(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される外科器具を提供する。【解決手段】  外科器具２０は、取付組立体４０上に配設され且つナビゲーションシステムに登録可能である少なくとも一つの基準要素７０を含む。取付組立体４０は、外科器具２０上に回転可能に取付けられ、カウンタウエイト５０又は他の回転防止用特徴部を含み、基準要素７０は所望の姿勢に維持され得る。回転可能なシャフト２２は、取付組立体４０を通って延びており、ドリルなどの回転ドライバ４４に取り付け可能な第１の端部２６と、リーマなどの回転工具７２に取り付け可能な第２の端部３０とを有し得る。シャフト２２の第２の端部３０は、被動工具を堅固に把持するコレット組立体８０を利用し、回転工具７２と取付組立体４０上に配設された基準要素７０との間の相対移動を制限する。【選択図】      図１
2005246059.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ための外科器具であって、
前記コンピュータ支援ナビゲーションシステムに登録可能な少なくとも一つの基準要素と、
軸線を規定すると共に前記外科器具に回転可能に取り付けられる取付組立体であって、前記少なくとも一つの基準要素が前記取付組立体上の予め定められた箇所に位置決め可能となっており、該予め定められた箇所が前記軸線に対して第１の角度位置を規定するようになっている取付組立体と、
前記取付組立体に配設され且つ前記軸線から半径方向外方に離間して配置されたカウンタウエイトであって、前記軸線に対して第２の角度位置を規定するカウンタウエイトと、
を備え、前記第１の角度位置と前記第２の角度位置が少なくとも９０°離れるようになっている外科器具。
【請求項２】
前記取付組立体は半径方向外方に延びる取付ステムをさらに備え、該ステムが前記軸線に関し前記カウンタウエイトの概略正反対側に配設されており、前記少なくとも一つの基準要素が前記取付ステムの半径方向遠位端部に配置される、請求項１に記載の外科器具。
【請求項３】
前記取付組立体は円筒状開口部を規定するスリーブ部分を含み、前記カウンタウエイトが前記スリーブ部分と一体的に成形されている、請求項１に記載の外科器具。
【請求項４】
前記外科器具は、前記取付組立体の前記スリーブ部分と回転可能に係合された円筒状シャフト部分を有する回転部材をさらに備える、請求項３に記載の外科器具。
【請求項５】
前記外科器具は、前記回転部材の前記円筒状シャフト部分と前記取付組立体の前記スリーブ部分との間に配置された軸受スリーブインサートをさらに備える、請求項４に記載の外科器具。
【請求項６】
前記外科器具は前記回転部材の端部に配設されたコレット組立体をさらに備え、該コレット組立体がコレットと付勢部材とを含み、該コレットが中央空隙を規定し且つ該中央空隙に対して内方に付勢可能な複数のフィンガを有し、前記付勢部材が前記複数のフィンガを付勢するように前記複数のフィンガに係合可能であり、前記付勢部材が前記複数のフィンガを前記中央空隙に対して内方に付勢する位置に固着可能になっている、請求項４に記載の外科器具。
【請求項７】
前記回転部材の前記端部は、外側螺条と軸線方向に配設された開口部とを有する円筒状シャフトにより形成され、前記コレットは、前記複数のフィンガの少なくとも一部が前記開口部から突出した状態となるように、前記開口部内に部分的に配置され、前記付勢部材は、前記外側螺条とねじ式に係合されて、前記複数のフィンガの前記突出部分に外接する、請求項６に記載の外科器具。
【請求項８】
前記外科器具が、
前記取付組立体のスリーブ部分に対して相対回転をするように係合された円筒状シャフト部分を有する回転部材と、
前記回転部材に対して前記取付組立体を一時的にロックして前記回転部材と前記取付組立体との間の相対回転を防止するためのロック組立体と、
をさらに備える、請求項１に記載の外科器具。
【請求項９】
前記ロック組立体が、
前記回転部材と共に回転するように該回転部材上に配置されたシャフト保持具と、
前記取付組立体に旋回可能に取り付けられたロックレバーと、
を含み、前記ロックレバーが、前記シャフト保持具の一部と係合して前記回転部材と前記取付組立体との間の相対回転を防止するべく旋回するように構成されている、請求項８に記載の外科器具。
【請求項１０】
前記ロック組立体が、
前記シャフト保持具及び前記ロックレバーの一方に形成された少なくとも一つのノッチと、
前記シャフト保持具及び前記ロックレバーの他方に形成された少なくとも一つの突出部と、
をさらに含み、前記少なくとも一つの突出部が、前記回転部材と前記取付組立体との間の相対回転を防止するために前記少なくとも一つのノッチと係合するように構成されている、請求項９に記載の外科器具。
【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、より詳細には、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器具の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
外科器具を位置決め制御することは、多くの外科処置において非常に重要であり、外科器具を適正に位置決めするために種々の方法及びガイド器具が開発されてきた。このような方法には、リーマ、錐(きり)、他のドリル器具及び回転器具を整列させるための機械的ガイドとして機能する外科ガイドの使用が含まれる。整形外科的手術処置では、このような外科ガイドの使用が一般的であり、このような外科ガイドは、人工関節などのインプラントを受容するための前処理を骨に施すときに骨に対してドリル又は他の器具を正確に整列させるために使用され得る。
【０００３】
外科器具の画像誘導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も公知となっている。当該技術分野で公知の種々のコンピュータ支援ナビゲーションシステムの例が特許文献１〜８に記載されており、その開示内容は本願と一体のものとして参照される。画像誘導技術は、通常、関連する解剖学的構造の術前画像を取得し、この解剖学的構造の３次元モデルを表すデータベースを生成させることを必要とする。また、関連する外科器具は、通常、既知の決まったジオメトリ（すなわち、幾何学的形状）を有しており、これもまた術前的に定義されている。外科処置の際には、使用される上記器具の位置が解剖学的座標系を用いて登録され、工具と解剖学的構造との相対位置を示すグラフィック表示がリアルタイムでコンピュータ処理して表示され、外科医が関連する解剖学的構造に対して外科器具を正確に位置決め、操作するのを手助けすることができる。このようなコンピュータ支援ナビゲーションシステムにおいては、上記ナビゲーションシステムの座標系にガイドを登録するためにガイド上に取付けられたアレイ（配列）を備えた回転シャフトのためのガイドを提供することも知られている。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，６８２，８８６号明細書
【特許文献２】米国特許第５，９２１，９９２号明細書
【特許文献３】米国特許第６，０９６，０５０号明細書
【特許文献４】米国特許第６，３４８，０５８号明細書
