(57)【要約】      （修正有）【課題】ロボット外科用システムを使用した手術について対象骨までの距離及び／または深さを測定するためのデバイス、システム、及び方法を提供する。【解決手段】外科用ロボットシステムは、ロボットの誘導管１６０４から患者の対象骨１６０２までの距離をベクトル１６０６とし描写するように構成されてもよい。ベクトルは、誘導管の中心軸が対象骨の２Ｄ画像の、例えば１つの視野平面が矢状であり、１つの視野平面が軸方向である、２つの視野平面の交差部の線路と一致したときの誘導管の視野を表現してもよい。【選択図】図１３
2018108344.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外科手術の間に、外科用器具が患者の対象骨に接触するまでの距離を判定するように構成された外科用ロボットシステムであって、
追跡マーカを備え、前記外科用器具を受け入れるように構成される誘導管と、
ナビゲーション空間において前記追跡マーカを認識する位置センサを有する追跡サブシステムと、
前記追跡マーカに基づいて、前記追跡サブシステムから前記誘導管の位置を指示する信号を受信するように構成されたプラットフォームインターフェースモジュールと、
コンピュータ及び表示器を含み、前記対象骨の第１の視野平面スキャン及び前記対象骨の第２の視野平面スキャンを受信するように構成されたコンピュータサブシステムであって、前記第１の視野平面及び前記第２の視野平面が、前記対象骨の視野の交差部を形成し、
前記コンピュータサブシステムが、前記プラットフォームインターフェースモジュールから前記誘導管の前記位置を受信するように構成され、
前記コンピュータサブシステムが、前記表示器を介して、前記第１の視野平面スキャン及び前記第２の視野平面スキャンのうちの少なくとも１つに、前記誘導管の遠位部分に対する、前記患者の前記対象骨に接触するまでの前記距離を指示するベクトルを描写するように構成され、
前記ベクトルが、前記交差部に一致している前記誘導管の中心軸を表現する、コンピュータサブシステムと、を備える、外科用ロボットシステム。
【請求項２】
前記ベクトルが、前記誘導管の前記遠位部分と前記対象骨との間の前記距離を指示するマーキングを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記マーキングが、丸めた増分で描写されてもよい、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記ベクトルの前記描写が、ズームインまたはズームアウトされてもよい、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記マーキングの増分が、ズームレベルに基づいて自動的に変化する、請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
前記誘導管において受け入れられる前記外科用器具を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記外科用器具が、前記誘導管の前記遠位部分を過ぎた前記外科用器具の実際の深さを指示する目盛り付きマーキングを含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１の視野平面が、前記対象骨に関する矢状視野平面であり、前記第２の視野平面が、前記対象骨に関する軸方向視野平面である、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
エンドエフェクタを更に備え、前記誘導管が、前記エンドエフェクタの一部である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
エンドエフェクタを更に備え、前記誘導管が、前記エンドエフェクタとは別に追跡される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
ロボット外科用システムを使用した外科手術の間に、外科用器具が患者の対象骨に接触するまでの距離を判定するための方法であって、
コンピュータ及び表示器を有するコンピュータサブシステムによって、前記対象骨の第１の視野平面スキャン及び前記対象骨の第２の視野平面スキャンを受信することであって、前記第１の視野平面及び前記第２の視野平面が、画像空間において前記対象骨の視野の交差部を形成する、受信することと、
前記コンピュータサブシステムによって、ナビゲーション空間における誘導管の位置を受信することと、
前記コンピュータによって、前記誘導管の遠位部分と前記患者の前記対象骨との間の距離を判定することであって、前記距離が、前記誘導管の中心軸が前記交差部に一致するように判定される、距離を判定することと、
前記表示器を介して、前記第１の視野平面スキャン及び前記第２の視野平面スキャンのうちの少なくとも１つに、前記患者の前記対象骨に接触するまでの前記距離を指示するベクトルを描写することと、を含む、方法。
【請求項１２】
前記ベクトルが、前記誘導管の前記遠位部分と前記対象骨との間の前記距離を指示するマーキングを備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記マーキングが、丸めた増分で描写されてもよい、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ベクトルの前記描写が、ズームインまたはズームアウトされてもよい、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記マーキングの増分が、ズームレベルに基づいて自動的に変化する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記誘導管において受け入れられる外科用器具を更に備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記外科用器具が、前記誘導管の前記遠位部分を過ぎた前記外科用器具の実際の深さを指示する目盛り付きマーキングを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の視野平面が、前記対象骨に関する矢状視野平面であり、前記第２の視野平面が、前記対象骨に関する軸方向視野平面である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
エンドエフェクタを更に備え、前記誘導管が、前記エンドエフェクタの一部である、請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
エンドエフェクタを更に備え、前記誘導管が、前記エンドエフェクタとは別に追跡される、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年５月１８日に出願された米国特許出願第１５／１５７，４４４号の一部継続出願であり、その米国特許出願は、２０１６年４月１１日に出願された米国特許出願第１５／０９５，８８３号の一部継続出願であり（米国特許出願公開第２０１６／０２２０３２０号Ａ１として公開される）、その米国特許出願は、２０１３年１０月２４日に出願された米国特許出願第１４／０６２，７０７号の一部継続出願であり（米国特許出願公開第２０１４／０２７５９５５号Ａ１として公開される）、その米国特許出願は、２０１３年６月２１日に出願された米国特許出願第１３／９２４，５０５号の一部継続出願であり（米国特許出願公開第２０１３／０３４５７１８号Ａ１として公開され、米国特許出願公開第２０１６／０２４２８４９号Ａ９として訂正出願される）、その米国特許出願は、２０１２年６月２１日に出願された米国仮特許出願第６１／６６２，７０２号に対する優先権を主張するものであり、また、２０１３年３月１５日に出願された米国仮特許出願第６１／８００，５２７号に対する優先権を主張するものであり、これらの全ての内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
［技術分野］
【０００２】
本開示は、位置認識システムに関し、特に、ロボット支援手術技術を使用して、患者内の機器及びツールの測定を可能にする位置認識システムに関する。
［背景技術]
【０００３】
種々の医療手技は、最適化された処置をもたらすために、身体内の外科用器具の３次元位置の正確な位置測定を必要とする。例えば、椎骨を融合させるためのいくつかの外科手技は、外科医が、ある場所において骨構造の中へ複数の穴を掘削することが必要とされる。融合システムにおける高レベルの機械的完全性を達成するために、かつ骨構造において生成される力のバランスをとるために、穴を正しい場所に掘削することが必要である。椎骨は、大部分の骨構造のように、正確かつ垂直な掘削を困難にする、非平面で湾曲した表面を含む、複雑な形状を有する。従来、外科医は、掘削器管の位置を骨構造の３次元画像の上へ重ね合わせるために、誘導システムを使用することによって、掘削器誘導管を手動で保持し、位置付ける。この手動のプロセスは、面倒であり、かつ時間がかかる。手術の成功は、それを行う外科医の器用さに大きく依存する。
