(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の仮想境界とともに使用する外科手術システムであって、
器具と、
前記器具の動きを追跡する器具追跡装置と、
前記複数の仮想境界のうちの第１の仮想境界の動きを追跡する第１の境界追跡装置であり、前記第１の仮想境界が、前記器具が処置すべき生体構造と関連付けられた、第１の境界追跡装置と、
前記複数の仮想境界のうちの第２の仮想境界の動きを追跡する第２の境界追跡装置であり、前記第２の仮想境界が、前記処置すべき生体構造にアクセスするための組織の開口の周辺と関連付けられ、前記組織の開口は、前記第２の仮想境界を用いて前記器具から回避されるものである、第２の境界追跡装置と、
前記第１及び第２の仮想境界に対する前記器具の位置を含めて、前記追跡装置に関連する情報を受信するように構成されたコントローラであり、前記第１及び第２の仮想境界が互いに移動するとき、前記第１及び第２の仮想境界それぞれに対する前記器具の動きを案内するように構成された、コントローラと、
を備えるシステム。
【請求項２】
前記器具の位置を制御する複数のアーム及び複数のアクチュエータを有する外科手術マニピュレータを具備する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
複数の第２の境界追跡装置と、前記組織の開口に沿って、組織を開創する複数の開創器を具備し、前記第２の境界追跡装置が前記開創器に取り付けられた、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記第２の境界追跡装置の各々が、前記開創器に搭載可能なトラッカ又は前記開創器に組み込まれた少なくとも１つの追跡要素の一方を具備する、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記器具が回避すべき別の物体と関連付けられた前記複数の仮想境界のうちの第３の仮想境界を追跡する第３の境界追跡装置を具備し、前記コントローラが、前記第１、第２、及び第３の仮想境界それぞれに対する前記器具の動きを案内するように構成された、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記コントローラが、前記第２及び第３の仮想境界の位置に基づいて、前記器具を受容する前記組織の開口を規定するように構成され、前記コントローラが、前記第２及び第３の境界追跡装置を使用して、前記組織の開口の周辺の位置を監視するように構成された、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記外科手術マニピュレータが、手動及び半自律モードで動作可能なロボットマニピュレータである、請求項２に記載のシステム。
【請求項８】
前記第２の境界追跡装置が、前記組織の開口の周辺の近くに位置させることができる光ファイバーケーブルを備えた可撓性の形状検知システムを具備する、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記第２の境界追跡装置が、前記組織の開口の周辺と関連付けられた点を捕捉するように構成されたポインタを具備し、その結果、前記第２の仮想境界を作成するために前記点に関する情報が使用される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第２の境界追跡装置がマシンビジョンシステムを具備し、前記マシンビジョンシステムが、ビジョンカメラと、前記コントローラに通信する制御ユニットとを具備する、前記マシンビジョンシステムは、前記組織の開口の周辺の動きを検出するように構成された、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記追跡装置がそれぞれ、１つ又は複数の追跡要素を具備する、請求項１に記載のシス
テム。
【請求項１２】
前記１つ又は複数の追跡要素が発光ダイオードである、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記追跡要素が光学追跡要素を具備し、当該システムが、前記光学追跡要素からの光信号を受信する複数の検知装置をさらに具備する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第２の境界追跡装置が、前記組織の開口の周辺と関連付けられた点を捕捉するように構成されたポインタを具備し、その結果、前記第２の仮想境界を作成するために前記点に関する情報が使用され、当該システムが、前記組織の開口の周辺の動きを検出するマシンビジョンカメラを具備し、前記コントローラが、前記マシンビジョンカメラが取得した画像から導出された位置情報を受信して、前記第２の仮想境界の移動後に当該第２の仮想境界の位置を調整する、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願］
本願は、２０１３年３月１３日に出願された米国仮特許出願第６１／７８０，１４８号の優先権及び利益を主張し、その全内容を本明細書に援用する。
【０００２】
［発明の分野］
本発明は一般的に、仮想境界を確立及び追跡するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ロボット外科手術においては、コンピュータ支援設計ソフトウェアを使用して仮想境界を作成し、ロボットシステムのエンドエフェクタが制限された領域から、エンドエフェクタが動作可能な領域を描出する。例えば、整形外科手術においては、仮想切断境界を作成し、術後に残存する骨の部分から術中にエンドエフェクタによって除去される骨の部分を描出することができる。
【０００４】
ナビゲーションシステムは、仮想切断境界に対するエンドエフェクタの動きを追跡し、仮想切断境界に対するエンドエフェクタの位置及び／又は方向を決定する。ロボットシステムは、ナビゲーションシステムと協働し、仮想切断境界を越えて移動しないようにエンドエフェクタの動きを案内する。
【０００５】
通常、仮想切断境界は、術前に作成される。仮想切断境界は、患者の骨のモデルで作成され、当該モデルがナビゲーションシステムにロードされた場合にナビゲーションシステムが骨の動きを追跡することによって仮想切断境界の動きを追跡できるように、骨に対して固定されることが多い。
【０００６】
仮想境界は、術中にエンドエフェクタが回避すべき他の解剖学的特徴を規定することができる。このような特徴としては、エンドエフェクタとの接触から保護されるべき神経又は他の種類の組織が挙げられる。また、仮想境界は、処置する生体構造にエンドエフェクタを導く仮想経路を提供するためにも使用される。仮想境界のこれらの例は、処置する生体構造が移動するにつれてすべての境界が追跡されるように、生体構造との関係で固定されていることが多い。しかし、手術室におけるいくつかの解剖学的特徴又は他の物体は、処置する生体構造に対して移動する場合がある。例えば、エンドエフェクタ用の開口を組織に設けるのに使用される開創器は、処置する生体構造に対して移動する場合がある。エンドエフェクタは、適当な動的仮想制約境界を使用して正確に追跡されない場合、不注意で開創器に衝突する場合がある。その結果、エンドエフェクタが損傷を受けるか、又は動作不能となり、開創器がその位置から動く場合がある。
【０００７】
また、エンドエフェクタが回避すべき他の通常追跡されない物体がエンドエフェクタに近接する場合もあり、処置する生体構造に対して移動する場合がある。したがって、当技術分野においては、このような物体の動的な仮想境界を作成するシステム及び方法が求められている。
【発明の概要】
【０００８】
