JPH11188045A - ツール較正装置及び方法 - Google Patents

ツール較正装置及び方法

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JPH11188045A
JPH11188045A JP10273884A JP27388498A JPH11188045A JP H11188045 A JPH11188045 A JP H11188045A JP 10273884 A JP10273884 A JP 10273884A JP 27388498 A JP27388498 A JP 27388498A JP H11188045 A JPH11188045 A JP H11188045A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ツールのツールヘッドを先端の位置と直径が
異なるものに交換しても、前記先端の位置と前記直径を
適切かつ迅速に較正して、ツールの先端をモニタに表示
できるツール較正器を提供する。 【解決手段】 ツール較正器は、滑動可能に係合し、ツ
ール（３５）を所望位置に確保するように形成された２
つの部分（７０ａ，７０ｂ）を含む。ツールは、交互に
配置された一連のＶ形溝（８６ａ，８６ｂ，８８ａ，８
８ｂ，９２ｂ）によって前記２つの部分の各々に固定さ
れる。前記２つの部分は、ツールヘッドの直径と公知の
幾何学的関係を有する。ツール較正器は、手術室や他の
場所でツール較正器の位置を通信するための少なくとも
一つの位置信号出力装置（１００）を含む。ツール先端
の位置及び方向は、前記二つの部分の各々の位置に対し
ツール較正器内に固定されたツールの位置を比較するこ
とにより決定される。さらに、２つの部分の各々の位置
に基づいて、ツールヘッドの直径が算出される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は顕微鏡較正に関し、
特に、神経外科、神経生検、ＣＴテーブル針身体生体組
織検査、胸部生体組織検査、内視鏡処置、整形外科術な
どの種々の医学的処置に関連する顕微鏡較正に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】脳、脊
椎、および他の身体部分の三次元診断画像は、ＣＴスキ
ャナや磁気共鳴画像装置などのような画像診断装置によ
り生成される。これらの画像診断物理療法は、多くの場
合、構造的な詳細を１ミリメートル以上の分解能で与え
る。画像管理外科装置は、手術前計画の際及び患者の身
体内の関心領域を精密に探知する際に、外科医を補佐す
るためのデータを利用するために開発された。手術領域
において、画像管理外科装置は、その患者の画像に対す
る正しい位置にある外科的ツールの位置と向きを表示す
るのに使用される。画像管理外科装置の一例は、ここで
引用することにより、組み込まれたカルファス（Kalfa
s）他による日本国特許出願０８０５２１１５号（特開
平８−５２１１５号）の定位手術棒とツールガイドであ
る。
【０００３】３つ、場合によっては、４つの画像データ
の画像が、外科医に対して視覚可能にモニター上に表示
される。これらの画像は典型的に患者の軸性図、矢状図
及び冠状図を含んでいる。４番目の斜位像が表示される
こともあり、ツールの先端と直交する平面の画像データ
を提供する。ツールの先端の位置、ツールの軌跡及びツ
ールヘッドの直径はこれらの１つ又はそれ以上の画像上
に表示される。また、ツールの先端と所望位置の間の代
数的な距離も、数値的に、モニター上に表示されること
がある。画像管理外科処置の性質上、ツールの先端の位
置、ツールの軌跡及びツールヘッドの直径を高精度で追
跡できることが必要で、多くの場合、１ｍｍ未満の精度
での較正が要求される。ツールは、追跡装置又はロカラ
イザを使って、手術室又は他の領域内で追跡される。追
跡装置は、間隔を隔てて配置され、ツールに一定の関係
で連結された赤外線エミッタや反射鏡などの３以上の位
置信号出力装置により、ツールを追跡する。位置信号出
力装置は、追跡装置があるツールを他のツールから区別
することができるようにするために、各ツールごとに独
自のパターンで位置決めされる。言い換えれば、独自の
パターンはツールを特徴付けると言うことができる。
【０００４】追跡装置に接続された中央コンピュータ
は、各ツールの先端と軌跡が、ツールの位置信号出力装
置に対して、どこにあるかに関する情報及びツールヘッ
ドの直径に関する情報を用いて、予めプログラムされ
る。例えば、３つの赤外線エミッタを有する追跡プロー
ブについて、中央コンピュータは、３個の赤外線エミッ
タによって決定された平面上の選択された点との関係
で、プローブの先端がどこにあるかについての情報を保
持する。この情報に基づいて、ツールの先端の精密な位
置が中央コンピュータにより計算され、モニターの一つ
に表示される。ドリル、プローブ、内視鏡などの種々の
外科ツールでは、ツールヘッドの直径と同じくらい先端
の位置に影響を与えるツールに交換することは、外科医
又は他の人にとって、しばしば有益である。例えば、外
