(57)【要約】      （修正有）【課題】医用画像（複数可）を三次元追跡空間に位置合わせするための外科用ナビゲーションシステムと共に使用するための位置合わせ固定具を提供する。【解決手段】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、位置合わせ固定具の開口部１４１４を通して患者固定器具を挿入することによって、患者固定器具に取設される。位置合わせ固定具は、少なくとも１つの追跡マーカ１４２０を有する第１のリングと、少なくとも１つの追跡マーカを有する第１のリングと連結された第２のリングとを含み、第１のリング及び第２のリングは互いに隔置され、かつ光学マーカを更に含む。【選択図】図１０
2018051306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
医用画像（複数可）を三次元追跡空間に位置合わせするための外科用ナビゲーションシステムと共に用いるための位置合わせ固定具であって、
少なくとも１つの追跡マーカを有する第１のリングと、
少なくとも１つの追跡マーカを有する前記第１のリングと連結された第２のリングと、を備え、
前記第１のリング及び前記第２のリングは、互いに離れて隔置され、かつ光学的マーカを含む、位置合わせ固定具。
【請求項２】
前記第１及び第２のリングは、平行平面において同軸に位置付けられる、請求項１に記載の位置合わせ固定具。
【請求項３】
前記第１及び第２のリングは、５０〜３００ｍｍ離れて隔置される、請求項１に記載の位置合わせ固定具。
【請求項４】
前記第１及び第２のリングは、前記第１及び第２のリングの直径に延びるワイヤから形成された十字線を含む、請求項１に記載の位置合わせ固定具。
【請求項５】
前記第１及び第２のリングは、等しくない直径を有する、請求項１に記載の位置合わせ固定具。
【請求項６】
前記位置合わせ固定具は、Ｘ線不透過性材料から形成される、請求項１に記載の位置合わせ固定具。
【請求項７】
前記第１及び第２のリングの前記十字線は、前記第１及び第２のリングのきっかり中心を通過する、請求項４に記載の位置合わせ固定具。
【請求項８】
前記位置合わせ固定具は、撮像デバイスに連結される、請求項４に記載の位置合わせ固定具。
【請求項９】
前記撮像デバイスは、Ｘ線透視装置である、請求項８に記載の位置合わせ固定具。
【請求項１０】
第３のリングが、前記第１または前記第２のリングに連結される、請求項１に記載の位置合わせ固定具。
【請求項１１】
医用画像（複数可）を三次元追跡空間と位置合わせするための位置合わせ固定具であって、
第１の平面上に位置付けされた第１の構造体と、
第２の平面上に位置付けされ、前記第１の構造体と互いに連結される第２の構造体と、
画像上にパターンを提供する前記第１及び前記第２の構造体上に位置付けられた複数のＸ線不透過性マーカと、を備え、
前記複数のＸ線不透過性マーカの第１のセットは、第１の直径を有するように構成され、
前記複数のＸ線不透過性マーカの第２のセットは、第２の直径を有するように構成される、位置合わせ固定具。
【請求項１２】
前記パターンは、前記位置合わせ固定具の較正のための独自のものである、請求項１１に記載の位置合わせ固定具。
【請求項１３】
前記複数のマーカは、隔置される、請求項１１に記載の位置合わせ固定具。
【請求項１４】
前記複数のＸ線不透過性マーカの前記第１のセットは、２Ｄ−３Ｄの正確なマッピング及び画像補正を提供するためにサイズ決定される、請求項１１に記載の位置合わせ固定具。
【請求項１５】
前記複数のＸ線不透過性マーカの前記第２のセットは、画像の回転及びフリップ位置を検出するようにサイズ決定される、請求項１１に記載の位置合わせ固定具。
【請求項１６】
前記複数のＸ線不透過性マーカは、第１及び第２の構造体の周囲部の周りに隔置される、請求項１１に記載の位置合わせ固定具。
【請求項１７】
前記位置合わせ固定具は、Ｘ線透視装置に連結される、請求項１１に記載の位置合わせ固定具。
【請求項１８】
前記第１の直径及び前記第２の直径は、等しくない、請求項１１に記載の位置合わせ固定具。
【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号の一部継続であり、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号の一部継続であり、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、その米国特許出願は、２０１２年６月２１日に出願された仮出願第６１／６６２，７０２号に対する優先権を主張し、及び２０１３年３月１５日に出願された仮出願第６１／８００，５２７号に対する優先権を主張し、それらの全ては、全ての目的のために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。
［技術分野］
【０００２】
本開示は、位置認識システム、特に、医用画像の三次元追跡空間への位置合わせに関する。
［背景技術］
【０００３】
外科用ナビゲーションでは、追跡空間において剛体として検出される外科用デバイスが、患者の解剖学的構造に対して正確な位置で医用画像上に重なるグラフィックとして表示され得るように、医用画像または医用画像セットを三次元追跡空間に対して位置合わせする必要がある。この工程は、追跡座標系に対する画像の一方向位置合わせである。ロボットナビゲーションでは、画像座標系から追跡座標系に剛体を位置付けできるようにするには、画像及び追跡座標系を双方向に共に位置合わせすることも必要である。実際には、所望の軌道は、医用画像上で重ね合わせ、医用画像座標系で剛体として外科用物体（例えば、外科用スクリュー）を画定し、共に位置合わせすることにより、追跡空間内で剛体を同時に画定させ得る。ロボットは、追跡空間のその位置が既知であるように較正されるため、ロボットは、所望の軌道に沿って既知の位置まで移動して、スクリュー、ニードル、または他の器具が所望の軌道を辿ることができるように、外科用のツールを保持することができる。
【０００４】
ＣＴ画像ボリューム及びカメラ空間の両方が確実に確定されることから、追跡空間を有するコンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャンなど、三次元画像ボリュームを共に位置合わせする工程が可能である。画像ボリュームの基準位置により、画像処理によって、正しく検出することができ、カメラ空間の追跡マーカの位置は、立体写真測量（ｓｔｅｒｅｏｐｈｏｔｏｇｒａｒｎｍｅｔｒｙ）によって正しく検出することができる。このため、既知の相対位置に追跡マーカ及び撮像基準の両方を含む位置合わせ固定具は、三次元画像と連動するとき、必要な共に位置合わせすることをもたらすことができる。しかし、複数の二次元画像から作業するとき、これらの画像と追跡空間との位置合わせ工程は、困難なものとなる。このため、追跡空間に対して二次元画像を共に位置合わせするための改善されたシステム及び方法が必要とされる。
［発明の概要］
【０００５】
本開示は、２つ以上の二次元画像（例えば、Ｘ線透視画像から）三次元画像ボリュームを構築し、次いで、この三次元画像ボリュームを三次元追跡空間と共に位置合わせするための方法について記載する。２つのＸ線透視像によって画定されると、特に、旧式のＸ線透視装置に存在する撮像アーチファクトに関して、画像ボリュームを正しく構成することが難しいため、このタイプの共に位置合わせすることは、困難である。更に、複数の二次元医用画像上で所望の軌道を計画し、次いで、その軌道にロボットを送る工程は、三次元医用画像ボリューム、例えば、ＣＴスキャンなどの対応する工程とは異なる。本開示の実施形態は、共に位置合わせする工程において、きっかり９０度でＸ線透視画像を有する必要がなくなること、球状基準の代替としてリングを使用すること、患者に代わって、Ｘ線透視装置に装着された位置合わせ固定具を使用すること、ひずみ補正を提供することなど、二次元画像を用いる工程を改善するシステム及び方法を記載する。
