(57)【要約】      （修正有）【課題】物体の３次元位置を検出するためのデバイス、システム、及び方法、ならびに同デバイス、システム、及び方法を提供すること。【解決手段】外科用ロボットシステム１００は、ロボット基部１０６、ロボット基部に連結されたロボットアーム１０４、及びロボットアームに連結されたエンドエフェクタ１１２を有するロボットを含み得る。追跡されるエンドエフェクタ、外科用器具、患者、及び／または他の物体は、アクティブ及び／またはパッシブ追跡マーカを含む。立体写真測量赤外カメラ等のカメラは、追跡マーカを検出することができ、ロボットは、追跡マーカから物体の３次元位置を判定する。【選択図】図１３Ａ
2018202156.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外科用ロボットシステムであって、
ロボット基部、前記ロボット基部に連結されたロボットアーム、及び前記ロボットアームに連結されたエンドエフェクタを有するロボットを備え、
前記ロボットが、所与の外科手技を実施するために前記エンドエフェクタの移動を制御するように構成され、
前記エンドエフェクタが、異なる外科手技を実施するように各々構成された他のエンドエフェクタと交換可能である、外科用ロボットシステム。
【請求項２】
前記エンドエフェクタが、レトラクタを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記エンドエフェクタが、器具を受容するように構成された誘導管を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記エンドエフェクタが、インプラントを保持するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記インプラントが、拡張可能なインプラント、連接式インプラント、または移動可能なインプラントである、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記エンドエフェクタが、多軸ねじを差し込むように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記エンドエフェクタが、外科標的に骨セメント、骨移植、生体細胞、１つ以上の薬剤、または他の移送可能物を提供するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記エンドエフェクタが、椎間板切除術、椎骨形成術、椎骨ステント術、拡張、または他の外科手技を実施するために設計された１つ以上の器具を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記ロボットが、整形手術を実施する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ロボットが、脊椎上に外科手術を実施する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ロボットが、外傷における手術を実施する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
外科用ロボットシステムであって、
ロボット基部、前記ロボット基部に連結されたロボットアーム、及び前記ロボットアームに連結されたエンドエフェクタを有するロボットであって、前記エンドエフェクタが誘導管を有する、ロボットと、
前記誘導管内に受容可能な器具と、
患者に挿入されるように構成されたインプラントであって、前記インプラントが前記器具に着脱可能に連結されるように構成された、インプラントと、を備え、
前記ロボットが、所与の外科手技を実施するために前記エンドエフェクタを制御するように構成され、
前記誘導管を有する前記エンドエフェクタが、異なる外科手技を実施するように構成された別のエンドエフェクタと交換可能である、外科用ロボットシステム。
【請求項１３】
前記インプラントが、拡張可能なインプラント、連接式インプラント、または移動可能なインプラントである、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記インプラントが、拡張可能なインプラントである、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記他のエンドエフェクタが、レトラクタを含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
前記他のエンドエフェクタが、多軸ねじを差し込むように構成されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
前記他のエンドエフェクタが、外科標的に骨セメント、骨移植、生体細胞、１つ以上の薬剤、または他の移送可能物を提供するように構成されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１８】
前記他のエンドエフェクタが、椎間板切除術、椎骨形成術、椎骨ステント術、拡張、または他の外科手技を実施するために設計された１つ以上の器具を含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１９】
前記ロボットが、外傷における整形手術を実施する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項２０】
前記ロボットが、前記脊椎上に外科手術を実施する、請求項１２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【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れらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、位置認識システム、具体的には、ロボット支援手術中のエンドエフェクタ及びツール追跡ならびに操作に関する。
【背景技術】
【０００３】
位置認識システムは、３次元（３Ｄ）における特定の物体の位置を判定するために、及びその物体を追跡するために、使用される。ロボット支援手術において、例えば、外科用器具等、ある物体は、その器具が、例えば、ロボットまたは医師によって位置付けられ、移動される際に、高度の的確さをもって追跡される必要がある。
【０００４】
赤外信号に基づく位置認識システムは、物体の追跡のためにパッシブ及び／もしくはアクティブセンサまたはマーカを使用してもよい。パッシブセンサまたはマーカにおいて、追跡されるべき物体は、反射性球体ボール等の、パッシブセンサを含んでもよく、それらは、追跡されるべき物体上の効果的な場所に位置付けられる。赤外伝送器は信号を伝送し、反射性球体ボールは信号を反射して、３Ｄにおける物体の位置の判定を助ける。アクティブセンサまたはマーカにおいて、追跡されるべき物体は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の、アクティブ赤外伝送器を含み、このため、３Ｄ検出のためにそれら自体の赤外信号を発生する。
【０００５】
アクティブまたはパッシブ追跡センサのいずれかを用いて、システムは、次いで、赤外カメラ、デジタル信号、アクティブもしくはパッシブセンサの既知の場所、距離、それが応答信号を受信するためにかかった時間、他の既知の変数、またはこれらの組み合わせのうちの１つ以上からの情報あるいはそれに関する情報に基づいて、アクティブ及び／またはパッシブセンサの３次元位置を幾何学的に解明する。
【０００６】
１つの問題は、追跡センサが、典型的には、追跡されるべき物体の一部に強固に取設され、典型的には、物体自体上で移動可能ではないことである。また、システムは、物体の場所を正確に判定するために、典型的には、複数のマーカ、多くの場合、４つのマーカを必要とする。したがって、物体の３次元位置を認識するために改善されたシステム及び方法であって、例えば、物体またはその位置についての追加的な情報を提供するために、正確であるものの移動可能であり得る及び／またはより少ないセンサもしくはマーカを提供され得る、改善されたシステム及び方法を提供する必要性が存在する。
【発明の概要】
【０００７】
この及び他の必要性を満たすために、ロボット支援手術での使用のために物体の３次元位置を判定するためのデバイス、システム、及び方法が提供される。
【０００８】
一実施形態によれば、外科用ロボットシステムは、ロボット基部及び表示器、ロボット基部に連結されたロボットアーム、ならびにロボットアームに連結されたエンドエフェクタを有するロボットであって、エンドエフェクタが１つ以上の追跡マーカを有し、エンドエフェクタの移動が、ロボットによって電子的に制御される、ロボットを含む。本システムは、１つ以上の追跡マーカを検出することができる少なくとも１つのカメラを含むカメラスタンドを更に含み、ロボットは、１つ以上の追跡マーカの３次元位置を判定する。
【０００９】
別の実施形態によれば、外科用ロボットシステムは、ロボット基部、ロボット基部に連結されたロボットアーム、及びロボットアームに連結されたエンドエフェクタを有するロボットを含む。エンドエフェクタは、エンドエフェクタの基部に取り付けられた第１の複数の追跡マーカ、及びエンドエフェクタの誘導管に取り付けられた第２の複数の追跡マーカを有する。第２の複数の追跡マーカは、第１の構成から第２の構成へ、第１の複数の追跡マーカに対して移動可能である。システムは、第１の構成ならびに第２の構成において、第１及び第２の複数の追跡マーカを検出することが可能な少なくとも１つのカメラを更に含む。ロボットは、第１及び第２の複数の追跡マーカの第１の構成または第２の構成に対応する少なくとも１つのテンプレートからエンドエフェクタの３次元位置を判定する。
