(57)【要約】  部材の較正およびナビゲーションを行うための方法および装置である。部材（８０）は、器具（５２）のセンサ（５８）などの選択された部分に対して較正できる。次いで、較正された部材（８０）は、選択されたシステム（１０）によってナビゲートされる。この較正技術は、無限に適合可能であることができ、汎用性のない、または特定の構成要素に関して設計されるものではない。さらに、部材が器具のもう１つの端部と同軸でない器具の端部に相互連結される場合、較正を行うことができる。【選択図】図１
2008518688.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
器具を患者の解剖学的構造の一部分に対してナビゲートするシステムであって、
係合端部、作用端部、および前記係合端部と前記作用端部の間を延びるシャフトを備える器具と、
前記係合端部に係合し、前記係合端部から係脱するように動作可能なように、前記係合端部に選択的に係合可能な部材と、
前記器具と相互連結された第１の追跡センサと、
前記第１の追跡センサを追跡するように動作可能な追跡システムと、
を備え、
前記部材が前記係合端部に係合された場合に、前記追跡システムは、前記第１の追跡センサに対する前記部材の向きを決定するように動作可能であり、
前記係合端部が、前記作用端部によって定義される第２の軸と非同軸な第１の軸を定義する、
ことを特徴とする、器具を患者の解剖学的構造の一部分に対してナビゲートするシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、
第２の追跡センサを有する探査子をさらに備え、
前記第１の追跡センサおよび前記第２の追跡センサが互いに対して追跡できることを特徴とする、システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムであって、
前記患者の画像データを得るように動作可能な撮影システムと、
前記画像データに基づいた前記患者の画像、および前記部材のレンダリングを表示するディスプレイと
をさらに備えることを特徴とする、システム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムであって、
前記器具が、インパクタ、ドライバ、インサータ、ハンドル、またはそれらの組合せを含む群から選択されることを特徴とする、システム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムであって、
前記部材が、インプラント、工具、ラスプ、リーマ、ドリル、寛骨臼インプラント、寛骨臼リーマ、大腿骨インプラント、大腿骨ラスプ、脛骨インプラント、上腕骨インプラント、関節窩リーマ、またはそれらの組合せを含む群から選択されることを特徴とする、システム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムであって、
前記部材が、前記患者の解剖学的構造の寛骨臼内に位置決めされるように動作可能な寛骨臼インプラントを含むことを特徴とする、システム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムであって、
前記部材が、前記患者の解剖学的構造の寛骨臼をリーマで広げるために前記器具と相互連結するように動作可能なリーマを備えることを特徴とする、システム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムであって、
部材がそれぞれ固有の寸法を有する複数の部材を備え、前記固有の寸法がそれぞれ、処理装置によってアクセス可能なメモリシステムに記憶されることを特徴とする、システム。
【請求項９】
請求項１に記載のシステムであって、
前記第１の追跡センサが前記器具と一体であることを特徴とする、システム。
【請求項１０】
請求項２に記載のシステムであって、
前記第１の追跡センサまたは前記第２の追跡センサのうちの少なくとも１つが、光センサ、電磁センサ、音波センサ、放射線センサ、重量センサ、またはそれらの組合せを含む群から選択されることを特徴とする、システム。
【請求項１１】
請求項２に記載のシステムであって、
前記部材が、前記部分の前記第１の追跡センサに対する画像空間内の点を決定するために、前記探査子によって選択的に接触されるように動作可能な部分を定義することを特徴とする、システム。
【請求項１２】
請求項１に記載のシステムであって、
前記追跡システムが、前記部材によって定義された平面を含む前記部材によって定義された幾何学的形状の少なくとも一部分を決定するように動作可能であることを特徴とする、システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のシステムであって、
前記部材が寛骨臼インプラントであり、前記平面が前記寛骨臼インプラントの周縁部によって定義されることを特徴とする、システム。
【請求項１４】
請求項１に記載のシステムであって、
前記部材によって定義された幾何学的形状の少なくとも一部分が、前記部材によって定義された平面を通って延びるベクトルを含むことを特徴とする、システム。
【請求項１５】
請求項１４に記載のシステムであって、
前記追跡システムが、前記ベクトルと前記患者の間の角度を決定するように動作可能であることを特徴とする、システム。
【請求項１６】
請求項１４に記載のシステムであって、
前記ベクトルが前記部材の実質的に頂点にある点を起点とし、前記点と前記平面の間の距離が前記部材の深さを定義することを特徴とする、システム。
【請求項１７】
請求項１に記載のシステムであって、
前記部材が、それぞれ固有の寸法を有する複数の部材を含むことを特徴とする、システム。
【請求項１８】
請求項１７に記載のシステムであって、
前記複数の部材が、それぞれ固有の深さを有する寛骨臼インプラントまたはリーマのうちの少なくとも一方を複数含むことを特徴とする、システム。
【請求項１９】
請求項１に記載のシステムであって、
前記部材が印を含むことを特徴とする、システム。
【請求項２０】
請求項１に記載のシステムであって、
前記第１の追跡センサが前記器具に取外し可能に連結されたことを特徴とする、システム。
【請求項２１】
器具に対する第１の部材の位置を決定する方法であって、
第１の追跡センサを前記器具と相互連結するステップと、
第１の部材を前記器具と相互連結するステップと、
前記部材の一部分上にある少なくとも３つの点を決定するステップと、
前記決定された３つの点に少なくとも部分的に基づいて、前記第１の部材の平面を決定するステップと、
前記平面を通る前記第１の部材のベクトルを決定するステップと、
を含むことを特徴とする、器具に対する第１の部材の位置を決定する方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の方法であって、
前記第１の部材が前記器具と相互連結された後に、前記第１の部材に対して探査子と相互連結された第２の追跡センサを追跡するステップをさらに含むことを特徴とする、方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法であって、
前記第１の追跡センサおよび前記第２の追跡センサのうちの少なくとも一方が、音波追跡センサ、電磁追跡センサ、放射線追跡センサ、光追跡センサ、重量センサ、またはそれらの組合せを含む群から選択されることを特徴とする、方法。
【請求項２４】
請求項２１に記載の方法であって、
実質的に非同軸の部分を備えるような前記器具を選択するステップをさらに含むことを特徴とする、方法。
【請求項２５】
請求項２４に記載の方法であって、
第１の追跡センサを前記器具と相互連結するステップが、非直線状の部分によって前記器具の第２の端部と相互連結された前記器具の第１の端部に前記第１の追跡センサを位置決めするステップを含むことを特徴とする、方法。
【請求項２６】
請求項２５に記載の方法であって、
前記第１の部材を前記器具と相互連結するステップが、前記第１の部材を前記器具の前記第２の端部付近に相互連結するステップを含むことを特徴とする、方法。
【請求項２７】
請求項２２に記載の方法であって、
第２の追跡センサを追跡するステップが前記探査子を用いて前記第１の部材上の少なくとも３つの点に接触するステップを含み、前記第１の部材の平面を決定するステップが前記３つの点によって定義された平面を決定するステップを含むことを特徴とする、方法。
【請求項２８】
請求項２７に記載の方法であって、
ベクトルを決定するステップが、前記第１の部材上のベクトル点に接触するステップ、および前記決定された平面を通るベクトル点を始点とするベクトルを定義するステップを含むことを特徴とする、方法。
【請求項２９】
請求項２２に記載の方法であって、
前記第１の追跡センサに対して第２の追跡センサを追跡するステップが、前記第１の部材の平面を定義するために前記探査子を用いて前記第１の部材の少なくとも一部分をトレースするステップを含むことを特徴とする、方法。
【請求項３０】
請求項２１に記載の方法であって、
前記第１の部材の少なくとも２つの軸に沿って、前記第１の部材の２次元画像データを得るステップと、
前記２次元データを前記第１の部材の３次元の幾何学的形状データに変換するステップとをさらに含み、
平面を決定するステップおよびベクトルを決定するステップは、前記３次元変換の幾何学的形状データから決定されることを特徴とする、方法。
【請求項３１】
請求項２１に記載の方法であって、
前記第１の部材を患者の解剖学的構造に対して移動するために、前記決定された平面と前記決定されたベクトルを前記患者の解剖学的構造の一部分に対してナビゲートするステップをさらに含むことを特徴とする、方法。
【請求項３２】
請求項２１に記載の方法であって、
前記第１の部材を、リーマ、寛骨臼インプラント、大腿骨インプラント、脛骨インプラント、整形外科インプラント、工具、またはそれらの組合せを含む群から選択するステップをさらに含むことを特徴とする、方法。
【請求項３３】
請求項２１に記載の方法であって、
平面を決定するステップまたはベクトルを決定するステップのうちの少なくとも一方が処理装置により行われることを特徴とする、方法。
【請求項３４】
請求項２１に記載の方法であって、
少なくとも３つの点を決定するステップが、前記平面を定義するために実質的に等しい距離で離れる少なくとも３つの点を決定するステップを含むことを特徴とする、方法。
【請求項３５】
請求項３３に記載の方法であって、
前記処理装置によってアクセス可能なメモリシステムを提供するステップをさらに含み、
前記メモリシステムが複数の前記部材に関するデータを含む参照テーブルを含む、
ことを特徴とする、方法。
【請求項３６】
請求項３５に記載の方法であって、
前記複数の部材が、前記参照テーブルに記憶された複数の固有の寸法を備えることを特徴とする、方法。
【請求項３７】
請求項３１に記載の方法であって、
少なくとも前記平面または前記ベクトルを表すアイコンを前記患者の画像に重ね合わせるステップをさらに含むことを特徴とする、方法。
【請求項３８】
請求項３１に記載の方法であって、
前記部材の３次元の図形レンダリングを前記患者の画像に重ね合わせるステップをさらに含むことを特徴とする、方法。
【請求項３９】
請求項２１に記載の方法であって、
第２の部材を選択するステップと、
前記第１の部材を前記器具から取り外した後に、前記第２の部材を前記器具と相互連結するステップと、
前記第２の部材の異なる寸法に基づいて前記平面および前記ベクトルのうちの少なくとも一方を変換するステップと、
をさらに含むことを特徴とする、方法。
【請求項４０】
請求項３９に記載の方法であって、
前記第１の部材および前記第２の部材の寸法の前記参照テーブルを提供するステップをさらに含み、
前記平面上の前記ベクトルのうちの少なくとも１つを変換するステップが、前記参照テーブルに記憶された前記寸法に基づいていることを特徴とする、方法。
【請求項４１】
請求項２１に記載の方法であって、
前記決定された平面上にあるべき第４の点を決定することによって前記決定された平面の正確さを確認するステップと、
前記第４の点が前記決定された平面上にあるかどうかを判別するステップと、
をさらに含むことを特徴とする、方法。
