(57)【要約】【課題】  コンピュータ支援ナビゲーションシステムにおいて使用する新規な手術器具を提供する。【解決手段】  本発明に係る手術器具は、取り付けアセンブリ上に配設されたナビゲーションシステムにおいて位置合わせ可能な少なくとも１つの基準点要素を含んでいる。取り付けアセンブリは、器具上に回転自在に取り付けられ、釣り合いおもり又はその他の回転阻止機構を含んでおり、これにより、基準点要素を所望の向きに維持することができる。回転可能なシャフトが取り付けアセンブリを貫通して延びており、ドリルなどの回転ドライバに固定可能な一方の端部と、リーマーなどの回転ツールに固定可能な第２端部を備えている。第２端部は、コレットアセンブリを使用して駆動ツールを堅固に把持し、ツールと取り付けアセンブリ上に配設された基準点要素の相対的な動きを制限することができる。【選択図】      図１
2004237092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータ支援ナビゲーションシステムにおいて使用する手術器具であって、
前記コンピュータ支援ナビゲーションにおいて位置合わせ可能な少なくとも１つの基準点要素と、
軸を定義し、前記器具上に回転可能に取り付けられる取り付けアセンブリであって、前記少なくとも１つの基準点要素は、前記取り付けアセンブリ上の既定の場所に配置可能であり、前記既定の場所は、前記軸に対して第１の角度位置を定義している取り付けアセンブリと、
前記取り付けアセンブリ上に配設され、前記軸から半径方向の外側に離隔した釣り合いおもりであって、前記軸に対して第２の角度位置を定義し、前記第１及び第２の角度位置は、少なくとも９０度だけ離隔している釣り合いおもりと、
を有する手術器具。
【請求項２】
前記取り付けアセンブリは、半径方向の外側に延長する取り付けステムを更に有し、前記ステムは、前記軸に対して前記釣り合いおもりと実質的に正反対に配設されており、前記少なくとも１つの基準点要素は、前記取り付けステムの半径方向先端の端部上に取り付け可能である請求項１記載の手術器具。
【請求項３】
前記取り付けアセンブリは、円筒形の開口部を画定するスリーブ部分を含み、前記釣り合いおもりは、前記スリーブ部分と一体で形成される請求項１記載の手術器具。
【請求項４】
前記少なくとも１つの基準点要素は、少なくとも３つの非線形配置された基準点要素を有する請求項１記載の手術器具。
【請求項５】
前記取り付けアセンブリに回転自在に係合された円筒形のシャフト部分を備える回転部材を更に有する請求項１記載の手術器具。
【請求項６】
前記回転部材は、その端部に配設されたコレットアセンブリを更に有し、該コレットアセンブリは、コレットと偏向部材を含み、前記コレットは、中心空洞を画定すると共に、該空洞に対して内側に偏向可能な複数のフィンガを備え、前記偏向部材は、偏向させつつ前記複数のコレットフィンガと係合可能であり、前記偏向部材は、前記複数のフィンガを前記中心空洞に対して内側に偏向させる位置に固定可能である請求項５記載の手術器具。
【請求項７】
前記端部は、外側のねじ山と軸方向に配設された開口部を備える円筒形のシャフトによって画定されており、前記コレットは、前記開口部内に部分的に位置しており、前記複数のコレットフィンガの少なくとも一部は、前記開口部から突出し、前記偏向部材は、前記外側のねじ山とねじ係合すると共に、前記複数のコレットフィンガの前記突出部分を取り囲んでいる請求項６記載の手術器具。
【請求項８】
コンピュータ支援ナビゲーションシステムにおいて使用する手術器具であって、
反対側に位置する第１及び第２端部を備える回転部材と、
前記回転部材に動作可能に結合された取り付けアセンブリであって、前記回転部材と前記取り付けアセンブリは、軸を中心として相対的に回転可能である取り付けアセンブリと、
前記取り付けアセンブリ上の既定の場所に配設され、前記コンピュータ支援ナビゲーションシステムにおいて位置合わせ可能な少なくとも１つの基準点要素と、を有し、
前記取り付けアセンブリは、前記軸から半径方向の外側に離隔した重心を定義し、前記既定の場所は、前記軸に対して第１の角度位置を定義しており、前記重心は、前記軸に対して第２の角度位置を定義し、前記第１及び第２の角度位置は、少なくとも９０度だけ離隔されている手術器具。
【請求項９】
前記取り付けアセンブリは、円筒形の開口部を画定するスリーブ部分を有し、前記回転部材は、前記円筒形の開口部内に回転自在に配設されており、前記取り付けアセンブリは、前記軸から半径方向の外側に配設された釣り合いおもり部分を備え、前記少なくとも１つの基準点要素は、前記軸に対して前記釣り合いおもり部分と実質的に正反対に配設されている請求項８記載の手術器具。
【請求項１０】
前記取り付けアセンブリは、前記スリーブ部分から半径方向の外側に延長すると共に前記軸に対して前記釣り合いおもり部分と実質的に正反対に配設された取り付けステムを更に含み、前記基準点要素は、前記取り付けステムの半径方向先端の端部上に着脱自在に取り付け可能である請求項９記載の手術器具。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの基準点要素は、少なくとも３つの非線形配置された基準点要素を有する請求項８記載の手術器具。
【請求項１２】
前記回転部材は、前記取り付けアセンブリと回転自在に係合された円筒形のシャフト部分を含む請求項８記載の手術器具。
【請求項１３】
前記第１端部に着脱自在に固定可能な回転ドライバを更に有する請求項８記載の手術器具。
【請求項１４】
前記第２端部に着脱自在に固定可能な回転可能ツールを更に有する請求項８記載の手術器具。
【請求項１５】
前記回転部材は、前記第２端部に配設されたコレットアセンブリを更に有し、前記コレットアセンブリは、コレットと偏向部材を含み、前記コレットは、中心空洞を画定すると共に、前記空洞に対して内側に偏向可能な複数のフィンガを備え、前記偏向部材は、偏向させつつ前記複数のコレットフィンガと係合可能であり、前記偏向部材は、前記中心空洞に対して前記複数のフィンガを内側に偏向させる位置に固定可能である請求項８記載の手術器具。
