(57)【要約】器具上追跡システムを利用して、コンピュータ支援手術に関連する幾つかの改良形態が提供される。様々な改良形態は一般に、コンピュータ支援手術中に利用される方法及びそのような処置中に使用される装置の両方に関する。他の改良形態は、処置中に使用される器具の構造及びＯＴＴ装置を使用して器具をいかに制御することができるかに関する。さらに他の改良形態は、処置中にフィードバックを提供して、ＣＡＳモードに応じて処理されるデータレート及びタイプを含め、処置の効率若しくは品質のいずれか、又はこれらの両方を向上させる方法に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触覚フィードバック機構であって、
第１のプラットフォームと、
第２のプラットフォームと、
第２のリンケージに結合された第１のリンケージにより形成される鋏型リンケージであって、前記鋏型リンケージは前記第１のプラットフォームと前記第２のプラットフォームとの間に延び、前記第１のリンケージの第１の端部は前記第１のプラットフォームに結合され、前記第１のリンケージの第２の端部は前記第２のプラットフォームに結合され、前記第２のリンケージの前記第１の端部は前記第１のプラットフォームに結合され、前記第２のリンケージの前記第２の端部は前記第２のプラットフォームに結合される、前記鋏型リンケージと、
前記鋏型リンケージに結合され、前記第１のプラットフォームと前記第２のプラットフォームとの相対移動の力応答を調整する少なくとも１つの位置回復要素と、
を備える、触覚フィードバック機構。
【請求項２】
前記少なくとも１つの位置回復要素は、前記第１のリンケージの前記第１の端部と前記第２のリンケージの前記第２の端部との間に結合される、請求項１に記載の触覚フィードバック機構。
【請求項３】
前記少なくとも１つの位置回復要素は、第２のプラットフォームに沿って延び、前記鋏型リンケージに結合されて、前記第２のプラットフォームに相対する前記第２のリンケージの前記第２の端部の移動を調整する、請求項１に記載の触覚フィードバック機構。
【請求項４】
前記第１のプラットフォーム及び前記第２のプラットフォームは、外科器具の引き金と一緒に動作するように構成される、請求項１に記載の触覚フィードバック機構。
【請求項５】
前記第１のプラットフォーム及び前記第２のプラットフォームは、外科器具の引き金を覆って動作するように構成される、請求項１に記載の触覚フィードバック機構。
【請求項６】
前記第１のプラットフォーム及び前記第２のプラットフォームは、外科器具の引き金を少なくとも部分的に覆って配置されるように構成される、請求項１に記載の触覚フィードバック機構。
【請求項７】
前記第１のプラットフォーム及び前記第２のプラットフォームは、外科器具の引き金を少なくとも部分的に囲って配置されるように構成される、請求項１に記載の触覚フィードバック機構。
【請求項８】
引き金カバーが、前記引き金と係合するように前記第１のプラットフォーム内に配置される、請求項５に記載の触覚フィードバック機構。
【請求項９】
前記鋏型リンケージに結合され、前記第１のプラットフォームと前記第２のプラットフォームとの相対移動の力応答を調整する前記少なくとも１つの位置回復要素は、前記第１のプラットフォームと前記第２のプラットフォームとの間に延びるように結合され、
前記触覚フィードバック機構は、
前記鋏型リンケージに結合され、前記第２のプラットフォームに沿って延びる位置回復要素をさらに備える、請求項１に記載の触覚フィードバック機構。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの位置回復要素は、
前記第２のリンケージの第２の端部に結合された戻しばねと、
前記戻しばねに結合されたオーバーライドばねと、
前記オーバーライドばねに結合されたアクチュエータとを含む、請求項１に記載の触覚フィードバック機構。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの位置回復要素は、前記第２のプラットフォームに相対する前記鋏型リンケージの前記第２の端部の移動に張力に応じて結合されたばねである、請求項１に記載の触覚フィードバック機構。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの位置回復要素は、前記第２のプラットフォームに相対する前記鋏型リンケージの前記第２の端部の移動に圧縮に応じて結合されたばねである、請求項１に記載の触覚フィードバック機構。
【請求項１３】
前記第２のプラットフォームの開口部から延び、前記鋏型リンケージに結合されるシャフトをさらに備え、
前記鋏型リンケージの移動は、前記開口部に相対する前記シャフトの対応する移動を生み出す、請求項１に記載の触覚フィードバック機構。
【請求項１４】
前記シャフトは、可撓性シャフト部、ケーブル部、中空シャフト部、又は可撓性リンケージ部のうちの１つ又は複数を含む、請求項１３に記載の触覚フィードバック機構。
【請求項１５】
コンピュータ支援手術で使用されるように構成された器具上追跡装置と、
前記器具上追跡装置内にあり、前記シャフトの相対移動を、コンピュータ支援手術処置で使用される信号に変換するように構成される構成要素と、
をさらに備える、請求項１３に記載の触覚フィードバック機構。
【請求項１６】
前記構成要素はエンコーダである、請求項１５に記載の触覚フィードバック機構。
【請求項１７】
前記信号は、引き金により動作する外科器具の動作に関連する、請求項１６に記載の触覚フィードバック機構。
【請求項１８】
前記構成要素は、前記シャフトを移動させ、前記第１のプラットフォームと前記第２のプラットフォームとの相対移動に影響を及ぼすアクチュエータをさらに備える、請求項１５に記載の触覚フィードバック機構。
【請求項１９】
前記アクチュエータは、コンピュータ支援手術処置中、外科器具の動作の制御に関連する信号に応答して、前記シャフトを移動させるように構成される、請求項１８に記載の触覚フィードバック機構。
【請求項２０】
コンピュータ支援手術処置に使用される基準フレームであって、
外周により区切られた表面を有するフレームと、
前記フレームから延びるステムと、
前記ステムの結合部と、
処置に関連する手術野内の生体構造の一部に係合するように構成された第１の表面及び前記結合部に係合する第２の表面を有するベースと、
を備える、基準フレーム。
【請求項２１】
前記結合部上の少なくとも１つの見当合わせ要素と、前記第２の表面上の少なくとも１つの見当合わせ要素と、をさらに備え、
前記見当合わせ要素は、前記結合部が前記第２の表面に結合する場合、協働して嵌合するように適合され構成される、請求項２０に記載の基準フレーム。
【請求項２２】
前記結合部上の複数の見当合わせ要素と、
前記第２の表面上の複数の見当合わせ要素と、
をさらに備え、
前記結合部上の前記見当合わせ要素の一部分は、前記第２の表面上の前記見当合わせ要素の一部分と係合する場合、前記フレームを前記手術野内で第１の向きに向ける、請求項２０に記載の基準フレーム。
【請求項２３】
前記複数の見当合わせ要素のうちの他の見当合わせ要素と係合するための前記第２の表面の前記結合部間の移動により、前記手術野内で第２の異なる向きに前記フレームが位置決めされる、請求項２２に記載の基準フレーム。
【請求項２４】
前記第１の向きは、手術の事前計画に使用される既知の位置である、請求項２２に記載の基準フレーム。
【請求項２５】
第２の向きは、手術の事前計画に使用される既知の位置である、請求項２３に記載の基準フレーム。
【請求項２６】
前記ベースは、前記第１の表面の少なくとも一部に沿い、前記生体構造の一部分との係合を強化するギザギザ縁部をさらに含む、請求項２０に記載の基準フレーム。
【請求項２７】
前記ベースは、固定要素に向けて適合され構成された少なくとも１つのアパーチャをさらに含む、請求項２０に記載の基準フレーム。
【請求項２８】
前記固定要素は、ピン、ねじ、釘、又は外科用ステープルのうちの１つ又は複数である、請求項２７に記載の基準フレーム。
【請求項２９】
前記ベースの第１の表面は、前記ベースの第１の表面を接着剤物質、ねじ、又は他の種類の締結装置を手術処置中に用いて、又は用いずに固定すべき生体構造部位に相補的な湾曲を含む、請求項２０に記載の基準フレーム。
【請求項３０】
前記湾曲は、前記手術処置を促進するために露出される前記生体構造の骨部分を含む生体構造部位に相補的である、請求項２９に記載の基準フレーム。
【請求項３１】
前記生体構造の前記骨部分は、前記手術処置の対象である関節に隣接する、請求項３０に記載の基準フレーム。
【請求項３２】
前記関節は、膝、肩、手首、足首、股関節、又は椎骨のうちの１つである、請求項３１に記載の基準フレーム。
【請求項３３】
前記生体構造の前記骨部分は、膝関節に隣接する大腿骨の一部分である、請求項３０に記載の基準フレーム。
【請求項３４】
前記生体構造の前記骨部分は、膝関節に隣接する頸骨の一部分である、請求項３０に記載の基準フレーム。
【請求項３５】
前記膝関節に隣接する前記頸骨の一部分は、頸骨粗面の一部分を含む、請求項３４に記載の基準フレーム。
【請求項３６】
前記外周内の前記フレーム上のアレイ内に１つ又は複数の能動的又は受動的基準要素のパターンをさらに備える、請求項２０に記載の基準フレーム。
【請求項３７】
フレーム及び前記フレームから延びるステムを有する基準フレームガイドをさらに備え、
前記ステムは、生体構造特徴に係合し、前記基準フレームの配置を支援するように構成された湾曲又は形状を有する、請求項２０に記載の基準フレーム。
【請求項３８】
基準フレームガイドは、前記フレームに沿い、前記基準フレームの前記外周又は一部分に一時的に係合して、前記基準フレームに関連付けられたベースを適切に位置決めし調整できるようにする１つ又は複数の係合要素をさらに含む、請求項３４に記載の基準フレーム。
【請求項３９】
生体構造特徴は骨生体構造の一部分である、請求項３４に記載の基準フレーム。
【請求項４０】
前記骨生体構造の一部分は、顆に関連する前記ステムの配置に関連する、請求項３９に記載の基準フレーム。
【請求項４１】
前記基準フレームガイド内の前記基準フレームは、手術環境で使用される単一ユニットとして提供され、
前記１つ又は複数の係合要素は、前記基準フレームの位置決めに使用された後、係合離脱するように構成される、請求項３８に記載の基準フレーム。
【請求項４２】
前記結合部及び前記第２の表面の相対位置及び向きを維持するように適合され構成されたマウント結合部をさらに備える、請求項２０又は３７に記載の基準フレーム。
【請求項４３】
前記マウント結合部は、前記マウント結合部が前記ベースに嵌合する場合、前記マウント結合部が前記基準フレームの内部内にあるように、前記基準フレームに提供される、請求項４２に記載の基準フレーム。
【請求項４４】
前記マウント結合部は、前記マウント結合部が前記基準フレームに取り付けられる場合、前記マウント結合部が実質的又は完全に、前記結合部と前記第２の表面との嵌合接触エリアを囲むように、前記基準フレームに提供される、請求項４２に記載の基準フレーム。
【請求項４５】
手術野内でコンピュータ支援手術処置を実行する方法であって、
第１の基準フレームを前記手術野の第１の位置に取り付けること、
第２の基準フレームを前記手術野の第２の位置に取り付けること、
前記第１及び第２の基準フレームの両方から得られる、コンピュータ支援処置中に使用される位置決め情報を維持しながら、外科器具を使用する処置の能動的ステップを開始すること、を備える、方法。
【請求項４６】
生体構造の一部分に取り付けられた前記第１の基準フレーム及び第２の基準フレームのうちの少なくとも１方から得られる前記コンピュータ支援手術処置中に使用される位置決め情報を維持しながら、前記処置のステップ中、又は前記処置の一部分として、前記生体構造の一部分に相対する外科器具の位置を調整することをさらに含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記生体構造の一部分は骨を含む、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記第１の基準フレーム及び第２の基準フレームのうちの少なくとも一方から得られる、前記コンピュータ支援手術処置中に使用される位置決め情報を維持しながら、前記処置のステップ中、又は前記処置の一部分において、前記外科器具をホバリングさせることをさらに含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項４９】
前記開始するステップ、調整するステップ、又はホバリングするステップのうちの１つ又は複数は、膝へのコンピュータ支援手術処置の１つ又は複数のステップを促進するために実行される、請求項４５、４６、及び４８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５０】
膝へのコンピュータ支援手術処置の１つ又は複数のステップは、遠位外側顆の切断、遠位内側顆の切断、前方の切断、外側後顆の切断、内側後顆の切断、前方面取りの切断、外側後顆面取りの切断、内側後顆面取りの切断、大腿骨顆間窩の切断、手術部位の一部分の穿孔、及び頸骨の切断を含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記第１及び第２の基準フレームを使用して前記処置の追加の能動的ステップを開始することをさらに含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項５２】
前記第１の位置は大腿骨の一部分にあり、
前記第２の位置は頸骨の一部分にあり、
前記処置は人工膝全置換であり、
前記方法は、
前記処置の略全てのステップ中、前記第１の基準フレーム及び前記第２の基準フレームのうちの少なくとも一方から得られる位置情報を使用することをさらに含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項５３】
能動的な手術ステップの開始時に、前記第１及び第２の基準フレームのうちの少なくとも一方から得られる位置情報を使用し、その後、前記第１の基準フレームおよび前記第２の基準フレームのうちの少なくとも一方からの位置情報のみを使用することをさらに含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記取り付けることは、前記手術野内の生体構造部位への基準フレームの一部分のセメント接着、接着、釘付け、ねじ込み、又はステープリングのうちの１つ又は複数を含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項５５】
前記取り付けるステップの完了後、前記第１の基準フレーム及び前記第２の基準フレームを前記第１の位置及び前記第２の位置にそれぞれ維持しながら、前記手術野に相対する基準フレームの一部分の向きを変更し、その後、コンピュータ支援手術処置の一部分の変更された向きからの位置情報を使用することをさらに含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項５６】
初期の向き及び前記変更された向きの両方での前記第１の基準フレーム及び前記第２の基準フレームの向きに関連する前記位置情報は、前記コンピュータ支援手術の事前計画プロセスの一部分として使用される、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
器具上追跡・ガイド装置であって、
外科器具の一部分と着脱可能に係合する表面を有する筐体と、
構成内の第１のカメラ及び第２のカメラであって、前記第１のカメラ及び前記第２のカメラのそれぞれは、コンピュータ支援手術処置に選択された略全ての手術野を閲覧するために選択された画像出力を提供する、前記第１のカメラ及び第２のカメラと、
少なくとも部分的に手術視野内に出力を提供するように構成されたプロジェクタと、
２台のカメラのそれぞれから出力を受信し、前記２台のカメラのそれぞれからの出力の少なくとも一部分を使用して、画像処理動作を実行して、前記コンピュータ支援手術処置に使用するように構成される、前記筐体内の電子画像プロセッサと、を備える、装置。
【請求項５８】
前記第１及び第２のカメラの視野内の被撮像物体は、前記第１及び第２のカメラから約７０ｍｍ〜約２００ｍｍにある、請求項５７に記載の装置。
【請求項５９】
前記第１及び第２のカメラの視野内の被撮像物体は、前記第１及び第２のカメラから約５０ｍｍ〜約２５０ｍｍにある、請求項５７に記載の装置。
【請求項６０】
外科器具の一部分と解放可能に係合する表面は、前記筐体との係合に選択される前記外科器具又は変更された外科器具の一部分と相補的な湾曲を形成するような形状である、請求項５７に記載の装置。
【請求項６１】
前記外科器具の一部分は、前記筐体表面との解放可能な係合に適応するように変更される、請求項５７に記載の装置。
【請求項６２】
外科器具の一部分と解放可能に係合する前記表面は、前記表面が前記外科器具に結合される場合、前記外科器具の能動的セグメントの少なくとも一部分が水平視野及び垂直視野内にあるように適合され構成される、請求項５７に記載の装置。
【請求項６３】
前記外科器具の能動的セグメントの前記少なくとも一部分は、前記コンピュータ支援手術処置中に使用される略全ての外科器具能動要素である、請求項６２に記載の装置。
【請求項６４】
前記プロジェクタの出力は、略完全に水平視野及び垂直視野内にある、請求項５７に記載の装置。
【請求項６５】
前記第１のカメラの視軸及び前記第２のカメラの視軸は、前記筐体又は前記筐体に取り付けられた外科器具の縦軸に略平行するラインから互いに向かって傾斜する、請求項５７に記載の装置。
【請求項６６】
前記第１のカメラの視軸及び前記第２のカメラの視軸は、前記筐体の縦軸に略平行するラインに対して約０°〜約２０°の角度で傾斜する、請求項５７に記載の装置。
【請求項６７】
前記第１のカメラの視軸及び前記第２のカメラの視軸は、前記筐体に結合された外科器具に関連付けられた機器の縦軸に略平行するラインに対して約０°〜約２０°の角度で傾斜する、請求項５７に記載の装置。
【請求項６８】
前記プロジェクタは前記筐体内に位置決めされる、請求項５７に記載の装置。
【請求項６９】
前記プロジェクタは前記筐体内に位置決めされ、
前記プロジェクタからの出力は、前記第１のカメラと前記第２のカメラとの間の位置に存在する、請求項５７に記載の装置。
【請求項７０】
前記プロジェクタからの出力は、前記第１のカメラ又は前記第２のカメラのうちの一方により近い、請求項６９に記載の装置。
【請求項７１】
前記プロジェクタからの出力は、前記筐体に取り付けられた外科器具に関連付けられた器具の前に出現するように投影される、請求項５７に記載の装置。
【請求項７２】
前記プロジェクタからの出力は、前記筐体に取り付けられた外科器具に関連付けられた能動的要素上又はその近傍に投影される、請求項５７に記載の装置。
【請求項７３】
前記プロジェクタからの出力は、患者の生体構造の一部分上又は外科シーン内の前記手術野の表面上若しくは前記表面内に投影されるように適合される、請求項５７に記載の装置。
【請求項７４】
前記生体構造の一部分は骨である、請求項７３に記載の装置。
【請求項７５】
前記適合される出力は、前記生体構造の湾曲、凸凹、又は状況に関して調整される、請求項７３に記載の装置。
【請求項７６】
前記プロジェクタは、前記筐体内の前記第１のカメラ及び前記第２のカメラを含む平面の上に位置決めされる、請求項５７に記載の装置。
【請求項７７】
前記プロジェクタは、前記筐体内の前記第１のカメラ及び前記第２のカメラを含む平面の下に位置決めされる、請求項５７に記載の装置。
【請求項７８】
前記カメラの軸を通る水平視野は、外科器具が前記筐体に結合される場合、前記外科器具の能動的要素の前記軸を通る水平面により定義される平面に略平行するか、又は鋭角をなす、請求項５７に記載の装置。
【請求項７９】
前記筐体上にディスプレイをさらに備える、請求項５７に記載の装置。
【請求項８０】
前記ディスプレイは、請求項１０９〜１４９のいずれか一項に記載のＯＴＴ  ＣＡＳ処理ステップからの情報を含む視覚的出力を提供するように構成される、請求項７９に記載の装置。
【請求項８１】
前記ディスプレイは、器具上追跡装置のユーザの入力装置として構成される、請求項７９に記載の装置。
【請求項８２】
前記プロジェクタは、傾斜したベース上の前記筐体内に位置決めされる、請求項５７に記載の装置。
【請求項８３】
前記プロジェクタはピコプロジェクタである、請求項５７に記載の装置。
【請求項８４】
前記プロジェクタの出力はレーザの形態で供給される、請求項５７に記載の装置。
【請求項８５】
前記外科器具の一部分は、前記外科器具の使用に際して、前記カメラ及び前記プロジェクタが、前記外科器具に関連付けられた能動的要素の上に位置決めされるように選択される、請求項５７に記載の装置。
【請求項８６】
前記外科器具の一部分は、前記外科器具の使用に際して、前記カメラ及び前記プロジェクタが、前記外科器具に関連付けられた能動的要素の下または片面に位置決めされるように選択される、請求項５７に記載の装置。
【請求項８７】
前記画像処理動作に関連する情報を前記筐体とは別個の構成要素に提供するように構成される、前記筐体内の通信要素をさらに備える、請求項５７に記載の装置。
【請求項８８】
前記通信要素は、前記筐体とは別個の前記構成要素と無線で情報をやりとりする、請求項８７に記載の装置。
【請求項８９】
前記通信要素は、前記筐体とは別個の前記構成要素への有線接続を介して情報を提供する、請求項８７に記載の装置。
【請求項９０】
前記筐体とは別個の前記構成要素は、外科器具能動的セグメントを使用してコンピュータ支援手術についての情報の使用に関連する命令をコンピュータ可読媒体内に含むコンピュータである、請求項８７に記載の装置。
【請求項９１】
前記筐体内の前記通信要素は、前記画像処理動作に関連する情報を、前記筐体とは別個の構成要素に提供するように構成される、請求項８７に記載の装置。
【請求項９２】
少なくとも部分的に前記第１のカメラ及び前記第２のカメラの視野内に出力を生成する命令を受信し、前記プロジェクタに提供するように構成される前記筐体内の通信要素をさらに備え、
前記出力は、前記電子画像プロセッサの動作からの出力を使用して実行されるコンピュータ支援手術処理ステップに関連する少なくとも１つの視覚的に知覚可能な指示を含む、請求項５７に記載の装置。
【請求項９３】
引き金及び前記引き金の動作により制御される能動的要素を有する外科器具をさらに備え、
前記筐体は前記外科器具と解放可能に係合して取り付けられる、請求項５７に記載の装置。
【請求項９４】
前記第１のカメラ及び前記第２のカメラの配置は、前記能動的要素の少なくとも一部分を含む垂直視野及び水平視野を提供する、請求項９３に記載の装置。
【請求項９５】
水平視野及び垂直視野が選択されて前記能動的要素の略全てを含む容積を検出する、請求項９３に記載の装置。
【請求項９６】
前記カメラの軸を通る水平視野は、前記能動的要素の前記軸を通る水平面により定義される平面に略平行するか、又は前記平面と鋭角をなす、請求項９３に記載の装置。
【請求項９７】
前記第１のカメラ及び前記第２のカメラは、能動的セグメントの縦軸の両側に配置されるように前記筐体内に配置される、請求項９３に記載の装置。
【請求項９８】
前記第１のカメラ及び前記第２のカメラは、能動的セグメントの縦軸に向かって傾斜する、請求項９３に記載の装置。
【請求項９９】
前記プロジェクタは、前記筐体内に能動的セグメントの縦軸と実質的に水平において位置合わせされて位置決めされる、請求項９３に記載の装置。
【請求項１００】
前記プロジェクタは、前記筐体内に能動的セグメントの縦軸に対して傾斜した収束する関係で位置決めされる、請求項９３に記載の装置。
【請求項１０１】
前記装置内に構成され、前記器具の動作を制御する電子構成要素、通信構成要素、及びソフトウェア構成要素をさらに備える、請求項９３に記載の装置。
【請求項１０２】
前記引き金と協働するように構成された触覚フィードバック機構をさらに備える、請求項９３に記載の装置。
【請求項１０３】
外科器具の引き金を置換するように構成される触覚フィードバック機構をさらに備える、請求項９３に記載の装置。
【請求項１０４】
前記触覚フィードバック機構は、機構内の鋏型リンケージに結合された少なくとも１つの位置回復要素をさらに備える、請求項１０２に記載の装置。
【請求項１０５】
前記触覚フィードバック機構は、機構と共に鋏型リンケージに結合されて、リンケージの移動又は応答の範囲を制御可能に変更する少なくとも１つの制約要素をさらに備える、請求項１０２に記載の装置。
【請求項１０６】
前記触覚フィードバック機構は、前記引き金と並んで配置されるように構成される、請求項１０２に記載の装置。
【請求項１０７】
前記触覚フィードバック機構は、前記引き金を覆って配置されるように構成される、請求項１０２に記載の装置。
【請求項１０８】
機構の移動の特徴は、前記筐体内の構成要素に通信される、請求項１０２に記載の装置。
【請求項１０９】
器具上追跡装置が取り付けられたハンドヘルド外科器具を使用してコンピュータ支援手術処置を実行する方法であって、
前記器具上追跡装置を使用してコンピュータ支援手術データを収集し処理すること、
前記コンピュータ支援手術処置中、データをリアルタイムで評価すること、
前記器具上追跡装置を使用してＣＡＳ関連動作を実行することであって、前記ＣＡＳ関連動作は、
器具の動作の制御、前記器具の速度の制御、及びＣＡＳステップに関連するガイダンスのユーザへの提供
のうちの少なくとも２つから選択される、前記実行すること、
前記器具の動作を制御するか、前記器具の速度を制御するか、又は前記器具の速度を調整するガイダンスを前記ユーザに提供すること、
外科器具のユーザに、前記評価するステップに関連する出力を提供すること、
を備える、方法。
【請求項１１０】
前記提供するステップは、コンピュータ支援手術処理ステップに関連する出力の表示、投影、又は指示のうちの１つ又は複数をさらに含む、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１１】
前記提供するステップは実質的に、前記外科器具に取り付けられた前記器具上追跡装置により前記ユーザに提供される、請求項１１０に記載の方法。
【請求項１１２】
前記提供するステップの前記出力は、触覚指示、触知指示、音声指示、又は視覚的指示のうちの１つ又は複数をさらに含む、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１３】
前記触覚指示は温度指示を含む、請求項１１２に記載の方法。
【請求項１１４】
前記触知指示は力指示又は振動指示を含む、請求項１１２に記載の方法。
【請求項１１５】
前記出力を提供することは、前記器具上追跡装置の構成要素により実行される、請求項１１２に記載の方法。
【請求項１１６】
前記評価することは、前記器具上追跡装置から受信されるデータと、コンピュータ支援手術の手術計画を使用して提供されるデータとを比較することをさらに含む、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１７】
前記評価において実行されるデータ処理ステップは、前記器具上追跡装置から受信される情報に基づいて適合される、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１８】
前記情報は、関わる手術野情報からの視覚データ、前記器具上追跡装置のセンサからのデータ、前記外科器具の動作特徴に関連する取得されたデータのうちの１つ又は複数に関連する、請求項１１７に記載の方法。
【請求項１１９】
前記出力は、前記評価の結果に応答して、前記外科器具の性能パラメータを調整するために自動的に生成される制御信号である、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１２０】
前記性能パラメータは、器具切断速度の変更又は器具動作の停止を含み、
提供するステップの前記出力は、電力器具の動作（切断速度の変更及び／又はその停止）を制御する電子回路をさらに含む、請求項１１９に記載の方法。
【請求項１２１】
前記評価の結果に基づいて、コンピュータ支援手術処理モードを決定することをさらに含む、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１２２】
前記決定するステップは、取り付けられた基準フレームを通して視野内で追跡される要素の位置又は位置の組み合わせ等の手術野内の物理的パラメータ、基準フレーム入力、投影画像、センサから検出される移動、計算からの移動検出、コンピュータ支援手術処置の全体の進行、事前に準備されたコンピュータ支援手術計画からの測定又は予測されるずれのうちの１つ又は複数の評価に基づく、請求項１２１に記載の方法。
【請求項１２３】
前記決定するステップは、いくつかの所定の処理モードのうちの１つを選択することを含む、請求項１２１に記載の方法。
【請求項１２４】
前記所定の処理モードはホバリングモード、部位接近モード、及び能動的ステップモードである、請求項１２３に記載の方法。
【請求項１２５】
前記所定の処理モードはホバリングモードであり、
前記器具上追跡装置から受信されるデータは、ホバリングモードＣＡＳアルゴリズムを使用して処理される、請求項１２４に記載の方法。
【請求項１２６】
前記提供するステップは、前記ホバリングモードＣＡＳアルゴリズムを、前記器具上追跡装置を使用して受信したデータに適用する結果として生成される出力を含む、請求項１２５に記載の方法。
【請求項１２７】
前記所定の処理モードは、部位接近モードであり、
前記器具上追跡装置から受信されるデータは、部位接近モードＣＡＳアルゴリズムを使用して処理される、請求項１２４に記載の方法。
【請求項１２８】
