(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の身体部分（２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９）の組織を切断するための介入部材を有する手術器具（１２，１２８、１２９）と、
前記患者の前記身体部分（２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９）上の所定の骨切りライン（２１、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７、２１８、２１９）に関して前記患者の前記身体部分（２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９）に対する前記手術器具（１２、１２８、１２９）の前記介入部材の位置および向きを制御するように構成された制御ユニット（１６）と、
前記患者の前記身体部分（２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９）の位置および向きを追跡するように構成された追跡デバイス（１４）と
を備え、
前記手術器具（１２、１２８、１２９）が、前記手術器具（１２、１２８、１２９）の前記介入部材に対して固定して取り付けられた光学的監視システム（１５、１９８、１９９）を備え、前記光学的監視システム（１５、１９８、１９９）が、前記患者の前記身体部分（２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９）に印されたマーク（２２３、２３３、２４３、２５３、２６３、２７３、２２４）の位置を連続的に検出するように構成され、前記制御ユニット（１６）が、前記マーク（２２３、２３３、２４３、２５３、２６３、２７３、２２４）の検出位置と予想位置との間で所定のずれが検出されたときに前記手術器具（１２、１２８、１２９）の前記介入部材の位置および／または向きを調整するように構成される
ことを特徴とする、コンピュータ支援外科手術装置（１、１８、１９）。
【請求項２】
前記制御ユニット（１６）が、前記光学的監視システム（１５、１９８、１９９）によって検出された前記患者の前記身体部分（２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９）に印されたマーク（２２３、２３３、２４３、２５３、２６３、２７３、２２４）の前記位置に基づいて、前記マーク（２２３、２３３、２４３、２５３、２６３、２７３、２２４）の予想位置を計算するように構成され、これらの検出された前記マーク（２２３、２３３、２４３、２５３、２６３、２７３、２２４）の位置が、前記介入部材に対する前記組織の相対位置を計算するために使用される、請求項１に記載のコンピュータ支援外科手術装置（１、１８、１９）。
【請求項３】
前記制御ユニット（１６）が、前記マーク（２２３、２３３、２４３、２５３、２６３、２７３、２２４）の以前の位置と前記身体部分（２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９）に対する前記介入部材の動きとに基づいて前記マーク（２２３、２３３、２４３、２５３、２６３、２７３、２２４）の予想位置を計算するように構成され、前記マーク（２２３、２３３、２４３、２５３、２６３、２７３、２２４）の前記予想位置が前記光学的監視システム（１５、１９８、１９９）によって検出された対応するマーク（２２３、２３３、２４３、２５３、２６３、２７３、２２４）の位置とは異なるときに、前記マーク（２２３、２３３、２４３、２５３、２６３、２７３、２２４）の前記位置の前記所定のずれが検出される、請求項１または２に記載のコンピュータ支援外科手術装置（１、１８、１９）。
【請求項４】
前記手術器具（１２、１２８、１２９）が、手術中に前記患者の前記身体部分（２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９）に前記マーク（２２３、２３３、２４３、２５３、２６３、２７３、２２４）を印すように構成されたマーキング部材（１２、１２８、１２９）を含み、前記手術中に、前記患者の前記身体部分（２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９）が、前記手術器具（１２、１２８、１２９）の前記介入部材により前記骨切りライン（２１、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７、２１８、２１９）に沿って切断される、請求項１から３のいずれか一項に記載のコンピュータ支援外科手術装置（１、１８、１９）。
【請求項５】
ロボットアーム（１１、１１８、１１９）をさらに備え、前記手術器具（１２、１２８、１２９）が、前記ロボットアーム（１１、１１８、１１９）に取り付けられ、前記制御ユニット（１６）が、前記患者の前記身体部分（２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９）に対する前記手術器具（１２、１２８、１２９）の前記位置および向きを制御するために、前記ロボットアーム（１１、１１８、１１９）の動きを制御するように構成される、請求項１から４のいずれか一項に記載のコンピュータ支援外科手術装置（１、１８、１９）。
【請求項６】
前記介入部材がレーザ光源（１３８、１３９）を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のコンピュータ支援外科手術装置（１、１８、１９）。
【請求項７】
前記介入部材が、集光系光学部品、およびビーム方向転換手段（１４８、１４９）を含む、請求項６に記載のコンピュータ支援外科手術装置（１、１８、１９）。
【請求項８】