【請求項１６】
シャンクを備える手術ツールを更に有し、前記シャンクは、前記中心空洞内に挿入可能であり、前記シャンクは、前記内側に偏向可能な複数のコレットフィンガによって回転自在に固定係合可能である請求項１５記載の手術器具。
【請求項１７】
前記第２端部は、外側のねじ山と軸方向に配設された開口部を備える円筒型のシャフトによって画定され、前記コレットは、前記開口部内に部分的に位置しており、前記複数のコレットフィンガの少なくとも一部は、前記開口部から突出し、前記偏向部材は、前記外側のねじ山とねじ係合すると共に、前記複数のコレットフィンガの前記突出部分を取り囲んでいる請求項１５記載の手術器具。
【請求項１８】
コンピュータ支援ナビゲーションシステムにおいて使用する手術器具であって、
回転部材と、
前記回転部材に動作可能に結合された取り付けアセンブリであって、前記回転部材と前記取り付けアセンブリは、軸を中心として相対的に回転可能である取り付けアセンブリと、
前記コンピュータ支援ナビゲーションシステムにおいて位置合わせ可能な少なくとも１つの基準点要素であって、前記取り付けアセンブリ上の既定の場所に配設されている少なくとも１つの基準点要素と、
前記取り付けアセンブリ上に配設され、前記取り付けアセンブリを所定の向きに偏向させる回転阻止機構であって、水平に配設された前記軸を中心として前記回転部材と前記取り付けアセンブリが相対的に回転した際に、前記基準点要素を前記軸より鉛直方向で上に配設する回転阻止機構と、
を有する手術器具。
【請求項１９】
前記回転阻止機構は、前記軸に対して前記少なくとも１つの基準点要素と正反対の位置において前記取り付けアセンブリに固定された釣り合いおもりを有する請求項１８記載の手術器具。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの基準点要素は、少なくとも３つの非線形配置された基準点要素を有する請求項１８記載の手術器具。
【請求項２１】
前記回転部材の一端に配設されたコレットアセンブリを更に有し、該コレットアセンブリは、コレットと偏向部材を含み、前記コレットは、中心空洞を画定すると共に、該空洞に対して内側に偏向可能な複数のフィンガを備え、前記偏向部材は、偏向させつつ前記複数のコレットフィンガと係合可能であり、前記偏向部材は、前記中心空洞に対して内側に前記複数のフィンガを偏向させる位置において固定可能である請求項１８記載の手術器具。
【請求項２２】
コンピュータ支援ナビゲーションシステムにおいて使用する回転式手術ツールを提供する方法であって、
シャフトを提供する段階と、
前記シャフトに取り付けアセンブリを結合する段階であって、前記取り付けアセンブリと前記シャフトは、軸を中心として相対的に回転可能であり、前記取り付けアセンブリは、その上に配設された前記コンピュータ支援ナビゲーションシステムにおいて位置合わせ可能な少なくとも１つの基準点要素を備えている段階と、
前記取り付けアセンブリに対して前記シャフトを回転させると同時に非手動的に前記取り付けアセンブリを前記軸に対して所望の向きに偏向させる段階であって、前記少なくとも１つの基準点要素が、前記軸が水平に配置された際に、前記軸より鉛直方向で上に配設される段階と、
を有する方法。
【請求項２３】
前記取り付けアセンブリを所望の向きに偏向させる段階は、前記取り付けアセンブリ上に釣り合いおもりを配設し、前記少なくとも１つの基準点要素を重力によって偏向させる段階を有する請求項２３記載の方法。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの基準点要素は、少なくとも３つの非線形配設された基準点要素を有する請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
回転可能なツールをコレットアセンブリによって前記シャフトに同軸固定する段階を更に有する請求項２３記載の方法。
【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ナビゲーションシステムに関し、更に詳しくは、コンピュータ支援手術ナビゲーションシステムにおける回転式器具の使用に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
手術器具の位置の制御は、多くの外科手術において非常に重要であり、手術器具を正しく配置するために様々な方法やガイド器具が開発されている。これらの方法には、リーマー、錐、及びその他の穿孔及び回転器具をアライメントするための機械的なガイドとして機能する手術ガイドの使用が含まれている。このような手術ガイドの使用は、整形外科の手術においては、一般的なものであり、人工関節などのインプラントを収容するべく骨の準備を行う際に、このようなガイドを使用し、骨に対してドリルやその他の器具を正しくアライメントすることができる。
【０００３】
手術器具の画像ガイダンスを提供するコンピュータ支援手術ナビゲーションシステムについても周知である。当技術分野で周知の様々なコンピュータ支援ナビゲーションシステムの例については、特許文献１から８に記述されており、この引用により、これら特許のそれぞれの開示内容は本明細書に包含されるものとする。通常、画像ガイダンス法においては、関連する解剖学的構造の術前の画像の取得と解剖学的構造の三次元モデルを表すデータベースの生成が必要とされる。関連する手術器具は、通常、既知の固定した形状を有しており、これについても術前に定義される。そして、外科手術の際には、使用する器具の位置を解剖学的座標系に位置合わせし、関連する解剖学的構造に対して外科医が手術器具を正しく配置及び操作できるように支援すべく、ツールと解剖学的構造の相対的な位置を示すグラフィック表示をリアルタイムに演算し、外科医に対して表示する。このようなコンピュータ支援ナビゲーションシステムの場合には、ナビゲーションシステムの座標系においてガイドを位置合わせするためのガイド上に取り付けられたアレイを含む回転式シャフト用ガイドを提供することが知られている。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，６８２，８８６号明細書（ＵＳＰ  Ｎｏ．  ５，６８２，８８６）
