(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体構造を加工するように構成され、かつ計画された前記生体構造の自律加工を実証するように構成されるロボット外科システムであって、
前記生体構造を加工するように構成されたエンドエフェクタと、
前記生体構造と相互作用するように構成された実証工具と、
第１のモードにおける前記エンドエフェクタによる前記生体構造の体積部の自律加工における計画された制約を表す加工パラメータを生成すると共に、前記加工パラメータに関連し、前記加工パラメータよりも前記生体構造に対して低侵襲であるように前記生体構造の表面に関して規定された実証パラメータを生成するように構成された制御装置であって、第２のモードにて前記実証パラメータに従う前記実証工具の移動を指示することよって、前記生体構造の自律加工における計画された制約を前記生体構造の表面に関して実証するように構成されている制御装置と
を備えるロボット外科システム。
【請求項２】
前記実証工具は前記生体構造を加工するように構成されている、請求項１に記載のロボット外科システム。
【請求項３】
前記実証パラメータは、前記第２のモードにて前記実証工具が移動中に前記生体構造の前記表面を貫通するように規定されている、請求項２に記載のロボット外科システム。
【請求項４】
前記実証パラメータは非侵襲的である、請求項１に記載のロボット外科システム。
【請求項５】
前記実証パラメータは、前記第２のモードにて前記実証工具が移動の全体にわたって前記生体構造の表面から離間するように規定されている、請求項４に記載のロボット外科システム。
【請求項６】
前記エンドエフェクタは骨を切除するように構成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のロボット外科システム。
【請求項７】
前記加工パラメータは、前記生体構造の体積部に関して切除境界を規定しており、
前記実証パラメータは、前記切除境界に関連する実証境界を規定している、請求項１〜５のいずれか一項に記載のロボット外科システム。
【請求項８】
前記加工パラメータは、前記生体構造の前記体積部に関して切除経路を規定しており、
前記実証パラメータは、前記切除経路に関連する実証経路を規定している、請求項１〜５のいずれか一項に記載のロボット外科システム。
【請求項９】
生体構造を加工するように構成され、かつ前記生体構造の計画された自律加工を実証するように構成されるロボット外科システムであって、
前記生体構造を加工するように構成された工具と、
第１のモードにおける前記工具による前記生体構造の体積部の自律加工における計画された制約を表す加工パラメータを生成すると共に、前記加工パラメータに関連し、前記加工パラメータよりも前記生体構造に対して低侵襲であるように前記生体構造の表面に関して規定された実証パラメータを生成するように構成された制御装置であって、第２のモードにて前記実証パラメータに従う前記工具の移動を指示することによって、前記生体構造の自律加工における計画された制約を前記生体構造の表面に関して実証するように構成されている制御装置と
を備えるロボット外科システム。
【請求項１０】
前記実証パラメータは、前記第２のモードにて前記工具が移動中に前記生体構造の表面を貫通するように規定されている、請求項９に記載のロボット外科システム。
【請求項１１】
前記実証パラメータは非侵襲的である、請求項９に記載のロボット外科システム。
【請求項１２】
前記実証パラメータは、前記第２のモードにて前記工具が移動の全体にわたって前記生体構造の表面から離間するように規定されている、請求項１１に記載のロボット外科システム。
【請求項１３】
前記工具は骨を切除するように構成されている、請求項９〜１２のいずれか一項に記載のロボット外科システム。
【請求項１４】
前記加工パラメータは、前記生体構造の前記体積部に関して切除境界を規定しており、
前記実証パラメータは、前記切除境界に関連する実証境界を規定している、請求項９〜１２のいずれか一項に記載のロボット外科システム。
【請求項１５】
前記加工パラメータは、前記生体構造の前記体積部に関して切除経路を規定しており、
前記実証パラメータは、前記切除経路に関連する実証経路を規定している、請求項９〜１２のいずれか一項に記載のロボット外科システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本願は、２０１５年５月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／１６３，６５４号の優先権及び利得を主張するものであり、その開示内容は、参照によってその全体がここに含まれるものとする。
【０００２】
［発明の分野］
本発明は、典型的には、生体構造の計画された自律加工を実証するように構成されるシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ロボット外科システムは、患者に外科処置を行うためにますます利用されてきている。ロボット外科システムは、典型的には、高い正確さで位置付けられる自由遠位端を有する可動アームを含んだロボット装置を備えている。外科部位に作用する工具又はエンドエフェクタは、アームの自由端に取り付けられる。オペレータは、アームを移動させることによって、工具を外科部位に正確に位置決めして、処置を行うことができる。
【０００４】
オペレータは、外科手術中、種々の加工モードによって工具を動的に制御することを望むことが多い。例えば、場合によっては、オペレータは、生体構造のバルク加工のために工具を手動によって制御する手動モードを望むことがある。他の場合では、オペレータは、生体構造を極めて正確に自動的に加工するために、工具を自律モードによって制御することを望むこともある。
【０００５】
自律加工の効率及び正確さの観点から、おそらく、自律加工が、将来、手動加工に取って代わるであろう。しかしながら、オペレータは、手術室内における自律加工に委ねることを躊躇することがある。多くのオペレータが手動加工を好むのは、手動加工がオペレータに工具の全制御を担っているという印象を与えるからである。換言すれば、オペレータは、自律加工に付随する制御を知覚することができないという理由から、ロボット装置が患者を自律的に手術することを躊躇する場合がある。
【発明の概要】
【０００６】
生体構造を加工するように構成され、かつ生体構造の計画された自律加工を実証するように構成されるロボット外科システムの一実施形態が提供される。ロボット外科システムは、生体構造を加工するように構成された工具を備えている。制御装置は、第１のモードにおける工具による生体構造の体積部の自律加工における計画された制約を表す加工パラメータを生成するように構成されている。制御装置は、加工パラメータに関連する実証パラメータを生成するようになっている。実証パラメータは、加工パラメータよりも生体構造に対して低侵襲であるように生体構造の表面に関して規定されている。制御装置は、第２のモードにて実証パラメータに従う工具の移動を指示することによって、生体構造の自律加工における計画された制約を生体構造の表面に関して実証するように構成されている。
【０００７】
生体構造を加工するように構成され、かつ生体構造の計画された自律加工を実証するように構成されるロボット外科システムの他の実施形態が提供される。ロボット外科システムは、生体構造を加工するように構成されたエンドエフェクタと、生体構造と相互作用するように構成された実証工具とを備えている。制御装置は、第１のモードにおけるエンドエフェクタによる生体構造の体積部の自律加工における計画された制約を表す加工パラメータを生成するように構成されている。制御装置は、加工パラメータに関連する実証パラメータを生成するようになっている。実証パラメータは、加工パラメータよりも生体構造に対して低侵襲であるように生体構造の表面に関して規定されている。制御装置は、第２のモードにて実証パラメータに従う実証工具の移動を指示することによって、生体構造の自律加工における計画された制約を生体構造の表面に関して実証するように構成されている。
【０００８】
ロボット外科システムの工具による生体構造の計画された自律加工を実証する方法の一実施形態も提供される。この方法は、第１のモードにおける工具による生体構造の体積部の自律加工における計画された制約を表す加工パラメータを生成することを含んでいる。加工パラメータに関連する実証パラメータが生成される。実証パラメータは、加工パラメータよりも生体構造に対して低侵襲であるように生体構造の表面に関して規定されている。工具は、第２のモードにて実証パラメータに従って自律的に移動されることによって、生体構造の自律加工における計画された制約を生体構造の表面に関して実証するようになっている。
【０００９】