【請求項４２】
請求項４１に記載の方法であって、
前記第４の点が前記決定された平面上にないと判別された場合、少なくとも３つの追加の点を決定することを特徴とする、方法。
【請求項４３】
請求項４１に記載の方法であって、
第２の追跡センサを備える探査子を前記３つの点および前記第４の点のそれぞれに接触させるステップをさらに含むことを特徴とする、方法。
【請求項４４】
請求項２２に記載の方法であって、
前記探査子を前記部材の印に接触させることを特徴とする、方法。
【請求項４５】
患者の解剖学的構造に対する手順をナビゲートする方法であって、
第１の追跡センサを器具と相互連結させるステップと、
部材を前記器具と相互連結させるステップと、
前記部材によって定義される少なくとも３つの点を決定して平面を定義するために、探査子を追跡するステップと、
前記部材に対して前記平面を通るベクトルを定義する第４の点を決定するために探査子を追跡するステップと、
前記平面および前記ベクトルに少なくとも部分的に基づいて前記解剖学的構造に対して前記部材をナビゲートするステップと、
を含む、患者の解剖学的構造に対する手順をナビゲートする方法。
【請求項４６】
請求項４５に記載の方法であって、第１の端部と第２の端部の間を延びる実質的に非同軸の部分を備えるような前記器具を選択するステップをさらに含むことを特徴とする、方法。
【請求項４７】
請求項４６に記載の方法であって、
前記器具が、第２の端部と実質的に非同軸である第１の端部を備えることを特徴とする、方法。
【請求項４８】
請求項４６に記載の方法であって、
前記第１の追跡センサを相互連結させるステップが、前記第１の追跡センサを前記器具の前記第１の端部または前記第２の端部と相互連結させるステップを含むことを特徴とする、方法。
【請求項４９】
請求項４６に記載の方法であって、
前記部材を前記器具と相互連結させるステップが、前記部材を前記器具の前記第１の端部または第２の端部のうちのもう一方と相互連結するステップを含むことを特徴とする、方法。
【請求項５０】
請求項４５に記載の方法であって、
前記部材によって定義された少なくとも３つの点を決定するために探査子を追跡するステップが、前記部材によって定義された少なくとも３つの別の点に前記探査子を接触させるステップを含むことを特徴とする、方法。
【請求項５１】
請求項５０に記載の方法であって、
追跡される前記点が、寛骨臼インプラント、リーマ、大腿骨インプラント、大腿骨ラスプ、脛骨インプラント、またはその組合せのうちの少なくとも１つの周縁部によって定義されることを特徴とする、方法。
【請求項５２】
請求項４５に記載の方法であって、
前記第１の追跡センサに対して第２の追跡センサを追跡するステップが、追跡システムを用いて追跡するステップを含むことを特徴とする、方法。
【請求項５３】
請求項４５に記載の方法であって、
前記患者の前記解剖学的構造の画像データを撮影システムを用いて収集するステップと、
収集された前記画像データに基づいて画像を表示するステップと、
をさらに含み、
前記解剖学的構造に対して前記部材をナビゲートするステップが、表示された前記画像に対して前記部材のアイコンを表示するステップを含むことを特徴とする、方法。
【請求項５４】
請求項５３に記載の方法であって、
前記部材を表示するステップが、前記画像に対する前記部材の３次元表示を表示するステップを含むことを特徴とする、方法。
【請求項５５】
請求項４５に記載の方法であって、
前記部材の３次元形状を定義する複数の点を決定するために前記探査子を追跡するステップと、
前記患者の画像データに対するディスプレイ上に前記部材の前記３次元形状を表示するステップと、
をさらに含むことを特徴とする、方法。
【請求項５６】
請求項４５に記載の方法であって、
それぞれ固有の寸法を備える複数の部材を提供するステップと、
前記複数の前記部材のそれぞれの前記固有の寸法に基づいて、前記部材の前記定義された平面および前記定義されたベクトルを変換するステップと、
をさらに含むことを特徴とする、方法。
【請求項５７】
請求項５６に記載の方法であって、
前記器具によって相互連結された前記複数の部材のうちの１つの前記固有の寸法に基づいて変換された前記平面および前記ベクトルを表示するステップをさらに含むことを特徴とする、方法。
【請求項５８】
請求項４５に記載の方法であって、
前記決定された平面上にあるべき第４の点を決定することによって前記決定された平面の正確さを確認するステップと、
前記第４の点が前記決定された平面上にあるかどうかを判別するステップと、
をさらに含むことを特徴とする、方法。
【請求項５９】
請求項５８に記載の方法であって、
前記第４の点が前記決定された平面上にないと判別された場合、少なくとも３つの追加の点を決定することを特徴とする、方法。
【請求項６０】
請求項５８に記載の方法であって、
第２の追跡センサを備える探査子を前記３つの点および前記第４の点のそれぞれに接触させるステップをさらに含むことを特徴とする、方法。
【請求項６１】
請求項４５に記載の方法であって、
前記探査子を前記部材の印に接触させることを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、ナビゲートされた手術に関し、より詳細には、非直線状の器具用の取付け部品を装置の追跡センサに対して較正し、手順中に取付け部品をナビゲートする方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像によって案内される医学的および外科的手順は、手順を行っている医師を案内するために医学的手順の前またはその間に得られた患者の画像を利用する。撮影技術、特に、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、磁気共鳴映像（ＭＲＩ）、蛍光透視式撮影（Ｃアームデバイス（Ｃ−ａｒｍ  ｄｅｖｉｃｅ）を用いるものなど）、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）、および超音波映像（ＵＳ）などの高度に精細な、２、３、および４次元画像を生成する撮影技術での最近の進歩は、画像によって案内される医療手順において関心が増している。
【０００３】
典型的な画像によって案内されるナビゲーションシステムは、一般に、支援された手順の間に患者の動きが生じる場合に、患者の位置を追跡する動的基準フレーム（ｄｙｎａｍｉｃ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｆｒａｍｅ）を必要とする。動的基準フレームは一般に、概して永久的な、または不動の様式で患者に固定される。動的基準フレームは、基準マーカとして使用することもでき、したがって手術前画像を取得中に患者に取り付けることができる。これによって、ナビゲートされた手順の間、画像空間が患者スペース（ｐａｔｉｅｎｔ  ｓｐａｃｅ）と整合できる。
【０００４】
様々な器具が、追跡が望まれる手術手順の間に使用される可能性がある。手術中または手術前に画像データが全体的に取得され、患者スペースに対する器具の位置を認識するために、取り込まれた画像データに器具が全体的に示され、重ね合わされる。したがって、器具は、電磁石コイルなどの追跡センサ、または適切な追跡システムによって検出できるＬＥＤもしくは反射器などの光学的な検出点を備えることができる。
【０００５】
その他のタイプのナビゲーションシステムは、参照によって本明細書に組み込まれる、２００３年１０月１６日出願の「Ｍｅｔｈｏｄ  Ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  Ｆｏｒ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  Ｏｆ  Ａ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｐｉｅｃｅ  Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ  Ｆｏｒ  Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ」という名称の米国特許出願第１０／６８７５３９号に開示されたデバイスのような医学的な手順の前に、身体の画像が撮影デバイスによって取り込まれない画像のないシステムとして動作する。このタイプの手順によって、システムは、骨の上の目印などの、身体のいくつかの目印に接触するための探査子を使用することができ、そこでシステムは、これらの接触に基づく関心のある領域の２次元または３次元モデルを生成する。このようにして、この領域に対して外科的な器具またはその他の物体が追跡されると、それらはこのモデル上に重ね合わせることができる。
【０００６】
ほとんどのタイプの整形外科の医学的手順は、背骨、臀部、膝、肩、滑膜関節、および椎間関節などの従来の外科的な技術を使用して行われる。これらの技術は一般に、医学的手順の間に外科医が適切な視界を得るような様式で患者を切開手術することを含む。ナビゲートされた手順を使用することは、患者の内部にインプラントをより正確かつ精密に配置可能にすることができ、可視化部分を減らして外科手術を可能にすることもできる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
画像によって案内される手順は、一般に追跡センサの補助によって追跡される器具およびその他の部分を使用することを必要とする。しかし、追跡センサは一般に、器具に固定される。したがって、インプラントまたはリーマなどの、器具に対する取付け部品の位置は、器具の位置を知ることを介してのみ認識される。したがって、追跡システムは、各取付け部品に対して較正されなければならない。器具がまっすぐな円筒形であり、取付け部品が同心である場合は、これは、追跡される探査子を用いて取付け部品の端点に接触し、次いで円筒形のシャフトの軸を決定するために、追跡される較正ブロック内で、その軸の周囲に器具を回転させることによって行うことができる。しかし、しばしば、器具はまっすぐでなく、追跡システム内で取付け部品をさらに較正することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
部材の較正およびナビゲーションを行うための方法および装置である。部材は器具のセンサなどの選択された部分に対して較正できる。較正された部材は、次いで選択されたシステムによってナビゲートできる。較正技術は、無限に適合可能であることができ、汎用性のない、または特定の構成部材に関して設計されるものではない。
【０００９】
特に、取付け部品は、器具が直線状でない場合に器具に対して較正することができる。取付け部品は、追跡される探査子を用いていくつかの点で接触でき、追跡システムは、器具に固定された追跡センサに対する接触された点の位置を決定することができる。取付け部品を較正するために、様々な技術が使用できる。較正は、追跡システムを用いて患者スペース内に取付け部品をナビゲートすることを可能にする。
【００１０】
様々な実施形態によれば、器具を患者の解剖学的構造の一部分に対してナビゲートするシステムが教示される。システムは、係合端部、作用端部、および係合端部と作用端部の間を延びるシャフトを備える器具を含むことができる。部材は、それが係合端部に係合し、係合端部から係脱するように動作可能であるように、係合端部に選択的に係合するように提供することができる。第１のセンサは、器具と相互連結できる。同様に、追跡システムは、第１のセンサおよび第２のセンサを追跡することができる。追跡システムは、部材が係合端部に係合された場合に、第１のセンサに対する向きを決定するように動作可能である。様々な実施形態によれば、器具に対する部材の位置を決定する方法が教示される。方法は、第１の追跡センサと器具を相互連結し、同時に部材と器具を相互連結することを含む。部材の平面が決定できる。同じく、部材のベクトルが決定できる。
【００１１】
様々な実施形態によれば、患者の解剖学的構造に対する手順をナビゲートする方法が開示される。方法は、第１の追跡センサと器具を相互連結し、同時に部材と器具を相互連結することを含むことができる。決定できる平面を定義する部材によって、少なくとも３つの点が定義される。同じく、深さを定義するための第４の点、および部材に対する平面に垂直なベクトルに関する開始点が決定できる。部材は、少なくとも部分的には平面およびベクトルに基づく解剖学的構造に対してナビゲートされることができる。