科ドリルでは、異なった外科処置に対処するために、外
科医がツール内に位置したドリルビットの大きさと長さ
を変えることができるということは、しばしば有用であ
る。さらに、プローブに関しては、患者の異なる部分に
届くように、プローブハンドル上の軸の長さと直径を変
えることがしばしば望まれる。
【０００５】残念なことに、ツール位置信号出力装置に
対する各ツールの先端の位置が、各ツールに関連付けら
れたメモリに予めプログラムされ、ツールヘッドの直径
の情報とともに、中央コンピュータに伝達されるので、
ツールの先端の位置とツールヘッドの直径に影響を与え
るツールの変更を容易に行うことができない。変更を行
なう場合には、オペレータはツールの先端とツールの位
置信号出力装置との間の新たな関係を決定し、この情報
を中央コンピュータに入力することが必要である。さら
に、ツールヘッドの直径に関連する新しい情報もまた、
入力することが必要になる場合がある。この手順は時間
がかかり、しかも、やっかいである。新しい情報が中央
コンピュータに入力されなければ、ツールの先端は適切
に追跡されず、モニターにも表示されないことになる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明に従って、外科ツ
ールの特性を決定するためのツールが提供される。ツー
ルは、外科ツールの先端をツールの所望の位置に位置決
めする手段と、この所望の位置に関して固定された位置
信号出力装置とを含んでいる。本発明の他の実施形態に
従って、外科ツールの特性を決定するための装置が提供
される。この装置は、ツールと、信号出力装置を追跡す
る追跡手段と、追跡手段によって追跡された情報を処理
する処理手段とを含んでいる。ツールは、外科ツールの
先端を所望の位置に固定する手段と、その所望の位置に
関して固定された信号出力装置とを含んでいる。本発明
のさらに他の実施形態に従って、外科ツールの特性を決
定するためのツールが提供される。ツールは第１の部
分、第１の部分に対して移動可能な第２の部分、第１の
部分に対して固定された少なくとも一つの位置信号出力
装置及び第２の部分に対して固定された少なくとも一つ
の位置信号出力装置を含む。
【０００７】本発明のさらに他の実施形態に従って、画
像管理外科装置で使用する外科ツールの特性を決定する
方法が提供される。この方法は、外科ツールの先端を位
置信号出力装置に対して固定された所望の位置に位置決
めする段階、前記所望の位置に対して適所に外科ツール
を固定する段階及び画像管理外科装置の構成要素によっ
て位置信号出力装置の位置を検出する段階とを含んでい
る。本発明のさらに他の実施形態に従って、画像管理外
科装置で使用する外科ツールの特性を決定する方法が提
供される。この方法は、第１の部分に対して外科ツール
のツールヘッドを位置決めする段階、第２の部分を使っ
て前記第１の部分に対してツールヘッドを所望の位置に
固定する段階を含み、前記第１の部分と前記第２の部分
がスライド可能に互いに係合しており、さらに、前記第
１の位置を検出する段階及び第２の位置を検出する段階
を含んでいる。
【０００８】ツール較正器は、スライド可能に係合し、
ツールを所望の位置に固定するように形づくられた二つ
の可動ブロックを含んでいる。ツールは、千鳥状に配置
された一連のＶ形溝によって、ツールのツールヘッドの
直径と既知の幾何学的関係を有する二つの可動ブロック
の各々の上に固定される。ツール較正器は、さらに、手
術室又はその他の領域内で、ツール較正器の位置を伝達
する少なくとも一つの位置信号出力装置を含んでいる。
ツールの先端の位置及び向きは、ツール較正器内に固定
されたツールの位置を二つの可動ブロックの各々の位置
と比較することにより、決定される。さらに、２個の可
動ブロックの各々の位置に基づいて、ツールヘッドの直
径が計算される。好ましい実施形態においては、ツール
較正器は、ツール先端の位置、前記先端が向いている方
向及びツールヘッドの直径を同時に較正することができ
る。ツールの先端が向いている方向は、ツールを固定し
ている二つの可動ブロックの各々に連結された位置信号
出力装置の間の関係を、ツールに連結された位置信号出
力装置と比較することによって決定される。ツールの先
端の位置は、ツール較正器に連結された位置信号出力装
置の位置とツールに連結された位置信号出力装置の位置
とを比較することによって決定される。ツールの直径
は、二つの可動ブロックのＶ形溝とツールヘッドの直径
との間の既知の幾何学的関係によって決定される。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、同様の要素に対しては同様
の参照数字が使用された図面を参照して、本発明の好ま
しい実施の形態につき説明を加える。図１ａを参照する
と、患者（図示せず）は、手術台の上又は他の対象物支
持体１０に受け入れられ、一般的に符号ｌ４で示される
画像管理外科装置を有する手術室又は外科室１２内で適
切に位置決めされる。ヘッドクランプ１６のような締着
手段は、問題の患者や対象物の一部をしっかりと位置決
