(57)【要約】  無画像インプラント修正外科手術を計画および実行するためのシステムおよび方法が論じられる。たとえば、修正計画を生成するための方法は、目標の骨を特徴付ける予め定義されたパラメータを収集するステップと、3Dモデルを生成するステップと、複数の表面点を収集するステップと、再整形された3Dモデルを生成するステップとを含むことができる。目標の骨の3Dモデルを生成するステップは、予め定義されたパラメータの第1の部分に基づき得る。再整形された3Dモデルを生成するステップは、目標の骨の表面の一部分から収集された複数の表面点に基づいて行われ得る。
2017535406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
1つまたは複数のプロセッサを使用して、目標の骨を近似する3次元(3D)モデルを生成するステップと、
外科手術器具を追跡する追跡システムから、インプラント修正処置に関連する前記目標の骨の部分からの複数の表面点を受信するステップと、
前記1つまたは複数のプロセッサを使用して、前記3Dモデルと前記目標の骨の前記部分から収集された前記複数の表面点とに基づいて、再整形された3Dモデルを生成するステップと
を備える方法。
【請求項２】
補綴インプラントを埋め込むために前記目標の骨を準備するための修正計画を生成するステップをさらに備える、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記修正計画に従って、前記目標の骨の切除中に追跡される外科手術切断器具を制御するステップをさらに備える、請求項2に記載の方法。
【請求項４】
前記3Dモデルを生成する前記ステップが、前記インプラント修正処置に関連する前記目標の骨の前記部分を取り囲むボクセル化された3D円筒を生成するステップを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記3Dモデルを生成する前記ステップが、ボクセル化された3Dモデルを生成するステップを含み、前記再整形された3Dモデルを生成する前記ステップが、前記複数の表面点に基づいて前記ボクセル化された3Dモデル内のボクセルを更新するステップを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項６】
前記ボクセル化された3Dモデル内のボクセルを更新する前記ステップが、前記複数の表面点に基づいて前記3Dモデルからのボリュームサブトラクションを実行するステップを含む、請求項5に記載の方法。
【請求項７】
前記目標の骨を特徴付ける、追跡される外科手術器具からのパラメータの予め定義されたセットを受信するステップをさらに備え、前記3Dモデルを生成するステップが、前記パラメータの予め定義されたセットから前記目標の骨の寸法を計算するステップを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項８】
再整形された3Dモデルを生成するステップが、前記複数の表面点の収集中に反復的に生じる、請求項1に記載の方法。
【請求項９】
追跡アレイを含む外科手術器具と、
追跡センサを含む追跡システムであって、前記追跡システムが、リアルタイムで、前記外科手術器具の3次元位置および向きと、インプラントホストの少なくとも1つの目標の骨の3次元位置および向きとを監視する、追跡システムと、
制御システムであって、
現在の外科手術器具の位置と現在の目標の骨の位置とを識別する追跡情報を受信するために前記追跡システムに結合された通信インターフェースと、
メモリデバイスに結合された1つまたは複数のプロセッサであって、前記メモリデバイスが、前記1つまたは複数のプロセッサによって実行されたとき、
前記目標の骨に関連する前記外科手術器具の位置に基づいて、前記追跡システムから、目標の骨を特徴付ける予め定義されたパラメータを収集することと、
前記予め定義されたパラメータの一部に少なくとも部分的に基づいて、前記目標の骨の3次元(3D)モデルを生成することと、
前記追跡システムから、前記目標の骨に関連する前記外科手術器具の位置に基づいて、インプラント修正処置に関連する前記目標の骨の部分から複数の表面点を収集することと、
前記3Dモデルと、前記目標の骨の前記部分から収集された前記複数の表面点とに基づいて、再整形された3Dモデルを生成することと
を含む動作を前記制御システムに実行させる命令を含む、1つまたは複数のプロセッサと
を含む、制御システムと
を備えるシステム。
【請求項１０】
前記外科手術器具が、切断バー、バーガード、平板プローブアタッチメント、およびポイントプローブのうちの少なくとも1つを含む、請求項9に記載のシステム。
【請求項１１】
前記予め定義されたパラメータまたは前記複数の表面点を収集することが、前記切断バー、前記バーガード、前記平板プローブアタッチメント、および前記ポイントプローブのうちの1つを使用して実行される、請求項10に記載のシステム。
【請求項１２】
前記制御システムが、補綴インプラントを埋め込むために前記目標の骨を準備するための修正計画を生成することを含む動作をさらに実行する、請求項9に記載のシステム。
【請求項１３】
前記通信インターフェースが、切断バーを制御する制御信号を送るために前記外科手術器具に結合され、
前記制御システムが、
前記修正計画に従って前記目標の骨の切除中に前記外科手術器具を制御する制御信号を生成することと、
前記通信インターフェースを介して、前記生成された制御信号を前記外科手術器具に通信することと
を含む動作をさらに実行する、請求項12に記載のシステム。
【請求項１４】
前記3Dモデルを前記生成することが、前記インプラント修正処置に関連する前記目標の骨の前記部分を取り囲むボクセル化された3D円筒を生成することを含む、請求項9に記載のシステム。
【請求項１５】
前記再整形された3Dモデルを生成することが、前記複数の表面点に基づいて前記3Dモデルからのボリュームサブトラクションを実行することを含む、請求項14に記載のシステム。
【請求項１６】
前記3Dモデルを前記生成することが、前記3Dモデルを生成するために前記目標の骨の手術前医用画像にアクセスすることを含む、請求項9に記載のシステム。
【請求項１７】
再整形された3Dモデルを生成することが、前記複数の表面点の収集中に反復的に生じる、請求項9に記載のシステム。
【請求項１８】
機械によって実行されたとき、
前記機械内の1つまたは複数のプロセッサを使用して、目標の骨を特徴付けるパラメータに少なくとも部分的に基づいて前記目標の骨の3次元(3D)モデルを生成することと、
追跡される外科手術器具を追跡する追跡システムから、インプラント修正処置に関連する前記目標の骨の部分からの複数の表面点を受信することと、
前記1つまたは複数のプロセッサを使用して、前記3Dモデルと、前記目標の骨の前記部分から収集された前記複数の表面点とに基づいて、再整形された3Dモデルを生成することと
を含む動作を前記機械に実行させる命令を含む機械可読記憶デバイス。
【請求項１９】
前記命令が、補綴インプラントを埋め込むために前記目標の骨を準備する修正計画を前記機械に生成させる命令をさらに備え、
前記命令が、前記修正計画に従って、前記目標の骨の切除中に追跡される外科手術切断器具を前記機械に制御させる命令をさらに備える、請求項18に記載の機械可読記憶デバイス。
【請求項２０】
1つまたは複数のプロセッサを使用して、インプラント修正処置に関連する目標の骨の部分の3次元(3D)ボクセル化モデルを生成するステップであって、前記モデルが、少なくとも、すべての寸法において前記目標の骨の前記部分と同じくらいの大きさである、ステップと、
既知の幾何学的形状の器具を追跡する追跡システムから、前記器具が前記目標の骨の表面に沿ってトレースされるにつれて複数のデータ点を受信するステップと、
1つまたは複数のプロセッサを使用して、前記複数のデータ点に少なくとも部分的に基づいて、前記モデルから除去されるべき廃棄ボクセルのセットを計算するステップと、
前記1つまたは複数のプロセッサを使用して、前記廃棄ボクセルのセットに基づいて、再整形された3Dボクセル化モデルを生成するステップと
を備える、コンピュータ実装インプラント修正処置計画方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、2014年12月1日に出願された「Method for Planning and Performing CT-Less Implant Revision Surgery」と題する米国仮出願第62/085,647号の優先権の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、整形外科用インプラント修正外科手術処置を計画および実行する際のロボットシステムの使用に関する。1つのそのようなタイプのロボットシステム、Precision Freehand Sculpting(本明細書では「PFS」と呼ぶ)が、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、米国特許第6,757,582号により詳細に開示されている。
【背景技術】
【０００３】
