(57)【要約】      （修正有）【課題】定位手術用の手術ロボットシステム及びロボット制御方法を提供する。【解決手段】手術ロボットシステム１００は、手術道具を５自由度に移動及び回転させる定位手術部１と、手術ターゲットを含む手術部位の３次元イメージを示す第１イメージングデータを受信する制御部１４０と、手術部位に近接して配置されるマーカー１７４と、手術部位の外部の３次元イメージを示す第２イメージングデータを生成する撮像部１２０と、撮像部及びマーカーの位置及び姿勢をトラッキングするトラッキング部１３０とを含み、制御部は、第１イメージングデータの第１座標系から第２イメージングデータの第２座標系に変換する第１座標変換関係、第１座標系からマーカーの第３座標系に変換する第２座標変換関係、及び第３座標系から定位手術部の第４座標系に変換する第３座標変換関係を生成し、第２座標変換関係及び第３座標変換関係を用いて定位手術部を制御できる。【選択図】図２
2018027289.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
定位手術用の手術ロボットシステムであって、
手術道具を少なくとも５自由度に移動及び回転させる定位手術部と、
手術ターゲットを含む手術部位の３次元イメージを示す第１イメージングデータを受信する制御部と、
前記手術部位に取り付けられたり近接して配置される少なくとも１つのマーカーと、
前記手術部位の外部の３次元イメージを示す第２イメージングデータを生成する撮像部と、
前記撮像部及び前記マーカーの位置及び姿勢をトラッキングするトラッキング部と
を含み、
前記制御部は、前記第１イメージングデータの第１座標系から前記第２イメージングデータの第２座標系に座標を変換させるための第１座標変換関係を生成し、前記第１座標変換関係と前記撮像部及び前記少なくとも１つのマーカーの位置及び姿勢を用いて前記第１座標系から前記少なくとも１つのマーカーの第３座標系に座標を変換させるための第２座標変換関係、及び前記第３座標系から前記定位手術部の第４座標系に座標を変換させるための第３座標変換関係を生成し、前記第２座標変換関係及び前記第３座標変換関係を用いて前記定位手術部を制御する、定位手術用の手術ロボットシステム。
【請求項２】
前記制御部は、
ユーザーインターフェースを通じて、前記第１イメージングデータを視覚化し、
前記ユーザーインターフェースを通じてユーザーが入力した前記手術ターゲットの位置及び前記手術道具の進入位置を第１座標系上の座標に変換することを特徴とする、請求項１に記載の定位手術用の手術ロボットシステム。
【請求項３】
前記制御部は、前記第２座標変換関係及び前記第３座標変換関係を用いて前記変換された第１座標系上の座標を前記定位手術部の第４座標系上の座標に変換することを特徴とする、請求項２に記載の定位手術用の手術ロボットシステム。
【請求項４】
前記定位手術部は、
前記手術道具が取り付けられ、２つの回転軸のうち少なくとも１つの回転軸を中心に前記手術道具を回転させる回転部と、
３つの軸のうち少なくとも１つの軸方向に前記回転部を移動させる移動部と
を含み、
前記制御部は、
前記変換された第４座標系上の座標に基づいて前記手術道具の進入姿勢を決定し、
前記第４座標系上で前記手術ターゲットの位置に対応する座標が前記２つの回転軸の交差点に位置するように前記移動部を通じて前記回転部を移動させ、
前記手術道具が前記決定された手術道具の進入姿勢を有するように前記回転部を通じて前記手術道具を回転させるすることを特徴とする、請求項３に記載の定位手術用の手術ロボットシステム。
【請求項５】
前記移動部は、
第１軸方向に沿って移動する第１方向駆動部と、
前記第１方向駆動部に連結されて、第２軸方向に沿って移動する第２方向駆動部と、
前記第２方向駆動部に連結されて、第３軸方向に沿って移動する第３方向駆動部と
を含み、
前記回転部は、
前記第３方向駆動部に連結される一端を含み、第１回転軸を中心に回転する第１回転駆動部と、
前記第１回転駆動部に連結される一端を含み、第２回転軸を中心に回転する第２回転駆動部と
を含み、
前記手術道具は、前記第２回転駆動部に取り付けられることを特徴とする、請求項４に記載の定位手術用の手術ロボットシステム。
【請求項６】
前記制御部は、
前記撮像部の位置及び姿勢に基づいて、前記第２座標系から前記撮像部の第５座標系に座標を変換させるための第４座標変換関係、及び前記第５座標系から前記第３座標系に座標を変換させるための第５座標変換関係を生成し、
前記第１座標変換関係、前記第４座標変換関係及び前記第５座標変換関係に基づいて前記第２座標変換関係を生成することを特徴とする、請求項１に記載の定位手術用の手術ロボットシステム。
【請求項７】
前記制御部は、前記第１イメージングデータが示す３次元イメージと前記第２イメージングデータが示す３次元イメージとの間のイメージ整合を通じて前記第１座標変換関係を生成することを特徴とする、請求項１に記載の定位手術用の手術ロボットシステム。
【請求項８】
前記制御部は、前記第１イメージングデータが示す３次元イメージと前記第２イメージングデータが示す３次元イメージに共通して含まれる前記手術部位の少なくとも一部分を用いて前記イメージ整合を行うことを特徴とする、請求項７に記載の定位手術用の手術ロボットシステム。
【請求項９】
前記制御部は、
前記第１イメージングデータから前記手術部位の２次元断面イメージを示す２次元イメージングデータを抽出し、
前記２次元イメージングデータの第６座標系から前記第１座標系に座標を変換させるための座標変換関係と、前記第２座標変換関係及び前記第３座標変換関係を用いて、前記定位手術部を制御することを特徴とする、請求項１に記載の定位手術用の手術ロボットシステム。
【請求項１０】
前記撮像部は、位相遷移方式を用いて前記第２イメージングデータを生成することを特徴とする、請求項１に記載の定位手術用の手術ロボットシステム。
【請求項１１】
定位手術用の手術ロボットシステムにおいて、手術道具を少なくとも５自由度に移動及び回転させる定位手術部を制御する方法であって、
手術ターゲットを含む手術部位の３次元イメージを示す第１イメージングデータを制御部が受信する段階と、
前記手術部位の外部の３次元イメージを示す第２イメージングデータを撮像部が生成する段階と、
前記撮像部及び前記手術部位に取り付けられたり近接して配置された少なくとも１つのマーカーの位置及び姿勢をトラッキング部がトラッキングする段階と、
前記第１イメージングデータの第１座標系から前記第２イメージングデータの第２座標系に座標を変換させるための第１座標変換関係を前記制御部が生成する段階と、
前記第１座標変換関係と前記撮像部及び前記少なくとも１つのマーカーの位置及び姿勢を用いて前記第１座標系から前記少なくとも１つのマーカーの第３座標系に座標を変換させるための第２座標変換関係、及び前記第３座標系から前記定位手術部の第４座標系に座標を変換させるための第３座標変換関係を前記制御部が生成する段階と、
前記第２座標変換関係及び前記第３座標変換関係を用いて前記制御部が前記定位手術部を制御する段階と
を含む、定位手術部の制御方法。
【請求項１２】
ユーザーインターフェースを通じて、前記制御部が前記第１イメージングデータを視覚化する段階と、
前記ユーザーインターフェースを通じてユーザーが入力した前記手術ターゲットの位置及び手術道具の進入位置を第１座標系上の座標に前記制御部が変換する段階と
をさらに含むことを特徴とする、請求項１１に記載の定位手術部の制御方法。
【請求項１３】
前記定位手術部を制御する段階は、前記第２座標変換関係及び前記第３座標変換関係を用いて、前記変換された第１座標系上の座標を前記定位手術部の第４座標系上の座標に前記制御部が変換する段階を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の定位手術部の制御方法。
【請求項１４】
前記定位手術部は、
前記手術道具が取り付けられて、２つの回転軸のうち少なくとも１つの回転軸を中心に前記手術道具を回転させる回転部と、
３つの軸のうち少なくとも１つの軸方向に前記回転部を移動させる移動部とを含み、
前記定位手術部を制御する段階は、
前記変換された第４座標系上の座標に基づいて前記制御部が前記手術道具の進入姿勢を決定する段階と、
前記第４座標系上で前記手術ターゲットの位置に対応する座標が前記２つの回転軸の交差点に位置するように前記制御部が前記移動部を通じて前記回転部を移動させる段階と、
前記手術道具が前記決定された手術道具の進入姿勢を有するように前記制御部が前記回転部を通じて前記手術道具を回転させる段階と
を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の定位手術部の制御方法。
【請求項１５】
前記第２座標変換関係を前記制御部が生成する段階は、
前記撮像部の位置及び姿勢に基づいて、前記第２座標系から前記撮像部の第５座標系に座標を変換させるための第４座標変換関係、及び前記第５座標系から前記第３座標系に座標を変換させるための第５座標変換関係を前記制御部が生成する段階と、
前記第１座標変換関係、前記第４座標変換関係及び前記第５座標変換関係に基づいて前記第２座標変換関係を前記制御部が生成する段階と
を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の定位手術部の制御方法。
【請求項１６】
前記第１座標変換関係を前記制御部が生成する段階は、前記第１イメージングデータが示す３次元イメージと前記第２イメージングデータが示す３次元イメージとの間のイメージ整合を通じて前記制御部が前記第１座標変換関係を生成する段階を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の定位手術部の制御方法。
【請求項１７】
前記制御部は、前記第１イメージングデータが示す３次元イメージと前記第２イメージングデータが示す３次元イメージに共通して含まれる前記手術部位の少なくとも一部分を用いて前記イメージ整合を行うことを特徴とする、請求項１６に記載の定位手術部の制御方法。
【請求項１８】
請求項１１〜請求項１７のうちいずれか１項の定位手術部を制御する方法の各段階を行う命令語を含むプログラムを格納するコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、定位手術用の手術ロボットシステム及び定位手術用ロボットの制御方法に関するものである。
【０００２】
本発明は、産業通商資源部のロボット産業融合核心技術開発事業の一環として、実行された研究から導き出されたものである（課題固有番号：１００６２８００、研究課題名：臨床試験を通じた医療画像ベースの脳手術ロボットシステムの実用化技術開発）。
【背景技術】
【０００３】
多様な定位手術器具が公知となっている。例えば、脳手術用の手動定位手術器具としてレクセルフレーム（ＬＥＫＳＥＬＬ  ＦＲＡＭＥ）が用いられている。レクセルフレームは、定位手術道具の位置が患部の位置に対応するように、使用者が手動で定位手術道具をＸ、Ｙ、Ｚ軸に移動及び回転させることができる構造を有する。しかし、このような手動定位手術器具を用いる場合、使用者がレクセルフレーム上の目盛りを肉眼で読み出して手術道具の位置を決定し、移動させなければならないので、患部の位置と手術道具との間に誤差が発生しやすい。
【０００４】
