(57)【要約】  手術用ロボットシステムのための追跡および案内装置ならびに関連する方法が提供される。この装置は、案内アームの遠位端と係合する器具と、対象に連結された基準マーカとを含む対象相互作用装置を含む。検出器は、関節式アームに接続され、関節式アームと協働可能に基準マーカに隣接して配置され、検出器は基準マーカと相互作用するように構成される。基準マーカとの相互作用に対する検出器からのデータを受信し、そのデータに基づいて基準マーカと検出器との間の空間的関係を決定し、基準マーカに対する器具の空間的関係を決定し、決定された空間的関係に従って対象と相互作用するように器具を指示するように、制御装置は構成される。
2019528910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
手術用ロボットシステムのための追跡および案内装置であって、システムは、
案内アームの遠位端と係合する器具を含む対象相互作用装置であって、器具が対象と相互作用するように適合されている、対象相互作用装置と、
対象に結合された基準マーカと、
関節式アームの遠位端に連結されており且つ関節式アームと協働可能に基準マーカに隣接して配置される検出器であって、基準マーカと相互作用するように構成されている検出器と、
ハードウェアプロセッサおよびメモリを含む制御装置であって、基準マーカとのその相互作用に関する検出器からのデータを受信するように、そのデータに基づいて、基準マーカと検出器との間の空間的関係を決定するように、基準マーカに対する器具の空間的関係を決定するように、かつ決定された空間的関係に従って対象と相互作用するように、案内アームを介して器具を指示するように構成されている制御装置と、
を備える、追跡および案内装置。
【請求項２】
案内アームが関節式アームに対して間隔をあけて配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
関節式アームが案内アームに連結されている、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
案内アームおよび関節式アームのそれぞれの近位端が、共通の基部に取り付けられている、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
関節式アームが複数の連続的に配置された部分を備え、隣接する部分がジョイントによって連結されており、位置指示装置が、１つまたは複数のジョイントと係合して、それと係合している連続的に配置された部分間の角度関係を示す、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
制御装置が、位置指示装置によって通信された角度関係を介して、関節式アームの遠位端と係合している検出器の空間的位置を決定するように構成されている、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
制御装置が、基準マーカと検出器との間の空間的関係の検出された変化に関して、基準マーカに対する対象相互作用装置の空間的関係を変化させるように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
基準マーカが、対象に直接取り付けられているか、または対象に取り付けられたスプリントと係合している、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
検出器が光検出器または電磁検出器である、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
手術用ロボットシステムを追跡および案内する方法であって、
関節式アームの遠位端に連結されており且つ関節式アームと協働可能な検出器を、対象に結合された基準マーカに隣接して配置するステップであって、検出器が基準マーカと相互作用するように構成されている、配置するステップと、
検出器と通信する、ハードウェアプロセッサおよびメモリを含む制御装置を用いて、基準マーカと検出器との間の相互作用を開始するステップと、
制御装置によって、基準マーカとのその相互作用に対するデータを検出器から受信するステップと、
制御装置によって、受信したデータに基づいて基準マーカと検出器との間の空間的関係を決定するステップと、
基準マーカに対して、対象相互作用装置の器具の空間的関係を決定するステップであって、器具が案内アームの遠位端に連結されている、空間的関係を決定するステップと、
決定された空間的関係に従って対象と相互作用するように、案内アームを介して器具を指示するステップと、
を含む方法。
【請求項１１】
関節式アームに対して間隔をあけて案内アームを配置するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
関節式アームを案内アームに連結するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
案内アームおよび関節式アームのそれぞれの近位端を共通の基部に取り付けるステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
関節式アームが複数の連続的に配置された部分を備え、隣接する部分がジョイントによって連結されており、方法が、それと係合している連続的に配置された部分間の角度関係を示すように、位置指示装置を１つまたは複数のジョイントと係合させるステップを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
位置指示装置によって通信された角度関係を介して関節式アームの遠位端と係合している検出器の空間的位置を制御装置によって決定するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
基準マーカと検出器との間の空間的関係の検出された変化に対して、基準マーカに対する対象相互作用装置の空間的関係を制御装置によって変化させるステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
基準マーカを対象に直接取り付けるステップ、または基準マーカを対象に取り付けられたスプリントと係合させるステップを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