【００１０】
別の実施形態によれば、外科用ロボットシステムは、ロボット基部、ロボット基部に連結されたロボットアーム、及びロボットアームに連結されたエンドエフェクタを有するロボットを含む。エンドエフェクタは、中心縦軸を伴う誘導管及び、誘導管に取り付けられた単一の追跡マーカを有する。単一の追跡マーカは、固定距離で中心縦軸から分離される。システムは、中心線を有する器具及び複数の追跡マーカが取設された器具から延在するアレイを含む。システムは、誘導管上の単一の追跡マーカ及び器具上の複数の追跡マーカを検出することが可能な少なくとも１つのカメラを更に含む。ロボットは、検出された距離が固定距離と一致するかどうかを判定するために、器具の中心線と単一の追跡マーカとの間で検出された距離を判定する。この様態で、ロボットは、器具が誘導管内に位置決めされているかを判定してもよい。
【００１１】
更に別の実施形態によれば、外科用ロボットシステムは、ロボット基部、ロボット基部に連結されたロボットアーム、及びロボットアームに連結され、誘導管を有するエンドエフェクタを含む。システムは、複数の固定された追跡マーカ及び移動可能な追跡マーカを備える器具から延在するアレイを有し、誘導管内に受容可能な器具を含む。システムはまた、患者に挿入されるように構成され、器具に着脱可能に連結されるように構成されたインプラントを含む。システムは、器具上の複数の固定された追跡マーカ及び移動可能な追跡マーカを検出することが可能な少なくとも１つのカメラを更に含み、ロボットが、インプラントの変数を判定するために移動可能な追跡マーカの位置または移動を判定する。インプラントは、拡張可能なインプラント、連接式インプラント、または移動可能なインプラントであってもよく、変数は、拡張可能なインプラントの高さ、連接式インプラントの移動の角度、または同等のものであってもよい。
【００１２】
別の実施形態によれば、外科用ロボットシステムは、ロボット基部、ロボット基部に連結されたロボットアーム、及びロボットアームに連結されたエンドエフェクタを含み、ロボットは、所与の外科手技を実施するためにエンドエフェクタの移動を制御するように構成され、エンドエフェクタは、各々が異なる外科手技を実施するように構成された他のエンドエフェクタと交換可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】外科手技中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１３Ａ】例示的な実施形態に従うロボットアーム及びエンドエフェクタを含むロボットの一部分を例解する。
【図１３Ｂ】図１３Ａに示される、複数の追跡マーカが強固に取り付けられた、エンドエフェクタのクローズアップ図である。
【図１３Ｃ】一実施形態に係る複数の追跡マーカが強固に取り付けられたツールまたは器具である。
【図１４Ａ】移動可能な追跡マーカが第１の構成にあるエンドエフェクタの代替型である。
【図１４Ｂ】移動可能な追跡マーカが第２の構成にある、図１４Ａに示されるエンドエフェクタである。
【図１４Ｃ】図１４Ａから第１の構成にある追跡マーカのテンプレートを示す。
【図１４Ｄ】図１４Ｂから第２の構成にある追跡マーカのテンプレートを示す。
【図１５Ａ】単一の追跡マーカのみが取り付けられたエンドエフェクタの代替型を示す。
【図１５Ｂ】器具が誘導管を通じて配置された図１５Ａのエンドエフェクタを示す。
【図１５Ｃ】２つの異なる位置に器具があり、器具が誘導管内部または誘導管の外側に位置決めされるかどうかを判定するための得られるロジックを伴う図１５Ａのエンドエフェクタを示す。
【図１５Ｄ】２つの異なるフレームにおいて器具が誘導管内部にあり、誘導管上の単一の追跡マーカまでの相対距離を伴う図１５Ａのエンドエフェクタを示す。
【図１５Ｅ】図１５Ａのエンドエフェクタを座標系に対して示す。
【図１６】ロボットのエンドエフェクタを所望の対象軌道にナビゲートする及び移動させるための方法のブロック図である。
【図１７Ａ】収縮位置において固定された追跡マーカ及び移動可能な追跡マーカを有する、拡張可能なインプラントを挿入するための器具を描写する。
【図１７Ｂ】拡張位置において固定された追跡マーカ及び移動可能な追跡マーカを有する、拡張可能なインプラントを挿入するための器具を描写する。
【図１８Ａ】挿入位置における固定追跡マーカ及び移動可能な追跡マーカを有する連接式インプラントを挿入するための器具を描写する。
【図１８Ｂ】角度付き位置における固定追跡マーカ及び移動可能な追跡マーカを有する連接式インプラントを挿入するための器具を描写する。
【図１９Ａ】交換可能なエンドエフェクタまたは代替的なエンドエフェクタを伴うロボットの実施形態を描写する。
【図１９Ｂ】エンドエフェクタが連結された器具スタイルを伴うロボットの実施形態を描写する。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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く、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。
【００１５】
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。
【００１６】
ここで図を参照すると、図１及び２では、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を所望の位置において移動、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、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、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）等の、任意の適切なカメラまたは複数のカメラを含んでもよい。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。
【００１７】
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の近くまたは隣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く、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。描写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。
【００１８】
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を受容す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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。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、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、同時係属の米国特許出願第１３／９２４，５０５号において見出すことができる。
【００２１】
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、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。
【００２２】
マーカ１１８は、放射線不透過性マーカまたは光学マーカを含んでもよい。マーカ１１８は、球体、球状、円筒形状、立方体、直方体、または同様のものを含み、適切に成形されてもよい。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、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、同時係属の米国特許出願第１３／９２４，５０５号において見出すことができる。
【００２３】
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はまた、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。
【００２４】
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。
【００２５】
外科用ロボットシステム１００と同様に、図３は、本開示の例示的な実施形態と一致するドッキング型構成における、外科用ロボットシステム３００及びカメラスタンド３０２を例解する。外科用ロボットシステム３００は、表示器３０４、上部アーム３０６、下部アーム３０８、エンドエフェクタ３１０、垂直カラム３１２、キャスタ３１４、キャビネット３１６、タブレット引出し３１８、コネクタパネル３２０、制御パネル３２２、及び情報のリング部３２４を含む、ロボット３０１を備えてもよい。カメラスタンド３０２は、カメラ３２６を備えてもよい。これらの構成要素は、図５に関してより詳細に説明される。図３は、カメラスタンド３０２が、例えば、使用中でないときに、ロボット３０１と入れ子にされる、ドッキング型構成における外科用ロボットシステム３００を例解する。カメラ３２６及びロボット３０１は、例えば、図１及び２に示されるように、外科手技中に、互いに分離してもよく、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、入力電力を受信し、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、コンピュータ４０８、表示器３０４、スピーカ５３６、ドライバ５０８等の他の構成要素に、例えば、電力モータ５１２、５１４、５１６、５１８及びエンドエフェクタ３１０、モータ５１０、リング部３２４、カメラ変換器５４２、ならびにシステム３００のための他の構成要素、例えば、キャビネット３１６内の電気構成要素を冷却するための送風機に提供されてもよい。
