとき、追跡要素から送信され
ている追跡信号は、ローカライザによって受信されない。結果として、エラーが生じる可
能性がある。通常、この状況において、ナビゲーションは中断され、追跡信号が再び受信
されるか又はナビゲーションシステムがリセットされるまで、エラーメッセージがユーザ
に伝達される。これによって、外科手術の遅延が生じる可能性がある。例えば、ナビゲー
ションデータに依拠して患者の組織に対し切断用ツールを自律的に位置決めするマニピュ
レータは、これらのエラーが生じた場合に、動作を止めなくてはならない。これは、特に
、視線の復元に困難が生じる場合に、外科手術の時間を大幅に増大させる可能性がある。
これは、感染のリスク及び麻酔の使用が長引くことに関連付けられたリスクを低減するた
めに手術時間の低減を要する、最新の医療行為の要求に反する。

このため、外科手術が妨げられないように、追跡デバイスと、追跡デバイスから信号を
受信するローカライザとの間の追跡中断を低減するナビゲーションシステム及び方法が当
該技術分野において必要とされている。

１つの実施形態において、物体によって生じる追跡中断を低減するナビゲーションシス
テムが提供される。ナビゲーションシステムは、視野を有するローカライザを備える。追
跡デバイスは、ローカライザの視野内に配置され、ローカライザとの視線関係を確立する
。仮想境界生成器は、追跡デバイスとローカライザとの間の視線関係に基づいて仮想視線
境界を生成する。また、仮想境界生成器は、外科手術中の追跡デバイスとローカライザと
の間の相対的な動きを計上するように仮想視線境界を更新する。物体は、仮想空間におい
て仮想物体として定義される。衝突検出器は、仮想視線境界に対する仮想物体の動きを評
価して、仮想物体と仮想視線境界との間の衝突を検出し、物体が追跡デバイスとローカラ
イザとの間で視線を遮断することを防ぐ、検出に対する応答を可能にする。

追跡デバイスと、ナビゲーションシステムのローカライザとの間の追跡中断を低減する
方法も提供される。本方法は、ローカライザの視野内の追跡デバイスを検出することを含
む。追跡デバイスとローカライザとの間の視線関係に基づいて仮想視線境界が生成される
。仮想視線境界は、追跡デバイスとローカライザとの間の相対的な動きを計上するように
更新される。ローカライザの視野において、仮想物体が物体に関連付けられる。仮想物体
と仮想視線境界との間の相対的な動きの評価に基づいて、仮想物体と仮想視線境界との間
の衝突が検出され、物体が追跡デバイスとローカライザとの間で視線を遮断することを防
ぐ、検出に対する応答を可能にする。

追跡中断を低減するための別のナビゲーションシステムが提供される。本システムは、
視野を有するローカライザを備える。追跡デバイスが視野内に配置され、ローカライザが
追跡デバイスからの信号を受信することができるようにする。仮想物体が追跡デバイスに
関連付けられる。仮想境界生成器が、ローカライザの視野に基づいて仮想視野境界を生成
する。衝突検出器が、仮想視野境界に対する仮想物体の動きを評価して、仮想物体と仮想
視線境界との間の衝突を検出し、追跡デバイスがローカライザの視野の外側に動くことを
防ぐ、衝突に対する応答を可能にする。

追跡デバイスと、ナビゲーションシステムのローカライザとの間の追跡中断を低減する
別の方法も提供される。本方法は、ローカライザの視野内の追跡デバイスを検出すること
を含む。ローカライザの視野に基づいて仮想視野境界が生成される。仮想物体が追跡デバ
イスに関連付けられる。仮想物体と仮想視野境界との間の衝突を検出し、追跡デバイスが
ローカライザの視野の外側に動くことを防ぐ、衝突に対する応答を可能にするために、仮
想視野境界に対する仮想物体の動きが追跡される。

これらのナビゲーションシステム及び方法の１つの利点は、追跡デバイスと、追跡デバ
イスから信号を受信するローカライザとの間の追跡中断を低減し、外科手術に対する中断
を回避することができるようにすることである。そのような中断は、追跡デバイスとロー
カライザとの間の視線に干渉する物体によって、又はローカライザの視野の外側に動く追
跡デバイスによって生じる可能性がある。

添付図面とともに考慮したときに、以下の詳細な説明を参照することにより本発明がよ
り良く理解されると、本発明の利点は容易に理解されるであろう。

ワークピースから材料を除去するのに用いられる材料除去システムの斜視図である。 材料除去システムの概略図である。 材料除去システムにおいて用いられる座標系の概略図である。 関節モータコントローラ及びセンサの概略図である。 ローカライザ座標系内の仮想物体を示す図である。 ローカライザの視野及び視野内に配置されたトラッカの上面図及び側面図である。 トラッカとローカライザとの間の仮想視線境界を示す図である。 仮想物体と仮想視線境界との間の衝突を示すディスプレイのスクリーンショットである。 視線遮断を回避するためのユーザに対する命令を示すディスプレイのスクリーンショットである。 仮想視線境界を横切る仮想物体と、衝突を回避するか又は衝突に反発するために生成される関連付けられたフィードバック力とを示す図である。 視野の外側にトラッカが動くのを回避するためのユーザに対する命令を示すディスプレイのスクリーンショットである。 １つの方法において実行されるステップのフローチャートである。

図１を参照すると、ワークピースから材料を除去するための材料除去システム１０が示
されている。材料除去システム１０は、医療施設の手術室等の手術設定で示されている。
示される実施形態では、材料除去システム１０は、機械加工ステーション１２及びナビゲ
ーションシステム２０を含む。ナビゲーションシステム２０は、手術室内の様々な物体の
移動を追跡するようにセットアップされる。そのような物体は、例えば、外科用ツール２
２、患者の大腿骨Ｆ及び患者の脛骨Ｔを含む。ナビゲーションシステム２０は、外科医に
対するこれらの物体の相対位置及び向きを表示する目的で、及び場合によっては、大腿骨
Ｆ及び脛骨Ｔに関連付けられた仮想切断境界（図示せず）に対する外科用ツール２２の動
きを制御又は制約する目的で、これらの物体を追跡する。

ナビゲーションシステム２０は、ナビゲーションコンピュータ２６を収容するコンピュ
ータカートアセンブリ２４を備える。ナビゲーションインタフェースが、ナビゲーション
コンピュータ２６と操作上の通信を行う。このナビゲーションインタフェースは、滅菌野
の外部に位置するように構成された第１のディスプレイ２８と、滅菌野の内部に位置する
ように構成された第２のディスプレイ２９とを備える。ディスプレイ２８、２９は、コン
ピュータカートアセンブリ２４に調整可能に取り付けられている。キーボード及びマウス
等の第１の入力デバイス３０及び第２の入力デバイス３２は、情報をナビゲーションコン
ピュータ２６に入力するのに用いることもできるし、ナビゲーションコンピュータ２６の
いくつかの態様を別の方法で選択／制御するのに用いることができる。タッチスクリーン
（図示せず）又は音声駆動を含む他の入力デバイスも考えられる。

ローカライザ３４は、ナビゲーションコンピュータ２６と通信する。図示した実施形態
では、ローカライザ３４は、光学式ローカライザであり、カメラユニット３６を備える。
カメラユニット３６は、１つ以上の光位置センサ４０を収容する外部ケーシング３８を有
する。いくつかの実施形態では、少なくとも２つの光センサ４０、好ましくは３つ又は４
つ（３つが図示されている）の光センサが用いられる。これらの光センサ４０は、別々の
電荷結合素子（ＣＣＤ）であってもよい。１つの実施形態では、３つの１次元ＣＣＤが用
いられる。他の実施形態では、それぞれが別々のＣＣＤ又は２つ以上のＣＣＤを有する別
々のカメラユニットを手術室の周辺に準備することもできることが認識されるべきである
。ＣＣＤは、赤外線（ＩＲ）信号を検出する。

カメラユニット３６は、調整可能なアーム上に取り付けられて、理想的には障害物がな
い、以下で論じるトラッカの視野を有する光センサ４０を位置決めする。いくつかの実施
形態では、カメラユニット３６は、回転関節の周りを回転することによって少なくとも１
自由度で調整可能である。他の実施形態では、カメラユニット３６は、約２以上の自由度
で調整可能である。

カメラユニット３６は、光センサ４０と通信して光センサ４０から信号を受信するカメ
ラコントローラ４２を備える。カメラコントローラ４２は、有線接続又は無線接続（図示
せず）のいずれかを通じてナビゲーションコンピュータ２６と通信する。１つのそのよう
な接続は、高速通信及び等時性リアルタイムデータ転送のためのシリアルバスインタフェ
ース規格であるＩＥＥＥ１３９４インタフェースとすることができる。接続は、企業固有
のプロトコルを用いることもできる。他の実施形態では、光センサ４０は、ナビゲーショ
ンコンピュータ２６と直接通信する。

位置及び向きの信号及び／又はデータは、物体を追跡する目的でナビゲーションコンピ
ュータ２６に送信される。コンピュータカートアセンブリ２４、ディスプレイ２８、及び
カメラユニット３６は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする、Malackow
ski他に対する「Surgery System」と題する、２０１０年５月２５日に発行された米国特
許第７，７２５，１６２号明細書に記載されたものと同様のものであってもよい。

ナビゲーションコンピュータ２６は、パーソナルコンピュータ又はラップトップコンピ
ュータであってもよい。ナビゲーションコンピュータ２６は、ディスプレイ２８、中央処
理ユニット（ＣＰＵ）及び／又は他のプロセッサ、メモリ（図示せず）、並びに記憶装置
（図示せず）を有する。ナビゲーションコンピュータ２６には、以下で説明するようなソ
フトウェアがロードされる。このソフトウェアは、カメラユニット３６から受信された信
号を、追跡されている物体の位置及び向きを表すデータに変換する。

ナビゲーションシステム２０は、本明細書においてトラッカとも呼ばれる複数の追跡デ
バイス４４、４６、４８とともに動作可能である。図示した実施形態では、１つのトラッ
カ４４は、患者の大腿骨Ｆに堅固に取り付けられ、別のトラッカ４６は、患者の脛骨Ｔに
堅固に取り付けられている。トラッカ４４、４６は、骨部分に堅固に取り付けられている
。トラッカ４４、４６は、米国特許第７，７２５，１６２号明細書に示された方法で大腿
骨Ｆ及び脛骨Ｔに取り付けることができる。この米国特許は、引用することによって本明
細書の一部をなすものとする。トラッカ４４、４６はまた、引用することにより本明細書
の一部をなすものとする、「Navigation Systems and Methods for Indicating and Redu
cing Line-of-Sight Errors」と題する、２０１４年１月１６日に出願された米国仮特許
出願第１４／１５６，８５６号に示すトラッカと同様に取り付けることができる。更なる
実施形態では、トラッカ（図示せず）が、膝蓋骨に取り付けられて、当該膝蓋骨の位置及
び向きを追跡する。更なる実施形態では、トラッカ４４、４６は、解剖学的組織の他の組
織タイプ又は組織部分に取り付けることができる。

ツールトラッカ４８は、外科用ツール２２に堅固に取り付けられている。ツールトラッ
カ４８は、製造中に外科用ツール２２内に統合することもできるし、外科手術の準備の際
に外科用ツール２２に別個に取り付けることもできる。ツールトラッカ４８によって追跡
される外科用ツール２２の作業端は、回転バー、電気アブレーションデバイス、又は同様
なものとすることができる。

トラッカ４４、４６、４８は、内部バッテリを用いたバッテリ駆動式とすることもでき
るし、カメラユニット３６のように好ましくは外部電力を受け取るナビゲーションコンピ
ュータ２６を通して電力を受け取るリード線を有することもできる。

示される実施形態において、外科用ツール２２は、機械加工ステーション１２のマニピ
ュレータ５６に取り付けられる。そのような構成は、その開示が引用することにより本明
細書の一部をなすものとする、「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surg
ical Instrument in Multiple Modes」と題する米国特許第９，１１９，６５５号明細書
に示されている。

図２を参照すると、ローカライザ３４の光センサ４０は、トラッカ４４、４６、４８か
ら光信号を受信する。図示した実施形態では、トラッカ４４、４６、４８は、アクティブ
トラッカである。この実施形態では、各トラッカ４４、４６、４８は、光信号を光センサ
４０に送信する少なくとも３つのアクティブ追跡要素又はマーカを有する。アクティブマ
ーカは、例えば、赤外線等の光を送達する発光ダイオード、すなわちＬＥＤ５０であって
もよい。光センサ４０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
、光センサ４０は、８０００Ｈｚのサンプリングレートを有する。このサンプリングレー
トは、光センサ４０が、順次点灯されたＬＥＤ５０から光信号を受信するレートである。
いくつかの実施形態では、ＬＥＤ５０からの光信号は、トラッカ４４、４６、４８ごとに
異なるレートで点灯される。

ＬＥＤ５０のそれぞれは、関連付けられたトラッカ４４、４６、４８のハウジング内に
位置するトラッカコントローラ（図示せず）に接続されている。このトラッカコントロー
ラは、ナビゲーションコンピュータ２６に対してデータを送受信する。１つの実施形態で
は、トラッカコントローラは、ナビゲーションコンピュータ２６との有線接続を通じてほ
ぼ数メガバイト／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
ができる。これらの実施形態では、ナビゲーションコンピュータ２６は、トラッカコント
ローラからデータを受信する送受信機（図示せず）を有する。

他の実施形態では、トラッカ４４、４６、４８は、カメラユニット３６から放出された
光を反射する反射器等のパッシブマーカ（図示せず）を有することができる。そして、反
射光は、光センサ４０によって受信される。アクティブ構成及びパッシブ構成は、当該技
術分野においてよく知られている。

