(57)【要約】  外科手術の間、対象物を追跡するためのコンピュータ支援手術システムが、対象物の２個の部分に固定された２個の追跡可能装置を含む。装置はそれぞれ幾何学的パターンに配置される光学素子を有する。所定の方向の範囲において、各装置が同時に重複して検出可能であるように、各装置が別個に対象物に固定されており、組み合わされた幾何学的パターンは、追跡可能装置の光学素子の少なくとも一部の組み合わせから決定される。検知ユニットは、いずれかの追跡された幾何学的パターンの追跡データを検知する。パターン識別部は、幾何学的パターンの既知のパターンデータから、幾何学的パターンのうち追跡されているものを特定する。位置および方向演算部は、特定された幾何学的パターンの追跡データと、特定された幾何学的パターンおよび対象物との間の既知の空間的関係との関数として、対象物の位置および方向を演算する。対象物を追跡するための方法もまた提供される。
2011504769.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外科手術の間、対象物を追跡するためのコンピュータ支援手術システムであり、前記システムは、
前記対象物の第１部分に固定されるよう適合された第１の追跡可能装置であり、第１幾何学的パターンに配置される第１の複数の光学素子を有する第１の追跡可能装置、
前記対象物の第２部分に固定されるよう適合された第２の追跡可能装置であり、第２幾何学的パターンに配置された第２の複数の光学素子を有する第２の追跡可能装置、
第１および第２の追跡可能装置は、組み合わされた幾何学的パターンを前記第１の追跡可能装置および前記第２の追跡可能装置の光学素子の少なくとも一部の組み合わせから決定するように、前記第１および第２の追跡可能装置が、重複方向範囲において、少なくとも部分的に検出可能であるような方法で、前記対象物に別個に固定され、
前記第１、第２、および組み合わされた幾何学的パターンのうちの何れか一つ追跡されたものの追跡データを検知するための検知ユニット、
前記幾何学的パターンの既知のパターンデータから、前記第１、第２および組み合わされた幾何学的パターンのうち追跡されているものを特定するパターン識別部、および、
前記幾何学的パターンのうち前記特定されたものの追跡データと、前記幾何学的パターンのうち前記特定されたものおよび前記対象物の間の既知の空間的な関係との関数として、前記対象物の位置および方向を演算する位置および方向演算部を備えたコンピュータ支援手術システム。
【請求項２】
請求項１に記載のコンピュータ支援手術システムにおいて、
二次的な第１および二次的な第２の複数の光学素子が、他の重複方向範囲において、少なくとも検知可能となるように、前記第１の追跡可能装置は、二次的な第１幾何学パターンに配置された二次的な複数の第１光学素子を有し、前記第２追跡可能装置は、二次的な第２幾何学パターンに配置された二次的な複数の第２光学素子を有し、二次的な幾何学的パターンの組合せが、前記二次的な第１および前記二次的な第２の複数の光学素子中の少なくとも光学素子の一部の組合せから決定されることを特徴とするコンピュータ支援手術システム。
【請求項３】
請求項１に記載のコンピュータ支援手術システムにおいて、
前記第１の複数の光学素子は、前記第１幾何学的パターンを第１の三角形のパターンとして決定する３個の光学素子を含み、
前記第２の複数の光学素子は、前記第２幾何学的パターンを第２の三角形のパターンとして決定する３個の光学素子を含むことを特徴とするコンピュータ支援手術システム。
【請求項４】
請求項１に記載のコンピュータ支援手術システムにおいて、
前記組み合わされた幾何学的パターンならびに少なくとも前記第１および前記第２幾何学的パターンの１つが同時に特定された場合、前記パターン識別部は、前記組み合わされた幾何学的パターンを優先することを特徴とするコンピュータ支援手術システム。
【請求項５】
請求項１に記載のコンピュータ支援手術システムにおいて、
前記パターン識別部は、データベースから前記第１および第２幾何学的パターンに関する前記既知のパターンデータを受信することを特徴とするコンピュータ支援手術システム。
【請求項６】
