(57)【要約】      （修正有）【課題】手術対象の物体を追跡するための追跡システムを提供する。【解決手段】第１および第２追跡可能部材１２の各々は、方向ベースのデータを少なくとも作成する慣性センサユニット２０を有する。処理ユニット１０１は、複数の追跡可能部材から方向ベースのデータを受信する。処理ユニットが、前記両方の追跡可能部材の方向ベースのデータから、第１追跡可能部材に対する第２追跡可能部材の方向を計算する方向計算部を有することにより、処理ユニットは物体の方向を計算する。方法もまた提供される。【選択図】図１
2015042252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
手術中に器具および骨を追跡するためのコンピュータ支援手術システムであって、
方向ベースのデータを少なくとも作成する第１慣性センサユニットを有する、第１追跡可能部材と、
方向ベースのデータを少なくとも作成する第２慣性センサユニットを有する、第２追跡可能部材であって、前記複数の追跡可能部材の一方は器具に接続され、前記複数の追跡可能部材の他方は骨に接続される第２追跡可能部材と、
前記複数の追跡可能部材から前記方向ベースのデータを受信する処理ユニットであって、前記処理ユニットは、前記両方の追跡可能部材の前記方向ベースのデータから、前記第１追跡可能部材に対する第２追跡可能部材の方向を計算する方向計算部を有し、これにより前記骨に対する前記器具の方向を計算する処理ユニットと、
を備えるコンピュータ支援手術システム。
【請求項２】
前記第１の追跡可能部材および前記第２の追跡可能部材は、位置ベースのデータを作成し、前記処理ユニットは、前記複数の追跡可能部材の少なくとも一方を前記骨に関連付ける幾何学的データと、前記複数の追跡可能部材の他方を前記器具に関連付ける幾何学的データとを格納し、これにより前記方向計算部は、前記骨に対する前記器具の位置および方向を計算する請求項１に記載のコンピュータ支援手術システム。
【請求項３】
前記処理ユニットは、前記第２追跡可能部材の物理的な一部である請求項１に記載のコンピュータ支援手術システム。
【請求項４】
前記第２追跡可能部材は、前記第１追跡可能部材に対する前記第２追跡可能部材の前記方向を表示するためのユーザインターフェースを有する請求項３に記載のコンピュータ支援手術システム。
【請求項５】
前記複数の追跡可能部材の少なくとも１つは、前記処理ユニットから信号を受信し、前記少なくとも１つの追跡可能部材からの命令確認を視覚的に表示する、確認インジケータを有する請求項１に記載のコンピュータ支援手術システム。
【請求項６】
前記第１慣性センサユニットは、前記骨に取り付けられ、２自由度の方向に関する方向データを作成する、加速度計ベースのユニットであり、
前記第２慣性センサユニットは、前記骨に取り付けられ、２自由度の方向に関する方向データを作成する、加速度計ベースのユニットであり、
前記方向計算部は、前記骨が前記第１慣性センサユニットの２自由度のうち一方の軸線回りを回転している間に、第１慣性センサユニットおよび前記第２慣性センサユニットの角変化率を決定し、
前記処理ユニットは、前記決定した角変化率を用いることにより、前記第１慣性センサユニットを基準に前記骨の方向を較正する較正計算部をさらに備えて、前記第１慣性センサユニットの第３自由度の方向を決定し、これにより前記骨は３自由度の方向で追跡可能となる請求項１に記載のコンピュータ支援手術システム。
【請求項７】
物体の３自由度の方向を追跡する方法であって、
前記物体に取り付けられた加速度計ベースの基準追跡部材から、２自由度の方向に関する方向データを受信することと、
前記物体に取り付けられた加速度計ベースの較正追跡部材から、２自由度の方向に関する方向データを受信することと、
前記物体が前記基準追跡部材の前記２自由度の方向のうち一方の軸線回りを回転している間に、前記基準追跡部材および前記較正追跡部材の角変化率を決定することと、
前記決定した角変化率を用いることにより、前記基準追跡部材を基準に前記物体の方向を較正し、前記基準追跡部材の第３自由度の方向を決定することと、
を含み、これにより、前記物体は３自由度の方向で追跡可能となる方法。
【請求項８】
方向データを受信することは、骨に取り付けられた前記基準および較正追跡部材から方向データを受信することを含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記基準追跡部材および前記較正追跡部材の角変化率を決定することは、操作者に前記物体を移動させるために、前記基準追跡部材の前記２自由度の方向のうち前記一方のみの前記軸線回りの角変化率に関するデータを表示することを含む請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
