(57)【要約】【課題】骨構造位置合わせシステムを提供する。【解決手段】骨構造位置合わせシステム（１００）は、位置合わせ探触子（１０８）及び処理回路（１０６）を含む。位置合わせ探触子は、探触子の丸い先端部へ連結される複数の超音波振動子の２次元アレイ（１１０）を含み、超音波振動子が超音波データを提供するように構成される。処理回路は、超音波振動子から超音波データを受信し、どの超音波振動子が患者の体と接触しているかを判定し、超音波データ及びどの超音波振動子が患者の体と接触しているかの判定に基づき位置合わせ点を作成し、位置合わせ点を使用して患者の体を骨モデルへ位置合わせするように構成される。【選択図】図１
2019072604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
骨構造位置合わせシステムであって、
位置合わせ探触子が前記探触子の丸い先端部へ連結される複数の超音波振動子の２次元アレイを有し、前記超音波振動子が超音波データを提供するように構成される位置合わせ探触子と；
患者の骨構造へ固着されるように構成された、一つまたは複数の追跡可能なマーカーと；
前記位置合わせ探触子および前記一つまたは複数の追跡可能なマーカーの、位置および方向を、追跡するように構成された、追跡システムと；
処理回路であって、
前記一つまたは複数の追跡可能なマーカーの位置および方向に対する、前記位置合わせ探触子の位置および方向を、前記追跡システムにより追跡し、
前記超音波振動子から超音波データを受信し、
どの超音波振動子が患者の体と接触しているかを判定し、
どの超音波振動子が患者の体と接触しているかの判定に基づき、前記複数の超音波振動子のサブセットを選択し、
前記選択された超音波振動子のサブセットから、超音波データを受信し、
前記選択された超音波振動子のサブセットから受信された、前記超音波データに基づき、位置合わせ点のそれぞれが、骨モデルへマッピングされる患者の体における、ある位置に対応する、前記位置合わせ点を作成し、かつ
前記位置合わせ点、ならびに前記追跡された位置合わせ探触子の位置および方向を使用して患者の体を骨モデルへ位置合わせする
ように構成される前記処理回路と
を備える、前記骨構造位置合わせシステム。
【請求項２】
前記超音波振動子が静電容量型超音波振動子（ＣＭＵＴ）デバイスを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
どの超音波振動子が患者の体と接触しているかを判定することが超音波信号の強度に基づきフィルタリングすることを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記位置合わせ探触子が前記探触子の前記丸い先端部へ連結される複数の圧力センサをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記圧力センサが前記超音波振動子間に散在する、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記圧力センサが微小電気機械システム圧力センサを含む、請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
前記圧力センサが圧力データを提供するように構成され、かつ前記処理回路が前記圧力センサから圧力データを受信するようにさらに構成される、請求項４に記載のシステム。
【請求項８】
どの超音波振動子が患者の体と接触しているかを判定することが前記圧力データにさらに基づく、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記骨モデルがＣＴスキャンまたはＭＲＩの少なくとも一方に基づく、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記骨モデルがイメージレス・システムを利用して取得されるモデルである、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
処理回路による実行用にその上に記憶されるインストラクションを有する非一時的なコンピュータ可読媒体であって、
前記インストラクションが、
患者の骨構造へ固着された一つまたは複数の追跡可能なマーカーの、位置および方向を追跡する、インストラクション；
位置合わせ探触子の丸い先端部へ連結され、かつ患者の体の超音波データを提供するように構成された、複数の超音波振動子のアレイを含む位置合わせ探触子の位置および方向を追跡する、インストラクションであって、前記位置合わせ探触子が、前記一つまたは複数の追跡可能なマーカーの位置および方向に対して追跡される、前記インストラクション；
前記位置合わせ探触子から、患者の体の超音波データを受信する、インストラクション；
どの超音波振動子が患者の体に接触しているかを判定するインストラクション；
どの超音波振動子が患者の体に接触しているかの判定に基づき、複数の超音波振動子のサブセットを選択する、インストラクション；
前記選択された超音波振動子のサブセットから、超音波データを受信する、インストラクション；
前記選択された超音波振動子のサブセットから受信された、患者の体の前記超音波データに基づき位置合わせ点を作成するインストラクションであって、前記位置合わせ点のそれぞれが、骨モデルへマッピングされる患者の体における、ある位置に対応する、前記インストラクション；及び
前記位置合わせ点、ならびに前記追跡された位置合わせ探触子の位置および方向を使用して患者の体を骨モデルへ位置合わせするインストラクション
を含む、
前記非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項１２】
圧力センサから圧力データを受信するインストラクションをさらに含み、前記位置合わせ探触子が前記探触子の前記丸い先端部へ連結される複数の圧力センサをさらに含み、前記圧力センサが圧力データを提供するように構成され、かつどの超音波振動子が患者の体に接触しているかを判定することが前記圧力データにさらに基づく、請求項１１に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連特許出願の相互参照
