(57)【要約】  複数の追跡可能な目標物を追跡することによりコンピュータ支援の手術中に追跡を検証し、オプションとして当該追跡を補正する方法及び装置である。当該複数の追跡可能な目標物のうちの少なくとも１つは、他の目標物とは独立に位置決めすることが初期に可能である。目標物間の幾何学的関係を、計算して、そして後に検証して、追跡可能な目標物及びそれらの取り付けシステムの不安定性を検出する。
2007535373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
追跡可能な外科目標物の術中安定性を検証する方法であって、手術中に解剖学的構造を動的に追跡するため前記解剖学的構造に結合された追跡可能な目標物を利用するコンピュータ支援外科ナビゲーション・システムと関連して有効である方法において、
初期時間における複数の追跡可能な目標物の初期の３次元位置を獲得するステップと、
前記目標物間の初期の幾何学的関係を、前記の獲得された３次元位置に基づいて、且つ前記幾何学的関係を定義する所定のパラメータを参照することをしないで計算するステップと、
前記初期の幾何学的関係を定義するデータを格納するステップと、
前記複数の追跡可能な目標物の時間的に後の３次元位置を獲得するステップと、
前記目標物間の時間的に後の幾何学的関係を、前記の獲得された時間的に後の３次元位置に基づいて計算するステップと、
前記時間的に後の幾何学的関係を前記初期の幾何学的関係と比較するステップと、
前記初期の幾何学的関係と前記時間的に後の幾何学的関係とが整合しているかどうかを決定するステップと、
ユーザに前記の決定の結果を示す出力を生成して、或る期間中における前記目標物の取り付け位置の安定性又は不安定性を指示するステップと
を備える方法。
【請求項２】
前記の初期の獲得の前に、前記複数の追跡可能な目標物を共通の実質的に変形不能な解剖学的構造体に対して手術中に取り付けることを生じさせるステップを更に備え、
前記追跡可能な目標物の少なくとも１つが、前記追跡可能な目標物の他のものとは独立に取り付け可能である
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記追跡可能な目標物が、着脱可能なクランプにより取り付け可能である請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記追跡可能な目標物が、少なくとも３つの目標物を備える請求項２記載の方法。
【請求項５】
前記幾何学的関係が、多角形の各頂点における追跡可能な目標物により定義された前記多角形を備える請求項４記載の方法。
【請求項６】
剛性の解剖学的構造体を追跡する方法であって、手術のナビゲーションでの使用に適している方法において、
各目標物が前記解剖学的構造体に対して固定された関係にある複数の追跡可能な目標物を共通の解剖学的構造体に取り付けるステップであって、前記追跡可能な目標物の少なくとも１つが、前記複数の追跡可能な目標物の残りのものとは独立に取り付け可能であり、且つ前記追跡可能な目標物間の関係が、取り付け前に定義されていない、前記取り付けるステップと、
前記複数の追跡可能な目標物のそれぞれの位置を位置特定システムを用いて特定して、各前記目標物に対応する初期の組の３次元座標を獲得するステップと、
前記追跡可能な目標物間の初期の幾何学的関係を前記の獲得された３次元座標に基づいて定義するステップと、
前記初期の幾何学的関係を格納するステップと、
前記追跡可能な目標物を時々追跡して、前記目標物に対応する時間的に変化する３次元座標を獲得して、前記目標物の時間的に後の位置を獲得するステップと
を備える方法。
【請求項７】
前記時間的に変化する３次元座標を前記追跡可能な目標物の前記初期の組の３次元座標と比較し、前記時間的に後の位置と前記初期の組の３次元座標との間の関係を、手術ナビゲーションに対する支援として表示するステップを更に備える請求項６記載の方法。
【請求項８】
解剖学的構造体を、取り付けられた追跡可能な目標物を用いて追跡することが可能であるコンピュータ支援型手術追跡システムの位置決めを再確立する方法であって、
解剖学的構造体に固定された複数の追跡可能な目標物間の初期に確立された空間的関係からの偏差を検出するステップと、
前記の初期に確立された空間的関係からの前記偏差の原因となる最も可能性がある個々の目標物の動きを決定するステップと
を備える方法。
【請求項９】
前記の決定された最も可能性がある個々の目標物の動きに基づいて、前記目標物のうちの１つの目標物の位置を再特定して、前記の初期に確立された空間的関係を再確立するステップと、
デジタル・コンピュータからの可視的フィードバックをグラフィック・ディスプレイに与えて、前記目標物のうちの１つの目標物の位置を、前記複数の目標物の他のものとの前記の初期に確立された関係の中で再特定することで手術者を支援するステップと
を更に備える請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記目標物のうちの１つの目標物の位置を再特定する前記ステップが、前記目標物を前記解剖学的構造体に固定するクランプを再調整するステップを備える請求項９記載の方法。
【請求項１１】
偏差を検出する前記ステップが、
前記目標物間の初期の幾何学的関係をそれらの追跡された３次元位置に基づいて計算するステップと、
前記初期の幾何学的関係を定義するデータを格納するステップと、
時々、前記複数の目標物のそれぞれに関して更新された３次元位置を獲得するステップと、
前記目標物間の更新された幾何学的関係をそれらの更新された３次元位置に基づいて計算するステップと、
前記の更新された幾何学的関係を前記初期の幾何学的関係と比較するステップと
を備える請求項９記載の方法。
【請求項１２】