前記提供するステップは、前記部位接近モードＣＡＳアルゴリズムを、前記器具上追跡装置を使用して受信されるデータに適用する結果として生成される出力を含む、請求項１２７に記載の方法。
【請求項１２９】
前記所定の処理モードは、能動的ステップモードであり、
前記器具上追跡装置から受信されるデータは、能動的ステップモードＣＡＳアルゴリズムを使用して処理される、請求項１２４に記載の方法。
【請求項１３０】
前記提供するステップは、前記能動的ステップモードＣＡＳアルゴリズムを、前記器具上追跡装置を使用して受信されるデータに適用する結果として生成される出力を含む、請求項１２９に記載の方法。
【請求項１３１】
前記所定の処理モードのそれぞれは、コンピュータ支援手術コンピュータ又は前記器具上追跡装置に搭載される処理システムにより利用される１つ又は複数の処理ファクタを調整する、請求項１２３に記載の方法。
【請求項１３２】
ＯＴＴ  ＣＡＳ処理モードファクタは、カメラフレームサイズ；ＯＴＴカメラの向き；所望の調整によるカメラソフトウェアプログラム又はファームウェアへの調整；カメラの水平視野、垂直視野、又は前記水平視野及び前記垂直視野の両方内の関心領域のサイズを変更するようなＯＴＴカメラ又は他のカメラ画像出力への調整；調整可能なカメラレンズ調整又は位置決めの駆動信号；画像フレームレート；画像出力品質；リフレッシュレート；フレームグラッバレート；基準フレーム２；基準フレーム１；基準フレーム基準選択オン；基準フレーム基準選択オフ；視覚的スペクトル処理；ＩＲスペクトル処理；反射スペクトル処理；ＬＥＤ又は照明スペクトル処理；外科器具モータ／アクチュエータ速度及び方向、全体的なＣＡＳ処置進行；特定のＣＡＳステップ進行；画像データアレイ変更；ＯＴＴピコプロジェクタリフレッシュレート；ＯＴＴピコプロジェクタ精度；１つ又は複数の画像セグメント化技法；ＣＡＳ進行に基づく画像部分の１つ又は複数の論理に基づく抽出；信号対雑音比調整；１つ又は複数の画像増幅プロセス、１つ又は複数の撮像フィルタリングプロセス；画像レートの動的リアルタイム強化又は低減のための加重平均又は他の係数の適用、ピクセル又はサブピクセル視覚的処理；手ぶれ補償；鋸、ドリル、又は他の電気外科器具の機器に基づくノイズの補償及び前記ＯＴＴからの情報に基づく振動補償プロセスのうちの１つ又は複数から、それぞれ単独で、又は任意の組み合わせで選択される、請求項１３１に記載の方法。
【請求項１３３】
前記出力は、前記所定の処理モードのうちの１つの選択の結果に基づいて調整される、請求項１２３に記載の方法。
【請求項１３４】
前記出力は、前記器具上追跡装置のプロジェクタを用いて前記ユーザに提供される、請求項１３３に記載の方法。
【請求項１３５】
プロジェクタの出力は、前記プロジェクタの出力の表示中に提示される手術部位の物理的特徴に基づいて調整される、請求項１３４に記載の方法。
【請求項１３６】
前記物理的特徴は、前記プロジェクタの出力に利用可能なサイズの一部分の形状；プロジェクタ投影野内のトポロジ及び前記プロジェクタの出力に利用可能な部位の一部分への前記プロジェクタの向きのうちの１つ又は複数である、請求項１３５に記載の方法。
【請求項１３７】
前記プロジェクタの出力は、前記外科器具が手術部位で使用されている間に、前記外科器具の前記ユーザに可視の情報を含む、請求項１３４に記載の方法。
【請求項１３８】
前記プロジェクタの出力は、手術計画に従った前記外科器具の能動的要素の手術野内への位置決めに関連する位置、相対移動、向き、又は他のナビゲーションパラメータを示す、前記外科器具の前記ユーザに可視の情報を含む、請求項１３４に記載の方法。
【請求項１３９】
ＣＡＳ出力を前記ユーザに出力することは、膝に関連する手術処置中に実行される前記ステップのうちの１つの結果として変更される、請求項１０９〜１３８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４０】
前記出力を提供することは、前記出力をシステム画面、ＯＴＴのＧＵＩインタフェース、又はモバイル装置画面に表示することをさらに含む、請求項１０９〜１３８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４１】
ＯＴＴ  ＣＡＳ処理技法又は出力は、膝に関連する手術処置中に実行される前記ステップのうちの１つの結果として変更される、請求項１０９〜１３８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４２】
遠位大腿骨外側顆の切断、遠位大腿骨内側顆の切断、遠位大腿骨前方の切断、遠位大腿骨外側後顆の切断、遠位大腿骨内側後顆の切断、遠位大腿骨前方面取りの切断、遠位大腿骨外側後顆面取りの切断、遠位大腿骨内側後顆面取りの切断、近位頸骨の切断を含む、ユーザが膝へのコンピュータ支援手術処置の１つ又は複数のステップを実行する結果として、ＣＡＳ出力を前記ユーザに出力するステップが変更され、ＯＴＴ  ＣＡＳ処理技法又は出力が変更される、請求項１〜１４１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４３】
遠位大腿骨外側顆の切断、遠位大腿骨内側顆の切断、遠位大腿骨前方顆の切断、遠位大腿骨外側後顆の切断、遠位大腿骨内側後顆の切断、遠位大腿骨前方面取りの切断、遠位大腿骨外側後顆面取りの切断、遠位大腿骨内側後顆面取りの切断、遠位大腿骨顆間窩の切断（必要とされる場合）、遠位大腿骨安定化支柱のキャビティの穿孔、近位頸骨の切断、近位頸骨キールの切断、又は近位頸骨キールの穿孔を含む、前記ユーザが膝へのコンピュータ支援手術処置の１つ又は複数のステップを実行する結果として、ＣＡＳ出力を前記ユーザに出力するステップが変更され、ＯＴＴ  ＣＡＳ処理技法又は出力が変更される、請求項１０９〜１３９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４４】
ＣＡＳ出力を前記ユーザに出力することは、肩、股関節、足首、椎骨、又は肘のうちの１つに関連する手術処置中に実行される前記ステップのうちの１つの結果として変更される、請求項１０９〜１３８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４５】
ＯＴＴ  ＣＡＳ処理技法又は出力は、肩、股関節、足首、椎骨、又は肘のうちの１つに関連する手術処置中に実行される前記ステップのうちの１つの結果として変更される、請求項１０９〜１３９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４６】
データを評価することは、器具上追跡装置内の処理システムを使用して実行される、請求項１〜１４５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４７】
ＯＴＴ  ＣＡＳ処理ステップの実行に関連する前記処理システムがアクセス可能な電子メモリ内に含まれる電子命令がある、請求項１４６に記載の方法。
【請求項１４８】
データを評価することは、器具上追跡装置と通信する処理システムを使用して実行される、請求項１０９〜１４５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４９】
ＯＴＴ  ＣＡＳ処理ステップの実行に関連する前記処理システムがアクセス可能な電子メモリ内に含まれる電子命令がある、請求項１４８に記載の方法。
【請求項１５０】
コンピュータ支援手術を実行するシステムであって、
器具の手術機能に対応する能動的要素を有する外科器具と、
前記外科器具の少なくとも一部分と係合するように構成された筐体を使用して、前記器具に結合された器具上追跡装置と、
前記外科器具及び手術野に関連する撮像情報を取得するように構成された、前記筐体内の少なくとも１台のカメラと、
前記外科器具の能動的要素又はその近傍に投影出力を提供するように構成された、前記筐体内のプロジェクタと、
前記器具上追跡装置から少なくとも部分的に得られたデータを使用してコンピュータ支援手術処置を実行し、且つ手術のステップ中に使用される出力を提供する、電子メモリ内に記憶されたコンピュータ可読命令を有するコンピュータと、
を備える、システム。
【請求項１５１】
前記プロジェクタは、出力を患者の生体構造、手術シーン内の表面、電子装置、又は前記プロジェクタの出力範囲内の他の物体の一部分に投影する投影機能のうちの１つ又は複数をさらに備える、請求項１５０に記載のシステム。
【請求項１５２】
前記コンピュータは前記筐体内にある、請求項１５０に記載のシステム。
【請求項１５３】
前記コンピュータは、前記器具上追跡装置とは別個であり、有線又は無線接続を介して接続される、請求項１５０に記載のシステム。
【請求項１５４】
コンピュータ可読命令は、請求項１０９〜１４９のいずれか一項に記載の方法を実行する命令をさらに含む、請求項１５０に記載のシステム。
【請求項１５５】
器具上追跡装置は、請求項５７〜１０８のいずれか一項に記載の要素のうちの１つ又は複数を有する、請求項１５０又は１５２に記載のシステム。
【請求項１５６】
請求項２０〜５６のいずれか一項に記載の１つ又は複数の基準フレーム及び関連付けられた方法と併用されるように適合され構成される、請求項１５０に記載のシステム。
【請求項１５７】
請求項１〜１９のいずれか一項に記載の触覚フィードバック機構と組み合わせて使用するように適合され構成される、請求項１５０又は１５２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンピュータ支援手術の分野に関する。特に、本発明は、手術処置中に器具上の追跡システムがガイダンス又はアシスタンスを提供する手術室の様々な側面に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの手術処置は、多くの位置合わせジグ及び入り組んだ軟組織の処置を必要とする複雑な処置である。位置合わせジグの準備及び配置並びに他の準備は多くの場合、処置の重要な部分である。例えば、人工膝全置換処置（「ＴＫＲ:knee replacement procedure」）を実行する場合、人工器官を正確に移植し、関節面が適宜位置合わせされることを保証しなければならない。位置合わせが不正確な場合、位置合わせずれは最終的に関節の故障に繋がるおそれがあり、膝人工器官の１つ又は複数の部分を置換する複雑な作業を必要とする。
【０００３】
人工器官が正確に移植されることを保証するために、ＴＫＲ処置中、外科医は大腿骨及び頸骨の切断をガイドする様々なジグを使用する。ジグは、手術処置中、患者に配置し取り付けるために多くの時間及び熟練を必要とする複雑な装置である。
【０００４】
コンピュータ支援手術（ＣＡＳ:computer assisted surgery）の出現は、手術処置の複雑性の多くを簡易化する可能性を提供する。切断ジグ、器具、及び患者を監視するように構成された別室に基づく追跡システムを利用する従来のシステムが開発されてきた。幾つかの場合、コンピュータを使用して、プロセス中に外科医をガイドし得る。器具のより近くに室内カメラを配置することが提案されている。しかし、手術処置のリアルタイムで動的な環境という難問に対処するために、改良が必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
コンピュータ支援手術は見込みがあるが、システムを商業的に実現可能にするとともに、外科医にとって有用にするために対処すべき多くの側面がある。ＣＡＳデータを処理する手順の効率及び／又は品質並びにユーザへのより有用な出力を改良するために、改良を必要とするコンピュータ支援手術の多くの側面が存在し続けている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様では、触覚フィードバック機構は、第１のプラットフォームと、第２のプラットフォームと、第２のリンケージに結合された第１のリンケージにより形成される鋏型リンケージであって、鋏型リンケージは第１のプラットフォームと第２のプラットフォームとの間に延び、第１のリンケージの第１の端部は第１のプラットフォームに結合され、第１のリンケージの第２の端部は第２のプラットフォームに結合され、第２のリンケージの第１の端部は第１のプラットフォームに結合され、第２のリンケージの第２の端部は第２のプラットフォームに結合される、鋏型リンケージと、鋏型リンケージに結合され、第１のプラットフォームと第２のプラットフォームとの相対移動の力応答を調整する、少なくとも１つの位置回復要素とを備える。幾つかの態様では、少なくとも１つの位置回復要素は、第１のリンケージの第１の端部と第２のリンケージの第２の端部との間に結合される。別の態様では、少なくとも１つの位置回復要素は、第２のプラットフォームに沿って延び、鋏型リンケージに結合されて、第２のプラットフォームに相対する第２のリンケージの第２の端部の移動を調整する。一実施形態では、第１のプラットフォーム及び第２のプラットフォームは、外科器具の引き金と一緒に、部分的に外科器具の引き金を覆い、部分的に囲み、部分的に超えて、又は完全に超えて動作するように構成される。一実施形態では、引き金カバーが、引き金と係合するために第１のプラットフォーム内に配置される。
【０００７】
触覚フィードバック機構のさらに別の構成では、鋏型リンケージに結合され、第１のプラットフォームと第２のプラットフォームとの相対移動の力応答を調整する少なくとも１つの位置回復要素が提供され、第１のプラットフォームと第２のプラットフォームとの間に延びるように結合される。さらに、鋏型リンケージに結合され、第２のプラットフォームに沿って延びる位置回復要素を提供し得る。触覚フィードバック機構の特定の一構成では、位置回復要素は、第２のリンケージの第２の端部に結合された戻しばねであり、戻しばねに結合されたオーバーライドばねがあり、オーバーライドばねに結合されたアクチュエータであってもよい。触覚フィードバック機構の別の実施形態では、位置回復要素は、第２のプラットフォームに相対する鋏型リンケージの第２の端部の移動に張力下で結合されたばねである。さらに別の位置回復得要素構成では、ばねが、第２のプラットフォームに相対する鋏型リンケージの第２の端部の移動に圧縮下で結合される。幾つかのフィードバック機構では、第２のプラットフォームの開口部から延び、鋏型リンケージに結合されるシャフトもあり、鋏型リンケージの移動は、開口部に相対するシャフトの対応する移動を生み出す。シャフトの代替としては、例えば、可撓性シャフト部、ケーブル部、中空シャフト部、又は可撓性リンケージ部が挙げられる。
【０００８】
さらに他の構成では、触覚フィードバック機構の一実施形態は、コンピュータ支援手術で使用されるように構成された器具上追跡装置の一実施形態と併せて使用し得る。そのようなＯＴＴ装置は、例えば、シャフトの相対移動を、コンピュータ支援手術処置で使用される信号に変換するように適合され構成される、器具上追跡装置内で協働する構成要素又は一連の構成要素を含む。一態様では、構成要素は、アクチュエータ、ソレノイド、モータ、電位差計、線形電位差計、線形エンコーダ、又はケーブルに隣接して位置決めされ、ケーブルを見当合わせし、変位を測定する他の装置であり得る。一態様では、ケーブルの移動は、外科器具の引き金の動作を示す信号に関連する。さらなる実施形態では、同じ構成要素又は異なる構成要素が、アクチュエータとしても動作して、シャフトを移動させ、第１のプラットフォームと第２のプラットフォームとの相対移動に影響を及ぼし得る。これらの様々な構成要素及び機能はそれぞれ、コンピュータ支援手術処置中、外科器具の動作の制御に関連する信号に応答して、シャフトを移動させるか、又はシャフトに応答するような構成のサポートで使用される。
【０００９】
別の実施形態では、コンピュータ支援手術処置に使用される基準フレームが提供される。基準フレームは、外周により区切られた表面を有するフレームと、フレームから延びるステムと、ステムの結合部と、処置に関連する手術野内の生体構造の一部に係合するように構成された第１の表面及び結合部に係合する第２の表面を有するベースとを含む。幾つかの構成では、結合部上の少なくとも１つの見当合わせ要素と、第２の表面上の少なくとも１つの見当合わせ要素とも提供し得、見当合わせ要素は、結合部が第２の表面に結合する場合、協働して嵌合するように適合され構成される。さらなる構成では、結合部上の複数の見当合わせ要素と、第２の表面上の複数の見当合わせ要素とを備え、結合部上の見当合わせ要素の部分は、第２の表面上の見当合わせ要素の部分と係合する場合、フレームを手術野内の第１の向きに向ける。一態様では、複数の見当合わせ要素のうちの他の見当合わせ要素と係合するための第２の表面の結合部間の移動により、手術野内の第２の異なる向きにフレームが位置決めされる。幾つかの態様では、第１及び第２の向きは、既知の位置であり、手術の事前計画に使用される。基準フレームは、生体構造に係合する表面及び特定の生体構造標的と嵌合するための固定要素又は構成用のアパーチャ等の他の特徴を含み得る。別の態様では、請求項１に記載の基準フレームが提供され、この基準フレームは、フレーム及びフレームから延びるステムを有する基準フレームガイドをさらに備え、ステムは、生体構造特徴に係合し、基準フレームの配置を支援するように構成された湾曲又は形状を有する。一態様では、基準フレームガイドは、フレームに沿い、基準フレームの外周又は部分に一時的に係合して、基準フレームに関連付けられたベースを適切に位置決めし調整できるようにする１つ又は複数の係合要素をさらに備える。一態様では、骨生体構造の部分が、顆に関連するステムの配置に関連する。別の態様では、基準フレームは、結合部及び第２の表面の相対位置及び向きを維持するように適合され構成されたマウント結合部を含む。一態様では、マウント結合部は、マウント結合部がベースに嵌合する場合、マウント結合部が基準フレームの内部内にあるように、基準フレームに提供される。別の態様では、マウント結合部は、マウント結合部が基準フレームに取り付けられる場合、マウント結合部が実質的又は完全に、結合部と第２の表面との嵌合接触エリアを囲むように、基準フレームに提供される。
【００１０】
別の代替の実施形態では、手術野内でコンピュータ支援手術処置を実行する方法が、第１に、第１の基準フレームを手術野の第１の位置に取り付けるステップ、次に、第２の基準フレームを手術野の第２の位置に取り付けること、そしてその後、第１及び第２の基準フレームの両方から得られるコンピュータ支援処置中に使用される位置決め情報を維持しながら、外科器具を使用する処置の能動的ステップを開始することを備える。代替の一態様では、生体構造の部分に取り付けられた第１及び／又は第２の基準フレームから得られるコンピュータ支援手術処置中に使用される位置決め情報を維持しながら、処置のステップ中、又は処置の一環として、生体構造の部分に相対する外科器具の位置を調整するステップがある。代替の一実施形態では、第１及び／又は第２の基準フレームのいずれか一方から得られるコンピュータ支援手術処置中に使用される位置決め情報を維持しながら、処置のステップ中、又は処置の一部分において、外科器具をホバリングさせるステップもある。さらなる態様では、開始するステップ、調整するステップ、又はホバリングするステップのうちの１つ又は複数を含む方法があり、膝へのコンピュータ支援手術処置の１つ又は複数のステップを促進するために実行される。さらなる代替では、遠位外側顆の切断、遠位内側顆の切断、前方の切断、外側後顆の切断、内側後顆の切断、前方面取りの切断、外側後顆面取りの切断、内側後顆面取りの切断、大腿骨顆間窩の切断、手術部位の部分の穿孔、及び頸骨の切断を含む膝へのコンピュータ支援手術処置の１つ又は複数のステップを含む方法がある。さらに別の代替の実施形態では、方法は、取り付けるステップの完了後、第１の基準フレーム及び第２の基準フレームを第１の位置及び第２の位置にそれぞれ維持し、手術野に相対する基準フレームの位置の向きを変更し、その後、コンピュータ支援手術処置の部分の変更された向きからの位置情報を使用しながら進められる。さらなる態様では、初期の向き及び変更後の向きの両方での第１の基準フレーム及び第２の基準フレームの向きに関連する位置情報が、コンピュータ支援手術の事前計画プロセスの部分として使用される。
【００１１】
別の代替の実施形態では、器具上追跡・ガイド装置がある。一態様では、装置は、外科器具の部分と着脱可能に係合する表面を有する筐体と、構成内の第１のカメラ及び任意選択的に第２のカメラであって、第１のカメラ及び第２のカメラ（提供される場合）のそれぞれは、コンピュータ支援手術処置に選択された手術野の略全て又は部分を閲覧するために選択された画像出力を提供する、第１のカメラ及び第２のカメラとを有する。一態様でのＯＴＴ装置は、進行中のＯＴＴ  ＣＡＳプロセスについての情報をユーザに伝達する出力装置を含み得る。さらに他の態様では、ＯＴＴ装置は、少なくとも部分的に手術視野内に出力を提供するように構成されたプロジェクタを含み得る。ＯＴＴ装置の様々な実施形態は、本明細書に記載されるように、広範囲の電子画像処理機能及び画像通信機能を筐体内に組み込み得る。さらに、追加の実施形態は、ＯＴＴ装置の実施形態により提供される１台、２台、又は３台以上のカメラのそれぞれから出力を受信するように構成し得る。追加として、又は任意選択的に、ＯＴＴ装置の電子機能及び処理機能は、広範囲のデジタル処理機能の実行に利用し得る。一態様では、ＯＴＴと共に含まれる電子回路は、コンピュータ支援手術処置に使用されるように構成された２台のカメラからの出力の少なくとも部分を使用して、画像処理動作を実行する。一態様では、ＯＴＴ装置との併用に選択されるカメラは、第１及び第２のカメラから約７０ｍｍ〜約２００ｍｍ、又は任意選択的に約５０ｍｍ〜約２５０ｍｍのところに視野を含む。さらに他の範囲及びカメラ構成を、様々な他の実施形態において使用し得る。
【００１２】
さらなる実施形態では、外科器具の部分と解放可能に係合するＯＴＴ筐体表面は、筐体との係合に選択される外科器具又は変更された外科器具の部分と相補的な湾曲を形成するような形状であり、幾つかの場合では、外科器具は、筐体表面との解放可能な係合に適応するように変更される。一例では、外科器具の部分と解放可能に係合する表面は、表面が外科器具に結合される場合、外科器具の能動的セグメントの少なくとも部分が水平視野及び垂直視野内にあるように適合され構成される。
【００１３】
さらなる態様では、プロジェクタは、プロジェクタからの出力が、筐体に取り付けられた外科器具に関連付けられた能動的要素又はその近傍に投影され、プロジェクタからの出力が、患者の生体構造の部分又は手術シーン内の手術野表面上若しくは表面内に投影されるように適合され、適合プロセスにより、生体構造の曲線、凹凸、又は状況に向けて調整された適合プロジェクタ出力を与える等の属性を含み得る。一態様では、プロジェクタはピコプロジェクタである。
【００１４】
一実施形態では、器具上追跡装置が取り付けられたハンドヘルド外科器具を使用してコンピュータ支援手術処置を実行する方法があり、この方法は、器具上追跡装置を使用してコンピュータ支援手術データを収集し処理すること、コンピュータ支援手術処置中、データをリアルタイムで評価すること、器具上追跡装置を使用してＣＡＳ関連動作を実行することであって、ＣＡＳ関連動作は、器具の動作の制御、器具の速度の制御、及びＣＡＳステップに関連するガイダンスのユーザへの提供のうちの少なくとも２つから選択される、実行すること、器具の動作を制御するか、器具の速度を制御するか、又は器具の速度を調整するガイダンスをユーザに提供すること、並びに外科器具のユーザに、評価するステップに関連する出力を提供することを含む。追加又は代替の態様では、コンピュータ支援手術処置ステップに関連する出力を表示すること、投影すること、又は指示することもあり得る。
【００１５】
追加又は代替の態様では、触覚指示、触知指示、音声指示、又は視覚的指示のうちの１つ又は複数を含む出力もあり得、触覚指示は温度指示を含み、触知指示は力指示又は振動指示を含む。さらなる態様では、出力は評価するステップの結果に応答して、外科器具の性能パラメータを調整するために自動的に生成される制御信号である。他の態様では、性能パラメータは、器具切断速度の変更又は器具動作の停止を含み、提供するステップの出力は、電力器具の動作（切断速度の変更及び／又はその停止）を制御する電子回路をさらに含む。追加又は代替の態様では、取り付けられた基準フレームを通して視野内で追跡される要素の位置又は位置の組み合わせ等の手術野内の物理的パラメータ、基準フレーム入力、投影画像、センサから検出される移動、計算からの移動検出、コンピュータ支援手術処置の全体の進行、事前に準備されたコンピュータ支援手術計画からの測定又は予測されるずれのうちの１つ又は複数の評価に基づく決定するステップがあり得る。さらに、決定するステップは、例えば、ホバリングモード、部位接近モード、及び能動的ステップモード等のいくつかの所定の処理モードのうちの１つを選択する。これらの各モードでは、特定の出力、処理技法、及びＣＡＳデータに適用されるアルゴリズムがある。
【００１６】
さらなる態様では、ＯＴＴ  ＣＡＳ処理モードファクタは、カメラフレームサイズ；ＯＴＴカメラの向き；所望の調整によるカメラソフトウェアプログラム又はファームウェアへの調整；カメラの水平視野、垂直視野、又は水平視野及び垂直視野の両方内の関心領域のサイズを変更するようなＯＴＴカメラ又は他のカメラ画像出力への調整；調整可能なカメラレンズ調整又は位置決めの駆動信号；画像フレームレート；画像出力品質；リフレッシュレート；フレームグラッバレート；基準フレーム２；基準フレーム１；基準フレーム基準選択オン；基準フレーム基準選択オフ；視覚的スペクトル処理；ＩＲスペクトル処理；反射スペクトル処理；ＬＥＤ又は照明スペクトル処理；外科器具モータ／アクチュエータ速度及び方向、全体的なＣＡＳ処置進行；特定のＣＡＳステップ進行；画像データアレイ変更；ＯＴＴピコプロジェクタリフレッシュレート；ＯＴＴピコプロジェクタ精度；１つ又は複数の画像セグメント化技法；ＣＡＳ進行に基づく画像部分の１つ又は複数の論理に基づく抽出；信号対雑音比調整；１つ又は複数の画像増幅プロセス、１つ又は複数の撮像フィルタリングプロセス；画像レートの動的リアルタイム強化又は低減のための加重平均又は他の係数の適用、ピクセル又はサブピクセル視覚的処理；手ぶれ補償；鋸、ドリル、又は他の電気外科器具の機器に基づくノイズの補償及びＯＴＴからの情報に基づく振動補償プロセスのうちの１つ又は複数から、それぞれ単独で、又は任意の組み合わせで選択されるがある。
【００１７】
さらに他の態様では、出力は、器具上追跡装置のプロジェクタを用いてユーザに提供される。加えて、プロジェクタの出力は、プロジェクタ出力の表示中に提示される手術部位の物理的特徴に基づいて調整される。物理的特徴が、プロジェクタ出力に利用可能なサイズの部分の形状；プロジェクタ投影野内のトポロジ及びプロジェクタ出力に利用可能な部位の部分へのプロジェクタの向きのうちの１つ又は複数であることを理解されたい。任意選択的に、ＯＴＴ装置上のプロジェクタ又はディスプレイは、外科器具が手術部位で使用されている間に、外科器具のユーザに可視の情報を含む出力を有する。さらなる態様では、ＯＴＴ装置上のプロジェクタ又はディスプレイの出力は、手術計画に従った外科器具の能動的要素の手術野内への位置決めに関連する位置、相対移動、向き、又は他のナビゲーションパラメータを示す、外科器具のユーザに可視の情報を含む。さらに、ＯＴＴ装置からの出力を提供するステップは、出力をシステム画面、ＯＴＴのＧＵＩインタフェース、又はモバイル装置画面に表示することを含み得る。
【００１８】
さらなる態様では、ＣＡＳ出力をユーザに出力する任意の上記ステップは、任意選択的に変更され、ＯＴＴ  ＣＡＳ処理技法又は出力は、膝へのコンピュータ支援手術処置の１つ又は複数のステップをユーザが実行した結果として変更され、膝へのコンピュータ支援手術処置は、遠位大腿骨外側顆の切断、遠位大腿骨内側顆の切断、遠位大腿骨前方の切断、遠位大腿骨後方顆の切断、遠位大腿骨内側後顆の切断、遠位大腿骨前方面取りの切断、遠位大腿骨外側後顆面取りの切断、遠位大腿骨内側後顆面取りの切断、近位頸骨の切断を含む。さらに他の代替では、本明細書におけるＣＡＳ出力をユーザに出力する方法は、肩、股関節、足首、椎骨、又は肘のうちの１つに関連する手術処置中に実行される上記ステップのうちの１つの結果として変更される。さらに、ＯＴＴ  ＣＡＳ処理技法又は出力は、肩、股関節、足首、椎骨、又は肘のうちの１つに関連する手術処置中に実行される上記ステップのうちの１つの結果として変更される。
【００１９】
コンピュータ支援手術を実行するシステムが提供され、このシステムは、器具の手術機能に対応する能動的要素を有する外科器具と、外科器具の少なくとも部分と係合するように構成された筐体を使用して、器具に結合された器具上追跡装置と、外科器具及び手術野に関連する撮像情報を取得するように構成された、筐体内の少なくとも１台のカメラと、外科器具の能動的要素又はその近傍に投影出力を提供するように構成された、ディスプレイ又は任意選択的にプロジェクタ等の、筐体内の出力装置と、器具上追跡装置から少なくとも部分的に得られたデータを使用してコンピュータ支援手術処置を実行し、手術のステップ中に使用される出力を提供する、電子メモリ内に記憶されたコンピュータ可読命令を有するコンピュータとを有する。システムがＯＴＴ機能内にプロジェクタを含む場合、プロジェクタは以下：出力を患者の生体構造、手術シーン内の表面、電子装置、又はプロジェクタの出力範囲内の他の物体の部分に投影する投影機能のうちの１つ又は複数をさらに備える。一構成では、コンピュータは筐体内にあり、別では、コンピュータは、器具上追跡装置とは別個であり、有線又は無線接続を介して接続される。さらなる態様では、システムは、上述した任意のＣＡＳモード選択方法を実行するコンピュータ可読命令の１つ又は複数を含む。さらなる態様では、システムは、上述した要素の１つ又は複数を有する器具上追跡装置を含み得る。システムは、１つ又は複数の基準フレーム及び本明細書に記載の関連付けられた方法と併用されるように適合され構成し得る。さらなる態様では、システムは、本明細書に記載の触覚フィードバック機構と組み合わせて使用されるように適合され構成される。
