(57)【要約】  ロボット外科用システムであって、互いに対して既知の座標系を有する少なくとも２つのロボットアームを備え、アームのうちの一方が、Ｘ線ソースを担持し、他方が、撮像検出器プレートを担持する、ロボット外科用システム。アームは、対象の関心領域に画像が生成されることを可能にするように配設されている。アームの１つは、追加的または代替的に、ツールの姿勢が、Ｘ線ソースおよび検出器によって生成された画像の姿勢と同じ座標系で既知である、外科用ツールまたはツールホルダを担持する。結果として、かかるＸ線画像で計画されたいかなる外科的処置も、ツールの位置が参照の画像フレームで既知であるので、ツールによって高精度で実行することができる。これは、外科医が、外部位置合わせ処置を必要とせずに、リアルタイム画像においてツールを正確に配置することを可能にする。【選択図】図１
2022502119.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボット外科用システムであって、
撮像器ソースを担持するように構成されている第１のロボットアームと、
前記第１のロボットアームに対して既知の位置に装着され、撮像器検出要素を担持するように構成されており、対象が前記２つのアームの間に位置付けされたときに、前記対象の関心領域の画像が生成され得るように装着されている、第２のロボットアームと、
前記ロボットアームの座標系を相互に関連付けるように構成されているコントローラと、を備え、
前記ロボットアームのうちの１つが、外科用ツールまたは外科用ツールホルダを担持するようにさらに構成されており、その結果、前記外科用ツールまたはツールホルダの前記姿勢が、前記対象の前記生成された画像に対して既知である、システム。
【請求項２】
前記外科用ツールまたはツールホルダが、前記ソースまたは検出要素に加えて、前記第１または第２のロボットアームのうちの１つに担持されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記外科用ツールまたは前記ツールホルダが、前記ソースまたは検出要素の代わりに、前記第１または第２のロボットアームのうちの１つに担持されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
外科用ツールまたは外科用ツールホルダを担持するように構成されている前記ロボットアームが、前記第２のロボットアームである、請求項１および２のいずれかに記載のシステム。
【請求項５】
前記第２のロボットアームが、前記外科用ツールまたはツールホルダと、既知の空間的関係における前記検出要素との両方を、同時に担持するように適合されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記第２のロボットアームが、前記外科用ツールまたはツールホルダに、または前記検出要素に取り付けられるように適合されている取り付け要素を備え、前記取り付け要素が、前記外科用ツールまたはツールホルダと前記検出要素との間の空間的関係が、正確に既知である、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記ツールまたはツールホルダと、前記ロボットアームのうちの少なくとも１つとの間の前記既知の関係が、ユーザによって決定された、前記第１および第２のロボットアームの使用よって取得された画像上の位置への前記外科用ツールの自律誘導を可能にするように構成されている、請求項１〜６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
座標系が前記第１および第２のロボットアームの座標系と相互に関連し、追加の外科的要素を保持するように適合されている第３のロボットアームをさらに備える、請求項１〜７のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】
前記撮像器が、Ｘ線撮像器または超音波撮像器のいずれかである、請求項１〜８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０】
ロボット外科用システムであって、
少なくとも第１、第２、および第３のロボットアームを備え、前記ロボットアームが、それらの座標系が互いに対して既知であるように相互に装着され、少なくとも前記第１および前記第２のロボットアームが、対象が位置付けられる支持要素の反対側に配設され、前記対象の解剖学的構造の一部の画像が生成され得るように、それぞれ撮像器ソースおよび撮像器検出要素を担持するように構成されており、
前記第３のロボットアームが、前記第１および第２のロボットアームによって生成された画像に対して前記外科用ツールまたはツールホルダの前記姿勢が既知であるように、外科用ツールホルダまたはツールを担持するように構成されている、ロボット外科用システム。
【請求項１１】
前記撮像器が、Ｘ線撮像器または超音波撮像器のいずれかである、請求項１０に記載のロボット外科用システム。
【請求項１２】
対象の領域に対して外科的処置を実行する方法であって、
第１のロボットアームに担持されたソースの手段、および第２のロボットアームに担持された検出器要素によって、前記対象の前記領域を含む少なくとも１つの画像を生成することであって、前記第１および第２のロボットアームが、共通して関連する座標系を有する、少なくとも１つの画像を生成することと、
