(57)【要約】      （修正有）【課題】医療システムを動作させるための方法を提供する。【解決手段】第一のデータは、解剖学的ボリュームの第一の３次元（３Ｄ）画像スキャンに対して提供され得、第一のデータは、第一の３Ｄ画像スキャンに対する第一の座標系における血管ノードを識別する。第二のデータは、解剖学的ボリュームの第二の３Ｄ画像スキャンに対して提供され得、第二のデータは、第二の３Ｄ画像スキャンに対する第二の座標系における血管ノードを識別する。解剖学的ボリュームの第一および第二の３Ｄ画像スキャンに対する第一および第二の座標系は、第一のデータにおいて、および第二のデータにおいて識別される血管ノードを基準として共に登録され得る。【選択図】図２２
2020022730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットシステムであって、
患者の解剖学的ボリュームに対して手術用エンドエフェクタを位置付けるよう構成されるロボットアクチュエータと、
前記ロボットアームに結合されたコントローラと、を備え、前記コントローラが、
前記解剖学的ボリュームの第一の３次元（３Ｄ）画像スキャンに対する第一のデータを提供することであって、前記第一のデータが前記第一の３Ｄ画像スキャンに対する第一の座標系における血管ノードを識別する、提供することと、
前記解剖学的ボリュームの第二の３Ｄ画像スキャンに対する第二のデータを提供することであって、前記第二のデータが、前記第二の３Ｄ画像スキャンに対する第二の座標系における前記血管ノードを識別する、提供することと、
前記第一のデータにおいて、および前記第二のデータにおいて識別される前記血管ノードを基準として使用して、前記解剖学的ボリュームの前記第一および第二の３Ｄ画像スキャンに対する前記第一および第二の座標系を共に登録することと、
前記ロボットアクチュエータを制御して、前記血管ノードを使用した前記第一および第二の３Ｄ画像スキャンに対する前記第一および第二の座標系の共登録に基づいて、前記エンドエフェクタを前記解剖学的ボリュームに対する標的軌道に移動させることと、を行うように構成される、ロボットシステム。
【請求項２】
前記血管ノードが第一の血管ノードであり、
前記第一のデータが、前記第一の座標系における前記第一の血管ノード、第二の血管ノード、および第三の血管ノードを識別し、
前記第二のデータが、前記第二の座標系における前記第一の血管ノード、前記第二の血管ノード、および前記第三の血管ノードを識別し、
共に登録することが、前記第一のデータにおいて、および前記第二のデータにおいて識別される前記第一、第二、および第三の血管ノードを第一、第二、および第三の基準として使用して、前記解剖学的ボリュームの前記第一および第二の３Ｄ画像スキャンに対する前記第一および第二の座標系を共に登録ことを含む、請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項３】
前記第一のデータが前記解剖学的ボリュームにおける標的位置を識別し、前記第二のデータが前記解剖学的ボリュームの外側の人工基準を識別し、前記コントローラが、
前記第二の３Ｄ画像スキャンに対する前記第二の座標系および前記ロボットアクチュエータに対する第三の座標系を前記解剖学的ボリュームの外側の前記人工基準を使用して共に登録するようにさらに構成され、
前記ロボットアクチュエータを制御することが、前記ロボットアクチュエータを制御して、前記標的位置を識別する前記第一のデータに基づいて、および、前記第二および第三の座標系の共登録に基づいて、前記エンドエフェクタを前記標的軌道に移動させることをさらに含む、請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項４】
前記血管ノードが第一の血管ノードであり、前記第一のデータが前記第一の座標系における前記第一の血管ノード、第二の血管ノード、および第三の血管ノードを識別し、前記第二のデータが前記第二の座標系における前記第一の血管ノード、前記第二の血管ノード、および前記第三の血管ノードを識別し、共に登録することが、前記第一のデータにおいて、および前記第二のデータにおいて識別される前記第一、第二、および第三の血管ノードを第一、第二、および第三の基準として使用して、前記解剖学的ボリュームの前記第一および第二の３Ｄ画像スキャンに対する前記第一および第二の座標系を共に登録することを含み、前記コントローラが、
前記第一および第二の座標系における前記第一、第二、および第三の血管ノードに基づく変換を使用して、前記第二および第三の座標系のうちの少なくとも一つにおける標的位置を提供するようにさらに構成され、
前記ロボットアクチュエータを制御することが、前記ロボットアクチュエータを制御して、前記変換を使用した前記第二および第三の座標系の一つにおける標的位置の提供に基づいて、前記エンドエフェクタを前記標的軌道に移動させることをさらに含む、請求項３に記載のロボットシステム。
【請求項５】
前記変形がアフィン変形を含む、請求項４に記載のロボットシステム。
【請求項６】
前記第二および第三の座標系を共に登録することが、追跡カメラからの光情報を使用して前記第二および第三の座標系を共に登録して前記ロボットアクチュエータに対する前記第三の座標系における人工基準を特定することを含む、請求項３に記載のロボットシステム。
【請求項７】
前記血管ノードが、少なくとも第一および第二の分岐血管への一つの幹血管の分岐を備え、前記幹血管のサイズが、前記第一の分岐血管のサイズおよび前記第二の分岐血管のサイズよりも大きい、請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項８】
前記第一の３Ｄ画像スキャンに対する前記第一のデータが、前記血管ノードの少なくとも第一および第二の分岐血管の数を識別し、前記第二のデータを提供することが、前記血管ノードの前記少なくとも第一および第二の分岐血管の前記数に基づいて前記第二の３Ｄ画像スキャンにおける前記血管ノードを識別することを含む、請求項７に記載のロボットシステム。
【請求項９】
前記第一の３Ｄ画像スキャンに対する前記第一のデータが、前記血管ノードと前の血管ノードとの間の前記幹血管の長さを識別し、前記第二のデータを提供することが、前記血管ノードと前記前の血管ノードとの間の前記幹血管の前記長さに基づいて、前記第二の３Ｄ画像スキャンにおける前記血管ノードを識別することを含む、請求項７に記載のロボットシステム。
【請求項１０】
前記第一の３Ｄ画像スキャンに対する前記第一のデータが、前記第一の分岐血管と第二の分岐血管との間の角度を識別し、前記第二のデータを提供することが、前記第一の分岐血管と前記第二の分岐血管との間の前記角度に基づいて、前記第二の３Ｄ画像スキャンにおける前記血管ノードを識別することを含む、請求項７に記載のロボットシステム。
【請求項１１】
前記第一の３Ｄ画像スキャンに対する前記第一のデータが、前記幹血管、前記第一の分岐血管、および／または前記第二の分岐血管のうちの少なくとも一つの形状を識別し、前記第二のデータを提供することが、前記幹血管、前記第一の分岐血管、および／または前記第二の分岐血管のうちの前記少なくとも一つの前記形状に基づいて前記第二の３Ｄ画像スキャンにおける前記血管ノードを識別することを含む、請求項７に記載のロボットシステム。
【請求項１２】
医療システムを動作させる方法であって、前記方法が、
解剖学的ボリュームの第一の３次元（３Ｄ）画像スキャンに対する第一のデータを提供することであって、前記第一のデータが前記第一の３Ｄ画像スキャンに対する第一の座標系における血管ノードを識別する、提供することと、
前記解剖学的ボリュームの第二の３Ｄ画像スキャンに対する第二のデータを提供することであって、前記第二のデータが前記第二の３Ｄ画像スキャンに対する第二の座標系における前記血管ノードを識別する、提供することと、
前記第一のデータにおいて、および前記第二のデータにおいて識別される前記血管ノードを基準として使用して、前記解剖学的ボリュームの前記第一および第二の３Ｄ画像スキャンに対する前記第一および第二の座標系を共に登録することと、を含む、方法。
【請求項１３】
前記血管ノードが第一の血管ノードであり、
前記第一のデータが、前記第一の座標系における前記第一の血管ノード、第二の血管ノード、および第三の血管ノードを識別し、
前記第二のデータが、前記第二の座標系における前記第一の血管ノード、前記第二の血管ノード、および前記第三の血管ノードを識別し、
共に登録することが、前記第一のデータにおいて、および前記第二のデータにおいて識別される前記第一、第二、および第三の血管ノードを第一、第二、および第三の基準として使用して、前記解剖学的ボリュームの前記第一および第二の３Ｄ画像スキャンに対する前記第一および第二の座標系を共に登録することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記医療システムが、患者の解剖学的ボリュームに対してエンドエフェクタを位置付けるように構成されたロボットアクチュエータを含むロボット医療システムを備え、前記方法が、
前記ロボットアクチュエータを制御して、前記第一、第二、および第三の血管ノードを使用した前記第一および第二の３Ｄ画像スキャンに対する前記第一および第二の座標系の共登録に基づいて、前記エンドエフェクタを前記解剖学的ボリュームに対する標的軌道に移動させることをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記第一のデータが前記解剖学的ボリュームにおける標的位置を識別し、前記第二のデータが前記解剖学的ボリュームの外側の人工基準を識別し、前記方法が、
前記解剖学的ボリュームの外側の前記人工基準を使用して、前記第二の３Ｄ画像スキャンに対する前記第二の座標系および前記ロボットアクチュエータに対する第三の座標系を共に登録することをさらに含み、
前記ロボットアクチュエータを制御することが、前記ロボットアクチュエータを制御して、前記標的位置を識別する前記第一のデータに基づいて、および前記第二の座標系および第三の座標系の共登録に基づいて、前記エンドエフェクタを前記標的軌道に移動させることをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記血管ノードが第一の血管ノードであり、前記第一のデータが前記第一の座標系における前記第一の血管ノード、第二の血管ノード、および第三の血管ノードを識別し、前記第二のデータが前記第二の座標系における前記第一の血管ノード、前記第二の血管ノード、および前記第三の血管ノードを識別し、共に登録することが、前記第一のデータにおいて、および前記第二のデータにおいて識別される前記第一、第二、および第三の血管ノードを第一、第二、および第三の基準として使用して、前記解剖学的ボリュームの前記第一および第二の３Ｄ画像スキャンに対する前記第一および第二の座標系を共に登録することを含み、前記方法が、
前記第一および第二の座標系における前記第一、第二、および第三の血管ノードに基づく変換を使用して、前記第二および第三の座標系の一つにおける前記標的位置を提供することをさらに含み、
前記ロボットアクチュエータを制御することが、前記ロボットアクチュエータを制御して、前記変換を使用した前記第二および第三の座標系の一つにおける前記標的位置の提供に基づいて、前記エンドエフェクタを前記標的軌道に移動させることをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記変形がアフィン変形を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第二および第三の座標系を共に登録することが、追跡カメラからの光情報を使用して前記第二および第三の座標系を共に登録して、前記ロボットアクチュエータに対する前記第三の座標系における前記人工基準を特定することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記血管ノードが、少なくとも第一および第二の分岐血管への一つの幹血管の分岐を備え、前記幹血管のサイズが、前記第一の分岐血管のサイズおよび前記第二の分岐血管のサイズよりも大きい、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
前記第一の３Ｄ画像スキャンに対する前記第一のデータが、前記血管ノードの少なくとも第一および第二の分岐血管の数を識別し、前記第二のデータを提供することが、前記血管ノードの前記少なくとも第一および第二の分岐血管の前記数に基づいて、前記第二の３Ｄ画像スキャンにおける前記血管ノードを識別することを含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１８年２月２３日に出願された仮出願６２／６３４，２４５号の優先権を主張する非仮出願である。本出願はまた、２０１７年５月３１日に出願された米国特許出願第１５／６０９，３３４号の一部継続出願であり、これは、２０１６年５月１８日に出願された米国特許出願第１５／１５７，４４４号の一部継続出願であり、これは、２０１６年４月１１日に出願された米国特許出願第１５／０９５，８８３号の一部継続出願であり、これは、２０１３年１０月２４日に出願された米国特許出願第１４／０６２，７０７号の一部継続出願であり、これは、２０１３年６月２１日に出願された米国特許出願第１３／９２４，５０５号の一部継続出願であり、これは、２０１２年６月２１日に出願された仮出願第６１／６６２，７０２号に対する優先権を主張し、および２０１３年３月１５日に出願された仮出願第６１／８００，５２７号に対する優先権を主張し、これらの全ては、すべての目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
［技術分野］
本開示は、医療装置に関し、より詳細には、ロボットシステムと関連方法および関連装置に関する。
【０００３】
［背景技術］
頭蓋／脳外科手術を実行する際、脳の軟組織はシフトしやすい。こうしたシフトは、例えば、外科医が頭蓋骨を貫通させて頭蓋内圧が変化する後に起こり得る。したがって、こうしたシフトが生じる場合に、頭蓋骨の外部に取り付けられたマーカーを使用して、および／または術前スキャンからの登録に基づいて脳の内部の構造を追跡することは、不正確となる可能性がある。言い換えれば、手術中に、脳構造が術前画像スキャンに対してシフト／歪む場合があり、それによって、術前画像スキャンに基づいて決定される計画された軌道の精度が低減し得る。
【０００４】
［発明の概要］
発明概念のいくつかの実施形態では、ロボットシステムは、患者の解剖学的ボリュームに対して手術用エンドエフェクタを位置決めするよう構成されるロボットアクチュエータと、ロボットアクチュエータに結合されるコントローラとを含み得る。コントローラは、解剖学的ボリュームの第一の３次元（３Ｄ）画像スキャンに対する第一のデータを提供するように構成されてもよく、第一のデータは、第一の３Ｄ画像スキャンに対する第一の座標系における血管ノードを識別する。コントローラはまた、解剖学的ボリュームの第二の３Ｄ画像スキャンに対する第二のデータを提供するように構成されてもよく、第二のデータは、第二の３Ｄ画像スキャンに対する第二の座標系における血管ノードを識別する。コントローラは、第一のデータにおいて、および第二のデータにおいて識別される血管ノードを基準として使用して、解剖学的ボリュームの第一および第二の３Ｄ画像スキャンに対する第一および第二の座標系を共に登録するようにさらに構成され得る。さらに、コントローラは、ロボットアクチュエータを制御して、血管ノードを使用した第一および第二の３Ｄ画像スキャンに対する第一および第二の座標系の共登録に基づいて、エンドエフェクタを解剖学的ボリュームに対する標的軌道に移動させるように構成され得る。
【０００５】
本発明の概念のいくつかの他の実施形態によれば、医療システムを動作させる方法が提供され得る。第一のデータは、解剖学的ボリュームの第一の３次元（３Ｄ）画像スキャンに対して提供され得るが、第一のデータは、第一の３Ｄ画像スキャンに対する第一の座標系における血管ノードを識別する。第二のデータは、解剖学的ボリュームの第二の３Ｄ画像スキャンに対して提供され得るが、第二のデータは、第二の３Ｄ画像スキャンに対する第二の座標系における血管ノードを識別する。解剖学的ボリュームの第一および第二の３Ｄ画像スキャンに対する第一および第二の座標系は、第一のデータにおいて、および第二のデータにおいて識別される血管ノードを基準として共に登録され得る。
【０００６】
本発明の主題の実施形態による他の方法および関連するシステム、ならびに対応する方法およびコンピュータプログラム製品は、以下の図面および詳細な説明を検討することにより、当業者に明らかであり、または明らかになるであろう。このようなシステム、および対応する方法およびコンピュータプログラム製品は全て、本明細書の記載内に含まれ、本発明の主題の範囲内であり、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図される。さらに、本明細書で開示されるすべての実施形態は、別々に実装されてもよく、または任意の方法および／または組み合わせで組み合わされて実装されてもよい。
【０００７】
［図面の簡単な説明］
本開示のさらなる理解を提供するために含まれ、本出願の一部を構成する添付の図面は、本発明の概念の特定の非限定的な実施形態を示す。図面において：
図１は、外科施術中のロボットシステム、患者、外科医、および他の医療従事者の位置のあり得る配置の俯瞰図である。
【０００８】
図２は、一実施形態による、患者に対する手術用ロボットおよびカメラの位置決めを含むロボットシステムを示す。
【０００９】
図３は、例示的な実施形態による手術用ロボットシステムを示す。
【００１０】
図４は、例示的な実施形態による手術用ロボットの一部を示す。
【００１１】
図５は、例示的な実施形態による手術用ロボットのブロック図を示す。
【００１２】
図６は、例示的な実施形態による手術用ロボットを示す。
【００１３】
図７Ａ〜７Ｃは、例示的な実施形態によるエンドエフェクタを示す。
【００１４】
図８は、一実施形態によるエンドエフェクタのガイドチューブ内に外科用器具を挿入する前後の外科用器具およびエンドエフェクタを示す。
【００１５】
図９Ａ〜９Ｃは、例示的な実施形態によるエンドエフェクタおよびロボットアームの部分を示す。
【００１６】
図１０は、例示的な実施形態による動的基準アレイ、撮像アレイ、および他のコンポーネントを示す。
【００１７】
図１１は、例示的な実施形態による登録の方法を示す。
【００１８】
図１２Ａ〜１２Ｂは、例示的な実施形態による撮像装置の実施形態を示す。
【００１９】
図１３Ａは、例示的な実施形態による、ロボットアームとエンドエフェクタとを含むロボットの一部を示す。
【００２０】
図１３Ｂは、エンドエフェクタの拡大図であり、図１３Ａに示すように、複数の追跡マーカーがその上にしっかりと固定される。
【００２１】
図１３Ｃは、一実施形態による、複数の追跡マーカーがその上にしっかりと固定されたツールまたは器具である。
【００２２】
図１４Ａは、第一構成の可動追跡マーカーを有するエンドエフェクタの代替バージョンである。
【００２３】
図１４Ｂは、第二の構成の可動追跡マーカーを有する図１４Ａに示すエンドエフェクタである。
【００２４】
図１４Ｃは、図１４Ａの第一の構成における追跡マーカーのテンプレートを示す。
【００２５】
図１４Ｄは、図１４Ｂの第二の構成における追跡マーカーのテンプレートを示す。