【０００４】
外科医が最小侵襲手術を実施し、ねじを骨の中へ配置するための準備を行うときには、しばしば、皮膚の表面から筋肉及び結合組織を通して、拡張器管を、拡張器管の遠位端部が骨に隣接する位置まで下げることが望ましい。拡張器管は、掘削ステップ及び他の外科用ステップが発生し得る通路としての役割を果たす。現在、拡張器が十分遠くまで十分に挿入されているかどうかを評価するために最も頻繁に使用されている方法は、Ｘ線画像を記録することであり、これは、効果的であるが、患者及び外科スタッフをＸ線に曝露させ、かつ時間がかかり得る。Ｘ線の代わりに画像誘導を使用すれば、患者及びスタッフのＸ線への多少の曝露を免れさせることになる。しかしながら、拡張器管に装着された追跡アレイは、非常に多くの外科活動が発生している領域の中の外科医にとって扱い難く、かつ目障りであるという欠点を有する。
【０００５】
このため、医療スタッフが患者に対して外科動作を行う能力を妨げること、及び邪魔することなく、患者及び医療スタッフを撮像システムからの放射線への不必要な曝露を制限する様態で、外科用器具類の深さを測定することができるという必要性が存在する。本開示は、現在の伝統的な外科技法及びロボット支援外科技法の不利な点を克服する。例えば、ロボット外科用システムの構成要素の既知の位置を使用することは、外科医が、ロボットのエンドエフェクタ誘導管または自由追跡外部誘導管等の副追跡管内の拡張器管等の長いシャフトを、拡張器管が対象の骨の構造に接触するような深さに位置付けることを可能にする。この位置付けは、拡張器自体を追跡することなく、かつ拡張器が患者の中へ更に挿入されるときにＸ線画像を使用することなく、拡張器管を間接的に追跡することを可能にする。
［発明の概要]
【０００６】
この及び他の必要性にかなうために、ロボット支援手術の間に、外科用器具が患者の対象骨に接触するまでの距離及び深さを判定するためのデバイス、システム、及び方法が提供される。
【０００７】
１つの例示的な実施形態によれば、外科用ロボットシステムは、外科手術の間に、外科用器具が患者の対象骨に接触するまでの距離を判定するように構成されてもよい。システムは、追跡マーカを備え、外科用器具を受け入れるように構成され得る誘導管と、ナビゲーション空間において追跡マーカを認識する位置センサを有する追跡サブシステムと、追跡マーカに基づいて、追跡サブシステムから誘導管の位置を指示する信号を受信するように構成されてもよいプラットフォームインターフェースモジュールと、コンピュータ及び表示器を含み、対象骨の第１の視野平面スキャン及び対象骨の第２の視野平面スキャンを受信するように構成され得るコンピュータサブシステムとを含んでもよい。第１の視野平面及び第２の視野平面は、対象骨の視野の交差部を形成してもよい。コンピュータサブシステムはまた、プラットフォームインターフェースモジュールから誘導管の位置を受信するように構成されてもよく、また、第１の視野平面スキャン及び第２の視野平面スキャンのうちの少なくとも１つに、誘導管の遠位部分に対する、患者の対象骨に接触するまでの距離を指示するベクトルを描写してもよく、ベクトルは、交差部に一致している誘導管の中心軸を表現してもよい。
【０００８】
別の実施形態によれば、ロボット外科用システムを使用した外科手術の間に、外科用器具が患者の対象骨に接触するまでの距離を判定するための方法が提供されてもよい。方法は、コンピュータ及び表示器を有するコンピュータサブシステムによって、対象骨の第１の視野平面スキャン及び対象骨の第２の視野平面スキャンを受信することを含んでもよく、第１の視野平面及び第２の視野平面は、画像空間の対象骨の視野の交差部を形成する。方法はまた、コンピュータサブシステムによって、ナビゲーション空間における誘導管の位置を受信することと、コンピュータによって、誘導管の遠位部分と患者の対象骨との間の距離を判定することであって、距離は、誘導管の中心軸が交差部に一致するように判定されてもよい、判定することとを含んでもよい。方法はまた、表示器を介して、第１の視野平面スキャン及び第２の視野平面スキャンのうちの少なくとも１つに、患者の対象骨に接触するまでの距離を指示するベクトルを描写することも含んでもよい。
［図面の簡単な説明］
【０００９】
本発明及びそのある実施形態の以下の詳細な説明は、以下の図を参照することによって理解されてもよい。
【００１０】
［図１］外科手技の間のロボットシステム、患者、外科医、及び他の医療要員の場所についての潜在的配設の頭上図である。
［図２］一実施形態に係る患者に対する外科用ロボット及びカメラの位置付けを含むロボットシステムを例解する。
［図３］例示的な実施形態に従う外科用ロボットシステムを例解する。
［図４］例示的な実施形態に従う外科用ロボットの一部を例解する。
［図５］例示的な実施形態に従う外科用ロボットのブロック図を例解する。
［図６］例示的な実施形態に従う外科用ロボットを例解する。
［図７Ａ〜７Ｃ］例示的な実施形態に従うエンドエフェクタを例解する。
［図８］一実施形態に係るエンドエフェクタの誘導管への外科用器具の挿入前及び後の、外科用器具及びエンドエフェクタを例解する。
［図９Ａ〜９Ｃ］例示的な実施形態に従うエンドエフェクタ及びロボットアームの一部分を例解する。
［図１０］例示的な実施形態に従う動的参照アレイ、画像化アレイ、及び他の構成要素を例解する。
［図１１］例示的な実施形態に従う位置合わせ方法を例解する。
［図１２Ａ〜１２Ｂ］例示的な実施形態に係る画像化デバイスの実施形態を例解する。
［図１３］対象骨までの深さを測定している関連付けられた描写を伴う視野平面Ｘ線の例示的な画像を例解する。
［図１４］対象骨までの深さを測定している関連付けられた描写を伴うＸ線の視野平面の例示的な画像を例解する。
［図１５］対象骨までの深さを測定している関連付けられた描写を伴うＸ線の視野平面の例示的な画像を例解する。
［図１６］対象骨までの深さを測定している関連付けられた描写を伴うＸ線の視野平面の例示的な画像を例解する。
［図１７］対象骨までの深さを測定している関連付けられた描写を伴うＸ線の視野平面の例示的な画像を例解する。
［図１８］本開示と一致するマーキングを伴う例示的な器具を例解する。
［図１９］本開示と一致する例示的な器具及び誘導管を例解する。
［図２０］本開示と一致する例示的方法を例解する。
［発明を実施するための形態］
【００１１】
本開示は、本明細書における説明に記載されるまたは図面において例解される構成要素の構築及び配設の詳細にその用途において限定されないことが理解されるものとする。本開示の教示は、他の実施形態において使用及び実践されてもよいし、種々の方法において実践または実行されてもよい。また、本明細書において使用される専門表現及び専門用語が、説明目的のためであり、制限として見なされるべきではないことが理解されるものとする。本明細書における「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、及びこれらの変化形の使用は、その後に列記される項目、及びそれらの同等物、ならびに追加の項目を包含することが意味される。別途指定または制限されない限り、「装着された（ｍｏｕｎｔｅｄ）」、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「支持された（ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ）」、及び「連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語、ならびにこれらの変化形は、広義に使用され、直接的及び間接的双方の装着、接続、支持、及び連結を包含する。更に、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」及び「連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」は、物理的もしくは機械的接続または連結に制限されない。
【００１２】
以下の考察は、当業者が本開示の実施形態を作製及び使用することを可能にするために提示される。例解される実施形態への種々の修正は、当業者には容易に明らかであり、本明細書における原理は、本開示の実施形態から逸脱することなく、他の実施形態及び用途に適用され得る。このため、実施形態は、示される実施形態に制限されることを意図しないが、本明細書において開示される原理及び特性と一致する最も広い範囲が与えられるものとする。以下の発明を実施するための形態は、異なる図面における同様の要素が同様の参照番号を有する図面を参照して読まれるものとする。図面は、必ずしも縮尺通りではなく、選択された実施形態を描写し、実施形態の範囲を制限することを意図しない。当業者は、本明細書において提供される実施例が、多くの有用な代替物を有し、実施形態の範囲内にあることを認識するであろう。