【０００６】
一実施形態においては、医用画像（複数可）を三次元追跡空間に位置合わせするための外科用ナビゲーションシステムと共に使用するための位置合わせ固定具が提供され、位置合わせ固定具は、少なくとも１つの追跡マーカを有する第１のリングと、少なくとも１つの追跡マーカを有する第１のリングに連結された第２のリングと、を含み、第１のリング及び第２のリングは互いに隔置され、かつ光学マーカを更に含む。
【０００７】
本発明のこれらの及び他のシステム、方法、物体、特徴、及び利点は、以下の好ましい実施形態の詳細な説明及び図より、当業者にとって明らかであろう。本明細書に記載の全ての文書は、参照することにより、その全体が本明細書に組み込まれる。
【０００８】
本発明及びその特定の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。
［図面の簡単な説明］
【０００９】
［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］ナビゲーション固定具の一実施形態を示す。
［図１４］Ｘ線源から異なる距離の２つの平面内で小型の金属球（以降「ＢＢ」と称する）の理論的投影を示すＸ線（Ｘ線透視装置）コレクタ極板を例解する。
［図１５］３Ｄ場所を作り出すために、２つの異なる透視図の同じ放射線不透過点から撮影した２つのＸ線投影を例解する。
［図１６］ＢＢのグリッドのコレクタ極板に対して平行な平面から撮影したＸ線画像を例解する。
［図１７］陰影がコレクタ極板上に現れる視野において、コレクタ極板に対して垂直の平面で見られる主要な直径及びＢＢを例解する。
［図１８］２つの平行な平面上でのｂｂパターン及びＸ線透視ユニットの画像増強器に装着される固定具の設計を例解する。
［図１９］位置合わせ固定具のＢＢパターンを例解する。
［図２０］十字線を有する平行リングから構築された透視位置合わせ固定具を例解する。
［図２１］Ｘ線コレクタがリングの平面に平行であり、リングがＸ線コレクタと同軸であるときのＸ線でのリング位置合わせ固定具の外観を例解する。
［図２２］固定具がコレクタ極板及びリングに対して厳密な角度であるとき、Ｘ線でのリング位置合わせ固定具の理論的外観を例解する。
［図２３］座標系マッピング工程において、ｚの周りでθ分回転させるための変換ステップを例解する。
［図２４］座標系マッピング工程において、ｙの周りでα分回転させるための変換ステップを例解する。
［図２５］座標系マッピング工程において、Ｘ線写真透視図に一致するように、平面で回転させるための変換ステップを例解する。
［図２６］座標系マッピング工程において、座標系中心から変位（ｄｘ、ｄｙ）させるための変換ステップを例解する。
［図２７］座標系マッピング工程において、視差による拡大の変換ステップを例解する。
［図２８］陰影がコレクタ極板上に現れる視野において、コレクタ極板の平面に対して垂直な平面で見える主要直径及びコレクタに平行であるリングの略図を例解する。
［図２９］リング平面から透視で見て、コレクタ平面に対する任意の入射角にあるリングからの図を例解する。リング平面は、このページ内及びページ外にある。
［図３０］リング平面から透視で見て、コレクタ平面に対する任意の入射角にある一対の同軸リングからの図を例解する。リング平面は、このページ内及びページ外にある。
［図３１］回転させた透視図からの任意の入射角でのリングの図を例解する。
［図３２］任意の入射角での一対のリングの図を例解する。
［図３３］ｙ軸の周りで生じる入射角α＝２０°を有する２つの円形リングのＸ線でのモデル化された外観（視差による）を例解する。
［図３４］ｙ軸の周りで生じる入射角α＝２４．５°を有する２つの平行な円形リングのＸ線上でのモデル化された外観（視差による）を例解する。双方のリングは、Ｘ線中心からオフセットされ、双方の楕円の長軸は、ｙ軸に対して目に見えて角度を付けているように見える。
［図３５］ｙ軸の周りで生じる入射角α＝２４．５°を有する２つの平行な円形リングのＸ線上でのモデル化された外観（視差による）を例解する。双方のリングは、Ｘ線の中心からオフセットされ、遠視野楕円は、画像の中心の周りで、近視野及び遠視野楕円がそれらの長軸と等しくなるまでスケーリングさせている。
［図３６］糸巻形ひずみを例解する。
［図３７］ｓ−ひずみを例解する。
【００１０】
本発明は、特定の好ましい実施形態と関連して記述され、他の実施形態は、当業者によって理解され、本明細書に包含される。
［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１及び図２を参照し、例示的な実施形態による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及び図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、プラットホ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、プラットホームサブシステム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。プラットホームサブシステム５０２は、バッテリ４０２、配電モジュール４０４、プラットホ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ホ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。［００５５］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】
プラットホームサブシステム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、ＨＤＭＩ通信を可能にするために、他のポートを含んでもよい。［００５７］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、かつ／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に係合するように設計され得る安定器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。
【００２７】
リング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。
【００２８】
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、プラットホームサブシステム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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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ことがＩＲ受信機により検出されると、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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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に着座させてもよい。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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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Ｘ線透視スキャンであってもよい。
