(57)【要約】      （修正有）【課題】外科用器具が、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することができる外科用ロボットを提供する。【解決手段】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、ならびにそれに係る外科用自動化。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１０２を含み得る。追跡されるべきエンドエフェクタ、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。カメラ、例えば、立体写真測量赤外カメラなどは、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
2018011938.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記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前記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し、前記第２の複数の追跡マーカが、第１の構成から第２の構成へと前記第１の複数の追跡マーカに対して移動可能である、ロボットと、
前記第１の構成及び前記第２の構成において前記第１及び第２の複数の追跡マーカを検出することができる少なくとも１つのカメラであって、前記ロボットが、前記第１及び第２の複数の追跡マーカの前記第１の構成または前記第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前記エンドエフェクタの３次元位置を判定する、少なくとも１つのカメラと、を備える、外科用ロボットシステム。
【請求項２】
前記誘導管が、ヒンジを用いて前記エンドエフェクタの前記基部に接続され、前記誘導管が、前記第１及び第２の構成の間で前記ヒンジの周りに旋回するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記誘導管が、前記第１の構成において垂直に位置付けられた長手方向軸を有し、前記誘導管は、前記長手方向軸が前記第２の構成において角度を付けられるように枢動される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記第１または第２の構成が前記少なくとも１つのテンプレートに一致しない場合、前記少なくとも１つのカメラは、前記第１及び第２の複数の追跡マーカを検出することができない、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記エンドエフェクタに取設された前記１つ以上の追跡マーカが、パッシブ反射性マーカである、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記エンドエフェクタにおける前記１つ以上の追跡マーカが、アクティブ状態及び非アクティブ状態を有するアクティブマーカであり、前記アクティブ状態は、前記少なくとも１つのカメラによって検出される赤外信号を発出し、前記非アクティブ状態は、前記１つ以上の追跡マーカが前記少なくとも１つのカメラによって検出されないように、前記赤外信号を発出しない、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記ロボットシステムによって追跡されるべき１つ以上の追跡マーカを有する外科用器具を更に備え、前記外科用器具が、外科手技のための所与の軌道に沿って前記外科用器具を整列するために、前記エンドエフェクタ内に位置付けられるように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
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、中心長手方向軸を有する誘導管及び前記誘導管に取り付けられた単一追跡マーカを有し、前記単一追跡マーカが、固定距離だけ前記中心長手方向軸から隔てられる、ロボットと、
中心線を有する器具及び複数の追跡マーカが取設され前記器具から延在するアレイと、
前記誘導管上の前記単一追跡マーカ及び前記器具上の前記複数の追跡マーカを検出することができる少なくとも１つのカメラであって、前記ロボットが、前記器具の前記中心線と前記単一追跡マーカの間の検出された距離を判定して、前記検出された距離が前記固定距離に一致するかを判定する、少なくとも１つのカメラと、を備える、外科用ロボットシステム。
【請求項９】
前記ロボットは、前記器具が前記誘導管内に位置付けられたかを判定する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記エンドエフェクタは、前記エンドエフェクタの前記中心長手方向軸を通る中心ベクトルから構築された第１のベクトル、前記単一マーカを通る法線ベクトルから構築された第２のベクトル、ならびに前記第１及び第２のベクトルのベクトル外積から構築された第３のベクトルを定義し、前記第１、第２、及び第３のベクトルは、前記誘導管の位置及び配向を定義する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記少なくとも１つのカメラは、第１の位置における前記器具の第１のフレーム及び第２の位置における前記器具の第２のフレームを取得し、前記検出された距離が、前記第１及び第２のフレームにおいて実質的に同一である場合には、前記器具が、前記誘導管内に位置付けられる、請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのカメラが、立体写真測量赤外カメラを含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１３】
前記単一追跡マーカが、前記誘導管の前記第１及び第２の端部間の前記誘導管上の中心の場所に位置付けられる、請求項８に記載のシステム。
【請求項１４】
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、及び前記ロボットアームに連結されたエンドエフェクタであって、誘導管を有するエンドエフェクタを有するロボットと、
器具であって、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伴って前記器具から延在するアレイを有し、前記誘導管内に受け入れられる器具と、
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、前記器具に取り外し可能に連結されるように構成されたインプラントと、
前記器具上の前記複数の固定された追跡マーカ及び前記移動可能な追跡マーカを検出することができる少なくとも１つのカメラであって、前記ロボットが、前記移動可能な追跡マーカの位置または移動を判定して、前記インプラントの変数を判定する、少なくとも１つのカメラと、を備える、外科用ロボットシステム。
【請求項１５】
前記インプラントが、拡張可能なインプラント、関節インプラント、または移動可能なインプラントである、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記インプラントが拡張可能なインプラントであり、前記変数が前記拡張可能なインプラントの高さである、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記インプラントが関節インプラントであり、前記変数が前記関節インプラントの移動の角度である、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１８】
前記移動可能な追跡マーカが、前記複数の固定された追跡マーカに対して直線的に転移する、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１９】
前記移動可能な追跡マーカが、前記複数の固定された追跡マーカに対して回転する、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２０】