前記手術器具（１２、１２８、１２９）の前記介入部材が、前記手術器具のマーキング部材と一致する、請求項４から７のいずれか一項に記載のコンピュータ支援外科手術装置（１、１８、１９）。
【請求項９】
前記手術器具（１２、１２８、１２９）の前記光学的監視システム（１５、１９８、１９９）が、少なくとも１つのカメラ（１５、１９８、１９９）を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載のコンピュータ支援外科手術装置（１、１８、１９）。
【請求項１０】
前記手術器具（１２、１２８、１２９）の前記光学的監視システム（１５、１９８、１９９）が、２つのカメラ（１５、１９８、１９９）を備える、請求項１から９のいずれか一項に記載のコンピュータ支援外科手術装置（１、１８、１９）。
【請求項１１】
前記追跡デバイス（１４）がカメラを備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載のコンピュータ支援外科手術装置（１、１８、１９）。
【請求項１２】
前記手術器具（１２、１２８、１２９）の前記光学的監視システム（１５、１９８、１９９）の前記少なくとも１つのカメラ（１５、１９８、１９９）が、前記手術器具の前記介入部材が前記患者の前記身体部分（２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９）に作用する箇所の周辺の前記患者の前記身体部分（２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９）の前記組織の監視領域をカバーするように調整され、前記追跡デバイス（１４）の前記カメラが、前記患者の前記身体部分（２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９）の全体領域をカバーするように調整され、前記監視領域が、前記全体領域よりも小さい、請求項９に記載のコンピュータ支援外科手術装置（１、１８、１９）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項１のプリアンブルによるコンピュータ支援外科手術装置に関し、より詳細には、組織のコンピュータ支援切断の各方法に関する。
【０００２】
患者の身体部分の組織を切断するための介入部材を有する手術器具と、患者の身体部分上の所定の骨切りラインに関して患者の身体部分に対する手術器具の介入部材の位置および向きを制御するように構成された制御ユニットと、患者の身体部分の位置および向きを追跡するように構成された追跡デバイスとを備えるそのような装置は、ヒトまたは動物の組織、特にはヒトまたは動物の骨を切断するために使用されうる。
【背景技術】
【０００３】
医療手術では、ヒトまたは動物の組織を切断するのに、自動化または半自動化された技法がますます一般的になってきている。例えば、ＷＯ２０１１／０３５７９２Ａ１は、コンピュータ支援およびロボット誘導レーザ骨切り医療デバイスについて述べている。このデバイスは、所定の骨切りラインに沿って組織を光アブレーションすることによりヒトまたは動物の骨組織などの硬組織を切断するために、エルビウムヤグレーザなどのロボットアーム誘導レーザを使用する。そのようなデバイスは、例えば、精度がますます求められている例えば再建手術などの分野における多くの用途において骨組織の精密な切断を可能にすることができる。
【０００４】
前述のデバイスなどの自動化された切断ツールまたはデバイスは、通常、標的組織およびレーザヘッドの位置および向きを追跡できるようにするための追跡手段を有する。例えば、今日では、通常、身体部分または組織およびレーザヘッドを監視し、かつ位置および／または向きのずれを検出する光学的または磁気的な追跡システムが使用される。追跡のために、身体部分およびレーザヘッドは、通常、追跡システムによって認識できる適切なマーカシールドまたは手段を備える。
【０００５】
鋸などの古典的な切断ツールでは、一直線のまたはわずかに曲がった切断部よりも複雑な切断幾何形状を行うのが困難であるのに対して、レーザを用いた骨のアブレーションは、比較的複雑な切断幾何形状の適用を可能にする。例えば、上述のデバイスの場合、鋸歯、蟻溝、および関連した機能性を有する他の特異的な切断幾何形状が可能である。そのような比較的複雑な幾何形状での骨の切断は、例えば再建手術および骨整形の分野において、様々な新たな応用を可能にする。
【０００６】
しかし、通常２００μｍおよびそれより小さい範囲内である今日のレーザシステムで可能な切断幅は、適用される切断の精密さに高度の必要性を課す。適用された切断におけるささいな幾何学的誤差が、例えば切断した骨片を互いに関してずらした後での切断した骨片の再組み立てなどの適切な適用を妨げる場合がある。例えば、切断プロセス中に患者の身体部分が移動した場合、または、例えば外科医によって切断プロセスが中断された場合、ロボットなどのレーザ誘導手段は、切断プロセスを続けるために、高精度で自動的に位置を変えることができなければならない。
【０００７】
しかし、今日の光学的または磁気的な追跡システムの最上の精密さは通常２００μｍの範囲内であり、この範囲は例えばロボット誘導レーザ骨切り術に必要とされる精密さと比較して適切ではないので、十分な精度ではない。またそれに加えて、今日のロボットまたは類似の手段は、最高で約２００μｍまでの精密さで動くことが可能である。したがって、ロボットおよび追跡システムの全体的な精度は、総合して、多くの用途に適したものではない。
【発明の概要】
【０００８】
したがって、比較的複雑な幾何形状によるヒトまたは動物の硬組織への切断の適用を比較的高精度で可能にする（半）自動的な外科手術装置および方法が必要とされている。
【０００９】
具体的には、比較的複雑な切断幾何形状が適用可能であるように、切断する組織に対するレーザビームなどの切断器具の十分に精密な動きを提供することが必要とされている。