【特許文献２】米国特許第５，９２１，９９２号明細書（ＵＳＰ  Ｎｏ．  ５，９２１，９９２）
【特許文献３】米国特許第６，０９６，０５０号明細書（ＵＳＰ  Ｎｏ．  ６，０９６，０５０）
【特許文献４】米国特許第６，３４８，０５８号明細書（ＵＳＰ  Ｎｏ．  ６，３４８，０５８Ｂ１）
【特許文献５】米国特許第６，４３４，５０７号明細書（ＵＳＰ  Ｎｏ．  ６，４３４，５０７Ｂ１）
【特許文献６】米国特許第６，４５０，９７８号明細書（ＵＳＰ  Ｎｏ．  ６，４５０，９７８Ｂ１）
【特許文献７】米国特許第６，４９０，４６７号明細書（ＵＳＰ  Ｎｏ．  ６，４９０，４６７Ｂ１）
【特許文献８】米国特許第６，４９１，６９９号明細書（ＵＳＰ  Ｎｏ．  ６，４９１，６９９Ｂ１）
【発明の開示】
【０００５】
本発明は、コンピュータ支援ナビゲーションシステムに使用可能な回転式手術器具を提供する。コンピュータ支援ナビゲーションシステムにおいて位置合わせ可能な少なくとも１つの基準点要素を備える取り付けアセンブリが提供される。この取り付けアセンブリは、器具に対して回転可能である。例えば、取り付けアセンブリ内の円筒形の開口部を貫通して回転シャフトが延びている。取り付けアセンブリは、器具の動作の際に、基準点要素が所望の向きに配置されるように付勢もしくは偏向(bias)される。例えば、取り付けアセンブリには、基準点要素の反対側に配置された釣り合いおもりが含まれており、これにより、基準点要素は、取り付けアセンブリの回転軸より上の位置に向かって重力によって付勢もしくは偏向される。この結果、光学追跡システムなどの基準点要素の動きを追跡するセンサの視野方向内に基準点要素が位置することになり、この点は、特に、コンピュータ支援ナビゲーションシステムにおいて有用である。
【０００６】
本発明は、その一態様において、コンピュータ支援ナビゲーションシステムで使用する手術器具を含んでいる。この器具は、コンピュータ支援ナビゲーションにおいて位置合わせ可能な少なくとも１つの基準点要素と、軸を定義すると共に器具上に回転自在に取り付けられる取り付けアセンブリと、を含んでいる。基準点要素は、軸に対する第１の角度位置を定義する取り付けアセンブリ上の既定の場所に配置可能である。釣り合いおもりが取り付けアセンブリ上に配設されており、これは、軸から半径方向の外側に離隔している。この釣り合いおもりは、軸に対する第２の角度位置を定義しており、第１及び第２の角度位置は、少なくとも９０度だけ離隔している。
【０００７】
少なくとも１つの基準点要素は、少なくとも３つの非線形配置された基準点要素の形態を取ることができる。又、取り付けアセンブリには、軸に対して釣り合いおもりと実質的に正反対に配設された半径方向の外側に延長する取り付けステムを含むことも可能であり、少なくとも１つの基準点要素は、この取り付けステムの半径方向先端の端部上に取り付け可能である。又、円筒形の開口部を画定(define)するスリーブ部分を取り付けアセンブリに包含し、このスリーブ部分と一体で釣り合いおもりを形成することも可能である。円筒形のシャフト部分を備える回転部材を取り付けアセンブリと回転自在に係合することができる。
【０００８】
本発明は、その別の態様において、コンピュータ支援ナビゲーションシステムで使用する手術器具を含んでいる。この器具は、反対側に位置する第１及び第２端部を備える回転部材と、この回転部材に動作可能に結合された取り付けアセンブリと、を含み、これら回転部材及び取り付けアセンブリは、軸を中心にして相対的に回転可能である。コンピュータ支援ナビゲーションシステムにおいて位置合わせ可能な少なくとも１つの基準点要素が取り付けアセンブリ上の既定の場所に配設されている。取り付けアセンブリは、軸から半径方向の外側に離隔した重心を定義している。基準点要素の既定の場所は、軸に対する第１の角度位置を定義し、重心は軸に対する第２の角度位置を定義しており、これら第１及び第２の角度位置は、少なくとも９０度だけ離隔している。
【０００９】
円筒形の開口部を画定するスリーブ部分を取り付けアセンブリに包含し、この円筒形の開口部内に回転部材を回転自在に配設することができる。取り付けアセンブリは、軸から半径方向の外側に配設された釣り合いおもり部分を備えており、少なくとも１つの基準点要素は、軸に対して釣り合いおもり部分と実質的に正反対に配設されている。
【００１０】
回転ドライバは、シャフトの第１端部に着脱可能に固定可能であり、回転可能なツールは、第２端部に着脱可能に固定することができる。又、コレットアセンブリを第２端部に配設することもできる。このコレットアセンブリは、コレットと偏向部材を含むことができ、コレットは、中心空洞を画定すると共に、この空洞に対して内側に偏向可能な複数のフィンガを備えている。偏向部材は、偏向させつつ複数のコレットフィンガと係合可能であり、中心空洞に対して内側に複数のフィンガを偏向させる位置に固定することができる。シャンクを備える手術ツールを中心空洞内に挿入可能であり、内側に偏向可能な複数のコレットフィンガにより、シャンクを回転自在に固定係合することができる。シャフトの第２端部は、外側のねじ山と軸方向に配設された開口部を備える円筒形のシャフトによって画定もしくは形成(define)され得る。コレットは、部分的に開口部内に位置しており、複数のコレットフィンガの少なくとも一部が開口部から突出している。偏向部材は、外側のねじ山とねじ係合し複数のコレットフィンガの突出部分を取り囲む。
【００１１】
