(57)【要約】  工具によって生体構造を加工するための外科用システム及び方法は、生体構造に関連する第１の仮想境界を画定することと、生体構造に関連する第２の仮想境界を画定することとを含んでいる。第１の仮想境界は、第１のモードにおいて有効化される。第１のモードにおいて、工具の移動は、第１の仮想境界に関連して拘束される。第１の仮想境界は、第２のモードにおいて無効化される。第２のモードでは、工具の移動は、第２の仮想境界に関連して拘束される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体構造を加工するための外科用システムであって、
ベース及びリンケージを有するマニピュレータと、
前記マニピュレータに連結された工具であって、前記生体構造と相互作用するために前記ベースに対して移動可能になっている、工具と、
前記生体構造に関連する第１の仮想境界及び前記生体構造に関連する第２の仮想境界を生成し、第１のモード及び第２のモードにおいて前記工具の移動を制御するように構成された制御装置であって、前記第１のモードにおいて、前記工具を前記第１の仮想境界に関連して拘束するために、前記第１の仮想境界を有効化し、前記第２のモードにおいて、前記工具を前記第２の仮想境界に関連して拘束するために、前記第１の仮想境界を無効化する、制御装置と、
備えている、外科用システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記第１のモードにおいて、前記工具が前記第２の仮想境界に達することを阻止するように構成されている、請求項１に記載の外科用システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記第２のモードにおいて、前記工具が前記第２の仮想境界に達することを可能にするように構成されている、請求項１に記載の外科用システム。
【請求項４】
区域が前記第１及び第２の仮想境界間に画定されており、前記制御装置は、前記工具が前記第１のモードにおいて前記区域を貫通することを阻止し、前記工具が前記第２のモードにおいて前記区域を貫通することを可能にするように構成されている、請求項１に記載の外科用システム。
【請求項５】
前記第１の仮想境界は、前記生体構造の目標面から離間している、請求項１に記載の外科用システム。
【請求項６】
前記第１のモードは、自律モード及び自動モードの一方であり、前記第２のモードは、前記自律モード及び前記手動モードの他方である、請求項１に記載の外科用システム。
【請求項７】
前記第１及び第２のモードは、両方が自律モード又は両方が手動モードのいずれかである、請求項１に記載の外科用システム。
【請求項８】
前記工具の送り速度は、前記第１及び第２のモード間において互いに異なっている、請求項１〜７のいずれか１つに記載の外科用システム。
【請求項９】
前記制御装置は、前記第１のモードにおいて前記第２の仮想境界を有効化するように構成されている、請求項１〜７のいずれか１つに記載の外科用システム。
【請求項１０】
前記第１の仮想境界は、中間仮想境界としてさらに規定されており、前記第２の仮想境界は、目標仮想境界としてさらに規定されている、請求項１〜７のいずれか１つに記載の外科用システム。
【請求項１１】
前記第１の仮想境界は、前記第２の仮想境界から離間している、請求項１〜７のいずれか１つに記載の外科用システム。
【請求項１２】
前記制御装置は、前記第１のモードにおいて前記生体構造を塊切除するように前記工具を制御するように、かつ前記第２のモードにおいて前記生体構造を微小切除するように前記工具を制御するように、構成されている、請求項１〜７のいずれか１つに記載の外科用システム。
【請求項１３】
生体構造を工具によって加工するための外科用システムを操作する方法であって、
前記生体構造に関連する第１の仮想境界を画定するステップと、
前記生体構造に関連する第２の仮想境界を画定するステップと、
第１のモードにおいて、前記第１の仮想境界を有効化するステップと、
前記第１のモードにおいて、前記工具の移動を前記第１の仮想境界に関連して拘束するステップと、
第２のモードにおいて、前記第１の仮想境界を無効化するステップと、
前記第２のモードにおいて、前記工具の移動を前記第２の仮想境界に関連して拘束するステップと、
を含む、方法。
【請求項１４】
前記第１のモードにおいて、前記工具が前記第２の仮想境界に達することを阻止するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２のモードにおいて、前記工具が前記第２の仮想境界に達することを可能にするステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１及び第２の仮想境界間の区域を画定するステップと、前記第１のモードにおいて前記工具が前記区域を貫通することを阻止し、前記第２のモードにおいて前記工具が前記区域を貫通することを可能にするステップとをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の仮想境界を画定する前記ステップは、前記第１の仮想境界を前記生体構造の目標面から離間させるようにさらに規定される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１のモードにおいて前記工具の移動を拘束する前記ステップは、自律モード及び手動モードの一方によって行われ、記第２のモードにおいて前記工具の移動を拘束する前記ステップは、前記自律モード及び前記手動モードの他方によって行われる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１のモードにおいて前記工具の移動を拘束する前記ステップ及び前記第２のモードにおいて前記工具の移動を拘束する前記ステップの両方が、自律モード又は自動モードのいずれかによって行われる、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１及び第２のモード間の互いに異なる送り速度に従って前記工具を操作することをさらに含む、請求項１３〜１９のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２１】
前記第１及び第２のモード間の切換えを手動によって行うステップをさらに含む、請求項１３〜１９のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２２】
前記第１及び第２のモード間の切換えを自律的に行うステップをさらに含む、請求項１３〜１９のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２３】
前記第１のモードにおいて、前記第２の仮想境界を有効化するステップをさらに含む、請求項１３〜１９のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２４】
前記第１のモードにおいて前記生体構造を塊切除し、前記第２のモードにおいて前記生体構造を微細切除することをさらに含む、請求項１３〜１９のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２５】
前記第１の仮想境界は、中間仮想境界としてさらに規定され、前記第２の仮想境界は、目標仮想境界としてさらに規定される、請求項１３〜１９のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２６】
前記第１の仮想境界及び前記第２の仮想境界を互いに離間させることをさらに含む、請求項１３〜１９のいずれか１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本願は、２０１５年５月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／１６３，６７２号の優先権及び利得を主張するものであり、その開示内容は、参照することによって、その全体がここに含まれるものとする。
【０００２】
［発明の分野］
本発明は、一般的に、外科用システムの工具によって、生体構造を加工するためのシステム及び方法に関し、さらに詳細には、仮想境界を用いて工具を拘束するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
最近、オペレータは、外科処置の手技を支援するためにロボット装置を用いることが有用であることを見出してきている。ロボット装置は、典型的には、高度の正確さで配置され得る遠位自由端を有する移動可能なアームを備えている。外科部位に作用する工具がアームの自由端に取り付けられている。オペレータは、アームを移動させ、これによって、工具を外科部位に正確に位置決めし、処置を行うことが可能になる。