従って、手術道具の位置設定の精度を改善するために、定位手術にロボットを活用する技術が用いられている。定位手術用のロボットは、可動アームアセンブリを含むロボットアームとして具現され、ここで、ロボットアームは、固定されたベースに連結され、直列に連結された複数のアームを含む。このような直列型ロボットアームに付着された手術道具の位置及び手術精度は、ロボットアームの全ての自由度の軸により影響を受ける。即ち、ロボットアームのある一つの軸を用いた動作で誤差が発生すれば、その誤差は他の軸を用いた動作で発生した誤差に加えられることによって、ロボットアームの全ての軸を通じた動作の誤差が累積し、手術精度に影響を及ぼす。この場合、ベース側に設けられた駆動端で動作誤差が発生すれば、その誤差はベースに連結された複数のロボットアームの他の動作誤差と加えられて、ロボットアームの末端に行くほど誤差が増幅される。従って、手術の精度を高めるためには、ロボットアームが固定されたベースと患部との間の距離は短く設定されることが好ましい。しかし、ロボットアームのベースと患部との間の距離が短くなると、ロボットアームの慣性が小さくなるので誤差が発生しやすくなり、それにより、ロボットアームの精密な制御が難しくなる。また、ロボットアームのベースと患部との間の空間が小さくなるため、ロボットアームの作業半径が狭くなる。また、ベースに固定されたロボットアームが患部周囲に配置される場合には、使用者が患部周囲で動くときにロボットアームと衝突するリスクがあるので、使用者の動きが妨害され得る。
【０００５】
一方、定位手術のためには、手術ターゲットの位置と手術道具の進入位置（またはエントリ）が指定されなければならない。脳または神経手術の場合、手術道具の進入位置を適宜設定できないと、手術道具が手術ターゲットに到達する前に脳または神経の重要部分に接触することによって患者に対して不要なリスクがもたらされることがある。しかし、従来の定位手術器具は、手術ターゲットの位置に応じて手術道具を移動させることと、手術道具の進入位置に応じて手術道具を移動させることが、それぞれ独立に区分されていない状態で制御される。従って、実際の手術道具の位置と定位手術用のロボットシステムが認識する手術道具の位置との間に誤差が発生すれば、この誤差を修正するための手術道具の制御が複雑になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、定位手術の精度を高め、患者の手術姿勢の利便性を確保することができる定位手術用の手術ロボットを提供する。
【０００７】
本発明は、定位手術用の手術ロボットの制御誤差を低減し、発生誤差の修正が容易な定位手術用の手術ロボットの制御方法を提供する。
【０００８】
本発明は、手術ターゲットの位置による手術道具の動作の制御と、手術道具の進入位置による手術道具の動作の制御を、それぞれ独立に実行することによって、手術道具の動作の制御の複雑性が減少し得る、定位手術用の手術ロボット及び定位手術用の手術ロボットの制御方法を提供する。
【０００９】
本発明は、ユーザーインターフェースに表示された手術対象のイメージに基づいて定位手術用の手術ロボットを容易に制御できる、手術ロボットシステム及び定位手術用の手術ロボットの制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一実施例による定位手術用の手術ロボットシステム、手術道具を少なくとも５自由度に移動及び回転させる定位手術部と、手術ターゲットを含む手術部位の３次元イメージを示す第１イメージングデータを受信する制御部と、前記手術部位に取り付けられたり近接して配置される少なくとも１つのマーカーと、前記手術部位の外部の３次元イメージを示す第２イメージングデータを生成する撮像部と、前記撮像部及び前記マーカーの位置及び姿勢をトラッキングするトラッキング部とを含み、前記制御部は、前記第１イメージングデータの第１座標系から前記第２イメージングデータの第２座標系に座標を変換させるための第１座標変換関係を生成し、前記第１座標変換関係と前記撮像部及び前記少なくとも１つのマーカーの位置及び姿勢を用いて前記第１座標系から前記少なくとも１つのマーカーの第３座標系に座標を変換させるための第２座標変換関係、及び前記第３座標系から前記定位手術部の第４座標系に座標を変換させるための第３座標変換関係を生成し、前記第２座標変換関係及び前記第３座標変換関係を用いて前記定位手術部を制御することができる。
【００１１】
一実施例によれば、前記制御部は、ユーザーインターフェースを通じて、前記第１イメージングデータを視覚化し、前記ユーザーインターフェースを通じてユーザーが入力した前記手術ターゲットの位置及び前記手術道具の進入位置を前記第１座標系上の座標に変換することができる。
【００１２】
一実施例によれば、前記制御部は、前記第２座標変換関係及び前記第３座標変換関係を用いて前記変換された第１座標系上の座標を前記定位手術部の第４座標系上の座標に変換することができる。
【００１３】
一実施例によれば、前記定位手術部は、前記手術道具が取り付けられ、２つの回転軸のうち少なくとも１つの回転軸を中心に前記手術道具を回転させる回転部と、３つの軸のうち少なくとも１つの軸方向に前記回転部を移動させる移動部とを含み、前記制御部は、前記変換された第４座標系上の座標に基づいて前記手術道具の進入姿勢を決定し、前記第４座標系上で前記手術ターゲットの位置に対応する座標が前記２つの回転軸の交差点に位置するように前記移動部を通じて前記回転部を移動させ、前記手術道具が前記決定された手術道具の進入姿勢を有するように前記回転部を通じて前記手術道具を回転させることができる。
【００１４】
一実施例によれば、前記移動部は、第１軸方向に沿って移動する第１方向駆動部と、前記第１方向駆動部に連結されて、第２軸方向に沿って移動する第２方向駆動部と、前記第２方向駆動部に連結されて、第３軸方向に沿って移動する第３方向駆動部とを含み、前記回転部は、前記第３方向駆動部に連結される一端を含み、第１回転軸を中心に回転する第１回転駆動部と、前記第１回転駆動部に連結される一端を含み、第２回転軸を中心に回転する第２回転駆動部とを含むことができ、前記手術道具は、前記第２回転駆動部に取り付けられることができる。
【００１５】
一実施例によれば、前記制御部は、前記撮像部の位置及び姿勢に基づいて、前記第２座標系から前記撮像部の第５座標系に座標を変換させるための第４座標変換関係、及び前記第５座標系から前記第３座標系に座標を変換させるための第５座標変換関係を生成し、前記第１座標変換関係、前記第４座標変換関係及び前記第５座標変換関係に基づいて前記第２座標変換関係を生成することができる。
【００１６】
一実施例によれば、前記制御部は、前記第１イメージングデータが示す３次元イメージと前記第２イメージングデータが示す３次元イメージとの間のイメージ整合（ｉｍａｇｅ  ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）を通じて前記第１座標変換関係を生成することができる。
【００１７】
一実施例によれば、前記制御部は、前記第１イメージングデータが示す３次元イメージと前記第２イメージングデータが示す３次元イメージに共通して含まれる前記手術部位の少なくとも一部分を用いて前記イメージ整合を行うことができる。
【００１８】
一実施例によれば、前記制御部は、前記第１イメージングデータから前記手術部位の２次元断面イメージを示す２次元イメージングデータを抽出し、前記２次元イメージングデータの第６座標系から前記第１座標系に座標を変換させるための座標変換関係と、前記第２座標変換関係及び前記第３座標変換関係を用いて、前記定位手術部を制御することができる。
【００１９】
一実施例によれば、前記撮像部は、位相遷移方式（Ｐｈａｓｅ  Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  Ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ）を用いて前記第２イメージングデータを生成することができる。
【００２０】
本発明の一実施例により、定位手術用の手術ロボットシステムにおいて、手術道具を少なくとも５自由度に移動及び回転させる定位手術部を制御する方法は、手術ターゲットを含む手術部位の３次元イメージを示す第１イメージングデータを制御部が受信する段階と、前記手術部位の外部の３次元イメージを示す第２イメージングデータを撮像部が生成する段階と、前記撮像部及び前記手術部位に取り付けられたり近接して配置された少なくとも１つのマーカーの位置及び姿勢をトラッキング部がトラッキングする段階と、前記第１イメージングデータの第１座標系から前記第２イメージングデータの第２座標系に座標を変換させるための第１座標変換関係を前記制御部が生成する段階と、前記第１座標変換関係と前記撮像部及び前記少なくとも１つのマーカーの位置及び姿勢を用いて前記第１座標系から前記少なくとも１つのマーカーの第３座標系に座標を変換させるための第２座標変換関係、及び前記第３座標系から前記定位手術部の第４座標系に座標を変換させるための第３座標変換関係を前記制御部が生成する段階と、前記第２座標変換関係及び前記第３座標変換関係を用いて前記制御部が前記定位手術部を制御する段階とを含むことができる。
【００２１】
一実施例によれば、前記定位手術部の制御方法は、ユーザーインターフェースを通じて、前記制御部が前記第１イメージングデータを視覚化する段階と、前記ユーザーインターフェースを通じてユーザーが入力した前記手術ターゲットの位置及び手術道具の進入位置を前記第１座標系上の座標に前記制御部が変換する段階とをさらに含むことができる。
【００２２】
一実施例によれば、前記定位手術部を制御する段階は、前記第２座標変換関係及び前記第３座標変換関係を用いて、前記変換された第１座標系上の座標を前記定位手術部の第４座標系上の座標に前記制御部が変換する段階を含むことができる。
【００２３】
一実施例によれば、前記定位手術部は、前記手術道具が取り付けられて、２つの回転軸のうち少なくとも１つの回転軸を中心に前記手術道具を回転させる回転部と、３つの軸のうち少なくとも１つの軸方向に前記回転部を移動させる移動部とを含むことができ、前記定位手術部を制御する段階は、前記変換された第４座標系上の座標に基づいて前記制御部が前記手術道具の進入姿勢を決定する段階と、前記第４座標系上で前記手術ターゲットの位置に対応する座標が前記２つの回転軸の交差点に位置するように前記制御部が前記移動部を通じて前記回転部を移動させる段階と、前記手術道具が前記決定された手術道具の進入姿勢を有するように前記制御部が前記回転部を通じて前記手術道具を回転させる段階とを含むことができる。
【００２４】
一実施例によれば、前記第２座標変換関係を前記制御部が生成する段階は、前記撮像部の位置及び姿勢に基づいて、前記第２座標系から前記撮像部の第５座標系に座標を変換させるための第４座標変換関係、及び前記第５座標系から前記第３座標系に座標を変換させるための第５座標変換関係を前記制御部が生成する段階と、前記第１座標変換関係、前記第４座標変換関係及び前記第５座標変換関係に基づいて前記第２座標変換関係を前記制御部が生成する段階とを含むことができる。
【００２５】
一実施例によれば、第１座標変換関係を前記制御部が生成する段階は、前記第１イメージングデータが示す３次元イメージと前記第２イメージングデータが示す３次元イメージとの間のイメージ整合を通じて前記制御部が前記第１座標変換関係を生成する段階を含むことができる。
【００２６】
一実施例によれば、前記制御部は、前記第１イメージングデータが示す３次元イメージと前記第２イメージングデータが示す３次元イメージに共通して含まれる前記手術部位の少なくとも一部分を用いて前記イメージ整合を行うことができる。
【００２７】