一実施形態においては、複数の動的な仮想境界を使用して器具の動きを案内するシステムが提供される。このシステムは、器具の動きを追跡する器具追跡装置を備える。また、このシステムは、上記複数の仮想境界のうちの第１の仮想境界の動きを追跡する第１の境界追跡装置であり、第１の仮想境界が、処置すべき生体構造と関連付けられた、第１の境界追跡装置を備える。さらに、このシステムは、上記複数の仮想境界のうちの第２の仮想境界の動きを追跡する第２の境界追跡装置であり、第２の仮想境界が、器具が回避すべき物体と関連付けられた、第２の境界追跡装置を備える。コントローラは、第１及び第２の仮想境界に対する器具の位置を含めて、追跡装置に関連する情報を受信するように構成されている。また、コントローラは、第１及び第２の仮想境界が互いに移動するとき、第１及び第２の仮想境界それぞれに対する器具の動きを案内するように構成されている。
【０００９】
別の実施形態においては、複数の動的な仮想境界を使用して器具の動きを案内する方法が提供される。この方法は、器具及び処置すべき生体構造と関連付けられた第１の仮想境界の動きを追跡するステップを含む。さらに、この方法は、第１の仮想境界に対する第２の仮想境界の動きを追跡するステップであり、第２の仮想境界が、器具が回避すべき物体と関連付けられた、ステップを含む。第１及び第２の仮想境界が互いに移動するときは、第１及び第２の仮想境界それぞれに対して、器具の動きが案内される。
【００１０】
これらの実施形態の１つの利点として、器具の追跡のほか、関心のある生体構造に対して移動する可能性がある物体（他のツール又は生体構造等）を動的に追跡可能である。第２の仮想境界は、生体構造と関連付けられた第１の仮想境界に対する動きが追跡される仮想制約境界又は他の種類の仮想境界とすることができる。
【００１１】
本発明の利点は、添付の図面に関連して考慮した場合に、以下の詳細な説明を参照することにより深く理解されることで容易に認識されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ロボットシステムと併用される本発明のナビゲーションシステムの斜視図である。
【図２】ナビゲーションシステムの模式図である。
【図３】ナビゲーションシステムにおいて使用される座標系の模式図である。
【図４】ロボットシステムのエンドエフェクタによる膝関節へのアクセスのための組織開口の斜視図である。
【図５】組織開口を維持するために使用される脚ホルダ及び開創器のアセンブリの立面図である。
【図６】開創器の上面斜視図である。
【図７】別の開創器の上面斜視図である。
【図８】組織開口の上面斜視図であって、組織開口中のエンドエフェクタ及び組織開口の動きを追跡する可撓性の形状検知装置を示した上面斜視図である。
【図９】組織開口の上面斜視図であって、組織開口中のエンドエフェクタ及び組織開口の動きを追跡するマシンビジョンシステムを示した上面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１には、外科手術ナビゲーションシステム２０を示している。システム２０は、医療施設の手術室等の外科手術環境中に示されている。ナビゲーションシステム２０は、手術室の様々な物体の動きを追跡するように設定されている。このような物体としては、例えば外科手術器具２２、患者の大腿骨Ｆ、及び患者の脛骨Ｔが挙げられる。ナビゲーションシステム２０は、これらの物体を追跡して、その相対位置及び方向を外科医に表示する。場合によっては、大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔと関連付けられた仮想切断境界に対する外科手術器具２２の動きを制御又は制約する。
【００１４】
外科手術ナビゲーションシステム２０は、ナビゲーションコンピュータ２６を収容したコンピュータカートアセンブリ２４を具備する。ナビゲーションインタフェースがナビゲーションコンピュータ２６と動作可能に通信する。ナビゲーションインタフェースは、無菌領域の外側に配置されるように構成された第１のディスプレイ２８と、無菌領域の内側に配置されるように構成された第２のディスプレイ２９とを具備する。ディスプレイ２８、２９は、コンピュータカートアセンブリ２４に対して調整可能に搭載されている。ナビゲーションコンピュータ２６への情報の入力或いはナビゲーションコンピュータ２６の特定の態様の選択／制御には、キーボード及びマウス等の第１及び第２の入力装置３０、３２を使用可能である。タッチスクリーン（図示せず）又は音声駆動等の他の入力装置も考えられる。
【００１５】
ローカライザ３４がナビゲーションコンピュータ２６と通信する。図示の実施形態において、ローカライザ３４は、光学ローカライザであり、カメラユニット３６（検知装置の一例）を具備する。カメラユニット３６は、１つ又は複数の光学位置センサ４０を収容した外側ケーシング３８を有する。いくつかの実施形態においては、少なくとも２つ、好ましくは３つの光学センサ４０が使用される。光学センサ４０は、３つの別個の電荷結合素子（ＣＣＤ）であってもよい。一実施形態においては、３つの１次元ＣＣＤが使用される。当然のことながら、他の実施形態においては、それぞれ別個のＣＣＤ又は２つ以上のＣＣＤを備える別個のカメラユニットを手術室の周りに配置することも可能である。ＣＣＤは、赤外線（ＩＲ）信号を検出する。
【００１６】
カメラユニット３６は、調整可能なアームに搭載されて、理想的には障害物のない後述のトラッカの視野により光学センサ４０を位置決めする。いくつかの実施形態において、カメラユニット３６は、回転関節周りで回転することによって、少なくとも１つの自由度で調整可能である。他の実施形態において、カメラユニット３６は、２つ以上の自由度に関して調整可能である。
【００１７】
カメラユニット３６は、光学センサ４０と通信するカメラコントローラ４２を具備することにより、光学センサ４０からの信号を受信する。カメラコントローラ４２は、有線又は無線接続（図示せず）を介して、ナビゲーションコンピュータ２６と通信する。このような接続は、高速通信及び等時性実時間データ伝送のためのシリアルバスインタフェース規格であるＩＥＥＥ１３９４インタフェースであってもよい。また、この接続は、企業独自のプロトコルを使用することも可能である。他の実施形態において、光学センサ４０は、ナビゲーションコンピュータ２６と直接通信する。
【００１８】
ナビゲーションコンピュータ２６には、物体の追跡を目的として、位置及び方向信号及び／又はデータが送信される。コンピュータカートアセンブリ２４、ディスプレイ２８、及びカメラユニット３６は、２０１０年５月２５日にＭａｌａｃｋｏｗｓｋｉほかに発行された米国特許第７，７２５，１６２号「Ｓｕｒｇｅｒｙ  Ｓｙｓｔｅｍ」に記載のようなものであってもよく、これを本明細書に援用する。
【００１９】
ナビゲーションコンピュータ２６は、パーソナルコンピュータ又はラップトップコンピュータとすることができる。また、ナビゲーションコンピュータ２６は、ディスプレイ２８、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及び／又は他のプロセッサ、メモリ（図示せず）、並びにストレージ（図示せず）を有する。ナビゲーションコンピュータ２６には、後述の通り、ソフトウェアがロードされる。このソフトウェアは、カメラユニット３６から受信した信号を、追跡する物体の位置及び方向を表すデータに変換する。
【００２０】
ナビゲーションシステム２０は、本明細書においてトラッカとも称する複数の追跡装置４４、４６、４８を具備する。図示の実施形態においては、患者の大腿骨Ｆにトラッカ４４がしっかりと固定され、患者の脛骨Ｔに別のトラッカ４６がしっかりと固定されている。トラッカ４４、４６は、骨の部分にしっかりと固定されている。また、トラッカ４４、４６は、大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔに対して、米国特許第７，７２５，１６２号に示すように取り付けられてもよく、これを本明細書に援用する。また、トラッカ４４、４６は、２０１３年１月１６日に出願された米国仮特許出願第６１／７５３，２１９号「Ｔｒａｃｋｉｎｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ａｎｄ  Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｕｓｅ  Ｔｈｅｒｅｏｆ」に記載のように搭載することも可能であり、これを本明細書に援用する。別の実施形態においては、膝蓋骨にトラッカ（図示せず）が取り付けられて、膝蓋骨の位置及び方向を追跡する。さらに別の実施形態において、トラッカ４４、４６は、生体構造の他の組織型又は部分に搭載することも可能である。