インプラント修正外科手術は、緩み、移動、誤整列、摩耗、または他の劣化などの様々な原因によって失敗した整形外科用インプラントを除去するために行われる。既存のインプラントが除去され、残りの骨表面が準備されると、新しいインプラントが挿入可能となる。インプラント修正外科手術は、通常、関与するツール、骨、およびインプラントの位置を追跡するためにナビゲーション方法を利用して行われる。しかしながら、現代のナビゲーション方法は、多数の切断ガイド、測定治具、および骨切除表面の再評価を依然として必要とし、その結果、不必要に時間を消費する処置となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在の修正技法の問題は、修正処置における既存のインプラントの除去が骨表面に追加の損傷をもたらす場合があり、新しいインプラントの挿入を準備するためにさらなる骨切除を必要とするという事実によっていっそうひどくなる。いくつかの既存のシステムでは、追加の画像化も、新しい外科手術計画を開発するために必要とされる場合がある。患者の解剖学的構造に従ってインプラントを確実にフィットさせるように注意しなければならないが、同時に、過剰な計装および画像化の必要性を低減し、処置を実行するために必要な時間を短縮し、患者の解剖学的構造に従ってインプラントを確実にフィットさせる方法を用いるインプラント修正外科手術処置を実行する方法は、現在存在しない。したがって、本発明の目的は、外科医が患者の解剖学的構造の仮想モデル上で骨の改良(refinement)とインプラントの配置とを計画することを可能にする、PFSを利用するインプラント修正外科手術処置を実行する方法を提供することである。PFSシステムは、さらに、外科医が骨切除を正確に誘導および実行することを可能にし、使用する計装および費やす時間の点で効率をもたらす。PFSシステムが本明細書で例の目的のために論じられるが、当業者は、MakoのRio(登録商標)システムなどの他のロボット外科手術システムが当業者には容易に明らかなわずかな変更のみで本発明の方法とともに使用され得ることを認識するであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記で説明した本発明の様々な目的および利点に加えて、本発明の様々な他の目的および利点が、以下の本発明のより詳細な説明から、特に、そのような説明が添付の図面および添付の特許請求の範囲と併用されたとき、当業者により容易に明らかになるであろう。
【０００６】
いくつかの実施形態が、添付の図面の図に限定としてではなく例として示される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】例示的な実施形態による、無画像インプラント修正外科手術を計画および実行するためのシステムを動作させるための環境を示す図である。
【図２】例示的な実施形態による、無画像インプラント修正外科手術を計画および実行するためのシステムを示すブロック図である。
【図３】例示的な実施形態による、無画像インプラント修正外科手術を計画および実行するための方法を示すフローチャートである。
【図４】例示的な実施形態による、修正インプラント処置における目標の骨の切除のための仮想3Dモデルを作成するための方法を示すフローチャートである。
【図５】例示的な実施形態による、修正インプラント処置における目標の骨の切除のための3Dモデルを作成するための方法を示すフローチャートである。
【図６】例示的な実施形態による、修正処置で使用される3Dモデルを作成するための方法を示す図である。
【図７】本明細書で論じる方法論の任意の1つまたは複数を機械に実行させるための命令のセットが実行され得るコンピュータシステムの例示的な形態における機械の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
概要
本発明者らは、とりわけ、膝関節全置換の修正などの整形外科用インプラント修正外科手術で使用される現在の技法が、目標の骨の特定の形状および状態を十分に説明することができず、インプラントを視覚化し、位置を拡大する方法を外科医に提供せず、切除およびインプラントの位置をカスタマイズする患者固有の結果を提供しないことを認識している。
【０００９】
さらに、修正膝外科手術を実行する現在のシステムは、広範囲な計装を必要とする。これは、選択されたインプラントの整列と配置の両方を達成するために必要とされる。これらの器具は、整列治具と、ロッドと、複数の切断ブロックとを含む。器具は、主に解剖学的構造の一般化された仮定に依拠しており、本明細書で論じるシステムおよび方法は、これらの器具を個々の手術中に導出された患者の適切な切断計画に完全に置き換えることを可能にする。
【００１０】
現在使用されている器具は、インプラント界面の近くで、手術されている骨に固定することを必要とする。外科手術を必要とする病理の性質から、骨の質はしばしば良好でなく、切断ブロックおよび整列治具の不十分または不安点な固定を引き起こし、これはしばしば、治具の望ましくない動きを引き起こし、その後の患者の結果への有害な影響を伴う不正確なインプラントの配置をもたらす。本発明の性質は、この可能性が、手術領域から離してよりよい質の骨により信頼性の高い固定で追跡器(tracker)を配置することによって克服されることを可能にする。
【００１１】
これらの器具ならびにそれらの関連するコストおよび負担(滅菌、取扱い、輸送、運搬中の損傷など)の必要性を除去することによって、本発明は、それ自体、金銭的および物流的利益をユーザにもたらすことになる。
【００１２】
以下の非限定的な例は、本明細書で論じる課題を解決し、利益を提供する本システムおよび方法の特定の態様を詳述する。
【００１３】
例1は、無画像インプラント修正処置中に使用するための修正計画を作成するための方法を含むことができる。方法は、3Dモデルを生成するステップと、複数の表面点を受信するステップと、再整形された3Dモデルを生成するステップとを含むことができる。3Dモデルは、インプラント修正処置に関連する目標の骨の少なくとも一部の形状をモデル化するために生成される。複数の表面点は、インプラント修正処置に関連する、目標の骨の表面の部分にわたって収集される。再整形された3Dモデルは、3Dモデルと、目標の骨の表面の部分から収集された複数の表面点とに基づいて生成される。
【００１４】
例2では、例1の方法は、補綴インプラントを埋め込むために目標の骨を準備するための修正計画を生成するステップをオプションで含むことができる。
【００１５】
例3では、例2の方法は、修正計画に従って、目標の骨の切除中に追跡される外科手術切断器具を制御するステップをオプションで含むことができる。
【００１６】
例4では、例1〜例3の任意の方法は、インプラント修正処置に関連する目標の骨の部分を取り囲むボクセル化された3D円筒を生成するステップをオプションで含むことができる。いくつかの例では、円筒は、インプラント修正処置に関連する目標の骨の部分と比較してすべての寸法がより大きい。
【００１７】
例5では、例1〜例4の任意の方法は、ボクセル化された3Dモデルを使用して3Dモデルを生成するステップと、複数の表面点に基づいてボクセル化された3Dモデル内のボクセルを更新することによって、再整形された3Dモデルを生成するステップとをオプションで含むことができる。
【００１８】
例6では、例5の方法は、複数の表面点に基づいて3Dモデルからのボリュームサブトラクションを実行するステップを含む、ボクセル化された3Dモデル内のボクセルを更新するステップをオプションで含むことができる。
【００１９】
例7では、例1〜例6の任意の方法は、目標の骨を特徴付ける、追跡される外科手術器具からのパラメータの予め定義されたセットを受信するステップをオプションで含むことができ、3Dモデルを生成するステップは、パラメータの予め定義されたセットから目標の骨の寸法を計算するステップを含む。
【００２０】
例8では、例1〜例7の任意の方法は、複数の表面点の収集中に、再整形された3Dモデルを反復的に生成するステップをオプションで含むことができる。
【００２１】
例9は、修正計画を作成することを含む、無画像インプラント修正外科手術を計画および実行するためのシステムを含むことができる。システムは、外科手術器具と、追跡システムと、制御システムとを含むことができる。外科手術器具は、追跡アレイを含むことができる。追跡システムは、追跡センサを含むことができ、リアルタイムで、外科手術器具の3次元位置および向きと、インプラントホストの少なくとも1つの目標の骨の3次元位置および向きとを監視することができる。制御システムは、通信インターフェースと、メモリデバイスに結合された1つまたは複数のプロセッサとを含むことができる。通信インターフェースは、現在の外科手術器具の位置と現在の目標の骨の位置とを識別する追跡情報を受信するために、追跡システムに結合されてもよい。メモリデバイスは、1つまたは複数のプロセッサによって実行されたとき、予め定義されたパラメータを収集することと、3Dモデルを生成することと、複数の表面点を収集することと、再整形された3Dモデルを生成することとを含む動作を制御システムに実行させる命令を含むことができる。予め定義されたパラメータは、インプラント修正処置における目標の骨を特徴付ける。3Dモデルは、目標の骨の少なくとも一部の形状をモデル化するために、予め定義されたパラメータの一部から生成される。オプションで、予め定義されたパラメータの第2の部分は、作業座標系内の目標の骨上に3Dモデルを整列させるために使用される。複数の表面点は、インプラント修正処置に関連する、目標の骨の表面の部分にわたって収集される。再整形された3Dモデルは、3Dモデルと、目標の骨の表面の部分から収集された複数の表面点とに基づいて生成される。