前記処置を実行するために必要な軌道を、少なくとも１つの画像でリアルタイムにおいて決定することと、
前記少なくとも１つの画像上で前記決定された軌道を確保するように、前記ツールを担持する前記ロボットアームの整合の後、前記処置を実施する前記第１のロボットアームまたは前記第２のロボットアームまたは第３のロボットアームのうちの１つに担持された外科用ツールを使用することと、を含む、方法。
【請求項１３】
前記外科用ツールが前記第１または第２のロボットアームのうちの１つに担持されている場合、それが、前記撮像器ソースまたは検出器要素に加えて担持されるか、または前記撮像器ソースまたは検出器要素の代わりに担持されている、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記外科用ツールが前記第３のロボットアームに担持されている場合、前記処置を実行するために必要な前記軌道が、前記第１および第２のロボットアームの座標系に前記共通して関連する前記第３のロボットアームの座標系によって保証される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記処置が、前記ツールの座標系と共通の座標系を有する撮像システムを使用して生成された少なくとも１つの画像における前記ツール軌道の術中整合を使用して実行される、請求項１２〜１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
対象の領域に対して外科的処置を実行する方法であって、
前記対象の前記領域を含む術前３次元画像セットを生成することと、
前記外科的処置を実行する外科用ツールのための軌道を、３次元画像セットの上に、術前に計画することと、
前記３次元画像セットを、第１のロボットアームに担持された撮像器ソース、および第２のロボットアームに担持された撮像器検出器要素によって生成された少なくとも１つの術中２次元画像と位置合わせすることであって、前記第１および第２のロボットアームが、共通して既知の座標系を有する、前記３次元画像セットを位置合わせすることと、を含み、
前記外科用ツールは、前記ツールを担持する前記ロボットアームの操作が、前記術前に計画された軌道を、リアルタイムで実施するように、前記第２のロボットアームまたは前記第１および第２のロボットアームの座標系と相互に関連する座標系を有する第３のロボットアームのいずれかに担持されている、方法。
【請求項１７】
前記外科用ツールが、前記撮像器検出器要素に加えて、または前記撮像器検出器要素の代わりに、前記第２のロボットアームに担持されている、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
ロボット外科用システムであって、
少なくとも第１、第２、および第３のロボットアームを備え、前記ロボットアームが、前記ロボットアームの前記座標系が互いに対して既知であるように相互に装着されており、
少なくとも前記第１および前記第２のロボットアームが、対象が位置付けられる、支持要素の反対側に配設され、前記対象の解剖学的構造の一部の画像が生成され得るように、それぞれ、撮像器ソースおよび撮像器検出要素を担持するように構成され、
前記第３のロボットアームが、第１の外科用ツールを担持するように適合され、
前記第２のロボットアームが、前記第１および第２の外科用ツールを使用して外科的処置が実行され得るように、第２の外科用ツールを担持するようにさらに構成され、
前記第１および第２の外科用ツールの前記姿勢が、前記第１および第２のロボットアームを使用して生成された前記対象の画像の前記座標系に対して既知である、ロボット外科用システム。
【請求項１９】
ロボット外科用システムであって、
少なくとも第１および第２のロボットアームを備え、前記ロボットアームが、それらの座標系が互いに対して既知であるように相互に既知の位置に装着され、対象が位置付けられる支持要素の反対側に配設され、前記対象の解剖学的構造の一部を画定する画像が生成され得るように、前記第１のロボットアームが、撮像器ソースを担持するように構成され、前記第２のロボットアームが、撮像器検出要素を担持するように構成されており、
前記ロボットアームのうちの１つは、前記外科用ツールまたはツールホルダの前記姿勢が、前記対象の生成された前記画像に対して既知であるように、外科用ツールまたはツールホルダを担持するようにさらに構成されている、ロボット外科用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット手術の分野、特に、ロボット外科的処置を伴う患者の撮像の調整を含むシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
外科的処置の実行における外科用ツールの正確な位置決めまたは作業を可能にする、多くの外科的ロボットシステムが存在する。かかるシステムの主要な問題の１つは、外科用ツールの位置および配向、すなわち姿勢を、術前手術計画、または手術中に撮影された術中画像と関連付ける能力である。外科用ツールの姿勢を術前手術計画と関連付けることは、通常、術前画像、およびロボット誘導ツールの実際の術中位置に示されているように、手術計画に従って手術することが望まれる特徴と、手術台上の患者との間で、位置合わせ処置を使用することによって解決される問題である。術前画像は通常、ＣＴまたはＭＲＩ画像セットなどの、３次元画像であるが、術中手術状況は、概して、Ｃアーム撮像システムを使用して取得された透視画像を使用することによって取得される。