【００２１】
外科手術器具２２には、器具トラッカ４８がしっかりと取り付けられている。器具トラッカ４８は、製造時に外科手術器具２２に組み込まれてもよいし、外科的処置に備えて、外科手術器具２２に別個に搭載されてもよい。器具トラッカ４８によって追跡される外科手術器具２２の作用端は、回転掘削器具、電気切除装置等であってもよい。
【００２２】
トラッカ４４、４６、４８は、内部バッテリを備える電池式とすることもでき、カメラユニット３６のように外部電力を受電するのが好ましいナビゲーションコンピュータ２６を通して受電するリードを有してもよい。
【００２３】
図示の実施形態において、外科手術器具２２は、外科手術マニピュレータに取り付けられている。このような構成は、米国特許出願第１３／９５８，０７０号「Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ  Ｃａｐａｂｌｅ  ｏｆ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  ａ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  ｉｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｍｏｄｅｓ」に示されており、その開示内容を本明細書に援用する。
【００２４】
他の実施形態において、外科手術器具２２は、切断ガイド、治具、又はマニピュレータ若しくはロボット等のその他制約機構の助けを一切借りずに、ユーザの手のみで手動位置決めされてもよい。このような外科手術器具は、２０１２年８月３１日に出願された米国特許出願第１３／６００，８８８号「Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  Ｈｏｕｓｉｎｇ，  ａ  Ｃｕｔｔｉｎｇ  Ａｃｃｅｓｓｏｒｙ  ｔｈａｔ  Ｅｘｔｅｎｄｓ  ｆｒｏｍ  ｔｈｅ  Ｈｏｕｓｉｎｇ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  ｔｈａｔ  Ｅｓｔａｂｌｉｓｈ  ｔｈｅ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｃｕｔｔｉｎｇ  Ａｃｃｅｓｓｏｒｙ  Ｒｅｌａｔｉｖｅ  ｔｏ  ｔｈｅ  Ｈｏｕｓｉｎｇ」に記載されており、これを本明細書に援用する。
【００２５】
ローカライザ３４の光学センサ４０は、トラッカ４４、４６、４８からの光信号を受信する。図示の実施形態において、トラッカ４４、４６、４８は、アクティブトラッカである。本実施形態において、各トラッカ４４、４６、４８は、光信号を光学センサ４０に送信する少なくとも３つのアクティブ追跡要素又はマーカを有する。アクティブマーカは、例えば赤外光等の光を送信する発光ダイオードすなわちＬＥＤ５０とすることができる。光学センサ４０のサンプリングレートは、１００Ｈｚ以上が好ましく、３００Ｈｚ以上がより好ましく、５００Ｈｚ以上が最も好ましい。いくつかの実施形態において、光学センサ４０のサンプリングレートは、８０００Ｈｚである。サンプリングレートは、順次発光されたＬＥＤ５０からの光信号を光学センサ４０が受信するレートである。いくつかの実施形態において、ＬＥＤ５０からの光信号は、トラッカ４４、４６、４８ごとに異なるレートで発せられる。
【００２６】
図２を参照すると、ＬＥＤ５０はそれぞれ、ナビゲーションコンピュータ２６に／からデータを送信／受信する関連トラッカ４４、４６、４８のハウジング（図示せず）に配置されたトラッカコントローラ６２に接続されている。一実施形態において、トラッカコントローラ６２は、ナビゲーションコンピュータ２６との有線接続を介して、約数メガバイト／秒オーダのデータを送信する。他の実施形態においては、無線接続が使用されてもよい。これらの実施形態において、ナビゲーションコンピュータ２６は、トラッカコントローラ６２からのデータを受信する送受信機（図示せず）を有する。
【００２７】
他の実施形態において、トラッカ４４、４６、４８は、カメラユニット３６から発せられた光を反射する反射器等のパッシブマーカ（図示せず）を有してもよい。反射光はその後、光学センサ４０により受信される。アクティブ及びパッシブ構成は、当技術分野において周知である。
【００２８】
また、いくつかの実施形態において、トラッカ４４、４６、４８は、２０１３年１月１６日に出願された米国仮特許出願第６１／７５３，２１９号「Ｔｒａｃｋｉｎｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ａｎｄ  Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｕｓｅ  Ｔｈｅｒｅｏｆ」に記載のトラッカのように、ジャイロスコープセンサ６０及び加速度計７０を具備しており、これを本明細書に援用する。
【００２９】
ナビゲーションコンピュータ２６は、ナビゲーションプロセッサ５２を具備する。ナビゲーションプロセッサ５２は、ナビゲーションコンピュータ２６の動作を制御する１つ又は複数のプロセッサを具備することも可能であることが了解されるものとする。これらのプロセッサは、任意の種類のマイクロプロセッサ又はマルチプロセッサシステムとすることができる。プロセッサという用語は、本発明の範囲を単一のプロセッサに限定するものではない。
【００３０】
カメラユニット３６は、トラッカ４４、４６、４８のＬＥＤ５０からの光信号を受信して、トラッカ４４、４６、４８のＬＥＤ５０のローカライザ３４に対する位置に関する信号をプロセッサ５２に出力する。ナビゲーションプロセッサ５２は、受信した光学（いくつかの実施形態においては非光学）信号に基づいて、ローカライザ３４に対するトラッカ４４、４６、４８の相対位置及び方向を示すデータを生成する。
【００３１】
外科的処置の開始に先立って、ナビゲーションプロセッサ５２には、別のデータがロードされる。ナビゲーションプロセッサ５２は、トラッカ４４、４６、４８の位置及び方向並びに前もってロードされたデータに基づいて、外科手術器具２２の作用端の位置及び作用端を適用する組織に対する外科手術器具２２の方向を決定する。いくつかの実施形態において、ナビゲーションプロセッサ５２は、これらのデータをマニピュレータコントローラ５４に転送する。そして、マニピュレータコントローラ５４は、これらのデータを使用して、米国仮特許出願第６１／６７９，２５８号「Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ  Ｃａｐａｂｌｅ  ｏｆ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  ａ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  ｉｎ  ｅｉｔｈｅｒ  ａ  Ｓｅｍｉ−Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ  Ｍｏｄｅ  ｏｒ  ａ  Ｍａｎｕａｌ，  Ｂｏｕｎｄａｒｙ  Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ  Ｍｏｄｅ」に記載の通り、ロボットマニピュレータ５６を制御することができ、その開示内容を本明細書に援用する。
【００３２】
また、ナビゲーションプロセッサ５２は、組織に対する外科手術器具作用端の相対位置を示す画像信号を生成する。これらの画像信号は、ディスプレイ２８、２９に適用される。ディスプレイ２８、２９は、これらの信号に基づいて、外科手術部位に対する外科手術器具作用端の相対位置を外科医及びスタッフが視認可能となる画像を生成する。上述の通り、ディスプレイ２８、２９は、コマンドの入力が可能なタッチスクリーン又は他の入力／出力装置を具備してもよい。