本発明の一実施例によるコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、前記手術ロボットシステムの制御方法の各段階を行う命令語を含むプログラムを格納することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明による定位手術用の手術ロボット及び定位手術用の手術ロボットの制御方法によれば、手術ターゲットの位置と手術道具の進入位置に応じて定位手術用の手術ロボットを独立に制御できるため、手術精度が向上し、制御方式が簡便になる。患者の患部周囲に近接して手術ロボットを配置できるため、患者の利便性及び作業者の作業性が向上し、制御誤差を低減することが可能である。
【００２９】
また、本発明による定位手術用の手術ロボットを含む手術ロボットシステムによれば、医師が定位手術用の手術ロボットをユーザーインターフェースを通じて簡単に制御でき、手術途中で患者の動きがあっても短時間内に手術ロボットの制御のための座標変換関係の再設定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施例による手術ロボットシステムが手術に用いられている例を示す図面である。
【図２】本発明の一実施例による手術ロボットシステムを示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施例による定位手術用の手術ロボットを示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施例による移動部の斜視図である。
【図５】本発明の一実施例による回転部の斜視図である。
【図６】本発明の一実施例による手術部位支持部の斜視図である。
【図７】本発明の一実施例による患者固定部の斜視図である。
【図８】本発明の一実施例による患者固定部が結合された定位手術用の手術ロボットの斜視図である。
【図９】本発明の一実施例によるトラッキング部の動作を説明するためのマーカー及びトラッキング部を示すブロック図である。
【図１０】本発明の一実施例によって撮像部を通じて取得された手術道具の進入位置周辺に対するイメージと、手術前に撮影された手術部位が含まれた患者のイメージを整合した結果を示す図面である。
【図１１】本発明の一実施例によって、手術前に撮影された手術部位が含まれた患者の３次元イメージに手術ターゲットの位置及び手術道具の進入位置が表示された図面である。
【図１２】本発明の一実施例によって、手術部位を含む３次元イメージまたは３次元イメージの２次元断面イメージ上に表示された手術ターゲットの位置及び手術道具の進入位置を定位手術部の座標系上の位置に変換する方法を説明するための図面である。
【図１３】本発明の一実施例によって、手術部位を含む３次元イメージを示すイメージングデータの座標系から患者マーカーの座標系に座標を変換させるための方法を説明するための図面である。
【図１４】本発明の一実施例によって、手術前に撮影された手術部位が含まれた患者の３次元イメージの軸平面上の２次元断面イメージに、使用者が手術ターゲットの位置及び手術道具の進入位置を表示した図面である。
【図１５】本発明の一実施例によって、手術前に撮影された手術部位が含まれた患者の３次元イメージの矢状面上の２次元断面イメージに、使用者が手術ターゲットの位置及び手術道具の進入位置を表示した図面である。
【図１６】本発明の一実施例によって、手術前に撮影された手術部位が含まれた患者の３次元イメージの冠状面上の２次元断面イメージに、使用者が手術ターゲットの位置及び手術道具の進入位置を表示した図面である。
【図１７】本発明の一実施例によって定位手術部を制御する方法を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の一実施例によって、手術部位を含む３次元イメージを示すイメージングデータの座標系から患者マーカーの座標系に座標を変換させるための座標変換関係を生成する方法を示すフローチャートである。
【図１９】本発明の一実施例によって、手術部位を含む３次元イメージを示すイメージングデータの座標系から定位手術部の座標系に座標を変換させるための座標変換関係を用いて定位手術部を制御する方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下に説明する本発明の実施例は本発明を説明するための目的で例示されたものである。本発明の実施例は多様な形態で実施され得、本発明が下記に提示された実施例やこれらの実施例に関する具体的説明に限定されると解釈されない。
【００３２】
本実施例で用いられる用語「部」は、ソフトウェア、ＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ−ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｇａｔｅ  ａｒｒａｙ）、ＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）のようなハードウェア構成要素を意味する。しかし、「部」は、ハードウェア及びソフトウェアに限定されるものではない。「部」は、アドレッシングできる格納媒体にあるように構成されてもよく、１つまたはそれ以上のプロセッサを再生させるように構成されてもよい。従って、一例として「部」はソフトウェア構成要素、客体指向ソフトウェア構成要素、クラス構成要素及びタスク構成要素のような構成要素と、プロセッサ、関数、属性、プロシージャ、サブルーチン、プログラムコードのセグメント、ドライバ、ファームウェア、マイクロコード、回路、データ、データベース、データ構造、テーブル、アレイ及び変数を含む。構成要素と「部」内で提供される機能はさらに小さい数の構成要素及び「部」に結合したり追加の構成要素と「部」にさらに分離され得る。
【００３３】
本明細書で用いられる全ての技術的用語及び科学的用語は、別に定義されていない限り、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者に一般に理解される意味を有する。本明細書で用いられる全ての用語は本発明をより明確に説明するための目的で選択されたものであり、本発明の範囲を制限するために選択されたものではない。
【００３４】
本願明細書で記述された単数形の表現は、別に言及しない以上、複数形の表現もともに含み得、これは、請求項に記載された単数形の表現にも同様に適用される。
【００３５】
本発明の多様な実施例で用いられた「第１」、「第２」などの表現は、複数の構成要素を相互に区分するために用いるものに過ぎず、当該構成要素の順序または重要度を限定するものではない。
【００３６】
本明細書で用いられる「含む」及び「有する」という表現は、当該表現が含まれる文句または文章において特に異なって言及されない限り、他の実施例を含む可能性を内包する開放型用語（ｏｐｅｎ−ｅｎｄｅｄ  ｔｅｒｍｓ）と理解されなければならない。
【００３７】
本明細書で「〜に基づいて」という表現は、当該表現が含まれる文句で記述される決定または判断の行為または動作に影響を与える１つ以上の因子を記述するのに用いられ、この表現は決定または判断の行為または動作に影響を与える追加の因子を排除しない。
【００３８】
本明細書において、ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いるとか、「接続されて」いると言及されたときには、前記ある構成要素が前記他の構成要素に直接的に連結されているか、または接続されていてもよいが、前記ある構成要素と前記他の構成要素の間に新たな他の構成要素が存在してもよいと理解されるべきである。
【００３９】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。図面上の同一の構成要素に対しては同一の参照符号を用い、同一の構成要素について重複する説明は省略する。
【００４０】
＜定位手術用の手術ロボットシステム＞
図１は、本発明の一実施例による定位手術を行うことができる手術ロボットシステムが手術に用いられている例を示す。図示されているように、医師（または使用者）は、定位手術部１のような手術ロボットを用いて患者１６０に対する定位手術を行うことができる。医師は、ユーザーインターフェース１５０にディスプレイされた手術部位のイメージを検討して、手術を行う手術ターゲットの位置及び手術道具が患者１６０の内部に進入する位置を決定することができる。
【００４１】
もし医師がユーザーインターフェース１５０を通じて、手術ターゲットの位置及び手術道具の進入位置を入力すると、これに基づいて定位手術部１の動作が制御されることによって、定位手術部１に付着された手術道具が手術ターゲットに接近することができる。ここで、「手術ターゲット」（または手術対象）は、腫瘍、または臓器、血管または骨において病巣のある部分などのように、手術道具を通じて除去または治療が行われる対象を意味し得る。例えば、手術ターゲットは、患者１６０の体内あるいは外部表面（または皮膚）に位置し得る。手術道具の「進入位置」（またはエントリ）は、手術ターゲットが患者の体内にあるとき、手術道具が手術ターゲットに接近するために最初に接触するか通過する患者の外部表面上の位置を意味し得る。例えば、手術道具が患者の脳内に存在する腫瘍を除去するために動作する場合、手術道具の進入位置は患者の頭皮上に設定され得る。
【００４２】
一実施例によれば、定位手術部１の動作は、手術ロボットシステムに含まれた撮像部１２０及びトラッキング部１３０を用いて正確に制御され得る。撮像部１２０は、脳または脊椎のように、手術ターゲットが含まれた手術部位の外部の３次元イメージを示すイメージングデータを生成できる。ここで、「イメージングデータ（ｉｍａｇｉｎｇ  ｄａｔａ）」は、手術部位のような撮影対象を視覚的に認識できる形態に示すことができるデータを意味し得、例えば、手術部位を視覚的に示す２次元または３次元イメージと、そのイメージに関連する座標系情報を含み得る。トラッキング部１３０は、撮像部１２０、定位手術部１及び患者１６０に付着されたマーカー１７０、１７２、１７４をトラッキングして、それぞれのマーカーが付着された対象の位置及び姿勢をトラッキングできる。本発明の手術ロボットシステムによれば、トラッキング部１３０を用いて定位手術部１に付着された手術道具の現在の位置が決定され得る。また、撮像部１２０及びトラッキング部１３０を通じて生成された情報に基づいて、手術道具が現在の位置からユーザーインターフェース１５０を通じて入力された手術ターゲットの位置に移動できる。
【００４３】
一実施例によれば、定位手術部１は手術台１１０に付着されて用いられる。従って、定位手術中に手術台１１０が動いても、定位手術部１が手術台１１０とともに動くため、手術道具が手術ターゲットにガイドされている位置が変わらない。また、定位手術部１が手術台１１０に付着されて用いられれば、定位手術部１が患者の近くに位置できるので、定位手術部１に付着された手術道具の精密な制御が可能になり、定位手術部１により医師の動線が妨害されることを防止できる。
【００４４】
以下では、図１の例を通じて概略的に説明した本発明の手術ロボットシステムの多様な実施例についてより具体的に説明する。
【００４５】
図２は、本発明の一実施例による手術ロボットシステム１００を示すブロック図である。手術ロボットシステム１００は、定位手術を行うことができる手術ロボットシステムであり、定位手術部１、撮像部１２０、トラッキング部１３０、及び制御部１４０を含み得る。定位手術部１は、手術部位に含まれた手術ターゲットに対する定位手術を実行できる手術道具と、この手術道具をガイドできる装置を含み得る。
【００４６】
一実施例によれば、定位手術部１は、少なくとも５自由度以上の自由度で動作できる定位手術用の手術ロボットであってもよい。例えば、定位手術部１は、手術道具を少なくとも３つの軸方向に移動することができ、手術道具を少なくとも２つの回転軸を中心に回転させることができる。定位手術部１は、手術台１１０に付着されて用いられる。