【００１０】
本発明によれば、この要求は、独立請求項１の特徴によって定義されるようなコンピュータ支援外科手術装置、および、独立請求項１２の特徴によって定義されるような組織のコンピュータ支援切断の方法によって解決される。好ましい実施形態が、従属請求項の主題である。
【００１１】
具体的には、本発明は、患者の身体部分の組織を切断するための介入部材を有する手術器具と、患者の身体部分上の所定の骨切りラインに関して患者の身体部分に対する手術器具の介入部材の位置および向きを制御するように構成された制御ユニットと、患者の身体部分の位置および向きを追跡するように構成された追跡デバイスとを備えるコンピュータ支援外科手術装置を扱う。さらに、本装置の手術器具は、手術器具の介入部材に対して固定して取り付けられている光学的監視システムを備え、光学的監視システムは、ヒトもしくは動物の硬組織上の生来のランドマークの位置、または患者の身体部分上に印されたマークの位置を連続的に検出するように構成され、制御ユニットは、マークの位置の所定のずれが検出されたときに手術器具の介入部材の位置および／または向きを調整するように構成される。
【００１２】
本発明において、「患者」という用語は、いかなるヒトにも動物にも関する。本発明に関連する「組織」という用語は、ヒトまたは動物の組織に関し、好ましくは、爪組織や特には骨組織などの硬組織に関しうる。「身体部分」という用語は、本装置によって切断されるべき患者の任意の適切な身体部分に関しうる。具体的には、「身体部分」という用語は、上顎骨または上顎、下顎骨または下顎、頭蓋骨などの、患者の任意の骨に関しうる。「骨切りライン」という用語は、そのラインに沿って身体部分が切断されるラインに関しうる。「骨切りライン」という用語は、特に、切断部の幾何形状を定義しうる。切断部の幾何形状は、例えば、光干渉断層撮影（ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ、ＯＣＴ）などの結像技術によって集積される身体部分のデータを評価するコンピュータによって例えば計画されうる。そのような切断部の計画において、コンピュータは、骨切りラインを計算することもできる。
【００１３】
制御ユニットは、ハードディスク、中央処理装置、ランダムアクセスメモリ、リードオンリーメモリなどを備えうるコンピュータを含むことができる。コンピュータは、例えば、パーソナルコンピュータ、ラップトップコンピュータなどでありうる。光学的監視システムは、具体的には、光学的監視システムが少なくとも部分的には追跡デバイスとは別であるように、追跡デバイスとは異なる構成要素またはユニットであるか、そのような構成要素またはユニットを含むことができる。監視システムは、例えば、堅固な形で介入部材に直接または間接的に接続されることにより、介入部材に対して固定して取り付けられうる。例えば、監視システムは、ねじ留めされるか、接着されるか、または他の方法で手術器具に堅固に取り付けられうる。マークの位置の文脈における「ずれ（ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）」という用語は、マークの検出位置と予想位置との間の差異に関するものである。なお、マークの予想位置は、マークの以前の位置と、身体部分に対する介入部材の動きとに基づいて算出可能である。
【００１４】
追跡デバイスによって提供される外科手術部位の全体像に加えて、光学的監視システムは、切断プロセスを骨切りラインに関して特異的に制御することを可能にする。具体的には、光学的監視システムは、比較的高精度で切断プロセスのデータを提供することを可能にする。手術器具の介入部材に対して監視システムを固定して取り付けることにより、個別のずれを除外することができ、それに応じて全体的な制御の精度を高めることができる。監視システムは、比較的小さな区間または窓の詳細な情報または詳細な画像を比較的高解像度で提供するように調整されうる。また、生来のランドマーク、または骨切りラインもしくは切断部の監視を目的として身体部分に特異的に印されうるマークに焦点を合わせると、監視システムは、高い精密さでの切断プロセスの制御にさらに適合される余地がある。したがって、本発明による装置は、比較的高精度での比較的複雑な切断幾何形状による身体部分を切断することを可能にする。
【００１５】
例えば、本発明は、印される切断もしくは骨切りライン自体の上の生来の目に見えるランドマークもしくはポイントランドマークをマークとして使用することにより、または、計画された切断部もしくは骨切りラインの近辺において切断される骨などの身体部分上に例えばレーザ成形で追加的な人工のマークを印すことにより、使用されうる。より長い切断に対しては、これらのマーク（切断部もしくは骨切りライン自体上の目に見えるランドマーク、または追加的に印されたマーク）の複数のセットが、切断の経路すなわち骨切りラインに沿って印されうる。例えば１つまたは好ましくは２つのカメラを含む監視システムを使用すると、これらのマークが自動的に検出されうる。マークのうちの複数が目に見えるかまたは監視システムによって検出可能である場合、これらマークの３次元位置は、例えば監視システムの座標系内で判定されうる。または同様に、これらの点に対する監視システムの正確な位置が計算されうる。 監視システムは、介入部材に関して堅固にまたは固定して接続されており、また、較正することができるので、マークに対する介入部材の正確な位置を計算することができる。監視システム、および例えばそのカメラは、高画素解像度で比較的小さい視野を有しうるので、監視システムに対する位置は、高い精度で判定することができる。特定の一実施形態では、視野は、１ｃｍ四方であり、解像度は、１’０００画素四方である。そのような機構は、本装置の多くの用途にとって十分な精度である１０μｍの範囲内の位置精度をもたらすはずである。
【００１６】