前記初期の幾何学的関係及び前記更新された幾何学的関係が、多角形を定義する特性を備える請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記多角形が三角形から成る請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記目標物間の前記更新された幾何学的関係を格納するステップと、
前記解剖学的構造体を、前記更新された幾何学的関係及び前記の最も可能性のある動きに基づいて、更に追跡して、前記初期の幾何学的関係と前記更新された幾何学的関係との間の変化を明らかにするステップと
を更に備える請求項８記載の方法。
【請求項１５】
偏差を検出する前記ステップが、
前記目標物間の初期の幾何学的関係をそれらの追跡された３次元位置に基づいて計算するステップと、
前記初期の幾何学的関係を定義するデータを格納するステップと、
時々、前記複数の目標物のそれぞれに関する更新された３次元位置を獲得するステップと、
前記目標物間の更新された幾何学的関係をそれらの更新された３次元位置に基づいて計算するステップと、
前記更新された幾何学的関係を前記初期の幾何学的関係と比較するステップと
を備える請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記初期の幾何学的関係及び前記更新された幾何学的関係が、多角形を定義する特性を備える請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記多角形が三角形から成る請求項１６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にコンピュータ支援された手術に関し、より詳細には、骨のような解剖学的構造体に取り付け可能で且つ光学的に追跡可能な目標物により支援された手術ナビゲーションに関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータ支援された追跡システムは、例えば、整形外科手術中に解剖学的構造体を追跡する医療分野でその採用が益々多く見られる。追跡又は位置特定システムと共同した追跡可能な目標物を採用する追跡システムは、既知である。そのようなシステムは、典型的には、光学的追跡を採用し、そしてコンピュータが、患者の大腿骨のような追跡される構造体が手術処置中に操作されるときでさえ、当該追跡される構造物についてナビゲーション情報を直接に獲得することを可能にする。
【０００３】
例えば、米国特許Ｎｏ．５，８２８，７７０は、目的物の空間的位置及び角度的向きをリアルタイムで決定するシステムを記載する。開示されたシステムは、目的物に取り付けるよう適合されているセンサ部及び複数の追跡可能なマーカを有する。複数のマーカは、初期マーカ識別モード後にセンサ部の各サイクル中に同時に活性状態にされ、そしてそのように同時に活性状態にされたマーカにより放出されたエネルギが、遠隔に配置されたセンサにより検出される。そのようなシステムの場合、マーカはそれぞれ、マーカ識別モード中に一義的に識別され、そしてマーカの相対的幾何学位置がアプリオリであるので、マーカは、後続のマーカ追跡モード中に、同時に、活性状態にされ、検出され、そして追跡されることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
いずれのそのような追跡システムは、追跡可能なマーカとそれらが取り付けられる解剖学的構造体に対して関連の構造体との偶発的滑り、移動又は変形により導入される誤差を或る程度受けやすい。そのような移動又は変形は、手術中に検出するのが難しいにも拘わらず、マーカからの追跡情報の精度は、多くの場合、手術処置の成功裏の結果にとって重要である。追跡器の信頼できる固定を検証（及び、好ましくは補正）を行う実際的方法が、希求されている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の問題に鑑み、本発明は、追跡可能な手術目標物の手術中の安定性を検証する方法及び装置を提供する。本方法は、解剖学的構造体に結合された追跡可能な目標物を利用するコンピュータ支援された手術ナビゲーション・システムに関連して有効である。
【０００６】
本発明に従って、位置特定システムが、複数の追跡可能な目標物の初期の３次元位置を獲得する。次いで、コンピュータが、複数の目標物間の初期の幾何学的関係を上記の初期の位置に基づいて計算する。少なくとも１つの後の時間に、位置特定システムは、再度、同じ複数の追跡可能な目標物の位置を特定する３次元位置情報を獲得する。次いで、更新された幾何学的関係が、計算され、そして初期の幾何学的関係と比較される。時間的に後の幾何学的関係が初期の幾何学的関係の非変形の変換と整合しない場合、警告の出力が、外科医に追跡器の滑り又は変形を警告するため与えられる。剛体の平行移動及び／又は回転と整合する追跡器の動きは、警告の出力を生じさせない。
【０００７】
オプションとして、本発明の或る実施形態において、再較正の方法は、目標物を物理的に移動させることによるか、又は好ましくは、最も可能性のありそうな目標物の変位についての冗長な位置情報及び想定に基づいて追跡器の幾何学位置を再計算することによるかのいずれかにより正しい目標物の関係の再確立を可能にする。
【０００８】
本発明のこれら及び特徴及び利点は、添付図面と共に好適な実施形態の以下の詳細な説明から当業者に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、本発明を典型的な手術室環境で実施するのに適したシステム又は装置２０のシステムレベルのブロック図を示す。医師又は他の専門家２２は、関節置換手術（例えば、人工股関節全置換術）を患者２４に実施している。光学的又は等価なロケータ又は位置特定システム２６が、患者２４の近くに配設され、それにより手術視野が、実質的に、ロケータ２６の視野２８内に包含される。適切な光学的ロケータは、商業的に入手可能で、
