(57)【要約】骨折の固定のため、特に長骨の遠位髄内固定術での使用のためを含む、予め配設されたインサートについての整形外科的手順を実行する整形外科医を補助するロボット誘導システム。前記システムは、髄内釘手術における遠位螺子用の孔を掘削するための機械的なガイドを提供する。ドリルガイドは、少数のＸ線透視像だけから得られるデータを用いて、ロボットによって、遠位固定釘孔に対して自動的に位置決めされる。前記システムは、試行錯誤なしに、固定の手順を実行することを可能にするので、経験の少ない外科医が前記手順を実行して成功することを可能にし、患者および手術室職員の放射線被曝を減らし、手術時間を短縮し、手術後の合併症を減少させる。
2005529667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
骨に連結されたロボットと、該ロボットに運搬されるドリルガイド板と、画像システムと、計算システムと含む、外科手術システムであって、
前記骨には、整形外科用インサートが付着し、該インサートは、前記骨に取り付けるための少なくとも１個の予め掘削された孔を有し、
前記ドリルガイド板は、ドリルを前記骨の中に入れて、前記少なくとも１個の予め掘削された孔を貫通して誘導するための少なくとも１個の孔を有し、
前記画像システムは、前記ドリルガイド板と、前記少なくとも１個の予め掘削された孔とを含む、少なくとも１枚の画像を生成し、
前記計算システムは、前記ドリルガイド板によって画定される前記少なくとも１個の孔の軸が、前記インサートによって画定される前記少なくとも１個の予め掘削された孔の軸と実質的に共線的に整列されるように、前記少なくとも１枚の画像からのデータを前記ロボットを整列するために利用する、外科手術システム。
【請求項２】
前記ドリルガイド板によって画定される前記少なくとも１個の孔の軸が、前記少なくとも１個の予め掘削された孔の軸と、側面方向および角度配向の両方で実質的に共線的に整列される、請求項１に記載の外科手術システム。
【請求項３】
前記ドリルガイド板は、予め定められたパターンで配設される複数の指標を含む、請求項１または２のいずれかに記載の外科手術システム。
【請求項４】
前記画像システムは、前記ドリルガイド板を前額平行配向で撮像するように、前記ロボットによって前記ドリルガイド板を整列するために前記複数の指標を利用する、請求項３に記載の外科手術システム。
【請求項５】
前記画像システムは、前記少なくとも１個の予め掘削された孔を前額平行配向で撮像するように整列される、請求項１ないし４のいずれかに記載の外科手術システム。
【請求項６】
前記計算システムは、前記画像システムの１枚の画像だけからのデータを利用することによって前記ロボットを整列する、請求項５に記載の外科手術システム。
【請求項７】
前記ロボットは前記骨に直接取り付けられる、請求項１ないし６のいずれかに記載の外科手術システム。
【請求項８】
前記ロボットは前記骨に付着する前記インサートに取り付けられる、請求項１ないし６のいずれかに記載の外科手術システム。
【請求項９】
前記ロボットは、前記骨の位置を追跡することが不必要になるように、前記骨に対する姿勢を維持する、請求項１ないし８のいずれかに記載の外科手術システム。
【請求項１０】
前記ロボットは、前記骨の固定が不必要になるように、前記骨に対する姿勢を維持する、請求項１ないし８のいずれかに記載の外科手術システム。
【請求項１１】
前記骨は長骨で、前記整形外科用インサートは髄内釘で、前記少なくとも１個の予め掘削された孔は遠位固定孔である、請求項１ないし１０のいずれかに記載の外科手術システム。
【請求項１２】
前記ロボットは前記髄内釘の近位端に取り付けられる、請求項１１に記載の外科手術システム。
【請求項１３】
前記整形外科用インサートは外部から取り付けられたコネクタ板で、前記少なくとも１個の予め掘削された孔は連結孔である、請求項１ないし１０のいずれかに記載の外科手術システム。
【請求項１４】
前記骨は大腿骨で、前記コネクタ板は経皮的な圧縮板で、前記連結孔は、前記コネクタ板を大腿骨の骨幹に連結するための螺子を受け入れる、請求項１３に記載の外科手術システム。
【請求項１５】
前記骨は大腿骨で、前記コネクタ板は経皮的な圧縮板で、前記連結孔は、骨折した大腿骨頭を大腿骨幹に連結するための螺子を受け入れる、請求項１３に記載の外科手術システム。
【請求項１６】
前記画像システムは、画像ディストーション補正およびカメラ較正のうちの少なくとも１つを可能にするように適合された、較正リング組立体付きの光増幅管を含む、請求項１ないし１３のいずれかに記載の外科手術システム。
【請求項１７】
前記ロボットはミニチュアパラレルロボットを含む、請求項１ないし１６のいずれかに記載の外科手術システム。
【請求項１８】
前記ロボットは、基板部材に取り付けられた少なくとも３個のアクチュエータを含み、前記アクチュエータは並進運動および回転運動のうちの少なくとも１つのために配置される、請求項１７に記載の外科手術システム。
【請求項１９】
放射線源と、標的ガイドと、ロボットと、光増幅管と、計算システムとを含む画像システムであって、
前記放射線源は撮像する標的を照射するためのものであって、前記標的は少なくとも１個の予め定められた孔を有し、
前記ロボットの上には、前記少なくとも１個の標的ガイド孔の軸と、前記少なくとも１個の標的孔の軸とを一致させるために、前記標的ガイドが取り付けられ、
前記光増幅管は前記標的および前記標的ガイドの画像を生成し、
前記計算システムは、前記少なくとも１個の標的ガイド孔の位置をその画像から計算する第１の位置決定モデュールと、前記少なくとも１個の標的孔の位置をその画像から計算する第２の位置決定モデュールと、前記少なくとも１個の標的ガイド孔と、前記少なくとも１個の標的孔との間の空間的位置関係を決定するために適合したレジストレーションユニットとを含む、画像システム。
【請求項２０】
前記少なくとも１個の標的ガイド孔と前記少なくとも１個の標的孔との間の空間的位置関係を決定する前記レジストレーションユニットが２次元画像のみを利用するように、前記光増幅管が前額平行設定で整列される、請求項１９に記載の画像システム。
【請求項２１】
前記光増幅管は、前記少なくとも１個の標的孔の画像が最小の楕円形状を有する時を決定することによって、前額平行設定で整列される、請求項２０に記載の画像システム。
【請求項２２】
前記光増幅管は、ディストーション補正およびカメラ較正の機能を取り込んでいる、請求項１９に記載の画像システム。
【請求項２３】
ディストーション補正およびカメラ較正のための較正リング組立体を含む、請求項１９に記載の画像システム。
【請求項２４】
前記標的ガイドは、予め定められたパターンの指標を含み、該指標の画像は、前記少なくとも１個の標的ガイド孔の位置を計算する第１の位置決定モデュールによって利用される、請求項１９に記載の画像システム。
【請求項２５】
前記少なくとも１個の標的ガイド孔の位置を計算する第１の位置決定モデュールは、
（ｉ）指標位置決定器および位置テンプレート決定器と、
（ｉｉ）前記指標の位置が形態学的に除去された少なくとも１枚の前記標的ガイドの画像を含む、前記標的ガイドの新たな画像を生成する画像生成器と、
（ｉｉｉ）前記指標の中心を決定する、負の値を有するピクセル位置での前記テンプレートについての正規化相互相関計算器と
（ｉｖ）前記正規化相互相関計算器によって見つかった極大値周辺の狭い領域を見るための指標探査器と、
（ｖ）前記（ｉｖ）において決定される前記指標の位置から標的ガイドの位置を決定するための位置決定器とを含む、請求項２４に記載の画像システム。
【請求項２６】
前記指標位置決定器および位置テンプレート決定器は、Ｈｏｕｇｈ変換法を利用する、請求項２５に記載の画像システム。
【請求項２７】
前記位置決定器は主成分分析法を利用する、請求項２５に記載の画像システム。
【請求項２８】
前記少なくとも１個の標的孔の位置をその画像から計算する前記第２の位置決定モデュールは、
（ｉ）前記標的の長手方向の輪郭線を決定するためにエッジ検出ルーティンを用いる、輪郭線位置決定器と、
（ｉｉ）前記孔の寸法と類似の寸法を有し、前記輪郭線の上を移動するウィンドウにおける最大数のエッジ要素を有する領域のための検出器を用いて、前記標的の画像における前記長手方向の輪郭線の間の領域での孔の位置を決定する、孔探索器と、
（ｉｉｉ）前記検出された領域のそれぞれにおける前記エッジ要素のための楕円フィッタとを含む、、請求項１９に記載の画像システム。
【請求項２９】
前記エッジ検出ルーティンは、サブピクセルエッジ位置決定機能付きのＣａｎｎｙエッジ検出器である、請求項１９に記載の画像システム。
【請求項３０】