あるいは、切断部または骨切りラインの周辺の身体部分の３次元地図を作るために、手術器具としてのレーザヘッドの走査ミラーと協働して、例えば光干渉断層撮影（ＯＣＴ）プローブが使用されてもよい。次いで、身体部分に関するレーザヘッドの相対位置を判定するために、生来のランドマーク、印を付した、切断に由来するランドマーク、および場合により人工的に作られるランドマークが使用されうる。
【００１７】
あるいは、切断部または骨切りラインの周辺の身体部分の３次元地図を作るために、例えばカメラのうちの少なくとも１つに対して可視である光源が使用されうる。次いで、身体部分に関するレーザヘッドの相対位置を判定するために、生来のランドマーク、印を付した、切断に由来するランドマーク、および場合により人工的に作られるランドマークが使用されうる。
【００１８】
あるいは、切断部または骨切りラインの周辺の身体部分の３次元地図を作るために、ステレオカメラの機構が使用されうる。次いで、身体部分に関するレーザヘッドの相対位置を判定するために、生来のランドマークの印、切断のために印を付した、ランドマーク、および場合により人工的に付したランドマークが使用されうる。
【００１９】
制御ユニットは、光学的監視システムによって検出された患者の身体部分に印されたマークの位置に基づいてマークの予想位置を計算するように構成されることが好ましい。これらのマークの検出された位置は、好ましくは、介入部材に対する組織の相対位置を計算するために使用される。予想位置を計算すること、および、検出された位置を評価することにより、制御ユニットは、切断プロセスの効率的な制御を可能にする。具体的には、骨切りラインに関する比較的小さな位置のずれを検出することができ、また、身体部分の精密な切断を続けるために、個別の精密な調整、例えば介入部材の精密な調整を行うことができる。
【００２０】
制御ユニットは、マークの以前の位置と、身体部分に対する介入部材の動きとに基づいてマークの予想位置を計算するように構成されることが好ましく、ここで、マークの予想位置が、光学的監視システムによって検出された対応するマークの位置と異なると、マークの位置の所定のずれが検出される。制御ユニットのそのような構成は、切断プロセスの効率的な制御を可能にする。
【００２１】
手術器具は、手術器具の介入部材により患者の身体部分が骨切りラインに沿って切断される操作中に患者の身体部分にマークを印すように構成されているマーキング部材を備えることが好ましい。この文脈において、「マーキング部材」という用語は、骨切りラインに関する切断プロセスを監視することを目的とする、身体部分にマークを印すのに適した任意の手段に関しうる。マーキング部材は、例えば、骨切りラインの近くまたは骨切りラインの位置で身体部分上にドットまたはラインを印すように構成されうる。そのようなマーキング部材は、骨切りラインを制御する目的のために特別に構成および成形されたマークを精密に印すことを可能にする。このように、そのような制御の精密さおよび効率は、比較的高くされうる。
【００２２】
コンピュータ支援外科手術装置は、ロボットアームをさらに備えることが好ましく、ここで、手術器具は、ロボットアームに取り付けられ、制御ユニットは、患者の身体部分に対する手術器具の位置および向きを制御するために、ロボットアームの動きを制御するように構成される。そのようなロボットアームは、身体部分に関する介入部材の位置および／または向きを介入部材の動きの全自由度において比較的高い精密さで効率的に調整することを可能にする。
【００２３】
介入部材は、レーザ光源を含むことが好ましい。そのようなレーザ光源は、身体部分を切断するために身体部分上にレーザビームを与えることを可能にする。レーザによって生じる切断は、比較的複雑な切断幾何形状での身体部分の精密な切断を可能にする。したがって、介入部材は、集光系光学部品およびビーム方向転換手段を含むことが好ましい。そのような集光系光学部品およびビーム方向転換手段により、レーザビームは、身体部分が精密に切断されうるように、身体部分上に精密に与えられうる。したがって、ビーム方向転換手段は、具体的には、１つまたは複数のミラーなどを含みうる。
【００２４】
手術器具の介入部材は、手術器具のマーキング部材と一致することが好ましい。その場合、手術器具は、時々マークを印すように構成されうる。例えば、手術器具がレーザ光源を備える場合、レーザ光源は、身体部分上の特定の位置にマークとして穴を作るために、レーザショットを照射することができる。具体的には、これらの特定の位置は、骨切りラインの近くまたは骨切りライン上に位置しうる。
【００２５】
手術器具の光学的監視システムは、少なくとも１つのカメラ、好ましくは２つのカメラを含むことが好ましい。そのような少なくとも１つのカメラは、マークを観測するために使用することができ、２つのカメラを使用することにより、マークおよび身体部分の３次元画像を提供することが可能になる。カメラは手術器具の介入部材に対して固定して取り付けられるので、マークを精密に観測および監視することができ、骨切りラインに沿った切断プロセスを精密に制御することができる。
【００２６】
追跡デバイスは、カメラを含むことが好ましい。したがって、手術器具の光学的監視システムの少なくとも１つのカメラは、好ましくは、手術器具の介入部材が患者の身体部分に作用する箇所の周辺の患者の身体部分の組織の監視領域をカバーするように調整され、追跡デバイスのカメラは、好ましくは、患者の身体部分の全体領域をカバーするように調整され、監視領域は、好ましくは、全体領域よりも小さい。したがって、追跡デバイスのカメラは、追跡デバイスが部位の概観を提供することができるように、また、監視システムが骨切りラインに沿った切断プロセスを精密に監視することができるように、監視システムの少なくとも１つのカメラよりも焦点を集中されない。
【００２７】
