(57)【要約】本発明は、外科システムに関し、より詳細には外科装置の較正を検証するための外科システムおよび方法に関する。外科システムまたは方法は、患者の解剖学的構造上のインタフェースを同定する段階、基準座標フレームにおいて、インタフェースのチェックポイントの位置を決定する段階、インタフェースを外科装置の外科ツールの一部分と接触させる段階、外科ツールの一部分の位置を基準座標フレームにおいて決定する段階、および外科ツールの一部分の位置がチェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかを決定する段階を行なうように構成されることができる。インタフェースは、患者の骨の彩色された部分、骨に作られたくぼみ、または骨に固着されるように構成された部分と、外科ツールの一部分によって接触されるように構成されたインタフェースとを含む機械的インタフェースを含んでもよい。2009537230.tif 000003
2009537230.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外科装置の較正を検証するための方法であって、
以下の段階を含む方法：
患者の解剖学的構造上のインタフェースを同定する段階；
基準座標フレームにおいて、インタフェースのチェックポイントの位置を決定する段階；
インタフェースを外科装置の外科ツールの一部分と接触させる段階；
基準座標フレームにおいて、外科ツールの一部分の位置を決定する段階；および
外科ツールの一部分の位置が、チェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかを決定する段階。
【請求項２】
インタフェースが患者の骨に配置されている、請求項1記載の方法。
【請求項３】
インタフェースを外科ツールの一部分と接触させる段階が、患者の骨および骨に配置された機械的インタフェースの少なくとも一方を、外科ツールの先端と接触させることを含む、請求項1記載の方法。
【請求項４】
患者の解剖学的構造上の第2のインタフェースを同定する段階；
基準座標フレームにおいて、第2のインタフェースの第2のチェックポイントの位置を決定する段階；
第2のインタフェースを外科ツールの一部分と接触させる段階；および
外科ツールの一部分の位置が、第2のチェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかを決定する段階
をさらに含む、
請求項1記載の方法。
【請求項５】
インタフェースが患者の第1の骨に配置され、第2のインタフェースが患者の第2の骨に配置される、請求項4記載の方法。
【請求項６】
インタフェースを接触させる段階が、患者の第1の骨および第1の骨に配置された第1の機械的インタフェースの少なくとも一方を、外科ツールの先端と接触させることを含み、
第2のインタフェースを接触させる段階が、患者の第2の骨および第2の骨に配置された第2の機械的インタフェースの少なくとも一方を、外科ツールの先端と接触させることを含む、
請求項4記載の方法。
【請求項７】
チェックポイントの位置を決定する段階が、チェックポイントを解剖学的構造の表現に関連付けることを含む、請求項1記載の方法。
【請求項８】
外科ツールの一部分の位置がチェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかを決定する段階が、外科ツールの先端および外科ツールの先端の中心の一方と、チェックポイントとの間の距離が所定の値に等しいかまたはそれ未満であるかを決定する段階を含む、請求項1記載の方法。
【請求項９】
外科ツールの一部分の位置がチェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかの決定を少なくとも用いて、
患者の解剖学的構造が、解剖学的構造に関連付けられた追跡要素に対して動いたか、
外科ツールの一部分が、基準座標フレームにおいて正しく位置決められたか、
外科装置が、外科装置に関連付けられた追跡要素に対して動いたか、
外科ツールが、外科装置上で所望の向きに設置されているか、および
所望の外科ツールが、外科装置上に設置されているか
のうち少なくとも一つ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１０】
インタフェースが、患者の骨に固着された機械的インタフェース、患者の骨の彩色された部分、および患者の骨に作られたくぼみのうち少なくとも一つを含む、請求項1記載の方法。
【請求項１１】
インタフェースが、患者の骨に固着されるように構成された部分、および外科ツールの一部分によって接触されるように構成された部分を含む機械的インタフェースを含む、請求項1記載の方法。
【請求項１２】
機械的インタフェースが、少なくとも生体吸収性材料を含む、請求項11記載の方法。
【請求項１３】
機械的インタフェースが、裁頭円錐形（frustconical）表面および円錐形表面の少なくとも一方を含む、請求項11記載の方法。
【請求項１４】
機械的インタフェースの裁頭円錐形表面および円錐形表面の少なくとも一方の中への外科ツールの一部分の侵入深さ、および外科ツールの一部分とチェックポイントとの間の距離の少なくとも一方を決定する段階をさらに含む、請求項13記載の方法。
【請求項１５】
機械的インタフェースの向きを決定する段階をさらに含む、請求項11記載の方法。
【請求項１６】
機械的インタフェースが情報を提供するように構成された特徴を含み、該機械的インタフェースに関する情報を得る段階をさらに含む、
請求項11記載の方法。
【請求項１７】
特徴が、機械的インタフェースの位置および向きの少なくとも一方を提供する、請求項16記載の方法。
【請求項１８】
特徴が、機械的インタフェースに埋め込まれている、機械的インタフェースと一体になっている、および機械的インタフェースの表面に形成されているうちの少なくとも一つである、請求項16記載の方法。
【請求項１９】
特徴が、情報を提供する信号を放出するように構成される、請求項16記載の方法。
【請求項２０】
外科ツールの一部分の位置が静止している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２１】
外科ツールの一部分の位置を、基準座標フレームにおいて複数回決定する段階；
外科ツールの一部分の複数の決定された位置の標準偏差を決定する段階；および
標準偏差が閾値を越えているかを決定する段階
によって、外科ツールの一部分が静止しているかを決定する、
請求項20記載の方法。
【請求項２２】
機械的インタフェースを取り除くことを、外科装置のオペレータに気付かせる段階をさらに含む、請求項11記載の方法。
【請求項２３】
気付かせる段階が、機械的インタフェースに縫合糸を取り付けること、外科装置によって視覚的な警告を提供すること、および患者の解剖学的構造に外科用テープを適用することの少なくとも一つを含む、請求項22記載の方法。
【請求項２４】
患者の解剖学的構造上のインタフェースと接触するように構成された、外科装置の外科ツールの一部分と；
基準座標フレームにおいてインタフェースのチェックポイントの位置を決定し；
基準座標フレームにおいて、インタフェースと接触している場合の外科ツールの一部分の位置を決定し；および
外科ツールの一部分の位置が、チェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかを決定するように、
プログラムされた計算システムとを含む、
外科装置の較正を検証するためのシステム。
【請求項２５】
外科ツールの一部分が、患者の解剖学的構造上の第2のインタフェースと接触するように構成され、
コンピューティングシステムが、
基準座標フレームにおいて、第2のインタフェースの第2のチェックポイントの位置を決定し；および
外科ツールの一部分の位置が、第2のチェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかを決定するように、
プログラムされる、
請求項24記載のシステム。
【請求項２６】
チェックポイントを解剖学的構造の表現に少なくとも関連付けることにより、チェックポイントの位置を決定するように、コンピューティングシステムがプログラムされる、請求項24記載のシステム。
【請求項２７】
外科ツールの先端または外科ツールの先端の中心とチェックポイントとの間の距離が、所定値に等しいかまたはそれ未満であるかどうかを少なくとも決定することにより、外科ツールの一部分の位置がチェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかを決定するように、コンピューティングシステムがプログラムされる、請求項24記載のシステム。
【請求項２８】
外科ツールの一部分の位置がチェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかの決定を少なくとも用いて、
患者の解剖学的構造が解剖学的構造に関連付けられた追跡要素に対して動いたか、
外科ツールの一部分が基準座標フレームにおいて正しく位置決めされたか、
外科装置が外科装置に関連付けられた追跡要素に対して動いたか、
外科ツールが、外科装置上で所望の向きに設置されているか、および
所望の外科ツールが外科装置上に設置されているか
のうち少なくとも一つを決定するように、コンピューティングシステムがプログラムされる、
請求項24記載のシステム。
【請求項２９】
インタフェースを形成し、かつ患者の骨に固着されるように構成された部分および外科ツールの一部分に接触されるように構成された部分を含む機械的インタフェースをさらに含む、請求項24記載のシステム。
【請求項３０】
機械的インタフェースが少なくとも生体吸収性材料を含む、請求項29記載のシステム。
【請求項３１】
機械的インタフェースが、裁頭円錐形表面および円錐形表面の少なくとも一方を含む、請求項29記載のシステム。
【請求項３２】
機械的インタフェースの裁頭円錐形表面および円錐形表面の少なくとも一方の中への外科ツールの一部分の侵入深さ、および外科ツールの一部分とチェックポイントとの間の距離の少なくとも一方を決定するように、コンピューティングシステムがプログラムされる、請求項31記載のシステム。
【請求項３３】
機械的インタフェースが、機械的インタフェースに関する情報を提供するように構成された特徴を含む、請求項29記載のシステム。
【請求項３４】
特徴が、機械的インタフェースの位置および向きの少なくとも一方を提供する、請求項33記載のシステム。
【請求項３５】
特徴が、機械的インタフェースに埋め込まれている、機械的インタフェースと一体になっている、および機械的インタフェースの表面上に形成されているうちの少なくとも一つである、請求項33記載のシステム。
【請求項３６】
特徴が、情報を提供する信号を放出するように構成されている、請求項33記載のシステム。
【請求項３７】
コンピューティングシステムが、外科ツールの一部分の位置が静止しているかを決定するようにプログラムされる、請求項24記載のシステム。
【請求項３８】
外科ツールの一部分の基準座標フレームにおける位置を複数回決定する段階；
外科ツールの一部分の複数の決定された位置の標準偏差を決定する段階；および
標準偏差が閾値を越えているかを決定する段階
によって、外科ツールの一部分の位置が静止しているかを決定するように、コンピューティングシステムがプログラムされる、
請求項37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日出願の米国仮特許出願第60/801,378号について優先権を主張し、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
【０００２】
発明の分野
本発明は、外科システムおよび方法、より具体的には、外科装置の構成を検証するための外科システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
関連技術の説明
最小侵襲手術(MIS)とは、従来の外科的方法で使用される切開よりもかなり小さい切開を介する施術である。たとえば、全膝置換術のような整形外科的用途では、従来の全膝手術における切開長は通常、約6〜12インチの範囲であるが、MISの切開長は約4〜6インチの範囲であることができる。より小さな切開長の結果として、MIS法は一般に、従来の外科的方法よりも侵襲性が低く、それが、軟組織に対する外傷を最小限にし、術後の痛みを減らし、より早期の可動化を促進し、入院を短縮し、リハビリテーションを早める。
【０００４】
MISの一つの欠点は、小さな切開サイズが、解剖学的構造を見て、それにアクセスする外科医の能力を低下させるするということである。たとえば、最小侵襲整形外科的関節置換では、関節への限られた可視性および限られたアクセスが、正しいインプラント位置の評価についての、および骨の再形成についての複雑さを増す。その結果、インプラントの正確な配置がより困難になるおそれがある。これらの課題に対処するための従来技術は、たとえば、外科ナビゲーション、最適な関節露出のための脚の位置決めならびに特別に設計され、小型化された器具類および複雑な外科技術の使用を含む。しかし、このような技術は通常、多量の特殊化された器具類、長い訓練プロセスおよび高度な熟練を要する。そのうえ、一人の外科医の場合の手術結果および異なる外科医の間での手術結果が十分に予測可能ではなく、繰返し可能ではなく、および／または正確ではない。その結果、インプラント性能および寿命が患者間で異なる。
【０００５】
整形外科用途では、MISおよび従来の外科的方法に共通の一つの欠点は、インプラントを受けるために骨を調製する際に、患部の骨だけでなく健康な骨をも除去してしまうことである。たとえば、全膝置換のためには、膝の三つの区画それぞれの骨を最大1/2インチ除去することを要する場合がある。
【０００６】
MISおよび従来の整形外科的方法に共通のもう一つの欠点は、そのような処置法が外科医本来の外科的処置の熟練を協調的に向上させないということである。たとえば、関節置換のためのいくつかの従来技術は、外科医を支援するための自律的ロボットシステムを含む。しかし、そのようなシステムは一般に、高速バーを用いて自律的切削を実施することにより、またはドリルガイドを所定位置に動かし、外科医が切削ツールをガイドに挿入する間にドリルガイドの位置を保持することにより、主として骨の加工を向上させるように働く。そのようなシステムは、改善されたインプラント装着および配置のための精密な骨切除を可能にするが、自律的に(外科医とで協調的ではなく)作用し、したがって、外科医がある程度の統制をロボットに譲ることを要する。自律システムのさらなる欠点は、ロボットの大きなサイズ、人間工学性の不十分さ、位置合わせおよび切削の間に骨を強固に締め付ける必要性、十分なロボットアクセスのための切開長の増大ならびにシステムの自律性を理由とする外科医および規制当局による承認の制限を含む。
【０００７】
他の従来のロボットシステムは、外科医と協調的に対話するロボットを含む。従来の対話式ロボットシステムの一つの欠点は、そのようなシステムが外科プラニングおよびナビゲーションをリアルタイムで動的な術中環境に適合させる能力を欠くということである。たとえば、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10/470,314号(公開番号US2004/0128026)（特許文献1）は、患者に位置合わせされる三次元仮想拘束領域でプログラムされた対話式ロボットシステムを開示している。このロボットシステムは、力センサを組み込んだ取っ手を有する3自由度(3-DOF)アームを含む。外科医は、取っ手を使用してアームを操作して切削ツールを動かす。取っ手を介するアームの動きは、外科医によって取っ手に加えられる力を力センサが計測することができるようにするために必要である。かつ、計測された力は、切削ツールの動きを援助または抑制するためにモータを制御することに使用される。たとえば、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所定位置に固定される。外科医が取っ手に力を加えて切削ツールを動かすと、切削ツールが仮想拘束領域の境界に近づくにつれ、対話式ロボットシステムは、切削ツールの動きを抑制するための増大する程度の抵抗を加えることができる。このようにして、ロボットシステムは、切削ツールを仮想拘束領域内に維持することにより、骨を調製する際に外科医を誘導する。しかし、上記の自律システムに関して、対話式ロボットシステムは、主として骨の加工を向上させるように機能する。対話式ロボットシステムはまた、関連する解剖学的構造が強固に拘束されること、およびロボットシステムが大まかな位置に固定されることを要し、したがって、手術中場面に対するリアルタイム適合性を欠く。そのうえ、アームの3-DOF構造および外科医が力取っ手を使用してアームを操作するという要件が、限られた融通性および器用さを生じさせ、ロボットシステムを特定のMIS用途で不適当なものにする。
【０００８】
前記を考慮すると、最小侵襲手術において直接可視化に取って代わることができ、整形外科的関節置換用途で健康な骨を温存し、術中適合性および外科プラニングを可能にし、外科的熟練レベルにかかわらず十分に予測可能、繰返し可能および／または正確である手術結果を出すことができる外科システムの必要性がある。外科システムは、必ずしもこれらの必要性のすべてを満たす必要はないし、これらの必要性のいずれかが優先してもよいが、これらの必要性を満たすシステムがより望ましいと考えられる。
【０００９】
さらに、外科装置の較正を正確に検証することができる外科システムおよび方法が必要である。外科装置の較正を検証することによって、外科システムは、位置情報を外科装置のユーザへ正確に提供することができ、したがってMISに用いられる小さな切開口にもかかわらず、ユーザが、外科装置を患者の解剖学的構造に対して位置付けることができ、外科的処置の間に除去される骨の量を最小限にすることが可能になる。
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願第10/470,314号(公開番号US2004/0128026)
【発明の開示】
【００１１】
発明の概要