【００３３】
図３を参照すると、物体の追跡は一般的に、ローカライザ座標系ＬＣＬＺを参照することにより行われる。ローカライザ座標系は、原点及び方向（ｘ、ｙ、及びｚ軸のセット）を有する。処置中の目標は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺを既知の位置に保つことである。外科手術要員が不注意でカメラユニット３６にぶつかった場合にローカライザ座標系ＬＣＬＺが突然又は予期せず移動する場合があるが、カメラユニット３６に搭載された加速度計（図示せず）を使用し、これを追跡するようにしてもよい。
【００３４】
また、各トラッカ４４、４６、４８及び追跡する物体は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺと異なるそれ自体の座標系を有する。それぞれの座標系を有するナビゲーションシステム２０の構成要素は、骨トラッカ４４、４６及び器具トラッカ４８である。これらの座標系はそれぞれ、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１、ＢＴＲＫ２及び器具トラッカ座標系ＴＬＴＲとして表される。
【００３５】
ナビゲーションシステム２０は、骨にしっかりと取り付けられた骨トラッカ４４、４６の位置を監視することによって、患者の大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔの位置を監視する。大腿骨座標系はＦＢＯＮＥ、脛骨座標系はＴＢＯＮＥであり、これらは、骨トラッカ４４、４６がしっかりと取り付けられた骨の座標系である。
【００３６】
処置の開始に先立っては、大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔ（又は、他の実施形態では他の組織）の術前画像が生成される。これらの画像は、患者の生体構造のＭＲＩスキャン、放射線スキャン、又はコンピュータトモグラフィ（ＣＴ）スキャンに基づいていてもよい。また、これらの画像は、当技術分野における周知の方法を使用し、大腿骨座標系ＦＢＯＮＥ及び脛骨座標系ＴＢＯＮＥにマッピングされる。これらの画像は、大腿骨座標系ＦＢＯＮＥ及び脛骨座標系ＴＢＯＮＥに固定される。術前画像の取得の代わりに、運動学的研究、骨トレース、及び他の方法により、手術室（ＯＲ）で処置計画を構築することも可能である。
【００３７】
処置の初期段階においては、骨トラッカ４４、４６が患者の骨にしっかりと固定されている。座標系ＦＢＯＮＥ及びＴＢＯＮＥの姿勢（位置及び方向）はそれぞれ、座標系ＢＴＲＫ１及びＢＴＲＫ２にマッピングされる。一実施形態においては、Ｍａｌａｃｋｏｗｓｋｉほかに対する米国特許第７，７２５，１６２号に開示されているように、それ自体のトラッカＰＴ（図２参照）を有するポインタ器具Ｐ（図１及び図２参照）を使用し、大腿骨座標系ＦＢＯＮＥ及び脛骨座標系ＴＢＯＮＥをそれぞれ骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１及びＢＴＲＫ２に登録するようにしてもよく、これを本明細書に援用する。骨とそれぞれの骨トラッカ４４、４６との間の固定関係を前提として、大腿骨座標系ＦＢＯＮＥ及び脛骨座標系ＴＢＯＮＥにおける大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔの位置及び方向は、骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１及びＢＴＲＫ２に変換可能であるため、カメラユニット３６は、骨トラッカ４４、４６を追跡することによって、大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔを追跡することができる。この姿勢記述データは、マニピュレータコントローラ５４及びナビゲーションプロセッサ５２の両者と一体のメモリに記憶される。
【００３８】
外科手術器具２２の作用端（エネルギーアプリケータ遠位端とも称する）は、それ自体の座標系ＥＡＰＰを有する。座標系ＥＡＰＰの原点は、例えば外科手術切断掘削器具の重心を表してもよい。処置の開始前、座標系ＥＡＰＰの姿勢は、器具トラッカ座標系ＴＬＴＲの姿勢に固定されている。したがって、これらの座標系ＥＡＰＰ、ＴＬＴＲの姿勢は、相対的に決まる。姿勢記述データは、マニピュレータコントローラ５４及びナビゲーションプロセッサ５２の両者と一体のメモリに記憶される。
【００３９】
図２を参照すると、ローカリゼーションエンジン１００は、ナビゲーションシステム２０の一部と考え得るソフトウェアモジュールである。ローカリゼーションエンジン１００のコンポーネントは、ナビゲーションプロセッサ５２上で動作する。本発明のいくつかの変形において、ローカリゼーションエンジン１００は、マニピュレータコントローラ５４上で動作するようになっていてもよい。
【００４０】
ローカリゼーションエンジン１００は、カメラコントローラ４２からの光学ベースの信号と、いくつかの実施形態においてはトラッカコントローラ６２からの非光学ベースの信号とを入力として受信する。ローカリゼーションエンジン１００は、これらの信号に基づいて、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおける骨トラッカ座標系ＢＴＲＫ１及びＢＴＲＫ２の姿勢を決定する。ローカリゼーションエンジン１００は、器具トラッカ４８に関して受信した同じ信号に基づいて、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおける器具トラッカ座標系ＴＬＴＲの姿勢を決定する。
【００４１】
ローカリゼーションエンジン１００は、トラッカ４４、４６、４８の姿勢を表す信号を座標変換器１０２に転送する。座標変換器１０２は、ナビゲーションプロセッサ５２上で動作するナビゲーションシステムソフトウェアモジュールである。座標変換器１０２は、患者の術前画像と骨トラッカ４４、４６との間の関係を規定するデータを参照する。また、座標変換器１０２は、器具トラッカ４８に対する外科手術器具の作用端の姿勢を示すデータを記憶する。
【００４２】
処置中、座標変換器１０２は、ローカライザ３４に対するトラッカ４４、４６、４８の相対姿勢を示すデータを受信する。座標変換器１０２は、これらのデータ及び前もってロードされたデータに基づいて、ローカライザ座標系ＬＣＬＺに対する座標系ＥＡＰＰ並びに骨座標系ＦＢＯＮＥ及びＴＢＯＮＥの両者の相対位置及び方向を示すデータを生成する。
【００４３】
結果として、座標変換器１０２は、外科手術器具２２の作用端を適用する組織（例えば、骨）に対する器具作用端の位置及び方向を示すデータを生成する。ディスプレイ２８、２９には、これらのデータを表す画像信号が転送されるため、外科医及びスタッフは、この情報を視認可能となる。特定の実施形態においては、これらのデータを表す他の信号をマニピュレータコントローラ５４に転送することによって、マニピュレータ５６及び外科手術器具２２の対応する動きを案内することができる。
【００４４】
外科手術器具２２を使用して患者を処置する前には、患者をドレープで覆う、処置する外科手術部位を整える等、特定の準備が必要である。例えば、膝関節形成術において、外科手術要員は、関心のある脚を脚ホルダに固定するとともに、患者及び機器をドレープで覆う場合がある。このような脚ホルダは、米国特許出願公開第２０１３／００１９８８３号として公開された米国特許出願第１３／５５４，０１０号「Ｍｕｌｔｉ−ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｌｉｍｂ  Ｈｏｌｄｅｒ」に示されており、これを本明細書に援用する。
【００４５】