めする。赤外線ロカライザ（ｌｏｃａｌｉｓｅｒ）のよ
うな位置探査装置２０は、少なくとも１つの外科ツール
の位置と方向を決定する。ツールとは、位置探査装置２
０によって追跡される外科手術室内のあらゆる器具及び
装置を指している。
【００１０】好ましい実施形態においては、位置探査装
置２０は、カナダ国オンタリオ州ワーテルローのノザン
デジタル社によって供給されるポラリス（登録商標）ロ
カライザ装置のような、赤外線ロカライザである。ロカ
ライザ装置は、センサヘッド２４に間隔を隔てて取付け
られた２個の赤外線カメラ２２を含んでいる。センサヘ
ッド２４の方は、手術室１２内の固定位置、たとえば、
床に置かれているスタンド２６に取り付けられる。カメ
ラ２２は、天井もしくは壁または対象物支持具１０など
の手術室ｌ２の他の既知の位置に取り付けられてもよ
い。超音波、光学的、ＲＦ、または電磁ロカライザのよ
うな他の位置探査装置を使用してもよいことは当然であ
る。また、外科用手術ツールは位置探査装置として機能
する多関節アームに取り付けられてもよい。
【００１１】外科プローブ、ドリル又は内視鏡などの外
科ツール３５が、ハンドル部分３７及び交換可能なツー
ルヘッド３９を有するように、図示されている。ツール
３５上の位置は、位置ツール基準系に対して画定され
る。例えば、ツール基準系は、原点がツール３５のハン
ドル上のある点に存するように画定され、ツール３５の
指向軸線と実質的に共線の軸線を有する。ツール３５
は、位置信号出力装置４３として総称される赤外線又は
（超）音波エミッタ若しくは反射鏡などの少なくとも三
つの位置信号出力装置４３ａ，４３ｂ，４３ｃを含み、
ツール基準系と既知の関係を有する。位置信号出力装置
４３の一つとカメラ２２の間の通視線が遮られる場合
に、冗長性のある表示を提供し、あるいは、ツール３５
の位置の正確な決定をするために、さらに、位置信号出
力装置４３を用いてもよい。カメラ２２によって検出さ
れた信号に基づいて、ツール３５の位置と向きが、従っ
てカメラ２２に関するツール基準系が、従って手術室基
準系が決定される。
【００１２】ツールに位置信号出力装置４３が予め設け
られていない場合、或いは、既存の位置信号出力装置４
３が位置探査装置２０に接続するツール３５に対して、
適切に位置していない場合には、取り外し可能な基準系
ターゲットがツール３５に取り付けられる。例えば、図
１ｂに示すように、ドリル４４はドリルヘッド４５とド
リルヘッド４５を固定するハンドル部分４６とを含んで
いる。ドリル４４はハンドル部分４６に直接取り付けら
れた位置信号出力装置４３を含んでいない。取り外し可
能な基準系ターゲット４７はドリル４４のハンドル部分
４６に取り付けられたものとして示されている。より詳
細には、基準系ターゲット４７は、ドリル４４のハンド
ル部分４６の対応するねじ孔４９に平頭ねじ４８を締め
付けることにより、ドリル４４のハンドル部分４６に強
固に取り付けられる。また、基準系ターゲット４７はク
ランプ法又は他の方法によって取り付けられてもよい。
４つの位置信号出力装置５１が十字形ターゲット５３上
に設けられて、ドリル４４に位置探査装置２０によって
探知されることのできる基準系を与えている。４つの位
置信号出力装置５１が図示されているが、３つ又それ以
上の位置信号出力装置を使用してもよい。手術室１２の
位置探査装置２０の形式によっては、位置信号出力装置
は、例えば、赤外線エミッタ、（超）音波エミッタ、Ｒ
Ｆエミッタ又は反射鏡であってよい。ターゲット５３
は、回転され、かつ、ロック可能な継手５４ａ，５４
ｂ，５４ｃにより、ツール４４に対して所望の位置で固
定されてもよい。取り外し可能な基準系ターゲット４７
は、いかなる装置も画像管理外科装置内で位置探査装置
２０によって追跡されるようにすることを可能にしてい
ることがわかるであろう。例えば、基準系ターゲット４
７は共通の日常ツール、手術器具又はいかなる他の物に
も取り付けることができる。さらに、その上に基準系タ
ーゲット４７が取り付けられる対象物が、それが手術室
内のモニター上に示された画像に対して、追跡をするこ
とが望ましいツールヘッド及び／又はツールヘッドの先
端を含む場合、以下に詳細に説明するように、本発明に
よれば、そのような特性を正確かつ迅速に決定し、中央
コンピュータ４２に格納することができる。
【００１３】ツール基準系に対してツール３５の先端４
０の位置を適切に追跡するために、ツール基準系上の選
択点とツール３５の先端４０との間のオフセットに関す
る情報を、コンピュータシステム４２に予めプログラム
するか、或いは、外科ツール較正器５０を介して較正し
てもよい。以下、ツール較正器５０に関する構造と作用
をより詳細に述べる。ツール３５の先端４０と患者の解
剖学的構造との間の適切な関係を確実に相関させるため
に、ツール３５の先端４０の精密な位置を追跡すること
が必要である。より詳細には、画像管理外科処置におい
て、ツール３５の先端４０の追跡された位置と軌跡とが
は患者の画像に重ねられ、モニター５２を介して、ある
いは、他の方法で、外科医や他の人に表示されることが
しばしばある。外科医は、こうして表示された結果を信