本発明の一つの局面によれば、外科装置の較正を検証する方法は、患者の解剖学的構造上のインタフェースを同定する段階；基準座標フレームにおいて、インタフェースのチェックポイントの位置を決定する段階；インタフェースを、外科装置の外科ツールの一部分と接触させる段階；基準座標フレームにおいて、外科ツールの一部分の位置を決定する段階；および外科ツールの一部分の位置が、チェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかどうかを決定する段階を含む。
【００１２】
さらなる局面によれば、インタフェースは、患者の骨に固着するように構成された部分と、外科ツールの一部分によって接触されるように構成されたインタフェース部とを含む機械的インタフェースを含むことができる。
【００１３】
本発明の一つの局面によれば、外科装置の較正を検証するためのシステムは、患者の解剖学的構造上のインタフェースと接触するように構成された、外科装置の外科ツールの一部分と；基準座標フレームにおいて、インタフェースのチェックポイントの位置を決定し、外科ツールの一部分がインタフェースと接触している場合に、その一部分の位置を基準座標フレームにおいて決定し、および外科ツールの一部分の位置が、インタフェースの位置に対して予想された対応を有するかどうかを決定するようにプログラムされた計算システムとを含む。
【００１４】
本明細書に組み入れられ、その一部を構成する添付図面が、本発明の態様を例示し、詳細な説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たす。
【００１５】
好ましい態様の詳細な説明
ここで本発明の好ましい態様が図面に示されている。本明細書は主として膝関節を伴う整形外科的処置に関するが、本明細書に記載される主題は、身体の他の関節、たとえば肩、肘、手首、脊椎、股関節または足首ならびに任意の他の整形外科および／または筋骨格インプラント、たとえば従来材料のインプラントおよびより新規なインプラント、たとえばオーソバイオロジクス、薬物送達インプラントおよび細胞送達インプラントにも適用可能であることが理解されよう。
【００１６】
図1は、本発明の外科システム10の態様を示す。外科システム10は、コンピューティングシステム20、触覚装置30および追跡(または限局化)システム40を含む。動作中、外科システム10は、包括的な術中外科プラニングを可能にする。外科システム10はまた、ユーザが外科的処置を実施する場合に、触覚誘導をユーザ(たとえば外科医)に提供したり、触覚装置30のユーザ操作を制限したりする。
【００１７】
外科システム10は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる2006年5月19日出願の米国仮特許出願第60/801,378号、および2006年2月21日に出願され、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる、米国公開公報第2006/0142657号に公開された米国特許出願第11/357,197号に記載されているように、構成し操作することができる。
【００１８】
コンピューティングシステム20は、外科システム10の動作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む。図1に示すように、コンピューティングシステム20は、コンピュータ21、表示装置23および入力装置25を含む。コンピューティングシステム20はまた、車輪28上に据え付けることができるカート29を含んでいてもよい。図1に示されるように、コンピューティングシステム20は、インタフェース100aを介して触覚装置30に結合されることができる。コンピューティングシステム20は、本明細書に記載される任意の段階および機能を遂行するようにプログラムされることができる。
【００１９】
触覚装置30は、患者に対して処置を実施するためにユーザによって操作されて外科ツール50を動かすように構成された外科装置である。処置中、コンピューティングシステム20は、たとえば患者の解剖学的構造と、触覚装置30の部分(たとえば外科ツール50)の位置、向き、速度および／または加速度との間の関係に基づいて触覚装置30を制御するための制御パラメータを実装する。一つの態様では、触覚装置30は、装置のユーザ操作に対して制限を加える(たとえば触覚装置30を物理的に操作するユーザの能力を制限することにより)ように制御される。もう一つの態様では、触覚装置30は、触覚誘導(すなわち感触および／または力フィードバック)をユーザに提供するように制御される。「触覚」とは、接触の感覚を指し、触覚学の分野は、感触および／または力フィードバックをオペレータに提供する人間対話式装置に関する研究を含む。感触フィードバックは一般に、感触、たとえば振動を含むが、力フィードバックとは、力(たとえば動きに対する抵抗)および／またはトルク(「ねじれ」とも知られる)の形態のフィードバックをいう。ねじれは、たとえば、力、トルクまたは力とトルクとの組み合わせの形態のフィードバックを含む。たとえば、触覚誘導システムは、2006年12月27日出願の米国特許出願第11/646,204号に記載されているように構成することができ、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
【００２０】
コンピュータ外科(CAS)と結合した触覚装置30からの誘導が、外科医が外科行為(たとえば骨切削)および限局治療の送達(たとえば脳において)を活動的かつ正確に制御することを可能にする。コンピューティングシステム20は、仮想対象物に対するツール50の位置、パラメータおよび／または解剖学的構造に基づいて触覚装置30を制御して、力、トルクおよび／または振動を発生させることができる。したがって、動作中、外科医が触覚装置30を操作してツール50を動かす場合、仮想経路を使用してツール50を指定の標的に誘導することもできるし、仮想境界を使用して切削形状を規定する、またはツール50が重要組織と接触することを防ぐこともできるし、既定のパラメータを使用してツール50の走行を制限する(たとえば既定の深さに)こともできる。コンピューティングシステム20はまた、処置中の物理的解剖学的構造の動きに応答して制御パラメータを調節する(たとえば、物理的解剖学的構造の検出された動きをモニタし、次いで検出された動きに応答して仮想対象物を調節することにより)ようにプログラムすることもできる。このように、外科システム10は、外科的処置部位の直接可視化を捕足する、またはそれに取って代わり、外科医の自然な感触および物理的な器用さを向上させ、従来の大きさの挿入口(たとえば長さ12インチ以上)から直径約1mmの挿入口を介して身体の種々の構造の標的化、修復および置換を容易にすることができる。
【００２１】
整形外科用途では、たとえば、触覚装置30は、骨の正しい彫刻に関して外科医を援助して、それにより、外科医を骨調製プロセスに密接に関与させながらも正確で繰返し可能な骨の切除を可能にすることにより、骨（または作業片）調製における不正確さ、予測不可能性および非繰返し性の問題に適用することができる。そのうえ、触覚装置30は、骨切削手術において外科医を触覚的に誘導するため、外科医の熟練レベルがさほど重要ではない。その結果、異なる程度の熟練および経験を有する外科医が正確で繰返し可能な骨切除を実施することができる。一つの態様では、たとえば、外科ツールが触覚装置30に結合されている。外科医は、ツールを把持し、動かしたり、触覚装置30を把持し、操作してツールを動かしたりすることにより、ツールを作動させて骨を彫刻することができる。外科医が切削手術を実施する場合、外科システム10は、ツールの場所を追跡し(追跡システム40によって)、大部分の場合、外科医が作業空間中でツールを自由に動かすことを可能にする。しかし、ツールが、患者と重ね合わされた仮想境界に近接すると、外科システム10は、触覚装置30を制御して、外科医がツールを仮想境界に貫入するのを抑える傾向がある触覚誘導を提供する。たとえば、仮想境界は触覚対象物によって規定されることができ、触覚誘導は、触覚対象物にマッピングされ、仮想境界の方向へのさらなるツール動に対する抵抗として外科医が感じる出力ねじれ(すなわち、力および／またはトルク)を含むことができる。触覚対象物は、表示装置23上において図によって表現されることができる関連付けられた空間的または幾何学的表現を有することができる。図による表現は、有用な情報をユーザに伝えるために選択することができる。たとえば、図1に示すように、ツール50を外科的処置部位に誘導する際にユーザを援助するように構成された触覚対象物300は、漏斗形の体積として図によって表現されることができる。物理的ツール50に対応する仮想ツールが触覚対象物300の中を動き、それと相互作用すると、触覚力がユーザに反映されて、ツール50が外科的処置部位に向けられるようになる。たとえば一つの態様では、インプラントのための仮想切削境界を規定する触覚対象物は、インプラントの形に実質的に一致する形を有する図によるイメージとして表示装置23上に描くことができる。したがって、大腿骨構成部72 (図7Aに示す)のための仮想切削境界を規定する触覚対象物208は、対応する図による表現を有することができる。同様に、脛骨構成部74 (図7Bに示す)のための仮想切削境界を規定する触覚対象物206は、対応する図による表現を有することができる。したがって、外科医は、あたかもツールが物理的な物体、たとえば壁に当たったかのような感覚を受けることができる。このように、仮想境界は仮想切削誘導として機能する。したがって、触覚装置30は、仮想境界に対するツールの場所に関する情報を外科医に通信し、実際の切削プロセスで物理的誘導を提供する。触覚装置30はまた、たとえば、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10/470,314号(公開番号US2004/0128026)に記載されているように、外科ツールを操作するユーザの能力を制限するように構成することもできる。
【００２２】
触覚装置30は、感触フィードバック(たとえば振動)および／または力フィードバック(たとえばねじれ)をユーザに伝達するように適合された機械的または電気機械的装置を含むことができる。触覚装置30は、ロボットシステム、非ロボットシステムまたはロボットシステムと非ロボットシステムとの組み合わせであることができる。たとえば、触覚装置30は、米国特許第7,206,626号、米国特許第7,206,627号、2003年3月6日に出願され、2004年2月19日に公開された米国特許出願第10/384,078号、2003年3月6日に出願され、2004年2月19日に公開された米国特許出願第10/384,194号、2003年7月16日に出願され、2004年6月3日に公開された米国特許出願第10/621,119号および／または2005年2月22日に出願された米国特許仮出願第60/655,642号に記載されているような触覚装置を含むことができる。上記で参照した公開出願それぞれは参照により全体として本明細書に組み入れられる。
【００２３】
一つの態様では、触覚装置30はロボットを含む。このような態様では、図2Aに示すように、触覚装置30は、ベース32、アーム33、エンドエフェクタ35およびユーザインタフェース37を含むことができる。触覚装置30はまた、プラットフォーム39を含むことができる。このようなプラットフォーム39はまた、プラットフォーム39を所定位置に留めるための機構を含むことができる。たとえば、プラットフォーム39は、転動部材38のためのホイールロックまたはブレーキ、フットペダルロック装置、ジャッキスタンドおよび／またはプラットフォームもしくはカートを所定位置に留めるための任意の他の公知の機構を備えていることができる。一つの態様では、図2Aに示すように、プラットフォーム39は、機構39bによって格納位置(図2Aに示す)と展開位置(図示せず)との間で作動させることができる強固な足39aを含む。
【００２４】
アーム33はベース32の上に配置され、触覚装置30をユーザが操作することを可能にするように適合される。アーム33は、適当な任意の機械的または電気機械的構造であることができるが、好ましくは、四つ以上の自由度(または運動軸)を有する関節アーム、たとえば現在Barrett Technology, Inc.によって製造されている「Whole-Arm Manipulator」または「WAM(商標)」として知られるロボットアームである。アーム33は、触覚装置30のベース32に配置される近位端、および外科ツール50が結合される遠位端を含む。さらに以下に記載するように、アーム33の遠位端はエンドエフェクタ35および／またはツール50用のツールホルダ51を含んでもよい。一つの態様では、アーム33は、図2Aに示すように、第一のセグメント33a、第二のセグメント33bおよび第三のセグメント33cを含む。第一のセグメント33aと第二のセグメント33bとは、第一のジョイント33d(たとえばショルダージョイント)で接続され、第二のセグメント33bと第三のセグメント33cとは、第二のジョイント33e(たとえばエルボージョイント)で接続されている。図2Bに示すように、アーム33は、たとえば、第一の自由度DOF1、第二の自由度DOF2、第三の自由度DOF3および第四の自由度DOF4を有することができる。したがって、セグメント33a、33bおよび33cならびにジョイント33eおよび33dは、種々の位置またはポーズに操作することができる関節機械的リンクを形成する。アーム33は、多様な処置、たとえば整形外科、神経科および／または外傷処置における使用に適切であり、かつ触覚装置30の移動を可能にし、手術室における触覚装置30の効率的な位置決めを可能にするのに十分コンパクトであるようにサイズ決定される。たとえば、アーム33は、人の腕よりもわずかに大きくサイズ決定されることができる。一つの態様では、アーム33は約1mのリーチを有し、セグメント33bおよび33cの直径は約89mmである。アーム33はまた、触覚装置30の構成部品、たとえば計器、電線、モータ、伝達構成部品、コントローラ、アクチュエータ、増幅器、ブレーキ、クラッチ、電源、センサおよび／またはコンピュータハードウェアを収容および／または取り回しするように適合されていることもできる。
【００２５】
アーム33の器用さは、たとえば、さらなる自由度を加えることによって向上させることができる。たとえば、アーム33はリスト36を含むことができる。図2Aに示すように、リスト36は、アーム33に(たとえば第三のセグメント33cの遠位端に)配置することができ、アーム33の自由度DOF1、DOF2、DOF3およびDOF4を補強するための一つまたは複数の自由度を含む。たとえば、図2Bに示すように、リスト36は自由度DOF5を含むことができる。一つの態様では、リスト36は二つの自由度を含み、アーム33の自由度DOF3が除かれる。リスト36はまた、Barrett Technology, Inc.製の1自由度または3自由度WAM(商標)リストであることもできる。
【００２６】
エンドエフェクタ35は触覚装置30の作動端を含んでもよく、ユーザが外科的処置に関連する種々の行為を実施することを可能にするように構成されることができる。たとえば、一つの態様では、エンドエフェクタ35は、アーム33とツール50との間のアダプタまたはカップリングとして機能する。ツール50をエンドエフェクタ35から切り離すことおよび一つのツール50を別のツールと交換することにより、ユーザは、異なる行為、たとえば位置合わせ、骨（または作業片）調製、計測／検証および／またはインプラント設置のために触覚装置30を使用することができる。一つの態様では、図2Aに示すように、エンドエフェクタ35は、アーム33に接続されるように適合された近位部およびツール50および/またはツールホルダ51を含む遠位部を含む。エンドエフェクタ35の近位部は、任意の従来の様式でアーム33に電気的および機械的に接続される。ツール50は、たとえば、外科ツール(たとえばバー、ドリル、プローブ、鋸子など)、医療装置、顕微鏡、レーザ距離計、カメラ、ライト、内視鏡、超音波プローブ、潅注装置、吸引装置、放射線治療装置および／または外科、外科プラニングおよび／または外科ナビゲーションに有用な任意の他の構成部品であることができる。ツール50は、単一のツールであってもよいし、複数のツールを含んでもよい。
【００２７】
外科システム10の追跡(または限局化)システム40は、外科的処置中に一つまたは複数の対象物のポーズ(すなわち位置および向き)を決定して対象物の動きを検出するように構成されている。たとえば、追跡システム40は、検出装置の基準座標フレーム（または座標系）に対する対象物のポーズを得る検出装置を含むことができる。対象物が基準座標フレームの中で動くと、検出装置は、対象物のポーズを追跡して対象物の動きを検出する(または、外科システム10がそれを決定することを可能にする)。その結果、コンピューティングシステム20は、追跡対象物の動きに応答して制御パラメータを調節する(すなわち仮想対象物を調節することにより)ことができる。追跡対象物は、たとえば、ツール／器具、患者の解剖学的構造、インプラント／補てつ具、作業片、および外科システム10の構成部品を含むことができる。追跡システム40からのポーズデータを使用して、外科システム10はまた、ある空間の座標を別の空間の座標に位置合わせて空間的整列または一致を達成することができる(たとえば周知のような座標変換プロセスを使用して)。物理的空間中の対象物は、適当な任意の座標系、たとえばコンピュータ21および／またはコンピュータ31上で稼働するプロセスによって使用される座標系に位置合わせすることができる。たとえば、外科システム10は、追跡システム40からのポーズデータを使用して、物理的解剖学的構造およびツール50(および／または触覚装置30)を解剖学的構造の表現(たとえば表示装置23上に表示されたイメージ)と関連付けることができる。外科システム10は、追跡対象物および位置合わせデータに基づき、たとえば(a)解剖学的構造のイメージと該当する解剖学的構造との間の空間的関係および(b)該当する解剖学的構造とツール50との間の空間的関係を決定して、コンピューティングシステム20がツール50の仮想表現をイメージに重ね合わせる(かつ、絶えず更新する)ことができるようにする。その場合、仮想表現とイメージとの間の関係は、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。さらには、ツール50だけでなく該当する解剖学的構造をも追跡することにより、外科システム10は、外科的処置中の該当する構造の動きを補正することができる(たとえば、検出した動きに応答して仮想対象物を調節することにより)。図1に示されるように、追跡システム40は、インタフェース100b経由で触覚装置30に結合されてもよい。