前記少なくとも１個の標的ガイド孔と、前記少なくとも１個の標的孔との間の空間的位置関係を決定するように適合した前記レジストレーションユニットは、
前記標的孔の前記少なくとも１枚の画像が、最小の楕円形状を有するように、前記光増幅管を前額平行配置にする整列器と、
前記標的ガイド孔の前記少なくとも１枚の画像が最小楕円形状を有するような、標的ガイド整列器ルーティンと、
前記標的ガイド孔の軸と、前記標的孔の軸との位置が一致するような、標的ガイド側面方向平行移動器とを含む、請求項１９に記載の画像システム。
【請求項３１】
画像システムにおいて、標的ガイドによって画定される孔の軸の位置と、前記標的によって画定される孔の軸の位置とを一致させる方法であって、
前記標的ガイド孔の位置を該標的ガイド孔の少なくとも１枚の画像から決定するステップと、
前記標的孔の軸を該標的孔の少なくとも１枚の画像から決定するステップと、
位置決定された前記標的ガイド孔を前記標的孔の軸とともにレジストレーションするステップとを含む、標的ガイドによって画定される孔の軸の位置と、前記標的によって画定される孔の軸の位置とを一致させる方法。
【請求項３２】
最初に、前記標的ガイド孔と前記標的孔との画像を得るために利用される画像システムの画像ディストーション補正およびカメラ較正を行うステップを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記標的ガイドは予め定められたパターンの指標を含み、前記標的ガイド孔の位置を決定するステップは、前記標的ガイドにおける指標の画像上の位置を決定するステップによって実行される、請求項３１および３２のいずれかに記載の方法。
【請求項３４】
前記標的ガイドにおける指標の画像上の位置を決定するステップは、
（ｉ）前記指標の位置を検出してその位置からテンプレートを推論するステップと、
（ｉｉ）前記指標の位置が形態学的に除去された前記標的ガイドの少なくとも１枚の画像を含む、前記標的ガイドの新たな画像を生成するステップと、
（ｉｉｉ）前記指標の中心を決定するために、負の値を有するピクセル位置での前記テンプレートの正規化相互相関値を計算するステップと、
（ｉｖ）前記正規化相互相関の極大値周辺の狭い領域における指標を探索するステップと、
（ｖ）前記ステップ（ｉｖ）で決定された指標の位置から前記標的ガイドの位置を決定するステップとを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記指標の位置を検出するステップは、Ｈｏｕｇｈ変換を用いて実行される、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記指標の位置から前記標的ガイド位置を決定するステップは、主成分分析法を用いて実行される、請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
前記標的孔の軸を該標的孔の少なくとも１枚の画像から位置決定するステップは、
（ｉ）エッジ検出ルーティンを用いて、前記標的の長手方向の輪郭線の位置を決定するステップと、
（ｉｉ）前記輪郭線の上を移動する、前記孔の寸法と類似の寸法を有するウィンドウにおける最大数のエッジ要素を有する領域を検出することによって、前記標的の画像での前記長手方向の輪郭線の間の領域における孔を探索するステップと、
（ｉｉｉ）検出された領域のそれぞれにおける前記エッジ要素に楕円をフィッティングするステップとによって実行される、請求項３１または３２のいずれかに記載の方法。
【請求項３８】
前記エッジ検出ルーティンは、サブピクセルエッジ位置決定機能付きのＣａｎｎｙエッジ検出器である、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
位置決定された前記標的ガイド孔を前記標的孔の軸とともにレジストレーションするステップは、前記標的孔の少なくとも１枚の画像が最小の楕円形状を有するように、前記画像システムを前額平行配置に調整するステップと、
前記標的ガイド孔の少なくとも１枚の画像が最小の楕円形状を有するように、前記標的ガイドを整列させるステップと、
前記標的ガイド孔の軸と前記標的孔の軸との位置が一致するように、前記標的ガイドを側面方向に平行移動するステップとによって実行される、請求項３１または３２のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、予め配設されたインサート上で実行される整形外科的な手順、特に、髄内固定（ｉｎｔｒａｍｅｄｕｌｌａｒｙ  ｌｏｃｋｉｎｇ）の手順を用いる骨折の整形外科的整復（ｏｒｔｈｏｐａｅｄｉｃ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）に用いる手順のロボットによる案内の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
正確で最小限に観血的な外科的侵襲の必要性が、外科手術の計画および実行を改善するために先端的な補助機器とともにコンピュータを用いる方法の創造をもたらした。過去１０年以上にわたって、かかるコンピュータ統合手術（ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｓｕｒｇｅｒｙ、ＣＩＳ）システムが、例えば、非特許文献１に記載されるように、神経外科、腹腔鏡、顎顔面外科および整形外科の分野で主に用いるために、臨床的な利便という結果をもたらしながら開発されてきた。
【非特許文献１】Ｌ．Ｊｏｓｋｏｗｉｃｚら、“Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ  ｉｎ  ｉｍａｇｉｎｇ  ａｎｄ  ｇｕｉｄｅｄ  ｓｕｒｇｅｒｙ（画像化およびガイド手術におけるコンピュータ）”、Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ  ｉｎ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、３巻、５号、６５−７２頁、２００１年．
【０００３】
ＣＩＳシステムは、人工股関節全置換術および人工膝関節全置換術と、螺子刺入術（ｐｅｄｉｃｌｅ  ｓｃｒｅｗ  ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ）と、骨折整復と、ＡＣＬ（Ａｎｔｅｒｉｏｒ  Ｃｒｕｃｉａｔｅ  Ｌｉｇａｍｅｎｔ、前十字靱帯）靱帯再建術とを含む、多くの整形外科的な手順に有益である可能性がある。これらの手順は、至る所で実施され、世界中の手術室で多数の症例が実施される。これらは、一般的には、うまく画像化できる剛直な骨構造を伴い、術前の計画を必要とし、正確な位置決めを要するインプラント、螺子、ドリルおよびのこぎりのような装置および器具を用いる。非特許文献２に記載のとおり、かかる手順のための多数のＣＩＳシステムが現在使用されている。
【非特許文献２】“Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｏｒｔｈｏｐａｅｄｉｃ  Ｓｕｒｇｅｒｙ（ＣＡＯＳ）、”（コンピュータ補助整形外科手術）、Ｌ．Ｐ．ＮｏｌｔｅおよびＲ．Ｇａｎｚ編、Ｈｏｇｒｅｆｅ  ａｎｄ  Ｈｕｂｅｒ刊（１９９９年）
【０００４】
骨折整復に用いられる１つの技術は、閉鎖性髄内釘固定術であり、非特許文献３によると、これは多分大腿骨および脛骨の骨折の整復については現在ルーティン化している好ましい手順である。この手順は、骨髄腔に挿入された釘によって折れた骨の一体性を回復する。多くの場合では、外科医は、断片の回転と骨の短縮を防ぐために、側近位と遠位との固定螺子を挿入する。遠位側の固定のための骨の準備は、少なくとも前記手順を実施する先行技術の方法に従うと、前記手順における最も困難なステップの１つと長い間認識されてきた。前記手順は、骨の断片、手術器具および使用するインプラントの位置を観察するために用いられるＸ線透視下で、これらの螺子のために穿孔されるべき孔の位置を決定するために実施される。前記釘は、前記骨髄腔の形状に適合するために数ミリメートルの変形を起こすことがしばしばあるので、前記遠位側の固定釘の正確な位置は前もって決定することができないため、この手順には多数のＸ線透視像が必要である。これらの先行技術によると、外科医は、前後方および側方のＸ線透視像の間を繰り返し交互に見比べることによって、前記ドリルの軸が対応する釘孔の軸とできるだけ正確に一致するように、自分の判断力と前記Ｘ線像の解釈との最善を尽くして、ドリルの穿孔開始点と穿孔方向を調整する。掘削は、前進する度に新しいＸ線透過像の新しい対で確認しながら少しずつ進行する。前記遠位側の固定釘孔を貫通する試験孔が前記骨内に掘削されると、固定用螺子を挿入して締着することができる。
