(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
骨または骨片、または手術器具、用具またはインプラントを操作するための装置であって、
Ａ）中心軸（６）、後端部（３）、先端部（４）および長さＬ２を有する棒状部材（２）と、
Ｂ）前記中心軸（６）と同軸に前記棒状部材（２）に固定され第１の中心（４６）を有する放射線不透過性の第１の照準要素（７）であって、前記第１の照準要素（７）は前記第１の中心（４６）を前記後端部（３）からの距離Ａ１＞０において前記棒状部材（２）上に配置され、および
Ｃ）第２の中心（４５）を有する放射線不透過性の第２の照準要素（５）であって、前記後端部（３）から距離Ａ２＜Ａ１に前記第２の中心（４５）をおいて、前記中心軸（６）と同軸に前記棒状部材（２）に固定される前記第２の照準要素（５）と、装置であって、
Ｄ）前記第１の照準要素（７）は、前記中心軸（６）に直角に測定して少なくとも１０ｍｍの直径ＤＫを有し、
Ｅ）前記第２の照準要素（５）は、円形の中心線（１１）を有する直径ＤＲ＞ＤＫの環状の形状を有する前記中心軸（６）に直角な面内にあって、前記第２の照準要素（５）は円形の中心線（１１）が前記中心軸（６）と同心状となるように配置され、
Ｆ）前記第２の照準要素（５）は、放射線透過性の手段（９）によって前記棒状部材（２）に固定して取付けられている、ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記第１の照準要素（７）は球状またはディスク状またはリング状の形状を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記中心軸（６）に直角な、前記球状体、ディスクまたはリングの前記第１の中心（４６）を含む横断面は、前記直径ＤＫの円形の周囲を有する、ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記装置は３次元物体（２８）に対して器具、用具またはインプラントをガイドするための照準装置（１）であって、前記棒状部材（２）は外径Ｄｔを有し、器具、用具またはインプラントをガイドするための中心貫通孔（８）を有するチューブ状部材である、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記第１と第２の照準要素（７；５）のうち少なくとも１個は、直径ＤＲ＞ＤＫであって前記中心軸（６）に直角な面内にある円形の中心線（１１）をもつ環状の形状を有し、前記第２の照準要素（５）は円形の中心線（１１）が前記中心軸（６）に同心円となるように配置される、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記装置は、互いに平行で前記棒状部材（２）の前記中心軸（６）から等しい距離Ａｔａｒｇｅｔに配置される少なくとも２個の円筒状またはプリズム状のターゲット（１６）を含む、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記第２の照準要素（５）は、放射線透過性の手段（９）を含む、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
骨もしくは骨片、または手術器具、用具もしくはインプラントを操作するための請求項１の前段に記載する装置、および３次元の物体に対して望ましい位置に装置、器具または用具を位置決めする請求項９の前段に記載する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
加工物または他の対象物に加工または処理を必要とするさまざまな技術的用途において、既知の座標に対して位置および／または方角を決める必要がしばしば生じる。時にはかかる対象物が目視ではアクセスできない場合や、その位置および方角が目視の測定方法によっては直接判断できない場合がある。
【０００３】
このような技術的用途には、以下のような例が含まれる。
１．加工物または他の対象物をさらに機械加工または処理するために、前記加工物または他の対象物に対して任意のタイプの用具をあらかじめ決められた方向にガイドする。
２．プリント基板の整合測定およびそれに続く穿孔ドリルの見当合わせをする。
３．例えば、品質管理のために積層板またはボードにおける層ずれを測定する。
４．希望する外形または方向を回復するために、または例えばロボット組立てシステムにおいてロボットアームを整列するために単層または多層の加工物または他の対象物のゆがみおよび／または回転を測定する。
５．予め決められた位置または方角にあって機械的に拘束できない対象物の整合性を判断する。例えば
−心臓ペースメーカーの位置同定や操作、例えばねじを締付けるまたは緩める。
−固定、例えば人工器官（例えば、大腿骨の構成部品のシャフト）のシャフトを連結する。
６．位置と方向の正確な知識を使って加工物または他の対象物を動かすまたは操作する。
【０００４】
（先行技術の説明）
