(57)【要約】      （修正有）【課題】外科処置に備えて手術室内で対象物を手配するためのシステム及び方法を提供する。【解決手段】ガイダンスステーション２０は、手術室における様々な対象物の動きを追跡する。対象物には、外科用器具２２、大腿骨Ｆ、脛骨Ｔとが含まれる。これらの対象物の相対的位置、向きを表示するために、また外科用器具２２の動きを制御するために、ナビゲーションコンピュータ２６、ディスプレイ２８、２９、入力デバイス３０、３２、さらに、カメラユニット３６を含むナビゲーションコンピュータ２６と通信するローカライザ３４を有する。【選択図】図１
2018149321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスプレイを有するガイダンスステーションを使用して手術室における複数の対象物
を手配する方法であって、
前記ガイダンスステーションに外科処置情報を提供するステップと、
前記処置情報に基づいて、前記手術室における前記複数の対象物の各々に関する所望の
配置を決定するステップであって、前記複数の対象物のうちの少なくとも１つの対象物は
、前記ガイダンスステーションとの通信が可能な追跡要素を有している、ステップと、
前記所望の配置に従って、前記手術室における前記複数の対象物の各々に関する互いの
配置をガイドするステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記複数の対象物の各々に関する配置をガイドするステップは、骨に関する前記追跡要
素の配置をガイドするステップを含むものである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記追跡要素の配置をガイドするステップは、前記追跡要素と光学式センサとの間の照
準線の遮断を回避するために、前記追跡要素を有する追跡デバイスの配置をガイドするス
テップを含むものである、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記複数の対象物の各々に関する配置をガイドするステップは、機械加工ステーション
の配置をガイドするステップを含むものである、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記ガイダンスステーションに前記外科処置情報を提供するステップは、切断対象の骨
と前記骨に取り付けられることになる所望のインプラントとに関する情報を提供するステ
ップを含むものである、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記複数の対象物の各々に関する前記所望の配置を決定するステップは、前記複数の対
象物の各々に関する所望の位置を決定するステップを含むものである、請求項２に記載の
方法。
【請求項７】
前記複数の対象物の各々に関する配置をガイドするステップは、ユーザに対する指示を
前記ディスプレイに表示するステップを含むものである、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記複数の対象物の各々に関する前記所望の配置を決定するステップは、前記処置情報
に基づいて、第１の対象物及び第２の対象物の所望の配置を決定するステップを含み、
前記第１の対象物及び前記第２の対象物の各々は、前記ガイダンスステーションとの通
信が可能な追跡要素を有している、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記所望の配置に従って、前記手術室における前記第１の対象物及び前記第２の対象物
の配置をガイドするステップを含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の対象物及び前記第２の対象物の配置をガイドするステップは更に、追跡デバ
イスの配置をガイドし、骨を切断するための切断ツールを有する機械加工ステーションの
配置をガイドするステップである、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の対象物及び前記第２の対象物の配置をガイドするステップは更に、第１の骨
に関する第１の追跡デバイスの配置をガイドし、第２の骨に関する第２の追跡デバイスの
配置をガイドするステップである、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の骨及び前記第２の骨の表現を、前記第１の骨及び前記第２の骨に対する前記
第１の追跡デバイス及び前記第２の追跡デバイスの所望の配置とともに表示するステップ
を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記所望の配置を基準とした、前記第１の追跡デバイス及び前記第２の追跡デバイスの
実際の配置におけるエラーをチェックするステップと、
前記エラーが所定の許容範囲内にあるかどうかを判定するステップと
を含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の骨及び前記第２の骨の画像に対して、前記第１の追跡デバイス及び前記第２
の追跡デバイスの位置合わせを行うステップを含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の追跡デバイス及び前記第２の追跡デバイスと前記ガイダンスステーションの
検知デバイスとの間の照準線のエラーを検出するステップを含む請求項１３に記載の方法
。
【請求項１６】
エラーを検出するステップは、前記第１の追跡デバイス及び前記第２の追跡デバイス並
びに前記検知デバイスを、前記処置における前記追跡デバイスの全ての位置についてモデ
ル化するステップを含むものである、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ディスプレイに所望の手術室レイアウトを表示するステップを含む請求項２に記載
の方法。
【請求項１８】
前記ガイダンスステーションはカメラを有し、前記カメラの配置に関する指示を表示す
るステップを更に含む請求項２に記載の方法。
【請求項１９】
患者の配置に関する指示を表示するステップを含む請求項２に記載の方法。
【請求項２０】
外科処置情報に従って手術室における複数の対象物を手配するためのシステムであって
、
ディスプレイ及び制御ユニットを有するガイダンスステーションと、
前記ガイダンスステーションとの通信が可能であり、前記複数の対象物のうちの第１の
対象物に関連付けられている追跡要素であって、前記第１の対象物の追跡が可能である、
追跡要素と
を備え、
前記ガイダンスステーションの前記制御ユニットは、前記処置情報に基づいて、前記複
数の対象物の各々に関する所望の配置を決定するとともに、前記所望の配置に従って前記
手術室における前記複数の対象物の各々に関する配置をガイドするものである、システム
。
【請求項２１】
前記制御ユニットは、骨に関する前記追跡要素の配置をガイドするものである、請求項
２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記制御ユニットは、骨を切断するための切断ツールを有する機械加工ステーションの
配置をガイドするものである、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記ガイダンスステーションは光学式センサを有し、
前記制御ユニットは、前記追跡要素と前記光学式センサとの間の照準線の遮断が回避さ
れるように、前記追跡要素の配置をガイドするものである、請求項２１に記載のシステム
。
【請求項２４】
前記複数の対象物のうちの第２の対象物を追跡することができるように、前記ガイダン
スステーションとの通信が可能であって、前記第２の対象物に関連付けられている第２の
追跡要素を備えた請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記制御ユニットは、複数の前記追跡要素から前記光学式センサが受信した信号に基づ
く前記所望の配置に従って、前記手術室における前記第１の対象物及び前記第２の対象物
の配置をガイドするものである、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記制御ユニットは、前記第１の対象物と、前記第２の対象物と、骨を切断するための
切断ツールを有する機械加工ステーションとの配置をガイドするものである、請求項２５
に記載のシステム。
【請求項２７】
前記制御ユニットは、第１の骨及び第２の骨に関する前記第１の対象物及び前記第２の
対象物の配置をガイドするものであり、
前記第１の対象物及び前記第２の対象物は更に、第１の追跡デバイス及び第２の追跡デ
バイスであり、前記第１の追跡デバイス及び前記第２の追跡デバイスの各々は、複数の前
記追跡要素のうちの１つを有するものである、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２８】
