(57)【要約】  ナビゲーションシステムに用いられる追跡装置及び該追跡装置を製造する方法。追跡装置は、追跡ヘッドと、追跡ヘッドによって支持される光を放射する複数のエミッタとを備える。均一な外壁厚みを画定する円弧内面及び円弧外面を有する複数のドーム状レンズが、光の屈折を最小限に抑えるように光が外壁を通って放射されるように、エミッタを覆って配置される。
2019500940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物を追跡するためにナビゲーションシステムと共に用いられる追跡装置であって、
追跡ヘッドと、
前記追跡ヘッドによって支持された複数のエミッタであって、各々が光を放射するように構成されている、複数のエミッタと、
前記複数のエミッタを覆って配置された複数のレンズであって、各々が円弧内面と均一な外壁厚みを画定するために前記円弧内面から等距離で離間した円弧外面とを備える外壁を有する、複数のレンズと、
を備え、
前記レンズの各々は、光の屈折を最小限に抑えるために、前記エミッタから放射された光が前記円弧内面に対して垂直に前記外壁を通過するように、前記エミッタに対して配置されている、追跡装置。
【請求項２】
前記レンズの各々は、ドーム形状を有する、請求項１に記載の追跡装置。
【請求項３】
前記レンズの各々は、サファイアから形成されている、先行する請求項のいずれかに記載の追跡装置。
【請求項４】
前記エミッタの各々は、赤外線発光ダイオードのダイを備える、先行する請求項のいずれかに記載の追跡装置。
【請求項５】
複数のエミッタ支持アセンブリであって、各々が前記ダイの１つを支持するようになっている、複数のエミッタ支持アセンブリを備える、請求項４に記載の追跡装置。
【請求項６】
前記エミッタ支持アセンブリの各々は、前記ダイの前記１つを受け入れるための反射ヘッドを備える、請求項５に記載の追跡ヘッド。
【請求項７】
前記エミッタ支持アセンブリの各々は、基部と、多結晶セラミックによって前記基部に封止される銅／ベリリウムから少なくとも部分的に形成されたピンとを備える、請求項５又は６のいずれかに記載の追跡装置。
【請求項８】
前記レンズは、前記エミッタ支持アセンブリに半田付けされている、請求項５〜７のいずれかに記載の追跡装置。
【請求項９】
前記追跡ヘッドは、第１のハウジングと、内部チャンバを画定するように前記第１のハウジングに接続された第２のハウジングとを備える、請求項５〜８のいずれかに記載の追跡装置。
【請求項１０】
前記エミッタ支持アセンブリの各々は、前記第１のハウジングにレーザー溶接されている、請求項９に記載の追跡装置。
【請求項１１】
前記内部チャンバ内に配置され、前記内部チャンバの内側に気密に密封された制御装置を備える、請求項９又は１０のいずれかに記載の追跡装置。
【請求項１２】
前記第１のハウジングは、チタンから少なくとも部分的に形成された溶接リングを備える、請求項９〜１１のいずれかに記載の追跡装置。
【請求項１３】
前記第１のハウジングは、チタンから少なくとも部分的に形成された蓋を備える、請求項１２に記載の追跡装置。
【請求項１４】
前記第１のハウジングは、前記溶接リングと前記蓋との間に配置された光リングを備える、請求項１３に記載の追跡装置。
【請求項１５】
前記蓋及び前記溶接リングは、前記光リングにろう付けされている、請求項１４に記載の追跡装置。
【請求項１６】
前記光リングを通って光を放射するように配置された少なくとも１つの光源を備える、請求項１４又は１５のいずれかに記載の追跡装置。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの光源は、可視光を放射するように構成された発光ダイオードを備える、請求項１６に記載の追跡装置。
【請求項１８】
前記第２のハウジングは、チタンから少なくとも部分的に形成されている、請求項９〜１７のいずれかに記載の追跡装置。
【請求項１９】
電力路及び通信路の少なくとも１つを前記追跡装置に接続するためのコネクタを備える、請求項９〜１７のいずれかに記載の追跡装置。
【請求項２０】
前記コネクタは、複数のピンと、前記ピン用の支持構造と、柔軟ケーブルと、爆着されたステンレス鋼とチタンとから形成されたブッシュであって、前記第２のハウジング及び前記支持構造に溶接される、ブッシュとを備える、請求項１９に記載の追跡装置。
【請求項２１】
前記コネクタは、前記第２のハウジングに溶接されている、請求項２０に記載の追跡装置。
【請求項２２】
前記コネクタは、ケーブルコネクタへの接続を容易にするように構成された１対の磁石を備え、前記１対の磁石は、互いに反対の極性が前記支持構造の方を向くように配置されている、請求項２０又は２１のいずれかに記載の追跡装置。
【請求項２３】
前記１対の磁石と共に用いられる磁束戻りプレートを備える、請求項２２に記載の追跡装置。
【請求項２４】
前記レンズの各々に施された反射防止皮膜を備える、先行する請求項のいずれかに記載の追跡装置。
【請求項２５】
対象物を追跡するためのナビゲーションシステムであって、
追跡ヘッドと、
前記追跡ヘッドによって支持された複数のエミッタであって、各々が光を放射するように構成された、複数のエミッタと、
前記複数のエミッタを覆って配置された複数のレンズであって、前記レンズの各々が円弧内面と均一な外壁厚みを画定するために前記円弧内面から等距離で離間した円弧外面とを備える外壁を有し、
前記レンズの各々は、光の屈折を最小限に抑えるために、前記エミッタから放射された光が前記円弧内面に対して垂直に前記外壁を通過するように、前記エミッタに対して配置されている、複数のレンズと、
前記対象物の位置及び方位を決定するために前記エミッタから放射された光を受信するためのローカライザと、
を備える、ナビゲーションシステム。
【請求項２６】
対象物を追跡するためにナビゲーションシステムと共に用いられる追跡装置を製造する方法であって、