じて、処置を完了させるための助けとする。
【００１４】引き続き、図１ａを参照し、さらに、図２
を参照すると、オペレータコンソール５５はコンピュー
タシステム４２を収容する。或いは、コンピュータシス
テム４２を遠方に位置させ、ケーブル接続によってオペ
レータコンソール５５と接続することもできる。コンピ
ュータシステム４２は処理装置５７を含み、データメモ
リ５９は処理装置５７に接続される。データメモリ５９
は患者又は対象物の三次元画像を示すデータを格納す
る。データを三次元長方形格子として視覚化することが
できるので、従来の手法を用いて、データの選択可能な
直交面及び他の斜めの面を、データメモリ５９から容易
に引き出すことができる。そのようなデータは、たとえ
ば、外科医が見るのに便利なように、手術室１２でオー
バモニター５２に表示することができる。
【００１５】外科ツール３５、ツール較正器５０及び他
のツール６０は、ツールインタフェイスユニット６２を
介して、コンピュータシステム４２に接続される。ツー
ルインタフェイスユニット６２は、さらに処理をするた
めに、コンピュータシステム４２に情報を伝達するのに
先立って、これら装置間での座標変換を行う機能を果た
す。外科ツール３５についての上述したのと同様に、ツ
ール較正器５０を含む手術室１２のツールの各々は、ツ
ールインタフェイスユニット６２によって手術室基準系
に対して、方向付けされた位置基準系によって画定され
てもよい。カメラ２２によって探知され、ツールインタ
フェイスユニット５５に伝達された情報に基づいて、患
者とツールと手術室基準系の間の変換を容易に計算する
ことができる。本技術分野においてよく知られているよ
うに、変換されるべき基準系の間のオフセット値ｘ
offset，ｙoffset，ｚoffsetを決定することによって、
変換を実行することができる。二つの基準系の間で平行
移動が必要なときは、これらｘoffset，ｙoffset，ｚ
offsetの値が、基準系の一方の基準に加算または減算さ
れる。次いで、基準系は、原点まわりに角度α，β，γ
で相対的に回転されて、それぞれのｘ、ｙおよびｚ軸線
が一致させられる。
【００１６】今、図３ないし図７を参照すると、好まし
い実施形態のツール較正器５０がより詳細に示されてい
る。ツール較正器５０はスライド可能に協働している二
つのブロック７０ａ，７０ｂを含んでいる。好ましい実
施形態においては、各ブロック７０ａ，７０ｂは、アル
ミニウムで作られているが、これに代えて、他の金属や
プラスチック又は木材を含む他の耐久性のある材料を用
いることもできる。ブロック７０ａは前面７２ａ、上面
７４ａ及び底面７６ａを含んでいる。同様に、ブロック
７０ｂも前面７２ｂ、上面７４ｂ及び底面７６ｂを含ん
でいる。図３及び図４からもっともよく分かるように、
ブロック７０ａ及び７０ｂは、一対の噛合するＶ形舌片
及び溝を介して、スライド可能に係合するように形づく
られている。より詳しくは、ブロック７０ａの上面７４
ａ及びブロック７０ｂの底面７６ｂはそれぞれＶ形舌片
７８ａ，７８ｂを含んでいる。舌片７８ａ，７８ｂは、
それぞれの面７４ａ，７６ｂの全距離を横切って、延び
ていることが示されている。舌片７８ｂと噛合している
噛合溝８０ａは、底面７６ａに近い方のブロック７０ａ
の側に位置している。舌片７８ａと噛合している噛合溝
８０ｂは、上面７４ｂに近いブロック７０ｂの側方に位
置している。各噛合溝８０ａ，８０ｂは、スライド方向
を除いてどの方向にも実質的に動かないように、それぞ
れその舌片７８ｂ，７８ａを受け入れる大きさに形成さ
れている。
【００１７】ツール較正器５０に導入されたツールヘッ
ドを位置決めし、固定し、大きさを決定するために、ブ
ロック７０ａは、交互に配置された指状部分８２ａ及び
８４ａを含み、ブロック７０ｂは交互に配置された指状
部分８２ｂ及び８４ｂを含んでいる。ブロック７０ａ，
７０ｂが図１ａに示すような接近した位置に位置決めさ
れる場合、各指状部分８２ａ，８２ｂ，８４ａ，８４ｂ
は、一方を他方の上に部分的に重ねるように位置決めさ
れる。図３及び図５からもっともよく分かるように、各
指部分８２ａ，８２ｂ，８４ａ，８４ｂは、それぞれ、
Ｖ形溝部分８６ａ，８６ｂ，８８ａ，８８ｂを含んでい
る。さらに、ブロック７０ｂの底部９０ｂはＶ形溝９２
ｂを含んでいる。この実施形態におけるＶ形溝部分８６
ａ，８６ｂ，８８ａ，８８ｂ，９２ｂは、各々９０度の
角度であるが、任意適当な角度を選択することができ
る。さらに、この実施形態の溝部分はＶ形を有するもの
として説明されているが、他の形状又は円形，八角形な
どを含む形状の組み合わせを用いてもよい。また、Ｖ形
という用語は、正確に角部を有する形状を除外するもの
でなく、むしろ、湾曲され、あるいは、それ以外の方法
で形づくられた角部を有する実質的にＶ形の溝を含むこ
とも明らかであろう。
【００１８】図４から最もよく表されているように、ブ
ロック７０ａのＶ形溝部分８６ａ，８８ａ、ブロック７
０ｂのＶ形溝部分８６ｂ，８８ｂ，９２ｂは、それぞ
れ、軸線１１５ａ，１１５ｂを画定する。図４に示すよ