【００２８】
追跡システム40は、外科システム10が患者の該当する解剖学的構造のポーズおよびツール50(および／または触覚装置30)のポーズを絶えず決定(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ることができる。たとえば、追跡システム40は、外科的環境における使用に適する、非機械的追跡システム、機械的追跡システムまたは非機械的追跡システムと機械的追跡システムとの任意の組み合わせを含むことができる。
【００２９】
一つの態様では、図1に示すように、追跡システム40は非機械的追跡システムを含む。この態様では、非機械的追跡システムは、検出装置41と、追跡対象物に配置され(またはその中に組み込まれ)、検出装置41によって検出されるように構成された少なくとも一つの追跡可能要素(またはトラッカ)とを含む光学追跡システムである。図1に示すように、検出装置41は、たとえば、赤外線を感知し、外科的処置が実施される手術室中に配置可能である立体カメラ対を含むことができる。トラッカは、追跡対象物に確実かつ安定に固着されるように構成され、追跡対象物に対して既知の幾何学的関係を有するマーカのアレイ(たとえば図3のアレイS1)を含む。動作中、検出装置41がマーカの位置を検出し、特有の形状(または発射パターン)および追跡対象物に対する既知の幾何学的関係が、外科システム10が、マーカの位置に基づいて追跡対象物のポーズを算出することを可能にする。
【００３０】
非機械的追跡システムは、ユーザが追跡することを望む対象物ごとに追跡可能要素(またはトラッカ)を含むことができる。たとえば、一つの態様では、非機械的追跡システムは、解剖学的構造トラッカ43(患者の解剖学的構造を追跡するため)、触覚装置トラッカ45(触覚装置30の広域的または大まかな位置を追跡するため)、エンドエフェクタトラッカ47(触覚装置30の遠位端を追跡するため)および器具トラッカ49(ユーザによって手で保持される器具／ツールを追跡するため)を含む。
【００３１】
図1に示すように、解剖学的構造トラッカ43は、患者の解剖学的構造(たとえば骨または作業片)の該当部分に配置されることができ、該当する解剖学的構造を検出装置41によって追跡することを可能にするように適合されている。解剖学的構造トラッカ43は、解剖学的構造に取り付けるための固定装置を含む。固定装置は、たとえば、骨ピン、外科ステープル、ねじ、クランプ、装着性装置、髄内ロッドなどであることができる。一つの態様では、解剖学的構造トラッカ43は、膝置換処置中に患者の大腿骨Fおよび脛骨Tを追跡するための使用のために構成されている。この態様では、図1に示すように、解剖学的構造トラッカ43は、大腿骨Fに配置されるように適合された第一のトラッカ43aおよび脛骨Tに配置されるように適合された第二のトラッカ43bを含む。図3に示すように、第一のトラッカ43aは、骨ピンPおよびマーカ(たとえば反射球)の特有のアレイS1を含む固定装置を含む。アレイS1は、両方の骨ピンPに脱着可能に留められるように適合された接続機構400に固着されている。たとえば、図3に示すように、接続機構400は、第一の部分442、第二の部分444およびねじ445を含むことができる。第一のトラッカ43aを大腿骨Fに設置するためには、ユーザは骨ピンPを大腿骨Fにねじ込み、接続機構400を骨ピンPの上に滑動させ、ねじ445を締め付けて第一の部分442と第二の部分444とを引き合わせ、それによって接続機構400を骨ピンPに確実に固定する。ひとたび留められると、接続機構400は、さらなる安定性を骨ピンPに付与する。第二のトラッカ43bは、それが脛骨Tに設置され、それ自体の特有のマーカアレイを有することを除き、第一のトラッカ43aと同一である。第一および第二のトラッカ43aおよび43bは、患者に設置されると、膝置換処置中に検出装置41が大腿骨Fおよび脛骨Tの運動を追跡することを可能にする。その結果、外科システム10は、外科的処置中に骨の運動をリアルタイムで補正することができる。
【００３２】
図2Aに示すように、触覚装置トラッカ45は触覚装置30上に配置され、外科システム10が物理的空間中の触覚装置30の広域的または大まかな位置をモニタすることを可能にするように適合されている。特に、触覚装置トラッカ45は、外科システム10が、触覚装置30が外科的環境中の他の物体、たとえば患者に対して移動したかどうかを決定することを可能にする。ツール50が触覚装置30に取り付けられているため、このような情報は重要である。たとえば、ユーザが、大腿骨Fをツール50で切削している間に触覚装置30を意図的に再位置決めまたは過ってぶつけてしまった場合、追跡システム40は触覚装置トラッカ45の動きを検出する。それに応答して、外科システム10は、コンピュータ21および／またはコンピュータ31上で稼働するプログラムに適切な調節を加えて、大腿骨Fに対する触覚装置30(および取り付けられたツール50)の広域的または大まかな動きを補正することができる。その結果、大腿骨調製プロセスの完全性が維持される。
【００３３】
器具トラッカ49は、ユーザの手に保持される器具150に結合されるように適合されている(たとえば、エンドエフェクタ35に取り付けられるツール50とは違って)。器具150は、たとえば、プローブ、たとえば位置合わせプローブ(たとえばストレートまたはフック付きプローブ)であることができる。図5に示すように、器具トラッカ49は、器具150とで一体に形成され、または任意の公知の方法で、たとえば機械的ハードウェア、接着剤、溶接、ねじ接続、クランプ装置、クリップなどで器具150に固着されたマーカ(たとえば反射球)の特有のアレイS5を含むことができる。器具トラッカ49がたとえばクリップまたはクランプ装置によって器具150に脱着可能に接続されている場合、器具トラッカ49を器具150に対して較正して器具トラッカ49と器具150の形状との間の関係を決定するべきである。較正は、適当な任意の方法で、たとえばくぼみまたはV溝を有するツールキャリブレータを用いて達成することができる(たとえば、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公報第US2003/0209096号に記載のとおり)。クリップまたはクランプ装置を使用してトラッカ49を器具150に接続する一つの利点は、クリップまたはクランプ装置を様々なサイズの器具に合わせて調節することができることである。したがって、一つのクリップまたはクランプ装置を多数の器具とで使用することができる。アレイS5と器具150との間の幾何学的関係がわかると、外科システム10は、物理的空間中の器具150の先端の位置を算出することができる。したがって、器具150は、器具150の先端で対象物の該当部分にタッチすることにより、対象物を位置合わせするために使用することができる。たとえば、器具150は、骨の上のランドマークまたは骨の表面上の点にタッチすることにより、患者の骨を位置合わせするために使用することができる。器具150はまた、器具150の先端でインプラント上に位置する既定の検証形体(たとえばくぼみ)にタッチすることにより、患者中に設置されたインプラントの正しい整合を検証するために使用することもできる。
【００３４】
器具トラッカ49はまた、器具150の較正を検証するように構成されることもできる。たとえば、もう一つのトラッカ(たとえばトラッカ43、45または47)がくぼみを含み、その中にユーザが器具150の先端を挿入することができる。一つの態様では、図4に示すように、エンドエフェクタトラッカ47は、ユーザが器具150の先端を挿入することができるくぼみ47aを含む。すると、検出装置41が、器具トラッカ49およびエンドエフェクタトラッカ47のためのポーズデータを取得することができ、外科システム10が、トラッカ47および49の間の実際の幾何学的関係を予想される幾何学的関係と比較することができる。実際の幾何学的関係と予想される幾何学的関係との間の逸脱が、器具150の物理的パラメータ(たとえば直線性、先端位置など)が較正を逸していることを指摘する。図15に示すように、検証プロセス中、外科システム10は、器具150、器具トラッカ49およびエンドエフェクタトラッカ47の図による表現を示す画面を表示装置23上に表示することができる。
【００３５】
追跡システム40は、追加的または代替的に、機械的追跡システムを含むこともできる。非機械的追跡システム(トラッカ43、45、47および49から離れた検出装置41を含む)とは違って、機械的追跡システムは、追跡対象物に機械的にリンク(すなわち物理的に接続)された検出装置(たとえばジョイントエンコーダを有する関節アーム)を含むように構成されることもできる。追跡システム40は、任意の公知の機械的追跡システム、たとえば、いずれも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号および／または米国特許第6,322,567号に記載されている機械的追跡システムを含むことができる。一つの態様では、追跡システム40は、患者の骨を追跡するように適合された接合機械アーム241(たとえば、六つ以上の自由度を有する関節アーム)を有する機械的追跡システムを含む。図6に示すように、アーム241は、触覚装置30のベース32に固着された近位端および患者の大腿骨Fに固定された自由に動く遠位端を有する。または、近位端は、任意の他の適当な場所(たとえば手術台のレール、レッグホルダなど)に固着させてもよいが、好ましくは、アーム241が触覚装置30とともに広域的に動くよう、触覚装置30のベース32に接続される(たとえば直接またはブラケットを介して)。アーム241の遠位端は、大腿骨Fに強固に固定するように適合された固定装置245、たとえば骨ピン、骨ねじ、クランプ、装着性装置、外科ステープルなどを含む。アーム241は、多数の自由度を有するように構成されている。たとえば、一つの態様では、図6に示すように、アーム241は、ジョイント244で接続された複数のリンク242を含む。各ジョイント244は、アーム241のポーズを追跡するための一つまたは複数の位置センサ(図示せず)を組み込んでいる。位置センサは、適当な任意のセンサ、たとえば触覚装置30のアーム33に関連して上記した位置センサを含むことができる。動作中、大腿骨Fが動くと、アームの遠位端が大腿骨Fとともに移動する。位置センサ(および適切なソフトウェア)が、触覚装置30に固定されたアームの近位端に対するアームの遠位端のポーズの計測を出す。このようにして、触覚装置30に対する大腿骨Fの運動が捕捉される。機械的追跡システム240はまた、アーム241と同一であるが、脛骨Tに強固に固着されて、追跡システム240が脛骨Tの運動を追跡することを可能にする第二のアームを含むことができる。このようにして、機械的追跡システム240は、外科システム10が骨の運動を外科的処置中にリアルタイムで検出することができるよう、大腿骨Fおよび脛骨Tを追跡するために使用することができる。外科システム10は、骨運動データを適切なソフトウェアとともに使用して、骨の運動を外科的処置中にリアルタイムで補正することができる。
【００３６】
追跡システム40が機械的追跡システムを含む場合、アーム241を使用して患者の解剖学的構造を位置合わせすることができる。たとえば、ユーザは、アーム241を使用して、第二のアーム(すなわち、アーム241と同一であるが、脛骨Tに固着されているアーム)が脛骨Tの運動を追跡する間、脛骨Tを位置合わせすることができる。位置合わせは、たとえば、アーム241の遠位端の先端を脛骨T上の解剖学的ランドマークに合わせることおよび／または脛骨Tの表面上の点にアーム241の遠位端の先端でタッチする(または「ペイントする」)ことにより、達成することができる。ユーザが脛骨T上のランドマークにタッチする、および／または脛骨Tの表面をペイントすると、外科システム10は、アーム241中の位置センサからデータを取得し、アーム241の先端のポーズを決定する。同時に、第二のアームが脛骨Tの運動に関するデータを提供して、外科システム10が位置合わせ中に骨の運動を考慮に入れることができるようにする。外科システム10は、骨運動データおよびアーム241の先端の位置の知識に基づき、脛骨Tを、コンピューティングシステム20中の患者の解剖学的構造の診断イメージおよび／または解剖学的モデルに対して位置合わせすることができる。同様にして、第二のアームを使用して、アーム241(大腿骨Fに固着されている)が大腿骨Fの運動を追跡する間、大腿骨Fを位置合わせすることもできる。患者の解剖学的構造はまた、たとえば、非機械的追跡システムを追跡されるプローブと併用して(たとえば器具150を器具トラッカ49と併用して)および／または触覚装置30を使用して(たとえば図9の段階S8に関連して以下に記載するとおり)位置合わせすることもできる。
【００３７】
システム問題(たとえばハードウェアまたはソフトウェアに関する問題)が存在する場合、閉塞検出アルゴリズムが遮られた (たとえば図9の段階S11に関連した下記のような)状態を検出した場合、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は、故障状態が存在する可能性がある。一つの態様では、解剖学的構造とツール50の位置、向き、速度、および／または加速度との関係が所望の関係に対応していない場合、外科システム10は、故障信号を発してツール50を動作不能にするようにプログラムされている。一つの態様では、触覚レンダリングアルゴリズムは、触覚装置30によってユーザに与えられる触覚ねじれ(すなわち、力および／またはトルク)に基づいて、所定の閾値を越えたかを決定する。故障信号をトリガする場合がある別の状況は、解剖学的構造の急速な運動が検出された場合である。急速な運動が生じるのは、たとえば解剖学構造がずれるか、または誰かが解剖学的構造に固着された追跡要素にぶつかった場合である。一つの態様では、外科システム10は異なるレベルの故障を有することがある。一つの態様では、外科システム10は、故障信号に応答してツール50を動作不能にし、触覚装置30をフリーモードにする(ブレーキをかけるのではなく)ことにより、アーム33が解剖学的構造を引っ張ったり、応力を加えたりしないようする。このように、外科システム10は、安全でない状態が存在する場合、ユーザがツール50および／またはアーム33を操作することを防ぐことにより、解剖学的構造を破損することを回避する。
【００３８】
一つの態様では、ツールを無効にする機能に基づいて触覚装置30を制御する方法は、(a)触覚装置30の作動を可能にする段階；(b)触覚装置30を操作して患者の処置を行う段階；(c)患者の解剖学的構造と、触覚装置30のツール50の位置、向き、速度、および／または加速度との間の関係が、所望の関係に対応しているかを決定する段階；および(d)関係が所望の関係に対応していない場合、故障信号を発する段階を含む。本方法はさらに、関係に基づいて、触覚装置30を制御するための制御パラメータを実装して、ユーザに少なくとも一つの触覚誘導を提供し、ユーザの外科装置操作を制限することを含む。一つの態様では、外科システム10は、故障信号に応じて触覚装置30の作動を動作不能にし、触覚装置30の一部分を所定位置にロックし、および／または触覚装置10を安全モードにする。安全モードでは、触覚装置30の作動および／または操作が妨害される。
【００３９】
一つの態様では、外科的処置中の対象物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、向き、速度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、ならびに解剖学構造のポーズとツール50の位置、向き、速度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；ならびに(e)解剖学構造の運動および／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。関係は、たとえば、解剖学的構造と、ツール50の位置、向き、速度および／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。一つの態様では関係は、解剖学的構造に対して位置決めされ、インプラントおよび／またはインプラントを設置するための切削面の望ましい場所を表わす仮想対象物またはパラメータによって規定される。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、たとえば位置合わせプロセス(たとえば、図9の段階S8)、座標変換プロセス、およびインプラントプランニングプロセス(たとえば、図13の段階S10およびS13)を用いて達成することができる。一つの態様では、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現の座標系に変換するための第1の変換を規定すること；(b)ツール50の座標系を解剖学的構造の表現の座標系に変換するための第2の変換を規定すること；および(c)関係を、解剖学的構造の表現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現の座標系と関連付けるために、ユーザは、たとえば仮想対象物を、解剖学的構造の画像に対して位置決めすることができる(たとえば、図9のインプラントプランニング段階S10およびS13)。外科的処置中に、外科システム10が対象物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に応じて第1の変換を更新すること、および／またはツール50の運動に応じて第2の変換を更新することを含んでもよい。
【００４０】
