(57)【要約】【課題】  髄内釘を埋め込むための医療器具を提供すること。【解決手段】  大腿骨髄内釘を安定化させるためのねじを配置するためのジグは、シェルと、シェル上に移動自在に取り付けられ、かつ、上面に固着された複数の放射線不透過性マーカーを有する、ドリルガイド組立体と、磁場発生器と、磁場発生器により生成される磁場に応答する、複数の磁気位置センサとを含む。位置プロセッサは、これに通信された信号に基づいて磁気位置センサの位置情報を計算するように動作可能である。この位置情報は、解剖学的画像と位置を合わせて配置され、これによってドリルガイド組立体を、大腿骨髄内釘内の横穴に揃えることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の肢部に適合するシェルと、
該シェル上に移動自在に取り付けられ、かつ、上面に固着された複数の放射線不透過性マーカーを有する、ドリルガイド組立体と、
磁場発生器と、
該磁場発生器により生成される磁場に応答する、複数の磁気位置センサであって、該磁気位置センサの位置情報を計算するように動作可能である位置プロセッサに連結されている、複数の磁気位置センサと、
を含む、装置。
【請求項２】
前記位置プロセッサが、Ｘ線画像と位置を合わせて前記位置情報を配置するよう動作可能である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記位置プロセッサが前記シェル上に配設されている、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記位置プロセッサが前記磁場発生器を駆動させるための回路を更に含む、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記シェル及び前記ドリルガイド組立体が放射線透過性である、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
３つの磁気位置センサが存在する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
５つの磁気位置センサが存在する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記ドリルガイド組立体が、中を貫通して形成され、かつドリルビットを受け入れるように寸法決めされた穴を有するボールジョイントを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記磁気位置センサのうち１つが、前記ボールジョイント上に配設されている、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記シェルに取り付けられた第１のフランジ及び第２のフランジと、
該第１のフランジと該第２のフランジとの間に延在するレールとを更に含み、前記ドリルガイド組立体が、前記レール上に取り付けられ、かつ該レール上で移動可能である、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記磁気位置センサが、前記位置プロセッサと無線で位置信号を通信する、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
患者の肢部に適合するシェル、該シェル上に移動自在に取り付けられ、かつ、上面に固着された複数の放射線不透過性マーカーを有するドリルガイド組立体を提供することと、
磁場を発生させることと、
複数の磁気位置センサを使用して該磁場を検出することと、
信号を、該磁気位置センサから位置プロセッサへと送信することと、
該信号に応答して、該位置プロセッサを用いて、該磁気位置センサの位置情報を計算することと、
を含む、方法。
【請求項１３】
前記放射線不透過性マーカーを用いて、Ｘ線画像と位置を合わせて前記位置情報を配置することを更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記位置プロセッサが前記シェル上に配設されている、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記位置プロセッサ内の回路で前記磁場を発生させることを更に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記シェル及び前記ドリルガイド組立体が放射線透過性である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記ドリルガイド組立体が、中を貫通して形成され、かつ、ドリルビットを受け入れるように寸法決めされた穴を有するボールジョイントを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記磁気位置センサのうち１つが、前記ボールジョイント上に配設されている、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記シェルが、
前記シェルに取り付けられた第１のフランジ及び第２のフランジと、
該第１のフランジと該第２のフランジとの間に延在するレールとを含み、前記ドリルガイド組立体が該レール上に取り付けられ、前記方法が、該レール上で該ドリルガイド組立体を並進運動させることを更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
前記磁気位置センサから前記位置プロセッサへと位置信号を無線通信することを更に含む、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（著作権表示）
本特許文献の開示の一部には、著作権保護の対象となる資料が含まれる。著作権者は、特許文献又は特許情報開示のうちの任意のものによる複製に対して、それが特許商標庁特許出願又は記録において明らかであるとき、異議を唱えないが、そうでなければ、たとえ何であっても全ての著作権を保有する。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、整形外科用装具に関する。より具体的には、本発明は、データ処理装置を使用して髄内釘を埋め込むための医療器具に関する。
【背景技術】
【０００３】
長骨における髄内釘の位置決めは、位置合わせの後に釘を所定位置に係止しなければならないため、複雑な工程である。この係止は、骨を貫通して釘にあらかじめ形成された穴にまで穿設することによって、釘の近位端及び遠位端において釘に直交するねじを取り付けることにより行われる。典型的には、近位端は患者の体表により近く、近位孔の位置は容易に推定することができるため、近位端についてはねじの取り付けは問題にならない。しかしながら、釘は骨に挿入されたときに屈曲することがあるため、遠位孔の位置は問題となる。この位置は、位置合わせ及び深さの両方について、ねじのための穿設された穴を操作者に適切に知らせるために、把握されていなければならない。
【０００４】
米国特許出願公開第２０１０／０２７４２５６号の開示などの従来技術の方法は、遠位穴の位置を特定することができるように、ランドマーク又はビーコンを釘内に配置する必要がある。ただし、これは状況を複雑にする。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
開示される本発明の実施形態によれば、ジグを使用して釘が挿入される。このジグは、電磁センサを有するプレートと、プレートに取り付けられたＸ線基準要素とを備える。電磁センサの位置は、磁場発生器を含む位置処理システムに把握される。ジグは更にドリルガイドを有する。このＸ線基準要素により、直交する２つのＸ線画像が撮影されるとき、ジグのドリルガイドを参照して、遠位端釘孔の位置を特定することが可能になる。ジグ上の電磁センサの読み取り値から算出される位置情報により、ジグを位置処理システムに位置合わせすることが可能となる。
【０００６】
ジグは、ドリルガイドが遠位端孔と揃うように、蛍光透視下で動かされる。ジグは釘の蛍光透視画像と位置合わせされているので、遠位釘孔の位置も、磁場発生器システムの座標で把握される。その後、蛍光透視装置のスイッチをオフにすることができる。次に、位置処理システムで監視しながら、電磁センサが取り付けられたドリルを適切な深さまで前進させることができる。位置処理システムによってドリル上のセンサから読み取られた情報によって、ドリルのドリルビットが貫通する深さを測定することが可能になる。