【００２０】
本発明の新規の特徴が、特に以下の特許請求の範囲に記載される。本発明の特徴及び利点のよりよい理解が、本発明の原理が利用される例示的な実施形態を記載する以下の詳細な説明及び添付図面の参照により得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】外科器具に取り付けられた器具上追跡装置の等角図を示す。
【図２】外科器具に取り付けられた器具上追跡装置の等角図を示す。
【図３】内部構成要素を示すためにカバーが取り除かれた状態の図１の器具上追跡装置の等角図を示す。
【図４】内部構成要素を示すためにカバーが取り除かれた状態の図２の器具上追跡装置の等角図を示す。
【図５】図４の器具上追跡装置の上から下を見た図を示す。
【図６】外科器具とは別個の図５の器具上追跡装置の等角図を示す。
【図７】図５及び図６では見えるが、この図ではＯＴＴ筐体から取り出された電子パッケージ及び制御回路を示す。
【図８Ａ】幾つかのＯＴＴ装置構成でのカメラ角度に基づくカメラ視野変化に関連するグラフィカル情報を提供する。
【図８Ｂ】幾つかのＯＴＴ装置構成でのカメラ角度に基づくカメラ視野変化に関連するグラフィカル情報を提供する。
【図９】幾つかのＯＴＴ装置構成でのカメラ角度に基づくカメラ視野変化に関連するグラフィカル情報を提供する。
【図１０】幾つかのＯＴＴ装置構成でのカメラ角度に基づくカメラ視野変化に関連するグラフィカル情報を提供する。
【図１１Ａ】カメラ角度の変動に関連する追加情報を提供する。
【図１１Ｂ】カメラ角度の変動に関連する追加情報を提供する。
【図１１Ｃ】カメラ角度の変動に関連する追加情報を提供する。
【図１１Ｄ】カメラ角度の変動に関連する追加情報を提供する。
【図１２Ａ】器具上追跡装置と併用されるプロジェクタの側面図を提供する。
【図１２Ｂ】器具上追跡装置と併用される傾斜の向きでのプロジェクタの側面図を提供する。
【図１３Ａ】器具上追跡装置と併用されるプロジェクタの等角図を提供する。
【図１３Ｂ】器具上追跡装置と併用される傾斜の向きでのプロジェクタの等角図及び上面図をそれぞれ提供する。
【図１３Ｃ】器具上追跡装置と併用される傾斜の向きでのプロジェクタの等角図及び上面図をそれぞれ提供する。
【図１４Ａ】幾つかの器具上追跡装置実施形態により使用される幾つかの異なる電子構成要素の概略図をそれぞれ示す。
【図１４Ｂ】幾つかの器具上追跡装置実施形態により使用される幾つかの異なる電子構成要素の概略図をそれぞれ示す。
【図１５Ａ】幾つかの器具上追跡装置実施形態により使用される幾つかの異なる電子構成要素の概略図をそれぞれ示す。
【図１５Ｂ】幾つかの器具上追跡装置実施形態により使用される幾つかの異なる電子構成要素の概略図をそれぞれ示す。
【図１６Ａ】基準フレームの様々な図を示す。
【図１６Ｂ】基準フレームの様々な図を示す。
【図１６Ｃ】基準フレームの様々な図を示す。
【図１７】基準フレームガイドの等角図を示す。
【図１８】図１６Ａの基準フレームに取り付けられた図１７のガイドを示す。
【図１９】移動された図１８の構成要素及び生体構造への取り付け位置を示す。
【図２０】上記取り付けを示す等角図である。
【図２１】ガイドフレームの取り外しを示す。
【図２２】生体構造上の位置に残っているフレームを示す。
【図２３】頸骨上の位置にある別の基準フレームを示す。
【図２４Ａ】基準フレーム及びその構成要素を示す。
【図２４Ｂ】基準フレーム及びその構成要素を示す。
【図２４Ｃ】基準フレーム及びその構成要素を示す。
【図２５】頸骨上の移植部位を示す。
【図２６Ａ】フレームの構成要素を連結する可撓性リンケージを有する別の基準フレーム実施形態を示す。
【図２６Ｂ】フレームの構成要素を連結する可撓性リンケージを有する別の基準フレーム実施形態を示す。
【図２６Ｃ】フレームの構成要素を連結する可撓性リンケージを有する別の基準フレーム実施形態を示す。
【図２７Ａ】代替の基準フレーム表面を示す。
【図２７Ｂ】代替の基準フレーム表面を示す。
【図２８】例示的な膝人工器官の等角図である。
【図２９Ａ】人工膝全置換ＯＴＴ  ＣＡＳ処置を実行する位置にある器具上追跡システム及び関連付けられた外科器具の様々な図を示す。
【図２９Ｂ】人工膝全置換ＯＴＴ  ＣＡＳ処置を実行する位置にある器具上追跡システム及び関連付けられた外科器具の様々な図を示す。
【図２９Ｃ】人工膝全置換ＯＴＴ  ＣＡＳ処置を実行する位置にある器具上追跡システム及び関連付けられた外科器具の様々な図を示す。
【図２９Ｄ】人工膝全置換ＯＴＴ  ＣＡＳ処置を実行する位置にある器具上追跡システム及び関連付けられた外科器具の様々な図を示す。
【図２９Ｅ】人工膝全置換ＯＴＴ  ＣＡＳ処置を実行する位置にある器具上追跡システム及び関連付けられた外科器具の様々な図を示す。
【図２９Ｆ】人工膝全置換ＯＴＴ  ＣＡＳ処置を実行する位置にある器具上追跡システム及び関連付けられた外科器具の様々な図を示す。
【図２９Ｇ】人工膝全置換ＯＴＴ  ＣＡＳ処置を実行する位置にある器具上追跡システム及び関連付けられた外科器具の様々な図を示す。
【図２９Ｈ】人工膝全置換ＯＴＴ  ＣＡＳ処置を実行する位置にある器具上追跡システム及び関連付けられた外科器具の様々な図を示す。
【図２９Ｉ】人工膝全置換ＯＴＴ  ＣＡＳ処置を実行する位置にある器具上追跡システム及び関連付けられた外科器具の様々な図を示す。
【図３０】人工膝全置換ＯＴＴ  ＣＡＳ処置を実行する位置にある器具上追跡システム及び関連付けられた外科器具の図を示す。
【図３１Ａ】例示的なＯＴＴ  ＣＡＳ方法を表すフローチャートである。
【図３１Ｂ】図３１Ａで説明される方法を使用して実行される処理ステップのさらなる詳細を提供するフローチャートである。
【図３２】ＣＡＳ処理モードの決定に使用される処理ステップの例示的なさらなる詳細を提供するフローチャートである。
【図３３】ＣＡＳ処理モードを決定するための入力並びに代表的な出力として検討される幾つかのファクタを図示するフローチャートである。
【図３４】ホバリングモード、部位接近モード、及び能動的ステップモードでのプロセス負荷を特定するために使用される例示的なＯＴＴ  ＣＡＳモード調整処理ファクタを表すフローチャートである。
【図３５】ＯＴＴ  ＣＡＳプロセス適合の結果並びに結果モードアルゴリズム及び変更されたその出力を含む例示的なＯＴＴ  ＣＡＳプロセスを表すフローチャートである。
【図３６】関連付けられた外科器具動作特徴、パラメータ、又は任意のＯＴＴ  ＣＡＳプロセス又は処置での能動的要素の使用に関連する他のデータを含むように、上述した任意のＯＴＴ  ＣＡＳプロセスの変更を含む例示的なＯＴＴ  ＣＡＳプロセスを表すフローチャートである。
【図３７Ａ】引き金力に応答してアクチュエータを移動させるように偏向する湾曲形態を示す。
【図３７Ｂ】引き金力に応答して変形し、形状を回復する摺動台形形態を示す。
【図３７Ｃ】引き金力に応答して回転を提供するために使用される回転リーダ又はエンコーダを示す。
【図３７Ｄ】シャフトの移動を引き金力の表示として登録し得る、引き金力に応答して移動して、シャフトをベースに押下するフレームを示す。
【図３７Ｅ】偏向して、引き金力の量を示し得るピン止め要素を示す。
【図３８Ａ】上昇位置及び下降位置のそれぞれで、引き金力の登録及びシャフトの変位に使用し得る単純な４つのバー機構を示す。
【図３８Ｂ】上昇位置及び下降位置のそれぞれで、引き金力の登録及びシャフトの変位に使用し得る単純な４つのバー機構を示す。
【図３９Ａ】位置回復要素なしの場合の鋏型機構を示す。
【図３９Ｂ】位置回復要素として張力ばねを有する場合の鋏型機構を示す。
【図３９Ｃ】位置回復要素として圧縮ばねを使用する場合の鋏型機構を示す。
【図４０Ａ】上昇構成での鋏型機構の側面図を示す。
【図４０Ｂ】下降構成での鋏型機構の側面図を示す。
【図４０Ｃ】図４０Ａ及び図４０Ｂの鋏型機構８０の変位特徴に関するチャートである。
【図４０Ｄ】図４０Ａ及び図４０Ｂの鋏型機構８０の変位特徴に関するチャートである。
【図４１】外科医システムオーバーライド機能を有する別の鋏型機構８０を示す。
【図４２】図４１に示される概略機構と同様の鋏型機構を示す。
【図４３】図４２の機構の動作特徴の説明図を示す。
【図４４】図４２の機構の動作特徴の説明図を示す。
【図４５】触覚フィードバック機構の等角図である。
【図４６Ａ】図４５の機構の構成要素及び動作の様々な図を示す。
【図４６Ｂ】図４５の機構の構成要素及び動作の様々な図を示す。
【図４６Ｃ】図４５の機構の構成要素及び動作の様々な図を示す。
【図４６Ｄ】図４５の機構の構成要素及び動作の様々な図を示す。
【図４６Ｅ】図４５の機構の構成要素及び動作の様々な図を示す。
【図４６Ｆ】図４５の機構の構成要素及び動作の様々な図を示す。
【図４７】図４５の触覚フィードバック機構が外科器具の引き金と相互作用する位置にある状態の、器具（ここでは、鋸）を有する外科器具に搭載された器具上追跡装置の側面図を示し、引き金を覆う、拡張構成触覚フィードバック機構を示す。
【図４８】図４５の触覚フィードバック機構が外科器具の引き金と相互作用する位置にある状態の、器具（ここでは、鋸）を有する外科器具に搭載された器具上追跡装置の側面図を示し、引き金を露出するように折り畳まれた触覚フィードバック機構を示す。
【図４９Ａ】開いた、又は拡張した状態での触覚フィードバック機構の別の代替を示す。
【図４９Ｂ】閉状態での触覚フィードバック機構の別の代替を示す。
【図４９Ｃ】図４９Ａ及び図４９Ｂの装置の内部機構の様々な図を示す。
【図４９Ｄ】図４９Ａ及び図４９Ｂの装置の内部機構の様々な図を示す。
【図４９Ｅ】図４９Ａ及び図４９Ｂの装置の内部機構の様々な図を示す。
【図５０】外科器具の引き金と協働するように搭載され、ＯＴＴ内の構成要素に関連する引き金を送受信するように構成された図４９Ａ及び図４９Ｂの機構の一実施形態を有する外科器具と併用されるように結合されたＯＴＴの一実施形態を示す。
【図５１】２つの位置回復要素を利用する鋏型機構の代替の実施形態の切り欠き図である。
【図５２Ａ】ＯＴＴに結合された引き金に基づくフィードバック機構を有する外科器具に結合されたＯＴＴ筐体と共にディスプレイを含む器具上追跡・ナビゲーション装置（ＯＴＴ:on tool tracking and navigation device）の前方等角図であり、ＯＴＴと通信する例示的なコンピュータシステムも示す。
【図５２Ｂ】ＯＴＴに結合された引き金に基づくフィードバック機構を有する外科器具に結合されたＯＴＴ筐体と共にディスプレイを含む器具上追跡・ナビゲーション装置（ＯＴＴ:on tool tracking and navigation device）の後方等角図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明は、コンピュータ支援整形外科手術を実行するシステム及びそのシステムを操作する新規の器具である。本発明は、任意選択的にコンピュータ支援手術の全ての要素（器具、ディスプレイ、及び追跡）を単一のスマート機器に組み合わせることにより、現在のコンピュータ支援手術システムの制限を解消する。機器は、外部ナビゲーションシステムに頼らず、器具は、器具自体上の全ての追跡機器を自己完結式組立体内に含む。その結果、システム全体は、複雑性が大幅に低減され、外科医にとっての煩わしさが低減され、整形外科手術での既存の診療に統合し易い。
【００２３】
概説として、システムは主要サブシステムで構成される。第１のサブシステムは器具自体であり、器具は、独立式器具上追跡装置を担持するために使用され、又は器具上追跡（on tool tracking：ＯＴＴ）機能を提供するサブシステム又はサブシステムの要素を含むように変更される。変更は、追加のサブシステムに給電し、且つ／又はモータ速度若しくは給電される器具上の他のアクチュエータを停止させ、若しくは制御する変更された電力システム等の追加の構成要素又は複合体を保持するような拡張シャーシ（extended chassis）等の単純なものであり得る。第２のサブシステムは追跡サブシステムであり、追跡サブシステムは、１つ又は複数のトラッカー（tracker）及び１つ又は複数の追跡要素（tracking element）を備える。トラッカーは、可視光又は別の波長からの光に対する感度を有する１つ又は複数のカメラ（立体視）であることができる。あるいは、トラッカーは、電磁トラッカー又は他の非カメラベースのシステムであることができる。追跡要素とは、それが何であれ、トラッカーが追跡するものである。例えば、トラッカーが赤外線カメラである場合、追跡要素は赤外線ＬＥＤ又はカメラ周辺若しくはその他のどこかから発せられる赤外線光の受け身的表面反射（passive surface reflective）である。トラッカーが、可視光に対する感度を有する一対の高分解能カメラである場合、追跡要素は、患者の特定の生体構造又はマーカ若しくは基準フレームを含む生体構造に直接作られた印であることができる。サブシステムは、様々な構成で器具に搭載された１つ又は複数のトラッカーを利用して、１つ又は複数の追跡要素を追跡することができる。一態様では、ＯＴＴ  ＣＡＳ手術を実行するために、トラッカーは器具、患者、及びその他の関連する物体を追跡するために必要なセンサを使用し、少なくとも部分的に、自己完結様式で外科器具に搭載して配置される。ナビゲーションシステムは、追跡サブシステムが器具に相対する追跡要素の位置を計算する際にナビゲートする。
【００２４】
第３のサブシステムは、適切なＣＡＳ計画ソフトウェア及びＯＴＴ  ＣＡＳ機能手術計画を実行するプログラミングを含むＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータシステムである。手術計画は、様々な手段を通して作成することができるが、操作者により意図される切除の寸法（例えば、切断、穿孔、除去すべき組織の容積）を三次元空間内に含む。システムは、患者の生体構造の計算されたトモグラフィ画像（データセット）等の患者の生体構造の基準画像及び基準点としての患者の生体構造の２Ｄ又は３Ｄ視覚モデルを含むこともできる。コンピュータシステムは、追跡システム及び手術計画からのデータを編纂し、器具により意図される切除を定義する境界の相対位置を計算する。幾つかの構成では、コンピュータシステムは完全に別個の構成要素であることができ、その他の構成要素と無線通信する。他の構成では、コンピュータシステムはその他のシステムに統合される。追跡システム及びコンピュータシステムは一緒に、外科医による器具の配置及び移動（手術路）が所望の切除をもたらすか否かを判断することができる。コンピュータサブシステム及び追跡サブシステムが一緒に機能して、手術部位の三次元空間を確立することに留意することが重要である。追跡サブシステムが機能するために必要な要素は、コンピュータサブシステムに配置することができ、又は追跡データをコンピュータサブシステムに送信する何らかの中間モードに配置することができる。
【００２５】
最後のサブシステムは、リアルタイムＯＴＴ  ＣＡＳステップ内の意図される切除に関連すると同様に、外科医による器具の移動に関連してＯＴＴ  ＣＡＳの適切な出力を外科医に提供するインジケータである。インジケータは、手術路を意図される切除に位置合わせ／配置する任意の様々な手段：外科医を正すために指示を合図する光のパネル、音声指示を有するスピーカ、切除の適切な位置の患者の生体構造へのガイド画像若しくはデジタル投影（例えば、ピコプロジェクタによる）が追加された、器具及び患者の３Ｄ表現を表示するＯＴＴ装備器具の画面、タッチスクリーン、又はｉＰｈｏｎｅ若しくはｉＰＡｄのような装置（すなわち、いわゆる「スマートフォン」）であることができる。インジケータは、リアルタイム情報に基づいて正しい切除を行うように外科医をガイドする適切なＯＴＴ  ＣＡＳ出力を提供するように機能する。
【００２６】
これより、特定のサブシステムを参照する。
コンピュータ支援手術の手術室は、術前使用のための第１のコンピュータを含む。例えば、患者の術前解析及び様々な要素の選択を第１のコンピュータで実行し得る。手術室は、ＯＲコンピュータと呼ばれる第２のコンピュータを含むこともでき、ＯＲコンピュータは、処置中に、外科医を支援し、且つ／又は１つ若しくは複数の外科器具を制御するために使用される。加えて、手術室は、器具上追跡システムの一実施形態を介して外科器具に搭載されたコンピュータ（独立式又は別のコンピュータと協働）を含み得る。本例では、第１のコンピュータが提供されるが、そのコンピュータの機能は、独立式であることができるＯＲコンピュータでも実施されるため、幾つかの構成では省き得る。さらに、「術前計画」の全体は最終的に、ＯＴＴと併せて主にＯＲコンピュータを使用してＯＲ内部で瞬時に行うことができる。それにも関わらず、特定の用途で望ましい場合、第１のコンピュータを使用し得る。術前計画及び処置は、オンラインウェブリンクからのデータ又は能動的ガイダンスにより支援することもできる。本明細書において使用される場合、ＣＡＳシステム又はＣＡＳコンピュータという用語は、ＣＡＳ機能を実行するために、任意のコンピュータ及び電子構成要素の組み合わせで提供されるコンピュータ又は電子構成要素を指す。さらに、システムのマイクロ処理ユニットは、器具上追跡機器内に存在することができる。そのような構成では、計算及びユーザインタフェースは、使用されている外科器具上のコンピュータ内で、又は有線若しくは無線通信によりメインシステムコンピュータと協働して実行することができる。無線通信によりメインＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータと協働して、そのようなシステムは、実行すべき理想的な切断に相対する切断機器の位置の誤差解析を実行し、単独で、又はそのためにＯＴＴに設けられる１つ又は複数のプロジェクタにより提供される出力との任意の組み合わせで、器具上トラッカーの部分として提供される画面に是正措置及び他の情報を表示する。
【００２７】
その結果、ＯＴＴ  ＣＡＳの手術室は、（ａ）骨又は他の組織等の患者の構造、（ｂ）ＯＴＴを担持し、ＯＲコンピュータからの情報に基づいて外科医が制御可能な、骨鋸（bone saw）及び／又はＯＴＴ等の外科器具、或いは（ｃ）ポインタ、見当合わせ器具、又は所望の他の物体等の外科医／アシスタントシステムに固有の器具を含む、幾つかの要素の、空間内の位置のリアルタイムでの追跡が可能な追跡／ナビゲーションシステムを含み得る。ＯＲコンピュータ又はＯＴＴは、機器に対して他の何らかの制御を実行することもできる。器具の位置及びＯＴＴからのフィードバックに基づいて、システム又はＣＡＳコンピュータは、外科器具の速度並びに器具の電源オフを変更して、潜在的なダメージを回避することが可能である。さらに、ＣＡＳコンピュータは、可変フィードバックをユーザに提供し得る。付随する説明に示される外科器具は外科用鋸である。ドリル、バー、ファイル、抜髄針、外科用メス、スタイラス、又は他の機器等の多くの他の機器を本明細書に記載のように制御し、且つ／又はナビゲーション可能なことを理解されたい。したがって、以下の考察では、ＯＴＴ対応ＣＡＳシステムは、記載される特定の器具に限定されず、広範囲の機器及び処置に適用される。
【００２８】
さらに後述するように、手術室の例示的な一用途は、処置を実行すべき患者の部分の視覚的モデルの使用を組み込む。特に、処置前、患者の関連する部分の三次元モデルが、ＣＴスキャン、ＭＲＩスキャン、又は他の技法を使用して作成される。術前、外科医は、実際の処置に進むために、患者モデルを閲覧して操作し、戦略を評価し得る。
【００２９】
潜在的な一方法論は、患者モデルを処置中にナビゲーション装置として使用する。例えば、処置前、外科医は、患者の部分の視覚的モデルを解析し、処置中に切除すべき組織を緻密に計算する。次に、モデルを使用して、実際の処置中、外科医をガイドする。特に、処置中、器具上追跡装置は、処置の進行を監視する。実行されるＯＴＴ  ＣＡＳの結果として、進行／結果がＯＲコンピュータ又はＯＴＴモニタ（例えば、搭載ＬＣＤ画面）にリアルタイムで表示され、それにより、外科医は患者モデルに相対して進行を見ることができる。重要なことに、外科医はＯＴＴプロジェクタも提供され、ＯＴＴ  ＣＡＳ処理ステップ（さらに詳細に後述する）に基づいてリアルタイムフィードバックを提供する。
【００３０】
ＯＴＴ  ＣＡＳ処置中にナビゲーション支援を提供するために、器具上追跡装置は、手術野内の関連付けられた外科器具の位置を監視する。ＯＴＴ  ＣＡＳシステムは、行われているＯＴＴ  ＣＡＳ処置の要件に応じて、１つ若しくは複数の位置センサ又は１つ若しくは複数の基準マーカを含む基準フレームを使用しなくてもよく、又は１つ若しくは複数のそのような基準フレームを使用してもよい。上述した任意のマーカを能動的又は受動的構成に利用し得る。マーカは、任意選択的に、システムと通信する有線又は無線のセンサであり得る。能動的マーカは信号を発し、信号はＯＴＴ装置により受信される。幾つかの構成では、受動的マーカは、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムに電気的に接続する必要がない無線マーカである。一般に、受動的マーカは、赤外線光をＯＴＴ装置上の適切なセンサに反射する。受動的マーカを使用する場合、手術視野は赤外線光に曝され、次に、赤外線光はＯＴＴに反射されて受け取られ、それから、受動的マーカのデータ位置がＯＴＴ  ＣＡＳにより特定される。ＯＴＴ装置の幾つかの実施形態には、赤外線送信装置及び赤外線受信器を設け得る。ＯＴＴは、能動的マーカから発せられた光及び受動的マーカから反射された光を、ＯＴＴからの他の視野情報と共に受け取る。ＯＴＴ  ＣＡＳシステムは、計算を実行し、マーカの位置を、手術野内の他の撮像情報と共に含む画像の視覚的処理に基づいて、器具の三次元位置を三角測量する。器具上追跡装置の実施形態は、３つの直交軸に相対するＯＴＴ対応器具の向きを検出するように動作可能である。このようにして、ＯＴＴ装置からの情報を使用して、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムは、器具の位置及び向きを特定し、次に、その情報を使用して、ＯＴＴ  ＣＡＳ処理モードを決定し、ユーザに適切なＯＴＴ  ＣＡＳ出力を生成する。
【００３１】
ＣＡＳで典型的なように、一連のポイント又は表面を使用して、患者の生体構造の位置を患者の仮想モデルに見当合わせ又は相関付ける。この情報を集めるために、ナビゲーションされるポインタを使用して、生体構造の目印でのポイント又は患者の生体構造内の表面上のポイントセットを取得する。モーフィングと呼ばれるプロセスを代替として使用して、患者を、その特定の患者の実際の撮像からのものではなく、アトラス又はデータベースからとられる患者の近似仮想モデルに見当合わせし得る。そのようなプロセス中、外科医は、患者の部位及び幾つかの戦略的生体構造目印をデジタル化する。ＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータは、データを解析し、共通する生体構造特徴を識別し、それにより、仮想モデル上の特定のポイントに対応する患者でのポイントの位置を識別する。
【００３２】
したがって、上述したように、器具上追跡装置は視覚的に、関連付けられた外科器具の位置、患者の位置、及び１つ若しくは複数の基準フレーム又は１つ若しくは複数のマーカ等の処置中に使用される物品の位置を含む幾つかの物品の位置をリアルタイムで監視する。したがって、ＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータは、関連付けられた外科器具の位置に関するＯＴＴ  ＣＡＳデータ、ＯＴＴ画像データ内の視野情報、患者の位置に関するデータ、及び患者のモデルに関するデータを処理する。ＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータプロセスのこの結果は、動的でリアルタイムのインタラクティブな位置及び向きのフォードバック情報を提供し、外科医は、ＯＴＴ装置により提供されるモニタ（提供される場合）上で、又はＯＴＴプロジェクタの表示される出力として、このフィードバック情報を見ることができる。さらに、上述したように、処置前に、外科医は患者モデルを解析し、切除すべき組織及び計画を識別し、又はＯＴＴ  ＣＡＳステップ中又はＣＡＳ処置中に使用する所望のＯＴＴ  ＣＡＳモードを示し得る。次に、この情報を処置中に使用して、ＣＡＳ処理のモード及び他のファクタに基づいて動的に調整された出力を使用して、外科医をガイドすることができる。
【００３３】
図１は、外科器具５０を使用してコンピュータ支援手術中に追跡しガイダンスを提供するように構成された器具上追跡装置（on tool tracking device）（ＯＴＴ）１００の等角図である。ＯＴＴ１００は筐体１０５を有し、筐体１０５は、プロジェクタ出力１１０のための開口部に一対のカメラ１１５を含む。ＯＴＴ１００は、筐体１０５の一部分として外科器具５０と嵌合するように適合され構成された表面１２０を有する。外科器具５０は、能動的要素５６を有する器具５４を操作するための引き金５２を含む。図１の例示的な実施形態では、器具５４は鋸であり、能動的要素５６は鋸の遠位端部のギザギザ縁部である。
【００３４】
図２は、外科器具５０を使用して、コンピュータ支援手術中に追跡しガイダンスを提供するように構成された器具上追跡装置（ＯＴＴ）２００の等角図である。ＯＴＴ２００は筐体２０５を有し、筐体２０５は、プロジェクタ出力２１０のための開口部に一対のカメラ２１５を含む。ＯＴＴ２００は、筐体２０５の一部分として外科器具５０と嵌合するように適合され構成された表面２２０を有する。外科器具５０は、能動的要素５６を有する器具５４を操作するための引き金５２を含む。図２の例示的な実施形態では、器具５４は鋸であり、能動的要素５６は鋸の遠位端部のギザギザ縁部である。
【００３５】
図３及び図４は、筐体の上部カバーが取り外された状態の図１及び図２の器具上追跡装置の等角図である。図３の図では、露出された筐体１０５の内部は、処理回路１３０、プロジェクタ１２５、及びカメラ１１０の配置を示す。プロジェクタ１２５の出力１１０は、この実施形態では、カメラ１１０を含む平面の上の位置に示される。図４の図では、露出された筐体２０５の内部は、処理回路２３０、プロジェクタ２２５、及びカメラ２１５の配置を示す。プロジェクタ２２５の出力２１０は、この実施形態では、カメラ２１５を含む平面の上に、その平面と鋭角をなす位置に示される。
【００３６】
図５、図６、及び図７は、器具上トラッカー（on tool tracker）２００の１つの上から下を見た図及び２つの等角図を表す。図４に示される器具上トラッカーの上から下を見た図では、電子構成要素の向き及び配置が明確に見られる。この構成で使用されるプロジェクタ２２５のタイプにより、プロジェクタは、傾斜して、図６に示されるようにわずかに傾斜した表面に筐体２０５内に位置決めされている。一実施形態では、器具上追跡装置のカメラ又はプロジェクタのうちの一方又は両方は、任意の向きに位置決めし得、各装置の動作へのその向きの結果は、本明細書に記載の他の方法で補償される。このようにして、本明細書に記載のソフトウェア技法を使用して、わずかな物理的位置合わせずれも調整し得るため、様々な異なるＯＴＴ電子の構成要素設計が可能である。図７は、筐体２０５とは別個の器具上トラッカー２００の電子構成要素の等角図を示す。この図は、筐体２０５内に配置するために、カメラ２１５、プロジェクタ２２５、及び関連付けられた処理電子回路２３０を単一の基板２３５上に有する「一体（one piece）」のＯＴＴ電子パッケージの一実施形態を示す。
【００３７】
図８Ａ、図８Ｂ、図９、及び図１０は全て、器具上追跡装置内に含まれるカメラの様々なカメラ角度向きでのカメラ視野の結果を示す。図８Ａのカメラ１１５は、互いに且つ外科器具５４の軸と略平行する配置で向けられる。この構成は、他の構成要素に起因する遮蔽を考慮した約７０ｍｍ〜約２００ｍｍの範囲のカメラ視野を提供する。他の実施形態では、例示的なＯＴＴ装置のカメラ系は、約５０ｍｍ〜約２５０ｍｍの範囲のカメラ視野で動作し得る。ＯＴＴ装置が実行のために使用される特定のコンピュータ支援手術処置に必要な所望の視野に応じて、カメラ視野を物理的又は電子的に変更し得ることを理解されたい。
【００３８】
図８Ａのカメラの略平行する配置とは対照的に、図８Ｂ、図９、及び図１０のそれぞれは、異なるカメラ傾斜角の結果及びその結果生じるカメラ視野の変更を示す。ＯＴＴカメラの位置及び傾斜の関係並びにそれらの画角、最小物体距離、及び最大物体長への関係は、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃ、及び図１１Ｄを参照してよりよく理解される。図１１Ａは、度数単位の傾斜角を幾つかの視野ファクタに関連付ける図１１Ｂのチャートを生成するために使用される計算を行うための幾何学的セットアップ及び式を示す。このチャートからのデータは、傾斜角に関連し、図１１Ｃ及び図１１Ｄに示されるグラフで再現される。これらの図に提示される光学視野情報は、本明細書に記載のＯＴＴ装置の様々な実施形態の幾つかでのカメラ位置の設計及び最適化に有用である。
【００３９】