【００２６】
図１５Ａは、単一の追跡マーカーのみがその上に固定されたエンドエフェクタの代替バージョンを示す。
【００２７】
図１５Ｂは、ガイドチューブを介して配置された器具を有する図１５Ａのエンドエフェクタを示す。
【００２８】
図１５Ｃは、二つの異なる位置に器具を有する図１５Ａのエンドエフェクタを示し、器具がガイドチューブ内にまたはガイドチューブの外側に配置されるかどうかを決定するための結果のロジックを示す。
【００２９】
図１５Ｄは、図１５Ａのエンドエフェクタを示すが、器具は、二つの異なるフレームでかつガイドチューブ上の単一の追跡マーカーに対して相対的な距離でガイドチューブ内にある。
【００３０】
図１５Ｅは、座標系に対して図１５Ａのエンドエフェクタを示す。
【００３１】
図１６は、ロボットのエンドエフェクタを所望の標的軌道にナビゲートして移動させる方法のブロック図である。
【００３２】
また、図１７Ａおよび１７Ｂは、それぞれ、収縮および拡張位置に固定および可動追跡マーカーを有する拡張可能インプラントを挿入するための器具を示す。
【００３３】
また、図１８Ａおよび１８Ｂは、それぞれ、挿入位置および傾斜位置に固定および可動追跡マーカーを有する関節のあるインプラントを挿入するための器具を示す。
【００３４】
図１９Ａは、交換可能または代替のエンドエフェクタを含むロボットの一実施形態を示す。
【００３５】
図１９Ｂは、器具スタイルのエンドエフェクタが結合されたロボットの実施形態を示す。
【００３６】
図２０は、発明概念のいくつかの実施形態による、ロボットコントローラを図示するブロック図である。
【００３７】
図２１は、いくつかの実施形態による脳の血管を示す、コントラストを有するＣＴ画像の３次元（３Ｄ）再構成である。
【００３８】
図２２は、いくつかの実施形態による、脳の血管ノードを使用して自然基準を記録／識別するために使用されるツリー構造マッピングの例である。
【００３９】
図２３は、いくつかの実施形態による、ロボットシステムの動作を図示するフローチャートである。
【００４０】
［発明を実施するための形態］
本開示は、その適用において、本明細書の説明に記載された、または図面に示された構成の詳細およびコンポーネントの配置に限定されないことを理解されたい。本開示の教示は、他の実施形態において使用され、実施され、様々な方法で実施され、または実行されてもよい。また、本明細書で使用される表現および用語は、説明のためのものであり、限定的であると見なされるべきではないことを理解されたい。本明細書中の「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」または「有す（ｈａｖｉｎｇ）」の使用およびそれらの変形は、その後に列挙されるアイテムおよびその等価物ならびに追加のアイテムを含むことを意味する。別段に特定または限定されていない限り、「装着される（ｍｏｕｎｔｅｄ）」、「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「支持される（ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ）」および「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語およびそれらの変形は、広範に使用され、直接的および間接的な取り付け、接続、支持および結合の両方を包含する。さらに、「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」および「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」は、物理的または機械的な接続または結合に限定されない。
【００４１】
以下の議論は、当業者が本開示の実施形態を作成し使用することを可能にするために提示される。例解された実施形態に対する様々な変更は、当業者には容易に明らかであり、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およびアプリケーションに適用することができる。したがって、実施形態は、示された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た原理および特徴と一致する最も広い範囲が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、異なる図における同様の要素は、同様の参照番号を有する。必ずしも縮尺通りではない図面は、選択された実施形態を示しており、実施形態の範囲を限定するものではない。当業者は、本明細書で提供される例が多くの有用な代替物を有し、実施形態の範囲内に入ることを認識するであろう。
【００４２】
ここで図面を参照すると、図１および図２は、例示的な実施形態による手術用ロボットシステム１００を示す。手術用ロボットシステム１００は、例えば、手術用ロボット１０２と、一つまたは複数のロボットアーム１０４と、基部１０６と、ディスプレイ１１０と、ガイドチューブ１１４を含むエンドエフェクタ１１２と、一つまたは複数の追跡マーカー１１８とを含む。手術用ロボットシステム１００は、患者２１０に直接（例えば、患者２１０の骨に）固定されるように適合された一つまたは複数の追跡マーカー１１８も含む患者追跡装置１１６を含むことができる。手術用ロボットシステム１００は、例えば、カメラスタンド２０２上に位置決めされたカメラ２００を利用することもできる。カメラスタンド２０２は、カメラ２００を所望の位置に移動させ、方向付けし、支持するための任意の適切な構成を有することができる。カメラ２００は、カメラ２００の視点から見ることができる所与の測定ボリューム内にある、例えば能動的および受動的な追跡マーカー１１８（図２の患者追跡装置１１６の一部として示され、図１３Ａ−１３Ｂの拡大図によって示される）を識別することができる、一つまたは複数の赤外線カメラ（例えば、二焦点カメラまたはステレオ写真カメラ）などの適切なカメラを含んでもよい。カメラ２００は、所与の測定ボリュームを走査し、マーカー１１８から来る光を検出して、マーカー１１８の三次元での位置を識別し、決定することができる。例えば、能動マーカー１１８は、電気信号によって作動する赤外線発光マーカー（例えば、赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ））を含むことができ、および／または、受動マーカー１１８は、例えば、カメラ２００上の照明器または他の適切な装置によって発光される、赤外線を反射する再帰反射マーカー（例えば、それらは、入射ＩＲ照射を入射光の方向へ反射する）を含むことができる。
【００４３】
また、図１および図２は、手術室環境における手術用ロボットシステム１００の配置のあり得る構成を示す。例えば、ロボット１０２は、患者２１０の近くに、または患者２１０の隣に配置することができる。患者２１０の頭の近くに描かれているが、ロボット１０２は、手術を受ける患者２１０の領域に応じて、患者２１０の近くの任意の適切な場所に配置することができる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の足に配置されてもよい。この位置は、カメラ２００が外科手術領域２０８に対して視覚的に直接視線を有することを可能にする。ここでも、カメラ２００は、外科手術領域２０８に対し視線を有する任意の適切な位置に配置することができると考えられる。示された構成では、外科医１２０はロボット１０２の反対側に配置されるが、依然としてエンドエフェクタ１１２およびディスプレイ１１０を操作することができる。外科医助手１２６もエンドエフェクタ１１２とディスプレイ１１０の両方にアクセスできるよう、外科医１２０の反対側に、配置することができる。必要に応じて、外科医１２０と助手１２６の位置を逆にしてもよい。麻酔医１２２および看護師または手術室技師１２４のための従来からの領域は、ロボット１０２およびカメラ２００の位置によって妨げられないままであり得る。
【００４４】
ロボット１０２の他のコンポーネントに関して、ディスプレイ１１０は、手術用ロボット１０２に取り付けることができ、他の例示的な実施形態では、ディスプレイ１１０は、外科手術用ロボット１０２から離され、手術用ロボット１０２と一緒に手術室内か、または、遠隔地に置かれる。エンドエフェクタ１１２は、ロボットアーム１０４に結合され、少なくとも一つのモータによって制御されてもよい。例示的な実施形態では、エンドエフェクタ１１２は、患者２１０に対して外科手術を行うために使用される外科用器具６０８（本明細書でさらに説明する）を受け入れて配向することができるガイドチューブ１１４を含むことができる。本明細書で使用される用語「エンドエフェクタ」は、「エンドエフェクチュエータ」および「エフェクチュエータ要素」という用語と交換可能に使用される。概してガイドチューブ１１４で示されるが、エンドエフェクタ１１２は、外科手術での使用に適した任意の適切な器具で置き換えることができ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、外科用器具６０８の移動を所望の方法で行うための任意の既知の構造を含むことができる。
【００４５】
手術用ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２の並進および配向を制御することができる。ロボット１０２は、例えば、エンドエフェクタ１１２をｘ、ｙ、ｚ軸に沿って移動させることができる。エンドエフェクタ１１２は、（エンドエフェクタ１１２に関連するオイラーアングル（例えば、ロール、ピッチ、および／またはヨー）の一つまたは複数が選択的に制御できるように）ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の一つまたは複数、およびｚフレーム軸の回りに選択的に回転するよう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、エンドエフェクタ１１２の並進および配向の選択的制御は、例えば、回転軸のみを含む６自由度のロボットアームを利用する従来のロボットと比較して、大幅に改善された正確性を有する医療処置の実行を可能にする。例えば、手術用ロボットシステム１００は患者２１０上で動作するために使用され、ロボットアーム１０４は患者２１０の身体の上方に位置決めされ、エンドエフェクタ１１２は患者２１０の身体に向かってｚ軸に対して選択的に角度付けされ得る。
【００４６】
いくつかの例示的な実施形態では、外科用器具６０８の位置を動的に更新して、手術用ロボット１０２が手術中に外科用器具６０８の位置を常に知ることができるようにすることができる。その結果、いくつかの例示的な実施形態では、手術用ロボット１０２は、（医師が望む場合を除いて）外科用器具６０８を医師のさらなる助けなしに素早く所望の位置に移動させることができる。さらなるいくつかの実施形態では、外科用器具６０８が選択されたあらかじめ計画された軌道から逸脱する場合、外科用器具６０８の経路を修正するように手術用ロボット１０２を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、手術用ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２および／または外科用器具６０８の動きの停止、変更、および／または手動制御を可能にするように構成され得る。したがって、使用中、例示的な実施形態では、医師または他のユーザは、システム１００を操作することができ、エンドエフェクタ１１２および／または外科用器具６０８の自律移動を停止、修正、または手動で制御する選択肢を有する。手術用ロボット１０２による外科用器具６０８の制御および移動を含む手術用ロボットシステム１００のさらなる詳細は、同時係属中の米国特許第９，７８２，２２９号に見出すことができ、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００４７】
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、および／または外科用器具６０８の三次元での動きを追跡するように構成される一つまたは複数の追跡マーカー１１８を含むことができる。例示的な実施形態では、複数の追跡マーカー１１８を、例えばロボット１０２の基部１０６上、ロボットアーム１０４上、および／または、エンドエフェクタ１１２上等のロボット１０２の外面に取り付ける（そうでなければ固定する）ことができるが、これに限定されない。例示的な実施形態では、複数の追跡マーカー１１８のうちの少なくとも一つの追跡マーカー１１８をエンドエフェクタ１１２に取り付けるか、または別の方法で固定することができる。一つまたは複数の追跡マーカー１１８は、患者２１０にさらに取り付けてもよい（または別の方法で固定されてもよい）。例示的な実施形態では、外科医、外科用ツール、またはロボット１０２の他の部分によって不明瞭になる可能性を低減するために、複数の追跡マーカー１１８を外科手術領域２０８から離れた患者２１０上に配置することができる。さらに、一つまたは複数の追跡マーカー１１８を外科用ツール６０８（例えば、スクリュードライバ、拡張器、インプラント挿入器など）にさらに取り付ける（または別の方法で固定する）ことができる。したがって、追跡マーカー１１８は、マークされたオブジェクト（例えば、エンドエフェクタ１１２、患者２１０、および外科用ツール６０８）のそれぞれをロボット１０２によって追跡することを可能にする。例示的な実施形態では、システム１００は、マークされたオブジェクトのそれぞれ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、外科用器具６０８（例えば、エンドエフェクタ１１２のチューブ１１４内に配置される）の配向と位置および患者２１０の相対位置計算することができる。
【００４８】
マーカー１１８は、放射線不透過性または光学マーカーを含むことができる。マーカー１１８は、球形、回転楕円形、円筒形、立方体、直方体などを含む適切な形状にすることができる。例示的な実施形態では、一つまたは複数のマーカー１１８は光学マーカーであってもよい。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ１１２上の一つまたは複数の追跡マーカー１１８の位置決めは、エンドエフェクタ１１２の位置を確認または確認するよう機能することによって、位置測定の精度を増大／最大にし得る。手術用ロボット１０２および外科用器具６０８の制御、移動および追跡を含む手術用ロボットシステム１００のさらなる詳細は、米国特許出願第２０１６／０２４２８４９号に見つけることができ、これらの開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００４９】
例示的な実施形態は、外科用器具６０８に結合された一つまたは複数のマーカー１１８を含む。例示的な実施形態では、例えば、患者２１０および外科用器具６０８に結合されたこれらのマーカー１１８、ならびにロボット１０２のエンドエフェクタ１１２に結合されたマーカー１１８は、従来の赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ）、またはＯｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）のような市販の赤外線光学追跡システムを使用して追跡可能なＯｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）ダイオードを含むことができる。Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）は、カナダ、オンタリオ州、ウォータールーのＮｏｒｔｈｅｒｎ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｉｎｃ．の登録商標である。他の実施形態では、マーカー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を含むことができる。Ｐｏｌａｒｉｓ  ＳｐｅｃｔｒａはＮｏｒｔｈｅｒｎ  Ｄｉｇｉｔａｌ，Ｉｎｃ．の登録商標である。例示的な実施形態では、エンドエフェクタ１１２に結合されたマーカー１１８は、オンおよ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マーカーであり、患者２１０および外科用器具６０８に結合されたマーカー１１８は受動反射球体を含む。
【００５０】
例示的な実施形態では、マーカー１１８から放射された、および／またはマーカー１１８によって反射された光は、カメラ２００によって検出され、マークされたオブジェクトの位置およ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、マーカー１１８は、無線周波数および／または電磁気反射器または受信機を含むことができ、カメラ２００は、無線周波数および／または電磁気受信機を含むか、またはそれらに置き換えることができる。
【００５１】
手術用ロボットシステム１００と同様に、図３は、本開示の例示的な実施形態に従う、ドッキングされた構成の手術用ロボットシステム３００およびカメラスタンド３０２を示す。手術用ロボットシステム３００は、ディスプレイ３０４と、上アーム３０６と、下アーム３０８と、エンドエフェクタ３１０と、縦柱３１２と、キャスター３１４と、キャビネット３１６と、タブレット引出し３１８と、コネクタパネル３２０と、制御パネル３２２と、情報のリング３２４とを含むロボット３０１を含む。カメラスタンド３０２は、カメラ３２６を含むことができる。これらのコンポーネントは、図５を参照してより拡大して説明される。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と入れ子になっているドッキング構成の手術用ロボットシステム３００を示す。当業者であれば、カメラ３２６およびロボット３０１は、互いに分離され、外科施術中に、例えば、図１および図２に示されるように、任意の適切な位置に配置され得ることが理解されよう。
【００５２】
図４は、本開示の例示的な実施形態と一致する基部４００を示す。基部４００は、手術用ロボットシステム３００の一部であってもよく、キャビネット３１６を含んでもよい。キャビネット３１６は、バッテリ４０２、電力分配モジュール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、およびタブレット引出し４１４を含むがこれに限定されない手術用ロボットシステム３００の特定のコンポーネントを収容することができる。これらのコンポーネント間の接続および関係は、図５を参照してより詳細に説明される。
【００５３】
図５は、手術用ロボットシステム３００の例示的な実施形態の特定のコンポーネントのブロック図を示す。手術用ロボットシステム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、動作制御サブシステム５０６、および追跡サブシステム５３２を含むことができる。プラットフォームサブシステム５０２は、バッテリ４０２、電力分配モジュール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、およびタブレット充電ステーション５３４をさらに含むことができる。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、およびスピーカ５３６をさらに含むことができる。動作制御サブシステム５０６は、駆動回路５０８、モータ５１０、５１２、５１４、５１６、５１８、安定器５２０、５２２、５２４、５２６、エンドエフェクタ３１０、およびコントローラ５３８をさらに含むことができる。追跡サブシステム５３２は、位置センサ５４０およびカメラ変換器５４２をさらに含むことができる。システム３００はまた、フットペダル５４４およびタブレット５４６を含むことができる。