検出器を結合するステップが、検出器を結合するステップを含み、検出器が、対象に結合された基準マーカに隣接して、光検出器または電磁検出器を備える、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、手術用ロボットおよび関連する案内システムに関し、より詳細には、例えば歯科手術において使用される手術用ロボットシステムのための追跡および案内装置に関し、その装置は、手術器具を案内するために外科手術中の患者の動きを追跡するように構成される。
【背景技術】
【０００２】
歯科外科手術などの処置のための多くの手術用ロボットシステムは、手術器具（例えばドリル）を案内するためのロボットアームと、手術器具に対する患者の動きを追跡するために患者に結合される機械的追跡アームとを含む案内システムを利用する。これらのシステムでは、ロボットアームおよび機械的追跡アームは物理的に一体に結合され、それらの相対位置が分かるように較正されている。患者の動きを追跡するために、機械的追跡アームは、患者に連結されたスプリントまたは他の取り付け装置を介して患者に物理的に取り付けられるか、あるいはつながれるかのいずれかであり得る。他の例では、患者の動きは、例えば光学式、電磁式、音響式などの追跡装置を使用して遠隔追跡され得る。これらの手術用ロボットシステムでは、患者に連結されたスプリントまたは他の取り付け装置は、患者の動きを参照するための基準マーカとして機能する。
【０００３】
しかしながら、患者に物理的に取り付けられているか、あるいはつながれている機械的追跡アームは、不利なことに患者上に重量を生成し、患者の動きを物理的に束縛する可能性がある。これは手術中に患者の不快感を招く可能性がある。同様に、基準マーカとの相互作用を介して患者の動きを追跡するための遠隔追跡装置は、それ自体の欠点を有する。例えば、立体視カメラを使用する遠隔光学追跡システムは、広い視野内の１つまたは複数の基準マーカへの見通し線（ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ）を必要とし、それにより手術器具、設備などの一定の再配置を招く可能性があり、あるいは通信線（すなわち、光学追跡システムの場合には視線）が、さもなければ処置中に妨げられる可能性がある。別の例では、電磁式追跡システムは、通信の干渉または中断が発生する可能性があり、それによりシステム効率を抑制し、または妨げる可能性があるので同様に不利になり得る。
【０００４】
したがって、従来技術のシステムのこれらの指摘された例示的な制限に対処し、それを克服する手術用ロボットシステムおよび関連する方法のための追跡および案内装置を提供することが望ましい可能性がある。そのような特性は、望ましくは、患者にとってより快適な手術経験および改善された手術効率を促進することができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの特定の態様において、案内アームの遠位端と係合する器具を含む対象相互作用装置を備える、手術用ロボットシステムのための追跡および案内装置を提供する本開示の態様によって、上記および他の必要性は満たされる。器具は対象と相互作用するように適合され得る。追跡および案内装置はまた、対象に結合された基準マーカを備える。追跡および案内装置はまた、関節式アームの遠位端に連結されており且つ関節式アームと協働可能に基準マーカに隣接して配置される検出器を備える。検出器は、基準マーカと相互作用するように構成され得る。追跡および案内装置は、ハードウェアプロセッサおよびメモリを含む制御装置もまた備える。制御装置は、基準マーカとのその相互作用に関する検出器からのデータを受信し、そのデータに基づいて基準マーカと検出器との間の空間的関係を決定し、基準マーカに対する器具の空間的関係を決定し、決定された空間的関係に従って対象と相互作用するように案内アームを介して器具を指示するように構成され得る。
【０００６】
別の態様は、手術用ロボットシステムを追跡および案内する方法を提供し、その方法は、関節式アームの遠位端に連結されており且つ関節式アームと協働可能な検出器を、対象に結合された基準マーカに隣接して配置するステップであって、検出器が基準マーカと相互作用するように構成されているステップを含む。その方法はまた、検出器と通信する、ハードウェアプロセッサおよびメモリを含む制御装置を用いて、基準マーカと検出器との間の相互作用を開始するステップを含む。その方法はまた、制御装置によって、基準マーカとの相互作用に関するデータを検出器から受信するステップを含む。その方法はまた、制御装置によって、受信したデータに基づいて基準マーカと検出器との間の空間的関係を決定するステップを含む。その方法はまた、基準マーカに対して、対象相互作用装置の器具の空間的関係を決定するステップであって、器具が案内アームの遠位端に連結されている、空間的関係を決定するステップを含む。方法はまた、決定された空間的関係に従って対象と相互作用するように、案内アームを介して器具を指示するステップを含む。
【０００７】
本開示のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下に簡単に説明される添付の図面と共に以下の詳細な説明を読むことから明らかになろう。本開示は、そのような特徴または要素が本明細書の特定の実施形態の説明において明示的に組み合わされるか、あるいは列挙されているかどうかにかかわらず、本開示の中に示される２つ、３つ、４つまたはそれ以上の特徴または要素の任意の組み合わせを含む。本開示は、その開示の文脈が明らかにそうでないことを指示しない限り、その態様および実施形態のいずれかにおいて、本開示の任意の分離可能な特徴または要素が、意図される通り、すなわち組み合わせることができると見なされるべきであるように、全体的に読まれることが意図される。
【０００８】
したがって、限定しないが、本開示は以下の実施形態を含む。
【０００９】
実施形態１：手術用ロボットシステムのための追跡および案内装置であって、システムが、案内アームの遠位端と係合する器具を含む対象相互作用装置であって、器具が対象と相互作用するように適合されている、対象相互作用装置と、対象に結合された基準マーカと、関節式アームの遠位端に連結されており且つ関節式アームと協働可能に基準マーカに隣接して配置される検出器であって、基準マーカと相互作用するように構成されている検出器と、ハードウェアプロセッサおよびメモリを含む制御装置であって、基準マーカとのその相互作用に関する検出器からのデータを受信し、そのデータに基づいて基準マーカと検出器との間の空間的関係を決定し、基準マーカに対する器具の空間的関係を決定し、かつ決定された空間的関係に従って対象と相互作用するように、案内アームを介して器具を指示するように構成されている制御装置と、を備える、追跡および案内装置。
