(57)【要約】装置の座標システムに対して整形外科手術の間、外科手術用器具（４）を位置決めする装置は、外科手術用器具と、プログラムの命令によって装置の座標システムで外科手術用器具を移動するためのロボット制御システム（６）とを有する。装置の座標システム内で器具の真の位置を示すために前記器具に対して器具センサ（１２）が固定される。検出器（１４）が前記器具センサ及び前記基準センサの位置を監視し、信号プロセッサが、前記検出器から位置信号を受け、前記外科手術用器具と前記所望の場所との間の差異を最小限にすることを含む処理によって、基準センサに対して所望の位置に外科手術用器具を位置決めするために所望の位置信号をロボット制御システムに送る。
2004500958.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．外科手術用器具と、
ｂ．プログラムの命令によって装置座標システム内で前記外科手術用器具を移動するためのロボット制御システムと、
ｃ．前記装置座標システム内で前記外科手術用器具の真の位置を示すために前記器具に対して固定される器具センサと、
ｄ．前記装置座標システム内で患者の骨の位置を示すために前記患者の骨に固定されることができる基準センサと、
ｅ．前記器具センサ及び前記基準センサの位置を監視する検出器と、
ｆ．前記検出器から位置信号を受ける信号プロセッサとを有し、前記信号プロセッサは、前記外科手術用器具の真の位置と所望の場所との間の差異を最小限にすることを含む処理によって、前記基準センサに対して前記所望の位置で前記外科手術用器具を位置決めするために所望の位置信号を前記ロボット制御システムに送る、装置の座標システムに対して整形外科処置の間に外科手術用器具を位置決めするための装置。
【請求項２】
前記外科手術用器具の位置の信号を発生する処理は、反復処理である請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記器具センサは、前記検出器によって検出することができる前記外科手術用器具の位置を示すために器具信号を生じる請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記器具信号は、光信号である請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記基準センサは、前記検出器によって検出することができる骨の位置を示すための信号を発生する請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記基準信号は、光信号である請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記骨の影像を形成するための走査作業の前に患者に固定するマーカーを含み、該マーカーは、外科処置において、前記基準センサによって示された前記装置座標システム内の前記患者の骨の位置を予め形成した前記骨の影像に関連づけるために参照できることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記検出器は、前記装置座標システム内に固定される請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記装置座標システム内で前記ロボットシステムの真の位置を示すためのロボット制御システムセンサを含む請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記骨の所定の点に接触することによって前記装置座標システム内で患者の骨の場所を決定するために登録プローブを有する請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、整形外科手術の間に外科手術用器具を位置決めする装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＣＴ国際公開第ＷＯ　９８／２７８８７号は、制御コンピュータからのプログラム命令によって装置座標システム内で外科手術用器具を移動するロボットを使用して外科手術用器具を位置決めするために使用する装置を開示している。この装置は、手によって可動なセンサーアーム又は遠隔レシーバーの形態（例えば、発光ダイオードからの光信号を受けることができる光信号レシーバーの形態）のセンサを含み、このセンサは、装置の座標システムを形成し、処置が実行される患者の骨をその座標システム内に配置するために使用することができる。このような方法で座標システムを形成することは、患者の骨に位置決めマーカーを配置すること又は患者の骨の解剖学的な特徴部を含む。例えば、骨のマーカーに接触するように手によって可動なアームを有するセンサを使用することができる。センサがレシーバーを有するとき、レシーバーは、マーカーの位置を示す骨のマーカーからの情報を受けることができる。装置は、センサに対する器具の位置を確立することによって、器具の位置に対する骨の位置を確立するために位置決めマーカーからの情報で作動することができる。外科手術用器具を制御するための命令は、医師によってコンピュータに送られる命令を使用して制御コンピュータによって提供されることができる。
