(57)【要約】      （修正有）【課題】ある瞬間の患者の状態を正確に反映するために、患者位置合わせが経時的に更新され得る、器具のガイダンス及びナビゲーション用ロボット外科手術システムを提供する。【解決手段】外科処置中の外科器具のロボットベースのナビゲーションは、容易な位置合わせ、手術量の識別、及び追跡を可能とする。システム、装置、及び方法は、外科的作業の流れに対して最小限の中断で手術中に、再位置合わせ、モデルの更新、及び手術量の実行を可能とする。ナビゲーション支援は、患者の解剖学的構造に関する外科器具の位置を表示することによって、外科医に提供され得る。加えて、手術量、患者−ロボットの方位関係、及び患者の解剖学的構造モデルなどの、手術前に定義されたデータを見直すことによって、より高度な精度及び合併症ならびに深刻な医療ミスのリスクの低減が、達成され得る。【選択図】図３８
2018126498.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処置（例えば、外科処置、例えば、脊髄手術）中の患者の位置（例えば、患者の脊椎の位置）のリアルタイムで動的な再位置合わせのためのロボットベースのナビゲーションシステム（例えば、組み合わされたナビゲーション／ロボットシステム）であって、
（ａ）ロボットアーム（例えば、３、４、５、６、または７つの自由度を有する）であって、
（ｉ）エンドエフェクタ［例えば、前記エンドエフェクタが、外科器具をその中に挿入するまたはそこに取り付けるための外科器具ホルダーを備え、例えば、前記ロボットアームが、前記外科器具が前記エンドエフェクタの前記外科器具ホルダーに挿入されている／取り付けられているとき、操作者（例えば、外科医）による前記外科器具の直接操作を可能とするように設計され、前記操作は、前記患者に対する前記エンドエフェクタ（及び／または前記外科器具）の位置に基づく触覚制限を受けやすく、例えば、前記外科器具は、前記外科器具ホルダーに対する既知の幾何学形状及び固定された位置を有する］と、
（ｉｉ）前記エンドエフェクタの位置を動的に追跡するための位置センサ［例えば、外科処置中）（及び／または、例えば、３Ｄ空間において、例えば外科処置中、前記外科器具の１つ以上のポイントを動的に追跡するために、）（例えば、少なくとも１００Ｈｚ、例えば、２５０Ｈｚ以上、例えば、５００Ｈｚ以上、例えば、１０００Ｈｚ以上（毎秒の位置決定）のレートで］と、
（ｉｉｉ）前記エンドエフェクタを操作している（例えば、前記エンドエフェクタの前記器具ホルダーに挿入された外科器具を操作すること）ユーザに触覚を届けるための（例えば、センサ（複数可）、アクチュエータ（複数可）、コントローラ（複数可）、サーボ（複数可）、及び／または他の機構を備える）力フィードバックサブシステム（例えば、前記力フィードバックサブシステムは、後述の（Ｉ）〜（ＩＶ）：（Ｉ）前記患者の組織に接触し、抗して移動し、貫通し、及び／または中で移動する前記外科器具によって引き起こされた抵抗力を検出すること、（ＩＩ）接触された組織の種類を識別すること（例えば、接触された組織が抵抗閾値に達するまたは超えるとき、例えば、前記組織が骨のときに判定すること）、（ＩＩＩ）（例えば、前記外科器具、したがって、前記エンドエフェクタの移動をもたらすため、）前記操作者（例えば、前記外科医）によって届けられた（例えば、前記エンドエフェクタの前記外科器具ホルダー内に挿入された前記外科器具の直接操作によって届けられた）力を検出すること、及び（ＩＶ）前記操作者によって届けられた前記力と、前記患者の前記組織に対する前記外科器具の移動によってもたらされた前記抵抗力とを識別すること、のうちの１つ以上を実行するための１つ以上のセンサを備える）と、を備える、ロボットアームと、
（ｂ）ディスプレイ［例えば、前記処置中に前記操作者への妨げられない視覚フィードバックを可能とするために、前記操作者（例えば、外科医）によって直接操作されている前記ロボットアームに対して取り付けられ、その中に埋め込まれ、またはそれ以外の様式で位置付けられ、例えば、前記ディスプレイが、透明または半透明の無菌ドレープの下に位置決めされており、例えば、前記ディスプレイが、使用中に前記ディスプレイを制御するためのタッチセンサを有する］と、
（ｃ）一組の命令を実行するようにプログラムされた計算デバイスのプロセッサと、を備え、前記一組の命令が、
（ｉ）（例えば、前記ディスプレイ上に前記患者の状態（例えば、目標の解剖学的構造）のリアルタイムの図式表現を表示して使用するための、及び／または、前記力フィードバックサブシステムを介して、例えば、外科処置の間、前記操作者に届けられた力フィードバックを動的に判定して使用するための、初期の患者の状態の３Ｄ表現、例えば、３Ｄ図式表現及び／または３Ｄ触覚表現であって、例えば、前記３Ｄ図式表現が前記３Ｄ触覚表現と同じまたは異なる、３Ｄ表現を記憶及び／またはレンダリングするために）前記患者の位置（例えば、前記患者の前記脊椎の位置）の初期位置合わせ（例えば、前記患者の医用画像、例えば、ＭＲＩ、ＣＴ、Ｘ線、ＳＰＥＣＴ、超音波などの、例えば、手術前に得られた前記医用画像、を介した）にアクセスする（例えば、及び前記ディスプレイ上に図式的にレンダリングする）ことと、
（ｉｉ）前記エンドエフェクタの位置を動的に判定する（例えば、前記エンドエフェクタの器具ホルダー内で、例えば、前記エンドエフェクタに対して位置決めされた外科器具の１つ以上のポイントの３Ｄ位置を動的に判定する）ことと、
（ｉｉｉ）前記エンドエフェクタによって受容された力及び／または前記エンドエフェクタに届けられる力を動的に判定する［例えば、前記外科器具を介して前記エンドエフェクタによって受容された力及び／または前記エンドエフェクタに届けられる力に、例えば、後述の（Ｉ）〜（ＩＶ）：（Ｉ）前記患者の組織に接触し、抗して移動し、貫通し、及び／または中で移動する前記外科器具によって引き起こされた抵抗力を判定すること、（ＩＩ）接触された組織の種類を識別すること（例えば、接触された組織が抵抗閾値に達するまたは超えるとき、例えば、前記組織が骨のときに判定すること）、（ＩＩＩ）（例えば、前記外科器具、したがって、前記エンドエフェクタの移動をもたらすため、）前記操作者（例えば、前記外科医）によって届けられた（例えば、前記エンドエフェクタの前記外科器具ホルダー内に挿入された前記外科器具の直接操作によって届けられた）力を検出すること、及び（ＩＶ）前記操作者によって届けられた前記力と、前記患者の前記組織に対する前記外科器具の移動によってもたらされた前記抵抗力とを識別すること（例えば、少なくとも１００Ｈｚ、例えば、２５０Ｈｚ以上、例えば、５００Ｈｚ以上、例えば、１０００Ｈｚ以上のレートで動的に判定される前記力を、例えば、前記力フィードバックサブシステムを使用して）のうちの１つ以上を動的に実行する］ことと、
（ｉｖ）前記エンドエフェクタを動的に追跡するために前記ロボットアームの前記位置センサの位置を動的に判定する（例えば、前記患者の骨組織、または前記患者の他の目標組織との前記外科器具の接触時に、前記ロボットアームの前記位置センサの位置を判定する）（例えば、少なくとも１００Ｈｚ、例えば、２５０Ｈｚ以上、例えば、５００Ｈｚ以上、例えば、１０００Ｈｚ以上のレートで前記位置センサの前記記録された位置を動的に更新する）ことと、
（ｖ）前記位置センサによって判定された前記エンドエフェクタの更新された位置に少なくとも一部基づいて、前記患者の位置を動的に再位置合わせする［（例えば、外科処置中に）（例えば、前記外科器具が、目標の解剖学的構造と接触している、例えば、前記患者の骨と接触しているということが（例えば、前記力フィードバックサブシステムを介して）判定されるとき、前記エンドエフェクタの前記更新された位置の少なくとも一部に基づいて、前記患者の状態の前記３Ｄ表現、例えば、前記３Ｄ図式表現及び／または前記３Ｄ触覚表現を更新する）（例えば、前記初期の（または前回の）位置合わせと一致している面合わせアルゴリズムを使用して）（例えば、前記エンドエフェクタ、または前記外科器具、または前記外科器具もしくはエンドエフェクタの一部もしくは構成部品の接触の検出時に、前記患者の位置を予め計画された基準（例えば、機械的マーカー、例えば、前記患者に固定された、例えば、目標の解剖学的構造に取り付けられた、例えば、脊椎に取り付けられたマーカー）と動的に再位置合わせする）（例えば、前記エンドエフェクタ、または前記外科器具、または前記外科器具もしくはエンドエフェクタの一部もしくは構成部品の近接の検出時に、前記患者の位置を予め計画された基準（例えば、機械的マーカー、例えば、前記患者に固定された、例えば、目標の解剖学的構造に取り付けられた、例えば、脊椎に取り付けられたマーカー）と、動的に再位置合わせする）（例えば、再位置合わせされた表現が所望されているとき、操作者コマンドにより、例えば、外科医がボタンを押すか、またはそれ以外の様式で図式または触覚ユーザインターフェースを起動させて、判定された、前記エンドエフェクタの前記更新された位置に基づいて、前記患者の位置を動的に再位置合わせする）］ことと、
（ｖｉ）前記ディスプレイ上で見るために前記再位置合わせされた患者の位置を図式的にレンダリングする（例えば、前記更新された３Ｄ図式表現を図式的にレンダリングする）ことと、
（ｖｉｉ）前記再位置合わせされた患者の位置に少なくとも一部基づいて、前記力フィードバックサブシステムを介して（例えば、前記外科処置中の前記ロボットアームの操作者に）届けるための力フィードバックを動的に判定する［（例えば、前記患者の状態及び前記エンドエフェクタ（及び／または前記外科器具）の現在の位置の少なくとも前記更新された３Ｄ表現に基づいて、（例えば、所定の侵入可／侵入不可ゾーンを条件とする）（例えば、それによって許可する、促進する、指示する（例えば、触覚的な戻り止めまたは穴を課す）、禁止する（例えば、速度制限を課す）、及び／または、例えば、前記操作者、例えば外科医による、前記外科器具の直接操作によって、侵入可／侵入不可ゾーンにおける前記外科器具の移動を許可しない）］ことと、を行うためのものである、システム。
【請求項２】
ロボット外科手術システムのロボットアームのエンドエフェクタに取り付けられた器具と患者の解剖学的構造を位置合わせする方法であって、
計算デバイスのプロセッサによって、（例えば、患者に向かう）前記エンドエフェクタの移動によって促された、前記ロボットアームに直接または間接的に取り付けられた力センサからの触覚フィードバックを受信するステップと、
前記プロセッサによって、前記触覚フィードバックが、前記器具の、（例えば、ある特定の密度またはある特定の機械的特性を有する）材料との接触に対応することを（例えば、少なくとも閾値を超える触覚フィードバックの大きさに基づいて）（例えば加えて、前記器具の前記少なくとも１つのポイントの配置に基づいて）（例えば、材料が骨である）判定するステップと、
前記プロセッサによって、一組の空間座標を判定するステップであって、前記一組の空間座標が、（例えば、前記エンドエフェクタの前記位置に対する）ロボット座標システムを使用して表された、前記器具の前記材料との各接触についての空間座標を含み、各空間座標が、解剖学的構造体積の表面上のポイント（例えば、骨の表面上のポイント）に対応する、判定するステップと、
前記プロセッサによって、（例えば、断層撮影患者データ（例えば、ＣＴデータ、ＭＲＩデータ）から判定された）患者の解剖学的構造の表面に対応する医用画像データ座標システムを使用して表された一組の医用画像データ座標を受信するステップと、
前記プロセッサによって、前記一組の空間座標に対応する前記表面を、（例えば、変換アレイまたは変換マトリクスを生成することによって）前記一組の医用画像データ座標に対応する前記患者の解剖学的構造の表面に（例えば、面合わせを使用して）マッピングするステップと、
前記プロセッサによって、前記一組の空間座標に対応する前記表面と、前記一組の医用画像データ座標に対応する前記表面との間の前記マッピングに基づいて、前記ロボット座標システムと前記医用画像データ座標システムとの間の座標マッピングを生成するステップと、
前記プロセッサによって、前記座標マッピングを記憶し、それにより（例えば、外科処置中の外科医によるナビゲーション使用のために）前記患者の解剖学的構造を位置合わせするステップと、を含む、方法。
【請求項３】
前記プロセッサによって、ディスプレイ用のレンダリングデータを（例えば、前記ロボット外科手術システムのディスプレイ上に、例えば、前記ロボットアーム上のディスプレイ上に）出力するステップを含み、前記レンダリングデータが、部材の位置及び前記座標マッピングに基づく前記医用画像データの少なくとも一部の表現に対応し、前記部材が、前記エンドエフェクタ、前記器具、及び外科器具からなる群から選択される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記プロセッサによって、前記エンドエフェクタの位置の変更に基づいて前記レンダリングデータを修正することによって、新しいレンダリングデータを生成するステップと、
前記プロセッサによって、前記新しいレンダリングデータをディスプレイ用に出力するステップと、を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
基準マーカーが、前記材料を含む（例えば、前記空間座標が前記基準マーカーと前記患者の解剖学的構造との間の空間関係を使用して判定されるように、前記エンドエフェクタが既知のサイズ及び形状を有する基準マーカーと接触する）、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記ロボットアームが、能動的であり、逆駆動不可能である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記ロボット外科手術システムが、前記プロセッサを備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記プロセッサによって、患者の解剖学的構造モデルを記憶することを含み、前記患者の解剖学的構造モデルが、前記ロボット座標システムにおいて表された前記患者の解剖学的構造表面によって画定される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
患者の解剖学的構造を器具と位置合わせするためのロボット外科手術システムであって、前記器具が、前記ロボット外科手術システムのロボットアームのエンドエフェクタに取り付けられており、前記システムが
エンドエフェクタを備え、そこに器具を取り付けたロボットアームと、
前記ロボットアームに直接または間接的に取り付けられた力センサ（例えば、前記器具と前記ロボットアームとの間に位置付けられた前記力センサ）と、
プロセッサ及び内部に命令を記憶させたメモリと、を備え、前記命令が、前記プロセッサによって実行されたとき前記プロセッサに、
前記エンドエフェクタの移動（例えば、患者に向かう）によって促された、前記力センサからの触覚フィードバックを受信することと、
前記触覚フィードバックが、前記器具の、（例えば、ある特定の密度またはある特定の機械的特性を有する）材料との接触に対応することを、（例えば、少なくとも閾値を超える前記触覚フィードバックの大きさに基づいて）（例えば加えて、前記器具の少なくとも１つのポイントの配置に基づいて）（例えば、前記材料が骨である）判定することと、
一組の空間座標を判定することであって、前記一組の空間座標が、（例えば、前記エンドエフェクタの位置に対する）ロボット座標システムを使用して表された、前記器具の前記材料との各接触についての空間座標を含み、各空間座標が、解剖学的構造体積の表面上のポイント（例えば、骨の表面上のポイント）に対応する、判定することと、
（例えば、断層撮影患者データ（例えば、ＣＴデータ、ＭＲＩデータ）から判定された）患者の解剖学的構造の表面に対応する医用画像データ座標システムを使用して表された一組の医用画像データ座標を判定することと、
前記一組の空間座標に対応する前記表面を、（例えば、変換アレイまたは変換マトリクスを生成することによって）前記一組の医用画像データ座標に対応する前記患者の解剖学的構造の表面に（例えば、面合わせを使用して）マッピングすることと、
前記一組の空間座標に対応する前記表面と、前記一組の医用画像データ座標に対応する前記表面との間の前記マッピングに基づいて、前記ロボット座標システムと前記医用画像データ座標システムとの間の座標マッピングを生成することと、
前記座標マッピングを記憶し、それにより（例えば、外科処置中の外科医によるナビゲーション使用のために）前記患者の解剖学的構造を位置合わせすることと、を行わせる、ロボット外科手術システム。
【請求項１０】
前記命令が、前記プロセッサによって実行されたとき、前記プロセッサに、
ディスプレイ用のレンダリングデータを（例えば、前記ロボット外科手術システムのディスプレイ上に、例えば、前記ロボットアーム上のディスプレイ上に）出力させ、前記レンダリングデータが、部材の位置及び前記座標マッピングに基づく前記医用画像データの少なくとも一部の表現に対応し、前記部材が、前記エンドエフェクタ、前記器具、及び外科器具からなる群から選択される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記命令が、前記プロセッサによって実行されたとき、前記プロセッサに、
前記エンドエフェクタの位置の変更に基づいて前記レンダリングデータを修正することによって新しいレンダリングデータを生成することと、
前記新しいレンダリングデータをディスプレイ用に出力することと、を行わせる、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
基準マーカーが、前記材料を含む（例えば、前記空間座標が前記基準マーカーと前記患者の解剖学的構造との間の空間関係を使用して判定されるように、前記エンドエフェクタが既知のサイズ及び形状を有する基準マーカーと接触する）、請求項９〜１１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記ロボットアームが、能動的であり、逆駆動不可能である、請求項９〜１２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ロボット外科手術システムが、前記プロセッサを備える、請求項９〜１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記命令が、前記プロセッサによって実行されたとき、前記プロセッサに、
患者の解剖学的構造モデルを記憶させ、前記患者の解剖学的構造モデルが、前記ロボット座標システムにおいて表された前記患者の解剖学的構造表面によって画定される、請求項９〜１４のいずれか一項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、ロボット外科手術システムに関する。例えば、ある実施形態において、本発明は、外科処置中の位置追跡のための内蔵ナビゲーション能力を有するロボット外科手術システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの外科手術（例えば、脊髄及び整形外科手術）は、外科的行動、ジェスチャ、及び意思決定に視覚的なナビゲーションを提供するために、リアルタイムで外科医に表示された医用画像の使用が現在必要である。医用画像を使用して、外科医は、（医用画像によって写された）患者の解剖学的構造を参照して、外科器具の位置のリアルタイムフィードバックを備えることができる。
【０００３】
現行の外科的ナビゲーションシステムは、追跡の原則に基づく。例えば、ナビゲーションシステムは、外科器具及び患者の位置をリアルタイムで測定する追跡デバイスを概して収容する。異なる追跡デバイスは、異なる原則で操作する。最も一般的なものは、光学追跡及び電磁追跡である。光学追跡は、画定され、既知の解剖学的構造を有するマーカー上で構成された基準（例えば、反射範囲、ＬＥＤ）を測定するカメラシステムを使用する。このように、マーカーの位置及び方向が、判定され得、そのため、それらが添付される要素（例えば、外科器具、患者の解剖学的構造）の位置及び方向が、同様に追跡され得る。電磁追跡において、光学追跡システムのカメラは、磁場発生装置に取って代わられる。マーカーは、発生した磁場における空間の変更を測定するセンサユニット（例えば、コイル）である。このように、ＥＭマーカーの位置及び方向は、磁場発生装置を参照して判定され得る。
【０００４】
商用のナビゲーションシステム、例えば、Ｍｅｄｔｒｏｎｉｃ製のＳｔｅａｌｔｈｓｔａｔｉｏｎ  Ｓ７、Ｂｒａｉｎｌａｂ製のＣｕｒｖｅ、Ｂｒａｉｎｌａｂ及び他製の電磁Ｋｉｃｋ  ＥＭなどが、市販されている。これらのナビゲーションシステムを使用するための典型的な作業は、外科医にリアルタイムのフィードバックを示すために、患者の画像を獲得するステップ、患者の上に参照画を固定するステップ、患者を位置合わせするステップ、及び器具ならびに患者を追跡するステップ、を踏む。患者の画像は、例えば、ＣＴ、ＭＲＩ、または平面蛍光透視法（例えば、Ｏ−Ａｒｍ）によって生成され得る。患者に固定された参照画は、基準マークを有する光学マーカーまたは電磁マーカーを含む。マーカーは、例えば、骨ねじまたは骨固定を使用して固定される。患者の位置合わせは、患者の画像と固定されたマーカーとの間の関係を画定することを必要とする。位置合わせは、２地点間方法、面合わせ、または固定されたマーカー（例えば、患者の解剖学的構造上で）取られた画像に基づく自動位置合わせを使用して実行され得る。
【０００５】
現行のナビゲーションシステムは、多くの制限を有する。これらのナビゲーションシステムは、使用することが概して難しく、それらの手術のためにさらなる外科医及び／またはスタッフの訓練が必要となる。ナビゲーションシステムは、手術室
