(57)【要約】      （修正有）【課題】空間において移動する対象物を追跡するために用いられるナビゲーションシステムおよび方法を提供する。【解決手段】１つのナビゲーションシステムおよび方法は、トラッカー４４、４６、４８の追跡素子５０とセンサ４０との間の見通し線が遮られたときまたは他のエラーを示すための発光素子を有するトラッカーを用いている。他のナビゲーションシステムおよび方法は、外科手術手順中の見通し線の問題を低減させるためにトラッカー４４、４６、４８をいかに対象物に対して配置させるかについてユーザーに指示するようになっている。【選択図】図１
2019088840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナビゲーションシステムであって、
対象物に取付け可能な基部、追跡素子、および前記追跡素子を所望の方位に配置するために前記基部に対する前記追跡素子の少なくとも１自由度の運動を可能にするように前記追跡素子を前記基部に連結するコネクタを備えている追跡装置と、
前記追跡素子が所望の方位にあるかどうかを判断し、もし前記追跡素子が前記所望の方位にないなら、前記追跡素子を前記基部に対して前記少なくとも１自由度で移動させるようにユーザーに指示するように構成されたコンピュータシステムと、
を備えている、ナビゲーションシステム。
【請求項２】
前記追跡素子が前記所望の方位にあるかどうかを判断する方位センサを備えている、請求項１に記載のナビゲーションシステム。
【請求項３】
前記方位センサは、３軸に沿った重力成分を測定するように構成された重力センサとしてさらに規定されている、請求項２に記載のナビゲーションシステム。
【請求項４】
前記追跡素子は、中心信号軸を有する見通し線追跡信号を生成することができるようになっており、前記コンピュータシステムは、前記中心信号軸を重力の方向と略直交する位置に配置させるために、前記追跡素子を前記少なくとも１自由度で移動させるべくユーザーに指示するように構成されている、請求項３に記載のナビゲーションシステム。
【請求項５】
前記追跡素子から前記見通し線追跡信号を受信することができる少なくとも１つのセンサを有するカメラユニットを備えている、請求項２５に記載のナビゲーションシステム。
【請求項６】
前記追跡装置は、前記追跡素子を支持する追跡ヘッドを備えており、前記追跡ヘッドは、前記追跡記素子を前記所望の方位に配置させるために、前記基部に対して移動可能になっている、請求項１に記載のナビゲーションシステム。
【請求項７】
前記追跡ヘッドによって支持された第２および第３の追跡素子を備えている、請求項６に記載のナビゲーションシステム。
【請求項８】
対象物を追跡するようにナビゲーションシステムを設定する方法であって、前記ナビゲーションシステムは、コンピュータシステムと、前記対象物に取付け可能な基部、追跡素子、および前記基部に対する前記追跡素子の少なくとも１自由度の運動を可能にするように前記追跡素子を前記基部に連結するコネクタを備える追跡装置とを備えている、方法において、
前記コンピュータシステムによって、前記追跡素子が所望の方位にあるかどうかを判断するステップと、
もし前記追跡素子が前記所望の方位にないなら、前記追跡素子を前記基部に対して少なくとも１自由度で移動させるように、前記コンピュータシステムによってユーザーに指示するステップと、
を含んでいる、方法。
【請求項９】
前記追跡素子が前記所望の方位にあるかどうかを判断する前記ステップは、重力に対する前記追跡素子の方位を判断することを含んでいる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記追跡素子によって中心信号軸を有する見通し線追跡信号を生成し、前記中心信号軸を重力の方向と略直交する位置に配置させるために、前記追跡素子を前記少なくとも１自由度で移動させるようにユーザーに指示することを含んでいる、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記追跡素子を前記基部に対して移動させるようにユーザーに指示する前記ステップは、前記ｚ軸重力成分の測定値が略ゼロになるまで、前記追跡素子を移動させるようにユーザーに指示することを含んでいる、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記追跡素子を前記基部に対して移動させるようにユーザーに指示する前記ステップは、前記基部に対する前記追跡装置の前記追跡ヘッドの傾斜位置および回転位置を調整するようにユーザーに指示することを含んでいる、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記ナビゲーションシステムのディスプレイ上に前記追跡素子の現在の方位を図表によって表示し、ユーザーが前記追跡素子を移動させるときに前記図表による表示を動的に調整することを含んでいる、請求項８に記載の方法、
【請求項１４】
前記現在の方位がいかに前記所望の方位に近づいているかをユーザーが視覚的に判断することができるように、前記所望の方位をディスプレイ上に図表によって表示することを含んでいる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記追跡素子がいつ前記所望の方位に達するかを示すことを含んでいる、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願］
本願は、２０１３年１月１６日に出願された米国仮特許出願第６１／７５３，２１９号
の優先権および利得を主張するものであり、その内容は、参照することによって、その全
体がここに含まれるものとする。
【０００２】
［発明の分野］
本開示は、一般的に、１つまたは複数の対象物を追跡しているときの見通し線エラーを
示し、かつ低減させるためのナビゲーションシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ナビゲーションシステムは、対象物を位置付ける際にユーザーを支援するものである。
例えば、ナビゲーションシステムは、工業用途、航空宇宙用途、防衛用途、および医療用
途に用いられている。医療分野では、ナビゲーションシステムは、外科用器具を患者の解
剖学的構造に対して配置する際に外科医を支援している。ナビゲーションシステムを用い
る外科手術の例として、神経外科手術および整形外科手術が挙げられる。典型的には、器
具および解剖学的構造が、ディスプレイ上に示されたそれらの相対運動によって、一緒に
追跡されるようになっている。
【０００４】
ナビゲーションシステムは、対象物の位置および／または方位を追跡するために、光信
号、音波、磁場、高周波信号、などを用いることができる。多くの場合、ナビゲーション
システムは、追跡される対象物に取付けられた追跡装置を備えている。追跡装置の位置を
決定し、最終的に対象物の位置および／または方位を決定するために、定位装置が、追跡
装置上の追跡素子と協働するようになっている。ナビゲーションシステムは、追跡装置を
介して、対象物の運動を監視している。
【０００５】
多くのナビゲーションシステムは、追跡素子と追跡素子から追跡信号を受信するセンサ
との間の遮られない見通し線に依存している。見通し線が遮られると、追跡素子から送信
された追跡信号が、センサによって受信されないことになる。その結果、エラーが生じる
可能性がある。典型的には、このような場合、ナビゲーションが中断され、見通し線が回
復するかまたはシステムがリセットされるまで、エラーメッセージがユーザーに送られる
ようになっている。医療分野では、多くの場合、エラーメッセージは、外科医から遠く離
れたモニター上に表示されるので、外科医がエラーに気付き、タイミングよく該エラーを
修正することが困難である。これよって、外科手術手順に遅れが生じる可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような事情から、当技術分野において、見通し線の問題を迅速に確認し、それほど
大きな遅れをもたらすことなく、該問題を解決することができるナビゲーションシステム
および方法が必要とされている。また、当技術分野において、見通し線を良くし、追跡素
子とセンサとの間の見通し線に対する障害物に付随して生じ得るエラーを低減させるのを
助長するナビゲーションシステムおよび方法も必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態では、対象物を追跡するためのナビゲーションシステムが提供されている。
ナビゲーションシステムは、追跡信号を送信するための追跡素子を備えている。対象物の
位置を決定するために追追跡素子から追跡信号を受信するセンサが、設けられている。追
跡素子およびセンサの一方は、対象物に取付け可能になっている。また、エラー指示計が
、対象物に取付け可能になっている。エラー指示計は、センサが追跡素子から追跡信号を
受信するときのエラーを示すものである。エラー指示計は、第１の発光素子および第２の
発光素子を備えている。センサが追跡信号を追跡素子から受信したかどうかを、コンピュ
ータシステムが判断する。また、コンピュータシステムは、もしセンサが追跡信号を受信
しなかったなら、エラー信号を生成し、エラー信号の生成に応じて、第１の発光素子を作
動させる。さらに、コンピュータシステムは、エラー信号の生成に応じて、第２の発光素
子を作動停止させる。
【０００８】
対象物を追跡するための方法も提供されている。この方法は、追跡素子およびセンサの
一方を対象物に取り付けることを含んでいる。また、この方法は、追跡信号を追跡素子か
ら送信し、センサが追跡信号を追跡素子から受信したかどうかを判断することも含んでい
る。もしセンサが追跡信号を受信しなかったなら、エラー信号が生成される。第１の発光
素子がエラー信号に応じて作動され、第２の発光素子がエラー信号に応じて作動停止され
る。
【０００９】
このナビゲーションシステムおよび方法の１つの利点は、エラーが追跡される対象物上
において直接確認されることである。その結果、ユーザーは、信号送信の問題を良好に特
定することができ、それほど大きい遅れをもたらすことなく、該課題を修正することがで
きる。また、場合によっては、指示計を追跡される対象物上に配置することによって、エ
ラーメッセージが遠く離れたモニター上に表示される場合と比較して、ユーザーがエラー
に気付く可能性が大きくなる。
【００１０】
他の実施形態では、対象物を追跡している間の見通し線の問題を低減させるナビゲーシ
ョンシステムが提供されている。ナビゲーションシステムは、追跡装置を備えている。追
跡装置は、対象物に取付け可能な基部と、追跡素子と、追跡素子を所望の方位に配置させ
るために基部に対する追跡素子の少なくとも１自由度の運動を可能にするように追跡素子
を基部に連結するコネクタと、を備えている。コンピュータシステムが、追跡素子が所望
の方位にあるかどうかを判断し、もし追跡素子が所望の方位にないなら、追跡素子を基部
に対して少なくとも１自由度で移動させるようにユーザーに指示する。
【００１１】
また、対象物を追跡するようにナビゲーションシステムを設定するための方法であって
、ナビゲーションシステムは、コンピュータシステムと、基部、追跡素子、およびコネク
タを備える追跡装置とを備えている、方法が提供されている。この方法は、基部を対象物
に取り付けることと、追跡素子が所望の方位にあるかどうかを判断することと、を含んで
いる。ユーザーは、もし追跡要素が所望の方位にないなら、追跡素子を基部に対して少な
くとも１自由度で移動させるように、指示される。
【００１２】
このナビゲーションシステムおよび方法の１つの利点は、追跡装置の設定中に、追跡装
置が所望の方位に配置されるようにユーザーを案内することである。例えば、所望の方位
は、ナビゲーションシステムのセンサのような他の装置に対する必要な見通し線を追跡装
置にもたらす方位であるとよい。
【００１３】
本発明の利点は、本発明が添付の図面と関連して以下の詳細な説明を参照することによ
って良好に理解されたなら、容易に分かるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ロボットマニピュレータと併せて用いられる本発明のナビゲーションシステムの斜視図である。
【図２】ナビゲーションシステムの概略図である。
【図３】ナビゲーションシステムに用いられる座標系の概略図である。
【図４】追跡装置の分解図である。
【図５】図４の追跡装置の立面図である。
【図６】図４の追跡装置の上面図である。
【図７】骨プレートの斜視図である。
【図８】骨プレートの上面である。
【図９】図８の線９−９に略沿って切断された骨プレートの断面図である。
【図１０】図９の拡大図である。
【図１１】骨ネジの斜視図である。
【図１２】骨ネジの立面図である。
【図１３】骨ネジの中心に沿って切断された骨ネジの断面図である。
【図１４】図１３の拡大図である。
【図１５】図１２の骨ネジの端面図である。
【図１６】延長アームの立面図である。
【図１７】延長アームの中心に沿って切断された延長アームの断面図である。
【図１８】延長アームの後面図である。
【図１９】延長アームの上面図である。
【図２０】図１７の拡大図である。
【図２１】骨に取付けられた状態で示されている図４のトラッカーアセンブリの立面図である。
【図２２】追跡ヘッドの斜視図である。
【図２３】コネクタの斜視図である。
【図２４】コネクタの上面図である。
【図２５】図２４の線２５−２５に略沿って切断されたコネクタの断面図である。
【図２６】図２４の線２６−２６に略沿って切断されたコネクタの断面図である。
【図２７】代替的追跡ヘッドの斜視図である。
【図２８】さらに他の代替的追跡ヘッドの斜視図である。
【図２９】光リングの斜視図である。
【図３０】ナビゲーションシステムの概略図である。
【図３１】２つの指示用ＬＥＤの電気配線図である。
【図３２】４つの追跡用ＬＥＤの電気配線図である。
【図３３Ａ．３３Ｂ】重力に対して異なる傾斜位置にある追跡ヘッドの概略図である。
【図３４Ａ．３４Ｂ】異なる回転位置にある追跡ヘッドの概略図である。
【図３５】スクリュードライバーの斜視図である。
【図３６】スクリュードライバーの中心に沿って切断したスクリュードライバーの断面図である。
【図３７】ノーズチューブの斜視図である。
【図３８】ノーズチューブの中心に沿って切断したノーズチューブの断面図である。
【図３９】図３８の線３９−３９に略沿って切断したノーズチューブの断面図である。