【０００３】
さらに、部材の一端にＸ線ソース、および部材の他端にＸ線コレクタまたは検出器プレートのある、患者に外接する剛性の支持部材を有する、歴史的に従来のＣアームシステムが、ロボットで整合された要素を有する「仮想Ｃアーム」に取って代わられている、いくつかのシステムが存在する。かかるシステムにおいて、Ｘ線ソースおよび検出器要素は、それらが患者の両側に配置され得るように、ロボットで作動する別個のアームの端に担持されている。Ｘ線透視画像の正確な姿勢は、それぞれソースおよび撮像要素を担持するアームのロボット制御の手段によって選択することができる。かかるシステムは、ＧＥ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ＧｌｏｂａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙに譲渡されたＭ．Ｃｒａｉｎらの「Ｘ−Ｒａｙ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｓｉｄｅ−Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ  Ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ  Ａｒｍｓ」についてＵＳ６，５８２，１２１に、また、ＧＥ  ＭｅｄｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓに譲渡されたＭ．Ｃｒａｉｎの「Ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ  Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  Ｘ−Ｒａｙ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｒ」についてＵＳ６，６４４，８５２に説明されている。Ｓｉｅｍｅｎｓ  ＡＧに譲渡されたＭ．Ｍａｓｃｈｋｅの「Ｂｉｐｌａｎｅ  Ｘ−Ｒａｙ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ」についてＵＳ８，６１１，４９５において、異なる平面におけるＣアームに配設された２つの記録ユニットを有する撮像システムが説明されている。この特許はまた、ロボットアームなどの保持要素上に個別に配設された各Ｘ線管アセンブリおよびＸ線検出器を有する可能性に言及している。別個のロボットアームに装着されたＸ線ソースおよびＸ線検出器パネルを使用する同様のシステムはまた、Ｐｉｃｋｅｒ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌに譲渡された、Ｄ．Ｎｅｇｒｅｌｌｉの「Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｃ−Ａｒｍ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｕｓｅ  ｉｎ  Ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ」についてＵＳ６，２００，０２４に示されている。Ｓｉｅｍｅｎｓ  ＨｅａｌｔｈｃａｒｅＧｍｂＨによって出願された、Ｍ．Ｈｏｒｎｉｎｇによるドイツ特許出願１０  ２０１５  ２１７０５９（Ａ１）号はまた、別個に制御された支持アーム上のＸ線エミッターおよびＸ線受信機を有するＸ線システムを説明する。Ｋｕｋａ  Ｒｏｂｏｔｅｒ  ＧｍｂＨに譲渡された、Ｍ．Ｍｕｌｌｅｒの米国公開特許出願公開第２０１１／００６９８１８号はまた、別個のロボットアームにソースおよび受信機のあるＸ線システムを説明する。Ｓｉｅｍｅｎｓ  ＡＧに譲渡された「Ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｙ  Ｄｅｖｉｃｅ」についての、Ｒ．ＢｅｔｚらのＵＳ６，４３５，７１５はまた、仮想Ｃアーム配置を生成するように、異なるロボットアームに装着されたＸ線ソースおよびＸ線受信機を有するシステムを説明する。ロボット制御は、画像を獲得する目的のために、Ｘ線ソースが常にＸ線受信機の反対側に配向されることを確保する。患者の位置は、ロボット制御システムに接続された外部カメラシステムを使用したマーカーの画像分析によって、ロボット座標系に関連付けられ得る。
【０００４】