内で多くの空間を占める。例えば、手術室空間内の貴重な不動産が、追跡カメラを有するスタンドアロンナビゲーションステーション／コンソール、視覚的なフィードバックのために使用されるスクリーン、さらなる混乱物を作り出すコードならびにプラグ、電力システム、コントローラ、などによって占められ得る。また現行の光学ナビゲーションシステムは、全ての追跡された器具が、追跡されるためにカメラに可視の状態のままとならなければならない、見通し線条件を有する。十分な基準（例えば、範囲、ＬＥＤ）がない場合、可視マーカー位置は、判定され得ない。さらなるリスクが、基準位置が、難読化（例えば、一滴の血液または透明なドレープ）のためにナビゲーションシステムによって誤読され得ることである。電磁ナビゲーションシステムは、磁場に影響を及ぼし、そのためマーカー位置測定にエラーを与え得る、磁場内に設置された金属及び強磁性材料による問題を有する。さらに、ナビゲーションシステムは、およそ２００，０００ドル以上のコストがかかり、高価である。測定の精度は、例えば、位置測定のための０．３ｍｍＲＭＳエラーのレベルにおいて、商業用ステーションでは比較的低い。加えて、測定は、うるさい音がでる。測定の周波数は、低い（すなわち、およそ２０Ｈｚである）。
【０００６】
既知のナビゲーションシステムの最も厳しい制限は、ナビゲーションシステムが経時的に同期ずれすることである。外科医は、外科処置を始める際、患者の解剖学的構造に取り付けられた１つ以上のマーカーを使用して、患者を初期位置合わせする。外科処置を通して、患者の解剖学的構造は、患者の動きのため、または外科処置そのものの結果として、推移する。例えば、伸長ステップまたは再調整ステップを含む外科手術において、患者の解剖学的構造は、伸長または再調整後、基準マーカー（複数可）に対して異なる位置及び方向を有するはずである。基準マーカー（複数化）に対してローカルな領域のみが、患者の解剖学的構造の物理的実体に対して正確なままとなる。患者の解剖学的構造の実体と初期位置合わせに基づく仮の実体との間のエラーは、基準マーカー（複数可）からの距離で増える。そのため、既知のナビゲーションシステムを有するロボット外科手術システムを使用する今日実行されている多くの外科処置において、処置が進むにつれて、ナビゲーションシステムは、より同期ずれし、そのため、事実を反映されにくくなるにつれて、外科医にとって使いづらくなる。同様に、合併症の可能性及び深刻な医療ミスも増える。
【０００７】
ナビゲーションシステム、例えば、Ｇｌｏｂｕｓ製のＥｘｃｅｌｓｉｕｓ  ＧＰＳ、Ｍｅｄｔｅｃｈ（現在はＺｉｍｍｅｒ／Ｂｉｏｍｅｔ）製のＲＯＳＡ  ＳＰＩＮＥ、Ｓｔｒｙｋｅｒ製のＭＡＫＯ、他と組み合わされる、ロボット外科手術システムがある。しかしながら、これらのシステムは、前述の既知のシステムと同じナビゲーションシステムの方法を使用する。ロボットアームの使用は、正確なジェスチャをすることで外科医を援助するが、システムは、ナビゲーションシステムの欠点、特に、訓練の必要性、必要とされる空間、見通し線、価格、一連の外科処置にわたる光学ナビゲーションの低精度などを引き継ぐ。同期ずれによる合併症の可能性及び深刻な医療ミスは、これらのロボット外科手術システムにおいて、減少されない。
【０００８】
このように、その瞬間の患者の状態を正確に反映するために、患者位置合わせが経時的に更新され得る、器具のガイダンス及びナビゲーション用ロボット外科手術システムが必要とされる。
【発明の概要】
【０００９】
ある実施形態において、本明細書で開示されたシステム、装置、及び方法は、患者の位置追跡、及び別のナビゲーションシステムを必要としない、外科処置中の外科器具ガイダンスのための内蔵ナビゲーション能力を有するロボット外科手術システムに関する。外科処置中の外科器具のロボットベースのナビゲーションは、容易な位置合わせ、手術量の識別、及び追跡を可能とする。本明細書のシステム、装置、及び方法は、外科的作業の流れに対する最小限の中断で手術中に実行される、再位置合わせ、モデルの更新、及びを可能とする。ある実施形態において、ナビゲーション支援は、患者の解剖学的構造に関する外科器具の位置を表示することによって、外科医に提供され得る。加えて、手術量、患者−ロボットの方位関係、及び患者の解剖学的構造モデルなどの、手術前に定義されたデータを見直すことによって、より高度な正確性及び合併症ならびに深刻な医療ミスのリスクの低減が、達成され得る。
【００１０】
ある実施形態において、本明細書に記載されるのは、患者の解剖学的構造の空間座標を収集するために使用される、直接または間接的に取り付けられた力センサを有するロボットアームを備えるロボット外科手術システムである。外科医は、空間内の異なるポイント間でロボットアームを操作し、ロボットアームに取り付けられた器具で、患者の解剖学的構造上の異なるポイントにおいて患者に接触することができる。ある実施形態において、器具は、力センサを備える。接触は、力センサによって位置合わせされた触覚フィードバックに基づいて判定される。ある実施形態において、閾値（例えば、触覚フィードバックの大きさ）は、患者の解剖学的構造に属する接点を位置合わせするために上回らなければならない。さらに、このように、触覚フィードバックの大きさは、接触されている組織の種類を判定するために使用され得る（例えば、なぜなら骨は柔らかい組織よりもより固い）。いくつかの実施形態において、器具は、１つ以上の一組の標定接触点（例えば、くぼみ）において患者の解剖学的構造に取り付けられた専門的に設計された基準マーカーに接触し、基準マーカーは、患者の解剖学的構造と確立された空間的関係（例えば、その既知の大きさを与えられ、患者の解剖学的構造上の特定の既知の配置での取り付けを意図された）を有する。複数の空間座標が、患者の解剖学的構造に対する複数の器具の接点を電子的に使用して、記録され、かつ記憶され得る。
【００１１】
器具と患者の解剖学的構造との接触から記録された一組の座標空間が、位置合わせ、モデリング体積除去、再位置合わせ、手術可能な体積を画定すること、再位置合わせ後の手術可能な体積を修正すること、記憶された体積モデルを物理的な配置に変換すること、及びナビゲーションスクリーン上に患者の解剖学的構造に対する外科器具を表示することなどの、多くのナビゲーション用、及び外科的ガイダンス機能を実行するために使用され得る。
【００１２】
患者の解剖学的構造に接触することによって獲得されたいくつかの組の座標によって画定された表面を、それらの解剖学的構造のモデル（例えば、医用画像データからの）にマッピングすることによって、モデルの座標システムと物理的実体との間を移行する座標マッピングが記録され得る。例えば、モデルが、医用画像データ座標システム内で、及び物理的な実体が、ロボット座標システム内で提示され得る。このように、ロボット外科手術システムは、それに取り付けられた外科器具に対する患者の解剖学的構造の物理的な配置を知ることができる。触覚フィードバックで生成された、いくつかの組の空間座標と、患者の解剖学的構造の表面をモデリングしたいくつかの組の医用画像データ座標との組み合わせを使用して、前述のナビゲーション用かつ外科的ガイダンス機能は、迅速に、及び手術前及び／または手術中に高精度で実行され得る。
【００１３】
一組の空間座標が、医用画像データから由来する患者の解剖学的構造のモデルと患者の解剖学的構造を位置合わせするために使用され得る。医用画像データは、任意の関連する技術から使用され得る。実施例は、これらに限定するわけではないが、Ｘ線データ、断層撮影データ（例えば、ＣＴデータ）、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）データ、平面蛍光透視法（例えば、Ｏ−Ａｒｍ）データを含む。いくつかの実施形態において、このような医用画像データは、手術中に撮られる。このように、患者の解剖学的構造の物理的な位置及び方向は、患者の解剖学的構造のモデルにマッピングされ得、ロボット外科手術システムは、どこが解剖学的構造に関係しているかを常に知ることができる。
【００１４】
一組の空間座標は、器具と患者の解剖学的構造との間の付加的な接触を使用して体積が除去されることを判定することによって、体積の除去後、患者の解剖学的構造のモデルを更新するために使用され得る。モデルの体積内部の座標に対応する解剖学的構造の新しい表面上に作成されるように判定された接触は、患者の新しい解剖学的構造を反映するように、モデルの表面を更新するために使用され得る。
【００１５】
手術中に収集された一組の空間座標は、患者の解剖学的構造を再位置合わせするために使用され得る。このように、解剖学的構造の全てまたは一部の再配向、または再位置決めなどの、解剖学的構造において発生する変更は、患者の解剖学的構造のモデルと同様に、ロボット座標システムと医用画像データ座標システムとの間のマッピングを更新するために使用され得る。
【００１６】
一組の空間座標が、手術可能な体積を画定するために使用され得、外科器具の移動は、処置の間、手術可能な体積内となるように限定される。例えば、このことは、外科医によって除去される骨の体積を限定するために使用され得る。手術可能な体積は、患者の解剖学的構造上のポイントに接触すること、及び表面の交点としてそれらを使用することによって、または解剖学的構造体積のモデルを一組の空間座標にマッピングすること、及びその後ロボット外科手術システムの座標システム内で表された、マッピングされた解剖学的構造モデルとして手術可能な体積を画定することによって、画定され得る。手術可能な体積は、患者の現在の解剖学的構造及び／または解剖学的構造位置ならびに方向を正確に反映するために再位置合わせ後更新され得る。同様に、記憶されたモデル（例えば、医用画像データから生成されたモデル）は、座標マッピングを使用することによって、そのモデルの一部（または全体）の物理的な配置を画定するために使用され得る。
【００１７】
患者の解剖学的構造及び解剖学的構造に対する外科器具の位置のレンダリングは、本明細書に記載された方法及びシステムを使用する外科医による使用及び／または参照のために、ナビゲーションスクリーン上に表示され得る。座標マッピングを使用することによって、外科器具の終点の配置は、外科医が終点と患者の解剖学的構造との間の空間または距離の正確な表現を観察できるように、患者の解剖学的構造のレンダリングに沿って表示され得る。このことは、患者の解剖学的構造に対する外科器具の軌道、位置、及び方向を視覚化するために使用され得る。外科医は、外科処置の進み具合を観察し、深刻な医療ミスを防ぎ、及び／または計画された外科処置を修正することによって患者の転帰を向上させるためにこれを使用し得る。例えば、外科医は、体積を除去するとき、除去に計画された体積、または外科ツールの計画された方向または軌道を変更するための決定にナビゲーションディスプレイを使用し得る。このことは、手術中に行われ得る。
【００１８】
別の態様において、開示された技術は、処置（例えば、外科処置、例えば、脊髄手術）中の患者の位置（例えば、患者の脊椎の位置）のリアルタイムで動的な再位置合わせのためのロボットベースのナビゲーションシステム（例えば、組み合わされたナビゲーション／ロボットシステム）を含み、システムは、（ａ）：（ｉ）エンドエフェクタと、［例えば、前記エンドエフェクタが、外科器具をその中に挿入するまたはそこに取り付けるための外科器具ホルダーを備え、例えば、前記ロボットアームが、外科器具がエンドエフェクタの外科器具ホルダーに挿入されている／取り付けられているとき、操作者（例えば、外科医）による外科器具の直接操作を可能とするように設計され、操作は、患者に対するエンドエフェクタ（及び／または外科器具）の位置に基づく触覚制限を受けやすく、例えば、外科器具は、外科器具ホルダーに対する既知の幾何学形状及び固定された位置を有する］と、（ｉｉ）エンドエフェクタの位置を動的に追跡するための位置センサ［例えば、外科処置中）（及び／または、例えば、３Ｄ空間において、例えば、外科処置中、外科器具の１つ以上のポイントを動的に追跡するために、）（例えば、少なくとも１００Ｈｚ、例えば、２５０Ｈｚ以上、例えば５００Ｈｚ以上、例えば、１０００Ｈｚ以上（毎秒の位置決定）のレートで］と、（ｉｉｉ）エンドエフェクタを操作している（例えば、エンドエフェクタの器具ホルダーに挿入された外科器具を操作すること）ユーザに触覚を届けるための（例えば、センサ（複数可）、アクチュエータ（複数可）、コントローラ（複数可）、サーボ（複数可）及び／または他の機構を備える）力フィードバックサブシステム（例えば、力フィードバックサブシステムは、後述の（Ｉ）〜（ＩＶ）：（Ｉ）患者の組織に接触し、抗して移動し、貫通し、及び／または中で移動する外科器具によって引き起こされた抵抗力を検出すること、（ＩＩ）接触された組織の種類を識別すること（例えば、接触された組織が抵抗閾値に達するまたは超えるとき、例えば、組織が骨のときに判定すること）、（ＩＩＩ）（例えば、外科用器具、したがって、エンドエフェクタの移動をもたらすため、）操作者（例えば、外科医）によって届けられた（例えば、エンドエフェクタの外科器具ホルダー内に挿入された外科器具の直接操作によって届けられた）力を検出すること、及び（ＩＶ）操作者によって届けられた力と、患者の組織に対する外科器具の移動によってもたらされた抵抗力とを識別することと、のうちの１つ以上を実行するための１つ以上のセンサを備える）と、を含む、ロボットアーム（例えば、３、４、５、６、または７つの自由度を有する）と、（ｂ）ディスプレイ［例えば、処置中に操作者への妨げられない視覚フィードバックを可能とするために、操作者（例えば、外科医）によって直接操作されているロボットアームに対して取り付けられ、その中に埋め込まれ、またはそれ以外の様式で位置付けられ、例えば、ディスプレイが、透明または半透明の無菌ドレープの下に位置決めされており、例えば、ディスプレイが、使用中にディスプレイを制御するためのタッチセンサを有する］と、（ｃ）一組の命令を実行するようにプログラムされた計算デバイスのプロセッサと、を含み、一組の命令が、（ｉ）（例えば、ディスプレイ上に患者の状態（例えば、目標の解剖学的構造）のリアルタイムの図式表現を表示して使用するための、及び／または、力フィードバックサブシステムを介して、例えば、外科処置の間、操作者に届けられた力フィードバックを動的に判定して使用するための、初期の患者の状態の３Ｄ表現、例えば、３Ｄ図式表現及び／または３Ｄ触覚表現であって、例えば、３Ｄ図式表現が３Ｄ触覚表現と同じまたは異なる、３Ｄ表現を記憶及び／またはレンダリングするために）患者の位置（例えば、患者の脊椎の位置）の初期位置合わせ（例えば、患者の医用画像、例えば、ＭＲＩ、ＣＴ、Ｘ線、ＳＰＥＣＴ、超音波などの、例えば、手術前に得られた医用画像、を介した）にアクセスする（例えば、及びディスプレイ上に図式的にレンダリングする）ことと、（ｉｉ）エンドエフェクタの位置を動的に判定する（例えば、エンドエフェクタの器具ホルダー内で、例えば、エンドエフェクタに対して位置決めされた外科器具の１つ以上のポイントの３Ｄ位置を動的に判定する）ことと、（ｉｉｉ）エンドエフェクタによって受容された力及び／またはエンドエフェクタに届けられる力を動的に判定する［例えば、外科器具を介してエンドエフェクタによって受容された力及び／またはエンドエフェクタに届けられる力に、例えば、後述の（Ｉ）〜（ＩＶ）：（Ｉ）患者の組織に接触し、抗して移動し、貫通し、及び／または中で移動する外科器具によって引き起こされた抵抗力を判定すること、（ＩＩ）接触された組織の種類を識別すること（例えば、接触された組織が抵抗閾値に達するまたは超えるとき、例えば、組織が骨のときに判定すること）、（ＩＩＩ）（例えば、外科用器具、したがって、エンドエフェクタの移動をもたらすため、）操作者（例えば、外科医）によって届けられた（例えば、エンドエフェクタの外科器具ホルダー内に挿入された外科器具の直接操作によって届けられた）力を検出すること、及び（ＩＶ）操作者によって届けられた力と、患者の組織に対する外科器具の移動によってもたらされた抵抗力とを識別すること（例えば、少なくとも１００Ｈｚ、例えば、２５０Ｈｚ以上、例えば、５００Ｈｚ以上、例えば、１０００Ｈｚ以上のレートで動的に判定される力を、例えば、力フィードバックサブシステムを使用して）のうちの１つ以上を動的に実行する］ことと、（ｉｖ）エンドエフェクタを動的に追跡するためにロボットアームの位置センサの位置を動的に判定する（例えば、患者の骨組織、または患者の他の目標組織との外科器具の接触時に、ロボットアームの位置センサの位置を判定する）（例えば、少なくとも１００Ｈｚ、例えば、２５０Ｈｚ以上、例えば、５００Ｈｚ以上、例えば、１０００Ｈｚ以上のレートで位置センサの記録された位置を動的に更新する）ことと、（ｖ）位置センサによって判定されたエンドエフェクタの更新された位置に少なくとも一部基づいて、患者の位置を動的に再位置合わせする［（例えば、外科処置中に）（例えば、外科器具が、目標の解剖学的構造と接触している、例えば、患者の骨と接触しているということが（例えば、力フィードバックサブシステムを介して）判定されるとき、エンドエフェクタの更新された位置の少なくとも一部に基づいて、患者の状態の３Ｄ表現、例えば、３Ｄ図式表現及び／または３Ｄ触覚表現を更新する）（例えば、初期の（または前回の）位置合わせと一致している面合わせアルゴリズムを使用して）（例えば、エンドエフェクタ、外科器具、または外科器具もしくはエンドエフェクタの一部もしくは構成部品の接触の検出時に、患者の位置を予め計画された基準（例えば、機械的マーカー、例えば、患者に固定された、例えば、目標の解剖学的構造に取り付けられた、例えば、脊椎に取り付けられたマーカー）と動的に再位置合わせする）（例えば、エンドエフェクタ、外科器具、または外科器具もしくはエンドエフェクタの一部もしくは構成部品の近接の検出時に、患者の位置を予め計画された基準（例えば、機械的マーカー、例えば、患者に固定された、例えば、目標の解剖学的構造に取り付けられた、例えば、脊椎に取り付けられたマーカー）と、動的に再位置合わせする）（例えば、再位置合わせされた表現が所望されているとき、操作者コマンドにより、例えば、外科医がボタンを押すか、またはそれ以外の様式で図式または触覚ユーザインターフェースを起動させて、判定された、エンドエフェクタの更新された位置に基づいて、患者の位置を動的に再位置合わせする）］ことと、（ｖｉ）ディスプレイ上で見るために再位置合わせされた患者の位置を図式的にレンダリングする（例えば、更新された３Ｄ図式表現を図式的にレンダリングする）ことと、（ｖｉｉ）再位置合わせされた患者の位置に少なくとも一部基づいて、力フィードバックサブシステムを介して（例えば、外科処置中のロボットアームの操作者に）届けるための力フィードバックを動的に判定する［（例えば、患者の状態及びエンドエフェクタ（及び／または外科器具）の現在の位置の少なくとも更新された３Ｄ表現に基づいて、（例えば、所定の侵入可／侵入不可ゾーンを条件とする）（例えば、それによって許可する、促進する、指示する（例えば、触覚的な戻り止めまたは穴を課す）、禁止する（例えば、速度制限を課す）、及び／または、例えば、操作者、例えば外科医による、外科器具の直接操作によって、侵入可／侵入不可ゾーンにおける外科器具の移動を許可しない）］ことと、を行う。
【００１９】
別の態様において、開示された技術は、ロボット外科手術システムのロボットアームのエンドエフェクタに取り付けられた器具と患者の解剖学的構造を位置合わせする方法を含み、本方法は、計算デバイスのプロセッサによって、（例えば、患者に向かう）エンドエフェクタの移動によって促された、ロボットアームに直接または間接的に取り付けられた力センサからの触覚フィードバックを受信するステップと、プロセッサによって、触覚フィードバックが、器具の、（例えば、ある特定の密度またはある特定の機械的特性を有する）材料との接触に対応することを（例えば、少なくとも閾値を超える触覚フィードバックの大きさに基づいて）（例えば加えて、器具の少なくとも１つのポイントの配置に基づいて）（例えば、材料が骨である）判定するステップと、プロセッサによって、一組の空間座標を判定するステップと、一組の空間座標が、（例えば、エンドエフェクタの位置に対する）ロボット座標システムを使用して表された、器具の材料との各接触についての空間座標を含み、各空間座標が、解剖学的構造体積の表面上のポイント（例えば、骨の表面上のポイント）に対応し、プロセッサによって、（例えば、断層撮影患者データ（例えば、ＣＴデータ、ＭＲＩデータ）から判定された）患者の解剖学的構造の表面に対応する医用画像データ座標システムを使用して表された一組の医用画像データ座標を受信するステップと、プロセッサによって、一組の空間座標に対応する表面を、（例えば、変換アレイまたは変換マトリクスを生成することによって）一組の医用画像データ座標に対応する患者の解剖学的構造の表面に（例えば、面合わせを使用して）マッピングするステップと、プロセッサによって、一組の空間座標に対応する表面と、一組の医用画像データ座標に対応する表面との間のマッピングに基づいて、ロボット座標システムと医用画像データ座標システムとの間の座標マッピングを生成するステップと、プロセッサによって、座標マッピングを記憶し、それにより（例えば、外科処置中の外科医によるナビゲーション使用のために）患者の解剖学的構造を位置合わせするステップと、を含む。
【００２０】
ある実施形態において、本方法は以下のステップを含む。
【００２１】
プロセッサによって、ディスプレイ用のレンダリングデータを（例えば、ロボット外科手術システムのディスプレイ上に、例えば、ロボットアーム上のディスプレイ上に）出力するステップを含み、レンダリングデータが、部材の位置及び座標マッピングに基づく医用画像データの少なくとも一部の表現に対応し、部材が、エンドエフェクタ、器具、及び外科器具からなる群から選択される。
【００２２】
ある実施形態において、本方法は、プロセッサによって、エンドエフェクタの位置の変更に基づいてレンダリングデータを修正することによって新しいレンダリングデータを生成するステップと、プロセッサによって、新しいレンダリングデータをディスプレイ用に出力するステップと、を含む。
【００２３】