ロボット外科システムのエンドエフェクタによる生体構造の計画された自律加工を実証する方法の他の実施形態も提供される。この方法は、第１のモードにおけるエンドエフェクタによる生体構造の体積部の自律加工における計画された制約を表す加工パラメータを生成することを含んでいる。加工パラメータに関連する実証パラメータが生成される。実証パラメータは、加工パラメータよりも生体構造に対して低侵襲であるように生体構造の表面に関して規定されている。実証工具は、第２のモードにて実証パラメータに従って自律的に移動されることによって、生体構造の自律加工における計画された制約を生体構造の表面に関して実証するようになっている。
【００１０】
システム及び方法は、有利には、第２のモードにて計画された自律加工を実証する。第１のモードにおける加工の侵襲性と違って、第２のモードにおける実証は、生体構造の表面に関して行われるので、最小侵襲的又は非侵襲的である。第２のモードにてエンドエフェクタ又は実証工具を自律的に移動させることによって、オペレータは、第１のモードにおける自律加工に委ねる前に、計画された自律移動の表示を視覚的に確認することができる。従って、第２のモードは、オペレータに制御性及び信頼性を著しく実感させ、これによって、第１のモードにおける自律加工を用いることへのオペレータの躊躇を軽減させることができる。
【００１１】
本発明の利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによってより理解されれば、容易に了解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る工具によって患者の生体構造を加工するように構成され、かつ生体構造の計画された自律加工を実証するように構成される外科システムの斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る外科システムを制御するように構成される制御装置の概略図である。
【図３】一例に係る第１のモード（加工モード）にて生体構造を加工パラメータに従って加工する工具の側面図である。
【図４】一例に係る第２のモード（デモモード）にて計画された加工の特性の非侵襲的実証をもたらす工具の側面図である。
【図５】他の例に係る第２のモード（デモモード）にて計画された加工の特性の最小侵襲的実証をもたらす工具の側面図である。
【図６】一例に係る大腿骨内方移植片処置に対して調整された実証境界及び実証経路に従って実証をもたらす工具の斜視図である。
【図７】一例に係る蓋膝大腿骨移植片処置のための実証境界及び実証経路に従って実証をもたらす工具の斜視図である。
【図８】半球状体積部に対する加工パラメータと実証パラメータとの関係を示す図である。
【図９】矩形状体積部に対する加工パラメータと実証パラメータとの関係を示す図である。
【図１０】第１のモード（加工モード）及び第２のモード（デモモード）の選択及び性能を表す一連のスクリーンショットを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［Ｉ．概観］
図面を参照すると、患者１２の生体構造を加工するように構成されるシステム１０及び方法が図面の全体にわたって示されている。なお、いくつかの図面を通して、同様の番号は、同様の部品又は対応する部品を示すものとする。
【００１４】
図１に示されるように、システム１０は、骨又は軟組織のような患者１２の生体構造から材料を切除するように構成されるロボット外科切除システムである。図１において、患者１２は外科処置を受けている。図１の生体構造は、患者１２の大腿骨（Ｆ）及び脛骨（Ｔ）を含んでいる。外科処置は組織除去を含む。他の実施形態では、外科処置は、部分膝関節置換手術又は全膝関節置換手術及び股関節置換手術を含んでいる。システム１０は、股関節移植片又は膝関節移植片のような外科移植片によって置換されることになる材料を切除するように設計されている。なお、膝関節移植片は、単顆移植片、双顆移植片、及び全膝移植片を含む。これらの形式の移植片のいくつかは、「人工移植片及び移植の方法」と題する米国特許出願第１３／５３０，９２７号に示されている。この開示内容は、参照によってここに含まれるものとする。当業者であれば、ここに開示されるシステム及び方法は、他の外科処置又は非外科処置を行うために用いられてもよいし、又はロボットシステムが利用される産業用途又は他の用途に用いられてもよいことを理解するであろう。
【００１５】
システム１０はマニピュレータ１４を備えている。マニピュレータ１４は、ベース１６及びリンケージ１８を有してる。リンケージ１８は、直列アーム構成又は平行アーム構成を形成するリンクを備えているとよい。エンドエフェクタ２０が、マニピュレータ１４に連結されており、外科環境、さらに具体的には、生体構造と相互作用するようにベース１６に対して移動可能になっている。エンドエフェクタ２０は、オペレータによって把持されるようになっている。マニピュレータ１４及びエンドエフェクタ２０の１つの例示的な配置が、「多重モードによって外科用器具を制御することができる外科用マニピュレータ」と題する米国特許第９，１１９，６５５号に記載されている。この開示内容は、参照によってここに含まれるものとする。マニピュレータ１４及びエンドエフェクタ２０は、代替的な構成によって配置されてもよい。エンドエフェクタ２０は、外科部位において患者１２の組織に接触するように設計されたエネルギーアプリケータ２４を備えている。エンドエフェクタ２０は、用途に依存する種々の構成を有していてもよい。エネルギーアプリケータ２４は、ドリル、鋸ブレード、バー、超音波振動チップ、プローブ、針等であるとよい。また、マニピュレータ１４は、マニピュレータコンピュータ２６又は他の形式の制御ユニットを収容している。エンドエフェクタ２０は、２０１４年３月１５日に「外科用ロボットマニピュレータのエンドエフェクタ」と題して出願された米国特許出願公開第２０１４／０２７６９４９号に示されているエンドエフェクタと同様のものとすることができる。この文献は、参照によってここに含まれるものとする。
【００１６】
図２を参照すると、システム１０は制御装置３０を備えている。制御装置３０は、マニピュレータ１４を制御するように構成されるソフトウエア及び／又はハードウエアを含んでいる。制御装置３０は、マニピュレータ１４の運動を導き、エンドエフェクタ２０の座標系に対する方位を制御する。一実施形態では、座標系は、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬ（図１参照）である。マニピュレータ座標系ＭＮＰＬは、原点を有しており、該原点は、マニピュレータ１４上のある点に位置している。マニピュレータ座標系ＭＮＰＬの一例が、「多重モードによって外科用器具を制御することができる外科用マニピュレータ」と題して出願された米国特許第９，１１９，６５５号に記載されている。この開示内容は、参照によってここに含まれるものとする。
【００１７】
システム１０は、ナビゲーションシステム３２をさらに備えている。ナビゲーションシステム３２及びそれに関連する構成要素の一例が、２０１３年９月２４日に「光学的及び非光学的センサを備えるナビゲーションシステム」と題して出願された米国特許第９，００８，７５７号に記載されている。この文献は、参照によってここに含まれるものとする。ナビゲーションシステム３２は、種々の対象物の移動を追跡するようになっている。このような対象物は、例えば、エンドエフェクタ２０及び生体構造、例えば、大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔを含んでいる。ナビゲーションシステム３２は、これらの対象物を追跡し、ローカライザー座標系ＬＣＬＺにおける各対象物の位置情報を収集する。ローカライザー座標系ＬＣＬＺの座標は、従来の変換技術を用いて、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬに変換されるとよい。ナビゲーションシステム３２は、オペレータに対してそれらの対象物の相対位置及び相対方位の仮想表象を表示することもできるようになっている。
【００１８】
ナビゲーションシステム３２は、ナビゲーションコンピュータ３６を収容するコンピュータカートアセンブリ３４、及び／又は他の形式の制御ユニットを備えている。ナビゲーションインターフェイスが、ナビゲーションコンピュータ３６と作動的に通信するようになっている。ナビゲーションインターフェイスは、１つ又は複数のディスプレイ３８を含んでいる。キーボード及びマウスのような第１及び第２の入力装置４０，４２を用いて、情報をナビゲーションコンピュータ３６に入力し、又はナビゲーションコンピュータ３６のいくつかの特性を選択／制御するようになっているとよい。（図示されない）タッチスクリーン又は音声起動を含む他の入力装置４０，４２も考えられる。制御装置３０は、システム１０内の任意の適切な１つ又は復数の装置、例えば、制限されないが、マニピュレータコンピュータ２６、ナビゲーションコンピュータ３６、及びその任意の組合せに実装されているとよい。