複数のエミッタを基部に該基部に対して所定のｚ軸高さとなるように組み込むステップであって、前記エミッタの各々が光を放射するように構成されている、ステップと、
複数のレンズを前記複数のエミッタを覆って配置するステップであって、前記レンズの各々が円弧内面と均一な外壁厚みを画定するために前記円弧内面から等距離で離間した円弧外面とを備える外壁を有する、ステップと、
を含み、
前記複数のレンズの各々は、光の屈折を最小限に抑えるために，前記エミッタから放射された光が前記円弧内面に対して垂直に前記外壁を通過するように、ｘ−ｙ面において前記エミッタに対して配置される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本願は、２０１５年１２月１０日に出願された米国仮特許出願第６２／２６５，５８５号の利得及び優先権を主張し、その開示内容は、参照することによって、その全体がここに含まれるものとする。
【０００２】
［発明の分野］
本開示は、概して、ナビゲーションシステムに用いられる追跡装置及び該追跡装置を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ナビゲーションシステムは、対象物の位置を特定する際にユーザーを支援する。例えば、ナビゲーションシステムは、工業用途、航空宇宙用途、及び医療用途に用いられる。医療分野では、ナビゲーションシステムは、外科用器具を生物構造に対して正確に配置する目的で外科用器具及び生物構造の位置を特定する際に、外科医を支援する。典型的には、外科用器具及び生物構造は、ディスプレイに示されるそれらの運動と一緒に追跡される。
【０００４】
ナビゲーションシステムは、対象物の位置及び／又は方位を追跡するために、光信号、音波、磁場、高周波信号、等を用いることがある。多くの場合、ナビゲーションシステムは、追跡される対象物に取り付けられる追跡装置を備えている。ローカライザが追跡装置の追跡要素と協働して、追跡要素の位置を決定し、最終的に対象物の位置及び方位を決定する。ナビゲーションシステムは、追跡装置を介して対象物の移動を監視する。
【０００５】
ナビゲーションシステムのなかには、能動型追跡要素を用いるものがある。能動型追跡要素は、該追跡要素の位置を三角測量するために、ローカライザによって受信される光を直接放射する。能動型追跡要素を用いる１つの利点は、他のナビゲーションシステム、例えば、ローカライザによって放射された光を反射する反射要素に依存するナビゲーションシステムと比較して、高精度が得られる点にある。能動型追跡要素を用いるナビゲーションシステムでは、追跡要素は、通常、透明レンズの背後に配置され、これによって、光を追跡要素からローカライザに放射させることを可能にしながら、追跡装置を再使用のために滅菌することが可能になる。しかし、これらの透明レンズは、追跡要素から放射される光の屈折を生じさせる。この屈折によって、ローカライザが追跡要素の位置を不正確に決定し、追跡される対象物の位置及び方位の不正確な計算が生じる可能性がある。屈折の低減が必要であることに加えて、いくつかの用途において適切な精度を実現するために、追跡装置は、製造中に高精度な状態に維持されねばならないが、これは、場合によっては、達成することが困難である。不正確な製造が光の屈折に関連する課題と組み合わされると、精度誤差が望ましくないレベルに達する可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような状況から、前述の課題の１つ又は複数を解消する追跡装置が、当技術分野において必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態では、対象物を追跡するためにナビゲーションシステムと共に用いられる追跡装置が提供される。追跡装置は、追跡ヘッドを備えている。複数のエミッタが追跡ヘッドによって支持されている。エミッタの各々は、光を放射するように構成されている。複数のレンズが、複数のエミッタを覆って配置されている。レンズの各々は、円弧内面と均一な外壁厚みを画定するために円弧内面から等距離で離間した円弧外面とを備える外壁を有している。レンズは、光の屈折を最小限に抑えるために、エミッタから放射された光が円弧内面に対して垂直に外壁を通過するように、エミッタに対して配置されている。
【０００８】
他の実施形態では、対象物を追跡するためのナビゲーションシステムが提供される。ナビゲーションシステムは、追跡ヘッドを備えている。複数のエミッタが、追跡ヘッドによって支持されている。エミッタの各々は、光を放射するように構成されている。複数のレンズが、複数のエミッタを覆って配置されている。レンズの各々は、円弧内面と均一な外壁厚みを画定するために円弧内面から等距離で離間した円弧外面とを備える外壁を有している。レンズは、光の屈折を最小限に抑えるために、エミッタから放射された光が円弧内面に対して垂直に外壁を通過するように、エミッタに対して配置されている。ナビゲーションシステムは、対象物の位置及び方位を決定するためにエミッタから放射された光を受信するためのローカライザも備えている。
【０００９】
追跡装置を製造する方法も提供される。この方法は、複数のエミッタを基部に該基部に対して所定のｚ軸高さとなるように組み込むことを含んでいる。エミッタの各々は、光を放射するように構成されている。この方法は、複数のレンズを複数のエミッタを覆って配置することをさらに含んでいる。レンズの各々は、円弧内面と均一な外壁厚みを画定するために円弧内面から等距離で離間した円弧外面とを備える外壁を有している。複数のレンズの各々は、光の屈折を最小限に抑えるために、エミッタから放射された光が円弧内面と垂直に外壁を通過するように、ｘ−ｙ面においてエミッタに対して配置される。
【００１０】
本開示の利点は、添付の図面に関連して以下の詳細な説明を参照することによってよく理解されたなら、容易に明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】患者と共に用いられるナビゲーションシステムの斜視図である。