いくつかの実施形態では、トラッカ４４、４６、４８は、引用することにより本明細書
の一部をなすものとする、「Navigation System Including Optical and Non-Optical Se
nsors」と題する、２０１３年９月２４日に出願された米国特許第９，００８，７５７号
明細書に示されるトラッカ等のジャイロスコープセンサ及び加速度計も含む。

ナビゲーションコンピュータ２６は、ナビゲーションプロセッサ５２を含む。ナビゲー
ションプロセッサ５２は、ナビゲーションコンピュータ２６の動作を制御する１つ以上の
プロセッサを含みうることが理解されるべきである。プロセッサは、任意のタイプのマイ
クロプロセッサ又はマルチプロセッサシステムとすることができる。プロセッサという用
語は、任意の実施形態の範囲を単一のプロセッサに制限することを意図したものではない
。

カメラユニット３６は、トラッカ４４、４６、４８のＬＥＤ５０から光信号を受信し、
ローカライザ３４を基準としたトラッカ４４、４６、４８のＬＥＤ５０の位置に関する信
号をプロセッサ５２に出力する。受信した光信号（及びいくつかの実施形態では非光信号
）に基づいて、ナビゲーションプロセッサ５２は、ローカライザ３４を基準としたトラッ
カ４４、４６、４８の相対的な位置及び向きを示すデータを生成する。１つの変形形態に
おいて、ナビゲーションプロセッサ５２は、位置データを決定するために既知の三角測量
方法を使用する。

外科手術の開始前に、追加のデータがナビゲーションプロセッサ５２にロードされる。
トラッカ４４、４６、４８の位置及び向き、並びに以前にロードされたデータに基づいて
、ナビゲーションプロセッサ５２は、外科用ツール２２の作業端の位置（例えば、外科用
バーの重心）を求め、作業端が接触する組織に対する外科用ツール２２の方向を求める。
いくつかの実施形態では、ナビゲーションプロセッサ５２はこれらのデータをマニピュレ
ータコントローラ５４に転送する。そして、その開示が引用することにより本明細書の一
部をなすものとする、「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Ins
trument in Multiple Modes」と題する米国特許第９，１１９，６５５号明細書に記載さ
れているように、マニピュレータコントローラ５４は、データを用いてマニピュレータ５
６を制御することができる。

１つの実施形態において、マニピュレータ５６は、外科医（図示せず）によって設定さ
れた、手術前に画定された仮想境界内に留まるように制御される。この境界は、外科用ツ
ール２２によって除去される大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔの材料を画定する。より詳細には、大腿
骨Ｆ及び脛骨Ｔの各々が、外科用ツール２２の作業端によって除去される材料の標的ボリ
ュームを有する。標的ボリュームは、１つ以上の仮想切断境界によって画定される。仮想
切断境界は、手術後に残るべき骨の表面を画定する。その開示が引用することにより本明
細書の一部をなすものとする、「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surg
ical Instrument in Multiple Modes」と題する米国特許第９，１１９，６５５号明細書
に開示されているように、ナビゲーションシステム２０は、外科用ツール２２を追跡及び
制御し、作業端、例えば外科用バーが、材料の標的ボリュームのみを除去し、仮想切断境
界を越えて延びないことを確実にする。

仮想切断境界は、大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔの仮想モデル内で画定することができ、メッシュ
表面、空間領域構成法（ＣＳＧ）、ボクセルとして、又は他の境界表現技法を用いて表す
ことができる。外科用ツール２２は、大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔから材料を切り離し、インプラ
ントを受け取る。その開示が引用することにより本明細書の一部をなすものとする、「Pr
osthetic Implant and Method of Implantation」と題する米国特許出願第１３／５３０
，９２７号に示されているように、外科的インプラントは、単顆人工膝関節インプラント
、両顆人工膝関節インプラント又は全人工膝関節インプラントを含みうる。

ナビゲーションプロセッサ５２は、組織に対する作業端の相対的な位置を示す画像信号
も生成する。これらの画像信号は、ディスプレイ２８、２９に印加される。ディスプレイ
２８、２９は、これらの信号に基づいて画像を生成する。これらの画像によって、外科医
及びスタッフは、手術部位に対する作業端の相対的な位置を視認することが可能になる。
ディスプレイ２８、２９は、上記で論述したように、コマンドのエントリを可能にするタ
ッチスクリーン又は他の入力／出力デバイスを含みうる。

図３を参照すると、物体の追跡は、一般に、ローカライザ座標系ＬＣＬＺを基準として
行われる。ローカライザ座標系は、原点及び向き（ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸のセット）を有
する。手術中、１つの目標は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺを既知の位置に保つことであ
る。ローカライザ３４に取り付けられた加速度計（図示せず）は、ローカライザ３４が手
術要員によって不注意でぶつけられたときに起こり得るようなローカライザ座標系ＬＣＬ
Ｚの突然の運動又は予期しない運動を追跡するのに用いることができる。

各トラッカ４４、４６、４８及び追跡されている物体も、ローカライザ座標系ＬＣＬＺ
と別個のそれ自体の座標系を有する。それら自体の座標系を有するナビゲーションシステ
ム２０のコンポーネントは、骨トラッカ４４、４６及びツールトラッカ４８である。これ
らの座標系は、それぞれ、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１、ＢＴＲＫ２、及びツールトラッ
カ座標系ＴＬＴＲとして表される。

ナビゲーションシステム２０は、骨に堅固に取り付けられた骨トラッカ４４、４６の位
置を監視することによって患者の大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔの位置を監視する。大腿骨座標系は
ＦＢＯＮＥであり、脛骨座標系はＴＢＯＮＥであり、これらの座標系は、骨トラッカ４４
、４６が堅固に取り付けられている骨の座標系である。

手術の開始前に、大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔの術前画像（又は他の実施形態では他の組織の術
前画像）が生成される。これらの画像は、患者の解剖学的組織の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）スキャンに基づくことができる。これらの
画像は、当該技術分野においてよく知られている方法を用いて大腿骨座標系ＦＢＯＮＥ及
び脛骨座標系ＴＢＯＮＥにマッピングされる。これらの画像は、大腿骨座標系ＦＢＯＮＥ
及び脛骨座標系ＴＢＯＮＥにおいて固定される。手術前の画像を撮ることの代替として、
運動学的研究、骨追跡及び他の方法から、手術室（ＯＲ）内で治療平面を展開することが
できる。

手術の初期フェーズの間、骨トラッカ４４、４６が、患者の骨に堅固に取り付けられる
。座標系ＦＢＯＮＥ及びＴＢＯＮＥの姿勢（位置及び向き）が、それぞれ座標系ＢＴＲＫ
１及びＢＴＲＫ２にマッピングされる。１つの実施形態において、引用することにより本
明細書の一部をなすものとする、Malackowski他に対する米国特許第７，７２５，１６２
号明細書に開示されているような、独自のトラッカＰＴ（図１を参照）を有するポインタ
器具Ｐ（図１を参照）を用いて、大腿骨座標系ＦＢＯＮＥ及び脛骨座標系ＴＢＯＮＥを、
それぞれ骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１及びＢＴＲＫ２に登録することができる。骨とそれ
らの骨トラッカ４４、４６との間の固定関係、大腿骨座標系ＦＢＯＮＥ及び脛骨座標系Ｔ
ＢＯＮＥにおける大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔの位置及び向きを、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１及
びＢＴＲＫ２に変換し、カメラユニット３６が骨トラッカ４４、４６を追跡することによ
って大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔを追跡できるようにすることがある。これらの姿勢記述データは
、マニピュレータコントローラ５４及びナビゲーションプロセッサ５２の双方と一体のメ
モリに記憶される。

外科用ツール２２の作業端（エネルギーアプリケータ遠位端とも呼ばれる）は、それ自
体の座標系ＥＡＰＰを有する。座標系ＥＡＰＰの原点は、例えば、外科用切断バーの重心
を表すことができる。座標系ＥＡＰＰの姿勢は、手術が開始する前に、ツールトラッカ座
標系ＴＬＴＲの姿勢に固定される。したがって、これらの座標系ＥＡＰＰ、ＴＬＴＲの互
いを基準とした姿勢が決まる。この姿勢記述データが、マニピュレータコントローラ５４
及びナビゲーションプロセッサ５２の双方と一体のメモリに記憶される。

図２を参照すると、ローカライゼーションエンジン１００は、ナビゲーションシステム
２０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。ローカライゼーション
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５２上で動作する。いく
つかの形態では、ローカライゼーションエンジン１００は、マニピュレータコントローラ
５４上で動作することができる。

ローカライゼーションエンジン１００は、カメラコントローラ４２からの光ベースの信
号、及びいくつかの実施形態ではトラッカコントローラからの非光ベースの信号を入力と
して受信する。これらの信号に基づいて、ローカライゼーションエンジン１００は、ロー
カライザ座標系ＬＣＬＺにおいて骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１及びＢＴＲＫ２の姿勢を確
定する。ツールトラッカ４８用に受信された同じ信号に基づいて、ローカライゼーション
エンジン１００は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおけるツールトラッカ座標系ＴＬＴＲ
の姿勢を確定する。

ローカライゼーションエンジン１００は、トラッカ４４、４６、４８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５２上
で動作するナビゲーションシステムソフトウェアモジュールである。座標変換器１０２は
、患者の術前画像と骨トラッカ４４、４６との間の関係を規定するデータを参照する。座
標変換器１０２は、ツールトラッカ４８を基準とした外科用ツール２２の作業端の姿勢を
示すデータも記憶する。

手術中、座標変換器１０２は、ローカライザ３４に対するトラッカ４４、４６、４８の
相対的な姿勢を示すデータを受信する。これらのデータ及び事前にロードされたデータに
基づいて、座標変換器１０２は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺに対する座標系ＥＡＰＰと
骨座標系ＦＢＯＮＥ及びＴＢＯＮＥとの双方の相対的な位置及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、作業端が接触する組織（例えば、骨）を基準とした外
科用ツール２２の作業端の位置及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、外科医及びスタッフがこの情報を視認することを可能にするディスプレイ２
８、２９に転送される。或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５４に転送して、マニピュレータ５６及び外科用ツール２２の対
応する運動を制御することができる。

図１に示す実施形態において、外科用ツール２２は、マニピュレータ５６のエンドエフ
ェクタの一部を形成する。マニピュレータ５６は、基部５７、基部５７から延びる複数の
連結部５８、及び基部５７に対し外科用ツール２２を動かすための複数の能動関節（符号
を付されていない）を有する。マニピュレータ５６は、その開示が引用することにより本
明細書の一部をなすものとする、「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Su
rgical Instrument in Multiple Modes」と題する米国特許第９，１１９，６５５号明細
書に記載されているように、手動モードで動作するか、又は所定のツール経路に沿って外
科用ツール２２が自律的に動かされる半自律モードで動作する能力を有する。

マニピュレータコントローラ５４は、その開示が引用することにより本明細書の一部を
なすものとする、「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrum
ent in Multiple Modes」と題する米国特許第９，１１９，６５５号明細書に記載されて
いるように、外科用ツール２２の位置及び向きデータと、患者の解剖学的組織とを用いて
、マニピュレータ５６を制御することができる。

マニピュレータコントローラ５４は、中央処理装置（ＣＰＵ）及び／又は他のマニピュ
レータプロセッサ、メモリ（図示せず）及びストレージ（図示せず）を有することがある
。以下で説明するように、マニピュレータコンピュータとも呼ばれるマニピュレータコン
トローラ５４にソフトウェアがロードされる。マニピュレータプロセッサは、マニピュレ
ータ５６の動作を制御する１つ以上のプロセッサを含みうる。プロセッサは、任意のタイ
プのマイクロプロセッサ又はマルチプロセッサシステムとすることができる。プロセッサ
という用語は、任意の実施形態を単一のプロセッサに限定するように意図されるものでは
ない。

図４を参照すると、複数の位置センサ１１２、１１４、１１６がマニピュレータ５６の
複数の連結部５８に関連付けられる。１つの実施形態において、位置センサ１１２、１１
４、１１６はエンコーダである。位置センサ１１２、１１４、１１６は、ロータリエンコ
ーダ等の任意の適切なタイプのエンコーダとすることができる。各位置センサ１１２、１
１４、１１６は、モータＭ等のアクチュエータと関連付けられる。各位置センサ１１２、
１１４、１１６は、位置センサが関連付けられたマニピュレータ５６の３つのモータ駆動
コンポーネントのうちの１つの角度位置を監視するセンサである。マニピュレータ５６は
、２つの追加の位置センサ１１７及び１１８を含む。位置センサ１１７及び１１８は、追
加の駆動連結部に関連付けられる。いくつかの実施形態では、マニピュレータ５６は、６
つの能動関節において６つの位置センサを有する２つのアーム構造を含む。１つのそのよ
うな実施形態は、その開示が引用することにより本明細書の一部をなすものとする、「Su
rgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in Multiple Mode
s」と題する米国特許第９，１１９，６５５号明細書に記載されている。

マニピュレータ５６は、従来のロボットシステム又は他の従来の機械加工装置の形態を
とることができ、このため、その構成要素は詳細に説明されない。

マニピュレータコントローラ５４は、外科用ツール２２が動かされるべき所望のロケー
ションを決定する。この決定、及び外科用ツール２２の現在のロケーション（例えば、姿
勢）に関する情報に基づいて、マニピュレータコントローラ５４は、現在のロケーション
から所望のロケーションに外科用ツール２２を再位置決めするために、複数の連結部５８
の各々がどの程度動かされる必要があるかを求める。複数の連結部５８がどこに位置決め
されるかに関するデータは関節モータコントローラ１１９に転送され、関節モータコント
ローラ１１９は、マニピュレータ５６の能動関節を制御して複数の連結部５８を動かし、
それによって外科用ツール２２を現在のロケーションから所望のロケーションに動かす。

