(57)【要約】モニタリングシステムは、身体の不可視構造及び関連性のある不可視構造をリアルタイムで３次元で追跡する。トラッカーは、身体及びそれに隣接した領域の映像情報を獲得する。コントローラは映像情報と、客体の不可視構造を明らかにする客体の先に獲得されたスキャンデータを空間的に連係させる。前記スキャンに関し、前記スキャン内で検出できる基準レファレンスは客体上の位置に着脱可能に取り付けられる。前記スキャンデータと映像情報がコントローラによって使用され、ユーザーに前記関連性のある不可視構造及び前記身体の不可視構造の相対的な３次元位置及び方向に関する情報をリアルタイムで提供する。身体の前記基準レファレンス及び関連性のある不可視構造に取り付けられている３次元トラッキングマーカーを使用し、前記システム及び方法は不可視構造を有する多数の身体をリアルタイムで、３次元で追跡するに適用できる。手術用ネジと統合されている３次元トラッキングマーカーが前記関連性のある不可視構造に直接取り付けられる。【選択図】図３Ａ
2016529924.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の不可視構造の相対的位置及び方向をモニタリングするためのシステムであって、
前記多数の不可視構造のうち、第１の不可視構造に堅く取り付けられるように構成される第１基準レファレンスと、
前記第１基準レファレンスに堅く取り付けられる第１の３次元トラッキングマーカーと、
相応する、少なくとも１つの関連性のある不可視構造に堅く取り付けられる少なくとも１つの第２の３次元トラッキングマーカーと、
前記第１基準レファレンスと、前記第１及び第２の３次元トラッキングマーカーとを含む領域に関する映像情報を獲得できるように配列されたトラッカーと、
前記トラッカーに連結され、前記第１基準レファレンスが前記第１の不可視構造に取り付けられている間、前記第１の不可視構造に対して予め獲得されたスキャンデータを有するコンピュータシステムであって、メモリとソフトウェアプログラムを備えたプロセッサを含み、前記ソフトウェアプログラムは、前記映像情報及び前記スキャンデータに基づいて前記第１及び第２のトラッキングマーカーと前記第１基準レファレンスの相対的位置及び方向を決定できるよう、前記プロセッサによって行われる一連の命令を有するコンピュータシステムと、
前記コンピュータシステムと通信し、前記第１及び第２のトラッキングマーカーと前記不可視構造の相対的位置を表示できるように構成されるディスプレイシステムとを含む多数の不可視構造の相対的位置及び方向をモニタリングするためのシステム。
【請求項２】
前記多数の不可視構造は、前記不可視情報を見えなくする１つの身体内に含まれている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
少なくとも１つの第２基準レファレンスをさらに含み、前記少なくとも１つの第２の３次元トラッキングマーカーは、前記少なくとも１つの第２基準レファレンスを通じ、前記相応する、少なくとも１つの関連性のある不可視構造に取り付けられている、請求項１または請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記トラッカーは、非ステレオ光学トラッカーである、請求項１ないし請求項３のうち、いずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
前記トラッカーは、ステレオ光学トラッカーである、請求項１ないし請求項４のうち、いずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記第１基準レファレンスは、前記多数の第１の不可視構造の単一基準位置に堅く取り付けられるように構成される単一基準レファレンスである、請求項１ないし請求項５のうち、いずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記少なくとも１つの第２の３次元トラッキングマーカーは、手術用ネジを使用し、前記相応する少なくとも１つの関連性のある不可視構造に直接連結される、請求項１ないし請求項６のうち、いずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
前記少なくとも１つの第２の３次元トラッキングマーカーは、前記手術用ネジに一体統合されている、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記少なくとも１つの第２の３次元トラッキングマーカーは、回転方向に非対称パターンで配列されている多数のコントラスト部を含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記多数のコントラスト部のうち、少なくとも１つのコントラスト部は、数学的に記述できる曲線部を含む外周部を有する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
相応する多数の身体の中から多数の不可視構造の位置及び方向をモニタリングするためのシステムであって、
前記相応する多数の身体に取り付けられる多数の基準レファレンスであって、それぞれの基準レファレンスは、前記相応する多数の身体のスキャンデータで認知できる多数の基準レファレンスと、
前記多数の基準レファレンスのうち、相応する１つの基準レファレンスに固定連結されている多数の３次元トラッキングマーカーと、
前記多数のトラッキングマーカーを含む区域の映像情報を獲得するための感覚装備を有するトラッカーと、
前記トラッカーと通信するコンピューティング装置であって、前記コンピューティング装置は、前記スキャンデータ及び前記映像情報内で前記多数の基準レファレンスを認識することができ、前記スキャンデータに基づいて前記区域のモデルを計算できるソフトウェアを有し、前記コンピューティング装置は、前記多数の基準レファレンス及び前記映像情報を識別するコンピューティング装置を含むシステム。
【請求項１２】
前記多数の３次元トラッキングマーカー内のトラッキングマーカーの数は、前記多数の基準レファレンス内の基準レファレンスの数より多く、相応する基準レファレンスのない前記トラッキングマーカーは、前記不可視構造中、相応する不可視構造に直接取り付けられている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記トラッカーは非ステレオ光学トラッカーである、請求項１１または請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記トラッカーはステレオ光学トラッカーである、請求項１１ないし請求項１３のうち、いずれか１項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記多数の基準レファレンスのそれぞれは、単一基準レファレンスであり、前記相応する身体中に相応する単一身体の単一基準位置に取り付けることができる、請求項１１ないし請求項１４のうち、いずれか１項に記載のシステム。
【請求項１６】
前記多数の３次元トラッキングマーカーのうち、少なくとも１つは手術用ネジを使用し、前記多数の身体中に相応する１つの身体に直接連結されている、請求項１１ないし請求項１５のうち、いずれか１項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記多数の３次元トラッキングマーカーのうち、少なくとも１つは前記手術用ネジに一体統合されている、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記多数の３次元トラッキングマーカーのうち、少なくとも１つは回転方向に非対称パターンで配列されている多数のコントラスト部を含む、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記多数のコントラスト部のうち、少なくとも１つは数学的に記述できる曲線部を含む外周部を有する、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
多数の身体の中から多数の不可視構造の相対的位置及び方向をモニタリングするためのシステムであって、
前記多数の身体を含む領域の映像情報を獲得するためのトラッカーと、
前記トラッカーによって観察できる前記多数の身体のうち、少なくとも１つに着脱可能に取り付けられるように構成されている少なくとも１つの基準レファレンスと、
前記多数の身体に対し、先に獲得されたスキャンデータに対する前記映像情報を、前記多数の身体のうち、少なくとも１つの身体に取り付けられた前記少なくとも１つの基準レファレンスに空間的に連係させるように構成されているコントローラと、
前記映像情報を前記スキャンデータに連係させることで、前記少なくとも１つの基準レファレンスの３次元位置及び方向を決定する前記コントローラによって実行できるソフトウェアとを含むシステム。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの基準レファレンスは、前記スキャンデータからその位置及び方向のうち、少なくとも１つが決定できる表示及び形状のうち、少なくとも１つであることを特徴とする、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの基準レファレンスは、前記基準レファレンスが前記スキャンデータからユニークに識別できるようにする表示及び形状のうち、少なくとも１つであることを特徴とする、請求項２０または請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
多数のトラッキングマーカーは、それぞれ前記多数の身体中に相応する身体と固定された３次元空間関係にあり、前記多数のトラッキングマーカーは、それぞれ前記映像情報及び前記スキャンデータに基づいて前記コントローラによって決定される位置及び方向のうち、少なくとも１つを有するように構成されていることを特徴とする、請求項２０ないし請求項２２のうち、いずれか１項に記載のシステム。
【請求項２４】
前記多数のトラッキングマーカーのうち、少なくとも１つはトラッキングポールによって相応する基準レファレンスに堅く、且つ着脱可能に連結できるように構成されていることを特徴とする、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記トラッキングポールは、前記映像情報から前記コントローラによってユニークに識別できる３次元構造を有する、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記トラッキングポールは、前記トラッキングポールの３次元方向が前記映像情報から前記コントローラによって決定できるようにする３次元構造を有することを特徴とする、請求項２４または請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記少なくとも１つのトラッキングポール及び前記少なくとも１つの基準レファレンスは、前記少なくとも１つのトラッキングポールが前記少なくとも１つの基準レファレンスの中から相応する１つの基準レファレンス上の単一の固有位置に第１の単一固有の３次元方向に連結できるように構成されていることを特徴とする、請求項２４ないし請求項２６のうち、いずれか１項に記載のシステム。
【請求項２８】
前記トラッキングマーカーは、前記映像情報から前記コントローラによってユニークに識別できる３次元形状を有することを特徴とする、請求項２３ないし請求項２７のうち、いずれか１項に記載のシステム。
【請求項２９】
前記多数のトラッキングマーカーのそれぞれは、前記トラッキングマーカーの３次元方向が前記映像情報から前記コントローラによって決定できるようにする３次元形状を有することを特徴とする、請求項２３ないし請求項２８のうち、いずれか１項に記載のシステム。
【請求項３０】
前記多数のトラッキングマーカーのそれぞれは、前記コントローラによってユニークに識別できるマーキングを有し、前記マーキングは、前記映像情報及び前記スキャンデータに基づいて前記コントローラにより、その位置及び方向のうち、少なくとも１つが決定できるように構成されていることを特徴とする、請求項２３ないし請求項２９のうち、いずれか１項に記載のシステム。