本発明は、更に別の態様において、コンピュータ支援ナビゲーションシステムで使用する手術器具を含んでいる。この器具は、回転部材と、この回転部材に動作可能に結合された取り付けアセンブリと、を含み、これら回転部材及び取り付けアセンブリは、軸を中心として相対的に回転可能である。コンピュータ支援ナビゲーションシステムにおいて位置合わせ可能な少なくとも１つの基準点要素が取り付けアセンブリ上の既定の場所に配設されている。取り付けアセンブリ上に配設された回転阻止機構(anti-rotation feature)により、取り付けアセンブリは、所定の向きに付勢もしくは偏向され、この結果、軸が水平に配設された状態で回転部材と取り付けアセンブリが相対的に回転した際に、少なくとも１つの基準点要素は、軸より鉛直方向で上方に配設される。この回転阻止機構は、軸に対して基準点要素と正反対の位置において取り付けアセンブリに固定された釣り合いおもりであってよい。
【００１２】
本発明は、更に別の態様において、コンピュータ支援ナビゲーションシステムで使用する回転式手術ツールを提供する方法を含んでいる。この方法は、シャフトを提供し、このシャフトに取り付けアセンブリを結合する段階であって、これら取り付けアセンブリ及びシャフトが軸を中心に相対的に回転可能とする段階を含んでいる。取り付けアセンブリは、コンピュータ支援ナビゲーションシステムにおいて位置合わせ可能な少なくとも１つの基準点要素をその上に配設されている。又、この方法には、取り付けアセンブリに対してシャフトを回転させると同時に非手動的に取り付けアセンブリを軸に対して所望の向きに付勢もしくは偏向させる段階であって、軸が水平に配置された際に、少なくとも１つの基準点要素が軸より鉛直方向で上方に配設される段階も含まれている。この所望の向きに取り付けアセンブリを付勢もしくは偏向させる段階は、取り付けアセンブリ上に釣り合いおもりを配設し、基準点要素を重力によって付勢もしくは偏向させる段階を含むことができる。又、この方法は、コレットアセンブリにより、回転可能なツールをシャフトに同軸で固定する段階を含むこともできる。
【００１３】
本発明の利点は、回転部材を備える手術器具上にコンピュータ支援ナビゲーションシステムにおいて位置合わせ可能な基準点要素を取り付け、ツールの動作の際に、この基準点要素を周辺環境に対して所望の向きに維持する手段を提供することである。これにより、基準点要素が一般的にツールより上に位置するようになり、基準点要素とセンサの間に視野方向(line of sight)を維持することが容易になる。ナビゲーションセンサの視野方向内に基準点要素を維持するこの機能は、基準点要素から反射される光、或いは、基準点要素によって生成される光を検出する光学系などのいくつかのタイプのコンピュータ支援ナビゲーションシステムの場合に、特に重要である。
【００１４】
本発明の別の利点は、回転ツールのシャンクを堅固に把持し、これにより、回転ツールの位置の算出にコンピュータ支援ナビゲーションシステムが使用する少なくとも１つの基準点要素に対するツールの回転軸の動きを制限可能なコレットアセンブリを提供することである。
【００１５】
以下の添付の図面と関連させた本発明の実施例に関する説明を参照することにより、本発明の前述及びその他の特徴と目的、並びにそれらを実現する方法がより明らかとなり、且つ発明自体に対する理解を深めることができよう。
【００１６】
これらの図面においては、対応する参照符号は対応する部分を表している。尚、本明細書に記述する例は本発明の実施例を示すものではあるが、本明細書において開示されたそれらの実施例は、本発明のすべてを網羅したり、或いは、開示された形態そのままに本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１には、本発明による手術器具２０が示されている。手術器具２０は、取り付けアセンブリ４０と回転自在に係合される回転部材２２を含んでいる。回転部材２２は、図１及び図２に示されているように、取り付けアセンブリ４０内に配置されたベアリングスリーブインサート４２と係合する２つの円筒形部分２４を備えるシャフトを形成している。又、シャフト２２には、手術用ドリル４４又はその他の動力源を有する又は手動の回転式ドライバと係合するための一般的な形状を備える第１端部２６も含まれている。ワッシャ形状の保持具２８がシャフト２２に結合されており、後程詳述するように、取り付けアセンブリ４０をシャフト２２上に固定している。第１端部２６の反対側には、シャフト２２の第２端部３０が位置している。第２端部３０には、一体形成され、半径方向に拡大したグリップ部分３２と、ねじ山が切られたシャフト部分３４と、が含まれている。軸方向に延長する円筒形の開口部３６は、第２端部３０の先端面上に開口部３８を画定している。
【００１８】
取り付けアセンブリ４０は、スリーブ部分４８及び一体形成された釣り合いおもり５０並びに取り付けステム５２を備える取り付け部材４６を含んでいる。スリーブ部分４８は、シャフト２２を取り囲み、ベアリングスリーブ４２が配置される円筒形の開口部５４を画定している。取り付けステム５２の半径方向先端の端部５６は、それ上に基準点アレイ(reference array)６０を取り付けるためのオスのあり継ぎ(male dovetail joint)５８とねじ山が切られた開口部５９を備えている。
【００１９】
基準点アレイ６０は、メスのあり継ぎ(female dovetail joint)６４を形成するアルミニウムの支持構造６２と４つの外側に延長するアーム６８を含んでいる。これら支持アーム６８のそれぞれは、それ上に取り付けられた基準点要素７０を備えている。この図示の実施例において、基準点要素７０は、後程詳述するように、コンピュータ支援ナビゲーションシステムにおいて位置合わせ可能な反射球面である。ねじ山が切られた留め具６６は、あり継ぎ５８、６４を係合させた後に、ねじ山が切られた開口部５９としっかりと係合し、取り付けステム５２上にアレイ６０を堅固に固定する。
【００２０】