前記制御ユニットは、前記第１の骨及び前記第２の骨の表現を、前記第１の骨及び前記
第２の骨に対する前記第１の追跡デバイス及び前記第２の追跡デバイスの所望の配置とと
もに、前記ディスプレイに表示するものである、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記制御ユニットは、前記所望の配置を基準とした、前記第１の追跡デバイス及び前記
第２の追跡デバイスの配置におけるエラーをチェックするとともに、前記エラーが所定の
許容範囲内にあるかどうかを判定するものである、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３０】
前記制御ユニットは、前記追跡要素と前記光学式センサとの間の照準線のエラーを検出
するものである、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３１】
前記制御ユニットは、照準線のエラーを検出するために、前記第１の追跡デバイスと前
記第２の追跡デバイスと前記光学式センサとを、前記処置における複数の前記追跡デバイ
スの全ての位置についてモデル化するものである、請求項３０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、外科処置（surgical procedure）に備えて手術室内で複数の対象物
を手配するためのシステム及び方法に関する。
【０００２】
［関連出願］
本出願は、２０１３年３月１３日に出願された米国仮特許出願第６１／７７９，７２５
号に基づく優先権及び利益を主張するものである。この仮特許出願の全内容は、引用する
ことにより本明細書の一部をなすものとする。
【背景技術】
【０００３】
外科処置を開始する前に、手術室内で多くの対象物を適切に手配する必要がある。この
ような対象物には、機器、患者、手術要員、器具などが含まれる。処置が始まる前におけ
る手術室内でのこれらの対象物の適切な手配は、外科処置が不必要な遅延無く進められる
ことを確実にするのに役立つ。従来、対象物は、手術室レイアウトを含みうる、書かれた
プロトコルと、実施される特定の処置に関する、書かれた指示とに基づいて手配される。
【０００４】
一部の外科処置では、検知デバイス（例えば、追跡カメラ、磁界センサ等）及び追跡デ
バイス等のナビゲーション機器は、処置を開始する前に手配する必要がある。ナビゲーシ
ョンシステムは、こうしたナビゲーション機器を使用して、ユーザが対象物の位置の特定
を支援する。例えば、ナビゲーションシステムは、外科医が、患者の生体組織（anatomy
）に対して手術器具を正確に配置することを支援する。ナビゲーションシステムが使用さ
れる外科には、神経外科及び整形外科が含まれる。通常、器具及び生体組織は、ディスプ
レイ上に示されるそれらの相対的な動きとともに追跡される。
【０００５】
ナビゲーションシステムは、光信号、音波、磁界、ＲＦ信号等を用いて、対象物の位置
及び向きの少なくとも一方を追跡することができる。追跡デバイスは、追跡される対象物
に取り付けられる。検知デバイスを含むローカライザは、追跡デバイスと協働して、追跡
デバイスの位置を決定し、最終的には、対象物の位置及び向きの少なくとも一方を決定す
る。ナビゲーションシステムは、追跡デバイスを通して対象物の移動を監視する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
多くのナビゲーションシステムは、追跡デバイスと検知デバイスとの間の、遮られてい
ない照準線（line-of-sight）に依存している。照準線が遮断されると、追跡デバイスか
ら送信された信号を検知デバイスが受信できない。結果として、エラーが発生する場合が
ある。通常、この状況では、ナビゲーションが中断され、照準線が回復するか又はシステ
ムがリセットされるまでエラーメッセージがユーザに送られる。これは、外科処置に対し
て遅延をもたらす可能性がある。磁界の検知に依存するような他のタイプのナビゲーショ
ンシステムでは、追跡デバイス及び検知デバイスの少なくとも一方の配置に関してエラー
が発生する可能性がある。例えば、磁界内の金属は、追跡される対象物の位置及び向きの
少なくとも一方を決定する際に不正確さをもたらす可能性がある。
【０００７】
結果的に、本分野において、考えられるエラーを減らせるようにするために、追跡デバ
イス及び検知デバイスの少なくとも一方の手配を支援するシステム及び方法が求められて
いる。本分野において、実施される特定の処置に基づき手術室内で他の対象物を手配する
ために、そのようなシステム及び方法を使用することも必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施形態によれば、外科処置に備えて手術室における複数の対象物を手配するための
システムが提供される。本システムは、ディスプレイ及び制御ユニットを有するガイダン
スステーションを備えている。複数の対象物のうちの第１の対象物に、ガイダンスステー
ションとの通信が可能な追跡要素が関連付けられていることにより、第１の対象物を追跡
することができる。ガイダンスステーションの制御ユニットは、処置情報に基づいて複数
の対象物に関する所望の配置を決定する。その後、制御ユニットは、所望の配置に従って
複数の対象物の配置をガイドする。
【０００９】
他の実施形態によれば、ディスプレイを有するガイダンスステーションを使用して手術
室における複数の対象物を手配する方法が提供される。本方法は、ガイダンスステーショ
ンに外科処置情報を提供するステップを含む。本方法は更に、処置情報に基づいて複数の
対象物に関する所望の配置を決定するステップを含む。複数の対象物のうちの少なくとも
１つの対象物は、ガイダンスステーションとの通信が可能な追跡要素を有している。所望
の配置に従って、複数の対象物の配置がガイドされる。
【００１０】
これらの実施形態の１つの利点は、効率的な方法で、また、実施される特定の処置に基
づいて、手術室における対象物の手配を容易なものとすることにより、その特定の処置の
ための所望の位置に対象物を配置できるということである。
【００１１】
添付図面とともに以下の詳細な説明を参照することにより本発明がより良く理解される
につれて、本発明の利点も容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ロボットマニュピレータとともに使用されるガイダンスステーションの斜視図である。
【図２】ガイダンスステーションと追跡デバイスとポインタと機械加工ステーションとの説明図である。
【図３．４．５】図３は、術前プランを作成し、該術前プランをシステムにロードするために実行されるステップのフロー図である。図４は、ガイダンスステーションによって行われるステップのフロー図である。図５は、手術室内で対象物を手配することを支援するためにガイダンスステーションによって行われるステップのフロー図である。
【図５Ａ．５Ｂ】図５Ａは、カメラユニットの配置に関する指示を提供するＯＲセットアップソフトウェアモジュールからのスクリーンショットの説明図である。図５Ｂは、カメラユニットの配置に関する指示を提供するＯＲセットアップソフトウェアモジュールからの別のスクリーンショットの説明図である。
【図５Ｃ．５Ｄ】図５Ｃは、患者の配置に関する指示を提供するＯＲセットアップソフトウェアモジュールからのスクリーンショットの説明図である。図５Ｄは、トラッカの配置に関する指示を提供するＯＲセットアップソフトウェアモジュールからのスクリーンショットの説明図である。
【図５Ｅ】トラッカの配置に関する指示を提供するＯＲセットアップソフトウェアモジュールからの別のスクリーンショットの説明図である。
【図６】右きき用の手術室レイアウトの一例の平面図である。
【図７】左きき用の手術室レイアウトの一例の平面図である。
【図８．９】図８は、患者に対してトラッカを配置する際に行われるステップのフロー図である。図９は、機械加工ステーションを配置する際に行われるステップのフロー図である。
【図９Ａ】機械加工ステーションの配置に関する指示を提供するＯＲセットアップソフトウェアモジュールからのスクリーンショットの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
手術室内で複数の対象物を手配するためのシステム及び方法が開示される。図１及び図
２に示しているように、一実施形態では、システムは、ガイダンスステーション２０と、
種々の対象物に関連付けられる追跡要素とを有している。追跡要素は、ガイダンスステー
ション２０と通信し、対象物を追跡することができる。処置情報は、ガイダンスステーシ
ョン２０に提供される。処置情報は、術前の手術プランから得ることができ、及び／又は
、術中に提供することができる。処置情報（例えば、処置される生体組織の特定、処置の
タイプ、例えば、人工股関節置換手術（hip replacement surgery）あるいは全体的又は
部分的な人工膝関節置換手術（total or partial knee replacement surgery）、インプ
