(57)【要約】外科デバイスを制御するための方法が提供される。該方法は患者に対して処置を行うために外科デバイスを操作する段階；患者の解剖学的構造と外科デバイスの外科ツールの位置、配向、速さ、および/または加速度との間の関係が、解剖学的構造と外科ツールの位置、配向、速さ、および/または加速度との間の望ましい関係に対応するかどうかを決定する段階；ならびにその関係が、望ましい関係に対応しない、かつ/または検出デバイスが、解剖学的構造の位置および/もしくは外科ツールの位置を検出することができない場合に、外科デバイスに制約を与える段階を含む。2009537231.tif 000025
2009537231.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者に対して処置を行うために外科デバイスを操作する段階；
患者の解剖学的構造と外科デバイスの外科ツールの位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の関係が、解剖学的構造と外科ツールの位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の望ましい関係に対応するかどうかを決定する段階；および
関係の少なくとも一つが、望ましい関係に対応せず、検出デバイスが、解剖学的構造の位置および外科ツールの位置の少なくとも一つを検出することができない場合に、外科デバイスに制約を与える段階
を含む、外科デバイスを制御するための方法。
【請求項２】
望ましい関係が、触覚レンダリングアルゴリズムによって生成される少なくとも一つのパラメータによって定義される、請求項1記載の方法。
【請求項３】
関係が望ましい関係に対応するかどうかを決定する段階が、外科デバイスが触覚レンダリングアルゴリズムによって生成される少なくとも一つのパラメータに違反したかどうかを決定することを含む、請求項1記載の方法。
【請求項４】
関係が望ましい関係に対応するかどうかを決定する段階が、解剖学的構造に関連する仮想境界への外科ツールの侵入深さが既定の閾値を超えるかどうかを決定することを含む、請求項1記載の方法。
【請求項５】
関係が望ましい関係に対応するかどうかを決定する段階が、解剖学的構造、追跡される物体、および追跡される物体上に配置される追跡要素の少なくとも一つの速さが既定の閾値を超えるかどうかを決定することを含む、請求項1記載の方法。
【請求項６】
関係が望ましい関係に対応するかどうかを決定する段階が、解剖学的構造、追跡される物体、および追跡される物体上に配置される追跡要素の少なくとも一つの位置が既定の境界の外側にあるかどうかを決定することを含む、請求項1記載の方法。
【請求項７】
関係が望ましい関係に対応するかどうかを決定する段階が、外科デバイスの出力が既定の閾値を超えるかどうかを決定することを含む、請求項1記載の方法。
【請求項８】
外科ツールが、解剖学的構造に関連する仮想境界と相互作用しているかどうかを決定する段階をさらに含む、請求項1記載の方法。
【請求項９】
外科ツールが、仮想境界と相互作用していない場合に、仮想境界を非アクティブにする段階をさらに含む、請求項8記載の方法。
【請求項１０】
外科ツールが、仮想境界に接触しているおよび仮想境界を越えているうちの少なくとも一つである場合に、仮想境界を維持する段階をさらに含む、請求項8記載の方法。
【請求項１１】
解剖学的構造と外科ツールの位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の関係に基づいて、ユーザへの触覚ガイダンスおよび外科デバイスのユーザ操作に対する限度の少なくとも一つを提供するように外科デバイスを制御するために制御パラメータを実施する段階をさらに含む、請求項1記載の方法。
【請求項１２】
制約を与える段階が、外科デバイスの少なくとも一部の動きを限定することおよび外科デバイスの運転を限定することの少なくとも一つを含む、請求項1記載の方法。
【請求項１３】
制約が、触覚レンダリングアルゴリズムによって生成される少なくとも一つのパラメータを含む、請求項1記載の方法。
【請求項１４】
既定の時間間隔の後に与えられた制約を除去する段階をさらに含む、請求項1記載の方法。
【請求項１５】
解剖学的構造および解剖学的構造に関連する追跡要素の少なくとも一つを含む第一物体を検出デバイスで検出する段階；
外科デバイスおよび外科デバイスに関連する追跡要素の少なくとも一つを含む第二物体を検出デバイスで検出する段階；および
検出デバイスが第一物体および第二物体の少なくとも一つを検出することができない場合に、ユーザに指摘を提供する段階
をさらに含む、請求項1記載の方法。
【請求項１６】
検出デバイスが第一物体および第二物体を検出する場合にのみ、外科デバイスを有効にする段階をさらに含む、請求項15記載の方法。
【請求項１７】
患者に対して処置を行うために外科デバイスを操作する段階；
患者の解剖学的構造と外科デバイスの外科ツールの位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の望ましい関係に基づいて、外科デバイスの操作を制約する段階；および
望ましい関係の少なくとも一つが維持されない、かつ検出デバイスが解剖学的構造および外科ツールの少なくとも一つを検出することができない場合に、外科ツールの動きおよび外科ツールの運転の少なくとも一つを限定する段階
を含む、外科デバイスを制御するための方法。
【請求項１８】
患者に対して処置を行うためにユーザによって操作されるように設定される外科デバイスと、
外科デバイスに連結される外科ツールと、
患者の解剖学的構造と外科ツールの位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の関係が、解剖学的構造と外科ツールの位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の望ましい関係に対応するかどうかを決定し、かつ
関係の少なくとも一つが、望ましい関係に対応せず、検出デバイスが、解剖学的構造の位置および外科ツールの位置の少なくとも一つを検出することができない場合に、外科デバイスに制約を与える
ようにプログラムされる、計算システム
とを含む、外科デバイスを制御するためのシステム。
【請求項１９】
望ましい関係が、触覚レンダリングアルゴリズムによって生成される少なくとも一つのパラメータによって定義される、請求項18記載のシステム。
【請求項２０】
外科デバイスが、触覚レンダリングアルゴリズムによって生成される少なくとも一つのパラメータに違反したかどうかを決定するように、計算システムがプログラムされる、請求項18記載のシステム。
【請求項２１】
解剖学的構造に関連する仮想境界への外科ツールの侵入深さが、既定の閾値を超えるかどうかを決定するように、計算システムがプログラムされる、請求項18記載のシステム。
【請求項２２】
解剖学的構造、追跡される物体、および追跡される物体上に配置される追跡要素の少なくとも一つの速さが、既定の閾値を超えるかどうかを決定するように、計算システムがプログラムされる、請求項18記載のシステム。
【請求項２３】
解剖学的構造、追跡される物体、および追跡される物体上に配置される追跡要素の少なくとも一つの位置が、既定の境界の外側にあるかどうかを決定するように、計算システムがプログラムされる、請求項18記載のシステム。
【請求項２４】
外科デバイスの出力が、既定の閾値を超えるかどうかを決定するように、計算システムがプログラムされる、請求項18記載のシステム。
【請求項２５】
外科ツールが、解剖学的構造に関連する仮想境界と相互作用しているかどうかを決定するように、計算システムがプログラムされる、請求項18記載のシステム。
【請求項２６】
外科ツールが仮想境界と相互作用していない場合に、仮想境界を非アクティブにするように、計算システムがプログラムされる、請求項25記載のシステム。
【請求項２７】
外科ツールが、仮想境界に接触しているおよび仮想境界を越えているうちの少なくとも一つである場合に、仮想境界を維持するように、計算システムがプログラムされる、請求項25記載のシステム。
【請求項２８】
解剖学的構造と外科ツールの位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の関係に基づいて、ユーザへの触覚ガイダンスおよび外科デバイスのユーザ操作に対する限度の少なくとも一つを提供するように外科デバイスを制御するために制御パラメータを実施するように、計算システムがプログラムされる、請求項18記載のシステム。
【請求項２９】
外科デバイスの運転および外科デバイスの少なくとも一部の動きの少なくとも一つを限定することによって制約を与えるように、計算システムがプログラムされる、請求項18記載のシステム。
【請求項３０】
制約が、触覚レンダリングアルゴリズムによって生成される少なくとも一つのパラメータを含む、請求項18記載のシステム。
【請求項３１】
既定の時間間隔の後に与えられた制約を除去するように、計算システムがプログラムされる、請求項18記載のシステム。
【請求項３２】
解剖学的構造および解剖学的構造に関連する追跡要素の少なくとも一つを含む第一物体を検出デバイスで検出し、
外科デバイスおよび外科デバイスに関連する追跡要素の少なくとも一つを含む第二物体を検出デバイスで検出し、かつ
検出デバイスが第一物体および第二物体の少なくとも一つを検出することができない場合に、ユーザに指摘を提供する
ように、計算システムがプログラムされる、請求項18記載のシステム。
【請求項３３】
検出デバイスが第一物体および第二物体を検出する場合にのみ、外科デバイスを有効にするように、計算システムがプログラムされる、請求項32記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、2006年5月19日に出願された米国特許仮出願第60/801,378号からの優先権を主張し、その開示は、その全体が参照により本明細書に組み入れられる。
【０００２】
発明の分野
本発明は、外科システム、ならびにより詳しくは、触覚デバイスを制御するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
関連技術の説明
最小侵襲手術（MIS）は、伝統的な手術アプローチにおいて使用される切開よりも大幅に小さい切開を介する施術である。例えば、全膝置換手術などの整形外科的用途において、MIS切開長は、約4〜6インチの範囲であり得るが、伝統的な全膝手術における切開長は、典型的には、約6〜12インチの範囲である。より小さな切開長の結果として、MIS処置は、一般的に、伝統的な手術アプローチよりも低侵襲的であり、軟組織への外傷を最小にし、術後痛を軽減し、より早い可動化を促進し、病院滞在を短くし、リハビリテーションを速める。
【０００４】
MISは、外科医にいくつかの課題を提示する。例えば、最小侵襲整形外科的関節置換において、小さな切開サイズは、解剖学的構造を見るおよび解剖学的構造にアクセスする外科医の能力を軽減し、骨を彫ることおよび適切なインプラント位置を査定することの複雑性を増加させる。結果として、インプラントの正確な配置は、難しい場合がある。これらの問題に対抗するための従来的な技術は、例えば、手術ナビゲーション、最適な関節露出のために脚を位置付けること、ならびに特別にデザインされた小型化計装および複雑な手術技術を採用することを含む。しかしながら、そのような技術は、典型的には、大量の特殊計装、長期にわたるトレーニングプロセス、および高度な技能を必要とする。さらに、一人の外科医に対するおよび様々な外科医の間での手術的結果は、十分に予測可能ではなく、再現性がなく、かつ/または正確ではない。結果として、インプラントのパフォーマンスおよび寿命は、患者の間で変化する。
【０００５】
パフォーマンスを容易にし、かつ最小侵襲および伝統的整形外科的関節処置の転帰を改善するための従来的な努力は、ロボット外科システムの使用を含み得る。例えば、いくつかの従来的な技術は、ROBODOCシステム（かつてはIntegrated Surgical Systems, Inc., Sacramento, Californiaから入手可能）などの自律ロボットシステムを含む。しかしながら、そのようなシステムは、典型的には、主に高速バーでの自律切断を行うことによって骨機械加工を強化する役目を果たす。そのようなシステムは、改善されたインプラント嵌め合いおよび配置のための精密な骨切除を可能にするが、それらは、（外科医と協力的というよりむしろ）自律的に作用し、したがって、外科医にある程度の制御をロボットに譲ることを求める。自律システムの付加的な難点は、ロボットの大きなサイズ、不十分な人間工学、十分なロボットアクセスのための増加した切開長、およびシステムの自律性質による外科医および管理機関による限定された承認を含む。そのようなシステムは、典型的には、位置合わせおよび切断の間の骨の堅い締め付けも必要とし、したがって、動的な術中場面へのリアルタイム適応性を欠く。
【０００６】
その他の従来的なロボットシステムは、ACROBOTシステム（The Acrobot Company Limited, London, Great Britain）などの、外科医と協力的に相互作用する非自律ロボットを含む。しかしながら、従来的な相互作用ロボットシステムの一つの難点は、そのようなシステムが、リアルタイムでの手術ナビゲーションを動的な術中環境に適応させる能力を欠くことである、例えば、その全体が参照により本明細書に組み入れられる米国特許第7,035,716号（特許文献1）は、患者に位置合わせされている3次元仮想拘束領域でプログラムされる相互作用ロボットシステムを開示する。ロボットシステムは、力センサを組み込むハンドルを有する3自由度（3 DOF）アームを含む。外科医は、アームを操作し、切断ツールを動かすためにハンドルを用いる。力センサが、外科医によってハンドルに適用されている力を測定できるように、ハンドルを介してアームを動かすことが必要とされる。次いで、測定された力は、切断ツールの動きを補助するかまたは切断ツールの動きに抵抗するためのモータを制御するために使用される。例えば、膝置換手術の間、患者の大腿骨および脛骨は、ロボットシステムに対して適切な位置に固定される。外科医が切断ツールを動かすために力をハンドルに適用する時、相互作用ロボットシステムは、ツールが仮想拘束領域の境界にアプローチする場合に切断ツールの動きに抵抗するために増加程度の抵抗を適用する。この様式で、ロボットシステムは、仮想拘束領域内にツールを維持することによって、骨を調製することにおいて外科医をガイドする。しかしながら、上述の自律システムと同様に、相互作用ロボットシステムは、主に骨機械加工を強化するように機能する。付加的に、アームの3 DOF立体配置および外科医が力ハンドルを使用してアームを操作するという必要条件が、限定された柔軟性および器用さをもたらし、ロボットシステムを特定のMIS用途に対して不適当にする。相互作用ロボットシステムは、解剖学的構造が堅く拘束されることおよびロボットシステムが巨視的位置に固定されることも求め、したがって、術中場面へのリアルタイム適応性を欠く。
【０００７】
VECTORBOTシステム（BrainLAB, Inc., Westchester, Illinois）などのいくつかの相互作用ロボットシステムは、解剖学的構造の固定を必要としない場合があるが、そのようなシステムは、骨彫刻を可能にしないが、その代りに、単に知的ツールガイドとして機能する。例えば、そのようなシステムは、外科医が柄付きネジ（pedicle screw）の配置のために椎骨に穴を開けることを可能にするために、あらかじめ計画されたドリル軌道に沿ってドリルの動きを制約するためにロボットアームを制御し得る。同様に、BRIGITシステム（Zimmer, Inc., Warsaw, Indiana）などのその他のロボットシステムは、機械的ツールガイドを単純に位置付ける。例えば、国際公開番号WO2005/0122916（特許文献2）において開示されかつその全体が参照により本明細書に組み入れられるロボットシステムは、機械的ツールガイドを位置付けるロボットアームを開示する。ロボット位置付けツールガイドを使用して、外科医は、ロボットがツールガイドの動きを制約する間、患者の解剖学的構造に切断をもたらすために、鋸またはドリルなどの従来的な外科ツールを手動で操作する。そのようなシステムは、骨切断の精度および再現性を増加させる可能性があるが、それらは、従来的なツールガイドの機能を行うことに限定され、したがって、最小侵襲モジュラーインプラントデザインに対して必要とされ得るような、外科医が骨において複雑な形を彫ることを可能にする能力を欠く。
【０００８】
Precision Freehand Sculptor（Blue Belt Technologies, Inc., Pittsburgh, Pennsylvania）などの骨彫刻に対して有用ないくつかの非ロボット従来的外科ツールは、関連のある解剖学的構造の固定を必要としない。しかしながら、そのようなツールの一つの難点は、それらが、ユーザにトランスペアレントな様式で機能しないということである。例えば、その全体が参照により本明細書に組み入れられる米国特許第6,757,582号（特許文献3）は、骨へ標的とする形を彫るために使用され得る手持ち式外科ツールを開示する。手持ち式ツールは、骨において望ましい標的とする形を形成するために骨の部分を研磨するために外科医によって操作されるフリーハンド切断ツールである。標的とする形は、例えば、身体的な骨に位置合わせされているボクセルに基づくモデルによって定義される。切断の間、骨および切断ツールの両方は、切断ツールが標的とする形の境界に突き当たっており、それ故に、無傷のままにされるべき骨を切断しているかどうかを制御器が決定することを可能にするために追跡される。そのような場合、制御器は、骨を保護するために、切断ツールを止めるか、または引っ込める場合がある。骨は保護されるが、外科ツールの運転は、外科的処置の間に中断され、処置を行うための時間の長さは増加する可能性がある。さらに、切断の中断は、粗い表面切断を引き起こす可能性もある。付加的に、そのようなシステムは、例えば、切断ツールと傷つきやすい解剖学的構造との間の接触を防ぐために、または解剖学的構造の急速な運動が検出される場合などのその他の有害な状況に対処するために、標的とする形に対するツールの位置に基づいて切断ツールを単に無効にするが、切断ツールの外科医の操作を実際には制約しない。したがって、そのようなシステムは、患者を保護するのに十分な安全装置を含まない場合がある。さらに、シャットオフメカニズムを組み込む手持ち式ツールは、普通のフリーハンドツールまたは重力補正相互作用アームよりもかさばっていてかつ重い場合がある。したがって、外科医が、細かい切断運動を生み出すためにそのような手持ち式ツールを操縦するのは難しい場合があり、とりわけ、関節を外すかまたは散乱させることなく膝置換手術において大腿骨と脛骨との間のギャップにおいて切断する場合などの最小侵襲手術環境において、骨において彫られるべき複雑な形を必要とする用途に対して、そのようなツールを不適当にする。
【０００９】
前述を考慮して、外科医が最小侵襲様式で骨において複雑な形を彫ることを可能にするために外科医と協力的に相互作用することができ、患者を守りかつ外科医に実質的にトランスペアレントな様式で術中環境において物体の運動を動的に補正する能力を有する、外科システムに対する必要性が存在する。