他の準備としては、外科手術のために必要な物体を手術室に配置することが挙げられる。これら物体のいくつかは、外科手術器具２２が動作する領域に近接して使用される。これらの物体としては、脚ホルダ、開創器、吸引／潅注ツール、外科手術要員等が挙げられる。術中、外科手術器具２２は、これらの物体を回避すべきである。術中のこれら物体の回避を容易化するため、これら物体のうちの１つ又は複数の位置情報が直接又は間接的に決定される。いくつかの実施形態において、これら物体のうちの１つ又は複数は、術中、ナビゲーションシステム２０によって動的に追跡される。
【００４６】
図４を参照すると、一実施形態においては、ポインタ器具Ｐを使用し位置情報が物体から間接的に得られる。その一例は、Ｍａｌａｃｋｏｗｓｋｉほかに対する米国特許第７，７２５，１６２号に開示されており、これを本明細書に援用する。ポインタＰは、トラッカ４４、４６、４８と同様に信号をカメラユニット３６に送信するＬＥＤ５０を備えるそれ自体のトラッカＰＴを有する。ポインタＰの先端の位置は、ポインタＰ上のＬＥＤ５０に対して既知であり、電子形式でポインタＰに記憶されており、後々、送受信機を介してカメラユニット３６に送信する。或いは、先端の位置情報は、ナビゲーションコンピュータ２６に記憶されるか、フィールド中の既知の位置に合わせて調整される。いずれの場合にも、先端位置は既知であるため、ポインタＰを使用し、外科手術器具２２が回避すべき物体の位置を決定する。
【００４７】
先端が物体の特定の表面に接触したら、ポインタＰ上のトリガ又はスイッチ（図示せず）がユーザにより作動される。或いは、先端は、表面と接触している場合に自動的に検知を行うセンサを具備してもよい。カメラユニット３６上の送受信機には、対応する信号が送信され、ポインタトラッカＰＴ上のＬＥＤ５０から信号が読み出されるため、物体の表面上の点と相関する先端の位置が計算可能となる。先端が表面上のより多くの点に接触して、ナビゲーションシステム２０がそれぞれの位置を計算すると、物体のモデルが作成されて、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおける物体の位置及び方向を規定可能となる。このようなモデルは、従来の表面マッピングツール等を使用して作成可能である。
【００４８】
作成されたモデルが仮想制約境界として使用されることにより、外科手術器具２２の動きが案内される。これらのモデルをディスプレイ２８、２９に表示することによって物体の位置を示すようにしてもよいし、及び／又は、モデルに関する情報をマニピュレータコントローラ５４に転送することにより、これらの仮想制約境界に対して、マニピュレータ５６及び外科手術器具２２の対応する動きを案内することで、外科手術器具２２が物体に接触しないようにすることも可能である。
【００４９】
物体が術中に静止している場合、又は追跡する物体が静止していないものの、別の追跡物体に対して位置が固定されている場合、位置及び／又は方向を決定する上記方法は、仮想制約境界を提供するのに適している。しかし、物体が通常、術中に移動している場合、物体の継続的な追跡を可能とするには、別の方策が必要である。いくつかの実施形態においては、搭載可能なトラッカ１１０が物体に搭載されてもよい。これらのトラッカ１１０は、物体に関して包括的であってもよいため、物体に合わせて調整されなくてもよい。この場合、トラッカ１１０は最初に、物体に取り付けられる。
【００５０】
このような物体は、図４に示す開創器アセンブリ１０４等の開創器であってもよい。トラッカ１１０は、Ｍａｌａｃｋｏｗｓｋｉほかに対する米国特許第７，７２５，１６２号に示されているように、開創器アセンブリ１０４上に配置されたトラッカコネクタにより当該開創器アセンブリ１０４に取り付けられてもよいし、トラッカ１１０を固定する従来の締結具又はクランプによって、開創器アセンブリ１０４に搭載されてもよく、これを本明細書に援用する。使用可能な開創器アセンブリの例は、米国特許出願公開第２０１３／００１９８８３号として公開された米国特許出願第１３／５５４，０１０号「Ｍｕｌｔｉ−ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｌｉｍｂ  Ｈｏｌｄｅｒ」に示されており、これを本明細書に援用する。トラッカ１１０が開創器アセンブリ１０４に固定されたら、ポインタＰを使用し、開創器アセンブリ１０４の表面又は他の点を登録することができる。各トラッカ１１０は、トラッカ４４、４６、４８と同様に信号をカメラユニット３６に送信する３つ以上のＬＥＤ（図示せず）を具備する。そして、カメラユニット３６及び／又はナビゲーションコンピュータ２６は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおけるＬＥＤそれぞれの位置を決定することができる。カメラユニット３６がトラッカ１１０上のＬＥＤから信号を受信している間に、ポインタＰを使用し、開創器アセンブリ１０４上の複数点に接触するとともに、対応する信号をカメラユニット３６に送信することにより、ポインタトラッカＰＴを使用してポインタＰからの位置情報を決定する。これにより、ナビゲーションコンピュータ２６は、トラッカ１１０上のＬＥＤの位置に対して、開創器アセンブリ１０４上の点を関連付けることができる。そして、ナビゲーションプロセッサ５２が動作させる境界作成ソフトウェアモジュール（図示せず）によって、開創器アセンブリ１０４と関連付けられ、トラッカ１１０を介して動的に追跡可能な仮想制約境界を作成することができる。
【００５１】
いくつかの実施形態においては、各捕捉点を接続することによって境界を作成可能である。これにより、表面境界を規定するウェブ又はメッシュが作成される。捕捉された点が２つだけの場合、境界は、両点間の線であってもよい。捕捉された点が３つの場合、境界は、隣接点を接続する線により形成された三角形であってもよい。また、ディスプレイ２８、２９を使用し、作成された境界の形状の視覚的フィードバックを提供することができる。境界のシフト、境界の拡大又は縮小、境界の形状の変更等によって境界を修正するには、例えばマウス、タッチスクリーン等の入力装置を使用することも可能である。境界は、一旦作成されたら、米国仮特許出願第６１／６７９，２５８号「Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ  Ｃａｐａｂｌｅ  ｏｆ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  ａ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  ｉｎ  ｅｉｔｈｅｒ  ａ  Ｓｅｍｉ−Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ  Ｍｏｄｅ  ｏｒ  ａ  Ｍａｎｕａｌ，  Ｂｏｕｎｄａｒｙ  Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ  Ｍｏｄｅ」に記載のロボット制御機能に従って外科手術器具２２の移動が防止された仮想制約境界として境界作成ソフトウェアモジュールに規定されてもよく、その開示内容を本明細書に援用する。また、マニピュレータコントローラ５４は、仮想制約境界の移動に応じて、当該仮想制約境界の動きを継続的に追跡するとともに、外科手術器具２２の経路及び／又は方向を継続的に調整することによって、仮想制約境界を回避するようにしてもよい。
【００５２】
また、仮想制約境界は、米国仮特許出願第６１／６７９，２５８号「Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ  Ｃａｐａｂｌｅ  ｏｆ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  ａ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  ｉｎ  ｅｉｔｈｅｒ  ａ  Ｓｅｍｉ−Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ  Ｍｏｄｅ  ｏｒ  ａ  Ｍａｎｕａｌ，  Ｂｏｕｎｄａｒｙ  Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ  Ｍｏｄｅ」に記載の大腿骨Ｆ又は脛骨Ｔと関連付けられた仮想切断境界の追跡と同時に追跡可能であり、その開示内容を本明細書に援用する。術中、仮想制約境界は、仮想切断境界に対して移動してもよい。また、境界を追跡すれば、このような境界間の相対的な動きの追跡も可能となる。