請求項５に記載のコンピュータ支援手術システムにおいて、
前記パターン識別部は、原位置において較正された前記組み合わされた幾何学的パターンに係る前記既知のパターンデータを受信することを特徴とするコンピュータ支援手術システム。
【請求項７】
請求項１に記載のコンピュータ支援手術システムにおいて、
前記第１の追跡可能装置と前記第２の追跡可能装置は、コンピュータ支援手術の間、外科手術器械に固定されて前記外科手術器械を追跡することを特徴とするコンピュータ支援手術システム。
【請求項８】
請求項１に記載のコンピュータ支援手術システムにおいて、
前記第１の追跡可能装置と前記第２の追跡可能装置は、コンピュータ支援手術の間、骨エレメントに固定されて前記骨を追跡することを特徴とするコンピュータ支援手術システム。
【請求項９】
請求項１に記載のコンピュータ支援手術システムにおいて、
前記組み合わされた幾何学的パターンは、前記光学素子を前記３個よりも多く有していることを特徴とするコンピュータ支援手術システム。
【請求項１０】
コンピュータ支援手術の間、対象物を追跡するための方法であって、前記方法は、
第１幾何学的パターンに配置される第１の複数の光学素子を有する第１の追跡可能装置と、第２幾何学的パターンに配置される第２の複数の光学素子を有する第２の追跡可能装置とを用意し、
前記第１および第２の追跡可能装置の少なくともいくつかの光学素子が、所与の方向範囲において検出可能であるような方法で、前記対象物の第１部分および第２部分に前記第１の追跡可能装置と前記第２の追跡可能装置とを別個に固定し、
所与の方向範囲において可視的である前記第１および前記第２の追跡可能装置の光学素子の組合せによる組み合わされた幾何学的パターンを決定し、
前記第１、前記第２および前記組み合わされた幾何学的パターンのいずれか追跡されているものの追跡データを検知し、
前記幾何学的パターンの既知のパターンデータから、前記第１、前記第２および前記組み合わされた幾何学的パターンのうち追跡されているものを特定し、
前記幾何学的パターンのうち前記特定されたものの前記追跡データと、前記幾何学的パターンのうち前記特定されたものおよび前記対象物との間の既知の空間的な関係とから、前記対象物の位置および方向を演算することを含むコンピュータ支援手術システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法において、
追跡される前記幾何学的パターンの特定は、少なくとも２個の前記幾何学的パターンが同時に検知された場合、前記第１および前記第２幾何学的パターンのいずれよりも、前記組み合わされた幾何学的パターンの特定を優先することを含む方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の方法において、
前記組み合わされた幾何学的パターンの決定には、３個よりも多い光学素子から、前記組み合わされた幾何学的パターンを決定することを含む方法。
【請求項１３】
請求項１０に記載の方法において、
前記第１の追跡可能装置および前記第２の追跡可能装置を固定することには、外科手術器械に前記第１の追跡可能装置および前記第２の追跡可能装置を固定することを含む方法。
【請求項１４】
請求項１０に記載の方法において、
前記第１の追跡可能装置および前記第２の追跡可能装置を固定することには、骨部に前記第１の追跡可能装置および前記第２の追跡可能装置を固定することを含む方法。
【請求項１５】
請求項１０〜１４に記載のいずれかの方法において、
前記骨部に前記第１の追跡可能装置および前記第２の追跡可能装置を固定することには、骨部模型または検体に前記第１の追跡可能装置および前記第２の追跡可能装置を固定することを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本特許出願は、２００７年１１月３０日に出願された米国特許仮出願第６０／９９１，３９３号に基づく優先権を主張する。
【出願の分野】
【０００２】
本願明細書はコンピュータ支援手術に関連し、特にコンピュータ支援手術の間に外科手術器具またはその他の対象物の追跡のために使用される計測機器に関連する。
【背景技術】
【０００３】