【０００４】
ロボット外科手術では、工具が作動される領域を工具が拘束される領域から線引きするために、外科手術前に、仮想境界がコンピュータ支援設計ソフトウエアを用いて生成される。例えば、整形外科手術では、外科手術の後に残る骨の区域から手術中に工具によって除去される骨の区域を線引きするために、仮想切除境界が生成されることがある。
【０００５】
仮想境界に対する工具の位置及び／又は方位を決定するために、ナビゲーションシステムが工具の移動を追跡する。ロボットシステムは、ナビゲーションシステムと協働し、工具が仮想境界を超えて移動しないように工具の移動を案内する。多くの場合、仮想境界は、患者の骨のモデル内に生成され、骨に関して固定されており、これによって、モデルがナビゲーションシステムに読み込まれると、ナビゲーションシステムは、骨の移動を追跡することによって、該仮想境界の移動を追跡することができる。
【０００６】
多くの場合、オペレータは、外科手術中に種々の切除モードによる工具の動的制御を望んでいる。例えば、場合によっては、オペレータは、生体構造の塊切除のために工具を手動によって制御する手動モードを望むことがある。また、オペレータは、生体構造の自動化された高精度の切除を行うための自律モードにおいて工具を制御することを望むこともある。従来のシステムでは、生体構造の目標面に関連する仮想境界は、制御のモードと無関係に有効になっている。換言すれば、例えば、工具が自律モードによって制御されても又は手動モードによって制御されても、同一の仮想境界が用いられることになる。マニピュレータは、一般的に、いずれのモードであっても、境界を超える工具の前進を許容しない。しかし、場合によっては、マニピュレータは、境界を超える工具の移動を不注意によって許容することがある。例えば、手動モードにおいて、オペレータは、境界を超える工具の移動を防ぐマニピュレータの能力を超える大きな力を工具に加えることがある。この場合、仮想境界を超える生体構造の切除が生じ、これによって、所望の目標面から外れることがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
当技術分野において、少なくとも前述の課題を解決するためのシステム及び方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
生体構造を加工するためのシステムの一実施形態が提供される。システムは、ベース及びリンケージを有するマニピュレータを備えている。工具は、マニピュレータに連結され、生体構造と相互作用するためにベースに対して移動可能になっている。制御装置は、生体構造に関連する第１の仮想境界及び生体構造に関連する第２の仮想境界を生成するように構成されている。制御装置は、第１のモード及び第２のモードにおいて工具の移動を制御するように構成されている。制御装置は、第１のモードにおいて、工具を第１の仮想境界に関連して拘束するために、第１の仮想境界を有効化するようになっている。制御装置は、第２のモードにおいて、工具を第２の仮想境界に関連して拘束するために、第１の仮想境界を無効化にするようになっている。
【０００９】
工具によって生体構造を加工するように外科用システムを操作する方法の一実施形態が提供される。この方法は、生体構造に関連する第１の仮想境界及び生体構造に関連する第２の仮想境界を画定することを含んでいる。第１のモードにおいて、第１の仮想境界が有効化される。第１のモードでは、工具の移動は、第１の仮想境界に関連して拘束されることになる。第２のモードにおいて、第１の仮想境界は、無効化される。第２のモードでは、、工具の移動は、第２の仮想境界に関連して拘束されることになる。
【００１０】
本システム及び方法は、有利には、第１及び第２のモード間における中間仮想境界の有効化を選択的に制御する機会をもたらす。その結果、本システム及び方法は、第１及び第２のモードの各々に対して異なる仮想境界構成をもたらし、これによって、外科用システムの汎用性及び性能を高めることができる。
【００１１】
本発明の利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによってより理解されれば、容易に了解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態による工具によって患者の生体構造を加工するためのシステムの斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態による外科用システムを制御するための制御装置の概略図である。
【図３】本発明の一実施形態による目標面を形成するために工具経路に沿って生体構造と相互作用する工具を示す図である。
【図４】工具が目標仮想境界に関して離間した中間仮想境界に関連して拘束されている第１のモードにおけるシステムの操作を示す図である。
【図５】工具が生体構造の目標面から位置ずれした目標仮想境界に関連して拘束されている第２のモードにおけるシステムの操作を示す図である。
【図６】工具が中間仮想境界に関連して拘束されており、目標仮想境界が有効化されて維持されている第１のモードにおけるシステムの操作を示す図である。
【図７】工具が生体構造の目標面と一直線に並んだ目標仮想境界に関連して拘束されている第２のモードにおけるシステムの操作を示す図である。
【図８】工具が中間仮想境界に関連して拘束されており、目標仮想境界が無効化されている第１のモードにおけるシステムの操作を示す図である。
【図９】工具が目標仮想境界と異なる輪郭を有する中間仮想境界に関連して拘束されている第１のモードにおけるシステムの操作を示す図である。
【図１０】工具が目標面と異なる輪郭を有する目標仮想境界に関連して拘束されている第２のモードにおけるシステムの操作を示す図である。
【図１１】工具が中間仮想境界と目標仮想境界との間に拘束されている第１のモードにおけるシステムの操作を示す図である。
【図１２】工具が中間仮想境界と目標面との間に拘束されている第１のモードにおけるシステムの操作を示す図である。
【図１３】図１３Ａ、図１３Ｂおよび図１３Ｃは、一例による第１のモードにおける塊切除の後に生じる生体構造の特性を示す図である。
【図１４】図１４Ａ、図１４Ｂおよび図１４Ｃは、一例による第２のモードにおける微細切除の後に生じる生体構の特性を示す図である。
【図１５】各々が個別のモードにおいて有効化される３つの仮想境界を用いるシステムの操作を示す図である。
【図１６】２つ以上の工具及び同時に有効化された３つの仮想境界を用いるシステムの操作を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［Ｉ．概観］
図面を参照すると、患者１２の生体構造を加工するためのシステム１０及び方法が図面の全体にわたって示されている。なお、いくつかの図面を通して、同様の番号は、同様又は対応する部品を示すものとする。図１に示されているように、システム１０は、骨又は軟組織のような患者１２の生体構造から材料を切除するためのロボット外科切除システムである。図１において、患者１２は、外科処置を受けている。図１の生体構造は、患者１２の大腿骨（Ｆ）及び脛骨（Ｔ）を含んでいる。外科処置は、組織除去を含んでいる。他の実施形態では、外科処置は、部分膝関節置換手術又は全膝関節置換手術及び股関節置換手術を含んでいる。システム１０は、股関節移植片又は膝関節移植片のような外科移植片によって置換されることになる材料を切除するように設計されている。なお、膝関節移植片は、単顆移植片、双顆移植片、及び全膝移植片を含んでいる。これらの形式の移植片のいくつかは、「人工移植片及び移植の方法」と題する米国特許出願第１３／５３０，９２７号に示されている。この開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。当業者であれば、ここに開示されるシステム及び方法は、他の外科処置又は非外科処置を行うために用いられてもよいし、又はロボットシステムが利用される産業用途又は他の用途に用いられてもよいことを理解するだろう。
【００１４】