ある実施形態において、基準マーカーは、材料を含む（例えば、空間座標が基準マーカーと患者の解剖学的構造との間の空間関係を使用して判定されるように、エンドエフェクタが既知のサイズ及び形状を有する基準マーカーと接触する）。
【００２４】
ある実施形態において、ロボットアームが、能動的であり、逆駆動不可能である。
【００２５】
ある実施形態において、ロボット外科手術システムは、プロセッサを含む。
【００２６】
ある実施形態において、本方法は、プロセッサによって、患者の解剖学的構造モデルを記憶することを含み、患者の解剖学的構造モデルは、ロボット座標システムにおいて表された患者の解剖学的構造表面によって画定される。
【００２７】
一態様において、開示された技術は、患者の解剖学的構造を器具と位置合わせするためのロボット外科手術システムを含み、その器具は、ロボット外科手術システムのロボットアームのエンドエフェクタに取り付けられ、そのシステムは、エンドエフェクタを備え、そこに器具を取り付けたロボットアームと、ロボットアームに直接または間接的に取り付けられた（例えば、力センサが器具とロボットアームとの間に位置付けられる）力センサと、プロセッサ及び内部に命令を記憶させたメモリと、を備え、命令が、プロセッサによって実行されたとき、プロセッサに、エンドエフェクタの（例えば、患者に向かう）移動によって促された力センサからの触覚フィードバックを受信することと、触覚フィードバックが、器具の、（例えば、ある特定の密度またはある特定の機械的特性を有する）材料との接触に対応することを、（例えば、少なくとも閾値を超える触覚フィードバックの大きさに基づいて）（例えば加えて、器具の少なくとも１つのポイントの配置に基づいて）（例えば、材料が骨である）判定することと、一組の空間座標を判定することと、一組の空間座標が、（例えば、エンドエフェクタの位置に対する）ロボット座標システムを使用して表された、器具の材料との各接触についての空間座標を含み、各空間座標が、解剖学的構造体積の表面上のポイント（例えば、骨の表面上のポイント）に対応し、（例えば、断層撮影患者データ（例えば、ＣＴデータ、ＭＲＩデータ）から判定された）患者の解剖学的構造の表面に対応する医用画像データ座標システムを使用して表された一組の医用画像データ座標を判定することと、一組の空間座標に対応する表面を、（例えば、変換アレイまたは変換マトリクスを生成することによって）一組の医用画像データ座標に対応する患者の解剖学的構造の表面に（例えば、面合わせを使用して）マッピングすることと、一組の空間座標に対応する表面と、一組の医用画像データ座標に対応する表面との間のマッピングに基づいて、ロボット座標システムと医用画像データ座標システムとの間の座標マッピングを生成することと、座標マッピングを記憶することと、それにより（例えば、外科処置中の外科医によるナビゲーション使用のために）患者の解剖学的構造を位置合わせすることと、を行わせる。
【００２８】
ある実施形態において、命令は、プロセッサによって実行されたとき、プロセッサに、（例えば、ロボット外科手術システムのディスプレイ上に、例えば、ロボットアーム上のディスプレイ上に）ディスプレイ用のレンダリングデータを出力させ、レンダリングデータは、座標マッピングに基づく部材の位置の表現及び医用画像データの少なくとも一部に対応し、部材は、エンドエフェクタ、器具、及び外科器具からなる群から選択される。
【００２９】
ある実施形態において、命令は、プロセッサによって実行されたとき、プロセッサに、エンドエフェクタの位置の変更に基づくレンダリングデータの修正によって新しいレンダリングデータを生成させ、新しいレンダリングデータをディスプレイ用に出力させる。
【００３０】
ある実施形態において、基準マーカーは、材料を含む（例えば、空間座標が基準マーカーと患者の解剖学的構造との間の空間関係を使用して判定されるように、エンドエフェクタが既知のサイズ及び形状を有する基準マーカーと接触する）。
【００３１】
ある実施形態において、ロボットアームが、能動的であり、逆駆動不可能である。
【００３２】
ある実施形態において、ロボット外科手術システムは、プロセッサを含む。
【００３３】
ある実施形態において、命令は、プロセッサによって実行されたとき、プロセッサに、患者の解剖学的構造モデルを記憶させ、患者の解剖学的構造モデルは、ロボット座標システムにおいて表された患者の解剖学的構造表面によって画定される。
【００３４】
一態様において、開示された技術は、ロボット外科手術システムのロボットアームのエンドエフェクタに取り付けられた器具での体積除去後の患者の解剖学的構造のモデルを更新する方法を含み、本方法は、計算デバイスのプロセッサによって、（例えば、患者に向かう）エンドエフェクタの移動によって促された、ロボットアームに直接または間接的に取り付けられた力センサからの触覚フィードバックを受信するステップと、プロセッサによって、触覚フィードバックが、器具の、（例えば、ある特定の密度またはある特定の機械的特性を有する）材料との接触に対応することを（例えば、少なくとも閾値を超える触覚フィードバックの大きさに基づいて）（例えば加えて、器具の少なくとも１つのポイントの配置に基づいて）（例えば、材料が骨である）判定するステップと、プロセッサによって、一組の空間座標を判定するステップと、一組の空間座標が、（例えば、エンドエフェクタの位置に対する）ロボット座標システムを使用して表された、器具の材料との各接触のための空間座標を含み、各空間座標が、解剖学的構造体積の表面上のポイント（例えば、骨の表面上のポイント）に対応し、プロセッサによって、患者の解剖学的構造の体積の表面に対応する一組の医用画像データ座標を受信するステップと、一組の医用画像データ座標内の各医用画像データ座標は、医用画像データ座標システムを使用して表され、プロセッサによって、ロボット座標システムと医用画像データ座標システムとの間の座標マッピング（例えば、変換アレイまたは変換マトリクス）を受信するステップと、プロセッサによって、一組の医用画像データ座標及び座標マッピングに基づき患者の解剖学的構造の体積の表面内部のポイントに対応する、一組の空間座標における１つ以上の内部空間座標を判定するステップと、プロセッサによって、一組の内部医用画像データ座標を生成するステップと、一組の内部医用画像データ座標が、座標マッピングを使用して１つ以上の各内部空間座標のための内部医用画像データ座標を含み、プロセッサによって、一組の医用画像データ座標によって画定された第１の体積が、修正された一組の医用画像データ座標によって画定された第２の体積よりも大きくなるように、一組の医用画像データ座標で患者の解剖学的構造の体積の表面を画定する一組の医用画像データ座標を修正するステップと、プロセッサによって、（例えば、外科医に表示するために）修正された一組の医用画像データ座標を記憶し、それにより患者の解剖学的構造のモデルを更新するステップと、を含む。
【００３５】
一態様において、開示された技術は、ロボット外科手術システムのロボットアームのエンドエフェクタに取り付けられた器具での体積除去後の患者の解剖学的構造のモデルを更新するためのシステムを含み、システムは、エンドエフェクタを備え、そこに器具を取り付けたロボットアームと、ロボットアームに直接または間接的に取り付けられた（例えば、力センサは器具とロボットアームとの間に位置付けされる）力センサと、プロセッサ及び内部に命令を記憶させたメモリと、を備え、命令が、プロセッサによって実行されたとき、プロセッサに、エンドエフェクタの（例えば、患者に向かう）移動によって促された力センサからの触覚フィードバックを受信することと、触覚フィードバックが、器具の、（例えば、ある特定の密度またはある特定の機械的特性を有する）材料との接触に対応することを、（例えば、少なくとも閾値を超える触覚フィードバックの大きさに基づいて）（例えば加えて、器具の少なくとも１つのポイントの配置に基づいて）（例えば、材料が骨である）判定することと、一組の空間座標を判定することであって、一組の空間座標が、（例えば、エンドエフェクタの位置に対する）ロボット座標システムを使用して表された、器具の材料との各接触のための空間座標を含み、各空間座標が、解剖学的構造体積の表面上のポイント（例えば、骨の表面上のポイント）に対応する、判定することと、患者の解剖学的構造の体積の表面に対応する一組の医用画像データ座標を受信することであって、一組の医用画像データ座標内の各医用画像データ座標が、医用画像データ座標システムを使用して表される、受信することと、ロボット座標システムと医用画像データ座標システムとの間の座標マッピング（例えば、変換アレイまたは変換マトリクス）を受信することと、一組の医用画像データ座標及び座標マッピングに基づき患者の解剖学的構造の体積の表面内部のポイントに対応する、一組の空間座標における１つ以上の内部空間座標を判定することと、１つ以上の内部空間座標を使用して除去された患者の解剖学的構造の体積の一部を判定することと、一組の内部医用画像データ座標を生成することであって、一組の内部医用画像データ座標が、座標マッピングを使用した１つ以上の各内部空間座標のための内部医用画像データ座標を含む、生成することと、一組の医用画像データ座標によって画定された第１の体積が、修正された一組の医用画像データ座標によって画定された第２の体積よりも大きくなるように、一組の医用画像データ座標で患者の解剖学的構造の体積の表面を画定する一組の医用画像データ座標を修正することと、（例えば、外科医に表示するために）修正された一組の医用画像データ座標を記憶し、それにより患者の解剖学的構造のモデルを更新することと、を行わせる。
【００３６】
一態様において、開示された技術は、ロボット外科手術システムのロボットアームのエンドエフェクタに取り付けられた器具と、患者の解剖学的構造を外科処置中に再位置合わせする方法を含み、本方法は、計算デバイスのプロセッサによって、（例えば、患者に向かう）エンドエフェクタの移動によって促された、ロボットアームに直接または間接的に取り付けられた力センサからの触覚フィードバックを受信するステップと、プロセッサによって、触覚フィードバックが、器具の、（例えば、ある特定の密度またはある特定の機械的特性を有する）材料との接触に対応することを（例えば、少なくとも閾値を超える触覚フィードバックの大きさに基づいて）（例えば加えて、器具の少なくとも１つのポイントの配置に基づいて）（例えば、材料が骨である）判定するステップと、プロセッサによって、一組の空間座標を判定するステップと、一組の空間座標が、（例えば、エンドエフェクタの位置に対する）ロボット座標システムを使用して表された、器具の材料との各接触のための空間座標を含み、各空間座標が、解剖学的構造体積の表面上のポイント（例えば、骨の表面上のポイント）に対応し、プロセッサによって、ロボット座標システムと医用画像データ座標システムとの間の座標マッピング（例えば、変換アレイまたは変換マトリクス）を受信するステップと、ロボット座標システムがエンドエフェクタの物理的な座標システムに対応し、プロセッサによって、一組の空間座標に対応する表面のマッピングに基づいて座標マッピングを更新するステップと、プロセッサによって、（例えば、外科処置中の外科医による使用の際に、正確なナビゲーションモデルを提供するために）更新された座標マッピングを記憶し、それにより患者の解剖学的構造を再位置合わせするステップと、を含む。
【００３７】
ある実施形態において、マッピングは、面合わせを使用して生成される。
【００３８】
ある実施形態において、更新ステップは、プロセッサによって、患者の解剖学的構造の体積の表面を画定している一組の医用画像モデリング座標を、座標マッピングを使用して変換することによって判定することと、一組のモデリング座標が、ロボット座標システムにおいて表され、体積の表面の予想配置を画定し、一組の医用画像モデリング座標が、医用画像データから生成され、プロセッサによって、一組の空間座標に対応する表面を、（例えば、変換アレイまたは変換マトリクスを生成することによって）一組の医用画像データ座標に対応する患者の解剖学的構造の表面に（例えば、面合わせを使用して）マッピングすることと、プロセッサによって、一組の空間座標に対応する表面を一組のモデリング座標にマッピングすることに基づき座標マッピングを更新することと、を含む。
【００３９】
ある実施形態において、更新ステップは、プロセッサによって、一組のモデリング座標を受信することと、一組のモデリング座標が、ロボット座標システム内で表され、患者の解剖学的構造の体積の表面を画定し、プロセッサによって、一組の空間座標に対応する表面を、（例えば、変換アレイまたは変換マトリクスを生成することによって）一組のモデリング座標に対応する患者の解剖学的構造の表面に（例えば、面合わせを使用して）マッピングすることと、プロセッサによって、一組の空間座標に対応する表面を一組のモデリング座標にマッピングすることに基づき座標マッピングを更新することと、を含む。
【００４０】
一態様において、開示された技術は、ロボット外科手術システムのロボットアームのエンドエフェクタに取り付けられた器具と患者の解剖学的構造を、外科処置中に再位置合わせするためのシステムを含み、システムは、エンドエフェクタを備え、そこに器具を取り付けたロボットアームと、ロボットアームに直接または間接的に取り付けられた（例えば、力センサは器具とロボットアームとの間に位置付けされる）力センサと、プロセッサ及び内部に命令を記憶させたメモリと、を備え、命令が、プロセッサによって実行されたとき、プロセッサに、エンドエフェクタの（例えば、患者に向かう）移動によって促された力センサからの触覚フィードバックを受信することと、触覚フィードバックが、器具の、（例えば、ある特定の密度またはある特定の機械的特性を有する）材料との接触に対応することを、（例えば、少なくとも閾値を超える触覚フィードバックの大きさに基づいて）（例えば加えて、器具の少なくとも１つのポイントの配置に基づいて）（例えば、材料が骨である）判定することと、一組の空間座標を判定することであって、一組の空間座標が、（例えば、エンドエフェクタの位置に対する）ロボット座標システムを使用して表された、器具の材料との各接触のための空間座標を含み、各空間座標が、解剖学的構造体積の表面上のポイント（例えば、骨の表面上のポイント）に対応する、判定することと、ロボット座標システムと医用画像データ座標システムとの間の座標マッピング（例えば、変換アレイまたは変換マトリクス）を受信することであって、ロボット座標システムがエンドエフェクタの物理的な座標システムに対応する、受信することと、一組の空間座標に対応する表面のマッピングに基づく座標マッピングを更新することと、（例えば、外科処置中の外科医による使用の際に、正確なナビゲーションモデルを提供するために）更新された座標マッピングを記憶し、それにより患者の解剖学的構造を再位置合わせすることと、を行わせる。
【００４１】
ある実施形態において、マッピングは、面合わせを使用して生成される。
【００４２】
ある実施形態において、更新ステップは、プロセッサによって、実行されたとき、プロセッサに、患者の解剖学的構造の体積の表面を画定している一組の医用画像モデリング座標を、座標マッピングを使用して変換することによって判定することであって、一組のモデリング座標が、ロボット座標システムにおいて表され、体積の表面の予想配置を画定し、一組の医用画像モデリング座標が、医用画像データから生成される、判定することと、一組の空間座標に対応する表面を、（例えば、変換アレイまたは変換マトリクスを生成することによって）一組のモデリング座標に対応する患者の解剖学的構造の表面に（例えば、面合わせを使用して）マッピングすることと、一組の空間座標に対応する表面を一組のモデリング座標にマッピングすることに基づき座標マッピングを更新することと、を行わせる命令を含む。
【００４３】
ある実施形態において、更新ステップは、プロセッサによって実行されたとき、プロセッサに、一組のモデリング座標を受信することであって、一組のモデリング座標が、ロボット座標システム内で表され、患者の解剖学的構造の体積の表面を画定する、受信することと、一組の空間座標に対応する表面を、（例えば、変換アレイまたは変換マトリクスを生成することによって）一組のモデリング座標に対応する患者の解剖学的構造の表面に（例えば、面合わせを使用して）マッピングすることと、一組の空間座標に対応する表面を一組のモデリング座標にマッピングすることに基づき座標マッピングを更新することと、を行わせる命令を含む。
【００４４】
一態様において、開示された技術は、ロボット外科手術システムのロボットアームのエンドエフェクタに取り付けられた外科器具が操作され得る、手術可能な体積を画定する方法を含み、本方法は、計算デバイスのプロセッサによって、（例えば、患者に向かう）エンドエフェクタの移動によって促された、ロボットアームに直接または間接的に取り付けられた力センサからの触覚フィードバックを受信するステップと、プロセッサによって、触覚フィードバックが、器具の、（例えば、ある特定の密度またはある特定の機械的特性を有する）材料との接触に対応することを（例えば、少なくとも閾値を超える触覚フィードバックの大きさに基づいて）（例えば加えて、器具の少なくとも１つのポイントの配置に基づいて）（例えば、材料が骨である）判定するステップと、プロセッサによって、一組の空間座標を判定するステップと、一組の空間座標が、（例えば、エンドエフェクタの位置に対する）ロボット座標システムを使用して表された、器具の材料との各接触のための空間座標を含み、各空間座標が、解剖学的構造体積の表面上のポイント（例えば、骨の表面上のポイント）に対応し、プロセッサによって、ユーザにより選択されたモデル体積（例えば、除去される骨の一部のモデル）を受信するステップと、モデル体積は、ロボット座標システムで表され、プロセッサによって、モデル体積の表面を一組の空間座標にマッピングするステップと、プロセッサによって、更新されたモデル体積を生成するステップと、更新されたモデル体積の座標は、モデル体積の表面のマッピングを使用してモデル体積の座標を一組の空間座標に変換することによって生成され、プロセッサによって、更新されたモデル体積を記録するステップと、を含む。
【００４５】
ある実施形態において、更新されたモデル体積は、制限された手術可能な体積であり、外科器具の終点が、制限された手術可能な体積内に一時的に制限される。
【００４６】
ある実施形態において、モデル体積は、座標マッピングを使用して医用画像データから生成される。
【００４７】
ある実施形態において、本方法は、プロセッサによって、更新されたモデル体積（例えば、除去される骨の一部のモデル）を受信することと、記憶されたモデル体積は、第１のロボット座標システム内で表され、プロセッサによって、第２のロボット座標システムにおいて表された、更新された座標マッピングを受信することと、プロセッサによって、第１のロボット座標システムを第２のロボット座標システムにマッピングすることと、プロセッサによって、第１のロボット座標システムと第２のロボット座標システムとの間のマッピングを使用して、更新されたモデル体積の座標を第２のロボット座標システムにおいて表された更新された座標に変換することによって第２の更新されたモデル体積を生成することと、プロセッサによって、第２の更新されたモデル体積を記録することと、を含む。
【００４８】
一態様において、開示された技術は、ロボット外科手術システムのロボットアームのエンドエフェクタに取り付けられた外科器具が操作され得る、手術可能な体積を画定するためのシステムを含み、システムは、それに取り付けられた器具を有する、エンドエフェクタを備えるロボットアームと、ロボットアームに直接または間接的に取り付けられた（例えば、力センサは器具とロボットアームとの間に位置付けされる）力センサと、プロセッサ及び内部に命令を記憶させたメモリと、を備え、命令が、プロセッサによって実行されたとき、プロセッサに、エンドエフェクタの（例えば、患者に向かう）移動によって促された力センサからの触覚フィードバックを受信することと、触覚フィードバックが、器具の、（例えば、ある特定の密度またはある特定の機械的特性を有する）材料との接触に対応することを、（例えば、少なくとも閾値を超える触覚フィードバックの大きさに基づいて）（例えば加えて、器具の少なくとも１つのポイントの配置に基づいて）（例えば、材料が骨である）判定することと、一組の空間座標を判定することであって、一組の空間座標が、（例えば、エンドエフェクタの位置に対する）ロボット座標システムを使用して表された、器具の材料との各接触のための空間座標を含み、各空間座標が、体積の表面上のポイント（例えば、骨の表面上のポイント）に対応する、判定することと、ユーザにより選択されたモデル体積（例えば、除去される骨の一部のモデル）を受信することであって、モデル体積が、ロボット座標システムで表される、受信することと、モデル体積の表面を一組の空間座標にマッピングすることと、更新されたモデル体積を生成することであって、更新されたモデル体積の座標が、モデル体積の表面のマッピングを使用してモデル体積の座標を一組の空間座標に変換することによって生成される、生成することと、更新されたモデル体積を記憶することと、を行わせる。
【００４９】
ある実施形態において、更新されたモデル体積は、制限された手術可能な体積であり、外科器具の終点が、制限された手術可能な体積内に一時的に制限される。
【００５０】
ある実施形態において、モデル体積は、座標マッピングを使用して医用画像データから生成される。
【００５１】
ある実施形態において、命令が、プロセッサによって実行されたとき、プロセッサに、更新されたモデル体積（例えば、除去される骨の一部のモデル）を受信することであって、記憶されたモデル体積が、第１のロボット座標システム内で表される、受信することと、第２のロボット座標システムにおいて表された、更新された座標マッピングを受信することと、第１のロボット座標システムを第２のロボット座標システムにマッピングすることと、第１のロボット座標システムと第２のロボット座標システムとの間のマッピングを使用して、更新されたモデル体積の座標を第２のロボット座標システムにおいて表された更新された座標に変換することによって第２の更新されたモデル体積を生成することと、第２の更新されたモデル体積を記憶することと、を行わせる。
