(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、ならびにそれに係る外科用自動化装置を提供する。【解決手段】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２１Ｂ
2018161477.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であって、前記エンドエフェクタが、誘導管を有し、前記誘導管が、そこを通る湾曲通路を画定し、前記湾曲通路が、一定の曲率半径に沿って延在する中心軸を有し、前記エンドエフェクタ及び／または前記誘導管が、複数の追跡マーカを有する、ロボットと、
中心線を有する湾曲コネクタロッドであって、前記中心線は、前記湾曲コネクタロッドが前記誘導管を通って延在可能であるように、前記誘導管中心軸の前記一定の曲率半径に等しい一定の曲率半径に沿って延在する、湾曲コネクタロッドと、
前記エンドエフェクタ及び／または前記誘導管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つのカメラと、を備え、
前記ロボットは、前記中心軸がスクリュー穴湾曲経路に沿って延在するように前記エンドエフェクタを位置付けるように構成される、外科用ロボットシステム。
【請求項２】
前記湾曲通路が、前記誘導管を通って延在する湾曲貫通穴によって画定される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記貫通穴が、前記湾曲コネクタロッドの断面形状を補完する構成を有する、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記貫通穴が、前記湾曲コネクタロッドの断面形状とははっきりと異なる構成を有する、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記湾曲通路が、前記誘導管内に位置付けられた複数のリニア軸受によって画定される、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記システムが、前記スクリュー穴湾曲経路を計算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７】
前記カメラが、標的スクリューヘッドに一時的に取設された追跡マーカアレイを追跡し、前記追跡された追跡マーカアレイに基づいて前記スクリュー穴湾曲経路を計算するように構成される、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記システムが前記標的スクリューのうちの１つ以上の調節を指示するように構成され、これにより、その前記スクリューヘッドが前記スクリュー穴湾曲経路と一致するようになる、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記誘導管が、延在する前記誘導管中心軸を前記スクリュー穴湾曲経路と整列させる際に追加の自由度をもたらすように、前記エンドエフェクタに対して回転可能に調節可能である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
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、長手方向中心軸を有する誘導管を有し、前記エンドエフェクタ及び／または前記誘導管が、複数の追跡マーカを有する、ロボットと、
一定の曲率半径に沿って延在する中心線を有する湾曲コネクタロッドと、
ハブ及びコネクタアームを備える円弧挿入器ツールであって、前記ハブは、前記円弧挿入器ツールが前記エンドエフェクタに対して回転可能に固定されるように、前記誘導管に対して位置付け可能であり、前記コネクタアームが、前記ハブから、前記湾曲コネクタロッドと接続するように構成された遠位端まで延在する、円弧挿入器ツールと、
前記エンドエフェクタ及び／または前記誘導管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つのカメラと、を備え、
前記ロボットが、前記誘導管の前記中心軸が所望の場所にある状態で、前記エンドエフェクタを位置付けるように構成され、前記円弧挿入器ツールの回転が、前記湾曲コネクタロッドを径方向経路上で移動させる、外科用ロボットシステム。
【請求項１１】
前記コネクタアームは、前記径方向経路が前記一定の曲率半径の半径に等しい第１の半径を有するように構成される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記所望の場所が、前記第１の半径に等しい距離だけ標的スクリュー経路から離間している、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記円弧挿入器ツールが、前記エンドエフェクタに対して手動で回転するように構成される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ロボットが、前記エンドエフェクタに対する前記円弧挿入器ツールの回転を制御するように構成される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１５】