【００５４】
入力電力は、電力分配モジュール４０４に供給され得る電源５４８を介してシステム３００に供給される。電力分配モジュール４０４は、入力電力を受け取り、システム３００の他のモジュール、コンポーネント、およびサブシステムに提供される異なる電源供給電圧を生成するように構成される。電力分配モジュール４０４は、プラットフォームインターフェースモジュール４０６に異なる電圧を供給するように構成することができるが、電圧は、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およびエンドエフェクタ３１０のドライバ５０８、モータ５１０、リング３２４、カメラ変換器５４２、およびシステム３００のための他のコンポーネント（例えばキャビネット３１６内の電気部品を冷却するためのファン）、などの他のコンポーネントに提供することができる。
【００５５】
電力分配モジュール４０４はまた、タブレット引出し３１８内に配置され得るタブレット充電ステーション５３４などの他のコンポーネントに電力を供給し得る。タブレット充電ステーション５３４は、テーブル５４６の充電のために、タブレット５４６との無線または有線通信してもよい。タブレット５４６は、本開示と一致し、本明細書に記載される外科医によって使用され得る。
【００５６】
電力分配モジュール４０４は、電力分配モジュール４０４が入力電力５４８から電力を受け取らない場合に一時的な電源として働くバッテリ４０２に接続されてもよい。他の時には、電力分配モジュール４０４は、必要に応じてバッテリ４０２を充電するように働くことができる。
【００５７】
プラットフォームサブシステム５０２の他のコンポーネントは、コネクタパネル３２０、制御パネル３２２、およびリング３２４も含むことができる。コネクタパネル３２０は、異なる装置およびコンポーネントをシステム３００および／または関連するコンポーネントおよびモジュールに接続するように機能することができる。コネクタパネル３２０は、異なるコンポーネントからラインまたは接続を受ける一つまたは複数のポートを含むことができる。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接地端子ポート、フットペダル５４４をシステム３００に接続するポート、追跡サブシステム５３２（位置センサ５４０、カメラ変換器５４２、カメラスタンド３０２に関連するカメラ３２６と、を含むことができる）に接続するポートを有することができる。コネクタパネル３２０は、コンピュータ４０８のような他のコンポーネントへのＵＳＢ、イーサネット（登録商標）、ＨＤＭＩ（登録商標）通信を可能にする他のポートを含むこともできる。
【００５８】
制御パネル３２２は、システム３００の動作を制御する、および／またはシステム３００に関する情報を提供する様々なボタンまたはインジケータを提供することができる。例えば、制御パネル３２２は、システム３００の電源をオンまたはオフするためのボタン、縦柱３１２を上げるか、または下げるためのボタン、およびシステム３００を物理的に移動させるのを防ぐためにキャスター３１４に係合するように設計された安定器５２０〜５２６を上げるかまたは下げるためのボタンを含むことができる。緊急事態が発生した場合には、他のボタンがシステム３００を停止させてもよいが、これによりすべてのモータ動力が除去され、機械的ブレーキが加えられてすべての動作が停止する。制御パネル３２２はまた、バッテリ４０２のライン電力インジケータまたは充電状態などの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有することができる。
【００５９】
リング３２４は、システム３００のユーザに、システム３００が動作している異なるモードおよびユーザに対するある種の警告を通知する視覚的インジケータとすることができる。
【００６０】
コンピュータサブシステム５０４は、コンピュータ４０８と、ディスプレイ３０４と、スピーカ５３６とを含む。コンピュータ５０４は、システム３００を動作させるオペレーティングシステムと、ソフトウェアとを含む。コンピュータ５０４は、ユーザに情報を表示するために、他のコンポーネント（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、および／または動作制御サブシステム５０６）から情報を受信し処理することができる。さらに、コンピュータサブシステム５０４は、ユーザにオーディオを提供するスピーカ５３６を含むこともできる。
【００６１】
追跡サブシステム５３２は、位置センサ５０４と変換器５４２とを含むことができる。追跡サブシステム５３２は、図３に関して説明したカメラ３２６を含むカメラスタンド３０２に対応することができる。位置センサ５０４は、カメラ３２６であってもよい。追跡サブシステムは、外科施術中にユーザが使用するシステム３００の異なるコンポーネントおよび／または器具上に位置する特定のマーカーの位置を追跡することができる。この追跡は、それぞれ、ＬＥＤまたは反射マーカーなどの能動または受動素子の位置を追跡する赤外線技術の使用を含む、本開示と一致する方法で行われてもよい。これらのタイプのマーカーを有する構造体の位置、配向、および配置は、ディスプレイ３０４上のユーザに示されるコンピュータ４０８に提供されてもよい。例えば、これらのタイプのマーカーを有し、このようにして（ナビゲーション空間と呼ぶことができる）追跡される外科用器具６０８は、患者の解剖学的構造の三次元画像に関連してユーザに示されてもよい。
【００６２】
動作制御サブシステム５０６は、縦柱３１２、上アーム３０６、下アーム３０８、を物理的に移動させ、または回転エンドエフェクタ３１０回転させるように構成することができる。物理的な移動は、一つまたは複数のモータ５１０〜５１８の使用を通じて行うことができる。例えば、モータ５１０は縦柱３１２を垂直に持ち上げるかまたは下降させるように構成することができる。モータ５１２は、図３に示すように、縦柱３１２との係合点の周りで上アーム３０８を横方向に移動させるように構成することができる。モータ５１４は、図３に示すように、下アーム３０８を上アーム３０８との係合点の周りで横方向に移動させるように構成することができる。モータ５１６および５１８は、ひとつがロールを制御し、ひとつが傾斜を制御して、エンドエフェクタ３１０を移動させるように構成することができ、それによって、エンドエフェクタ３１０を移動させることができる複数の角度を提供することができる。これらの動きは、エンドエフェクタ３１０上に配置され、ユーザが所望の方法でシステム３００を移動させるためにこれらのロードセルに係合することによって起動される、ロードセルを介してこれらの動きを制御するコントローラ５３８によって達成され得る。
【００６３】
さらに、システム３００は、ディスプレイ３０４（タッチスクリーン入力装置とすることができる）上でユーザがディスプレイ３０４上の患者の解剖学的構造の三次元画像上の外科用器具または構成要素の位置を示すことにより、縦柱３１２、上アーム３０６、および下アーム３０８の自動移動を提供することができる。ユーザは、フットペダル５４４またはいくつかの他の入力手段を踏んでこの自動移動を開始することができる。
【００６４】
図６は、例示的な実施形態による手術用ロボットシステム６００を示す。手術用ロボットシステム６００はと、エンドエフェクタ６０２と、ロボットアーム６０４と、ガイドチューブ６０６と、器具６０８と、ロボット基部６１０とを含むことができる。器具ツール６０８は、一つまたは複数の追跡マーカー（マーカー１１８など）を含む追跡アレイ６１２に取り付けられ、関連する軌道６１４を有することができる。軌道６１４は、ガイドチューブ６０６を通って位置決めされるかまたは固定されると、器具ツール６０８が移動するように構成される移動経路（例えば器具ツール６０８が患者に挿入される経路など）を表すことができる。例示的な動作では、ロボット基部６１０は、ロボットアーム６０４およびエンドエフェクタ６０２と電子的に通信するように構成され、手術用ロボットシステム６００は、患者２１０上で動作する際、ユーザ（例えば外科医）を支援する。手術用ロボットシステム６００は、前述した手術用ロボットシステム１００および３００と一致し得る。
【００６５】
追跡アレイ６１２は、器具ツール６０８の位置および配向を監視するために、器具６０８に据え付けられてもよい。追跡アレイ６１２は、器具６０８に取り付けられてもよく、追跡マーカー８０４を含んでもよい。図８に最もよく示されるように、追跡マーカー８０４は、例えば、発光ダイオードおよび／または他のタイプの反射マーカー（例えば、本明細書の別の場所で説明したマーカー１１８）であってもよい。追跡装置は、手術用ロボットシステムに関連する一つまたは複数の視線装置であってもよい。例として、追跡装置は、手術用ロボットシステム１００、３００に関連する一つまたは複数のカメラ２００、３２６であってもよく、ロボットアーム６０４、ロボット基部６１０、エンドエフェクタ６０２、および／または患者２１０に関連して器具６０８の定義された領域または相対的な配向について追跡アレイ６１２を追跡してもよい。追跡装置は、カメラスタンド３０２および追跡サブシステム５３２に関連して説明した構造と一致していてもよい。
【００６６】
また、図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃは、例示的な実施形態によるエンドエフェクタ６０２の上面図、正面図、および側面図をそれぞれ示す。エンドエフェクタ６０２は、一つまたは複数の追跡マーカー７０２を含むことができる。追跡マーカー７０２は、発光ダイオードまたは他のタイプの能動および受動マーカー、例えば前述の追跡マーカー１１８であってもよい。例示的な実施形態では、追跡マーカー７０２は、電気信号（例えば、赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ））によって起動される能動赤外線発光マーカーである。したがって、追跡マーカー７０２は、赤外線マーカー７０２がカメラ２００、３２６に見えるようにアクティブにしてもよい、または赤外線マーカー７０２がカメラ２００、３２６には見えないように非アクティブにしてもよい。したがって、マーカー７０２がアクティブであるとき、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、マーカー７０２が非アクティブ化されると、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によっては動くことができない。
【００６７】
マーカー７０２は、マーカー７０２が一つまたは複数のカメラ２００、３２６、または手術用ロボットシステム１００、３００、６００に関連する他の追跡装置によって視認されるように、エンドエフェクタ６０２の上または内部に配置されてもよい。カメラ２００、３２６または他の追跡装置は、追跡マーカー７０２の移動に追従して異なる位置および視野角に移動するときにエンドエフェクタ６０２を追跡することができる。マーカー７０２および／またはエンドエフェクタ６０２の位置は、手術用ロボットシステム１００、３００、６００に関連するディスプレイ１１０、３０４、例えば図２に示すディスプレイ１１０および／または図３に示すディスプレイ３０４に示されてもよい。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がロボットアーム６０４、ロボット基部６１０、患者２１０、および／またはユーザに対して望ましい位置にあることを確実にすることができる。
【００６８】
例えば、図７Ａに示すように、外科手術領域２０８から離れて配置され、ロボット１０２、３０１およびカメラ２００、３２６の方を向いている追跡装置が、追跡装置に対するエンドエフェクタ６０２の一般的な配向の範囲を通って少なくとも３つのマーカー７０２を見ることができるよう、マーカー７０２はエンドエフェクタ６０２の表面の周りに配置され得る。例えば、このようにマーカー７０２を分布させることにより、エンドエフェクタ６０２が外科手術領域２０８内で移動および回転されるときに、追跡装置によってエンドエフェクタ６０２を監視することが可能になる。
【００６９】
さらに、例示的な実施形態では、エンドエフェクタ６０２は、外部カメラ２００、３２６がマーカー７０２を読み取る準備ができているときを検出することができる赤外線（ＩＲ）受信機を含むことができる。この検出に際して、エンドエフェクタ６０２はマーカー７０２を照らすことができる。外部カメラ２００、３２６がマーカー７０２を読み取る準備ができていることをＩＲ受信機が検出することにより、発光ダイオードであってもよいマーカー７０２のデューティサイクルを外部カメラ２００、３２６に同期させる必要があることを知らせることができる。これはまた、全体としてロボットシステムによるより低い電力消費を可能にすることができ、それにより、マーカー７０２は、連続的に照射される代わりに適切な時間にのみ照射される。さらに、例示的な実施形態では、マーカー７０２の電源をオフにして、異なるタイプの外科用器具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ことができる。
【００７０】
図８は、追跡アレイ６１２および追跡マーカー８０４を含む一つのタイプの外科用器具６０８を示す。追跡マーカー８０４は発光ダイオードまたは反射球を含む、本明細書に記載された任意のタイプのものでよいが、これに、限定するものではない。マーカー８０４は、手術用ロボットシステム１００、３００、６００に関連する追跡装置によって監視され、一つまたは複数の視線カメラ２００、３２６であってもよい。カメラ２００、３２６は、追跡アレイ６１２およびマーカー８０４の位置および配向に基づいて器具６０８の位置を追跡することができる。外科医１２０のようなユーザは、追跡アレイ６１２およびマーカー８０４が、追跡装置またはカメラ２００、３２６によって十分に認識され、器具６０８およびマーカー８０４を、例えば例示的な手術用ロボットシステムのディスプレイ１１０上に表示するように器具６０８を向けることができる。
【００７１】
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を調整する方法は、図８において明らかである。エンドエフェクタ１１２、３１０、６０２の中空チューブまたはガイドチューブ１１４、６０６は、外科用器具６０８の少なくとも一部分を受容するような大きさおよび構成を有する。ガイドチューブ１１４、６０６は、外科用器具６０８の挿入および軌道が患者２１０の体内または体上の所望の解剖学的標的に到達できるように、ロボットアーム１０４によって方向付けられるように構成される。外科用器具６０８は、略円筒形の器具の少なくとも一部を含み得る。スクリュードライバが外科用ツール６０８として例示されるが、任意の適切な外科用ツール６０８がエンドエフェクタ６０２によって位置決めされてもよいことは理解されよう。一例として、外科用器具６０８は、一つまたは複数のガイドワイヤ、カニューレ、レトラクタ、ドリル、リーマ、スクリュードライバ、挿入ツール、除去ツールなどを含み得る。中空チューブ１１４、６０６は全体として円筒形状を有するものとして示されるが、当業者であれば、ガイドチューブ１１４、６０６は、外科用器具６０８を収容し、手術部位にアクセスするのに望ましい任意の適切なサイズおよび構成を有することができる。
【００７２】
また、図９Ａ〜図９Ｃは、例示的な実施形態によるエンドエフェクタ６０２およびロボットアーム６０４の一部を示す。エンドエフェクタ６０２は、本体１２０２およびクランプ１２０４をさらに含むことができる。クランプ１２０４は、ハンドル１２０６、ボール１２０８、バネ１２１０、およびリップ１２１２を含むことができる。ロボットアーム６０４は、窪み１２１４、取り付けプレート１２１６、リップ１２１８、および磁石１２２０をさらに含むことができる。
【００７３】
エンドエフェクタ６０２は、一つまたは複数のカップリングを介して手術用ロボットシステムおよびロボットアーム６０４と機械的にインターフェースおよび／または係合することができる。例えば、エンドエフェクタ６０２は、位置決めカップリングおよび／また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。これらの結合によって、エンドエフェクタ６０２は、可撓性で無菌の障壁の外側でロボットアーム６０４に固定することができる。例示的な実施形態では位置決めカップリングは磁気キネマティックマウントであってもよく、補強カップリングは五つの棒状オーバーセンタクランピングリンク機構であってもよい。
【００７４】
位置決めカップリングに関して、ロボットアーム６０４は、非磁性材料、一つまたは複数の窪み１２１４、リップ１２１８、および磁石１２２０であってもよい取り付けプレート１２１６を含むことができる。磁石１２２０は、窪み１２１４の各々の下に取り付けられている。クランプ１２０４の部分は、磁性材料を含み、一つまたは複数の磁石１２２０によって引き付けられる。クランプ１２０４およびロボットアーム６０４の磁気吸引により、ボール１２０８はそれぞれの窪み１２１４内に着座するようになる。例えば、図９Ｂに示すボール１２０８は、図９Ａに示すように、窪み１２１４内に着座する。この座は、磁気アシストキネマティックカップリングと考えることができる。磁石１２２０は、エンドエフェクタ６０２の配向にかかわらず、エンドエフェクタ６０２の全重量を支持するのに十分な強度を有するように構成することができる。位置決めカップリングは、６自由度を一意的に制限する任意のスタイルのキネマティックマウントである。
【００７５】
補強カップリングに関して、クランプ１２０４の部分は、固定接地リンクとなるように構成することができ、そのようなクランプ１２０４は、五つの棒状リンク機構として機能することができる。リップ１２１２およびリップ１２１８が、エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４を固定するようにクランプ１２０４に係合するとき、閉鎖クランプハンドル１２０６は、エンドエフェクタ６０２をロボットアーム６０４に固定してもよい。クランプハンドル１２０６が閉じられているとき、クランプ１２０４がロック位置にある間、バネ１２１０は伸張されてもよいし応力が加えられてもよい。ロック位置は、中心を過ぎたリンク機構を提供する位置であってもよい。クランプ１２０４を解放するためにクランプハンドル１２０６に適用される力がない場合には、リンク機構は開かない。したがって、ロック位置において、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。
【００７６】
バネ１２１０は、張力のある湾曲ビームであってもよい。バネ１２１０は、未使用のＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）のような高い剛性と高降伏歪みを示す材料で構成することができる。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、二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との間の無菌バリアを提供し得る。