様々なＯＴＴ実施形態と併用されるプロジェクタの追加の態様を、図１２Ａ、図１２Ｂ、図１３Ａ、図１３Ｂ、及び図１３Ｃを参照して理解し得る。ＯＴＴ筐体内のプロジェクタの位置決めに基づくプロジェクタ出力への影響は、図１２Ａと図１２Ｂとの比較により示される。プロジェクタ１２５は、図１２Ａ及び図１３Ａの両方に示されるように、器具５４に相対して略平坦な関係（planar relationship）で見える。しかし、プロジェクタ出力１２６の部分が、器具の遠位端部５６を超えて下方にいかに延びるかに留意する。これとは対照的に、プロジェクタ２２５は、器具５４に関係して鋭角で位置決めされる。さらに、プロジェクタ出力１２６は、カメラ２１５間の相対位置と比較して、片側に出る。しかし、プロジェクタ出力１２６は大方、刃５４の上にあり、遠位端部５６においてのみ交差する。プロジェクタ出力１２６のさらなる態様は、図１３Ａ及び図１３Ｂの図のレビューで明らかになる。これらの実施形態に記載されるプロジェクタ出力、プロジェクタのサイズ及び向きは、全てのＯＴＴ装置実施形態への制限ではないことを理解されたい。適するＯＴＴプロジェクタは、幾つかの満足のいく方法で構成し得、ＯＴＴ筐体内の配置は、所望のプロジェクタのパッケージサイズに基づいて調整し得る。プロジェクタ２２５のサンプル出力により明らかに示されるように、多くの異なるプロジェクタサイズ、向き、及び角度関係を使用し得、それでもなお、ＯＴＴ  ＣＡＳ処理システムのプロジェクタ要件を満たすように効率的に動作し得る。換言すれば、広範囲のプロジェクタタイプ、出力位置、及びパッケージングを使用し得、それでもなお本明細書に記載のＯＴＴ装置の様々な実施形態内にある。
【００４０】
本発明のＯＴＴ装置の実施形態には、特定のＯＴＴ  ＣＡＳシステムに望ましい特定の動作特徴に応じて、様々な撮像プロジェクタ及び電子構成要素が提供される。以下の例示的な実施形態は、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムのこの部分の広範囲の特徴及び設計ファクタを理解することができるように提供される。
【００４１】
図１４Ａは、ＯＴＴ装置の一実施形態の概略を示す。示されるこの実施形態では、図に示されるようにＯＴＴ筐体内に配置された
・カメラ／ｄｓｐ／処理ＮａｔｕｒａｌＰｏｉｎｔ  Ｏｐｔｉｔｒａｋ  ＳＬ−Ｖ１２０レンジ、
・コンピュータ：ＰＣ−Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００／ＸＰ  Ｖｉｓｔａ／７；１．５ＧＨｚプロセッサ；ＲＡＭ２５６ＭＢ；ハードディスク空き容量５ＭＢ；ＵＳＢ２．０高速ポート（最小、速いほどよい）、
・ＣＯＭ：無線ＵＳＢサポートを有するＤＹＮＡＤＯＣＫ  Ｗ２０ポートリプリケータ、
・プロジェクタ：ＭｉｃｒｏｖｉｓｉｏｎのＳＨＯＷＷＸレーザピコプロジェクタ
が提供される。この実施形態は、「スマートカメラ」−局所的画像処理を実行する機能を有するカメラ−として知られるものを利用する。この処理は通常、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ:Field Programmable Gate Arrays）を通してプログラム可能であり得る。この特定の実施形態での構成要素の構成を利用して、ＯＴＴ装置及びＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータの両方で行われる画像処理を提供する。例えば、ＯＴＴ装置のＤＳＰ(digital signal processing)は、マーカデータを検出して処理し、それからＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータにマーカデータを転送する。構成は、送信する必要があるデータを最小化しながら、ホストコンピュータで必要とされる処理電力を大幅に低減もする。概略図は主に、特定のＯＴＴ装置又はＯＴＴ装置とＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータとの間での撮像、データ処理、及び汎用コンピュータ処理機能を示すために有用であるが、この図が、実際の向き、特定の構成要素の間隔、及び／又は位置合わせを反映していないことがあることを理解されたい。電子通信機能（ＣＯＭ）は、有線接続又は任意の適する無線データ転送モードを介してコンピュータから、且つコンピュータに提供され、コンピュータは、本明細書に記載のＯＴＴ  ＣＡＳプロセス、アルゴリズム、及びモードと併用されるように適合され構成される。（使用される場合）ＯＴＴ装置とＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータとの間での処理データ交換のタイプ、種類、量、及び品質は、利用される特定のＯＴＴ  ＣＡＳ処置、モード、又はシステムの特定のパラメータ及び考慮事項に応じて様々である。
【００４２】
図１４Ｂは、ＯＴＴ装置の一実施形態の概略を示す。示されるこの実施形態では、図に示されるようにＯＴＴ筐体内に配置された
・カメラ：アナログカメラ有線又は無線；例えば、ＦＰＶ無線カメラ、
・ＤＳＰ：ｕＣＦＧマイクロコントローラフレームグラッバ、これはＰＣ  ＰＣＩバスに接続され、ＰＣの部分になる、
・コンピュータ：ＰＣ−Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００／ＸＰ  Ｖｉｓｔａ／７；１．５ＧＨｚプロセッサ；ＲＡＭ２５６ＭＢ；ハードディスク空き容量５ＭＢ；ＵＳＢ２．０高速ポート（最小、速いほどよい）、
・ＣＯＭ：ハードワイヤード又はアナログ無線送信器、
・プロジェクタ：ＭｉｃｒｏｖｉｓｉｏｎのＳＨＯＷＷＸレーザピコプロジェクタ
が提供される。この特定の実施形態での構成要素の構成は、追跡の画像処理がＯＴＴ上で実行され、画像信号が、ＰＣの部分である専用フレームグラッバ（dedicated frame grabber）により捕捉される低コスト商品カメラの使用を提供するために利用される。フレームグラッバは、捕捉画像を受け入れ、ＰＣによるいかなるオーバーヘッドプロセスもなくＰＣメモリに配置する。この実施形態は、より小型軽量で低コストのＯＴＴ装置になる。
【００４３】
概略図は主に、特定のＯＴＴ装置又はＯＴＴ装置とＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータとの間での撮像、データ処理、及び汎用コンピュータ処理機能を示すために有用であるが、この図が、実際の向き、特定の構成要素の間隔、及び／又は位置合わせを反映していないことがあることを理解されたい。電子通信機能（ＣＯＭ）は、有線接続又は任意の適する無線データ転送モードを介してコンピュータから、且つコンピュータに提供され、コンピュータは、本明細書に記載のＯＴＴ  ＣＡＳプロセス、アルゴリズム、及びモードと併用されるように適合され構成される。（使用される場合）ＯＴＴ装置とＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータとの間での処理データ交換のタイプ、種類、量、及び品質は、利用される特定のＯＴＴ  ＣＡＳ処置、モード、又はシステムの特定のパラメータ及び考慮事項に応じて様々である。
【００４４】
図１５ＡはＯＴＴ装置の一実施形態の概略を示す。この実施形態は、カメラからの画像を捕捉し、ＵＳＢ互換になるように調整する内蔵電子回路を有する商用ＵＳＢカメラを利用する。この出力は圧縮され、次に、ワイヤを通して、又は無線で、さらなる追跡関連処理なしで送信される。
【００４５】
例示されるこの実施形態では、図に示されるように配置された
・カメラ：Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ  ＬｉｆｅＣａｍ、
・コンピュータ：Ｄｅｌｌ  Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  Ｒ５５００  Ｒａｃｋ  Ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ、
・ＣＯＭ：Ｃａｒａｍｂｏｌａ  ８ｄｅｖｉｃｅｓ  Ｃｏｒｅ又はＤＴＷ−２００Ｄ（ＣＤＭＡ２０００  １Ｘ）及びＤＴＷ−５００Ｄ（ＥＶＤＯ  Ｒｅｖ  Ａ）、
・プロジェクタ：ＭｉｃｒｏｖｉｓｉｏｎのＳＨＯＷＷＸレーザピコプロジェクタ
が提供される。この特定の実施形態での構成要素の構成は、電子ＯＴＴ構成要素を提供するモジュール式解決策を提供するために利用される。この実施形態は、商品低コストカメラを使用し、モジュール式でカメラを使用できるようにし、そこから、ＯＴＴ又は地上に基づくシステムを邪魔せずに技術の進歩を反映するようにカメラを変更又は更新することができる。
【００４６】
ＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータがＤＳＰに最適化される場合、器具上ＤＳＰを使用する必要はない。この実施形態は、任意の市販の画像処理ライブラリを使用できるようにする。例えば、Ｈａｌｃｏｎ画像処理ソフトウェアは、ブロブ（骨基準フレームＬＥＤ）の処理及び質量中心の計算に約１ｍｓしかかからない。したがって、画像は、ＯＴＴ器具からＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータに直接送信して、処理することができる。ＣＯＭを、他の実施形態と比較した場合、より高い帯域幅を処理するように選択する必要があることが重要である。同様に、コンピュータは、より面倒な計算を処理するように選択する必要がある。
【００４７】
概略図は主に、特定のＯＴＴ装置又はＯＴＴ装置とＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータとの間での撮像、データ処理、及び汎用コンピュータ処理機能を示すために有用であるが、この図が、実際の向き、特定の構成要素の間隔、及び／又は位置合わせを反映していないことがあることを理解されたい。電子通信機能（ＣＯＭ）は、有線接続又は任意の適する無線データ転送モードを介してコンピュータから、且つコンピュータに提供され、コンピュータは、本明細書に記載のＯＴＴ  ＣＡＳプロセス、アルゴリズム、及びモードと併用されるように適合され構成される。（使用される場合）ＯＴＴ装置とＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータとの間での処理データ交換のタイプ、種類、量、及び品質は、利用される特定のＯＴＴ  ＣＡＳ処置、モード、又はシステムの特定のパラメータ及び考慮事項に応じて様々である。
【００４８】
図１５Ｂは、ＯＴＴ装置の一実施形態の概略を示す。例示されるこの実施形態では、図に示されるように配置された
・カメラ：図１５Ａ等のスマートカメラ又はＵＳＢカメラ、
・慣性センサ：Ｂｏｓｃｈ  ＳＭＢ３８０、Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ  ＰＭＭＡ７６６０、Ｋｉｏｎｉｘ  ＫＸＳＤ９、
・搭載プロセッサ：ＡＲＭプロセッサ、
・コンピュータ：ＰＣ−Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００／ＸＰ  Ｖｉｓｔａ／７；１．５ＧＨｚプロセッサ；ＲＡＭ２５６ＭＢ；ハードディスク空き容量５ＭＢ；ＵＳＢ２．０又はＵＳＢ３．０高速ポート（最小、速いほどよい）、
・ＣＯＭ：標準ＩＥＥＥ８０２．１１通信プロトコル又はＯＴＴ搭載プロセッサと地上ステーションＰＣとの通信用の同様のプロトコル、
・プロジェクタ：ＭｉｃｒｏｖｉｓｉｏｎのＳＨＯＷＷＸレーザピコプロジェクタ
が提供される。この特定の実施形態での構成要素の構成は、ＯＴＴ装置搭載で複雑な処理を実行して、ＯＴＴ  ＣＡＳ処置のために必要な身体追跡の大半を達成する実施形態を提供するために利用される。装置は、複雑な独立式追跡装置である。ＯＴＴ装置は１つ又は複数の慣性センサをさらに含む。ＤＳＰは、慣性センサの使用を含み、「次のフレーム」での基準の位置を予測する。その結果、ＯＴＴ装置上のＤＳＰへの計算負荷が最小化される。
【００４９】
概略図は主に、特定のＯＴＴ装置又はＯＴＴ装置とＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータとの間での撮像、データ処理、及び汎用コンピュータ処理機能を示すために有用であるが、この図が、実際の向き、特定の構成要素の間隔、及び／又は位置合わせを反映していないことがあることを理解されたい。電子通信機能（ＣＯＭ）は、有線接続又は任意の適する無線データ転送モードを介してコンピュータから、且つコンピュータに提供され、コンピュータは、本明細書に記載のＯＴＴ  ＣＡＳプロセス、アルゴリズム、及びモードと併用されるように適合され構成される。ＯＴＴ装置とＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータ（使用される場合）との間での処理データ交換のタイプ、種類、量、及び品質は、利用される特定のＯＴＴ  ＣＡＳ処置、モード、又はシステムの特定のパラメータ及び考慮事項に応じて様々である。
【００５０】
上記詳細及び特定の実施形態に加えて、ＯＴＴ装置の代替の実施形態が、本明細書に記載のＯＴＴ  ＣＡＳ処理方法、モード、及びアルゴリズムに従って以下の例示的なタイプのＯＴＳ  ＣＡＳデータのうちの１つ又は複数を提供する処理機能、ソフトウェア、ファームウェア、及び電子命令を有する構成要素を含む電子構成要素を有し得ることを理解されたい：
・視覚データ及びＩＲスペクトル画像データの受信及び処理、
・画像フレーム内の各マーカの質量中心の座標の特定、
・画像フレーム内の全てのマーカのサイズの特定、
・１つ又は複数の基準のサイズ及び座標の報告、
・画像フレーム内の質量中心の位置、マーカの配置、又は選択されたマーカの配置を特定するサブピクセル解析、
・中央コンピュータからの入力若しくは内部命令に基づいて、又はＯＴＴ  ＣＡＳ処理モード適合に応答して毎秒２０〜６０フレームの可変の制御可能なフレームレート。
【００５１】
図１６Ａ、図１６Ｂ、及び図１６Ｃは、コンピュータ支援手術処置で使用される基準フレーム３００の様々な図を提供する。外周３１５により区切られた表面３１０を有するフレーム３０５がある。１つ又は複数の能動的又は受動的基準マーカ７０が、表面３１０にわたりパターン７２で配置される。フレーム３０５から延びるステム３２０及びステム上の結合部３２５がある。結合部３２５は、フレーム３０５をベース３３０に結合するために使用される。ベース３３０は、処置に関連する手術野内の生体構造の部分に係合するように構成された第１の表面３３５を有する。ベース３３０は、結合部３２５に結合する第２の表面３４０を有する。結合部３２５及び第２の表面３４０は、図１６Ａでは係合するが、図１６Ｂ及び図１６Ｃでは分離している。図１６Ｂ及び図１６Ｃの図では、少なくとも１つの見当合わせ要素が結合部上に見え、少なくとも１つの見当合わせ要素が第２の表面上に見える。示される実施形態では、見当合わせ要素３４２ｂは、結合部３２５のメス型特徴であり、その一方で、第２の表面３４０の結合要素３２５ａはオス型特徴である。見当合わせ要素は、結合部３２５及び第２の表面３４０が係合する場合、協働して嵌合するようなサイズを有し、そのように位置決めされる。様々な異なる見当合わせ要素のタイプ及び位置を、結合部が第２の表面に結合される場合、嵌合協働を提供するように適合し構成し得ることを理解されたい。
【００５２】
ベース３３０は、生体構造への係合に使用される第２の表面３４０を含む。表面の全て又は部分は、生体構造、特に関節周囲の骨生体構造への係合を支援するためにギザギザ縁部を含み得る。ベースの第１の表面３３５は、手術処置中、ベースの第１の表面を固定すべき生体構造部位に相補的な湾曲を備える。一実施形態では、生体構造の骨部分は、手術処置の対象である関節に隣接する。関節は、膝、肩、手首、足首、股関節、又は椎骨から選択し得る。ベース３３０は、ベースを身体の部位に固定するために使用される固定要素に向けて適合され構成される少なくとも１つのアパーチャ３３７を含む。固定要素は、ピン、ねじ、釘、又は外科用ステープルのうちの１つ又は複数から選択し得る。
【００５３】
図１７は、基準フレームガイド３５０の等角図を示す。基準フレームガイド３５０は、フレーム３５５及びフレーム３５５から延びるステム３６０を有する。ステム３６０は、生体構造の特徴に係合して、フレームガイドがフレーム３０５に取り付けられた場合、基準フレーム３００が手術野内の所望の位置及び向きに配置されるのを支援するように構成される湾曲または形状を有する。基準フレームガイド３５０は、外周３１５又は基準フレーム３０５の部分に一時的に係合して、要素３６５を使用して取り付けられた基準フレーム３００に関連付けられたベース３３０の適切な位置決め及び調整を可能にする、フレーム３５５に沿った１つ又は複数の係合要素３６５も含む。図１８は、基準フレーム３００のフレーム３０５に取り付けられた基準フレームガイドを示す。使用に当たり、係合要素３６５は、手術処置中、基準フレームをガイドフレームから取り外すために、外し得る。基準フレーム３００と嵌合協働して示されるが、基準フレームガイド３５０は、図２４の基準フレーム４００等の異なる形状及びサイズの基準フレームと嵌合係合を形成するように適合し構成し得る。
【００５４】
特定の一実施形態では、ステム３６０の湾曲又は形状３６２は、顆に関連してステムを配置し、大腿骨に沿った基準フレーム３００の手術野内の位置合わせを提供するように構成される。大腿骨１０に沿ったベース３３０の位置決めは図１９及び図２０に示される。関節基準フレームガイド及び基準フレーム構造（図１８参照）は、ステム３６０の湾曲３６２が大腿骨１０の顆（condyle）１２の間に位置合わせされて、図２０に示されるように、ベース３３０を大腿骨に適切な向きで配置するように位置決めされる（図１９の矢印を辿る）。その後、基準フレーム３００は、アパーチャ３３７に適用されるねじ若しくは釘又は生体適合性骨セメントの使用等の１つ又は複数の方法を使用して、ベースの第１の表面３３５を結合することにより大腿骨１０に取り付けられる。基準フレーム３００が適切な位置で確認されると、基準フレームガイド３５０を取り外し（図２１）、基準フレームのみを、実施すべき手術計画に従って顆１２と所望の関係で大腿骨１０に沿った所望の位置に残す（図２２）。
【００５５】
図２３は、基準フレーム４００の一実施形態及び頸骨１５に沿った位置を示す。示されるこの実施形態では、基準フレーム４００は、（図２５により明確に示される）頸骨粗面又はその周囲に取り付けられ、基準フレーム３００に関して上述した幾つかの固定方法のいずれか１つを使用して骨に固定される。基準フレーム４００のさらなる詳細は、図２４Ａ、図２４Ｂ、及び図２４Ｃのレビューにおいて提供し得る。これらの図は、コンピュータ支援手術処置で使用される基準フレーム４００の様々な図を提供する。外周４１５により区切られた表面４１０を有するフレーム４０５がある。１つ又は複数の能動的又は受動的基準マーカ７０が、表面４１０にわたりパターン７４で配置される。フレーム４０５から延びるステム４２０及びステム上の結合部４２５がある。結合部４２５は、フレーム４０５をベース４３０に結合するために使用される。ベース４３０は、処置に関連する手術野内の生体構造の部分に係合するように構成された第１の表面４３５を有する。ベース４３０は、結合部４２５に結合する第２の表面４４０を有する。結合部４２５及び第２の表面４４０は、図２４Ａでは係合するが、図２４Ｂ及び図２４Ｃでは分離している。図２４Ｂ及び図２４Ｃの図では、少なくとも１つの見当合わせ要素が結合部上に見え、少なくとも１つの見当合わせ要素が第２の表面上に見える。示される実施形態では、見当合わせ要素４４２ｂは、結合部４２５のメス型形状であり、その一方で、第２の表面４４０の結合要素４２５ａはオス型形状である。見当合わせ要素は、結合部４２５及び第２の表面４４０が係合する場合、協働して嵌合するようなサイズを有し、そのように位置決めされる。様々な異なる見当合わせ要素のタイプ及び位置を、結合部が第２の表面に結合される場合、嵌合協働を提供するように適合し構成し得ることを理解されたい。
【００５６】
ベース４３０は、生体構造への係合に使用される第２の表面４３５を含む。表面の全て又は部分は、生体構造、特に関節周囲の骨生体構造への係合を支援するためにギザギザ縁部を含み得る。ベースの第１の表面４３５は、手術処置中、ベースの第１の表面を固定すべき生体構造部位に相補的な湾曲を備える。一実施形態では、生体構造の骨部分は、手術処置の対象である関節に隣接する。関節は、膝、肩、手首、足首、股関節、又は椎骨から選択し得る。ベース４３０は、ベースを身体の部位に固定するために使用される固定要素に向けて適合され構成される少なくとも１つのアパーチャ４３７を含む。固定要素は、ピン、ねじ、釘、又は外科用ステープルのうちの１つ又は複数から選択し得る。
【００５７】
これより図２６Ａ、図２６Ｂ、及び図２６Ｃを参照して、構成された基準フレームの追加の態様が説明される。図２６Ａを参照すると、フレーム３０５とベース３００との間の向きは、幾つかの事前設定される向きの間で調整し得る。これらの２つの構成要素間の関係の変更は、利用可能な複数の見当合わせ要素のどれが関節に係合されるかを変更することにより達成される。一態様では、結合部に複数の見当合わせ要素があり、第２の表面に複数の見当合わせ要素がある。基準フレームの向きは、見当合わせ要素のどの群がベース３３０をフレーム３０５に結合するために使用されるかに基づいて、第１の向き３８２と第２の異なる向き３８４との間で調整し得る。一実施形態では、結合部上の見当合わせ要素の部分が、第２の表面上の見当合わせ要素の部分と係合する場合、結果として、フレームは手術野内の第１の向きに向けられる。別の態様では、結合部上の異なる見当合わせ要素を第２の表面上の異なる見当合わせ要素と嵌合させると、結果として、フレーム３０５は、手術野内で第２の異なる向きに提示される。一態様では、第１の向きは、手術の事前計画で使用される既知の位置である。さらに別の態様では、第２の向きは、手術の事前計画で使用される既知の位置である。第１の向き及び第２の向きのうちの一方又は両方を、本明細書に記載のＯＴＴ  ＣＡＳ技法を促進するために使用し得る。
【００５８】
図２６Ａは、結合部及び第２の表面の相対位置及び向きを維持するように適合され構成されたマウント結合部の一実施形態も示す。この実施形態では、可撓性リンケージが２つの構成要素間に示され、基準フレーム内で、手術野内のフレーム３０５の向きを維持するようなサイズ、形状、及び向きを有する。換言すれば、マウント結合部は、処置中にフレーム３０５にぶつかった場合、フレーム３０５が位置合わせを失わないか十分な剛性を有する。使用に当たり、構造内に完全に配置され、別の代替の態様では、マウント結合部は、マウント結合部が基準フレームに取り付けられた場合、結合部と第２の表面との嵌合接触エリアを実質的又は完全に囲むように提供される。
【００５９】
図２７Ａ及び図２７Ｂは、代替の基準フレーム表面形状並びにマーカパターンを示す代替の実施形態を提供する。図２７Ａは、パターン７８に配置された複数の基準マーカ７０を有する基準フレームの略矩形のフレーム３９０を示す。図２７Ｂは、フレーム３９５上の略台形の表面形状３１０を示す。複数の基準マーカ７０は、パターンで表面３０５に配置されている。
【００６０】
図２８は、人工膝全置換処置で使用される人工器官２０の位置表現の等角図を示す。人工器官２０に示される番号は、膝手術中に行われる切断の種類を表す。図２９Ａ〜図２９Ｉ及び図３０は、本明細書に記載のＯＴＴ  ＣＡＳシステムの独自の組み合わせの１つを示す。上述した各基準フレームは、独立して、又は他の生体構造部位若しくは外科器具と組み合わせて使用することができ、基準フレーム３００及び４００は、本明細書に記載の器具上追跡装置及びＯＴＴ  ＣＡＳ処置に対して特に有利である。ハンドヘルド事前切断手術器具に器具上追跡装置を使用することの１つの難問は、処置中、関連する追跡情報を取得し、追跡基準フレームを維持することである。独自の構成及び配置により、基準フレーム３００及び４００は、本明細書に記載のＯＴＴ追跡技法を使用して、正にこの種類の動的基準フレーム追跡を提供するために使用し得る。人工器官２０を移植するために使用される代表的な切断のそれぞれ１つでの以下の図に示されるように、ＯＴＴ１００に担持され搭載される視覚システムは、基準フレーム３００及び基準フレーム４００の全て又は部分を視覚的に識別し、見当合わせすることが可能である。これらの特定の構成は、膝手術のＯＴＴ  ＣＡＳシステム及び器具の機能の例示であるが、本明細書に記載の基準フレーム及び視覚的ガイダンス技法を身体の他の関節及び他の処置に適合し得ることを理解されたい。
【００６１】
図２９Ａ〜図２９Ｉ及び図３０はそれぞれ、大腿骨１０に基準フレーム３００を配置するとともに、頸骨１５に沿って、特に頸骨祖面１８上又はその周囲に基準フレーム４００に配置するための代表的な手術準備を示す。示された以下のＯＴＴ  ＣＡＳ処置が、基準フレーム３００、４００を利用することを理解されたい−基準フレーム３００、４００は移動せず、続くＯＴＴ  ＣＡＳプロセスステップの全てにわたり同じ位置に留まる。器具上追跡装置１００は、能動的要素５６を有する器具５４を位置決めし使用するために、外科器具５０に結合される。
【００６２】
図２９Ａの例示的な実施形態では、ＯＴＴ１００は、能動的要素５６を使用して、遠位外側顆を切断するためのガイダンスを提供している。この切断中、ＯＴＴ１００に担持された搭載されたカメラは、示される切断の全て又はかなりの部分にわたり、基準フレーム３００及び４００の両方から受信される情報に基づいて、関連するナビゲーション情報及び位置決め情報を捕捉し、撮像し、提供している。
【００６３】
図２９Ｂの例示的な実施形態では、ＯＴＴ１００は、能動的要素５６を使用して、遠位内側顆を切断するためのガイダンスを提供している。この切断中、ＯＴＴ１００に担持された搭載されたカメラは、示される切断の全て又はかなりの部分にわたり、基準フレーム３００及び４００の両方から受信される情報に基づいて、関連するナビゲーション情報及び位置決め情報を捕捉し、撮像し、提供している。
【００６４】
図２９Ｃの例示的な実施形態では、ＯＴＴ１００は、能動的要素５６を使用して、前方を切断するためのガイダンスを提供している。この切断中、ＯＴＴ１００に担持された搭載されたカメラは、示される切断の全て又はかなりの部分にわたり、基準フレーム３００及び４００の両方から受信される情報に基づいて、関連するナビゲーション情報及び位置決め情報を捕捉し、撮像し、提供している。
【００６５】
図２９Ｄの例示的な実施形態では、ＯＴＴ１００は、能動的要素５６を使用して、外側後顆を切断するためのガイダンスを提供している。この切断中、ＯＴＴ１００に担持された搭載されたカメラは、示される切断の全て又はかなりの部分にわたり、基準フレーム３００及び４００の両方から受信される情報に基づいて、関連するナビゲーション情報及び位置決め情報を捕捉し、撮像し、提供している。
【００６６】
図２９Ｅの例示的な実施形態では、ＯＴＴ１００は、能動的要素５６を使用して、内側後顆を切断するためのガイダンスを提供している。この切断中、ＯＴＴ１００に担持された搭載されたカメラは、示される切断の全て又はかなりの部分にわたり、基準フレーム３００及び４００の両方から受信される情報に基づいて、関連するナビゲーション情報及び位置決め情報を捕捉し、撮像し、提供している。
【００６７】
図２９Ｆの例示的な実施形態では、ＯＴＴ１００は、能動的要素５６を使用して、前方面取りを切断するためのガイダンスを提供している。この切断中、ＯＴＴ１００に担持された搭載されたカメラは、示される切断の全て又はかなりの部分にわたり、基準フレーム３００及び４００の両方から受信される情報に基づいて、関連するナビゲーション情報及び位置決め情報を捕捉し、撮像し、提供している。
【００６８】
図２９Ｇの例示的な実施形態では、ＯＴＴ１００は、能動的要素５６を使用して、外側後顆面取りを切断するためのガイダンスを提供している。この切断中、ＯＴＴ１００に担持された搭載されたカメラは、示される切断の全て又はかなりの部分にわたり、基準フレーム３００及び４００の両方から受信される情報に基づいて、関連するナビゲーション情報及び位置決め情報を捕捉し、撮像し、提供している。
【００６９】
図２９Ｈの内側後顆面取りを切除するためのガイダンスを提供している。この切断中、ＯＴＴ１００に担持された搭載されたカメラは、示される切断の全て又はかなりの部分にわたり、基準フレーム３００及び４００の両方から受信される情報に基づいて、関連するナビゲーション情報及び位置決め情報を捕捉し、撮像し、提供している。
【００７０】
図２９Ｉの例示的な実施形態では、ＯＴＴ１００は、能動的要素５６を使用して、頸骨を切断するためのガイダンスを提供している。この切断中、ＯＴＴ１００に担持された搭載されたカメラは、示される切断の全て又はかなりの部分にわたり、基準フレーム３００及び４００の両方から受信される情報に基づいて、関連するナビゲーション情報及び位置決め情報を捕捉し、撮像し、提供している。
【００７１】
図３０は、器具５４及び能動的要素５６を有する外科器具５０に結合されたＯＴＴ１００を示す。基準フレーム３００、４００も、膝の周囲のＯＴＴ  ＣＡＳ手術部位に関連して示される。ステム３９８及び先端部３９９を有する追加の基準フレーム３９７が、手術野のさらなる見当合わせ又は記録に使用されている。基準フレーム３９７の見当合わせは、器具を有するＯＴＴ１００の撮像システムにより提供されている。基準フレーム３９７は、基準フレーム３００、４００のうちの一方又は両方に沿って見当合わせされている。本明細書には、基準フレーム３００、４００の両方を利用することによりＯＴＴ  ＣＡＳ方法の実施形態がされ、ＯＴＴ及びＯＴＴ  ＣＡＳ処理の向上した画像ベースの追跡機能により、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムは、両方の基準フレームを提供するが、処理中、一方の基準フレームからの追跡情報のみを使用することを選ぶことを理解されたい。
