JP7366191B2 - 多軸力及び多軸モーメントのフィードバックを使用した、外科手術ツール挿入のためのシステム - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１２年６月２１日出願の米国特許仮出願第６１／６６２，７０２号（期限切れ）の優先権を主張し、２０１３年３月１５日出願の米国特許仮出願第６１／８００，５２７号（期限切れ）の優先権を主張する特許非仮出願である、２０１３年６月２１日出願の米国特許出願第１３／９２４，５０５号（現在の米国特許第９，７８２，２２９）の一部継続出願である、２０１３年１０月２４日出願の米国特許出願第１４／０６２，７０７号（現在の米国特許第１０，３５７，１８４号）の一部継続出願であり、２０１６年４月１１日出願の米国特許出願第１５／０９５，８８３号（現在の米国特許第１０，８９３，９１２号）の一部継続出願である、２０１６年５月１８日出願の米国特許出願第１５／１５７，４４４号（米国特許出願公開第２０１６－０２５６２２５号として公開）の一部継続出願である、２０１６年１２月７日出願の米国特許出願第１５／３７１，３０４号（現在の米国特許第１０，６４６，２８０号）の一部継続出願である、２０１７年７月１８日出願の米国特許出願第１５／６５２，９１４号（現在の米国特許第１０，８７４，４６６号）の継続出願である、２０２０年１１月１６日出願の米国特許出願第１７／０９８，９５８号の、一部継続出願である。なお、これらのすべての文書の全内容が、参照により本明細書に組み込まれる。

（発明の分野）
本開示は、ロボット支援外科手術法を使用した、ツール挿入の改善に関する。

様々な医療手技は、最適化された治療を行うために、体内における、外科手術器具の３次元位置の正確な位置特定を必要とする。ロボット外科手術システムは、身体に対する外科手術器具の正確な位置決めを容易にするために、５つの自由度を有し得る。ロボット外科手術システムのベースからエンドエフェクタに至るまでのこれらの５つの自由度には、（１）垂直方向の直線運動、（２）水平面内での肩回転、（３）水平面内での肘回転、（４）前腕のロール、及び（５）エンドエフェクタのピッチが含まれる。これら５つの自由度があれば、ロボット外科手術システムを動かして、体内へのねじ配置及び体内への他の直線軌道の確保を容易にする、ある範囲の位置及び角度にガイドチューブを保持し得る。

これらの５つの自由度により、エンドエフェクタのガイドチューブを軌道ベクトルと位置揃えさせることが可能になる。しかしながら、軌道ベクトルの周りのガイドチューブの回転位置は、独立的に選択はされず、これらの他の関節部の位置に依存する。この構成で５つの自由度を使用する場合、患者に近づく直線に沿ったロボットの移動は、通常、その移動中に生じる、ガイドチューブの多少の残留回転と連動する。

５自由度のロボットシステムの欠点としては、ガイドチューブを中心とする残留回転なしに、ロボットが固定軌道に沿ってガイドチューブを移動させることができないこと、例えばドリルによる穴あけやねじのねじ込みなどの外科的作業を実行するための、能動的回転動作ができないこと、及びガイドチューブをある表面に対して垂直に保持しながら切断ブレードを自動的に配向するということができないことが挙げられる。

したがって、５自由度の外科手術ロボットシステムに関連するガイドチューブに対して、追加の自由度を提供する必要がある。これは、本開示に記載されるように、ロボット支援外科手術法を使用して達成され得る。

これら及び他の必要性を満たすために、ガイドチューブを自動的に回転させるためのデバイス、システム、及び方法が提供される。

例示的な一実施形態によれば、ロボットベースと、ロボットベースに接続されかつロボットベースと電子通信するロボットアームと、ロボットアームに接続されかつロボットベースと電子通信するエンドエフェクタとを有する外科手術ロボットシステムが提供される。エンドエフェクタは、外科手術器具を受容するように構成されたガイドチューブを含む。ガイドチューブは、ロボットアーム及びエンドエフェクタが軌道に沿って手術部位に移動するのにつれて、ガイドチューブの中心軸線を中心として自動的に回転するように構成されている。

例示的な一実施形態によれば、外科手術ロボットシステムを、患者に対して移動させる方法が提供される。本方法は、外科手術ロボットシステムを患者の解剖学的構造に対して登録することを含む。外科手術ロボットシステムは、ロボットベースと、ロボットベースに接続されかつロボットベースと電子通信するロボットアームと、ロボットアームに接続されかつロボットベースと電子通信するエンドエフェクタとを含む。エンドエフェクタは、ガイドチューブを含み、外科手術器具を受容するように構成されている。ガイドチューブは、ロボットアーム及びエンドエフェクタが軌道に沿って移動するにつれて、ガイドチューブの中心軸線を中心として自動的に回転するように構成されている。この方法は、ロボットアーム及びエンドエフェクタを、患者の解剖学的構造に対して、軌道に沿って移動させることを更に含む。

本発明及びその一部特定の実施形態の以下に提供される詳細な説明は、以下の図を参照することによって理解され得る。

外科手術中のロボットシステム、患者、外科医、及び他の医療従事者の場所の可能性がある一配置の俯瞰図である。 一実施形態による、患者に対する外科手術ロボット及びカメラを位置決めすることを含む、ロボットシステムを示す。 例示的な一実施形態による、外科手術ロボットシステムを示す。 例示的な一実施形態による、外科手術ロボットの一部を示す。 例示的な一実施形態による、外科手術ロボットのブロック図を示す。 例示的な一実施形態による、外科手術ロボットを示す。 例示的な一実施形態による、エンドエフェクタを示す。 例示的な一実施形態による、エンドエフェクタを示す。 例示的な一実施形態による、エンドエフェクタを示す。 一実施形態による、外科手術器具をエンドエフェクタのガイドチューブ内に挿入する前後の、外科手術器具及びエンドエフェクタを示す。 例示的な一実施形態による、エンドエフェクタ及びロボットアームの一部を示す。 例示的な一実施形態による、エンドエフェクタ及びロボットアームの一部を示す。 例示的な一実施形態による、エンドエフェクタ及びロボットアームの一部を示す。 例示的な一実施形態による、動的参照アレイ、撮像アレイ、及び他の構成要素を示す。 例示的な一実施形態による登録方法を示す。 例示的な実施形態による、撮像デバイスの実施形態を示す。 例示的な実施形態による、撮像デバイスの実施形態を示す。 外科手術ツールから標的とする骨に加えられたある一定の力を示す。 本開示の原理と一致するロボットシステムのエンドエフェクタを示す。 本開示と一致する外科手術器具の予期せぬ動きを検出するための、例示的な一方法を示す。 外科手術器具の偏向を検出するための、例示的な一方法を示す。 ガイドチューブに対する器具の偏向を検出するための、２軸法を示す。 軸線方向の切断能力を有する器具と、軸線方向の切断能力及び横方向の切断能力を有する器具との比較を示す。 斜めになった表面を通して器具を挿入するための方法を示す。 ロボット外科手術システムに関連付けられた５つの自由度を示す。 ロボット外科手術システムに関連付けられた５つの自由度を示す。 ロボット外科手術システムに関連付けられた５つの自由度を示す。 ロボット外科手術システムに関連付けられた５つの自由度を示す。 ロボット外科手術システムに関連付けられた５つの自由度を示す。 本開示の原理と一致するロボット外科手術システムを示す。 本開示の原理と一致するロボット外科手術システムを示す。 本開示の原理と一致するロボット外科手術システムを示す。 本開示の原理と一致するロボット外科手術システムを示す。 本開示の原理と一致するロボット外科手術システムを示す。 本開示の原理と一致するロボット外科手術システムを示す。 本開示の原理と一致するロボット外科手術システムを示す。 本開示の原理と一致するロボット外科手術システムを示す。 本開示の原理と一致するロボット外科手術システムを示す。 本開示の原理と一致するエンドエフェクタを示す。 本開示の原理と一致するエンドエフェクタを示す。 本開示の原理と一致するエンドエフェクタを示す。

本開示は、本明細書の説明に記載又は図面に示される構成の詳細及び構成要素の配列に対するその用途に限定されないことを理解されたい。本開示の教示は、他の実施形態で使用及び実施され得、様々な方法で実施又は実行され得る。また、本明細書で使用される表現及び専門用語は、説明の目的のためであり、限定するものと見なされるべきではないことを理解されたい。本明細書の「含む」、「備える」、又は「有する」、及びその変形の使用は、その後に列挙された項目及びその等価物、並びに追加の項目を包含することを意味する。別途指定されない限り、又は限定されない限り、「取り付けられた」、「接続された」、「支持された」、及び「連結された」等の用語並びにそれらの変形は、広く使用され、直接及び間接的な取り付け、接続、支持、及び連結の両方を包含する。更に、「接続された」及び「連結された」は、物理的又は機械的接続又は連結に限定されない。

以下の考察は、当業者が本開示の実施形態を作製及び使用することを可能にするために提示されるものである。図示された実施形態に対する様々な修正は、当業者には、非常に明らかであり、本明細書の原理は、本開示の実施形態から逸脱することなく、他の実施形態及び用途に適用され得る。したがって、実施形態は、示される実施形態に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示される原理及び特徴と一致する最も広い範囲を与えられるべきである。以下の詳細な説明は、図面を参照して読まれるべきであり、異なる図の同様の要素は、同様の参照番号を有する。図は必ずしも縮尺通りではなく、選択された実施形態を示し、実施形態の範囲を限定することを意図するものではない。当業者は、本明細書で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。図１及び図２は、例示的な一実施形態による外科手術ロボットシステム１００を示す。外科手術ロボットシステム１００は、例えば、外科手術ロボット１０２と、１本以上のロボットアーム１０４と、ベース１０６と、ディスプレイ１１０と、例えば、ガイドチューブ１１４を含むエンドエフェクタ１１２と、１つ以上の追跡マーカ１１８とを含み得る。外科手術ロボットシステム１００はまた、患者２１０に（例えば、患者２１０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１１８を含む、患者追跡デバイス１１６を含み得る。外科手術ロボットシステム１００はまた、例えばカメラスタンド２０２上に配置された、カメラ２００をも利用し得る。カメラスタンド２０２は、カメラ２００を所望の位置に移動、配向、及び支持するための任意の好適な構成を有することができる。カメラ２００は、例えば、カメラ２００の視点から視認可能な所与の測定空間において、能動的及び受動的追跡マーカ１１８を識別することができる任意の好適なカメラ（複数可）を含み得る。例えば、１つ以上の赤外線カメラ（例えば、２焦点カメラ又は実体写真測量用カメラ）などが挙げられる。カメラ２００は、所与の測定空間を走査し、マーカ１１８の位置を３次元で識別し決定するために、マーカ１１８から得られる光を検出することができる。例えば、能動的マーカ１１８は、電気信号によって起動される赤外線発光マーカ（例えば、赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ））を含み得る。受動的マーカ１１８は、例えば、追跡カメラ２００又は他の適切なデバイス上の照明器によって発せられる赤外光を反射する（例えば、入射ＩＲ放射を、入射光の方向へ反射する）、再帰反射性マーカを含み得る。

