(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
端側に取り付け板を有するプログラム制御される多関節型のロボットアームを備えた工業ロボットと、
取り付け板に保持された、外科手術のための器具と、
コンピュータを備えたプログラム制御装置と、
患者の骨上の基準点を検知するためのセンサ装置とを具備し、
プログラム制御装置で定められた器具座標系内で関節位置を検知するためのセンサがロボットアームの関節に配置され、ロボットアームがプログラム制御装置によって外科手術のための作業位置に移動可能である、
整形外科手術の際に外科器具を位置決めおよび案内するための装置において、
センサ装置が取り付け板に固定された多関節の触知アーム（４）からなり、この触知アームが手動で案内可能な受動式測定機器として形成され、かつ関節位置を検知するためのセンサを備え、手術中にも外科医がこの触知アームを自由に使用可能であり、ロボット制御装置によって設定され前もって到達したロボットアーム（１）の基本位置において、患者の骨上の基準点が触知アーム（４）の運動によって検知可能であり、触知アーム（４）のセンサによって出力されたロボットアームの基準位置に対する骨の基準点の位置データと、器具座標系で測定されたロボットアームの基準位置に関するロボットアームセンサの位置データから、コンピュータが外科手術のためのロボットアーム（１）の作業位置を算出することを特徴とする装置。
【請求項２】
端側に取り付け板を有するプログラム制御される多関節型のロボットアームを備えた工業ロボットと、
取り付け板に保持された、外科手術のための器具と、
コンピュータを備えたプログラム制御装置と、
患者の骨上の基準点を検知するためのセンサ装置とを具備し、
プログラム制御装置で定められた器具座標系内で関節位置を検知するためのセンサがロボットアームの関節に配置され、ロボットアームがプログラム制御装置によって外科手術のための作業位置に移動可能である、
整形外科手術の際に外科器具を位置決めおよび案内するための装置において、センサ装置がコンピュータ（１２）に接続された多関節型触知アーム（４）からなり、この触知アームが手動で案内可能な受動式測定機器として形成され、かつ関節位置を検知するためのセンサを備え、触知アームが定置されて配置され、それによって患者の検知すべき骨と、基本位置に移動したロボットアーム（１）の取り付け板（２）が、触知アーム（４）によって検知可能な作業空間内にあり、触知アーム（４）によって、患者の骨上の検知された基準点と取り付け板（２）の少なくとも１つの基準点が検知可能であり、コンピュータ（１２）が触知アームによって空間的に固定された三次元座標系内で検出された基準点の空間座標を器具座標系の座標に変換することを特徴とする装置。
【請求項３】
カメラによって手術中に患者の空間的な位置を検出するために付加的な監視装置を備え、このカメラがマークピンの位置を検出し、このマークピンが外科手術の前に骨に挿入され、マークピンの座標が、外科手術のためにロボットアーム（１）を作業位置に調整する際に触知アーム（４）によって検知可能であり、カメラによって検出されたマークピンの位置変化がコンピュータで処理され、ロボットアーム（１）の作業位置の補正がプログラム制御装置によって行われることを特徴とする請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
端側に取り付け板を有するプログラム制御される多関節型のロボットアームを備えた工業ロボットと、
取り付け板に保持された、外科手術のための器具と、
コンピュータを備えたプログラム制御装置と、
患者の骨上の基準点を検知するためのセンサ装置とを具備し、
プログラム制御装置で定められた器具座標系内で関節位置を検知するためのセンサがロボットアームの関節に配置され、ロボットアームがプログラム制御装置によって外科手術のための作業位置に移動可能である、
整形外科手術の際に外科器具を位置決めおよび案内するための装置において、
センサ装置が遠隔データ伝送を行う測定装置（４′）を備え、この測定装置が、定置された受信器（７）と、第１の送信器（９）を有する触知ピン（８）と、取り付け板（２）に設けられた第２の送信器（１０）とを備え、送信器（９，１０）が複数の信号発信器（１１）を備え、これらの信号発信器が触知ピン（８）及び取り付け板（２）上の予め定められた相対的に動かぬ空間的な位置に配置され、かつ受信器（７）によって受信される位置測定信号を発信し、コンピュータ（１２）が位置測定信号から算出された受信器（７）に対する触知ピン（８）の空間座標を、同様に位置測定信号から算出された受信器（７）に対する取り付け板の空間座標と共に、器具座標系の座標に変換することを特徴とする装置。