【特許文献５】米国特許第６，４３４，５０７号明細書
【特許文献６】米国特許第６，４５０，９７８号明細書
【特許文献７】米国特許第６，４９０，４６７号明細書
【特許文献８】米国特許第６，４９１，６９９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、コンピュータ支援ナビゲーションシステムと共に使用され得る回転式外科器具を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
コンピュータ支援ナビゲーションシステムに登録可能な少なくとも一つの基準要素を有した取付組立体が提供される。この取付組立体は外科器具に対して回転可能である。例えば、回転シャフトが取付組立体における円筒状開口部を通って延び得る。取付組立体は、外科器具の操作の際に基準要素が所望の姿勢で配置されるように付勢される。例えば、取付組立体は、基準要素と正反対側に配置されたカウンタウエイトを含んでもよく、これによって、基準要素は取付組立体の回転軸線の上方の位置に向けて重力で付勢される。このことは、特に、光学的追跡システムなどのように、基準要素の移動を追跡するセンサのサイトライン内に該基準要素が在ることを要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有用である。
【０００７】
本発明は、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ための一形態の外科器具からなる。外科器具は、コンピュータ支援ナビゲーションシステムに登録可能である少なくとも一つの基準要素と、軸線を規定しており且つ外科器具に回転可能に取付けられた取付組立体とを含む。基準要素は、取付組立体上で、上記軸線に対して第１の角度位置を規定する予め定められた箇所に配置可能である。カウンタウエイトは、取付組立体上に配設され、上記軸線から半径方向外方に離間した位置に配置される。カウンタウエイトは上記軸線に対して第２の角度位置を規定し、第１の角度位置と第２の角度位置は少なくとも９０°離れている。
【０００８】
少なくとも一つの基準要素は、非直線的に配置された少なくとも三つの基準要素の形態を取ることができる。また、取付組立体は、上記軸線に関してカウンタウエイトの概略正反対側に配設され半径方向外方に延びる取付ステムを含み、少なくとも一つの基準要素が取付ステムの半径方向遠位端部上に取付け可能となるようにすることができる。取付組立体はさらに円筒状開口部を規定するスリーブ部分を含み、カウンタウエイトがスリーブ部分と一体的に形成され得るようにすることができる。円筒状シャフト部分を有する回転部材は、取付組立体に回転可能に係合され得る。
【０００９】
本発明は、さらに、回転部材に対して取付組立体を一時的にロックして回転部材と取付組立体との間の相対回転を防止するためのロック組立体を含み得る。好適な実施形態では、ロック組立体は、回転部材と共に回転するように回転部材上に配置されたシャフト把持具と、取付組立体に旋回可能に取り付けられたロックレバーとを含む。ロックレバーは、好適には、シャフト保持具の一部に係合し、それによって回転部材と取付組立体との間の相対回転を防止するように構成される。
【００１０】
好適には、ロック組立体は、シャフト保持具又はロックレバーのいずれか上に形成された単数又は複数のノッチと、他方の構成要素すなわち上記ノッチを備えない構成要素上に形成された単数又は複数の突出部とをさらに含む。単数又は複数の突出部は、回転部材と取付組立体との間の相対回転を防止するために、単数又は複数のノッチと雄雌式に係合するように構成される。また、ロック組立体は、好適には、ロック解除位置すなわちシャフト保持具との係合から外れる位置にロックレバーを付勢するためのばね部材を含む。
【００１１】
本発明は、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ための他の形態の外科器具からなる。この外科器具は、互いと反対側に位置する第１の端部及び第２の端部を有する回転部材と、該回転部材に操作可能に結合された取付組立体とを含み、回転部材及び取付組立体は軸線周りに相対回転可能になっている。コンピュータ支援ナビゲーションシステムに登録可能な少なくとも一つの基準要素が、取付組立体上の予め定められた箇所に配設される。取付組立体は、上記軸線から半径方向外方に離間した位置に重心を規定する。基準要素の予め定められた箇所は上記軸線に対して第１の角度位置を規定し、重心は上記軸線に対して第２の角度位置を規定しており、第１の角度位置と第２の角度位置は少なくとも９０°離れるようになっている。
【００１２】
取付組立体は、円筒状開口部を規定するスリーブ部分を含み、回転部材が円筒状開口内に回転可能に配設されるようにすることができる。取付組立体は上記軸線から半径方向外方に配設されたカウンタウエイト部分を有し、少なくとも一つの基準要素が上記軸線に関してカウンタウエイト部分の概略正反対側に配設される。
【００１３】
シャフトの第１の端部には回転ドライバを着脱可能に取り付けることができ、第２の端部には回転工具を着脱可能に取り付けることができる。第２の端部には、コレット組立体がさらに配設され得る。コレット組立体はコレットと付勢部材とを含み、コレットが中央空隙を規定し且つ該中央空隙に対して内方に付勢可能な複数のフィンガを有するようにすることができる。付勢部材は、複数のフィンガを付勢するように該複数のフィンガと係合可能であり、複数のフィンガを中央空隙に対して内方に付勢する位置に取り付けることができる。シャンクを有する外科用工具が中央空隙内に挿入可能であり、シャンクは内方に付勢可能な複数のフィンガにより回転可能に且つ固定的に係合可能である。シャフトの第２の端部は、外側螺条と軸線方向に配設された開口部とを有する円筒状シャフトにより形成され得る。コレットは開口部内に部分的に配置され、コレットの複数のフィンガの少なくとも一部が開口部から突出する。付勢部材は、外側螺条にねじ式に係合し、コレットの複数のフィンガの突出部分に外接する。
【００１４】
本発明は、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ためのさらに別の形態の外科器具からなる。この外科器具は、回転部材と、該回転部材に操作可能に結合された取付組立体とを含み、回転部材及び取付組立体が軸線周りに相対回転可能になっている。ンピュータ支援ナビゲーションシステムに登録可能な少なくとも一つの基準要素が取付組立体上の予め定められた箇所に配設される。取付組立体上に配設された回転防止用特徴部は、上記軸線が概略的に水平に配設された状態での回転部材及び取付組立体の相対回転の際に少なくとも一つの基準要素が上記軸線の垂直方向上方に配設される姿勢になるように、取付組立体を付勢する。回転防止用特徴部は、上記軸線に関して基準要素の正反対側で取付組立体に固着されたカウンタウエイトとすることができる。
【００１５】