ラントのタイプ・サイズ、患者情報、外科医の好み等）に基づいて、ガイダンスステーシ
ョン２０は、対象物の所望の配置を決定するステップと、その所望の配置に従って対象物
を配置するよう外科要員をガイドするステップとを行う。このシステム及び方法の１つの
利点は、手術室内でのセットアップ時間を減少させ、外科処置の効率を向上させることで
ある。
【００１４】
図１には、医療施設内の手術室におけるガイダンスステーション２０を示している。ガ
イダンスステーション２０は、手術室における様々な対象物の動きを追跡するようにセッ
トアップされる。そのような対象物には、例えば、外科用器具２２と、大腿骨Ｆと、脛骨
Ｔとが含まれる。ガイダンスステーション２０は、外科医に対するこれらの対象物の相対
的な位置及び向きを表示するために、そして場合によっては、所定の経路又は生体組織の
境界を基準として外科用器具２２の動きを制御又は制限するために、これらの対象物を追
跡する。ガイダンスステーション２０はまた、以下で更に説明するように、外科処置を開
始する前及び手術中の少なくとも一方において、手術室内でこれらの対象物及び他の対象
物を手配することを支援する。
【００１５】
ガイダンスステーション２０は、ナビゲーションコンピュータ２６又は他のタイプの制
御ユニットを収容したコンピュータカートアセンブリ２４を備えている。ナビゲーション
インタフェースは、ナビゲーションコンピュータ２６と通信できるようになっている。こ
のナビゲーションインタフェースは、滅菌野（sterile field）の外部に位置する第１の
ディスプレイ２８と、滅菌野の内部に位置する第２のディスプレイ２９とを備えている。
ディスプレイ２８、２９は、コンピュータカートアセンブリ２４に調整可能に取り付けら
れている。キーボード及びマウス等の、第１及び第２の入力デバイス３０、３２は、情報
をナビゲーションコンピュータ２６に入力するために用いることもできるし、ナビゲーシ
ョンコンピュータ２６の幾つかの態様を別の方法で選択・制御するために用いることがで
きる。タッチスクリーン（不図示）又は音声起動を有する他の入力デバイスも考えられる
。
【００１６】
ローカライザ３４は、ナビゲーションコンピュータ２６と通信する。図示した実施形態
では、ローカライザ３４は、光学式ローカライザであり、カメラユニット３６（センシン
グデバイスとも呼ぶ）を備えている。カメラユニット３６は、１つ又は複数の光学式セン
サ４０を収容する外部ケーシング３８を有している。幾つかの実施形態では、少なくとも
２つの光学式センサ４０、好ましくは３つ以上の光学式センサが用いられる。これらの光
学式センサ４０は、３つの別々の電荷結合素子（charge-coupled device, ＣＣＤ）とす
ることができる。１つの実施形態では、３つの１次元ＣＣＤが用いられる。他の実施形態
では、別々のカメラユニットを手術室内で手配することもできることが理解されるべきで
ある。ここで、各カメラユニットは、別々の１つのＣＣＤ又は２つ以上のＣＣＤを有して
いる。ＣＣＤは、赤外線（infrared, ＩＲ）信号を検出する。
【００１７】
カメラユニット３６は、調整可能なアームに取り付けられている。そして、後述するト
ラッカの視野（field of view）に理想的には障害物のない状態で光学式センサ４０が位
置決めされるようになっている。調整可能なアームは、少なくとも自由度１で、幾つかの
実施形態では、２以上の自由度でカメラユニット３６の調整を可能にするものである。
【００１８】
カメラユニット３６はカメラコントローラ４２を備えている。このカメラコントローラ
４２は、光学式センサ４０と通信して光学式センサ４０から信号を受信する。カメラコン
トローラ４２は、有線接続又は無線接続（不図示）のいずれかを通じてナビゲーションコ
ンピュータ２６と通信する。１つのそのような接続は、高速通信及びアイソクロナス型（
isochronous）リアルタイムデータ転送のためのシリアルバスインタフェース規格である
ＩＥＥＥ１３９４インタフェースとすることができる。接続は、企業独自のプロトコルを
用いることもできる。他の実施形態では、光学式センサ４０は、ナビゲーションコンピュ
ータ２６と直接通信する。
【００１９】
位置及び向きの信号及びデータの少なくとも一方は、対象物を追跡するためにナビゲー
ションコンピュータ２６に送られる。ディスプレイ２８、２９、及びカメラユニット３６
は、２０１０年５月２５日に発行された、Malackowskiらに対する「Surgery System」と
いう名称の米国特許第７，７２５，１６２号に記載されたものと同様のものとすることが
できる。この米国特許の内容は、引用することによって本明細書の一部をなすものとする
。
【００２０】
ナビゲーションコンピュータ２６は、パーソナルコンピュータ又はラップトップコンピ
ュータとすることができる。ナビゲーションコンピュータ２６は、ディスプレイ２８、２
９と、中央処理ユニット（central processing unit, ＣＰＵ）及び他のプロセッサの少
なくとも一方と、メモリ（不図示）と、記憶装置（不図示）とを有している。ナビゲーシ
ョンコンピュータ２６には、以下で説明するようなソフトウェアがロードされる。このソ
フトウェアは、カメラユニット３６から受信した信号・データを、追跡対象物の位置及び
向きを表すデータに変換するものである。
【００２１】
ガイダンスステーション２０は、本明細書においてトラッカとも呼ばれる複数の追跡デ
バイス４４、４６、４８と通信する。図示の実施形態では、１つのトラッカ４４は、患者
の大腿骨Ｆに強固に取り付けられ、別のトラッカ４６は、患者の脛骨Ｔに強固に取り付け
られている。トラッカ４４、４６は、骨部分に強固に取り付けられている。トラッカ４４
、４６は、米国特許第７，７２５，１６２号に示されている方法により大腿骨Ｆ及び脛骨
Ｔに取り付けることができる。この米国特許の内容は、引用することによって本明細書の
一部をなすものとする。トラッカ４４、４６はまた、「Tracking Devices and Navigatio
n Systems and Methods for Use Thereof」という名称の２０１３年１月１６日に出願さ
れた米国仮特許出願第６１／７５３，２１９号に示されているトラッカと同様に取り付け
ることができる。この仮特許出願の内容は、引用することによって本明細書の一部をなす
ものとする。別の実施形態では、トラッカが、膝蓋骨（不図示）に取り付けられて、当該
膝蓋骨の位置及び向きが追跡される。更なる実施形態では、トラッカ４４、４６は、生体
組織の他の組織タイプ又は組織部分に取り付けることができる。
【００２２】
器具トラッカ４８は、外科用器具２２に強固に取り付けられている。器具トラッカ４８
は、製造時に外科用器具２２に組み込むこともできるし、外科処置の準備の際に外科用器
具２２に別個に取り付けることもできる。器具トラッカ４８によって追跡される外科用器
具２２の作業端は、回転バー（rotating bur）、電気アブレーションデバイス（electric
al ablation device）などとすることができる。
【００２３】
トラッカ４４、４６、４８は、内部バッテリを用いたバッテリ駆動式とすることもでき
るし、カメラユニット３６のように好ましくは外部から電力を受けるナビゲーションコン
ピュータ２６を通して電力を受けるリード線を有するものとすることもできる。
【００２４】
図示した実施形態では、外科用器具２２は、機械加工ステーション５６のエンドエフェ
クタである。このような装置は、「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Su
rgical Instrument in either a Semi-Autonomous Mode or a Manual, Boundary Constra
ined Mode」という名称の米国仮特許出願第６１／６７９，２５８号に示されている。こ
の米国仮特許出願の開示内容は、引用することによって本明細書の一部をなすものとする
。機械加工ステーション５６のモバイルカート５７に別個のトラッカ（不図示）を取り付
けて、カート５７の移動を追跡することができる。あるいは、ガイダンスステーション２
０は、位置エンコーダ等のジョイント部位置センサ（joint position sensor）（不図示
）により、カート５７の位置を決定することができる。これは、器具トラッカ４８の位置
及び向きに基づくものであるとともに、機械加工ステーション５６に対する器具トラッカ
４８の接続が強固であることによる。
【００２５】
ローカライザ３４の光学式センサ４０は、トラッカ４４、４６、４８から光信号を受信
する。図示した実施形態では、トラッカ４４、４６、４８は、能動型トラッカである。こ
の実施形態では、各トラッカ４４、４６、４８は、光信号を光学式センサ４０に送る少な
くとも３つの能動型追跡要素又はマーカを有している。能動型マーカは、例えば、赤外線