外科用ツール２２の現在のロケーションを求めるために、位置センサ１１２、１１４、
１１６、１１７及び１１８からのデータを用いて、測定された関節角度を求める。当該技
術分野において既知であるように、能動関節の測定された関節角度は、順運動学モジュー
ルに転送される。位置センサ１１７及び１１８からの信号も順運動学モジュールに適用さ
れる。これらの信号は、これらのエンコーダと一体の受動関節のために測定された関節角
度である。測定された関節角度及び事前にロードされたデータに基づいて、順運動学モジ
ュールは、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬにおける外科用ツール２２の姿勢を求める。事
前にロードされたデータは、複数の連結部５８及び関節の形状を定義するデータである。
この情報を用いて、マニピュレータコントローラ５４及び／又はナビゲーションプロセッ
サ５２は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺからマニピュレータ座標系ＭＮＰＬに、又はその
逆に、座標を変換することができる。

１つの実施形態では、マニピュレータコントローラ５４及び関節モータコントローラ１
１９は、所望の位置及び／又は向きに外科用ツール２２を動かすように動作する位置コン
トローラを集合的に形成する。位置コントローラは位置制御ループにおいて動作する。位
置制御ループは、能動関節ごとに並列又は直列の複数の位置制御ループを含みうる。位置
制御ループは、外科用ツール２２の姿勢を示し、方向付けするように、位置及び向きの情
報を処理する。

マニピュレータ５６の動作中、トラッカ４４、４６、４８とローカライザ３４との間の
視線は、所望の位置及び／又は向きに対する外科用ツール２２の正確な動きを確実にする
ように維持されるべきである。視線が妨げられるか又は遮断される期間は、視線が戻るか
又はナビゲーションシステム２０がリセットされるまで、材料除去システム１０がエラー
メッセージを表示し、マニピュレータ５６の動作を止めることを必要とする場合がある。
これによって、外科手術における遅延が生じる可能性がある。これは、特に、視線の復元
に困難が生じる場合に、外科手術の時間を大幅に増大させる可能性がある。

ナビゲーションコンピュータ２６は、他の光センサ４０が依然として信号を受信してい
る場合であっても、光センサ４０のうちの任意の１つがＬＥＤ５０からの信号の受信に失
敗する場合、エラーがあると判断する。他の実施形態において、ナビゲーションコンピュ
ータ２６は、光センサ４０のいずれも信号を受信しない場合、エラーがあると判断する。
いずれの場合にも、１つ以上の光センサ４０が１つ以上のＬＥＤ５０から信号を受信する
ことに失敗したことに基づいて、ナビゲーションシステム２０が、エラーが存在すると判
断するとき、ナビゲーションコンピュータ２６によってエラー信号が生成される。そして
、エラーメッセージが、ディスプレイ２８、２９上に現れる。ナビゲーションコンピュー
タ２６は、エラー信号をトラッカコントローラにも送信する。

いくつかの実施形態では、トラッカ４４は、ＬＥＤ５０のうちの１つからの追跡信号が
遮断される場合に、残りのＬＥＤ５０を用いて位置データ及び向きデータを依然として得
ることができるように、４つ以上の追跡ＬＥＤ５０を含みうる。この例において、任意の
エラー信号が生成される前に、ナビゲーションコンピュータ２６は、最初に完全な追跡サ
イクルを通しで実行する。完全な追跡サイクルは、トラッカ４４上の全てのＬＥＤ５０を
順次アクティベートして、光センサ４０が追跡サイクル内のＬＥＤ５０のうちの少なくと
も３つから追跡信号を受信するか否かを判断することを含む。そして、光センサ４０（又
は、いくつかの実施形態における全ての光センサ４０）が追跡サイクルにおいて少なくと
も３つのＬＥＤ５０から追跡信号を受信しなかった場合、エラー信号が生成され、エラー
メッセージが表示される。以下で更に説明される実施形態のうちのいくつかにおいて、ナ
ビゲーションシステム２０は、そのようなエラーメッセージを回避するように視線遮断の
可能性を低減する。

視線遮断は、トラッカ４４、４６、４８のＬＥＤ５０からローカライザ３４の光センサ
４０に送信される光信号を遮断する。ナビゲーションシステム２０は、そのような視線の
遮断を生じ得る物体を追跡し、物体のうちのいずれかが追跡デバイス４４、４６、４８の
うちの１つとローカライザ３４との間で視線を妨げるか又は遮断するリスクを課す場合、
ユーザにフィードバックを生成することによって、手術中、すなわち外科手術中にこれら
の視線遮断を低減する。

視線遮断を生じる可能性がある物体は、外科手術中にローカライザ３４の視線内に存在
する場合がある任意の物理的物体を含む。そのような物理的物体の例は、トラッカ４４、
４６、４８の各々又はそれらの一部分に関連付けられた構造を含む。他の物理的物体は、
ローカライザ３４の視野内に存在する場合がある、外科用ツール２２、手術部位における
開創器、四肢ホルダ、他のツール、外科人員、又はこれらのうちの任意のものの一部分を
含みうる。チェックされない場合、これらの物理的物体は、視線遮断を引き起こすように
動く可能性がある。ナビゲーションシステム２０は、これらの物理的物体の各々の位置及
び向きを追跡し、視線の遮断が生じる前にユーザにフィードバックを生成し、視線の遮断
を少なくとも低減し、理想的には防ぐ。

視線遮断を引き起こし得る物理的物体の各々は、これらの物理的物体を追跡する目的で
仮想空間内にモデル化される。これらのモデルは、仮想物体と呼ばれる。仮想物体は、ト
ラッカ４４、４６、４８、外科用ツール２２、開創器、四肢ホルダ、他のツール、又は外
科人員等の、ローカライザ３４の視野内で追跡されている物理的物体の各々のローカライ
ザ座標系ＬＣＬＺにおけるマップである。仮想物体は、多角面、スプライン、又は代数曲
面（パラメトリック曲面を含む）によって表すことができる。１つのより具体的な変形形
態では、これらの表面は三角形メッシュとして表される。各多角形の角は、ローカライザ
座標系ＬＣＬＺ内の点によって定義される。各仮想物体境界又はメッシュの一部分を定義
する個々の領域セクションは、タイルと呼ばれる。仮想物体は、ボクセルベースのモデル
又は他のモデル化技法を用いて、３Ｄボリュームによって表すこともできる。

図５を参照すると、説明の目的で、トラッカ４４、４６、４８及び外科用ツール２２の
物理的構造に関連付けられた仮想物体４４’、４６’、４８’、２２’がローカライザ座
標系ＬＣＬＺに示されている。計算効率のために、仮想物体４４’、４６’、４８’、２
２’は単純な形状としてモデル化されていることに留意されたい。さらに、ツールトラッ
カ４８及び外科用ツール２２に関連付けられた、ツールトラッカ仮想物体４８’及びツー
ル仮想物体２２’は、互いに対して固定され、代替的に単一の仮想物体として表すことが
できる。

ツールトラッカ仮想物体４８’及びツール仮想物体２２’は、ツールトラッカ４８を追
跡することによって追跡することができる。特に、ツールトラッカ仮想物体４８’及びツ
ール仮想物体２２’の形状モデルは、メモリに記憶され、ツールトラッカ４８上のＬＥＤ
５０に対するそれらの関係は既知である。骨トラッカ仮想物体４４’及び４６’は、骨ト
ラッカ４４、４６を追跡することによって追跡することができる。特に、骨トラッカ仮想
物体４４’、４６’の形状モデルは、メモリに記憶され、骨トラッカ上４４、４６上のＬ
ＥＤ５０に対するそれらの関係は既知である。他の追跡デバイス（図示せず）を、ローカ
ライザ３４の視野内に存在する開創器、四肢ホルダ、他のツール、又は外科人員等の他の
物理的物体に取り付け、これらの他の物理的物体を追跡することができる。

外科手術が開始する前に、トラッカ４４、４６、４８の各々がローカライザ３４の視野
内に配置される。ディスプレイ２８、２９は、トラッカ４４、４６、４８がローカライザ
３４の視野内に配置されることを視覚的に確認するために、図６に示すように、ローカラ
イザ３４の視野を上面及び側面から図式的に示す。視野は、光センサ４０と、トラッカ４
４、４６、４８のＬＥＤ５０から光を受けるための光センサ４０の範囲との空間関係によ
って定義される。そして、ナビゲーションシステム２０は、トラッカ４４、４６、４８の
各々が視野内で可視であることを検証する。検証されると、外科手術が開始することがで
きる。

図７を参照すると、仮想境界生成器１０４（図２を参照）は、追跡デバイス４４、４６
、４８の各々とローカライザ３４との間の視線関係に基づいて、仮想視線境界１０６、１
０８、１１０を生成する。仮想視線境界１０６、１０８、１１０は、物理的物体が入るこ
とを制限されるべき空間の輪郭を描き、それによって、各追跡デバイス４４、４６、４８
のＬＥＤ５０からの光が、遮断されることも妨げられることもなく、ローカライザ３４の
光センサ４０に送信されることが可能であるようにする。

いくつかの実施形態では、図７に示すように、仮想視線境界１０６、１０８、１１０は
、円筒形、球形又は円錐台形である。他の形状も可能である。他の実施形態では、仮想視
線境界は、直線（例えば、ＬＥＤの各々から光センサ４０の各々への直線）として表され
る。図７に示される仮想視線境界１０６、１０８、１１０は、追跡デバイス４４、４６、
４８の各々においてＬＥＤ５０の周りに定義された第１の端部１１２、１１４、１１６か
ら、ローカライザ３４の光センサ４０の周りに定義された第２の端部１１８まで延びる。
仮想視線境界１０６、１０８、１１０は、以下で更に説明されるように、視線遮断を生じ
ることなく衝突を検出するために、物理的物体が仮想視線境界にわずかに入り込むことが
できるように、超過サイズにすることがある。

仮想境界生成器１０４は、外科手術中の追跡デバイス４４、４６、４８とローカライザ
３４との間の相対的な動きを考慮に入れるように仮想視線境界１０６、１０８、１１０を
更新する。更新は、ナビゲーションシステム２０が、追跡デバイス４４、４６、４８の各
々についてＬＥＤ５０から信号の完全な組（例えば、追跡デバイスごとに少なくとも３つ
の信号）を受信する度に生じることがある。更新は、外科用ツール２２のために新たな指
令位置が決定される度に生じることがある。外科用ツール２２がマニピュレータ５６によ
って制御される実施形態では、各新たな指令位置を決定するための時間フレームは、０．
１ミリ秒～２ミリ秒ごとでありうる。

仮想境界生成器１０４は、ナビゲーションプロセッサ５２若しくはマニピュレータコン
トローラ５４又はその双方において実行されるソフトウェアモジュールである。仮想境界
生成器１０４は、仮想視線境界１０６、１０８、１１０を画定するマップを生成する。仮
想境界生成器１０４への第１の入力は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおける追跡デバイ
ス４４、４６、４８ごとのＬＥＤ５０の各々の位置及び向きを含む。このＬＥＤ姿勢デー
タから、第１の端部１１２、１１４、１１６の位置及び向きを定義することができる。仮
想境界生成器１０４への第２の入力は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおけるローカライ
ザ３４の光センサ４０の各々の位置及び向きを含む。この光センサ姿勢データから、光セ
ンサ４０の周りの第２の端部１１８の位置及び向きを定義することができる。上記のデー
タに基づいて、及び命令を通じて、仮想境界生成器１０４は、ローカライザ座標系ＬＣＬ
Ｚにおける仮想視線境界１０６、１０８、１１０を画定するマップを生成する。

いくつかの実施形態では、仮想境界生成器１０４は、仮想視線境界を、多角面、スプラ
イン又は代数曲面（パラメトリック曲面を含む）として生成する。１つのより具体的な変
形形態では、これらの面は、三角形メッシュとして表される。各多角形の角は、ローカラ
イザ座標系ＬＣＬＺにおける点によって定義される。各仮想視線境界又はメッシュの一部
分を定義する個々の領域セクションはタイルと呼ばれる。仮想視線境界は、ボクセルベー
スのモデル又は他のモデル化技法を用いて、３Ｄボリュームとして表すこともできる。

衝突検出器１２０（図２を参照）は、仮想視線境界１０６、１０８、１１０に対する仮
想物体４４’、４６’、４８’、２２’の動きを評価して、仮想物体４４’、４６’、４
８’、２２’と仮想視線境界１０６、１０８、１１０（効果的に仮想物体とも呼ばれる）
との間の衝突を検出する。より詳細には、衝突検出器１２０は、仮想物体４４’、４６’
、４８’、２２’を表す形状モデルと、仮想視線境界１０６、１０８、１１０を表す形状
モデルとの間の衝突を検出する。衝突検出は、実際の仮想衝突を検出するか、仮想衝突が
生じる前にそれらを予測することを含む。

衝突検出器１２０によって行われる追跡の目的は、任意の物理的物体が、追跡デバイス
４４、４６、４８のＬＥＤ５０と、ローカライザ３４の光センサ４０との間の視線を遮断
することを防ぐことである。衝突検出器１２０への第１の入力は、ローカライザ３４の視
野内で追跡されている仮想物体４４’、４６’、４８’、２２’の各々のマップである。
衝突検出器１２０への第２の入力は、仮想視線境界１０６、１０８、１１０の各々のマッ
プである。

衝突検出器１２０は、ナビゲーションプロセッサ５２若しくはマニピュレータコントロ
ーラ５４又はその双方を実行するソフトウェアモジュールである。衝突検出器１２０は、
仮想物体４４’、４６’、４８’、２２’と仮想視線境界１０６、１０８、１１０との間
の衝突を検出するための任意の従来のアルゴリズムを用いることができる。例えば、２つ
のパラメトリック曲面の交差部を求めるための適切な技法は、細分化法、格子法、追跡法
、及び解析法を含む。引用することにより本明細書の一部をなすものとする、米国特許第
５，５４８，６９４号明細書に記載されているように、ボクセルベースの仮想物体の場合
、衝突検出は、任意の２つのボクセルがローカライザ座標系ＬＣＬＺにおいて重複してい
るときを検出することによって実行することができる。

