(57)【要約】      （修正有） 【課題】医療処置中にオートフォーカスを行うことができるとともに、異なる医療センター間で画像を容易に比較可能な光学撮像システムを提供する。【解決手段】医療処置中にターゲットを撮像するための光学撮像システムであって、システムは、可動ズーム光学系および可動フォーカス光学系を含む光学アセンブリを含む。またシステムは、ズーム光学系およびフォーカス光学系をそれぞれ位置決めするためのズーム作動装置およびフォーカス作動装置を含む。さらにシステムは、受信した制御入力に応じてズーム作動装置およびフォーカス作動装置を独立制御するコントローラと、光学アセンブリからターゲットの画像を捕捉するためのカメラを含む。【選択図】図１０
0003220165.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
医療処置中にターゲットを撮像するための光学撮像システムであって、
可動ズーム光学系および可動フォーカス光学系を含む光学アセンブリと、
ズーム光学系を位置決めするためのズーム作動装置と、
フォーカス光学系を位置決めするためのフォーカス作動装置と、
受信した制御入力に応答してズーム作動装置およびフォーカス作動装置を制御するコントローラと、
光学アセンブリからターゲットの画像を捕捉するためのカメラと、
を含むシステムであって、
ズーム光学系およびフォーカス光学系は、それぞれ、ズーム作動装置およびフォーカス作動装置を使用するコントローラによって独立移動可能であり、
光学撮像システムは、ターゲットからの最小作動距離、作動距離は光学アセンブリのアパーチャとターゲットの間として規定される、で動作するように構成される。
【請求項２】
請求項１記載の光学撮像システムであって、可動支持構造上に搭載可能に構成される光学撮像システム。
【請求項３】
請求項２記載の光学撮像システムであって、光学撮像システムを可動支持構造上に取り外し可能に搭載可能にする支持コネクタを備える光学撮像システム。
【請求項４】
請求項２または３記載の光学撮像システムであって、ロボットアーム、手動操作された支持アーム、または可動支持フレームのいずれかである可動支持構造。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、作動されると、光学撮像システムが手動で位置決めされることを可能にする手動解放ボタンを備える。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、単一のハウジング内に収容される光学アセンブリ、ズーム作動装置、フォーカス作動装置、およびカメラ。
【請求項７】
請求項６記載の光学撮像システムであって、ハウジング内に収容されるコントローラ。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、コントローラと通信するプロセッサによって提供されるユーザインタフェースを介して、受信される制御入力に応答するコントローラ。
【請求項９】
請求項１ないし７のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、コントローラと通信する入力システムを介して、受信される制御入力に応答するコントローラ。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、ターゲットの3D情報を撮影するための3次元（3D）カメラを含む。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、ズーム光学系またはフォーカス光学系のうちの少なくとも一つを移動させるための少なくとも一つのリニアステージ機構を備える。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、電源への電源または電源コネクタを備える。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、光源を備える。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、ナビゲーションシステムによって光学撮像システムの位置および向きを追跡するための追跡可能なマーカの配列を含む。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、約15cm~約75cmの範囲である作動距離。
【請求項１６】
請求項１ないし１5のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、フォーカス作動装置を制御してオートフォーカスを実行するように構成されているコントローラ。
【請求項１７】
請求項１６記載の光学撮像システムであって、作動距離を決定する工程と、作動距離に基づいてフォーカス制御光学系の所望位置を決定する工程と、作動装置を制御してフォーカス光学系を所望位置に配置することによりオートフォーカスを実行する工程と、で構成されるコントローラ。
【請求項１８】
請求項１７に記載の光学撮像システムであって、ターゲットに対して光学系アセンブリの位置に関するナビゲーションシステムからの情報を受信する工程を含む作動距離を決定する工程。
【請求項１９】
請求項１７に記載の光学撮像システムであって、ターゲットに対して位置決めシステムの位置に関する測位システムからの情報を受信する工程と、位置決めシステムに対して光学系アセンブの既知の位置を使用して作業距離を計算する工程と、を含む作動距離を決定する工程。
【請求項２０】
請求項１７に記載の光学撮像システムであって、光学アセンブリのアパーチャと、既知の位置および向きを有する医療器具に対して定義されたフォーカスポイントとしたターゲットとの間の距離として決定される作動距離。
【請求項２１】
請求項１７に記載の光学撮像システムであって、医療器具の位置および向きに関するナビゲーションシステムからの情報を受信することを含む作動距離を決定する工程。
【請求項２２】
請求項１ないし２１のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、カメラによって撮影された画像データがメモリに記憶される工程を備えるコントローラに結合されたメモリ。
【請求項２３】
請求項１ないし２２のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、データは光学撮像システムから無線送信される工程を含む無線トランシーバ。
【請求項２４】
請求項１ないし２３のいずれか一項に記載の光学撮像システムを制御するためのプロセッサであって、
i)ズーム作動装置およびフォーカス作動装置制御するために、プロセッサに結合された入力装置を介して、制御入力を受信するユーザインタフェースを提供する工程と、
ii)制御入力に応じてズームおよびフォーカスを調整するために、光学撮像システムのコントローラに制御命令を送信する工程と、
iii)カメラに接続された出力装置に出力するためにカメラから画像データを受け取る工程と、で構成されたプロセッサ。
【請求項２５】
請求項２４記載の、光学撮像システムが対象の3次元情報を捕捉するための3次元（3D）カメラを含むプロセッサであって、
i)3D情報を使用して、ターゲットの3D画像を生成する工程と、
ii)ターゲットの3D画像がターゲットのリアルタイム画像上に重ねられた出力装置に出力するための拡張現実画像を生成する工程と、
で構成されたプロセッサ。
【請求項２６】
医療処置中の光学撮像のためのシステムであって、
i) 請求項１から２３のいずれか１項に記載の光学撮像システムと、
ii) 光学撮像システムを位置決めるための位置決めシステムと、そして、
iii) ターゲットに対する光学撮像システムおよび位置決めシステムのそれぞれを追跡するためのナビゲーションシステムと、
を含むシステム。
【請求項２７】
請求項２６記載のシステムであって、ナビゲーションシステムによって追跡される医療機器を含むのであって、医療機器に対して定義された焦点にオートフォーカスを実行するように構成される光学撮像システム。
【請求項２８】
医療処置中に、電動式フォーカス光学系およびフォーカス光学系を位置決めるためのコントローラを含む光学撮像システムを使用するオートフォーカス方法であって、
i)ターゲットと光学撮像システムのアパーチャとの間の作動距離を決定する工程と、
ii)作動距離に基づいてフォーカス光学系の所望の位置を決定する工程と、 
iii)フォーカス光学系を所望の位置に位置決める工程と、
で構成される。
【請求項２９】
請求項２８記載の方法であって、
i)光学撮像システムの位置および向きに関する情報を受信する工程と、
ii)受信された情報を用いて撮像対象に対する作動距離を決定する工程と、で構成される。
【請求項３０】
請求項２９記載の方法であって、外部ナビゲーションシステムから受信される光学撮像システムの位置および向きに関する情報。
【請求項３１】
請求項２８記載の光学撮像システムが位置決めシステムに取り付けられた内の方法であって、
i)測位システムの位置および向きに関する情報を受信する工程と、
ii)位置決めシステムに対する光学撮像システムの既知の位置および向きを使用して光学撮像システムの位置および向きを決定する工程と、
iii)光学的結像システムの決定された位置および向きを使用して作動距離を決定する工程と、
で構成される方法。
【請求項３２】
請求項３０に記載の方法であって、外部ナビゲーションシステムから受信される位置決めシステムの位置および向きに関する情報。
【請求項３３】
請求項２８ないし３２のいずれかに記載の、撮像対象が医療器具対して定義されたフォーカスポイントの内の方法 であって、
医療機器の位置および向きに関する情報を受信する工程と、
医療器具の位置および向きに基づいて焦点の位置を決定する工程と、 
決定された焦点の位置を使用して作動距離を決定する工程と、
で構成される。
【請求項３４】
請求３３に記載の方法であって、外部ナビゲーションシステムから受信される医療器具の位置および向きに関する情報。
【請求項３５】
請求項３３または３４記載の方法であって、
光学撮像システムの現視野内に焦点を有する医療機器が存在しないと決定する工程と、 
焦点以外の他の撮像対象に対してオートフォーカスを行う工程と、
で構成される。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、画像ナビゲーション医療処置における使用に適したのを含む光学画像形成システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
外科用顕微鏡は、手術部位の詳細または拡大図を提供するために、外科手術中にしばしば使用される。場合によっては、異なるズーム範囲の画像視野を得るために、同一の外科処置内で別個の狭視野および広視野スコープを使用し得る。
【０００３】
しばしば、そのような外科用顕微鏡のズームおよび焦点の調整は、顕微鏡の光学系をユーザ（例えば、外科医）が特に外科手術中に困難で時間がかかり、不満を感じる可能性がある手動で調整することを必要とする。
【０００４】
同様に、画像捕捉カメラおよび光源は、外科手術用顕微鏡とは別個の機器であるため、所定の外科用顕微鏡で使用される特定のカメラおよび光源は、異なる医療センターで相異なる、さらに同医療センターの異なる医療処置にて相異なる事がある。これにより、得られた画像に不一致が生じ、異なる医療センター間で画像を比較することが困難または不可能になり得る。 
【考案の概要】
【０００５】
本開示のいくつかの例では、医療処置中に標的を撮像するための光学撮像システムを提供する。このシステムは、可動ズーム光学系および可動フォーカス光学系を含む光学アセンブリと、ズーム光学系を位置決めるためのズーム作動装置と、フォーカス光学系を位置決めるためのフォーカス作動装置と、受信した制御入力に応答してズーム作動装置およびフォーカス作動装置を制御するコントローラと、光学アセンブリからターゲットの画像を撮影するためのカメラと、を備えるのであって、ズーム光学系およびフォーカス光学系は、それぞれ、ズーム作動装置およびフォーカス作動装置を使用するコントローラによって独立移動可能であり、そして光学撮像システムはターゲットからの最小作動距離、作動距離は光学アセンブリのアパーチャとターゲットとの間として規定される、で動作するように構成される。