【請求項３１】
前記多数の３次元トラッキングマーカーのうち、少なくとも１つは手術用ネジを使用し、前記多数の身体中に相応する１つの身体に直接連結されていることを特徴とする、請求項２３ないし請求項３０のうち、いずれか１項に記載のシステム。
【請求項３２】
前記多数の３次元トラッキングマーカーのうち、少なくとも１つは前記手術用ネジに一体統合されている、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
前記多数の３次元トラッキングマーカーのうち、少なくとも１つは回転方向に非対称パターンで配列されている多数のコントラスト部を含む、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記多数のコントラスト部のうち、少なくとも１つは数学的に記述できる曲線部を含む外周部を有する、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
前記手術部位に近接した器具に取り付けられている少なくとも１つのトラッキングマーカーをさらに含み、前記コントローラは映像情報と前記少なくとも１つのトラッキングマーカーに関する情報に基づき、前記器具の位置及び方向を決定するように構成されている、請求項２０ないし請求項３４のうち、いずれか１項に記載のシステム。
【請求項３６】
前記少なくとも１つの基準レファレンスは、前記多数の身体中、相応する１つの身体に堅く、且つ着脱可能に取り付けることができる、請求項２０ないし請求項３５のうち、いずれか１項に記載のシステム。
【請求項３７】
前記少なくとも１つの基準レファレンスは、前記多数の身体中に相応する１つの身体に同じ３次元方向に、繰り返し可能に取り付けることができる、請求項２０ないし請求項３６のうち、いずれか１項に記載のシステム。
【請求項３８】
前記トラッカーは非ステレオ光学トラッカーである、請求項２０ないし請求項３７のうち、いずれか１項に記載のシステム。
【請求項３９】
前記トラッカーはステレオ光学トラッカーである、請求項２０ないし請求項３８のうち、いずれか１項に記載のシステム。
【請求項４０】
前記少なくとも１つの基準レファレンスは単一基準レファレンスであり、それぞれの単一基準レファレンスは、単一基準位置に前記多数の身体中、相応する単一身体に取り付けられている、請求項２０ないし請求項３９のうち、いずれか１項に記載のシステム。
【請求項４１】
身体のベース不可視構造に相対的で空間的に関連性のある不可視構造の位置及び方向をリアルタイムで決定するための方法であって、
前記身体の基準位置に基準レファレンスを着脱可能に取り付ける段階と、
スキャンデータを獲得できるように前記基準位置に取り付けられた前記基準レファレンスを用いてスキャンを行う段階と、
前記スキャンデータから前記基準レファレンスの３次元位置及び方向を決定する段階と、
前記基準レファレンスと固定された３次元の空間関係を有するように第１トラッキングマーカーを前記基準レファレンスに着脱可能に取り付ける段階と、
前記空間的に関連性のある不可視構造と固定された、公知の３次元空間関係を有するように、第２トラッキングマーカーを前記空間的に関連性のある不可視構造に着脱可能に取り付ける段階と、
単一の視界内で前記第１及び第２トラッキングマーカーのリアルタイム映像情報を獲得する段階と、
前記映像情報から前記基準レファレンスの前記３次元位置及び方向をリアルタイムで決定する段階と、
前記スキャンデータから決定される前記基準レファレンスの前記３次元位置及び方向に対し、前記映像情報から決定される前記基準レファレンスの前記３次元位置及び方向をリアルタイムで表現するための空間変形マトリクスを誘導する段階と、
前記第１トラッキングマーカー及び前記第２トラッキングマーカーの空間的な位置及び方向をリアルタイムで比較し、前記身体の前記不可視構造に相対的な前記空間的に関連性のある不可視構造の空間的位置及び方向を見つける段階とを含む方法。
【請求項４２】
前記身体の前記基準位置に前記基準レファレンスを着脱可能に取り付ける段階は、前記身体の前記不可視構造の基準位置に前記基準レファレンスを堅く、且つ着脱可能に取り付ける段階を含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記第１及び第２トラッキングマーカーは、これらの位置及び方向が前記映像情報に基づいて決定されるように構成されている、請求項４１または請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記空間的に関連性のある不可視構造に第２基準レファレンスを堅く、且つ着脱可能に取り付ける段階をさらに含む、請求項４１ないし請求項４３のうち、いずれか１項に記載の方法。
【請求項４５】
前記空間的に関連性のある不可視構造に前記第２トラッキングマーカーを取り付ける段階は、前記第２基準レファレンスに前記第２トラッキングマーカーを堅く、且つ着脱可能に取り付ける段階を含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記第２基準レファレンスに前記第２トラッキングマーカーを取り付ける段階は、３次元トラッキングポールに前記第２トラッキングマーカーを堅く取り付ける段階と、前記第２基準レファレンスに前記３次元トラッキングポールを堅く取り付ける段階とを含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記身体の基準位置に基準レファレンスを着脱可能に取り付ける段階は、前記身体の単一基準位置に単一基準レファレンスを取り付ける段階を含む、請求項４１ないし請求項４６のうち、いずれか１項に記載の方法。
【請求項４８】
前記単一視界内で前記第１及び第２トラッキングマーカーのリアルタイム映像情報を獲得する段階は、単一視界内で前記第１及び第２トラッキングマーカーのリアルタイムの非ステレオ映像情報を獲得する段階を含む、請求項４１ないし請求項４７のうち、いずれか１項に記載の方法。
【請求項４９】
前記単一視界内で前記第１及び第２トラッキングマーカーのリアルタイム映像情報を獲得する段階は、単一視界内で前記第１及び第２トラッキングマーカーのリアルタイムのステレオ映像情報を獲得する段階を含む、請求項４１ないし請求項４８のうち、いずれか１項に記載の方法。
【請求項５０】
前記空間的に関連性のある不可視構造に第２トラッキングマーカーを着脱可能に取り付ける段階は、手術用ネジによって前記空間的に関連性のある不可視構造に前記第２トラッキングマーカーを直接取り付ける段階を含む、請求項４１ないし請求項４９のうち、いずれか１項に記載の方法。
【請求項５１】
前記空間的に関連性のある不可視構造に第２トラッキングマーカーを着脱可能に取り付ける段階は、前記第２トラッキングマーカーに一体統合されている手術用ネジにより、前記空間的に関連性のある不可視構造に前記第２トラッキングマーカーを取り付ける段階を含む、請求項４１ないし請求項５０のうち、いずれか１項に記載の方法。
【請求項５２】
前記第２トラッキングマーカーを着脱可能に取り付ける段階は、回転方向に非対称パターンで配列されている多数のコントラスト部を有するトラッキングマーカーを取り付ける段階を含む、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記第２トラッキングマーカーを着脱可能に取り付ける段階は、回転方向に非対称パターンで配列されている多数のコントラスト部を有するトラッキングマーカーを取り付ける段階を含み、前記多数のコントラスト部のうち、少なくとも１つは数学的に記述できる曲線部を含む、請求項５１または請求項５２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置モニタリングハードウェアシステム及びソフトウェアシステムに関する。さらに詳細には、排他的ではないが、本発明は、身体の内部若しくは不可視構造の位置及び方向を３次元で追跡することに関する。
【背景技術】
【０００２】
手術手順を観察し、モニタリングするための視覚的及び他の感覚的システムが業界に公知されている。現在、かかる観察及びモニタリングシステムを用いてコンピュータが補助する手術が可能であり、実際、日常的に行われている。かかる手順において、コンピュータソフトウェアは、患者の臨床映像及び現在の手術手順から観察された手術映像と相互作用し、手術を行う際、外科医を案内する。例えば、１つの公知のシステムにおいて、キャリアアセンブリは患者の顎骨に対し、正確に繰り返せる位置で取り付け要素の上部に位置する少なくとも１つの基準マーカーを有する。その基準マーカーと患者の顎骨の間に位置登録を提供するため、そのキャリアアセンブリを採択し、その位置登録を使用してドリルリングアセンブリを案内するトラッキングシステムを採択することで、人工の歯（インプラント）を移植する。このような相対的に新しいコンピュータ具現技術を備えることで、更なる改良は手術手順の効率性を一層向上させることができる。                                                                                                                                                                                                                                        
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の第１の側面から、多数の不可視構造の相対的位置及び方向をモニタリングするためのシステムは、前記多数の不可視構造のうち、第１の不可視構造に堅く取り付けられるように構成される第１基準レファレンスと、前記第１基準レファレンスに堅く取り付けられる第１の３次元トラッキングマーカーと、相応する、少なくとも１つの関連性のある不可視構造に堅く取り付けられる少なくとも１つの第２の３次元トラッキングマーカーと、前記第１基準レファレンスと、前記第１及び第２の３次元トラッキングマーカーとを含む領域に関する映像情報を獲得できるように配列されたトラッカーと、前記トラッカーに連結され、前記第１基準レファレンスが前記第１の不可視構造に取り付けられている間、前記第１の不可視構造に対して予め獲得されたスキャンデータを有するコンピュータシステムであって、メモリとソフトウェアプログラムを備えたプロセッサを含み、前記ソフトウェアプログラムは、前記映像情報及び前記スキャンデータに基づいて前記第１及び第２のトラッキングマーカーと前記第１基準レファレンスの相対的位置及び方向を決定できるよう、前記プロセッサによって行われる一連の命令を有するコンピュータシステムと、前記コンピュータシステムと通信し、前記第１及び第２のトラッキングマーカーと前記不可視構造の相対的位置を表示できるように構成されるディスプレイシステムを含む。前記多数の不可視構造は、前記不可視情報を見えなくする１つの身体内に含むことができる。前記システムは、少なくとも１つの第２基準レファレンスをさらに含み、前記少なくとも１つの第２の３次元トラッキングマーカーは、前記少なくとも１つの第２基準レファレンスを通じ、前記相応する、少なくとも１つの関連性のある不可視構造に取り付けられる。
【０００４】
本発明の他の実施形態において、相応する多数の第２身体の中から多数の第１の不可視構造の位置及び方向をモニタリングするためのシステムは、前記相応する多数の身体に取り付けられる多数の第３基準レファレンスであって、前記基準レファレンスは、前記相応する多数の身体のスキャンデータで認知できる多数の基準レファレンスと、前記相応する基準レファレンスに固定連結されている多数の第４の３次元トラッキングマーカーと、前記トラッキングマーカーを含む区域の映像情報を獲得するための感覚装備を有するトラッカーと、前記トラッカーと通信するコンピューティング装置であって、前記コンピューティング装置は、前記スキャンデータ及び前記映像情報内で前記基準レファレンスを認識することができ、前記スキャンデータに基づいて前記区域のモデルを計算できるソフトウェアを有し、前記コンピューティング装置は、前記基準レファレンス及び前記映像情報を識別するコンピューティング装置を含む。前記多数の第４の３次元トラッキングマーカー内のトラッキングマーカーの数は、前記多数の第３基準レファレンス内の基準レファレンスの数より多くてもよく、相応する基準レファレンスのない前記トラッキングマーカーは、前記相応する不可視構造に直接取り付けることができる。