【００５２】
一態様において、開示された技術は、ロボット補助付きの外科処置中のナビゲーションのために、患者の解剖学的構造に対してロボットアームに取り付けられた外科器具の位置を表示する方法を含み、方法は、計算デバイスのプロセッサによって、外科ツールの終点の配置（例えば、終点の配置は、プロセッサによって、既知の（例えば、記憶された）ロボットアームの配置と終点との距離を使用して判定される）を受信することと、配置は、ロボット座標システムにおいて表され、プロセッサによって、ロボット座標システムと医用画像データ座標システムとの間の座標マッピング（例えば、変換アレイまたは変換マトリクス）を受信することと、プロセッサによって、終点の変換後の配置が医用画像データ座標システム内で表されるように、座標マッピングを使用して終点の配置を変換することと、プロセッサによって、終点の変換後の配置を含むレンダリングデータを生成することと、プロセッサによって、レンダリングデータを出力することと、を含み、レンダリングデータの表示は、患者の解剖学的構造の表現及び終点の配置の表現を含み、患者の解剖学的構造の表現上のポイントと終点の表現との間のシミュレート後の距離は、終点と患者の解剖学的構造の対応するポイントとの間の空間的距離に比例する。
【００５３】
ある実施形態において、患者の解剖学的構造の表現に対応するレンダリングデータは、医用画像データから生成された医用画像データ座標から生成され、医用画像データ座標は、医用画像データ座標システムにおいて表される。
【００５４】
一態様において、開示された技術は、ロボット補助付きの外科処置中のナビゲーションのために、患者の解剖学的構造に対してロボットアームに取り付けられた外科器具の一部を表示するシステムを含み、システムは、それに取り付けられた器具を有する、エンドエフェクタを備えるロボットアームと、ロボットアームに直接または間接的に取り付けられた（例えば、力センサは器具とロボットアームとの間に位置付けされる）力センサと、プロセッサ及び内部に命令を記憶させたメモリと、を備え、命令が、プロセッサによって実行されたとき、プロセッサに、外科ツールの終点の配置（例えば、終点の配置は、プロセッサによって、既知の（例えば、記憶された）ロボットアームの配置と終点との距離を使用して判定される）を受信することと、配置は、ロボット座標システムにおいて表され、ロボット座標システムと医用画像データ座標システムとの間の座標マッピング（例えば、変換アレイまたは変換マトリクス）を受信することと、終点の変換後の配置が医用画像データ座標システム内で表されるように、座標マッピングを使用して終点の配置を変換することと、終点の変換後の配置を含むレンダリングデータを生成することと、レンダリングデータを出力することと、をもたらし、レンダリングデータの表示は、患者の解剖学的構造の表現及び終点の配置の表現を含み、患者の解剖学的構造の表現上のポイントと終点の表現との間のシミュレート後の距離は、終点と患者の解剖学的構造の対応するポイントとの間の空間的距離に比例する。
【００５５】
ある実施形態において、患者の解剖学的構造の表現に対応するレンダリングデータは、医用画像データから生成された医用画像データ座標から生成され、医用画像データ座標は、医用画像データ座標システムにおいて表される。
【００５６】
一態様において、開示された技術は、１つ以上の器具で体積除去手術を実行する方法を含み、１つ以上の器具は、ロボット外科手術システムのロボットアームのエンドエフェクタに取り付けることによって使用され、本方法は、ロボット座標システム内に患者の解剖学的構造のモデルを表すために、患者の解剖学的構造を位置合わせすることと、患者の解剖学的構造の第１の体積の除去に続いて、複数の配置においてエンドエフェクタに取り付けられた器具を患者の解剖学的構造に接触させることと、接触は、ロボットアームに直接または間接的に取り付けられた力センサからの触覚フィードバックによって判定され、触覚フィードバックは、（例えば、患者に向かう）エンドエフェクタの移動によって促され、接触された複数の配置に対応する空間座標を使用して、除去された患者の解剖学的構造の第１の体積に対応するモデルの一部を決定することによって、患者の解剖学的構造のモデルを更新することと、任意で、複数の再位置合わせ配置を器具と接触させることによって患者の解剖学的構造を再位置合わせすることと、接触は、ロボットアームに直接または間接的に取り付けられた力センサからの触覚フィードバックによって判定され、触覚フィードバックは、（例えば、患者に向かう）エンドエフェクタの動きによって促され、患者の解剖学的構造のモデルにおける座標は、再位置合わせに基づく新しいロボット座標システム内で表されるように変換され手術可能な体積を画定することと、手術可能な体積は、ロボット座標システムまたは新しいロボット座標システム（例えば、再位置合わせステップが実行される場合）のいずれかにおいて表され、外科器具の予め画定された終点が第２の体積の除去期間の間、手術可能な体積内に制限されるようにロボットアームを操作することと、のステップを含む。
【００５７】
ある実施形態において、位置合わせステップは、計算デバイスのプロセッサによって、（例えば、患者に向かう）エンドエフェクタの移動によって促された、ロボットアームに直接または間接的に取り付けられた力センサからの触覚フィードバックを受信することと、プロセッサによって、触覚フィードバックが、器具の、（例えば、ある特定の密度またはある特定の機械的特性を有する）材料との接触に対応することを（例えば、少なくとも閾値を超える触覚フィードバックの大きさに基づいて）（例えば加えて、器具の少なくとも１つのポイントの配置に基づいて）（例えば、材料が骨である）判定することと、プロセッサによって、一組の空間座標を判定することと、一組の空間座標が、（例えば、エンドエフェクタの位置に対する）ロボット座標システムを使用して表された、器具の材料との各接触のための空間座標を含み、各空間座標が、解剖学的構造体積の表面上のポイント（例えば、骨の表面上のポイント）に対応し、プロセッサによって、（例えば、断層撮影患者データ（例えば、ＣＴデータ、ＭＲＩデータ）から判定された）患者の解剖学的構造の表面に対応する医用画像データ座標システムを使用して表された一組の医用画像データ座標を受信することと、プロセッサによって、一組の空間座標に対応する表面を、（例えば、変換アレイまたは変換マトリクスを生成することによって）一組の医用画像データ座標に対応する患者の解剖学的構造の表面に（例えば、面合わせを使用して）マッピングすることと、プロセッサによって、一組の空間座標に対応する表面と、一組の医用画像データ座標に対応する表面との間のマッピングに基づいて、ロボット座標システムと医用画像データ座標システムとの間の座標マッピングを生成することと、プロセッサによって、（例えば、外科処置中の外科医によるナビゲーション使用のために）座標マッピングを記憶することと、を含む。
【００５８】
ある実施形態において、本方法は、プロセッサによって、表示用のレンダリングデータを出力することのステップを含み、レンダリングデータは、部材の位置の表現及び座標マッピングに基づく医用画像データの少なくとも一部に対応し、部材は、エンドエフェクタ、器具、及び外科器具からなる群から選択される。ある実施形態において、本方法は、プロセッサによって、エンドエフェクタの位置における変更に基づきレンダリングデータを修正することによって新しいレンダリングデータを生成することと、プロセッサによって、新しいレンダリングデータを表示用に出力することと、を含む。
【００５９】
ある実施形態において、基準マーカーは、材料を含む（例えば、空間座標が基準マーカーと患者の解剖学的構造との間の空間関係を使用して判定されるように、エンドエフェクタが既知のサイズ及び形状を有する基準マーカーと接触する）。
【００６０】
ある実施形態において、ロボットアームは、能動的であり、逆駆動不可能である。
【００６１】
ある実施形態において、ロボット外科手術システムは、プロセッサを含む。
【００６２】
ある実施形態において、本発明は、プロセッサによって、患者の解剖学的構造モデルを記憶することを含み、患者の解剖学的構造モデルは、ロボット座標システムにおいて表された患者の解剖学的構造の表面によって画定される。
【００６３】
ある実施形態において、更新ステップは、プロセッサによって、一組の空間座標を判定することと、一組の空間座標が、（例えば、エンドエフェクタの位置に対する）ロボット座標システムを使用して表された、器具の材料との各接触のための空間座標を含み、各空間座標が、解剖学的構造体積の表面上のポイント（例えば、骨の表面上のポイント）に対応し、プロセッサによって、患者の解剖学的構造の体積の表面に対応する一組の医用画像データ座標を受信することと、一組の医用画像データ座標内の各医用画像データ座標は、医用画像データ座標システムを使用して表され、プロセッサによって、ロボット座標システムと医用画像データ座標システムとの間の座標マッピング（例えば、変換アレイまたは変換マトリクス）を受信することと、プロセッサによって、一組の医用画像データ座標及び座標マッピングに基づき患者の解剖学的構造の体積の表面内部のポイントに対応する、一組の空間座標における１つ以上の内部空間座標を判定することと、プロセッサによって、１つ以上の内部空間座標を使用して除去された患者の解剖学的構造の体積の一部を判定することと、プロセッサによって、一組の内部医用画像データ座標を生成することと、一組の内部医用画像データ座標が、座標マッピングを使用して１つ以上の各内部空間座標のための内部医用画像データ座標を含み、プロセッサによって、一組の医用画像データ座標によって画定された第１の体積が、修正された一組の医用画像データ座標によって画定された第２の体積よりも大きくなるように、一組の内部医用画像データ座標で患者の解剖学的構造の体積の表面を画定する一組の医用画像データ座標を修正することと、プロセッサによって、（例えば、外科医に表示するために）修正された一組の医用画像データ座標を記憶し、それにより患者の解剖学的構造のモデルを更新することと、を含む。
【００６４】
ある実施形態において、画定ステップは、計算デバイスのプロセッサによって、（例えば、患者に向かう）エンドエフェクタの移動によって促された、ロボットアームに直接または間接的に取り付けられた力センサからの触覚フィードバックを受信することと、プロセッサによって、触覚フィードバックが、器具の、（例えば、ある特定の密度またはある特定の機械的特性を有する）材料との接触に対応することを（例えば、少なくとも閾値を超える触覚フィードバックの大きさに基づいて）（例えば加えて、器具の少なくとも１つのポイントの配置に基づいて）（例えば、材料が骨である）判定することと、プロセッサによって、一組の空間座標を判定することと、一組の空間座標が、（例えば、エンドエフェクタの位置に対する）ロボット座標システムを使用して表された、器具の材料との各接触のための空間座標を含み、各空間座標が、解剖学的構造体積の表面上のポイント（例えば、骨の表面上のポイント）に対応し、プロセッサによって、ユーザにより選択されたモデル体積（例えば、除去される骨の一部のモデル）を受信することと、モデル体積は、ロボット座標システムで表され、プロセッサによって、モデル体積の表面を一組の空間座標にマッピングすることと、プロセッサによって、更新されたモデル体積を生成することと、更新されたモデル体積の座標は、モデル体積の表面のマッピングを使用してモデル体積の座標を一組の空間座標に変換することによって生成され、プロセッサによって、更新されたモデル体積を記録することと、を含む。
【００６５】
ある実施形態において、更新されたモデル体積は、制限された手術可能な体積であり、外科器具の終点が、制限された手術可能な体積内に一時的に制限される。
【００６６】
ある実施形態において、モデル体積は、座標マッピングを使用して医用画像データから生成される。
【００６７】
ある実施形態において、本方法は、プロセッサによって、更新されたモデル体積（例えば、除去される骨の一部のモデル）を受信することと、記憶されたモデル体積は、第１のロボット座標システム内で表され、プロセッサによって、第２のロボット座標システムにおいて表された、更新された座標マッピングを受信することと、プロセッサによって、第１のロボット座標システムを第２のロボット座標システムにマッピングすることと、プロセッサによって、第１のロボット座標システムと第２のロボット座標システムとの間のマッピングを使用して、更新されたモデル体積の座標を第２のロボット座標システムにおいて表された更新された座標に変換することによって第２の更新されたモデル体積を生成することと、プロセッサによって、第２の更新されたモデル体積を記録することと、を含む。
【００６８】
ある実施形態において、再位置合わせステップは、計算デバイスのプロセッサによって、（例えば、患者に向かう）エンドエフェクタの移動によって促された、ロボットアームに直接または間接的に取り付けられた力センサからの触覚フィードバックを受信することと、プロセッサによって、触覚フィードバックが、器具の、（例えば、ある特定の密度またはある特定の機械的特性を有する）材料との接触に対応することを（例えば、少なくとも閾値を超える触覚フィードバックの大きさに基づいて）（例えば加えて、器具の少なくとも１つのポイントの配置に基づいて）（例えば、材料が骨である）判定することと、プロセッサによって、一組の空間座標を判定することと、ここにおいて、一組の空間座標が、（例えば、エンドエフェクタの位置に対する）ロボット座標システムを使用して表された、器具の材料との各接触のための空間座標を含み、各空間座標が、解剖学的構造体積の表面上のポイント（例えば、骨の表面上のポイント）に対応し、プロセッサによって、ロボット座標システムと医用画像データ座標システムとの間の座標マッピング（例えば、変換アレイまたは変換マトリクス）を受信することと、ここにおいて、ロボット座標システムがエンドエフェクタの物理的な座標システムに対応し、プロセッサによって、一組の空間座標に対応する表面のマッピングに基づく座標マッピングを更新することと、プロセッサによって、（例えば、外科処置中の外科医による使用の際に、正確なナビゲーションモデルを提供するために）更新された座標マッピングを記憶し、患者の解剖学的構造を再位置合わせすることと、を含む。
【００６９】
ある実施形態において、マッピングは、面合わせを使用して生成される。
【００７０】
ある実施形態において、更新ステップは、プロセッサによって、患者の解剖学的構造の体積の表面を画定している一組の医用画像モデリング座標を、座標マッピングを使用して変換することによって判定することと、ここにおいて、一組のモデリング座標が、ロボット座標システムにおいて表され、体積の表面の予想配置を画定し、一組の医用画像モデリング座標が、医用画像データから生成され、プロセッサによって、一組の空間座標に対応する表面を、（例えば、変換アレイまたは変換マトリクスを生成することによって）一組の医用画像データ座標に対応する患者の解剖学的構造の表面に（例えば、面合わせを使用して）マッピングすることと、プロセッサによって、一組の空間座標に対応する表面を一組のモデリング座標にマッピングすることに基づき座標マッピングを更新することと、を含む。
【００７１】
ある実施形態において、更新ステップは、プロセッサによって、一組のモデリング座標を受信することと、一組のモデリング座標が、ロボット座標システム内で表され、患者の解剖学的構造の体積の表面を画定し、プロセッサによって、一組の空間座標に対応する表面を、（例えば、変換アレイまたは変換マトリクスを生成することによって）一組の医用画像データ座標に対応する患者の解剖学的構造の表面に（例えば、面合わせを使用して）マッピングすることと、プロセッサによって、一組の空間座標に対応する表面を一組のモデリング座標にマッピングすることに基づき座標マッピングを更新することと、を含む。
【００７２】
別の態様において、開示された技術は、ロボット外科手術システムのロボットアームのエンドエフェクタに取り付けられた外科器具が操作され得る手術可能な体積を更新する方法を含み、本方法は、プロセッサによって、座標を含む記憶されたモデル体積（例えば、除去される骨の一部のモデル）を受信するステップと、プロセッサによって、第２のロボット座標システム内で表された更新された座標マッピングを受信するステップと、プロセッサによって、更新された座標マッピングを使用して、記憶されたモデル体積の各座標を第２のロボット座標システム内で表されるために変換するステップと、プロセッサによって、変換された座標を含む更新されたモデル体積を記憶するステップと、を含む。
定義
本開示をより容易に理解されるように、本明細書において使用されたある特定の用語が、以下に定義される。以下の用語及びその他の用語のための付加的な定義は、明細書を通して説明され得る。
【００７３】
本アプリケーションにおいて、「ｏｒ」の使用は、別の記述がない限り「ａｎｄ／ｏｒ」を意味する。本アプリケーション内で使用されるように、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ」及び「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」ならびに「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」などのこの用語の変化形は、他の添加物、構成部品、整数、またはステップを除外することを意図しない。本アプリケーション内で使用されるように、用語「ａｂｏｕｔ」及び「ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ」は、同義語として使用される。ａｂｏｕｔ／ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙの有無にかかわらす本アプリケーションにおいて使用されるいずれの数値は、当業者のうちの一人によって理解されたいずれの通常の変動をカバーすることを意図されている。ある実施形態において、用語「ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ」または「ａｂｏｕｔ」は、別に記述がない限り、また文脈から他に明らかである限り（その数が可能な数の１００％を超える場合を除き）、いずれの方向において、述べられた参照値の２５％、２０％、１９％、１８％、１７％、１６％、１５％、１４％、１３％、１２％、１１％、１０％、９％、８％、７％、６％、５％、４％、３％、２％、１％以下（超または未満）内にある値の範囲に言及する。
【００７４】
マッピング、本明細書において使用されるように、「マッピング」は、二組の座標または二組の座標に対応するデータの間に関数を確立することを指す。二組の間の関数は、離散または連続となり得る。マッピングは、１つの座標システム内で記録及び／または記憶された座標が、別の座標システム内の座標に変換されることを可能とし、逆もまた同様に可能とする。同様の座標システム内で表された二組の座標は、同様に互いにマッピングされ得る。マップまたはマッピングは、データのアレイまたはマトリクスとして、コンピュータ可読媒体上で記憶され得る。ある実施形態において、マップまたはマッピングは、コンピュータ可読媒体上のアレイとして記憶された線形変換である。ある実施形態において、マップまたはマッピングは、座標システム間で変換するために使用される。ある実施形態において、座標システムは、デカルトである。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの座標システムは、非デカルトである。マッピングは、最適化された関数となり得、マッピングは、マッピング方法（例えば、面合わせ）に従う最小エラー、または閾値以下のエラーの関数を提示する。ある実施形態において、マッピングは、面合わせを含む。本明細書において、「マップ」及び「マッピング」は、互換性をもって使用される。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
図面は、本明細書において、例示の目的で存在し、限定するためではない。本発明の前述のならびに他の目的、態様、特徴、及び利点は、より明らかとなり、添付の図面とともに以下の説明を参照することによってよりよく理解され得るはずである。
【図１】本発明の例示的な実施形態に従って、手術室内のロボット外科手術システムの図である。
【図２】本発明の例示的な実施形態に従って、外科処置においてロボットベースのナビゲーションを有するロボット外科手術システムの使用の図である。
【図３】本発明の例示的な実施形態に従って、外科処置の補助をするためにロボット外科手術システムを使用するプロセスの図である。
【図４】本発明の例示的な実施形態に従って、画像作成プロセスのための様々なオプションの図である。
【図５Ａ】本発明の例示的な実施形態に従って、力センサ実装の図である。
【図５Ｂ】本発明の例示的な実施形態に従って、力センサ実装の図である。
【図５Ｃ】本発明の例示的な実施形態に従って、力センサ実装の図である。
【図６】本発明の例示的な実施形態に従って、外科器具の図である。
【図７Ａ】本発明の例示的な実施形態に従って、外科用ドリル内で統合された力センサの実装の図である。
【図７Ｂ】本発明の例示的な実施形態に従って、外科用ドリル内で統合された力センサの実装の図である。
【図７Ｃ】本発明の例示的な実施形態に従って、外科用ドリル内で統合された力センサの実装の図である。
【図７Ｄ】本発明の例示的な実施形態に従って、外科用ドリル内で統合された力センサの実装の図である。
【図８】本発明の例示的な実施形態に従って、目標の解剖学的構造の位置を判定するためのプロセスの図である。
【図９】本発明の例示的な実施形態に従って、例示的な機械的マーカーの図である。