骨モデルまたは死体で前記方法を実行することをさらに含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
較正後に、前記物体の追跡を３自由度の方向でインターフェース上に表示することをさらに含む請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
角変化率を決定することは、前記軸線回りの方向が最大値を超えて変動する場合に、角変化率を拒絶することを含む請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
物体の３自由度の方向を追跡するシステムであって、
前記物体に取り付けられる加速度計ベースの基準追跡部材であって、２自由度の方向に関する方向データを作成する基準追跡部材と、
前記物体に取り付けられる加速度計ベースの較正追跡部材であって、２自由度の方向に関する方向データを作成する較正追跡部材と、
前記基準追跡部材および前記較正追跡部材から前記方向データを受信する処理ユニットであって、前記物体が前記基準追跡部材の前記２自由度のうち一方のみの軸線回りを回転している間に、前記基準追跡部材および前記較正追跡部材の角変化率を決定する方向計算部と、前記決定した角変化率を使用することにより、前記基準追跡部材を基準に前記物体の方向を較正し、前記基準追跡部材の第３自由度の方向を決定する、較正計算部とを備え、これにより、前記物体は３自由度の方向で追跡可能となる処理ユニットと、
を備えるシステム。
【請求項１４】
前記システムはコンピュータ支援手術システムであり、前記物体は骨であり、前記基準追跡部材および前記較正追跡部材は前記骨に取り付けられる請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
操作者に前記物体を移動させるために、前記基準追跡部材の前記２自由度の方向のうち、一方のみの軸線周りの角変化率に関するデータを表示するユーザインターフェースをさらに備える請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記ユーザインターフェースは、較正後に、前記物体の追跡を３自由度の方向で表示する請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記処理ユニットは、前記軸線回りの方向が最大値を超えて変動する場合に、角変化率を拒絶する請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本特許出願は、２００８年３月２５日出願の米国仮特許出願第６１／０３９，１８４号および２００８年９月２５日出願の米国仮特許出願第６１／１００，１７３号に対する優先権を主張する。
【出願の技術分野】
【０００２】
本出願は、コンピュータ支援手術システムなどで使用される追跡システムに関し、特には、コンピュータ支援手術中に手術用ツールの追跡に用いられる計器および慣性センサを較正する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
手術器具または手術用ツールの追跡は、コンピュータ支援手術（以下、ＣＡＳという）の不可欠な要素である。ツールは、体部位に関する情報が取得されるような方法で、位置および／または方向に関して追跡される。この情報は次いで、骨改造、移植片の位置決め、切開など、手術の間に生体に対して施される様々な処置（例えば、整形外科手術、神経外科手術）に用いられる。
【０００４】
追跡システムには、機械的追跡、音響追跡、磁気追跡、光学追跡および無線周波（ＲＦ）追跡などの種々の技術を使用できる。使用される技術によって、異なる種類の追跡可能部材が、永久的または一時的に、追跡を要する器具に固定される。例えば、人工膝関節置換術（ＴＫＲ）の間、追跡可能部材は肢および別の手術器具に固定され、これら追跡可能部材は追跡システムによって追跡される。ＣＡＳシステムは、追跡に関連する位置および方向データを計算し、コンピュータが表示する情報は、肢に対して使われる（複数の）器具の位置を視覚化または数値で表すために、外科医によって使用される。
【０００５】
２種類の追跡システムが一般的に用いられる。能動追跡システムは、追跡すべきツール上に追跡可能部材である送信機を設け、その送信機は、ＣＡＳシステムのプロセッサが受信する信号を発し、プロセッサは、受信した信号の関数として、ツールの位置および／または方向を計算する。能動追跡システムの送信機は、例えば、ＣＡＳシステムに配線されるか、または独自の電源を設けることにより作動して、信号を発する。
【０００６】
受動追跡システムは、追跡可能部材である能動送信機をツール上に設けない。受動追跡に関連するＣＡＳシステムは、光学センサ装置を有し、ツール上の光学素子を視覚的に検出する。光学素子は受動的であるので、それに関する電源は無い。
【０００７】