【００２９】
配電モジュール４０４はまた、電力を、タブレット引出し３１８内に位置付けられ得るタブレット充電ステーション５３４等の、他の構成要素に提供してもよい。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。
【００３０】
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。
【００３１】
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、及びリング部３２４を含んでもよい。コネクタパネル３２０は、異なるデバイス及び構成要素をシステム３００ならびに／または関連付けられた構成要素及びモジュールに接続する役割を果たしてもよい。コネクタパネル３２０は、異なる構成要素からの線路または接続を受容する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、コンピュータ４０８等、他の構成要素とのＵＳＢ、イーサネット（登録商標）、ＨＤＭＩ（登録商標）通信を可能にするために、他のポートを含んでもよい。
【００３２】
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く、及び／またはシステム３００に関する情報を提供してもよい。例えば、制御パネル３２２は、システム３００の電源をオンまたはオフにするためのボタン、垂直カラム３１２を上げるまたは下げるためのボタン、及びシステム３００が物理的に移動することを係止するようにキャスタ３１４に係合するように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。
【００３３】
リング部３２４は、システム３００のユーザに、システム３００が不十分に動作している異なるモード及び該ユーザへのある警告を通知するための視覚的指示器であってもよい。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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との係合点の周囲で、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との係合点の周囲で、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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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であってもよく、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。
【００４０】
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く、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く、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によって移動することができなくてもよい。
【００４１】
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得るような様態で、エンドエフェクタ６０２上または内に配置されてもよい。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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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容す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。
【００４６】
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。
【００４７】
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く、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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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、本明細書において前に考察されたように、追跡マーカ１１８等の光学マーカまたは反射性球体であってもよい。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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の取り外しを可能にする。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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されてもよい。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。
【００６２】
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、画像化デバイス１３０６及び／またはＣアーム１３０８デバイス等、任意の画像化デバイスであってもよい。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」形状の両遠位端部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、また、それらは、互いから約１８０度に配置されてもよく、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、画像取得中に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。
【００６３】
ここで、図１３Ａ〜１３Ｃを参照して、外科用ロボットシステム１００、３００、６００は、所望の外科領域に対するエンドエフェクタ１１２、６０２、外科用器具６０８、及び／または患者２１０（例えば、患者追跡デバイス１１６）の正確な位置付けに頼る。図１３Ａ〜１３Ｃに示される実施形態では、追跡マーカ１１８、８０４が、器具６０８及び／またはエンドエフェクタ１１２の一部分に強固に取設される。
【００６４】
図１３Ａは、基部１０６、ロボットアーム１０４、及びエンドエフェクタ１１２を含むロボット１０２を有する外科用ロボットシステム１００の一部分を描写する。例解されない他の要素、例えば、表示器、カメラ等がまた、本明細書に説明されるように存在してもよい。図１３Ｂは、誘導管１１４を有するエンドエフェクタ１１２及びエンドエフェクタ１１２に強固に取り付けられた複数の追跡マーカ１１８のクローズアップ図を描写する。この実施形態では、複数の追跡マーカ１１８が、誘導管１１２に取設される。図１３Ｃは、複数の追跡マーカ８０４が器具６０８に強固に取り付けられた器具６０８（この場合において、プローブ６０８Ａ）を描写する。本明細書のどこかに説明されるように、器具６０８は、任意の適切な外科用器具、例えば、限定されるものではないが、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、または同様のもの等を含み得る。
【００６５】
３Ｄにおいて追跡されるべき器具６０８、エンドエフェクタ１１２、または他の物体を追跡するとき、追跡マーカ１１８、８０４のアレイは、ツール６０８またはエンドエフェクタ１１２の一部分に強固に取設されてもよい。好ましくは、追跡マーカ１１８、８０４は、マーカ１１８、８０４が邪魔にならない（例えば、外科手術、視界等を妨げない）ように取設される。マーカ１１８、８０４は、例えば、アレイ６１２と共に、追跡されるべき器具６０８、エンドエフェクタ１１２、または他の物体に取り付けられてもよい。通常、３つまたは４つのマーカ１１８、８０４が、アレイ６１２と共に使用される。アレイ６１２は、線形区分、横材を含んでもよく、マーカ１１８、８０４が互いに対して異なる相対位置及び場所にあるように非対称的であってもよい。例えば、図１３Ｃに示されるように、４つのマーカ追跡アレイ６１２を伴うプローブ６０８Ａが示され、図１３Ｂは、異なる４つのマーカ追跡アレイ６１２を伴うエンドエフェクタ１１２を描写する。
【００６６】
図１３Ｃでは、追跡アレイ６１２がプローブ６０８Ａのハンドル６２０として機能する。このため、４つのマーカ８０４が、プローブ６０８Ａのハンドル６２０に取設され、それは、シャフト６２２及び先端部６２４の邪魔をしない。これらの４つのマーカ８０４の立体写真測量追跡は、器具６０８が剛体として追跡されること、ならびにプローブ６０８Ａが追跡カメラ２００、３２６の前であちこち移動する間に追跡システム１００、３００、６００が、先端部６２４の位置及びシャフト６２２の配向を精密に判定することを可能にする。