【図１０】本発明の例示的な実施形態に従って、自動再位置合わせに基づく目標の解剖学的構造の位置を判定するためのプロセスの図である。
【図１１】本発明の例示的な実施形態に従って、操作者へのフィードバックをレンダリングするためのプロセスの図である。
【図１２】本発明の例示的な実施形態に従って、器具を追跡するためのプロセスの図である。
【図１３】本発明の例示的な実施形態に従って、器具をガイドするためのプロセスの図である。
【図１４】本発明の例示的な実施形態に従って、ロボット外科手術システム及びロボットナビゲーションを使用して、患者の脊椎上で外科処置を実行する方法の間の、患者の解剖学的構造及び外科的ロボットシステムの図である。
【図１５】本発明の例示的な実施形態に従って、ロボット外科手術システム及びロボットナビゲーションを使用して、患者の脊椎上で外科処置を実行する方法の間の、患者の解剖学的構造及び外科的ロボットシステムの図である。
【図１６】本発明の例示的な実施形態に従って、ロボット外科手術システム及びロボットナビゲーションを使用して、患者の脊椎上で外科処置を実行する方法の間の、患者の解剖学的構造及び外科的ロボットシステムの図である。
【図１７】本発明の例示的な実施形態に従って、ロボット外科手術システム及びロボットナビゲーションを使用して、患者の脊椎上で外科処置を実行する方法の間の、患者の解剖学的構造及び外科的ロボットシステムの図である。
【図１８】本発明の例示的な実施形態に従って、ロボット外科手術システム及びロボットナビゲーションを使用して、患者の脊椎上で外科処置を実行する方法の間の、患者の解剖学的構造及び外科的ロボットシステムの図である。
【図１９】本発明の例示的な実施形態に従って、ロボット外科手術システム及びロボットナビゲーションを使用して、患者の脊椎上で外科処置を実行する方法の間の、患者の解剖学的構造及び外科的ロボットシステムの図である。
【図２０】本発明の例示的な実施形態に従って、ロボット外科手術システム及びロボットナビゲーションを使用して、患者の脊椎上で外科処置を実行する方法の間の、患者の解剖学的構造及び外科的ロボットシステムの図である。
【図２１】本発明の例示的な実施形態に従って、ロボット外科手術システム及びロボットナビゲーションを使用して、患者の脊椎上で外科処置を実行する方法の間の、患者の解剖学的構造及び外科的ロボットシステムの図である。
【図２２】本発明の例示的な実施形態に従って、ロボット外科手術システム及びロボットナビゲーションを使用して、患者の脊椎上で外科処置を実行する方法の間の、患者の解剖学的構造及び外科的ロボットシステムの図である。
【図２３】本発明の例示的な実施形態に従って、ロボット外科手術システム及びロボットナビゲーションを使用して、患者の脊椎上で外科処置を実行する方法の間の、患者の解剖学的構造及び外科的ロボットシステムの図である。
【図２４】本発明の例示的な実施形態に従って、ロボット外科手術システム及びロボットナビゲーションを使用して、患者の脊椎上で外科処置を実行する方法の間の、患者の解剖学的構造及び外科的ロボットシステムの図である。
【図２５】本発明の例示的な実施形態に従って、ロボット外科手術システム及びロボットナビゲーションを使用して、患者の脊椎上で外科処置を実行する方法の間の、患者の解剖学的構造及び外科的ロボットシステムの図である。
【図２６】本発明の例示的な実施形態に従って、ロボット外科手術システム及びロボットナビゲーションを使用して、患者の脊椎上で外科処置を実行する方法の間の、患者の解剖学的構造及び外科的ロボットシステムの図である。
【図２７】本発明の例示的な実施形態に従って、ロボット外科手術システム及びロボットナビゲーションを使用して、患者の脊椎上で外科処置を実行する方法の間の、患者の解剖学的構造及び外科的ロボットシステムの図である。
【図２８】本発明の例示的な実施形態に従って、ロボット外科手術システム及びロボットナビゲーションを使用して、患者の脊椎上で外科処置を実行する方法の間の、患者の解剖学的構造及び外科的ロボットシステムの図である。
【図２９】本発明の例示的な実施形態に従って、ロボット外科手術システム及びロボットナビゲーションを使用して、患者の脊椎上で外科処置を実行する方法の間の、患者の解剖学的構造及び外科的ロボットシステムの図である。
【図３０】本発明の例示的な実施形態に従って、ロボット外科手術システム及びロボットナビゲーションを使用して、患者の脊椎上で外科処置を実行する方法の間の、患者の解剖学的構造及び外科的ロボットシステムの図である。
【図３１】本発明の例示的な実施形態に従って、ロボット外科手術システム及びロボットナビゲーションを使用して、患者の脊椎上で外科処置を実行する方法の間の、患者の解剖学的構造及び外科的ロボットシステムの図である。
【図３２】本発明の例示的な実施形態に従って、ロボット外科手術システム及びロボットナビゲーションを使用して、患者の脊椎上で外科処置を実行する方法の間の、患者の解剖学的構造及び外科的ロボットシステムの図である。
【図３３】本発明の例示的な実施形態に従って、ロボット外科手術システム及びロボットナビゲーションを使用して、患者の脊椎上で外科処置を実行する方法の間の、患者の解剖学的構造及び外科的ロボットシステムの図である。
【図３４】本発明の例示的な実施形態に従って、ロボット外科手術システム及びロボットナビゲーションを使用して、患者の脊椎上で外科処置を実行する方法の間の、患者の解剖学的構造及び外科的ロボットシステムの図である。
【図３５】本発明の例示的な実施形態に従って、ロボット外科手術システム及びロボットナビゲーションを使用して、患者の脊椎上で外科処置を実行する方法の間の、患者の解剖学的構造及び外科的ロボットシステムの図である。
【図３６】本発明の例示的な実施形態に従って、例示的なクラウド計算環境のブロック図を示す。
【図３７】本発明の例示的な実施形態に従って、計算デバイスのブロック図及び移動式計算デバイスである。
【図３８】本発明の例示的な実施形態に従って、例示的なロボット外科手術システムの図である。
【発明を実施するための形態】
【００７６】
請求された発明のシステム、デバイス、方法、及びプロセスは、本明細書において記載された実施形態からの情報を使用して進展した変化及び適応を包含すると考えられる。本明細書において記載されたシステム、デバイス、方法、及びプロセスの適合及び／または修正は、当業者によって実行され得る。
【００７７】
説明を通して、物品、デバイス、及びシステムが特定の構成部品を有する、含む、または備えるとして記載される場合、もしくはプロセス及び方法が、特定のステップを有する、含む、または備えるとして記載される場合、付加的に、本発明の物品、デバイス及びシステムが引用された構成部品から主体としてなる、または構成部品からなる、及び本発明に従うプロセス及び方法が引用されたプロセスのステップから主体としてなる、またはプロセスのステップからなることが考えられる。
【００７８】
ステップの順序またはある特定の行動を実行するための順序は、本発明が操作可能である限り重要ではないということが理解されるはずである。さらに、２つ以上のステップまたは行動は、同時に行われ得る。
【００７９】
本明細書の、例えば、背景部におけるいずれの公開の言及も、本明細書において提示されたいずれの請求項に関して先行技術として公開されたことの許可ではない。背景部は、明示目的のために提示されており、いずれの請求項に関する先行技術の記載を意図するものではない。ヘッダーは、読者の利便性のために提供され、請求された主題に関して限定するように意図するものではない。
【００８０】
図１は、手術室１００内の例示的なロボット外科手術システムを示す。いくつかの実装において、一人以上の外科医、外科助手、外科技術者、及び／またはその他の検査助手（１０６ａ〜ｃ）が、ロボット補助外科システムを使用して、患者１０４への手術を実行する。手術室において、外科医は、手術を正確に遂行するためにロボットシステムによってガイドされ得る。このことは、ツール（例えば、ドリルまたはねじ）の適切な軌道を確実にすることを含む、外科ツールのロボットガイドによって達成され得る。いくつかの実装において、外科医は、わずかな手術前計画で、または手術前計画なしで、手術中に軌道を画定する。システムは、外科医が、外科処置の重大なステップを実行するためのツールの適切な調整を安全に達成するために、ツールホルダーを物理的に操作することを可能とする。力制御モードにおける外科医（または他の操作者）によるロボットアームの操作は、ツールを外科医の予想外な、小さな動きも無視する、測定された、均一な様式でツールの移動を許可する。外科医は、手術または患者の中へツールを挿入する前に、ツール（例えば、ドリルまたはねじ）の適切な軌道を達成するためにツールホルダーを移動する。ロボットアームが所望の位置にあると、アームは所望の軌道を維持するために固定される。ツールホルダーは、ツールが正確な角度でその中を通って移動または摺動され得る安定し、安全なガイドとして作用する。そのため、開示された技術は、外科医に、彼または彼女の手術をうまく実行するための信頼できる器具及び技巧を備える。
【００８１】
いくつかの実施形態において、手術は、椎間板切除、椎間孔拡大、椎弓切除、または脊椎融合などの、脊髄手術となり得る。いくつかの実装において、外科ロボットシステムは、移動カート上の外科ロボット１０２を含む。外科ロボット１０２は、手術台に取り付けられることなく手術台１１２に近接して位置決めされ得、それにより手術台の周りで外科医に最大の手術領域と可動性を提供し、手術台上の混乱も削減する。代替的な実施形態において、外科ロボット（またはカート）は、手術台に固定可能である。ある実施形態において、手術台及びカートの両方が、共通の基部に個性され、地面のかすかな揺れのような事象においてさえ、互いの関係においてカートまたは台のいずれの移動も防ぐ。
【００８２】
移動カートは、手術室内の検査助手、看護師、外科医、またはいずれの他の医療関係者などの、ユーザ（操作者）１０６ａが、外科ロボット１０２を外科処置前、外科処置中、及び／または外科処置後に異なる配置に移動させることを可能とし得る。移動カートは、外科ロボット１０２が手術室１００内外に容易に運ばれることを可能とする。例えば、ユーザ１０６ａは、保管配置から手術室内へ外科ロボットを移動することができる。いくつかの実装において、移動カートは、連続トラック推進システム、またはカートの移行のための他の類似の可動性システムなどの、車輪、軌道システムを含み得る。移動カートは、操作者による移動カートの運動のために取り付けられまたは埋め込まれたハンドルを含み得る。
【００８３】
安全性理由のため、移動カートは、外科処置が外科ロボットで実行される間に使用され得る、安定化システムを備えることができる。安定化システムは、外科処置の正確性を確実なものとするために床に対する移動カートの全体的な剛性を高める。いくつかの実装において、車輪は、カートの移動を防止する係止システムを含む。安定化、制動、及び／または係止システムは、機械の電源が入るとき活性化され得る。いくつかの実装において、移動カートは、複合的な安定化、制動、及び／または係止システムを含む。いくつかの実装において、安定化システムは、電子起動を有する電気機械である。安定化、制動、及び／または係止システム（複数可）は、全体に機械的となり得る。安定化、制動、及び／または係止システム（複数可）は、電子的に活性化、及び不活性化され得る。
【００８４】
いくつかの実装において、外科ロボット１０２は、移動カートに取り付けられたロボットアームを含む。アクチュエータは、ロボットアームを移動させ得る。ロボットアームは、外科ツールを保持するように構成された力制御エンドエフェクタを含み得る。ロボットは、少なくとも４つの自由度（例えば、６つの自由度、３つの移動、及び３つの回転）を有するエンドエフェクタの位置決め及び／または移動を、制御及び／または可能とするように構成され得る。
【００８５】
いくつかの実装において、ロボットアームは、外科ツールが除去され、第２の外科ツールに取って代わられることを可能とするように、外科ツールを開放可能に保持するように構成される。システムは、外科ツールが再位置合わせ無しで、またはエンドエフェクタの位置の自動または半自動再位置合わせを有して交換されることを可能とし得る。
【００８６】
いくつかの実装において、外科システムは、外科ロボット１０２、患者及び外科ロボット１０２の異なる構成部品の位置をキャプチャする、トラッキング検出器１０８、及び、例えばリアルタイムの患者のデータ、及び／またはリアルタイムの外科ロボットの軌道を表示する表示スクリーン１１０を含む。
【００８７】
いくつかの実装において、トラッキング検出器１０８は、患者１０４及び外科ロボット１０２の配置を監視する。トラッキング検出器は、カメラ、ビデオカメラ、赤外線検出器、電磁気トラッキング用磁場発生器及びセンサ、またはいずれの他の動作検出装置となり得る。いくつかの実装において、患者及びロボットの位置に基づき、表示スクリーンは、患者の手術配置の現在の配置からロボット１０２のロボットアームのための投影された軌道及び／または提案された軌道を表示する。トラッキング検出器１０８を使用して、患者及びロボットアームの位置を連続して監視することによって、外科システムは、更新された軌道を計算することができ、外科ロボットを使用している手術室内の外科医及び／または検査助手に知らせ、ガイドするために、表示スクリーン１１０上にこれらの軌道を視覚的に表示することができる。加えて、ある実施形態において、外科ロボット１０２はまた、トラッキング検出器１０８を使用してキャプチャされたリアルタイムの患者及びロボットアームの位置から計算された軌道に基づいて、その位置を変更し、それ自身も自動的に位置決めし得る。例えば、エンドエフェクタの軌道は、外科処置中の患者の脊椎または他の部分の動きを把握するために、リアルタイムで自動的に調整され得る。開示された技術は、処置（例えば、外科処置、例えば、脊髄手術）中の患者の位置（例えば、患者の脊椎の位置）のリアルタイムで動的な再位置合わせのためのロボットベースのナビゲーションシステムを含む。例示的なロボット外科手術システムは、図３８において示される。ロボット外科手術システム３８００は、ロボットアーム３８０２を含む。ロボットアームは、３、４、５、６、または７つの自由度を有することができる。ロボットアーム３８０２は、エンドエフェクタ３８０４を有する。ある実施形態において、ロボットアーム３８０２は、外科処置中のエンドエフェクタ３８０４及び／または外科器具の位置を動的に追跡するための位置センサ３８０６を含む。加えて、外科器具の１つ以上のポイントは、例えば、少なくとも１００Ｈｚ、２５０Ｈｚ以上、５００Ｈｚ以上、または１０００Ｈｚ以上（例えば、毎秒の位置決定）のレートで動的に追跡され得る。ある実施形態において、システム３８００は、力フィードバックサブシステム３８０８を含む。力フィードバックサブシステム３８０８は、エンドエフェクタまたはエンドエフェクタの器具ホルダー内に挿入された外科器具を操作しているユーザに、触覚を届けるためのセンサ（複数可）、アクチュエータ（複数可）、コントローラ（複数可）、サーボ（複数可）、及び／または他の機構を含むことができる。力フィードバックサブシステム３８０８は、患者の組織に接触し、抗して移動し、貫通し、及び／または中で移動する外科器具によって引き起こされた抵抗力を検出することができる。さらに、力フィードバックサブシステム３８０８は、接触された組織の種類を識別すること（例えば、接触された組織が抵抗閾値に達するまたは超えるとき、例えば、前記組織が骨のときに判定すること）ができる。力フィードバックサブシステム３８０８はまた、操作者によって届けられた力を検出することができる。例えば、外科器具及び、したがって、エンドエフェクタの移動をもたらす、エンドエフェクタの外科器具ホルダー内に挿入された外科器具の直接操作によって届けられた力を検出することができる。力フィードバックサブシステム３８０８は、操作者によって届けられた力と、患者の組織に対する外科器具の移動によってもたらされた抵抗力とをさらに識別することができる。このことは、操作者が、システムに力を適用すると同時に、外科器具が患者の組織に接触することによる（例えば、触覚フィードバックを介した）抵抗を感じることの両方を可能とする。ある実施形態において、ロボット外科手術システム３８００は、処置中に操作者への妨げられない視覚フィードバックを可能とするために、操作者（例えば、外科医）によって直接操作されているロボットアームに対して取り付けられ、その中に埋め込まれ、またはそれ以外の様式で位置付けられるディスプレイ３８１０を含む。操作者がシステムを使用するとき、システムは、患者の脊椎などの、目標の体積の初期位置合わせに、まずアクセスする（例えば、ディスプレイ上で図式的にレンダリングする）。このことは、ＭＲＩ、ＣＴ、Ｘ線、ＳＰＥＣＴ、超音波、などを含む、患者の医用画像を使用して達成され得る。これらの画像は、手術前または手術中に獲得され得る。手術者がエンドエフェクタの位置を移動させると、エンドエフェクタの位置は、（例えば、プロセッサ３８１２によって）動的に判定される。特に、いくつかの実装において、システムは、外科器具の１つ以上のポイントの３Ｄ位置を動的に判定する。外科器具によって受容された力は、外科器具が、患者に接触し、抗して移動し、貫通し、及び／またはその中で移動するとき、動的に判定される。システムは、これらの力を測定し、接触した組織の種類間で識別することができる。このことは、例えば、接触された組織が、抵抗閾値に達するまたは超えるとき、組織が骨のときに判定することによって達成され得る。システムは、操作者によって外科器具に適用された力をさらに検出し、操作者によって届けられた力と患者の組織に対する外科器具の移動によってもたらされた抵抗力とを識別することができる。ある実施形態において、システムは、位置センサによって判定されたエンドエフェクタの更新された位置に少なくとも一部基づいて、患者位置を動的に再位置合わせすることができる。このことは、外科器具が目標の解剖学的構造と接触していることが（例えば、力フィードバックサブシステムを介して）判定されるとき、エンドエフェクタの更新された位置の少なくとも一部に基づいて、患者の状態の３Ｄ表現を更新するために使用され得る。このことは、初期の（または前の）位置合わせと一致している面合わせアルゴリズムを使用して達成され得る。例えば、システムは、機械的マーカー、患者に固定されたマーカーなどの、予め計画された基準で、エンドエフェクタ、外科器具、または外科器具もしくはエンドエフェクタの一部もしくは構成部品の接触または近接が検出されることで患者の位置を動的に再位置合わせすることができる。代替的に、システムは、再位置合わせされた表現が所望されるとき、操作者がボタンを押す、またはそれ以外の様式で図式的なまたは立体的なユーザインターフェースを活性化させるなどの、操作者コマンドが判定され、エンドエフェクタの更新された位置に基づいて患者の位置を動的に再位置合わせすることができる。外科器具ホルダーは、外科器具をその中に挿入するまたはそこに取り付けるためのエンドエフェクタに接続されることができる。器具ホルダーは、取り外し可能である。このような場合、エンドエフェクタへの器具ホルダーの取り付けは、常に同じ位置に接続されるように正確で予想可能である。ロボットアームは、外科器具がエンドエフェクタの外科器具ホルダーに挿入／取り付けられるとき、操作者によって（例えば、外科医によって）外科器具の直接操作を可能とするように設計される。器具の操作は、患者に対するエンドエフェクタ（及び／または外科器具）の位置に基づく触覚制限を受けやすくなり得る。外科器具は、器具（例えば、器具の先端）の配置が、ロボット外科手術システムによって既知となるように、外科器具ホルダーに対して既知の幾何学形状及び位置を有する。例えば、外科器具が器具ホルダーに完全に挿入されるとき、エンドエフェクタの位置が外科器具及び器具ホルダーに関する情報と同様に既知であるため、器具の位置は、ロボット外科手術システムに既知である。ある実施形態において、ツール中心ポイント（ＴＣＰ）は、外科器具ホルダーを通して挿入された、または取り付けられた外科器具ガイド及び外科器具のための正確な位置決め及び軌道計画を利用する。外科器具は、外科器具ホルダー内に挿入されたとき、ロボットアームに対する既知の座標を有する画定されたツール中心ポイントがあるように、設計され得る。ツール中心ポイントを画定するために使用された座標システムの原点は、ロボットアームのフランジに位置付けされ得る。加えて、ロボット外科手術システムの構成部品のインターフェース、接合点、または端子などのポイントを画定するために便利に位置付けられ得る。ある実施形態において、外科ガイドまたは外科器具が外科器具ホルダーを有して使用されているかどうかに関わらず、ＴＣＰがロボットアームに対して一定の位置にあるために、外科医は、外科器具ホルダーを有して使用された器具または器具ガイドの方向、軌道、及び位置の視覚化を提供され得る。設計された外科器具システムの使用は、患者の解剖学的構造に対する外科器具ガイドの位置、方向、及び軌道を正確に判定するために、外科ガイドまたはツールの端部に取り付けられるナビゲーションマーカーの必要性をなくす。加えて、外科器具ホルダーに取り付けられたナビゲーションマーカーは、外科医によるロボットアームの操作に基づいて位置、方向、及び現在の軌道を更新するために、全体的な外科器具ガイドの位置及び方向を追跡するために使用され得る。患者の体に取り付けられたナビゲーションマーカーと同様に、手術前または手術中に撮られる患者の画像（例えば、ＣＴデータ、無線画像データ、または類似のもの）によって提供された追加の情報は、ユニバーサル外科器具ガイドに取り付けられたナビゲーションマーカーからのデータと組み合わされ、外科医が、患者の解剖学的構造の必要な特性の配置、及び前記解剖学的構造に対する外科器具または外科器具ガイドの位置、軌道、ならびに方向を見ることができるように、外科医によって可視なスクリーン上に表示され得る。図５Ａ〜Ｃは、力センサ（例えば、力／トルクセンサ４３０）を取り付けるための例示的な配置を示す。いくつかの実装において、図５Ａにおいて示されるように、力センサ５０２ａは、ツールホルダー５０６ａとロボット５０４ａとの間に位置付けされる。この構成を使用して、無菌カバー５０８ａは、滅菌を確実にするために、ロボットアームの周り、及び力センサとツールホルダーの間に巻きつけられ得る。力センサ５０２ａは、ツール上の力（例えば、力及び／またはトルク）の直接測定のために提供し得る。力センサ５０２ａは、屈曲に抵抗するように設計され得る。力センサ５０２ａは、ある特定の外力のストレス下で屈曲するように設計され得る。外力が適用されるときにもたらされた変位は、ツールに適用された力及び／またはトルク、半径方向力剛性、軸方向トルク剛性、ならびにツールが取り付けられるホルダーの直径に基づいて計算され得る。図５Ｂ及び５Ｃにおいてそれぞれ示されるように、力センサ（例えば、図５Ｂにおける５０２ｂ、または図５Ｃにおける５０２ｃ）は、それぞれロボットまたはツールホルダー上に位置付けられ得る。これらの構成は、ユーザによって適用された力及び／またはトルクを排他的に測定し得る。力センサ５０８は、力及びトルクを測定し、ネットワーク（例えば、イーサネット(登録商標）、ＣＡＮ、無線、インターネット、プライベートＬＡＮ、公衆ＬＡＮなど）を介してそれらを送信する、中間アナログボックスでロボットに接続され得る。上記の力センサの位置の組み合わせは、予め画定された動き（例えば、図５Ａ基部の第１のセンサ及び図５Ｂハンドルの第２のセンサは、ユーザによって適用された力及び／またはトルクから外科ツールに適用された力を切り離すためにフィードバック制御システムを可能とするように位置決めされ得る）を達成することが可能となる。加えて、いくつかの実装において、力センサは、外科器具内で直接統合される。例えば、力センサは、図６で示されるように、外科ドリルビット内に直接統合され得る。図６に示されるように力センサ６０４の実装がドリルビット６０２に対して記載される一方で、力センサ６０４は、他の外科器具に同様に統合され得る。ドリルビット６０２などの外科器具に力センサ６０４を統合することは、ドリルビットに適用される力を測定するための外乱の影響を最小限に