【００１９】
ナビゲーションシステム３２は、ナビゲーションコンピュータ３６と通信するローカライザ４４も備えている。一実施形態では、ローカライザ４４は、光学的ローカライザであり、カメラユニット４６を備えている。カメラユニット４６は、１つ又は復数の光学位置センサ５０を収容する外側ケーシング４８を有している。システム１０は、１つ又は復数のトラッカーを備えている。トラッカーは、ポインタートラッカーＰＴ、工具トラッカー５３、第１の患者トラッカー５４、及び第２の患者トラッカー５６を含んでいるとよい。トラッカーは、アクティブマーカー５８を含んでいる。アクティブマーカー５８は、発光ダイオード又はＬＥＤであるとよい。他の実施形態では、トラッカー５２，５４，５６は、パッシブマーカー、例えば、カメラユニット４６から放出された光を反射する反射鏡を有するとよい。当業者であれば、ここに具体的に記載されない他の適切な追跡システム及び方法が利用されてもよいことを理解するであろう。
【００２０】
図１の例示的実施形態では、第１の患者トラッカー５４は、患者１２の大腿骨Ｆにしっかりと固定されており、第２の患者トラッカー５６は、患者１２の脛骨Ｔにしっかりと固定されている。患者トラッカー５４，５６は、骨の部分にしっかりと固定されている。工具トラッカー５２は、エンドエフェクタ２０にしっかりと取り付けられている。トラッカー５２，５４，５６は、どのような適切な方法によってそれぞれの構成要素に固定されてもよいことを理解されたい。
【００２１】
トラッカー５２，５４，５６は、カメラユニット４６と通信し、位置データをカメラユニット４６に供給する。カメラユニット４６は、トラッカー５２，５４，５６の位置データをナビゲーションコンピュータ３６に供給する。一実施形態では、ナビゲーションコンピュータ３６は、大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔの位置データ並びにエンドエフェクタ２０の位置データを決定し、該位置データをマニピュレータコンピュータ２６に送信する。大腿骨Ｆ、脛骨Ｔ、及びエンドエフェクタ２０の位置データは、従来の位置合せ／ナビゲーション技術を用いて、トラッカー位置データによって決定されるとよい。位置データは、大腿骨Ｔ、脛骨Ｔ、エンドエフェクタ２０及び追跡される任意の他の対象物の位置並びに／又は方位に対応する位置情報を含んでいる。ここに記載される位置データは、配置データ、方位データ、又は配置データと方位データとの組合せであってもよい。
【００２２】
マニピュレータコンピュータ２６は、エンドエフェクタ２０に対するナビゲーション基データ及びエンドエフェクタ２０に対するエンコーダ基データを用いて変換行列を決定することによって、位置データをローカライザー座標系ＬＣＬＺからマニピュレータ座標系ＭＮＰＬに変換する。エンコーダに基づく位置データを決定するために、マニピューレータ１４の継手に位置する（図示されない）エンコーダが用いられる。マニピュレータコンピュータ２６は、エンコーダを用いて、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬにおけるエンドエフェクタ２０のエンコーダに基づく位置及び方位を計算する。また、エンドエフェクタ２０の位置及び方位は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおいて知られているので、変換行列が生成されることになる。
【００２３】
図２に示されるように、制御装置３０は、ソフトウエアモジュールをさらに備えている。ソフトウエアモジュールは、システム１０の制御を支援するようにデータを処理するためにマニピュレータコンピュータ２６、ナビゲーションコンピュータ３６、又はその組合せに作用する１つ又は復数のコンピュータプログラムの一部になっているとよい。ソフトウエアモジュールは、マニピュレータコンピュータ２６、ナビゲーションコンピュータ３６、又はその組合せのメモリに記憶され、コンピュータ２６，３６の１つ又は復数のプロセッサによって実行される指令の組を含んでいる。加えて、オペレータに指示及び／又は通信するソフトウエアモジュールは、１つ又は復数のプログラムの一部をなしていてもよく、マニピュレータコンピュータ２６、ナビゲーションコンピュータ３６、又はその組合せのメモリに記憶された指令を含んでいてもよい。オペレータは、第１及び第２の入力装置４０，４２並びに１つ又は復数のディスプレイ３８と相互作用し、ソフトウエアモジュールと通信するようになっている。
【００２４】
一実施形態では、制御装置３０は、マニピュレータ１４の運動を指示するようにデータを処理するように構成されるマニピュレータ制御装置６０を備えている。マニピュレータ制御装置６０は、単一源又は多数源からデータを受信し、かつ処理するようになっているとよい。
【００２５】
制御装置３０は、大腿骨Ｆ、脛骨Ｔ、及びエンドエフェクタ２０に関する位置データをマニピュレータ制御装置６０に通信するように構成されるナビゲーション制御装置６２をさらに備えている。マニピュレータ制御装置６０は、ナビゲーション制御装置６２から供給された位置データを受信し、マニピュレータ１４の運動を指示するように処理する。一実施形態では、図１に示されるように、ナビゲーション制御装置６２は、ナビゲーションコンピュータ３６に実装されている。
【００２６】
また、マニピュレータ制御装置６０又はナビゲーション制御装置６２は、大腿骨Ｆ及び／又は脛骨Ｔ及びエンドエフェクタ２０のイメージをディスプレイ３８上に表示することによって、患者１２及びエンドエフェクタ２０の位置をオペレータに知らせるようになっているとよい。また、オペレータがマニピュレータ１４を指示するためにマニピュレータコンピュータ２６と相互作用することができるように、マニピュレータコンピュータ２６又はナビゲーションコンピュータ３６は、指示又はリクエスト情報をディスプレイ３８上に表示するようになっているとよい。
【００２７】
マニピュレータ１４は、生体構造と自律的に相互作用するようになっている。具体的には、システム１０は、半自律モードを備えているとよい。この半自律モードの例が、「多重モードによって外科用器具を制御することができる外科用マニピュレータ」と題する米国特許第９，１１９，６５５号に記載されている。この開示内容は、参照によってここに含まれるものとする。半自律モードにおいて、マニピュレータ１４は、外科部位におけるエンドエフェクタ２０、従って、エネルギーアプリケータ２４の自律移動を指示するようになっている。マニピュレータ１４は、オペレータの支援なしで、エンドエフェクタ２０を移動させることができる。「オペレータの支援なし」は、オペレータが力を加えてエンドエフェクタを移動させるためにエンドエフェクタ２０に物理的に接触しないことを意味している。代わって、オペレータは、なんらかの制御の形態を用いて、移動の開始及び停止を遠隔的に管理することができる。例えば、オペレータは、エンドエフェクタ２０の移動を開始するために遠隔制御のボタンを押し下げ、エンドエフェクタ２０の移動を停止するために該ボタンを解放するようになっているとよい。代替的に、オペレータは、エンドエフェクタ２０の運動を開始するボタンを押し、エンドエフェクタ２０の運動を停止するボタンを押すようになっていてもよい。
【００２８】
制御装置３０は、図３に示されるように、生体構造の体積部６４に関して加工パラメータ６３を生成するように構成されている。加工パラメータ６３は、エンドエフェクタ２０のエネルギーアプリケータ２４による体積部６４の自律加工における計画された制約を表すものである。以下に述べるように、加工パラメータ６３は、仮想の切除境界、仮想の工具切除経路、又はそれらの任意の組合せを含んでいるとよい。加工パラメータ６３は、生体構造の体積部６４の加工、除去、及び／又は切除を促すように規定されている。加工パラメータ６３は、第１のモードにおいて実施される。一実施形態では、第１のモードは、「加工（manipulation）モード」又は「切除（cutting）モード」であると理解されたい。従って、簡単にするために、以下の詳細な説明において、第１のモードを加工モードと呼ぶことにする。
【００２９】
図２に示されるように、制御装置３０は、加工パラメータ６３を生成するように構成される境界生成器６６を備えている。境界生成器６６は、図２に示されるように、加工制御装置６０に実装されるとよいソフトウエアモジュールである。代替的に、境界生成器６６は、ナビゲーション制御装置６２のような他の構成要素に実装されていてもよい。
【００３０】