【００１０】
実施形態２：案内アームが関節式アームに対して間隔をあけて配置されている、先行もしくは後続のいずれかの実施形態またはそれらの組合せの装置。
【００１１】
実施形態３：関節式アームが案内アームに連結されている、先行もしくは後続のいずれかの実施形態またはそれらの組合せの装置。
【００１２】
実施形態４：案内アームおよび関節式アームのそれぞれの近位端が共通の基部に取り付けられている、先行もしくは後続のいずれかの実施形態またはそれらの組合せの装置。
【００１３】
実施形態５：関節式アームが複数の連続的に配置された部分を備え、隣接する部分がジョイントによって連結されており、位置指示装置が、１つまたは複数のジョイントと係合して、それと係合している連続的に配置された部分間の角度関係を示す、先行もしくは後続のいずれかの実施形態またはそれらの組合せの装置。
【００１４】
実施形態６：制御装置が、位置指示装置によって通信された角度関係を介して、関節式アームの遠位端と係合している検出器の空間的位置を決定するように構成されている、先行もしくは後続のいずれかの実施形態またはそれらの組合せの装置。
【００１５】
実施形態７：制御装置が、基準マーカと検出器との間の空間的関係の検出された変化に関して、基準マーカに対する対象相互作用装置の空間的関係を変化させるように構成されている、先行もしくは後続のいずれかの実施形態またはそれらの組合せの装置。
【００１６】
実施形態８：基準マーカが、対象に直接取り付けられているか、または対象に取り付けられたスプリントと係合している、先行もしくは後続のいずれかの実施形態またはそれらの組合せの装置。
【００１７】
実施形態９：検出器が光検出器または電磁検出器である、先行もしくは後続のいずれかの実施形態またはそれらの組合せの装置。
【００１８】
実施形態１０：手術用ロボットシステムを追跡および案内する方法であって、関節式アームの遠位端に連結されており且つ関節式アームと協働可能な検出器を、対象に結合された基準マーカに隣接して配置するステップであって、検出器が基準マーカと相互作用するように構成されている、配置するステップと、検出器と通信する、ハードウェアプロセッサおよびメモリを含む制御装置を用いて、基準マーカと検出器との間の相互作用を開始するステップと、制御装置によって、基準マーカとの相互作用に関するデータを検出器から受信するステップと、制御装置によって、受信したデータに基づいて基準マーカと検出器との間の空間的関係を決定するステップと、基準マーカに対して、対象相互作用装置の器具の空間的関係を決定するステップであって、器具が案内アームの遠位端に連結されている、空間的関係を決定するステップと、決定された空間的関係に従って対象と相互作用するように、案内アームを介して器具を指示するステップと、を含む方法。
【００１９】
実施形態１１：関節式アームに対して間隔をあけて案内アームを配置するステップをさらに含む、先行もしくは後続のいずれかの実施形態またはそれらの組合せの方法。
【００２０】
実施形態１２：関節式アームを案内アームに連結するステップをさらに含む、先行もしくは後続のいずれかの実施形態またはそれらの組合せの方法。
【００２１】
実施形態１３：案内アームおよび関節式アームのそれぞれの近位端を共通の基部に取り付けるステップをさらに含む、先行もしくは後続のいずれかの実施形態またはそれらの組合せの方法。
【００２２】
実施形態１４：関節式アームが複数の連続的に配置された部分を備え、隣接する部分がジョイントによって連結されており、方法が、それと係合している連続的に配置された部分間の角度関係を示すように、位置指示装置を１つまたは複数のジョイントと係合させるステップを含む、先行もしくは後続のいずれかの実施形態またはそれらの組合せの方法。
【００２３】
実施形態１５：位置指示装置によって通信された角度関係を介して、関節式アームの遠位端と係合している検出器の空間的位置を制御装置によって決定するステップをさらに含む、先行もしくは後続のいずれかの実施形態またはそれらの組合せの方法。
【００２４】
実施形態１６：基準マーカと検出器との間の空間的関係の検出された変化に関して、基準マーカに対する対象相互作用装置の空間的関係を制御装置によって変化させるステップをさらに含む、先行もしくは後続のいずれかの実施形態またはそれらの組合せの方法。
【００２５】
実施形態１７：基準マーカを対象に直接取り付けるステップ、または基準マーカを対象に取り付けられたスプリントと係合させるステップを含む、先行もしくは後続のいずれかの実施形態またはそれらの組合せの方法。
【００２６】
実施形態１８：検出器を連結するステップが、検出器を連結するステップを含み、検出器が、対象に結合された基準マーカに隣接して、光検出器または電磁検出器を備える、先行もしくは後続のいずれかの実施形態またはそれらの組合せの方法。
【００２７】
本開示のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下に簡単に説明される添付の図面と共に以下の詳細な説明を読むことから明らかになろう。本開示は、そのような特徴または要素が明確に組み合わされているか、あるいは特定の実施形態の説明または特許請求の範囲に列挙されているかどうかにかかわらず、本開示に記載されているか、あるいは１つまたは複数の請求項のいずれかに列挙されている２つ、３つ、４つまたはそれ以上の特徴または要素の任意の組み合わせを含む。本開示は、その開示の文脈が明らかにそうでないことを指示しない限り、その態様および実施形態のいずれかにおいて、本開示の任意の分離可能な特徴または要素が組み合わせ可能であると意図されると見なされるべきであるように、全体的に読まれることが意図されている。
【００２８】
したがって一般的な用語で本開示を説明したが、ここで、必ずしも縮尺通りに描かれていない添付の図面に参照がなされる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本開示の様々な態様による、手術用ロボットシステムのための追跡および案内装置の第１の例示的実施形態の概略図である。