等の光を伝える発光ダイオードすなわちＬＥＤ５０とすることができる。光学式センサ４
０は、好ましくは１００Ｈｚ以上、より好ましくは３００Ｈｚ以上、最も好ましくは５０
０Ｈｚ以上のサンプリングレートを有する。幾つかの実施形態では、光学式センサ４０は
、８０００Ｈｚのサンプリングレートを有する。このサンプリングレートは、光学式セン
サ４０が、順次点灯されたＬＥＤ５０から光信号を受信するレートである。幾つかの実施
形態では、ＬＥＤ５０からの光信号は、トラッカ４４、４６、４８によって異なったレー
トで点灯される。
【００２６】
図２に示しているように、各ＬＥＤ５０は、関連付けられたトラッカ４４、４６、４８
のハウジング（不図示）内に位置するトラッカコントローラ６２に接続されている。この
トラッカコントローラは、ナビゲーションコンピュータ２６との間でデータを送受信する
。１つの実施形態では、トラッカコントローラ６２は、ナビゲーションコンピュータ２６
との有線接続を通じてほぼ数メガバイト／秒程度でデータを送信する。他の実施形態では
、無線接続を用いることができる。これらの実施形態では、ナビゲーションコンピュータ
２６は、トラッカコントローラ６２からデータを受信する送受信機（不図示）を有する。
【００２７】
他の実施形態では、トラッカ４４、４６、４８は、カメラユニット３６から出された光
を反射する反射器等の受動型マーカ（不図示）を有するものとすることができる。そして
、反射光は、光学式センサ４０により受け取られる。能動型追跡要素及び受動型追跡要素
は、当該技術分野においてよく知られている。
【００２８】
ナビゲーションコンピュータ２６は、ナビゲーションプロセッサ５２を有している。カ
メラユニット３６は、トラッカ４４、４６、４８内のＬＥＤ５０から光学信号を受け、ロ
ーカライザ３４を基準としたトラッカ４４、４６、４８内のＬＥＤ５０の位置に関する信
号をプロセッサ５２に出力する。受信した光学信号に基づいて、ナビゲーションプロセッ
サ５２は、ローカライザ３４を基準としたトラッカ４４、４６、４８の相対的な位置及び
向きを示すデータを生成する。幾つかの実施形態では、トラッカ４４、４６、４８は、「
Tracking Devices and Navigation System and Methods for Use Thereof」という名称の
２０１３年１月１６日に出願された米国仮特許出願第６１／７５３，２１９号に示されて
いるトラッカ等のように、ジャイロスコープセンサ６０及び加速度計７０を更に有してい
る。この米国仮特許出願の内容は、引用することによって本明細書の一部をなすものとす
る。
【００２９】
ナビゲーションプロセッサ５２は、ナビゲーションコンピュータ２６の動作を制御する
１つ又は複数のプロセッサを含むことができるということが理解されるべきである。プロ
セッサは、任意のタイプのマイクロプロセッサシステム又はマルチプロセッサシステムと
することができる。プロセッサという用語は、本発明の範囲を単一のプロセッサに限定す
ることを意図したものではない。
【００３０】
ＬＥＤ５０の位置と、患者の生体組織及び外科用器具２２に関する前もってロードされ
たデータとに基づいて、ナビゲーションプロセッサ５２は、作業端が適用される組織（例
えば、大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔ）を基準とした、外科用器具２２の位置及び向きを決定する。
前もってロードされるデータは、外科処置の前に撮影されたＭＲＩ画像、ＣＴスキャン等
を含む術前画像に関するデータを含む。前もってロードされるデータはまた、外科用器具
２２の作業端と器具トラッカ４８上のＬＥＤ５０との間の幾何学的関係を含む。位置合わ
せ（registration）及び座標系変換のためのよく知られているナビゲーション手法を使用
して、患者の生体組織及び外科用器具２２の作業端が、ローカライザ３４の座標基準フレ
ーム（coordinate reference frame）に対して位置合わせがなされるようにすることがで
きる。これにより、ＬＥＤ５０を使用して、作業端及び生体組織をともに追跡することが
できる。
【００３１】
幾つかの実施形態では、ナビゲーションプロセッサ５２は、位置及び向きの少なくとも
一方のデータをマニピュレータコントローラ５４に送る。そして、マニピュレータコント
ローラ５４は、「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrumen
t in either a Semi-Autonomous Mode or a Manual, Boundary Constrained Mode」とい
う名称の米国仮特許出願第６１／６７９，２５８号に記載されているように、このデータ
を使用して機械加工ステーション５６を制御することができる。この米国仮特許出願の開
示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【００３２】
ナビゲーションプロセッサ５２は、手術部位に対する外科用器具作業端の相対的な位置
を示す画像信号も生成する。これらの画像信号は、ディスプレイ２８、２９に適用される
。ディスプレイ２８、２９は、これらの信号に基づいて画像を生成する。これらの画像に
より、外科医及び外科要員は、手術部位に対する外科用器具作業端の相対的な位置を視認
することができる。ディスプレイ２８、２９は、上述したように、コマンドのエントリを
可能にするタッチスクリーン又は他の入力・出力デバイスを含むことができる。
【００３３】
図２に示しているように、ローカライゼーションエンジン１００は、ガイダンスステー
ション２０の一部とみなすことのできるソフトウェアモジュールである。ローカライゼー
ションエンジン１００のコンポーネントは、ナビゲーションプロセッサ５２上で動作する
。本発明の幾つかの形態では、ローカライゼーションエンジン１００は、マニピュレータ
コントローラ５４上で動作することができる。
【００３４】
ローカライゼーションエンジン１００は、カメラコントローラ４２からの光学ベースの
信号と、幾つかの実施形態におけるトラッカコントローラ６２からの非光学ベースの信号
とを入力として受け取る。これらの信号に基づいて、ローカライゼーションエンジン１０
０は、ローカライザ座標系においてトラッカ４４、４６、４８の姿勢を決定する。ローカ
ライゼーションエンジン１００は、トラッカ４４、４６、４８の姿勢を表す信号を座標変
換器１０２に送る。座標変換器１０２は、ナビゲーションプロセッサ５２上で動作するナ
ビゲーションシステム用ソフトウェアモジュールである。座標変換器１０２は、患者の術
前画像と患者トラッカ４４、４６との間の関係を定めたデータを参照する。座標変換器１
０２は、器具トラッカ４８を基準とした外科用器具の作業端の姿勢を示すデータも記憶す
る。
【００３５】
次に、座標変換器１０２は、器具作業端が適用される組織（例えば、骨）を基準とした
外科用器具２２の作業端の位置及び向きを示すデータを生成する。これらのデータを示す
画像信号は、ディスプレイ２８、２９に送られ、外科医及び外科要員がこの情報を見るこ
とが可能となる。このデータの中断を回避するため、トラッカ４４、４６、４８とセンサ
４０との間の照準線（line-of-sight）が維持される。照準線が遮断されると、エラーが
発生することがある。
【００３６】
ガイダンスステーション２０は、外科処置の際に手術室で使用されるトラッカ４４、４
６、４８等の対象物の手術前及び手術中の少なくとも一方における配置を支援するように
構成されている。ガイダンスステーション２０は、対象物の手配に関する指示を提供して
、処置の効率を促進し、外科処置時におけるナビゲーションについて考えられる妨害を減
少させる。ガイダンスステーション２０からの指示に従って手配され得る他の対象物は、
限定はされないが、患者、機械加工ステーション５６、外科要員、カメラユニット３６、
他の器具、機器、又はステーション、及びその他同様のものを含むことができる。ガイダ
ンスステーション２０から提供される指示は、実施される処置のタイプ、処置を実施する
外科医の好み（preference）、インプラントのタイプ・サイズ、患者情報、及び他の要素
等の処置情報に基づくものとすることができる。
【００３７】
図３に示している実施形態では、ガイダンスステーション２０からの指示は、術前プラ
ン（pre-operative plan）に基づいて提供される。術前プランは、ステップ１０１におい
て作成される。術前プランは、各患者について外科医によって定められ、実施される処置
のタイプ、処置対象の生体組織、（必要に応じて）埋め込まれるインプラントのタイプ、
サイズ、及び／又は形状、外科医の好み、及び他の情報を詳細に記述したものである。
【００３８】
術前プランの作成は幾つかのステップを含む。第１に、患者が診断され、患者のための
適切な処置を決定する。次に、外科医が処置を定める。図示の実施形態では、処置は、人
工膝関節置換術（total knee replacement）である。外科医の処方は、ＭＲＩ、ＣＴスキ