うに、ブロック７０ａに関連する軸線１１５ａは表面９
７ａに実質的に直交し、Ｖ形溝８６ａ，８８ａによって
形成された９０度の角度の角部に一致する。また、ブロ
ック７０ｂに関連する軸線１１５ｂは、ブロック７０ｂ
がブロック７０ａに連結されたときに、表面９７ａに実
質的に直交し、軸線１１５ｂはＶ形溝８６ｂ，８８ｂ，
９２ｂによって形成された９０度の角度の角部に一致す
る。図３及び５からもっともよく分かるように、ブロッ
ク７０ａは較正されるべきツールの先端４０が位置決め
される表面９５ａを含んでいる。さらに詳しくは、較正
されるべきツールの先端は図５に破線で示す表面９５ａ
上の領域９７ａに位置決めされる。較正前は、領域９７
ａにおけるツール３５の先端４０の精密な位置は、ツー
ルヘッド３９の直径Ｄ（図８参照）及びＶ形溝８６ａ，
８６ｂ，８８ａ，８８ｂ，９２ｂに基づいている。
【００１９】カメラ２２によって、ツール較正器５０の
各ブロック７０ａ，７０ｂを追跡するのに便利なよう
に、各ブロック７０ａ，７０ｂは、ブロック７０ａ，７
０ｂの前面７２ａ，７２ｂにそれぞれ位置決めされてい
る位置信号出力装置１００として総称される４つの位置
信号出力装置１００a1, １００a2, １００a3, １００a4
及び１００b1, １００b2, １００b3, １００b4を含んで
いる。好ましい実施形態における位置信号出力装置１０
０は赤外線位置探査装置で使用される赤外線エミッタで
あるが、使用される位置探査装置２０の特性に応じて、
反射鏡、（超）音波エミッタ、ＲＦエミッタまたは他の
装置を使用することができる。位置信号出力装置は、各
ブロック（図４参照）の前面７０ａ，７０ｂの段付の孔
１０２a1,１０２a2, １０２a3, １０２a4及び１０２
b1, １０２b2, １０２b3, １０２b4に固定又は取り付け
られる。この実施形態においてては、各ブロック７０
ａ，７０ｂに配置された４つの位置信号出力装置１００
を示しているが、好ましい実施形態において、ツール較
正器５０の追跡を行うには、そのような位置信号出力装
置の３つのみが各ブロック７０ａ，７０ｂ上に必要であ
ることが理解されるであろう。
【００２０】図３を参照すると、メモリチップ１０４
ａ，１０４ｂがそれぞれ、各ブロック７０ａ，７０ｂ内
に配置されている。メモリチップ１０４ａは、ブロック
７０ａ上に配置された位置信号出力装置１００a のブロ
ック７０ａの位置基準系に関連する選択された点に対す
る位置決めに関する情報を格納している。好ましい実施
形態では、それから位置信号出力装置１００a が計算さ
れる点は、位置信号出力装置１００a1の中心に位置する
点Ａである。同様に、メモリチップ１０４ｂは、ブロッ
ク７０ｂ上に配置された位置信号出力装置１００b のブ
ロック７０ｂの位置基準系に関連する選択された点に対
する位置決めに関する情報を含んでいる。好ましい実施
形態では、それから位置信号出力装置１００b が計算さ
れる点は、位置信号出力装置１００b1の中心に位置する
点Ｂである。
【００２１】今、図６を参照すると、ブロック７０ａに
関連する選択された点Ａに対する軸線１１５ａの位置も
また、メモリ１０４ａに格納され、ツールインタフェイ
スユニット６２に伝達される。軸線１１５ａの位置は、
点Ａと軸線１１５ａ上の２点１１５a1，１１５a2との間
のオフセット値を決定することによって格納される。オ
フセット値は、ブロック７０ａの三次元位置基準系に対
して画定されるようなｘ，ｙ，ｚ軸方向の三次元オフセ
ット値として各々格納される。点Ａに対する表面９５ａ
の位置もまた、同様に、メモリ１０４ａに格納され、ツ
ールインタフェイスユニット６２に伝達される。軸線１
１５ｂの位置はブロック７０ｂの選択点Ｂに対して決定
される。ブロック７０ａと同様に、点Ｂと軸線１１５ｂ
上の２点１１５ｂ及び１１５ｂ2 との間の二つのオフセ
ット値はメモリ１０４ｂに格納され、ツールインタフェ
ースユニット６２に伝達される。オフセット値は、ｘ，
ｙ，ｚ軸方向の３つの三次元オフセット値を含み、ブロ
ック７０ｂの位置基準系に対して格納される。
【００２２】電源と制御信号とともに、メモリチップ１
０４ａ，１０４ｂからの情報が、各ブロック１０４ａ，
１０４ｂに連結された７ピン雌形コネクタ１０８ａ，１
０８ｂを介して、ブロック７０ａ，７０ｂの間でツール
インタフェースボックス６２に供給される。好ましい実
施形態においては、点Ａ及びＢは、位置信号出力装置１
０８ａ1 ，１０８ｂ1 の中心に位置するようにそれぞれ
選択されているが、各ブロック７０ａ，７０ｂの位置基
準系に対して、点Ａ及びＢをどの位置に選択してもよい
ことは理解できるであろう。今、図６及び７を参照して
好ましい実施形態の作用につき、説明を加える。本発明
のツール較正器５０は、一段階のプロセスで、外科ツー
ルのいくつかの特性を決定するのに使用される。この特
性には、ツールの位置基準系に対して、ツールの先端の
位置を決定すること、ツールの位置基準系に対して、ツ
ールヘッドが向いている方向又は軌跡を決定すること、
及び、ツールヘッドの直径を決定することが含まれる。
外科医は、例えば、処置を始める前に、モニター５２に