【図２】本開示の様々な態様による、手術用ロボットシステムのための追跡および案内装置の第２の例示的実施形態の概略図である。
【図３】本開示の様々な態様による、手術用ロボットシステムのための追跡および案内装置を使用する追跡および案内する方法の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本開示は、本開示のすべてではないが、いくつかの態様が示されている添付の図面を参照して、以下により完全に説明される。実際に、本開示は多くの異なる態様で実施されてもよく、本明細書に記載された例に限定されると解釈するべきではなく、むしろ、これらの態様は、この開示が適用可能な法的要件を満たすように提供される。同様の符号は、全体を通して同様の要素を指す。
【００３１】
本開示の様々な態様は、やはり本願の譲受人でもあるＮｅｏｃｉｓに譲渡された、例えば、Ｓａｌｃｅｄｏらの米国特許第８，８０８，０００号明細書に開示されているものなどの案内される手術用ロボットシステムおよび方法に少なくとも部分的に基づいている可能性がある。Ｓａｌｃｅｄｏらの米国特許第８，８０８，０００号の開示は、したがって、参照により本明細書に組み込まれる。
【００３２】
図１〜図３は、手術用ロボットシステムおよび関連する方法のための追跡および案内装置の例示的実施形態を提供する。本開示のいくつかの態様によれば、手術用ロボットシステムおよび方法は、特に歯科インプラント処置のための歯科用途において利用され得る。しかしながら、手術用ロボットシステムおよび方法のための追跡および案内装置は、歯科用途に限定されず、従来の手術用ロボットシステムおよび方法（例えば、見通し線の制限、物理的限界、干渉など）に関連して、患者の解剖学的構造の移動の追跡、および手術用具の移動の案内が必要とされる任意の用途に利用され得る。
【００３３】
ここで図１〜図２を参照すると、全体に１００で示される手術用ロボットシステムは、ロボット手術中の患者の動きを追跡するための追跡および案内装置１１０のそれぞれの例示的な実施形態を備え付ける。図１〜図２に示されるように、追跡および案内装置１１０および／または手術用ロボットシステム１００は、ロボットによる歯科手術（例えば、歯科インプラント手術）用に構成され得るが、追跡および案内装置１１０および／または手術用ロボットシステム１００はまた、他の外科手術（例えば、頭蓋骨手術、耳、鼻および喉（ＥＮＴ）手術、整形外科手術、または患者の解剖学的構造に関連する任意の他の外科的処置）に容易に応用可能であり、あるいは容易に適合可能であり得る。
【００３４】
図１に関して、追跡および案内装置１１０は、ハイブリッド（すなわち、組み合わされた）機械的および光学的追跡および案内装置を備え、一方図２では追跡および案内装置１１０は、ハイブリッドの機械的および電磁式追跡および案内装置を備える。図示された例示的な追跡および案内装置１１０のそれぞれにおいて、技術（例えば、機械的追跡および案内、ならびに光学的追跡および案内または電磁式追跡および案内）の組み合わせは、ある先行技術の追跡および案内装置に存在する顕著な欠陥を克服する。例えば、患者のための移動の自由度の増加、見通し線の必要性の最小化、干渉の可能性の低減などは、本開示による追跡および案内装置１１０からもたらされる自動ロボット手術の分野に対するいくつかの例示的な改善である。ハイブリッド追跡および案内装置１１０のための他の技術の組み合わせもまた企図される。
【００３５】
全体に図１〜図２を参照すると、追跡および案内装置１１０は、例えば関節式アーム部材（例えばロボットアーム）および器具１４０（すなわち手術器具）などの案内アーム１２０を含む対象相互作用装置１３０を備える。器具１４０は、案内アーム１２０の遠位端と係合するように構成され、案内アーム１２０によって案内されている間に対象と相互作用するか、あるいは通信するように適合されている。本明細書で使用されるように、「対象」は、患者の顎顔面の解剖学的構造（例えば、顎または口）、または単にそのモデルなど、移動可能なものであれば何でもよい。いくつかの態様では、対象相互作用装置１３０は、患者の顎顔面の解剖学的構造と相互作用することができ、「切断装置」、「穿孔装置」、「現場準備装置」、「インプラント装置」または同様の装置である患者相互作用装置と本明細書では言及されることがあり、この参照は、案内アーム１２０と係合する特定の器具１４０を示すと意図される。このように、対象相互作用装置１３０および器具１４０は、特定の対応する目的または処置のために構成されるので、本明細書では互換可能に言及され得る。対象相互作用装置１３０の器具１４０の要素が、侵襲部分、またはロボット外科手術の少なくとも対象相互作用部分に対して、案内アーム１２０を介して指示され、または案内されるように（例えば、内部の部位を「準備する」、あるいは患者の顎または口と相互作用するように）構成され、あるいはシステム１００が応用される対象と相互作用するように構成されることを示すことを、そのような参照により意図されていることが分かる。
【００３６】
いくつかの態様では、１つまたは複数のアクチュエータ（図示せず）が案内アーム１２０と係合することができ、外科手術を成し遂げるために使用者によって操作されるに際に、６つの自由度で、案内アーム１２０の遠位端を協働して案内する（すなわち特定の方向（水平および／または垂直）に並進させる、および／またはある軸の周りに回転させる）ように、その１つまたは複数のアクチュエータ（図示せず）は構成および配置され得る。案内アーム１２０はまた、対象相互作用装置１３０、したがって器具１４０の動きを制限するように、あるいは制御するように、構成され得る。さらに、いくつかの例では、案内アーム１２０は、器具１４０が固定され、完全な移動の自由を有することが許容される小型の平行構造を有することができる。器具１４０が案内アーム１２０の遠位部分を含むか、またはそれに取り付けられているので、対象相互作用部分（すなわち切断／穿孔先端部）は対象相互作用装置１３０の器具１４０であり、したがって器具１４０は、既知の空間位置（すなわち、案内アーム１２０に関してシステム１００に既知である）になければならない。
【００３７】