システム１０は、マニピュレータ１４を備えている。マニピュレータ１４は、ベース１６及びリンケージ１８を有してる。リンケージ１８は、直列アーム構成又は平行アーム構成を形成するリンクを備えているとよい。工具２０がマニピュレータ１４に連結されており、生体構造と相互作用するためにベース１６に対して移動可能になっている。工具２０は、マニピュレータ１４に取り付けられたエンドエフェクタ２２の一部をなすものである。工具２０は、オペレータによって把持されるようになっている。マニピュレータ１４及び工具２０の１つの例示的な構成が、「外科用器具を多重モードによって制御することができる外科用マニピュレータ」と題する米国特許第９，１１９，６５５号に記載されている。この開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。マニピュレータ１４及び工具２０は、代替的な形態を有するように構成されてもよい。工具２０は、２０１４年３月１５日に出願された「外科用ロボットマニピュレータのエンドエフェクタ」と題する米国特許出願公開２０１４／０２７６９４９号に示されている工具と同様のものとすることができる。この文献は、参照することによって、ここに含まれるものとする。工具２０は、外科部位において患者１２の組織に接触するように設計されたエネルギーアプリケータ２４を備えている。エネルギーアプリケータ２４は、ドリル、鋸ブレード、バー、超音波振動チップ、プローブ、等であるとよい。また、マニピュレータ１４は、マニピュレータコンピュータ２６又は他の形式の制御ユニットを収容している。
【００１５】
図２を参照すると、システム１０は、制御装置３０を備えている。制御装置３０は、マニピュレータ１４を制御するためのソフトウエア及び／又はハードウエアを含んでいる。制御装置３０は、マニピュレータ１４の運動を指示し、座標系に対する工具２０の方位を制御する。一実施形態では、座標系は、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬ（図１参照）である。マニピュレータ座標系ＭＮＰＬは、原点を有しており、該原点は、マニピュレータ１４上の一点に位置している。マニピュレータ座標系ＭＮＰＬの一例が、「外科用器具を多重モードによって制御することができる外科用マニピュレータ」と題する米国特許第９，１１９，６５５号に記載されている。この開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。
【００１６】
システム１０は、ナビゲーションシステム３２をさらに備えている。ナビゲーションシステム３２の一例が、２０１３年９月２４日に出願された「光学的及び非光学的センサを備えるナビゲーションシステム」と題する米国特許第９，００８，７５７号に記載されている。この文献は、参照することによって、ここに含まれるものとする。ナビゲーションシステム３２は、種々の対象物の移動を追跡するようになっている。このような対象物として、例えば、工具２０及び生体構造、例えば、大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔが挙げられる。ナビゲーションシステム３２は、これらの対象物を追跡し、ローカライザー座標系ＬＣＬＺにおける各対象物の位置情報を収集する。ローカライザー座標系ＬＣＬＺの座標は、従来の変換技術を用いて、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬに変換されるとよい。ナビゲーションシステム３２は、オペレータに対してそれらの対象物の相対位置及び相対方位の仮想イメージを表示することもできるようになっている。
【００１７】
ナビゲーションシステム３２は、ナビゲーションコンピュータ３６を収容するコンピュータカートアセンブリ３４、及び／又は他の形式の制御ユニットを備えている。ナビゲーションインターフェイスが、ナビゲーションコンピュータ３６と作動的に通信するようになっている。ナビゲーションインターフェイスは、１つ又は複数のディスプレイ３８を含んでいる。キーボード及びマウスのような第１及び第２の入力装置４０，４２を用いて、情報をナビゲーションコンピュータ３６に入力し、又はナビゲーションコンピュータ３６のいくつかの特性を選択／制御するようになっているとよい。（図示されない）タッチスクリーン又は音声起動を含む他の入力装置４０，４２も考えられる。制御装置３０は、システム１０内の任意の適切な１つ又は複数の装置、例えば、制限されないが、マニピュレータコンピュータ２６、ナビゲーションコンピュータ３６、及びその任意の組合せに実装されているとよい。
【００１８】
ナビゲーションシステム３２は、ナビゲーションコンピュータ３６と通信するローカライザー４４も備えている。一実施形態では、ローカライザー４４は、光学的ローカライザーであり、カメラユニット４６を備えている。カメラユニット４６は、１つ又は複数の光学位置センサ５０を収容する外側ケーシング４８を有している。システム１０は、１つ又は複数のトラッカーを備えている。トラッカーは、ポインタートラッカーＰＴ、工具トラッカー５２、第１の患者トラッカー５４、及び第２の患者トラッカー５６を含んでいるとよい。トラッカーは、アクティブマーカー５８を含んでいる。アクティブマーカー５８は、発光ダイオード又はＬＥＤであるとよい。他の実施形態では、トラッカー５２，５４，５６は、パッシブマーカー、例えば、カメラユニット４６から放出された光を反射する反射鏡を有しているとよい。当業者であれば、ここに具体的に記載されない他の適切な追跡システム及び方法が利用されてもよいことを理解するだろう。
【００１９】
図１の例示的実施形態では、第１の患者トラッカー５４は、患者１２の大腿骨Ｆにしっかりと固定されており、第２の患者トラッカー５６は、患者１２の脛骨Ｔにしっかりと固定されている。患者トラッカー５４，５６は、骨の部分にしっかりと固定されている。工具トラッカー５２は、工具２０にしっかりと取り付けられている。トラッカー５２，５４，５６は、どのような適切な方法によってそれぞれの構成要素に固定されてもよいことを理解されたい。
【００２０】
トラッカー５２，５４，５６は、カメラユニット４６と通信し、位置データをカメラユニット４６に供給する。カメラユニット４６は、トラッカー５２，５４，５６の位置データをナビゲーションコンピュータ３６に供給する。一実施形態では、ナビゲーションコンピュータ３６は、大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔの位置データ及び工具２０の位置データを決定し、該位置データをマニピュレータコンピュータ２６に送信する。大腿骨Ｆ、脛骨Ｔ、及び工具２０の位置データは、従来の位置合せ／ナビゲーション技術を用いて、トラッカー位置データによって決定されるとよい。位置データは、大腿骨Ｔ、脛骨Ｔ、工具２０及び追跡される任意の他の対象物の位置及び／又は方位に対応する位置情報を含んでいる。ここに記載される位置データは、位置データ、方位データ、又は位置データと方位データとの組合せであってもよい。
【００２１】
マニピュレータコンピュータ２６は、工具２０に対するナビゲーション基データ及び工具２０に対するエンコーダ基データを用いて変換行列を決定することによって、位置データをローカライザー座標系ＬＣＬＺからマニピュレータ座標系ＭＮＰＬに変換する。エンコーダに基づく位置データを決定するために、マニピューレータ１４の継手に位置する（図示されない）エンコーダが用いられる。マニピュレータコンピュータ２６は、エンコーダを用いて、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬにおける工具２０のエンコーダに基づく位置及び方位を計算する。また、工具２０の位置及び方位は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺにおいて知られているので、変換行列が生成されることになる。
【００２２】
図２に示されているように、制御装置３０は、ソフトウエアモジュールをさらに備えている。ソフトウエアモジュールは、システム１０の制御を支援するようにデータを処理するためにマニピュレータコンピュータ２６、ナビゲーションコンピュータ３６、又はその組合せに作用する１つ又は複数のコンピュータプログラムの一部であるとよい。ソフトウエアモジュールは、マニピュレータコンピュータ２６、ナビゲーションコンピュータ３６、又はその組合せのメモリに記憶され、コンピュータ２６，３６の１つ又は複数のプロセッサによって実行される指令の組を含んでいる。加えて、オペレータに指示及び／又は通信するソフトウエアモジュールは、１つ又は複数のプログラムの一部をなしていてもよく、マニピュレータコンピュータ２６、ナビゲーションコンピュータ３６、又はその組合せのメモリに記憶された指令を含んでいてもよい。オペレータは、第１及び第２の入力装置４０，４２及び１つ又は複数のディスプレイ３８と相互作用し、ソフトウエアモジュールと通信するようになっている。
【００２３】
一実施形態では、制御装置３０は、マニピュレータ１４の運動を指示するようにデータを処理するためのマニピュレータ制御装置６０を備えている。マニピュレータ制御装置６０は、単一源又は多数源からデータを受信し、かつ処理するようになっているとよい。
【００２４】