示された（一つ又は複数の）ツールの画像がツールの正
確な位置と向きを示すように、一つ又は多数のツールの
特性を決定することを望む場合がある。さらに、ツール
の現に存在するツールヘッドを、異なる寸法を有するツ
ールヘッドに交換する場合、外科医は、手術中に、ツー
ルを再較正するため、本発明のツール較正器５０を使用
することがある。従って、例えば、手術中に、異なる大
きさのドリル用ドリルビットが必要とされるときは、外
科医は、速やかにかつ効率よく、ドリルを再較正し、新
しいドリルビットを有するドリルの画像がモニター５２
上に正確に再生されるようにすることができる。
【００２３】ツール３５などのツールを較正するため
に、まず、ブロック７０ｂをブロック７０ａに対して、
千鳥状に配置されたＶ形溝部分８６ａ，８６ｂ，８８
ａ，８８ｂ，９２ｂにより画定された開口がツールヘッ
ド３９を容易に受け入れるのに十分大きくなるような位
置にスライドさせる。ツールヘッド３９の先端４０は、
次いで、ブロック７０ａの表面９５ａの領域９７ａ上に
位置決めされる。次いで、ユーザーは、図７にもっとも
よく示すように、ツールヘッド３９の外径１１０がＶ形
溝部分８６ａ，８６ｂ，８８ａ，８８ｂ，９２ｂによっ
て、適所に固定されるように、ブロック７０ｂをブロッ
ク７０ａに対して、スライドさせることによって、ツー
ルヘッド３９を適所に固定する。これらが完了すると、
ユーザーは、ツール較正器５０の位置信号出力装置１０
０及びツール３５の位置信号出力装置４３が全て、カメ
ラ２２によって検出可能なように、ツール較正器５０を
位置させる。最後に、コンピュータシステム４２が検出
された情報を記録するように、ユーザーは、コンピュー
タシステム４２に新しいツール較正が行われていること
を示すコマンドを入力する。
【００２４】図４及び図６からもっともよくわかるよう
に、好ましい実施形態においては、２つの軸線１１５
ａ，１１５ｂを比較することによって、先端４０が向い
ている方向とともに、ツール３５の先端４０の位置が決
定される。手術室に対する軸線１１５ａ及び１１５ｂと
面９５ａの位置を、ツールインタフェイスユニット６２
及びコンピュータシステム４２が知ると、コンピュータ
システム４２は、ツール３５の位置基準系に対するツー
ルヘッド３９の方向と先端４０の位置とを決定する。ツ
ール３５の位置基準系に対するツールヘッド３９の方向
は、ツールヘッド３９の長手方向軸線１２０の位置を計
算することにより、コンピュータシステム４２によって
決定される。より詳細には、ツールヘッド３９が、Ｖ形
溝８６ａ，８６ｂ，８８ａ，８８ｂ，９２ｂにより適所
に固定されると、ツールヘッド３９の軸線１２０は軸線
１１５ａ，１１５ｂの間の中間部分に位置される。従っ
て、軸線１１５ａ，１１５ｂの間の中間点を計算するこ
とによって、先端４０が向いている方向が容易に決定さ
れる。
【００２５】今、図６を参照すると、ツール３５に関し
て選択された点とツール較正器５０に関して選択された
点との間のオフセット値を計算することによって、先端
４０の位置が計算される。好ましい実施形態では、ツー
ル３５に対して選択された点は、位置信号出力装置４３
ａの中心に位置している点Ｃである。さらに、ツール較
正器５０のために選択された点は点Ａである。点Ｃ及び
点Ａの両方がカメラ２２によって追跡されるので、これ
ら点の間の精密なオフセットを容易に決定することが可
能である。この例では、点Ｃと点Ａの間のオフセット
は、ある値Ｌ１として示されている。さらに、点Ａと表
面９５ａの間の既知のオフセットＬ２がわかり、メモリ
１０４ａに格納される。従って、先端４０が点Ｃから位
置決めされる（Ｌ１＋Ｌ２に等しい）完全なオフセット
値及び先端４０がツール３５の軸線１２０に沿って位置
決めされていることを知ることによって、本技術分野で
よく知られているように、ツール３５の位置基準系に対
する先端４０の精密な位置を計算することができる。こ
の例では、先端４０の位置からのオフセットは点Ａ及び
Ｃに対して計算されたが、ツール較正器５０及びツール
３５の位置基準系に対する任意の２点をそれぞれ使用で
きることが理解できるであろう。
【００２６】今、図８を参照して、ツールヘッド３９の
直径Ｄの決定に関する計算につき、さらに詳細に説明を
加える。上述のように、各Ｖ形溝８６ａ，８６ｂ，８８
ａ，８８ｂ，９２ｂの角部の角度は９０度である。した
がって、ツールヘッド３９の直径の如何にかかわらず、
図７に示すように、ツールヘッド３９を支持する千鳥状
に配置されたＶ形溝８６ａ，８６ｂ，８８ａ，８８ｂ，
９２ｂの上面図は、常に正方形をなす。幾何学を用い
て、ツールヘッドの直径Ｄを容易に計算できる。より詳
細には、軸線１１５ａと１１５ｂの位置を知ることによ
って、上述したように、コンピュータシステムは前述し
た２つの軸線間の距離Ｘを決定することができる。次
に、斜辺がツールヘッドの直径Ｄに等しい二等辺三角形
を想定することによって、直径は既知の幾何学的な関係
を使って容易に計算可能である。本発明においては、直
径Ｄと距離Ｘの間の関係は、次式によって表される。