【非特許文献３】Ｒ．Ｊ．Ｂｒｕｍｂａｃｋ、“Ｒｅｇｕｌａｒ  ａｎｄ  Ｓｐｅｃｉａｌ  Ｆｅａｔｕｒｅｓ−Ｔｈｅ  Ｒａｔｉｏｎａｌｅｓ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｌｏｃｋｉｎｇ  Ｎａｉｌｉｎｇ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｆｅｍｕｒ，Ｔｉｂｉａ，ａｎｄ  Ｈｕｍｅｒｕｓ”、Ｃｌｉｎｉｃａｌ  Ｏｒｔｈｏｐａｅｄｉｃｓ  ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ、３２４巻、５８６−６５１頁、Ｌｉｐｐｉｎｃｏｔｔ−Ｒａｖｅｎ（１９９６年）
【０００５】
前記手順の性質のため、外科医の技量に非常に大きく依存して、不十分な固定、異常回転、骨亀裂、皮質骨壁穿通（ｃｏｒｔｉｃａｌ  ｗａｌｌ  ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）および複数の試験孔または孔径が拡大した試験孔による骨の脆弱化を含む、多数の面倒な事態が起こりえる。さらに、これらの先行技術の方法を用いると、外科医の１回の手術あたりの放射線直接被爆は、患者の解剖学的な状態および外科医の技量によるが、３−３０分間であることが非特許文献４に報告されている。一般に、この時間の約３０ないし５０％が遠位側の固定の作業工程に費やされる。
【非特許文献４】“Ｉｎｔｅｒｌｏｃｋｉｎｇ  ｍｅｄｕｌｌａｒｙ  ｎａｉｌｓｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｄｏｓｅｓ  ｉｎ  ｄｉｓｔａｌ  ｔａｒｇｅｔｉｎｇ”、Ｓ．ＳｋｅｊｄａｌおよびＳ．Ｂａｃｋｅ、Ａｒｃｈｉｖｅｓ  ｏｆ  Ｏｒｔｈｏｐａｅｄｉｃ  Ｔｒａｕｍａ  Ｓｕｒｇｅｒｙ、１０６巻、１７９−１８１頁、１９８７年
【０００６】
非特許文献５に記載のもののように、最近でも多くの遠位側固定用の非ＣＩＳ装置が開発されてきた。かかる装置および手順の例は、近位側に取り付けられた標的装置と、立体透視と、機械的ガイドと、遠位側の固定釘孔の中心の位置を見つけるのを補助する光学的および電磁的なナビゲーションシステムとを含む。しかし、これらの装置および技術は、例えば、用途が限定される、扱いにくく使うのが困難である、十分に正確であるとは限らないということのために、患者が面倒な事態に陥る可能性を有意に減少させることができないといういくつかの短所を有するのが一般的である。
【非特許文献５】Ｃ．Ｋｒｅｔｔｅｋら、“Ａ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｄｉｓｔａｌ  ａｉｍｉｎｇ  ｄｅｖｉｃｅ  ｆｏｒ  ｄｉｓｔａｌ  ｌｏｃｋｉｎｇ  ｉｎ  ｆｅｍｏｒａｌ  ｎａｉｌｓ”、Ｃｌｉｎｉｃａｌ  Ｏｒｔｈｏｐａｅｄｉｃｓ、３８４巻、２６７−２７５頁、１９９９年
【０００７】
非特許文献６に記載されるような透視に基づくＣＩＳナビゲーションシステムは、標的を定める作業から推察を除去する。かかるシステムは、追尾装置および３次元レジストレーション（ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）の手順を用いて、骨および外科医の器具の位置が連続的に更新され、これらが動くにつれてスクリーン上で観察される、バーチャル・リアリティ像でＸ線透視像を置換することにより、Ｘ線透視像を増強するか、低減するか、あるいは、完全に除去する。前記システムは、ドリルの軸を前記遠位側の固定釘の軸と約１ｍｍおよび１゜の精度で整列することについて外科医を補助することができる。しかし、前記システムは、手で持って操作するトリルの機械的ガイドはまったく提供しない。したがって、かかる先行技術のＣＩＳナビゲーションシステムを用いても、前記手順の外科的な成績は、やはり外科医の治療の程度に依存する。
【非特許文献６】Ｌ．Ｊｏｓｋｏｗｉｃｚら、“ＦＲＡＣＡＳ：Ａ  ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ａｉｄｅｄ  ｉｍａｇｅ−ｇｕｉｄｅｄ  ｌｏｎｇ  ｂｏｎｅ  ｆｒａｃｔｕｒｅ  ｓｕｒｇｅｒｙ”、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ａｉｄｅｄ  Ｓｕｒｇｅｒｙ、３巻、６号、２７１−２８８頁、１９９９年
【０００８】
ロボット式ＣＩＳシステムは、機械的に位置決めして、時には、手術行為そのものを実行することによって、術前計画を実施することについて外科医を補助するための開発されてきた。１つのかかるシステムが、非特許文献７に説明される。前記ロボットは、所望の外科用途で使用するために適合した床置き型産業用ロボットか、卓上型の注文生産の直列ロボット（ｓｅｒｉａｌ  ｒｏｂｏｔ）かのいずれかである。かかるロボットは、かかる外科的用途では前記ロボットは比較的作業負荷および作業量が小さいという事実にもかかわらず、かさばって重いのが一般的である。かかるシステムでは、ロボットに対する骨の相対的な配置は常時正確にわかっていなければならないため、骨の不動化またはリアルタイム動的追跡は重要な課題である。これは、前記レジストレーションの手順を複雑化して、システム全体の精度に悪い影響を与える場合がある。
【非特許文献７】Ｋ．Ｃｌｅａｒｙら、“Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  ａｒｔ  ｉｎ  ｓｕｒｇｉｃａｌ  ｒｏｂｏｔｉｃｓ：  ｃｌｉｎｉｃａｌ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ”、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ａｉｄｅｄ  Ｓｕｒｇｅｒｙ、６巻、６号、３１２３２８頁、２００１年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、先行技術のシステムの短所を克服して、前記手順が外科医の技量に依存する程度を減らし、前記手順の成功率を上昇させるように、前記手順に関与する骨またはインサートと前記手順に必要な器具との自動的な整列を可能にするシステムについての必要性が、整形外科の分野には存在する。
【００１０】
この項および本明細書のその他の項で言及した刊行物のそれぞれの開示内容は、引用によりそれぞれの全体がここに取り込まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
発明の概要
本発明は、ロボットが、手術が行われる骨の上に直接取り付けられるか、前記ロボットの位置が前記骨の位置と直接的な１対１のの関係になることを担保し、手術器具と、所望の整形外科的な手順を実行するために用いられる内部に配置されるインプラントの特徴との整列を伴う手順を実行することについて整形外科医を補助する配置になるように取り付けられた、新規なロボットガイドシステムを提供することを目的とする。前記ロボットは、小さいので、邪魔にならず、手術室の無菌環境で使用するために安全にすることが容易である。前記システムは、使用する手術器具が横方向および角度の両方でその標的部位と自動的に整列されるため、前記手順で面倒な事態が起こる可能性を著しく低減する。さらに、多数の試行錯誤のＸ線透視像の必要性が減少するので、全ての関係者の放射線被曝の安全性が向上する。前記システムは、患者の骨の中にあるか、患者の骨と接触する、金属インサートに存在する既存の孔に骨ドリルを自動的に整列するのに特に適している。かかるシステムの１つの好ましい使用法は、長骨骨折整復で用いられるように、標的ドリルのロボット制御によるガイドが、予め挿入された髄内釘の中の遠位側固定孔の位置および配向を正確に適合させることである。前記骨に前記ロボットを直接取り付けること、そして、前記骨にしっかりと挿入されている前記釘に実際上取り付けることは、前記釘が回転する場合に、前記ロボットも一緒に動くので、前記釘の中の遠位側の孔と前記ガイドドリルとの相互の配向および位置を維持するという長所がある。代替的に前記ロボットが前記釘に直接取り付けられている場合には、この長所は直接適用される。
【００１２】