【００５０】
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及び位置合わせされ、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。
【００５１】
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及び位置合わせされる。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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
追跡座標系に対する医用画像の一方向位置合わせにより手術を支援するために、Ｘ線透視像に重ね合わせた外科用ツールのシミュレートされた投影を表示するための方法がある。例えば、較正固定具は、図１３に示すものなど、Ｘ線透視装置の画像増強器に装着されてもよい。固定具は、Ｘ線画像上に現れる既知の空間を有する小型の金属球（以降「ＢＢ」と称する）の列を含み、また、追跡空間において固定具の三次元（３Ｄ）位置を提供する光学追跡アレイを含む。Ｘ線経路に配置したツールがＸ線画像の投影としてどのように現れるべきであるかは、画像処理及び幾何学的計算から決定することができる。装着される追跡アレイを有するツールの３Ｄ位置は、追跡装置（例えば、カメラ）の座標系で追跡される。次いで、ツールのグラフィック表現をＸ線画像に重ね合わせ、手術野でツールを保持しながら、連続Ｘ線撮影を行った場合に見られるのとほぼ同じ視覚情報を有する「仮想透視画像」をもたらす。この方法の利点は、仮想透視画像により単一のＸ線画像に重ね合わせられるツールの位置を連続更新することができるため、患者及び医療従事者が晒される放射線がより少ない点である。
【００５６】
この方法では、３Ｄツールの位置を二次元（２Ｄ）医用画像にマッピングするが、２Ｄ医用画像上で検出されるマッピングポイントを３Ｄ追跡空間に適用する必要はない。つまり、医用画像空間と追跡空間とを共に位置合わせする必要はない。しかし、エミッタからコレクタに延びるベクトルを考慮することによって、こうしたマッピングを得ることは可能である。図１４は、Ｘ線源１７０８からの距離が異なる２つの平面１７０４及び１７０６内のＢＢ１７１０の理論的投影を示すＸ線（例えば、Ｘ線透視装置）コレクタ極板１７０２を例解する。Ｘ線コレクタ極板１７０２、平面１  １７０６、及び平面２  １７０４は、平行かつ同軸であるように示す。この例においては、Ｘ線エミッタ１７０８は、点であると考えられ、Ｘ線源からコレクタへのＸ線は、円錐パターンにおいて、この点から発する。この円錐バターンにより、平面１  １７０６のＢＢ１７１０は、平面２  １７０４のＢＢ１７１０に対して、Ｘ線コレクタ極板１７０２上に拡大されて現れるが、実際には、この実施例において、これらは、同じように隔置されている。この現象は、視差として公知である。
【００５７】
図１５に描写されるような別のＸ線ビューとは実質的に異なる透視により、１つのＸ線ビューを撮影し、かつ３Ｄでのコレクタ及びエミッタの厳正な位置が、追跡手段または他の手段から既知である場合を考慮すると、エミッタからコレクタへ円錐パターンで延びるベクトルは、双方のビューに存在する解剖学的関心点１８０２が交差する場所まで戻って、追跡することができる。この例においては、「ベクトル」は、ＢＢの可視Ｘ線陰影から決定されたベクトル、または可視Ｘ線陰影から推測された円錘パターンに一致するように、計算された（例えば、内挿された）任意のベクトルを意味することもある。次に、２つのビューのベクトルの交点には固有の解が存在することから、解剖学的関心点の３Ｄ位置が決定されてもよい。つまり、１つのビューから基準点の３Ｄ位置を推論することは不可能である。これは、この点が、ベクトルに沿って、Ｘ線源からエミッタまでのいずれの場所にあってもよく、また、コレクタ極板上の同じ位置に現れる得るためである。第２のビューは、ベクトルに沿ってその点があるべき固有の位置をもたらす。
【００５８】
図１４は、２つの平行平面１７０４及び１７０６上にあるちょうど４つのＢＢ１７１０を示す。これらのＢＢは、複数の２Ｄ  Ｘ線ビューから３Ｄでの物体の位置を検出する方法の基準として提供され得る。しかし、より精密性を提供するためには、その代わりに、図１６に示すようなＢＢの高密度のグリッド（例えば、１０または１００の）を使用してもよい。これにより、ベクトルをより精密に内挿させ得る。より多くのＢＢを使用することにより、より精密な内挿が可能であり、かつ、最終的には、３Ｄの精密性がより良くなるが、より多くのＢＢのＸ線陰影は、外科医にとって、Ｘ線画像での関心解剖学的構造を可視化し得る妨げともなる。
【００５９】
コレクタ極板及びエミッタ源の位置は、両方の写真間で３Ｄにおいて既知であることが暗示的に仮定される。例えば、コレクタ極板は、装着された追跡アレイを有してもよく、このため、その３Ｄ位置が直接追跡される。また、エミッタ上に追跡器を配置することも可能である。しかし、それを行うには欠点もある。その欠点は主に、双方の追跡器を観察するために、追跡野が非常に広い必要がある点であり、コレクタとエミッタとの間の距離は、典型的には、およそ１メートル程度であってよい。光学追跡器などの追跡システムは、１立方メートル未満の追跡野のみを有してもよい。更には、エミッタは、いくつかの臨床上典型的なＸ線写真の外に位置付けされてもよい。その代わり、エミッタ源の場所は、コレクタアレイに対して較正されてもよいが、エミッタの場所を画定するにあたって、Ｘ線透視装置を別々に配向した場合、外挿による精密性は低く、コレクタとエミッタとの間の距離が広く、サジ（ｓａｇ）量が異なる可能性がある。あるいは、コレクタに対するエミッタ源の距離及び方向は、図１４及び図１７に示すものなど、既知の間隔ｄａｂ１７１２を有するＢＢの２つの平行平面のＸ線透視画像から計算してもよい。その式は式１に示し、図１７に描写される幾何学形状２０００に基づいて成立する。
【数１】
2018051306.tif 000003
式中、
・ｄｅｃは、エミッタからコレクタへの距離である（単位ｍｍ）。
・ｋは、透視出力のピクセル座標をミリメートルに変換するためのスケーリング係数である。
・ｌａは、平面ＡでのＢＢ１ａとＢＢ２ａとの間の横方向距離（単位ｍｍ）である。
・ｌｂは、平面ＡでのＢＢ１ｂとＢＢ２ｂとの間の横方向距離（単位ｍｍ）である。
・ｙ１ａは、中心にあるビームからＢＢ１ａの横方向距離（単位）である。
・ｙ１ｂは、中心にあるビームからＢＢ１ｂの横方向距離（単位）である。
・ｙ２ａは、中心にあるビームからＢＢ２ａの横方向距離（単位）である。
・ｙ２ｂは、中心にあるビームからＢＢ２ｂの横方向距離（単位）である。
・Ｚｅａは、エミッタから平面Ａ（ＢＢ１ａ及びＢＢ２ａ）までの距離（単位）である。
・ｚｅｂは、エミッタから平面Ｂ（ＢＢ１ｂ及びＢＢ２ｂ）までの距離（単位）である。
・ｄａｂは、平面Ａと平面Ｂとの間の長手方向の距離（単位ｍｍ）である。
・Ｌ２ａは、コレクタ上の平面ＡでのＢＢの陰影間のピクセル座標の距離である。
・Ｌ２ｂは、コレクタ上の平面ＢでのＢＢの陰影間のピクセル座標の距離である。