【００１２】
適用可能性のさらなる領域は、以下に提供される説明から明らかになるであろう。説明および様々な例は、様々な実施形態を示しながら、例示するために意図されるに過ぎず、説明または本教示の範囲を限定することが意図されるものではないことを理解されたい。
【００１３】
本教示は、詳細な説明および添付図面からより完全に理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下の様々な実施形態の説明は、例示的な性格のものに過ぎず、教示、その適用または応用を少しも限定するように意図されるものではない。上記に示されるように、本発明は取付け部材がそこに連結された場合に、改善された、非直線状の器具を提供することを対象とする。以下の議論は、寛骨臼リーマおよび／または寛骨臼インプラントに関するが、任意の適切な取付け部品、器具、または外科的な手順が使用できることが理解されよう。
【００１５】
図１は、リーマヘッド、補綴、またはその他の部分などの取付け部品を位置決めするのに使用するための画像によって案内されるナビゲーションシステム１０の概観を示す概略図である。さらに、ナビゲーションシステム１０は、案内ワイア、関節鏡検査システム、整形外科インプラント等を含む任意のタイプの器具、インプラント、または送達システムをナビゲートするのに使用できることに留意されたい。さらに、これらの器具は身体の任意の領域をナビゲートまたはマッピングするのに使用できる。ナビゲーションシステム１０および様々な器具は、概して侵襲が最小である手順などの、任意の適切な手順、または切開手順に使用することができる。
【００１６】
ナビゲーションシステム１０は、患者１４の手術前、中、後、またはリアルタイムの画像データを取得するのに使用されるオプションの撮影デバイス１２を備えることができる。あるいは、様々な画像なしのシステム、または、参照によって本明細書に組み込まれる「ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＳＵＲＧＩＣＡＬ  ＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮ  ＯＦ  Ａ  ＭＵＬＴＩＰＬＥ  ＰＩＥＣＥ  ＣＯＮＳＴＲＵＣＴ  ＦＯＲ  ＩＭＰＬＡＮＴＡＴＩＯＮ」という名称の２００３年１０月１６日に出願の米国特許出願第１０／６８７５３９号に記載されるようなものなどの、患者の画像を生成するためのアトラスモデルを使用した画像が使用できる。オプションの撮影デバイス１２は、たとえば、Ｘ線源１８、Ｘ線受像区域２０、オプションの較正および追跡目標２２、およびオプションの放射線センサ２４を有するＣアーム１６として構成できる蛍光透視Ｘ線撮影デバイスである。
【００１７】
画像データは、上記および本明細書に論じられたもののような、その他の撮影デバイスを使用して取得することもできる。較正および追跡目標２２は、本明細書にさらに論じられる、較正マーカ２６（図２Ａ〜２Ｂを参照されたい）を備える。Ｃアーム１６を制御できるオプションの撮影デバイス制御装置２８は、受像セクション２０で受像されるＸ線画像を取り込み、後で使用する目的で画像を記憶することができる。制御装置２８は、Ｃアーム１６から分離し、および／またはＣアーム１６の回転を制御することもできる。たとえば、Ｃアーム１６は、矢印３０の方向に移動し、または患者１４の長手方向軸１４ａの周囲を回転することができ、それによって患者１４の前方または側方の像を撮影することができるようになる。これらの動きのそれぞれは、Ｃアーム１６の機械的な軸３２の周囲を回転することを伴う。
【００１８】
図１の例では、患者１４の長手方向軸１４ａは、実質的にＣアーム１６の機械軸３２と同一直線上にある。これによって、Ｃアーム１６が患者１４に対して回転することが可能になり、患者１４の画像が複数の方向から、または複数の平面について撮影することができるようになる。オプションの撮影デバイス１２として使用できる、蛍光透視式ＣアームＸ線デバイスの１つの例は、ユタ州Ｓａｌｔ  Ｌａｋｅ  ＣｉｔｙのＯＥＣ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ社から販売されている「Ｓｅｒｉｅｓ  ９６００  Ｍｏｂｉｌｅ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ」である。その他の例示の蛍光透視鏡には、バイプレーン蛍光透視システム（ｂｉ−ｐｌａｎｅ  ｆｌｕｏｒｏｓｃｏｐｉｃ  ｓｙｓｔｅｍｓ）、シーリング蛍光透視システム、（ｃｅｉｌｉｎｇ  ｆｌｕｏｒｏｓｃｏｐｉｃ  ｓｙｓｔｅｍｓ）、カテーテルラボ蛍光透視システム（ｃａｔｈ−ｌａｂ  ｆｌｕｏｒｏｓｃｏｐｉｃ  ｓｙｓｔｅｍｓ）、固定式Ｃアーム蛍光透視システム、アイソセントリックＣアーム蛍光透視システム、３Ｄ蛍光透視システム等が含まれる。
【００１９】
動作の際には、撮影デバイス１２は、Ｘ線源１８から、患者１４ならびに較正および／または追跡目標２２を通ってＸ線受像セクション２０に伝わるＸ線を発生させる。追跡目標は、較正部分を備える必要がないことが理解されよう。受像セクション２０は、受像されたＸ線の強度を表す画像データを生成する。一般に、受像セクション２０は、Ｘ線を最初に可視光線に変換する画像増強管、および可視光線をデジタル画像データに変換する電荷結合素子（ＣＣＤ）ビデオカメラを備える。受像セクション２０は、画像を形成するためにＸ線をデジタル画像データに直接的に変換するデジタルデバイスであることもでき、したがって、可視光線への最初の変換によって導かれる歪みを回避する可能性を持っている。全体的に平面型のデバイスであるこのタイプのデジタルＣアームを用いて、オプションの較正および／または追跡目標２２、ならびに以下に論じる較正プロセスをなくすことができる。また、様々な手順に関して較正プロセスを省略し、またはまったく使用しないようにできる。あるいは、撮影デバイス１２は、較正および追跡目標２２を定位置にして単一の画像のみを撮影することができる。その後、較正および追跡目標２２は、撮影デバイス１２の照準線から移動することができる。
【００２０】
撮影デバイス１２によって撮影できる２次元蛍光透視画像は、Ｃアーム制御装置２８に取り込まれ、記憶される。撮影デバイス１２によって撮影された複数の２次元画像は、患者の領域の一部分のみに向けられるのではなく、患者の領域全体のより大きな像または画像をもたらすように取り込まれ、組み合わされることもできる。たとえば、患者の脚の複数の画像データは、脚の全体像または画像データの完全な組をもたらすために共に結び付けることができ、それは後にボーラストラッキングなどのコントラスト剤を追従するために使用できる。
【００２１】
次いで画像データは、Ｃアーム制御装置２８からディスプレイ３６およびユーザインターフェース３８を有するナビゲーションコンピュータ制御装置またはワークステーション３４に送られる。画像データは、最初に制御装置２８に保存する必要はないが、ナビゲーションコンピュータ３４に直接的に伝送することもできることも理解されよう。ワークステーション３４は、画像データをディスプレイ３６上の画像として表示し、受像した画像データのハードコピー画像を保存し、デジタル式に操作し、または印刷する機能を提供する。キーボード、マウス、タッチペン、タッチスクリーン、またはその他の適切なデバイスであることができる、ユーザインターフェース３８は、医師または使用者がＣアーム制御装置２８を介して撮影デバイス１２を制御するための入力を提供し、またはディスプレイ３６の表示設定を調整することができるようにする。ワークステーション３４は、代表的な２次元および３次元画像を生成する目的で、異なる平面に沿って様々な２次元画像を得るために、Ｃアーム１６の回転軸３２を調整するようにＣアーム制御装置２８に指令することもできる。
【００２２】
Ｘ線源１８がＸ線受像セクション２０に伝わるＸ線を発生させる場合、放射線センサ２４が放射線の存在を感知し、それは撮影デバイス１２が実際に撮影を行っているか否かを識別するためにＣアーム制御装置２８に送られる。この情報は、本明細書中にさらに論じられる、コイルアレイ制御装置４８にも伝送される。あるいは、撮影デバイス１２が実際に撮影を行っている場合、使用者もしくは医師は手動で示すことができ、またはこの機能はＸ線源１８、Ｘ線受像セクション２０、もしくは制御コンピュータ２８に組み込むことができる。
【００２３】
デジタルの受像セクション２０を備えない蛍光透視式のＣアーム１６などのオプションの撮影デバイス１２は一般に、オプションの較正および／または追跡目標２２を必要とする。これは、受像セクション２０によって生成された生画像が、画像増強管内および外部電磁界での固有の画像歪みを含む数多くの要因によって生じる望ましくない歪みを起こす傾向にあるからである。空の、歪んでいないまたは理想的画像、および空の歪んだ画像が、それぞれ図２Ａおよび２Ｂに示される。図２Ａに示されるチェッカーボード形状は、チェッカーボード配列になった較正マーカ２６の理想的画像４０を表す。しかし、受像セクション２０によって撮影された画像は、図２Ｂに示される歪んだ較正マーカ画像４２によって示されるような歪みを起こす可能性がある。
【００２４】
受像された画像の画像歪みを補正し、その画像に関する射影変換を確立するプロセスである真性の較正は、Ｘ線の通路に較正マーカ２６を配置することを伴い、その場合較正マーカ２６はＸ線に対して不透過または半不透過である。較正マーカ２６は、Ｘ線の通路の１つまたは複数の平面内に所定のパターンで厳密に配列され、記録された画像内で見ることができる。記録された画像内の較正マーカ２６の真の相対的位置が認識されるので、Ｃアーム制御装置２８またはワークステーションもしくはコンピュータ３４は、画像内の各画素での歪みの量を計算することが可能である（その場合、画素は画像内の単一の点である）。したがって、コンピュータまたはワークステーション３４は、画像の歪みに関してデジタル式に補償し、歪みのない、または少なくとも歪みが改善された画像４０を生成することができる（図２Ａを参照されたい）。真性の較正を行うための例示の方法のより詳細な説明は、その内容がそれぞれ参照によって本明細書に組み込まれる１９９５年カリフォルニア州Ｓａｎ  ＤｉｅｇｏのＳＰＩＥ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｉｍａｇｉｎｇにおいて提示されたＢ．  Ｓｃｈｕｅｌｅ等の「Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｉｍａｇｅ  Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｒ  Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ」、１９９２年５月フランスＮｉｃｅのＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎのＧ．  Ｃｈａｍｐｌｅｂｏｕｘ等の「Ａｃｃｕｒａｔｅ  Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｃａｍｅｒａｓ  ａｎｄ  Ｒａｎｇｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｓｅｎｓｏｒｓ：  ｔｈｅ  ＮＰＢＳ  Ｍｅｔｈｏｄ」、２０００年９月１２日に発行された「Ｓｙｓｔｅｍ  Ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  Ｆｏｒ  Ｔｈｅ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  Ａｎｄ  Ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ  Ｏｆ  Ｉｍａｇｅ  Ａｒｔｉｆａｃｔｓ  Ｉｎ  Ｔｈｅ  Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ  Ｏｆ  Ｘ−Ｒａｙ  Ｉｍａｇｅｒｓ」という名称の米国特許第６，１１８，８４５号を参照して説明される。