【請求項５】
端側に取り付け板を有するプログラム制御される多関節型のロボットアームを備えた工業ロボットと、
取り付け板に保持された、外科手術のための器具と、
コンピュータを備えたプログラム制御装置と、
患者の骨上の基準点を検知するためのセンサ装置とを具備し、
プログラム制御装置で定められた器具座標系内で関節位置を検知するためのセンサがロボットアームの関節に配置され、ロボットアームがプログラム制御装置によって外科手術のための作業位置に移動可能である、
整形外科手術の際に外科器具を位置決めおよび案内するための装置において、
センサ装置が遠隔データ伝送を行う測定装置（４′）を備え、この測定装置が定置された受信器（７）と、送信器（９）を有する触知ピン（８）を備え、送信器（９）が複数の信号発信器（１１）を備え、これらの信号発信器が触知ピン（８）上の予め定められた相対的に動かぬ空間的な位置に配置され、かつ受信器（７）によって受信される位置測定信号を発信し、触知ピン（４）によって患者の骨上の基準点と取り付け板（２）の少なくとも１つの基準点が検知可能であり、コンピュータが位置測定信号から算出された受信器（７）に対する触知ピン（８）の空間座標を、同様に位置測定信号から算出された受信器（７）に対する取り付け板の空間座標と共に、器具座標系の座標に変換することを特徴とする装置。
【請求項６】
少なくとも１個の基準ピンによって手術中の患者の空間的な位置を検出するための付加的な監視装置を備え、この基準ピンが外科手術の前に患者の骨に固定可能であり、かつ第３の送信器を備え、同様に複数の信号発信器を備えた基準ピンの送信器が受信器によって受信される位置測定信号を発信することを特徴とする請求項４または５記載の装置。
【請求項７】
器具（３）が取り付け板（２）に固定されたキャリッジ上で軸方向に移動可能に案内されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の装置。
【請求項８】
キャリッジ（６）が取り付け板（２）に対して一定の角度で、好ましくは垂直に配置されていることを特徴とする請求項７記載の装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、端側に取り付け板を有するプログラム制御される多関節型のロボットアームを備えた工業ロボットと、
取り付け板に保持された、外科手術のための器具と、
コンピュータを備えたプログラム制御装置と、
患者の骨上の基準点を検知するためのセンサ装置とを具備し、
プログラム制御装置で定められた器具座標系内で関節位置を検知するためのセンサがロボットアームの関節に配置され、ロボットアームがプログラム制御装置によって外科手術のための作業位置に移動可能である、
整形外科手術の際に外科器具を位置決めおよび案内するための装置に関する。
上記の特徴を有する装置はヨーロッパ特許出願公開第０４５６１０３号公報によって知られている。物体を測定するために、外科器具は触知要素によって置き換えられ、ロボットアームが患者に近づけられる。このロボットアームの接近は、ロボットアームのサーボ駆動装置を手動機器によってあるいはロボットアームの手動案内時に応答する圧力センサによって操作することにより行われる。運動が動力で制御されるので、患者を危険にさらさないようにするために、運動は非常にゆっくり行わなければならない。
類似の装置がＶＤＩ報告書、第２９号（１９９４年７月）によって知られ、腰骨の手術で使用される。手術の前に、先ず最初に患者の膝と大腿骨に３本のボルトが植付けられる。ボルトは小さな凹部を備え、この凹部にロボットアームに設けられたセンサ（フィーラ）のヘッドが嵌め込まれる。同様に術前に行われるコンピュータ断層撮影は、プログラム制御に必要な患者のデータを提供する。外科手術中、患者の大腿部は、工業ロボットの基部に固定連結された無菌の保持アームに固定される。骨に当てられる測定アームは、起こり得る位置変化を検出する。外科医は先ず最初に、ロボットアームの端側のセンサを、ボルトの凹部によって定められた基準点に案内する。この基準点の座標がコンピュータ断層撮影のデータと比較される。このデータから、コンピュータは外科手術のためのロボットアームの作業位置を算出する。作用位置が算出されると、センサは器具によって置き換えられ、ロボットアームを送る際に大腿骨はプログラム制御されて切削される。続いて、外科医は前もって選定された人工補綴を挿入することができる。
公知の装置の使用は、コンピュータ断層撮影装置を使用して、膨大な術前の計画を必要とする。このコンピュータ断層撮影装置は高価であるだけでなく、手術時間全体がわずらわしい程長くなる。更に、外科医はプログラム制御される手術の経過に対して影響を与えることができない。骨の位置が変化したときおよびまたは所定の許容誤差が維持できなくなったときに、装置は安全上の理由からその作業を直ちに中止する。