いくつかの態様では、器具１４０は、追跡および案内装置１１０によって決定される空間的関係に従って、案内アーム１２０を介して案内され、または指示される。このように、追跡および案内装置１１０はまた、関節式アーム１６０の遠位端に連結されており且つ関節式アーム１６０と協働可能な検出器１５０と、患者の顎または口に連結された基準マーカ１７０とを備える。検出器１５０は、基準マーカ１７０と相互作用するように構成された光学検出器（例えば、カメラ）または電磁検出器（例えば、電磁放射器）、ならびに適切に構成された基準マーカ１７０と相互作用するように構成された他の種類の検出器（例えば、音響検出器）を備えることができる。基準マーカ１７０は、患者の顎または口などの対象に連結するように構成されたスプリントまたは他の係合部材であり得る。すなわち、一例では、基準マーカ１７０は、「固定した」または確実な相互作用で対象と係合するように構成される（例えば、スプリントは患者の歯と係合され、患者の口に対して動かない）。この場合、スプリントは対象に対して動かないので、相対座標系または３次元空間（すなわち、Ｘ、Ｙ、Ｚ系）におけるスプリントの初期空間位置が決定され得る。したがって、スプリントは、例えば、ロボット外科手術中に、案内アーム１２０を介して、対象相互作用装置１３０の器具１４０を案内するために使用され得る基準マーカ（すなわち、スプリントとの確実な相互作用によって形成されるか、あるいはスプリントに関連づけられるか、またはスプリントに取り付けられる、既知の原点または座標要素）を提供するように構成され得る。
【００３８】
いくつかの態様では、対象相互作用装置１３０の相互作用部分／器具１４０は、基準マーカ１７０に関して位置合わせされ、または較正され得る。例えば、較正要素（図示せず）は、キネマティックカップリング（ｋｉｎｅｍａｔｉｃ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を介して対象相互作用装置１３０と係合され得る（すなわち、既知の反復可能な方法でそれに堅固に取り付けられる）。したがって、当業者は、対象相互作用装置１３０の相互作用部分／器具１４０が、そのとき様々な先端較正方法（例えば、不変点など）によって較正され得ることを理解するであろう。一旦位置合わせされると、較正要素は、既知の反復可能な方法で、対象相互作用装置１３０内の切断／穿孔要素（器具１４０）に置換可能であり、その結果、較正パラメータ（すなわち、最遠位点の位置、および相互作用部分／器具１４０に関連する軸の位置）は、位置合わせされた状態に維持される。
【００３９】
一態様では、基準マーカ１７０は、様々な対象に「普遍的に適用可能」であり（すなわち、任意の患者の解剖学的構造と確実な係合を形成することができる）、または特定の範囲の対象にわたって少なくとも適用可能であるように構成される（１つのサイズは、患者の特定のサイズまたは年齢に適合する）。基準マーカ１７０に関連する基準原点を決定するために、本開示の一態様によれば、基準マーカ１７０（例えば、スプリントまたは他の係合部材）は、患者の歯などの対象と係合することが可能であり、そのとき例えばコンピュータ断層撮影法（ＣＴ）または例えば磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）などの任意の他の適切な撮像技術を使用して対象（例えば患者の顎骨構造）が画像表示される。そのような例では、例えば、基準マーカ１７０が、対象（例えば、患者の顎骨構造）の画像の中で容易に識別可能であるか、あるいは検出可能であるように、基準マーカ１７０は、例えば、ＣＴまたはＭＲＩによって得られる画像において明確に画定され得る放射線不透過材料から成ることが可能である。したがって、基準マーカ１７０は、例えば、相対座標系または３次元空間の基準原点として設定され得る。
【００４０】
当業者は、基準マーカ１７０が、本明細書で説明されるように所望の機能を達成するために多くの異なる方法で構成され得ることを理解するであろう。一態様では、基準マーカ１７０は、追跡および案内装置１１０の中に装備された種類の検出器１５０に基づいて構成され得る。例えば、検出器１５０が光検出器である場合、光学検出器１５０が追跡あるいは相互作用するために、基準マーカが対象（例えば、患者の顎骨構造）の画像において容易に識別されるか、あるいはそうではなく検出可能かつ追跡可能であるように、基準マーカ１７０は、反射マーカ（すなわち、基準マーカ１７０を３次元空間で一意的に画定する幾何学的形状または他の特性もしくは特徴）を備えることができる（例えば図１参照）。別の例では、検出器１５０が電磁検出器である場合、基準マーカ１７０は、電磁検出器１５０が追跡あるいは相互作用するための適切なセンサまたはエミッタを備えることができる（例えば、図２参照）。
【００４１】
別の態様では、基準マーカ１７０は、対象の状態に基づいて適切な方法で対象に結合するように構成され得る。例えば、例えば接着剤を使用して、または適切なクランプを使用して基準マーカを支持することができるいくつかの強い歯を患者が有する場合、基準マーカ１７０は患者の口に堅固に取り付けられることが可能である。別の例では、全歯欠損の患者（すなわち、歯のない患者）については、骨ピンが基準マーカ１７０を通して患者の顎骨構造の中に穿孔されて、基準マーカ１７０を定位置に確実に固定することが可能である。基準マーカ１７０はまた、例えば適切な骨ネジを使用して、任意の患者の顎骨構造に取り付けられることが可能である。さらなる態様では、基準マーカ１７０が堅固に定位置に留まりさえすれば、対象に対する基準マーカの位置決めが、重大または重要ではない可能性がある。
【００４２】
したがって、本開示のいくつかの態様では、基準マーカ１７０に近接して相互作用することによって患者の動きを追跡するために、検出器１５０は、関節式アーム１６０を介して、基準マーカ１７０に隣接するように構成され、または位置決めされ得る。特に、図１および図２に示された追跡および案内装置１１０は、検出器１５０および基準マーカ１７０が物理的に連結されるようには構成されていない。むしろ、関節式アーム１６０は、検出器１５０を基準マーカ１７０に隣接して、またはその近傍に位置決めするように有利に構成されている。例えば、関節式アーム１６０は、基準マーカ１７０の数センチメートル以内に検出器１５０を位置決めするように構成されている。このようにして、患者は手術用ロボットシステムに物理的につながれることはなく、検出器１５０は、例えば、通信の障害（ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）（すなわち、光検出器の場合には視線の遮断）、干渉、または基準マーカからの検出器の距離など、従来技術において直面するいくつかの制限なしに、基準マーカ１７０と相互作用するのに適した範囲に位置決めされ得る。