【図４０】中間チューブの斜視図である。
【図４１】中間チューブの中心に沿って切断した中間チューブの断面図である。
【図４２】後キャップの斜視図である。
【図４３】後キャプの中心に沿って切断した後キャップの断面図である。
【図４４】ハンマーの斜視図である。
【図４５】ハンマーの立面図である。
【図４６】図４５の線４６−４６に略沿って切断したハンマーの断面図である。
【図４７】トリガー部材の端面図である。
【図４８】トリガー部材の中心に沿って切断したトリガー部材の断面図である。
【図４９】バネキャップの断面図である。
【図５０】駆動ロッドの立面図である。
【図５１】図５０の線５１−５１に略沿って切断した駆動ロッドの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１を参照すると、ナビゲーションシステム２０が示されている。医療施設の手術室の
ような外科手術環境におけるナビゲーションシステム２０が示されている。ナビゲーショ
ンシステム２０は、手術室内の種々の対象物の運動を追跡するために設置されている。こ
のような対象物として、例えば、外科用器具２２、患者の大腿骨Ｆ、および患者の頸骨Ｔ
が挙げられる。ナビゲーションシステム２０は、外科医に対するこれらの対象物の相対的
な位置および方位を表示する目的で、場合によっては、所定の経路または解剖学的境界に
対する外科用器具２２の運動を制御または拘束する目的で、これらの対象物を追跡するよ
うになっている。
【００１６】
ナビゲーションシステム２０は、ナビゲーションコンピュータ２６を収容するコンピュ
ータカートアセンブリ２４を備えている。ナビゲーションインターフェイスが、ナビゲー
ションコンピュータ２６と操作可能に連通している。ナビゲーションインターフェイスの
例として、無菌領域の外側に配置されるように構成された第１のディスプレイ２８と、無
菌領域の内側に配置されるように構成された第２のディスプレイ２９が挙げられる。ディ
スプレイ２８，２９は、コンピュータカートアセンブリ２４に調整可能に取り付けられて
いる。マウスおよびキーボードのような第１および第２の入力装置３０，３２を用いて、
情報をナビゲーションコンピュータ２６に入力するかまたはナビゲーションコンピュータ
２６のいくつかの態様を選択／制御することができる。ディスプレイ２８，２９上のタッ
チスクリーン（図示せず）または音声駆動装置を含む他の入力装置も考えられる。
【００１７】
定位装置３４が、ナビゲーションコンピュータ２６と連通している。図示されている実
施形態では、定位装置３４は、光学的定位装置であり、（検出装置とも呼ばれる）カメラ
ユニット３６を備えている。カメラユニット３６は、１つまたは複数の位置センサ４０を
収容する外側ケーシング３８を有している。いくつかの実施形態では、少なくとも２つ、
好ましくは、３つの光学センサ４０が用いられている。これらの光学センサ４０は、３つ
の独立した電荷結合素子（ＣＣＤ）であるとよい。一実施形態では、３つの一次元ＣＣＤ
が用いられている。他の実施形態では、各々が独立した１つまたは２つ以上のＣＣＤを有
する個別のカメラユニットが、手術室の周辺に配置されていてもよいことを理解されたい
。ＣＣＤは、赤外線（ＩＲ）信号を検出するようになっている。
【００１８】
理想的には障害物によって遮られることなく、以下に述べるトラッカーの視野内に入る
ように光学センサ４０を位置決めするために、カメラユニット３６は、調整可能なアーム
に取り付けられている。
【００１９】
カメラユニット３６は、光学センサ４０から信号を受信するために、光学センサ４０に
連通するカメラ制御装置４２を備えている。カメラ制御装置４２は、有線接続または無線
接続（図示せず）のいずれかを介してナビゲーションコンピュータ２６に連通している。
このような接続の１つは、高速通信およびアイソクロナス実時間データ転送のためのシリ
アルバスインターフェイス標準であるＩＥＥＥ１３９４インターフェイスであるとよい。
また、この接続は、個別企業特有のプロトコルを用いることもできる。他の実施形態では
、光学センサ４０は、ナビゲーションコンピュータ２６と直接連通していてもよい。
【００２０】
位置および方位に関する信号および／またはデータは、対象物を追跡する目的でナビゲ
ーションコンピュータ２６に送信される。コンピュータカートアセンブリ２４、ディスプ
レイ２８、およびカメラユニット３６は、２０１０年５月２５日にMalackowskiらに刊行
された「外科システム」と題する米国特許第７，７２５，１６２号に記載されているもの
と同様であるとよい。この文献は、参照することによって、ここに含まれるものとする。
【００２１】
ナビゲーションコンピュータ２６は、パーソナルコンピュータであってもよいし、また
はラップトップコンピュータであってもよい。ナビゲーションコンピュータ２６は、ディ
スプレイ２８，２９、中央処理ユニット（ＣＰＵ）および／または他のプロセッサ、メモ
リ（図示せず）、および記憶装置（図示せず）を有している。ナビゲーションコンピュー
タ２６には、以下に述べるようなソフトウエアがロードされる。このソフトウエアは、カ
メラユニット３６から受信した信号を追跡されている対象物の位置および方位を表すデー
タに変換するものである。
【００２２】
ナビゲーションシステム２０は、ここではトラッカーとも呼ばれる複数の追跡装置４４
，４６，４８を備えている。図示されている実施形態では、１つのトラッカー４４は、患
者の大腿骨Ｆに固定して取り付けられており、他のトラッカー４６は、患者の頸骨Ｔに固
定して取り付けられている。トラッカー４４，４６は、骨の区域に固定して取り付けられ
ている。トラッカー４４，４６は、米国特許第７，７２５，１６２号に示されているよう
な方法によって大腿骨Ｆおよび頸骨Ｔに取り付けられているとよい。この文献は、参照す
ることによって、ここに含まれるものとする。他の取付け方法については、以下にさらに
説明する。さらなる実施形態では、トラッカー（図示せず）は、膝蓋骨の位置および方位
を追跡するために、膝蓋骨に取り付けられている、さらに他の実施形態では、トラッカー
４４，４６は、他の種類の組織または解剖学的構造の他の部分に取り付けられていてもよ
い。
【００２３】
器具トラッカー４８は、外科用器具２２に固定して取り付けられている。器具トラッカ
ー４８は、製造中に外科用器具２２に一体化されていてもよいし、または外科手術手順の
準備中に外科用器具２２に個別に取付けられてもよい。追跡される外科用器具２２のワー
ク端は、回転バール、電気融除装置、などであるとよい。
【００２４】
トラッカー４４，４６，４８は、内部電池によって電力供給されるバッテリであっても
よいし、またはカメラユニット３６と同様、好ましくは、外部電力を受給するナビゲーシ
ョンコンピュータ２６を介して受電するリード線を有していてもよい。
【００２５】
図示されている実施形態では、外科用器具２２は、外科用マニピュレータのエンドエフ
ェクタである。このような構成は、２０１３年８月２日に出願された「外科用器具を多重
モードで制御することができる外科用マニュピュレータ」と題する米国特許出願第１３／
９５８，０７０号に示されている。この文献の開示内容は、参照することによって、ここ
に含まれるものとする。
【００２６】
他の実施形態では、外科用器具２２は、どのような切断ガイド、ジブ、またはマニピュ
レータまたはロボットのような他の拘束機構を用いることなく、ユーザーの手のみによっ
て手動で位置決めされてもよい。このような外科用器具は、２０１２年８月３１日に出願
された「ハウジング、ハウジングから延在する切断付属具、およびハウジングに対する切
断付属具の位置を定めるアクチュエータを備える外科用器具」と題する米国特許出願第１
３／６００，８８８号に記載されている。この文献の開示内容は、参照することによって
、ここに含まれるものとする。
【００２７】
定位装置３４の光学センサ４０は、トラッカー４４，４６，４８から光信号を受信する
ようになっている。図示されている実施形態では、トラッカー４４，４６，４８は、能動
トラッカーである。この実施形態では、各トラッカー４４，４６，４８は、光信号を光学
センサ４０に送信するための少なくとも３つの能動追跡素子またはマーカー５０を有して
いる。能動マーカー５０は、例えば、赤外線のような光を送信する発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）５０とすることができる。光学センサ４０は、好ましくは、１００Ｈｚ以上、さらに
好ましくは、３００Ｈｚ以上、最も好ましくは、５００Ｈｚ以上のサンプリング周波数を
有している。いくつかの実施形態では、光学センサ４０は、１０００Ｈｚのサンプリング
周波数を有している。サンプリング周波数は、光学センサ４０が連続的に作動されるＬＥ
Ｄ５０から受信する光信号の周波数である。いくつかの実施形態では、ＬＥＤ５０からの
光信号は、各トラッカー４４，４６，４８に対して異なる周波数で放射されるようになっ
ている。
【００２８】
図２を参照すると、ＬＥＤ５０の各々は、関連するトラッカー４４，４６，４８のハウ
ジング（図示せず）内に配置されたトラッカー制御装置６２に接続されている。トラッカ
ー制御装置６２は、ナビゲーションコンピュータ２６に対してデータを送信／受信するも
のである。一実施形態では、トラッカー制御装置６２は、有線接続を介して、約数メガバ
イト／秒のデータをナビゲーションコンピュータ２６に送信するようになっている。他の
実施形態では、無線接続が用いられてもよい。これらの実施形態では、ナビゲーションコ
ンピュータ２６は、トラッカー制御装置６２からデータを受信する送受信機（図示せず）
を有している。
【００２９】
他の実施形態では、トラッカー４４，４６，４８は、カメラユニット３６から放射され
た光を反射する反射器のような受動マーカー（図示せず）を有していてもよい。反射され
た光は、光学センサ４０によって受信される。能動マーカー構成および受動マーカー構成
は、当技術分野においてよく知られている。
【００３０】
トラッカー４４，４６，４８の各々は、トラッカー４４，４６，４８の角速度を測定す
る３次元ジャイロセンサ６０も備えている。当業者によく知られているように、ジャイロ
センサ６０は、ジャイロ座標系のｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に対する角速度を表す測定値を
出力するものである。ジャイロ座標系のｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の各々に対する度（°）
／秒の測定値を得るために、これらの測定値に対して製造業者によって規定された変換定
数が掛けられる。これらの測定値は、ラジアン／秒の単位で表わされる角速度ベクトルに
変換することができる。
【００３１】
ジャイロセンサ６０によって測定された角速度は、トラッカー４４，４６，４８を追跡
するための追加的な非光学的運動データをナビゲーションシステム６０にもたらすことに
なる。ジャイロセンサ６０は、トラッカー４４，４６，４８の各座標系の軸に沿って配向
されているとよい。他の実施形態では、各ジャイロ座標系は、ジャイロデータがトラッカ
ー４４，４６，４８の座標系のｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に対する角速度を反映すべく、該
当するトラッカー座標系に変換されるようになっている。
【００３２】
トラッカー４４，４６，４８の各々は、３軸加速度計７０も備えている。加速度計７０
は、加速度座標系のｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の各々に沿った加速度を測定するものである
。加速度計７０は、トラッカー４４，４６，４８を追跡するための追加的な非光学的デー
タをナビゲーションシステム２０にもたらすことになる。
【００３３】
加速度計７０は、トラッカー４４，４６，４８の各座標系の軸に沿って配向されている
とよい。他の実施形態では、各加速度計座標系は、加速度計データがトラッカー４４，４
６，４８の座標系のｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に対する加速度を反映すべく、該当するトラ
ッカー座標系に変換されるようになっている。
【００３４】
ジャイロセンサ６０および加速度計７０の各々は、関連するトラッカーのハウジング内
に配置されたトラッカー制御装置６２に連通している。トラッカー制御装置６２は、デー
タをナビゲーションコンピュータ２６に対して送信／受信するものである。このデータは
、有線接続または無線接続のいずれかを介して受信可能になっている。
【００３５】
ナビゲーションコンピュータ２６は、ナビゲーションプロセッサ５２を備えている。カ
メラユニット３６は、トラッカー４４，４６，４８のＬＥＤ５０から光学信号を受信し、
定位装置３４に対するトラッカー４４，４６，４８のＬＥＤ５０の位置に関する信号およ
び／またはデータをプロセッサ５２に出力するものである。ジャイロセンサ６０は、ジャ
イロセンサ６０によって測定された３次元角速度に関する非光学信号をプロセッサ５２に
送信するものである。受信した光学信号および非光学信号に基づいて、ナビゲーションプ
ロセッサ５２は、定位装置３４に対するトラッカー４４，４６，４８の相対的な位置およ
び方位を表すデータを生成するものである。
【００３６】
ナビゲーションプロセッサ５２は、ナビゲーションコンピュータ２６の操作を制御する
１つまたは複数のプロセッサを含むことができることを理解されたい。これらのプロセッ
サは、どのような種類のマイクロプロセッサまたは多重プロセッサシステムであってもよ
い。「プロセッサ」という用語は、単一プロセッサに制限されることを意図していない。
【００３７】
外科手術手順の開始の前、追加的なデータがナビゲーションプロセッサ５２にロードさ
れる。トラッカー４４，４６，４８の位置および方位ならびに予めロードされたデータに
基づいて、ナビゲーションプロセッサ５２は、外科用器具２２のワーク端の位置およびワ
ーク端が押し付けられる組織に対する外科要器具２２の方位を決定する。いくつかの実施
形態では、ナビゲーションプロセッサ５２は、これらのデータをマニピュレータ制御装置
５４に送信する。マニピュレータ制御装置５４は、このデータを用いて、２０１３年８月
２日に出願された「外科用器具を多重モードで制御することができる外科用マニピュレー