【００２２】
例10では、例9のシステムは、切断バー、バーガード、平板プローブアタッチメント、およびポイントプローブのうちの少なくとも1つを有する外科手術器具をオプションで含むことができる。
【００２３】
例11では、例10のシステムは、切断バー、バーガード、平板プローブアタッチメント、およびポイントプローブのうちの1つを使用して、予め定義されたパラメータまたは複数の表面点を収集することをオプションで含むことができる。
【００２４】
例12では、例9〜例11の任意のシステムは、補綴インプラントを埋め込むために目標の骨を準備するための修正計画を生成することを含む動作をさらに実行する制御システムをオプションで含むことができる。
【００２５】
例13では、例12のシステムは、切断バーを制御する制御信号を送るために外科手術器具に結合された通信インターフェースをオプションで含むことができる。制御システムはまた、修正計画に従って目標の骨の切除中に外科手術器具を制御する制御信号を生成することと、通信インターフェースを介して、生成された制御信号を外科手術器具に通信することとを含む動作を実行することができる。
【００２６】
例14では、例9〜例13の任意のシステムは、インプラント修正処置に関連する目標の骨の部分を取り囲むボクセル化された3D円筒を生成することによって3Dモデルを生成することをオプションで含むことができる。
【００２７】
例15では、例14のシステムは、複数の表面点に基づいて3Dモデルからのボリュームサブトラクションを実行することによって、再整形された3Dモデルを生成することをオプションで含むことができる。
【００２８】
例16では、例9〜例15の任意のシステムは、3Dモデルを生成するために目標の骨の手術前医用画像にアクセスすることによって3Dモデルを生成することをオプションで含むことができる。
【００２９】
例17では、例9〜例16の任意のシステムは、複数の表面点の収集中に、再整形されたモデルを反復的に生成することをオプションで含むことができる。
【００３０】
例18は、外科手術器具のナビゲーションおよび制御のためのシステム内で実行されたとき、例1〜例9のいずれか1つに記載の方法を実行する命令を有する機械可読記憶媒体を含むことができる。
【００３１】
例19は、インプラント修正処置を計画するためのコンピュータ実装方法を含むことができる。方法は、3Dボクセル化モデルを生成するステップと、複数のデータ点を受信するステップと、廃棄ボクセルのセットを計算するステップと、再整形された3Dボクセル化モデルを生成するステップとを含むことができる。3Dボクセル化モデルは、インプラント修正処置に関連する目標の骨の部分をモデル化するために生成されてもよく、モデルは、少なくとも、すべての寸法において目標の骨の部分と同じくらいの大きさである。複数のデータ点は、既知の幾何学的形状の器具を追跡する追跡システムから、器具が目標の骨の表面に沿ってトレースされるにつれて受信される。モデルから除去されるべき廃棄ボクセルのセットは、複数のデータ点に少なくとも部分的に基づいて計算される。再整形された3Dボクセル化モデルは、廃棄ボクセルのセットに基づいて生成される。
【００３２】
定義
インプラント-本明細書および関連する特許請求の範囲の目的のためには、「インプラント」という用語は、生物学的構造を置換または増強するために製造された補綴デバイスまたは構造を指すために使用される。たとえば、人工股関節全置換処置では、補綴寛骨臼カップ(インプラント)が、患者の摩耗または損傷した寛骨臼を置換または増強するために使用される。「インプラント」という用語は、一般的に(移植体とは対照的に)人工構造を意味すると考えられるが、本明細書の目的のためには、インプラントは、生物学的構造を置換または増強するために移植される生物学的組織または材料を含むことができる。
【００３３】
インプラントホスト-本明細書および関連する特許請求の範囲の目的のためには、「インプラントホスト」という用語は、患者を指すために使用される。特定の例では、インプラントホストという用語はまた、より具体的に、特定の患者の解剖学的構造内の意図されたインプラントの特定の関節または位置を指すために使用される場合がある。たとえば、人工股関節全置換処置では、インプラントホストは、置換または修復される患者の股関節を指す場合がある。
【００３４】
リアルタイム-本明細書および関連する特許請求の範囲の目的のためには、「リアルタイム」という用語は、イベントが生じるか、または動作可能なシステムによって入力が受信されたときに即座に実行される計算または動作を指すために使用される。しかしながら、「リアルタイム」という用語の使用は、待ち時間が機械の性能特性によって誘発される意図しない結果である限り、入力と応答との間のある待ち時間を生じる動作を排除することを意図しない。
【００３５】
詳細な説明
無画像(CTレス)インプラント修正外科手術を計画および実行するための例示的なシステムおよび方法について説明する。いくつかの例示的な実施形態では、本明細書で論じるシステムおよび方法は、追跡されるポイントプローブとコンピュータ制御される外科手術切断器具との組合せを含むことができる。一例では、光学的に追跡されるポイントプローブおよびコンピュータ制御される外科手術切断器具は、欠陥のある膝関節全置換(TKA; total knee replacement)などの欠陥のある整形外科用インプラントを置換するために修正処置を計画および実行するために使用され得る。一例では、外科医は、新しいインプラントを必要とする目標の骨の実際の表面を3次元でマッピングするためにポイントプローブを使用する。マッピングは、欠陥のあるまたは摩耗したインプラントを除去した後、ならびに任意の病的なまたはその他の点で望ましくない骨を除去した後に実行される。コンピュータシステムは、追跡されるポイントプローブまたは同様の追跡される外科手術器具を使用して得られたランドマーク位置と整列された患者の骨のボクセル化3Dモデルでマッピングプロセスを開始することができる。マッピングプロセス中、追跡されるポイントプローブ、切断バー、バーガード、または平板プローブアタッチメントを切断器具上で使用して、ボクセル化3Dモデルが、患者の骨から得られた実際の表面データに基づいて再整形される。最終的な3Dモデルが完成すると、外科医は、修正インプラントの位置および適合を評価するために、仮想3Dモデル中をレイヤー単位で移動することができる。実際の3D表面データを使用して生成された仮想3Dモデルによって可能となる詳細な評価は、正確な適合評価(サイズおよび位置)、オーグメントの選択、およびオーグメントの配置を可能にする。修正インプラントおよび任意のオーグメントが3Dモデル環境内に仮想的に配置されると、システムは、上記で論じたPFSなどの、追跡され、コンピュータ制御される切断器具を使用して実施されることになる外科手術切断計画を生成することができる。
【００３６】
本明細書で論じる修正処置を実施する方法は、外科医が、切断ガイドおよび他の複雑な計装の必要性を回避しながら、修正インプラントおよびオーグメントをより正確に配置することを可能にする。手術室内での論じたシステムの実際の効果は、より少ないトレーと、より少ない滅菌と、より低いコストとを含む。
【００３７】
以下の明細書および関連する図は、特定の詳細を有する本発明の例示的な実施形態を説明する。しかしながら、本発明がこれらの特定の詳細なしで実施されてもよいことは、当業者には明白であろう。また、コンピュータ制御のインプラント位置決めシステムが、提供される例に限定されず、具体的に論じない他のシナリオを含んでもよいことは明白であろう。
【００３８】
図1は、ロボットシステムを使用して無画像(CTレス)修正外科手術処置を実行するためのシステム100の図である。システム100は、関連する光学追跡フレーム155(追跡アレイ155とも呼ばれる)を有する外科手術切断ツール150と、グラフィカルユーザインターフェース130と、光学追跡システム140と、患者追跡フレーム120(追跡アレイ120とも呼ばれる)とを含む。この図はまた、切開部110も含み、切開部110を通して、膝修正外科手術が実行され得る。一例では、図示のロボット外科手術システム100は、ミネソタ州のBlue Belt Technologies of PlymouthのNavio(登録商標)Surgical Systemなどの、ハンドヘルドコンピュータ制御外科手術ロボットシステムを示す。図示のロボットシステムは、ハンドヘルド外科手術器具を追跡および制御するために、ロボットコントローラに結合された光学追跡システムを使用する。たとえば、光学追跡システム140は、目標の骨(たとえば、膝の処置のための大腿骨および脛骨)に対する器具の位置を追跡するために、外科手術ツール150に結合された追跡アレイ155と、患者に結合された追跡アレイ120とを追跡する。
【００３９】