前記システムは、ターゲッティング用のドリルガイドを保持するミニチュアロボットを含むことが好ましい。前記ロボットは、その小さいサイズおよび重量のため、所望の手順が実施される骨の上に直接取り付けることができる。長骨髄内遠位固定術の場合には、前記ロボットは、１つの好ましい実施例によると、近位側の釘の頭部に取り付けられる。代替的で、かつ、好ましくは、前記ロボットは骨折線より遠位側で、前記遠位の固定釘孔より近位側の患者の骨のセグメントの上に横向きに直接取り付けられる。前記ターゲッティング用ドリルガイドは、掘削される孔の数と、前記手順の間に撮影されたＸ線透視像における前記ターゲッティング用ドリルガイドの位置および整列を決定するために用いられる標的の指標（ｆｅｄｕｃｉａｌ  ｍａｒｋｅｒ）パターンとに従った、前記ドリル用の１個または２個以上のガイド孔を有することが好ましい。これらのＸ線透視像を用いて、正確なレジストレーション結果を得るために、好ましくは透視用Ｘ線Ｃアームユニット上の画像較正リングを用いて、カメラのディストーションの修正および較正が実施される。
【００１３】
少数の側面Ｘ線透視像のみを用いて、前記ターゲッティングドリルガイド孔と前記遠位の固定釘孔との単数または複数の軸の間の変換を計算し、これに従って前記ロボットを位置決めすることによって、両者の軸が整列される。それから外科医は、骨内の孔が前記インサートの孔と正確に整列していることを確信して骨内の孔を掘削することができる。ターゲッティングドリルという用語が、より小さい孔径の標的ドリル孔がドリル孔の正確な孔径の試験孔として作られるという慣行の手順に従って本明細書を通じて一般的に用いられるが、本発明は、ターゲッティングドリル掘削の手順に限定されず、ターゲッティングドリル掘削の手順に続く最終的な孔を直接掘削することにも等しく適用可能であることが理解されるべきである。
【００１４】
前記ロボットを前記釘の上または患者の骨の上に直接取り付けることは、最小限に観血的で、肢部の固定またはリアルタイム追跡と、試行錯誤の位置決めとの必要性を除去し、レジストレーションを非常に簡単にする。前記システムは、手術時間を減らし、位置異常に伴う面倒な事態を減らし、経験の少ない外科医が高い成績で固定術を実施することを可能することができる。
【００１５】
本発明の好ましい実施態様に従う外科手術システムが提供されるが、前記外科手術システムは、骨に連結されたロボットと、該ロボットによって運搬されるドリルガイド板と、画像システムと、計算システムとを含み、前記骨に整形外科的インサートが付着され、該インサートは前記骨に前記インサートを取り付けるための少なくとも１個の予め掘削された孔を有し、前記ガイド板は、ドリルを前記骨の中に前記少なくとも１個の予め掘削された孔を貫通して誘導するための少なくとも１個の孔を有し、前記画像システムは、前記ドリルガイド板および前記少なくとも１個の予め掘削された孔を含む少なくとも１枚の画像を発生し、前記計算システムは、前記少なくとも１枚の画像からのデータを利用して、前記ドリルガイド板によって画定される前記少なくとも１個の孔の軸が、前記インサートによって画定される前記少なくとも１個の予め掘削された孔の軸と実質的に共線的に整列されるように、前記ロボットを整列させる。
【００１６】
上記のシステムでは、前記ドリルガイド板によって画定される前記少なくとも１個の孔の軸は、前記少なくとも１個の予め掘削された孔の軸と、側面および直交する配向の両方で実質的に共線的に整列されることが好ましい。前記ドリルガイド板は、予め定められたパターンで配置される複数の指標を含むことが好ましい。この複数の指標は、前額平行配向で前記ドリルガイド板を画像化するように前記ロボットによって前記ドリルガイド板を整列するために用いられることが好ましい。前記システムの上記の実施態様のいずれにおいても、前記画像システムは、前額平行配向で前記少なくとも１個の予め掘削された孔を画像化するように整列されることが好ましい。その結果、前記計算システムは、前記画像システムの１枚の画像だけからのデータを利用して前記ロボットを整列する場合がある。
【００１７】
本発明のさらに別の好ましい実施態様に従って、前記ロボットが前記骨の上に直接取り付けられるか、あるいは、前記骨に付着されたインサートに取り付けられる、上記の外科手術システムが提供される。上記のシステムのいずれにおいても、前記ロボットは、前記骨の位置の追跡と、前記骨の固定との両方が不必要になるように、前記骨に対する姿勢を維持する。
【００１８】
本発明のさらに好ましい実施態様に従って、これらの外科手術システムでは、前記骨は長骨の場合があり、前記整形外科的インサートは髄内釘の場合があり、前記少なくとも１個の予め掘削された孔は遠位の固定孔の場合がある。かかる場合には、前記ロボットは前記髄内釘の近位端に取り付けられる場合がある。
【００１９】
代替的で好ましくは、前記整形外科的インサートは外部に取り付けられたコネクタ板の場合があり、前記少なくとも１個の予め掘削された孔は連結孔の場合がある。かかる場合には、前記骨は大腿骨である場合が好ましく、前記コネクタ板は経皮的な圧縮板で、前記連結孔は前記板を前記大腿骨幹に連結するための螺子を受け入れるようなものか、あるいは、骨折した大腿骨頭を大腿骨幹に連結するようなものかのいずれかの場合がある。
【００２０】
前記外科手術システムの上記の実施態様のいずれにおいても、前記画像システムは、画像のディストーションの補正と、カメラの較正とのうちの少なくとも１つを可能にするように適合した、較正リング組立体を有する光増幅管を含む。
【００２１】
本発明のさらに別の好ましい実施態様に従う、前記ロボットがミニチュアパラレルロボットを含む、上記の外科手術システムが提供される。かかるロボットは、基板部材の上に取り付けられた少なくとも３個のアクチュエータを含むのが好ましく、前記アクチュエータは並進運動および回転運動のうちの少なくとも１つを行うような形状を有する。
【００２２】
本発明のさらに好ましい実施態様に従って、
（ａ）少なくとも１個の予め画定された孔を有する、画像化されるべき標的を照射するための放射線源と、
（ｂ）前記標的の少なくとも１個の予め画定された孔の軸と一致させられる軸を有する少なくとも１個の第２の予め画定された孔を有する標的ガイドと、
（ｃ）前記少なくとも１個の標的ガイド孔と、前記少なくとも１個の標的孔との軸を一致させるために前記標的ガイドが取り付けられるロボットと、
（ｄ）前記標的と前記標的ガイドとの画像を発生させる光増幅管と、
（ｅ）計算システムとを含み、該計算システムは、
（ｉ）前記少なくとも１個の標的ガイド孔の位置をその画像から計算する第１の位置局在モデュールと、
（ｉｉ）前記少なくとも１個の標的孔の位置をその画像から計算する第２の位置局在モデュールと、
（ｉｉｉ）前記少なくとも１個の標的ガイド孔と、前記少なくとも１個の標的孔との間の空間的位置関係を決定するように適合されたレジストレーションユニットとを含む、画像システムが提供される。
【００２３】
上記の画像システムにおいては、光増幅管は、前記少なくとも１個の標的ガイド孔と、前記少なくとも１個の標的孔との間の空間的位置関係を決定する前記レジストレーションユニットが２次元画像だけを利用するように、前額平行の設定に整列されることが好ましい。この場合、前記整列は、前記少なくとも１個の標的孔の画像が最小の楕円形状になるときを決定することによって、調整される。前記光増幅管は、ディストーションの補正およびカメラの較正の機能を取り込むことが好ましいが、代替的で好ましくは、前記システムはディストーションの補正およびカメラの較正のための分離した較正リング組立体を含む。
【００２４】
前記画像システムの上記実施態様において、前記標的ガイドは、指標の予め定められたパターンを含むことが好ましく、前記指標の画像は前記少なくとも１個の標的ガイド孔の位置を計算するのに第１の位置局在モデュールによって利用される。
【００２５】
上記の画像システムにおいて、前記少なくとも１個の標的ガイド孔の位置を計算する第１の位置局在モデュールは、（ｉ）指標位置決定器および位置テンプレート決定器と、（ｉｉ）前記指標が形態学的に除去された位置から前記標的ガイドの少なくとも１個の画像を含む前記標的ガイドの新しい画像を作成する画像発生器と、（ｉｉｉ）前記指標の中心を決定する、負の値を有するピクセル位置でのテンプレートについての正規化相互相関計算器と、（ｉｖ）前記正規化相互相関計算器によって見つけられた局部最大値の周囲の狭い領域を見る指標探索器と、（ｖ）（ｉｖ）のステップで決定された前記指標の位置から標的ガイド位置決定のための位置決定器とを含むことが好ましい。前記指標位置決定器および位置テンプレート決定器はＨｏｕｇｈ変換法を用いることが好ましく、前記位置決定器は主成分分析法を用いることが好ましい。
【００２６】