外科システム10に触覚レンダリングプロセスを含むことの一つの利点は、触覚レンダリングプロセスが、外科ツールと仮想環境との間の相互作用を可能にすることである。触覚レンダリングプロセスは、たとえば2006年12月27日に出願された米国特許出願第11/646,204号に記載されている触覚レンダリングプロセスを含み、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。たとえば触覚レンダリングプロセスは、一つまたは複数の仮想(または触覚)対象物および物理的ツール50の仮想表現を含む仮想環境を生成することができる。物理的ツール50は、仮想環境および／またはツール50の仮想表現に関連付けられる(たとえば位置合わせされる)。したがって、ユーザが物理的ツール50を操作すると、ツール50の仮想表現は、仮想環境中で仮想対象物と相互作用する。このように、物理的ツール50は仮想環境と相互作用することができる。仮想対象物とツール50の仮想表現との間の相互作用は、点、光線(線)、複数の点、および／またはポリゴンモデルに基づいてもよい。好ましい態様では、外科システム10は、仮想点または触覚相互作用点(HIP)だけが仮想環境中の仮想対象物と相互作用する点ベースの触覚相互作用を使用する。HIPは、触覚装置30上の物理的点、たとえばツール50の先端に一致する。HIPは、仮想ばね／ダンパモデルによって物理的触覚装置30上の物理的点に結合される。HIPが相互作用する仮想対象物は、たとえば、表面707および触覚力法線ベクトルFnを有する触覚対象物705(図20に示す)であることができる。貫入深さdiは、HIPと表面707上のもっとも近い点との間の距離である。貫入深さdiは、触覚対象物705へのHIPの貫入の深さを表す。
【００４１】
外科的処置中、コンピューティングシステム20は、処置を通してユーザを誘導する。たとえば、コンピューティングシステム20は、処置を通して触覚装置30を操作するユーザを誘導するように構成された表示を作り出すようにプログラムすることができる。表示は、たとえば、指定の処置段階に対応する既定のページおよび／またはイメージを含む、表示装置23上に示された画面を含むことができる。表示はまた、一つまたは複数のタスクを実施するようユーザを促すこともできる。たとえば、表示は、ユーザに対し、解剖学的構造の表現上で解剖学的ランドマークを選択するよう指示することもできる(図9の段階S3およびS4に関連して以下に論じる)。一つの態様では、図8に示すように、画面は、処置の現在段階に関連するイメージを表示するためのナビゲーションペイン600、追跡対象物を互いに対して示すための追跡対象物ペイン602、処置の現在段階に関連する情報、たとえば計測データ、エラーデータ、状態情報、選択ボタンなどを表示するための情報ペイン604および処置中の後続段階に進んだり、前の段階に戻ったりするためのペイン606を含むことができる。
【００４２】
外科的処置に関連付けられる表示または画面は、処置に関する視覚的情報をユーザに通信するように構成することができる。たとえば、図8に示すように、ナビゲーションペイン600は、解剖学的構造の表現(たとえば骨のイメージまたは表現)および外科ツール50の表現616を生成し、表示することができる。骨調製プロセスの場合、外科システム10は、ユーザが触覚装置30を操作するにつれ、骨から除去される物質の部分の表現612を生成し、除去される物質の部分の表現612を骨の表現に重ね合わせ、除去される物質の部分の表現612を、ツール50によって実際に除去された物質の部分の表現614で更新することにより、インプラントを受けるように骨を調製する段階を容易にすることができる。ユーザをさらに支援するため、外科システム10は、骨およびツール50が動く場合、骨の表現およびツール50の表現616を更新することができる。一つの態様で、除去される物質の部分の表現612は、骨に関連付けられる(またはそれに位置合わせされた)仮想対象物の部分に対応する。したがって、仮想対象物は、解剖学的構造から除去される物質の部分を表す。たとえば、仮想対象物は、解剖学的構造に装着されるインプラントの表面の形に実質的に一致する形を有することができる(たとえばセメントレスインプラント用途の場合)。セメント合着インプラント用途の場合、仮想対象物は、インプラントと骨との間にセメントマントルのための余地を残すため、インプラントの形よりも大きい形を有することができる。上記の骨調製段階は、たとえば、第一の骨(たとえば脛骨T)に対して実施したのち、第二の骨(たとえば大腿骨F)に対して繰り返すことができる。
【００４３】
コンピューティングシステム20は、ユーザと視覚的に通信することに加えて、可聴信号を発する(たとえば音響装置を介して)ようにプログラムすることもできる。たとえば、一つの態様では、コンピューティングシステム20は、ツール50の切削深さが浅すぎる、ほぼ正しいまたは深すぎることを示す音(たとえばビープ音)を発することもできる。もう一つの態様では、外科システム10は、たとえば、参照により本明細書に組み入れられる米国特許出願第10/621,119号(公開番号US2004/0106916)に記載されているように、ツール50の先端と患者と位置合わせされた触覚対象物の表面との間の距離の可聴指示を提供することもできる。コンピューティングシステム20はまた、触覚装置30を制御して感触フィードバック、たとえばツール50が所望の切削深さに達したまたはそれを超えたことを示す振動をユーザに提供するようにプログラムすることもできる。コンピューティングシステム20のソフトウェアはまた、特定のタスクを実施する、たとえば診断イメージデータセットのイメージをセグメント化する、機械軸を規定するために患者の解剖学的構造上の点を選択する、骨の表面上の点に位置合わせプローブでタッチする(または「ペイント」する)、データ(たとえばインプラントサイズ、バーサイズなど)を入力するなどを実行するよう自動的にユーザを促すプログラムまたはプロセスを含むことができる。
【００４４】
図9は、膝単顆置換の外科プラニングおよびナビゲーションのために外科システム10を使用するプロセスの態様を示す。図9のプロセスは、例示としてのみ意図したものである。他の態様では、特定の外科用途に適した任意の方法でプロセスの段階の順序を再編成してもよい。さらには、他の態様は、図9に示す段階の全部、いくつかまたは部分のみを含むことができ、図9の段階のいずれかを既存および／または後に開発される外科的方法と組み合わせることもできる。図9のプロセスで記載された膝単顆置換処置は膝の内側に対するものである。しかし、同じプロセスを膝の外側に使用することもできる。そのうえ、例示する単顆処置は例を示すに過ぎない。外科システム10はまた、インプラントの設置を伴う膝全置換処置または他の関節置換処置を実施するために使用することもできる。インプラントは、任意のインプラントまたは補てつ具、たとえば膝全インプラント、膝単顆インプラント、モジュラー膝インプラント、他の関節、たとえば股関節、肩、肘、手首、足首および脊椎のためのインプラントおよび／または任意の他の整形外科および／または筋骨格インプラント、たとえば従来材料のインプラントおよびより新規なインプラント、たとえばオーソバイオロジクス、薬物送達インプラントおよび細胞送達インプラントを含むことができる。一つの態様では、インプラントは、それぞれ全体が参照により本明細書に組み入れられる、2005年12月30日に出願され、2006年8月24日に公開された米国特許出願第11/312,741号、または2007年3月9日に出願された米国特許出願第11/684,514号に記載されているようなモジュラー膝インプラントである。
【００４５】
図9の態様では、段階S1〜S4は術前に実施され、段階S5からS14は術中に実施される。段階S1で、患者情報またはデータを外科システム10に入力することができる。段階S2で、術前診断イメージ(たとえばCTデータファイル)を外科システムにロードし、セグメント化する。段階S3で、大腿骨ランドマークを選択する。段階S4で、脛骨ランドマークを選択する。段階S5で、ホーミングプロセスを触覚装置30に対して実施して触覚装置30のアーム33中の位置センサを初期化する。段階S6で、位置合わせプローブの較正を検証する。段階S7で、解剖学的構造トラッカ43aおよび43bを患者に取り付ける。段階S8で、患者解剖学的構造を位置合わせする。段階S9で、触覚装置30を較正する。段階S10で、脛骨インプラント(たとえば図7Bに示す脛骨構成部74)の初期配置をプラニングする。初期配置の深さは、脛骨プラトー軟骨の表面上で選択される点によって誘導し、段階8で計算された位置合わせを使用して表示装置23上のプラニング画面に移すことができる。段階S11で、脛骨Tを調製または彫刻する。段階S12で、脛骨試行インプラントを脛骨Tの調製面に装着する。段階13で、たとえば、脚の種々の屈曲における脛骨試行インプラントの位置に関連する点を使用して、大腿骨インプラント(たとえば図7Aに示す大腿骨構成部72)の初期配置をプラニングする。段階S14で、大腿骨Fを調製または彫刻する。段階S15で、大腿骨試行インプラントを大腿骨Fの調製面に装着する。大腿骨構成部72および脛骨構成部74を設置する前に、ユーザが大腿骨および脛骨試行インプラントの装着を評価し、任意の所望の調節を加える(たとえばインプラントプラニングおよび／または骨彫刻を繰り返す)試行整復プロセスを実施する。
【００４６】
さらに詳しく図13の段階を注目すると、段階S3およびS4で、ユーザが、第一の骨の表現および第二の骨の表現上にランドマークを指定する。たとえば、段階S3で、ユーザは、大腿骨Fのイメージ上に大腿骨ランドマークを指定することができる。大腿骨ランドマークは、外科システム10により、患者の物理的解剖学的構造をその解剖学的構造の表現(たとえば診断イメージ、セグメント化から作り出したモデル、解剖学的モデルなど)に関連付ける(または位置合わせさせる）ために使用される。一つの態様では、ユーザは、表示イメージ上でマウスまたはタッチスクリーンを使用して大腿骨ランドマークを選択することができる。もう一つの態様では、コンピュータを、たとえば診断イメージ中の示差的特徴を見つけるように設計されたアルゴリズムを使用してイメージ上の大腿骨ランドマークの場所を決定するようにプログラムすることもできる。
【００４７】
同様に、段階S4で、ユーザは、脛骨Tのイメージ上で脛骨ランドマークを指定することができる。脛骨ランドマークは、外科システム10により、患者の物理的解剖学的構造をその解剖学的構造の表現(たとえば診断イメージ、セグメント化から作り出したモデル、解剖学的モデルなど)に関連付ける(または位置合わせさせる)ために使用される。図20〜23に示すように、外科システム10は、脛骨ランドマークを指定する際にユーザを誘導するための画面それぞれ83a、83b、83cおよび83dを作り出す。たとえば、外科システム10は、内果、外果、回旋ランドマークおよび膝中心を指定するようユーザに指示することができる。一つの態様では、ユーザは、表示イメージ上でマウスまたはタッチスクリーンを使用して脛骨ランドマークを選択することができる。もう一つの態様では、コンピュータを、たとえば診断イメージ中の示差的特徴を見つけるように設計されたアルゴリズムを使用して脛骨ランドマークを決定するようにプログラムすることもできる。
【００４８】
段階S5で、ホーミングプロセスが触覚装置30の位置センサ(たとえばエンコーダ)を初期化してアーム33の初期ポーズを決定する。ホーミングは、たとえば、各ジョイントエンコーダがそのエンコーダ上のインデックスマークが読み取られるまで回転するようにアーム33を操作することによって達成することができる。インデックスマークは、ジョイントの既知の絶対位置に相関するエンコーダ上の絶対的基準である。したがって、ひとたびインデックスマークが読み取られると、触覚装置30の制御システムは、ジョイントが絶対的位置にあることを知る。アーム33が動き続けると、エンコーダの絶対位置およびその後の変位に基づいてジョイントの後続位置を算出することができる。外科システム10は、ユーザがアーム33を配置すべき位置に関する指示を提供することにより、ホーミングプロセスを通してユーザを誘導することができる。指示は、たとえば、アーム33を移動させるべき位置を示す、表示装置23上に表示されたイメージを含むことができる。
【００４９】
段階S6で、器具(たとえば器具150のような位置合わせプローブ)をチェックしてその器具が較正されていることを検証する。たとえば、段階S6は、位置合わせプローブが正しい物理的解剖学的構造を有していることを検証するために使用することができる。器具トラッカ49に関連して先に論じたように、器具トラッカ49を含むプローブの較正は、プローブの先端をエンドエフェクタトラッカ47のくぼみ47aに挿入し、先端を所定位置に保持し、器具トラッカ49およびエンドエフェクタトラッカ47を検出装置41で検出することによって達成することができる。検出装置41がポーズデータを取得し、外科システム10がトラッカ49と47との間の実際の幾何学的関係をトラッカ49と47との間の予想された幾何学的関係と比較する。実際の幾何学的関係と予想された幾何学的関係との間の逸脱が、プローブの一つまたは複数の物理的パラメータが較正を逸していることを示す。図10に示すように、検証プロセス中、外科システム10は、プローブ、器具トラッカ49およびエンドエフェクタトラッカ47の図による表現を示す画面84を表示装置23上に表示することができる。
【００５０】
段階S7で、外科システム10は、解剖学的構造トラッカ43aおよび43bを患者に取り付けるようユーザを促す。図11に示すように、外科システム10はまた、ユーザが検出装置41に対する追跡対象物の位置決めを最適化することを可能にする画面85を作り出すことができる。たとえば、画面85は、検出装置41の表現85aおよび検出装置41の視野の表現85bを含むことができる。画面はまた、解剖学的構造トラッカ43aの表現F1、解剖学的構造トラッカ43bの表示T1、触覚装置トラッカ45の表現Hおよび／または検出装置41の視野85aに対する任意の他の追跡可能要素の表現を表示することができる。一つの態様では、表現F1、T1およびHそれぞれは、ユーザが追跡対象物それぞれの間で区別することができるよう、異なる色で表示される。もう一つの態様で、表現F1、T1およびH1は、追跡対象物が検出装置41の視野の境界の近くに来た場合、異なる色に変化することもできる。このようにして、ユーザは、追跡対象物が検出装置41の視野の中に十分に位置しているかどうかを決定することができる。
【００５１】
一つの態様では、ひとたび解剖学的構造トラッカ43aおよび43bが取り付けられると、膝関節の可動域(ROM)が捕捉される(たとえば膝関節をROMで動かす間に追跡システム40によって解剖学的構造トラッカ43aおよび43bを追跡することによって)。捕捉されたROMデータは、大腿骨および脛骨インプラントの相対的配置を評価するために使用することができる。このようにして、任意の骨を切削する前に両方のインプラントのための包括的配置プラニングを実施することができる。ROMデータはまた、大腿骨インプラントと脛骨インプラントとの相対位置を、伸展状態、屈曲状態および伸展状態と屈曲状態との間の様々な角度で、表示装置23上に表示するために使用することもできる(たとえばインプラントプラニング段階S10およびS13中)。
【００５２】
解剖学的構造トラッカ43aおよび43bが患者に固定されたのち、プロセスは段階S8に進み、そこで、患者の物理的解剖学的構造がその解剖学的構造の表現に位置合わせされる。言い換えると、物理的解剖学的構造は、画像空間に位置合わせされる。たとえば、患者の大腿骨Fおよび脛骨Tは、標準的なやり方で、段階S3およびS4でそれぞれ指定した大腿骨および脛骨ランドマークに基づく対合点／面適合手法を使用して位置合わせすることができる。外科システム10は、位置合わせプロセスを通してユーザを誘導するための画面を作り出す。たとえば、画面86a(図12)は、ユーザに対し、大腿骨Fを回旋させて脚Lの股関節の中心を見いだすよう指示する。一つの態様では、外科システム10は、大腿骨Fの回旋中に解剖学的構造トラッカ43aの運動に基づいて大腿骨Fのピボット点の中心を決定することにより、股関節中心を決定する。画面86b、86c、86d、86eおよび86f(それぞれ図27、28、29、30および31に示す)は、ユーザに対し、位置合わせプローブを種々の解剖学的構造ランドマーク(たとえば内果、外果、内側上顆、外側上顆、前十字靱帯(ACL)アタッチメントの後縁など)にポイントし、ランドマークを選択するよう指示する。たとえば、ユーザは、追跡される位置合わせプローブの先端を該当するランドマークに置き、フットペダルまたは他の入力装置25によってそのランドマークを選択することができる。ユーザがランドマークを選択すると、検出装置41が、位置合わせプローブのポーズに関連するデータを取得し、そのデータを使用してランドマークの場所を算出する。診断画像におけるランドマークポーズデータおよびランドマーク指定(段階S3およびS4)に基づき、外科システム10は、患者上の物理的ランドマークと診断イメージ中のランドマークとの間の対応を決定することにより、物理的解剖学的構造を診断イメージに位置合わせする。このランドマークベースの位置合わせの精度は、大腿骨Fおよび脛骨Tのための表面データを取得することによって改善することができる。たとえば、外科システム10は、ユーザに対し、大腿骨Fの遠位端の表面上の点に位置合わせプローブでタッチする(または「ペイント」する)よう指示する画面86g(図18)を生成することができる。ユーザが表面をペイントすると(たとえば位置合わせプローブの先端を切開部128に挿入することにより)、外科システム10は、プローブ先端の位置を定期的に取得し、取得した先端位置を画面86g上にドット900として表示する。軟骨で覆われた骨表面の場合、鋭いプローブを使用して軟骨を穿刺し、骨の表面上の点(軟骨の表面上の点ではない)を収集することができる。同様に、外科システム10は、画面86h(図19)を作り出し、ユーザに対し、脛骨Tの近位端の表面を位置合わせプローブでペイントするよう指示する。ユーザが表面をペイントすると(たとえばプローブの先端を切開部128に挿入することにより)、外科システム10は、プローブ先端の位置を定期的に取得し、取得した先端位置を画面上にドット900として表示する。大腿骨の場合と同様、鋭いプローブを使用して任意の軟骨を穿刺し、骨の表面上の点(軟骨の表面上の点ではなく)を収集することができる。さらには、フック付きプローブを使用して、脛骨プラトーの後縁における点の収集を容易にすることもできる。段階S8の位置合わせプロセ���の結果は、物理的な解剖学的構造の座標系を、解剖学的構造の表現の座標系に関係させる位置合わせ変換である。
【００５３】
