(57)【要約】【課題】患者の身体への針、ドリル、ネジ、クギ、ワイヤーまたはその他の手術器具の挿入ポイントおよびアプローチ角の、コンピュータを使った正確なプランニングを可能にする装置および方法を提供する。【解決手段】患者の身体と身体に隣接して配置された基準点を異なる方向から撮った第１、第２の透視画像をディスプレイする手段と、第１、第２透視画像における基準点の二次元座標を識別する手段と、既知の座標フレームから第１および第２透視画像内の二次元ポイントに三次元座標をそれぞれ投影する第１変換マトリクスおよび第２変換マトリクスを含む幾何学的モデルを作成する手段と、既知の座標系で手術器具の線状軌道を少なくとも部分的に指定する手段と、手術器具の線状軌道を第１および第２変換マトリクスを用いて第１および第２透視画像にそれぞれ投影する手段とを備える。【選択図】図１
2007307399.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
既知の座標フレームに対して既知の三次元座標に位置する複数の基準点を含む、身体に隣接して設置された位置合わせアーティファクトと、
少なくとも、身体および基準点の第１透視画像を少なくとも１つのコンピュータのモニタ上にディスプレイし、前記第１透視画像のそれとは異なる角度から撮られた、前記身体および前記基準点の第２透視画像をディスプレイする手段と、
前記ディスプレイされた第１透視画像および第２透視画像における前記基準点の二次元座標を識別する手段と、
前記基準点の既知の三次元座標の投影と画像内の識別された二次元座標との間の偏差が最小となるように、前記既知の座標フレームから前記第１透視画像内の二次元ポイントに三次元座標を投影するように適合されている、最適化されたパラメータを有する第１変換マトリクスと、前記既知の座標フレームから前記第２透視画像内の二次元ポイントに三次元座標を投影する第２変換マトリクスとを含む幾何学的モデルを作成する手段と、
前記既知の座標系において、手術器具の線状軌道を少なくとも部分的に指定する手段と、
前記既知の座標フレームから前記線状軌道を、前記第１変換マトリクスを用いて前記ディスプレイされた第１透視画像に投影し、前記第２変換マトリクスを用いて前記ディスプレイされた第２透視画像に投影する手段
とを備えた、身体の画像を発生するための透視装置を使用して身体へ手術器具を線状軌道に沿って挿入するための定位手術方法のプランを策定するための装置。
【請求項２】
前記既知の座標フレームにおいて前記線状軌道を指定するポイントを前記第１および第２透視画像上でユーザが選択する入力手段をさらに含む、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記既知の三次元座標フレームにおいて前記軌道を修正するために前記第１および第２透視画像内で前記ディスプレイされた軌道を動かすユーザ入力手段をさらに含む、請求項２記載の装置。
【請求項４】
患者の身体と該身体に隣接する既知の位置に置かれた放射線に不透明な複数の基準点を異なる方向から撮った二次元の第１および第２透視画像を受け取るステップと、
前記基準点の位置の三次元座標の前記第１および第２透視画像への投影と前記第１および第２透視画像内の前記複数の基準点の位置との間の偏差が最小となるように、最適化されたパラメータを有する第１および第２変換マトリクスを含む幾何学的モデルを作成することにより前記第１および第２透視画像の位置合わせを行なうステップと、
前記身体内に置かれる三次元仮想物体を表現したものを前記第１および第２透視画像内に表示するステップ
とを含む方法。
【請求項５】
コンピュータにより読み取られた時に、請求項４の方法をコンピュータが実行できるようにする命令でコード化された、コンピュータにより読み取り可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、米国科学財団から授与された許可番号第DMC-8857854号による米国政府の支援を受けて行われたものである。
米国政府は本発明に所定の権利を有する。
本発明は、線状軌道に沿って身体内に物体を挿入することをプラニングし、ガイドするための装置および方法に関する。より詳細には、二次元画像しか使用しないで軌道の有効な三次元プラニングを可能にするよう、２つの捕捉された透視画像をコーディネイトさせるための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多数の医学的な介入操作では、身体内に針、ドリル、ネジ、クギ、ワイヤーまたはその他の装置を挿入する。あるケースでは、例えば椎間の軸線に沿ってネジ状の孔をドリルする際に、装置の角度および位置の双方が重要となる。別のケースでは、例えば腫瘍が疑われている部位に生検針を挿入する際に、主として装置の端部の点を位置決めすることが重要である。更に別のケースでは、例えば放射線治療のために腫瘍をターゲットとする際に、目的はラインではなく、むしろ点を決めることにすぎない。特に整形外科の分野ではその他の多くの例が存在する。
【０００３】
本発明は、経皮的技術の開発にも関連する。皮膚を通して身体内に医療器具を挿入するための線状軌道を実現することは切開手術技術よりも困難であるが、経皮的な挿入の小さい侵襲性および痛みにより、手術は好ましいものとなっている。
【０００４】
医学的な治療を支援するために、透視測定法は外科医によってよく使用されている。手術中に連続的に透視測定を行うことは外科医の手を放射線に曝すので好ましいものではない。更に間欠的な透視測定法または連続的な透視測定法のいずれかを使用するのとは関係なく、得られる画像は二次元状であるが、手術器具を挿入するには外科医にとっては三次元状に知ることが必要である。
【０００５】
本発明の装置および方法は、２つの異なる角度から得られる身体の２つの別個の透視画像を収集し、記憶することを行う。一般にこれら画像は患者の前方から後方に撮られた前方／後方（Ａ／Ｐ）画像と、側面から側面に撮られたサジタル画像となるが、必ずしもそのような画像となるわけではない。これら２つの透視画像は２つの隣接するコンピュータモニタにディスプレイされる。外科医はトラックボールまたはその他のコンピュータ入力装置を使って挿入ポイントおよび挿入軌道をモニタで指定する。
【０００６】
次に外科医が手術器具の挿入を行うのに使用するガイドの位置決めをするように、機械的な位置決め装置が使用される。この位置決め装置はアクティブなコンピュータで制御されるマニピュレータ、例えばロボットでもよいし、またはコンピュータからの出力信号に従って数値的に設定される、手動調節される機械的な装置でもよい。
【０００７】
本発明の装置および方法は、透視測定方法の本質的に任意な位置決めにも拘わらず、患者の身体のまわりおよび内部の三次元状作業空間に対する２つの収集した透視画像の各々に関する幾何学的な投影関係を定めるものである。これら２つの画像は本発明を使用しない場合、コンピュータを使ったトモグラフィ（ＣＴ）走査を必要とすることが予想される三次元プラニングを可能にする、調整されたペア画像となる。
【０００８】
２つのほぼ直交する画像の収集およびディスプレイは、二次元におけるプラニングをする最大の可能性を外科医に与えることが予想できるが、これら２つの画像は厳密に言って必要ではない。特に外科医が透視測定のビーム軸を予定する軌道に整合するように調節した場合、ある手術に対しては単一の捕捉画像を用いることが可能である。更に、有利であれば、３つ以上の画像を収集し、コーディネートすることもできる。
【０００９】
他の研究者によりこれまで医療画像をディスプレイするコーディネートスクリーン上でプラニングされる定位手術またはロボット手術への上記以外のいくつかの方法が記載されており、これを以下にリストアップする。従来技術を検討する前に、所定の背景について示す。本発明の方法および装置は、本発明者がコーディネートされた透視測定技術と称す技術を構成するものである。このコーディネートされた透視測定技術とは、位置合わせおよび手術プラニングのための技術である。この技術は別の測定装置を必要とすることなく、収集した透視画像自身に基づき位置合わせを可能にする。更にこの技術は、コンピュータを用いたトモグラフィ（ＣＴ）のような三次元画像を必要とすることなく、かつ直交した透視ポーズから２つの透視画像を収集する必要なく、２つの角度からの透視画像に基づき、三次元の手術プラニングを可能にするものである。
【００１０】
位置合わせ
位置合わせは画像によりガイドされる手術システムにおけるキーとなる工程である。位置合わせとは手術プランを策定する画像のポイント間、および患者の近く（およびその内部）における作業空間のポイント間の対応性を決定することである。数値制御された器具（ロボットまたはマニュアルのいずれかである）を使用すべき場合、装置のコーディネートシステムも画像に一致させなければならない。
【００１１】
通常、大きな容積の空間上の任意の場所に置かれたマーカーの三次元座標を測定できる、通常は光学的なグローバルな位置決め装置の助けにより位置合わせを実行するのが一般的である。コーディネートされた透視測定技術は、このような高価で不便な装置を不要にするものであり、その代わり、収集した透視画像自身から位置合わせを行うものである。このコーディネートされた透視測定技術は、異なる角度（ポーズ）から１つ以上の透視画像を収集する間、患者に対する固定された位置に保持される「位置合わせアーティファクト」を使用するものである。透視ポーズを直交させる間、これら種々の画像を収集する透視ポーズを制限する必要もなければ、ポーズ角度を測定できるように透視測定を行う必要もない。その代わりに事後に画像からポーズ情報を抽出する。外科医が慣れているように、自分の選択した透視ポーズを使って外科医が透視画像を収集できることが、本発明の実質的な利点となっている。
【００１２】
位置合わせアーティファクトは透視画像で容易に識別できるようになっている複数の特徴（基準点）を含む。本明細書に記載する実施例は、放射線透過マトリックス内に埋め込まれた８つの小さい鋼鉄球を使用している。これら基準点の位置は、設計または測定のいずかによりアーティファクト内に固定された座標系に対して既知となっている。
【００１３】
これら透視画像におけるこれら基準点の投影の二次元位置から、我々はアーティファクトの近くの一般的な三次元ポイントを画像上の投影点に送る幾何学的投影を決定できる。これにより、画像を作業空間との間の位置合わせを定めることができる。同一の位置合わせアーティファクトに対し、数個の画像の各々を位置合わせできるのですべての画像を互いに一致させることができる。
【００１４】
上記幾何学的投影の識別は、極めて非線形であり、歪んでいる未処理の透視画像では可能ではない。まず第１にこれら歪みをマッピングし、補償する必要がある。本発明と従来技術を比較する際に、歪み補償が必要なことに気づくことが有効である。
【００１５】
手術プランニング