【０００５】
本発明のさらに他の実施形態において、多数の第２身体の中から多数の第１の不可視構造の相対的位置及び方向をモニタリングするためのシステムは、前記多数の第２身体を含む領域の映像情報を獲得するためのトラッカーと、前記トラッカーによって観察できる前記多数の第２身体のうち、少なくとも１つに着脱可能に取り付けられるように構成されている少なくとも１つの基準レファレンスと、前記多数の第２身体に対し、先に獲得されたスキャンデータに対する前記映像情報を、前記多数の第２身体のうち、少なくとも１つの身体に取り付けられた前記少なくとも１つの基準レファレンスに空間的に連係させるように構成されているコントローラと、前記映像情報を前記スキャンデータに連係させることで、前記少なくとも１つの基準レファレンスの３次元位置及び方向を決定する前記コントローラによって実行できるソフトウェアとを含む。前記少なくとも１つの基準レファレンスは、前記スキャンデータからその識別、位置及び方向のうち、少なくとも１つが決定できる表示及び形状のうち、少なくとも１つであり得る。
【０００６】
本発明の他の実施形態において、前記システムは多数の第４トラッキングマーカーが前記相応する多数の第２身体と固定された３次元空間関係にあり、前記トラッキングマーカーは、前記映像情報及び前記スキャンデータに基づき、前記コントローラによって決定される位置及び方向のうち、少なくとも１つを有するように構成されていることを特徴とする。前記トラッキングマーカーのうち、少なくとも１つはトラッキングポールによって相応する基準レファレンスに堅く、且つ着脱可能に連結されるように構成することができる。前記トラッキングポールは、前記映像情報から前記コントローラによってユニークに識別できる３次元構造を有することができる。前記トラッキングポールは、前記トラッキングポールの３次元方向が前記映像情報から前記コントローラによって決定できるようにする３次元構造を有することができる。前記少なくとも１つのトラッキングポール及び基準レファレンスは、前記トラッキングポールが前記相応する１つの基準レファレンス上の単一の固有位置に第１の単一固有の３次元方向に連結できるように構成することができる。前記トラッキングマーカーは、前記映像情報から前記コントローラによってユニークに識別できる３次元形状または表示を有することができる。前記表示により、前記トラッキングマーカーの３次元方向及び位置を前記映像情報から前記コントローラによって決定することができる。
【０００７】
別のトラッキングマーカーを前記手術部位に近接した器具に取り付けることができ、前記コントローラは、映像情報と前記別のトラッキングマーカーに関する情報に基づき、前記器具の位置及び方向を決定するように構成することができる。前記基準レファレンスは、前記多数の第２身体の中から相応する身体に堅く、且つ着脱可能に取り付けることができ、前記基準レファレンスは、前記多数の第２身体の中から相応する１つの身体に同一の３次元方向に繰り返し可能に取り付けることができる。
【０００８】
様々な実施形態において、前記トラッカーは、ステレオ若しくは非ステレオ光学トラッカーであり得る。前記第１基準レファレンスは、前記多数の第１の不可視構造の単一の基準位置に堅く取り付けられるように構成される単一の基準レファレンスであり得る。
【０００９】
前記様々な実施形態において、前記第２の３次元トラッキングマーカーは、手術用ネジを用いて前記相応する、空間的に関連性のある不可視構造に直接連結することができる。前記第２の３次元トラッキングマーカーは、前記相応する手術用ネジに一体統合することができる。
【００１０】
前記様々な実施形態において、前記第２の３次元トラッキングマーカーは、回転方向に非対称パターンで配列されている多数のコントラスト部を含むことができる。前記多数のコントラスト部のうち、少なくとも１つのコントラスト部は、数学的に記述できる曲線部を含む外周部を有することができる。
【００１１】
本発明の他の側面から、身体のベース不可視構造に相対的で空間的に関連性のある不可視構造の位置及び方向をリアルタイムで決定するための方法は、前記身体の基準位置に基準レファレンスを着脱可能に取り付ける段階と、スキャンデータを獲得できるように前記基準位置に取り付けられた前記基準レファレンスを用いてスキャンを行う段階と、前記スキャンデータから前記基準レファレンスの３次元位置及び方向を決定する段階と、前記基準レファレンスと固定された３次元の空間関係を有するように第１トラッキングマーカーを前記基準レファレンスに着脱可能に取り付ける段階と、前記空間的に関連性のある不可視構造と固定された、公知の３次元空間関係を有するように、第２トラッキングマーカーを前記空間的に関連性のある不可視構造に着脱可能に取り付ける段階と、単一の視界内で前記第１及び第２トラッキングマーカーのリアルタイム映像情報を獲得する段階と、前記映像情報から前記基準レファレンスの前記３次元位置及び方向をリアルタイムで決定する段階と、前記スキャンデータから決定される前記基準レファレンスの前記３次元位置及び方向に対し、前記映像情報から決定される前記基準レファレンスの前記３次元位置及び方向をリアルタイムで表現するための空間変形マトリクスを誘導する段階と、前記第１トラッキングマーカー及び前記第２トラッキングマーカーの空間的な位置及び方向をリアルタイムで比較し、前記身体の前記不可視構造に相対的な、前記空間的に関連性のある不可視構造の空間的位置及び方向を見つける段階とを含む。
【００１２】
前記身体の前記基準位置に前記基準レファレンスを着脱可能に取り付ける段階は、前記身体の前記不可視構造の基準位置に前記基準レファレンスを堅く、且つ着脱可能に取り付ける段階を含むことができる。前記第１及び第２トラッキングマーカーは、これらの位置及び方向が前記映像情報に基づいて決定されるように構成することができる。
【００１３】
前記方法は、前記空間的に関連性のある不可視構造に第２基準レファレンスを堅く、且つ着脱可能に取り付ける段階をさらに含むことができる。前記空間的に関連性のある不可視構造に前記第２基準レファレンスを取り付ける段階は、前記第２基準レファレンスに前記第２マーカーを堅く、且つ着脱可能に取り付ける段階を含むことができる。前記第２基準レファレンスに前記第２トラッキングマーカーを取り付ける段階は、３次元トラッキングポールに前記第２マーカーを堅く取り付ける段階と、前記第２基準レファレンスに前記３次元トラッキングポールを堅く取り付ける段階とを含むことができる。
【００１４】
前記身体の基準位置に基準レファレンスを着脱可能に取り付ける段階は、前記身体の単一の基準位置に単一の基準レファレンスを取り付ける段階を含むことができる。
【００１５】
前記単一の視界内で前記第１及び第２トラッキングマーカーのリアルタイム映像情報を獲得する段階は、単一の視界内で前記第１及び第２トラッキングマーカーのリアルタイムのステレオ若しくは非ステレオ映像情報を獲得する段階を含むことができる。
【００１６】
第２トラッキングマーカーを前記空間的に関連性のある不可視構造に着脱可能に取り付ける段階は、手術用ネジによって前記第２トラッキングマーカーを前記空間的に関連性のある不可視構造に直接取り付ける段階を含むことができ、前記手術用ネジは、前記第２トラッキングマーカーと一体統合することができる。
【００１７】
前記第２トラッキングマーカーを着脱可能に取り付ける段階は、回転方向に非対称パターンで配列されている多数のコントラスト部を有するトラッキングマーカーを取り付ける段階を含み、前記多数のコントラスト部のうち、少なくとも１つは、数学的に記述できる曲線部を含むことができる。  
【図面の簡単な説明】
【００１８】
図面と共に後述する本発明の実施形態の説明を参照することによって、上記で言及したり、若しくは他の特徴及び目的、かかる特徴及び目的を達成するための方法はさらに明確になり、本発明そのものはさらに理解できるであろう。
【００１９】
【図１】本発明の実施形態が利用できるネットワークシステムの概略的な模式図である。
【図２】コンピューティングシステム（サーバまたはクライアント、または適切であれば両方共）のブロック図であって、このコンピューティングシステムは選択的な入力装置（例えばキーボード、マウス、タッチスクリーンなど）と出力装置、ハードウェア、ネットワークコネクション、１つ以上のプロセッサ並びにデータ及びモジュールのためのメモリ／ストレージを備えており、本発明の実施形態と共にコントローラ及びディスプレイとして利用することができる。
【図３Ａ】本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。
【図３Ｃ】本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。
【図３Ｄ】本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。
【図３Ｅ】本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。
【図３Ｆ】本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。
【図３Ｇ】本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。
【図３Ｈ】本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。
【図３Ｉ】本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。
【図３Ｊ】本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。
【図４Ａ】本発明の位置登録方法の１つの実施形態を示すフローチャート模式図である。
【図４Ｂ】本発明の位置登録方法の１つの実施形態を示すフローチャート模式図である。
【図４Ｃ】本発明の位置登録方法の１つの実施形態を示すフローチャート模式図である。
【図５】本発明の１つの実施形態によってトラッキングポールと歯用ドリルを備える歯用基準キーの図面である。
【図６Ａ】本発明の他の実施形態によって基準キー、内視鏡、生検針を示す内視鏡手術部位の図面である。
【図６Ｂ】不可視構造を有する客体に適用された本発明のモニタリングシステムの図面である。
【図７Ａ】デフォルト状態における多数の分割パターンを含む多重要素基準パターンの図面である。
【図７Ｂ】患者の身体が動いて分割パターン同士の空間関係が変化した状態における多数の分割パターンを含む多重要素基準パターンの図面である。
【図８Ａ】図７Ａ及び図７Ｂの多重要素基準パターンに適用された本発明の位置登録方法の一実施形態を示すフローチャート模式図である。
【図８Ｂ】図７Ａ及び図７Ｂの多重要素基準パターンに適用された本発明の位置登録方法の一実施形態を示すフローチャート模式図である。
【図８Ｃ】図７Ａ及び図７Ｂの多重要素基準パターンに適用された本発明の位置登録方法の一実施形態を示すフローチャート模式図である。
【図９】互いに相対的な身体の不可視構造を追跡するためのモニタリングシステムの図面である。
【図１０】手術用ネジに統合されている３次元トラッキングマーカーの図面である。
【００２０】
多数の図面全体において相応する参照記号は相応する部分を示す。たとえ図面が本発明の実施形態を示していても、それら図面は必ずしも同じ割合ではなく、本発明をさらに上手く例示し、説明できるよう、ある特徴は誇張になっていることもある。フローチャートとスクリーンショットもまた、本質上、代表的であるが、本発明の実際の実施形態は、図面に示していない他の特徴及び段階を含むことができる。本明細書で開示された例示は、１つの形態で本発明の実施形態を説明する。しかし、そのような例示は、決して本発明の範囲を制限するものとして解釈されてはならない。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