好ましくは、段階S8は、解剖学的構造上の少なくとも一つのインタフェースを規定すること、および基準座標フレーム中のインタフェースのチェックポイントの位置を決定すること、たとえば位置合わせプローブがインタフェースに接している場合にチェックポイントをデジタル化することを含む。インタフェースは、たとえば、患者の骨の上の彩色部分、骨に作られたくぼみ、または骨に配置された機械的インタフェースであってもよい。外科的処置の間、ユーザは、外科システム10が正しく構成されていることをチェックポイントによって検証することができる。たとえば、ユーザは、ツール50の先端をインタフェースにタッチさせて、追跡システム40が正しく構成されている(たとえば、追跡要素が遮られず、解剖学的構造および／または触覚装置30に対して依然として正しく整列されている)こと、ツール50が正しく設置されていること(たとえば正しく据えられ、シャフトが曲がっていないなど)、および／または任意の他の物体が正しく据付け、設置、較正などをされていることを確認することができる。このように、チェックポイントによって、外科システム10は、ツール50の先端を患者の解剖学的構造に関連づけることに関与するすべての要素が較正された状態を維持すること、および追跡要素が正しく更新されていることを確認することが可能になる。
【００５４】
一つの態様では、チェックポイントは以下のように確立される。段階S8では、股関節の中心を位置付けた(図12の画面86a)後であって、任意のランドマークを収集する(図13の画面86b)前に、ユーザは、解剖学的構造上に、二つの基準点(またはチェックポイント)を規定することができる二つのインタフェース―大腿骨Fに関連した第1のチェックポイントを規定するための大腿骨F上の第1のインタフェース、および脛骨Tに関連した第2のチェックポイントを規定するための脛骨T上の第2のインタフェースを指定する。各インタフェースは、位置合わせプローブによってアクセス可能であるが、外科的処置の間は除去される骨の一部に位置付けないように置かれるべきである。インタフェースを、たとえば骨にメチレンブルー(または他の臨床用マーキング製品)でマーキングすることにより、骨に小さな(たとえば直径約1mmの)くぼみを(たとえばドリルビットを用いて)生成することにより、および／または骨の上に一時的な基準マーカ(または機械的インタフェース)を埋植することにより確率することができる。インタフェースが骨の上のマーキングまたはくぼみである場合、インタフェース自体がチェックポイントを含む解剖学的基準点である。対照的に、インタフェースが機械的インタフェースである場合、チェックポイントは、機械的インタフェース510に関して下記に記載されるような、位置合わせプローブの機械的インタフェースとの係合に基づいて規定されるデータムである。一つの態様では、外科システム10が、大腿骨F上の第1のインタフェースを同定する(たとえば、触れるまたは接触する)ようにユーザに指示する画面186a (図21に示す)を表示する。ユーザが位置合わせプローブの先端で第1のインタフェースに接触すると、外科システム10は第1のチェックポイントをデジタル化し、解剖学的構造トラッカ43aの座標空間中に点を確立する。外科システム10はまた、正確に第1のチェックポイントを捕捉することを保証するために、第1のインタフェースを検証する(すなわち再接触する)ようにユーザに指示してもよい。かつ、外科システム10は、脛骨T上の第2のインタフェースを同定する(たとえば、タッチするかまたは接触する)ようにユーザに指示する画面186b (図22に示す)を表示する。ユーザが位置合わせプローブの先端で第2のインタフェースに接触すると、外科システム10が第2のチェックポイントをデジタル化し、解剖学的構造トラッカ43bの座標空間に点を確立する。外科システム10はまた、正確に第2のチェックポイントを捕捉することを保証するために、第2のインタフェースを検証する(または再接触する)ようにユーザに指示してもよい。第1および第2のチェックポイントを確立した後、ユーザは、ランドマークを選択し、大腿骨Fおよび脛骨Tの表面を彩色することにより(段階S8に関連した上記ように)、位置合わせを進める。所望ならば、第1および第2のチェックポイントを画像空間に変換し(たとえば、段階S8で得られた位置合わせ変換を用いて)、表示装置23に表示して、位置合わせの成功の評価を支援してもよい。
【００５５】
別の態様によれば、インタフェースは、解剖学的構造に固着されるように構成された部分および器具を係合するように構成された部分を有する機械的インタフェースである。たとえば、機械的インタフェースは、バー、ルータ、プローブおよび／またはその他と係合するように構成することができる。機械的インタフェースの一つの利点は、機械的インタフェースが骨および骨座標系に対して安定することである。したがって、機械的インタフェースは、チェックポイントに対して器具、たとえばプローブ／バーを高度に繰返し可能に位置決めすることを可能にすることにより、チェックポイントの検証手順を改善することができる。さらに機械的インタフェースは都合のよいことには、体液または組織によって不明瞭にされず、また探索の繰り返しによって変形されないので、正確な検証を提供することができる。
【００５６】
一つの態様によれば、外科システム10は、機械的インタフェースを用いて器具の位置を決定することができる。そのような段階により、器具が患者の解剖学的構造に対して正しい位置にあるかを検証することができ、および器具が正しいサイズであるかを検証することができる。そのような検証段階は、システムが意図した通りに動いているか、および／または正しく用いられているかを決定するために有用な情報を、患者の解剖学的構造に任意の復元できない切削がなされる前に、ユーザに迅速に提供することができる。機械的インタフェースのチェックポイントの位置を、上記のデジタル化段階で記載されたように、位置合わせプローブなどによってデジタル化することができる。さらに、外科的処置の間、機械的インタフェースのチェックポイントの位置を繰り返し検証することができる。さらなる例では、異なるサイズの器具を機械的インタフェースに接触させて、器具の先端(たとえば、器具が鋭いプローブ、鈍いプローブ、またはルータの場合)または器具の先端の中心(たとえば、器具がバーである場合)とチェックポイントとの間の距離が、所定の許容差より小さいかを決定することができる。機械的インタフェースのチェックポイントは、任意の適当なデータム、たとえば、機械的インタフェースの一部分(たとえば表面)、機械的インタフェースの一部分に対して規定されたデータム、または機械的インタフェースに係合された器具に対して規定されたデータムであることができる。たとえば、データムは機械的インタフェースの表面に対して規定された点、線、または平面であってもよい。しかし、データムは好ましくは、プローブが機械的インタフェースの「底に達した」(すなわち、可能な限り挿入された)場合のプローブの先端の場所、たとえば図24 (鈍いプローブ600の場合)に示されるデータムDb、または図28 (鋭いプローブ640の場合)に示されるデータムDs、によって規定される。一つの態様では、機械的インタフェースと器具を接触させることによって、外科ツールの位置がチェックポイント(あるいはデータム)の位置に対して予想された対応を有しているか否かを検証することができる。対応している場合には、患者の解剖学的構造をバーなどの器具に関連付けることに関する全ての段階が正しく確立され、また全ての追跡装置が正確に更新されている。
【００５７】
一つの態様によれば、外科システム10は、機械的インタフェースから集められた情報等について様々な試験を行うように構成できる、チェックポイント検証システムを含むことができる。たとえば、チェックポイント検証システムは、3つの条件：1)骨トラッカ(たとえば、解剖学的構造トラッカ43a、43b)が動いてしまっていないか、2)エンドエフェクタ上の器具、たとえばバー(すなわち外科ツール50)の位置が正しいか、および3)器具、たとえばバーが正しいサイズかについて試験することができる。さらなる態様によれば、チェックポイント検証システムは、実際のオフセット(器具の先端または器具の先端の中心と、機械的インタフェースのチェックポイントとの間の距離)を、理想的なオフセット(3つの条件がすべて満たされる場合の、器具の先端または器具の先端の中心の予想される(あるいは理想の)位置と、機械的インタフェースのチェックポイントとの間の所定の距離)と比較する。所定の距離は、機械的インタフェースおよびツール先端の既知の形状から算出される。3つの条件がすべて満たされる場合は、実際のオフセットと理想的なオフセットの間の差が所定の閾値より低くなければならない。たとえば、所定の1.0mmの閾値を用いて、3つの条件がすべて満たされることを検証することができる。
【００５８】
一つの態様によれば、一旦機械的インタフェースが患者の解剖学的構造の一部分に固着されると、機械的インタフェースのインタフェース部に、器具、たとえば尖っていないプローブまたはバーを挿入することができる。たとえば、機械的インタフェースのインタフェース部は、器具と係合するように構成されたくぼみまたはインタフェース面を含むことができる。
【００５９】
図23Aは、一つの態様による機械的インタフェース500の断面図である。図23Bは、図23Aに示した領域Aの拡大図である。図23Bの例に示すように、機械的インタフェース500は、器具と係合するように構成されたインタフェース510またはくぼみを含むことができる。特に、インタフェース510は、器具と係合するように構成されたインタフェース面520を含むことができる。都合のよいことには、インタフェース面520は、器具を機械的インタフェース500のインタフェース510内に位置決めすることができ、それによって、機械的インタフェース500の位置、器具のサイズ、および本明細書に記載された他の特徴を正確に決定することを提供する。たとえば、インタフェース面520は円錐形または裁頭円錐形（frustconical）の表面であることができる。異なるサイズの器具の場所が、検出されるために十分に有意な程度変化することができるという点で、そのようなインタフェース面構成は、機械的な増幅器として働くことができる。異なるサイズの器具の場所はそれほど変化するため、チェックポイント検証システムは、機械的インタフェース500のインタフェース510内に、どの特定の器具、たとえばバーまたはプローブが据えられているかを決定することができる。
【００６０】
インタフェース510、すなわち機械的インタフェースのくぼみ510を、器具(プローブ等)の先端がインタフェースすなわちくぼみの中の所定の場所で「底に達する」ように、設計することができる。器具が底に達するように、外科医は、器具がしっかり止まって、それ以上挿入することができなくなるまで、器具の先端を機械的インタフェース510に挿入する。かつ、その所定の三次元の場所が、骨トラッカ(解剖学的構造トラッカ43a、43b等)の物理的空間における基準である、確立されたチェックポイントとなる。機械的インタフェースの場所が骨トラッカに対して既知であるため、器具の先端の位置、したがってチェックポイント(またはデータム)の位置もまた、骨トラッカ、触覚誘導システム、器具の形状、および器具の据付けを通じて既知である。一旦チェックポイントが確立されれば、外科用バー等の他の器具を機械的インタフェース510へ挿入し、器具の先端または先端の中心の位置を決定して、チェックポイントの位置と比較することができる。具体的には、機械的インタフェースのチェックポイントの位置と、器具の位置、たとえば器具の先端の位置または器具の先端の中心の位置との間の距離を算出することができる。この算出された距離が所定値より短い場合は、チェックポイント検証システムは、外科的処置が相応に進んでいると決定する。そうでない場合は、外科システム10は、オペレータに対する警告、たとえば視覚的警告、音響的警告、または任意の他の公知技術の警告を提供するように構成することができる。たとえば、チェックポイントの位置と器具の位置との間の距離の算出を用いて、解剖学的構造トラッカの任意の動きを検証し、機械的インタフェース位置合わせ精度を検証し、触覚誘導システムを較正し、器具がエンドエフェクタ中に正しく据え付けられていることを検証し、および／または正しい器具が据え付けられていることを検証することができる。さらなる例において、機械的インタフェースを、マーカのアレイの動きを検証するために用いることができる。もしアレイが動かされていた場合、新しくデジタル化された機械的インタフェースは、機械的インタフェースが最初にデジタル化された場合の場所とは異なる場所にあるように見える。これらの場所の間の距離が(たとえば、約2.00mmのような)所定の閾値より大きい場合は、アレイが動いたと考えられ、患者の解剖学的構造のその部分、たとえば骨の位置合わせを繰り返されなければならない。
【００６１】
一つの態様によれば、機械的インタフェース500のインタフェース510を、様々な器具との係合に適当である寸法を有するように構成することができる。たとえば、図23Aの例に示すように、機械的インタフェース500のインタフェース510を、約2.0〜3.0mm、またはより好ましくは約2.5〜3.5mm、もしくはより好ましくは約3.0mmの寸法X1；約0.5〜2.5mm、またはより好ましくは約1.0〜2.0mm、もしくはより好ましくは約1.5mmの寸法X2；約1.0〜3.0mm、またはより好ましくは約1.5〜2.5mm、もしくはより好ましくは約2mmの寸法X3；約110°〜130°、またはより好ましくは約115°〜125°mm、もしくはより好ましくは約118°の角度D1；約50°〜70°、またはより好ましくは約55°〜65°、もしくはより好ましくは約60°の角度D2を有するように構成することができる。
【００６２】
図24は、一つの態様による、機械的インタフェース500のインタフェース510内に挿入された鈍いプローブ600の断面図を示す。図24の例に示すように、鈍いプローブ600は、機械的インタフェース500のインタフェース510に挿入されて、鈍いプローブ600が底に達するように鈍い構成することができる。鈍いプローブ600が底に達した場合の鈍いプローブ600の先端の場所を、データムDbなどのチェックポイントを規定するために用いてもよい。データムDbは、たとえば、機械的インタフェース500のインタフェース510の表面から距離X4に位置付けてもよい。一つの態様では、距離X4は、鈍いプローブ600に対して、約1.00〜3.00mm、またはより好ましくは約1.50〜2.50mm、もしくはより好ましくは約1.88mmであることができる。鈍いプローブ600の先端の位置(すなわち、データムDb)は、以下に記載されるように、他の器具への距離を決定し、かつ器具同士を区別するために用いることができる確立したチェックポイントとなるであろう。鈍いプローブ600の先端によって測定されるチェックポイント(データムDb)と、チェックされているツールの先端または先端の中心との間の実際の距離は、上記のように決定され、所定の値または理想的なオフセットと比較される。上記のように、そのような所定値は鈍いプローブ600の寸法およびインタフェース510の寸法に依存することができる。または、鈍いプローブ600の代わりに、鋭いプローブ640を用いてチェックポイントを確立してもよい。鋭いプローブ640を用いて確立されたチェックポイントは、データムDsに対応し、それは図28に示すように、機械的インタフェース510の中で鋭いプローブ640が底に達した場合の、鋭いプローブ640の先端の場所である。
【００６３】
鈍いプローブ600、および鈍いプローブ600が機械的インタフェース510中で底に達することにより確立されたチェックポイント(基準面Dbによって表わされる)と比較して、器具、たとえばバーは、異なる寸法を有するように構成して、異なる寸法の器具が、チェックポイントと器具上の一つの位置との間で異なる距離を持つようにすることができる。たとえば、機械的インタフェース510は、インタフェース510中へ1mmのバーを鈍いプローブ600よりも深く、たとえば、約0.10〜0.30mm深く、またはより好ましくは約0.26mm深く挿入することができるように構成することができる。同様に、機械的インタフェース510は、機械的インタフェース510中に、2mmのバーを鈍いプローブ600と同じ程度  深く挿入できないように構成することができる。たとえば2mmのバーは、約1.28mm浅くてもよい。1mmのバーと2mmのバーとは、機械的インタフェース510の異なる場所で底に達するので、それらは、確立されたチェックポイントから異なる距離を有する。別の例では、図25は、一つの態様による機械的インタフェースのインタフェース510の中に挿入された6mmのバー610の断面図を示す。6mmのバー610の位置、たとえば6mmバーの610の先端の中心から、鈍いプローブ600の先端に対応する位置合わせされたチェックポイント(データムDbによって表わされる)までの距離X5が決定される。次に距離X5は、所定値または理想的なオフセットと比較される。距離X5と所定値との比較を用いて、機械的インタフェースの位置、器具のタイプまたはサイズ、解剖学的構造トラッカの動き、および上記の他の情報に関する情報を提供することができる。さらなる態様によれば、距離X5は、約3.50〜5.50mm、またはより好ましくは約4.00〜5.00mm、もしくはより好ましくは約4.49mmであることができる。
【００６４】
図26は、一つの態様による機械的インタフェースのインタフェース510に挿入された2mmのバー620の断面図を示す。2mmのバー620の位置、たとえば2mmのバー620の先端の中心から、鈍いプローブ600の先端に対応する位置合わせされたチェックポイント(データムDbによって表わされる)までの距離X6が決定される。次に距離X6は、所定値または理想的なオフセットと比較される。距離X6と所定値との比較を用いて、機械的インタフェースの位置、器具のタイプまたはサイズ、解剖学的構造トラッカの動き、および上記の他の情報に関する情報を提供することができる。さらなる態様によれば、距離X6は、約0.50〜2.00mm、またはより好ましくは約0.75〜1.75mm、もしくはより好ましくは約1.28mmであることができる。
【００６５】
図27は、一つの態様による、機械的インタフェースのインタフェース510に挿入されたルータ630の断面図を示す。たとえば、ルータ630は1.2mmのルータであることができる。ルータ630の位置、たとえばルータ630の先端から、鈍いプローブ600の先端に対応する位置合わせされたチェックポイント(データムDbによって表わされる)までの距離X7が決定される。次に距離X7は、所定値または理想的なオフセットと比較される。距離X7と所定値との比較を用いて、機械的インタフェースの位置、器具のタイプまたはサイズ、解剖学的構造トラッカの動き、および上記の他の情報に関する情報を提供することができる。さらなる態様によれば、距離X7は、約0.05〜0.35mm、またはより好ましくは約0.15〜0.25mm、あるいはより好ましくは約0.21mmであることができる。