【００２５】
オプションの撮影デバイス１２が図１に示されるが、任意のその他の選択的な２Ｄ、３Ｄ、または４Ｄ撮影の様式も使用することができる。たとえば、アイソセントリック蛍光透視、バイプレーン蛍光透視、超音波、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、マルチスライスコンピュータ断層撮影（ＭＳＣＴ）、磁気共鳴映像（ＭＲＩ）、高周波数超音波（ＨＩＦＵ）、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）、光コヒーレンス断層撮影（ＯＣＴ）、血管内超音波（ＩＶＵＳ）、超音波、手術中ＣＴまたはＭＲＩなどの任意の２Ｄ、３Ｄ、または４Ｄ撮影デバイスも同様に、２Ｄ、３Ｄ、または４Ｄの手術前または後、および／またはリアルタイムの患者１４の画像または画像データを取得するのに使用することができる。画像は、２、３、または４次元で取得され表示されることもできる。より発展した形式では、身体の４次元表面レンダリング領域は、アトラスまたは解剖学的なモデルマップ、またはＭＲＩ、ＣＴ、もしくは心エコー検査様式によって取り込まれた手術前の画像データからの患者のデータまたはその他のデータを組み込むことによって得ることもできる。光コヒーレンス断層撮影（ＯＣＴ）についてのより詳細な議論は、参照によって本明細書に組み込まれる「Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  Ｆｏｒ  Ｇｕｉｌｄｉｎｇ  Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ  Ｏｒ  Ｔｈｅｒａｐｅｕｔｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  Ｉｎ  Ｉｎｔｅｒｉｏｒ  Ｔｉｓｓｕｅ  Ｒｅｇｉｏｎｓ」という名称の１９９８年４月２１日発行の米国特許第５，７４０，８０８号に明記される。
【００２６】
ＣＴと結び付けられた陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）またはＣＴと結び付けられた単光子放射型コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）などのハイブリッド様式からの画像データセットは、患者１４内の標的部位に確実に到達するために使用される、解剖学的なデータの上に重ね合わされた機能的な画像データを提供することもできる。さらに、図１に示されるようなオプションの撮影デバイス１２は、Ｃアーム１６を少なくとも２つの平面について単純に回転させることによって、単一のヘッドのＣアーム蛍光透視鏡をオプションの撮影デバイス１２として使用して、仮想のバイプレーン画像を提供し、少なくとも２つの平面は、３次元体積画像に変換できる２次元画像を生成するための直交する平面であることができることに留意されたい。複数の平面で画像を得ることによって、患者１４に挿入され進入したインパクタ、スタイレット、リーマドライバ、またはその他の工具の位置を表すアイコンが、ディスプレイ３６上の複数の像に重ね合わされることができ、それによって２および３次元像を含むシミュレーションされたバイプレーンまたは複数平面像までもが可能になる。
【００２７】
これらのタイプの撮影様式は、その使用に関して確かな明白な利益をもたらすことができる。たとえば、磁気共鳴映像（ＭＲＩ）は、非イオン領域を使用して一般に手術前に行われる。このタイプの撮影は、３次元形式で非常に優れた組織の可視化をもたらし、撮影からの解剖学的および機能的な情報ももたらす。ＭＲＩ撮影データが、本明細書にさらに論じられる動的基準フレーム（ＤＲＦ）を使用して、動きの補正に関して全体的に位置合わせされ補償される。
【００２８】
陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）は、一般に３Ｄ画像を提供するために患者をあるレベルの放射線に曝露する手術前の撮影手順である。ＰＥＴ撮影は、機能的な情報を提供し、一般に、動的基準フレームを使用する位置合わせおよび動きの補正も必要とする。
【００２９】
コンピュータ断層撮影（ＣＴ）も、一般に患者を限定された放射のレベルに曝露する手術前の技術である。しかしＣＴ撮影は、非常に高速の撮影手順である。複数スライスのＣＴシステムは、優れた解像度および解剖学的な情報を有する３Ｄ画像を提供する。ここでも同様に、ＣＴ撮影は一般に、動的基準フレームを介して位置合わせされ、動きの補正に依存する必要がある。
【００３０】
蛍光透視撮影は、一般に、２次元または回転的な３次元画像を提供するために患者をある一定の量の放射線に曝露する手術中の撮影手順である。蛍光透視画像法は、一般に優れた解像度および解剖学的な情報を提供する。蛍光透視画像法は、手動または自動で位置合わせされ、同じく動的基準フレームを使用して動きの補正に依存する必要がある可能性がある。
【００３１】
超音波撮影は、一般に、解剖学的および血流情報を含む２Ｄ、３Ｄ、または４Ｄ撮影を提供するための非イオン化領域を使用する手術中の手順でもある。超音波撮影は自動的な位置合わせを提供し、動きの補正に少しも依存する必要がない。
【００３２】
続いて図１を参照すると、ナビゲーションシステム１０は、さらに、送信機コイル配列４６などの定位器（ｌｏｃａｌｉｚｅｒ）、コイル配列制御装置４８、ナビゲーション探査子インターフェース５０、器具５２、および動的基準フレーム５４を備える電磁ナビゲーションまたは追跡システム４４を備える。器具５２は、患者の一部分に対して準備し、またはインプラントを位置決めするための器具などの任意の適切な器具であることができる。送信機コイル配列４６は、移動式の定位器４６ａによって補完され、または移動式の定位器４６ａを代わりに使用することもできる。可搬式定位器４６ａは、参照によって本明細書に組み込まれる「ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＳＵＲＧＩＣＡＬ  ＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮ」という名称の２００４年９月１５日に出願の非公式の米国特許出願第１０／９４１，７８２号に記載されるようなものであることができる。追跡システムは、Ｍｅｄｔｒｏｎｉｃ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｏｆ  Ｌｏｕｉｓｖｉｌｌｅ社によって販売されているＳｔｅａｌｔｈＳｔａｔｉｏｎ（登録商標）ＴＲＩＡ（商標）などの４７の想像線で示された光定位器などの任意の適切な追跡システムであることができることを理解されよう。その他の定位器システムには、音波式、放射線式等が含まれる。
【００３３】
ナビゲーションシステム１０には、さらに、絶縁器回路またはボックス５５が含まれてもよい。絶縁器回路またはボックス５５は、信号または電圧をナビゲーション探査子インターフェース５０に搬送する線を遮断するための伝送線に含まれることができる。あるいは、絶縁ボックス５５に含まれる絶縁器回路は、ナビゲーション探査子インターフェース５０、器具５２、動的基準フレーム５４、デバイスを連結する伝送線、または任意のその他の適切な位置に含むことができる。絶縁器ボックス５５は、望ましくない電気サージまたは電圧が発生する場合に患者と接触する、任意の器具あるいは患者と合致する器具または部分を絶縁するように動作可能である。
【００３４】
追跡システム４４の全体または追跡システム４４の部分は、ワークステーション３４および放射線センサ２４を含む撮影デバイス１２に組み込むことができることにさらに留意されたい。追跡システム４４を組み込むことにより、一体化された撮影および追跡システムを提供することができる。これらの構成部材の任意の組合せは、撮影システム１２に組み込むこともでき、それによって、ここでも同様に、蛍光透視式Ｃアーム撮影デバイス、または任意のその他の適切な撮影デバイスを含むことができる。
【００３５】
送信機コイル配列４６は、Ｃアーム１６の受像セクション２０に取り付けられて示される。送信機コイル配列４６は、同様にして任意のその他の位置に配置することもできることに留意されたい。たとえば、送信機コイル配列４６は、Ｘ線源１８のところ、患者１４の下に配置されたＯＲテーブル５６の中またはその頂上、テーブル５６と関連付けられたサイドレール上に配置され、または患者の胸部などのナビゲートされる領域の付近で患者１４に配置できる。送信機コイル配列４６は、本明細書にさらに論じられる、ナビゲートされる品目に位置決めすることもできる。送信機コイル配列４６は、患者１４のナビゲーション領域内に別個の電磁界を発生させるようにそれぞれが動作可能な複数のコイルを備え、そのナビゲーション領域は、患者スペースと呼ばれることもある。代表的な電磁システムは、１９９９年６月２２日に発行された「Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｌｏｃａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許第５，９１３，８２０号、および１９９７年１月１４日に発行された「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｎａｖｉｇａｔｉｎｇ  ａ  Ｃａｔｈｅｔｅｒ  Ｐｒｏｂｅ」という名称の米国特許第５，５９２，９３９号に明記され、それらのそれぞれが参照によって本明細書に組み込まれる。
【００３６】
送信機コイル配列４６は、コイル配列制御装置４８によって制御され、または駆動される。コイル配列制御装置４８は、時分割多重方式または周波数分割多重方式で送信機コイル配列４６内の各コイルを駆動する。この点で、各コイルは、別個の時間に個別に駆動でき、または全てのコイルは、それぞれが異なる周波数によって駆動されながら同時に駆動できる。コイル配列制御装置４８によって送信機コイル配列４６のコイルを駆動するとき、医療手順が行われる領域内で患者１４の中に電磁界が発生し、その領域はこの場合も同様に患者スペースと呼ばれることもある。患者スペース内で発生する電磁界は、器具５２にまたはその中に位置決めされるセンサ５８内に電流を誘導する。器具５２から誘導されたこれらの信号は、絶縁回路５５を介してナビゲーション探査子インターフェース５０に送られ、次いでコイル配列制御装置４８に送られる。ナビゲーション探査子インターフェース５０は、ナビゲーションシステム１０に関して必要な電気的な絶縁を全てもたらすことができる。あるいは、電気的な絶縁は絶縁器ボックス５５にもたらすこともできる。それにもかかわらず、絶縁器アセンブリ５５は、ナビゲーション探査子インターフェース５０に含むことができ、または器具５２内および任意のその他の適切な位置に一体化できる。ナビゲーション探査子インターフェース５０は、器具５２内のセンサ５８と直接的にインターフェース接続する必要のある増幅器、フィルタ、および緩衝器も含む。あるいは、ナビゲーション探査子インターフェース５０に直接的に連結されるのとは対照的に、器具５２は、参照によって本明細書に組み込まれる、２００２年１１月５日発行の「Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許第６，４７４，３４１号に開示されるもののようなワイアレス通信チャネルを使用することができる。
【００３７】
器具５２は、以下に詳細に説明されるように、少なくとも１つの、一般には複数の追跡センサ５８を備え、そのセンサは、定位化センサと呼ばれることもある。器具５２は、取付け部品と相互連結するハンドルまたはインサータであることができ、インプラントを配置し、または部分を駆動するのを補助することができる。器具５２は近位端に把持可能または操作可能な部分を備え、追跡センサ５８は器具５２の操作可能な部分の付近に固定することができる。追跡センサ５８は、光センサ、音波センサ、または電磁センサなどの任意の適切な追跡センサ５８であることができる。センサ５８が電磁センサを備える場合、送信機コイル配列４６によって発生した電磁界は、電磁センサ５８内の電流を誘導することができる。別のセンサは、光センサ５８ａなどの光センサを備えることができ、電磁センサ５８に加えてまたは電磁センサ５８の代わりに使用することができる。光センサは、オプションの光配列４７と機能することができる。