本発明は、さらに別な形態として、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ための手術用回転工具を提供する方法からなる。この方法は、シャフトを準備するステップと、取付組立体をシャフトと結合するステップとを含み、取付組立体及びシャフトが軸線周りに相対的に回転可能になるようにする。取付組立体上には、コンピュータ支援ナビゲーションシステムに登録可能な少なくとも一つの基準要素が配設される。この方法は、さらに、取付組立体に対してシャフトを回転させるステップと、上記軸線に対して取付組立体を所望の姿勢となるように同時的に非手動的に付勢し、上記軸心が水平方向に向けて配置されたときに少なくとも一つの基準要素が上記軸線の垂直方向上方に配設されるようにするステップとを含む。取付組立体を所望の姿勢に付勢する上記ステップは、取付組立体上にカウンタウエイトを配設するステップと、基準要素を重力により付勢するステップとを含み得る。上記方法は、さらに、コレット組立体により回転工具をシャフトに同軸的に固着するステップを含み得る。
【００１６】
本発明の利点は、コンピュータ支援ナビゲーションシステムに登録可能な基準要素を回転部材を有した外科器具上に取付け且つ回転工具の操作の際に周囲環境に対して基準要素を所望の姿勢に維持するための手段を本発明が提供することである。これにより、基準要素を回転工具の概略上方に配置し、基準要素とセンサとの間のサイトラインの維持を容易にすることが可能となる。基準要素をナビゲーションセンサのサイトライン内に維持する能力は、基準要素から反射され又は基準要素により生成された光を検出する光学システムのようなある種のタイプのコンピュータ支援ナビゲーションシステムに対しては特に重要である。
【００１７】
本発明の他の利点は、回転工具のシャンクを堅固に把持することを可能とさせ、それによって、回転工具の位置を算出するためにコンピュータ支援ナビゲーションシステムにより使用される少なくとも一つの基準要素に対して回転工具の回転軸線の一切の移動を制限するコレット組立体を本発明が提供することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の上述の及び他の特徴及び目的、並びに、それらを達成する方法は、添付図面についてなされた本発明の実施形態に関する以下の説明を参照することにより更に明らかとなり且つ本発明自体が更に良好に理解される。
【００１９】
種々の実施形態の幾つかの図を通し、対応する参照符号は対応する部分を指している。本明細書中に示された例示内容は本発明の実施形態を示しているが、以下に開示された実施形態は、全てを網羅することを意図したものではなく、また、本発明の範囲を開示された厳密な形態に限定するものと解釈されることを意図したものでもない。
【００２０】
図１には、本発明の一実施形態による外科器具２０の組立分解図が示されている。外科器具２０は、取付組立体４０と回転可能に係合した回転部材２２を含む。回転部材２２は、図１及び図２に最もよく示されており、取付組立体４０内に配置された軸受スリーブインサート４２（図３）と係合するように構成された２つの円筒状部分２４を有するシャフトを形成する。回転部材（又はシャフト）２２はさらに第１の端部２６を含み、この第１の端部２６は、外科ドリル４４又は他の動力式若しくは手動式の回転ドライバと係合するような慣用的形状を有する。回転部材２２は、好適には、ステンレス鋼から作成されるが、他の材料も企図される。以下において更に詳細に論じられるように、取付組立体４０をシャフト２２上に固着するために、ワッシャ形状の保持具２８が回転部材２２に溶着されている。第１の端部２６の逆側には、シャフト２２の第２の端部３０が在る。第２の端部３０は、一体的に形成されて径方向に拡大された把持部分３２と、螺条付きシャフト部分３４とを含む。軸線方向に延びる円筒状開口部３６は、第２の端部３０の遠位面上にボア３８を規定する。
【００２１】
図１及び図３に示されているように、取付組立体４０は取付部材４６を含み、該取付部材４６は、スリーブ部分４８と、一体的に形成されたカウンタウエイト５０及び取付ステム５２とを有する。取付組立体４０は、好適には、ステンレス鋼から製造されるが、他の材料もまた本発明の範囲内であることが企図される。スリーブ部分４８は、シャフト２２を取り囲んでおり、軸受スリーブ４２が内部に配置される円筒状開口部５４を規定している。取付ステム５２の径方向遠位端部５６は、自身上に基準アレイ（基準配列）６０を取付けるために、雄型蟻継手５８及び螺条付き開口部５９を有している。
【００２２】
基準アレイ６０は、雌側蟻継手６４を形成する支持構造６２と、外方に延びる複数のアーム６８とを含む。支持構造６２は、アルミニウム、他の金属、プラスチック、又は、他の適した任意の剛性材料から製造され得る。支持アーム６８の各々には、基準要素７０が取り付けられている。本発明には、少なくとも一つの基準要素７０が含まれており、好適な実施形態には、四つの基準要素７０が示されている。図示されている実施形態では、各基準要素７０は、以下において更に詳細に論じられるように、コンピュータ支援ナビゲーションシステムに登録可能な反射性球体である。螺条付き留め具６６が支持構造６２の孔６７を貫通しており、螺条付き開口部５９としっかりと係合して、蟻継手５８、６４を係合させた後で取付ステム５２上にアレイ６０を堅固に固着させる。もちろん、選択される接続手段が二つの構成要素間の堅固な接続を許容する限りにおいて、支持構造６２は、各図に示された蟻継手及び螺条付き留め具の構成以外の手段によって取付組立体４０に取り付けられ得る。
【００２３】
コレット組立体８０が第２の端部３０に設けられており、リーマ７２のなどの外科用回転工具をシャフト２２に取り付けるために使用される。リーマ７２は、切削用螺条を備えた長いシャフト部分７４と、鈍端７６とを有する従来型のリーマである。リーマ７２は、さらに、従来型の形態に構成された係合シャンク７８を含む。コレット組立体８０は、小径部分８４と大径部分８６とを有したコレット８２を含む。コレット８２は、好適には、ステンレス鋼から作成されるが、他の材料も使用され得る。図示されている実施形態では、コレット８２は四つの可撓性フィンガ（指状部分）８８を含み、該フィンガは、間隙９０により互いから分離されており、コレット８２によって規定された中央の空き空間内へ半径方向内方に向けて付勢され得る。各間隙９０は可撓性フィンガ８８の下方で中心方向に延びており、コレット８２の可撓性を向上させている。所望であれば、フィンガ８８の各々に対して追加的な可撓性を付加するために、小径部分８４から大径部分８６へ延びる付加的間隙９４も設けられ得る。カム表面９２がフィンガ８８の遠位端部に設けられており、付勢部材１００のカム表面９８と係合可能になっている。所望であれば、フィンガ８８及び間隙９０の個数が変更され得ることが企図されることは勿論である。
【００２４】
コレット８２の小径部分８４が円筒状ボア３８内に配設されると、コレット８２のフィンガ８８上の第２のカム表面９１が開口部３８を規定する表面に係合する。大径部分８６はボア３６から外方に延び、付勢部材１００を外接されられる。付勢部材１００は、外側螺条３４に係合する内側螺条１０２を含んでいる。付勢部材１００が次第に螺条３４に係合されるにつれ、カム表面９８がコレット８２のフィンガ８８を半径方向内方に開口部３６に向けて付勢する。カム表面９１と開口部３６との係合により、コレット８２のフィンガ８８も、コレット８２により規定された中央の空隙に向けて内方に付勢される。
【００２５】