本出願は、その内容全体を参照により本明細書に援用される、２０１２年１２月３１日に出願された、Ｕ．Ｓ．Ｐｒｏｖｉｓｉｏｎａｌ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｎｏ．６１／７４７，７８４の利益及びこれへの優先権を主張する。
【０００２】
本出願は、その内容全体を参照により本明細書に援用される、２０１２年１２月１１日に出願された、Ｕ．Ｓ．  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｎｏ．１３／７１０，９５５、名称「フェーズド・アレイ超音波を使用する位置合わせ」に関する。
【背景技術】
【０００３】
背景
コンピュータ支援手術（ＣＡＳ）及び／またはロボット支援手術（ＲＡＳ）の実行時に、コンピュータ骨モデルを実際の患者の骨と合わせる位置合わせステップを実行することがよく望まれる。従来のシステムは、較正した探触子で物理的な骨面上の点位置を計測し、ＣＡＳ／ＲＡＳシステムへこの点位置を与えることでこの目標を達成する。この手法の欠点は、骨を囲む軟部組織に貫入する先鋭な探触子を使用する必要性及び多数の内切開点を収集する必要性を有する。
【発明の概要】
【０００４】
概要
本発明の１つの実施形態は、骨構造位置合わせシステムに関する。骨構造位置合わせシステムは、位置合わせ探触子及び処理回路を含む。位置合わせ探触子が探触子の丸い先端部へ連結される複数の超音波振動子の２次元アレイを含み、超音波振動子が超音波データを提供するように構成される。処理回路は、超音波振動子から超音波データを受信し、どの超音波振動子が患者の体と接触しているかを判定し、超音波データ及びどの超音波振動子が患者の体と接触しているかの判定に基づき位置合わせ点を作成し、位置合わせ点を使用して患者の体を骨モデルへ位置合わせするように構成される。
【０００５】
本発明の別の実施形態は、骨構造位置合わせ方法に関する。この方法は、位置合わせ探触子の丸い先端部へ連結される複数の超音波振動子の２次元アレイを含む位置合わせ探触子から患者の体の超音波データを受信し、超音波振動子が患者の体の超音波データを提供するように構成され、どの超音波振動子が患者の体に接触しているかを判定し、患者の体及び患者の体に接触している超音波振動子の超音波データに基づき位置合わせ点を作成し、位置合わせ点を使用して患者の体を骨モデルへ位置合わせすることを含む。
【０００６】
本発明の別の実施形態は、処理回路による実行用にその上に記憶されるインストラクションを有する非一時的なコンピュータ可読媒体に関する。このインストラクションは、探触子の丸い先端部へ連結される複数の超音波振動子のアレイを含む位置合わせ探触子から患者の体の超音波データを受信するインストラクションであって、超音波振動子が患者の体の超音波データを提供するように構成される、インストラクション、どの超音波振動子が患者の体に接触しているかを判定するインストラクション、患者の体及び患者の体に接触している超音波振動子の超音波データに基づき位置合わせ点を作成するインストラクション、及びこの位置合わせ点を使用して患者の体を骨モデルへ位置合わせするインストラクションを含む。
【０００７】
代替の例示的な実施形態は、他の特徴及び請求の範囲に一般的に記載され得る特徴の組み合わせに関する。
[本発明1001]
骨構造位置合わせシステムであって、
位置合わせ探触子が前記探触子の丸い先端部へ連結される複数の超音波振動子の2次元アレイを有し、前記超音波振動子が超音波データを提供するように構成される位置合わせ探触子と；
処理回路であって、
前記超音波振動子から超音波データを受信し、
どの超音波振動子が患者の体と接触しているかを判定し、
前記超音波データ及びどの超音波振動子が患者の体と接触しているかの前記判定に基づき位置合わせ点を作成し、かつ
前記位置合わせ点を使用して患者の体を骨モデルへ位置合わせする
ように構成される前記処理回路と
を備える、前記骨構造位置合わせシステム。
[本発明1002]
前記超音波振動子が静電容量型超音波振動子（ＣＭＵＴ）デバイスを含む、本発明1001のシステム。
[本発明1003]
前記超音波振動子から超音波データを受信することが前記複数の超音波振動子のサブセットから超音波データを受信することを含む、本発明1001のシステム。
[本発明1004]
前記処理回路が超音波データを受信する前記複数の超音波振動子の前記サブセットを選択するようにさらに構成される、本発明1003のシステム。
[本発明1005]
どの超音波振動子が患者の体と接触しているかを判定することが超音波信号の強度に基づきフィルタリングすることを含む、本発明1001のシステム。
[本発明1006]
前記位置合わせ探触子が前記探触子の前記丸い先端部へ連結される複数の圧力センサをさらに備える、本発明1001のシステム。
[本発明1007]
前記圧力センサが前記超音波振動子間に散在する、本発明1006のシステム。
[本発明1008]
前記圧力センサが微小電気機械システム圧力センサを含む、本発明1006のシステム。
[本発明1009]
前記圧力センサが圧力データを提供するように構成され、かつ前記処理回路が前記圧力センサから圧力データを受信するようにさらに構成される、本発明1006のシステム。
[本発明1010]
どの超音波振動子が患者の体と接触しているかを判定することが前記圧力データにさらに基づく、本発明1009のシステム。
[本発明1011]
前記骨モデルがＣＴスキャンまたはＭＲＩの少なくとも一方に基づく、本発明1001のシステム。
[本発明1012]
前記骨モデルがイメージレス・システムを利用して取得されるモデルである、本発明1001のシステム。
[本発明1013]