【００３８】
別の実施形態では、電磁供給源または発生装置は、器具５２内に配置することができ、１つまたは複数の受信機コイルが患者１４の外側に提供することができ、それによって、送信機コイル配列４６と同様の受信機コイル配列を形成する。この点で、追跡センサ５８は、送信機コイル配列４６と同様の受信コイル配列内の受信コイルによって受信される電磁界を発生させることができる。その他のタイプの追跡システムには、光学式、音波式、電界式、ＲＦ、および加速度計が含まれる。加速度計は、動きによる動的な感知も、重力による静的な感知も可能にする。さらなる代表的な別の定位化および追跡システムが、参照によって本明細書に組み込まれる１９９９年１１月９日に発行された「Ｃａｔｈｅｔｅｒ  Ｌｏｃａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ」という名称の米国特許第５，９８３，１２６号に明記されている。あるいは、定位化システムは、様々なシステムからの構成部材を備えるハイブリッドシステムであることができる。
【００３９】
追跡システム４４の動的基準フレーム５４は、情報をコイル配列制御装置４８に送るためにナビゲーション探査子インターフェース５０にも連結される。様々な実施形態による動的基準フレーム５４は、小さな磁界検出器である。動的基準フレーム５４は、送信機コイル配列４６と動的基準フレーム５４の間の相対運動として患者１４のいかなる動きも検出されるように、ナビゲートされる領域に隣接して患者１４に固定できる。この相対運動は、コイル配列制御装置４８に送られ、それは本明細書にさらに論じられる位置合わせ補正を更新し、正確なナビゲーションを維持する。動的基準フレーム５４は、ナビゲーションシステム１０内で動的基準フレーム５４として使用される任意の適切な追跡センサであることができる。したがって、動的基準フレーム５４は、光学式、音波式等であることもできる。動的基準フレーム５４が電磁式である場合、それは１対の直交の向きにされたコイルとして構成することができ、それぞれが同じ中心を有し、または任意のその他の非同軸または同軸のコイル形態で構成できる。
【００４０】
動的基準フレーム５４は、図１に示されるように患者の胸部などのナビゲーションの領域に隣接して患者１４の外部に固定することができる。動的基準フレーム５４は、選択された接着性パッチおよび／または張力システムによって患者の皮膚に固定することができる。動的基準フレーム５４は、患者の身体にも位置決めされ、本明細書にさらに論じられる基準マーカ６０に取外し可能に取り付けることもできる。
【００４１】
動的な参照フレーム５４は、大腿骨、骨盤、頭蓋骨などの様々な骨の部分（ｂｏｎｅｙ  ｐｏｒｔｉｏｎｓ）、またはその他の骨の部分に取り付けることもできる。こうして、これらの骨の部分に対する器具５２などの様々な部分の動きは、骨の部分も動いた場合でも、決定できる。これは、インプラントを位置決めし、または計画された手順を行うのを補助することができる。
【００４２】
手短に言って、ナビゲーションシステム１０は、以下のように動作する。ナビゲーションシステム１０は、撮影デバイス１２から生成された放射線画像の全ての点と、患者スペース内の患者の解剖学的構造の対応する点との間に変換マップを形成する。このマップが設定された後に、器具５２、またはポインティングデバイスもしくは探査子６６などの追跡される器具が使用される度に、ワークステーション３４は、コイル配列制御装置４８およびＣアーム制御装置２８と共に、ディスプレイ３６に表示される予め取得した画像またはアトラスモデル上の対応する点を認識する変換マップを使用する。この認識は、ナビゲーションまたは定位化（ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ）として知られる。定位化された点または器具を表すアイコンが、ディスプレイ３６上の数個の２次元画像平面、ならびに３、および４次元画像およびモデル内に示される。
【００４３】
ナビゲーション可能にするために、ナビゲーションシステム１０は、患者の解剖学的構造の位置および器具５２または器具５２に取り付けられた取付け部材の位置の両方を検出することが可能でなければならない。これらの２つのアイテムの位置を知ることにより、ナビゲーションシステム１０が患者１４に関係した器具５２の位置を計算し、表示することができるようになる。追跡システム４４は、器具５２および解剖学的構造を同時に追跡するように利用される。
【００４４】
追跡システム４４は、それが電磁式追跡アセンブリを使用している場合、一般にナビゲーションフィールドと呼ばれる低エネルギーの磁界を生成するために、本質的に患者スペースに隣接して送信機コイル配列４６を位置決めすることによって機能する。ナビゲーションフィールドまたは患者スペース内の各点は、固有の場の強度と関連付けられているので、電磁追跡システム４４は、追跡センサ５８の位置での場の強度を測定することによって器具５２の位置を決定することができる。動的基準フレーム５４は、ナビゲーションフィールド内の患者の位置を認識するために、患者１４に固定されている。電磁追跡システム４４は、定位化の間、動的基準フレーム５４と器具５２の相対的な位置を連続的に再計算し、患者１４内および／または患者１４に対する器具５２の画像案内を可能にするために、この空間的な情報を患者の位置合わせデータと関連付ける。
【００４５】
患者の位置合わせは、患者１４に対する器具５２の位置を診断用の、または予め取得した画像の位置に関連付ける方法を決定するプロセスである。患者１４を位置合わせするには、医師または使用者６７は、予め取得した画像から特定の点を選択し、記憶し、次いでポインタ探査子６６を用いて、患者の解剖学的構造上の対応する点に接触することによる、点位置合わせ（ｐｏｉｎｔ  ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）を使用することができる。ナビゲーションシステム１０は、選択された点の２つの組の間の関係を分析し、画像データの各点を患者の解剖学的構造または患者スペースのその対応する点と関連付ける整合を計算する。位置合わせを行うように選択された点は、解剖学的な目印などの基準マーカまたは目印６０である。ここでも同様に、目印または基準点６０は、画像上で認識可能であり、患者１４の上で認識可能でありかつアクセス可能である。目印６０は、患者１４に配置された人工の目印６０、または画像データ内で容易に認識できる解剖学的な目印であることができる。基準マーカ６０などの人工の目印は、参照によって本明細書に組み込まれる２００２年４月３０日発行の「Ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈｕｍａｎ  Ａｎａｔｏｍｙ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｆｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ」という名称の米国特許第６，３８１，４８５号に開示されるもののような動的基準フレーム５４の部分も形成することができる。
【００４６】
システム１０は、当分野で周知のように、解剖学的な表面情報または経路情報を使用する位置合わせを行うこともできる。システム１０は、当分野で周知のように、輪郭アルゴリズム、点アルゴリズム、または密度比較アルゴリズム（ｄｅｎｓｉｔｙ  ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ  ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を使用することによって、取得した２Ｄ画像を利用して、３Ｄボリューム画像を位置合わせすることによる２Ｄから３Ｄへの位置合わせを行うこともできる。例示の２Ｄから３Ｄへの位置合わせ手順は、参照によって本明細書に組み込まれる２００３年４月２５日に出願の「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ  ２Ｄ  ｔｏ  ３Ｄ  Ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ」という名称の米国特許出願第６０／４６５６１５号に明記されている。
【００４７】
位置合わせの正確さを維持するために、ナビゲーションシステム１０は、位置合わせおよびナビゲーションの間に患者１４の位置を連続的に追跡する。これは、この動きが所望されない場合でも、患者１４、動的基準フレーム５４、および送信機コイル配列４６が手順の間に全て移動する可能性があるからである。したがって、ナビゲーションシステム１０が患者１４または解剖学的構造の領域の位置を追跡しなかった場合、画像を取得した後のどのような患者の動きによっても、その画像内のナビゲーションが不正確になる。動的基準フレーム５４によって、電磁追跡デバイス４４が解剖学的構造を位置合わせし、追跡することができるようになる。動的基準フレーム５４は患者１４に堅固に固定されているので、解剖学的な構造または送信機コイル配列４６のどのような動きも、送信機コイル配列４６と動的基準フレーム５４の間の相対運動として検出される。この相対運動は、ナビゲーション探査子インターフェース５０を介してコイル配列制御装置４８に連絡され、それによって、位置合わせの関連付けを更新し、それによって正確なナビゲーションを維持する。
【００４８】
ナビゲーションシステム１０は、任意の適切な方法またはシステムに従って使用できる。たとえば、予め取得した画像、アトラス、または３Ｄモデルは、患者および患者スペースに対して位置合わせすることができる。一般に、ナビゲーションシステムは、ディスプレイ３６上の画像が位置合わせされ、器具５２およびポインタ６６などのその他の適切な品目などの様々な器具のリアルタイムの位置を正確に表示できるようにする。さらに、ポインタ６６は予め取得した画像もしくはアトラス、または３Ｄモデルに患者スペースを位置合わせするのに使用できる。さらに動的基準フレーム５４は、患者または受信機配列４６のどのような予定された、または予定されていない動きも確実に決定されるようにし、ディスプレイ３６の画像を補正するのに使用される。
【００４９】
図３を参照すると、器具５２は、インサータ、インパクタ、ドライバ、またはそれらの組合せなどの任意の適切な器具であることができる。取付け部材は、様々な目的で器具５２に取り付けることができる。インサータは、周縁部８１を備える寛骨臼インプラントまたはカップ８０を備えるインプラントなどの取付け部品を挿入するのに使用できる。器具５２は、周縁部または縁部８３を備える寛骨臼リーマ８２などの取付け部品を駆動するためのドライバであることもできる。
【００５０】
器具５２は、一般に、インプラント８０またはリーマ８２などの取付け部材に係合するように動作可能な係合端部８４を備える。係合端部８４は、外ねじ付きの部分８６などの任意の適切な係合部であることができる。係合端部８４は全体的に、操作可能または把持可能な部分８７から延出する。把持可能な部分８７は、インプラント８０を押し込むのに使用できるインパクション領域（ｉｍｐａｃｔｉｏｎ  ａｒｅａ）８８を備えることもできる。あるいは、把持可能な部分８７は、リーマ８２などの取付け部材を駆動するために、選択された駆動器具に連結できる。様々な機構が、把持可能な領域８７からリンク機構、可撓性の駆動シャフトなどによって係合端部８４に駆動力を伝えるのに使用できる。いずれにせよ、係合端部８４は、本明細書に説明されるような選択された目的でリーマ８２を動作させるための選択された様式で駆動できる。
【００５１】