タ」と題する米国特許出願第１３／９５８，０７０号に記載されているように、ロボット
マニピュレータ５６を制御することができる。この文献の開示内容は、参照することによ
って、ここに含まれるものとする。
【００３８】
また、ナビゲーションプロセッサ５２は、外科部位に対する外科用器具のワーク端の相
対位置を示す画像信号も生成する。これらの画像信号は、ディスプレイ２８，２９に送ら
れる。ディスプレイ２８，２９は、これらの信号に基づいて、外科医およびスタッフが外
科部位に対する外科用器具のワーク端の相対位置を見ることができる画像を生成する。前
述したように、ディスプレイ２８，２９は、指令の入力を可能にするタッチスクリーンま
たは他の入力／出力装置を備えているとよい。
【００３９】
図３を参照すると、対象物の追跡は、概して、定位装置座標系ＬＣＬＺに基づいて行な
われる。定位装置座標系は、原点および方位（ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の組合せ）を有し
ている。
【００４０】
追跡されている各トラッカー４４，４６，４８および対象物も、定位装置座標系ＬＣＩ
Ｚとは別の独自の座標系を有している。ナビゲーションシステム２０の独自の座標系を有
する構成要素は、骨トラッカー４４，４６および器具トラッカー４８である。これらの座
標系は、それぞれ、骨トラッカー座標系ＢＴＲＫ１，ＢＴＲＫ２、および器具トラッカー
座標系ＴＬＴＲとして表わされている。
【００４１】
ナビゲーションシステム２０は、骨に固定して取り付けられた骨トラッカー４４，４６
の位置を監視することによって、患者の大腿骨Ｆおよび頸骨Ｔの位置を監視する。大腿骨
座標系は、ＦＢＯＮＥであり、頸骨座標系は、ＴＢＯＮＥであり、これらは、骨トラッカ
ー４４，４６が固定して取り付けられた骨の座標系である。
【００４２】
手術手順の開始の前に、大腿骨Ｆおよび頸骨Ｔ（他の実施形態では、他の組織）の術前
画像が生成される。これらの画像は、患者の解剖学的構造の磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）スキ
ャン、放射線スキャン、またはコンピュータ断層（ＣＴ）スキャンに基づいているとよい
。これらの画像は、当技術分野においてよく知られている方法によって、大腿骨座標系Ｆ
ＢＯＮＥおよび頸骨座標系ＴＢＯＮＥにマッピングされる。一実施形態では、（参照する
ことによって、ここに含まれる）Malackowskiらに付与された米国特許第７，７２５，１
６２号に開示されているような独自のトラッカーＰＴを有するポインター器具Ｐ（図２参
照）を用いて、大腿骨座標系ＦＢＯＮＥおよび頸骨座標系ＴＢＯＮＥを術前画像にマッピ
ングするとよい。これらの画像は、大腿骨座標系ＦＢＯＮＥおよび頸骨座標系ＴＢＯＮＥ
に固定されることになる。
【００４３】
手術手順の最初の過程において、骨トラッカー４４，４６は、患者の骨に固定して取付
けられる。座標系ＦＢＯＮＥおよびＴＢＯＮＥの姿勢（位置および方位）は、それぞれ、
座標系ＢＴＲＫ１およびＢＴＲＫ２にマッピングされる。骨とそれらの骨トラッカー４４
，４６との間のこの固定された関係によって、座標系ＦＢＯＮＥおよびＴＢＯＮＥは、そ
れぞれ、手術手順の全体を通して、座標系ＢＴＲＫ１およびＢＴＲＫ２に対して固定され
ることになる。姿勢を表すデータは、マニピュレータ制御装置５４およびナビゲーション
プロセッサ５２の両方と一体のメモリに記憶される。
【００４４】
（エネルギー付与装置遠位端とも呼ばれる）外科用器具２２のワーク端は、独自の座標
系ＥＡＰＰを有している。座標系ＥＡＰＰの原点は、例えば、外科用切断バールの中心軌
跡を表しているとよい。座標系ＥＡＰＰの姿勢は、手術手順が開始する前に、器具トラッ
カー座標系ＴＬＴＲの姿勢に固定される。従って、これらの座標系ＥＡＰＰ，ＴＬＴＲの
互いに対する姿勢が、決定されることになる。姿勢を表すデータは、マニピュレータ制御
装置５４およびナビゲーションプロセッサ５２の両方と一体のメモリに記憶される。
【００４５】
図２を参照すると、定位エンジン１００は、ナビゲーションシステム２０の判断部分で
あるソフトウエアモジュールである。定位エンジン１００の構成要素は、ナビゲーション
プロセッサ５２上で作動する。いくつかの態様では、定位エンジン１００は、マニピュレ
ータ制御装置５４上で作動するようになっていてもよい。
【００４６】
定位エンジン１００は、カメラ制御装置４２からの光学的信号およびトラッカー制御装
置６２からの非光学的信号を入力として受信する。これらの信号に基づき、定位エンジン
１００は、定位装置座標系ＬＣＬＺにおける骨トラッカー座標系ＢＴＲＫ１およびＢＴＲ
Ｋ２の姿勢を決定する。器具トラッカー４８に対して受信した同じ信号に基づき、定位エ
ンジン１００は、定位装置座標系ＬＣＬＺにおける器具トラッカー座標系ＴＬＴＲの姿勢
を決定する。
【００４７】
定位エンジン１００は、トラッカー４４，４６．４８の姿勢を表す信号を座標変換装置
１０２に転送する。座標変換装置１０２は、ナビゲーションプロセッサ５２上で作動する
ナビゲーションシステムソフトウエアモジュールである。座標変換装置１０２は、患者の
術前画像と患者トラッカー４４，４６との間の関係を定めるデータを参照する。また、座
標変換装置１０２は、器具トラッカー４８に対する外科用器具２２のワーク端の姿勢を表
すデータを記憶している。
【００４８】
手術手順中に、座標変換装置１０２は、定位位置３４へのトラッカー４４，４６，４８
の相対姿勢を示すデータを受信する。これらのデータおよび予めロードされたデータに基
づき、座標変換装置１０２は、定位装置座標系ＬＣＬＺに対する座標系ＥＡＰＰおよび骨
座標系ＦＢＯＮＥおよびＴＢＯＮＥの両方の相対的な位置および方位を示すデータを生成
する。
【００４９】
その結果、座標変換装置１０２は、器具ワーク端が押し付けられる組織（例えば、骨）
に対する外科用器具２２のワーク端の位置および方位を示すデータを生成することになる
。これらのデータを表す画像信号は、ディスプレイ２８，２９に送信され、外科医および
スタッフは、この情報を見ることができる。いくつかの実施形態では、これらのデータを
表す他の信号が、マニピュレータ５６および外科用器具２２の対応する運動を制御するた
めに、マニピュレータ制御装置５４に送信されてもよい。
【００５０】
定位装置座標系ＬＣＬＺにおけるトラッカー座標系ＢＴＲＫ１，ＢＴＲＫ２，ＴＬＴＲ
の各々の姿勢を決定するためのステップ、および大腿骨Ｆおよび頸骨Ｔに対するトラッカ
ー４４，４６，４８の姿勢および外科用器具２２の対応する姿勢を決定するためのシステ
ムおよび方法は、２０１３年９月２４日に出願された「光学センサおよび非光学センサを
備えるナビゲーションシステム」と題する米国特許出願第１４／０３５，２０７号にさら
に詳細に記載されている。この文献の開示内容は、参照することによって、ここに含まれ
るものとする。
【００５１】
いくつかの実施形態では、１つのＬＥＤ５０のみが複数の光学センサ４０によって一度
に読み取られてもよい。カメラ制御装置４２は、Malackowskiらに付与された米国特許第
７，７２５，１６２号に記載されているように、（カメラユニット３６およびトラッカー
４４，４６，４８上の）１つまたは複数の赤外線または高周波（ＲＦ）送受信機を介して
または有線接続を介して、ＬＥＤ５０の作動を制御するようになっているとよい。この文
献は、参照することによって、ここに含まれるものとする。代替的に、トラッカー４４，
４６，４８は、（例えば、トラッカー４４，４６，４８のスイッチによって）、局所的に
作動され、これによって、いったん作動されたなら、カメラ制御装置４２からの指令を受
けることなく、そのＬＥＤ５０を連続的に作動させるようになっていてもよい。
【００５２】
トラッカー４４，４６の一実施形態が、図４〜図６に示されている。トラッカー４４，
４６は、骨に取り付けられかつ骨に対して適所に固定されるように、構成されている。そ
の結果、骨の運動がトラッカー４４，４６の対応する同様の運動をもたらすことになる。
ナビゲーションシステム２０のいくつかの態様では、トラッカー４４，４６の両方が、同
一のまたは実質的に同一の構成要素を備えている。他の態様では、トラッカー４４，４６
の１つまたは複数の構成要素が互いに異なっていてもよい。簡単にするために、以下、ト
ラッカー４４のみについて説明するが、トラッカー４６は、トラッカー４４と同一または
実質的に同一であるとよいことを理解されたい。
【００５３】
図４〜図６を参照すると、トラッカー４４は、患者の解剖学的構造に取り付けるための
基部を備えている。基部は、追跡される解剖学的構造に直接または他の組織を介して取付
け可能になっている。図示されている実施形態では、基部は、患者の骨、例えば、大腿骨
Ｆに取り付けるための骨プレート２００である。複数の固定具が、骨プレート２００を適
所に固定している。一実施形態では、固定具は、骨ネジ２０２である。
【００５４】
骨プレート２００は、骨に係合するための複数の突起を備えている。図示されている実
施形態では、突起は、スパイク２０４である。いったん骨プレート２００が１つまたは複
数の骨ネジによって適所に固定されたなら、スパイク２０４が骨に対する骨プレート２０
０の回転を阻止することになる。
【００５５】
延長アーム２０６が、骨プレート２００に取り付けられている。延長アーム２０６は、
骨ネジ２０２の１つによって骨プレート２００に固定される基部プレート２０８を有して
いる。延長アーム２０６は、基部プレート２０８から取付端２１０に向かってＣ字状に湾
曲して延在している。
【００５６】
追跡ヘッド２１２が、延長アーム２０６の取付端２１０に連結されている。追跡ヘッド
２１２は、追跡素子を備えている。追跡素子は、図示かつ記載されている実施形態では、
ＬＥＤ５０、ジャイロセンサ６０（図示せず）、および加速度計７０（図示せず）である
。これらの追跡素子は、前述したように、作用する。さらなる実施形態では、追跡ヘッド
２１２は、他の種類の追跡素子、例えば、高周波受信機および／または高周波送信機、磁
場センサおよび／または磁場生成器、受動反射ボール、超音波送信機および／または超音
波受信機、などを備えていてもよい。
【００５７】
コネクタアセンブリ２１４が、追跡ヘッド２１２を延長アーム２０６に連結している。
コネクタアセンブリ２１４は、追跡ヘッド２１２を２自由度の運動を可能にするように支
持している。図示されている実施形態では、追跡ヘッド２１２は、コネクタアセンブリ２
１４を介して、支持アーム２０６の取付端２１０に回転可能および傾斜可能に取り付けら
れている。
【００５８】
図７〜図１０を参照すると、骨プレート２００がさらに詳細に示されている。骨プレー
ト２００は、略三角形状であり、各スパイク２０４（図９参照）間において凹んでいる。
この凹みは、骨プレート２００が固定される骨または他の組織の形状と一致しているかま
たは適合している。
【００５９】
骨プレート２００は、３つの測面２２０，２２２，２２４を有する上下面２１６，２１
８を有している。側面２２０，２２２，２２４は、上下面２１６，２１８間に延在してい
る。骨プレート２００の凹みは、約５ｍｍから約５０ｍｍの範囲内にある上面２１６の曲
率半径Ｒ１および約５ｍｍから約５０ｍｍの範囲内にある底面２１８の曲率半径Ｒ２によ
って与えられる（図９参照）。他の実施形態では、曲率半径Ｒ１は、約１５ｍｍから約３
５ｍｍの間であり、曲率半径Ｒ２は、約１５ｍｍから約３５ｍｍの間である。
【００６０】
３つのスパイク２０４は、面２１８，２２０，２２２，２２４の一体延長部として形成
されている。各スパイク２０４は、鋭利な先端２２６を有している（図１０参照）。鋭利
な先端２２６は、底面２１８と２つの隣接側面２２０，２２２，２２４の交差点の近くに
形成されている。底面２１８は、各スパイク２０４に沿って鋭利な先端２２６に円弧状に
延在し、鋭利な先端２２６に緩慢なテーパを形成している。底面２１８は、鋭利な先端２
２６間において略凹状に形作られている。
【００６１】
鋭利な先端２２６は、骨プレート２００が骨に固定されるとき、骨膜のような軟組織を切
り開いて骨に入り込むように、形成されている。１つまたは複数の鋭利な先端２２６が骨
に入り込むと、これらの鋭利な先端２２６は、骨ネジ２０２の１つまたは複数と連係して
骨に対する骨プレート２００の運動を阻止することになる。
【００６２】
また、鋭利な先端２２６は、骨内に係合したとき、骨プレート２００の下方および骨の
表面の上方に空間をもたらすように、骨プレート２００を支持する。場合によっては、筋
肉、靭帯、などの組織が、骨プレート２００が固定される骨の上に存在することがある。
この組織を、骨への鋭利な先端２２６の係合に悪影響を与えることなく、この空間内に取
り込むことができる。
【００６３】
骨ネジ２０２を受け入れるために、骨プレート２００を貫通する３つの開口２２８が画
定されている。これらの３つの開口２２８は、図１０に示されている断面形状を有してい
る。この形状の一実施形態が、（参照することによって、ここに含まれる）Wolterに付与
された米国特許第６，３３２，５６２号に示されている。このような形状は、図１１〜図
１５に示されている骨ネジ２０２のネジ付きヘッド２０５受け入れるためのものである。
【００６４】
開口２２８の各々は、軸Ａの周りに画定されている。各開口２２８は、内面２３４によ
って画定された略円筒状の貫通孔２３０を備えている。貫通孔２３０は、軸Ａを中心とす
る孔である。
【００６５】
一体フランジ２３２が、貫通孔２３０内において、半径方向内方、すなわち、軸Ａに向
かって延在するように、配置されている。フランジ２３２は、骨プレート２００の上下面
２１６，２１８から離間している。このフランジ２３２は、軸Ａを中心として環状にかつ
軸Ａと略直交して配置されている。フランジ２３２の断面には、内面２３４から端面２３
６に向かってテーパが付されている。端面２３６は、（部番が付されていない）円筒状の
開口を画定している。フランジ２３２のテーパは、上下面２４０，２４２によって対称的
に形成されている。上面２４０は、端面２３６から内面２３４に鋭角αで延在している。
下面２４２は、端面２３６から内面２３４に（ただし、上面２４０と反対の方向に）同一
の鋭角αで延在している。
【００６６】
図７を再び参照すると、凹部２４４が骨プレート２００の上面２１６に画定されている
。凹部２４４は、延長アーム２０６の基部プレート２０８の嵌入を可能にするために、略