【０００６】
本開示のいくつかの例では、本明細書で開示される光学結像システムを制御するためのプロセッサを提供する。このプロセッサは、プロセッサに結合された入力装置を介してズーム作動装置およびフォーカス作動装置を制御するための制御入力を受け取るユーザインタフェースを提供する工程と、制御入力に応じてズームおよびフォーカスを調整するために光学撮像システムのコントローラに制御命令を送信する工程と、カメラに接続された出力装置に出力するためにカメラから画像データを受け取る工程と、で構成される。
【０００７】
本開示のいくつかの例では、医療処置中の光学撮像のためのシステムを提供する。このシステムは、本明細書に開示される光学結像システムと、光学撮像システムを位置決めするための位置決めシステムと、ターゲットに対する光学撮像システムおよび位置決めシステムのそれぞれを追跡するためのナビゲーションシステムと、を含む。
【０００８】
本開示のいくつかの例では、医療処置中に、電動フォーカス光学系およびフォーカス光学系を位置決めするコントローラを含む、撮像システムを使用するオートフォーカスの方法を提供する。この方法は、結像ターゲットと光学撮像システムのアパーチャとの間の作動距離を決定する工程と、作動距離に基づいてフォーカス光学系の所望位置を決定する工程と、フォーカス光学系を所望位置に位置決める工程と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
ここで、例として、本出願の例示的な実施形態を示す添付の図面を参照する。そして、それらは：
【００１０】
【図１】例示的な医療処置中に内部脳組織へのアクセスを提供するための、アクセスポートの人間の脳への挿入を示す図である、
【００１１】
【図２Ａ】画像誘導手術を補助する例示的なナビゲーションシステムを示す図である、
【００１２】
【図２Ｂ】例示的なナビゲーションシステムのシステム構成要素を示す図である、
【００１３】
【図３】図２Aおよび図２Bの例示的なナビゲーションシステムであって、使用され得る例示的な制御および処理システムを示すブロック図である、
【００１４】
【図４Ａ】図２Aおよび図２Bの例示的なナビゲーションシステムを使用して実施することができる外科処置に含まれる例示的な方法を示すフローチャートである、
【００１５】
【図４Ｂ】図４Aに概説された外科処置のために患者を登録する例示的な方法を示すフローチャートである、
【００１６】
【図５】医療処置中の例示的な光学撮像システムの使用を示す図である、
【００１７】
【図６】例示的な光学撮像システムのブロック図である、
【００１８】
【図７】
【図８】例示的な光学撮像システムの異なる斜視図である、
【００１９】
【図９】例示的な光学撮像システムを用いた、オートフォーカスの例示的な方法を示すフローチャートである、
【００２０】
【図１０】例示的な光学撮像システムを用いた、医療機器に対してオートフォーカスの例示的な方法を示すフローチャートである、そして、
【００２１】
【図１１】例示的な光学撮像システムを用いた、医療器具に対してオートフォーカスの例示的な方法を示す図である。
【００２２】
類似の構成要素を示すために、異なる図面であって類似の参照番号を使用している場合がある。
【実施例の説明】
【００２３】
本明細書に記載のシステムおよび方法は、腫瘍学的ケア、神経変性疾患、脳卒中、脳外傷および整形外科手術を含む神経外科の分野で有用であり得る。本開示の教示は、医学の他の条件または分野に適用可能であり得る。なお、本発明は、脳神経外科の文脈における例を記載しているが、本開示は、術中光学撮像に使用できる他の外科的処置に適用可能であることに留意すべきである。
【００２４】
以下、種々の装置例または処理例について説明する。以下に記載される例示的な実施形態は、任意の請求される実施形態を限定しなく、任意の請求される実施形態は、以下に記載される実施形態と異なるプロセスまたは装置をカバーし得る。本発明の実施形態は、以下に説明するいずれか1つの装置またはプロセスのすべての特徴を有する装置またはプロセスに限定されず、以下に説明する複数のまたはすべてのプロセスまたはプロセスに共通の特徴に限定されない。以下に説明される装置またはプロセスは、請求される実施形態の一部ではない可能性がある。  
【００２５】
さらに、本開示の完全な理解を提供するために、多くの具体的な詳細が記載されている。しかしながら、当業者には、本明細書に記載された実施形態は、これらの特定の詳細なしで実施され得ることが理解される。他の例では、周知の方法、手順、および構成要素は、本明細書に記載された実施形態を不明瞭にしないように、詳細には記載されていない。
【００２６】
本明細書で使用される場合、用語「含む」は、包括的かつオープンエンドであり、排他的ではないと解釈される。具体的には、本明細書および特許請求の範囲で使用される場合、用語「含む」およびそれらの変形は、指定された特徴、工程、または構成要素が含まれることを意味する。これらの用語は、他の特徴、工程、または構成要素の存在を排除するものと解釈されるべきではない。
【００２７】
本明細書で使用される場合、「例示的な」または「例」という用語は、「例、事例または図解の役割を果たす」ことを意味し、本明細書に開示される他の構成より好ましいまたは有利であると解釈されない。
【００２８】
本明細書で使用される場合、用語「約」、「およそ」および「実質的に」は、特性、パラメータおよび寸法の変化などの値の範囲の上限および下限に存在し得る変形を包含することを意味する。 1つの非限定的な例において、「約」、「およそ」および「実質的に」という用語は、プラスまたはマイナス10パーセント以下を意味すると理解され得る。
【００２９】
他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての技術用語および科学用語は、当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有することが意図される。本明細書中で使用されるように、文脈を介してのように他に示されない限り、以下の用語は以下の意味を有することを意図する：
【００３０】
本明細書で使用される場合、「アクセスポート」という語句は、内部組織、器官、または他の生物学的物質へのアクセスを提供するために、カニューレ、導管、シース、ポート、チューブ、または対象に挿入可能な他の構造を指す。いくつかの実施形態では、アクセスポートは、例えば、その遠位端の開口部または開口部を介して、および/またはその長さに沿った中間位置の開口部または開口部を介して、内部組織を直接露出させ得る。
他の実施形態では、アクセスポートは、電磁波および音響波などの1つまたは複数の形態のエネルギーまたは放射に透明または部分的に透明な1つまたは複数の表面を介して間接的にアクセスすることができる。
【００３１】
本明細書で使用される場合、「術中」という語句は、医療処置の少なくとも一部の間に起こるか、または実行されるアクション、プロセス、方法、事象または工程を指す。本明細書で定義される術中術は、外科的処置に限定されず、診断および治療処置などの他のタイプの医療処置を指し得る。
【００３２】
本開示のいくつかの実施形態は、アクセスポートを介して実行される低侵襲医療処置に関連し、アクセスポートを通る内部組織へのアクセスに基づいて、手術、診断イメージング、療法、または他の医療処置（例えば、低侵襲医療処置）が実行される。
【００３３】
ポートベースの手術の例では、外科医またはロボット外科システムは、残存する腫瘍が最小限に抑えられ、脳の無傷の白および灰白質への外傷を最小にする腫瘍切除を伴う外科的処置を行うことができる。そのような処置では、例えば、アクセスポートとの接触、脳の物質へのストレス、外科装置による意図しない衝撃、および/または健康な組織の偶発的切除のために、外傷が起こり得る。
外傷を最小限に抑えるための鍵は、医療処置中に過度の時間を費やさずにツール、スコープおよび/またはカメラを再配置することなく、手術を行っている外科医が手術部位の最良の可能な視野を確保することである。
【００３４】
図１は、医療処置中に内部脳組織へのアクセスを提供するために、アクセスポートを人間の脳に挿入することを示す図である。図１にて、アクセスポート１２が人間の脳１０に挿入され、内部の脳組織へのアクセスを提供するアクセスポート１２は、カテーテル、外科用プローブ、またはNICOBrainPath?のような円筒形ポートの器具を含む。
その後必要に応じて腫瘍を切除するなどの外科的、診断的または治療的処置を行うために、アクセスポート１２の内腔内に外科用器具および器具を挿入し得る。ポートベースの手術の例では、まっすぐなまたは線形なアクセスポート１２は、典型的には、脳の脈路を通って案内される。外科用器具は、その後アクセスポート１２の下方に垂下される。
【００３５】
本開示は、アクセスポートを使用しない医療処置だけでなく、身体の他の部分で行われる他の医療処置である、カテーテル、DBS針、生検処置、および生検および/またはカテーテルにも同様に適用される。本開示の様々な例は、光学撮像システムを使用し得る任意の医療処置における使用に一般に適切であり得る。
【００３６】
図２Aにて、例示的なナビゲーションシステム環境200が示されており、ナビゲートされた画像ナビゲーション手術を補助するために使用し得る。図２に示すように、外科医２０１は、手術室（OR）環境内で患者２０２に対して手術を行う。医療ナビゲーションシステム２０５は、手術中に外科医２０１を補助するために、機器タワー、追跡システム、ディスプレイおよび追跡された器具を含むことができる。医療ナビゲーションシステム２０５を操作し、制御し、また支援を提供するために、操作者２０３が存在し得る。
【００３７】
図２Bは、実施例の医療用ナビゲーションシステム２０５をより詳細に示す図面である。開示された光学撮像システムは、医療用ナビゲーションシステム２０５との関連で使用し得る。医療用ナビゲーションシステム２０５は、一つ以上の映像を表示するディスプレイ２０６、２１１と、機器塔２０７と、および光学系撮像システム５００（これは光学スコープを含むことができる）を補助し得る機械的なアームのような位置決めシステム２０８とを含み得る。
1つ以上のディスプレイ２０６，２１１は、タッチ入力を受信するためのタッチセンシティブディスプレイを含むことができる。機器タワー２０７は、フレーム（例えば、ラックまたはカート）に取り付けられてもよく、そして、位置決めソフトウェア２０８を管理するための計画ソフトウェア、ナビゲーションソフトウェアおよび/または他のソフトウェアを実行し得る電源およびコンピュータまたはコントローラを含み得るナビゲーションシステム205によって追跡される複数の器具を含む。
いくつかの例では、機器タワー２０７は、デュアルディスプレイ２０６，２１１で動作する単一のタワー構成される事があるが、他の構成（例えば、デュアルタワー、シングルディスプレイなど）も存在し得る。さらに、機器タワー２０７は、通常のACアダプタ電源に加えて、緊急電力を供給するためのユニバーサル電源（UPS）で構成し得る。
【００３８】
患者の解剖学的構造の一部は、ホルダーによって適所に保持し得る。例えば、図示されているように、患者の頭部および頭部は、ヘッドホルダー２１７によって適所に保持し得る。アクセスポート１２および関連する導入部２１０は、頭部内の手術部位へのアクセスを提供するために、頭部内に挿入され得る。
撮像システム５００は、アクセスポート１２の下の視認増強を可能にするために十分な倍率でアクセスポート１２の下を表示するために使用し得る。撮像システム５００の出力は、視覚ディスプレイ（例えば、1つの以上のディスプレイ２０６，２１１）上に示すことができる表示を生成するために、1つまたは複数のコンピュータまたはコントローラによって受信され得る。
【００３９】