【図２】ナビゲーションシステムの模式図である。
【図３】追跡装置の斜視図である。
【図４】追跡装置の断面図である。
【図５】追跡装置の第１のハウジングの斜視図である。
【図６】追跡装置の第１のハウジングの分解図である。
【図７】エミッタ支持アセンブリの上面斜視図である。
【図８】エミッタ支持アセンブリの底面斜視図である。
【図９】エミッタ支持アセンブリを有する第１のハウジングの上面斜視図である。
【図１０】エミッタ支持アセンブリを有する第１のハウジングの底面斜視図である。
【図１１】エミッタ支持アセンブリ、発光ダイオード、及びレンズを備える第１のハウジングの上面斜視図である。
【図１２】レンズの１つの斜視図である。
【図１３】エミッタ支持アセンブリの１つ及びレンズの１つの断面図である。
【図１４】回転ターンテーブル上で軸を中心として回転しながら発光するＬＥＤのエラーを示すグラフである。
【図１５】追跡装置の第２のハウジングの底面斜視図である。
【図１６】追跡装置の第２のハウジングの上面斜視図である。
【図１７】追跡装置のコネクタの底面斜視図である。
【図１８】追跡装置のコネクタの分解図である。
【図１９】コネクタの上面斜視図である。
【図２０】第２のハウジングに取り付けられたコネクタの断面斜視図である。
【図２１】相手側ケーブルコネクタを有する第２のハウジングに取り付けられたコネクタの底面斜視図である。
【図２２】第２のハウジングに取り付けられたコネクタの上面斜視図である。
【図２３】コネクタに取り付けられた磁石の上面斜視図である。
【図２４】磁石に隣接して配置された磁束戻りプレートの上面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１を参照すると、ナビゲーションシステム２０が示されている。ナビゲーションシステム２０は、医療設備の手術室のような手術現場にあるものとして示されている。ナビゲーションシステム２０は、手術室内において種々の対象物の移動を追跡するように設定されている。このような対象物の例として、例えば、外科用器具２２、患者の大腿骨Ｆ、及び患者の脛骨Ｔが挙げられる。ナビゲーションシステム２０は、外科医に対する対象物の相対的な位置及び方位を表示するために、場合によっては、所定の経路又は解剖学的境界に対する外科用器具２２の移動を制御又は拘束するために、これらの対象物を追跡するようになっている。
【００１３】
ナビゲーションシステム２０は、ナビゲーションコンピュータ２６を収容するコンピュータカートアセンブリ２４を備えている。ナビゲーションインターフェイスは、ナビゲーションコンピュータ２６と動作可能に通信する。ナビゲーションインターフェイスは、滅菌領域の外側に位置するように適合された第１のディスプレイ２８と、滅菌領域の内側に位置するように適合された第２のディスプレイ２９とを備えている。ディスプレイ２８，２９は、コンピュータカートアセンブリ２４に調整可能に取り付けられている。第１及び第２の入力装置３０，３２、例えば、マウス及びキーボードを用いて、ナビゲーションコンピュータ２６に情報を入力することができ、又はナビゲーションコンピュータ２６のいくつかの態様を選択／制御することができる。ディスプレイ２８，２９上のタッチスクリーン（図示せず）又は音声起動装置を含む他の入力装置も考えられる。
【００１４】
ローカライザ３４がナビゲーションコンピュータ２６と通信する。図示される実施形態では、ローカライザ３４は、光学ローカライザであり、（検知装置とも呼ばれる）カメラユニット３６を備えている。カメラユニット３６は、１つ又は複数の光学位置センサ４０を収容する外側ケーシング３８を有している。いくつかの実施形態では、少なくとも２つ、場合によっては、３つ又は４つの光学センサ４０が用いられる。これらの光学センサ４０は、互いに独立した３つの電荷結合素子（ＣＣＤ）であるとよい。一実施形態では、３つの一次元ＣＣＤが用いられる。他の実施形態では、互いに独立したカメラユニットであって、各々が別個の１つ又は２つ以上のＣＣＤを有する、カメラユニットが、手術室の周りに配置されてもよいことを理解されたい。これらのＣＣＤは、赤外線（ＩＲ）光信号を検出するものである。
【００１５】
カメラユニット３６は、光学センサ４０を以下に説明するトラッカーが理想的には障害物に遮られることなく視野内に入るように配置するために、調整可能なアーム上に取り付けられている。
【００１６】
カメラユニット３６は、光学センサ４０からの信号を受信するために光学センサ４０と通信するカメラ制御装置４２を備えている。カメラ制御装置４２は、有線又は無線（図示せず）のいずれかによってナビゲーションシステム２６と通信する。このような１つの結線は、高速通信及びアイソクロナス実時間データ転送のシリアルバスインターフェイス規格であるＩＥＥＥ１３９４インターフェイスであるとよい。この結線は、企業特化プロトコルを用いてもよい。他の実施形態では、光学センサ４０は、ナビゲーションコンピュータ２６と直接通信するようになっている。
【００１７】
位置及び方位信号及び／又はデータが、対象物を追跡する目的でナビゲーションコンピュータ２６に送信される。コンピュータカートアセンブリ２４、ディスプレイ２８、及びカメラユニット３６は、２０１０年５月２５日にMalackowskiらに刊行された「外科システム」と題する米国特許第７，７２５，１６２号に記載されているものと同様であってもよい。この文献は、参照することによって、ここに含まれるものとする。
【００１８】
ナビゲーションコンピュータ２６は、パーソナルコンピュータ又はラップトップコンピュータとすることができる。ナビゲーションコンピュータ２６は、ディスプレイ２８，２９、中央処理ユニット（ＣＰＵ）及び／又は他のプロセッサ、メモリ（図示せず）、及び記憶装置（図示せず）を有している。ナビゲーションコンピュータ２６には、以下に説明するようにソフトウエアが実装される。ソフトウエアは、カメラユニット３６から受信した信号を追跡される対象物の位置及び方位を表すデータに変換する。