【０００７】
本発明の実施形態により、患者の肢部に適合するシェルと、シェル上に移動自在に取り付けられ、かつ、シェルの表面に固着された複数の放射線不透過性マーカーを有する、ドリルガイド組立体と、磁場発生器と、磁場発生器により生成される磁場に応答する、複数の磁気位置センサと、が提供される。位置プロセッサは、位置プロセッサに通信された信号に基づいて磁気位置センサの位置情報を計算するように動作可能である。放射線不透過性マーカーを用いて、位置情報が解剖学的画像に位置合わせされる。
【０００８】
本装置の更なる一態様によれば、位置プロセッサはシェル上に配設される。
【０００９】
本装置の別の一態様によれば、位置プロセッサは磁場発生器を駆動するための回路も含む。
【００１０】
本装置の一態様によれば、シェル及びドリルガイド組立体は、放射線透過性である。
【００１１】
本装置の更なる一態様によれば、３つの磁気位置センサがある。
【００１２】
本装置の更に別の一態様によれば、５つの磁気位置センサがある。
【００１３】
本装置の更に別の一態様によれば、ドリルガイド組立体は、中を貫通して形成され、かつドリルビットを受け入れるように寸法決めされた穴を有するボールジョイントを含む。
【００１４】
本装置の一態様によれば、磁気位置センサのうちの１つがボールジョイント上に配設される。
【００１５】
本装置の更に別の一態様は、シェルに取り付けられた第１のフランジ及び第２のフランジと、第１のフランジと第２のフランジとの間に延在するレールとを含み、ドリルガイド組立体が、このレール上に取り付けられ、かつこの上で移動可能である。
【００１６】
本装置の更なる一態様によれば、磁気位置センサは、位置プロセッサと無線で位置信号を通信する。
【００１７】
本発明の実施形態により更に方法が提供され、この方法は、患者の肢部に適合するシェルと、シェル上に移動自在に取り付けられ、かつ、上面に固着された複数の放射線不透過性マーカーを有する、ドリルガイド組立体と、を提供することにより実施される。この方法は更に、磁場を発生させることと、複数の磁気位置センサを使用してこの磁場を検出することと、信号を、この磁気位置センサから位置プロセッサへと送信することと、この信号に応答して、位置プロセッサを用いて、磁気位置センサの位置情報を計算することと、この位置情報を使用して、解剖学的画像と位置を合わせてマーカーを配置することと、により実施される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
本発明をより深く理解するため、本発明の詳細な説明を実例として参照するが、この説明は以下の図面と併せて読むべきものである。図中、同様の要素には同様の参照数字を付してある。
【図１】本発明の一実施形態による、ドリルブッシングを大腿骨髄内釘の横穴に揃えるための、ジグの概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による、図１に示されるジグの斜め立面図である。
【図３】本発明の一実施形態による、図１に示されるジグの立面図である。
【図４】本発明の一実施形態による、図１に示されるジグを介する、大腿骨髄内釘及び係止ねじを示す、部分的概略断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による、蛍光透視画像及び磁気マッピング統合システムを示す概略図である。
【図６】本発明の一実施形態による、位置パッドである。
【図７】本発明の一実施形態による、磁気追跡座標系を蛍光透視装置座標系と位置合わせする工程の流れ図である。
【図８】本発明の一実施形態による、画像とマップとを組み合わせる方法を示す概略図である。
【図９】本発明の一実施形態による、大腿骨髄内釘内に係止ねじを配置する方法の流れ図である。
【図１０】本発明の代替的な一実施形態による、整形外科モニタリングシステムのブロック図である。
【図１１】本発明の代替的な一実施形態による、トランスポンダの詳細を概略的に示す。
【図１２】本発明の一実施形態による、駆動及び処理回路を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下の説明では、本発明の様々な原理が十分に理解されるように、多くの具体的な詳細について記載する。しかしながら、これらの詳細の全てが本発明を実施する上で必ずしも必要であるとは限らない点は当業者には明らかであろう。この場合、一般的な概念を無用に分かりにくくすることのないよう、周知の回路、制御論理、並びに従来のアルゴリズム及びプロセスに対するコンピュータプログラム命令の詳細については、詳しく示していない。
【００２０】
参照により本明細書に援用される文書は本出願の一体部分と見なされるべきであり、いずれかの用語が、それらの援用された文書内で、本明細書で明示的又は暗示的に行われる定義と相反するように定義される場合を除き、本明細書における定義のみが考慮されるべきである。
【００２１】
用語「連係する（link）」、「連係する（links）」、「連結する（couple）」、「連結する（couples）」は、間接的又は直接的接続を意味することが意図されている。したがって、第１の装置が第２の装置に連結する場合、この接続は直接の接続であってもよく、又は他の装置及び接続を介しての間接の接続であってもよい。
【００２２】
ここで図面を参照し、最初に、図１は、本発明の一実施形態による、手術中にドリルガイド又はブッシングを大腿骨髄内釘１２の横穴に整列させるためのジグ１０の概略図である。ジグ１０は、半硬質のシェル１４を有し、これは、ジグ１０の作動位置において、ジグ１０を安定させるために、患者の肢部（腿１６など）を部分的に包囲する。ジグ１０は可動ドリルガイド１８を備えて提供され、これは大腿骨髄内釘１２の遠位部分の横穴２０と揃うように操作可能なる。適切に揃えられているとき、係止ねじ（図示せず）は、大腿骨２２の皮質を通って穴２０内へと挿入され、これにより大腿骨髄内釘１２を安定させることができる。ジグ１０のコンポーネントは、大半が非金属でかつ放射線透過性であり、例えばプラスチックである。
【００２３】
ここで図２を参照し、同図は、本発明の一実施形態によるジグ１０の斜め立面図であり、大腿骨髄内釘１２に対する操作関係を模式的に示している。複数の磁気センサ２４がシェル１４上に配分されている。３つのセンサ２４は、図２において視認可能であり、ドリルガイド１８を位置決めするために必要な位置情報を提供するのに十分である。ただし、もっと多くの（例えば５つの）センサが提供されてもよい。
【００２４】
本実施形態では、センサ２４は、処理装置２７に接続され、更に送信機２６に接続されており、これらは、処理装置２７と一体又は別個であってよく、これら全てがシェル１４内に埋め込まれている。送信機２６（又は処理装置２７自体）は、処理装置２７の制御の下で動作する３つの磁場発生器を含む。下記の磁場発生器の実施形態に加えて、平面コイル及び他の幾何学的配置を含む他の数多くの構成が可能である。生成された磁場は、センサ２４により検出される。処理装置２７は、以下に説明されるように、センサ２４を読み取り、そして、蛍光透視画像に対するジグの位置及び向きを得るように構成される。処理装置２７は、典型的には、図５に示す例のように、コンソール及び表示モニタを介して操作者に提示される位置及び姿勢情報を生成する。
【００２５】
フランジ２８、３０は、作動位置にあるときに、大腿骨及び大腿骨髄内釘１２に概ね平行な向きのレール３２により接続されている。ドリルガイド組立体３４は、レール３２上に取り付けられ、概ね近位端と遠位端の間で、レール３２上を摺動可能である。組立体３４は、レール３２に対して横断方向の平行な支柱３６を備える。本実施例において、レール３２は支柱３６の横穴を通過する。
【００２６】
支柱３６は、貫通するトンネル状のドリルガイド１８を有するボールジョイント４０に接続されたプレート３８を支える。プレート３８上には、複数の放射線不透過性マーカー、Ｘ線基準物４２が配分されている。ボールジョイント４０は、ドリルガイド１８の自由回転を許容するが、並進は許容しない。ボールジョイント４０上に配置されたセンサ２９は、ドリルガイド１８の向きを操作者に提供する。センサ２９は更に処理装置２７にも連結されている。
【００２７】