さらに、上記の画像システムの実施態様では、前記少なくとも１個の標的孔の位置をその画像から計算をする第２の位置決定モデュールは、（ｉ）前記標的の長手方向の輪郭を決定するためにエッジ検出ルーティンを用いる輪郭線位置決定器と、（ｉｉ）前記輪郭を越えて移動する前記孔の位置と同様の寸法のウィンドウにおけるエッジ要素の最大数を有する領域を検出器を用いて、前記標的の画像における長手方向の輪郭線の間に領域での孔の位置を決定する、孔探索器と、（ｉｉｉ）検出された領域のそれぞれにおけるエッジ要素についての楕円フィッタとを含むことが好ましい。前記エッジ検出のルーティンは、サブピクセルのエッジ位置決定機能付きのＣａｎｎｙエッジ検出器が好ましい。
【００２７】
さらに、上記の画像システムの実施態様において、前記少なくとも１個の標的ガイド孔と、前記少なくとも１個の標的孔との間の空間的位置関係を決定するように適合した前記レジストレーションユニットは、前記少なくとも１個の標的孔の画像が最小楕円形状になるように前記光増幅管を前額平行な配置に持って行く整列器と、前記標的ガイド孔と前記標的孔との軸の位置が一致するような標的ガイド側方平行移動器を含むことが好ましい。
【００２８】
上記のさまざまな好ましい実施態様における画像システムを用いて、前記標的ガイドによって画定される孔と、前記標的によって画定される孔との軸の位置を一致させるように動かす方法が提供され、該方法は、前記標的ガイド孔の位置をその少なくとも１枚の画像から決定するステップと、位置が決定された前記標的ガイド孔を前記標的孔の軸とともにレジストレーションするステップとを含む。画像ディストーション補正および前記画像システムの較正を行って前記標的ガイド孔および前記標的孔の画像を得る最初のステップが実行されることが好ましい場合がある。前記画像システムの実施態様の個々の計算モデュールは、各機能モデュールおよびその部品との関係で説明されるとおり本発明のより好ましい方法に従って作動する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
まず参照する図１Ａおよび１Ｂは、髄内釘固定法の遠位固定の段階を示す、Ｘ線透視法によって得られる光景の模式図である。図１Ａは、２個の遠位の固定釘孔１６および１８を有する髄内釘１４を示す大腿骨１０の遠位部分の側面画像の代表で、図１Ｂは前記遠位部分の前額画像である。通常、釘１４は、外科的に骨折の露出を要することなく、骨１０の近位部分に最小の切開口を通じて挿入される。
【００３０】
前記手順を実行するとき、外科医はまず、脚１２を通して近位側および遠位側の骨断片が整列するまで操作することにより、骨折を減らす。つぎに外科医は、ガイドワイヤーを挿入して、必要な場合には前記管（ｃａｎａｌ）を拡大して釘１４を導入する。そして、外科医は、前記釘に予め設けてある孔１６および１８に相対する前記骨内の適当な遠位側の固定釘孔を掘削し、骨断片の回転および骨が短くなるのを防ぐために、側近位側の固定螺子２０と遠位側の固定螺子２２とを挿入する。図１Ｂでは、１個の固定螺子２０が配置についているところが示され、第２の螺子２２は螺子回しによって締められるところが示される。
【００３１】
次に参照する図２は、本発明の好ましい実施態様に従って構築され動作する、固定螺子挿入用の試験孔の正確な掘削のためのロボットシステムの等距離法模式図である。図２の好ましい実施態様では、前記システムのロボットは、患者の大腿骨を貫通して、予め挿入されていた髄内釘の遠位固定孔の中に入るように掘削するために前記ガイドドリル軸を位置決めするために利用されるところが示される。しかし、必要に応じて多少の変更で、前記システムは、他の長骨である、脛骨、上膊骨、尺骨、橈骨および腓骨のうちのいずれかの上で用いられる場合があることが好ましく、あるいは、骨の外側に配設されるコネクタ板のような髄内釘以外の予め配設される整形外科的インサートの中に正確に掘削するために用いられる場合があることを、当業者は理解するべきである。
【００３２】
図２では、患者の大腿骨１０が、予め挿入された髄内釘１４とともに示される。ロボット３０は、取り付けのための基板３４と、作動負荷が取り付けられる天板とを有するミニチュアパラレルロボットであることが好ましい。図２の好ましい実施態様に示されるロボットは、高さが７０ｍｍのオーダーで、重さが焼く２００グラムである。その天板３２の位置および配向は、非常に正確かつ厳密に所望の配置に前記ロボットコントローラによって調整および固定される場合がある。前記ロボットの作業体積は、予測された大凡の位置から遠位固定孔を貫通して髄内釘の中に掘削するための正しい位置へとドリルヘッドを動かすことを含む、手近な作業には十分である。
【００３３】
前記ロボットは、調整可能なスライドヘッド３３と、連結ブロック３８と、ターゲッティングドリルガイド３６という３つの構成部分を含むことが好ましい誘導組立体を搬送する。スライドヘッド３３は、前記ロボットの頂部に直接取り付けられる。前記骨の長軸に沿ったその位置は、想定される用途に応じて前記スライドの部材の位置決めピンおよび孔によって画定される数カ所の予め定められた位置のうちの１つに、典型的には最大５０ｍｍまでの範囲で手動で調整される場合がある。予め定められた位置を用いることは、基準のロボットフレームと、前記ドリルガイド孔の軸の位置との間の既知の予め画定されたレジストレーションを維持するために必要である。選択されたピンの位置は、選択された実際のレジストレーションがその後の位置計算において用いられるように、前記制御システムに入力されなければならない。連結ブロック３８およびターゲッティングドリルガイド３６は、掘削領域を撮影するＸ線透視像で見えるため、放射線透過性プラスチックで作られる。ターゲッティングドリルガイド３８は、４０ｘ５５ｘ２０ｍｍのブロックの形であることが好ましく、示される好ましい実施例では、前記遠位の固定釘孔の中心の間の間隔に対応するように予め定められた、軸間が３０ｍｍ離れて配設された２個のドリルガイド孔を有する。ターゲッティングドリルガイド３８は、ロボット基板３４に平行で、患者の脚の皮膚の近傍にある。前記ドリルガイドは、前記Ｘ線透視像における空間的および角度的な位置関係を決定するために用いられる、指標の予め定められたパターンを有する。図２に示される好ましい実施態様では、これらの指標はその上面および下面に「Ａ」の文字に似た予め定められたパターンに配列された２ｍｍのステンレス鋼の球体である。
【００３４】
前記ロボットを前記骨の上に取り付ける方法は複数ある。図２に示される好ましい実施態様では、ロボット基板３４は、遠位の骨皮質にねじ込まれる、２５ｍｍ離れて取り付けられた直径５ｍｍ、長さ８０ｍｍの２本のセルフタッピング螺子の上に取り付けられる。
【００３５】
次に参照する図３は、図２の等距離図では見えないいくつかの特徴を示す、図２の好ましい実施態様の断面図である。ロボット３２の天板と、スライドヘッド３３との間の予定位置固定用ピンおよび孔３１のセットが示されるが、図３におけるその数および位置は、純粋に例示を目的としており、限定するものではない。髄内釘１４の中の孔１６および１８が、ターゲッティングドリルガイド板３６の２層の指標球体６０と同様に見える。ドリルヘッド７０は、前記釘内の所望の遠位固定孔１８の中心に前記ロボットによって正確に定位されたガイドドリルビット７２とともに示される。
【００３６】
次に参照する図４は、前記ロボットを患者の骨に取り付ける代替的で好ましい方法を示す、本発明のロボットの別の断面図である。この実施態様では、前記ロボットは拡張基板３９に取り付けられ、拡張基板３９は湾曲した支持ロッド１７によって近位髄内釘ヘッド１５に取り付けられる。この実施態様では、図３に実施態様の取り付けピン３５の必要性はない。図３に示される他の事項は全て図４の実施態様で示されるものと同じ符号が付される。図３および４に示される以外の他の好ましい取り付け方は、その上で作動する骨に対し前記ロボットが厳密な取り付けを提供することを条件として、本発明とともに使用するために等しく適用可能であることは当業者に理解されるべきである。
【００３７】
次に参照する図５Ａは、図２のロボット組立体を取り込んだ本発明の別の好ましい実施態様に従う、完全なロボット誘導整形外科手術システムの模式図である。前記システムは、放射線透過性のある手術台５０の上に横たわる患者（図示されない）の遠位骨断片１０に取り付けられたミニチュアロボット３０の上に取り付けられた、安定化されロボット制御されたターゲッティングドリルガイド３６を含むことが好ましい。Ｘ線源５４は、前記手術台の下に配設され、Ｃアーム５２の頂端には２枚の平行板と包埋された指標とからなる画像較正リング５６とともに透視像増幅器５５が取り付けられる。この画像増幅器からの画像は、デジタル出力ポートを有する画像増幅器の場合には直接にか、あるいは、アナログビデオ出力を有する画像増幅器の場合にはフレーム・グラバーを通してかのいずれかで、計算システム７４の入力に透視像を取り込むために導かれる。画像処理装置が得られた画像を分析し、モニタ７６上で外科医に表示するために出力する。ロボット制御器カード７８は、計算システム７４で発生したコマンド信号出力に従ってロボット３０を指図する正しい入力信号を提供するために取り込まれる。