【００１９】
ナビゲーションシステム２０は、ここではトラッカーとも呼ばれる複数の追跡装置４４，４６，４８を備えている。図示される実施形態では、１つのトラッカー４４が患者の大腿骨Ｆにしっかりと取り付けられ、他のトラッカー４６が患者の脛骨Ｔにしっかりと取り付けられている。トラッカー４４，４６は、骨の区域にしっかりと取り付けられるようになっている。トラッカー４４，４６は、米国特許第７，７２５，１６２号に示される方法によって、及び／又は２０１４年１月１６日に米国特許出願第１４／１５６，８５６号として出願され、米国特許出願公開第２０１４／０２００６２１号として公開された「見通し線エラーを示し、かつ低減させるためのナビゲーションシステム及び方法」と題する特許に示される方法によって、大腿骨Ｔ及び脛骨Ｔに取り付けられるとよい。これらの文献は、参照することによって、ここに含まれるものとする。他の取付け方法も可能である。追加的な実施形態では、トラッカー（図示せず）は、膝蓋骨の位置及び方位を追跡するために該膝蓋骨に取付けられるようになっている。さらに他の実施形態では、トラッカー４４，４６は、他の種類の組織又は他の解剖学的構造の一部に取り付けられてもよい。
【００２０】
器具トラッカー４８が、外科用器具２２にしっかりと取り付けられている。器具トラッカー４８は、製造中に外科用器具２２に一体化されてもよいし、又は外科手術の準備中に外科用器具２２に個別に取り付けられてもよい。追跡される外科用器具２２の作業端は、回転バーであってもよいし、電気融除装置であってもよいし、他のエネルギーアプリケータ、等であってもよい。
【００２１】
図示される実施形態では、外科用器具２２は、外科用マニピュレータに取り付けられるエンドエフェクタであるとよい。このような構成は、２０１５年９月１日に認可された「多重モードで外科用器具を制御することができる外科用マニピュレータ」と題する米国特許第９，１１９，６５５号に示されている。この文献の開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。
【００２２】
他の実施形態では、外科用器具２２は、どのような切断ガイド、ジブ、又はマニピュレータ又はロボットのような他の拘束機構の助けなしに、ユーザーの手のみによって手動で位置決めされてもよい。このような外科用器具は、２０１２年８月３１日に出願された「ハウジング、ハウジングから延在する切断アクセサリ、ハウジングに対する切断アクセサリの位置を確立するアクチュエータを備える外科用器具」と題する米国特許出願第１３／６００，８８８号に記載されている。この文献の開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。
【００２３】
ローカライザ３４の光学センサ４０は、トラッカー４４，４６，４８からの光信号を受信する。図示される実施形態では、トラッカー４４，４６，４８は、能動型トラッカーである。この実施形態では、各トラッカー４４，４６，４８は、光信号を光学センサ４０に送信するための少なくとも３つ、好ましくは、４つの能動型追跡要素を有している。追跡要素は、例えば、赤外線のような光を送信する発光ダイオード（ＬＥＤ）５０とすることができる。光学センサ４０は、好ましくは、１００Ｈｚ以上、さらに好ましくは、３００Ｈｚ以上、最も好ましくは、５００Ｈｚ以上のサンプリングレートを有している。いくつかの実施形態では、光学センサ４０は、８０００Ｈｚのサンプリングレートを有している。サンプリングレートは、光学センサ４０が連続的に発光するＬＥＤ５０から光信号を受信する回数／秒である。いくつかの実施形態では、ＬＥＤ５０からの光信号は、トラッカー４４，４６，４８ごとに異なる回数／秒で処理されるようになっている。
【００２４】
図２を参照すると、ＬＥＤ５０の各々は、関連するトラッカー４４，４６，４８のトラッカー制御装置６２に接続されている。トラッカー制御装置６２は、ナビゲーションコンピュータ２６からデータを受信し、又はナビゲーションコンピュータ２６にデータを送信するものである。一実施形態では、トラッカー制御装置６２は、数メガバイト／秒ほどのデータを有線によってナビゲーションコンピュータ２６に送信する。他の実施形態では、無線が用いられてもよい。これらの実施形態では、ナビゲーションコンピュータ２６は、トラッカー制御装置６２からのデータを受信する送受信機（図示せず）を有している。
【００２５】
トラッカー４４，４６，４８の各々は、トラッカー４４，４６，４８の角速度を測定する三次元ジャイロスコープセンサ６０も備えている。ジャイロスコープセンサ６０によって測定された角速度は、トラッカー４４，４６，４７を追跡する追加的な非光学的データをナビゲーションシステム２０にもたらす。トラッカー４４，４６，４８の各々は、３軸加速度７０も備えている。加速度計７０も、トラッカー４４，４６，４８を追跡する追加的な非光学的データをナビゲーションシステム２０にもたらす。
【００２６】
ジャイロスコープ６０及び加速度計７０の各々は、関連するトラッカーのハウジング内に配置されたトラッカー制御装置６２と通信する。トラッカー制御装置６２は、ナビゲーションコンピュータ２６からデータを受信し、又はナビゲーションコンピュータ２６にデータを送信するものである。データは、有線又は無線のいずれかによって受信可能になっている。
【００２７】
ナビゲーションコンピュータ２６は、ナビゲーションプロセッサ５２を備えている。カメラユニット３６が、トラッカー４４，４６，４８のＬＥＤ５０からの光学信号を受信し、ローカライザ３４に対するトラッカー４４，４６，４８のＬＥＤ５０の位置に関する信号及び／又はデータをプロセッサ５２に出力する。これらの信号及び／又はデータは、三角測量法によって決定される信号及び／又はデータとすることができる。ジャイロスコープセンサ６０は、ジャイロスコープセンサ６０によって測定された三次元角速度に関する非光学信号をプロセッサ５２に送信する。受信した光学信号及び非光学信号に基づいて、ナビゲーションプロセッサ５２は、ローカライザ３４に対するトラッカー４４，４６，４８の相対的な位置及び方位を示すデータを生成する。ジャイロスコープセンサ又は加速度計を備えないトラッカーが用いられてもよい。