組立体３４がレール３２に沿って移動することにより、大腿骨髄内釘１２に対してほぼ平行な並進が達成される。ジグ１０は、患者の脚を中心にシェル１４を滑らせることにより、大腿骨髄内釘１２の長手方向軸を概ね中心として回転することができる。当該技術分野で知られている釘孔を対象とする他の機械的配置を、ボールジョイント４０の代わりに用いてもよい。
【００２８】
上記動作の組み合わせは、大腿骨髄内釘１２の遠位端及びドリルガイド１８の近くに位置する横穴４４を横切る軸との、３次元位置合わせを提供する。ドリルガイド１８が穴４４と軸方向に揃いかつ位置が揃っているとき（破線４６で示す）、係止ねじを患者の大腿骨の皮質を通して挿入し、大腿骨に対して大腿骨髄内釘１２の位置を安定化させることができる。穴４４への外科的アクセスは、ドリルビット（図示せず）がドリルガイド１８を通って誘導される穿設操作によって得ることができる。
【００２９】
ここで図３を参照すると、同図は、本発明の一実施形態によるジグ１０の立面図である。この図で、組立体３４は、ドリルガイド１８の軸線に沿って示されている。図４は、大腿骨髄内釘１２の穴４４を通り、ドリルガイド１８を通る、ジグ１０を介する、部分的概略断面図である。係止ねじ４５は、穴４４及びドリルガイド１８と揃った状態で、皮質４７との関係で示されている。ねじ４５を挿入する前に、磁気センサ５１を含む外科用ドリル４９を用いて、皮質４７を穿設する。磁気センサ５１を用いて、ドリルビットの座標は、穴４４と同じ基準フレーム内の位置プロセッサによって確立することができる。穴４４の深さは、基準フレーム内の姿勢と共に既知であり、これによって操作者（又はロボット）は、ドリルガイド１８を通してドリルビットを、穴４４の軸に合わせて穴４４へ直接ガイドすることができる。その後、ねじ４５を穴４４内に打ち込み、その位置を皮質４７に対して係止することができる。磁気センサ５１は、以下の実施形態に記述されるように、無線で又は有線で、プロセッサに連結されていてよい。
【００３０】
ここで図５を参照して、同図は、本発明の一実施形態による、蛍光透視画像及び磁気マッピング統合システム４８を示す概略図である。システム４８は、磁気追跡システム５０により取得された身体器官（例えば脚）の３次元マップを、蛍光透視装置５２により取得された患者の２次元蛍光透視画像と組み合わせて、組み合わされたディスプレイ５４を形成し、これがスクリーン５６上でシステム４８の操作者に提示される。患者は、システム４８のテーブル５８上に横たわると想定され、磁気追跡システム５０及び蛍光透視装置５２が、下記により詳細に記載するように、患者の３次元マップ及び２次元画像を取得する。蛍光透視装置により取得される２次元画像は、患者の大腿部の画像であってよく、磁気追跡システムによりマッピングされる身体器官は、患者の股関節及び腿を含んでよい。
【００３１】
実際には、追跡システム５０及び蛍光透視装置５２は、一般に、別個の制御装置を有する別個の物理的装置として構成され得るが、本記載では、簡素化のために、システム４８は単一の制御装置６０で操作されると想定する。
【００３２】
制御装置６０は、蛍光透視装置を操作する蛍光透視装置コントローラ６２と、磁気追跡システムを操作する磁気システムコントローラ６４とを含み、この装置はシステムプロセッサ６６の全般的な制御下にあり、このシステムプロセッサはとりわけ、組み合わされたディスプレイ５４をスクリーン５６上に生成するプロセッサである。プロセッサ６６用のソフトウェアは、例えば、ネットワークを介して電子形式でプロセッサにダウンロードされてもよく、又は、それに代わって、若しくはそれに加えて、磁気的、光学的、又は電子的メモリなどの非一時的な有形のコンピュータ読み取り可能な媒体上に提供及び／又は記憶されてもよい。
【００３３】
蛍光透視装置５２は、Ｘ線源６８及び検出器７０を含み、放射体及び検出器は、Ｃアーム７２の両端部上に取り付けられ、本明細書では円弧を含むと想定される。Ｃアーム７２は、一般にＬアーム７６の下端７４に保持され、Ｌアームは、その上端が手術室の天井に取り付けられ、又は、その下端が手術室床に取り付けられている。Ｃアーム７２は、図面では紙面内に存在する水平枢動軸線ＰＡの周りに回転してもよい。Ｃアーム７２はまたＣアーム軸線ＣＡの周囲に回転してもよく、軸線ＣＡは紙面に直交し、かつＣアーム円の中心を通過する。名目上、２つの軸線は、アイソセンターとも称されるＣ−アームの回転中心にて交差し、互いに直交する。システム４８の操作者は、蛍光透視装置コントローラ６２を使用して、軸線ＰＡ及びＣＡの周囲での蛍光透視装置５２の回転を調整すると共に、蛍光透視装置の他の幾何学的パラメータを調整することが可能である。
【００３４】
磁気追跡システム５０は位置パッド７８を含み、これは一般に、固定的に装着された概ね類似したコイルの３つのセット８０を有する。この取り付けは、図５に示すように、パッド上に行うことができる。コイルの各セット８０は、一般に、直交する向きの３つのコイルを含むため、位置パッド７８には合計で９個のコイルが固定的に取り付けられている。位置パッド７８は、以下に詳細に記載されるように、ジグに固定的に取り付けられる。コイルは、磁気システムコントローラ６４の制御下で、パッドに近接したベッド上方の領域８２内に交流磁場を伝達する。
【００３５】
低プロファイル又は小型化を必要とする様々なタイプの用途のための好適な位置パッド、あるいは特殊な実施形態は、本出願の譲受人に譲渡された米国特許出願公開第２０１７０００７１５６号、同第２０１７０００７１５５号、同第２０１７００７９５５３号、同第２０１５０１７３６４３号に記述されており、これらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。小型化した変形例が組み込まれた場合、ジグ１０の送信機２６（図２）のように、セット８０は省略することができる。
【００３６】
ここで図６を参照すると、同図は、本発明の一実施形態による位置パッド組立体８４である。組立体８４は、上述の米国特許出願公開第２０１７００７９５５３号に記述されているように、また下記で詳しく記述されるように、ツール又はジグ上に組み込まれるよう適合されてもよい。組立体８４は、５つの磁場ラジエータ８６を含み、これらは例えば、馬蹄形フレーム内に固定される。ラジエータ８６は、組立体８４に近接した領域８８に各周波数で交流磁場を放射するように構成されている。交流磁場は、センサ９０（典型的には３つの直交コイルのセット）内に信号を誘導し、この信号は、組立体８４に対するセンサの位置及び向きを導出するために分析され得る。センサ９０の位置及び向きは、領域８８内のセンサの実質的にあらゆる位置決めに対して決定され得ることが分かるであろう。
【００３７】
組立体８４の要素（ラジエータ８６を含む）は、システムプロセッサ（例えばプロセッサ６６（図５））によって制御されてもよく、１つ又は２つ以上のメモリと通信する処理装置を備えている。典型的に、この要素はケーブルを介してプロセッサ６６に接続されてよく、例えば、ラジエータ８６はケーブル９２を介してプロセッサ６６に接続され得る。代替的に、又は追加的に、この要素は、プロセッサ６６に無線で連結され得る。
【００３８】
図５に戻り、磁気追跡システム５０及び蛍光透視装置システム５２の座標系又は基準フレームを位置合わせするために、システム４８は、その校正段階において１つ又は２つ以上の位置合わせ要素を使用する。所定の位置合わせ要素は、その位置及び向きが両方の座標系にて同時に決定できる特性を有する。位置合わせ手順は、通常、患者に対処する前に行われる。詳細は、本出願の譲受人に譲渡された米国特許出願公開第２０１４０１１４１７３号「Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  Ｂｅｔｗｅｅｎ  ３−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｍａｐｓ  ａｎｄ  Ｆｌｕｏｒｏｓｃｏｐｉｃ  Ｉｍａｇｅｓ」（Ｂａｒ−Ｔａｌら）に記述されており、これは参照により本明細書に組み込まれる。
【００３９】
上記に言及した磁気追跡座標系及び蛍光透視装置座標系に加えて、位置パッド７８に基づいた座標系、及び位置合わせモジュール９４に基づいた座標系が、システム４８に存在する。これらの系は、磁気追跡座標系と蛍光透視装置座標系との位置合わせにおいて仲介物として使用される。
【００４０】