前記エンドエフェクタが、複数の追跡マーカを有し、前記少なくとも１つのカメラが、前記エンドエフェクタ上の前記複数の追跡マーカを検出することができる、請求項１４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、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、ロボット支援手術の間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、ある物体、例えば、外科用器具等は、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、パッシブセンサ、例えば、反射性球体ボール等を含んでもよく、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、アクティブ赤外伝送器、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）等を含み、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にかなうために、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。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の構成へと第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の構成及び第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できる少なくとも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、中心長手方向軸を伴う誘導管及び誘導管に取り付けられた単一追跡マーカを有する。単一追跡マーカは、固定距離だけ中心長手方向軸から隔てられる。システムは、中心線を有する器具と、複数の追跡マーカが取設され、器具から延在するアレイと、を含む。システムは、誘導管上の単一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できる少なくとも１つのカメラを更に含む。ロボットは、器具の中心線及び単一追跡マーカ間の検出された距離を判定して、検出された距離が固定距離に一致するかを判定する。このようにして、ロボットは、器具が誘導管内に位置付けられたかを判定し得る。
【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たエンドエフェクタであって、誘導管を有するエンドエフェクタを有する、ロボットを含む。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伴い器具から延在するアレイを有する器具であって、誘導管内に受け入れ可能である器具を含む。システムはまた、患者に挿入されるように構成されたインプラントであって、器具に取り外し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できる少なくとも１つのカメラを更に含み、ロボットは、移動可能な追跡マーカの位置または移動を判定して、インプラントの変数を判定する。インプラントは、拡張可能なインプラント、関節インプラント、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、関節インプラントの移動の角度、または同様のものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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登録方法を例解する。
【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版である。
【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からの第１の構成における追跡マーカのテンプレートを示す。
【図１４Ｄ】図１４Ｂからの第２の構成における追跡マーカのテンプレートを示す。
【図１５Ａ】単一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版を示す。
【図１５Ｂ】器具が誘導管を通して配置された図１５Ａのエンドエフェクタを示す。
【図１５Ｃ】２つの異なる位置における器具、及び器具が誘導管内または誘導管の外側に位置付けられるかを判定するための結果として生じる論理を伴う、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ける誘導管内の器具を伴う図１５Ａのエンドエフェクタ、及び誘導管上の単一追跡マーカに対するその相対距離を示す。
【図１５Ｅ】座標系に対して図１５Ａのエンドエフェクタを示す。
【図１６】所望の対象軌道へとロボットのエンドエフェクタをナビゲートして移動するための方法のブロック図である。
【図１７Ａ】それぞれ、収縮及び拡張位置に固定されたならびに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】それぞれ、収縮及び拡張位置に固定されたならびに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】それぞれ、挿入及び角度付き位置に固定されたならびに移動可能な追跡マーカを有する関節インプラントを挿入するための器具を描写する。
【図１８Ｂ】それぞれ、挿入及び角度付き位置に固定されたならびに移動可能な追跡マーカを有する関節インプラントを挿入するための器具を描写する。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
ここで、図面を参照すると、図１及び２は、例示的な実施形態に従って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。
【００１６】
図１及び２は、動作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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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はければ固定することができる。１つ以上の追跡マーカ１１８は、更に患者２１０に装着（またはそうではければ固定）することができる。例示的な実施形態において、複数の追跡マーカ１１８は、外科医、外科用ツール、またはロボット１０２の他のパーツによって遮られる可能性を低減するように、手術野２０８から離間して、患者２１０上に位置付けることができる。更に、１つ以上の追跡マーカ１１８は、外科用ツール６０８（例えば、スクリュードライバ、拡張器、インプラント挿入器、または同様のもの）に更に装着（またはそうではければ固定）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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
外科用ロボットシステム１００と同様に、図３は、本開示の例示的な実施形態と一致するドッキング型構成における、外科用ロボットシステム３００及びカメラスタンド３０２を例解する。外科用ロボットシステム３００は、表示器３０４、上部アーム３０６、下部アーム３０８、エンドエフェクタ３１０、垂直カラム３１２、キャスタ３１４、キャビネット３１６、タブレット引出し３１８、コネクタパネル３２０、制御パネル３２２、及び情報のリング部３２４を含む、ロボット３０１を備えてもよい。カメラスタンド３０２は、カメラ３２６を備えてもよい。これらの構成要素は、図５に関してより多く説明される。図３は、カメラスタンド３０２が、例えば、使用中でないときに、ロボット３０１と入れ子にされる、ドッキング型構成における外科用ロボットシステム３００を例解する。カメラ３２６及びロボット３０１は、例えば、図１及び２に示されるように、外科手技中に、互いに分離してもよいし、任意の適切な場所に位置付けてもよいことが、当業者によって理解されるであろう。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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け入れる１つ以上のポートを含んでもよい。例えば、コネクタパネル３２０は、システム３００を他の機器に接地し得る接地端子ポート、フットペダル５４４をシステム３００に接続するためのポート、位置センサ５４０、カメラ変換器５４２、及びカメラスタンド３０２と関連付けられたカメラ３２６を備え得る追跡サブシステム５３２に接続するためのポートを有してもよい。コネクタパネル３２０はまた、他の構成要素、例えば、コンピュータ４０８等へのＵＳＢ、イーサネット（登録商標）、ＨＤＭＩ（登録商標）通信を可能にするために、他のポートを含んでもよい。