例えば、Ｎｏｒｔｈｅｒｎ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｉｎｃ．（カナダ、Ｏｎｔａｒｉｏ州Ｗａｔｅｒｌｏｏ在）から入手可能な「Ｐｏｌａｒｉｓ」である。以下でより十分に説明されるように、追跡可能な目標物３０（好ましくは光学的）を手術中に用いる。追跡可能な目標物３０は、ロケータ２６が、以下で説明されるように、ツール及び解剖学的基準点の位置及び向きを獲得することを可能にする。
【００１０】
追跡可能な目標物３０は、任意に、能動的（例えば、発光ダイオード）又は受動的（例えば、反射器）のいずれかであることができるであろう。同様に、目標物が、本発明を逸脱することがなければ有線型又は無線型のいずれでもよい。
【００１１】
位置特定システム２６は、デジタル・コンピュータ３２とインターフェースして、追跡データをそれに出力し、当該デジタル・コンピュータ３２は、光学的追跡データをそれが受け取られるにつれ解釈する。周知の幾何学的関係を用いて、コンピュータは、目標物の実際の位置及び向き（、及び拡張により、マーカに対して既知の関係にあるいずれの計器及び／又は解剖学的特徴の位置及び向き）を上記視野から推論するようプログラムされている。例えば、単一の又は多重の反射球を利用する適切な光学的目標物は、Ｔｒａｘｔａｌ  Ｉｎｃ．（カナダ、Ｏｎｔａｒｉｏ州Ｔｒｏｎｔｏ在）から入手可能である。ＬＥＤのような能動的発光ダイオードを有する目標物がまた、入手可能であり、そして同じように用いることができるであろう。典型的な目標物は、通常、２又はそれより多くの（非共線の）構成要素を含み、これは、ロケータ及びコンピュータが目標物の位置を３次元空間で決定するのを可能にすることに注目されたい。
【００１２】
デジタル・コンピュータ３２がまた、（図３に関連して以下で説明される）本発明の方法の実行を容易にするユーザ・フレンドリのインターフェース（ソフトウエア）を用いてプログラムされることが好ましい。医師又は他の専門家２２が、Ｉ／Ｏデバイス３４を介して、出力を（例えば、ビデオ・モニタで）見て、そして命令をデジタル・コンピュータ３２に入力することができる。なお、Ｉ／Ｏデバイス３４には、視覚的ディスプレイ（モニタ）、キーボード、プリンタ、フット・ペダル、及び通常の「マウス」又は類似のポインティング・デバイスのような他の入力／出力デバイスを含まれるのが適切である。通常のシステム構成要素に加えて、本発明の装置は、位置特定システムにより獲得された生のイメージ・データに基づいて追跡可能な目標物の３次元位置を計算することができるソフトウエア、ハードウエア又はファームウエア構成要素を用いてプログラムされるべきである。
【００１３】
本システムはまた、コンピュータ可読記憶装置（磁気的、光学的、又は他の媒体）のような記録格納装置３６を含み、及び／又は手術及び患者のデータの要約を将来の参照又はメディア・アーカイブのため出力するプリンタを単純に含むことが好ましい。
【００１４】
図２は、追跡可能な目標物３０を解剖学的構造体に取り付ける１つの適切な装置又は１組のデバイスを示す。人間の大腿骨１０１が示されているが、本発明の装置及び方法は、殆ど全ての剛性の実質的に非変形の構造体に対して機能するよう適合されることができるであろう。本発明に従って、（光学的に）追跡可能な目標物の少なくとも１つ、詳細には言うと、目標物１０２は、他の目標物１０４及び１０６とは独立に（、又はこれらとから独立に少なくとも移動可能に）取り付け可能である。クランプ、又は他の移動可能な取り付けデバイス１０８が、示されており、そして本当に、そのような移動可能な取り付けデバイスが好ましい。しかしながら、或る実施形態においては、骨ねじ、ワイヤ、接着剤、又は他の固定材のような他のデバイスを目標物の一部又は全部のため用いることができるであろう。
【００１５】
本発明に従って、取り付け可能な目標物の少なくとも１つが、他の目標物に対して独立に移動可能であり、又は独立の取り付けが可能であり、さもなければ独立に位置決めすることが可能であることが極めて望ましい。即ち、それは、ユーザにより、（他の目標物に対して、）完全には事前に決定又は固定されてない位置及び幾何学的関係で取り付けられることができる。従って、図示の実施形態において、目標物１０２は、クランプ１０８により取り付けられ、そのクランプ１０８は、骨１０１上で様々な位置又は向きに、外科医により選択されたように、位置決めされることができる。クランプ１０８をしっかり締める前に、全体の機構１１０（１０２、１０８及び首部１１２を備える）が、骨の周りで摺動可能及び回転可能である。クランプ機構１０８を締め付けた後で、機構１１０は、骨に対して、少なくとも幾らかの期間固定されるようになる。
【００１６】
他の機構を用いて、少なくとも１つの目標物に対して独立性を与えることができるであろうこと、例えば、目標物は、移動可能な関節、ジョイント、又は摺動可能な又は回転可能で鍵がかかる蝶番を用いて幹状部に取り付けられた反射球を備えることができるであろうことに注目されたい。
【００１７】
２以上の目標物が参照番号１１８のように単一の取り付け機構に任意に取り付けられることが理解される筈である。更に、合計数が少なくとも２、そして好ましくは３又はそれより大きい数であれば、任意の数の合計目標物が、（骨のような）共通の解剖学的構造体に固定され得る。また、本発明によれば、全ての複数の目標物間の関係が従来技術の追跡システムのようにアプリオリに知られて、格納され、又は事前に決定されている必要はないことが重要である。目標物の少なくとも１つ（及びオプションで２以上の目標物）が、外科医により、殆ど任意に（以下で説明される或る一定の最小の制約を受けて）位置決めされることができる。
【００１８】