位置合わせ探触子の丸い先端部へ連結される複数の超音波振動子の2次元アレイを含む位置合わせ探触子から患者の体の超音波データを受信することであって、前記超音波振動子が患者の体の超音波データを提供するように構成される、こと；
どの超音波振動子が患者の体に接触しているかを判定すること；
患者の体及び患者の体に接触している前記超音波振動子の前記超音波データに基づき位置合わせ点を作成すること；及び
前記位置合わせ点を使用して患者の体を骨モデルへ位置合わせすること
を含む、骨構造位置合わせ方法。
[本発明1014]
前記超音波振動子から患者の体の超音波データを受信することが、前記複数の超音波振動子のサブセットから超音波データを受信することを含む、本発明1013の方法。
[本発明1015]
患者の体の超音波データを受信する前記複数の超音波振動子の前記サブセットを選択することをさらに含む、本発明1014の方法。
[本発明1016]
どの超音波振動子が患者の体に接触しているかを判定することが、前記超音波データの強度をフィルタリングすることに基づく、本発明1013の方法。
[本発明1017]
圧力センサから圧力データを受信することをさらに含み、前記位置合わせ探触子が前記探触子の前記丸い先端部へ連結される複数の圧力センサをさらに含み、前記圧力センサが圧力データを提供するように構成され、かつどの超音波振動子が患者の体に接触しているかを判定することが前記圧力データにさらに基づく、本発明1013の方法。
[本発明1018]
処理回路による実行用にその上に記憶されるインストラクションを有する非一時的なコンピュータ可読媒体であって、
前記インストラクションが、
位置合わせ探触子の丸い先端部へ連結される複数の超音波振動子のアレイを含む前記位置合わせ探触子から患者の体の超音波データを受信するインストラクションであって、前記超音波振動子が患者の体の超音波データを提供するように構成される、インストラクション；
どの超音波振動子が患者の体に接触しているかを判定するインストラクション；
患者の体及び患者の体に接触している前記超音波振動子の前記超音波データに基づき位置合わせ点を作成するインストラクション；及び
前記位置合わせ点を使用して患者の体を骨モデルへ位置合わせするインストラクション
を含む、
前記非一時的なコンピュータ可読媒体。
[本発明1019]
前記超音波振動子から患者の体の超音波データを受信する前記インストラクションが前記複数の超音波振動子のサブセットから超音波データを受信するインストラクションを含む、本発明1018の非一時的なコンピュータ可読媒体。
[本発明1020]
圧力センサから圧力データを受信するインストラクションをさらに含み、前記位置合わせ探触子が前記探触子の前記丸い先端部へ連結される複数の圧力センサをさらに含み、前記圧力センサが圧力データを提供するように構成され、かつどの超音波振動子が患者の体に接触しているかを判定することが前記圧力データにさらに基づく、本発明1018の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本開示は、同様の参照番号が同様の構成要素を参照する、添付図と併せて、以下の詳細な説明からさらに十分に理解されるようになるであろう。
【図１】図１は、例示的な実施形態に従う位置合わせシステムの図である。
【図２】図２は、例示的な実施形態に従う位置合わせ探触子の概略図である。
【図３】図３は、例示的な実施形態に従う超音波振動子アレイを含む位置合わせ探触子先端部の概略図である。
【図４】図４は、例示的な実施形態に従う超音波振動子アレイを含む位置合わせ探触子先端部の概略図である。
【図５】図５は、例示的な実施形態に従う位置合わせプロセスの流れ図である。
【図６】図６は、例示的な実施形態に従う位置合わせプロセスの流れ図である。
【図７】図７は、例示的な実施形態に従う位置合わせプロセスの流れ図である。
【図８】図８は、例示的な実施形態に従う位置合わせプロセスの流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
詳細な説明
詳細に例示的な実施形態を説明する、図に取りかかる前に、本出願がこの説明に記載された、またはこの図で説明された詳細または方式に限定されないことが理解されるべきである。また、用語が説明目的のみとすることが理解されるべきであり、限定するとみなされるべきではない。
【００１０】
図１に関して、骨構造位置合わせシステム１００を例示的な実施形態に従い示す。位置合わせシステム１００は、コンピューティング・デバイス１０６として示される処理回路、及び丸い先端部を有する超音波探触子１０８を含む。探触子の丸い先端部は、超音波振動子１１０の２次元アレイを含む。本明細書に記載されたシステム及び方法を実現する際に、圧電振動子のような、任意の適切な超音波振動子技術を使用できるが、例示的な実施形態において、超音波振動子１１０は静電容量型超音波振動子（ＣＭＵＴ）を含む。ＣＭＵＴは、ＤＣバイアスを印加される２枚の平板電極を含む。一枚の平板が追加のＡＣ信号で駆動される。基板に加えて、各ＣＭＵＴの本体は、キャビティ、膜、及び電極を含む。また、必要に応じて他の層を含むことができ、例えば、２枚の電極が接触状態にならないように絶縁層を含むこともできる。単一の振動子は並列した複数のＣＭＵＴから構成され得、そのとき振動子素子を所望のアレイを形成するように配列する。例示的な超音波振動子の２次元アレイは、上記で参照により援用される、Ｕ．Ｓ．  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｎｏ．  １３／７１０，９５５で詳細に記載される。超音波振動子は、受信した超音波データを処理する、コンピューティング・デバイス１０６へ患者の体に関する超音波データを提供する。超音波探触子１０８からコンピューティング・デバイス１０６への超音波データの伝送は、当業者に知られている任意のプロトコルに従い有線または無線通信により実現されることができる。コンピューティング・デバイス１０６は、受信した超音波データに基づき位置合わせ点を作成し、どの超音波振動子が許容できる信号を提供している（例えば、どの振動子が骨、軟骨、または他の軟部組織と接触している）かを判定し、患者の体を骨モデルへ位置合わせする。