【００２８】
ナビゲーションプロセッサ５２がナビゲーションコンピュータ２６の操作を制御する１つ又は複数のプロセッサを備えることができることを理解されたい。プロセッサは、どのような形式のマイクロプロセッサ又はマルチプロセッサシステムであってもよいし、又は他の形式のプロセッサであってもよい。プロセッサという用語は、単一プロセッサに制限されるように意図されていない。
【００２９】
外科手術の開始の前に、追加的なデータがナビゲーションプロセッサ５２内に実装される。トラッカー４４，４６，４８の位置及び方位及び予め実装されたデータに基づいて、ナビゲーションプロセッサ５２は、作業端が適用されることになる組織に対する外科用器具２２の作業端の位置及び外科用器具２２の方位を決定する。
【００３０】
ナビゲーションプロセッサ５２は、外科部位に対する外科用器具の作業端の相対位置を示す画像信号も生成する。これらの画像信号は、ディスプレイ２８，２９に供給される。ディスプレイ２８，２９は、これらの信号に基づき、外科医及びスタッフが外科部位に対する外科用器具の作業端の相対位置を観察することを可能にする画像を生成する。ディスプレイ２８，２９は、前述したように、指令の入力を可能にするタッチスクリーン又は他の入力／出力装置を備えていてもよい。
【００３１】
いくつかの実施形態では、一度に１つのみのＬＥＤ５０が光学センサ４０によって読み取られるようになっていてもよい。カメラ制御装置４２は、Malackowskiらに付与された米国特許第７，７２５，１６２号に記載されているように、（カメラユニット３６及びトラッカー４４，４６，４８上の）１つ又は複数の赤外線又はＲＦ送受信機によって、又は有線によって、ＬＥＤ５０の発光を制御するようになっているとよい。この文献は、参照することによって、ここに含まれるものとする。代替的に、トラッカー４４，４６，４８は、（例えば、トラッカー４４，４６，４８上のスイッチによって）個別に作動され、作動されたなら、カメラ制御装置４２からの指示を受けることなく、該トラッカーのＬＥＤ５０を連続的に発光させるようになっていてもよい。
【００３２】
大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔに取り付けられたトラッカー４４，４６の一態様が、図３，４に示されている。以下、簡単にするために、トラッカー４４，４６の１つのみを参照するが、トラッカー４４，４６は、同一であるとよい。
【００３３】
トラッカー４４は、追跡ヘッド７２を備えている。追跡ヘッド７２は、前述の原理に基づいて対象物の位置及び方位を追跡する目的で対象物に取り付けられるように構成されている。対象物の位置及び方位を追跡するために、ナビゲーションシステム２０によって用いられる４つの追跡要素が設けられている。図示される態様では、これらの４つの追跡要素は、赤外線ＬＥＤ５０の形態にある。ＬＥＤ５０は、ローカライザ３４の光学センサ４０によって受信される光を放射するように追跡ヘッド７２によって支持されている。
【００３４】
追跡ヘッド７２は、第１のハウジング７４及び第２のハウジング７６を備えている。第２のハウジング７６は、内部チャンバ７８を画定するように、第１のハウジング７４に接続されている。第１のハウジング７４及び第２のハウジング７６は、追跡ヘッド７２の連続的な外面を形成するために、正確に合致するそれぞれの外面を有している。連続的な外面は、図３に最もよく示されるように、丸形コーナを有する略矩形形状を有しているとよい。
【００３５】
トラッカー制御装置６２、ジャイロスコープ６０、加速度計７０、及び他の内部電子部品が取り付けられた印刷回路基板（ＰＣＢ）が、内部チャンバ７８内に配置され、内部チャンバ７８の内側に気密に密封され、これによって、内部チャンバ７８内に配置されたこれらの電子部品を損傷させるという心配をせずに、トラッカー４４を滅菌することが可能になる。
【００３６】
図３−６に示されるように、第１のハウジング７４は、溶接リング８０、蓋８２，及び光リング８４を備えている。溶接リング８０、蓋８２、及び光リング８４は、追跡ヘッド７２の連続的な外面の一部を形成するために、正確に合致するそれぞれの外面を有している。
【００３７】
溶接リング８０は、チタンから形成されている。溶接リング８０は、チタンから形成されるとよい第２のハウジング７６にレーザ溶接されるように構成されている。溶接リング８０は、その周囲にわたって略均一の厚みを有し、リング状に形作られている、製造中、溶接リング８０は、第２のハウジング７６の肩上に着座し、この肩に溶接される。図示される実施形態では、溶接リング８０は、複数の位置決め突起８１を有している。突起８１は、溶接リング８０の各側の内面の中心に位置している。組立中、突起８１は、内面の一部のみに渡って該内面から内方に突出し、最終的に、第２のハウジング７６の周囲リム８３上に位置する（図４，６参照）。他の実施形態では、突起８１は、第２のハウジング７６のリム８３上に位置する連続的な周囲フランジと置き換えられてもよい。
【００３８】
蓋８２は、チタンから形成されている。ＬＥＤ５０は、光を蓋８２を超えて放射するように配置されている。光リング８４が、溶接リング８０と蓋８２との間に配置されている。光リング８４は、使用中にトラッカー４４及び／又は他の構成部品／システムのある状況条件を示すために照らされるものであり、ジルコニア又は他の材料から形成されているとよい。溶接リング８０及び蓋８２は、製造中にろう付けプリフォーム８６を用いて光リング８４にろう付けされる。溶接リング８０及び光リング８４は、同一の外形及び厚みを有しているとよい。
【００３９】