【００１３】
ここで、図面を参照すると、図１及び２は、例示的な実施形態に従う外科用ロボットシステム１００を例解する。外科用ロボットシステム１００は、例えば、外科用ロボット１０２、１つ以上のロボットアーム１０４、基部１０６、表示器１１０、例えば、誘導管１１４を含む、エンドエフェクタ１１２、及び１つ以上の追跡マーカ１１８を含んでもよい。外科用ロボットシステム１００は、患者追跡デバイス１１６を含んでもよく、また、患者追跡デバイス１１６は、１つ以上の追跡マーカ１１８を含み、それは、患者２１０に（例えば、患者２１０の骨に）直接固定されるように適合される。外科用ロボットシステム１００はまた、例えば、カメラスタンド２０２上に位置付けられた、カメラ２００を利用してもよい。カメラスタンド２０２は、カメラ２００を所望の位置に移動、配向、及び支持するために、任意の適切な構成を有することができる。カメラ２００は、任意の適切なカメラまたは複数のカメラ、例えば、カメラ２００の視点から見ることができる所与の測定量においてアクティブ及びパッシブ追跡マーカ１１８を識別することができる、例えば、１つ以上の赤外カメラ（例えば、２焦点または立体写真測量カメラ）等を含んでもよい。カメラ２００は、所与の測定量をスキャンしてもよく、３次元におけるマーカ１１８の位置を識別及び判定するために、マーカ１１８から来る光を検出してもよい。例えば、アクティブマーカ１１８は、電気信号（例えば、赤外発光ダイオード（ＬＥＤ））によって作動される赤外発光マーカを含んでもよく、パッシブマーカ１１８は、例えば、カメラ２００または他の適切なデバイス上の照明器によって発出される赤外光を反射するレトロな反射性マーカ（例えば、それらは、入射光の方向に入射するＩＲ放射を反射する）を含んでもよい。
【００１４】
図１及び２は、手術室環境における外科用ロボットシステム１００の配置のための潜在的な構成を例解する。例えば、ロボット１０２は、患者２１０の近くまたは次に位置付けられてもよい。患者２１０の頭部の近くが描写されるが、ロボット１０２は、手術を受けている患者２１０の領域に応じて、患者２１０の近くの任意の適切な場所に位置付けることができることが理解されるであろう。カメラ２００は、ロボットシステム１００から分離されてもよいし、患者２１０の足に位置付けられてもよい。この場所は、カメラ２００が、手術野２０８への直接的な視線を有することを可能にする。再度、カメラ２００は、手術野２０８への見通し線を有する任意の適切な位置に位置してもよいことが意図される。図示される構成において、外科医１２０は、ロボット１０２の向かいに位置付けられてもよいが、依然として、エンドエフェクタ１１２及び表示器１１０を操作することができる。外科助手１２６は、更にまた、エンドエフェクタ１１２及び表示器１１０の双方にアクセス可能に、外科医１２０の向かいに位置付けられてもよい。所望される場合、外科医１２０及び助手１２６の場所は、逆にされてもよい。麻酔医１２２及び看護師または洗浄技師１２４のための伝統的な領域は、ロボット１０２及びカメラ２００の場所によって邪魔されないままである。
【００１５】
ロボット１０２の他の構成要素に関して、表示器１１０は、外科用ロボット１０２に取設することができ、他の例示的な実施形態において、表示器１１０は、外科用ロボット１０２を伴う手術室内、または遠隔の場所のいずれかにおいて、外科用ロボット１０２から取り外すことができる。エンドエフェクタ１１２は、ロボットアーム１０４に連結されてもよく、少なくとも１つのモータによって制御されてもよい。例示的な実施形態において、エンドエフェクタ１１２は、患者２１０上で手術を実施するために使用される（本明細書において更に説明される）外科用器具６０８を受け入れる及び配向させることができる、誘導管１１４を備えることができる。本明細書において使用される際、「エンドエフェクタ」という用語は、「エンドイフェクチュエータ」及び「イフェクチュエータ要素」という用語と同義的に使用される。誘導管１１４を用いて一般的に示されるが、エンドエフェクタ１１２は、手術中の使用に適した任意の適切な器具類と置き換えてもよいことが理解されるであろう。一部の実施形態において、エンドエフェクタ１１２は、所望の様態における外科用器具６０８の移動をもたらすために任意の既知の構造を備えることができる。
【００１６】
外科用ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２の並進及び配向を制御することができる。ロボット１０２は、例えば、ｘ、ｙ、及びｚ軸に沿って、エンドエフェクタ１１２を移動させることができる。エンドエフェクタ１１２は、（エンドエフェクタ１１２と関連付けられるオイラー角（例えば、ロール、ピッチ、及び／またはヨー）のうちの１つ以上を選択的に制御することができるように）ｘ、ｙ、及びｚ軸、ならびにＺフレーム軸のうちの１つ以上の周囲の選択的回転のために構成することができる。一部の例示的な実施形態において、エンドエフェクタ１１２の並進及び配向の選択的制御は、例えば、回転軸のみを備える６自由度のロボットアームを利用する従来のロボットと比較して、有意に改善された精密性でもって医療手技の実施を可能にすることができる。例えば、外科用ロボットシステム１００は、患者２１０上で動作させるために使用されてもよく、ロボットアーム１０４は、患者２１０の身体の上に位置付けることができ、エンドエフェクタ１１２は、患者２１０の身体に向かってｚ軸に対して選択的に角度付けられる。
【００１７】
一部の例示的な実施形態において、外科用器具６０８の位置は、外科用ロボット１０２が、手技中、常に外科用器具６０８の場所を認識することができるように、動的に更新することができる。結果として、一部の例示的な実施形態において、外科用ロボット１０２は、医師からのいかなる更なる支援も伴わずに（医師がそのように所望しない限り）素早く所望の位置に外科用器具６０８を移動させることができる。一部の更なる実施形態において、外科用ロボット１０２は、外科用器具６０８が、選択された、事前に計画された軌道から外れた場合、外科用器具６０８の経路を補正するように構成することができる。一部の例示的な実施形態において、外科用ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２及び／または外科用器具６０８の移動の停止、修正、及び／または手動制御を可能にするように構成することができる。このため、使用中、例示的な実施形態において、医師または他のユーザは、システム１００を動作させることができ、エンドエフェクタ１１２及び／または外科用器具６０８の自主的な移動を停止、修正、または手動で制御するオプションを有する。外科用ロボット１０２による外科用器具６０８の制御及び移動を含む、外科用ロボットシステム１００の更なる詳細は、その全体として参照することにより本明細書に組み込まれる、同時係属米国特許出願通し番号第１３／９２４，５０５号において見出すことができる。
【００１８】
ロボット外科用システム１００は、３次元においてロボットアーム１０４、エンドエフェクタ１１２、患者２１０、及び／または外科用器具６０８の移動を追跡するように構成された１つ以上の追跡マーカ１１８を備えることができる。例示的な実施形態において、複数の追跡マーカ１１８は、例えば、制限することなく、ロボット１０２の基部１０６上、ロボットアーム１０４上、またはエンドエフェクタ１１２上等の、ロボット１０２の外表面に装着（またはそうでなければ固定）することができる。例示的な実施形態において、複数の追跡マーカ１１８のうちの少なくとも１つの追跡マーカ１１８は、エンドエフェクタ１１２に装着またはそうでなければ固定することができる。１つ以上の追跡マーカ１１８は、更に患者２１０に装着（またはそうではければ固定）することができる。例示的な実施形態において、複数の追跡マーカ１１８は、外科医、外科用ツール、またはロボット１０２の他のパーツによって遮られる可能性を低減するように、手術野２０８から離間して、患者２１０上に位置付けることができる。更に、１つ以上の追跡マーカ１１８は、外科用ツール６０８（例えば、スクリュードライバ、拡張器、インプラント挿入器、または同様のもの）に更に装着（またはそうでなければ固定）することができる。このため、追跡マーカ１１８は、マークされた物体（例えば、エンドエフェクタ１１２、患者２１０、及び外科用ツール６０８）のそれぞれが、ロボット１０２によって追跡されることを可能にする。例示的な実施形態において、システム１００は、例えば、エンドエフェクタ１１２、（例えば、エンドエフェクタ１１２の管１１４内に位置付けられた）外科用器具６０８の、配向及び場所、ならびに患者２１０の相対位置を計算するために、マークされた物体のそれぞれから収集された追跡情報を使用することができる。
【００１９】