【００２７】 （１／２＊Ｘ）2 ＋（１／２＊Ｘ）2 ＝ Ｄ2 直径Ｄを解くと、直径Ｄはほぼ０．７０７１＊Ｘに等し
いことがわかる。Ｖ形溝８６ａ，８６ｂ，８８ａ，８８
ｂ，９２ｂが９０度以外の角度の場合には、容易に、他
の既知の幾何学的関係を用いて、ツールヘッド３９の直
径Ｄを計算するできるのは当然である。従って、本発明
のツール較正器５０を使って、先端４０の位置、先端４
０が向けられている方向及びツールヘッド３９の直径Ｄ
を同時に計算することができる。本発明の他の実施形態
では、ツール較正器５０は位置信号出力装置１００も含
んでいない。むしろ、上述の実施形態において、位置信
号出力装置１００（図３参照）の各々の中心点があった
位置に、ブロック７０ａ，７０ｂの前面７２ａ，７２ｂ
上に、ディボット（divot)を置いている。代わりに、中
心点の位置を表示するために、ドット、十字又は他のマ
ーキングを表面に描きまたは刻み付けてもよい。
【００２８】他の実施形態のツール較正器５０に導入さ
れたツールを較正するために、ユーザーは、上述したの
と同様の方法で、ツールをツール較正器５０に位置させ
る。ツールがツール較正器５０内に位置させられ、固定
されると、ユーザーは、次いで、ツール較正器を表面上
に置くか、そうでなければ、ツール較正器を手術室基準
系に対する位置に確実に固定するようにする。さらに、
ユーザーは、プローブ３５（図１ａ参照）などの適当な
追跡プローブを用い、ディボット（divot)又はマーキン
グの各々にプローブの先端４０を接触させ、それらの位
置をコンピュータシステムに登録する。かかる情報がコ
ンピュータシステムに記録されると、較正されているツ
ールの先端の位置、ツールのツールヘッドの方向及びツ
ールヘッドの直径は全て、好ましい実施形態について上
述したのと同じ方法で、決定することができる。
【００２９】本発明を、好ましい実施形態につき説明し
た。上述の詳細な説明に読み、理解すれば、修正と変更
が可能であることは明らかである。例えば、上述の好ま
しい実施形態において、ブロック７０ａ及び７０ｂの各
々を位置させる平面を画定するように、各ブロック７０
ａ及び７０ｂは十分な数の位置信号出力装置１００を有
することが示されている。しかしながら、各ブロック７
０ａ及び７０ｂの前面７２ａ，７２ｂは、互いに連結さ
れたときに同一平面内にあるので、２つの位置信号出力
装置をブロック７０ａ，７０ｂの一方に置き、１つだけ
の位置信号出力装置をブロック７０ａ，７０ｂの他方に
置いて、ブロック７０ａ，７０ｂの双方からの組み合わ
された情報を用いて、組み合わせの存在する平面を決定
することができる。さらに、ツール３５の軸線１２０の
位置に関する情報がコンピュータシステム４２にとって
既知であり、ツールヘッド３９の長さのみが変えられて
いる場合には、新たな先端４０の位置を計算するため、
ただ１つの位置信号出力装置１００を、ツール較正器５
０の全体に関連付けるだけでよい。例えば、較正中に、
ツール３５の先端４０が接触する表面９５ａ上又はこれ
に隣接して、単一の位置信号出力装置を置き、ツール３
５上の点Ｃとツール較正器５０上の一つの位置信号出力
装置との間の単一のオフセット値を測定することができ
る。添附の特許請求の範囲又はそれらの均等物の範囲内
である限り、本発明は、このようなすべての修正と変更
を含むものとして解釈されるべきことが意図されてい
る。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】本発明が設けられる手術室の斜視図である。
【図１ｂ】図１の手術室で使用する取り外し可能な基準
系ターゲットを備えたドリルの斜視図である。
【図２】本発明にかかる装置のブロックダイアグラムで
ある。
【図３】本発明の好ましい実施形態のツール較正器の等
角図である。
【図４】図３のツール較正器の各ブロックの正面図であ
る。
【図５】図３のツール較正器の各ブロックの平面図であ
る。
【図６】較正のためのツールを受け入れる図３のツール
較正器の正面図である。
【図７】ツールの部分断面図を含む図６のツール較正器
の上面図である。
【図８】図３のツール較正器とツールのツールヘッドの
直径との間の幾何学的関係を示す図である。
【符号の説明】
１２ 手術室 ２０ 位置探査装置 ２２ カメラ ３５ ツール ３７ ハンドル ３９ ツールヘッド ４０ 先端 ７８ａ，７８ｂ，８０ａ，８０ｂ インタフェース ８６ａ，８６ｂ，８８ａ，８８ｂ，９２ｂ Ｖ
形溝 １００ 位置指示計

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 外科ツール（３５）を較正するのに使用
    する装置（５０）であって、前記外科ツール（３５）の
    先端（４０）を前記装置の位置（９７ａ）に位置決めす
    るための位置決め手段（７０ａ，７０ｂ）と、前記位置
    （９７ａ）と既知の関係で、前記装置に固定された位置
    表示計（１００）とを有する装置。
  2. 【請求項２】 前記位置表示計（１００）が、画像管理
    外科装置（１４）の構成要素との機能的に連絡するよう