外科手術器械または器具の追跡は、コンピュータ支援手術（以下「ＣＡＳ」）の不可欠な部分である。器具は、身体部位に係る情報を得るような方法で、位置および／または方向について追跡される。こうして情報は、骨部の改変、移植片の位置決め、切開術等、身体に対する処置に使用される。
【０００４】
一般的に２種類の追跡システムが使用される。能動追跡システムは追跡されるべき器具に送信機を備え、その送信機はＣＡＳシステムのプロセッサで受信される信号を発信し、そのＣＡＳシステムは受信された信号の関数として、器具の位置および／または方向を演算する。能動追跡システムの送信機は、例えば、ＣＡＳシステムに結線されることにより、または独立電源を備えることによって電源が供給され、信号を発信する。
【０００５】
受動追跡システムは器具に能動的な送信機を備えていないため、滅菌について生じる問題が少ない。受動追跡に関連付けられたＣＡＳシステムは、器具上の光学素子を視覚的に検知するための光学センサ装置を備えている。光学素子は受動的であるため、光学素子には何の電源も関連付けられていない。
【０００６】
位置および／または方向についての値を得るために、光学素子は、光学センサ装置の照準線上になければならない。このため、受動追跡システムでは、外科手術は、光学センサ装置と光学素子との間に必要とされる視認性との関係から、所与の方向で行われる。
【０００７】
いくつかの受動追跡システムでは、追跡される対象物に接続された光学的追跡可能装置を使用する。追跡可能装置の追跡では、対象物の位置および方向データの演算が可能とされる。
【０００８】
しかしながら、光学的追跡可能装置では、光学素子の間の比較的短い間隔において、光学素子の幾何学的パターンを決定する。光学素子間の間隔は、前記のように比較的短いので、許容誤差が増大し精度が低下することになる。
【概要】
【０００９】
したがって、本願の目的は、従来の技術に係る問題の解決を図る追跡装置を提供することである。
【００１０】
このため、第１の実施の形態によれば、外科手術の間、対象物を追跡するためのコンピュータ支援手術システムが提供され、前記システムは、前記対象物の第１部分に固定されるよう適合された第１の追跡可能装置であり、第１幾何学的パターンに配置される第１の複数の光学素子を有する第１の追跡可能装置、前記対象物の第２部分に固定されるよう適合された第２の追跡可能装置であり、第２幾何学的パターンに配置された第２の複数の光学素子を有する第２の追跡可能装置、第１および第２の追跡可能装置は、組み合わされた幾何学的パターンを前記第１の追跡可能装置および前記第２の追跡可能装置の光学素子の少なくとも一部の組み合わせから決定するように、前記第１および第２の追跡可能装置が、重複方向範囲において、少なくとも部分的に検出可能であるような方法で、前記対象物に別個に固定され；前記第１、第２、および組み合わされた幾何学的パターンのうちの何れか一つ追跡されたものの追跡データを検知するための検知ユニット；前記幾何学的パターンの既知のパターンデータから、前記第１、第２および組み合わされた幾何学的パターンのうち追跡されているものを特定するパターン識別部；および前記幾何学的パターンのうち前記特定されたものの追跡データと、前記幾何学的パターンのうち前記特定されたものおよび前記対象物の間の既知の空間的な関係との関数として、前記対象物の位置および方向を演算する位置および方向演算部を備えている。
【００１１】
さらに第１の実施形態によれば、二次的な第１および二次的な第２の複数の光学素子が、他の重複方向範囲において、少なくとも検知可能となるように、前記第１の追跡可能装置は、二次的な第１幾何学パターンに配置された二次的な複数の第１光学素子を有し、前記第２追跡可能装置は、二次的な第２幾何学パターンに配置された二次的な複数の第２光学素子を有し、二次的な幾何学的パターンの組合せが、前記二次的な第１および前記二次的な第２の複数の光学素子中の少なくとも光学素子の一部の組合せから決定される。
【００１２】
第１の実施形態によれば、さらに、前記第１の複数の光学素子は、前記第１幾何学的パターンを第１の三角形のパターンとして決定する３個の光学素子を含み、前記第２の複数の光学素子は、前記第２幾何学的パターンを第２の三角形のパターンとして決定する３個の光学素子を含む。