図１及び図２は、手術室環境において外科手術ロボットシステム１００を配置するための、可能性がある構成を示す。例えば、ロボット１０２は、患者２１０の近く又は患者２１０に隣接して配置され得る。図中においてロボット１０２は、患者２１０の頭部近くに描かれているが、手術を受けている患者２１０の領域に応じて、患者２１０の近くの任意の好適な場所にロボット１０２は配置され得るということが理解されよう。カメラ２００は、ロボットシステム１００から分離され、患者２１０の足元に配置され得る。カメラ２００がこの場所にあれば、術野２０８に対する直接的な視線を得ることが可能である。この場合でも、カメラ２００は、術野２０８に対する視線を得られる任意の好適な位置に配置され得ることが考えられる。図示の構成では、外科医１２０は、ロボット１０２の向かい側に位置してもよいが、この場合でもエンドエフェクタ１１２及びディスプレイ１１０を操作することが可能である。手術助手１２６は、エンドエフェクタ１１２及びディスプレイ１１０の両方へアクセスできるように、外科医１２０の向かい側に再び位置付けられ得る。必要に応じて、外科医１２０及び助手１２６それぞれの場所を入れ替えることができる。麻酔医１２２及び看護師又は手術着を着た技術者１２４の従来の領域は、ロボット１０２及びカメラ２００の置かれた場所によって遮られないままである。

ロボット１０２の他の構成要素に関して、ディスプレイ１１０は、外科手術ロボット１０２に装着することができ、他の例示的な実施形態では、ディスプレイ１１０は、外科手術ロボット１０２の存在する外科手術室内、又は遠く離れた場所でのいずれかで外科手術ロボット１０２から取り外され得る。エンドエフェクタ１１２は、ロボットアーム１０４に連結され、少なくとも１つのモータによって制御され得る。例示的な実施形態では、エンドエフェクタ１１２は、ガイドチューブ１１４を備えることができるが、そのガイドチューブ１１４は、患者２１０に対する手術を行うために使用される外科手術器具６０８（本明細書で更に説明される）を受容し、配向することができる。本明細書で使用される場合、「エンドエフェクタ」という用語は、「エンドエフェクチュエータ」及び「エフェクチュエータ要素」という用語と互換的に使用される。一般に、エンドエフェクタ１１２はガイドチューブ１１４と共に示されるが、エンドエフェクタ１１２は、外科手術における使用に好適な任意の好適な器具で置き換えられ得ることが理解されよう。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ１１２は、所望の様式での外科手術器具６０８の動きを実現するための任意の既知の構造を備えることができる。

外科手術ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２の並進及び配向を制御することができる。ロボット１０２は、例えば、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸に沿ってエンドエフェクタ１１２を移動させることができる。エンドエフェクタ１１２は、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸のうちの１つ以上、並びにＺフレーム軸を中心として選択的に回転させるために（エンドエフェクタ１１２に関連するオイラー角（例えば、ロール、ピッチ、及び／又はヨー）のうちの１つ以上を選択的に制御するように）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１１２の並進及び配向の選択的制御は、例えば、回転軸のみを含む６自由度ロボットアームを利用する従来のロボットと比較して、著しく改善された精度を有する医療手技の実行を可能にすることができる。例えば、外科手術ロボットシステム１００は、患者２１０に対して手術をするために使用され得るが、ロボットアーム１０４は、患者２１０の身体の上方に配置され得る。その際に、エンドエフェクタ１１２は、選択的に患者２１０の身体に向かって、ｚ軸に対して斜めに角度が付けられている。

いくつかの例示的な実施形態では、外科手術器具６０８の位置は、外科手術ロボット１０２が手術中に常に外科手術器具６０８の場所を認識することができるように、動的に更新され得る。その結果、いくつかの例示的な実施形態では、外科手術ロボット１０２は、医師からの更なる支援（医師がそれを望まない限り）なしに、外科手術器具６０８を所望の位置に迅速に移動させることができる。いくつかの更なる実施形態では、外科手術ロボット１０２は、外科手術器具６０８が選択され、予め計画された軌道から外れてしまった場合に、外科手術器具６０８の経路を補正するように構成することができる。いくつかの例示的な実施形態では、外科手術ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２及び／又は外科手術器具６０８の動きの停止、修正、及び／又は手動制御を実行するように構成され得る。このように、例示的な実施形態では、使用中、外科医又は他のユーザは、システム１００を動作させることができ、エンドエフェクタ１１２及び／又は外科手術器具６０８の自律運動を停止、修正、又は手動制御するという選択肢を有することになる。外科手術ロボット１０２による外科手術器具６０８の制御及び動きを含む、外科手術ロボットシステム１００の更なる詳細は、同時係属中の米国特許出願第１３／９２４，５０５号に見出すことができ、その全体が参照により本明細書に組み込まれ得る。

ロボット外科手術システム１００は、ロボットアーム１０４、エンドエフェクタ１１２、患者２１０、及び／又は外科手術器具６０８の動きを３次元で追跡するように構成された、１つ以上の追跡マーカ１１８を備えることができる。例示的な実施形態では、複数の追跡マーカ１１８が、ロボット１０２の外面に取り付けられ（又は別様に固定され）得るが、その場所の例としては、例えば、ロボット１０２のベース１０６上、ロボットアーム１０４上、又はエンドエフェクタ１１２上が挙げられるが、それらに限定されない。例示的な実施形態では、複数の追跡マーカ１１８のうちの少なくとも１つの追跡マーカ１１８を、エンドエフェクタ１１２に取り付けるか、又は別様に固定することができる。１つ以上の追跡マーカ１１８は、患者２１０に更に取り付けられ（又は別様に固定され）得る。例示的な実施形態では、複数の追跡マーカ１１８は、外科医、外科手術ツール、又はロボット１０２の他の部分の陰に隠れてしまう可能性を低減するために、術野２０８から離間した患者２１０上に配置されることができる。更に、１つ以上の追跡マーカ１１８を、外科手術ツール６０８（例えば、ねじ回し、拡張器、インプラント挿入器など）に更に取り付ける（又は別様に固定する）ことができる。したがって、追跡マーカ１１８により、マークされた物体（例えば、エンドエフェクタ１１２、患者２１０、及び外科手術ツール６０８）の各々がロボット１０２によって追跡されるのを可能にする。例示的な実施形態では、システム１００は、マークされた物体の各々から収集された追跡情報を使用して、例えば、エンドエフェクタ１１２、外科手術器具６０８（例えば、エンドエフェクタ１１２のチューブ１１４内に配置されたもの）の場所及び配向、並びに患者２１０の相対位置を、計算することができる。

例示的な実施形態では、マーカ１１８のうちの１つ以上は、光学マーカであり得る。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ１１２上での１つ以上の追跡マーカ１１８の位置決めは、エンドエフェクタ１１２の位置をチェック又は確認するために役立つので、位置測定の正確さを最大にすることができる。外科手術ロボット１０２及び外科手術器具６０８の制御、動き、及び追跡を含む外科手術ロボットシステム１００の更なる詳細は、同時係属中の米国特許出願第１３／９２４，５０５号に見出すことができ、その全体が参照として本明細書に組み込まれる。

例示的な実施形態は、外科手術器具６０８に連結された１つ以上のマーカ１１８を含む。例示的な実施形態では、例えば、患者２１０及び外科手術器具６０８に連結されたこれらのマーカ１１８と、ロボット１０２のエンドエフェクタ１１２に連結されたマーカ１１８とは、従来の赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ）又はＯｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）ダイオードを含むことができる。これらのダイオードは、Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）などの市販の赤外線光学追跡システムを使用して、追跡され得るものである。Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）は、Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｃ．（Ｗａｔｅｒｌｏｏ，Ｏｎｔａｒｉｏ，Ｃａｎａｄａ）の登録商標である。他の実施形態では、マーカ１１８は、Ｐｏｌａｒｉｓ Ｓｐｅｃｔｒａなどの、市販の光学追跡システムを使用して追跡することができる、従来の反射球体を含むことができる。Ｐｏｌａｒｉｓ Ｓｐｅｃｔｒａもまた、Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ，Ｉｎｃ．の登録商標である。例示的な一実施形態では、エンドエフェクタ１１２に連結されたマーカ１１８は、オン及びオフにすることができる赤外線発光ダイオードを含む能動的マーカであり、患者２１０及び外科手術器具６０８に連結されたマーカ１１８は、受動的反射マーカを含む。

例示的な実施形態では、マーカ１１８から放出された、及び／又はマーカ１１８によって反射された光は、カメラ２００によって検出され得るが、この光は、マークされた物体の場所及び動きを監視するために使用され得る。代替的な実施形態では、マーカ１１８は、高周波及び／若しくは電磁波反射器又はトランシーバを備えることができ、カメラ２００は、高周波及び／若しくは電磁波トランシーバを含むか、又はそれによって置き換えられ得る。