【００３１】
制御パネル３２２は、システム３００の動作を制御する種々のボタンもしくは指示器を提供してもよいし、及び／またはシステム３００に関する情報を提供してもよい。例えば、制御パネル３２２は、システム３００の電源をオンまたはオフにするためのボタン、垂直カラム３１２を上げるまたは下げるためのボタン、及びシステム３００が物理的に移動することを係止するようにキャスタ３１４に係合するように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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
加えて、例示的な実施形態において、エンドエフェクタ６０２は、外部カメラ２００、３２６がマーカ７０２を読み取る準備ができたときを検出することができる赤外（ＩＲ）受信機を装備してもよい。この検出の直後、エンドエフェクタ６０２は、次いで、マーカ７０２を照明してもよい。外部カメラ２００、３２６がマーカ７０２を読み取る準備ができているというＩＲ受信機による検出は、外部カメラ２００、３２６に、発光ダイオードであり得るマーカ７０２のデューティーサイクルを同期させる必要性を信号で伝えてもよい。これはまた、全体としてロボットシステムによる低電力消費を可能にし得、それによって、マーカ７０２が、連続的に照明される代わりに、適時にのみ照明されるであろう。更に、例示的な実施形態において、マーカ７０２は、他のナビゲーションツール、例えば、異なる種類の外科用器具６０８等との干渉を防ぐために、電源をオフにしてもよい。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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に示されるようなボール１２０８は、図９Ａに示されるような凹部１２１４内に着座される。この着座は、磁気的に支援された運動学的連結と考えられ得る。磁石１２２０は、エンドエフェクタ６０２の配向に関わらず、エンドエフェクタ６０２の全重量を支持するのに十分強いように構成されてもよい。位置決め連結は、６自由度を固有に抑制する任意の様式の運動学的装着であってもよい。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
図１０及び１１を参照すると、外科手技の前または間に、ある登録手技が、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。かかる登録を行うために、登録システム１４００は、図１０に例解されるように使用されてもよい。
【００５２】
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。
【００５３】
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を登録するために、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登録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。
【００５４】
登録固定具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、登録固定具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、登録固定具１４１０に取設される。
【００５５】
枢動アーム１４１２を使用して、登録固定具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、登録固定具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。登録固定具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。登録固定具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、登録固定具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、外科用領域からの登録固定具１４１０及び／または枢動アーム１４１２の取外しを可能にする。
【００５６】
図１１は、本開示と一致する登録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、登録固定具１４１０及び基準１４２０の検出可能な画像化パターンを含む、患者２１０の対象の解剖学的構造の３次元ＣＴまたは蛍光透視スキャンであってもよい。
【００５７】
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登録され、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、登録固定具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。
【００５８】
ステップ１５０８において、登録固定具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登録される。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登録される。したがって、登録固定具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、画像空間内の登録固定具１４１０の登録が、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。
【００５９】
ステップ１５１２において、（画像空間を用いて登録された）登録固定具１４１０のナビゲーション空間の登録が、患者固定器具１４０２に取設された動的登録アレイ１４０４のナビゲーション空間に更に転移される。このため、登録固定具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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
次に、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。
【００６３】
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、または同様のものなどを含み得る。
【００６４】
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、直線区分、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。
【００６５】
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され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。
【００６６】