【００７７】
補強カップリングは、複数のバネ部材とのリンク機構であってもよい。補強カップリングは、カムまたは摩擦に基づく機構でラッチすることができる。補強カップリングは、エンドエフェクタ１０２をロボットアーム６０４に固定するのを支援する、十分に強力な電磁石であってもよい。補強カップリングは、エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４との間のインターフェースを滑り、ねじ機構、オーバーセンタリンク機構、または、カム機構で固定するエンドエフェクタ６０２および／またはロボットアーム６０４から完全に分離する多数のカラーであってもよい。
【００７８】
図１０および図１１を参照すると、外科施術の前または間に、ナビゲーション空間および画像空間の両方において、患者２１０のオブジェクトおよび標的解剖学的構造を追跡するために、特定の登録手順が実施されてもよい。図１０に示すように、このような登録を行うため、登録システム１４００を使用することができる。
【００７９】
患者２１０の位置を追跡するために、患者追跡装置１１６は、患者２１０の硬い解剖学的構造に固定されることになる患者固定器具１４０２を含み得、動的基準ベース（ＤＲＢ）１４０４は、患者固定器具１４０２に固定的に取り付けられてもよい。例えば、患者固定器具１４０２は、動的基準ベース１４０４の開口部１４０６に挿入されてもよい。動的基準ベース１４０４は、追跡サブシステム５３２のような追跡装置に見えるマーカー１４０８を含むことができる。これらのマーカー１４０８は、本明細書で前述したように、光学マーカーまたは追跡マーカー１１８などの反射球であってもよい。
【００８０】
患者固定器具１４０２は、患者２１０の硬い解剖学的構造に取り付けられ、外科施術中に取り付けられたままであり得る。例示的な実施形態では、患者固定器具１４０２は、患者２１０の硬い領域、例えば、外科施術の対象となる標的解剖学的構造から離れて位置する骨に取り付けられる。標的解剖学的構造を追跡するために、動的基準ベース１４０４は、動的基準ベース１４０４を標的解剖学的構造の位置で登録するために、標的解剖学的構造上またはその付近に一時的に配置される登録固定具の使用を通して、標的解剖学的構造と関連する。
【００８１】
登録固定具１４１０は、枢動アーム１４１２を使用して患者固定器具１４０２に取り付けられる。枢動アーム１４１２は、患者固定器具１４０２を登録固定具１４１０の開口部１４１４に挿入することによって患者固定器具１４０２に取り付けられる。枢動アーム１４１２は、例えば、枢動アーム１４１２の開口部１４１８にノブ１４１６を挿入することによって、登録固定具１４１０に取り付けられる。
【００８２】
枢動アーム１４１２を使用して、登録固定具１４１０を標的解剖学的構造の上に配置することができ、その位置は、登録固定具１４１０上の追跡マーカー１４２０および／または基準１４２２を使用して画像空間およびナビゲーション空間において決定することができる。登録固定具１４１０は、ナビゲーション空間で見えるマーカー１４２０の集合を含むことができる（例えば、マーカー１４２０は、追跡サブシステム５３２によって検出可能であり得る）。追跡マーカー１４２０は、本明細書で前述したように、赤外光で可視的な光学マーカーであってもよい。登録固定具１４１０は、撮像空間（例えば、三次元ＣＴ画像）内で視認可能な、例えばベアリングボールなどの基準点１４２２の集合体を含むこともできる。図１１を参照してより詳細に説明するように、登録固定具１４１０を使用して、標的解剖学的構造を動的基準ベース１４０４に関連付けることができ、それにより、解剖学的構造の画像にナビゲーション空間内のオブジェクトの描写を重ね合わせることができる。標的解剖学的構造から離れた位置に配置された動的基準ベース１４０４は、基準点となり、それにより、登録固定具１４１０および／または枢動アーム１４１２を手術領域から除去することができる。
【００８３】
図１１は、本開示による、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から始まり、標的解剖学的構造のグラフィカル表現（または画像）をシステム１００、３００、６００、例えばコンピュータ４０８にインポートすることができる。このグラフィカル表現は、登録固定具１４１０および検出可能な基準の撮像パターン１４２０を含む、患者２１０の標的解剖学的構造の三次元ＣＴまたは蛍光透視スキャンであってもよい。
【００８４】
ステップ１５０４において、基準点１４２０の撮像パターンが検出され、撮像空間に登録され、コンピュータ４０８に記憶される。任意選択的に、ステップ１５０６においてこの時点で、登録固定具１４１０のグラフィカル表現を、標的解剖学的構造の画像上に重ねることができる。
【００８５】
ステップ１５０８では、マーカー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。マーカー１４２０は、位置センサ５４０を介して追跡サブシステム５３２によって赤外線によってナビゲーション空間内で認識される光学マーカーであってもよい。したがって、標的解剖学的構造の位置、配向、および他の情報が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、基準点１４２２の使用による画像空間およびマーカー１４２０の使用によるナビゲーション空間の両方で認識され得る。ステップ１５１０で、画像空間における登録固定具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、マーカー１４２０のナビゲーションパターンの位置と比較した基準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。
【００８６】
ステップ１５１２において、登録固定具１４１０のナビゲーション空間の登録（画像空間で登録される）は、さらに、患者固定器具１４０２に取り付けられた動的登録アレイ１４０４のナビゲーション空間に転送される。したがって、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、登録固定具１４１０を除去し、動的基準ベース１４０４を使用して、ナビゲーション空間および画像空間の両方の標的解剖学的構造を追跡することができる。
【００８７】
ステップ１５１４および１５１６において、ナビゲーション空間は、ナビゲーション空間において認識できるマーカー（例えば、光学マーカー８０４を用いる外科用器具６０８）を用いて、画像空間およびオブジェクト上に重ね合わせてもよい。オブジェクトは、標的解剖学的構造の画像上の外科用器具６０８のグラフィカル表現を通して追跡することができる。
【００８８】
また、図１２Ａ〜図１２Ｂは、患者２１０の術前、手術中、手術後、および／また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と共に使用され得る撮像装置１３０４を示す。任意の適切な主題は、撮像システム１３０４を使用して、任意の適切な手順のために画像化することができる。撮像システム１３０４は、撮像装置１３０６および／またはＣ−アーム１３０８装置などの任意の撮像装置とすることができる。ｘ線システムで必要とされる患者２１０の頻繁な手動の再位置決めの必要性なしに、いくつかの異なる位置から患者２１０のｘ線を取得することが望ましい場合がある。図１２Ａに示すように、撮像システム１３０４は、「Ｃ」字形の対向する遠位端１３１２で終端する細長いＣ字形部材を含むＣ−アーム１３０８の形態であってもよい。Ｃ字形部材１１３０は、ｘ線源１３１４および画像レセプタ１３１６をさらに含むことができる。アームのＣ−アーム１３０８内の空間は、医師がｘ線支持構造１３１８からの干渉が実質的にない患者を診断するための余地を提供することができる。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取り込み部を取り囲むことができるホイール１３３２を含むホイール付き移動カート１３３０のような、支持構造撮像装置支持構造１３２８に取り付けられたガントリハウジング１３２４を参照すると、固定および可動有する撮像装置１３０６を含むことができる。画像取り込み部は、互いに約１８０度に配置され、画像取り込み部の追跡に対して回転子（図示せず）に取り付けられたｘ線源および／または放出部と、ｘ線受取りおよび／または画像受取り部とを含むことができる。画像取り込み部は、画像取得中に３６０度回転するように動作可能であってもよい。画像取り込み部は、中心点および／または軸の周りを回転することができ、患者２１０の画像データを複数の方向からまたは複数の平面において取得することを可能にする。特定の撮像システム１３０４が本明細書で例示されるが、任意の適切な撮像システムが当業者によって選択されてもよいことは理解されよう。
【００８９】
ここで図１３Ａ〜図１３Ｃを参照すると、手術用ロボットシステム１００、３００、６００は、所望の手術領域に対するエンドエフェクタ１１２、６０２、外科用器具６０８、および／または患者２１０（例えば、患者追跡装置１１６）の正確な位置決めに依存する。図１３Ａ〜図１３Ｃに示す実施形態では、を参照すると、追跡マーカー１１８、８０４は、器具６０８および／またはエンドエフェクタ１１２の一部分に固定的に取り付けられている。
【００９０】
図１３Ａは、基部１０６、ロボットアーム１０４、およびエンドエフェクタ１１２を含むロボット１０２を含む手術用ロボットシステム１００の一部を示す。ディスプレイ、カメラなどの図示されていない他の要素もまた、本明細書で説明するように存在してもよい。図１３Ｂは、ガイドチューブ１１４を有するエンドエフェクタ１１２と、エンドエフェクタ１１２にしっかりと固定された複数の追跡マーカー１１８の拡大図を示す。この実施形態では、複数の追跡マーカー１１８がガイドチューブ１１２に取り付けられている。図１３Ｃは、器具６０８にしっかりと固定された複数の追跡マーカー８０４を有する器具６０８（この場合、プローブ６０８Ａ）を示す。本明細書の他の箇所に記載されるように、器具６０８は、ガイドワイヤ、カニューレ、レトラクタ、ドリル、リーマ、スクリュードライバ、挿入ツール、除去ツール、などの適切な外科用器具を含み得るが、それらに限定されない。
【００９１】
器具６０８、エンドエフェクタ１１２、または３Ｄで追跡される他のオブジェクトを追跡する場合、追跡マーカー１１８、８０４のアレイは、ツール６０８またはエンドエフェクタ１１２の一部に固定的に取り付けられてもよい。追跡マーカー１１８、８０４は、マーカー１１８、８０４がじゃまにならない（例えば、外科手術、視界などを妨げない）ように取り付けられることが好ましい。マーカー１１８、８０４は、例えば、アレイ６１２を用いて、器具６０８、エンドエフェクタ１１２、または追跡される他のオブジェクトに固定されてもよい。通常、三つまたは四つのマーカー１１８、８０４がアレイ６１２と共に使用される。アレイ６１２は、直線部分、クロスピースを含むことができ、マーカー１１８、８０４が互いに異なる相対位置および位置にあるように非対称であってもよい。例えば、図１３Ｃに示すように、４−マーカー追跡アレイ６１２を有するプローブ６０８Ａが示されており、図１３Ｂは、異なる４マーカー追跡アレイ６１２を有するエンドエフェクタ１１２を示す。
【００９２】
図１３Ｃでは、追跡アレイ６１２は、プローブ６０８Ａのハンドル６２０として機能する。したがって、四つのマーカー８０４は、プローブ６０８Ａのハンドル６２０に取り付けられ、シャフト６２２および先端６２４から離れている。これらの四つのマーカー８０４の立体写真測量による追跡は、器具６０８を剛体として追跡することを可能にし、追跡システム１００、３００、６００が、プローブ６０８Ａが追跡カメラ２００、３２６の前方動かされる間に先端６２４の位置およびシャフト６２２の配向を正確に決定することができる。
【００９３】
一つまたは複数のツール６０８、エンドエフェクタ１１２、または３Ｄで追跡される他のオブジェクト（例えば、複数の剛体）の自動追跡を可能にするために、各ツール６０８、エンドエフェクタ１１２などのマーカー１１８、８０４が、既知のマーカー間間隔で非対称に配置される。非対称アラインメントの理由は、どのマーカー１１８、８０４が剛体上の特定の位置に対応するか、マーカー１１８、８０４が正面または背面から見られているかどうか、すなわち鏡像化されるかは明瞭にするためである。例えば、マーカー１１８、８０４がツール６０８またはエンドエフェクタ１１２上の正方形に配置されていた場合、どのマーカー１１８、８０４が正方形のどの隅に対応するかは、システム１００、３００、６００にとっては不明である。例えば、プローブ６０８Ａの場合、どのマーカー８０４がシャフト６２２に最も近いかは不明である。したがって、シャフト６２２がどのようにアレイ６１２から伸びていたかは分からない。したがって、各アレイ６１２、したがって各ツール６０８、エンドエフェクタ１１２、または追跡される他のオブジェクトは、他のツール６０８または追跡されている他のオブジェクトから区別できるように、固有のマーカーパターンを有さなければならない。非対称性およびユニークなマーカーパターンは、システム１００、３００、６００が個々のマーカー１１８、８０４を検出し、保存されたテンプレートに対してマーカー間隔をチェックして、それらが、どのツール６０８、エンドエフェクタ１１２、または他のオブジェクトを表しているのかを決定することを可能にする。次に、検出されたマーカー１１８、８０４を自動的にソートし、追跡された各オブジェクトに正しい順序で割り当てることができる。この情報がなければ、ユーザがどの検出されたマーカー１１８、８０４がそれぞれの剛体上のどの位置のどの位置に対応するかを手動で指定しない限り、例えばツール先端６２４およびシャフト６２２のアライメントなどの重要な幾何情報を抽出するために剛体計算を実行することができないであろう。これらの概念は、３Ｄ光学追跡の方法の当業者には一般に公知である。
【００９４】
ここで図１４Ａ〜図１４Ｄを参照すると、可動追跡マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを有するエンドエフェクタ９１２の代替バージョンが示される。図１４Ａでは、可動追跡マーカー９１８Ａ−９１８Ｄを有するアレイが第一の構成で示され、図１４Ｂにおいて、可動追跡マーカー９１８Ａ−９１８Ｄは、第一の構成に対して傾斜した第二の構成で示される。図１４Ｃは、例えば、図１４Ａの第一の構成におけるカメラ２００、３２６によって見られるように、追跡マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄのテンプレートを示す。図１４Ｄは、例えば、図１４Ｂの第二の構成におけるカメラ２００、３２６によって見られるように、追跡マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄのテンプレートを示す。
【００９５】
この実施形態では、４マーカーアレイ追跡が企図されるが、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄが剛体に対してすべて固定位置にあるわけではなく、その代わりに一つまたは複数のアレイマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄが、例えばテスト中に調整され、追跡されるマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの自動検出およびソートのためのプロセスを中断することなく、追跡される剛体に関する最新の情報を与えることができる。
【００９６】
ロボットシステム１００、３００、６００のエンドエフェクタ９１２に接続されたガイドチューブ９１４のような任意のツールを追跡する場合、追跡アレイの主な目的は、カメラ座標系におけるエンドエフェクタ９１２の位置を更新することである。固定システムを使用する場合、例えば、図１３Ｂに示すように、反射マーカー１１８のアレイ６１２は、ガイドチューブ１１４から固定的に延びている。追跡マーカー１１８は固定的に接続されるので、カメラ座標系におけるマーカー位置の情報はまた、カメラ座標系におけるガイドチューブ１１４の中心線、先端およびテールの正確な位置を提供する。通常、このようなアレイ６１２からのエンドエフェクタ１１２の位置に関する情報、および別の追跡されたソースからの標的軌道の位置に関する情報は、ガイドチューブ１１４を軌道と整列するように移動させ、先端を軌道ベクトルに沿った特定の位置に移動させるロボット１０２の各軸に対して入力されなければならない必要な移動を計算するために使用される。
【００９７】
場合によっては、所望の軌道は厄介なまたは到達不能な位置にあるが、ガイドチューブ１１４を旋回させることができる場合には到達することができる。例えば、ガイドチューブ１１４がピッチ（手首上下角）軸の限界を超えて上方に枢動可能である場合、ロボット１０２の基部１０６から離れて指し示す非常に急な軌道は到達可能であり得るが、もし、ガイドチューブ１１４が、それを手首の端部に接続するプレートに平行に取り付けられるならば到達できないかもしれない。このような軌道に達するためには、ロボット１０２の基部１０６を移動させるか、または異なるガイドチューブアタッチメントを有する異なるエンドエフェクタ１１２を作業用エンドエフェクタと交換することができる。これらの解決の両方は、時間がかかり、扱いにくい場合がある。
【００９８】
図１４Ａおよび図１４Ｂに最もよく示されるように、もし、アレイ９０８がマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの一つまたは複数が固定位置になく、その代わりにマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの一つまたは複数が調整、旋回、枢動、または移動できるならば、ロボット１０２は、検出および追跡プロセスを中断することなく、追跡されているオブジェクトに関する更新された情報を提供することができる。例えば、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの一つは定位置に固定され、他のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは移動可能であってもよい。マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの二つは、定位置に固定され、他のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは、移動可能であってもよい。マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの三つは、定位置に固定され、他のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは、移動可能であってもよい。またはマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄのすべてが可動であってもよい。
【００９９】