【００１３】
第１の実施形態によれば、さらに、前記組み合わされた幾何学的パターンならびに少なくとも前記第１および前記第２幾何学的パターンの１つが同時に特定された場合、前記パターン識別部は、前記組み合わされた幾何学的パターンを優先する。
【００１４】
第１の実施形態によれば、さらに、前記パターン識別部は、データベースから前記第１および第２幾何学的パターンに関する前記既知のパターンデータを受信する。
【００１５】
第１の実施形態によれば、さらに、前記パターン識別部は、原位置において実施された較正から、前記組み合わされた幾何学的パターンに係る前記既知のパターンデータを受信する。
【００１６】
第１の実施形態によれば、さらに、前記第１の追跡可能装置と前記第２の追跡可能装置は、コンピュータ支援手術の間、外科手術器械に固定されて前記外科手術器械を追跡する。
【００１７】
第１の実施形態によれば、さらに、前記第１の追跡可能装置と前記第２の追跡可能装置は、コンピュータ支援手術の間、骨エレメントに固定されて前記骨を追跡する。
【００１８】
第１の実施形態によれば、さらに、前記組み合わされた幾何学的パターンは、前記光学素子を前記３個よりも多く有している。
【００１９】
第２の実施の形態によれば、外科手術の間、対象物を追跡するためのコンピュータ支援手術システムが提供され、前記システムは、前記対象物の第１部分に固定されるよう適合された第１の追跡可能装置であり、第１幾何学的パターンに配置される第１の複数の光学素子を有する第１の追跡可能装置、前記対象物の第２部分に固定されるよう適合された第２の追跡可能装置であり、第２幾何学的パターンに配置された第２の複数の光学素子を有する第２の追跡可能装置、第１および第２の追跡可能装置は、組み合わされた幾何学的パターンを前記第１の追跡可能装置および前記第２の追跡可能装置の光学素子の少なくとも一部の組み合わせから決定するように、前記第１および第２の追跡可能装置が、重複方向範囲において、少なくとも部分的に検出可能であるような方法で、前記対象物に別個に固定され；前記第１、第２、および組み合わされた幾何学的パターンのうちの何れか一つ追跡されたものの追跡データを検知するための検知ユニット；前記幾何学的パターンの既知のパターンデータから、前記第１、第２および組み合わされた幾何学的パターンのうち追跡されているものを特定するパターン識別部；および前記幾何学的パターンのうち前記特定されたものの追跡データと、前記幾何学的パターンのうち前記特定されたものおよび前記対象物の間の既知の空間的な関係との関数として、前記対象物の位置および方向を演算する位置および方向演算部を備えている。
【００２０】
第２の実施形態によれば、さらに、追跡される前記幾何学的パターンの特定は、少なくとも２個の前記幾何学的パターンが同時に検知された場合、前記第１および前記第２幾何学的パターンのいずれよりも、前記組み合わされた幾何学的パターンの特定を優先することを含む。
【００２１】
第２の実施形態によれば、さらに、前記組み合わされた幾何学的パターンの決定には、３個よりも多い光学素子から、前記組み合わされた幾何学的パターンを決定することを含む。
【００２２】
第２の実施形態によれば、さらに、前記第１の追跡可能装置および前記第２の追跡可能装置を固定することには、外科手術器械に前記第１の追跡可能装置および前記第２の追跡可能装置を固定することを含む。
【００２３】
第２の実施形態によれば、さらに、前記第１の追跡可能装置および前記第２の追跡可能装置を固定することには、骨部に前記第１の追跡可能装置および前記第２の追跡可能装置を固定することを含む。
【００２４】
第２の実施形態によれば、さらに、前記骨部に前記第１の追跡可能装置および前記第２の追跡可能装置を固定することには、骨部模型または検体に前記第１の追跡可能装置および前記第２の追跡可能装置を固定することを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ】図１Ａは、第１の実施形態に係るそれぞれの幾何学的パターンをそれぞれ有する１組の追跡可能装置を示す対象物の概略図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、双方の追跡可能装置によって決定される幾何学的パターンを付した図１の対象物の概略図である。