位置および／または方向に関する値を求めるためには、光学素子が光学センサ装置の視程内になくてはならない。従って、受動追跡システムを用いる場合、光学センサ装置と光学素子との間に必要な視程関数として、所定の向きで手術が行われる。
【０００８】
能動であれ、受動であれ、現在使用されている追跡可能部材は、その使用技術によっては、かなり大型となる。電磁システムでは、ケーシングがＣＡＳシステムに配線され、器具または患者に対して固定される。光学式システムでは、追跡可能部材は、通常、少なくとも３つの光学素子を備える。例えば、光学素子は、ＣＡＳシステムに配線され、不等辺三角形を形成する光源である。光源を、基部上に個々に固定または配置できる。この第２の構成において、組立体は大きく場所をとるものである。
【０００９】
また、光源の代わりに受動反射面またはパッチを使用でき、光源は（赤外線スペクトルで）それらを照射するのに用いられる。
【００１０】
追跡システムの種類を選択する際には、幾つかの要素を考慮しなければならない。これら要素には、無菌帯における能動追跡可能部材用の配線の有無、光学追跡を用いる際のナビゲーションに必要な視程、手術中の所要精度を実現するための追跡可能部材のサイズ、外科医が手術中の整合情報をコンピュータスクリーンに視覚化する必要性、座標系を構築するために外科医が骨の標識点をディジタル化する必要性、現行の光学センサ、電磁センサ、または無線周波センサの大きさのため、これらを使い捨て器具に統合することの難しさ、が含まれる。
【出願の概要】
【００１１】
したがって、本出願の目的は、新規の追跡可能部材および追跡システムを提供することである。
【００１２】
本出願のさらなる目的は、追跡システムをコンピュータ支援手術で用いることである。
【００１３】
第１の実施形態によると、手術中に器具および骨を追跡するコンピュータ支援手術システムが提供され、方向ベースのデータを少なくとも作成する第１慣性センサユニットを有する第１追跡可能部材と、方向ベースのデータを少なくとも作成する第２慣性センサユニットを有する第２追跡可能部材であって、複数の追跡可能部材の一方が器具に接続されて、複数の追跡可能部材の他方が骨に接続される第２追跡可能部材と、複数の追跡可能部材から方向ベースのデータを受信する処理ユニットであって、前記両方の追跡可能部材の方向ベースのデータから、第１追跡可能部材に対する第２追跡可能部材の方向を計算する方向計算部を有することにより、骨に対する器具の方向を計算する処理ユニットと、を備える。
【００１４】
さらに、第１の実施形態によると、第１追跡可能部材および第２追跡可能部材は位置ベースのデータを作成し、処理ユニットは、複数の追跡可能部材の少なくとも一方を骨と関連付ける幾何学的データと、複数の追跡可能部材の他方を器具と関連付ける幾何学的データとを格納し、これにより、方向計算部は、骨に対する器具の位置および方向を計算する。
【００１５】
さらに、第１の実施形態によると、処理ユニットは、第２追跡可能部材の物理的な一部である。
【００１６】
さらに、第１の実施形態によると、第２追跡可能部材は、ユーザインターフェースを有し、第１追跡可能部材に対する第２追跡可能部材の方向を表示する。
【００１７】
さらに、第１の実施形態によると、複数の追跡可能部材の少なくとも１つは、処理ユニットから信号を受信する確認インジケータを有し、前記少なくとも１つの追跡可能部材からの命令確認を視覚的に表示する。
【００１８】
さらに、第１の実施形態によると、第１慣性センサユニットは、骨に取り付けられる加速度計ベースのユニットであり、２自由度の方向に関する方向データを作成し、第２慣性センサユニットは、骨に取り付けられる加速度計ベースのユニットであり、２自由度の方向に関する報告データを作成し、方向計算部は、第１慣性センサユニットの２自由度のうち一方の軸線回りを骨が回転している間に、第１慣性センサユニットおよび第２慣性センサユニットの角変化率を決定し、処理ユニットは、決定した角変化率を使用することにより、第１慣性センサユニットを基準にして骨の方向を較正する較正計算部をさらに備え、第１慣性センサユニットの第３自由度の方向を決定し、これにより骨は３自由度の方向で追跡可能となる。
【００１９】
第２の実施形態によると、物体の３自由度の方向を追跡するための方法が提供され、この方法は、物体に取り付けられた加速度ベースの基準追跡部材から、２自由度の方向に関する方向データを受信することと、物体に取り付けられた加速度ベースの較正追跡部材から、２自由度の方向に関する方向データを受信することと、基準追跡部材の２自由度の方向のうち一方のみの軸線回りを物体が回転している間に、基準追跡部材および較正追跡部材の角変化率を決定することと、決定した角変化率を使用することにより、基準追跡部材を基準に物体の方向を較正して、基準追跡部材の第３自由度の方向を決定することとを含み、これにより物体は３自由度の方向で追跡可能となる。