【００１１】
コンピューティング・デバイス１０６として図１で表現される、骨構造位置合わせシステム１００の処理回路は、処理装置及びメモリ・デバイスを含む。処理装置は、汎用処理装置、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、１つ以上のフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、一群の処理コンポーネント、または他の適切な電子処理コンポーネントとして実装されることが可能である。メモリ・デバイス（例えば、メモリ、メモリ・ユニット、ストレージ・デバイス等）は、本発明の出願に記載されたさまざまなプロセス及び機能を完了または促進するためのデータ及び／またはコンピュータ・コードを記憶するために１つ以上のデバイス（例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュ・メモリ、ハード・ディスク・ストレージ、光ストレージ等）である。メモリ・デバイスは、揮発性メモリまたは不揮発性メモリであってもよい、またはこれを含むことができる。メモリ・デバイスは、本発明の出願に記載されたさまざまなアクティビティ及び情報構造を支援するために、データベース・コンポーネント、オブジェクト・コード・コンポーネント、スクリプト・コンポーネント、または任意の他の種類の情報構造を含むことができる。例示的な実施形態に従い、メモリ・デバイスは、処理回路を介して処理装置へ通信可能に接続され、本明細書に記載された１つ以上のプロセスを（例えば、処理回路及び／または処理装置により）実行するためのコンピュータ・コードを含む。
【００１２】
例示的な実施形態において、コンピューティング・デバイス１０６は、超音波探触子１０８と通信するように構成される。さらに、コンピューティング・デバイス１０６は、外科手術手技に関する情報を受信でき、外科手術手技の実行に関するさまざまな機能を実行できる。例えば、コンピューティング・デバイス１０６は、画像解析、外科手術計画、位置合わせ、及びナビゲーション（例えば、探触子または他の外科手術要素の）に関する機能を実行するために必要なソフトウェア・モジュールを有することができる。別の実施例として、コンピューティング・デバイス１０６は、超音波探触子１０８の操作を制御するために必要なソフトウェア・モジュールを有することができる。これは、超音波探触子１０８の超音波振動子１１０の２次元アレイの操作を制御するために要求されるコマンド・セット及びプロトコルを含む。コマンド・セットは、超音波振動子１１０の２次元アレイの特定の超音波振動子を有効及び無効にし、超音波振動子１１０の２次元アレイのサブセットを有効及び無効にし、超音波振動子により生成されるビームをステアリング及び集束するためのコマンドを含む。
【００１３】
例示的な実施形態において、コンピューティング・デバイス１０６は、超音波振動子１１０の２次元アレイのどの特定の超音波振動子が適正な超音波信号を提供するために患者の体（例えば、骨、軟骨、他の軟部組織等）に接触している（または十分に近い）かを判定するためのソフトウェアを含む。コンピューティング・デバイス１０６は、フィルタリング・アルゴリズムを利用でき、強度に基づき２次元アレイからの信号をフィルタリングする。超音波探触子１０８が患者の体に接触している場合、２次元アレイのいくつかの部分が患者の体に接触し、２次元アレイの他の部分は接触しないであろう。この患者の体に触れていない部分は、患者と直接音響接触していないであろう。直接音響接触なしでは、超音波振動子により生成される超音波信号が高品質なリターン信号をもたらさないであろう。例示的なフィルタリング・アルゴリズムは、患者の体に接触していない振動子から提供された、より低強度の信号をフィルタで除去するために閾値またはハイパス・フィルタを受信した信号へ適用してもよい。このようにして、コンピューティング・デバイス１０６は、どの振動子がより高品質な信号を提供していて、その結果患者の体に接触しているかを判定できる。コンピューティング・デバイス１０６は、データを受信するために振動子のサブセットを選択する際に、位置合わせ点を作成する際に、及び患者の体を骨モデルへ位置合わせする際にこの情報を利用できる、またはこの情報の優先順位を決定できる。本出願の範囲が特定のフィルタリング方法に限定されないことに注意すべきである。加えて、音響結合媒体は超音波振動子１１０の２次元アレイ及び患者の皮膚間に配置され、超音波信号の確実な送受信を促進することができる。
【００１４】
例示的な実施形態において、コンピューティング・デバイス１０６は、患者の体を骨モデルへ位置合わせするためのソフトウェアを含む。位置合わせは、超音波探触子１０８から受信した超音波データに基づく。いくつかの実施形態において、位置及び追跡データに加えて、圧力データでも位置合わせを補うことができる。コンピューティング・デバイス１０６は、超音波探触子１０８から任意の受信したデータを使用して（例えば、収集した遅延及び振幅データを解析し下層の骨構造の表面を識別することで）位置合わせ点を作成できる。位置合わせ点は、骨モデルへマッピングされる（あるいは相関される、または位置合わせされる）ためにある位置または患者の識別された表面へ対応できる。そのとき位置合わせ点は、ＣＴ、ＭＲＩ、または当業者に知られている他の走査型のような、従来の撮像走査に基づき患者固有モデルへ、例えば最良適合または別の方法により、マッピングされることができる。あるいは、統計的な形状モデルを利用するシステム及び骨モーフィング方法のような、当業者へ知られているイメージレス・システムを利用して得られるモデルへ位置合わせ点をマッピングできる。さらに別の実施形態において、位置合わせ点を一般的な骨モデルへマッピングできる。
【００１５】