矩形状になっている。基部プレート２０８は、いったん凹部２４４内に配置された延長ア
ーム２０６が骨プレート２００に対して実質的に回転しないように、寸法決めされている
。
【００６７】
中心開口２４６が、凹部２４４内に配置され、骨プレート２００を貫通するように画定
されている。中心開口２４６は、開口２２８と同じように骨ネジ２０２を受け入れるよう
になっているが、開口２２８と異なる断面を有している。中心開口２４６は、その位置に
おいて骨プレート２００と実質的に直交する単一直径の略円筒状の貫通孔である。
【００６８】
図９に示されているように、軸Ｃが貫通孔２４６の中心を画定している。各開口２２８
は、軸Ｃから等距離で離間している。加えて、これらの開口２２８は、開口２２８の各々
の軸Ａを通るように画定された仮想円の周囲に沿って、互いに周方向に等しく離間してい
る（図８参照）。
【００６９】
図１０を参照すると、取り付けられたときに、骨プレート２００に対する鉛直方向ベク
トルＶが、軸Ｃに沿って患者の解剖学的構造に向かって下方に延在するように、画定され
ている。鉛直方向ベクトルＶに対して鋭角βで配置された傾斜方向ベクトルＩが、軸Ａに
沿って下方に向かうように画定されている。一実施形態では、これらの傾斜方向ベクトル
Ｉは、鉛直方向Ｖの方に略向かって延在し、軸Ｃに沿った同一点ＩＮＴにおいて鉛直方向
ベクトルＶと交差している。この配向は、骨プレート２００に作用する力による骨ネジ２
０２の引抜きを阻止するのを助長することになる。
【００７０】
骨プレート２００は、ステンレス鋼、コバルト基合金、バイオセラミック、チタン合金
、チタン、または他の生体適合性材料から形成されているとよい。
【００７１】
骨ネジ２０２が、図１１〜図１５に示されている。一実施形態では、骨ネジは、米国特
許第６，３２２，５６２号に示されているものと同様である。この文献は、参照すること
によって、ここに含まれるものとする。骨ネジ２０２の各々は、骨に係合するための自己
タッピングネジ山２０３を有している。骨ネジ２０２は、開口２２８のフランジ２３２に
係合するためのネジ付きヘッド２０５も備えている。骨ネジ２０２は、取り付けられる組
織に依存して、種々の大きさを有することができる。例えば、もし骨プレート２００が膝
蓋骨に取り付けられるように構成されているなら、より小さい骨ネジが利用されるとよい
。もし骨プレート２００が体の他の骨よりも通常硬くなっている頸骨に取り付けられるな
ら、より小さい骨ネジが用いられるとよい。軟質骨の場合、該骨内により深く埋め込まれ
るより長い骨ネジが望ましい。
【００７２】
図１６〜図２０は、延長アーム２０６をより詳細に示している。延長アーム２０６の基
部プレート２０８は、プレート開口２５２を画定している。プレート開口２５２は、開口
２２８と同一の形状および大きさを有している。プレート開口２５２は、開口２２８と同
一の特徴を有している。この特徴については、さらに説明しない。プレート開口２５２は
、開口２２８と同じように、骨ネジ２０２のような中心固定具を受け入れるようになって
いる。図示されている実施形態では、骨ネジ２０２がプレート開口２５２および中心開口
２４６を通って骨に固定されるとき、基部プレート２０８は、骨プレート２００に対する
基部プレート２０８の圧縮によって、骨プレート２００に固定されることになる。
【００７３】
円弧状セグメント２５４が、基部プレート２０８から取付端２１０に延在している。リ
ブ２５６が、基部プレート２０８上に部分的に配置され、円弧状セグメント２５４に沿っ
て延在し、取付端２１０で終端している。リブ２５６は、延長アーム２０６の屈曲、座屈
、捻れ、または他の変形を防ぐために、延長アーム２０６に追加的な剛性をもたらすもの
である。
【００７４】
取付面２５８が、延長アーム２０６の取付端２１０に配置されている。取付面２５８は
、コネクタアセンブリ２１４および追跡ヘッド２１２を支持するように構成されている。
取付面２５８は、略平坦である。ネジ付き調整固定具２６１を受け入れるためのネジ付き
開口２６０が、取付端２１０を貫通するように画定されている（図４参照）。
【００７５】
延長アーム２０６は、骨プレート２００および追跡ヘッド２１２を相互接続するもので
ある。延長アーム２０６は、追跡ヘッド２１２の追跡素子（例えば、ＬＥＤ５０）を骨プ
レート２００から離間させている。追跡素子は、このように離間され、解剖学的構造の上
方に延在し、これによって、追跡素子とカメラユニット３６の光学センサ４０との間に見
込まれる見通し線を改良することができる。
【００７６】
図２１を参照すると、延長アーム２０６は、トラッカーヘッド２１２と骨プレート２０
０との間に組織受け領域２６２を画定するように、略Ｃ字状に形作られている。組織受け
領域２６２は、骨プレート２００が骨に取付けられるとき、骨プレート２００の上方に皮
膚、脂肪、筋肉、などのような軟組織を受け入れるように、構成されている。
【００７７】
組織受け領域２６２によって、ユーザーは、軟組織を骨から後退させ、骨プレート２０
０を骨に直接取り付け、次いで、軟組織を骨プレート２００の上方の位置に戻すことが可
能になる。従って、全外科手術手順を通して、軟組織を絶えず後退させておく必要がない
。図２１は、骨プレート２００が大腿骨Ｆに取り付けられている間に組織受け領域２６２
内に位置する皮膚、脂肪、筋肉、および筋膜の層を示している。具体的には、鋭利な先端
２２６が、骨膜を通して、大腿骨Ｆの硬質皮質骨内に入り込むことになる。
【００７８】
骨プレート２００は、単皮質的に骨内に固定して取り付けられる。「単皮質的」は、骨
ネジ２０２が、外側から皮質骨層に一度しか入り込まないことを意味している。
【００７９】
延長アーム２０６は、ステンレス鋼、コバルト基合金、バイオセラミック、チタン合金
、チタン、または他の生体適合性材料から形成されているとよい。
【００８０】
図２２を参照すると、追跡ヘッド２１２は、複数のＬＥＤ５０、ジャイロセンサ６０（
図示せず）、加速度計７０（図示せず）、および信号をカメラユニット３６とナビゲーシ
ョンコンピュータ２６との間で送受信するための送受信機（図示せず）を備えている。追
跡ヘッド２１２は、前述したように、有線接続を介してナビゲーションコンピュータ２６
に接続されていてもよい。
【００８１】
追跡ヘッド２１２は、コネクタアセンブリ２１４に取り付けるための第１のヒンジ部材
２６４を備えている。第１のヒンジ部材２６４は、ネジなし孔２６８を画定している。
【００８２】
コネクタアセンブリ２１４は、図４および図２３〜図２６に示されている。コネクタア
センブリ２１４は、追跡ヘッド２１２および延長アーム２０６を相互接続するためのコネ
クタ２７０を備えている。コネクタ２７０は、１対の第２のヒンジ部材２７８を備えてい
る。第１のヒンジ部材２６４を受け入れるための空間２８０が、第２のヒンジ部材２７８
間に画定されている。第２のヒンジ部材２７８の一方は、ネジなし孔２８２を有しており
、他方は、ネジ付き孔２８４を有している。ネジ付き調整固定具２８６（図４参照）が、
ネジなし孔を通って、ネジ付き孔２８４内に入るようになっている。
【００８３】
調整固定具２８６を締め付けると、第２のヒンジ部材２７８が互いに引き寄せられ、第
１のヒンジ部材２６４を圧縮する。これによって、第２のヒンジ部材２７８に対する第１
のヒンジ部材２６４の運動が阻止される。調整固定具２８６を緩めると、第２のヒンジ部
材２７８が非圧縮位置に戻り、第１のヒンジ部材２６４が空間２８０内において自在に運
動可能になる。
【００８４】
ヒンジ部材２６４，２７８によって形成されたヒンジを介して、追跡ヘッド２１２を骨
プレート２００に対して傾斜させることができる。この傾斜は、旋回軸Ｐ（図５参照）を
中心とする１自由度の運動である。旋回軸Ｐは、孔２６８，２８２，２８４の中心によっ
て画定されている。
【００８５】
コネクタ２７０は、回転基部２９０も有している。回転基部２９０は、第２のヒンジ部
材２７８と一体になっている。回転基部２９０は、取付面２５８と嵌合するための（部番
が付されていない）平坦な底面を有している。
【００８６】
回転基部２９０は、開口２９２を画定している。開口２９２は、調整固定具２６１の（
個別に部番が付されていない）切頭円錐ヘッドを受け入れるように形作られている（図４
参照）。開口２９２は、円筒孔２９４も有している。孔２９４は、調整固定具２６１の（
個別に部番が付されていない）ネジ付きシャフトが、孔２９４を通って延長アーム２０６
の取付端２１０のネジ付き開口２６０に入るように、形作られている。
【００８７】
調整固定具２６１を締め付けると、回転基部２９０は、取付面２５８に対して引き寄せ
られる。回転基部２９０の底面と取付面２５８との間の摩擦によって、取付面２５８に対
するコネクタ２７０の回転運動が阻止される。調整固定具２６１を緩めると、コネクタ２
７０は、取付面２５８に対して自在に回転することができる。従って、追跡ヘッド２１２
は、骨プレート２００に対して回転することができる。回転軸Ｒを中心とする１自由度の
回転が生じることになる（図５および図６参照）。回転軸Ｒは、孔２９４およびネジ付き
開口２６０の中心によって画定されている。
【００８８】
追跡素子のいくつか、例えば、ＬＥＤ５０は、光学センサ４０に対する見通し線に依存
して、追跡信号を光学センサ４０に送信する。その結果、これらの追跡素子は、見通し線
追跡素子とも呼ばれている。これらの追跡素子は、カメラユニット３６の視野内に位置し
、カメラユニット３６への追跡信号の送信が遮られてはならない。場合によっては、１つ
または複数の追跡素子の信号経路が遮られたとき、エラーメッセージが生成されるように
なっている。
【００８９】
ナビゲーションシステム２０の光学センサ４０は、ＬＥＤ５０からの信号を受信するよ
うに構成されている。ナビゲーションシステム２０は、前述したように、ＬＥＤ５０の作
動を制御し、これによって、ナビゲーションシステム２０は、信号がいつ受信されるべき
かを予期することができる。ＬＥＤ５０からの予期された信号が受信されないとき、１つ
の可能性として、信号経路が遮られ、カメラユニット３６への信号の送信が阻止されてい
ることが挙げられる。他の可能性として、ＬＥＤ５０が適切に機能していないことが挙げ
られる。
【００９０】
ナビゲーションコンピュータ２６は、もし光学センサ４０の任意の１つがＬＥＤ５０か
ら信号を受信しなかったなら、仮に他のセンサ４０が信号を受信していても、エラーが生
じたと判断する。他の実施形態では、ナビゲーションコンピュータ２６は、もし光学セン
サ４０のいずれもが信号を受信しなかったなら、エラーが生じたと判断する。いずれの場
合も、ナビゲーションシステム２０が、１つまたは複数のセンサ４０が１つまたは複数の
ＬＥＤ５０から信号を受信しなかったことに基づいて、エラーが生じたと判断したとき、
エラー信号がナビゲーションコンピュータ２６によって生成される。次いで、エラーメッ
セージが、ディスプレイ２８，２９上に表示される。また、ナビゲーションコンピュータ
２６は、エラー信号をトラッカー制御装置６２に送信する。
【００９１】
図２７に示されている実施形態において、エラー指示計３００が追跡ヘッド３１２上に
配置されている。トラッカー制御装置６２は、ユーザーがエラー、例えば、ＬＥ５０の１
つまたは複数からの信号が遮られていることに気づくように、指示計３００を作動させる
ようになっている。ナビゲーションコンピュータ２６は、どの特定の１つまたは複数のＬ
ＥＤ５０が信号を１つまたは複数の光学センサ４０に満足に送信しなかったかを判断する
ことができるので、いくつかの実施形態では、トラッカー４０の各ＬＥＤ５０が個別の指
示計を有しているとよく、これによって、ユーザーは、具体的にどのＬＥＤ５０が遮られ
ているかを知ることができる。
【００９２】
指示計３００は、指示用発光ダイオード（ＬＥＤ）３０２のような指示用発光素子を備
えている。指示用ＬＥＤ３０２は、トラッカー制御装置６２がナビゲーションコンピュー
タ２６からエラー信号を受信したとき、第１の着色光、例えば、赤色、黄色、またはオレ
ンジ色の光を放射する。指示用ＬＥＤ３０２は、エラー信号を受信していないときまたは
エラーが取り除かれた後に警報解除信号をナビゲーションコンピュータ２６から受信した
とき、第２の着色光、例えば、緑色または青色の光を放射する。これは、少なくとも必要
な数のＬＥＤ５０と１つまたは複数の光学センサ４０との間において、見通し線が遮られ
ておらず、維持されていることを示している。エラーが検出されたとき、光が第２の着色
光から第１の着色光に変化する。指示用ＬＥＤ３０２は、エラー状況に基づいて交互に作
動される個別の指示用ＬＥＤ、具体的には、エラーに対する１つまたは複数の第１の着色
指示用ＬＥＤおよび非エラーに対する１つまたは複数の第２の着色指示用ＬＥＤを含んで
いてもよい。他の実施形態では、指示計３００は、エラーが生じたときにエラーメッセー
ジを表示するＬＥＤまたはＬＣＤディスプレイおよび／または音響警報器を含んでいても
よい。
【００９３】
追跡ヘッド３１２は、ＬＥＤ３０２を支持する本体３０６を有している。本体３０６は
、透明窓３１０によって覆われた（図番が付されていない）開口を画定している。ＬＥＤ
３０２は、ＬＥＤ３０２からの光が窓３１０を通って放射され、その光をユーザーが見る
ことができるように、本体３０６の内側でかつ窓３１０の背後に配置されている。窓３１
０は、ＬＥＤ３０２に対して所望の照明特性をもたらすために、レンズ（図示せず）を備
えていてもよい。
【００９４】
図２８および図２９に示されている他の実施形態では、追跡ヘッド４１２は、オレンジ
色の光を放射する第１の指示用ＬＥＤ４０２および緑色の光を放射する第２の指示用ＬＥ
Ｄ４０４を支持している。追跡ヘッド４１２は、ＬＥＤ５０を支持する上部４１４を備え
ている。サファイアドーム４１８がＬＥＤ５０を覆っている。追跡ヘッド４１２は、底部
４２０をさらに備えている。
【００９５】
光リング４３０が、上部４１４と底部４２０との間に挟まれている。指示用ＬＥＤ４０
２，４０４は、図２９に概略的に示されているように、追跡ヘッド４１２の内側において
光リング４３０内に配置されている。光リング４３０は、好ましくは、白色アルミニウム
材料から形成されており、矩形のリング形状を有している。光リング４３０は、指示用Ｌ
ＥＤ４０２，４０４の作動に依存して、オレンジ色の光または緑色の光のいずれかによっ
て照明される。指示用ＬＥＤ４０２，４０４は、図３０に示されているように、トラッカ