【００３８】
較正および先行技術の追跡システムに用いられるタイプのような画像較正リング５６は、前記Ｃアームの画像増幅器にクランプで取り付けられるのが好ましく、好ましい実施態様によると、７６ｍｍの間隔を置いた２枚の平行な放射線透過性のある板標的と、予め定められた非対称なパターンに配列された直径２ｍｍおよび３ｍｍの１２０個の包埋された指標鋼球とを有する。正確な較正およびレジストレーションの手順を実行することを可能にするいずれかの適当なパターンが用いられる場合が好ましい。
【００３９】
次に参照する図５Ｂは、本発明のさらなる好ましい実施態様に従って図５Ａに概念的に示される計算システム７４に取り込まれる、さまざまな計算モデュールのブロックダイアグラムである。透視像増幅器５５からの出力は、任意的な透視像ディストーション補正およびカメラ較正ユニット７１に、かかる機能がカメラシステム自体に含まれない場合には、導入される。ここから信号は標的ガイド位置決定モデュール７３と標的位置決定モデュール７５とを通過するが、標的ガイド位置決定モデュール７３は、標的ガイドと、この好ましい実施態様の場合には、ドリルガイドとを含む、１枚または２枚以上の画像を標的ガイドの位置がわかるように分析し、標的位置決定モデュール７５は、前記標的自体と、この実施態様では、遠位固定釘孔とを含む、１枚または２枚以上の画像を分析して、前記遠位固定釘孔の位置を決定する。これらのモデュール７３および７５は図５Ｂでは逐次的に作動するように示されているが、これらは、信号情報を同時にしょりすることができることは理解されるべきである。最後に、デジタル画像情報は、この好ましい実施態様ではターゲッティングドリルガイド孔と遠位固定釘孔との軸の間の厳密なレジストレーションを発生する、標的ガイド−標的レジストレーションモデュール７７を通過する。計算システム７４の３つの好ましい計算モデュール７３、７５および７７のそれぞれの下には本発明の１つの好ましい実施態様に従う実行ステップまたはユニットが示されるが、同一の最終的なレジストレーション結果を提供する代替的な個別のステップが示された機能ユニットのいずれかに置換することができることは理解されるべきである。これらのユニットのそれぞれの機能的性能の完全な説明は以下に示される。計算システム７４およびその個別のモデュールは、以下の説明するとおり、ロバスト性があり、正確で、画像に指標のオクルージョン（ｏｃｃｌｕｓｉｏｎ）がある場合でも正しく機能するように設計される。
【００４０】
好ましい手術プロトコールおよびこれを実行するためのシステム動作手順の概要は、以下の通りである。骨折が整復され釘１４がその所望の位置に挿入されると、画像較正リング５６が図５Ａに示されるようにＣアームの透視像増幅器５５に取り付けられる。遠位固定釘孔を示す遠位の側面透視像を用いて、外科医はロボットが取り付けられるセルフタッピング螺子３５の位置を決定する。前記螺子の軸は、遠位釘孔の軸とほぼ平行で、好ましくは４０ないし８０ｍｍ近位側にあるべきである。好ましくは約３０ｍｍ離れ、前記釘の軸に沿った２個の平行な試験孔が、手持ちジグの助けを借りて外科医によって掘削される。前記セルフタッピング螺子は締着され、ロボット基板が前記螺子の上に取り付けられる。前記ロボット頂部に取り付けられたターゲッティングドリルガイドの前記遠位固定釘孔に対する位置は、ドリルガイド孔がほぼ遠位固定釘孔の上にあるように、予め画定されたピン位置の間で粗く調整される。つぎに、Ｃアームの配向が好ましくはＸ線技師によって、遠位固定釘孔が楕円形ではなくできるだけ円形に最適に撮像されることが決定されるまで、調節される。これは、前額平行設定として知られる、前記Ｃアーム撮像軸が遠位固定釘孔の軸と平行になることを表す。前記手順の精度を上げるために、前記釘孔像が円形に近いことを決定する作業は、Ｘ線技師による目視推定ではなく、システムの画像処理ソフトウエアによって実行されることが好ましい。次に、前記計算システムは、前記遠位固定釘孔の軸に対する前記ターゲッティングドリルガイドの相対的な位置を決定し、前記ターゲッティングドリルガイド孔と遠位固定釘孔との軸が一致するように、必要な変換を計算する。
【００４１】
この計算された変換に従って前記制御器は前記ロボットを動かし、前記ターゲッティングドリルガイド孔が前記釘孔と共線的になるように前記ロボットを固定する。外科医は、Ｋワイヤーを各ドリルガイド孔に挿入して、新しいＸ線透視像で前記遠位固定釘孔の中心に対して正確に整列していることを確認することが好ましい。外科医は、前記螺子孔を掘削することにとりかかり、前記ロボット基板をその取り付け螺子から取り外し、前記側面固定螺子を新たに掘削された孔に締着して、前記螺子が正確に前記遠位固定釘孔を貫通して前記髄内釘を前記骨にしっかりと固定して、標準的なプロトコールに従って手術を完了する。
【００４２】
以上に説明された好ましい手順は、得られたＸ線透視像の画像処理による、前記ターゲッティングドリルガイド軸の前記遠位固定釘孔軸との正確なレジストレーションと、前記ターゲッティングドリルガイドおよび前記固定釘の孔の間の相互の空間関係を定義するレジストレーションアルゴリズムの使用とを要する。前記レジストレーション手順は、球形の指標を用いることが好ましいが、これは、球の中心は周知の画像処理技術によって正確に位置決定することが容易に可能だからである。前記アルゴリズムは、レジストレーション誤差の推定値を提供し、画質が悪いため、あるいは、過剰な数の指標のオクルージョンのためにレジストレーションが実行できないときには外科医に知らせることが好ましい。
【００４３】
次に参照する図６は、釘１４、ロボット基板３４およびターゲッティングドリルガイド３６を示す、ターゲッティングドリルガイドの最初の近似推定位置で撮像された典型的なＸ線透視像の模式図である。前記ターゲッティングドリルガイドの中の指標のセット６０と、画像較正リング内の指標のセット６２という、２セットの指標が見える。他の指標その他の物体との重なりによる数個の指標のオクルージョンは、一般的に常に発生する。ドリルガイド孔４０および４２の軸の側面での整列の望ましい精度は、前記ガイド孔の軸に垂直な面で対応する釘孔１６および１８の中心の±１ｍｍ以内であるべきで、掘削軸の角度の偏差は、前記釘孔の軸の±０．５゜以内であるべきであることが好ましい。これらの許容範囲は、固定螺子が干渉なしに前記遠位固定釘孔に容易に挿入できることを確保するために必要とされる。
【００４４】
この精度を達成するために、本発明のさらなる好ましい実施態様に従って、
（ａ）Ｘ線透視像のディストーション補正およびカメラ較正と、
（ｂ）ターゲッティングドリルガイドの位置決定と、
（ｃ）遠位固定釘孔軸の位置決定と、
（ｄ）レジストレーションという４つの主要なステップからなることが一般的な、モデル利用法が用いられる。
【００４５】
前記モデル利用法は、本発明の好ましい実施態様の整形外科システムに適用されるように説明されるが、前記モデル利用法は、標的画像の予め定められた特徴が、標的ガイド画像の同様に予め定められた特徴と一致されなければならない、医学、産業、または科学のいずれの画像システム用途にも一般的に適用可能であることが理解されるべきである。かかるシステムの１つの共通の用途は、前記予め定められた特徴が孔で、前記システムが、画像の中の標的ガイド孔を、意図する標的自体の画像の孔と整列するために利用されるときである。かかる整列の手順を実行するための計算システムは、上記図５Ｂに説明される。
【００４６】
現代のＣアームＸ線透視像システムは、この好ましい事務所とのステップ（ａ）がかかるシステムによって任意的に予め供給される場合があるような、内蔵式のディストーション補正および較正機能付きで提供されることがしばしばある。
【００４７】
各ステップの簡潔な説明は以下のとおりである。
【００４８】
（ａ）ディストーション補正およびカメラ較正
指標の位置決定、ディストーション補正およびカメラ較正を含むロバスト性のある自動Ｃアーム較正アルゴリズムが提供される。前記アルゴリズムは、Ｈ．    Ｌｉｖｙａｔａｎらの  “Ｒｏｂｕｓｔ  ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｃ−ａｒｍ  ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｆｌｕｏｒｏｓｃｏｐｙ−ｂａｓｅｄ  ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ：  ａ  ｐｒａｃｔｉｃａｌ  ａｐｐｒｏａｃｈ（透視法利用ナビゲーション用のロバスト性のある自動Ｃアーム較正の実用的アプローチ）”と題する、第５回医用画像処理及びコンピュータ外科に関する国際会議（ＭＩＣＣＡＩ  ２００２、２００２年１０月、東京）の報告集（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，Ａｍｓｔｅｒｄａｍ）の記事に説明されている。この新規なアルゴリズムは、Ｘ線透視像からディストーション補正およびカメラ較正のパラメーターを以下の３つのステップで計算する。