図2は、例示的な実施形態による、無画像(CTレス)修正外科手術処置を実行するためのシステム200を示すブロック図である。一例では、システム200は、制御システム210と、追跡システム140と、外科手術器具150とを含むことができる。オプションで、システム200はまた、表示デバイス130と、データベース230とを含むことができる。一例では、これらの構成要素は、とりわけ、整形外科(または同様の)補綴インプラント修正外科手術中に使用される切断ツールまたはポイントプローブのナビゲーションおよび制御を含むことができる、外科手術器具150のナビゲーションおよび制御を提供するために組み合わされ得る。
【００４０】
制御システム210は、追跡システム130から受信した情報を調整し、外科手術器具150に制御を提供するように構成された1つまたは複数のコンピューティングデバイスを含むことができる。一例では、制御システム210は、計画モジュール212と、ナビゲーションモジュール214と、制御モジュール216と、通信インターフェース218とを含むことができる。特定の例では、計画モジュール212は、患者に対する修正処置中に目標の関節を再整形する前に処置を仮想的に計画する能力を臨床医に与える手術前計画サービスを提供することができる。計画モジュール内で実行される計画プロセスの一部は、手術前計画へのさらに別の手法を論じる、Digioiaらへの「Computer-assisted Surgery Planner and Intra-Operative Guidance System」と題する米国特許第6,205,411号で論じられるものと同様の動作を含むことができる。米国特許第6,205,411号は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００４１】
全膝関節置換術(TKA)の修正などの一例では、計画モジュール212は、仮想インプラントホストモデルに関してインプラントの仮想モデルを操作するために使用され得る。以下でより詳細に論じるように、インプラントホスト(修正されるべき関節)の仮想モデルは、光学追跡システム140によって追跡されるポイントプローブまたは同様の器具の使用を通して作成され得る。制御システム210、いくつかの例では計画モジュール212は、患者の実際の解剖学的構造の仮想モデルを再現するために、目標の関節の表面からデータを収集する。具体的には、修正外科手術では、この方法は、既存のインプラントが除去された後、手術中の画像なしで収集されたデータを使用することによって、計画プロセスの精度を高めることができる。目標の骨から表面データを収集することはまた、新しい補綴インプラントの適切な適合と、解剖学的整列の最適化とを保証するために、目標の骨の反復的な再整形を可能にすることができる。
【００４２】
一例では、ナビゲーションモジュール214は、インプラント、インプラントホスト、および外科手術器具150の位置および向きの追跡を調整することができる。特定の例では、ナビゲーションモジュール214はまた、計画モジュール212内での手術前および手術中計画中に使用される仮想モデルの追跡を調整してもよい。仮想モデルを追跡することは、追跡システム140を介して得られたデータによるインプラントホストとの仮想モデルの整列などの動作を含むことができる。これらの例では、ナビゲーションモジュール214は、外科手術器具150およびインプラントホストの物理的な位置および向きに関する追跡システム140からの入力を受信する。インプラントホストの追跡は、追跡アレイ120などを用いて複数の個々の骨構造を追跡することを含んでもよい。たとえば、膝関節全置換処置中、追跡システム140は、(図1に示すように)個々の骨に固定された追跡デバイスを使用して、大腿骨および脛骨を個々に追跡してもよい。
【００４３】
一例では、制御モジュール216は、外科手術器具150を制御する制御信号を生成するために、ナビゲーションモジュール214によって提供された情報を処理することができる。特定の例では、制御モジュール216はまた、手術処置中に外科医を支援するために視覚アニメーションを生成するために、ナビゲーションモジュール214と協働することができる。視覚アニメーションは、表示デバイス130などの表示デバイスを介して表示され得る。一例では、視覚アニメーションは、とりわけ、インプラント、インプラントホスト、および外科手術器具150のリアルタイム3D表現を含むことができる。特定の例では、視覚アニメーションは、インプラントの位置決めおよび配向に関して外科医をさらに支援するために、色分けされる。
【００４４】
一例では、通信インターフェース218は、制御システム210と外部システムおよびデバイスとの間の通信を容易にする。通信インターフェース218は、とりわけ、イーサネット(登録商標)、IEEE802.11ワイヤレス、またはBluetooth(登録商標)など、有線と無線の両方の通信インターフェースを含むことができる。図1に示すように、この例では、通信インターフェース218を介して接続される主な外部システムは、追跡システム140と、外科手術器具150とを含む。図示されていないが、データベース230および表示デバイス130はまた、他のデバイスの中でも、通信インターフェース218を介して制御システム210に接続され得る。一例では、通信インターフェース218は、内部バスを介して、制御システム210内の他のモジュールおよびハードウェアシステムと通信する。
【００４５】
一例では、追跡システム140は、半能動ロボット外科手術デバイスのナビゲーションおよび制御を支援するために、外科手術デバイスおよびインプラントホストの解剖学的構造の部分に関する位置および向き情報を提供する。追跡システム140は、少なくとも3つの位置と少なくとも3つの角度に基づいて追跡データを含むかまたは他の方法で提供する追跡器(たとえば、追跡アレイ120)を含むことができる。追跡器は、インプラントホストに関連付けられた1つまたは複数の第1の追跡マーカと、外科手術デバイス(たとえば、外科手術器具150)に関連付けられた1つまたは複数の第2のマーカとを含むことができる。マーカまたはマーカのうちのいくつかは、赤外線源、無線周波数(RF)源、超音波源、および/または送信機のうちの1つまたは複数であり得る。追跡システム140は、したがって、赤外線追跡システム、光学追跡システム、超音波追跡システム、慣性追跡システム、有線追跡システム、および/またはRF追跡システムであり得る。1つの例示的な追跡システムは、本明細書で説明するOPTOTRAK(登録商標)3D運動および位置測定および追跡システムであり得るが、当業者は、他の精度および/または分解能の他の追跡システムが使用され得ることを認識するであろう。
【００４６】
Brissonらへの「Methods and Systems to Control a Shaping Tool」と題する米国特許第6,757,582号は、外科手術環境内の追跡システム140などの追跡システムの使用に関するさらなる詳細を提供する。米国特許第6,757,582号('582号特許)は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００４７】
一例では、外科医は、失敗した既存のインプラントの代わりに新しい補綴インプラントを収容するように目標の骨を整形するために、外科手術器具150を使用することができる。たとえば、上記で論じたように、人工膝を形成する補綴インプラントを除去し、大腿骨と脛骨とを再整形し、新しい人工膝を形成するために新しい補綴インプラントを埋め込むことによってTKAを修正することを必要とすることは、珍しくない。修正の実行を支援するために、システム200は、(以下でさらに詳細に論じるように)古い補綴の除去後に生成された仮想計画に従って正確な切断を実行するように、外科手術切断器具を追跡および制御することができる。
【００４８】
図3を参照すると、システム100または200などのロボットシステムを使用して修正外科手術処置を実行するための方法300が提供される。この例では、方法300は、305におけるツール選択および較正、310における既存のインプラントの除去、315における追跡アレイを取り付けること、320における目標関節データを収集すること、325における既存のインプラントを除去すること、330における表面点を収集すること、335におけるインプラントのサイズおよび位置を計画すること、340における隙間間隔をバランス化させること、345におけるオーグメントを計画すること、350における骨の改良計画を表示すること、355における骨を切除すること、360における新しいインプラントを挿入すること、ならびに365における運動範囲データを収集および表示することなどの動作を含む。方法300は、特定の例において、より多いまたはより少ない動作で実行され得る。たとえば、いくつかの例示的な修正処置では、340における関節または隙間をバランス化させることは、オプションの処置であり得る。
【００４９】
ステップ305によれば、ロボットシステムは、選択された外科手術ツールおよびバータイプに合わせて接続および較正される。ツールは、外科手術処置中に追跡するために較正され、有効性が検証される。全体的な外科手術セットアップ100が図1に示されており、図2で提供される追加の詳細は、いくつかの例ではシステム100の拡張であるシステム200を論じている。
【００５０】