シャフト９０は、把持可能な部分８７と係合部分８４の間を延びることができる。シャフト９０は、第１のアングルセグメント９２、オフセットセグメント９４、第２のアングルセグメント９６、および最終のセグメント９８などの様々なセグメントを備えることができる。最終のセグメント９８は、ハンドル部分８６と実質的に一直線になることができ、またはそこからずれることができる。たとえば、把持可能な部分８７は、軸８７ａを画定することができ、最終のセグメント９８は軸９８ａを画定することができる。距離Δは、２つの軸８７ａと９８ａの間の距離であることができる。また、最終のセグメント９８の軸９８ａは、把持可能な部分８７の軸８７ａに対して角度を付けることができる。さらに、オフセットセクション９４は、実質的に把持可能な部分８７に対して最終のセグメント９８に等しい、それより小さい、またはそれより大きい量だけずれることができる。いずれにせよ、シャフト９０は、直線状、または非直線状であり、および／または様々な目的のために実質的にオフセットすることができる。
【００５２】
アングルセクション９２、９６は、把持可能な部分８７に対して適切な向きでオフセットセクション９４および最終のセグメント９８を位置決めするように構成される。シャフト９０の形状は、様々な目的のために任意の適切な形状、大きさ、寸法等であることができる。たとえば、シャフト９０は、外科手術領域に最適な視界をもたらし、器具５２を柔軟な組織等に対して位置決めするのを補助するために適切な向きに形成できる。たとえば、寛骨臼に対してインプラント８０を位置決めする場合、インプラント８０を位置決めするための手順の侵襲性を軽減するために、様々な柔軟な組織および骨の構造の周囲に間隙を提供することが望ましい可能性がある。選択された向きでのシャフト９０を含む、その他の様々な目的が与えられることが理解されよう。
【００５３】
器具５２は電磁追跡センサ５８を備えることができる。以下の議論は、全体的に電磁追跡センサ５８に関連するが、光学式追跡センサ５８ａなどのその他の追跡センサも追跡センサ５８に加えてまたはその代わりに使用することもできることが理解されよう。上記に示されるように、追跡センサ５８は、その位置を患者スペースに伝えることができる。
【００５４】
追跡センサ５８は、任意の適切な様式で器具５２に固定することができる。追跡センサ５８は、追跡センサ５８を器具にクランプ締めするためのクランプ１０２を備えることができる。追跡センサ５８は、キー付きもしくは専用にされ、または実質的にランダムにできる、および器具５２に取り付けられた後に位置合わせされ、または較正できる、任意の適切な向きで器具５２に固定することができる。したがって、追跡センサ５８は、追跡センサ５８を選択された位置に保持するために、器具５２のねじ付き部分、キー付き部分等に嵌入することもできる。また、追跡センサ５８は、器具５２と一体に形成されるように構成でき、または手術手順の間に器具５２に固定できる。
【００５５】
しかし、追跡センサ５８は任意の適切な器具と相互接続することができる。追跡センサ５８は、クランプ１０２またはその他の適切な機構を用いるなどの任意の適切な様式で任意の器具に固定することができることが理解されよう。したがって、追跡センサ５８および本明細書に記載された方法は、任意の適切な器具と共に使用できる。これによって、システムが複数の使用者および選好によって使用されるために非常に汎用性があり交換可能にできるようになる。
【００５６】
器具５２に位置決めされた追跡センサ５８は、器具５２の係合部分８６に対してほぼ固定位置に保持される。したがって、ナビゲーションシステム１０は、係合端部８６、または係合端部８６に対する取付け部材の位置を追跡センサ５８を参照することによって決定するのに使用できる。器具５２の追跡は、上記に述べたものなどの任意の適切な装置または方法に従って行うことができる。
【００５７】
図４を参照すると、器具５２にカップ８０が固定された後の探査子６６が、器具５２に対して示されている。本明細書に説明されたように、カップ８０は、器具の係合端部８６に固定することができる。次いで探査子６６は、カップ８０の様々な部分を定義するのに使用できる。探査子６６は、任意の適切な探査子であることができ、追跡センサ５８を備えることもできる。さらに、探査子６６は、光センサ５８Ａ、音波センサ等を備えることができる任意の適切な探査子であることができることが理解されよう。探査子６６は、探査子６６の位置または探査子６６の一部分を決定するために追跡システム４４と共に機能するように動作可能な任意の適切なセンサを備えることができる。
【００５８】
図４および５を参照して、カップ８０などの器具５２に対して選択された取付け部材を較正する方法を説明する。器具５２に対して位置合わせすることができるリーマ８２などの任意の適切な取付け部材、または任意のその他の部材が提供できることが理解されよう。器具５２は、任意の適切な器具であることもでき、臀部インプラント、肩部インプラント、背骨インプラント、膝インプラントなどの整形外科インプラントを含む任意の適切なインプラントなどの、任意の選択された部分と相互連結する目的で構成できる。したがって、カップ８０に対する方法の説明は、例示に過ぎず、本明細書での教示を限定するように意図されるものではない。
【００５９】
ねじ山を使用してカップ８０を取付けセクション８６と相互連結するなど任意の適切な方法でカップ８０が器具５２に取り付けられた後に、カップ８０は、器具５２に取り付けられた追跡センサ５８に対して較正し、かつ／または位置合わせすることができる。カップ８０の平面Ｙを決定するために、探査子６６は、カップ８０、および追跡システム４４を備える追跡センサ５８と相互作用するように使用することができる。平面Ｙは、本明細書に説明されるものなどの任意の適切な方法に従って決定できる。いずれにせよ、追跡システム４４は、器具５２と共に移動した場合、カップ８０を追跡するのを補助するために、カップ８０に対して平面Ｙの位置を決定するように動作可能である。さらに、カップ８０の平面Ｙを決定するのに加えて、ベクトルまたは線Ｘが、様々な方法によって決定できる。追跡システム４４が単体で、使用者が単独で、または両方がともに、平面ＹおよびベクトルＸを計算するのに使用できる。
【００６０】
カップ８０の周縁部部分によって全体的に画定される平面Ｙが、３つの点Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３によって定義できる。カップ８０の上方部分が、全体的に平面Ｙを定義する。このようにして、平面Ｙは、患者スペース内で追跡するために器具５２に対してカップ８０の位置を定義するのに使用できる。たとえば、ナビゲーションシステム１０は、移植手順の間にカップ８０の深さを決定するために、平面Ｙを使用することができる。ベクトルＸは、同じく患者スペース内にあるカップ８０の向きまたは位置を決定するのに使用できる。ベクトルＸは、任意の適切なベクトルであることができ、患者１４に対するベクトルＸの相対移動が決定できる。点Ｘ１は、カップ８０上の任意の点であることができ、カップ８０の深さも決定できるように頂点であることができる。ベクトルＸは、全体的に点Ｘ１を通る平面Ｙに垂直に定義できる。
【００６１】
図５を参照すると、概括的な較正方法１３０が示されている。方法１３０は、カップ８０の平面を決定するのに使用できる。一般に、方法１３０はブロック１３２から開始する。器具は、器具５２としてインパクションハンドルを備えることができるブロック１３４で選択される。リーマ８２を駆動し、またはラスプ（ｒａｓｐ）などの任意の適切な部分を駆動するための、あるいは任意の適切なインプラントを押し込むためのドライバなど任意の適切な器具が選択できることが理解されよう。さらに、ブロック１３４で選択された器具は、全体に非直線状の形態を備えることができる。また、取付け部材の大きさは、選択プロセスの一部分であることができる。たとえば、複数のカップ８０は、それぞれが異なる寸法を有することができる。いずれにせよ、器具は、選択された手順を行うために選択される。
【００６２】
任意選択でセンサを器具に取り付けることができる。たとえば、追跡センサ５８は器具５２に装着することができる。しかし、上記に論じたような器具５２は、一体型センサを備えることができ、そこに取り付けられたセンサは必要としないことが理解されるであろう。いずれにしても、必要であれば、センサは器具５２に取り付けることができる。
【００６３】
ブロック１３６で追跡センサ５８が器具５２に取り付けられた後に、ブロック１３８で追跡システム４４を用いて器具５２を感知または配置できる。器具５２は、このとき位置を特定される必要はなく、後に特定されることができるが、ブロック１３６でセンサを取り付けた後に器具５２の位置を特定することは有用である可能性があることが理解されよう。次いで、ブロック１４０でカップが選択される。上記に論じたように、カップは、寛骨臼カップ８０を含むリーマまたは適切なインプラントなどの任意の適切な取付け部材であることができる。寛骨臼カップ８０は、例示に過ぎず、本明細書の教示を限定するために意図されたものではない。
【００６４】
さらに、カップ８０は、大きな、小さな、または任意の適切な大きさのカップなどの、任意の適切なカップであることができる。さらに、カップは、それぞれが別の大きさを有する複数のカップを含むことができる。たとえば、トレイおよび複数のカップは、約２０ｍｍから約７０ｍｍの範囲にある様々な直径を有することができる。さらに、カップは、任意の適切な深さの範囲にある深さを有することができる。したがって、ブロック１４０で選択されたカップは、特定の手順または特定の患者に関して選択されたもののような任意の適切なカップであることができる。また、選択されたカップは、選択に対して計画されたカップまたは試行手順の後で選択されたものであることができる。いずれにせよ、カップは、手順の中で使用するために選択された適切なカップであることができる。次いで、ブロック１４２で、カップ８０は器具５２に取り付けることができる。カップ８０は、ねじ山、固定リング、プレス嵌めなどの任意の適切な様式で器具５２に取り付けることができる。カップ８０は、適切な様式で、器具５２または任意の適切なカップおよび器具の組合せに取り付けることができることが理解されよう。一般に、カップ８０は、カップ８０の移植、およびカップ８０を移植した後、続いて器具５２の取外しができるように器具５２に取り付けられている。
【００６５】
ブロック１４２でカップ８０が器具５２に取り付けられた後に、本明細書に論じられるような任意の適切な方法に従って、カップＹの平面がブロック１４４で決定できる。カップＹの平面は、患者１４に対してカップ８０をナビゲートするのに使用するために、本明細書に論じられるような任意の適切な様式で決定できる。カップＹの平面は、全体的にカップ８０の上方周縁部８１によって定義される平面であることができ、全体的にカップの近位縁を画成する。周縁部８１も同様に全体的にカップ８０への開口または入り口を画成し、骨盤の準備された寛骨臼などの骨の部分の縁部または表面と相互作用することができる縁部を画成する。平面Ｙは、ナビゲートされた手順の間、患者１４に対してカップ８０の位置を決定するのにナビゲーションシステム１０を補助するなど、カップ８０をナビゲートするのを補助することができる。
【００６６】
ブロック１４４で平面Ｙが決定された後に、本明細書に論じられるような任意の適切な方法に従って、ブロック１４６で、カップから出るベクトルまたは線Ｘが決定できる。ベクトルＸは、平面Ｙによって定義される任意の適切なベクトルであることができ、全体的に実質的に平面Ｙに垂直である。ベクトルＸは、平面Ｙに垂直であることができるが、ベクトルＸは、ナビゲーションシステム１０で使用するための任意の適切なベクトルであることができる。ベクトルＸは、単に器具５２およびカップ８０の動きに関して、器具５２および／または患者１４に対して基準ベクトルを提供する。したがって、ベクトルＸは、任意の適切なベクトルＸであることができ、患者１４およびカップ８０をナビゲートするための追跡センサ５８に対してカップ８０の相対位置を決定する際に単に基準のために使用される。
【００６７】
ブロック１４４でカップＹの平面が決定され、ブロック１４６でベクトルＸが決定された後に、ブロック１４８でカップ８０をナビゲートすることができる。ブロック１４８でのカップ８０のナビゲーションは、ブロック１５０でカップを移植するなどの任意の適切な目的に関するものであることができる。ブロック１５０で、患者１４へのカップ８０の移植は、任意の適切な移植であることができる。カップ８０は、リーマ８２などのリーマを備えることができる準備された寛骨臼内に移植することができる。リーマ８２は、カップ８０の位置合わせと同様な様式で器具５２に対して位置合わせすることができることが理解されよう。リーマは、器具５２またはドライバなどの任意の適切な器具に取り付けられ、ドライバに固定された追跡センサ５８に対して位置合わせされる。したがって、カップ８０の位置合わせの議論は、例示に過ぎず、本明細書での教示を限定するように意図されるものではないことが理解されよう。