【００７２】
本明細書に記載の独自の基準フレーム実施形態の使用を考える場合、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムユーザがビューを好み得る様式を考える。ＯＴＴ  ＣＡＳシステムは、特定の切断の場合、特定のビューがデフォルトにより示されるように事前プログラムされる。例えば、ＴＫＲ処置の大腿骨人工器官の準備として、大腿骨を切除する例では、図２９Ａ〜２９Ｉ及び図３０に示されるように、幾つかの表面を切断すべきである。各表面は、処置中、異なる視点から最もよく見ることができる。内側顆の前面を切断する場合、第１のビューが望ましいことがあり、その一方で、外側顆の前面を切断する場合、第２のビューが望ましいことがある。したがって、システムは、内側顆の前面が切除される場合、仮想モデルを見るために事前定義される第１のビューが設定される。同様に、デフォルトの視覚的図を、いくつかの共通の切除処置に定義することができる。ＯＴＴ  ＣＡＳシステムが、実行すべき切断を決定する場合、システムは、切断との最良のマッチングを特定し、外科医の介入なしで自動的にデフォルトを表示する。大体同じようにして、ＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータにより実行される視覚に基づくプロセスは、状況に応じて自動的に、一方又は両方の基準フレームから利用可能な追跡情報の全て又は部分を使用することを事前に選択し得る。加えて、ＯＴＴ  ＣＡＳは、手術野内の基準フレームの向きを調整するに当たりユーザをガイドし、そのフレームからのガイダンス情報を改良し得る。ベースの見当合わせ位置を維持しながら、フレームの調整可能な向きについて本明細書において説明する。
【００７３】
任意の数及び様々な電動式又は非電動式器具を、本明細書に記載のＯＴＴ  ＣＡＳシステムと共に利用可能なことを理解されたい。例えば、整形外科手術分野では、ストライカーシステム  ６の精密振動鋸（Ｓｔｒｙｋｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ  ６  Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  Ｏｓｃｉｌａｔｉｎｇ）等の単一の整形外科電力鋸にシステムを構築することができる。同様に、システムは、バー又はドリル等の整形外科手術で一般に使用される他の電力器具と共に使用することができる。そのような用途では、システムを外科器具の構成内に統合し、又は後付けとして追加することができる。加えて、システムは、ポインタ、マーカ、又は外科用メス等のいかなる外部電源も必要としない器具を利用することができる。理想的には、システムは、手術処置の異なる段階で使用される複数のスマート器具を収容し、システムを、広範囲の手術処置を実行するのに十分にロバストにする。
【００７４】
システムは、整形外科手術以外の他の用途に使用することもできる。例えば、整形外科手術に向けて外科医に教えて訓練するためのシミュレーション及びシミュレータに使用することができる。あるいは、システムは、剛性組織の精密な向き決め及び操作を要する他の医療処置に使用することができる。本技法のコンピュータ支援手術は、そのような歯科処置（dental procedure）を容易に促進することができる。システムは、非医療用途、例えば、大工、シートメタル作業、及び他の全ての工学のマーキング及び機械加工プロセスにおいて、特定のパターンの切断又は材料の穿孔を行うようにユーザをガイドするために使用することもできる。
【００７５】
本明細書に記載のＯＴＴ  ＣＡＳシステムの実施形態は、１つ又は複数のトラッカーを器具に搭載して配置することにより、外部追跡装置の必要性をなくす。本発明は、外部追跡システムの必要性を完全になくし、又は追跡サブシステムを利用して、新しい追跡データを追加することができる。いずれの構成でも、一方に対する他方の相対位置を特定するために両者を追跡する外部トラッカーとは対照的に、器具自体が患者の生体構造を追跡し、又は患者の生体構造に相対してそれ自体を追跡する。さらに、入力を追跡システムに提供する構成要素が器具自体に配置されるため、システムのすべての被追跡要素は器具に相対して追跡される。その結果、器具上トラッカーにより生成される追跡データは非常に異なる。例えば、器具の位置は、他の全ての被追跡物体が器具の視点から追跡されるため、独立して追跡する必要がない。搭載追跡システムは、外科器具を含むシステムの全ての構成要素が外部装置により追跡される外部追跡システムが直面する考慮事項を軽減する。後方支援的に、本発明は、追跡、すなわち、追跡システムの処理部に入力を提供する構成要素を器具自体に配置することにより、手術室での別個の機器の必要性をなくすか、又は少なくとも最小化できるようにする。器具搭載追跡用のセンサを用いる場合、これにより、被追跡標的により近いという別の利点をもたらし、ひいては、より高い分解能及び精度をもたらし得るとともに、トラッカーと他のシステムの被追跡要素との「視線」アクセスに関する要件の厳しさを緩くし得る。
【００７６】
トラッカー追跡サブシステムは、外科器具に搭載されたトラッカーから検出可能な１つ又は複数の追跡要素をさらに備える。システムで利用可能な広範囲の追跡要素がある。例えば、１つ又は複数の反射面を含む基準フレームは、赤外線又は可視光を外科器具に反射することができる。発光ダイオードは同様に、外科器具に対して被追跡物体の位置を示すことができる。基準点又は画像認識等の他の手法は、外部基準フレームを、追跡する必要がある患者の組織等の物体に配置する必要性をなくすことができる。さらなる実施形態では、患者の生体構造の特定の画像は、他のあらゆる基準点の助けなしで追跡要素として機能することができる。
【００７７】
外科器具は、１つ又は複数のトラッカーにより被追跡要素の位置を追跡する。一実施形態では、システムは、トラッカーとしての２台のカメラの立体的配置を利用する。カメラは横に並んで、立体視に適する様々な角度で、鋸の刃／ドリルビット／バー等の両側に傾斜する。ドリル等の他の器具の場合、カメラは同様に、横に並び、ドリルビット又は任意の他の器具のエンドエフェクタの両側に立体的に配置することができる。
【００７８】
器具のエンドエフェクタに相対するカメラの配置は、トラッカー追跡要素サブシステムの動作に影響を及ぼす。例えば、エンドエフェクタから遠い後部への１つ又は複数のカメラの配置は、視野を拡大する。関節置換のような用途では、又は器具が患者の生体構造の近傍にある場合、広い視野が有用である。拡大視野を用いて、器具は追跡要素をより容易に見つけることができる。１つ又は複数のカメラを器具のエンドエフェクタのより近傍に配置することは、視野を制限するが、歯科手術等の用途に有用な倍率及び分解能を追加する。加えて、カメラの配置は、サブシステムのその他の要素の相対位置を考慮に入れなければならない。軸が器具のエンドエフェクタの平面にあるようなカメラの配置は、エンドエフェクタがカメラの視野を遮る程度を最小化する。しかし、手術処置で１つ又は複数の追跡要素を追跡するのに適切であると考えられる任意の構成でカメラを配置し得ることが意図される。技術が進歩するにつれ、ここで記載した構成を超える構成が、特定の器具及び手術環境の点でより好ましいことがある。
【００７９】
サブシステムは、広範囲のカメラ又はカメラシステムを利用することができる。一般に、システムはデジタルカメラを利用する。加えて、システムは、立体視を提供するために、少なくとも２台のカメラを利用する。「フレームグラッバ」又は「キャプチャカード」として知られることがある画像形式変換の確立された技術等の効率的なデジタル変換手段がある場合、アナログカメラを使用することが可能である。立体視及び２台のカメラからの画像差に基づいてさらなる情報を得る機能は、システムが、位置及び向き又は姿勢の点で追跡要素を三次元でよりよく特定するのに役立つ。システムは、「冗長性」として知られるものを利用して、３台以上のカメラを利用し、被追跡要素のうちの幾つかがカメラのうちの１つ又は複数から見えず、したがって、２台のカメラがそれらの場合では十分ではない場合等、ナビゲーション機能を向上させることができる。さらに、システムは単一のカメラを利用することができるが、立体システムと同じ精度のナビゲーションを行うために、追加の画像処理が必要である。
【００８０】
あるいは、サブシステムは、異なるシステムのトラッカー及び追跡要素を利用することができる。一代替では、トラッカーは、標準手術室状況に存在する可視光スペクトル下での画像認識に向けて最適化された高分解能カメラである。追跡要素は、手術計画に記憶された医療画像に基づく患者の生体構造である。加えて、狭視野が、患者の生体構造の効率的な認識に利することもできる。最後に、手術計画自体が、機能追跡要素を確立するために、患者の特定の生体構造目印を組み込むか、又は識別する必要があり得る。
【００８１】
構成に関係なく、カメラは、特定の所定レベルの精度まで追跡要素を正確に追跡するのに十分な分解能を有する必要がある。例えば、赤外線ＬＥＤを有する基準である追跡要素、６４０×４８０分解能を有するカメラを有するシステムは、手術精度で追跡要素を追跡するのに十分な分解能を有する。システムは、赤外線フィルタ等の追加の要素を利用し、カメラの追跡要素を分離することができる。そのようなシステムでは、分解能のより低いカメラが、高精度追跡の生成に十分であることができる。
【００８２】
分解能は、システムの動作に影響するカメラの唯一の特徴ではない。フレームレートは、システムの特定の構成に応じて重要な考慮事項である。例えば、約１００Ｈｚの非常に高いフレームレート（毎秒フレーム数）は、最小の待ち時間を生み出すが、画像プロセッサへの負担が非常に大きい。システムは、追跡要素を多すぎる捕捉画像から所与の時間単位で抽出するために、強力なプロセッサを必要とする。あるいは、フレームレートが低すぎる場合、システムは大きすぎる待ち時間を生み出す。仮に操作者が器具を動かす速度が速すぎる場合、システムは器具を連続して追跡することができない。最小許容可能なフレームレートがシステムで利用されるべきである。ＶＧＡカメラのアレイと共に基準フレームに赤外線ＬＥＤを利用するシステムでは、フレームレート３０Ｈｚが、フリーハンド整形外科手術に適するシステムを生み出す。
【００８３】
一緒に、これらの例は、トラッカー追跡要素サブシステムの例示的なカメラ追跡実施形態を構成する追跡要素及びカメラの様々な構成を示す。追跡要素の正確な配置に加えて、追跡要素の位置を、カメラにより捕捉された画像から抽出しなければならない。カメラから受信した画像信号は、デジタル信号処理（ＤＳＰ）を経て、追跡要素の画像を、器具に相対する数学的座標に変換しなければならない。次に、数学的座標はコンピュータシステムに送信され、手術計画と比較されて、手術路が意図される切除を辿っているか否かをコンピュータシステムが判断できるようにする。
【００８４】
カメラからの未処理データを処理して、数学的座標にする幾つかのステップがあることを考える。まず、システムは画像を取得しなければならない。マーカ（例えば、赤外線ＬＥＤ、反射体、基準等）を検出するカメラの場合、システムは、追跡要素全体に使用される個々の各マーカの質量中心の座標を特定し、各要素のサイズを特定し、各ＬＥＤのサイズ、形状、及び座標をコンピュータシステムに報告しなければならない。質量中心の位置を特定するためのサブピクセル解析等の捕捉画像を処理する追加の動作により、精度を向上させることができる。
【００８５】
３０Ｈｚで動作するシステムでは、ステップは約３３ｍｓで完了しなければならず、コンピュータは、個々のＬＥＤの関係を特定し、追跡要素の位置及び向きを計算する必要がある。そのデータから、コンピュータは、モデルの向き及び骨と外科器具との相対位置を特定する必要がある。信号処理は、任意の必要とされる動作を実行するために、２つの連続フレーム間にある量の時間のみを有する。（例えば、フレームレート３０Ｈｚの場合、処理システムは、これらの動作を実行するために上述した３３ｍｓ期間を有する）。一実施形態では、上記ステップの大半は、多くの場合、カメラ（又は他のトラッカー）自体に統合されたＣＰＵにより器具自体で達成することができる。
【００８６】
例えば、カメラにより捕捉された画像の追加処理は、カメラに統合されたＣＰＵを介して、コンピュータシステム上で、又はこれら２つの何らかの組み合わせで達成することができる。例えば、多くの小型カメラは、データ信号をエクスポートする前に、デジタル信号処理アルゴリズムを実行可能な統合ＣＰＵを有する。ＤＳＰは、カラー画像をグレースケールに変換するような単純なステップ又はビデオ画像を、識別されたＬＥＤを囲む小さなフレームにクロッピングするような複雑な演算を含むことができる。初期処理により、カメラで捕捉された画像からの追跡要素の最終的な抽出の計算負荷が低くなるとともに、全体の追跡プロセスがより効率的になる。
【００８７】
カメラ追跡要素サブシステムは、デジタル画像送信又は無線送信のいずれか一方を使用するデジタルカメラを利用することができる。一般に「ＩＰ」又は「ＷｉＦｉ」カメラと呼ばれる、デジタル画像送信を使用する広範囲のカメラがある。多くの小型低コストの解決策を使用することができ、多くの既知のデジタルストリーミングプロトコルの１つを通して、処理電子回路に任意の形式（例えば、Ｍｐｅｇ）で画像をストリーミングし（２台のカメラ間で同期可能）、供給することができる。あるいは、ファーストパーソンビュー（ＦＰＶ:first person view）技術として知られるものを用いて、航空機モデルで使用されてきたように、アナログ画像送信を使用することができる。これは、最小の重量及びサイズ、小さな無線送信、及び低コストを有する容易に利用可能な商用のカメラに役立つ。画像処理及び被追跡要素の座標の抽出後、コンピュータシステムに通知するのに十分な追跡データを生成するために、追加の処理が必要である。被追跡要素の座標は、カメラについての情報（仕様及び較正データ等）と組み合わせられて、各被追跡要素の位置空間をさらに改良する。各非追跡要素の改良された位置に基づいて、サブシステムは、ユーザにより定義されるクラスタの定義を特定の追跡要素（基準フレームと呼ばれることもある）を利用して、追跡要素の有効クラスタ及び空間内のそれらの位置及び向きを検出する。空間内の位置及び向きを特定するデータは、使用に向けて形式化されたものである。例えば、システムは、特別な座標を、手術計画に使用される空間の全体定義と互換性を有する行列に配置することができる。
【００８８】
上記処理は、器具で行うことができる処理とは異なり、画像調整及び空間的抽出ではない。手術計画及び計画された切除が計算されるコンピュータシステムと同じコンピュータシステムにあり得る専用ソフトウェアを通して処理し得ることができるか、又は器具上にあり得るか、若しくは器具及びコンピュータシステムの両方とは別個であり得る中間コンピュータで行うことができる。
【００８９】
追加のナビゲーションデータが、カメラ追跡要素システムを増強させることができる。器具は、１つ又は複数の加速度計又は慣性センサをさらに含み、手術路に沿った器具の向き及び移動を特定することができる。加速度計は、１つ又は複数のカメラからの追跡データに加えて、追加のデータをコンピュータシステムに提供することができる。あるいは、外部追跡システムが、器具の搭載追跡を増強することができる。そのような適用は必要ではないが、主にユーザの移動を「予測」することによりシステムの追跡機能を増強するように機能することができる。システムは、複数のトラッカー追跡要素モダリティをさらに含むことができる。例えば、システムは、赤外線カメラ及び赤外線ＬＥＤを有する追跡要素並びに光学分解のための可視光カメラを含むことができる。両方からの追跡情報を処理して、三次元において器具の座標を確立することができる。
【００９０】
コンピュータ支援手術では典型的なように、手術計画は、所望の手術処置を開始する前又は所望の手術処置でステップを実行する前に決定される。手術計画は、患者の生体構造のコンピュータ表現に対して外科医により設計された意図される切除に基づく。患者の生体構造のコンピュータ表現は、ＣＴ又はＭＲＩスキャン等の様々な医療撮像技法を通して調達し得る。加えて、鋸、ドリル、バー、インプラント、又は任意の外科器具若しくはその部分のコンピュータ表現は、コンピュータシステムにプログラムされた設計仕様（又はモデル）により調達し得る。患者の生体構造のコンピュータ表現が、ディスプレイ、マウス、キーボード、タッチディスプレイ、又はコンピュータシステムと対話する任意の他の装置等のコンピュータインタフェースを通してアクセス可能になると、外科医は、実行すべき１つ又は複数の切断、穿孔すべき領域、又は除去すべき組織の容積をコンピュータシステムに入力することにより、手術計画に向けた切除を手動で指示し得る。あるいは、コンピュータシステムは、外科医により選択された特定のパラメータセットに基づいて、手術計画を生成するように構成し得る。指定されたパラメータは、例えば、外科医が患者の生体構造に取り付けたいインプラントの形状、サイズ、及び／又は位置に対応し得る。それに従って、コンピュータは、インプラントを患者の生体構造に適合させるために必要な切除を含む手術計画を生成し得る。手術計画が外科医により指示されると、コンピュータシステムは、手術計画を、手術計画を構成する意図される切除の境界を定義する数学的に定義された１つ又は複数の表面に変換する。次に、上述したトラッカー追跡要素サブシステムにより取得されたデータを使用して、機器の手術路を手術計画と比較し、手術計画のずれを特定し得る。
【００９１】
次に、手術計画は、デカルト座標、球座標、円筒座標、又は他の生体構造に基づく座標系等の許容可能な三次元座標系において数学的に定義された１つ又は複数の表面として描かれる。例えば、デカルト座標を使用する手術計画では、切断は原点を定義するＸＹＺ座標からのＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸のそれぞれに沿った指定距離として定義し得る。各軸に沿った指定距離は線形である必要はない。例えば、患者の生体構造で穿孔すべき領域を表す円筒形は、原点周囲に配置された指定の直径を有する円形面であって、円形面に直交する方向において原点から指定距離のところで突出する円形面として、デカルト座標において定義し得る。いずれの切断、一連の切断、又は除去すべき組織の容積は、指示された切除を完成させるために外科器具が辿らなければならない手術路の境界を描く表面を定義する同様の手法を通して、数学的に定義し得る。
【００９２】
上述したように、外科医は、患者の生体構造のコンピュータ表現への手術計画の切除を手動で指示し得る。一実施形態では、外科医は、コンピュータインタフェースを使用して、患者の生体構造の三次元表現を閲覧して操作し、切断を表す印を付けることができる。三次元表現に付けられた印は次に、外科医が外科器具を用いて辿らなければならない手術計画を描く数学的表面に変換される。
【００９３】
人工膝全置換手術等のインプラントを利用する手術処置では、インプラントが患者の生体構造に正確に適合させることをよりよく保証するように手術計画を描く際、インプラントの物理的な仕様を使用することが有利である。そのような実施形態では、外科医は、コンピュータインタフェースを使用して、患者の生体構造及び１つ又は複数の指定されたインプラントの三次元表現を閲覧して操作することができる。例えば、外科医は、サイズ、形状等の異なる物理的特徴を有するインプラントのカテゴリから選ぶことが可能であり得る。外科医は、適切なインプラントを選び、インプラントの三次元表現を操作して、所望の位置合わせで患者の生体構造の三次元表現上に合わせ得る。次に、外科医は、インプラントを受けるように患者の生体構造を準備するために必要な計画された切除を含む手術計画を生成するコンピュータシステムの選択肢を選択することができる。したがって、コンピュータシステムは、外科医により位置合わせされる際、インプラントのコンピュータ表現と患者の生体構造との各交点での表面を計算することにより、手術計画を描くのに適切な数学的表面を生成するように構成し得る。
【００９４】
外科器具で手術計画に従うように外科医をガイドするために、外科器具の経路を計画された切除と比較する手段がなければならない。したがって、トラッカー追跡要素サブシステムは、器具に相対する手術計画の数学的に定義された表面の三次元位置及び向きを追跡し得る。一実施形態では、数学的表面は、患者の生体構造上の固定位置に配置された追跡要素により参照される。よりよい精度のために、追跡要素は、剛性組織の容易に識別可能な位置に固定し得る。そうすることにより、患者の生体構造と追跡システムとの見当合わせを単純化し、軟組織の予測できない移動により生じるおそれがある望ましくない誤差が回避される。患者の生体構造が追跡システムと見当合わせされると、コンピュータシステムにおいて定義される数学的表面は、追跡要素の固定位置の座標に相対する数学的表面の座標に基づいて追跡することができる。追跡システムは外科器具に配置されるため、患者の生体構造の位置及び向きに関して追跡システムにより収集される追跡データ及び手術計画の対応する数学的表面は、外科器具上の定義された基準点に相対する。したがって、手術中、コンピュータシステムは、追跡データを使用して、外科器具が辿る手術路と、手術計画の表面とのずれの反復的計算を行い得る。手術路と手術計画との位置合わせ誤差及び是正措置は、コンピュータ画面、ＬＣＤ、又は投影ディスプレイ上へのグラフィカル通知、明滅光、可聴アラーム、触覚フィードバック機構、又はずれ誤差を示す任意の他の手段等のインジケータにより外科医に伝達し得る。
【００９５】
一態様では、インジケータは、手術計画の意図される切除を達成するために、手術計画をいかに位置合わせするかについて外科医にガイダンスを提供するシステムである。一実施形態では、インジケータは、情報を手術室内の外科医に提供するために使用されるコンピュータシステムの要素である。米国特許出願第１１／９２７，４２９号は、段落［０２１２］において、外科器具の外科操作をガイドする手術室コンピュータの使用を教示している。’４２９号特許において教示される指示の一手段は、外科器具の作動である。搭載カメラ追跡要素サブシステムにより検出されるように、外科医の手術路が意図される切除からずれる場合、コンピュータシステムは外科器具と通信して、器具の動作を遅くするか、又はさらには停止させる。そのようなシステムでは、外科器具の作動は、’４２９号特許の段落［０１２３］においてさらに教示されるように、コンピュータ支援手術システムから外科医が指示を受け取る手段である。
【００９６】
別の実施形態では、コンピュータシステムは、手術路が意図される切除からいつずれるかを外部ディスプレイに示すことができる。コンピュータシステムは、外科器具及び患者の生体構造の三次元表現を表示することができる。その画像に、手術計画の三次元表現が重ねられる。コンピュータシステムは、カメラ追跡要素サブシステムにより決定されるように、外科器具と患者の生体構造との相対位置を更新し、意図される切除を重ねる。次に、外科医は、表示を利用して、手術路を意図される切除と位置合わせすることができる。同様に、外科器具と患者の生体構造との相対位置は、個人の眼鏡型ディスプレイ、手術室内の大型投影ディスプレイ、スマートフォン、又は器具に取り付けられた画面等の他の画面に表示することができる。コンピュータシステムの画面等の外部画面と器具自体の画面等の他の画面との組み合わせが、最適量の情報を外科医に提供し得る。例えば、コンピュータシステムの画面は、処置の大域的な全体像を外科医に提供することができ、その一方で、器具の画面は、処置での特定の切除又はステップについての特定のガイダンスを提供することができる。
【００９７】
画面搭載外科器具が、’４２９号特許の段落［０２１５］において教示されている。搭載画面は、外部ディスプレイ上の上述した画像と同じ種類の画像を表示することができる。ＯＴＴ装置の状況での例示的な実施態様が図５２Ａ及び図５２Ｂに示され説明される。搭載画面は、手術路と意図される切除との位置合わせの簡易化された図を表示することができる。一実施形態では、簡易化表示は３本の線で構成される。手術路は２本の線で示され、一方は小さく、他方は大きい。小さい線は手術路の遠位端部を示し、その一方でより広い線は手術路の近位端部を示す。第３の線は意図される切除を示す。最初の２本の線は、外科器具のナビゲーション位置（位置及び向き）から計算される。コンピュータシステムは、３本全てを外科器具の画面に表示するように編纂する。ディスプレイは、手術路の近位部及び遠位部の両方を示し、それらの相対位置を三次元で外科医に示す。手術路が意図される切除と位置合わせされる場合、３本の線は全て位置合わせされる。インジケータは、器具の位置をいかに正すべきかを三次元で外科医に示す。
【００９８】
一実施形態では、ディスプレイは、鋸をナビゲーションするガイダンスを提供するように最適化される。手術路は線で示され、鋸が行う切断の形状に概ね対応する。別の実施形態では、簡易化された図を２つの円で示すことができる：小さな円は手術路の遠位端部を示し、大きな円は近位端部を示す。十字又は菱形等のサイズが概ね等しい第２の形状は、意図される切除を示す。上述したように、外科医は、形状を並べることにより、手術路を意図される切除に位置合わせすることができる。円は、ドリルのような異なる器具の手術路を示す。このようにして、システムは、広範囲の外科器具のガイダンスを提供することができる。一実施形態では、インジケータにおいて説明される全ての要素の位置は、人間の反応時間よりも高速のレートでコンピュータ及び追跡サブシステムにより更新すべきである。
【００９９】
手術表示の一制限は、外科医の注意を患者から逸らすことである。一解決策は、指示情報を、処置が行われている患者の体の部分上に直接投影することである。任意の様々なプロジェクタを器具に配置し、任意の指示方法を患者に表示することができる。一実施形態では、搭載ピコプロジェクタが、上述した３本線簡易化手法を表示することができる。多くの点で、第３の線は、患者上に精密に、意図される切除が患者の生体構造の残りの部分に相対してどこで開始されるかを示すため、非常に有用である。加えて、インジケータは、意図される切除との位置合わせのために手術路をいかに正すかについてより直接的なガイダンスを提供し、ガイダンス情報を患者に直接投影することができる。例えば、プロジェクタは、外科医が手術路を正すために移動させる必要がある方向を指す矢印を示すことができる。
【０１００】
指示情報を患者の生体構造に正確に投影するには、幾つかの難問がある。第１に、搭載器具上手法では、投影プラットフォームは常に移動している。加えて、プロジェクタが投影する表面は平坦ではない。第２の問題を解決するために、システムは手術計画中に得られる情報を利用する。まず、システムは患者の生体構造の表面の幾何学的形状を知る。手術計画は、ＣＴスキャン等の患者の医療画像を含み、その医療画像から、システムは、インジケータが投影する表面の幾何学的形状を抽出することができる。システムはそれに従って、患者の生体構造の表面に投影された情報を見ている外科医が適切に見られるように、ガイダンス情報を投影する。例えば、直線を利用することにより、外科医が鋸で切断すべき場所をシステムが示すべき場合、システムは、患者の生体構造に投影された場合に直線に見えるように、線を曲げ湾曲させることができる。その手法を利用して、インジケータは、上で教示された位置合わせの３本線簡易図を投影することができる。
【０１０１】
同様に、システムは、追跡システムにより器具の相対位置を計算もする。その情報を用いて、システムは投影の角度を常に変更して、インジケータが患者の生体構造上に意図される切除の適切な位置に投影することを保証することができる。インジケータは、ミニ標準ＬＥＤプロジェクタ又はレーザ走査ピコプロジェクタシステム等の広範囲のプロジェクタを使用することができる。それにもかかわらず、上記のいずれも、器具に搭載されないプロジェクタ又は任意の他の形態のコンピュータ支援手術に使用されるプロジェクタの利用を妨げない。例えば、外部の被追跡システムは、指示情報を患者の生体構造に同様に投影する別個の投影システムを含むことができる。
【０１０２】
鋸に搭載される画面又はプロジェクタに加えて、システムは、Ａｐｐｌｅ  ＩＰｈｏｎｅ４Ｇ等のスマートフォン又はタブレットコンピュータを利用して、指示を外科医に提供することができる。スマートフォン又はタブレットコンピュータを使用するインジケータは、着脱可能な画面というさらなる利点を有する。さらに、搭載画面と全く同じように、スマートフォンは器具及び患者の両方の表現又は２本線実施形態等の簡易化画像を表示することができる。異なる簡易化画像は、手術路及び意図される切除がいつ位置合わせされるかの指示及び位置合わせがずれる場合の方向を提供することができる。例えば、外科医が切除箇所に極めて低く近づいている場合、画面は上向きの矢印を示すことができる。矢印は三次元で提供し、さらなる指示を外科医に提供することができる。
【０１０３】
簡易化インジケータでは、表示はスマートフォン又は他の高分解能画面ほどロバストである必要はない。例えば、列になったＬＥＤが、上述した３本の線又は矢印指示のいずれかを表示することができる。指示方法は可視である必要はない。システムは、’４２９号出願の段落［０１２２］にさらに記載されるように、手術路が意図される切除からずれたときをユーザに音声で示すことができる。
【０１０４】