【図２】図２は、第２の実施形態において使用される、他の追跡可能装置の斜視図である。
【図３Ａ】図３Ａは、第２の実施の形態に係る幾何学的パターンを決定する図２の２個の追跡可能装置の概略図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、第２の実施の形態に係る幾何学的パターンを決定する図２の２個の追跡可能装置の概略図である。
【図４】図４は、図１Ａおよび図１Ｂならびに図２の追跡可能装置を使用するコンピュータ支援手術（ＣＡＳ）システムである。
【図５】図５は、ＣＡＳの間、対象物を追跡するための方法を図示するフローチャートである。
【好適な実施形態の説明】
【００２６】
図面、具体的には図１Ａを参照すると、追跡される対象物８（例えば、被追跡素子）が１組の追跡可能装置、すなわち追跡可能装置１０Ａおよび１０Ｂを有するものとして示されている（同時に追跡可能装置１０とも呼ぶ）。
【００２７】
それぞれの追跡可能装置１０は、追跡部材１２、１３、１４を被追跡対象物８に相互に関係付ける支持部１１を有する（例えば、ＣＡＳに使用される計器および手術器具、骨エレメント、骨エレメントに関連付けられる参照用の軸または枠、透視検査のためのＣアームなど）。以下、詳細に記載しないが、支持部１１は、様々な機械的手段によって被追跡対象物に固着されることにより、被追跡対象物８に固定される。
【００２８】
位置および方向について、空間的に対象物を追跡するためには、対象物に関連付けられる少なくとも２点が既知である必要がある。２点により、一定の条件の下（例えば、対象物および２個の被追跡点が同一直線上にあること、ならびに較正後に視野の遮蔽がないこと）、対象物８を、位置と方向に関し追跡することができる。３個の直線上にない追跡可能点の幾何学的パターンは、６自由度追跡に一般的に使用され、より多くの追跡可能点を使用すれば、追跡精度を向上させることができる。
【００２９】
支持部１１は、ＣＡＳシステムの光学センサ装置が所与の幾何学的配置を視覚的に認識するように、所与の幾何学的配置の追跡部材１２、１３、１４を支持する。追跡装置１０のパターンの追跡により、ＣＡＳシステムは、追跡装置１０に関連付けられた被追跡対象物の位置および／または方向を演算する。
【００３０】
追跡部材１２〜１４は、幾何学的パターンを構成する光学素子であり、よって、ＣＡＳシステムの光学センサ装置によって視覚的に検出可能となっている。一実施形態では、追跡部材１２〜１４は再帰反射球面であるが、例えば後述の図２で説明するように、他の形状および種類の追跡部材も使用できる。
【００３１】
図１Ａを参照すると、追跡可能装置１０Ａの追跡部材１２Ａ〜１４Ａは、三角形の幾何学的パターンＡを形成する一方、追跡可能装置１０Ｂの追跡部材１２Ｂ〜１４Ｂは、三角形の幾何学的パターンＢを形成する。幾何学的パターンＡとＢは平面図において異なる幾何学的配置を示しており、三角形の幾何学的パターンＡとＢは、平面図において、ともに不等辺三角形である。
【００３２】
このため、ＣＡＳシステムは、三角形の幾何学的パターンＡおよびＢのどちらかの光学追跡から被追跡対象物８の位置と方向を演算する。追跡が光学的であるので、光学センサ装置と追跡可能装置１０Ａまたは１０Ｂの間に照準線がある必要がある。したがって、２個の追跡可能装置１０Ａおよび１０Ｂを有することで、被追跡対象物８を視認できる範囲を大きくするというメリットを得ることができる。
【００３３】
図１Ｂを参照すると、別の検出可能な幾何学的パターンＣが、追跡可能装置１０Ａおよび１０Ｂの両方の追跡部材から形成されることがわかる。幾何学的パターンＣは、追跡可能装置１０Ａの追跡部材１３Ａおよび１４Ｂならびに追跡可能装置１０Ｂの追跡部材１２Ｂおよび１３Ｂによって形成されており、四角形である。このため、ＣＡＳの光学センサ装置（後述）が、３種類のパターンＡ、Ｂ（図１Ａ）またはＣ（図１Ｂ）のいずれか一つを認識および追跡することで、ＣＡＳシステムが、被追跡対象物８の位置および方向を演算することを可能とする。