ｄｅｃを求めることにより、以下が成立する。
【数２】
2018051306.tif 000004
【００６０】
このため、平面間の間隔が既知であり、ＢＢ間の間隔が既知である場合、エミッタからコレクタまでの距離は、これらのＢＢを含むＸ線画像を画像処理することにより決定できる。図１７は、２つの平面において２つの隣接するＢＢ間の陰影間の距離を測定することを示す点に留意のこと。実際には、Ｘ線画像上でのいくつかの対のＢＢ間の距離を測定し、それらの距離を平均化してもよい。更に、図１７には、平面Ａ及び平面Ｂ上でのＢＢ間の距離が同じであるように示すが、これらの物理的距離は異なっていてもよく、また、式中では、ｌａ及びｌｂによって明らかになる。実際には、互いに投影を一部妨げることのないようにするには、ＢＢを、同じ間隔で整列させるよりも、オフセットさせることが望ましい場合もある。
【００６１】
コレクタに対してエミッタの位置を画定するためのこの方法では、エミッタの方向ならびに距離を画定するにあたって、２つの平行平面を使用する。コレクタに装着された位置合わせ固定具により、コレクタに対するエミッタからの方向がコレクタの平面及びＢＢを含む平面に対して垂直であると仮定される。この仮定が真実でない場合、近視野及び遠視野平面からのＢＢの投影は、Ｘ線画像上に対称的に重なり合うことはない。ＢＢ平面からのＸ線平面の角度を付けた所定の量の偏差については、対称的投影からのＢＢ陰影のオフセットの量は、ＢＢ平面間の距離に比例し、平面の分離が大きいほど、Ｘ線画像上での投影の横方向の変位が大きいことがわかる。幾何学を介して、ＢＢ陰影の横方向のオフセットを使用して、コレクタ平面に対するＢＢ平面の実際の配向（このため、３Ｄでのエミッタの位置）を精密に決定することができるか、または、ＢＢ陰影の横方向のオフセットを使用して、ＢＢ平面及びコレクタ極板が忠実に共平面となるまで、画像増強器上で位置合わせ固定具の配向を手動または自動で調節することができる。
【００６２】
スケーリング係数ｋは、上記式中に存在するが、この係数は、後続の、３Ｄ座標のうち、一般化させた点の３Ｄから２Ｄへのマッピングを行うために必要である。一般に、デカルト座標系のｘ軸及びｙ軸により整列された画像のＸ軸及びＹ軸を有する２Ｄ  Ｘ線画像上で３Ｄ点を座標系ｘ、ｙ、ｚを用いてマッピングするために、式３が成立する。
【数３】
2018051306.tif 000005
式中、Ｘは、デカルトＸ軸によって整列された２Ｄ  Ｘ線画像の座標系であり、Ｙは、デカルトｙ軸によって整列された２Ｄ  Ｘ線画像の座標系であり、ｚは、Ｘ線画像に対して垂直であるデカルト軸である。
【００６３】
最大９０度離した異なる配向で、２つのＸ線透視写真（よく見られる１つの臨床上前後写真、及びよく見られる１つの臨床上側面写真）を撮影した場合、（Ｘ１、Ｙ１）は、点がＸ線画像１（例えば、前後画像）上に現れると、点（ｘ、ｙ、ｚ）のｘ線座標として定義され得る。そのＸ線平面に整列された局所座標系の点のデカルト座標は、（ｘ１、ｙ１、ｚ１）と定義してもよい。同様に、（Ｘ２、Ｙ２）は、Ｘ線画像２（例えば、側面画像）上に現れるとき、同じ点のＸ線座標として定義され得る。そのＸ線平面に整列された局所座標系の点のデカルト座標は、（ｘ２、ｙ２、ｚ２）と定義してもよい。追跡システムは、Ｘ線コレクタの３Ｄ位置を検出するために使用され得るため、Ｘ線透視装置が各配向にあると、デカルト座標系１からデカルト座標系２への変換Ｔ１２がわかる。Ｔ１２は、この視野において一般に使用される、標準４ｘ４変換マトリックスである。このため、式４となる固有の解が存在する。
【数４】
2018051306.tif 000006
【００６４】
２つの座標系は、各Ｘ線平面、各Ｘ線平面でのｚ軸の始点、Ｘ線平面の中心にあるｘ軸及びｙ軸の始点に対して垂直であるｚ軸にそれぞれ配向させる点に留意のこと。Ｘ線平面に対するｘ及びｙの方向は、任意であってよい。例えば、３Ｄ光学追跡を用いて、３ＤでのＸ線平面の場所を追跡することによって、第１の３Ｄ座標系から第２の３Ｄ座標系への変換（Ｔ１２）を決定できる。
【００６５】
２つのＸ線透視ビューに関連付けられる３Ｄデカルト座標系を定義するための方法から、画像増強器上でＢＢは均一に投影されると仮定されてもよい。しかし、一般にＸ線透視装置から得られる画像には、糸巻形ひずみ、ｓ−ひずみなどのひずみを伴う。これらの種類のひずみは、本明細書に記載の方法を適用する前に、画像処理を用いて補正されてもよい。ひずみ補正は、位置合わせデバイス上でＢＢが対称的パターンに配置されるという事実を活用できる。このため、既知の対称的パターンから投影されたＸ線は、対称を一致させて画像を作成する必要がある。ＢＢ間の間隔及びＢＢの整列は、画像処理により決定してもよく、また、ＢＢの予測される投影と比較してもよい。アフィン変換など、画像処理において一般的に知られているアルゴリズムを使用して、投影されたＸ線画像を既知の、予測された対称と一致するようにしてもよい。Ｘ線上で解剖学的画像に対して同じ補正を適用してもよいことから、得られたＸ線画像はひずみのない投影を表し、本明細書に記載のとおり、位置合わせの有効な計算を可能なものとする必要がある。
【００６６】
実施形態においては、ひずみの補正に使用する対称パターンは、図１６に描写される四角パターン、ＢＢが画像の中心の周りの極座標系に分配され、ＢＢは、共通の半径及び方位角を共有する放射状対称パターン、または図１８及び図１９の固定具に描写される任意の好適なパターンであってもよい。位置合わせ固定具に埋め込まれた実際のＢＢパターンが既知である限り、Ｘ線画像上でのＢＢの対応する陰影を予測することができ、ひずみ補正は、画像を予測されたパターンに一致させるように適用される。
【００６７】
２Ｄ画像から３Ｄ画像へのマッピング工程は、Ｘ線画像上の方向を正確に解釈することに依存する。例えば、２Ｄ  Ｘ線画像が前後画像である場合、２Ｄ画像がエミッタ前部及びコレクタ後部の写真、またはエミッタ後部及びコレクタ前部の写真を表すか否か、わかっている必要がある。更に、Ｘ線透視画像は一般に円形であるため、どの方向が左、右、上、下を指すか、ＢＢ陰影から的確に決定するための方法を必要とする。固定具のＢＢの平面から、Ｘ線コレクタに最接近して配置されたＢＢを用いて、情報が提供され、Ｘ線画像を回転させて配向するように、など、配列補正に関する情報、また、例えば、ＢＢパターンにより、正のｚ方向が可視平面の正面または裏面から延びるか否かを決定し得るなど、反射に関する情報、が提供されることもある。実施形態においては、固定具は、このように配置されている大きいＢＢを有する外側リングを含んでもよいため、独自に、画像の回転及びフリップなどの配列態様を識別する。配向及び／またはフリップを識別するためのＢＢパターンは、そのパターンにより、画像の回転とフリップとの独自の組み合わせが提供される能力、及びそのパターンにより、検出信頼性を高めるために、重複したＢＢが提供される能力に基づいて選択されてもよい。ＢＢ陰影がツールもしくはインプラントを妨げるために、または画像の一部からのＸ線の貫通が不十分であるため、所与のあらゆるＸ線写真で、全てのＢＢが見えるわけではないことから、重複したＢＢは重要であり得る。
【００６８】