ステップ310に示すように、初期切開部110が作られ、外科医が既存のインプラントにアクセスし、これを除去することを可能にする。実施形態では、外科医は、しばしば、骨からのインプラントの除去を容易にするためにハンマーを使用することを必要とし、これは、追跡器が初期の弛緩および除去プロセスの前に設置されている場合、追跡器を弛緩させる可能性があるので、インプラントは、追跡アレイ120などの任意の追跡器を設置する前に除去される。既存のインプラントが弛緩および除去された後、外科医は、インプラントの後ろにあった劣化した骨または病的な骨があれば、それを除去する。特定の例では、インプラントは、次いで、計画目的のためのデータ収集を可能にするために、可能な限り再挿入される。代替の実施形態は、ピンが最初に適切な場所に挿入され、その後インプラントが除去されているときに追跡器がピンから除去されるように、取外し可能な結合を有する追跡器ピンを提供する。いずれの方法でも、外科医によって使用される外科手術器具150などの任意の追跡されるツールのリアルタイムの位置も監視する追跡システム140などの赤外線または他の光学的「視線」カメラを使用して、これらの骨のリアルタイムな位置監視を可能にするために、次いで、追跡アレイ120が大腿骨および脛骨に取り付けられる(または、場合によっては再取り付けされる)(315)。
【００５１】
ステップ320によれば、いくつかのチェックポイントおよび基準位置データ点が収集される(ランドマークおよび予め定義されたパラメータとも呼ばれる)。骨およびインプラントの表面上の座標点を収集するために使用されるポイントプローブの位置は、追跡器に対する先端の位置に関して検証される。チェックポイントは、システムにおいて、ポイントプローブの先端で触れられた予め確立された静止基準点として、踝を含む大腿骨および脛骨の骨上に確立される。全体的な処置中の様々な時点で、これらの点は、全体として追跡システム内の精度を保証するために、ポイントプローブによって再び触れられることになる。典型的には、次いで、十分なデータが収集されるまで、股関節を中心とする円上で、追跡される大腿骨を回転させることによって、股関節中心が計算される。
【００５２】
次に、膝の中心が決定される。さらにステップ320を参照すると、大腿骨のランドマーク点が、ポイントプローブの先端に存在するものの触診によって収集される。そのような大腿骨のランドマーク点は、たとえば、これらの点が存在し、信頼できる限り、膝中心と、最前点と、最遠位点と、最後点と、内側上顆点および外側上顆点とを含む。代替の実施形態では、これらの実際の点の代わりに、統計値が使用され得る。次に、大腿骨の回転基準が決定される。次いで、関節線基準が、大腿骨および脛骨のランドマークによって決定される。一部の患者では、関節線基準は決定することが困難であり、いくつかの実施形態では、他の膝関節がランドマークのために使用され得る。
【００５３】
依然としてステップ320の文脈内で、脛骨膝中心と、脛骨の大部分の内側および外側点とを含む脛骨ランドマーク点は、ポイントプローブの先端との触診によって収集され得る。加えて、脛骨回転基準が決定される。次に、隙間のバランス化の目的のために、関節の伸展および屈曲における最大内反および外反を含む運動範囲データが収集される。
【００５４】
ステップ325において、(実行されている特定の処置がステップ310における再挿入を可能にすると想定すると)既存のインプラントが再び除去され、ステップ330において、次いで、たとえば、ポイントプローブの先端またはドリルの先端で残りの骨の全体をブラッシングまたは掻き取ることによって、大腿骨および脛骨の残りの骨表面上で多数の点が収集される。このいわゆる「自由収集」は、実際には、残りの骨の大きい部分のトレースまたは「ペインティング」であり、制御システム210などのコンピュータ化された計画システムにおいて骨表面の3次元モデルまたは表面マップを作成するために使用される。残りの骨の作成された3Dモデルは、次いで、処置と必要なインプラントサイズを計画するための基礎として使用される。典型的には、ランドマーク点は、開始ボリューム(初期3Dモデル)を作成するために使用され、開始ボリュームは、次いで、この自由収集ステップ中に残りの骨の実際のサイズを表すように削られる。代替の実施形態では、赤外線ポインタがハンドピースに組み込まれてもよく、骨上の赤外光の位置がシステムによって記録されてもよく、既存の骨の3Dモデルが同様に作成され得る。
【００５５】
特定の例では、システムは、関節の容積(ボクセル化)モデルを作成するために、ステップ320において収集されたランドマークおよび他の情報を使用する。仮想3Dモデルは、追跡アレイ120、および追跡アレイ155を介するポイントプローブ追跡(外科手術器具150)などの追跡データを介して実際の骨構造と整列される。その後、ステップ330における表面データの収集中に、容積仮想3Dモデルは、目標の骨の実際の表面と一致するように再整形される。ランドマークおよび他の患者固有の情報から生成された3Dモデルを反復的に再整形するこのプロセスは、計画プロセス全体にわたって使用され得る実際の目標の骨の非常に正確な3Dモデルをもたらす。3Dモデルを実質的に再整形することは、手術中の画像化よりも速くかつ正確に、また手術中のCTまたは同様の走査技術に伴うロジスティックな困難なしに、最終結果を提供する。
【００５６】
ステップ335によれば、大腿骨インプラントおよび脛骨インプラントのサイズおよび位置が、次いで、システム200においてモデル上に確立される。オプションで、大腿骨と脛骨との間の隙間のバランス化が、次いで、ステップ340において計画される。本明細書で使用される場合、隙間をバランス化することは、靭帯および軟部組織が、処置後の膝の安定性および適切な運動範囲を支援するために適切に張られていることを確認することを指す。実施形態では、バランス化は、膝が屈曲しているときには大腿骨構成要素を回転させることによって達成される。伸展時には、膝は、靭帯を開放または間引くことによってバランス化されるが、靭帯が解放される場合、再測定する必要がある。
【００５７】
理想的なインプラントのサイズおよび位置が選択されると、システム200は、オプションで評価のための断面図を提供することができ、大腿骨または脛骨の補綴オーグメントの潜在的な使用が、ステップ345において評価および計画され得る。たとえば、以前のインプラントの後ろにある病的な骨が除去される必要があるときなど、既存の骨とインプラントの後ろ側との間に隙間が存在する場合、その隙間をなくすためにオーグメントが使用され、その結果、オーグメントを収容するために切断計画が変更される。
【００５８】
大腿骨および脛骨のチェックポイントは、次いで、意図されたところで切断が行われることを保証するために検証される。最後に、350によれば、前述の計画ステップで得られた骨改良計画が、自由収集ステップの結果として作成された残りの骨の表現の上に表示される。この情報は、次いで、手術室内のモニタ130上で外科医に対して表示される。次いで、ステップ355において、骨切除が実行され、ステップ360において、骨が骨改良計画に従って完全に準備されると、インプラントが挿入される。
【００５９】
図4は、例示的な実施形態による、修正インプラント処置における目標の骨の切除のための仮想3Dモデルを作成するための方法400を示すフローチャートである。この例では、方法400は、410におけるポイントプローブの較正、420におけるランドマークを収集すること、430における3Dモデルを作成すること、440におけるオプションで3Dモデルを整列させること、450における表面データを収集すること、460における3Dモデルを再整形すること、および470におけるオプションで修正計画を生成することなどの動作を含む。方法400は、上記で論じた様々な動作を含むものとして図4に示されているが、他の例では、動作は異なる順序であってもよく、または、同様の方法が、より少ないもしくはより多い動作を含んでもよい。
【００６０】
410において、方法400は、オプションで外科手術器具150の較正で開始することができる。較正は、追跡システムによって追跡される3次元座標系内で外科手術器具150の作業端を位置合わせし、追跡システム140が外科手術器具150を正確に位置決めできるようにすることを伴う。較正は、ポイントプローブまたは切断バーなどの外科手術器具の作業端を、追跡システムの座標空間内の既知の座標を有する物体に触れさせることによって行われ得る。
【００６１】
420において、方法400は、制御システム210がランドマークと、目標の骨の他の予め定義されたパラメータとを収集することで続く。この例では、外科手術器具150は、追跡システム140が位置データを制御システム210に送る間に、ランドマークに触れるために使用され得る。430において、方法400は、計画モジュール212内などの制御システム210を継続し、目標の骨の目標インプラント領域の初期3Dモデルを作成する。一例では、3Dモデルは、新しいインプラントを受け入れることを意図する目標の骨の少なくとも一部のボクセル化モデルである。3Dモデルは、統計モデルのデータベースからサイズおよび形状を選択するためにランドマークと他の予め定義されたパラメータとを使用して、統計的骨モデルから生成され得る。他の例では、3Dモデルは、CTスキャンなどの手術前の医用撮像スキャンから生成され得る。いくつかの例では、ランドマークおよび他の予め定義されたパラメータは、他の入力なしで出発点としての基本3Dモデルを生成するために使用される。
【００６２】