【００２０】
さらに、第２の実施形態によると、方向データを受信することは、骨に取り付けられた基準および較正追跡部材から方向データを受信することを含む。さらに、第２の実施形態によると、基準追跡部材および較正追跡部材の角変化率を決定することは、操作者に物体を移動させるために、基準追跡部材の２自由度の方向のうち一方のみの軸線回りの角変化率に関するデータを表示することを含む。
【００２１】
さらに、第２の実施形態によると、この方法は骨モデルまたは死体で行われる。
【００２２】
さらに、第２の実施形態によると、物体の追跡は、較正後に３自由度の方向でインターフェース上に表示される。
【００２３】
さらに、第２の実施形態によると、角変化率を決定することは、前記軸線回りの方向が最大値を超えて変動する場合に、角変化率を拒絶することを含む。
【００２４】
第３の実施形態によると、物体の３自由度の方向を追跡するためのシステムが提供され、このシステムは、物体に取り付けられる加速度計ベースの基準追跡部材であって、２自由度の方向に関する方向データを作成する基準追跡部材と、物体に取り付けられる加速度計ベースの較正追跡部材であって、２自由度の方向に関する方向データを作成する較正追跡部材と、基準追跡部材および較正追跡部材から方向データを受信する処理ユニットであって、基準追跡部材の２自由度のうち一方の軸線回りを物体が回転している間に、基準追跡部材および較正追跡部材の角変化率を決定する方向計算部と、決定した角変化率を使用することにより基準追跡部材を基準に物体の方向を較正する較正計算部とを備えて、基準追跡部材の第３自由度の方向を決定することにより、物体は３自由度の方向で追跡可能となる処理ユニットと、を備える。
【００２５】
さらに、第３の実施形態によると、システムはコンピュータ支援手術システムであり、物体は骨であり、基準追跡部材および較正追跡部材は骨に取り付けられる。
【００２６】
さらに、第３の実施形態によると、システムは、操作者に物体を移動させるため、基準追跡部材の２自由度の方向のうち一方のみの軸線回りの角変化率に関するデータを表示するユーザインターフェースをさらに備える。
【００２７】
さらに、第３の実施形態によると、ユーザインターフェースは、較正後に、物体の追跡を３自由度の方向でインターフェース上に表示する。
【００２８】
さらに、第３の実施形態によると、処理ユニットは、前記軸線回りの方向が最大値を超えて変動する場合に、角変化率を拒絶する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本出願の一実施形態に係る追跡システムの構成図である。
【００３０】
【図２】図２は、本出願の別の実施形態に係る、自己閉鎖型追跡システムの構成図である。
【００３１】
【図３】図３は、一対の追跡可能部材を追跡する、本出願の別の実施形態に係る追跡システムの構成図である。
【００３２】
【図４】図４は、本出願の別の実施形態に係り、追跡可能部材と共に用いられる、自己閉鎖型追跡システムの構成図である。
【００３３】
【図５】図５は、図３および図４の追跡システムを使用して、物体の３自由度の方向を追跡する方法を説明するフローチャートである。
【好ましい実施の形態の説明】
【００３４】
図１を参照すると、本出願の実施形態に係る微小電気機械素子（ＭＥＭＳ）追跡可能部材の全体を、手術用ツールまたは身体要素（例えば骨）などの追跡要素１０に固定されている状態で１２に示す。
【００３５】
ＭＥＭＳ追跡可能部材１２は、追跡システム（ＣＡＳ追跡システムなど）に用いられ、追跡回路２０（例えば、慣性センサユニット）と、送信機２１（または、無線送信機、送受信機など同種の通信回路）と、任意の確認インジケータ２２と、受動追跡可能副部材２３とを備える。別段に記載がない限り、以降、送信機への言及には送受信機を含むものとする。
【００３６】
本開示の実施形態において、追跡回路は、６自由度（以下、ＤＯＦという）の集積回路であってもよい。追跡回路２０は、追跡可能部材１２の位置および方向に関するデータを出力する。
【００３７】
追跡回路２０としての使用に適した装置の例には、他の候補の中でも、容量型加速度センサ（ＣＡＰＡＳ）、電解傾斜センサおよび３軸線センサ（ＴＡＳ）がある。ＣＡＰＡＳは、追跡要素１０に固定されることによって、その加速度（例えば重力）の２軸線測定を行う。一実施形態において、ＣＡＰＡＳの物理的大きさは、縦７．４、横７．０、高さ３．５ｍｍである。
【００３８】
加速度センサベースの追跡回路２０が３ＤＯＦの方向を提供するように、加速度センサベースの追跡回路２０を較正する方法およびシステムを以下で説明する。一部の用途においては、３ＤＯＦの方向追跡で十分である。３ＤＯＦを上回る方向を提供するように追跡回路２０を構成する必要はなく、ＤＯＦ位置を提供する受動追跡可能部材に追跡回路２０を接続する必要もない。
【００３９】