フィードバック生成器１２２（図２）は、衝突検出器１２０と通信して、仮想物体４４
’、４６’、４８’、２２’のうちの任意のものと、仮想視線境界１０６、１０８、１１
０のうちの任意のものとの間の衝突の検出に応答する。フィードバック生成器１２２は、
ナビゲーションプロセッサ５２若しくはマニピュレータコントローラ５４又はそれらの双
方の上で実行されるソフトウェアモジュールである。フィードバック生成器１２２は、可
聴フィードバック、視覚フィードバック、振動フィードバック又は触覚フィードバックの
うちの１つ以上を含む１つ以上の形態のフィードバックをユーザに提供することによって
、衝突の検出に応答する。

１つの実施形態では、フィードバック生成器１２２は、ナビゲーションプロセッサ５２
と通信して、衝突に応答して可聴アラートをユーザに生成するアナンシエータ１２４の形
態のフィードバックデバイスを起動させる。

図８を参照すると、フィードバック生成器１２２は、ディスプレイ２８、２９に、衝突
を表す画像を表示させることもでき、それによって、ユーザは、（衝突が予測された場合
に）衝突をどのように回避するかを決定するか、又は（衝突が既に生じている場合に）衝
突を逆転することができる。衝突は、影響を受けている仮想視線境界１０６、１０８又は
１１０を、関与する物理的物体が仮想視線境界１０６、１０８、１１０と衝突したか又は
衝突しようとしている場所のグラフィック表現とともに示すことによって表すことができ
る。関与するトラッカ４４、４６又は４８、すなわち、「大腿骨トラッカ」等の遮断され
ようとしているトラッカのテキスト記述もディスプレイ２８、２９上に表示することがで
きる。

いくつかの実施形態では、仮想物体を用いて追跡されるローカライザ３４の視野内の全
ての物理的物体をディスプレイ２８、２９上に表すことができる。この場合、衝突は、色
分けを用いて示すことができる。例えば、仮想視線境界１０６、１０８又は１１０と衝突
する物理的物体（その仮想物体によって関連付けられる）の一部分を取り囲んで赤色を示
すことができる。影響を受けているトラッカ４４、４６又は４８も色分けすることができ
（場合によっては同じ色又は異なる色）、それによって、視覚的に、いずれの物理的物体
がいずれのトラッカ視線を遮断することになるのかをユーザが迅速に理解し、ユーザは直
観的に遮断を回避することができる。さらに、ディスプレイ上に矢印を図式的に示して、
物理的物体が衝突を回避するか又は衝突を逆転するように動かされるべき方向を示すこと
ができる。これらの矢印は、以下で詳細に説明されるように、衝突検出器１２０によって
決定されたフィードバック力の方向に基づいて生成することができる。

図９を参照すると、フィードバック生成器１２２は、衝突の検出に応答して、ディスプ
レイ２８、２９に、患者の特定の解剖学的組織を再位置決めすることの命令を含むメッセ
ージをユーザに対し表示させることもできる。特定の解剖学的組織は、遮断されようとし
ている骨トラッカ４４、４６が取り付けられる解剖学的組織を含みうる。例えば、外科用
ツール２２を表すツール仮想物体２２’が、脛骨Ｔ上の骨トラッカ４６に関連付けられた
仮想視線境界１０８と衝突したことがわかった場合、ナビゲーションプロセッサ５２は、
ディスプレイ２８、２９に、「脛骨を動かせ」というメッセージをユーザに対し表示させ
ることができる。特定のメッセージは、あり得る衝突の特定のシナリオに関連付けられた
メッセージのルックアップテーブルに記憶することができる。この例において、このメッ
セージは、ツール仮想物体２２’が仮想視線境界１０８と衝突したシナリオでルックアッ
プテーブル内に位置する。衝突を回避又は逆転するためにとる方向を定義する回避ベクト
ル又は反発ベクトルに基づいた、より詳細な命令も可能である。図９に示すように、命令
は、矢印Ａをディスプレイ２８、２９に更に表示するか又は点滅させて「脛骨を動かせ」
と命令することとすることができ、矢印Ａは、回避ベクトル又は反発ベクトルの方向にあ
る。

フィードバック生成器１２２は、ディスプレイ２８、２９に、衝突の検出に応答してロ
ーカライザ３４を再位置決めすることの命令を含むメッセージをユーザに対し表示させる
こともできる。例えば、外科用ツール２２を表現するツール仮想物体２２’が、脛骨Ｔ上
の骨トラッカ４６に関連付けられた仮想視線境界１０８と衝突したことがわかった場合、
ナビゲーションプロセッサ５２は、ディスプレイ２８、２９に、「カメラユニットを動か
せ」というメッセージをユーザに対し表示させることができる。特定のメッセージは、あ
り得る衝突の特定のシナリオに関連付けられたメッセージのルックアップテーブルに記憶
することができる。これらの例において、このメッセージは、ツール仮想物体２２’が仮
想視線境界１０８と衝突したシナリオでルックアップテーブル内に配置される。

フィードバック生成器１２２は、ディスプレイ２８、２９に、衝突の検出に応答してマ
ニピュレータ５６を再位置決めする命令を含むメッセージをユーザに対し表示させること
もできる。例えば、外科用ツール２２を表すツール仮想物体２２’が、脛骨Ｔ上の骨トラ
ッカ４６に関連付けられた仮想視線境界１０８と衝突したことがわかった場合、ナビゲー
ションプロセッサ５２は、ディスプレイ２８、２９に、「マニピュレータを動かせ」とい
うメッセージをユーザに対し表示させることができる。特定のメッセージは、あり得る衝
突の特定のシナリオに関連付けられたメッセージのルックアップテーブルに記憶すること
ができる。この例において、このメッセージは、ツール仮想物体２２’が仮想視線境界１
０８と衝突したシナリオでルックアップテーブル内に配置される。このフィードバックが
用いられる場合がある１つの理由は、外科用ツール２２又は脛骨Ｔを、衝突を回避するよ
うに他の形で操作することができない状況にある。さらに、マニピュレータ５６は、運動
の範囲が限られており、マニピュレータ５６がその限られた範囲の所定の閾値内にある場
合、このメッセージは、衝突を回避するために、外科手術中に更なる運動範囲を回復する
のに必要とされる場合がある。

さらに、フィードバック生成器１２２は、仮想視線境界１０６、１０８、１１０と衝突
しているか又は衝突しようとしている仮想物体４４’、４６’、４８’、２２’に関連付
けられた物理的物体に対する振動の形態で、ユーザに振動フィードバックを体験させるこ
とができる。例えば、ユーザが外科用ツール２２を手動モードで位置決めしているとき、
手動モードではユーザは外科用ツール２２のハンドルを把持しており、ツール仮想物体２
２’が仮想視線境界１０６、１０８、１１０と衝突しているか又は衝突しようとしている
場合、偏心モータ等の振動デバイス１２６を作動させることができる。振動デバイス１２
６は、振動デバイス１２６からの振動をハンドルに送達することができるように、外科用
ツール２２に搭載される。振動フィードバックは、意図される位置が、視線遮断を引き起
こす場合があることをユーザに示し、それによってユーザが、更なる運動を止め、視線遮
断を防ぐことを可能にする。そして、ユーザは、視線遮断を回避することになる代替的な
コースを決定することができる。

１つの実施形態において、フィードバック生成器１２２は、衝突を回避するか又は衝突
に反発するフィードバック力で衝突に応答することによって、ユーザに触覚フィードバッ
クを与える。フィードバック力は、衝突検出器１２０によって決定される。フィードバッ
ク力は、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸に沿った最大で３つの力の成分と、これらの軸の周りの３つ
のトルクの成分とを含む力及び／又はトルク成分を有することがある。

１つの例において、フィードバック生成器１２２は、マニピュレータ５６が手動モード
で動作しているとき、外科用ツール２２を通じてユーザに触覚フィードバックを提供する
。これは、マニピュレータ５６が、外科用ツール２２に関連付けられたツール仮想物体２
２’を、骨トラッカ４４、４６に関連付けられた仮想視線境界１０６、１０８内に位置決
めすることを防ぎ、それによって任意の視線遮断を回避する。１つの実施形態において、
衝突検出器１２０は、マニピュレータ５６が外科用ツール２２を指令姿勢に動かす場合に
、ただしマニピュレータコントローラ５４が実際に外科用ツール２２を指令姿勢に動かす
前に、仮想衝突が生じるか否かを予測することによって衝突を検出する。仮想衝突が予測
される場合、マニピュレータ５６は、外科用ツール２２を、変更された指令姿勢に動かし
て衝突を回避するように制御される。

いくつかの実施形態では、マニピュレータ５６は受動マニピュレータである。この場合
、触覚フィードバックは、仮想衝突が生じた後にユーザにフィードバックを提供し、影響
を受けた仮想視線境界１０６、１０８、１１０内に仮想物体４４’、４６’、４８’、２
２’が更に入り込むことを防ぐか、又は衝突を食い止める。このため、衝突検出は、実際
の仮想衝突又は予測仮想衝突に応答することができる。このため、フィードバック生成器
１２２は、外科用ツール２２の手動モード位置決めが、ツール仮想物体２２’が仮想視線
境界１０６、１０８の外側に留まるか、又は仮想視線境界１０６、１０８内に或る程度ま
でしか入り込まないように制御されることを確実にし、外科用ツール２２が、骨トラッカ
４４、４６とローカライザ３４との間の視線遮断を引き起こすことを防ぐ。

仮想視線境界１０６、１０８がメッシュ等の多角面によって表されるとき、衝突検出器
１２０は、ツール仮想物体２２’が時間フレーム中に横切る可能性がある任意の境界画定
タイルを特定する。このステップは、多くの場合、広位相探索として記述される。このス
テップは、ツール仮想物体２２’の定義された距離（ｄ）内にあるタイルの１つ以上の組
を特定することによって実行される。この定義された距離（ｄ）は、ツール仮想物体２２
’の寸法、タイルに対する仮想物体２２’の速度（過去のフレーム中の進行速度が許容可
能である）、フレームの期間、セクションを画定する境界の特徴的サイズを定義するスカ
ラ、及び丸め係数の関数である。

広位相探索の実行の結果として、衝突検出器１２０は、この解析が実行されているフレ
ームにおいて、タイルの全てが定義された距離（ｄ）の外側にあると判断することができ
る。これは、この解析が行われているフレームの終わりまでに、ツール仮想物体２２’が
、仮想視線境界１０６、１０８のいずれかを越えるロケーションまで進められないことを
意味する。これは、ツール仮想物体２２’が仮想視線境界１０６から十分に離間されてい
る図１０によって示される。この解析は、ツール仮想物体２２’の外面を定義する点１２
８ａ～１２８ｇ等のツール仮想物体２２’を定義する１組の点について行うことができ、
各点は、特定の点が仮想視線境界１０６を横切るか否かを検出するように解析されること
が理解されるべきである。

外科用ツール２２の継続的な前進によって視線の遮断が生じないので、衝突検出器１２
０は、元々、マニピュレータコントローラ５４によって指令された外科用ツール２２の指
令姿勢又は指令速度のいずれも変更しない。このため、衝突検出器１２０は、マニピュレ
ータコントローラ５４によって元々決定されたものと同じである、外科用ツール２２のた
めの最終指令姿勢及び最終指令速度を出力する。

衝突検出器１２０は、代替的に、ツール仮想物体２２’又は点１２８ａ～１２８ｇの定
義された距離（ｄ）内にある境界画定タイルの広い組を特定することができる。そして、
衝突検出器１２０は、ツール仮想物体２２’又はツール仮想物体２２’上の点１２８ａ～
１２８ｇのうちの任意のものが横切り得る、タイルの広い組内にある境界画定タイルの狭
い組を特定する。このステップは、狭位相探索と呼ばれる。この狭位相探索は、最初に境
界ボリュームを画定することによって行うことができる。この境界ボリュームは、ツール
仮想物体２２’の初期姿勢及び最終姿勢と考えられている姿勢間で延びる。これが最初の
実行である場合、ツール仮想物体２２’の初期姿勢は、外科用ツール２２の以前の指令姿
勢に基づき、ツール仮想物体２２’の最終姿勢は、外科用ツール２２の現在の指令姿勢、
すなわち、衝突検出器１２０が衝突を検出しない場合にこのフレームにおいて外科用ツー
ル２２が動かされるべき、マニピュレータコントローラ５４によって生成される姿勢に基
づく。

境界ボリュームは、その最も基本的な形式において、初期姿勢における点１２８ａ～１
２８ｇから最終姿勢における点１２８ａ～１２８ｇまで延びる直線でありうる。境界ボリ
ュームが画定されると、狭位相探索の一部として、衝突検出器１２０は、タイルの広い組
のいずれがこの境界ボリュームと交差するかを、これが存在する場合に求める。境界ボリ
ュームと交差するタイルが狭組タイルである。

タイルの広い組のいずれも、境界ボリュームと交差せず、狭い組が空集合であると判断
される場合がある。この評価の試験結果が真である場合、衝突検出器１２０は、この条件
を、ツール仮想物体２２’の最終姿勢が、仮想視線境界１０６、１０８によって画定され
るボリュームの外側にあることを示すものとして解釈する。ツール仮想物体２２’がその
ように配置される場合、元の指令姿勢及び指令速度は、衝突検出器１２０によって変更さ
れず、衝突検出器１２０によって、最終指令姿勢及び最終指令速度として出力される。