詳細に上述したように、コンピュータ支援手術は、任意の既知の医療撮像モダリティを使用して得られる画像及び再構築に基づくようなコンピュータに基づく生体構造モデルから、又はコンピュータに基づく生体構造モデルを使用してコンピュータ支援手術で使用されるモーフィング若しくは生体構造若しくは骨モデルをレンダリングする他の既知のプロセスから進み、特定の患者及び処置で実施すべき手術計画が作成される。手術事前計画は、術前画像データの取得、とるべき特定の処置の手術計画、患者固有の生体構造又は状況及び該当する場合には任意の特定の人工器官、装置、インプラント、又はＣＡＳ処置中、選ばれた３Ｄ位置合わせに配置すべき、結合すべき、若しくは使用すべき他の構造への計画の適合等の幾つかのステップを含む。取得したこの一般的な術前計画情報を用いて、外科医は、手術部位で実施すべき患者固有の術中計画に移る。患者固有の術中手術計画は、特定の部位又はコンピュータ支援手術の使用を通して向上し得る任意の整形外科処置又は最小侵襲性処置等の特定の処置に対処するように適合される。例えば、特定の関節は、何らかの形態の修復、部分的な置換、又は全置換のために位置合わせし得る。本明細書に記載の技法を、足首、股関節、肘、肩、又は本明細書に記載のコンピュータ支援手術への改良から恩恵を受ける骨格生体構造（例えば、骨切り又は脊椎手術処置）の他の部分等の他の関節に適用可能なことを理解されたい。これらの技法から恩恵を受け得る骨格生体構造の例としては、限定ではなく、脊椎の椎骨、肩帯、腕の骨、脚の骨、足又は手の骨が挙げられる。
【０１０５】
非限定的な例として、人工膝全置換関節形成術が具体的な例として使用される。考察のために、人工膝全置換関節形成術は通常、大腿骨の５つの手術切断（ＣＲ又はＰＣＬ温存の場合及びＰＳ又はＰＣＬ犠牲の場合は８つの切断）と、頸骨に１つ又は複数の切断を含み、それぞれについてさらに詳細に後述する。手術処置又はステップの部分の特定の１つ又は複数の態様を強調するように、これらの切断を変更し得ることを理解されたい。例えば、特定の処置用の人工器官装置の特定の幾何学的形状、向き、又は特徴が、手術計画の特定の態様の変更に繋がり得る。別の例では、特定の処置又は人工器官が、特定の種類の切断、器具、又は手術手法から恩恵を受け得る。これらの任意のファクタを使用して、コンピュータ支援手術が本明細書に記載の実施形態により進められる方法を調整することもできる。非限定的な例として、コンピュータ支援手術システムは、コンピュータ支援手術ステップの直前又はそのステップ中に外科医に提示すべき最も重要な情報として、切断の表面（例えば、平面）を選択し得る。さらなる態様では、ＯＴＴ  ＣＡＳは、ユーザが、手術中の外科器具又は生体構造への結果としてのその器具の使用のいずれかの表現に関連する２Ｄ、３Ｄ、又は他の出力情報を使用して、手術ステップ判断を選択することができるようにする。例えば、外科器具が鋸である場合、ユーザは、概して、鋸の外形に対応するか、又は鋸により生体構造に結果として形成される切断に対応する１つ若しくは複数の表面（この特定の例では、平面）に対応するようなサイズの矩形形状から選択し得る。追加の例では、外科器具はドリルを含み、ユーザには、ドリルのサイズに対応する円、ドリル使用の生体構造への影響に関連する円筒形、並びにドリル切断先端部の生体構造との係合を表し得る他のファクタを使用するシステムに基づく処理判断が提供される。さらに別の例では、外科器具はリーマ又は他の球形器具を含む。この例では、システム又はユーザには、ユーザへの表示及びフィードバックに、又はＯＴＴ  ＣＡＳシステム内で使用される処理判断の一環として同様に使用される、円形、円筒形、半球形、又は球形表現が提供される。最後の例では、外科器具は平坦な研削刃を含み、それにより、表現はここでも、生体構造表面に接触することになる研削動作の特定の厚さを示す平坦な表面（又は薄い矩形ブロック）である。
【０１０６】
以下の実施形態では、器具上追跡システム（ＯＴＴ）実施形態を使用して、手術処置に関するリアルタイムデータを取得し、何らかのデータ処理をオンボードで実行し、リアルタイムデータをコンピュータ支援手術コンピュータに提供し、コンピュータ支援手術コンピュータから、それ自体のモータ速度を設定し、速度を減衰させ、又はさらには意図されない切断を回避するために停止させるコマンドを受信する。器具上追跡システムを使用して、様々なデータをコンピュータ支援施術システムによる使用に提供する。一形態のデータは、器具上トラッカーにより提供される撮像センサからの撮像データである。これらの撮像センサにより提供されるデータは、例えば、処理後に追跡に使用可能な立体画像及び独立式若しくは内蔵型プロジェクタ又は器具上追跡システムとの併用に提供される任意の種類のプロジェクタにより手術野に投影される情報を含む。撮像センサにより提供される他のデータは、基準フレームの位置、向き、位置合わせ、又は手術野の定義に使用される基準フレームの他の物理的属性を含む。１つ又は複数の基準フレームは、視野の周囲、関節の周囲、膝の周囲に位置決めし得、又は基準フレームが手術処置の全てのうちの少なくとも部分又は実質的なステップ中に可視である手術野に関連したサイズ及び形状を有し得る（例えば、図１６〜図３０に関して説明される基準フレーム実施形態を参照のこと）。さらに、データは、ＣＡＳ処置又はＣＡＳステップの動的なリアルタイム評価に基づいて、関連する基準フレーム又はその部分のみから選択し得る。
【０１０７】
例えば、２つのフレームが存在するＣＡＳ処置では、切断の開始時には両方を使用し得、次に、システムは切断中に一方のみの基準フレームの使用にシフトする。同様にして、システムは、後述するモード調整を促進するために、処置中、特定の基準フレームで利用可能な全て未満の基準マーカを使用し得る。処理する基準が少なくなることにより、画像処理コンピュータのサイクル時間のより高速での更新又は時間減が可能である。本明細書に示され説明されるように、基準フレームは、同じ形状又は異なる形状を有し得、任意の様々な基準マーカを、ＯＴＴでの視覚又は赤外線追跡システムによる検出に適する任意の様々な配置で含み得る。撮像センサから利用可能なさらなるデータは、実際若しくは人工的な生体構造若しくは構造の生体構造構成、患者に位置決めされたマーカ、ポインタ、マーカ、若しくは鋸、ドリル、バー、研削器等の視野内で使用される機器等の手術野の周囲に位置決めされる追加の標的等のシーン情報を含み、シーン情報は、リアルタイム動的ＣＡＳ処置及びＣＡＳ手術計画、リーマ、又は器具上追跡システムが搭載される任意の他の外科器具の考慮事項に基づいて、フレームの部分を選択して処理し、手術野内の関心のある部分に狙いをつけ、合焦し、又はズームするようにカメラを調整するための画像捕捉、画像処理、又はカメラ調整を指す。
【０１０８】
様々な部分を切除する場合、ＯＴＴモニタに表示される視覚モデルのビューを変更することが望ましいことがある。例えば、第１の平面に沿って切断される場合、仮想モデルを第１の視点から見ることが望ましいことがあり、第２の平面に沿って切断する場合、仮想モデルを第２の視点から見ることが望ましいことがある。したがって、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムは、以下を含むが、これらに限定されない処置の状態に関する様々なデータを追跡する：切除すべき組織に相対する外科器具の位置及び切断すべき組織に相対する外科器具の向き。組織及び外科器具の両方の位置及び向きに基づいて、システムは、処置中、どの表面が切断されることにあるかを計算し、それに従ってＯＴＴモニタを更新する。
【０１０９】
さらに、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムは、各ユーザの好み及びＯＴＴ装置を使用する機器の特徴を考慮して構成することができる。特に、外科医は、特定の切除ステップ又は切断平面でデフォルトビューとは異なるビューを望み得る。システムは、外科医が特定の切断の場合にデフォルト選択をオーバーライドし、ビューを指定できるようにする。システムは、特定の手術の特定の切断に望ましいビューに関する情報を記憶し、将来、システムが同様の切断を行うべきと判断した場合、このビューをデフォルトビューとして使用する。システムは、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムにログインしたユーザに基づいてユーザの好みを追跡する。
【０１１０】
上述したデータのタイプに加えて、器具上追跡システムは、器具上トラッカーの１つ又は複数のセンサからの出力等の他の種類のデータを提供することもできる。例示的なセンサは、位置センサ、傾斜計、加速度計、振動センサ、及び器具上追跡システムを担持する器具の移動の監視、特定、又は補償に有用であり得る他のセンサを含む。例えば、センサを器具上追跡システム内に提供して、コンピュータ支援手術システムコンピュータに送信されている撮像データ又は他のＯＴＴデータのノイズ及び振動を補償、すなわち相殺し得るように、器具により生じるノイズ又は振動を補償し得る。さらに別の例では、加速度計又は移動センサを提供して、次のフレームの予測又は器具及び撮像フレーム内の関連情報をどこに配置し得るかの、追跡システムの移動に基づく推定に使用される出力をコンピュータ支援手術システムに提供し得る。さらに別の態様では、器具上追跡システムに担持されるセンサを使用して、ＣＡＳ又はＯＴＴ画像処理に干渉し、品質を落とし、又は複雑にするおそれのある不要な移動を検出し、測定し、且つ相殺支援し得る。この種のフィードバックの特定の例は、ユーザによる手の震え又は移動を検出し相殺支援するセンサを含む。さらに別の例では、能動的な手術ステップ中に生成される不要な移動又は他の干渉を検出し、相殺又は補償を支援するセンサを提供し得る。
【０１１１】
他の変形では、画像の捕捉、処理、及びカメラの調整は、視野及び関心容積（volume-of -interest）の動的最適化を含め、補償技法に使用することもでき、又は補償技法の対象になり得る。一例では、ＯＴＴに提供されるカメラは、ＣＡＳコンピュータからの命令及び本明細書に記載の様々なファクタの下で、フレーム、フレームの部分、又は自然若しくは人工の特徴をズームし、追跡し、パンし、又は合焦するようにカメラ及びビューを動的に調整するオートフォーカス機能を含む。別の態様では、ＯＴＴ上のカメラの撮像部には、適する搭載移動システムが提供され、ＣＡＳコンピュータの指示下でレンズを傾斜又は調整して、レンズを１つ又は複数の特徴に向ける。この傾斜レンズは、上記動的レンズと併せて、又は固定されたレンズ（すなわち、調整可能な特徴ではない）と併せて使用し得る。一態様では、カメラレンズを支持する微小機械ベースが、ＣＡＳコンピュータからの命令に従って調整される。レンズ／カメラ調整がＭＥＭＳ構造を用いて内部で行い得るが、外部でも同様に行い得ることを理解されたい。例えば、動的ステージ（例えば、ｘ−ｙ−ｚ又はｘ−ｙ移動）が筐体内のカメラを担持し得、ＣＡＳコンピュータからの命令を受け取り、本明細書に記載のＯＴＴ  ＣＡＳプロセスに従ってカメラ位置を調整する。さらに別の形態の補償が、画像処理又は上部搭載ＯＴＴ、左側搭載ＯＴＴ、又は右側搭載ＯＴＴ等のＯＴＴ−器具向きへの他の調整を提供する。さらに、手術野内の関心容積への調整と共に視野（水平視野及び垂直視野のうちの単独で一方又は任意の組み合わせで両方を含む）を制御する、上述された様々な態様は、動的に達成し得、ＯＴＴ  ＣＡＳシステム内に含まれる命令、ＣＡＳモード選択処理シーケンス、及び／又は視覚に基づくあるアルゴリズム若しくは特定モードアルゴリズムを含む任意の特定のＣＡＳモードアルゴリズムを利用してリアルタイムで最適化し得る。
【０１１２】
設定及び構成技法の別の例は、白色光ノイズを遮断し、画像処理及びマーカ検出を容易にするために、撮像が赤外線であるか、又は基準フレームマーカから発せされるか、若しくは反射されたもののみの撮像であり得るように、カメラのレンズの前に配置された赤外線フィルタの実施及びオン／オフ切り替えを含む。
【０１１３】
補償のこれらの態様が、機械的構成要素、電気構成要素、又はソフトウェアを用いて、それぞれ単独で、又は任意の組み合わせで実施し得ることを理解されたい。
限定ではなく考察のために、器具上追跡システムからのデータは、上述した広いカテゴリを把握するために、撮像データ及びセンサデータとして分類される。器具上追跡システム自体に提供されるか、又はコンピュータ支援手術コンピュータにより提供されるシステムリソースを使用して、データを処理し、コンピュータ支援手術システムが使用する出力を提供する。データ処理の所望の出力は、評価中の特定のプロセスに応じて、さらに詳細に後述するように、幾つかの異なる形態で来る。この概説のために、器具上追跡システムから得られるデータ出力が、手術野内の器具上トラッカーの向き、手術野に相対する器具又は器具上トラッカーの位置、手術を受けている生体構造への物理的変更、手術野内のＯＴＴ被追跡器具の移動、手術野内の器具の変位等の手術野に関する情報、追跡中の手術ステップの明確な進行、及び手術ステップ又はコンピュータ支援手術処置の開始、進行、又は完了に関連する他の情報等のことを含み得ることを考慮し得る。
【０１１４】
何の形態であれ、行われる特定のコンピュータ支援手術処置に合う形態での器具上トラッカーの出力は次に、手術計画により行われるステップ又は処置と比較される。この比較の結果は、計画、ステップ、又は手術計画のステップ内の進行に関連する情報を与える、器具上トラッカーへの出力を生成する。一般に、この出力は、器具上に搭載されるプロジェクタからの投影画像の結果として、ユーザに明示されるが、音声フィードバック、コンピュータ画面が利用可能な場合にはコンピュータ画面の変更／メッセージ、切断器具への動作（例えば、切断速度、方向の変更及び停止）等を含むこともできる。このプロジェクタからの出力が（例として）、画像を投影し得る利用可能な手術野、手術野への器具上トラッカー及び器具のありそうな位置及び向き、並びに投影画像をユーザに見えるようにするために起こり得る問題等の幾つかの考慮事項に基づいて適合し得ることを理解されたい。その結果、搭載プロジェクタは、手術処置中に提示される動的でリアルタイムの状況に基づいて様々な構成で画像を投影することが可能である。さらに、器具上追跡システムに追加の照明源を提供して、システム又はユーザが、器具上追跡システムを使用する画像処理に適する可視スペクトル、赤外線スペクトル、又は任意の他のスペクトルで画像データを得られるようにし得る。さらなる態様では、本明細書に記載のＣＡＳモード処理方法のうちの１つ又は複数は、任意の様々なパターン認識、コンピュータビジョン、又は他のコンピュータに基づく追跡アルゴリズムを組み込んで、基準フレームに基づく追跡情報を使用せずに、又は実質的に使用せずに、手術部位又は手術部位近傍の他の機器に相対する空間内のＯＴＴ機器の位置及び向きを追跡するとともに、ＯＴＴ  ＣＡＳ手術ステップの進行を追跡するように変更し得る。換言すれば、ＯＴＴ  ＣＡＳ方法の実施形態は、ユーザが１つ又は複数のＣＡＳ処理ステップを完了するのに適切なＣＡＳ出力を提供するために十分なＣＡＳデータの識別、評価、追跡、及び他の様式での提供を行うための、ＯＴＴ搭載トラッカー又はカメラから得られる視覚的情報の使用を含む。一態様では、手術野内の生体構造の部分は、視覚に基づく追跡及び視覚に基づくアルゴリズムプロセスを向上させるために印が付されるか、又はペイントされる。搭載追跡システムのプロジェクタからの情報の提供の結果として、ユーザはその情報に応答して、行動を変化させず、又はステップ若しくは処置の状況下で保証されるように、手術野内の器具の操作、配置、向き、速度、又は位置のうちの１つ又は複数を調整し得る。プロジェクタからの情報は、それだけで、又は触覚又は触知フィードバック等の他のＯＴＴ構成要素、フィードバック、又は指示と組み合わせて提供し得る。
【０１１５】
次に、ユーザによる動作の継続又は動作の変更が器具上追跡システムにより検出され、データ処理データを提供し、コンピュータ支援手術システムによる比較及び評価のために提供するプロセスが続けられる。
【０１１６】
この概説を背景にして、使用に際して、本明細書に記載の器具上追跡対応コンピュータ支援手術システムの実施形態がいかに、計画されたコンピュータ支援手術処置と突き合わせて、器具上トラッカーを使用する機器の位置、移動、使用、予測される移動のうちの１つ又は複数を監視し評価し、少なくとも部分的に、コンピュータ支援手術システムによるリアルタイムコンピュータ支援手術評価に基づいて適切なコンピュータ支援手術出力をユーザに提供するかが理解される。
【０１１７】
これより、概説から、本明細書に記載の器具上追跡システムの使用により、コンピュータ支援手術がいかに変更されるかのより具体的な考察に移る。図３１Ａは、コンピュータ支援手術についての情報の一般的なプロセスフローを示す。図３１Ｂは、コンピュータ支援手術計画の実際の遂行中に使用される一般的な段階的手法を同様に表す。これらの２つのフローチャートを使用して、本明細書に記載の実施形態によるコンピュータ支援手術を改良する一般的な枠組みを提供する。
【０１１８】
図３１Ａを参照すると、システムにより取得された情報が処理される。これは、手術野内に配置された様々なソースからの情報又は連続実行フィードバックループで手術処置中に使用される器具からの情報を含むことができる。次に、取得され処理された情報は、適切なコンピュータ支援手術アルゴリズムを使用して評価される。最後に、評価から、手術処置の実行に当たりユーザを支援する出力が生成される。生成された出力は、表示、投影画像、又は指示のうちの１つ又は複数を含み得る。指示は、例えば、触覚フィードバック信号、例えば、温度変化を含む触覚フィードバック信号、異なる周波数及び／又は振幅の力又は振動を有する触知フィードバック信号、速度、方向、制動、及び停止に関する機器のモータ又はアクチュエータの遠隔又はオンボード制御、或いは状況、器具上追跡システムの使用、及びそれに取り付けられた機器の使用に適切なようにユーザに提供される音声信号又は視覚信号を含み得る。
【０１１９】
幾つかの側面では従来のコンピュータ支援手術と同様であるが、本明細書に記載のシステム及び技法は異なり、従来のコンピュータ支援手術システム及び方法よりも優れた独自の利点を提供する。
【０１２０】
器具上画像及び投影モジュールには、行われているコンピュータ支援手術の種類に基づいて、幾つかの異なる特徴が適合され構成される。ＣＡＳ処置での予期される使用中の手術野に関連するＯＴＴ位置、ガイドされている器具へのプロジェクタの向き、投影されている手術野内の表面の形状及び表面状況（すなわち、血液又は手術デブリの起伏のある存在）、水平視野の適応、垂直視野の適応は、本明細書に記載の実施形態に利用されるわずかな幾つかの考慮事項である。
【０１２１】
本明細書に記載のコンピュータ支援手術システムのさらに他の実施形態は、選択された構成要素及び上記特徴から生じる構成への変形及び代替を補償する。例示的な一補償は、特定のコンピュータ支援手術技法に基づいて手術ステップ又は視野調整のためのカメラ調整又は画像調整（上述）に関する。別の例示的な補償は、特定の実施形態での実際のプロジェクタの位置に関する。特定の実施形態のプロジェクタ位置は、水平若しくは垂直視野に基づいて装置の中心線又は最適な位置にないことがあり、又は装置を小型化するか、若しくは他の装置構成要素を収容するなどの他の設計考慮事項に対処するために傾斜し得る。この態様の一形態の補償は、実際のプロジェクタ位置に基づいてプロジェクタ出力を調整することである。この種の補償は、プロジェクタ出力の基本調整と同様である。器具上追跡システムに搭載されて提供されるプロジェクタは、プロジェクタ出力が表示する手術野の、予期されるか、又は実際の部分が補償された出力を有し得る。手術処置中、手術部位は、平坦である可能性は低く、したがって、プロジェクタからの意図される画像を忠実には反映しない。しかし、標的生体構造（例えば、骨面）の幾何学的形状が既知であるため、プロジェクタにより投影すべき画像は、非平坦面に投影される場合、ユーザにとって意図されるようにより明確に見えるように補償するように、ソフトウェアにより変更することができる。投影の標的生体構造表面は、形状、向き、湾曲、又はデブリ、血液の存在の点で可変であり、さらに、ＯＴＴプロジェクタの出力は、ＯＴＴ視覚システム及び物体検出技法により検出されるようなリアルタイムファクタに基づいて調整し得る。切断が開始されると、新しい「非平坦性」の原因、すなわち、骨の元の本来の表面と、切断により生成される新しい表面との界面がある。これは、切断中、切断が行われた場所を記録することにより計算（且つ補償）することができ、所望の理想的／計画された表面であると仮定することができ、又は各切断後にデジタル化することができる（例えば、ポインタを用いて）。
【０１２２】
ＯＴＴ手術技法と従来のコンピュータ支援手術技法とのさらなる違いとしては、出力を提供し、又は器具上追跡システム若しくはユーザから入力を受信するタイプ及び様式が挙げられる。触覚、触知、又は移動フィードバックを提供するセンサ及びシステムを、特定のＯＴＴシステムの機能に固有のアラーム、視覚的インジケータ、又は他のユーザ入力等の様々なインジケータと同様に使用し得る。
【０１２３】
図３１Ｂは、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムの追加の態様を要求する追加の詳細を有する汎用ＯＴＴ対応ＣＡＳプロセスに関する。処置が開始される場合、ユーザは、ユーザ及びＯＴＴ  ＣＡＳ計画によって決まるように上部、右側、左側、下部のいずれかに器具上追跡システムが搭載された、選択された外科器具を有する。ＯＴＴが取り付けられた器具は、器具が識別信号を送信するような器具登録手順を通して、自己登録プロセスを通して、又は他の適する登録プロセスを通してシステムに識別される。必要に応じて、術前計画ステップが、行うべき処置に従って完了する。コンピュータ支援手術計画から始め、ユーザはコンピュータ支援手術ステップを開始する。器具上追跡システムを使用した結果として、器具上追跡データが生成される。器具上追跡データは処理され、次に、コンピュータシステムに提供され、コンピュータシステムは、計画された手術ステップ情報を、器具上追跡データから受信される情報と比較して評価する。器具上追跡データのこの比較及び評価の結果として、適切な出力が、器具を減速させ、停止させ、若しくは逆にするか、又は手動搭載ハンド引き金を通してユーザが望む速度で続けさせるモータ又はアクチュエータ制御信号として、ユーザ又はＯＴＴの搭載モータ制御回路に提供される。この出力は、器具上追跡システムにより検出されて器具上追跡システムに作用し、器具上追跡システムは追加のデータを提供し、ここでも、追加のデータは追跡コンピュータに提供される。次に、ユーザは、提供された出力に応答し、現在の動作を継続するか、又は器具上追跡システムにより追跡されている器具の使用を変更する。ユーザ応答は、行動が伴うか否かに関係なく、器具上追跡により検出され、手術コンピュータへの追加のデータ入力になる。これらのプロセスは、コンピュータシステムが、手術計画と突き合わせてステップの進行を処理するにつれて続けられる。ステップ完了への応答が否定である場合、データとユーザへの出力との比較が続けられる。ステップ完了への応答が肯定である場合、ユーザは次の手術ステップを開始し得、又は手術計画コンピュータが出力をユーザに提供して、１ステップが完了し、他の残りの他のステップの任意の１つを行うことができることをユーザに通知し得る。実行すべきＣＡＳステップの順序は、あるステップを、設定された手術計画において識別される他の前提ステップなしでは実行することができない状況以外、完全にユーザ次第である。制御は完全にユーザの手中にあり、コンピュータは単に、（任意選択的に）どのステップを行うことができるかを示唆し、又は（任意選択的に）どのステップを行うことができないかを示唆する。これらのプロセスは、計画が遂行されるまで、コンピュータ支援手術処置に従って続けられる。計画が完了する場合、ユーザは、手術エリアの任意のリアルタイムでの改訂を行うべきか否かを判断し得る。改訂プロセスも追跡し監視して、情報をユーザに提供し得る。改訂が必要ないか、又はＣＡＳ計画が完了する場合、ＣＡＳ計画は完了する。
【０１２４】
図３２は、本明細書に記載の器具上追跡システムの実施形態により提供される、コンピュータ支援手術へのさらに別の改良を説明するために使用されるフローチャートを提供する。前と同様に、システムは、コンピュータ支援手術データを収集し処理する。次に、コンピュータ支援手術システムは、ＣＡＳ処置中、ＣＡＳデータを評価する。この評価の結果として、ＣＡＳコンピュータはＣＡＳ処理モードを決定する。その後、モードに基づいて処理された適合が、ＣＡＳプロセスに使用されるデータに適用される。最後に、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムは、処理モードに基づいてユーザ又は機器モータ／アクチュエータにＣＡＳ出力（又は速度及びモータ方向設定点）を提供する。
【０１２５】
モード選択は、ユーザ更新ニーズ、処理速度、切断機器モータ制御／作動の瞬間速度及び予想される応答時間、改良されたデータ若しくは異なるデータを取得する要件、ＣＡＳステップ進行若しくは患者との相互作用に基づくデータの部分の相対的な重要性、又はＯＴＴ  ＣＡＳシステムの全体的な応答性に関連する他のファクタを含むＣＡＳ動作の幾つかの態様を動的リアルタイムで評価しトレードオフするＯＴＴ  ＣＡＳシステム能力に関する。図３２において上述されたＣＡＳ処理モードを決定するステップの追加の態様を、図３３を参照して理解し得る。図３３は、処理モードを決定するためにシステムが考慮する入力及びその決定の結果に関する。処理モードを決定するためにＯＴＴ  ＣＡＳシステムにより使用される例示的な入力は、限定ではなく例として、以下のうちの１つ又は複数を含む：器具の速度若しくは移動又はそのモータ／アクチュエータの速度、器具監視装置からの入力又は指示、ユーザからの音声入力又は指示、自然又は人工パラメータを含む手術野の物理的パラメータ；基準フレーム入力；投影画像；センサからの移動検出；計算からの移動検出；全体的なＣＡＳ処置状態；ＣＡＳステップ状態；ユーザ入力（例えば、ＣＡＳ画面、モニタセンサ、ジェスチャ認識等）；例えば、完了した割合を含むＣＡＳステップ進行、計画からのずれ、リアルタイム調整。ＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータにより実行される決定ステップの結果として、ＯＴＴコンピュータのＣＡＳアルゴリズムにより行われる手術処置のリアルタイム状況及び評価に基づいて、処理モードが選択される。モードを決定するためにＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータにより使用される基準としては、患者の生体構造への外科器具の物理的な近さ、ユーザがとっている行動、器具移動のセンサ入力、予測される器具の移動、器具移動の速度、器具又は切断アクチュエータのモータの速度、及びＯＴＴ画像野内の外科器具の配置、向き、又は使用に関する他のファクタ等のファクタが挙げられる。非限定的な例として、ＣＡＳ処理モードは、ホバリングモード、部位接近モード、及びの能動的ステップモードを含み得る。一般に、ホバリングモードは、器具上トラッカー及び器具が、器具と患者とが接触せずに、手術野内又はその近傍にある場合のＯＴＴ  ＣＡＳ処置中の状況を指す。一般に、部位近接モードは、器具上トラッカー及び器具が手術野内にあり、患者に接触するが、器具が患者の生体構造に積極的に係合して、鋸による切断、切断、拡孔、穿孔、バリ取り、剃毛、研削等の手術ステップを実行しない場合のＯＴＴ  ＣＡＳ処置中の状況を指す。一般に、能動的ステップモードは、器具上トラッカー及び器具が患者の生体構造に係合し、鋸による切断、切断、拡孔、穿孔、バリ取り、剃毛、研削等の手術ステップを実行する場合のＯＴＴ  ＣＡＳ処置中の状況を指す。ＣＡＳ処理モード判断の結果として、ＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータは、ＣＡＳ処理モードを、状況下で適切なように、ホバリングモード、部位接近モード、又は能動的ステップモードに、又はこれらのモード間に適合させる。
【０１２６】
図３３に関して上述したように、ＣＡＳプロセスを特定のモードに適合させるステップについて、図３４を参照してさらに説明する。一般に、ＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータは、調整ファクタに基づいてＣＡＳプロセスモードを適合させ、特定のモード処理アルゴリズムを生成するように適合され構成される。例として、様々なモード調整処理ファクタを図３４に示す。上のフローチャートに詳述される処理入力に基づいて、ＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータは、以下のＣＡＳモード処理調整ファクタのうちの１つ若しくは複数、組み合わせ、又は変形に基づいて、ＯＴＴ  ＣＡＳに対して行われる処理ステップを調整する：カメラフレームサイズ及び／又はカメラの向き（カメラソフトウェア又はファームウェアがそのような調整を提供する場合）；カメラの水平視野、垂直視野、又は水平視野及び水平視野の両方内の関心領域のサイズを変更するようなカメラ画像出力への調整；調整可能なカメラレンズ調整または位置合わせのための駆動信号、画像フレームレート；画像出力品質；リフレッシュレート；フレームグラッバレート；基準フレーム２；基準フレーム１；基準フレーム基準選択オン；基準フレーム基準選択オフ；視覚的スペクトル処理；ＩＲスペクトル処理；反射スペクトル処理；ＬＥＤ又は照明スペクトル処理；外科器具モータ／アクチュエータの速度及び方向、全体的なＣＡＳ処置進行；特定のＣＡＳステップの進行；画像データアレイ変更；ピコプロジェクタリフレッシュレート；ピコプロジェクタ精度；画像セグメント化技法；ＣＡＳ進行に基づいて画像部分の論理ベースの抽出；信号対雑音比調整；画像の増幅及びフィルタリング；イメージャレート（imager rate）の動的でリアルタイムでの増減の加重平均又は他の係数、ピクセル又はサブピクセル視覚処理；手ぶれ補償；器具に基づくノイズの補償（すなわち、鋸の振動の補償）。言い換えれば、上に列挙した様々なファクタは、一方では、ソフトウェア若しくはファームウェア内等のカメラ内で行うことができる調整又はカメラ電子回路自体により提供される動作モダリティに基づいて、カメラの調整を提供する様々な方法にグループ化し得る。そして、他方では、より尺度の大きい、ＯＴＴ筐体に関連して筐体内のカメラを全体的に調整する。このようにして、カメラの移動とは、カメラ画像情報の電子処理に基づくカメラ出力の内部電子変更又は適合ではなく、カメラ本体全体又はカメラレンズ自体のより全般的なシフトを言う。カメラの変動について、焦点、ズーム、露出、アパーチャ、及び撮像調整の一環としてカメラ出力を調整する他のカメラに基づく変更等のことがある。特定の一例では、上記特徴の１つ又は複数を使用して、ホバリングモード処理適合中に使用されるホバリングモードＣＡＳアルゴリズムを生成する。特定の一例では、上記特徴の１つ又は複数を使用して、接近モード処理適合中に使用される接近モードＣＡＳアルゴリズムを生成する。特定の一例では、上記特徴の１つ又は複数を使用して、能動的ステップモード処理適合中に使用される能動的ステップモードＣＡＳアルゴリズムを生成する。