この装置は内部手術的に使用可能であり、外科医が手術に影響を与えることができるように形成すべきである。
この課題は本発明に従い、請求項１，２，４，５によって解決される。異なる機器技術的な実施形の場合、共通の解決策原理は次の点にある。すなわち、ロボットアームの位置と関係なく手動で案内することができる、工業ロボットの器具座標系内で物体を三次元測定するためのセンサ装置が設けられている点にある。この場合、プログラム制御装置によって予め設定され前もって到達したロボットアームの基本位置において、患者の骨上の基準点がセンサ装置によって検知可能であり、器具座標系に関する基準点の座標から、コンピュータがロボットアームの作業位置を算出することによって解決される。理解されるように、ロボットアームの作業位置は、一連のロボットアーム位置を含む。取り付け板上に設けられた、外科手術を行うための器具を最適に案内および位置決めするために、ロボットアームはこの一連の位置に達しなければならない。センサ装置の機器技術的な実施とは関係なく、センサ装置とロボットアームの間の連結により、工業ロボットの器具座標系において、プログラム制御装置で定められる基準点の座標を検出することが本発明にとって重要である。このセンサ装置は次に詳しく述べるように、異なるように形成可能である。
センサ装置は、ロボットアームの作業位置を算出するために充分な数の、外科手術を行う骨上の良好に識別可能な基準点を検知することができる。この基準点の受信中、ロボットアームはその前に到達した知られている基本位置に止まる。基本位置の座標と基準点の座標によって、続いて外科手術のときにロボットアームが占める作業位置が正確に算出される。外科手術の種類に依存して、１つの作業位置または一連の作業位置が算出される。本発明による装置は、内部手術的な適用を可能にする。例えばレントゲン撮影またはコンピュータ断層撮影に基づく術前の計画は、原理的には不要である。更に、外科医がセンサ装置によって、手術の途中で露出する骨上に、他の特徴的な点を手術中に検出できるように、プログラム制御装置が構成されている。この特徴的な点はその後、ロボットアームの作業位置を補正するためおよびまたは手術の進行時にロボットアームが占める一連の作業位置を決定するために加工処理される。
本発明では、いろいろな測定原理に基づくセンサ装置を使用することができる。或る実施形では、ロボットアームの取り付け板に、手で動かすことができる多関節の触知アームが接続されている。この場合、ロボットの器具座標系に対する連結は、剛性のある機械的連結によって行われる。この場合、取り付け板上における触知アームの固定は、正確に定めた位置で正確に行わなければならない。触知アームは関節位置を検出するためにセンサを有する関節を備えている。ロボットアームがプログラム制御装置によって設定された、その前に到達した基本位置にあるときに、触知アームを手動で案内することにより、患者の骨上の基準点を検知可能である。この基準点の座標はコンピュータに供給される。コンピュータはこの座標からロボットアームの作業位置を算出する。触知アームは好ましくは６個の関節を備えている。
関節位置を検知するためのセンサを備えた多関節型触知アーム自体は知られている。触知アームは専ら手動で案内することができる受動式の測定機器である。この測定機器は公知の手段の範囲内で、工作物を測定するための携帯可能な機器として使用される。本発明による認識では、プログラム制御される能動式のロボットアームに多関節型触知アームを端側で接続することにより、外科手術の際に利用可能なかなりの利点が生じる。本発明にとって、取り付け板上に配置された触知アームが器具によって置き換えられず、外科手術中いつも外科医に供されることが重要である。
本発明の他の実施形では、センサ装置がコンピュータに接続された多関節型触知アームからなり、この触知アームが定置されて配置され、それによって患者の検知すべき骨と、基本位置に移動したロボットアームの取り付け板が、触知アームによって検知可能な作業空間内にあり、取り付け板上の少なくとも１つの基準点が触知アームによって検知可能であり、取り付け板の位置および方向と患者の骨上の検知された基準点が、触知アームによって、空間的に固定された三次元座標系内で算出され、コンピュータが算出された空間座標を器具座標系の座標に変換する。取り付け板上には複数の点を設けることができる。この点の位置は正確に決定され、器具座標系に関して定められる。他の方法では、ロボットアームが１つの基本位置だけでなく、複数の、少なくとも３つの基本位置に順々に動かされる。この各々の基本位置でその都度、取り付け板上に定められた１つの点が触知アームによって検知される。触知装置の空間座標系では、この点はロボットアームの基本位置の各々について異なる材料を有する。この座標を認識した上で、その後で検知される、骨上の基準点の空間座標を、器具座標系に変換することができる。