【０００３】
開示された装置は、外科的な処置の間に骨の動きを監視するために骨の１つまたは複数の追跡用マーカー（例えば、ＬＥＤマーカー）からの情報を使用することができ、この骨の動きは、器具が骨に対して好適に配置され続けるようにコンピュータによってロボットに送られる信号を変更するために考慮に入れることができる。
【０００４】
このような装置においてコンピュータによってロボットに送られる信号は、器具を所望の位置に送ることができるロボットに依存する。したがって、装置は、外科手術用器具を正確に配置するためにロボットを正確に調整することに依存する。これらの調整の必要性は、ロボットを規則的に調整することを必要とする。これは時間の浪費である。しかしながら、必要なときに調整の失敗が生じることにより、器具の位置決めを不正確にし、外科処置の成功を妨げるおそれがある。
【０００５】
本発明は、ロボットへの位置信号を発生するコンピュータが器具の真の位置と所望の位置との間の差異を最小限にすることを含む方法を使用する外科手術用器具を位置決めする装置を提供する。
【０００６】
従って、１つの側面において、本発明は、
ａ．外科手術用器具と、
ｂ．プログラムの命令によって装置座標システム内で前記外科手術用器具を移動するためのロボット制御システムと、
ｃ．装置座標システム内で前記外科手術用器具の真の位置を示すために前記器具に対して固定される器具センサと、
ｄ．前記装置座標システム内で患者の骨の位置を示すために前記患者の骨に固定されることができる基準センサと、
ｅ．前記器具センサ及び前記基準センサの位置を監視する検出器と、
ｆ．前記検出器から位置信号を受ける信号プロセッサとを有し、前記信号プロセッサは、前記外科手術用器具と前記所望の場所との間の差異を最小限にすることを含む処理によって、前記基準センサに対して所望の位置で前記外科手術用器具を位置決めするために所望の位置信号を前記ロボット制御システムに送る、装置の座標システムに対して整形外科処置の間に外科手術用器具を位置決めするための装置を提供する。
【０００７】
本発明の装置は、ロボット制御システムの正確な調整の必要性を低減する利点を有する。なぜならば、本発明の装置は患者の骨の位置に対して外科手術用器具の位置を直接制御するからである。したがって、本発明の装置は、骨に対して外科手術用器具を誤って配置するロボット制御システムの調整のエラーを考慮に入れ、好ましくは補正することができる。
【０００８】
本発明の装置の他の大きな利点は、ロボット制御システムの位置に対して発生される信号が、外科手術用器具が骨に対して正確に位置決めされ続けるように処置の間、患者の骨の動きを考慮に入れることができるということである。
【０００９】
好ましくは、信号プロセッサがロボット制御装置に所望の位置信号を発生する処理は、器具の真の位置と前記所望の位置との間の差異を、一回以上計算することができ、各計算後に必要に応じて所望の位置信号に調整されるような反復性の処理である。
【００１０】
好ましくは、器具センサ又は基準センサ又はそれらの各々は、検出器によって検出されることができる器具の位置又は骨の位置（この場合がそうであるように）を示すための信号を発生する。例えば、信号は、１つまたは複数の発光ダイオードによって発生されるような光信号であってもよい。例えば、誘導又は超音波処理を使用して発生されるような他の形態の信号をも使用することができる。この信号は、検出器が信号を検出し、信号が伝達されるセンサを識別することができるように好適にコード化される。好ましくは、センサは、１つ以上の信号を発生し、さらに好ましくは、少なくとも２つの信号、特に好ましくは少なくとも３つの信号を発生し、信号発生器（例えば、発光ダイオード）は、固定された空間的な構成で配置される。いくつかの信号発生器を設けることは、装置がセンサの場所及び向きの双方を決定することができる利点を有する。このようなセンサを備えた位置決め装置は知られている。例えば、センサは、コーナーに信号発生器としての４つ又は６つの赤外線発光ダイオードを備えた小さいプレートを含む。ダイオードから放射される光インパルスは、検出器によって受けられ、この検出器は、２つ、３つ、又はそれ以上の分離した感光受光部材を有する。センサの位置及び向きは、感光性受光部材及びプレート上のダイオードの公知の数学的な配置を利用して、受けられた信号を数学的に評価することによって計算することができる。