ャン等を使用し、患者の骨、すなわち大腿骨及び脛骨の撮像を含む。骨の撮像が終了する
と、画像が用いられて、人工膝関節置換術の適切な策定内容を準備又は選択する。この策
定は、外科処置の直前に手術室（operating room, OR）で実施される患者の運動学的な調
査（kinematic study）に基づくものとすることもできる。
【００３９】
策定は、インプラントのタイプ、インプラントのサイズ／形状、及び、インプラントが
固定される骨の上の位置を含む（策定は、インプラントを受けるために除去される組織を
特定することを含む）。この情報は、テキストファイル、画像ファイル、又は同様なもの
等のコンピュータ可読フォーマットの電子形態で記憶することができる。策定は、外科医
又は第三者によって準備又は選択され得る。膝関節インプラントの策定がなされると、外
科医は、その策定内容を検討し、許容可能なものである場合、その策定を承認し、外科処
置がスケジュールされる。外科処置がスケジュールされると、手術室が、外科処置のため
に準備され、これは、術前プランに基づいて対象物を手配することを含む。
【００４０】
他の実施形態では、対象物は、外科処置のときに、すなわち手術前ではないときに決定
される処置情報に基づいて手配される。
【００４１】
ステップ１０３において、術前プランは、ガイダンスステーション２０に記憶される。
術前プランは、ナビゲーションコンピュータ２６に対する有線又は無線接続を使用して、
フラッシュメモリデバイス又は同様なものによってナビゲーションコンピュータ２６に記
憶することができる。ある場合には、外科医又は外科医の指名者は、病院又は外科処置セ
ンタのセキュアローカルエリアネットワーク（イーサネット（登録商標））、セキュアＵ
ＳＢフラッシュドライブ、又はセキュア無線（ＷｉＦｉ）接続を介して、ガイダンスステ
ーション２０に暗号化済みの術前プラン（策定情報を含む）を送る。幾つかの実施形態で
は、術前プランは、ガイダンスステーション２０を使用して作成される。
【００４２】
図４を参照すると、処置情報（例えば、術前プランに基づく情報）がナビゲーションコ
ンピュータ２６に記憶されると、ＯＲセットアップモジュール１０９（図２参照）が使用
されて、手術室における対象物のセットアップが開始され得る。ＯＲセットアップモジュ
ール１０９は、ナビゲーションコンピュータ２６上で実行されるソフトウェアモジュール
である。外科要員は、ガイダンスステーション２０のユーザインタフェース及びディスプ
レイ２８、２９を使用して、ＯＲセットアップモジュール１０９を動作させ得る。ＯＲセ
ットアップモジュール１０９を使用するとき、外科要員は、まず、処置情報（例えば、術
前プラン）をＯＲセットアップモジュール１０９にロードする。ロードされると、ある種
の情報が、ＯＲセットアップモジュール１０９にとって利用可能となる。
【００４３】
ステップ１０４において、ＯＲセットアップモジュール１０９は、処置情報に基づいて
、対象物の所定の手配（prescribed arrangement）を決定する。対象物の所定の手配は、
ＯＲセットアップモジュール１０９にロードされたある種の情報を探し、その情報を、ル
ックアップテーブルにある複数の所定手配のうちの１つと照合することによって決定する
ことができる。ルックアップテーブルは、ナビゲーションコンピュータ２６上に記憶され
ている。例えば、ロードされた情報は、処置のタイプを「全膝関節−左」（“ＴＯＴＡＬ
ＫＮＥＥ−ＬＥＦＴ”）として特定することができる。ＯＲセットアップモジュール１
０９は、ルックアップテーブル内で「全膝関節−左」に関する特定の手配を見いだすこと
により、このタイプの処置に基づいて、対象物の所定の手配を選択するようにプログラム
されている。
【００４４】
所定の手配は、図６及び図７に示すような俯瞰レイアウト（overhead layout）を含む
。これらの俯瞰レイアウトは、画像ファイル又は他のファイルタイプとしてナビゲーショ
ンコンピュータ２６に記憶することができる。あるいは、俯瞰レイアウトは、術前プラン
の一部とすることができ、及び／又は、処置情報とともにＯＲセットアップモジュール１
０９にロードすることができる。各レイアウトは、異なった処置タイプに関連するものと
することができる。各レイアウトはまた、異なった外科医の好みに関連するものとするこ
とができる。例えば、図６に示すレイアウトは、右利きの外科医のためのものである一方
で、図７に示すレイアウトは、左利きの外科医のためのものである。
【００４５】
所定の手配が決定されると、ガイダンスステーション２０は、ステップ１０５において
、対象物を相応に手配する指示を提供する。こうした指示は、図５に示す順序で行うこと
ができる。これらの指示の別の順序も考えられる。
【００４６】
ステップ１０８において、ガイダンスステーション２０は、ＯＲセットアップモジュー
ルによって決定された俯瞰レイアウトを表示する。俯瞰レイアウトはディスプレイ２８、
２９上に示される。俯瞰レイアウトは、ガイダンスステーション２０、患者及び手術テー
ブル、機械加工ステーション５６、外科医、看護師、及び他の対象物を含む対象物の大ま
かな配置に関する指示を外科要員に提供するものである。以下で更に述べるように、トラ
ッカ４４、４６及び機械加工ステーション５６のより精密な位置決めも、ガイダンスステ
ーション２０によりナビゲーション的にガイドされる。
【００４７】
俯瞰レイアウトが示されるため、外科要員は、ガイダンスステーション２０を、俯瞰レ
イアウト上で示された位置に移動させることができる。所定の位置になると、本方法は、
ステップ１１０に進み、カメラユニット３６の配置を指示する。ステップ１１０への移行
には、入力デバイスによってディスプレイ２８、２９上で「承認（ＯＫ）」又は「終了（
ＤＯＮＥ）」を選択して、ガイダンスステーション２０が所定の位置にあることをＯＲセ
ットアップモジュール１０９に示すこと等の、外科要員からの入力を必要とする場合があ
る。
【００４８】
カメラユニット３６は、少なくとも自由度１で、場合によっては、自由度２以上で調整
可能である。ガイダンスステーション２０は、ＯＲセットアップモジュール１０９を通し
て、カメラユニット３６をどのように位置決めするかに関して外科要員に指示する。この
指示は、床に対して所定の高さ又は所定の角度となるようカメラユニット３６を調整する
ための、ディスプレイ２８、２９上に書かれた指示を含むことができる。図５Ａを参照す
ると、カメラユニット３６の配置のための指示は、カメラユニット３６についての例示的
なセットアップを示す視覚的なガイダンスを含むことができる。カメラユニット３６が適
切に配置されると、ステップ１１２への移行は、入力デバイスによってディスプレイ２８
、２９上で「承認（ＯＫ）」又は「終了（ＤＯＮＥ）」を選択して、カメラユニット３６
が所定の位置にあることをＯＲセットアップモジュール１０９に示すこと等の、外科要員
からの入力を必要とする場合がある。
【００４９】
幾つかの実施形態では、カメラユニット３６を動かするためのアームのジョイント部は
、位置エンコーダを有するものとすることができる。位置エンコーダは、ナビゲーション
コンピュータ２６によって読み取られ、カートアセンブリ２４と床と調整アームとカメラ
ユニット３６との間の既知の幾何学的関係に基づき、床を基準としたカメラユニット３６
の動きを動的に追跡するために使用することができる。この場合、図５Ｂを参照すると、
ディスプレイ２８、２９上の視覚的なガイダンスは、カメラユニット３６の所望の位置の
表現（representation）に対する、カメラユニット３６の現在の位置の表現（隠れ線で示
す）を提示することを含む。現在の位置の表現は、ユーザがカメラユニット３６の位置を
調整するときに、所望の位置の表現に向かうか又は離れるようにディスプレイ２８、２９
上で動的に移動する。ＯＲセットアップモジュール１０９は、図５Ｂに示している矢印等
の所望の位置に達するための、必要となる移動方向を示す画像をディスプレイ２８、２９
に送ることができる。カメラユニット３６の現在の位置が、所望の位置の予め定められた
許容範囲内になると、ＯＲセットアップモジュール１０９は、所望の位置に達したことを
示し、ステップ１１２に進む。
【００５０】
ステップ１１２において、患者は、手術室の手術テーブルに運ばれる。患者は、人工膝
関節置換術の場合、麻酔下で運ばれるか、又は麻酔が手術室内で施される。外科スタッフ
はまた、対象の脚を脚ホルダ内に留め、患者及び機器を覆う（drape）ことができる。１
つのこうした脚ホルダは、米国特許出願公開第２０１３／００１９８８３号として公開さ
れている、「Multi-position Limb Holder」という名称の米国特許出願第１３／５５４，
０１０号に示されている。その開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすも
のとする。
【００５１】
患者の配置に関する指示は、ガイダンスステーション２０を基準とした手術テーブルの