ー制御装置６２と電子的に連通している。溶接リング４１６が、組立を容易にするために
、光リング４３０と底部４２０との間に配置されている。
【００９６】
光リング４３０は、トラッカー制御装置６２がナビゲーションコンピュータ２６からエ
ラー信号を受信すると、第１の指示用ＬＥＤ４０２からのオレンジ色の光によって照明さ
れる。光リング４３０は、エラー信号が受信されていないときまたはエラーが取り除かれ
た後に警報解除信号がナビゲーションコンピュータ２６から受信されたとき、第２の指示
用ＬＥＤ４０４からの緑色の光によって照明される。エラーが再び検出されたとき、光リ
ング４３０は、緑色の光で照明される状態からオレンジ色の光で照明される状態に変化す
る。指示用ＬＥＤ４０２，４０４は、エラー状況に基づいて交互に作動される。すなわち
、エラー状態に対して１つまたは複数の第１の指示用ＬＥＤ４０２が作動され、エラー状
態が存在しないときに１つまたは複数の第２の指示用ＬＥＤ４０４が作動されるようにな
っている。
【００９７】
指示用ＬＥＤ４０２，４０４の交互作動は、図３１に示されている回路を用いて行なわ
れる。図３１は、トラッカー制御装置６２および指示用ＬＥＤ４０２，４０４の電気配線
図を示している。この電気配線図は、指示用ＬＥＤ４０２，４０４の交互の作動／非作動
を容易にする電気部品を示している。
【００９８】
指示用ＬＥＤ４０２，４０４の各々は、アノード４３２およびカソード４３４を備えて
いる。図３１において、指示用ＬＥＤ４０２，４０４の各々のアノード４３２は、第１の
基準電圧４３６に接続されており、指示用ＬＥＤ４０２，４０４の各々のカソード４３４
は、第２の基準電圧４３８に接続されている。一実施形態では、第１の基準電圧４３６は
、＋５ＶＤＣであり、第２の基準電圧４３８は、信号用アースである。指示用ＬＥＤ４０
２，４０４の各々のアノード４３２は、第１の基準電圧４３８に個別に接続されていても
よいし、または図３１に示されているように組合せて接続されていてもよい。
【００９９】
スイッチ素子Ｍ１，Ｍ２が、それぞれ、指示用ＬＥＤ４０２，４０４のカソード４３４
と第２の基準電圧４３８との間に接続されている。スイッチ素子Ｍ１，Ｍ２は、指示用Ｌ
ＥＤ４０２，４０４を通る電流を制御し、これによって、指示用ＬＥＤ４０２，４０４の
操作を制御するものである。スイッチ素子Ｍ１，Ｍ２は、トランジスターとして、さらに
具体的には、Ｎ−チャネルＭＯＳＦＥＴとしてさらに規定されているとよい。ＭＯＳＦＥ
ＴＭ１，Ｍ２の各々は、ゲート、ソース、およびドレインを備えている。ＭＯＳＦＥＴＭ
１，Ｍ２の各々のゲートは、トラッカー制御装置６２に接続されている。各ＭＯＳＦＥＴ
Ｍ１，Ｍ２のソースは、第２の基準電圧４３８、さらに具体的には、信号用アースに接続
されている。各ＭＯＳＦＥＴＭ１，Ｍ２のドレインは、各指示用ＬＥＤ４０２，４０４の
カソード４３４に接続されている。レジスタＲ１，Ｒ２が、それぞれ、指示用ＬＥＤ４０
２，４０４の各々のカソード４３４と各ＭＯＳＦＥＴＭ１，Ｍ２のドレインとの間に接続
されている。レジスタＲ１，Ｒ２は、指示用ＬＥＤ４０２，４０４を通る電流を適切な操
作レベルに制限するものである。
【０１００】
トラッカー制御装置６２は、指示用ＬＥＤ４０２，４０４の作動／非作動を制御する。
すなわち、トラッカー制御装置６２は、指示用ＬＥＤ４０２，４０４を電流が通ることを
許容するかまたは阻止するように、スイッチ素子Ｍ１，Ｍ２を選択的に制御するものであ
る。
【０１０１】
一実施形態では、トラッカー制御装置６２は、第１の指示計制御信号をＭＯＳＦＥＴＭ
１のゲートに送信する。トラッカー制御装置６２は、ナビゲーションコンピュータ２６か
らのエラー信号を受信したことに応じて、第１の指示計制御信号を送信するとよい。第１
の指示計制御信号によって、ＭＯＳＦＥＴＭ１は、ソースとドレインとの間に閉回路経路
を形成し、これによって、電流が指示用ＬＥＤ４０２を通って第１および第２の基準電圧
間４３６，４３８間に自在に流れ、指示用ＬＥＤ４０２を点灯させる。
【０１０２】
他の実施形態では、トラッカー制御装置６２は、第２の指示計制御信号をＭＯＳＦＥＴ
Ｍ２のゲートに送信している。トラッカー制御装置６２は、ナビゲーションシステム２６
から警報解除信号または非エラー信号を受信したことに応じて、第２の指示計制御信号を
送信するとよい。この場合、第２の指示計制御信号によって、ＭＯＳＦＥＴＭ２は、ソー
スとドレインとの間に閉回路経路を形成し、これによって、電流が指示用ＬＥＤ４０４を
通って第１および第２の基準電圧４３６，４３８間に自在に流れ、指示用ＬＥＤ４０４を
点灯させる。
【０１０３】
第１および第２の指示計制御信号は、ＭＯＳＦＥＴＭ１，Ｍ２を制御するための任意の
適切な所定の電圧または電流に対応しているとよい。
【０１０４】
トラッカー制御装置６２は、指示用ＬＥＤ４０２，４０４の交互の作動／非作動をもた
らすようになっているとよい。一実施形態では、トラッカー制御装置６２は、指示用ＬＥ
Ｄ４０４を作動停止させる第２の指示計制御信号をＭＯＳＦＥＴＭ２のゲートに送信して
いる。一実施形態によれば、トラッカー制御装置６２は、指示用ＬＥＤ４０２の作動中に
この制御を行うようになっている。指示用ＬＥＤ４０４を作動停止するために、第２の指
示計制御信号によって、ＭＯＳＦＥＴＭ２がソースとドレインとの間に開回路を形成し、
これによって、電流が指示用ＬＥＤ４０４を通って第１および第２の基準電圧４３６，４
３８間に流れるのが阻止される。代替的に、トラッカー制御装置６２は、指示用ＬＥＤ４
０４の作動中に、指示用ＬＥＤ４０２を作動停止させる第１の指示計制御信号をＭＯＳＦ
ＥＴＭ１のゲートに送信してもよい。
【０１０５】
一実施形態では、指示用ＬＥＤ４０２，４０４は、追跡ヘッド４１２に選択的に取外し
可能に取り付けることができるようになっている。追跡ヘッド４１２は、追跡ヘッド４１
２内に配置された印刷回路基板（ＰＣＢ）アセンブリ（図示せず）を備えているとよく、
指示用ＬＥＤ４０２，４０４が、このＰＣＢアセンブリに電気的に接続されるようになっ
ているとよい。図３１において、指示用ＬＥＤ４０２，４０４は、ＰＣＢアセンブリに取
外し可能に取り付けることができるユニット４４０に連結されている。簡単にするために
、図３１では、ユニット４４０は、指示用ＬＥＤ４０２，４０４を取り囲む点線によって
示されている。ユニット４４０は、指示用ＬＥＤ４０２，４０４をＰＣＢアセンブリに選
択的に接続するための第１，第２，および第３の端子４４２，４４４，４４６を備えてい
る。第１の端子４４２は、指示用ＬＥＤ４０２，４０４の各々のアノード４３２を第１の
基準電圧４３６に選択的に接続するものである。各指示用ＬＥＤ４０２，４０４に対して
、第２および第３の端子４４４，４４６は、指示用ＬＥＤ４０２，４０４の各々のカソー
ド４３４をＭＯＳＦＥＴＭ１，Ｍ２に選択的に接続するものである。
【０１０６】
ＬＥＤ５０の制御は、図３２に示されている回路を用いて行なわれる。図３２は、トラ
ッカー制御装置６２に接続されたＬＥＤ５０の電気配線図を示している。この電気配線図
は、ＬＥＤ５０の制御を容易する電気部品を示している。
【０１０７】
図３２において、ＬＥＤ５０の各々は、アノード４５０およびカソード４５２を備えて
いる。ＬＥＤ５０の各々のアノード４５０は、第３の基準電圧４５４に接続されており、
ＬＥＤ５０の各々のカソード４５２は、第４の基準電圧４５６に接続されている。一実施
形態では、第３の基準電圧４５４は、＋２ＶＤＣであり、第４の基準電圧４５６は、信号
用アースである。ＬＥＤ５０の各々のアノード４５０は、第３の基準電圧４５４に個別に
接続されていてもよいし、または図３２に示されているように組合せて接続されていても
よい。
【０１０８】
スイッチ素子Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６は、それぞれ、ＬＥＤ５０のカソード４５２に接
続されている。スイッチ素子Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６は、ＬＥＤ５０を通る電流を制御し
、これによって、ＬＥＤ５０の操作を制御するものである。スイッチ素子Ｍ３，Ｍ４，Ｍ
５，Ｍ６は、トランジスター、さらに具体的には、Ｎ−チャネルＭＯＳＦＥＴとしてさら
に規定されているとよい。ＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６の各々は、ゲート、ソー
ス、およびドレインを備えている。各ＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６のゲートは、
トラッカー制御装置６２に接続されている。各ＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６のソ
ースは、最終的に第４の基準電圧４５６、さらに具体的には、信号用アースに接続されて
いる。図３２において、ＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６のソースは、並列の共有ラ
イン４５８に接続されている。各ＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６のドレインは、Ｌ
ＥＤ５０の１つのカソード４５２に接続されている。
【０１０９】
トラッカー制御装置６２は、ＬＥＤ５０の作動／作動停止を制御するものである。主に
、トラッカー制御装置６２は、ＬＥＤ５０を電流が通ることを許容または阻止するように
、スイッチ素子Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６を選択的に制御している。
【０１１０】
一実施形態では、トラッカー制御装置６２は、任意のＬＥＤ５０またはＬＥＤ５０の組
合せの制御の形態を示す入力信号を受信している。トラッカー制御装置６２は、ナビゲー
ションコンピュータ２６からこの入力信号を受信するとよい。これに応じて、トラッカー
制御装置６２は、ＬＥＤ制御信号を任意のＬＥＤ５０またはＬＥＤ５０の組合せに接続さ
れたＭＯＳＦＥＴまたはＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６のゲートに送信している。
図３２において、トラッカー制御装置６２は、４つの個別のＬＥＤ制御信号を送信し、各
ＬＥＤ制御信号は、各ＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６のゲートに送信される。一実
施形態では、トラッカー制御装置６２は、制御信号をＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ
６に連続的に送信し、ＬＥＤ５０の作動または作動停止を連続的に制御するようになって
いる。トラッカー制御装置６２は、種々の他の構成、シーケンス、サイクル、またはこれ
らの組合せに従ってＬＥＤ５０を制御するためのＬＥＤ制御信号をＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ
４，Ｍ５，Ｍ６に送信してもよい。
【０１１１】
もしトラッカー制御装置６２への入力信号が任意のＬＥＤ５０を作動させるべきである
ことを指示したなら、トラッカー制御装置６２は、ＬＥＤ制御信号を各ＭＯＳＦＥＴＭ３
，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６のゲートに送信する。これによって、ＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５
，Ｍ６は、ソースとドレインと間に閉回路経路を形成し、これによって、電流が各ＬＥＤ
５０を通って第３および第４基準電圧４５４，４５６間に自在に流れ、各ＬＥＤ５０を点
灯させる。
【０１１２】
もし入力信号がトラッカー制御装置６２によって受信されなかったなら、またはトラッ
カー制御装置６２への入力信号が任意のＬＥＤ５０を作動停止させることを指示したなら
、トラッカー制御装置６２は、任意のＬＥＤ５０を作動停止させるＬＥＤ制御信号をＭＯ
ＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６のゲートに送信する。主に、このＬＥＤ制御信号によっ
て、ＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６は、ＭＯＳＦＥＴのソースとドレインとの間に
開回路を形成し、これによって、電流がＬＥＤ５０を通って第３の基準電圧４５４と信号
用アース４５６との間に流れることが阻止される。
【０１１３】
ＬＥＤ５０は、追跡ヘッド４１２に取外し可能に取り付けることができるようになって
いるとよい。図３２において、各ＬＥＤ５０は、ＰＣＢアセンブリに取外し可能に取り付
けることができるユニット４６０に連結されている。簡単にするために、図３２では、各
ユニット４６０は、ＬＥＤ５０の各々を取り囲む点線によって表わされている。一実施形
態では、各ユニット４６０は、各ＬＥＤ５０をＰＣＢアセンブリに選択的に接続するため
の第１および第２の端子４６２，４６４を備えている。図３２において、第１の端子４６
２は、各ＬＥＤ５０のアノード４５０を第３の基準電圧４５４に選択的に接続している。
第２の端子４６４は、各ＬＥＤ５０のカソード４５２を各ＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５
，Ｍ６のドレインに選択的に接続している。
【０１１４】
図３２において、任意のＬＥＤ５０またはＬＥＤ５０の組合せの操作電圧を測定するた
めの電圧検出回路４７０が設けられている。電圧検出回路は、直列ＲＣ回路として配列さ
れたレジスタＲ３およびコンデンサＣ１を備えている。電圧検出回路４７０は、概して、
ＬＥＤ５０とトラッカー制御装置６２との間に接続されている。レジスタＲ３は、共有ラ
イン４５８においてＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６のソースに接続されており、コ
ンデンサＣ１は、レジスタＲ３と第４の基準電圧４５６との間に接続されている。一実施
形態では、電圧検出回路４７０は、第３および第４の基準電圧４５４，４５６間のＬＥＤ
５０の操作電圧を測定するようになっている。
【０１１５】
電圧検出回路４７０は、ＬＥＤ５０の測定された操作電圧を表す電圧検出信号をトラッ