ＣＡＰＡＳの作動状態において、加速度の変動はＣＡＰＡＳの方向の修正を反映している。ＣＡＰＡＳの出力は、２軸線（またはＣＡＰＡＳが較正される場合は３軸線）の相対角度値である。従って、較正された追跡回路２０、または前述の構成で２個のＣＡＰＡＳを有する追跡回路２０は、追跡回路２０の実時間方向データを提供し、それにより追跡要素１０の実時間方向データを提供する。
【００４０】
別の実施形態において、追跡可能副部材２３は、追跡可能部材１２に関する位置データを提供するために、追跡可能部材１２の一部であってもよい。従って、追跡回路２０が出力する方向データは、追跡可能副部材２３の追跡から得られる位置データと組み合わされて、追跡要素の空間位置および方向を提供する。追跡可能副部材２３には、超音波、光学素子およびＲＦエミッタなどの公知の技術を使用できる。一実施形態では、逆反射素子（例えば、球体、幾何パッチ）を使用する。単一の追跡可能副部材２３（例えば、１球体）が、位置データを取得する追跡可能副部材２３として必要であることが指摘される。但し、位置データの精度を高めるために、または光学追跡の場合には追跡可能部材２３の視認性を高めるために、２個以上の追跡可能副部材２３を使用することができる。従って、単一の追跡可能副部材２３を有する追跡回路２０としてＣＡＰＡＳを使用することによって、追跡可能部材１２は、小型装置の６ＤＯＦの位置および方向を提供する。
【００４１】
別の実施形態において、３軸線加速度センサが用いられ、追跡可能副部材２３の位置データを提供する。経時的な直線加速度を積分することにより、既知の初期位置からの変位量を算出して、副部材２３の現在位置を提供できる。
【００４２】
追跡回路２０のＣＡＰＡＳの代替として、ＴＡＳが位置および方向データを提供する。ＴＡＳは、集積回路に埋み込まれた３個のジャイロスコープおよび３個の加速度センサから構成される。一例として、利用可能なＴＡＳの物理的大きさは、縦２３、横３２、高さ５ｍｍである。従って、これらＴＡＳの１つを使用することによって、一対のＣＡＰＡＳと追跡可能副部材２３との組合せの場合と同様に位置および方向データが提供されるが、このＴＡＳは後者の組合せよりも大型である。
【００４３】
送信機２１は、追跡回路２０に接続されて、追跡回路２０の追跡データをＣＡＳシステムの処理システムに送信する。データの送信は、無線または有線接続によって行われてもよい。ＲＦなど送信機２１で使用される技術は、手術環境で作動するように選択されてもよい。一例として、Bluetooth（商標）、Zigbee（商標）またはWi-Fi送信機がその普及率に因って考慮され、追跡可能部材１２の手術器具への統合を可能にする。追跡可能部材１２は、単一の使い捨てユニットとして製造でき、場合によっては移植用計器（例えば、ＴＫＲ用の使い捨て自己追跡切除ガイド）に統合できる。代替的な実施形態として、複数のセンサは、それらの間で必要な情報を通信するように構成可能である。
【００４４】
追跡可能部材１２について考えられる別の特徴には、操作者または外科医にデータを提供する確認インジケータ２２がある。例えば、手術用ツールの適当な位置／方向に関する指示がツール上に直接提供されることで、ツールを扱う外科医／操作者の手順を容易にしてもよい。確認インジケータ２２は、ＣＡＳシステムから受信した信号もしくは命令に対応する、オンオフ式のＬＥＤ（例えば、赤色ＬＥＤおよび緑色ＬＥＤ）または別の適当な形態の小型電子ディスプレーを有する回路である。追跡可能装置１２が確認インジケータ２２を使用する実施形態において、送信機２１は、ＣＡＳシステムの処理システムから信号を受信する送受信機である。確認インジケータ２２は、送受信機の回路に接続されて信号を受信し、それら信号を操作者／外科医に提供する可視信号に変換する。
【００４５】
確認インジケータ２２の別の実施形態は、追跡可能部材１２が固定された器具の位置および方向に従ってオンになる一連のＬＥＤまたは別の適当な形態の小型電子ディスプレーを包含する。このことは、外科医／操作者が様々な手術器具を扱っている時に、それらの整列／位置情報の通信を可能にするので、外科医は、当該情報をコンピュータスクリーンで見る必要がなくなる。
【００４６】
追跡要素１０として使用される手術用ツールには、登録ポインタ、切除ブロック、ドリル、やすり、ライティングスティックなどがある。
【００４７】
追跡要素１０が手術器具である場合に、追跡可能部材１２を有する追跡要素１０を較正するためには、器具の先端を基準点（較正マーカー）に突合せて、ＣＡＳシステムが器具の方向を追跡できるようにする。他種の較正も追跡可能部材１２で使用できる。例えば、図５を参照して、追跡要素１０の方向を較正する方法を以下に記述する。
【００４８】