実施形態においては、図１９に示すとおり、標準的円形Ｘ線透視画像の周囲部の周りに間隔の異なるＢＢを有するリングを使用してもよく、周囲部にあるＢＢの陰影が、ビットコード（例えば、３２ビットコード）を形成する。実施形態においては、点の第１のアレイを有する第１の平面２２０２及び点の第２のアレイを有する第２の平面２２０４を投影させて、組み合わせ画像２２０６を形成してもよい。コード長は、ＢＢの場所の検出エラーにより、誤って、隣接するビット位置となるであろう機会が少なくなるように、ＢＢの間隔を十分離すことができ、それでも、ビットの欠落に対して頑強であるような十分な情報を提供するように、選択するものとする。ＢＢ陰影をわずかしか検出できず、既存のＢＢのサブセットのみが検出される場合、サブセットを既知のテンプレートと比較することで、ＢＢが欠落しているかに関わらず、正確な画像配向及びフリップを提供することができる。より多くの数のＢＢの欠落を有するサブセットが検出された場合、アルゴリズムにより、正確な画像配向及びフリップが決定され得る。実施形態においては、アルゴリズムの制限が既知であるが、システムでは、アルゴリズムを進める前に、特定の最小数のＢＢが検出されることを必要とすることもある。
【００６９】
実施形態においては、配向の一致は、点一致アルゴリズム（例えば、Ｋａｂｓｃｈ点一致アルゴリズム）または両方の点セットを同じようにスケーリングさせると仮定する他の好適な点一致アルゴリズムを使用してもよい。次いで、２つの点セット間の変換をアルゴリズムにより決定してもよく、一方の点セットは、配向ＢＢの検出から生じ、他方の点セットは、固定具３Ｄモデルから生じる。次に、固定具の配向マーカを画像空間に投影させてもよい。両方の点セットは、同じようにスケーリングさせる必要があるため、アルゴリズムでは、最善の一致を見出すために投影スケーリングの範囲の試験を行う。一旦最善の一致が見つかると、変換は適切にスケーリングされ、アルゴリズムにより、検出された画像マーカと物理的固定具マーカとの間に点対応が割り当てられる。次に、その結果得られる変換は、画像を回転及び／またはフリップさせて、固定具と調整するために画像に適用され得る。
リング位置合わせ固定具：
【００７０】
配向を確立するためのＢＢアレイの代替としては、位置合わせ固定具の基準として、リングまたは他の形状（金属線など、放射線不透過材料から形成されたものなど）を使用することが可能である。図２０を参照すると、同じまたは異なる直径を有する（例えば、５０〜３００ｍｍ）、２つの平行リング２３０４及び２３０６を有するリング位置合わせ固定具２３００が例解されている。これらは、隔置された（例えば、５０〜３００ｍｍ隔置されて）平行平面に同軸に位置付けられる。リング２３０４及び２３０６の中心の識別を容易にするために、リングは、リング自体と同じであるかまたは異なる直径のワイヤまたは他の不透過性材料から形成された１つ以上の十字線２３０８Ａ及び２３０８Ｂを有してもよい。リングのいくつかの所望の特徴としては、投影された惰円の直径及び十字線交点の直径が正確であるように十字線がきっかり中心を通っている、厳密に円形であるリングなどが挙げられる。更に、リングがＸ線画像に対して任意の角度であるように、リングの断面が平坦である代わりに、リングが適切に投影される円形であることが望ましい場合もある。リングを仕上げるために考えられる方法としては、ワイヤの溶接または他の接着セグメント、放射線不透過性成形材料を用いた急速試作（３Ｄプリント）、プリント基板の製造に用いられたものと同じ様態でのエッチングなど、が挙げられる。
【００７１】
コレクタ極板上の中心に置き、リング位置合わせ固定具２３００のＸ線画像を撮影すると、図２１に示すものなど、２つの同軸円２４０２及び２４０４として現れるものとする。リング位置合わせ固定具２３００がコレクタ極板に対して平行でない、または中心に置くことなく、Ｘ線画像を撮影すると、図２２に示すものなど、２つの楕円２５０２及び２５０４として現れる。
【００７２】
更に、追跡マーカ２３０２Ａ−Ｄは、光学マーカアレイ、磁気センサ、３Ｄ追跡方法などの他のものを用いるなど、３Ｄにおいて、リング位置合わせ固定具２３００のリングを位置付けのための基準として使用されてもよい。参照として、追跡マーカは、位置合わせ固定具２３００上の局所座標系を画定するのに簡便であってよい。例えば、参照局所座標系は、Ｘ線エミッタにより近いリングの中心にその始点を有してもよく、第２の（例えば、平行の）リングは、コレクタにより近く、ｘ軸及びｙ軸は、第１のリングの中心を識別する十字線と一致してもよい。ｚ軸線は、２つのリングの中心をつなぐベクトルと一致する。
【００７３】
実施形態において、リング位置合わせ固定具を用いて、３Ｄから２Ｄへ点をマッピングすることには、円錘パターンを形成するために作り出された双方のリング上で既知の点を通るベクトルを使用してもよく、次いで、このパターンは、関心領域からベクトルを内挿するために使用される。
【００７４】
実施形態においては、画像上の特徴から推定される変換パラメータを用いるなど、一連の通常の変換（すなわち、回転、並進、拡大）を適用させてもよい。一例として、座標系を、エミッタにより近い第１のリング（近視野リングとして）、及びコレクタにより近い第２のリング（遠視野リングとして）の中心に置くような、２リング固定具を使用する３Ｄ座標系を考慮する。この例においては、近視野及び遠視野リングは、同じ直径であってもよく、この座標系からコレクタ極板の座標系への点をマッピングするために、いくつかの変換を適用してもよい。
【００７５】
例解した変換セットの非限定的例は、図２３〜２７に描写される。図２３は、ｚの周りでθ分回転させることによる変換ステップ１を描写する（例えば、θは、引き続き回転αがｙの周りで生じ得る角度である）。この図では、リングは、視差のない３Ｄで見え、このため、近視野及び遠視野リングが開始配向にぴったり重なり合う点に留意のこと。図２４は、αによってｙの周囲を回転する変換ステップ２を描写する。回転は、近視野リング（例えば、エミッタにより近いリング）の中心の周りに生じる点に留意のこと。図２５は、Ｘ線写真の透視図に一致させるために平面で回転する変換ステップ３（例えば、入射角αの回転軸としてｙ軸を使用する代わりに、ｙから実際の回転軸となるまでのｘ−ｙ平面での角度を見つける）を描写する。図２６は、座標系の中心からｄｘ、ｄｙ分偏位している変換ステップ４を描写する。図２７は、視差により拡大している変換ステップ５を描写する。この例では、ステップ５の終了により、ｘ−ｙ平面は、２Ｄ平面にマッピングされた点を表す。ステップ５では、式３により拡大が生じる。
【００７６】
この例では、最終画像上で、近視野リングが遠視野リングより拡大されて現れる。これは、近視野リング上の点が、遠視野リング上の点より大きいｚ値を有するためである。更に、リングがｘ、ｙ＝０、０からどのぐらい離れているかに応じて、ｘ−ｙ平面でのリングの回転が異なって現れる。
【００７７】
このため、リング位置合わせ固定具に装着された座標系において指定されている３Ｄの点からＸ線平面上の２Ｄの点に進むには、５つ（θ、α、φ、ｄｘ及びｄｙ）が不明である場合には、一連の変換を適用する。画像処理を使用して、これらの５つの不明のものをリング自体から推定することができる。このため、これらの５つのパラメータが定義され、位置合わせが確立すると、基準座標系においてｘ、ｙ、ｚとして指示される新しい点はいずれも、Ｘ線画像座標に直接マッピングされてもよい。
【００７８】
画像から５つのパラメータを決定するための多くの計算では、ＢＢ固定具に関して記述したように、比率ｄｅｃ／ｋを必要とする。この比率は、コレクタ極板に対して平行に配向し、リングを撮影したＸ線画像から同様に求めてもよい。図２８には、陰影がコレクタ極板上に現れる視野において、コレクタ極板の平面に対して垂直な平面で見える主要な直径及びコレクタに平行であるリングの略図を例解する。図２８に基づいて、次式を記述して、ｄｅｃ／ｋを求めることができる。
【数５】
2018051306.tif 000007
式中、
ｄｅｃは、エミッタからコレクタへの距離（単位ｍｍ）であり、