フロリダ大学研究財団に譲渡されたＳ．Ａ．Ｂａｎｋｓらへの「Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｐｌａｔｆｏｒｍ  ｔｏ  Ｐｒｏｖｉｄｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  Ｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓ  ｆｏｒ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｇｕｉｄａｎｃｅ」についてのＵＳ８，７８１，６３０は、上で前述したシステムのように、一方が画像ソースを保持し、他方が画像センサを保持している、２つのロボットアームシステムを含むシステムを説明する。第３のロボットアームシステムは、外科医が誘導するツールホルダとして含まれ得る。ツールは、触覚制御および任意選択でフォースフィードバックを使用して、外科医によって手動で誘導される。画像ソースロボットアームおよびツールホルダロボットアームの空間姿勢は、画像ソースアームおよびツール保持アームにローカライズマーカーを配置することができる、電磁または光学トラッカーを使用して、画像ソースアームおよびツール保持アームのＸ線キャリブレーションターゲット、またはトラッキングシステムを使用することによって互いに関連付けることができる。ツールチップは、タッチデバイスを使用してナビゲーション参照フレームと位置合わせされ得る。
【０００５】
しかしながら、上で説明されるシステムは、主に撮像機能、またはシステムがロボット制御された従来のＣアーム撮像機能を模倣する、触覚システムに限定されている。
【０００６】
このセクションにおいて、および本明細書の他のセクションにおいて言及されている各刊行物の開示は、各々がその全体において、参照によって本明細書に組み込まれる。
【発明の概要】
【０００７】
従来技術のシステムおよび方法の少なくともいくつかの欠点を克服する、より包括的なロボット制御仮想Ｃアームシステムの必要性が存在する。最新のロボット誘導手術は、現在の手術計画の実行に、いずれかの画像機能を自動的に関連付ける機能が必要である。本開示は、ロボット誘導ツールが撮像システムで生成された画像（複数可）に関連付けられることを可能にする、撮像システムと組み合わせて、ロボット誘導手術を実行するための新しい例示的なシステムを説明する。このシステムは、ロボット制御の仮想Ｃアームに基づいており、仮想Ｃアームを使用して生成された術中画像を使用して外科用ツールを自律的に誘導できるように、外科用ツールの参照フレームに関連する参照フレームを有する。かかるシステムは、位置合わせ、ナビゲーション、または追跡を使用して手術計画を実行するための外科用ツールを画定するロボットシステムよりも、より用途の広い機能およびより高い精度を有する。
【０００８】
システムは、手術中に成し遂げるこれらの新しい機能を可能にするように、少なくとも２つのロボットアームの２倍の組み合わせに基づいている。ロボットアームは、共通の基部に装着され、この用語は、すべてのアームが単一の基部に装着されているか、または代替的に、少なくともいくつかのアームが別個の基部に装着されており、それらの基部の相互の空間位置が互いに既知である。「共通基部」という用語も、このように主張される。共通基部のこの特徴により、各ロボットアームが動作する座標系は、システムにおける他のすべてのロボットアームの座標系に一意に関連付けることができる。この機能は、すべてのアームが協調して機能することを可能にするようにするので重要である。
【０００９】
第１の対のアームが提供され、一方のアームは、撮像システムソースを保持し、他方のアームは、手術領域の画像自体を生成するためのコレクタまたは検出器要素を保持する。アームは、空間における絶対的な位置および配向、および互いに相対的な位置が常にわかるように、ロボットで誘導される。その結果、それらは、それらに発行されたロボット制御コマンドに従って、任意のソースセンサ位置を採用することができる。かかる撮像システムの参照フレームは、すべてのロボットアームの共通基部に対して、したがって、共通基部に装着された他のロボットアームの参照フレームに対しても既知である。ロボットアームは、ロボット外科用一式の不可欠な部分であるため、手術室内の貴重なスペースを占有し、それを操作する医療技術者および整合時間を必要とする、別個のＣアーム撮像器は必要ない。撮像システムは、Ｘ線撮像器、超音波撮像器、またはシステムの別個のロボットアームに装着するための別個のソースおよび検出要素を有する任意の他のタイプの撮像システムを含む、任意の好適なタイプのものであることができる。しかしながら、最も一般的に使用されるかかる撮像システムは、通常のＣアームシステムで使用されるＸ線システムであるため、本明細書の開示は、撮像システムおよびその作業を説明するためにＸ線の例を使用するが、システムおよび方法は、Ｘ線撮像に限定されることを意図していないことが強調されなければならない。
【００１０】
しかしながら、現在のシステムは、以前に提案された仮想Ｃアームシステムとは異なり、この用語は、Ｘ線ソースおよびＸ線検出デバイスが相互に関連する制御されたロボットアームに装着されている、撮像システムを表すように使用されており、外科用ツールは、Ｘ線撮像システムの座標系にその座標系が既知であるロボットアームによって位置付けられ、その作業も任意選択で制御される。これを達成するための１つの方法は、外科用ツールを担持し、位置付け、または作動させるように、第３のロボットアームを使用することである。第３のアームは、外科用メス、外科用ドリル、誘導チューブ、開創器、または他の外科用ツールを装備することができ、その後、患者に対してロボット制御の外科的処置を実行することができる、アクティブロボットアームでさえあり得る。このシステムにおけるアクティブロボットアームの使用は、ツールを担持する第３のロボットアームの座標系が撮像ステージの座標系の制御システムに知られ、すべてのアームの座標系が互いに相互に関連しているため、外科用ツールの姿勢が透視撮像データに対して高精度で知られているため、有利である。したがって、外科用ツールの位置は、撮像ステージの整合において使用されたものと同じロボット制御で達成され、システムによって取得された透視画像上の既知である位置に誘導され得る。