例示的な実施形態において、マーカ１１８のうちの１つ以上は、光学マーカであってもよい。一部の実施形態において、エンドエフェクタ１１２上の１つ以上の追跡マーカ１１８の位置付けは、エンドエフェクタ１１２の位置をチェックまたは検証する役割を果たすことによって、位置測定値の精密性を最大化することができる。外科用ロボット１０２及び外科用器具６０８の制御、移動、ならびに追跡を含む、外科用ロボットシステム１００の更なる詳細は、その全体として参照することにより本明細書に組み込まれる、同時係属米国特許出願通し番号第１３／９２４，５０５号において見出すことができる。
【００２０】
例示的な実施形態は、外科用器具６０８に連結された１つ以上のマーカ１１８を含む。例示的な実施形態において、例えば、患者２１０及び外科用器具６０８に連結される、これらのマーカ１１８、ならびにロボット１０２のエンドエフェクタ１１２に連結されるマーカ１１８は、従来の赤外発光ダイオード（ＬＥＤ）または、例えば、Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）等の商業的に入手可能な赤外光追跡システムを使用して追跡されることが可能なＯｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）ダイオードを備えることができる。Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）は、Ｎｏｒｔｈｅｒｎ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｉｎｃ．，Ｗａｔｅｒｌｏｏ，Ｏｎｔａｒｉｏ，Ｃａｎａｄａの登録商標である。他の実施形態において、マーカ１１８は、Ｐｏｌａｒｉｓ  Ｓｐｅｃｔｒａ等の商業的に入手可能な光学追跡システムを使用して追跡されることが可能な従来の反射性球体を備えることができる。Ｐｏｌａｒｉｓ  Ｓｐｅｃｔｒａも、Ｎｏｒｔｈｅｒｎ  Ｄｉｇｉｔａｌ，Ｉｎｃの登録商標である。例示的な実施形態において、エンドエフェクタ１１２に連結されたマーカ１１８は、オン及びオフにされ得る赤外発光ダイオードを備えるアクティブマーカであり、患者２１０及び外科用器具６０８に連結されるマーカ１１８は、パッシブ反射性球体を備える。
【００２１】
例示的な実施形態において、マーカ１１８から発出された及び／またはマーカ１１８によって反射された光は、カメラ２００によって検出することができ、マークされた物体の場所及び移動を監視するために使用することができる。代替の実施形態において、マーカ１１８は、無線周波数及び／もしくは電磁リフレクタまたはトランシーバを備えることができ、カメラ２００は、無線周波数及び／もしくは電磁トランシーバを含むか、またはそれによって置き換えることができる。
【００２２】
外科用ロボットシステム１００と同様に、図３は、本開示の例示的な実施形態と一致するドッキング型構成における、外科用ロボットシステム３００及びカメラスタンド３０２を例解する。外科用ロボットシステム３００は、表示器３０４、上部アーム３０６、下部アーム３０８、エンドエフェクタ３１０、垂直カラム３１２、キャスタ３１４、キャビネット３１６、タブレット引出し３１８、コネクタパネル３２０、制御パネル３２２、及び情報のリング部３２４を含む、ロボット３０１を備えてもよい。カメラスタンド３０２は、カメラ３２６を備えてもよい。これらの構成要素は、図５に関してより多く説明される。図３は、カメラスタンド３０２が、例えば、使用中でないときに、ロボット３０１と入れ子にされる、ドッキング型構成における外科用ロボットシステム３００を例解する。カメラ３２６及びロボット３０１は、例えば、図１及び２に示されるように、外科手技中に、互いに分離してもよいし、任意の適切な場所に位置付けてもよいことが、当業者によって理解されるであろう。図４は、本開示の例示的な実施形態と一致する基部４００を例解する。基部４００は、外科用ロボットシステム３００の一部分であってもよく、キャビネット３１６を備えてもよい。キャビネット３１６は、限定されるものではないが、バッテリ４０２、配電モジュール４０４、プラットフォームインターフェースボードモジュール４０６、コンピュータ４０８、ハンドル４１２、及びタブレット引出し４１４を含む、外科用ロボットシステム３００のある構成要素を収容してもよい。これらの構成要素間の接続及び関係は、図５に関してより詳細に説明される。
【００２３】
図５は、外科用ロボットシステム３００の例示的な実施形態のある構成要素のブロック図を例解する。外科用ロボットシステム３００は、プラットフォームサブシステム５０２、コンピュータサブシステム５０４、動き制御サブシステム５０６、及び追跡サブシステム５３２を備えてもよい。プラットフォームサブシステム５０２は、バッテリ４０２、配電モジュール４０４、プラットフォームインターフェースボードモジュール４０６、及びタブレット充電ステーション５３４を更に備えてもよい。コンピュータサブシステム５０４は、コンピュータ４０８、表示器３０４、及びスピーカ５３６を更に備えてもよい。動き制御サブシステム５０６は、駆動回路５０８、モータ５１０、５１２、５１４、５１６、５１８、安定器５２０、５２２、５２４、５２６、エンドエフェクタ３１０、及びコントローラ５３８を更に備えてもよい。追跡サブシステム５３２は、位置センサ５４０及びカメラ変換器５４２を更に備えてもよい。システム３００はまた、フットペダル５４４及びタブレット５４６を備えてもよい。
【００２４】
入力電力は、電源５４８を介してシステム３００に供給され、それは、配電モジュール４０４に提供されてもよい。配電モジュール４０４は、入力電力を受け取り、システム３００の他のモジュール、構成要素、及びサブシステムに提供される異なる電力供給電圧を発生するように構成される。配電モジュール４０４は、異なる電圧供給をプラットフォームインターフェースモジュール４０６に提供するように構成されてもよく、それは、例えば、コンピュータ４０８、表示器３０４、スピーカ５３６、ドライバ５０８等の他の構成要素に、例えば、電力モータ５１２、５１４、５１６、５１８及びエンドエフェクタ３１０、モータ５１０、リング部３２４、カメラ変換器５４２、ならびにシステム３００のための他の構成要素、例えば、キャビネット３１６内の電気構成要素を冷却するための送風機に提供されてもよい。
【００２５】
配電モジュール４０４はまた、電力を他の構成要素、例えば、タブレット引出し３１８内に位置し得るタブレット充電ステーション５３４等に提供してもよい。タブレット充電ステーション５３４は、テーブル５４６を充電するためにタブレット５４６と無線または有線通信してもよい。タブレット５４６は、本開示と一致する及び本明細書に説明される外科医によって使用されてもよい。配電モジュール４０４はまた、バッテリ４０２に接続されてもよく、そのバッテリは、万一配電モジュール４０４が入力電力５４８からの電力を受信しない場合において、一時的な電源としての役割を果たす。他のときには、配電モジュール４０４は、必要な場合、バッテリ４０２を充電する役割を果たしてもよい。
【００２６】
プラットフォームサブシステム５０２の他の構成要素はまた、コネクタパネル３２０、制御パネル３２２、及びリング部３２４を含んでもよい。コネクタパネル３２０は、異なるデバイス及び構成要素をシステム３００ならびに／または関連付けられた構成要素及びモジュールに接続する役割を果たしてもよい。コネクタパネル３２０は、異なる構成要素からの線路または接続を受け入れる１つ以上のポートを含んでもよい。例えば、コネクタパネル３２０は、システム３００を他の機器に接地し得る接地端子ポート、フットペダル５４４をシステム３００に接続するためのポート、位置センサ５４０、カメラ変換器５４２、及びカメラスタンド３０２と関連付けられたカメラ３２６を備え得る追跡サブシステム５３２に接続するためのポートを有してもよい。コネクタパネル３２０はまた、他の構成要素、例えば、コンピュータ４０８等へのＵＳＢ、イーサネット（登録商標）、ＨＤＭＩ（登録商標）通信を可能にするために、他のポートを含んでもよい。
【００２７】
制御パネル３２２は、システム３００の動作を制御する種々のボタンもしくは指示器を提供してもよいし、及び／またはシステム３００に関する情報を提供してもよい。例えば、制御パネル３２２は、システム３００の電源をオンまたはオフにするためのボタン、垂直カラム３１２を上げるまたは下げるためのボタン、及びシステム３００が物理的に移動することを係止するようにキャスタ３１４に係合するように計画され得る安定器５２０〜５２６を上げるまたは下げるためのボタンを含んでもよい。万一緊急の場合には、他のボタンがシステム３００を停止してもよく、それは、全てのモータ電力をなくし得、全ての動きの発生を停止するために機械的制動を加え得る。制御パネル３２２はまた、ユーザにあるシステム状況を通知する指示器、例えば、線路電力指示器等、またはバッテリ４０２用の充電の状態を通知する指示器を有してもよい。
【００２８】