図１４Ａおよび図１４Ｂに示す実施形態では、マーカー９１８Ａ、９１８Ｂは、エンドエフェクタ９１２の基部９０６に直接的に固定的に接続され、マーカー９１８Ｃ、９１８Ｄは、チューブ９１４に固定的に接続される。アレイ６１２と同様に、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄをエンドエフェクタ９１２、器具６０８、または追跡される他のオブジェクトに取り付けるために、アレイ９０８を設けることができる。しかしながら、この場合、アレイ９０８は、複数の別個のコンポーネントから構成される。例えば、マーカー９１８Ａ、９１８Ｂは、第一のアレイ９０８Ａによって基部９０６に接続され、マーカー９１８Ｃ、９１８Ｄは、第二のアレイ９０８Ｂによってガイドチューブ９１４に接続されてもよい。マーカー９１８Ａは、第一のアレイ９０８Ａの第一の端部に取り付けられてもよく、マーカー９１８Ｂは、直線距離に分離され、第一のアレイ９０８Ａの第二の端部に固定されてもよい。第一のアレイ９０８は実質的に直線状であるが、第二のアレイ９０８Ｂは、曲がり構成、またはＶ形状構成を有し、それぞれの根元端がガイドチューブ９１４に接続され、そこからＶ字形で遠位端に分岐し、一つの遠位端にマーカー９１８Ｃを有し、他方の遠位端にはマーカー９１８Ｄを有す。特定の構成が本明細書に例示されるが、異なる数およびタイプのアレイ９０８Ａ、９０８Ｂおよび異なる配置、数、およびタイプのマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを含む他の非対称設計が企図されることが理解されよう。
【０１００】
ガイドチューブ９１４は、例えば、基部９０６に対するヒンジ９２０または他のコネクタを横切って、基部９０６に対して移動可能、枢動可能、または枢動可能であってもよい。したがって、マーカー９１８Ｃ、９１８Ｄは、ガイドチューブ９１４が枢動し、旋回し、または移動するときに、マーカー９１８Ｃ、９１８Ｄも枢動、旋回または移動するように移動可能である。図１４Ａに最もよく示されるように、ガイドチューブ９１４は、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄが第一の構成を有するように、実質的に法線方向または垂直の向きに整列された長手方向軸９１６を有する。ここで図１４Ｂを参照すると、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄが第一の構成と異なる第二の構成を有するように、長手方向軸９１６が垂直方向に対して角度をなすように、ガイドチューブ９１４が枢動、旋回、または移動される。
【０１０１】
図１４Ａ〜図１４Ｄに記載された実施形態とは対照的に、四つのマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの全てがガイドチューブ９１４に固定的に取り付けられた状態で、ガイドチューブ９１４とアーム１０４（例えば、手首アタッチメント）との間にスイベルが存在し、このスイベルがユーザによって調整された場合、ロボットシステム１００、３００、６００は、ガイドチューブ９１４の配向が変化したことを自動的に検出することができない。ロボットシステム１００、３００、６００は、マーカーアレイ９０８の位置を追跡し、ガイドチューブ９１４が以前の配向で手首（ロボットアーム１０４）に取り付けられていると仮定して、不正確なロボット軸の動きを計算する。一つまたは複数のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄ（例えば、二つのマーカー９１８Ｃ、９１８Ｄ）を、チューブ９１４上に固定して保持し、一つまたは複数のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄ（例えば、二つのマーカー９１８Ａ、９１８Ｂ）をスイベルを横切って保持することによって、新しい位置の自動検出が可能となり、ロボットアーム１０４の端部上の新しいツールまたはエンドエフェクタ１１２、９１２の検出に基づいて正しいロボットの動きが計算される。
【０１０２】
一つまたは複数のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは、任意の適切な手段にしたがって移動、枢動、旋回等されるように構成される。例えば、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは、クランプ、バネ、レバー、摺動、トグルなどのヒンジ９２０によって、またはマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを個々にまたは組み合わせて移動させるための、または、アレイ９０８Ａ、９０８Ｂを個々にまたは組み合わせて移動させるための、または、エンドエフェクタ９１２の任意の部分を別の部分に対して移動させるための、または、ツール６０８の任意の部分を別の部分に対して移動させるための、任意の他の適切な機構によって、動かしても良い。
【０１０３】
図１４Ａおよび図１４Ｂに示すように、アレイ９０８およびガイドチューブ９１４は、単に、クランプまたはヒンジ９２０を緩め、アレイ９０８Ａ、９０８Ｂの一部を他の部分９０８Ａ、９０８Ｂに対して移動させ、ヒンジ９２０を再調整して、ガイドチューブ９１４が異なる位置に向けられるように構成可能であってもよい。例えば、二つのマーカー９１８Ｃ、９１８Ｄはチューブ９１４と固定的に相互接続され、二つのマーカー９１８Ａ、９１８Ｂはヒンジ９２０を介してロボットアーム１０４に取り付けられるエンドエフェクタ９１２の基部９０６に固定的に相互接続され得る。ヒンジ９２０は、ユーザが第一の構成（図１４Ａ）と第二の構成（図１４Ｂ）との間を素早く切り替えることを可能にするためにゆるめて締めることができるウイングナットなどのクランプの形態であってもよい。
【０１０４】
カメラ２００、３２６は、例えば、図１４Ｃおよび図１４Ｄで識別されたテンプレートの一つにおいてマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを検出する。アレイ９０８が第一の構成（図１４Ａ）にあり、追跡カメラ２００、３２６がマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを検出する場合、追跡されるマーカーは１４Ｃに示すようにアレイテンプレート１と一致する。アレイ９０８が第二の構成（図１４Ｂ）であり、追跡カメラ２００、３２６が同じマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを検出した場合、追跡されるマーカーは図１４Ｄに示すようにアレイテンプレート２と一致する。アレイテンプレート１およびアレイテンプレート２は、ガイドチューブ９１４、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄ、およびロボットアタッチメント間に固有に画定された空間的関係を有する二つの異なるツールとしてシステム１００、３００、６００によって認識される。したがって、ユーザは、システム１００、３００、６００に変更を通知することなく、第一および第二の構成の間でエンドエフェクタ９１２の位置を調整することができ、システム１００、３００、６００は、ロボット１０２の動きを軌道上にあるように適切に調整する。
【０１０５】
この実施形態では、マーカーアレイが、システム１００、３００、６００がアセンブリを二つの異なるツールまたは二つの異なるエンドエフェクタとして認識することを可能にする固有のテンプレートと一致する二つのアセンブリ位置が存在する。これらの二つの位置の間または外側のスイベルの任意の位置では、（すなわち、それぞれ図１４Ｃおよび図１４Ｄに示すアレイテンプレート１およびアレイテンプレート２）マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄはいずれのテンプレートとも一致せず、システム１００、３００、６００は、カメラ２００、３２６によって個々のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄが検出されるにもかかわらず、存在するアレイを検出せず、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄがカメラ２００、３２６の視界から一時的にブロックされた場合と同じ結果になる。他のアレイテンプレートが、例えば、異なる器具６０８または他のエンドエフェクタ１１２、９１２などを識別する他の構成用に存在してもよいことが理解されよう。
【０１０６】
記載された実施形態では、二つの別個の組立位置が図１４Ａおよび１４Ｂに示される。しかし、スイベルジョイント、直線ジョイント、スイベルジョイントと直線ジョイントの組み合わせ、ペグボード、または他のアセンブリ上に複数の離散的な位置が存在することが理解されよう。ここで、アレイの一つまたは複数のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの位置をお互いに調整することによってユニークなマーカーテンプレートを作成することができ、各離散的な位置は、特定のテンプレートと一致し、異なる既知の属性を有する固有のツール６０８またはエンドエフェクタ１１２、９１２を定義する。さらに、エンドエフェクタ９１２について例示されるが、移動可能な固定マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは、任意の適切な器具６０８または追跡される他のオブジェクトとともに使用されてもよいことが理解されよう。
【０１０７】
外部３Ｄ追跡システム１００、３００、６００を使用してロボットのエンドエフェクタ１１２に取り付けられた三つ以上のマーカーの完全な剛体アレイを追跡する場合（例えば、図１３Ａおよび１３Ｂに示すように）、カメラ２００、３２６の座標系におけるロボット１０２の各セクションの３Ｄ位置を直接的に追跡するか、または計算することができる。トラッカーに対するジョイントの幾何学的な配向は設計によって既知であり、ジョイントの線形位置または角度位置は、ロボット１０２の各モータのエンコーダから既知であり、エンドエフェクタ１１２から基部１１６までのすべての可動部品の３Ｄ位置を完全に規定する。同様に、トラッカーがロボット１０２の基部１０６（図示せず）に取り付けられている場合、既知のジョイントジオメトリおよび各モータのエンコーダからのジョイント位置に基づいて、基部１０６からエンドエフェクタ１１２までのロボット１０２の各セクションの３Ｄ位置を追跡または計算することも同様に可能である。
【０１０８】
いくつかの状況では、エンドエフェクタ１１２に固定的に取り付けられた三つ未満のマーカー１１８からロボット１０２のすべてのセグメントの位置を追跡することが望ましい場合がある。具体的には、ツール６０８がガイドチューブ１１４内に導入される場合、一つの追加のマーカー１１８のみが追跡されて、ロボット９０２の完全な剛体運動を追跡することが望ましい場合がある。
【０１０９】
ここで図１５Ａ〜図１５Ｅを参照すると、単一の追跡マーカー１０１８のみを有するエンドエフェクタ１０１２の代替バージョンが示される。エンドエフェクタ１０１２は、本明細書に記載の他のエンドエフェクタと同様であってもよく、長手方向軸１０１６に沿って延在するガイドチューブ１０１４を含んでもよい。本明細書で説明する他の追跡マーカーと同様の単一の追跡マーカー１０１８を、ガイドチューブ１０１４にしっかりと固定することができる。この単一マーカー１０１８は、完全な剛体追跡を可能にするために欠けている自由度を追加する目的に役立ち、および／またはロボットおよびカメラの位置決めに関する仮定が有効であることを保証する監視マーカーとして機能する目的に役立ち得る。
【０１１０】
単一追跡マーカー１０１８は、任意の好都合な方向に突出し、外科医の視界を妨げないエンドエフェクタ１０１２に対する剛性の延長部として、ロボット式エンドエフェクタ１０１２に取り付けられてもよい。追跡マーカー１０１８は、ガイドチューブ１０１４またはエンドエフェクタ１０１２上の任意の他の適切な位置に固定することができる。ガイドチューブ１０１４に取り付けられたとき、追跡マーカー１０１８は、ガイドチューブ１０１４の第一の端部と第二の端部との間の位置に配置されてもよい。例えば、図１５Ａでは、単一追跡マーカー１０１８は、ガイドチューブ１０１４から前方に延在し、ガイドチューブ１０１４の長手方向の中間点の上でかつガイドチューブ１０１４の入口の下方に位置する細いシャフト１０１７の端部に取り付けられた反射球として示される。この位置は、マーカー１０１８がカメラ２００、３２６によって全体的に見えることを可能にするだけでなく、外科医１２０の視界を妨げず、手術の近傍の他のツールまたはオブジェクトと衝突しない。さらに、この位置のマーカー１０１８を有するガイドチューブ１０１４は、ガイドチューブ１０１４に導入された任意のツール６０８上のマーカーアレイを、ガイドチューブ１０１４上の単一マーカー１０１８が見えると同時に見ることができるように設計される。
【０１１１】
図１５Ｂに示すように、ぴったりとフィットするツールまたは器具６０８がガイドチューブ１０１４内に配置されると、器具６０８は、６つの自由度のうちの４つで機械的に拘束される。すなわち、器具６０８は、ガイドチューブ１０１４の長手方向軸線１０１６を除いて、いかなる方向にも回転させることができず、器具６０８は、ガイドチューブ１０１４の長手方向軸線１０１６に沿って以外の方向に並進することができない。言い換えれば、器具６０８は、ガイドチューブ１０１４の中心線に沿って並進移動しかつ回転させることだけができる。（１）ガイドチューブ１０１４の長手方向軸１０１６周りの回転角度、（２）ガイドチューブ１０１４に沿った位置のようにさらに二つのパラメータが既知であれば、カメラ座標系におけるエンドエフェクタ１０１２の位置が完全に定義される。
【０１１２】
次に図１５Ｃに示すように、システム１００、３００、６００は、ツール６０８がガイドチューブ１０１４の内部に実際に配置され、代わりにガイドチューブ１０１４の外側ではなく、カメラ２００、３２６の視界のどこかにあるときを知ることができるべきである。ツール６０８は、長手方向軸または中心線６１６と、複数の追跡されるマーカー８０４を有するアレイ６１２とを有する。剛体計算を使用して、ツール６０８上のアレイ６１２の追跡位置に基づいて、ツール６０８の中心線６１６がカメラ座標系内に位置する場所を決定することができる。
【０１１３】
単一マーカー１０１８からガイドチューブ１０１４の中心線または長手方向軸１０１６までの固定された法線（垂直）距離ＤＦは固定され、幾何学的に既知であり、単一マーカー１０１８の位置を追跡することができる。したがって、ツール中心線６１６から単一マーカー１０１８までの検出距離ＤＤが、ガイドチューブ中心線１０１６から単一マーカー１０１８までの既知の固定距離ＤＦと一致する場合、ツール６０８がガイドチューブ１０１４内にある（ツール６０８およびガイドチューブ１０１４の中心線６１６、１０１６が一致）か、またはこの距離ＤＤが固定距離ＤＦに一致する可能性のある位置の軌跡のある点に存在していることを判定できる。例えば、図１５Ｃに示すように、ツール中心線６１６から単一マーカー１０１８までの法線方向の検出距離ＤＤが、二つの位置において、透明なツール６０８によって表される両方のデータフレーム（追跡されるマーカー座標）においてガイドチューブ中心線１０１６から単一マーカー１０１８までの固定距離ＤＦと一致する。したがって、ツール６０８がガイドチューブ１０１４内に配置されるときを決定するために追加の考慮が必要とされ得る。
【０１１４】
ここで図１５Ｄを参照すると、プログラムされたロジックを使用して、ツール６０８がガイドチューブ１０１４内を移動しているという条件を満たすよう、ツール６０８がスペース内で単一の球体１０１８に対して、ある程度の最小距離だけ移動しても、ツール中心線６１６から単一マーカー１０１８までの検出距離ＤＤが正しい長さに固定されたままである、追跡データのフレームを探すことができる。例えば、第一のフレームＦ１は、第一の位置のツール６０８によって検出され、第二のフレームＦ２は、第二の位置のツール６０８によって検出され得る（すなわち、第一の位置に対して直線的に移動される）。ツールアレイ６１２上のマーカー８０４は、第一のフレームＦ１から第二のフレームＦ２へ所与の量より多く（例えば、合計５ｍｍ超）だけ移動することができる。この移動であっても、ツール中心線ベクトルＣ’から単一マーカー１０１８までの検出距離ＤＤは、第一のフレームＦ１と第二のフレームＦ２の両方において実質的に同一である。
【０１１５】
論理的には、外科医１２０またはユーザは、ツール６０８をガイドチューブ１０１４内に配置し、ガイドチューブ１０１４内にそれをわずかに回転させるかまたは滑り込ませることができ、システム１００、３００、６００は、ツール６０８が五つのマーカー（ツール６０８上の四つのマーカー８０４に加えガイドチューブ１０１４上の単一マーカー１０１８）から、ガイドチューブ１０１４内にあることを検知することができる。ツール６０８がガイドチューブ１０１４内にあることを知り、空間内のロボット式エンドエフェクタ１０１２の位置および配向を定める６自由度の全てを計算することができる。単一マーカー１０１８がなければ、ツール６０８がガイドチューブ１０１４内にあることが確実に分かっていても、ガイドチューブ１０１４がツールの中心線ベクトルＣ’に沿ってどこに位置するか、およびガイドチューブ１０１４が中心線ベクトルＣ’に対しどのように回転するかは不明である。
【０１１６】
図１５Ｅで強調するように、ツール６０８上四つのマーカー８０４と合わせて単一マーカー１０１８が追跡されるので、ガイドチューブ１０１４およびツール６０８の中心線ベクトルＣ’および単一マーカー１０１８および中心線ベクトルＣ’による法線ベクトルを構築することができる。この法線ベクトルは、手首の遠位のロボットの前腕（この例では、そのセグメントに平行に配向される）に対して既知の配向であり、特定の固定位置で中心線ベクトルＣ’と交差する配向を有する。便宜上、図１５Ｅに示すように、三つの相互に直交するベクトルｋ’、ｊ’、ｉ’を構成することができ、ガイドチューブ１０１４の剛体位置および配向を画定することができる。三つの相互に直交するベクトルの一つである、ｋ’は、中心線ベクトルＣ’から構成され、第二のベクトルｊ’は、単一マーカー１０１８を通る法線ベクトルから構成され、第三のベクトルｉ’は、第一と第二のベクトルｋ’、ｊ’のベクトル積である。これらのベクトルｋ’、ｊ’、ｉ’に対するロボットのジョイント位置は、すべてのジョイントがゼロになると既知であり、固定され、したがって剛体計算を使用して、ロボットがホームポジションにいるとき、これらのベクトルｋ’、ｊ’、ｉ’に対するロボットの任意の部分の位置を決定することができる。ロボットの移動中に、ツールマーカー８０４の位置（ツール６０８がガイドチューブ１０１４内にある間）および単一マーカー１０１８の位置が追跡システムから検出され、各ジョイントの角度／直線位置がエンコーダから既知であれば、ロボットの任意の部分の位置および方向を決定することができる。
【０１１７】