骨構造及び超音波探触子１０８の位置を追跡する追跡システム（光学追跡システムのような）を使用可能である。この追跡システムは、患者の骨構造へ、超音波探触子１０８へ、及び位置合わせシステム１００内の任意の他の追跡される対象物へ固着される、光アレイのような、追跡可能なマーカーを含むことができる。追跡される対象物の位置に関するデータをコンピューティング・デバイス１０６により受信する。追跡データを使用して、骨構造の実際の物理的な位置を判定し、この物理的な位置を骨モデル（仮想のソフトウェア空間である）へ位置合わせ可能である。物理的な骨構造を仮想の骨モデルへ位置合わせすると、追跡システムが外科手術中に骨構造の位置を正確に追跡可能である。
【００１６】
例示的な位置合わせプロセスにおいて、コンピューティング・デバイス１０６は、骨構造へ固着される追跡可能なマーカーの位置及び方向に関連して（超音波探触子１０８へ固着される追跡可能なマーカーを追跡することで得られる）超音波探触子１０８の超音波振動子１１０の２次元アレイの位置及び方向を測定する。コンピューティング・デバイス１０６は、各超音波振動子に信号を生成させ、この信号のエコー振幅及び遅延を記録する。標的位置と併せてエコー振幅及び遅延を記録でき、関連する位置及び振幅／遅延のリストを作成する。そのときコンピューティング・デバイス１０６は、下層の骨構造を構造モデルへ位置合わせするために収集した振幅及び遅延データを使用可能である。
【００１７】
図１は、表示装置１０２及びインターフェース１０４をさらに含む。インターフェース１０４は、臨床医または他のオペレータがコンピューティング・デバイス１０６及び超音波探触子１０８と相互作用することを可能にするユーザー・インターフェースであってもよい。インターフェース１０４は、キーボード、マウス、表示装置１０２、タッチ・スクリーン等を含むことができる。インターフェース１０４は、本明細書に記載されるように使用するために、臨床医がコマンド及び制御信号を超音波探触子１０８へ送受信することを可能にする。コンピューティング・デバイス１０６は、表示装置１０２（例えば、ＣＲＴモニタ、ＬＣＤスクリーン等）で使用するためにデータをフォーマットできる。例えば、コンピューティング・デバイス１０６は、受信した超音波情報を実時間画像として表示するように、適正な信号を生成できる。
【００１８】
図２に関して、例示的な実施形態に従う位置合わせ探触子２００を示す。位置合わせ探触子２００は、内部（例えば、切開による）または外部（例えば、患者の皮膚上の）での使用のために構成できる。位置合わせ探触子２００は、事実上剛性または可撓性であることができる、丸い（あるいは湾曲した）先端部２０２を含む。丸い先端部２０２は、超音波振動子２０４のアレイを含む。この超音波振動子２０４のアレイは、図１に関連して記載されるように超音波振動子１１０の２次元アレイであってもよい。超音波振動子２０４のアレイを丸い先端部２０２へ動作可能に連結する。当業者に知られている任意の方式を使用して、超音波振動子２０４のアレイを丸い先端部２０２へ連結できる。いくつかの実施形態において、超音波振動子２０４のアレイもまた取外し可能である、あるいは交換可能であることができる。例えば、ある大きさまたはセンサ特性を有する特定の超音波振動子２０４のアレイを特定の目的のために選択できる。例示的な実施形態において、超音波振動子２０４のアレイを静電容量型超音波振動子（ＣＭＵＴ）デバイスのアレイから形成する。
【００１９】
別の実施形態において、超音波振動子２０４のアレイは、圧力検知デバイスもまた含むことができる。例示的な圧力検知デバイスが微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）圧力センサを含むが、他の圧力検知デバイスを想定できる。このような圧力検知デバイスは、圧力データ（例えば、力データ）をコンピューティング・デバイス（例えば、図１のコンピューティング・デバイス１０６）へ提供するように構成される。圧力データは、コンピューティング・デバイスにより使用され、どの振動子が患者の体と接触しているかの判定を補う。例として、どの振動子が患者と接触しているかを判定するために提供された圧力信号の強度を評価してもよい。この強度を骨、軟骨、または他の患者接触面の剛性を表現する値に照らして評価してもよい。１つの実施形態において、圧力検知デバイスが超音波振動子間に散在する。別の実施形態において、圧力検知デバイスは、超音波振動子２０４のアレイ（例えば、超音波振動子２０４のアレイ底面）へ連結される別個のアレイの部分であってもよい。
【００２０】
図２で示される例示的な実施形態において、位置合わせ探触子が通信インターフェース２０６をさらに含む。通信インターフェース２０６は、位置合わせ探触子２００をコンピューティング・デバイスへ接続するために有線または無線伝送機構であってもよい。通信インターフェース２０６は、位置合わせ探触子２００及びコンピューティング・デバイス間でのデータの送受信を促進する。データが制御信号、コマンド、超音波情報、圧力データ等を含むことができる。
【００２１】
図３に関して、例示的な実施形態に従う位置合わせ探触子先端部３００を示す。この位置合わせ探触子先端部３００が超音波振動子３０２のアレイを含む。この超音波振動子３０２のアレイは、本明細書（例えば、図１の超音波振動子１１０の２次元アレイ）に記載されるように超音波振動子のアレイであってもよい。位置合わせ探触子先端部３００は、事実上湾曲したように示され、可撓性または剛性であってもよい。超音波振動子３０２のアレイを位置合わせ探触子先端部３００へ動作可能に連結する。例示的な実施形態において、超音波振動子３０２のアレイは、２次元アレイ中に構成される静電容量型超音波振動子（ＣＭＵＴ）デバイスを含む。各ＣＭＵＴデバイスは、患者の体を骨モデルへ位置合わせする際にコンピューティング・デバイスにより使用されることができる超音波信号（例えば、ソース信号、エコー、及び反射情報）を提供する。各ＣＭＵＴデバイスは、個別に、サブセットで、またはアレイ全体としてコンピューティング・デバイスにより制御されることができる。このような、ＣＭＵＴデバイスのアレイは、臨床医が多数の位置合わせ点を迅速に収集することを可能にする際に有益である、高周波で信号を送受信可能である。コンピューティング・デバイスは、どのＣＭＵＴデバイスが患者の体と接触しているかを判定するために本明細書に記載されるように受信した超音波情報を処理できる。ＣＭＵＴデバイスにより検知される超音波反射の振幅及び対応する遅延に基づき、コンピューティング・デバイスが走査されている患者の体（例えば、骨、軟骨、他の軟部組織等）の性質をさらに判定できる。別の実施形態において、圧電振動子を本明細書に記載されたシステム及び方法を実現する際に使用できる。