【００１０】
【特許文献１】米国特許第7,035,716号
【特許文献２】WO2005/0122916
【特許文献３】米国特許第6,757,582号
【発明の開示】
【００１１】
発明の概要
本発明の局面に従って、外科デバイスを制御するための方法は、患者に対して処置を行うために外科デバイスを操作する段階；患者の解剖学的構造と外科デバイスの外科ツールの位置、配向、速さ、および/または加速度との間の関係が、解剖学的構造と外科ツールの位置、配向、速さ、および/または加速度との間の望ましい関係に対応するかどうかを決定する段階；ならびにその関係が望ましい関係に対応しない、かつ/または検出デバイスが、解剖学的構造の位置および/もしくは外科ツールの位置を検出することができない場合に、外科デバイスに制約を与える段階を含む。
【００１２】
別の局面に従って、外科デバイスを制御するための方法は、患者に対して処置を行うために外科デバイスを操作する段階；患者の解剖学的構造と外科デバイスの外科ツールの位置、配向、速さ、および/または加速度との間の望ましい関係に基づいて、外科デバイスの操作を制約する段階；ならびに望ましい関係が維持されない、かつ/または検出デバイスが解剖学的構造および/もしくは外科ツールを検出することができない場合に、外科ツールの動きおよび/または外科ツールの運転を限定する段階を含む。
【００１３】
さらに別の局面に従って、外科デバイスを制御するためのシステムは、患者に対して処置を行うためにユーザによって操作されるように設定される外科デバイス、外科デバイスに連結される外科ツール、および計算システムを含む。計算システムは、患者の解剖学的構造と外科ツールの位置、配向、速さ、および/または加速度との間の関係が、解剖学的構造と外科ツールの位置、配向、速さ、および/または加速度との間の望ましい関係に対応するかどうかを決定し；ならびにその関係が望ましい関係に対応しない、かつ/または検出デバイスが、解剖学的構造の位置および/もしくは外科ツールの位置を検出することができない場合に、外科デバイスに制約を与えるようにプログラムされる。
【００１４】
好ましい態様の詳細な説明
本発明の好ましい態様はここで、図面において図示される。同じまたは同様のパーツを指すために同じまたは同様の符番を使用する努力がなされている。
【００１５】
図1は、外科システム10の態様を示す。外科システム10は、計算システム20、触覚デバイス30、および追跡システム40を含む。一つの態様において、外科システム10は、2006年2月21日に出願され、その全体が参照により本明細書に組み入れられる米国特許出願第11/357,197号、公開番号US2006/0142657において開示されるようなロボット外科システムである。好ましい態様において、外科システム10は、Ft. Lauderdale, FloridaにあるMAKO SURGICAL CORP.（登録商標）から入手可能なHAPTIC GUIDANCE SYSTEM（商標）である。
【００１６】
計算システム20は、外科システム10の運転および制御のためのハードウェアおよびソフトウェアを含み、コンピューター21、コンピューター31、ディスプレーデバイス23、入力デバイス25、およびカート29を含んでもよい。計算システム20は、外科システム10が外科計画、ナビゲーション、画像ガイダンス、および/または触覚ガイダンスに関係する様々な機能を行うことを可能にするように適応されている。コンピューター21は、好ましくは、外科計画およびナビゲーション用にカスタマイズされ、一般的な運転、データ保存および検索、コンピューター援用手術（CAS）、ならびに/または任意のその他の適した機能性に関係するアルゴリズム、プログラミング、およびソフトウェアユーティリティを含む。対照的に、コンピューター31は、好ましくは、触覚デバイス30のパフォーマンス、安定性、および/または安全性を制御するためにカスタマイズされ、触覚デバイス30が追跡システム40からのデータを用いることを可能にする触覚制御ユーティリティおよびプログラムを含む。
【００１７】
触覚デバイス30は、インプラントを受けるために骨の表面を彫るなど、患者に対して処置を行うために、外科ツール50を動かすためにユーザ（外科医など）によって操作されるように設定される外科デバイスである。処置の間、触覚デバイス30は、例えば、ツール50を所定の仮想境界内に維持するために、外科医に触覚ガイダンスを提供する。先述の公開番号US2006/0142657において開示されるように、仮想境界は、計算システム20によって生成され、患者の解剖学的構造に位置合わせされる（に関連付けられる）仮想触覚物体によって定義され得る。触覚物体は、解剖学的構造に対するツール50の望ましい位置、配向、速さ、および/または加速度などの、解剖学的構造とツール50との間の望ましい関係を確立する。運転において、外科医が望ましい関係に違反する様式でツール50を動かす場合（ツール50が仮想境界に接触する場合など）、触覚デバイス30は、外科医に触覚性フィードバック（例えば、振動）および/または力フィードバック（例えば、力および/またはトルク）の形式で触覚ガイダンスを提供する。触覚ガイダンスとは、例えば、仮想境界の方向におけるさらなるツールの動きに対する抵抗として、外科医が経験するものであり得る。結果として、外科医は、ツール50が壁などの物理的物体に衝突したかのように感じ得る。この様式で、仮想境界は、仮想切断ガイドとして機能する。したがって、外科システム10は、解剖学的構造とツール50などの触覚デバイス30の一部の位置、配向、速さ、および/または加速度との間の関係に基づいて制御パラメータを実施することによって、（例えば、触覚ガイダンスおよび/または触覚デバイス30のユーザ操作に対する限度を提供することによって）触覚デバイス30を物理的に操作する外科医の能力を限定する。触覚物体に加えて、関係は、ツール50の全行程を限定する所定の深さなどの所定のパラメータに基づいてもよい。
【００１８】
コンピュータ援用手術（CAS）に連結される触覚デバイス30からのガイダンスは、外科医が骨切断および（例えば、脳における）局部的治療の送達などの外科的行為を積極的にかつ正確に制御することを可能にする。整形外科的用途において、触覚デバイス30は、骨の適切な彫刻において外科医をガイドすることによって、骨調製における不正確さ、予測不可能性、および非再現性の問題に適用されてもよく、それによって骨調製プロセスにおける外科医の親密な関与を維持しながら、精密で再現性のある骨切除を可能にする。さらに、触覚デバイス30は、切断の間、外科医をガイドするので、外科医の技能レベルは、あまり重大ではない。したがって、様々な技能程度および経験の外科医が、正確で再現性のある骨切除を行うことができる。
【００１９】
触覚デバイス30は、ロボット、非ロボット、またはロボットおよび非ロボットシステムの組み合わせであり得る。一つの態様において、触覚デバイス30は、上記の公開番号US2006/0142657において開示されるようなロボットシステムである。好ましい態様において、触覚デバイスは、Ft. Lauderdale, FloridaにあるMAKO SURGICAL CORP.（登録商標）から入手可能なHAPTIC GUIDANCE SYSTEM（商標）である。図2Aにおいて示されるように、触覚デバイス30は、ベース32、アーム33、エンドエフェクタ35、ユーザインターフェース37、およびプラットフォーム39を含む。
【００２０】
ベース32は、触覚デバイス30に対する土台を提供する。ベース32は、アーム33を支持し、例えば、制御器、増幅器、アクチュエータ、モータ、伝送構成要素、クラッチ、ブレーキ、電源、センサ、コンピューターハードウェア、および/または任意のその他の周知のロボット構成要素などのその他の構成要素を収納してもよい。
【００２１】
アーム33は、ベース32上に配置され、触覚デバイス30がユーザによって操作されることを可能にするように適応されている。アーム33は、直列デバイス、並列デバイス、またはハイブリッドデバイス（すなわち、直列および並列要素の両方を有するデバイス）などの連結式リンク機構であり得る。好ましい態様において、アーム33は、例えば、Barrett Technology, Inc.によって現在製造されている「ホールアームマニピュレーター」またはWAM（商標）として公知のロボットアームなどの4またそれ以上の自由度（動きの軸）を有する直列デバイスである。アーム33は、ベース32上に配置される近位端および外科ツール50が連結されるエンドエフェクタ35を含む遠位端を含む。触覚デバイス30を操作するために、ユーザ160は、（図2Cにおいて示されるように）アーム33を単純に掴んで動かし、ツール50の動きを引き起こす。一つの態様において、アーム33は、図2Aにおいて示されるような第一セグメント33a、第二セグメント33b、および第三セグメント33cを含む。第一セグメント33aおよび第二セグメント33bは、第一関節33d（例えば、肩関節）で接続され、第二セグメント33bおよび第三セグメント33cは、第二関節33e（例えば、肘関節）で接続される。図2Bにおいて示されるように、アーム33は、第一自由度DOF1、第二自由度DOF2、第三自由度DOF3、および第四自由度DOF4を有する。アーム33の器用さは、付加的な自由度を加えることによって強化されてもよい。例えば、アーム33は、図2Aにおいて示されるような第三セグメント33c上に配置される手首36を含んでもよい。手首36は、自由度DOF1、DOF2、DOF3、およびDOF4を増補するための自由度DOF5などの1またそれ以上の自由度を含む。手首36は、例えば、Barrett Technology, Inc.によって製造されている1もしくは3自由度WAM（商標）手首または1自由度直接駆動手首であってもよい。
【００２２】
触覚デバイス30がユーザに触覚ガイダンスを提供することを可能にするために、アーム33は、上記の公開番号US2006/0142657において開示される駆動システムなどの駆動システムを組み込む。駆動システムは、アクチュエータ（例えば、モータ）および機械的伝送を含む。例示的な態様において、駆動システムは、高速ケーブル伝送およびゼロバックラッシ、低摩擦、ケーブル差動を含む。ケーブル伝送は、例えば、Barrett Technology, Inc.によって現在製造されているWAM（商標）ロボットアームにおいて使用されているケーブル伝送および/またはその全体が参照により本明細書に組み入れられる米国特許第4,903,536号において記載されるようなケーブル伝送であってもよい。
【００２３】
アーム33は、関節33dおよび33e上に備え付けられるエンコーダおよび/もしくはレゾルバならびに/または各々のモータのシャフト上に備え付けられるエンコーダおよび/もしくはレゾルバなどの、アーム33の位置および配向（すなわち、ポーズ）を決定するための位置センサ（示されない）も含む。
【００２４】
エンドエフェクタ35は、触覚デバイス30の作業端を含む。図2Aにおいて示されるように、エンドエフェクタ35は、アーム33に接続される近位部分ならびにツール50およびツールホルダ51を含む遠位部分を含む。ツール50は、例えば、（バー、ドリル、プローブ、鋸などのような）外科ツールであり得る。一つの態様において、ツール50およびツールホルダ51は、ANSPACH（登録商標）によって現在製造され、かつ製品番号EMAX2（モータ）、L-2SB（2mm溝付きボール）、L-4B（4 mm溝付きボール）、L-6B（6 mm溝付きボール）、およびL-1R（12）（1.2 mm×12.8 mm溝付きルーター）を有する電気空気冷却外科ツールを含む。外科ツールは、ユーザ入力デバイス（例えば、ANSPACH（登録商標）製品番号EMAX2-FPなどのフットペダル）、制御コンソール（例えば、ANSPACH（登録商標）製品番号SC2000）、および同様にものなどの付加的な構成要素を含んでもよい。さらに、ツール50は、切断情報（例えば、速さ、トルク、温度など）が外科システム10に用いることができるように、および/または外科システム10がツール50の運転を制御し得るように、外科システム10へ統合されてもよい。
【００２５】
一つの態様において、ツールホルダ51は、外科ツール50を触覚デバイス30に連結するように設定される保持デバイス151を含む。図3Bにおいて示されるように、保持デバイス151は、第一メンバー151aおよび第二メンバー151bを含む。第一メンバー151aは、ツール50の少なくとも一部（例えば、ツール50のシャフト50a）を受け、かつ第二メンバー151bを係合するように設定される。第二メンバー151bは、第一メンバー151aおよび外科ツール50を触覚デバイス30のエンドエフェクタ35に連結し、ツール50がエンドエフェクタ35に連結される場合に望ましい位置にツール50を維持し、かつエンドエフェクタ35に対するツール50の動きを実質的に妨げるように設定される。図3Aおよび3Bにおいて示されるように、保持デバイス151の第一メンバー151aは、ツール50のシャフト50aを受けるような、かつ第二メンバー151bへ挿入されるようなサイズにされたスリーブまたはシースであり得る。例えば、一つの態様において、第一メンバー151aは、第一端（すなわち、シャフト50aが挿入される端）で約5.9 mm〜約6.1 mmの範囲における直径および第二端（すなわち、第二メンバー151bへ挿入される端）で約11.38 mm〜約11.48 mmの直径を有する。保持デバイス151の第二メンバー151bは、固定された、安定した、かつ第二物体に対する第一物体の再現性のある位置付けを可能にする様式で、第一物体（例えば、ツールまたは作業ピース）を第二物体（例えば、機械またはロボット）に連結するのに適した任意のコネクターであり得る。一つの態様において、第二メンバー151bは、コレットを含む。その他の態様において、第二メンバー151bは、ネジ山、締め付けデバイス、セットネジ、および同様のものを含んでもよい。
【００２６】
一つの態様において、保持デバイス151は、保持デバイス151が触覚デバイス30上に配置される場合に、保持デバイス151の軸が、ツール50の望ましい軸に対応するように設定される。例えば、一つの態様において（図3Aおよび3Bにおいて示される）、保持デバイス151の第二メンバー151bは、コレット151c、コレットノブ151d、およびカラーナット151eを含むコネクターを含む。この態様において、コレット151cは、オスモーステーパー機構を含み、エンドエフェクタ35の開口52は、対応するメスモーステーパー機構を含む。コレット151cは、開口52に結合し、カラーナット151eでエンドエフェクタ35上へ堅く締められる。このテーパー接続は、外科ツール50の望ましい軸に対応する軸H-Hを確立する。図3Bにおいて示されるように、ツール50が保持デバイス151を介してエンドエフェクタ35に連結される場合、ツール50の軸は、軸H-Hと整列する。この様式で、保持デバイス151は、エンドエフェクタ35に対して望ましい立体配置においてツール50を整列させる。コレット151cがエンドエフェクタ35と結合した後、第一メンバー151aが、コレット151cへ挿入される。ツール50のシャフト50aは、ツール50のチップ50bが望ましい位置になるまで、第一メンバー151aへ挿入される。チップ50bが適切に位置付けられたら、コレットノブ151dが、コレット151aの指または中子上へ堅く締められる。コレット指によって第一メンバー151aおよびツール50にかけられる締め付け力は、第一メンバー151aおよびツール50を適所に固定する。この様式で、保持デバイス151は、エンドエフェクタ35に対する第一メンバー151aおよびツール50の動きを実質的に妨げる。エンドエフェクタ35に据え付けられたら、ツール50の部分50c（図3Bにおいて示される）は、エンドエフェクタ35から突き出て、ツール50を駆動するためのモータに取り付けられ得る。付加的に、保持デバイス151およびツール50は、エンドエフェクタ35から分断され得るので、構成要素は、置換、滅菌、および同様のもののために、必要に応じて除去されてもよい。
【００２７】
ユーザインターフェース37は、ユーザと触覚デバイス30との間の物理的相互作用を可能にする。インターフェース37は、ユーザが、触覚デバイス30からの触覚ガイダンスを同時に受けながら、インターフェース37を掴み、かつツール50を操作できるように設定される。インターフェース37は、触覚デバイス30に付けられる別個の構成要素（ハンドルまたはハンドグリップなど）である場合も、または単純に触覚デバイス30の現存する構造のパーツ（アーム33など）である場合もある。インターフェース37は、触覚デバイス30に付けられるか、またはその不可欠パーツであるので、触覚デバイス30による任意の触覚フィードバック出力は、ユーザがインターフェース37と接触している場合に、ユーザに直接的に送信される。したがって、インターフェース37は、（図2Cにおいて示されるように）触覚デバイス30が外科医と協力的にツール50を保持し、かつ同時に触覚ガイダンスを提供することを有利に可能にする。
【００２８】
外科システム10の追跡システム40は、物体の動きを検出するために外科的処置の間に一つまたは複数の物体を追跡するように設定される。上記の公開番号US2006/0142657において記載されるように。追跡システム40は、検出デバイス41の参照の座標フレームに対する物体のポーズ（すなわち、位置および配向）を得る検出デバイスを含む。物体が、参照の座標フレームにおいて動く時、検出デバイスが、物体を追跡する。物体のポーズにおける変化は、物体が動いたことを示す。それに応じて、計算システム20は、触覚デバイス30に対する制御パラメータへの適当な調整をすることができる。例えば、解剖学的構造が動く時、計算システム20は、解剖学的構造に位置合わせされている仮想触覚物体（例えば、仮想切断境界）への対応する調整をすることができる。したがって、仮想切断境界は、解剖学的構造とともに動く。
【００２９】
追跡システム40からのポーズデータは、例えば座標変換プロセスを使用して空間整列を達成するために一つの空間における座標を別の空間における座標に位置合わせする（すなわち、マッピングするかまたは関連付ける）ためにも使用される。位置合わせは、例えば画像間位置合わせ；画像物理的空間間位置合わせ；ならびに/または組み合わせられた画像間および画像物理的空間間位置合わせなどの、任意の公知の位置合わせ技術を含み得る。一つの態様において、（物理的空間における）解剖学的構造およびツール50は、上記の公開番号US2006/0142657において開示されかつ図9において示されるような解剖学的構造の表示（画像空間における画像614など）に位置合わせされる。位置合わせおよび追跡データに基づいて、外科システム10は、計算システム20が、画像614上にツール50の仮想表示616を重ね合わせ、かつ継続的に更新できるように、（a）解剖学的構造と画像614との間の空間関係および（b）解剖学的構造とツール50との間の空間関係を決定し得る。仮想表示616と画像614との間の関係は、ツール50と実際の解剖学的構造との間の関係と実質的に同一である。
【００３０】