手術プランニングも画像でガイドされる手術におけるキーとなる工程である。三次元手術方法のプランニングは、例えばコンピュータトモグラフィー技術（ＣＴ）データから再構成できる三次元データセットで行うことができると予想できる。しかしながら、外科医は二次元画像、すなわちラジオグラフまたは透視画像でのプランニングすることに慣れている。ＣＴデータが利用できる場合でも、プランニングは三次元状の再構成画像ではなく、むしろ個々の二次元状のＣＴスライスで行われる。
【００１６】
使用するネジ、生検針またはドリルされた孔を示すラインセグメントの端部ポイントの座標は当然、腫瘍または爆弾の破片の現在位置をマークする身体内の単一の点の座標のような三次元状となっている。手術プランニングの際にかかるポイントは二次元画像上で、またはいくつかの二次元画像の各々で指定できる。かかる各二次元画像は同じ三次元空間の投影である。
【００１７】
いくつかの画像の各々の上の指定された点の二次元座標を三次元座標に変換し、この三次元画像を使って身体内の所望の軌道に沿って、または所望のポイントまで器具をガイドできる。このようにするには、画像を発生した軌道の幾何学的関係の知識を有していなければならない。
【００１８】
かかる幾何学的知識がない場合、画像上で指定されたポイントと、別の画像上で別個に指定されたポイントは、実際には身体内の単一ポイントに対応していない。二次元画像で特定されるポイントは空間内のあるラインの投影であるからである。三次元において暗示されるポイントは、２本のかかるラインの交点であり、暗示される１つのポイントは各画像上で指定されたポイントによって表される。
【００１９】
別々に発生されるかかる２本のラインは、どこでも交差しない斜め線となり得る。同様に、予定する手術方法のための線分は２つの画像上で別々に選択できず、そうでない場合、これら線分は一般に良好に定義された三次元の線分に対応しない。
【００２０】
コーディネートされた透視測定技術では、２つの画像を単一の三次元座標系に関連付ける幾何学的投影は、プランニングを開始する前に確立される。従って、２つ（またはそれ以上の）画像上で外科医により選択されるポイントはこれらポイントが三次元内の良好に定められた１つのポイントに対応するように、ソフトウェアによって限定することができる。実際には外科医が１つの画像上の予定するポイントまたは線分を調節する際に、別の画像上にディスプレイされるポイントまたは線分が連続的に更新され、同じように調節される。これら画像上で別々に任意のポイントまたは線分を描くことはできず、ソフトウェアは三次元内の良好に定められたポイントまたは線分に対応するポイントまたは線分を描けるようにするだけである。
【００２１】
上記幾何学的にコーディネートされた画像上でプランニングする利点は３つある。
１）外科医が一旦、２つの画像上のポイントまたは線分を選択すると、この選択に対応する三次元のポイントまたは線分を完全に定義し、すぐに実行することができる。
２）ＣＴスライスから得られるような軸方向の図は、一般に透視測定方法では得られない。軸方向の図内で最も容易に可視化できる角度は、横断角度として知られており、よってこの角度は透視測定方法では選択または実施が困難である。コーディネートされた透視測定技術ではこの横断角度は２つの画像上で線分を選択することによって外科医に暗黙のうちに指定される。これにより外科医は手術のための横断角度を可視化し、プランニングすることを助けることができる。
３）従来の透視測定技術では、ビーム発散に起因する画像の拡大は未知の大きさであり、これにより解剖学的距離を正確に測定するが困難となっている。コーディネートされた透視測定技術では、予定する線分の実際の場所での長さをソフトウェアで決定できる。このことは、適当なネジの長さを選択したり、それ以外の他の目的に有効である。
【００２２】
（背景）
フランスのグルノーブル在住のラバール氏外は、画像ソースとしてコンピュータトモグラフィーを使用する椎間手術のためのシステムを開発した。ＣＴデータを三次元データの組に組み立て、次にこの三次元データの組を直交平面で意図的にスライスし直すことができる。同時に３つの相互に直交する平面で手術プランニングが進められる。椎間板の任意の表面のポイントをデジタル化するのに、光学的なトラッキング装置を使用することによって位置合わせによりその表面のポイントがＣＴデータの組に一致される。
【００２３】
スイスのベルン在住のノルテ氏外は、ラバール氏外のシステムに極めて類似した椎間システムを開発した。一般的な表面の形状ではなく、特定の解剖学的ランドマークをデジタル化するのに光学的なトラッキング装置を使用している点で、位置合わせが異なっている。これらの特徴はＣＴデータ内でマニュアルにより特定されるので、マッチングを行うことができる。
【００２４】
英国のハイウェイコンビー在住のＰ・フィンレイ氏は、大腿骨（臀部）の頂部の骨折に対する透視システムを開発した。この手術における精度の条件は極めて大きいとは言えないので、透視歪みの補償は必要ではない。このような補償がないことによって、本発明で行っているような画像からの幾何学的投影を識別することも不要となっている。その代わりに２つの透視ポーズを直交させる必要があり、Ｃアームを２つの画像の間で床に沿って移動させる必要はない。画像内に現れる手術器具の種々の特徴に注目し、透視測定画像の領域にも現れるマーカーワイヤーをハイライト表示することによって位置合わせが行われる。
【００２５】
英国のロンドン在住のポタミアノス氏外は、腎臓の生検および同様な軟質組織の手術のためのシステムを開発した。このシステムは生検針が取り付けられた、外科医が手動で移動することができるデジタル化機械的アームを含む。手術プランニング自体はないが、その代わりに針を患者の近くまたは内部で手動で移動する際に針の現在位置を示す線分が捕捉された（静的な）透視画像上に重ねられてディスプレイされる。
【００２６】
英国のハル在住のフィリップス氏外は、整形外科手術のためのシステムを開発した。このシステムは光学的なトラッキング装置のみならず透視装置を使用する。透視装置に発光ダイオードを設け、発光ダイオードを光学的トラッカーでトラッキングすることによって位置合わせを実行している。手術プランニング用ソフトウェアは手術方法に固有のものであり、本発明のように軌道をディスプレイするのではなく、医学的意見を提供するようになっている。例えば脊髄内にクギを設置するために、外科医は脊髄プロテーゼ内の目標孔をアウトラインし、ソフトウェアがこれら孔を通る軌道を計算するようになっている。
【００２７】
米国特許第4,750,487号（ザネッチー）は、患者の上に載せられた定位フレームを述べている。次に１つの前方／後方透視画像を収集する。この透視画像ではフレームに固定された十字線を見ることができる。所望ターゲットからの十字線の変位を測定することにより、フレームを運動させることができ、これによって２つの画像を一致させることができる。この発明は本方法のように三次元の定位手術を容易にするものではない。
【００２８】
米国特許第5,078,140号（コー）は、神経手術のための定位手術およびロボットシステムを開示している。この特許はＣＴ画像を使用している。
【００２９】
（発明の特徴）
本発明によれば、身体の画像を発生するよう、透視装置を使って身体の手術器具の線上軌道に沿った挿入を行うための定位手術方法のプランを策定するための方法が提供される。この方法は、位置合わせアーティファクトの既知の座標フレームに対し既知の位置に複数の基準点を含む位置合わせアーティファクトを身体に隣接するように設置する工程と、患者の身体および位置合わせアーティファクトから撮られた画像をコンピュータのモニタにディスプレイする工程と、画像にディスプレイされた位置合わせアーティファクトの基準点の二次元座標を識別するための入力信号を受信する工程と、画像ポイントに三次元座標を投影するパラメータを有する幾何学的モデルを作成し、基準点の既知の三次元座標の投影が画像内の識別された二次元座標に最良に適合するように、幾何学的モデルのパラメータを数値的に最適化することにより、画像の位置合わせを行う工程とを備える。
【００３０】
この方法は更に、第１画像の角度と異なる角度からの、患者の身体および位置合わせアーティファクトから撮られた第２画像をディスプレイする工程と、第２画像上にディスプレイされた位置合わせアーティファクトの基準点の二次現座標を識別する入力信号を受信する工程と、画像ポイントに三次元座標を投影するパラメータを有する幾何学的モデルを作成し、基準点の既知の三次元座標の投影が第２画像内の識別された二次元座標に最良に適合するように、幾何学的モデルのパラメータを数値的に最適化することにより、第２画像の位置合わせを行う工程とを備える。
【００３１】
この方法は、１つの画像が収集された場合、または２つの画像が収集された場合でも、更に仮想ガイドワイヤーを部分的に指定するポイントを第２画像上に選択するためのユーザー入力信号を受信するための工程を含む。
【００３２】
２つの画像の場合、この方法は手術器具に対する軌道を示す仮想ガイドワイヤーの位置、長さおよび角度をコンピュータモニタ上で選択するためのユーザー入力を受信する工程と、画像上に投影されたガイドワイヤーとして知られるセグメントを描く工程とを更に含む。２つの画像がある場合、投影されたガイドワイヤーは仮想ガイドワイヤーとして知られる空間内の同じ二次元セグメントに幾何学的に対応するように制限される。
【００３３】
この方法は更に、２つの投影されたガイドワイヤーの投影である仮想ガイドワイヤーを変更し、変更された仮想ガイドワイヤーに対応してそれぞれの画像に２つの投影されたガイドワイヤーを描き直すことにより、投影されたガイドワイヤーのいずれかの端部を移動するためのユーザー入力信号を受信する工程を含む。
【００３４】
この方法は、仮想ガイドワイヤーの長さを変えるためのユーザー入力信号を受信する工程と、変更された仮想ガイドワイヤーに対応し、それぞれの画像上の２つの投影されたガイドワイヤーを描き直す工程を更に含む。特別なケースは長さがゼロの場合であり、よってこの場合、プランを策定するのは仮想ガイドワイヤーではなく、仮想ターゲットポイントである。
【００３５】
この方法は、仮想ガイドワイヤーのサジタル角、横方向角、または頭頂角を変更するためのユーザー入力信号を受信する工程と、新しい角度に基づき、仮想ガイドワイヤーの配置を更新する工程と、変更された仮想ガイドワイヤーに対応して、投影されたガイドワイヤーを描き直す工程とを更に含む。
【００３６】
この方法は、画像内のガイドの軸線の投影がコンピュータのモニタ上にディスプレイされた入力点に対応するように、器具ガイドの座標を調節するための出力信号を発生する工程を更に含む。
【００３７】
この方法は、挿入すべき手術器具の身体内の位置を制御するよう、器具ガイドの軸線が仮想ガイドワイヤーに一致するように器具ガイドの座標を調節するための出力信号を発生する工程、または器具ガイドの軸線に沿ったガイドの位置が仮想ガイドワイヤーの端部ポイントから所定距離だけずれるように器具ガイドの座標を調節するための出力信号を発生する工程を更に含む。
【００３８】
この方法は、ロボットまたは他の自動機械装置への前記座標を送信する工程、またはオペレータ要員が機械装置を手動で調節する際に使用する前記座標をディスプレイする工程を更に含む。