さらに図１を参照すると、追跡可能部材１２を組み込む追跡システムの全体が１００で示され、１個以上の追跡可能部材１２と共に使用される。追跡システムは、コンピュータ支援手術システム（ＣＡＳシステム）であってもよく、プロセッサを有するコンピュータを典型的に備える処理ユニット１０１を有する。処理ユニット１０１には受信機１０２が設けられ、追跡可能部材１２からの位置／方向データ信号を受信する。追跡可能部材１２が確認インジケータ２２を有する実施形態において、受信機２０１は、確認信号を追跡可能部材１２に送信する送受信機である。
【００４９】
制御部１０４は、受信機１０２に接続されている。従って、制御部１０４は、受信機１０２から信号データを受信する。
【００５０】
位置／方向計算部１０５は、受信／送受信機１０２から受信した信号データを追跡可能部材１２用の位置／方向データに変換するよう用いられる。具体的に、追跡回路２０がＣＡＰＡＳまたは較正ＣＡＰＡＳの組合せである場合、信号データは追跡可能部材１２の方向に変換される。追跡回路２０がＴＡＳである場合、信号データは追跡可能部材１２の位置および方向に変換される。
【００５１】
所定のＣＡＳ応用例の較正データ、および登録ポインタを用いて定義した骨モデルなどの他の術中データ、物体の軸線および座標系を格納する、幾何学的データベース１０６が設けられる。従って、位置データがその用途に必要である場合、較正データは、追跡要素１０と追跡可能部材１２との関係性となる。追跡可能副部材２３を用いる実施形態において、較正データは、追跡可能副部材２３を追跡要素１０と関連付ける幾何学的データを備える。
【００５２】
従って、位置データを必要とする用途において、制御部１０４は、位置／方向計算部１０５から位置／方向データを受信し、データベース１０６が提供する関係データを用いることにより、追跡要素１０の位置／方向を計算する。このようにして、制御部１０４は、位置／方向データをユーザインターフェース１１０に対して出力する。
【００５３】
追跡可能副部材２３を一対のＣＡＰＡＳまたは較正ＣＡＰＡＳと組み合わせて使用する実施形態において、処理ユニット１０１は、追跡可能部材１２の追跡可能副部材２３を追跡するために、センサユニット１０７（例えば、光学センサ装置）を任意で有する。通常、センサユニット１０２は、一対のセンサ（例えば、ナビトラック（商標））を包含する。
【００５４】
制御部１０４に関連して、位置計算部１０８を設けてもよい。位置計算部１０８は、センサユニット１０７による追跡から得られる追跡データを制御部１０４から受信する。データベース１０６が提供する幾何学的データにより、位置計算部１０８は追跡要素１０の位置を計算する。
【００５５】
追跡要素１０の位置が制御部１０４に送られ、追跡要素１０の方向と組み合わされることによって、制御部１０４は追跡要素１０の位置および方向を作成する。
【００５６】
追跡システム１０に、較正計算部１０９を設けてもよい。較正計算部１０９は、図３および図４に示すように、一対の２ＤＯＦ方向追跡可能部材１２（例えばＣＡＰＡＳ）と共に用いられ、第３ＤＯＦの方向が既知かつ追跡可能であるように、複数の追跡可能部材１２の１つを較正する。
【００５７】
この情報がユーザインターフェース１１０に送られることで、システム１００のユーザは、コンピュータ支援手術で公知の様々な形態（例えば、視覚表示、角度や距離などの数値）で追跡要素の位置および方向に関する情報を取得する。データベース１０６が制御部１０４の一部であったほうがよいことを指摘しておく。
【００５８】
図２を参照すると、追跡可能部材の一実施形態が１２’で示され、ここで自己閉鎖型処理ユニットは、追跡要素１０に接続される。追跡可能部材１２’は、追跡可能部材１２に関して上述した追跡回路２０、送受信機２１および確認インジケータ２２を有し、さらに制御部１０４、位置／方向計算部１０５、幾何学的データベース１０６、較正計算部１０９およびユーザインターフェース１１０も有し、これら全てを追跡要素１０に直接固定される小型の自己閉鎖ケーシング内に有する。従って、送受信機２１は、外科手術中に併用される他の追跡可能部材１２’と情報を共有するために使用される。
【００５９】
図３および図４の実施形態において、少なくとも２個の追跡可能部材１２／１２’が組み合わされて使用され、第１の追跡可能部材１２’は、骨または他の体部位に固定される一方で、第２の追跡可能部材１２／１２’は、較正用にツール／器具または骨に装着される。従って、その追跡可能部材１２’の追跡回路２０が如何なる骨の変位も入手し、この情報はツール／器具上の追跡可能部材１２’に送信される。追跡データが複数の追跡可能部材１２’間で共有されることで、ユーザインターフェース１１０に提供される情報は、骨とツール／器具との間の相対移動を表す。
【００６０】
場合によっては、骨と器具との間の方向（例えば軸線）だけが必要とされる。このような場合、追跡可能部材１２’の追跡回路２１は、ＣＡＰＡＳを活用する。
【００６１】