いくつかの実施形態では、ガイドチューブ１０１４に対するツール６０８の配向を固定することが有用であり得る。例えば、エンドエフェクタガイドチューブ１０１４は、マシニングまたはインプラントの位置決めを可能にするために、その軸１０１６の周りの特定の位置に向けられてもよい。ガイドチューブ１０１４内に挿入されたツール６０８に取り付けられたあらゆる物の配向は、ツール６０８上の追跡されるマーカー８０４から分かるが、ガイドチューブ１０１４上の追加の追跡マーカー１０１８（または他の実施形態では複数の追跡マーカー）がなければ、カメラ座標系におけるガイドチューブ１０１４自体の回転方向は不明である。このマーカー１０１８は、本質的に、中心線ベクトルＣ’に対するマーカー１０１８の配向に基づいて−１８０°〜＋１８０°の「クロック位置」を提供する。したがって、単一マーカー１０１８は、完全な剛体追跡を可能にする追加の自由度を提供することができ、および／またはロボットおよびカメラの位置決めに関する仮定が有効であることを保証する監視マーカーとして機能することができる。
【０１１８】
図１６は、ロボット１０２のエンドエフェクタ１０１２（または本明細書に記載の他の任意のエンドエフェクタ）を所望の標的軌道にナビゲートおよび移動させるための方法１１００のブロック図である。ロボットエンドエフェクタ１０１２またはガイドチューブ１０１４上の単一マーカー１０１８の別の使用は、ロボット１０２に取り付けられたフル追跡アレイなしでロボット１０２の自動安全移動を可能にする方法１１００の一部である。この方法１１００は、追跡カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動しないで（すなわち、それらが固定位置にある）、追跡システムの座標系およびロボットの座標系が共に登録され、ガイドチューブ１０１４の位置および配向が、各ロボット軸の符号化された位置にのみ基づいて、ロボットのデカルト座標系において正確に決定することができるように、ロボット１０２が較正されるとき、機能する。
【０１１９】
この方法１１００では、トラッカーとロボットの座標系を共に登録しなければならないが、これは、追跡システムのデカルト座標系からロボットのデカルト座標系への座標変換が必要であることを意味する。便宜上、この座標変換は、ロボット工学の分野で周知である４ｘ４の並進行列および回転行列であり得る。この変換はＴｃｒと呼ばれ、「変換−カメラからロボットに」を指す。この変換が分かれば、追跡される各マーカーに対しベクトル形式でｘ、ｙ、ｚ座標として受け取られる追跡データの新しいフレームに４ｘ４行列を乗算することができ、結果のｘ、ｙ、ｚ座標はロボットの座標系にある。Ｔｃｒを得るためには、ロボットのフル追跡アレイが、ロボットの座標系で既知の位置にロボットに固定的に取り付けられている間に追跡され、次いで既知の剛体法が座標の変換を計算するために使用される。ロボット１０２のガイドチューブ１０１４に挿入された任意のツール６０８は、追加のマーカー１０１８も読み取られたときに、固定的に取り付けられたアレイと同じ剛体情報を提供することができることは明らかである。すなわち、ツール６０８は、ガイドチューブ１０１４内の任意の位置に、ガイドチューブ１０１４内の任意の回転で、挿入するだけで良い。固定された位置および配向に挿入する必要はない。したがって、追跡アレイ６１２を含む任意のツール６０８をガイドチューブ１０１４に挿入し、ツールのアレイ６１２とガイドチューブ１０１４の単一マーカー１０１８とを読み取ることにより、Ｔｃｒを決定することが可能である。同時に、それぞれの軸上のエンコーダからロボットの座標系におけるガイドチューブ１０１４の現在位置を決定できる。
【０１２０】
ロボット１０２を標的軌道にナビゲートして移動させるための論理は、図１６の方法１１００において提供される。ループ１１０２に入る前に、変換Ｔｃｒが以前に記憶されたと仮定する。したがって、ループ１１０２に入る前に、ステップ１１０４において、ロボット基部１０６が固定された後、ロボットが静止している間にガイドチューブに挿入されたツールの追跡データの一つかまたはそれ以上のフレームが格納される。ステップ１１０６において、この静的データおよび以前の較正データから、カメラ座標からロボット座標Ｔｃｒへのロボットガイドチューブ位置の変換が計算される。Ｔｃｒは、カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して動かない限り有効であるべきである。カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動し、Ｔｃｒを再取得する必要がある場合、システム１００、３００、６００は、ガイドチューブ１０１４内にツール６０８を挿入するようにユーザに促し、次いで必要な計算を自動的に実行ことができる。
【０１２１】
方法１１００のフローチャートでは、収集されるデータの各フレームは、患者２１０上のＤＲＢ１４０４の追跡された位置、エンドエフェクタ１０１４上の単一マーカー１０１８の追跡された位置、および各ロボット軸の位置のスナップショットからなる。ロボットの軸の位置から、エンドエフェクタ１０１２上の単一マーカー１０１８の位置が計算される。この計算された位置は、追跡システムから記録されたマーカー１０１８の実際の位置と比較される。値が一致すれば、ロボット１０２が既知の位置にあることを保証することができる。変換Ｔｃｒは、ロボット１０２の標的がロボットの座標系に関して提供されるように、ＤＲＢ１４０４の追跡された位置に適用される。次いで、ロボット１０２は、標的に到達するために移動するように命令され得る。
【０１２２】
ステップ１１０４、１１０６の後、ループ１１０２は、追跡システムからＤＲＢ１４０４の剛体情報を受信するステップ１１０８と、標的先端および軌道を画像座標から追跡システム座標に変換するステップ１１１０と、標的先端および軌道をカメラ座標からロボット座標に変換する（Ｔｃｒを適用する）ステップ１１１２とを含む。ループ１１０２はさらに、追跡システムからロボットのための単一の漂遊マーカー位置を受信するステップ１１１４と、単一の漂遊マーカーを追跡システム座標からロボット座標に変換する（格納Ｔｃｒを適用する）ステップ１１１６とを含む。ループ１１０２はまた、順運動学からロボット座標系における単一のロボットマーカー１０１８の現在位置を決定するステップ１１１８を含む。ステップ１１１６および１１１８からの情報は、変換された追跡された位置からの漂遊マーカー座標が、所定の公差よりも小さい計算された座標と一致するかどうかを決定する（ステップ１１２０）ために使用される。イエスであれば、ステップ１１２２に進み、標的ｘ、ｙ、ｚおよび軌道にロボット移動を計算して適用する。いいえの場合は、ステップ１１２４に進み、一旦停止し、処理を続行する前にガイドチューブ１０１４への完全なアレイ挿入を要求し、ステップ１１２６でアレイが挿入された後に、Ｔｃｒを再計算する。その後、ステップ１１０８、１１１４および１１１８を繰り返すように進む。
【０１２３】
この方法１１００は、位置を確認するために単一マーカー１０１８の連続的な監視が省略される方法に優る利点を有する。単一マーカー１０１８がなければ、Ｔｃｒを使用してエンドエフェクタ１０１２の位置を決定し、エンドエフェクタ１０１２を標的位置に送信することは可能であるが、ロボット１０２が実際に予想される場所にいることを確認することはできない。例えば、カメラ２００、３２６が突き当たり、Ｔｃｒがもはや有効でない場合、ロボット１０２は誤った位置に移動することになる。このため、単一マーカー１０１８は安全性に関する価値を提供する。
【０１２４】
ロボット１０２の所与の固定位置に対して、理論的には、追跡カメラ２００、３２６を、単一の追跡されるマーカー１０１８は、アレイではなく単一の点であるので、移動されないままである、新しい位置に移動することが可能である。そのような場合、システム１００、３００、６００は、単一マーカー１０１８の計算された位置と、追跡された位置が一致するので、何らエラーを検出しない。しかしながら、ロボットの軸がガイドチューブ１０１２を新しい位置に移動させると、計算された位置と追跡された位置は不一致となり、安全チェックが有効になる。
【０１２５】
「監視マーカー」という用語が、例えば、ＤＲＢ１４０４に対して固定位置にある単一マーカーを参照して使用することができる。この例では、ＤＲＢ１４０４が突き当てられるか、またはそうでなければ取り外されると、監視マーカーの相対位置が変化し、外科医１２０に、ナビゲーションに問題がある可能性があることを警告することができる。同様に、本明細書に記載の実施形態では、ロボットのガイドチューブ１０１４上に単一マーカー１０１８を用いて、システム１００、３００、６００は、カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動したかどうかを連続的にチェックすることができる。カメラ２００、３２６が突き当たったり機能不全になったり、ロボットが誤動作したりするなどして、追跡システムの座標系のロボットの座標系への登録が失われた場合、システム１００、３００、６００はユーザに警告し、修正を加えることができる。したがって、この単一マーカー１０１８は、ロボット１０２に対する監視マーカーと考えることもできる。
【０１２６】
ロボット１０２に恒久的に取り付けられたフルアレイ（例えば、図７Ａ〜７Ｃに示されるエンドエフェクタ６０２上の複数の追跡マーカー７０２）の場合、ロボット監視マーカーのような単一マーカー１０１８のそのような機能は、カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して固定位置にあることが要求されず、Ｔｃｒはロボット１０２の追跡された位置に基づいて各フレームで更新されるので、必要ではない。完全なアレイの代わりに単一マーカー１０１８を使用する理由は、完全なアレイがよりかさばってじゃまであり、それによって、単一マーカー１０１８よりも外科医の視界および外科手術領域２０８へのアクセスが妨げられ、フルアレイに対する視線が、単一マーカー１０１８に対する視線よりも容易にブロックされるからである。
【０１２７】
ここで図１７Ａ−１７Ｂおよび図１８Ａ−１８Ｂを参照すると、固定および可動追跡マーカー８０４、８０６の両方を含むインプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃなどの器具６０８が示される。インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃは、ハンドル６２０と、ハンドル６２０から延在する外側シャフト６２２とを有してもよい。シャフト６２２は、図示されるように、ハンドル６２０に対して実質的に垂直に、または任意の他の適切な配向に配置され得る。内側シャフト６２６は、一方の端部にノブ６２８を有する外側シャフト６２２を通って延在することができる。インプラント１０、１２は、シャフト６２２に他方の端部で、当業者に公知である典型的な接続機構を使用して、インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃの先端６２４で接続する。ノブ６２８は、例えば、インプラント１０、１２を拡張させまたは関節接合させるために回転させることができる。米国特許第８，７０９，０８６号および第８，４９１，６５９号は、これらの開示が本明細書で参照により組み込まれるが、拡張可能な融合装置および取り付け方法を記載している。
【０１２８】
インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃのようなツール６０８を追跡するとき、追跡アレイ６１２は、アレイ６１２を構成するまたは、そうでなければインプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃに取り付けられる、固定マーカー８０４と一つまたは複数の可動マーカー８０６の組み合わせを含むことができる。ナビゲーションアレイ６１２は、インプラントホルダ器具６０８Ｂ、６０８Ｃに対して既知の位置に配置される少なくとも一つまたは複数（例えば、少なくとも二つ）の固定位置マーカー８０４を含むことができる。これらの固定マーカー８０４は、器具の幾何学的形状に対してどの方向にも動くことができず、器具６０８が空間中でどこにあるかを定義するのに有用である。さらに、少なくとも一つのマーカー８０６が存在し、これは、固定マーカー８０４に対して所定の境界内で動くことができる（例えば、摺動、回転など）アレイ６１２または器具自体に取り付けることができる。システム１００、３００、６００（例えば、ソフトウェア）は、可動マーカー８０６の位置をインプラント１０の特定の位置、配向、または他の属性に関係づける（例えば、図１７Ａ〜１７Ｂに示す拡張可能な椎体間スペーサの高さ、図１８Ａ〜１８Ｂに示される関節のある椎体間スペーサの角度）。したがって、システムおよび／またはユーザは、可動マーカー８０６の位置に基づいてインプラント１０、１２の高さまたは角度を決定することができる。
【０１２９】
図１７Ａ〜図１７Ｂに示す実施形態では、四つの固定マーカー８０４を使用してインプラントホルダ６０８Ｂを画定し、第五の可動マーカー８０６を所定の経路内で摺動させて、インプラント高さ（例えば、収縮位置または拡張位置）にフィードバックを提供することができる。図１７Ａは、拡張可能なスペーサ１０をその初期高さで示しており、図１７Ｂは、可動マーカー８０６が異なる位置に並進された、拡張状態のスペーサ１０を示す。この場合、可動マーカー８０６は、インプラント１０が拡張されたときに固定マーカー８０４に近づくが、この移動が逆転してもよいし、そうでなければ異なってもよいと考えられる。マーカー８０６の直線並進の量は、インプラント１０の高さに対応する。二つの位置のみが示されるが、これを連続的な機能として有することが可能であり、それにより、任意の所定の拡張高さを可動マーカー８０６の特定の位置に相関させることができる。
【０１３０】
ここで図１８Ａ〜図１８Ｂを参照すると、四つの固定マーカー８０４がインプラントホルダ６０８Ｃを画定するために使用され、第五の可動マーカー８０６がインプラント関節角度に対してフィードバックを提供するために所定の経路内で摺動するよう構成される。図１８Ａは、関節のあるスペーサ１２をその初期線形状態で示しており、図１８Ｂは、可動マーカー８０６が異なる位置に移動されたあるオフセット角での関節動作した状態にあるスペーサ１２を示す。マーカー８０６の線形並進量は、インプラント１２の関節角度に対応する。二つの位置だけが示されるが、これを連続機能として有することが可能であり、それによって、任意の所与の関節角度が可動マーカー８０６の特定の位置に相関されることができる。
【０１３１】
これらの実施形態では、可動マーカー８０６は、位置に基づいてインプラント１０、１２の属性に関するフィードバックを提供するために連続的に摺動する。また、インプラント属性に関するさらなる情報を提供することができる可動マーカー８０６がなければならない周到な位置が存在し得ることも考えられる。この場合、全てのマーカー８０４、８０６の周到な構成は、特定の配向または特定の高さにおける、インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃおよびインプラント１０、１２の特定の幾何学的形状と相関する。さらに、可動マーカー８０６の任意の動きは、任意の他のタイプのナビゲートされるインプラントの他の可変属性に使用することができる。
【０１３２】
可動マーカー８０６の線形移動に関して図示および説明されるが、可動マーカー８０６は、単に摺動に限定されるべきではない。マーカー８０６の回転または他の動きがインプラント１０、１２に関する情報を提供するのに有用であり得る用途があり得る。一組の固定マーカー８０４と可動マーカー８０６との間の位置の相対的変化は、インプラント１０、１２または他のデバイスに関する関連情報となり得る。さらに、拡張可能で関節のあるインプラント１０、１２が例示されるが、器具６０８は、他の医療機器およびスペーサ、ケージ、プレート、ファスナ、釘、ねじ、ロッド、ピン、ワイヤ構造、縫合糸、アンカークリップ、ステープル、ステント、骨移植片、生物製剤、セメントなどの材料ともに機能することができる。
【０１３３】
ここで図１９Ａを参照すると、ロボットエンドエフェクタ１１２は、他のタイプのエンドエフェクタ１１２と交換可能であることが想定される。さらに、各エンドエフェクタ１１２は、所望の外科施術に基づいて一つまたは複数の機能を実行することができると考えられる。例えば、ガイドチューブ１１４を有するエンドエフェクタ１１２は、本明細書で説明されるように器具６０８を案内するために使用されてもよい。さらに、エンドエフェクタ１１２は、例えば、外科用デバイス、器具、またはインプラントを制御する、異なるまたは代替のエンドエフェクタ１１２で置き換えることができる。
【０１３４】
代替のエンドエフェクタ１１２は、ロボットに結合され、ロボットによって制御可能な一つまたは複数の装置または器具を含むことができる。非限定的な例として、図１９Ａに示すエンドエフェクタ１１２は、レトラクタ（例えば、米国特許第８，９９２，４２５号および第８，９６８，３６３号に開示される一つまたは複数のレトラクタ）、または以下のような外科用デバイスを挿入または設置するための一つまたは複数の機構を含むことができる。それは、拡張可能な椎間融合装置（米国特許第８，８４５，７３４号、第９，５１０，９５４号、および第９，４５６，９０３号に例示される拡張可能インプラントなど）、スタンドアロンの椎間融合装置（米国特許第９，３６４，３４３号および第９，４８０，５７９号に例示されるようなインプラントなど）、拡張可能な骨切除装置（米国特許第９，３９３，１２８号および第９，１７３，７４７号に例示される骨矯正インプラントなど）、関節のあるスペーサ（米国特許第９，２５９，３２７号に例示されるインプラントなど）、ファセットプロテーゼ（米国特許第９，５３９，０３１号に例示されるデバイスなど）、椎弓形成術装置（米国特許第９，４８６，２５３号に例示されたデバイスなど）、棘突起スペーサ（米国特許第９，５９２，０８２号に例示されるインプラントなど）、インフレータブル製品、多軸スクリュー、一平面スクリュー、椎弓根スクリュー、ポストスクリューなどを含むファスナ、骨固定プレート、ロッド構築物および変更デバイス（米国特許第８，８８２，８０３号に例示されるデバイスなど）、人工および天然ディスク、動作保存装置、インプラント、および脊髄刺激装置（米国特許第９，４４０，０７６号に例示される装置など）、ならびに他の外科用デバイスである。エンドエフェクタ１１２は、骨セメント、骨移植片、生きた細胞、医薬品、または外科手術標的への他の送達物を提供するために、ロボットに直接的または間接的に結合された一つまたは複数の器具を含むことができる。エンドエフェクタ１１２はまた、椎間板切除術、脊柱後弯形成、椎骨縫合、拡張、または他の外科施術を行うために設計された一つまたは複数の器具を含むことができる。
【０１３５】
エンドエフェクタそれ自体および／またはインプラント、デバイスまたは器具は、マーカー１１８の場所および位置が三次元で識別されるように、一つまたは複数のマーカー１１８を含むことができる。マーカー１１８は、カメラ２００に直接的または間接的に視認可能な、本明細書に記載される能動または受動マーカー１１８を含むことができると考えられる。したがって、例えば、インプラント１０上に配置された一つまたは複数のマーカー１１８は、インプラント前、インプラント中およびインプラント後のインプラント１０の追跡を提供することができる。
【０１３６】