（ｉ）前記アルゴリズムは、まず、画像較正リングの指標の投影の位置を決定し、これらを前記パターン既知の空間位置と対応させる。
（ｉｉ）次にディストーション補正パラメーターが計算される。
（ｉｉｉ）最後に較正パラメーター自体が計算される。
正確でロバスト性のある指標およびそのパターンの位置決定は、これに依存して他の全てのパラメーターが精度を提供するため、重要なステップである。このアルゴリズムは、指標の一部だけしか検出されないときであっても、デワーピング（ｄｅｗａｒｐｉｎｇ）およびカメラ較正の組み合わせについてミリメートル以下の精度を達成することを可能にする。
【００４９】
（ｂ）ターゲッティングドリルガイドの位置決定
次に参照する図７は、ターゲッティングドリルガイドの位置が決定される方法を例示するために、スーパーインポーズされた指標パターン計算線６４とともに前記ターゲッティングドリルガイドを示す、別のＸ線透視像の模式図である。
【００５０】
ターゲッティングドリルガイドの位置決定は、指標６０と、指標が形成するパターン６４とを同定することによって実施される。本発明のこの好ましい実施態様では、前記ターゲッティングドリルガイドは、一方が前記ターゲッティングドリルガイドの頂面で、他方が底面である、２０ｍｍ離れた２つの平行面に配設された、「Ａ」の字の形状に非対称に分布する直径２ｍｍの２８個の金属球体を含む。レジストレーションの手順に用いられることが好ましい前記ターゲッティングドリルガイドのパターンは、２対の平行線６４からなる。前記指標は球体であるため、透視像では円形に見える。前記球体の内部の白いドットは、前記指標の中心の位置を示す。しかし、デワーピングおよび較正用の指標６２と、釘１４とが前記透視像には共存するために、前記球体の一部はオクルージョンで隠される場合がある。本発明の位置決定アルゴリズムを用いると、前記計算線の位置をドリルガイド孔の位置を決定するための上記の要件を満たすのに十分な精度で、前記計算線の位置を決定するためには、計算線あたり３個の指標があれば十分である。
【００５１】
この好ましい実施態様に従う位置決定アルゴリズムは、以下の４つのステップを用いる。
（ｉ）突出した円はＨｏｕｇｈ変換を用いて検出され、前記突出した円から円形テンプレートが推論される。
（ｉｉ）前記指標が形態学的に除去されたもとの画像を含む新たな画像が生成される、
（ｉｉｉ）負の値を有するピクセル位置での前記円形テンプレートの正規化相互相関（ＮＣＣ）値、別名Ｐｅａｒｓｏｎ連関係数が、前記指標球体の中心を決定するために計算される。この手順は、Ｒ．Ｃ．ＧｏｎｚａｌｅｚおよびＲ．Ｅ．Ｗｏｏｄｓ著、“Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｉｍａｇｅ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（デジタル画像処理）”、Ｐｒｅｎｔｉｃｅ  Ｈａｌｌ、２００２年、の第１２章に説明されるとおり、周知である。前記伸長ハイブリダイゼーションおよびは、背景よりも暗く見えるため、このような位置が前記指標の可能性がある位置を構成する。
（ｉｖ）指標の探索は、例えば、Ｎｏｏｒｄｍａｎｓ  Ｈ．Ｊ．らの“Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｉｓｏｌａｔｅｄ  ａｎｄ  ｏｖｅｒ−ｌａｐｐｉｎｇ  ｓｐｏｔｓ”、Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｖｉｓｉｏｎ  ａｎｄ  Ｉｍａｇｅ  Ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ、７０巻、１号、１９９８年の記事に説明される検出および特徴付けの方法のような、当業者に知られた方法の１つを用いて、前記ＮＣＣ値の極大値の周囲の狭い領域で実行される。この手順は、部分的なオクルージョンを有する指標を含むが、完全なオクルージョンを有する指標は含まない、たいていの指標の検出を可能にする。次に、前記ターゲッティングドリルガイドのパターンの主軸および副軸が、好ましくは主成分分析（ＰＣＡ）その他の適当な計算ルーティンを用いて、前記指標の位置から決定される。
【００５２】
（ｃ）遠位固定釘孔軸の位置決定
次に参照する図８は、前記遠位固定孔の位置が決定される好ましい方法を例示するために、前記釘をその遠位固定孔およびスーパーインポーズされた釘の長手方向の輪郭線６６とともに示す、別のＸ線透過像の模式図である。
【００５３】
前記Ｘ線透視像における遠位固定釘孔の位置は、まず、前記釘の長手方向の輪郭線６６の位置を決定し、それから、前記輪郭線に対して予測される前記遠位固定釘孔の位置から前記遠位固定釘孔の位置を決定することによって、決定されることが好ましい。本発明の好ましい実施態様に従って釘の長手方向の輪郭線６６の位置を決定するために、Ｆ．Ｄｅｖｅｒｎａｙ、“Ａ  Ｎｏｎ−ｍａｘｉｍａ  ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｅｄｇｅ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ｓｕｂ−ｐｉｘｅｌ  ａｃｃｕｒａｃｙ”、ＩＮＲＩＡ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｒｅｐｏｒｔ  Ｎｏ．２７２４、Ｓｏｐｈｉａ−Ａｎｔｉｐｏｌｉｓ、Ｆｒａｎｃｅ、１９９５年１１月、に説明されるような、サブピクセルエッジ位置決定機能付きＣａｎｎｙエッジ検出器が前記画像に適用される。それから前記釘が、既知の間隔を有する２本の平行線６６からなるバンドであるとするモデル化される、３次元Ｈｏｕｇｈ変換が前記画像データに適用されることが好ましい。Ｈｏｕｇｈ変換投票スキームは、平行線上のピクセルだけが、かかるピクセル間のグレイレベル値が前記バンドの外側のグレイレベル値より低い場合に投票するという制約が課される。このスキームは、前記釘の輪郭線を定義する１つの可能な方法にすぎないこと、および、当業者に知られた他のエッジ検出アルゴリズムが、前記釘の輪郭線を同定するために同等に利用されてもかまわないことが理解されるべきである。
【００５４】
前記アルゴリズムは、前記釘の長手方向の輪郭線６６を見つけると、今度は、２次元図で前記輪郭線を表す２本の線の間に含まれる画像領域内で孔を探索する。前記探索は、側面寸法が前記釘の幅に等しい仮想平行六面体のウィンドウを前記釘の中心軸に沿って移動させることによって実行される。前記アルゴリズムは、前記遠位固定釘孔の場所に対応する、最大数のエッジ要素を含む場所６８を２カ所決定する。Ｒ．ＨａｌｉｒおよびＪ．Ｆｌｕｓｓｅｒによる“Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ  ｓｔａｂｌｅ  ｄｉｒｅｃｔ  ｌｅａｓｔ  ｓｑｕａｒｅｓ  ｆｉｔｔｉｎｇ  ｏｆ  ｅｌｌｉｐｓｅｓ”、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ６ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｉｎ  Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｅｕｒｏｐｅ  ｏｎ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｇｒａｐｈｉｃｓ  ａｎｄ  Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ  （ＷＳＣＧ）、１２５−１３２頁、１９９８年の記事に説明されるアルゴリズムのような手段によってこれらの場所で前記エッジ要素に楕円がフィッティングされる。
【００５５】
（ｄ）レジストレーション