本発明の別の態様は、組織上に骨切りラインを予め定めること、組織が骨切りラインに沿って切断されるように手術器具の介入部材の位置および向きを自動的に制御すること、ならびに組織の位置を追跡することを含む、組織のコンピュータ支援切断の方法に関する。本発明による方法では、組織に印されたマークの位置は、手術器具の介入部材に対して固定して取り付けられている光学的監視システムによって連続的に検出され、マークの位置の所定のずれが検出されたときに、手術器具の介入部材の位置および／または向きが調整される。この方法は、インビトロで適用されてもよい。
【００２８】
本発明による装置に対応して、本発明による方法は、比較的複雑な切断幾何形状で、また比較的高い精密さで、身体部分を切断することを可能にする。また、上述の装置の好ましい実施形態のさらなる効果および利点は、本明細書の以下で説明される方法の対応する好ましい実施形態によって実現されうる。
【００２９】
マークは、光学的監視システムによって検出された患者の身体部分に印されたマークの位置に基づいて計算され、ここで、これらの検出されたマークの位置は、介入部材に対する組織の相対位置を計算するために使用されることが好ましい。
【００３０】
マークの予想位置は、マークの以前の位置と、身体部分に対する介入部材の動きとに基づいて計算され、ここで、マークの予想位置が光学的監視システムによって検出された対応するマークの位置とは異なるときに、マークの位置の所定のずれが検出されることが好ましい。
【００３１】
マークは、骨切りラインに沿った組織の切断中に組織に印が付され、または、よく目に見える生来のランドマークである印されたマークが追加で選択されることが好ましい。
【００３２】
介入部材は、レーザ光源を含み、組織は、レーザ光源によって誘起されたレーザビームを介する光アブレーションによって切断されることが好ましい。したがって、レーザビームは、集光系光学部品によって集束されて、ビーム方向転換手段によって方向転換されることが好ましい。
【００３３】
マークは、手術器具の介入部材により組織に印されることが好ましい。手術器具の光学的監視システムの少なくとも１つのカメラおよび好ましくは２つのカメラは、マークの位置を連続的に検出していることが好ましい。
【００３４】
組織の位置は、カメラによって追跡されることが好ましい。したがって、手術器具の光学的監視システムの少なくとも１つのカメラは、好ましくは、手術器具の介入部材が組織に作用する箇所の周辺の患者の身体部分の組織の監視領域をカバーするように調整され、監視領域は、好ましくは、組織の位置を追跡するカメラがカバーするように調整される全体領域よりも小さい。
【００３５】
本発明の上記およびその他の態様は、以下に記述される実施形態から明らかになり、また、以下に記述される実施形態を参照しながら説明される。
【００３６】
本発明によるコンピュータ支援外科手術装置、および組織のコンピュータ支援切断の方法は、例示的な実施形態により、また添付の図面を参照しながら、以下により詳細に記述される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明によるコンピュータ支援外科手術装置の第１の実施形態、および骨切りラインの第１の実施形態を含む下顎骨を示す図である。
【図２】骨切りラインの第２の実施形態を含む下顎骨の側面図である。
【図３】骨切りラインの第３の実施形態を含む下顎骨の側面図である。
【図４】骨切りラインの第４の実施形態を含む下顎骨の側面図である。
【図５】骨切りラインの第５の実施形態を含む下顎骨の側面図である。
【図６】骨切りラインの第６の実施形態を含む下顎骨の側面図である。
【図７】位置が変えられた図７の下顎骨の側面図である。
【図８】マークの第１の実施形態を含む下顎骨の側面図である。
【図９】複数のさらなるマークの実施形態を含む下顎骨の側面図である。
【図１０】本発明によるコンピュータ支援外科手術装置の第２の実施形態を示す図である。
【図１１】本発明によるコンピュータ支援外科手術装置の第３の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図１は、コンピュータ支援外科手術装置１の第１の実施形態の概略図を示す。装置１は、その一方の長手方向端部において支持台上に固定して配置されているロボットアーム１１を備える。ロボットアームの他方の長手方向端部には、手術器具としてのレーザヘッド１２が配置され、このレーザヘッド１２は、ロボットアーム１１により全自由度で可動である。レーザヘッド１２は、レーザ光源、集光系光学部品、およびビーム方向転換手段を有する。レーザヘッド１２には、２つのカメラ１５を有するレーザヘッド１２の監視システムが固定して取り付けられる。さらに、マーカシールド１３が、レーザヘッド１２に付けられる。装置１はまた、追跡デバイス１４、およびコンピュータ１６を有する制御ユニットを備える。
【００３９】
装置１の動作範囲内に、患者の身体部分または組織としての下顎骨２または下あごが配置される。マーカシールド２２が、下顎骨に付けられる。装置のレーザヘッド１２は、骨切りライン２１に沿って、下顎骨２上に介入部材としてのレーザビーム３１を与える。したがって、下顎骨２は、レーザビーム３１により骨切りライン２１に沿って切断される。骨切りラインは、下顎骨２がすでにレーザビーム３１によって切断された実現部分２１１、即ち切断部と、下顎骨２が切断される予定である計画部分２１２とを有する。骨切りライン２１は、直角を含む周期的な矩形状を有し、このことにより、複数の平行な条および凹部が下顎骨２に形成される。
【００４０】
装置１の使用に際して、骨切りライン２１は、下顎骨２上に予め定められる。これは、例えば光干渉断層撮影（ＯＣＴ）や、制御ユニットのコンピュータ１６であってもよいコンピュータで下顎骨２上の骨切りライン２１をモデリングおよび計算することにより下顎骨２の精密な形状および状態のデータを得ることなどによって、電子的に行われてもよい。装置１および特にコンピュータ１６は、適切に構成され、下顎骨２は、装置１の動作範囲内の適切な場所に配置される。