米国特許第６，７５１，３６１号明細書；ＷＡＧＭＡＮに対象物の位置同定および検査のための機械的ビジョンシステムが開示されている。この既知のシステムは、対象物の予め決められた位置に置かれる１個の非回転対称の基準マークと、カメラで取得した対象物のイメージを処理するためのビジョン装置を含み、イメージの中の基準マークの位置を同定し、固定された座標系に対する位置と方角を判定し、この基準マークの位置と方角を使い該固定された座標系に対する対象物の位置を計算する。この既知の装置のイメージ処理システムは、ビジョン装置から与えられる一連のイメージを使用し、このイメージの中の対象物上の基準マークの位置を判定する。しかしながら、Ｘ線イメージ取得装置の場合には一連のイメージの使用が不都合となる場合もある。
【０００５】
米国特許出願公開第２００５／０２５１１３９号明細書；ＲＯＨには１組のねじ前処理装置が教示されており、これは先端にボールが付いた測定プローブを含み、前記プローブ上にスライド可能に配置されたチューブで保護された金属製の深さ測定ルーラーを有する。ねじパスの長さの測定は、先端にボールが付いたプローブのベースを使って判定し、茎の中を延びる穿孔の場合は、先端にボールが付いたプローブの前記ベースが茎の対抗面に隣接する。測定プローブは、照準ガイドのマークが付いた放射線透過性の照準合わせハンドルを備え、このハンドルはプローブシャフトの中心軸に沿って向けられ動作軸に沿って測定プローブの整合が正しいか確認する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、患者と手術者のＸ線被曝を減らし、同時に高価で時間のかかるナビゲーション機器を使わずにすむ、外科手術または３次元の物体の処置のための簡単な装置および方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、請求項１に記載の特性を示す、骨もしくは骨片、または手術器具もしくは用具を操作するための装置、および請求項９に記載の特性を示す装置を、３次元の物体に対する望ましい位置に位置決めするための方法により、付随する問題を解決するものである。
【０００８】
本発明に係る装置により、以下の利点が得られる：
−手術の可視化、およびＸ線透視装置を使って装置の手動による位置決めが可能である。第１の照準要素の直径は、１０〜２０ｍｍ、望ましくは１２〜１６ｍｍである。第１の照準要素の代表的な直径は１４ｍｍである。本発明に係る方法は、装置を目で見ながら位置決めするための方法であるから、第１の照準要素の最小直径は１０ｍｍが妥当である。照準要素を目視によって正しく整合するには前記照準要素が一定のサイズを有することが必要である。第１の照準要素は、例えば人工器官のシャフトまたは骨ねじ等のインプラントの投射エリアに移動すれば、少なくとも部分的にはＸ線イメージ（蛍光透視鏡イメージ）により、手術中に常に視認することができる。
【０００９】
特定の実施態様において、前記第１の照準要素は球状またはディスク状またはリング状の形状を有する。ディスク状の利点として、例えば第１の照準要素を形成する球状の層またはリングを、骨の皮質に接近して置くことができる。これにより、照準装置の先端を回転の中心として指定すれば、装置の回転動作と並進移動を明確に分けて行うことができる。
【００１０】
回転中心が装置の先端部にあるとすれば、第１の照準要素の中心と装置の先端部の間の距離Ｃを縮めることにより回転と移動を切り離すことができる。Ｃ→０が理想的である。
【００１１】
上記の利点により、第１の照準要素がディスクまたはリング状の場合は、第１の照準要素中心から照準装置の先端部までの距離Ｃが０に近づく。これにより第１の照準要素を棒状部材の先端部よりも大きな距離におくことができ、第１の照準要素が患者の皮膚を貫通することを防ぐことができる。第１の照準要素の形状は、投影の角度を変えながら円形の投影エリアが得られるように形成されている。第１の照準要素の球状の形状により、投影エリアが照準装置の方向に拘束されないという利点を有する。さらに、照準装置は時にはやわらかい組織を通過して骨の表面まで進める必要があるので、球状の曲面のほうがディスク状の平らな前面に比べ有利である。
【００１２】
他の実施態様において、中間の前記中心軸に直角な横断面および前記球状体の前記第１の中心を含むディスクまたはリングは、前記直径ＤＫを有する円形の周囲をもつ。
【００１３】
さらに一実施態様において、前記第１と第２の照準要素の少なくとも１つ、前記第１の照準要素は、前記棒状部材の前記後端部を向いた曲率Ｒ１の半径を有する球面部と、Ｒ１より大きい曲率Ｒ２の半径を有する前記先端部を向いた先端部を有することが望ましい。
【００１４】
前記第１の照準要素の球状の後ろ部分は、曲率Ｒ１が少なくとも５ｍｍの半径を有する。第１の照準要素は、直径ＤＫ＝２＊Ｒ１を有する。前記第１の照準要素の先端部は、曲率Ｒ２の半径が少なくともＲ１から無限大、すなわち平らな先端部までの範囲にある。前記第１の照準要素の先端部は、前記棒状部材の前記先端部に向かって、前記中心軸に直角に広がる面によって区切られ、前記先端部に接している。
【００１５】
さまざまな実施態様において、第１と第２の照準要素は２個の球状の要素であってもよく、２個の要素は、それぞれ基準フレームかその組合せを形成する。
【００１６】
他の実施態様において、前記棒状部材は、４０〜１２０ｍｍ、望ましくは４５〜９０ｍｍの範囲の前記中心軸の方向に測った長さＬ２を有する。
【００１７】