これにより、リーマ７２のシャンク７８が付勢部材１００の開口部１０４に挿入されると、コレット組立体８０は該シャンク７８に堅固に係合し得る。コレット８２のフィンガ８８は、さらに、他の回転可能な工具を堅固に把持するためにも使用され得る。付勢部材１００は、さらに、開口部１０４の両側部上に配設された突出部１０６を含み、この突出部１０６がシャンク７８上に設けられた平坦部１０８と係合する。シャンク７８は、好適には、ハドソンコネクタ／トリンクルアダプタ（Ｈｕｄｓｏｎ  ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ／Ｔｒｉｎｋｌｅ  ａｄａｐｔｏｒ）として公知の従来型形態を有する。しかしながら、コレット８２のフィンガ８８は、代替的形状に形成されたシャンク又は係合特徴部を有する工具に対しても使用され得る。
【００２６】
図４には、コレット組立体８０の代わりに使用され得る代替的な第２の端部３０ａが示されている。この代替的なコネクタは、シャフト２２ａを取り囲む外側スリーブ１１０を有している。シャフト２２ａは、第２の端部３０ａを除いてシャフト２２と同様である。付勢部材１１２は、スリーブ１１０を矢印１０９により示される方向に付勢する。スリーブ１１０の内側表面は、異なる直径を有する二つの部分を有している。非係合部分１１４は、ロック部分１１６より大きな直径を有している。非係合部分１１４及びロック部分１１６の両部分は、シャフト２２ａの中空円筒状部分１２０の開口部内に配設されたロック用ボール１１８に対面する。スリーブ１１０が図４に示されている位置に配設されるとき、ボール１１８はスリーブ１１０の内側表面（ロック部分１１６）により内方に付勢されて、シャンク７８上で周方向に延びる凹部１２４と係合し、それによって、シャンク７８をシャフト２２ａ内にロックする。ボール１１８はシャンク７８をシャフト２２ａに固着させるが、シャフト２２ａに対するシャンク７８の相対回転は妨げない。シャフト２２ａ上の突出部１２２は平坦部１０８に係合し、シャンク７８とシャフト２２ａとの相対回転を防止する。シャンク７８を取り外すためには、スリーブ１１０が矢印１１１により示されている方向に移動させられ、径方向に拡大された内側表面（非係合部分１１４）によりロック用ボール１１８がシャンク７８から係合解除されることを可能とさせる。
【００２７】
図４に示されている迅速接続式のロック用特徴部は、シャフト２２ａとそれに係合する回転工具との間に比較的確実な係合を提供するために、四つのロック用ボール１１８を含んでいる。上記迅速接続式結合具を比較的厳格な公差で製造すれば、接合される２本のシャフトの間の係合も改善され得る。シャフト２２上に配置されたコレット組立体８０は、さらに、リーマ７２の回転軸線がシャフト２２の軸線２１と整列される位置にリーマ７２を維持し且つシャフト２２及び取付組立体４０に対するリーマ７２の回転軸線の一切の相対移動を最小化させる、すなわち、リーマ７２の揺動を阻止する比較的確実な接続も提供する。
【００２８】
シャフト２２、２２ａとリーマ７８などの回転工具との間に比較的に堅固な接続を提供することにより、コンピュータ支援ナビゲーションシステムによる工具の追跡は、シャフト２２、２２ａに対する該工具の揺動を減少させることで改善され得る。多くの場合、従来の外科用ドリルはリーマ又は他の回転工具に係合する接続部を有し、これが回転工具のある種の揺動を許容する。このような状況において、もし基準アレイがドリルのハウジングに取付けられたなら、ナビゲーションシステムにより演算される回転工具の位置は、工具が揺動しナビゲーションシステムにより直接的に追跡される基準アレイに対する該工具の仮定位置から逸脱してしまうという点で、不正確となる。
【００２９】
図１で分かるように、シャフト２２及び取付組立体４０はドリル４４とリーマ７８との間に配置され、ドリル４４とシャフト２２の第１の端部２６との間の接続部により生成される一切の揺動は基準アレイ６０とリーマ７８との相対位置に影響を与えない。リーマ７８又は他の回転工具はシャフト２２に対して堅固に固定され、工具の相対移動を防止又は最小化する。
【００３０】
取付組立体４０は、取付けられた工具に対して予め定められた相対位置に、基準アレイ６０と該アレイ上に取付けられた基準要素７０とを位置決めするように設けられるので、基準要素７０の位置を追跡するコンピュータ支援ナビゲーションシステムが第２の端部３０に取付けられた工具の位置を決定することができる。基準アレイ６０及び第２の端部３０とそれに対して固着された任意の工具との軸線方向の相対移動は、取付組立体４０を把持部３２と保持具２８との間に位置決めすることによって防止される。シャフト２２と取付組立体４０とを一体的に組立てるとき、取付組立体４０をシャフト２２上に配置してから保持具２８がシャフト２２に溶接され、取付組立体４０を把持部３２と保持具２８との間に固着させて、取付組立体４０とシャフト２２との軸線方向の相対変位を防止する。
【００３１】
センサが基準要素によって反射された又は発せられた光を検出する光学システムのように、追跡される基準要素と該基準要素を追跡するセンサとの間おいて妨げの無いサイトラインの存在を要とするナビゲーションシステムの場合、基準要素は軸線２１の上方に配置されてその視認性を増大させることが望ましい。ナビゲーションシステムは、基準アレイ６０が“逆さま”の姿勢で軸線２１の下方に配置されたならば基準アレイを認識しないこともある。よって、一般に、基準アレイ６０を軸線２１の垂直方向上方に配置することが望ましい。
【００３２】
参照番号５１は取付組立体４０の重心の位置を指しており、図５に示されている。重心５１は、シャフト２２に対して回転する取付組立体４０全体に対するものであり、よって、基準アレイ６０を含んでいる。同様に図５で分かるように、取付ステム５２は（軸線２１に関して）カウンタウエイト部分５０の正反対側に配設されている。上述したように、基準アレイ６０は、軸線２１に対して第１の角度位置に配置された取付ステム５２の遠位端部５６上に取付けられている。重心５１は軸線２１に対して第２の角度位置を規定し、角度５３によって示されているように、基準アレイ６０の取り付け点と重心５１との夫々の角度位置は１８０°の角度だけ離れている。
【００３３】
取付組立体４０はシャフト２２に対して回転可能であり且つ他の任意の部分に対して固着されないので、回転軸線２１が概略水平に配設されたとき、取付組立体４０に作用する重力は該取付組立体４０の重心５１を回転軸線２１の直下の位置に向けて付勢する。本発明は、回転軸線２１から径方向に離間して配置されたカウンタウエイト５０を利用して、取付組立体４０の重心５１の位置を制御する。カウンタウエイト５０は、重心５１を基準アレイ６０と正反対側に位置させることで基準アレイ６０を回転軸線２１の上方の位置に向けて重力で付勢するように構成される。図示されている実施形態では、カウンタウエイト部分５０を含めた取付部材４６は比較的密なステンレス鋼から作成されることが好ましく、基準アレイ６０は比較的軽量なアルミニウムから作成されることが好ましい。しかしながら、重心５１を所望の箇所に配置させるために、他の材料を使用することも可能である。回転軸線２１に対する角度位置に関して述べたが、回転軸線２１が概略水平に配設されたときに基準要素７０を回転軸線２１上の位置又はその上方の位置に維持するには、回転軸線２１に対する基準要素及び重心の角度位置は、少なくとも９０°だけ離されていなくてはならない。