制御装置３０は、大腿骨Ｆ、脛骨Ｔ、及び工具２０に関する位置データをマニピュレータ制御装置６０に通信するためのナビゲーション制御装置６２をさらに備えている。マニピュレータ制御装置６０は、ナビゲーション制御装置６２から供給された位置データを受信し、マニピュレータ１４の運動を指示するように処理する。一実施形態では、図１に示されているように、ナビゲーション制御装置６２は、ナビゲーションコンピュータ３６に実装されている。
【００２５】
また、マニピュレータ制御装置６０又はナビゲーション制御装置６２は、大腿骨Ｆ及び／又は脛骨Ｔ及び工具２０のイメージをディスプレイ３８上に表示することによって、患者１２及び工具２０の位置をオペレータに知らせるようになっているとよい。また、オペレータがマニピュレータ１４を指示するためにマニピュレータコンピュータ２６と相互作用することができるように、マニピュレータコンピュータ２６又はナビゲーションコンピュータ３６は、指示又はリクエスト情報をディスプレイ３８上に表示するようになっているとよい。
【００２６】
図２に示されているように、制御装置３０は、境界生成器６６を備えている。境界生成器６６は、図２に示されているように、マニピュレータ制御装置６０に実装されるとよいソフトウエアモジュールである。代替的に、境界生成器６６は、ナビゲーション制御装置６２のような他の構成要素に実装されていてもよい。以下に詳細に示されているように、境界生成器６６は、工具２０を拘束するための仮想境界を生成するようになっている。
【００２７】
工具経路生成器６８は、制御装置３０、さらに具体的には、マニピュレータ制御装置６０によって処理される他のソフトウエアである。工具経路生成器６８は、図３に示されているように、移植片を受け入れるために一部が除去されるべき骨を示す工具経路７０を生成するようになっている。図３において、工具経路７０は、ジグザグ線によって表されている。仕上げ面の滑らかさ及び品質は、その一部がジグザグ線の相対的な位置決めに依存している。さらに具体的には、線のジグザグ経路が狭いほど、仕上げ面の正確さ及び滑らかさが大きくなる。破線８４は、マニピュレータ１４を用いて除去されるべき骨の外周を表している。工具経路７０を生成するための１つの例示的システム及び方法が、「外科用器具を多重モードによって制御することができる外科用マニピュレータ」と題する米国特許第９，１１９，６５５号に記載されている。この開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。
【００２８】
［ＩＩ．システム及び方法の概観］
工具２０によって生体構造を加工するためのシステム１０及び方法は、図４，５に示されているように、生体構造に関連する第１の仮想境界又は中間仮想境界９０及び第２の仮想境界又は目標仮想境界８０を制御装置３０によって画定することを含んでいる。中間仮想境界９０は、目標仮想境界８０から離間している。中間仮想境界９０は、図４に示されているように、第１のモードにおいて有効化される。第１のモードでは、工具２０の移動は、中間仮想境界９０に関連して拘束されることになる。中間仮想境界９０は、図５に示されているように、第２のモードにおいて無効化される。第２のモードでは、工具２０の移動は、目標仮想境界８０に関連して拘束されることになる。  
【００２９】
仮想境界８０，９０を生成するための１つの例示的なシステム及び方法が、「外科用器具を多重モードによって制御することができる外科用マニピュレータ」と題する米国特許第９，１１９，６５５号に記載されている。この開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。境界生成器６６は、目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０を画定するマップを生成する。これらの境界８０，９０は、工具２０が除去するべき組織と工具２０が除去するべきではない組織との間を線引きする。代替的に、これらの境界８０，９０は、工具２０のエネルギーアプリケータ２４が作用するべき組織とエネルギーアプリケータ２４が作用するべきではない組織との間を線引する。従って、目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０は、切断境界又は加工境界であり、工具２０の移動を制限することになる。多くの場合、制限されるものではないが、仮想境界８０，９０は、患者１２内に画定されるようになっている。
【００３０】
図面の全体を通して、目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０は、第１及び第２のモード間において、工具２０の移動を独立して拘束するようになっている。すなわち、工具２０は、第１のモードにおける中間仮想境界９０又は第２のモードにおける目標仮想境界８０のいずれかによって拘束されるようになっている。工具２０の移動を拘束するための方法は、「外科用工具を多重モードによって制御することができる外科用マニピュレータ」と題する米国特許第９，１１９，６５５号に記載されている。この開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。
【００３１】
外科用システム１０は、工具２０の種々の拘束形態をもたらすために、第１及び第２のモード間の切換えを行うことが可能になっている。図５に示されているように、第１のモードが第２のモードに切り換えられた時、目標仮想境界８０を残して、中間仮想境界９０が無効化される。従って、第２のモードでは、工具２０は、目標仮想境界８０に達することが可能である。何故なら、中間仮想境界９０が工具２０を拘束しないからである。工具２０は、中間仮想境界９０が無効化された時、目標仮想境界８０に関連して拘束されることになる。
【００３２】
第２のモードが図４に示されているように第１のモードに切り換えられた時、中間仮想境界９０は、有効化又は再有効化される。中間仮想境界９０が有効化された時、工具２０は、中間仮想境界９０に関連して拘束される。従って、第１のモードでは、中間仮想境界９０は、工具２０が目標仮想境界８０に達するのを防ぐことになる。
【００３３】
マニピュレータ１４は、制御装置３０から指令を受信し、工具２０を第１のモードにおける中間仮想境界９０及び／又は第２のモードにおける目標仮想境界８０に関連して移動させるように、構成されている。ナビゲーションシステム３２は、第１のモードにおける中間仮想境界９０及び／又は第２のモードにおける目標仮想境界８０に関連して工具２０の移動を追跡する。工具２０が移動すると、マニピュレータ１４及びナビゲーションシステム３２は、協働して、工具２０が第１のモードにおける中間仮想境界９０及び／又は第２のモードにおける目標仮想境界９０の内側にあるかどうかを判断する。マニピュレータ１４は、工具２０が移動する程度を選択的に制限する。具体的には、制御装置３０は、第１のモードにおける中間仮想境界９０及び／又は第２のモードにおける目標仮想境界８０の外側への工具２０の作用をもたらす移動からマニピュレータ１４を拘束することになる。もしオペレータが、第１のモードにおける中間仮想境界９０及び／又は第２のモードにおける目標仮想境界８０を超える工具２０の前進をもたらす力及びトルクを加えたなら、マニピュレー１４は、工具２０のこの意図された位置付けを実行しないようになっている。
【００３４】
図５に示されているように、目標仮想境界８０は、生体構造、さらに具体的には、生体構造の目標面９２と関係付けられている。目標仮想境界８０は、目標面９２に関連して画定されている。目標面９２は、除去処置の後に残る骨の輪郭であり、移植片が取り付けられるべき表面でもある。換言すれば、目標面９２は、切除が完了した後に残る切れ目なく画定された表面領域である。
【００３５】
図５に示されているように、処置中、目標仮想境界８０は、目標面９２からいくらか位置ずれ又は離間しているとよい。一実施形態では、これは、工具２０の大きさ及び加工特性を考慮してなされる。工具２０の加工特性によって、工具２０が目標仮想境界８０を突き破ることがある。この突き破りを考慮し、目標仮想境界８０は、目標面９２と目標仮想境界８０との間に画定された所定距離だけ目標面８２から平行移動されているとよい。一例では、この距離は、工具２０の厚みの半分に相当する。他の実施形態では、目標仮想境界８０は、工具２０及びエネルギーアプリケータ２４がいかに追跡されるかに応じて、目標面９２からいくらか位置ずれ又は離間しているとよい。例えば、エネルギーアプリケータ２４は、エネルギーアプリケータ２４の外側の切除面に基づく点よりもむしろエネルギーアプリケータ２４の中心に基づく点に基づいて追跡されるとよい。このような場合、目標仮想境界８０を目標面９２から位置ずれさせることによって、目標面９２への行き過ぎを防ぐように中心追跡を調整することができる。例えば、工具２０のエネルギーアプリケータが球形バーである時、目標仮想境界は、バーの工具中心点（ＴＣＰ）が追跡された時にバーの直径の半分だけ位置ずれすることになる。その結果、ＴＣＰが目標仮想境界８０上に位置する時、バーの外面が目標面９２上に位置することになる。