【００６７】
３Ｄ（例えば、複数の剛体）で追跡されるべき１つ以上のツール６０８、エンドエフェクタ１１２、または他の物体の自動追跡を可能にするために、各ツール６０８、エンドエフェクタ１１２、または同様のもの上のマーカ１１８、８０４は、既知のマーカ間隔を用いて非対称的に配設される。非対称的な整列の理由は、どのマーカ１１８、８０４が剛体上の特定の場所に対応するか及びマーカ１１８、８０４が前または後から見られる、すなわち、鏡映を作られるかどうかが明白であるためである。例えば、マーカ１１８、８０４がツール６０８またはエンドエフェクタ１１２上で四角形に配設された場合、システム１００、３００、６００は、どのマーカ１１８、８０４が四角形のどの角に対応したかが不明であろう。例えば、プローブ６０８Ａの場合、どのマーカ８０４がシャフト６２２に最も近かったかが不明であろう。このため、どの方向へシャフト６２２がアレイ６１２から延在していたかが分からないであろう。したがって、各アレイ６１２、及びそれゆえ、追跡されるべき各ツール６０８、エンドエフェクタ１１２、または他の物体は、固有のマーカパターンを有するはずであり、それが、追跡されている他のツール６０８または他の物体と区別されることを可能にする。非対照的及び固有のマーカパターンは、システム１００、３００、６００が、個々のマーカ１１８、８０４を検出することを可能にし、次いで、記憶されたテンプレートに対するマーカ間隔をチェックして、それらがどのツール６０８、エンドエフェクタ１１２、または他の物体を表すかを判定する。検出されたマーカ１１８、８０４は、次いで、自動的に分類され得、それぞれの追跡された物体に正しい順序で割り当てられ得る。この情報なしでは、剛体計算は、ユーザが、検出されたマーカ１１８、８０４のどれが各剛体上のどの位置に対応したかを手動で特定しない限り、重要な幾何学的情報、例えば、ツール先端部６２４及びシャフト６２２の整列等を抽出するように行えない可能性がある。これらの概念は、３Ｄ光学追跡方法における当業者に一般に知られている。
【００６８】
ここで図１４Ａ〜１４Ｄを参照して、移動可能な追跡マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄを伴うエンドエフェクタ９１２の代替型が示される。図１４Ａにおいて、移動可能な追跡マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄを伴うアレイが、第１の構成において示され、図１４Ｂにおいて、移動可能な追跡マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが、第１の構成に対して角度をつけられる、第２の構成において示される。図１４Ｃは、例えば図１４Ａの第１の構成におけるカメラ２００、３２６によって見られるような、追跡マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄのテンプレートを示し、図１４Ｄは、例えば図１４Ｂの第２の構成におけるカメラ２００、３２６によって見られるような、追跡マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄのテンプレートを示す。
【００６９】
この実施形態において、４つのマーカアレイ追跡は、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが、全て剛体に対して固定位置にはなく、その代わりに１つ以上のアレイマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが、例えば、試験中に、自動検出のためのプロセスを妨害することなく追跡され、かつ追跡されたマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄを仕分けられる剛体についての更新された情報を与えるために、調節され得ると考えられる。
【００７０】
例えば、ロボットシステム１００、３００、６００のエンドエフェクタ９１２に接続された誘導管９１４等任意のツールを追跡するとき、追跡アレイの第１目的は、カメラ座標系におけるエンドエフェクタ９１２の位置を更新することである。剛性システムを使用するとき、例えば、図１３Ｂに示されるように、反射性マーカ１１８のアレイ６１２は、誘導管１１４から強固に延在する。追跡マーカ１１８が強固に接続されるため、カメラ座標系内のマーカ場所の情報はまた、カメラ座標系内の誘導管１１４の中心線、先端部、及び尾部の正確な場所を提供する。典型的に、アレイ６１２等からのエンドエフェクタ１１２の位置についての情報及び別の追跡源からの対象軌道の場所についての情報は、誘導管１１４を軌道に整列するように移動させ、先端部を軌道ベクトルに沿って特定の場所に移動させるはずの、ロボット１０２の各軸に対して入力される、要求された移動を計算するために使用される。
【００７１】
時々、所望の軌道が、動かしにくく、到達不可能な場所にあるが、誘導管１１４が旋回すれば、到達され得る。例えば、ロボット１０２の基部１０６から離間した非常に急な軌道ポイントは、誘導管１１４がピッチ（手首部上下角度）軸の制限を超えて上方へ旋回される場合、到達可能となり得るが、誘導管１１４がそれを手首部の端部に接続しているプレートに対し平行に取設される場合、到達可能とはならないであろう。そのような軌道に到達するために、ロボット１０２の基部１０６は、移動されてもよく、または異なる誘導管アタッチメントを伴う異なるエンドエフェクタ１１２は、作業できるエンドエフェクタと交換されてもよい。これらの解決策は両方とも、時間を消費しかつ煩雑となり得る。
【００７２】
図１４Ａ及び１４Ｂに最も良く見られるように、アレイ９０８は、１つ以上のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが、固定位置にはなく、その代わりに１つ以上のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが、調節、旋回、枢動、または移動することができるように構成される場合、ロボット１０２は、検出及び追跡プロセスを妨害することなく追跡されている物体についての更新された情報を提供することができる。例えば、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの１つが、位置に固定されてもよく、他のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが移動可能であってもよく、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの２つが、位置に固定されてもよく、他のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが移動可能であってもよく、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの３つが、位置に固定されてもよく、他のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが移動可能であってもよく、または全てのマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが移動可能であってもよい。
【００７３】
図１４Ａ及び１４Ｂにおいて示される実施形態において、マーカ９１８Ａ、９１８Ｂは、エンドエフェクタ９１２の基部９０６に直接強固に接続され、マーカ９１８Ｃ、９１８Ｄは、管９１４に直接強固に接続される。アレイ６１２と同様に、アレイ９０８は、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄをエンドエフェクタ９１２、器具６０８、または他の追跡される物体に取設するために提供されてもよい。しかしながら、この場合、アレイ９０８は、複数の分離した構成要素から成る。例えば、マーカ９１８Ａ、９１８Ｂは、第１のアレイ９０８Ａを伴う基部９０６に接続されてもよく、マーカ９１８Ｃ、９１８Ｄは、第２のアレイ９０８Ｂを伴う誘導管９１４に接続されてもよい。マーカ９１８Ａは、第１のアレイ９０８Ａの第１の端部に取り付けられてもよく、マーカ９１８Ｂは、直線距離で分離され、第１のアレイ９０８Ａの第２の端部に取り付けられてもよい。第１のアレイ９０８が実質的に線形である間に、第２のアレイ９０８Ｂは、誘導管９１４に接続された、根元端部に関して湾曲またはＶ形状構成を有し、一方の遠位端部にマーカ９１８Ｃを伴い、他方の遠位端部にマーカ９１８Ｄを伴うＶ形状においてそこから遠位端部に分岐している。特定の構成が本明細書に例解されるが、異なる数及び種類のアレイ９０８Ａ、９０８Ｂを含む他の非対称的な設計、ならびに異なる配設、数、及び種類のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが考えられるということが理解されるであろう。
【００７４】
誘導管９１４は、基部９０６に対して、例えば、ヒンジ９２０または基部９０６に対する他のコネクタにわたって移動可能、旋回可能、もしくは枢動可能であってもよい。このため、マーカ９１８Ｃ、９１８Ｄは、誘導管９１４が、枢動し、旋回し、または移動するとき、マーカ９１８Ｃ、９１８Ｄもまた枢動、旋回、または移動するように移動可能である。図１４Ａに最も良く見られるように、誘導管９１４は、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが第１の構成を有するように、実質的に通常のまたは垂直の配向において整列する縦軸９１６を有する。ここで図１４Ｂを参照して、誘導管９１４は、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが第１の構成とは異なる第２の構成を有するような、垂直の配向に対して、縦軸９１６が角度を付けられるように枢動され、旋回され、または移動される。