【００３４】
二つの隆起円筒状部分２４を用いて軸受スリーブ４２の端部近傍にて該軸受スリーブ４２と係合することによって、取付部材４６は、シャフト２２と軸受スリーブ４２との間の接触表面積を制限することでシャフト２２と取付組立体４０との相対回転に対する摩擦抵抗を減少させるという安定的な様式で、シャフト２２上に回転可能に取付けられる。図示されている実施形態では、スリーブ４２はポリテトラフルオロエチレン（すなわちテフロン（登録商標）としても公知であるＰＴＦＥ）から作成されるが、スリーブ４２を形成するために金属材料又は他のポリマ材料（ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）など）も使用され得る。シャフト２２と取付部材４６との間に異なる構造を有する代替的な軸受を配置してもよく、または、シャフト２２が取付部材４６に対して直接的に担持されてもよい。
【００３５】
カウンタウエイト部分５０の存在により、シャフト２２がドリル４４（又は他の回転ドライバ）によって回転され一方でリーマ７８（又は他の回転工具）を回転させるときに、基準アレイ６０はシャフト２２及び回転軸線２１の両方の上方に位置するままとなる。よって、外科医は、取付組立体４０をこの所望位置に手動で保持する必要はない。これにより、カウンタウエイト５０は、回転防止用特徴部として、取付組立体４０に作用する。取付組立体４０の代替実施形態は、取付組立体４０がシャフト２２と共に回転するのを防止するために、ドリルのハウジング又は他の非回転構造と係合するように構成された係合アームなどの代替的な回転防止用特徴部を含むことができる。カウンタウエイト５０の利点は、カウンタウエイトが他の任意の静止構造との係合に依存しない回転防止用特徴部を提供することである。本明細書中において使用されているように、回転防止用特徴部とは、周囲環境に対する軸線２１周りの取付組立体４０の回転を阻止するがシャフト２２と取付組立体４０との相対回転は依然として許容するという特徴部をいう。
【００３６】
上述したように、基準アレイ６０は取付アーム５２上に取付けられ、四つの基準要素７０を含んでいる。好ましい実施形態では、基準アレイ６０上に非線形的に配置された少なくとも三つの基準要素７０を設けることにより、これらの基準要素の位置を決定することで、コンピュータ支援ナビゲーションシステムが基準アレイ６０の位置及び姿勢を演算し、それによって、シャフト２２及び該シャフトに取付けられた工具の位置及び姿勢も演算することが可能となる。しかしながら、好ましい実施形態において示されたタイプ以外の基準要素も使用可能であり、このような要素は、上述した非線形的に配置された少なくとも三つの要素と対照的に、単一の要素のみ又は少なくとも一つの要素を必要とすることもある。
【００３７】
次に、図６〜図８を参照し、本発明の外科器具の第２の実施形態が示され、説明される。他の実施形態（図１〜図３と図５に示されている）の同様の特徴に対応する上記実施形態の特徴は、ダッシュ（´）記号が付されたことを除いて、同一の参照番号が付されている。第２の実施形態は外科器具２０´として示されており、これは取付組立体４０´と回転可能に係合した回転部材２２´を含んでいる。本実施形態と第１の実施形態との間の主な相違は、本実施形態がノッチ付きシャフト保持具１４３と相互作用するロックレバー１４２を備えたロック組立体１４０を含み、これらが回転部材２２´と取付組立体４０´との間の相対回転を選択的に防止する比較的に容易な手段を協働して提供することである。ロック組立体に加え、本実施形態の別の利点は、ロック組立体が他の実施形態よりも軸線方向に短じかく、これにより基準要素７０によってナビゲーションシステムに対してより正確な位置読取値が潜在的に提供され得るようになることである。本実施形態の他の相違及び利点は、以下に説明され、若しくは説明から明らかとなる。
【００３８】
第１の実施形態と同様に、第２の実施形態は回転部材２２´を含み、回転部材２２’は、外科用ドリル４４（又は他の動力式若しくは手動式の回転ドライバ）内に挿入されて該ドリル４４によって回転される従来型の形状に構成された第１の端部２６´を含んでいる。回転部材２２´は、図７に示されているように、取付部材４６´のスリーブ部分４８´内に着座してそれらの間に軸受スリーブインサート４２´を挟むように構成された円筒状部分２４´をさらに含んでいる。図７に示されている第２の実施形態の例では、円筒状部分２４´は連続的で均一な直径である。しかしながら、円筒状部分２４´は、摩擦抵抗を減少するために、（図２に示されているような第１の実施形態の部分２４と同様な）２個以上の隆起円筒状部分に分割されてもよく、このような摩擦抵抗の減少は、スリーブインサート４２´に対して使用される材料の種類に依存して必要とされる若しくは所望される。好適には、スリーブインサート４２´は、スリーブインサート４２´が連続的直径で作成されるのを可能とさせるポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）から作成される。もちろん、スリーブインサート４２´は、ポリテトラフルオロエチレン（すなわちテフロン（登録商標）としても公知であるＰＴＦＥ）などの他のポリマ材料、または、金属材料から作成し、対応して円筒状部分２４´の構成を２個以上の隆起円筒状部分に改変することもできる。本実施形態のスリーブインサート４２´は、取付部材４６´にスリーブインサート４２´を取り付けることを可能とさせるために設けられた肩部４３を備えているので、第１の実施形態のスリーブインサート４２と異なる。本実施形態の図示例は、肩部４３に形成された三つの孔１４６内に挿入される三つのネジ１４４を含んでいる。しかしながら、異なる個数のネジ／孔の構成も使用可能であり、ネジ／孔構成を省略して他の取付手段を使用することも可能である。また、所望であれば、取付用特徴部を完全に省略することができ、所望であれば、第１の実施形態（図３に示されている）のインサート４２と同様の非取付軸受スリーブを使用することも可能である。
【００３９】
第２実施形態の取付部材４６´は、第１の実施形態の構成と同様の構成の遠位端部５６´を備えた取付ステム５２´を含んでおり、第１の実施形態に関して記載されたものと同一である基準アレイ６０に対してこの遠位端部５６´を取り付けることができるようにしている。これらの特徴は第１の実施形態に関して既に説明されたものであるから、第２の実施形態に関して更なる説明は不要である。
【００４０】
第１の実施形態と同様に、取付部材４６´の一体的形成部分としてカウンタウエイト５０´も設けられている。いずれの実施形態の場合も、カウンタウエイト５０／５０´が別体の構成要素として設けられ且つ取付部材４６／４６´が当該カウンタウエイトのハウジングとして機能することも企図される。
【００４１】