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べきであり、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わすかを判定する。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の整列など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。
【００６７】
次に、図１４Ａ〜１４Ｄを参照して、移動可能な追跡マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄを用いるエンドエフェクタ９１２の代替版が示される。図１４Ａでは、移動可能な追跡マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄを用いるアレイが第１の構成において示され、図１４Ｂでは、移動可能な追跡マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが第２の構成において示され、それは、第１の構成に対して角度付けられる。図１４Ｃは、例えば、図１４Ａの第１の構成において、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。図１４Ｄは、例えば、図１４Ｂの第２の構成において、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。
【００６８】
この実施形態では、４つのマーカアレイ追跡が意図され、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄの全てが剛体に対して固定位置にあるとは限らず、代わりに、アレイマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの１つ以上が、例えば、試験の間に、追跡されたマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄの自動検出及び分類のためのプロセスを阻害せずに、追跡されている剛体についての更新情報を与えるように調節され得る。
【００６９】
任意のツール、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などを追跡するとき、追跡アレイの主な目的は、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は強固に接続されるので、カメラ座標系におけるマーカの場所の知識はまた、カメラ座標系における誘導管１１４の中心線、先端部、及び尾部の正確な場所を提供する。典型的には、かかるアレイ６１２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されたソースからの対象軌道の場所についての情報が、誘導管１１４を軌道との整列に移動する及び先端部を軌道ベクトルに沿って特定の場所に移動するロボット１０２の各軸について入力される必要がある要求された移動を計算するために使用される。
【００７０】
場合によっては、所望の軌道が、厄介なまたは到達できない場所にあるが、誘導管１１４が旋回されるならば、それは到達され得る。例えば、誘導管１１４が、ピッチ（手首の上げ下げ角度）軸の限界を超えて上向きに旋回され得る場合、ロボット１０２の基部１０６から離れたところを指す非常に急峻な軌道は、到達可能であり得るものの、誘導管１１４が、それを手首の端部に接続するプレートに平行に取設される場合、到達不可能であろう。かかる軌道に到達するために、ロボット１０２の基部１０６が移動され得るか、または異なる誘導管取設を伴う異なるエンドエフェクタ１１２が、作業中のエンドエフェクタと交換され得る。これらの解決策は両方とも、時間がかかり得、面倒であり得る。
【００７１】
図１４Ａ及び１４Ｂに最も良くみられるように、アレイ９０８は、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの１つ以上が固定位置になく、代わりに、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの１つ以上が調節、旋回、枢動、または移動され得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阻害せずに、追跡されている物体についての更新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つが適所に固定されてもよく、かつ他のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが移動可能であってもよい。マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの２つが適所に固定されてもよく、かつ他のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが移動可能であってもよい。マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの３つが適所に固定されてもよく、かつ他のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが移動可能であってもよい。または、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄの全てが移動可能であってもよい。
【００７２】
図１４Ａ及び１４Ｂに示される実施形態では、マーカ９１８Ａ、９１８Ｂは、エンドエフェクタ９１２の基部９０６に直接的に強固に接続され、マーカ９１８Ｃ、９１８Ｄは、管９１４に強固に接続される。アレイ６１２と同様に、アレイ９０８は、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄを追跡されるべきエンドエフェクタ９１２、器具６０８、または他の物体に取設するために提供されてもよい。しかしながら、この場合において、アレイ９０８は、複数の別個の構成要素から成る。例えば、マーカ９１８Ａ、９１８Ｂは、第１のアレイ９０８Ａを用いて基部９０６に接続してもよく、マーカ９１８Ｃ、９１８Ｄは、第２のアレイ９０８Ｂを用いて誘導管９１４に接続してもよい。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、ある直線距離だけ隔てられ得、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は実質的に直線であるが、第２のアレイ９０８Ｂは、湾曲またはＶ形状構成を有し、根端に関して、誘導管９１４に接続され、一方の遠位端においてマーカ９１８Ｃ及び他方の遠位端においてマーカ９１８Ｄを有するＶ形状において、そこから遠位端へと分岐する。特定の構成が本明細書に例示されるが、異なる数及び種類のアレイ９０８Ａ、９０８Ｂならびに異なる配設、数、及び種類のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄを含む他の非対称的設計が意図されることが理解されるであろう。
【００７３】
誘導管９１４は、例えば、ヒンジ９２０または他のコネクタをわたって基部９０６へと、基部９０６に対して移動可能、旋回可能、また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、旋回、または移動するときに、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、長手方向軸９１６を有し、それは、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが第１の構成を有するように、実質的に法線または垂直配向に整列される。次に、図１４Ｂを参照して、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に、長手方向軸９１６が、今度は、垂直配向に対して角度付けられるように、誘導管９１４が枢動、旋回、または移動される。
【００７４】