【００６６】
図28は、機械的インタフェースのインタフェース510に挿入された鋭い先端を有するプローブ640の、別の態様の断面図を示す。プローブ640は先端が鋭いため、機械的インタフェースのインタフェース510に、プローブをより深く挿入することが可能である。したがって、より鋭い形状のプローブは、鈍い先端形状を有するプローブよりもインタフェース510の底部に接近して位置合わせされた、プローブのチェックポイントを提供する。機械的インタフェースのインタフェース510の底により近くに対応し、プローブの先端に対応する位置合わせチェックポイントを所望する場合、そのような鋭い先端形状を用いることができる。一つの態様では、チェックポイント(データムDsによって表わされる)を確立するために鋭いプローブ640を用いる場合は、鈍いプローブ600の先端とデータムDsとの間の距離は約0.5mmであり；1mmのバーの先端の中心とデータムDsとの間の距離は、約0.24mmであり；2mmのバーの先端の中心とデータムDsとの間の距離は、約1.78mmであり；および6mmのバーの先端の中心とデータムDsとの間の距離は、約4.99mmである。
【００６７】
いくつかの器具は、それらの形状のために、他の器具との区別が容易である。たとえば、6mmのバーは最大のオフセットを有するため、6mmのバーは、より似ているオフセット値を有する他のバーと区別するのが最も簡単である。さらなる態様によれば、機械的インタフェースのインタフェースは、理想的オフセット間の差を増大させて、チェックポイント検証手順が様々なバーを区別する能力が増大するように設計することができる。
【００６８】
一つの態様によれば、機械的インタフェースは、切開口を閉じる前に機械的インタフェースを除去することを外科医に気付かせるための機能を含むことができる。たとえば、縫合糸を機械的インタフェースに取り付けて、切開口の外に伸びている縫合糸の残りの長さが、外科医に切開口を閉じる前にチェックポイントを除去する合図として役立つようにすることができる。別の例では、チェックポイントを除去するように書かれた外科用テープを機械的インタフェースに取り付けることができるか、または患者に固着された任意のチェックポイントを除去することを外科医に気付かせる警告スクリーンを備えることができる。
【００６９】
図29は、一つの態様による、患者の大腿骨に嵌入するように構成された機械的インタフェース530の側面図を示す。そのような機械的インタフェース530を用いて、患者の大腿骨上に基準点を確立することができる。大腿骨用機械的インタフェース530は、軟組織への衝突を最小限にするような低いプロファイルを有するように構成することができる。たとえば、機械的インタフェース530は、ヘッド部540および大腿骨中へ挿入するための柱部550を含むことができる。たとえば、図29の例に示されるように、ヘッド部540は丸いフランジの上に四角のヘッドを含むことができ、柱部550は、骨の中へ機械的インタフェース530を挿入することを容易にするためのねじを含むことができる。図30は、機械的インタフェース530のヘッド部540内のインタフェース510をより明白に示す角度からの、大腿骨機械的インタフェース530の側面図を示す。図30の例で示されるように、大腿骨機械的インタフェース530のインタフェース510は、ヘッド部540側(ヘッド部540の上面の反対側)に位置付けて、外科的処置中にインタフェース510へのより容易なアクセスを可能にするように構成することができる。インタフェース510は、本明細書に記載される任意の態様によって構成することができる。
【００７０】
図31は、患者の脛骨に嵌入するように構成された機械的インタフェース560の側面図を示す。そのような機械的インタフェース560を用いて、患者の脛骨上に基準点を確立することができる。機械的インタフェース560は、ヘッド部570および脛骨の中へ挿入するための柱部550を含むことができる。脛骨の機械的インタフェース560は、軟組織への衝突を最小限にするような低いプロファイルに構成することができる。たとえば、図31の例に示されるように、ヘッド部570は丸いフランジの上に平らなヘッドを含むことができ、柱部550は、骨の中へ機械的インタフェース560を挿入することを容易にするためのねじを含むことができる。図32は、機械的インタフェース560のヘッド部570内のインタフェース510をより明白に示すための、脛骨機械的インタフェース560の平面図を示す。インタフェース510は、本明細書に記載される任意の態様によって構成することができる。
【００７１】
図33は、一つの態様による嵌入／抜去ツール700の平面図を示す。図33の例に示されるように、嵌入／抜去ツール700は、機械的インタフェース530、560の四角のヘッド部540、570に適合させて、機械的インタフェース(またはチェックポイント)を骨へ「ねじ込む」、またはその骨から「外す」ことができるように構成された四角いシャフト710を有することができる。たとえば図33に示すように、シャフト710の端は、長さ約6mmの、シャフト710の端に延びるスロット720を含む雌部を有することができる。雌部はまた、切り込まれた形体を含んでもよい。手術中に外科医は、嵌入／抜去ツール700を、側面からチェックポイント530および560の上を滑動させて、チェックポイント530、560の丸いフランジが切り込まれた形体と係合させることができる。外科医は、嵌入／抜去ツール700中に保持された機械的インタフェース530、560を用いて、チェックポイント530、560の先端を骨の挿入部位上に位置決めし、槌で嵌入／抜去ツール700の反対端の嵌入パッドを打ち、機械的インタフェース530、560を骨に打込むことができる。また、スロット720は、挿入中に外科医が機械的インタフェース530の向きを見ることができるような「窓」として働くことができる。機械的インタフェース530、560を除去するために、外科医は上記のように嵌入／抜去ツール700を機械的インタフェースと係合させ、機械的インタフェース530、560を骨から外すことができる。
【００７２】
一つの態様によれば、機械的インタフェースは、整形外科装置に通常用いられる材料、たとえば316L SST、17-4PH SST、Ti6AL4V (チタン合金)、チタンCP (工業用純チタン)で作成することができる。または、機械的インタフェースを生体吸収性材料で作成し、チェックポイントを患者中に残して、結局は患者の身体に吸収されるようにすることができる。たとえば、使用後に機械的インタフェースのヘッドを破砕し、柱部をその場に残して骨に再吸収されるようにすることができる。
【００７３】
上記の態様によれば、機械的インタフェースを骨に固着する場合、機械的インタフェースの向きは既知ではない。機械的インタフェースの向きを決定する一つの方法は、機械的インタフェースのインタフェースまたはくぼみの長軸の向きを決定することである。しかし、機械的インタフェースが追跡されない場合、くぼみの軸は不明である。対照的に、くぼみ47Aの軸の場所(上のエンドエフェクタトラッカ47の考察に記載)は、エンドエフェクタトラッカ47上の反射性球体S4の形状を基準として分かる。球体S4はカメラによって追跡され、また球体S4と軸の間の相対的な形状が分かっているので、くぼみ47Aの軸の向きが分かる。
【００７４】
一つの態様によれば、機械的インタフェースは、機械的インタフェースの向きを、たとえば機械的インタフェースのくぼみの軸を決定することによって決定することができるように構成することができる。機械的インタフェースの向きが分からない場合、検証プロセスは、機械的インタフェースと係合している器具、たとえばプローブの先端またはバーの先端の中心が、鈍いまたは鋭いプローブを用いて先に確立されたチェックポイントから、ほぼ「理想的な」距離にある場合に限り試験する。機械的インタフェースの向きが分からないので、器具の先端または先端の中心の予想される場所が分からず、したがって、器具の先端または先端の中心の確立されたチェックポイントからの理想的な距離のみが(機械的なくぼみの形状に基づいて)分かる。器具の先端または先端の中心の予想される場所(確立されたチェックポイントからの距離のちょうど反対である)を計算するために、機械的インタフェースのインタフェースの向きが分からなければならないるかまたはこの向きを推定しなければならない。たとえば、プローブの先端に対するチェックポイントが確立されている場合、機械的インタフェースのインタフェースの向きを、鈍いまたは鋭いプローブの向きから決定することができる。または、機械的インタフェースのインタフェースを再設計して、インタフェースが特別に設計されたプローブのための嵌合面を有し、インタフェースの向きを精密に決定できるような方法で、プローブをインタフェースの中に据えることができる。別の例によれば、機械的インタフェースを追跡して、その向きを知ることができる。しかし、機械的インタフェースは、任意の軟組織に、または外科的処置の間に用いられる器具に干渉しないように、十分に小さくなければならないので、機械的インタフェースを追跡するのは困難である。このように、機械的インタフェースを追跡するための反射性球体を加えることは、球体によって機械的インタフェースが大きくなるため、非実用的である。しかし、機械的インタフェースを、電磁システムまたは無線周波数システム等の非光学追跡システムで、またはRFIDセンサ等のセンサで、もしかすると追跡することができる可能性がある。
【００７５】
一旦インタフェースまたはくぼみの向きが分かるかまたは推定されると、バーの先端の中心(すなわちバーの中心)の予想される場所は、一次方程式
Cb = Cp + (O*Ad)、
によって計算することができ、ここで、Cbはバーの中心の場所であり、Cpはプローブによって選ばれるチェックポイントであり、Oは、バーの中心に対するオフセット(機械的インタフェースのインタフェースの形状により与えられる)であり、Adは、くぼみの中心軸を規定し、くぼみのベースから上端を指すベクトルである。次に、バーの中心の「予想される場所」を、バーの中心の実際の場所と直接比較することができる。
【００７６】
一つの態様によれば、機械的インタフェースは、機械的インタフェースに関する情報を提供するように構成された、少なくとも一つの特徴を含むことができる。特徴は、検出装置によって検出されるように構成されることができ、その特徴によって提供される情報は、たとえば、位置、向き、サイズ、識別情報(たとえば部品番号)、および／または、機械的インタフェースに関する任意の他の有用な情報を含んでもよい。たとえば、手術中、特徴は、機械的インタフェースに対する基準点またはデータム(たとえば、形、曲線、点、軸、その他)として機能することができる。このように、特徴は、機械的インタフェースの位置および／または向きを算出するかまたは決定するための根拠として用いてもよい。このように、特徴を用いて、機械的インタフェースに追加の自由度を提供することができる。
【００７７】
さらなる態様によれば、機械的インタフェースに関する情報を提供するように構成された特徴は、任意の公知の方法で機械的インタフェースに統合されることができる。特徴は、たとえば、機械的インタフェースに埋め込まれたり、機械的インタフェースに(たとえば接着剤を用いて)固定されたり、機械的インタフェースの表面に(たとえばエッチング、切削、マーキング等によって)形成されたり、および／または機械的インタフェースと一体的に形成されたりしてもよい。特徴は、任意の様々な形を取ることができ、それらのいくつかについて以下に記載される。
【００７８】
さらなる態様によれば、機械的インタフェースに関する情報を提供するように構成された特徴は、任意の適当な検出方法を用いて、検出装置(または検出システム)によって検出できる(または読取れる)ように構成することができる。たとえば、特徴は、周知であるような光学的、電磁、無線、および／または音響的方法を用いて検出されてもよい。さらなる例として、特徴は、レーザスキャナまたは赤外線カメラを用いて検出されてもよい。さらに追加の例として、追跡可能なプローブまたは器具を、赤外線カメラまたはジョイントエンコーダを備えた機械的アームと組み合わせて用いて、特徴を検出してもよい。検出装置は、患者に機械的インタフェースが埋植された後に、特徴を読み取ることができる。
【００７９】
ここで、いくつかの具体的な特徴および検出装置について記載される。本発明は、記載された具体的な特徴部分に限定されることを意図せず、また特徴および検出装置の記載された組合せに限定されることも意図しない。特徴は、たとえば機械的インタフェースの表面上に形成されるか配置されることができる光学特性、たとえば光学的エッチング(たとえばレーザエッチング)、光学的マーキング(たとえば、バーコード、チェッカボードパターン、またはグリッドもしくは点アレイ)、および／またはマーカ(たとえば受動型赤外線マーカ)を含んでもよい。そのような特徴は、たとえばレーザスキャナまたは赤外線カメラを含む検出装置によって検出することができる。
【００８０】
別の例として、機械的インタフェースに関する情報を提供するように構成された特徴は、機械的インタフェースの表面に配置されたパターンを含むことができる。パターンは、たとえば、テクスチャ、溝、エッチング等を含んでもよい。そのような特徴は、たとえば、パターンの上を滑動させることができる追跡可能プローブおよびプローブを検出できる赤外線カメラを含む検出装置によって検出することができる。
【００８１】
別の例として、機械的インタフェースに関する情報を提供するように構成された特徴は、ランドマークまたは表面特性を含むことができる。ランドマークまたは表面特性は、認識可能なマーカ(たとえば、関節骨面、解剖学的構造の輪郭、形、色等)として機能するに足るように規定され同定可能である、機械的インタフェースの一体化された部分または内因的な部分である。
【００８２】
特徴および検出装置を介して機械的インタフェースからの情報を通信する能力は、多様な能力を提供する。たとえば、特徴が検出装置に、特徴の位置および／または向きに関する情報を提供する場合、コンピューティング装置は、その情報と、特徴と機械的インタフェースとの間の既知の形状的な関係とに基づいて、機械的インタフェースの位置および／または向きを算出するかまたは決定することができる。機械的インタフェースの位置を決定する能力は、もう一つの対象物に対する、複数の他の対象物に対する、および／または患者の骨に対する、機械的インタフェースの位置決めを決定することを可能にする。たとえば、コンピューティング装置は(検出装置と組み合わされて)、解剖学的構造トラッカ等の一つまたは複数の追跡アレイに対する機械的インタフェースの位置および向きを算出するかまたは決定することができる。コンピューティング装置は次に、機械的インタフェースとトラッカの相対的位置を、患者を位置合わせする間に確立された望ましい関係と比較することができる。実際の関係が望ましい関係から逸脱している場合、患者の位置合わせを繰り返すなどの修正措置を取ることができる。
【００８３】
さらに別の例として、特徴は、情報を提供する一つまたは複数の信号を放出する構造物であってもよい。特徴は、たとえば、構成要素に対して既知の向きを有する方向信号を放出してもよい。そのような方向信号は、機械的インタフェースの場所および／または向きを決定することを可能にする。そのような方向信号を提供するために用いることができる構造は、たとえば、機械的インタフェースの端に位置決めされたトランスミッタを含む。方向信号を検出するために用いることができる検出装置は、たとえば、位置を三角測量して同定することができる受信器を含む。別の例として、信号放出構造は、少なくとも一つのセンサを含むことができる。センサは、スマートラベル、たとえば受動型の無線認証 (RFID)タグであってもよい。RFIDタグは機械的インタフェースの表面に固着され、および／または機械的インタフェースに埋め込まれて、電波を放出するRFID読取り装置によって検出可能である。ユーザが機械的インタフェースをRFID読取り装置でスキャンすると、電波がRFIDタグを作動させ、タグはRFID読取り装置と通信する。信号放出構造を用いる一つの利点は、機械的インタフェースが可視でないか、または露呈していない場合(たとえば、機械的インタフェースが筋肉および皮膚等の組織で覆われているか、または他の解剖学的構造によって遮られている場合)であっても、検出装置は構造からの情報を得ることができることである。
【００８４】
手術中、ユーザが外科システム10の構成を検証したい場合、たとえば、ツール50を患者から抜き取り、次に患者へ再挿入する場合にはいつでも、ユーザは大腿骨および脛骨のチェックポイント検証インタフェースに接触することができる。第1および第2のチェックポイント確立中に得られる形状データに基づいて、外科システム10は、解剖学的構造トラッカ43aに対する第1のチェックポイントの場所、および解剖学的構造トラッカ43bに対する第2のチェックポイントの場所を知る。触覚装置30の較正中(段階S9に関連した下記のような)に得られる形状データに基づいて、外科システム10は、触覚装置トラッカ45のポーズ、触覚装置30のアーム33のポーズ、ツール50の形状、およびツール50とエンドエフェクタ35との間の形状の関係から、ツール50の先端の中心の場所を知る。このデータに基づいて、ユーザがツール50の先端でインタフェースにタッチすると、外科システム10は、ツール50の先端の中心の場所と、該当するチェックポイントの場所との間の距離を算出することができる。ツール50の先端の半径を距離から引いて、検証値を得る。好ましくは、検証値はおよそ0.00mmであり、ツール50の先端の場所とチェックポイントの場所とが一致することを示す。しかし、いくらかのエラーは許容される。たとえば、一つの態様では、検証値が所定の許容差(たとえばおよそ1mm)に等しいかまたはそれ未満であれば、システム構成は許容されると考えられ、ユーザは外科的処置を続けることができる。対照的に、検証値が所定の許容差を越える場合は、外科システム10は、システム構成に関する問題を示す警告(たとえば、視覚的、音響的、および／または触覚的警告)を発する。たとえば、追跡要素の一つが、ツールの交換中にユーザに当たり、現在は整合を逸している場合、ツールのシャフトが曲がっている場合、問題が存在する可能性がある。警告が発された場合は、位置合わせ(段階S8)および／または較正(段階S9)を繰り返すべきである。