コレットアセンブリ８０が第２端部３０に配置されており、これを使用して、リーマー７２などの回転手術ツールをシャフト２２に固定する。リーマー７２は、切削用のねじ山と丸い先端７６を有する長いシャフト部分７４を備えた一般的なリーマーである。又、リーマー７２には、従来技術によって構成された係合シャンク７８も含まれている。コレットアセンブリ８０には、直径の小さな部分８４と直径の大きな部分８６を備えるコレット８２が含まれている。この図示の実施例においては、コレット８２には、間隙９０によって分離され、コレット８２によって画定される中心空洞の空間内へと半径方向の内側に偏向可能な４つの柔軟なフィンガ８８が含まれている。間隙９４がフィンガ８８の中央を延長しており、コレット８２の柔軟性を向上させている。カム表面９２がフィンガ８８先端の端部に位置しており、偏向部材１００のカム表面９８と係合可能になっている。
【００２１】
コレットの直径の小さな部分８４を円筒形の穴３６内に配設すると、コレットフィンガ８８上の第２のカム表面９１は、開口部３８を画定する表面と係合する。そして、直径の大きな部分８６は、穴３６から外側に延長し、偏向部材１００によって取り囲まれる。偏向部材１００は、外側のねじ山３４と係合する内側のねじ山１０２を含んでおり、偏向部材１００がねじ山３４と係合するに伴い、カム表面９８は、コレットフィンガ８８を半径方向の内側に（且つ、開口部３８に向かって）偏向させる。又、開口部３８がカム表面９１と係合することによっても、コレットフィンガ８８は、コレット８２によって画定される中心空洞に向かって内側に偏向する。
【００２２】
この結果、コレットアセンブリ８０は、それが偏向部材１００の開口部１０４内に挿入されると、リーマー７２のシャンク７８と堅固に係合することになる。又、コレットフィンガ８８は、その他の回転可能なツールを堅固に把持するべく使用することも可能である。又、偏向部材１００には、シャンク７８上に位置する平坦面１０８と係合する開口部１０４の両側に配設された部分１０６も含まれている。シャンク７８は、ハドソン（Ｈｕｄｓｏｎ）コネクタ／トリンクル（Ｔｒｉｎｋｌｅ）アダプタと呼ばれる従来の構成を備えている。しかしながら、コレットフィンガ８８は、別の形状のシャンク又は係合機構を備えるツールにも使用可能である。
【００２３】
コレットアセンブリ８０の代わりに使用可能な別の第２端部３０ａが図４に示されている。この代替コネクタは、シャフト２２ａを取り囲む外部スリーブ１１０を備えている。シャフト２２ａは、第２端部３０ａを除いて、シャフト２２と類似している。偏向部材１１２は、矢印１０９によって示されている方向にスリーブ１１０を偏向させる。スリーブ１１０の内部表面は、異なる直径を備える２つの部分を備えている。解放部分(disengagement portion)１１４は、ロック部分１１６よりも大きな直径を画定している。これらの部分１１４及び１１６は、いずれも、シャフト２２ａの中空の円筒形部分１２０内の開口部内に配設されるロックボール１１８と対向する。スリーブ１１０が図４に示されている位置に配設されると、ボール１１８は、スリーブ１１０の内部表面１１６により、内側に付勢もしくは偏向され、シャンク７８上を取り巻いて延長する凹部１２４と係合し、これにより、シャフト２２ａ内でシャンク７８がロックされる。ボール１１８は、シャンク７８をシャフト２２ａに固定するが、シャンク７８とシャフト２２ａの相対的な回転を妨げはしない。シャフト２２ａ上の突出部１２２が平坦面１０８と係合し、シャンク７８とシャフト２２ａの相対的な回転を防止する。一方、シャンク７８を取り外す際には、矢印１１１によって示されている方向にスリーブ１１０を移動させると、半径方向に拡大した内部表面１１４により、ロックボール１１８がシャンク７８から解放される。
【００２４】
この図４に示されているクイックコネクトロック機構(quick connect locking feature)には、シャフト２２ａと、これに係合する回転式ツール間に比較的しっかりとした係合を提供するべく、４つのロックボール１１８が含まれている。このクイックコネクトフィッティングを比較的厳密な公差によって製造することによっても、この結合対象の２つのシャフト間の係合状態を改善することができる。又、シャフト２２上に位置するコレットアセンブリ８０によっても、その回転軸をシャフト２２の軸２１とアライメントすると共にシャフト２２と取り付けアセンブリ４０に対するリーマー７２の回転軸の動きを極小化する位置にリーマー７２を維持する相対的にしっかりとした接続が提供される（即ち、リーマー７２のぐらつきが防止される）。
【００２５】
シャフト２２、２２ａとリーマー７８などの回転ツール間の比較的堅固な接続を提供することにより、シャフト２２、２２ａに対するツールのぐらつきが減少し、コンピュータ支援ナビゲーションシステムによるツールの追跡を改善することができる。従来の手術用ドリルの場合には、リーマー又はその他の回転ツールを係合するための結合部は、しばしば、回転ツールのある程度のぐらつきを許容するものになっている。このような状況において、基準点アレイをドリルのハウジングに取り付けた場合には、ナビゲーションシステムが算出する回転ツールの位置は、ツールがぐらつき、ナビゲーションシステムによって直接追跡される基準点アレイに対するそれの想定位置からの逸脱の程度において、不正確なものとなる。
【００２６】
図１からわかるように、シャフト２２と取り付けアセンブリ４０は、ドリル４４とリーマー７８の間に位置しており、ドリル４４とシャフト２２の第１端部２６間の接続によって生じるぐらつきは、基準点アレイ６０とリーマー７８の相対的な位置に影響を与えることはない。そして、リーマー７８又はその他の回転ツールは、シャフト２２に堅固に固定されており、ツールの相対的な動きが防止又は極小化される。
【００２７】
取り付けアセンブリ４０は、装着されたツールに対する既定の相対的な位置にアレイ６０とその上に取り付けられた基準点要素７０を配置するべく提供されており、この結果、基準点要素７０の位置を追跡するコンピュータナビゲーションシステムは、第２端部３０に装着されたツールの位置を判定することができる。アレイ６０と第２端部３０、及びこれに固定されるツールの相対的な軸方向の動きは、グリップ３２と保持具２８の間に取り付けアセンブリ４０を配置することにより、防止される。即ち、シャフト２２と取り付けアセンブリ４０を組み立てる際に、取り付けアセンブリ４０をシャフト２２上に配置し、それから保持具２８をシャフト２２に結合することにより、取り付けアセンブリ４０をグリップ３２と保持具２８間に固定し、取り付けアセンブリ４０とシャフト２２の相対的な軸方向の変位を防止する。