【００１１】
患者の身体に対して基準センサの動きを最小限にすることは重要である。一般に、基準センサは、骨、特に、装置の外科手術用器具が作用する骨に固定される。基準センサは、ねじが形成された柄を有し、骨に穴を開けるステップと、センサの柄を穴があけられた骨にねじ込むステップとを含む技術によって骨に固定することができる。
【００１２】
ロボット制御システムは、外科手術用器具を取り付ける取付プレートを有するアームを提供することができる。このアームは、器具を移動することができるように接合される。器具を異なる方法で動かす他の制御システムを使用することができる。例えば、器具は、主軸に沿ってスライドすることができるキャリッジに取り付けることもできる。主軸がスライドする二次軸によってさらに大きな自由度を得ることができる。好ましくは、ロボット制御システムは、器具の動きについて少なくとも３つの自由度を提供する。好ましいシステムは、器具の動きについて少なくとも６つの自由度を提供する。
【００１３】
ロボット制御装置は、外科手術用器具のアームを固定する静止ベース部分を含むことができ、アーム及びアームに取り付けられた器具をプログラムの命令によって移動することができる。また、一般に、ロボット制御システムは、器具を移動させるための指示を発生させる好適なプロセッサ部品を備えたコントローラを含む。コントローラは、アームを固定する制御システムのベース部分と組み合わせることができる。しかしながら、コントローラは、しばしば、制御装置のベース部分と離して設けることができる。
【００１４】
この装置は、骨の影像を形成するために走査作業の前に患者に取り付けるマーカーを含み、このマーカーは、外科的処置において、予め形成された骨の影像に対して基準センサによって示されるような装置の座標システム内で患者の骨の位置について参照することができる。このようなマーカーは、Ｘ線又はコンピュータ断層撮影法と関連して使用するための基準点として作用することができる。このようなマーカー（基準マーカーと称される）の使用は確立されている。従来、それらは、ねじ又は同様の固定部材によって骨に固定される。それらは、プローブと共に使用することができ、このプローブは、ナビゲーションコンピュータに接続され、プローブは、コンピュータのためにマーカーを識別するために各マーカーに接触することができ、このコンピュータは、マーカーの位置を予め形成される骨の影像に関連させることができる。プローブの位置は、機械的に、例えば、接合部の動きを測定することができる接合アームにプローブを取り付けることによって監視することができる。このプローブは、最初に決定されたホーム位置からマーカーの各々に手で移動されることができ、各マーカーの位置は、プローブの動きを測定することによってホーム位置に対して決定される。このような測定装置は、一般に公知である。
【００１５】
骨の位置を決定する他の技術を使用することができる。例えば、骨の位置は、固定可能なマーカーの変わりに又はそれと関連して自然の解剖学的な特徴部分を使用して決定することができる。
【００１６】
好ましくは、本発明の装置は、骨の所定の点で接触することによって装置の座表システムで患者の骨の場所を決定する登録プローブを含む。この点は、移植マーカーによって、又は、例えば、骨の表面の特別に明確な場所又は明確な骨の輪郭によって提供される解剖学的な標認点によって定義することができる。
【００１７】
好ましい構成において、プローブの位置は、検出器を使用して、例えば、プローブの上に少なくとも１つの信号発生器（器具及び基準センサに関して上述したものよりもさらに好ましい）を含むことによって監視される。
【００１８】
骨の位置は、装置の座標システム内の場所が最初に決定される間変化しないまままであることが重要である。しかしながら、骨の位置が決定されると、本発明の装置は、骨の移動に対しての外科手術用器具の結果として起こる移動によって適応されることができる利点を呈する。
【００１９】
一般に、検出器は、装置座標システム内に固定され、装置座標システムは、検出器の位置に関して定義される。好ましくは、検出器は、外科手術用器具を移動するためのロボット制御システムに対して固定される。しかしながら、装置は、ロボット制御システムに対して検出器の移動量が小さいことによって不正確性が生じる可能性を避けるために、装置の座標システム内でロボット制御システムの真の位置を示すためのロボット制御システムセンサを含むことが好ましい。ロボット制御システムセンサは、上述した器具及び基準センサの特徴を有することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１を参照すると、図１は、外科手術用器具４を位置決めするために使用される装置２の概略図である。