図１９Ｂに示すように、エンドエフェクタ１１２は、ロボットアーム１０４に結合された器具６０８またはその一部を含むことができ（例えば、器具６０８は、図９Ａ〜図９Ｃに示す結合機構によってロボットアーム１０４に結合され得る）、ロボットシステム１００によって制御可能である。したがって、図１９Ｂに示す実施形態では、ロボットシステム１００は、インプラント１０を患者に挿入し、拡張可能インプラント１０を拡張または収縮させることができる。したがって、ロボットシステム１００は、外科医を補助するか、または部分的にまたは完全に独立して動作するように構成することができる。したがって、ロボットシステム１００は、その特定の機能または外科施術のために各代替エンドエフェクタ１１２を制御することができることが想定される。
【０１３７】
上述のロボットおよび関連するシステムは、背骨用途を参照して一般に説明されるが、ロボットシステムは、他の外科手術への適用において使用されるように構成される。他の外科手術には、外傷の手術または他の整形外科手術（例えば、髄内釘、プレートなどの配置）、頭蓋、神経、心胸郭、血管、結腸直腸、腫瘍学、歯科および他の外科手術および処置が挙げられるが、これらに限定されない。下記に記載するいくつかの実施形態によれば、ロボットシステムは脳外科手術用途に使用され得る。
【０１３８】
図２０は、ロボットシステムコントローラの要素（例えば、コンピュータ４０８内に実装される）を図示するブロック図である。示すように、コントローラは、入力インターフェース回路２００１（入力インターフェースとも称される）と、出力インターフェース回路２００３（出力インターフェースとも称される）と、制御インターフェース回路２００５（制御インターフェースとも称される）と、メモリ回路２００９（メモリとも称される）とに結合されるプロセッサ回路２００７（プロセッサとも称される）を含み得る。メモリ回路２００９は、プロセッサ回路２００７によって実行されると、本明細書に開示された実施形態において、プロセッサ回路に動作を実施させるコンピュータ可読プログラムコードを含み得る。その他の実施形態では、プロセッサ回路２００７は、別のメモリ回路が必要とされないよう、メモリを含んで画定され得る。
【０１３９】
本明細書に記載のように、本開示のいくつかの実施形態によるロボットシステムを制御する動作は、プロセッサ２００７、入力インターフェース２００１、出力インターフェース２００３、および／または制御インターフェース２００５を含むコントローラ２０００によって実行され得る。例えば、プロセッサ２００７は、入力インターフェース２００１を通してユーザ入力を受信し得、そうしたユーザ入力は、フットペダル５４４、タブレット５４６、ディスプレイ１１０／３０４のタッチ感応インターフェース等を通して受信されるユーザ入力を含み得る。プロセッサ２００７はまた、追跡サブシステム５３２および／またはカメラ２００から入力インターフェース２００１を通して位置センサ入力を受信し得る。プロセッサ２００７は、出力インターフェース２００３を通して出力を提供し得、そのようなアウト（ｏｕｔ）は、ディスプレイ１１０／３０４上のグラフィック／視覚的情報および／またはスピーカ５３６を通して提供されることになる音声出力を表示する情報を含み得る。プロセッサ２００７は、制御インターフェース２００５を通してモーション制御サブシステム５０６へロボット制御情報を提供し得、ロボット制御情報は、ロボットアクチュエータ（ロボットアーム１０４／３０６−３０８／６０４（ロボットアームとも称される））および／またはエンドエフェクタ１１２／６０２の動作を制御するのに使用され得る。
【０１４０】
基準（基準ポイントまたは基準オブジェクトとも称される）は、画像スキャン（例えば、術前ＭＲＩスキャンおよび術中ＣＴスキャン）の３Ｄ座標系において局在化され得るオブジェクト（３次元３Ｄ空間での）上のポイントである。二つ以上の異なる画像スキャン内に同一の基準を検出することができる場合が多い。二つの異なる座標系において少なくとも三つの基準が位置する場合、二つの座標系は、三つ以上の基準を使用して共に登録することができる。それぞれの３Ｄ画像スキャンに対する二つの座標系が共に登録されると、一方の画像スキャンにおける既知のポイントまたはオブジェクト（例えば、腫瘍の位置）を他方の画像スキャンにおいて識別／特定することができる。例えば、術前ＭＲＩスキャンにおいて腫瘍が特定／識別される場合、術前ＭＲＩスキャンの座標系を術中ＣＴスキャンの座標系と共に登録して、術中ＭＲＩスキャンにおける腫瘍の局在化を可能にすることができる。手術用ロボットシステムにおいて、追跡カメラの座標系を術中ＣＴスキャンボリュームに登録するほうが（例えば、図１０および１１、および関連する本文の方法を使用して）、ＭＲＩスキャンボリュームに登録するよりも、より簡単でより正確であり得る。ＣＴ座標系およびＭＲＩ座標系の共登録の後、術前ＭＲＩスキャンおよびＣＴの座標系に変換された軌道を使用して手術用ロボットの軌道が計画され得、これが次に、カメラとＣＴの登録工程を通してカメラの座標系に変換される。言い換えれば、ＣＴスキャンおよびＭＲＩスキャンの共登録により、ＭＲＩスキャンにおける軌道に従ってロボットを制御することが可能になる。
【０１４１】
人工基準が、関心の解剖学的オブジェクトに／関心の解剖学的オブジェクトの近くに配置または付着される人工オブジェクトを使用して提供されてもよく、人工基準は、正確かつ繰り返し識別されることを可能にする特徴を有する、球体、ドーナツ状、ディボットであり得る。例えば、人工基準は、追跡されるオブジェクトに付着される金属ｂｂとすることができる。金属ｂｂは、プロセッサ２００７によって３Ｄスキャン内で画像処理技術を使用して検出されて、スキャンの座標系におけるその３Ｄ位置を提供してもよく、および／または金属ｂｂは、追跡されたプローブで球体の表面に触れることで検出されて、ロボットシステムの座標系におけるその３Ｄ位置を提供してもよい（例えば、光学追跡カメラ２００／３２６を使用して）。
【０１４２】
発明概念のいくつかの実施形態によれば、脳の外科手術を実行する際、脳上の／脳内の特徴的な解剖学的特徴は、自然基準として機能し得る。特に、脳の自然に生じる血管は、脳／頭／頭蓋骨の中に／上に人工基準オブジェクトを挿入または配置するのではなく（またはこれに加えるのではなく）、自然基準として機能し得る。血管は固有のパターンで横断して分岐するため、その脈管全体が基準オブジェクトとして機能することができる。しかしながら、脳が腫脹、萎縮およびシフトすると、血管（例えば、動脈または静脈）が分岐する任意のノード（ポイントとも称される）の変位を追うよりも、脈管全体の歪みを追跡することがより困難であり得る。これらのノード（ポイント）は、術前スキャン／スキャン（例えば、磁気共鳴画像ＭＲＩスキャンまたはコンピュータ断層撮影ＣＴスキャン）、術中スキャン／スキャン（例えば、ＭＲＩスキャンまたはＣＴスキャン）、Ｘ線、および／または超音波における画像処理を使用して、プロセッサ２００７によって検出され得る。血管の分岐ノード（ポイント）（血管ノードとも称される）は、こうした血管ノードが脳の大部分／全てに行き渡る良好なカバレッジを提供するため、固有の自然基準を提供し得る。したがって、グループとして使用される場合、血管の分岐ノードは、プロセッサ２００７によって使用されて、脳の異なる領域および／または脳全体のシフト／歪みを正確に監視し得る。さらに、血管ノードの様々な一つは、形状、方向、および隣接する分岐ノードからの距離が異なり得、こうした分岐ノードが自動的に検出／識別されて、脳の異なる３Ｄスキャンにおいてソートされることを可能にしている。
【０１４３】
図２１は、脳内の血管を示す、コントラストを有するＣＴ画像の３Ｄ再構成を図示する。Ｘ線画像またはＣＴスキャンを使用する際、脳の血管が、結果として生じる画像スキャンにおいてより容易に視覚化され得るように、液体造影剤が患者の血流内に注入されてもよい。造影剤が無いと、血管と脳組織との間の強度の類似性のために血管が視覚的にはっきり見えない場合がある。ＭＲＩスキャンを調べる際、周囲組織と対照的であると同時に最も明瞭に血管を示すよう、適切なＭＲＩシーケンスタイプが選択され得る。
【０１４４】
プロセッサ２００７が二つ以上の異なる座標系を共に登録するために、それに対して座標系が共に登録される画像スキャンにおける複数の（例えば、少なくとも三つの）自然基準および／または人工基準を特定することが有用／必要であり得、スキャンにおける基準の位置の自動識別が、位置の手動認識よりも好ましい場合がある。３Ｄ画像ボリューム（例えば、ＭＲＩスキャンまたはＣＴスキャン）を使用する際、プロセッサ２００７によって自動画像処理アルゴリズムが使用されて、血管上の分岐ポイントを、血管ノードの検出／識別のための異なるコンポーネントを使用して自動検出し得る。
【０１４５】
こうした自動画像処理アルゴリズムの一つのコンポーネントは、プロセッサ２００７が分岐が生じる方向を決定することを含み得る。異なる方向に延在する血管分岐を見る際、ノードに対する幹血管および分岐血管が分岐の方向を識別すると決定され得る。例えば、プロセッサ２００７は、画像処理を使用して、血管が、二つ以上の他の血管と出会うノード（分岐または分岐ポイントとも称される）に達するまで血管を追い得る。ノードにおいて、血管のサイズ（例えば、直径および／または断面）がプロセッサ２００７によって評価され得る。最大サイズ（例えば、直径および／または断面）を有するノードにおける血管を、ノードの幹血管として識別することができ、ノードにおけるその他のノード（小さなサイズの）をノードの分岐血管として識別することができる。この情報は、プロセッサ２００７が、血管ノードを分類、識別、および／または特定し、そして同じ血管ノードを同じ解剖学的ボリュームの異なるスキャンにおける自然基準として識別／特定するのに有用であり得る。
【０１４６】
こうした自動画像処理アルゴリズムの別のコンポーネントは、プロセッサ２００７が血管ノード／分岐間の距離を決定することを含み得る。血管をその進路に沿って追う際、一つのノード／分岐から次のノードへの距離が同一である可能性は高くない。したがって、連続したノード／分岐間の距離（血管経路に沿った）を測定して、特定の血管および／またはそのノード／分岐を識別するのに使用することができる。こうして、ノード／分岐間の異なる距離を使用して、これらの血管が通過する特定の血管およびノード／分岐を識別することができ、この情報をプロセッサ２００７によって使用して、同一の解剖学的ボリュームの異なるスキャンにおける同一のノード／分岐を識別／特定し得る。この情報は、例えば、脳を通した血管経路に沿ったノード間距離のマップを生成するために使用でき、またノード間距離のマップは、同一の血管ノードを同一の解剖学的ボリュームの異なるスキャンにおける自然基準として識別するために使用できる。
【０１４７】
発明概念のいくつかの実施形態によれば、プロセッサ２００７はこうして、ＣＴスキャン（コントラストを有する）および／またはＭＲＩスキャンにおける血管ノードを検出し得る。プロセッサ２００７は、低い強度の組織を通して高いコントラストの薄い蛇行線として現れる構造を識別することによって、血管候補を見つけ得る。血管は、二つ（またはそれ以上）の新たな分岐を有するノードに遭遇するまで一の方向に追われ得る。ノードにおける血管のサイズ（例えば、断面および／または直径）の比較に基づいて、プロセッサ２００７は、追われている血管をツリー構造の上方に追われているか下方に追われているかを決定し得る。下方に追われている場合（サイズが小さい分岐へと）、方向を逆にしてもよく、血管を、そのツリー構造の上方へと反対方向に追ってもよい。プロセッサ２００７が幹血管の第一の分岐ポイントを表すノードを検出すると、幹血管は、二つ以上のより小さな血管が幹血管から分岐する次の血管ノードへと下方に追われ得る。このようにして、プロセッサ２００７は、脳を通して血管ノードをマップおよび識別することができる。
【０１４８】
図２２は、血管および血管ノードのツリー構造およびマッピングの例を図示した図であり、血管ノード（ＡＢ、ＡＣ、ＡＥ、ＢＤ、ＢＧ、ＣＦ、およびＤＨ）は、プロセッサ２００７によって基準として使用され得る。図２２に示すように、幹血管は、ツリー構造の最も大きな血管であり、ノードそれぞれは、二つ以上の分岐を有し得る。さらに、一つのノードにおける分岐は、ツリー構造の下方の次のノードに対する幹であり得る。例えば、分岐Ｃは、ノードＡＣの分岐血管であり、かつノードＣＦの幹血管であり得る。プロセッサ２００７は、分岐血管ＡおよびＢが幹血管から分割されるノードＡＢにおける第一の分岐ポイントまでツリー構造を下方に追い得る。次に分岐血管ＡがノードＡＣ、ＡＥ等を通して追われ、そして分岐Ａに沿ってノードそれぞれに達すると、プロセッサ２００７が隣接するノード間の分岐のそれぞれの長さを記録し得る。
【０１４９】
図２の実施例では、プロセッサ２００７は、ノードＡＢ、ＡＣ、およびＡＥのそれぞれを通して分岐Ａを追い得、プロセッサ２００７は、ノードＡＢとノードＡＣとの間、およびノードＡＣとノードＡＥとの間の分岐Ａの長さを記録し得る。さらに、プロセッサ２００７は、ノードの名称（例えば、ノードＡＢ、ノードＡＣ，およびノードＡＥ）に応じてノードそれぞれのｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸を記録し得る。新たなスキャンにおける分岐を検出する際に、ノードについてのこの情報および分岐それぞれのノード間距離を使用して、同一のノードを異なる３Ｄ画像スキャンにおける基準として識別することを容易にし得る（例えば、同一の患者の異なる３Ｄ画像スキャンのノード間の距離の差異は、隣接する分岐間の距離よりも有意に小さいと仮定する）。同様に、プロセッサ２００７はノードＢＤおよびＢＧを分岐Ｂに沿って、ノードＣＦを分岐Ｃに沿って、そしてノードＤＨを分岐Ｄに沿ってマップし得る。
【０１５０】
自然基準として使用されるノードを画定する血管分岐をマッピングする際、プロセッサ２００７は、その他のファクターを使用して血管分岐および／またはノードを一意に画定／識別し得る。いくつかの実施形態によれば、ノードの幹血管および／または分岐血管の形状は、ノードを識別するのに使用され得る。例えば、血管がくねった線を画定する場合があり、あるいは、血管が一の方向で大きく向きを変えた後、短い距離の後に別の方向に大きく向きを変える場合がある。これらの形状特徴は、プロセッサ２００７が、追われる特定の幹血管／分岐血管、および／または幹血管／分岐血管に関連付けられたノードを識別／確認するのに有用であり得る。こうした情報は、ノード間距離が、血管を区別するには不明瞭である場合に特に有用であり得る。いくつかのその他の実施例によると、ノードにおける二つの小さな分岐間の分岐間角度が、ノードを画定／識別するのに使用され得る。例えば、ノードＡＢにおける分岐Ａと分岐Ｂとの間の角度を使用して、ノードＡＢを識別／画定してもよい。
【０１５１】
図２２に関して上述した動作は、ＣＴスキャンまたはＭＲＩスキャンなどの３Ｄ画像スキャンを使用して、プロセッサ２００７によって実行され得る。Ｘ線を使用した検出は、ＣＴスキャンまたはＭＲＩスキャンを使用するよりも困難であり得る。Ｘ線を使用する場合、少なくとも６０度離れた異なる位置から、かつ蛍光透視撮像機に固定された追跡された登録オブジェクトと共に蛍光透視ロボットガイダンスのために使用されるのと類似の方法で二つのｘ線ショットが捕捉され得る。追跡された登録オブジェクトは、ｘ線ショット間の角度および距離を既知のものとし、二つのｘ線ショット上で見られる３Ｄ座標を正確に評価することを可能にする。複数のｘ線透視ショットを登録することにより、プロセッサ２００７は、画像処理を使用して３Ｄにおける分岐ポイント／ノードを検出し、検出された分岐ポイント／ノードは、以後の蛍光透視ショットまたはその他の３Ｄスキャン（例えば、ＣＴスキャンまたはＭＲＩスキャン）との比較のためにマークされ得る。蛍光透視撮像により、複数の血管が互いにオーバーレイし、区別することが困難になり得る。ノードを蛍光透視ペアの両ショットにおいて明確に見ることができない場合、その３Ｄ座標を正確に決定することは困難であり得る。３Ｄ撮像ボリューム（例えば、ＣＴまたはＭＲＩを使用して生成される）では、別個のスライスを検査および追い、より明確に血管ノードを見分けることが可能であり得る。
【０１５２】
上記に記載する動作は、プロセッサ２００７によって、二つの医療３Ｄ画像スキャンの座標系を共に登録するために使用され得る。また、こうした３Ｄ画像スキャンからの情報に基づいてロボット動作を制御するために、ロボットによって使用される追跡座標系への登録も実行され得る。このような追跡座標系は、プロセッサ２００７によって入力インターフェース２００１を通してカメラ２００／３２６から受信された光情報に基づき得る。このような登録のために、外部マーカーが患者に取り付けられてもよい。例えば、外部ＩＣＴ（術中ＣＴ）フレームは、互いに対する固定位置に、金属基準１４２２および光追跡マーカー１４２０を含み得る。同一のスキャンにおける金属基準を自然基準として、および画像処理を使用してプロセッサ２００７によって決定されるそれらのそれぞれの位置を捕捉することで、金属基準の相対位置、光追跡マーカー、および血管ノードが決定されて、ロボットの座標系および術中ＣＴスキャンの座標系の共登録を提供するのに使用され得る。次に、プロセッサ２００７は、ロボットアクチュエータ（例えば、ロボットアーム１０４／６０４）を制御して、ＩＣＴスキャンに対して共に登録された座標系を有する術中ＣＴスキャンおよび／またはその他のスキャン（例えば、術前ＭＲＩスキャン）の解剖学的構造に関連して追跡したツールを操作し得る。
【０１５３】
ＩＣＴスキャンは、手術用計画が実行される術前スキャン（例えば、高解像度ＭＲＩスキャン）内で補足されない場合がある。術前スキャンでは、自然基準（例えば、血管ノード）が検出され、それらの位置が記録され、そして術前スキャンが、ロボットアクチュエータのエンドエフェクタ１１２／６０２に対する計画された軌道に関する情報と共にプロセッサ２００７に提供され得る。ＩＣＴ基準（人工基準）は、患者に取り付けられてＩＣＴスキャン（例えば、染色造影剤を使用したＣＴスキャン）において捕捉されてもよく、追跡登録は、プロセッサ２００７によって、ＩＣＴ基準および新たな自然基準に対して確立され得る。ＩＣＴスキャンにおける新たな自然基準を検出して術前ＭＲＩスキャンにおけるオリジナルの自然基準に関連付けることで、術前ＭＲＩスキャンに対して作成された脳内への軌道の計画は全て、術中ＣＴスキャンおよび光追跡システムに自動的に関連付けられ得る。こうした共登録は、術前画像スキャンを使用した軌道の計画後の手術中に生じ得る脳のシフト／歪みを補正し得る。脳は、術前スキャンおよび術中スキャンにおけるこうした頭蓋骨構造に対してシフトし得るため、血管ノードを基準として使用したこの登録は、頭蓋骨構造に基づくＣＴのＭＲＩへの登録よりもより正確であり得る。
【０１５４】
さらに、脳は、手術の間および／または術前スキャンから術中スキャンまでの時間に萎縮または腫脹する場合がある。術前スキャンおよび術中スキャンにおける血管ノードをマッチングさせる際、プロセッサ２００７は、脳が腫脹または萎縮するのに従って予期され得る血管ノードの剛体移動を計算するために、血管ノードの最良の適合のためのアフィン変形を実行し得る。プロセッサ２００７は、アフィン変形によって使用されるパラメータを分析して適合を達成し、手術中に脳の異なる領域が腫脹または萎縮する量の推定を提供し得る。こうした情報は、脳外科手術の結果を追跡する研究において有用であり得る。
【０１５５】