取付部材４６´は、また、少なくとも一つの座ぐり穴（カウンタボア）１４８を含むことが好ましく、第２の実施形態の図示されている例においては三つの座ぐり穴１４８が含まれている（一つの座ぐり穴が底部に設けられ、各側部に一つずつ座ぐり穴が設けられている）。各座ぐり穴１４８は、ロッド（図示せず）を受け入れて、付勢部材１００´に対して取付部材４６´を回転させるための更に良好な“てこ作用”を使用者に提供するように構成されている。同様に、付勢部材１００´もまた、同じ目的で単数又は複数のボア１５０を含むことが好ましい。使用に際しては、一つのロッドが座ぐり穴１４８のうちの一つに挿入されると共に、一つのロッドがボア１５０のうちの一つに挿入され、これらの二つのロッドが付勢部材１００´に対して取付部材４６を回転させるために用いられる。外科器具２０´がどのように配置されるかにかかわらず、少なくとも一つのボア及び少なくとも一つの座ぐり穴に対する障害のない便利なアクセスを提供するために、夫々が単一のものとされる代わりに、複数の座ぐり穴１４８及び複数のボア１５０が設けられることが好ましい。所望であれば、同様の特徴が第１の実施形態にも提供され得る。
【００４２】
第２の実施形態の回転部材２２´の第２の端部３０´には、リーマ７２などの外科用回転工具（又は他の任意の外科用回転工具）を回転部材２２´に固着するためのコレット組立体８０´が設けられている。コレット組立体８０´は、第１の実施形態のものと幾分か異なる構成になっている。より詳細には、コレット組立体８０´は、コレット８２´と、勢部材１０´と、回転部材２２´の第２の端部３０´に形成された開口部３６´とを含む。これらの三つの特徴部は全て第１の実施形態の同様の特徴部と少なくとも僅かに異なっている。
【００４３】
コレット８２´は、好適には、小径部分８４´と、大径部分８６´とを含み、好適には、これらが、各々、複数の可撓性フィンガに分割されている。より詳細には、大径部分８６´の近傍の端部から延びる間隙９０´はコレット８２´を複数の可撓性フィンガ８８´に分割している。この例では、三つのフィンガ８８´が示されている。好適には、コレット８２´は、さらに、小径端部８４´から大径端部８６´内へ延びる少なくとも一つの補助的間隙９４´を含む。任意選択として、さらなる可撓性を付加するために、フィンガ８８´の一つ又は全てに、単数又は複数の補助的間隙９４´を設けてもよい。好適な実施形態は各フィンガ８８´に一つの補助的間隙９４´を含んでいる。
【００４４】
第１の実施形態と同様に、第２の実施形態のコレット８２´は、第１のカム表面９２´と、第２のカム表面９１´とを含む。第２の実施形態の各カム表面の好適な構成は第１の実施形態のものと異なっている。より詳細には、第１の実施形態の両カム表面９１及び９２は本質的に同一サイズ（軸線方向及び径方向の両方について）であるが、第２の実施形態のカム表面９１´は軸線方向及び径方向の両方についてカム表面９２´よりも大きくなっている。相対的に大きいカム表面９１´は、本実施形態では回転部材２２´上の開口部３６の一端に含まれているテーパ状カム表面１５２との相互作用をさらに良好にさせることができる。カム表面９２´との相互作用のために、付加的なカム表面すなわち表面９８´が付勢部材１００´上に設けられている。もちろん、上記カム表面の構成における変形も本発明の範囲内であることが企図されている。
【００４５】
付勢部材１００´は、好適には、回転部材２２´の第２の端部３０´上の外側螺条３４´と係合する内側螺条１０２´を含む。付勢部材１００´が回転部材２２´の第２の端部３０´に対して締め付けられると、カム表面９８´がカム表面９２´に係合し、それによって、フィンガ８８´を半径方向内方に付勢する。フィンガ８８´は、さらに、付勢部材１００´が更に締め付けられると、カム表面９１´がカム表面１５２に係合したときに半径方向内方に付勢される。本実施形態では、開口部３６´は、好適には、テーパ状端部１５４を含み、このテーパ状端部１５４がコレット８２の小径部分８４´を半径方向内方に付勢するための別のカム表面として作用する。好適には、付勢部材１００´が回転シャフト２２´の螺条付きシャフト部分３４´に対して締め付けられるときにコレット８２´が圧縮されると更に均一な直径の減少を促進するために、大径部分８６´上に少なくとも一つのノッチ１５６（更に好適には、各フィンガ上に一つのノッチ）が設けられる。複数のカム表面及び可撓性フィンガを使用することで、シャンク７８が開口部１０４´に挿入され且つ付勢部材１００´が締め付けられたときに、コレット組立体８０´はリーマ７２（又は他の回転工具）のシャンク７８に堅固に係合する。コレット組立体８０´が示され説明されたが、第２の実施形態においては、コレット組立体８０´に代えて、図４に示されている代替的な第２の端部３０ａ又は第１の実施形態のコレット組立体８０若しくは完全に別の機構のような他のタイプのシャンクコネクタ機構を使用できることも企図される。
【００４６】
次に、図７及び図８を参照して、ロック組立体１４０を説明する（ここで、図８は回転シャフト２２´を取り除いた状態の端面図であり、ばね部材１６０を更に良好に示すために部分的に切り欠かれている）。ロック組立体１４０は、付勢部材１００´が回転シャフト２２´の第２の端部３０´に螺着される（又は螺着解除される）ときなどに、回転シャフト２２´に対して取付組立体４０´を一時的にロックして、それらの間の相対回転を防止するために設けられている。先に言及されたように、ロック組立体１４０は、レバーネジ１５８上に旋回可能に取付けられたロックレバー１４２を含んでいる。ロックレバー１４２は、好適には脚部１６２及び１６４を含む概略“Ｌ”字形状のねじりばねであるばね部材１６０によって、図７に示されている位置である閉じた位置に付勢されている。脚部１６２は、好適には、カウンタウエイト１５０´の孔１６６内へと挿入されることによって所定位置に維持され、且つ、脚部１６４は、好適には、図８に示されているようにロックレバー１４２の段差部分１７０内に設けられた孔１６８内に挿入されることによって所定位置に維持される。“Ｌ”字形状のねじりばね１６０に代えて、適切に配置されたコイルばねのような別の形態の付勢手段を代わりに使用することもできる。
【００４７】
ロックレバー１４２は、さらに、シャフト保持具１４３上に設けられた少なくとも一つのノッチ１７４と雄雌式に係合するように構成された少なくとも一つの突出部１７２を含んでいる。シャフト保持具１４３は単一のノッチのみを含んでもよいが、ロックレバー１４２がノッチと雄雌式に係合し得るようにロックレバー１４２に対してシャフト保持具１４３を回転させることを要するのを回避するために、複数のノッチを含むことが好ましい。さらに、突出部及びノッチの位置は、シャフト保持具１４３が単数又は複数の突出部を含み且つロックレバーが少なくとも一つのノッチを含むように、逆とされ得ることに留意されたい。
【００４８】
シャフト保持具１４３は、回転部材２２´と共に回転するように該回転部材２２’に堅固に取付けられている。シャフト保持具１４３を回転部材２２´に取付ける種々の方法（キー止め配置、又は、一組の対応する非円形断面など）が使用され得るが、第２の実施形態の図示例は止めネジ構成を利用している。より詳細には、シャフト保持具１４３は、好適には、シャフト保持具１４３の螺条付き孔内に挿入された少なくとも一つの止めネジ１７６（好適な実施形態においては二つの止めネジが使用されている）により、回転部材２２´に堅固に固着される。好適には、止めネジ１７６は、回転シャフト２２´に形成された凹部１７８に係合する。止めネジ１７６はノッチ１７４と干渉してはならず、よって、図７に示されているように、各止めネジがノッチ１７４内に配置された場合、止めネジはそれらの頂部がノッチの底面と面一になるように着座されるに十分に短くなければならない。その他の場合、止めネジはノッチ１７４から径方向に離れた位置に配置され得る。凹部１７８はさらに確実な取付構成を提供するが、所望であれば該凹部は省略され得る。