外科手術ロボットシステム１００と同様であるが、図３は、本開示の例示的な一実施形態と一致するドッキング構成の外科手術ロボットシステム３００及びカメラスタンド３０２を示す。外科手術ロボットシステム３００は、ディスプレイ３０４、上部アーム３０６、下部アーム３０８、エンドエフェクタ３１０、垂直柱３１２、キャスター３１４、キャビネット３１６、タブレットドロワー３１８、コネクタパネル３２０、制御パネル３２２、及び情報のリング３２４を含むロボット３０１を備え得る。カメラスタンド３０２は、カメラ３２６を備え得る。これらの構成要素は、図５に関してより詳しく説明される。図３は、例えば使用されていないときに、カメラスタンド３０２がロボット３０１と入れ子になるドッキング構成の外科手術ロボットシステム３００を示している。カメラ３２６及びロボット３０１が互いに分離され、外科手術中には、例えば図１及び図２に示されるように、任意の適切な場所に配置され得ることが当業者には理解されよう。図４は、本開示の例示的な一実施形態と一致するベース４００を示す。ベース４００は、外科手術ロボットシステム３００の一部であってよく、キャビネット３１６を備えていてよい。キャビネット３１６は、外科手術ロボットシステム３００の一部特定の構成要素を収容し得るが、それらの要素の例としては、バッテリ４０２、配電モジュール４０４、プラットフォームインターフェースボードモジュール４０６、コンピュータ４０８、ハンドル４１２、及びタブレットドロワー４１４が挙げられるが、これらに限定されない。これらの構成要素間の接続及び関係は、図５に関してより詳細に説明される。

図５は、外科手術ロボットシステム３００の例示的な一実施形態の、一部特定の構成要素のブロック図を示す。外科手術ロボットシステム３００は、プラットフォームサブシステム５０２、コンピュータサブシステム５０４、動き制御サブシステム５０６、及び追跡サブシステム５３２を備え得る。プラットフォームサブシステム５０２は、バッテリ４０２、配電モジュール４０４、プラットフォームインターフェースボードモジュール４０６、及びタブレット充電ステーション５３４を更に備え得る。コンピュータサブシステム５０４は、コンピュータ４０８、ディスプレイ３０４、及びスピーカ５３６を更に備え得る。動き制御サブシステム５０６は、ドライバ回路５０８、モータ５１０、５１２、５１４、５１６、５１８、スタビライザ５２０、５２２、５２４、５２６、エンドエフェクタ３１０、及びコントローラ５３８を更に備え得る。追跡サブシステム５３２は、位置センサ５４０及びカメラコンバータ５４２を更に備え得る。システム３００はまた、フットペダル５４４及びタブレット５４６をも備え得る。

入力電力は、配電モジュール４０４に提供され得る電源５４８を介して、システム３００に供給される。配電モジュール４０４は、入力電力を受信し、システム３００の他のモジュール、他の構成要素、及び他のサブシステムに提供される、異なる電源電圧を生成するように構成されている。配電モジュール４０４は、プラットフォームインターフェースモジュール４０６に、異なる電圧の電源を提供するように構成され得る。このプラットフォームインターフェースモジュール４０６に提供された異なる電圧の電源は、他の構成要素、例えば、コンピュータ４０８、ディスプレイ３０４、スピーカ５３６、例えば、電力モータ５１２、５１４、５１６、５１８や、エンドエフェクタ３１０に給電するためのドライバ５０８、モータ５１０、リング３２４、カメラコンバータ５４２、及びシステム３００のための他の構成要素、例えば、キャビネット３１６内で電気部品を冷却するためのファンに提供され得る。

配電モジュール４０４はまた、タブレットドロワー３１８内に配置され得るタブレット充電ステーション５３４などの、他の構成要素に電力を提供し得る。タブレット充電ステーション５３４は、タブレット５４６を充電するためにタブレット５４６と無線又は有線で通信することができる。タブレット５４６は、本開示と一致し、本明細書に記載されるように、外科医によって使用され得る。配電モジュール４０４はまた、バッテリ４０２に接続され得るが、このバッテリ４０２は、万一、配電モジュール４０４が入力電力５４８から電力を受信しない場合に、一時的な電源として機能するものである。他の状況時には、配電モジュール４０４は、必要に応じてバッテリ４０２を充電するのに役立ち得る。

プラットフォームサブシステム５０２の他の構成要素としては、コネクタパネル３２０、制御パネル３２２、及びリング３２４も挙げられ得る。コネクタパネル３２０は、異なるデバイス及び構成要素を、システム３００並びに／又は関連付けられた構成要素及びモジュールに接続するのに役立ち得る。コネクタパネル３２０は、異なる構成要素からの配線又は接続を受け取る、１つ以上のポートを含み得る。例えば、コネクタパネル３２０は、システム３００を他の機器に接地することができる接地端子ポートと、フットペダル５４４をシステム３００に接続するためのポートと、追跡サブシステム５３２に接続するポートとを有し得る。追跡サブシステム５３２は、位置センサ５４０と、カメラコンバータ５４２と、カメラスタンド３０２に関連付けられたカメラ３２６とを含み得る。コネクタパネル３２０はまた、コンピュータ４０８などの他の構成要素への、ＵＳＢ通信、イーサネット（登録商標）通信、ＨＤＭＩ（登録商標）通信を可能にする他のポートを含み得る。

制御パネル３２２は、様々なボタン又はインジケータを提供し得るが、これらのボタン又はインジケータは、システム３００の動作を制御するか、かつ／又はシステム３００に関する情報を提供するものである。例えば、制御パネル３２２は、システム３００を電源オン又はオフにするためのボタン、垂直柱３１２を上げ下げするためのボタン、スタビライザ５２０～５２６を上げ下げするためのボタンを更に含み得るが、このスタビライザ５２０～５２６を上げ下げするためのボタンは、キャスター３１４に係合して、キャスター３１４が物理的に移動しないようにシステム３００をロックするように設計され得る。他のボタンは、緊急時にシステム３００を停止することができるものである。この緊急時の停止では、すべてのモータへの電力供給が停止され、機械的ブレーキを適用して、すべての動きが発生しないようにすることができる。制御パネル３２２はまた、各配線の電力を示すもの又はバッテリ４０２の充電状態を示すものなど、一部特定のシステム状態をユーザに通知する、インジケータをも有し得る。

リング３２４は、システム３００のユーザに、システム３００が現在動作している異なるモードを通知し、特定の警告をユーザに通知するための、視覚的インジケータであり得る。

コンピュータサブシステム５０４は、コンピュータ４０８、ディスプレイ３０４、及びスピーカ５３６を含む。コンピュータ５０４は、システム３００を動作させるためのオペレーティングシステム及びソフトウェアを含む。コンピュータ５０４は、情報をユーザに表示するために、他の構成要素（例えば、追跡サブシステム５３２、プラットフォームサブシステム５０２、及び／又は動き制御サブシステム５０６）から情報を受信及び処理し得る。更に、コンピュータサブシステム５０４はまた、ユーザに音声を提供するためのスピーカ５３６をも含み得る。

追跡サブシステム５３２は、位置センサ５０４及びコンバータ５４２を含み得る。追跡サブシステム５３２は、図３に関して説明したような、カメラ３２６を含むカメラスタンド３０２に対応し得る。位置センサ５０４は、カメラ３２６であり得る。追跡サブシステムは、システム３００の異なる構成要素上に、及び／又は外科手術中にユーザによって使用される器具上に位置する特定のマーカの場所を、追跡し得る。この追跡は、それぞれＬＥＤ又は反射マーカなどの能動的又は受動的要素の場所を追跡する、赤外線技術の使用を含む、本開示と一致するやり方で行われ得る。これらのタイプのマーカを有する構造の場所、配向、及び位置が、コンピュータ４０８に提供され、ディスプレイ３０４上でユーザに示され得る。例えば、これらのタイプのマーカを有し、上記の様式で追跡される外科手術器具６０８（ナビゲーションスペースと称され得る）は、患者の解剖学的構造の３次元画像に関連してユーザに示され得る。動き制御サブシステム５０６は、垂直柱３１２、上部アーム３０６、下部アーム３０８を物理的に移動させるか、又はエンドエフェクタ３１０を回転させるように構成され得る。物理的な動作は、１つ以上のモータ５１０～５１８の使用を通して行われ得る。例えば、モータ５１０は、垂直柱３１２を垂直に上下させるように構成され得る。モータ５１２は、図３に示されるように、垂直柱３１２との係合点の周りで上部アーム３０８を横方向に移動させるように構成され得る。モータ５１４は、図３に示されるように、上部アーム３０８との係合点の周りで下部アーム３０８を横方向に移動させるように構成され得る。モータ５１６及び５１８は、一方がロールを制御し、一方がティルトを制御することができ、それによってエンドエフェクタ３１０が動かされ得る多くの角度を提供するようなやり方で、エンドエフェクタ３１０を動かすように構成され得る。これらの動作は、コントローラ５３８によって実現され得るが、このコントローラ５３８は、エンドエフェクタ３１０上に配設され、所望のやり方でシステム３００を動かすようにこれらのロードセルを動作させるユーザによって作動されるロードセルを介してこれらの動きを制御し得る。

更に、システム３００は、ディスプレイ３０４（タッチスクリーン入力デバイスであり得る）上の患者の解剖学的構造の３次元画像上に、ユーザが、外科手術器具又は構成要素の場所をディスプレイ３０４上で示すことを通じて、垂直柱３１２、上部アーム３０６、及び下部アーム３０８の自動的動作を提供し得る。ユーザは、フットペダル５４４を踏むことによって、又は何らかの他の入力手段を用いて、この自動的動作を開始することができる。

図６は、例示的な一実施形態と一致する、外科手術ロボットシステム６００を示す。外科手術ロボットシステム６００は、エンドエフェクタ６０２、ロボットアーム６０４、ガイドチューブ６０６、器具６０８、及びロボットベース６１０を備え得る。器具ツール６０８は、１つ以上の追跡マーカ（例えばマーカ１１８など）を含む追跡アレイ６１２に装着することができ、関連する軌道６１４を有し得る。軌道６１４は、ひとたび器具ツール６０８が、ガイドチューブ６０６を通して位置決めされるか又はその中で固定された場合に、その器具ツール６０８が移動するように構成されている動作の経路、例えば、患者への器具ツール６０８の挿入経路を表し得る。例示的な一操作では、ロボットベース６１０は、患者２１０に手術を行う際にユーザ（例えば、外科医）を、外科手術ロボットシステム６００が支援することができるように、ロボットアーム６０４及びエンドエフェクタ６０２と電子通信するように構成され得る。外科手術ロボットシステム６００は、前述の外科手術ロボットシステム１００及び３００と一致し得る。