【００４１】
次いで、レーザヘッド１２によって与えられるレーザビーム３１が、骨切りライン２１に沿って下顎骨２を切断するが、その目的のために、レーザヘッド１２はロボットアーム１１によって動かされる。レーザビーム３１の位置および向きは、下顎骨２が骨切りライン２１に沿って精密に切断されるように、制御ユニットにより自動的に制御される。
【００４２】
追跡デバイス１４は、レーザヘッド１２のマーカシールド１３および下顎骨２のマーカシールド２２を捕捉する。その目的のために、追跡デバイスは、例えば、両方のマーカシールド１３および２２をその視界に有するように焦点が合わせられているカメラを備えることができる。下顎骨２との適用においては、そのような視界は、おおよそ２０ｃｍから５０ｃｍ四方の寸法を有しうる。マーカシールド１３および２２は、追跡デバイス１４を介して容易に識別可能な幾何学的特性を有する。このように、下顎骨２および装置１の全体位置は、追跡デバイス１４によって追跡されかつ監視される。
【００４３】
下顎骨２の切断前および切断中、装置１は、計画されたまたは実現された骨切りライン２１の近くまたは骨切りライン２１上に連続的にマークを印し、監視システムの２つのカメラ１５の焦点内に常に少なくとも３つのマークが存在することが保証される。これらの２つのカメラ１５は、これらのカメラの焦点が約０．５ｃｍから３ｃｍ四方、好ましくは約１ｃｍ四方または１．５ｃｍ四方の視界に及ぶように調整される。カメラの解像度は、少なくとも約５００画素四方、好ましくは１’０００画素四方またはそれ以上とされうる。マークを印すために、レーザヘッド１２は、下顎骨２に光アブレーションで小穴を形成するレーザビーム３１のショットを提供する。したがって、レーザヘッド１２およびレーザビーム３１は、マーキング部材として機能する。これらの小穴は、骨切りライン２１の近くまたは骨切りライン２１上に位置決めされたマークである。
【００４４】
小穴の位置は、光学的監視システムのカメラ１５によって連続的に検出されて、制御ユニットのコンピュータ１６によって評価される。小穴の位置の所定のずれが制御ユニットによって検出されると、ロボットアーム１１を調整することにより、レーザヘッド１２の位置および／または向き、したがってレーザビーム３１の位置および／または向きが修正される。
【００４５】
図２では、骨切りライン２１９の第２の実施形態を含む下顎骨２９が示されている。したがって、骨切りライン２１９は、下顎骨２９に鋸様の構造が形成されるように、周期的な三角形状を有する。
【００４６】
図３は、骨切りライン２１８の第３の実施形態を含む下顎骨２８を示す。骨切りライン２１８は、下顎骨２８に複数の条および凹部が形成されるように、周期的な矩形状を有する。
【００４７】
図４では、骨切りライン２１７の第４の実施形態を含む下顎骨２７が示されている。したがって、骨切りライン２１７は、周期的な台形状または蟻溝形状を有する。
【００４８】
図５は、骨切りライン２１６の第５の実施形態を含む下顎骨２６を示す。骨切りライン２１６は、下顎骨２６に波様の構造が形成されるように、正弦波形状を有する。
【００４９】
図６では、骨切りライン２１５の第６の実施形態を含む下顎骨２５が示されている。骨切りライン２１５は、図１の下顎骨２の骨切りライン２１および図３の下顎骨２８の骨切りライン２１８に類似した周期的な矩形状を有する。下顎骨２５は、上方部分２２５および下方部分２３５に分割されるように、骨切りライン２１５に沿って切断される。
【００５０】
図７は、上方部分２２５および下方部分２３５が互いに分離されてから再び組み付けられた図６の下顎骨２５を示す。したがって、下顎骨２５の下方部分２３５は、下方部分２３５の条の発生元である凹部に隣接した上方部分２２５の凹部に下方部分２３５の条が配置されるように、上方部分２２５に関して１つの条または凹部の分だけ長手方向にずらされている。このように、下顎骨２５は、正確に予め定められたやり方で再成形されえ、下顎骨２５の上方部分２２５および下方部分２３５の目標位置は、構造的に予め定められうる。下方部分２３５に対する上方部分２２５のわずかなまたは連続的なずらしは、不可能である。
【００５１】
図８では、骨切りライン２１４の第７の実施形態を含む下顎骨２４が示されている。骨切りライン２１４は、この場合もやはり、図１の下顎骨２の骨切りライン２１、図３の下顎骨２８の骨切りライン２１８、および図６の下顎骨２５の骨切りライン２１５に類似した周期的な矩形状を有する。下顎骨２４は、マーク２２４の複数の群を有し、ここで、各群は、骨切りライン２１４に近接して配置された３つのマーク２２４を有する。
【００５２】
図９は、骨切りライン２１３の第８の実施形態を含む下顎骨２３を示す。骨切りライン２１３は、この場合もやはり、図１の下顎骨２の骨切りライン２１、図３の下顎骨２８の骨切りライン２１８、図６の下顎骨２５の骨切りライン２１５、および図８の下顎骨２４の骨切りライン２１４に類似した周期的な矩形状を有する。下顎骨２３は、マークの複数の群を有し、ここで、各群は、好ましいやり方で監視可能とするための使用可能なマークの配置の一例である。第１の群では、５つのマーク２２３が十字の形状に配置され、ここで、十字の端部のほかに、交差点にもマーク２２３のうちの１つが与えられている。第２の群では、４つのマーク２３３が、正方形の隅部に配置される。第３の群では、３つのマーク２４３が、正三角形の隅部に配置される。第４の群では、３つのマーク２５３が、２本の傾斜した足の隅部および端部に配置される。第５の群では、２つのマーク２６３が、円の内側に配置される。第６の群では、複数のマーク２７３が、骨切りライン２１３自体のランドマーク点上に配置され、ここで、これらのランドマーク点は、好ましくは、角などの、骨切りライン２１３の特有の特徴的な箇所に位置決めされる。