位置決めに関する、ディスプレイ２８、２９に示された指示を含むことができる。こうし
た指示は、コンピュータカートアセンブリ２４と手術テーブルとの間に所望の距離を設け
ること、又は、手術テーブルの特定の側部をカメラユニット３６に対して位置合わせする
ことを含むことができる。患者の配置についての指示は、カメラユニット３６を基準にし
た患者についての例示的なセットアップを示す視覚的なガイダンスを含むことができる。
【００５２】
幾つかの実施形態では、ビデオカメラ（不図示）がカメラユニット３６に取り付けられ
ている。ビデオカメラは、カメラユニット３６の視野がビデオカメラの視野に関連したも
のとなるように向きが決められる。換言すれば、ある対象物（例えばＬＥＤ５０）が、ビ
デオカメラから流れるビデオ画像において見えている場合に、該対象物がカメラユニット
３６の視野内にもあるものとなるように、２つの視野を整合させることができるかあるい
は関係付けることができる。ビデオカメラからのビデオ画像は、図５のステップのうちの
任意のステップにおいてディスプレイ２８、２９に送ることができる。
【００５３】
ステップ１１２において、ディスプレイ２８、２９は、ビデオカメラからのビデオ画像
を有するウィンドウ１１３を表示し、また、ディスプレイ２８、２９上で提供される指示
は、ウィンドウ１１３に患者を配置するよう外科要員に伝えるために書かれた指示を含む
ことができる。これは図５Ｃに示している。ウィンドウ１１３はまた、手術テーブルのあ
る特定のエッジ又は側部がどこに位置付けられるべきかを、ビデオ画像上に（十字線、エ
ッジ線等の）幾何学的かつ視覚的な助けとなるものを重ね、付随する書かれた指示を提供
することによって示すことができる。患者がウィンドウ内に位置付けられ、手術テーブル
が適切に位置合わせされると、患者は、術前プラン及び／又は他の処置情報に基づいて位
置決めされる。患者の位置が適切なものとなると、ステップ１１４の移行は、入力デバイ
スによってディスプレイ２８、２９上で「承認（ＯＫ）」又は「終了（ＤＯＮＥ）」を選
択して、患者が所定の位置にあることをＯＲセットアップモジュール１０９に示すこと等
の、外科要員からの入力を必要とする場合がある。
【００５４】
ステップ１１４においてトラッカの配置が行われる。トラッカ４４、４６を配置するた
めの、ガイダンスステーション２０から提供される指示の１つの例示的な実施形態を図８
に示している。まず、ステップ１２０において、大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔの表現が、所望のト
ラッカ配置及び関連する指示とともにディスプレイ２８、２９上に示される。この例を図
５Ｄに示している。一般的な骨表現が使用され、例えば膝関節からの距離、又は膝関節に
関連するある種の生体組織上のランドマークからの距離（例えば、膝蓋骨、脛骨結節（ti
bial tubercle）等からの距離）に基づいて一般的に適切な配置を示す。ディスプレイ２
８、２９上に示されている指示は、生体組織上のランドマークからトラッカ４４、４６の
それぞれまでの距離を示す場合がある（ランドマークから、骨に取り付けられた各トラッ
カ４４、４６のベースまでの距離を示すことができる）。また、トラッカ４４、４６（又
は、トラッカ４４、４６のベース）の間の所望の距離は、ディスプレイ２８、２９上で、
数字として及び視覚的に示すことができる。幾つかの実施形態では、ディスプレイ２８、
２９上の指示は、トラッカ４４、４６を配置する前の脚ホルダへの脚の配置に関して示さ
れた指示及び脚ホルダを所定の位置に留めることに関する指示を含む。１つのこうした脚
ホルダは、米国特許出願公開第２０１３／００１９８８３号として公開されている、「Mu
lti-position Limb Holder」という名称の米国特許出願第１３／５５４，０１０号に示さ
れている。その開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【００５５】
上述したビデオカメラは、従来のマシンビジョン技術を使用して患者の脚を特定する能
力を有するガイダンスステーション２０のマシンビジョンシステムに統合することができ
る。図５Ｅに示すように、脚が特定され、ディスプレイ２８、２９上でウィンドウ１１３
内に示されると、ガイダンスステーション２０は、ディスプレイ２８、２９上でトラッカ
４４、４６の所望の位置をオーバレイ（矢印によって示される）しつつ、外科医及び／又
は外科要員がトラッカ４４、４６（図５Ｅに示していない実際のトラッカ）を配置するこ
とを示す、ビデオカメラからのビデオ画像を、同時にかつ連続して示す。
【００５６】
ステップ１２２において、外科要員はトラッカ４４、４６を位置決めする。これは、骨
ピンを配置し、骨ピンにトラッカ４４、４６を取り付けることを含むこともできる。ある
いは、これは、関節にアクセスするために手動器具を使用して膝関節を切開すること、及
び、引用することにより本明細書の一部をなすものとする「Tracking Devices and Navig
ation Systems and Methods for Use Thereof」という名称の２０１３年１月１６日に出
願された米国仮特許出願第６１／７５３，２１９号に示すように骨プレートを取り付け、
骨プレートにトラッカ４４、４６の追跡要素を結合させることを含むこともできる。所定
の位置になると、カメラユニット３６が起動（activate）され、トラッカ４４、４６のＬ
ＥＤ５０から位置に関連する信号を受信し始める。
【００５７】
ステップ１２４において、ナビゲーションコンピュータ２６は、トラッカ４４上のＬＥ
Ｄ５０とトラッカ４６上のＬＥＤ５０との間の距離を測定する。これは、トラッカ４４、
４６が、骨、例えば大腿骨及び脛骨上でどの程度離れて位置しているかについての基本的
な情報を提供するものである。一実施形態では、最も近づいて位置する２つのＬＥＤ５０
間の最短距離と、最も離れて位置する２つのＬＥＤ５０間の最長距離とが測定される。ス
テップ１２６では、これらの測定距離が所定の距離範囲と比較される。最短測定距離及び
最長測定距離がともにその範囲内にある場合、本方法は、ステップ１２８に進む。その範
囲にない場合、本方法はステップ１２０に戻り、トラッカ４４、４６は、ステップ１２０
の指示に従って再び位置決めされる。本方法がステップ１２０に戻る場合、指示には、ト
ラッカ４４、４６が、近過ぎているか、遠過ぎているかに関する詳細を更に含めることが
でき、トラッカ４４、４６をどこに位置決めするかに関する更なるガイダンスが外科要員
に与えられる。トラッカ４４、４６の再度の位置決めは、骨からのベース（又は骨ピン）
の取外しを必要とすることなく、１以上の調整自由度に関するトラッカ４４、４６の調整
のみが必要となる場合がある。極端な場合、トラッカ４４、４６は、骨から完全に取り外
して、再び取り付ける必要がある。
【００５８】
トラッカ４４、４６が所定の距離範囲内に位置決めされると、トラッカ４４、４６は、
生体組織に対して位置合わせ（register）される。骨表面及び基準となるランドマークの
位置合わせは、ポインタＰを使用して行うものとして当技術分野でよく知られており、こ
こでは詳細に説明しない。位置合わせにより、手術前のＭＲＩ又はＣＴ画像がトラッカ４
４、４６上のＬＥＤ５０の位置に関連付けられる。結果として、ＬＥＤ５０の動きを追跡
することにより、大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔの動きを追跡することができる。
【００５９】
大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔの位置及び向きがＬＥＤ５０に対して位置合わせされると、ナビゲ
ーションコンピュータ２６は、屈曲（flexion）から伸展（extension）までの動きの範囲
により、また、外科処置中における大腿骨及び脛骨の予想される全ての位置において、大
腿骨Ｆ及び脛骨Ｔの動きをシミュレートすることができる。例えば、処置によっては、膝
が、最大屈曲状態でまた最大伸展状態で配置されることが必要となる場合がある。ナビゲ
ーションプロセッサ５２は、脚の最大屈曲位置及び最大伸展位置に位置付けられることに
なるＬＥＤ５０の位置をシミュレートし、センサ４０の視野が同様にナビゲーションコン
ピュータ２６に知られているため、これらの位置の全てにおいて、ＬＥＤ５０がセンサ４
０の各センサの視野内にあることになるかどうかを判定することができる。換言すれば、
ナビゲーションコンピュータ２６は、処置中における大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔの動きをシミュ
レートし、ＬＥＤ５０のうちのどのＬＥＤがセンサ４０のいずれかのセンサの視野から遮
断されることになるかどうかを検出することができる。
【００６０】
あるいは、シミュレーションを実行するのとは対照的に、ディスプレイ２８、２９上の
指示により、ガイダンスステーション２０がトラッカ４４、４６上のＬＥＤ５０を追跡し