【実施例】
【００３９】
次に図面を参照する。図１は、較正され、コーディネートされた透視測定技術を使用して線状軌道医療介入をするための定位システム１０を示す。本発明の装置および方法は、透視装置１２、例えば手術台１４上の身体の透視画像、すなわちＸ線画像を発生する標準的なＣアームからの画像を利用するようになっている。撮像アーム１６は身体の前方／後方（Ａ／Ｐ）画像およびサジタル、すなわち側方画像の双方を撮ることができるように移動自在となっている。
【００４０】
手術台１４にロボット１８が隣接しており、図示するようにこのロボットはＰＵＭＡ−５６０ロボットである。このロボット１８は端部フランジ２２を有する可動アームアセンブリ２０を含む。ロボット１８のフランジ２２には整合すなわち位置合わせアーティファクト２４が結合されている。
【００４１】
図２には位置合わせアーティファクト２４が最良に示されている。このアーティファクト２４はＸ線であり、８個の不透明な球体すなわち基準点２６およびアーティファクト２４を介して医療器具ガイド２８を保持するための開口部３０を除き、視覚的に透明となっている。当初、アーティファクト２４はほぼ身体３２の当該領域上であって、透視装置１６の視野内に設置される。従って、基準点２６は下記のようにＡ／Ｐサジタル画像上に異なる点となって表示される。このアーティファクトの形状は基準点２６からの画像の点が互いに影を生じることなく、角度の偏差に敏感となるように設計されている。ロボットアーム２０は図１に示されたＸ軸線３４、Ｙ軸線３６またはＺ軸線３８を中心にアーティファクト２４を三次元状に調節できる。
【００４２】
本発明のコーディネートされた透視制御システムはコンピュータ４０によって制御され、このコンピュータはマイクロプロセッサ４２と、内部ＲＡＭ４４と、ハードディスクドライブ４６を含む。コンピュータ４０は２つの別個のグラフィックモニタ４８および５０に結合されており、第１グラフィックモニタ４８はＣアーム１２から撮られたサジタル画像をディスプレイし、第２モニタ５０はＣアーム１２によって撮られたＡ／Ｐ画像をディスプレイする。コンピュータ４０はロボット１８のコントローラ５３に結合されたシリアル通信ポート５２を更に含む。コンピュータ４０は画像収集カード５４を通してＣアーム１２からの画像を受信するよう、Ｃアーム１２にも結合されている。コンピュータ４０は図示するようにトラックボール入力制御装置５８を有するキーボードとなっている入力デバイス５６にも結合されている。トラックボール入力５８はモニタ４８、５０の双方の上のカーソルを制御するようになっている。
【００４３】
図３ａおよび３ｂにはモニタ４８および５０上のディスプレイが示されている。次に図３ｂを参照すると、モニタ４８上の領域６２にはサジタル画像がディスプレイされている。このサジタル画像領域６２には８つのすべての基準点２６が表示されるはずである。表示されない場合、アーティファクト２４またはＣアーム１２を調節しなければならない。後に詳述するように、コンピュータ４０は投影されたガイドワイヤー６８の頂部入力ポイント６４および底部ポイント６６をディスプレイする。投影されたガイドワイヤー６８は線分であり、この線分は定位手術中に挿入すべき器具の位置を示すサジタル画像領域にディスプレイされる。サジタル画像領域６２には視線７０もディスプレイされる。
【００４４】
モニタ４８には種々のユーザーオプションボタンがディスプレイされる。外科医またはオペレータはこれらボタンにカーソルを移動させ、クリックまたはキーボード上の適当なファンクションキー（Ｆ１、Ｆ２など）を選択することにより、これらオプションにアクセスできる。モニタ４８上にディスプレイされたオプションボタンにはサジタル画像を収集するためのボタン７２（ファンクションＦ２）と、サジタル基準点を選択するためのボタン７４（Ｆ４）と、サジタル画像を位置合わせするためのボタン７６（Ｆ６）が含まれる。更にサジタル角度を設定するためのボタン７８（Ｆ１０）が設けられ、ネジの長さを設定するためのボタン８０（Ｆ８）が設けられ、器具ガイドの軸線に沿ってロボットを移動させるためのボタン８２（Ｆ１２）が設けられる。最後に、ディスプレイスクリーンはロボット制御領域８４を含む。オペレータは後述するようにロボット１８を制御するためにロボット制御領域８４内でカーソルを移動し、クリックできる。
【００４５】
次に図３ａを参照する。ここにはモニタ５０のディスプレイスクリーンにディスプレイされたＡ／Ｐ画像が示されている。このＡ／Ｐ画像はスクリーンの領域８６内にディスプレイされる。再びこのＡ／Ｐ画像領域８６には８つのすべての基準点２６が現れるはずである。位置８８には仮想ガイドワイヤーの頂部挿入点が示され、位置９２は底部点が表示される。Ａ／Ｐ画像へのガイドワイヤーの投影は線分９２によって示される。
【００４６】
コンピュータ４０はモニタ５０上の種々のオプションボタンもディスプレイする。Ａ／Ｐ画像を収集するためのボタン９４（Ｆ１）が設けられており、Ａ／Ｐ基準点を選択するためのボタン９６（Ｆ３）が設けられており、ＡＰ画像を位置合わせするためのボタン９８（Ｆ５）が設けられており、仮想ガイドワイヤーの横断角を設定するためのボタン１００（Ｆ７）が設けられており、ロボットに対するアプローチ角を設定するためのボタン１０２（Ｆ９）が設けられており、ロボットを移動させるためのボタン１０４（Ｆ１１）が設けられている。コンピュータ４０はロボット制御領域８４もディスプレイする。オペレータは後に詳述するように、ロボット１８を制御するようロボット制御領域８４内でカーソルを移動し、クリックすることができる。
【００４７】
本発明は、Ａ／Ｐ画像領域８６において投影されたガイドワイヤー８８の頂部点を移動することにより、手術器具を挿入する点を外科医が選択できるようにするものである。オペレータは横断角およびサジタル角を指定するように、投影されたガイドワイヤー９０の底部点も調節できる。更にオペレータは視線上の位置および投影されたガイドワイヤー６６の底部点を指定し、サジタル画像領域６２におけるサジタル角および横断角を指定するように、投影されたガイドワイヤー６４の頂部点を調節できる。従って、外科医は身体に対する手術器具の所望する位置および配置を選択できる。
【００４８】
コンピュータ４０は透視装置１２の光学系からの空間的歪みを補正するようにソフトウェアでプログラムされている。本発明のシステムは、隣接するモニタ４８および５０上にディスプレイされる一対の二次元透視グラフィック画像だけを使って定位手術法の有効な二次元プランニングを可能にする。手術器具の位置を完全に特定するためにＣＴスライスを使用する必要はない。コンピュータ４０はＡ／Ｐおよびサジタル画像設定するために画像のひずみおよびＣアーム１２の基本的にランダムな、またはフリーハンドの位置決めにも拘わらずＡ／Ｐ画像とサジタル画像との間の直接的な幾何学的関係を定める。本発明の改善されたシステムは、サブミリメータの精度内でこのような正確な幾何学的関係を定めることができる。
【００４９】
サジタル画像とＡ／Ｐ画像が一旦位置合わせされると、Ａ／Ｐ画像またはサジタル画像の一方で外科医によって選択されたポイントまたはラインは、他の画像上の対応する投影としてコンピュータ４０によってすぐにディスプレイされる。従って、モニタ４８上のサジタル画像およびモニタ５０上のＡ／Ｐ画像を使用すると、外科医はＣＴスキャンスライスを必要とすることなく、線状軌道を定位法でプランニングできる。従って、本発明の方法は、１００万ドルを越える価格となり得る極めて高価なＣＴスキャン装置を用いることなく実行できる。
【００５０】
図３ｃ〜図１８には、本発明のシステムを制御するためのソフトウェアの作動の詳細が示されている。
添付した付属書には注釈、添え字および数式、公式および説明のすべてが記載されている。図４〜１８に示された全フローチャートにわたり、付属書および付属書に記載された番号の付いた章［１］〜［１５］を参照する。
【００５１】
図３ｃのブロック１１０でメインプログラムがスタートする。コンピュータ４０はブロック１１２で親ウィンドーを発生し、ブロック１１４に示されるようなメインウィンドー上のボタンを表示する。次にコンピュータ４０はブロック１１６に示されるようなサジタル子ウィンドーをモニタ４８に発生する。コンピュータ４０はブロック１１８に示されるようなＡ／Ｐ子ウィンドーもモニタ５０に発生する。次にコンピュータ４０はブロック１２０でボタンまたはキーが押されたかどうかを判断する。押されていない場合、コンピュータ２０はブロック１２２に示されるように待ち、ブロック１２０へリターンし、ボタンまたはキーが押されのを待つ。
【００５２】
ブロック１２０でボタンまたはキーが押された場合、コンピュータ４０はブロック１２４でＡ／Ｐ画像収集ボタン９４またはＦ１キーが押されたかどうかを判断する。押されている場合、コンピュータ４０は図４のブロック１６０へ進む。押されていない場合、コンピュータ４０はブロック１２６でサジタル画像収集ボタン９４またはＦ２キーが押されたかどうかを判断する。押されている場合、コンピュータ４０は図５のブロック２００へ進む。押されていない場合、コンピュータ４０はブロック１２０でＡ／Ｐ基準点選択ボタン９６またはＦ３キーが押されたかどうかを判断する。押されていれば、コンピュータ４０は図６のブロック２３４へ進む。ブロック１２８でボタン９６またはＦ３キーが押されていない場合、コンピュータ４０はブロック１３０に示されるようにサジタル基準点選択ボタン７４またはＦ４キーが選択されたかどうかを判断する。押されている場合、コンピュータ４０は図７のブロック２７０へ進む。押されていない場合、コンピュータ４０はブロック１３２へ進む。
【００５３】
ブロック１３２において、コンピュータ４０はＡ／Ｐ画像位置合わせボタン９８またはＦ５キーが押されているかどうかを判断する。押されている場合、コンピュータ４０は図８のブロック３２４へ進む。押されていなければコンピュータ４０はブロック１３４に示されるようにサジタル画像位置合わせボタン７６またはＦ６キーが押されているかどうかを判断する。押されている場合、コンピュータ４０は図９のブロック３５０へ進み、押されていなければコンピュータ４０はブロック１３６に進む。
【００５４】
コンピュータ４０はブロック１３６からブロック１３８で横断角ボタン１００またはＦ７キーが押されているかどうか判断する。押されている場合、コンピュータ４０は図１０のブロック３７６へ進む。押されていなければコンピュータ４０はブロック１４０に示されるようにネジ長さボタン８０またはＦ８キーが押されているかどうかを判断する。押されていれば、コンピュータ４０は図１１のブロック３８８に進む。押されていない場合、コンピュータ４０はブロック１４２に示されるようにサジタル角ボタン７８またはＦ１０キーが押されたかどうかを判断する。押されている場合、コンピュータ４０は図１２のブロック４００に進む。押されていなければコンピュータ４０はブロック１４４に示されるようにアプローチ角ボタン１０２またはＦ９キーが押されているかどうか判断する。押されていなければコンピュータ４０は図１３のブロック４１２に進み、押されていなければコンピュータ４０はブロック１４６に進む。
