(57)【要約】小型の外科用ロボットとその使用方法とが開示されている。小型の外科用ロボットは患者の骨に直接取り付けられる。前記骨の上のロボットの二次元のＸ線の像が骨の三次元の像に位置決めされる。このことによって、患者の骨上にロボットを正確に位置させる。次いで、ロボットは外科医による術前の作業計画に基づく術前に決められた位置まで導かれる。次いで、ロボットは必要とされる手術箇所まで運動し、外科医がそれを通して手術具を挿入することができるスリーブを整合させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外科手術の間手術用具を正確に位置決めして手術箇所に対して操作する外科用ロボットと、
前記外科用ロボットを前記手術箇所に関連した骨に取り付けるような形状および寸法とされた取り付け部材と、
手術箇所において前記手術用具を位置させるよう前記ロボットを導くように前記外科手術の前にプログラム化された制御装置とを含むことを特徴とする外科システム。
【請求項２】
前記ロボットが、
基部部材と、
固定された角度で前記基部部材から外方へ延在した少なくとも４個のアクチュエータであって、協働する対として配置され、前記対が前記基部部材とは反対側の協働する端部において球形の継ぎ手を画成しているアクチュエータと、
前記球形の継ぎ手によって保持されている手術用具とを含むことを特徴とする請求項１に記載の外科システム。
【請求項３】
前記手術用具が少なくとも１個の手術用具案内手段と、切断部材と、穿孔部材とを含むことを特徴とする請求項２に記載の外科システム。
【請求項４】
前記アクチュエータが長手方向の軸線を画成し、前記軸線に沿って変換運動のみを提供するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の外科システム。
【請求項５】
前記手術箇所が少なくとも概ね画成された平面内に位置し、前記外科用ロボットが前記の画成された平面に対して少なくとも概ね垂直に位置していることを特徴とする請求項２に記載の外科システム。
【請求項６】
前記ロボットが小型の平行ロボットを含むことを特徴とする請求項１に記載の外科システム。
【請求項７】
前記ロボットが基部部材に装着された少なくとも３個のアクチュエータを含み、前記アクチュエータが少なくとも変換運動すなわち回転運動するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の外科システム。
【請求項８】
前記取り付け部材が骨の取り付け部分に装着されたロボット受け入れアダプタを含むことを特徴とする請求項１に記載の外科システム。
【請求項９】
前記骨取り付け部分が特定の骨の形状に適合するような形状とされた少なくとも２個のジョーを有するクランプを含むことを特徴とする請求項８に記載の外科システム。
【請求項１０】
前記骨取り付け部分が骨の孔に受け入れられる形状および寸法とされた少なくとも１本のワイヤを含むことを特徴とする請求項８に記載の外科システム。
【請求項１１】
前記制御装置がＣＰＵと前記ロボットと通信するユーザインタフェースとを含み、前記ＣＰＵが手術箇所の像から生成されたデータに基づいてロボットを案内するプログラムを包含していることを特徴とする請求項１に記載の外科システム。
【請求項１２】
前記手術箇所の像が、支持部材のための新規な位置を必要とする各外科手術の前に創成されることを特徴とする請求項１１に記載の外科システム。
【請求項１３】
前記外科用ロボットが基部部材と、固定された角度で前記基部部材から外方へ延在する二対のアクチュエータとを含み、前記アクチュエータが各々第一と第二の端部を有し、前記対の前記第一の端部が前記基部部材において離隔され、前記対の第二の端部が集合して手術用具保持要素を画成し、
前記取り付け部材が前記ロボットの基部材に取り外し可能に固定され、かつ前記外科用ロボットを前記手術箇所に関連した骨に取り付けるような形状と寸法とされており、
前記制御装置がプロセッサと、前記ロボットと通信するユーザインタフェースとを含み、前記プロセッサが前記外科手術に先立って生成された手術箇所の像から創成されたデータに基づいてロボットを案内するプログラムを包含していることを特徴とする請求項１に記載の外科システム。
【請求項１４】
前記制御装置が外科手術に先立って生成された手術箇所の像から創成されたデータに基づいてロボットを案内するプログラムを包含したプロセッサを含むことを特徴とする請求項１に記載の外科システム。
【請求項１５】
前記プログラムが、
初期の三次元の像からのデータを利用して前記初期の三次元の像を基準とした手術計画を提供するよう外科手術手順を計画する段階と、
手術箇所と支持部材との少なくとも二つの放射線写真像を生成する段階と、
骨に取り付けられた取り付け部材の正確な位置を含む擬似三次元の像を形成するために前記放射線写真を相関させる段階と、
前記の擬似三次元像からのウインドウを選択し、前記ウインドウを初期の三次元像からの同様に選択したウインドウに位置決めさせる段階と、
取り付け部材が手術箇所に関連して位置されるように初期の三次元の像に前記擬似三次元像を相関させる段階とを実行する指令を含むことを特徴とする請求項１３または１４に記載の外科システム。
【請求項１６】
ウインドウを選択する前記指令の結果、取り付け部材の概ね近傍にあるウインドウが選択されることを特徴とする請求項１５に記載の外科システム。
【請求項１７】
前記プログラムが手術箇所の前記放射線写真像を生成する前に前記取り付け部材に装着された形像参照プレートにおける参照マーカに基づいて放射線像を較正するための指令を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の外科システム。
【請求項１８】
前記ロボットが既知の基準寸法を含み、前記プログラムが更に、手術箇所の前記放射線写真像を創成する前に前記参照マーカに基づいて放射線写真像を較正する指令を含むことを特徴とする請求項１５に記載の外科システム。
【請求項１９】
擬似三次元の像を初期の三次元の像と相関させる前記指令が前記の擬似三次元の像の前記ウインドウ以外の残りの部分を前記三次元の像の前記ウインドウ以外の残りの部分と位置決めさせるための指令を含むことを特徴とする請求項１５に記載の外科システム。
【請求項２０】
前記プログラムが更に、前記計画に関連した前記取り付け部材の相関された位置に基づいて手術計画に従って手術用具を自動的に位置決めするための指令を含むことを特徴とする請求項１５に記載の外科システム。
【請求項２１】
前記プログラムが案内スリーブを通して正確に位置決めされた手術箇所まで手術用具を挿入するための指令を含むことを特徴とする請求項１５に記載の外科システム。
【請求項２２】
外科用ロボットが、
基部部材と、
前記の基部部材から延在している少なくとも二対のアームであって、前記アームがリニアアクチュエータを含み、各対のアームが前記基部部材において離隔され、前記基部部材に対向して相互に向かって延在し、協働端部において終わっているアームと、
各対の前記の協働端部に装着された球形継ぎ手と、
前記手術用具が前記アクチュエータの運動によって予め画成された平面内のいずれかの点に位置しうるように前記球形継ぎ手を通して端部が延在している手術用具とを含むことを特徴とする請求項１に記載の外科システム。
【請求項２３】
前記の手術用具が器具がそこを通して挿入しうる案内スリーブを含むことを特徴とする請求項２２に記載の外科システム。
【請求項２４】
前記アームが更に、リニアアクチュエータと球形継ぎ手との間に位置したヒンジ継ぎ手を含むことを特徴とする請求項２２に記載の外科システム。
【請求項２５】
前記ヒンジ継ぎ手が前記基部部材に対して少なくとも概ね平行に軸線の周りで約２７０度に亘って枢動できるようにしていることを特徴とする請求項２４に記載の外科システム。
【請求項２６】
前記対のアームが約１５度から９０度の間の角度において相互に向かって前記基部部材から延在していることを特徴とする請求項２４に記載の外科システム。
【請求項２７】
前記角度が約４５度であることを特徴とする請求項２６に記載の外科システム。
【請求項２８】
前記アームが前記基部部材において約５０ミリメートルだけ離隔されていることを特徴とする請求項２７に記載の外科システム。
【請求項２９】
前記球形の継ぎ手が、
第一のアームの協働端部に装着された上側のカラーと、
二のアームの協働端部に装着された下側のカラーと、
前記カラーの間に保持され、そこを通して手術用具を受け入れる孔を画成している球とを含むことを特徴とする請求項２２に記載の外科システム。
【請求項３０】
前記取り付け部材が、