【００２２】
図３はまた、位置合わせ探触子先端部３００の一部と接触している患者の体３０４も示す。患者の体３０４は、事実上湾曲したように示されるが、また平らであってもよく、走査されている任意の体に関連できる。患者の体３０４が骨、軟骨、または他の軟部組織を含むことができる。位置合わせ探触子先端部３００の湾曲した性質により、接触点（患者の体３０４で示されるような）に、撮像目的のために患者の体３０４と適切に接触している超音波振動子があるであろう。振動子の２次元アレイとの併用でこの湾曲した探触子先端部は、骨面を適切に撮像するために十分な振動子接触をこのように確保する。本明細書で論じられるこの接触検知システムを実装することで、コンピューティング・デバイスは、体と適切に接触していない超音波振動子（例えば、減衰または損失を示す信号を有する超音波振動子）からのデータを除去できる、またはこの超音波振動子を無効にできる。コンピューティング・デバイスは、最小限の減衰で強い信号を示す超音波振動子からデータを受信し続けることができる。この方式で、コンピューティング・デバイスが改良された確度及び精度で位置合わせを実行することを要求される点を取得できる。このような超音波振動子の有効化及び無効化は、実時間でコンピューティング・デバイスにより制御されることができる。別の実施形態において、コンピューティング・デバイスが全ての振動子からデータを受信できるが、振動子を有効化または無効化するのと同じ効果を達成するために実時間で特定の超音波振動子からのデータを承認または無視できる。
【００２３】
図４に関して、例示的な実施形態に従う位置合わせ探触子先端部４００を示す。位置合わせ探触子先端部４００が超音波振動子４０２のアレイを含む。超音波振動子４０２のアレイは、本明細書に記載される他のアレイ（例えば、図１の超音波振動子１１０の２次元アレイ）へ類似するが、超音波振動子４０２の間に散在する圧力センサ４０４を含む。圧力センサ４０４は、患者の体との接触により発生する力へ対応する圧力データを提供するように構成される。各圧力センサは、個別に、サブセットで、またはアレイ全体として、コンピューティング・デバイスへデータを提供できる。圧力データは、コンピューティング・デバイス（例えば、図１のコンピューティング・デバイス１０６）へ送信され、どの超音波振動子、または位置合わせ探触子先端部のどの部分が患者の体と接触しているかを判定するために評価される。圧力データを使用する接触検知は、上述されるようなフィルタリング技術を利用する接触検知プロセスを補う、または交換することができる。１つの実施形態において、位置合わせ探触子先端部４００は、各超音波振動子のための圧力センサを含む。別の実施形態において、位置合わせ探触子先端部４００は、超音波振動子のサブセットに対応する力データを提供するように構成される圧力センサを含む。圧力センサは、圧力振動子、圧力トランスミッタ、圧力センダ、圧力インジケータ及びピエゾメータ、マノメータ、または微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）のようなデバイスを含むことができる。
【００２４】
例示的な実施形態において、圧力センサ４０４がＭＥＭＳデバイスである。このようなＭＥＭＳデバイスは、ポリシリコン層及び金属層を使用して典型的に構築され、当業者に知られているように圧力センサとして構成されることができる。ＭＥＭＳ圧力センサは、患者の体と機械構造の接触に起因する、静電容量変化に関するデータを提供できる。ＭＥＭＳ圧力センサからのデータをさらに処理でき、圧力値を決定する。図４で示されるように、圧力センサ４０４により提供される圧力データは、患者の体４０６上の接触点を判定する際にコンピューティング・デバイスにより使用されることができる。圧力センサ４０４を超音波振動子４０２のアレイ間に散在するように示すが、他の実施形態が超音波振動子のアレイの後ろに圧力センサを配置するような他の構成を含むことができる。
【００２５】
図５に関して、例示的な実施形態に従って骨構造位置合わせプロセス５００の流れ図を示す。ステップ５０２で、本明細書に記載されるように、位置合わせ探触子上の超音波振動子の２次元アレイから患者の体に対応する超音波データを受信する。ステップ５０４で、受信した超音波データを処理し、どの超音波振動子が患者の体に接触しているかを判定する。ステップ５０６で、このデータをフィルタリングし、患者の体に接触していない超音波振動子のサブセットからのデータを除去する。ステップ５０８で、患者の体と接触している超音波振動子からの超音波データに基づき位置合わせ点を作成する。ステップ５１０で、作成した位置合わせ点を使用して患者の体を骨モデルへ位置合わせする。患者固有モデルへ位置合わせ点をマッピングする（ステップ５１２）、イメージレス・システムを利用することで取得されるモデルへ位置合わせ点をマッピングする（ステップ５１４）、または汎用モデルへ位置合わせ点をマッピングする（ステップ５１６）ことを含む、さまざまな方法を使用して位置合わせを実現できる。当業者に知られているような、他の位置合わせ方法もまた想定する。
【００２６】