ｋは、透視出力のピクセル座標をミリメートルに変換するためのスケーリング係数であり、
ｌａは、リングＡの直径であり、
ｌｂは、リングＢの直径であり、
ｙ１ａは、リングＡのエッジに対して中心にあるビームからの横方向距離（単位）であり、
ｙ１ｂは、リングＢのエッジに対して中心にあるビームからの横方向距離（単位）であり、
ｙ２ａは、リングＡの反対側のエッジに対する中心にあるビームからの横方向距離（単位）であり、
ｙ２ｂは、リングＢの反対側のエッジに対する中心にあるビームからの横方向距離（単位）であり、
ｚｅａエミッタから平面Ａまで（リングＡまで）の距離（単位）であり、
ｚｅｂエミッタから平面Ｂまで（リングＢまで）の距離（単位）であり、
ｄａｂは、平面Ａと平面Ｂとの間の長手方向の距離（単位ｍｍ）であり、
Ｌ２ａは、コレクタ上のリングＡの陰影のピクセル座標の直径であり、かつ
Ｌ２ｂは、コレクタ上のリングＢの陰影のピクセル座標の直径である。
【００７９】
ここでは、不明の５つ（θ、α、φ、ｄｘ、及びｄｙ）を決定する方法の非限定的例について記載する。
入射角αの計算：
【００８０】
円錐体に対して任意角の平面に当たり、収集プレートに画像を投影する円錐ビームを考慮すると、図２９に描写した透視図から見たときに、リングからのビューは、リング平面から見られる透視図のコレクタ平面に対する任意の入射角である。リング平面は、挿入図のページ内及びページ内にあり、このビューは、正のｚから見たものであり、再編成したｘ軸及びｙ軸は、３Ｄ座標系に示すとおりに向ける。この実施例においては、円錐体（例えば、Ｘ線エミッタ）の頂部からその上で画像が感知されるコレクタへの距離、ｄｅｃが固定される。同じ入射角α及び直径ｌ０ｂを有する１つのリングに対して平行である、下付き文字「ｂ」を有する第２のリングが存在するために、下付き文字「ａ」が使用される。平面及びその上の３Ｄ空間の座標系は、２Ｄ画像の中心がＸｐ＝０であり、３Ｄ空間の中心もＸｒ＝０であるように、配置されることに留意されたい。
【００８１】
図２９に基づいて、次式が成立する。
【数６】
2018051306.tif 000008
【００８２】
図３０を参照して、直径の異なる２つの平行リングを有する固定具を考慮する。パラメータｚｅａ及びｚｅｂは、エミッタから各リングの中間点（十字線の交点）までのｚ方向の距離を表す。図３０は、リング平面から見た透視図から、コレクタ平面に対する任意の入射角である一対の同軸リングからのビューを例解する。リング平面は、このページ内及びページ外にある（挿入図参照のこと）。図３０に基づいて、次式が成立する。
【数７】
2018051306.tif 000009
【００８３】
ｚｅａ（及びｚｅｂ）を求めるために、図３１に例解するとおり、最も広い部分から見た、リングの他の透視図を考慮し、図２９及び図３０から９０度回転させた透視図の入射角でのリングのビューを提供する。次式から、
リングａについては、
【数８】
2018051306.tif 000010
リングｂについては、
【数９】
2018051306.tif 000011
または
【数１０】
2018051306.tif 000012
式７に差し込むと、
【数１１】
2018051306.tif 000013
式中、
Ｌ２ａ＝ピクセル座標におけるリングａの楕円状投影の最大幅であり、
Ｌ２ｂ＝ピクセル座標におけるリングｂの楕円状投影の最大幅であり、
ｄｅｃ＝エミッタからコレクタの距離（単位ｍｍ）であり、
ｄａｂ＝リングａからリングｂの最短距離（単位ｍｍ）であり、
ｋ＝ｍｍに対するピクセルの変換係数であり、
ｌ０ａ＝リングａの既知の実際の直径（単位ｍｍ）であり、かつ
ｌ０ｂ＝リングｂの既知の実際の直径（単位ｍｍ）である。
【００８４】
式１１では、リングの最大幅及び最小幅を測定し、わずかな変化によりαの不一致となり得ることを示す。その代わりに、リング中心の変位に基づいて、式を求めることは有用であるが、エラーに対する感度は低い。下部のリングを「拡大して」、上部及び下部のリングの既知の直径比に一致するようにすると（例えば、リングが同じ直径を有する場合、比率は１である）、リングを縦方向（ｚ方向）に上に移動させたのと同じである。これは、リングの点がゼロからオフセットされる座標系において、リング上での各点の値に対してスケーリングを行うためである。図３２は、図２９と同じ透視図の任意入射角での一対のリングの図を例解する。近視野リングの拡大率に一致させるために、遠視野リングが拡大される場合、ｚｅａ＝ｚｅｂになるまで、リングを物理的にｚ軸の上に移動させることと等価となる。
【００８５】
このｚ位置は、両方の楕円の主軸のｚ位置となる。画像処理により、近視野楕円直径に対する遠視野楕円直径が予測された比率に一致するまで、画像中心の周りでの遠視野楕円の画像のスケーリングが可能になる。例えば、遠視野リング及び近視野リングが同一の直径を物理的に有する場合、Ｘ線投影された遠視野楕円は、近視野楕円より小さく現れる。次いで、遠視野楕円の新しい画像が、近視野楕円と同じ直径を有するように、遠視野楕円上の点のスケーリングを行ってもよい。特に、スケーリングを必要とする唯一の点は、遠視野リングの十字線の交点によって画定される遠視野楕円の中心であってもよい。遠視野楕円がスケーリングされ、近視野楕円がスケーリングされていない場合、楕円の中心のオフセットは、リング間の距離と等しい斜辺を有する三角形の反対側の画像座標の測定値を表す。このｚ位置では、斜辺は、画像座標で決定され得、これは、リング間の距離と近視野リング直径上での近視野リングの主軸の比を掛けたかけたものである（または、遠視野リング直径上のスケーリングした遠視野楕円の主軸の比を掛けたものであり、スケーリングの定義によって、これは同じものである）。反対側及び斜辺を有する場合は、αは逆三角関数により求めることができる。
【数１２】
2018051306.tif 000014
式中、
Ｄｃａｂ＝画像座標でのスケーリングしていない近視野楕円の中心とスケーリングした遠視野楕円の中心との間の距離であり、
Ｌ２ａ＝画像座標での回転軸方向（投影された楕円の主軸とほぼ等しい）で測定された近視野楕円の直径であり、
ｌ０ａ＝近視野楕円の直径（単位ｍｍ）であり、かつ
ｄａｂ＝リング間の距離（単位ｍｍ）である。
方位角φの計算：
【００８６】
方位角φ（Ｙ軸上でのリングを入射するために回転軸を置く必要がある角度）は、ちょうど、楕円の１つの主軸に対する角度であることが明らかであることもある。例えば、図３３は、ｙ軸の周りで生じる入射角α＝２０°を有する２つの円形リングのＸ線でのモデル化された外観（視差による）を例解する。両方の楕円の長軸は、Ｙ軸と直線上に配向されると考えられ、このため、方位角φ＝０°が予測される。一見したところ、楕円の片方または両方の長軸の配向は、画像処理を用いて評価することができ、また、θを決定するために使用されてもよい。しかし、リングの位置が画像の中心からオフセットしている場合、楕円の長軸は、方位角を精密に反映するものではないことがわかる。数値的データから生成された図３４に描写された実施例では、２つの楕円の主軸の配向が一致していないことは明らかである。図３４では、ｙ軸の周りで生じる入射角α＝２４．５°を有する２つの平行の円形リングのＸ線上でのモデル化された外観（視差による）が描写される。双方のリングが、Ｘ線の中心からオフセットされている。両方の楕円の長軸は、ｙ軸に対して目に見えて角度が付いていると考えられ、更に、より大きい楕円の長軸は、小さい楕円とは異なる方位角を有すると考えられる。この場合、方位角がφ＝０°であることは公知であるが、画像処理では、この角度を正しく与えることができない。
【００８７】