いくつかの例では、ナビゲーションシステム２０５は、追跡されたポインタ２２２を含み得る。追跡カメラ２１３による追跡を可能にするためのマーカ２１２を含み得る追跡されたポインタ２２２は、患者の部分（例えば、基準点）を識別するために使用され得る。オペレータ、典型的には看護師または外科医２０１は、ナビゲーションシステム２０５における患者２０２上の選択された部分の位置を登録するために、患者２０２上の部分の位置を特定するために追跡されたポインター２２２を使用し得る。
閉ループ制御を有するナビゲーションロボットシステムは、人間の相互作用のプロキシとして使用され得ることに注意されたい。ロボットシステムへのナビゲーションは、画像分析、様々な関心対象物上に配置されたマーカを使用して手術室内の対象物の追跡、または任意の他の適切なロボットシステムナビゲーション技術などの入力源の、任意の組み合わせによって提供され得る。
【００４０】
基準マーカ２１２は、ナビゲーションシステム２０５からの導入器２１０の位置情報を提供することができる追跡カメラ２１３による追跡のために、導入器２１０に接続し得る。いくつかの例では、基準マーカ２１２は、代替的にまたは追加的にアクセスポート１２に取り付けられ得る。いくつかの例では、追跡カメラ２１３は、Northern Digital Imaging（NDI）によって作成されたものと同様の3D赤外線光追跡ステレオカメラであり得る。いくつかの例では、追跡カメラ２１３は、追跡すべき器具上に位置する1つ以上の受信コイルを使用することができるフィールドトランスミッタとして、代わりに、電磁システム（図示せず）であり得る。
電磁界の既知のプロファイルおよび受信コイルの相対の既知の位置は受信コイルのそれぞれに誘起される信号およびその位相を使用して追跡器具の位置を推測するために使用し得る。この技術の操作と例は、「イメージ指向介入技術と応用」の第2章に記載されている、Peters、T。Cleary、K。、2008、ISBN：978-0-387-72856-7、参照により本明細書に組み込まれる。
位置決めシステム２０８の位置データおよび/またはアクセスポート１２は、位置決めシステム２０８、アクセスポート１２、導入器２１０、追跡されたポインタ２２２および/または他の追跡された器具、のいずれかの上に置かれた、またはそれらと固定された関係（例えば、剛性接続）にある基準マーカ２１２の検出により、追跡カメラ２１３によって決定し得る。基準マーカ２１２は、アクティブまたはパッシブマーカであり得る。ディスプレイ２０６，２１１は、ナビゲーションシステム２０５の計算されたデータの出力を提供し得る。いくつかの例では、ディスプレイ２０６、２１１によって提供される出力は、マルチビュー出力の一部としての患者の解剖学的構造の軸方向、矢状および冠状のビューを含み得る。
【００４１】
アクティブまたはパッシブ基準マーカ２１２は、追跡カメラ２１３およびナビゲーションシステムを使用して、器具の位置および向きを決定するためにを、追跡される器具（例えば、アクセスポート１２および/または撮像システム５００）上に配置され得る。マーカ２１２は、追跡システムのステレオカメラによって捕捉されて、器具を追跡するための識別可能な点を与え得る。追跡された器具は、追跡システムに対する剛体を定義し得るマーカ２１２群によって定義され得る。これは、次に、仮想空間内の追跡された器具の3次元での位置および/または方向を決定するために使用され得る。
3Dにおける追跡された器具の位置および向きは、６つの自由度（例えばx、y、z座標およびピッチ、ヨー、ロール回転）、５つの自由度（例えば、x、y、zと少なくとも2つの自由回転）、しかしながら好ましくは少なくとも3つの自由度（例えば、少なくともx、y、z座標で工具の先端の位置を追跡する）で追跡され得る。ナビゲーションシステムの典型的な使用では、少なくとも３つのマーカ２１２が追跡された器具上に設けられて、仮想空間内に器具を定義するが、４つ以上のマーカ２１２を使用することが有利であることが知られている。
【００４２】
マーカ２１２を捕捉するカメラ画像は、例えば閉回路テレビジョン（CCTV）カメラによって記録され、追跡され得る。マーカ２１２は、撮影された画像のセグメンテーションを可能にするか、または助けるように選択され得る。例えば、赤外線（IR）反射マーカおよびカメラの方向からのIR光源を使用することができる。そのような装置の例は、ノーザン・デジタル社製のPolarisRシステムのような追跡器具であり得る。いくつかの実施例では、追跡器具の空間的な位置と向き、および/または、位置決めシステム２０８の実際と所望の位置と向きなどは、カメラを用いた光学的検出によって決定し得る。光学的検出は、マーカ２１２を光学的に見えるようにする光学カメラを用いて行い得る。
【００４３】
いくつかの例では、マーカ２１２（例えば、反射球）は、手術室内の追跡器具の空間的な位置決めを決定するために、適切な追跡システムと組み合わせて使用し得る。異なる構成のマーカ２１２のセットに関して、異なる器具および/またはターゲットを提供し得る。
異なる器具および/またはターゲットおよびそれらの対応する仮想ボリュームの区別は、異なるセットのマーカ２１２のお互い対しての仕様構成および/または向きに基づいて可能であり、そのような器具および/またはターゲットのそれぞれが、ナビゲーションシステム２０５内の個々のアイデンティティを有することを可能にする。個々の識別子は、システム内の器具のサイズおよび/または形状に関する情報など、システムに情報を提供し得る。
識別子は、他の情報の内、器具の中心点または器具の中心軸のような追加情報を提供し得る。仮想器具はさらに、ナビゲーションシステム２０５に格納されたまたは提供された、器具のデータベースから決定可能であり得る。マーカ２１２は、患者２０２のように、手術室における基準点または基準物体に対して追跡し得る 。
【００４４】
様々な種類のマーカを使用し得る。マーカ２１２は、すべて同じタイプであっても、また2つ以上の異なるタイプの組み合わせを含み得る。可能なタイプのマーカには、反射マーカ、高周波（RF）マーカ、電磁（EM）マーカ、パルスまたは非パルス発光ダイオード（LED）マーカ、接着反射性、または固有な反射性構造またはパターンのガラスマーカ、などがあり得る。RFマーカとEMマーカには、添付されている特定の器具に特定の署名が付いている場合があり得る。
接着反射性、構造またはパターン、のガラスマーカおよびLEDマーカは、光検出器を用いて検出可能であり、RFおよびEMマーカはアンテナを用いて検出可能である。異なる動作条件に適合するように異なるマーカタイプを選択し得る。例えば、EMおよびRFマーカを使用することにより、追跡カメラからマーカ２１２への視線を必要とせずに器具を追跡することができ、光学追跡システムを使用すると、電気放射および検出システムからの追加ノイズを回避し得る。
【００４５】
いくつかの例では、マーカ２１２は、広視野カメラ（図示せず）および/または撮像システム５００などの補助カメラによる検出のために使用され得る印刷されたまたは3D設計を含み得る。印刷されたマーカは、例えば光検出器に距離情報（例えば、3D距離情報）を提供するために、較正パターンとして使用し得る。印刷された識別マーカは、他の設計の内でも、異なるリング間隔および/または異なるタイプのバーコードを有する同心円のようなデザインを含み得る。いくつかの例では、マーカ２１２を使用することに加えて、またはその代わりに、既知の物体（例えば、アクセスポート２０６の側面）の輪郭を、光学撮像装置および追跡システムを用いて捕捉し識別し得る。
【００４６】
アクセスポート１２を保持するためのガイドクランプ２１８（または、より一般的にはガイドとよぶ）を設け得る。ガイドクランプ２１８は、外科医の手を解放しながら、アクセスポート２０６を固定位置および向きに保持することを可能にし得る。多関節アーム２１９は、ガイドクランプ２１８を保持するために設け得る。多関節アーム２１９は、ガイドクランプ２１８を位置決めするために最大6つの自由度を有し得る。多関節アーム２１９は、所望の位置が達成されると、位置および向きが固定され得る。多関節アーム２１９は、患者の頭部ホルダー217または他の適切な部分（例えば、外科用ベッド上のような別の患者支持部上）に基づく部分に取り付けられる、または取り付け可能であり、所定の位置にロックされると、クランプ218は患者の頭部に対して動かない。
【００４７】
外科手術室内（または劇場）では、ナビゲーションシステムのセットアップは比較的複雑であり得る。外科的処置およびナビゲーションシステム２０５の要素に関連する多くの機器部品が存在し得る。さらに、セットアップ時間は、通常より多くの機器が追加されるにつれて増加する。これに対処するのを補助するために、ナビゲーションシステム２０５は、ビデオオーバーレイ情報を可能にするために２つ追加の広視野カメラを含み得る。 
そして、ビデオオーバーレイ情報は、一つ以上のディスプレイ２０６，２１１に表示された画像のように、画像表示へ挿入し得る。オーバレイ情報は、物理的な空間を示し得るのであって、3D追跡システムの精度（典型的には、ナビゲーションの一部である）は、位置決めシステム２０８および/または撮像システム２０８、より細かい運動範囲、または利用可能な運動範囲を示すことができ、および/または頭部および/または患者の位置決めをナビゲーションするのを助けることができる。
【００４８】
ナビゲーションシステム２０５は、より関連性の高い情報を外科医に提供するのを補助することができる神経外科医に器具を提供することができ、ポートベースの神経外科手術の性能および正確性を改善するのを補助し得る。ナビゲーションシステム２０５は、ポートベースの脳神経外科（例えば、脳腫瘍の除去および/または頭蓋内出血（ICH）の治療）の文脈で本開示に記載されているのであるが、とりわけ、脳生検、（脳または他の場所における）カテーテル/シャント配置、オープン開頭手術、および/または鼻内/頭蓋骨ベース/耳鼻咽喉（ENT）、のうちの1つ以上にも適している。同じナビゲーションシステム２０５を使用して、これらの手順のいずれかまたはすべてを、適宜、変更を加えて、または変更せずに実施し得る。
【００４９】
例えば、本開示は脳神経外科の文脈にてナビゲーションシステム２０５について議論し得るが、同ナビゲーションシステム２０５を使用して、脳生検などの診断手順を実行し得る。脳生検は、脳組織のサンプルを除去する目的で、薄い針を患者の脳に挿入することを含み得る。続いて、例えば、癌組織であるかどうかを決定するために、病理学者によって脳組織を評価し得る。脳生検処置は、定位フレームの有無にかかわらず行い得る。両種類の手順は、画像ナビゲーションを使用して実行し得る。特に、フレームレス生検は、ナビゲーションシステム２０５を使用して実施することができる。
【００５０】
いくつかの例では、追跡カメラ２１３は、任意の適切な追跡システムの一部であり得る。いくつかの例では、追跡カメラ２１３（および追跡カメラ２１３を使用する任意の関連する追跡システム）は、カメラ使用の追跡技術を使用してもしなくてもよい任意の適切な追跡システムと置き換え得る。例えば、無線周波数追跡システムのような追跡カメラ２１３を使用しない追跡システムを、ナビゲーションシステム２０５と共に使用し得る。
【００５１】
図３は、図２Bに示す（例えば、機器塔２０７の一部として）医療ナビゲーションシステム２０５に使用され得るように、制御および処理システム３００を示すブロック図である。図3に示すように、一例では、制御および処理システム３００は、1つまたは複数のプロセッサ３０２、メモリ３０４、システムバス３０６、1つまたは複数の入力/出力インターフェイス３０８、通信インターフェイス３１０、および記憶装置３４２を含み得る
制御と処理システム３００は、追跡システム３２１、データ記憶装置３４２、および外部ユーザ入力および出力器具３４４のような他の外部装置、例えば１つまたは複数の、ディスプレイ、キーボード、マウス、医療機器に取り付けられたセンサー、フットペダル、マイクとスピーカーなどを含み得る、とインターフェースし得る。データ記憶装置３４２は、データベースが格納された現地または遠隔のコンピューティング装置（例えば、コンピュータ、ハードドライブ、デジタルメディア装置、またはサーバ）などの任意の適切なデータ記憶装置であり得る。