【００３４】
第３のパターンすなわち組み合わされた幾何学的パターンＣを決定する際、ＣＡＳは、第３のパターンＣが平面図において他の２個のパターンＡ、Ｂとは異なることを確かにする（上述のように、他の２つのパターンは互いに異なっている）。図１Ａおよび図１Ｂに図示する実施形態においては、幾何学的パターンは、２個の異なる不等辺三角形（ＡおよびＢ）ならびに四角形（Ｃ）である。
【００３５】
第３の幾何学的パターンＣは、好ましくは、その光学素子の間の、より長い距離を有する。このため、より長い距離により、対象物８の追跡において誤差が低減する。また、五角形、六角形、およびその他の多角形の幾何学的パターンを追跡することも考えられる。
【００３６】
図２、図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、再帰反射球面の代替手段が説明されている。図２、図３Ａおよび図３Ｂにおいて、パターンＡ、ＢおよびＣは、多面追跡装置２０Ａおよび２０Ｂから得られ、対象物すなわち被追跡対象物８は明瞭化のために示されていない。Jutras他により２００７年５月３日に公開された米国特許出願公開第２００７／０１００３２５号に開示された多面追跡装置２０を参照のこと。
【００３７】
図３Ａにおいて、パターンＡ'は、追跡可能装置２０Ａの光学素子２２Ａ'、２３Ａ'および２４Ａ'によって決定されている。パターンＢ'は、追跡可能装置２０Ｂの光学素子２２Ｂ'、２３Ｂ'および２４Ｂ'によって決定されている。図３Ｂにおいて、パターンＣ'は、追跡可能装置２０Ａおよび２０Ｂの光学素子２２Ａ'、２４Ａ'、２２Ｂ'および２３Ｂ'によって決定されている。他の光学素子（例えば、２３Ａ''、２３Ａ'''）を使用した、いかなる他の組合せも考えることができる。
【００３８】
図２、図３Ａおよび図３Ｂの実施形態において、各追跡装置２０は、３個の検出可能素子を３組有する。検出可能素子は円形の再帰反射面であるが、他の形状も考えられる。再帰反射面は、ＣＡＳシステムと関連付けられる光学センサ装置によって検出可能である再帰反射材で作られている。例えば、スコッチライト（商標）素材は、再帰反射面としての使用に適している。
【００３９】
光学素子は、ＣＡＳシステムの光学センサ装置によって認識される所与の幾何学的パターンでなければならないため、一実施形態では、光学素子は３つの組に再グループ化される。
【００４０】
追跡装置２０Ａおよび２０Ｂの視認できる範囲を最適化するため、光学素子の組は、お互いとの関係において効果的に配置される。具体的には、ＣＡＳシステムの光学センサ装置が各組のうちの１組を認識できなくなった場合、他の組が認識されるように各組が配置される。このようにして、所与の視野の範囲内で追跡可能装置２０Ａおよび２０Ｂの連続追跡が確保される。
【００４１】
各組は、ＣＡＳシステムの光学センサ装置によって認識される幾何学的パターンを形成する。円形の開口部と再帰反射面の組み合わせにより、光学素子は円形の形状になる。光学センサ装置の視野角度により、前記の円は常に形状的に円として現れるわけではない。このため、光学センサ装置による視野角度から把握された形状の関数として、円の中心の位置を演算可能としている。
【００４２】
３個の異なる組の光学素子の３個の三角形は、各三角形が器具について特定の方向に関連付けられるように、異なる形状であることが好ましい。これに代えて、３個の異なる組によって形成される３個の三角形は同一であってもよいが、その際、円形の反射面の把握形状を使用して、３組の反射面のどれが認識されているのかを特定するようにする必要がある。
【００４３】
三角形の幾何学的パターンが図示されてはいるが、線形や様々な多角形など、他の幾何学的パターンを使用することも考えられる。
【００４４】
追跡可能装置２０を付した対象物の較正は、対象物についてそれぞれの検出可能な幾何学的パターン（すなわち、他のもののうち、Ａ、Ｂ、およびＣ）の位置および／または方向を較正するために、追跡可能装置２０の使用の前に行われることが好ましい。
【００４５】