追跡システム40は、外科システム10が患者の関連解剖学的構造のポーズおよびツール50（および/または触覚デバイス30）のポーズを継続的に決定する（または追跡する）ことを可能にする任意の追跡システムであり得る。例えば、追跡システム40は、非機械的追跡システム、機械的追跡システム、または外科的環境における使用に適した非機械的および機械的追跡システムの任意の組み合わせを含んでもよい。
【００３１】
一つの態様において、追跡システム40は、図1において示されるような非機械的追跡システムを含む。非機械的追跡システムは、検出デバイス41および追跡される物体上に配置されるように設定されかつ検出デバイス41によって検出可能である追跡可能要素（または追跡装置）を含む光学追跡システムである。一つの態様において、検出デバイス41は、追跡要素上のパターン（例えば、チェッカーボードパターン）を検出するミクロン追跡装置などの可視光に基づく検出器を含む。別の態様において、検出デバイス41は、赤外線放射を感知できかつ外科的処置が行われる手術室に位置付け可能なステレオカメラペアを含む。追跡装置は、固定された安定な様式で追跡される物体に付けられるように設定され、追跡される物体に対する公知の幾何学的関係を有するマーカーの配列（例えば、図4における配列S1）を含む。周知であるように、マーカーは、能動的（例えば、発光ダイオードまたはLED）または受動的（例えば、反射球、チェッカーボードパターンなど）であり得、固有形状（例えば、マーカーの固有の幾何学的取合わせ）、または能動的な場合では、有線マーカー、固有発火パターンを有する。運転において、検出デバイス41は、マーカーの位置を検出し、外科システム10（例えば、埋め込み電子機器を使用する検出デバイス41）は、マーカーの位置、固有形状、および追跡される物体に対する公知の幾何学的関係に基づいて追跡される物体のポーズを計算する。追跡システム40は、解剖学的構造追跡装置43（患者解剖学的構造を追跡するため）、触覚デバイス追跡装置45（触覚デバイス30の大域的または巨視的位置を追跡するため）、エンドエフェクタ追跡装置47（触覚デバイス30の遠位端を追跡するため）、および機器追跡装置49（ユーザによって手動で保持される機器を追跡するため）などの、ユーザが追跡することを望む各々の物体に対する追跡装置を含む。
【００３２】
解剖学的構造追跡装置43は、患者の解剖学的構造上に配置され、解剖学的構造が検出デバイス41によって追跡されることを可能にする。解剖学的構造追跡装置43は、骨ピン、外科ステープル、ネジ、クランプ、脊髄管、または同様のものなどの解剖学的構造への取り付けのための固定デバイスを含む。一つの態様において、解剖学的構造追跡装置43は、患者の大腿骨Fおよび脛骨Tを追跡するために、膝置換手術の間の使用に対して設定される。この態様において、図1において示されるように、解剖学的構造追跡装置43は、大腿骨F上に配置されるように適応している第一追跡装置43aおよび脛骨T上に配置されるように適応している第二追跡装置43bを含む。図4において示されるように、第一追跡装置43aは、骨ピンP、クランプ400、およびマーカー（例えば、反射球）の固有配列S1を含む固定デバイスを含む。第二追跡装置43bは、第二追跡装置43bが脛骨Tに据え付けられ、マーカーのその独自の固有配列を有すること以外、第一追跡装置43aと同一である。患者に据え付けられる場合、第一および第二追跡装置43aおよび43bは、検出デバイス41が大腿骨Fおよび脛骨Tの位置を追跡することを可能にする。
【００３３】
触覚デバイス追跡装置45は、触覚デバイス30上に配置され、外科システム10が、触覚デバイス30が患者などの外科的環境におけるその他の物体に対して動いたかどうか、または検出デバイス41が触覚デバイス30に対して動いたかどうかを決定できるように、外科システム10が物理的空間における触覚デバイス30の大域的または巨視的位置をモニターすることを可能にする。そのような情報は、ツール50が触覚デバイス30に取り付けられているので、重要である。例えば、ユーザが、ツール50で大腿骨Fを切断している間に、触覚デバイス30を位置付けし直すかまたは不注意にぶつけると、追跡システム40は、触覚デバイス追跡装置45の動きを検出する。それに応じて、外科システム10は、大腿骨Fに対する触覚デバイス30（および取り付けられたツール50）の動きを補正するために、計算システム20上で実行しているプログラムへの適当な調整をすることができる。結果として、骨調製プロセスの整合性が維持される。
【００３４】
触覚デバイス追跡装置45は、マーカー（例えば、反射球）の固有配列S3を含み、追跡装置45がベース32に対して固定位置に固定されることを可能にする様式で、触覚デバイス30のベース32上に備え付けられるように適応している。追跡装置45がベース32に対してどこに設置されているのかを外科システム10が知るように、触覚デバイス位置合わせ較正（以下で議論される）の間に、固定位置は触覚デバイス30に対して較正される。較正されると、固定位置は、外科的処置の間維持される。一つの態様において、図2Aおよび5において示されるように、追跡装置45は、ベース32に（例えば、ネジ、リベット、溶接、クランプ、磁石などを介して）接続される近位端およびマーカーの配列S3を持つ遠位端を有するアーム34上に備え付けられる。アーム34は、触覚デバイス追跡装置45が触覚デバイス30に対して恒久的な位置に固定されるように、堅い構造を有する一つまたは複数の支持メンバー（例えば、ブラケット、支柱、リンクなど）を含んでもよい。しかしながら、好ましくは、アーム34は、配列S3が触覚デバイス30に対して動くことができるように、調整機能に適応している。したがって、配列S3は、固定位置に固定される前に、ベース32とは独立に位置付けられてもよい。結果として、配列S3の位置は、各々の外科患者に対して（例えば、患者サイズ、手術台高さなどに基づいて）カスタマイズされ得、外科的処置の間に外科医を邪魔しないようにセットされ得る。
【００３５】
調整機能は、任意の公知の様式（例えば、連結式リンク機構、柔軟ネックなど）でアーム34に与えられてもよい。例えば、図5の態様において、アーム34は、触覚デバイス追跡装置45が配置されるボール関節34bを含む。ボール関節34bは、ハンドル34aによって作動させられるロッキングメカニズムを含む。運転において、ユーザは、ボール関節34bを放出するためにハンドル34aを回して外し、追跡装置45が望ましい位置になるまでボール関節34bを操作し、ボール関節34bが固定して固定されるまでハンドル34aを堅く締め得る。この様式で、追跡装置45は、望ましい位置に固定され得る。固定位置に追跡装置45を固定し、触覚デバイス30に対して固定位置を較正することに対する代替として、アーム34は、ベース32に対するアーム34のポーズの測定結果を提供するために、アーム33の位置センサと同様の位置センサ（例えば、エンコーダ）を含んでもよい。位置センサがアーム34へ組み込まれる場合、外科システム10が、位置センサによって提供されるアーム34のポーズに基づいてベース32に対する追跡装置45の場所を決定できるので、触覚デバイス位置合わせ較正（以下で議論される）は、排除されてもよい。
【００３６】
エンドエフェクタ追跡装置47は、外科システム10が触覚デバイス30の遠位端のポーズを決定することを可能にする。追跡装置47は、好ましくは、アーム33の遠位端（例えば、セグメント33c、エンドエフェクタ35、ツール50、および/またはツールホルダ51上）で触覚デバイス30上に配置されるように設定される。一つの態様（図6Bにおいて示される）において、追跡装置47は、ツールホルダ51上に配置される。図6Aにおいて示されるように、追跡装置47は、マーカー（例えば、反射球）の固有配列S4を含み得、例えば、締め付けデバイス、ネジ式接続、磁石、または同様のものなどの任意の公知の様式で、触覚デバイス30に付けられるように適応し得る。図6Aの態様において、追跡装置47は、クランプ1500で触覚デバイス30に付けられる。クランプ1500は、機械的ハードウェア、接着剤、溶接、および同様のものなどの任意の従来的な様式で、配列S4と一体化して形成され得るか、または配列S4に付けられ得る。クランプ1500は、第一部分1505、第二部分1510、および蝶ネジ1515を含む。第一および第二部分1505および1510は、ツール50および/またはツールホルダ51の円筒状部分などの触覚デバイス30の部分を受けるように形作られる。一つの態様において、円筒状部分は、ツールホルダ51の保持デバイス151の第一メンバー151a（図3Aおよび3Bにおいて示される）である。クランプ1500が円筒状部分を掴むことを可能にするために、第一部分1505は、V状溝（図6Aにおいて示される）を有し得、第二部分1510は、第一および第二部分1505および1510が一緒に堅く締められる場合に円筒状部分をしっかりと受けられるように、平面表面を有し得る。一つの態様において、クランプ1500は、外科システム10が、追跡装置47が触覚デバイス30上に配置される場所で、触覚デバイス30のポイントおよび/または軸を決定できるように、設定される。例えば、追跡装置47がクランプ1500で円筒状部分に固定される場合、外科システム10は、追跡装置47の形状、具体的には、配列S4上の反射球とクランプ1500の第一部分1505上のV状溝との間の幾何学的関係に基づいて円筒状部分のポイントおよび/または軸（例えば、図3Bにおいて示される軸H-H）を決定することができる。
【００３７】
触覚デバイス30にエンドエフェクタ追跡装置47を据え付けるために、クランプ1500の第一および第二部分1505および1510が、ツール50またはツールホルダ51の円筒状部分の周りに配置され、蝶ネジ1515を使用して一緒に堅く締められる。エフェクタ47は、エンドエフェクタ35に対して追跡装置47を位置付けることを支援するように設定される機構を含み得る。例えば、追跡装置47は、触覚デバイス30上の対応する表面に隣接するように適応している一つまたは複数の表面1503（図6Bにおいて示される）を含んでもよい。一つの態様において、表面1503は、図6Bにおいて示されるようなコレット151cの指または中子などのツールホルダ51の一部に隣接するように設定される。運転において、ユーザは、表面1503がコレット151cの指または中子に隣接し、次いで、蝶ネジ1515を堅く締めるまで、ツールホルダ51の円筒状部分に沿ってクランプ1500をスライドさせる。追跡装置47は、蝶ネジ1515を緩め、円筒状部分から追跡装置47をスライドさせることによって除去され得る。この様式で、追跡装置47は、エンドエフェクタ35に対する公知の位置に除去可能なようにかつ再現性があるように固定され得る。追跡装置47は、例えば、追跡装置47を上下逆に据え付けることを回避するために、エンドエフェクタ35に対する追跡装置47の配向を容易にするための、図6Bにおいて示されるくぼみ47aなどの機構を含んでもよい。追跡装置47の据え付けの後、ユーザは、クランプ1500を緩め、円筒状部分の周りで追跡装置47を回転させることによって、追跡装置47を再配向させ得る（望ましい場合）。したがって、クランプ1500は、エンドエフェクタ35に対する追跡装置47の調整機能を有効にする。調整機能は、触覚デバイス位置合わせ較正（以下に記載される）の間、検出デバイス41に面するように追跡装置47を配向させ、それによって追跡精度および可視性を改善するのに特に有用である。
【００３８】
あるいは、別個のエンドエフェクタ追跡装置47の代わりに、触覚デバイス30は、エンドエフェクタ35上に基準を組み込んでもよい。基準は、マーカーの固有配列S4と同様であり得、例えば反射球を含み得る。エンドエフェクタ追跡装置47とは対照的に、基準は、手術の前にエンドエフェクタ35から除去されない。基準を除去しないことの一つの不利点は、血液および残屑が手術の間に基準を汚染する可能性があることであり、基準を閉塞し、検出デバイス41に光を反射するそれらの能力を低下させる。したがって、基準は、好ましくは、任意の表面汚染が簡単に除去できるように、平滑プラスチックコーティングを含む。基準は、触覚デバイス位置合わせ較正（以下に記載される）の間検出デバイス41に対して可視であるが、外科的処置の間外科医を邪魔しないエンドエフェクタ35上の場所に備え付けられるべきである。例えば、基準は、エンドエフェクタ35の下側に備え付けられ得る。あるいは、基準は、基準と検出デバイス41との間に部位のはっきりした線がある位置合わせ較正位置および基準が外科的処置の間外科医を妨害しない収容位置に位置付けられ得る調整可能なリンク機構上に備え付けられてもよい。
【００３９】
一つの態様において、エンドエフェクタ追跡装置47は、触覚デバイス位置合わせ較正（以下で議論される）の間にのみ使用され、外科的処置のパフォーマンスの前に除去される。この態様において、エンドエフェクタ追跡装置47は、エンドエフェクタ35上に配置され、触覚デバイス追跡装置45は、触覚デバイス30に対する触覚デバイス追跡装置45の位置が調整可能であるように、ベース32に（例えば、調整可能アーム34を介して）備え付けられる。触覚デバイス追跡装置45の位置は、調整可能であるので、外科システム10は、触覚デバイス30に対する触覚デバイス追跡装置45の場所を知らない。触覚デバイス30と触覚デバイス追跡装置45との間の幾何学的関係を決定するために、位置合わせ較正プロセスは、（以下に記載されるように）エンドエフェクタ追跡装置47を用いる。エンドエフェクタ追跡装置47は、外科的処置のために触覚デバイス30上に残り得、連続的にモニターされ得るが、追跡装置47が外科的処置の間外科医を邪魔することを防ぐために、位置合わせ較正が完了した場合に、エンドエフェクタ追跡装置47を除去することは有利である。追跡装置47を除去することの別の利点は、追跡システム40が追跡装置47の動きを検出しかつ処理する場合の遅延または限定された帯域幅により、外科的処置の間の追跡装置47の動きが、外科システム10の低下したパフォーマンスを引き起こす可能性があることである。
【００４０】
代替の態様において、エンドエフェクタ追跡装置47は、排除されてもよい。この態様において、触覚デバイス追跡装置45は、触覚デバイス30上の恒久的な位置に固定される。触覚デバイス追跡装置45は、触覚デバイス30上に恒久的に固定されるので、触覚デバイス追跡装置45と触覚デバイス30の座標フレームとの関係は公知である。従って、外科システム10は、触覚デバイス追跡装置45と触覚デバイス30の座標フレームとの間の関係を確立するための位置合わせ較正に対してエンドエフェクタ追跡装置47を必要としない。この態様において、触覚デバイス追跡装置45は、追跡システム40が触覚デバイス追跡装置45の配列S3を認識することを可能にし、精度を低下させないほど十分に手術部位に近く、かつユーザの邪魔をしないまたは外科的環境におけるその他の人員もしくは物体に干渉しない任意の位置において触覚デバイス30上に堅く備え付けられ得る。
【００４１】
別の代替の態様において、触覚デバイス30は、適切な位置に堅固にロックされる。例えば、触覚デバイス30は、手術室の床にボルトで留められてもよく、またはそうでなければ適所に固定されされてもよい。結果として、触覚デバイス30の大域的または巨視的位置は、実質的に変わらず、外科システム10は、触覚デバイス30の大域的または巨視的位置を追跡する必要がない。したがって、触覚デバイス追跡装置45は、排除されてもよい。この態様において、エンドエフェクタ追跡装置47は、触覚デバイス30が適所にロックされた後、触覚デバイス30の初期位置を決定するために使用され得る。触覚デバイス追跡装置45を排除することの一つの利点は、外科システム10が、制御ループに触覚デバイス追跡装置45に対するデータをモニターすることを含む必要がないことである。結果として、制御ループにおけるノイズおよび誤差は、軽減される。あるいは、触覚デバイス追跡装置45は、保有されてもよいが、制御ループに含まれるよりもむしろベース32または追跡システム40の過剰な運動を検出するためだけにモニターされる。
【００４２】
別の代替の態様において、追跡システム40は、恒久的な固定位置において触覚デバイス30に取り付けられる。例えば、追跡システム40（検出デバイス41を含む）は、追跡システム40が触覚デバイス30に対して適切な位置に固定されるように、触覚デバイス30上に直接的に備え付けられてもよい、または堅い備え付けアームもしくはブラケットを介して触覚デバイス30に接続されてもよい。この態様において、触覚デバイス追跡装置45およびエンドエフェクタ追跡装置47は、触覚デバイス30に対する追跡システム40の位置が固定され、例えば触覚デバイス30の製造またはセットアップの間に行われる較正手順の間に確立され得るので、排除されてもよい。
【００４３】
別の代替の態様において、追跡システム40は、調整可能な様式で触覚デバイス30に取り付けられる。例えば、追跡システム40（検出デバイス41を含む）は、追跡システム40が触覚デバイス30に対して第一位置から第二位置に動くことができるように、調整可能アーム34（触覚デバイス追跡装置45に関連して上に記載される）などのアームを用いて触覚デバイス30に接続され得る。アームおよび追跡システム40が適所にロックされた後、較正は、触覚デバイス30に対する追跡システム40の位置を決定するために行われ得る。触覚デバイス30に対する追跡システム40の位置を決定するための較正は、例えば、追跡システム40でエンドエフェクタ追跡装置47を見ることによって行われてもよい。
【００４４】
機器追跡装置49は、ユーザの手において手動で保持される機器150に連結されるように適応している。機器150は、例えば位置合わせプローブなどのプローブであり得る。図7において示されるように、機器追跡装置49は、機械的ハードウェア、接着剤、溶接、ネジ式接続、締め付けデバイス、クリップ、または同様のものなどの任意の公知の様式で、機器150と一体化して形成されるかまたは機器150に付けられるマーカー（例えば、反射球）の固有配列S5を含み得る。機器追跡装置49が、クリップまたは締め付けデバイスなどで機器150に除去可能なように接続される場合、機器追跡装置49は、機器追跡装置49と機器150の形状との間の関係を決定するために、機器150に対して較正されるべきである。較正は、（例えば、その全体が参照により本明細書に組み入れられる米国特許出願公開番号US2003/0209096において記載されるような）くぼみまたはV溝を有するツールキャリブレーターなどの任意の適した様式で遂行され得る。配列S5と機器150との間の幾何学的関係を知ることによって、外科システム10は、物理的空間における機器150のチップの位置を計算することができる。したがって、機器150は、物体の関連部分に機器150のチップを触れさせることによって物体を位置合わせするために使用され得る。例えば、機器150は、骨の表面上の目印またはポイントに触れることによって患者の骨を位置合わせするために使用されてもよい。
【００４５】
追跡システム40は、付加的にまたはその代りに、機械的追跡システムを含んでもよい。非機械的追跡システム（追跡装置43、45、47、および49から離れている検出デバイス41を含む）とは対照的に、機械的追跡システムは、追跡される物体に物理的に接続されている検出デバイス（例えば、関節エンコーダを有する連結式リンク機構）を含むように設定され得る。追跡システム40は、各々がその全体が参照により本明細書に組み入れられる米国特許第6,033,415号、米国特許第6,322,567号、および/もしくは米国公開番号US2006/0142657において記載されるような機械的追跡システムまたは光ファイバー追跡システムなどの任意の公知の機械的追跡システムを含んでもよい。