【００２８】
基準点要素によって反射、或いは、放射される光をセンサが検出する光学システムなどの、追跡対象の基準点要素とこれらの要素を追跡するセンサ間にクリアな視野方向が存在することを要するナビゲーションシステムの場合には、基準点要素を軸２１上に配置し、それらの視認性を向上させることが望ましい。即ち、ナビゲーションシステムは、アレイ６０が「上下逆向き」になって軸２１の下に位置した場合には、これを認識することができない。従って、通常、アレイ６０は、軸２１よりも垂直方向で上方に配置することが望ましい。
【００２９】
図５に示されている参照符号５１は、取り付けアセンブリ４０の重心の位置を示している。重心５１は、シャフト２２に対して回転する取り付けアセンブリ４０全体の重心であり、従って、アレイ６０を含んだものである。又、図５からわかるように、取り付けステム５２は、（軸２１に対して）釣り合いおもり部分５０と正反対に配設されている。前述のように、基準点アレイ６０は、軸２１に対して第１の角度位置に配置された取り付けステム５２の先端の端部５６上に取り付けられている。そして、重心５１は、軸２１に対する第２の角度位置を定義しており、角度５３によって示されているように、このアレイ６０と重心５１の角度位置は、角度で１８０度だけ離隔している。
【００３０】
取り付けアセンブリ４０は、シャフト２２に対して回転可能であり、その他の部分には固定されていないため、取り付けアセンブリ４０に対して作用する重力により、取り付けアセンブリ４０の重心５１は、回転軸２１の直下の位置に向かって偏向することになる。即ち、本発明においては、軸２１から半径方向に離隔した釣り合いおもり５０を利用し、取り付けアセンブリ４０の重心５１の位置を制御している。釣り合いおもり５０は、重心５１がアレイ６０とは正反対に位置し、この結果、アレイ６０が重力によって軸２１より上の位置に向かって付勢もしくは偏向されるように構成されている。この図示の実施例においては、釣り合いおもり部分５０を含む取り付け部材４６は、相対的に高密度のステンレス鋼であり、アレイ６０は、相対的に軽いアルミニウムである。但し、その他の材料を使用し、所望の位置に重心５１を配置することも可能である。軸２１に対する角度位置の観点から、軸２１が水平に配設された際に、基準点要素７０を軸２１の位置に、又は、それより上の位置に維持するには、軸２１に対する基準点要素と重心の角度位置を少なくとも９０度だけ離隔させなければならない。
【００３１】
２つの太い円筒形の部分２４を使用し、端部が近接した状態でベアリングスリーブ４２と係合させることにより、取り付け部材４０は、安定した状態でシャフト２２上に回転可能に取り付けられており、この結果、シャフト２２とベアリングスリーブ４２間の接触表面領域が制限され、シャフト２２と取り付けアセンブリ４０の相対的な回転に対する摩擦抵抗が減少する。図示の実施例においては、スリーブ４２はテフロン（登録商標）スリーブ(ポリテトラフルオロエチレンスリーブ)であるが、その他の金属性及び重合体材料を使用し、スリーブ４２を形成することも可能である。設計が異なる代替ベアリングをシャフト２２と取り付け部材４６間に配置することも可能であり、或いは、取り付け部材４６をシャフトによって直接支持することも可能であろう。
【００３２】
シャフト２２がドリル４４又はその他の回転式ドライバによって回転し、この結果、リーマー７８又はその他の回転式ツールが回転した場合にも、アレイ６０は、釣り合いおもり部分５０の存在により、シャフト２２と軸２１より上に位置したまま留まることになる。従って、外科医は、取り付けアセンブリ４０を、その所望の位置に手動で保持する必要はない。このように、釣り合いおもり５０は、取り付けアセンブリ４０に対する回転阻止機構として作用することになる。取り付けアセンブリ４０の代替実施例には、ドリルのハウジング又はその他の非回転構造と係合し、取り付けアセンブリ４０がシャフト２２と共に回転することを防止するべく適合された係合アームなどの代替回転阻止機構が含まれよう。釣り合いおもり５０の利点は、その他の静止構造との係合に依存しない回転阻止機構を提供していることにある。尚、本明細書において使用されているこの「回転阻止機構」とは、周辺環境に対する軸２１を中心とした取り付けアセンブリ４０の回転は禁止する一方で、シャフト２２と取り付けアセンブリ４０の相対的な回転は許容する機構のことである。
【００３３】
前述のように、アレイ６０は、取り付けアーム５２上に取り付けられており、４つの基準点要素７０を含んでいる。アレイ６０上に少なくとも３つの非線形配置された基準点要素７０を提供し、これらの基準点要素の位置を判定することにより、コンピュータ支援ナビゲーションシステムは、基準点アレイ６０の位置と向きを算出し、この結果、シャフト２２及びこれに装着されたツールの位置と向きを算出することができる。
【００３４】
当技術分野において周知のごとく、画像ガイダンス手順で使用するリーマー７８などの手術器具の固定されたサイズ及び形状に関するデータを術前に判定し、器具又はその関連する部分の三次元モデルを得ることができる。又、解剖学的構造の画像から取得したデータを使用して対象の解剖学的構造（例：大腿骨）に関する関連寸法データを判定し、解剖学的構造のモデルを表すデータベースを生成することも可能である。この解剖学的構造のモデルは、一連の解剖学的構造の二次元画像を取得することによって開発された三次元モデルであってよい。或いは、この代わりに、解剖学的構造のモデルは、解剖学的構造の三次元の形態に関する情報を伝達するのに使用可能な既知の空間的な関係又はその他のデータ構造を備える二次元画像のセットであってもよい。この解剖学的構造のモデルを使用すれば、術前の計画及び手術中のナビゲーションのために、様々な観点からの解剖学的構造の表示を生成することができる。尚、このような解剖学的構造のモデルの生成に採用可能な様々な技法は、当技術分野においては周知であり、これには、コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）、陽電子放射型断層撮影法（ＰＥＴ）、超音波走査及び蛍光透視映像技術が含まれる。