第一と第二の対向したクランプジョーであって、骨と接触するための対面したクランプ面を有しているクランプジョーと、
前記クランプ面と平行な関係でジョーを合わせるようにクランプジョーと協働するクランプ機構と、
前記クランプ機構に受け入れられる第一と第二のねじを切った部材と、
前記のねじを切った部材によって前記クランプ機構に固定されたクランプアダプタであって、前記のねじを切った部材と協働してクランプジョーをロックし、手術用具をその上に装着するような形状および寸法とされているクランプアダプタと、
第一と第二の取り外し可能なハンドルであって、該ハンドルが前記ジョーを閉鎖するために合わされ、前記のねじを切った部材を回転させることによって前記クランプジョーをロックするように回転しうるように前記のねじを切った部材において受け入れ可能であるハンドルとを含むことを特徴とする請求項１に記載の外科システム。
【請求項３１】
前記取り付け部材を骨に取り付けた状態で患者の像を形像する手段と、
前記の取り付け部材と共に患者の前記像を共に位置決めさせる手段と、
前記取り付け部材を取り付けた状態の患者の像を三次元のスキャナによって生成された像に対して位置決めさせる手段と、
術前に計画された対象箇所まで操作された前記ロボットを導くことによって手術する手段とを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の外科システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はロボット装置に関する。特に、本発明は、患者の骨に取り付けられ、外科手術（surgical procedures）を支援あるいは実行するロボット装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ロボットは多様な産業分野において多様な用途に使用されている。その一つの産業分野は、外科手術の間外科医を助けることを含む用途にロボットを使用する医療分野である。ロボットは、特に、その動きが極めて安定し、コンピュータで制御され、かつ正確であるように構成することができるため何らかの外科の仕事に対して特に適している。このような特性は、例えば脊柱のような傷つきやすい領域（sensitive areas）における外科手術の間特に役に立つが、身体の全体に亘っても適用可能である。
【０００３】
典型的な脊柱の外科手術は、脊椎椎体固定術（vertebral fusion）、例えば肉茎ねじ（pedicle screws）のような医療装置の挿入、椎間板造影法、経皮円板除去術（percutaneous discectomy）などを含む。これらの手術は一般的に、高度の感染の危険性、過度の外傷、体液喪失、術後の痛み、瘢痕（scaring）、および長期の回復時間に患者を曝すような大規模は侵襲性手術を必要とする。脊柱の外科手術に関する困難さは、手術中の脊柱の微小運動や、例えば肉茎（pedicles）のような手術の本質的に小さい対象物、極めて繊細な近傍の神経組織、そして例えばＣ字形アームのＸ線装置のような大型の設備が手術を支援するために必要とされるが故に制限された手術室空間というものを含む。更に、これらの手術では、外科医が不可視の身体の部分に対して手術用具あるいはインプラントの位置を見ることができるように、手術箇所に繰り返しＸ線を放射したりおよび（または）透視検査をしたりする必要があるため、患者や手術室の要員が大量の放射線に曝されることになる。
【０００４】
外科医が外科手術を精確に整合調整したり、制御したり、あるいは看視することを可能にしながら、低い放射線露出で低侵襲性手術を支援できる装置に対して要望がある。従来技術によるいくつかの装置はこの要望を達成しようと試みたが、これらの装置は複雑すぎたり、精度が十分でなかったり、あるいは大きな手術室空間を必要としたりしていた。
【０００５】
そのような装置の一つが米国特許第６，２２６，５４８号公報に開示されている。この装置は、ナビゲーションシステムと、骨取り付けの装置と、前記ナビゲーションシステムと通信する外科手術用具とを組み合わせている。この装置は主として、患者の脊柱に取り付けられかつ外方へ延在してエミッタ（emitters）あるいは追跡手段（tracking means）を担持している基準アーク（reference arc）を形成するクランプから構成されている。この手術において使用される全ての外科手術用具は基準アークに類似のエミッタあるいは追跡手段が取り付けられている。手術室には基準アークのエミッタあるいは追跡手段および外科手術用具を識別することのできるナビゲーションシステムと、該手術用具の位置を判断するコンピュターシステムと、外科医のためのビデオディスプレイとが装備される。患者に対してクランプと基準アークとを外科的に位置させた後、ＣＴあるいはＭＲＩが行われ、取り付けられた装置を備えた患者の三次元の像を形成する。取り付けられた基準アークを備えた患者が手術室の適所に位置されると、ナビゲーションシステムが前記アークと外科手術用具との位置を突き止め、それらを相互に相対的に三次元のＣＴスキャンにおいて表示する。
【０００６】
前記米国特許第６，２２６，５４８号公報に開示されている装置は精度と外傷の減少とにおいて何らかの利点を提供するが、このタイプの従来技術による装置の利点には限度がある。看視する必要のある外科手術用具の重要な部分は、それがスクリュードライバであるか、ドリルのビットなどであるかには関係なく手術用具の作業端である。これらは前記のような従来技術によるシステムでは追跡ができない。トランスミッタあるいはエミッタは用具の作業先端には取り付けができないので、コンピュータは前記用具を全体的に位置を突き止め、かつ外挿することによって作業先端の位置を推測する必要がある。このことは最小のエラーでも深刻で永久的な結果をもたらす可能性のあるような脊柱の手術あるいはその他の高度の正確さを要する手術においては許容しえない不正確さやエラーをもたらす。また、従来技術によるこのような装置は外科医が手で持つので、手術用具を保持しかつ調整する外科医の能力に精度が限定される。
【０００７】
更に、このシステムを使用する場合、使用者は、手術用具に装着されたエミッタあるいはレシーバ、エミッタあるいはレシーバを担持している基準アークとナビゲーションシステムの間で見通し（line-or-sight）を妨げないように注意する必要がある。このことは、手術用具が実際に患者を援助する能力を限定して、外科医あるいは外科チームの能力に厳しく制約を加える可能性がある。また、そのような従来技術によるシステムは切開の大きさを小さくさせるので、そのため手術を複雑なものにする。通常、手術の準備ができた手術室に患者が運び込まれ、手術が実行され、完了し、患者がそこから出て行く。しかしながら、前記特許第６，２２６，５４８号公報では、患者は外科手術を通してクランプと基準アークとを固定したままとされる必要があり、次いで患者はＣＴあるいはＭＲＩ室まで運ばれ、次に外科手術の大部分を開始するため非殺菌状態で手術室まで戻されてくる。このシステムは最終的には、例えばナビゲーションシステムやコンピュータ制御装置のような、既に限られた手術室の空間を埋め尽くすような多くの構成要素を有している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、当該技術分野には、患者および手術要員の双方に対して放射線の最小照射線量で繊細な手術を経皮的に実行できるように、手術用具の作業端を外科医が整合調整しやすいように支援しうる高度の精度と正確さとを備えた装置に対する要求がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は外科手術を支援する装置と方法とを指向する。本発明によると、手術箇所に対して手術用具を正確に位置させるロボットが開示されている。ロボットはクランプあるいはＫ―ワイヤ（K-wires）のようなワイヤによって患者の骨に取り付けられる。アクチュエータがロボットの基部から延在し、基部部材から離れる方向に、そして基部部材に向かう方向に運動する。このことによって球形の回り継ぎ手内で回転する球を作動させスリーブを整合させる。例えばスクリュードライバあるいはドリルの刃先のような手術用具がスリーブを通して挿入され、こうして該手術用具は手術を必要とする箇所と正確に整合される。
【００１０】