リング部３２４は、システム３００のユーザに、システム３００が不十分に動作している異なるモード及び該ユーザへのある警告を通知するための視覚的指示器であってもよい。
【００２９】
コンピュータサブシステム５０４は、コンピュータ４０８、表示器３０４、及びスピーカ５３６を含む。コンピュータ５０４は、システム３００を動作させるためのオペレーティングシステム及びソフトウェアを含む。コンピュータ５０４は、情報をユーザに表示するために、他の構成要素（例えば、追跡サブシステム５３２、プラットフォームサブシステム５０２、及び／または動き制御サブシステム５０６）からの情報を受信及び処理してもよい。更に、コンピュータサブシステム５０４はまた、音声をユーザに提供するためにスピーカ５３６を含んでもよい。
【００３０】
追跡サブシステム５３２は、位置センサ５０４及び変換器５４２を含んでもよい。追跡サブシステム５３２は、図３に関して説明されたようなカメラ３２６を含むカメラスタンド３０２に対応してもよい。位置センサ５０４は、カメラ３２６であってもよい。追跡サブシステムは、外科手技中にユーザによって使用されるシステム３００及び／または器具の異なる構成要素上に位置する、ある一定のマーカの場所を追跡してもよい。この追跡は、それぞれ、アクティブまたはパッシブ要素、例えば、ＬＥＤまたは反射性マーカ等の場所を追跡する赤外技術の使用を含む、本開示と一致する様態で行われてもよい。これらの種類のマーカを有する構造の場所、配向、及び位置は、表示器３０４上でユーザに表示され得るコンピュータ４０８に提供されてもよい。例えば、これらの種類のマーカを有し、（ナビゲーション空間として呼ばれ得る）この様態で追跡される外科用器具６０８が、患者の解剖学的構造の３次元画像に関連してユーザに示されてもよい。動き制御サブシステム５０６は、垂直カラム３１２、上部アーム３０６、下部アーム３０８を物理的に移動させる、またはエンドエフェクタ３１０を回転させるように構成されてもよい。物理的移動は、１つ以上のモータ５１０〜５１８の使用を通じて行われてもよい。例えば、モータ５１０は、垂直カラム３１２を垂直に上げるまたは下げるように構成されてもよい。モータ５１２は、図３に示されるように垂直カラム３１２との係合点の周囲に、上部アーム３０８を横に移動させるように構成されてもよい。モータ５１４は、図３に示されるように上部アーム３０８との係合点の周囲に、下部アーム３０８を横に移動させるように構成されてもよい。モータ５１６及び５１８は、一方がロールを制御し得、かつもう一方が傾きを制御し得るような様態で、エンドエフェクタ３１０を移動させるように構成されてもよく、それによって、エンドエフェクタ３１０が移動され得る複数の角度を提供する。これらの移動は、コントローラ５３８によって達成されてもよく、そのコントローラは、エンドエフェクタ３１０上に配置されたロードセルを通してこれらの移動を制御し得、ユーザが、これらのロードセルを係合することによって作動され得、所望の様態においてシステム３００を移動させる。
【００３１】
更に、システム３００は、ユーザが、（タッチスクリーン入力デバイスであってもよい）表示器３０４上に、表示器３０４上の患者の解剖組織の３次元画像上に外科用器具または構成要素の場所を指示することを通じて、垂直カラム３１２、上部アーム３０６、及び下部アーム３０８の自動移動を提供してもよい。ユーザは、フットペダル５４４を踏むことまたはいくらかの他の入力手段によって、この自動移動を開始してもよい。
【００３２】
図６は、例示的な実施形態と一致する外科用ロボットシステム６００を例解する。外科用ロボットシステム６００は、エンドエフェクタ６０２、ロボットアーム６０４、誘導管６０６、器具６０８、及びロボット基部６１０を備えてもよい。器具ツール６０８は、１つ以上の追跡マーカ（例えば、マーカ１１８等）を含む追跡アレイ６１２に取設してもよく、関連付けられた軌道６１４を有してもよい。軌道６１４は、器具ツール６０８が、一度それが誘導管６０６を通して位置付けられるまたは誘導管６０６内に固定されると進むように構成される移動の経路、例えば、患者への器具ツール６０８の挿入の経路を表現してもよい。例示的な動作において、ロボット基部６１０は、外科用ロボットシステム６００が、患者２１０上で動作している際に、ユーザ（例えば、外科医）を支援してもよいように、ロボットアーム６０４及びエンドエフェクタ６０２と電子通信するように構成されてもよい。外科用ロボットシステム６００は、前に説明した外科用ロボットシステム１００及び３００と一致してもよい。
【００３３】
追跡アレイ６１２は、器具ツール６０８の場所及び配向を監視するために、器具６０８上に装着されてもよい。追跡アレイ６１２は、器具６０８に取設されてもよく、追跡マーカ８０４を備えてもよい。図８に最も良く見られるように、追跡マーカ８０４は、例えば、発光ダイオード及び／または他の種類の反射性マーカ（例えば、本明細書における他の箇所に説明されるようなマーカ１１８）であってもよい。追跡デバイスは、外科用ロボットシステムと関連付けられた１つ以上の見通し線デバイスであってもよい。例として、追跡デバイスは、外科用ロボットシステム１００、３００と関連付けられた１つ以上のカメラ２００、３２６であってもよいし、また、ロボットアーム６０４、ロボット基部６１０、エンドエフェクタ６０２、及び／または患者２１０に対する器具６０８の定義された領域または相対的配向について追跡アレイ６１２を追跡してもよい。追跡デバイスは、カメラスタンド３０２及び追跡サブシステム５３２と併せて説明された構造のものと一致してもよい。
【００３４】
図７Ａ、７Ｂ、及び７Ｃは、例示的な実施形態と一致するエンドエフェクタ６０２のそれぞれ、上面図、正面図、及び側面図を例解する。エンドエフェクタ６０２は、１つ以上の追跡マーカ７０２を備えてもよい。追跡マーカ７０２は、発光ダイオードまたは他の種類のアクティブ及びパッシブマーカ、例えば、前に説明した追跡マーカ１１８等であってもよい。例示的な実施形態において、追跡マーカ７０２は、電気信号によって作動されるアクティブ赤外発光マーカ（例えば、赤外発光ダイオード（ＬＥＤ））である。このため、追跡マーカ７０２は、赤外マーカ７０２がカメラ２００、３２６に認識できるように作動させてもよいし、または赤外マーカ７０２がカメラ２００、３２６に認識できないように非作動にしてもよい。このため、マーカ７０２がアクティブであるとき、エンドエフェクタ６０２は、システム１００、３００、６００によって制御されてもよいし、マーカ７０２が非作動にされるとき、エンドエフェクタ６０２は、適切な位置に係止され、システム１００、３００、６００によって移動されることができなくてもよい。
【００３５】
マーカ７０２は、マーカ７０２が、外科用ロボットシステム１００、３００、６００と関連付けられた１つ以上のカメラ２００、３２６または他の追跡デバイスによって認識されることができるような様態で、エンドエフェクタ６０２上または内に配置してもよい。カメラ２００、３２６または他の追跡デバイスは、追跡マーカ７０２の移動を追うことによって、エンドエフェクタ６０２を、それが異なる位置及び視野角に移動する際に、追跡してもよい。マーカ７０２及び／またはエンドエフェクタ６０２の場所は、外科用ロボットシステム１００、３００、６００と関連付けられた表示器１１０、３０４、例えば、図２に示されるような表示器１１０及び／または図３に示される表示器３０４上に示されてもよい。この表示器１１０、３０４は、ユーザが、エンドエフェクタ６０２が、ロボットアーム６０４、ロボット基部６１０、患者２１０、及び／またはユーザに対する望ましい位置にあることを確保することを可能にし得る。
【００３６】
例えば、図７Ａに示されるように、マーカ７０２は、追跡デバイスが、手術野２０８から離れて配置され、ロボット１０２、３０１の方に向くように、かつ、カメラ２００、３２６が、追跡デバイス１００、３００、６００に対するエンドエフェクタ６０２の共通配向の範囲を通してマーカ７０２のうちの少なくとも３つを見ることができるように、エンドエフェクタ６０２の表面の周囲に配置されてもよい。例えば、マーカ７０２の分配は、このようにして、エンドエフェクタ６０２が手術野２０８において並進及び回転されるときに、エンドエフェクタ６０２が追跡デバイスによって監視されることを可能にする。
【００３７】
加えて、例示的な実施形態において、エンドエフェクタ６０２は、外部カメラ２００、３２６がマーカ７０２を読み取る準備ができたときを検出することができる赤外（ＩＲ）受信機を装備してもよい。この検出の直後、エンドエフェクタ６０２は、次いで、マーカ７０２を照明してもよい。外部カメラ２００、３２６がマーカ７０２を読み取る準備ができているというＩＲ受信機による検出は、外部カメラ２００、３２６に、発光ダイオードであり得るマーカ７０２のデューティーサイクルを同期させる必要性を信号で伝えてもよい。これはまた、全体としてロボットシステムによる低電力消費を可能にし得、それによって、マーカ７０２が、連続的に照明される代わりに、適時にのみ照明されるであろう。更に、例示的な実施形態において、マーカ７０２は、他のナビゲーションツール、例えば、異なる種類の外科用器具６０８等との干渉を防ぐために、電源をオフにしてもよい。