【００４３】
関節式アーム１６０は、連続的に配置された複数の部分１６２Ａ〜Ｃを備えることができ、隣接する部分１６２Ａ〜Ｃはジョイント１６４Ａ〜Ｂによって連結されている。ジョイント１６４Ａ〜Ｂは、連続的に配置された部分１６２Ａ〜Ｃのそれぞれが、相対座標系または３次元空間内で独立して位置決め可能（すなわち並進可能、移動可能、回転可能）であることを可能にする運動学的機構であり得る。図１〜図２のそれぞれにおいて、３つの連続的に配置された部分１６２Ａ〜Ｃが図示されており、第１の部分１６２Ａは、基部１８０に取り付けられた近位端を有し、第２の部分１６２Ｂは近位端で、第１のジョイント１６４Ａによって第１の部分１６２Ａの遠位端に連結され、第３の部分１６２Ｃは近位端で、第２のジョイント１６４Ｂによって第２の部分１６２Ｂの遠位端に連結されている。検出器１５０は、例えば機械的リンク機構を用いて、第３の部分１６２Ｃの遠位端に連結されている。例えば、ジョイント１６４Ａ〜Ｂと同様の追加のジョイントは、第３の部分１６２Ｃの遠位端、および／または関節式アーム１６０が基部１８０に取り付けられるか、あるいは基部１８０に連結される、第１の部分１６２Ａの近位端に配置され得る。あるいは、検出器１５０は、第３の部分１６２Ｃの遠位端に堅固に連結され得る。このようにして、関節式アーム１６０の１つまたは複数の連続的に配置された部分１６２Ａ〜Ｃの操作は、検出器１５０が基準マーカ１７０に対して所望の位置に旋回、移動すること、および／またはさもなければ位置決めされることを可能にすることができる。当業者が気付くように、図１〜図２に示された数より多いかまたは少ない数の連続的に配置された部分および／またはジョイントが、関節式アーム１６０の中に利用され得る。
【００４４】
いくつかの態様では、関節式アーム１６０および案内アーム１２０が基部１８０を介して動作可能に連結、結合、または通信するように、関節式アーム１６０は基部１８０に取り付けられる。例えば、関節式アーム１６０および案内アーム１２０は、近位端で、基部１８０で、または各アームの長さに沿った別の位置で互いに機械的に連結され得る。他の態様では、関節式アーム１６０および案内アーム１２０が互いに対して間隔をあけて配置されるように、関節式アーム１６０は基部１８０に取り付けられ得る。それにもかかわらず、有利には、基部１８０は、様々な異なる空間、患者の位置（例えば、仰向け、直立、リクライニング）、手術の必要性などにおいて使いやすくするために移動可能であり得る。あるいは、関節式アーム１６０および／または案内アーム１２０は、移動可能でない基部（例えば、壁、天井、床などのような固定プラットフォーム）に取り付けられ得る。関節式アーム１６０および／または案内アーム１２０が取り付けられる方法にかかわらず、結果として得られる取付け装置は、関節式アーム１６０が検出器１５０を基準マーカ１７０に隣接して位置決めすることを可能にし、対象相互作用装置１３０の案内アーム１２０が対象と相互作用するように器具１４０を指示することを可能にし得る。
【００４５】
図１〜図２は、検出器１５０および基準マーカ１７０が一体に結合されるのではなく、互いに隣接して配置される追跡および案内装置１１０を開示しているので、基準マーカ１７０と検出器１５０との間の空間的関係は、基準マーカ１７０と検出器１５０との間の相互作用から生じるデータ（例えば、追跡データ）に基づいて決定され得る。これら２つの構成要素間の空間的関係を決定し、ならびにロボット手術システム１００の追跡および案内に関連する他の機能を実行するために、追跡および案内装置１１０は、追跡および案内装置１１０の１つまたは複数の構成要素と動作可能に係合するハードウェアプロセッサおよびメモリを含む制御装置１９０をさらに備えることができる。図１〜図２に示すように、例えば、少なくとも検出器１５０、関節式アーム１６０、案内アーム１２０、対象相互作用装置１３０および器具１４０と、制御装置１９０は、通信要素（図示せず）を介して無線通信する。いくつかの態様では、通信要素は、無線トランシーバ、ハードワイヤ接続、または電気的、機械的、電気機械的、音響的、または光学的性質に拘らず、任意の他の適切な機構であり得る。
【００４６】
制御装置１９０は、基部１８０とは別々に配置されているか、または基部１８０と一体化されている、特殊用途のコンピュータ装置を備えることができる。基準マーカ１７０に関連する基準点または原点を定義された相対座標系または３次元空間において決定するように、検出器１５０が基準マーカ１７０に隣接する所望の位置に配置するために基準マーカ１７０に対して検出器１５０を関節式に運動させるように、一旦検出器１５０が所望の位置に関節式に移動されると、定義された相対座標系または３次元空間における検出器１５０の空間的位置を決定するように、検出器１５０と基準マーカ１７０との間の相互作用を開始するように、基準マーカ１７０との相互作用に関して検出器１５０からデータを受信するように、且つそのデータに基づいて基準マーカ１７０と検出器１５０との間の空間的関係を決定するように、制御装置１９０は構成されることが可能である。
【００４７】
いくつかの態様では、基準マーカ１７０に関連する基準点または原点を決定することは、患者が定義された相対座標系または３次元空間内の初期位置にある間に、患者に連結された基準マーカ１７０を撮像することによって達成され得る。制御装置１９０は、どのような撮像診断法が利用されている場合でも（例えば、ＣＴまたはＭＲＩ撮像）、インターフェースで接続することによって撮像を開始するように構成され得る。画像またはデータは、制御装置１９０と関連するデータ記憶装置（図示せず）に記憶され、相対座標系または３次元空間内の基準マーカ１７０の初期位置を原点として確立するために利用され得る。
【００４８】
いくつかの態様では、検出器１５０が基準マーカ１７０に隣接する所望の位置に配置されるように、基準マーカ１７０に対して検出器１５０を関節運動させることは、１つまたは複数の連続的に配置された部分１６２Ａ〜Ｃを基準マーカ１７０に対して操作することによって達成され得る。例えば、制御装置１９０に関連する周辺装置（すべて図示されないが、例えば、３Ｄゴーグルと連結しているトラックボールまたはジョイスティック）が使用されて、関節式アーム１６０の連続的に配置された部分１６２Ａ〜Ｃの１つまたは複数の仮想操作（ｖｉｒｔｕａｌ  ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ）を補助するために、あるいは仮想操作を可能にするために使用され得る。さもなければ、ロボット手術システム１００の操作者は、関節式アーム１６０の連続的に配置された部分１６２Ａ〜Ｃのうちの１つまたは複数を手動で操作して、検出器１５０を所望の位置に動かすことができる。