下記に開示された実施形態は、網羅的だったり、後述する詳細な説明に開示されている正確な形態に本発明を制限したりしようとする意図ではない。寧ろ、開示された実施形態における教示を本技術分野における通常の技術者が活用できるよう、実施形態が選択され、説明されている。
【００２２】
後述する詳細な説明は、英数字文字または他の情報を表すコンピュータメモリ内でデータビット上の作動に対するアルゴリズム及び記号表現で部分的に提示されている。前記ハードウェアコンポーネントは特定のスキャニング法を利用し、特定形態と相対的な方向及び大きさを備えているものに示されているが、一般的な場合、通常の技術者であれば本発明の教示内で様々な特定形態、方向及びスキャニング法が使用できることを認識することができる。コンピュータは、映像データーを獲得して処理するインターフェースを含み、一般的に命令を行うプロセッサと、命令及びデータを保存するためのメモリとを含む。汎用コンピュータが、そのメモリ内に保存されている一連のマシンエンコーディングされた命令を有する場合、かかるエンコーディングされた命令に応じて作動するコンピュータは、特定形態のマシン、即ち、その一連の命令により具現化された作動を行うよう、特別に構成されているコンピュータであり得る。命令の一部は、他のマシンの作動を制御する信号を生成するため、適応することができる。よって、命令の一部はそれらの制御信号を介して作動し、コンピュータ自体から遠く離れている素材を変形させることができる。これら説明及び表現は、データ処理分野における通常の技術者によって、彼らの作業内容をその分野における通常の技術者に最も効率よく伝達するに用いられる手段である。
【００２３】
本明細書において、そして一般的にアルゴリズムは希望する結果を誘導する、一貫性ある一連の段階として認識されている。これらの段階は物理量を物理的に処理するに要求される段階であって、手術部位の周辺物質を表すスキャニングされたデータを観察し、測定する段階である。必ずしも必要なものではないが、通常、それら量は、保存、転送、変形、組合、比較及び他の方法で処理できる電気的若しくは磁気的パールスまたは信号の形態を有する。時々、主に一般的使用との理由で、それら信号を物理的アイテムや顕示に対するレファレンスとしてビット、値、記号、文字、ディスプレイデータ、ターム、数字などで呼ぶことが便利であると判明されたが、物理的なアイテムや顕示においてそれらの信号は、映像の基礎となるデータを確保するよう、具現或いは表現されている。しかし、それら及び類似の用語は全て適切な物理量と関連しており、本明細書でそれら量に適用される便利なラベルとして単に使用されていることに留意すべきである。
【００２４】
一部のアルゴリズムは情報を入力すると同時に希望する結果を生成するためにデータ構造を利用することができる。データ構造はデータ処理システムによるデータ管理を非常に促進させ、精巧なソフトウェアシステムを介さなければアクセスすることができない。データ構造はメモリの情報コンテンツではなく、寧ろメモリ内に保存された情報に対する物理的構造を付与、若しくは顕示する特定の電子的構造要素を表す。単なる抽象化を飛び越え、データ構造はメモリ内の特定の電気的または磁気的な構造要素であって、時々関連アイテムのデータモデリングの物理的特性である複雑なデータを正確に表し、同時にコンピュータの作動における効率性を増加させる。
【００２５】
さらに、行われる処理作業は、通常、人間操作員によって行われる精神的動作に関連している、比較若しくは追加のような用語で時々言及される。本発明の一部分を形成する、本発明で説明した任意の作動において、人間操作員のそのような能力は全く必要でないか、若しくは殆どの場合に好ましくなく、かかる作動は機械作動である。本発明の１つ以上の実施形態の作動を行うための有用な機械は、汎用デジタルコンピュータまたは他の類似の機器を含む。全ての場合において、コンピュータを作動する際の作動方法と、コンピュータ操作自体の方法の間の区別は認識されるべきである。本発明の１つ以上の実施形態は、電気的または他の（例えば機械的、化学的）物理的信号を処理する際、他の希望する物理的顕示または信号を生成することができるようにコンピュータを作動させる方法及び装置に関するものである。前記コンピュータはソフトウェアモジュールで作動するが、このソフトウェアモジュールは一連の機械命令を表す媒体に保存されている信号の収集所（コレクション）であり、一連の機械命令を通じ、コンピュータプロセッサはアルゴリズム段階を具現する機械命令を行うことができる。かかる機械命令は、プロセッサがその命令を具現するように解析する実際のコンピュータコードであってもよく、代わりとして実際のコンピュータコードを獲得できるように解析される、かかる命令のハイレベルのコーディングであってもよい。ソフトウェアモジュールはまた、ハードウェアコンポーネントを含むことができるが、アルゴリズムの一部の様相は命令の結果としてではなく、回路自体によって行われる。
【００２６】
また、本発明に係る１つ以上の実施形態は、それら作動を行うための装置に関する。この装置は、要求される目的のために特別に構成することができ、若しくはコンピュータ内に保存されているコンピュータプログラムによって選択的に起動したり、若しくは再構成される汎用コンピュータを含むことができる。特定のハードウェアを必要とすると明示的に示されない限り、本明細書に提示するアルゴリズムは、任意の特定コンピュータまたは他の装置と本質的に連係していない。一部の場合において、コンピュータプログラムは特定のプロトコールで構成されている信号を介し、他のプログラムまたは装備と通信したり連係したりするが、このプログラムまたは装備は、相互作用できる特定のハードウェアまたはプログラミングを必要としたり、必要としなかったりする。特に、本明細書における教示に従って記録されたプログラムが備えられている多様な汎用マシンを使用することができ、または要求される方法段階を行うためにさらに特化した装置を構成する方が一層好都合であると判明されるかもしれない。様々なこれらマシンのために要求される構造は、下記の説明から明らかになるであろう。
【００２７】
本発明に係る１つ以上の実施形態は、「客体指向」ソフトウェア、特に「客体指向」運営体制を取り扱うことができる。前記「客体指向」ソフトウェアは「客体」に編成されるが、それぞれの客体はその客体に転送された「メッセージ」若しくはその客体と一緒に発生する「イベント」に応えて行われる様々な手順（方法）を記述するコンピュータ命令のブロックを含む。例えば、かかる作動は変数の処理、外部イベントによる客体の活性化、及び他の客体への１つ以上のメッセージの伝達を含む。必ずしも必要なわけではないが、物理的客体は、物理的装置から観察されたデータを収集し、ソフトウェアシステムにその観察されたデータを転送できる相応するソフトウェア客体を有する。かかる観察されたデータは単に便利であるという点で物理的客体及び／またはソフトウェア客体からアクセスすることができる。従って、後述する説明で「実際のデータ」が使用される場合、かかる「実際のデータ」は器具自体からあってもよく、または相応するソフトウェア客体若しくはモジュールからあってもよい。
【００２８】
メッセージはプロセスを行う任意の機能と知識を有する客体の間で転送及び受信される。メッセージはユーザーの命令に応じて発生するが、例えば、イベントを生成する「マウス」ポインターでアイコンを活性化させるユーザーによって発生する。また、メッセージはメッセージの受信に応じる客体によって発生し得る。客体のうちの１つの客体がメッセージを受信する際、その客体は受信したメッセージに相応する作動（メッセージ手順）を行い、必要であれば、その作動の結果を返す。それぞれの客体は、客体自体の内部状態（インスタンス変数）が保存される領域を有するが、その領域で他の客体のアクセスは許容されない。客体指向システムの１つの特徴は、継承である。例えば、ディスプレイ上に「円」を描くための客体は、ディスプレイ上に「外形」を描くための他の客体から機能と知識を継承することができる。
【００２９】
プログラマーは、個別のコードブロックを記録することにより、客体指向プログラミング言語で「プログラム化する」が、それぞれのコードブロックは、その方法を定義することで客体を生成する。メッセージにより相互通信するように適合に変わっているこれら客体のコレクションは、客体指向プログラムを含む。客体指向コンピュータプログラミングは、対話型システムのモデリングを容易にするが、このシステムでシステムのそれぞれのコンポーネントは客体を用いてモデリングすることができ、それぞれのコンポーネントの行為はそれに相応する客体の方法によってシミュレーションされ、コンポーネントの間の相互作用は、客体の間に転送されるメッセージによってシミュレーションされる。
【００３０】
操作員は、客体のうちの１つの客体にメッセージを転送することで、客体指向プログラムを含む相互関連した客体のコレクションを誘発することができる。メッセージを受信すると予め設定された機能を行うことにより、客体に反応させることができるが、予め設定された機能は１つ以上の他の客体に追加的なメッセージを転送することを含むことができる。その他の客体は受信したメッセージに応じ、順次に追加的な機能を行うことができるが、追加的な機能はさらに多くのメッセージを転送することを含む。この方式で、メッセージと応答のシーケンスは、無限に続けられることができ、または全てのメッセージが応答され、且つ新しいメッセージが転送されなかったときに終了することができる。客体指向言語を活用するシステムをモデリングする際、プログラマーは、モデリングされたシステムのそれぞれのコンポーネントが１つの誘発にどう反応するかだけについて考えればよく、一部の誘発に応じて行われる作動手順については考える必要がない。かかる作動手順は、本質的にその誘発に応答する客体の間における相互作用の結果から得られ、プログラマーによって予め定められる必要はない。
【００３１】
たとえ客体指向プログラミングが、相互関連したコンポーネントシステムのシミュレーションをさらに直観的になるようにすることはできるとしても、順次に構成されたプログラムの場合のように、通常、１つの客体指向プログラムによって行われる作動手順は、ソフトウェアのリストから直ちに明確になるわけではないため、客体指向プログラムの作動は時々理解し難い。また、客体指向プログラムの作動が非常に明白に顕示されることを観察して、客体指向プログラムがどのように動作するかを決めることも容易ではない。１つのプログラムで単に相対的に少数の段階のみ観察できるコンピュータ出力を生成するため、プログラムに応じ、コンピュータによって行われる殆どの作動は観察者に見えない。
【００３２】
後述する説明において頻繁に用いられるいくつかの用語は、本明細書の脈絡で特別な意味を有する。用語「客体」は一連のコンピュータ命令及び関連したデータに関するものであって、ユーザーにより、直接的に若しくは間接的に活性化することができる。用語「ウィンドウ環境」、「ウィンドウ実行」及び「客体指向運営体制」は、ラスタースキャンされた動画ディスプレイにおいて、有界領域（ｂｏｕｎｄｅｄ  ｒｅｇｉｏｎ）の内部のように動画ディスプレイで情報が処理され、ディスプレイされるコンピュータユーザーインターフェースを示すために用いられる。用語「ネットワーク」「近距離通信網」、「ＬＡＮ」、「広域通信網」、若しくは「ＷＡＮ」はコンピュータの間でメッセージが転送できる方式で接続されている２台以上のコンピュータを意味する。かかるコンピュータネットワークにおいて、１つ以上のコンピュータは、通常、ハードディスクドライブのような大きいストレージ装置とプリンター、若しくはモデムのような周辺装置を作動させる通信ハードウェアを備えたコンピュータである「サーバ」として作動する。「ワークステーション」という用語が用いられる他のコンピュータはユーザーインターフェースを提供し、コンピュータネットワークのユーザーは共有データファイル、共通周辺装置及びワークステーションの相互間通信のようなネットワークリソースにアクセスすることができる。ユーザーはコンピュータプログラムまたはネットワークリソースを活性化し、「プロセス」を生成するが、そのプロセスは入力変数によって決定される特定の作動特性が備えられたコンピュータプログラムの一般的な作動とその環境を全て含む。プロセスに類似しているのがエージェントであるが（たまに知能型エージェントと呼ばれる）、エージェントはユーザーの干渉なく、いくつかの周期的なスケジュールに従い、情報を収集するか、若しくはいくつかの他のサービースを行うプロセスである。一般的にエージェントは、ユーザーによって通常提供されるパラメータを使用し、ホストマシン上でまたはネットワーク上の他の一部のポイントで位置を探索し、そのエージェントの目的に関する情報を収集し、その情報を周期的にユーザーに提供する。