図３に示されるように、境界生成器６６は、エンドエフェクタ２０及び／又はエネルギーアプリケータ２４を生体構造に対して制約するための切除境界６８を生成する。切除境界６８は、該境界が物理的に存在せず、むしろ、マニピュレータ１４及びエンドエフェクタ２０の位置及び移動を制御することによって存在意義を発揮する点において、仮想境界である。切除境界６８は、手術後に残る組織の部分から手術中にエンドエフェクタ２０によって除去される組織の部分の輪郭を示すものである。図３に示されるように、切除境界６８は、生体構造、さらに具体的には、生体構造の目標面６７に関連付けられている。切除境界６８は、目標面６７に対して規定されている。目標面６７は、切除が終了した後に残る組織の連続的に画定された表面領域である。移植片処置において、目標面６７は、除去処置の後に残る骨の表面であり、移植片が取り付けられることになる表面である。切除境界６８は、目標面６７に実質的に一致する輪郭を有するとよい。
【００３１】
処置中に、切除境界６８は、目標面６７からいくらかずれてもよいし、又は離間してもよい。一実施形態では、これは、エンドエフェクタ２０のエネルギーアプリケータ２４の大きさ及び加工特性を考慮してのことである。エンドエフェクタ２０の加工特性は、切除境界６８を侵入することがある。この侵入を考慮し、切除境界６８は、目標面６７と切除境界６８との間に規定された所定距離だけ目標面６７から平行移動されているとよい。当業者であれば、切除境界６８は、ここに具体的に記載されない他の構成を有していてもよいし、図示かつ記載されない他の実施形態によって生体構造に対して構成又は配向されてもよいことを理解されたい。
【００３２】
切除境界６８は、マニピュレータ、さらに具体的には、境界生成器１４への種々の入力値から得られるとよい。境界生成器６６への１つの入力値として、処置が行われる部位の術前イメージが挙げられる。もしも患者１２が移植片を装着し得るようにマニピュレータ１４が組織を選択的に除去するようになっていたならば、境界生成器６６への第２の入力値は、移植片の形状のマップである。このマップの当初の形態は、移植片データベースから得られるとよい。移植片の形状は、移植片を受け入れるために除去されるべき組織の境界を画定する。この関係は、移植片が患者１２の骨に装着されることが意図された成形外科移植片の場合、特に当てはまる。生体構造の術前イメージは、セグメント分割され、これによって、生体構造のコンピュータ生成モデルが生成されるとよい。加工パラメータ６３は、生体構造のコンピュータ生成モデルに基いて生成されるとよい。さらに具体的には、切除境界６８は、コンピュータ生成モデルに関連して生成されるとよい。
【００３３】
境界生成器６６への他の入力値はオペレータの設定値である。これらの設定値は、エネルギーアプリケータ２４がどの組織に作用されるべきかを示すものであるとよい。もしもエネルギーアプリケータ２４が組織を除去するものであったならば、設定値は、除去されるべき組織とエネルギーアプリケータ２４の作用の後に残留する組織との間の境界を特定するものであるとよい。もしもマニピュレータ１４が成形外科用移植片の取付けを助長するようになっていたならば、これらの設定値は、移植片が配置されるべき組織の場所を画定するようになっているとよい。これらの設定値は、データ処理ユニットを用いて術前に入力されるとよい。代替的に、これらの設定値は、ナビゲーションインターフェイス４０，４２のようなシステム１０の構成要素の１つに付随する入力／出力ユニットを介して入力されてもよい。
【００３４】
上記の入力データ及び指示に基いて、境界生成器６６は、切除境界６８を生成するとよい。切除境界６８は、二次元的であってもよいし、又は三次元的であってもよい。例えば、切除境界６８は、仮想マップとして生成されてもよいし、又は他の三次元モデルとして生成されてもよい。生成されたマップ又はモデルは、エンドエフェクタ２０の移動を案内することになる。モデルは、対象物の位置を示すためにディスプレイ３８上に表示されるとよい。追加的に、モデルに関する情報がマニピュレータ制御装置６０に転送され、これによって、切除境界６８に対してマニピュレータ１４及びエンドエフェクタ２０の対応する移動を案内するようになっているとよい。
【００３５】
実際には、処置の開始前に、外科部位に位置するオペレータが、切除境界６８の当初の形態を設定するとよい。処置の開始時に、患者１２に実際に装着されるべき移植片をより正確に規定するデータが、境界生成器６６に取り込まれてもよい。このようなデータは、移植片に関連付けられた記憶装置、例えば、メモリステック又はＲＦＩＤタグから得られるとよい。このようなデータは、境界生成器６６に供給される移植片データベースの構成部分であってもよい。これらのデータは、特定移植片の製造後の測定値に基づいている。これらのデータは、製造のバラツキによって移植片形状のすでに取得しているものといくらか異ることがある特定移植片の形状を特徴付けることになる。この移植片に特有のデータに基づいて、境界生成器６６は、除去されるべき組織と適所に残すべき組織との間の境界を反映するように、切除境界６８を更新することができる。患者１２内に移植可能な移植片として、２０１２年６月２２日に「人工移植片及び移植の方法」と題して出願された米国特許出願第１３／５３０，９２７号に示されているものが挙げられる。この文献は、参照によってここに含まれるものとする。ここに開示される移植片は、適切な量の材料、例えば、骨が除去された後に患者１２内に移植されることが可能になっている。他の移植片も考えられる。
【００３６】
図２に示されるように、制御装置３０は、加工パラメータ６３を生成するように構成される工具経路生成器６９をさらに備えている。工具経路生成器６９は、制御装置３０、さらに具体的には、マニピュレータ制御装置６０によって処理される他のソフトウエアである。工具経路生成器６９は、図３に示されるように、エンドエフェクタ２０が辿る切除経路７０を生成する。切除経路７０は、ジグザグ線によって表されている。図３において、切除経路７０は、移植片を受け入れるために除去されるべき骨の体積部６４の除去を容易にするように構成されている。仕上げ面の平滑度及び品質の一部は、ジグザグ線の相対的な位置決めに依存している。さらに具体的には、線の各ジグザグ路をより狭くすることによって、仕上げ面がより正確かつ平滑になる。図３において、破線は、マニピュレータ１４を用いて除去されるべき骨の外面７２を表している。切除経路７０を生成するための１つの例示的システム及び方法が、「多重モードによって外科用器具を制御することができる外科用マニピュレータ」と題する米国特許第９，１１９，６５５号に記載されている。この開示内容は、参照によってここに含まれるものとする。
【００３７】
［ＩＩ．システム及び方法の概観］
図４〜図１０に示されるように、システム１０及び方法は、生体構造の計画された自律加工を実証するように構成されている。システム１０は、計画された加工の特性を実証するために生体構造と相互作用するように構成された実証工具１００を備えている。制御装置３０は、第２のモードにおいてこの実証を行う。一実施形態では、第２のモードは、「デモ（demo）モード」又は「実証（demonstrate）モード」であると理解されたい。従って、簡単にするために、この詳細な説明において、第２のモードを、以後、デモモードと呼ぶ。実証工具１００は、デモモードにおいて計画された処置を実証するために生体構造と相互作用する。これによって、デモモードにおいて、加工パラメータ６３の特性がオペレータに対して視覚的に実証されることになる。
【００３８】
一実施形態では、実証工具１００は、エンドエフェクタ２０自体、特に、エネルギーアプリケータ２４である。すなわち、エンドエフェクタ２０は、計画された処置を実証するために及び計画された処置を実行するために利用されることになる。従って、「実証工具（demonstrative tool）」という用語及び「エンドエフェクタ（end effector）」という用語は、エンドエフェクタ２０がここに記載されるように実証工具１００としても利用されるかどうかに依存して、互いに置換え可能である。従って、ここでは、エンドエフェクタ２０は、実証工具１００であり、「実証工具」という用語は、システム１０及び方法の実証特性と加工特性との識別を促すために記載されていることを理解されたい。
【００３９】
図４に示されるように、制御装置３０は、加工パラメータ６３に関連する実証パラメータ１０２を生成する。実証パラメータ１０２は、加工モードにおける体積部６４の自律加工における計画された制約の特性を表している。実証工具１００の移動は、実証パラメータ１０２によって指示され、かつ制約されることになる。
【００４０】