図3に示す一例のように、データ記憶装置３４２は、１つ以上の医療機器３６０を識別する識別データ３５０と、カスタマイズされた構成パラメータを1つ以上の医療機器３６０と関連付ける構成データ３５２と、を含む。データ記憶装置３４２は、また、術前画像データ３５４および/または医療処置計画データ３５６を含み得る。データ記憶装置３４２は、図３では単一の装置として示されているが、他の実施形態では、データ記憶装置３４２が複数の記憶装置として提供され得る事が理解される。
【００５２】
医療機器３６０は、制御および処理ユニット３００によって識別可能であり得る。医療機器３６０は、制御および処理ユニット３００に接続および制御され得る、あるいは、医療機器３６０は、制御および処理ユニット３００とは独立して操作され得る。追跡システム３２１は、1つまたは複数の医療機器360を追跡し、1つまたは複数の追跡された医療機器を手術中の基準フレームに空間的に位置合わせするために使用され得る。例えば、医療器具３６０は、追跡カメラ２１３によって認識可能な追跡球などの追跡マーカを含み得る。一例では、追跡カメラ２１３は、赤外線（IR）追跡カメラであり得る。別の例では、医療器具３６０の上に置かれたシースは、制御および処理ユニット３００に接続され、また、制御され得る。
【００５３】
制御および処理ユニット３００は、複数の構成可能器具とインターフェースし得る、また、術中構成データ３５２から取得した構成パラメータに基づいて、1つまたは複数のそのような器具を再構成し得る。図３に示すように、器具３２０の例は、1つまたは複数の外部撮像装置３２２、1つまたは複数の照明装置３２４と、位置決めシステム２０８、追跡カメラ２１３、1つまたは複数の投影装置３２８、および1つまたは複数のディスプレイ２０６，２１１を含む。
【００５４】
本開示の例示的な態様は、プロセッサ３０２および/またはメモリ３０４を介して実装することができる。例えば、本明細書で説明される機能は、プロセッサ３０２のハードウェアロジックを介して部分的に実装され、メモリ３０４に格納された命令を部分的に1つまたは複数の処理モジュールまたはエンジン３７０として使用し得る。例示的な処理モジュールは、以下に限定されないが、ユーザ・インターフェース・エンジン３７２、追跡モジュール３７４、モータコントローラ３７６、画像処理エンジン３７８、画像登録エンジン３８０、プラニングエンジン３８２、ナビゲーションエンジン３８４、および状況分析モジュール３８６、を含む。
例示的な処理モジュールは図３に別個に示されているが、いくつかの例では処理モジュール３７０は、メモリ３０４内に格納することができ、処理モジュール３７０は処理モジュール３７０として総称され得る。いくつかの例では、二つ以上のモジュール３７０は、機能を実行するために一緒に使用し得る。モジュール３７０は、別個のモジュール３７０として示されているが、別個の命令セットよりもむしろ統一されたコンピュータ可読命令セット（例えば、メモリ３０４に格納される）として実施され得る。
【００５５】
このシステムは、図3に示す構成要素に限定されることを意図していないことを理解される。制御および処理システム３００の1つまたは複数の構成要素は、外部成要素または器具として提供され得る。一例では、ナビゲーションモジュール３８４は、制御および処理システム３００と一体化された外部ナビゲーションシステムとして提供され得る。
【００５６】
いくつかの実施形態は、メモリ３０４に格納された追加の命令なしにプロセッサ３０２を使用して実装され得る。いくつかの実施形態は、1つまたは複数の汎用マイクロプロセッサによる実行のためにメモリ３０４に格納された命令を使用して実装し得る。したがって、本開示は、ハードウェアおよび/またはソフトウェアの特定の構成に限定されない。
【００５７】
いくつかの例では、制御および処理ユニット３００を含み得るナビゲーションシステム２０５は、医療処置および/または手術後の結果の改善を補助する器具を外科医に提供し得る。ナビゲーションシステム２０５は、脳腫瘍および頭蓋内出血（ICH）の除去に加えて、脳生検、機能/深部脳刺激、カテーテル/シャント配置手順、開放開頭手術、鼻内/頭骨ベース/ ENT、脊椎手術、および乳房生検、肝生検などの身体の他の部分にも適用され得る。いくつかの例が提供されているが、本開示の例は、任意の適切な医療処置に適用され得る。
【００５８】
図４Aは、図２Aおよび図２Bに関連して説明した医療ナビゲーションシステム２０５のようなナビゲーションシステムを使用してポートベースの外科手術手順を実行する例示的な方法４００を示すフローチャートである。図２Aおよび２B。第1のブロック４０２において、ポートベースの手術計画がインポートされる。
【００５９】
計画は、ブロック４０２でナビゲーションシステムにインポートされた後、患者は、身体保持機構を用いて所定の位置に固定される。頭部位置はまた、一例では、装置タワー２０７の一部を形成するコンピュータまたはコントローラによって実施され得るナビゲーションシステム内の患者計画によって確認される（ブロック４０４）。  
【００６０】
次に、患者の登録は（ブロック４０６）が開始される。「登録」または「画像登録」という語句は、異なるデータセットを1つの座標系に変換する過程を指す。データには、複数の写真、異なるセンサのデータ、時間、深度、または視点が含み得る。「登録」の過程は、異なる撮像モダリティからの画像が共に登録される医用撮像のための本出願で使用される。登録は、これらの異なるモダリティから得られたデータを比較または統合するために使用る。
【００６１】
当業者であれば、利用可能な多数の登録技術が存在し、１つ以上の技術が本実施例に適用され得ることを理解される。非限定的な例には、相関メトリックを介して画像内の強度パターンを比較する強度ベースの方法が含まれ、特徴ベースの方法は、点、線、および輪郭などの画像特徴間の対応を見つける。
画像登録方法は、目標画像空間を基準画像空間に関連付けるために使用する変換モデルに従って分類し得る。単一モダリティ法とマルチモダリティ法との間で別の分類を行うことができる。単一モダリティ方式は、通常、同じスキャナまたはセンサタイプによって取得された同じモダリティで画像を登録する、例えば、一連の磁気共鳴（MR）画像を同時登録することができる、同時に、マルチモダリティ方式は異なるスキャナまたはセンサの種類によって検出した画像、（例えば、磁気共鳴撮像（MRI）および陽電子放射断層撮影（PET））、を登録するのである。
本開示では、被験者の画像が異なるスキャナから得られることが多いため、頭部および/または脳の医用撮像にマルチモダリティ登録方法を使用することができる。例としては、腫瘍局所化のための脳コンピュータ断層撮影（CT）/ MRI画像またはPET / CT画像の登録、非造影CT画像に対する造影CT画像の登録、および超音波およびCTの登録が挙げられる。
【００６２】
図４Bは、図４Aに概説された登録ブロック406に含まれる例示的な方法を示すフローチャートである。基準接触点（４４０）の使用が考えられる場合、この方法はまず画像上の基準点を特定し（ブロック４４２）、その後、追跡された計測器でタッチ点に触れる（ブロック４４４）。次に、ナビゲーションシステムは、基準マーカに対する登録を計算する（ブロック４４６）。
【００６３】
或いは、登録は、（ブロック４５０）表面スキャン手順を実施することによって完成し得る。ブロック４５０は、別のアプローチを示すために提示されているが、典型的には基準ポインタを使用するときには使用されない。まず、3Dスキャナを使用して顔を走査する（ブロック４５０）。次に、顔面がMR / CTデータから抽出される（ブロック４５４）。最後に、表面を整合させて位置合わせデータ点を決定する（ブロック４５６）。
【００６４】
基準接触点（４４０）または表面走査（４５０）手順のいずれかが完了すると、抽出されたデータが計算され、図４Aに示すブロック４０８で登録を確認するために使用される。
【００６５】
再び図４Aを参照すると、登録が確認されると（ブロック４０８）、患者はドレープされる（ブロック４１０）。典型的には、ドレープは、患者および周囲の領域を滅菌バリアで覆い、外科手術中に滅菌野を作り、維持することを含む。ドレープの目的は、非滅菌領域と滅菌領域との間の微生物（例えば、細菌）の通過を排除することである。この時点で、従来のナビゲーションシステムでは、非滅菌患者基準点が、同一の幾何学的位置および向きの滅菌患者基準点で置き換えられることが必要である。
【００６６】
ドレープが完了すると（ブロック４１０）、患者係合点が確認され（ブロック４１２）、その後、開頭手術が準備され、計画される（ブロック４１４）。
【００６７】
開頭手術の準備と計画が完了すると（ブロック４１４）、開頭され、一時的脳にアクセスするために骨フラップを頭蓋から除去される（ブロック４１６）。登録データはこの時点でナビゲーションシステムによって更新される（ブロック４２２）。
【００６８】
次に、開頭内係合および動作範囲が確認される（ブロック４１８）。次に、過程は、係合ポイントで硬膜を切断し、脳溝を識別する工程に進む（ブロック４２０）。
【００６９】
その後、カニューレ挿入プロセスが開始される（ブロック４２４）。カニューレ挿入は、典型的には、軌道計画に沿って、４２４で識別された脈路に沿って、脳内にポートを挿入することを含む。カニューレ挿入は、典型的には、完全な軌道計画が実行されるまで（ブロック４２４）、関与時にポートを整列させ、計画軌道を設定し（ブロック４３２）、ターゲット深度にカニューレ挿入する（ブロック４３４）工程を繰り返す反復プロセスである。
【００７０】
カニューレ挿入が完了すると、外科医は、次に、関心の脳および/または腫瘍の一部を除去する切除（ブロック４２６）を行います。次いで、外科医は、ポートおよび任意の追跡機器を脳から取り除くことによってカニューレ抜去する（ブロック４２８）。最後に、外科医は硬膜を閉鎖し、開頭手術を完了する（ブロック４３０）。図４Aのいくつかの態様は、ブロック４２８，４３０、および４３４の部分のようなポートベースの手術に特有であるが、これらのブロックの適切な部分は、非ポートベースの手術を行うときにスキップされるかまたは適切に修正され得る。
【００７１】
医療ナビゲーションシステム２０５を使用して外科的処置を行う場合、図４Aおよび図４Bに示すように、医療ナビゲーションシステム２０５は、使用中の器具ならびに患者を三次元（3D）空間内での位置の基準を取得および維持し得る。言い換えれば、ナビゲートされた脳神経外科手術中に、（例えば、患者の頭蓋骨に対して）固定された追跡された基準フレームが存在し得る。
ナビゲートされた神経外科手術の登録フェーズ（例えば、図４Aおよび図４Bに示される工程４０６）中に、術前MRIまたはCT画像の基準フレームを手術の物理的空間、具体的には患者の頭、に参照フレームをマッピングする変換が計算される。これは、静的患者基準フレームに対して、患者の頭に固定された基準マーカーの位置を追跡するナビゲーションシステム２０５によって達成されてもよい。患者参照フレームは、通常、メイフィールド（Mayfield）クランプのような頭部固定装置にしっかりと取り付けられている。登録は、通常、滅菌フィールドが確立される前に実行される（例えば、図４Aに示す工程４１０）。
【００７２】
図５は、以下でさらに説明する例示的な撮像システム５００の医療処置における使用を示す。なお、図５は、ナビゲーションシステム環境２００（例えば上述のナビゲーションシステムを使用する）の脈絡で使用される撮像システム５００を示しているが、撮像システム５００は、ナビゲーションシステム環境の外で（例えば、ナビゲーション補助なしで）使用し得る。
【００７３】
オペレータ、一般的に外科医２０１、は手術部位を観察するために、撮像システム５００を使用し得る（例えば、アクセスポートの下を見る）。撮像システム５００は、位置決めシステム２０８（例えば、制御および調整可能なロボットアーム）に取り付けられ得る。位置決めシステム２０８、撮像システム５００および/またはアクセスポートの位置および向きは、ナビゲーションシステム２０５について説明したような追跡システムを使用して追跡し得る。撮像システム５００（より具体的には、撮像システム５００のアパーチャ）と観察対象（例えば、手術部位の表面）との間の距離は、作動距離と呼び得る。撮像システム５００は、（例えば、約１５cmから約７５cmの範囲で）作動距離の所定の範囲で使用されるように設計し得る。撮像システム５００が位置決めシステム２０８に取り付けられている場合、作動距離の実際の利用可能な範囲は、撮像システム５００の作動距離と、作業スペースおよび位置決めシステムの運動学と、の両方に依存することに留意されたい。