【００３３】
用語「デスクトップ」はそのデスクトップに関連したユーザーに、関連したセッティングを備えている客体のメニュー、若しくはディスプレイを提示する特定のユーザーインターフェースを意味する。デスクトップがネットワークリソースにアクセスする際、通常、遠隔サーバで実行できる応用プログラムが必要となるが、デスクトップは応用プログラムインターフェース、即ちＡＰＩを呼び出して、ユーザーがネットワークリソースにコマンドを提供し、任意の出力を観察できるようにする。用語「ブラウザ」は、ユーザーに必ずしも明白ではないが、デスクトップとネットワークサーバの間にメッセージを転送し、ネットワークユーザーのディスプレイ及びネットワークユーザーとの相互作用に関与するプログラムのことを指す。ブラウザは、コンピュータの汎世界的なネットワーク、即ち「ワールドワイドウェブ」、若しくは簡単に「ウェブ」でテキスト及びグラフィック情報を転送するための通信プロトコルを活用するよう設計されている。本発明に常用できるブラウザの例は、マイクロソフト社で販売しているインターネットエクスプローラー（インターネットエクスプローラーは、マイクロソフト社の商標）、オペラソフトウェアＡＳＡで作ったオペラブラウザプログラム、またはモジラファウンデーションで配布しているファイアフォックスブラウザプログラム（ファイアフォックスは、モジラファウンデーションの登録商標）を含む。後述する説明はブラウザのグラフィックユーザーインターフェースという面でその作動を詳細に説明するが、本発明は、グラフィック基盤のブラウザの多い機能を有している、テキスト基盤のインターフェース、さらには音声若しくは視覚的に活性化されたインターフェースにおいても実行することができる。
【００３４】
ブラウザディスプレイ情報は、標準汎用文書記述言語（ＳＧＭＬ）若しくはハイパーテキスト文書記述言語（ＨＴＭＬ）でフォーマットされているが、この２つの言語は全てスクリプティング言語であって、特定のＡＳＣＩＩテキストコードを使用し、テキスト文書内に非視覚的コードを内蔵している。これらのフォーマットでのファイルは、インターネットのようなグローバル情報ネットワークを含む、コンピュータネットワークを渡り、容易に転送することができ、ブラウザがテキスト、映像をディスプレイできるようにし、音声及び映像の録音物を演奏できるようにする。ウェブは、その通信プロトコルと共にこれらのデータファイルフォーマットを活用し、サーバとワークステーションの間でかかる情報を転送する。ブラウザはまた、拡張性文書記述言語（ＸＭＬ）のファイル内に提供されている情報をディスプレイできるよう、プログラム化できるが、ＸＭＬファイルがあれば様々な文書型定義（ＤＴＤ）を使用することができるため、本質上、ＳＧＭＬ若しくはＨＴＭＬより汎用的である。データフォマッティング及びスタイルシートフォマッティングが別に含まれているため（フォマッティングは情報をディスプレイする方法として考えられるので、ＸＭＬファイルはデータ及び関連した方法を有する）、ＸＭＬファイルは客体に類推することができる。
【００３５】
前述で定義したように、用語「個人携帯情報端末」、または「ＰＤＡ」は、コンピューティング、電話、ファックス、電子メール及びネットワーキングの特徴が結合されている任意の携帯用モバイル機器を意味する。用語「無線広域通信網」、または「ＷＷＡＮ」は、携帯用機器とコンピュータの間でデータ転送のための媒体として機能する無線ネットワークを意味する。用語「同期化」は、有線または無線のうち、１つを経由し、例えば携帯用機器の第１機器と、例えばデスクトップコンピュータの第２機器との間における情報交換を意味する。同期化は２つの機器におけるデータが同一（少なくとも同期化時点で）であることを保障する。
【００３６】
無線広域通信網において、通信はアナログ、デジタルセルラー、または個人携帯通信サービース（ＰＣＳ）ネットワーク上の無線信号の転送を介して主に行われる。信号は、極超短波及び他の電磁気波を介しても転送することができる。現在、殆どの無線データ通信は、符号分割多重接続（ＣＤＭＡ）、時分割多重接続（ＴＤＭＡ）、世界移動通信システム（ＧＳＭ）のような２世代技術、３世代技術（ワイドバンド若しくは３Ｇ）、４世代（ブロードバンド若しくは４Ｇ）、個人デジタルセルラー（ＰＤＣ）を使用するセルラーシステムを経由したり、または高度携帯電話システム（ＡＭＰＳ）で使用されているセルラーデジタルパケットデータ（ＣＤＰＤ）のようなアナログシステムにおけるパケットデータ技術を通じて発生する。
【００３７】
用語「無線応用通信プロトコル」、即ち「ＷＡＰ」は、小型ユーザーインターフェースが備えられた携帯用機器及びモバイル機器でウェブ基盤データの伝達及び提示を容易にする汎用仕様を意味する。「モバイルソフトウェア」は、応用プログラムが移動電話またはＰＤＡのようなモバイル機器で具現できるようにするソフトウェア運営体制を指す。モバイルソフトウェアの例は、Ｊａｖａ及びＪａｖａ  ＭＥ（ＪａｖａとＪａｖａ  ＭＥはカリフォルニア州・サンタクララ所在のサンマイクロシステムズ社の商標）、ＢＲＥＷ（ＢＲＥＷはカリフォルニア州・サンディエゴ所在のクアラコム社の登録商標）、Ｗｉｎｄｏｗｓ  Ｍｏｂｉｌｅ（Ｗｉｎｄｏｗｓはワシントン州・レドモンド所在のマイクロソフト社の登録商標）、Ｐａｌｍ  ＯＳ（Ｐａｌｍはカリフォルニア州・サニーベール所在のパーム社の登録商標）、Ｓｙｍｂｉａｎ  ＯＳ（Ｓｙｍｂｉａｎは英国・ロンドン所在のシンビアンソフトウェア株式会社の登録商標）、ＡＮＤＲＯＩＤ  ＯＳ（ＡＮＤＲＯＩＤはカリフォルニア州・マウンテンビュー所在のグーグル社の登録商標）、ｉＰｈｏｎｅ  ＯＳ（ｉＰｈｏｎｅはカリフォルニア州・クパチーノ所在のアップル社の登録商標）、及びＷｉｎｄｏｗｓ  Ｐｈｏｎｅ７がある。「モバイルアプリ」は、モバイルソフトウェアを用いて実行するように記録されたソフトウェアプログラムを指す。
【００３８】
用語「身体」、「不可視構造」、「スキャン」、「基準レファレンス」、「基準位置」、「マーカー」、「トラッカー」及び「映像情報」は、本開示において特別な意味を有する。本開示の目的に関連し、用語「身体」及びその派生語は、内部若しくは外部構造を有する客体はもちろん、人間の身体若しくはその部分を称する。用語「不可視構造」は、身体の内部にあるか、又は可視光線でなない、別の刺激若しくは放射によってのみ明白したり、又は視界を遮断する遮蔽特徴が存在する場合のように、その構造に対し十分に維持できない視線によって見ることのできない構造を指す。用語「スキャン」またはその派生語は、Ｘレイ、磁気共鳴映像（ＭＲＩ）、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、超音波検査、コーンビームコンピュータ断層撮影（ＣＢＣＴ）または患者の定量的な空間再現を生成する任意のシステムを指す。用語「基準レファレンス」または単純に「基点」は、認識可能な固定ポイントとしてユニークに識別できるスキャン映像における客体またはレファレンスを指す。本明細書において、用語「基準位置」は、基準レファレンスが取り付けられる有用な位置を指す。「基準位置」は、普通、手術部位、若しくはモニタリングされる客体に近接する。用語「マーカー」または「トラッキングマーカー」は、外科または歯の手術位置に近接し、センサーにより認識できる客体またはレファレンスを指すが、ここでセンサーは、光センサー、無線識別装置（ＲＦＩＤ）、音声感知センサー、紫外線若しくは赤外線センサーであってもよい。用語「トラッカー」は、マーカーの位置と、手術中、リアルタイムで連続的にマーカーの方向及び動きを決定できる機器、若しくは機器システムを指す。具現可能な例として、例えばマーカーが印刷されたターゲットで構成されていれば、前記トラッカーはステレオカメラのペアを含むことができる。一部の実施形態において、前記トラッカーは非ステレオ光学トラッカー、例えばカメラであってもよい。前記カメラは例えば、可視光線領域若しくは赤外線領域で作動することができる。本明細書において用語「映像情報」は、光学、若しくは別の方法でトラッカーによって取得される情報を説明するために用いられ、マーカーの位置と、手術中、リアルタイムで連続的にマーカーの方向及び移動を決定するため、用いることができる。
【００３９】
図１は、１つの実施形態によるコンピューティング環境１００の高水準のブロック図である。図１は、ネットワーク１１４により接続されているサーバ１１０と３つのクライアント１１２を例示している。説明を簡略且つ明確にできるよう、図１に３つのクライアント１１２のみを示している。コンピューティング環境１００の実施形態は、例えばインターネットであるネットワーク１１４に接続されている数千、若しくは数万のクライアント１１２を有することができる。ユーザー（不図示）はクライアント１１２のうちの１つでソフトウェア１１６を作動させ、サーバ１１０及び関連した通信装備及びソフトウェア（不図示）を経由し、ネットワーク１１４にメッセージを送信・受信することができる。
【００４０】
図２はサーバ１１０、若しくはクライアント１１２を具現するに適切なコンピュータシステム２１０のブロック図である。コンピュータシステム２１０はバス２１２を含むが、バス２１２は、中央プロセッサ２１４、システムメモリ２１７（普通、ＲＡＭであるが、ＲＯＭ、フラッシュＲＡＭ、若しくはその他のメモリも含むことができる）、入力・出力コントローラ２１８、音声出力インターフェース２２２を経由するスピーカシステム２２０のような外部音声装置、ディスプレイアダプタ２２６を経由するディスプレイスクリーン２２４、シリアルポート２２８、２３０、（キーボードコントローラ２３３で接続される）キーボード２３２、ストレージインターフェース２３４、フロッピーディスク２３８を収容し、作動するディスクドライブ２３７、ファイバーチャネルネットワーク２９０に接続され、作動するホストバスアダプタインターフェースカード２３５Ａ、ＳＣＳＩバス２３９に接続され、作動するホストバスアダプタインターフェースカード２３５Ｂ、及び光ディスク２４２を収容し、作動する光ディスクドライブ２４０のような外部装置のコンピューティングシステム２１０の主要なサブシステムを互いに接続する。また、マウス２４６（または、他のポイント・クリック機器、シリアルポート２２８を経由してバス２１２に接続）、モデム２４７（シリアルポート２３０を経由してバス２１２に接続）、及びネットワークインターフェース２４８（バス２１２に直接接続）が含まれている。
【００４１】
バス２１２は、中央プロセッサ２１４とシステムメモリ２１７との間でデータ通信を可能にさせるが、前述した通り、システムメモリはリードオンリーメモリ（ＲＯＭ、不図示）若しくはフラッシュメモリ（不図示）、そしてランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ、不図示）を含むことができる。一般的にＲＡＭは主メモリであって、運営体制及び応用プログラムがその中にローディングされる。ＲＯＭ若しくはフラッシュメモリは、他のソフトウェアコードの中でも基本入力・出力システム（ＢＩＯＳ）を含むことができるが、ＢＩＯＳは、周辺コンポーネントとの相互作用のような基本的なハードウェア作動を制御する。コンピュータシステム２１０に常駐する応用プログラムは、一般的にハードディスクドライブ（例えば、固定ディスク２４４）、光ディスク（例えば、光ドライブ２４０）、フロッピーディスクユニット２３７、若しくは他のストレージ媒体のようなコンピュータ可読媒体に保存され、その媒体を経由してアクセスされる。さらに、ネットワークモデム２４７、若しくはネットワークインターフェース２４８、若しくは他の通信装備（不図示）を経由し、応用プログラムにアクセスする際、応用プログラムは、応用及びデータ通信技術によって変調された電子信号の形であってもよい。