【００４６】
運転において、計算システム20、触覚デバイス30、および追跡システム40は、外科システム10が外科的処置の間にユーザに触覚デバイスを提供することを可能にするために協働する。触覚ガイダンスは、触覚レンダリングプロセスによって生成される仮想環境とのユーザの相互作用の結果として現れる。触覚レンダリングプロセスは、例えばその全体が参照により本明細書に組み入れられる米国特許第6,111,577号において記載されるような触覚レンダリングプロセスなどの任意の適した触覚レンダリングプロセスを含んでもよい。好ましい態様において、触覚レンダリングプロセスは、2006年12月27日に出願され、かつその全体が参照により本明細書に組み入れられる上記の公開番号US2006/0142657および/または米国特許出願第11/646,204号において開示されるような触覚レンダリングアルゴリズムを含む。好ましい態様において、外科システム10は、仮想ポイントまたは触覚相互作用ポイント（HIP）のみが仮想環境における仮想物体と相互作用する、ポイントに基づく触覚相互作用を採用する。HIPは、例えばツール50のチップなどの触覚デバイス30上の物理的ポイントに対応する。HIPは、仮想ばね/ダンパーモデルによって触覚デバイス30上の物理的ポイントに連結される。HIPが相互作用する仮想物体は、例えば、表面707および触覚力法線ベクトルFnを有する触覚物体705（図11において示される）であり得る。侵入深さdiは、HIPと表面707上の最も近いポイントとの間の距離である。侵入深さdiは、触覚物体705へのHIPの侵入の深さを示す。
【００４７】
触覚レンダリングプロセスの一つの態様は、図10において一般的に示される。運転において、触覚デバイス30（ブロック2500）の位置センサ（ブロック2502）は、順運動学プロセス（ブロック2504）にデータを提供する。順運動学プロセスの出力は、座標変換プロセス（ブロック2506）に入力される。触覚レンダリングアルゴリズム（ブロック2508）は、座標変換プロセスからデータを受け、力マッピングプロセス（ブロック2510）に入力を提供する。力マッピングプロセスの結果に基づいて、触覚デバイス30のアクチュエータ（ブロック2512）は、ユーザに適当な触覚ねじれ（すなわち、力および/またはトルク）を伝達するために作動させられる。
【００４８】
一つの態様において、外科システム10は、図12において示されるような触覚レンダリングプロセスを含む。図12の点線は、図10のブロックに対応する。図12において示されるように、座標変換プロセス2506は、外科システム10が解剖学的構造の特定の部分に対する触覚デバイス30の端点の場所を計算することを可能にする座標変換（または変換されたもの）を決定するために、解剖学的構造および触覚デバイス30に対する位置合わせおよび追跡情報ならびに順運動学プロセス2504からの入力を用いる。例えば、座標変換プロセス2506は、外科システム10が解剖学的構造上の望ましい切断表面に対するツール50のチップの場所を計算することを可能にする。
【００４９】
図13において示されるように、座標変換プロセス2506は、追跡システム40の検出デバイス41に関連する第一座標系X1、解剖学的構造（例えば、骨または骨に付けられる解剖学的構造追跡装置43aもしくは43b）に関連する第二座標系X2、触覚デバイス追跡装置45に関連する第三座標系X3、触覚デバイス30（例えば、触覚デバイスのベース32）に関連する第四座標系X4、および仮想環境（例えば、インプラントの据え付けに対して望ましい切断表面を定義する仮想（または触覚）物体を含む解剖学的構造の表示）に関連する第五座標系X5を含む様々な座標系を定義することを含む。次いで、一つの座標系における座標が別の座標系にマッピングされるかまたは変換されることを可能にする座標変換が決定される。
【００５０】
第一座標変換T1（図12および13において示される）は、解剖学的構造の座標系（第二座標系X2）から仮想環境の座標系（第五座標系X5）への変換である。したがって、仮想環境がインプラントの形を定義する仮想物体を含む態様において、変換T1は、物理的解剖学的構造をインプラントの据え付けに対して望ましい切断場所に関係付ける。図12におけるブロック4500によって示されるように、変換T1は、患者の物理的解剖学的構造を（以下に記載されるような）解剖学的構造の表示に位置合わせし、解剖学的構造の表示に対して仮想物体を位置付けることによって決定され得る。解剖学的構造の表示に対して仮想物体を位置付けることは、例えば上記の公開番号US2006/0142657において開示されるようなインプラント計画プロセスなどの任意の適した計画プロセスを使用して遂行されてもよい。例えば、仮想切断境界を定義する仮想モデル（骨にインプラントされるべきインプラントのモデルなど）は、ディスプレーデバイス23上に表示される解剖学的構造の表示（解剖学的構造の画像など）に対して位置付けられてもよい。
【００５１】
第二座標変換T2（図12および13において示される）は、検出デバイス41の座標系（座標系X1）から解剖学的構造の座標系（座標系X2）への変換である。図12におけるブロック4502によって示されるように、追跡システム40は、検出デバイス41が解剖学的構造の運動をモニターする場合に、外科的処置の間に変換T2を出力する。検出デバイス41は、解剖学的構造を連続的にモニターするので、変換T2は、解剖学的構造の運動を反映するために定期的に更新される。
【００５２】
第三座標変換T3（図12および13において示される）は、触覚デバイス追跡装置45の座標系（第三座標系X3）から触覚デバイス30の座標系（第四座標系X4）への変換である。この態様において、触覚デバイス追跡装置45は、（図2Aにおいて示されるように）アーム34を介して触覚デバイス30のベース32に連結される。したがって、変換T3は、触覚デバイス追跡装置45の場所を触覚デバイス30のベース32に関係付ける。図12におけるブロック4504によって示されるように、変換T3は、例えば以下に記載されるように触覚デバイス位置合わせ較正を行うことによって、決定されてもよい。
【００５３】
第四座標変換T4（図12および13において示される）は、検出デバイス41の座標系（座標系X1）から触覚デバイス追跡装置45の座標系（座標系X3）への変換である。図12におけるブロック4506によって示されるように、追跡システム40は、検出デバイス41が触覚デバイス追跡装置45の運動をモニターする場合に、外科的処置の間に変換T4を出力する。検出デバイス41は、触覚デバイス追跡装置45を連続的にモニターするので、変換T4は、触覚デバイス追跡装置45の運動を反映するために定期的に更新される。
【００５４】
第五座標変換T5（図12および13において示される）は、順運動学プロセス2504に起因する変換である。順運動学プロセス2504は、関節角の関数として触覚デバイス30のアーム33のデカルト端点位置を算出する。図12におけるブロック4508および4510によって示されるように、順運動学プロセス2504は、アーム33の関節における位置センサから入力を受ける。この入力に基づいて、順運動学プロセス2504は、触覚デバイス30のベース32に対するアーム33の遠位端の位置を算出する。次いで、ツール50とアーム33の遠位端との間の公知の幾何学的関係に基づいて、触覚デバイス30のベース32に対するツール50のチップの位置が算出され得る。位置センサは、関節位置を連続的にモニターするので、変換T5は、アーム33の運動を反映するために定期的に更新される。
【００５５】
第六座標変換T6（図12および13において示される）は、適当な順序で第一から第五座標変換を一緒に乗じることによって得られる。一つの態様において、T6＝T1-1T2-1T4T3-1T5である。変換T6の結果（図12における変数xによって示される）は、仮想環境に対する仮想ポイントまたは触覚相互作用ポイント（HIP）の場所である。この態様において、HIPは、仮想物体によって定義される望ましい切断表面に対する触覚デバイス30上の物理的ポイント（例えば、ツール50のチップ）の場所に対応する。解剖学的構造、触覚デバイス追跡装置45、および触覚デバイス30のアーム33の運動は、連続的にモニターされるので、変換T6は、解剖学的構造、触覚デバイス30のベース32、および触覚デバイス30のアーム33の運動を反映するために定期的に更新される。この様式で、外科システム10は、外科的処置の間に物体の運動を補正する。
【００５６】
本発明の一つの利点は、外科システム10が、ユーザにトランスペアレントな動的な様式で外科的処置の間に物体の運動を補正することができることである。具体的に、外科システム10は、触覚デバイス30の運転を中断することなく、解剖学的構造、触覚デバイス追跡装置45、およびアーム33の運動を継続的にモニターし、変換T2、T4、およびT5を継続的に更新することによって、同期的に作動する。対照的に、従来的な外科システムは、典型的には、例えばユーザにシステムを停止しかつリセットするかまたは追跡される物体の動きが検出される場合に追跡される物体を位置合わせすることを求めることによって、非同期的に作動する。結果として、従来的なシステムでは、追跡される物体の運動が検出される場合、システムの運転は、中断または邪魔される可能性がある。本発明は、触覚デバイス30の運転を中断することなく同期的に作動できるが、例えば、追跡される物体が非常に速くかつ/または非常に遠くで動く場合などの外科システム10が異常な運動を検出する場合、触覚デバイス30の運転を時折制限することが有利である。
【００５７】
一つの態様において、外科的処置の間に物体の運動を補正する方法は、（a）解剖学的構造のポーズを決定する段階；（b）ツール50のポーズを決定する段階；（c）ツール50の位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つを決定する段階；（d）解剖学的構造のポーズ、ツール50のポーズ、ならびに解剖学的構造のポーズとツール50の位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の関係を関連付ける段階；および（e）外科的処置の間に外科デバイスの運転を中断することなく、解剖学的構造の運動および/またはツール50の運動に応じて関連付けを更新する段階を含む。該方法は、関係に基づいて外科ツールのユーザの操作を制約するためにユーザに触覚ガイダンスを提供する段階を含んでもよい。関係は、例えば、解剖学的構造とツール50の位置、配向、速さ、および/または加速度との間の望ましい相互作用に基づいてもよい。一つの態様において、関係は、解剖学的構造に対して位置付けられかつインプラントおよび/またはインプラントを据え付けるための切断表面の望ましい場所を示す仮想物体またはパラメータによって定義される。解剖学的構造のポーズ、ツール50のポーズ、および関係を関連付ける段階は、例えば、位置合わせプロセス、座標変換プロセス（例えば、図10のブロック2506）、および（例えば、上記の公開番号US2006/0142657において記載されるような）インプラント計画プロセスを使用して、遂行されてもよい。一つの態様において、関連付ける段階は、（a）解剖学的構造の座標系を解剖学的構造の表示の座標系に変換するための第一変換を定義すること；（b）ツール50の座標系を解剖学的構造の表示の座標系に変換するための第二変換を定義すること；および（c）関係を解剖学的構造の表示の座標系と関連付けることを含む。関係を解剖学的構造の表示の座標系と関連付けるために、ユーザは、例えば、（例えば、上記の公開番号US2006/0142657において記載されるように）解剖学的構造の画像に対して仮想物体を位置付けてもよい。外科システム10が外科的処置の間に物体の運動を補正することを可能にするために、関連付けを更新する段階は、解剖学的構造の運動および/またはツール50の運動に応じて第一変換および/または第二変換を更新することを含んでもよい。
【００５８】
この態様において、ツール50のポーズは、ツール50が連結される触覚デバイス30の第一部分のポーズを決定する、触覚デバイス30の第二部分のポーズを決定する、ならびに、少なくとも部分的に触覚デバイス30の第一および第二部分のポーズならびにツール50と触覚デバイス30の第一部分との間の公知の幾何学的関係に基づいてツール50のポーズを計算することによって決定される。一つの態様において、触覚デバイス30の第一部分は、アーム33の遠位端を含み、触覚デバイス30の第二部分は、触覚デバイス30のベース32を含む。別の態様において、触覚デバイス30の第二部分は、アーム33の中間部分（例えば、セグメント33a、33b、または33c）を含む。一つの態様において、アームの遠位端にエンドエフェクタ追跡装置35を備え付けるよりもむしろ、エンドエフェクタ追跡装置35は、肘などのアームの中間部分に備え付けられ得ると考えられる。触覚デバイス30の第二部分のポーズを決定する段階は、触覚デバイス追跡装置45（例えばベース32またはアーム33の中間部分に触覚デバイス30の第二部分上で備え付けられる）のポーズを決定することを含む。ツール50のポーズは、触覚デバイス30の第一および第二部分のポーズに基づいて決定されるので、かつ外科システム10は、（例えば、関節エンコーダデータおよび触覚デバイス追跡装置45の位置に基づいて）第一および第二部分のポーズを継続的に更新するので、ツール50のポーズは、第一および第二部分の運動を説明するように更新される。結果として、ツール50に対する運動は、第一および第二部分の運動に基づいて決定される。この様式で、外科システム10は、外科的処置の間に物体の運動を補正することができる。
【００５９】
一つの態様において、追跡システム40は、触覚デバイス30と異なる更新速度で作動する（例えば、追跡システム40に関連して上に記載されるような）非機械的追跡システムである。例えば、触覚デバイス30は、2000 Hzで更新し得、追跡システム40は、15〜30 Hzで更新する。追跡システム40のより低い更新速度は、15〜30 Hz更新が1/15〜1/30秒で分離され、その時間の間、追跡情報が用いることができないので、運動補正の動的パフォーマンスを限定する。付加的に、追跡される物体のより高周波の運動は、追跡システム40の出力データに存在しないと考えられる。不十分な動的パフォーマンスの一つの不利点は、外科システム10が、物理的解剖学的構造と同期して精密に触覚物体を動かすのに十分なデータを有しない場合があるということである。結果として、外科医が行う任意の切断は、軽減された精度を有する可能性がある。例えば、外科システム10が、球状バーで平面骨表面を切断することにおいて外科医をガイドするための触覚ガイダンスを提供している時、不十分な動的パフォーマンスと組み合わせられる追跡される物体の一つの瞬時運動は、最終切断表面におけるくぼみまたはピーク（peak）を引き起こす可能性がある。動的パフォーマンスが悪くなると、くぼみおよびピークはより大きくなると考えられる。骨切断がセメントインプラントのためである場合、小さなくぼみは、セメントがくぼみを単純に満たすので、許容される。しかしながら、圧入インプラントに対して、くぼみは、インプラントと骨との間にギャップを引き起こし、インプラントへの骨の完全内方成長を潜在的に阻害する可能性がある。ピークは、それらをバーで簡単に除去できるので、くぼみほど重大ではないが、骨調製を完了するのに必要とされる時間の量を増加させると考えられる。
【００６０】
運動補正アプリケーションに対して、動的パフォーマンス問題点を有する追跡システムからのパフォーマンスを最大にすることにおいて、いくつかの技術が有益である。第一に、異なる更新速度により、座標変換プロセス2506が追跡システム40から直接的にデータを使用する場合、仮想物体によって定義される望ましい切断表面は、解剖学的構造の検出された運動に応じて急な段階において動く。結果として、触覚デバイス30を操作しているユーザは、触覚物体と相互作用している場合に、粗いまたは「激しく揺れる」感じを経験する場合がある。この問題に取り組むために、外科システム10は、補間またはその他の適当なフィルター（図12におけるブロック4512によって示される）を含んでもよい。フィルターは、追跡システムの出力ノイズを軽減するようにも作用し、そうでなければ、触覚物体と相互作用している場合にユーザが振動を感じることを引き起こすか、または粗い表面を有する切断を引き起こすと考えられる。好ましい態様において、フィルターは、2000 Hzで追跡システム40からデータをサンプリングし、かつフィルターをかけられた出力を生み出す、5〜10Hzの範囲でカットオフ周波数を有する三次バターワースフィルターである。フィルターをかけられた出力は、追跡システムからの「階段」出力および追跡システム出力更新に特有のノイズの両方からの解剖学的構造に対する切断表面の「激しい揺れ」を軽減する。バターワースフィルターは、通過帯域における平坦周波数によって特徴付けられ、望ましい次数およびカットオフ周波数に基づいてデジタルまたはアナログフィルター係数を出力するMathwork's Matlab Signal Processing Toolbox「バター」機能などの市販されているフィルターデザインソフトウェアを使用して簡単にデザインされる。より高い次数を使用すると、より鋭いロールオフ特徴を引き起こすが、付加的な算出を必要とすると考えられる。より低いカットオフ周波数は、個々の追跡システム更新および追跡システムノイズのフィルタリングを改善するが、追跡の動的パフォーマンスを低下させると考えられる。あるいは、チェビシェフ、逆チェビシェフ、楕円、ベッセル（トムソン）、またはその他のフィルターが、バターワースフィルターの代わりに使用され得る。別の態様において、有限インパルス応答（FIR）フィルターが使用されてもよい。FIRフィルターは、すべての周波数が、同じ量遅延するように、「線形位相」であるようにデザインされ得、フィルター遅延に対する補正をより簡単にする。FIRフィルターは、「マルチレート」アプリケーションにもよく適している。本発明の追跡アプリケーションに対して、低周波追跡信号を触覚デバイス30の高周波レートにコンバートするために補間が使用されると考えられる。FIRフィルターは、フィードバックを有しないので、すなわち、それらの出力は、入力信号の関数だけであり、フィルターの出力ではないので、FIRフィルターは、マルチレートアプリケーションに対して無限インパルス応答（IIR）フィルターよりも良い。また、算出は、すべての高周波サンプルではなく、低周波信号サンプルに必要とされるだけである。
【００６１】
それらの伝統的な実施において、上記のフィルターのすべては、スカラー入力信号に対してデザインされる。しかしながら、追跡システム40は、複数の位置および配向信号を一般的に出力すると考えられる。好ましい態様において、フィルター4512は、位置および配向情報を含む同次変換4×4サイズ行列として表現される追跡システム出力を受ける。直接的にこの行列の要素をフィルターにかけることは、結果が有効な同次行列ではなく、配向が適切にフィルターにかけられないので、望ましくない。その代りに、同次変換は、最初に三要素位置ベクトルおよび配向情報を示す四要素ベクトルである四元数にコンバートされる。サンプル間の小さな運動に対して、次いで、これらの7つの値は、独立にフィルターにかけられ得る。四元数は、フィルターをかけられた値を取りそれらを同次変換にコンバートする前に正規化され得、次いで、フィルター4512から出力される。