図７は、本発明の一実施形態による、磁気追跡座標系を蛍光透視装置座標系と位置合わせする工程の流れ図９６である。流れ図９６の記述では、モデル関連性が生成されていることが想定される。
【００４１】
初期工程１００では、磁気追跡座標系を、本明細書で位置パッド座標系と呼ばれる、位置パッド７８の機械的構造により規定される機械的座標系と位置合わせする。位置合わせは、一般に、位置パッドをシステム４８内に設置する前に行われ、位置パッドの製造中に行われてもよい。位置合わせは、一般に、位置パッドを含むコイルの３つのセット８０の位置に関して位置パッド座標系を規定する工程と、一般にジグ又はツール（例えばジグ１０（図２））内に存在するセンサコイルの位置及び向きを位置パッド座標系に関連して測定する工程と、センサコイルからの信号を、測定された位置及び向きに関連付ける工程と、を含む。この工程で行われる位置合わせは、名目位置合わせであり、流れ図の後の工程において、この名目位置合わせの補正が行われ得る。
【００４２】
磁気センサ１０４は、それらの既知の位置及び向きでジグ１０に固定され、位置パッド内のコイルが励起される。位置パッドコイルにより照射された磁場に応答して生成された、センサからの信号は、磁気システムコントローラ６４により受信され、コントローラは、信号を解析して、磁気座標系内でのジグの位置及び向きを決定する。
【００４３】
同時に、蛍光透視装置コントローラ６２は、検出器７０により取得された画像を解析し、流れ図９８で生成されたモデルを使用して、蛍光透視装置座標系内でのジグ１０の位置及び向きを決定する。
【００４４】
一般に、矢印１０６で示すように、工程１１０で、ジグ１０は、ジグをテーブル５８上で動かすことにより、及び／又はテーブル５８を動かすことにより、他の位置に移動される。ジグの新たな各位置に関して、両方の座標系におけるジグの位置及び向きがコントローラ６２、６４により決定される。この工程の多数のジグ位置にて取得された画像は、続く工程で生成される変換の正確性を増大させる。
【００４５】
変換生成工程１０８では、システムプロセッサ６６は、工程１１０で設定された多数の位置における、２つの座標系内でのジグの位置及び向きの結果を受信する。プロセッサ６６はこの結果を使用して、２つの座標系の間の変換［Ｔ１］を生成する。プロセッサ６６は、変換［Ｔ１］の正確性を検査し、また既知の位置内の他の磁気センサを使用して、変換の要素の値を調整してもよい。
【００４６】
最後の工程１１２では、プロセッサ６６は、変換［Ｔ１］が、等式（１）に従った、２つの副変換の合成物であることを想定する。
【００４７】
【数１】
2019055185.tif 000003
式中、［Ｔｍｏｄｕｌｅ，ｆｌｕｏｒｏ］は、蛍光透視装置座標系と、位置合わせモジュールにより規定される座標系との間の変換であり、
［Ｔｍａｇｎｅｔｉｃ，ｍｏｄｕｌｅ］は、位置合わせモジュール座標系と磁気座標系との間の変換である。
【００４８】
蛍光透視装置座標系内での位置合わせモジュールの位置及び向きは、検出器７０により取得されたモジュールの画像から既知であり、これらはプロセッサ６６による［Ｔｍｏｄｕｌｅ，ｆｌｕｏｒｏ］の評価を可能にする。磁気座標系内でのモジュールの名目位置及び向き座標は既知であるが（したがって、変換［Ｔｍａｇｎｅｔｉｃ，ｍｏｄｕｌｅ］は名目上既知であるが）、位置合わせモジュールを位置パッドに装着する仕様書からの逸脱により、名目値からの逸脱が生じる。したがってプロセッサ６６は、式（１）を適用し、式中、変換［Ｔ１］及び［Ｔｍｏｄｕｌｅ，ｆｌｕｏｒｏ］は既知であり、変換［Ｔｍａｇｎｅｔｉｃ，ｍｏｄｕｌｅ］の実際の式を見出す。この式は、下記に説明されるように、システム４８の動作段階において使用される。
【００４９】
図８は、本発明の一実施形態による、画像とマップとを組み合わせる方法を示す概略図である。源６８は、「錐体」１１４を通して照射するＸ線の点源として機能し、したがって蛍光透視装置システム内で検出器７０により取得された錐体内の３次元関心領域１１６の２次元画像は、源が投影の起源として機能し、かつ投影線（図に示さず）が源から検出器に照射する透視投影に対応する。しかしながら、磁気システム内に提示される、３次元関心領域の２次元ディスプレイは、一般に透視投影とは異なる。例えば、ＣＡＲＴＯ（登録商標）３システム（Ｂｉｏｓｅｎｓｅ  Ｗｅｂｓｔｅｒ，Ｉｎｃ．，３３３３  Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｃａｎｙｏｎ  Ｒｏａｄ，Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｂａｒ，ＣＡ  ９１７６５より入手可能）では、関心領域が心臓であるとき、心臓の３次元電極電位マップは、一般に正射影としてスクリーン５６上に提供され、心臓を通した投影線は、互いに平行である。
【００５０】
本発明の実施形態は、システム４８の操作者が錐体１１４内において検出器７０に平行な有効面を選択することを可能にし、これは、蛍光透視装置システム内での透視投影を磁気システム内での正投影と整合し及び位置付けるのに使用される。選択される面は、３次元関心領域内の面である。面の３つの例は、関心領域が心臓電極電位マップに対応すると想定して、図面に示されているが、他の面も使用することができる。面１１８は、マップ上に投影された際の、電極電位マップの重心を通る面であり、面１２０はマップ内の関心項目１２２を通る面であり、面１２４は蛍光透視装置システムの回転中心ＣＯＲを通る面である。画像内での地点と、対応させるべきマップ内での地点とを決定することにより、異なる面が選択され、その後、透視投影の倍率を調整する。
【００５１】
磁気システムは、一般に、システムにより追跡される物体の位置及び向きの両方を決定する。物体のアイコンは、スクリーン５６上に提示される組み合わされたディスプレイ内に使用されてもよく、アイコン画像を変更して物体の位置及び配向の両方を表してもよい。
【００５２】
上記の記載は、蛍光透視装置システムの透視投影が磁気システムの正投影に組み込まれることを想定した。しかしながら、この記載は、変更するべきところは変更して、磁気システムの正投影を透視投影に転換することに適用されてもよい。次いで、蛍光透視装置システムの透視投影が磁気透視投影に組み込まれてもよい。
【００５３】
いったん変換［Ｔ２］の式が立てられたら、この変換は、システム操作者により所望される、スクリーン５６上の実質的に任意のディスプレイに適用されてもよい。更に、変換は、選択されたディスプレイに完全に自動的に適用されてもよく、またリアルタイムの撮像、及び画像の記憶に適用されてもよい。
【００５４】
一般に、プロセッサ６６は、蛍光透視装置により生成される全画像をインポート及び記憶してもよい。次いで、プロセッサは、蛍光透視画像を処理して所望の画像面座標を（磁気システム内に）誘導し、これらの座標と共に画像を保管してもよい。次いで、この画像は、磁気系マップと整合され及び当該マップとの重ね合わせで視認されてもよい。
【００５５】
同様に、操作者が磁気系マップを回転させて異なる表示を見る際、またこの表示角度が蛍光透視画像が以前に捕捉及び保管した投影角度に対応する場合、プロセッサは、対応する画像を自動的に回収し、当該画像をマップと共に表示してもよい。代替又は追加として、現在のマップ視認角度にて蛍光透視画像が取得及び保管されていない場合、プロセッサ６６は、この角度で磁気系マップと共に表示する画像を取得するよう蛍光透視装置に自動的に指示してもよい。
【００５６】
更なる選択肢として、操作者は、所定の角度で蛍光透視画像を取得した後（又は以前取得した画像を表示した後）にプロセッサ６６がマップの投影角度が蛍光透視画像の投影角度と一致するように磁気系マップを自動的に回転させるよう、磁気マッピングシステムを設定してもよい。この技術は、任意の時間に表示される磁気系マップ投影及び蛍光透視投影が、適切な位置合わせにあることを確実にし、操作者が手技を行う際の誤りを防止することを助ける。
【００５７】
上述した技術は、蛍光透視画像全体を磁気マッピングシステム内にインポート及び位置合わせするために使用されるのみでなく、蛍光透視画像内で分割され得る、特定の解剖学的構造及び機構などの特定の物体をインポート及び位置合わせすることもできる。物体が撮影される蛍光透視画像の位置合わせに基づいて、それらの物体のそれぞれは、磁気座標系内で位置及び向きを有するであろう。それ故、使用者により選択された物体は、使用者が実際の位置合わせプロセスに殆ど又は全く関与することなく、磁気マップ上に位置合わせされ及び重ね合わされることができる。