【００１１】
かかるシステムの第２の、概してより単純な実装態様によれば、外科用ツールホルダは、外科用ツールの姿勢がＸ線検出プレートに対して高精度で既知であるように、撮像構成要素の１つと同じロボットアーム、好ましくは、Ｘ線ソースよりも実質的に軽いので、検出プレートに装着される。ツールは、ツールと検出プレートとの比較姿勢が既知であり、固定されるように、検出プレートとして同じロボットアームに取り付けられた、ホルダ上に最も有利に装着され得る。これは、ツールと他のロボットで移動する撮像要素との間の位置の最適な精度を提供する。代替的に、検出プレートは、工作機械の工具交換器が作動するのとほぼ同じ方法で、ツールを検出プレートの代わりにアームに装着され得るように、ロボットアームへの正確な取り外し可能な取り付け固定具、および同様の取り外し可能な取り付け固定具のあるツールホルダが提供され得る。これらの２つの実装態様のいずれにおいても、外科用ツールは、画像が取得されたものとして、同じ参照フレームにおいて外科手術を実行する。１対のロボットアームの撮像を使用して必要なイメージングが実行されると、前の段落で述べたものと同じ利点で、外科用ツールが患者に手術行為を実行することができるように、検出プレートを取り外され、ツールアセンブリがその場所に装着され得る。これらの実装態様は両方とも、ツール位置が撮像システムの座標に直接関係しない、ツール挿入姿勢を画定する術前画像を使用する位置合わせ処置のタイプよりも改善されたツール位置精度が提供される。
【００１２】
２つのロボット制御アームのみを使用するかかる配置において、第３のロボットアームはまた、１対のアームの撮像の現在「空の」アームによって実行される外科手術処置と併せて、収縮または保持動作などの、別の関連する外科動作を実行するように、使用され得る。
【００１３】
ロボット制御されたアームを使用して術中に取得された透視画像のみを使用して、システムがツールを整合させることができることによる、１つの例示的な処置は、以下のとおりであり得る。
（ｉ）２つ以上のＸ線画像は、２つの撮像ロボットアームによって生成され、それによって３次元画像セットを取得する。
【００１４】
（ｉｉ）次に、手術計画は、術中透視画像上で外科医によってリアルタイムに直接生成され、計画の３次元特性は、２つの非同一平面上の撮像平面、最も便利な場合は、２つの垂直な撮像平面上で計画を生成することによって達成される。
【００１５】
（ｉｉｉ）追加の任意選択のステップとして、および非限定的な例としてドリル処置の場合を使用して、次に、検出器を担持するロボットアームは、外科医によって決定されたドリル軌道に対して概して垂直になるように制御可能に動かされ得、検証のためにさらに２Ｄ画像が撮影され、ドリルの軌道が禁止された領域に侵入しないことを確保する。
【００１６】
（ｉｖ）最後に、検出器に隣接して接続されたドリルガイドまたはドリルを有する、または検出器の代わりに挿入される交換可能なツールホルダを有している、検出器を担持するロボットアームは、自動的に移動し、ドリルガイドまたはドリルを計画された掘削軌道に沿って指すように整合する。
【００１７】
上で説明される処置において、ツールまたはそのガイドを正しい軌道に沿って整合するように、２次元透視画像のみを使用し、術前計画がないため、位置合わせの必要は全くなく、「計画」は、透視画像における対象の解剖学的構造の直視に基づいている。現在の位置合わせ手法は、精度が高いが、このステップが不要になるため、かかる位置合わせ処置で発生し得る潜在的な不正確さがなくなる。
【００１８】
本開示の撮像ロボットを使用することの別の利点は、機械ビジョンおよび機械学習モードで画像から正しい軌道を計算するアルゴリズムに従って、正しい軌道を自動的に検出する能力である。かかる処置において、ロボットは、１つ以上のＸ線画像を撮影し、このアルゴリズムに基づいて、検出器を関心領域の予想される真っ直ぐなビューに移動し、外科的行為を適用する外科医によって承認された画像に収束するまで、連続画像を撮影する。
【００１９】
上で説明されるシステムのさらなる実装態様によれば、基準マーカーまたは解剖学的詳細のいずれかを示す、術前３次元画像データからの入力は、術前３次元画像データに基づいて作成された術前手術計画を、１対のロボットアームの撮像に装着されたＸ線透視撮像器から取得されたリアルタイム透視画像と位置合わせするために、使用こともできる。かかる位置合わせは、外科用ツールの動作および術前計画に対するその精度を監視することを可能にする。したがって、この処置は、ＣＴまたはＭＲＩ画像セットなどの、高解像度の術前３次元画像を、ロボットアームの１つに保持されているツールの姿勢を画定するための基礎として使用される。この処置は、システムが、リアルタイムの術中撮像および高解像度の術前３次元画像の両方の利点を伴って外科的処置を実行することを可能にする。透視画像の組み合わせを使用して術中画像を使用する場合、本開示で以前に説明された術中の外科的計画方法の使用よりも利便性が低く、潜在的に精度がいくらか低下するが、術前の高解像度画像に基づく計画のこの使用は、軟組織しかない場合、または関心領域に不透明な骨構造が優勢な場合など、関心領域が高品質の透視画像の提供を可能にしない特徴を含む場合に、有利であり得る。