【００５３】
追跡する物体のモデルは、ディスプレイ２８、２９に表示することによって、物体の位置を示すようにしてもよい。また、仮想境界及び処置する生体構造がディスプレイ２８、２９に表示されてもよい。さらに、仮想制約境界及び仮想切断境界に関する情報をマニピュレータコントローラ５４に転送することによって、外科手術器具２２が仮想境界に入り込むことのないように、これらの仮想境界に対して、マニピュレータ５６及び外科手術器具２２の対応する動きを案内することができる。
【００５４】
いくつかの実施形態においては、仮想境界が外科手術器具２２と関連付けられている。外科手術器具仮想境界は、器具トラッカ４８を介して追跡される。また、外科手術器具仮想境界は、外科手術器具２２のモデルのみで規定されてもよい。そして、マニピュレータコントローラ５４は、他の物体と関連付けられた仮想切断境界及び他の仮想制約境界を含めて、その他の仮想制約境界に対する外科手術器具仮想境界の動きを監視する。その後、マニピュレータコントローラ５４は、境界が外科手術器具２２に対して移動するのに応じて、境界の動きを継続的に追跡するとともに、外科手術器具２２の案内を更新するようにプログラムされる。
【００５５】
手術室中の外科手術器具２２が回避すべき物体は、当該物体に直接固定されない１つ又は複数のトラッカに対して物体を関連付けることによって、間接的に追跡されるようになっていてもよい。例えば、図４において、組織の開口１０６は、トラッカに直接取り付けられていないものの、トラッカ１１０が固定された開創器アセンブリ１０４によって形成される。開創器アセンブリ１０４が開口１０６を形成することから、開口１０６のサイズ及び形状と開創器アセンブリ１０４の位置及び方向とには一般的な相関があるため、上述の通りトラッカ１１０を使用し、ナビゲーションシステム２０により追跡可能である。したがって、開口１０６についても、動的に追跡可能である。
【００５６】
開口１０６は、開創器アセンブリ１０４の縁部に沿っていることから、開創器アセンブリ１０４と関連付けられた点を使用し、境界作成ソフトウェアモジュール内で規定可能である。或いは、開口１０６は、ポインタＰを使用しトレース可能である。後者の場合は、ポインタＰを使用し、開口１０６の周辺を規定する点を捕捉することにより、境界作成ソフトウェアモジュールで点を接続して開口１０６を表すリングを形成できるようにする。このリングは、米国仮特許出願第６１／６７９，２５８号「Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ  Ｃａｐａｂｌｅ  ｏｆ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  ａ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  ｉｎ  ｅｉｔｈｅｒ  ａ  Ｓｅｍｉ−Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ  Ｍｏｄｅ  ｏｒ  ａ  Ｍａｎｕａｌ，  Ｂｏｕｎｄａｒｙ  Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ  Ｍｏｄｅ」に記載の開口に関するロボット制御機能に従って外科手術器具２２の動きをリング内に制約する仮想制約境界として、境界作成ソフトウェアモジュールで規定されてもよく、その開示内容を本明細書に援用する。また、開口１０６は、その動きがトラッカ１１０により追跡可能となるように、トラッカ１１０に登録することも可能である。神経組織、靭帯等、外科手術器具２２が回避すべき他の組織についても同様に、ポインタＰで縁取りし、トラッカ１１０に対して関連付けることによって、それぞれの動きを追跡可能である。
【００５７】
図５には、患者の脚を支持する脚ホルダ２００を示す。脚ホルダ２００は、米国特許出願公開第２０１３／００１９８８３号として公開された米国特許出願第１３／５５４，０１０号「Ｍｕｌｔｉ−ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｌｉｍｂ  Ｈｏｌｄｅｒ」により詳しく記載されており、これを本明細書に援用する。図５には、脚ホルダ２００に取り付ける別の開創器アセンブリ１０５を示している。この別の開創器アセンブリ１０５は、米国特許出願第１３／５５４，０１０号により詳しく記載されており、これを本明細書に援用する。
【００５８】
外科的処置において、軟組織を開創して骨にアクセスするには、図６及び図７の開創器ヘッド１０７、１０９を使用可能である。このようなヘッド１０７、１０９の使用による組織の開創については、米国特許出願第１３／５５４，０１０号により詳しく記載されており、これを本明細書に援用する。図６及び図７においては、ナビゲーションシステム２０による追跡が可能となるように、ヘッド１０７、１０９には追跡要素が固定されている。図示の実施形態において、追跡要素は、ヘッド１０７、１０９それぞれの構造に組み込まれ、互いの関係で固定された３つ以上のＬＥＤ５０である。また、ＬＥＤ５０に関する各ヘッド１０７、１０９の形状モデルについても、開創器ヘッド１０７、１０９のメモリ（図示せず）に記憶されており、送受信機（開創器ヘッド１０７、１０９に組み込まれた送受信機（図示せず）等）を介してカメラユニット３６に送信可能である。或いは、各ヘッドのモデルは、ナビゲーションコンピュータ２６に予め記憶され、境界作成ソフトウェアモジュールを使用して開創器ヘッド１０７、１０９の種類又はシリアル番号を識別することにより、ナビゲーション設定中にアクセスされる。また、各開創器ヘッド１０７、１０９の形状についても、開創器ヘッド１０７、１０９上の一意のＬＥＤパターンを開創器ヘッド形状のデータベースと相関させることにより識別可能である。
【００５９】
開創器アセンブリ１０４の形状に関連する仮想制約境界を作成するとともに、トラッカ１１０又は統合追跡要素を使用して仮想制約境界の動きを追跡することによって、マニピュレータコントローラ５４は、開創器の仮想制約境界及び仮想切断境界を越えて外科手術器具２２が移動することなく、開創器アセンブリ１０４又は術後に残存する骨等の組織と不注意で接触することを回避するように、これらの境界に対して外科手術器具２２の動きを案内することができる。これらの仮想境界は、米国仮特許出願第６１／６７９，２５８号「Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ  Ｃａｐａｂｌｅ  ｏｆ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  ａ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  ｉｎ  ｅｉｔｈｅｒ  ａ  Ｓｅｍｉ−Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ  Ｍｏｄｅ  ｏｒ  ａ  Ｍａｎｕａｌ，  Ｂｏｕｎｄａｒｙ  Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ  Ｍｏｄｅ」に記載の通り、外科手術マニピュレータの手動モード及び半自律モードの両者で使用してもよく、その開示内容を本明細書に援用する。
【００６０】