センサ装置を実施するたの他の方法では、三次元の位置突き止め装置が使用される。この位置突き止め装置は送信器要素／受信器要素の交互作用によって物体の位置測定を行う。このような装置は原理的に知られており、光学的方法、誘導式方法または超音波方法に基づいている。この場合、本発明では、センサ装置は遠隔データ伝送を行う測定装置を備え、この測定装置は、定置された受信器と、第１の送信器を有する触知ピンと、取り付け板に設けられた第２の送信器とを備え、送信器は複数の信号発信器を備え、この信号発信器が予め定められて動かぬように空間的に配置され、かつ受信器によって受信した位置測定信号を発信し、位置測定信号から、触知ピンと取り付け板の位置と方向が、空間的に固定された三次元座標系で算出され、触知ピンと取り付け板の算出された空間座標がコンピュータに供給され、コンピュータが触知ピンの空間座標を器具座標系の座標に変換する。
更に、本発明の範囲内では、センサ装置として遠隔データ伝送を行う測定装置が使用され、この測定装置が定置された受信器と、送信器を有する触知ピンを備え、送信器は複数の信号発信器を備え、この信号発信器は予め定められて動かぬように空間的に配置され、かつ受信器によって受信した位置測定信号を発信し、触知ピンによって、基本位置に動かされたロボットアームの取り付け板の少なくとも１つの基準点が検知可能であり、触知ピンによって、取り付け板の位置と方向および患者の骨上で検知された基準点が、空間的に固定された三次元座標系で算出され、コンピュータが算出された空間座標を器具座標系の座標に変換する。
本発明の範囲内では、コンピュータが、触知アームまたは位置突き止め装置によって測定された基準点の座標から、進行し得るロボットプログラムを形成する。このロボットプログラムはプログラム制御装置でダビングされる。この場合、骨の加工はプログラム制御されてロボットアームの運動によって行われる。本発明の好ましい実施形では、外科手術のための器具が、同様に取り付け板に固定された、特に取り付け板に対して垂直に向いたキャリッジ上で軸方向に移動可能に案内されている。本発明のこの実施形の場合、外科器具が本発明による装置によって手術に最適な位置および最適な方向にもたらされた後で、外科器具の送りは手動であるいはロボットアームの動きとは関係なく動力送り装置により、外科医によって行うことができる。この場合、それにもかかわらず、実施すべき切断は非常に正確に実施可能である。というのは、器具が本発明による装置によって最適に保持および案内されるからである。
本発明の他の実施形では、装置が手術中の患者の空間的な位置を検出するための付加的な監視装置を備えている。この監視装置の技術的な形成は、使用される位置突き止め装置に依存する。触知アームを備えた実施形の場合には、カメラが使用される。このカメラは、外科手術の前に当該の骨内に挿入されたマークピンの位置を検出し、ロボットアームの作業位置を調整する際にマークピンの座標が触知アームによって検知される。この場合、カメラによって検知されたマークピンの位置変化はコンピュータで処理され、ロボットアームの作業位置の補正がプログラム制御装置によって行われる。送信要素と受信要素を備えたセンサ装置を使用する場合、監視装置は好ましくは少なくとも１個の基準ピンを備えている。この基準ピンは外科手術の前に患者の当該の骨に固定可能であり、第３の送信器を備えている。この場合、基準点の送信器は触知ピンと同様に複数の信号発信器を備えている。この信号発信器は受信器によって受信された位置測定信号を発信する。骨は正確に位置が突き止められ、その位置は正確に演算される。骨の位置が変化したときには、ロボットアームと、このロボットアームに接続された外科器具の位置が自動的に補正される。その際、場合によっては、外科医によって開始しなければならない。
次に、実施の形態を示す図に基づいて本発明を説明する。
図１は、整形外科手術の際に外科器具を位置決めおよび案内するための装置の部分平面図、
図２は図１のＡ方向から見た側面図、
図３は図１のＢ方向から見た側面図、
図４，５は本発明による装置の他の実施の形態を示す図である。
装置の基本的な構造に工業ロボットが属する。この工業ロボットは端側に取り付け板を有する、プログラム制御される多関節型ロボットアームと、コンピュータを有するプログラム制御装置を備えている。ロボットアームの関節には、関節位置を検出するためのセンサが設けられている。プログラム制御装置により、ロボットアームは外科手術のための作業位置に移動可能である。