追跡アレイ６１２は、器具ツール６０８の場所及び配向を監視するために、器具ツール６０８に取り付けられ得る。追跡アレイ６１２は、器具ツール６０８に装着されてもよく、かつ追跡マーカ８０４を備えてもよい。図８に最も良好に示されているように、追跡マーカ８０４は、例えば、発光ダイオード及び／又は他のタイプの反射マーカ（例えば、本明細書の他の場所で説明されるようなマーカ１１８）であり得る。追跡デバイスは、外科手術ロボットシステムに関連付けられた、１つ以上の視線デバイスであり得る。一例として、追跡デバイスは、外科手術ロボットシステム１００、３００に関連付けられた１つ以上のカメラ２００、３２６であってもよく、かつ定義されたドメインに対して、又はロボットアーム６０４、ロボットベース６１０、エンドエフェクタ６０２、及び／若しくは患者２１０に対する器具６０８の相対的な配向を得るために、追跡アレイ６１２を追跡してもよい。追跡デバイスは、カメラスタンド３０２及び追跡サブシステム５３２に関連して説明される構造と一致し得る。

図７Ａ、図７Ｂ、及び図７Ｃは、例示的な一実施形態と一致するエンドエフェクタ６０２のそれぞれ上面図、正面図、及び側面図を示す。エンドエフェクタ６０２は、１つ以上の追跡マーカ７０２を備え得る。追跡マーカ７０２は、発光ダイオード、又は前述の追跡マーカ１１８などの他のタイプの能動的及び受動的なマーカであり得る。例示的な一実施形態では、追跡マーカ７０２は、電気信号によって活性化される能動的赤外線発光マーカ（例えば、赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ））である。したがって、追跡マーカ７０２は、赤外線マーカ７０２がカメラ２００、３２６に視認されるように起動され、又は赤外線マーカ７０２がカメラ２００、３２６に視認されないように機能停止され得る。したがって、マーカ７０２が起動状態であるときには、エンドエフェクタ６０２は、システム１００、３００、６００によって制御され得る。また、マーカ７０２が機能停止状態であるときには、エンドエフェクタ６０２は、所定の位置にロックされ、システム１００、３００、６００がエンドエフェクタ６０２を移動することができないようになっている。

マーカ７０２は、外科手術ロボットシステム１００、３００、６００に関連付けられた１つ以上のカメラ２００、３２６又は他の追跡デバイスによってマーカ７０２が視認可能であるようなやり方で、エンドエフェクタ６０２上又はその内部に配設され得る。カメラ２００、３２６又は他の追跡デバイスは、エンドエフェクタ６０２が異なる位置及び視野角に移動するにつれて、追跡マーカ７０２の移動を辿ることによって、エンドエフェクタ６０２を追跡することができる。マーカ７０２及び／又はエンドエフェクタ６０２の場所は、外科手術ロボットシステム１００、３００、６００と関連付けられたディスプレイ１１０、３０４上、例えば、図２に示されるようなディスプレイ１１０及び／又は図３に示されるディスプレイ３０４上に示され得る。このディスプレイ１１０、３０４により、ユーザは、エンドエフェクタ６０２を、ロボットアーム６０４、ロボットベース６１０、患者２１０、及び／又はユーザに対して望ましい位置に配置することを確実なものにし得る。

例えば、図７Ａに示されるように、マーカ７０２は、エンドエフェクタ６０２の表面の周りに配置され得るが、それによって、術野２０８から離れて配置され、ロボット１０２、３０１及びカメラ２００、３２６の方を向いている追跡デバイスが、追跡デバイス１００、３００、６００に対するエンドエフェクタ６０２の一般的な配向の範囲の至る所で、マーカ７０２のうちの少なくとも３つを見ることができるようになっている。例えば、このようにマーカ７０２の分布させることにより、エンドエフェクタ６０２が術野２０８内で並進され、回転されるときに、追跡デバイスがエンドエフェクタ６０２を監視することが可能になる。

加えて、例示的な一実施形態では、エンドエフェクタ６０２は、いつ外部カメラ２００、３２６がマーカ７０２を読み取る準備が整ったのかを検出することができる赤外線（ＩＲ）受信機を備え得る。この検出時に、エンドエフェクタ６０２は、マーカ７０２を発光させてもよい。外部カメラ２００、３２６がマーカ７０２を読み取る準備ができているということをＩＲ受信機が検出すると、発光ダイオードであり得るマーカ７０２のデューティサイクルを同期させる必要があるということを、外部カメラ２００、３２６に信号伝達してもよい。これはまた、ロボットシステムが全体として消費する電力をより少なくすることを可能にし得るが、それによって、マーカ７０２は、連続的に発光する代わりに、適切なときにのみ照明されるようになるであろう。更に、例示的な一実施形態では、マーカ７０２は、異なるタイプの外科手術器具６０８などの他のナビゲーションツールとの干渉を防止するために、その電源をオフにされ得る。

図８は、追跡アレイ６１２及び追跡マーカ８０４を含む、１つのタイプの外科手術器具６０８を示す。追跡マーカ８０４は、本明細書に記載の任意のタイプのものであり得る。その例としては、発光ダイオード又は反射球体が挙げられるが、それらに限定されない。マーカ８０４は、外科手術ロボットシステム１００、３００、６００に関連付けられ、視線カメラ２００、３２６のうちの１つ以上であり得る追跡デバイスによって監視され得る。カメラ２００、３２６は、追跡アレイ６１２及びマーカ８０４の位置及び配向に基づいて、器具６０８の場所を追跡することができる。外科医１２０などのユーザは、追跡アレイ６１２及びマーカ８０４が追跡デバイス又はカメラ２００、３２６によって十分に認識されるようなやり方で器具６０８を配向させて、例えば、例示的な外科手術ロボットシステムのディスプレイ１１０上に、器具６０８及びマーカ８０４を表示させ得る。

外科医１２０が器具６０８を、エンドエフェクタ６０２のガイドチューブ６０６内に配置し、器具６０８を調整し得るやり方は、図８で明らかである。エンドエフェクタ１１２、３１０、６０２の中空チューブ又はガイドチューブ１１４、６０６は、外科手術器具６０８の少なくとも一部分を受容するようなサイズであり、かつそのように構成されている。ガイドチューブ１１４、６０６は、外科手術器具６０８の挿入及び軌道が、患者２１０の身体体内又は身体上の所望の解剖学的標的に到達することができるように、ロボットアーム１０４によって配向されるように構成されている。外科手術器具６０８は、略円筒形の器具の少なくとも一部分を含み得る。外科手術ツール６０８の例としてねじ回しが示されているが、任意の適切な外科手術ツール６０８がエンドエフェクタ６０２によって位置決めされ得ることが理解されよう。例として、外科手術器具６０８は、ガイドワイヤ、カニューレ、リトラクタ、ドリル、リーマ、ねじ回し、挿入ツール、取り外しツールなどのうちの１つ以上を含み得る。中空チューブ１１４、６０６は、一般的に、円筒形構成を有するものとして示されるが、ガイドチューブ１１４、６０６は、外科手術器具６０８を収容し、手術部位にアクセスするように所望される任意の好適な形状、サイズ、及び構成を有し得ることが当業者には理解されよう。

図９Ａ～図９Ｃは、例示的な一実施形態と一致するエンドエフェクタ６０２と、ロボットアーム６０４の一部とを示す。エンドエフェクタ６０２は、本体１２０２及びクランプ１２０４を更に備え得る。クランプ１２０４は、ハンドル１２０６、ボール１２０８、バネ１２１０、及びリップ１２１２を備え得る。ロボットアーム６０４は、凹部１２１４、取り付けプレート１２１６、リップ１２１８、及び磁石１２２０を更に備え得る。

エンドエフェクタ６０２は、１つ以上のカップリングを介して、外科手術ロボットシステム及びロボットアーム６０４と機械的に作用及び／又は係合することができる。例えば、エンドエフェクタ６０２は、位置特定カップリング及び／又は補強カップリングを介して、ロボットアーム６０４と係合することができる。これらのカップリングを通して、エンドエフェクタ６０２は、可撓性及び無菌バリアの外側のロボットアーム６０４に締結され得る。例示的な一実施形態では、位置特定カップリングは磁気運動学的マウントであってもよく、補強カップリングは、オーバーセンター式５節クランプリンク機構であってもよい。

位置特定カップリングに関して、ロボットアーム６０４は、取り付けプレート１２１６（非磁性材料であり得る）、１つ以上の凹部１２１４、リップ１２１８、及び磁石１２２０を備え得る。磁石１２２０は、凹部１２１４のそれぞれの下方に取り付けられている。クランプ１２０４の部分は、磁性材料を含んでいてよく、１つ以上の磁石１２２０によって引き付けられてもよい。クランプ１２０４及びロボットアーム６０４の磁気引力により、ボール１２０８は、それぞれの凹部１２１４に着座する。例えば、図９Ｂに示されるようなボール１２０８が、図９Ａに示されるような凹部１２１４に着座する。この着座は、磁気支援式の運動学的カップリングと見なすことができる。磁石１２２０は、エンドエフェクタ６０２の配向に関係なく、エンドエフェクタ６０２の全重量を支持するのに十分に強力であるように構成され得る。位置特定カップリングは、６つの自由度を一意に抑制する任意のスタイルの運動学的マウントであり得る。

補強カップリングに関して、クランプ１２０４の部分は、固定接地リンクであるように構成され得るが、それによりクランプ１２０４は、５節リンク機構として機能し得る。クランプハンドル１２０６を閉じることで、リップ１２１２及びリップ１２１８が、エンドエフェクタ６０２及びロボットアーム６０４を固定するようなやり方でクランプ１２０４と係合するため、エンドエフェクタ６０２はロボットアーム６０４に締結され得る。クランプハンドル１２０６が閉じられると、バネ１２１０は、クランプ１２０４がロック位置にある間、伸張され又は応力を受け得る。ロック位置は、リンク機構に中心を通過させる位置であり得る。閉位置で中心を通過しているので、リンク機構は、クランプ１２０４を解放するために、クランプハンドル１２０６に加えられる力がなければ、開放されない。したがって、ロック位置では、エンドエフェクタ６０２はロボットアーム６０４にしっかりと固定され得る。