【００３８】
図８は、追跡アレイ６１２及び追跡マーカ８０４を含む１つの種類の外科用器具６０８を描写する。追跡マーカ８０４は、限定されるものでないが、発光ダイオードまたは反射性球体を含む、本明細書に説明される任意の種類のものであってもよい。マーカ８０４は、外科用ロボットシステム１００、３００、６００と関連付けられた追跡デバイスによって監視され、カメラ２００、３２６の見通し線のうちの１つ以上であってもよい。カメラ２００、３２６は、追跡アレイ６１２及びマーカ８０４の位置ならびに配向に基づいて、器具６０８の場所を追跡してもよい。ユーザ、例えば、外科医１２０等は、追跡アレイ６１２及びマーカ８０４が、追跡デバイスまたはカメラ２００、３２６によって十分に認識され、器具６０８及びマーカ８０４を、例えば、例示的な外科用ロボットシステムの表示器１１０上に表示させるような様態で、器具６０８を配向させてもよい。
【００３９】
外科医１２０が、器具６０８をエンドエフェクタ６０２の誘導管６０６の中に配置し得、器具６０８を調節し得る様態が、図８において明らかである。エンドエフェクタ１１２、３１０、６０２の中空管または誘導管１１４、６０６は、外科用器具６０８の少なくとも一部分を受け入れるようにサイズ決定及び構成される。誘導管１１４、６０６は、外科用器具６０８のための挿入及び軌道が、患者２１０の身体内またはその上で所望の解剖学的対象に到達することができるように、ロボットアーム１０４によって配向されるように構成される。外科用器具６０８は、略円筒形器具の少なくとも一部分を含んでもよい。スクリュードライバが外科用ツール６０８として例解されるが、任意の適切な外科用ツール６０８がエンドエフェクタ６０２によって位置付けられてもよいことが理解されるであろう。例として、外科用器具６０８は、誘導ワイヤ、カニューレ、レトラクタ、掘削器、リーマ、スクリュードライバ、挿入ツール、除去ツール、または同様のもののうちの１つ以上を含んでもよい。中空管１１４、６０６は円筒形構成を有するように一般的に示されるが、誘導管１１４、６０６は、外科用器具６０８に適応するために及び手術位置にアクセスするために所望された任意の適切な形状、サイズ、及び構成を有してもよいことが当業者によって理解されるであろう。
【００４０】
図９Ａ〜９Ｃは、例示的な実施形態と一致するエンドエフェクタ６０２及びロボットアーム６０４の一部分を例解する。エンドエフェクタ６０２は、本体１２０２及びクランプ１２０４を更に備えてもよい。クランプ１２０４は、ハンドル１２０６、ボール１２０８、バネ１２１０、及びリップ部１２１２を備えてもよい。ロボットアーム６０４は、凹部１２１４、装着プレート１２１６、リップ部１２１８、及び磁石１２２０を更に備えてもよい。［００７２］エンドエフェクタ６０２は、１つ以上の連結を通して外科用ロボットシステム及びロボットアーム６０４と機械的にインターフェースを取ってもよいし、ならびに／または係合してもよい。例えば、エンドエフェクタ６０２は、位置決め連結及び／または補強連結を通してロボットアーム６０４と係合してもよい。これらの連結を通して、エンドエフェクタ６０２は、可撓性及び無菌バリアの外側のロボットアーム６０４と締結してもよい。例示的な実施形態において、位置決め連結は、磁気運動学的装着であってもよく、補強連結は、５つの棒状オーバーセンタクランピングリンク機構であってもよい。
【００４１】
位置決め連結に関して、ロボットアーム６０４は、装着プレート１２１６を備えてもよく、それは、非磁気材料、１つ以上の凹部１２１４、リップ部１２１８、及び磁石１２２０であってもよい。磁石１２２０は、凹部１２１４のそれぞれの下に装着される。クランプ１２０４の一部分は、磁気材料を備えてもよく、１つ以上の磁石１２２０によって吸引されてもよい。クランプ１２０４及びロボットアーム６０４の磁気吸引を通して、ボール１２０８は、それぞれの凹部１２１４の中に着座されることになる。例えば、図９Ｂに示すボール１２０８は、図９Ａに示す凹部１２１４に着座される。この着座は、磁気的に支援された運動学的連結と考えられ得る。磁石１２２０は、エンドエフェクタ６０２の配向に関わらず、エンドエフェクタ６０２の全重量を支持するのに十分強いように構成されてもよい。位置決め連結は、６自由度を固有に抑制する任意の様式の運動学的装着であってもよい。
【００４２】
補強連結に関して、クランプ１２０４の一部分は、固定接地リンクであるように構成されてもよく、そのように、クランプ１２０４は、５つの棒リンク機構としての役割を果たしてもよい。クランプハンドル１２０６を閉じることは、リップ部１２１２及びリップ部１２１８が、エンドエフェクタ６０２及びロボットアーム６０４を固定するような様態でクランプ１２０４に係合する際に、エンドエフェクタ６０２をロボットアーム６０４に締結し得る。クランプハンドル１２０６が閉じられると、バネ１２１０は、クランプ１２０４が係止位置にある間に伸長または加圧され得る。係止位置は、中心を過ぎたリンク機構を提供する位置であり得る。中心を過ぎた閉じた位置の理由で、リンク機構は、クランプ１２０４を解放するためにクランプハンドル１２０６に加えられる力がなければ開かない。このため、係止位置において、エンドエフェクタ６０２は、ロボットアーム６０４に強固に固定され得る。
【００４３】
バネ１２１０は、張力における曲がり梁であってもよい。バネ１２１０は、高剛性及び高降伏ひずみを呈する材料、例えば、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）バージン材等から成ってもよい。エンドエフェクタ６０２及びロボットアーム６０４間のリンク機構は、エンドエフェクタ６０２及びロボットアーム６０４間に、２つの連結の締結を妨害せずに、無菌バリアを提供し得る。
【００４４】
補強連結は、複数のバネ部材を用いるリンク機構であってもよい。補強連結は、カムまたは摩擦に基づく機構を用いて掛止めしてもよい。補強連結はまた、ロボットアーム６０４へのエンドエフェクタ１０２の締結を支持する十分に強力な電磁石であってもよい。補強連結は、エンドエフェクタ６０２及びロボットアーム６０４間の界面上を滑り、かつスクリュー機構、オーバーセンタリンク機構、またはカム機構を用いて締め付ける、エンドエフェクタ６０２及び／またはロボットアーム６０４のいずれかから完全に分離したマルチピースカラーであってもよい。
【００４５】
図１０及び１１を参照すると、外科手技の前または間に、ある位置合わせ手技が、ナビゲーション空間及び画像空間の両方において、物体及び患者２１０の対象の解剖学的構造を追跡するために行われてもよい。かかる位置合わせを行うために、位置合わせシステム１４００は、図１０に例解されるように使用されてもよい。
【００４６】
患者２１０の位置を追跡するために、患者追跡デバイス１１６は、患者２１０の硬い解剖学的構造に固定されるべき患者固定器具１４０２を含んでもよく、動的参照基部（ＤＲＢ）１４０４は、患者固定器具１４０２に確実に取設されてもよい。例えば、患者固定器具１４０２は、動的参照基部１４０４の開口部１４０６に挿入されてもよい。動的参照基部１４０４は、追跡デバイス、例えば、追跡サブシステム５３２等が認識できるマーカ１４０８を含んでもよい。これらのマーカ１４０８は、本明細書に前に考察されたように、光学マーカまたは反射性球体、例えば、追跡マーカ１１８等であってもよい。
【００４７】
患者固定器具１４０２は、患者２１０の硬い解剖組織に取設され、外科手技全体を通して取設されたままであってもよい。例示的な実施形態において、患者固定器具１４０２は、患者２１０の硬い領域、例えば、外科手技を受ける対象の解剖学的構造から離れて位置する骨に取設される。対象の解剖学的構造を追跡するために、動的参照基部１４０４は、対象の解剖学的構造の場所を用いて動的参照基部１４０４を位置合わせするために、対象の解剖学的構造上またはその近くに一時的に配置される位置合わせ固定具の使用を通して対象の解剖学的構造と関連付けられる。
【００４８】
位置合わせ固定具１４１０は、枢動アーム１４１２の使用を通じて、患者固定器具１４０２に取設される。枢動アーム１４１２は、位置合わせ固定具１４１０の開口部１４１４を通して患者固定器具１４０２を挿入することによって、患者固定器具１４０２に取設される。枢動アーム１４１２は、例えば、枢動アーム１４１２の開口部１４１８を通してノブ１４１６を挿入することによって、位置合わせ固定具１４１０に取設される。
【００４９】