図１４Ａ〜１４Ｄについて説明される実施形態とは対照的に、旋回部が誘導管９１４及びアーム１０４間に存在し（例えば、手首取設）、４つのマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄの全てが、誘導管９１４に強固に取設されたままであり、この旋回部が、ユーザによって調節された場合、ロボットシステム１００、３００、６００は、誘導管９１４の配向が変化したことを自動的に検出することができない。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（ロボットアーム１０４）に取設されたことを想定して、不正確なロボット軸移動を計算する。１つ以上のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄ（例えば、２つのマーカ９１８Ｃ、９１８Ｄ）を強固に管９１４上に及び旋回部にわたって１つ以上のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄ（例えば、２つのマーカ９１８Ａ、９１８Ｂ）を保持することによって、新しい位置の自動検出が可能になり、正確なロボットの移動が、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。
【００７５】
マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの１つ以上は、任意の適切な手段に従って移動され、枢動され、旋回されるように、または同様に構成される。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など、あるいはマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄを個々にもしくは組み合わせて移動する、アレイ９０８Ａ、９０８Ｂを個々にもしくは組み合わせて移動する、別の部分に対してエンドエフェクタ９１２の任意の部分を移動する、または別の部分に対してツール６０８の任意の部分を移動するための任意の他の適切な機構によって移動されてもよい。
【００７６】
図１４Ａ及び１４Ｂに示されるように、アレイ９０８及び誘導管９１４は、誘導管９１４が異なる位置に配向されるように、単にクランプまたはヒンジ９２０を緩めて、アレイ９０８Ａ、９０８Ｂの部分を他の部分９０８Ａ、９０８Ｂに対して移動させて、ヒンジ９２０を再び締めることによって、再構成可能になり得る。例えば、２つのマーカ９１８Ｃ、９１８Ｄは、管９１４と強固に相互に接続されてもよく、２つのマーカ９１８Ａ、９１８Ｂは、ヒンジ９２０を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へと強固に相互に接続されてもよい。ヒンジ９２０は、クランプ、例えば、蝶ナットまたは同様のものなどの形態であってもよく、それは、緩められ得、再び締められ得、ユーザが、第１の構成（図１４Ａ）及び第２の構成（図１４Ｂ）の間で迅速に切り換えることを可能にする。
【００７７】
カメラ２００、３２６は、例えば、図１４Ｃ及び１４Ｄにおいて識別されるテンプレートのうちの１つにおいて、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄを検出する。アレイ９０８が第１の構成（図１４Ａ）にあり、かつ追跡カメラ２００、３２６がマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄを検出する場合には、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に一致する。アレイ９０８が第２の構成（図１４Ｂ）にあり、かつ追跡カメラ２００、３２６が、同じマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄを検出する場合には、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に一致する。アレイテンプレート１及びアレイテンプレート２は、システム１００、３００、６００によって２つの別個のツールとして認識され、それぞれ、誘導管９１４、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄ、及びロボットの取設の間のそれ自体の固有に定義された空間的関係を有する。したがって、ユーザは、システム１００、３００、６００に変化を通知せずに、エンドエフェクタ９１２の位置を第１及び第２の構成の間で調節することができ、システム１００、３００、６００は、ロボット１０２の移動を軌道上にとどめるように適切に調節することになる。
【００７８】
この実施形態では、マーカアレイが、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固有のテンプレートに一致する、２つのアセンブリ位置が存在する。これらの２つの位置（すなわち、それぞれ、図１４Ｃ及び１４Ｄに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）の間または外側の旋回部の任意の位置では、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄは、どのテンプレートにも一致せず、システム１００、３００、６００は、個々のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが、カメラ２００、３２６によって検出されるにもかかわらず、存在するどのアレイも検出せず、結果は、マーカ９１８Ａ〜９１８Ｄがカメラ２００、３２６の視野から一時的に遮られた場合と同じである。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てもよいことが理解されるであろう。
【００７９】
説明される実施形態では、２つの別個のアセンブリ位置が図１４Ａ及び１４Ｂに示される。しかしながら、旋回接合、直線接合、旋回及び直線接合の組み合わせ、穴あきボード、または他のアセンブリ上に複数の別個の位置が存在し得ることが理解されるであろう。その場合、固有のマーカテンプレートが、他に対してアレイの１つ以上のマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄの位置を調節することによって生成され、それぞれの別個の位置が、特定のテンプレートに一致し、異なる既知の属性を用いて固有のツール６０８またはエンドエフェクタ１１２、９１２を定義する。加えて、エンドエフェクタ９１２について例示したが、移動可能及び固定されたマーカ９１８Ａ〜９１８Ｄが、追跡されるべき任意の適切な器具６０８または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。
【００８０】
外部３Ｄ追跡システム１００、３００、６００を使用して、（例えば、図１３Ａ及び１３Ｂに描写されるように）ロボットのエンドエフェクタ１１２に取設された３つ以上のマーカの剛体アレイ全体を追跡するとき、カメラ２００、３２６の座標系においてロボット１０２の全ての区分の３Ｄ位置を直接的に追跡または計算することが可能である。追跡機に対する接合の幾何学的配向は、意図的に知られ、接合の直線または角度位置は、ロボット１０２の各モータのためのエンコーダから知られ、エンドエフェクタ１１２から基部１１６へと移動する部分の全ての３Ｄ位置を十分に定義する。同じく、追跡機がロボット１０２の基部１０６上に装着される場合（図示せず）、同様に、各モータのエンコーダから知られた接合幾何形態及び接合位置に基づいて、基部１０６からエンドエフェクタ１１２までのロボット１０２の全ての区分の３Ｄ位置を追跡または計算することが可能である。
【００８１】
いくつかの状況では、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からロボット１０２の全ての区分の位置を追跡することが望ましいであろう。具体的には、ツール６０８が誘導管１１４に導入される場合、ロボット９０２の剛体全体の動きを追跡し、ただ１つの追加的なマーカ１１８が追跡されることが望ましいであろう。
【００８２】