【００４９】
いくつかの態様では、一旦検出器１５０が所望の位置に関節式に運動されると、定義された相対座標系または３次元空間における検出器１５０の空間的位置は、制御装置１９０が角度に関係する通信を１つまたは複数の位置指示装置（例えばエンコーダ）から受信することによって決定され得る。より具体的には、１つまたは複数の位置指示装置（図示せず）は、定義された相対座標系または３次元空間内で、それと係合している連続的に配置された部分１６２Ａ〜Ｃ間の角度関係を示すために、１つまたは複数のジョイント１６４Ａ〜Ｂと係合され得る。１つまたは複数の位置指示装置が、定義された相対座標系または３次元空間内のジョイントの角度関係を制御装置１９０に通信するように、位置指示装置および制御装置１９０は、互いに通信することができる。検出器１５０が第３の部分１６２Ｃの遠位端に配置されている場合、制御装置１９０は、それに通信する各ジョイント１６４Ａ〜Ｂの角度関係に基づいて、ならびに例えば各部分１６２Ａ〜Ｃの長さなどの他の情報に基づいて、検出器１５０の空間的位置を決定するように構成され得る。検出器１５０の空間的位置に関するそのようなデータは、制御装置１９０に関連するデータ記憶装置内に格納され得る。
【００５０】
いくつかの態様では、一旦関節式アーム１６０が定義された相対座標系または３次元空間内の所望の位置にあると、制御装置１９０は、検出器１５０と基準マーカ１７０との間の相互作用を開始するように構成され得る。制御装置１９０は、検出器１５０と通信することができ、検出器１５０の動作を開始および／または作動させるように構成され得る。例えば、検出器１５０がカメラまたは他の画像取込装置である場合、制御装置１９０は、検出器１５０を作動させて、患者に連結された基準マーカ１７０の画像を特定のフレームレートで取得するように構成され得る。そのような態様では、最適な間隔（例えば、数センチメートル）が検出器１５０と基準１７０との間に維持されるように、関節式アーム１６０の１つまたは複数の連続的に配置された部分１６２Ａ〜Ｃの仮想操作を連続的に補助するように、またはその仮想操作を可能とするように、制御装置１９０に関連する周辺装置は構成され得る。他のそのような態様では、検出器１５０と基準１７０との間に最適な間隔が維持されるために、関節式アーム１６０の連続的に配置された１つまたは複数の部分１６２Ａ〜Ｃの仮想操作を自動的に補助するように、あるいはその仮想操作を可能するように、検出器１５０と基準マーカ１７０との間の間隔に関する検出器１５０とコントローラ１９０との間のフィードバック通信は構成され得る。
【００５１】
いくつかの態様では、制御装置が基準マーカ１７０との相互作用に関して検出器１５０からデータを受信するように、検出器１５０から取得されたデータは、制御装置１９０に送信され得る。検出器１５０および制御装置１９０は、通信要素を介して有線または無線通信していることが可能である。
【００５２】
いくつかの態様では、基準マーカ１７０と検出器１５０との間の空間的関係を決定するために、制御装置１９０は、基準マーカ１７０に関連付けられた基準点または原点、および所望の位置における検出器１５０の空間的位置を利用して、それらの間の第１の空間的関係を決定するように構成され得る。その後、制御装置１９０は、検出器１５０から取得された画像を利用して、定義された相対座標系または３次元空間における基準マーカ１７０の動きを追跡するように構成され得る。例えば、制御装置１９０は、基準マーカ１７０の空間位置が変化したかどうかを判定するために、基準マーカ１７０に関連する元の基準点または原点に関するデータを、検出器１５０によって取得される後続のデータと比較するように構成され得る。検出器１５０の既知の空間的位置に照らしてこの比較を使用して、制御装置１９０は、基準マーカ１７０と検出器１５０との間の変化した空間的関係を決定することができる。このようにして、患者の動きは、検出器１５０によって連続的に追跡され得る。
【００５３】
いくつかの態様では、手術用ロボットシステム１００または制御装置１９０はまた、計画装置を含むか、あるいはシステム１００のハードウェアおよび／またはソフトウェアと共に、本明細書に開示される他の方法のように、ユーザが仮想手術計画（ｖｉｒｔｕａｌ  ｓｕｒｇｉｃａｌ  ｐｌａｎ）を展開することを可能にする計画機能を含むことができる。いくつかの態様では、当業者によって理解されるように、仮想手術計画は、例えば定義された相対座標系または３次元空間（相対的または絶対的）に関連して生成され、計画パラメータを基準マーカ１７０（または患者に関する他の参照）に関連付けるように構成され得る。制御装置１９０は、対象相互作用装置１３０および／または器具１４０を基準マーカ１７０と位置合わせするように構成され得る。いくつかの態様では、計画パラメータは、外科手術の異なる部分で、または外科手術中に連続的に、基準マーカ１７０と対象相互作用装置１３０との間の空間的関係を定義することができる。しかしながら、患者が動く場合、対象相互作用装置１３０は、仮想手術計画の中で特定のポイントで定義されるように、対象相互作用装置１３０／器具１４０と基準マーカ１７０との間の定義された空間的関係に器具１４０を戻すことによって、患者の動きを補償する必要があり得る。いくつかの態様では、手術用ロボットシステム１００の操作者は、仮想手術計画の助けを借りずに外科手術を実施することができる。
【００５４】