図４を参照すると、追跡装置１０Ａおよび１０Ｂを使用する光学追跡コンピュータ支援手術システムが、１００として概略的に図示されている。コンピュータ支援手術システム１００には、前述したように、支持部１１Ａおよび１１Ｂを用いて被追跡対象物８に固定することで、追跡装置１０Ａおよび１０Ｂを組み込んでいる。しかしながら、追跡可能装置２０Ａおよび２０Ｂまたはその他の追跡可能装置の実施形態を適用してもよい。
【００４６】
図１Ａおよび図１Ｂによると、追跡装置１０Ａおよび１０Ｂは、それぞれ少なくとも１個の検出可能な幾何学的パターンを備え（図１Ａ中のそれぞれＡおよびＢ）、同時に少なくとも別の異なる幾何学的パターンを備える（図１Ｂ中のＣ）。少なくとも３個の幾何学的パターンの認識は、コンピュータ支援手術システムの使用の第１段階において行われる較正の結果として行われてもよい。
【００４７】
コンピュータ支援手術システム１００は、典型的にはプロセッサを有するコンピュータである追跡システム１０１を有する。追跡システム１０１は、追跡可能装置１０Ａおよび１０Ｂの追跡部材１２〜１４を視覚的に追跡するために備えられた検知ユニット１０２（すなわち光学センサ装置）を有する。典型的には、検知ユニット１０２は、１組のセンサ（例えば、オーソソフト株式会社のVavitrack（商標））を伴う３Ｄカメラを有する。検知ユニット１０２は、画像上の光学素子を特定し、それらの座標に関する追跡データを作成するために取得した画像を分析する画像処理ユニット（図示せず）も有する。検知ユニット１０２によって取得された画像は、第１の追跡可能装置および第２の追跡可能装置のすべての光学素子を含んでいなくともよく、このため、３個すべての幾何学的パターンＡ、Ｂ、Ｃが同時に検知されるわけではないことに注意が必要である。
【００４８】
制御装置１０４は検知ユニット１０２に接続される。これにより、制御装置１０４は検知ユニット１０２から追跡データを受信する。
【００４９】
データベース１０６が、幾何学的パターンデータを格納するために設けられる。具体的には、追跡装置１０Ａおよび１０Ｂの様々なパターンが、データベース１０６に格納される。同様に、被追跡対象物とパターンとの空間的関係が、データベース１０６に格納される。被追跡対象物・パターンの空間的関係は、コンピュータ支援手術システムの使用の第１段階において行われる較正の結果として得るようにしてもよい。
【００５０】
パターン識別部１０７が、制御装置１０４に関連付けられる。パターン識別部１０７は、検知ユニット１０２から追跡データを受信し、データベース１０６から幾何学的パターンデータを受信し、追跡装置１０Ａおよび／または１０Ｂのパターンのうち、どのパターンが追跡されているのかを特定する。複数のパターンが可視である場合、誤差を低減するために、その光学素子間において最大の距離を有するパターン（例えば、図１Ｂ中のパターンＣ）あるいは最も多くの点を有するパターン（例えば、三角形よりも四角形）が選択されることが望ましい。
【００５１】
位置および方向演算部１０８が、制御装置１０４に関連付けられる。位置および方向演算部１０８は対象物の位置と方向を演算する。位置および方向演算部１０８は、パターン位置および方向演算部１１４と、被追跡対象物位置および方向演算部１１６とを含む。
【００５２】
パターン位置および方向演算部１１４は、制御装置１０４から追跡データおよび追跡パターンの識別表示を受信し、空間における追跡パターンの位置および方向を演算する。
【００５３】
被追跡対象物位置および方向演算部１１６は、データベース１０６に格納される追跡パターンと被追跡対象物との間の空間的な関係とともに、制御装置１０４から追跡パターンの位置および方向を受信する。次いで、被追跡対象物位置および方向演算部１１６は、これらの情報を結合し、被追跡対象物の位置および方向を演算する。
【００５４】
被追跡対象物の位置および方向は、コンピュータ支援手術システムのユーザがコンピュータ支援手術において知られている様々な形式（例えば、視覚表示、角度、距離などの数値）で被追跡対象物の位置と方向に係る情報を得るように、ユーザインターフェイス１１８に送られる。データベース１０６は、制御装置１０４、パターン識別子１０７または位置および方向演算部１０８の一部であってもよい。