【００４７】
一実施例によれば、定位手術部１は、手術ターゲットの位置及び手術道具の進入位置に応じて手術道具の移動及び回転をそれぞれ独立に行うことができる。ここで、手術道具の移動及び回転をそれぞれ独立に行うとは、定位手術部１で手術道具を移動させる構成と手術道具を回転させる構成が分離されて具現され、このような構成によって手術道具の移動と回転が個別に制御されて行われることができるという意味であり得る。例えば、定位手術部１は、手術ターゲットの位置に応じて手術道具をまず移動させ、手術道具の進入位置に応じて手術道具が手術ターゲットに接近または挿入される姿勢または方向を決定した後に、手術道具がそのような姿勢を有するように、手術道具を回転させることができる。従って、定位手術中に同一の手術ターゲットに対する手術道具の進入位置が変更される場合、簡単に手術道具の姿勢のみを変更することによって短時間内に手術が再開されることができる。定位手術部１の構成と動作に関するさらに具体的な実施例は以後の関連部分で説明する。
【００４８】
撮像部１２０は、手術部位の外部の２次元または３次元イメージを示すイメージングデータを生成できる。一実施例によれば、撮像部１２０は、患者１６０の表面イメージを示すイメージングデータを生成したり、手術ターゲットまたは手術道具の進入位置（またはその周辺）のイメージを示すイメージングデータを生成できる。一実施例によれば、撮像部１２０は、パターン光などを用いる位相遷移方式（Ｐｈａｓｅ  Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  Ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ）に基づいて３次元イメージを示すイメージングデータを生成し得る。
【００４９】
撮像部１２０により生成されたイメージングデータは、ユーザーインターフェース１５０に伝達されてユーザーインターフェース１５０上で視覚的に表示され得る。また、撮像部１２０により生成されたイメージングデータは、格納装置１８０に格納された後、手術後の手術結果の分析または治療に用いられることもできる。
【００５０】
一実施例によれば、撮像部１２０により生成されたイメージングデータと、手術前に予め撮影された手術ターゲットを含む手術部位の３次元イメージを示すイメージングデータが整合され得る。手術部位の３次元イメージを示すイメージングデータは、手術前に格納装置１８０に格納され得る。ユーザーインターフェース１５０は、２つのイメージングデータが整合された結果を視覚的に表示できる。例えば、ユーザーインターフェース１５０は、任意のイメージングデータに基づいてそのデータが示す２次元または３次元イメージを表示できるディスプレイ装置であってもよい。手術前に予め撮影された手術部位の３次元イメージを示すイメージングデータは、手術部位に関するＣＴまたはＭＲＩイメージに関するイメージングデータであってもよい。
【００５１】
更に他の実施例によれば、制御部１４０は、撮像部１２０を用いて生成されたイメージングデータに基づいて定位手術部１を制御できる。撮像部１２０に関連するさらに具体的な実施例は以後の関連部分で説明する。
【００５２】
トラッキング部１３０は、物体の動きをトラッキングするための装置であり、具体的には、物体の位置及び／又は姿勢をトラッキングできる装置である。一実施例によれば、トラッキング部１３０は、トラッキング対象に付着されたマーカーの位置及び／又は姿勢を測定することによって、マーカーが付着された対象をトラッキングできる。例えば、マーカーを手術道具に付着した後、トラッキング部１３０が手術道具に付着されたマーカーの位置及び／又は姿勢をトラッキングすることにより、手術道具がトラッキングされ得る。
【００５３】
一実施例によれば、撮像部１２０、定位手術部１及び患者１６０の手術部位または手術部位の近くにそれぞれ付着されたマーカー１７０、１７２、１７４をトラッキングした結果を用いて、定位手術部１が制御され得る。マーカーは、トラッキングの目的に応じて、手術ロボットシステム１００の各構成または定位手術に用いられる道具／装置の多様な位置に付着され得る。トラッキング部１３０の構成と動作に関連するさらに具体的な実施例は以後の関連部分で説明する。
【００５４】
制御部１４０は、定位手術部１、撮像部１２０、トラッキング部１３０、ユーザーインターフェース１５０を含む手術ロボットシステム１００の多様な構成要素の動作を制御できる。制御部１４０は、これらの構成要素の制御のための手術計画ソフトウェア及びナビゲーションソフトウェアを含む制御用ソフトウェアを格納及び実行できる。また、制御部１４０は、このようなソフトウェアを実行できるＣＰＵのようなプロセッサを１個以上含み得る。
【００５５】
一実施例によれば、制御部１４０は手術室内に位置して手術ロボットシステム１００を制御できる。他の実施例によれば、制御部１４０は、手術室の外部に位置し、有線または無線ネットワークを介して手術ロボットシステム１００に連結されて手術ロボットシステム１００を制御できる。更に他の実施例によれば、制御部１４０は、その機能が手術ロボットシステム１００の他の構成要素に分散して具現され得る。例えば、トラッキング部１３０を制御できる制御部１４０の機能はトラッキング部１３０内に具現され得、撮像部１２０を制御できる制御部１４０の機能は撮像部１２０内に具現され得る。制御部１４０は、手術室または病院の内部または外部に設けられたデータベースと有線または無線ネットワークで連結されていてもよく、このデータベースから手術に必要なイメージングデータを含む多様なデータを受信することができる。
【００５６】
以下では、手術ロボットシステム１００に含まれる構成のそれぞれに関する具体的な実施例を説明する。
【００５７】
＜定位手術部１＞
図３は、図２の定位手術部１として用いられる、本発明の一実施例による定位手術用の手術ロボット１を示す。本実施例による定位手術用の手術ロボット１は、移動部１０、回転部４０及び手術部位支持部７０を含み、手術台と着脱可能に構成され得る。回転部４０の一端には手術道具５０が備えられてもよく、定位手術用の手術ロボット１が移動部１０及び回転部４０を制御して手術道具５０の位置及び姿勢を調整することができる。本実施例による定位手術用の手術ロボット１は、手術ターゲットの位置に応じて移動部１０を移動させ、手術道具の進入位置または姿勢に応じて回転部４０を回転させることが可能である。移動部１０と回転部４０は、それぞれ独立に制御され得る。
【００５８】
以下、図４及び図５を参照して、回転部４０が回転可能に連結された移動部１０の詳細構成と動作を説明する。一実施例によれば、移動部１０は、回転部４０及び回転部４０の一端に固定された手術道具５０を３つの軸のうち少なくとも１つの軸方向に往復移動するように動作可能であり、これにより、移動部１０は３自由度を有することができる。移動部１０は、第１〜第３線形軸方向１３、１５、１７に沿って移動する第１〜第３方向駆動部１２、１４、１６を含み得る。
【００５９】
本実施例では、例示的に、第１〜第３線形軸方向１３、１５、１７が互いに直交し、それぞれの方向駆動部１２、１４、１６は互いに直交した軸に沿って往復移動できる。更に他の実施例によれば、第１〜第３線形軸方向１３、１５、１７は直交しない任意の方式で配列されてもよい。第１〜第３方向駆動部１２、１４、１６は、例えば、リニアモータ、ボールスクリュなどを含む多様な機械的または電気的駆動手段のうちの１つを用いて具現され得る。本実施例において、移動部１０は、固定部１１を通じて手術部位支持部７０の連結部７２と着脱可能に連結されており、第３駆動部１６には回転部４０が回転可能に連結され得る。
【００６０】
図５を参照して、回転部４０の詳細構成と動作を説明する。回転部４０は、第３方向駆動部１６に連結される第１回転駆動部４２と、第１回転駆動部４２と連結される第２回転駆動部４４とを含み得る。第１及び第２回転駆動部４２、４４は、それぞれ第１及び第２回転軸４３、４５を中心に回転することができる。例えば、第１及び第２回転駆動部４２、４４それぞれはサーボモータ、油圧モータなどを含む多様な機械的または電気的駆動手段の１つを用いて具現され得る。
【００６１】
図示するように、第１及び第２回転駆動部４２、４４は円弧またはこれと類似の形状に設計され得る。このような形状を採用することによって、回転部４０に回転部４０全体を覆うことができる一体型ドレープを装着することができ、衛生的にドレープを設置及び交換することができる。第１及び第２回転駆動部４２、４４の形状は図５に示されたものに限定されず、本発明の手術ロボットシステムが用いられる手術部位または手術方式に応じて、多様な形状に変更され得る。
【００６２】
本実施例の第２回転駆動部４４は、第２回転駆動部４４と連結される手術道具５０、及び手術道具５０を着脱可能に維持できるホルダ４６を含み得る。ホルダ４６は、多様な類型の手術道具が簡易に着脱され得るように構成される。このような構成を有するホルダ４６を設けることによって、医師は手術道具の交換時間を短縮させることによって迅速な手術を行うことができる。
【００６３】
一方、第２回転駆動部４４には、手術道具５０の着脱如何を感知する手術道具感知部５１がさらに備えられてもよい。手術道具感知部５１により手術道具５０の装着が感知されるとき、制御部１４０は移動部１０の各駆動部１２、１４、１６がこれ以上移動せずに固定され得るように制御できる。このような制御部１４０の移動部１０の動作制御によって、手術中に手術ロボットの誤作動、または物理的な衝撃によって移動部が移動することによって発生する致命的な医療事故が防止され、安全な手術が可能である。
【００６４】
本実施例において、第１回転軸４３と第２回転軸４５は互いに直交するように設定され、手術道具５０が第２回転駆動部４４に付着されることによって、手術道具５０の先端が第１回転軸４３と第２回転軸４５が交差する地点に向かう姿勢が維持され得る。従って、第１回転駆動部４２と第２回転駆動部４４が第１回転軸４３と第２回転軸４５を中心にそれぞれ回転しても、第１回転軸４３と第２回転軸４５が交差する地点は一定に維持され、手術道具５０の先端が第１回転軸４３と第２回転軸４５が交差する地点に向かう姿勢が維持され得る。第１回転軸４３と第２回転軸４５が交差する地点が手術ターゲットの位置と一致するように、移動部１０により回転部４０が移動する間に、手術道具５０の先端が手術ターゲットの位置に向かう姿勢を維持するので、手術ターゲットの位置が一定に維持されたままで手術道具５０の進入姿勢が適宜選択され得る。従って、回転部４０が手術道具５０を回転させても、手術ターゲットの位置を一定に維持しながら定位手術用の手術ロボット１の動作が制御され得る。ここで「手術ターゲットの位置」とは、手術ターゲットのある１つの地点またはその地点を含む手術ターゲットが占める３次元的な空間の位置を意味し得る。また、手術ターゲットの「地点」とは、視覚的に一点として識別され得る程度に十分に小さい２次元的または３次元的な領域を意味し得、数学的なまたは物理的な意味の点に限定されるものではない。
【００６５】
以上で説明した構成を有する移動部１０が手術ターゲットの位置に応じて回転部４０を移動させ、回転部４０が手術道具の進入姿勢に応じて手術道具５０を回転させることによって、手術ターゲットの位置と手術道具の姿勢に応じて移動部１０と回転部４０をそれぞれ独立に制御できる。従来は手術道具を制御するために非常に複雑な手術ロボットの動作制御方式が用いられ、手術ターゲットの位置による制御と手術道具の進入姿勢による制御を独立にすることができなかった。しかし、本実施例によれば、移動部１０と回転部４０を手術ターゲットの位置と手術道具の進入姿勢それぞれに応じて独立に制御できるので、手術ロボットと手術道具の制御の精度と効率性が向上する。