【００７５】
図１４Ａ〜１４Ｄに関して説明した実施形態とは対称的に、旋回台が全４つのマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが誘導管９１４に強固に取設されたまま、誘導管９１４とアーム１０４（例えば、手首部アタッチメント）との間に存在し、この旋回台がユーザによって調節される場合、ロボットシステム１００、３００、６００は、誘導管９１４の配向が変更されたことを自動的に検出することができないであろう。ロボットシステム１００、３００、６００は、マーカアレイ９０８の位置を追跡し、誘導管９１４が前の配向において手首部（ロボットアーム１０４）に取設されていたと推定して、正しくないロボット軸の移動を計算するであろう。１つ以上のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄ（例えば、２つのマーカ９１８Ｃ、９１８Ｄ）を管９１４上に強固に維持しながら、１つ以上のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄ（例えば、２つのマーカ９１８Ａ、９１８Ｂ）を旋回台にわたって維持することによって、新しい位置の自動検出が可能となり、正しいロボットの移動が、ロボットアーム１０４の端部上の新しいツールまたはエンドエフェクタ１１２、９１２の検出に基づいて計算される。
【００７６】
１つ以上のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄは、任意の適切な手段に従い、移動され、枢動され、旋回され、または同様の状態になるように構成される。例えば、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄは、ヒンジ９２０、例えば、クランプ、バネ、レバー、スライド、トグル、もしくは同様のもの、またはマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄを個別にあるいは組み合わせて移動させる、アレイ９０８Ａ、９０８Ｂを個別にあるいは組み合わせて移動させる、エンドエフェクタ９１２の任意の一部分を別の一部分に対して移動させる、ツール６０８の任意の一部分を別の一部分に対して移動させるための、任意の別の適切な機構によって、移動されてもよい。
【００７７】
図１４Ａ及び１４Ｂに示されるように、アレイ９０８及び誘導管９１４は、クランプまたはヒンジ９２０を単に緩める、アレイ９０８Ａ、９０８Ｂの一部を他の一部９０８Ａ、９０８Ｂに対して移動させる、ならびに誘導管９１４が異なる位置に配向されるようにヒンジ９２０を締め直すことによって再構成可能となってもよい。例えば、２つのマーカ９１８Ｃ、９１８Ｄは、管９１４と強固に相互接続され、２つのマーカ９１８Ａ、９１８Ｂは、ヒンジ９２０にわたってロボットアーム１０４に取設するエンドエフェクタ９１２の基部９０６に強固に相互接続されてもよい。ヒンジ９２０は、クランプ、例えば、蝶ナット、または同様のものの形状であってもよく、ユーザが第１の構成（図１４Ａ）と第２の構成（図１４Ｂ）との間で迅速に切り替えることを可能にするように緩め、締め直すことができる。
【００７８】
カメラ２００、３２６は、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄを、例えば、図１４Ｃ及び１４Ｄにおいて識別されたテンプレートのうちの１つにおいて、検出する。アレイ９０８が第１の構成（図１４Ａ）にあり、追跡カメラ２００、３２６がマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄを検出する場合、次いで追跡されたマーカが、図１４Ｃに示されるようなアレイテンプレート１と一致する。アレイ９０８が第２の構成（図１４Ｂ）にあり、追跡カメラ２００、３２６がマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄを検出する場合、次いで追跡されたマーカが、図１４Ｄに示されるようなアレイテンプレート２と一致する。アレイテンプレート１及びアレイテンプレート２は、各々が誘導管９１４、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄ、ならびにロボットアタッチメント間で固有に画定された空間的関係を伴う、２つの別個のツールとして、システム１００、３００、６００によって認識される。ユーザは、したがって、システム１００、３００、６００に変更を通知することなく、エンドエフェクタ９１２の位置を第１の構成と第２の構成との間で調節することができ、かつシステム１００、３００、６００は、ロボット１０２の移動を軌道上に乗せておくように適切に調節するであろう。
【００７９】
この実施形態において、マーカアレイが、固有のテンプレートと一致する２つのアセンブリ位置があり、システム１００、３００、６００がアセンブリを２つの異なるツールまたは２つの異なるエンドエフェクタとして認識することを可能にする。これらの２つの位置（すなわち、図１４Ｃ及び１４Ｄにそれぞれ示されるアレイテンプレート１及びアレイテンプレート２）の間、またはこれらの２つの位置の外の旋回台のいずれの位置において、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄは、いずれのテンプレートとも一致せず、システム１００、３００、６００は、個々のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄがカメラ２００、３２６によって検出されているにも関わらず、存在するいずれのアレイも検出せず、この結果は、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄがカメラ２００、３２６の視界から一時的に遮断されている場合と同様である。他のアレイテンプレートが、例えば、異なる器具６０８または他のエンドエフェクタ１１２、９１２等を識別する、他の構成のために存在し得ることが理解されるであろう。
【００８０】
説明された実施形態において、２つの離散アセンブリ位置が、図１４Ａ及び１４Ｂに示される。しかしながら、固有のマーカテンプレートがアレイの１つ以上のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄの位置を他に対して調節することによって作成され得る、旋回結合部、線形結合部、旋回及び線形結合部の組み合わせ、ペグボード、または他のアセンブリ上の複数の離散位置が存在し得、各離散位置は、特定のテンプレートと一致し、固有のツール６０８またはエンドエフェクタ１１２、９１２を異なる既知の属性で定義することが理解されるであろう。加えて、エンドエフェクタ９１２のために例解されるが、移動可能な、固定マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄは、任意の適切な器具６０８または追跡される他の物体と共に使用されてもよいことが理解されるであろう。
【００８１】
ロボットのエンドエフェクタ１１２（例えば、図１３Ａ及び１３Ｂで描写されるように）に取設された３つ以上のマーカの完全剛体アレイを追跡するために、外部３Ｄ追跡システム１００、３００、６００を使用するとき、カメラ２００、３２６の座標系内のロボット１０２の区分毎の３Ｄ位置を直接追跡する、または計算することが可能である。追跡器に対する結合部の幾何学的な配向は、設計によって既知であり、結合部の線形または角度の付いた位置は、ロボット１０２の各モータのためのエンコーダから既知であり、エンドエフェクタ１１２から基部１１６までの全ての可動部品の３Ｄ位置を完全に画定する。同様に、追跡器がロボット１０２（図示せず）の基部１０６上に装着される場合、各モータのエンコーダからの既知の結合部幾何学形状及び結合部位置に基づいて、基部１０６からエンドエフェクタ１１２までのロボット１０２の区分毎の３Ｄ位置を追跡または計算することが可能である。
【００８２】
いくつかの状況において、ロボット１０２の全てのセグメントの位置を、エンドエフェクタ１１２に強固に取設された３つ未満のマーカ１１８から追跡されることが所望され得る。具体的に、ツール６０８が誘導管１１４内に導入される場合、１つの追加マーカ１１８だけで追跡して、ロボット９０２の完全な剛体の動きを追跡することが所望され得る。
【００８３】
ここで図１５Ａ〜１５Ｅを参照して、単一の追跡マーカ１０１８のみを有するエンドエフェクタ１０１２の代替型が示される。エンドエフェクタ１０１２は、本明細書で説明された他のエンドエフェクタと同様であってもよく、縦軸１０１６に沿って延在する誘導管１０１４を含んでもよい。本明細書で説明された他の追跡マーカと同様に、単一の追跡マーカ１０１８は、誘導管１０１４に強固に取り付けられてもよい。この単一のマーカ１０１８は、完全剛体追跡を可能にするために不足している自由度を追加する目的を果たし、ならびに／またはロボット及びカメラの位置決めに関する推定が有効であることを確実とするための監視マーカとして働く目的を果たすことができる。
【００８４】