少なくとも１つの目標物が他の目標物とは独立に位置決めされることが可能であるならば、本発明に従って、目標物の１つ又はそれより多くが、或る実施形態においては、任意に、骨ねじのような固定の不動手段により取り付けられる。各目標物は、任意に、別々のクランプ又は骨ねじに対して取り付けられることができ、又は幾らかの目標物は、クランプ又はねじ取り付けを共用することができるであろう。例えば、図２において、目標物１０２は、骨に固定されることができるであろうし、一方目標物１０４及び１０６は、移動可能なクランプにより取り付けられる。他方、取り付けデバイス１０８が移動可能に取り付けられるならば、目標物１０４及び１０６は、固定された骨ねじに取り付けられることができるであろう。なるほど、目標物の少なくとも１つが他の目標物の位置により予め決定されてない位置に取り付けられるよう適合されていれば、目標物の全てが、別々の骨ねじにより取り付けられることができるであろう。オプションとして、この自由は、少なくとも１つの目標物を他の目標物に対して移動可能である取り付けデバイスに取り付けることにより、（例えば、曲げた後又は調整した後にその形状を保持する能力を有する曲げられる、又は接合された、或いは関節でつながれたステム（ｓｔｅｍ）により）与えられることができる。
【００１９】
図２はまた、反射球１５０を取り付け部材１５２から取り外すことにより分解することができる特定の追跡可能な目標物を部分分解図で示す。この種類の着脱可能の球機構は、或る実施形態において、以下で説明する方法の較正ステップを行うのを容易にする。
【００２０】
参照番号１０８のようなクランプ・デバイスは、本発明の一実施形態において、目標物を骨構造体に手術中に迅速且つ容易に固定することを促進するため好ましい。適切なクランプ・デバイス１０８の一例が、図３に示されている。調整ねじ１６０は、クランプをしっかり締めそして骨に係合することを可能にする。移動可能なジョー（ｊａｗ）１６２及び１６４は、軸Ｘ１及びＸ２の周りに旋回して不規則な骨構造体の係合を容易にする。歯１８４及び１８６は、パーチェス（ｐｕｒｃｈａｓｅ）を骨に固定するのを支援する。取り付け機構１９０が、１又はそれより多くの追跡可能な目標物をクランプに取り付けることを可能にするため設けられている。
【００２１】
クランプ上での変動が異なる解剖学的構造体と一層良好に相互作用するため可能であることが当業者には明らかであろう。図３に示されるクランプは、例えば、大転子における又はその近くの上側大腿骨に取り付けることが適切である。他のクランプが、異なる骨、組織又は肢にさえ嵌合するよう適合させることができる。クランプが本発明の一実施形態においては用いられているが、骨ねじのような他の固定デバイスが、他の実施形態において取って代えられることができるであろう。独立の固定手段は、目標物の少なくとも１つに設けられるべきである。
【００２２】
検証方法
検証方法は、図４に示されるように、全体的ステップを含む。全体的ステップのそれぞれは更に、図４と関係して以下で説明される更に詳細なステップを含む。
【００２３】
予備ステップ２０２として、患者又は被験者は、位置特定システム２６の視野の中に準備又は配置される。次いで、追跡されるべき解剖学的構造体（大部分の場合、大腿骨のような骨）が、追跡可能な目標物の取り付けのため識別され、準備される。
【００２４】
ひとたび解剖学的構造体が準備されると、外科医は、追跡可能な目標物を支持することが可能である１又はそれより多くのクランプ、ねじ、又は他の取り付けデバイスを取り付ける（ステップ２０４）。複数の目標物のうちの少なくとも１つの目標物が、そしてオプションとして２以上の目標物が、他の目標物とは独立に取り付けられ、且つ位置決めされる。目標物の位置は、殆ど任意であるが、次のような或る一定の制約を受ける。即ち、目標物は、位置特定システムの見通しのきく視野の中に配置されるのが最も好ましい筈であり、そしてそれら目標物は、非共線形態に配置されるのが好ましい筈であり、そしてこれら目標物は、ブロークン・シンメトリー（対称性の破れ）を有する形態に配置されるのが好ましい筈である。例えば、３個の目標物の場合、目標物を非二等辺三角形に配置することが最も好ましい。含意により、正三角形は、等辺が二等辺三角形の特別の場合であるので許されない。同様に、４以上の目標物を用いる場合、正方形及び長方形の形態のような対称形状は、これらが位置特定システムに対して曖昧な情報を与えるので避けるべきである。
【００２５】
目標物の配置後又はその間に、目標物は、「較正」ステップ２０６において、位置特定システムにより、好ましくは個々に、識別される。目標物を区別するため、様々な方法を採用することができる。例えば、外科医は、個々の目標物を、コンピュータにキューを与えて、指示された位置を獲得しながら、前に知った又は固定の幾何学形状を有する追跡可能なツールでもって触れることができる。プローブを光学的に追跡する方法が知られていて、その方法では、既知の正確に予め決定された構成で、前に知った幾何学的形状のものに追跡可能な目標物が取り付けられている。ツールの先端の位置を獲得するため、目標物の位置及び向きを特定し、次いでプローブ先端の位置を見つけるため、ツールの前に知った幾何学的形状に基づいて、変換を計算することは、単純な事柄である。代替として、外科医は、コンピュータにキューを与えながら、（例えば、メニュー・プロンプトに応答してフット・ペダルにより）各目標物を逐次にシャドウイング（陰で覆うこと）か又はマスキングすることができる。この処置は、位置特定システム及びコンピュータが光学的入力を個々の目標物と関連付けて、各目標物に対して３次元位置を曖昧さ無しに計算することを可能にする。
【００２６】
「較正」ステップ２０６の間に、イメージング装置（位置特定システム２６の中に含まれる。）が獲得されている目標物に対して固定されたままであることが重要である。（代わって言えば、目標物は、位置合わせ中イメージング装置に対して一時的に静止状態のままにしておかねばならない。）。これは、各目標物の位置合わせが１秒の何分の１で実施されることができるので煩わしい要件ではない。
【００２７】