【００５５】
ブロック１４６ではコンピュータ４０はロボット移動ボタン１０４またはＦ１１キーが押されたかどうかを判断する。押されている場合、コンピュータ４０は図１４のブロック４２２へ進み、押されていない場合、コンピュータ４０はブロック１４８に示されるように「軸線に沿ってロボットを移動する」ボタン８２、すなわちＦ１２キーが押されているかどうかを判断する。押されている場合、コンピュータ４０は図１５のブロック４５２へ進む。押されていなければ、コンピュータ４０はブロック１５０に示されるようにカーソルがＡ／Ｐ画像領域８６にある時にクリックすることによってモニタ５０のＡ／Ｐ画像領域が選択されたかどうかを判断する。選択されていれば、コンピュータ４０は図１６のブロック４７６へ進む。選択されていなければ、コンピュータ４０はモニタ４８上のサジタル画像領域６２にカーソルを位置させ、これをクリックすることによってサジタル画像領域が選択されたかどうかを判断する。選択されていれば、コンピュータ４０は図１７のブロック５０６に進み、選択されていなければ、コンピュータ４０はブロック１５４へ進む。
【００５６】
ブロック１５４からコンピュータ４０はモニタ４８上のロボット制御領域８４またはモニタ５０上のロボット制御領域１０６にカーソルを移動し、これをクリックすることにより、ロボット制御領域５４または１０６が選択されたかどうかを判断する。ロボット制御領域が選択されていれば、コンピュータ４０は図１８のブロック５３６へ進み、ロボット制御領域が選択されていなければ、コンピュータ４０はブロック１５８へ進み、オペレータがメインプログラムを終了させたいことを表示するＱキーが押されているかどうかを判断する。Ｑボタンが押されていれば、コンピュータ４０はブロック１６０に示されるようにすべての割り当てられているメモリをフリーにし、ブロック１６２に示されるようにメインプログラムを終了する。ブロック１５８でＱボタンが押されていなければ、コンピュータ４０はブロック１２２にリターンし、別のボタンまたはキーが押されるのを待つ。
【００５７】
本発明のシステムによって実行される種々の機能について詳細に説明する。Ａ／Ｐ画像収集ボタン９４またはＦ１キーが押されていれば、コンピュータ４０は図４のブロック１６６へ進む。次にコンピュータ４０はブロック１６８で画像収集カードが通過モードになっているかどうかを判断する。ボタン９４およびＦ１キーはトグルボタンである。最初にボタン９４またはＦ１キーが押されていれば、カードは通過モードであり、Ｃアーム１２からの画像は直接モニタ５０へ送られる。Ｃアームによって撮られるどの画像も、モニタ５０上のＡ／Ｐ画像領域８６で見ることができる。従って、ブロック１６８でカードが通過モードになっていなければ、ボタン９４またはＦ１キーを押すと、ブロック１７０で通過モードが設定される。次にコンピュータ４０はブロック１７２に示されるように次のコマンドを待つ。コンピュータ４０内の画像収集カードが通過モードになった後に再びボタン９４またはＦ１キーが押されると、このキーはライブの画像をフリーズし、ブロック１７４に示されるようにＡ／Ｐ画像を捕捉する。次にこの捕捉された画像はブロック１７６に示されるようにモニタ５０にディスプレイされる。次にコンピュータ４０はブロック１７８に示されるようにボタンＦ１１、Ｆ１２およびＦ５をディスエーブルし、消灯させ、ボタン９６およびキーＦ３をイネーブルし、点灯させる。換言すれば、Ａ／Ｐ画像が捕捉されると、コンピュータ４０はオペレータがボタン９６またはキーＦ３を通してＡ／Ｐ基準点を選択するオプションを有することができるようにする。
【００５８】
次にコンピュータ４０はブロック１８０に示されるようにゼロ器具（NULL tool）を指定する。ロボットのゼロ器具はロボット１８の端部フランジ２２の三次元位置である。換言すれば、端部フランジ２２は端部フランジ２２に取り付けることができる特定の手術器具に依存することなく、ロボットに対する三次元位置を設定する。コンピュータ４０はブロック１８２でゼロ器具が正しく割り当てられているかどうかを判断する。割り当てられていなければ、コンピュータ４０はブロック１８４に示されるように「器具は割り当てられていない」なるエラーメッセージを発生する。次にコンピュータ４０はブロック１８６に示されるように次のコマンドを待つ。ブロック１８２でゼロ器具が正しく割り当てられてられれば、コンピュータ４０はブロック１８８に示されるようにロボットコントローラ５３から端部フランジの現在位置を取得する。次にコンピュータはブロック１９０に示されるようにモニタ４８にサジタル画像がディスプレイされているかどうかを判断する。ディスプレイされていなければ、コンピュータ４０はブロック１９０に示されるように「サジタル画像を取得」なるメッセージを送り、次にブロック１９４にリターンし次のコマンドを待つ。ブロック１９０でサジタル画像がディスプレイされれば、コンピュータ４０はブロック１９６に示されるように「基準点を選択」なるメッセージを送る。次にコンピュータ４０はブロック１９８で次のコマンドを待つように戻る。
【００５９】
サジタル画像取得ボタン７２またはＦ２キーが押されている場合、コンピュータ４０は図５のブロック２００へ進む。次にコンピュータ４０は画像収集カードがブロック２０２にて通過モードになっているかどうかを判断する。ボタン７２およびＦ２キーはトグルボタンである。ブロック２０２でカードが通過モードになっていなければ、ブロック２０４でボタン７２またはＦ２キーを押すと、通過モードが設定される。次にコンピュータ４０はブロック２０６に示されるように次のコマンドを待つように戻る。コンピュータ４０内の画像収集カードが通過モードとなった後に再びボタン７２またはＦ２キーが押されると、これによりライブ画像がフリーズされ、ブロック２０８に示されるようにサジタル画像が捕捉される。この捕捉された画像はブロック２１０に示されるようにモニタ４８にディスプレイされる。次にこの捕捉された画像はブロック２１０に示されるようにモニタ４８にディスプレイされる。次にコンピュータ４０はブロック２１２に示されるようにボタンＦ１１、Ｆ１２およびＦ６をディスエーブルし、消灯させ、ボタン７４およびキーＦ３をイネーブルし、点灯させる。換言すれば、サジタル画像が捕捉されると、コンピュータ４０はオペレータがボタン７４またはキーＦ４を通してサジタル基準点を選択するオプションを有することができるようにする。
【００６０】
次にコンピュータ４０はブロック２１４に器具を指定する。コンピュータ４０はブロック２１６でゼロ器具が正しく割り当てられているかどうかを判断する。割り当てられていなければ、コンピュータ４０はブロック２１８に示されるように「器具は割り当てられていない」なるエラーメッセージを発生する。次にコンピュータ４０はブロック２２０に示されるように次のコマンドを待つ。ブロック２１６でゼロ器具が正しく割り当てられてられれば、コンピュータ４０はブロック２２２に示されるようにロボットコントローラ５３から端部フランジ２２の現在位置を取得する。次にコンピュータ４０はブロック２２４に示されるようにモニタ５０にＡ／Ｐ画像がディスプレイされているかどうかを判断する。ディスプレイされていなければ、コンピュータ４０はブロック２２６に示されるように「Ａ／Ｐ画像を取得」なるメッセージを送り、次にブロック２２８で次のコマンドを待つように戻る。ブロック２２４でＡ／Ｐ画像がディスプレイされれば、コンピュータ４０はブロック２３０に示されるように「基準点を選択」なるメッセージを送る。次にコンピュータ４０はブロック２３２でリターンし次のコマンドを待つ。
【００６１】
Ａ／Ｐ基準点選択ボタン９６またはＦ３キーが押されていれば、コンピュータ４０は図６のブロック２３４へ進む。コンピュータ４０はまずブロック２３６に示されるようにモニタ５０にＡ／Ｐ画像がディスプレイされているかどうかを判断する。ディスプレイされていなければ、コンピュータ４０はブロック２３８に示されるように「Ａ／Ｐ画像を取得」なるエラーメッセージを発生し、次にブロック２４０に示されるようにリターンし、次のコマンドを待つ。
【００６２】
ブロック２３６でＡ／Ｐ画像がディスプレイされていれば、コンピュータ４０はブロック２４２に示されるようにモニタ５０のディスプレイスクリーンに正方形のカーソルをディスプレイする。次にコンピュータ４０はブロック２４４に示されるように、位置決めされた基準点の数をゼロにリセットする。次にコンピュータ４０はブロック２４６に示されるようにトラックボールボタンがオペレータによってクリックされるのを待つ。基準シャドー上でトラックボールボタンが一旦クリックされると、コンピュータ４０はブロック２４８に示されるようにビープ音を発生する。コンピュータ４０は次にブロック２５０に示されるように、選択されたマウスカーソル座標を中心にエッジ検出を行う。かかるエッジ検出はジョン・カニー氏により開発され、本明細書に添付した付属書の第［１］章に参考文献として記載した論文に記載された勾配ベース方法を使って実行される。かかる論文を、本明細書では参考例として引用し、本詳細な説明の一部とする。
【００６３】
次にコンピュータ４０はブロック２５２に示されるようなエッジ検出ステップの間で少なくとも３つのエッジピクセルが発見されたかどうかを判断する。発見されなければ、コンピュータ４０はブロック２５４に示されるように「再び基準点に接近」なるエラーメッセージを発生する。コンピュータ４０は次にブロック２４６へリターンし、マウスボタンが再びクリックされるのを待つ。ブロック２５２で少なくとも３つのエッジピクセルが発見された場合、コンピュータ４０はブロック２５６に示されるように添付した付属書から式［１３］を使ってエッジピクセルを較正された画像座標にマッピングする。
【００６４】
次にコンピュータ４０は付属書の式［１４］に記載されている較正されたエッジピクセルを使って基準点２６によって発生された基準シャドーの中心を探す。このステップはブロック２５８に示されている。次にコンピュータ４０は図６のブロック２６２に進む。ブロック２６２からコンピュータ４０は基準シャドーの中心の周りに１つの円を描く。コンピュータ４０は次にブロック２６４に示されるように、Ａ／Ｐ画像に８個のすべての基準点２６が位置しているかどうかを判断する。位置していなければ、コンピュータ４０は図６のブロック２４６へリターンし、異なる基準シャドー上でマウスボタンが再びクリックされるのを待つ。
【００６５】
ブロック２６４で８つの全ての基準点が位置していれば、コンピュータ４０はブロック２６８に示されるように、コンピュータメモリ内に全ての基準点の設定された画像座標をセーブし、次にブロック２７０に示されるように、Ａ／Ｐ画像位置合わせボタン９８およびＦ５キーをイネーブルし、点灯させる。次にコンピュータ４０はブロック２７２に示されるように、「Ａ／Ｐ画像を位置合わせする」メッセージを送る。
【００６６】
次にコンピュータ４０はブロック２７４に示されるように図８の位置入力１へ自動的に進む。コンピュータ４０は図８の位置入力１へ移動するためのボタンをオペレータが押すのを待たない。
【００６７】