【００６２】
ほとんどの場合で、追跡システム40の位置出力は、過去のあるポイントでの関連する追跡される物体の位置を示す。待ち時間は、追跡システム40が追跡される物体の位置をサンプリングする時間と外科システム10がこの位置出力を受ける時間との間の時間間隔である。この時間間隔は、追跡システム40の処理時間、コミュニケーション遅延、および追跡システム40のほんの一部のまたは多様なサンプリング時間を含み得る。フィルター4512は、選択された特定のフィルターの位相遅延に基づいて付加的な待ち時間を加える。これらの待ち時間ソースは、すべて組み合わさり、動的追跡パフォーマンスを低下させ、触覚表面がそれらの関連する追跡される物体の運動より遅れることを引き起こす。しかしながら、これらの待ち時間値は、通常公知であるか、またはかなり正確に測定もしくは推定され得る。したがって、待ち時間効果は、部分的に補正され得る。例えば、追跡システム40およびフィルター4512の組み合わせられた待ち時間がtlである場合、次いで、フィルターをかけられた位置出力pは、Δp＝vtlによって修正され得る。速さ値vは、以下に記載されるように、連続位置値の（おそらくフィルターをかけられた）差によってまたは洗い出しフィルターで算出され得る。別の態様において、制御理論の当業者に周知であるように、解剖学的構造および/または触覚デバイス30のベース32の単純なシミュレーションモデルを含み、かつ追跡される物体の位置および速さの両方を内部で算出する状態推定器、状態観測器、またはカルマンフィルターが、フィルター4512の待ち時間を推定するために使用され得ると考えられる。あるいは、フィルター4512は、エンコーダに基づく機械的追跡システムまたは高速光学追跡システムなどのより高周波の追跡システムを用いることによって排除され得ると考えられる。
【００６３】
いくつかの追跡システム、特に光学追跡システムは、追跡される物体がカメラ（すなわち、検出デバイス41）に対して動いている場合、正確な出力を生み出さない場合がある。例えば、誤差は、カメラの露光時間または走査速度によって引き起こされる運動ぼやけ（motion blur）に起因する場合がある。追跡される物体の速さが、上に記載される方法の一つを使用して算出され、かつ速さおよび/または位置の関数として追跡システムの誤差モデルが、公知であるかまたは決定される場合、これらの誤差は、これらの誤差値をフィルターをかけられた位置出力に加えることによって修正されてもよい。
【００６４】
追跡システム40の動的パフォーマンスは、触覚デバイス30が動いている触覚物体を効果的にレンダリングすることが可能であるかどうかにだけ関連がある。触覚デバイス30の触覚レンダリング性能は、使用される触覚制御スキームのタイプによって影響を受ける。触覚デバイス30は、例えばアドミタンス制御、インピーダンス制御、またはハイブリッド制御などの任意の適した触覚制御スキームを用いてもよい。アドミタンス制御モードにおいて、触覚デバイス30は、力入力を受け取り、位置（または運動）出力を産出する。例えば、触覚デバイス30は、触覚デバイス30上の特定の場所（例えば、ユーザインターフェース37）でねじれを測定または感知し、触覚デバイス30の位置を改変するように作用する。インピーダンス制御モードにおいて、触覚デバイス30は、位置（または運動）入力を受け取り、ねじれ出力を産出する。例えば、触覚デバイス30は、ツール50の位置（すなわち、位置、配向、速さ、および/または加速度）を測定、感知、および/または計算し、適当な対応するねじれを適用する。ハイブリッド制御モードにおいて、触覚デバイス30は、アドミタンスおよびインピーダンス制御の両方を用いる。例えば、触覚デバイス30の作業空間は、アドミタンス制御が使用される第一部分空間およびインピーダンス制御が使用される第二部分空間へ分割されてもよく、かつ/または位置および力入力の両方が、力もしくは位置出力を算出するために使用されてもよい。例えば、実質的にインピーダンス制御されるデバイスにおいて、力入力は、システムの天然摩擦のいくらかを相殺するために使用されてもよい。好ましい態様において、触覚デバイス30は、インピーダンス制御に対してデザインされ、触覚デバイス30は、ユーザ操作される外科ツール50の位置および/または配向を読み、適当な力および/またはトルクを出力する。インピーダンス制御デバイスは、単純さの利点（力センサが必要とされない）、ツールが物理的物体に接触する場合（骨を切断する場合など）のより良い安定性特性、および自由空間において動く場合のより良いパフォーマンスを有する。しかしながら、アドミタンス制御デバイスは、それらがインピーダンス制御デバイスよりも簡単に非常に硬い壁を有する触覚物体をレンダリングできるという利点を有する。運動追跡に関して、インピーダンス制御デバイスは、それらのパフォーマンスが、開ループ力帯域幅および物理的システム動力学に関係するという点で有利である。対照的に、アドミタンス制御デバイスのパフォーマンスは、閉ループ位置制御パフォーマンスに依存し、開ループ力および物理的システム動力学よりも遅い傾向がある。
【００６５】
図10の触覚レンダリングアルゴリズムに戻って、座標変換プロセス2506によって決定されるHIP場所xは、図12において示されるように触覚レンダリングアルゴリズム2508への入力として提供される。コリジョン検出/プロキシ場所触覚レンダリングプロセス（図12におけるブロック2514によって示される）は、入力としてHIP場所xを受け、望ましい場所xdを出力する。HIP場所xは、望ましい場所xdから引かれ、位置依存性力コマンドFばねを決定するために、結果Δxに、触覚剛性Kpを乗じる。望ましい速さは、望ましい場所xdの導関数
2009537231.tif 000003
を取ることによっても決定される。望ましい速さは、制動力F制動の算出において使用される。
【００６６】
図12において示されるように、制動力F制動は、望ましい速さ
2009537231.tif 000004
を触覚デバイス30のデカルト端点速さ
2009537231.tif 000005
から引き、その結果に制動ゲインKDを乗ずることによって算出される。デカルト端点速さ
2009537231.tif 000006
は、アーム33のモータにおける位置センサからのデータを使用して算出される。触覚デバイス30に関連して上で議論されるように、触覚デバイス30のアーム33は、好ましくは、アーム33のモータおよび関節においてケーブル伝送および位置センサを含む。好ましい態様において、関節エンコーダ（図12のブロック4508によって示される）は、関節位置測定結果を得るために使用され、モータエンコーダ（図12のブロック4516によって示される）は、速さ測定結果を算出するために使用される。関節位置測定結果は、変換T5を決定するために、順運動学プロセス2504において使用され、重力補正アルゴリズム（図12におけるブロック4518によって示される）への入力としても提供される。重力補正アルゴリズムは、関節角の関数としてアーム33のセグメントに対する重力負荷に対抗するのに必要とされる重力トルクτ重力補正を算出する。対照的に、モータ位置測定結果は、モータ速さ測定結果を算出するために微分されかつフィルターをかけられる。（図12におけるブロック4520によって示されるような）洗い出しフィルターは、一つのフィルターへ微分することおよび平滑化することを組み合わせる。洗い出しフィルターは、以下のようなラプラス領域において示され得る。
2009537231.tif 000007
式中、sは、ラプラス変換変数であり、pは、極の場所を決定し、一般的に、最速のシステム極よりも約2〜3倍速く設置されるべきである。一つの態様において、極は、約80 Hzで置かれる。次いで、触覚デバイス30のデカルト端点速さ
2009537231.tif 000008
を得るために、フィルターをかけられた速さに、ヤコビ行列Jを乗じる。
【００６７】
洗い出しフィルターは、高周波ゲインを限定し、それによって、導関数または微分演算に特有のノイズの増幅を限定し、かつサンプリングレートアーチファクトを除去する。洗い出しフィルターは、別個の速さ微分および平滑化演算と比較して、単一パラメータpを有し、フィルターのデザインおよびチューニングを単純にする。上で与えられるラプラス領域表示は、周知の双線形変換またはz-変換を使用するデジタルコンピューター上の実施に適している離散時間表示へ変換できる。洗い出しフィルターに対する代替の態様において、単純な微分位置信号は、速さ尺度を提供するために上に記載されるバターワースまたはその他のフィルターでフィルターをかけられてもよい。あるいは、フィルターをかけられた位置信号は、微分され、おそらく、上に記載されるフィルターのいずれかを使用して再度フィルターをかけられてもよい。
【００６８】
図12において示されるように、F制動およびFばねは、望ましい触覚力F触覚を得るために、力マッピングプロセス2510において足される。望ましい触覚力を生成するために必要とされるモータトルクτ触覚を算出するために、望ましい触覚力に、転置ヤコビ行列JTを乗じる。全トルクτ合計を得るために、重力トルクτ重力補正をモータトルクτ触覚に加える。触覚デバイスは30、アーム33のモータに全トルクτ合計を適用するように命令される。この様式で、触覚レンダリングプロセスは、外科システム10が触覚デバイス30を制御することを可能にし、次いで、命令されたトルク、ユーザ相互作用、および解剖学的構造との相互作用に応答する。
【００６９】
触覚デバイス30は、好ましくは、様々な運転モードにおいて作動するように設定される。例えば、触覚デバイス30は、入力モード、保持モード、セーフティーモード、フリーモード、アプローチモード、触覚（またはバー使用（burring））モード、および/または任意のその他の適したモードにおいて作動するようにプログラムされ得る。運転モードは、ユーザによって手動で（例えば、ディスプレーデバイス23上でグラフィックで示される選択ボタンまたは触覚デバイス30および/もしくは計算システム20上に設置されるモードスイッチを使用して）、かつ/または制御器もしくはソフトウェアプロセスによって自動的に選択され得る。入力モードにおいて、触覚デバイス30は、外科システム10に情報を入力するための入力デバイスとしての使用に対して有効にされる。触覚デバイス30が入力モードにある場合、ユーザは、例えばエンドエフェクタ35に関連して上に記載されるようにかつ/またはその全体が参照により本明細書に組み入れられる米国特許出願第10/384,078号（公開番号US2004/0034282）において記載されるように、ジョイスティックまたはその他の入力デバイスとして触覚デバイス30を作動してもよい。
【００７０】
保持モードにおいて、触覚デバイス30のアーム33は、特定のポーズにおいてロックされ得る。例えば、アーム33は、アーム33を安定化するためのブレーキ、制御サーボ技術、ならびに/または任意のその他の適当なハードウェアおよび/もしくはソフトウェアを使用してロックされてもよい。ユーザは、例えば、休む、同僚と話し合う、手術部位のクリーニングおよび洗浄を可能にする、ならびに同様のことをするために、骨切断などの活動の間に、保持モードに触覚デバイス30を置くことを望む場合がある。セーフティーモードにおいて、触覚デバイス30に連結されたツール50は、例えばツール50への電力を止めることによって、無効にされ得る。一つの態様において、セーフティーモードおよび保持モードは、触覚デバイス30のアーム33が適切な位置にロックされる場合にツール50が無効にされるように、同時に実行されてもよい。
【００７１】
フリーモードにおいて、触覚デバイス30のエンドエフェクタ35は、触覚デバイス30の作業空間内で自由に動くことができる。ツール50への電力は、好ましくは非アクティブにされ、触覚デバイス30は、ユーザにとって無重量を感じるように適応し得る。無重量感は、例えば、アーム33のセグメント33a、33b、および33c上に作用する重力負荷を算出し、かつ（例えば、図12のブロック4518に関連して以下に記載されるように）重力負荷に対抗するために触覚デバイス30のモータを制御することによって、達成されてもよい。結果として、ユーザは、アームの重さを支持する必要はない。触覚デバイス30は、例えばユーザがツール50を患者の解剖学的構造上の手術部位に向ける準備ができるまで、フリーモードであってもよい。
【００７２】
アプローチモードにおいて、触覚デバイス30は、重大な構造および解剖学的構造を回避しながら、例えば手術部位、患者の解剖学的構造上の対象となる機構、および/または患者に位置合わせされている触覚物体などの標的物体にツール50をガイドするように設定される。例えば、一つの態様において、アプローチモードは、その全体が参照により本明細書に組み入れられる米国特許出願第10/384,194号（公開番号US2004/0034283）において記載されるようなツール50の相互作用触覚位置付けを可能にする。別の態様において、触覚レンダリングアプリケーションは、血管、腱、神経、軟組織、骨、現存するインプラント、および同様のものなどの傷つきやすい機構を回避しながら、ツール50を無理に標的物体に向けて動かすアプローチ容積（または境界）を定義する触覚物体を含んでもよい。例えば、図1において示されるように、アプローチ容積は、標的物体（例えば、脛骨Tの近位端または大腿骨Fの遠位端）に向かう方向において大きな直径から小さな直径に集まる実質的に円錐状である触覚物体300を含んでもよい。運転において、ユーザは、アプローチ容積の境界内でツール50を自由に動かしてもよい。しかしながら、ユーザがアプローチ容積を介してツール50を動かす時、先細漏斗形は、ツール50がアプローチ容積の境界に侵入しないように、ツール動きを制約する。この様式で、ツール50は、手術部位に直接的にガイドされる。
【００７３】
アプローチモードの別の態様は、人工膝の大腿骨構成要素に対応する触覚物体208および人工膝の脛骨構成要素に対応する触覚物体208を図示する図8において示される。この態様において、触覚レンダリングアプリケーションは、第一位置から第二位置への経路を示す仮想物体を作り出す。例えば、仮想物体は、第一位置（例えば、物理的空間におけるツール50の位置）から標的を含む第二位置（例えば、触覚物体206または208などの標的物体）への経路を定義する仮想ガイドワイヤ（例えば、線）である触覚物体310を含んでもよい。アプローチモードにおいて、触覚物体310は、ツール50の動きが触覚物体310によって定義される経路に沿って制約されるようにアクティブにされる。外科システム10は、ツール50が第二位置に到達し、標的物体（例えば、触覚物体206または208）をアクティブにする場合、触覚物体310を非アクティブにする。ツール50は、触覚物体206または208がアクティブにされる場合、触覚（またはバー使用）モードに自動的に置かれてもよい。好ましい態様において、触覚物体310は、ツール50が経路から外れることを可能にするために非アクティブにされてもよい。したがって、ユーザは、仮想ガイドワイヤが生成される場合に、ガイドワイヤパスから外れ、かつ説明できない追跡されない物体（例えば、レトラクタ、ランプなど）の周りでツール50を操縦するために、触覚物体310に関連する触覚ガイダンスを乗り越えてもよい。したがって、アプローチモードは、重大な構造および解剖学的構造を回避しながら、ユーザが標的物体にツール50を素早く送達することを可能にする。アプローチモードにおいて、ツールが、例えばユーザが切開を介してツールを挿入しているかまたは関節における軟組織をナビゲートしている場合に、誤ってエネルギーを与えられないように、ツール50への電力は、好ましくは非アクティブにされる。アプローチモードは、一般的に触覚モードに先行する。
【００７４】
触覚（またはバー使用）モードにおいて、触覚デバイス30は、骨調製などの手術活動の間にユーザに触覚ガイダンスを提供するように設定される。一つの態様において、図8において示されるように、触覚レンダリングアプリケーションは、脛骨T上の切断容積を定義する触覚物体206を含んでもよい。触覚物体206は、脛骨構成要素の表面の形に実質的に対応する形を有してもよい。触覚デバイス30は、例えば、ツール50のチップが対象となる機構に関係する所定のポイントにアプローチする場合、自動的に触覚モードに入り得る。触覚モードにおいて、触覚物体206は、例えばその全体が参照により本明細書に組み入れられる米国特許出願第10/384,194号（公開番号US2004/0034283）において記載されるような複雑な形または高曲率を有する形を彫る場合に、触覚デバイス30のパフォーマンスを改善するために、（例えば、触覚表面の位置を有効にするおよび無効にすることによって）動的に改変されてもよい。触覚モードにおいて、ツール50への電力は、アクティブにされ、ツール50のチップは、精密な骨切除を可能にするために切断容積内に無理に留まらされる。別の態様において、配向制約は、例えばユーザが触覚容積に近接している場合に触覚容積の内側にユーザを引き込むためのゆっくりと増加する力を生成することによって、実施されてもよい。付加的に、この態様において、ツール50が触覚容積の外側にある時はいつでも、ツール50を無効にできる。別の態様において、触覚デバイス30が触覚フィードバック力を生成していない限り、ツール50を無効にできる。
【００７５】
運転において、外科システム10は、上記の公開番号US2006/0142657において開示されるような外科計画およびナビゲーションに対して使用されてもよい。外科システム10は、例えばインプラントの据え付けに関与する膝置換処置またはその他の関節置換処置を行うために使用されてもよい。インプラントは、例えば全膝インプラント；単顆状膝インプラント；モジュラー膝インプラント；臀部、肩、肘、手首、足首、および脊椎を含むその他の関節に対するインプラント；ならびに/または矯正生物製剤、薬物送達インプラント、および細胞送達インプラントなどの従来的な材料のインプラントおよびよりエキゾチックなインプラントを含む任意のその他の整形外科的および/もしくは筋骨格インプラントなどの、任意のインプラントまたは人工デバイスを含んでもよい。処置のパフォーマンスの前に、触覚デバイス30は、初期化され、ホーミングプロセス、運動学的較正、および触覚デバイス位置合わせ較正を含む。
【００７６】
ホーミングプロセスは、アーム33の初期ポーズを決定するために触覚デバイス30のアーム33における位置センサ（例えば、エンコーダ）を初期化する。ホーミングは、各々の関節エンコーダがエンコーダ上の指標マーカーが読まれるまで回転されるようにアーム33を操作することによってなどの、任意の公知の様式で遂行されてもよい。指標マーカーは、関節の公知の絶対位置と相関するエンコーダ上の絶対参照である。したがって、指標マーカーが読まれると、触覚デバイス30の制御システムは、関節が絶対位置にあることを知る。アーム33が動き続ける時、関節のその後の位置は、エンコーダの絶対位置およびその後の変位に基づいて計算される。
【００７７】