更なる考慮事項は小さい角度に関する点であり、直径が最も大きい厳正な方向を精密に評価することが困難であり得る点であり、このため、θを求めるために、楕円の主軸の配向を用いるための方法により、精密性の低い結果をもたらすことになり得る。実施形態においては、楕円の主軸の長さを用いる方法により、より良好な結果がもたらされることになる。
【００８８】
図３２に関して記載されたスケーリングを実施するにあたって、拡大が、リング全体をｚ軸の上に移動することと等価であることを確認できる。このため、遠視野リングを適切にスケーリングする場合、２つの楕円状の画像は、近視野及び遠視野リングの同一のｚ座標での投影を表す。近視野及び遠視野リングの中心が同一のｚ座標にある場合、ｘ及びｙにおいてそれらをつなぐベクトルは、回転軸の経路を表す。実際の回転軸は、この経路に対して垂直であり、ｘ−ｙ平面にあるべきでもある。このため、回転軸は、画像処理により、遠視野リング中心の第１のスケーリングを行い、次に遠視野及び近視野リングの中心をつなぐ経路を追跡することによって、抽出されてもよい。図解においては、図３５は、ｙ軸の周りで生じる入射角、α＝２４．５°の２つの平行の円形リング上でのＸ線上でのモデル化した外観（視差による）を描写する。双方のリングが、Ｘ線の中心からオフセットされている。遠視野楕円は、近視野楕円と遠視野楕円とが長軸において等しくなるまで、画像の中心の周りでスケーリングされる。方位角は、φ＝０°であることが公知であり（すなわち、ｙ軸の周りで回転する（図２４を参照）、これはスケーリングを実施した後の正確な結果である。
【００８９】
角度θは、透視図を明らかにした後、Ｙに対する縦方向の十字線またはＸに対して水平方向の十字線の近視野の角度である。このため、楕円との十字線の交点の場所を見出すこと、及び逆入射角を適用することにより、平坦な平面において交点をもたらすことになり、これにより、十字線交点のｘ、ｙ座標の逆正接から角度θを求めることができる。
【００９０】
いずれの十字線がＸまたはＹと整列されるか、かつ、＋Ｘまたは＋Ｙに対して十字線の点がいずれの方向であるかを知ることが重要である点に留意のこと。この情報は、参照用十字線の正軸または他の任意の好適な特徴付近のＢＢまたはワイヤなど、Ｘ線画像上に現れる固定具上の追加の特徴から求めることができる。
【００９１】
オフセット位置ｄｘ、ｄｙは、近視野リングの中心のｘ、ｙ座標のオフセット値である。この点は、固定具上の追跡器及びその結果得られるＸ線上で見られる対応する点を利用して、直接追跡することができる。この点は、位置合わせチェックとして機能し得る。つまり、近視野リングの中心で、ナビゲートプローグを向けると、その先端が投影された楕円の十字線交点にあるプローブの画像が見えなければならない。
【００９２】
位置合わせ固定具を非常に的確に画像増強器に装着させると、上述のパラメータのいくつかは、ゼロになる。つまり、入射角α、回転軸基準φ、変位ｄｘ及びｄｙは全てゼロになり、位置合わせ工程が簡素になる。このため、ＢＢ固定具と同様に、変換パラメータを抽出するために、代わりに、Ｘ線上での十字線とリングの交点の場所を調節ツールとして使用できる。つまり、図２１で描写するものなど、Ｘ線によりリング中心とエッジの交点の相違が示される場合、Ｘ線により中心が示されるまで、固定具は、画像増強器上で手動または自動で調節されてもよく、その点では、変換が簡素化され、マッピングが最良の精密性となる。
【００９３】
位置合わせ固定具でリングを使用する場合、ＢＢ固定具に適用した補正とほぼ同じ方法で、ひずみの補正を達成してもよい。ひずみ補正を有効にするには、リング固定具の十字線に、各十字線に沿ってマーク付けを均等に隔置する追加の特徴が必要である。これらのマーク付けは、ハッチマーク、円、間隙、またはＸ線画像上で目に見える投影上に現れる任意のこうした特徴であってもよい。次いで、十字線の直線性及び十字線の印間の空間を双方とも考慮すると、糸巻形ひずみ及びｓ−ひずみが明らかにされ、補正される可能性がある。図３６及び図３７は、リング固定具を用いたときの画像上の糸巻形ひずみ及びｓ−ひずみの拡大図を示す。糸巻形ひずみは、画像の中心の周りで放射状に対称であるため、糸巻形ひずみを明らかにし、そのひずみを補正するための１つの十字線及び印付けを確認することのみを必要とすると仮定する。十字線は、一方のエッジから他方まで、画像の中心を介して走行すると仮定する。糸巻形ひずみが異なる角度で対称的でない場合、異なる方向の糸巻形の大きさを評価するために、追加の十字線が必要なこともある。
【００９４】
図３６は、四角のワイヤグリッドの写真であるＸ線が、糸巻形ひずみ画像３６０２として現れるＸ線透視装置により生じる可能性のある糸巻形ひずみを例解する。明確にするために、糸巻形パターンを典型的なものより、更に強調して示す。図の下部には、ひずみを有さない３６０４（左）及び糸巻形ひずみ３６０６（右）である、十字線及び十字線内で均等に隔置された間隙を有するリングを示す。ひずみは、リングへの影響は有さないが、十字線の間隙空間上に明確に示され、中心から外側に向かってリングまで、目に見えて空間が増加する点に留意のこと。糸巻形ひずみの大きさは、画像の中心からエッジへ進む印間の空間の増加量として測定される。同様に、たる形ひずみは、画像中心からリングまでの十字線の間隙の減少するときに出現する。
【００９５】
図３７は、四角のワイヤグリッドからの写真であるＸ線がｓ−ひずみ画像３７０２として現れる、Ｘ線透視装置により生じる可能性のあるｓ−ひずみを例解する。明確にするために、Ｓパターンを典型的なものより、更に強調して示す。図の下部には、ひずみのない３７０４（左）及びｓ−ひずみ３７０６（右）を有する、十字線を有するリングを示す。ひずみは、リングへの影響は有さないが、十字線上に明確に示される点に留意のこと。これは、Ｓ状となっている。２つの十字線がＳ状となる量から、ｓひずみの大きさを測定する。
【００９６】
２Ｄにおける３Ｄ外科用計画：
外科用ロボットプラットフォームと共に、など、医療手技を計画するにあたって、外科用スクリューなどの医療用物体の配置を計画することが、２Ｄ画像に基づく３Ｄにおいて提供され得る。実際に、２Ｄビューのうちの１つにスクリューを表すために描かれた線分をこのように計画するには、描かれた平面内及び平面外に特定の直径を有すると仮定され得る（例えば、ｚ直径において）。また、描かれた平面内及び平面外に特定の開始及び終了ｚ座標を有すると仮定され得る。例えば、前後及び側面のＸ線画像上で椎弓根スクリューを計画する場合、ｚ座標を適切に仮定することは、側面Ｘ線上でのスクリューの直径がスクリューの最大長を表す可能性がある。つまり、スクリューは、平面内または平面外で角度付けすることはなく、このため、側面画像の局所座標系上でのスクリューの先端及び尾部のｚ座標は、同じである。ｚ座標（先端及び尾部で同じである）は、前後画像の中心にスクリューを配置するのに適切な値であると仮定され得る。つまり、側面平面図においてｘ−ｙ座標系を選択するユーザにとっては、側面画像のいずれのｚ座標も、使用される前後画像スクリーンの中心にスクリュー画像を発現させる。
【００９７】
実施形態においては、未知の計画平面において、初期の推測を改善するために、他の手段が使用されてもよい。例えば、前後画像及び側面画像は、両方の画像の頂部が吻側の解剖学的方向を表すために配向される場所を計画するために使用され得る。ソフトウェアプロンプティングを介して、ユーザが左スクリューを側面画面にドロップして、配置しようとしていることがわかっている場合、前後画像のスクリューの開始場所は、スクリーンの左側に面してもよく、左のスクリーンは、左の解剖学的方向であると仮定される。
【００９８】