【００５８】
プロセッサはまた、蛍光透視画像を１８０°反転させることもできる。例えば、蛍光透視画像がＨＦＳ表示で撮影され、磁気系マップの向きもＨＦＳである場合、蛍光透視画像は磁気系マップ上に表示されることができる。一方、磁気系マップ向きが反転された場合、プロセッサは蛍光透視画像をＨＦＳ表示から反転させることができるため、蛍光透視画像を磁気システム画像との適切な位置合わせにて表示し続けることができる。心房細動の処置中、例えば、操作者は、通常、磁気システムの向きをＨＦＳ表示から反転させて設定して、アブレーション中に静脈を見る。操作者はまた、反転表示を用いて、蛍光透視装置自体が画像をこの向きで捕捉できない場合でも、蛍光透視画像の反転表示を見ることができるであろう。
【００５９】
システムが蛍光透視画像を磁気系マップと位置合わせする能力、及び、磁気系マップの各投影角度における適切な蛍光透視画像を正確に提示する能力は、様々な他の方法にて使用されて、医療処置の手技中の可視化を向上させることができる。例えば、磁気系マップを回転させてもよく、対応する蛍光透視画像を表示して、操作者が構造特徴部と操作している物体との間の位置合わせを確認することができる。
【００６０】
磁気系マップと位置合わせされた蛍光透視画像は、ＣＴ（コンピュータ断層撮像）又はＭＲＩ（磁気共鳴撮像）画像などの他の画像を、磁気系マップに整合し及び当該マップと位置合わせするのを補助するのに使用することもできる。
【００６１】
蛍光透視画像を上述した方法で磁気マップと位置合わせすることは、患者が暴露されるＸ線線量を低減するのに有用であり得る。例えば、操作者は、あらかじめ取得した位置合わせ蛍光透視画像を使用することによって、同時のＸ線撮像を行うことなく、医療処置を行うことができる。同様に、あらかじめ取得した異なる角度からの一対の位置合わせ蛍光透視画像を使用して、同時のＸ線撮像を必要とすることなく、操作者が磁気マップに基づいて、所定の位置（例えば大腿骨）で物体を操作することを補助することができる。蛍光透視シネループも上述した方法で位置合わせされ、次いで磁気マッピング及び処置中、適切な位置合わせにて再生されてもよい。
【００６２】
次に図９を参照すると、同図は、本発明の一実施形態による、大腿骨髄内釘内に係止ねじを配置する方法の流れ図である。工程段階は、説明を分かりやすくするために、特定の線形的順序で示されている。しかしながら、かかる工程の多くは、並行して、非同期的に、又は異なる順序で行われてもよい点は明らかであろう。当業者であれば、プロセスを、例えば、状態図において、多数の相互に関連する状態又は事象としても代替的に表され得ることを理解するであろう。更に、例示されている工程段階の全てが、かかる方法の実施に必要とされるわけではない。最初の工程１２６で、大腿骨髄内釘が従来の方法で手術により載置される。
【００６３】
次に、工程１２８で、髄内釘の蛍光透視画像が撮影される。一般に、２つの直交する画像が得られる。
【００６４】
次に、工程１３０で、ジグ上の磁気センサが読み取られ、ドリルガイドの位置が得られる。次に、工程１３２で、システム４８（図５）やシステム１４２（図１０）などのモニタリングシステムを用いて、ドリルガイド（例えばドリルガイド１８（図２））の位置がマップ上に表示される。
【００６５】
工程１３４で、工程１３２において作成されたマップが、工程１２８で得られた蛍光透視画像と位置合わせされて載置され、操作者のために表示される。画像の位置合わせの詳細は、図７及び図８並びにそれらの説明において示されている。
【００６６】
次に、判定工程１３６で、ドリルガイドが大腿骨髄内釘の遠位端の穴に揃っているかどうかを判定する。判定工程１３６における判定が否定である場合、制御は工程１３８に進む。上述のように、ジグは大腿骨髄内釘に対して概ね平行に並進運動することができ、髄内釘に対して横断する面で回転運動することができる。大腿骨髄内釘の穴の軸線に対するドリルガイドの軸線は、ボールジョイント４０（図２）を操作を使用することにより、調整することができる。通常、操作者は手動でこの調整を行う。いくつかの実施形態において、サーボ機序（図示せず）が組立体３４及びジグ１０に連結され、調整操作は、既知のロボット手法を用いて自動的に行われてもよい。プロセッサ６６（図５）に対する必要な調整は、ロボット技術分野の業者には明らかであり、本明細書では議論しない。
【００６７】
工程１３８を実施した後、制御は工程１３０に戻って別のマップを作成する。通常、蛍光透視撮像を繰り返す必要はなく、よって患者の放射線被曝が最小に抑えられる。
【００６８】
判定工程１３６での判定が肯定である場合、制御は、最終工程１４０に進む。大腿骨皮質は、ドリルガイドを用いて外科的に露出させることができ、係止ねじが大腿骨髄内釘内の穴に挿入され得る。
【００６９】
代替的な実施形態
ここで図１０を参照すると、同図は、本発明の代替の一実施形態による整形外科モニタリングシステム１４２のブロック図である。このモニタリングシステムは、無線追跡機能を含む。この機能は概して、データベース１４６に記憶されたインプラント及び／又は位置データ項目及びその他データ項目に対して、各種データ処理動作を実行するコンピュータ１４４と協調して、実現される。一実施形態において、コンピュータ１４４及びデータベース１４６は、大腿骨プロテーゼを埋め込むための整形外科評価サブシステムを提供する。位置データ項目は、マーカーを無線追跡することで得られる。コンピュータ１４４、位置信号処理回路１５２、及び追跡ステーション１５４により、無線追跡サブシステム１５０が提供される。
【００７０】
追跡ステーション１５４は、３つの磁場発生器コイル１５６を備える。この３つの磁場発生器コイル１５６は、追跡ステーションの動作範囲全体に広がる磁場１５８を生成する。追跡ステーションは更に、アンテナ１６０を備え、これは、動作範囲内に位置するトランスポンダ１６４に、高周波の電力信号１６２を無線送信する。磁場トランスポンダ１６４は、デジタル暗号化されたマーカーの位置及び向き、更にはマーカーの固有識別子を含む信号１６６を無線で送信する。信号１６６は、位置信号処理回路１５２と通信するアンテナ１６８により受信される。
【００７１】
整形外科モニタリングシステム１４２で使用するための、好適なトランスポンダ１６４と、それに関連する追跡サブシステム１５０について、簡潔かつより詳細に説明する。トランスポンダ１６４及び追跡サブシステム１５０の態様は、米国特許出願公開第２００３／０１２０１５０号に詳細に記述されており、これは参照により本明細書に組み込まれる。
【００７２】
追跡サブシステム１４２によって追跡することができるトランスポンダ１６４（例えば無線位置センサ）は、ハウジングを有する。上述のように、３つの磁場発生器コイル１５６により生成された外部磁場１５８に応じて、トランスポンダ１６４は、マーカーの位置（追跡システムのデカルト基準座標フレーム１７０内のｘ、ｙ、ｚ座標）、及び向き（ピッチ、ロール、ヨー）を示すデータ項目が暗号化されたデジタル信号１６６を生成し、無線送信する。
【００７３】
回路は、追跡ステーション１５４内に存在し、及び追加的に位置信号処理回路１５２に存在する。磁場発生器コイル１５６は駆動回路により駆動され、異なる対応の周波数群｛ω１｝、｛ω２｝及び｛ω３｝で電磁場を生成する。コイルの放射周波数群は、追跡サブシステム１５０のシステム制御部として動作するコンピュータ１４４により設定される。各周波数群は、同一の周波数を含むものであってもよし、異なる周波数を含むものであってもよい。いずれの場合でも、コンピュータ１４４は公知の多重化パターンにより駆動回路を制御する。この際、任意の所定の周波数により放射を行う磁場発生器コイルが常に１つとなるものとする。典型的には、各駆動回路は対応する群の周波数により、周期的に一定時間スキャニングを行うように制御される。あるいは、各駆動回路がそれぞれ、磁場発生器コイル１５６のうちの対応する１つを駆動することで、同時に多周波数の放射を実現するようにしてもよい。
【００７４】
システム追跡ステーション１５４の目的を実現するため、磁場発生器コイル１５６は任意の適切な位置及び向きで配置されてもよい。ただし、何らかの基準フレームに対して固定され、互いに重なる、即ち位置及び向きが完全に一致した２つの磁場発生器コイルが存在しないものとする。手術用途の場合、典型的にはコイルが三角形に配置される。コイル軸は互いに平行であってよく、あるいは傾斜していてもよい。そのような用途においては、棒状の送信器、又は更には三角形又は四角形状のコイルも有用となり得る。