サジタル基準選択ボタンまたはＦ４キーが押されると、コンピュータ４０は図７のブロック２７６へ進む。コンピュータ４０はまずブロック２７８に示されるようにモニタ４８にサジタル画像がディスプレイされているかどうかを判断する。ディスプレイされていなければ、コンピュータ４０はブロック２８０が示すように「サジタル画像を取得」なるエラーメッセージを発生する。次にコンピュータ４０はブロック２８２に示されるように、次のコマンドを待つようにリターンする。
【００６８】
ブロック２７８でサジタル画像がディスプレイされていれば、コンピュータ４０はブロック２９０に示されるようにモニタ４８のディスプレイスクリーンに正方形のカーソルをディスプレイする。次にコンピュータ４０はブロック２９２に示されるように、位置決めされた基準点の数をゼロにリセットする。次にコンピュータ４０はブロック２９４に示されるようにトラックボールボタンがオペレータによってクリックされるのを待つ。トラックボールボタンが一旦クリックされると、コンピュータ４０はブロック２９６に示されるようにビープ音を発生する。コンピュータ４０は次にブロック２９８に示されるように、選択されたトラックボールカーソルの座標を中心にエッジ検出を行う。かかるエッジ検出はジョン・カニー氏により開発され、本明細書に添付した付属書の第［１］章に参考文献として記載した論文に記載された勾配ベース方法を使って実行される。
【００６９】
次にコンピュータ４０はブロック３００に示されるようなエッジ検出ステップの間で少なくとも３つのエッジピクセルが発見されたかどうかを判断する。発見されなければ、コンピュータ４０はブロック３０２に示されるように「再び基準点に接近」なるエラーメッセージを発生する。コンピュータ４０は次にブロック２９４へリターンし、トラックボールボタンが再びクリックされるのを待つ。ブロック３００で少なくとも３つのエッジピクセルが発見された場合、コンピュータ４０はブロック３０４に示されるように、添付した付属書の式［１３］を使ってエッジピクセルを較正された画像座標にマッピングする。
【００７０】
次にコンピュータ４０は付属書の式［１４］に記載されている較正されたエッジピクセルを使って、基準点２６によって発生された基準シャドーの中心を探す。このステップはブロック３０６に示されている。次にコンピュータ４０はブロック３１０に進む。ブロック３１０からコンピュータ４０は基準シャドーの中心の周りに１つの円を描く。コンピュータ４０は次にブロック３１０に示されるように、サジタル画像に８個のすべての基準点２６が位置しているかどうかを判断する。位置していなければ、コンピュータ４０はブロック２９４へリターンし、トラックボールが再びクリックされるのを待つ。
【００７１】
ブロック３１２で８つの全ての基準点が位置していれば、コンピュータ４０はブロック３１６に示されるように、コンピュータメモリ内に全ての基準点の設定された画像座標をセーブし、次にブロック３１８に示されるように、サジタル画像位置合わせボタン７６およびＦ６キーをイネーブルし、点灯させる。次にコンピュータ４０はブロック３２０に示されるように、「サジタル画像位置合わせ」メッセージを送る。
【００７２】
次にコンピュータ４０はブロック３２２に示されるように図９の位置ＥＮＴＲＹ２へ自動的に進む。コンピュータ４０は図９の位置ＥＮＴＲＹ２へ移動するためのボタンをオペレータが押すのを待たない。
【００７３】
Ａ／Ｐ画像位置合わせボタン９８またはＦ５キーが押されると、コンピュータ４０は図８のブロック３２４へ進む。コンピュータ４０はまずブロック３２６に示されるようにＡ／Ｐ基準点のすべてが発見されたかどうかを判断する。発見されなければ、コンピュータ４０はブロック３２８が示すように「基準点の全てが選択されているわけではない」なるエラーメッセージを発生する。次にコンピュータ４０はブロック３３０に示されるように、次のコマンドを待つようにリターンする。
【００７４】
ブロック３２６でＡ／Ｐ基準点の全てが発見された場合、コンピュータ４０はブロック３３２へ進む。上記のように全ての基準点が選択された後に、コンピュータ４０は図６のブロック２７４からブロック３３２へ自動的に進む。
【００７５】
ブロック３３２ではコンピュータ４０はＡ／Ｐ基準中心の二次元座標のすべてをまずリコールする。次に、コンピュータ４０はブロック３３４に示されるように、基準点２６の中心の三次元座標のファイルからデータを読み出す。この基準点２６の三次元座標は座標測定マシン（ＣＭＭ）を使って得られる。従って、このデータは基準点２６の実際の位置に関連する情報を提供する。一般にこれらＣＭＭにより座標は位置合わせアーティファクト２４のメーカーから得られる。
【００７６】
次にコンピュータ４０は三次元座標を対応する画像ポイントに投影する幾何学的モデルのパラメータを最適化する。この最適化されたモデルは第［３］章に記載されている位置合わせマトリックスにカプセル化できる。この最適化はブロック３３４で読み出された三次元座標のモデルの投影と、ブロック３３２で読み出された二次元座標のモデルの射影との間の偏差を（少なくともその二乗を）最適にすることにより実行される。ブロック３３６に示されるように、添付した付属書の式［２］に記載されているように、レーベンバーグ−マルカート方法を使って最適化できる。次にコンピュータは添付された付属書の第［３］章に記載されている位置合わせマトリックスを構成する。ブロック３３８にはこのステップが示されている。
【００７７】
コンピュータ４０は次にブロック３４０に示されるように、サジタル画像が位置合わせされたかどうかを判断する。位置合わせされなければ、コンピュータ４０はブロック３４２に示されるように、「サジタル画像の位置合わせを実行する」なるメッセージを発生する。コンピュータ４０はブロック３４４に示されるように、次のコマンドを待つようにリターンする。
【００７８】
ブロック３４０でサジタル画像が位置合わせされていれば、コンピュータ４０はブロック３４６に示されるように、「入力ポイントをピックアップする」なるディスプレイメッセージを発生する。コンピュータ４０は次にブロック３４８に示されるように次のコマンドを待つようにリターンする。
【００７９】
サジタル画像位置合わせボタン７６またはＦ６キーが押されていれば、コンピュータ４０は図９のブロック３５０へ進む。コンピュータ４０はまずブロック３５２に示されるように、サジタル基準点の全てが発見されたかどうかを判断する。発見されなければ、コンピュータ４０はブロック３５４に示されるように「基準点の全てが選択されているわけではない」なるエラーメッセージが発生し、次にブロック３５６に示されるように、次のコマンドを待つようにリターンする。
【００８０】
ブロック３５２でサジタル基準点の全てが発見された場合、コンピュータ４０はブロック３５８へ進む。上記のように全ての基準点が選択された後に、コンピュータ４０は図７のブロック３２２からブロック３５８へ自動的に進む。
【００８１】
ブロック３５８ではコンピュータ４０はまずサジタル基準中心の二次元座標のすべてをまずリコールする。次に、コンピュータ４０はブロック３６０に示されるように、基準点２６の中心の三次元座標のファイルからデータを読み出す。この基準点２６の座標は座標測定マシン（ＣＭＭ）を使って得られる。従って、このデータは基準点２６の実際の位置に関連する情報を提供する。一般にこれら座標は位置合わせアーティファクト２４のメーカーから得られる。
【００８２】
次にコンピュータ４０はブロック３６２に示されるように、添付付属書の式［２］に記載されているレーベンバーグ−マルカート法を使って、ブロック３６０で読み出された三次元座標とブロック３５８で読み出された二次元座標との適合を最適化する。次にコンピュータ４０は添付された付属書の第［４］章に記載されている位置合わせマトリックスを構成する。ブロック３６４にはこのステップが示されている。
【００８３】
コンピュータ４０は次にブロック３６６に示されるように、Ａ／Ｐ画像が位置合わせされたかどうかを判断する。位置合わせされなければ、コンピュータ４０はブロック３６８に示されるように、「Ａ／Ｐ画像の位置合わせを実行する」なるメッセージを発生する。コンピュータ４０はブロック３７０に示されるように、次のコマンドを待つようにリターンする。
【００８４】
Ａ／Ｐ画像がブロック３６６で位置合わせされていれば、コンピュータ４０はブロック３７２に示されるように「入力ポイントをピックアップする」なるメッセージを発生し、次にブロック３７４に示されるように、次のコマンドを待つようにリターンする。
【００８５】
横断角ボタン１００またはＦ７キーが押されていると、コンピュータ４０は図１０のブロック３７６へ進む。この横断角は図１のＸ軸線３４を中心とする右手法則を使って決定される角度である。横断角を調節するために、オペレータは図１０のブロック３７８に示されるように、図３ａの入力領域ボタン１０１内にカーソルを移動させる。次にオペレータはブロック３８０に示されるように横断角の数値を入力する。次にコンピュータ４０は新しい横断角を読み出し、添付された付属書の第［６］章に記載された式を使って仮想ガイドワイヤーの向きを更新する。ブロック３８２にはこのステップが示されている。次にコンピュータ４０はブロック３８４に示されるように、添付された付属書の第［７］章に記載された式を使って新しい横断角に基づき、Ａ／Ｐ画像領域８６内に仮想ガイドワイヤー投影９２を描き直し、サジタル画像領域６２内に投影６８を描き直す。次にコンピュータ４０はブロック３８６に示されるようにリターンし、共通コマンドを待つ。
【００８６】
ネジ長さボタン８０またはＦ８キーが押されると、コンピュータ４０は図１１のブロック３８８へ進む。次にブロック３９０に示されるように、図３ｂの入力領域８１にカーソルが移動される。次にオペレータはブロック３９２に示されるように新しいネジ長さの数値を入力する。コンピュータ４０は新しいネジ長さを読み出し、付属書の第［１１］章に記載された式を使って仮想ガイドワイヤーの長さを更新する。ブロック３９４にはこのステップが示されている。次にコンピュータ４０は、付属書の第［７］章に記載された式を使ってＡ／Ｐ画像領域８６内に投影されたガイドワイヤー９２およびサジタル画像領域６２内に投影されたガイドワイヤー６８を描き直す。これらのステップはブロック３９６に示されている。次にコンピュータ４０はブロック３９８に示されるようにリターンし、次のコマンドを待つ。
【００８７】
サジタル角度ボタン７８またはＦ１０キーが押されている場合、コンピュータ４０は図１３のブロック４００へ進み、サジタル角を調節する。このサジタル角は右手法則を使った図１のＹ軸線３６を中心とする角度である。
【００８８】
ブロック４０２に示されるように、図３ｂの入力領域７９内にカーソルを移動する。次にオペレータはブロック４０４に示されるようにサジタル角の数値を入力する。次にコンピュータ４０は新しいサジタル角の値を読み出し、付属書の第［１０］章に記載された式を使って仮想ガイドワイヤーの配置を更新する。ブロック４０６にはこれらステップが示されている。次にコンピュータ４０はブロック付属書の第［７］章に記載された式を使って、Ａ／Ｐ画像領域８６内に投影されたガイドワイヤー９２を描き直し、サジタル画像領域６２内に投影されたガイドワイヤー６８を描き直す。これらステップはブロック４０８に示されている。次にコンピュータ４０はブロック４１０に示されるようにリターンし、次の命令を待つ。