本発明はまた、外科手術の支援のためにロボットを使用する方法も含む。最初に患者の三次元の像が撮影され、外科医は前記像上で実施すべき手術の術前の計画を実施する。このことによって、外科手術が必要とされる箇所までロボットを導くために後で使用されるパラメータを生成させる。次いで、ロボットはクランプあるいはＫ―ワイヤによって患者に取り付けられる。取り付けたクランプと共に患者のＣ字形アームの像が撮影され、これらの像はロボットを取り付けた骨の正確な像が形成されるように共に位置決めされ、かつ較正される。次いで、この像は三次元の像に対して整合、すなわちマッチングされる。このことは、手術が行われるべき像の小さなウインドウを取り上げ、これらの小さい部分を位置決めすること（registering）によって非常に効率的でかつ正確な態様で達成される。前記の小さいウインドウは骨に取り付けたクランプの位置を突き止め、かつ骨とロボットとの取り付け位置を術前に計算することに基づいてウインドウを選択することによって像から選択される。これらのウインドウが選択されかつ位置決めされた後、残りの骨は位置決めされたウインドウを整合させることによって位置決めされる。この時点で、ロボットは三次元の像において患者の骨の上に正確に位置されており、外科医によって手術用具、医療装置、あるいはインプラントを経皮的に挿入するために術前に計画した位置まで動かすことができる。
【００１１】
本発明の特性、目的、および機能をより良好に理解するために、添付図面と関連して以下の詳細説明を参照すべきである。
【００１２】
数葉の図面を通して、同じ参照数字が対応する要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図面、特に図１を参照すれば、本発明の好適実施例は一般に、像によって案内され、ロボットによって支援される外科システムを含むことが判る。図１に示すように、このシステムには一般に、骨に取り付けられた外科用ロボット３０と、ＣＴスキャンのデータとＣ字形アームの像をマッチングして患者の骨にロボット３０を位置付け、外科医がマウス、ジョイステイック、タッチスクリーン等を介してロボット３０を制御できるようにする制御装置１０と、ビデオディスプレイ２０とが含まれている。制御装置１０は一般にＣＰＵと、ディスプレイ２０およびロボット３０と通信するユーザインタフェースとを含む。
【００１４】
図２はクランプ４０によって脊椎骨５０に取り付けられた本発明の一実施例によるロボット３０を示す。ロボット３０はスリーブ６０を整合させ、該スリーブを通して、例えばスクリュードライバ、ドリルビット、キルシュナー鋼線（Ｋｉｒｓｈｎｅｒ  ｗｉｒｅ：Ｋ−ワイヤ）などの手術用具７０を挿入し、外科手術を必要とする箇所に正確に整合させることが可能で、従って、手術を経皮的に、あるいは従来の切開手術のやり方によって行うことができる。
【００１５】
本発明の好適実施例において、ロボット３０はクランプアダプタ４５に垂直に着座している基部３５を含む。少なくとも二対のアクチュエータ８０が基部３５から延在している。前記アクチュエータ８０は基部３５から延在して前記基部３５とアクチュエータ８０との間で固定された角度（angle）８５を形成している。この角度は一般的に約１５から９０度、より好ましくは約４５度である。一好適実施例においては、アクチュエータ８０の取り付け点はＺ方向に約５０ミリメートル、Ｙ方向に約５０ミリメートル離隔されている。各アクチュエータ８０は他方のアクチュエータ８０から独立して作動することが可能である。アクチュエータ８０は周知のリニアアクチュエータと類似であって、ハウジング、モータ、リードねじ、電気接続、および例えば光学的エンコーダ、ＬＶＤＴなどのような位置センサを含んでいる。好適実施例においては、各アクチュエータは直径が約５ミリメートルで、長さが約３５ミリメートルである。
【００１６】
基部３５に固定されていない方のアクチュエータ８０の端部はヒンジ継ぎ手９０を含む。ヒンジ継ぎ手９０はアクチュエータ８０を剛性部材１００に連結している。好適実施例においては、前記部材１００は直径が約４ミリメートルで、長さが約４０ミリメートルである。ヒンジ継ぎ手９０は前記部材１００が前記基部３５に対して平行に延びる軸線の周りで約２７０度に亘って回転自在となるようにする。前記剛性部材１００の他端は中実の接続部１０５によってリング部材１１０に固定されている。前記中実の接続部１０５においては剛性部材１００とリング部材１１０との間は動かない。
【００１７】
個々の剛性部材１００にしっかりと接続された上側のリング部材１１０Ａと下側のリング部材１１０Ｂは球形の回り継ぎ手１２０に集合している。各リング部材１１０は球形の回り継ぎ手１２０の外側レースの半分を各々形成している。リング部材１１０は相互に対しては回転自在であるが、Ｚ方向には分離しないようにしっかりと保持されている。上側のリング部材１１０Ａと下側のリング部材１１０Ｂとの間には球１３０が旋回自在に収容されている。スリーブ６０が球１３０を貫通している。スリーブ６０は上側および下側の双方の球１３０を貫通し、手術用具７０が通過する整合軸線を形成している。アクチュエータ８０が伸張したり、後退するにつれて、ヒンジ継ぎ手９０はＺ軸の周りを自在に回転し、球１３０は上側および下側のリング部材１１０によって形成された球形の回り継ぎ手１２０において旋回する。手術用具７０がそこを通して挿入され、作業箇所に対して正確に整合できるように、中空軸線が上側および下側の球１３０の各々を通過するスリーブによって形成されている。
【００１８】
本発明によれば、前述のロボット３０は、本発明によるシステムと共に使用しうる外科手術支援のために構成されたロボットの単なる一例である。同じ仕事を満足にできるその他のロボットの形態としては、例えば必要な寸法に合わせて構成された平行ロボット（parallel robots）を含む。そのようなロボットはそれらの継ぎ手のタイプによって、例えばユニバーサル球形多関節（universal spherical revolute:USR）ロボット、多関節球形プリズム（revolute spherical prismatic:RSP）ロボット、あるいは二重円形三角形（double circular triangular:DCT）ロボットというように定義しうる。
【００１９】
ＵＳＲロボットは、基部と運動プラットフォームとを接続する、各々が２個のリンクを備えた３個の同一の連鎖（kinematic chains）を有している。基部プラットフォームにおける接続はユニバーサル継ぎ手であり、運動プラットフォームは回転継ぎ手（revolute joint）によって接続されていて、これら２個の継ぎ手は球形継ぎ手（spherical joint）によって接続されている。
【００２０】
ＲＳＰＲロボットは、各々が基部と運動プラットフォームを接続する２個のリンクを備えた３個の同一の連鎖を有している。下側のリンクは回転継ぎ手を介して上側のリンクに接続されており、プリズムアクチュータは球形継ぎ手によって下側のリンクに、かつ回転継ぎ手を介して運動プラットフォームに取り付けられている。
【００２１】
ＤＣＴロボットは、各々３自由度を備えた平面機構からなる新規な構造である。これらの２個の平面機構は理論的により高度の方向性能力（orientation capacity）を提供するように静止した円と移動する三角形を備える。更なる詳細については、１９９８年、ベルギーでのロボットおよび自動化についてのＩＥＥＥ国際会議（IEEE International Conference on Robotics and Automation）でのサイマーン他（Simaan,et al）による「６自由度の平行マニピュレータの新タイプについての設計検討」（“Design Considerations of new types of Six-Degrees-Freedom Parallel Manipulators”）に記載されており、これは本明細書に援用される。一般に平行ロボットについては多数の構造が存在している。当該技術分野の専門家には多数の自由度を備えたいずれのロボットも手術支援用に利用しうることが認められる。
【００２２】