カー制御装置６２に送信するものである。一実施形態では、電圧検出回路４７０は、不適
当な電圧状態からＬＥＤ５０を保護している。トラッカー制御装置６２は、電圧検出信号
を処理し、それに応じて、電圧検出信号の値に基づきＬＥＤ制御信号を修正するとよい。
例えば、トラッカー制御装置６２は、もし電圧検出信号が所定の閾値レベルを超えている
とトラッカー制御装置６２が判断したなら、ＬＥＤ制御信号の電圧を変化させるとよい。
他の実施形態では、トラッカー制御装置６２は、ＬＥＤ５０が誤作動しているかどうかを
判断するために、電圧検出回路４７０を利用する。トラッカー制御装置６２は、ＬＥＤ５
０の誤作動をナビゲーションシステム２０に伝えることができ、これによって、ナビゲー
ションシステム２０は、このような誤作動を予期し、これに対応することができる。電圧
検出回路４７０は、種々の他の形態および方法に従って、用いられてもよい。
【０１１６】
図３２において、任意のＬＥＤ５０またはＬＥＤ５０の組合せの操作電流を測定するた
めの電流検出回路４８０が設けられている。電流検出回路４８０は、不適当な電流状態か
らＬＥＤ５０を保護するものである。電流検出回路４８０は、直列ＲＣ回路として配列さ
れたレジスタＲ４およびコンデンサＣ２を備えている。電流検出回路４８０は、概して、
ＬＥＤ５０とトラッカー制御装置６２との間に接続されている。レジスタＲ４は、共有ラ
イン４５８においてＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６のソースに接続されており、コ
ンデンサＣ２は、レジスタＲ４と信号用アース４５６との間に接続されている。一実施形
態では、電流検出回路４８０は、第３および第４の基準電圧４５４，４５６間を通るＬＥ
Ｄの全操作電流を測定するようになっている。
【０１１７】
１つの操作モードでは、電流検出回路４８０は、トラッカー制御装置６２に電流検出信
号を供給している。この電流検出信号は、ＬＥＤ５０の測定された操作電流から導かれる
とよい。トラッカー制御装置６２は、この電流検出信号を処理し、この電流検出信号が所
定値と一致しているかどうかを決定している。例えば、トラッカー制御装置６２は、この
電流検出信号が所定の閾値電圧レベルを超えていることを決定するようになっているとよ
い。
【０１１８】
図３２において、ＬＥＤ５０に供給される電流を制限するための電流制限回路４８２が
さらに設けられている。図３２において、電流制限回路４８２は、ＬＥＤ５０を通る電流
を調整するための増幅器４８４を備えている。増幅器４８４は、第１および第２の入力端
子４８６，４８８および出力端子４９０を備えている。電流制限回路４８２は、ＬＥＤ５
０を通る電流を制御するためのＭＯＳＦＥＴＭ７を備えている。ＭＯＳＦＥＴＭ７は、ゲ
ート、ソース、およびドレインを備えている。
【０１１９】
増幅器４８２の第１の入力端子４８６は、トラッカー制御装置６２に接続されている。
増幅器４８２の第２の入力端子４８８は、ＭＯＳＦＥＴＭ７のゲートおよびソースに接続
されている。コンデンサＣ３は、第２の入力端子４８８とＭＯＳＦＥＴＭ７のゲートとの
間に配置されている。レジスタＲ５が、第２の入力端子４８８とＭＯＳＦＥＴＭ７のソー
スとの間に配置されている。レジスタＲ６が、ＭＯＳＦＥＴＭ７のソースと信号用アース
４５６との間に接続されている。増幅器４８２の出力端子４９０は、ＭＯＳＦＥＴＭ７の
ゲートに接続されている。レジスタＲ７が、増幅器４８４の出力４９０とＭＯＳＦＥＴＭ
７のゲートとの間に接続されている。ＭＯＳＦＥＴＭ７のドレインは、共有ライン４５８
においてＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６のソースに接続されている。
【０１２０】
１つの操作モードでは、トラッカー制御装置６２は、電流制限信号を電流制限回路４８
２に送信している。トラッカー制御装置６２は、電流検出回路４８０によって生じた電流
検出信号の値に基づき電流制限信号を送信するとよい。図３２において、トラッカー制御
装置６２によって送信された電流制限信号は、増幅器４８２の第１の入力端子４８６によ
って受信される。増幅器４８４は、トラッカー制御装置６２から受信した電流制限信号に
基づきＭＯＳＦＥＴＭ７を制御する。一例では、増幅器４８４は、電流制限信号に応じて
ＬＥＤ５０の各々を作動停止する。具体的には、増幅器４８４は、信号を出力端子４９０
からＭＯＳＦＥＴＭ７のゲートに送る。これによって、ＭＯＳＦＥＴＭ７は、ソースとド
レインとの間に開回路を形成する。その結果、電流が第３および第４の基準電圧４５４，
４５６間に流れるのが阻止され、これによって、ＬＥＤ５０の各々を作動停止することが
できる。他の実施形態では、増幅器は、電流制限信号に応じて、ＬＥＤ５０を通る電流を
制限するが、ＬＥＤ５０を完全に作動停止しないようになっていてもよい。
【０１２１】
電流検出回路４８０および電流制限回路４８２は、種々の他の構成および方法に従って
用いられてもよい。
【０１２２】
いくつかの実施形態では、トラッカー４４は、もしＬＥＤ５０の１つからの追跡信号が
遮られても、残っているＬＥＤ５０から位置および方位データを得ることができるように
、４つ以上の追跡用ＬＥＤ５０を備えているとよい。この場合、エラー信号が生成される
前に、ナビゲーションコンピュータ２６は、まず全追跡サイクルを実施することになる。
全追跡サイクルは、追跡サイクルにおいて光学センサ４０がＬＥＤ５０の少なくとも３つ
から追跡信号を受信するかどうかを判断するために、トラッカー４４のＬＥＤ５０の全て
を連続的に作動させることを含んでいる。次いで、もし追跡サイクルにおいて１つの光学
センサ４０（いくつかの実施形態では、全ての光学センサ４０）が少なくとも３つのＬＥ
Ｄ５０から追跡信号を受信しなかったなら、エラー信号が生成される。
【０１２３】
ナビゲーションシステム２０は、外科医または他の医療従事者によるトラッカー４４の
位置決めを支援するように、構成されている。この支援は、追跡ヘッド２１２（または追
跡ヘッド３１２，４１２）をＬＥＤ５０と光学センサ４０との間に見通し線をもたらす所
望の方位に配置させるのを助長し、かつ外科手術手順中に生じ得る見通し線エラーを低減
させるのを助長することになる。
【０１２４】
骨プレート２００が骨、例えば、大腿骨Ｆに取付けられた時点で、追跡ヘッド２１２は
、コネクタアセンブリ２１４を介して、骨プレート２００に対して移動することができる
ようになっている。具体的には、追跡ヘッド２１２は、枢軸Ｐおよび回転軸Ｒ（図４参照
）を中心として移動可能である。コネクタアセンブリ２１４は、骨プレート２００に対す
る追跡ヘッド２１２のこれらの２自由度の運動を可能にし、これによって、追跡ヘッド２
１２を所望の方位に配置させることができる。これは、ＬＥＤ５０と光学センサ４０との
間に見通し線をもたらすのを助長することになる。
【０１２５】
ナビゲーションの開始前に、医療従事者は、追跡ヘッド２１２を初期方位に配置させる
ように指示される。初期方位は、外科手術の間中ずっとＬＥＤ５０が光学センサ４０の見
通し線内にあり、障害物によって遮られないように、追跡ヘッド２１２が視覚的に配向さ
れる方位である。いったんユーザーが追跡ヘッド２１２を初期方位に配置したなら、ナビ
ゲーションコンピュータ２６は、必要に応じて、所望の方位を維持しながらどの程度まで
追跡ヘッド２１２をさらに移動させることができるかの観点からトラッカー４４をセット
アップするように医療従事者に指示を与える。
【０１２６】
ナビゲーションコンピュータ２６は、最初、追跡ヘッド２１２の初期方位を決定し、追
跡ヘッド２１２がすでに所望の方位にあるかどうかを判断する。もし追跡ヘッド２１２が
所望の方位にないなら、ナビゲーションシステム２０は、ディスプレイ２８，２９に表示
されたソフトウエア指令を介して、所望の方位を得るために追跡ヘッド２１２を骨プレー
ト２００に対して１つまたは複数の自由度で移動させるように、ユーザーに指示すること
になる。
【０１２７】
トラッカー４４は、図２２に示されているように、方位センサ３２０を備えている。一
実施形態では、方位センサ３２０は、３軸、すなわち、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に沿って
重力（加速度）を測定するように構成された３軸重力センサ３２０である。
【０１２８】
重力センサ３２０は、追跡ヘッド２１２内に配置されている。重力センサ３２０は、ト
ラッカー制御装置６２に操作可能に接続されている。トラッカー制御装置６２は、ｘ軸、
ｙ軸、およびｚ軸に関する重力測定値を重力センサ３２０から受信する。これらの信号は
、重力に対する追跡ヘッド２１２の現在の方位を決定するために、ナビゲーションシステ
ム２０によって解析される。いくつかの実施形態では、加速度計７０が重力センサ３２０
として用いられてもよいことを理解されたい。
【０１２９】
図２２を参照すると、ｘ軸およびy軸は、追跡ヘッド２１２の前面と平行の追跡ヘッド
２１２の面に配向されている。ｚ軸は、ｘ軸およびｙ軸と直交して配向されている。ｚ軸
に沿った重力測定値がゼロのとき、重力は、ｚ軸に沿って作用しておらず、これは、追跡
ヘッド２１２のｘ−ｙ面が垂直に配向していることを意味している。
【０１３０】
図３３Ａおよび図３３Ｂを参照すると、一実施形態では、所望の方位は、ｚ軸の重力測
定値がゼロになる角度に設定された枢軸Ｐおよび回転軸Ｒを中心とする傾斜角を含んでい
る。
【０１３１】
図３３Ａを参照すると、ＬＥＤ５０によって送信された信号は、信号放出領域３２４の
中心を画定する中心信号軸３２２を有する見通し線追跡信号と見なされる。所望の方位は
、一実施形態において、ＬＥＤ５０の中心信号軸３２２が重力の方向と直交したときの方
位として、例えば、重力の方向に配向されたベクトル３２６と直交したときの方位として
さらに定義される。
【０１３２】
この実施形態では、ナビゲーションコンピュータ２６は、ｚ軸重力測定値がゼロになる
まで、追跡ヘッド２１２の傾斜角を調整するようにユーザーに指示するように、構成され
ている。これは、図３３Ｂに示されているように，追跡ヘッド２１２のｘ−ｙ面が重力ベ
クトル３２６に対して垂直に配向されたときに生じる。
【０１３３】
ユーザーに対する傾斜角を調整する指示は、追跡ヘッド２１２の現在の方位が図表によ
って表わされているディスプレイ２８，２９を介して、ナビゲーションシステム２０によ
って行なわれる。現在の方位は、ユーザーが傾斜角を変化させることによって、動的に調
整されることになる。追跡ヘッド２１２の所望の方位も、現在の方位が所望の方位にどの
程度近いかをユーザーが視覚的に判断することができるように、図表によって示されてい
る。現在の方位が所望の方位にあるとき、ディスプレイ２８，２９は、緑色に光るように
なっているとよく、または追跡ヘッド２１２が重力に対して所望の方位にあることを示す
いくつかの他の視覚的指示計を有していてもよい。所望の方位は、ｘ−ｙ面が好ましくは
重力に対して垂直になる理想的な方位からの所定のずれ、例えば、±１０％、±５％、ま
たは±２％のずれを含んでいてもよいことを理解されたい。
【０１３４】
代替的実施形態では、追跡ヘッド２１２のＬＥＤが、緑色の光を放出するように作動さ
れることによって、現在の方位が所望の方位にあることをユーザーに指示してもよい。代
替的に、追跡ヘッド２１２が所望の方位にあることを示す聴覚的指示計が、トラッカー４
４上に設けられていてもよい。
【０１３５】
いったん追跡ヘッド２１２が重力に対して所望の方位にあるように傾斜角が設定された
なら（例えば、図３３Ｂ参照）、追跡ヘッド２１２が骨プレート２００に対して傾斜する
ことができないように、コネクタアセンブリ２１４の調整固定具２８６が締付けられるこ
とになる。場合によっては、追跡ヘッド２１２を所望の方位に配置するために、追跡ヘッ
ド２１２の傾斜調整しか必要とされないこともある。
【０１３６】
他の場合、追跡ヘッド２１２を所望の方位に配置する傾斜調整の後、回転軸Ｒを中心と
する回転調整が必要である。これらの場合、所望の方位への配向は、ｚ軸に沿った重力測
定値が略ゼロから非ゼロに移行する追加的な回転調整を含んでいてもよい。具体的には、
最初、追跡ヘッド２１２を垂直に配置するために傾斜調整を行い、次いで、（ｚ軸に沿っ
た重力測定値が非ゼロになる）回転調整を行い、次いで、ｚ軸を略ゼロに戻すためにさら
なる傾斜調整を行う（すなわち、追跡ヘッド２１２を垂直に戻す）ように、調整が反復さ
れるとよい。
【０１３７】
回転調整中に、ＬＥＤ５０は、光学センサ４０によって追跡されている。具体的には、
ナビゲーションコンピュータ２６は、光学センサ４０によって受信される信号に基づき、
追跡ヘッド２１２のどの回転方位がＬＥＤ５０に対して最良の見通し線をもたらすかを判
断するように、構成されている。
【０１３８】
所望の回転方位は、追跡ヘッド２１２を運動の最大範囲、例えば、３６０°にわたって
一回以上回転させるようにユーザーに指示することによって、決定することができる。追
跡ヘッド２１２が回転している間、ナビゲーションコンピュータ２６は、軸Ｒを中心とす
るどの回転位置（例えば、どの回転角度）において各ＬＥＤ５０に対する見通し線が存在
し、かつどの回転位置において各ＬＥＤ５０に対する見通し線が存在しないかを判断する
。これは、追跡ヘッド２１２を膝関節の種々の位置において、すなわち、膝関節の拡縮位
置において、その運動の最大範囲にわたって追跡ヘッド２１２を回転することを含んでい
るとよい。これによって、各ＬＥＤ５０に対する軸Ｒを中心とする見通し位置の範囲が決
定される。次いで、最適適合アルゴリズムを用いて、ＬＥＤ５０の全てに対する見通し位
置の範囲内において最も適する軸Ｒを中心とする位置を決定することができる。
【０１３９】
ナビゲーションコンピュータ２６は、現在の回転位置がナビゲーションコンピュータ２
６によって決定された所望の回転位置と一致するまで追跡ヘッド２１２を回転させるよう
に、ディスプレイ２８，２９を通してユーザーに指示する。例えば、図３４Ａに示されて
いる現在の回転位置に対する図３４Ｂに示されている所望の回転位置を参照されたい。ユ
ーザーに対する指示は、ディスプレイ２８，２９上の現在の回転位置および所望の回転位
置を表す画像を示し、ユーザーが所望の回転位置に向かって調整を行うにつれて現在の回
転位置を動的に変化させることによって、達成されるとよい。
【０１４０】
傾斜角の調整と同じように、追跡ヘッド２１２上のＬＥＤが、緑色の光を放射するよう