一方のビューにおいてユーザによって一旦最初の位置が指示され、他方のビューにおいてソフトウェアによって推測または別の方法で特定されると、いずれか一方のビューにおけるスクリューのその後の再位置付けはいずれも、３Ｄ座標から２Ｄへの順向マッピングを十分に行うことによって、他方のビューにマッピングされてもよい。例えば、ユーザは、側面Ｘ線中、位置合わせ固定具に関連付けられた局所デカルト座標系において、スクリューの先端のｘ、ｙ、ｚ座標を定義してもよい。ソフトウェア相互作用を介して、ユーザがスクリュー先端の表現を選択し、ドラッグする場合、そのｚ方向ではなく、そのデカルト座標系のｘ−ｙ平面で先端を移動させる必要がある。これは、デカルト座標系のｘ−ｙ平面は、画像平面に対して平行であるためである。局所座標系でのｘ及びｙの移動（ｚ移動＝０である）は、ユーザの相互作用を介して更新されてもよい。前後及び側面Ｘ線の局所座標系間での変換が追跡によりわかっているため、その結果得られる、前後画像の局所座標系に関連付けられたｘ、ｙ、ｚ座標も更新することができ、これにより、前後画像において、計画されたスクリューの先端の新しい位置へのマッピングが可能になる。一方の画像、次に他方の画像を更新する順序により、ユーザは、両方の位置合わせ固定具の追跡位置に対して既知であり、このため、カメラ空間及びロボットにとっても既知である３Ｄ位置にスクリューを移動させることができる。次に、ロボットが任意の位置に移動して、スクリューを精密に配置させ得る。
【００９９】
画像の２つの座標系が垂直である場合、一方は、前後を表し、他方は側面Ｘ線を表し、ソフトウェア相互作用を介して、体軸方向での前後ビューにおいてスクリュー先端または尾部の計画された表現は、側面ビューにおいて、スクリュー先端または尾部の表現を同じ量、体軸方向に移動させる影響を有する点に留意のこと。しかし、前後ビューでのスクリューの先端または尾部の左または右の移動は、側面画像において、計画された先端または尾部の位置へのいかなる影響も有し得ない。反対に、側面画像におけるスクリューの先端または尾部の前方または後方への移動は、前後画像において、スクリューの先端または尾部の位置へのいかなる影響も有さないが、側面画像において、吻方へまたは尾部へのスクリューの先端または尾部の位置の移動により、前後画像においてスクリューの先端または尾部を表現し、同じ量、体軸方向に変動することになる。２つのＸ線を垂直で撮影しない場合、一方のビューにおいて、計画されたスクリューの先端または尾部の左、右、上または下への移動により、他方のビューにおいて、その表現が少なくとも若干量移動される。
【０１００】
あらゆるＸ線画像用に２Ｄへの３Ｄのマッピングを作り出すことが可能であるため、計画するにあたって２つのビュー（１つは前後Ｘ線ビュー及び１つは側面Ｘ線ビューなど）を使用することを記載してきたが、画像を撮影する時点で、位置合わせ固定具の追跡情報が取得される限り、任意の数のＸ線画像に関する計画を同時に表示し、更新することができる。例えば、スクリーンの４つの四分区間に４５度ずつ増分させた４つの画像写真を表示でき、計画されたスクリューを各ビューに位置合わせさせ得る。ソフトウェアの相互作用を用いて、一方のビューで、計画された位置を更新すると、他方のビューのそれぞれにおいて画像を変動させる。
【０１０１】
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。
【０１０２】
本明細書に参照される全ての文献は、援用によって本明細書に組み込まれる。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【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】ナビゲーション固定具の一実施形態を示す。
【図１４】Ｘ線源から異なる距離の２つの平面内で小型の金属球（以降「ＢＢ」と称する）の理論的投影を示すＸ線（Ｘ線透視装置）コレクタ極板を例解する。
【図１５】３Ｄ場所を作り出すために、２つの異なる透視図の同じ放射線不透過点から撮影した２つのＸ線投影を例解する。
【図１６】ＢＢのグリッドのコレクタ極板に対して平行な平面から撮影したＸ線画像を例解する。
【図１７】陰影がコレクタ極板上に現れる視野において、コレクタ極板に対して垂直の平面で見られる主要な直径及びＢＢを例解する。
【図１８】２つの平行な平面上でのｂｂパターン及びＸ線透視ユニットの画像増強器に装着される固定具の設計を例解する。
【図１９】位置合わせ固定具のＢＢパターンを例解する。
【図２０】十字線を有する平行リングから構築された透視位置合わせ固定具を例解する。
【図２１】Ｘ線コレクタがリングの平面に平行であり、リングがＸ線コレクタと同軸であるときのＸ線でのリング位置合わせ固定具の外観を例解する。
【図２２】固定具がコレクタ極板及びリングに対して厳密な角度であるとき、Ｘ線でのリング位置合わせ固定具の理論的外観を例解する。
【図２３】座標系マッピング工程において、ｚの周りでθ分回転させるための変換ステップを例解する。
【図２４】座標系マッピング工程において、ｙの周りでα分回転させるための変換ステップを例解する。
【図２５】座標系マッピング工程において、Ｘ線写真透視図に一致するように、平面で回転させるための変換ステップを例解する。
【図２６】座標系マッピング工程において、座標系中心から変位（ｄｘ、ｄｙ）させるための変換ステップを例解する。
【図２７】座標系マッピング工程において、視差による拡大の変換ステップを例解する。
【図２８】陰影がコレクタ極板上に現れる視野において、コレクタ極板の平面に対して垂直な平面で見える主要直径及びコレクタに平行であるリングの略図を例解する。
【図２９】リング平面から透視で見て、コレクタ平面に対する任意の入射角にあるリングからの図を例解する。リング平面は、このページ内及びページ外にある。
【図３０】リング平面から透視で見て、コレクタ平面に対する任意の入射角にある一対の同軸リングからの図を例解する。リング平面は、このページ内及びページ外にある。
【図３１】回転させた透視図からの任意の入射角でのリングの図を例解する。
【図３２】任意の入射角での一対のリングの図を例解する。
【図３３】ｙ軸の周りで生じる入射角α＝２０°を有する２つの円形リングのＸ線でのモデル化された外観（視差による）を例解する。
【図３４】ｙ軸の周りで生じる入射角α＝２４．５°を有する２つの平行な円形リングのＸ線上でのモデル化された外観（視差による）を例解する。双方のリングは、Ｘ線中心からオフセットされ、双方の楕円の長軸は、ｙ軸に対して目に見えて角度を付けているように見える。
【図３５】ｙ軸の周りで生じる入射角α＝２４．５°を有する２つの平行な円形リングのＸ線上でのモデル化された外観（視差による）を例解する。双方のリングは、Ｘ線の中心からオフセットされ、遠視野楕円は、画像の中心の周りで、近視野及び遠視野楕円がそれらの長軸と等しくなるまでスケーリングさせている。
【図３６】糸巻形ひずみを例解する。
【図３７】ｓ−ひずみを例解する。
【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】
2018051306.tif 000022
【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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【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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【外国語明細書】
2018051306000001.pdf