【００２０】
したがって、本開示に説明されるデバイスの例示的な実装態様に従って、ロボット外科用システムであって、
（ｉ）撮像器ソースを担持するように構成されている第１のロボットアームと、
（ｉｉ）第１のロボットアームに対して既知の位置に装着され、撮像器検出要素を担持するように構成されており、対象が２つのアームの間に位置付けされたときに、対象の関心領域の画像が生成され得るように装着されている、第２のロボットアームと、
（ｉｉｉ）ロボットアームの座標系を相互に関連付けるように構成されているコントローラと、を備え、
ロボットアームのうちの１つが、外科用ツールまたは外科用ツールホルダを担持するようにさらに構成されており、その結果、外科用ツールまたはツールホルダの姿勢が、対象の生成された画像に対して既知である、ロボット外科用システムのためのシステムが提供される。
【００２１】
かかるシステムにおいて、外科用ツールまたはツールホルダが、ソースまたは検出要素に加えて、第１または第２のロボットアームのうちの１つに担持され得るか、または外科用ツールまたはツールホルダが、ソースまたは検出要素の代わりに、第１または第２のロボットアームのうちの１つに担持され得る。
【００２２】
さらに、かかるシステムにおいて、外科用ツールまたは外科用ツールホルダを担持するように構成されているロボットアームが、第２のロボットアームであり得る。この第２のロボットアームは、外科用ツールまたはツールホルダと、既知の空間的関係における検出要素との両方を、同時に担持するように適合され得る。追加的に、第２のロボットアームは、外科用ツールまたはツールホルダに、または検出要素に取り付けられるように適合されている取り付け要素を備え得、取り付け要素が、外科用ツールまたはツールホルダと検出要素との間の空間的関係が正確に既知である。
【００２３】
上で説明されるシステムのいずれにおいても、ツールまたはツールホルダと、ロボットアームのうちの少なくとも１つとの間の既知の関係は、ユーザによって決定された、第１および第２のロボットアームの使用よって取得された画像上の位置への外科用ツールの自律誘導を可能にするように構成され得る。
【００２４】
さらに、上で説明されるシステムのいずれも、座標系が第１および第２のロボットアームの座標系と相互に関連し、追加の外科的要素を保持するように適合されている第３のロボットアームをさらに備え得る。
【００２５】
上で説明されるすべてのシステムにおいて、撮像器は、Ｘ線撮像器または超音波撮像器のいずれかであり得る。
【００２６】
本開示のロボット外科用システムの他の実装態様によれば、システムであって、少なくとも第１、第２および第３のロボットアームを備え、ロボットアームが、それらの座標系が互いに対して既知であるように相互に装着され、少なくとも第１および第２のロボットアームが、対象が位置付けられる支持要素の反対側に配設され得、対象の解剖学的構造の一部の画像が生成され得るように、それぞれ撮像器ソースおよび撮像器検出要素を担持するように構成され得、
第３のロボットアームが、第１および第２のロボットアームによって生成された画像に対して外科用ツールまたはツールホルダの姿勢が既知であるように、外科用ツールホルダまたはツールを担持するように構成され得る、システムが提供される。かかるシステムにおいて、撮像器は、Ｘ線撮像器または超音波撮像器のいずれかであり得る。
【００２７】
さらに別の実装態様によれば、対象の領域に対して外科的処置を実行する方法であって、
（ｉ）第１のロボットアームに担持されたソースの手段、および第２のロボットアームに担持された検出器要素によって、対象の領域を含む少なくとも１つの画像を生成することであって、第１および第２のロボットアームが、共通して関連する座標系を有する、少なくとも１つの画像を生成することと、
（ｉｉ）処置を実行するために必要な軌道を、少なくとも１つの画像でリアルタイムにおいて決定することと、
（ｉｉｉ）少なくとも１つの画像上で決定された軌道を確保するように、ツールを担持するロボットアームの整合の後、処置を実施する第１のロボットアームまたは第２のロボットアームまたは第３のロボットアームのうちの１つに担持された外科用ツールを使用することと、を含む、方法が提供される。
【００２８】
かかる方法において、外科用ツールが第１または第２のロボットアームのうちの１つに担持されている場合、それが、撮像器ソースまたは検出器要素に加えて担持され得るか、または撮像器ソースまたは検出器要素の代わりに担持され得る。追加的に、それが第３のロボットアームに担持されている場合、を実行するために必要な軌道が、第１および第２のロボットアームの座標系に共通して関連する第３のロボットアームの座標系によって保証される。これらの方法のいずれにおいても、処置は、ツールの座標系と共通の座標系を有する撮像システムを使用して生成された少なくとも１つの画像におけるツール軌道の術中整合を使用して実行され得る。
【００２９】
対象の領域に対して外科的処置を実行する方法であって、
（ｉ）対象の領域を含む術前３次元画像セットを生成することと、
（ｉｉ）外科的処置を実行する外科用ツールのための軌道を、３次元画像セットの上に、術前に計画することと、