【００８９】
アプローチ角度ボタン１０２またはＦ９キーが押されている場合、コンピュータ４０は図１２のブロック４１２へ進む。このアプローチ角は右手法則を使って図１のＺ軸線３８を中心とする角度である。
【００９０】
ブロック４１４に示されるように、図３ａの入力領域１０３内にカーソルを移動する。次にオペレータはブロック４１６に示されるように新しいアプローチ角の数値を入力する。次にコンピュータ４０はブロック４１８に示されるように、新しいアプローチ角を読み出す。次にコンピュータ４０はブロック４２０に示されるようにリターンし、次のコマンドを待つ。
【００９１】
空間内の線状軌道のプランを定めるためには２つの角度しか必要でなく、この特定の手術方法に対しては横断角およびサジタル角を使用する。アプローチ角によって、外科医はロボットの移動を制御することが可能となる。換言すれば、このアプローチ角は軌道のプランニングと共に使用されるわけではない。
【００９２】
ロボット移動ボタン１０４またはＦ１１キーが押されていれば、コンピュータ４０は図１４のブロック４２２に進む。コンピュータ４０はブロック４２４に示されているように、初めにメモリからアプローチ角をリコールする。次にコンピュータ４０はブロック４２６に示されるように、仮想ガイドワイヤーのサジタル角、横断角および頂部ポイントの三次元座標をリコールする。次にコンピュータ４０は付属書の第［１２］章の式を使ってプランを立てた位置および配置を計算する。ブロック４２８にはこのステップが記載されている。次にコンピュータ４０はブロック４３０に示すように、手術に使用される特定の手術エンドエフェクタに関連するファイルからデータを読み出す。このデータは座標測定装置（ＣＭＭ）からの三次元座標を含む。
【００９３】
コンピュータ４０はブロック４３４で手術エンドエフェクタが正しく割り当てられているかどうか判断する。割り当てられていなければ、コンピュータ４０はブロック４３６に示されるように、「手術エンドエフェクタは割り当ていない」なるエラーメッセージを発生し、次にコンピュータ４０はブロック４３８に示されるようにリターンし、次のコマンドを待つ。
【００９４】
手術エンドエフェクタがブロック４３４で正しく割り当てられている場合、コンピュータはシリアル通信ポート５０を通してロボットコントローラ５３にコマンドを送り、ブロック４４０に示されるようにロボットをプランを立てた位置および配置に移動させる。コンピュータ４０はブロック４４２に示されるように、ゼロエンドエフェクタを割り当てる。コンピュータ４０はブロック４４４でゼロエンドエフェクタが正しく割り当てられているかどうかを判断する。割り当てられていない場合、コンピュータ４０はブロック４４６に示されるように、「ゼロエンドエフェクタは割り当てられず」なるエラーメッセージを発生する。次にコンピュータ４０はブロック４４８で次のコマンドを待つようにリターンする。ブロック４４４でゼロエンドエフェクタが正しく割り当てられている場合、コンピュータ４０はブロック４５０に示されるように、リターンし、次のコマンドを待つ。
【００９５】
図３ｂの軸線に沿ってロボットを移動するボタン８２が選択されている場合、コンピュータ４０は図１５のブロック４５２に進む。コンピュータ４０は図２０のステップ中にロボットを既に正しい配置に移動しているので、図２１のステップは図２の器具ガイド２８によって定められる器具ガイド軸線に沿ってロボットを移動するようになっている。器具ガイド軸は一般に器具ガイド軸線に沿って手術台１４上の身体に接近したり離間したりする。コンピュータ４０はブロック４５４で「ロボット軸線を移動」なる名称の付いたネジがすでに発送されているかどうかを判断する。このネジプログラム自身はプログラムが停止するまで作動する。ブロック４５４でこのプログラムがスタートしなければ、コンピュータ４０はブロック４５６に示されるようにこのプログラムをスタートする。次にコンピュータ４０はブロック４５８で別の命令を待つようにリターンする。ブロック４５４で既にネジプログラムがスタートしている場合、コンピュータはブロック４６０でページアップボタンが押されているかどうかを判断する。押されていなければ、コンピュータ４０はブロック４６２でページダウンボタンが押されているかどうか判断する。押されていなければ、コンピュータ４０はブロック４６４へリターンし、次のコマンドを待つ。
【００９６】
ブロック４６０でページアップボタンが押されている場合、コンピュータ４０はブロック４６６で、まだページアップボタンが押されているかどうかを判断する。押されていなければ、コンピュータ４０はブロック４６８に示されるように、次のコマンドを待つようにリターンする。ブロック４６６でページアップボタンがまだ押されていれば、コンピュータ４０は通信ポート５０からＶＡＬコマンドをロボットコントローラ５３へ送り、ブロック４７０に示されるように正の器具ガイド軸方向にロボットを移動する。この正の器具ガイド軸方向は患者から上に離間する方向に向いている。次にコンピュータ４０はブロック４６６へリターンする。
【００９７】
ブロック４６２でページダウンボタンが押されている場合、コンピュータ４０はブロック４７２でもまだこのページダウンボタンが押されているかどうかを判断する。押されていなければ、コンピュータ４０はブロック４６８にリターンし、次のコマンドを待つ。ブロック４７２でまだページダウンボタンが押されていれば、コンピュータ４０はブロック４７４に示されるようにＶＡＬコマンドを送り、ロボットを負の器具ガイド軸線の方向に移動させる。この負の器具ガイド軸線方向は患者に接近する下向きの方向である。コンピュータ４０は次にブロック４７２にリターンする。
【００９８】
換言すれば、図１５の制御ステップによりオペレータはロボットをその器具ガイド軸線に沿って移動できるようになっている。ロボットが一旦正または負の方向に移動すると、ページアップまたはページダウンボタンが解放されるまで移動し続ける。ロボット全体はプランされた軸線に沿って同じ配置にエンドエフェクタ２４および器具ガイド２８を維持するように移動する。換言すれば、ロボット１８のエンドエフェクタ２４は図１のＺ軸線３８に対し４５度の配置に維持できる。ＶＡＬとはＰＵＭＡ−５６０コントローラ５３に対するプログラム制御言語のことである。本発明によれば、他のロボット、コントローラおよびプログラム言語も使用できると理解されよう。
【００９９】
カーソルが図３ａのＡ／Ｐ画像領域８６上にある場合、コンピュータ４０は図１６のブロック４７６に進む。コンピュータ４０はブロック４７８に示されるように、Ａ／Ｐ画像領域８６内でトラックボールがクリックされるのを待つ。ブロック４７８で一旦トラックボールがクリックされると、コンピュータ４０はブロック４８０に示されるようにＡ／Ｐ画像およびサジタル画像の双方が既に位置合わせされたかどうかを判断する。位置合わせされていなければ、コンピュータ４０は何も行わず、ブロック４８２にリターンし、次のコマンドを待つ。
【０１００】
ブロック４８０で既にＡ／Ｐ画像とサジタル画像とは位置合わせされていれば、コンピュータ４０はブロック４８４に示されるように、投影されたガイドワイヤーが描かれているかどうかを判断する。描かれていなければ、コンピュータ４０はオペレータが投影されたガイドワイヤーを描こうとしていると見なす。従って、コンピュータ４０はブロック４８６に示されるように、トラックボールの座標（Ｕ、Ｖ）で十字線を描く。次にコンピュータ４０はブロック４８８に示されるように、添付された付属書の第［５］章の式を使ってサジタル画像上の視線を示す曲線を描く。画像内の歪みによる視線を示す曲線が描かれる。視線のＸ線を取ると、この画像は透視画像増感器に固有の歪みに起因し、曲線となる。この理由は、視線を示すには曲線を描かなければならないからである。図３ｂのサジタル画像領域６２に視線インジケータ７０を描くと、コンピュータ４０はブロック４９０に示されるようにリターンし、次のコマンドを待つ。
【０１０１】
ブロック４８４で投影されたガイドワイヤーが既に描かれていれば、コンピュータ４０はトラックボールの座標がＡ／Ｐ画像領域８６内の頂部ポイント８８から５つのピクセル内にあるかどうかを判断する。このステップはブロック４９２に示されている。カーソル座標が頂部ポイント５５から５つのピクセル以内にあれば、コンピュータ４０はブロック４９４に示されるように、投影されたガイドワイヤーを消去し、ブロック４９６に示されるように、リターンし、次のコマンドを待つ。
【０１０２】
ブロック４９２でトラックボールのカーソル座標が頂部ポイント８８から５つのピクセル以内にない場合、コンピュータ４０はブロック４９８に示されるように、底部ポイント９０の５つのピクセル内にトラックボール座標があるかどうかを判断する。そうでない場合、コンピュータ４０はブロック４９０に示されるようにリターンして、次のコマンドを待つ。トラックボールのカーソル座標がブロック４９８で底部ポイント９０から５つのピクセル内にあれば、コンピュータ４０はブロック５００で示されるように、再びトラックボールがクリックされたかどうかを判断する。クリックされていれば、コンピュータ４０はブロック４９０にリターンし、次のコマンドを待つ。そうでない場合、コンピュータ４０はトラックボールの移動に基づき、ブロック５０２に示されるように、横断角またはサジタル角を更新する。トラックボールが上に移動していれば横断角の値を増加し、トラックボールが下に移動していれば横断角の値を減少させる。トラックボールが右に移動していればサジタル角の値を増加し、トラックボールが左に移動していればサジタル角の値を減少させる。増分率はピクセルごとに０.１度である。このステップの式は付属書の第［６］章に記載されている。
【０１０３】
ブロック５０２において横断角および／またはサジタル角が更新された後に、コンピュータ４０は添付された付属書の第［７］章の式を使ってＡ／Ｐ画像領域８６に投影されたガイドワイヤー９２を描き直し、サジタル画像領域６２に投影されたガイドワイヤー６８を描き直す。これら工程はブロック５０４に示されており、次にコンピュータ４０はブロック５００にリターンする。
【０１０４】
カーソルが図３ｂのサジタル画像領域６２上にあれば、コンピュータ４０は図１７のブロック５０６に進み、ブロック５０８で視線が描かれたかどうかを判断する。描かれていなければ、コンピュータ４０はブロック５１０でリターンし、次のコマンドを待つ。ブロック５０８で視線が描かれていれば、コンピュータ４０は付属書の第［８］章内の式を使ってＡ／Ｐ画像領域８６に投影されたガイドワイヤー９２を描き、サジタル画像領域６２に投影されたガイドワイヤー６８を描く。これらステップはブロック５１２に示されている。コンピュータ４０はブロック５１３でロボットが初期化されたかどうかもチェックする。初期化されていれば、コンピュータ４０はブロック５１３.５で「ロボット移動」ボタン１０４および「ドリル軸線に沿って移動」ボタン８２およびキーＦ１およびＦ１２をイネーブルし、点灯させる。次にコンピュータ４０はブロック５１４に示されるように、サジタル画像領域６２内のトラックボールがクリックされるのを待つ。ロボットが初期化されていなければ、コンピュータ４０はブロック５１４に示されるようにサジタル画像領域６２内のトラックボールがクリックされるのを待つ。次にコンピュータ４０は図５１６に示されるように、トラックボールのカーソル座標が頂部ポイント６４から５つのピクセル以内にあるかどうかを判断する。そうでなければコンピュータ４０はブロック５１８に示されるように、トラックボールの座標が底部ポイント６６から５つのピクセル以内にあるかどうかを判断し、そうでなければコンピュータ４０はブロック５２０にリターンし、次のコマンドを待つ。