図５を参照すると、２ＤＯＦの方向に関する方向データを提供する、加速度計を有する追跡可能部材１２／１２’を較正する方法が提供され、これにより追跡可能部材１２／１２’の３（第３）ＤＯＦが提供される。
【００６２】
図３〜図５に示すように、この方法は、加速度計を有する２個の追跡可能部材１２／１２’を設けることと、両方の追跡可能部材１２／１２’を物体１０に装着することとを含む。複数の追跡可能部材１２／１２’の一方は基準追跡部材であり、他方は較正追跡部材である。従って、両方の追跡可能部材１２／１２’が、物体に関する２ＤＯＦの方向データを作成する。
【００６３】
１５０および１５４によると、両方の追跡可能部材１２／１２’からの方向データを追跡システム１００の処理ユニットが受信する。操作者は次いで、物体が追跡可能部材１２／１２’の１ＤＯＦ周りを移動するように、物体の運動を実行する。例えば、基準追跡部材１２／１２’の動きが手動で制限されることで、２ＤＯＦの方向が変わらぬ一方で、２ＤＯＦの他方の方向および較正追跡部材１２／１２’により追跡される２ＤＯＦの方向が変動する。
【００６４】
１５８によると、追跡システム１００の処理ユニットが、基準追跡部材１２／１２’および較正追跡部材１２／１２’の角変化率を決定する一方で、物体１０は、上述のように、基準追跡部材の２自由度のうち一方の軸線を中心に回転する。
【００６５】
これら角変化によって、追跡システム１００の処理ユニットは、基準追跡部材１２／１２’の３（第３）ＤＯＦを決定できる。従って、１６２において、追跡システム１００の処理ユニットは、決定した角変化率を使用することにより、基準追跡部材１２／１２’を基準に物体の方向を較正し、基準追跡部材１２／１２’の３（第３）自由度の方向を決定する。この較正手順により、基準追跡部材１２／１２’が提供する追跡データを通して、３自由度の方向で物体１０を追跡できる。
【００６６】
当該方法は、重力ベクトルおよび基準追跡部材１２／１２’の軸線の１つと整合する局所座標系を決定することと、基準追跡部材１２／１２’の３（第３）自由度を制限することとを包含する。基準追跡部材１２／１２’および較正追跡部材１２／１２’の方向は、上述の制限された回転の前後に、この局所座標系で表される。これにより、制限された回転の前後に、局所座標系における較正追跡部材１２／１２’の第３自由度に対応する２個の未知数を有する、完全に決定された方程式系が提供される。この方程式系を解くことにより、基準追跡部材１２／１２’に対する較正追跡部材１２／１２’の完全な３自由度が提供される。
【００６７】
図５の方法について、基準追跡部材１２／１２’および較正追跡部材１２／１２’が２ＤＯＦの方向の如何なる軸線とも整列しないことが好ましい。さらに、物体の移動がより大きな角変化率の値をもたらすので、１５８では、物体に対して振幅の大きな移動を行うことが好ましい。大きな角変化率により、３（第３）ＤＯＦの較正においてさらなる精度が得られる。
【００６８】
基準追跡部材１２／１２’の回転軸線に関連するＤＯＦの角変化率がないことが好ましいが、僅かな誤差が許容されてもよい。較正に関するデータの収集中に、処理ユニット１０１は、回転軸線の方向の角変化が最大閾値を超える際に、較正用の追跡データを受信しないようにプログラムされてもよい。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成26年9月3日(2014.9.3)
【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】
手術中に器具および骨を追跡するためのコンピュータ支援手術システムであって、
方向ベースのデータを少なくとも作成する第１慣性センサユニットを有する第１追跡可能部材であって、前記骨に取り付けられる加速度計ベースのユニットであり、２自由度の方向に関する方向データを作成する第１追跡可能部材と、
方向ベースのデータを少なくとも作成する第２慣性センサユニットを有する第２追跡可能部材であって、前記骨に取り付けられる加速度計ベースのユニットであり、２自由度の方向に関する方向データを作成する第２追跡可能部材と、
前記複数の追跡可能部材から前記方向ベースのデータを受信する処理ユニットであって、
前記両方の追跡可能部材の前記方向ベースのデータから、前記第１追跡可能部材に対する前記第２追跡可能部材の方向を計算する方向計算部であって、前記骨が移動した後に、前記第１慣性センサユニットおよび前記第２慣性センサユニットの角変化率を決定する方向計算部と、
前記決定した角変化率を使用することにより、前記第１慣性センサユニットを基準に前記骨の方向を較正し、前記第１センサユニットの第３自由度の方向を決定する較正計算部と、
を有し、これにより、前記骨は３自由度の方向で追跡可能である処理ユニットとを備え、
前記複数の追跡可能部材の一方は器具に接続され、前記複数の追跡可能部材の他方は骨に接続されるコンピュータ支援手術システム。
【請求項２】