【００３６】
中間仮想境界９０は、目標仮想境界８０から離間している。図４に示されているように、中間仮想境界９０は、目標仮想境界８０が目標面９２から離間しているよりも目標面９２から大きく離間している。本質的に、目標仮想境界８０は、目標面９２と中間仮想境界９０との間に位置している。中間仮想境界９０が目標面９２から大きく離間しているので、工具２０の移動は、一般的に、目標仮想境界８０に関連して拘束されるのと比較して、中間仮想境界９０に関連してより大きく拘束されることになる。換言すれば、工具２０の移動は、第２のモードにおけるのと比較して第１のモードにおいてより大きく拘束されることになる。
【００３７】
図４に示されているように、区域１００が目標仮想境界８０と中間仮想境界９０との間に画定されている。境界８０，９０は、どのような適切な距離だけ互いに離間していてもよい。一例では、目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０が略０．５ｍｍだけ離間している場合、区域１００は、０．５ｍｍの厚みを有することになる。一面では、中間仮想境界９０は、目標仮想境界８０に関してオフセット境界と考えられる。一般的に、制御装置３０は、第１のモードにおいて、工具２０が区域１００を貫通するのを阻止するようになっている。第１のモードにおける工具２０の区域１００の貫通阻止は、目標仮想境界８０が有効であるかどうかに関わらずに生じるようになっているとよい。制御装置３０は、第２のモードでは、工具２０が区域１００を貫通することを可能にする。区域１００は、目標仮想境界８０及び／又は中間仮想境界９０が有効であるか又は無効であるかに関わらず画定されるとよい。
【００３８】
目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０は、図４に示されているように、同一の輪郭を有しているとよい。具体的には、目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０は、目標面９２と同様の輪郭を有している。同様の輪郭は、目標面９２の段階的な形成を促進するのに有益である。
【００３９】
ディスプレイ３８は、目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０、並びに治療されている生体構造のイメージを示すとよい。加えて、目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０に関連する情報は、マニピュレータ制御装置６０に送信され、工具２０がこれらの仮想境界８０，９０に侵入しないように、該仮想境界８０，９０に対するマニピュレータ１４及び工具２０の対応する移動を案内するようになっているとよい。
【００４０】
マニピュレータ制御装置６０は、目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０の移動を連続的に追跡するとよい。場合によっては、生体構造は、処置中に第１の位置から第２の位置に移動することがある。このような場合、マニピュレータ制御装置６０は、仮想境界８０，９０の位置を生体構造の第２の位置と一致するように更新することになる。
【００４１】
一実施形態では、第１のモード及び／又は第２のモードは、自律モード又は手動モードである。自律モード及び手動モードの例は、「外科用器具を多重モードによって制御することができる外科用マニピュレータ」と題する米国特許第９，１１９，６５５号に記載されている。この開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。
【００４２】
一実施形態では、第１のモードにおいて、システムは、手動モードによって運転されるようになっている。オペレータは、手動によって指示し、マニピュレータ１４は、外科部位にある工具２０、従って、エネルギーアプリケータ２４の移動を制御する。オペレータは、工具２０の移動を生じさせるために工具２０と物理的に接触する。マニピュレータ１４は、工具２０を位置決めするために、オペレータによって工具２０に加えられた力及びトルクを監視する。これらの力及びトルクは、マニピュレータ１４の一部であるセンサによって測定される。加えられた力及びトルクに応じて、マニピュレータ１４は、オペレータによって加えられた力及びトルクに基づいて生じ得る移動を実行することによって、工具２０を機械的に移動させることになる。第１のモードにおける工具２０の移動は、中間仮想境界９０に関連して拘束される。この場合、中間仮想境界９０が触覚境界として作用し、マニピュレータ１４は、オペレータに触覚フィードバックをもたらし、中間仮想境界９０の位置をオペレータに示すことになる。例えば、マニピュレータ１４が中間仮想境界９０を超える工具２０の移動を抑止又は阻止することによって、オペレータは、中間仮想境界９０に達した時に仮想壁を触覚によって検知することになる。
【００４３】
第１のモードにおける手動加工中のどんな時でも、又は第１のモードにおける加工が完了した後、システム１０は、第１のモードから第２のモードへの切換えを行うことができる。一実施形態では、第１のモードと第２のモードとの間の切換えは、手動入力に応じて行われる。例えば、オペレータは、ある種の制御を用いて、第１及び第２のモードのいずれが有効であるかを遠隔的に管理することができる。代替的に、切換えは、特定の事象又は条件に応じて自律的に行われてもよい。例えば、システム１０は、第１のモードにおいて必要量の組織が除去されたと判断し、それに応じて、第２のモードへの切換えを行うようになっていてもよい。当業者であれば、第１のモードと第２のモードとの間の切換えは、ここに明示的に記載されない他の方法によって行われてもよいことを理解するだろう。
【００４４】
第２のモードにおいて、一実施形態では、マニピュレータ１４は、外科部位にある工具２０、従って、エネルギーアプリケータ２４の自律運動を指示するようになっている。マニピュレータ１４は、オペレータの支援なしに工具２０を移動させることができる。「オペレータの支援なし」は、工具２０を移動させる力を加えるためにオペレータが工具２０に物理的に接触しないことを意味している。代わって、オペレータは、ある種の制御を用いて、移動の開始及び停止を遠隔的に管理することになる。例えば、オペレータは、工具２０の移動を開始する遠隔制御のボタンを押下し、工具２０の移動を停止するために該ボタンを解放するとよい。代替的に、オペレータは、工具２０の移動を開始するボタンを押し、工具２０の移動を停止するボタンを押すようになっていてもよい。第２のモードにおける工具２０の移動は、目標仮想境界８０に関連して拘束されることになる。
【００４５】
システム１０及び方法は、有利には、第１のモードと第２のモードとの間で中間仮想境界９０の有効化を選択的に制御する機会をもたらすようになっている。これによって、システム１０及び方法は、第１及び第２のモードの各々に対して種々の仮想境界構成をもたらすことになる。その結果、外科用システム及びオペレータの手技の融通性が高められることになる。いくつかの実施形態では、これは、有利には、オペレータが第１のモードにおいて塊加工を行うようにマニピュレータ１４を用いる機会をもたらす。オペレータは、最初、組織の大きな塊を除去するために工具２０を手動によって作動させるとよい。処置のこの部分は、減量（debulking）と呼ばれることもある。中間仮想境界９０が工具２０を目標面９２から離れて拘束していることを知っているオペレータは、自律加工中におけるよりも著しく迅速な塊加工を行う措置を取ることができる。いったん組織の塊が手動によって除去されたなら、システム１０は、第２のモードに切換えられ、組織の残りの部分の自律加工を極めて正確かつ制御された方法によって行うことができる。換言すれば、第２のモードでは、オペレータは、残りの組織の表面を画定するために、器具の微細な位置決めを必要とする。処置のこの部分は、仕上げ切除（finishing cut）としても知られている。この仕上げ切除が可能になるのは、中間仮想境界９０が無効化され、目標仮想境界８０が有効化されているからである。
【００４６】
［ＩＩＩ．他の実施形態］