（ｉｉｉ）３次元画像セットを、第１のロボットアームに担持された撮像器ソース、および第２のロボットアームに担持された撮像器検出器要素によって生成された少なくとも１つの術中２次元画像と位置合わせすることであって、第１および第２のロボットアームが、共通して既知の座標系を有する、３次元画像セットを位置合わせすることと、を含み、
外科用ツールは、ツールを担持するロボットアームの操作が、術前に計画された軌道を、リアルタイムで実施するように、第２のロボットアームまたは第１および第２のロボットアームの座標系と相互に関連する座標系を有する第３のロボットアームのいずれかに担持され得る、方法がさらに提供される。かかる方法において、外科用ツールは、撮像器検出器要素に加えて、または撮像器検出器要素の代わりに、第２のロボットアームに担持され得る。
【００３０】
本システムのさらに別の例示的な実装態様によれば、ロボット外科用システムであって、
少なくとも第１、第２および第３のロボットアームを備え、ロボットアームが、ロボットアームの座標系が互いに対して既知であるように相互に装着されており、
少なくとも第１および第２のロボットアームが、対象が位置付けられ得、支持要素の反対側に配設され、対象の解剖学的構造の一部の画像が生成され得るように、それぞれ、撮像器ソースおよび撮像器検出要素を担持するように構成され、
第３のロボットアームが、第１の外科用ツールを担持するように適合され、
第２のロボットアームが、第１および第２の外科用ツールを使用して外科的処置が実行され得るように、第２の外科用ツールを担持するようにさらに構成され、
第１および第２の外科用ツールの姿勢が、第１および第２のロボットアームを使用して生成された対象の画像の座標系に対して既知である、ロボット外科用システムが提供される。
【００３１】
最後に、本開示のシステムのさらに別の実装態様によれば、ロボット外科用システムであって、
少なくとも第１および第２のロボットアームを備え、ロボットアームが、それらの座標系が互いに対して既知であるように相互に既知の位置に装着され、対象が位置付けられる支持要素の反対側に配設され、対象の解剖学的構造の一部を画定する画像が生成され得るように、第１のロボットアームが、撮像器ソースを担持するように構成され、第２のロボットアームが、撮像器検出要素を担持するように構成されており、
ロボットアームのうちの１つは、外科用ツールまたはツールホルダの姿勢が、対象の生成された画像に対して既知であるように、外科用ツールまたはツールホルダを担持するようにさらに構成され得る、ロボット外科用システムが提案されている。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
本発明は、以下の図面と併せて、以下の詳細な説明からより完全に理解および認識されるであろう。
【図１】本開示に説明されているロボット外科用システムを示しており、３つのロボットによって作動され、調整されたアームを示す。
【図２】２つのロボットアームのみが使用される、図１のシステムの代替的な実装態様を示す。
【図３】図２の代替的な実装態様を示しており、この実装において、ツールまたはツールホルダとＸ線検出器プレートの両方が同じロボットアームに一緒に保持され、それらを接続する既知の機械的配置によって、それらの相互位置がロボット制御システムに認識される。
【図４】メモリユニットのあるシステムコントローラの構造の一例を示しており、ロボット撮像アームとツール保持アームの関係を使用して、ツールに必要な機能を実行するように指示する方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
ここで、図１を参照すると、３つのロボットで作動するアーム１２、１３、１４を組み込んだ、本開示に説明されるようなロボット外科用システムを概略的に示す。図１において示されるシステムのアームは、それらが単一の共通基部１０３であると見なすことができるように、それらの相互位置が既知である別個の基部１０、１１、１０１に装着されている。ロボットアームの基部への取り付け部の位置が既知であり、各アームの姿勢を互いに相互に関連付けることができるという条件で、他の任意の基部配置も考慮され得る。典型的には、手術台１０２の上面で動作するアーム１３、１４は、上部コンソールに装着され得る。アームは、コントローラ１０４によって制御され、コントローラ１０４は、３つのアームの参照のフレームを位置合わせまたは調整し、基部１０４を介して各アームおよびその制御モーターおよび位置エンコーダに接続され得る。患者１８は、ベッドまたは手術台１０２上に横たわって示されているが、システムは、好適に適合および整合されている場合、立っている患者、または他の任意の所望の位置の特許と共に使用され得る。１対のアーム１２、１３は、患者の上下に整合して示され、アーム１２の一方はＸ線ソース１５を担持し、他方のアーム１３は画像検出器プレート１６を担持する。これらの２つのアーム１２、１３の関節を制御することによって、Ｘ線ソースおよび検出器プレートは、手術領域の所望の特徴の透視画像を生成するように、患者の解剖学的構造に対して任意の好適な角度に整合され得る。かかる透視画像が２つ以上生成される場合、外科用ロボット一式の制御システムは、手術部位の３次元画像データを提供することができ、患者の関心のある手術領域の３次元のリアルタイム位置を決定するように、使用され得る。代替的に、かかる３次元情報は、手術計画が決定された任意の術前３次元画像と位置合わせおよび比較され得るが、ただし、ある種の基準位置特徴が術前画像において使用されていることを条件とする。