【０１２７】
図３５は、上述したステップに構築される例示的なＯＴＴ  ＣＡＳプロセスのフローチャートを示す。ＣＡＳデータを収集し処理する。ＣＡＳ処置中、ＣＡＳデータにアクセスする。ＣＡＳ処理モードを決定する。モードに基づくＣＡＳ評価適合を行う。モードに基づく決定の結果に基づいて、ホバリングモードの場合、ホバリングモードＣＡＳアルゴリズムを処理に適用する。ユーザにホバリングモードＣＡＳ出力を提供するか、又はＯＴＴモータ制御回路に速度制御コマンド／信号を提供する。例示的なユーザ出力は、ホバリングモード表示出力、ホバリングモード投影画像出力、ホバリングモードで使用される処理ステップに適合された触覚、触知、音声、及び視覚的な指示等のホバリングモード指示を含む。モードに基づく決定の結果に基づいて、部位接近モードの場合、部位接近モードＣＡＳアルゴリズムを処理に適用する。ユーザに部位接近モードＣＡＳ出力を提供する。例示的な出力は、接近モード表示出力、接近モード投影画像出力、接近部位モードで使用される処理ステップに適合された触覚、触知、音声、及び視覚的な指示等の接近モード指示を含む。
【０１２８】
モードに基づく決定の結果に基づいて、能動的ステップモードの場合、能動的ステップモードＣＡＳアルゴリズムを処理に適用する。能動的ステップモードＣＡＳ出力をユーザに提供する。例示的な出力は、能動的ステップモード表示出力、能動的ステップモード投影画像出力、能動的ステップモードで使用される処理ステップに適合された触覚、触知、音声、及び視覚的な指示等の能動的ステップモード指示を含む。
【０１２９】
図３６は、上述したものに基づくが、独自の引き金作動インジケータ・器具モニタ又は触覚若しくは触知フィードバックを使用して、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムのユーザに利点をさらに提供するフローチャートのうちの例示的なＯＴＴ  ＣＡＳプロセスを示す。引き金動作インジケータの様々な代替の実施形態が、図３７Ａ〜図５２Ｂに関して以下に提供される。前と同様に、ＯＴＴ  ＣＡＳプロセスは、ＣＡＳデータの収集及び処理により進む。代替の一態様では、収集及び処理は、引き金動作からの指示を含むこともできる。次に、上述したプロセスに続き、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムは、ＣＡＳ処置中にＣＡＳデータにアクセスする。ここでも、引き金動作指示をこのステップに適用し、他のＣＡＳデータと共に評価することもできる。その後、ユーザには、上述した１つ又は複数の引き金動作の使用に基づいて、適切なＣＡＳ出力が提供される。適切なＣＡＳ出力は、表示、投影画像、又は上述した、若しくはＣＡＳ処置で典型的な触覚指示、触知指示、音声指示、若しくは視覚指示等の任意の幾つかの指示を含み得る。
【０１３０】
ＯＴＴ  ＣＡＳプロセスの様々な態様のこの背景を背にして、以下の例が提供される。
多くのファクタ（例えば、基準フレーム、位置、相対移動等）によりＯＴＴ  ＣＡＳモードを検出し、決定し得ることを理解されたい。さらに、手術処置の状況では、器具／標的近接性又は使用に基づくＯＴＴ  ＣＡＳモードの定義属性の関連付けにも利点がある。以下の例を考える：Ａ）ホバリング：手術野内の両器具及び標的だが接触なし、Ｂ）接近：両器具及び標的は手術野内であり、且つ器具及び標的は接触し、Ｃ）能動的ステップモード：両器具及び標的は手術野内であり、器具及び標的は接触し、且つ器具と組織との能動的係合がある。一態様では、ＯＴＴ装置電子回路は、このモード選択機能を「スマートビュー」モジュールに組み込む。このモジュールは、メインＣＡＳシステムコンピュータ内又はソフトウェア及びファームウェアを含む電子回路がモード検出アルゴリズムの全て若しくはかなりの部分を実施するＯＴＴ装置内に提供され、ＯＴＴ  ＣＡＳモード選択機能の異なるイベントをトリガーする。
【０１３１】
ＯＴＴ  ＣＡＳモード制御の幾つかの追加の態様では、以下の変形又は代替のうちの１つ又は複数を組み込み得る。
１．ＯＴＴ  ＣＡＳシステム及びＣＡＳシステム全般の時間／特別な分解能により、器具及び標的が所与のユーザ事前選択（設定可能）の距離エンベロープ内にある場合、接近モードの幾つか実施形態が適切であると見なされ得る。距離エンベロープは、測定範囲内で指定し得る。例示的な一範囲は、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムにより決定される１０ｍｍ〜０ｍｍであり得る。他の態様では、接近モードは、ＯＴＴ  ＣＡＳ手術野内で外科器具の能動的要素と生体構造とが接触している可能性が高いと判断するＯＴＴ  ＣＡＳシステムにより描かれてもよい。
２．幾つかの態様では、ＯＴＴ  ＣＡＳモードに「ヒステリシス」ファクタが提供される。このＯＴＴ  ＣＡＳヒステリシスファクタは、所定の時間期間にわたり連続する等を満たす場合にＣＡＳモードが維持されることになる状況のタイプ又はＣＡＳ条件を含むように選択される。換言すれば、ＯＴＴ  ＣＡＳモードヒステリシスのパラメータは、「モードに固定する」ため、すなわち、そのＯＴＴ  ＣＡＳモードを維持するためには、ある時間期間にわたり連続して満たされなければならない。本明細書において使用する場合、連続しては、ＯＴＴ処理時間及びサンプリングレートの時間領域の文脈内にあるものとして意味され、監視される考慮事項の絶対的な中断なしを示すことを意図されない。同様の例として、ＯＴＴ  ＣＡＳモードの「アンロック」又は調整を許可するには、ヒステリシス条件又はヒステリシス条件の幾つかが、ある時間期間にわたり連続して満たされるべきではない。ＯＴＴ  ＣＡＳモードヒステリシスファクタの使用は、遷移へのシステム応答を向上させ、システムがあるＯＴＴ  ＣＡＳモードから別のＯＴＴ  ＣＡＳモードに不適切にジャンプする可能性を回避又は低減し、システムが単一のＯＴＴ  ＣＡＳモードからの出力を提供していることから、ユーザがより安定したＯＴＴ  ＣＡＳ出力を見る可能性が高いため、システムの使用性を向上させる。
３．幾つかのＯＴＴ  ＣＡＳステップ中、プロジェクタの使用を必要としない、異なる入出力（ＩＯ）装置を必要とし（例えば、インプラント位置評価中、情報を骨に投影することは不可能であり得る）、且つ／又は定義された標的−器具関係を有さない（例えば、膝の移動範囲評価は、頸骨及び大腿骨の基準フレームのみを見る必要がある）、ユーザにより実行される活動がある。ＯＴＴ  ＣＡＳシステムが他のソースから入力を受信してもよく、プロジェクタ出力が提供又は利用されないＯＴＴ  ＣＡＳ出力があることを理解されたい。
４．一般に、処理アルゴリズム及びＯＴＴ  ＣＡＳモードファクタは、骨、機器、インプラント等の相対移動等のことに関して、ＯＴＴ  ＣＡＳモードがホバリングから能動的に進むにつれて低減する確率又は尤度に基づいて選択される。この一般的なプロセス仮定に対する一例外は、ＯＴＴ  ＣＡＳ装置又はシステムが、手術野内の関与する関節又はＯＴＴ  ＣＡＳ処置若しくはステップの目的であるその関節のある範囲の移動を評価するプロセスに使用される場合である。
ＯＴＴ  ＣＡＳモード例
骨の見当合わせ：
目的：基準フレームの原点と骨モデルの原点との幾何学的関係を見つけ出すこと。
手順：器具（例えば、ナビゲーションされるポインタ）を用いての骨の表面上のポイントのデジタル化及び骨モデルの所定の幾何学的形状データと突き合わせたこれらのポイントの処理。
ＯＴＴ  ＣＡＳシステムがいかにこのタスクを識別するか：
−  ポインタ及び骨（頸骨又は大腿骨）の基準フレーム（reference frame：ＲＦ）がＯＴＴから見える。
タスクの開始：
−  ＯＴＴ  ＣＡＳシステムは、（少なくとも、この見当合わせに適する最小時間期間にわたり）シーンに共存する両基準フレーム（both reference frames coexisting in the scene）を認識する。
−  例えば、骨が見当合わせされるまで切断を行うことができないため、追加の「推測」ファクタは処置の段階である。この場合、このイベントのトリガーは、骨見当合わせプロセスが完了するまで、ＯＴＴ装置が所定位置に維持されて、２つの基準フレームを手術野内に保つことであってもよい。このトリガーは任意選択的に、システムコンピュータがユーザに確認を促してユーザが応答することにより確認することができる。
−  ＯＴＴ装置の骨見当合わせ中に得られた情報に、必要であれば、ユーザの入力（タッチスクリーン、音声コマンド、骨の基準フレーム上の特定の窪みにポインタで触れる等）を注釈付け、又は上書きし得る。
ＯＴＴ  ＣＡＳモード：
ホバリング：
−  範囲条件：ＯＴＴ装置がＲＦから遠く離れすぎているか、又は２つのＲＦが離れすぎている。この状況をトリガーする範囲は、システムの較正／調整中に、又はユーザの好みにより設定可能であり、最適なＦＯＶを超えるカメラと標的生体構造の基準フレームとの距離閾値（ここで具現される事例では、２００ｍｍよりも大きい）として指定される。
トラッカー：低リフレッシュレート。
プロジェクタ：いかなる画像も骨に投影しないが（骨の位置がまだ定義されないため）、このモード／状態等の確認等の基本的な有用情報を、たまたま間にあった任意の反射面に投影することができる。トラッカーにより制限される低リフレッシュレート。
システム：ポインタの先端及び骨のＲＦ位置を「世界」座標（world coordinate）において監視する。トラッカー、プロジェクタ、及び他のＩＯ装置を駆動する。
接近：
−  範囲条件：中間ＯＴＴ／ＲＦ及びＲＦ／ＲＦ距離。この状況をトリガーする範囲は、システムの較正／調整中に、又はユーザの好みにより設定可能であり、１００〜２００ｍｍ等の標的生体構造基準フレームからの距離範囲として指定される。
トラッカー：高リフレッシュレート、ポインタ及び骨のＲＦ読み取りの最適化（例えば、他のＲＦを無視するか、又は関心を払わない）。
プロジェクタ：上と同様に、いかなる定義画像も投影しないが（骨の位置がまだ定義されないため）、見当合わせポイントの収集を開始する「容易さ」に基づいて色を変える（例えば、赤、黄色、及び緑）立体画面を投影することができる。
システム：ポインタの先端及び骨のＲＦ位置を「世界」座標において監視する。トラッカー、プロジェクタ、及び他のＩＯ装置を駆動する。
能動的：
−  より小さなＯＴＴ／ＲＦ及びＲＦ／ＲＦ距離。例えば、ここでも上と同様に、ユーザの好みにより設定可能な、標的基準フレームからの７０〜１００ｍｍ未満の距離。
トラッカー：高リフレッシュレート、ポインタ及び骨のＲＦ読み取りを最適化。
プロジェクタ：上と同じ。
システム：ポインタの先端及び骨のＲＦ位置を「世界」座標において監視する。デジタル化された骨毎に、ポインタの先端位置を記録する。トラッカー、プロジェクタ、及び他のＩＯ装置を駆動する。見当合わせプロセスの進行を監視し、終了した場合、最終的な見当合わせ行列を計算する。
追加のＩＯ装置（例えば、タッチスクリーン）を必要とすることもあり、必要としないこともある。
モード間遷移についてのＯＴＴ  ＣＡＳ考慮事項
−  モードシフトは距離閾値に基づく。骨見当合わせ情報がない場合、骨−ポインタ「接触」又は「近さ」を特定することは不可能である。システムは代替として、ポインタ（ＩＳ見当合わせされる）と骨の基準フレーム（骨自体の代わりに）との公称距離を見る。次に、結果として生成される公称距離を使用して、その（骨）基準フレームが通常配置されることが推奨される（絵シート１８〜２３参照）公称位置に基づいて近似検討合わせを推定又は仮定し得る。別の代替は、単に、（別のデフォルトの骨又は前の患者若しくは手術からの骨の）システムによる任意の古い見当合わせ情報を使用して、システムがあるべき「モード」を決定するために、近似見当合わせを行うことである（任意選択的）。この選択肢の利用可能性もユーザにより設定可能／選択可能である。
−  又はユーザの入力による。
タスクの終了：
−  全ての見当合わせ目印がアクセスされ、指摘される（見当合わせプロセスは完全に完了する）。
−  又はシステムが、（少なくとも最小時間期間にわたり）ポインタのＲＦを見るのを止める。
−  あるいは、プロセスは、ユーザの入力（タッチスクリーン、音声コマンド、骨の基準フレーム上の特定の窪みにポインタで触れる等）により補足又は上書きすることができる。
骨切断／穿孔：
−  目的：割り振り及び移植のために、器具（通常、鋸、ドリル、バー、研削器等の電動式スマート機器）を用いて骨を再形成する。
手順：システムの方向を辿り、ユーザは一度に一表面を切断／穿孔（通常）する。この特定の活動は、実行すべき切断／孔毎に１つずつ、各骨の異なる個々の「標的表面」に適用され、したがって、骨に相対する器具の位置又は向きの誤差を使用又は処理する場合、システムは、そのような参照を維持する。異なる器具は異なる能動的要素（例えば、切断先端部）を有し、したがって、各器具の形状の異なる能動的要素は、器具又は器具の能動的要素が手術野内の生体構造と相互作用する場合、生体構造の異なる２Ｄ及び３Ｄ変更を生じさせる。したがって、各器具のガイダンスは、ＯＴＴ  ＣＡＳプロセスステップ中、使用される器具及び能動的要素のタイプに伴って変わる。
システムＯＴＴ  ＣＡＳシステムがこのタスクをいかに識別するか：
−  ＯＴＴが少なくとも１つの骨の基準フレーム（ＲＦ:reference frame）を検出する。
−  指名された骨が見当合わせされる。
−  切断中の骨の基準フレームは、ユーザ選択可能な最大距離内にある（例えば、２００ｍｍ未満のみ）。
タスクの開始：
−  システムは、（少なくとも最小時間期間にわたり）シーンに共存する両ＲＦ（both RFs coexisting in the scene）を認識する。
−  システムは、（タッチスクリーン、音声コマンド、骨の基準フレーム又は骨自体上の特定の窪み又は印にポインタ又は切断機器で触れる等）ユーザの入力により補足又は上書きすることができる。
モード
ホバリング：
−  ＯＴＴは骨から遠く離れすぎている。例えば、２００ｍｍ（ユーザにより設定可能な値）を超える。
トラッカー：低リフレッシュレート
プロジェクタ：いかなる画像も投影せず（骨はプロジェクタの視野外にあり得る）、又は大まかな形状（例えば、骨と位置合わせするために、機器−例えば、鋸、ドリル等−をどの方向に移動すべきかを示す矢印）のみを表示し得る。任意選択的に、プロジェクタ出力は、前例と同じように単に異なる色を示すように変更される。トラッカーのリフレッシュ設定により制限される低リフレッシュレート。
システム：骨に相対する器具の位置及び向きを監視する（すなわち、骨の座標において）。トラッカー、プロジェクタ、及び他のＩＯ装置を駆動する。双方向通信し、スマート機器を駆動する。
接近：
−  ＯＴＴは骨に対して中間距離にある。例えば、１００ｍｍ〜２００ｍｍ。
トラッカー：高リフレッシュレート、ポインタ及び骨ＲＦ読み取りの最適化。プロジェクタ：中間リフレッシュレートで骨の幾何学的形状に対して正された位置合わせ支援（カラーテキスト、ライン、円、矢印等）を示す。
システム：骨に相対する器具の位置及び向きを監視し（すなわち、骨の座標において）、ロール、ピッチ、ヨー、及び距離のずれを計算する。トラッカー、プロジェクタ、及び他のＩＯ装置を駆動する。双方向通信し、スマート機器を駆動する。
能動的：
−  ＯＴＴは骨に近い。例えば、７０ｍｍ〜１００ｍｍ。
トラッカー：高リフレッシュレート、ポインタ及び骨ＲＦ読み取りの最適化。プロジェクタ：高リフレッシュレートで骨の幾何学的形状に対して正された位置合わせ支援（カラーテキスト、ライン、円、矢印等）を示す。
システム：骨に相対する器具の位置を監視し（すなわち、骨の座標において）、ロール、ピッチ、ヨー、及び距離のずれを計算する。トラッカー、プロジェクタ、及び他のＩＯ装置を駆動する。双方向通信し、スマート機器を高速駆動する。
モード間遷移：
−  遷移は距離閾値に基づき得る。
−  ユーザ入力に基づく遷移。
タスクの終了：
−  ユーザは別のタスクに進む。
−  全ての切断及び微調整が完全に完了する。
−  一代替では、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムは、（少なくとも最小時間期間にわたり）骨のＲＦを見るのを止める。
−  このステップは、（タッチスクリーン、音声コマンド、骨の基準フレーム上の特定の窪みにポインタで触れる等）ユーザの入力により修正、補足、又は上書きすることができる。
骨切断の評価：
目的：新しい表面（例えば、平面、円筒形穴等）、向き、表面の凹凸、深さ等を評価する。
手順：表面の完全又は部分的なデジタル化（例えば、ナビゲーションされるポインタで表面に触れる／横切る）、「表面モニタ」（平坦な切断に置かれる平面を有するナビゲーションされる器具）を用いて切断位置及び向きを評価し、ナビゲーションされるポインタを用いての穴の深さを計測するなど。
ＯＴＴ  ＣＡＳシステムがいかにこのタスクを識別する：
−  ＯＴＴは、少なくとも１つの骨の基準フレーム（ＲＦ）並びに評価機器（表面モニタ又はポインタ）ＲＦを見る。
−  指名された骨及び機器が見当合わせされた。
−少なくとも１つの切断が実行された。
−  切断中の骨は最大距離「Ｄ」内にある。
タスクの開始：
−  システムは、上記条件が満たされる間、（少なくとも最小時間期間にわたり）シーンに共存する両ＲＦ（骨及び機器）を認識する。
−  これは、（タッチスクリーン、音声コマンド、骨の基準フレーム又は骨自体上の特定の窪み又は印にポインタ又は切断機器で触れる等）ユーザの入力により補足又は上書きすることができる。
モード
ホバリング：
−  ＯＴＴはＲＦから遠く離れすぎているか、又は２ＲＦが離れすぎている。
トラッカー：低リフレッシュレート。
プロジェクタ：いかなる定義画像も投影せず（骨がプロジェクタの視野外にあり得るため）、又はプロセスを開始する「容易さ」に基づいて色を変える（例えば、赤、黄色、及び緑）立体画面を投影することができる。低リフレッシュレート、トラッカーのリフレッシュレートにより制限される。
システム：骨に相対する器具の位置を監視する（すなわち、骨の座標において）。トラッカー、プロジェクタ、及び他のＩＯ装置を駆動する。
接近：
−  ＯＴＴは両ＲＦに対して中間距離にあり、且つ中間骨−器具距離にある。
トラッカー：高リフレッシュレート、機器及び骨ＲＦ読み取りに向けて最適化。
プロジェクタ：（骨がプロジェクタの視野外にあり得るため）いかなる定義画像も投影せず、又はプロセスを開始する「容易さ」に基づいて変わる立体画面を投影することができる。中間リフレッシュレート
システム：骨に相対する器具の位置を監視する（すなわち、骨の座標において）。トラッカー、プロジェクタ、及び他のＩＯ装置を駆動する。
能動的：
−  ＯＴＴは両ＲＦに対して中間／近接距離にあり、且つ小さな骨−器具距離。
トラッカー：高リフレッシュレート、機器及び骨ＲＦ読み取りに向けて最適化。
プロジェクタ：（骨がプロジェクタの視野外にあり得るため）いかなる定義画像も投影せず、又はプロセス状態（開始からデータ収集の終了）に基づいて変わる立体画面を投影することができる。高リフレッシュレート。
システム：骨に相対する器具の位置を監視する（すなわち、骨の座標において）。デジタル化されたポイント毎にポインタの先端位置を記録するか、又は表面モニタの位置及び向きを記録する。トラッカー、プロジェクタ、及び他のＩＯ装置を駆動する。評価プロセスの進行を監視し、評価プロセスが終わった場合、パラメータを計算し、計算されたパラメータを記録し表示する。
追加のＩＯ装置（例えば、タッチスクリーン）を必要とすることもあり、必要としないこともある。
モード間遷移：
−  単に距離閾値に基づく。
−  又はユーザの入力による。
タスクの終了：
−  評価プロセスが完全に完了する。
−  任意選択的に、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムは、（少なくとも最小時間期間にわたり）機器のＲＦを見るのを止める。
−  ＯＴＴ  ＣＡＳシステムは、（タッチスクリーン、音声コマンド、骨の基準フレーム上の特定の窪みにポインタで触れる等）ユーザの入力により補足又は上書きすることができる。
インプラントの適合及び位置合わせの評価
目的：計画に従って予期された位置と、骨上のインプラントの実際の位置（又はトライアル）とを比較する。これは、トライアル中、インプラントセメント接着又はロックの前／最中／後に行うことができる。
手順：インプラント（例えば、大腿骨コンポーネント、頸骨トレー等）にＲＦが取り付けられ、「骨」座標系において追跡される。任意の所与の時間において、システムは、位置（骨に相対する）及びあるべき位置と比較された現在の誤差（もしあれば）を表示／記録することができる。
システムがこのタスクをいかに識別するか：
−  ＯＴＴは、少なくとも１つの骨の基準フレーム（ＲＦ）並びに対応するインプラントのＲＦを見る。
−  指名された骨及びインプラントが見当合わせされた。
−  全ての切断が実行された。
−  骨及びインプラントは最大距離「Ｄ」内にある。
タスクの開始：
−  システムは、上記条件が満たされる間、（少なくとも最小時間期間にわたり）シーンに共存する両ＲＦ（骨及びインプラント）を認識する。
−  システムは、（タッチスクリーン、音声コマンド、骨の基準フレーム又は骨自体上の特定の窪み又は印にポインタ又は切断機器で触れる等）ユーザの入力により補足又は上書きすることができる。
モード
ホバリング：
−  ＯＴＴはＲＦから遠く離れすぎているか、又は２ＲＦが離れすぎている。
トラッカー：低リフレッシュレート。
プロジェクタ：（骨がプロジェクタの視野外にあり得るため）いかなる定義画像も投影せず、又はプロセスを開始する「容易さ」に基づいて色を変える（例えば、赤、黄色、及び緑）立体画面を投影することができる。低リフレッシュレート、トラッカーのリフレッシュレートにより制限される。
システム：骨に相対するインプラント／トライアルの位置を監視する（すなわち、骨の座標において）。トラッカー、プロジェクタ、及び他のＩＯ装置を駆動する。
接近：
−  中間ＯＴＴ／ＲＦ距離且つ骨に比較的近いインプラント／トライアル。
トラッカー：高リフレッシュレート、インプラント／トライアル及び骨ＲＦ読み取りに向けて最適化。
プロジェクタ：いかなる定義画像も投影せず（骨がプロジェクタの視野外にあり得るため）、又はプロセスを開始する「容易さ」に基づいて変わる立体画面を投影することができる。
システム：骨に相対するインプラントの位置を監視する（すなわち、骨の座標において）。トラッカー、プロジェクタ、及び他のＩＯ装置を駆動する。
能動的：
−  より小さなＯＴＴ／ＲＦ距離且つインプラント／トライアルは骨に近い／接触している。
−  トラッカー：高リフレッシュレート、インプラント及び骨ＲＦ読み取りに向けて最適化。
プロジェクタ：（骨がプロジェクタの視野外にあり得るため）いかなる定義画像も投影せず、又はプロセス状態（開始からデータ収集の終了）に基づいて変わる立体画面を投影することができる。高リフレッシュレート。
システム：骨に相対するインプラント／トライアルの位置を監視する（すなわち、骨の座標において）。計画に従ってあるべき位置に相対する、ナビゲーションされるインプラントの実際の位置／向きにより定義される誤差を計算し表示する（且つ必要な場合には記録する）。トラッカー、プロジェクタ、及び他のＩＯ装置を駆動する。評価プロセスの進行を監視し、評価プロセスが終わった場合、パラメータを計算し、計算されたパラメータを記録し表示する。
追加のＩＯ装置（例えば、タッチスクリーン）を必要とすることもあり、必要としないこともある。
モード間遷移：
−  単に距離閾値に基づく。
−  又はユーザの入力による。
タスクの終了：
−  評価プロセスが完全に完了する。
−  （又は）システムは、（少なくとも最小時間期間にわたり）機器のＲＦを見るのを止める。
−  システムは、ユーザの入力（タッチスクリーン、音声コマンド、骨の基準フレーム上の特定の窪みにポインタで触れる等）により補足又は上書きすることができる。
移動範囲
目的：移植後の関節の移動範囲及び生体力学の評価。トライアル又は最終的な移植で行うことができる。
手順：トライアル（又は実際のインプラント）を配置した後、骨のＲＦを取り外し、傷を閉じる前、外科医は膝を屈曲させ、関節に触れ、最大屈曲及び過伸展のような限界位置に到達させる。この操作は、ＯＴＴを頸骨及び大腿骨のＲＦを向けている間に実行される。動的測定（大腿骨に相対する頸骨）が解剖学的用語で表現される。
システムがこのタスクをいかに識別するか：
−  ＯＴＴは頸骨及び大腿骨の両方の基準フレーム（ＲＦ）を見る。
−  両方の骨は切断された。（骨の切断及びインプラントの配置は行われていてもよく、又は行われていなくてもよい。）
タスクの開始：
−  システムは、上記条件が満たされる間、（少なくとも最小時間期間にわたり）シーンに共存する両ＲＦを認識する。
−  これは、（タッチスクリーン、音声コマンド、骨の基準フレーム又は骨自体上の特定の窪み又は印にポインタ又は切断機器で触れる等）ユーザの入力により補足又は上書きすることができる。
モード
ホバリング：
−  ＯＴＴはＲＦから遠く離れすぎている。
トラッカー：低リフレッシュレート。
プロジェクタ：（骨がプロジェクタの視野外にあり得るため）いかなる定義画像も投影せず、又はプロセスを開始する「容易さ」に基づいて色を変える（例えば、赤、黄色、及び緑）立体画面を投影することができる。低リフレッシュレート、トラッカーのリフレッシュレートにより制限される。
システム：大腿骨に相対する頸骨の位置を監視する。トラッカー、プロジェクタ、及び他のＩＯ装置を駆動する。
接近：
−  中間ＯＴＴ／ＲＦ距離。
トラッカー：高リフレッシュレート、骨ＲＦ読み取りに向けて最適化。
プロジェクタ：（骨がプロジェクタの視野外にあり得るため）いかなる定義画像も投影せず、又はプロセスを開始する「容易さ」に基づいて変わる立体画面を投影することができる。
システム：骨に相対するインプラントの位置を監視する（すなわち、骨の座標において）。トラッカー、プロジェクタ、及び他のＩＯ装置を駆動する。
能動的：
−  より小さなＯＴＴ／ＲＦ距離且つインプラント／トライアルは骨に近い／接触している。
−  トラッカー：高リフレッシュレート、インプラント及び骨ＲＦ読み取りに向けて最適化。
プロジェクタ：（骨がプロジェクタの視野外にあり得るため）いかなる定義画像も投影せず、又はプロセス状態（開始からデータ収集の終了）に基づいて変わる立体画面を投影することができる。高リフレッシュレート。
システム：大腿骨に相対する頸骨の位置を監視する。動的運動（屈曲／伸展、内反／外反、内部／外部回転、ＡＰ運動等）を計算して表示する（且つ必要な場合には記録する）。トラッカー、プロジェクタ、及び他のＩＯ装置を駆動する。評価プロセスの進行を監視し、評価プロセスが終わった場合、記録された全てのパラメータを保存し、ユーザに通知する。
追加のＩＯ装置（例えば、タッチスクリーン）を必要とすることもあり、必要としないこともある。
モード間遷移：
−  単に距離閾値に基づく。
−  又はユーザの入力による。
タスクの終了：
−  評価プロセスが完全に完了する。
−  （又は）システムは、（少なくとも最小時間期間にわたり）骨のＲＦを見るのを止める。
−  システムは、ユーザの入力（タッチスクリーン、音声コマンド、骨の基準フレーム上の特定の窪みにポインタで触れる等）により補足又は上書きすることができる。
【０１３２】
他の活動（例えば、見当合わせ検証、骨切断の微調整等）は上記の下位事例と見なすことができる。
任意の上記例での一態様では、低リフレッシュレートは、約３０〜１００Ｈｚから１〜１０Ｈｚ程までのリフレッシュレート変化を指す。
【０１３３】
骨の一部を切除する場合、切断器具が比較的、切除すべきエリアの境界から離れているとき、外科医はより高速且つ積極的に切断し得る。外科医が切除エリアの境界に接近しつつあることをＯＴＴ  ＣＡＳが検出する場合、外科医は、切除が所望の境界内に留まることを保証するために、切断のペースを遅くする適切なＯＴＴ  ＣＡＳ出力を受信し得る。外科医が切除境界への近さを容易に評価するのを助けるために、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムは、外科医が境界に近づくにつれて、幾つかの適切なＯＴＴ  ＣＡＳ出力を外科医に提供し得る。さらにまた、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムは、切除境界への器具の近接性並びに対応するＯＴＴ  ＣＡＳデータ処理応答及び結果として生成されるＣＡＳ出力に応答して、ＯＴＴ装備外科器具の動作の制御に関連するフィードバックを提供するように構成し得る。