単一の追跡マーカ１０１８は、任意の利便性の良い方向において突出し、外科医の視界を遮らないエンドエフェクタ１０１２の強固な延伸部としてロボットエンドエフェクタ１０１２に取設されてもよい。追跡マーカ１０１８は、誘導管１０１４またはエンドエフェクタ１０１２上の任意の適切な場所に取り付けられてもよい。誘導管１０１４に取り付けられるとき、追跡マーカ１０１８は、誘導管１０１４の第１の端部と第２の端部との間の場所に位置決めされてもよい。例えば、図１５Ａにおいて、単一の追跡マーカ１０１８は、誘導管１０１４から前方に延在し、誘導管１０１４の中点上部及び誘導管１０１４の入口下部に縦方向に位置決めされ、狭いシャフト１０１７の端部上に装着された反射性球体として示される。この位置は、マーカ１０１８がカメラ２００、３２６によって概して認識されることを可能にするだけでなく、外科医１２０の視界を遮る、または手術近傍で他のツールもしくは物体と衝突することがない。加えて、この位置におけるマーカ１０１８を伴う誘導管１０１４は、誘導管１０１４内に導入された任意のツール６０８上のマーカアレイが、誘導管１０１４上の単一のマーカ１０１８が認識されると同時に、認識されるように設計される。
【００８５】
図１５Ｂに示されるように、ぴったりと適合するツールまたは器具６０８が誘導管１０１４内に設置されるとき、器具６０８は、６自由度のうち４に機械的に制約される。つまり、器具６０８は、誘導管１０１４の縦軸１０１６の周囲を除く、いずれの方向においても回転することはできず、器具６０８は、誘導管１０１４の縦軸１０１６に沿うことを除くいずれの方向においても並進されることはできない。換言すると、器具６０８は、誘導管１０１４の中心線に沿って並進し、誘導管１０１４の中心線の周囲を回転することのみできる。（１）誘導管１０１４の縦軸１０１６の周囲の回転の角度、及び（２）誘導管１０１４に沿った位置等の、更に２つのパラメータが既知の場合、次いでカメラ座標系内のエンドエフェクタ１０１２の位置が、完全に画定される。
【００８６】
ここで図１５Ｃを参照すると、システム１００、３００、６００は、ツール６０８が誘導管１０１４の内部に実際に位置決めされるとき、及びその代わりに誘導管１０１４の外ではなく、ただカメラ２００、３２６のビュー内のどこかにあるときを知ることが可能となるはずである。ツール６０８は、縦軸または中心線６１６、及び複数の追跡されたマーカ８０４を伴うアレイ６１２を有する。剛体計算は、ツール６０８の中心線６１６が、ツール６０８上のアレイ６１２の追跡された位置に基づいたカメラ座標系内のどこに位置付けられるのか判定するために使用されてもよい。
【００８７】
単一のマーカ１０１８から誘導管１０１４の中心線または縦軸１０１６への固定の通常（垂直）距離ＤＦは、固定され、幾何学的に既知であり、単一のマーカ１０１８の位置は、追跡することができる。したがって、ツールの中心線６１６から単一のマーカ１０１８まで検出された距離ＤＤが、誘導管の中心線１０１６から単一のマーカ１０１８までの既知の固定距離ＤＦと一致するとき、ツール６０８が誘導管１０１４内にあるか（ツール６０８の中心線６１６、１０１６及び誘導管１０１４が合致）、またはこの距離ＤＤが固定距離ＤＦと一致する可能性のある位置の地点の何らかの点に偶然あるのかを判定することができる。例えば、図１５Ｃにおいて、ツールの中心線６１６から単一のマーカ１０１８までの通常の検出距離ＤＤは、２つの位置中の透明なツール６０８によって表現されたデータの両方のフレーム（追跡されたマーカの座標）における誘導管の中心線１０１６から単一のマーカ１０１８までの固定距離ＤＦと一致する、このため、いつツール６０８を誘導管１０１４内に位置付けるか判定するために、追加の考察が必要となってもよい。
【００８８】
ここで図１５Ｄを参照して、プログラムされたロジックは、追跡データのフレームを探すために使用することができ、ツールの中心線６１６から単一のマーカ１０１８まで検出された距離ＤＤが、ツール６０８は誘導管１０１４内で移動するという状態を満たすために、単一の球体１０１８に対して最小距離よりも大きく空間内でツール６０８が移動しているにも関わらず、正確な長さで固定されたままである。例えば、第１のフレームＦ１は、第１の位置においてツール６０８で検出されてもよく、第２のフレームＦ２は、第２の位置（すなわち、第１の位置に関して線形に移動した）においてツール６０８で検出されてもよい。ツールアレイ６１２上のマーカ８０４は、第１のフレームＦ１から第２のフレームＦ２までの所与の量を超えて（例えば、合計５ｍｍ超）移動してもよい。この移動を伴ってさえ、ツール中心線ベクトルＣ´から単一のマーカ１０１８まで検出された距離ＤＤは、第１のフレームＦ１及び第２のフレームＦ２の両方において実質的に同一である。
【００８９】
論理的には、外科医１２０またはユーザは、ツール６０８を誘導管１０１４内に設置し、それをわずかに回転させる、または誘導管１０１４内に摺動させることができ、システム１００、３００、６００は、５つのマーカ（４つのツール６０８上のマーカ８０４、加えて単一の誘導管１０１４上のマーカ１０１８）の追跡から、ツール６０８が誘導管１０１４内にあることを検出することができるであろう。ツール６０８が誘導管１０１４内にあることは既知であり、空間内のロボットエンドエフェクタ１０１２の位置及び配向を画定する全６自由度が、計算されてもよい。単一のマーカ１０１８なしでは、ツール６０８が誘導管１０１４内にあることを確信をもって知られる場合でさえ、誘導管１０１４がツールの中心線ベクトルＣ´に沿って位置付けられる場所、及び誘導管１０１４が中心線ベクトルＣ´に対してどのように回転されるのかは不明である。
【００９０】
図１５Ｅ上に強調されるように、追跡される単一のマーカ１０１８ならびにツール６０８上の４つのマーカ８０４の存在で、誘導管１０１４の中心線ベクトルＣ´、ツール６０８、単一のマーカ１０１８を通じる通常のベクトル、及び中心線ベクトルＣ´を通じる通常のベクトルを構築することが可能である。この通常のベクトルは、手首部（本実施例において、セグメントに平行に配向された）より遠位のロボットの前腕に対して既知の配向である配向を有し、特定の固定位置において中心線ベクトルＣ´と交わる。便宜上、３つの相互に直交するベクトル、ｋ´、ｊ´、ｉ´が、図１５Ｅに示されるように構築され得、剛体位置及び誘導管１０１４の配向を画定する。３つの相互に直交するベクトルｋ´のうちの１つは、中心線ベクトルＣ´から構築され、第２のベクトルｊ´は、単一のマーカ１０１８を通じて通常ベクトルから構築され、第３のベクトルｉ´は、第１のベクトルｋ´、第２のベクトルｊ´のベクトル外積である。これらのベクトルｋ´、ｊ´、ｉ´に対するロボットの結合部位置は、全ての結合部がゼロのとき既知であり、固定される、したがって剛体計算が、ロボットがホーム位置にあるとき、これらのベクトルｋ´、ｊ´、ｉ´に対するロボットの任意の区分の場所を判定するために使用することができる。ロボットの移動中、ツールマーカ８０４の位置（ツール６０８が誘導管１０１４内にある間）及び単一のマーカ１０１８の位置は、追跡システムから検出され、各結合部の角度／線形位置はエンコーダから既知であり、次いでロボットの任意の区分の位置及び配向が、判定され得る。
【００９１】
いくつかの実施形態において、ツール６０８の配向を誘導管１０１４に対して固定するために有用であってもよい。例えば、エンドエフェクタ誘導管１０１４は、機械加工またはインプラント位置決めを可能にするために、軸１０１６の周囲の特定の位置において配向されてもよい。誘導管１０１４内に挿入されたツール６０８に取設されたものの配向は、ツール６０８上の追跡されたマーカ８０４から既知であるが、カメラ座標系内の誘導管１０１４自体の回転配向は、誘導管１０１４上の追加の追跡マーカ１０１８（または他の実施形態において複数の追跡マーカ）なしでは不明である。このマーカ１０１８は、中心線ベクトルＣ´に対するマーカ１０１８の配向に基づいて−１８０°〜＋１８０°の原則的に「クロック位置」を提供する。このため、単一のマーカ１０１８は、完全剛体追跡を可能にするために追加の自由度を提供し、ならびに／またはロボット及びカメラの位置決めに関する推定が有効であることを確実とするための監視マーカとして働くことができる。
【００９２】
図１６は、ロボット１０２のエンドエフェクタ１０１２（または本明細書で説明された任意の他のエンドエフェクタ）を所望の対象軌道にナビゲート及び移動させるための方法１１００のブロック図である。ロボットエンドエフェクタ１０１２または誘導管１０１４上の単一のマーカ１０１８の別の使用例は、ロボット１０２に取設された完全追跡アレイなしで、ロボット１０２の自動安全移動を可能にする方法１１００の一部であることである。この方法１１００は、追跡カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動しない（すなわち、それらが固定位置にある）とき、機能し、追跡システムの座標系及びロボットの座標系は、共同で位置合わせされ、ロボット１０２は、誘導管１０１４の位置及び配向が各ロボット軸のエンコードされた位置のみに基づいてロボットの直交座標系内で正確に判定することができるように較正される。
【００９３】