【００３４】
第３のロボットアーム１４は、外科用ツール１７または外科用ツールホルダを担持することができ、この第３のロボットアーム１４の参照のフレームは、第１および第２のアーム１２、１３のこれらに対して既知であるため、外科用ツールの位置および配向は、第１のアーム１２および第２のアーム１３に配置された撮像器で生成された透視画像の座標系に関連して既知である。結果として、手術中の外科用ツール１７の相対的な位置および進行は、さらなる外部位置合わせを必要とせずに、患者の手術部位の透視画像に直接関連付けられ得る。
【００３５】
代替的な動作モードによれば、患者の手術部位の特徴を画定するように透視画像が生成されると、Ｘ線撮像装置の少なくとも１つの要素は、その支持ロボットアームから取り外され得、好ましくは、ロボットアーム１３からの検出器プレート１６は、それがより軽い要素であり、そのロボットアーム１３は、以前に生成されたＸ線画像に対してその姿勢が既知である外科用ツールまたはツールホルダを自由に装備され、ツールが既知の位置および角度でロボットアーム１３に取り付けられているため、その位置はＸ線画像軸に対して既知である。したがって、ロボットアーム１３のロボット制御システムを使用するツールの整合および進行は、位置合わせ変換を必要とせずに、以前に取得された透視画像に直接関連付けられ得る。その後、第３のロボットアーム１４は、ツールホルダまたはツールを保持する必要がなくなったので、患者の組織の収縮または保持などの追加の外科的タスクを実行するために使用され得る。
【００３６】
ここで、図２を参照すると、本開示のシステムのこの代替的な実装態様を示しており、２つのロボットアームのみが使用され、第１のロボットアーム１２は、Ｘ線ソース１５を担持し、第２のロボットアーム１３は、アダプターマウント１９が装備されており、これは、マッチングアダプター２０を介してＸ線センサプレート１６に、またはアダプター２１を介してツールまたはツールホルダ１７に接続することができ、アダプターは、Ｘ線センサプレートとツールまたはツールホルダの相対位置が、高レベルの精度で既知である。この実装態様において、ロボット制御システム１０４は、ロボットアーム１２、１３の両方の動きを制御する。各ロボットアームは、外科手術中に使用するための少なくとも１つの外科用ツールまたは他のアイテムを保持するように適合されている。ロボットアーム１３は、天井または部屋内の別の不動の支持要素、または制御キャビネットに同様にうまく取り付けられ得る、基部１０を有する。第２のロボットアーム１２もまた、不動の支持要素１１に取り付けられて示されている。コントローラ１０４は、各ロボットアームの動きを操作して、各アームによって保持および担持される外科用ツールまたは他のアイテムの位置が互いに対して正確にわかるようにすることができる。
【００３７】
ここで、図３を参照すると、図２の代替的な実装態様を示しており、ツールまたはツールホルダ１７およびＸ線検出器プレート１６は、両方ともロボットアーム１３に保持され、それらの相互位置が、それらを接続する既知の機械的配置のおかげで、ロボット制御システムに既知である。したがって、検出プレート１６上に生成された患者の撮像されたビューに対するツール１７の位置は、正確に既知である。この実装態様は、検出器プレートをツールホルダと交換する必要がなくなる。
【００３８】
上記の実装態様のいずれかにおいて、Ｘ線画像の画像処理は、患者の位置、または手術される患者の解剖学的特徴、および画像参照フレームとツール参照フレームとの既知の関係を定義するように、使用され得、患者または手術される患者の解剖学的特徴に対するツールの正確な位置決めを可能にする。かかるシステムは、画像を生成するために使用される参照のフレームが、ツールが装着されている参照のフレームに空間的および角度的に関連していることができるため、他の整合を必要とせずに、システム自体によって取得されたＸ線画像上で既知の位置に外科用ツールを自律的に誘導するように構成され得る。
【００３９】
ここで、システムの機能を可能にする、制御システム１０４の１つの可能な構造を概略的に示す、図４を参照する。コントローラおよびシステム機能は、ロボットアーム座標関係４４を含む、メモリユニット４１、およびロボットアーム４５の作業のための命令を使用する。
【００４０】
プロセッサ４６は、入出力および計算を含む、コントローラ作業全体を制御する。入出力ユニットは、ユーザインターフェース４３、ロボットアーム駆動インターフェース４７、ロボットアーム位置センサインターフェース４８、およびネットワークインターフェース４９を含む。
【００４１】
本発明は、本明細書において上で具体的に図示および説明されたものによって限定されないことが当業者によって理解される。むしろ、本発明の範囲は、上で説明される様々な特徴の組み合わせおよび副次的組み合わせ、ならびに上の説明を読んだときに当業者が想到する、先行技術にはない、それらの変形および修正の両方を含む。
【図１】
2022502119.tif 000003
【図２】
2022502119.tif 000004
【図３】
2022502119.tif 000005
【図４】
2022502119.tif 000006
【国際調査報告】
2022502119.tif 000007
2022502119.tif 000008