代替的に、境界ボリュームが１つ以上のタイルを横切り、狭い組が１つ以上のタイルを
含むと判断される場合がある。その場合、衝突検出器１２０は、ツール仮想物体２２’の
最終姿勢が境界に入り込んでいることを示すものとしてこの状態を解釈する。この状態は
図１０によって示されている。ここで、ツール仮想物体２２’の初期姿勢は実線で表され
、最終姿勢はファントム線によって表される。

仮想視線境界１０６、１０８に侵入する状態が存在する場合、次のステップは、タイル
の狭い組のうちのいずれをツール仮想物体２２’が（外科用ツール２２の拡張によって）
最初に横切るかを判断することである。境界ボリュームが直線を含む場合、衝突検出器１
２０は、タイルごと及び直線ごとに、タイルを横切る前にフレーム中に外科用ツール仮想
物体２２’が進むことになる距離のパーセンテージを求める（図１０の７０パーセントの
表記を参照されたい）。最も低いパーセンテージの距離において交わるタイルは、最初に
交わることが理解されるタイルである。

ツール仮想物体２２’に最も近い境界画定タイルは、ツール仮想物体２２’が交わる可
能性があるタイルではない場合がある。図１０に示すように、仮想視線境界１０６のタイ
ルＴ１～Ｔ５が、定義された距離（ｄ）、すなわちツール仮想物体２２’が時間フレーム
内に潜在的に移動し得る距離内にあると最初に判断された。ツール仮想物体２２’に最も
近いタイルはタイルＴ４である。一方、ツール仮想物体２２’は、説明の目的で、タイル
Ｔ３に向かって下方かつ左側の軌跡に沿って移動している。したがって、衝突検出器１２
０は、タイルＴ３が、境界ボリュームが交差するタイルであると判断する。

衝突検出器１２０は、マニピュレータコントローラ５４が外科用ツール２２を元々の指
令姿勢に動かす場合にいずれの境界画定タイルをツール仮想物体２２’が横切るかを概ね
判断すると、時間（ｔ）及び点Ｐを決定する。時間（ｔ）は、ツール仮想物体２２’が仮
想視線境界１０６を横切るときの、フレームの開始に対する期間である。この時間（ｔ）
は、仮想視線境界１０６に接触する前にフレーム中にツール仮想物体２２’が進むことに
なる距離のパーセンテージに基づいて決定される。これは、この場合、図１０に示すよう
に距離の７０パーセントである。この決定は、任意の所与のフレーム中に、外科用ツール
２２の速度、このためツール仮想物体２２’の速度が一定であるという仮定に基づいて行
われる。点Ｐは、ツール仮想物体２２’がタイルを横切ることになるローカライザ座標系
ＬＣＬＺにおける点である。この点Ｐは、ツール仮想物体２２’の前進経路がタイルを横
切る場所を計算することによって決定される。双方の計算は、入力変数として、タイルを
最初に横切る特定の点１２８ａ～１２８ｇの初期姿勢及び最終姿勢、並びに境界タイルの
周縁を画定するデータを用いる。

いくつかの実施形態では、この状況において、元の指令姿勢は、衝突検出器１２０によ
って、外科用ツール２２が仮想視線境界１０６に接触する前に達する位置及び向き、例え
ば、距離／時間の７０パーセントにおいて到達する位置及び向きとなるように変更される
。ユーザは、外科用ツール２２を、１００パーセントの動き全体で動かすことを予期して
外科用ツール２２を把持することによって、動きが７０パーセントで、すなわち、変更さ
れた位置及び向きまでのみで止まったとき、物理的壁に遭遇したのと同様に触覚フィード
バックを体験することになる。このため、外科用ツール２２が取り付けられたマニピュレ
ータ５６は、触覚フィードバックをユーザに伝達する触覚デバイスとみなされる。

別の実施形態において、フィードバック生成器１２２は、仮想視線境界１０６を越えて
外科用ツール２２（仮想剛体としてモデル化される）が望ましくない形で進まないように
するために外科用ツール２２に加えられるフィードバック力を決定する。フィードバック
生成器１２２は、フィードバック力を、外科用ツール２２に加えられる境界制約力として
決定する。より詳細には、フィードバック生成器は、時間（ｔ）において外科用ツール２
２に加えられる場合に、仮想視線境界１０６に対し垂直でかつ仮想視線境界１０６に向か
う方向への外科用ツール２２の前進を止めるスカラフィードバック力ＦＢＮＤＲを決定す
る。フィードバック生成器１２２は、力ＦＢＮＤＲの大きさを決定する複数の異なる方法
のうちの任意の１つを用いることができる。例えば、その開示が引用することにより本明
細書の一部をなすものとする、「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surg
ical Instrument in Multiple Modes」と題する米国特許第９，１１９，６５５号明細書
に記載されているように、インパルス法を用いることができる。

そして、力ＦＢＮＤＲを計上するように最終指令姿勢及び最終指令速度を計算する。仮
想視線境界１０６に接触することを防ぐために外科用ツール２２の動きを７０パーセント
で単に止めるのではなく、この方法は、インパルス力によって、仮想視線境界１０６に垂
直な動きの成分のみを止める。このため、仮想視線境界１０６に沿った動きは、時間フレ
ーム全体にわたって継続し、ユーザに対し、急な停止ではなく、より自然な触覚フィード
バックを提供することができる。

最後に、衝突検出器１２０からの最終指令姿勢がマニピュレータコントローラ５４の逆
運動学モジュール（図示せず）に適用される。逆運動学モジュールは、マニピュレータコ
ントローラ５４によって実行される運動制御モジュールである。指令姿勢及び予めロード
されたデータに基づいて、逆運動学モジュールは、マニピュレータ５６の関節の所望の関
節角度を決定する。予めロードされたデータは、連結部５８及び関節の形状を定義するデ
ータである。いくつかの変形形態において、これらのデータはデナビット－ハーテンバー
グ・パラメータ（Denavit-Hartenberg parameters）の形態をとる。

上記で論考したように、外科手術が開始する前に、トラッカ４４、４６、４８の各々が
ローカライザ３４の視野内に配置される。視線遮断を低減するように動作するナビゲーシ
ョンシステム２０は、トラッカ４４、４６、４８を視野内に維持するようにも動作する。
特に、ナビゲーションシステム２０は、外科手術中にトラッカ４４、４６、４８の動きを
追跡し、トラッカ４４、４６、４８のいずれかが、ローカライザ３４の視野の外側に動く
リスクを課す場合、ユーザにフィードバックを生成することによって、手術中に、すなわ
ち外科手術中にトラッカ４４、４６、４８を視野内に維持するように動作する。

ローカライザ３４の視野が図６の上面図及び側面図から示される。仮想境界生成器１０
４は、ローカライザ３４の視野に基づいて仮想視野境界１１３も生成する。仮想視野境界
１１３は、トラッカ４４、４６、４８からの信号を、トラッカ４４、４６、４８の位置及
び／又は向きを求める目的でローカライザ３４によって受信することができる空間のボリ
ュームの輪郭を描く。換言すれば、各トラッカ４４、４６、４８の少なくとも３つのＬＥ
Ｄ５０からの信号は、ローカライザ３４の光センサ４０の各々によって受信することがで
きる。

いくつかの実施形態において、図７に示すように、仮想視野境界１１３は円錐台形であ
る。他の実施形態では、仮想視野境界１１３は、円筒形又は球形である。他の形状も可能
である。図７に示す仮想視野境界１１３は、ローカライザ３４から遠位端まで外側に拡散
して延びる。仮想視野境界１１３は、以下で更に説明するように、ローカライザ３４の実
際の視野を越えて動くことなく衝突を検出するために、トラッカ４４、４６、４８を表す
仮想物体４４’、４６’、４８’が、仮想視野境界１１３に僅かに入り込むことができる
ように超過サイズにすることができる。

仮想視野境界１１３は、外科手術中に固定されたままであることを意図しており、外科
手術中にローカライザ３４が動かされる場合、調節を必要とする場合がある。この場合、
仮想境界生成器１０４は、外科手術中のそのような動きを計上するように仮想視野境界１
１３を更新する。

仮想境界生成器１０４は、仮想視野境界１１３を画定するマップを生成する。仮想境界
生成器１０４への入力は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおけるローカライザ３４の位置
及び向き、すなわち、製造中に確立され（例えば、ＣＭＭによって測定され）、カメラユ
ニット３６又はナビゲーションコンピュータ２６内のメモリに記憶されるローカライザ座
標系ＬＣＬＺにおける光位置センサ４０のロケーション／構成を含む。このローカライザ
姿勢データから、仮想視野境界１１３の位置及び向きを確立することができる。仮想視野
境界１１３は、製造中に確立し、カメラユニット３６又はナビゲーションコンピュータ２
６内のメモリに記憶することもできる。仮想視野境界１１３のサイズ及び形状は、外科手
術の前に予め画定され、ローカライザ３４に対して位置を固定される。仮想視野境界１１
３のサイズ及び形状に関連付けられたデータは、ナビゲーションプロセッサ５２によって
取り出すために、カメラユニット３６及び／又はナビゲーションコンピュータ２６上のメ
モリに記憶される。上記のデータに基づいて、及び命令を通じて、仮想境界生成器１０４
は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺ内に仮想視野境界１１３を画定するマップを生成する。

いくつかの実施形態では、仮想境界生成器１０４は、多角面、スプライン又は代数曲面
（パラメトリック曲面を含む）として仮想視野境界１１３を生成する。１つのより具体的
な変形形態では、面は三角形メッシュとして表される。各多角形の角は、ローカライザ座
標系ＬＣＬＺ内の点によって定義される。メッシュの一部分を定義する個々の領域セクシ
ョンは、タイルと呼ばれる。仮想視野境界１１３は、ボクセルベースのモデルを用いて３
Ｄボリュームとして表すこともできる。

衝突検出器１２０は、仮想視野境界１１３に対する骨トラッカ及びツールトラッカ仮想
物体４４’、４６’、４８’の動きを評価して、仮想物体４４’、４６’、４８’と仮想
視野境界１１３（効果的には、仮想物体でもある）との間の衝突を検出する。より詳細に
は、衝突検出器１２０は、仮想物体４４’、４６’、４８’を表す形状モデルと、仮想視
野境界１１３を表す形状モデルとの間の衝突を検出する。衝突検出は、実際の仮想衝突を
検出すること、又はそれらが生じる前に仮想衝突を予測することを含む。

衝突検出器１２０によって行われる追跡の目的は、トラッカ４４、４６、４８がローカ
ライザ３４の視野の外側に動くことを防ぐことである。衝突検出器１２０への第１の入力
は、ローカライザ３４の視野内で追跡されている仮想物体４４’、４６’、４８’の各々
のマップである。衝突検出器１２０への第２の入力は、仮想視野境界１１３のマップであ
る。

衝突検出器１２０は、仮想物体４４’、４６’、４８’と仮想視野境界１１３との間の
衝突を検出するための任意の従来のアルゴリズムを用いることができる。例えば、２つの
パラメトリック曲面の交差部を求めるための適切な技法は、細分化法、格子法、追跡法、
及び解析法を含む。引用することにより本明細書の一部をなすものとする、米国特許第５
，５４８，６９４号明細書に記載されているように、ボクセルベースの仮想物体の場合、
衝突検出は、任意の２つのボクセルがローカライザ座標系ＬＣＬＺにおいて重複している
ときを検出することによって実行することができる。

フィードバック生成器１２２は、仮想物体４４’、４６’、４８’のうちの任意のもの
と仮想視野境界１１３との間の衝突の検出に応答する。フィードバック生成器１２２は、
可聴フィードバック、視覚フィードバック、振動フィードバック又は触覚フィードバック
のうちの１つ以上を含む１つ以上の形態のフィードバックをユーザに提供することによっ
て、衝突の検出に応答する。

１つの実施形態では、フィードバック生成器１２２は、衝突に応答して可聴アラートを
ユーザに生成するアナンシエータ１２４を起動させる。

フィードバック生成器１２２は、ディスプレイ２８、２９に、衝突を表す画像を表示さ
せることもでき、それによって、ユーザは、（衝突が予測された場合に）衝突をどのよう
に回避するかを決定し、（衝突が既に生じている場合に）衝突を逆転することができる。
衝突は、関与するトラッカが仮想視野境界１１３と衝突するか又は衝突しようとしている
場所のグラフィック表現を示すことによって表すことができる。「大腿骨トラッカ」等の
、関与する特定のトラッカ４４、４６又は４８のテキスト記述もディスプレイ２８、２９
上に表示することができる。

いくつかの実施形態では、仮想物体を用いて追跡されるローカライザ３４の視野内の全
てのトラッカ４４、４６、４８は、ディスプレイ２８、２９上に表すことができる。この
場合、衝突は、色分けを用いて示すことができる。例えば、影響を受けているトラッカ４
４、４６又は４８を色分けすることができ、それによって、視覚的に、いずれのトラッカ
が視野の外側に動くことになるのかをユーザが迅速に理解し、ユーザは直観的にそのよう
な動きを回避することができる。さらに、ディスプレイ上に矢印を図式的に示して、トラ
ッカが視野内に留まるために動かされるべき方向を示すことができる。これらの矢印は、
上記で説明したように、衝突検出器１２０によって求められたフィードバック力の方向に
基づいて生成することができる。

図１１を参照すると、フィードバック生成器１２２は、衝突の検出に応答して、ディス
プレイ２８、２９に、患者の特定の解剖学的組織を再位置決めすることの命令を含むメッ
セージをユーザに対し表示させることもできる。特定の解剖学的組織は、視野の外側に動
こうとしている骨トラッカ４４、４６が取り付けられる解剖学的組織を含みうる。例えば
、脛骨Ｔ上の骨トラッカ４６がローカライザ３４の視野の外側に動こうとしている場合、
ナビゲーションプロセッサ５２は、ディスプレイ２８、２９に、「脛骨を動かせ」という
メッセージをユーザに対し表示させることができる。特定のメッセージは、あり得る衝突
の特定のシナリオに関連付けられたメッセージのルックアップテーブルに記憶することが
できる。この例において、このメッセージは、骨トラッカ仮想物体４６’が仮想視野境界
１１３と衝突したシナリオでルックアップテーブル内に位置する。衝突を回避又は逆転す
るためにとる方向を定義する回避ベクトル又は反発ベクトルに基づいた、より詳細な命令
も可能である。命令は、矢印Ｂをディスプレイ２８、２９に更に表示するか又は点滅させ
て「脛骨を動かせ」と命令することとすることができ、矢印Ｂは、回避ベクトル又は反発
ベクトルの方向にある。