【００４２】
コンピュータシステム２１０の他のストレージインターフェースと同様に、ストレージインターフェース２３４は情報の保存及び／または検索のため、固定ディスクドライブ２４４のような標準コンピュータ可読媒体に接続することができる。固定ディスクドライブ２４４は、コンピュータシステム２１０の一部であってもよく、または別個に分離され、他のインターフェースシステムを介してアクセスすることができる。モデム２４７は、電話接続、またはインターネットサービース提供者（ＩＳＰ、不図示）を経由するインターネットを介し、遠隔サーバへの直接接続を提供することができる。ネットワークインターフェース２４８はＰＯＰ（相互接続位置）を経由するインターネットへの直接ネットワークリンクを介し、遠隔サーバへの直接接続を提供することができる。ネットワークインターフェース２４８は無線技術を使用し、かかる接続を提供することができるが、無線技術はデジタルセルラー電話接続、セルラーデジタルパケットデータ（ＣＤＰＤ）接続、デジタル衛星データ接続、若しくは他の接続を含む。
【００４３】
図３Ａ〜Ｉのハードウェアコンポーネントを含む、他の多くの装置、若しくはサブシステム（不図示）を類似の方式で接続することができるが（例えば、文書スキャナ、デジタルカメラなど）、これらはその代替として近距離通信網、広域通信網、無線通信網、若しくは通信システムを介して関連したコンピュータリソースと通信することができる。従って、一般的に本開示においてはハードウェアコンポーネントがコンピューティングリソースに直接接続されている実施形態を議論することができるが、本技術分野の通常の技術者は、かかるハードウェアはコンピューティングリソースと遠隔で接続できることが分かる。逆に、本開示を実行するため、図２に示す全ての装置が存在する必要はない。装置及びサブシステムは、図２とは異なる方法で相互接続することができる。図２に示したようなコンピュータシステムの作動は、当業界によく知られているので、本出願では詳細に説明しない。本開示を具現できるソフトウェアのソースコード及び／またはオブジェクトコードは、１つ以上のシステムメモリ２１７、固定ディスク２４４、光ディスク２４２、若しくはフロッピー（登録商標）ディスク２３８のようなコンピュータ可読記憶媒体に保存することができる。コンピュータシステム２１０に提供される運営体制は多様であるか、または別バージョンのＭＳ−ＤＯＳ（ＭＳ−ＤＯＳはワシントン州・レドモンド所在のマイクロソフト社の登録商標）、ＷＩＮＤＯＷＳ（ＷＩＮＤＯＷＳはワシントン州・レドモンド所在のマイクロソフト社の登録商標）、ＯＳ／２（ＯＳ／２はニューヨーク州・アーモンク所在のＩＢＭ社の登録商標）、ＵＮＩＸ（ＵＮＩＸはイギリス・レディング所在のエックスオープン社の登録商業）、Ｌｉｎｕｘ（Ｌｉｎｕｘはオレゴン州・ポートランド所在のリーナストーバルズの登録商標）、若しくは他の公知されたり開発されたりした運営体制のうち、１つであり得る。
【００４４】
さらに、本明細書で説明する信号に関し、通常の技術者であれば、信号が第１ブロックから第２ブロックに直接転送、または信号がそれらブロックの間で変調（例えば、増幅、減衰、遅延、ラッチ、バッファリング、反転、フィルターリング、若しくは他の変更）できることが分かる。前述した実施形態の信号は１つのブロックから次のブロックに転送されることが特徴とされているが、信号の情報及び／または機能の面がブロックの間で転送される限り、本開示の他の実施形態は、そのような直接転送された信号に代わって変調された信号を含むことができる。ある程度、関連した回路の物理的限界（例えば、ある程度の減衰及び遅延が必然的にあるはず）により、第２ブロックにおける信号入力は、第１ブロックからの第１信号出力に由来する第２信号として概念化することができる。従って、本明細書において用いられる第１信号に由来する第２信号は、第１信号、または回路制限若しくは第１信号の情報及び／または最終機能の面を変えない他の回路素子の通過による、第１信号に対する任意の変調を含む。
【００４５】
本発明は、客体若しくは医療や歯科患者の身体構造の３次元位置及び方向を追跡するためのハードウェア及びソフトウェアシステムに関するものである。本発明による追跡は、身体の内部若しくは身体に取り付けられている基準キー若しくは基準マーカーを使用し、身体のスキャンから獲得されたスキャンデータ上に、身体をモニタリングするトラッカーから獲得された映像情報を図解することによって達成される。手術応用という特別な場合に、本発明は手術ハードウェア及びソフトウェアモニタリングシステム及び方法に関するものであって、患者の手術までに余裕がある間、例えば、患者が手術を準備する間、このシステムが手術部位をモデル化できるよう手術計画を可能にする。本発明は、任意の身体、客体或いは透過刺激や光線を適用するスキャン法によって明らかになるその内部若しくは他の不可視構造を有することができる人工物に適用されるが、本明細書においては本発明を明白にできるよう、医療実施例を広範囲に用いる。しかし、内部構造、或いは複雑に折り畳まれている外部構造のように用意に観察することができない他の構造の３次元位置及び方向がモニタリングされ、追跡されるべき様々な集団分野に対しても、本発明を同様に適用することができる。かかる分野の例は、例えば複雑な内部ダクティングを有する構造のような複雑な機械構造を設計・開発する場合はもちろん、他の法医学分野、障害分析、製造、品質管理、考古学、古生物学に数多くある。数十年間、これらの分野でＸ線技法が用いられ、さらに新しいスキャン法が漸増する応用を見つけているため、本発明はこれらの分野でさらに有用になる。
【００４６】
医療分野からの例に焦点を当てると、前記システムは、図３Ａにおいて単一基準キー１０で表示されている、特別に構成されるハードウェアピースを使用し、手術の重要領域（ｃｒｉｔｉｃａｌ  ａｒｅａ）に対して前記モニタリングシステムのトラッキングマーカー１２の方向を確定する。単一基準キー１０は意図された手術領域に隣接した位置に取り付けられるが、図３Ａの歯の手術領域の例示的な実施形態において、基準キー１０は歯の副木１４に取り付けられている。トラッキングマーカー１２はトラッキングポール１１によって基準キー１０に接続することができる。手術部位に関する映像情報を獲得する適切なトラッカーに前記基準レファレンスが直接見える実施形態において（例えば、図５及び図６を参照）、トラッキングマーカーは基準レファレンスに直接取り付けることができる。前記トラッカーは、非ステレオ光学トラッカーであり得る。例えば、歯の手術で、手術領域の近くに基準キー１０を確実に位置付けすることができるよう、歯のトラッキングマーカー１４を使用することができる。トラッカーによってトラッキングマーカー１２から獲得されたデータの持続的な映像処理のため、前記単一基準キー１０はレファレンスポイント、即ち、基点として使用することができる。
【００４７】
他の実施形態において、追加のトラッキングマーカー１２は基準キー１０及びその基準キーに関連した任意のトラッキングポール１１、またはトラッキングマーカー１２とは独立したアイテムに取り付けることができる。そのため、前記独立したアイテムが前記トラッカーによって追跡される。
【００４８】
さらに他の実施形態において、手術部位に隣接したアイテム、若しくは器具のうち、少なくとも１つは本発明のモニタリングシステムのためのトラッカーとして機能し、前記トラッキングマーカー１２及び前記手術領域のスキャンデータに対し、任意の追加のトラッキングマーカーの方向及び位置を感知できるように取り付けられるトラッカーを選択的に有することができる。一例として、器具に取り付けられている前記トラッカーは小型デジタルカメラであってもよい。例えば、歯医者用ドリルに取り付けられてもよい。前記アイテム、若しくは器具に取り付けられたトラッカーによって追跡される任意の他のマーカーは、そのトラッカーの視界の中になければならない。
【００４９】
歯の手術の例を用いると、手術部位の初期スキャンを得るため、患者はスキャニングされる。単一基準キー１０の特定の形により、メモリ内に保存されており、例えば、図２のコンピュータ２１０のプロセッサ２１４及びメモリ２１７の適切なコントローラで実行されるコンピュータソフトウェアは、前記スキャンデータから手術部位内で基準キーの相対的な位置を認識することができるので、基準キー１０の位置及び方向を参照し、更なる観察を行うことができる。一部の実施形態において、前記基準レファレンスはスキャニングされた際、認識可能な識別象徴として明確なマーキングを含む。他の実施形態において、前記基準レファレンスは、スキャンで見える身体はスキャンの分析から明確に決定できる前面、後面、上面、下面及び左／右が定義されている表面を示し、それによって基準レファレンスの位置はもちろん、その方向までも決定できるようにする非対称的な形を有しているという点で、前記基準レファレンスは、区別される形状を含んでいる。
【００５０】
さらに、前記コンピュータソフトウェアは、歯、顎骨、皮膚及び歯茎組織、他の手術器具などのようにスキャン内の客体を構成するための座標系を生成することができる。前記座標系はスキャンの映像を基点周辺の空間に関連付けし、方向と位置、両方共によってマーカーが付けられた前記器具の位置を見つける。続いて、モニタリングシステムにより生成された前記モデルは、境界条件を点検するために使用することができ、トラッカーと協同してリアルタイムでその配置を適切なディスプレイ、例えば、図２のディスプレイ２２４上に表示する。
【００５１】
１つの実施形態において、前記コンピュータシステムは基準キー１０の物理的な構成に関し、予め設定された知識を有しており、基準キー１０の位置を見つけるため、スキャンのスライス／セクションを点検する。単一基準キー１０の単一基準位置を決定する作業は、その独特な形状に基づいたり、または基準キー上部、若しくはトラッキングマーカー１２のような前記基準キー１０への取付物上部ではっきりと識別され、且つ方向性を有するマーキングに基づくことができる。基準キー１０を構築する際、放射線不透過性素材、若しくは高密度素材を採択した高い映像処理コントラストを通じ、基準キー１０がスキャンではっきりと見えるようにすることができる。他の実施形態において、適切な高密度、若しくは放射線不透過性インク、若しくは素材を使用して、はっきりと識別され、方向性を有するマーキング素材を生成することができる。
【００５２】
基準キー１０が識別されると、分割スキャンから前記基準キー１０の位置及び方向が決定され、基準キー１０内の１つのポイント（地点）が前記座標系の中央に割り当てられる。そのように選択されたポイントは任意に選択することができ、またはその選択は数々の有用な基準に基づくことができる。モデルは続いて変形マトリクスの形に誘導され、基準システムに関連付けされるが、１つの特定実施形態において、基準キー１０が手術部位の座標系に関連付けされる。その結果で生成される仮想の構築物は、意図されている手術の仮想モデリングのための手術手順計画ソフトウェアによって使用され、代替手段として手術ソフトウェアのための映像支援を提供し／提供したり手術手順を行うための経路をグラフに表したりするための目的で、器具を構成するための計測ソフトウェアによって使用されることができる。
【００５３】
いくつかの実施形態において、前記モニタリングハードウェアは前記基準レファレンスへのトラッキング取付物を含む。歯の手術に関連する実施形態において、前記基準キー１０への前記トラッキング取付物はトラッキングマーカー１２であるが、前記トラッキングマーカー１２はトラッキングポール１１を介し、基準キー１０に取り付けられている。トラッキングマーカー１２は、特別な識別パターンを有することができる。例えば、トラッキングマーカー１２のような追跡可能な取付物と、さらに関連しているトラッキングポール１１は、公知の構成を有するため、トラッキングポール１１及び／またはトラッキングマーカー１２からの観察データを座標系に正確に図解することができ、それにより、手術手順の進行をモニタリングして、記録することができる。例えば、特に図３Ｊに示すように、単一基準キー１０は、トラッキングポール１１のインサート１７に締結されるよう特別に調整されている所定の位置にホール１５を有することができる。例えば、かかる配置において、トラッキングポール１１は小さい力で基準キー１０のホール１５内部に取り付けることができ、それにより、かかる取り付けが成功的に完了すると聴覚的な通知を与えることができる。