本発明の好適実施例においては、ロボット３０はクランプ４０によって患者の骨に取り付けられている。図３および図４に示すように、クランプ４０は骨挟持部分４２とクランプアダプタ４５とを含む。先ず、ハンドル２１０がクランプ４０から延在し、使用者がクランプ４０を保持し、患者の骨に整合させ、固定できるようにしている。ハンドル２１０の基部は図４に示すようにクランプ４０に位置しているナット２２０に嵌るようにされている。クランプ４０が適所にあると、使用者はハンドル２１０を相互に向かって押圧して選択した骨の上でジョー２３０を閉じる。ハンドル２１０が完全に閉鎖されるか、あるいは共に押圧されると、第一のロッキング（以下説明する）が行われ、クランプ４０は骨の上の適所でロックされる。使用者は次いでハンドル２１０を時計方向に回転し、ナット２２０を回して締める。ナット２２０はねじを切ったスタッド２５０にねじこまれ、クランプアダプタ４５を骨の挟持部分４２に挟む。このことによって骨の上の適所にクランプ４０の二回目のロックを行う。各々のねじを切ったスタッド２５０の基部は球形の適合面２５５を有しており、そのためクランプアダプタ４５が骨の挟持部分４２上に締め付けられるとクランプアダプタはスタッド２５０の球形の適合面２５５に自動的に整合することができる。このことによってクランプアダプタ４５の上面はロボットの基部３５を受け入れるための水平面を維持することができる。次いで、ハンドル２１０が真っ直ぐに上方へ、クランプ４０から離れる方向に引っ張ることによって取り外される。クランプアダプタ４５の上面から接続ピン２００が突出している。接続ピン２００はロボットの基部３５にある受け入れ孔と整合し、挿入されると何らかのタイプのスナップリングあるいは、ばねおよび球軸受け、またはプランジャボール／ピンによって適所にロボット３０をロックする。
【００２３】
特に図４を参照すれば、ねじを切ったスタッド２５０はレバー２６０に埋設されていることが判る。左右のレバー２６０は上側中央のヒンジ２８０によって相互に接続されている。前記レバー２６０の他端は側方の軸心ヒンジ２７０によってそれぞれのジョー２３０に接続されている。左右のジョー２３０は、その周りで該ジョーが回転する主枢軸２９０によって相互に接続されている。使用者がハンドル２１０を一緒に押圧してジョー２３０を閉鎖すると、上側中央のヒンジ２８０が押し下げられ、同時に側方の軸心ヒンジ２７０が主枢軸２９０の周りで回転する。上側中央のヒンジ２８０が左右の側方軸心ヒンジ２７０の間に形成された中心線より下方へ押し下げられ、クランプ４０が骨の上にロックされると最初のロッキングが行われる。クランプ４０が完全に閉鎖され、ロックされた位置にあると、ジョー２３０は相互に対して平行となり、設定された距離だけ分離される。ジョー２３０の間の設定された距離は、取り外し可能なジョーインサート２４０を異なる厚さのインサートと交換することによって異なる骨への取り付けのために変更することができる。
【００２４】
図７は、ロボット３０が作業領域の上で、患者の身体の均整が異常である場合に起こりうる何らかの組織の出っ張りに触れないよう確実にするためにクランプアダプタ４５の上面に取り付けることができるスペーサ９００を示す。スペーサ９００はクランプアダプタ４５のコネクタピン２００に取り付けられ、ロボット３０をスペーサ９００の上面に取り付けるためのコネクタピン２００とは類似のコネクタピン９１０を設けている。
【００２５】
前述のクランプ４０は外科手術において支援するために骨にロボットを取付けることができる本発明の一実施例の例である。例えばＫ‐ワイヤ接続のようなその他の取り付け装置もまたロボットと共に組み込むことが可能である。そのようなＫ−ワイヤ接続は図９に示されている。Ｋ‐ワイヤ９５０は標準的な外科手術により骨中へ挿入される。ロボットの基部３５はそこを通してＫ‐ワイヤ９５０が挿入される細長いスロットを含む。次いで、ねじ９６０を廻して、ピンチプレート９７０をロボットの基部３５に対して締め付け、Ｋ‐ワイヤ９５０をピンチプレート９７０とロボットの基部３５との間で挟み、ロボット３０をＫ‐ワイヤ９５０と骨５０との間で緊密に保持する。
【００２６】
図５は骨にロボットを位置決めするために使用される位置決めシステム（registration system）を示す。最初には術前段階４００がある。この段階は例えばＣＴあるいはＭＲＩスキャンのような患者の三次元のスキャン４１０を撮影することから構成される。次いで、外科医は三次元のスキャン上で術前の計画４２０を実行する。例えば、もしも実行すべき手術が骨折の固定であるとすれば、外科医は三次元の像と骨の状態とを検討し、本適用に基づいて全てのタイプおよびサイズのインプラントを包含しているデータベースから適正なインプラントを選択し、インプラント、ねじなどを電子的に位置決めし、挿入する。術前の計画４２０によって生成されたパラメータは実際の外科手術の間ロボット３０を位置決めするために制御装置１０に記憶される。
【００２７】
例示実施例において、取得された三次元のデータの線形補間を使用して三角形の頂点を操作することによって三次元の像の形像を達成しうる。高解像度の三次元の面構造を提供しながらアルゴリズムを使用して三次元データから一定密度の面の三角形モデルを創成し、モデルが極めて詳細で、かつ精度の高いものとなるようにすることができる。このことを達成するために四つの段階があり、最後の三段階は１個のアルゴリズムで解決することができる。四つの段階とは、データの取得、像の処理、面の構成、そしてディスプレイである。
【００２８】
データの取得は、コンピュータ断層撮影法（ＣＴ），磁気共鳴（ＭＲ）あるいは単一光子放出コンピュータ断層撮影法（ＳＰＥＣＴ）のいずれかにより患者からの情報を提供する標準的な医療形像技術を通して実行される。次の段階である像処理はアルゴリズムを使用することによって達成される。面は次いで三次元モデルを通して構成され、この面は次いで、陰影（shading）と投光（ray casting）とを提供する実際の像を使用してディスプレイされる。
【００２９】
マーチングキューブ（marching cubes）アルゴリズムとして知られているアルゴリズムを使用して面が外科医に対してより実際的な画像を提供するように面を精製する上で支援することができる。面の構成は基本的に、使用者が特定する値に対応する面の位置を最初に突き止め、次いで各三角形の各頂点における基準（norms）を計算する二段階の工程である。このアルゴリズムはピクセルから生成されたキューブ（cubes）を利用して局部の頂点と交差とを処理する。先ず、使用者が特定した値に対応する面の位置が突き止められ、次いでアルゴリズムがピクセルから生成されていたキューブを面がどのように交錯するかを検出する。この工程は各キューブの頂点にある値を割り当て、それを面の値と比較することによって達成される。この工程の結果、面がキューブを交錯するための２５６個通りの可能な方法が得られる。しかしながら、キューブの２個の対称形、位相数学、および回転対称形が使用され、その可能な方法の数を１４にまで減らす。ケースの数が減らされた後、１４の可能なケースの各々に対してインデックスが創成される。前記可能性のケースの数が減らされた後、１４個の可能なケースの各々に対してインデックスが創成される。このインデックスは面の交差の識別を可能とし、次いで線形補間法を使用して面を展開させることができる。一定の密度の面はその面の接線方向に沿ってゼロの勾配成分（gradient component）を有しており、従って勾配ベクトル（gradient vector）の方向は面に対して直角である。この知識から、勾配ベクトルの大きさがゼロでないと想定して面の基準ベクトル（normal vector）を検出することができる。対象とする面は異なる密度の組織の間にあるので、勾配ベクトルはゼロではない。勾配ベクトルは密度の関数からの導関数である。従って、勾配ベクトルを近似化するために、勾配ベクトルはキューブの頂点において推測され、次いで交錯点において線形補間される。この推定は、所定のピクセルにおける密度の差を使用し、それをキューブの縁部の長さによって除算することによって達成される。この計算の結果単位規定（unit normal）が得られ、それが次いで交錯点に対して線形補間される。単位規定は三角形の各頂点に対して計算され、アルゴリズムがこの単位規定を使用してグローシェーディングした像（Gouraud-shaded-images）を形成する。マーチングキューブアルゴリズム（marching cubes algorithm）は三次元のデータセットからある面を創成し、医療用途のための三次元の像を首尾よく提供するようにＣＴ，ＭＲ，およびＳＰＥＣＴスキャンからの二次元のデータに適用されてきた。像の再構成方法のより詳細は、例えば、本明細書に援用される、１９８７年の「コンピュータグラフィックス２１」（Computer Graphics21）に記載されているローレンセン他（Lorensen et al）による「マーチングキューブ：高解像度の３Ｄ面再構成アルゴリズム」（“Marching Cubes:a high resolution 3D surface reconstruction algorithm”）１６３−１６９に記載されている。
【００３０】