【００５５】
コンピュータ支援手術システム１００は、外科手術パラメータの演算、視覚データの提示など、コンピュータ支援手術において典型的な他の機能を行うために、その他のモジュールを含んでもよい。説明を単純にするために、本明細書では、骨や手術器具のような対象物の位置および方向データを提供するための追跡可能参照物の追跡に限定している。
【００５６】
図５は、コンピュータ支援手術の間、対象物を追跡するための方法５００を示す。例えば、方法５００は、図４の追跡システム１００を使用して実施することができる。ステップ５０２において、図１Ａおよび図１Ｂの追跡可能装置１０Ａ、１０Ｂまたは図２、図３Ａおよび図３Ｂの追跡可能装置２０Ａ、２０Ｂなど、第１および第２の追跡可能装置が備えられる。
【００５７】
ステップ５０４において、これら追跡可能装置は、第１の追跡可能装置の光学素子および第２の追跡可能装置の光学素子が、所定の方向の範囲内（重複方向範囲）において重複して検出可能となるように、追跡される対象物の第１および第２部分に別個に固定される。いくつかの方向では、検知ユニットによって取得された画像は、第１の追跡可能装置の光学素子だけを含んでいる。他の方向では、画像は、第２の追跡可能装置の光学素子だけを含んでいる。さらに他の方向では、画像は、第１の追跡可能装置の光学素子および第２の追跡可能装置の光学素子を重ねたものであり、重複している。具体的には、一実施形態によると、第１の追跡可能装置の光学素子の一部および第２の追跡可能装置の光学素子の一部を、所与の方向範囲において視ることができる。
【００５８】
このため、ステップ５０６において、組み合わされた幾何学的パターン（例えば、図１ＢのパターンＣ、または図３ＢのパターンＣ'、Ｃ''、もしくはＣ'''）は、所与の方向範囲から可視である第１および第２の追跡可能装置の光学素子の組合せから決定される。
【００５９】
ステップ５０８において、追跡データは、追跡された第１、第２および組み合わされた幾何学的パターンのいずれか一つについて検知される。追跡データは、例えば、図４の検出装置１０２を使用して得られる。
【００６０】
ステップ５１０において、追跡される幾何学的パターンは、幾何学的パターンの空間構成の既知のパターンデータから特定される。これは、例えば、図４のパターン識別部１０７を使用して実施される。システムは、継続的に対象物を追跡するように構成されている。このため、パターン識別部１０７は、検知ユニット１０２において視ることのできるパターンに応じて、追跡対象をあるパターンから別のパターンへと切り換えてもよい。２個以上の幾何学的パターンがパターン識別部１０７によって検知された場合、組み合わされた幾何学的パターンは、第１および第２の幾何学的パターンよりも大きさにおいて勝っているので、優先されてもよい。
【００６１】
ステップ５１２において、被追跡対象物の位置および方向は、幾何学的パターンのうち特定されたパターンの追跡データならびに幾何学的パターンのうちの特定されたパターンと被追跡対象物との間の既知の空間的な関係から演算される。これは、例えば、図４の位置および方向演算部１０８を使用して演算される。
【００６２】
データ信号線を介して互いに通信する個別要素の集まりとしてブロック図を示したが、図示の実施形態は、ハードウェアおよびソフトウェア・コンポーネントの組み合わせによって提供されてもよく、いくつかのコンポーネントは、ハードウェアまたはソフトウェアシステムの所与の機能または処理によって実施され、図示のデータの流れの多くが、コンピュータのアプリケーションシステムまたはオペレーティングシステム内のデータ通信によって実施されてもよいことは、当業者にとっていうまでもないことである。図示の構成は、実施形態を効率的に示すためのものである。
【００６３】
以上、説明した実施形態は、単に例示とすることを意図したものである。したがって、本発明の範囲は、添付されている請求項によってのみ制限されることが意図されている。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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