少なくとも１つの状況を示す光源が、光を光リング８４を通して放射するように配置されている。少なくとも１つの状況を示す光源の例として、１つのＬＥＤ、各々が異なる色の光を放射することができる複数のマルチカラーＬＥＤ、例えば、ＲＧＢＬＥＤ、第１の色の光を放射することができる第１の複数のＬＥＤ及び第１の色と異なる第２の色の光を放射することができる第２の複数のＬＥＤ、又はこれらの任意の組合せが挙げられる。  一例では、状況を示す光源は、橙色の可視光を放射することができる少なくとも１つのＬＥＤ９０ａと、緑色の可視光を放射することができる少なくとも１つのＬＥＤ９０ｂと、から構成されている。
【００４０】
図４−８を参照すると、複数のエミッタ支持アセンブリ９６が、ＬＥＤ５０を支持するために、第１のハウジング７４の蓋８２内に支持されている。具体的には、蓋８２は、エミッタ支持アセンブリ９６を受け入れるための複数のポケット９８（図５参照）を画定している。ポケット９８の各々は、貫通開口１００、内側座ぐり孔１０２、及び外側座ぐり孔１０４を有している。貫通開口１００及び座ぐり孔１０２，１０４は、機械加工、成形／造形、等によって形成されるとよいことを理解されたい。
【００４１】
エミッタ支持アセンブリ９６の各々は、基部１０２を備えている。基部１０２は、金属、例えば、３０４Ｌステンレス鋼から形成されているとよい。基部１０２は、蓋８２に固定されて外側座ぐり孔１０４内に位置する環状リム１０６を備えている。基部１０２は、リム１０６から下方に垂れ下がる円筒状本体１０８も備えている。本体１０８は、蓋８２に固定され、内側座ぐり孔１０２内に位置するようになっている。基部１０２は、本体１０８から下方に垂れ下がる位置合せ区域１１０も備えている。
【００４２】
位置合せ区域１１０は、本体１０８の中心軸Ａからずれた長軸Ｌを有している。位置合せ区域１１０は、エミッタ支持アセンブリ９６が製造中に一方位においてのみポケット９８内に嵌合されることが可能となるように、楕円形状を有している。エミッタ支持アセンブリ９６は、ろう付け、レーザー溶接、接着剤、等の１つ又は複数によって、蓋８２に固定されるようになっている。エミッタ支持アセンブリ９６の取付けは、図９，１０に示されている。  
【００４３】
エミッタ支持アセンブリ９６の各々は、基部１０２内の貫通開口１１３，１１５（図１３参照）内に配置された１対のピン１１２，１１４も備えている。ピン１１２，１１４は、少なくとも部分的に、場合によっては、完全に銅ベリリウムから形成されてもよいし、他の銅合金又は他の材料から形成されてもよい。ピン１１２，１１４は、貫通開口１１３，１１５内において、多結晶セラミック１１７，例えば、Kryoflex（図１３参照）によって基部１０２に固定され、かつ密封されるとよい。ピン１１２，１１４は、ＬＥＤ５０に対してカソード接点及びアノード接点をもたらすものである。
【００４４】
反射ヘッド１１６がピン１１２と一体化されている。すなわち、反射ヘッド１１６及びピン１１２は、単一片として形成されている。各ＬＥＤ５０のエミッタは、各反射ヘッド１１６の中心に支持されている。エミッタは、一実施形態では、ＬＥＤ５０のダイ５１である。１つの例示的態様では、ダイ５１は、D-12555 Berlin、Kopenicker Str. 325b、Haus 201のOptoelektronik GmbHから市販されているダイ「ＥＰＩＧＡＰＴＭ」（シリアル番号：ＥＬＣ−８７５−２２）である。
【００４５】
反射ヘッド１１６は、反射ヘッド１１６がアノード接続によってＬＥＤ５０のアノード接点への接続をもたらすために、ダイ５１と接触するように構成されている。カソード接続は、ピン１１２の中心においてダイ５１と接触することによってもたらされるようになっている。反射ヘッド１１６は、カップ形状であってもよいし、又はダイ５１を支持するのに適するどのような形状であってもよい。ダイ５１は、接着剤によって反射ヘッド１１６に固定され、シリコンゲル又は他の皮膜によって被覆されるとよい。いくつかの実施形態では、図示されていないが、ダイ５１は、ダイ５１を反射ヘッド１１６内にカプセル化するように、シリコンゲルによって被覆されてもよい。
【００４６】
図１１−１４を参照すると、ダイ５１の各々が光をレンズ１２０の対応する１つを通して光学センサ４０に放射するように、レンズ１２０が、反射ヘッド１１６に着座したダイ５１の各々を覆って配置される。レンズ１２０の各々は、円弧内面１２４及び円弧外面１２６を備える円弧外壁１２２を有している。円弧外面１２６は、均一な壁厚Ｔを画定するために、円弧内面１２４から等距離で離間している。レンズ１２０の各々は、光線の屈折を最小限に抑えるために、ダイ５１の焦点Ｆから放射された光線Ｒが円弧内面１２４に対して垂直に外壁１２２を通過するように、ダイ５１に対して配置されている。レンズ１２０の各々は、概して、略ドーム形状を有し、サファイアによって形成されている。
【００４７】
レンズ１２０は、エミッタ支持アセンブリ９６に半田付けされる。さらに具体的には、レンズ１２０の各々は、半田リング１３０によって基部１２０に半田付けされる。半田リング１３０は、平坦なリング部分及び上方に延在するリップ部分を有している。平坦なリング部分は、基部１０２の上面に形成された上側環状溝１２１内に嵌合するように寸法決めされている。溝１２１は、基部の内側隆起ボス１２３とリム１０６との間に位置している。半田リング１３０は、加熱されると、リム１０６内の反射ヘッド１１６を囲む区域において、レンズ１２０を基部１０２に固定する。
【００４８】
レンズ１２０の外壁１２２の円弧形状によって、レンズ１２０の各々は、ダイ５１を受け入れるための内部空間１３２を画定する。その結果、ダイ５１は、ダイ５１の焦点Ｆから放射された光線Ｒが外壁１２２に垂直に衝突し、これによって、光線の屈折を最小限に抑えるように、配置可能になる。さらに具体的には、外壁１２２は、幾何中心Ｏを有する半球を画定する。ダイ５１の焦点Ｆは、この半球の幾何中心Ｏと一致し、これによって、ダイ５１の焦点Ｆから放射された光線Ｒは、あらゆる方向において、外壁１２２に達するまでに同一距離を進むことになる。この幾何学的配置によって、ローカライザ３４に対して点光源として実現されるダイ５１が得られることになる。