【０１０５】
トラックボールの座標がブロック５１６で頂部ポイント６４から５つのピクセル内にあれば、コンピュータ４０はブロック５２２で、再びトラックボールがクリックされたかどうかを判断する。クリックされていれば、コンピュータ４０はブロック５２４にリターンし、次のコマンドを待つ。そうでない場合、コンピュータ４０はトラックボールの移動と同じ方向に視線に沿って仮想ガイドワイヤー６８の位置を移動し、この位置を更新する。この増分比は０.１°ｍｍ／ピクセルであり、このステップはブロック５２６に示されている。このステップはブロック５２６に示されている。コンピュータは仮想ガイドワイヤーの位置を更新するのに付属書の第［９］章に記載された式を使ってブロック５２８に示されるように、サジタル画像領域６２内の投影されたガイドワイヤー６８を描き直し、更に付属書の第[７]章に記載された式を使ってブロック５２８に示されているように、Ａ／Ｐ画像領域８６内の投影されたガイドワイヤー９２も描き直す。次にコンピュータ４０はブロック５２２までリターンする。
【０１０６】
ブロック５１８でトラックボールの座標が底部ポイント６６から５つのピクセル以内にあれば、コンピュータ４０はブロック５３０で再びトラックボールがクリックされたかどうかを判断する。クリックされていれば、コンピュータ４０はブロック５２４にリターンし、次のコマンドを待つ。そうでない場合、コンピュータ４０はオペレータが底部ポイント６６の位置を調整したがっていると見なす。従って、コンピュータ４０はトラックボールの移動に基づき、ブロック５３２に示されるようにサジタル角および／または横断角を更新する。この横断角の値はトラックボールが上に移動していれば増加され、トラックボールが下に移動していれば減少される。トラックボールが右に移動していればサジタル角の値を増加し、左に移動していれば減少させる。この増加率は０.１°／ピクセルである。コンピュータ４０はブロック５３２に示されるように、これらステップに対し、付属書の第［１０］章の式を使用する。次にコンピュータ４０は付属書の第［７］章の式を使ってブロック５３４に示されるように、サジタル画像領域６２内の投影されたガイドワイヤー６８を描き直し、更にＡ／Ｐ画像領域８６内の投影されたガイドワイヤー９２も描き直す。次にコンピュータ４０はブロック５３０までリターンする。
【０１０７】
図３ａ〜ｂのロボット制御領域８４が選択された場合、コンピュータ４０は図１８のブロック５３６に進む。コンピュータ４０はブロック５３８でユーザーのオプションを示すメニューをディスプレイする。最初のオプションは「ロボットを初期化する」オプションである。コンピュータ４０はブロック５４０でロボット初期化メニューアイテムが選択されたかどうかを判断する。そうであれば、コンピュータ４０はブロック５４２に示されるようにロボットコントローラ５３と通信できるように、シリアル通信ポート５２をオープンする。コンピュータ４０はブロック５４４に示されるようにロボットコントローラ５３を初期化するのに必要なＶＡＬプログラム言語コマンドを送る。コンピュータ４０はブロック５４６でＶＡＬが正しく初期化されたかどうかを判断する。ＶＡＬが正しく初期化されていなければ、コンピュータ４０はブロック５４８に示されるように、「ＶＡＬは初期化されていない」なるメッセージを送る。コンピュータ４０はそれからブロック５５０に戻る。
【０１０８】
ブロック５４６でＶＡＬが正しく初期化されていれば、コンピュータ４０はブロック５５２に示されるように、ロボットコントローラ５３に予め設定したホーム位置およびスタート位置を送る。これらホーム位置およびスタート位置はロボットの作業空間内の２つの位置である。更に、コンピュータ４０はブロック５５４に示されるように、予め設定されたゼロエンドエフェクタおよび手術用エンドエフェクタを初期化する。換言すれば、コンピュータ４０は使用しようとしている特定の外科器具の正しいコンフィギュレーションに仕様を送る。従って、コントローラ５３はこれら位置にロボットを移動するようにプログラムされる。作動中、コンピュータ４０はコントローラ５３に命令し、特定のホーム位置またはスタート位置に移動させることができる。更にコントローラ５３はステップ５５４中に初期化された特定の手術用エンドエフェクタに対する命令を認識する。次に、ロボットの速度はブロック５５６に示されるように極めて低い速度にセットされる。例えばこのロボット速度は２５６のうちの５の速度に設定される。次にコンピュータ４０は、仮想ガイドワイヤーのプランが定められているかどうかをチェックする。プランされていれば、コンピュータはブロック５５７.５に示されるように、「ロボット移動」ボタン１０４および「器具軸線に沿ってロボットを移動」ボタン８２およびキーＦ１１、Ｆ１２をイネーブルし、点灯される。次にコンピュータはブロック５５９に示されるようにリターンし、次の命令を待つ。
【０１０９】
仮想ガイドワイヤーのプランが定められていなければ、コンピュータ４０はブロック５５８に示されるようにリターンし、次の命令を待つ。
【０１１０】
ブロック５６０に示されるようにポップアップメニュー５３８から「所定の位置へ移動」なる名称のオプションが選択され、ロボットが既に初期化されていれば、コンピュータ４０はブロック５６２に示されるように所定の位置にロボットを移動するオプションと共にダイヤローグボックスをディスプレイする。換言すれば、ホーム位置またはスタート位置へロボットを移動するオプションと共に、ダイヤローグボックスがディスプレイされる。オペレータはブロック５６２でこれらオプションの１つを選択できる。次にコンピュータ４０はブロック５６４に示されるように、ＶＡＬコマンドをコントローラ５３へ送り、ロボット１８を特定の位置に移動させる。次にコンピュータ４０はブロック５６８でリターンし、次のコマンドを待つ。
【０１１１】
ブロック５７０に示されるようにメニュー５３８から「所定の器具が割り当てられた」なるオプションが選択されたとコンピュータ４０が判断し、ロボットが既に初期化されている場合、コンピュータ４０はブロック５５４の初期化ステップ中に定められた所定の器具を割り当てるオプションと共に、ダイヤローグボックスをディスプレイする。このステップはブロック５７４に示されている。換言すれば、コンピュータ４０はブロック５７４でゼロエンドエフェクタまたは手術用エンドエフェクタのいずれかを割り当てるためのダイヤローグボックスをディスプレイする。所望する器具が選択されると、コンピュータ４０はブロック５７６に示されるように、指定されたエンドエフェクタを割り当てるためのＶＡＬコマンドをコントローラ５３へ送る。次にコンピュータ４０はブロック５７８でリターンし、次のコマンドを待つ。ブロック５７０で所定の割り当てられたエンドエフェクタが選択されないか、またはロボットが初期化されない場合、コンピュータ４０はブロック５７２へリターンし、次のコマンドを待つ。
【０１１２】
以上で、所定の好ましい実施例を参照して本発明について詳細に説明したが、次の請求の範囲に記載し、定めた本発明の範囲では、変形例および変更例が存在する。
【０１１３】
（付属書）
フローチャート全体で使用する注釈
ＷＣＳ            世界座標系
ＣＣＳ            Ｃアーム座標系
（ｘ,ｙ,ｚ)       ＷＣＳおよびＣＣＳにおける三次元座標に使用
（ｘ,ｙ）         較正された画像座標に使用
（ｕ,ｖ）         実画像座標に使用
α                サジタル角
β                横断角
γ                アプローチ角
添え字
ｗ＝ＷＣＳ        座標系を指定。三次元座標系に対してのみ使用
ｃ＝ＣＣＳ        
ｔ＝頂部          仮想ガイドワイヤー上のポイントを指定
ｂ＝底部          
ａ＝Ａ／Ｐ        情報がどの画像に対応するかを指定
ｓ＝サジタル      
［１］  J.カニー、「エッジ検出への計算アプローチ」；パターン分析マシンインテリジェンスに関するＩＥＥＥトランザクション；第８巻、１９８６年１１月、６７９〜６９８ページ
【０１１４】
［２］  レーベンバーグ−マルカート最適化方法を実行する際に関連する数式
【数１】
2007307399.tif 000003
ここでｘi＝［ｘ,ｙ,ｚ］は基準点の三次元座標であり、（ｕ,ｖ）は基準点の中心の二次元座標であり、α＝［φ,θ,Ψ,ｔx,ｔy ,ｔz］は自由度が６のポーズを定める６つのパラメータである。
［３］  一旦適合を実行すると、次のように最適化されたパラメータ（α＝［φ,θ,Ψ,ｔx ,ｔy ,ｔz ］）に対応する一様変換マトリックスを構成する。
【数２】
2007307399.tif 000004
［４］  一旦適合を実行すると、次のように最適化されたパラメータ（α＝［φ,θ,Ψ,ｔx,ｔy,ｔz］）に対応する一様変換マトリックスを構成する。
【数３】
2007307399.tif 000005
［５］  視線は次のように計算する。
ＣＣＣでは視線は（０,０,０）および（ｕc ,ｖc ,ｆ）で境界が定められる。
注：（ｕc ,ｖc ）は（ｕ,ｖ）の較正された等価値である。［１３］参照。
【数４】
2007307399.tif 000006
透視画像における固有の歪みにより、視線は湾曲した画像として描かれる。これは［１５］のように（ｕ1 ,ｖ1 ）および（ｕ2 ,ｖ2 ）によって境界が定められたライン上で５０のポイントをアンキャブレートし、これらを通るポリラインを描くことによって視線を描く。
【０１１５】
［６］  仮想ガイドワイヤーは（０wt,０wt,０wt）および（０wb,０wb,−ネジ長さwb）によって境界が定められた三次元物体であることを思い出していただきたい。β＝β＋０.１＊（トラックボールによって移動されるピクセル数）
【数５】
2007307399.tif 000007
［７］  （Ｖｘwt，Ｖｙwt，Ｖｚwt）および（Ｖｘwb，Ｖｙwb，Ｖｚwb）の場合、次の式を使ってＡ／Ｐおよびサジタル画像の双方に仮想ガイドワイヤーの投影を描く。
【数６】
2007307399.tif 000008
【０１１６】
透視画像における歪みにより、投影されるガイドワイヤーは曲線として描かれる。これは［１５］におけるように（ｕat,ｖat）および（ｕab,ｖab）によって境界が定められたライン上で２０のポイントをアンキャブレートし、（ｕst,ｖst）および（ｕsb,ｖsb）を使ってＡ／Ｐ画像および同様にサジタル画像に対しこれらポイントを通るポリラインを描くことによってガイドワイヤーを描く。