【００５３】
図１０では、コンピュータ支援外科手術装置１９の第２の実施形態の概略図が示されている。装置１９は、ロボットアーム１１９を備える。ロボットアーム１１９の一方の長手方向端部には、手術器具としてのレーザヘッド１２９が配置され、このレーザヘッド１２９は、ロボットアーム１１９により全自由度で可動である。レーザヘッド１２９は、レーザ光源１３９、集光系光学部品、およびビーム方向転換手段としての３つのミラー１４９を有する。２つのカメラ１９９を有するレーザヘッド１２９の監視システムが、レーザヘッド１２９に固定して取り付けられる。レーザ光源１３９は、レーザビーム３９を提供し、レーザビーム３９は、ミラー１４９によって方向転換され、骨切りライン２１３に沿って照射されて、切断部を生成する。
【００５４】
レーザヘッド１２９、および較正された２つのカメラ１９９を使用することにより、骨切りライン２１３または切断部の上または周辺に印されたマークの３次元座標を直接判定することが可能になる。この機構では、認識可能な、３次元配置において既知の３つの点またはマークは、身体部分に関するレーザヘッド１２９の相対位置を判定するのに十分である。
【００５５】
既知の３次元構成を持つ３点のマークの最小値が２つのカメラ１９９によって区別されうる限りは、マークの正確な形状は重要でない。これらの点は、上記で示されたように、例えば、正方形、三角形、十字の隅部、または円／長円などの形状の中心、さらにはすでに印された切断部の縁、またはこれらの組合せなどに配置されうる。これらのマークの３次元位置は、カメラ１９９で判定されなければならず、また、身体部分および外科手術用レーザヘッド１２９のいかなる相対位置の変化にも先立って保存されなければならない。したがって、最小量の組織損傷をもたらすパターンが好ましく、したがって、好ましい実施形態は、以下に示すように、２つのカメラを使用する、マークとしての３つの小ドットの機構、または、１つのカメラにおける６つの小ドットの機構である。加えて、骨切りライン２１３または切断部の隅部をマークとして使用することにより、２つの追加的なレーザ適用点だけで実施することすら可能になる。
【００５６】
使用に際して、可能な切断プロセスは以下の通りでありうる。ロボットは、光学的追跡システムを使用して患者に関連付けられる。ロボットアーム１１９は、標的とされた骨または身体部分まで移動して停止する。レーザヘッド１２９内の可動ミラー１４９を使用することにより、切断プロセスに使用するのと同じレーザを使用して、しかし組織への損傷を限定するために非常に少ない光子線量で、人工的なランドマークまたはマーク（例えばドット）が（必要に応じて）骨内にレーザ成形される。次いで、レーザヘッド１２９は、可動ミラー１４９を使用して、骨切りライン２１３に沿って計画された切断を実行し始める。カメラ１９９を用いてランドマークを連続的に観測することにより、身体部分またはロボットアーム１１９のいかなる相対位置の変化も即座に検出されうる。例えば身体部分もしくは患者が移動するか、またはロボットが手動で変位されて、そのような位置の変化が検出されると、レーザビーム３９は即座に停止される。次いで、追跡デバイスからのまたは人工的なマークの観測からの位置情報を使用して、ロボットアーム１１９は、再び身体部分上で位置変更されうる。マークおよび組み入れられたカメラ１９９からの位置情報を使用して、患者の身体部分に関するレーザビーム３９の相対姿勢が正確に判定されうる。次いで、可動ミラー１４９を使用して、またはロボットアーム１１９の相対位置制御で十分であるならばロボットアーム１１９を使用して、いかなる残りの位置誤差も補正されうる。いったん切断が実行されると、ロボットアーム１１９は次の場所に移動して、人工的なマークの新しいパターンを適用する。比較的長い切断に対しては、このプロセスを複数回繰り返すことが必要な場合がある。すなわち、異なる場所においていくつかのパターンが、身体部分内にレーザ成形される。
【００５７】
図１１は、コンピュータ支援外科手術装置１８の第３の実施形態の概略図を示す。装置１８は、その一方の長手方向端部において手術器具としてのレーザヘッド１２８に固定して接続されたロボットアーム１１８を備える。レーザヘッド１２８は、ロボットアーム１１８により全自由度で可動である。レーザヘッド１２８は、レーザ光源１３８、集光系光学部品、およびビーム方向転換手段としての３つのミラー１４８を有する。１つのカメラ１９８を有するレーザヘッド１２８の監視システムが、レーザヘッド１２８に固定して取り付けられる。レーザ光源１３８は、レーザビーム３８を提供し、レーザビーム３８は、ミラー１４８によって方向転換されて骨切りライン２１２に沿って照射され、切断部を生成する。
【００５８】
図１１の簡易化した機構では、マークの位置確認のために１つのカメラ１９８だけが使用される。カメラ１９８およびレーザヘッド１２８が較正されている場合、マークの３次元位置は、骨内にマークが付されまたはレーザ成形された後で直接三角測量することによって判定されうる。非平面状の表面であると仮定すれば、カメラ１９８がこれらのマークに関するカメラ１９８の相対位置を判定するには、少なくとも６点のマークが可視でなければならない。これは、３つのマークだけが可視であることが必要とされる２つのカメラの機構とは対照をなす。
【００５９】
本発明は、図面および前述の説明において詳細に図示されかつ説明されたが、そのような図示および説明は、説明に役立つものまたは例示的なものと見なされるべきであり、制限するものと見なされるべきではない。以下の特許請求の範囲に記載の範囲および趣旨の中で、当業者によって変更および修正がなされうることが理解されるであろう。具体的には、本発明は、上記および以下で説明される様々な実施形態からの特徴の任意の組合せを含むさらなる実施形態に及ぶ。例えば、以下の実施形態で本発明を機能させることが可能である：