【００６８】
図６を参照し、さらに図４および５を参照すると、カップＹの平面を決定する方法およびカップＸを決定する方法がさらに説明される。図６に示された方法１６０は、例示に過ぎず、本明細書での教示を限定するように意図されるものではないことが理解されよう。
【００６９】
カップ８０および追跡センサ５８が、ブロック１３６および１４２でのように器具に取り付けられた後に、ブロック１４４で平面ＹなどのカップＹの平面が決定でき、方法１６０に従って、ブロック１４６でベクトルＸなどのベクトルが決定できる。最初に、ブロック１６２で、探査子６６によってカップ８０の周縁部上の少なくとも３点Ｙ１、Ｙ２、およびＹ３に接触することが行われる。使用者がカップ８０の周縁部８１上の様々な点に探査子６６を接触させているので、ブロック１６４で、探査子６６は追跡システムによって追跡できる。周縁部８１上で接触された点は、カップ８０のＹ１、Ｙ２、およびＹ３などの周縁部８１の任意の適切な点であることができる。しかし、点は計算の効率および正確さのためにカップ８１の周縁部の周囲に実質的に等しく分散することができる。
【００７０】
カップ上の平面を定義する点Ｙ１、Ｙ２、およびＹ３に探査子６６を接触させる際に、使用者は、追跡システム４４がカップ８０上の点を決定することができるようにする。ブロック１６６で、カップの周縁部上の点Ｙ１、Ｙ２、およびＹ３が決定できる。カップの周縁部８１上の点は適切な点であることができ、点はブロック１６６で、ワークステーション４８または任意の適切なシステムを備えるナビゲーションシステム１０によって決定できる。上記に論じたように、探査子６６は、追跡センサ５８を備えるシステム４４によって追跡されるので、探査子によって接触された点は、追跡システム４４によって認識され、または決定できる。あるいは、ディスプレイ３６上の点に接触することなど使用者によって、または本明細書に説明されるものを含む任意の適切な方法によって決定できる。
【００７１】
ブロック１６６で点が決定された後に、ブロック１６８で点によって定義された平面が決定できる。ブロック１６８で決定された平面は、カップ８０の周縁部８１を定義する平面であることができる。すなわち、点Ｙ１、Ｙ２、およびＹ３によって定義された平面Ｙは、周縁部８１がその上に配置できる平らな平面または表面を全体的に定義する。全体的に、周縁部８１は実質的に単一の平面で定義されることが理解されよう。
【００７２】
それにもかかわらず、周縁部８１は、高くされたまたは非平面の周縁部を含むことができ、非平面の周縁部の形態は、方法１５０を使用することによって決定することもできることが理解されよう。単一の平面Ｙを決定するのではなく、周縁部８１の全体の表面を実質的にマッピングするために、周縁部８１上の複数の点に接触することができる。たとえば、周縁部８１のマッピングを行うことができるように、探査子６６は、周縁部８１の全体の長さまたは円周に沿って引くことができる。いずれにせよ、周縁部８１が実質的に単一の平面にある場合、少なくとも３つの点に接触することにより、その３点で定義された平面Ｙが決定できるようになり、したがって、ブロック１６８で、周縁部８１によって定義される平面が決定できるようになる。
【００７３】
ブロック１６８で使用者または追跡システム４４によって平面Ｙが決定された後、ブロック１７０で探査子６６を用いて周縁部８１上で少なくとも１つの追加の点または確認点を接触することができる。ブロック１７２で、探査子は、使用者が周縁部８１上の確認点に接触すると追跡できる。次いで、追跡システムは、ブロック１７４によって接触された確認点を決定することができる。ブロック１７０によって接触され、ブロック１７４で決定された確認点は、全体的に、ブロック１６８で決定された平面Ｙ上にある。したがって、ブロック１７０で追加の点に接触することは、ブロック１６８で決定された平面に対するチェックまたは確認として作用する。したがって、決定ブロック１７６は、ブロック１７４での確認点がブロック１６８で決定された平面上にあるか決定することを含む。ブロック１７８で決定がＮｏであれば、ブロック１６２で追加の点が接触され、ブロック１８０でＹｅｓの決定になるまでプロセスが繰り返される。したがって、ブロック１６８で決定される平面Ｙは、平面が適切で実際に周縁部８１の平面を定義することを確実にするための確認ステップを含むことができる。
【００７４】
ブロック１６８で決定された平面がブロック１８０で確認された後に、ブロック１８２で追加のまたはベクトル点Ｘ１にカップ８０のドーム上で接触することができる。ベクトル点Ｘ１は、探査子６６を用いてカップ８０のドーム上で接触でき、探査子はブロック１８４でナビゲートできる。ナビゲーションシステム１０は、カップのドーム上の追加の点が、カップの周縁部８１を定義する平面Ｙに対して決定できるように、ブロック１８６で接触される点を決定できる。ブロック１８６で決定されるベクトル点Ｘ１は、ブロック１８８で平面ＹによってベクトルＸを決定するのに使用できる。点Ｘ１は、平面Ｙに垂直なベクトルＸの始点を定義するのに使用できる。ベクトルＸは、ワークステーションにあるもののような処理装置、または使用者によって決定できる。平面Ｙによってカップのドーム上で接触されるベクトル点Ｘ１から延びるベクトルＸは、任意の適切なベクトルであることができる。たとえば、ブロック１８２で接触された追加の点は、ベクトルＸが実質的にカップ８０の中心を通るように、実質的にカップ８０の頂点または頂上を定義する点であることができる。この状態では、ベクトル点Ｘ１は、同様にカップ８０の深さを決定するのに使用することもできる。それは、カップ８０の深さに等しい平面Ｙからの距離を定義するのにも使用できる点Ｘ１である。いずれにせよ、平面ＹおよびベクトルＸは一般に、患者１４に対する器具５２およびカップ８０のナビゲーションのために、追跡センサ５８に対してカップ８０の位置を決定するのに使用される。したがって、ベクトルＸは、任意の適切なベクトルであることができ、単に患者１４に対してカップ８０の向きを決定するのに使用できる。
【００７５】
それでも、ブロック１８６で決定された追加の点が実質的にカップ８０の頂点または頂上を定義する場合、ブロック１８６で決定された追加の点は、カップ８０の深さを定義するのに使用できる。あるいは、またはそれに加えて、追跡システム４４がプログラムされ、またはカップ８０の深さをシステムの中に入力するように、カップ８０の認識された深さが追跡システム４４に入力される。したがって、カップの深さは、ブロック１８６での点を使用して決定される必要はないが、認識され、追跡システム４４に入力され、またはシステムに記憶され、使用者もしくは追跡システム４４によって自動的に呼び出される。
【００７６】
さらに、その場合、任意の適切な部材を器具５０のカップ８０と交換できる。平面Ｙは周縁部８１の平面を定義するので、平面Ｙが決定された後に、任意のその他のカップ、リーマ、またはカップ８０と等しいその他の適切な部材が、器具５２に配置できる。追加のカップの周縁部が、カップ８０の周縁部８１と実質的に同じスポット（ｓｐｏｔ）に配置されることにより、ブロック１６８で決定した平面Ｙがより大きな直径のカップの平面も定義できるように、追加のまたは別のカップは、異なる直径を有することができるが実質的に等しい深さを有する。カップ８０が交換され、またはリーマなど異なる部材が、単純に決定または追跡システム４４に挿入する器具に取り付けられた場合、交換されたカップの寸法は、変換計算を行うことによって、追跡システム４４が平面ＹおよびベクトルＸの位置を決定できるようにする。様々なカップを試行し、またはリーマの大きさを段階的に増加させるような手順に対して、様々な変更を加えることができる。
【００７７】
平面ＹおよびベクトルＸが第１の取付け部材を使用して決定された後に、追跡システム４４は、変更された取付け部材に応じて平面ＹおよびベクトルＸの位置を自動的に変換することができる。たとえば、変換は、軸９８ａに沿って、定義された平面を追跡センサ５８に１ｍｍ近く移動することを含むことができる。行われる変換にかかわらず、物理的な較正プロセスを行うことができ、一度行えば、次いでそれに続く取付け部材を較正するのに使用できることが理解されよう。
【００７８】
様々なその他の取付け部材には、様々な大きさのカップ８０を含むことができる。上記に論じたように、複数のカップ８０は、様々な深さのキットで提供できる。第１のカップ８０が較正された後、残りのカップは、方法１５０に従って再較正する必要はないが、適切なアルゴリズムまたは方法に従って追跡システムによって変換される定義された平面ＹおよびベクトルＸを使用することができる。たとえば、様々なカップ８０が参照テーブルで提供でき、使用者が取り付けられるカップを選択し、追跡システムが決定された平面ＹおよびベクトルＸを適切に変換することができる。
【００７９】
さらに、ブロック１８２で接触された追加の点は、カップが全体的に対称である場合の３次元のカップを定義するように変形できる。大きな直径を有するカップは、カップの中心からの半径上で、変更されたカップの半径において増加した距離または差分を外側に移動した点を単に有する。したがって、平面Ｙが追跡センサ５８に対して定義された後、カップは、移植を試行すること、異なる大きさのカップを選択することなど、任意の適切な目的のために変更できる。いずれにせよ、平面の決定は、平面Ｙを決定した後に再度行う必要はない。
【００８０】
方法１５０は、方法１６０と共に、または任意の適切な組合せで、カップ８０の少なくとも一部分または器具５０に対する任意の適切な取付け部材をデジタル化するのに使用できる。さらに、器具５２は、オフセットシャフト９０、直線シャフトまたは任意のその他の向きを有するなど任意の適切な向きであることができる。平面Ｙは、器具５２に対するカップの予め認識されたまたは認識された向きに依存するのではなく、カップ８０などの取付け部材の様々な点をデジタル化することによって形成される。したがって、器具５２は、その大きさ、向き、幾何学的形状等を予め認識せずに、カップ８０などの任意の適切な取付け部材と共に使用することができる。そうではなく、固定位置で器具５２に取り付けられた追跡センサ５８は、ナビゲーション手順で使用するための追跡センサ５８に対するカップ８０の位置を位置合わせし、または較正するのに使用できる。さらに、カップ８０以外の取付け部材は、決定技術を使用してデジタル化されて、システム１０内に入れることができる。
【００８１】
さらに、カップ８０の様々なその他の幾何学的形状が決定できる。たとえば、カップ８０の全体の幾何学的形状がナビゲーションシステム１０によって認識でき、ディスプレイ３６上に表示するためにデジタル化できるように、探査子６６がカップ８０の表面をトレースするのに使用できる。たとえば、複数の経度が探査子６６を使用してトレースされ、ワークステーション４８を備える追跡システム４４は、表示のためのカップ８０の形状および大きさを決定することができる。
【００８２】
さらに、単一の線がカップ８０の表面上に描写でき、ワークステーションはカップ８０の全体の幾何学的形状を推定することができる。たとえば、単一の線がカップ８０の頂点からカップ８０の周縁部８１に引かれるようにカップ８０が全体的に対称である場合、線は実際の空間またはコンピュータ空間内で回転されて、ディスプレイ３６上に表示するためにカップ８０のドームの全体の表面を形成することができる。すなわち、線はカップの中心点から周縁部８１に引かれることができ、中心点は、カップ８０のドーム上にある位置を定義する線の中心点を通る軸の周りの回転が、カップ８０の３次元形状を実質的に定義するように、カップ８０の中心軸を決定するのに使用できる。カップ８０の回転は、実際のものまたは仮想のものであることができる。
【００８３】