図６に関して、例示的な実施形態に従って骨構造位置合わせプロセス６００の流れ図を示す。ステップ６０２で、本明細書に記載されるように、位置合わせ探触子上のＣＭＵＴ超音波振動子の２次元アレイから患者の体に対応する超音波データを受信する。ステップ６０４で、位置合わせ探触子及び患者の体間の接触に対応する圧力データを受信する。圧力データを位置合わせ探触子上のＭＥＭＳ圧力センサにより提供する。ステップ６０６で、受信した超音波データ及び圧力データを使用して、どの超音波振動子が患者の体に接触しているかを判定する。この判定は、本明細書で議論されるようなフィルタリング技術を使用できる。ステップ６０８で、患者の体に接触していると判定される超音波振動子のサブセットからデータを選択する。ステップ６１０で、患者の体と接触している超音波振動子に対応する選択した超音波データに基づき、位置合わせ点を作成する。ステップ６１２で、作成した位置合わせ点を使用して患者の体を骨モデルへ位置合わせする。位置合わせ点を患者固有モデルへマッピングする（ステップ６１４）、イメージレス・システムを使用することで取得されるモデルへ位置合わせ点をマッピングする（ステップ６１６）、または汎用モデルへ位置合わせ点をマッピングする（ステップ６１８）ことを含む、さまざまな方法を使用して位置合わせを実現できる。当業者に知られているような、他の位置合わせ方法もまた想定する。
【００２７】
図７に関して、例示的な実施形態に従って骨構造位置合わせプロセス７００の流れ図を示す。ステップ７０２で、本明細書に記載されるような位置合わせ探触子を患者の切開（例えば、膝の切開、臀部の切開等）を通して患者に挿入する。ステップ７０４で、位置合わせ探触子上のＣＭＵＴ超音波振動子の２次元アレイから患者の体に対応する超音波データを受信する。ステップ７０６で、位置合わせ探触子及び患者の体間の接触に対応する圧力データを受信する。この圧力データは、位置合わせ探触子上のＭＥＭＳ圧力センサにより提供される。ステップ７０８で、受信した超音波データ及び圧力データを使用して（例えば、コンピューティング・デバイスにより）、どの超音波振動子が患者の体に接触しているかを判定する。ステップ７１０で、患者の体に接触している超音波センサに対応するデータをさらに処理し、体（例えば、骨、軟骨等）を区別する。ステップ７１２で、骨領域に対応する超音波データに基づき位置合わせ点を作成する。ステップ７１４で、作成した位置合わせ点を使用して患者の体を骨モデルへ位置合わせする。患者固有モデルへ位置合わせ点をマッピングする（ステップ７１６）、イメージレス・システムを使用することで取得されるモデルへ位置合わせ点をマッピングする（ステップ７１８）、または汎用モデルへ位置合わせ点をマッピングする（ステップ７２０）ことを含む、さまざまな方法を使用して位置合わせを実現できる。当業者に知られているような、他の位置合わせ方法もまた想定する。
【００２８】
図８に関して、例示的な実施形態に従って骨構造位置合わせプロセス８００の流れ図を示す。ステップ８０２で、患者の標的骨（例えば、脛骨、大腿骨等）上の皮膚沿いに位置合わせ探触子（例えば、図１の超音波探触子１０８）を進める。ステップ８０４で、コンピューティング・デバイスにより位置合わせ探触子から超音波データ及び圧力データを受信する。コンピューティング・デバイスが受信したデータを使用して、どの超音波振動子が標的骨領域上の患者の体に接触しているかを判定する。ステップ８０６で、標的骨領域へ対応する超音波データに基づき位置合わせ点を作成する。ステップ８０８で、作成した位置合わせ点を使用して患者の体を骨モデルへ位置合わせする。患者固有モデルへ位置合わせ点をマッピングする（ステップ８１０）、イメージレス・システムを使用することで取得されるモデルへ位置合わせ点をマッピングする（ステップ８１２）、または汎用モデルへ位置合わせ点をマッピングする（ステップ８１４）ことを含む、さまざまな方法を使用して位置合わせを実装できる。当業者に知られているような、他の位置合わせ方法もまた想定する。
【００２９】
本開示は、さまざまな操作を遂行するための任意の機械可読媒体上の方法、システム及びプログラム製品を企図する。本開示の実施形態は、従来のコンピュータ処理装置を使用して、または、この目的もしくは別の目的のために組み込まれる、適切なシステム用の専用コンピュータ処理装置により、またはハードワイヤード・システムにより実装されることができる。本開示の範囲内の実施形態は、その上に記憶される機械実行可能なインストラクションまたはデータ構造を保持する、または有するための機械可読媒体を含むプログラム製品を含む。このような機械可読媒体は、汎用もしくは専用コンピュータまたは処理装置を含む他の機械によりアクセスされることが可能な任意の利用可能な媒体であることが可能である。例として、このような機械可読媒体は、ＲＡＭ，ＲＯＭ，ＥＰＲＯＭ，ＥＥＰＲＯＭ，ＣＤ−ＲＯＭもしくは他の光ディスク・ストレージ、磁気ディスク・ストレージ、他の磁気ストレージ・デバイス、ソリッド・ステート・ストレージ・デバイス、または機械実行可能なインストラクションもしくはデータ構造の形式で所望のプログラム・コードを保持または記憶するために使用されることが可能であり、汎用もしくは専用コンピュータまたは処理装置を有する他の機械によりアクセスされることが可能である任意の他の媒体を含むことが可能である。機械へネットワークまたは別の通信接続（ハードワイヤード、無線、またはハードワイヤードもしくは無線の組み合わせのいずれか）により情報を伝送または提供する場合に、機械が接続を機械可読媒体として適切に見なす。従って、任意のこのような接続を機械可読媒体と適切に称する。上述の組み合わせもまた機械可読媒体の範囲内に含む。機械実行可能なインストラクションは、例えば、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、または専用処理機械に、ある機能または機能群を実行させるインストラクション及びデータを含む。
【００３０】