【００７５】
整形外科及びその他の手術用途の場合、外科医の自由運動を妨げないように、磁場発生器コイル１５６が術野から離れて配置されることが好ましい。一方、外科医の動作範囲全体が追跡システムの磁場１５８の動作範囲に含まれるように、コイルが配置されるべきである。同時に、所与の基準フレームにおいて、トランスポンダ１６４の座標が判定可能となるよう、その基準フレームに対する磁場発生器コイル１５６の位置及び向きが把握されているべきである。実際の状況では、磁場発生器コイル１５６は追跡ステーション１５４の基準構造部上に取り付けられる。
【００７６】
トランスポンダ１６４は、その内部に電流が導入され、磁場発生器コイル１５６により生成された磁場に応じて流れるセンサコイルを備える。センサコイルは、空芯又は磁性材料による芯に巻回されてもよい。典型的には、各マーカーが３つのセンサコイルを有する。それらセンサコイルの軸は互いに直行し、そのうちの１つはハウジング又は整形外科インプラントの主軸（例えば長手方向軸）に適宜整列するようにされる。３つのコイルは、単一の芯に同心状に巻回されてもよいし、あるいはコイルは異なる芯に非同心状に巻回され、主軸に沿って間隔をあけて配置されてもよい。非同心状のコイルの使用は、例えば、国際公開第９６／０５７６８号、及び米国特許第６，６９０，９６３号（２００４年２月１０日出願）に記述され、これらは参照により本明細書に組み込まれる。
【００７７】
あるいは、トランスポンダ１６４は、単一のセンサコイル又は２つのセンサコイルのみを備えてもよく、この場合、十分な精度を保証するために、異なる方向に向いた複数のトランスポンダを必要とすることがある。更に、トランスポンダ１６４は、ホール効果センサのような、本技術分野で公知のその他種類の検知要素に基づく磁気位置センサを有してもよい。
【００７８】
任意の時点で、センサコイル内に誘導された電流は、磁場生成コイル１５６により生成された特定の周波数成分｛ω１｝、｛ω２｝及び｛ω３｝を含む。これら電流（又は、センサコイルを介して測定され得る時変電圧）の各振幅は、磁場発生器コイル１５６の位置及び向きに対するトランスポンダ１６４の位置及び向きに依存する。誘導電流又は電圧に応じて、１つ又は２つ以上のトランスポンダ１６４の信号処理及び送信回路は、それらの位置及び向きを示す信号１６６を生成及び送信する。それら信号は、信号受信器及び復調回路を介してコンピュータ１４４に接続された受信アンテナ１６８により受信される。コンピュータは、受信信号と、磁場発生器コイルを駆動するために使用される信号標示を処理して、トランスポンダ１６４の位置及び向きの座標を計算する。詳細に後述するように、座標は、処理されて、コンピュータ１４４に記憶されてもよい。
【００７９】
追跡サブシステム１５０は、３つの磁場発生器コイル１５６を含むものとして記述されているが、他の実施形態において、異なる数、種類及び構成の磁場発生器及びセンサを使用することもできる。固定された基準フレームは、例えば、識別可能な磁場を生成するために、２つの非重複の磁場発生器コイルのみを用いて確立することができる。２つの非平行センサコイルを使用して、センサの６つの位置及び方位座標（ｘ、ｙ、ｚ方向、ピッチ、ヨー及びロール方位）を決定するために、磁場発生器コイルによる磁束を測定することができる。ただし、３つの磁場発生器コイルと３つのセンサコイルとを使用することで、位置測定の精度及び信頼性を向上させる傾向がある。
【００８０】
代替的に、単一のセンサコイルのみを使用する場合に、コンピュータ１４４は依然として、５つの位置及び方位座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向、並びにピッチ及びヨー方位）を決定することができる。単一のコイルシステム（単軸システムとも呼ばれる）の具体的な特徴及び機能は、米国特許第６，４８４，１１８号に記述されており、この開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【００８１】
金属又は他の磁気反応物が、追跡対象物近傍領域に近づけられると、この近傍領域の磁場が歪む。手術環境には、相当量の導電性及び透過性物体が存在し得る。それら物体は、基本及び補助器具（手術台、カート、可動灯等）や、侵襲的手術器具（メス、ハサミ等）を含む。磁場発生器コイル１５６が生成した磁場により、物体内に渦電流が生成され、この生成された渦電流により寄生磁場が放射されてもよい。このような寄生磁場及びその他種類の歪みにより、追跡対象物の位置の決定に誤差が生じ得る。
【００８２】
この問題を軽減するため、典型的には、追跡ステーション１５４の要素及び追跡サブシステム１５０の近傍で使用されるその他の器具は、可能であれば非金属材料製であるか、あるいは低透過性及び低導電性の金属材料製である。更に、コンピュータ１４４は、モニタリングステーション１５４近傍の金属物体の影響を検出及び補償するようにプログラミングされてもよい。このような検出及び補償の例示的な方法は、米国特許第６，１４７，４８０号及び同第６，３７３，２４０号、並びに同第７，９７４，６８０号及び同第７，３２１，２２８号に記載されており、これらは参照により本明細書に組み込まれる。
【００８３】
本実施形態におけるマーカーは、センサコイル、電源コイル、及び通信コイルの３組のコイルを有してもよい。あるいは、電源コイル及び通信コイルの機能は、米国特許第７，７２９，７４２号に記載されるように組み合わせてもよく、これは参照により本明細書に組み込まれる。コイルは、フレキシブルプリント基板（ＰＣＢ）のような適切な基板上に取り付けられた電子処理回路に接続される。回路の構成及び動作は、上述の米国特許第７，７２９，７４２号及び同第７，３９７，３６４号に記載されており、これらはあらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
【００８４】
トランスポンダ１６４は、単一のセンサコイルと単一の電源コイルのみを有してもよいが、実際は、トランスポンダ１６４は典型的には、３つのセンサコイル及び３つの電源コイルのように、各種類のコイルを複数含む。複数のセンサコイルは、センサコア上で、互いに直行する方向に互いに巻回される。一方、電源コイルは、パワーコア上で、互いに直行する方向に互いに巻回される。あるいは、センサ及び電源コイルを、例えばその開示が参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第６，９９５，７２９号に記載のように同一のコア上で重ねてもよい。通常、コイル間の寄生容量を低減するため、コイルは誘電体層により（あるいは、共通コアが使用されている場合には、電源及びセンサコイルのインターリーブにより）互いに離間されることが好ましい。
【００８５】
動作の際に、電源コイルはトランスポンダ１６４の電源として働く。電源コイルは、ＲＦ電源駆動回路に取り付けられた外部駆動アンテナ１６０から誘導結合により、エネルギーを受ける。典型的には、駆動アンテナは、１３．５ＭＨｚ範囲のような比較的高い周波数（ＲＦ）の、強力な電磁場を放射する。この駆動磁場により、電源コイルに整流された電流が流れることで、回路に電力供給される。一方、磁場発生器コイル１５６は、上述のように、センサコイルにわたって発生する時変信号電圧を誘起する。回路は、信号電圧を検出し、それに応じて出力信号を生成する。出力信号は、アナログ形式及びデジタル形式のいずれであってもよい。回路は通信コイルを駆動して、患者の体外の受信アンテナ１６８に出力信号を送信する。ここでも典型的には、出力信号は、例えば周波数変調方式により、４３ＭＨｚ又は９１５ＭＨｚの範囲の高周波数で送信される。追加的に又は代替的に、コイルは患者の体外から、送信アンテナ（不図示）から、クロック信号のような制御信号を受信するように使用されてもよい。
【００８６】