【００４９】
ロック組立体にノッチを設けることに加え、シャフト保持具１４３も回転部材２２´を軸線方向の所定の位置に維持するように機能する。より詳細には、シャフト保持具１４３は（第２の端部３０´上の）肩部１４７と協働して、回転部材２２´が（軸受スリーブインサート４２´を介した）スリーブ部分４８´との係合から外れて軸線方向に移動するのを防止する。所望であれば、ある程度の軸線方向の遊びを提供するために、波形ワッシャ１４５がシャフト保持具１４３と軸受スリーブインサート４２´との間に設置されてもよい。
【００５０】
螺条付きシャフト部分３４´に対して付勢部材１００´を締め付ける（若しくは緩める）ことが意図されたときなどにロック組立体１４０に係合して回転部材２２´と取付部材４６´との間の相対回転を防止するために、突出部１７２がノッチ１７４のうちの一つのノッチに雄雌式に係合するまで、ロックレバー１４２が（図７の光景に関して）反時計方向に即ちばね部材１６０の付勢力に抗して押圧される。ユーザに快適性を与えるために、ロックレバー１４２上に湾曲表面１８０が設けられることが好ましく、それによって、ロック組立体１４０に係合してそれをロック位置に維持するために、使用者の指は引き金のようにレバー１４２の湾曲表面１８０に違和感なく快適に係合する。使用者がロック組立体１４０をロック位置から解除することを望むときには、使用者は自身の指によりレバー１４２の湾曲表面１８０に付与した圧力を単に解除し、ばね部材１６０がレバー１４２を付勢して、突出部１７２がもはやノッチ１７４のうちの一つとは係合しなくなるようにする。この時点において、付勢部材１００´が締め付けられ且つシャンク７８が堅固に係合されたなら、回転工具を使用することができるようになり、カウンタウエイト５０´は、第１の実施形態と同じように、基準アレイ６０を軸線２１´の垂直方向上方に維持するように作用するようになる。
【００５１】
第１の実施形態の把持部３２が排除され、これにより第１の実施形態の回転部材２２又は２２ａと比較して第２の実施形態の回転部材２２´の軸線方向長さをさらに短くすることが可能となるので、第２の実施形態（図６〜図８）の組立体の軸線方向長さは第１の実施形態（図１〜図５）のものと比較して減少する。また、付勢部材１００´、コレット８２´及び取付部材４６´のような構成要素の幾つかも、軸線方向の長さを減少させて作成される。このように軸線方向の長さを減少させれば、ナビゲーションシステムの正確性をさらに良好にさせることが可能となる。
【００５２】
当該技術分野において公知となっているように、画像誘導処置において使用されるリーマ７８などの外科器具の固定されたサイズ及び形状に関するデータは術前に決定され、上記器具又はその関連部分の３次元モデルを取得することができる。さらに、例えば大腿骨といった重要な解剖学的構造に関する適切な寸法データが、解剖学的構造の画像から獲得したデータを用いて決定され、解剖学的構造のモデルを表すデータベースを生成させることもできる。解剖学的構造のモデルは、解剖学的構造に関する一連の２次元画像を獲得することによって構築された３次元モデルとすることができる。あるいはまた、解剖学的構造のモデルは、既知の空間的関係を有する一組の２次元画像としてもよく、解剖学的構造の３次元形態に関する情報を伝達するために使用され得る他のデータ構造としてもよい。その場合、解剖学的構造のモデルは、術前計画のため及び術中のナビゲーションのために種々の視点から解剖学的構造の表示を行うために使用され得る。このような解剖学的構造のモデルを生成するために採用され得る種々の技術は、当該技術分野において周知のものであり、これには、コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）、ポジトロン放射形断層撮影法（ＰＥＴ）、超音波走査及び螢光透視撮像技術が含まれる。
【００５３】
このような撮像技術により取得された解剖学的構造のモデルは、実際の解剖学的構造に対する外科器具の相対位置及び姿勢の決定及び表示を容易にすることによって、外科器具の術中誘導のために使用され得る。例えば、解剖学的構造のモデルが既知の空間的関係を有する一組の２次元画像の場合、このような画像のうちの幾つかが外科処置の際に同時に表示され得る。また、画像内に外科器具の位置を表示し、且つ、異なる視点から得られた画像、例えばｘ及びｙ座標軸に沿った器具の移動の表示を容易にする一つの画像とｚ軸に沿った器具の移動の表示を容易にする別の画像とを表示することにより、個々の画像は協働して、解剖学的構造に対する３次元的な外科器具の移動を表し得る。
【００５４】
参照のため、重要な主題である実際の解剖学的構造により定義された座標系は本明細書中にて解剖学的座標系と称され、解剖学的構造のモデルにより定義された座標系は画像座標系と称される。
【００５５】
骨格要素などの硬い解剖学的構造はこのような画像誘導式外科手術法に良く適しており、個々の骨格要素は別個の座標系を定義するために使用され得る。例えば骨格要素といった種々の硬い構造は相対移動の影響を受けることがある。例えば、患者の大腿骨及び寛骨臼は外科処置の際に相対移動させられることがあり、異なる骨格要素に対して別個の３次元モデル及び座標系が生成されることがある。例えば、股関節置換術の際に、大腿骨に前処置を施す間は第１の座標系を定義する大腿骨の３次元モデルが利用され得る一方、寛骨臼に前処置を施す間は骨盤の３次元モデルにより定義された別の座標系が利用され得る。
【００５６】
コンピュータ式画像誘導（ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ  ｉｍａｇｅ  ｇｕｉｄａｎｃｅ）とも呼称されるコンピュータ支援ナビゲーションを用いて外科手術手技を行う場合、画像座標系は解剖学的座標系に登録され、且つ、外科器具又は他の追跡対象物の位置も画像座標系内に登録される。実際の解剖学的構造及び外科器具の両方を登録した後、既に獲得された解剖学的構造及び外科器具の３次元モデルに基づいて該解剖学的構造及び外科器具の画像を一緒に表示することによって、外科器具の相対位置及び姿勢が外科医に対して伝えられ得る。
【００５７】
コンピュータ支援ナビゲーションシステム内に登録可能な器具であって、リーマ７２の先端７６などの既知の箇所において工具に係合し且つそれによってナビゲーションシステムにおける基準アレイ６０の先端７６の位置を校正するためのデジタル化プローブとして採用又は適用され得る器具が、グリムら（Ｇｒｉｍｍ  ｅｔ  ａｌ．）による２００４年２月４日出願の発明の名称「外科ナビゲーションシステム用のインプラント登録装置」の米国特許出願第１０／３５７，７５４号明細書、及び、マギンリーら（ＭｃＧｉｎｌｅｙ  ｅｔ  ａｌ．）による２００３年２月４日出願の発明の名称「解剖学的構造を記録する際に有用な外科ナビゲーション器具」の米国特許出願第１０／３５７，９５９号明細書に記載されており、これらの両出願の開示内容は本願と一体のものとして参照される。