【００４９】
反射防止皮膜が、製造中にレンズ１２０の各々に施される。この皮膜は、レンズ１２０上にスパッタ被覆されてもよいし、又は他の従来式の方法によって施されてもよい。反射防止皮膜は、赤外スペクトルに適するように設計され、内面１２４及び／又は外面１２６に施されるとよい。
【００５０】
製造中、ダイ５１の各々は、ダイ５１の焦点Ｆがレンズ１２０の幾何中心Ｏと一致するように、組み込まれる。一実施形態では、反射ヘッド１１５は、好ましくは、ダイ５１が固定される前に（場合によっては、固定された後に）、基部１０２に対する所定のz軸高さに位置するように、基部１０２内に挿入される。次いで、反射ヘッド１１６は、基部１０２に溶接又はろう付けされ、かつ密封される。従って、ダイ５１の許容誤差がごくわずかであることによって、ダイ５１がこの後反射ヘッド１１６内に位置決めかつ固定された時、ダイ５１は、ｚ軸に対して適切に位置決めされることになる。他の実施形態では、ダイ５１が最初に反射ヘッド１１６内に位置決めかつ固定され、次いで、（ダイ５１を保持する）反射ヘッドが基部１０２に固定された状態でダイ５１の焦点Ｆが所定のｚ軸高さに位置するまで、光学測定装置（図示せず）によって光学的に追跡され、かつ測定されるようになっていてもよい。
【００５１】
ダイ５１が反射ヘッド１１６内の適所に配置されたなら、レンズ１２０がダイ５１を覆って配置される。レンズ１２０のｚ軸高さは、基部１０２上のボス１２３に当接するレンズ１２０の底によって設定される。レンズ１２０は、光線Ｒの屈折を最小限に抑えるために、ダイ５１の焦点Ｆから放射された光線Ｒが円弧内面１２４と垂直にレンズ１２０の外壁１２２を通過するように、ｘ−ｙ面に対して位置決めされる必要がある。レンズ１２０の配置中、レンズ１２０がｘ−ｙ面においてダイ５１に対して芯出しされることを確実なものとするために、レンズ１２０は、光学測定装置によって光学的に追跡され、かつ測定される。レンズ１２０をｘ−ｙ面においてダイ５１に対して芯出しすることによって、レンズ１２０の幾何中心は、ダイ５１の焦点と一致することになる。
【００５２】
レンズ１２０が適所に配置されたなら、該レンズ１２０は、半田リング１３０を用いて基部１０２に半田付けされる。図１３に示される態様では、レンズ１２０の底は、溝１２１の上方のボス１２３上に配置される。この配置によって、前述したように、基部１０２上のレンズ１２０のｚ軸高さが厳密に制御される。レンズ１２０がボス１２３上の適所に保持されたなら、半田リング１３０を加熱によって液化させ、レンズ１２０の外縁をリム１０６に固定する。半田材料は、レンズ１２０の下方にも流れ、レンズ１２０の底を基部１０２に固定する。いくつかの実施形態では、基部１０２へのレンズの１２０の良好な半田付けを促進させるために、メタライズ皮膜１３１がレンズ１２０の底に施されると共に外面１２６に沿っても部分的に施されるとよい。
【００５３】
反射ヘッド１１６を基部１０２に対して所定のｚ軸高さに繰返し可能に配置するために、及びダイ５１の焦点Ｆが半球の幾何中心Ｏに位置するようにレンズ１２０を繰返し可能に配置するために、特別の固定具が用いられてもよい。具体的には、固定具は、基部１０２、（反射ヘッド１１６を含む）ピン１１２，１１４、半田リング１３０、レンズ１２０、及びピン１１２，１１４と基部１０２との間の多結晶セラミック１１７を受け入れるようになっているとよい。固定具は、固定具内に配置されたこれらの部品間の所望の高さを確立し、かつ維持するように設計されているとよい。光学的測定装置がレンズ１２０の適切なｘ−ｙ位置決めを決定する。いったん位置決めされたなら、レンズ１２０は、固定具内においてダイ５１に対して適所に保持されることになる。次いで、これらの部品が加熱され、これによって、半田リング１３０が溶融し、レンズ１２０のメタライズ皮膜１３１を基部１０２に固定すると共に、多結晶セラミックが溶融し、ピン１１２，１１４（及び反射ヘッド１１６）を所定の高さにおいて基部１０２に固定することになる。
【００５４】
図１４は、回転台上で試験された例示的なＬＥＤのプロットを示している。図示されるデータは、ＬＥＤを軸を中心として回転させながら発光させ、この発光をカメラユニット３６によって収集したものである。円近似法（circle fit）をこのデータに適用し、ＬＥＤの視野角に対する位置エラーを決定した。図示されるように、０°では基本的にエラーが存在せず、ＬＥＤが視野角内において移動するとき、８０°で略０．１ｍｍの最大エラーが生じる。他の例では、エラーがカメラユニット３６のノイズフロア内にある時、例えば、エラーが位置エラーの＋／−０．０５ｍｍ未満の時、エラーは、カメラユニット３６によって測定することができない。
【００５５】
図１５−２４を参照すると、電力路及び通信路の少なくとも１つをトラッカー４４に接続するために、コネクタ１４０が第２のハウジング７６に固定されている。第２のハウジング７６は、本体１４２と、本体１４２から下方に垂れ下がるコネクタ区域１４４とを有している。コネクタ区域１４４は、開口１４３を画定しており、この開口１４３内にコネクタ１４０が配置される（図１５，１６参照）。コネクタ１４６を支持するために、内側座ぐり孔１４６及び外側座ぐり孔１４８が、開口１４２から半径方向外方に向かって配置されている。コネクタ１４０をさらに支持するために、ポスト１５０及びフィンガー１５２が開口１４３内に突出している。
【００５６】
図１７−１９を参照すると、コネクタ１４０は、銅ベリリウムから少なくとも部分的に、場合によっては、銅ベリリウムから完全に形成された複数のピン１５４を備えている。さらに、コネクタ１４０は、ピン１５４のための支持構造１５６と、印刷回路基板ＰＣＢとピン１５４との間に電気的通信をもたらす柔軟ケーブル１５８と、金属、例えば、ステンレス鋼とびチタンとの爆着によって形成されたブッシュ１６０とを備えている。