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、一定の曲率半径に沿って延在する中心軸を有する誘導管を有し、前記エンドエフェクタ及び／または前記誘導管が、少なくとも１つの追跡マーカを有する、ロボットと、
器具であって、前記誘導管中心軸の前記一定の曲率半径に等しい一定の曲率半径に沿って延在する中心線を有する少なくとも一部分、及び複数の追跡マーカが取設された前記器具から延在する少なくとも１つのアレイを有する、器具と、
前記器具上、かつ前記エンドエフェクタ及び／または前記誘導管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つのカメラと、を備える、外科用ロボットシステム。
【請求項１６】
前記ロボットが、前記誘導管に対する前記器具の位置を判定する、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記ロボットは、前記誘導管が非線形経路上での前記器具の移動を誘導するように前記エンドエフェクタを位置付ける、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記器具が、前記器具から延在する２つのアレイを有し、各アレイが異なる平面で延在する、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
前記誘導管が、前記エンドエフェクタに対して取り外し可能に支持される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２０】
各々が異なる一定の曲率半径を有する複数の誘導管と、各誘導管のための補完的な器具と、を含む、請求項１９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年５月１８日に出願された米国特許出願第１５／１５７，４４４号の一部継続であり、その米国特許出願は、２０１６年４月１１日に出願された米国特許出願第１５／０９５，８８３号の一部継続であり、その米国特許出願は、２０１３年１０月２４日に出願された米国特許出願第１４／０６２，７０７号の一部継続であり、その米国特許出願は、２０１３年６月２１日に出願された米国特許出願第１３／９２４，５０５号の一部継続出願であり、その米国特許出願は、２０１２年６月２１日に出願された仮出願第６１／６６２，７０２号に対する優先権を主張し、及び２０１３年３月１５日に出願された仮出願第６１／８００，５２７号に対する優先権を主張し、それらの全ては、全ての目的のためにその全体が参照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、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。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。エンドエフェクタ及び／または誘導管は、複数の追跡マーカを有する。エンドエフェクタは、誘導管を有し、誘導管は、一定の曲率半径に沿って延在する中心軸を有する誘導管を通る湾曲通路を画定する。湾曲コネクタロッドは、誘導管を通って延在可能であり、誘導管中心軸の一定の曲率半径に等しい一定の曲率半径に沿って延在する中心線を有する。少なくとも１つのカメラは、エンドエフェクタ及び／または誘導管上で複数の追跡マーカを検出するように構成され、ロボットは、中心軸がスクリュー穴湾曲経路に沿って延在するようにエンドエフェクタを位置付けるように構成される。
【００１０】
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を有するロボットを含む。エンドエフェクタ及び／または誘導管は、複数の追跡マーカを有する。湾曲コネクタロッドは、一定の曲率半径に沿って延在する中心線を有する。円弧挿入器ツールは、ハブ及びコネクタアームを備える。ハブは、円弧挿入器ツールがエンドエフェクタに対して回転可能に固定されるように、誘導管に対して位置付け可能である。コネクタアームは、ハブから、湾曲コネクタロッドと接続するように構成された遠位端まで延在する。少なくとも１つのカメラは、エンドエフェクタ及び／または誘導管上の複数の追跡マーカを検出するように構成される。ロボットは、誘導管の中心軸が所望の位置にある状態で、エンドエフェクタを位置付け、円弧挿入器ツールの回転が、湾曲コネクタロッドを放射状経路上で移動させる。
【００１１】
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、中心軸が一定の曲率半径に沿って延在する誘導管を有する。エンドエフェクタ及び／または誘導管は、少なくとも１つの追跡マーカを有する。器具は、誘導管中心軸の一定の曲率半径に等しい一定の曲率半径に沿って延在する中心線を有する少なくとも一部分を有し、少なくとも１つのアレイは、複数の追跡マーカが取設された器具から延在する。少なくとも１つのカメラは、器具上、かつエンドエフェクタ及び／または誘導管上の複数の追跡マーカを検出するように構成される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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】誘導管を通って延在する湾曲誘導管及び湾曲器具を有するエンドエフェクタの代替版である。