「較正」ステップの一変形においては、オペレータは、部分的に分解された目標物でもって始める。前の図２に戻って参照すると、或る実施形態においては、追跡可能な目標物は、取り付け部材１５２と係合されることができる脱着可能な反射球を備える。取り付け部材１５２には、指標くぼみ又はディンプルが設けられて、（ひとたび反射球１５０が取り付けられると）反射球１５０の中心となるであろう点を識別することが好ましい。そのような実施形態においては、較正は、追跡可能なプローブを用いて、指標くぼみの位置を逐次に獲得することにより実行される。次いで、反射球は、上記中心が獲得された後で、取り付け部材１５２上に配置される。反射球を取り付け部材１５２に取り付けながら、目標物又は取り付け部材が変形又はずれるのを防止するため警告（注意）が用いられることが好ましい。
【００２８】
図４の方法に戻ると、ひとたび目標物が「獲得」される（位置特定システム及びコンピュータにより識別される）と、コンピュータは、目標物間の初期の幾何学的関係を計算し（ステップ２０８）、そしてこの関係を或る形式で格納する（ステップ２１０）。３つの目標物を採用する一実施形態においては、コンピュータは、その３つの目標物の位置での頂点（Ａ、Ｂ及びＣ）により定義された三角形ＡＢＣを計算する。三角形の関係は、３つの辺として、２つの辺及び１つの角度として、３つの角度及び１つの辺として、又は周知のユークリッド幾何学に従って三角形を一義的に定義するいずれの形式で格納されることができる。
【００２９】
本発明の検証方法に厳密には必要ないが、追跡が、３つの追跡可能な目標物の獲得された位置を用いて、追跡器（ｔｒａｃｋｅｒ）座標システムを定義することが都合良い。これは、次のように行われる。即ち、３つの点Ａ、Ｂ及びＣの位置が与えられたとして、Ａを原点とする。次に、ｘ軸をＡからＣへのベクトルとして定義する（ベクトルＡＣと記す）。次いで、ＡからＢへのベクトルを定義する（ベクトルＡＢと記す）。ｚ軸をＡＣ×ＡＢ（但し、×は外積）として定義する。最後に、ｙ軸をｚ軸とｘ軸との「ベクトル積」（これはまた「外積」と呼ばれる。）として定義する。他の方法が可能である。この段落で与えられた方法は、直交基軸を与え、この直交基軸は、更なる計算（例えば、手術ナビゲーションにおいて）を容易にする。
【００３０】
目標物が獲得されそして初期の関係が格納された後で、外科医は、解剖学的構造体を自由に操作する。操作中に、位置特定システム及びコンピュータは、獲得された３つの目標物を追跡し（ステップ２１２）、そして外科医にＣＲＴ又は他の出力デバイスを介してフィードバックを与えることが好ましい。目標物を追跡することには、追跡可能な目標物の現在位置を特定する光学的追跡データ及びそれらの互いの関係を時々新たにすることが含まれる。更なる情報が与えられない場合、３つの目標物を追跡することは必ずしも解剖学的構造体の位置を一義的に特定するわけではないことに注目されたい。３つの目標物と解剖学的構造体との関係がコンピュータに入力される場合、解剖学的構造体の位置は、目標物の位置と、目標物及び解剖学的構造体の関係とに基づいて推論されることができる。或る実施形態においては、光学的に、解剖学的ランドマークの位置が、追跡可能なプローブ又はイメージェリー（ｉｍａｇｅｒｙ）のような他の手段により入力されることができるであろう。ひとたびランドマークの位置が入力されると、それは、目標物を追跡し、次いで（ランドマークと目標物との間の剛性関係を仮定して、）目標物とランドマーク間のベクトルを補正することにより間接的に追跡されることができる。しかしながら、解剖学的アンドマークのこの追跡は、本発明の全ての実施形態において必要不可欠なわけではない。或る実施形態においては、目標物のみが追跡される。そのような実施形態においては、（位置データに関して）目標物の初期の位置と時間的に後の位置との関係が、ナビゲーション及び検証の両方にとって極めて有効である。
【００３１】
最初に、３つの目標物の回転位置は、外科医が骨又は肢を既知の基準位置及び／又は向き（例えば、「中立」の脚位置）に戻すことを可能にすることができるので有効である。それはまた、外科医が構造体を所望の基準の向きに対して平行に保ちながら当該構造体を移動させるのを支援することができる。
【００３２】
相対情報は、それが初期の位置と時間的に後の位置を比較することができるので、追跡にとって更に有効である。例えば、初期の脚長さ又は大腿オフセットは、時間的に後の追跡された脚長さ又はオフセットと直接比較されて、脚長さ又はオフセットの手術での変化を決定することができる。
【００３３】
特定の例、即ち、共通の股関節置換手順を考えてみる。患者について準備した後で、しかし股関節の関節をはずす前に、外科医は、上記で説明したように追跡可能な目標物を取り付ける。手術中に、位置特定システムは、大腿骨を追跡し続ける。脚長さ又はオフセットの変化（望ましいか又は望ましくないかのいずれでも）を検査するため、関節の整復後に、外科医は、大腿骨の向きに関するフィードバックのためＣＲＴを観察しながら、大腿骨を操作する。コンピュータは、全ての必要な追跡器が見えることができるとき、外科医にＣＲＴを介して知らせ、そして現在の脚の位置を格納された基準位置（例えば、骨盤に対する前に定義された関係を有する格納された基準位置）と比較して視覚的フィードバックを与えることができる。追跡器の向きは、回転方向を定義し、その回転方向に依拠して、大腿骨を基準位置に再び向けさせることができる。更に、大腿骨の目標物の追跡された位置は、脚長さ又はオフセットの変化の計算を可能にする。
【００３４】