バネ１２１０は、張力のかかった湾曲したビームであり得る。バネ１２１０は、未使用のＰＥＥＫ（ポリエーテル－エーテル－ケトン）などの高い剛性及び高い降伏ひずみを示す材料から構成され得る。エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４との間のリンク機構は、２つのカップリングの締結を妨げることなく、エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４との間に無菌のバリアを提供することができる。

補強カップリングは、複数のバネ部材を有するリンク機構であり得る。補強カップリングは、カムベースの機構又は摩擦ベースの機構でラッチ留めすることができる。補強カップリングはまた、エンドエフェクタ１０２をロボットアーム６０４に締結することをサポートするのに十分強力な電磁石であり得る。補強カップリングは、エンドエフェクタ６０２及び／又はロボットアーム６０４のいずれかとは完全に別体の、多ピースカラーであり得るが、このカラーは、エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４との間の界面上で滑動し、ねじ機構、オーバーセンター式リンク機構、又はカム機構で締まるものである。

図１０及び図１１を参照すると、外科手術の前又はその最中に、物体及び患者２１０の標的化された解剖学的構造を、ナビゲーション空間及び画像空間の両方で追跡するために、特定の登録手順が実行され得る。そのような登録を実行するために、図１０に示すような登録システム１４００を使用することができる。

患者２１０の位置を追跡するために、患者追跡デバイス１１６は、患者２１０の剛性のある解剖学的構造に固定される、患者固定器具１４０２を含んでいてよく、動的参照ベース（ＤＲＢ）１４０４は、患者固定器具１４０２にしっかりと装着され得る。例えば、患者固定器具１４０２は、動的参照ベース１４０４の開口部１４０６に挿入され得る。動的参照ベース１４０４は、追跡サブシステム５３２などの追跡デバイスに視認可能なマーカ１４０８を含むことができる。これらのマーカ１４０８は、本明細書で先に論じたように、追跡マーカ１１８などの光学マーカ又は反射球体であり得る。

患者固定器具１４０２は、患者２１０の剛性を有する解剖学的構造に装着されるが、これは外科手術中ずっと取り付けられたままであってよい。例示的な一実施形態では、患者固定器具１４０２は、患者２１０の剛性領域、例えば、外科手術を受ける標的化された解剖学的構造から遠く離れて位置する骨に装着される。標的となる解剖学的構造を追跡するために、動的参照ベース１４０４は、標的化された解剖学的構造の上又は近くに一時的に配置される登録固定具を用いて、標的化された解剖学的構造に関連付けられ、動的参照ベース１４０４を、標的化された解剖学的構造の場所に登録する。

登録固定具１４１０は、枢動アーム１４１２を用いて、患者固定器具１４０２に装着される。枢動アーム１４１２は、登録固定具１４１０の開口部１４１４を通して患者固定器具１４０２を挿入することによって、患者固定器具１４０２に装着される。枢動アーム１４１２は、例えば、枢動アーム１４１２の開口部１４１８を通してノブ１４１６を挿入することによって、登録固定具１４１０に装着される。

枢動アーム１４１２を使用して、登録固定具１４１０が、標的化された解剖学的構造の上方に配置され得るが、その場所は、登録固定具１４１０上の追跡マーカ１４２０及び／又は基準１４２２を使用して、画像空間及びナビゲーション空間内で決定され得る。登録固定具１４１０は、ナビゲーション空間内で視認可能なマーカ１４２０（例えば、マーカ１４２０が追跡サブシステム５３２によって検出可能であり得る）の集合を含み得る。追跡マーカ１４２０は、本明細書で先に説明したように、赤外光で視認可能な光学マーカであり得る。登録固定具１４１０はまた、撮像空間（例えば、３次元ＣＴ画像）内で視認される、例えば、軸受ボールなどの基準１４２２の集合体をも含み得る。図１１に関してより詳細に説明されるように、登録固定具１４１０を使用して、標的化された解剖学的構造を、動的参照ベース１４０４に関連付けることができ、それによって、ナビゲーション空間内の物体を描いたものを、解剖学的構造の画像上に重ね合わせることが可能になる。標的化された解剖学的構造から離れた位置に配置された動的参照ベース１４０４は、外科手術領域からの登録固定具１４１０及び／又は枢動アーム１４１２の除去を可能にする基準点となり得る。

図１１は、本開示と一致する登録のための例示的な方法１５００を提供する。方法１５００は、ステップ１５０２で始まる。そのステップ１５０２では、標的化された解剖学的構造のグラフィック表現（又は画像（複数可））が、システム１００、３００、６００、例えばコンピュータ４０８にインポートされ得る。グラフィック表現は、登録固定具１４１０と基準１４２０の検出可能な撮像パターンとを含む、患者２１０の標的化された解剖学的構造の３次元ＣＴ又はＸ線蛍光透視スキャンであり得る。

ステップ１５０４では、基準１４２０の撮像パターンが検出され、撮像空間において登録され、コンピュータ４０８に記憶される。任意選択的に、ステップ１５０６の時点では、登録固定具１４１０のグラフィック表現を、標的化された解剖学的構造の画像上に重ね合わせることができる。

ステップ１５０８では、マーカ１４２０を認識することによって、登録固定具１４１０のナビゲーションパターンが検出され、登録される。マーカ１４２０は、位置センサ５４０を介し、追跡サブシステム５３２によって、赤外線光によりナビゲーション空間内で認識される光学マーカであり得る。したがって、標的化された解剖学的構造の場所、配向、及び他の情報は、ナビゲーション空間に登録される。したがって、登録固定具１４１０は、基準１４２２の使用によってナビゲーション空間内、マーカ１４２０の使用によって画像空間内の両方で認識され得る。ステップ１５１０では、画像空間内の登録固定具１４１０の登録が、ナビゲーション空間に転送される。この転送は、例えば、マーカ１４２０のナビゲーションパターンの位置と比較して、基準１４２２の撮像パターンの相対位置を使用することによって行われる。

ステップ１５１２では、（画像空間に登録された）登録固定具１４１０のナビゲーション空間の登録が、患者固定器具１４０２に装着された動的登録アレイ１４０４のナビゲーション空間に更に転送される。こうして、登録固定具１４１０を取り外すことができ、ナビゲーション空間が画像空間に関連付けられているため、動的参照ベース１４０４を使用して、ナビゲーション空間及び画像空間の両方で、標的化された解剖学的構造を追跡することができる。

ステップ１５１４及び１５１６では、ナビゲーション空間が、画像空間及びナビゲーション空間において視認可能なマーカを有するオブジェクト（例えば、光学マーカ８０４を有する外科手術器具６０８）上に、重ね合わされ得る。物体は、標的化された解剖学的構造の画像上の、外科手術器具６０８のグラフィック表現を通して追跡され得る。

図１２Ａ～図１２Ｂは、患者２１０の、術前、術中、術後、及び／又はリアルタイム画像データを取得するために、ロボットシステム１００、３００、６００と併せて使用され得る撮像デバイス１３０４を示す。任意の適切な対象を、撮像システム１３０４を使用して、任意の適切な手術に対して撮像することができる。撮像システム１３０４は、例えば撮像デバイス１３０６及び／又はＣアーム１３０８デバイスなどの任意の撮像デバイスであり得る。Ｘ線システムでは、患者２１０を頻繁に手動で位置決めし直すことが必要とされ得るが、そのようなことを必要とせずに、多数の異なる位置から患者２１０のＸ線を撮影することが望ましい場合があり得る。図１２Ａに示すように、撮像システム１３０４は、「Ｃ」形状の互いに対向する遠位端１３１２で終端する細長いＣ字形部材を含むＣアーム１３０８の形態であり得る。Ｃ字形部材１１３０は、Ｘ線源１３１４及び画像受容体１３１６を更に備え得る。アームのＣアーム１３０８内の空間は、医師が、Ｘ線支持構造１３１８からの干渉を実質的に受けずに、患者に付き添うための余地を提供し得る。図１２Ｂに示すように、撮像システムは、図示されていない画像キャプチャ部を取り囲み得る、撮像装置支持構造１３２８（例えば車輪１３３２を備えた車輪付き移動カート１３３０など）に装着されたガントリハウジング１３２４を有する撮像デバイス１３０６を含み得る。画像キャプチャ部は、Ｘ線源及び／又は発光部と、Ｘ線受信部及び／又は画像受信部とを含み得る。これらは、互いに約１８０度の位置に配設され、画像キャプチャ部の軌道に関連するロータ（図示せず）上に取り付けられ得る。画像キャプチャ部は、画像取得中に、３６０度回転するように動作可能であり得る。画像キャプチャ部は、中心点及び／又は中心軸線の周りを回転し得るが、それにより患者２１０の画像データを、複数の方向又は複数の平面から取得することを可能にする。ある特定の撮像システム１３０４が本明細書には例示されるが、任意の好適な撮像システムが、当業者によって選択され得るということが理解されよう。

ここで本開示の図１３を参照する。図１３は、外科手術中の、先端部１６０２を有する外科手術ツール１６００と、患者の標的とする骨であり得る骨１６０４とを示す。また同図には、例えば、外科医が患者の骨に穴をドリルで開ける医療手技中に、骨１６０４に貫入される際にツール１６００に関連付けられる、３つの力（Ｆ_{ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ}、Ｆ_Ｐ、及びＦ_Ｎ）も図示されている。外科手術ツール１６００は、外科的用途に関連する任意の外科手術器具又はツールであり得る。その例としては、ドリル、突き錐、タップ、ねじ回し、又は他のタイプの外科手術ツールが挙げられるが、これらに限定されない。上記の力は、骨に貫入させることを意図した力がツールに加えられる際の、ツールと骨との間の界面に発生する反力と称され得る。挿入力（Ｆ_{ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ}）は、表面に垂直な成分力（Ｆ_Ｎ）と、表面に平行な成分力（Ｆ_Ｐ）とに分解され得る。