さて図１、図５および図６を参照すれば、次の段階はＣ字形アームの初期較正である。ファントム（phantom）３２０（図１）がＣ字形アーム装置３００のレンズに取付けられ、空白のＣ字形アームの像が撮影される。図５の４５０の段階。ファントム３２０はＣ字形アームに関わる歪みを修正するために使用される。ファントムは数個の基準対象物と多数の小さい基準対象物とを含んでいる。制御装置は自動的に基準対象物を認識し、歪み修正マップを創成し、不正確なＣ字形アームを修正する固有のパラメータを較正する。較正のためのこのようなシステムは当該技術分野において周知である。
【００３１】
歪み修正のためのそのような一方法は制御コンピュータに接続されたＸ線カメラを制御コンピュータに結合された赤外線追跡システムに組み合わせているシステムを利用している。歪み修正のこの方法において、歪みパラメータのトレーニング（training）が赤外線追跡と組み合わされる。Ｘ線カメラは地球の磁場によってもたらされる歪みに対して修正するよう較正され、そのような歪みはカメラの位置によって左右される。Ｘ線カメラの赤外線追跡システムを使用すると、歪みを除去するために首尾よくカメラを較正するには三つの段階がある。第一の段階は静的な較正対象物によって表示される固定された三次元の座標系と、歪みの特性を検出するための第二の較正対象物とを使用することによってＸ線カメラを較正する。各較正対象物に対して明確なマーカが使用される。次いで、カメラの像は平滑化され、像における一組の接続された領域が得られる。マーカの実際の投影と想定される投影との間のエラーの最小化が三乗の多項式（cubic polynomial）を使用することによって達成される。結合較正（coupled calibration）とも称されるこの段階は較正マーカの想定される投影と実際の投影との間のエラーの最小化を実行し、直線が結果的にＳ字形曲線に曲がったのを修正するために三乗の歪みモデル（cubic distortion model）を利用する。歪んだ実際の像の点と投影された点との間の測定値が取得される。この方法はある程度の歪み修正を行うものの、依然としてカメラのパラメータは発散、局部極小および結合化された較正の初期化に対する依存性を修正するために分離させる必要がある。
【００３２】
パラメータの分離（decoupled parameters）としても知られている第二の段階は、赤外線システムが静的であると手術中に実行する必要はなく、修正は固定されたカメラの位置に基づいて行うことができる。像は較正ディッシュ（dish）の面に位置され、歪みパラメータが検出される。適用された修正多項式（correction polynomials）は単に部分的に三乗であり、歪みパラメータに直線的に左右される。その結果得られた関数は二次式であって、解析的に解かれる。
【００３３】
最後の段階は手術中での較正およびマーカ検出の必要性を排除している。実際のカメラの位置および先行する段階からの対応する歪みパラメータは「学習モード」と称されるものにおいて利用される。「学習モード」は術前の像を撮影し、スプライン補間（spline interpolation）によって対応する歪み修正パラメータを計算することから構成されている。較正はポインタ追跡システムを使用し、手術前および手術内での輪郭を適合させることによって達成される。しかしながら、全体的な較正方法のこの最後の段階は手術内での視角が手術前の視角の近傍にあるものに限定される場合のみ有効である。そのような歪み修正システムの更に詳細は、例えば、本明細書に援用される、１９９８年、スプリンガ（Springer)におけるエイチ．レムケ．他編集（H.Lemke,et al.,eds.）による１２回、国際シンポジウムの会報（Proc.Of the 12th Int.Symp.）におけるブラック他（Brack et al）による論文「コンピュータ支援外科における正確なＸ線ナビゲーション」（“Accurate X-ray Navigation in Computer-Assisted Surgery”）に記載されている。
【００３４】
本発明の好適実施例によって蛍光透視像に使用するために歪み修正の別の方法を実行することができる。蛍光透視Ｘ線像は医療分野で頻繁に使用されているが、これらの像を効果的に利用するためには修正する必要のある顕著な歪みがあれば厄介である。小さい放射状の歪みやスケーリングの偏向（scaling deviations）を含むこれらの歪みはＣ字形アームの補強材（amamature）の撓みと方向性との双方の結果によるものである。蛍光透視像は歪みを戻す必要があり、これは基準像から歪みを直したマップを計算することによって達成することができる。歪みは、単一の関数として全体像に亘って、あるいは視野の像を三角形あるいは四辺形に切りはめ細工し、次いで双一次補間を使用することによって決定される個々の歪み関数を計算することによってモデル化することができる。個々の歪み関数はより適合可能なので、この局部的な方法もよく好まれる。歪み係数を検出するためには、必要なパラメータは結像面、焦点長さ、像の中心位置、像のスケーリング並びに放射状歪み係数に対するカメラの相対位置および方向である。これらパラメータの間の関係は世界の座標（world coordinate）からカメラの座標への変換を公式化し、三次元のカメラの座標を理想的な像における二次元の座標に変換し、次いで放射状の歪みを加算し、シフトし、スケーリングすることによって得られる。等式は一組の線形等式を解くことによって相対位置および方向性パラメータに対して解かれる。解かれたパラメータに基づいて、残りのパラメータが導き出される。次いで、更に別の点を組み込むために最小二乗法が使用される。Ｃ字形アームの歪みは方向に依存するので、各種の方向に対してプロセスを完結させる必要があり、全体視野に亘って修正パラメータを保証するために極限に焦点を合わせる必要がある。このプロセスの更なる詳細は、本明細書に援用する、１９９８年エルシビア他編集（Elsevier,et al,eds.,）の医療用計算とコンピュータ支援介入、に関する第一回会議議事録コンピュータ科学の講義注記（Proc.1st Conf.On Medical、Lecture Notes in Computer Science1496）におけるヤニブ他による「コンピュータ支援整形外科に対する蛍光透視像処理」（Yaniv et al“Fluoroscopic Image Processing for Computer-Aided Orthopaedic Surgery”）に記載されている。
【００３５】
更に、Ｃ字形アームの制御および整合を改良することによって像は質を向上させることができる。この種の改良は局部の座標系を創設することによって達成することができる。局部の座標系は手術用具や、患者、およびＣ字形アームに取り付けることができる。次いで、手術用具の座標系が二次元のＣ字形アームの像の座標系の座標系に変換される。手術用具と終局の像との間の変換は各種の位置センサによってリアルタイムで提供される。前記変換の基本（basis）は直線のコーンビーム投影モデル（linear cone beam projection model）である。三次元のスペースから二次元の像へのＣ字形アーム投影の変換はＣ字形アームを較正する間に術前に行われる。Ｃ字形アームの一定の投影パラメータは、ＬＥＤセンサを備えた鋼製の球体を内蔵した較正プローブを使用して取得される。これらのセンサから、各球体の位置の計算が可能で、その後二次元の像における対応する位置が割り当てられる。その結果の等式の系はエラー最小化アルゴリズムを使用して解かれる。Ｃ字形アームの応力依存の変形から生じたエラーを更に最小化するために、像取得時更新するために実際のカメラの位置を追跡するように追加のＬＥＤが装着される。Ｃ字形アームの像増強装置―ＴＶチェイン（image intensifier-TV chain）に更に歪みがあり、その結果静止したピンのクッションの歪みが生じ、また磁界によって可変少量の歪みが生じる程度まで、双一次補間アルゴリズムが修正のために使用しうる。この更なる詳細については、本明細書に援用する、１９９７年スプリンガ（Springer）におけるエイチ．ユー．レムケ他（H.U.Lemke et al）編集のコンピュータ支援放射線医学および外科に関する第１１回シンポジウムの会報（Proc.11th.Symp.on Computer Assisted Radiology and Surgery）におけるホフステッタ他（Hofstetter et al）による「蛍光透視検査に基づく外科ナビゲーションーその概念と臨床的適用」（“Fluoroscopy Based Surgical Navigation-Concept and Clinical Applications”）に記載されている。