枢動アーム１４１２を使用して、位置合わせ固定具１４１０は、対象の解剖学的構造の上に配置されてもよく、その場所は、位置合わせ固定具１４１０上の追跡マーカ１４２０及び／または基準１４２２を使用して、画像空間及びナビゲーション空間において判定されてもよい。位置合わせ固定具１４１０は、ナビゲーション空間において認識できるマーカ１４２０の集合物を含んでもよい（例えば、マーカ１４２０は、追跡サブシステム５３２によって検出可能であってもよい）。追跡マーカ１４２０は、本明細書において前に説明されるように、赤外光において認識できる光学マーカであってもよい。位置合わせ固定具１４１０はまた、画像化空間（例えば、３次元ＣＴ画像）において認識できる基準１４２２、例えば、軸受ボール等の集合物を含んでもよい。図１１に関してより詳細に説明されるように、位置合わせ固定具１４１０を使用して、対象の解剖学的構造は、動的参照基部１４０４と関連付けられてもよく、それによって、ナビゲーション空間における物体の描写が、解剖学的構造の画像上に重ね合わされることを可能にする。対象の解剖学的構造から離れた位置に位置する動的参照基部１４０４は、参照点になり得、それによって、外科用領域からの位置合わせ固定具１４１０及び／または枢動アーム１４１２の取外しを可能にする。
【００５０】
図１１は、本開示と一致する位置合わせのための例示的な方法１５００を提供する。方法１５００は、ステップ１５０２において始まり、そのステップにおいて、対象の解剖学的構造のグラフィカル表現（または画像（複数可））が、システム１００、３００、６００、例えば、コンピュータ４０８にインポートされてもよい。グラフィカル表現は、位置合わせ固定具１４１０及び基準１４２０の検出可能な画像化パターンを含む、患者２１０の対象の解剖学的構造の３次元ＣＴまたは蛍光透視スキャンであってもよい。
【００５１】
ステップ１５０４において、基準１４２０の画像化パターンが、画像化空間において検出され、かつ位置合わせされ、コンピュータ４０８内に記憶される。任意選択的に、このときに、ステップ１５０６において、位置合わせ固定具１４１０のグラフィカル表現が、対象の解剖学的構造の画像上に重ね合わされてもよい。
【００５２】
ステップ１５０８において、位置合わせ固定具１４１０のナビゲーションパターンが、マーカ１４２０を認識することによって検出され、かつ位置合わせされる。マーカ１４２０は、位置センサ５４０を介して追跡サブシステム５３２によって赤外光を通してナビゲーション空間において認識される光学マーカであってもよい。このため、対象の解剖学的構造の場所、配向、及び他の情報が、ナビゲーション空間において位置合わせされる。したがって、位置合わせ固定具１４１０は、基準１４２２の使用による画像空間とマーカ１４２０の使用によるナビゲーション空間の両方において認識されてもよい。ステップ１５１０において、画像空間内の位置合わせ固定具１４１０の位置合わせが、ナビゲーション空間に転移される。この転移は、例えば、マーカ１４２０のナビゲーションパターンの位置と比較して、基準１４２２の画像化パターンの相対位置を使用することによって、行われる。
【００５３】
ステップ１５１２において、（画像空間を用いて位置合わせされた）位置合わせ固定具１４１０のナビゲーション空間の位置合わせが、患者固定器具１４０２に取設された動的位置合わせアレイ１４０４のナビゲーション空間に更に転移される。このため、位置合わせ固定具１４１０は、取り外されてもよく、動的参照基部１４０４は、ナビゲーション空間が画像空間と関連付けられるので、ナビゲーション及び画像空間の両方において、対象の解剖学的構造を追跡するために使用されてもよい。
【００５４】
ステップ１５１４及び１５１６において、ナビゲーション空間は、ナビゲーション空間において認識できるマーカ（例えば、光学マーカ８０４を用いる外科用器具６０８）を用いて、画像空間及び物体上に重ね合わせてもよい。物体は、対象の解剖学的構造の画像上の外科用器具６０８のグラフィカル表現を通して追跡されてもよい。
【００５５】
図１２Ａ〜１２Ｂは、患者２１０の手術前、手術中、手術後、及び／またはリアルタイムの画像データを取得するためにロボットシステム１００、３００、６００と併せて使用され得る画像化デバイス１３０４を例解する。任意の適切な主題が、画像化システム１３０４を使用して任意の適切な手技のために画像化されてもよい。画像化システム１３０４は、任意の画像化デバイス、例えば、画像化デバイス１３０６及び／またはＣアーム１３０８デバイス等であってもよい。Ｘ線システムにおいて要求され得る患者２１０の頻繁な手動の再位置付けを必要とせずに、いくらかの異なる位置から患者２１０のＸ線写真を取ることが望ましいであろう。図１２Ａに例解されるように、画像化システム１３０４は、「Ｃ」形状の両遠位端１３１２において終端する細長いＣ形状部材を含むＣアーム１３０８の形態にあってもよい。Ｃ形状部材１１３０は、Ｘ線源１３１４及び画像受信器１３１６を更に備えてもよい。アームのＣアーム１３０８内の空間は、Ｘ線支持構造１３１８からの実質的な干渉なしで患者を診療するための余地を医師に提供し得る。図１２Ｂに例解されるように、画像化システムは、支持構造画像化デバイス支持構造１３２８、例えば、車輪１３３２を有する車輪付移動可能カート１３３０等に取設されるガントリー筐体１３２４を有する画像化デバイス１３０６を含んでもよく、それは、例解されない、画像捕捉部分を取り囲んでもよい。画像捕捉部分は、Ｘ線源及び／または発出部分ならびにＸ線受信及び／または画像受信部分を含んでもよく、それらは、互いから約１８０度に配置されてもよいし、画像捕捉部分の軌道に対してロータ（例解されない）上に装着されてもよい。画像捕捉部分は、画像取得の間に３６０度回転するように動作可能であってもよい。画像捕捉部分は、中心点及び／または軸の周囲に回転してもよく、患者２１０の画像データが、多方向からまたは複数の平面において取得されることを可能にする。ある画像化システム１３０４が本明細書に例解されるが、任意の適切な画像化システムが、当業者によって選択されてもよいことが理解されるであろう。
【００５６】
図１３〜１７は、患者の手術中に、外科用器具類の深さを測定するための例示的な画像、システム、及び／または方法を例解する。説明される測定システム及び方法の実現形態は、ロボットシステム１００、３００、及び６００、ならびに考察した構成要素を含む、前に説明したロボットシステムによって行われてもよい。
【００５７】
例示的な実施形態として、外科医は、ロボットのエンドエフェクタ誘導管または自由追跡外部誘導管などの副追跡管内の拡張器管等の長いシャフトを既知の深さに位置付けてもよい。これらの構成要素はまた、上で述べたようにも考察されてきた。深さは、拡張器管が患者の対象骨に接触するように必要とされる正確な深さであってもよい。副追跡管を参照することによって、拡張器管自体を追跡することなく拡張器管の深さが測定されてもよい。
【００５８】
深さ測定値は、「管中心の」視野にある追跡誘導管−ロボットのエンドエフェクタ誘導管または他のナビゲートされる誘導管のいずれか−に基づいてもよい。一例として、患者の対象骨の種々のＣＴスキャンの視野平面は、誘導管の３Ｄ追跡位置（例えば、上で考察したように追跡する位置）が２つの非平行平面内で同時に整列されるように、または換言すれば、２つの平面の交差部によって形成された線路と一致するように選択されてもよい。例えば、椎体の椎弓根の下を狙うように整列される後方手術では、一方の視野平面が主に矢状であり、誘導管が２Ｄ視野平面の垂直軸に沿って整列され、一方で、もう一方の視野平面が主に軸方向であり、同じく誘導管が２Ｄ視野平面の垂直軸に沿って整列されるように、２つの実質的に直交する解剖学的視野平面が選択されてもよい。図１３は、患者の矢状視点からの椎体１６０２、誘導管１６０４、及びベクトル１６０６を含む、患者の椎骨を示す３Ｄコンピュータ断層撮影（ＣＴ）画像量を通した例示的な２Ｄ画像平面（スライス）１６００を例解する。図１４は、患者の軸方向視野点からの椎体１６０２、ガイド１６０４、及びベクトル１６０６を示す３ＤＣＴ画像量による例示的な２Ｄ画像平面（スライス）１７００を例解する。
【００５９】
図１３及び１４は、ある視野平面を示すが、追跡誘導管の中心軸が２つの平面の交差部から見出される線路と一致するように、他の視野平面の対が選択され得る。加えて、管の各平面上の２Ｄ表現は、２つの平面において垂直であるか、更には同じ方向である必要はない。
【００６０】
ベクトル１６０６は、誘導管１６０４の表現から延在するように描写され、画像１６００及び１７００に重ね合わせられてもよい。ベクトル１６０６に関して、測定値は、チックまたはハッチマーク１６０８と共に漸増的に示されてもよい。マーク１６０８は、誘導管１６０４の一方の端部から始まってもよく（近位端部１６１０の頂部で、位置０として表現される）、測定値は、誘導管の遠位端部１６１２に向かい、それを超えて増加する。誘導管１６０４は、ベクトル１６０６に沿った任意の解剖学的点が誘導管１６０６を通して挿入されたツールによって到達可能であることが既知であるので、視野平面と一致してもよい。誘導管１６０４が、視野平面と一致しなかった場合、ベクトルは、依然として、描画されるが、ベクトルは、視野平面上に視覚化された解剖組織と交差しなくてもよい２Ｄ視野への投影であってもよい。
【００６１】