運動学的較正は、順運動学プロセス2504（図10において示される）の運動学的パラメータにおける誤差を同定する。順運動学プロセス2504は、アーム33の測定された関節角および触覚デバイス30のデザイン通りの幾何学的特性（例えば、アーム33のセグメント33a、33b、および33cの長さおよびオフセット）に基づいてエンドエフェクタ35のデカルト位置および配向を計算する。しかしながら、製造の不正確さにより、触覚デバイス30の実際の幾何学的特性は、デザイン通りの幾何学的特性から外れる場合があり、順運動学プロセス2504の出力における誤差を引き起こす。誤差を決定するために、運動学的較正固定具が、触覚デバイス30に取り付けられる。一つの態様において、固定具は、固定された公知の長さを有する較正棒である。運動学的較正を行うために、エンドエフェクタ35は、一つまたは複数のボール関節（例えば、交差を形成するように配列され、交差の各々の端点上に設置される4つのボール関節）を有する較正エンドエフェクタで置換され、アーム34（触覚デバイス追跡装置45が備え付ける）は、除去されかつ水平立体配置で再び備え付けられる。較正棒の第一端は、アーム34上のボール関節と磁気的に係合し、較正棒の第二端は、較正エンドエフェクタ上のボール関節の一つと磁気的に係合する。次いで、較正エンドエフェクタは、外科システム10によってデータが捕捉される場合に、複数の位置に（手動でまたは自動的に）動かされる。十分なデータ（例えば、100データポイント）が収集された後、較正棒の第二端が、較正エンドエフェクタ上の異なるボール関節と磁気的に係合する。プロセスは、データが較正エンドエフェクタ上の各々のボール関節に対して捕捉されるまで、繰り返される。現存する運動学的パラメータおよび測定された関節角を使用して、データは、較正棒の長さを計算するために使用される。較正棒の算出された長さは、公知の実際の長さと比較される。算出された長さと公知の長さとの間の差は、誤差である。誤差が決定されると、例えばレーベンバーグ-マルカートなどの数値非線形最小化アルゴリズムを使用して、順運動学プロセス2504における合計誤差を最小にするために、運動学的パラメータが調整され得る。
【００７８】
触覚デバイス位置合わせ較正は、触覚デバイス追跡装置45の座標系（例えば、図13において示される座標系X3）と触覚デバイス30の座標系（例えば、図13において示される座標系X4）との間の幾何学的関係または変換を確立する。触覚デバイス追跡装置45が、触覚デバイス30上の恒久的な位置に固定される場合、追跡装置45と触覚デバイス30との間の幾何学的関係が（例えば、製造またはセットアップの間に行われる初期較正から）固定されかつ公知であるので、位置合わせ較正は不要である。対照的に、追跡装置45が触覚デバイス30に対して動ける場合（例えば、追跡装置45が備え付けられるアーム34が調整可能である場合）、位置合わせ較正は、追跡装置45と触覚デバイス30との間の幾何学的関係を決定するために行われなければならない。
【００７９】
位置合わせ較正は、触覚デバイス30上の固定位置に触覚デバイス追跡装置45を固定すること、およびエンドエフェクタ追跡装置47を例えば図6Aにおいて示されるクランプ1500でエンドエフェクタ35に一時的に付けることに関与する。触覚デバイス追跡装置45を触覚デバイス30に位置合わせするために、エンドエフェクタ35（およびしたがってエンドエフェクタ追跡装置47）は、追跡システム40が、位置の各々において追跡システム40に対する追跡装置45および47に対するポーズデータを取得する間、解剖学的構造の近辺における様々な位置（例えば、膝関節の上および下の位置、膝関節の内側および外側の位置）に動かされる。複数データポイントが収集され、センサノイズの効果およびその他の測定誤差を最小にするために平均化される。位置合わせ較正の間のポーズデータの取得は、自動的であってもよい。あるいは、ユーザは、フットペダルなどの入力デバイスを使用してデータの収集を開始してもよい。
【００８０】
一つの態様において、ユーザは、エンドエフェクタ35がフリーモードにある間、エンドエフェクタ35を様々な位置に手動で動かす。別の態様において、外科システム10は、エンドエフェクタ35を様々な位置に自動的に動かすために、触覚デバイス30を制御する。さらに別の態様において、触覚デバイス30は、エンドエフェクタ35を触覚デバイス30の作業空間における所定のポイントに動かすことにおいてユーザをガイドするために、触覚ガイダンスを提供する。位置合わせ較正の精度を改善するために、所定のポイントは、好ましくは、手術部位の近辺（例えば、実際の骨調製部位の近く）に設置される。所定のポイントは、例えば、2次元または3次元ポリトープ（例えば、多角形または多面体）などの形の頂点を含んでもよい。一つの態様において、形は、膝関節などの関連解剖学的構造の中心にある立方体である。頂点は、好ましくは、エンドエフェクタ35に対する運動の許容方向を示す矢印とともにディスプレーデバイス23上に表示される。エンドエフェクタ35を所定のポイントに動かすことにおいてユーザをガイドするために触覚ガイダンスを用いる一つの利点は、ユーザが、再現性のあるやり方で、エンドエフェクタ35を複数の位置に動かすことができ、位置合わせ較正の精度を改善することである。
【００８１】
追跡装置45および47のポーズを追跡システム40に関係付けるデータを捕捉することに加えて、外科システム10は、アーム33における位置センサ（例えば、関節エンコーダ）からのデータに基づいて、触覚デバイス30に対するエンドエフェクタ35のポーズを決定する。外科システム10は、触覚デバイス追跡装置45と触覚デバイス30の参照の座標フレーム（例えば、図54において示される座標系X4）との間の幾何学的関係を計算するために、位置合わせ較正の間に得られるデータを使用する。
【００８２】
一つの態様において、触覚デバイス30のベース32に対する触覚デバイス追跡装置45の変換、
2009537231.tif 000009
は、以下のように計算される。エンドエフェクタ35が様々な位置に動かされる時、外科システム10は、
（a）追跡システム40から得られる、追跡システム40に対するエンドエフェクタ追跡装置47の位置（例えば、エンドエフェクタ35上の公知の位置）、
2009537231.tif 000010
；
（b）追跡システム40から得られる、追跡システム40に対する触覚デバイス追跡装置45の位置および配向、
2009537231.tif 000011
；および
（c）触覚デバイス30の関節エンコーダから得られる、触覚デバイス30のベースに対するエンドエフェクタ追跡装置47の位置、r
を記録する。ノイズが追跡システム出力に存在する場合、各々のエンドエフェクタ位置に対して複数のサンプルが取られ得る。触覚デバイス30がデータサンプリングの間に動く事象において、外科システム10は、ユーザに警告し得る。付加的に、追跡システム40からのデータと触覚デバイス30の関節エンコーダからのデータとの間に待ち時間があると考えられるので、任意の影響を受けたデータポイントは、捨てられるべきである。触覚デバイス追跡装置45に対するエンドエフェクタ追跡装置47の位置は、各々の試験場所、iに対して
2009537231.tif 000012
として算出される。各々の試験場所、iにおける触覚デバイス30のベース32に対するエンドエフェクタ追跡装置47の位置は、riによって示される。
【００８３】
データ収集が完了した後、触覚デバイス30のベース32に対する触覚デバイス追跡装置45の変換、
2009537231.tif 000013
は、配向および位置項、
2009537231.tif 000014
へ分離される。配向成分
2009537231.tif 000015
は、方程式
2009537231.tif 000016
を解くことによって見出される。この方程式に対して、位置誤差ベクトル
2009537231.tif 000017
は、
2009537231.tif 000018
に従って算出され、式中、
2009537231.tif 000019
である。特異値分解を使用する最小二乗推定量は、
2009537231.tif 000020
に対して解くために使用される。次いで、位置ベクトル
2009537231.tif 000021
は、方程式
2009537231.tif 000022
から見出され得る。次いで、触覚デバイス30のベース32に対する触覚デバイス追跡装置45の変換、
2009537231.tif 000023
は、
2009537231.tif 000024
に従って再構築され得る。
【００８４】
位置合わせ較正が完了した後、エンドエフェクタ追跡装置47は、触覚デバイス30から除去される。手術の間、外科システム10は、（a）ツール50とエンドエフェクタ35との間の公知の幾何学的関係、（b）触覚デバイス30に対するエンドエフェクタ35のポーズ（例えば、アーム33における位置センサから）、（c）位置合わせ較正の間に決定される触覚デバイス30と触覚デバイス追跡装置45との間の幾何学的関係、および（d）触覚デバイス30の大域的または巨視的位置（例えば、追跡システム40に対する触覚デバイス追跡装置45のポーズから）に基づいて、ツール50のポーズを決定し得る。以前の位置合わせ較正および以前に取得された位置合わせ較正データは、まだ信頼できるので、触覚デバイス追跡装置45が触覚デバイス30に対して動かなかった場合、位置合わせ較正は、行われる必要はない。
【００８５】
一つの態様において、位置合わせ較正を行うための方法は、（a）第一の場所で触覚デバイス30上に配置された第一の物体の位置および配向の少なくとも一つを含む第一データを取得する段階；（b）第二の場所で触覚デバイス30上に配置された第二物体の位置および配向の少なくとも一つを含む第二データを取得する段階；（c）第二の場所に対する第一物体の位置および配向の少なくとも一つを含む第三データを決定する段階；および（d）少なくとも部分的に第一データ、第二データ、および第三データに基づいて、第二の場所に対する第二物体の位置および配向の少なくとも一つを決定する段階を含む。該方法は、（e）複数の位置に第一物体（例えば、触覚デバイス30のアーム33上に配置されたエンドエフェクタ追跡装置47）を動かす段階；（f）複数の位置の少なくとも一つに第一物体を動かすことにおいてユーザをガイドするための触覚ガイダンス（例えば、力フィードバック）を提供する段階；（g）第一物体が複数の位置の各々にある場合に、第一データまたは第二データを取得する段階；および（h）第一データ、第二データ、および/または第三データの取得の間に第一物体、第二物体、第一の場所、および/または第二の場所が動く場合に、ユーザに警告する段階を含んでもよい。
【００８６】
一つの態様において、第一物体は、エンドエフェクタ追跡装置47であり、第二物体は、触覚デバイス追跡装置45である。この態様において、第一データおよび第二データを取得する段階は、検出デバイス41で追跡装置45および47を検出することを含む。あるいは、第二物体は、検出デバイス41などの追跡システム40の一つまたは複数の構成要素を含んでもよい。エンドエフェクタ追跡装置47に関連して上に記載されるように、エンドエフェクタ追跡装置47は、ツール50またはツールホルダ51の円筒状機構などの位置決め機構を含む触覚デバイス30上の場所（例えば、第一の場所）に配置され得る。この場合では、第一データを取得する段階は、円筒状機構のポイントおよび/または軸（例えば、図3Bにおいて示される軸H-Hまたはそれ上の任意のポイント）の位置および/または配向を決定することを含み得る。触覚デバイス追跡装置45に関連して上に記載されるように、触覚デバイス追跡装置45（または検出デバイス41）は、アーム33の近位端が配置されるベース32（例えば、アーム34を介して）などの触覚デバイス30上の場所（例えば、第二の場所）に配置され得る。あるいは、触覚デバイス追跡装置45（またはエンドエフェクタ追跡装置47）は、アーム33の中間部分上に設置されてもよい。触覚デバイス位置合わせ較正の間、第一物体および第二物体の位置および/または配向は、それぞれ、第一および第二の場所に対して固定される。固定は、例えばエンドエフェクタ追跡装置47をクランプ1500でエンドエフェクタ35に締め付けることによって、かつ触覚デバイス追跡装置47（または検出デバイス41）が備え付けられるアーム34の位置を固定することによって、遂行されてもよい。第二の場所に対する第一物体の位置および配向（すなわち、第三データ）を決定するために、外科システム10は、例えば関節エンコーダからのデータに基づいて、アーム33の立体配置を決定する。
【００８７】
触覚デバイス30が初期化された後、外科医は、解剖学的構造の表示（CT画像など）に患者および外科ツール50を位置合わせし、外科計画に基づいてインプラントを受けるように骨を調製するなどの外科的処置を行い得る。位置合わせ、インプラント計画、および手術ナビゲーションは、例えば、上記の公開番号US2006/0142657において記載されるように遂行されてもよい。外科的処置全体にわたって、外科システム10は、骨の動きを検出するために骨の位置をモニターし、コンピューター21および/またはコンピューター31上で実行しているプログラムに対応する調整をなす。例えば、外科システム10は、骨の検出された動きに応じて骨の表示（または画像）を調整できる。同様に、外科システム10は、外科ツール50の検出された動きに応じて外科ツール50の表示（または画像）を調整できる。したがって、ディスプレーデバイス23上の骨および外科ツールの画像は、骨および外科ツール50が物理的空間において動く場合に、リアルタイムで動的に動く。外科システム10は、骨の検出された動きに応じて骨に関連する仮想物体を調整してもよい。例えば、仮想物体は、インプラントの表面の形に対応する仮想切断境界を定義し得る。骨が動く場合に、外科システム10は、仮想切断境界が身体的な骨と一致して動くように、仮想物体を調整する。この様式で、外科医は、骨が動いている時でさえも、正確な骨切断を作ることができる。付加的に、触覚デバイス30の外科医の運転が、外科的処置の間に中断されないように、画像および触覚物体の調整は、外科医にトランスペアレントである。
【００８８】
外科システム10の安全性を改善するために、外科システム10は、安全でないコンディションが存在する場合に、ツール50のユーザの運転を制約するように適応している安全性機構を含み得る。例えば、安全でないコンディションが検出された場合、外科システム10は、過失信号を出してもよい。過失コンディションは、システム問題（例えば、ハードウェアまたはソフトウェアに関する問題）がある場合、（例えば、以下に記載されるような）閉塞検出アルゴリズムが閉塞コンディションを検出する場合、追跡される物体が、追跡システムに対して非常に速く動いていて処理できない場合（例えば、患者の脚または触覚デバイス追跡装置45が突然落ちる場合）、追跡データが疑わしい場合、ユーザがインターフェース37に対して非常に強く押している場合、および/またはツール50が望ましくない場所にある場合に、存在する可能性がある。一つの態様において、外科システム10は、解剖学的構造とツール50の位置、配向、速さ、および/もしくは加速度との間の関係が、望ましい関係に対応しない場合、ならびに/または検出デバイス41が、解剖学的構造の位置もしくは外科ツール51の位置を検出することができない場合、過失を出すようにプログラムされる。過失信号に応じて、外科システム10は、触覚デバイス30に制約を与え得る。制約は、例えば、（例えば、ユーザが安全でない様式でツール50を動かすことを防ぐために）ユーザに触覚ガイダンスを提供すること、または触覚デバイス30のモードを（例えば、触覚モードからフリーモードに）変えることを含んでもよい。好ましい態様において、制約は、ユーザによって操作されかつ手術部位に対して近位であるインターフェース37に適用される。外科医によって作動されかつ典型的には手術部位から離れている「マスター」デバイスおよび手術部位に対して近位に外科ツールを保持しかつマスターデバイスによって制御される「スレーブ」デバイスを含む遠隔操作触覚デバイスに対して、制約は、マスターデバイス、スレーブデバイス、または両方に適用され得る。
【００８９】
一つの態様において、過失信号は、触覚レンダリングアルゴリズムが触覚境界へのツール50の侵入深さが既定の閾値を超えることを決定する場合に、出されてもよい。既定の閾値は、例えば、約1 mm〜約1.25 mmの範囲の侵入深さであり得る。一つの態様において、触覚レンダリングアルゴリズムは、触覚デバイス30によってユーザに適用されている触覚ねじれ（すなわち、力および/またはトルク）に基づいて、既定の閾値を超えるかどうかを決定する。例えば、触覚レンダリングアルゴリズムは、触覚力が約20,000 N/m（または20 N/mm）にセットされる線形力対位置曲線を含み得る。したがって、ユーザがツール50のチップを1 mmの侵入深さまで動かす場合、触覚デバイス30は、約20 Nの触覚力を出力する。同様に、ユーザがツール50のチップを1.25 mmの侵入深さまで動かす場合、触覚デバイス30は、約25 Nの触覚力を出力する。この態様において、過失信号は、触覚力が約1.125 mmの侵入深さに対応する約22.5 Nに到達した場合に、トリガーされる。付加的に、閾値触覚力値は、高い力を過剰に生成する触覚デバイス30に対して保護するために使用されてもよい。例えば、触覚物体は、独立なプリミティブ（例えば、単純な幾何学的形）としてデザインされ得、かつ触覚レンダリングの間に組み合わせられ得る。プリミティブの累積効果が望ましくない（例えば、全触覚力が高すぎる）場合、過失信号が出され得る。
【００９０】
別の態様において、過失信号は、例えば解剖学的構造追跡装置43aおよび43bの速さによって示されるように、解剖学的構造の急速な運動が検出される場合に、出されてもよい。急速な運動は、例えば、解剖学的構造がシフトするかまたは追跡要素もしくは検出デバイス41がぶつけられる場合に、引き起こされる可能性がある。一つの態様において、過失信号は、解剖学的構造追跡装置43aの速さが約40 mm/sより大きい、または解剖学的構造追跡装置43bの速さが約26 mm/sより大きい場合に出る。急速な運動の指摘は、解剖学的構造追跡装置43aまたは43bの位置が、急に有意に変わる場合などの、（速さの対語として）位置に基づいていてもよい。急な変化は、例えば、追跡システム40によって報告された最近の公知の良い位置から追跡システム40によって報告された現在の位置への変化が、既定の閾値より大きい場合、示され得る。解剖学的構造の急速な運動に加えて、過失信号は、触覚デバイス追跡装置45が高い速さまたは位置における急な変化を有する場合などの、触覚デバイス追跡装置45の急速な運動が検出される場合に出る可能性があり、追跡装置45がぶつけられたかまたはアーム34にしっかりと固定されていないことを示し得る。
【００９１】