抑えるためにより堅固となり得る。図６において示される例示的な構成において、力センサ６０４は、ドリルビット６０２の軸に統合される。いくつかの実装において、力センサ６０４は、図６において示されるように、ドリルの本体６１０の外部でドリルビット６０２上に位置付けられる。他の実装において、力センサ６０４は、ドリルの本体６１０の内部に位置付けられ、それにより外部の影響から力センサ６０４をよりよく保護する。力センサは、例えば、１〜３力及び／または１〜３トルクの多自由度及び量を有することができる。力は、コネクタ６０６を通り回転軸から送信される。コネクタは、いくつかの実装において、力センサ６０４に電気接続を提供する1つ以上のブラシである。力センサが光学センサの場合、コネクタは光送信機（例えば、ＬＥＤ）及び／または光受信機（例えば、光ダイオード）となり得る。この実施例において、ブラシは、ドリルビットに接触し、それによって力センサ６０４と電気接続を形成する。いくつかの実装において、ブラシは、電気接続を形成するためにドリルビット上の1つ以上の接点に触れる。電気または空気圧モータ６０８は、ドリルビット６０２軸を回転させる。いくつかの実装において、センサ６１２（例えば、エンコーダ）は、軸の位置を測定する。センサ６１２は、力センサによって測定された力を軸の相対位置に相互に関係させるために、軸の位置を測定する。例えば、力センサがドリル内に位置付けられる場合、力の方向の測定値は、ドリルビットが回転すると変化するであろう。特に、力センサは、力及び力の方向を周期的に（例えば、ミリ秒毎、マイクロ秒毎、またはそれらの間のどこか）測定する。ドリルビットは、外科医がそれを骨の中で押すと回転する。ドリルが骨に接触するとき、力センサは、方向（Ｄ１）でいくつかの力（Ｆ１）を示すであろう。１つの期間後（例えば、１ミリ秒）、ドリルビットはわずかに回転し、そのため力センサが異なる方向（Ｄ２）において同じ値（Ｆ１）を示すであろう（定力が適用されると仮定する）。力の方向は、たとえ外科医が骨に定力で押す場合でも、ドリルビットが回転すると単一の視点に対して変更し続けるであろう。絶えず変更している力方向は、受け入れられない。方向（例えば、Ｄ１、Ｄ２）を（外科医、ロボットシステムなどによって見られる）骨からの力の全体的な方向（Ｄ）と相互に関連させるために、全体的なスペース内のドリルの位置は、ドリルビットが回転すると計算されなくてはならない。センサ６１２は、シャフトの位置を測定し、力（Ｄ）の全体的な方向を判定するために使用される。センサ６１２は、図６において示されるようにモータ６０８の背後に位置付けられ得る。センサ６１２は、同様にモータ６０８に対する他の配置で位置付けられ得る。力センサ６０４は、図７Ａ〜Ｄにおいて示されるように様々な構成で提供され得る。各構成において、目標は、ツール（例えば、ドリルビット超音波ビットなど）の先端上の力を測定することである。図７Ａにおいて示される実施例において、力センサ６０４は、図６に関して記載されるようにドリルビット６０２の軸内に統合される。力センサ６０４は、センサケーブル７０２を介して（図６において示される）コネクタ６０���と通信し得る。センサケーブル７０２は、いくつかの実装において、ドリルビット６０２内部に送られる。いくつかの実装において、コネクタ６０６（図６において示される）は、1つ以上の接続パッドを介してセンサケーブル７０２に電気的に接続される。本実施例の力センサ６０４は、例えば、変換器を使用して力及びトルクの全て６つの構成部品を測定する小型工業用センサ（例えば、Ａｐｅｘ，Ｎ．Ｃ．のＡＴＩ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｉｎｃ．製の多軸力／トルクセンサ）となり得る。代替的に、力センサ６０４は、光学センサとなり得る。代替的に、力センサ６０４は、図７Ｂにおいて示されるように、ドリルビット６０２の軸内に直接統合された歪みゲージ７０６を備え得る。
【００８８】
図７Ｃにおいて示されるように、力センサ６０４は、いくつかの実装において、ドリルビット６０２自体の力を測定する代わりにモータ上の力を測定する。図７Ｄにおいて示されるように、ドリルビット６０２の軸は、いくつかの実装において、ドリルビット６０２の軸のふれの後、力が力センサ６０４によって測定され得るように、ドリルビット６０２が（例えば、わずかに）屈曲することを可能とする可撓性要素７０８を含む。いくつかの実装において、図７Ｃ及び７Ｄにおいて示される構成用に、（例えば、図６において示されるセンサ６１２による）軸の位置の測定は、力が器具の座標フレーム内で直接測定されるとき省略され得る。
【００８９】
ロボットベースのナビゲーションの目的は、患者の目標の解剖学的構造への変更をもたらす外科処置中の外科医を補助することである。インプラント及び外科器具が、本目的のために使用され、ロボットシステムが、これらの器具が外科処置中に使用される際に正確性を向上させるために外科医を補助する。図２は、いくつかの実施形態において、手術で補助する全てのシステムの概略図を示す。
【００９０】
外科医と外科システムの構成部品の相互作用は、図３においてさらに概要が述べられる。図３を参照すると、外科処置が始まる前に、患者の目標の解剖学的構造の医用画像は、（例えば、患者の解剖学的構造のモデルを生成するために使用され得る）適切な画像化テクニックを使用して獲得され、後述のプロセスにおいて使用される。目標の解剖学的構造の位置を判定するプロセスは、目標の解剖学的構造の入力を受け取る。目標の解剖学的構造は、医用画像を使用してモデル化され得、医用画像は、医用画像化テクニックまたはスキャンに基づいたテクニックを使用して得られる。結果として、目標の解剖学的構造の位置を判定することは、いずれの時点でも正確な目標の解剖学的構造の解剖学的構造位置を提供する。フィードバックをレンダリングするプロセスは、医用画像、解剖学的構造の位置、及び器具（複数可）の位置に基づいて外科医に情報を提供する。レンダリングは、外科医に視覚的に表示される。器具のプロセスを追跡することは、外科器具を取り、結果としてそれらの位置を計算する。同時に器具は、ガイドされ、つまりそれらの空間的位置は、ロボットシステムによって（すなわち、手術可能な体積を使用して）いくらか制限される。ロボットシステムは、これら４つのプロセスを実装し、外科医は、それらのうちの２つ、ガイダンス及びフィードバックのレンダリングに加わる。
【００９１】
画像化プロセスのための異なるオプションが、図４に示される。画像化プロセスの目的は、患者の目標の解剖学的構造の表現を獲得することである。いくつかの実装において、画像化は、患者の目標の解剖学的構造の表現を獲得するために使用される。画像は、ＭＲＩ、ＣＴ、またはＸ線などの、様々なモダリティを使用して手術前に獲得され得る。代替的に、画像は、平面蛍光透視法技術（例えば、ミネソタ州、ミネアポリスのＭｅｄｔｒｏｎｉｃ製Ｏ−Ａｒｍ）、術中ＣＴ、ＭＲＩ、及び超音波を使用するなどの、術中画像化テクニックを使用して手術中に獲得され得る。例えば、術中画像は、術中蛍光透視法デバイス（例えば、Ｃ−Ａｒｍ）を使用してキャプチャされ得る。
【００９２】
目標の解剖学的構造についての情報を獲得する他の方法がある。例えば、目標の解剖学的構造についての情報は、触覚デバイス及び力フィードバックを使用する表面スキャニングによって収集され得る。ロボット上に取り付けられたこのようなデバイスを使用することは、ユーザが組織の表面及び硬さについての空間的情報を提供することができる力を測定することを可能とする。レーザスキャナなどの、表面スキャニングの代替的に既知のテクニックも、使用され得る。加えて、目でみる、直接の診査も、患者の解剖学的構造の診察に使用され得る。これらのテクニックの転帰は、使用された場合、患者の解剖学的構造のモデル化に使用される医用画像データとして記憶される。
【００９３】
図８は、目標の解剖学的構造の位置を画定する（すなわち、位置合わせ）ために使用され得るプロセスの範囲を示す。典型的に、目標の解剖学的構造の位置は、解剖学的構造固定のマーカー及び後に追跡（例えば、光学、または電磁）マーカーを参照して解剖学的構造の位置を識別するための位置合わせ処置を使用して、及びマーカーが目標の解剖学的構造の位置を判定するために解剖学的構造に対して適切に移動することを推定して管理される。背景において上記で論じられるように、この方法には欠点がある。ある実施形態において、開示された技術は、これらの弱点に対処するために力に基づく解剖学的構造位置合わせ及び再位置合わせを利用する。この間で再位置合わせロボットエンコーダは、高周波（例えば、２００〜５００Ｈｚ、５００〜８００Ｈｚ、または８００Ｈｚ〜１２００Ｈｚ）で器具の位置を迅速に獲得するために使用され得る。
【００９４】
初期の位置合わせデータは、目標の解剖学的構造に対するエンドエフェクタの配置を管理するために安定性モジュールに沿って使用され得る。安定性モジュールは、ある実施形態において、外科医がいずれの特別な行動をとることなく、バックグラウンドにおいて（例えば、自動的に）常に作動することができる。このような安定性モジュールの実施例は、一組のポイント（例えば、測定されたポイント）を取り、一組のポイント（例えば、医用画像上の脊椎の表面からの）と別の一組のポイントとの間で最もよい一致を見つける面合わせ方法を含む。面合わせ用の例示的なアルゴリズムは、“Ａ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｃｅｒｖｉｃａｌ  Ｓｐｉｎｅ  Ｓｕｒｇｅｒｙ”，Ｓｚｙｍｏｎ  Ｋｏｓｔｒｚｅｗｓｋｉ，  Ｗａｒｓａｗ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（２０１１）のＳｅｃｔｉｏｎ  ４．５．３において記載されたＩｔｅｒａｔｉｖｅ  Ｃｌｏｓｅｔ  Ｐｏｉｎｔ方法である。ある実施形態において、他のアルゴリズムが、安定性モジュール用に使用される。
【００９５】
再位置合わせは、他の方法を使用して同様に達成され得る。例えば、ある実施形態において、再位置合わせは、基準を使用する周期的な再認証によって達成され得る。ある実施形態において、必要であれば、外科医が、予め設置された基準に接し、ロボットアームに取り付けられた器具と再位置合わせすることができる。
【００９６】
ある実施形態において、特別に設計されたマーカーが、図９において示されるように患者に固定され得る。このマーカーは、力センサを有するロボットによって容易に発見され得る一組の円錐孔を有する。例えば、外科医は、ロボットが再位置合わせをするようにボタンを押すことができる。その後ロボットが自動的に、または外科医が手動で、ロボットをマーカー内の孔に持っていく。少なくとも３つの孔を識別後、再位置合わせが見出され得、外科医は手術を続けることができる。
【００９７】
図１０は、自動再位置合わせに基づく位置の判定のプロセスの概略図である。図１０の再位置合わせ方法は、初期の位置合わせデータ、患者の医用画像、及びロボットシステムからの目標の解剖学的構造についての情報（例えば、骨の表面上で測定されたポイント）を利用して、この情報に基づいて、目標の解剖学的構造の位置を提供するための解剖学的構造追跡プロセスによって使用された位置合わせデータを更新する。
【００９８】
フィードバックをレンダリングする様々な方法が、図１１において示される。例えば、フィードバックは、手術室内でアクセス可能なスクリーンを使用してレンダリングされ得る。一実施例において、フィードバックは、その内容がその全体における参照によって本明細書に組み込まれる、２０１５年９月１８日に出願された、米国特許出願第１４／８５８，３２５号、表題「Ｒｏｂｏｔ−Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｕｓｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  ｆｏｒ  Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  Ｒｏｏｍ  Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ」において記載されたユーザインターフェースなどの、ロボット保持型ユーザインターフェースを使用するレンダリングとなり得る。
【００９９】
図１２は、器具の追跡のための例示的なプロセスの図である。いくつかの実施形態において、追跡は、器具及び光学／電磁トラッカーに取り付けられたマーカーを使用して達成され得る。ある実施形態において、器具は、空間におけるそれらの位置を提供するロボットシステムを使用して追跡される。ロボットは、エンドエフェクタの位置の位置を判定するために使用される測定システムを有するため、器具の位置を「知る」。所定の器具の既知の幾何学形状と結合して、エンドエフェクタに（例えば、断定できる様式で）取り付けられた器具の位置は、ロボット外科手術システムによって既知である。機械的テンプレート追跡は、目標の解剖学的構造の上部の１つの位置のみに嵌まり、ガイド器具用のガイドを収容する機械的で、オーダーメードのテンプレートを参照する。受動アームは、手術室内にあらかじめ画定された位置に固定され得る標準的な外科アームである。
【０１００】
図１３は、外科処置中に器具をガイドするための例示的なシステムを示す。ある実施形態において、外科器具はロボットガイダンスでガイドされる。ある実施形態において、ロボットガイダンスは、ロボット外科手術システムで患者の解剖学的構造の位置合わせ後、自動的に（すなわち、外科医からの入力無しで）発生する。ある実施形態において、手動ガイダンス及び受動ガイダンスが、いくつかの外科処置の段階中に使用される。ある実施形態において、手動ガイダンス及び受動ガイダンスは、外科処置の全ての段階において使用される。
【０１０１】
取り付けられた器具を有するロボット外科手術システムは、ロボット外科手術システムのロボットアームに直接または間接的に取り付けられた力センサからの触覚フィードバックを使用して判定された複数の接触ポイントにおいて、患者の解剖学的構造に接触するために使用され得る。複数の接点の座標は、一組の空間座標を画定する。空間座標の値は、接触が判定されるとき、ロボットの座標システム内のロボット外科手術システム（例えば、器具、外科器具、またはロボットアームの終点）の一部の位置を記憶することによって判定される。
【０１０２】
器具の患者の解剖学的構造との接触から記録された一組の空間座標は、位置合わせ、モデリング体積除去、再位置合わせ、手術可能な体積を画定すること、再位置合わせ後の手術可能な体積を修正すること、記憶された体積モデルを物理的な配置に変換すること、及びナビゲーションスクリーン上に患者の解剖学的構造に対する外科器具を表示することなどの、多くのナビゲーション用、及び外科的ガイダンス機能を実行するために使用され得る。ロボット外科手術システムの一部、または遠隔計算デバイス（例えば、サーバ上で）の一部などであるプロセッサは、一組の空間座標と組み合わされた適切な座標マッピングを生成及び使用することによって、外科器具、器具、及び／または患者の解剖学的構造を相互に関連付けるために使用され得る。いくつかの実施形態において、一組の空間座標は、さらなる使用のために提供され得、一組の空間座標が、ロボットアームに取り付けられた器具と患者の解剖学的構造の触覚フィードバックに基づく接触以外のテクニックを使用して生成される。例えば、一組の空間座標は、既知の位置合わせテクニックの結果として提供され得る。
【０１０３】
患者の解剖学的構造は、医用画像データを使用して生成された患者のモデルと相互に関連付けられ得る一組の空間座標を生成するために、患者の解剖学的構造に器具を接触させることによる別のナビゲーションシステムを使用することなく、ロボット外科手術システムと位置合わせされ得る。ある実施形態において、外科医は、位置合わせ中を含み、患者に接触するために外科器具を使用する。いくつかの実施形態において、一つ以上のナビゲーションマーカーが位置合わせ中の参照に使用される。プロセッサが、一組の空間座標を判定すると、各空間座標が解剖学的構造体積（例えば、患者の脊椎（複数可））の表面上のポイントに対応し、一組の空間座標が、患者の解剖学的構造のモデルにマッピングされ得る。患者の解剖学的構造は、医用画像データを使用してモデル化され得る。ある実施形態において、ＣＴ、ＭＲＩ、またはＸ線データは、患者の解剖学的構造の３Ｄモデルを手術前に生成するために使用される。いくつかの実施形態において、患者の解剖学的構造モデルを生成するために使用された医用画像は、手術中に撮られる。
【０１０４】
一組の空間座標は、モデル内のポイントをロボット座標システム内の座標（すなわち、物理的な実体）に変換するための機能を判定することによって、患者の解剖学的構造のモデルにマッピングされ得、逆も同様である。ある実施形態において、マッピングは、一組の空間座標によって画定された表面と解剖学的構造モデルの表面との面合わせを使用して作成される。患者の解剖学的構造の表面上のポイント、または患者の解剖学的構造の解剖学的構造モデルは、既知のポイント（すなわち、患者の解剖学的構造に器具で接触することによって測定されたポイント、または医用画像化中に収集されたデータポイント）から推定され得る。推定されたポイントは、マッピングを生成するために使用され得る。面合わせ方法の実施例は、“Ａ Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｃｅｒｖｉｃａｌ  Ｓｐｉｎｅ  Ｓｕｒｇｅｒｙ，”  Ｓｚｙｍｏｎ  Ｋｏｓｔｒｚｅｗｓｋｉ，Ｗａｒｓａｗ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（２０１１）のＳｅｃｔｉｏｎ  ４．５．３において記載されたＩｔｅｒａｔｉｖｅ  Ｃｌｏｓｅｓｔ  Ｐｏｉｎｔ（ＩＣＰ）である。Ｓｅｃｔｉｏｎ  ４．５．３の内容は、その全体が本明細書において参照によって組み込まれる。概して、１つの座標システムから別に（すなわち、線形変換によって）ポイントを変換するために使用され得る機能を生成するいずれのアルゴリズムまたは方法も、使用に適している。閾値が特定され得、マッピングが使用されるためにそれより下になければならないエラー測定値を画定する。この閾値は、高精度マッピング（例えば、位置合わせ）のために十分であり、かつそのようなマッピングが高周波数で生成され得る（すなわち、マッピングの生成の速度は、外科処置を限定するものではない）値に設定され得る。
【０１０５】
位置合わせの前に、医用画像データにおいて患者の解剖学的構造モデルを画定する座標システムと、ロボット外科手術システムのロボットアームに取り付けられた外科器具の配置を画定する座標システムとの間に画定された関係はない。ロボット座標システムから医用画像データ座標システムへの座標マッピングを生成し、座標マッピングを記憶することによって、プロセッサは、解剖学的構造モデルに提示された患者の解剖学的構造の各ポイントのための物理的な配置を判定することができる。このように、患者は、ロボット外科手術システムと位置合わせされる。
【０１０６】
一度患者が位置合わせされると、空間の各ポイントにおいて、ロボット外科手術システムは、そのポイントが、患者の解剖学的構造の表面上か、患者の解剖学的構造内か、または患者の解剖学的構造の外側かどうか既知である。この情報は、外科的ガイダンス及びナビゲーションにおける補助のためのさらなるプロセスに使用され得る。例えば、この情報は、患者の解剖学的構造が全体的に避けられる、または患者の解剖学的構造の一部のみが外科器具にアクセス可能となる場合、外科器具に対する「侵入不可」ゾーンを画定するために使用され得る。加えて、外科器具は、患者の解剖学的構造の表面上にある、線、平面、または曲面をトレースすることができる。
【０１０７】