【００３５】
実際の解剖学的構造に対する手術器具の相対的な位置及び向きの判定及び表示を円滑に実行することにより、このような画像化技法によって得られた解剖学的構造のモデルを手術器具の手術中のガイダンスに使用することができる。例えば、解剖学的構造のモデルが既知の空間的な関係を備える二次元画像のセットである場合には、外科手術の際に、それらの画像のいくつかを同時に表示可能である。又、画像内に手術器具の位置を表示すると共に、異なる観点から取得された画像（例：ｘ及びｙ座標軸に沿った器具の動きを表示する画像と、ｚ軸に沿った器具の動きを表示する別の画像）を表示することにより、個々の画像が協働し、解剖学的構造に対する三次元の手術器具の動きを表すことができる。
【００３６】
尚、本明細書においては、対象となる実際の解剖学的構造によって定義される座標系を「解剖学的座標系」と呼び、解剖学的構造のモデルによって定義される座標系を「画像座標系」と呼ぶことにする。
【００３７】
骨格要素などの硬い解剖学的構造は、このような画像ガイダンス手術法に非常に適しており、個々の骨格要素を使用し別個の座標系を定義することが可能である。骨格要素などの異なる硬い構造は、相対的な動きをする場合があり、例えば、患者の大腿骨と股臼は、外科手術において相対的に動き、別個の三次元のモデル及び座標系を異なる骨格要素に対して生成可能である。例えば、人工股関節置換手術(hip replacement procedure)の場合には、大腿骨の準備の際には、第１座標系を定義する大腿骨の三次元モデルを利用し、股臼の準備の際には、骨盤の三次元モデルによって定義される別個の座標系を利用することができる。
【００３８】
コンピュータ実装画像ガイダンスとも呼ばれるコンピュータ支援ナビゲーションを使用して外科技法を実施する場合には、画像座標系を解剖学的座標系に位置合わせすると共に、手術器具又はその他の追跡対象の物体の位置を画像座標系内において位置合わせする。そして、この実際の解剖学的構造と手術器具の両方を位置合わせした後に、事前に取得しておいた解剖学的構造と器具の三次元モデルに基づいて解剖学的構造と器具の画像を一緒に表示することにより、手術器具の相対的な位置と向きを外科医に伝達することができる。
【００３９】
コンピュータ支援ナビゲーションシステムにおいて位置合わせ可能な器具（これらは、リーマー７２の先端７６などの既知の位置においてツールと係合するデジタル化プローブとして使用するべく採用又は適合可能であり、これにより、ナビゲーションシステムにおいてアレイ６０に対する先端７６の位置が較正される）については、本出願と同日付で出願された代理人ドケット番号ＺＩＭ０１６６を備えるグリム（Ｇｒｉｍｍ）他による「手術ナビゲーションシステム用のインプラント位置合わせ装置（ＩＭＰＬＡＮＴ  ＲＥＧＩＳＴＲＡＴＩＯＮ  ＤＥＶＩＣＥ  ＦＯＲ  ＳＵＲＧＩＣＡＬ  ＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭ）」という名称の米国特許出願明細書、並びに本出願と同日付で出願された代理人ドケット番号ＺＩＭ０１６７を備えるマッギンリー（ＭｃＧｉｎｌｅｙ）他による「解剖学的構造のマーキングに有用な手術ナビゲーション器具（ＳＵＲＧＩＣＡＬ  ＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮ  ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴ  ＵＳＥＦＵＬ  ＩＮ  ＭＡＲＫＩＮＧ  ＡＮＡＴＯＭＩＣＡＬ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ）」という名称の米国特許出願明細書に記述されており、この引用により、これら両方の出願の開示内容は本明細書に包含されるものとする。
【００４０】
当技術分野においては、画像座標系内における手術器具や整形外科のインプラントなどの別の物体の位置合わせ又は位置測定と共に、構造を表す三次元モデルへの実際の解剖学的構造の位置合わせを提供し、物体と実際の解剖学的構造の相対的な位置を円滑に表示するコンピュータ実装画像ガイダンスシステムが周知である。画像座標系に解剖学的構造を位置合わせする既知の方法には、１つ又は複数の走査法によって認識可能な埋植された基準標識(fiducial markers)の使用が含まれる。この代わりに、デジタル化プローブ又は類似の装置をインプラントと接触した状態で（或いは、これに対して既知の配置もしくは向き(orientation)において）物理的に配置することにより、インプラントを検出することも可能である。又、基準インプラントを使用する代わりに、解剖学的な標識構造にアライメントすることにより、２つの座標系を位置合わせすることも可能である。米国特許第６，２３６，８７５Ｂ１号明細書（ＵＳＰ  Ｎｏ．  ６，２３６，８７５）及び第６，１６７，１４５号明細書（ＵＳＰ  Ｎｏ．  ６，１６７，１４５）には、いずれも、複数の硬い物体を位置合わせすると共に、その関連する位置を表示する方法について記述されており、この引用により、これら両方の特許の開示内容は本明細書に包含されるものとする。
【００４１】