外科システム10は、過失の異なるレベルまたはステージを有し得る。例えば、一つの態様において、過失の3つのステージがある。第一過失ステージは、ツール50のチップが触覚境界へまたはそれを越えて非常に深くに侵入する場合に適用する。第二過失ステージは、解剖学的構造の急速な運動が検出される場合に適用する。第三過失ステージは、システム過失が存在する場合に適用する。外科システム10は、触覚デバイス30に制約を与えることによって、過失ステージに応答する。例えば、外科システム10は、ツール50を無効にすることによって第一過失ステージに応答してもよい。外科システム10は、ツール50および触覚ガイダンスの両方を無効にすることによって第二過失ステージに応答してもよい。解剖学的構造の急速な運動が検出される場合（例えば、患者の脚が手術台から滑り落ちる場合）に触覚ガイダンスを無効にすることは、触覚切断容積を定義する仮想触覚表面が、落ちる骨とともに動くことおよびツール50を引きずることを有利に防ぐ。対照的に、骨が急速に動く場合に触覚表面が無効にされない場合、触覚表面は、骨に追随すると考えられ、触覚デバイス30は、落ちる触覚容積内にツール50を維持するために、アーム33に大きな力をかけると考えられる。結果として、アーム33は、骨が落ちる場合に下に引きずられると考えられる。触覚ガイダンスを無効にすることは、この危険な状況を回避する。外科システム10は、ツール50を無効にし、アーム33への電力を止め、かつアーム33のブレーキをロックすることによって、第三過失ステージに応答してもよい。一つの態様において、外科システム10は、アーム33が解剖学的構造を引かないようにまたは解剖学的構造にストレスを適用しないように、ツール50を無効にし、かつ（ブレーキを適用するよりもむしろ）触覚デバイス30をフリーモードに置くことによって、過失信号に応答する。この様式で、外科システム10は、安全でないコンディションが存在する場合に、ユーザがツール50および/またはアーム33を作動することを防ぐことによって、解剖学的構造に損傷を与えることを回避する。
【００９２】
一つの態様において、外科システム10の安全性機構は、ツール無効機構を含む。例えば、ツール50が電気ツールである場合、外科システム10は、ツール50とツール50を制御するためのユーザ入力デバイスとの間の電気的接続に沿って配置されるリレーを含んでもよい。例えば、リレーは、フットペダルとツール制御コンソール（例えば、ツール50に関連して上に記載されるANSPACH（登録商標）フットペダルおよびコンソール）との間に設置され得る。あるいは、リレーは、手持ち式機器に対する制御ケーブルに沿って配置されてもよいと考えられる。空気圧ツールの場合では、空気圧遮断弁が、ユーザ入力デバイスとツールモータとの間の空気接続に配置され得る。リレーの代わりに、外科システム10は、ツール制御コンソール上の「無効入力」ポートにデジタルまたはアナログ信号を供給してもよいと考えられる。一つの態様において、外科システム10は、ユーザがフットペダルを押し下げる場合にツール50がアクティブにされるように、正常な運転コンディション下で閉じているリレーを含む。過失コンディションが検出される場合、外科システム10は、過失信号を出し、ユーザがフットペダルを押し下げる場合でさえもツール50がアクティブにされないように、リレーに開くように命令する。別の態様において、リレーは、ツール50が外科システム10によって具体的に有効にされない限りツール50が止められたままであるかまたは無効なままであるように、「普通は開いている」リレーである。「普通は開いている」リレーの一つの利点は、触覚デバイス30が完璧にシャットダウンされる場合に、ツール50が無効にされるということである。リレーもしくは遮断弁に命令することによってツール50を無効にする代わりにまたはそれに加えて、過失コンディションは、外科システム10が、コンソールまたはツール50を駆動する電源もしくは増幅器への電力シャットオフを命令することによって、ツール50を無効にすることをトリガーしてもよい。
【００９３】
一つの態様において、ツール無効機構に基づいて触覚デバイス30を制御する方法は、（a）触覚デバイス30の運転を有効にする段階；（b）患者に対して処置を行うために触覚デバイス30を操作する段階；（c）患者の解剖学的構造と触覚デバイス30のツール50の位置、配向、速さ、および/または加速度との間の関係が、望ましい関係に対応するかどうかを決定する段階；および（d）関係が望ましい関係に対応しない場合または検出デバイス41が解剖学的構造もしくはツール50を検出することができない場合に、過失信号を出す段階および/または触覚デバイス30に制約を与える段階を含む。関係は、例えば、解剖学的構造とツール50との間の望ましい相互作用に基づいてもよい。一つの態様において、関係は、解剖学的構造に対して位置付けられかつインプラントおよび/またはインプラントを据え付けるための切断表面の望ましい場所を示す仮想物体によって定義される。該方法は関係に基づいて、ユーザへの触覚ガイダンスの少なくとも一つおよび外科デバイスのユーザ操作に対する限度を提供するために、触覚デバイス30を制御するための制御パラメータを実施する段階をさらに含んでもよい。一つの態様において、過失信号に応じて、外科システム10は、触覚デバイス30の運転を無効にし、適切な位置に触覚デバイス30の一部をロックし、かつ/または触覚デバイス10をセーフティーモードに置く。セーフティーモードにおいて、触覚デバイス30の運転および/または操作は、邪魔されるかまたは制約される可能性がある。関係が望ましい関係に対応するかどうかを決定するために、外科システム10は、例えば、解剖学的構造に関連する仮想境界へのツール50の侵入深さが、望ましい侵入深さを超えるかどうかを決定してもよく、触覚デバイス30が、操作上の制約（例えば、触覚レンダリングアルゴリズムによって生成されるパラメータ）に違反したかどうかを決定してもよく、かつ/または検出デバイス41が、解剖学的構造の位置および/もしくはツール50の位置を検出することができるかどうかを決定してもよい。
【００９４】
別の態様において、外科システム10の安全性機構は、触覚デバイス30および/または解剖学的構造に関連する追跡要素（例えば、追跡装置43a、43b、45）が閉塞する事象において、切断操作の間にリスクを和らげるように適応している閉塞検出アルゴリズムを含む。閉塞状態は、例えば、検出デバイス41が追跡要素を検出することができない場合（例えば、人または物体が追跡要素と検出デバイス41との間に置かれる場合）、検出デバイス41のレンズが（例えば、ゴミによって）閉塞している場合、および/または追跡要素上のマーカーの反射率が（例えば、血液、組織、ゴミ、骨残屑などによって）低下する場合に、存在する可能性がある。閉塞状態が検出される場合、閉塞検出アルゴリズムは、例えばディスプレーデバイス23に表示される警告メッセージ、音がでる可聴警報、および/または触覚性フィードバック（例えば、振動）の生成を引き起こすことによって、ユーザに警告する。閉塞検出アルゴリズムは、ツール50への電力を止めるもしくはそうでなければツール50を無効にするか、または触覚デバイス30に制約を与える（例えば、触覚ガイダンスを提供する、触覚デバイス30のモードを変えるなど）ような外科システム10へのコマンドなどの、制御信号を出してもよい。この様式で、閉塞検出アルゴリズムは、追跡システム40がツール50および解剖学的構造の相対的な位置を正確に決定することができない場合に、ツール50が解剖学的構造に損傷を与えることを防ぐ。
【００９５】
一つの態様において、閉塞検出アルゴリズムは、触覚境界に対するツール50の位置を考慮する。この態様において、閉塞検出アルゴリズムが、閉塞状態を検出する場合、外科システム10は、ツール50が触覚物体の触覚境界に触れているかどうかを決定する。ツール50が閉塞事象の時間に触覚境界と接触していない場合、閉塞検出アルゴリズムは、ツール50が患者とともに動き、必要があれば患者から引き出され得るように、ツール50を無効にし、触覚デバイス30をフリーモードに置く。閉塞状態が終わる時（例えば、すべての閉塞追跡装置が可視になる時）、外科システム10は、ユーザが処置を再開し得るように、触覚デバイス30をアプローチモードに置く。この様式で、閉塞検出アルゴリズムは、ユーザが閉塞事象の時間に触覚壁を押していない場合、触覚境界が非アクティブにされることを可能にする。対照的に、外科システム10が、ツール50が閉塞事象の時間に触覚境界に触れていることかつ/または触覚境界を越えていることを決定する場合、閉塞検出アルゴリズムは、閉塞追跡装置が可視になるかどうかを見るために、既定の時間の期間（例えば、1秒）の間待機する。この時間の間、ツール50は無効にされ、ユーザは、追跡装置が閉塞していることを（例えば、可視、可聴、または触覚性信号を介して）警告される。触覚デバイス追跡装置45ならびに解剖学的構造追跡装置43aおよび43bが既定の時間の期間内にすべて可視になる場合、触覚（またはバー使用）モードが再開される。そうでなければ、触覚デバイス30は、ツール50が患者とともに動き、必要があれば患者から引き出され得るように、フリーモードに置かれる。前記同様に、閉塞状態が終わる時（例えば、すべての閉塞追跡装置が再度可視になる時）、外科システム10は、ユーザが処置を再開し得るように、触覚デバイス30をアプローチモードに置く。既定の時間の期間（または時間間隔）を用いる一つの利点は、閉塞検出アルゴリズムが、触覚壁が瞬時の閉塞事象の間アクティブのままであることを可能にすることである。付加的に、切断の間の外科医からの突然の運動を引き起こす可能性があると考えられる触覚壁の突然の除去が回避される。付加的に、閉塞コンディションが既定の時間の期間内に消滅する場合、動的追跡（運動補正）に対して用いられる低域フィルターは、追跡システム40が不連続運動として小さな運動を知覚することを防ぐためにリセットされる。
【００９６】
図14は、閉塞検出アルゴリズムの態様のダイアグラムを示す。段階S3500において、触覚デバイス30は、触覚（またはバー使用）モードにある。段階S3502において、アルゴリズムは、触覚デバイス追跡装置45および関連解剖学的構造追跡装置が、検出デバイス41に対して両方とも可視である（すなわち、閉塞していない）かどうかを決定する。関連解剖学的構造追跡装置は、対象となる骨に関連する解剖学的構造追跡装置である。したがって、膝置換処置に対して、外科医が大腿骨Fを調製している場合、関連解剖学的構造追跡装置は、解剖学的構造追跡装置43aである。同様に、外科医が脛骨Tを調製している場合、関連解剖学的構造追跡装置は、解剖学的構造追跡装置43bである。付加的な解剖学的構造追跡装置がモニターされてもよいが、閉塞検出アルゴリズムは、好ましくは、不必要な過失トリガー（例えば、対象となる骨以外の解剖学的構造の部分に関連する追跡装置の閉塞に基づくトリガー）を回避するために、関連解剖学的構造追跡装置のみをモニターする。触覚デバイス追跡装置45および関連解剖学的構造追跡装置が、両方とも可視である場合、アルゴリズムは、段階S3504に進み、外科ツール50を有効にする。外科ツール50は、例えば、ツール50が、フットペダルを押し下げることによってなど、ユーザによってアクティブにされ得るように、ツール50に電力を供給することによって、有効にされてもよい。図14のループ（段階S3500、S3502、およびS3504）において示されるように、両方の追跡装置が可視である限り、触覚デバイス30は、外科ツール50が有効なまま、触覚モードであり続ける。
【００９７】
対照的に、段階S3502における検出デバイス41が、触覚デバイス追跡装置45および/または関連解剖学的構造追跡装置を検出することができない場合、アルゴリズムは、追跡装置の少なくとも一つが閉塞していると結論付け、段階S3506に進む。外科ツール50は、例えば、ユーザがフットペダルを押し下げることによってなどツール50をアクティブにするように試みる場合でさえも、ユーザによってツール50をアクティブにできないように、ツール50への電力を止めることによって、無効にされ得る。ツール50が無効された後、アルゴリズムは段階S3508に進み、閉塞状態が存在するという指摘をユーザに提供する。指摘は、ディスプレーデバイス23上の可視信号、可聴信号（例えば、ビープ音、警報、またはその他の警告音）、触覚性信号（例えば、振動）、および/または制御信号（例えば、適切な位置にアーム33をロックするように触覚デバイス30に命令する制御信号）などの任意の適した信号であり得る。段階S3510において、アルゴリズムは、触覚力が検出されるかどうかを決定する。触覚力は、例えば触覚デバイス30がユーザに力フィードバック（例えば、触覚ガイダンスおよび/またはアーム33のユーザ操作に対する限度）を提供している場合に、検出される。触覚力が段階S3510において検出されない場合、アルゴリズムは、段階S3518に進み、触覚モードを非アクティブにし、フリーモードを有効にする。触覚デバイス30がフリーモードにある場合、ツール50は、患者とともに動き、必要があれば患者から引き出され得る。閉塞状態が終わる時、外科システム10は、外科医が処置を再開し得るように、触覚デバイス30をアプローチモードに置く。
【００９８】
対照的に、触覚力が検出される場合、アルゴリズムは、段階S3512に進み、触覚デバイス30を触覚モードに維持する。段階S3514において、アルゴリズムは、触覚デバイス追跡装置45および/または関連解剖学的構造追跡装置がまだ閉塞しているかどうかを決定する。追跡装置が閉塞していない場合、アルゴリズムは、段階S3500に戻り、外科医が処置を継続し得るように、触覚デバイス30が触覚モード30に維持される。対照的に、追跡装置の少なくとも一つがまだ閉塞している場合、アルゴリズムは、段階S3516に進み、閉塞状態が検出されてから時間tが経過したかどうかを決定する。時間tは、アプリケーションに基づいて選ばれ得る。一つの態様において、時間tは、約1秒である。時間tが経過していない場合、アルゴリズムは、段階S3514に戻る。時間tが経過した場合、アルゴリズムは、段階S3518に進み、触覚モードを非アクティブにし、フリーモードを有効にする。触覚デバイス30がフリーモードにある場合、ツール50は、患者とともに動き、必要があれば患者から引き出され得る。閉塞状態が終わる時、外科システム10は、外科医が処置を再開し得るように、触覚デバイス30をアプローチモードに置く。この様式で、閉塞検出アルゴリズムは、外科システム10が触覚デバイス30および解剖学的構造の相対的な位置を決定することができない場合、ツール50をアクティブにするユーザの能力を有利に限定する。結果として、解剖学的構造に損傷を与えるリスクは、軽減される。
【００９９】
閉塞検出アルゴリズムの別の態様は、以下の段階を含む触覚デバイス30を制御するための方法を含む：（a）解剖学的構造および解剖学的構造に関連する追跡要素の少なくとも一つを含む第一物体を検出デバイス41で検出する段階；（b）触覚デバイス30および触覚デバイス30に関連する追跡要素の少なくとも一つを含む第二物体を検出デバイス41で検出する段階；および（c）検出デバイス41が第一物体および/または第二物体を検出することができない場合に、ユーザに指摘を提供する段階。指摘は、例えば、可視、可聴、触覚性、および/もしくは制御信号などの信号であり得るか、またはツール50などの触覚デバイス30の少なくとも一部を無効にすることによって提供されてもよい。一つの態様において、該方法は触覚デバイス30の少なくとも一部（例えば、アーム33、ツール50）の動きを限定するかまたは触覚デバイス30の運転を限定する（例えば、ツール50への電力を止めるか、またはそうでなければツール50を無効にする、触覚デバイスのモードを変えるなど）など、触覚デバイス30に制約を与える段階を含む。制約は、好ましくは、既定の時間間隔（例えば、図55の段階S3516に関連して上で議論されるように1秒）後に、除去される。該方法は検出デバイス41が第一物体および第二物体の両方を検出することができる場合にのみ、触覚デバイス30を有効にする段階を含んでもよい。
【０１００】
一つの態様において、閉塞検出アルゴリズムは、触覚デバイス30がユーザへの触覚ガイダンスおよび/または触覚デバイス30のユーザ操作に対する限度を提供しているかどうかを決定する。触覚ガイダンスおよび/またはユーザ操作に対する限度は、例えば、解剖学的構造に関連する仮想境界に基づき得る。触覚ガイダンスおよび/またはユーザ操作に対する限度が提供されている場合、触覚ガイダンスおよび/またはユーザ操作に対する限度は、好ましくは、解剖学的構造に対する損傷（例えば、ユーザがツール50で仮想境界を押している場合に、仮想境界または触覚壁の突然の除去によって引き起こされる損傷）を回避するために維持される。従って、仮想境界は、好ましくは、触覚デバイス30の一部（例えば、ツール50のチップ）が、仮想境界に対して近位である、仮想境界と接触しているか、または仮想境界を越えている場合に、維持される。該方法は触覚デバイス30の一部が仮想境界と相互作用していない場合（例えば、ツール50が仮想境界または触覚壁と接触していない場合）に、仮想境界を非アクティブにする段階を含んでもよい。この状況において、ユーザはツール50で仮想境界を押していないので、仮想境界が突然除去される場合に、ツール50が解剖学的構造に損傷を与える可能性は低い。結果として、解剖学的構造に損傷を与えるリスクは、軽減される。
【０１０１】
したがって、本発明の態様は、最小侵襲様式で外科医が骨に複雑な形を彫ることを可能にするために外科医と協力的に相互作用することができ、患者を守りかつ外科医に実質的にトランスペアレントな様式で、術中環境において物体の運動を動的に補正する能力を有する外科システムを提供する。
【０１０２】
外科デバイスの較正を検証するためのシステムおよび方法は、2007年5月18日に出願されたLouis Arata, Sherif Aly, Robert Van Vorhis, Sandi Glauser, Timothy Blackwell, Rony Abovitz, and Maurice R. FerreによるSystem and Method for Verifying Calibration of a Surgical Deviceと題される米国特許出願第 （代理人整理番号051892-0247）において開示され、その開示は、その全体が参照により本明細書に組み入れられる。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
本明細書の一部に組み入れられ、かつ本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の態様を図示し、かつ説明と一緒に本発明の原理を説明する役目を果たす。
【図１】本発明に従う外科システムの態様の透視図である。
【図２Ａ】本発明に従う触覚デバイスの態様の透視図である。
【図２Ｂ】本発明に従う触覚デバイスの態様の透視図である。
【図２Ｃ】触覚デバイスを作動しているユーザを示す図2Aの触覚デバイスの透視図である。
【図３Ａ】本発明に従うエンドエフェクタの態様の透視図である。
【図３Ｂ】図3Aのエンドエフェクタの側面透視図である。
【図４】本発明に従う解剖学的構造追跡装置の態様の透視図である。
【図５】本発明に従う触覚デバイス追跡装置の態様の透視図である。
【図６Ａ】本発明に従うエンドエフェクタ追跡装置の態様の透視図である。
【図６Ｂ】図3Aのエンドエフェクタに取り付けられる図6Aのエンドエフェクタ追跡装置の透視図である。
【図７】本発明に従う機器追跡装置の態様の透視図である。
【図８】本発明に従う触覚物体のグラフィック表示の態様を示す大腿骨および脛骨の透視図である。
【図９】本発明に従うCASシステムのディスプレーの態様を示す。
【図１０】本発明に従う触覚レンダリングプロセスの態様のブロック図である。
【図１１】本発明に従う3D幾何学的触覚物体の態様の表示である。
【図１２】本発明に従う触覚レンダリングプロセスの態様のブロック図である。
【図１３】本発明に従う座標系および変換を図示する図的表示である。