【００５４】
手術手順において、トラッキングポールの方向を転換することも可能である。例えば、歯の手術が口腔内の反対側の歯を扱う場合、外科医が手を取り替える場合及び／または２番目の外科医が手術の一部を行う場合、手術位置を変更するため、そのような方向転換があり得る。例えば、トラッキングポールの移動は、座標系に対する前記トラッキングポールの再登録のきっかけとなり得るため、その位置をそれに応じて調節することができる。例えば、歯の手術の実施形態の場合、取り付けられたトラッキングマーカー１２を備えたトラッキングポール１１が基準キー１０のホール１５から分離され、関連したトラッキングポールを備えた別のトラッキングマーカーが基準キー１０の代替ホールに接続されるとき、かかる再登録が自動的に開始される。さらに、ソフトウェアで境界条件が具現され、観察データがその警戒領域にアクセスし／アクセスしたり入ったりする際、ユーザーに通知することができる。
【００５５】
本発明を活用するシステムのさらに他の実施形態において、本明細書で「ハンドピース」（図５及び図６）と命名される手術器具、若しくは手術道具は、座標系内で位置が知られ、追跡できる独特な構成を有することができ、本明細書で説明するような適切なトラッキングマーカーを有することができる。仮想の素材との潜在的な衝突を示すための境界条件を設定することができ、ハンドピースが境界条件にアクセスすると感知された際、スクリーン上に指示が現れたり、或いはアラームサウンドが鳴り得る。それだけでなく、希望する手術領域を示せるよう、ターゲットの境界条件を設定することができ、ハンドピースの経路がターゲット領域を離れる傾向にあるとき、そのハンドピースが希望経路を離れていることを示す表示が、スクリーン上に見えたり、或いはアラームサウンドが鳴り得る。
【００５６】
いくつかのハードウェアコンポーネントの代替的な実施形態が図３Ｇ〜Ｉに示されている。単一基準キー１０´は適切な接続部を備えた接続要素を有しており、トラッキングポール１１´が手術部位に対しトラッキングマーカー１２´を位置付けするようにする。独特な形状を有しているが、概念的に基準キー１０´は、前述の実施形態と非常に同一の方式でポール１１´及びトラッキングマーカー１２´に対するアンカーとして機能する。前記モニタリングシステムの前記ソフトウェアは、それぞれ特別に識別される基準キー、トラッキングポール、及びトラッキングマーカーの構成に対し予めプログラムされており、その位置計算は変更された構成パラメータによって変更されるだけである。
【００５７】
規制要件及び実質的な考慮事項により、ハードウェアコンポーネントの素材は異なってもよい。一般的にキー、若しくは基準コンポーネントは、通常、放射線不透過性素材で製造されるため、スキャンのノイズを発生しないが、スキャニングされた映像上に認識できるコントラストを生成するため、それに関連した任意の識別パターンを認識することができる。さらに、キー、若しくは基準コンポーネントは一般的に患者に配置されているため、前記素材は軽量であって、患者に置かれた装置への接続に適合しなければならない。例えば、歯の手術の場合、前記基準キーの素材はプラスチック副木への接続に適合しなければならず、トラッキングポールへの接続に適合しなければならない。外科手術の場合、前記基準キーの素材は患者の皮膚、若しくは他の特定組織への取り付けに適していなければならない。
【００５８】
それに限定されるものではないが、例えば、高コントラストのパターン彫刻を採択することで、前記トラッキングマーカーは鮮明に識別される。前記トラッキングマーカーの素材としては、オートクレーブ工程における損傷に耐性があり、コネクト構造への堅くて繰り返し可能、且つ迅速な接続に適合性のある素材が選択される。前記トラッキングマーカー及びそれに連係されたトラッキングポールは、異なる手術位置に対し異なる位置に収容され得る性能を有しており、前記基準キーと同様、トラッキングマーカーとトラッキングポールは、患者の上部、若しくは患者に対し安定して配置されるため、相対的に軽量でなければならない。前記トラッキングポールも同様に、オートクレーブ工程に適合性がなければならず、トラッキングポールの中で共有された形のコネクターを有しなければならない。
【００５９】
前記基準キー、トラッキングポール及びトラッキングマーカーを追跡する際に採択される前記トラッカーは、１．５ｍ２サイズの客体を非常に正確に追跡できなければならない。限定されるものではないが、一例として、前記トラッカーはステレオカメラ、若しくはステレオカメラペアである。感覚的な入力を読み取りできるよう、一般的にトラッカーは有線でコンピューティング装置に接続されるが、前記感覚的なデータをコンピューティング装置に転送できるよう、前記トラッカーは選択的に無線接続を有することができる。
【００６０】
ハンドピースのように追跡可能な器具のピースを追加に採択する実施形態において、かかる追跡可能な器具のピースに取り付けられるトラッキングマーカーはまた軽量でなけれなならず、９０°の間隔を持つ３つの客体アレイ内で作動できなければならない。また、高コントラストのパターン彫刻と、標準ハンドピースに対し堅く、迅速な装着メカニズムを選択的に有しなければならない。
【００６１】
本発明の別の側面において、図４Ａ〜Ｃに示すよう、手術活動を追跡するための自動登録方法が提示される。限定されるものではないが、図４Ａ及び図４Ｂは、スキャンデータから前記基準レファレンスの３次元位置及び方向を決定するための１つの方法のフローチャートである。図４Ｃは、前記トラッカーにより獲得された映像情報から適切なトラッキングマーカーの存在を確認し、前記映像情報に基づいて前記基準レファレンスの３次元位置及び方向を決定するための方法を示すフローチャートである。
【００６２】
図４Ａ及び図４Ｂに示すよう、一旦プロセスが始まると（段階４０２）、前記システムは、例えばＣＴスキャンからスキャンデータセットを獲得し（段階４０４）、前記基点及び前記特別なスキャナモデルの知識に基づいてスキャンと共に提供されるか、或いは提供されない、前記基点に関するＣＴスキャンのデフォルトハンスフィールドユニット（ＨＵ）値をチェックし（段階４０６）、もしかかる閾値が存在しなければ一般化された所定のデフォルト値が採択される（段階４０８）。続いて、前記基準キー値に関連している予測値の範囲外のハンスフィールドデータ値で分割スキャンを除去することで、前記データが処理され（段階４１０）、残余ポイントの収集が続く（段階４１２）。もし前記データが空いていれば（段階４１４）ＣＴ閾値が調整され（段階４１６）、元の値が復元され（段階４１８）、分割スキャンの分割処理が続く（段階４１０）。前記データが空いていなければ、既存データを用いてマスの中央が計算され（段階４２０）、Ｘ・Ｙ・Ｚ軸の計算が行われる（段階４２２）。もしマスの中央がＸ・Ｙ・Ｚ軸の交差点になければ（段階４２４）ユーザーに通知され（段階４２６）、プロセスが終了する（段階４２８）。もしマスの中央がＸ・Ｙ・Ｚ軸の交差点にあれば（段階４２４）そのデータポイントは設計された基準データと比較される（段階４３０）。もし累積誤差が、許容される最大誤差より大きければ（段階４３２）ユーザーに通知され（段階４３４）、このプロセスは終了する（段階４３６）。累積誤差が、許容される最大誤差より大きくなければ、Ｘ・Ｙ・Ｚ軸の交差点で座標系が定義され（段階４３８）、スキャンプロファイルはＨＵユニットに対してアップデートされる（段階４４０）。
【００６３】
図４Ｃを参照すると、適切なカメラ若しくは別のセンサーであるトラッカーから映像情報が獲得される（段階４４２）。トラッキングマーカーが映像情報内に存在するかを決定するため、前記映像情報が分析される（段階４４４）。もし存在しなければ、この手順を続けるべきかどうかがユーザーに問われる（段階４４６）。続けない場合、このプロセスは終了する（段階４４８）。このプロセスが続く場合は、前記映像情報内でトラッキングマーカーが発見されなかったことがユーザーに通知され（段階４５０）、このプロセスは映像情報を獲得する段階に戻る（段階４４２）。もし前記映像情報に基づきトラッキングマーカーが発見されたり、若しくは前述した通知により、ユーザーによってトラッキングマーカーが取り付けられたりしたら（段階４５０）、適切なデータベースから前記基準レファレンスに対する前記トラッキングマーカーのオフセット及び相対的な方向が獲得される（段階４５２）。用語「データベース」は、本明細書において形式的な多重要素、若しくは多次元データベースで構成されたか否かにかかわらず、かかる情報の任意のソース、量及び配置を説明するために用いられる。本発明のこの実施形態の単純な具現において、オフセット値と相対的な方向を含む単一データセットが十分であり、その単一データセットは、例えばユーザーによって提供されてもよく、またはコントローラのメモリユニット内にあるか、若しくは分離されたデータベース、若しくはメモリ内にあってもよい。
【００６４】
座標系の原点を前記基準レファレンスに定義し、前記映像情報に基づいて前記基準レファレンスの３次元方向を決定できるよう、前記トラッキングマーカーのオフセット及び相対的な方向が使用され（段階４５４）、登録プロセスが終了する（段階４５６）。前記基準レファレンスの基準位置と方向をリアルタイムでモニタリングできるよう、このプロセスは段階４５４から繰り返され、カメラから新しい映像情報を獲得することができる（段階４４２）。ユーザーがこのプロセスを終了できるよう、適切なクエリポイントが含まれてもよい。映像データから予め設定された形状を有したりマーキングされたりしたトラッキングマーカーの方向及び位置を決定するための詳細な方法は、本技術分野の技術者に知られているので、ここでは説明しない。前記手術部位に隣接した、トラッキングマーカーを有する任意のアイテムの動きを追跡できるよう、このように誘導された座標系が使用される。他の登録システムも考えられるが、例えば予め設定されたオフセットではなく、既存の他の感覚的なデータを使用するか、若しくは基点が転送容量を持つようにすることがある。
【００６５】
本発明の実施形態の一例が図５に示されている。所定の歯に取り付けられ、堅く取り付けられたトラッキングマーカー５０４を有する基準キー５０２の他にも、例えば歯用ドリルであり得るハンドピースの追加器具、若しくは道具５０６を前記モニタリングシステムのトラッカーとして機能するカメラ５０８によって観察することができる。カメラ５０８は、非ステレオ光学トラッカーとして働く非ステレオ光学カメラであってもよい。他の実施形態において、カメラ５０８は、ステレオ光学トラッカーとして働くステレオ光学カメラであってもよい。
【００６６】
本発明の実施形態の他の例が図６Ａに示されている。例えば、人間の腹や胸であり得る手術部位６００は、トラッキングマーカー６０４を支持できるよう、所定の位置に固定されている単一基準キー６０２を有することができる。内視鏡６０６は別のトラッキングマーカーを有することができ、トラッキングマーカーを有する生検針６０８は手術部位において提示されることができる。センサー６１０は、例えばカメラ、赤外線感知器、若しくはレーダーであり得る。いくつかの実施形態において、センサー６１０は、非ステレオ光学トラッカーとして働く非ステレオ光学カメラであってもよい。他の実施形態において、センサー６１０は、ステレオ光学トラッカーとして働くステレオ光学カメラであってもよい。
【００６７】
本発明について様々な手術の実施例を用いてさらに明確に説明したが、本発明が医療分野に限定されるものではないことを繰り返し記述する必要はないであろう。本発明は、産業的法医学、品質管理及び製品開発に同様に適用することができる。本発明は、原石切断に応用される。原石は非常に透明ではあるが、その内部の障害類型はスキャン法によってのみ明らかになる。また、本発明は考古学遺体や物体、アンティキティラ装置のような人工物の復元や分析といった比較的に難解な活動や、若しくは埋没された岩から除去できない恐竜の卵や恐竜の標本といった古生物学サンプルを調査するにも適用することができる。例えば、該当身体が作動している間のように、位置及び方向を見つけるためモニタリングされる必要のある身体の任意の不可視構造に対しても適用される。