次に、図１５Ａ〜１５Ｅを参照して、単一追跡マーカ１０１８のみを有するエンドエフェクタ１０１２の代替版が示される。エンドエフェクタ１０１２は、本明細書に説明される他のエンドエフェクタに類似してもよく、長手方向軸１０１６に沿って延在する誘導管１０１４を含んでもよい。単一追跡マーカ１０１８は、本明細書に説明される他の追跡マーカと同様に、誘導管１０１４に強固に取り付けられてもよい。この単一マーカ１０１８は、不足している自由度を追加して、剛体全体の追跡を可能にする目的に役立つことができ、ならびに／または監視マーカとして働き、ロボット及びカメラの位置付けが有効であることについての想定を確保にする目的に役立つことができる。
【００８３】
単一追跡マーカ１０１８は、任意の便利な方向に突出し、かつ外科医の視野を遮らないエンドエフェクタ１０１２の剛性延在部分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上の任意の他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及び第２の端部間のある場所において位置付けられ得る。例えば、図１５Ａでは、単一追跡マーカ１０１８が、誘導管１０１４から前方へ延在し、かつ長手方向に誘導管１０１４の中点の上方及び誘導管１０１４の入口の下方に位置付けられた細いシャフト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によって一般に見えることを可能にするものの、更に、外科医１２０の視野を遮らないか、または手術室の近傍における他のツールもしくは物体と衝突しない。加えて、マーカ１０１８がこの位置にある誘導管１０１４は、誘導管１０１４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上の単一マーカ１０１８が見えるのと同時に見えるために設計される。
【００８４】
図１５Ｂに示されるように、ぴったりと収まるツールまたは器具６０８が誘導管１０１４内に配置されると、器具６０８は、６自由度のうちの４つに機械的に制限されることになる。すなわち、器具６０８は、誘導管１０１４の長手方向軸１０１６の周りを除くあらゆる方向に回転することができず、器具６０８は、誘導管１０１４の長手方向軸１０１６に沿う方向を除くあらゆる方向に転移することができない。換言すれば、器具６０８は、誘導管１０１４の中心線に沿って転移すること及びその中心線の周りに回転することのみができる。もう２つのパラメータ、例えば（１）誘導管１０１４の長手方向軸１０１６の周りの回転の角度、及び（２）誘導管１０１４に沿う位置などが知られる場合には、カメラ座標系におけるエンドエフェクタ１０１２の位置が十分に定義されることになる。
【００８５】
次に、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の内側に、その代わりに、誘導管１０１４の外側ではなくて、ただカメラ２００、３２６の視野のどこかに実際に位置付けられるときに知ることができるはずである。ツール６０８は、長手方向軸または中心線６１６と、複数の追跡されたマーカ８０４を伴うアレイ６１２を有する。剛体計算が、ツール６０８上のアレイ６１２の追跡された位置に基づいて、ツール６０８の中心線６１６がカメラ座標系に位置する場所を判定するために使用されてもよい。
【００８６】
単一マーカ１０１８から誘導管１０１４の中心線または長手方向軸１０１６までの固定された法線（垂直）距離ＤＦは、固定され、幾何学的に知られ、単一マーカ１０１８の位置は、追跡することができる。したがって、ツール中心線６１６から単一マーカ１０１８までの検出された距離ＤＤが、誘導管中心線１０１６から単一マーカ１０１８までの既知の固定距離ＤＦに一致するとき、ツール６０８が、誘導管１０１４内にある（ツール６０８及び誘導管１０１４の中心線６１６、１０１６が一致する）か、またはこの距離ＤＤが固定距離ＤＦに一致する可能な位置の軌跡におけるある点にいることが判定され得る。例えば、図１５Ｃでは、ツール中心線６１６から単一マーカ１０１８までの検出された法線距離ＤＤが、２つの位置における透明なツール６０８によって表わされたデータの両方のフレーム（追跡されたマーカ座標）において誘導管中心線１０１６から単一マーカ１０１８までの固定距離ＤＦに一致し、このため、ツール６０８が誘導管１０１４内に位置するときを判定するために追加的な考察が必要であろう。
【００８７】
次に図１５Ｄを参照すると、プログラム化された論理が、追跡データのフレームを探すために使用され得、それにおいて、ツール６０８が単一球体１０１８に対してある最小距離を超える分だけ空間内を移動して、ツール６０８が誘導管１０１４内を移動している条件を満たすにもかかわらず、ツール中心線６１６から単一マーカ１０１８までの検出された距離ＤＤは、正確な長さに固定されたままである。例えば、第１のフレームＦ１が、第１の位置にあるツール６０８を用いて検出されてもよく、第２のフレームＦ２が、（すなわち、第１の位置に対して直線的に移動した）第２の位置にあるツール６０８を用いて検出されてもよい。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る（例えば、合計で５ｍｍを超える）分だけ移動してもよい。この移動があるにもかかわらず、ツール中心線ベクトルＣ´から単一マーカ１０１８までの検出された距離ＤＤは、第１のフレームＦ１及び第２のフレームＦ２において実質的に同一である。
【００８８】
論理学的に、外科医１２０またはユーザは、ツール６０８を誘導管１０１４内に配置して、それをわずかに回転することまたはそれを誘導管１０１４の中に下に摺動することができ、システム１００、３００、６００は、５つのマーカ（ツール６０８上の４つのマーカ８０４に加えて誘導管１０１４上の単一マーカ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。ツール６０８が誘導管１０１４内にあることを知ることで、空間におけるロボットエンドエフェクタ１０１２の位置及び配向を定義する全ての６自由度が計算され得る。単一マーカ１０１８を用いないと、たとえツール６０８が誘導管１０１４内にあることが確実に知られたとしても、誘導管１０１４がツールの中心線ベクトルＣ´に沿って位置する場所及びどのように誘導管１０１４が中心線ベクトルＣ´に対して回転されるかは分からない。
【００８９】
図１５Ｅに重点を置くと、単一マーカ１０１８の存在が、ツール６０８上の４つのマーカ８０４と共に追跡され、誘導管１０１４及びツール６０８の中心線ベクトルＣ´と、単一マーカ１０１８を通る及び中心線ベクトルＣ´を通る法線ベクトルとを構築することが可能である。この法線ベクトルは、手首の遠位にあるロボットの前腕に対して既知の配向にある配向を有し（この例では、その区分に平行に配向され）、ある特定の固定位置において中心線ベクトルＣ´に交差する。便宜のために、図１５Ｅに示されるように、３つの互いに直交するベクトルｋ´、ｊ´、ｉ´が構築され得、誘導管１０１４の剛体位置及び配向を定義する。３つの互いに直交するベクトルのうちの１つｋ´は、中心線ベクトルＣ´から構築され、第２のベクトルｊ´は、単一マーカ１０１８を通る法線ベクトルから構築され、第３のベクトルｉ´は、第１及び第２のベクトルｋ´、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接合位置は、全ての接合がゼロにあるときに知られ及び固定され、したがって、剛体計算は、ロボットがホーム位置にあるときのこれらのベクトル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され得る。ロボット移動の間、（ツール６０８が誘導管１０１４内にある間の）ツールマーカ８０４の位置及び単一マーカ１０１８の位置が追跡システムから検出され、かつ各接合の角度／直線位置がエンコーダから知られる場合には、ロボットの任意の区分の位置及び配向が、判定され得る。
【００９０】