いくつかの別の実施形態によると、超音波を使用して、基準として使用される血管ノードを検出し、血管ノードをロボットの追跡座標系に関連付けるのに使用される画像スキャンを生成し得る。追跡されたプローブ（すなわち、ロボットの光学追跡システムによって追跡されたプローブ）で超音波を使用すると、異なるプローブポーズを通して、または、同一のノードを異なる角度の二つのプローブで同時追跡することによって、血管ノードが三角形分割され得る。超音波を使用したいくつかの実施形態によれば、血管を流れる血液は、ドプラー効果に起因して静止組織とは異なる信号を超音波上で生成するため、ドプラー効果を使用して、プローブをガイドして血管を見つけ、何方に血液が流れるかを決定し得る。
【０１５６】
脳自体内の血管などの自然基準を使用することで、外部基準のみを使用して異なる座標系を共に登録するよりも、追跡がより正確となり得る。さらに、血管ノードの使用は、腫脹、収縮、および／またはその他の術前スキャンから術中スキャンへの不均一なシフト／歪みの検出および／または適応を提供しうる。さらに、血管ノードの比較を使用して、脳シフト、腫脹、萎縮、および／または歪みのリアルタイムの監視を提供し得る。
【０１５７】
ロボットシステム（患者の解剖学的位置に対してエンドエフェクタを位置付けるよう構成されるロボットアクチュエータを含む）の動作は、発明概念のいくつかの実施形態において、図２３のフローチャートを参照してここで説明される。例えば、モジュールは、図２０のメモリ２００９に保存され得、これらのモジュールは、モジュールの命令がプロセッサ２００７によって実行されると、プロセッサ２００７が図２３のフローチャートのそれぞれの動作を実行するよう、命令を提供し得る。
【０１５８】
ブロック２３０１で、プロセッサ２００７は、解剖学的ボリューム（例えば、患者の脳を含む頭部）の第一の３次元（３Ｄ）画像スキャンに対する第一のデータを提供し得るが、第一のデータは、第一の３Ｄ画像スキャンに対する第一の座標系における第一、第二および第三の血管ノード（自然基準として使用される）を識別し得る。第一の３Ｄ画像スキャンは、例えば、術前ＭＲＩスキャンであり得、ロボットアクチュエータに対する計画された軌道が、第一の３Ｄ画像スキャンで提供され得る。例えば、計画された軌道は、解剖学的ボリュームにおける標的位置および標的位置への方向を画定し得る。第一、第二、および第三の血管ノードの識別が、第一の３Ｄ画像スキャンでプロセッサ２００７に提供されてもよく、あるいは、プロセッサ２００７が画像処理を使用して、第一の３Ｄ画像スキャンから、第一、第二、および第三の血管ノードを識別してもよい。
【０１５９】
ブロック２３０３で、プロセッサ２００７は、解剖学的ボリュームの第二の３Ｄ画像スキャンに対する第二のデータを提供し得るが、第二のデータは、第二の３Ｄ画像スキャンに対する第二の座標系における、第一、第二、および第三の血管ノードを識別し得る。第二の３Ｄ画像スキャンは、例えば、術中ＣＴスキャンであってもよく、第二の３Ｄ画像スキャンに対する第二のデータはまた、カメラ２００／３２６を使用して別々に追跡可能な解剖学的ボリュームの外側の人工基準を識別し得る。プロセッサ２００７は、例えば、図２１および２２に関連して上述するように、第一および／または第二の３Ｄ画像スキャンにおける第一、第二、および第三の血管ノードを識別し得る。両画像スキャンにおける少なくとも第一、第二、および第三の血管ノードを識別することで、プロセッサ２００７は、両画像スキャンにおける同一の三つのポイントを識別して共登録を容易にし得る。
【０１６０】
ブロック２３０５で、プロセッサ２００７は、第一のデータにおいて、および第二のデータにおいて識別される第一、第二、および第三の血管ノードを第一、第二、および第三の自然基準として使用して、解剖学的ボリュームの第一および第二の３Ｄ画像スキャンに対する第一および第二の座標系を共に登録し得る。血管ノードは脳と共に移動するため、血管ノードの使用は、画像スキャン間にシフト、萎縮、腫脹、および／または変形が生じる場合でも共登録の精度の増大を提供し得る。第一および第二の座標系を共に登録することで、プロセッサ２００７は、追加的な情報、例えば、第一の３Ｄ画像スキャンから第二の３Ｄ画像スキャンへのロボットアクチュエータの標的位置および／または計画された軌道を並進させることができ得る。
【０１６１】
ブロック２３０７で、プロセッサは、第二の３Ｄ画像スキャンからの人工基準を使用して、第二の３Ｄ画像スキャンに対する第二の座標系と、ロボットアクチュエータに対する第三の座標系を共に登録し得る。人工基準は、カメラ２００／３２６および／または追跡システム５３２を使用して追跡可能であるため、第二および第三の座標系の共登録は、追跡カメラ２００／３２６からの光情報を使用して実行されて、ロボットアクチュエータの第三の座標系における人工基準を特定し得る。
【０１６２】
ブロック２３０９で、プロセッサ２００７は、第一および第二の座標系における第一、第二、および第三の血管ノードに基づく変換を使用して、第二および第三の座標系の一つにおける標的位置を提供し得る。変形は、例えば、アフリン変形を含み得る。こうした変形は、ロボットアクチュエータに対する標的位置のより正確な位置を提供して、第一および第二の３Ｄ画像スキャン間の脳のシフト萎縮、腫脹、および／またはその他の変形に適応し得る。
【０１６３】
ブロック２３１１で、プロセッサ２００７は、ロボットアクチュエータ（例えば、ロボットアーム１０４／３０６−３０８／６０４）を制御して、エンドエフェクタ１１２／３０２／６０２を、解剖学的ボリュームおよびその内部の標的位置に対する標的軌道に移動させ得る。プロセッサ２００７は、例えば、標的位置を識別する第一のデータ、第一および第二の座標系の共登録、第二および第三の座標系の共登録に基づいて、および／または変形を使用して第二および第三の座標系の一つにおける標的位置の提供のうちの一つ以上に基づいてロボットアクチュエータを制御し得る。
【０１６４】
図２３のいくつかの実施形態によると、血管ノードそれぞれは、少なくとも第一および第二の分岐血管への一つの幹血管において画定され得、幹血管のサイズ（例えば、断面および／または直径）は、第一の分岐血管のサイズおよび第二の分岐血管のサイズよりも大きい。固有の特徴を使用して、３Ｄスキャンそれぞれにおける同一の血管ノードを識別し得る。こうした特徴は、血管ノードの分岐血管の数、血管ノードと前の血管ノードとの間の血管ノードの幹血管の長さ、血管ノードの分岐血管間の角度、および／またはノードの幹血管／分岐血管のうちの一つの形状のうちの一つ以上を含み得る。
【０１６５】
本発明の概念の様々な実施形態の上記の説明において、本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明する目的のみのものであり、本発明の概念を限定するものではないことを理解されたい。他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての用語（技術用語および科学用語を含む）は、本発明の概念が属する当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書に定義されているもののような用語は、明細書および関連技術の文脈における意味と一致する意味と有すると解釈されるべきであり、本明細書において明確に定義されていない限り、理想的または過度に形式的に解釈されるうべきではないことも理解されよう。
【０１６６】
ある要素が、別の要素に「接続されている（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「結合されている（ｃｏｕｐｌｅｄ）」「応答している（ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ）」、またはその変形として称される場合、別の要素の直接接続され、結合され、または、応答してもよく、あるいは、介在要素が存在してもよい。対照的に、ある要素が別の要素に「直接接続されている（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「直接結合されている（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ）」、「直接応答している（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ）」、またはその変形として称される場合、介在要素は存在しない。同一番号は、全体を通して同一要素を指す。さらには、本明細書で使用されるように、「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「応答した（ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ）」、またはその変形は、無線で結合され、接続され、または応答しすることを含み得る。本明細書で使用されているように、単数形「一つの（ａ、ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限りは、複数形も含むものとする。周知の機能または構成は、簡潔さおよび／または明瞭さのために、詳細に説明され得ない。用語「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」は、関連して列挙した項目の一つまたは複数の組み合わせのいずれかおよびすべてを含む。
【０１６７】
用語第一、第二、第三等が様々な要素／動作を説明するために本明細書において使用され得るが、これらの要素／動作はこれらの用語に限定されるべきではないことが理解されよう。これらの用語は、ある要素／動作を別の要素／動作から区別するためにのみ使用される。よって、いくつかの実施形態における第一要素／動作は、本発明概念の教示から逸脱することなく、他の実施形態において第二の要素／動作と称されてもよい。同一参照番号または同一参照指定子は、明細書全体を通して、同一または類似の要素を示す。
【０１６８】
本明細書中で使用される場合、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「有する（ｈａｖｅ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」またはそれらの変形は、オープンエンドであり、一つまたは複数の述べられた特徴、整数、要素、ステップ、構成要素、機能を含むが、一つまたは複数の他の特徴、整数、要素、ステップ、構成要素、機能またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではない。さらに、本明細書で使用されるように、ラテン語の句「例示的なグラシア」に由来する一般的な略語「ｅ．ｇ．」は、前述のアイテムの一般的な例を導入または特定するために使用されてもよく、そのような項目を限定することを意図しない。ラテン語句「ｉｄ  ｅｓｔ」に由来する一般的な略語「ｉ．ｅ．」を使用し、より一般的な暗唱から特定の項目を指定することができる。
【０１６９】
例示的な実施形態は、本明細書において、コンピュータ実装方法、装置（システムおよび／または装置）および／またはコンピュータプログラム製品のブロック図および／またはフローチャート図を参照して説明される。ブロック図および／またはフローチャート図のブロック、およびブロック図および／またはフローチャート図のブロックの組み合わせは、一つまたは複数のコンピュータ回路によって実行されるコンピュータプログラム命令によって実装できることが理解される。これらのコンピュータプログラム命令は、汎用コンピュータ回路、専用コンピュータ回路、および／または他のプログラム可能データ処理回路のプロセッサ回路に供給され、コンピュータおよび／または他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサを介して実行されるこれらの命令が、トランジスタ、メモリ位置に格納された値、およびブロック図および／またはフローチャートブロックまたはブロックに指定された機能／動作を実現するための回路内の他のハードウェア構成要素を変換し、制御し、故に、ブロック図および／またはフローチャートブロックまたはブロックに指定された機能／動作を実現するための手段（機能）および／または構造を作成することができる。
【０１７０】
これらのコンピュータプログラム命令はまた、コンピュータまたは他のプログラム可能なデータ処理装置に特定のやり方で機能するよう指示する有形のコンピュータ可読媒体に格納することができ、コンピュータ可読媒体に格納されたこれらの命令は、ブロック図および／またはフローチャートブロックまたはブロックで指定された機能／動作を実装する命令を含む製造品を生成することができる。したがって、本発明の概念の実施形態は、「回路」、「モジュール」またはその変形と総称することができる、デジタル信号プロセッサなどのプロセッサ上で動作するハードウェアおよび／またはソフトウェア（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む）で実施することができる。
【０１７１】
また、いくつかの代替実施例では、ブロックに記されている機能／動作が、フローチャートに記載された順序から外れてもよいことにも留意されたい。例えば、連続して示された二つのブロックは、実際には実質的に同時に実行されてもよく、あるいは、関連する機能／動作に応じてブロックが時々逆の順序で実行されてもよい。さらに、フローチャートおよび／またはブロック図の所与のブロックの機能性は、複数のブロックに分離されてもよく、および／またはフローチャートおよび／またはブロック図の二つ以上のブロックの機能性が少なくとも部分的に統合されてもよい。最後に、図示されたブロック間に他のブロックが追加／挿入されてもよく、および／またはブロック／動作が本発明の概念の範囲から逸脱することなく省略されてもよい。さらに、図のいくつかは、通信の主要な方向を示すために通信経路上に矢印を含むが、図示された矢印とは反対の方向に通信が行われてもよいことを理解されたい。
【０１７２】
本発明の概念のいくつかの実施形態が前述の明細書に開示されているが、本発明の概念の多くの変更および他の実施形態が、発明の概念に関係することが想定され、前述の説明および関連する図面に提示された教示の利益を享受する。したがって、本発明の概念は、上に開示された特定の実施形態に限定されず、多くの修正および他の実施形態が添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されることが理解される。一実施形態の特徴は、本明細書に記載された異なる実施形態の特徴と組み合わせることができ、または使用することがさらに想定される。さらに、特定の用語が、本明細書および以下の特許請求の範囲で用いられているが、それらは包括的で説明的な意味でのみ使用され、記載された発明概念または以下の特許請求の範囲を限定する目的で使用されるものではない。本明細書に引用された各特許および特許公報の開示全体は、あたかもそのような各特許または特許公報が参照により個々に本明細書に組み込まれているかのように、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。本発明の概念の様々な特徴および／または潜在的な利点は、添付の特許請求の範囲に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【０１７３】
【図１】外科施術中のロボットシステム、患者、外科医、および他の医療従事者の位置のあり得る配置の俯瞰図である。
【図２】一実施形態による、患者に対する手術用ロボットおよびカメラの位置決めを含むロボットシステムを示す。
【図３】例示的な実施形態による手術用ロボットシステムを示す。
【図４】例示的な実施形態による手術用ロボットの一部を示す。
【図５】例示的な実施形態による手術用ロボットのブロック図を示す。
【図６】例示的な実施形態による手術用ロボットを示す。
【図７Ａ】例示的な実施形態によるエンドエフェクタを示す。
【図７Ｂ】例示的な実施形態によるエンドエフェクタを示す。
【図７Ｃ】例示的な実施形態によるエンドエフェクタを示す。
【図８】一実施形態によるエンドエフェクタのガイドチューブ内に外科用器具を挿入する前後の外科用器具およびエンドエフェクタを示す。
【図９Ａ】例示的な実施形態によるエンドエフェクタおよびロボットアームの部分を示す。
【図９Ｂ】例示的な実施形態によるエンドエフェクタおよびロボットアームの部分を示す。
【図９Ｃ】例示的な実施形態によるエンドエフェクタおよびロボットアームの部分を示す。
【図１０】例示的な実施形態による動的基準アレイ、撮像アレイ、および他のコンポーネントを示す。
【図１１】例示的な実施形態による登録の方法を示す。
【図１２Ａ】例示的な実施形態による撮像装置の実施形態を示す。
【図１２Ｂ】例示的な実施形態による撮像装置の実施形態を示す。
【図１３Ａ】例示的な実施形態による、ロボットアームとエンドエフェクタとを含むロボットの一部を示す。
【図１３Ｂ】エンドエフェクタの拡大図であり、図１３Ａに示すように、複数の追跡マーカーがその上にしっかりと固定される。
【図１３Ｃ】一実施形態による、複数の追跡マーカーがその上にしっかりと固定されたツールまたは器具である。
【図１４Ａ】第一構成の可動追跡マーカーを有するエンドエフェクタの代替バージョンである。
【図１４Ｂ】第二の構成の可動追跡マーカーを有する図１４Ａに示すエンドエフェクタである。
【図１４Ｃ】図１４Ａの第一の構成における追跡マーカーのテンプレートを示す。
【図１４Ｄ】図１４Ｂの第二の構成における追跡マーカーのテンプレートを示す。
【図１５Ａ】単一の追跡マーカーのみがその上に固定されたエンドエフェクタの代替バージョンを示す。
【図１５Ｂ】ガイドチューブを介して配置された器具を有する図１５Ａのエンドエフェクタを示す。
【図１５Ｃ】二つの異なる位置に器具を有する図１５Ａのエンドエフェクタを示し、器具がガイドチューブ内にまたはガイドチューブの外側に配置されるかどうかを決定するための結果のロジックを示す。
【図１５Ｄ】図１５Ａのエンドエフェクタを示すが、器具は、二つの異なるフレームでかつガイドチューブ上の単一の追跡マーカーに対して相対的な距離でガイドチューブ内にある。
【図１５Ｅ】座標系に対して図１５Ａのエンドエフェクタを示す。
【図１６】ロボットのエンドエフェクタを所望の標的軌道にナビゲートして移動させる方法のブロック図である。
【図１７Ａ】収縮位置に固定マーカーを有する拡張可能インプラントを挿入するための器具を示す。
【図１７Ｂ】拡張位置に可動追跡マーカーを有する拡張可能インプラントを挿入するための器具を示す。
【図１８Ａ】挿入位置に固定マーカーを有する関節のあるインプラントを挿入するための器具を示す。
【図１８Ｂ】傾斜位置に可動追跡マーカーを有する関節のあるインプラントを挿入するための器具を示す。
【図１９Ａ】交換可能または代替のエンドエフェクタを含むロボットの一実施形態を示す。
【図１９Ｂ】器具スタイルのエンドエフェクタが結合されたロボットの実施形態を示す。
【図２０】発明概念のいくつかの実施形態による、ロボットコントローラを図示するブロック図である。
【図２１】いくつかの実施形態による脳の血管を示す、コントラストを有するＣＴ画像の３次元（３Ｄ）再構成である。
【図２２】いくつかの実施形態による、脳の血管ノードを使用して自然基準を記録／識別するために使用されるツリー構造マッピングの例である。
【図２３】いくつかの実施形態による、ロボットシステムの動作を図示するフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【外国語明細書】
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