さらに一実施態様において、前記装置は３次元の物体に対して器具、用具またはインプラントをガイドするための照準装置であり、前記棒状部材は、外径Ｄｔを有し、器具、用具またはインプラントをガイドするための中心に貫通孔を有するチューブ状部材である。
【００１８】
さらに他の実施態様において、前記第１と第２の照準要素のうちの少なくとも１つ、望ましくは前記第２の照準要素は、前記中心軸に直角な面に直径ＤＲ＞ＤＫの円形の中心線を有する環状の形状を持ち、前記第２の照準要素はその円形の中心線が前記中心軸に同軸になるように配置される。
【００１９】
前記環状の照準要素は、前記棒状部材の前記中心軸に直角な面を区切る基準フレームの形状を有することができる。環状の照準要素は、球状の照準要素の前もしくは球状の照準要素の後ろに配置することができる。
【００２０】
望ましくは、前記第２の照準要素は、半径ｒ１の前記円形の中心線に直角な円形の横断面を有する円環面、または正多角形の横断面を持つリング、望ましくは辺の長さｒ１の四角形である。目視による方法である本方法において、円環面の横断面は、二次的な事柄である。
【００２１】
前記円形の中心線の前記直径ＤＲは、３０〜１００ｍｍ、望ましくは４０〜６０ｍｍの範囲である。一般的には、直径ＤＲは５０ｍｍである。
【００２２】
前記第２の照準要素の前記半径または長さｒ１は、２〜１０ｍｍ、望ましくは３〜６ｍｍの範囲である。
【００２３】
さらに一実施態様において、３次元の物体に対して器具または用具をガイドするための前記照準装置は、以下を含む：
−中心軸と、外径Ｄｔと、ドリルビットをガイドするための中心貫通孔と、両者とも中心軸を横断する後端部と先端部とを有するチューブ状部材、
−直径ＤＲ＞Ｄｔの円形の中心線を有し前記中心軸に直角面な面内にある環状の照準要素であって、前記第１の照準要素は、その円形の中心線が前記中心軸に同軸であって、前記後端部から前記先端部に向かって測った距離がＡ２＞０、放射線透過性の手段によって前記チューブ状部材と連結している、および
−直径ＤＫと中心を持つ球状の照準要素であって、前記中心軸に同軸に前記チューブ状部材に固定され、前記球状の照準要素の前記中心は、前記円形の中心線で区切られる前記面から前記先端部に向けて測った距離Ｂにあり、前記先端部からの距離がＣ＞０であって、Ｄｔ＜ＤＫ＜ＤＲである。
【００２４】
他の実施態様において、前記装置は、互いに平行に前記棒状部材の前記中心軸から等しい距離Ａｔａｒｇｅｔに配置される少なくとも２個の円筒状またはプリズム状のターゲットを含む。
【００２５】
さらに一実施態様において、前記第２の照準要素は、望ましくは放射線透過性のディスク状の放射線透過性の手段を含む。
【００２６】
他の実施態様において、前記少なくとも２個の円筒状またはプリズム状のターゲットは前記放射線透過性の手段に一体化される。
【００２７】
また他の実施態様において、前記少なくとも２個の円筒状またはプリズム状のターゲットは中空の円筒状のターゲット形状である。
【００２８】
前記第１と第２の照準要素および前記少なくとも２個の円筒状またはプリズム状のターゲットは放射線不透過性の素材からなる。
【００２９】
さらに一実施態様において、前記照準装置はハンドルを有する。
【００３０】
本発明に係る方法により、以下の利点が得られる：
−Ｘ線透視装置を使うことによって、用具または器具をガイドするための照準装置を３次元の物体に対して望ましい位置に整列することができる。
−周囲の材質よりも密度の低いターゲットの位置が同定できる。例えば、円筒状のターゲットは（３次元の物体の表面とつながった、または３次元の物体の陰に隠れている）空洞であってもよく、ターゲットは棒状の円筒状の対象物であってもよい。いずれの場合にも、電磁波（例えば、Ｘ線）または音波（例えば、超音波）によって円筒状のターゲットを視覚化することができる。
−１個の円筒状のターゲットを置くことによって、５つの自由度で対象物の位置を同定することができる。
−標準的インプラント、骨固定具、例えば市販の標準的骨ねじが使用できる。
−使用するインプラントまたは骨固定具にセンサーを取付ける必要がない。
−必要なＸ線装置（Ｃアームイメージ増強装置）は大多数の医院で使用可能である。
−他の追跡装置およびロボットが不要である。
−インプラントの修正が不要である。
−骨固定具またはインプラントの構造の影響を受けない。
−既知の外形を持つ穴を有するインプラントまたは骨固定具を含む応用にも利用可能である。
【００３１】
特定の実施態様において、前記ターゲットは周囲の前記３次元の物体の材質よりも低い密度を有する。
【００３２】
さらに一実施態様において、前記ターゲットは直径ｄ、高さｈを有する円形の筒状である。ターゲットは中実の物体に形成された穿孔であってもよい。
【００３３】
中実のターゲットの場合は、ターゲットの中心は、該ターゲットの重心であるか、ターゲットが中実の物体の中の穿孔の場合は対応する円筒の重心である。
【００３４】
用語、円筒状のターゲットとは、直線によって作られる円筒状の表面によって区切られ、互いに平行かつ合同なベースとトップの表面を区切る閉じたカーブに沿ってその方向を変えずに空間を移動する中実または空洞に対して用いられる。
【００３５】
用語、プリズム状のターゲットとは、直線によって作られる角柱状の表面によって区切られ、互いに平行かつ合同なベースとトップの表面を区切る多角形に沿ってその方向を変えずに空間を移動する中実または空洞に対して用いられる。