図８を参照すると、開口１０６等の物体の位置を決定するには、可撓性の形状検知装置３００を使用するようにしてもよい。可撓性の形状検知装置３００は、それ自体の形状検知座標系ＳＳを有するハウジング３０２を具備する。ハウジング３０２は、Ｌｕｎａ  Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ  ｏｆ  Ｒｏａｎｏｋｅ，  Ｖｉｒｇｉｎｉａから市販されているＬｕｎａ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｓｅｎｓｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ等の反射率計の一部を形成する。市販されている反射率計の別の例として、Ｌｕｎａ  Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ  ＩｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄのＯｐｔｉｃａｌ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒがある。
【００６１】
ハウジング３０２からは、光ファイバケーブル３０４が延びて、開口１０６周りで当該開口１０６に極近接して患者の皮膚に載置されている。いくつかの実施形態において、ケーブル３０４は、開口１０６からオフセットした外周で皮膚に付着している。いくつかの実施形態において、このオフセットは、開口１０６の外周に沿ったすべての位置で、開口１０６から５ミリメートル未満である。他の実施形態においては、異なるオフセットを使用してもよいし、開口１０６に対する光ファイバケーブル３０４の位置が分かるように、光ファイバケーブル３０４を配置した後にオフセットを測定するようにしてもよい。ケーブル３０４は、開口１０６の形状の変化に応じて当該ケーブル３０４の形状も変化するように、可撓性である。ケーブル３０４の位置は、動的に追跡可能である。反射率計、ケーブル等の他の特徴を含む可撓性の形状検知装置３００及び位置決めのための使用方法については、Ｆｒｏｇｇａｔｔほかに対する米国特許第７，７７２，５４１号に記載されており、これを本明細書に援用する。
【００６２】
ＬＥＤ５０等の追跡要素は、可撓性の形状検知装置３００に組み込まれてもよい。或いは、トラッカ（図示せず）をハウジング３０２に搭載可能である。可撓性の形状検知装置３００に組み込まれたＬＥＤ５０は、トラッカ４４、４６、４８のＬＥＤ５０と同様に信号をカメラユニット３６に送信する。したがって、ハウジング３０２及び形状検知座標系ＳＳの位置及び方向は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺのナビゲーションシステム２０により決定可能である。ケーブル３０４が移動すると、ハウジング３０２に対して固定された形状検知座標系ＳＳの位置が変化する。座標系ＳＳは、ハウジング３０２上のＬＥＤ５０を使用してローカライザ座標系ＬＣＬＺに登録される。一旦登録されると、ケーブル３０４の位置変化についても、ローカライザ座標系ＬＣＬＺで決定可能である。
【００６３】
開口１０６は、米国仮特許出願第６１／６７９，２５８号「Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ  Ｃａｐａｂｌｅ  ｏｆ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  ａ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  ｉｎ  ｅｉｔｈｅｒ  ａ  Ｓｅｍｉ−Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ  Ｍｏｄｅ  ｏｒ  ａ  Ｍａｎｕａｌ，  Ｂｏｕｎｄａｒｙ  Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ  Ｍｏｄｅ」に記載の開口に関連するロボット制御機能に従って外科手術器具２２の動きを開口１０６内に制約する仮想制約境界として、境界作成ソフトウェアモジュールで規定されてもよく、その開示内容を本明細書に援用する。神経組織、靭帯等、外科手術器具２２が回避すべき他の組織についても同様に、可撓性の形状検知装置３００を使用して追跡可能である。同様に、外科手術要員と関連付けられた境界が作成可能となるように、可撓性の形状検知装置３００を使用し、外科手術スタッフが着用する手袋に組み込まれているような他の境界を確立することも可能である。
【００６４】
マシンビジョンは、手術室の物体を識別して、当該物体と関連付けられた仮想制約境界を作成することができる。図９は、マシンビジョンシステム４００を示している。マシンビジョンシステム４００は、３次元マシンビジョンカメラ４０２を具備する。ビジョンカメラ４０２は、その視野が外科手術部位及び当該外科手術部位に近接した物体を網羅するように構成されている。図９に示すように、このような物体としては、外科手術器具２２（切断掘削器具として示す）、開創器アセンブリ１０４、大腿骨Ｆ、及び脛骨Ｔが挙げられる。マシンビジョンシステム４００は、ビジョンカメラ４０２と通信する制御ユニット（図示せず）を有する。制御ユニットは、プロセッサ、メモリ、及びストレージを具備し、ナビゲーションコンピュータ２６と通信する。
【００６５】
まず、追跡する物体が識別される。物体の識別は、マシンビジョンソフトウェアを使用して制御ユニットのメモリに記憶された物体を選択することにより行ってもよい。例えば、制御ユニットには、開創器アセンブリ１０４の異なるサイズ及び形状と関連付けられた画素群が記憶されてもよい。マシンビジョンソフトウェアは、追跡する開創器アセンブリ１０４のうちの１つを選択することによって、対応する画素群を識別した後、従来のパターン認識技術を使用して同様の画素群を検出するように動作する。
【００６６】
或いは、物体は、ディスプレイ２８、２９上で追跡する物体をユーザが縁取り又は選択するインタフェースを使用して識別することも可能である。例えば、外科手術部位の上方からビジョンカメラ４０２が取得した画像（図９に示す画像に類似）は、ディスプレイ２８、２９に表示される。そして、ユーザは、マウス、デジタルペン等を使用して、ディスプレイ２８、２９上で追跡する物体をトレースする。マシンビジョンソフトウェアは、トレースされた物体に関連する画素をそのメモリに記憶する。ユーザは、マシンビジョンソフトウェアで物体に「ＭＥＤＩＡＬ  ＲＥＴＲＡＣＴＯＲ」等の名称を付与する等、一意の識別子によって各物体を識別するため、結果として、保存された画素群がこの一意の識別子と関連付けられる。複数の物体をこのように記憶することも可能である。マシンビジョンシステム４００は、従来のパターン認識及び関連するソフトウェアを利用して、後々、これらの物体を検出する。
【００６７】
マシンビジョンシステム４００は、継続的に画像を取得し、画像を精査し、物体に関連する画素群の動きを検出することによって、これら物体の動きを検出することができる。場合によっては、マシンビジョンシステム４００の制御ユニットからの物体に関する位置情報をナビゲーションコンピュータ２６に送信可能である。同様に、ナビゲーションコンピュータ２６からの位置情報は、当該ナビゲーションコンピュータ２６からマシンビジョンシステム４００の制御ユニットに送信可能である。
【００６８】
マシンビジョンシステム４００の制御ユニットは、マシンビジョン座標系ＭＶにおける物体の位置情報を提供するようにしてもよい。また、カメラユニット３６が追跡を行ってローカライザ座標系ＬＣＬＺに対するマシンビジョン座標系ＭＶの位置及び方向を登録できるように、ビジョンカメラ４０２はＬＥＤ５０を具備する。したがって、ビジョンカメラ４０２からの位置情報は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおいて決定可能である。このように、マシンビジョンシステム４００において仮想境界を物体と関連付けることができ、これらの仮想境界に関する情報をナビゲーションコンピュータ２６に伝達可能である。また、仮想制約境界に関する情報は、マニピュレータコントローラ５４に転送して、これらの仮想境界に対するマニピュレータ５６及び外科手術器具２２の対応する動きを案内可能である。
【００６９】