【００７４】
図６は、例示的な撮像システム５００の構成要素を示すブロック図である。撮像システム５００は、光学アセンブリ５０５（光学トレインとも呼ばれる）を含む得る。光学アセンブリ５０５は、視聴対象に合焦させたり、ズームしたりする光学系（例えば、レンズ、光ファイバ、など）を含み得る。光学アセンブリ５０５は、（1つ以上のズームレンズを含む）ズーム光学５１０と（1つ以上のフォーカスレンズを含み得る）フォーカス光学系５１５とを含み得る。ズーム光学系５１０およびフォーカス光学系５１５のそれぞれは、ズームおよび焦点をそれぞれ調整するために、光学アセンブリ内で独立移動可能である。ズーム光学系５１０および/またはフォーカス光学系５１５が複数のレンズを含む場合、各個別レンズは独立移動可能であり得る。光学アセンブリ５０５は、調節可能なアパーチャ（図示せず）を含み得る。
【００７５】
撮像システム５００は、ズーム光学系５１０およびフォーカス光学系５１５をそれぞれ位置決めする、ズーム作動装置５２０およびフォーカス作動装置５２５を含み得る。ズーム作動装置５２０および/またはフォーカス作動装置５２５は、電動モータ、または例えば空気圧作動装置、油圧作動装置、形状変化材料（例えば圧電材料または他のスマート材料）またはエンジンを含む他のタイプの作動装置、であり得る。本開示では用語「電動化」が使用されるが、この用語の使用はモータの使用に本開示を限定するものではなく、モータを含む全ての適切な作動装置をカバーすることを意図するものである。
ズーム作動装置５２０およびフォーカス作動装置５２５は、光学アセンブリ５０５の外部に示されているが、いくつかの例では、ズーム作動装置５２０およびフォーカス作動装置５２５は、光学アセンブリ５０５の一部であっても、一体化し得る。ズーム作動装置５２０およびフォーカス作動装置５２５は、それぞれ、ズーム光学系５１０およびフォーカス光学系５１５の位置決めを制御するために独立動作し得る。ズーム光学系５１０および/または焦点光学５１５のレンズは、それぞれ、ズーム光学系５１０および/またはフォーカス光学系５１５の位置決めを制御するために、ズーム作動装置５２０および/またはフォーカス作動装置５２５によってそれぞれ移動されるリニアガイド（例えば、リニアガイドおよび作動装置またはコンベヤベルト機構などのコンベアシステムを含み得る、単一の軸で動くようにオブジェクトを制限するモーションシステム）の上に取り付けられ得る。
いくつかの例では、ズーム光学系５１０は、ベルト駆動装置を介してズーム作動装置５２０によって駆動される線形ステージ上に取り付けられ得る、同時にフォーカス光学系5１５はフォーカス作動装置５２５にギア駆動される。ズーム作動装置５２０および焦点作動装置５２５は、ズームおよび焦点を独立して調整することを可能し得る。したがって、画像に焦点が合っているとき、フォーカス光学系５１５をさらに調整する必要なしに、ズームを調整して焦点画像を生成することができる
【００７６】
ズーム作動装置５２０およびフォーカス作動装置５２５の動作は、撮像システム５００のコントローラ５３０（例えば、マイクロプロセッサ）によって制御され得る。コントローラ５３０は、（例えば、外部プロセッサまたは入力装置のような外部システムから）制御入力を受信し得る。制御入力は、所望のズームおよび/または焦点を示すことができ、コントローラ５３０は、それに応じて、ズーム作動装置５２０および/またはフォーカス作動装置５２５が、ズーム光学系５１０および/またはフォーカス光学系５１５を移動させて、所望のズームおよび/または焦点に達成する。いくつかの例では、ズーム作動装置５２０および/またはフォーカス作動装置５２５を使用せずに、ズーム光学系５１０および/またはフォーカス光学系５１５を移動または作動させ得る。例えば、フォーカス光学系５１５は、コントローラ５３０によって直接制御され得る電気的に調整可能なレンズまた他の変形可能な材料を使用し得る。
【００７７】
撮像システム５００は、コントローラ５３０、ズーム作動装置５２０およびフォーカス作動装置５２５をすべて撮像システム５００の一部として提供することによって、オペレータ（例えば、外科医）が、医療処置中にズームおよび/またはフォーカス光学系５１０，５１５を手動調整する必要なしに、ズームおよび/またはフォーカスを制御することを可能にし得る。例えば、オペレータは、助手が外部入力装置（例えば、ワークステーションによって提供されるユーザインタフェース）に制御入力を入力するように、フットペダルを使用して、または他のそのような手段によって、制御装置５３０に口頭で制御入力（例えば、音声認識入力システムを介して）を提供することができる。いくつかの例では、コントローラ５３０は、医療処置中にさらなる制御入力を必要とすることなく、ズームおよび/または焦点を予め設定された値（例えば、オートフォーカスを実行する）に維持するための予め設定された命令を実行し得る。
【００７８】
コントローラ５３０と通信する外部プロセッサ（例えば、ワークステーションまたはナビゲーションシステムのプロセッサ）を使用して、コントローラ５３０に制御入力を提供し得る。例えば、外部プロセッサは、オペレータまたはアシスタントが撮像システム５００のズームおよび/または焦点を制御するための命令を入力する画像ユーザインタフェースを提供し得る。コントローラ530は、代替的にまたは付加的に、外部入力システム（例えば、音声認識入力システムまたはフットペダル）と通信し得る。
【００７９】
光学アセンブリ５０５は、また、1つまたは複数の静的または動的な補助光学系５４０、（例えば、調整可能なアペーチャ）を含み得る。補助光学系５４０が動的である場合、補助光学系５４０は、コントローラ５３０によって制御され得る補助作動装置（図示せず）を使用して移動され得る。
【００８０】
撮像システム５００は、光学アセンブリからの画像データを撮影するカメラ５３５（例えば、高精細（HD）カメラ）を含み得る。カメラの動作は、コントローラ５３０によって制御され得る。カメラ５３５は、撮影された画像データを見るために外部システム（例えば、外部ワークステーションまたは外部出力装置）にデータを出力し得る。いくつかの例では、カメラ５３５はデータをコントローラ５３０に出力し、そしてコントローラ５３０は、データを観察するために外部システムに送信し得る。観察のために外部システムに画像データを提供することによって、取り込まれた画像をより大きなディスプレイ上で見ることができ、医療処置に関連する他の情報（例えば、手術部位の広視野図、ナビゲーションマーカ、 3D画像など）、と共に表示し得る。撮像システム５００をカメラ５３５に提供することは、異なる医療センター間の画像品質の一貫性を改善するのに役立ち得る。
【００８１】
カメラ５３５によって撮像された画像データは、手術部位の広視野ビューと共にディスプレイ上、例えば、マルチビューユーザーインターフェース、に表示し得る。カメラ５３５によって捕捉された手術部位の部分は、手術部位の広視野で視覚的に示され得る。
【００８２】
撮像システム５００は、３次元（３D）スキャナ５４５、または視聴対象の３D情報を得るための３Dカメラ、を含み得る。３Dスキャナ５４５からの３D情報は、カメラ５３５によって取り込まれ得る、または、３Dスキャナ５４５自体によって取り込まれ得る。3Dスキャナ５４５の動作は、コントローラ５３０によって制御され得る、そして、３Dスキャナ５４５は、コントローラ５３０にデータを送信し得る。いくつかの例では、３Dスキャナ５４５自体が、外部システム（例えば、外部ワークステーション）へデータを送信し得る。３Dスキャナ５４５からの３D情報を使用して、観察対象の３D画像（例えば、切除されるべき標的腫瘍の３D画像）を生成し得る。３D情報は、外部システムによって提供される拡張現実感（AR）ディスプレイであっても有用であり得る。例えば、ナビゲーションシステムからの情報を使用して３D画像を光学画像と位置合わせするARディスプレイ（例えば、AR眼鏡を介して提供される）は、リアルタイム光学画像（例えば、光学画像カメラ535によって撮影される）上にターゲット標本の３D画像を重ね合わせ得る。
【００８３】
コントローラ５３０は、メモリ５５０に結合され得る。メモリ５５０は、撮像システム５５０の内部または外部にあり得る。コントローラ５３０によって受信されたデータ（例えば、カメラ５３５からの画像データおよび/または3Dスキャナからの3Dデータ）は、メモリ５５０に記憶され得る。メモリ５５０は、コントローラがズーム作動装置520およびフォーカス作動装置５２５を動作させることを可能にするための命令を含み得る。例えば、以下に説明するように、、メモリ５５０は、コントローラがオートフォーカスを実行することを可能にする命令を記憶し得る。
【００８４】
撮像システム５００は、有線または無線通信を介して外部システム（例えば、ナビゲーションシステムまたはワークステーション）と通信し得る。いくつかの例では、撮像システム５００は、無線通信を可能にする無線トランシーバ（図示せず）を含み得る。
【００８５】
いくつかの例では、撮像システム５００は、電源（例えば、バッテリ）または電源へのコネクタ（例えば、ACアダプタ）を含み得る。いくつかの例では、撮像システム５００は、外部システム（例えば、外部のワークステーションまたはプロセッサ）への接続を介して電力を受け取り得る。
【００８６】
いくつかの例では、撮像システム５００は、光源含み得る（図示せず）。いくつかの例では、光源は、それ自体が光を生成するのではなく、むしろ別の光生成構成要素から光をもたらし得る。例えば、光源は、結像システム５００の一部であっても、また、結像システム５００の外部にあってもよい、別の光発生構成要素に接続された光ファイバケーブルの出力であり得る。光源は、光を観察対象に向けるために、光学アセンブリのアペーチャの近くに取り付けられ得る。撮像システム５００を光源に提供することは、異なる医療センター間のイメージ品質の一貫性を向上させるのに役立ち得る。いくつかの例では、光源の電力または出力は、撮像システム５００によって（例えば、コントローラ５３０によって）制御され得る、または、撮像システム５００の外部のシステムによって（例えば、ナビゲーションシステムのプロセッサのような、外部のワークステーションまたはプロセッサによって）制御され得る
【００８７】
いくつかの例では、光学アセンブリ５０５、ズーム作動装置５２０、フォーカス作動装置５２５とカメラ５３５は全て、撮像システムの単一のハウジング内（図示せず）に収容され得る。いくつかの例では、コントローラ５３０、メモリ５５０、3Dスキャナ５４５、無線送受信機、電源、および/または光源は、同様に、ハウジング内に収容され得る。
【００８８】
いくつかの例では、撮像システム５００は、従来のシステムに同様な、ズームおよび/またはフォーカス光学系５１０、５１５の手動調整を提供し得る。このような手動調整は、ズームおよびフォーカスの電動調整に加えて可能にし得る。いくつかの例では、そのような手動調節は、ユーザインターフェース上の「手動モード」のユーザ選択に応答して可能され得る。
【００８９】
撮像システム５００は、ナビゲーションシステムの位置決めシステム（例えば、ロボットアーム）、手動操作支持アーム、天井取り付け支持体、可動フレーム、または他のそのような支持構造のような可動支持構造に搭載可能である。撮像システム５００は、可動支持構造体に取り外し可能に取り付けられ得る。いくつかの例では、撮像システム５００は、撮像システム５００が支持構造体に迅速かつ容易に取り付けまたは取り外されることを可能にする支持コネクタ（例えば、機械的結合）を含み得る。撮像システム５００上の支持コネクタは、（例えば、典型的なエンドエフェクタ用に設計されたように）支持構造上の典型的な相補型コネクタと接続するのに適しているように構成され得る。いくつかの例では、撮像システム５００は、他のエンドエフェクタと共に支持構造に取り付けられてもよく、または別のエンドエフェクタを介して支持構造に取り付けられてもよい