【００８５】
さらなる態様によれば、チェックポイント検証システム／プロセスは、プローブまたはバー等の器具が、機械的インタフェース内に安定して位置決めされたかを決定するように構成することができる。都合のよいことには、安定した位置の確認によって、位置の読み取りが正確になされていることが確認される。検証プロセスをできるだけ正確に行うために、たとえばカメラの動きを考慮に入れて、検証を行うべき時を検出する方法を提供するために、チェックポイント検証システム／プロセスは、多数のバー先端位置を取り出し、位置の平均値を算出し、位置の標準偏差を算出するように構成することができる。器具、たとえばプローブを有する機械的インタフェースの位置の取得は、骨トラッカを基準にして、器具の位置の多数の、たとえば10個の読み取り値を平均することによってなされる。複数の位置の平均化は、単一の測定よりも、機械的インタフェースのインタフェースの位置のよりよい推定値を提供する。たとえば、システム／方法は、器具位置の移動平均化を維持して、骨トラッカを基準にした器具位置の推定値を計算するように構成することができる。かつ、器具の位置、たとえば器具の先端または先端の中心の位置と、現在のリスト中の各器具の位置との間の距離を計算し、この距離のリストの標準偏差を閾値と比較する。標準偏差が所定の閾値より低い場合は、プローブは静止している(すなわち安定して動いていない)と見なされる。たとえば、約0.20の、またはより好ましくは0.15の閾値を用いることができる。標準偏差を用いて、器具が一定期間安定して保持されていることを示し、機械的インタフェースの比較をすることができる。また、機械的インタフェースの位置に対する最大距離などの別の測定を用いて、器具が安定している時を規定することができる。
【００８６】
全システム構成をチェックすることに加えて、チェックポイントをさらに用いて、解剖学的構造トラッカ43aおよび43bがそれぞれ大腿骨Fおよび脛骨Tに対して動いたかを決定することができる。たとえば解剖学的構造トラッカ43aが大腿骨Fに対して動いたかを決定するために、ユーザは、チェックポイント同定画面(たとえば図56の画面186a)に戻り、第1のチェックポイントを再デジタル化する。解剖学的構造トラッカ43aが動いていれば、新しくデジタル化されたチェックポイントは、表示装置23上の、元の第1のチェックポイントとは異なる場所に現われる。元の第1のチェックポイントの場所と新しいチェックポイントの場所との間の差が、所定の許容差(たとえばおよそ2mm)より大きい場合は、外科システム10は、解剖学的構造トラッカ43aが動いたと決定する。この状況では、位置合わせ(段階S8)を繰り返さなければならない。同様に、解剖学的構造トラッカ43bが脛骨Tに対して動いたかを決定するために、ユーザは、チェックポイント同定画面(たとえば図57の画面186b)に戻り、第2のチェックポイントを再デジタル化する。解剖学的構造トラッカ43bが動いていれば、新しくデジタル化されたチェックポイントは、表示装置23上の、元の第2のチェックポイントとは異なる場所に現われる。元の第2のチェックポイントの場所と新しいチェックポイントの場所との間の差が所定の許容差より大きい場合は、外科システム10は、解剖学的構造トラッカ43bが動いたと決定する。したがって、位置合わせ(段階S8)を繰り返さなければならない。
【００８７】
一つの態様では、チェックポイントを用いて外科システム10の較正を検証するための方法は、(a)解剖学的構造上のインタフェース(たとえば、骨のマーキング、くぼみ、または機械的インタフェース)を同定する段階；(b)基準座標フレーム(たとえば解剖学的構造の、または解剖学的構造の表現の基準座標フレーム)中の、インタフェースのチェックポイントの位置を決定する段階；(c)触覚装置30の外科ツールの一部分によって(たとえばツール50の先端によって)、インタフェースに接触する段階；(d)基準座標フレーム中の、外科ツールの一部分の位置を決定する段階；および(e)外科ツールの一部分の位置が、チェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかを決定する段階を含む。本方法はさらに、(f)解剖学的構造上の第2のインタフェース(たとえば、第2の骨の第2のマーキング、くぼみ、または機械的インタフェース)を同定する段階；(g)基準座標フレーム中の、第2のインタフェースの第2のチェックポイントの位置を決定する段階；(h)外科ツールの一部分によって(たとえばツール50の先端によって)、第2のインタフェースに接触する段階；および(i)外科ツールの一部分の位置が、第2のチェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかどうかを決定する段階を含む。第1および第2のチェックポイントの位置を決定するために、外科システム10は、第1および第2のチェックポイントを、解剖学的構造の表現、たとえば表示装置23上の画像に結び付けることができる。一つの態様では、外科ツールの一部分の位置が、第1または第2チェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかを決定するために、外科システム10は、ツール50の先端または先端の中心と、第1または第2のチェックポイントとの間の距離が所定値(たとえば1mm)に等しいかまたはそれ未満であるかを決定する。
【００８８】
チェックポイント検証手順の一つの利点は、この手順によって、患者の解剖学的構造に対して任意の復元できない切削をする前に、ユーザが、外科手術システム10の様々な部分が意図したように動いていることを確認できることである。たとえば、チェックポイントを用いて、位置合わせ、触覚装置30の較正、ならびに追跡システム40および追跡要素の正しい動作を検証することができる。その結果、チェックポイントによって、外科システム10は、解剖学的構造トラッカ43aおよび43bの動き、位置合わせ精度、触覚装置トラッカ45の動き、触覚装置30の運動学的較正、ツール50の適切な据付け、および正確なツールのサイズを同時に検証することが可能になる。
【００８９】
段階S9で、触覚装置30を較正して、触覚装置トラッカ45の座標系と触覚装置30の座標系との間の幾何学的な関係または変換（すなわち、位置および向き）を確立する。触覚装置トラッカ45が触覚装置30上で永久的な位置に固定される場合には、トラッカ45と触覚装置30との間の幾何学的関係が固定的であり、既知である(たとえば、製造またはセットアップ中の初期較正から)ため、較正は不要である。対照的に、トラッカ45が触覚装置30に対して動くことができる場合には(たとえば、トラッカ45が据え付けられているアーム34が調節可能である場合)、トラッカ45と触覚装置30との間の幾何学的関係を決定するために較正が必要である。
【００９０】
外科システム10は、ユーザに対し触覚装置30を較正するよう指示する画面を作り出すことによって較正手順を開始することができる。較正は、触覚装置トラッカ45を触覚装置30上の固定位置に留め、エンドエフェクタトラッカ47を一時的にエンドエフェクタ35に固着することを含む。かつ、エンドエフェクタ35を解剖学的構造の付近の様々な位置(たとえば膝関節の上および下の位置、膝関節に対して内側および外側の位置)に動かすと、その間に追跡システム40が各位置における追跡システム40に対するトラッカ47および45のポーズデータを取得する。直前の較正以来、触覚装置トラッカ45が触覚装置30に対して移動しておらず、直前に取得された較正データがまだ信頼しうるものである場合には、段階S9の較正プロセスを実施する必要はない。
【００９１】
段階S10で、ユーザは、第一のインプラントを第一の骨に埋植するための骨調製をプラニングする。好ましい態様では、第一の骨は脛骨Tであり、第一のインプラントは脛骨構成部74であり、骨調製は、脛骨Tの近位端上の、脛骨構成部74が設置される場所を選択することによってプラニングされる。インプラントプラニングを容易にするため、外科システム10は、第一および第二の骨(すなわち、それぞれ脛骨Tおよび大腿骨F)の表現の様々なビューを含む画面を生成することができる。
【００９２】
段階S11〜S15は骨調製プロセスを含む。段階S11で、ツール50を操作して第一の骨を彫刻することにより、第一のインプラント(たとえば脛骨構成部74)を受けるように第一の骨(たとえば脛骨T)を調製する。段階S12で、試行インプラントを第一の骨の調製された形体に装着する。段階S13で、第二のインプラント(たとえば大腿骨構成部)の初期配置をプラニングする(または、以前にプラニングした第二のインプラントの配置を再訪または調節してもよい)。段階14で、第一の骨の調製ののち第二のインプラントを受けるように第二の骨(たとえば大腿骨F)を調製する。段階S15で、試行インプラントを第二の骨の調製された形体に装着する。
【００９３】
外科的処置を通して、外科システム10は、解剖学的構造の動きをモニタして解剖学的構造の動きを検出し、コンピュータ21および／またはコンピュータ31上で稼働するプログラムに対して適切な調節を加える。外科システム10はまた、解剖学的構造の検出された動きに応答してその解剖学的構造に関連付けられる仮想対象物を調節することができる。
【００９４】
段階S11で、ツール50を操作して第一の骨を彫刻することにより、第一のインプラントを受けるように第一の骨を調製する。一つの態様では、脛骨Tの近位端に内側脛骨ポケット形体を成形することにより、脛骨Tを調製する。脛骨構成部分74を設置すると、内側脛骨ポケット形体は脛骨構成部74(図7Bに示す)の表面74aと嵌合する。
【００９５】
妨害検出アルゴリズムは、切削動作中、触覚装置30および／または解剖学的構造に関連した追跡要素(たとえば触覚装置トラッカ45、解剖学的構造トラッカ43aおよび43b)が遮られた場合に、危険を緩和するように適合された安全機能である。たとえば、検出装置41が追跡要素を検出不可能である場合(たとえば、追跡要素と検出装置41との間に人または物体が割り込んでいる場合)、検出装置41のレンズが遮られている場合(たとえばほこりによって)、および／または追跡要素上のマーカの反射が遮られている場合(たとえば血液、組織、ほこり、骨の破片等によって)、妨害状態が存在する可能性がある。遮られた状態が検出された場合は、妨害検出アルゴリズムは、たとえば表示装置23上に表示される警告メッセージを表示し、警報音を鳴らし、および／または触覚フィードバック(たとえば振動)を生成することによって、ユーザに警告する。妨害検出アルゴリズムはまた、制御信号、たとえば外科システム10への電力を停止するか、またはそうでなければツール50を動作不能にするコマンドを発することができる。このように、妨害検出アルゴリズムは、追跡システム40がツール50と解剖学的構造との相対的位置を追跡することができない場合、ツール50が解剖学的構造を損傷することを防ぐ。
【００９６】
段階S12は、第一のインプラント(すなわち脛骨構成部74)または試行インプラント(たとえば脛骨試行)を第一の骨(すなわち、脛骨T上の調製された内側脛骨ポケット形体)に装着する試行整復プロセスである。ユーザは、脛骨構成部または脛骨試行の装着を評価し、改善された装着を達成するため、任意の所望の調節を加える、たとえばインプラントプラニングおよび／または骨彫刻を繰り返すことができる。
【００９７】
段階S13で、ユーザは、第一の骨を調製したのち第二のインプラントを第二の骨に埋植するための骨調製をプラニングする。好ましい態様では、第二の骨は大腿骨Fであり、第二のインプラントは大腿骨構成部72であり、骨調製は、大腿骨Fの遠位端上の、大腿骨構成部72が設置される場所を選択することによってプラニングされる。大腿骨構成部72がすでにプラニングされている場合には(たとえば段階S10で)、所望により、以前の配置を再訪し、調節してもよい。
【００９８】
段階S14で、ツール50を操作して第二の骨を彫刻することにより、第二のインプラントを受けるように第二の骨を調製する。一つの態様では、大腿骨Fは、大腿骨Fの遠位端に内側大腿骨面、柱状形体および竜骨状形体を成形することによって調製される。大腿骨構成部72が設置されると、内側大腿骨面、柱状形体および竜骨状形体がそれぞれ大腿骨構成部72の面72a、柱状部72bおよび竜骨状部72c(図7Aに示す)と嵌合する。大腿骨形体の調製は、内側脛骨面形体の調製に実質的に似ている。
【００９９】
段階S15は、第二のインプラント(すなわち大腿骨構成部72)または試行インプラント(たとえば大腿骨試行)を、大腿骨Fの調製された内側大腿骨面、柱状形体および竜骨状形体に装着する試行整復プロセスである。ユーザは、大腿骨構成部72または大腿骨試行の装着を評価し、改善された装着を達成するため、任意の所望の調節を加える、たとえばインプラントプラニングおよび／または骨彫刻を繰り返すことができる。段階S15で、脛骨Tに対して調節を加えることもできる。ユーザは、試行インプラントの装着に満足すると、大腿骨構成部72および脛骨構成部74の設置ならびに外科的処置の完了に進むことができる。
【０１００】
このように、本発明の態様は、最小侵襲手術において直接可視化に取って代わることができ、整形外科的関節置換用途で健康な骨を温存し、術中適合性およびプラニングを可能にし、外科的熟練レベルにかかわらず十分に予測可能、繰返し可能および／または正確である手術結果を出すことができる触覚誘導システムおよび方法を提供するように構成されることができる。
【０１０１】
触覚装置を制御する方法および装置は、開示が参照により全体が本明細書に組み入れられる、発明の名称がMethod and Apparatus for Controlling a Haptic Device (代理人整理番号第051892-0248号)であり、2007年5月18日に出願されたHyosig Kang, Dennis Moses, およびArthur Quaidによる米国特許出願第＿＿＿号、開示が参照により全体が本明細書に組み入れられる、発明の名称がMethod and Apparatus for Controlling a Haptic Device (代理人整理番号第051892-0250号)であり、2007年5月18日に出願されたArthur Quaid, Hyosig Kang, およびDennis Mosesによる米国特許出願第＿＿＿号、および開示が参照により全体が本明細書に組み入れられる、発明の名称がMethod and Apparatus for Controlling a Haptic Device (代理人整理番号第051892-0253号)であり、2007年5月18日に出願されたDennis Moses, Arthur Quaid および Hyosig Kangによる米国特許出願第＿＿＿号に開示されている。
【０１０２】
本明細書に開示した発明の詳細な説明および実施を考慮すると、本発明の他の態様が当業者には自明であろう。詳細な説明および実施例は単に例を示すものとみなされることを意図したものである。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の外科システムの態様の斜視図である。
【図２Ａ】本発明の触覚装置の態様の斜視図である。
【図２Ｂ】本発明の触覚装置の態様の斜視図である。
【図３】本発明による解剖学的構造トラッカの態様の斜視図である。
【図４】触覚装置に取り付けられた、図5Aのエンドエフェクタの斜視図である。
【図５】本発明による器具トラッカの態様の斜視図である。
【図６】本発明による機械的追跡システムの態様の図である。
【図７Ａ】本発明による大腿骨部品の態様の斜視図である。
【図７Ｂ】本発明による脛骨部品の態様の斜視図である。
【図８】本発明によるCASシステムの表示画面の態様を示す。
【図９】本発明による膝単顆置換プロセスの態様のブロック図である。
【図１０】本発明によるプローブ較正検証段階を示す外科ナビゲーション画面の態様の図である。
【図１１】本発明による解剖学的構造トラッカ設置段階を示す外科ナビゲーション画面の態様の図である。
【図１２】本発明による位置合わせ段階を示す外科ナビゲーション画面の態様の図である。
【図１３】本発明による位置合わせ段階を示す外科ナビゲーション画面の態様の図である。
【図１４】本発明による位置合わせ段階を示す外科ナビゲーション画面の態様の図である。
【図１５】本発明による位置合わせ段階を示す外科ナビゲーション画面の態様の図である。
【図１６】本発明による位置合わせ段階を示す外科ナビゲーション画面の態様の図である。
【図１７】本発明による位置合わせ段階を示す外科ナビゲーション画面の態様の図である。
【図１８】本発明による位置合わせ段階を示す外科ナビゲーション画面の態様の図である。
【図１９】本発明による位置合わせ段階を示す外科ナビゲーション画面の態様の図である。
【図２０】本発明による三次元形状の触覚対象物の態様の描写である。
【図２１】本発明によるチェックポイント同定段階を示す外科ナビゲーション画面の態様の図である。
【図２２】本発明によるチェックポイント同定段階を示す外科ナビゲーション画面の態様の図である。
【図２３Ａ】本発明による機械的インタフェース500の態様の断面図である。
【図２３Ｂ】図23Aに示す領域Aの拡大図である。
【図２４】本発明による機械的インタフェース500のインタフェース510に挿入された鈍いプローブの態様の断面図を示す。
【図２５】本発明による機械的インタフェースのインタフェース510に挿入された6mmのバーの態様の断面図を示す。
【図２６】本発明による機械的インタフェースのインタフェース510に挿入された2mmのバーの態様の断面図を示す。
【図２７】本発明による機械的インタフェースのインタフェース510に挿入されたルータの態様の断面図を示す。
【図２８】本発明による機械的インタフェースのインタフェースに挿入された、鋭い先端を有するプローブの他の態様の断面図を示す。
【図２９】本発明による、患者の大腿骨に嵌入するように構成された機械的インタフェースの態様の側面図を示す。
【図３０】大腿骨機械的インタフェースの、別の角度からの側面図を示す。
【図３１】本発明による、患者の脛骨に嵌入するように構成された機械的インタフェースの態様の側面図を示す。
【図３２】脛骨機械的インタフェースの平面図を示す。
【図３３】本発明による嵌入／抜去ツールの態様の平面図を示す。