に作動されることによって、回転位置が所望の回転位置になったときをユーザーに指示す
るようになっているとよい。代替的に、現在の回転位置が所望の回転位置にあることを示
すために、聴覚的指示計がトラッカー４４に設けられてもよい。所望の回転位置は、理想
の回転位置からの所定のずれ、例えば、±１０％、±５％、または±２％のずれを含んで
いてもよいことを理解されたい。
【０１４１】
所望の回転方位が得られたとき、追跡ヘッド２１２が骨プレート２００に対して回転す
ることができないように、コネクタアセンブリ２１４の調整固定具２６１が締付けられる
ことになる。従って、追跡ヘッド２１２は、骨プレート２００および骨に対して移動でき
ないように固定されたことになる。
【０１４２】
いくつかの実施形態では、ＬＥＤ５０は、傾斜角および回転角の両方の調整中、光学セ
ンサ４０によって追跡されている。具体的には、ナビゲーションコンピュータ２６は、光
学センサ４０によって受信された信号に基づき、追跡ヘッド２１２のどの傾斜および回転
方位がＬＥＤ５０から光学センサ４０への最良の見通し線をもたらすかを判断するように
、構成されている。
【０１４３】
これらの実施形態では、所望の方位は、追跡ヘッド２１２をそれらの運動の最大範囲に
わたって一回以上連続的または間欠的に傾斜および回転させるように、ユーザーに指示す
ることによって、決定されてもよい。追跡ヘッド２１２が傾斜および回転している間、ナ
ビゲーションシステム２６は、軸Ｐおよび軸Ｒを中心とするどの傾斜位置および回転位置
（例えば、どの傾斜角および回転角）において各ＬＥＤ５０に対する見通し線が存在し、
かつどの傾斜位置および回転位置において各ＬＥＤ５０に対する見通し線が存在しないか
を判断する。これによって、各ＬＥＤ５０に対する軸Ｐおよび軸Ｒを中心とする見通し位
置の範囲が決定される。次いで、最適適合アルゴリズムを用いて、ＬＥＤ５０の全てに対
する見通し位置の範囲内において最も適合する軸Ｐおよび軸Ｒを中心とする位置を決定す
ることができる。
【０１４４】
このプロセスは、反復されるとよく、追跡ヘッド２１２に対する適切な位置を見出すた
めに軸Ｐおよび軸Ｒを中心とするユーザーによるいくつかの調整を含んでいてもよい。場
合によっては、ナビゲーションコンピュータ２６は、ユーザーによって設定された不十分
な初期方位によって、ＬＥＤ５０の全てに対して見通し線が維持される方位を識別するこ
とができないことがある。この場合、ナビゲーションコンピュータ２６は、最初、ＬＥＤ
５０が視覚的に光学センサ４０に面するように追跡ヘッド２１２を再配向するようにユー
ザーを指示し、次いで、種々の運動による追跡ヘッド２１２の方位の測定を継続し、これ
によって、ＬＥＤ５０の全てに対して見通し線を維持する最適適合を見出すようになって
いてもよい。
【０１４５】
場合によっては、傾斜調整は、まず、追跡ヘッド２１２をその傾斜運動の全範囲にわた
って、可能であれば、拡縮位置を含む多数の膝位置において、一回以上移動させることに
よって行なわれてもよい。次いで、最適適合傾斜角が決定され、傾斜角がこの最適適合傾
斜角に固定されることになる。その後、追跡ヘッド２１２は、その回転運動の全範囲にわ
たって、可能であれば、拡縮位置を含む多数の膝位置において、一回以上移動されるとよ
い。次いで、最適適合回転角が決定され、回転角がこの最適適合回転角に固定されること
になる。
【０１４６】
いくつかの実施形態では、第３の自由度の運動が、所望の位置、例えば、トラッカー４
４の高さに対して調整されてもよい。図示されている実施形態では、外科医が膝関節を曲
げるときにトラッカー４４が上下に移動するという事実から、２自由度の運動しか調整さ
れていない。この場合、追跡ヘッド２１２のＬＥＤ５０は、ＬＥＤ５０とセンサ４０との
間の見通し線を損なうことなく、光学センサ４０に対して上下されるとよい。
【０１４７】
スクリュードライバー５００が、図３５〜図５１に示されている。スクリュードライバ
ー５００は、骨ネジ２０２を適所に配置するために用いられるものである。
【０１４８】
図３６を参照すると、スクリュードライバー５００は、ねじ込みの前に各骨ネジ２０２
を骨内に打ち込む一体式衝撃具５０２を備えている。スクリュードライバー５００が骨ネ
ジに２０２に対して押し込まれると、衝撃具５０２が後バネ５０４内にエネルギーを蓄え
る。このエネルギーは、最終的に、骨ネジ２０を骨内に押し込む力として解放される。衝
撃具５０２は、エネルギーが蓄えられていない静止状態において始動され、蓄えられたエ
ネルギーを徐々に増大させるように作動され、次いで、エネルギーを解放するように作動
される。
【０１４９】
スクリュードライバー５００は、本体を備えている。本体は、ノーズチューブ５０８、
中間チューブ５１０、および後キャップ５１２を備えている。ノーズチューブ５０８、中
間チューブ５１０、および後キャップ５１０は、内部構成要素を組み立てる目的で互いに
離脱可能に接続される個別の部品である。他の実施形態では、ノーズチューブ５０８、中
間チューブ５１０、および後キャップ５１２は、互いに恒久的に固定されていてもよいこ
とを理解されたい。
【０１５０】
ノーズチューブ５０８は、略円錐の遠位端５１４を有している。ノーズチューブ５０８
は、その遠位端５１４から雄ネジ付き近位端５１６まで延在している。ノーズチューブ５
０８は、中空である。ノーズチューブ５０８は、近位孔５１８および遠位孔５２０を画定
している。近位孔５１８は、遠位孔５２０よりも大きい断面積を有している。近位孔５１
８は、円形断面を有しており、遠位孔５２０は、六角形断面を有している。
【０１５１】
中間チューブ５１０は、略円筒状である。中間チューブ５１０は、雌ネジ付き遠位端５
２２および雄ネジ付き近位端５２４を有している。雌ネジ付き遠位端５２２は、ノーズチ
ューブ５０８の雄ネジ付き近位端５１６に螺合されている。
【０１５２】
後キャップ５１２は、上部５２６を有している。後キャップ５１２は、上部５２６から
遠位方向に雌ネジ付き区域５２８まで延在している。雌ネジ付き区域５２８は、中間チュ
ーブ５１０の雄ネジ付き近位端５２４に螺合されている。
【０１５３】
衝撃具５０２は、中間チューブ５１０内に配置されたハンマー５３０を備えている。ハ
ンマー５３０は、略円筒形状を有している。後バネ５０４は、後キャップ５１２とハンマ
ー５３０との間に配置されている。後バネ５０４は、ハンマー５３０を遠位側に付勢して
いる。後バネ５０４の圧縮は、後キャプ５１２を緩めるかまたは締め付けてハンマー５３
０の蓄えられたエネルギーを増減することによって、調整することができる。
【０１５４】
受入れ孔５３２が、ハンマー５３０に形成されている。受入れ孔５３２は、ハンマー５
３０の中心軸を中心として配置されている。受入れ孔５３２は、円筒状である。交差孔５
３４が、受入れ５３２と直交する方向に形成されている（図４６参照）。
【０１５５】
衝撃具５０２は、交差孔５３４内に配置されたトリガー５３６を備えている。トリガー
５３６は、半円筒状である。トリガー５３６は、平坦な底面５３８を有している（図４７
参照）。貫通孔５４０が、トリガー５３６に画定されている。衝撃具５０２が静止状態に
あるとき、板バネ５４２がトリガー５３６を、貫通孔５４０が受入れ孔５３２に対して外
れた位置、すなわち、位置ずれした位置に付勢することになる。
【０１５６】
駆動ロッド５４４が、最終的に、骨ネジ２０２に押し込まれる衝撃具５０２内に蓄えら
れたエネルギーを受けることになる。駆動ロッド５４４は、近位端５４８を有する円筒シ
ャフト５４６を有している。近位端５４８は、ハンマー５３０の受入れ孔５３２内に嵌入
されるように形作られている。
【０１５７】
ボス５５０が、駆動ロッド５４４の近位端５４８に配置され、肩５５２を形成している
（図５０参照）。衝撃具５０２の静止状態では、肩５５２は、トリガー５３６の平坦な底
面５３８に係合している。この状態では、ボス５５０は、トリガー５３６に画定された貫
通孔５４０内に突出しているが、肩５５２は、円筒シャフト５４６が貫通孔５４０に入る
のを阻止している。
【０１５８】
駆動ロッド５４４は、遠位端５５６を有する六角形シャフト５５４を有している。六角
形シャフト５５４は、ノーズチューブ５０８の六角形状の遠位孔５２０と嵌合し、これに
よって、ユーザーによる本体の回転が六角形シャフト５５４を回転させることになる。遠
位端５５６は、骨ネジ２０２のヘッドに係合するように構成された特徴部を有し、スクリ
ュードライバー５００の本体が回転したときに骨ネジ２０２を回転させて骨内に押し込む
ようになっている。
【０１５９】
カラー５５８が、六角形シャフト５５４に固定されている。カラー５５８は、駆動ロッ
ド５４４がノーズチューブ５０８から落下するのを阻止している。カラー５５８は、ノー
ズチューブ５０８の近位孔５１８と嵌合するために円筒形状を有している。
【０１６０】
バネキャップ５６０が、中間チューブ５１０の内側おいてノーズチューブ５０８とハン
マー５３０との間の中心に配置されている。バネキャップ５６０は、中間チューブ５１０
の内側に圧入されている。
【０１６１】
ロッドバネ５６２が、駆動ロッド５４４の円筒シャフト５４６の周りに配置されている
。ロッドバネ５６２は、バネキャップ５６０と駆動ロッド５４４のカラー５５８との間に
おいて、ハンマー５３０が作動した後にスクリュードライバー５００を静止状態に戻すよ
うに作用する。バネキャップ５６０は、駆動ロッド５４４の円筒シャフト５４６を受入れ
、中間チューブ５１０の内側に円筒シャフト５４６を心出しするための（部番が付されて
いない）貫通孔を画定している。
【０１６２】
スクリュードライバー５００は、後キャップ５１２および／または中間チューブ５１０
を把持し、それらを遠位側に付勢することによって、骨ネジ２０２に対して押圧されてい
る。従って、骨ネジ２０２は、骨に押し付けられる。同時に、駆動ロッド５４４は、中間
チューブ５１０内において近位側に移動する。肩５５２は、トリガー５３６を近位側に押
し付け、板バネ５４２は、トリガー５３６をハンマー５３０の受入れ孔５３２から位置ず
れした貫通孔５４０内に維持している。
【０１６３】
中間チューブ５１０は、傾斜した内面５６６を備えている。トリガー５３６が傾斜した
内面５６６に達したとき、傾斜した内面５６６は、トリガーに係合する。これが行なわれ
ると、傾斜した内面５６６がカムとして作用し、トリガー５３６は、トリガー５３６の貫
通孔５４０が心出しされ、ハンマー５３０の受入れ孔５３２と真っ直ぐに並ぶように、押
し出される。同様に、駆動ロッド５４４の近位端５４８は、貫通孔５４０内に嵌合するよ
うに位置合わせされ、これによって、トリガー５３６は、駆動ロッド５４４に沿って摺動
し、ハンマー５３０を解放する。次いで、ハンマー５３０は、後バネ５０４による推進力
によって、前方に移動する。
【０１６４】
ハンマー５３０の受入れ孔５３２が所定の深さを有しているので、駆動ロッド５４４の
近位端５４８のボス５５０は、最終的に、受入れ孔５３２に底付きし、ハンマー５３０の
力が駆動ロッド５４４および骨ネジ２０２に伝達され、骨ネジ２０２を骨内に押し込むこ
とになる。
【０１６５】
［他の実施形態］
一実施形態では、トラッカー４４，４６，４８の各々が能動的に追跡されているとき、
ＬＥＤの作動は、以下のように行なわれる。すなわち、トラッカー４４の１つのＬＥＤ５
０が作動され、トラッカー４６の１つのＬＥＤ５０が作動され、トラッカー４８の１つの
ＬＥＤ５０が作動され、次いで、トラッカー４４の第２のＬＥＤ５０が作動され、トラッ
カー４６の第２のＬＥＤ５０が作動され、以後、全てのＬＥＤ５０が作動されるまで、こ
れが継続され、次いで、このシーケンスが繰り返される。この作動の順序は、カメラユニ
ット３６の送受信機（図示せず）からトラッカー４４，４６，４８の送受信機（図示せず
）に送信される指示信号またはナビゲーションコンピュータ２６からトラッカー４４，４
６，３８の各々のトラッカー制御装置６２への有線接続を介して送信される指示信号によ
って行なわれる。
【０１６６】
閉ループにあるナビゲーションシステム２０を用いて、外科用切断器具によって行なわ
れる外科手術手順を制御することができる。トラッカー５０が器具２２および切断される
解剖学的構造に装着され、これによって、ナビゲーションシステム２０は、器具２２およ
び切断される解剖学的構造、例えば、骨の位置および方位を追跡することができる。
【０１６７】
一実施形態では、ナビゲーションシステム２０は、組織を治療するためのロボット外科
用システムの一部である。いくつかの態様では、ロボット外科用システムは、患者の解剖
学的構造、例えば、骨または軟組織から材料を切除するためのロボット外科切断システム
である。この切断システムは、単踝膝移植片、双踝膝移植片、または全膝移植片を含む股
関節移植片および膝移植片のような外科用移植片のために骨を前処理するために用いられ
てもよい。これらの形式の移植片のいくつかは、「人工移植片および移植の方法」と題す
る米国特許出願第１３／５３０，５２７号に示されている。この文献の開示内容は、参照
することによって、ここに含まれるものとする。
【０１６８】
一実施形態では、ナビゲーションシステム２０は、（マニピュレータ制御装置５４を備
えることができる）ロボット制御システムと連通している。ナビゲーションシステム２０
は、位置および／または方位データをロボット制御システムに伝送する。位置および／ま
たは方位データは、解剖学的構造に対する器具２２の位置および／または方位を表してい
る。この通信によって、切断が所定の境界内で行なわれるように解剖学的構造の切断を制
限する閉ループ制御がもたらされる。
【０１６９】
一実施形態では、大腿骨Ｆおよび頸骨Ｔの各々は、外科用器具２２のワーク端によって
取り除かれる目標とする材料体積を有している。この目標とする体積は、１つまたは複数
の境界によって画定されている。境界は、手術手順のあとに残されるべき骨の表面を画定
している。いくつかの実施形態では、ナビゲーションシステム２０は、２０１３年８月２
日に出願された「外科用器具を多重モードで制御することができる外科用マニピュレータ
」と題する米国特許出願第１３／９５８，０７０号に開示されているように、ワーク端、
例えば、バールが目標とする材料体積のみを除去し、境界を超えて延長しないことを確実
にするように、外科用器具２２を追跡および制御する。この出願の開示内容は、参照する
ことによって、ここに含まれるものとする。
【０１７０】
前述の記載において、いくつかの実施形態について説明してきた。しかし、本明細書に