装置は、コンピュータ５と器具を移動するためにコンピュータ５によって発生される命令を受けることができるロボット制御システム６とを含む。制御システムは、ロボットアーム８（又は他のロボットシステム）を含み、このロボットアーム８は、器具４を端部に取り付ける取付プレート１０を有する。ロボットアーム８は、制御システムの静止ベース部分９に固定される。器具を移動する命令は、ロボット制御システムによって解釈され、その上に取り付けられた器具を備えたロボットアームを静止ベース部分９に対して移動させる。好ましくは、ロボットアームは、取付プレートの十分な自由度を可能にするために少なくとも３つの接合部、さらに好ましくは６つの接合部を有する。この種のロボット制御システムは、例えば、米国特許第６，０３３，４１５号、及びＰＣＴ国際公開第ＷＯ　９８／２７８８７号に開示されるように公知である。
【００２１】
ロボットアームは、取付プレート上に、したがって、器具に対して固定される器具センサ１２を有する。器具センサは、プレートを含み、プレートは、その上に配置された複数（例えば、４個乃至６個）の発光ダイオードを有する。センサは、器具４の位置を示す器具信号を発生する。
【００２２】
この装置は、センサの位置を監視するために器具センサ１２によって発生された信号を受けることができる光検出器１４を含む。光検出器は、少なくとも２つ（例えば、３つ）の分離した受光部材を有する。器具センサ１２（したがって、センサに対して固定されている器具４）の位置及び向きは、器具センサのＬＥＤ及び検出器の受光部材の公知の幾何学的な配置に基づいて評価される。
【００２３】
また、装置は、外科処置を実施すべき患者１７の骨に固定することができる基準センサ１６を含む。基準センサ１６は、器具センサ１２と同様に、プレートを含み、このプレートは、その上に配置された複数の発光ダイオードを有する。基準センサ１６（したがって、センサに対して固定された患者の骨）の位置と向きは、センサのＬＥＤ及び検出器の受光部材の幾何学的な配列に基づいて評価することができる。
【００２４】
この装置は、登録プローブ１８を含み、この登録プローブ１８は、検出器１４に関して定義された装置座標システムに患者の骨の位置を登録するために使用することができる。骨の位置の登録は、骨の影像を形成するために走査作業（特に、Ｘ線又はＣＴスキャン）の前に骨に移植されている基準マーカーにプローブを接触させることによって実行される。マーカーは、外科的な処置において、予め形成されている骨の影像に基準センサによって示されるような分離した座標システム内に患者の骨の位置を関連させるために参照される。ナビゲーションコンピュータに接続されるプローブと共に使用されるとき、登録プローブを備えた（基準マーカーと称される）このようなマーカーの使用は確立される。このナビゲーションコンピュータは、同様に各マーカーに接触することによってマーカーをコンピュータに関係付けるために使用できるため、マーカーの位置を予め形成されている骨の影像と関係付けることができる。プローブの位置は、機械的に、例えば、接合部の移動を測定することができる接合アームにプローブを取り付けることによって監視することができる。プローブは、最初に決定されたホーム位置から各マーカーの各々に手で移動され、各マーカーの位置は、プローブの動きを測定することによってホーム位置に対して決定される。このような装置は、一般に公知である。
【００２５】
装置は、任意選択的に、装置の座標システム内でロボット制御装置の真の位置を示すように、ロボット制御システムセンサ２０を含むことができる。ロボット制御システムセンサは、ロボット制御システムの静止ベース部分９に取り付けられる。ロボット制御システムは、器具センサ１２と同様に、プレートを含み、このプレートは、その上に配置された複数の発光ダイオードを有する。ロボット制御システムセンサ１６（したがって、センサに対して固定された患者の骨）の位置及び向きは、センサのＬＥＤ及び検出器の受光部材の公知の幾何学的な配置に基づいて評価することができる。これにより、ロボット制御装置の位置の変化をコンピュータによって発生された命令において考慮し、外科手術用器具を適切に位置決めすることを保証することができる。
【００２６】
本発明の装置を使用することは、次の連続したステップによる。
１．外科手術用器具４を作動するために骨に基準マーカーを外科的に移植すること。
２．例えば、Ｘ線又はコンピュータ断層撮影走査装置（図示せず）を使用して骨の影像を形成すること。
３．外科手術用器具を使用して実行されるステップを含む、実行すべき外科的手順を計画すること。
４．器具４を作用させるべき骨の動きを最小限にする方法で患者を手術用テーブルに配置すること。
５．骨に対して基準センサ１６を固定すること。
６．プローブ１８を使用して骨のマーカーに接触することによって検出器１４に関して定義される装置座標システムに骨を配置すること。