上述のように、触覚フィードバックに基づく接触を使用して患者を正確に位置合わせするために、わずか少数のポイントが接触されることが必要である。例えば、ある実施形態において、わずか３０のポイントが、手術を進めるために十分な精度でロボット外科手術システムに患者の解剖学的構造を位置合わせするために必要とされる。ある実施形態において、わずか５〜１０接点が、必要とされる。必要な接点の数は、実行される特定の外科処置で変化する。概して、より正確な外科器具の位置決めを必要する外科手術は、より大きな空間座標一組を生成するためにより多くの接点が作成されることを必要とする。患者の解剖学的構造へ接触するためにロボット外科手術システムを使用する際の簡潔さにより、位置合わせのために十分な量の接点が、短期間で作成され得、そのため全体の外科処置の効率が良くなる。
【０１０８】
ある実施形態において、座標マッピングが、ディスプレイ上にナビゲーションのレンダリングを生成するために使用され、例えば、外科器具の終点が患者の解剖学的構造に正確な関係で示される。このレンダリングは、外科ツールの位置が推移するにつれてライブで更新され得る。このことは、外科ツールの配置が、位置合わせから既知であるため、ナビゲーションのマーカーを必要とせず行われる。ある実施形態において、一組の空間座標が、基準マーカーを（例えば、マーカーの表面上に分配された）マーカー上の複数の標定ポイント（例えば、くぼみ）に接触させることによって収集され、標定ポイントは、マーカーが患者の解剖学的構造上の特定の配置において取り付けられるように設計されているため（図９を参照）、患者の解剖学的構造に対して既知の配置となる。ある実施形態において、特定の配置が、脊椎の棘突起である。
【０１０９】
本明細に記載された方法及びシステムのいくつかの実施形態において、位置合わせは、当該技術で既知のテクニックを使用して実行される。
【０１１０】
ある特定の外科処置中、患者の解剖学的構造のモデルにもともと含まれていた患者の解剖学的構造の一部（すなわち、第１の体積）は、例えば、付加的な体積へのアクセスが増えるため、付加的な体積の除去の前に、手術中に除去される。第１の体積の除去は、除去中高い精度を必要とし得ない。第１の体積の除去は、手動で行うことができる。患者の解剖学的構造のモデルは、この除去を反映するために更新され得る。モデルの更新は、正確な患者の記録（すなわち、医用履歴）を維持するために必要となり得る。モデルの更新は、付加的な体積の除去の術中計画に対しても必要とされ得る。
【０１１１】
一組の空間座標は、体積除去後の患者の解剖学的構造のモデルを更新するために使用され得る。ある実施形態において、一組の空間座標は、ロボットアームに取り付けられた器具と患者の解剖学的構造の触覚フィードバックに基づく接触を使用して生成される。
【０１１２】
モデルの座標システムと空間座標の座標システム（すなわち、ロボットの座標システム）との間の座標マッピングが生成されている場合、一組の空間座標及び患者の解剖学的構造のモデルを使用して、元は解剖学的構造の表面内部にあった患者の解剖学的構造のポイントが、判定され得る。座標マッピングは、例えば位置合わせ中に、生成され得る。一組の空間座標は、座標マッピングを使用してモデルの座標システム内に表されるために変換され得る。その後、モデルの表面の内部に位置付けられると判定された座標は、モデルの新しい表面を画定するために使用され得る。例えば、直方体の半分が除去される場合、ロボット外科手術システムに取り付けられた器具は、以前直方体の内部にあったポイントに接触することができ、そのため、モデルの座標システムに変換されるときポイントの座標は、モデルの内部に位置付けられるはずである。これらのポイントが、モデル用の新しい表面を判定するために使用され得る。そのため、モデルの体積は、モデルから除去された体積における全てのポイントを除くことによって縮むはずである。更新されたモデルは、体積の除去のため発生した大きさの変更を正確に反映して、元のモデルよりも小さな体積を有するであろう。
【０１１３】
ある座標は、モデル（すなわち、更新前のモデル）内の内部座標であると判定されない一組の座標内に含まれ得る。この座標は、存在する表面の一部となるため、新しい表面を画定するために使用されるものではない。この座標は、そのためモデルの更新に使用されるものではない。
【０１１４】
体積の除去後の患者の解剖学的構造の新しい表面を画定する修正された一組の座標は、将来の参照のために更新されたモデルとして記憶され得る。この更新されたモデルは、元のモデルに追加、または書き換えて記憶され得る。患者のデータが、体積除去前の元のモデル及び体積除去後の更新されたモデルの両方を備えて拡大するとき、比較が表示され得る。この比較は、元のモデル、更新されたモデル、及び除去された部分を表示することを含む。例示的な元のモデルが、図１６において示される。除去された部分を強調している例示的なモデルは、図１７において示される。例示的な体積除去後の更新されたモデルは、図２８において示される。
【０１１５】
典型的な位置合わせ処置が長く、遮るもののない視線（視覚的にまたは電磁的に遮るもののない視線）を必要とするため、ナビゲーションシステム及び／またはロボット外科手術システムは、外科処置中、最初に典型的に一度位置合わせするのみである。しかしながら、これらのシステムに対する患者の方向及び／または位置は、処置中に推移し得る。加えて、処置の種類によって、患者の解剖学的構造は、位置合わせにおいて反映されるべき物理的な変更を受け得る。深刻な医療ミスは、物理的な実体と初期の位置合わせとの間に発生するいずれの同期ずれのために、外科処置中にもたらされ得る。概して、多くのステップを含むより複雑な処置が、より大きく同期ずれとなる傾向がある。深刻な医療ミスは、同期ずれのため傷つきやすい解剖学的構造特性（例えば、神経または動脈）上または近くでの外科処置中に起こりやすい。そのため、手術中に実行され得る容易で迅速な再位置合わせは、非常にプラスとなり得る。
【０１１６】
再位置合わせは、起こり得るいずれの同期ずれに対して作用し、従来式の位置合わせ方法とは違い、ロボット外科手術システムによる触覚フィードバックの基づく接触が、再位置合わせのための方法を統合することも容易である。ある実施形態において、再位置合わせは、再位置合わせの接触が行われた後１〜２秒で処理され得る。ある実施形態において、再位置合わせは、５秒未満で処理され得る。再位置合わせは、いずれの複数のポイントにおいて患者の解剖学的構造に接触することによって、そのようなシステムで、またはそのような方法を使用して実行され得る。特定のポイントで、例えば、初期の位置合わせ中に接触したポイントで、患者の解剖学的構造に接触する必要がない。
【０１１７】
ロボットの座標システムと患者の解剖学的構造のモデルの座標システムとの間の座標マップを画定する初期の位置合わせが実行された後、再位置合わせが、実行され得る。患者の解剖学的構造の各座標は、座標マッピングを使用するロボットの座標システム内において、患者の解剖学的構造モデルの座標を表すことによって位置合わせ後ロボット外科手術システムに既知となる。一組の空間座標を収集することによって、ロボット座標システム内に表された患者の解剖学的構造の表面は、一組の空間座標によって画定された表面にマッピングされ得る。マッピングは、座標マッピングを更新するために使用され得る。
【０１１８】
更新された座標マッピングは、患者の解剖学的構造、方向、または位置における変更を反映し得る。例えば、患者が軸を中心に回転される場合、患者の物理的な解剖学的構造は、ロボットの座標システムにおいて表されたとき、患者の解剖学的構造モデルが反映するものに対して傾くはずである。器具は、患者の解剖学的構造上の一組のポイント（例えば、５〜１０ポイント）における回転の後、患者の解剖学的構造に接触することができる。ロボット座標システム内で表された現在の患者の解剖学的構造モデルと一組のポイントによって画定された表面との間の再位置合わせマップが、生成される。座標マップは、更新された座標マップを生成するために位置合わせマップを使用して修正され得る。例えば、座標マップ及び再位置合わせマップの両方が、配列として記憶された線形変換の場合、更新された座標マップは、２つの配列の生成物である。同様に、位置における変更は、再位置合わせ中の変換として反映され、患者の解剖学的構造における変更は、スケーリング変換として反映され得る。例えば、患者の脊椎の空間は、体積除去の後変化し得、外科医に再位置合わせを実行させるように促す。
【０１１９】
ある実施形態において、患者の解剖学的構造のモデルは、一組以上の空間座標が、モデルの内部座標である（すなわち、モデルが再位置合わせ前に存在していた）と判定される場合、再位置合わせ中に同時に更新される。例えば、ある実施形態において、再位置合わせは、再位置合わせ及びモデルの更新が１つの同時の方法で処理される、体積除去後に実行され得る。再位置合わせは、このような大きな外科的ステップ中に身体構造上推移する可能性が高いため、体積除去後が有益である。
【０１２０】
ある外科処置において、外科器具の使用は、患者の解剖学的構造の手術箇所に応じる特別な手術可能な体積にのみ制限されるべきである。手術可能な体積は、物理的な体積であり、物理的な体積は、ロボットの座標システムを使用して画定される。外科器具が制限される物理的な体積は、患者の解剖学的構造に対するということが明らかである。ある実施形態において、ロボット外科手術システムは、外科医が外科器具を手術可能な体積の外部に移動させようとするとき、触覚フィードバックを提供する。このように、外科器具が手術可能な体積の境界にあるとき、外科医は抵抗を感じ、外科ツールを境界から離して向けなおすことができる。このことは、例えば、骨の除去中に、外科医が意図された体積の外の配置から骨を除去したくない場合に、有益である。手術可能な体積は、外科処置中外科医に対する触覚フィードバックを提供する際に使用するための非一時的コンピュータ可読媒体上に記憶される。
【０１２１】
座標マッピングを使用して、患者の解剖学的構造の体積及び／または患者の解剖学的構造の周りの体積によって占められた物理的な手術可能な体積は、患者の解剖学的構造モデルを使用して正確に画定され得る。意図された手術可能な体積は、手術中に画定され得る。外科医は、手術可能な体積の境界を画定する一組の空間座標を生成するために、患者の解剖学的構造上の一組のポイントに接触することができる。多くの外科処置において、手術可能な体積は、患者の解剖学的構造の解剖学的構造特性に対応する。例えば、特定の骨または骨の部分である。そのため、ある実施形態において、外科医は、患者の解剖学的構造のモデルから解剖学的構造特性を選択する。患者の解剖学的構造特性のモデルは、外科医の所望の手術可能な体積の境界に対応する一組の空間座標にマッピングされ得る。ある実施形態において、患者の解剖学的構造特性のモデル内の各座標は、マッピングに基づきロボットの座標システムを使用して表され得る。その後、手術可能な体積が画定され、患者の解剖学的構造特性のモデルの一組の空間座標へのマッピングを使用して、ロボットの座標システム内に表され得る。いくつかの実施形態において、患者の解剖学的構造特性のモデルの表面の各座標は、手術可能な体積の表面を画定するために使用される。
【０１２２】
ある実施形態において、手術可能な体積は、一組の空間座標によって画定された表面によって画定された体積である。そのため、手術可能な体積を生成するためのそれらの方法は、医用画像データまたは患者の解剖学的構造の構成前のモデルを必要としない。例えば、外科医は、一組の空間座標として判定される患者上の１０のポイントに接触し得る。一組の空間座標は、体積を画定する一組の頂点（すなわち、表面のポイント）として使用され得る。これが手術可能な体積として使用され得、ロボット外科手術システムのロボットアームに取り付けられた外科器具の移動は、手術可能な体積に制限される。このことはいずれの位置合わせと共にまたは位置合わせ無しで行われ得る。
【０１２３】
手術可能な体積は、一組の空間座標を生成することなく（すなわち、患者の解剖学的構造に接触することなく）患者の解剖学的構造モデルの体積を外科医が選択することによって画定され得る。外科医は、患者の解剖学的構造モデルを見ることが可能なソフトウェアを使用して体積を選択し得る。一旦体積が選択されると、解剖学的構造モデルをロボットの座標システムにマッピングする座標マッピングが、手術可能な体積を画定する一組の座標を生成するために使用され得る。そのため、手術可能な体積は、例えば、位置合わせまたは再位置合わせ中に生成された座標マッピングを使用して画定され、外科医が患者の解剖学的構造に接触することによって手術可能な体積を画定して使用するための一組の空間座標を分けて生成する必要がない。
記憶された手術可能な体積は、座標マッピングが更新されるとき、または後に更新された座標マッピングを使用するときに更新され得る。座標マッピングは、例えば、患者の解剖学的構造における位置、方向の推移、または変更を反映するために再位置合わせ中に更新される。記憶された手術可能な体積の座標は、新しいロボット座標システムを記憶された手術可能な体積が表されたロボット座標システムにマッピングすることによって、及びそのマッピングを使用する（すなわち、手術可能な体積の各座標を新しい座標システムに変換し、変換された座標を更新された手術可能な体積として記憶する）ことによって、新しいロボット座標システムに変換され得る。
【０１２４】
同様に、医用画像データ座標システム内に表されるいずれの記憶されたモデル体積も、座標マッピングを使用してロボット座標システム内にモデル体積の座標を表すことによって空間体積に変換され得る。このことは、ロボット外科手術システムがモデル体積に対応する物理的な体積内でのみトレースし、入力し、操作し、または物理的な体積外でのみ操作することを可能とする。
【０１２５】
外科医は、外科処置中のナビゲーション及び方針決定において補助するために、患者の解剖学的構造に対する外科器具の位置の視覚化から利益を得る。外科器具の終点が、ロボット座標システムの原点に対して予め画定された位置を有するとき、終点は、ロボットアームの位置を使用するロボット座標システムと医用画像データ座標システムとの間の座標マッピングを有する医用画像データ座標システム内の位置に変換され得る。ある実施形態において、終点は、ロボットアームの位置を提示するために使用される。ある実施形態において、全ての外科器具は、ロボットアームに取り付けられるとき、同じ終点を有する。終点を医用画像データ座標システム内に表すために変換後、終点は、患者の解剖学的構造のモデルに対して描かれ得、物理的な空間における終点と患者の解剖学的構造との間の距離を正確に反映する。これを使用して、レンダリングデータが生成され、表示されるとき、終点（及び、任意で、外科器具）及び患者の解剖学的構造のモデルの表現を示す。そのため、外科器具及び患者解剖学的構造に対するその位置の視覚化は、外科器具に取り付けられたナビゲーションマーカーを使用することなく、及び画像認識テクニックを使用することなく、作製され得る。
【０１２６】
レンダリングデータは、ロボット外科手術システムの一部であるスクリーンまたは手術室内外から見ることが可能なスクリーン上で表示され得る。スクリーンは、ロボットアームに取り付けられ得る。レンダリングデータは、ディスプレイをリアルタイムで、または実質的にリアルタイム（すなわち、患者のビデオフィードとして作用する）でリフレッシュするために更新され得る。終点及び／または外科器具の表現は、患者の解剖学的構造のモデルの表現の上に及び／または手術前もしくは手術中に撮られた医用画像の上に重ねられ得る。ディスプレイ上の終点の位置は、ロボットアームの位置が調整されるときに更新されるであろう。
【０１２７】
図９は、位置合わせ及び／または再位置合わせにおいて使用され得る例示的な基準マーカーを示す。基準マーカーは、方向部材の異なる面を横切って分配されたくぼみを有する。ここで、方向部材は、立方体である。基準マーカーの取り付け部材は、脊椎の棘突起に取り付けられるが、患者の解剖学的構造のいずれの所望のポイントに取り付けられるように等しく適合され得る。外科医が、本明細書に記載された触覚フィードバック接触方法を使用して方向ポイント（すなわち、くぼみ）に接触するとき、座標マッピングは、方向ポイントが患者の解剖学的構造に対して画定された空間的関係を有する場合に生成され得る。
【０１２８】
下記は、椎弓切除を実行するための例示的な外科方法の説明であるが、本方法は他の種類の体積除去手術にも容易に適用され得ることが理解される。加えて、この例示的方法において論じられたステップの多くは、体積除去を含まない、または体積除去以外の外科的転帰を含む外科処置に適用可能である。外科方法の態様が、図１４〜３５において示される。
【０１２９】
図１４は、ロボットベースナビゲーションを使用して椎弓切除を実行するために使用され得る例示的なロボット外科手術システムを示す。図１５は、例えば、ディスプレイ上に表示された患者の解剖学的構造のモデルを使用して患者の解剖学的構造の手術可能な体積を識別するために、手術前計画のために外科医により使用され得る例示的なナビゲーションディスプレイを示す。図１６は、分節された脊椎が椎弓切除の箇所である、追加の例示的なナビゲーションディスプレイを示す。手術前計画を使用して、除去される初期体積を、患者の解剖学的構造のモデル内で識別する。初期体積を、図１７において水色で識別する。図１８は、リアルタイムのフィードバックを受信するためにロボット外科手術システムを使用する外科医を示す。リアルタイムフィードバックは、ロボット外科手術システムに取り付けられた外科器具からの触覚フィードバック及びロボットアームに取り付けられたナビゲーションスクリーン上の視覚フィードバックを備える。
【０１３０】
図１９〜２４は、患者をロボット外科手術システムに位置合わせしている外科医を示す。図１９〜２２は、患者が位置合わせされる間のナビゲーションディスプレイの画面を示す。ナビゲーションは、患者の解剖学的構造及び外科器具の表現を合わせる医用画像データの２つの視点を示す。これらの図において、外科器具は、患者の解剖学的構造（すなわち、患者の脊椎）のポイントに接している。図２３及び２４は、位置合わせ中に一組の空間座標を生成するために患者の解剖学的構造に接触する様々なステージにおける外科器具及びロボットアームを示す。
【０１３１】
図２５は、脊椎の棘突起を手動で除去している外科医を示す。体積除去は、手動または外科器具を有して実行され得る。加えて、体積除去は、外科医によってガイドされるのみで（すなわち、手術可能な体積を画定することなく）自由に実行され得る。椎弓切除の場合、棘突起は重要ではなく、患者の解剖学的構造の傷つきやすい部分の近くでもない、そのため手動の除去で十分である。図２６〜２７は、一組の空間座標を生成するために複数のポイントにおいて患者の解剖学的構造に接触することによって患者の解剖学的構造のモデルを更新するプロセス中の外科医を示す。図２６〜２７において示されるプロセス中に生成された一組の空間座標が、以前患者の解剖学的構造の内部ポイントであったポイント用の空間座標を含むはずであるため、患者の解剖学的構造モデルがそれに従って更新され得る。図２８は、中間の青色で協調された新しい表面の近くのモデルの領域を有する、更新された解剖学的構造モデルを示す。
【０１３２】
図２９は、患者の再位置合わせをするプロセス中の外科医を示す。外科医は、任意のポイントで患者の解剖学的構造に接触することができる。良好な再位置合わせをするために、特定のポイントで患者に接触する必要は無い。例示的な方法の場合、再位置合わせは、棘突起の除去を反映するために更新された患者のモデルに基づき実行されるであろう。図３０及び３１は、再位置合わせプロセス中の外科医によって見られたナビゲーションディスプレイを示す。外科医は、位置合わせが正確であるか追加のチェックを提供するために患者の骨に接触している外科器具を見ることができる。例えば、外科医が外科器具で患者の解剖学的構造に物理的に接触しているのに、ナビゲーションディスプレイが患者の解剖学的構造の表面に外科器具の終点を示さない場合、外科医は、外科方法を進める前に再位置合わせが必要であることがわかる。
【０１３３】
図３２は、手術可能な体積内で外科器具を操作している外科医を示す。外科器具は、周囲体積に対するリスクを無くし、手術可能な体積内の体積を除去するために使用され得る。椎弓切除の間、外科医は、脊髄の神経に近接して手術を行うため、精度は外科的転帰にとって重要である。外科医が手術可能な体積の境界に達する場合、ロボットアームがさらなる移動を防止し、触覚フィードバックが、境界から離れ、また内部へ向けなおすために外科医に信号を送るであろう。図３３は、例示的な方法における体積除去中に外科医が使用するナビゲーションディスプレイを示す。外科医は、外科器具ならびにその終点、患者の解剖学的構造をモデリングする医用画像データ、及び現在の処置の手術可能な体積の表現を見ることができる。外科医は、元の手術可能な体積がどこかで不十分または不完全であると判定される場合、手術可能な体積を手術中に再度画定するためにこれを使用することができる。終点及び手術可能な体積のオーバーレイもまた、位置合わせが正確であるという外科医用視覚チェックを提供する。外科医が触覚フィードバックを感じているのに、終点が手術可能な体積内に現れる場合、手術可能な体積は再度画定される必要があり、及び／または患者が再位置合わせされる必要がある。
【０１３４】
図３４及び３５は、椎弓切除完了後の患者の脊椎を示す。必要な体積を除去する。体積除去中にロボット外科手術システムの使用と組み合わせて手術可能な体積を使用することによって、体積除去は、既知のテクニックを有する同様の体積除去に比べて明らかにより早く行われ得る。例えば、ある実施形態において、椎弓切除の体積除去は、概して３０分以上かかる以前の既知のテクニックと比較すると、５分以下で行う。
【０１３５】