【００３６】
本発明の方法の特定の実施態様において、前記装置の位置決めは手動で行われる。
【００３７】
さらに一実施態様において、前記装置の位置決めは、先ず前記装置を並進移動させて、前記第１の照準要素を前記第１のターゲット曲線と整列し、次に前記装置を回転移動させることによって、前記第２の照準要素を前記第２のターゲット曲線と整列させることによって行う。
【００３８】
ターゲット曲線の許容範囲とは係わりなく、照準装置を置く範囲を区切る省略記号または曲線が描写される。この許容範囲の省略記号または曲線は、照準装置の位置決めが自由に行えるので、重要である。許容範囲の省略記号または曲線によって、照準装置の位置決めをする上で許容される逸脱の判断をすることができる。
【００３９】
他の実施態様において、前記イメージ取得装置は中央に投影することができる。
【００４０】
さらに他の実施態様において、前記イメージ取得装置は、前記イメージに関する既知の位置にある中心光線を用いて点状のエネルギー源として近似することができるエネルギー出射源を含み、前記ターゲットは円筒状であって、前記１個のイメージを取得すると、中心光線と前記ターゲットの長軸の間の角度の範囲を拘束し、前記イメージの上に前記ターゲットのレンズ状の投影が見える。
【００４１】
さらに一実施態様において、前記数値的手法は以下のステップを含む：
ｉ）前記イメージの中の前記ターゲットのレンズ状の投影を自動的検出し、前記ターゲットの前記レンズ状の投影の第１と第２の頂点２個の交点を判断するステップと、
ｉｉ）前記直径ｄ、前記長軸、前記中心および前記高さｈを有する前記ターゲットのバーチャルな幾何学的描写を生成するステップと、
ｉｉｉ）前記ターゲットの前記バーチャルな幾何学的描写を用い前記２個の交点と前記第１と第２の頂点を表すバーチャルな投影ポイント定めるステップと、
ｉｖ）前記ターゲットの前記バーチャルな幾何学的描写の前記バーチャルな投影ポイントを前記２個の交点と前記第１と第２の頂点をあわせることによって前記ターゲットの位置と方向を繰り返し判断するステップ。
【００４２】
本実施態様の利点は、前記ターゲットの投影からターゲットの位置を再構成する本方法が、４個のポイントのみを使用して、１個の単一の投影イメージから唯一のしっかりとした再構成をする点にある。わずかな計算で、即座に計算処理ができる。
【００４３】
円筒状の他の外形を有するターゲットを使用する場合は、当然、数値の方法を調整する必要がある。
【００４４】
他の実施態様は以下のステップを含む：
−前記３次元の物体の中の、既知の位置と方向が、互い対してに配置された少なくとも２個の円筒状のターゲットの位置を判断するステップと、
−前記コンピュータを使って、前記少なくとも２個の円筒状のターゲットの前記位置と方角を用いて、固定された座標系に対する前記３次元の物体の位置と方角を判断するステップ。
【００４５】
２個の円筒状のターゲットを置くことによって、２個の円筒状のターゲット（６自由度）を含む対象物の正確な位置と方角を明確に定めることが可能となる。
【００４６】
非回転対称のターゲット、例えば、角柱のターゲットの位置と方角を判断する場合は１個のターゲットで十分である。
【００４７】
前記第１と第２のターゲットの方向は、互いに対して前記第１と第２のターゲットの前記投影が前記１個のイメージの中に見えるように決められる。
【００４８】
一実施態様において、本発明の方法は以下のステップをさらに含む：
Ｉ）前記外科手術に係わる各対象物中もしくは上に少なくとも１個のターゲットを固定するステップと、
ＩＩ）標準的な医療用取得手段を用いて患者の体の関係部位の３Ｄ描写を確立するステップと、
ＩＩＩ）コンピュータと体の関係部位の前記３Ｄ描写を用い、前記体の関係部位で行うべき外科的処置の計画を立てるステップと、
ＩＶ）投影面を有するイメージ取得装置を使って、前記少なくとも１個のターゲット投影を用いて１個のイメージを取得するステップと、
Ｖ）本発明の方法のｂ）〜ｆ）のステップを行うステップと、
ＶＩ）前記本発明に係る装置と前記コンピュータを使って、計画された外科的処置を行うステップであって、前記外科手術に関する対象物の中または上に少なくとも１個のターゲットを固定する前記ステップは、ステップＩＩ）とＩＩＩ）を行う前にステップＩＶ）の前に行うことができる。
【００４９】
前記外科手術に関する対象物は、患者の身体部分の１以上の解剖の対象物でもよく、または計画された外科的処置の間に使用される１以上の器具、用具またはインプラントでもよい。
【００５０】
他の実施態様においてステップＩＶ）は、ＩＶ）投影面を有するイメージ取得装置の手段で、前記対象物の少なくとも１個の全てのターゲットの投影を用いて、１個の単一のイメージ取得するステップであって、前記１個のイメージの中で全ての対象物の全てのターゲットが見えない場合は、ステップＩＶ）を繰り返し各対象物の全てのターゲットの投影が前記１個のイメージの中に見えるまで、さらに対象物を取得する。
【００５１】
本発明の方法によれば、１個の対象物に固定した全てのターゲットの中に１個のイメージの中に見えることが必要である。
【００５２】