フィードバック生成器１２２は、ディスプレイ２８、２９に、衝突の検出に応答してロ
ーカライザ３４を再位置決めすることの命令を含むメッセージをユーザに対し表示させる
こともできる。例えば、骨トラッカ又はツールトラッカ仮想物体４４’、４６’、４８’
のうちの１つが仮想視線境界１１３と衝突したことがわかった場合、ナビゲーションプロ
セッサ５２は、ディスプレイ２８、２９に、「カメラユニットを動かせ」というメッセー
ジをユーザに対し表示させることができる。特定のメッセージは、あり得る衝突の特定の
シナリオに関連付けられたメッセージのルックアップテーブルに記憶することができる。
この例において、このメッセージは、骨トラッカ又はツールトラッカ仮想物体４４’、４
６’、４８’のうちの１つが仮想視線境界１１３と衝突したシナリオでルックアップテー
ブル内に配置される。

フィードバック生成器１２２は、ディスプレイ２８、２９に、衝突の検出に応答してマ
ニピュレータ５６を再位置決めする命令を含むメッセージをユーザに対し表示させること
もできる。例えば、ツールトラッカ仮想物体４８’が仮想視野境界１１３と衝突したこと
がわかった場合、ナビゲーションプロセッサ５２は、ディスプレイ２８、２９に、「マニ
ピュレータを動かせ」というメッセージをユーザに対し表示させることができる。特定の
メッセージは、あり得る衝突の特定のシナリオに関連付けられたメッセージのルックアッ
プテーブルに記憶することができる。この例において、このメッセージは、ツールトラッ
カ仮想物体４８’が仮想視野境界１１３と衝突したシナリオでルックアップテーブル内に
配置される。このフィードバックが用いられる場合がある１つの理由は、外科用ツール２
２を、衝突を回避するように他の形で操作することができない状況にある。さらに、マニ
ピュレータ５６は、運動の範囲が限られており、マニピュレータ５６がその限られた範囲
の所定の閾値内にある場合、このメッセージは、衝突を回避するために、外科手術中に更
なる運動範囲を回復するのに必要とされる場合がある。

さらに、フィードバック生成器１２２は、振動の形態で、ユーザに振動フィードバック
を体験させることができる。例えば、ユーザが外科用ツール２２を手動モードで位置決め
しているとき、手動モードではユーザは外科用ツール２２のハンドルを把持しており、ツ
ールトラッカ仮想物体４８’が仮想視野境界１１３と衝突しているか又は衝突しようとし
ている場合、振動デバイス１２６を作動させることができる。振動フィードバックは、ツ
ールトラッカ４８が、ローカライザ３４の視野の外側に動きつつある場合があることをユ
ーザに示し、それによってユーザが更なる運動を止め、ツールトラッカ４８が視野の外側
に進行するのを防ぐことを可能にする。そして、ユーザは代替的なコースを決定すること
ができる。

１つの実施形態において、フィードバック生成器１２２は、衝突を回避するか又は衝突
に反発するフィードバック力で衝突に応答することによって、ユーザに触覚フィードバッ
クを与える。フィードバック力は、衝突検出器１２０によって決定される。フィードバッ
ク力は、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸に沿った最大で３つの力の成分と、これらの軸の周りの３つ
のトルクの成分とを含む力及び／又はトルク成分を有することがある。

１つの例において、フィードバック生成器１２２は、マニピュレータ５６が手動モード
で動作しているとき、外科用ツール２２を通じてユーザに触覚フィードバックを提供する
。これは、マニピュレータ５６が、ツールトラッカ仮想物体４８’を仮想視野境界１１３
内に位置決めすることを防ぎ、それによって視野の外側へのツールトラッカ４８の移動を
回避する。１つの実施形態において、衝突検出器１２０は、マニピュレータ５６が外科用
ツール２２を指令姿勢に動かす場合に、ただしマニピュレータコントローラ５４が実際に
外科用ツール２２を指令姿勢に動かす前に、仮想衝突が生じるか否かを予測することによ
って衝突を検出する。仮想衝突が予測される場合、マニピュレータ５６は、外科用ツール
２２を、変更された指令姿勢に動かして衝突を回避するように制御される。

いくつかの実施形態では、マニピュレータ５６は受動マニピュレータである。この場合
、触覚フィードバックは、仮想衝突が生じた後にユーザにフィードバックを提供し、仮想
視野境界１１３内にツールトラッカ仮想物体４８’が更に入り込むことを防ぐか、又は衝
突を逆転する。このため、衝突検出は、実際の仮想衝突又は予測仮想衝突に応答すること
ができる。このため、フィードバック生成器１２２は、外科用ツール２２の手動モード位
置決めが、ツールトラッカ仮想物体４８’が仮想視野境界１１３内に留まるか、又は仮想
視野境界１１３内に或る程度までしか入り込まないように制御されることを確実にし、ツ
ールトラッカ４８が、ローカライザ３４の視野の外側に動くことを防ぐ。

仮想視野境界１１３がメッシュ等の多角面によって表されるとき、衝突検出器１２０は
、ツール仮想物体２２’及び図１０に関して上記で説明したのと同様にして衝突を検出す
ることができる。

フィードバック生成器１２２は、上記で説明したのと同様にして、仮想視野境界１１３
を越えてツールトラッカ４８が望ましくない形で進まないようにするために外科用ツール
２２に適用されるフィードバック力を決定することもできる。この場合、ツールトラッカ
仮想物体４８’は、ツール仮想物体２２’に対して固定される。このため、上記で説明し
たように、ツールトラッカ仮想物体４８’の動きは、外科用ツール２２及びその仮想物体
２２’の動きを制御することによって制御される。

外科手術における材料除去システム１０の動作中、ナビゲーションシステム２０は、仮
想物体４４’、４６’、４８’、２２’に関連付けられた物理的物体のうちのいずれかが
、トラッカ４４、４６、４８のうちの１つとローカライザ３４との間に視線遮断を生じる
リスクを課すか否かを判断する目的で、これらの仮想物体４４’、４６’、４８’、２２
’の各々の位置及び向きを継続的に追跡する。また、ナビゲーションシステム２０は、仮
想物体４４’、４６’、４８’に関連付けられたトラッカ４４、４６、４８のうちのいず
れかが、ローカライザ３４の視野の外側に動くリスクを課すか否かを判断する目的で、こ
れらの仮想物体４４’、４６’、４８’の各々の位置及び向きを連続して追跡する。目的
は、追跡中断を低減し、マニピュレータ５６の動作が、視線を見失うか又は視野の外側に
動くことによって生じる不要な遅延を伴うことなく継続することができるようにすること
である。１つの例示的な方法が以下で概説される。

図１２のフローチャートを参照すると、ステップ２００において、ナビゲーションシス
テム２０が、最初に、ローカライザ３４の視野内の追跡デバイス４４、４６、４８の各々
を検出する。追跡デバイス４４、４６、４８が検出されると、ステップ２０２において、
仮想境界生成器１０４は、追跡デバイス４４、４６、４８とローカライザ３４との間の視
線関係に基づいて、仮想視線境界１０６、１０８、１１０を生成する。仮想境界生成器１
０４は、ローカライザ３４の視野に基づいて仮想視野境界１１３も生成する。

外科手術は、初期仮想境界１０６、１０８、１１０、１１３が生成されると、ステップ
２０４において開始する。

ステップ２０６において、外科手術中のトラッカ４４、４６、４８とローカライザ３４
との間の相対的な動きを計上するように仮想視線境界１０６、１０８、１１０が更新され
る。

仮想物体４４’、４６’、４８’、２２’は、手術前に、ローカライザ３４の視野内で
追跡される物理的物体に関連付けられる。これらは、視線遮断を生じる脅威を与える物理
的物体である。さらに、骨トラッカ及びツールトラッカ仮想物体４４’、４６’、４８’
は、ローカライザ３４の視野内に保持されるトラッカ４４、４６、４８に関連付けられる
。

そして、仮想物体４４’、４６’、４８’、２２’が生成され、ナビゲーションコンピ
ュータ２６若しくはマニピュレータコントローラ５４又はその双方においてメモリに記憶
され、それらのパラメータは、それらの関連付けられたトラッカ４４、４６、４８の特定
の座標系に対し定義される。例えば、大腿骨Ｆに取り付けられた骨トラッカ４４の構造を
表す骨トラッカ仮想物体４４’が、手術前に生成され、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１にマ
ッピングされ、それによって、ローカライザ３４は、骨トラッカ４４を追跡することによ
って骨トラッカ仮想物体４４’を追跡し、そして、骨トラッカ仮想物体４４’を定義する
パラメータをローカライザ座標系ＬＣＬＺに変換する。

衝突検出器１２０は、ステップ２０８において、仮想物体４４’、４６’、４８’、２
２’と仮想境界１０６、１０８、１１０、１１３との間の相対的な動きを評価する。仮想
物体４４’、４６’、４８’、２２’の動きを評価することは、仮想境界１０６、１０８
、１１０、１１３の位置及び向きに対して仮想物体４４’、４６’、４８’、２２’の各
々の位置及び向きを追跡して、仮想物体４４’、４６’、４８’、２２’と仮想境界１０
６、１０８、１１０、１１３との間の衝突の検出を容易にすることを含みうる。

判定ブロック２１０は、衝突検出器１２０が仮想物体４４’、４６’、４８’、２２’
のうちの１つ以上と、仮想境界１０６、１０８、１１０、１１３のうちの１つ以上との間
の衝突（実際の仮想衝突又は予測仮想衝突）を検出したか否かを判断する。衝突が検出さ
れない場合、プロセスは、外科手術が完了したか否かを判断する判定ブロック２１４に進
む。外科手術がまだ完了していない場合、プロセスはステップ２０６にループバックし、
仮想視線境界１０６、１０８、１１０の位置及び／又は向きが更新される（ローカライザ
３４が動かされた場合、仮想視野境界１１３が更新される）。外科手術が完了した場合、
衝突検出が終了する。

判定ブロック２１０を再び参照し、衝突が検出される場合、ステップ２１２においてフ
ィードバックが生成される。上記で説明したように、フィードバックは、可聴フィードバ
ック、視覚フィードバック、振動フィードバック又は触覚フィードバックのうちの１つ以
上の形態をとる。特に、フィードバック生成器１２２は、ナビゲーションプロセッサ５２
又はマニピュレータコントローラ５４に、アナウンシエータ１２４を起動し、ディスプレ
イ２８、２９を操作し、振動デバイス１２６を起動し、及び／又はマニピュレータ５６を
通じて触覚フィードバックを生成するように命令する。

フィードバックが生成されると、ナビゲーションプロセッサ５２又はマニピュレータコ
ントローラ５４は、判定ブロック２１４において、外科手術が完了したか否かを判断する
。完了した場合、手順は終了する。完了していない場合、プロセスは、ステップ２０６に
再びループし、外科手術が完了するまで繰り返す。ステップ２０６における仮想視線境界
１０６、１０８、１１０に対する後続の更新間のプロセスループは、指令位置がマニピュ
レータ５６のために生成される時間フレームごとに、又はローカライザ３４がトラッカ４
４、４６、４８の新たな位置及び／又は向きを検出する度に行うことができる。

いくつかの実施形態を上記の説明で論じてきた。しかし、本明細書において記載された
実施形態は、網羅的であるか又は本発明を任意の特定の形態に限定することを意図してい
ない。使用された用語は、制限的であるのではなく、記述的な用語（words of descripti
on）の性質内にあることを意図される。多くの変更及び変形が、上記教示を考慮して可能
であり、本発明は、具体的に述べられる以外の方法により実施することができる。

［条項１］
仮想空間において仮想物体として定義される物理的物体によって生じる追跡中断を低減
するナビゲーションシステムであって、
視野を有するローカライザと、
ローカライザの視野内に配置し、ローカライザが追跡デバイスとの視線関係を確立する
ことができるようにする追跡デバイスと、
追跡デバイスとローカライザとの間の視線関係に基づいて仮想視線境界を生成するよう
に構成され、追跡デバイスとローカライザとの間の相対的な動きを計上するように仮想視
線境界を更新するように構成された仮想境界生成器と、
仮想視線境界に対する仮想物体の動きを評価して、仮想物体と仮想視線境界との間の衝
突を検出し、物理的物体が追跡デバイスとローカライザとの間で視線を遮断することを防
ぐ応答を可能にするように構成された衝突検出器と
を備えてなる、ナビゲーションシステム。

［条項２］
仮想物体と仮想視線境界との間の衝突の検出に応答してフィードバックを生成し、物理
的物体が追跡デバイスとローカライザとの間で視線を遮断することを防ぐ、仮想境界生成
器と通信するフィードバック生成器を含む、条項１に記載のシステム。

［条項３］
フィードバック生成器と通信して、可聴フィードバック、視覚フィードバック、振動フ
ィードバック又は触覚フィードバックのうちの少なくとも１つを生成するフィードバック
デバイスを備える、条項２に記載のシステム。