【００６６】
本実施例では、回転部４０の第１回転駆動部４２と第３方向駆動部１６の連結部分に、第１回転軸４３を中心に形成された中空４８をさらに含み得る。中空４８の下部には、中空４８を通じて手術部位または他の患部の医療イメージを撮影するための撮影装置が設けられてもよい。このような構成によれば、手術道具の位置に対するキャリブレーション、または手術中に患者の状態を観察するために手術部位などを撮影する場合にも、移動部１０または回転部４０が撮影対象部分を遮ることを防止できる。また、このように、第１回転駆動部４２及び第３方向駆動部１６の連結部分に中空４８を第１回転軸４３方向に形成することによって、定位手術用の手術ロボット１の作動と、Ｃアームを含む多様な医療映像装置の活用を両立することができる。例えば、中空４８は、第１回転駆動部４２と第３方向駆動部１６の連結部分に第１回転軸４３方向に形成された中空型回転ジョイントを用いて具現され得る。
【００６７】
図６を参照して、手術部位支持部７０の詳細な構成と動作を詳細に説明する。患者または手術部位に対する移動部１０及び回転部４０の位置を適宜調節できるように手術部位支持部７０が備えられてもよい。手術部位支持部７０が備えられることによって、手術時に患者がさらに楽な姿勢を取ることができる。本実施例において、手術部位支持部７０は、姿勢調節部７４、７５と、連結部７２及び手術台固定部７８を含む。
【００６８】
連結部７２は、移動部１０と連結可能な連結部材７３を含み得る。連結部材７３は、移動部１０の固定部１１と連結部７２を着脱可能に連結できるように、ボルト及びナット、またはこれを含む多様な機械的な連結手段の１つを用いて具現され得る。連結部材７３は、複数のボルト及びナットを用いて具現され得、このような構成を通じて移動部１０と手術部位支持部７０間の信頼性の高い連結及び固定が可能である。
【００６９】
姿勢調節部７４、７５は、手術部位の角度を調節する角度調節部７５及び手術部位の高さを調節する高さ調節部７４を含み得る。角度調節部７５は、一つの軸を中心に連結部７２と高さ調節部７４との間の角度を調節できる手動または自動機械装置を用いて具現され得る。手動機械装置にはヒンジまたはリンク構造などを含む多様な手動式構造が含まれ得、自動機械装置にはサーボモータまたは油圧シリンダなどの駆動器が含まれ得る。高さ調節部７４は、手術台固定部７８に対して高さ方向に移動可能に連結されることによって、高さ調節部７４に連結された他の構成要素の全体の高さを調節できる。高さ調節部７４はボールスクリュまたはリニアモータなどを含む手動または自動機械装置を用いて具現され得る。
【００７０】
手術台固定部７８は、手術台１１０に手術部位支持部７０全体を固定するように構成され得る。これを通じて、移動部１０と回転部４０を含む定位手術用の手術ロボット１全体が手術台１１０に固定され得る。手術台固定部７８は、手術台１１０と手術台固定部７８の堅固な固定のためのクランピング部７９を含み得る。クランピング部７９は、手術台固定部７８を手術台１１０の一部（例えば、側面に備えられたレール）にクランピングすることにより、手術部位支持部７０全体を手術台１１０に固定できる。本実施例では、例示的に手術台固定部７８がクランピング部７９を採用したが、手術台固定部７８は、ネジ、形態結合など多様な固定器具を用いて手術台１１０に固定され得る。
【００７１】
図７及び８を参照して、手術部位固定部９０の詳細構造及び動作を詳細に説明する。一般に、定位手術装置には患者の手術部位（例えば、患者の頭）を手術道具に対して揺れることなく固定する必要がある。このために、本実施例では、手術部位固定部９０が手術部位固定フレーム９２、９３と手術部位固定ピン９４を含み得る。手術部位固定フレーム９２、９３は、手術部位を固定するための横方向手術部位固定フレーム９２と縦方向手術部位固定フレーム９３で構成され、縦方向手術部位固定フレーム９３の一端には患者の手術部位を精密に固定できる手術部位固定ピン９４が付着されている。本実施例は、例示的に手術部位固定部９０が１つの横方向手術部位固定フレーム９２と４つの縦方向手術部位固定フレーム９３を含んでいるが、横方向手術部位固定フレーム９２と縦方向手術部位固定フレーム９３の数やそれらの間の連結構成は必要に応じて適宜変更され得る。
【００７２】
本実施例の手術部位固定フレーム９２、９３は、撮像部１２０との使用上の両立の可能性を高めるために適切な形態に変更され得る。例えば、患者の頭を手術する場合、患者のイメージを撮影し、そのイメージから患者の目、鼻、眉間、耳等の特徴領域を抽出することによって、患者の手術部位（即ち、頭）の精密な位置を予測及び判断できる。この場合、手術部位固定フレーム９２、９３は、患者の特徴領域の撮影を妨害しないように構成され得る。本実施例では、例えば、患者の鼻部位と干渉しないように横方向手術部位固定フレーム９２の上方の中央部分がくぼんだ形状を有する一方、患者の耳部位を遮らないように縦方向手術部位固定フレーム９３が横方向手術部位固定フレーム９２の最外側と連結され得る。従って、本実施例の横方向手術部位固定フレーム９２及び縦方向手術部位固定フレーム９３は患者の特徴領域を遮ることを防止して、手術中に撮像部１２０による患者の特徴領域の撮影を保障することができる。
【００７３】
手術部位固定フレーム９２、９３及び手術部位固定ピン９４は、例えば、金属のような耐久性と堅固な特性を有する材質で製作され得る。ただし、このような金属性材質を用いる場合、電子制御装備または測定装備のような電気装置と接触する場合、患者を感電させ得る。従って、これを防止するために、電気装置と患者が電気的に接触しないように、絶縁手段が手術部位固定フレーム９２、９３に連結され得る。具体的には、手術部位固定フレーム９２、９３と連結部７２との間に絶縁手段９５が含まれることによって、手術部位固定フレーム９２、９３と連結部７２が電気的に連結されない状態で結合され得る。
【００７４】
本実施例での手術部位固定部９０は連結部７２に着脱可能に連結され得るので、手術の目的に合う形状及び大きさの手術部位固定部９０を選択して簡単に交換することができる。また、手術部位固定部９０が手術部位支持部７０に直接固定され得るので、移動部１０の移動及び回転部４０の回転中にも手術部位固定部９０が安定的に手術部位を固定することができる。
【００７５】
本実施例の定位手術用の手術ロボット１は、制御部１４０を通じて自動的に制御され得る。以下、定位手術用の手術ロボット１の制御方法について詳細に説明する。
【００７６】
制御部１４０は、手術計画による手術部位の位置及び手術道具の進入位置を決定し、決定された位置に応じて移動部１０及び回転部４０が手術道具を移動させるようにする制御信号を出力できる。制御部１４０が出力した制御信号に基づいて、移動部１０は手術ターゲットの位置情報に従って２つの回転軸が交差する地点が手術ターゲットの位置と一致するように、３つの軸のうち少なくとも１つの軸方向に移動する。また、制御部１４０が出力した制御信号に基づいて、回転部４０は手術道具の進入姿勢情報に従って２つの回転軸のうち少なくとも１つの回転軸を中心に手術道具５０を回転させることができる。さらに具体的には、制御部１４０が出力した制御信号に基づいて、移動部１０は、第１線形軸方向に沿って第１方向駆動部を移動させたり、第２線形軸方向に沿って前記第２方向駆動部を移動させたり、第３線形軸方向に沿って前記第３方向駆動部を移動させたりすることができる。また、回転部４０は、制御部１４０の制御信号に基づいて、第１回転軸を中心に第１回転駆動部を回転させたり、第２回転軸を中心に第２回転駆動部を回転させたりすることができる。
【００７７】
このように、手術ターゲットの位置と手術道具の進入姿勢に応じて移動部１０と回転部４０がそれぞれ独立に制御されるので、手術ロボット１の動作制御において誤差の低減が可能であり、誤差が発生してもその誤差の修正に必要な追加の動作制御を簡素化することができる。
【００７８】
また、制御部１４０は、角度調節部７５及び高さ調節部７４が手術部位の角度及び高さのうち少なくとも１つを調節するように制御することができる。
【００７９】
本発明による定位手術用の手術ロボット１が例示的な一実施例を通じて説明されたが、定位手術が適用され得る多様な手術部位（人体の頭、脊椎、関節等）をあまねく包括して適用され得る。
【００８０】
＜トラッキング部１３０＞
トラッキング部１３０は、物体の動きをトラッキングできる装置であり、具体的には、物体の位置及び／又は姿勢を測定できる装置である。トラッキング方法は、特に制限されないが、一般に光学的技術に基盤をおいたオプティカルトラッキング（ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｒａｃｋｉｎｇ）方法または電磁波技術に基盤をおいた電磁波トラッキング（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｒａｃｋｉｎｇ）方法が用いられる。また、多様なトラッキング方法が複合的に用いられることもできる。
【００８１】
トラッキング部１３０が測定する位置は、例えば、直交座標系のＸ、Ｙ、Ｚ軸上での座標のような空間座標として定義され得る。トラッキング部１３０が測定する姿勢は、ロール（ｒｏｌｌ）、ピッチ（ｐｉｔｃｈ）、ヨー（ｙａｗ）のような回転情報として定義され得る。物体の正確なトラッキングのために、このように定義される物体の位置及び姿勢の６自由度（６  Ｄｅｇｒｅｅ  ｏｆ  Ｆｒｅｅｄｏｍ）が測定され得る。
【００８２】
一実施例によれば、トラッキング部１３０は、物体に付着されたマーカーの位置及び／又は姿勢を測定することによって、物体をトラッキングできる。例えば、マーカーを手術道具に付着した後、トラッキング部１３０が手術道具に付着されたマーカーの位置及び／又は姿勢を測定することによって、手術道具がトラッキングされ得る。
【００８３】
一実施例によれば、トラッキング部１３０は、逆反射体（ｒｅｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）をマーカーとして用いてマーカーの位置を測定できる。更に他の実施例によれば、トラッキング対象の位置及び姿勢を同時に測定するために、３個以上の複数のマーカーが付着された構造物がトラッキング対象に付着され得る。この場合、マーカーとして逆反射体が用いられるが、トラッキング部１３０が位置を認識できるマーカーであればいかなる形態のマーカーであっても用いられる。一実施例によれば、トラッキング部１３０を通じて測定された３個以上のマーカー間の幾何学的な位置関係と、予め格納された３個以上のマーカー間の幾何学的な位置関係とを比較して、トラッキング対象の位置及び姿勢が同時に測定され得る。
【００８４】
一方、マーカーを単純化するために、１つのマーカーのみを用いて、マーカーが付着された物体の位置及び姿勢が測定され得る。図９は、本発明の一実施例によって１つのマーカーを用いるオプティカルトラッキング方法で活用され得るマーカー９１０及びトラッキング部１３０を示すブロック図である。マーカー９１０は、パターンが具現された少なくとも１つのパターン部９１１及びパターン部９１１のパターンを拡大して伝送できる第１レンズ９１２を含み得る。トラッキング部１３０は、マーカー９１０から伝送されたパターン部９１１のパターンをイメージとして結像できる第２レンズ１３１及び結像素子１３２を含み得る。一実施例によれば、パターン部９１１のパターンの認識範囲を増やしたりパターンの認識率を高めるためにトラッキング部１３０が２個以上用いられ、１つのトラッキング部１３０内に結像素子１３２が２個以上含まれ得る。
【００８５】