440において、方法400は、制御システム210が初期3Dモデルを目標の骨に整列させることで続く。方法400は、450において、制御システム210が目標の骨から表面データを収集することで続く。表面データは、追跡システム140が外科手術器具150の位置を監視する間、追跡システム140から制御システム210によって受信される。表面データは、とりわけ、ポイントプローブアタッチメント、切断バー、バーガード、または平板プローブアタッチメントなどの、外科手術器具150上の様々なアタッチメントを使用して収集され得る。表面データの収集は、欠陥のあるまたは摩耗した補綴が除去された後、および、任意の追加の望ましくない骨が除去された後に実行される。特定の例では、表面点の収集は、目標の骨表面の対話型アニメーション(イラスト)の表示を通して導かれてもよく、これは、目標の骨表面上のまだ収集される必要がある場所を示す技法であり得る。色分けまたは同様の技法が、過去の点収集位置および必要な点収集位置を示すために使用され得る。
【００６３】
460において、方法400は、制御システム210が受信した目標の骨の表面データに基づいて再整形された3Dモデルを生成することで続く。再整形された3Dモデルは、目標の骨の実際の表面輪郭の正確な仮想表現になり、これは、修正インプラントのサイズおよび位置の正確な計画を可能にする。再整形された3Dモデルの生成は、表面データが追跡システム140から受信されると制御システム210が3Dモデルを更新する反復的なプロセスであり得る。再整形された3Dモデルの、反復的な生成および表示デバイス130などにおける表示は、外科医が、修正処置の計画部分の間に、目標の骨の表面がどれくらい良好に取り込まれたのかを判断することを可能にする。
【００６４】
470において、方法400は、制御システム210が再整形された3Dモデルに基づいて修正計画を生成することで終了することができる。修正計画の生成は、外科医からのインプラント選択および位置決め入力を受信することを含むことができる。いくつかの例では、システムは、再整形された3Dモデルの解析に基づいて、初期のインプラントサイズおよび位置を示唆することができる。インプラントのサイズおよび位置が決定されると、再整形された3Dモデルは、修正インプラントの適合を最適化するためにオーグメントが含まれる必要があるかどうかを決定するために、さらに解析され得る。ボクセル化3Dモデルは、外科医が適合を評価するために3Dモデルの層間をすばやく移動することを可能にする効率的な表示および仮想操作を可能にする。最後に、制御システム210は、再生インプラントと任意の選択されたオーグメントとに最もよく適合するように目標の骨を再整形するための切断または切除計画を生成することができる。
【００６５】
一実施形態では、本方法は、大腿骨構成要素と脛骨構成要素の両方を含む複数の前から存在する補綴を有する膝関節全置換患者に対する修正処置の実行に利用される。
【００６６】
特許法に従って、本発明の現在好ましい実施形態および様々な代替の実施形態を上記で詳細に説明してきたが、様々な他の修正態様および代替態様が、本発明の要旨または添付の特許請求の範囲のいずれからも逸脱することなく、当業者には想起されることが理解されるべきである。
【００６７】
図5は、例示的な実施形態による、修正インプラント処置における目標の骨の切除のための3Dモデルを作成するための方法500を示すフローチャートである。方法500は、方法400を参照して論じた動作のうちのいくつかの代替を示す。この例では、方法500は、510におけるオプションでランドマークまたは目標の骨のパラメータを収集すること、520における目標の骨の3Dモデルを生成すること、530における目標の骨からの表面データを受信すること、および540における再整形された3Dモデルを生成することなどの動作を含む。この例では、3Dモデルは、目標の骨のボクセル化された容積ベースの近似である。再整形手法であることから、ボクセル化3Dモデルは、修正処置に関与することになる目標の骨の部分を取り囲むのに十分な大きさの容積であればよい。たとえば、方法500は、大腿骨の遠位端部を取り囲む円筒または同様の3Dポリゴンで開始することができる。図6は、以下に論じる再整形プロセスの2D方式における追加の図を提供する。
【００６８】
510において、方法500は、オプションで、制御システム210が目標の骨の少なくとも基本的な寸法を記述するデータを受信することで開始することができる。いくつかの例では、制御システム210は、目標の骨の表面と接触する追跡される外科手術器具から、ランドマークと他のサイズパラメータまたは形状パラメータを受信することになる。520において、方法500は、制御システム210が目標の骨の初期3Dモデルを生成することで続く。上記で論じたように、初期3Dモデルは、すべての関連する骨表面を取り囲むのに十分なサイズのボクセル化円筒と同じくらい単純なものであり得る。たとえば、遠位大腿骨が修正処置のための目標の骨領域である場合、ボクセル化円筒は、顆と、任意の想定されるインプラントよりも長い遠位端に近接する大腿骨の長さの両方を取り囲むのに十分な大きさにされ得る。図6に2次元で示すように、開始モデル620は、(開始モデル620を再整形されたモデル640と比較して)関連する骨表面を取り囲むだけでよい。
【００６９】
530において、方法500は、制御システム210が外科手術器具150などの追跡される外科手術器具から受信した目標の骨の表面データに基づいて初期3Dモデルにボリュームサブトラクションを実行することで続くことができる。外科手術器具150が目標の骨の表面上を移動するにつれて、追跡システム140からの位置データが、初期3Dモデル内のボクセルを境界ボクセルまたは廃棄ボクセルとして再分類するために使用され、廃棄ボクセルは除去される。いくつかの例では、境界ボクセルは、最終的な再整形された3Dモデルを生成するために平滑化され得るか、または他の方法で操作され得る。540において、方法500は、制御システム210が最終的な再整形3Dモデルを生成することで終了する。いくつかの例では、目標の骨上のすべての表面点が取り込まれたことを外科医が示したときに、最終的な再整形3Dモデルが生成される。他の例では、制御システム210は、受信した表面データ入力から、再整形3Dモデルが使用可能なモデルを生成するのに十分な詳細を含むときにそのことを決定する。たとえば、システムは、連続する表面を形成する十分な数のデータ点を有するとき、または、点間の補間が予め定義されたしきい値未満になったときにそのことを決定することができる。
【００７０】
図6は、例示的な実施形態による、修正処置で使用されるべき3Dモデルを作成するための方法を示す図である。図6は、左側の物理世界図600と、右側のコンピュータモデル図610とに分割される。物理世界図600は、追跡アレイ155を含む外科手術器具150による目標の骨の表面マッピングの一例を示す。コンピュータモデル図610は、開始モデル620から再整形モデル640に移行するためのボリュームサブトラクション方法を示す。いくつかの例では、制御システム210は、コンピュータモデル図610と同様のグラフィカルユーザインターフェースアニメーションを生成する。開始モデル620は、外科手術器具モデル625とともに示されている。物理的対応物(外科手術器具150)が目標の骨から表面データを収集するにつれて、外科手術器具モデル625は、(明確にするために2次元で示されている)ボクセルを「空気」または廃棄ボクセル630に変化させて示されている。再整形モデル640は、廃棄ボクセル635(「空気」とも示される)および骨ボクセル650で示される。
【００７１】
モジュール、構成要素、およびロジック
本明細書に記載の制御システム210および追跡システム140などのコンピュータシステムの特定の実施形態は、ロジック、またはいくつかの構成要素、モジュール、もしくは機構を含んでもよい。モジュールは、ソフトウェアモジュール(たとえば、機械可読媒体上もしくは伝送信号内に具体化されたコード)、またはハードウェアモジュールのいずれかを構成してもよい。ハードウェアモジュールは、特定の動作を実行することができる有形のユニットであり、特定の方式で構成または配置され得る。例示的な実施形態では、1つもしくは複数のコンピュータシステム(たとえば、スタンドアロンのクライアントもしくはサーバコンピュータシステム)、またはコンピュータシステムの1つもしくは複数のハードウェアモジュール(たとえば、プロセッサもしくはプロセッサのグループ)は、本明細書に記載の特定の動作を実行するように動作するハードウェアモジュールとしてソフトウェア(たとえば、アプリケーションまたはアプリケーション部分)によって構成され得る。
【００７２】
様々な実施形態において、ハードウェアモジュールは、機械的または電子的に実装され得る。たとえば、ハードウェアモジュールは、特定の動作を実行するように(たとえば、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)または特定用途向け集積回路(ASIC)などの専用プロセッサとして)恒久的に構成された専用回路またはロジックを備えてもよい。ハードウェアモジュールはまた、特定の動作を実行するようにソフトウェアによって一時的に構成された(たとえば、汎用プロセッサまたは他のプログラム可能プロセッサ内に包含される)プログラム可能ロジックまたは回路を備えてもよい。専用の恒久的に構成された回路において、または(たとえば、ソフトウェアによって構成された)一時的に構成された回路において機械的にハードウェアモジュールを実装する決定は、コストおよび時間の考慮によって決められ得ることが理解されよう。