図１〜３にはロボットアーム１の自由端だけが示してある。ロボットアームは端側の取り付け板２を備えている。この取り付け板には、整形外科手術用器具３と、手で動かすことができる多関節型の触知アーム（センサアーム）４が接続されている。図１と図２の比較考察から判るように、触知アームは少なくとも３個の関節５を備えている。特に６個の関節が設けられている。関節５内には、関節位置を検出するために、センサ、例えばポテンショメータ、インクリメンタル型トランスデューサ、レゾルバ等の形をしたセンサが装着されている。プログラム制御装置によって設定されたロボットアーム１の基本位置において触知アーム４を手動で案内することにより、患者の骨の基準点を検知することができる。この基準点の座標はコンピュータ（図示していない）に供給される。コンピュータは座標から、その後の外科手術の際にロボットアーム１が占める作業位置を検出する。図１と図３の比較考察から判るように、器具３は同様に取り付け板２に固定されたキャリッジ６によって軸方向に移動可能に案内されている。キャリッジ６は取り付け板２に対して垂直に配置されている。器具３の送りはロボットアーム１の動きと関係なく、手動であるいは動力による送り駆動装置によって行うことができる。
図４に示した本発明による装置の実施の形態の場合には、触知アーム４はロボットアーム１の取り付け板２に配置されていないで、定置されて位置決めされ、コンピュータ１２に接続されている。多関節型触知アーム４の位置は、触知すべき骨と、基本位置に移動したロボットアーム１の取り付け板２が、触知アーム４によって触知可能な作業空間内に位置するように選定されている。触知アームによって、取り付け板２上の少なくとも１つの基準点を触知することができる。触知アーム４によって、取り付け板２の位置および方向と、患者の骨上で触知された基準点が、空間的に固定された三次元の座標系で検出される。コンピュータ１２は検出された空間座標を器具座標系に変換する。この方法は、触知アーム５によって取り付け板２上の複数の点が触知され、器具座標系におけるこの点の位置が正確に定められるように実施可能である。他の方法では、ロボットアーム１が１つの基本位置ではなく、少なくとも３つの基本位置に順々に移動させられる。この各々の基本位置でその都度、取り付け板２上の知られていて定められた正確な位置を有する１点だけが、触知アーム４によって感知される。触知装置の空間座標系において、この点はロボットアーム１の基本位置で異なる座標を有する。この座標から、所望の座標変換を行うための数学的な規則を導き出すことができる。骨上の基準点の触知は、この数学的な規則が決定された後で初めて行われる。
図５に示した本発明による装置の実施の形態は、ロボットアームの器具座標系内での三次元的な物体測定のための、手動で案内することができるセンサ装置を備えている。このセンサ装置は遠隔データ伝送を行う測定装置４′を備えている。この測定装置は定置された受信器７と、第１の送信器９を備えた触知ピン８と、取り付け板２上に配置された第２の送信器１０を備えている。送信器９，１０は空間的に動かぬように定められた複数の信号発信器１１を備えている。この信号発信器は受信器７によって受信された位置測定信号を発信する。位置測定信号から、触知ピン８と取り付け板２の位置と方向が、空間的に固定された三次元座標系で算出される。触知ピン８と取り付け板２の算出された空間座標はコンビュータ１２に供給可能であり、このコンピュータは触知ピンの空間座標を器具座標系の座標に変換する。この器具座標系はプログラム制御に用いられる。
データ伝送を行う測定装置を備えた位置決定系は原理的には知られており、光学的方法、誘導式方法または超音波方法に基づいている。触知ピンは例えば小さな板を備え、この板の角に、４〜６個の赤外線発光ダイオード１１が信号発信器として配置されている。この赤外線発光ダイオードから出た光パルスは、空間内に定置された受信器７によって検出可能である。この受信器はレンズと光感知センサからなる別々の３個の受信要素１３を備えている。送信要素１１と受信要素１３の正確に知られている幾何学的な配置を利用して、すべての受信信号を数学的に評価することにより、空間的に定められた座標系内での触知ピン８の位置と方向を算出することができる。本発明では、ロボットアーム１の取り付け板２に、送信要素１１を有する小さな板１０が固定されている。これにより、触知ピン８と取り付け板２が測定されるので、数学的な換算によって、触知ピンによって検知された骨上の基準点の空間座標が、プログラム制御に用いられる工業ロボットの器具座標系に変換することが可能である。
【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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