実証パラメータ１０２は、加工パラメータ６３よりも生体構造に対して低侵襲であるように生体構造の外面７２に関して規定されている。加工モードにおける加工の侵襲性と違って、デモモードにおける実証は、最小侵襲的又は非侵襲的である。なぜならば、実証は、生体構造の外面７２に対して行われるからである。当業者であれば、実証は、加工パラメータ６３のいくつかの特性に関して行われるが、正確な加工パラメータに基づいていないことを理解するであろう。なぜならば、正確な加工パラメータに基づく実証は、生体構造を加工し、これによって、実証を行う１つの主目的を損なうからである。
【００４１】
制御装置３０は、実証パラメータ１０２に従って、実証工具１００の移動を指示するように構成されている。一実施形態では、制御装置３０は、デモモードにおける実証工具１００の自律移動を指示する。すなわち、デモモードにおいて、実証パラメータ１０２に従う実証工具１００の移動は自律的に生じる。実証工具１００のこの自律移動は、オペラータの支援なしで生じる。すなわち、オペレータは、実証工具１００に物理的に接触せず、実証工具１００を移動させる力を加えない。デモモードにおいて実証工具を自律的に移動させることによって、オペレータは、注意を散漫させることなく加工パラメータ６３の特性を視覚的に確認することができる。加工モードにおけるエンドエフェクタ２０の自律移動に関してここに記載されかつ参照によってここに含まれる詳細は、デモモードにおける実証工具１００の自律移動にも同様に適用可能である。
【００４２】
実証パラメータ１０２は、加工パラメータ６２に関連している。実証パラメータ１０２は、切除境界６８及び／又は切除経路７０の生成に利用された入力と同様のマニピュレータ１４への入力から生成されるとよい。制御装置３０の境界生成器６６及び工具経路生成器６９は、実証パラメータ１０２を生成するようになっているとよい。実証パラメータ１０２は、生体構造のコンピュータ生成モデルに基づいて生成されるとよい。しかしながら、体積部６４の加工を促す加工パラメータ６３と違って、実証パラメータ１０２は、生体構造の外面７２に関して規定されるものである。実証パラメータ１０２は、体積部を有意に保存する。なぜならば、実証工具１００は、外面７２をそれほど大きく貫通しないようになっているからである。
【００４３】
図４は、非侵襲的である実証パラメータ１０２の一例を示している。実証パラメータ１０２は、実証工具１００がデモモードにおける移動の全体にわたって生体構造の外面７２から離間するように、規定されている。すなわち、実証工具１００は、外面７２に物理的に接触しない。
【００４４】
図４〜図９に示されるように、実証パラメータ１０２は、実証境界１０４、実証経路１０６、又はその任意の組合せを備えるとよい。以下、実証パラメータ１０２と切除境界６８及び／又は切除経路７０との間における関係のいくつかの例について、詳細に説明する。
【００４５】
実証経路１０６は、切除境界６８及び／又は切除経路７０から導かれる。実証経路１０６は、切除経路６８及び／又は切除経路７０の表示を実証するが、この実証は、生体構造の外面７２に対して行われる。デモモードにおいて、実証工具１００は、切除境界６８及び／又は切除経路７０を実証するために実証経路１０６に沿って移動する。実証経路１０６は、切除境界６８及び切除経路７０から離間している。
【００４６】
図６は、図４の生体構造の斜視図を示しており、ここでは、生体構造は、部分（単顆）膝置換処置において内方移植片を必要とする大腿骨である。図７は、大腿骨の他の斜視図を示しており、ここでは、該大腿骨は、膝蓋大腿移植片を必要としている。図６及び図７において、実証経路１０６は、特に移植位置に合わせて調整されている。図６では、実証経路１０６ａは、その下の切除境界６８の周囲を表している。図７では、実証経路１０６ｂは、その下の切除経路を表している。ここでも、実証経路１０６は、その下の切除境界６８及び切除経路７０の両方を表していてもよい。
【００４７】
実証工具１００は、デモモードにおいて実証経路１０６に沿って横断運動する。一般的に、実証工具１００は、少なくとも一回、可能であれば、オペレータによって望まれる多数回だけ、実証経路１０６に沿って横断運動する。
【００４８】
実証境界１０４は、実証工具１００が実証境界１０４によって規定された仮想制約を越えて移動しないように、実証工具１００の移動を制約する。仮想制約は、切除境界６８及び／又は切除経路７０から得られた周囲と一致しているとよい。デモモードにおいて、実証工具１００は、周囲を実証するために仮想制約に対して移動する。実証境界１０４は、オペレータに対して切除境界６８の制限を明らかにするが、これは、生体構造の外面７２に対してである。実証境界１０４は、実証経路１０６を含んでもよいし、又は実証経路１０６を超えてもよい。また、実証境界１０４は、特定移植片に合わせて調整されてもよい。
【００４９】
場合によっては、実証境界１０４は、実証経路１０６を補足してもよい。例えば、実証工具１００は、周囲を実証するように実証経路１０６に沿って移動してもよい。実証境界１０４は、実証工具１００が不注意によって外面７２に接近又は接触するのを阻止するものである。これは、患者（生体構造）が移動するとき又は実証工具１００の移動が実証中に干渉されるとき、特に有利である。また、これは、オペレータが手動によってその下の切除境界６８の制限を実証工具１００によって確認することを望む場合にも有利である。例えば、オペレータは、実証工具１００を実証境界１０４に対して手動によって移動させ、実証境界１０４の存在を触覚によって知ることができる。オペレータは、デモモードにおいて実証を起動する前に、このような手法を実行してもよい。
【００５０】
他の例では、実証経路１０６は、オペレータによって積極的に制御及び／又は操作されてもよい。実証経路１０６は、工具１００の検知された移動に応じてオペレータによって受動的に用いられてもよい。例えば、工具１００は、最初、実証境界１０４に沿って移動されるとよい。その後、オペレータは、工具１００を境界１０４から離れて外科部位の主切除領域に向かって移動させることによって、工具１００を実証経路１０６に移動させることを望むことがある。このような場合、実証経路１０６は、受動的であり、工具１００は、実証経路１０６内に閉じ込められることになる。
【００５１】
一実施形態では、実証境界１０４は、外面７２が目標面６７と実証境界    １０４との間に位置するように切除境界６８から離間している。生体構造の外面７２に対する実証工具１００の移動を制御することによって、実証境界１０４は、目標面６７、場合によっては、外面７２に達しないように阻止される。実証境界１０４は、実証をもたらすのに適するどのような距離だけ切除境界６８から離間していてもよい。
【００５２】
図８は、加工パラメータ６３と実証パラメータ１０２との関係を説明する一例を示している。この例では、切除境界６８及び目標面６７は、体積部の湾曲した表面領域に対応している。切除経路７０は、半球状の体積部のいくつかの層に関して規定されている。説明を簡単にするために、切除経路７０は、多層螺旋として示されている。体積部の上側平面は、加工モードにおける切除又は加工前の生体構造の既存の外面７２に対応している。この例では、実証経路１０６は、その下の半球状の切除境界６８及び／又は切除経路７０の二次元形態を表している。従って、実証経路１０６は、その下の三次元切除経路７０に対応する二次元螺旋である。平坦ではあるが、この例における実証経路１０６は、体積部に対する意図された切除境界６８及び／又は切除経路７０の重要な部分を表している。実証経路１０６は、実証工具１００の重複移動を含んでいてもよい。なぜならば、三次元の切除経路７０が二次元の実証経路１０６に平坦化されているからである。実証境界１０４は、実証境界１０４によって画定された仮想制約を超える実証工具１００の手動による移動を阻止することによって、実証経路１０６を補足することになる。この例では、実証境界１０４は、実証経路１０６を含む円板１０４a及び円筒壁１０４ｂを備えている。図８に示されているように、実証境界１０４が開いた円筒状容積部を形成しており、これによって、実証工具１００は、制約されずに自由に容積部から離れて上方に移動することができる。しかしながら、実証境界１０４は、閉じた領域又は容積部であってもよく、この場合、実証工具１００は、該領域又は容積部内に制約されることになる。実証境界１０４は、実証経路１０６内の空間を満たしてもよいし、実証経路１０６を超えて広がっていてもよい。
【００５３】
図９は、他の例を示している。この例は、除去されるべき材料の矩形状体積部に関連している。切除境界６８及び目標面６７は、矩形状体積部の内部側面に対応している。切除経路７０は、矩形状体積部のいくつかの層に関して規定されている。説明を簡単にするために、切除経路７０は多層矩形螺旋になっている。体積部の上面は、加工モードにおける切除又は加工前の生体構造の既存の外面７２に対応している。この例では、実証経路１０６は、その下の矩形状の切除境界６８及び／又は切除経路７０の二次元形態を表している。従って、実証経路１０６は、平坦な矩形螺旋である。実証境界１０４は、実証境界１０４によって画定された仮想制約を超える実証工具１００の手動の移動を阻止するように、実証経路１０６を補足することになる。この例では、実証境界１０４は、側壁１０４ｂ及び実証経路１０６を含む矩形領域１０４ａである。実証境界１０４は、閉じた領域若しくは容積部であってもよいし、又は開いた領域若しくは容積部であってもよい。