目標及び仮想境界８０，９０は、マニピュレータ１４、さらに具体的には、境界生成器６６への種々の入力値から導かれるとよい。境界生成器６６への１つの入力値として、処置が行われるべき部位の術前イメージが挙げられる。もしマニピュレータ１４が、患者１２に移植片が装着されるように組織を選択的に除去するようになっていたなら、境界生成器６６への第２の入力値は、移植片の形状のマップである。このマップの当初のバージョンは、移植片データベースから得られるとよい。移植片の形状は、移植片を受け入れるために除去されるべき組織の境界を画定する。この関係は、移植片が患者１２の骨に装着されることが意図された成形外科移植片の場合、特に当てはまる。
【００４７】
境界生成器６６への他の入力値は、オペレータ設定値である。これらの設定値は、エネルギーアプリケータ２４がどの組織に作用されるべきかを指示する値であるとよい。もしエネルギーアプリケータ２４が組織を除去するようになっていたなら、設定値は、除去されるべき組織とエネルギーアプリエータ２４の作用の後に残る組織との間の境界を識別する値であるとよい。もしマニピュレータ１４が整形外科移植片の取付けを助長するようになっていたなら、これらの設定値は、どの組織上に移植片が位置決めされるべきかを規定する値であるとよい。これらの設定値は、データ処理ユニットを用いて、術前に入力されるとよい。代替的に、これらの設定値は、システム１０の構成要素の１つに関係付けられた入力／出力ユニット、例えば、ナビゲーションインターフェイス４０，４２によって入力されてもよい。
【００４８】
前述の入力データ及び指令に基づき、境界生成器６６は、目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０を生成するとよい。境界８０，９０は、二次元であってもよいし、三次元であってもよい。例えば、目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０は、図示されているように、仮想マップ又は他の三次元モデルとして生成されるとよい。生成されたマップ又はモデルは、工具２０の移動を案内することになる。モデルは、対象物の位置を示すためにディスプレイ３８上に表示されるとよい。加えて、モデルに関する情報は、マニピュレータ制御装置６０に送信され、目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０に関連してマニピュレータ１４及び工具２０の対応する移動を案内するようになっているとよい。
【００４９】
実際には、処置の開始前に、外科部位におけるオペレータは、目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０の当初バージョンを設定するとよい。処置の開始時に、患者１２に実際に装着されるべき移植片をさらに正確に画定するデータが、境界生成器６６内に読み込まれるとよい。このようなデータは、移植片に関係付けられた記憶装置、例えば、メモリスティク又はＲＦＩＤタグから得られるとよい。このようなデータは、境界生成器６６に供給される移植片データベースデータの構成部分であってもよい。これらのデータは、特定の移植片の製造後測定値に基づくものである。これらのデータは、製造のバラツキによって移植片形状の先に記憶された入手可能な画定といくらか異なる可能性がある特定移植片の形状の画定をもたらすことになる。移植片に固有のデータに基づき、境界生成器６６は、除去されるべき組織と残存させるべき組織との間の境界を示す目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０を更新するとよい。患者１２内に移植される移植片の例として、２０１２年６月２２日に出願された「人工移植片及び移植の方法」と題する米国特許出願第１３／５３０，９２７号に示されるものが挙げられる。この文献は、参照することによって、ここに含まれるものとする。適切な量の材料、例えば、骨が除去された後、ここに開示されている移植片を患者１２内に移植することができる。他の移植片も考えられる。
【００５０】
一実施形態では、目標仮想境界８０は、生体構造に関係付けられた座標系の点から導かれるようになっている。目標仮想境界８０は、捕捉された点の各々を互いに接続することによって補間されるとよい。これによって、目標仮想境界８０を画定するウエブ又はメッシュが生じることになる。もし２つの点のみが捕捉されたなら、目標仮想境界８０は、これらの点間の線になる。もし３つの点が捕捉されたなら、目標仮想境界８０は、互いに隣接する点を接続する２つの線によって形成されることになる。ディスプレイ３８は、生じた目標仮想境界８０の形状の仮想フィードバックをもたらすとよい。入力装置４０，４２を利用して、例えば、境界を移動させることによって、境界を拡大又は収縮することによって、又は目標仮想境界８０の形状を変化させることによって、目標仮想境界８０を制御及び修正するとよい。当業者であれば、目標仮想境界８０は、ここに具体的に記載されない他の方法によって生成されてもよいことを理解するだろう。
【００５１】
目標仮想境界８０の代替的配置及び構成が、図７，１０に示されている。場合によっては、図７に示されているように、目標仮想境界８０と生体構造の目標面９２との間に位置ずれを生じさせず、むしろ目標仮想境界８０を目標面９２と直接一致させると適切なことがある。例えば、工具２０の加工特性によっては、工具２０が目標仮想境界８０を超えないことがある。追加的又は代替的に、工具２０は、エネルギーアプリケータ２４の中心点ではなくエネルギーアプリケータ２４の外面の点に基づいて、追跡される場合がある。このような場合、目標仮想境界８０を目標面９２と一致させることによって、目標面９２を生じさせる正確な加工を行うことができる。さらに他の実施形態では、工具２０は、工具２０の外面の移動の範囲を輪郭付けする包絡線に基づいて追跡されることがある。例えば、工具２０が鋸ブレードである時、包絡線は、鋸ブレードの振動中の鋸ブレードの外面の移動が包絡線内に捕捉されるように、鋸ブレードの外面の移動の範囲を含むことになる。目標仮想境界８０の位置決めは、このような包絡線を考慮するとよい。
【００５２】
他の例では、図５に示されているように、目標仮想境界８０は、概して目標面９２と一致していない。代わって、目標仮想境界８０は、目標面９２から離間し、目標面９２を超えて位置している。当業者であれば、目標仮想境界８０がここに具体的に記載されない他の構成を有していてもよいことを理解するだろう。
【００５３】
中間仮想境界９０は、目標仮想境界８０と同様の方法によって形成されるとよい。代替的に、制御装置３０は、目標仮想境界８０から中間仮想境界９０を導いてもよい。例えば、制御装置３０は、中間仮想境界９０を形成するために、目標仮想境界８０をコピーしてもよい。目標仮想境界８０のコピーは、中間仮想境界９０を形成するためにどのような適切な方法によって修正又は変形されてもよい。例えば、目標仮想境界８０のコピーには、平行移動、転移、傾斜、寸法変更、回転、反射、及び同様の修正が施されてもよい。当業者であれば、中間仮想境界９０がここに具体的に記載されない他の方法によって目標仮想境界８０から導かれてもよいことを理解するだろう。
【００５４】
目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０は、どのような適切な輪郭を有していてもよい。例えば、図５に示されているように、目標仮想境界８０は、目標面９２の輪郭と同様の輪郭を有しているとよい。図１０において、目標仮想境界８０は、平面的又は平らな輪郭を有している。図４において、中間仮想境界９０は、目標面９２の輪郭と同様の輪郭を有している。図９において、中間仮想境界９０は、平面的又は平らな輪郭を有している。当業者であれば、目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０は、ここに具体的に記載されない他の輪郭を有していてもよいことを理解するだろう。
【００５５】
目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０は、図４に示されているように、同じ輪郭を有する必要がない。代わって、境界８０，９０は、図９に示されているように、互いに異なる輪郭を有していてもよい。図９において、目標仮想境界８０の輪郭は、目標面９２の輪郭と同一であり、中間仮想境界９０の輪郭は、平面的である。勿論、当業者であれば、境界８０，９０のいずれかの輪郭は、図９に示されてるものと異なっていてもよいことを理解するだろう。境界８０，９０の各々の輪郭は、どのような適切な技術によって手動的又は自動的に生成されてもよい。いくつかの因子、例えば、制限されないが、用いられる工具２０及び／又はモデルに応じて種々の輪郭を有すると、有益である。
【００５６】