この方法１１００に関して、追跡器及びロボットの座標系は、共同で位置合わせされなければならず、つまり追跡システムの直交座標系からロボットの直交座標系への座標変換が必要であるということを意味する。便宜上、この座標変換は、ロボット工学分野において既知である並進及び回転の４×４マトリクスとなり得る。この変換は、「カメラからロボットへの変換」を引用してＴｃｒと称されるであろう。一度この変換が既知となると、各追跡されたマーカに対するベクトル形式においてｘ、ｙ、ｚ座標として受信される、追跡データの任意の新しいフレームが、４×４マトリクスによって乗算され、その結果生じるｘ、ｙ、ｚ座標がロボット座標系内にあるであろう。Ｔｃｒを獲得するために、ロボット上の完全追跡アレイが、それがロボットの座標系内で既知の場所でロボットに強固に取設されている間に追跡され、次いで既知の剛体方法が座標の変換を計算するために使用される。ロボット１０２の誘導管１０１４内に挿入された任意のツール６０８が、追加マーカ１０１８がまた読み取られるとき強固に取設されたアレイと同じ剛体情報を提供することができるということが明らかとなるはずである。つまり、ツール６０８は、固定された位置及び配向ではなく、誘導管１０１４内の任意の位置に、誘導管１０１４内のいずれの回転で、挿入されることのみを必要とする。このため、追跡アレイ６１２を伴う任意のツール６０８を誘導管１０１４内に挿入すること、ツールのアレイ６１２加えて誘導管１０１４の単一のマーカ１０１８を読み込むこと、一方で同時にロボットの座標系内の誘導管１０１４の現在の場所を、各軸上のエンコーダから判定することによって、Ｔｃｒを判定することが可能である。
【００９４】
ロボット１０２を対象軌道にナビゲート及び移動させるためのロジックが、図１６の方法１１００において提供される。ループ１１０２に入る前に、変換Ｔｃｒが前もって記憶されたことが推定される。このため、ループ１１０２に入る前、ステップ１１０４において、ロボット基部１０６を固定した後、ロボットが静的な間に誘導管内に挿入されたツールの追跡データの１つ以上のフレームを記憶し、ステップ１１０６において、カメラ座標からロボット座標Ｔｃｒへのロボット誘導管位置の変換を、この静的データ及び以前の較正データから計算する。Ｔｃｒは、カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動しない限り有効であるはずである。カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動し、Ｔｃｒを再度獲得する必要がある場合、システム１００、３００、６００は、ユーザにツール６０８を誘導管１０１４内に挿入するように促すことができ、次いで必要な計算を自動的に実施することができる。
【００９５】
方法１１００のフローチャートにおいて、収集されたデータの各フレームは、患者２１０上のＤＲＢ１４０４の追跡された位置、エンドエフェクタ１０１４上の単一のマーカ１０１８の追跡された位置、及び各ロボット軸の位置のスナップ写真から成る。ロボットの軸の位置から、エンドエフェクタ１０１２上の単一のマーカ１０１８の場所を計算する。計算された位置を、追跡システムから記録されたマーカ１０１８の実際の位置と比較する。値が一致する場合、ロボット１０２が既知の場所内にあることが確実となり得る。変換ＴｃｒをＤＲＢ１４０４の追跡された位置に適用し、ロボット１０２の対象を、ロボットの座標系の項内に提供することができる。ロボット１０２を、次いで対象に到達するように移動させるように命令することができる。
【００９６】
ステップ１１０４、１１０６の後、ループ１１０２は、ＤＲＢ１４０４のための剛体情報を追跡システムから受信するステップ１１０８、対象先端部及び軌道を画像座標から追跡システム座標に変換するステップ１１１０、及び対象先端部及び軌道をカメラ座標からロボット座標（Ｔｃｒを適用）に変換するステップ１１１２を含む。ループ１１０２は、追跡システムからロボット用の単一の迷いマーカ位置を受信するステップ１１１４、及び単一の迷いマーカを追跡システム座標からロボット座標（記憶されたＴｃｒを適用）に変換するステップ１１１６を更に含む。ループ１１０２はまた、順運動学からロボット座標系内の単一のロボットマーカ１０１８の現在の場所を判定するステップ１１１８を含む。ステップ１１１６及び１１１８からの情報は、変換された追跡された位置からの迷いマーカ座標が所与の交差未満の計算された座標と一致するかどうかステップ１１２０を判定するために使用される。はいの場合、ステップ１１２２に進み、計算し、ロボットを対象ｘ、ｙ、ｚ及び軌道に移動させる。いいえの場合、ステップ１１２４に進み、アレイを挿入した後ステップ１１２６に進む前に休止し、誘導管１０１４への完全アレイの挿入を要求し、Ｔｃｒを再度計算し、次いでステップ１１０８、１１１４、及び１１１８の繰り返しに進む。
【００９７】
この方法１１００は、場所を検証するための単一のマーカ１０１８の連続的な監視が省略される方法に対して利点を有する。単一のマーカ１０１８なしでも、Ｔｃｒを使用してエンドエフェクタ１０１２の位置を判定し、エンドエフェクタ１０１２を対象の場所に送ることは可能であるが、ロボット１０２が実際に予想された場所内にあるかを検証することは不可能である。例えば、カメラ２００、３２６がぶつかり、Ｔｃｒがそれ以上有効でない場合、ロボット１０２は、誤った場所に移動するであろう。このため、単一のマーカ１０１８は、安全性に関する値を提供する。
【００９８】
ロボット１０２の所与の固定された位置に関して、追跡カメラ２００、３２６を新しい場所に移動させることは理論上可能であり、単一の追跡されたマーカ１０１８は単一のポイントであり、アレイではないため移動されないままである。このような場合、システム１００、３００、６００は、単一のマーカ１０１８の計算され、追跡された場所において一致があるため、いずれのエラーも検出しない。しかしながら、一度ロボットの軸が誘導管１０１２を新しい場所に移動させると、計算され、追跡された位置は、不一致となり、安全性チェックが有効となるであろう。
【００９９】
「監視マーカ」という用語は、例えば、ＤＲＢ１４０４に対して固定された場所内にある単一のマーカを参照して使用されてもよい。この場合、ＤＲＢ１４０４がぶつかるまたは別様に外れると、監視マーカの相対場所が変化し、外科医１２０はナビゲーションに問題があり得ることを警告され得る。同様に、本明細書に説明された実施形態において、ロボットの誘導管１０１４上の単一のマーカ１０１８を伴って、システム１００、３００、６００は、カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動しているかどうか連続的にチェックすることができる。カメラ２００、３２６がぶつかるもしくは正常に動作しないこと、またはロボットが正常に動作しないこと等によって、追跡システムの座標系のロボットの座標系に対する位置合わせがなくなる場合、システム１００、３００、６００は、ユーザに警告し、補正を行うことができる。このため、この単一のマーカ１０１８はまた、ロボット１０２のための監視マーカとしても考えられ得る。
【０１００】
ロボット１０２上に永久的に装着された完全アレイ（例えば、図７Ａ〜７Ｃに示されるエンドエフェクタ６０２上の複数の追跡マーカ７０２）を伴い、ロボット監視マーカとしての単一のマーカ１０１８のこのような機能は、カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して固定された位置にあることが要求されないため、必要ではなく、Ｔｃｒはロボット１０２の追跡された位置に基づいて各フレームで更新されるということが明らかにされるべきである。単一のマーカ１０１８を完全アレイの代わりに使用する理由は、完全アレイがより大型で邪魔になり、それによって外科医の視界及び手術野２０８へのアクセスを、単一のマーカ１０１８よりも遮断することと、完全アレイに対する視線が、単一のマーカ１０１８に対する視線よりもより容易に遮断されることである。
【０１０１】
ここで図１７Ａ〜１７Ｂ及び１８Ａ〜１８Ｂを参照すると、インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃ等の、器具６０８が、固定された追跡マーカ及び移動可能な追跡マーカ８０４、８０６の両方を含み、描写される。インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃは、ハンドル６２０及びハンドル６２０から延在する外側シャフト６２２を有してもよい。シャフト６２２は、示されるように、ハンドル６２０に対して実質的に垂直に、または任意の他の適切な配向において位置決めされてもよい。内部シャフト６２６は、一方の端部でノブ６２８を伴う外側シャフト６２２を通じて延在してもよい。インプラント１０、１２は、他方の端部で、当業者に既知の典型的な接続機構を使用してインプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃの先端具６２４で、シャフト６２２に接続する。ノブ６２８は、例えば、インプラント１０、１２を延在させ、連接させるために回転してもよい。本明細書に参照によって組み込まれる、米国特許第８，７０９，０８６号及び同第８，４９１，６５９号は、拡張可能な固定デバイス及び設置方法を説明する。
【０１０２】
インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃ等の、ツール６０８を追跡するとき、追跡アレイ６１２は、アレイ６１２を成すまたは別様にインプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃに取設される、固定されたマーカ８０４及び１つ以上の移動可能なマーカ８０６の組み合わせを含む。ナビゲーションアレイ６１２は、インプラントホルダ器具６０８Ｂ、６０８Ｃに対して既知の場所を伴い位置決めされる、少なくとも１つ以上の（例えば、少なくとも２つの）固定された位置マーカ８０４を含んでもよい。これらの固定されたマーカ８０４は、器具の幾何学形状に対していずれの配向においても移動することができず、器具６０８が空間内のどこにあるか画定することにおいて有用であろう。加えて、少なくとも１つのマーカ８０６が存在し、固定されたマーカ８０４に対して所定の境界内の移動（例えば、摺動、回転等）が可能な、アレイ６１２または器具自体に取設することができる。システム１００、３００、６００（例えば、ソフトウエア）は、移動可能なマーカ８０６の位置を、インプラント１０の特定の位置、配向、または他の属性（図１７Ａ〜１７Ｂに示される拡張可能な椎体間スペーサの高さ、または図１８Ａ〜１８Ｂに示される連接式椎体間スペーサの角度等）に相互に関連付ける。このため、システム及び／またはユーザは、移動可能なマーカ８０６の場所に基づいてインプラント１０、１２の高さまたは角度を判定することができる。