【図１４Ｂ】図１４Ａの湾曲器具の等角図である。
【図１５Ａ】湾曲誘導管を有するエンドエフェクタの代替版を示す。
【図１５Ｂ】湾曲誘導管を有するエンドエフェクタの代替版を示す。
【図１６】湾曲誘導管を有するエンドエフェクタの代替版を示す。
【図１７Ａ】スクリューヘッドに対して位置付けられた一時的追跡アレイアセンブリを描写する。
【図１７Ｂ】スクリューヘッドに対して位置付けられた一時的追跡アレイアセンブリを描写する。
【図１７Ｃ】スクリューヘッドに対して位置付けられた一時的追跡アレイアセンブリを描写する。
【図１８】一対のスクリューヘッドを通る複数の可能な湾曲経路を例解する。
【図１９Ａ】回転自在に調節可能な湾曲誘導管を例解する。
【図１９Ｂ】回転自在に調節可能な湾曲誘導管を例解する。
【図２０Ａ】スクリューヘッドのうちの１つが湾曲スクリューヘッド経路と一直線に並んでいない一連のスクリューヘッドを例解する。
【図２０Ｂ】整列状態に調節されたスクリューヘッドを示す。
【図２１Ａ】複数のスクリューヘッドに対して湾曲ロッドを位置付ける円弧挿入器ツールの斜視図である。
【図２１Ｂ】湾曲ロッドが回転経路に沿って移動するように、エンドエフェクタに対する円弧挿入器ツールの回転を例解する。
【図２２Ａ】フィードバック機構を含むエンドエフェクタの別の代替版を示す。
【図２２Ｂ】フィードバック機構を含むエンドエフェクタの別の代替版を示す。
【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。
【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】
ここで図を参照すると、図１及び図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及び図２は、手術室環境における外科用ロボットシステム１００の配置のための潜在的な構成を例解する。例えば、ロボット１０２は、患者２１０の近くまたは次に位置付けられてもよい。患者２１０の頭部の近くが描写されるが、ロボット１０２は、手術を受けている患者２１０の領域に応じて、患者２１０の近くの任意の適切な場所に位置付けることができることが理解されるであろう。カメラ２００は、ロボットシステム１００から分離されてもよく、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。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。
【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。
【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も、Ｎｏｒｔｈｅｒｎ  Ｄｉｇｉｔａｌ，Ｉｎｃの登録商標である。例示的な実施形態において、エンドエフェクタ１１２に連結されたマーカ１１８は、オン及びオフにされ得る赤外発光ダイオードを備えるアクティブマーカであり、患者２１０及び外科用器具６０８に連結されるマーカ１１８は、パッシブ反射性球体を備える。
【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及び図２に示されるように、外科手技中に、互いに分離してもよく、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。
【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。
【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３０６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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【００５４】
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。
【００５５】
枢動アーム１４１２を使用して、位置合わせ固定具１４１０は、対象の解剖学的構造の上に配置されてもよく、その場所は、位置合わせ固定具１４１０上の追跡マーカ１４２０及び／または基準１４２２を使用して、画像空間及びナビゲーション空間において判定されてもよい。位置合わせ固定具１４１０は、ナビゲーション空間において認識できるマーカ１４２０の集合物を含んでもよい（例えば、マーカ１４２０は、追跡サブシステム５３２によって検出可能であってもよい）。追跡マーカ１４２０は、本明細書において前に説明されるように、赤外光において認識できる光学マーカであってもよい。位置合わせ固定具１４１０はまた、画像化空間（例えば、３次元ＣＴ画像）において認識できる基準１４２２、例えば、軸受ボール等の集合物を含んでもよい。図１１に関してより詳細に説明されるように、位置合わせ固定具１４１０を使用して、対象の解剖学的構造は、動的参照基部１４０４と関連付けられてもよく、それによって、ナビゲーション空間における物体の描写が、解剖学的構造の画像上に重ね合わされることを可能にする。対象の解剖学的構造から離れた位置に位置する動的参照基部１４０４は、参照点になり得、それによって、外科用領域からの位置合わせ固定具１４１０及び／または枢動アーム１４１２の取外しを可能にする。