【００５８】
実際の解剖学的構造を表す３次元モデルに実際の解剖学的構造を登録すると共に、画像座標系内で外科器具又は整形外科インプラントなどの他の対象物の登録又はその位置の特定を行って、対象物と実際の解剖学的構造との相対位置の表示を容易にするコンピュータ式画像誘導システムが、当該技術分野において公知となっている。解剖学的構造を画像座標系に登録する公知の方法には、一種類又は二種類以上の走査技術により認識可能である埋め込まれた基準マーカの使用が含まれる。あるいはまた、インプラントに接触した状態又はインプラントに対して既知の姿勢となる状態にデジタル化プローブ又は同様の装置を物理的に配置することにより、インプラントの位置が特定され得る。基準インプラントを使用する代わりに、解剖学的な目印となる特定構造同士を整列させることにより、二つの座標系を登録することも可能である。米国特許第６，２３６，８７５号明細書及び同第６，１６７，１４５号明細書はいずれも、複数の剛体を登録してそれらの相対位置を表示する方法を記載しており、これらの両特許の開示内容は本願と一体のものとして参照される。
【００５９】
また、外科器具の登録又はその位置の特定と、画像座標系に既に登録されている解剖学的座標系に関する器具動作の追跡とを可能とする種々の技術を採用する追跡装置も公知である。例えば、解剖学的構造の３次元モデルを表す画像座標系における器具の位置を決定し且つ該器具の位置を登録する上では、上記器具に対して既知の姿勢で固定された反射性目標又は位置特定用発光体によって反射された又は発せられた光を検出する光学的追跡システムが公知である。例えば、このような追跡システムは、赤外光に感応する個々の荷電結合素子（ＣＣＤ）上に焦点を有する単数又は複数のレンズを有したセンサユニットの形態をとり得る。センサユニットは、対象物に対して固定された非直線的配置の三つ又はそれ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）により発せられた赤外光を検出する。プロセッサはセンサユニットにより捕捉された画像を分析し、器具の位置及び姿勢を演算する。画像座標系内におけるセンサユニットの位置を登録することにより、器具が解剖学的構造に対して移動されるときに、画像座標系に登録された解剖学的構造に対する器具の位置が決定され且つ追跡され得る。
【００６０】
代替的な位置特定システムは、無線周波数の電磁信号を発する又は可視光線を発する位置特定用発信体を採用することができる。本発明と共に使用され得る他のタイプの位置特定システムは、放射線不透過性である基準要素又は他の識別要素を採用する。また、対象物上の予め定められた箇所にて該対象物と物理的に接触させて対象物の位置を登録するようにした物理的なデジタル化プローブを採用することも可能である。
【００６１】
開示された実施形態では、位置特定システムは光源を含み、基準要素７０はその光を反射する。その場合、位置特定システムは反射光を検出して、公知のようにして個々の基準要素７０の箇所を算出する。基準要素７０は、Ｎ２Ｖ１Ｃ５、カナダ、オンタリオ州、ウォータールー、ランドール通り１０３に本社所在地を置くノーザンデジタル（Ｎｏｒｔｈｅｒｎ  Ｄｉｇｉｔａｌ）社から入手可能である。ノーザンデジタル社は、Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）及びＰｏｌａｒｉｓ（登録商標）の商標名で、本発明と共に使用され得る画像誘導システムを提供している。本発明は、また、上述のような又は別の当該技術分野において公知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され得る。例えば、ミネソタ州、ミネアポリスに本社を置くメドトロニク（Ｍｅｄｔｒｏｎｉｃ）社は、本発明との使用に適し得るＦｌｕｏｒｏＮａｖ（登録商標）仮想螢光透視鏡システム（Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｆｌｕｏｒｏｓｃｏｐｙ  Ｓｙｓｔｅｍ）のようにＳｔｅａｌｔｈＳｔａｔｉｏｎ（登録商標）の商標名で種々のコンピュータ支援手術ナビゲーションシステムを製造、販売している。
【００６２】
本発明の代替実施形態は、追跡対象物の位置及び姿勢を決定するために、光学的な追跡の代わりに磁界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され得るものである。本発明との使用に適し得る磁界と共に使用される種々の基準要素が当該技術分野において公知である。例えば、対象物の位置及び姿勢を決定するために磁界を使用する公知システムは、米国特許第５，９１３，８２０号明細書、同第６，３８１，４８５号明細書、同第６，４０２，７６２号明細書、同第６，４７４，３４１号明細書、同第６，４９３，５７３号明細書及び同第６，４９９，４８８号明細書に記載されており、これらの特許の開示内容は本願と一体のものとして参照される。
【００６３】
動作領域内に既知の特性の磁界を生成させて互いに直交する各ワイヤループによりその磁界を検知することによって、ワイヤループと、それに取付けられた外科器具などの剛性対象物とにより定義される基準要素の位置及び姿勢が演算され得る。このように互いに直交する向きに配置された各磁界センサの位置及び姿勢の決定法は、当該技術分野において公知である。単一場センサを形成するために単一のワイヤループを使用すると共に、複数の箇所から磁界を生成することによってその位置及び姿勢を決定することも、公知である。
【００６４】
本発明は例示的な構造を有するものとして説明されたが、本発明は本開示の精神及び範囲内でさらに改変され得る。したがって、本出願は、本発明の基本的原理を用いた本発明のあらゆる変形形態、使用法及び適用法を網羅することが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の一実施形態による外科器具の組立分解図である。
【図２】図１の実施形態の回転シャフト及びコレットの組立体の部分的に断面とされた組立分解図である。
【図３】図１の実施形態の取付部材の断面図である。
【図４】代替的な端部形態である迅速接続式結合具の部分断面図である。
【図５】図１の実施形態の取付部材の端面図である。
【図６】本発明の他の実施形態による外科器具の組立分解図である。
【図７】図６の実施形態の部分的に断面とされた部分組立分解図である。
【図８】図６の実施形態のロック組立体の幾つかの特徴を更に良好に示すために部分的に切り欠かれている該ロック組立体の端面図である。
【符号の説明】
【００６６】
２０，２０´    外科器具
２１，２１´    軸線
２２    シャフト
２２´    回転シャフト
２２ａ    シャフト
２６，２６´    第１の端部
３０，３０´    第２の端部
３０ａ    第２の端部
４０    取付組立体
４４    ドリル
５０    カウンタウエイト
６０    基準アレイ
７０    基準要素
７２    リーマ
【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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