【００５７】
図２０を参照すると、支持構造１５６は、ピンリテーナ１５７及び外側プレート１５９を備えている。ピンリテーナ１５７及び外側プレート１５９は、一緒に溶接されてもよいし、又は単一片として形成されてもよい。ピンリテーナ１５７は、一実施形態では、略円筒状であり、ステンレス鋼、例えば、３０４Ｌステンレス鋼から形成されている。ピンリテーナ１５７は、代替的実施形態では、異なる形状であってもよい。外側プレート１５９は、一実施形態では、ステンレス鋼、例えば、４５５ステンレス鋼から形成されている。この材料は、以下にさらに説明するように、外側プレート１５９を通る磁束の通過を高めることになる。図示される実施形態では、磁束要素とも呼ばれる外側プレートは、平坦な上面を有している。
【００５８】
ピン１５４は、多結晶セラミック、例えば、Kryoflexを用いて支持構造１５６のピンリテーナ１５７の貫通通路１６２内に封止されている。どのような導電材料から形成されてもよい柔軟ケーブル１５８の一端がピン１５４に取り付けられ、その他端がＰＣＢに連結される。支持構造１５６のピンリテーナ２５７は、外側プレート１５９内に画定されたキー溝１６６内に嵌合するように形作られた配向特徴部、例えば、キー付き部分１６４を有し、これによって、ピンリテーナ１５７は、外側プレート１５９に対して適切に配向されることが可能になる。
【００５９】
外側プレート１５９は、貫通開口１７０も備えている。貫通開口１７０は、ピンリテーナ１５７の底及び外側プレート１５９が互いに隣接するようにピンリテーナ１５７を受け入れるためのものである。ピンリテーナ１５７は、組立時に外側プレート１５９の上面に位置する環状リップ１７４をさらに備えている。外側プレート１５９を第２のハウジング７６に対して適切に配向させるために、ポスト１５０を受け入れる凹部１７５のような配向特徴部が、外側プレート１５９の底面に画定されている。ポスト１５０が凹部１７５内に嵌合されると、第２のハウジング７６に対する外側プレート１５９の回転が制限される。
【００６０】
ブッシュ１６０は、ブッシュ１６０が異種金属材料、例えば、ステンレス鋼及びチタンに対して溶接可能となるように、爆発結合又は爆発溶接されている。例えば、一緒に爆発溶接されたステンレス鋼（例えば、３０４Ｌステンレス鋼）及びチタンからブッシュ１６０を形成することによって、ブッシュ１６０のチタン部分は、チタンから形成された第２のハウジング７６に溶接（例えば、気密にレーザー溶接）され、ブッシュ１６０のステンレス鋼部分は、ステンレス鋼から形成された支持構造１５６に溶接（例えば、気密にレーザー溶接）されることが可能である。図２０に示されるように、ブッシュ１６０は、ステンレス鋼から形成された第１の部分１６０ａ及びチタンから形成された第２の部分１６０ｂを有している。
【００６１】
クロッキング特徴部とも呼ばれるコネクタ配向特徴部１７６が、以下にさらに説明されるように、トラッカーケーブルから相手側ケーブルコネクタＣを配向させるのを支援するために、リップ１７４から延在している。図示される実施形態では、コネクタ配向特徴部１７６は、ケーブルコネクタＣ内に同様に形作られた凹部１７７に受け入れられるように形作られた単一突起である。
【００６２】
コネクタ１４０は、ケーブルコネクタＣへの接続を容易にする１対の磁石１８０，１８２をさらに備えている。一実施形態では、磁石１８０，１８２は、サマリウム−コバルト（ＳｍＣｏ）磁石である。磁石１８０，１８２は、互いに反対の極性が外側プレート１５９の上面の方を向くように、配置されている。磁場を外側プレート１５９の上面に向けるために、磁束戻りプレート１９０（図２４参照）が磁石１８０、１８２に対して設けられている。磁束戻りプレート１９０は、軟鋼によって形成され、図２４に示されるように、ポスト１５０及び柔軟ケーブル１５８に接続されているとよい。
【００６３】
図２１に示されるように、ケーブルコネクタＣは、対応する磁石２００，２０２を有してる。これらの磁石２００，２０２も、適切に接続された時に互いに反対の極性が外側プレート１５９の上面の方を向くように、配置されている。この磁石配置は、コネクタ１４０に対するケーブルコネクタＣの適切な配向を容易にし、ユーザーがケーブルコネクタＣをコネクタ１４０に不適切に接続しないように阻止する。換言すれば、この磁石構成は、ユーザーが、異なる配向、すなわち、ピン１５４がケーブルコネクタＣの対応するピン２０３と適切に整合しない配向で、ケーブルコネクタＣをコネクタ１４０に接続しないように阻止する。加えて、前述したように、外側プレート１５９は、外側プレート１５９を通る磁束及び磁石１８０，１８２と磁石２００，２０２との間の接続を高めるために、４５５ステンレス鋼によって形成されているとよい。
【００６４】
ＬＥＤ５０と光学センサ４０との間の見通し線のエラーを検出するためのトラッカー４４及びエラー検出システムのための例示的な電気接続図が、２０１４年１月１６日に出願された「見通し線エラーを示し、かつ低減するためのナビゲーションシステム及び方法」と題する米国特許出願第１４／１５６、８５６号（米国特許出願公開第２０１４／０２００６２１号として公開）に図示され、かつ記載されている。この文献は、参照することによって、ここに含まれるものとする。
【００６５】
以上、いくつかの実施形態について検討してきた。しかし、ここに検討した実施形態は、本発明をどのような特定の形態にも包括又は制限するように意図されていない。用いられた専門用語は、制限するよりみむしろ説明することが意図されている。前述の示唆に照らして、多くの修正及び変更が可能であり、本発明は、具体的に記載された以外の方法によって実施されてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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2019500940.tif 000028