【００５６】
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。
【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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【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、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。
【００６２】
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。
【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、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。
【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】
様々な障害が原因で、特定の解剖学的構造への直線アクセスが困難な場合がある。例えば、外科医は、椎弓根にアクセスしている間に血管、神経、または腫瘍を避けることを望むことがある。現在の追跡器具システムは、典型的には、直線軌道のみを許容する。図１４Ａ〜１４Ｂを参照すると、任意の一定の曲率の軌道を可能にするエンドエフェクタ９１２について記載している。エンドエフェクタ９１２を利用することで、より多様なアプローチ及び手術におけるより多くの自由度が可能になる。
【００６８】
図１４Ａは、誘導管９０４及びその中に配置された器具９０８を有するエンドエフェクタ９０２の拡大図である。エンドエフェクタ９０２は、図７に例解する実施形態と同様に、エンドエフェクタに強固に取り付けられた複数の追跡マーカ９０６を有する。追跡マーカ９０６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。マーカ９０６は、マーカ９０６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９０２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９０６の移動を追うことによって、エンドエフェクタ９０２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。
【００６９】
本発明の実施形態では、誘導管９０４は、近位端９０３からその遠位端９０５まで、一定の曲率半径Ｒ１を有する湾曲構成を有する。誘導管９０４は、様々な曲率が利用され得るように、エンドエフェクタ９０２に対して交換可能であり得る。例えば、エンドエフェクタ９０２及びそれぞれ異なる曲率半径Ｒ１を有する複数の誘導管９０４は、外科医が所望の曲率を有する所望の管９０４を選択し得るように、キット内に設けることができる。
【００７０】
図１４Ｂは、器具９０８に強固に取り付けられた一対の追跡マーカアレイ９２０ａ、９２０ｂを有する器具９０８（この場合、突き錐）を描写する。本明細書のどこかに説明されるように、器具９０８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、焼灼装置（ｃａｕｔｅｒｉｚｅｒ）、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。このような正常に機能するその中心の周りを回転しなければならないドリルやドライバなどのツールは、湾曲中実の外側シャフトと全体的に湾曲しているにもかかわらず、固定された先端点を中心とする回転を可能にする可撓性内側シャフト（図示せず）で構成されてもよい。例解された実施形態では、器具９０８は、近位端部９０７にあるハンドル９１０から遠位先端９０９まで延在するシャフト９１２を備える。シャフト９１２は、誘導管９０４の曲率半径Ｒ１に対応する曲率半径Ｒ２を有する。誘導管と同様に、外科医が所望の湾曲を有する所望の器具９０８を選択できるように、それぞれ異なる曲率半径Ｒ２を有する複数の器具９０８をキット内に設けることができる。
【００７１】
各追跡マーカアレイ９２０ａ、９２０ｂは、上述の追跡マーカ１１８、８０４に類似している追跡マーカ（図示せず）を装着するための複数の支柱９２２を備える。アレイ９２０ａ、９２０ｂ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。アレイ９２０ａ及び９２０ｂは、配向（すなわち、器具９０８の湾曲方向）のより正確な追跡を容易にする別個の平面に延在している。
【００７２】
例解した実施形態では、追跡アレイ９２０ａ、９２０ｂは、シャフト９１２及び先端９０９の邪魔にならないように、器具９０８のハンドル９１０の近くに取設される。マーカ１１８、８０４の立体写真測量追跡は、器具９０８が剛体として追跡されること、ならびにプローブ９０８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。
【００７３】