手術器具の位置合わせと位置測定、並びに、画像座標系にも位置合わせされた器具の解剖学的座標系に対する動きの追跡を可能にする様々な技術を採用する追跡装置についても周知である。器具の位置の判定と解剖学的構造の三次元モデルを表す画像座標系内における器具の位置の位置合わせに関しては、例えば、器具に対して既知の向きに固定された反射性ターゲットから反射（又は、位置測定エミッタから放射）された光を検出する光学追跡システムが周知である。このような追跡システムは、例えば、赤外光に敏感な別個の電荷結合素子（ＣＣＤ）上にそれぞれ合焦する１つ又は複数のレンズを備えるセンサユニットの形態を取ることができる。このセンサユニットは、物体に対して固定された３つ以上の非線形配置された発光ダイオード（ＬＥＤ）から放射される赤外光を検出する。そして、センサユニットによって取得したこの画像をプロセッサが分析し、器具の位置と向きを算出する。画像座標系内において検知ユニットの位置を位置合わせすることにより、画像座標系に位置合わせされている器具が解剖学的構造に対して移動した際に、器具の解剖学的構造に対する位置を判定及び追跡することができる。
【００４２】
別の位置測定システムにおいては、高周波の電磁信号を放射する、或いは、可視光を放射する位置測定エミッタを採用可能である。又、本発明と共に使用可能なその他のタイプの位置測定システムにおいては、放射線不透過性の基準点要素又はその他の識別要素を採用可能である。又、物体上の既定の位置において物体と物理的に接触するデジタル化物理プローブを採用し、物体の位置を位置合わせすることも可能である。
【００４３】
この開示した実施例においては、位置測定システムは光源を含んでおり、基準点要素７０はこの光を反射する。次いで、位置測定システムは、この反射光を検出し、既知の方法によって個々の基準点要素７０の位置を算出する。基準点要素７０は、カナダのオンタリオ州ウォータールーのランドールドライブ１０３に所在するノザンデジタル社（Ｎｏｒｔｈｅｒｎ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｉｎｃ．，  １０３  Ｒａｎｄａｌｌ  Ｄｒ．，  Ｗａｔｅｒｌｏｏ、  Ｏｎｔｅｒｉｏ，  Ｃａｎａｄａ，  Ｎ２Ｖ１Ｃ５）から入手可能である。ノザンデジタル社は、「Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）」及び「Ｐｏｌａｒｉｓ（登録商標）」というブランド名で本発明に使用可能な画像ガイダンスシステムを供給している。又、本発明は、前述の、或いはその他の当技術分野において既知のものなどのその他のコンピュータ支援ナビゲーションシステムと共に使用することも可能である。例えば、ミネソタ州ミネアポリスに所在するメドトロニック社（Ｍｅｄｔｒｏｎｉｃ，  Ｉｎｃ．，  Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ，  Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ）は、「ＦｌｕｏｒｏＮａｖ（商標）  Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｆｌｕｏｒｏｓｃｏｐｙ  Ｓｙｓｔｅｍ」などの様々なコンピュータ支援手術ナビゲーションシステムを「ＳｔｅａｌｔｈＳｔａｔｉｏｎ（登録商標）」という商標で製造販売しており、これらも本発明と共に使用するべく適合可能である。
【００４４】
本発明の代替実施例は、追跡対象の物体の位置と向きを判定すべく、光学的な追跡の代わりに、磁場を利用するコンピュータ支援ナビゲーションシステムと共に採用可能であろう。本発明に使用するべく適合可能な磁場において使用する様々な基準点要素については、当技術分野において周知である。例えば、磁場を使用して物体の位置と向きを判定する既知のシステムについては、米国特許第５，９１３，８２０号明細書（ＵＳＰ  Ｎｏ．  ５，９１３，８２０）、第６，３８１，４８５号明細書（ＵＳＰ  Ｎｏ．  ６，３８１，４８５Ｂ１）、第６，４０２，７６２号明細書（ＵＳＰ  Ｎｏ．  ６，４０２，７６２Ｂ２）、第６，４７４，３４１号明細書（ＵＳＰ  Ｎｏ．  ６，４７４，３４１Ｂ１）、第６，４９３，５７３号明細書（ＵＳＰ  Ｎｏ．  ６，４９３，５７３Ｂ１）、及び第６，４９９，４８８明細書（ＵＳＰ  Ｎｏ．  ６，４９９，４８８Ｂ１）に記述されており、この引用により、これら特許の開示内容のすべては本明細書に包含されるものとする。
【００４５】
動作領域内において、属性(properties)が既知の磁場を生成し、互いに垂直のワイヤループによってこの磁場を検知することにより、ワイヤループと、これに装着された手術器具などの硬い物体によって定義される基準点要素の位置と向きを算出可能である。このような相互に垂直に配置された磁場センサの位置と向きの判定法は、当技術分野においては周知である。又、単一のワイヤループを使用して単一の磁場センサを形成し、複数の場所から磁場を生成することにより、その位置と向きを判定する方法についても周知である。
【００４６】
以上、模範的な設計を使用し本発明について説明したが、本発明には、本開示の精神と範囲内において、更なる変更を加えることが可能である。従って、本出願は、その一般的な原理を使用する本発明のあらゆる変形、使用、又は適合を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明による手術器具の分解図である。
【図２】回転シャフトとコレットアセンブリの分解部分断面図である。
【図３】取り付け部材の断面図である。
【図４】クイックコネクトフィッティングの部分断面図である。
【図５】取り付け部材を端面図である。
【符号の説明】
【００４８】
２０…手術器具
２２…回転部材（シャフト）
４０…取り付けアセンブリ
４２…ベアリングスリーブインサート
５０…釣り合いおもり部分
６０…基準点アレイ
７０…基準点要素
８０…コレットアセンブリ
８２…コレット
８８…コレットフィンガ
１００…偏向部材
【図１】
2004237092.tif 000003
【図２】
2004237092.tif 000004
【図３】
2004237092.tif 000005
【図４】
2004237092.tif 000006
【図５】
2004237092.tif 000007