    に構成された請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記位置決め手段（７０ａ，７０ｂ）
    が、前記外科ツールのツールヘッドの軌跡を方向付ける
    手段を含む請求項１又は２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 さらに、前記ツールヘッドの軌跡を表示
    する信号を与える手段を含む請求項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記外科ツールの先端を位置決めするた
    めの前記位置決め手段が、第１の部分（７０ａ）と第２
    の部分（７０ｂ）を含んだ請求項１ないし４のいずれか
    １項に記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記第１の部分（７０ａ）及び前記第２
    の部分（７０ｂ）の各々が、少なくとも一つのＶ形溝
    （８６ａ，８６ｂ，８８ａ，８８ｂ，９２ｂ）を含んだ
    請求項５に記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記各Ｖ形溝の角度が実質的に９０度で
    ある請求項６に記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記第１の部分（７０ａ）と前記第２の
    部分（７０ｂ）が、スライド可能なインタフェース（７
    ８ａ，７８ｂ，８０ａ，８０ｂ）を含んだ請求項５ない
    し７のいずれか１項に記載の装置。
  9. 【請求項９】 さらに、前記第１の部分上に配置された
    少なくとも３つの位置表示計（１００）と、前記第２の
    部分上に配置された少なくとも３つの位置指示計（１０
    ０）とを有する請求項５ないし８のいずれか１項に記載
    の装置。
  10. 【請求項１０】 前記各位置表示計が、反射素子又は赤
    外線エミッタを含んだ請求項９に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記位置決め手段が、前記外科ツール
    の寸法を測定する測定手段を含んだ請求項５ないし１０
    のいずれか１項に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 さらに、前記外科ツールの測定された
    寸法を示す信号を与える手段を含んだ請求項１１に記載
    の装置。
  13. 【請求項１３】 位置指示計（４３，４７）を有する外
    科ツール（３５）の特性を較正するのに使用される方法
    であって、前記外科ツールの先端（４０）を較正ツール
    （５０）の位置（９７ａ）に位置決めする段階を有し、
    前記位置が前記ツール較正器に固定された較正ツール位
    置表示計（１００）と既知の関係を有し、さらに、前記
    較正ツール位置表示計（１００）の位置を示す信号を与
    える段階を有する方法。
  14. 【請求項１４】 さらに、前記外科ツール位置表示計
    （４７，４３）の前記位置を示す信号を与える段階を有
    する請求項１３に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 与えられた前記信号に応答して、前記
    外科ツール位置表示計に対して、前記外科ツールの特性
    を決定する段階を含んだ請求項１４に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 前記外科ツールの寸法を測定する段階
    と、前記外科ツールの測定された寸法を示す信号を与え
    る段階とを含む請求項１３ないし１５のいずれか１項に
    記載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記外科ツールの測定された前記寸法
    を決定する段階を含んだ請求項１６に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 決定された前記特性が、前記外科ツー
    ルの先端（４０）が前記外科ツール位置表示計上の既知
    の点（Ａ）から位置決めされる距離（Ｌ２）である請求
    項１５ないし１７のいずれか１項に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 前記外科ツールの先端（４０）を位置
    決めする前記段階が、前記較正ツール位置表示計に対し
    て、既知の関係で、前記外科ツールの軸線を方向付けす
    る段階を含む請求項１５ないし１８のいずれか１項に記
    載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記外科ツール位置表示計に対して、
    前記外科ツールの軌跡を決定する段階を含む請求項１９
    に記載の方法。
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