パターン部９１１に形成されるパターンは、マーカー９１０の位置及び姿勢を測定するための情報を提供できる。一実施例によれば、パターン部９１１に形成されるパターンは、複数のパターンが一定の形態と間隔で配列されて形成され得、このようなパターンを結像したイメージを用いて、マーカー９１０の位置及び姿勢が決定され得る。
【００８６】
一実施例によれば、結像素子１３２でパターン部９１１に具現されたパターンの全部または一部を結像すると、制御部１４０は、結像されたイメージにおいてパターンが見える領域の大きさの変化を抽出し、これに基づいてマーカー９１０の位置を決定し得る。具体的には、マーカー９１０の位置が変われば結像されたパターンの大きさが変わるが、このようなパターンの大きさの変化はレンズ１３１の直径及び焦点距離と比較して位置として換算され得る。
【００８７】
更に他の実施例によれば、制御部１４０は２つの結像素子でそれぞれ結像したイメージにおいてパターンの全部または一部が見える領域の位置が異なるという点に基づいた三角法（ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ）を用いて、マーカー９１０の位置を計算することができる。一実施例によれば、制御部１４０は、パターン内の各パターン領域の位置変化に基づいてマーカー９１０の姿勢を決定することができる。一実施例によれば、トラッキング部１３０を制御できる制御部１４０の機能はトラッキング部１３０と一体として形成され得る。
【００８８】
マーカー９１０は、アクティブマーカー（ａｃｔｉｖｅ  ｍａｒｋｅｒ）またはパッシブマーカー（ｐａｓｓｉｖｅ  ｍａｒｋｅｒ）として具現され得る。マーカー９１０がアクティブマーカーの場合には、マーカー９１０は内部に光源を含み得る。従って、マーカー９１０内部の光源はパターン部９１１に光を照射し、照射した光はパターン部９１１に形成されたパターンを透過するかパターンで反射され得る。トラッキング部１３０はパターンを透過するかまたはパターンで反射された光を受信し、パターン部９１１のパターンのイメージを結像できる。制御部１４０は、このように結像されたイメージに基づいてマーカー９１０の位置及び姿勢をトラッキングできる。
【００８９】
マーカー９１０がパッシブマーカーの場合には、マーカー９１０の外部にマーカー９１０に向かって光を照射する光源が配置され得る。従って、マーカー９１０の外部の光源はマーカー９１０に光を照射し、照射された光はパターン部９１１に形成されたパターンを透過するかパターンで反射され得る。トラッキング部１３０は、パターンを透過するかまたはパターンで反射された光を受信し、パターン部９１１のパターンのイメージを結像できる。制御部１４０は、このように結像されたイメージに基づいてマーカー９１０の位置及び姿勢をトラッキングできる。もし手術場所が十分に明るくてマーカー９１０のパターンがトラッキング部１３０で明確に認識され得る場合は、追加の光源なしにマーカー９１０をトラッキングすることもできる。
【００９０】
一実施例によれば、マーカー９１０は、第１レンズ９１２の焦点がパターン部９１１のパターン面に結ばれるように具現され得る。このために、パターン部９１１のパターン面の形状が第１レンズ９１２の焦点が結ばれる面の形状と一致するように具現されるか、または、第１レンズ９１２の焦点がパターン部９１１のパターン面に結ばれるように第１レンズ９１２が設計され得る。
【００９１】
マーカー９１０が、第１レンズ９１２の焦点がパターン部９１１のパターン面に結ばれるように具現され、また、トラッキング部１３０の結像素子１３２が第２レンズ１３１の焦点距離に位置すれば、マーカー９１０とトラッキング部１３０の光学系は無限光学系を形成できる。マーカー９１０とトラッキング部１３０が無限光学系を形成すれば、トラッキング部１３０は無限光学系を通じて拡大されたパターンイメージを結像できる。従って、マーカー９１０がトラッキング部１３０から遠く離れていてもトラッキング部１３０でのパターンの認識率が高くなることができる。
【００９２】
トラッキング部１３０は、第２レンズ１３１を通じて伝達されたパターンを結像素子１３２を用いて結像できる。結像素子１３２は、光を通じて伝達されたイメージ情報を電気的信号に変換する装置であり、代表的には、ＣＭＯＳイメージセンサまたはＣＣＤなどを用いて具現され得る。一実施例によれば、結像素子１３２は、第２レンズ１３１の焦点距離に対応する位置でイメージを結像できる。
【００９３】
＜撮像部１２０＞
撮像部１２０は、手術部位の外部のイメージを示すイメージングデータを生成できる装置である。一実施例によれば、撮像部１２０は、患者１６０の表面イメージを取得したり、手術部位または手術道具の進入位置（またはその周辺）のイメージを示すイメージングデータを生成できる。撮像部１２０は、一般的なカメライメージのような２次元イメージを示すイメージングデータを生成できる装置であってもよいが、定位手術のような精密な手術の進行のために必要な３次元イメージを示すイメージングデータを生成できる装置であってもよい。
【００９４】
一実施例によれば、撮像部１２０は、パターン光などを用いた位相遷移方式に基づいて３次元イメージを示すイメージングデータを生成できる。例えば、一定の形態のパターン光を患者に照射して撮影されたイメージを処理して、３次元イメージを示すイメージングデータが生成され得る。パターン光は、格子パターン光のような照度が正弦波状を有するパターン光であってもよいが、これに限定されない。照射されたパターン光は、患者１６０の表面の屈曲によって患者１６０の表面上での光の強さが変わり得、これから位相データを生成して表面を構成する各点の高さを計算することによって３次元イメージを示すイメージングデータが生成され得る。
【００９５】
一実施例によれば、撮像部１２０は、撮像部１２０内に含まれたイメージ処理部で３次元イメージを示すイメージングデータを生成することができる。更に他の実施例によれば、制御部１４０は撮像部１２０が取得したイメージデータを受信した後、イメージデータを処理して３次元イメージを示すイメージングデータを生成することもできる。
【００９６】
一実施例によれば、撮像部１２０により生成されたイメージングデータは、ユーザーインターフェース１５０を通じて視覚的に表示され得る。更に他の実施例によれば、撮像部１２０により生成されたイメージングデータが示す撮像部イメージと他のイメージとの間のイメージ整合を用いて２つのイメージがオーバーラップすることができ、その結果がユーザーインターフェース１５０を通じて視覚的に表示され得る。例えば、図１０に示すように、撮像部１２０を用いて取得された手術道具の進入位置１０３０の周辺１０５０に対する撮像部イメージと、手術前に予め取得された手術ターゲット１０１０が含まれた手術部位イメージとの間のイメージ整合を用いて、手術部位イメージ上に撮像部イメージがオーバーラップされ得る。
【００９７】
一実施例によれば、イメージ整合は、撮像部イメージと、これと整合する他のイメージに共通に含まれた手術部位の少なくとも一部分を用いて行われ得る。更に他の実施例によれば、同一の基準マーカー（ｆｉｄｕｃｉａｌ  ｍａｒｋｅｒ）を含むように撮像部イメージ及びこれと整合する他のイメージを取得した後、２つのイメージが含まれた基準マーカーを用いてイメージ整合が行われ得る。
【００９８】
＜手術ロボットシステム１００の制御方法＞
一般に、定位手術は、脳のように医師が直接目で確認し難い部位に関する手術である。従って、医師は、ＣＴやＭＲＩイメージのような患者１６０の体内にある手術ターゲットを含む手術部位の３次元イメージまたはこのような３次元イメージの２次元断面イメージを分析して、手術ターゲットを決定でき、手術道具が手術ターゲットに安全に進入できる位置を決定できる。例えば、ユーザーインターフェース１５０を通じて、ＣＴイメージが表示されると、医師はＣＴイメージを検討することによって手術ターゲットの位置及び／又は手術道具の進入位置を決定でき、決定された位置をユーザーインターフェース１５０を通じて入力できる。本発明の定位手術部１は、医師が入力した手術ターゲットの位置及び／又は手術道具の進入位置に基づいて制御され得る。
【００９９】
図１１は、手術部位の３次元イメージに医師が手術ターゲットの位置１１１０及び手術道具の進入位置１１３０を入力した結果を示す。一実施例によれば、医師のような使用者は、ユーザーインターフェース１５０を通じて表示されたイメージにタッチスクリーンなどを用いて手術ターゲットの位置１１１０または手術道具の進入位置１１３０を入力できる。更に他の実施例によれば、使用者は座標値をタイピングして手術ターゲットの位置１１１０または手術道具の進入位置１１３０を入力できる。
【０１００】
以上の通り、手術ターゲットの位置１１１０または手術道具の進入位置１１３０がユーザーインターフェースを通じて入力されると、制御部１４０は入力された手術ターゲットの位置１１１０に基づいて定位手術部１の動作を制御できる。
【０１０１】
一実施例によれば、制御部１４０は、入力された手術ターゲットの位置１１１０に基づいて定位手術部１の移動部１０を３つの軸のうち少なくとも１つの軸方向に移動させることができる。移動部１０には手術道具を回転させる回転部４０が付着され得る。従って、移動部１０の移動によって回転部４０が移動することができる。一実施例によれば、制御部１４０は、手術ターゲットの位置に対応する座標が回転部４０の２つの回転軸の交差点に位置するように、移動部１０を通じて回転部を移動させることができる。
【０１０２】
一実施例によれば、制御部１４０は、使用者により入力された手術ターゲットの位置１１１０及び手術道具の進入位置１１３０に基づいて手術道具の進入姿勢を決定できる。制御部１４０は、手術道具が決定された手術道具の進入姿勢を有するように、手術道具が付着された回転部４０を２つの回転軸のうち少なくとも１つの回転軸を中心に回転させることができる。
【０１０３】
定位手術部１は、定位手術部１の座標系を基準に駆動され得る。ところが、ユーザーインターフェース１５０を通じて入力された手術ターゲットの位置１１１０及び手術道具の進入位置１１３０は、定位手術部１の座標系ではなく、ユーザーインターフェース１５０に表示されたイメージの座標系上の位置である。従って、定位手術部１の座標系を基準に定位手術部１を制御するためには、ユーザーインターフェース１５０に表示されたイメージの座標系を基準に入力された手術ターゲットの位置１１１０と手術道具の進入位置１１３０が定位手術部１の座標系基準の位置に変換されなければならない。
【０１０４】
一実施例によれば、制御部１４０は、手術前に予め撮影されたＣＴやＭＲＩイメージのような３次元イメージを示すイメージングデータ（「第１イメージングデータ」）を受信することができる。第１イメージングデータは、手術ターゲットを含む手術部位に関するイメージングデータであってもよい。第１イメージングデータは、手術前に格納装置１８０に予め格納され得る。制御部１４０は、撮像部１２０を通じて生成された手術部位の外部の３次元イメージを示すイメージングデータ（「第２イメージングデータ」）を受信することができる。制御部１４０は、（ｉ）第１イメージングデータの第１座標系から第２イメージングデータの第２座標系に座標を変換させるための第１座標変換関係を生成でき、（ｉｉ）トラッキング部１３０を用いて撮像部１２０の位置及び姿勢をトラッキングできる。
【０１０５】
制御部１４０は、第１座標変換関係と撮像部１２０の位置及び姿勢を用いて、第１イメージングデータの第１座標系から定位手術部１の第４座標系に座標を変換するための座標変換関係を生成できる。
【０１０６】