【００７３】
したがって、「ハードウェアモジュール」という用語は、特定の方式で動作するようにおよび/または本明細書に記載の特定の動作を実行するように物理的に構成された、恒久的に構成された(たとえば、配線された)、または一時的に構成された(たとえば、プログラムされた)エンティティである、有形のエンティティを包含することが理解されるべきである。ハードウェアモジュールが一時的に構成された(たとえば、プログラムされた)実施形態を考慮すると、ハードウェアモジュールの各々は、ある任意の時点で構成またはインスタンス化される必要はない。たとえば、ハードウェアモジュールがソフトウェアを使用して構成される汎用プロセッサを備える場合、汎用プロセッサは、異なる時間にそれぞれ異なるハードウェアモジュールとして構成されてもよい。したがって、ソフトウェアは、たとえば、ある時点で特定のハードウェアモジュールを構成し、異なる時点で異なるハードウェアモジュールを構成するようにプロセッサを構成してもよい。
【００７４】
ハードウェアモジュールは、他のハードウェアモジュールに情報を提供することができ、他のハードウェアモジュールから情報を受信することができる。したがって、説明したハードウェアモジュールは、通信可能に結合されているものとみなされてもよい。複数のそのようなハードウェアモジュールが同時に存在する場合、通信は、ハードウェアモジュールを接続する(たとえば、適切な回路およびバスを介する)信号伝送によって達成されてもよい。複数のハードウェアモジュールが異なる時間に構成またはインスタンス化される実施形態では、そのようなハードウェアモジュール間の通信は、たとえば、複数のハードウェアモジュールがアクセスを有するメモリ構造における情報の記憶および取り出しによって達成されてもよい。たとえば、1つのハードウェアモジュールは、動作を実行し、その動作の出力を、そのハードウェアモジュールが通信可能に結合されたメモリデバイスに記憶してもよい。さらなるハードウェアモジュールは、次いで、後に、記憶された出力を取り出し、処理するために、メモリデバイスにアクセスしてもよい。ハードウェアモジュールはまた、入力デバイスまたは出力デバイスとの通信を開始してもよく、リソース(たとえば、情報の集合)において動作することができる。
【００７５】
本明細書に記載の例示的な方法の様々な動作は、関連する動作を実行するように(たとえば、ソフトウェアによって)一時的に構成されるか、または恒久的に構成された1つまたは複数のプロセッサによって、少なくとも部分的に実行されてもよい。一時的に構成されるかまたは恒久的に構成されるかにかかわらず、そのようなプロセッサは、1つまたは複数の動作または機能を実行するように動作するプロセッサ実装モジュールを構成してもよい。本明細書で言及されるモジュールは、いくつかの例示的な実施形態では、プロセッサ実装モジュールを備えてもよい。
【００７６】
同様に、本明細書に記載の方法は、少なくとも部分的にプロセッサによって実施されてもよい。たとえば、方法の動作のうちの少なくともいくつかは、1つもしくは複数のプロサッサ、またはプロセッサ実装モジュールによって実行されてもよい。特定の動作の実行は、単一の機械内に存在するだけでなく、いくつかの機械に配設された1つまたは複数のプロセッサに分散されてもよい。いくつかの例示的な実施形態では、1つまたは複数のプロセッサは、単一の場所(たとえば、家庭環境内、オフィス環境内、またはサーバファームとして)に配置されてもよいが、他の実施形態では、プロセッサは、いくつかの場所に分散されてもよい。
【００７７】
電子装置およびシステム
例示的な実施形態は、デジタル電子回路において、または、コンピュータハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、もしくはそれらの組合せにおいて実装されてもよい。例示的な実施形態は、コンピュータプログラム製品を使用して、たとえば、データ処理装置、たとえば、プログラム可能なプロセッサ、コンピュータ、または複数のコンピュータの動作によって実行するための、またはその動作を制御するための、情報キャリア内、たとえば、機械可読媒体内に有形で具体化されたコンピュータプログラムを使用して実施されてもよい。外科手術器具150の特定の例示的な実施形態は、外科手術器具150によって実行されるべき実行可能命令を記憶する機械可読媒体を含むことができる。
【００７８】
コンピュータプログラムは、コンパイラ型言語またはインタプリタ型言語を含む任意の形式のプログラミング言語で書かれてもよく、スタンドアロンプログラムとして、または、モジュール、サブルーチン、もしくはコンピューティング環境で使用するのに適した他のユニットとしてを含む、任意の形態で展開され得る。コンピュータプログラムは、1つのサイトにおける1つのコンピュータ上で、または、1つのサイトにおける、もしくは複数のサイトにわたって分散され、通信ネットワークによって相互接続された複数のコンピュータ上で実行されるように展開され得る。
【００７９】
例示的な実施形態では、動作は、入力データに対して動作し、出力を生成することによって機能を実行するためにコンピュータプログラムを実行する1つまたは複数のプログラム可能なプロセッサによって実行されてもよい。方法動作はまた、専用論理回路(たとえば、FPGAまたはASIC)によって実行されてもよく、例示的な実施形態の装置は、専用論理回路(たとえば、FPGAまたはASIC)として実装されてもよい。
【００８０】
コンピューティングシステムは、クライアントとサーバとを含むことができる。クライアントおよびサーバは、一般に、互いから離れており、典型的には、通信ネットワークを介して対話する。クライアントおよびサーバの関係は、それぞれのコンピュータ上で実行され、互いにクライアント-サーバ関係を有するコンピュータプログラムによって生じる。プログラム可能なコンピューティングシステムを展開する実施形態では、ハードウェアアーキテクチャとソフトウェアアーキテクチャの両方が考慮を必要とすることは認識されるであろう。具体的には、特定の機能を、恒久的に構成されたハードウェア(たとえば、ASIC)で実装するか、一時的に構成されたハードウェア(たとえば、ソフトウェアとプログラム可能なプロセッサとの組合せ)で実装するか、または恒久的に構成されたハードウェアと一時的に構成されたハードウェアとの組合せで実装するのかの選択が設計選択であり得ることは認識されるであろう。以下は、様々な例示的な実施形態における、展開され得るハードウェア(たとえば、機械)アーキテクチャとソフトウェアアーキテクチャとを示す。
【００８１】
例示的な機械アーキテクチャおよび機械可読媒体
図7は、コンピュータシステム700の例示的な形態における機械のブロック図であり、コンピュータシステム700内で、本明細書で論じた方法論のうちの任意の1つまたは複数を機械に実行させる命令が実行され得る。代替の実施形態では、機械は、スタンドアロンのデバイスとして動作するか、または他の機械と接続(たとえば、ネットワーク接続)されてもよい。ネットワーク化された展開では、機械は、サーバ-クライアントネットワーク環境内のサーバマシンもしくはクライアントマシンとして、または、ピアツーピア(または分散)ネットワーク環境内のピアマシンとして動作してもよい。機械は、パーソナルコンピュータ(PC)、タブレットPC、または、その機械によってとられるべきアクションを指定する命令(順次または他の方法の)を実行することができる任意の機械であってもよい。さらに、単一のマシンのみが示されているが、「機械」という用語はまた、本明細書で論じた方法論のうちの任意の1つまたは複数を実行するために命令のセット(または複数のセット)を個別にまたは共同して実行する機械の任意の集合を含むものとする。
【００８２】
例示的なコンピュータシステム700は、プロセッサ702(たとえば、中央処理装置(CPU)、グラフィック処理装置(GPU)、または両方)と、メインメモリ704と、スタティックメモリ706とを含み、これらは、バス708を介して互いに通信する。コンピュータシステム700は、ビデオ表示ユニット710(たとえば、液晶ディスプレイ(LCD)または陰極線管(CRT))をさらに含んでもよい。コンピュータシステム700はまた、英数字入力デバイス712(たとえば、キーボード)と、ユーザインターフェース(UI)ナビゲーションデバイス(またはカーソル制御デバイス)714(たとえば、マウス)と、ディスクドライブユニット716と、信号生成デバイス718(たとえば、スピーカ)と、ネットワークインターフェースデバイス720とを含む。
【００８３】
機械可読媒体
ディスクドライブユニット(記憶デバイス)716は、本明細書に記載の方法論または機能のうちの任意の1つまたは複数によって具体化または使用される命令およびデータ構造の1つまたは複数のセット(たとえば、ソフトウェア)724が記憶される機械可読媒体722を含む。命令724はまた、コンピュータシステム700、メインメモリ704、およびプロセッサ702によるその実行中、メインメモリ704、スタティックメモリ706、および/またはプロセッサ702内に、完全に、または少なくとも部分的に存在してもよく、機械可読媒体または記憶デバイスも構成する。