器具１６００の先端１６０２は、骨１６０４の表面に配設され、その表面に保たれているが、前述の力に起因する物理的メカニズムは、以下のものを含む：（１）骨１６０４は、ひとまとめで挿入力（Ｆ_{ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ}）から離れるように移動し得る、（２）先端１６０２の滑りを防止する摩擦抵抗を圧倒し、先端１６０２がＦ_Ｐの方向、すなわち骨表面１６０４に平行な方向に、横に移動することを結果としてもたらし得る、又は（３）先端部が、Ｆ_{ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ}などの意図された方向で骨に貫入され得る。

本開示は、所望の場所に器具１６００を位置揃えさせ、骨１６０４の表面に平行な力（Ｆ_Ｐ）のために、先端部１６０２が横にそれる、又は「表面を削ぐ（スカイビングする）」のを防止することを目的とする。器具１６００は、堅固に保持されたガイドチューブであって、その内径とツールの外径との間に精密公差を有するガイドチューブを通して動作させることができる。このようなガイドチューブは、本明細書内で、既に説明されている。ガイドチューブが器具１６００又は別のハードウェアを骨１６０４へと駆動させる上でこれを完全に有効であるようにするためには、チューブは骨１６０４に対して移動するべきではなく、器具１６００又は他のハードウェアは、チューブ又は骨１６０４に対して屈曲するべきではない。

本明細書で先に説明したように、床に堅固にロックされることができる外科手術ロボットは、ガイドチューブを静止し、しっかりとした位置（例えば、ロボットシステム３００）に維持するのに効果的であり得る。スカイビングは、ロボット支援外科手術の文脈においては、複数のシナリオをもたらし得る。例えば、ガイドチューブを通して、ある角度で器具１６００を挿入し、骨１６０４と接触させるまでの間に、骨１６０４の表面に平行に生成される力は、器具挿入力及び挿入角度に少なくとも部分的に又は全面的に依存し得るが、そのような力は、器具が屈曲すること及び／又は患者が動いてしまうことにつながり得る。

別の例として、器具１６００を、骨１６０４に対してある角度で、又は骨１６０４に対して垂直のいずれかでガイドチューブを通して挿入することにより、器具１６００がガイドチューブ内に完全に入ってしまうか、又は器具１６００のハンドルが底に着いてしまう深さ又は点に器具１６００が到達する（すなわち、器具１６００のハンドルが、ガイドチューブの上部入口に完全に当接している、すなわち、その時点では、チューブが長手方向に前進されない限り、ツールが最早それ以上は挿入され得ない）という結果となり得る。外科医が、器具１６００が底に着いた後に更に追加の下向きの力を加えるという場合には、その力は、ガイドチューブによって吸収される。骨１６０４の更なる嵌入のために、この力が器具１６００に伝達されるということはない。この例は、いくつかの意図しない結果をもたらし得る。１つの意図しない結果は、器具１６００が底に着いていることを外科医が認識しない場合に、ねじ又はタップが前方に移動することができないにもかかわらず、ねじ回し又はタップを回転させることによって、追加的な力によって患者骨のねじ穴が損傷してしまう又はねじ山を剥ぎ取ってしまい得るということであり得る。別の意図しない結果は、外科医が、外科医が前進させようと試みている器具又はツールが、所望のとおりの又は期待したような貫入を達成しないということであり得る。

前述のように、ロボットシステム３００は、エンドエフェクタ３１０上に配設されたロードセル（ロボットアームの多軸運動を制御する）を含み得る。ガイドチューブ及び／又はエンドエフェクタに取り付けられた多軸ロードセルを使用して、上述した横方向の偏向力／トルクと、長手方向の底を突く力／トルクを、外科手術中にリアルタイムで定量化することができる。本開示と一致したロボットシステム３００は、ロボットのガイドチューブ上の多軸ロードセルによって監視される力及びモーメントを使用して、外科医に具体的なフィードバックを提供して、器具又はツールが不正確に、不完全に、又は不十分に挿入されるのを防止する助けとすることができる。

図１４は、本開示と一致するロボットアーム１７００の例示的な一実施形態を示す。ロボットアーム１７００は、エンドエフェクタ１７０２、ガイドチューブ１７０４、及びエンドエフェクタ１７０２に取り付けられたブレスレット１７０６を含み得る。ブレスレット１７０６は、１つ以上の多軸ロードセル１７０８を更に含み得る。

ブレスレット１７０６を介してエンドエフェクタ１７０２に取り付けられた多軸ロードセル１７０８は、ガイドチューブの軸線（例えば、ガイドチューブ１７０４の長手方向軸線）に沿った、その軸線の周りの、そしてその軸線を横切ったトルク及び力の測定を提供することが可能であり得る。多軸ロードセル１７０８は、無視できる量だけ弾性変形しながら力及びトルクを正確に測定することができるように、適切に配向された剛性内部部材を横切って適用されるひずみゲージを含み得る。

多軸ロードセル１７０８は、ガイドチューブ１７０４に印加される力及びモーメントがロードセル１７０８のうちの１つ以上によって検出され得るように、エンドエフェクタ１７０２及びガイドチューブ１７０４を支持することができる。図１４に示すように、１つ以上のロードセル１７０８によって感知された力及びモーメントの方向は、Ｘ、Ｙ、及びＺとラベル付けされた矢印並びに矢印Ｍｘ、Ｍｙ、及びＭｚで示されている。

外科医が、ガイドチューブ１７０４を通して器具１６００（例えば、ドリル）を挿入し、器具１６００を平坦な表面に垂直な位置で骨１６０４に貫入させる場合、外科医によって加えられる力の大部分は、ドリルビットの軸線を下る長手方向の力として、ドリルに伝達され得る。横方向の力（図１４に示すＸ方向又はＹ方向の力）又はガイドチューブの軸線を横切るトルク（図１４に示すトルクＭｘ又はＭｙ）は比較的小さいと予想され、ガイドチューブ１７０４に加えられる長手方向の力（例えば、図１４に示されるＺ方向の力）は、比較的小さいと予想される場合があり得る。

最後の例を続けると、ツールは、ガイドチューブ１７０４内で自由に回転するはずであるので、外科医がツールにトルクを加えると、そのトルクのうちの比較的小さな部分（図１４のＭｚとして示される）が、ロードセルに伝達されるはずである。外科医は、適用された力を正しく位置揃えできない場合もあり得るが、その場合には、堅固に保持されたガイドチューブ１７０４が、ツールの横方向への移動を防ぐように作用し得る。この横方向の力は、適度な横方向（Ｘ方向、Ｙ方向、又は組み合わせたＸＹ方向）の力として、多軸ロードセル１７０８のうちの１つ以上によって監視され得る。

先端部１６０２をスカイビングさせるような急な角度で、器具１６００（例えば、ドリル又はツール）が骨１６０４に衝突するという条件の下で器具１６００が挿入されるという場合には、１つ以上の多軸ロードセル１７０８によって検出された力は、ある特定の予測可能な様式で変化し得る。例えば、ガイドチューブ１７０４を横切るモーメント（図１４に示すＭｘ又はＭｙ）は増加し、ガイドチューブ１７０４に対して横方向の力（図１４のＸ方向又はＹ方向の力）は増加し得る。この増加したモーメントのＸ－Ｙ配向は、図１３に示される骨１６０４の傾斜面の方向に対して垂直であり得る。同様に、力の向きは、図１３に示される骨１６０４の下向きの傾斜面の方向となり、増加したモーメントに対して垂直となるであろう。器具１６００をガイドチューブ１７０４の側面に対して押し付け、わずかに屈曲させる横方向の力により、ガイドチューブ１７０４の下向き（図１４に示されるＺ方向）の力がわずかに増加することが予想され得る。この例では、顕著な増加値は、この曲げモーメント及び横方向の力において見られるはずであるということであり得る。

別の例では、器具１６００（例えば、ドリル又はツール）がガイドチューブ１７０４内で底に着く場合には、外科医が追加の下向きの力を加える際に、いかなる他の検出されたモーメント又は力の実質的な増加を伴わずに、ガイドチューブ１７０４の方向（図１４に示されるＺ方向）における長手方向下向きの力が突然急上昇することが予想され得る。更に、外科医が器具１６００を解放しようとすると、器具１６００はガイドチューブ１７０４と依然として相互作用し得るため、いくらかの残留する下向きの力（Ｚ）が予想され得る。例えば、外科医がロッキング可能ねじ回しを使用してねじを挿入させているが、ねじ回しが底を打ったという場合には、ねじ回しを解放した後、ガイドチューブの頂部に対する張力下にあるねじ回しのハンドルが、下向きの力を残留させるであろう。

ソフトウェアを介してロボットシステムは、力及びモーメントを連続的に監視し、各力及びモーメントが通常の期待される範囲又は閾値内に残っているかどうかをチェックし得る。上記の予想される、望ましくない条件を満たす力／モーメントのパターンに出くわしたときに、ソフトウェアはメッセージを発することで反応することができる。メッセージの例としては、「注意！ツールのスカイビングが発生している場合があります」又は「注意！ツールはその深さ限界に達している場合があります」というものが挙げられ得る。

図１５は、外科手術中に器具のスカイビングの存在を検出するための、例示的な方法１８００を示している。方法１８００は、ステップ１８０２で始まり、ここでは、本明細書で先に論じたように、エンドエフェクタ及びガイドは、外科手術を受けている患者に対して、ある場所に自動的又は手動で配置され得る。ステップ１８０４では、器具又はツール（例えば、器具１６００）が、ロボットシステムのガイドチューブ内に挿入され得る。ステップ１８０６では、器具を患者に挿入し前進させて、外科手術のために患者の標的とする骨に接触させることができる。例えば、前述のように、椎弓根スクリュー用のねじ穴を開けるために、器具を前進させて、標的とする骨に接触させることができる。ステップ１８０８では、ロボットシステムは、例えば、エンドエフェクタ上に配設されたロードセルであって、ロボットシステム上に存在する１つ以上のロードセルによって測定された力及びモーメントを、監視することができる。ステップ１８１０では、監視された力及びモーメントが、外科手術と整合するであろう、予想される力及びモーメントと比較され得る。ステップ１８１２では、監視された力及びモーメントが予想される範囲又は所定の閾値内にある場合には、外科手術がステップ１８１４で継続され、方法１８００は、前述のようにステップ１８１０に続く。監視された力及びモーメントが予想される範囲又は所定の閾値内に入っていない場合には、アラート又は通知が、スカイビングの存在を示すために、ロボットシステムによって提供される。