いくつかの実施形態では、誘導管１０１４に対してツール６０８の配向を固定することが有用であろう。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の位置付けを可能にするためにその軸１０１６の周りのある特定の位置において配向されてもよい。誘導管１０１４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から分かるが、カメラ座標系における誘導管１０１４自体の回転配向は、誘導管１０１４上の追加的な追跡マーカ１０１８（または他の実施形態では複数の追跡マーカ）を用いないと分からない。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°から＋１８０°までの「クロック位置」を本質的に提供する。このため、単一マーカ１０１８は、追加的な自由度を提供することができ、剛体全体の追跡を可能にし、ならびに／または監視マーカとして機能することができ、ロボット及びカメラの位置付けが有効であることについての想定を確保する。
【００９１】
図１６は、ロボット１０２のエンドエフェクタ１０１２（または、本明細書に説明される任意の他のエンドエフェクタ）を所望の対象軌道へとナビゲートして移動するための方法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上の単一マーカ１０１８の別の使用は、方法１１００の一部として、ロボット１０２に取設された全体の追跡アレイを用いずに、ロボット１０２の自動化された安全な移動を可能にすることである。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）ときに機能し、追跡システムの座標系及びロボットの座標系が共に登録され、ロボット１０２は、誘導管１０１４の位置及び配向が、各ロボット軸の符号化された位置のみに基づいて、ロボットのデカルト座標系において正確に判定され得るように較正される。
【００９２】
この方法１１００のために、追跡機及びロボットの座標系は、共に登録される必要があり、追跡システムのデカルト座標系からロボットのデカルト座標系への座標変換が必要とされることを意味する。便宜のために、この座標変換は、ロボット工学の分野において周知である並進及び回転の４×４行列であり得る。この変換は、Ｔｃｒと呼ばれ、「カメラからロボットへの変換」を意味する。一旦この変換が知られると、それぞれの追跡されたマーカについてのベクトル形態における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行列を乗じられ得、結果として生じるｘ、ｙ、ｚ座標は、ロボットの座標系にある。Ｔｃｒを得るために、ロボット上の全体の追跡アレイは、それが、ロボットの座標系において既知である場所においてロボットに強固に取設される間に追跡され、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に挿入された任意のツール６０８は、追加的なマーカ１０１８もまた読み取られるときに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ことは明らかであろう。すなわち、ツール６０８は、固定位置及び配向ではなくて、単に、誘導管１０１４内の任意の位置に及び誘導管１０１４内の任意の回転において挿入される必要がある。このため、追跡アレイ６１２を用いる任意のツール６０８を誘導管１０１４に挿入して、ツールのアレイ６１２に加えて誘導管１０１４の単一マーカ１０１８を読み取ることによって、一方で、同時に、ロボットの座標系における誘導管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。
【００９３】
ロボット１０２を対象軌道へとナビゲートして移動するための論理は、図１６の方法１１００に提供される。ループ１１０２に入る前に、変換Ｔｃｒが前に記憶されたことが想定される。このため、ループ１１０２に入る前に、ステップ１１０４において、ロボット基部１０６が固定された後、ロボットが静止している間に誘導管内に挿入されたツールの追跡データの１つ以上のフレームが記憶され、ステップ１１０６において、カメラ座標からロボット座標へのロボット誘導管位置の変換Ｔｃｒが、この静止データ及び前の較正データから計算される。カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動しない限り、Ｔｃｒは、有効のままであるべきである。カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動し、Ｔｃｒが再び取得される必要がある場合、システム１００、３００、６００は、ユーザにツール６０８を誘導管１０１４に挿入することを促させ得、次いで、自動的に必要な計算を行わせ得る。
【００９４】
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ショットから成る。ロボットの軸の位置から、エンドエフェクタ１０１２上の単一マーカ１０１８の場所が計算される。この計算された位置は、追跡システムから記録されたようなマーカ１０１８の実際の位置と比較される。これらの値が合致する場合、ロボット１０２が既知の場所にあることが保証され得る。ロボット１０２の対象がロボットの座標系に関して提供され得るように、変換Ｔｃｒが、ＤＲＢ１４０４の追跡された位置に適用される。次いで、ロボット１０２は、対象に到達するように移動することを命令され得る。
【００９５】
ステップ１１０４、１１０６の後、ループ１１０２は、追跡システムからＤＲＢ１４０４についての剛体情報を受信するステップ１１０８と、画像座標から追跡システム座標へと対象先端部及び軌道を変換するステップ１１１０と、カメラ座標からロボット座標へと対象先端部及び軌道を変換する（Ｔｃｒを適用する）ステップ１１１２と、を含む。ループ１１０２は、追跡システムからロボットについての単一逸脱マーカ位置を受信するステップ１１１４と、追跡システム座標からロボット座標へと単一逸脱マーカを変換する（記憶されたＴｃｒを適用する）ステップ１１１６と、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における単一ロボットマーカ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逸脱マーカ座標が、所与の許容値よりも少ない計算された座標と合致するかどうかを判定するステップ１１２０のために使用される。合致する場合、ステップ１１２２に進み、ロボットの移動を計算して、対象ｘ、ｙ、ｚ及び軌道に適用する。合致しない場合、ステップ１１２４に進み、進行の前に、停止して、誘導管１０１４への全体のアレイ挿入を要求する。アレイが挿入された後、ステップ１１２６は、Ｔｃｒを再び計算し、次いで、ステップ１１０８、１１１４、及び１１１８の繰返しに進む。
【００９６】
この方法１１００は、場所を検証するための単一マーカ１０１８の連続的な監視が省略される方法に勝る。単一マーカ１０１８を用いずに、依然として、Ｔｃｒを使用してエンドエフェクタ１０１２の位置を判定すること及びエンドエフェクタ１０１２を対象の場所に送ることが可能になるが、ロボット１０２が予想された場所に実際にあったかを検証することは可能ではない。例えば、カメラ２００、３２６が落とされ、Ｔｃｒがもはや有効ではなくなった場合、ロボット１０２は、誤った場所へと移動することになる。この理由のために、単一マーカ１０１８は、安全性に関する値を提供する。
【００９７】
ロボット１０２の所与の固定位置のために、理論的には追跡カメラ２００、３２６を新しい場所へ移動することが可能であり、それにおいて、単一の追跡されるマーカ１０１８は、アレイではなくて単一点であるので、移動されないままである。かかる場合において、システム１００、３００、６００は、単一マーカ１０１８の計算及び追跡された場所における合致が存在するので、誤りを検出しないことになる。しかしながら、一旦ロボットの軸が誘導管１０１２を新しい場所に移動させると、計算及び追跡された位置が合致せず、安全性チェックが有効になる。
【００９８】