【００８４】
機械可読媒体722は、例示的な実施形態では、単一の媒体であるように示されているが、「機械可読媒体」という用語は、1つまたは複数の命令またはデータ構造を記憶する単一の媒体または複数の媒体(たとえば、集中型もしくは分散型データベース、ならびに/または関連するキャッシュおよびサーバ)を含んでもよい。「機械可読媒体」という用語はまた、機械による実行のための命令を記憶、符号化、もしくは担持することができ、本発明の方法論のうちの任意の1つもしくは複数を機械に実行させるか、またはそのような命令によって使用される、もしくはそのような命令に関連付けられるデータ構造を記憶、符号化、もしくは担持することができる任意の有形の媒体を含むと解釈されるものとする。「機械可読媒体」という用語は、したがって、限定はしないが、固体メモリと、光学媒体および磁気媒体とを含むと解釈されるものとする。機械可読媒体の具体的な例は、例として、半導体メモリデバイス(たとえば、消去可能プログラマブル読出し専用メモリ(EPROM)、電気的消去可能プログラマブル読出し専用メモリ(EEPROM))およびフラッシュメモリデバイスと、内部ハードディスクおよびリムーバブルディスクなどの磁気ディスクと、光磁気ディスクと、CD-ROMおよびDVD-ROMディスクとを含む不揮発性メモリを含む。「機械可読記憶媒体」はまた、とりわけ、レジスタメモリ、プロセッサキャッシュ、およびRAMなどの一時的と解釈される場合があるデバイスを含むものとする。機械可読媒体および機械可読記憶媒体の本明細書で提供される定義は、機械可読媒体がさらに「非一時的」であると特徴付けられる場合であっても適用可能である。たとえば、非一時的機械可読記憶媒体などの「非一時的」の任意の追加は、他のメモリデバイスの中でも、レジスタメモリと、プロセッサキャッシュと、RAMとを包含し続けることを意図している。機械可読記憶媒体またはコンピュータ可読記憶媒体は、ハードドライブまたは物理的コンピュータメモリなどの非一時的物理デバイスであると解釈されるべきであるが、非一時的コンピュータ可読記憶デバイスと示された場合も同様に解釈されてもよい。
【００８５】
伝送媒体
命令724は、さらに、伝送媒体を使用して通信ネットワーク726を介して送信または受信されてもよい。命令724は、ネットワークインターフェースデバイス720といくつかの周知の転送プロトコル(たとえば、HTTP)のうちの任意の1つとを使用して送信されてもよい。通信ネットワークの例は、LANと、WANと、インターネットと、モバイル電話ネットワークと、従来型電話(POTS)ネットワークと、ワイヤレスデータネットワーク(たとえば、WiFiネットワークおよびWiMaxネットワーク)とを含む。「伝送媒体」という用語は、機械による実行のための命令を記憶、符号化、または担持することができる任意の無形媒体を含むと解釈されるものとし、そのようなソフトウェアの通信を容易にするデジタルもしくはアナログ通信信号または他の無形媒体を含む。
【００８６】
したがって、インプラント位置決めデバイスのナビゲーションおよび制御のための方法およびシステムについて説明した。本発明について、特定の例示的な実施形態を参照して説明したが、本発明のより広い要旨および範囲から逸脱することなく、これらの実施形態に対して様々な修正および変更が行われてもよいことは、明らかであろう。したがって、本明細書および図面は、限定的な意味ではなく、例示的な意味で考慮されるべきである。
【００８７】
実施形態について、特定の例示的な実施形態を参照して説明したが、本発明のより広い要旨および範囲から逸脱することなく、これらの実施形態に対して様々な修正および変更が行われてもよいことは、明らかであろう。したがって、本明細書および図面は、限定的な意味ではなく、例示的な意味で考慮されるべきである。本発明の一部を形成する添付図面は、主題が実施され得る特定の実施形態を、実例として、限定としてではなく示す。図示された実施形態は、当業者が本明細書に開示された教示を実施できるように十分に詳細に説明されている。構造的および論理的な置き換えおよび変更が、本開示の範囲から逸脱することなく行われてもよいように、他の実施形態が使用されてもよく、そこから導出されてもよい。この詳細な説明は、したがって、限定的な意味で解釈されるべきではなく、様々な実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲と、そのような特許請求の範囲が権利を与えられる均等物の完全な範囲とによってのみ定義される。
【００８８】
本発明の主題のそのような実施形態は、2つ以上が実際に開示される場合、本出願の範囲を任意の1つの発明または発明的概念に自発的に限定することを意図せず、便宜上単に「発明」という用語によって、個別におよび/または集合的に本明細書で言及される場合がある。したがって、特定の実施形態または例について、本明細書で図示および説明してきたが、同じ目的を達成するために計算された任意の構成が、示された特定の実施形態を置き換えてもよいことが理解されるべきである。本開示は、様々な実施形態の任意のおよびすべての適合または変形をカバーすることを意図している。上記の実施形態の組合せ、および、本明細書に具体的に記載されていない他の実施形態は、上記の説明を検討する当業者には明らかであろう。
【００８９】
本文書で言及されるすべての刊行物、特許、および特許文書は、参照により個々に組み込まれているかのように、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。本文書とそのように参照により組み込まれているこれらの文書との間の矛盾する使用法の場合、組み込まれている参考文献における使用法は、本文書の使用法の補足として考慮されるべきであり、両立しない矛盾については、本文書における使用法が制御する。
【００９０】
本文書では、「a」または「an」という用語は、特許文書において一般的であるように、任意の他の例、または「少なくとも1つ」または「1つまたは複数」の使用法とは無関係に、1つまたは2つ以上を含むように使用される。本文書では、「または」という用語は、特に指示のない限り、「AまたはB」が、「BでなくA」と、「AでなくB」と、「AおよびB」とを含むように、非排他的であるまたは、を指すために使用される。添付の特許請求の範囲では、「含む」および「その中の」という用語は、「備える」および「その中に」というそれぞれの用語の平易な英語の同義語として使用される。また、以下の特許請求の範囲では、「含む」および「備える」という用語は、拡張可能(open-ended)であり、すなわち、請求項においてそのような用語の後に列挙されたものに加えて要素を含むシステム、デバイス、品物、またはプロセスは、依然としてその請求項の範囲内にあるとみなされる。さらに、以下の特許請求の範囲では、「第1の」、「第2の」、「第3の」などの用語は、単に標識として使用され、それらの対象に数値的な要件を課すことを意図しない。
【００９１】
本開示の要約は、本開示の主題の簡単な概要を提供するために、特許請求の範囲の範囲または意味を解釈または限定しないように提供される。加えて、上記の詳細な説明では、様々な特徴が、本開示を合理化する目的で単一の実施形態において集められていることがわかる。この開示の方法は、特許請求された実施形態が各請求項に明示的に列挙されているよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映するものとして解釈されるべきではない。
【符号の説明】
【００９２】
100  システム、外科手術セットアップ
110  切開部
120  患者追跡フレーム、追跡アレイ
130  グラフィカルユーザインターフェース、表示デバイス、モニタ
140  光学追跡システム、追跡システム
150  外科手術切断ツール、外科手術ツール、外科手術器具
155  光学追跡フレーム、追跡アレイ
200  システム
210  制御システム
212  計画モジュール
214  ナビゲーションモジュール
216  制御モジュール
218  通信インターフェース
230  データベース
600  物理世界図
610  コンピュータモデル図
620  開始モデル
625  外科手術器具モデル
630  廃棄ボクセル
635  廃棄ボクセル
640  再整形モデル
650  骨ボクセル
700  コンピュータシステム
702  プロセッサ
704  メインメモリ
706  スタティックメモリ
708  バス
710  ビデオ表示ユニット
712  英数字入力デバイス
714  ユーザインターフェース(UI)ナビゲーションデバイス
716  ディスクドライブユニット
718  信号生成デバイス
720  ネットワークインターフェースデバイス
722  機械可読媒体
724  命令およびデータ構造の1つまたは複数のセット、命令
726  通信ネットワーク
【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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【国際調査報告】
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