【００３６】
三次元カメラによる較正に対する別の方法は二段階の技術を利用している。この二段階の方法を使用すれば、単に較正パラメータのサブセットの関数である実際の制約条件すなわち等式が実行される。このため未知のパラメータスペースの次元数を減少させる。
【００３７】
第一の段階は三次元の方向性と位置とを計算することである。プロセスのこの部分において、歪んだ像の座標は座標と像の中心の間の距離と不確実性のスケーリング因子との間の関係から計算される。
【００３８】
これらの座標から、変換ベクトルと回転因子とが計算される。変換ベクテルと回転因子とを使用することによって、回転マトリックスが検出される。
【００３９】
第二の段階は有効な焦点距離、歪み係数および三次元の位置を計算する。これらのパラメータは較正点、距離および変換マトリックスおよび第一の段階からの回転マトリックスとの間の関係から計算される。
【００４０】
この二段階の方法は「放射状整合制約条件」（“radial alignment constraint”）と称され、単に、カメラと較正点との間の相対的な回転および変換の関数である。この方法は、三次元カメラの座標から像座標への変換の順序が反転とは異なり、変換が後続する回転である点で他の方法とは区別される。この方法の別の利点はリアルタイムで完了しうることである。更に、この方法はまた単一視点の非共平面の点（monoview noncoplanar points）および多数の視点位置を使用してカメラを較正するためにも使用可能である。このことの更なる詳細は、本明細書に援用する、１９８７年８月発行の「ロボットおよび自動化」に関するＩＥＥＥ誌（IEEE Journal of Robotics and Automation）のＶｏｌ．ＲＡ−３，Ｎｏ．４におけるサイ他（Tsai et al）による「市販のＴＶカメラおよびレンズを使用した高精度の３Ｄマシンビジョン度量衡学のための多目的カメラ較正技術」（“A Versatile Camera Calibration Technique for High-Accuracy 3D Machine Vision Metrology Using Off-the-Shelf TV Camera and Lenses“）に記載されている。
【００４１】
当該技術分野の専門家には、これらの較正方法は例示であって、本発明によって採用しうるＣ字形アーム較正方法を限定するものでないことが認識される。
【００４２】
次に、患者が手術室へ運ばれ、クランプ４０を取り付けるべき箇所において標準的は外科手術に従って小さい切開が行われ、図５の段階４６２で前述したように、ハンドルを使用して選択された骨にクランプがとりつけられる。次いでハンドル２１０がクランプ４０から外される。コネクタピン２００を受け入れる受け入れ孔によって像参照プレート８００（図６）がクランプ４６５に取り付けられる。図５の段階４６５参照。像参照プレート８００（図６）はＣ字形アームの像において極めて明瞭かつ正確に示される３個の参照マーカ８１０を有している。参照マーカ８１０間の距離および角度は、像の実際の大きさを正確に表示するためにＣ字形アームの像が二次較正段階、すなわち段階４６５において較正しうるように既知である。少なくとも２個、好ましくは３個のＣ字形アームの像が取り付けたクランプ４０および像参照プレート８００と共に患者から撮影される。これらのＣ字形アームの像は異なる角度から、好ましくは０度、４５度および９０度から撮影される。図５の段階４７０参照。
【００４３】
本発明の別の実施例においては、二次較正段階、すなわち段階４６５Ｂが、ロボット３０をクランプに取り付け、多数のＣ字形アームの像を撮影することによって達成することができる。寸法を知ることにより、あるいは参照マーカをロボット３０に位置させ、該参照マークの間の距離と角度とを知ることにより、Ｃ字形アームの像は二次較正段階、すなわち段階４６５Ｂにおいて較正することができる。
【００４４】
プロセスの次の段階は段階５００の共位置決め（co-registration）である。Ｃ字形アームの像がデータとして制御装置１０へ転送される。段階５０２参照。各位置において、像が撮影され、Ｃ字形アームの位置が制御装置１０に記録される。段階５０４参照。段階５０２において像のデータが、段階５０４においてＣ字形アームの位置が、各像が段階５０４で撮影された位置を知ることにより、かつ像参照プレート８００（図６）からの参照マーカ８１０（図６）を整合させることにより相関される。クランプ４０を骨に取り付けている手術箇所の正確な擬似三次元像が生成される。この段階は骨に対するロボットの位置決め、あるいは共位置決め（co-registration）と称される。
【００４５】
本発明の好適実施例によれば、骨と骨との位置決めは次に段階６００において行われる。段階６００は像における真正な面の輪郭あるいは対象物の推定およびマッチングのプロセスである。位置決め方法は像の幾何学あるいは強度のいずれかに基づいている。幾何学に基づく位置決めは二次元の蛍光透視像における特徴を見出し、それらの特徴を、例えばＣＴスキャンデータセット、ＭＲＩ像、超音波像あるいはＣＡＤモデルから取得された三次元の像における対応する特徴とマッチングさせることによって達成される。前記の特徴は既知の標識（landmarks）（解剖学的な標識あるいはインプラントされた基準標識（fiducials））あるいは位置決めされた対象物の面とマッチングした蛍光透視像における輪郭の点としうる。変換を計算するために使用しうるアルゴリズムは反復最接近点（Iterative Closest Point-ICP）アルゴリズムである。ＩＣＰアルゴリズムは三相で作用する反復整合アルゴリズムである。すなわち、最初は近接に基づいて整合するべき２個の構造体における対の特徴の間の対応性を確立し、次に前記対の第一の要素（メンバー）を第二の要素に最良にマッピングする厳格な変換を推測し、第三にその変換を第一の構造における全ての特徴に適用する。これらの三段階が次いで、収束が結論されるまで適用し直される。ＩＣＰアルゴリズムは収束定理に依存している。最小二乗法の重ね合わせとＩＣＰとの間の枢要な差異は最小二乗法が各反復の間対応する点の間の平均距離を一般に約分するのに対して、最接近点決定は一般に各点に対する距離を個別に約分することである。ＩＣＰアルゴリズムの使用に関する更なる詳細は、本明細書に援用する、１９９２年発行の、「パターン分析および機械知能」（Pattern Analysis and Machine Intelligence）に関するＩＥＥＥ会報、１４（２）、２３９−２５５ページにあるベスル他（Besl et al）による「３Ｄ形状を位置決めさせる方法」（“A Method for Registration of 3D Shapes”）に記載されている。アルゴリズムへの入力は蛍光透視像からの後方投影された光線のセットと、位置決めされた対象物のモデルである。アルゴリズムは光線のセットをモデルに近似化する変換を反復して計算する。標識の位置決めに対して、各光線と対応する標識との間のマッチングが変換を探索する前に規定される。輪郭の位置決めによって反復毎に各光線とマッチングする新規の面の点を選択する。
【００４６】
位置決めプロセスは二つ以上の蛍光透視像を使用することが好ましい。自動的な位置決めの一方法は術前の面モデルと手術内のＸ線像との位置決めとセグメント化との間の協働的な方法によって代表することができる。協働的な方法は四つの段階、すなわち事前セグメント化、変換、抽出およびエラー最小化を実行する。事前セグメント化は輪郭の点を抽出する。これらの輪郭の点はグレイレベルの強度（gray-level intensity）で大きく変動するピクセルに対応する。輪郭の点は同様のグレイレベルの強度を備え、接続されたピクセルのチェインで構成され、その結果像の縁部を自動的に検出する。次いで、初期の位置決めによってセグメント化を完了しＸ線の像上で同様の輪郭を抽出する。このことは解剖学的標識上で多数のピクセルを識別し、これらのピクセルをＸ線の像上で画定することによって実行され、このようにして三次元の面モデル上に同じ標識が確実に選択されるようにする。これらの２セットのマッチングしたピクセルは協働して初期変換を推測するために使用される。自動的に縁部を検出することによって過剰数の輪郭の点がもたらされるので、対象である輪郭の点に対応しないピクセルを排除する必要がある。自動的な縁部検出から、実際の輪郭のピクセルである可能性を検出するために各ピクセルにウエイトを付ける必要がある。このような検出は、勾配値（gradient value）、接続された要素のサイズ、および距離係数を総和することによって行われる。