用語「監視マーカ」は、例えば、ＤＲＢ１４０４に対して固定された場所にある単一マーカに関して、使用され得る。この場合において、ＤＲＢ１４０４が落とされるかまたはさもなければ取り除かれる場合、監視マーカの相対的な場所が変化し、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る実施形態では、ロボットの誘導管１０１４上の単一マーカ１０１８を用いて、システム１００、３００、６００は、カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動したかどうかを連続的にチェックすることができる。ロボットの座標系への追跡システムの座標系の登録が、例えば、カメラ２００、３２６が落とされることまたは誤動作することによって、あるいはロボットの誤動作によって失われた場合、システム１００、３００、６００は、ユーザに警告することができ、補正がなされ得る。このため、この単一マーカ１０１８はまた、ロボット１０２のための監視マーカであると考えられ得る。
【００９９】
ロボット１０２上に永久的に装着された全てのアレイ（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）を用いると、ロボット監視マーカとしての単一マーカ１０１８のかかる機能は、必要とされないことは明らかであろう。なぜなら、カメラ２００、３２６が、ロボット１０２に対して固定位置にあることを要求されないからであり、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において更新される。全体のアレイの代わりに単一マーカ１０１８を使用する理由は、全体のアレイがよりかさばる及び目障りであり、それによって、単一マーカ１０１８よりも外科医の視野及び手術野２０８へのアクセスを遮り、全体のアレイへの見通し線は、単一マーカ１０１８への見通し線よりも簡単に遮られるからである。
【０１００】
次に、図１７Ａ〜１７Ｂ及び１８Ａ〜１８Ｂを参照すると、器具６０８、例えば、インプラント容器６０８Ｂ、６０８Ｃなどが描写され、それは、固定された及び移動可能な追跡マーカ８０４、８０６の両方を含む。インプラント容器６０８Ｂ、６０８Ｃは、ハンドル６２０及びハンドル６２０から延在する外部シャフト６２２を有してもよい。シャフト６２２は、図示されるように、ハンドル６２０に実質的に垂直に、または任意の他の適切な配向に位置付けられてもよい。内部シャフト６２６は、一端にノブ６２８を伴って、外部シャフト６２２まで延在してもよい。インプラント１０、１２は、他端において、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容器６０８Ｂ、６０８Ｃの先端部６２４において、シャフト６２２に接続する。ノブ６２８は、回転され得、例えば、インプラント１０、１２を拡張するかまたは関節式に連結する。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及び８，４９１，６５９号は、拡張可能な融合デバイス及び導入方法を説明する。
【０１０１】
ツール６０８、例えば、インプラント容器６０８Ｂ、６０８Ｃなどを追跡するとき、追跡アレイ６１２は、アレイ６１２を構成する固定されたマーカ８０４及び１つ以上の移動可能マーカ８０６の組み合わせを含有してもよく、またはさもなければインプラント容器６０８Ｂ、６０８Ｃに取設される。ナビゲーションアレイ６１２は、少なくとも１つ以上の（例えば、少なくとも２つの）固定位置マーカ８０４を含んでもよく、それらは、インプラント容器器具６０８Ｂ、６０８Ｃに対して既知の場所を用いて位置付けられる。これらの固定されたマーカ８０４は、器具の幾何形態に対してどの配向にも移動することができず、器具６０８が空間内にある場所を定義するのに有用である。加えて、アレイ６１２または器具自体に取設され得る少なくとも１つのマーカ８０６が存在し、それは、固定されたマーカ８０４に対して事前に決められた境界内を移動すること（例えば、摺動する、回転すること等）ができる。システム１００、３００、６００（例えば、ソフトウェア）は、移動可能マーカ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（例えば、図１７Ａ〜１７Ｂに示される拡張可能な椎体間スペーサの高さもしくは図１８Ａ〜１８Ｂに示される関節椎体間スペーサの角度など）に相関させる。このため、システム及び／またはユーザは、移動可能マーカ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。
【０１０２】
図１７Ａ〜１７Ｂに示される実施形態では、４つの固定されたマーカ８０４が、インプラント容器６０８Ｂを定義するために使用され、第５の移動可能マーカ８０６が、事前に決められた経路内で摺動することができ、インプラントの高さについてのフィードバック（例えば、収縮位置または拡張位置）を提供する。図１７Ａは、その最初の高さにおける拡張可能なスペーサ１０を示し、図１７Ｂは、移動可能マーカ８０６が異なる位置に転移された拡張状態におけるスペーサ１０を示す。この場合において、移動可能マーカ８０６は、インプラント１０が拡張されるときに、固定されたマーカ８０４の近くに移動するけれども、この移動は、逆にされてもよいまたはさもなければ異なってもよいことが意図される。マーカ８０６の直線転移の量は、インプラント１０の高さに対応する。２つの位置のみが示されるが、これを連続的な機能として有することが可能であろう。それによって、任意の所与の拡張高さが移動可能マーカ８０６のある特定の位置に相関され得る。
【０１０３】
次に、図１８Ａ〜１８Ｂを参照して、４つの固定されたマーカ８０４が、インプラント容器６０８Ｃを定義するために使用され、第５の移動可能マーカ８０６が、事前に決められた経路内で摺動するように構成され、インプラント関節角度についてのフィードバックを提供する。図１８Ａは、その最初の直線状態における関節スペーサ１２を示し、図１８Ｂは、移動可能マーカ８０６が異なる位置に転移された状態で、あるオフセット角度において有節状態にあるスペーサ１２を示す。マーカ８０６の直線転移の量は、インプラント１２の関節角度に対応する。２つの位置のみが示されるが、これを連続的な機能として有することが可能であろう。それによって、任意の所与の関節角度が、移動可能マーカ８０６のある特定の位置に相関され得る。
【０１０４】
これらの実施形態では、移動可能マーカ８０６は、連続的に摺動して、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。また、移動可能マーカ８０６が、同様に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できるところにある必要があるという慎重な位置が存在し得ることも意図される。この場合において、全てのマーカ８０４、８０６のそれぞれの慎重な構成は、ある特定の配向においてまたはある特定の高さにおいてインプラント容器６０８Ｂ、６０８Ｃ及びインプラント１０、１２の特定の幾何形態に相関させる。加えて、移動可能マーカ８０６の任意の動きが、任意の他の種類のナビゲートされたインプラントの他の変数属性のために使用され得る。
【０１０５】
移動可能マーカ８０６の直線移動に関して描写及び説明されたが、マーカ８０６の回転または他の移動が、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り得る適用が存在し得るので、移動可能マーカ８０６は、摺動することだけに限定されるべきではない。１組の固定されたマーカ８０４及び移動可能マーカ８０６間の位置における相対的な変化が、インプラント１０、１２または他のデバイスについての関連した情報であり得る。加えて、拡張可能な及び関節インプラント１０、１２が例示されるが、器具６０８は、他の医療デバイス及び材料、例えば、スペーサ、ケージ、プレート、締結具、釘、ネジ、ロッド、ピン、ワイヤ構造、縫合糸、固定用クリップ、ステープル、ステント、骨移植、生物製剤、または同様のものなどと共に働くことができる。
【０１０６】
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像される。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、参照すること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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【外国語明細書】
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