【００５４】
同様に、図４の切除境界６８は、移植片を受け入れるように設計された形状を規定し、図４の切除経路７０は、移植片を受け入れるように生体構造を加工するための体積部６４におけるいくつかの層に関して規定されている。実証経路１０６は、生体構造の外面７２に適合及び／又は整合するように形作られており、実証経路１０６は、その下の切除境界６８及び／又は切除経路７０の制限を実証するようになっている。外面７２を貫通しないが、図４の実証経路１０６は切除境界６８の周囲を表している。実証境界１０４は、仮想制約を超える実証工具１００の手動による移動を阻止するように、実証経路１０６を補足する。この例では、実証境界１０４は、その下の切除境界６８及び切除経路７０の限界を画定する側壁１０４ａ，１０４ｂである。
【００５５】
図１０は、オペレータがいかにデモモードを加工モードに対して利用するかを表すディスプレイ、例えば、ナビゲーションインターフェイスのディスプレイ３８の一連のスクリーンショットを示している。スクリーン２００では、ディスプレイ３８は、デモモードと加工モードとのいずれかを選択するようにユーザーに指示している。デモモードは、デモモードボタン２０１を押すことによって選択され、加工モードは、加工モードボタン２０２を押すことによって選択されるとよい。システム１０は、オペレータが加工モードとデモモードとの切換えを可能にするために、任意の適切なハードウエア又はソフトウエアに実装されたスイッチ又はボタンを備えている。ここでは、オペレータは、デモモードボタン２０１を押すことによって、デモモードを選択している。
【００５６】
スクリーン２０４では、ディスプレイは、オペレータがデモモードボタン２０１を押したことに応じてデモモード選択スクリーンを表している。ここで、オペレータは、「非侵襲（non-invasive）デモ」を選択してもよいし、又は「最小侵襲（minimally invasive)デモ］を選択してもよい。非侵襲デモでは、実証工具１００は、実証中に外面７２に物理的に接触しないようになっている。最小侵襲デモでは、実証工具１００は、実証中に外面７２を引っ掻くか、擦るか、又は刻み込むようになっている。この種のデモについて、以下に詳細に説明する。非侵襲デモモードは、非侵襲デモモードボタン２０５を押すことによって選択され、最小侵襲デモモードは、最小侵襲デモモードボタン２０６を押すことによって選択されるとよい。
【００５７】
スクリーン２０８では、ディスプレイは、例えば、図３において図示かつ記載されているように、実証工具１００を生体構造に対して示している。システム１０は、生体構造及び実証工具１００を実時間で追跡し、生体構造及び実証工具１００の互いに対する位置を表示する。ここで、システム１０は、実証工具１００がデモモードの作動前に適切な位置にあることを確実にするためにデモ開始領域２１０を生成している。デモ開始領域２１０の位置は、任意の適切な因子、例えば、加工パラメータ６３又は実証パラメータ１０２に基づいて選択されるとよい。システム１０は、実証工具１００をデモ開始領域２１０内に移動させることを求めるオペレータへのリクエストと共に、デモ開始領域２１０をスクリーン上に表示する。図１０において、このリクエストは、「工具をここに置く（Place tool here）」というテキストメッセージである。デモ開始領域２１０は、生体構造に関して規定された仮想領域である。いったん実証工具１００がデモ開始領域２１０に入ることをシステム１が決定したならば、マニピュレータ１４は、移動を停止するように指示されてもよい。代替的に、デモ開始領域２１０は、いったん実証工具１００がデモ開始領域２１０に入ったならば、デモ開始領域２１０が実証工具１００を適所に係止するような仮想拘束領域であってもよい。いったん実証工具１００がデモ開始領域２１０に入ったならば、システム１０は、非侵襲デモモードを開始する準備が整ったことになる。いくつかの実施形態では、システム１０は、非侵襲デモモードを開始する準備が整っていることを触覚的、視覚的、又は聴覚的に示す指標をもたらすようになっていてもよい。例えば、システム１０は、実証工具１０がデモ開始領域２１０に入ったときに緑色の標識を照らすようになっているとよい。
【００５８】
スクリーン２１２では、ディスプレイは、例えば、図４の例による非侵襲デモをもたらす実証工具１００を示している。デモモードにおける実証工具１００の移動は、ナビゲーションシステム３２によって追跡されるとよい。ナビゲーションシステム３２は、実証工具１００を追跡し、生体構造の位置に対する実証工具１００の仮想表象を表示する。マニピュレータ制御装置６０又はナビゲーション制御装置６２は、大腿骨Ｆ及び／又は脛骨Ｔ並びに実証工具１００のイメージをディスプレイ３８上に表示するとよい。
【００５９】
システム１０は、実証工具１００を非侵襲実証パラメータ１０２に従って移動させることになる。システム１０は、デモモードにおいて、実証が行われる前、後、又は最中のデモの様子をディスプレイ上に示すとよい。オペレータは、実証されている生体構造の意図されている計画的自律加工が満足できることを視覚的に確認する。オペレータは、実証工具１００と生体構造との間の実際の直接的な関係を検証することによって、満足できることを確認するとよい。追加的又は代替的に、オペレータは、実証工具１００と生体構造との間の仮想関係を表すディスプレイ３８を検証してもよい。
【００６０】
このプロセスを通して、デモモードは、オペレータに制御性及び信頼性を著しく実感させ、これによって、加工モードにおいて自律加工を用いることへのオペレータの躊躇を軽減させることができる。
【００６１】
デモモードは、所定期間にわたって又はオペレータが手動によってデモモードを停止するまで行われるとよい。いったんデモモードが終了したならば、実証工具１００は、任意の適切な位置、例えば、デモ開始領域２１０又は生体構造から遠い位置に戻される。この時点において、システム１０は、スクリーン２１４において、デモモードと加工モードとのいずれかを選択するようにユーザーに再び指示するとよい。もちろん、オペレータは、必要に応じて、デモモードボタン２０１を再び選択することによって、デモモードを再び行うように選択してもよい。しかしながら、もしもデモが満足のいくものであったならば、オペレータは、加工モードボタン２０２を選択し、加工モードを開始する。オペレータは、デモモードから加工モードに切り換え、前述したように生体構造の自律加工を加工パラメータ６３に従って行う。加工モードにおける加工は、スクリーン２１６上に実時間で表示されることになる。
【００６２】
［ＩＩＩ．他の実施形態］
外科システム１０は、前述したもの以外の実証工具１００及び実証パラメータ１０２における種々の他の実施形態を実施してもよい。
【００６３】
いくつかの実施形態では、実証パラメータ１０２は、加工パラメータ６３から数学的に変換されてもよい。例えば、実証境界１０４は、切除境界６８から導かれてもよい。実証境界１０４は、切除境界６８から離れる方に移行され、生体構造の外面７２に対応するように変更されてもよい。実証境界１０４は、外面７２及び／又は移植片の術前イメージに基づいて形成されてもよい。例えば、実証境界１０４は、仮想マップ又は他の三次元モデルとして生成されてもよい。
【００６４】
同様に、実証経路１０６は切除経路７０から導かれてもよい。実証経路１０６は、切除経路７０から離間し、生体構造の外面７２及び／又は移植片に一致するように変換されてもよい。実証境界１０４及び実証経路１０６は、二次元的であってもよいし、又は三次元的であってもよい。
【００６５】
自律移動に関して、一般的に、エンドエフェクタ２０の移動の正確さとエンドエフェクタ２０の速度（送り速度）との間に妥協点が存在する。外科処置において不適切な遅れが生じないように、オペレータは、デモモードにおける実証を迅速に実行することが望ましい。このような遅れを避けるために、実証パラメータ１０２は、意図的に加工パラメータ６３ほど正確になっていないとよい。例えば、実証境界１０４は、外面７２に概略的に基づいているとよい。実証境界１０４は、生体構造の外面７２に合わせて正確に形付けられていなくてもよい。例えば、実証境界１０４は、生体構造の外面の最高点に対して平面的に離間していてもよい。実証境界１０４は、切除境界６８の正確さと同レベルの正確さを有する必要がない。なぜならば、実証は、加工パラメータ６３をチェックすることを意図しているからである。また正確さが低下してもよい。なぜならば、実証境界１０４は、切除境界６８よりも低侵襲になっているあらである。