最初の二つの要素はＸ線の像から得られ、一方第三の要素は初期の位置決め工程からの情報に依存する。距離の計算は内側および外側の輪郭を表わすためのエネルギと距離とを最小にするアルゴリズムを使用して実行され、使用しうるそのようなアルゴリズムの一つはレベンベルグーマルカート（Levenberg-Marquardt）アルゴリズムである。好適な位置決め方法の更なる詳細は、１９９５年ワイリー（Ｗｉｌｅｙ）発行の「医療ロボットとコンピュータ支援外科術」（Medical robotics and computer assisted surgery)３９−４６ページにあるハマデ他(Hamadeh et al）による「ＣＴとＸ線像との間の自動位置決めに向かって、３Ｄ／２Ｄ位置決めと２Ｄ縁部検出」（“Towards automatic registration between CT and X-ray images:cooperation between 3D/2D registration and 2D edge detection”）および１９９８年発行の「コンピュータ支援外科術」（Computer Aided Surgery）の３ページのハマデ他（Hamadeh et al）による「自動化された３次元の計算された断層写真および蛍光透視像の位置決め」（“Automated 3-Dimensional Computed Tomographic and Fluoroscopic Image Registration”）に記載されている。これらの論文の双方とも本明細書に援用する。
【００４７】
前述した位置決め方法によれば、像における解剖学的標識は手作業で検出され、かつマッチングされる。このマッチングに基づいて、近似化された初期の推測が、位置決め環境における三次元の点である光線の交錯をモデルの標識とマッチングさせて計算される。次いで、二次元の像における対象物の輪郭がモデルの面と位置決めされる。異常値、すなわち輪郭に存在しないピクセルをサンプルの点セットから除外するために見込みのある推定値が使用される。何らかの内側の輪郭の問題を克服するために符号付の距離係数（signed distance function）が規定される。この方法の全体的な体外精度（in-vitro accuracy）は２ミリメートル以上良好でありうる。
【００４８】
殆どの位置決め法は多数の像を含むが、一代替例においては、単一の蛍光透視像を使用すればよい。単一の蛍光透視像を使用したとしても依然として約３ミリメートルの精度を達成することができる。このような単一蛍光透視像による技術は３個の点と３本の光線とのマッチングの間での組み合わせ探索に基づいている。次いで位置決めのための最小平均距離でのマッチングが選択される。これらの点と光線とは二つの初期位置決めを検出するために使用される。そのような技術において、データを表わすために点と線とを使用しうる。単一の蛍光透視モデルにおいて、３個の点と３本の光線とが位置決めされ、このことから、三角形によって指示される二つの三点位置決めを見つけることができる。三角形の頂点から、非線形関数が設定可能で、次いでレーベンベルグーマルカートアルゴリズムを適用することによって二つの未知数を解くことができる。これらの点から線が検出でき、点と線との対応性を解くことができる。次いで線は固定され、一方点は順列され、その結果後方投影の線において３個の点が得られる。次いで、フレームに変換するためにホーン（Horn）の方法が使用され、ＩＣＰアルゴリズムが位置決めのための最良のマッチング点を検出するために実行される。この技術の更なる詳細については、本明細書に援用される、１９９９年カナダ、オンタリオのクイーン大学、コンピュータサイエンス学部（Department of Computer Sience,Queen University,Ontario,Canada）発行のタン（Tang）による修士論文（Masters Thesis）「ＣＴ像を用いた強度に基づく位置決めの方法」（“Method for Intensity-based Registration with CT Images”）に記載されている。
【００４９】
本発明による更に別に代替実施例においては、強度に基づく位置決めは推定した位置からのシミュレーションしたＸ線（デジタル的に再構築した放射線写真、すなわちＤＤＲ′ｓ）と蛍光透視像を比較することによって達成される。この代替実施例においては、３タイプの座標系が位置決め工程において関与する。すなわち、ＣＴ座標系と、ワールド座標系（world coordinate system）と、放射線写真座標系である。位置決め方法はボリューム変換マトリックスとしても知られているワールド変換マトリックスに対してＣＴを検出することから構成されている。
【００５０】
各放射線写真に対して、ワールド変換マトリックスに対する放射線写真が提供される。ＤＲＲとの最良のマッチングが見つかるまで、ワールド座標系において計算された断層写真（ＣＴ）データの変換と方向性とを調整するために反復手順が使用される。次に、ワールド変換に対する放射線写真が完成する。位置決めを完成し、かつ有効にするために変換、回転およびスケーリングマトリックスが利用可能なデータに対して適用される。これらのマトリックス計算から、いずれの３Ｄ画素、すなわち三次元ピクセルのワールド座標も計算することができる。
【００５１】
ＣＴとＤＲＲとの間の最良のマッチングを達成するために、二つの要素、すなわちコスト関数（類似性の測定値の逆関数）とコスト関数を最小化するためのアルゴリズムとが必要とされる。二つのコスト関数が検討される。すなわち、ピクセルの値と勾配のスカラー積の大きさとの相互比較である。相互比較はピアソン（Pearson′s）の連関係数と非ボイドピクセルの数との関数である。勾配は白紙の放射線写真における勾配とピクセルの数によってウエイトをつけたＤＲＲとの積の関数である。コスト関数の相対的なメリットが定位の位置決め点の近傍で分析される。定位位置決めエラーと軸線に沿った局所最小の最小空所の周りのパラメータスペースの程度とが適用可能な基準である。像取得の間での患者の方向性に基づいた最小化アルゴリズムと、Ｘ線がＣＴスライス（slices）に概ね平行であるようにＣＴおよび放射線写真の取得がなされるとの推定とが位置決め問題を解決する上で最も効果的である。
【００５２】
前記の代替実施例において説明したように、位置決め工程は半自動あるいは自動的に完了させることができる。半自動の位置決めにおいては、位置決め工程を開始し、ＣＴパラメータを回転および変換させるためにマウス駆動のインタフェースを使用することができる。自動位置決めは、変換のためのバイスカラー（biscalar）アルゴリズムを完全な六次元回転パラメータを探索するためのパウエル（Powell）のアルゴリズムで補完したものを利用することによって達成することができる。自動位置決め方法は１１の段階、すなわち８段階の方位確定アルゴリズムに３段階の六次元最小化アルゴリズムが続くものからなる。これの更なる詳細は、本明細書に援用される、１９９４年医療物理学（Medical Physics）２１の１７４９から１７６０ページにあるレミュー他（Lemieux et al）による「デジタル的に再構築された放射線写真に基づく患者対計算された断層写真像の位置決め方法」（“Patient-to computed-tomography image registration method based degitally reconstructed radiographs”）に記載されている。
【００５３】