１以上の対象物があって、全ての対象物の全てのターゲットが１個の単一のイメージの中に見えない場合には、他の対象物のイメージがさらに取得される。
【００５３】
標準的な医療用取得手段は、ＣＴ（コンピュター断層撮影装置）、ＭＲＩ（磁気共鳴映像装置）、または３Ｄ放射線画像検査装置でもよい。上記の誘導方法のために標準的放射線装置（Ｃアームのように）が使用される場合は３Ｄ放射線画像検査装置が好適である。
【００５４】
これは、ターゲットを３Ｄ撮像の前におくことができ、計画作成中に見たり、触れたりできる利点がある。
【００５５】
ターゲットを皮下もしくは皮膚の上に置くことができるが、各対象物にしっかりと接続することが必要である。
【００５６】
単一の非回転対称の、例えばプリズム状のターゲットを使う代わりに、ターゲットとして少なくとも２個の円筒状の穴を有する小さなプレートを含むマーカー要素を使用してもよい。
【００５７】
手術計画を行うステップは、前記コンピュータを用いて、骨片の向きの修正（１以上の骨片がある場合）や３Ｄイメージの中にインプラント、人工器官および／または用具のバーチャルな描写を置くことも含む。
【００５８】
さらに他の実施態様において、本方法はさらに前記コンピュータ、患者の体の関係部位の前記３Ｄ描写および前記関連する器具、用具またはインプラントの各３Ｄ描写を使って、前記外科手術に係わる患者の身体部分のバーチャルな解剖の対象物の中または上の少なくとも１個のバーチャルなターゲット、および計画された外科的処置を行う最中に使用する関連の器具、用具またはインプラントを位置決めするステップを含む。
【００５９】
前記バーチャルなターゲットは骨片、インプラント、用具または照準装置それ自体など、計画された外科的処置中に追跡すべき対象のそれぞれの特徴的な位置の上に置かれる。ターゲット（マーカー）が３Ｄ放射線画像検査装置の前に置かれる場合はこのステップは不要である。
【００６０】
上記ステップが省略できる場合は、ターゲットの登録に起因する誤差（手術中に骨のバーチャルな描写上のおおよそ有意な位置にターゲットをバーチャルに置き、正確な位置を再構成するときに生じる誤差）を排除することができる。
【００６１】
一実施態様において本方法はさらに、前記コンピュータを使って、ステップＩＩＩ）で行う外科的処置の計画に従って、前記外科手術に係わる患者の身体部分の前記バーチャルな解剖の対象物、および計画された外科的処置を行う最中に使用する関係の器具、用具またはインプラントの位置と方向を定めるステップを含む。
【００６２】
他の実施態様において本方法はさらに、前記コンピュータを使って上記ステップｂ）にしたがって、前記ターゲットの方向に対する前記外科手術に係わる患者の身体部分の各対象物および計画された外科的処置を行う最中に使用される関連の各器具、用具またはインプラントの位置と方向を判断するステップを含む。
【００６３】
骨片の位置変えまたは骨きりの場合は、本発明の装置は骨片に取付ける、あるいは骨片の位置決めのためのハンドルとして動作するターゲットに直接取付けることもできる。
【００６４】
骨片に本装置を取付けた場合は、本装置をその位置に関して骨片を操作する操作棒として使用することができる。最終位置は、上記ステップｂ）〜ｆ）の記載に説明したようにコンピュータの表示に投影されるターゲット曲線を使って得られる。
【００６５】
上記の方法は特に以下の用途に使用することができる：
−用具または器具を３次元の物体の中のターゲットに整列する。
−非破壊測定を行い望ましい位置を判断し、照準装置を希望する孔軸に整列することによって、３次元の物体に前記孔軸に同軸にドリルで穿孔する。
−埋め込まれた心臓ペースメーカーの位置を同定し処置を行う。
−多層プリント基板の処理をする。
−操作装置を使って少なくとも第１と第２のターゲットを含む３次元の物体の空間操作をする。
【００６６】
一実施態様において、本発明に係る装置は用具または器具を３次元の物体の中のターゲットに整列するために使用することができる。
【００６７】
他の実施態様において、本発明に係る装置は非破壊測定を行い望ましい位置を判断し、照準装置を希望する孔軸に整列することによって、３次元の物体に前記孔軸に同軸にドリルで穿孔するために使用することができる。
【００６８】
さらに他の実施態様において、本発明に係る装置は埋め込まれた心臓ペースメーカーの位置を同定し処置を行うために使用することができる。
【００６９】
さらに一実施態様において、本発明に係る装置は多層プリント基板の処理に使用することができる。
【００７０】
さらに一実施態様において、本発明に係る装置は操作装置を使って少なくとも第１と第２のターゲットを含む３次元の物体の空間操作するために使用することができる。
【００７１】
他の実施態様において、本発明に係る装置は、骨または他の対象物にねじまたはガイドワイヤを挿入するために使用することができる。
【００７２】
さらに他の実施態様において、本発明に係る装置は、手術計画にしたがって骨片の位置決めのために使用することができる。
【００７３】
さらに一実施態様において、本発明に係る装置は、手術計画にしたがって骨修正切開後に解剖学的再構成するために使用することができる。
【００７４】
以下、添付の図面を参照しながら本発明のさまざまな実施態様を例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明に係る装置の一実施態様の縦断面図を示す。