【００６６】
同様に、実証経路１０６は、切除経路７０に概略的に基づいているとよい。例えば、切除経路７０におけるジグザグ線間の隙間は、実証経路１０６において大きくなっているとよく、これによって、実証工具１００が経路１０６を横断移動するのに必要な時間が短縮されることになる。
【００６７】
一実施形態では、例えば、図５に示されるように、実証パラメータ１０２は、非侵襲的というよりもむしろ最小侵襲的であってもよい。ここでは、実証工具１００は、デモモードにおいて、実証中に生体構造を物理的に加工してもよい。実証パラメータ１０２は、デモモードにおいて移動中に生体構造の外面７２を貫通するように規定されている。実証工具１００は、外面７２を引っ掻くか、擦るか、又は刻み込み、計画された切除境界及び／又は切除経路をもたらすようになっていてもよい。一実施形態では、実証工具１００は、外面７２の２ｍｍ以下を引っ掻くか、擦るか、又は刻み込みように指示される。他の実施形態では、実証工具１００は、外面７２の１ｍｍ以下を引っ掻くか、擦るか、又は刻み込みように指示される。さらに他の実施形態では、実証工具１００は、外面７２の０．５ｍｍ以下を引っ掻くか、擦るか、又は刻み込みように指示される。図５の外面７２の下の実証境界１０４の配置は、説明を簡単にするために誇張されている。
【００６８】
実証加工は、計画された加工パラメータ６３の特性の永続的な視覚化をもたらす。これによって、オペレータは、デモモードにおける移動が終了した後、加工パラメータ６３の特性を表す静止した輪郭又は経路を物理的に見ることができる。加工モードと比べるとデモモードにおけるいくらかの加工は、加工モードにおいて意図されているような生体構造の目標面６７に接近するための体積部６４の除去を促進することを意図するものではない。
【００６９】
図５は、実証パラメータ１０２が最小侵襲的である実施形態の一例を示している。実証パラメータ１０２は、デモモードにおいて実証工具１００が移動中に生体構造の外面７２を引っ掻くように、規定されている。実証工具１００は外面７２に物理的に接触する。実証境界１０４は、切除境界６８から著しく離間している。しかしながら、実証境界１０４は、切除境界６８と外面７２との間に位置するように、外面７２の直下に画定されている。外面７２直下に位置することによって、実証境界１０４は、外面７２に対する最小侵入を可能にする。実証境界１０４は、実証工具１００が目標面６７及び体積部６４の重要な部分に達するのを阻止することになる。実証境界１０４は、実証に適する任意の最小侵襲距離だけ外面７２の下方に位置しているとよい。
【００７０】
いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ２０及び実証工具１００は、互いに異なった別の工具である。すなわち、実証工具１００は、デモモードにおける実証にのみ利用され、加工モードにおける加工に利用されない。同様に、エンドエフェクタ２０は、加工モードにおける加工にのみ利用され、デモモードにおける実証に利用されない。実証工具１００の一例は、生体構造に向けられる針又はプローブであるとよい。実証工具１００は、マニピュレータ１４によって直接的に支持されてもよいし、又は間接的に支持されてもよい。代替的に、実証工具１００は、マニピュレータ１４と無関係に支持かつ制御されてもよい。エンドエフェクタ２０及び実証工具１００が互いに異なる別の工具であるとき、システム１０によるエンドエフェクタ２０の相互作用及び制御に関してここに記載されかつ参照によってここに含まれる詳細は、実証工具１００に対して同じように適用可能である。
【００７１】
このような場合、エンドエフェクタ２０は、デモモードにおける実証が行われる前に、実証工具１００に取り換えられるとよい。その後、実証工具１００は、加工モードにおける加工が行われる前に、エンドエフェクタ２９に取り換えられるとよい。実証工具１００が独立して支持されている実施形態では、実証工具１００は、加工モードとデモモードとが切り換えられるとき、エンドエフェクタ２０に取り換えられる必要がない。
【００７２】
エンドエフェクタ２０が実証工具１００として機能するとき、エンドエフェクタ２０の加工能力がデモモードの一部又は全体を通して確実に無効になっていることが望ましい。例えば、エンドエフェクタ２０の加工能力を無効にする例として、バーを回転させないこと等が挙げられる。これによって、デモモードにおいて実証中の不注意による生体構造の加工が阻止される。デモモードが加工モードに切り換えられたとき、加工モードにおいてエンドエフェクタ２０が意図されるように生体構造を効果的に加工するために、エンドエフェクタ２０の加工能力が有効にされるとよい。
【００７３】
実証工具１００を用いて加工モードにおける計画された加工の侵襲深さを実証することは、困難である。なぜならば、実証工具１００の移動は、非侵襲的又は最小侵襲的であるからである。従って、ナビゲーションシステム３２が、デモモードおける自律実証を補足するとよい。ナビゲーションシステム３２は、ディスプレイ３８に送られる生体構造の外面７２の仮想表象に関して、ヒートマップをもたらすことができる。ヒートマップは、加工パラメータに基づくとよく、加工パラメータ６３の侵襲的深さを十分に捕捉する種々の色によって表されるとよい。例えば、より暗い色がより深い計画された切除境界６８又は切除経路７０を示し、より明るい色がより浅い切除境界６８又は切除経路７０を示すようになっているとよい。実証工具１００の移動は、ヒートマップ上に層状化されるとよく、これによって、オペレータに十分な実証効果を与えることができる。
【００７４】
いくつかの実施形態では、デモモードにおける実証工具１００の移動中に、実証パラメータ１０２は、外面７２上に直接照明されてもよい。これを行うことによって、実証を補足することができる。例えば、実証境界１０４又は実証経路１０６は、照明点源又は照明線源を用いて、生体構造の外面７２上に照明されてもよい。点源又は線源は、静止していてもよいし、又は移動してもよい（アニメーション化）。例えば、アニメーション化されたとき、点源又は線源は、実証境界１０４又は実証経路１０６を横断する彗星の尾をもたらすようになっていてもよい。システム１０は、デモモードにおいて実証パラメータを外面７２上に照明するために、どのような適切な照明装置、例えば、レーザー又ははプロジェクタを用いてもよい。
【００７５】
システム１０は、デモモードにおける実証に関する設定値を修正するための選択肢を備えていてもよい。この選択肢は、オペレータ設定値に組み込まれるとよい。このような設定値は、実証をいつ、どこで、どのように行うべきかに示すものである。例えば、オペレータは、加工モードとデモモードとの切換えが手動によって行われるか又は自律的に行われるかを設定することができる。また、オペレータは、実証がエンドエフェクタ２０によって行われるべきか又は他の実証工具１００、例えば、プローブ又は針等によって行われるべきかを設定することができる。オペレータは、実証の速度及び／又は正確さを設定することができる。例えば、オペレータは、もしもデモが非侵襲的であるならば、デモの速度を加工におけるよりも早くし、もしもデモが最小侵襲的であるならば、デモの速度を加工におけるよりも遅くすることができる。オペレータは、実証のいくつかの特性、例えば、実証境界１０４又は実証経路１０６を有効にするか又は無効にするかを設定することができる。さらに、オペレータは、実証を完全に無効にすることができる。当業者であれば、ここに具体的に記載されている実証を修正することに関し、他の種々の設定値が可能であることを理解するであろう。
【００７６】
以上、いくつかの実施形態について検討してきた。しかしながら、ここで検討された実施形態は、包括的であることを意図しておらず、すなわち、本発明を任意の特定の形態に制限することを意図していない。用いられた専門用語は、記載の便宜上のもであり、制限することを意図するものではない。上記の示唆に照らせば、多くの修正及び変更が可能であり、本発明は、具体的に記載される以外に実施されてもよい。
【００７７】
本発明の多くの特徴及び利点は、詳細な説明から明らかであり、それ故、本発明の真の精神及び範囲内に含まれる本発明の全てのこのような特徴及び利点を包含することが添付の請求項によって意図されている。さらに、多数の修正及び変更が当業者によって容易に行われることから、本発明を図示かつ記載された正確な構造及び操作に制限することは、求められておらず、従って、全ての適切な修正及び等価物は、本発明の範囲内に含まれることになる。
［実施形態例１］
生体構造を加工するように構成され、かつ計画された前記生体構造の自律加工を実証するように構成されるロボット外科システムであって、