方法ステップの特定順序を記載できるが、このステップの順序が記載されたものと異なってもよい。より少ない、追加の、及び／または異なる操作を実行できる。また、２つ以上のステップを同時にまたは一部同時に実行してもよい。このような変更は、選択されたソフトウェア及びハードウェア・システム、ならびに設計者の選択によるであろう。全てのこのような変更が本開示の範囲内である。同じように、任意の接続ステップ、処理ステップ、比較ステップ、及び判断ステップを達成するために、ソフトウェア実装をルールベース・ロジック及び他のロジックを有するスタンダード・プログラミング技術で達成可能である。
【図１】
2019072604.tif 000003
【図２】
2019072604.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2019072604.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成31年3月22日(2019.3.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
骨構造位置合わせシステムであって、
位置合わせ探触子が前記探触子の丸い先端部へ連結される複数の超音波振動子の２次元アレイを有し、前記超音波振動子が超音波データを提供するように構成される位置合わせ探触子と；
前記位置合わせ探触子へ固着されるように構成された、一つまたは複数の追跡可能なマーカーと；
前記位置合わせ探触子における前記一つまたは複数の追跡可能なマーカーの、位置および方向を、追跡するように構成された、追跡システムと；
処理回路であって、
前記位置合わせ探触子の位置および方向を、前記追跡システムにより追跡し、
前記超音波振動子から超音波データを受信し、
どの超音波振動子が患者の体と接触しているかを判定し、
どの超音波振動子が患者の体と接触しているかの判定に基づき、前記複数の超音波振動子のサブセットを選択し、
前記選択された超音波振動子のサブセットから、超音波データを受信し、
前記選択された超音波振動子のサブセットから受信された、前記超音波データに基づき、位置合わせ点のそれぞれが、骨モデルへマッピングされる患者の体における、ある位置に対応する、前記位置合わせ点を作成し、かつ
前記位置合わせ点、ならびに前記追跡された位置合わせ探触子の位置および方向を使用して患者の体を骨モデルへ位置合わせする
ように構成される前記処理回路と
を備える、前記骨構造位置合わせシステム。
【請求項２】
前記超音波振動子が静電容量型超音波振動子（ＣＭＵＴ）デバイスを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
どの超音波振動子が患者の体と接触しているかを判定することが超音波信号の強度に基づきフィルタリングすることを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記位置合わせ探触子が前記探触子の前記丸い先端部へ連結される複数の圧力センサをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記圧力センサが前記超音波振動子間に散在する、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記圧力センサが微小電気機械システム圧力センサを含む、請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
前記圧力センサが圧力データを提供するように構成され、かつ前記処理回路が前記圧力センサから圧力データを受信するようにさらに構成される、請求項４に記載のシステム。
【請求項８】
どの超音波振動子が患者の体と接触しているかを判定することが前記圧力データにさらに基づく、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記骨モデルがＣＴスキャンまたはＭＲＩの少なくとも一方に基づく、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記骨モデルがイメージレス・システムを利用して取得されるモデルである、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
処理回路による実行用にその上に記憶されるインストラクションを有する非一時的なコンピュータ可読媒体であって、
前記インストラクションが、
位置合わせ探触子の丸い先端部へ連結され、かつ患者の体の超音波データを提供するように構成された、複数の超音波振動子のアレイを含む位置合わせ探触子の位置および方向を追跡する、インストラクション；
前記位置合わせ探触子から、患者の体の超音波データを受信する、インストラクション；
どの超音波振動子が患者の体に接触しているかを判定するインストラクション；
どの超音波振動子が患者の体に接触しているかの判定に基づき、複数の超音波振動子のサブセットを選択する、インストラクション；
前記選択された超音波振動子のサブセットから、超音波データを受信する、インストラクション；
前記選択された超音波振動子のサブセットから受信された、患者の体の前記超音波データに基づき位置合わせ点を作成するインストラクションであって、前記位置合わせ点のそれぞれが、骨モデルへマッピングされる患者の体における、ある位置に対応する、前記インストラクション；及び
前記位置合わせ点、ならびに前記追跡された位置合わせ探触子の位置および方向を使用して患者の体を骨モデルへ位置合わせするインストラクション
を含む、
前記非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項１２】
圧力センサから圧力データを受信するインストラクションをさらに含み、前記位置合わせ探触子が前記探触子の前記丸い先端部へ連結される複数の圧力センサをさらに含み、前記圧力センサが圧力データを提供するように構成され、かつどの超音波振動子が患者の体に接触しているかを判定することが前記圧力データにさらに基づく、請求項１１に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。