おいて検討した実施形態は、本発明をどのような特定の形態にも排他または制限すること
を意図していない。用いられた技術用語は、制限のための用語ではなく説明のための用語
であることが意図されている。上記の示唆に照らして、多くの修正および変更が可能であ
り、本発明は、具体的に記載されている以外の形態で実施されてもよい。
なお、原出願の特許請求の範囲は、以下の通りである。
[請求項１]
対象物を追跡するためのナビゲーションシステムであって、
追跡信号を送信するための追跡素子と、
前記対象物の位置を決定するために前記追跡素子から前記追跡信号を受信するためのセンサと、
を備えており、
前記追跡素子および前記センサの一方は、前記対象物に取付け可能になっており、
前記センサが前記追跡素子から前記追跡信号を受信するときのエラーを示すために前記対象物に取付け可能になっているエラー指示計であって、第１の発光素子および第２の発光素子を備えている、エラー指示計と、
前記センサが前記追跡素子から前記追跡信号を受信したかどうかを判断し、もし前記センサが前記追跡信号を受信しなかったなら、エラー信号を生成し、前記エラー信号の生成に応じて、前記第１の発光素子を作動させ、前記エラー信号の生成に応じて、前記第２の発光素子を作動停止させるように構成されたコンピュータシステムと、
をさらに備えている、
ナビゲーションシステム。
[請求項２]
前記第１の発光素子は、第１の着色光を放射するように構成されており、前記第２の発光素子は、第２の着色光を放射するように構成されており、前記コンピュータシステムは、前記エラー信号の生成に応じて、前記第１の着色光を放射させるために、前記第１の発光素子を作動させ、前記エラー信号の生成に応じて、前記第２の着色光の放射を中断させるために、前記第２の発光素子を作動停止させるように構成されている、請求項１に記載のナビゲーションシステム。
[請求項３]
前記対象物に取り付けるための追跡本体を備えており、前記追跡本体は、光リングを備えており、前記第１および第２の発光素子は、前記光リングを照明するために、前記光リングの内側に位置するように前記追跡本体に取り付けられている、請求項２に記載のナビゲーションシステム。
[請求項４]
前記第１の発光素子は、前記コンピュータシステムが前記エラー信号を生成したときに前記光リングが前記第１の着色光によって照明され、前記第１の着色光を放射するように構成された発光ダイオードであり、前記第２の発光素子は、前記センサが前記追跡信号を受信したと前記コンピュータシステムが判断したとき、前記光リングが前記第２の着色光によって照明され、前記第２の着色光を放射するように構成された発光ダイオードである、請求項３に記載のナビゲーションシステム。  
[請求項５]
前記追跡本体は、上面、底面、および側面を備えており、前記追跡本体は、前記側面に画定された光開口を画定しており、前記第１および第２の発光素子の一方から光が前記光開口を通って放射されるようになっている、請求項１に記載のナビゲーションシステム。
[請求項６]
前記センサは、視野を有しており、前記追跡素子は、前記視野内において前記対象物に取付け可能になっている、請求項１に記載のナビゲーションシステム。
[請求項７]
第２の追跡素子を備えている、請求項１に記載のナビゲーションシステム。
[請求項８]
前記追跡素子は、見通し線追跡素子である、請求項７に記載のナビゲーションシステム。
[請求項９]
前記追跡素子は、発光ダイオードである、請求項７に記載のナビゲーションシステム。
[請求項１０]
前記追跡素子は、反射ボールである、請求項７に記載のナビゲーションシステム。
[請求項１１]
追跡信号を送信するための第２および第３の追跡素子を備えている、請求項１に記載のナビゲーションシステム。
[請求項１２]
前記コンピュータシステムは、
前記追跡要素の３つの全ての連続的作動を含む追跡サイクルにおいて、前記センサが前記追跡素子の３つの全てから前記追跡信号を受信しているかどうかを判断し、
もし前記追跡サイクルにおいて、前記センサが前記追跡素子の３つの全てから前記追跡信号を受信しなかったなら、前記エラー信号を生成するように構成されている、請求項１１に記載のナビゲーションシステム。
[請求項１３]
対象物を追跡するための方法であって、
追跡素子およびセンサの一方を前記対象物に取り付けるステップと、
前記追跡素子から追跡信号を送信するステップと、
前記センサが前記追跡素子から前記追跡信号を受信したかどうかを判断するステップと、
もし前記センサが前記追跡信号を受信しなかったなら、エラー信号を生成するステップと、
前記エラー信号の生成に応じて、第１の発光素子を作動させるステップと、
前記エラー信号の生成に応じて、第２の発光素子を作動停止させるステップと、
を含んでいる、方法。
[請求項１４]
前記エラー信号の生成に応じて、第１の着色光を放射させることを含んでいる、請求項１３に記載の方法。
[請求項１５]
エラー信号が生じていないとき、第２の着色光を放射させることを含んでいる、請求項１４に記載の方法。
[請求項１６]
エラー信号が生じていないとき、緑色光を放射させることを含んでいる、請求項１５に記載の方法。
[請求項１７]
前記エラー信号の生成に応じて、前記第１の着色光によって光リングを照明し、エラー信号が生じていないとき、前記第２の着色光によって前記光リングを照明することを含んでいる、請求項１５に記載の方法。
[請求項１８]
前記センサの視野内において前記追跡素子を前記対象物に取り付けることを含んでいる、請求項１３に記載の方法。
[請求項１９]
第２および第３の追跡素子を前記対象物に取り付け、前記第２および第３の追跡素子から追跡信号を送信することを含んでいる、請求項１３に記載の方法。
[請求項２０]
前記追跡素子の各々を骨に取り付けることを含んでいる、請求項１９に記載の方法。
[請求項２１]
前記追跡要素の３つの全ての連続的作動を含む追跡サイクルにおいて、前記センサが前記追跡素子の３つの全てから前記追跡信号を受信しているかどうかを判断し、もし前記追跡サイクルにおいて前記センサが前記追跡素子の３つの全てから前記追跡信号を受信しなかったなら、前記エラー信号を生成することを含んでいる、請求項１９に記載の方法。
[請求項２２]
ナビゲーションシステムであって、
対象物に取付け可能な基部、追跡素子、および前記追跡素子を所望の方位に配置するために前記基部に対する前記追跡素子の少なくとも１自由度の運動を可能にするように前記追跡素子を前記基部に連結するコネクタを備えている追跡装置と、
前記追跡素子が所望の方位にあるかどうかを判断し、もし前記追跡素子が前記所望の方位にないなら、前記追跡素子を前記基部に対して前記少なくとも１自由度で移動させるようにユーザーに指示するように構成されたコンピュータシステムと、
を備えている、ナビゲーションシステム。
[請求項２３]
前記追跡素子が前記所望の方位にあるかどうかを判断する方位センサを備えている、請求項２２に記載のナビゲーションシステム。
[請求項２４]
前記方位センサは、３軸に沿った重力成分を測定するように構成された重力センサとしてさらに規定されている、請求項２３に記載のナビゲーションシステム。
[請求項２５]
前記追跡素子は、中心信号軸を有する見通し線追跡信号を生成することができるようになっており、前記コンピュータシステムは、前記中心信号軸を重力の方向と略直交する位置に配置させるために、前記追跡素子を前記少なくとも１自由度で移動させるべくユーザーに指示するように構成されている、請求項２４に記載のナビゲーションシステム。
[請求項２６]
前記追跡素子から前記見通し線追跡信号を受信することができる少なくとも１つのセンサを有するカメラユニットを備えている、請求項２５に記載のナビゲーションシステム。
[請求項２７]
前記追跡装置は、前記追跡素子を支持する追跡ヘッドを備えており、前記追跡ヘッドは、前記追跡記素子を前記所望の方位に配置させるために、前記基部に対して移動可能になっている、請求項２２に記載のナビゲーションシステム。
[請求項２８]
前記追跡ヘッドによって支持された第２および第３の追跡素子を備えている、請求項２７に記載のナビゲーションシステム。
[請求項２９]
前記追跡素子の各々は、発光ダイオードである、請求項２８に記載のナビゲーションシステム。
[請求項３０]
前記追跡素子の各々は、反射ボールである、請求項２８に記載のナビゲーションシステム。
[請求項３１]
前記追跡素子の各々は、見通し線追跡素子である、請求項２８に記載のナビゲーションシステム。
[請求項３２]
前記追跡装置は、ジャイロスコープを備えている、請求項２２に記載のナビゲーションシステム。
[請求項３３]
前記追跡素子は、光学マーカー、高周波受信機、高周波送信機、磁場センサ、磁場生成器、超音波センサ、または超音波送信機の１つである、請求項２２に記載のナビゲーションシステム。
[請求項３４]
前記追跡装置は、骨に取付け可能になっている、請求項２２に記載のナビゲーションシステム。
[請求項３５]
前記コネクタは、前記追跡素子を前記所望の方位に配置させるために、前記基部に対する前記追跡素子の２自由度の運動を可能にするように構成されている、請求項２２に記載のナビゲーションシステム。
[請求項３６]
対象物を追跡するようにナビゲーションシステムを設定する方法であって、前記ナビゲーションシステムは、コンピュータシステムと、基部、追跡素子、およびコネクタを備え
る追跡装置とを備えている、方法において、
前記基部を前記対象物に取り付けるステップと、
前記追跡素子が所望の方位にあるかどうかを判断するステップと、
もし前記追跡素子が前記所望の方位にないなら、前記追跡素子を前記基部に対して少なくとも１自由度で移動させるようにユーザーに指示するステップと、
を含んでいる、方法。
[請求項３７]
前記追跡素子が前記所望の方位にあるかどうかを判断する前記ステップは、重力に対する前記追跡素子の方位を判断することを含んでいる、請求項３６に記載の方法。
[請求項３８]
重力に対する前記追跡素子の方位を判断することは、ｘ，ｙ，ｚ軸に沿った重力成分を測定することを含んでいる、請求項３７に記載の方法。
[請求項３９]
前記追跡素子によって中心信号軸を有する見通し線追跡信号を生成し、前記中心信号軸を重力の方向と略直交する位置に配置させるために、前記追跡素子を前記少なくとも１自由度で移動させるようにユーザーに指示することを含んでいる、請求項３６に記載の方法。
[請求項４０]
前記ナビゲーションシステムのカメラユニットによって、前記見通し線追跡信号を受信することを含んでいる、請求項３６に記載の方法。
[請求項４１]
前記追跡素子が前記所望の方位にあるかどうかを判断する前記ステップは、前記追跡素子の回転位置が所望の回転位置にあるかどうかを判断することを含んでいる、請求項３６に記載の方法。
[請求項４２]
前記追跡要素が前記所望の方位にあるかどうかを判断する前記ステップは、前記追跡素子および複数のさらなる追跡素子からの信号を、前記追跡素子の現在の方位を決定するために、前記ナビゲーションシステムのカメラユニットに送信することを含んでいる、請求項３６に記載の方法。
[請求項４３]
前記追跡素子を前記基部に対して移動させるようにユーザーに指示する前記ステップは、前記ｚ軸重力成分の測定値が略ゼロになるまで、前記追跡素子を移動させるようにユーザーに指示することを含んでいる、請求項３６に記載の方法。
[請求項４４]
前記追跡素子を前記基部に対して移動させるようにユーザーに指示する前記ステップは、前記基部に対する前記追跡装置の前記追跡ヘッドの傾斜位置および回転位置を調整するようにユーザーに指示することを含んでいる、請求項３６に記載の方法。
[請求項４５]
前記追跡ヘッドの前記傾斜位置および前記回転位置を調整するようにユーザーを指示することは、最初、前記傾斜位置を調整するようにユーザーに指示し、その後、前記回転位置を調整するようにユーザーに指示することを含んでいる、請求項４４に記載の方法。
[請求項４６]
前記追跡素子を前記基部に対して少なくとも１自由度で移動させるようにユーザーに指示する前記ステップは、前記追跡素子を前記所望の方位に配置させるために前記追跡素子を前記基部に対して２自由度で移動させるようにユーザーに指示することを含んでいる、請求項３６に記載の方法。
[請求項４７]
前記追跡素子を前記基部に対して移動させるようにユーザーに指示する前記ステップは、前記ナビゲーションシステムのディスプレイ上に指示を表示することを含んでいる、請求項３６に記載の方法。
[請求項４８]
前記ナビゲーションシステムのディスプレイ上に前記追跡素子の現在の方位を図表によって表示し、ユーザーが前記追跡素子を移動させるときに前記図表による表示を動的に調整することを含んでいる、請求項３６に記載の方法。
[請求項４９]
前記現在の方位がいかに前記所望の方位に近づいているかをユーザーが視覚的に判断することができるように、前記所望の方位をディスプレイ上に図表によって表示することを含んでいる、請求項４８に記載の方法。
[請求項５０]
前記追跡素子がいつ前記所望の方位に達するかを示すことを含んでいる、請求項４９に記載の方法。
[請求項５１]
前記追跡素子がいつ前記所望の方位に達するかを示すことは、前記追跡素子がいつ前記所望の方位に達するかを視覚的に示すことを含んでいる、請求項５０に記載の方法。
[請求項５２]
前記追跡素子を前記所望の方位に配置させるために前記追跡装置の前記追跡ヘッドを前記基部に対して移動させることを含んでいる、請求項３６に記載の方法。
[請求項５３]
前記追跡素子が前記所望の方位に移動した後、前記追跡素子の現在の方位を固定するために前記コネクタを作動させることを含んでいる、請求項５２に記載の方法。
[請求項５４]
前記基部を前記対象物に取り付ける前記ステップは、前記基部を骨に取り付けることを含んでいる、請求項３６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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【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３Ａ．３３Ｂ】
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【図３４Ａ．３４Ｂ】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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