本明細書において記載された外科方法が例示であることが理解される。多くの外科処置は、患者の解剖学的構造と外科器具との良好に画定された空間的関係、と同様に外科器具の移動を制限する手術体積を必要とする。他の整形外科及び非整形外科方法は、本明細書に記載された方法の統合を容易に適合される。ロボットベースナビゲーションシステム及び方法を使用することが考えられる他の外科手術は、これらに限定することはないが、整形外科処置、ＥＮＴ処置、及び神経外科処置を含む。このような処置が、開放型、経皮、侵襲性外科（ＭＩＳ）方法を使用して実行され得ることが、当業者によって容易に理解される。また本明細書において記載された関連する座標システムを使用して座標及び／または体積を判定するためのいずれの方法も、本明細書において記載されたいずれの外科方法において使用され得るということが理解される。
【０１３６】
図３６は、本明細書に記載された方法及びシステムにおいて使用するための例示的なネットワーク環境３６００を示す。概略において、図３６を参照すると、例示的なクラウド計算環境３６００のブロック図が、示され、記載される。クラウド計算環境３６００は、１つ以上のリソースプロバイダ３６０２ａ、３６０２ｂ、３６０２ｃ（集合的に、３６０２）を含み得る。各リソースプロバイダ３６０２は、計算リソースを含み得る。いくつかの実装において、計算リソースは、データを処理するために使用された任意のハードウェア及び／またはソフトウェアを含み得る。例えば、計算リソースは、アルゴリズム、計算プログラム、及び／または計算アプリケーションを実行することが可能なハードウェア及び／またはソフトウェアを含み得る。いくつかの実装において、例示的な計算リソースは、アプリケーションサーバ及び／または記憶及び検索能力を備えるデータベースを含み得る。各リソースプロバイダ３６０２は、クラウド計算環境３６００内で任意の他のリソースプロバイダ３６０２に接続され得る。いくつかの実装において、リソースプロバイダ３６０２は、コンピュータネットワーク３６０８上で接続され得る。各リソースプロバイダ３６０２は、コンピュータネットワーク３６０８上で１つ以上の計算デバイス３６０４ａ、３６０４ｂ、３６０４ｃ（集合的に、３６０４）に接続され得る。
【０１３７】
クラウド計算環境３６００は、リソースマネジャ３６０６を含み得る。リソースマネジャ３６０６は、コンピュータネットワーク３６０８上でリソースプロバイダ３６０２及び計算デバイス３６０４に接続され得る。いくつかの実装において、リソースマネジャ３６０６は、1つ以上のリソースプロバイダ３６０２によって1つ以上の計算デバイス３６０４への計算リソースの提供を促進し得る。リソースマネジャ３６０６は、特定の計算デバイス３６０４からの計算リソースに対するリクエストを受信し得る。リソースマネジャ３６０６は、計算デバイス３６０４によってリクエストされた計算リソースを提供することができる1つ以上のリソースプロバイダ３６０２を識別し得る。リソースマネジャ３６０６は、計算リソースを提供するためにリソースプロバイダ３６０２を選択し得る。リソースマネジャ３６０６は、リソースプロバイダ３６０２と特定の計算デバイス３６０４との接続を促進し得る。いくつかの実装において、リソースマネジャ３６０６は、特定のリソースプロバイダ３６０２と特定の計算デバイス３６０４との接続を確立し得る。いくつかの実装において、リソースマネジャ３６０６は、リクエストされた計算リソースを有する特定のリソースプロバイダ３６０２に特定の計算デバイス３６０４をリダイレクトすることができる。
【０１３８】
図３７は、本開示において記載された方法及びシステムにおいて使用され得る計算デバイス３７００及び移動式計算デバイス３７５０の実施例を示す。計算デバイス３７００は、ラップトップ、デスクトップ、ワークステーション、携帯情報端末、サーバ、ブレードサーバ、メインフレーム、及び他の適切なコンピュータなどの、様々な形態のデジタルコンピュータを提示するように意図される。移動式計算デバイス３７５０は、携帯情報端末、携帯電話、スマートフォン、及び他の同様の計算デバイスなどの、様々な形態の移動式デバイスを提示するように意図される。ここで示される構成部品、それらの接続ならびに関係、及びそれらの機能は、単に例にすぎず、これらに限定することを意味するものではない。
【０１３９】
計算デバイス３７００は、プロセッサ３７０２、メモリ３７０４、記憶デバイス３７０６、メモリ３７０４及び多重高速拡張ポート３７１０に接続する高速インターフェース３７０８、及び低速拡張ポート３７１４及び記憶デバイス３７０６に接続する低速インターフェース３７１２を含む。各プロセッサ３７０２、メモリ３７０４、記憶デバイス３７０６、高速インターフェース３７０８、高速拡張ポート３７１０、及び低速インターフェース３７１２は、様々なバスを使用して相互接続され、共通のマザーボードまたは他の適切な方法で搭載され得る。プロセッサ３７０２は、高速インターフェース３７０８に結合されたディスプレイ３７１６などの外部入／出力デバイス上のＧＵＩのための図式情報を表示するために、メモリ内３７０４または記憶デバイス３７０６上に記憶された命令を含む、計算デバイス３７００内で実行するための命令を処理することができる。他の実装において、多重プロセッサ及び／または多重バスが、多重メモリ及びメモリの種類に沿って適切に使用され得る。また、多重計算デバイスは、必要な動作（例えば、サーババンク、ブレードサーバのグループ、または多重プロセッサシステムとしての）の一部を提供する各デバイスと接続され得る。
【０１４０】
メモリ３７０４は、計算デバイス３７００内で情報を記憶する。いくつかの実装において、メモリ３７０４は、揮発性メモリユニットまたは複数のユニットである。いくつかの実装において、メモリ３７０４は、不揮発性メモリユニットまたは複数のユニットである。メモリ３７０４はまた、磁気または光学ディスクなどの、コンピュータ可読媒体の別の形態となり得る。
【０１４１】
記憶デバイス３７０６は、計算デバイス３７００用の大容量記憶装置を提供することが可能である。いくつかの実装において、記憶デバイス３７０６は、フロッピー(登録商標）ディスクデバイス、ハードディスクデバイス、光学ディスクデバイス、またはテープデバイス、フラッシュメモリもしくは他の類似の固体メモリデバイス、または記憶領域ネットワークまたは他の構成におけるデバイスを含む、デバイスの配列など、コンピュータ可読媒体となり得、またはそれを収容し得る。命令は、情報担体内に記憶され得る。命令は、１つ以上の処理デバイス（例えば、プロセッサ３７０２）によって実行されるとき、上記で記載されたような、１つ以上の方法を実行する。命令はまた、コンピュータ可読媒体、または機械可読媒体（例えば、メモリ３７０４、記憶デバイス３７０６、またはプロセッサ３７０２上のメモリ）などの１つ以上の記憶デバイスによって記憶され得る。
【０１４２】
高速インターフェース３７０８は、計算デバイス３７００のための帯域集中操作を管理し、一方で低速インターフェース３７１２は、より低い帯域集中操作を管理する。このような機能の配分は、単に実施例である。いくつかの実装において、高速インターフェース３７０８は、メモリ３７０４、ディスプレイ３７１６（例えば、図式プロセッサまたはアクセラレータ）、及び様々な拡張カード（図示せず）を受容し得る、高速拡張ポート３７１０に結合される。実装において、低速インターフェース３７１２は、記憶デバイス３７０６及び低速拡張ポート３７１４に結合される。様々な通信ポート（例えば、ＵＳＢ、ブルートゥース（登録商標）、イーサネット(登録商標）、無線イーサネット(登録商標））を含み得る低速拡張ポート３７１４は、キーボード、ポインティングデバイス、スキャナなどの１つ以上の入／出力デバイス、またはスイッチもしくはルータなどの、例えばネットワークアダプタを通る１つのネットワークデバイスと結合され得る。
【０１４３】
計算デバイス３７００は、図で示されるように多くの異なる形態において実装され得る。例えば、標準サーバ３７２０、またはそのようなサーバの一群において多数実装され得る。加えて、ラップトップコンピュータ３７２２などのパソコンにも実装され得る。またラックサーバシステム３７２４の一部としても実装され得る。代替的に、計算デバイス３７００からの構成部品は、移動式計算デバイス３７５０などの、移動式デバイス（図示せず）内の他の構成部品とも組み合わせられ得る。そのようなデバイスの各々は、１つ以上の計算デバイス３７００及び移動式計算デバイス３７５０を収容し得、システム全体が、互いに通信する多くの計算デバイスで構成され得る。
【０１４４】
移動式計算デバイス３７５０は、プロセッサ３７５２、メモリ３７６４、ディスプレイ３７５４などの入／出力デバイス、通信インターフェース３７６６、及び他の構成部品の間のトランシーバ３７６８を含む。移動式計算デバイス３７５０はまた、付加的な記憶装置を提供するために、マイクロドライブまたは他のデバイスなどの、記憶デバイスを備えることができる。プロセッサ３７５２、メモリ３７６４、ディスプレイ３７５４、通信インターフェース３７６６、及びトランシーバ３７６８の各々は、様々なバスを使用して相互接続され、いくつかの構成部品は、共通のマザーボードまたは他の適切な方法で搭載され得る。
【０１４５】
プロセッサ３７５２は、メモリ内３７６４内に記憶された命令を含む、移動式計算デバイス３７５０内で命令を実行することができる。プロセッサ３７５２は、別の多くのアナログ及びデジタルプロセッサを含むチップのチップセットとして実装され得る。プロセッサ３７５２は、例えば、ユーザインターフェース、移動式計算デバイス３７５０によって動作するアプリケーション、及び移動式計算デバイス３７５０による無線通信など、移動式計算デバイス３７５０の他の構成部品の調整のために提供され得る。
【０１４６】
プロセッサ３７５２は、制御インターフェース３７５８及びディスプレイ３７５４に結合されたディスプレイインターフェース３７５６を通してユーザと通信し得る。ディスプレイ３７５４は、例えば、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）ディスプレイまたはＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）ディスプレイ、または他の適切なディスプレイ技術となり得る。ディスプレイインターフェース３７５６は、ユーザに図式及び他の情報を提示するためにディスプレイ３７５４を駆動するための適切な回路を備え得る。制御インターフェース３７５８は、ユーザからのコマンドを受信し、それらをプロセッサ３７５２へ提出するために変換し得る。加えて、外部インターフェース３７６２は、プロセッサ３７５２との通信を提供し得、移動式計算デバイス３７５０の他のデバイスとの近距離通信を可能とする。外部インターフェース３７６２は、例えば、いくつかの実装における有線通信のため、または他の実装における無線通信のために提供し得、及び多重インターフェースもまた使用され得る。
【０１４７】
メモリ３７６４は、移動式計算デバイス３７５０内部の情報を記憶する。メモリ３７６４は、コンピュータ可読媒体、揮発性メモリユニットもしくは複数のユニット、または不揮発性メモリユニットもしくは複数のユニットのうちの１つ以上として実装され得る。拡張メモリ３７７４もまた、例えば、ＳＩＭＭ（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｉｎ  Ｌｉｎｅ  Ｍｅｍｏｒｙ  Ｍｏｄｕｌｅ）カードインターフェースを含み得る、拡張インターフェース３７７２を通して移動式計算デバイス３７５０に提供され、接続され得る。拡張メモリ３７７４は、移動式計算デバイス３７５０のための予備の記憶空間を提供し得、または移動式計算デバイス３７５０のためのアプリケーションもしくは他の情報を記憶し得る。特に、拡張メモリ３７７４は、上記に記載されたプロセスを実行または補完するための命令を含み得、また安全情報を含み得る。そのため、例えば、拡張メモリ３７７４は、移動式計算デバイス３７５０のためのセキュリティモジュールとして提供され得、移動式計算デバイス３７５０の使用の安全性を認める命令をプログラムされ得る。加えて、安全アプリケーションが、追加の情報、ハック不可方式でＳＩＭＭカード上に識別情報を配置することなどと共に、ＳＩＭＭカードを介して提供され得る。
【０１４８】
メモリは、下記で論じられるように、例えば、フラッシュメモリ及び／またはＮＶＲＡＭメモリ（不揮発性ランダムアクセスメモリ）を含み得る。いくつかの実装において、命令は、情報キャリア内に記憶され、１つ以上の処理デバイス（例えば、プロセッサ３７５２）によって実行されるとき、上記で記述されたような、１つ以上の方法を実行する。命令はまた、１つ以上のコンピュータ可読媒体または機械可読媒体（例えば、メモリ３７６４、拡張メモリ３７７４、またはプロセッサ３７５２上のメモリ）など、１つ以上の記憶デバイスによって記憶され得る。いくつかの実装において、命令は、例えば、トランシーバ３７６８または外部インターフェース３７６２上で、伝搬信号で受信され得る。
【０１４９】
移動式計算デバイス３７５０は、必要な場合にデジタル信号処理回路を含み得る、通信インターフェース３７６６を通して無線で通信し得る。通信インターフェース３７６６は、ＧＳＭ(登録商標）ボイスコール（移動式通信のためのＧｌｏｂａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）、ＳＭＳ（Ｓｈｏｒｔ  Ｍｅｓｓａｇｅ  Ｓｅｒｖｉｃｅ）、ＥＭＳ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｍｅｓｓａｇｉｎｇ  Ｓｅｒｖｉｃｅ）、またはＭＭＳメッセージ（Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ  Ｍｅｓｓａｇｉｎｇ  Ｓｅｒｖｉｃｅ）、ＣＤＭＡ（符号分割多重アクセス）、ＴＤＭＡ（時分割多重アクセス）、ＰＤＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｅｌｌｕｌａｒ）、ＷＣＤＭＡ(登録商標）（Ｗｉｄｅｂａｎｄ  Ｃｏｄｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ）、ＣＤＭＡ２０００、またはＧＰＲＳ（Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｐａｃｋｅｔ  Ｒａｄｉｏ  Ｓｅｒｖｉｃｅ）、他、などの様々なモードまたはプロトコル下での通信を提供し得る。このような通信は、例えば、無線周波数を使用してトランシーバ３７６８を通して発生し得る。加えて、短距離通信も、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｗｉ−Ｆｉ(登録商標）、または他のこのようなトランシーバ（図示せず）を使用して、発生し得る。加えて、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）受信モジュール３７７０は、移動式計算デバイス３７５０に付加的なナビゲーションに関する無線データ及び配置に関する無線データを提供し得、これは移動式計算デバイス３７５０上で動作しているアプリケーションによって適切に使用され得る。
【０１５０】
移動式計算デバイス３７５０はまた、オーディオコーデック３７６０を使用して音声認識しながら通信し得、これはユーザからの口頭の情報を受信し、それを使用可能なデジタル情報に変換し得る。オーディオコーデック３７６０は、例えば、移動式計算デバイス３７５０のハンドセットをしている、話し手を通してなど、ユーザ用の可聴音を同じように生成し得る。このような音声は、音声電話からの音声を含み得、録音された音声（例えば、ボイスメッセージ、音楽ファイルなど）を含み得、また移動式計算デバイス３７５０上で動作するアプリケーションによって生成された音声を含み得る。
【０１５１】
移動式計算デバイス３７５０は、図において示されるように、たくさんの異なる形態で実装され得る。例えば、携帯電話３７８０として実装され得る。またスマートフォン３７８２、携帯情報端末、または他の類似の移動式デバイスの一部として実装され得る。
【０１５２】
ここで記載されたシステム及びテクニックの様々な実装は、デジタル電子回路、集積回路、特別設計ＡＳＩＣ（特定用途集積回路）、コンピュータハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、及び／またはそれらの組み合わせにおいて実現され得る。これらの様々な実装は、少なくとも１つのプログラム可能なプロセッサを含むプログラム可能なシステム上で実行可能及び／または解釈可能な１つ以上のコンピュータプログラムにおける実装を含むことができ、これは記憶システム、少なくとも１つの入力デバイス、及び少なくとも１つの出力デバイスからデータならびに命令を受信するため、及び送信するために結合され、特別なまたは汎用となり得る。
【０１５３】
これらのコンピュータプログラム（またプログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、またはコードとして既知である）は、プログラム可能なプロセッサ用の機械命令を含み、高水準手続き型及び／またはオブジェクト志向プログラミング言語、及び／またはアセンブリ／機械言語において実装され得る。本明細書で使用されるように、用語、機械可読及びコンピュータ可読媒体は、機械命令を機械可読シグナルとして受信する機械可読媒体を含む、プログラム可能なプロセッサに機械命令及び／またはデータを提供するために使用された、いずれのコンピュータプログラム製品、装置及び／またはデバイス（例えば、磁気ディスク、光学ディスク、メモリ、プログラム可能なロジックデバイス（ＰＬＤ））のことを指す。用語、機械可読信号は、プログラム可能なプロセッサに機械命令及び／またはデータを提供するために使用されたいずれの信号のことを指す。
【０１５４】
ユーザとの相互作用を提供するために、ここに記載されたシステム及びテクニックは、ユーザに情報を表示するための表示デバイス（例えば、ＣＲＴ（陰極線管）またはＬＣＤ（液晶ディスプレイ）モニタ）、及びそれによってユーザがコンピュータへの入力を提供することができるキーボードならびにポインティングデバイス（例えば、マウスまたはトラックボール）を有するコンピュータ上に実装され得る。他の種類のデバイスも同様に、ユーザとの相互作用を提供するために使用され得、たとえば、ユーザに提供されたフィードバックは、いずれの形態の感覚フィードバック（例えば、視覚フィードバック、聴覚フィードバック、または触覚フィードバック）となり得、ユーザからの入力は、音、スピーチ、または触覚入力を含む任意の形態で受信され得る。
【０１５５】
ここに記載されたシステム及びテクニックは、バックエンド構成部品（例えば、データサーバとして）を含む、またはミドルウェア構成部品（例えば、アプリケーション、サーバ）を含む、またはフロントエンド構成部品（例えば、ユーザがここに記載されたシステム及びテクニックの実装とこれを通して相互作用することができる、図式ユーザインターフェースまたはウエブブラウザを有するクライアントコンピュータ）を含む、またはこのようなバックエンド、ミドルウェア、またはフロントエンド構成部品の組み合わせを含む計算システム内に実装され得る。システムの構成部品は、デジタルデータ通信（例えば、通信ネットワーク）の任意の形態または媒体によって相互接続され得る。通信ネットワークの実施例は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、広域ネットワーク（ＷＡＮ）、及びインターネットを含む。
【０１５６】
計算システムは、クライアント及びサーバを含むことができる。クライアント及びサーバは、互いに概して離れており、通信ネットワークを通して典型的に相互作用する。クライアント及びサーバの関係は、それぞれのコンピュータ上で動作し、互いにクライアント−サーバ関係を有するコンピュータプログラムのおかげで成り立つ。
【０１５７】
本発明のある実施形態が、上記に記載された。しかしながら、本発明は、それらの実施形態に限定するものではなく、本明細書に明示的に記載されたことへの追加及び修正はまた本発明の範囲内に含まれることが意図されるということが明示的に理解される。さらに、本明細書に記載された様々な実施形態の特性は、互いに排他的ではなく、例えばそのような組み合わせまたは配置が本明細書において明示されなくとも、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく様々な組み合わせ及び配置で存在することができる。実際に、本明細書に記載されたことの変化、修正、及び他の実装が、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく同業者が気づくであろう。このように、本発明は、前述の例示的な説明によってのみ定義されるものではない。
【０１５８】
ロボット外科手術システムのロボットナビゲーションのための方法及び装置のある実装を説明すると、同業者には本発明のコンセプトを組み込む他の実装が使用され得るということが明らかとなるであろう。したがって、開示は、ある実装に限定されるべきではなく、むしろ下記請求項の趣旨及び範囲によってのみ限定されるべきである。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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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７Ｄ】
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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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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【外国語明細書】
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