７．ステップ２で発生された骨の影像のマーカーの座標（ａ）を、ステップ６のプローブ１８を使用して配置されたようなマーカーの座標（ｂ）とを整列させるためにマッチング処置を実行すること。
８．検出器１４によって器具センサ１２と基準センサ１６からの信号を検出し、器具センサ（したがって、センサに対して固定される器具４）及び基準センサ（従って基準センサを固定する骨）の位置と向きを評価すること。
９．器具が骨に作用することができる患者の骨に対する所望の位置にロボットアーム８によって器具４を移動させるためにロボット制御システム６に伝達される信号をコンピュータ５によって発生すること。
１０．器具センサから検出器によって受けられた信号から決定されるような外科手術用器具の実際の位置と、骨に対する所望の位置とを比較すること。
１１．患者の骨に対する所望の位置と器具の実際の位置との間の差が減少するように、ロボットアームに器具を移動させるためにコンピュータによって信号を発生させること。
１２．必要に応じてステップ９及びステップ１０を繰り返すこと。
【００２７】
移植されたマーカーの代わりに、例えば、骨の表面の特別に明確な場所によって、又は明確な骨の輪郭によって提供される解剖学的な基準マーカーが使用される場合に、上述したステップ１の手順を省略することができる。このような基準マーカーは、ステップ２におけるように患者の手術前の検査で形成される影像で識別される。また、それらは、基準マーカーに接触するか、ステップ６に類似したステップで解剖学的な輪郭又は表面に追随することによって複数の点を形成するために（プローブ１８のような）プローブを使用して処置の間、識別されなければならない。解剖学的な基準マーカーの使用は、マーカーを移植する最初の外科的な処置を患者が受ける必要がないという利点を有する。
【００２８】
患者が装置の座標システム内で動く場合、このような動きは、基準センサによって検出器に伝達された信号から検出器によって検出される。このような動きは、骨に関して定義された外科手術用器具の所望の位置と器具の実際の位置との間の差の変化を生じることがある。これは、コンピュータによって追加の信号を発生し、患者の動きを考慮にいれるようにロボットアームに器具を移動させる。
【００２９】
器具の正確な位置決めは、ロボット制御システム６の固定部分の場所が正確に知られていることを要求する。なぜならば、取付プレート１０上の外科手術用器具４の位置が、制御システムの固定部分に対してロボットアーム８を移動させるロボット制御システムによって受けられる信号に応答して変化するからである。ロボット制御システムの固定部分が、検出器１４に対して定義される装置座標システム内で移動する場合、このような動きは、基準センサによって検出器に伝達される信号から検出器によって検出される。このような動きは、骨に対して定義された外科手術用器具の所望の位置と器具の実際の位置との間の差異の変化を生じる。これは、コンピュータによって追加の信号が発生され、患者の動きが考慮されるようにロボットアームに器具を移動させる。
【００３０】
本発明の装置は、ロボットの調整エラーによる外科手術用器具のロボットによる位置決めのエラーを低減することができる。したがって、それは、ロボットの正確な調整の重要性を低減する。
【００３１】
取付プレート１０に固定されることができる器具の例は、切削工具、リーマ及びのこぎりを含む。
【００３２】
図２は、例えば、器具センサ又は基準センサであるセンサの概略図である。センサは、支持フレーム３２に間隔を置いて取り付けられている３つの発光ダイオード３０を有する。支持フレーム３２は、その基材（器具、患者等）にそれを取り付けることができる取付部材３４を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置の概略構成図である。
【図２】器具センサまたは基準センサであるセンサの正面図である。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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2004500958.tif 000005
2004500958.tif 000006
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2004500958.tif 000012
2004500958.tif 000013
2004500958.tif 000014
2004500958.tif 000015
2004500958.tif 000016
2004500958.tif 000017
【国際調査報告】
2004500958.tif 000018
2004500958.tif 000019