図１５Ａ〜図２０Ｂを参照して、湾曲誘導管を利用できる他の用途について述べる。脊椎固定は、固定されるべき椎体に椎弓根スクリューを挿入し、次いで、接続ロッドをスクリューヘッドにわたって取設することから構成される。このことにより、ナビゲーション及びロボットを使用してスクリューの挿入を容易にすることができることが示されているが、スクリューヘッドにわたって接続ロッドを置くステップは、これまでずっと一般的に手動で行われてきた。このように、接続ロッドの手動による配置は退屈であり、誤りを起こしやすい。ロッドの経路を誘導し、手技を自動化するために使用される外科用ロボットと共に、予め曲げられた湾曲ロッドを使用して、隣接するスクリューヘッドを相互接続することができる様々な方法を本明細書に記載する。
【００７４】
図１５Ａ〜１５Ｂを参照すると、ロボット制御により位置付けられた湾曲誘導管１００４ａ、１００４ｂを使用して、湾曲ロッドの通路を誘導する実施形態について述べる。すなわち、誘導管１００４ａ、１００４ｂは、直線ロッドの代わりに、湾曲ロッドをその開口部を通って、通過させることができるように構成される。例解した各実施形態において、誘導管１００４ａ、１００４ｂは、エンドエフェクタ１００２（概略的に示す）によって支持され、意図された湾曲ロッドの曲率半径を補完する一定の曲率半径Ｒ３を有する貫通穴１００６を画定する。例解した各貫通穴１００６は、円形断面を有するロッド用に円形構成を有しているが、貫通穴１００６は、様々な構成、例えば、正方形、長方形または他の所望の形状を有してもよい。更に、貫通穴１００６の構成は、ロッドの断面と一致している必要はなく、例えば、円形断面を有するロッドが、正方形構成を有する貫通穴１００６を通過することもある。このような非補完的通路／ロッドの組み合わせは、ロッドの通過中、固着しにくくなり得る。湾曲誘導管１００４ａ、１００４ｂが、湾曲ロッドの通過を容易にすることから、低摩擦特性を有する、例えばセラミックまたはＰＥＥＫなどの金属ならびに非金属から製造してもよい。
【００７５】
図１６は、湾曲ロッドを通過させるための固体ハウジングの別の代替形態を例解する。図１６に例解する実施形態では、誘導管１００４ｃは、意図された湾曲ロッドよりも断面が大きい貫通通路１００７を画定する。複数のリニア軸受１００８は、湾曲ロッド１０１０が湾曲経路に追従するのを制約するように貫通通路内に位置付けられる。少なくとも３つの軸受１００８は、ロッド１０１０が円弧平面から外へ回転するのを制約するために必要とする。このような誘導管１００４は、より大きな製造公差として、固着させにくくしてもよい。
【００７６】
誘導管１００４ａ、１００４ｂ、１００４ｃの各々を用いる場合は、湾曲経路の知識を必要とする。必要な湾曲経路を決定するためには、スクリューヘッドの場所を用いることができ、既知の曲率を有するロッドが全てのスクリューヘッドを通過するように、湾曲経路を見出すことができる。スクリューヘッドの場所は、脊椎の追跡と共に、動的参照基部（ＤＲＢ）及び標準追跡システム１００、３００、６００、ならびに湾曲誘導管１００４ａ、１００４ｂ、１００４ｃなどのロボットの追跡を用いて、前述のように、光学的、電磁的、または他の手段を使用した、術前または手術中の画像上で計画したものから判定され得る。
【００７７】
ロッドが搬送されるべきスクリューヘッド上の場所についての情報が継続して更新されることにより、必要に応じて、ロボットの自動的位置付けが可能になる。しかし、脊椎全体を追跡するために単一のＤＲＢを使用して、手術中、スクリュー挿入後、及び接続ロッドの前に、脊椎を操作する際に生じ得る他の椎骨に対する椎骨の動きが識別されるものではない。このような動きを追跡し、確実にスクリューヘッドの各開口部を通ってロッドを正しく通過させるための１つの方法は、独立した追跡器を用いて、ロッドの通過が生じる各スクリューの位置を追跡することである。
【００７８】
図１７Ａ〜１７Ｃを参照すると、スクリューを挿入後、ロボットまたはフリーハンドにかかわらず、追跡マーカ１１８、８０４の追跡アレイ１０２１を、各スクリューヘッド１０１４に一時的に装着する。各スクリューヘッド１０１４に関連付けられた別個のアレイ１０２１により、ロッド１０１０が通過しなければならない各穴１０１６の監視が可能になり、かつ、実装されたアルゴリズムで、湾曲ロッド１０１０を上手く通過させるための経路及び必要なロボット位置を見出すことができるようになる。追跡アレイ１０２１は、スクリューヘッド１０１４に装着するとき、アレイ１０２１に対するスクリューヘッド１０１４上の貫通穴１０１６の配向及び位置がわかるように事前に較正される。こうしたスクリューヘッドに装着した一時的なアレイ１０２１は、好ましくは、解剖学的座標系を追跡座標系に関連付けるために、任意の位置合わせが解剖学的スキャンで実施されたかにかかわらず、アレイがスクリューヘッド１０１４に対して既知の位置及び配向にあるように構成される。
【００７９】