本発明において実行可能である別のタイプの位置決めは強度に基づく位置決めである。強度に基づく位置決めはフレームなしの像案内放射線手術法のための改良された自動ビーム整合方法を展開するために利用される。このモードの位置決めを利用して、患者を治療している間に取得された放射線写真を三つの変換と三つの回転とを含む患者の仮想位置を表示するＣＴの研究から創成されたＤＲＲと調整することができる。この位置決め方法は三部からなる。すなわち、患者の可能な位置の範囲を探索する手段を開発する部分と、患者の姿勢を効果的に捕捉する像の要素を識別する部分と、およびいつ最良のマッチングが達成されたかを指示するための二組の像の特徴データに対して統計的あるいはコスト関数を使用する部分である。ＤＲＲ′ｓを分析し、この位置決め方法に対するマッチングを完了するために三つの方法がある。すなわち、マッチングされたフィルター領域の相関と、補間的な領域の相関、および反復再投影である。好ましい方法は、リアルタイムで実行されるため反復再投影である。必要な相関修正と共に、ＤＤＲｓと放射線写真との間の比較はパターン認識の問題を提起し、これはまた位置決めの間に解決する必要がある。使用されるデータは特徴ベクトルと称され、これらのベクトルは原始的であるか、あるいは高度に精巧である。位置決めアルゴリズムは縁部検出方法並びに対象とする領域に対して独立して検査できる。位置決めアルゴリズムは、ウエイトを付けたベクトル成分から構成されるカイ統計値を最小にするために６個の自由パラメータを採用している。最小化問題は非線形であり、勾配の探索から始まり、テイラー（Taylor）の連続近似化まで進行するハイブリッドアルゴリズムによって解決される。反復再投影方法を使用すると、アルゴリズムは位置決め工程が完全に自動化され、安定しており、かつ高速であるように構成しうるが、位置決めの前に、対象とする領域を識別しておく必要がある。そのような技術の更なる詳細については、本明細書に援用される、１９９７年６月２４（６）日発行された「医療物理学」（Medical Physics）にあるマーフィ・エム（Murphy M.）による「像案内のフレームなしの定位手術のための自動的な６自由度の像位置決めアルゴリズム」（“An automatic six-degree-of freedom image registration algorithm for image-guided frameless stereotactic surgery”）に記載されている。
【００５４】
推定カメラ位置と実際の位置とが極めて近接している場合、オリジナルの像と再構築した像とは極めて類似している。データセット間の類似性の測定値を画定するためにピクセル強度情報が使用される。類似性の測定値は強度の値、相互相関性、ヒストグラム相関性、および相互情報を含みうる。アルゴリズムは三段階で進行する。入力はＣＴデータセットと、固有のカメラのパラメータと、１個以上の蛍光透視像と、各像に対する初期カメラ位置の推定値である。第一の段階において、アルゴリズムは各々の所定のカメラ位置に対して１個のＤＲＲを生成する。第二の段階において、実際の像と再構築した像との間の非類似性の測定値が計算される。第三の段階において、像の間の非類似性を最良に低減する新規のカメラ姿勢が計算される。このプロセスは収束に達するまで繰り返される。次にカメラ位置のパラメータのスペースは初期形状から増分的に探索される。前記スペースは六次元（三回の回転と三回の変換）である。この技術の利点はセグメント化が何ら必要とされないことである。しかしながら、探索スペースは六次元であり、局所最小を含みうる。
【００５５】
本発明の利点は前述した位置決め方法のいずれかを利用できることである。骨取り付けのロボットとその取り付け位置の寸法とを利用することによって、ウインドウの初期位置が取り付け位置を極めて良好に推測するので、従って強度に基づく方法を利用することができる。このように、本発明によれば、例えば蛍光透視像と三次元の像との間でより速く、かつより正確な位置決め工程が達成される。このことは段階６００において実行され、像全体ではなくてむしろ像の小さいウインドウにおいて位置決め工程が実行されるため極めて迅速に、かつ高度の精度で行われる。ウインドウはロボットおよび（または）その支持部材の位置に特に関連したものが選択されることが好ましい。骨取り付け箇所の術前での計算に従って、クランプ位置に概ね隣接して位置された約２０ミリメートル×２０ミリメートルのウインドウが段階６１０においてＣ字形アーム（蛍光透視）像データから選択される。例えば、これらのウインドウはＣ字形アームの像における取り付けられたクランプ４０および外科手術が実施される領域を覆う脊椎骨の横断部分の先端の上方の領域として選択しうる。一般に、同じウインドウが段階５１０において擬似三次元ハイブリッドＣ字形アームの像からと、および段階４１０においてＣＴ像（三次元の像）との双方から選択される。Ｃ字形アームの像からとＣＴスキャン像とから選択された小さいウインドウは次いで、前述したように、段階６２０において制御装置により、相互に重ねられ、マッチングあるいは位置決めされる。像全体においてマッチングする解剖学的標識を探索するのではなくむしろＣ字形アームの像の小さいウインドウのみに集中することによってプロセスを極めて高速に、例えば脊椎手術のような精密な外科手術に対して要求される高度な精度で進行するようにさせる。
【００５６】
次に、段階６３０において、骨のＣＴおよびＣ字形アームの像の残りの部分が重ねられ、位置決めウインドウが整合され、残りの骨が位置決めされる。ウインドウは既に正確に位置決めされているので、この段階は迅速に、かつまた高度の精度で行われる。段階６４０において、クランプ４０は今やＣＴ像の骨の上に正確に位置されている。次に、使用者はロボット３０をクランプ４０に取り付け、従ってロボット３０は骨に対して正確に位置している。段階６４５参照。
【００５７】
ロボット３０が段階５００において共に位置決めされ、段階６００において位置決めされた後、患者の骨に対するその位置は既知であり、従って手術が事実上制御装置において行いうるようにロボットは術前に選択した位置と整合するよう運動することができる。使用者は段階７１０において操作レバー、マウス、タッチスクリーンなどを使用することによって術前に計画した位置および作業を段階４２０から選択する。ロボット３０は段階７２０において、応答して、スリーブ６０を適所に動かし、そのため使用者が手術用具７０をスリーブ６０の開口を通して挿入すると手術用具７０は段階７３０において外科手術を要する箇所と正確に整合する。次いで、外科医は選択した手術用具７０を挿入し、外科医は制御装置１０およびディスプレイ２０において手術用具の位置決めを確認することができるので、手術箇所を切開することなく手術用具を配置したことを知ることができる。このように、高度の精度で、精神的外傷も少なく、小さい切開で、感染の機会も少なく、かつ放射線に対する露出も最小にして経皮的あるいは一般的な切開手術を行うことができる。このシステムによる別の利点はロボットが小型であるので、それが患者の骨に取り付け自在であり、かつ身体と共に動きうることである。従って、ロボットシステムは，一旦それが位置決めされると、身体に対する方向性を維持する上で動的な基準装置を必要としない。このため、外科医はロボットシステムを煩わすことなく諸々の手術位置へ患者を動かしうるので、多目的に利用しやすく、かつ使用者に馴染みやすく、より正確であるが、複雑でないシステムを提供する。
【００５８】
本発明を本明細書においては脊椎骨に取り付けることに関して例示した。しかしながら、当該技術分野の専門家には、本発明の教示はその他の骨への取り付けについても同等に適用可能であることが認められる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】ディスプレイを備えた制御装置と、較正ファントムを装着したＣ字形アームと、本発明により患者に取り付けられた手術用具を整合させるために使用されるロボットとを示す外科システムの実施例の概略図である。
【図２】本発明の実施例における骨に取り付けられ、手術用具を整合させる小型の外科用ロボットを示す斜視図である。
【図３】骨に取り付けるためのクランプと、本発明の実施例においてロボットを受け入れるアダプタとを示す斜視図である。
【図４】図３の断面図である。
【図５】本発明を使用する方法の実施例のフローチャートである。
【図６】３個の照合マーカを取り付けた像照合プレートの斜視図である。
【図７】クランプを延ばすために使用されるスペーサの斜視図である。
【図８】本発明の実施例におけるＫ−ワイヤによって骨に取り付けられた手術用具を整合させるための小型の外科用ロボットを示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０  制御装置
２０  ビデオディスプレイ
３０  ロボット
３５  ロボットの基部部材
４０  クランプ
４５  クランプアダプタ
５０  脊椎骨
６０  スリーブ
７０  手術用具
８０  アクチュエータ
９０  ヒンジ継ぎ手
１００  剛性部材
１０５  接続部
１１０  リング部材
１２０  回り継ぎ手
１３０  球
２１０  ハンドル
２２０  ナット
２３０  ジョー
２４０  ジョーインサート
２５０  スタッド
３００  Ｃ字形アーム
３２０  ファントム
４５０  Ｃ字形アーム
９５０  Ｋワイヤ
【図５】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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