また、物体は最初に、ポインタＰを使用してローカライザ座標系ＬＣＬＺに登録可能である。例えば、開創器アセンブリ１０４にトラッカ１１０又は統合追跡要素が備わっていない場合は、ポインタＰを使用し、開創器アセンブリ１０４が静止している場合すなわち移動していない場合の開創器アセンブリ１０４と関連付けられた仮想制約境界を最初に確立するようにしてもよい。そして、これらの仮想制約境界は、ナビゲーションコンピュータ２６及び／又はマニピュレータコントローラ５４に記憶されて、ロボットマニピュレータ５６の案内に使用される。また、マシンビジョンシステム４００は、上述の通り、すなわち開創器アセンブリ１０４に関連する画素群の動きを追跡することによって、開創器アセンブリ１０４の動きを検出するように構成される。
【００７０】
その後、開創器アセンブリ１０４の動きのマシンビジョン検出を使用し、開創器アセンブリ１０４の姿勢変化（例えば、３軸に沿った平行移動／３軸周りの回転）を規定することにより、開創器アセンブリ１０４に関してナビゲーションコンピュータに記憶された仮想制約境界をシフトさせることも可能である。マシンビジョンシステム４００は、開創器アセンブリ１４０の第１の姿勢を時刻ｔ１に、第２の姿勢を時刻ｔ２に確立するように動作する。ｔ１とｔ２との姿勢の差は、ナビゲーションコンピュータ２６及び／又はマニピュレータコントローラ５４に提供され、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおいて、比例する量だけ関連する仮想制約境界が移動する。いくつかの実施形態においては、２次元の動きのみがビジョンカメラ４０２で検出され、ナビゲーションコンピュータ２６及び／又はマニピュレータコントローラ５４との共有により、開創器アセンブリ１０４の位置が更新される。
【００７１】
いくつかの実施形態において、上記ロボットシステムは、骨又は軟組織等の患者の生体構造から物質を切り取るロボット外科手術切断システムである。切断システムは、ナビゲーションシステム２０によって適正な位置にあると判定されたら、股関節インプラント及び片側、両側、又は全体膝関節インプラントを含む膝関節インプラント等の外科手術インプラントで置き換える材料を切り取る。これらの種類のインプラントは、米国特許出願第１３／５３０，９２７号「Ｐｒｏｓｔｈｅｔｉｃ  Ｉｍｐｌａｎｔ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ」にいくつか示されており、その開示内容を本明細書に援用する。ナビゲーションシステム２０は、予備的なインプラントの使用を含めて、これらのインプラントを骨に位置決めして適所に固定する適正な手順を外科医に指示する。
【００７２】
他のシステムにおいて、器具２２は、手持ち式のハウジングに対して３つの自由度で移動可能であり、切断治具、ガイドアーム、又は他の制約機構の助けを借りずに、外科医の手で手動位置決めされる切断ツールを有する。このようなシステムは、米国特許出願第１３／６００，８８８号「Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  Ｈｏｕｓｉｎｇ，  ａ  Ｃｕｔｔｉｎｇ  Ａｃｃｅｓｓｏｒｙ  ｔｈａｔ  Ｅｘｔｅｎｄｓ  ｆｒｏｍ  ｔｈｅ  Ｈｏｕｓｉｎｇ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  ｔｈａｔ  Ｅｓｔａｂｌｉｓｈ  ｔｈｅ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｃｕｔｔｉｎｇ  Ａｃｃｅｓｓｏｒｙ  Ｒｅｌａｔｉｖｅ  ｔｏ  ｔｈｅ  Ｈｏｕｓｉｎｇ」に示されており、その開示内容を本明細書に援用する。
【００７３】
これらの実施形態において、上記システムは、切断ツールを有する手持ち式の外科手術切断器具を具備する。制御システムは、米国特許出願第１３／６００，８８８号「Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  Ｈｏｕｓｉｎｇ，  ａ  Ｃｕｔｔｉｎｇ  Ａｃｃｅｓｓｏｒｙ  ｔｈａｔ  Ｅｘｔｅｎｄｓ  ｆｒｏｍ  ｔｈｅ  Ｈｏｕｓｉｎｇ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  ｔｈａｔ  Ｅｓｔａｂｌｉｓｈ  ｔｈｅ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｃｕｔｔｉｎｇ  Ａｃｃｅｓｓｏｒｙ  Ｒｅｌａｔｉｖｅ  ｔｏ  ｔｈｅ  Ｈｏｕｓｉｎｇ」に記載の通り、内部アクチュエータ／モータを使用して、少なくとも３つの自由度で切断ツールの動きを制御するが、その開示内容を本明細書に援用する。ナビゲーションシステム２０は、制御システムと通信する。器具には、１つのトラッカ（トラッカ４８等）が搭載されている。他のトラッカ（トラッカ４４、４６等）は、患者の生体構造に搭載されている。ナビゲーションシステム２０は、手持ち式の外科手術切断器具の制御システムと通信する。ナビゲーションシステム２０は、位置及び／又は方向データを制御システムに伝達する。この位置及び／又は方向データは、生体構造に対する器具２２の位置及び／又は方向を示す。この伝達によって、切断が所定の境界内（所定の境界という用語は、所定の軌道、体積、線、他の形状又は幾何学的形態等を含むものと了解される）で行われるように生体構造の切断を制御する閉ループ制御が与えられる。
【００７４】
いくつかの実施形態においては、カメラユニット３６に３次元（３Ｄ）ビデオカメラ（図示せず）が取り付けられている。ビデオカメラは、当該ビデオカメラの視野に対してカメラユニット３６の視野が関連付けられるように配向している。言い換えるなら、ビデオカメラからストリーミングされたビデオ画像中に物体が見られる場合には当該物体もカメラユニット３６の視野内となるように、２つの視野が整合或いは相関してもよい。また、ビデオカメラからストリーミングされたビデオ画像中に見られる物体の位置及び／又は方向がローカライザ座標系ＬＣＬＺで分かるように、ビデオカメラの座標系のローカライザ座標系ＬＣＬＺへの変換又はその逆も可能である。ビデオカメラからのビデオ画像は、ディスプレイ２８、２９にストリーミング可能であり、ユーザは、マウス又はタッチスクリーン等の入力装置を使用し、仮想制約境界をディスプレイ２８、２９上で識別して、器具２２が回避すべきゾーンを描出することができる。ビデオ画像は、２次元（２Ｄ）又は３次元（３Ｄ）で提供することによって、これら仮想制約境界の作成を容易化することも可能である。これら仮想制約境界の位置及び／又は方向に関する情報は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺに提供され、例えばナビゲーションコンピュータ２６又はマニピュレータコントローラ５４による追跡によって、作成された境界に器具２２が入り込まないようにされる。
【００７５】
いくつかの実施形態において、仮想制約境界のうちの１つに器具２２が接近していることをマニピュレータコントローラ５４又はナビゲーションコンピュータ２６が検出した場合は、アラームが発せられるようになっていてもよい。アラームは、仮想制約境界と関連付けられた物体に衝突しそうなことをユーザに示すユーザへの視覚的、触覚的、若しくは聴覚的フィードバック、並びに／又は物体若しくは関連する仮想制約境界からの距離を視覚的、触覚的、若しくは聴覚的に示すものを含んでもよい。
【００７６】
上記説明においては、複数の実施形態について論じた。しかし、本明細書で論じた実施形態は、網羅的でもなければ、本発明を任意の特定の形態に限定するものでもない。使用した専門用語は、限定的な用語ではなく記述的な用語の性質を帯びたものである。上記教示内容を踏まえて多くの改良及び変形が可能であり、本発明は、明確に記載されたものと異なる方法で実施してもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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