例解した実施形態では、各アレイ１０２１は、それぞれのスクリューヘッド１０１４と係合するように構成されたアレイアセンブリ１０２０上に支持される。アレイアセンブリ１０２０は、支持管１０２６の基部上にスクリューヘッド１０１４に対して特定の位置で嵌合するコネクタ１０２２を含む。ロッドの通過は、図１７Ｂに破線の矢印で示すように、いずれかの方向に生じる。スクリューヘッド１０１４を通るロッドの入口及び出口穴は、区別する必要がないので、アレイコネクタ１０２２は、２つの方法のうちの１つでスクリューヘッドに適合させることができる。図１７Ａ〜１７Ｂに例解する実施形態では、コネクタ１０２２は、スクリューヘッド１０１４上の平面１０１５を補完し、これと整列する、対向する平面１０２４を画定する。コネクタ１０２２及びスクリューヘッド１０１４の構成は、例解した構成に限定されない。アレイコネクタ１０２２とスクリューヘッド１０１４との間の嵌合面の例としては、限定するものではないが、２つの側面が平坦化され、細長い六角形、長方形、砂時計形、３ピン、またはピンとタブ構成を有するＩ字形の円形を挙げることができる。多くのチューリップヘッド外科用スクリューの断面は、すでに２つの平坦な側面を有する円形であり、これにより、追跡アレイアセンブリ１０２０の嵌合コネクタ１０２２のためにこのような設計を有する既存のスクリューを利用できることに留意されたい。ロッド１０１０を挿入中、かつ全てのスクリュー１０１２が相互接続ロッド（複数可）１０１０に錠止される時まで、スクリューヘッド１０１４の位置を監視することが有用であり得ることから、一時的なアレイアセンブリ１０２０の支持管１０２６は、アレイ１０２１を外す前に、その通路を通って錠止工具（図示なし）を挿入し、スクリューヘッドをロッドに錠止することができる貫通通路１０２７を備えてもよい。本明細書では、固定ヘッドスクリューに関して示されているが、こうした設計は、追跡器がスクリューヘッドに追従し、引き続きヘッド上のロッド通路を監視するので、可変ヘッドスクリューについても有効であるべきである。スクリューヘッド１０１４の位置が既知であれば、所望の湾曲経路を決定することができ、誘導管１００４ａは、所望の湾曲経路Ｐに沿って延在するその曲率によって位置付けられる。
【００８０】
２つの椎骨にスクリューが挿入されている場合に、このような追跡器アレイ１０２１を利用するためには、追跡された穴の場所及び既知のロッドの曲率が考えられ得る解となり得るが、この解は図面の平面内にある。図１８に例解したように、他の平面が意図される場合には、これに限定されるものではないが、Ｐ１〜Ｐ４などの経路のアレイは、ロッドがこれらの穴を通過するという要件を満たすことが可能である。ロボットでは３次元測位が可能であるので、これらの経路Ｐ１〜Ｐ４のいずれかと整列させて、これらの面のいずれかにおいて軌道を保持することができる。
【００８１】
直線管を通るタップ、ドリル、ドライバなどの挿入とは異なり、２つの自由度（管内での回転及び管に沿った並進）が許容されている場合には、誘導管の湾曲貫通穴１００６によって、湾曲ロッド１０１０で単一のみの自由度（湾曲経路に沿ったロッド位置）に制約された通過が可能になる。いくつかのロボット操作設計は、エンドエフェクタ１００２を位置付けるときにわずか５自由度しか含まないため、こうした湾曲ツールを動かす際にいくつかの課題を引き起こし得る。このような問題に対処するために、図１９Ａ〜１９Ｂに例解する湾曲誘導管アセンブリ１０３０は、別の自由度を導入する。より具体的には、誘導管アセンブリ１０３０は、支持ハブ１０３２を含み、湾曲誘導管１０３４は、そのハブに回転可能に取設されている。したがって、支持ハブ１０３２は、エンドエフェクタ（図示せず）と強固に接続されてもよく、誘導管１０３４は、それに対して回転し、これにより別の自由度を画定し得る。例解した実施形態では、回転位置はハブ１０３２上の目盛り及びダイヤルから設定される。追跡マーカ１１８、８０４は、誘導管１０３４に取設されてもよいが、ハブ１０３２は、一般的に、追跡エンドエフェクタに固定されているので、ハブ１０３２上には必要としない。誘導管の回転位置は手動または自動で調節可能であるため、経路に沿った任意の位置でのエンドエフェクタの位置付けが可能になる。
【００８２】
誘導管１０３４の回転位置を手動で調節する場合、追跡システム１００、３００、６００に関連付けられたソフトウェアは、どの回転位置を必要とするかをユーザに示すことができる。次いで、ユーザは、誘導管１０３４に対してエンドエフェクタを所望の位置まで回転させ、そこに錠止させることができる。あるいは、ソフトウェアは、誘導管１０３４上の追跡器１１８、８０４に従って現在設定されている湾曲経路Ｐを示すことができる。回転位置を調節すると、ユーザは、ソフトウェア上で、その配向を変えている湾曲管１０３４の画像を見ることができる。ソフトウェアは、ユーザが新しい回転位置に調節する場合、エンドエフェクタは、曲線Ｐがスクリュー穴１０１６を通過するように自動的に再位置付けされるように構成することができる。ユーザが回転位置を調節すると、ロボットはロッドの通過に応じるために新たな位置にジャンプし、ユーザは図１８に示すような任意の数の平面間で切り替えることができる。自動調節のために、回転アクチュエータは、回転位置を所望の場所に移動させることができる。このような調節機構によって、手動または自動のいずれかの標的化ソフトウェアは、経路に沿った特定の場所で湾曲経路に対する接線を数学的に見出し、この接線と一致する位置にエンドエフェクタを移動させる。回転機構は、曲線が意図した経路に追従するように、円弧面を適切に整列させる。
【００８３】