最後に、ナビゲーション中に又はその後に、本発明の方法は、検証のステップ（２１４）を含む。追跡及び検証ステップ２１２及び２１４は、追跡の安定性のほぼ連続の検証を与えるため、頻繁に、短時間の間隔で実行されるのが最も好ましい筈である。そのようなほぼ連続で刻々の（ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｔｉｍｅ）検証は、リアルタイムの連続的検証の印象を与え、従って処置中に追跡に関する安全な検査を与える。代替として、追跡及び検証ステップ（２１２及び２１４）は、１又はそれより多くの離散的時間で、ソフトウエア制御、ハードウエア制御、又はオペレータの思慮で実行することができるであろう。そのような変形は、安全の非常に大きい印象を与えるばかりでなく、或る応用では適切である場合がある。
【００３５】
ステップ２１４において、コンピュータは、追跡可能な目標物間の幾何学的関係を検査し、それらを格納された初期の関係と比較する。追跡可能な目標物がずれなかった場合、又は装置が処置中に変形しなかった場合、追跡可能な目標物により定義された相対的幾何学的配置が実質的に一定（誤差の許容可能なマージン内にある）ままである筈である。誤差の許容可能なマージンは、処置に先立ってユーザにより定義されることができるであろう。一例のみとして、従来の目標物幾何学的配置を用いた或る一定の股関節置換手術では、いずれの所与の目標物球に対して２ミリメートルの動きの誤差マージンが、典型的には、許容可能であろう。許容可能なマージンより大きいいずれの偏差は、不一致を知らせるため外科医又は他のオペレータに対して出力する（「警告する」）よう促す。これは、問題が処置中に生じたことを指示する。次いで、外科医は、処置を変更すべきか又は繰り返すべきか、又は処置の正確さを他の独立した手段により検査すべきか、又は追跡可能な目標物と解剖学的構造体との正しい関係を再確立すべきかどうかの判断を預けられる。
【００３６】
或る実施形態においては、オプションの「再較正」のステップ（ステップ２１６）が、本発明により促進される。ひとたびオペレータが警告に基づいて、目標物がずれたこと、又は他の不安定性が発生したことを決定すると、オペレータは、「追跡器を再較正する」モードを選択するオプションを有する。このモードにおいて、コンピュータは、ソフトウエアにより制御されて、オペレータが正しい目標物位置を再確立することを支援する。目標物の唯一つが移動したという仮定（最もありそうなシナリオでは、独立の目標物として）にも基づいて、オペレータは、誤っている目標物を正しい位置／向きに戻すよう操作しようと試みる。コンピュータは、ＣＲＴディスプレイ又は他の出力デバイスを介して視覚的フィードバックを与えて、目標物の再位置決めを容易にする。ひとたび目標物が（誤差の許容可能なマージン内に）再位置決めされると、ソフトウエアは、追跡を（時々刻々の検証でもって）前のように再開する。
【００３７】
「再較正」の代替方法においては、位置特定システム及びコンピュータは、目標物を物理的に移動させること無しに、目標物間の補正され更新された幾何学的関係を単純に獲得し、格納する。この代替方法の使用可能性は、例えば、４つ以上の目標物の使用により、冗長な追跡情報の使用可能性に依存する。「再較正」ステップの更なる詳細は、図６と関連して以下で説明される。一般的に、「再較正」ステップは、最初に確立された関係からの偏差の原因となる最もありそうな個々の目標物の移動を決定することを含む。最もありそうな目標物の移動を決定した後で、コンピュータは、目標物間の新しい幾何学的関係を目標物の新しい位置に基づいて再計算することができ、次いでその幾何学的関係が、将来の誤差検出のための基準の関係となる。
【００３８】
この検証方法の信頼性は、追跡可能な目標物の少なくとも１つの目標物の独立性に依拠する。検証ステップが目標物の単なる相対位置（互いに対して）を検査するので、共同した、即ち、あたかも剛性の変形不能なフレームワークに取り付けられているかのような目標物のいずれの運動は、目標物が取り付けられている解剖学的構造体の平行移動又は回転から区別ができないであろう。しかしながら、独立に取り付け可能な目標物を用いて、共同した正確な運動は、可能性を無視し得る程起こりそうにもない。むしろ、誤差が生じることになる場合、それは、唯１つの目標物（又は、最悪の場合、２つの目標物が異なる方向に異なる量だけ）のずれを最も含みそうである。そのような誤差は、目標物の相対位置の顕著な変化を起こし、それは、検証ステップ中に検出される。
【００３９】
検証後に、目標物を取り除くことができ、そして処置は、良好な医療行為に従って完了される。
説明した方法は、目標物が処置中いつでも取り付けデバイス（クランプ又は他のもの）にしっかりと取り付けられている状態のままであることを要求しているように見えるであろうが、しかしそのような固定は、必ずしも厳密な要件ではない。或る実施形態においては、取り付け手段には、解除可能なカップリングを設けることができて、目標物をそれらの取り付け手段から一時的に取り外すことを可能にする。そのような解除可能なカップリングは、例えば、目標構造体の骨クランプと茎部分との間に設けることができる。そのような解除可能なカップリングが骨に対する目標物の元の位置及び向きを予測可能に再確立して、予測可能で反復可能の要領で再係合するよう適合されているのであれば、当該解除可能なカップリングは、依然、目標物間の検証可能な関係の再確立を可能にする。そのような実施形態はまた、本発明の範囲内である。或るケースにおいては、解除可能なカップリングは、外科医が、目標物アレイから一時的に邪魔されずに、不自然な操作を実行しないですむことを可能にする。
【００４０】
従来の追跡器と比較して、本発明は特定且つ所定の目標物の幾何学的配置を要求しないので、本発明は、追跡可能な目標物を配置する点でより大きい柔軟性を提供する。これは、オペレータが目標物を（上記で特定した或る一定の制約を条件として）オペレータが都合良いように位置決めすることを可能にする。オペレータは、位置特定システムの位置の選定にも拘わらず、目標物をロケータに向けて配設することができる。従って、視野角は、使用可能な目標物及びクランプの幾何学的形状により制約されない。オペレータはまた、手術用器具又は解剖学的構造体、又は特定の外科医の操作パターンを妨害しないであろう目標物位置を選定する自由を有する。単純な例として、多くの外科医が左利きであり、そして右利きの外科医と比較して異なる器具及び追跡器位置を好むことを考えて見る。本発明の追跡及び検証方法の場合、異なる追跡可能な目標物は、左利きの外科医に適応させることを要求しない。