【００９０】
装着された場合、撮像システム５００は、（例えば、実装後の撮像系500の位置および向きを較正することによって）支持構造に対して既知の固定位置および姿勢の相対であり得る。このように、（例えば、ナビゲーションシステムを使用するか、または既知の開始点から支持構造体の動きを追跡することによって）支持構造の位置および向きを決定することによって、撮像システム５００の位置および向きを決定し得る。いくつかの例では、撮像システム５００は、作動されると、（例えば、支持構造によるソフトウェア制御なしに）撮像システム５００を手動で位置決めすることを可能にする手動解放ボタンを含み得る。
【００９１】
撮像システム５００がナビゲーションシステム環境で使用されることが意図されているいくつかの例では、撮像システム５００は、ナビゲーションシステムで撮像システム５００の位置および向きを追跡することを可能にするために、撮像システム５００上のフレームに取り付けられた追跡可能なマーカアレイを含み得る。撮像システム５００が搭載される可動支持構造（例えば、ナビゲーションシステムの位置決めシステム）は、代替的にまたは追加的に、ナビゲーションシステムによって追跡されてもよく、そして、撮像システム５００の位置および向きは、既知の移動可能な支持構造に対する撮像システム500の位置および向きを参照して、決定し得る。
【００９２】
追跡可能なマーカは、受動反射追跡球、アクティブ赤外線（IR）マーカ、活性発光ダイオード（LED）、グラフィックパターン、またはそれらの組み合わせを含み得る。位置および方向の追跡を可能にするために、フレームに少なくとも3つの追跡可能なマーカが設けられ得る。いくつかの例では、フレームに結合された4つの受動反射追跡球体があり得る。追跡可能なマーカのタイプおよび個数のいくつかの特定の例が示されているが、任意の適切な追跡可能なマーカおよび構成を適宜使用し得る。
【００９３】
観察対象に対する撮像システム５００の位置および向きの決定は、撮像システム５００の外部のプロセッサ（例えば、ナビゲーションシステムのプロセッサ）によって実行され得る。撮像システム５００の位置および向きに関する情報は、ロボット位置決めシステムと共に、撮像システム５００の観察対象への位置合わせを維持するために（例えば、ポートベースの手術中にアクセスポートを見下ろすために）、医療処置全体を通して使用され得る。
【００９４】
例えば、ナビゲーションシステムは、位置決めシステムおよび/または撮像システム５００の位置および向きを集合的または独立して追跡し得る。
ナビゲーションシステムは、この情報およびアクセスポートの追跡を使用して、位置決めシステムの所望のジョイント位置を決定して、撮像システム５００の照準を観察対象と維持するように、適切な位置および向きに操縦する（例えば、イメージングシステム５００の長手軸とアクセスポートとは整列している）。
この照準は、明示的な制御入力を必要とせずに、医療処置全体を通して自動的に維持され得る。いくつかの例では、オペレータは、（例えば、手動解除ボタンの作動後に）位置決めシステムおよび/または撮像システム５００を手動で動かすことができる。
このような手動移動の間、ナビゲーションシステムは、位置決めシステムおよび/または撮像システム５００の位置および向きを追跡し続け得る。手動移動が完了した後、ナビゲーションシステムは、（例えば、ユーザ入力に応じて手動操作が完了したことを示すフットペダルを使用し）、位置決めシステムおよび撮像システム５００を再配置して方向を変えて、アクセスポートとの位置合わせを取り戻す。
【００９５】
コントローラ５３０は、オートフォーカスを行うために、撮像システム５００の位置および向きの情報を使用し得る。例えば、コントローラ５３０は、撮像システム５００と観察対象との間の作動距離を決定し、したがって、（例えば、適切な方程式を使用してフォーカス光学系５１５の適切な位置決めを計算して、フォーカス画像を達成するように）フォーカス光学系515の所望の位置決めを決定し、そして、焦点に画像をもたらすために作動装置５２５によってフォーカス光学系５１５を移動する。例えば、視聴対象の位置は、ナビゲーションシステムによって決定され得る。
【００９６】
作動距離は、撮像システム５００の位置および向きおよび/または観察に対する位置決めシステムについての情報（例えば、ナビゲーションシステムから、位置決めシステムまたは他の外部システムから受信された情報）を使用して、コントローラ５３０によって決定され得る。いくつかの例では、作動距離は、撮像システム５００の遠位端の近くに取り付けられた赤外線光（図示せず）を使用してコントローラ530によって決定されて得る。
【００９７】
いくつかの例では、コントローラ５３０は、イメージングシステム５００の位置および向きに関する情報なしにオートフォーカスを行い得る。例えば、コントローラ530は、各焦点位置で画像データを取り込むための、フォーカス光学系５１５を焦点位置の範囲に移動するため、フォーカス作動装置５２５を制御し得る。
次に、コントローラ５３０は、取り込まれた画像に対して画像処理を行って、どの焦点位置が最も鮮明な画像を有するかを判定し、この焦点位置を焦点光学系５１５の所望の位置に決定する。次に、コントローラ５３０は、フォーカス光学系515を所望の位置に移動させるために、フォーカス作動装置５２５を制御し得る。手持ちカメラに適したものなどの他のオートフォーカスルーチンは、コントローラ５３０によって適宜実施され得る。
【００９８】
いくつかの例では、視聴ターゲットは、外科医によって（例えば、ワークステーションによって提供されるユーザインターフェースを使用して、タッチセンシティブディスプレイ上の所望のターゲットに触れることによって、外科医の凝視が集中している、および/または音声コマンドによって）動的に定義され得る、そして、イメージングシステム５００は、画定された視聴ターゲットに画像を動的に合焦させるために、オートフォーカスを行いえる。これにより、外科医は、視野を変更することなく、撮像システム500の焦点を手動で調整する必要なしに、視野内の異なる点に画像を合焦させることができる。
【００９９】
いくつかの例では、撮像システム５００は、医療処置において使用する器具に対してオートフォーカスを実行するように構成され得る。その一例を図１１に示す。
例えば、追跡されたポインタ２２２のような医療器具の位置および向きが決定されて、コントローラ５３０は、撮像された画像を医療機器に対して定義されたポイントに焦点合わせするためにオートフォーカスを実行し得る。
図１１内に示すいくつかの例では、追跡されたポインタ２２２は、ポインタ２２２の遠位先端に定義された焦点ポイントを有し得る。追跡されたポインタ２２２が移動すると、光学撮像システム５００と定義された焦点ポイント（追跡されたポインタ２２２の遠位先端）が変化する（例えば、左画像のD1から右画像のD2へ）。
オートフォーカスは、上述のものと同様に実行されてもよいが、手術野内の観察対象に対するオートフォーカスの代わりに、撮像システム５００は、医療器具に対して定義された焦点に焦点を合わせ得る。この医療器具は、以下に説明するように、外科手術分野で使用されて、外科手術領域内の異なる点に自動焦点を合わせるように画像システム５００を誘導し得る。
これにより、外科医は、視野を変更することなく、手動で画像化の焦点を調整する必要なしに、視野内の焦点を変更し得る（例えば、視野の中心以外の点に焦点を合わせる）。視野が異なる深さの対象物を含む場合、外科医は、撮像システム５００に、オートフォーカスのために望ましい対象物および/または深さを示すために医療器具（例えば、ポインタ）を使用し得る。
【０１００】
例えば、コントローラ５３０は、医療器具の位置および向きに関する情報を受信し得る。この位置および方向情報は、外部ソース（例えば、医療機器を追跡する外部システムから、または医療機器自体から）から、または撮像システム500の他のコンポーネント（例えば、赤外線センサまたは撮像システム500のマシンビジョンコンポーネント）から、受信し得る。
コントローラ５３０は、医療器具の位置および向きに対する焦点を決定し得る。焦点は、所与の医療器具（例えば、ポインタの遠位先端、カテーテルの遠位端、アクセスポートの遠位端、軟組織切除器の遠位端、レーザーの標的、またはメスの遠位先端）に対して事前定義済みで、異なる医療器具に対して異なる場合がある。
コントローラ５３０は、医療器具に対して定義されたフォーカス点に合焦された画像を達成するための、フォーカス光学系５１５の所望の位置を決定するために、この情報と、撮像システム５００の既知の位置および向きに関する情報と、（例えば、上述のように決定される）を共に用い得る。
【０１０１】
撮像システム５００がナビゲーションシステム２０５（図２B参照）と共に使用される例では、医療器具（例えば、追跡されたポインタ２２２または追跡されたポート２１０）の位置および向きは、ナビゲーションによって追跡され、決定され得る。撮像システム５００のコントローラ５３０は、追跡された医療器具（例えば、追跡されたポインタ２２２の先端上またはアクセスポート２１０の遠位端へのオートフォーカスする）に対する所定の点まで撮像システム５００を自動的にオートフォーカスし得る。オートフォーカスは、医療処置において使用され得る他の医療器具および他の器具に対して実行され得る。
【０１０２】
いくつかの例では、撮像システム５００は、医療機器に対する焦点が撮像システム５００の視野内にあると判定された場合にのみ、医療機器に対してオートフォーカスを実行するように構成され得る。これは、医療機器が撮像システム500の視野の近くではあるが視野の外で移動されるときに意図しない焦点の変更を回避し得る。
撮像システム５００が可動支持システム（例えば、ロボットアーム）上に搭載される例では、医療機器の焦点が撮像システム500の現在の視界の外にある場合、可動支持システムは、入力に応じて（例えば、ユーザインターフェースまたは音声入力を介したユーザコマンドに応答して）、撮像システム５００の視野内に医療機器の焦点をもたらすように、撮像システム５００を位置決めして配向し得る。
【０１０３】
撮像システム５００は、医療機器の焦点が、視野に出入りする間に、フォーカスを誤って変更するのを回避するために、医療器具に相対してオートフォーカスを実行する前に、小さな時間遅れを実装するように構成され得る。例えば、撮像システム５００は、所定の時間（例えば、0.5秒から1秒）の間、実質的に静止した後にのみ、焦点をオートフォーカスするように構成され得る。
【０１０４】
いくつかの例では、撮像システム５００は、フォーカスポイントをズーム中心としてズームを実行するように構成され得る。例えば、焦点が視野内にある間、または視野内のある点をオートフォーカス後に、ユーザは（例えば、ユーザインターフェース、音声入力またはフットペダルの作動を介して）コマンド入力を提供して、フォーカスポイントをズームインするようにイメージングシステム５００に指示する。
コントローラ５３０は、それに応じてズーム光学系５２０を位置決めして、焦点ポイントをズームインし得る。必要に応じて、位置決めシステム（撮像システム５００が位置決めシステムに取り付けられている場合）は、必要に応じて撮像システム５００を自動的に再配置して、ズームした視野を焦点ポイントに合わせ得る。
【０１０５】
いくつかの例では、撮像システム５００は、異なるオートフォーカスモード間で自動的に変化し得る。例えば、現在の視野が医療機器によって定義された焦点を含まない場合、コントローラ５３０は、（例えば、最も鮮明な画像を得るために、または視野の中心に焦点を合わせるために）予め設定された基準に基づいてオートフォーカスを行い得る。
医療機器によって画定された焦点が視野に入るとき、コントローラ５３０は自動的にモードを焦点の自動焦点に切り替え得る。いくつかの例では、撮像システム500は、ユーザ入力に応じて（例えば、ユーザインターフェースを介したユーザコマンド、音声入力、またはフットペダルの作動に応答して）、異なるオートフォーカスモード間で変化し得る。