［条項４］
フィードバック生成器と通信して、物理的物体を振動させるように構成された振動デバ
イスを備える、条項２又は３に記載のシステム。

［条項５］
フィードバック生成器と通信して、物理的物体の動きを制御するように構成された触覚
デバイスを備える、条項２～４のいずれかに記載のシステム。

［条項６］
触覚デバイスは、ツールの動きを制約することによってツールの動きを制御するように
構成される、条項５に記載のシステム。

［条項７］
フィードバック生成器と通信して、触覚デバイスを再位置決めすることの命令を生成す
るように構成されたフィードバックデバイスを備える、条項５又は６に記載のシステム。

［条項８］
フィードバック生成器と通信して、ユーザに対し、患者の解剖学的組織を再位置決めす
ることの命令を生成するように構成されたフィードバックデバイスを備える、条項２～７
のいずれかに記載のシステム。

［条項９］
フィードバック生成器と通信して、ローカライザを再位置決めすることの命令を生成す
るように構成されたフィードバックデバイスを備える、条項２～８のいずれかに記載のシ
ステム。

［条項１０］
衝突検出器は、衝突を予測することによって衝突を検出するように構成される、条項１
～９のいずれかに記載のシステム。

［条項１１］
ローカライザは、追跡デバイスの１つ以上のマーカから光を検知するための１つ以上の
光センサを備える、条項１～１０のいずれかに記載のシステム。

［条項１２］
衝突検出器は、仮想視線境界の位置及び向きに対する仮想物体の位置及び向きを追跡す
るように構成される、条項１～１１のいずれかに記載のシステム。

［条項１３］
仮想境界生成器は、物理的物体が入ることを制限される空間の輪郭を描く形状を有する
境界仮想物体を生成し、追跡デバイスからの光が、物理的物体による遮断なしでローカラ
イザに送達されることができるようにすることによって、仮想視線境界を生成するように
構成される、条項１～１２のいずれかに記載のシステム。

［条項１４］
仮想境界生成器は、追跡デバイスの位置及び向きと、ローカライザの位置及び向きとに
基づいて境界仮想物体を生成することによって、仮想視線境界を生成するように構成され
る、条項１～１３のいずれかに記載のシステム。

［条項１５］
仮想視線境界は、円筒形又は円錐台形のうちの少なくとも１つである、条項１～１４の
いずれかに記載のシステム。

［条項１６］
仮想視線境界は１つ以上の直線を含む、条項１～１５のいずれかに記載のシステム。

［条項１７］
仮想境界生成器は、追跡デバイスの新たな位置及び向きが決定される度に、追跡デバイ
スとローカライザとの間の相対的な動きを計上するように仮想視線境界を更新するように
構成される、条項１～１６のいずれかに記載のシステム。

［条項１８］
仮想境界生成器は、０．１ミリ秒～２ミリ秒ごとに、追跡デバイスとローカライザとの
間の相対的な動きを計上するように仮想視線境界を更新するように構成される、条項１～
１７のいずれかに記載のシステム。

［条項１９］
第２の追跡デバイスを備え、仮想境界生成器は、第２の追跡デバイスとローカライザと
の間の視線関係に基づいて第２の仮想視線境界を生成するように構成される、条項１～１
８のいずれかに記載のシステム。

［条項２０］
仮想境界生成器は、第２の追跡デバイスとローカライザとの間の相対的な動きを計上す
るように第２の仮想視線境界を更新するように構成される、条項１９に記載のシステム。

［条項２１］
衝突検出器は、仮想物体と第２の仮想視線境界との間の相対的な動きを評価するように
構成される、条項１９又は２０に記載のシステム。

［条項２２］
衝突検出器は、仮想物体と第２の仮想視線境界との間の衝突を検出して、物理的物体が
第２の追跡デバイスとローカライザとの間で視線を遮断することを防ぐ応答を可能にする
、条項１９、２０又は２１に記載のシステム。

［条項２３］
物理的物体は、ツール又は人物の少なくとも一部分である、条項１～２２のいずれかに
記載のシステム。

［条項２４］
追跡デバイスと、ナビゲーションシステムのローカライザとの間の追跡中断を低減する
方法であって、
ローカライザの視野内の追跡デバイスを検出するステップと、
ローカライザの視野に基づいて仮想視野境界を生成するステップと、
仮想物体を追跡デバイスに関連付けるステップと、
仮想視野境界に対する仮想物体の動きを追跡するステップと、
追跡しながら仮想物体と仮想視野境界との間の衝突を検出し、追跡デバイスがローカラ
イザの視野の外側に動くことを防ぐ応答を可能にするステップと、
を含む、方法。

［条項２５］
衝突の検出に応答してフィードバックを生成するステップを含む、条項２４に記載の方
法。

［条項２６］
フィードバックを生成するステップは、可聴フィードバック、視覚フィードバック、振
動フィードバック又は触覚フィードバックのうちの少なくとも１つを生成することを含む
、条項２５に記載の方法。

［条項２７］
フィードバックを生成するステップは、物理的物体を振動させることを含む、条項２５
又は２６に記載の方法。

［条項２８］
フィードバックを生成するステップは、追跡デバイスの動きを制御することを含み、追
跡デバイスは触覚デバイスに取り付けられる、条項２５、２６又は２７のいずれかに記載
の方法。

［条項２９］
追跡デバイスの動きを制御することは、触覚デバイスを用いて追跡デバイスの動きを制
約することを含む、条項２８に記載の方法。

［条項３０］
触覚デバイスを再位置決めすることの命令を生成するステップを含む、条項２８又は２
９に記載の方法。

［条項３１］
フィードバックを生成するステップは、ユーザに対し、患者の解剖学的組織を再位置決
めすることの命令を生成することを含む、条項２５～３０のいずれかに記載の方法。

［条項３２］
フィードバックを生成するステップは、ローカライザを再位置決めすることの命令を生
成することを含む、条項２５～３１のいずれかに記載の方法。

［条項３３］
衝突を検出することは、衝突を予測することとして更に定義される、条項２４～３２の
いずれかに記載の方法。

［条項３４］
ローカライザの視野内で追跡デバイスを検出するステップは、ローカライザの１つ以上
の光センサを用いて追跡デバイスの１つ以上のマーカから光を検知することを含む、条項
２４～３３のいずれかに記載の方法。

［条項３５］
仮想視野境界に対する仮想物体の動きを追跡するステップは、仮想視野境界の位置及び
向きに対して仮想物体の位置及び向きを追跡することを含む、条項２４～３４のいずれか
に記載の方法。

［条項３６］
仮想視野境界を生成するステップは、追跡デバイスが出ることを制約される空間の輪郭
を描く形状を有する境界仮想物体を生成し、追跡デバイスからの光がローカライザに送達
されることができるようにすることを含む、条項２４～３５のいずれかに記載の方法。

［条項３７］
仮想視野境界を生成するステップは、ローカライザの位置及び向きに基づいて境界仮想
物体を生成することを含む、条項２４～３６のいずれかに記載の方法。

［条項３８］
仮想視野境界は、円筒形、球形又は円錐台形のうちの少なくとも１つである、条項２４
～３７のいずれかに記載の方法。

［条項３９］
追跡中断を低減するためのナビゲーションシステムであって、
視野を有するローカライザと、
ローカライザの視野内に配置し、ローカライザが追跡デバイスからの信号を受信するこ
とができるようにする追跡デバイスであって、仮想物体が関連付けられた、追跡デバイス
と、
ローカライザの視野に基づいて仮想視野境界を生成する仮想境界生成器と、
仮想視野境界に対する仮想物体の動きを評価して、仮想物体と仮想視線境界との間の衝
突を検出し、追跡デバイスがローカライザの視野の外側に動くことを防ぐ応答を可能にす
るように構成された衝突検出器と
を備えてなる、ナビゲーションシステム。

［条項４０］
仮想境界生成器と通信して、仮想物体と仮想視野境界との間の衝突の検出に応答してフ
ィードバックを生成するフィードバック生成器を含む、条項３９に記載の方法。

［条項４１］
フィードバック生成器と通信して、可聴フィードバック、視覚フィードバック、振動フ
ィードバック又は触覚フィードバックのうちの少なくとも１つを生成するフィードバック
デバイスを備える、条項４０に記載のシステム。

［条項４２］
フィードバック生成器と通信し、物理的物体を振動させるように構成された振動デバイ
スを備える、条項３９又は４０に記載のシステム。

［条項４３］
フィードバック生成器と通信し、追跡デバイスの動きを制御するように構成された触覚
デバイスを備え、追跡デバイスは触覚デバイスに取り付けられる、条項３９、４０又は４
１に記載のシステム。

［条項４４］
触覚デバイスは、追跡デバイスの動きを制約することによって、追跡デバイスの動きを
制御するように構成される、条項４３に記載のシステム。

［条項４５］
フィードバック生成器と通信し、触覚デバイスを再位置決めすることの命令を生成する
ように構成されたフィードバックデバイスを備える、条項４３又は４４に記載のシステム
。

［条項４６］
フィードバック生成器と通信し、ユーザに対し、患者の解剖学的組織を再位置決めする
ことの命令を生成するように構成されたフィードバックデバイスを備える、条項４０～４
５のいずれかに記載のシステム。

［条項４７］
フィードバック生成器と通信し、ローカライザを再位置決めするための命令を生成する
ように構成されたフィードバックデバイスを備える、条項４０～４６のいずれかに記載の
システム。

［条項４８］
衝突検出器は、衝突を予測することによって衝突を検出するように構成される、条項３
９～４７のいずれかに記載のシステム。

［条項４９］
ローカライザは、追跡デバイスの１つ以上のマーカから光を検知するための１つ以上の
光センサを含む、条項３９～４８のいずれかに記載のシステム。

［条項５０］
衝突検出器は、仮想視野境界の位置及び向きに対する仮想物体の位置及び向きを追跡す
るように構成される、条項３９～４９のいずれかに記載のシステム。

［条項５１］
仮想境界生成器は、追跡デバイスが出ることを制約される空間の輪郭を描く形状を有す
る境界仮想物体を生成し、追跡デバイスからの光がローカライザに送達されることができ
るようにすることによって、仮想視野境界を生成するように構成される、条項３９～５０
のいずれかに記載のシステム。

［条項５２］
仮想境界生成器は、ローカライザの位置及び向きに基づいて境界仮想物体を生成するこ
とによって、仮想視野境界を生成するように構成される、条項３９～５１のいずれかに記
載のシステム。