ている間に、脚ホルダ内で最大伸展及び最大屈曲を通して脚を実際に移動させるよう外科
要員に要求することができる。その後、脚のいずれかの位置において、ＬＥＤ５０のうち
のいずれかのＬＥＤが、信号をセンサ４０に送信することを遮断されるかどうかを判定す
ることによって遮断が特定される。
【００６１】
遮断が、シミュレーションで予測されるか又は脚を移動するときに実際に検出されると
、本方法はステップ１３４に進む。ステップ１３４において、患者の実際の骨の表現が、
現在のトラッカ配置及び所望のトラッカ配置とともにディスプレイ２８、２９上に（図５
Ｅと同様であるが、ここでは、ナビゲーション位置情報を使用して）示される。トラッカ
４４、４６を移動又は再位置決めするための指示も、ディスプレイ２８、２９上に表示さ
れる。ある場合には、再位置決めすることは、骨からのトラッカ４４、４６の完全な除去
を必要とすることなく、トラッカ４４、４６の調整機構を使用してトラッカ４４、４６の
うちの１つのトラッカのヘッドを摺動させること、傾斜させること、又は回転させること
のみを必要とする場合がある。例えば、「Tracking Devices and Navigation Systems an
d Methods for Use Thereof」という名称の２０１３年１月１６日に出願された米国仮特
許出願第６１／７５３，２１９号に示されるトラッカの調整機構を参照されたい。この米
国仮特許出願の内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。別の場合
には、トラッカ４４、４６の一方又は両方を骨から取り外す必要がある。
【００６２】
再位置決めされると、ステップ１２４の当初のエラーチェックが再び行われる。エラー
が許容可能である場合、トラッカ４４、４６は、生体組織に対して再び位置合わせがされ
、残りのステップが、既に述べたように続く。ステップ１３２において、遮断が予測又は
検出されない場合、本方法はステップ１１６に進む。ステップ１１６への移行は、シミュ
レーション又は移動がステップ１３２において実施された後に自動的に行うこともできる
し、あるいは、ステップ１１６への移行は、入力デバイスによってディスプレイ２８、２
９上で「承認（ＯＫ）」又は「終了（ＤＯＮＥ）」を選択して、患者が所定の位置にある
ことをＯＲセットアップモジュール１０９に示すこと等の、外科要員からの入力を必要と
することも可能である。
【００６３】
ステップ１１４の前に、「Tracking Devices and Navigation Systems and Methods fo
r Use Thereof」という名称の２０１３年１月１６日に出願された米国仮特許出願第６１
／７５３，２１９号において示されている方法に従って、トラッカ４４、４６をセットア
ップすることができる。この米国仮特許出願の内容は、引用することにより本明細書の一
部をなすものとする。この米国仮特許出願によれば、ステップ１１４における位置決めの
際に、トラッカ４４、４６が再位置決めを必要としないような可能性を高めることができ
る。
【００６４】
また、外科医は、策定内容を再び検討し、その策定内容が患者に合うことを確認し、最
終的な承認を与えるか又はインプラントのサイズ、位置、及び／又は向きを修正する能力
を有する。
【００６５】
ステップ１１６において、機械加工ステーション５６の配置のための指示が提供される
。これらの指示がどのように提供されるかについての一例を、図９のステップ１３６〜１
４２に示している。カメラユニット３６と、患者と、トラッカ４４、４６とが適切に位置
決めされると、ガイダンスステーション２０は、機械加工ステーション５６を、機械加工
される骨を基準にして所定の位置に入るようガイドすることを支援することができる。ス
テップ１３６では、機械加工ステーション５６の所望の配置が、ディスプレイ２８、２９
上に示される。機械加工ステーション５６のカート５７は、ガイダンスステーション２０
（図１参照）と通信可能な、統合されたディスプレイ５９を有している。機械加工ステー
ションのディスプレイ５９は、機械加工ステーション５６の所望の配置を更に示すもので
ある。この所望の配置は、図６及び７に示しているような、所望の位置におけるカート５
７の俯瞰的で視覚的な説明図とすることができる。
【００６６】
カート５７の位置及び向きは、器具トラッカ４８を使用してガイダンスステーション２
０によって追跡される。より具体的には、エンドエフェクタに対する器具トラッカ４８の
接続が強固であるため、また、機械加工ステーション５６のアーム・カプラ構造に対する
エンドエフェクタの接続が強固であるため、ガイダンスステーション２０は、以下の２つ
を用いて、器具トラッカ４８の位置及び向きに基づきカート５７の位置及び向きを決定す
ることができる。
（１）機械加工ステーション５６のジョイント部に設けられた位置エンコーダによって
測定されるジョイント部角度データと、「Surgical Manipulator Capable of Controllin
g a Surgical Instrument in either a Semi-Autonomous Mode or a Manual, Boundary C
onstrained Mode」という名称の米国仮特許出願第６１／６７９，２５８号に記載されて
いる、運動学的モジュールによって計算されるジョイント部角度データとのいずれか又は
両方。この米国仮特許出願の開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすもの
とする。
（２）「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in e
ither a Semi-Autonomous Mode or a Manual, Boundary Constrained Mode」という名称
の米国仮特許出願第６１／６７９，２５８号に記載されている、機械加工ステーション５
６のアーム・カプラ構造に関するデータ（例えば、仮想的なモデルデータ）。この米国仮
特許出願の開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
あるいは、別個のトラッカ（不図示）を、カート５７の仮想モデルに取り付け、その仮
想モデルに対して較正し、カート５７の位置及び向きを追跡する。
【００６７】
いずれの場合も、ディスプレイ２８、２９、５９は、幾つかの実施形態では、カート５
７の所望の俯瞰的位置だけでなく、カート５７の現在の位置も示す。ディスプレイ２８、
２９、５９上に示されるカート５７の表現の一例を、図９Ａに示している。図９Ａにおい
て、１つの視覚的な表現は、所望の位置に示されているカート５７（２次元の長方形で示
している）の画像である。別の視覚的な表現は、現在の位置に示されているカート５７（
２次元の長方形で示している）の画像である。現在の位置におけるカート５７の表示は、
カート５７が移動するにつれてディスプレイ２８、２９、５９上を移動する。ガイダンス
ステーション２０から提供される更なる指示には、矢印等の幾何学的画像を含めることが
でき、それらの幾何学的画像は、所望の位置に達するためにカート５７を移動させる方向
に関して外科要員をガイドする。
【００６８】
ステップ１３８において、外科要員は、ディスプレイ２８、２９、５９を注視し、実際
のカート位置のディスプレイ２８、２９、５９上での視覚的表現が所望の位置の視覚的表
現に向かって移動するようにカート５７を移動させることによって、機械加工ステーショ
ン５６を所望の位置に配置する。ステップ１４０において、ＯＲセットアップモジュール
１０９は、カート５７が所望の位置に達するまで、実際の位置と所望の位置との間のエラ
ーをチェックする。カート５７の実際の位置の視覚的表現がカート５７の所望の位置の視
覚的表現と位置合わせされる、すなわち、長方形が位置合わせされることによって示され
るような、機械加工ステーション５６の実際の位置が、所望の位置の所定の許容範囲内に
なると、ＯＲセットアップモジュール１０９は、機械加工ステーション５６が所望の位置
にあることを示し、ステップ１１８に進む。ディスプレイ２８、２９、５９上の目で見え
る画像は、カート５７が所望の位置に達すると、点滅するか又は何らかの他の視覚的効果
を提供することができる。
【００６９】
ステップ１１８において、ガイダンスステーション２０は、患者、機械加工ステーショ
ン５６、ガイダンスステーション２０等を基準にして適切な位置にいるよう外科要員に指
示する。これは、図６及び７に示すような俯瞰レイアウトを再表示することによって行う
ことができる。外科要員が所定の位置におり、準備ができると、処置を開始することがで
きる。図４のステップ１０６を参照されたい。
【００７０】
幾つかの実施形態では、機械加工ステーション５６は、患者の骨又は軟部組織等の生体
組織から物質を切除するためのロボット外科切断システムである。切断システムが、ガイ