【０１０６】
オートフォーカスの様々な例において、医療機器に関係なく、撮像システム５００は、ズームが調整されるときに焦点を維持するように構成され得る。
【０１０７】
いくつかの例では、撮像システム５００は深度マップを生成し得る。これは、同じ視野の画像を捕捉することによって実行することができるが、３D深度知覚をシミュレートするために、撮像システム５００を異なる深度の点に集束させて行うこと必要がある。例えば、撮像システム５００は、所定の深さの範囲（例えば、約1cmの深さを通して）でオートフォーカスを自動的に行い、深度範囲にわたって異なる深度（例えば、1mmの増分）で焦点を合わせた画像を取り込む。
異なる深さで取り込まれた画像は、外部システム（例えば、画像閲覧ワークステーション）に送信され、そこで、それらを一組の深度画像に集約して、同じ視野の深度マップを形成し得る。深度マップは、異なる深度で視野の焦点を合わせた視野を提供することができ、輪郭、色分けおよび/または異なる深さの他のインジケータを含み得る。外部システムは、ユーザが深度マップをナビゲートすることを可能にするユーザインタフェースを提供し得る。
【０１０８】
いくつかの例では、光学イメージングシステム５００は、比較的大きな被写界深度で構成し得る。 ３Dスキャナ５４５は、表示された領域の深度マップを作成するために使用され、深度マップは、カメラ５３５によって取得された画像に登録され得る。画像処理は、（例えば、コントローラ５３０または外部プロセッサを使用して）例えば、3Dスキャナ５４５からの深度情報に従って、キャプチャされた画像の異なる部分を視覚的に符号化する（例えば、色、人工的なぼかしまたは他の視覚的記号を使用して）ことによって擬似3D画像を生成することができる。
【０１０９】
図７および図８は、撮像システ５００の例示的な実施形態の斜視図である。この例では、撮像システム５００は、ナビゲーションシステムの位置決めシステム２０８（例えば、ロボットアーム）に取り付けられて示されている。
撮像システム５００は、ズーム光学系、フォーカス光学系、ズーム作動装置およびフォーカス作動装置、カメラ、コントローラおよび３Dスキャナを囲むハウジング５５５を備えていることを示される。ハウジングは、ナビゲーションシステムによる追跡を可能にするために、追跡可能なマーカーが取り付けられ得るフレーム５６０を備える。イメージングシステム５００は、ケーブル５６５（切断された、図示）を介してナビゲーションシステムと通信する。画像化システム５００の遠位端には光源570が設けられる。この例は4つの広域スペクトルLEDを示しているが、多かれ少なかれ光源を任意の適切なタイプで使用し得る。
光源５７０は、撮像システム５００のアペーチャ５５３を取り囲んで示されているが、他の実施例では、撮像システム５００の他の場所に配置され得る。撮像システム５００の遠位端はまた、統合された３Dスキャナのカメラのための開口部５７５を含み得る。撮像システム５００を位置決めシステム２０８に取り付けるための支持コネクタ５８０と、追跡可能なマーカを取り付けるためのフレーム５６０も示される。
【０１１０】
図９は、医療処置中のオートフォーカスの例示的な方法を示すフローチャートである。例示的な方法９００は、本明細書で開示される例示的な光学イメージングシステムを使用して実行され得る。
【０１１１】
９０５では、撮像システムの位置および向きが決定される。これは、撮像システムを追跡する工程、較正を実行する工程、または例えば撮像システムが搭載されている位置決めシステムを追跡する工程、によって行い得る。
【０１１２】
９１０では、撮像システムと撮像対象との間の作動距離が決定される。例えば、撮像対象の位置は、ナビゲーションシステムによって決定されてもよく、この情報は、撮像システムの位置および姿勢情報と共に使用されて、作動距離を決定し得る。
【０１１３】
９１５では、フォーカス光学系の所望の位置が合焦画像を得るために、決定される。
【０１１４】
９２０では、所望の位置に焦点光学系を配置するために、（例えば、撮像システムのコントローラによって）フォーカス作動装置を制御する。
【０１１５】
例えば、光学イメージングシステムのカメラを使用して、焦点を合わせられた画像を取り込むことができる。
【０１１６】
図１０は、医療処置中に医療器具に対してオートフォーカスする方法の一例を示すフローチャートである。例示的な方法１０００は、本明細書で開示される例示的な光学イメージングシステムを使用して実行され得る。例示的な方法１０００は、例示の方法９００と同様であり得る。
【０１１７】
１００５では、撮像システムの位置および向きが決定される。これは、撮像システムを追跡する工程、較正を実行する工程、または例えば撮像システムが搭載されている位置決めシステムを追跡する工程、によって行い得る。
【０１１８】
１０１０では、医療器具の位置と向きが決定される。これは、（例えば、ナビゲーションシステムを使用して）医療器具を追跡する工程、（例えば、撮像システムの赤外線またはマシンビジョン構成要素を使用して）医療器具を感知する工程、または任意の他の適切な方法、によって行い得る。
【０１１９】
１０１５では、焦点ポイントは、医療器具に対して決定される。焦点ポイントを決定することは、様々な医療機器のための焦点ポイントの事前定義（例えば、データベースに格納された）を調べること、および使用されている特定の医療機器の焦点ポイントを計算することを含み得る。
【０１２０】
１０２０では、撮像システムと焦点との間の作動距離が決定される。
【０１２１】
１０２５では、フォーカス光学系の所望の位置が合焦画像を得るために、決定される。
【０１２２】
１０３０では、フォーカス作動装置が、（例えば、撮像システムのコントローラによって）所望の位置に焦点光学系を配置するために、制御される。
【０１２３】
そして、焦点画像は、例えば、光学撮像系のカメラを使用して、捕捉し得る。
【０１２４】
上述の例示的な方法９００，１０００は、撮像システムのコントローラによって完全に実行され得て、またはコントローラによって部分的に実行され得て、外部システムによって部分的に実行され得る。例えば、撮像システムの位置/向きの決定、撮像標的または医療機器の位置/向きの決定、動作距離の決定、または焦点光学系の所望の位置の決定、のうちの1つまたは複数は、またはそれ以上の外部システムによって、実施され得る。
撮像システムのコントローラは、外部光学系からのコマンドを受信して、フォーカス光学系を所望の位置に位置決めすることができ、または、撮像システムのコントローラは、計算された作動距離を外部システムから取得した後、フォーカス光学系を所望の位置に位置決め得る。
【０１２５】
本開示のいくつかの実施形態または態様が完全に機能するコンピュータおよびコンピュータシステムに実装し得るが、他の実施形態または態様は、様々な形態のコンピューティング製品として配布可能であり、実際にその配布に影響を及ぼす機械またはコンピュータ可読媒体の特定のタイプに関係なく適用し得る。
【０１２６】
開示される少なくともいくつかの態様は、少なくとも部分的にソフトウェアで具体化され得る。すなわち、いくつかの開示された技術および方法は、マイクロプロセッサなどのプロセッサに応答して、ROM、揮発性RAM、非揮発性RAM、不揮発性RAMなどのメモリに含まれる命令のシーケンスを実行して、揮発性メモリ、キャッシュまたは遠隔記憶装置であってもよい。
【０１２７】
コンピュータ可読記憶媒体は、データ処理システムによって実行されるとシステムに本開示の様々な方法または技術を実行させるソフトウェアおよびデータを格納するために使用され得る。実行可能なソフトウェアおよびデータは、例えばROM、揮発性RAM、不揮発性メモリおよび/またはキャッシュを含む様々な場所に格納し得る。このソフトウェアおよび/またはデータの一部は、これらの記憶装置のいずれかに記憶され得る。
【０１２８】
コンピュータ可読記憶媒体の例には、とりわけ、
揮発性および不揮発性メモリ器具、読み出し専用メモリ（ROM）、ランダムアクセスメモリ（RAM）、フラッシュメモリ器具、フロッピーおよび他のリムーバブルディスク、磁気ディスク記憶媒体、光記憶媒体（例えば、コンパクトディスク（CD）、デジタル多用途ディスク（DVD）など）、などの、だけどこれに限定されない、記録可能型および非記録型媒体、が含ま得る。
指示は、搬送波、赤外線信号、デジタル信号などの電気信号、光学信号、音響信号、または他の形態の伝搬信号のためのデジタルおよびアナログ通信リンクに具体化し得る。記憶媒体は、インターネットクラウド、またはディスクなどのコンピュータ可読記憶媒体であり得る。
【０１２９】
また、本明細書に記載される方法の少なくともいくつかは、記載された方法の態様を実行するために、一つまたは複数のプロセッサによって実行するためのコンピュータ使用可能命令を担持するコンピュータ可読媒体を含むコンピュータプログラム製品で配布されることが可能である。媒体は、1つまたは複数のディスケット、コンパクトディスク、テープ、チップ、USBキー、外部ハードドライブ、有線伝送、衛星伝送、インターネット伝送またはダウンロード、磁気および電磁波、電子記憶媒体、デジタルおよびアナログ信号などを含む、またこれに限定されない、様々な形態で提供され得る。コンピュータ使用可能命令は、コンパイルされたコードおよびコンパイルされていないコードを含む様々な形態であってもよい。
【０１３０】
本明細書で説明されるシステムの要素の少なくともいくつかは、ソフトウェア、またはソフトウェアとハードウェアの組み合わせによって実施され得る。ソフトウェアを介して実装されるシステムの要素は、オブジェクト指向プログラミングまたはスクリプト言語などの高水準手続き言語で記述し得る。したがって、プログラムコードは、C、C ++、J ++、または任意の他の適切なプログラミング言語で記述することができ、オブジェクト指向プログラミングの当業者に知られているように、モジュールまたはクラスを含み得る。ソフトウェアを介して実装されるシステムの要素の少なくとも一部は、必要に応じてアセンブリ言語、機械語またはファームウェアで記述し得る。いずれの場合であっても、プログラムコードは、記憶媒体上に、またはプロセッサを有する汎用または専用のプログラム可能なコンピューティング器具によって読み取り可能なコンピュータ可読媒体上に格納することができ、オペレーティングシステム、および本明細書に記載された実施形態の少なくとも1つの機能を実現するために必要な関連するハードウェアおよびソフトウェアを含む。プログラムコードは、コンピューティング器具によって読み取られると、本明細書に記載の方法のうちの少なくとも1つを実行するために、新しい、特定の所定の方法で動作するようにコンピューティング器具を構成する。
【０１３１】
本明細書に記載の教示は、例示の目的のために、様々な実施形態に関連しているが、教示がそのような実施形態に限定されない。それどころか、本明細書に記載され説明された教示は、記載された実施形態から逸脱することなく、様々な代替、変更、および等価物を包含し、その一般的な範囲は添付の特許請求の範囲に規定される。プロセス自体に必要または本質的な範囲を除いて、本開示に記載された方法または過程の工程または段階に対する特定の順序は意図、または暗示されていない。多くの場合、過程工程の順序は、説明された方法の目的、効果、または輸入を変更することなく変動することができる。
【図１】
0003220165.tif 000003
【図２Ａ】
0003220165.tif 000004
【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
0003220165.tif 000009
【図６】
0003220165.tif 000010
【図７】
0003220165.tif 000011
【図８】
0003220165.tif 000012
【図９】
0003220165.tif 000013
【図１０】
0003220165.tif 000014
【図１１】
0003220165.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成30年3月23日(2018.3.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