【図２】図１の実施態様の側面図を示す。
【図３】本発明に係る装置の他の実施態様の縦断面図を示す。
【図４】３次元の物体における円筒状のターゲットの中心遠近法の図である。
【図５】本発明に係る装置と３次元の物体に対する装置、器具または用具を位置決めする方法の一実施態様で用いられるターゲット曲線の投影のシミュレーションの概略図である。
【図６】本発明に係る方法で使われるコンピュータの斜視図である。
【図７】本発明に係る装置のさらに他の実施態様の縦断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００７６】
図１および２は、照準装置１として例示的に構成された装置の実施例を示す。前記照準装置１は、基本的に中心軸６と外径Ｄｔを有する棒状部材２と、直径ＤＫを有し前記棒状部材２に固定された放射線不透過性の第１の照準要素７と、直径ＤＲ＞Ｄｔの円形の中心線１１を有し前記中心軸６に直角な面を区画する放射線不透過性の第２の照準要素５とからなる。前記棒状部材２はさらに、前記ドリルビットをガイドする中心貫通孔８、両者とも中心軸６を横断する後端部３および先端部４を含む。前記第１の照準要素７は、前記先端部４までの距離Ｃ＞０にその中心４６があって、前記先端部４に近接する場所に前記棒状部材２に前記中心軸６と同軸に固定される。
【００７７】
前記第２の照準要素５は、前記円形の中心線１１により区画される前記面が前記後端部３から前記先端部４に向かって測って距離Ａ２となるように、前記棒状部材２に前記中心軸６と同軸に連結されている。さらに、前記第２の照準要素５は、本実施態様においては前記棒状部材２の周囲面２０と前記第２の照準要素５の間に放射状に広がる放射線透過性のディスクによって実現される放射線透過性の手段９によって前記棒状部材２に固定して取付けられる。さらに前記第２の照準要素５は、前記中心軸６から距離ＤＲ／２で半径ｒ１の円の前記中心で前記棒状部材２の前記中心軸６の周りを半径ｒ１の円を回転させて得られる円環面の形状をしている。
【００７８】
前記第１の照準要素７は、前記棒状部材２の前記後端部３に向けて球面部１２を有する。前記球面部１２は、その中心が前記第１の照準要素７の中心４６と一致する曲率Ｒ１の半径を有する。さらに、前記球面部１２は、前記棒状部材２の前記後端部３に向けて前記棒状部材２の外表面２０によって制限され、前記棒状部材２の前記中心軸６に直角の半径Ｒ１の球状体中間面を越えて延びる。前記先端部４に向けて、前記球面部１２は前記球面部１２の曲率Ｒ１の前記半径よりも大きい曲率Ｒ２の半径を持つ先端部１０によって限定される。
【００７９】
さらに、前記第１の照準要素７は、その中心４６を前記後端部３から前記先端部４まで測定した距離Ａ１かつ前記円形の中心線１１で区切られる前記面から測定した距離Ｂに前記中心軸６と同軸に前記棒状部材２の周囲面２０に固定される。さらに、棒状部材２の直径Ｄｔ、球状の第１の照準要素７の直径ＤＫおよび第２の照準要素の直径ＤＲは、Ｄｔ＜ＤＫ＜ＤＲとなるように選択される。
【００８０】
前記照準装置１は、任意に円筒状またはプリズム状の２個のターゲット１６を含むことができる。前記２個の円筒状またはプリズム状のターゲット１６は、前記放射線透過性のディスクの中に互いに平行にかつ前記棒状部材２の前記中心軸６までの距離Ａｔａｒｇｅｔが等しく置かれる
【００８１】
図３は、図１、２の実施態様とは異なる前記照準装置１の他の実施態様を示し、前記第２の照準要素５は前記棒状部材２に固定されず、手術器具、特に穿孔装置に取付け可能であって、前記第２の照準要素５が前記中心軸６と同軸の関係を維持できるように前記棒状部材２に対して前記中心軸６と平行に変位可能である。
【００８２】
図４は、３次元の物体２８の中にある円形の筒状ターゲット１６の位置を判断するために行うステップを示す。前記円形の筒状ターゲット１６は、前記３次元の物体２８を構成する周囲の材質よりも低い密度であって、長軸１８、直径ｄ、高さｈおよび中心４７を有する。具体的には、前記ステップは以下のステップを含む：
Ａ）ディスプレイ３３を有するコンピュータ３２に接続され（図６に概略を示す）、中心光線２６を有するエネルギー放射源２９とイメージセンサーを有する受光装置を含むイメージ取得装置を使って、前記ターゲット１６のレンズ状の投影４２を用いて１個の単一のイメージ５０を取得する。中心光線２６とターゲット１６の長軸１８の間の角度の範囲は、ターゲット１６の投影４２がイメージ５０上に必ず見えるように制限される。
Ｂ）前記コンピュータ３２によって実行される数値的手法を使って前記単一のイメージ５０から前記ターゲット１６の位置と方向を判断すし、
前記数値的手法は、基本的に以下のステップからなる：
ａ）前記イメージ５０の中の前記ターゲット１６の前記レンズ状の投影４２を自動的に検出し、前記ターゲット１６の前記レンズ状の投影４２の２個の交点３５、３６と第１と第２の頂点３７、３８の投影を判断する、
ｂ）前記直径ｄ、前記長軸１８、前記中心４７および前記高さｈを有する前記ターゲット１６のバーチャルな幾何学的描写を生成する、
ｃ）前記ターゲット１６の前記バーチャルな幾何学的描写を使って、前記２個の交点３５、３６と前記第１と第２の頂点３７、３８を表すバーチャルな投影ポイント判断する、