第１のモードを考慮すると、目標仮想境界８０のいくつかの異なる実施形態が可能である。前述したように、第１のモードでは、中間仮想境界９０が有効化され、工具２０は、中間仮想境界９０に関連して拘束される。しかし、第１のモードでは、目標仮想境界８０の有効化及び無効化が制御されてもよい。例えば、図４、図６および図９に示されているように、第１のモードでは、目標仮想境界８０が有効化され、同時に中間境界９０も有効になっていてもよい。一例では、これは、冗長目的のためになされるとよい。前述したように、中間境界９０は、切除境界として作用するので、システム１０の重要な特徴である。中間境界９０の実行におけるエラーは、目標面９２をエラーに晒す可能性がある。目標仮想境界８０を同時に有効化することによって、システム１０は、目標仮想境界８０を中間仮想境界９０に対するバックアップとして有することによって、信頼性を高めることになる。これによって、マニピュレータ１４は、目標仮想境界８０が冗長境界として設けられていることを知ることによって、より高速で作動することができる。代替的に、図８に示されているように、目標仮想境界８０は、第１のモードにおいて無効化されてもよい。これは、コンピューティング資源を保存し、実行の複雑さなどを減少するために行われるとよい。
【００５７】
第１のモードにおける目標仮想境界８０の制御は、自動的に行われてもよいし、又は手動によって行われてもよい。例えば、オペレータは、第１のモードにおいて目標仮想境界８０を手動によって有効化又は無効化するとよい。代替的に、システム１０は、ある特定の事象又は条件に依存して、目標仮想境界８０を有効化するのが適切であるかどうかを自動的に決定するようになっていてもよい。例えば、システム１０の不安定さの検出が、第１のモードにおける目標仮想境界８０の自動有効化をもたらすことになる。
【００５８】
第１のモード及び第２のモードは、用途及び種々の他の因子に依存して、互いに異なる形式（すなわち、手動／自律）であってもよいし、又は同一形式であってもよい。このような１つの因子は、工具２０の送り速度によって大きく影響される操作手順の期間である。送り速度は、エネルギーアプリケータ２４の遠位端が経路区域に沿って前進する速度である。概して、自律モードでは、マニピュレータ１４は、より正確であるが、手動モードよりも遅い送り速度をもたらす。手動モードでは、マニピュレータ１４は、正確ではないが、自律モードよりも早い送り速度をもたらすことができる。正確さと送り速度との間のこのトレードオフは、第１及び第２のモード中にどの形式の制御が実施されるべきかを示す１つの因子である。
【００５９】
切除経路７０に沿った工具２０の前後振動の周波数は、第１のモードと第２のモードとの間で異なっているとよい。一般的に、振動の周波数が大きくなるほど、切除経路７０の振幅が小さくなり、工具２０によってもたらされる切込みが「より微細（fine）」になる。一方、振動の周波数が小さくなるほど、切除経路７０の振幅がより大きくなり、工具２０によってもたらされる切込みが「より大きく（bulkier）」なる。
【００６０】
一般的に、工具２０が切除経路７０を横断すると、工具２０は、図１３および図１４に示されるように、生体構造（遠位大腿）にリブ１１０を形成する。このようなリブの例は、「骨パッド」と題する米国特許出願第１４／１９５，１１３号に示されている。この開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。リブ１１０の特定の三次元形状は、例えば、複数の通路加工部１１２を形成するバーのような回転工具によって得られるものである。図示されている実施形態では、複数の通路加工部１１２は、切除経路７０に沿った工具２０の前後運動から得られる実質的に線状の経路に追従している。リブ１１０は、高さ１１４、幅１１６、及び複数の突起１１８を有している。第１及び第２のモードが異なる振動周波数の切除経路７０を示す時、第１及び第２のモードは、異なる形態を有するリブ１１０を生じることになる。
【００６１】
一例では、振動数は、第１のモードよりも第２のモードにおいてより大きくなる。例えば、図１３Ａ〜図１３Ｃは、第１のモードにおける塊切除によって生じるリブ１１０を示しており、図１４Ａ〜図１４Ｃは、第２のモードにおける微細切除によって生じるリブ１１０を示している。その結果、リブ１１０は、第１のモードと第２のモードとの間で異なって形成されている。具体的には、第１のモード（図１３Ｂ）において形成されたリブ１１０は、第２のモード（図１４Ｂ）において形成された（互いにより近接している）リブ１１０と比較して、互いに隣接するリブ１１０間のより大きい頂点間距離を示している。リブ１１０の高さ及び／又は幅も、第１もモードと第２のモードとの間で異なっていてもよい。例えば、塊切除モード（図１３Ｃ）におけるリブ１１０の幅１１６は、微細切除モード（図１４Ｃ）のリブ１１０の幅１１６よりも大きくなっている。逆に、塊切除モード（図１３Ｃ）のリブ１１０の高さ１１４は、微細切除モード（図１４Ｃ）のリブ１１０の高さ１１４よりも小さくなっている。加えて、第１のモードにおいて形成された突起１１８の幾何学的形状は、第２のモードにおいて形成されたものと異なっていてもよい。第１及び第２のモードは、有利には、特定の用途に適する種々の表面仕上げをもたらすことになる。当業者であれば、第１及び第２のモードは、リブに関してここに記載されている以外の生体構造の特性の違いをもたらすことを認めるだろう。
【００６２】
一実施形態では、第１のモードは、自律モードであり、第２のモードは、手動モードである。第１のモーでは、工具２０の移動は、自律的に行われ、中間仮想境界９０に関連して拘束される。第１のモードにおける自律加工は、第２のモードにおける手動加工に切り換えられる。第２のモードでは、工具２０の移動は、手動によって行われ、目標仮想境界８０に関して拘束される。具体的には、オペレータは、外科用システム１０に依存して、第１のモードにおいて組織の加工の大半を自律的に行うことになる。必要に応じて、オペレータは、目標面９２により近い目標仮想境界８０に直接相互作用するために第１のモードにおける手動加工に切り換えてもよい。これを行うことによって、オペレータは、多目的処置、例えば、目標面９２への不規則な面仕上げを行うことができる。システム１０及び方法によって、オペレータは、自律加工によって計画されるよりも良好に移植片を固定する目標面９２の最終切口を作製することができる。さらに、オペレータが組織を目標面９２まで完全に自律的に切除することができなくなっていると好ましい場合がある。第１のモードにおいて中間仮想境界９０を有効化させることによって、自律加工中にオペレータに追加的な余裕を与えることになる。何故なら、中間仮想境界９０は、目標仮想境界８０から離間しているからである。
【００６３】
他の実施形態では、第１及び第２のモードは、いずれも手動モードである。第１のモードでは、工具２０の移動は、手動によって行われ、中間仮想境界９０に関連して拘束される。第１のモードにおける手動加工は、第２のモードにおける手動加工に切り換えられる。手動加工は、第２のモードにおいても保存されるが、境界構成が変化する。何故なら、中間仮想境界９０が無効化されるからである。第２のモードにおいて、工具２０の移動は、手動によって行われ、目標仮想境界８０に関連して拘束される。この実施形態は、有利には、オペレータがマニピュレータ１４を用いて第１及び第２のモードにおいて塊加工を行う機会をもたらすことになる。中間仮想境界９０が工具２０を目標面９２から離れる方に拘束することを知っているオペレータは、自律加工中におけるよりも著しく迅速かつより積極的な塊加工を行うことができる。いったん組織の塊が第１のモードにおいて手動によって除去されたなら、システム１０は、組織の残り部分の手動加工を可能にするために第２のモードに切り換えられるとよい。第２のモードにおいて、オペレータは、目標仮想境界８０に関して目標面９２に不規則な表面仕上げ又は微細な表面仕上げを手動によって生成することができる。
【００６４】
さらに他の実施形態では、第１及び第２のモードは、いずれも自律モードである。第１のモードでは、工具２０の移動は、自律的に行われ、中間仮想境界９０に関連して拘束される。第１のモードにおける自律加工は、第２のモードにおける自律加工に切り換えられる。第２のモードへの切換えは、自律加工を維持するが、中間仮想境界９０を無効化することによって、境界構成が変化する。第２のモードでは、工具２０の移動は、自律的に行われ、目標仮想境界８０に関連して拘束される。この実施形態は、有利には、第１及び第２のモードを通して、高度に正確な制御された方法によって組織を自律的に加工する機会をもたらすことになる。加えて、オペレータは、第１のモードにおける自律加工の後、組織を検査することができる。換言すれば、外科用装置１０は、目標面９２まで完全に自律的に加工するのではなく、第１のモードが第１の段階として用いられることによって、オペレータは、第２のモードにおける中間仮想境界９０を無効化する前に自律切除の進展及び精度をチェックすることができる。