［条項５３］
仮想視野境界は、円筒形、球形又は円錐台形のうちの少なくとも１つである、条項３９～５２のいずれかに記載のシステム。
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１～２６の記載内容を以下に追加する。
（請求項１）
追跡デバイスと、ナビゲーションシステムのローカライザとの間の追跡中断を低減する方法であって、
前記ローカライザの視野内の前記追跡デバイスを検出するステップと、
前記追跡デバイスと前記ローカライザとの間の視線関係に基づいて仮想視線境界を生成するステップと、
前記追跡デバイスと前記ローカライザとの間の相対的な動きを計上するように前記仮想視線境界を更新するステップと、
仮想物体と前記仮想視線境界との間の相対的な動きを評価するステップであって、前記仮想物体は、前記ローカライザの前記視野において物理的物体に関連付けられる、ステップと、
前記仮想物体と前記仮想視線境界との間の衝突を検出し、前記物理的物体が前記追跡デバイスと前記ローカライザとの間で前記視線を遮断することを防ぐ応答を可能にするステップと
を含んでなる方法。
（請求項２）
前記衝突の検出に応答してフィードバックを生成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
（請求項３）
前記フィードバックを生成するステップは、可聴フィードバック、視覚フィードバック、振動フィードバック又は触覚フィードバックのうちの少なくとも１つを生成することを含む、請求項２に記載の方法。
（請求項４）
前記フィードバックを生成するステップは、前記物理的物体を振動させることを含む、請求項２又は３に記載の方法。
（請求項５）
前記フィードバックを生成するステップは、前記物理的物体の動きを制御することを含む、請求項２、３又は４に記載の方法。
（請求項６）
前記物理的物体の動きを制御することは、触覚デバイスを用いてツールの動きを制約することを含む、請求項５に記載の方法。
（請求項７）
前記触覚デバイスを再位置決めする命令を生成するステップを含む、請求項６に記載の方法。
（請求項８）
前記フィードバックを生成するステップは、ユーザに対し、患者の解剖学的組織を再位置決めすることの命令を生成することを含む、請求項２～７のいずれか１項に記載の方法。
（請求項９）
前記フィードバックを生成するステップは、前記ローカライザを再位置決めすることの命令を生成することを含む、請求項２～８のいずれか１項に記載の方法。
（請求項１０）
前記衝突を検出することは、前記衝突を予測することとして更に定義される、請求項１～９のいずれか１項に記載の方法。
（請求項１１）
前記ローカライザの前記視野内で前記追跡デバイスを検出するステップは、前記ローカライザの１つ以上の光センサを用いて前記追跡デバイスの１つ以上のマーカから光を検知することを含む、請求項１～１０のいずれか１項に記載の方法。
（請求項１２）
前記仮想物体と前記仮想視線境界との間の前記相対的な動きを評価するステップは、前記仮想視線境界の位置及び向きに対する前記仮想物体の位置及び向きを追跡することを含む、請求項１～１１のいずれか１項に記載の方法。
（請求項１３）
前記仮想視線境界を生成するステップは、前記物理的物体が入ることを制限される空間の輪郭を描く形状を有する境界仮想物体を生成し、前記追跡デバイスからの光が、前記物理的物体による遮断なしで前記ローカライザに送達されることができるようにすることを含む、請求項１～１２のいずれか１項に記載の方法。
（請求項１４）
前記仮想視線境界を生成するステップは、前記追跡デバイスの位置及び向きと、前記ローカライザの位置及び向きとに基づいて境界仮想物体を生成することを含む、請求項１～１３のいずれか１項に記載の方法。
（請求項１５）
前記仮想視線境界は、円筒形、球形又は円錐台形のうちの少なくとも１つである、請求項１～１４のいずれか１項に記載の方法。
（請求項１６）
前記仮想視線境界は１つ以上の直線を含むものである、請求項１～１５のいずれか１項に記載の方法。
（請求項１７）
前記追跡デバイスと前記ローカライザとの間の相対的な動きを計上するように前記仮想視線境界を更新するステップは、前記追跡デバイスの新たな位置及び向きが決定される度に実行される、請求項１～１６のいずれか１項に記載の方法。
（請求項１８）
前記追跡デバイスと前記ローカライザとの間の相対的な動きを計上するように前記仮想視線境界を更新するステップは、０．１ミリ秒～２ミリ秒ごとに実行される、請求項１～１７のいずれか１項に記載の方法。
（請求項１９）
第２の追跡デバイスと前記ローカライザとの間の視線関係に基づいて第２の仮想視線境界を生成するステップを含む、請求項１～１８のいずれか１項に記載の方法。
（請求項２０）
前記第２の追跡デバイスと前記ローカライザとの間の相対的な動きを計上するように前記第２の仮想視線境界を更新するステップを含む、請求項１９に記載の方法。
（請求項２１）
前記仮想物体と前記第２の仮想視線境界との間の相対的な動きを評価することを含む、請求項１９又は２０に記載の方法。
（請求項２２）
前記仮想物体と前記第２の仮想視線境界との間の衝突を検出して、前記物理的物体が前記第２の追跡デバイスと前記ローカライザとの間で前記視線を遮断することを防ぐ応答を可能にすることを含む、請求項１９、２０又は２１のいずれか１項に記載の方法。
（請求項２３）
前記物理的物体は、ツール又は人物の少なくとも一部分である、請求項１～２２のいずれか１項に記載の方法。
（請求項２４）
仮想空間において仮想物体として定義される物理的物体によって生じる追跡中断を低減するナビゲーションシステムであって、
視野を有するローカライザと、
前記ローカライザの前記視野内に配置した追跡デバイスであって、前記ローカライザが該追跡デバイスとの視線関係を確立することができるようにする、追跡デバイスと、
前記追跡デバイスと前記ローカライザとの間の前記視線関係に基づいて仮想視線境界を生成するように構成され、前記追跡デバイスと前記ローカライザとの間の相対的な動きを計上するように前記仮想視線境界を更新するように構成された仮想境界生成器と、
前記仮想視線境界に対する前記仮想物体の動きを評価して、前記仮想物体と前記仮想視線境界との間の衝突を検出し、前記物理的物体が前記追跡デバイスと前記ローカライザとの間で前記視線を遮断することを防ぐ応答を可能にするように構成された衝突検出器と
を備えてなる、ナビゲーションシステム。
（請求項２５）
追跡デバイスと、ナビゲーションシステムのローカライザとの間の追跡中断を低減する方法であって、
前記ローカライザの視野内の前記追跡デバイスを検出するステップと、
前記ローカライザの前記視野に基づいて仮想視野境界を生成するステップと、
仮想物体を前記追跡デバイスに関連付けるステップと、
前記仮想視野境界に対する前記仮想物体の動きを追跡するステップと、
追跡しながら前記仮想物体と前記仮想視野境界との間の衝突を検出し、前記追跡デバイスが前記ローカライザの前記視野の外側に動くことを防ぐ応答を可能にするステップと
を含んでなる方法。
（請求項２６）
追跡中断を低減するナビゲーションシステムであって、
視野を有するローカライザと、
前記ローカライザの前記視野内に配置した追跡デバイスであって、前記ローカライザが該追跡デバイスからの信号を受信することができるようにする追跡デバイスであり、該追跡デバイスは仮想物体に関連付けられている、追跡デバイスと、
前記ローカライザの前記視野に基づいて仮想視野境界を生成する仮想境界生成器と、
前記仮想視野境界に対する前記仮想物体の動きを評価して、前記仮想物体と前記仮想視線境界との間の衝突を検出し、前記追跡デバイスが前記ローカライザの前記視野の外側に動くことを防ぐ応答を可能にするように構成された衝突検出器と
を備えてなるナビゲーションシステム。

Claims (20)

1. 外科用ツールを支持するように構成されたマニピュレータと、視野及びトラッカを含むローカライザを含むナビゲーションシステムと、前記マニピュレータ及び前記ナビゲーションシステムに結合された１つ以上のコントローラとを含むシステムを操作する方法であって、
   前記ナビゲーションシステムが、前記トラッカと前記ローカライザとの間の視線関係を確立することによって、前記ローカライザの視野内で前記トラッカを検出するステップと、
   前記ナビゲーションシステムの仮想境界生成器は、前記視線関係に基づいて、仮想視線境界を生成するステップと、
   前記１つ以上のコントローラが、前記マニピュレータ又は前記外科用ツールのうちの１つ以上に仮想物体を関連付けるステップと、
   前記ナビゲーションシステムの衝突検出器は、前記マニピュレータ又は前記外科用ツールの１つ以上の計画された動きが、前記仮想物体と前記仮想視線境界との間の仮想衝突を引き起こすか否かを予測的に決定するステップと、
   前記ナビゲーションシステムのフィードバック生成器は、前記計画された動きが前記仮想衝突を引き起こすかどうかを予測的に判断した結果に基づいて、前記仮想衝突を回避する応答を可能にするステップと
   を含んでなる、システムを操作する方法。
2. 前記衝突検出器は、前記マニピュレータ又は前記外科用ツールの１つ以上の計画された動きが、前記仮想物体と前記仮想視線境界との間の仮想衝突を引き起こすかどうかを、以下の方法である、
   複数の時間フレームにわたって、前記仮想視線境界に対する前記マニピュレータ又は前記外科用ツールのうちの１つ以上の計画された動きに対応する前記仮想物体の計画された動きをシミュレートし、
   前記複数の時間フレームのそれぞれについて、前記仮想物体の幾何学的な特徴が、前記仮想視線境界に対する閾値の距離を満たすか超えることによって前記仮想衝突を引き起こすかどうかを評価する、
   ことによって予測的に決定することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記仮想衝突を回避する応答を可能にするステップは、前記計画された動きが前記仮想衝突を引き起こさないという結果に応答して、前記計画された動きに従って前記マニピュレータ又は前記外科用ツールのうちの１つ以上の動きを制御することを含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記仮想衝突を回避する応答を可能にするステップは、前記計画された動きが前記仮想衝突を引き起こすという結果に応答して、変更された動きに従って前記マニピュレータ又は前記外科用ツールのうちの１つ以上の動きを制御する前記１つ以上のコントローラを含み、該変更された動きは、前記計画された動きとは異なり、前記仮想衝突を回避するものである、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記仮想衝突を回避する応答を可能にするステップは、前記計画された動きが前記仮想衝突を引き起こすという結果に応答して、前記１つ以上のコントローラが前記マニピュレータ又は前記外科用ツールの１つ以上の動きを制約することを含むものである、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記仮想衝突を回避する応答を可能にするステップは、前記１つ以上のコントローラが、可聴フィードバック、視覚フィードバック、振動フィードバック又は触覚フィードバックのうちの１つ以上を生成することを含むものである、請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記仮想衝突を回避する応答を可能にするステップは、前記計画された動きが前記仮想衝突を引き起こすという結果に応答して、前記１つ以上のコントローラが、表示装置上に、前記仮想衝突を回避するための命令をグラフィック表現とともに示すことを含むものである、請求項１～６のいずれか１項に記載の方法。
8. 命令は、前記マニピュレータ又は前記外科用ツールのうちの１つ以上を再配置するためのものである、請求項７に記載の方法。
9. 前記マニピュレータ又は前記外科用ツールのうちの１つ以上の前記計画された動きが、手術部位の材料の標的ボリュームの一部を除去する前記外科用ツールの前記計画された動きに対応し、該材料の標的ボリュームは１つ以上の切断境界によって定義される、請求項１～８のいずれか１項に記載の方法。
10. 外科用ツールを支持するように構成されたマニピュレータと、視野を含み該マニピュレータ又は前記外科用ツールのうちの１つ以上に結合されたトラッカを含むローカライザを含むナビゲーションシステムと、前記マニピュレータ及び該ナビゲーションシステムに結合された１つ以上のコントローラとを含むシステムを操作する方法であって、
    前記ナビゲーションシステムが、前記ローカライザの視野内で前記トラッカを検出するステップと、
    前記ナビゲーションシステムの仮想境界生成器は、前記ローカライザの視野に基づいて仮想視野境界を生成するステップと、
    前記１つ以上のコントローラが、仮想物体を前記トラッカに関連付けるステップと、
    前記ナビゲーションシステムの衝突検出器は、前記マニピュレータ又は前記外科用ツールの１つ以上の計画された動きが、前記仮想物体と前記仮想視野境界との間の仮想衝突を引き起こすかどうかを予測的に決定するステップと、
    前記ナビゲーションシステムのフィードバック生成器は、前記計画された動きが前記仮想衝突を引き起こすかどうかを予測的に判断した結果に基づいて、前記仮想衝突を回避する応答を可能にするステップと
    を含んでなる、システムを操作する方法。
11. 前記衝突検出器は、前記マニピュレータ又は前記外科用ツールの１つ以上の計画された動きが、前記仮想物体と前記仮想視野境界との間の仮想衝突を引き起こすかどうかを、以下の方法である、
    複数の時間フレームにわたって、前記仮想視野境界に対する前記マニピュレータ又は前記外科用ツールのうちの１つ以上の計画された動きに対応する前記仮想物体の計画された動きをシミュレートし、
    前記複数の時間フレームのそれぞれについて、前記仮想物体の幾何学的な特徴が、前記仮想視野境界に対する閾値の距離を満たすか又は超えることによって、前記仮想衝突を引き起こすかどうかを評価する、
    ことによって予測的に決定することを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記仮想衝突を回避する応答を可能にするステップは、前記計画された動きが前記仮想衝突を引き起こさないという結果に応答して、前記１つ以上のコントローラが、前記計画された動きに従って前記マニピュレータ又は前記外科用ツールの１つ以上の動きを制御することを含む、請求項１０又は１１に記載の方法。
13. 前記仮想衝突を回避する応答を可能にするステップは、前記計画された動きが前記仮想衝突を引き起こすという結果に応答して、変更された動きに従って前記マニピュレータ又は前記外科用ツールのうちの１つ以上の動きを制御する前記１つ以上のコントローラを含み、該変更された動きは、前記計画された動きと異なり、前記仮想衝突を回避するものである、請求項１０～１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記仮想衝突を回避する応答を可能にするステップは、前記計画された動きが前記仮想衝突を引き起こすという結果に応答して、前記１つ以上のコントローラが前記マニピュレータ又は前記外科用ツールの１つ以上の動きを制約することを含むものである、請求項１０～１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記仮想衝突を回避する応答を可能にするステップは、前記１つ以上のコントローラが、可聴フィードバック、視覚フィードバック、振動フィードバック又は触覚フィードバックのうちの１つ以上を生成することを含むものである、請求項１０～１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記仮想衝突を回避する応答を可能にするステップは、前記計画された動きが前記仮想衝突を引き起こすという結果に応答して、前記１つ以上のコントローラが、表示装置上に、前記仮想衝突を回避するための命令をグラフィック表現とともに示すことを含むものである、請求項１０～１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 命令は、前記マニピュレータ又は前記外科用ツールのうちの１つ以上を再配置するためのものである、請求項１６に記載の方法。
18. 前記マニピュレータ又は前記外科用ツールのうちの１つ以上の前記計画された動きが、手術部位の材料の標的ボリュームの一部を除去する前記外科用ツールの前記計画された動きに対応し、該材料の標的ボリュームは１つ以上の切断境界によって定義される、請求項１０～１７のいずれか１項に記載の方法。
19. １つ以上のコントローラと、視野を含むローカライザと、トラッカとを含むナビゲーションシステムを操作する方法であって、
    前記ナビゲーションシステムが、前記トラッカと前記ローカライザとの間に視線関係を確立することにより、前記ローカライザの視野内で前記トラッカを検出するステップと、
    前記ナビゲーションシステムの仮想境界生成器が、前記視線関係に基づいて、仮想視線境界を生成するステップと、
    前記１つ以上のコントローラが、仮想物体を、マニピュレータ又は該マニピュレータに結合された外科用ツールのうちの１つ以上と関連付けるステップと、
    前記ナビゲーションシステムの衝突検出器は、前記マニピュレータ又は前記外科用ツールの１つ以上の計画された動きが、前記仮想物体と前記仮想視線境界との間の仮想衝突を引き起こすか否かを予測的に決定するステップと、
    前記ナビゲーションシステムのフィードバック生成器は、前記計画された動きが前記仮想衝突を引き起こすかどうかを予測的に判断した結果に基づいて、前記仮想衝突を回避する応答を可能にするステップと
    を含んでなる、システムを操作する方法。
20. １つ以上のコントローラと、視野を含むローカライザと、マニピュレータ又は該マニピュレータに結合された外科用ツールのうちの１つ以上に結合されたトラッカとを含むナビゲーションシステムを操作する方法であって、
    前記ナビゲーションシステムが、前記ローカライザの視野内で前記トラッカを検出するステップと、
    前記ナビゲーションシステムの仮想境界生成器が、前記ローカライザの視野に基づいて仮想視野境界を生成するステップと、
    前記１つ以上のコントローラが、仮想物体を前記トラッカに関連付けるステップと、
    前記ナビゲーションシステムの衝突検出器は、前記マニピュレータ又は前記外科用ツールの１つ以上の計画された動きが、前記仮想物体と前記仮想視野境界との間の仮想衝突を引き起こすかどうかを予測的に決定するステップと、
    前記ナビゲーションシステムのフィードバック生成器は、前記計画された動きが前記仮想衝突を引き起こすかどうかを予測的に判断した結果に基づいて、前記仮想衝突を回避する応答を可能にするステップと
    を含んでなる、システムを操作する方法。

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