［８］  仮想ガイドワイヤーの投影を描くには視線上に頂部ポイント（０，０，０）が位置するようにＷＣＳにおける２つのポイント（０，０，０）および（０，０，−ネジ長さ）を変換する。仮想ガイドワイヤーは最初に３０ｍｍに設定される。次の式を用いて投影されたガイドワイヤーを描く。
最初、
深さ＝０.２
ネジ長さ＝３０ｍｍ
α＝０、β＝０
（ｔｘ，ｔｙ，ｔｚ）は（ＬＳｘw1，ＬＳｙw1，ＬＳｚw1）および（ＬＳｘw2，ＬＳｙw2，ＬＳｚw2）によって境界が定められた視線上に位置するように制限されるので、次のようになる。
【数７】
2007307399.tif 000009
Ｔは次の変換式から成る：
【数８】
2007307399.tif 000010
画像上に投影されたガイドワイヤーを描くために、［７］と共に、ポイント（Ｖｘwt，Ｖｙwt，Ｖｚwt）および（Ｖｘwb，Ｖｙwb，Ｖｚwb）を使用する。
【０１１７】
［９］  仮想ガイドワイヤーは（０wt,０wt,０wt）および（０wb,０wb,−ネジ長さwb）によって境界が定められた三次元物体であることを思い出していただきたい。深さ＝深さ＋０.１＊（トラックボールによって移動されるピクセル数）
【数９】
2007307399.tif 000011
［１０］  仮想ガイドワイヤーは（０wt,０wt,０wt）および（０wb,０wb,−ネジ長さ  ）によって境界が定められた三次元物体であることを思い出していただきたい。α＝α＋０.１＊（トラックボールによって移動されるピクセル数）
【数１０】
2007307399.tif 000012
【０１１８】
［１１］  仮想ガイドワイヤーは（０wt,０wt,０wt）および（０wb,０wb,−ネジ長さwb）によって境界が定められた三次元物体であることを思い出していただきたい。
【数１１】
2007307399.tif 000013
［１２］  次を式を仮定する。
【数１２】
2007307399.tif 000014
次の制限式を使って完全［ＦＰ］となる他の２つのベクトルを決定する。
注：第１ベクトル（Ｎ）はドリルガイド軸であるので、［Ｐｌａｎ］から維持される。
【０１１９】
制限式
これらマトリックスは次のフォームである。
【数１３】
2007307399.tif 000015
ＰＵＭＡ５６０ロボットは配置を指定するのにオイラー表示式を使用しているので、［ＦＰ］の逆解は次のように決定される。
従って、[ｉ]からオイラー表示＝Ｒｏｔ（ｚ，φ）Ｒｏｔ（ｙ，θ）Ｒｏｔ（ｚ，Ψ）
【数１４】
2007307399.tif 000016
【０１２０】
φおよびθにＰＵＭＡ固有のオフセットを加えると、最終位置および配置が定められる。
最終ポーズ＝（φ＋９０，θ−９０，Ψ，ｔｘ，ｔｙ，ｔｚ）
［１３］  次のような４次多項式を使ってエッジピクセル（ｕ，ｖ）の較正された座標（ｘ，ｙ）を決定する。
【数１５】
2007307399.tif 000017
画像較正プログラムを使って予めパラメータａおよびｂの組を決定する。
［１４］  疑似逆関数アプローチを使ってエッジピクセルに円の式を適合させることにより、基準点のシャドーの中心を見つける。
【数１６】
2007307399.tif 000018
疑似逆関数を使用すると、
【数１７】
2007307399.tif 000019
Ｐが定められると次のように基準点（ｈ，ｋ）の中心が決定される。
【数１８】
2007307399.tif 000020
【０１２１】
［１５］  較正されていない（歪んでいる）座標（ｕ，ｖ）は、較正された座標（ｘ，ｙ）に対応しているので、次の４次多項式を使って決定する。
【数１９】
2007307399.tif 000021
別個の較正プログラムを使って予めパラメータａおよびｂの組を決定する。
ｉ  ロボットマニピュレータ：数学、プログラムおよび制御：リチャード・Ｐ・ポール：ＭＩＴプレス、１９８３年英国ケンブリッジ、マサチューセッツおよびロンドン。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
詳細な説明では特に添付図面を参照する。
【図１】図１は、透視装置からの画像をコーディネートし、線状軌道医療介入をプランニングし、線状軌道医療介入を制御するようロボットを制御するための、本発明の定位手術装置の図である。
【図２】図２は、本発明の位置合わせアーティファクトおよび手術器具ガイドの斜視図である。
【図３ａ】図３ａは、透視装置によって撮られ、第１コンピュータのモニタにディスプレイされた前方／後方（Ａ／Ｐ）画像と共に、プログラムを作動させるのに必要な多数のボタンおよび入力領域を備えた、ユーザーインターフェースのサンプルスクリーンディスプレイである。
【図３ｂ】図３ｂは、透視装置によって撮られ、第１コンピュータのモニタにディスプレイされたサジタル画像と共に、プログラムを作動させるのに必要な多数のボタンおよび入力領域を備えた、サンプルスクリーンディスプレイである。
【図３ｃ】図３ｃは、メインプログラムループ中にコンピュータによって実行される工程のフローチャートである。
【図３ｄ】図３ｄは、メインプログラムループ中にコンピュータによって実行される工程のフローチャートである。
【図３ｅ】図３ｅは、メインプログラムループ中にコンピュータによって実行される工程のフローチャートである。
【図３ｆ】図３ｆは、メインプログラムループ中にコンピュータによって実行される工程のフローチャートである。
【図４】図４は、透視装置からＡ／Ｐ画像を取得するのにコンピュータが実行するステップを示すフローチャートである。
【図５Ａ】透視装置からサジタル画像を取得するのにコンピュータが実行するステップを示すフローチャートである。
【図５Ｂ】透視装置からサジタル画像を取得するのにコンピュータが実行するステップを示すフローチャートである。
【図６Ａ】図６は、図３ａにディスプレイされたＡ／Ｐ画像からＡ／Ｐ基準点を選択し、または識別するのに、コンピュータおよびユーザーによって実行されるステップを示すフローチャートである。
【図６Ｂ】図６は、図３ａにディスプレイされたＡ／Ｐ画像からＡ／Ｐ基準点を選択し、または識別するのに、コンピュータおよびユーザーによって実行されるステップを示すフローチャートである。
【図７Ａ】図７は、図３ｂのサジタル画像にディスプレイされるサジタル基準点を選択し、または識別するのに、コンピュータおよびユーザーによって実行されるステップのフローチャートである。
【図７Ｂ】図７は、図３ｂのサジタル画像にディスプレイされるサジタル基準点を選択し、または識別するのに、コンピュータおよびユーザーによって実行されるステップのフローチャートである。
【図８】図８は、Ａ／Ｐ画像を位置合わせするのにコンピュータが実行するステップを示すフローチャートである。
【図９】図９は、サジタル画像を位置合わせするのにコンピュータが実行するステップを示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、仮想ガイドワイヤーの横断角を変更するためにコンピュータが実行するステップを示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、定位手術で使用される仮想ガイドワイヤーの長さを変更するためにコンピュータが実行するステップを示すフローチャートである。
【図１２】図１２は、仮想ガイドワイヤーのサジタル角を変更するためにコンピュータが実行するステップを示すフローチャートである。
【図１３】図１３は、ロボットのアプローチ角を変えるのにコンピュータが実行するステップを示すフローチャートである。
【図１４】図１４は、プランニングされた位置および配置に、図１に示されたロボットを移動するのにコンピュータが実行するステップを示すフローチャートである。
【図１５】図１５は、手術器具ガイドの軸線に沿ってロボットのエンドエフェクタを移動するためにコンピュータが実行するステップを示すフローチャートである。
【図１６Ａ】図３ａのＡ／Ｐ画像領域において、カーソルに基づくユーザー入力をコンピュータが受信した際に、コンピュータが実行するステップを示すフローチャートである。
【図１６Ｂ】図３ａのＡ／Ｐ画像領域において、カーソルに基づくユーザー入力をコンピュータが受信した際に、コンピュータが実行するステップを示すフローチャートである。
【図１７Ａ】図１７は、図３ｂのサジタル画像領域において、カーソルに基づくユーザー入力をコンピュータが受信した際に、コンピュータが実行するステップを示すフローチャートである。
【図１７Ｂ】図１７は、図３ｂのサジタル画像領域において、カーソルに基づくユーザー入力をコンピュータが受信した際に、コンピュータが実行するステップを示すフローチャートである。
【図１８Ａ】図１８は、図３ａ〜ｂのロボット制御領域において、カーソルに基づくユーザー入力をコンピュータが受信した際に、コンピュータが実行するステップを示すフローチャートである。
【図１８Ｂ】図１８は、図３ａ〜ｂのロボット制御領域において、カーソルに基づくユーザー入力をコンピュータが受信した際に、コンピュータが実行するステップを示すフローチャートである。
【図１】
2007307399.tif 000022
【図２】
2007307399.tif 000023
【図３ａ】
2007307399.tif 000024
【図３ｂ】
2007307399.tif 000025
【図３ｃ】
2007307399.tif 000026
【図３ｄ】
2007307399.tif 000027
【図３ｅ】
2007307399.tif 000028
【図３ｆ】
2007307399.tif 000029
【図４】
2007307399.tif 000030
【図５Ａ】
2007307399.tif 000031
【図５Ｂ】
2007307399.tif 000032
【図６Ａ】
2007307399.tif 000033
【図６Ｂ】
2007307399.tif 000034
【図７Ａ】
2007307399.tif 000035
【図７Ｂ】
2007307399.tif 000036
【図８】
2007307399.tif 000037
【図９】
2007307399.tif 000038
【図１０】
2007307399.tif 000039
【図１１】
2007307399.tif 000040
【図１２】
2007307399.tif 000041
【図１３】
2007307399.tif 000042
【図１４】
2007307399.tif 000043
【図１５】
2007307399.tif 000044
【図１６Ａ】
2007307399.tif 000045
【図１６Ｂ】
2007307399.tif 000046
【図１７Ａ】
2007307399.tif 000047
【図１７Ｂ】
2007307399.tif 000048
【図１８Ａ】
2007307399.tif 000049
【図１８Ｂ】
2007307399.tif 000050