上述の方法に加えて、３次元形状およびカップ８０の寸法を決定することは、カップ８０の予め取得されたまたは記憶された寸法を含むこともできる。たとえば、カップ８０は、選択された深さ、直径、厚さ等を有することを知られている。カップ８０の認識された寸法は、ワークステーション４８にあるもののような処理装置によってアクセス可能なメモリシステムに記憶できる。したがって、使用者は上述の方法または任意の適切な方法に従って平面およびベクトルを決定し、次いで、器具５２に取り付けられた特定のカップをメモリシステムから選択することができる。したがって、カップ８０の記憶された寸法にアクセスを有する処理装置は、アイコンまたは図形レンダリングの形でディスプレイ３６上の患者１４に対するカップ８０の寸法を示すことができる。
【００８４】
また、器具５２は、器具５２に固定された追跡センサ５８に対して較正することができる。たとえば、係合端部８６の遠位部分は、探査子６６を用いて接触することができ、点は、上記に述べたものと同様な方法で追跡センサ５８に対して決定できる。したがって、器具５２の遠位端の決定は、追跡センサ５８に対して認識できる。追跡システム４４は、移植のためにカップ８０のナビゲーションの間に患者１４に対してカップ８０の位置を決定するためにカップ８０の認識されたまたは決定された情報と共にこの情報を使用することができる。
【００８５】
方法１５０は、任意の適切なカップと共に使用できるが、様々なカップが様々な目的で探査子６６によって接触される選択された点を備えることができる。たとえば、カップ８０は特定のカップを正確に決定するために使用できるディボットまたは印を付けられたスポットを含むことができる。たとえば、ナビゲーションシステムで使用された場合、処理装置がメモリシステムに記憶された参照テーブルからその寸法、大きさ等を含む、カップのタイプを自動的に決定できるように、カップはディボットを有することができる。さらに、カップの様々な部分が、システムのナビゲーション用に決定されるように選択できる。たとえば、カップ８０を位置決めし、移植するのを助けるために様々なねじ穴、固定スパイク、高い点等が、ナビゲーションシステム１０によって決定できる。
【００８６】
さらに、リーマ８２などのその他の様々な部分を参照すると、選択された様式で患者１４および隣接する様々な軟組織部分にリーマ８２を通過させることが望ましい。したがって、軟組織にリーマ部分８２を通過させながら、軟組織に対してリーマ８２が適切な向きになるのを確実にするのを補助するように選択された位置にリーマ８２を向けることができるように、カップの様々な領域が、探査子６６を用いてそれらに接触することによって選択されまたはデジタル化できる。さらに、上記に論じたように、平面Ｙは、器具５２に配置できるそれぞれのカップごとに実質的に同じであることができる。したがって、ワークステーション４８は、器具５２に対してカップ８０の位置を決定するために平面Ｙを維持または使用しながら、カップ８０または器具５２に選択的に固定された任意のカップの寸法を変換するのに使用できる。したがって、コンピュータが、カップ８０の表面によって定義された様々な点をとりわけ必要とせずに、取得されたまたは認識された寸法を迅速に変更できるようにすることよって、手順をより効率的に行うことができる。これは、較正が始まり、平面Ｙが決定された後に追跡センサ５８が移動しないことで補助される。
【００８７】
図７Ａ〜７Ｃを参照すると、様々な量の情報が、使用される方法によってディスプレイ３６上に決定されまたは示される。たとえば、図７Ａを参照すると、方法１５０および１６０に示された方法を使用して、平面ＹがベクトルＸに対して決定でき、任意の適切な部分に対するベクトルＸの情報が、患者１４に対してカップ８０、リーマ、または任意の適切な部材などのインプラントをナビゲートするのに使用できる。しかし、カップまたはリーマの特定の深さまたは直径などの、様々なその他の情報は表示または必要とされない可能性がある。カップまたはリーマの深さを決定することはできるが、平面ＹおよびベクトルＸによって定義される平面に関する情報は、患者１４に対する部分のナビゲーションを行うための唯一の情報である可能性がある。平面ＹおよびベクトルＸは、使用者が見るためのディスプレイ３６上のアイコンとして表示できる。アイコンは、カップ８０のナビゲーションのために患者の画像の上に重ねることができる。
【００８８】
しかし、図７Ｂを参照すると、インプラント８０の深さを定義できる距離または深さＤも決定することができる。深さＤは、ディスプレイ３６上にインプラント８０を示しまたは表すのに使用でき、または単にインプラント８０の最終の深さまたは深さを示す点として定義できる。さらに、平面Ｙは、単に、カップ８０の周縁部８１として定義された平面として定義できる。さらに、ベクトルＸは、カップ８０の頂点であることができる点Ｘ１から延び、点Ｘ’で平面Ｙを通るものとして定義できる。これによって、カップ８０の適切な位置または適切なリーマの深さを決定するために、カップ８０の深さが決定できるようになる。深さＤは、手順に関するリーマ８２などの認識されたまたは選択されたカップあるいはその他の部分からのカップ８０の予め取得または記憶された寸法から決定できることも理解されよう。この情報は全て、ディスプレイ３６上に表示することもできる。患者の画像の上に重ね合わせることができる平面Ｙ、ベクトルＸ、および頂点または深さＤを表すアイコンが生成できる。これによって、使用者がカップ８０をナビゲートするのを補助することができる。
【００８９】
図７Ｃを参照すると、点Ｘ’で平面Ｙを通過するベクトルＸに加えてカップ８０の図を示すことができる。さらに、インプラント８０の頂点を決定し、またはディスプレイ３６上に表示するための適切なインプラント８０を決定することによって、ディスプレイ３６上に深さＤも示すことができる。さらに、ディスプレイ３６上に表示するためにカップ８０のねじ穴１９０の位置を位置合わせまたは較正することによって、ねじ穴１９０などのその他の部分がディスプレイ３６上に表示できる。上記に論じたように、ねじ穴１９０は、ねじ穴１９０に接触するための探査子６６、または器具５２に対するインプラント８０の認識された向きを使用することによって決定でき、インプラント８０の寸法の詳細を認識することも、ねじ穴１９０の位置を決定するのに使用できる。穴１９０などの様々な部分を含むカップ８０のレンダリングは、ディスプレイ３６上で患者の画像に重ね合わせることもできる。レンダリングされた画像は、カップ８０をナビゲートするのを補助するために使用できる。
【００９０】
したがって、様々な実施形態による方法が、インプラント８０に関する様々な量の情報、および様々な目的のための患者１４に対するそのナビゲーションを決定するのに使用できる。たとえば、その他の用途または使用者がインプラント８０の完全なレンダリングまたは表示を得ることを求める可能性がある一方で、平面ＹおよびベクトルＸのみを決定する際の手順を行うことができる。
【００９１】
カップ８０などのインプラントに関する様々なタイプの情報を決定するために、様々なその他の方法が使用できる。たとえば、カップ８０が器具５２に取り付けられた後にカップ８０上の様々な点に接触することに加えて、またはその代わりに、カップ８０は、様々な撮影技術を使用してデジタル化することができる。たとえば、カップ８０は、追跡センサ５８を含む器具５２に固定できる。図４を参照すると、２つの異なる軸に沿った画像が少なくとも、器具５２に固定されたインプラント８０から取得することができる。インプラント８０から取得された画像は、実質的にデジタル写真技術などの様々な撮影技術を使用して取得できる２次元画像であることができる。ワークステーション４８内にあるもののような処理装置は、インプラント８０の２つの軸、または少なくとも２つの軸に沿って撮影された２次元画像を実質的に３次元（３Ｄ）にデジタル化された画像に変換することができる。次いで３Ｄにデジタル化された画像は、平面ＹおよびベクトルＸを決定するために使用できる。
【００９２】
２Ｄ画像の、３Ｄ画像または画像データへの変換は、一般に当分野で周知であり、本明細書では詳細に説明されない。しかし、追跡システム４４は、ディスプレイ３６上に表示するため、ならびに平面ＹおよびベクトルＸなどの様々な情報を決定するためにデジタル化された画像を使用することができる。追跡センサ５８に対するこの情報は、手順をナビゲートするためにインプラント８０が器具５２によって移動されると、インプラント８０の位置を決定するのに使用できる。さらに、デジタル化された画像は、カップ８０の記憶され、または認識された寸法、向きなどに基づいて確認される。認識された寸法は、手順に使用するデジタル化された画像を確認するために使用できる。また、使用者は、平面ＹおよびベクトルＸを定義するためのデジタル化された画像上の点を決定するために、マウスなどの入力デバイスを使用することができる。
【００９３】
さらに、カップ８０のドームの表面上の点を決定するために、様々な技術が使用できる。たとえば、様々な縁部認識技術を使用して、ねじ穴、固定点、周縁部８１の縁部などが決定できる。
【００９４】
したがって、様々な目的のために、器具５２が直線または非直線のものなどの任意の適切な向きで提供できるように、様々な量の情報を含むデジタル化は様々な技術を用いて決定できることが理解されよう。ナビゲーションシステムは単体で、カップ８０の平面およびベクトルを定義するための様々な点を決定するために、探査子６６などの器具と共に使用できる。カップをトレースするなどの様々な技術が使用できるが、画像変換技術などは、ディスプレイ３６上に表示するためにカップ８０の画像をデジタル化するのに使用できる。いずれにせよ、様々な方法が器具５２のカップ８０の向きおよび位置を決定するために使用できる。平面ＹおよびベクトルＸなどの決定された情報は、カップ８０をナビゲートするために器具５２を追跡しながら使用できる。
【００９５】
さらに、カップ８０の使用は例示に過ぎず、リーマ８２も使用できることが理解されよう。たとえば、リーマ８２は、器具５２に固定することができ、カップの位置を決定するのに使用される技術と同様の技術が、追跡センサ５８に対してリーマ８２の位置を較正するために使用できる。次いで、器具５２を追跡することができ、リーマ８２を患者１４に対してナビゲートすることができる。さらに、様々なその他のインプラントも器具５２に対して較正され、同様の様式でナビゲートできる。たとえば、臀部ステムインプラントが器具５２に固定することができ、外部表面、軸、様々な部分の位置などのインプラントの様々な部分が患者１４に対してインプラントをナビゲーションするのを補助するために決定できる。さらに、カップ８０が使用者によって見ることができない場合、ナビゲーション技術および平面Ｙおよび軸Ｘなどの様々な部分の決定が、カップ８０などの様々な部品をナビゲートするのに使用できる。本教示の適応可能性のさらなる領域が上記に提供された詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明および特定の例は、様々な実施形態を示しながら、例示するために意図されるに過ぎず、本教示の範囲を限定することが意図されるものではないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の様々な教示によるナビゲーションシステムの概略図である。
【図２Ａ】蛍光撮影デバイスからの歪んでいない像を表す図である。
【図２Ｂ】蛍光撮影デバイスからの歪んだ像を表す図である。
【図３】様々な実施形態による器具および様々な取付け部材の斜視図である。
【図４】様々な実施形態による取付け部材に連結された器具の斜視図である。
【図５】様々な実施形態によるナビゲーションシステムで部材を較正する流れ図である。
【図６】様々な実施形態によるナビゲーションシステムで部材を較正する平面およびベクトルを決定する流れ図である。
【図７Ａ】表示できる画像、アイコン、および情報の斜視図である。
【図７Ｂ】表示できる画像、アイコン、および情報の斜視図である。
【図７Ｃ】表示できる画像、アイコン、および情報の斜視図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【国際調査報告】
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