ダンスステーション２０によって適切な位置にあると判定されると、切断システムは、股
関節インプラント、及び、片側、両側又は全体的な膝関節インプラント（unicompartment
al, bicompartmental, or total knee implants）を含む膝関節インプラント等の、外科
インプラントによって置換されるものを切除する。これらのタイプのインプラントのうち
の幾つかは、「Prosthetic Implant and Method of Implantation」という名称の米国特
許出願第１３／５３０，９２７号に示されている。この米国特許出願の開示内容は、引用
することにより本明細書の一部をなすものとする。ガイダンスステーション２０は、トラ
イアルインプラントの使用を含む、これらのインプラントを骨の上に位置付けし、そのイ
ンプラントを所定の位置に留めるための適切な処置に関して外科医に指示する。
【００７１】
他のシステムでは、器具２２は、ハンドヘルドハウジングを基準とした自由度３で移動
可能であるとともに切断ジグ、ガイドアーム、又は他の制約メカニズムの援助なしで外科
医の手によって手動で位置決めされる切断ツールを有する。そのようなシステムは、「Su
rgical Instrument Including Housing, a Cutting Accessory that Extends from the H
ousing and Actuators that Establish the Position of the Cutting Accessory Relati
ve to the Housing」という名称の米国特許出願第１３／６００，８８８号に示されてい
る。この米国特許出願の開示内容は、引用することによって本明細書の一部をなすものと
する。
【００７２】
これらの実施形態では、システムは、切断ツールを有するハンドヘルド外科用切断器具
を備えている。「Surgical Instrument Including Housing, a Cutting Accessory that 
Extends from the Housing and Actuators that Establish the Position of the Cuttin
g Accessory Relative to the Housing」という名称の米国特許出願第１３／６００，８
８８号に示されているように、制御システムは、切断ツールの動きを、内部のアクチュエ
ータ・モータを用いて少なくとも自由度３で制御する。上記米国特許出願の開示内容は、
引用することによって本明細書の一部をなすものとする。ガイダンスステーション２０は
、制御システムと通信する。１つのトラッカ（トラッカ４８等）は、器具に取り付けられ
、他のトラッカ（トラッカ４４、４６等）は、患者の生体組織に取り付けられる。
【００７３】
この実施形態では、ガイダンスステーション２０は、ハンドヘルド外科用切断器具の制
御システムと通信する。ガイダンスステーション２０は、位置データ及び／又は向きデー
タを制御システムに伝える。これらの位置データ及び／又は向きデータは、生体組織を基
準とした器具２２の位置及び／又は向きを示すものである。この通信は、切断が所定の境
界（所定の境界という用語は、所定の軌道、体積、線、他の形状又は幾何学的形態等を含
むものとして理解される）内で行われるように、生体組織の切断を制御する閉ループ制御
を提供する。
【００７４】
代替的な実施形態では、トラッカ４４、４６、４８は、ナビゲーションのために使用さ
れる他の照準線追跡デバイス又は非照準線追跡デバイスとすることができる。トラッカ４
４、４６、４８は、音波、磁界、ＲＦ信号等を使用して、位置及び／又は向きを決定する
ことができる。これらの実施形態の幾つかの実施形態では、ステップ１１０は、このよう
な別のタイプのナビゲーションシステムに関する検知デバイス、送信機、発電機（genera
tor）等の配置に関する。同様に、ステップ１３０及び１３２は、このような別のタイプ
のナビゲーションシステムからの信号に関する遮断又は他の干渉についてチェックするこ
とに関する。実質的には、外科要員は、使用されるナビゲーションのタイプとは無関係に
、遮断又は干渉が最小になるか又は許容範囲内になるように患者の生体組織に関してナビ
ゲーションシステムのトラッカを配置するよう指示される。
【００７５】
幾つかの実施形態では、対象物は、手術室内で固定される手術室テーブル、すなわち、
手術室テーブルの所定の部分の調整を除いて容易には移動できない手術室テーブルに関し
て手配することができる。幾つかの実施形態では、対象物の所望の配置に従って手配され
ることになる対象物の一部又は全ては、手術室の外に位置付けられ、最初に、手術室内に
移動する必要がある場合がある。他の実施形態では、対象物の所望の配置に従って手配さ
れることになる対象物の一部又は全てを、まだ対象物の所望の配置にはないものの、手術
室の内部にあるものとして先に位置付けることができる。
【００７６】
幾つかの実施形態では、手術前は、処置のための、手術室内での患者の任意の切断又は
切開に至る時間と考えられる。こうした切断は、膝関節置換のために膝関節に、又は、股
関節置換のために股関節にアクセスするために皮膚及び組織を切断することを含むことが
できる。
【００７７】
幾つかの実施形態では、手術室内で対象物を手配することは、対象物のホイール付きカ
ートを所定の位置に入るよう押すか又はトラッカを患者に手作業で取り付けること等によ
って手作業で実施することができる。他の実施形態では、対象物を手配することは、遠隔
操作で、又は、関連するステアリング制御を使用して自動型カートを移動させること等の
何らかの自動制御によって、対象物の所望の配置になるよう対象物をガイドすることを含
むことができる。
【００７８】
これまでに幾つかの実施形態を説明した。しかし、本明細書で説明した実施形態は、網
羅的又は本発明を任意の特定の形態に限定することを目的としたものではない。用されて
いる用語は、限定的なものではなく、説明のための言葉としての性質にあることが意図さ
れている。多くの変更及び変形が、上記教示を考慮して可能であり、本発明は、具体的に
述べたもの以外のやり方で実施することができる。
【図１】
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【図２】
2018149321.tif 000004
【図３．４．５】
2018149321.tif 000005
【図５Ａ．５Ｂ】
2018149321.tif 000006
【図５Ｃ．５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６】
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【図７】
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【図８．９】
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【図９Ａ】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年5月24日(2018.5.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外科処置情報に従って手術室において１以上の対象物を配置するためのシステムであって、
ディスプレイ及びローカライザを有するガイダンスステーションを備え、
前記ガイダンスステーションは、
前記外科処置情報を受信し、
前記外科処置情報に基づいて、前記手術室におけるロボットシステムのモバイルカートの所望の配置を決定し、前記ロボットシステムは、前記モバイルカートの現在の配置を決定するために前記ローカライザとともに動作する追跡デバイスを有し、
前記モバイルカートの現在の配置及び所望の配置の表現を表示することにより、前記手術室における前記モバイルカートの配置をガイドするものである、
システム。
【請求項２】
前記モバイルカートの現在の配置及び所望の配置の表現を表示することは、前記モバイルカートの現在の配置及び所望の配置を前記ガイダンスステーションのディスプレイに表示することを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記モバイルカートの所望の配置は、前記モバイルカートの俯瞰的かつ視覚的な説明図を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記モバイルカートが前記所望の配置に達したときに視覚的効果を生成することを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記ロボットシステムの前記モバイルカートと、患者の生体組織から物質を切除するロボット外科切断システムとが、機械加工ステーションに備えられている、請求項１に記載のシステム。
【外国語明細書】
2018149321000001.pdf