【図１４】本発明に従う閉塞検出アルゴリズムの態様のブロック図である。
【図１】
2009537231.tif 000026
【図２Ａ】
2009537231.tif 000027
【図２Ｂ】
2009537231.tif 000028
【図２Ｃ】
2009537231.tif 000029
【図３Ａ】
2009537231.tif 000030
【図３Ｂ】
2009537231.tif 000031
【図４】
2009537231.tif 000032
【図５】
2009537231.tif 000033
【図６Ａ】
2009537231.tif 000034
【図６Ｂ】
2009537231.tif 000035
【図７】
2009537231.tif 000036
【図８】
2009537231.tif 000037
【図９】
2009537231.tif 000038
【図１０】
2009537231.tif 000039
【図１１】
2009537231.tif 000040
【図１２】
2009537231.tif 000041
【図１３】
2009537231.tif 000042
【図１４】
2009537231.tif 000043
【手続補正書】
【提出日】平成20年3月14日(2008.3.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の解剖学的構造と外科デバイスの外科ツールの位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の関係が、解剖学的構造と外科ツールの位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の望ましい関係に対応するかどうかを決定する段階；
解剖学的構造および解剖学的構造に関連する追跡要素の少なくとも一つを含む第一物体を検出デバイスで検出する段階；
関係の少なくとも一つが、望ましい関係に対応せず、検出デバイスが、解剖学的構造の位置および外科ツールの位置の少なくとも一つを検出することができない場合に、外科デバイスに制約を与える段階；および
検出デバイスが第一物体を検出することができない場合に、ユーザに指摘を提供する段階
を含む、外科デバイスを制御するための方法。
【請求項２】
望ましい関係が、触覚レンダリングアルゴリズムによって生成される少なくとも一つのパラメータによって定義される、請求項1記載の方法。
【請求項３】
関係が望ましい関係に対応するかどうかを決定する段階が、外科デバイスが触覚レンダリングアルゴリズムによって生成される少なくとも一つのパラメータに違反したかどうかを決定することを含む、請求項1記載の方法。
【請求項４】
関係が望ましい関係に対応するかどうかを決定する段階が、解剖学的構造に関連する仮想境界への外科ツールの侵入深さが既定の閾値を超えるかどうかを決定することを含む、請求項1記載の方法。
【請求項５】
関係が望ましい関係に対応するかどうかを決定する段階が、解剖学的構造、追跡される物体、および追跡される物体上に配置される第二追跡要素の少なくとも一つの速さが既定の閾値を超えるかどうかを決定することを含む、請求項1記載の方法。
【請求項６】
関係が望ましい関係に対応するかどうかを決定する段階が、解剖学的構造、追跡される物体、および追跡される物体上に配置される第二追跡要素の少なくとも一つの位置が既定の境界の外側にあるかどうかを決定することを含む、請求項1記載の方法。
【請求項７】
関係が望ましい関係に対応するかどうかを決定する段階が、外科デバイスの出力が既定の閾値を超えるかどうかを決定することを含む、請求項1記載の方法。
【請求項８】
外科ツールが、解剖学的構造に関連する仮想境界と相互作用しているかどうかを決定する段階をさらに含む、請求項1記載の方法。
【請求項９】
外科ツールが、仮想境界と相互作用していない場合に、仮想境界を非アクティブにする段階をさらに含む、請求項8記載の方法。
【請求項１０】
外科ツールが、仮想境界に接触しているおよび仮想境界を越えているうちの少なくとも一つである場合に、仮想境界を維持する段階をさらに含む、請求項8記載の方法。
【請求項１１】
解剖学的構造と外科ツールの位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の関係に基づいて、ユーザへの触覚ガイダンスおよび外科デバイスのユーザ操作に対する限度の少なくとも一つを提供するように外科デバイスを制御するために制御パラメータを実施する段階をさらに含む、請求項1記載の方法。
【請求項１２】
制約を与える段階が、外科デバイスの少なくとも一部の動きを限定することおよび外科デバイスの運転を限定することの少なくとも一つを含む、請求項1記載の方法。
【請求項１３】
制約が、触覚レンダリングアルゴリズムによって生成される少なくとも一つのパラメータを含む、請求項1記載の方法。
【請求項１４】
既定の時間間隔の後に与えられた制約を除去する段階をさらに含む、請求項1記載の方法。
【請求項１５】
外科デバイスおよび外科デバイスに関連する第二追跡要素の少なくとも一つを含む第二物体を検出デバイスで検出する段階；および
検出デバイスが第二物体を検出することができない場合に、ユーザに第二指摘を提供する段階
をさらに含む、請求項1記載の方法。
【請求項１６】
検出デバイスが第一物体および第二物体を検出する場合にのみ、外科デバイスを有効にする段階をさらに含む、請求項15記載の方法。
【請求項１７】
患者の解剖学的構造と外科デバイスの外科ツールの位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の望ましい関係に基づいて、外科デバイスの操作を制約する段階；
望ましい関係の少なくとも一つが維持されない、かつ検出デバイスが解剖学的構造および外科ツールの少なくとも一つを検出することができない場合に、外科ツールの動きおよび外科ツールの運転の少なくとも一つを限定する段階；および
解剖学的構造、追跡される物体、および追跡される物体上に配置される追跡要素の少なくとも一つの速さが既定の閾値を超えるかどうかを決定する段階
を含む、外科デバイスを制御するための方法。
【請求項１８】
患者に対して処置を行うためにユーザによって操作されるように設定される外科デバイスと、
外科デバイスに連結される外科ツールと、
患者の解剖学的構造と外科ツールの位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の関係が、解剖学的構造と外科ツールの位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の望ましい関係に対応するかどうかを決定し；
解剖学的構造および解剖学的構造に関連する追跡要素の少なくとも一つを含む第一物体を検出デバイスで検出し；
関係の少なくとも一つが、望ましい関係に対応せず、検出デバイスが、解剖学的構造の位置および外科ツールの位置の少なくとも一つを検出することができない場合に、外科デバイスに制約を与え；かつ
検出デバイスが第一物体を検出することができない場合に、ユーザに指摘を提供する
ようにプログラムされる、計算システム
とを含む、外科デバイスを制御するためのシステム。
【請求項１９】
望ましい関係が、触覚レンダリングアルゴリズムによって生成される少なくとも一つのパラメータによって定義される、請求項18記載のシステム。
【請求項２０】
外科デバイスが、触覚レンダリングアルゴリズムによって生成される少なくとも一つのパラメータに違反したかどうかを決定するように、計算システムがさらにプログラムされる、請求項18記載のシステム。
【請求項２１】
解剖学的構造に関連する仮想境界への外科ツールの侵入深さが、既定の閾値を超えるかどうかを決定するように、計算システムがさらにプログラムされる、請求項18記載のシステム。
【請求項２２】
患者に対して処置を行うためにユーザによって操作されるように設定される外科デバイスと、
外科デバイスに連結される外科ツールと、
患者の解剖学的構造と外科ツールの位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の関係が、解剖学的構造と外科ツールの位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の望ましい関係に対応するかどうかを決定し、
関係の少なくとも一つが、望ましい関係に対応せず、検出デバイスが、解剖学的構造の位置および外科ツールの位置の少なくとも一つを検出することができない場合に、外科デバイスに制約を与え、かつ
解剖学的構造、追跡される物体、および追跡される物体上に配置される追跡要素の少なくとも一つの速さが既定の閾値を超えるかどうかを決定する
ようにプログラムされる、計算システム
とを含む、外科デバイスを制御するためのシステム。
【請求項２３】
解剖学的構造、追跡される物体、および追跡される物体上に配置される第二追跡要素の少なくとも一つの位置が、既定の境界の外側にあるかどうかを決定するように、計算システムがさらにプログラムされる、請求項18記載のシステム。
【請求項２４】
外科デバイスの出力が、既定の閾値を超えるかどうかを決定するように、計算システムがさらにプログラムされる、請求項18記載のシステム。
【請求項２５】
外科ツールが、解剖学的構造に関連する仮想境界と相互作用しているかどうかを決定するように、計算システムがさらにプログラムされる、請求項18記載のシステム。
【請求項２６】
外科ツールが仮想境界と相互作用していない場合に、仮想境界を非アクティブにするように、計算システムがさらにプログラムされる、請求項25記載のシステム。
【請求項２７】
外科ツールが、仮想境界に接触しているおよび仮想境界を越えているうちの少なくとも一つである場合に、仮想境界を維持するように、計算システムがさらにプログラムされる、請求項25記載のシステム。
【請求項２８】
解剖学的構造と外科ツールの位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の関係に基づいて、ユーザへの触覚ガイダンスおよび外科デバイスのユーザ操作に対する限度の少なくとも一つを提供するように外科デバイスを制御するために制御パラメータを実施するように、計算システムがさらにプログラムされる、請求項18記載のシステム。
【請求項２９】
外科デバイスの運転および外科デバイスの少なくとも一部の動きの少なくとも一つを限定することによって制約を与えるように、計算システムがさらにプログラムされる、請求項18記載のシステム。
【請求項３０】
制約が、触覚レンダリングアルゴリズムによって生成される少なくとも一つのパラメータを含む、請求項18記載のシステム。
【請求項３１】
既定の時間間隔の後に与えられた制約を除去するように、計算システムがさらにプログラムされる、請求項18記載のシステム。
【請求項３２】
外科デバイスおよび外科デバイスに関連する第二追跡要素の少なくとも一つを含む第二物体を検出デバイスで検出し、かつ
検出デバイスが第二物体を検出することができない場合に、ユーザに第二指摘を提供する
ように、計算システムがさらにプログラムされる、請求項18記載のシステム。
【請求項３３】
検出デバイスが第一物体および第二物体を検出する場合にのみ、外科デバイスを有効にするように、計算システムがさらにプログラムされる、請求項32記載のシステム。
【手続補正書】
【提出日】平成21年1月21日(2009.1.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の解剖学的構造と外科デバイスの外科ツールの位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の関係が、解剖学的構造と外科ツールの位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の望ましい関係に対応するかどうかを決定する段階；
解剖学的構造および解剖学的構造に関連する追跡要素の少なくとも一つを含む第一物体を検出デバイスで検出する段階；
関係の少なくとも一つが、望ましい関係に対応せず、検出デバイスが、解剖学的構造の位置および外科ツールの位置の少なくとも一つを検出することができない場合に、外科デバイスに制約を与える段階；および
検出デバイスが第一物体を検出することができない場合に、ユーザに指摘を提供する段階
を含む、外科デバイスを制御するための方法。
【請求項２】
望ましい関係が、触覚レンダリングアルゴリズムによって生成される少なくとも一つのパラメータによって定義される、請求項1記載の方法。
【請求項３】
関係が望ましい関係に対応するかどうかを決定する段階が、
解剖学的構造に関連する仮想境界への外科ツールの侵入深さが既定の閾値を超えるかどうか、
解剖学的構造、追跡される物体、および追跡される物体上に配置される第二追跡要素の少なくとも一つの速さが既定の閾値を超えるかどうか、
解剖学的構造、追跡される物体、および追跡される物体上に配置される第二追跡要素の少なくとも一つの位置が既定の境界の外側にあるかどうか、および
外科デバイスの出力が既定の閾値を超えるかどうか
のうち少なくとも1つを決定することを含む、請求項1記載の方法。
【請求項４】
外科ツールが、解剖学的構造に関連する仮想境界と相互作用しているかどうかを決定する段階、および
外科ツールが、仮想境界と相互作用していない場合に、仮想境界を非アクティブにする段階
をさらに含む、請求項1記載の方法。
【請求項５】
外科ツールが、解剖学的構造に関連する仮想境界と相互作用しているかどうかを決定する段階、および
外科ツールが、仮想境界に接触しているおよび仮想境界を越えているうちの少なくとも一つである場合に、仮想境界を維持する段階
をさらに含む、請求項1記載の方法。
【請求項６】
既定の時間間隔の後に与えられた制約を除去する段階をさらに含む、請求項1記載の方法。
【請求項７】
外科デバイスおよび外科デバイスに関連する第二追跡要素の少なくとも一つを含む第二物体を検出デバイスで検出する段階；
検出デバイスが第二物体を検出することができない場合に、ユーザに第二指摘を提供する段階；および
検出デバイスが第一物体および第二物体を検出する場合にのみ、外科デバイスを有効にする段階
をさらに含む、請求項1記載の方法。
【請求項８】
患者の解剖学的構造と外科デバイスの外科ツールの位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の望ましい関係に基づいて、外科デバイスの操作を制約する段階；
望ましい関係の少なくとも一つが維持されない、かつ検出デバイスが解剖学的構造および外科ツールの少なくとも一つを検出することができない場合に、外科ツールの動きおよび外科ツールの運転の少なくとも一つを限定する段階；および
解剖学的構造、追跡される物体、および追跡される物体上に配置される追跡要素の少なくとも一つの速さが既定の閾値を超えるかどうかを決定する段階
を含む、外科デバイスを制御するための方法。
【請求項９】
患者に対して処置を行うためにユーザによって操作されるように設定される外科デバイスと、
外科デバイスに連結される外科ツールと、
患者の解剖学的構造と外科ツールの位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の関係が、解剖学的構造と外科ツールの位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の望ましい関係に対応するかどうかを決定し；
解剖学的構造および解剖学的構造に関連する追跡要素の少なくとも一つを含む第一物体を検出デバイスで検出し；
関係の少なくとも一つが、望ましい関係に対応せず、検出デバイスが、解剖学的構造の位置および外科ツールの位置の少なくとも一つを検出することができない場合に、外科デバイスに制約を与え；かつ
検出デバイスが第一物体を検出することができない場合に、ユーザに指摘を提供する
ようにプログラムされる、計算システム
とを含む、外科デバイスを制御するためのシステム。
【請求項１０】
望ましい関係が、触覚レンダリングアルゴリズムによって生成される少なくとも一つのパラメータによって定義される、請求項9記載のシステム。
【請求項１１】
解剖学的構造に関連する仮想境界への外科ツールの侵入深さが、既定の閾値を超えるかどうかを決定するように、計算システムがさらにプログラムされる、請求項9記載のシステム。
【請求項１２】
患者に対して処置を行うためにユーザによって操作されるように設定される外科デバイスと、
外科デバイスに連結される外科ツールと、
患者の解剖学的構造と外科ツールの位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の関係が、解剖学的構造と外科ツールの位置、配向、速さ、および加速度の少なくとも一つとの間の望ましい関係に対応するかどうかを決定し、
関係の少なくとも一つが、望ましい関係に対応せず、検出デバイスが、解剖学的構造の位置および外科ツールの位置の少なくとも一つを検出することができない場合に、外科デバイスに制約を与え、かつ
解剖学的構造、追跡される物体、および追跡される物体上に配置される追跡要素の少なくとも一つの速さが既定の閾値を超えるかどうかを決定する
ようにプログラムされる、計算システム
とを含む、外科デバイスを制御するためのシステム。
【請求項１３】
解剖学的構造、追跡される物体、および追跡される物体上に配置される第二追跡要素の少なくとも一つの位置が、既定の境界の外側にあるかどうか、ならびに、
外科デバイスの出力が、既定の閾値を超えるかどうか
のうち少なくとも1つを決定するように、計算システムがさらにプログラムされる、
請求項9記載のシステム。
【請求項１４】
外科ツールが、解剖学的構造に関連する仮想境界と相互作用しているかどうかを決定し；かつ
外科ツールが仮想境界と相互作用していない場合に、仮想境界を非アクティブにする
ように、計算システムがさらにプログラムされる、
請求項9記載のシステム。
【請求項１５】
外科ツールが、解剖学的構造に関連する仮想境界と相互作用しているかどうかを決定し；かつ
外科ツールが、仮想境界に接触しているおよび仮想境界を越えているうちの少なくとも一つである場合に、仮想境界を維持する
ように、計算システムがさらにプログラムされる、
請求項9記載のシステム。
【請求項１６】
既定の時間間隔の後に与えられた制約を除去するように、計算システムがさらにプログラムされる、請求項9記載のシステム。
【請求項１７】
外科デバイスおよび外科デバイスに関連する第二追跡要素の少なくとも一つを含む第二物体を検出デバイスで検出し、
検出デバイスが第二物体を検出することができない場合に、ユーザに第二指摘を提供し；かつ
検出デバイスが第一物体および第二物体を検出する場合にのみ、外科デバイスを有効にする
ように、計算システムがさらにプログラムされる、
請求項9記載のシステム。
【手続補正書】
【提出日】平成21年4月8日(2009.4.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
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【国際調査報告】
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2009537231.tif 000046
2009537231.tif 000047