図２０Ａ〜２０Ｂを参照すると、３つ以上のスクリュー１０１４を通って湾曲ロッドを通過させるための方法について記載している。２つのスクリューを用いる場合、ロッドの曲率範囲によりスクリューヘッドの接合を達成させ、スクリュー経路を画定する円弧が存在する平面の範囲により、スクリューヘッドを相互接続することも可能となる。しかし、曲線が通過しなければならない第３の点を追加することで、曲率半径及び平面の両方に関して、単一の解のみが許容されるように幾可学的形状が制約される。いくつかの外科用スクリューは可変ヘッドを有し、これにより、湾曲ロッドの解の場合、わずかに柔軟性が高くなり得る。各スクリューヘッド１０１４に取設された追跡器アレイ１０２１を使用する場合、外科医は、それらの範囲を通じてスクリューヘッド１０１４を枢動させることができ、これにより、特定の曲率のロッドを、別の手段では適合しないであろう適合を可能にする。しかし、この場合、曲線が全てのスクリューを通過し得るように、異なる曲率のロッドに変更する必要があり得る。各スクリュー１０１２を追跡することで、スクリューの位置付けにおいて外科医を対話的に支援することにより、３つ以上のスクリューの通過を容易にする手技が別々に可能になる。この方法では、外科医は全てのスクリューを計画して挿入し、次いで追跡器アレイ１０２１を各スクリューヘッド１０１４に取設する。次いで、システム１００、３００、６００は計算を行い、いずれの曲率半径が、スクリューヘッド１０１４の全てを通って湾曲ロッドを通過させるように働くかを示す。こうしたロッドの曲率半径を利用できない場合、システム１００、３００、６００は、スクリューヘッド１０１４の接合を達成するために選択された曲率半径に関して、１つ以上のスクリュー１０１２をどのくらい後退または更に前進させるべきかを外科医に指示する。例えば、図２０Ａに例解するように、中間スクリュー１０１２では、湾曲ロッドがその穴１０１６を通過することはあまり好ましくない。システム１００、３００、６００は、正確に何ミリメートルであれば、スクリュー１０１２を現在位置付けるのに好ましいかをユーザに正確に指示する。スクリューの位置を調節する必要がある場合は、必須ではないが、追跡アレイ１０２１を外すことなくスクリューを回転させ得ることが望ましい。図２０Ｂに例解するように、スクリューをより深く前進させた後破線は、湾曲経路Ｐが、ここでは３つ全てのスクリューヘッド１０１４と一列に並んでいることを示し、これにより、湾曲ロッドが正常に挿入され得る。
【００８４】
図２１Ａ〜２１Ｂを参照すると、別の実施形態による湾曲ロッドを位置付けるための方法及びアセンブリについて記載している。円弧挿入器ツール１１００は、エンドエフェクタ６０２の誘導管６０６によって支持されるように構成される。例解したエンドエフェクタ６０２は、図７Ａ〜７Ｃに関して記載したものと類似しているが、他の構成を有してもよい。追跡マーカ７０２は、その位置及び配向が、その追跡システム１００、３００、６００によって追跡され得るようにエンドエフェクタ６０２と関連付けられている。以下でより詳細に記載するように、誘導管６０６の中心軸は、湾曲接続ロッド１０１０の回転の中心に位置付けられる。
【００８５】
円弧挿入器ツール１１００は、誘導管６０６内に位置付けられるように構成されたハブ１１０２を含む。例解した実施形態では、ハブ１１０２は、エンドエフェクタの管６０６内に摺動し、かつ、エンドエフェクタの管６０６に錠止し、エンドエフェクタの管を中心にした回転のみが可能になる。したがって、ハブ１１０２（これによって円弧挿入ツール１１００）は、エンドエフェクタ６０２に対して誘導管６０６の中心軸を中心にして回転性である。ハブ１１０２は、円弧挿入器ツール１１００の手動による回転を容易にするためのハンドル１１０４を含むことができるが、ハンドルは省略されてもよく、そうでなければツール１１００が手動または自動で回転させてもよい。
【００８６】
コネクタアーム１１１０は、ハブ１１０２に接続された近位端１１１１から、湾曲ロッド１０１０に一時的に接続し、これを支持するように構成された遠位端１１１３まで延在する。コネクタアーム１１１０の形状及び構成は、スクリューヘッド１０１４と整列している回転経路ＲＰに沿って湾曲ロッド１０１０を支持するようなものである。回転経路ＲＰは、上記と類似の様態で決定することができる。例解した実施形態では、回転経路ＲＰの中心は、ロッドが回転されるとき、一定の経路上に留まるように、ロッド１０１０の曲率中心でもある。図２１Ｂに示すように、円弧挿入器ツール１１００は、コネクタアーム１１１０の遠位端１１１３が湾曲ロッド１０１０を回転経路ＲＰに沿って支持する状態で、初めに、スクリューヘッド１０１４から離れて回転可能に位置付けられる。ハブ１１０２を中心にして挿入器ツール１１００を回転させる場合、接続アーム１１１０は、湾曲ロッド１０１０がスクリューヘッド１０１４内に位置付けられるまで、湾曲ロッド１０１０が回転経路ＲＰに沿って進むように動く。
【００８７】
回転経路ＲＰの中心の場所を動的に制御するようにロボットを制御することにより、ロッド１０１０の曲率中心と回転経路ＲＰの中心とを一致させることができる。こうした方法では、その回転を介して追跡器を揺動すると、先端の場所を予測でき、ロボットを５自由度で調節して、スクリューヘッド１０１４を貫通させる必要のあるツールの先端を位置付けられ得るように、追跡器をツール１１００上に配置する。ロッド先端に対する追跡器の位置がわかると、システム１００、３００、６００は、医用画像上に重ね合わせた場合、かつ／またはスクリューの画像上に重ね合わせた場合、スクリューヘッド１０１４内の穴に対するロッド１０１０の現在位置を示すことができる。その後、外科医は、エンドエフェクタ６０２の位置を調節して、スクリューヘッド１０１４内の穴に対して、ロッド１０１０を整列させ得る。
【００８８】