・骨切りラインまたは切断部の近辺において身体部分の可視表面のうちの少なくとも一部分の地図を作るために、ＯＣＴプローブが２次元走査ミラーと協働して使用されうる。次いで、可視である生来のおよび／または人工のマークが、身体部分に関する手術器具またはレーザヘッドの相対位置を判定するために使用されうる。
・骨に関するレーザヘッドの相対位置を判定するために、カメラ画像によってまたはＯＣＴデータにおいて可視である生来のランドマークと人工のランドマークとの組合せが使用されうる。
【００６０】
本発明はまた、前述のまたは以下の説明において個々には記述されない場合もあるが、図に示された全てのさらなる特徴をカバーする。また、図および説明において記述された実施形態の一つ一つの代替形態、ならびにこれら実施形態の特徴の一つ一つの代替形態は、本発明の主題から、または開示された主題から放棄されうる。本開示は、特許請求の範囲または例示的な実施形態で定義された特徴からなる主題、および前述の特徴を含む主題を含む。
【００６１】
さらに、特許請求の範囲において、「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という語は、他の要素またはステップを除外するものではなく、また、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は、複数性を除外するものではない。単一のユニットまたはステップが、特許請求の範囲に挙げられた幾つかの特徴の機能を果たす場合もある。特定の手段が互いに異なる従属請求項に挙げられているということだけでは、これらの手段の組合せを有利に使用することができないことは意味しない。属性または値に関連する「基本的に（ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ）」、「約（ａｂｏｕｔ）」、「おおよそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」などの用語もまた特に、それぞれ、属性を正確に定義するか、値を正確に定義する。所与の数値または範囲との関連における「約（ａｂｏｕｔ）」という用語は、所与の値または範囲の例えば２０％内、１０％内、５％内、または２％内の値または範囲を意味する。特許請求の範囲におけるいかなる参照記号も、範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【００６２】
本開示はまた、以下のさらなる実施形態を含む。
【００６３】
実施形態１は、組織のコンピュータ支援切断の方法、または組織のコンピュータ支援切断を制御する方法であって、組織上に骨切りラインを予め定めること、組織が骨切りラインに沿って切断されるように、手術器具の介入部材の位置および向きを自動的に制御すること、ならびに、組織の位置を追跡することを含み、組織に印されたマークの位置が、手術器具の介入部材に対して固定して取り付けられている光学的監視システムによって連続的に検出され、マークの位置の所定のずれが検出されたときに、手術器具の介入部材の位置および／または向きが調整されるか、または、マークの位置の所定のずれが検出されたときに、手術器具の介入部材の位置および／または向きに関するデータが調整のために提供される方法である。方法は、インビトロ法とすることができる。
【００６４】
実施形態２は、マークの予想位置が、光学的監視システムによって検出された患者の身体部分に印されたマークの位置に基づいて計算され、この検出されたマークの位置が、介入部材に対する組織の相対位置を計算するために使用される、実施形態１の方法である。
【００６５】
実施形態３は、マークの予想位置が、マークの以前の位置と身体部分に対する介入部材の動きとに基づいて計算され、マークの予想位置が光学的監視システムによって検出された対応するマークの位置とは異なるときに、マークの位置の所定のずれが検出される、実施形態１または２の方法である。
【００６６】
実施形態４は、骨切りラインに沿った組織の切断中にマークが組織に印される、実施形態１から３のいずれか１つの方法である。
【００６７】
実施形態５は、介入部材がレーザ光源を含み、レーザ光源によって誘起されたレーザビームを介する光アブレーションによって組織が切断される、実施形態１から４のいずれか１つの方法である。
【００６８】
実施形態６は、レーザビームが、集光系光学部品によって集束されて、ビーム方向転換手段によって方向転換される、実施形態１から５のいずれか１つの方法である。
【００６９】
実施形態７は、手術器具の介入部材によってマークが組織に印される、実施形態１から６のいずれか１つの方法である。
【００７０】
実施形態８は、手術器具の光学的監視システムの少なくとも１つのカメラ、好ましくは２つのカメラが、マークの位置を連続的に検出している、実施形態１から７のいずれか１つの方法である。
【００７１】
実施形態９は、組織の位置がカメラによって追跡される、実施形態１から８のいずれか１つの方法である。
【００７２】
実施形態１０は、手術器具の光学的監視システムの少なくとも１つのカメラが、手術器具の介入部材が組織に作用する箇所の周辺の患者の身体部分の組織の監視領域をカバーするように調整され、監視領域が、組織の位置を追跡するカメラがカバーするように調整される全体領域よりも小さい、実施形態１から９のいずれか１つの方法である。
【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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【図１０】
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【図１１】
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