上述のように、駆動回路は更に、好ましくは２〜１０ＭＨｚの範囲の電力信号１６２を送るために、アンテナ１６０を駆動するＲＦパワードライバを有する。電力信号により、電源コイルに電流が流れる。この電流が回路により整流されて、マーカーの内部回路の電力供給に使用される。一方で、磁場発生器コイル１５６が生成した電磁場により、電流がセンサコイルに流れる。この電流は、磁場発生器コイル１５６を流れる駆動電流と同じ周波数成分を有する。電流成分は、センサコイル軸と平行な方向に、電力発生器コイルにより生成された各磁場の成分の強度に比例する。したがって、電流の振幅が、磁場発生器コイル１５６に対するセンサコイルの位置及び向きを示す。
【００８７】
回路は、様々な磁場周波数でトランスポンダ１６４のセンサコイルを流れる電流を測定する。この測定値は、高周波信号内で暗号化される。次にその信号が、アンテナを介してアンテナ１６８に返送される。回路は、サンプリング回路と、センサコイルに流れる電流の振幅をデジタル化するアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータを有する。この場合、回路はデジタル変調信号を生成し、信号をＲＦ変調する。この信号がアンテナにより送信される。このために、任意の適切なデジタル暗号化及び変調方法が利用されてもよい。回路は更に、各マーカーの固有の識別子を記憶し、同様にしてデジタル変調信号を生成して、信号１６６をＲＦ変調する。当業者には、その他信号処理及び変調方法が明らかであろう。
【００８８】
アンテナが送信したデジタル変調信号は、アンテナ１６８に接続された受信器により受信される。受信器は、信号を復調し、コンピュータ１４４から分離、又はそれに内蔵可能な信号処理回路に対する適切な入力を生成する。典型的には、受信器はトランスポンダ１６４からの信号を増幅、フィルタリング、及びデジタル化する。デジタル化信号は、コンピュータ１４４により受信され、トランスポンダ１６４の位置及び向きの計算に使用される。汎用コンピュータ１４４は、受信器からの信号を処理するためにプログラミングされ、適切な入力回路を有する。
【００８９】
好ましくは、受信回路は、駆動回路及びＲＦパワードライバを同期するために使用されるクロック同期回路を有する。ＲＦパワードライバは、磁場発生器コイル１５６の駆動周波数の整数倍の周波数で動作可能である。マーカー回路は、電源コイルが受信したＲＦ信号を、自身の電源としてのみではなく、周波数基準として使用できる。この基準を使用して、トランスポンダ１６４の回路は、センサコイルが生成した電流信号に対して位相敏感処理を行うことができる。これにより、磁場発生器コイル１５６が生成した駆動磁場と位相同期したセンサコイル電流を検出できる。受信器は、クロック同期回路からの入力を使用して、同様に、当技術分野で周知の位相敏感検出法を適用できる。そのような位相敏感検出法により、トランスポンダ１６４はセンサコイル内の電流信号の振幅が低くても、信号／ノイズ比の向上を図ることができる。
【００９０】
上述の特定の周波数範囲は、あくまで例示であり、当業者であれば、同じ目的に、これら以外の周波数範囲を利用可能であることが理解できよう。
【００９１】
トランスポンダ１６４の回路は更に、固有識別子も記憶する。この固有識別子は、追跡サブシステム１５０にも送信される。これにより、追跡サブシステム１５０は位置データが受信されたトランスポンダ１６４を識別できる。したがって、追跡ステーション１５４の磁場１５８の動作範囲内に複数のトランスポンダが存在する場合でも、追跡サブシステムは異なるトランスポンダ同士を区別できる。
【００９２】
トランスポンダ１６４は、封止材又は封入材で被包されることによって気密封止することができる。好ましくは、封止材は、機械的衝撃絶縁、電磁気絶縁、生体適合性遮蔽といった遮蔽特性のうちいずれか、一部、又は全てを提供する。封止材は、マーカーの電子部品を合わせて接着するのを助けることもできる。適切な封止材、又は封入材は、商品名Ｐａｒｙｌｅｎｅとして販売されるもののような、ＵＳＰクラス６エポキシドを含む。他の好適な封止材としては、エポキシ樹脂、シリコーンゴム及びポリウレタン系接着剤が挙げられる。マーカーは、液体の状態で封止材中に浸漬し、次に封止材を固定又は硬化させることにより、封入することができる。
【００９３】
磁場発生器コイル１５６の位置は、垂直方向及び水平方向（更に第３の横断方向）に調整可能であり、これにより、追跡ステーションの磁場１５８の動作範囲の位置を変えることができる。
【００９４】
ここで図１１を参照すると、同図は、本発明の一実施形態によるトランスポンダ１６４の詳細を模式的に示している。トランスポンダ１６４は、電力コイル１７４と、制御チップ１８２に結合された互いに直交するセンサコイル１７６、１７８、１８０とを備える。電力コイル１７４は、１ＭＨｚを超える範囲の高周波信号を送受信するように最適化されることが好ましい。一方、センサコイル１７６、１７８、１８０は、磁場発生器コイル１５６（図１０）が電磁場を発生する周波数が１〜３ｋＨｚの範囲で動作するように設計されていることが好ましい。代替的に、用途の要件に応じて、他の周波数範囲を用いてもよい。トランスポンダ１６４全体は典型的には、長さ２〜５ｍｍ、外径２〜３ｍｍである。
【００９５】
ここで図１２を参照すると、同図は、本発明の一実施形態による、コンソール１８４内の回路の駆動及び処理を示すブロック図である。コンソール１８４は、アンテナ１８８を駆動して電力信号（好ましくは２〜１０ＭＨｚの範囲）を発するＲＦパワードライバ１８６を備える。電力信号により、電源コイル１７４に電流が流れる。この電流がチップ１８２により整流されて、その内部回路の電力供給に使用される。一方で、磁場発生器コイル１９０が生成した電磁場により、電流がセンサコイル１７６、１７８、１８０に流れる。この電流は、磁場発生器コイル１９０を流れる駆動電流と同じ周波数成分を有する。電流成分は、コイル１７６、１７８、１８０の軸と平行の方向に、磁場発生器コイル１９０により生成された各磁場の成分の強度に比例する。したがって、電流の振幅が、固定された磁場発生器コイル１９０に対するコイル１７６、１７８、１８０の位置及び向きを示す。
【００９６】
チップ１８２は、様々な磁場周波数でセンサコイル１７６、１７８、１８０を流れる電流を測定する。この測定値は、高周波信号内で暗号化される。次にその信号が、アンテナ１８８を介して電源コイル１７４に返送される。好ましくは、チップ１８２は、負荷にわたって流れるセンサコイル電流によって生成される電圧に比例する周波数を有するＲＦ信号を生成する電圧周波数（Ｖ／Ｆ）変換器１９２を含む。好ましくは、チップ１８２によって生成されるＲＦ信号は、５０〜１５０ＭＨｚの範囲のキャリア周波数を有する。このようにして生成されたＲＦ信号は、コイル１７６、１７８、１８０が生成する磁場のそれぞれの周波数で経時的に変化する３つの異なる周波数変調（ＦＭ）成分で変調される。この変調の大きさは、３つの周波数における電流成分に比例する。トランスポンダ１６４からアンテナ１８８へのセンサコイル振幅測定を行うのに、振幅変調ではなく周波数変調を使用することの利点は、信号内の情報（すなわち周波数）が、信号が通過しなければならない身体組織の変動する減衰の影響を受けないという点である。
【００９７】
代替的に、チップ１８２は、サンプリング回路及びアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器（図示せず）を備えてよく、これはセンサコイル１７６、１７８、１８０に流れる電流の振幅をデジタル化する。この場合、チップ１８２はデジタル変調高周波信号を生成し、信号を変調する。この信号が電源コイル１７４により送信される。このために、任意の適切なデジタル暗号化及び変調方法が利用されてもよい。
【００９８】
電源コイル１７４により送信された、周波数変調又はデジタル変調された信号は、アンテナ１８８に連結された受信器１９６により受信される。受信器は、信号を復調して、コンソール１８４内の信号処理回路１９８に適切な入力を生成する。典型的には、受信器１９６はトランスポンダ１６４からの信号を増幅、フィルタリング、及びデジタル化する。デジタル化信号は、信号処理回路１９８により受信され、トランスポンダ１６４の位置及び向きの計算に使用される。典型的に、信号処理回路１９８は、以下に説明する機能を実行するための好適なソフトウェアでプログラムされた汎用又は組込み型コンピュータプロセッサを備える。ソフトウェアは、１つ以上のプロセッサに、ＣＤ−ＲＯＭ又は不揮発性メモリのような有形の非一時的媒体で提供され得る。代替的に又は追加的に、信号処理回路１９８は、デジタル信号プロセッサ、磁場プログラマブルゲートアレイ又は実配線ロジックを備えてもよい。