ベクトル１６０６上のマーク１６０８は、必要に応じてオン及びオフがトグルされてもよい。加えて、ユーザが視野平面上で独立して拡大または縮小したときに、マーク１６０８の度数及びラベル付けは、混乱を最小化するように自動的に修正されてもよく、一方で、依然として、深さに関する有用な情報をユーザに提供する。例えば、図１５、１６、及び１７の画像１８００、１９００、及び２０００にそれぞれ示されるように、あるズームレベルの場合、ラベル１８０２は、２０ｍｍ毎に１つのラベルの割合で含まれ、かつマーク１６０６は、１０ｍｍ毎に１つのハッチマークの割合で含まれ得る（図１５を参照されたい）。ズームが、元のズームの１．５倍に拡大されたときには（図１６を図１５と比較されたい）、ラベル１８０２を、１０ｍｍ毎に１つのラベルの割合に自動的に切り換え、かつマーク１６０６を、５ｍｍ毎に１つのハッチマークの割合に自動的に切り換えることができる。次いで、ズームが、元のズームの３．０倍に拡大されたときには（図１７を図１５及び１６と比較されたい）、ラベル１８０２を５ｍｍ毎に１つのラベルの割合に自動的に切り換え、かつマーク１６０６を２．５ｍｍ毎に１つのハッチマークの割合に自動的に切り換えることができる。
【００６２】
一例として、マーク１６０６及びラベル１８０２の割合及び度数を自動的に切り換えるための判定は、その２つの点ＡとＢとの間とすることができ、マーク１６０６は、誘導管の中心ベクトルに沿って視野平面と交差する線路上の最初から最後までの認識できる点に存在してもよい。点Ａ及びＢ内で、最適選択は、１０、５、１、０．５、０．２５等の適切に丸めた値を表現する増分を含む。ラベル付けの度数は、Ｃ個のマーク毎に１つのラベルの割合であってもよい。例えば、Ａ＝１０、Ｂ＝１５、Ｃ＝２である場合、これらのルールは、図１５〜１７に示される挙動を決定付けることができる。ズーミングによって、外科医は、誘導管の頂部から骨までの距離、例えば図１５〜１７において１４９ｍｍを、良好な的確さで読み取り得る。
【００６３】
この測定技法を使用することで、挿入された器具または拡張器は、器具の遠位端部においてゼロから始まり、近位端部に向かって増加する、目盛り付きマーキング及びラベルを有してもよい。図１８は、この例を示す、目盛り付きマーキング２１０２を伴う器具２１００を描写する。マーキング２１０２は、器具２１００の長さ全体に沿って存在してもよい。多くの場合において、器具２１００が誘導管１６０４の中へ挿入され、ちょうど遠位に突出し始めた状態では、誘導管１６０４の近位端部においてマーキング２１０２を認識できないので、誘導管１６０４の長さを超えてしまうまで、器具２１００の第１の長さに沿ってマーキング２１０２を含まなくてもよい。
【００６４】
図１９は、誘導管１６０４に挿入された、マーキング２１０２を伴う器具２１００を例解する。外科医は、マーキングを伴う器具２１００を追跡誘導管１６０４の中へ挿入し、その目盛りまたはマーキング２１０２から、挿入された器具２１００の位置を読み取る。この読み取りは、器具２１００が所望の深さに到達したかどうかを示してもよい。例えば、拡張器を挿入するときに、マーキング２１０２上で観察された長さが、誘導管１６０４の近位端部から患者の対象骨までの距離を表現する測定値から測定された長さと合致する場合、外科医は、器具２１００が対象骨に接触したことを知ることになる。器具２１００から読み取った長さが、誘導管と対象骨との間の測定による長さよりも３ｍｍ短かった場合、外科医は、骨に接触する前に、器具２１００を更に３ｍｍの距離挿入しなければならないことを知ることになる。
【００６５】
上で説明したように、器具２１００の頂部先端部から追跡誘導管１６０４の近位端部（頂部）までの距離は、マーキング２１０２を使用することによって器具２１００から読み取られている。本開示の同じ原理の下で、測定技法は、患者の解剖組織のグラフィカル画像が、追跡誘導管１６０４の遠位端部（底部）からの距離、または誘導管１６０４を通したウインドウから器具２１００の先端部までの距離を示すように構成されてもよい。次いで、挿入深さが、これらの他の場所から、すなわち誘導管の底部から読み出されて、または誘導管内のウインドウを通して観察されて、器具の挿入深さに関する同じ情報を引き出すことになる。
【００６６】
図２０は、本開示の原理と一致する患者の対象骨と接触する距離または深さを判定するための方法２２００を例解する。ステップ２２０２において、前に説明したもの等のコンピュータサブシステムが、異なる視野平面または視点から患者の対象骨を表現してもよいスキャン、例えばＣＴスキャンを受信する。コンピュータサブシステムは、画像空間における対象骨の視野の交差部を形成する、第１の視野平面及び第２の視野平面のスキャンを受信することができる。ステップ２２０４において、コンピュータサブシステムが、ナビゲーション空間における外科用ロボットシステムの誘導管の位置を指示する情報を受信してもよい。ステップ２２０６において、コンピュータサブシステムのコンピュータが、誘導管の遠位部分と患者の対象骨との間の距離を判定してもよい。距離は、第１の視野平面と第２の視野平面との間に形成された交差部の線路に誘導管の中心軸が一致するように判定してもよい。ステップ２６０８において、コンピュータサブシステムが、第１の視野平面スキャン及び第２の視野平面スキャンのうちの少なくとも１つに、患者の対象骨に接触するまでの距離を支持するベクトルを表示してもよい。ベクトルは、前に説明した属性のいずれかまたは全てを含んでもよく、当業者は、ベクトルの視覚的描写が、本開示の範囲内にある距離測定値を指示するための他の方式で表現されてもよいことを認識するであろう。
【００６７】
本発明は、詳細に示し、記載している好ましい実施形態と関連して開示されているが、様々な変化形態及びその改良形態は、当業者にとって容易に明らかであろう。したがって、本発明の趣旨及び範囲は、前述の実施例に制限されるものではないが、法律によって許容可能である最も広い範囲意味で理解されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】外科手技の間のロボットシステム、患者、外科医、及び他の医療要員の場所についての潜在的配設の頭上図である。
【図２】一実施形態に係る患者に対する外科用ロボット及びカメラの位置付けを含むロボットシステムを例解する。
【図３】例示的な実施形態に従う外科用ロボットシステムを例解する。
【図４】例示的な実施形態に従う外科用ロボットの一部を例解する。
【図５】例示的な実施形態に従う外科用ロボットのブロック図を例解する。
【図６】例示的な実施形態に従う外科用ロボットを例解する。
【図７Ａ】例示的な実施形態に従うエンドエフェクタを例解する。
【図７Ｂ】例示的な実施形態に従うエンドエフェクタを例解する。
【図７Ｃ】例示的な実施形態に従うエンドエフェクタを例解する。
【図８】一実施形態に係るエンドエフェクタの誘導管への外科用器具の挿入前及び後の、外科用器具及びエンドエフェクタを例解する。
【図９Ａ】例示的な実施形態に従うエンドエフェクタ及びロボットアームの一部分を例解する。
【図９Ｂ】例示的な実施形態に従うエンドエフェクタ及びロボットアームの一部分を例解する。
【図９Ｃ】例示的な実施形態に従うエンドエフェクタ及びロボットアームの一部分を例解する。
【図１０】例示的な実施形態に従う動的参照アレイ、画像化アレイ、及び他の構成要素を例解する。
【図１１】例示的な実施形態に従う位置合わせ方法を例解する。
【図１２Ａ】例示的な実施形態に係る画像化デバイスの実施形態を例解する。
【図１２Ｂ】例示的な実施形態に係る画像化デバイスの実施形態を例解する。
【図１３】対象骨までの深さを測定している関連付けられた描写を伴う視野平面Ｘ線の例示的な画像を例解する。
【図１４】対象骨までの深さを測定している関連付けられた描写を伴うＸ線の視野平面の例示的な画像を例解する。
【図１５】対象骨までの深さを測定している関連付けられた描写を伴うＸ線の視野平面の例示的な画像を例解する。
【図１６】対象骨までの深さを測定している関連付けられた描写を伴うＸ線の視野平面の例示的な画像を例解する。
【図１７】対象骨までの深さを測定している関連付けられた描写を伴うＸ線の視野平面の例示的な画像を例解する。
【図１８】本開示と一致するマーキングを伴う例示的な器具を例解する。
【図１９】本開示と一致する例示的な器具及び誘導管を例解する。
【図２０】本開示と一致する例示的方法を例解する。
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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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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【外国語明細書】
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