以下では、図１２を参照してさらに具体的に説明する。まず、使用者は、ユーザーインターフェース１５０を通じて、手術ターゲットの位置１１１０と手術道具の進入位置１１３０を入力できる。制御部１４０は、使用者が入力した手術ターゲットの位置１１１０及び手術道具の進入位置１１３０を第１イメージングデータの第１座標系１２１０上の座標に変換できる。
【０１０７】
一実施例によれば、第１イメージングデータの第１座標系１２１０上の位置を定位手術部１の第４座標系１２３０上の位置に変換するために、第１イメージングデータの第１座標系１２１０上の座標は、患者マーカー１７４の第３座標系１２２０上の座標、定位手術部１の第４座標系１２３０上の座標の順に変換され得る。このような座標の変換のために、（ｉ）第１イメージングデータの第１座標系１２１０から患者マーカー１７４の第３座標系１２２０に座標を変換させるための第２座標変換関係と、（ｉｉ）患者マーカー１７４の第３座標系１２２０から定位手術部１の第４座標系１２３０に座標を変換させるための第３座標変換関係が取得され得る。ここで、患者マーカー１７４は、患者１６０の手術部位に付着されたマーカーであるか、手術部位に近接して配置されていながら定位手術部１の手術部位固定部９０のように患者１６０と一体としてともに動くことができる対象に付着されたマーカーであってもよい。患者マーカー１７４は、このような対象に少なくとも１つが付着され得る。
【０１０８】
第１イメージングデータの第１座標系１２１０から患者マーカー１７４の第３座標系１２２０に座標を変換する第２座標変換関係は、（ｉ）第１イメージングデータの第１座標系１２１０から第２イメージングデータの第２座標系１２４０に座標を変換させるための第１座標変換関係と、（ｉｉ）トラッキング部１３０を用いて得た撮像部１２０の位置及び姿勢を用いて得ることができる。具体的には、図１３に示すように、第１イメージングデータの第１座標系１２１０上の座標が、第２イメージングデータの第２座標系１２４０上の座標、撮像部１２０の第５座標系１２５０上の座標、患者マーカー１７４の第３座標系１２２０上の座標の順に変換されれば、第１イメージングデータの第１座標系１２１０から患者マーカー１７４の第３座標系１２２０に座標が変換され得る。
【０１０９】
第２イメージングデータは、定位手術が行われる前または定位手術が行われている間に撮像部１２０を用いて生成され得る。一実施例によれば、第１イメージングデータが示す３次元イメージと、第２イメージングデータが示す３次元イメージとの間のイメージ整合を用いて、第１イメージングデータの第１座標系１２１０から第２イメージングデータの第２座標系１２４０に座標を変換させるための第１座標変換関係が生成され得る。第１イメージングデータが示す３次元イメージと、第２イメージングデータが示す３次元イメージとの間のイメージ整合は、両イメージに共通に含まれている手術部位の少なくとも一部分を用いて行われ得る。更に他の実施例によれば、同一の基準マーカーに関するデータを含む第１イメージングデータと第２イメージングデータを取得した後、この基準マーカーを用いてイメージ整合が行われ得る。その他にも周知の多様なイメージ整合方法が第１座標変換関係を生成するのに用いられる。
【０１１０】
一実施例によれば、第２イメージングデータの第２座標系１２４０から撮像部１２０の第５座標系１２５０に座標を変換させるための第４座標変換関係は、（ｉ）撮像部１２０の光学系の基準座標系から撮像部１２０の第５座標系１２５０に座標を変換させるための座標変換関係と、（ｉｉ）第２イメージングデータの第２座標系１２４０から撮像部１２０の光学系の基準座標系に座標を変換させるための座標変換関係を用いて生成され得る。
【０１１１】
撮像部１２０の第５座標系１２５０から患者マーカー１７４の第３座標系１２２０に座標を変換させるための第５座標変換関係は、（ｉ）撮像部１２０の第５座標系１２５０からトラッキング部１３０の座標系に座標を変換させるための座標変換関係と、（ｉｉ）患者マーカー１７４の第３座標系１２２０からトラッキング部１３０の座標系に座標を変換させるための座標変換関係を用いて生成され得る。
【０１１２】
この時、撮像部１２０の第５座標系１２５０からトラッキング部１３０の座標系に座標を変換させるための座標変換関係及び患者マーカー１７４の第３座標系１２２０からトラッキング部１３０の座標系に座標を変換させるための座標変換関係は、トラッキング部１３０を用いて測定した患者マーカー１７４及び撮像部マーカー１７０の位置及び姿勢を用いて生成され得る。
【０１１３】
患者マーカー１７４の第３座標系１２２０から定位手術部１の第４座標系１２３０に座標を変換させるための第３座標変換関係は、（ｉ）定位手術部１の原点に置いたマーカーの位置及び姿勢と、（ｉｉ）患者マーカー１７４の位置及び姿勢を用いて生成され得る。この時、各マーカーの位置及び姿勢はトラッキング部１３０を用いて測定され得る。ここで、定位手術部１の原点は定位手術部１の回転軸の交点と定義され得る。更に他の実施例によれば、第３座標変換関係は、患者マーカー１７４が付着された位置と定位手術部１の原点の位置が一定であるという点を用いた幾何学的演算（運動学的演算）を通じて生成され得る。
【０１１４】
以上の通り、第１イメージングデータの第１座標系１２１０上の座標を患者マーカー１７４の第３座標系１２２０上の座標、定位手術部１の第４座標系１２３０上の座標の順に変換すれば、第１イメージングデータの第１座標系１２１０上の座標で表された手術ターゲットの位置１１１０及び手術道具の進入位置１１３０が定位手術部１の第４座標系１２３０上の座標に変換され得る。一方、患者１６０が動けば、以上のような座標変換関係が変わるので、患者１６０は動かないように固定されなければならず、患者１６０が動けば制御部１４０は上記座標変換関係を再度取得できなければならない。
【０１１５】
一実施例によれば、本発明の定位手術部１は、第１イメージングデータが示す３次元イメージを構成する２次元断面イメージに表示された手術ターゲットの位置及び／又は手術道具の進入位置に基づいて制御され得る。図１４〜１６は、それぞれ手術前に撮影された手術部位の軸平面（ａｘｉａｌ  ｐｌａｎｅ）、矢状面（ｓａｇｉｔｔａｌ  ｐｌａｎｅ）及び冠状面（ｃｏｒｏｎａｌ  ｐｌａｎｅ）上での２次元断面イメージである。制御部１４０は、第１イメージングデータからこのような２次元断面イメージを抽出し、これをユーザーインターフェース１５０を通じて使用者に視覚化できる。
【０１１６】
使用者は、ユーザーインターフェース１５０を通じて視覚化された２次元断面イメージに手術ターゲットの位置１４１０、１４１２及び手術道具の進入位置１４３０、１４３２を表示できる。制御部１４０は、２次元断面イメージの第６座標系１２６０上に表示された手術ターゲットの位置１４１０、１４１２及び／又は手術道具の進入位置１４３０、１４３２を定位手術部１の第４座標系１２３０上の位置に変換した後、変換された手術ターゲットの位置に応じて移動部１０を移動させることができる。また、制御部１４０は、手術道具が、変換された手術ターゲットの位置及び手術道具の進入位置に基づいて決定された手術道具の進入姿勢を有するように、手術道具が付着された回転部４０を回転させることができる。
【０１１７】
図１２に示すように、２次元断面イメージの第６座標系１２６０上に表示された座標を定位手術部１の第４座標系１２３０上の座標に変換するために、２次元断面イメージの第６座標系１２６０上の座標は、（ｉ）第１イメージングデータ上の第１座標系１２１０上の座標、（ｉｉ）患者マーカー１７４の第３座標系１２２０上の座標、（ｉｉｉ）定位手術部１の第４座標系１２３０上の座標の順にそれぞれ変換され得る。
【０１１８】
ところが、第１座標系１２１０から第３座標系に座標を変換させるための第２座標変換関係及び第３座標系から第４座標系に座標を変換させるための第３座標変換関係は、前述した実施例を通じて予め生成され得る。従って、もし使用者がユーザーインターフェース１５０に表示された２次元断面イメージを通じて定位手術部１を制御したい場合は、単に２次元断面イメージの第６座標系１２６０から第１イメージングデータの第１座標系１２１０に座標を変換させるための座標変換関係のみ生成することによって、定位手術部１が制御され得る。
【０１１９】
一実施例によれば、２次元断面イメージは第１イメージングデータから生成され得るので、この生成関係に基づいて２次元断面イメージの第６座標系１２６０から第１イメージングデータの第１座標系１２１０に座標を変換させることができる座標変換関係が生成され得る。
【０１２０】
一方、制御部１４０は、定位手術部１に付着された手術道具を移動及び／又は回転させるに先立ち、手術道具の初期位置及び姿勢を把握する必要がある。一実施例によれば、手術道具の位置及び姿勢を把握するために、定位手術部１の回転部４０のうち、手術道具に近い所に定位手術部マーカー１７２が付着され、トラッキング部１３０により定位手術部マーカー１７２の位置及び姿勢が測定され得る。ただし、定位手術部マーカー１７２の位置及び姿勢は、トラッキング部１３０の座標系上での位置及び姿勢である。従って、制御部１４０は、トラッキング部１３０の座標系上での定位手術部マーカー１７２の位置及び姿勢を定位手術部１の第４座標系１２３０上の位置及び姿勢に変換した後、変換された位置及び姿勢に基づいて手術道具の初期位置及び姿勢を把握できる。
【０１２１】
以上で説明した通り、本発明の定位手術部１の制御は、手術前に撮影されたＣＴやＭＲＩイメージの座標系から撮像部１２０を用いて得た撮像部イメージの座標系に座標を変換させるための座標変換関係（第１座標変換関係）の生成から始まる。この時、この座標変換関係は、この２つのイメージ間のイメージ整合を通じて簡単に生成され得る。ところが、定位手術中に患者１６０が不可避に動いたり、定位手術部１の手術部位固定部９０のような構成が動いて手術部位が動けば、定位手術部１の制御のための条件が全て変更され得る。この場合、制御部１４０は、前述した座標変換関係を再度取得できなければならない。本発明の場合、定位手術中にこのような動きがあっても、撮像部１２０を通じてイメージングデータのみ再度生成すれば、このイメージングデータが示すイメージと、ＣＴやＭＲＩイメージとの間のイメージ整合を用いて、定位手術部１を制御するための座標変換関係が簡単に再度生成され得る。従って、定位手術中に患者１６０などの動きがあっても、短時間内に定位手術が再開されることができる。
【０１２２】
また、従来は、定位手術用の手術ロボットの位置が一定ではなく、手術途中でも動き得るため、手術ロボットの現在の位置を基準に手術ロボットの動作を制御するために手術ロボットの位置を正確に把握できなければならなかった。このために、従来は手術ロボットのベースに追加のマーカーが付着され、これを用いて手術ロボットの位置を把握することができた。しかし、本発明の定位手術部１は手術台１１０に固定されて用いられるので、定位手術部１と手術部位との位置関係を常に一定に維持でき、定位手術部１の位置は変わらない。従って、定位手術部１の制御のための位置を把握する必要がないので、本発明による手術ロボットシステム１００によれば、従来のような追加のマーカーの使用が不要であり、これにより制御のための演算量も減らすことができる。
【０１２３】
図１７は、本発明の一実施例によって、定位手術用の手術ロボットシステムにおいて、手術道具を少なくとも５自由度で移動及び回転させる定位手術部を制御する方法を示すフローチャートである。
【０１２４】