【００４１】
より重要なことには、本発明の方法及び装置は、追跡可能な目標物がずれた又は曲がったとき、警告又は他の指示を与えることにより手術ナビゲーションでのエラーを防止する。従来の追跡システムは、個々の目標物が互いに剛性で所定の関係である目標物システムに依拠していた。１つの目標物がずれた場合、従来技術のシステムでは、全ての関連した目標物が、確実に共同してずれたであろう。従って、そのようなシステムは、目標物の取り付け手段の故意でないずれ又は変形を検出する手段を提供しなかった。
【００４２】
計算
位置合わせ（ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）及び／又は検証に関係する数学的方法は、比較的単純明瞭である。特定の実施形態において、位置合わせは、本質的に、３つの追跡可能な目標物により一義的に定義された三角形を計算することを備える。なお、それら３つの追跡可能な目標物の少なくとも１つは、追跡される解剖学的構造体に独立に取り付けられている。
【００４３】
ひとたび頂点が定義されると、それらを単純な構成規則に従って用いて、（追跡される構造体に関連した）局所座標系を定義することができる。
本明細書で説明される方法が複数の追跡器の位置を特定する３次元座標情報を必要とすることを理解すべきである。そのような情報は、例えば、反射球を立体的な光学的ローカライザを用いて追跡することにより導出することができる。そのような方法は、既知である。個々の目標物を追跡するためのハードウエア及びソフトウエアが、例えば、Ｎｏｒｔｈｅｒｎ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｉｎｃ．（カナダ、オンタリオ州在）から入手可能である。個々の目標物（能動的又は受動的）のそれぞれの３次元位置は、本明細書で説明される計算における入力とみなされるであろう。
【００４４】
非二等辺三角形を定義する３つの目標物を含む単純な幾何学的形状についての計算を説明する。４つ以上の目標物を、幾らかの追加の複雑さを顧みずに用いることができる。本方法を４以上の追跡器に拡張する１つの方法は、目標物の３つ組の組み合わせのそれぞれに対して１つの三角形あてで、複数の三角形を定義することである。そのような三角形の少なくとも１つは、この開示で説明される方法により処理することができる。
【００４５】
ここで図５を参照すると、三角形は、３つの頂点Ａ、Ｂ及びＣ（３つの目標物の追跡される位置に対応する）により定義される。各頂点は、３つの空間で３つの所与の座標、従って、Ａ（ｘ１，ｙ１，ｚ１）、Ｂ（ｘ２，ｙ２，ｚ２）等々を有する。ベクトルＡＢ、ＢＣ及びＣＡは、ベクトル減算により容易に計算される。
【００４６】
これは、ＢＣとＣＡの角度及びＣＡとＡＢの角度の計算を対応の式により可能にする。ベクトルＡＢ、ＢＣ及びＣＡのそれぞれの大きさ（長さ）はまた、そのベクトル自体の内積の平方根を取ることにより容易に計算される。
【００４７】
これらの関係は、三角形ＡＢＣを定義するパラメータの計算を可能にする。角度及び辺の長さの両方は、周知の幾何学的原理により計算されることができる。辺の長さ及び辺同士間の角度の完全な組は、三角形ＡＢＣの特徴を一義的に記述するのに十分過ぎるものである。実際には、三角形の特徴を一義的に記述するこれらのパラメータの唯１つのサブセットを格納することで十分である。（例えば、全ての３辺の長さ及び順列的順序、又は２つの角度及びそれに囲まれた１辺）。
【００４８】
初期の位置合わせステップ中に、三角形ＡＢＣの特徴を一義的に記述するパラメータが、計算され、格納される。
図５はまた、破線で、目標物、例えば、Ａが手術中に位置Ａ′へシフトした場合に結果として生じるマーカＡＢＣのあり得るシフトされた形状を示す。そのようなシフトは、例えば、目標物Ａと関連した取り付けデバイスが処置中にずれた場合、又は目標物Ａを取り付けているステムが意図せずに変形された（曲げられた）場合に起こるであろう。
【００４９】
検証段階での再計算は、三角形ＡＢＣと関連した格納されたパラメータと比較すると、角度の少なくとも１つに対して、又は三角形Ａ′ＢＣの辺の長さの少なくとも２つに対して異なる値を明らかに生成するであろう。パラメータのこの変化は、外科医又は他のオペレータに対して警告（例えば、「追跡器エラー」のようなこと）を出力するためのベースを提供する。
【００５０】
上記の計算の方法は、単純であるが、しかし同様に採用されることができるであろう計算方法の可能性を使い果たしてはいない。検出されねばならない重大な結果は、追跡器の後の時間における位置が変形変換により元の位置から相違するかどうかである。目標物の時間的に後の位置特定が元の位置決めから単なる平行移動及び／又は回転だけ異なる場合、そのような変換は、剛性の本体（目標物、取り付けデバイス及び解剖学的構造体から成る）の非変形な動きと整合している。
【００５１】
オプションとして、リアルタイムの位置を初期の又は格納された位置及び向きに関連付ける視覚的フィードバックを外科医に与えるため、追加の出力を与えることができる。例えば、「爆撃照準器」又は十字線目標物は、大腿骨を初期の位置又は向き（例えば、「生来の脚の位置」）に戻すのを支援するために有効であることができる。
【００５２】