医療処置中にターゲットを撮像するための光学撮像システムであって、
可動ズーム光学系及び可動フォーカス光学系を含む光学アセンブリと、
ズーム光学系を位置決めするためのズーム作動装置と、
フォーカス光学系を位置決めするためのフォーカス作動装置と、
受信した制御入力に応答してズーム作動装置およびフォーカス作動装置を制御するコントローラと、
光学アセンブリからターゲットの画像を捕捉するためのカメラと、を含むシステムであって、
ズーム光学系およびフォーカス光学系は、それぞれ、ズーム作動装置およびフォーカス作動装置を使用したコントローラによって独立移動可能であり、
光学撮像システムは、ターゲットからの最小作動距離、作動距離は光学アセンブリのアパーチャとターゲットの間として規定される、で動作するように構成され、そして
コントローラは、
作動距離を定めるために、光学撮像システムの外部からのナビゲーションシステムから情報を受信し、
作動距離に基づいてフォーカス光学系の所望位置を決定し、そして
フォーカス作動装置を制御して、フォーカス光学系を所望位置に位置決めする、
ように設定される。
【請求項２】
請求項１記載の光学撮像システムであって、可動支持構造上に搭載可能に構成される光学撮像システム。
【請求項３】
請求項２記載の光学撮像システムであって、光学撮像システムを可動支持構造上に取り外し可能なように搭載可能にする支持コネクタを備える光学撮像システム。
【請求項４】
請求項２または３記載の光学撮像システムであって、ロボットアーム、手動操作された支持アーム、または可動支持フレームのいずれかである可動支持構造。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、作動されると、光学撮像システムが手動で位置決めされることを可能にする手動解放ボタンを備える。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、単一のハウジング内に収容される光学アセンブリ、ズーム作動装置、フォーカス作動装置、およびカメラ。
【請求項７】
請求項６記載の光学撮像システムであって、ハウジング内に収容されるコントローラ。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、コントローラと通信するプロセッサによって提供されるユーザインタフェースを介して、受信される制御入力に応答するコントローラ。
【請求項９】
請求項１ないし７のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、コントローラと通信する入力システムを介して、受信される制御入力に応答するコントローラ。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、ターゲットの3D情報を補足するための3次元（3D）カメラを含む。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、ズーム光学系またはフォーカス光学系のうちの少なくとも一つを移動させるための少なくとも一つのリニアステージ機構を備える。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、電源への電源または電源コネクタを備える。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、光源を備える。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、ナビゲーションシステムによって光学撮像システムの位置および向きを追跡するための追跡可能なマーカの配列を含む。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、約15cm〜約75cmの範囲である作動距離。
【請求項１６】
請求項１ないし１５のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、光学アセンブリのターゲットに相対的な位置に関する情報を含むナビゲーションシステムから受信した情報。
【請求項１７】
請求項１ないし１５のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、位置決めシステムによってサポートされる光学撮像システム、ならびに、ターゲットから位置決めシステムの相対的位置についての情報を含むナビゲーションシステムから受信された情報、および既知の光学アセンブリから位置決めシステムの相対的位置に基づいて確定する作動距離。
【請求項１８】
請求項１ないし１５のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、光学アセンブリのアパーチャと、既知位置および向きを有する医療機器に対して定義されたフォーカスポイントであるターゲットとの間の距離として決定される作動距離、そして、医療器具の位置および向きの情報を含むナビゲーションシステムから受信した情報。
【請求項１９】
請求項１ないし１８のいずれか一項に記載のコントローラに接続されたメモリを含む光学撮像システムであって、メモリに格納されるカメラで捕捉された画像データ。
【請求項２０】
請求項１ないし１９のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、光学撮像システムからのデータが無線送信される無線トランシーバを含む。
【請求項２１】
請求項１ないし２０のいずれか一項に記載の光学撮像システムを制御するためのプロセッサであって、
ズーム作動装置およびフォーカス作動装置を制御するためにプロセッサに結合された入力装置を介して、制御入力を受信するユーザインタフェースを提供する工程と、
制御入力に応じてズームおよびフォーカスを調整するために、光学撮像システムのコントローラに制御命令を送信する工程と、
プロセッサに接続された出力装置に出力するためにカメラから画像データを受け取る工程と、
で構成されるプロセッサ。
【請求項２２】
請求項２１記載のプロセッサであって、はターゲットの3D情報をキャプチャするための3次元（3D）カメラを含む光学撮像システムのであって、
3D情報を使用してターゲットの3D画像を生成する工程と、
ターゲットの3D画像がターゲットのリアルタイム画像上に重ねられた出力装置に出力するための拡張現実画像を生成する工程と、
で構成されるプロセッサ。
【請求項２３】
医療処置中の光学撮像のためのシステムであって、
請求項１から２０のいずれか１項に記載の光学撮像システムと、光学撮像システムを位置決めするための位置決めシステムと、そして、
ターゲットに対する光学撮像システムおよび位置決めシステムのそれぞれを追跡するためのナビゲーションシステムと、
を含むシステム。
【請求項２４】
請求項２３記載のナビゲーションシステムによって追跡される医療機器を含むシステムであって、医療機器に対して定義された焦点にオートフォーカスを実行するように構成される光学撮像システム。
【手続補正書】
【提出日】平成30年12月4日(2018.12.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
医療処置中にターゲットを撮像するための光学撮像システムであって、
可動ズーム光学系および可動フォーカス光学系を含む光学アセンブリと、
ズーム光学系を位置決めするためのズーム作動装置と、
フォーカス光学系を位置決めするためのフォーカス作動装置と、
受信した制御入力に応答してズーム作動装置およびフォーカス作動装置を制御するコントローラと、
光学アセンブリからターゲットの画像を捕捉するためのカメラと、
を含む光学撮像システムであって、
ズーム光学系およびフォーカス光学系は、それぞれ、ズーム作動装置およびフォーカス作動装置を使用するコントローラによって独立移動可能であり、
光学撮像システムは、ターゲットからの最小作動距離、作動距離は光学アセンブリのアパーチャとターゲットの間として規定される、で動作するように構成される光学撮像システム。
【請求項２】
請求項１記載の光学撮像システムであって、可動支持構造上に搭載可能に構成される光学撮像システム。
【請求項３】
請求項２記載の光学撮像システムであって、光学撮像システムを可動支持構造上に取り外し可能に搭載可能にする支持コネクタを備える光学撮像システム。
【請求項４】
請求項２または３記載の光学撮像システムであって、ロボットアーム、手動操作された支持アーム、または可動支持フレームのいずれかである可動支持構造を備える光学撮像システム。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、作動されると、光学撮像システムが手動で位置決めされることを可能にする手動解放ボタンを備える光学撮像システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、単一のハウジング内に収容される光学アセンブリ、ズーム作動装置、フォーカス作動装置、およびカメラを含む光学撮像システム。
【請求項７】
請求項６記載の光学撮像システムであって、ハウジング内に収容されるコントローラを含む光学撮像システム。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、コントローラと通信するプロセッサによって提供されるユーザインタフェースを介して、受信される制御入力に応答するコントローラを備える光学撮像システム。
【請求項９】
請求項１ないし７のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、コントローラと通信する入力システムを介して、受信される制御入力に応答するコントローラを備える光学撮像システム。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、ターゲットの3D情報を撮影するための３次元（3D）カメラを含む光学撮像システム。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、ズーム光学系またはフォーカス光学系のうちの少なくとも一つを移動させるための少なくとも一つのリニアステージ機構を備える光学撮像システム。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、電源への電源または電源コネクタを備える光学撮像システム。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、光源を備える光学撮像システム。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、ナビゲーションシステムによって光学撮像システムの位置および向きを追跡するための追跡可能なマーカの配列を含む光学撮像システム。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、約１５ｃｍ〜約７５ｃｍの範囲である作動距離を特徴とする光学撮像システム。
【請求項１６】
請求項１ないし１５のいずれか一項に記載の光学撮像システムであって、フォーカス作動装置を制御してオートフォーカスを実行するように構成されているコントローラを備える光学撮像システム。
【請求項１７】
医療処置中の光学撮像のためのシステムであって、
i) 請求項１から１６のいずれか１項に記載の光学撮像システムと、
ii) 光学撮像システムを位置決めるための、光学撮像システムに接触している位置決めシステムと、そして、
iii) ターゲットに対する光学撮像システムおよび位置決めシステムのそれぞれを追跡するための空間的に１ｍ〜３ｍ離れているナビゲーションシステムと、
を含むシステム。
【請求項１８】
請求項１７記載のシステムであって、ナビゲーションシステムによって追跡されるナビゲーションシステムから空間的に１ｍ〜３ｍ離れた医療機器を含み、医療機器に対して定義された焦点にオートフォーカスを実行するように構成されるシステム。