ｄ）前記ターゲット１６の前記バーチャルな幾何学的描写の前記バーチャルな投影ポイントと前記２個の交点３５、３６と前記第１と第２の頂点３７、３８を一致させて前記ターゲット１６の位置と方角を繰り返し判断する。前記ターゲット１６は以下の３つの自由度を有する：
−前記エネルギー放射源２９の中心と前記中心４７の間で測定したグローバル座標系２４のｚ−軸上の位置Ｚ。前記ターゲット１６の前記バーチャルな幾何学的描写は、投影４４の中心と前記エネルギー放射源２９の中心によって決まる中心線４３に沿ってスライドすることができる。投影４４の前記中心は、中心−線の映像５１のｈ／Ｈ→０で表される近似値である。ターゲット１６の座標ｘ、ｙはＺおよび中心線４３によって異なる。したがって、１個の円筒状のターゲット１６により、５つの自由度をが決まるが、アルゴリズムは３つの自由度のみでよい。
−前記グローバル座標系２４のｙ−ｚ面で測定した前記長軸１８と前記中心線４３の間の角α、これは前記イメージ取得装置２５に対して固定である。
−前記グローバル座標系２４のｘ−ｚ面で測定した前記長軸１８と前記中心線４３の間の角β。
【００８３】
主として穿孔、タッピングおよびねじ挿入処置等１個の回転対称、例えば、円筒状のターゲットのみ使用する実施例（５自由度）：
−加工物または他の対象物をさらに加工ないし処理を行うために、希望のタイプの用具を前記加工物または他の対象物に対して予め決められた方向にガイドする；
−プリント基板の整合測定および続く穿孔のための見当合わせ；
−固定、例えば、ねじ穴が付いた人工器官シャフトをねじで連結する（例えば、大腿骨の部品のシャフト）；
−例えば、品質管理の目的で、積層板またはパネルにおける層のずれの測定；
−希望の外形または方向を回復するため、または例えば、ロボット組立てシステムにおけるロボットアームの整列のために、単層または積層の加工物または他の対象物のゆがみおよび／または回転の測定；
加工物または他の対象物を例えば、ＣＮＣ−マシン（コンピューター数値制御−マシン）の支持テーブルに機械的拘束により固定することもできる。
【００８４】
１個の非回転対称なターゲットまたは２つ以上のターゲットを使う場合の実施例（６自由度）：
−予め決められた位置または方角に機械的拘束ができない対象物の整合性の判断、例えば心臓ペースメーカーの位置決めおよび操作、例えば、ねじを締付けまたは緩め；
−位置と方向の正確な知識に基づいて、加工物または他の対象物の取扱いまたは操作。
【００８５】
上記の数値的手法は、前記ターゲット１６の位置を計算するための数値的手法を含み、以下の数学的相関関係に基づく。
【００８６】
数値的手法（円形の筒状のターゲットの場合）：
この手法は、イメージ取得装置２５の投影は理想中心遠近法に基づく数学的条件に係わる。エネルギー放射源２９として使われる点状のＸ線源が既知の距離Ｈの原点から投影面４９に向けて光線を発する。
【００８７】
この手法は以下の基本的ステップを組み込んでいる：
１．イメージ処理アルゴリズムを使用することによって、前記イメージ５０における前記ターゲット１６のレンズ状の投影４２の自動的検出および有意な標識、すなわち前記２つの交点３５、３６および前記ターゲット１６のレンズ状の投影４２の第１と第２の頂点３７、３８の判断。前提：ｈ／Ｈ→０のとき、中心−線の投影５１は投影４４の中心に近似する。
【００８８】
２．前記ターゲット１６のバーチャルな幾何学的描写と上記有意な標識に対応するバーチャルな投影ポイントのシミュレーション。数値最適化ルーチンにより前記バーチャルな幾何学的描写の方角と位置を繰り返し判断する。
【００８９】
３．前記照準装置１のバーチャルな幾何学的描写のシミュレーションおよびターゲット曲線１７、２２（ターゲット省略記号）をイメージ５０への投影する。
【００９０】
バーチャルな幾何学的描写の方向の繰り返し判断
前記ターゲット１６のバーチャルな幾何学的描写は、既知の属性ｄ（直径）およびｈ（長さ）を用いて生成される。前記ターゲット１６のバーチャルな幾何学的描写は１つの並進移動の自由度を有する。これは投影４４の中心および前記エネルギー放射源２９の中心によって決まる中心線４３に沿ってスライドすることができる。スライド位置はＺ（図４）により制御される。さらに２つ回転自由度（α、β）によって、前記前記ターゲット１６のバーチャルな幾何学的描写の位置を完全に拘束することができる。
【００９１】
前記２つの交点３５、３６および前記第１と第２の頂点３７、３８を表す４つのバーチャルな投影ポイントは、前記前記ターゲット１６のバーチャルな幾何学的描写の方向から駆動することができる。
【００９２】
数値最適化ルーチン（ここでは最小２乗誤差最小化）は、前記ターゲット１６のバーチャルな幾何学的描写の最適化方向を行うために、３つの自由度（ＤＯＦ）（α、β、Ｚ）を使って、前記有意な標識と対応するバーチャルな投影ポイントの間の逸脱のためのグローバル最小点を見つけるために使用することができる。レンズ状の投影が非対称なために（中央の投影の性質上、非対称に現れるｂおよびｃのセグメント）、１個のイメージから、ターゲットの方向のためのただひとつの解を計算することができる。
【００９３】
ターゲット曲線（例えば、省略記号）