本発明の特定の実施形態において、本方法は、患者の大腿骨を股関節置換手術中に追跡するため適用される。図４と関連して上記で説明したように、股関節置換手術中に、複数の追跡可能な目標物（例えば、反射球又はアクティブなＬＥＤのようなもの）が、クランプ・デバイス又は他の固定デバイスを介して、好ましくは股関節の脱臼の前に患者の大腿骨に取り付けられる。複数の目標物の少なくとも１つの目標物が、そして好ましくは、２以上の目標物が、独立に（個々のクランプ・デバイスを介して）取り付けられ、そして外科医にとって都合良いように位置決めされる。目標物は、従来のナビゲーション・システムにおけるように、所定の一義的幾何学的形状に従って取り付けられる必要がない。従って、生来の股関節位置が獲得される。この方法においては、追加の追跡可能な目標物が、骨盤を独立に追跡するため用いられることが好ましい。これは、大腿骨の位置を骨盤と剛性的に関連した座標系に動的に変換するのを可能にする。目標物は、股関節置換中にナビゲーションのため用いられ、好ましくは外科医が骨盤に対する大腿骨の関係をモニタリングすることを可能にして、リアルタイムの位置を元の「生来の」位置と関連付ける。
【００５３】
手術の操作中（又は整復後にさえ）、検証ステップ（上記で説明した）は、外科医が目標物がずれも変形もしていないことを手術中に検証するのを可能にし、その手術は、多くの場合、目標物を曲げ又は移動させることができる強制的操作を必要としていた。検証は、時々、それが連続的であるように見えるように頻繁に実行されることが好ましい。初期の追跡器の幾何学的配置からのいずれの偏差がある場合、警告が、作動されて、エラーを外科医に通信する。３つ又はそれより多くの目標物が意図せずに平行に、大腿骨に対して同じ変位だけ移動されるであろう機会は、非常に僅かである。従って、本発明の方法は、追加の追跡器の要求、骨のマーキング、又は放射線写真法の像なしで、追跡の正確さを容易に検査することを提供する。
【００５４】
図６は、適正な追跡器位置を再確立するステップ（全ての実施形態に見られるわけではない「再較正」）に関係する典型的な幾何学的形状を示す。関係する実際の幾何学的形状は、追跡器の数及びそれらの相対位置に非常に依存するであろう。従って、図６は、可能性を使い果たしてはいない単なる一例を示す。３つの追跡可能な目標物Ａ、Ｂ及びＣが与えられるとすると、説明のため、目標物Ｃが、（例えば、その取り付けクランプが骨の上を滑ったため）意図しないで移動されたと仮定する。検証方法は、エラーを、上記で説明した計算及び方法により検出する。格納された幾何学的関係の故に、目標物Ｃの正しい位置は、点Ａから距離ＡＣである点にあることが分かる。更に、それは、点Ｃから距離ＢＣにあることが分かる。しかしながら、位置特定システム及びコンピュータは、解剖学的構造体（例えば、目標物が取り付けられている骨のようなもの）の正確な向きを必ずしも知らないので、更なる制約を考慮すること無しにはＣが再配置される適正な点を計算することができない。しかしながら、Ｃの適正な位置が、Ａ及びＢに中心を且つ半径ＡＣ及びＢＣをそれぞれ有する球３０２及び３０４の交差部分にあることを計算することができる。これらの球の交差部分は、最も一般的には、円３０６（又は特別な場合には、点）を定義する。
【００５５】
円上の点を見つけるため、追加の制約を考慮しなければならない。或る場合には、４以上の目標物（冗長な目標物）を用いて、（点３０８を見つけるため）適正な再較正位置を更に定義することができる。別の方法（これはまた本発明の範囲内である）においては、取り付け装置の幾何学により課される更なる制約を利用することができる。例えば、図２に示されるクランプ、及び固定長の剛性ステムを用いる場合、取り付けは、骨の周りで滑らせ及び回転させることのみに制約される。クランプの摺動及び回転は、円３０６上のせいぜい２点のみを達成することができる。更に、小さい動きが大きい動き（滑り量（ずれ量））より多くありそうであることを仮定することにより、制約を課すことができる。
【００５６】
代替方法を用いて、許容し得る再較正位置に制約を加え、それにより追跡関係の正確な再確立を容易にすることができる。例えば、骨は、ほぼ既知の元の位置に戻すことができる。従って、コンピュータは、外科医が３つ（又はそれより多くの）全ての目標物を元の位置及び向きに対して出来るだけ近くに戻すのを支援するため視覚的案内ツールを提供する。この方法は、所望の追跡器位置についての曖昧さを低減したままの状態で、骨の極端な回転又は再向き変えの可能性を取り除くことにより機能するであろう。
【００５７】
本発明の幾つかの例示的実施形態が示され説明されたが、多数の変形及び代替実施形態が、当業者に見いだされるであろう。そのような変形及び代替実施形態は、意図されており、そして添付の特許請求の範囲の趣旨及び範囲から逸脱することなしに行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】図１は、本発明が動作する典型的な環境であって、患者及び位置特定システムを含む環境のブロック図である。
【図２】図２は、本発明に従って、人間の骨に取り付けられた追跡可能な目標物及び取り付け装置の一例を示す部分的に分解組み立て斜視図である。
【図３】図３は、追跡可能な目標物を骨に取り付けるのに適した１つのクランプの斜視図である。
【図４】図４は、本発明に従って、手術中に目標物の信頼できる固定を検証する手順のステップを示すフロー図である。
【図５】図５は、本発明に従った追跡可能な目標物により定義される２次元図を、目標物取り付け機構の滑り又は変形後に形成されるであろう仮定の代替図（破線）と共に表す。
【図６】図６は、滑りが生じた後で目標物の正しい位置を再確立することに関係している幾何学的関係を示すため視覚化された想像上の球を有する３つの追跡器の斜視図である。
【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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【国際調査報告】
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