まず、段階Ｓ１７１０で、制御部は手術ターゲットを含む手術部位の３次元イメージを示す第１イメージングデータを受信することができる。例えば、図２を参照すると、制御部１４０は、手術前に撮影された手術部位に関する３次元イメージを示すイメージングデータを格納装置１８０から受信することができる。第１イメージングデータは、ユーザーインターフェース１５０を通じて視覚化されることによって、手術ターゲットの位置及び手術道具の進入位置を判断できる資料として用いられ得る。ユーザーインターフェース１５０を通じて、手術ターゲットの位置及び手術道具の進入位置が入力されると、制御部１４０は、入力された手術ターゲットの位置及び手術道具の進入位置に基づいて定位手術部１を制御できる。
【０１２５】
段階Ｓ１７１０で、制御部１４０が第１イメージングデータを受信した後、段階Ｓ１７２０で、撮像部は手術部位の外部の３次元イメージを示す第２イメージングデータを生成できる。例えば、撮像部１２０は、頭蓋骨を通じて手術道具が進入する位置の３次元イメージを示す第２イメージングデータを生成できる。一実施例によれば、第２イメージングデータは、パターン光などを用いた位相遷移方式により生成され得る。
【０１２６】
段階Ｓ１７１０及びＳ１７２０を通じて第１及び第２イメージングデータが準備された後、段階Ｓ１７３０で、トラッキング部は撮像部、及び手術部位に付着されたり近接して配置された少なくとも１つのマーカーの位置及び姿勢をトラッキングできる。例えば、図２を参照すると、トラッキング部１３０は、撮像部１２０に付着されたマーカー１７０をトラッキングすることにより、撮像部１２０の位置及び姿勢をトラッキングできる。また、トラッキング部１３０は、患者マーカー１７４の位置及び姿勢をトラッキングできる。一方、段階Ｓ１７１０〜Ｓ１７３０は、制御部１４０が定位手術部１の制御のためのデータを取得するための過程であるので、段階の順序は変更されてもよく、各段階が並列的に行われてもよい。
【０１２７】
このように、定位手術部１の制御のためのデータが準備された後、段階Ｓ１７４０で、制御部は第１イメージングデータの第１座標系から第２イメージングデータの第２座標系に座標を変換させるための第１座標変換関係を生成できる。一実施例によれば、制御部１４０が第１座標変換関係を生成する段階は、第１イメージングデータが示す３次元イメージと、第２イメージングデータが示す３次元イメージとの間のイメージ整合を通じて、制御部１４０が第１座標変換関係を生成する段階を含み得る。一実施例によれば、制御部１４０は、第１イメージングデータが示す３次元イメージと第２イメージングデータが示す３次元イメージに共通に含まれた手術部位の少なくとも一部分を用いてイメージ整合を行うことができる。
【０１２８】
段階Ｓ１７４０を通じて第１座標変換関係が生成された後、段階Ｓ１７５０で、制御部は第１座標変換関係と撮像部及び少なくとも１つの患者マーカーの位置及び姿勢を用いて、第１座標系から少なくとも１つのマーカーの第３座標系に座標を変換させるための第２座標変換関係、及び第３座標系から定位手術部の第４座標系に座標を変換させるための第３座標変換関係を生成できる。例えば、図１２を参照すると、制御部１４０は、第１イメージングデータの第１座標系１２１０から患者マーカー１７４の第３座標系１２２０に座標を変換させるための第２座標変換関係、及び患者マーカー１７４の第３座標系１２２０から定位手術部１の第４座標系１２３０に座標を変換させるための第３座標変換関係を生成できる。
【０１２９】
一実施例によれば、制御部１４０は、撮像部１２０の位置及び姿勢に基づいて第２座標変換関係を生成できる。図１８を参照して具体的に詳察すると、段階Ｓ１７５１で、制御部は撮像部の位置及び姿勢に基づいて、第２座標系から撮像部の第５座標系に座標を変換させるための第４座標変換関係、及び第５座標系から第３座標系に座標を変換させるための第５座標変換関係を生成できる。例えば、図１３を参照すると、制御部１４０は、撮像部１２０の位置及び姿勢に基づいて、第２イメージングデータの第２座標系１２４０から撮像部１２０の第５座標系１２５０に座標を変換させるための第４座標変換関係、及び撮像部１２０の第５座標系１２５０から患者マーカー１７４の第３座標系１２２０に座標を変換させるための第５座標変換関係を生成できる。
【０１３０】
一実施例によれば、第４座標変換関係は、（ｉ）撮像部１２０の光学系の基準座標系から撮像部１２０の第５座標系１２５０に座標を変換させるための座標変換関係と、（ｉｉ）第２イメージングデータの第２座標系１２４０から撮像部１２０の光学系の基準座標系に座標を変換させるための座標変換関係を用いて生成され得る。一実施例によれば、第５座標変換関係は、（ｉ）撮像部１２０の第５座標系１２５０からトラッキング部１３０の座標系に座標を変換させるための座標変換関係と、（ｉｉ）患者マーカー１７４の第３座標系１２２０からトラッキング部１３０の座標系に座標を変換させるための座標変換関係を用いて生成され得る。
【０１３１】
第４座標変換関係及び第５座標変換関係が生成されれば、段階Ｓ１７５２で、制御部１４０は、第１座標変換関係、第４座標変換関係及び第５座標変換関係に基づいて、第２座標変換関係を生成できる。一実施例によれば、このような座標変換関係は座標変換マトリックスの形態で表現され得る。従って、第２座標変換関係は、生成された第１座標変換関係を示すマトリックス、第４座標変換関係を示すマトリックス及び第５座標変換関係を示すマトリックスを用いた演算を通じて生成され得る。
【０１３２】
一実施例によれば、第３座標変換関係は、トラッキング部１３０を用いて取得できる（ｉ）定位手術部１の原点に置いたマーカーの位置及び姿勢と、（ｉｉ）少なくとも１つのマーカー（患者マーカー）の位置及び姿勢を用いて生成され得る。更に他の実施例によれば、第３座標変換関係は、患者マーカー１７４が付着された位置と定位手術部１の原点の位置が一定であるという点を用いた幾何学的演算（機構学的演算）を通じて生成され得る。
【０１３３】
このように、第２座標変換関係及び第３座標変換関係が生成された後、段階Ｓ１７６０で、制御部は、第２座標変換関係及び第３座標変換関係を用いて定位手術部を制御できる。具体的には、以下では、図１９を参照して説明する。段階Ｓ１７１０〜Ｓ１７５０を通じて第２座標変換関係及び第３座標変換関係が生成されれば、使用者が手術ターゲットの位置及び手術道具の進入位置を入力できるように、制御部は、段階Ｓ１７６１で、ユーザーインターフェースを通じて、第１イメージングデータを視覚化できる。例えば、図２を参照すると、制御部１４０は、ユーザーインターフェース１５０を通じて、手術ターゲットを含む手術部位の３次元イメージを示す第１イメージングデータを視覚化できる。
【０１３４】
段階Ｓ１７６１を通じて第１イメージングデータが視覚化されると、ユーザーインターフェース１５０を通じて、手術ターゲットの位置及び手術道具の進入位置が入力されて、視覚化されたイメージ上に表示され得る。制御部は、段階Ｓ１７６２で、ユーザーインターフェースを通じて使用者が入力した手術ターゲットの位置及び手術道具の進入位置を第１座標系上の座標に変換できる。例えば、図２を参照すると、制御部１４０は、ユーザーインターフェース１５０を通じて使用者が入力した手術ターゲットの位置及び手術道具の進入位置を第１イメージングデータの第１座標系１２１０上の座標に変換できる。
【０１３５】
このように、ユーザーインターフェース１５０を通じて入力された手術ターゲットの位置及び手術道具の進入位置が第１座標系１２１０上の座標に変換されれば、段階Ｓ１７６３で、制御部は、第２座標変換関係及び第３座標変換関係を用いて、変換された第１座標系上の座標を定位手術部の第４座標系上の座標に変換できる。例えば、図１２を参照すると、制御部１４０は、第２座標変換関係及び第３座標変換関係を用いて、第１イメージングデータの第１座標系１２１０上の手術ターゲットの座標及び手術道具の進入位置の座標を定位手術部１の第４座標系１２３０上の座標に変換できる。
【０１３６】
このように、第１イメージングデータの第１座標系１２１０上の手術ターゲットの座標と手術道具の進入位置の座標が定位手術部１の第４座標系１２３０上の座標に変換された後、段階Ｓ１７６４で、制御部は変換された第４座標系上の座標に基づいて手術道具の進入姿勢を決定できる。例えば、制御部１４０は、手術道具の進入位置から手術ターゲットの位置に手術道具が移動できるように、手術道具の進入姿勢を決定できる。
【０１３７】
その後、段階Ｓ１７６５で、制御部は第４座標系上で手術ターゲットの位置に対応する座標が回転部の２つの回転軸の交差点に位置するように移動部を通じて回転部を移動させることができる。例えば、図４及び５を参照すると、制御部１４０は、定位手術部１の第４座標系１２３０上で、手術ターゲットの位置に対応する座標が回転部４０の２つの回転軸４３、４５の交差点に位置するように、移動部１０を通じて移動部１０に付着された回転部４０を移動させることができる。
【０１３８】
また、制御部は、段階Ｓ１７６６で、手術道具が、決定された手術道具の進入姿勢を有するように回転部を通じて手術道具を回転させることができる。例えば、図５を参照すると、制御部１４０は、手術道具５０が決定された手術道具５０の進入姿勢を有するように、回転部４０を通じて回転部４０に付着された手術道具５０を回転させることができる。このように、本発明において、制御部１４０は移動部１０及び回転部４０をそれぞれ独立に制御できる。
【０１３９】
前記方法は、特定実施例を通じて説明したが、前記方法はまたコンピュータで読み出すことができる記録媒体にコンピュータが読み出すことができるコードとして具現することが可能である。コンピュータが読み出すことができる記録媒体は、コンピュータシステムにより読み込まれ得るデータが格納される全ての種類の記録装置を含む。コンピュータが読み出すことができる記録媒体の例としては、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、フロッピーディスク、光データ格納装置などがあり、また、キャリア波（例えば、インターネットを通じた伝送）の形態に具現されるものも含む。また、コンピュータが読み出すことができる記録媒体はネットワークに連結されたコンピュータシステムに分散して、分散方式でコンピュータが読み出すことができるコードが格納され、実行され得る。そして、前記実施例を具現するための機能的な（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ）プログラム、コード及びコードセグメントは、本発明の属する技術分野のプログラマにより容易に推論され得る。
【０１４０】
本明細書では、本発明を一部実施例と関連して説明したが、本発明の属する技術分野の当業者が理解できる本発明の思想及び範囲を外れない範囲で多様な変形及び変更がなされるという点を理解すべきである。また、そのような変形及び変更は、本明細書に添付の特許請求の範囲内に属すると考えられなければならない。
【符号の説明】
【０１４１】
１：定位手術部
１０：移動部
１１：固定部
１２：第１方向駆動部
１４：第２方向駆動部
１６：第３方向駆動部
４０：回転部
４２：第１回転駆動部
４３：第１回転軸
４４：第２回転駆動部
４５：第２回転軸
４６：ホルダ
５０：手術道具
７０：手術部位支持部
７２：連結部
７３：連結部材
７４：高さ調節部
７５：角度調節部
７８：手術台固定部
７９：クランピング部
９０：手術部位固定部
９２：横方向手術部位固定フレーム
９３：縦方向手術部位固定フレーム
９４：手術部位固定ピン
９５：絶縁手段
１１０：手術台
１２０：撮像部
１３０：トラッキング部
１３１：第２レンズ
１３２：結像素子
１４０：制御部
１５０：ユーザーインターフェース
１７０、１７２、１７４、９１０：マーカー
９１１：パターン面
９１２：第１レンズ
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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