前記生体構造を加工するように構成されたエンドエフェクタと、
前記生体構造と相互作用するように構成された実証工具と、
第１のモードにおける前記エンドエフェクタによる前記生体構造の体積部の自律加工における計画された制約を表す加工パラメータを生成すると共に、前記加工パラメータに関連し、前記加工パラメータよりも前記生体構造に対して低侵襲であるように前記生体構造の表面に関して規定された実証パラメータを生成するように構成された制御装置であって、第２のモードにて前記実証パラメータに従う前記実証工具の移動を指示することよって、前記生体構造の自律加工における計画された制約を前記生体構造の表面に関して実証するように構成されている制御装置と
を備えるロボット外科システム。
［実施形態例２］
前記実証工具は前記生体構造を加工するように構成されている、実施形態例１に記載のロボット外科システム。
［実施形態例３］
前記実証パラメータは、前記第２のモードにて前記実証工具が移動中に前記生体構造の前記表面を貫通するように規定されている、実施形態例２に記載のロボット外科システム。
［実施形態例４］
前記実証パラメータは非侵襲的である、実施形態例１に記載のロボット外科システム。
［実施形態例５］
前記実証パラメータは、前記第２のモードにて前記実証工具が移動の全体にわたって前記生体構造の表面から離間するように規定されている、実施形態例４に記載のロボット外科システム。
［実施形態例６］
前記エンドエフェクタは骨を切除するように構成されている、実施形態例１〜５のいずれか一項に記載のロボット外科システム。
［実施形態例７］
前記加工パラメータは、前記生体構造の体積部に関して切除境界を規定しており、
前記実証パラメータは、前記切除境界に関連する実証境界を規定している、実施形態例１〜５のいずれか一項に記載のロボット外科システム。
［実施形態例８］
前記加工パラメータは、前記生体構造の前記体積部に関して切除経路を規定しており、
前記実証パラメータは、前記切除経路に関連する実証経路を規定している、実施形態例１〜５のいずれか一項に記載のロボット外科システム。
［実施形態例９］
ロボット外科システムのエンドエフェクタによる生体構造の計画された自律加工を実証する方法であって、
第１のモードにおける前記エンドエフェクタによる前記生体構造の体積部の自律加工における計画された制約を表す加工パラメータを生成するステップと、
前記加工パラメータに関連し、前前記加工パラメータよりも前記生体構造に対して低侵襲であるように前記生体構造の表面に関して規定された実証パラメータを生成するステップと、
第２のモードにて実証工具を前記実証パラメータに従って移動させることよって、前記生体構造の自律加工における計画された制約を前記生体構造の表面に関して実証するステップと
を含む方法。
［実施形態例１０］
前記生体構造のコンピュータ生成モデルを生成するステップをさらに含む、実施形態例９に記載の方法。
［実施形態例１１］
前記加工パラメータを生成する前記ステップは、前記加工パラメータを前記生体構造のコンピュータ生成モデルに基いて生成することを含んでいる、実施形態例１０に記載の方法。
［実施形態例１２］
前記実証パラメータを生成する前記ステップは、前記実証パラメータを前記生体構造のコンピュータ生成モデルに基づいて生成することを含んでいる、実施形態例１０に記載の方法。
［実施形態例１３］
前記実証工具を移動させる前記ステップは、前記第２のモードにて前記実証工具を移動の全体にわたって前記生体構造の表面から離間させることを含んでいる、実施形態例９〜１２のいずれか一項に記載の方法。
［実施形態例１４］
前記実証工具を移動させる前記ステップは、前記第２のモードにて前記実証工具を移動中に前記生体構造の表面を貫通させることを含んでいる、実施形態例９〜１２のいずれか一項に記載の方法。
［実施形態例１５］
前記第２のモードと前記第１のモードとを切り換えるステップをさらに含む実施形態例９〜１２のいずれか一項に記載の方法。
［実施形態例１６］
前記第２のモードから前記第１のモードへの切換えの後、前記第１のモードにて前記生体構造を加工するために、前記エンドエフェクタを前記加工パラメータに従って移動させるステップをさらに含む実施形態例１５に記載の方法。
［実施形態例１７］
生体構造を加工するように構成され、かつ前記生体構造の計画された自律加工を実証するように構成されるロボット外科システムであって、
前記生体構造を加工するように構成された工具と、
第１のモードにおける前記工具による前記生体構造の体積部の自律加工における計画された制約を表す加工パラメータを生成すると共に、前記加工パラメータに関連し、前記加工パラメータよりも前記生体構造に対して低侵襲であるように前記生体構造の表面に関して規定された実証パラメータを生成するように構成された制御装置であって、第２のモードにて前記実証パラメータに従う前記工具の移動を指示することによって、前記生体構造の自律加工における計画された制約を前記生体構造の表面に関して実証するように構成されている制御装置と
を備えるロボット外科システム。
［実施形態例１８］
前記実証パラメータは、前記第２のモードにて前記工具が移動中に前記生体構造の表面を貫通するように規定されている、実施形態例１７に記載のロボット外科システム。
［実施形態例１９］
前記実証パラメータは非侵襲的である、実施形態例１７に記載のロボット外科システム。
［実施形態例２０］
前記実証パラメータは、前記第２のモードにて前記工具が移動の全体にわたって前記生体構造の表面から離間するように規定されている、実施形態例１９に記載のロボット外科システム。
［実施形態例２１］
前記工具は骨を切除するように構成されている、実施形態例１７〜２０のいずれか一項に記載のロボット外科システム。
［実施形態例２２］
前記加工パラメータは、前記生体構造の前記体積部に関して切除境界を規定しており、
前記実証パラメータは、前記切除境界に関連する実証境界を規定している、実施形態例１７〜２０のいずれか一項に記載のロボット外科システム。
［実施形態例２３］
前記加工パラメータは、前記生体構造の前記体積部に関して切除経路を規定しており、
前記実証パラメータは、前記切除経路に関連する実証経路を規定している、実施形態例１７〜２０のいずれか一項に記載のロボット外科システム。
［実施形態例２４］
ロボット外科システムの工具による生体構造の計画された自律加工を実証する方法であって、
第１のモードにおける前記工具による前記生体構造の体積部の自律加工における計画された制約を表す加工パラメータを生成するステップと、
前記加工パラメータに関連し、前前記加工パラメータよりも前記生体構造に対して低侵襲であるように前記生体構造の表面に関して規定された実証パラメータを生成するステップと、
第２のモードにて前記工具を前記実証パラメータに従って移動させることによって、前記生体構造の自律加工における計画された制約を前記生体構造の表面に関して実証するステップと
を含む方法。
［実施形態例２５］
前記第１のモードにて前記工具の加工能力を電気的に有効にし、前記第２のモードにて前記工具の加工能力を電気的に無効にするステップをさらに含む実施形態例２４に記載の方法。
［実施形態例２６］
前記生体構造のコンピュータ生成モデルを生成するステップをさらに含む実施形態例２４に記載の方法。
［実施形態例２７］
前記加工パラメータを生成する前記ステップは、前記加工パラメータを前記生体構造のコンピュータ生成モデルに基いて生成することを含んでいる、実施形態例２６に記載の方法。
［実施形態例２８］
前記実証パラメータを生成する前記ステップは、前記実証パラメータを前記生体構造のコンピュータ生成モデルに基づいて生成することを含んでいる、実施形態例２４に記載の方法。
［実施形態例２９］
前記工具を移動させる前記ステップは、前記第２のモードにて前記工具を移動の全体にわたって前記生体構造の表面から離間させることを含んでいる、実施形態例２４〜２８のいずれか一項に記載の方法。
［実施形態例３０］
前記工具を移動させる前記ステップは、前記第２のモードにて前記工具を移動中に前記生体構造の表面を貫通させることを含んでいる、実施形態例２４〜２８のいずれか一項に記載の方法。
［実施形態例３１］
前記第２のモードと前記第１のモードとを切り換えるステップをさらに含む実施形態例２４〜２８のいずれか一項に記載の方法。
［実施形態例３２］
前記第２のモードから前記第１のモードへの切換えの後、前記第１のモードにて前記生体構造を加工するために、前記工具を前記加工パラメータに従って移動させるステップをさらに含む実施形態例２４〜２８のいずれか一項に記載の方法。
【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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