前記第１追跡可能部材および前記第２追跡可能部材は、位置ベースのデータを作成し、前記処理ユニットは、前記骨に対する前記複数の追跡可能部材の少なくとも１つの幾何学的データと、前記器具に対する前記複数の追跡可能部材の他方の幾何学的データとを格納し、これにより前記方向計算部は、前記骨に対する前記器具の位置および方向を計算する請求項１に記載のコンピュータ支援手術システム。
【請求項３】
前記処理ユニットは、前記第２追跡可能部材の物理的な一部である請求項１に記載のコンピュータ支援手術システム。
【請求項４】
前記第２追跡可能部材は、前記第１追跡可能部材に対する前記第２追跡可能部材の方向を表示するためのユーザインターフェースを有する請求項３に記載のコンピュータ支援手術システム。
【請求項５】
前記複数の追跡可能部材の少なくとも１つは、前記処理ユニットから信号を受信し、前記少なくとも１つの追跡可能部材からの命令確認を視覚的に表示する、確認インジケータを有する請求項１に記載のコンピュータ支援手術システム。
【請求項６】
物体の３自由度の方向を追跡するためのコンピュータシステムの動作方法であって、
コンピュータシステムが、前記物体に取り付けられた加速度計ベースの基準追跡部材から、２自由度の方向に関する方向データを受信することと、
コンピュータシステムが、前記物体に取り付けられた加速度計ベースの較正追跡部材から、２自由度の方向に関する方向データを受信することと、
コンピュータシステムが、前記物体が、前記基準追跡部材の前記２自由度の方向のうち一方のみの軸線回りを回転している間に、前記基準追跡部材および前記較正追跡部材の角変化率を決定することと、
コンピュータシステムが、前記決定した角変化率を使用することにより、前記基準追跡部材を基準に前記物体の方向を較正して、前記基準追跡部材の第３自由度の方向を決定することと、
を含むコンピュータシステムの動作方法。
【請求項７】
方向データを受信することは、骨に取り付けられた前記基準および較正追跡部材から方向データを受信することを含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記基準追跡部材および前記較正追跡部材の角変化率を決定することは、操作者に前記物体を移動させるために、前記基準追跡部材の前記２自由度の方向のうち、前記１つの軸線回りの角変化率に関するデータを表示することを含む請求項６に記載の方法。
【請求項９】
骨モデルまたは死体で前記方法を実行することをさらに含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記較正後に、前記物体の追跡を３自由度の方向でインターフェース上に表示することをさらに含む請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
角変化率を決定することは、前記軸線回りの方向が最大値を超えて変動する場合に、角変化率を受信しないことを含む請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
物体の３自由度の方向を追跡するシステムであって、
前記物体に取り付けられる加速度計ベースの基準追跡部材であって、２自由度の方向に関する方向データを作成する基準追跡部材と、
前記物体に取り付けられる加速度計ベースの較正追跡部材であって、２自由度の方向に関する方向データを作成する較正追跡部材と、
前記基準追跡部材および前記較正追跡部材から前記方向データを受信する処理ユニットであって、
前記物体が前記基準追跡部材の前記２自由度のうち一方のみの軸線回りを回転している間に、前記基準追跡部材および前記較正追跡部材の角変化率を決定する方向計算部と、
前記決定した角変化率を使用することにより、前記基準追跡部材を基準に前記物体の方向を較正し、前記基準追跡部材の第３自由度の方向を決定する、較正計算部と、
を備え、これにより、前記物体は３自由度の方向で追跡可能である処理ユニットと、
を備えるシステムにおいて、
操作者に前記物体を移動させるために、前記基準追跡部材の前記２自由度の方向のうち、前記一方のみの軸線周りの角変化率に関するデータを表示するユーザインターフェースをさらに備えるシステム。
【請求項１３】
前記システムはコンピュータ支援手術システムであり、前記物体は骨であり、前記基準追跡部材および前記較正追跡部材は前記骨に取り付けられる請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ユーザインターフェースは、較正後に、前記物体の追跡を３自由度の方向でインターフェース上に表示する請求項１２または１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記処理ユニットは、前記軸線回りの方向が最大値を超えて変動する場合に、角変化率を受信しない請求項１２〜１４のいずれかに記載のシステム。