前記ターゲット１６のバーチャルな幾何学的描写の判断された方向（α、β、Ｚ）によって、第１と第２の照準要素７、５からなる装置は数学的にモデル化される。
【００９４】
前記第１と第２の照準要素７、５を有する前記装置のバーチャルな幾何学的描写は前記ターゲット１６のバーチャルな幾何学的描写に対して、位置決め方向付けられる。
【００９５】
第１と第２の照準要素７、５（ターゲット曲線、すなわちターゲット省略記号）の投影は次のターゲット動作のためにｘ−線イメージ５０の形で視覚化される。
【００９６】
図５、６に示す特別な実施態様において、前記装置は同軸に配置された球状の第１の照準要素７と環状の第２の照準要素５とからなり、寸法ＤＫ、ＤＲ、Ｂ、Ｃを有する照準装置１である。さらに、前記照準装置１のバーチャルな幾何学的描写は、前記ターゲット１６のバーチャルな幾何学的描写に対して同軸に向けられ、前記ターゲット１６の中心４７から距離Ｅに位置におかれる（図５）。
【００９７】
例示として、図７を参照して、前記３次元の物体２８を代表する人工器官における貫通孔１１６に対して照準装置１を位置決めするための装置の位置決め方法を説明する。ここで、前記貫通孔１１６は、孔の軸１１８、穴の直径Ｄおよび穴の中心１４７を有する。
【００９８】
以下の説明において：
−前記人工器官は３次元の物体２８を表す。
−前記貫通孔１１６は円形の筒状ターゲット１６を代表し、前記孔の軸１１８は、前記ターゲット１６の前記長軸１８を表す。
−前記ターゲット１６の前記直径ｄは前記貫通孔１１６の穴の直径Ｄで代表され、前記ターゲット１６の前記高さｈは、前記貫通孔１１６の長さＬで代表され、前記ターゲット１６の前記中心４７は、前記貫通孔１１６の穴の中心１４７を表す。
−前記照準装置１に取付けられる照準手段は前記球状の第１の照準要素７と前記環状の第２の照準要素５によって実現される。
【００９９】
上記の前提で、前記孔の軸１１８を有する前記貫通孔１１６は、前記数値的手法において、前記直径ｄ、前記長軸１８、前記高さｈおよび前記中心４７を有する前記ターゲット１６のバーチャルな幾何学的描写を生成するために使われる。
【０１００】
この実施態様で使われる照準装置１は、図１の照準装置とは異なり、前記第１の照準要素７は直径ＤＫを有する球状に形成されている。
【０１０１】
はじめに投影面４９を有するイメージ取得装置で前記貫通孔１１６の投影４２を使って１個の単一のイメージ５０を取得するステップが望ましい。
【０１０２】
次に、図４で説明したように、前記単一のイメージ５０を使って前記数値的手法を適用し、前記貫通孔１１６の位置と方角を判断する。
【０１０３】
次に、図５、６に示すように、以下のステップを行うことにより、前記照準装置１が位置決めされる：
１）前記コンピュータ３２を使って、前記貫通孔１１６の前記長軸１８に同軸であって前記中心１４７までの距離Ｅに前記照準装置１の前記先端部４を位置決めした前記照準装置１のバーチャルな幾何学的描写を確立する、
２）前記照準装置１の前記バーチャルな幾何学的描写を使って、前記照準装置１に取付けられた前記球状の第１の照準要素７と前記環状の第２の照準要素５のバーチャルな位置と方角を定める、
３）前記コンピュータ３２で前記ディスプレイ３３上の第１のターゲットの曲線１７を描写し；前記第１のターゲットの曲線１７は、前記投影面４９上の前記球状の第１の照準要素７のバーチャルな投影を表し、
４）前記コンピュータ３２で前記ディスプレイ３３上の第２のターゲットの曲線２２を描写し；前記第１のターゲットの曲線２２は、前記投影面４９上の前記球状の第２の照準要素５のバーチャルな投影を表し、
５）イメージ取得装置２５を使って、前記球状の第１の照準要素７と前記第１のターゲットの曲線１７とを整列し、次に前記環状の第２の照準要素５の前記円形の中心線１１と前記第２のターゲットの曲線２２とを整列し、前記照準装置１の位置決めする。ここで、
ｉ）前記照準装置１の前記位置決めは、前記照準装置１の並進移動の動作によって、前記照準装置１の前記球状の第１の照準要素７と前記第１のターゲットの曲線１７とを手動により整列し、
ｉｉ）次に、前記照準装置１の回転動作によって、前記環状の第２の照準要素５の前記円形の中心線１１と前記第２のターゲットの曲線２２を整列する。
【０１０４】
前記照準装置１が前記貫通孔１１６と正確に位置決めできたら、前記人工器官を囲む骨１２０に穴をドリルする。
【０１０５】
前記人工器官を囲む骨１２０に前記貫通孔１１６の前記孔の軸１１８と同軸に穴をドリルしたら、連結手段、例えば骨ねじを貫通孔１１６を通して前進させ、前記骨１２０に対して前記人工器官を固定することができる。
【０１０６】
前記３次元の物体２８を囲む材料に穴をドリルする間、前記３次元の物体２８の前記孔の軸１１８の前記貫通孔１１６に同軸に前記照準装置１を操作するために、照準装置１はハンドルを含む（図示せず）。
【０１０７】
本発明についてさまざま説明したが、さまざまな特徴は単独でまたはそれらとの組合せで用いることができるものと理解されるべきである。したがって、本発明の範囲は付属の請求項に記載するごとく限定される。
【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７】
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