別の実施形態では、生じるスカイビングのミリメートル数を定量化するための方法及び発生する任意のスカイビングを克服するための方法が提供される。

上述のように、ロボットアームに取り付けられた６軸ロードセルは、ガイドチューブに対し横方向に配向された力を検出するように構成されている。最適な手術では、ガイドチューブに加えられる横方向の力は、一般に最小限であるべきである。一実施形態で検出及び加えられる主な力は、ガイドチューブの軸線に沿っているはずである。横方向の力が発生する実施形態では、これらの力は、外科手術器具を骨に貫入させることのない、骨表面に沿った外科手術器具のスカイビング又は移動を引き起こすか、あるいは、これらの力は、過剰な横方向のスカイビング又は外科手術器具から離れる方向への骨の移動を引き起こす可能性がある。いくつかの実施形態では、横方向の力は、ツールの先端を屈曲させ、外科手術器具シャフト及びガイドチューブの中心軸線から横方向に離れるように偏向させることができる。

一部特定の実施形態では、ロボットアームは、ガイドチューブを、横方向の力の存在下でさえ、不動の位置に保持することができる。横方向の力が骨を押し、剛性を有するガイドチューブから骨を離すにつれて、一実施形態では、発生する骨の移動量は、患者に装着されたＤＲＢ（動的参照ベース）を用いて追跡され得る。ＤＲＢは、反射球体などの追跡マーカのアレイを備え、その追跡マーカの位置は、Ｐｏｌａｒｉｓ Ｓｐｅｃｔｒａ光学追跡システム（Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ，Ｉｎｃ．製）などの追跡システムを用いて追跡される。骨の移動量は監視されるので、どんなずれが起こっても、それはシステムによってユーザに報告され得る。ガイドチューブ位置は自動的にロボットによって調整されるが、その調整は、横方向の力によって引き起こされる追加的移動を相殺することができる。

ここで図１６を参照する。いくつかの実施形態では、横方向の力の結果として、器具の先端が器具の追跡アレイに対して屈曲する場合には、その追跡アレイに対する器具の偏向量が測定され得る。一実施形態では、ひずみゲージを使用して、横方向の力によって引き起こされる器具の先端の偏向を測定することができる。ひずみゲージは、典型的には抵抗ベースのものであり、表面の長さのわずかな増加又は減少を検出するように構成されている。一実施形態では、器具の軸線に沿って平行に配向され、シャフトの互いに反対側にある器具の表面に装着された一対のひずみゲージは、いずれかのひずみゲージに向かう又は離れる方向への偏向を測定することができる。別の一実施形態では、３つ以上のゲージは、所与の長手方向位置で器具の外周の周りに平行に取り付けられ、ひずみゲージが装着されている場所において、器具の外周周りで、長手方向の短縮又は伸張の大きさの推定値を提供するように構成され得る。

図１６は、矢印によって示される横方向の力に起因する、器具２０００の横方向の偏向を誇張して示す。器具２０００の、互いに対向する側面に取り付けられたひずみゲージ２００２は、力が測定される側の器具２０００の伸張を測定し、力とは反対側の器具２０００の短縮を測定する。器具２０００又はガイドチューブが偏向される場合には、シャフトが偏向されて向かう側は、その長さが減少し、シャフトの上記とは反対側はその長さが増加する。器具又はガイドチューブのシャフトを構成するシリンダの偏向は、加えられた横方向の力に応じて以下の式を利用する：偏向＝ＦＬ^３／３ＥＩ（ただし式中、Ｆは、先端部に印加された横方向の力であり、Ｌは、先端から支点までの長さ（なお、片持ち式であると想定）であり、Ｅは、例えばコバルトクロム又はステンレススチールなどの、シャフト材料の弾性率であり、Ｉは、慣性モーメントであり、これは、ツールの断面に関連する幾何学的特性である）。一実施形態では、器具がシリンダとして構成されている場合、Ｉ＝πｄ^４／６４（式中、ｄは、シリンダの直径である）である。

器具が均一なシリンダである場合、横方向の力及びガイドチューブ内の器具の接触点を知ることによって、先端の偏向を推定することができる。いくつかの実施形態では、器具が先端に向かって先細になっているか、又はそうではないものの不均一である場合には、器具が先細りを開始し、ガイドチューブと隙なく接触しなくなった点では器具はチューブ内にあるため、チューブ内での正確な接触点は決定するのが困難であり得る。この場合、先端の偏向を較正することは、器具に取り付けられたひずみゲージ、具体的にはひずみゲージの装着点、及びガイドチューブの内部部分の幾何学的形状に基づいて行われる。次いで、このデータを使用して、器具２０００の推定された偏向を計算する。

先端の偏向を較正するための別の実施形態では、器具のシャフトの周りに装着されたひずみゲージのセットからのひずみ測定値が、ニューラルネットワークと共に使用され得る。ニューラルネットワークは、ノードの応答のパターン（この場合、ひずみゲージのアレイからの出力）が入力として使用されて、異なるセットの入力に対して出力が十分に示差的である場合に、十分に定義された出力（この場合、横方向の偏向）を生成する数学的方法である。いくつかの実施形態では、器具偏向測定のためのニューラルネットワークは、光学的追跡、座標測定機（ＣＭＭ）、又は他の手段を使用して偏向を測定しながら、ツール先端部の周りの異なるアプローチ角度で及び異なる接触場所に、既知の試験負荷を横方向で適用することによって使用される。ひとたびこのデータがニューラルネットワークの一部となると、ひずみゲージの出力がニューラルネットワークコンピュータモデルに連続的に供給され、偏向データがストリーミング出力され、システムによって表示され得る。

別の一実施形態では、ニューラルネットワーク又は物理モデリングは、図１７に示されるように、２つのゾーンでの器具２００４及びガイドチューブ２００６の相互作用からのデータを適用することによって、使用され得る。第１のゾーンでは、先細の器具の２００４は、ガイドチューブ２００６内で終端しており、そのため、偏向のための応力中心間距離は、力を加える点から器具の最大直径がガイドチューブに接触する点までとなる。応力中心間距離は、器具２００４がこのゾーンに留まる限り、負荷が加えられる固定点に固定されたままである。第２のゾーンでは、先細の器具の２００４は、ガイドチューブ２００６の外側で終端しており、偏向のための応力中心間距離は、力を加える点から器具２００４がガイドチューブ２００６を出る点までとなる。応力中心間距離は、器具２００４がより突出するにつれて連続的に増加する。ガイドチューブの追跡アレイの場所に対する器具の追跡アレイの場所に基づいて、システムは、現在のゾーンを追跡し、ツールのニューラルネットワークモデル又は物理モデルを適切に解釈して、先端の力及び変位を計算することができる。

一実施形態では、ロボットアームに取り付けられた６軸ロードセルは、器具の先端と骨との相互作用によって引き起こされる力及びモーメントを評価することができる。スカイビングが器具に印加される横方向の力に起因して生じる場合には、以下の方法を利用して、起こり得るいかなるスカイビングも克服又は軽減することができる。一実施形態では、器具の先端は、鋭利であり、軸線方向の切断能力並びに側方向の切断能力で骨に貫入することができるように構成され得る。横方向の力が加えられたときの器具の鋭利な先端は、図１８に示されるように、ドリルに対して４５°の角度が付けられた表面に穴を開けることと同様であり得る。具体的には、図１８は、軸線方向の切断能力を有する器具２００８と、軸線方向及び横方向の側方向の切断能力を有する器具２０１０とが、傾斜面に衝突しているのを示す。

好ましい実施形態では、鋭利な先端を有する器具は、スカイビング前に骨の表面を切り裂く。場合によっては、器具がより大きな切断面を備えている場合でも、スカイビングが依然として発生し得る。これらの場合、一実施形態では、反復嵌入動作を使用して、骨を移動させることなく、骨の表面を通して器具を挿入することができる。このタッピング動作は、外科医によって適用されてもよく、図１９に示されるように、器具が骨の表面を通って前進したときに、貫入に対する触覚的応答が信号伝達される。図１９に示すような段階的動作又はタッピング動作は、スカイビングが発生するのを防ぐ。

ここで図２０Ａ～図２０Ｅを参照すると、同図には、５つの自由度を有するロボット外科手術システムが示されている。ロボット外科手術システムのベースからエンドエフェクタに至る、これらの５つの自由度には、（１）垂直方向の直線運動（図２０Ａ）、（２）水平面内での肩回転（図２０Ｂ）、（３）水平面内での肘回転（図２０Ｃ）、（４）前腕のロール（図２０Ｄ）、及び（５）エンドエフェクタのピッチ（図２０Ｅ）が含まれる。これら５つの自由度があれば、ロボット外科手術システムを動かして、体内へのねじ配置及び体内への他の直線軌道の確保を容易にするある範囲の位置及び角度にガイドチューブを保持し得る。

これらの５つの自由度により、エンドエフェクタのガイドチューブを軌道ベクトルと位置揃えさせるのが可能になる。しかしながら、軌道ベクトルの周りのガイドチューブの回転位置は、独立的に選択はされず、これらの他の関節部の位置に依存する。この構成で５つの自由度を使用する場合、患者に近づく直線に沿ったロボットの移動は、通常、その移動中に、その移動に関連した、ガイドチューブの多少の残留回転を引き起こす（図２１Ａ～図２１Ｃ）。

図２１Ａ～図２１Ｃは、ロボットアーム２１０２、ベース２１０４、及びガイドチューブ２１０６を含む、ロボット外科手術システム２１００を示す。図２１Ａ～図２１Ｃはまとまって、直線に沿ったロボットアーム２１０２の移動を示す。図２０Ａ～図２０Ｅに示される関節の協調的な動きが発生すると、ガイドチューブ２１０６を線に沿って中心に保つような制約動作が発生し、線及び空間に対するガイドチューブ２１０６の回転位置が変化する。