前記遠位固定釘孔は円としてモデル化され、Ｘ線透視カメラはピンホールカメラとしてモデル化される。このモデルによると、空間中の円は、カメラの視線方向が前記円の面に垂直のときには、画像中で円にマップされる。これは、前額平行な撮像設定を必要とする。前額平行設定の利用は、本発明のこの好ましい方法のレジストレーション手順を単一の２次元画像から実行することを可能にする。この設定を達成するためには、Ｘ線技師は、前記遠位固定釘孔が円にできるだけ近く見えるまで前記釘を複数の配向で撮像する。孔の真円度の測定は、上記ステップ（ｃ）で決定されるように、前記孔のエッジ要素のデータポイントにフィッティングされる前記楕円のアスペクト比である。１に近い比が達成されると、１に対する近似度が、実際に要求される精度に応じて予め定められた条件によって判定され、前記ターゲティングドリルガイドが撮像視野に導入され、追加の画像が得られる。前記ドリルガイド孔の軸と、前記遠位固定釘孔の軸との間の厳密な変換は、以下の方法によって計算される。前記ドリルガイドの寸法がわかっており、前記ロボットの頂部に対する前記ドリルガイドのスライドヘッドの取り付け位置がわかっているという意味で、前記ターゲティングドリルガイドは予め較正されているため、ロボット座標系から前記ターゲティングドリルガイドへの変換もわかっている。前記ターゲティングドリルガイドとＣアーム透視カメラとの間の変換は、外在的なカメラのパラメーターと、前記ターゲティングドリルガイドの既知の幾何学的特性とから決定される。前記ドリルガイド孔の軸と前記遠位固定釘孔の軸とを一致させるためには、前記ロボットは、まず、上記のとおり前記ドリルガイド孔の軸をカメラの軸に整列するように配向させ、それから、上記の計算に従って、前記ターゲティングドリルガイド孔の軸と前記遠位固定釘孔の軸とが一致するまで側面方向に平行移動する。前記ロボットは、側面および必要な角度の両方の整列ができるのに十分な程度の運動の自由度を提供する。
【００５６】
本発明のシステムおよびその使用は、長骨髄内釘手術での遠位固定螺子用の試験孔の掘削への好ましい応用によって以上に説明されたが、本発明のシステムの使用例の１つだけでしかないことが理解されるべきである。前記ロボット誘導システムは、前記手順を施される骨への取り付け用に予め掘削された孔を有する、予め配設された骨インサートを伴う他の整形外科の手順を実行する上で、整形外科医を補助するために使用される場合がある。
【００５７】
本発明の少なくともの別の好ましい応用例として、次に参照される図９は、骨折した大腿骨頸を骨幹８８に連結するのに用いられるコネクタ板８０の縦断面模式図である。コネクタ板８０は一般に、骨幹８８に前記コネクタ板を連結するために予め掘削された、骨幹に垂直な３個の孔８２と、骨折した球状の大腿骨頭９０を連結するために予め掘削された、前記コネクタ板に対して概して１４０゜の斜角をなす２個の孔８４とを有する。Ｙ．Ｇｏｔｆｒｉｅｄに付与された「骨折した骨の連結用の手術器具」という名称の米国特許第４，４６５，０６５号明細書のような先行技術では、かかるコネクタ板８０は、最小の切開を通じて経皮的に挿入され、前記コネクタ板の後端に取り付けられた２本のアーム状のハンドルによって前記骨幹に沿ってスライドさせて配設される。前記コネクタ板の前端は、挿入を容易にするための、のみ状の切削刃を有する。誘導チューブが前記器具の１本のアームの孔に取り付けられ、前記コネクタ板の予め掘削された固定孔に伸びる。骨の部分への掘削は、これらのチューブをガイドに用いて実行される。しかし、この手順は、多数のＸ線透視像を伴い、前記ハンドル器具を用いて前記コネクタ板を挿入することはいつでも簡単に実行できるとはかぎらない。
【００５８】
取り付け螺子３５によって大腿骨に取り付けられたロボット３０を有する本発明のロボット誘導システムを用いると、前記コネクタ板の挿入を行うこと、および、先行技術のハンドルアーム構成を使用することなく連結用螺子孔を正確に掘削することが可能になる。前記コネクタ板がその斜めに整列した孔８４を大腿骨頭に相対して正確に配置されることを担保するために、最小数のＸ線透視像しか必要ではない。ドリルガイド９２は、上記のとおりの本発明の好ましい方法およびレジストレーション手順によって、要求される精度で、その垂直なドリルガイド孔９４がコネクタ板８０の対応する孔８２と相対するように整列される。しかし、ドリルガイド板９２は、大腿骨幹と平行な部分と１４０゜の角度をなして連結される第２の屈曲部を有して、それぞれの部分がコネクタ板の対応する部分に対して平行であることが好ましいという点で、髄内固定術で用いられるドリルガイド板とは異なる。調整可能なスライドヘッド３３は、前記ドリルガイドの屈曲部が屈曲した孔８４とほぼ相対するドリル孔９６と整列するように移動し、ロボット整列の手順は、斜めに屈曲した孔も正確に掘削できるように適当な透視像を撮影するように適当に整列されて繰り返される。代替的かつ好ましくは、以前に用いられたまっすぐなドリルガイド板が用いられ、ドリルガイド板がコネクタ板の屈曲部とほぼ並行になるようにロボットが予め定められた角度で傾く場合がある。
【００５９】
本発明のロボットシステムおよび関連するその使用方法は、上記の２つの好ましい用途に限定されず、外科医の肉眼で視認できない整形外科用インサートに予め掘削された孔に貫通する掘削が要求される、類似の手順に利用できることが当業者によって理解されるべきである。さらに、上記の計算システムおよび関連するアルゴリズムは、ターゲティングガイド画像の予め定められた特徴が、意図された標的事態の画像の類似の予め定められた特徴と一致するようにされなければならない、いずれかの画像システムの用途にも一般的に適用可能であることが理解されるべきである。
【００６０】
本発明は、以上に具体的に示され説明されたものによって限定されないことが当業者によって了解される。むしろ、本発明の範囲は、上記のさまざまな特徴の組み合わせと、上記の説明を読んだ当業者が想到する変更および改変であって先行技術でないものとの両方が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１Ａ】髄内釘術の遠位固定段階を示す側面模式図。
【図１Ｂ】髄内釘術の遠位固定段階を示す正面模式図。
【図２】固定螺子挿入用の試験孔の正確な掘削のための本発明の好ましい実施態様に従うロボットシステムの等距離模式図。
【図３】図２の好ましい実施態様の断面図。
【図４】ロボットを患者の骨に取り付ける代替的で好ましい方法を示す図２のさらなる断面図。
【図５Ａ】本発明の別の好ましい実施態様による完全なロボット誘導整形外科手術システムの模式図。
【図５Ｂ】図５Ａに示す計算システムに取り込まれるさまざまな計算モデュールのブロックダイアグラム。
【図６】ターゲティングドリルガイドと、２個の遠位固定孔を有する髄内釘の遠位端とを示すＸ線透視模式図。
【図７】図６に類似するが、スーパーインポーズされた指標を示す、別のＸ線透視模式図。
【図８】図６に類似するが、スーパーインポーズされた釘の長手方向の輪郭線を示す、別のＸ線透視模式図。
【図９】図２に示すものと類似するが、ロボットで位置決定したコネクタ板を貫通する掘削によって、大腿骨の骨折した骨頸と骨幹とを連結するために用いられる、ロボットシステムの断面模式図。
【符号の説明】
【００６２】
１０    大腿骨
１２    脚
１４    髄内釘
１５    近位釘ヘッド
１６    遠位固定釘孔
１７    支持ロッド
１８    遠位固定釘孔
２０、２２    固定螺子
２４    螺子回し
３０    ロボット
３１    予定位置固定用ピンおよび孔
３２    天板
３３    スライドヘッド
３４    基板
３５    取り付けピン
３６    ターゲッティングドリルガイド
３８    連結ブロック
３９    拡張基板
４０、４２    ドリルガイド孔
５０    手術台
５２    Ｃアーム
５４    Ｘ線源
５５    透視像増幅器
５６    画像較正リング
６０、６２    指標のセット
６４    指標パターン計算線
６６    輪郭線
６８    最大数のエッジ要素を含む場所
７０    ドリルヘッド
７１    透視像ディストーション補正およびカメラ較正ユニット
７２    ガイドドリルビット
７３    標的ガイド位置決定モデュール
７４    計算システム
７５    標的位置決定モデュール
７６    モニタ
７７    標的ガイド−標的レジストレーションモデュール
７８    ロボット制御器カード
８０    コネクタ板
８２、８４    予め掘削された孔
８８    骨幹
９０    大腿骨頭
９２    ドリルガイド
９４    ドリルガイド孔
９８    ドリル孔
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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