【００９９】
いずれの場合も、信号処理回路１９８は、受信器１９６からの信号を処理するために、プログラムされかつ適切な入力回路を備える。信号処理回路１９８に由来する情報は、診断又は治療手順を行うための必要に応じて、操作者に対しその他の情報又はガイダンスを提供する。
【０１００】
本発明の代替的な一実施形態において、ドライバ１８６、受信器１９６及びアンテナ１８８が既存の追跡システム（例えば上述のＣＡＲＴＯシステム）に後付けされる。このシステムは、本明細書に説明される本発明の原理を具現化するように、当業者によって変更されてもよい。既存システムのコンソール１８４は、既存の信号処理回路１９８を使用して、１つ又は２つ以上のセンサコイルから有線又は無線で信号を受信し処理を行って、トランスポンダ１６４の位置及び向きを決定するように設計される。これにより、この代替的実施形態において、受信器１９６は、トランスポンダ１６４により生成された信号を復調し、これによって、センサコイル１７６、１７８、１８０により生成された変動する電流信号を再構成する。既存の処理回路は、この情報を用いて、センサコイル電流が有線接続によって受信された場合と同じように、トランスポンダ１６４の位置及び向きを決定する。
【０１０１】
好ましくは、コンソール１８４はクロック同期回路２００を含み、これを用いて駆動回路２０２及びＲＦパワードライバ１８６を同期させる。最も好ましくは、パワードライバ１８６は、磁場発生器コイル１９０の駆動周波数の整数倍の周波数で動作する。チップ１８２は次に、電源コイル１７４が受信した高周波信号を、自身の電源としてのみではなく、周波数基準として使用できる。この基準を使用して、チップ１８２は、センサコイル１７６、１７８、１８０が生成した電流信号に対して位相敏感処理を行うことができる。これにより、コイル１９４が生成した駆動磁場と位相同期したセンサコイル電流を検出できる。受信器１９６は、クロック同期回路２００からの入力を使用して、同様に、当技術分野で周知の位相敏感検出法を適用できる。そのような位相敏感検出法により、マーカー１６４はセンサコイル１７６、１７８、１８０内の電流信号の振幅が低くても、信号／ノイズ（Ｓ／Ｎ）比の向上を図ることができる。
【０１０２】
図１１に示す３つのセンサコイル１７６、１７８、１８０は、例えば上述の国際公開第９６／０５７６８号に記載されているように、磁場発生器コイル１９４に連動して、信号処理回路１９８がトランスポンダ１６４の３次元の位置情報及び２次元の向き情報、並びに長手方向軸を中心とした第３の次元の向き情報を生成できるようにするのに十分である。信号処理回路１９８は、トランスポンダ１６４の６つの位置及び向き座標の全てを一義的に決定することができる。
【０１０３】
トランスポンダ１６４の向き座標を決定する際に、曖昧さが生じ得る点は、コイルの軸の方向を反転させた場合、センサコイル１７６、１７８、１８０に流れる電流の大きさが不変であることである。すなわち、センサコイルの軸に垂直な面を通ってトランスポンダ１６４を１８０度フリップさせても、電流振幅に影響を与えない。一部の状況下で、この対称応答は、トランスポンダの座標を決定する際に１８０度の誤差を生じる可能性がある。
【０１０４】
センサコイル電流の大きさは、コイル軸のフリップによって影響を受けないが、この１８０度の反転は、磁場発生器コイル１９０によって生成され駆動電磁場の位相に対する電流の位相を反転させる。この位相反転を検出するために、クロック同期回路２００を使用して、１８０度回転下での向きの曖昧さを克服することができる。チップ１８２から受信器１９６に戻された高周波信号の変調を、電流駆動磁場発生器コイル１９０と同期させることにより、受信器１９６は、駆動電流に対するセンサコイル１７６、１７８、１８０の電流の位相を判定することができる。センサ電流が駆動電流と同位相であるか又は位相が１８０度違っているかをチェックすることによって、信号処理回路１９８は、トランスポンダがどの方向に向いているかを判定することができる。
【０１０５】
当業者であれば、本発明が上記で具体的に図示及び記載されたものに限定されない点を理解するであろう。むしろ、本発明の範囲は、上述の様々な特徴の組み合わせ及び部分的組み合わせ、並びに上記の説明を読むことで当業者には想到されるであろう、先行技術にはない上述の特徴の変形例及び改変例をも含むものである。
【０１０６】
〔実施の態様〕
（１）  患者の肢部に適合するシェルと、
該シェル上に移動自在に取り付けられ、かつ、上面に固着された複数の放射線不透過性マーカーを有する、ドリルガイド組立体と、
磁場発生器と、
該磁場発生器により生成される磁場に応答する、複数の磁気位置センサであって、該磁気位置センサの位置情報を計算するように動作可能である位置プロセッサに連結されている、複数の磁気位置センサと、
を含む、装置。
（２）  前記位置プロセッサが、Ｘ線画像と位置を合わせて前記位置情報を配置するよう動作可能である、実施態様１に記載の装置。
（３）  前記位置プロセッサが前記シェル上に配設されている、実施態様１に記載の装置。
（４）  前記位置プロセッサが前記磁場発生器を駆動させるための回路を更に含む、実施態様３に記載の装置。
（５）  前記シェル及び前記ドリルガイド組立体が放射線透過性である、実施態様１に記載の装置。
【０１０７】
（６）  ３つの磁気位置センサが存在する、実施態様１に記載の装置。
（７）  ５つの磁気位置センサが存在する、実施態様１に記載の装置。
（８）  前記ドリルガイド組立体が、中を貫通して形成され、かつドリルビットを受け入れるように寸法決めされた穴を有するボールジョイントを含む、実施態様１に記載の装置。
（９）  前記磁気位置センサのうち１つが、前記ボールジョイント上に配設されている、実施態様８に記載の装置。
（１０）  前記シェルに取り付けられた第１のフランジ及び第２のフランジと、
該第１のフランジと該第２のフランジとの間に延在するレールとを更に含み、前記ドリルガイド組立体が、前記レール上に取り付けられ、かつ該レール上で移動可能である、実施態様１に記載の装置。
【０１０８】
（１１）  前記磁気位置センサが、前記位置プロセッサと無線で位置信号を通信する、実施態様１に記載の装置。
（１２）  患者の肢部に適合するシェル、該シェル上に移動自在に取り付けられ、かつ、上面に固着された複数の放射線不透過性マーカーを有するドリルガイド組立体を提供することと、
磁場を発生させることと、
複数の磁気位置センサを使用して該磁場を検出することと、
信号を、該磁気位置センサから位置プロセッサへと送信することと、
該信号に応答して、該位置プロセッサを用いて、該磁気位置センサの位置情報を計算することと、
を含む、方法。
（１３）  前記放射線不透過性マーカーを用いて、Ｘ線画像と位置を合わせて前記位置情報を配置することを更に含む、実施態様１２に記載の方法。
（１４）  前記位置プロセッサが前記シェル上に配設されている、実施態様１２に記載の方法。
（１５）  前記位置プロセッサ内の回路で前記磁場を発生させることを更に含む、実施態様１４に記載の方法。
【０１０９】
（１６）  前記シェル及び前記ドリルガイド組立体が放射線透過性である、実施態様１２に記載の方法。
（１７）  前記ドリルガイド組立体が、中を貫通して形成され、かつ、ドリルビットを受け入れるように寸法決めされた穴を有するボールジョイントを含む、実施態様１２に記載の方法。
（１８）  前記磁気位置センサのうち１つが、前記ボールジョイント上に配設されている、実施態様１７に記載の方法。
（１９）  前記シェルが、
前記シェルに取り付けられた第１のフランジ及び第２のフランジと、
該第１のフランジと該第２のフランジとの間に延在するレールとを含み、前記ドリルガイド組立体が該レール上に取り付けられ、前記方法が、該レール上で該ドリルガイド組立体を並進運動させることを更に含む、実施態様１２に記載の方法。
（２０）  前記磁気位置センサから前記位置プロセッサへと位置信号を無線通信することを更に含む、実施態様１２に記載の方法。
【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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【外国語明細書】
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