図２２Ａ〜２２Ｂを参照すると、円弧挿入器ツール１１００の経路を調節するために構成されたエンドエフェクタ１１２０について記載している。エンドエフェクタ１１２０は、円弧挿入器ツール１１００を支持する誘導管１１２２を含む。エンドエフェクタ１１２０は、円弧面間でエンドエフェクタ１１２０を転位させるフィードバックを提供するように構成されたフィードバック機構１１２４、例えばロードセルを含む。外科医は、このようなシステムを用いて、接続ロッド１０１０を搬出するために特定の円弧面を使用する計画を立てることができる。ロボット及びツール１１００が、ロッド１０１０を搬出するための所定の位置にあるとき、外科医は、システム１００、３００、６００に平面選択モードとなるように指示することができる。平面選択モードでは、外科医がエンドエフェクタ１１２０のフィードバック機構１１２４に力を加えると、エンドエフェクタ１１２０が、全ての軸の位置を自動的に調節して、新しい円弧面に移動する（例えば、図１８に示すものなど、平面Ｐ１〜Ｐ４、またはロッドが確実に通過する任意の数の平面の切り替えを行うなど）。すなわち、システム１００、３００、６００は、エンドエフェクタ１１２０のフィードバック機構１１２４に印加された引っ張り力を読み取ると、現在の円弧面より近くに角度が付けられた円弧面に転位させ、印加された押し込み力を読み取ると、現在の円弧面より更に離れて角度が付けられた円弧面に転位させる（例えば、図２２Ｂ）。調節中、ユーザは、コンピュータモニタ上で、スクリュー及び／または解剖学的構造に対して構成されている湾曲経路を見ることになる。
【００８９】
誘導管を回転させたり通過させたりするツールを位置付けるためにロボットを使用するための前述のアプローチに加えて、ロボットが湾曲挿入器ツールと強固に干渉し、スクリューヘッドを通してツールを誘導するために必要な全ての動きを行うことも可能である。このようなロボット誘導では、エンドエフェクタが必要な場所及び配向に動くことができるように、ロボットの運動の完全な６自由度を必要とする。５自由度のロボットを使用する場合、６自由度は、図１９Ａ〜１９Ｂに示されたものなどの機構を介して達成される必要があり、ソフトウェアが、ダイヤルを設定するべき位置をユーザに呈示するか、または、この自由度が、追加のアクチュエータを用いて処理される。
【００９０】
異なる入力デバイスにより、外科医は、挙動方法についてシステム１００、３００、６００に呈示することができる。例えば、順方向及び逆方向のオン／オフボタンまたは勾配（スロットル）制御を使用できる。ユーザが前進位置で入力装置をトグルすると、ロボットは所望の経路に沿って前方に湾曲ツールを前進させることができる。逆制御では、経路に沿ったロボットの後退を引き起こす。異なるスロットルレベルは、移動するためのスピードを示し得る。
【００９１】
別の考えられる駆動機構は、上述のようなフィードバック機構１０２４である。フィードバック機構１０２４からの力が所望の経路に沿って順方向に向いていることが検知された場合、湾曲ロッドを所望の経路に保つために、力レベルに比例して協調運動が起こり得る。同様に、フィードバック機構１０２４が所望の経路に沿って逆方向に向かう力を検知した場合、逆の動きが生じ得る。湾曲ロッドの前進を制御するための別の選択肢は、完全自律性である。すなわち、ロボットが湾曲ロッドの前進を開始し、かつ制御し、ロッドが所望の位置に挿入されると停止する。
【００９２】
強固に保持された湾曲ツールがロボットによって挿入されるアプローチを使用する場合、ロボットに対するロッドの剛性インターフェースにより他の利点が見込まれる。エンドエフェクタ１０２０でのフィードバック機構１０２４は、ユーザがロッド挿入経路に沿った移動を引き起こすための機構であることに加えて、ロッド１０１０が穴を正しく通過しているかの指標としても機能し得る。ロッドが穴に入らず、スクリューヘッドの中心から外れると、ロードセルは前方への移動に対する異常なレベルの抵抗を検知するべきである。システム１００、３００、６００では、穴を通ってロッドを螺合するには、調節が必要な場合があることをユーザに示し得る。
【００９３】
湾曲ロッド（揺動アーム、湾曲誘導管、または完全にロボット制御された挿入部）を挿入するための上記のアプローチのいずれかにおいて、機構は、ツールをエンドエフェクタに対して既知の位置で強固に保持し、挿入器ツールからロッドを解放できるようにする必要がある。湾曲管を通過するロッドの場合、ロッドを保持するツールの直径は、両方が相互接続を維持しつつ、誘導部を通って摺動できるように、ロッド自体と同じ直径でなければならない。この接続部は、挿入後にロッドカッターで切り離された固定溶接部分または単一成形部分であることも可能である。こうしたアプローチでは、ロッドが自然に必要な長さに切断されるので、同じ部分を任意の数のレベルで使用することが可能になる。完全にロボット制御されたアプローチまたはロボットにより位置付けられた揺動アームの場合、ロッドを保持するツールの直径は、ロッドよりも大きいので、共通の即時解除またはカラー付きホルダのいずれも使用することができる。
【００９４】
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１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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