本開示の原理によれば、ガイドチューブの回転配向を近位の関節部に対して固定し、ガイドチューブの回転位置をこれらの他の関節の運動学によって決定することを可能にする代わりに、追加の自由度をロボットシステムに追加することができる。この追加の自由度は、ガイドチューブの中心軸線を中心とした自動回転を含む。図２３を参照すると、モータ付きエンドエフェクタ２３０２、モータ２３０４、回転軸受２３０６、及びガイドチューブ２３０８を使用して、自動回転を提供することができる。自動回転は、回転軸受２３０６を用いてガイドチューブ２３０８をエンドエフェクタ２３０２に接続し、サーボモータなどの回転モータ２３０２を用いてガイドチューブ２３０８の回転位置を移動させることによって達成され得る。ガイドチューブ２３０８の回転運動を駆動させるための位置は、以下でより詳細に論じられるように、様々なタイプのセンサからのフィードバック、又はソフトウェアを介したユーザ入力に基づき得る。

軌道線を下方に移動しながら所望の配向を維持することにはいくつかの利点がある。例えば、椎体間ケージなどのいくつかのタイプの外科用インプラントは、特定の配向で挿入される。挿入軌道に沿ったすべての点でインプラントの配向を設定し、維持するシステムは、インプラントが適切な最終配向で挿入され、挿入中に組織又は他の器具に結合したり又はそれらをつかんだりすることがないことを確実にするであろう。

直線以外の経路に沿って移動する間に特定の配向が必要とされる状況の別の例は、外科医が特定の配向で組織を追跡又は切断することを望む場合である。例えば、図２２Ａ～図２２Ｆに示されるように、軟組織を外科用メスで切断する、又は骨を骨用メスで切断する際に、フラットブレード２２０２がガイドチューブの軸線に対して垂直である場合には、フラットカットブレードをある特定のあり方で（すなわち、切断線に対して接線をなすように）保持することが望ましい場合があるであろう。

ガイドチューブ内でブレード２２０２を回転させるという追加の自由度によって、ロボットアームが意図された切断の経路を通って移動するにつれて、必要に応じてブレード２２０２を自動的に保持することが可能になるであろう。図に示されるように、図２２Ａ及び図２２Ｄは、第１の位置におけるブレード２２０２の配向を示す。図２２Ｂ及び図２２Ｅは、ブレード２２０２が第２の位置に移動するのを示し、図２２Ｃ及び２２Ｆは、ブレード２２０２が、経路に沿って第３の位置に移動するのを示す。

上記のように、ロボットシステムは、いくつかの方法によってこの追加の自由度を制御するように動作することができるであろう。ソフトウェアによる入力によって、ロボットベースに対して、特定の位置、例えば０°、９０°、１８０°、２７０°、又は０～３６０°の任意の値で、ガイドチューブの回転を固定することができる。順運動学を通じて、ロボットベースに対するガイドチューブの実際の位置は、関節位置の任意のセットに対して決定され得る。次いでガイドチューブの回転配向を指定の値で固定されたままとするように、ガイドチューブの回転位置を調整する。あるいは、計画された軌道に対して必要な場所にガイドチューブが位置決めされたときに外科用インプラントを正しく配向させる必要がある回転位置は、手動で又は自動的にソフトウェアで指定され得る。逆運動学を通じて、ガイドチューブがその位置にあることになる回転位置を予測することができる。次いで、ひとたびロボットアームが所定の位置に移動すると、この標的回転位置が達成されるように、ガイドチューブの回転位置を調整することができる。

追加の回転自由度はまた、上述したような反射球体の光学追跡などの追跡からのフィードバックを使用することもできるであろう。追跡システムがＣＴスキャンなどの患者の解剖学的構造に登録された場合には、患者及びロボットの追跡を通じて、ソフトウェアは、埋込みのための必要に応じて、インプラントが回転可能に配向されることを確実にするために、ロボットの任意の位置での解剖学的構造に対するガイドチューブの必要な回転位置を自動的に決定することができる。例えば、２つの椎体間の椎間板腔に挿入される椎体間インプラントの場合、配置角度は図面から、又は医療画像から椎間板隙の配向を自動的に検出することで決定してもよい。この位置は、患者上の基準アレイに対して設定され、ガイドチューブの回転は、アームの位置に関係なく、この角度を固定するように自動的に更新されて、インプラントが正しい配向で挿入されることを確実にする。

追跡システムからのフィードバックはまた、ガイドチューブ上に配置された可視光パターンのカメラベースの追跡を使用し得る。追跡可能なパターンは、例えば、ガイドチューブ上にラインをエッチング又は印刷することによって、ガイドチューブに人工的に追加されてもよく、あるいはパターンが、ガイドチューブそのものか又はガイドチューブからの延長部の自然な縁部であり得る。ガイドチューブの配向及び場所の追跡された位置フィードバックを使用して、システムは、ガイドチューブの回転位置を所望の回転に駆動することができるであろう。例えば、システムは、椎体間インプラントを挿入するために、ガイドチューブが椎間板隙と適切に位置揃えされることを確実にすることができるであろう。

図２４を参照すると、エンドエフェクタ２３０２は、慣性センサ２４０２を含み得る。患者又は空間に対してガイドチューブの固定回転配向を維持するための別のフィードバック方法は、慣性又はティルトセンサ２４０２を使用することである。そのようなセンサは、重力方向を検出し、重力ベクトルに対する特定の位置揃えを維持するようにガイドチューブを配向するためにロボットシステムを方向付けることができるであろう。例えば、ガイドチューブの中心線から半径方向にオフセットされている慣性センサは、センサを通るガイドチューブの中心線からの半径方向ベクトルが回転自由度において可能な限り重力線と近接して配向される位置へと常に回転するようにガイドチューブを向けるフィードバックを提供することができる。すなわち、ガイドチューブの回転の０～３６０°の範囲に、重力ベクトルと、慣性センサを通るガイドチューブ中心からの半径方向ベクトルとの間の角度差が最小である解決策が存在する。

しかしながら、外科的目的のための身体内へのほとんどの直線軌道は、何らかの角度を有し、この方法は、ベースに対してより近い関節位置によって発生する通常の回転にもかかわらず、直線に沿って移動しながら、ガイドチューブの回転配向をロボットベースに対して固定された状態に維持するための簡単な方法であろう。

図２５を参照すると、エンドエフェクタ２３０２は、力センサ２５０２を含み得る。ガイドチューブの回転配向を設定するための別のフィードバック方法は、力センサ２５０２である。そのようなセンサは、ロボットが、例えば切断などの、ガイドチューブの中心軸線に垂直な何らかの動作を実行するために使用される状況において効果的であろう。ガイドチューブに埋め込まれた力センサからの、感知された力の大きさ及び方向を使用して、ガイドチューブの回転配向を変更して、手術を容易にすることができる。例えば、ロボットが横方向に移動して組織を切断する又は組織を押し通すと、力の方向が検知され得るが、ロボットシステムは、最も鋭い縁が最も高い力の方向に向かうように、ガイドチューブを回転させる指示を送信することができる。

本発明のいくつかの実施形態が前述の明細書に開示されてきたが、前述の説明及び関連する図面に提示される教示の利点を有する本発明が属する、本発明の多くの修正及び他の実施形態が思い浮かぶことが理解される。したがって、本発明は、上記の特定の実施形態に限定されず、多くの修正及び他の実施形態が、添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されるということが理解される。更に、具体的な用語が、本明細書において、及び後続の特許請求の範囲において使用されるが、それらは、一般的かつ説明的な意味でのみ使用され、記載された本発明、又は以下の特許請求の範囲を限定する目的で使用されているのではない。

本発明が特定の実施形態及び実施例に関連して上記で説明されてきたが、本発明は必ずしもそのように限定されるものではなく、多数の他の実施形態、実施例、使用、修正、及び実施形態からの逸脱は、本明細書に添付の特許請求の範囲によって包含されることが意図されるということが当業者には理解されよう。本明細書で引用される各特許及び刊行物の開示全体は、そのような各特許又は刊行物が参照により本明細書に個別に組み込まれたかのように、参照により組み込まれる。本発明の様々な特徴及び利点は、以下の特許請求の範囲に記載されている。

Claims (9)

1. 外科手術ロボットシステムであって、
   ロボットベースと、
   前記ロボットベースに接続され、前記ロボットベースと電子通信するロボットアームと、
   前記ロボットアームに接続され、前記ロボットベースと電子通信するエンドエフェクタと、を備え、前記エンドエフェクタが、ガイドチューブを備え、かつ外科手術器具を受容するように構成され、
   前記ロボットアーム及び前記エンドエフェクタが、軌道に沿って手術部位に移動されるのにつれて、前記ガイドチューブが、前記ガイドチューブの中心軸線を中心として自動的に回転するように構成されている、
   前記ガイドチューブの回転が、前記ロボットベースに対して一定の角度をなし、前記ロボットベースに対して前記一定の角度を保持するように自動的に回転する、外科手術ロボットシステム。
2. 前記ガイドチューブが、回転軸受を介して前記エンドエフェクタに接続されている、請求項１に記載の外科手術ロボットシステム。
3. 前記エンドエフェクタが、前記ガイドチューブを自動的に回転させるためのサーボモータを含む、請求項２に記載の外科手術ロボットシステム。
4. 前記エンドエフェクタの位置を追跡するための追跡システムを更に備える、請求項１に記載の外科手術ロボットシステム。
5. 前記追跡システムが、患者の解剖学的構造に登録されるように構成され、前記ガイドチューブが、前記患者の解剖学的構造に対して固定された位置まで自動的に回転するように構成されている、請求項４に記載の外科手術ロボットシステム。
6. 慣性センサを更に備え、前記ガイドチューブが、前記慣性センサからのフィードバックに基づいて、患者に対する固定された位置まで自動的に回転するように構成されている、請求項１に記載の外科手術ロボットシステム。
7. 前記慣性センサが、前記ガイドチューブの前記中心軸線から半径方向にオフセットされている、請求項６に記載の外科手術ロボットシステム。
8. 前記ガイドチューブを回転させるためのフィードバックを提供するように構成された力センサを更に備える、請求項７に記載の外科手術ロボットシステム。
9. 前記力センサが、前記ガイドチューブ内に埋め込まれている、請求項８に記載の外科手術ロボットシステム。

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