【０１０３】
図１７Ａ〜１７Ｂに示される実施形態において、４つの固定されたマーカ８０４が、インプラントホルダ６０８Ｂを画定するために使用され、５番目の移動可能なマーカ８０６が、インプラントの高さ（例えば、収縮位置または拡張位置）のフィードバックを提供するために、所定の経路内で摺動することが可能である。図１７Ａは、はじめの高さにおける拡張可能なスペーサ１０を示し、図１７Ｂは、移動可能なマーカ８０６が異なる位置に並進され、拡張された状態にあるスペーサ１０を示す。この場合、移動可能なマーカ８０６は、インプラント１０が拡張されるとき、固定されたマーカ８０４に近接して移動するが、この移動は可逆的または別様に異なってもよいと考えられる。マーカ８０６の線形並進の量は、インプラント１０の高さに対応するであろう。２つの位置のみが示されるが、これを連続する機能として有することが可能であり、それによっていずれの所与の拡張高が、移動可能なマーカ８０６の特定の位置に相互に関連付けられ得る。
【０１０４】
ここで、図１８Ａ〜１８Ｂを参照して、４つの固定されたマーカ８０４が、インプラントホルダ６０８Ｃを画定するために使用され、５番目の移動可能なマーカ８０６が、インプラントの連接角度のフィードバックを提供するために所定の経路内を摺動するように構成される。図１８Ａは、はじめの線形状態で連接式スペーサ１２を示し、図１８Ｂは、移動可能なマーカ８０６が異なる位置に並進され、あるオフセット角度で連接された状態のスペーサ１２を示す。マーカ８０６の線形並進の量は、インプラント１２の連接角度に対応するであろう。２つの位置のみが示されるが、これを連続する機能として有することが可能であり、それによっていずれの所与の連接角度が、移動可能なマーカ８０６の特定の位置に相互に関連付けられ得る。
【０１０５】
これらの実施形態において、移動可能なマーカ８０６は、位置に基づいてインプラント１０、１２の属性についてのフィードバックを提供するために連続して摺動する。また、移動可能なマーカ８０６があるはずの別個の位置があってもよく、インプラント属性についての更なる情報を提供することが可能であることが考えられる。この場合、全てのマーカ８０４、８０６の各別個の構成は、特定の配向または特定の高さにおいて、インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃ、及びインプラント１０、１２の特定の幾何学形状に相互に関連付ける。加えて、移動可能なマーカ８０６のいずれの運動も、いずれの他の種類のナビゲートされたインプラントの他の可変属性のために使用することができる。
【０１０６】
移動可能なマーカ８０６の線形移動に関して描写及び説明されたが、移動可能なマーカ８０６は、マーカ８０６の回転または他の移動もインプラント１０、１２についての情報を提供するために有用である用途があってもよいことから、摺動だけに制限されるべきではない。一組の固定されたマーカ８０４と移動可能なマーカ８０６との間の位置におけるいずれの相対変化も、インプラント１０、１２、または他の装置のための関連情報となり得る。加えて、拡張可能な及び連接式インプラント１０、１２が例解されるが、器具６０８は、スペーサ、ケージ、プレート、締結具、釘、ねじ、ロッド、ピン、ワイヤ構造、縫合、アンカークリップ、ステープル、ステント、骨移植、生物学的薬剤、セメント、または同様のもの等の、他の医療デバイス及び材料と協働し得る。
【０１０７】
ここで図１９Ａを参照して、ロボットエンドエフェクタ１１２が他の種類のエンドエフェクタ１１２と交換可能であることが想定される。更に、各エンドエフェクタ１１２が、所望の外科手技に基づいて１つ以上の機能を実施することが可能であってもよいと考えられる。例えば、誘導管１１４を有するエンドエフェクタ１１２は、本明細書で説明されるように器具６０８を誘導するために使用されてもよい。加えて、エンドエフェクタ１１２は、例えば、外科用デバイス、器具、またはインプラントを制御する、異なるまたは代替的なエンドエフェクタ１１２に取って代わられてもよい。
【０１０８】
代替的なエンドエフェクタ１１２は、ロボットに連結し、ロボットによって制御可能な、１つ以上のデバイスまたは器具を含んでもよい。非制限的な例として、図１９Ａにおいて描写されるようなエンドエフェクタ１１２は、レトラクタ（例えば、米国特許第８，９９２，４２５号及び同第８，９６８，３６３号において開示された１つ以上のレトラクタ）または（米国特許第８，８４５，７３４号、同第９，５１０，９５４号、及び同第９，４５６，９０３号において例解された拡張可能なインプラント等）拡張可能な椎間固定デバイス等の外科用デバイスを挿入または設置するための１つ以上の機構、（米国特許第９，３６４，３４３号及び同第９，４８０，５７９号において例解されたインプラント等）独立型の椎間固定デバイス、（米国特許第９，３９３，１２８号及び米国特許第９，１７３，７４７号において例解された椎体部分切除術用インプラント等）拡張可能な椎体部分切除術用デバイス、（米国特許第９，２５９，３２７号において例解されたインプラント等）連接式スペーサ、（米国特許第９，５３９，０３１号において例解されたデバイス等）椎間人工関節、（米国特許第９，４８６，２５３号において例解されたデバイス等）椎弓形成術用デバイス、（米国特許第９，５９２，０８２号において例解されたインプラント等）棘突起スペーサ、インフレータブル、多軸ねじ、ユニプレーナねじ、椎弓根ねじ、ポストねじ、及び同様のもの、骨固定用プレート、ロッド構成物、ならびに（米国特許第８，８８２，８０３号において例解されたデバイス等）変更デバイス、人口及び天然ディスク、運動保存デバイス及びインプラント、（米国特許第９，４４０，０７６号において例解されたデバイス等）脊髄刺激装置、ならびに他の外科用デバイスを備える。エンドエフェクタ１１２は、外科標的に骨セメント、骨移植、生体細胞、薬剤、または他の移送可能物を提供するためにロボットに直接または間接的に連結されたものもしくは器具を含んでもよい。エンドエフェクタ１１２はまた、椎間板切除術、椎骨形成術、椎骨ステント術、拡張、または他の外科手技を実施するために設計された１つ以上の器具を含んでもよい。
【０１０９】
エンドエフェクタ自体及び／またはインプラント、デバイス、もしくは器具は、１つ以上のマーカ１１８を含んでもよく、マーカ１１８の場所及び位置が、３次元で識別されてもよい。マーカ１１８は、本明細書で説明されるように、カメラ２００に直接または間接的に認識され得る、アクティブまたはパッシブマーカ１１８を含んでもよいことが考えられる。このため、インプラント１０上に位置付けられた１つ以上のマーカ１１８は、例えば、移植前、移植中、及び移植後にインプラント１０の追跡のために提供してもよい。
【０１１０】
図１９Ｂに示されるように、エンドエフェクタ１１２は、ロボットアーム１０４に連結される器具６０８またはその一部（例えば、器具６０８が、図９Ａ〜９Ｃに示される連結機構によってロボットアーム１０４に連結されてもよい）を含んでもよく、ロボットシステム１００によって制御可能である。このため、図１９Ｂに示される実施形態において、ロボットシステム１００は、インプラント１０を患者に挿入し、拡張可能なインプラント１０を拡張または収縮することが可能である。したがって、ロボットシステム１００は、外科医を支援し、そこから部分的にまたは全体的に独立して操作するように構成されてもよい。このため、ロボットシステム１００がその特定の機能または外科手技のために各代替的なエンドエフェクタ１１２を制御することが可能となり得ることが想定される。
【０１１１】
本明細書において説明されたロボット及び関連付けられたシステムは概して、脊椎用途を参照して説明されているが、ロボットシステムは、限定されるものではないが、外傷における手術、または他の成形用途（骨髄内釘、プレート、及び同様のものの配置等）、頭蓋、神経、心胸、脈管、結腸直腸、腫瘍学的、歯科、及び他の外科手術ならびに外科手技を含む、他の外科用途における使用のために構成されることもまた考えられる。
【０１１２】
本発明のいくつかの実施形態を、前述の明細書において開示してきたが、本発明が関連し、前述の説明及び関連する図面において提示される教示の利益を有する、本発明の多くの修正及び他の実施形態が着想されようことが理解される。このため、本発明が本明細書において上で開示される具体的な実施形態に制限されないこと、ならびに多くの修正及び他の実施形態が、添付の請求項の範囲内に含まれることが意図されることが、理解される。一実施形態からの特性が、本明細書に説明される異なる実施形態からの特性と組み合わされてもよいまたは使用されてもよいことが更に想定される。更に、本明細書、ならびに以下の請求項において、具体的な用語が採用されるが、それらは、一般的かつ説明的意味においてのみ使用され、説明される発明も、以下の請求項も制限する目的で使用されない。本明細書において引用される各特許及び公開物の開示全体は、各かかる特許または公開物が本明細書において参照することにより個々に組み込まれるかのように、参照により組み込まれる。本発明の種々の特性及び利点は、以下の請求項において記載される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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