基準マーカ１７０に対する器具１４０の空間的関係を決定するために、基準マーカ１７０と検出器１５０との間の決定された空間的関係を対象相互作用装置１３０と適切に比較するように、制御装置１９０は構成され得、および配置され得る。この例では、基準マーカ１７０と検出器１５０との間の決定された空間的関係は、基準マーカ１７０と対象相互作用装置１３０／器具１４０との間の空間的関係の変化に対応または比例する、あるいは影響を及ぼす可能性がある患者の位置の変化を含み得る。次いで、検出器１５０によって検出された基準マーカ１７０の変化に反映されるような患者の動きに起因する、基準マーカ１７０と対象相互作用装置１３０／器具１４０との間の空間的関係の変化を補償するように、制御装置１９０は構成され得る。例えば、仮想手術計画に定義された対象相互作用装置１３０／器具１４０と基準マーカ１７０との間の計画された空間的関係に戻るように、対象相互作用装置１３０／器具１４０の空間的位置を指示（すなわち調整）し、または物理的に案内するように、制御装置は構成され得る。他の例では、例えば、器具１４０と基準マーカ１７０との間の偏差が閾値を超えており、患者の過度の動きまたは他の問題を示している場合、制御装置１９０は、警報を発すること、または仮想外科手術計画を中止し、器具１４０を安全な位置に後退させることされも指示することができる。あるいは、制御装置１９０からの通信に基づいて、対象相互作用装置１３０／器具１４０と基準マーカ１７０との間の計画された空間的関係に対象相互作用装置１３０／器具１４０を指示するように、案内アーム１２０は構成され得る。したがって、例えば、患者の動きに起因する基準マーカ１７０と検出器１５０との間の空間的関係の検出された変化に関係して、基準マーカ１７０に対する対象相互作用装置１３０／器具１４０の空間的関係を変更するように、制御装置１９０は構成され得る。
【００５５】
ここで図３を参照すると、全体に２００で示される、手術用ロボットシステムを追跡し、案内する例示的な方法が開示される。追跡および案内装置は、図１〜図２の参照の中で説明したものと同様のハイブリッド装置（例えば、要素１１０）を備えることができる。したがって、以下の例示的な方法２００は、図１〜図２に関連する参照符号の慣例を使用して本明細書で説明される。特に、追跡および案内装置は、追跡および案内のための、例えば電気的、機械的、電子機械的、音響的および光学的機構のハイブリッドを備えることができる。
【００５６】
第１のステップ２０２において、関節式アーム１６０の遠位端に連結されており且つ関節式アーム１６０と協働可能な検出器１５０が、対象に結合された基準マーカ１７０に隣接して配置され、検出器１５０は、基準マーカ１７０と相互作用するように構成される。図１に示すように、追跡および案内装置１１０は、ハイブリッドの機械式および光学式の追跡および案内装置１１０を備え、関節式アーム１６０と係合されている検出器１５０は、光学検出器（例えば、カメラ）を備え、基準マーカ１７０は、１つまたは複数の反射マーカを備える。対照的に、図２に示すように、追跡および案内装置１１０は、ハイブリッドの機械式および電磁式の追跡および案内装置１１０を備え、検出器１５０は、電磁検出器（例えば、エミッタ）を備え、基準マーカ１７０は、１つまたは複数のセンサまたはエミッタを備える。特に、追跡および案内装置１１０はまた、追跡および案内のための、例えば電気的、機械的、電子機械的、音響的および光学的装置のハイブリッドを含むことができる。
【００５７】
第２のステップ２０４において、基準マーカ１７０と検出器１５０との間の相互作用は、検出器１５０と通信している制御装置１９０によって開始される。いくつかの態様では、制御装置１９０はハードウェアプロセッサおよびメモリを含む。
【００５８】
第３のステップ２０６において、制御装置１９０は、基準マーカ１７０との相互作用に関する検出器１５０からのデータを受信する。
【００５９】
第４のステップ２０８において、制御装置１９０は受信したデータに基づいて基準マーカ１７０と検出器１５０との間の空間的関係を決定する。
【００６０】
第５のステップ２１０において、制御装置１９０は、基準マーカ１７０に対して、対象相互作用装置１３０の器具１４０の空間的関係を決定し、器具１４０は案内アーム１２０の遠位端に連結されている。
【００６１】
第６のステップ２１２では、器具１４０は、案内アーム１２０を介して、決定された空間的関係に従って対象と相互作用するように指示される。
【００６２】
本明細書に記載された発明の多くの改変および他の実施形態は、これらの開示された実施形態が関係する、前述の説明および関連する図面に示された教示の利益を享受する当業者に思い浮かぶことであろう。したがって、本発明の実施形態は開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、変形形態および他の実施形態は本発明の範囲内に含まれることが意図されることを理解されたい。さらに、前述の説明および関連する図面は、要素および／または機能の特定の例の組み合わせに関連して、例示的な実施形態を説明しているが、しかし要素および／または機能の異なる組み合わせが、開示の範囲から逸脱することなく、代替形態によって提供され得ることを理解すべきである。これに関して、例えば、明確に上述したもの以外の要素および／または機能の異なる組み合わせもやはり開示の範囲内で考えられる。本明細書では特定の用語を使用しているが、それらは一般的かつ説明的な意味でのみ使用され、限定する目的で使用されるのではない。
【００６３】
第１、第２などの用語は、様々なステップまたは計算を説明するために本明細書で使用され得るが、これらのステップまたは計算はこれらの用語によって制限されるべきではないことを理解すべきである。これらの用語は、１つの操作または計算を別の操作または計算と区別するためにのみ使用される。例えば、本開示の範囲から逸脱することなく、第１の計算は第２の計算と呼ばれることができ、同様に、第２のステップは第１のステップと呼ばれ得る。本明細書で使用される場合、用語「および／または」および「／」記号は、１つまたは複数の関連する列挙された項目の任意の組み合わせ、およびすべての組み合わせを含む。
【００６４】
本明細書で使用されるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、複数形も含むことが意図されている。本明細書で使用される場合、「備える」、「備えている」、「含む」および／または「含んでいる」という用語は、記載された特徴、整数、ステップ、操作、要素および／または構成要素の存在を特定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではない。したがって、本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためのものであり、限定することを意図するものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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