【図１】
2009537230.tif 000004
【図２Ａ】
2009537230.tif 000005
【図２Ｂ】
2009537230.tif 000006
【図３】
2009537230.tif 000007
【図４】
2009537230.tif 000008
【図５】
2009537230.tif 000009
【図６】
2009537230.tif 000010
【図７】
2009537230.tif 000011
【図８】
2009537230.tif 000012
【図９】
2009537230.tif 000013
【図１０】
2009537230.tif 000014
【図１１】
2009537230.tif 000015
【図１２】
2009537230.tif 000016
【図１３】
2009537230.tif 000017
【図１４】
2009537230.tif 000018
【図１５】
2009537230.tif 000019
【図１６】
2009537230.tif 000020
【図１７】
2009537230.tif 000021
【図１８】
2009537230.tif 000022
【図１９】
2009537230.tif 000023
【図２０】
2009537230.tif 000024
【図２１】
2009537230.tif 000025
【図２２】
2009537230.tif 000026
【図２３】
2009537230.tif 000027
【図２４】
2009537230.tif 000028
【図２５】
2009537230.tif 000029
【図２６】
2009537230.tif 000030
【図２７】
2009537230.tif 000031
【図２８】
2009537230.tif 000032
【図２９】
2009537230.tif 000033
【図３０】
2009537230.tif 000034
【図３１】
2009537230.tif 000035
【図３２】
2009537230.tif 000036
【図３３】
2009537230.tif 000037
【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】
外科装置の較正を検証するための方法であって、
以下の段階を含む方法：
患者の解剖学的構造上のインタフェースを同定する段階；
基準座標フレームにおいて、インタフェースのチェックポイントの位置を決定する段階；
インタフェースを外科装置の外科ツールの一部分と接触させる段階；
基準座標フレームにおいて、外科ツールの一部分の位置を決定する段階；および
外科ツールの一部分の位置が、チェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかを決定する段階。
【請求項２】
インタフェースが患者の骨に配置されている、請求項1記載の方法。
【請求項３】
インタフェースを外科ツールの一部分と接触させる段階が、患者の骨および骨に配置された機械的インタフェースの少なくとも一方を、外科ツールの先端と接触させることを含む、請求項1記載の方法。
【請求項４】
患者の解剖学的構造上の第2のインタフェースを同定する段階；
基準座標フレームにおいて、第2のインタフェースの第2のチェックポイントの位置を決定する段階；
第2のインタフェースを外科ツールの一部分と接触させる段階；および
外科ツールの一部分の位置が、第2のチェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかを決定する段階
をさらに含む、
請求項1記載の方法。
【請求項５】
インタフェースが患者の第1の骨に配置され、第2のインタフェースが患者の第2の骨に配置される、請求項4記載の方法。
【請求項６】
インタフェースを接触させる段階が、患者の第1の骨および第1の骨に配置された第1の機械的インタフェースの少なくとも一方を、外科ツールの先端と接触させることを含み、
第2のインタフェースを接触させる段階が、患者の第2の骨および第2の骨に配置された第2の機械的インタフェースの少なくとも一方を、外科ツールの先端と接触させることを含む、
請求項4記載の方法。
【請求項７】
チェックポイントの位置を決定する段階が、チェックポイントを解剖学的構造の表現に関連付けることを含む、請求項1記載の方法。
【請求項８】
外科ツールの一部分の位置がチェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかを決定する段階が、外科ツールの先端および外科ツールの先端の中心の一方と、チェックポイントとの間の距離が所定の値に等しいかまたはそれ未満であるかを決定する段階を含む、請求項1記載の方法。
【請求項９】
外科ツールの一部分の位置がチェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかの決定を少なくとも用いて、
患者の解剖学的構造が、解剖学的構造に関連付けられた追跡要素に対して動いたか、
外科ツールの一部分が、基準座標フレームにおいて正しく位置決められたか、
外科装置が、外科装置に関連付けられた追跡要素に対して動いたか、
外科ツールが、外科装置上で所望の向きに設置されているか、および
所望の外科ツールが、外科装置上に設置されているか
のうち少なくとも一つ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１０】
インタフェースが、患者の骨に固着された機械的インタフェース、患者の骨の彩色された部分、および患者の骨に作られたくぼみのうち少なくとも一つを含む、請求項1記載の方法。
【請求項１１】
インタフェースが、患者の骨に固着されるように構成された部分、および外科ツールの一部分によって接触されるように構成された部分を含む機械的インタフェースを含む、請求項1記載の方法。
【請求項１２】
機械的インタフェースが、少なくとも生体吸収性材料を含む、請求項11記載の方法。
【請求項１３】
機械的インタフェースが、裁頭円錐形（frustconical）表面および円錐形表面の少なくとも一方を含む、請求項11記載の方法。
【請求項１４】
機械的インタフェースの裁頭円錐形表面および円錐形表面の少なくとも一方の中への外科ツールの一部分の侵入深さ、および外科ツールの一部分とチェックポイントとの間の距離の少なくとも一方を決定する段階をさらに含む、請求項13記載の方法。
【請求項１５】
機械的インタフェースの向きを決定する段階をさらに含む、請求項11記載の方法。
【請求項１６】
機械的インタフェースが情報を提供するように構成された特徴を含み、該機械的インタフェースに関する情報を得る段階をさらに含む、
請求項11記載の方法。
【請求項１７】
特徴が、機械的インタフェースの位置および向きの少なくとも一方を提供する、請求項16記載の方法。
【請求項１８】
特徴が、機械的インタフェースに埋め込まれている、機械的インタフェースと一体になっている、および機械的インタフェースの表面に形成されているうちの少なくとも一つである、請求項16記載の方法。
【請求項１９】
特徴が、情報を提供する信号を放出するように構成される、請求項16記載の方法。
【請求項２０】
外科ツールの一部分の位置が静止している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２１】
外科ツールの一部分の位置を、基準座標フレームにおいて複数回決定する段階；
外科ツールの一部分の複数の決定された位置の標準偏差を決定する段階；および
標準偏差が閾値を越えているかを決定する段階
によって、外科ツールの一部分が静止しているかを決定する、
請求項20記載の方法。
【請求項２２】
機械的インタフェースを取り除くことを、外科装置のオペレータに気付かせる段階をさらに含む、請求項11記載の方法。
【請求項２３】
気付かせる段階が、機械的インタフェースに縫合糸を取り付けること、外科装置によって視覚的な警告を提供すること、および患者の解剖学的構造に外科用テープを適用することの少なくとも一つを含む、請求項22記載の方法。
【請求項２４】
患者の解剖学的構造上のインタフェースと接触するように構成された、外科装置の外科切削ツールの一部分と；
基準座標フレームにおいてインタフェースのチェックポイントの位置を決定し；
基準座標フレームにおいて、インタフェースと接触している場合の外科切削ツールの一部分の位置を決定し；
外科切削ツールの一部分の位置が、チェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかを決定し；および
外科切削ツールの先端または外科切削ツールの先端の中心と、チェックポイントとの間の距離が所定の値に等しいかまたはそれ未満である場合には、ユーザが外科的処置を続けることができることを決定する
するように、
プログラムされた計算システムとを含む、
外科装置の較正を検証するためのシステム。
【請求項２５】
外科切削ツールの一部分が、患者の解剖学的構造上の第2のインタフェースと接触するように構成され、
コンピューティングシステムが、
基準座標フレームにおいて、第2のインタフェースの第2のチェックポイントの位置を決定し；および
外科切削ツールの一部分の位置が、第2のチェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかを決定するように、
プログラムされる、
請求項24記載のシステム。
【請求項２６】
チェックポイントを解剖学的構造の表現に少なくとも関連付けることにより、チェックポイントの位置を決定するように、コンピューティングシステムがプログラムされる、請求項24記載のシステム。
【請求項２７】
外科切削ツールの一部分の位置が、少なくとも患者への外科切削ツールの再挿入の前にチェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかを決定するように、コンピューティングシステムがプログラムされる、請求項24記載のシステム。
【請求項２８】
外科切削ツールの一部分の位置がチェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかの決定を少なくとも用いて、
患者の解剖学的構造が解剖学的構造に関連付けられた追跡要素に対して動いたか、
外科切削ツールの一部分が基準座標フレームにおいて正しく位置決めされたか、
外科装置が外科装置に関連付けられた追跡要素に対して動いたか、
外科切削ツールが、外科装置上で所望の向きに設置されているか、および
所望の外科切削ツールが外科装置上に設置されているか
のうち少なくとも一つを決定するように、コンピューティングシステムがプログラムされる、
請求項24記載のシステム。
【請求項２９】
インタフェースを形成し、かつ患者の骨に固着されるように構成された部分および外科切削ツールの一部分に接触されるように構成された部分を含む機械的インタフェースをさらに含む、請求項24記載のシステム。
【請求項３０】
機械的インタフェースが少なくとも生体吸収性材料を含む、請求項29記載のシステム。
【請求項３１】
機械的インタフェースが、裁頭円錐形表面および円錐形表面の少なくとも一方を含む、請求項29記載のシステム。
【請求項３２】
機械的インタフェースの裁頭円錐形表面および円錐形表面の少なくとも一方の中への外科切削ツールの一部分の侵入深さ、および外科切削ツールの一部分とチェックポイントとの間の距離の少なくとも一方を決定するように、コンピューティングシステムがプログラムされる、請求項31記載のシステム。
【請求項３３】
機械的インタフェースが、機械的インタフェースに関する情報を提供するように構成された特徴を含む、請求項29記載のシステム。
【請求項３４】
特徴が、機械的インタフェースの位置および向きの少なくとも一方を提供する、請求項33記載のシステム。
【請求項３５】
特徴が、機械的インタフェースに埋め込まれている、機械的インタフェースと一体になっている、および機械的インタフェースの表面上に形成されているうちの少なくとも一つである、請求項33記載のシステム。
【請求項３６】
特徴が、情報を提供する信号を放出するように構成されている、請求項33記載のシステム。
【請求項３７】
コンピューティングシステムが、外科切削ツールの一部分の位置が静止しているかを決定するようにプログラムされる、請求項24記載のシステム。
【請求項３８】
外科切削ツールの一部分の基準座標フレームにおける位置を複数回決定する段階；
外科切削ツールの一部分の複数の決定された位置の標準偏差を決定する段階；および
標準偏差が閾値を越えているかを決定する段階
によって、外科切削ツールの一部分の位置が静止しているかを決定するように、コンピューティングシステムがプログラムされる、
請求項37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】
外科装置の較正を検証するための方法であって、
以下の段階を含む方法：
患者の解剖学的構造上のインタフェースを同定する段階；
基準座標フレームにおいて、インタフェースのチェックポイントの位置を決定する段階；
インタフェースを外科装置の外科切削ツールの一部分と接触させる段階；
基準座標フレームにおいて、外科切削ツールの一部分の位置を決定する段階；および
外科切削ツールの一部分の位置が、チェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかを決定する段階；
外科切削ツールの先端または外科切削ツールの先端の中心と、チェックポイントとの間の距離が所定の値に等しいかまたはそれ未満である場合には、ユーザが外科的処置を続けることができることを決定する段階。
【請求項２】
患者の解剖学的構造上のインタフェースと接触するように構成された、外科装置の外科切削ツールの一部分と；
基準座標フレームにおいてインタフェースのチェックポイントの位置を決定し；
基準座標フレームにおいて、インタフェースと接触している場合の外科切削ツールの一部分の位置を決定し；
外科切削ツールの一部分の位置が、チェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかを決定し；および
外科切削ツールの先端または外科切削ツールの先端の中心と、チェックポイントとの間の距離が所定の値に等しいかまたはそれ未満である場合には、ユーザが外科的処置を続けることができることを決定する
するように、
プログラムされた計算システムとを含む、
外科装置の較正を検証するためのシステム。
【請求項３】
外科切削ツールの一部分が、患者の解剖学的構造上の第2のインタフェースと接触するように構成され、
コンピューティングシステムが、
基準座標フレームにおいて、第2のインタフェースの第2のチェックポイントの位置を決定し；および
外科切削ツールの一部分の位置が、第2のチェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかを決定するように、
プログラムされる、
請求項2記載のシステム。
【請求項４】
チェックポイントを解剖学的構造の表現に少なくとも関連付けることにより、チェックポイントの位置を決定するように、コンピューティングシステムがプログラムされる、請求項2記載のシステム。
【請求項５】
外科切削ツールの一部分の位置が、少なくとも患者への外科切削ツールの再挿入の前にチェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかを決定するように、コンピューティングシステムがプログラムされる、請求項2記載のシステム。
【請求項６】
外科切削ツールの一部分の位置がチェックポイントの位置に対して予想された対応を有しているかの決定を少なくとも用いて、
患者の解剖学的構造が解剖学的構造に関連付けられた追跡要素に対して動いたか、
外科切削ツールの一部分が基準座標フレームにおいて正しく位置決めされたか、
外科装置が外科装置に関連付けられた追跡要素に対して動いたか、
外科切削ツールが、外科装置上で所望の向きに設置されているか、および
所望の外科切削ツールが外科装置上に設置されているか
のうち少なくとも一つを決定するように、コンピューティングシステムがプログラムされる、
請求項2記載のシステム。
【請求項７】
インタフェースを形成し、かつ患者の骨に固着されるように構成された部分および外科切削ツールの一部分に接触されるように構成された部分を含む機械的インタフェースをさらに含む、請求項2記載のシステム。
【請求項８】
機械的インタフェースが少なくとも生体吸収性材料を含む、請求項7記載のシステム。
【請求項９】
機械的インタフェースが、裁頭円錐形（frustoconical）表面および円錐形表面の少なくとも一方を含む、請求項7記載のシステム。
【請求項１０】
機械的インタフェースの裁頭円錐形表面および円錐形表面の少なくとも一方の中への外科切削ツールの一部分の侵入深さ、および外科切削ツールの一部分とチェックポイントとの間の距離の少なくとも一方を決定するように、コンピューティングシステムがプログラムされる、請求項9記載のシステム。
【請求項１１】
機械的インタフェースが、機械的インタフェースに関する情報を提供するように構成された特徴を含む、請求項7記載のシステム。
【請求項１２】
特徴が、機械的インタフェースの位置および向きの少なくとも一方を提供する、請求項11記載のシステム。
【請求項１３】
特徴が、機械的インタフェースに埋め込まれている、機械的インタフェースと一体になっている、および機械的インタフェースの表面上に形成されているうちの少なくとも一つである、請求項11記載のシステム。
【請求項１４】
特徴が、情報を提供する信号を放出するように構成されている、請求項11記載のシステム。
【請求項１５】
コンピューティングシステムが、外科切削ツールの一部分の位置が静止しているかを決定するようにプログラムされる、請求項2記載のシステム。
【請求項１６】
外科切削ツールの一部分の基準座標フレームにおける位置を複数回決定する段階；
外科切削ツールの一部分の複数の決定された位置の標準偏差を決定する段階；および
標準偏差が閾値を越えているかを決定する段階
によって、外科切削ツールの一部分の位置が静止しているかを決定するように、コンピューティングシステムがプログラムされる、
請求項15記載のシステム。
【国際調査報告】
2009537230.tif 000038
2009537230.tif 000039
2009537230.tif 000040
2009537230.tif 000041