【０１３４】
上述したように、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムは、患者モデルの術前解析及び切除すべき組織の識別を提供する。切除すべき組織の部分が特定された後、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムは、モデルに関してデータを解析し、切除の境界を識別することができる。次に、切除すべき組織を、切除境界への関係に基づいて、複数の色を使用してＯＴＴプロジェクタ出力において識別し得る。
【０１３５】
例えば、ＯＴＴプロジェクタ出力は、ＯＴＴ  ＣＡＳ処理ファクタに基づいて、除去すべきではない組織の部分に赤色で投影するように適合し得る。任意選択的に、ＯＴＴプロジェクタ出力は、切除境界に比較的近い切除すべき組織の部分を黄色で示し得る。さらに別の代替では、ＯＴＴ  ＣＡＳプロセスは、ＯＴＴプロジェクタ出力を生成し得、それにより、切除すべき組織の残りの部分を緑色で投影し得る。このようにして、外科医は、処置中に手術野を見るため、器具が緑色ゾーンの組織に対して動作していることをＯＴＴプロジェクタ出力が示す間、高速且つ積極的に切断し得る。外科医が切除境界に近づくにつれて、ＯＴＴに基づくプロジェクタ出力は、器具が黄色ゾーンの組織に対して動作していることを示す。これらのＯＴＴ  ＣＡＳにより決定されるプロジェクタ出力は、外科医にとって、器具が切除境界に近づいているため、より低速で進むことの指示として機能する。このようにして、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムは、切除境界への現在の外科動作の近接性を外科医に通知する容易に識別可能な視覚的且つグラフィカル表示を手術野に直接提供する。同様に、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムを使用して、ＯＴＴに基づくプロジェクタ出力を視覚的に認識し使用して、神経、血管、靱帯等の繊細な解剖学的構造への外科器具の近接性を識別することができる。プロジェクタへのＯＴＴ  ＣＡＳ出力は、ユーザへのＯＴＴ  ＣＡＳ出力の一環として、手術野内の構造を識別するための独特の配色を含み得る。
【０１３６】
図３７Ａ〜図４４は、関連する運動学的応答及び設計基準と共に様々な代替の触覚フィードバック機構に関する。
図３７Ａは、引き金力に応答して偏向し、アクチュエータを移動させる湾曲形態を示す。図３７Ｂは、引き金力に応答して変形して形状回復する摺動台形形態を示す。図３７Ｃは、引き金力に回転応答を提供するために使用される回転リーダ又はエンコーダを示す。図３７Ｄは、引き金力に応答して移動して、シャフトをベース内に押下するフレームを示し、シャフトの移動は引き金力の指示として示される。図３７Ｅは、偏向して、引き金力の量を示し得るピン留め要素（pinned element）を示す。
【０１３７】
図３８Ａ及び図３８Ｂは、引き金力を示し、シャフトを変位させるために使用し得る上昇位置及び下降位置のそれぞれで、単純な４本バー機構を示す。
図３９Ａ、図３９Ｂ、図３９Ｃはそれぞれ、位置回復要素がなく、アクチュエータ８２が駆動されない鋏型機構（scissor mechanism）８０（３９Ａ）、位置回復要素８４として張力ばねを有する鋏型機構８０（３９Ｂ）、及び位置回復要素８４として圧縮ばねを有する鋏型構造８０（３９Ｃ）を示す。示されるアクチュエータの移動が、鋏のアームの上端部の高さ、ひいては鋏型機構の高さを決める。この高さは、器具の引き金への指を押し、器具の引き金に指を配置しているユーザにより感じられる。
【０１３８】
図４０Ａ及び図４０Ｂは、上昇構成及び下降構成のそれぞれでの鋏型機構の側面図を示す。鋏型機構８０は第１のリンク８６及び第２のリンク８８を含み、第１のリンク８６及び第２のリンク８８は旋回点において結合され、それにより、鋏の移動は第１及び第２のプラットフォーム９０、９２を上昇又は下降させる。ここではばねとして示される位置回復要素８４が、第２のリンクの一端部及びアクチュエータ８２に結合される。プラットフォームは長さ約２２ｍｍを有し、図４０に示される上昇状況では、最大上昇約２０ｍｍを有する。
【０１３９】
図４０Ｃ及び図４０Ｄは、図４０Ａ及び図４０Ｂの鋏型機構８０の変位特徴に関するチャートである。図４０Ｃは、プラットフォームの軌跡を装置の高さに関連付ける。図４０Ｄは、装置の変位変化に伴う鋏の角度に関する。
【０１４０】
図４１は、外科医システムオーバーライド機能を有する別の鋏型機構８０を示す。オーバーライド機能は、アクチュエータを通しての力印加と並んでばねの包含を介して提供される。アクチュエータは、コンピュータ支援手術処置中、ＯＴＴ  ＣＡＳデータを提供又は受信するために使用される構成要素１４０であり得る。この態様では、器具上追跡装置は、シャフト８０の相対移動等のフィードバック機構から受信される移動を、コンピュータ支援手術処置に使用される信号に変換するように適合され構成された構成要素１４０を含む。構成要素１４０は、エンコーダ、アクチュエータ、又は移動トランスデューサ等の幾つかの異なる構成で提供し得る。一態様では、信号は、引き金により操作される外科器具の動作に関する。さらなる一実施形態では、構成要素は、シャフトを移動させ、第１のプラットフォームと第２のプラットフォームとの相対移動に影響を及ぼすアクチュエータであり、又はそのようなアクチュエータを含むように適合される。さらなる態様では、アクチュエータは、コンピュータ支援手術処置中、外科器具の動作の制御に関連する信号に応答してシャフトを移動させるように構成される。
【０１４１】
図示の鋏型機構実施形態は、鋏型機構８０のリンク８６、８８により支えられた第１のプラットフォーム９０及び第２のプラットフォーム９２の関係を示す。加えて、この実施形態は、鋏型機構８０と併せて使用される一対の位置回復要素を有する鋏型機構を示す。一位置回復要素は、鋏型機構８０内に位置決めされる戻しばねである。別の位置回復要素は、鋏型機構とアクチュエータ又は構成要素１４０との間に位置決めされたオーバーライドばねである。
【０１４２】
図４２は、図４１に示される概略機構と同様の鋏型機構を示す。鋏型機構８０は第１のプラットフォーム９０及び第２のプラットフォーム９２を含み、第１のプラットフォーム９０及び第２のプラットフォーム９２は、第１及び第２のプラットフォームと旋回する関係且つリンク８８、８６の他端部と摺動する関係でリンク８０及び８６の一端部において接続される。位置回復要素、ここではばねが、アクチュエータ又はケーブルと鋏リンク８８の摺動する端部との間に配置される。この実施形態は、第１及び第２のプラットフォームに相対するリンクの第１の端部の摺動移動を可能にする第１および第２のプラットフォームの細長いスロットの詳細も含む。リンク８８、８６の第２の端部は、第１のプラットフォーム及び第２のプラットフォーム９０、９２と旋回する関係で結合される。ここでは、第１及び第２のプラットフォームの移動は、ばねの使用に対して、又はアクチュエータの影響下で調整される。図４２の機構の動作特徴は、チャート並びに図４３及び図４４を参照してよりよく理解される。
【０１４３】
図４５は触覚フィードバック機構の等角図である。図４５及び図４６Ａはそれぞれ、触覚フィードバック機構１５０の等角図及び側面図を示す。図４５の図は、引き金５２に隣接しての外科器具５０を取り付けるためのベースプレート１５２の使用を示す。（図４６Ａにおいて最良に見える）鋏型機構はカバー１９１により覆われ、カバー１９１は第１のプラットフォーム１８３により支持され、プラットフォームに沿って移動する。作動ケーブル８２が鋏型機構に結合され、鋏型機構の移動に応答して移動する。
【０１４４】
図４６Ｂは、カバー１９１又はプラットフォーム１８３、１８４がない状態の図４６Ａの鋏型機構１５５の等角図を示す。Ｙ字形リンケージ１６０及び１６５はピン留め１６３されて、鋏型機構１５５を形成する。位置回復要素８４は、第１のリンクの第１の端部及び第２のリンクの第１の端部の間に位置決めされる。この図では、プラットフォームのスロット１７８に沿って摺動するために使用されるシャフト１７３も示される。
【０１４５】
図４６Ａ〜図４６Ｆは、図４５の機構の構成要素及び動作の様々な図を示す。図４６Ｃ及び図４６Ｄは、上部プラットフォーム１８３がある状態（図４６Ｄ）及びない状態（図４６Ｃ）の拡張状況である図４５及び図４６ＡのＴＦＭ１５０を示す。ケーブル８２は、スロット１７８に沿ったリンクの移動長に関連して下部プラットフォーム１８４から変位分＋ｙだけ移動する。
【０１４６】
図４６Ｅ及び図４６Ｆは、上部プラットフォーム１８３がある状態（図４６Ｆ）及びない状態（図４６Ｅ）の閉じられた又は退避した状態の図４５及び図４６ＡのＴＦＭ１５０を示す。ケーブル８２は、スロット１７８に沿ったリンクの移動長に関連して下部プラットフォーム１８４から変位分＋ｘだけ移動する。
【０１４７】
図４７及び図４８は、外科器具の引き金に隣接して位置決めされたＴＦＭ１５０を有する外科器具１５０上のＯＴＴ１００の側面図である。アクチュエータ８２は、ＴＦＭからＯＴＴ１００内に延びる。ＯＴＴ内の構成要素１４０は、出力をＴＦＭに供給し、又はＴＦＭから出力を受信するように構成される。この実施形態では、カバー１９１は、ベース１５２から離れるように延出され、ベース１８４の部分を露出させる。
【０１４８】
ＴＦＭがカバー１９１を示される位置に移動する場合、外科器具の引き金機能は、引き金１５２へのアクセスを阻止するカバー１９１により損なわれる。図４８は、引き金５２にアクセス可能な外された構成のカバー１９１を示す。
【０１４９】
図４７及び図４８は、図４５の触覚フィードバック機構が外科器具の引き金と相互作用する位置にある、器具（ここでは鋸）を有する外科器具に搭載された器具上追跡装置の側面図を示す。図４７は、引き金を覆う拡張された構成での触覚フィードバック機構を示し、図４８は、退避して引き金を露出させた触覚フィードバック機構を示す。
【０１５０】
図４９Ａ及び図４９Ｂは、開かれた又は拡張状態（図４９Ａ）及び閉じられた状態（図４９Ｂ）での触覚フィードバック機構の別の代替を示す。図４９Ｃ〜図４９Ｅは、図４９Ａ及び図４９Ｂの装置の内部機構の様々な図を示す。
【０１５１】
図４９Ａ及び図４９Ｂは、上昇及び下降状況のそれぞれの引き金上触覚フィードバック機構（over the trigger tactile feedback mechanism）６００の等角図を示す。引き金上触覚フィードバック機構６００は、第１のプラットフォーム１８３に取り付けられた引き金アダプタ６０５を有する。変更された引き金シートは、引き金５２と係合するように適合される。変更された引き金シートは、引き金アダプタ６０５内に嵌まり、引き金アダプタ６０５に相対して移動可能である。鋏型機構１５５は、前と同様に、第１のプラットフォーム及び第２のプラットフォームを移動するために提供される。
【０１５２】
図中のプラットフォームの相対位置は、折り畳まれた状況で、変更された引き金シート（trigger seat）６１０がいかに、引き金アダプタ６０５の上方に上昇するかを示す。それとは対照的に、上昇状況では、変更された引き金シート６１０は、引き金アダプタ６０５の上面内且つ上面下方に退避している。
【０１５３】
図４９Ｃは、上部プラットフォーム及び引き金アダプタが取り外された状態の上昇状況での鋏型機構１５５の等角図である。図４９Ｄは、上部プラットフォーム１８３が鋏型機構１５５に取り付けられた状態の図４９Ｃの図と同様である。アパーチャ６２０が上部プラットフォーム１８３に提供される。アパーチャ６２０は、変更された引き金シート６１０と引き金５２との結合を提供するために使用される。
【０１５４】
図４９Ｅは、その他の実施形態と同様であり、第１のプラットフォーム１８３の上部の位置に引き金アダプタ６０５が追加されている。図５０は、外科器具５０に結合されたＯＴＴ１００の一実施形態を示し、器具５０の引き金５２は触覚フィードバック機構６００で覆われる。
【０１５５】
図５０の構成では、引き金５２を操作するユーザの能力は、触覚フィードバック機構６００により覆われる。
図５０は、外科器具の引き金と協働するために搭載され、ＯＴＴ内の構成得要素に関連するトリガー信号を送受信するように構成された図４９Ａ及び図４９Ｂの機構の一実施形態を有する外科器具と併用するために結合されたＯＴＴの一実施形態を示す。
【０１５６】
図５１は、２つの位置回復要素を利用する鋏型機構の代替の実施形態である。図５１は、図４２と同様の鋏型機構を示す。図４２の鋏型機構とは対照的に、この実施形態に示される鋏型機構は一対の位置回復要素を含む。一方の位置回復要素８４は、第１のプラットフォームと第２のプラットフォームとの間に延びる戻しばねであり、各リンク８６、８８の第１の端部に結合される。戻しばねは、プラットフォームの移動を変更し、ひいては引き金の応答性を制御するために使用される。他方の位置回復要素は、第２のプラットフォームに沿って延びるオーバーライドばねである。オーバーライドばねは、リンク８８の摺動する端部及びケーブル８２に結合される。オーバーライドばねと戻しばねは、協働して動作して、図５１により概略的に表されるように、様々な異なる応答特徴を触覚フィードバック機構に提供する。その結果、２つ異常の異なるタイプの位置回復要素の使用が、本明細書に記載の触覚フィードバック機構に広範囲の応答特徴を提供する。
【０１５７】
図５２Ａ及び図５２Ｂは、外科器具５０に結合された別のＯＴＴ実施形態の前部等角図及び後部等角図のそれぞれを示す。ＯＴＴ７００は、カメラマウント７０５及びプロジェクタ７１０を有する筐体７１０を含む。この実施形態では、カメラマウント７０５は、筐体７１０の上面にある。マウント７０５は、能動的要素５６を撮像する、器具７４に向けられた一対のカメラ７０７を含む。加えて、この実施形態は、器具５０の引き金上にＴＦＭ６００を含む。ケーブル８０は、本明細書に記載の触覚フィードバックの様々な目的で、ＴＦＭ６００とＯＴＴ７００との界面を提供する。ＯＴＴ７００は、筐体７１０の上面にディスプレイ７０２も含む。ディスプレイ７０２は、ＯＴＴ  ＣＡＳ出力情報をユーザに提供するために使用し得る。追加又は代替として、ディスプレイ７０２は、ユーザ入力用のユーザインタフェースとして使用される。ディスプレイ７０２は、グラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ:graphical user interface）又は他のタイプのコンピュータ入力装置として構成し得る。コンピュータ支援手術の完了を促進するために、ＣＡＳ処置中にＯＴＴの使用から得られる情報を利用する目的で、ＯＴＴ７００と通信するコンピュータも示される。コンピュータは、処理ユニットがアクセス可能な電子メモリ内に、器具上追跡コンピュータ支援手術についての命令を含む。一実施形態では、コンピュータは、筐体内の電子パッケージの一部としてＯＴＴ７００内に含まれる。別の実施形態では、コンピュータは、無線で、又はＯＴＴ７００との有線接続を介して、ＯＴＴ  ＣＡＳプロセスに関連するデータを送受信するように構成された外部コンピュータである。
【０１５８】
例示的な実施形態での上記例により明らかになるように、本発明のＴＦＭ機構の実施形態は、引き金の移動若しくは位置に関連する出力を提供するか、又はＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータによりさらに処理されるように適合し構成し得る。本明細書に提供される様々なＴＦＭを使用して、最小の侵襲性で、器具の動作の指示、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムが使用するための特徴又はパラメータ（速度、位置、回転、設定、電力レベル等）を提供し得る。触覚フィードバック機構からの出力は、機構内、ＯＴＴ装置内、又は外科器具自体に搭載されたエンコーダ／リーダを介して提供し得る。さらに、フィードバック機構実施形態は、触覚フィードバック機構情報又は引き金情報を、ＯＴＴ装置又はＯＴＴ  ＣＡＳコンピュータでさらに処理するために送信する無線通信を含み得る。さらなる態様では、触覚フィードバック機構の１つ又は複数の構成要素は、ＯＴＴ  ＣＡＳのプロセス、モード、又はアルゴリズムに基づいて受信される命令下で駆動し得る。幾つかの実施形態では、触覚フィードバック機構の指示及びデータを使用して、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムからの動的リアルタイムフィードバックループを提供する。触覚フィードバック機構からの指示を使用して、適切なＯＴＴ  ＣＡＳ処理出力の一部として、モータ／切断／穿孔動作速度を減衰するか、又は停止させる、器具のモータ、アクチュエータ等の１つ又は複数の外科器具制御特徴の自動制御を提供することもできる。一態様では、不適切な切断又はＯＴＴ  ＣＡＳ手術野内の解剖学的構造への危害を回避するために、外科器具機能の自動介入が必要であるフォードバックループ制御が、ＯＴＴ  ＣＡＳシステムの決定に基づいて提供される。
【０１５９】
さらなる態様では、触覚フィードバック機構又は本明細書に記載のシステム及び方法からの出力を利用するように構成される他のフィードバック機構の実施形態を使用して、器具上追跡装置を利用して外科器具の能動的要素の１つ又は複数の動作特徴を自動的又は半自動的に制御し得る。ＯＴＴ  ＣＡＳシステムのさらなる一実施形態は、所望の境界に相対する外科器具の位置の特定に応答して、外科器具の動作を制御するように構成することもできる。特に、器具が、境界の近傍にはない（すなわち、緑色ゾーンにある）切除すべき組織内に位置決めされているとシステムが判断する場合、システムは、外科器具を外科医が望むように制御することができるようにし得る。器具が境界に近い切除すべき組織（すなわち、黄色ゾーン）内に位置決めされているとシステムが判断する場合、システムは、外科器具の動作を低減又は減衰させ得る。例えば、器具が鋸であり、黄色ゾーンに入る場合、システムは、鋸が切除境界の近傍に移動するにつれて、鋸の往復又は回転を減速させ得る。さらにまた、器具が境界又は切除若しくは手術すべきではない組織に位置決めされたことをシステムが検出する場合、システムは、器具を完全に停止させることにより外科器具を制御し得る。システムは、外科器具の動作を自動的に制御し得るが、外科医が器具の制御をオーバーライドすることができるオーバーライド機能を含む。このようにして、術前解析中では切除に識別されなかった組織の部分を切除すべきであると外科医が判断する場合、外科医は、システムをオーバーライドし、処置中、その組織を切除することができる。
【０１６０】
触覚フィードバック機構の実施形態は、広範囲の触覚刺激を含む。例えば、刺激は、意図される切除からの手術路のずれを示す振動の強化のような単純なものであることができる。触覚刺激は、様々な変更及び本明細書に記載のＯＴＴ  ＣＡＳ方法により提供される出力に従って、より高度な指示の機会を提供する。
【０１６１】
一般に、電動式外科器具は、手術路又は能動的要素の現在の使用が、引き金、本明細書に記載のフィードバックに基づく機構の実施形態、及び意図される切除又はＯＴＴ  ＣＡＳ手術計画に従う他の動作からずれるときを外科医に示すような引き金への抵抗又は器具を作動させる外科医の指への圧力により作動する。触覚フィードバックを提供する様々な異なる構成を変更せずに、変更して、又はＯＴＴ装置と併用される外科器具を作動させる引き金を置換して使用し得ることを理解されたい。幾つかの様々な代替の実施形態では、引き金に基づくフィードバック組立体は、鋏型機構に結合された動的部材を含み、鋏型機構は静止ベース（通常、外科器具のハンドルに搭載される）に結合される。通常、伝達シャフト又はケーブルとの対話（interaction）の結果としての組立体の位置又は剛性は、ＯＴＴ内の制御ユニットにより命令される。制御ユニットは、例として、アクチュエータが伝達シャフトを動作させ、次に、これが鋏型機構を閉じる力を変更させること、引き金機構を完全拡張位置に移動させること、引き金機構を完全退避位置に移動させること、引き金の動作を損なう位置まで移動させること、又は任意選択的に、器具の能動的要素の動作を停止させることが挙げられる、広範囲のＯＴＴ関連フィードバック機能を提供するように構成し得る。一態様では、伝達シャフト又はケーブル又は要素はボーデンケーブルである。さらに他の実施形態では、鋏型機構をＯＴＴ内の関連付けられた構成要素に結合する伝達シャフトは、ロッド、ばね、ソレノイド、チェーン、歯車、又は小型空気圧若しくは液圧作動システム等の任意の適する要素であり得る。さらに、上記制御に使用されるアクチュエータを、フィードバック機構内で引き金の近くに含んでもよいことを理解されたい。この態様の一代替では、有線又は無線接続を介してアクチュエータをＯＴＴ装置に接続し、上記所望のＯＴＴ  ＣＡＳ技法を促進するために、適切なＯＴＴ  ＣＡＳプロセス制御信号をアクチュエータに提供し得る。
【０１６２】
制御ユニットは、コンピュータシステムからデータを受信することも可能である。システムが、器具の位置と手術計画の意図される切除とを比較することにより、手術路と手術計画との間に、指定の閾値レベルを超えるずれが存在すると判断する場合、制御ユニットは、伝達を作動させ、引き金を引くために必要な抵抗を増大させる。指示は、外科医が器具を作動させることができないように、引き金の押下を阻止する形態で提供することができる。あるいは、指示は抵抗の増大の形態をとることができ、外科医は、より大きな力を加えることでこの抵抗の増大を乗り越えることができる。
【０１６３】
図５２Ａ及び図５２Ｂはそれぞれ、ＯＴＴに結合された引き金に基づくフィードバック機構を有する外科器具に結合されたＯＴＴ筐体と共にディスプレイを含む、器具上追跡・ナビゲーション装置（ＯＴＴ）の前部及び後部等角図である。図は、ＯＴＴと通信する例示的なコンピュータシステムも示す。
【０１６４】
図３６は、関連付けられた外科器具動作特徴、パラメータ、又は任意のＯＴＴ  ＣＡＳプロセス又は処置での能動的要素の使用に関連するデータを含むような、任意の上記ＯＴＴ  ＣＡＳプロセスの変更を含む例示的なＯＴＴ  ＣＡＳプロセスを表すフローチャートである。ＯＴＴ  ＣＡＳプロセス３６００は、図３１ＡのＯＴＴ  ＣＡＳプロセス３１０に関して上述した同じ処理ステップの多くを含む。
【０１６５】
それにも関わらず、インジケータサブシステムの任意の要素を、コンピュータ支援手術への任意の手法に容易に使用することができ、コンピュータ支援手術システムは、三次元での器具の位置特定を確立するとともに、手術計画に従って、外科医が切除を意図する場所を計算する。代替の一態様では、本明細書に記載の方法、システム、及び手順は、「コンピュータ支援手術のための方法と装置（Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｓｕｒｇｅｒｙ）」という名称の米国特許出願第２００８／０００９６９７号明細書として公開された、２００７年６月１８に出願された米国非仮特許出願第１１／７６４，５０５号明細書に記載の技法、装置、又は方法のうちの１つ又は複数を組み込むように変更され、この出願を参照により本明細書に援用する。
【０１６６】
本発明の上位概念から逸脱せずに、変更及び修正を上記実施形態に行い得ることが当業者には認識されるだろう。したがって、本発明が、本明細書に記載の特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載の本発明の範囲及び趣旨にある全ての変更形態及び修正形態の包含を意図することを理解されたい。
【図５】
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【図６】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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【図２６Ｂ】
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【図２６Ｃ】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２８】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図２９Ｃ】
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【図２９Ｄ】
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【図２９Ｅ】
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【図２９Ｆ】
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【図２９Ｇ】
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【図２９Ｈ】
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【図２９Ｉ】
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【図３０】
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【図３７Ａ】
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【図３７Ｂ】
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【図３７Ｃ】
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【図４０Ｂ】
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【図４６Ｃ】
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【図４６Ｄ】
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【図４６Ｅ】
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【図４６Ｆ】
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【図４９Ｃ】
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【図４９Ｄ】
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【図４９Ｅ】
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【図５２Ｂ】
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【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７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図２４Ａ】
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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７Ｄ】
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【図３７Ｅ】
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【図３８Ａ】
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【図３８Ｂ】
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【図３９Ａ】
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【図３９Ｂ】
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【図３９Ｃ】
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【図４０Ａ】
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【図４０Ｃ】
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【図４０Ｄ】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６Ａ】
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【図４６Ｂ】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９Ａ】
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【図４９Ｂ】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２Ａ】
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【国際調査報告】
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