【００６５】
一実施形態では、システム及び方法は、‘ｎ’個のモードを実行するようになっている。例えば、システム及び方法は、３つ以上のモードを実行することができる。第１のモードは、手動モードであるとよい。第２のモードは、例えば、図１３に示されているような自律的塊切除を示す自律モードであるとよい。第３のモードは、例えば、図１４に示されているような自律的微細切除を示す自律モードであるとよい。当業者であれば、‘ｎ’個のモードのいずれかがここに記載されている自律モード又は手動モード以外のモードであってもよいことを理解するだろう。
【００６６】
システム及び方法は、‘ｎ’個の仮想境界を設定するとよい。例えば、システム及び方法は、３つ以上の仮想境界を設定するとよい。‘ｎ’個の仮想境界は、‘ｎ’個のモードに対して実行されるとよい。３つの仮想境界の一例が、図１５に示されている。図１５において、第１の仮想境界９０、第２の仮想境界８０、及び第３の仮想境界１２０が、生体構造に関係付けられている、ここで、第１の仮想境界９０は、骨の軟骨及び表面層の除去を促進するために設けられており、第２の仮想境界８０は、移植片を配置するための骨のより深い層の除去を促進するために設けられており、第３の仮想境界１２０は、移植片を固定するためのペグ／テイルを挿入するための加工孔の形成を促進するために設けられている。第１のモードにおいて、第１の仮想境界９０が有効化される。第１のモードでは、工具の移動は、第１の仮想境界９０に関連して拘束される。第２モードにおいて、第１の仮想境界９０が無効化される。第２のモードでは、第３の仮想境界１２０の有効化が維持されるとよい。第２のモードにおいて、工具の移動は、第２の仮想境界８０に関連して拘束される。第３のモードにおいて、第２の仮想境界８０が無効化される。第３のモードでは、工具の移動は、第３の仮想境界１２０に関連して拘束される。
【００６７】
いくつかの実施形態では、‘ｎ’個の仮想境界は、組織に特有である。すなわち、仮想境界は、異なる種類の組織に関連して工具２０を拘束するように構成されている。例えば、‘ｎ’個の仮想境界は、軟組織、軟骨、骨、靭帯等に関連して工具を拘束するようになっているとよい。これは、工具２０による加工から特定の組織を保護するために行われてもよい。
【００６８】
付加的又は代替的に、‘ｎ’個の仮想境界は、領域／位置に特有である。すなわち、仮想境界は、種々の領域又は位置に関連して工具２０を拘束するように構成されている。例えば、‘ｎ’個の仮想境界は、外科部位における他の対象物、例えば、開創器、他の工具、トラッカー等に関連して工具２０を拘束するようになっているとよい。加えて‘ｎ’個の仮想境界のいずれか１つは、生体構造が灌注されている湿った位置への工具２０の接近を防ぐ灌注境界として機能するようになっているとよい。当業者であれば、‘ｎ’個の仮想境界及び‘ｎ’個のモードがここで具体的に記載されない種々の他の技術によって実施されてもよいことを認めるだろう。
【００６９】
他の実施形態では、‘ｎ’個の仮想境界は、２つ以上の外科用工具２０と併せて用いられてもよい。例えば、図１６に示されているように、第１の外科用工具２０ａ及び第２の外科用工具２０ｂが設けられている。工具２０ａ，２０ｂは、連携して及び／又は同期して移動するようになっている。第１の仮想境界９０は、生体構造の上面に関連して画定されており、第２及び第３の仮想境界８０，１２０は、それぞれ、生体構造の左右の面に沿って画定されている。ここで、仮想境界８０，９０，１２０は、同時に有効化されるとよい。さらに、仮想境界８０，９０，１２０は、互いに交差していてもよいし、又は接触していてもよい。他の例では、１つの工具２０は、加工のために用いられ、他の工具は、組織除去のために用いられるようになっている。このような場合、１つの仮想境界は、加工拘束境界として機能するとよく、他の仮想境界は、牽引工具が意図された牽引領域から離脱するのを防ぐ組織牽引境界として機能するとよい。
【００７０】
‘ｎ’個の仮想境界のいずれかは、生体構造の位置が変化するにつれて仮想境界が移動するように、生体構造に対して画定されるとよい。これは、ここに記載されているナビゲーション技術及び制御技術を用いて達成されるとよい。
【００７１】
‘ｎ’個の仮想境界は、例えば、図面の全体を通して示されているように同一の生体構造に関して画定されるとよい。このような場合、‘ｎ’個の仮想境界の各々は、生体構造が移動すると該生体構造に追従することになる。代替的に、‘ｎ’個の仮想境界は、種々の生体構造に関連して画定されてもよい。例えば、‘ｎ’個の仮想境界のいくつかが大腿骨に関連して画定され、‘ｎ’個の仮想境界の他のものが脛骨に関して画定されてもよい。これは、予期しない加工から脛骨を保護するために行われる。このような場合、仮想境界間の空間は、大腿骨と脛骨との間のそれぞれの移動に応じて変更されてもよい。
【００７２】
制御装置３０は、第１のモードがいつ第２のモードに切り換えられたか又はその逆に第２のモードがいつ第１のモードに切り換えられたかを検出するようになっている。制御装置３０は、工具２０の拘束が目標仮想境界８０又は中間仮想境界９０のいずれに関連して生じているかどうかをオペレータに伝えるために、オペレータに警告を発するようになっているとよい。警告は、視覚的、触覚的、聴覚的、及び同様の方法であるとよい。当業者であれば、警告がここに具体的に記載されていない種々の他の方法によって実施されてもよいことを理解するだろう。
【００７３】
場合によっては、システム１０が第１のモードに切り換えられた時、工具２０が第２のモードにおける区域１００内にあってもよい。このような場合、工具２０は、中間仮想境界９０と目標仮想境界８０又は目標面９２との間に捕捉されることになる。一例では、図１１に示されているように、目標仮想境界８０は、第１のモードにおいてその有効化が維持され、これによって、工具２０が中間仮想境界９０と目標仮想境界８０との間に捕捉されている。他の例では、図１２に示されているように、目標仮想境界８０は、第１のモードにおいて無効化され、これによって、工具２０が中間仮想境界９０と目標面９２との間に捕捉されている。
【００７４】
このような工具２０の捕捉は、意図的であってもよいし、又は非意図的であってもよい。非意図的である時、制御装置３０は、第２のモードが第１のモードに切り換えられた時の工具２０の位置を評価し、これによって、工具２０の捕捉を防ぐようになっていてもよい。例えば、もし工具２０が第１のモードに切り換えられた時に区域１００内にあったなら、制御措置３０は、工具２０が中間仮想境界９０を超えて引っ張られるように工具２０を区域１００から引き出すように、マニピュレータ１４を指示するとよい。これは、工具２０の離脱を可能にするために中間仮想境界９０を一時的に無効化することを必然的に伴うことになる。他の場合、工具２０を第１のモードにおいて区域１００内に捕捉することが意図されてもよい。工具２０の捕捉は、中間仮想境界９０を上側拘束又は切除境界として用いるために行われるとよい。図示されているように、第２のモードにおいて、工具２０は、狭い切口によって区域１００内の組織を貫通することになる。その後、第１のモードが再び有効化され、中間仮想境界９０によって工具２０を区域１００において捕捉するとよい。工具２０が前述のように拘束されていることを知っているオペレータは、区域１００内の組織を自動的又は自律的に除去することができる。この構成は、組織内に孔等を形成する時に有用である。
【００７５】
以上、いくつかの実施形態について検討してきた。しかし、ここで検討された実施形態は、包括的であることを意図しておらず、すなわち、本発明を任意の特定の形態に制限することを意図していない。用いられた専門用語は、記載の便宜上のものであり、制限することを意図するものではない。上記の示唆に照らせば、多くの修正及び変更が可能であり、本発明は、具体的に記載される以外の方法によって実施されてもよい。
【００７６】
本発明の多くの特徴及び利点は、詳細な説明から明らかであり、それ故、本発明の真の精神及び範囲内に含まれる本発明の全てのこのような特徴及び利点を包含することが添付の請求項によって意図されている。さらに、多数の修正及び変更が当業者によって容易に行われることから、本発明を図示かつ記載された正確な構造及び操作に制限することは、求められておらず、従って、全ての適切な修正及び等価物は、本発明の範囲内に含まれることになる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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