【００６８】
図６Ｂに示す他の実施例において、本発明の他の実施形態に係るシステム及び方法は、不可視の内部構造６１２´を有する物体６００´に適用される。一例として、物体６００´は数世紀に亘って素材で覆われているので、その構造６１２´が目に見えない人工物のような考古学的人工物であり得るが、これに限定されるものではない。関連実施例の物体６００´は（図６Ｂに示す）アンティキティラ装置のように、歴史的に重要であり、割れやすく複雑な装置であり得る。博物館状態でその装置を分析し、復元しようとする作業員は、不可視構造６１２´がどのように位置しており、ハンドピース６０６´、６０８´に対してどのような方向を有しているか、作業における全ての瞬間を正確に把握する必要がある。そのような目的のため、単一基準レファレンス６０２´が物体６００´の安全な基準位置で堅く取り付けられ、不可視構造６１２´を明確にし、単一基準レファレンス６０２´を見せるスキャンデータを獲得できるようにその物体に対するスキャンが行われる。
【００６９】
この実施形態に係る本発明のシステム及び方法は、手術の実施例に対し前述と正確に同一に行われる。手術の実施例のように、必要であれば、前記実施例と同様、続いて前述した形のトラッキングマーカー６０４´を、トラッキングポール（不図示）を用いて単一基準レファレンス６０２´に取り付けることができる。前述した通り、他の実施形態において、前記トラッキングマーカー６０４´は、単一基準レファレンス６０２´そのものに直接位置することができる。いくつかの実施形態で、トラッキングマーカー６０４´は、単一基準レファレンス６０２´に統合することができる。
【００７０】
単一基点６０２´と連係しているトラッキングマーカー６０４´を含む領域に関する映像情報を獲得できるよう、トラッカー６１０´が配列されている。いくつかの実施形態において、トラッカー６１０´は非ステレオ光学トラッカーであってもよい。他の実施形態において、トラッカー６１０´はステレオ光学トラッカーであってもよい。例示したハンドピース６０６´、６０８´は、堅く取り付けられた別のトラッキングマーカーを有することができ、トラッカー６１０´は、ハンドピース６０６´、６０８´上のマーカーを含む視界を有するように配列することができる。続いて、トラッカー６１０´によって獲得される、追跡されるべき前記基点及び全てのハンドピースを含む区域の映像情報は、例えば図２のコンピューター２１０のプロセッサ２１４及びメモリ２１７であるコントローラによって単一基準レファレンス６０２´を見せるスキャンデータに連係することができる。前記スキャンデータは、予め設定することができ、コントローラ２１０のメモリ２１７に常駐することができる。
【００７１】
続いて、トラッキングマーカー６０４´が単一基点６０２´上にあったり、基点６０２´と統合されていたり、或いはトラッキングポールによって基点６０２´に取り付けられているかに関係なく、基点６０２´と連係しているトラッキングマーカー６０４´の位置及び方向は、前記映像情報から決定されるトラッキングマーカー６０４´の位置及び方向に連係される。
【００７２】
続いて、前記スキャンデータ内に表れる単一基点６０２´の位置及び方向と、前記映像情報から決定される基点６０２´の位置及び方向との間の関係は、空間変形マトリクスを生成するために用いられるが、空間変形マトリクスにより、不可視構造６１２´の位置及び方向は、時間の任意の時点で決定される。前記映像情報から知られるハンドピース６０６´、６０８´の３次元位置及び方向を使用し、ハンドピース６０６´、６０８´に相対的に位置する貴重で割れやすい不可視構造６１２´の３次元位置及び方向が任意の時点で知られる。前記スキャンは不可視構造６１２´の構造的細部事項を明らかにするため、本発明のこの実施形態に係るシステム及び方法を適用すると、かかる構造的細部事項と関連し、前記ハンドピースがどこで動いているかについて、リアルタイムで正確に知る能力をユーザーに提供する。
【００７３】
図７Ａに概略的に示す、本発明の手術モニタリングシステムのさらに他の実施形態において、前記基準キーは、多重要素基準パターン７１０を含むことができる。１つの実施形態において、前記多重要素基準パターン７１０は、分離性パターンであってもよい。用語「分離性パターン」は、本明細書において、位相的に互いに合わせられ、連続の全体パターンを形成し、全体若しくは部分的に互いに一時的に分離できる多数の分割パターン７２０を含むパターンを説明するために用いられる。用語「破綻性パターン」は、かかる分離性パターンを説明するための代替用語として用いられる。本発明の他の具現例において、多重要素基準パターン７１０の分割は、連続的なパターンを形成しないが、その代わりに前記多重要素基準パターン７１０がモニタリングされる客体の表面に適用された際、互いに対してその位置及び方向が知られる。例えば、多重要素基準パターンは、手術部位の重要領域に隣接した患者の身体に適用することができるが、それに限定されるものではない。例えば、図６Ｂの物体６００´のような他の客体の場合、公知の関心領域に近接した物体６００´の表面に適用され、最大の局所空間解像度を提供することができる。多重要素基準パターン７１０に取り付けられる客体若しくは手術部位のスキャンデータに基づき、それぞれの分割パターン７２０は個別に位置することができる。
【００７４】
分割パターンは、適切なトラッカー７３０によってユニークに識別することができるが、１つ以上の様々な方式で互いに区別できる。いくつかの実施形態において、トラッカー７３０は非ステレオ光学トラッカーであってもよい。他の実施形態において、トラッカー７３０はステレオ光学トラッカーであってもよい。
【００７５】
分割パターン７２０は、互いに区別できる形状を有しているため、それらの方向も識別することができる。分割パターン７２０は、１つ以上の様々な方式でユニークに表示することができ、その方式はバーコーディング、若しくは方向定義シンボルを含むが、それに限定されるものではない。前記表示は、分割パターン７２０上にあってもよく、分割パターン７２０に取り付けられたトラッキングマーカー７４０上にあってもよい。表示は様々な方法により行うことができるが、彫刻若しくは印刷を含む。しかし、それに限定されるものではない。図７Ａ及び図７Ｂに示す実施形態において、非限定的な例としてＦ、Ｇ、Ｊ、Ｌ、Ｐ、Ｑ及びＲの文字が用いられた。
【００７６】
多重要素基準パターン７１０及び分割パターン７２０、そしてそれらに取り付けられる任意のトラッキングマーカー７４０の素材は、規制要件と実際の考慮事項により様々であり得る。一般的に、キー、若しくは基準コンポーネントは、通常、放射線不透過性素材で製造され、スキャンのノイズを発生しないが、スキャニングされた映像上に認識可能なコントラストを生成するため、その素材に関連したいずれの識別パターンも認識することができる。前記多重要素基準パターン７１０と前記分割パターン７２０は、適用される表面から区別される着色差を有することができる。トラッカー７３０によって更に明確に区別できるよう、人間の患者の特定実施例において、多重要素基準パターンと分割パターンは、人間の皮膚と区別される着色差を有することができる。さらに、その素材は一般的に患者若しくは客体上に配置されているので、軽量でなければならない。また、その素材は、医療環境に適用される素材のようにオートクレーブ工程における損傷に耐性を持たなければならない。
【００７７】
手術部位内の多重要素基準パターン７１０の位置を見つけ、映像化するため、前述した任意の形を有する適切なトラッカーが使用される。多重要素基準パターン７１０の構築において、放射線不透過性素材や高密度素材の適用による高い映像コントラストを通じ、モニタリングされる客体若しくは手術部位のスキャンで多重要素基準パターンがはっきりと見えるようにすることができる。他の実施形態において、適切な高密度素材、若しくは放射線不透過性インクを使用し、前記分割パターン７２０、若しくは前記トラッキングマーカー７４０上にはっきりと識別され、且つ方向性を有するマーキングを生成することができ、それにより、スキャンデータに基づいて分割パターン７２０の方向を決定できるようにする。
【００７８】
手術という特別な場合を考慮すると、前記手術領域はその位置及び方向における変化を受けることがある。例えば、かかる変化は患者の呼吸や動きの結果で起き得る。図７Ｂに示すよう、この過程で多重要素基準パターン７１０の分割パターン７２０は、その相対的な位置が変わり、また一般的にその相対的な方向が変わる。分割パターン７２０の変更された位置及び方向を、手術前に行われたスキャンにおける位置及び方向に関連付けすることで、一般的に手術部位に隣接した患者身体の皮下の動きに関する情報を獲得できるよう、それらの変化に関する情報を使用することができる。同様に、非手術的な応用において、モニタリングされる客体に対する変更が起こり得て、分割パターン７２０に隣接して内部構造が変更され得る。
【００７９】
例えば、これに限定されるものではないが、腹部手術を用いると、患者は、例えばＸレイ、磁気共鳴映像（ＭＲＩ）、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、若しくはコーンビームコンピュータ断層撮影（ＣＢＣＴ）によってスキャニングされ、手術部位の初期映像を獲得する。多重要素基準パターン７１０の独特な構造により、コンピュータソフトウェアはスキャン及び映像情報内でパターンの相対的な位置を認識することができるため、多重要素基準パターン７１０の位置及び方向を全て参照し、その先の観察を行うことができる。実際、コンピュータソフトウェアは、スキャン内で客体を構成するための座標系を生成することができる。手術の場合、スキャン内に客体を構成するための作業は、皮膚、器官、骨及び他の組織、適切なトラッキングマーカーを有する他の手術道具及び多重要素基準パターン７１０の分割７２０などを含むことができる。
【００８０】
１つの実施形態において、前記コンピュータシステムは多重要素基準パターン７１０の構成に対し予め設定された知識を有しており、分割パターン７２０の素材の放射線不透過密度、それらの形状及び独特なトラッキングマーカー７４０のうち、１つ以上に基づいて多重要素基準パターン７１０の分割パターン７２０の位置を見つけるよう、手術部位のスキャンのスライスを検査する。分割パターン７２０の位置及び方向が決定されると、多重要素基準パターン７１０の内部、若しくは隣接した地点が座標系の中央に割り当てられる。このように選択された地点は任意に選択することができたり、若しくはその選択は数々の有用な基準に基づくことができる。多重要素基準パターン７１０を手術部位若しくはモニタリングされる客体の座標系に関連付けできるよう、変形マトリクスが誘導される。手術実施例の場合、その結果で生成される仮想具現は、意図される施術手順の仮想モデリングのための手術手順計画ソフトウェアによって使用することができ、手術ソフトウェアのための映像支援を提供し／提供したり手術手順を行うための経路をグラフに表したりするための目的で、手術道具を構成するための具現ソフトウェアにより、代替手段として使用することができる。
【００８１】
また、腹部手術例を考えると、手術過程において、身体が動くに従い、多重要素基準パターン７１０はその形状を変える。その過程で分割パターン７２０の相対的な位置と相対的な方向が変わる（図７Ａ及び図７Ｂを参照）。その過程で別個の分割パターン７２０の保全性（ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）が維持され、トラッカー７３０によって分割パターンを追跡することができる。前記トラッカーはステレオビデオカメラを含むが、それに限定されるものではない。変形マトリクスを生成するため、変更された多重要素基準パターン７１０´を、初期の多重要素基準パターン７１０と比較することができる。従って、分割パターン７２０の再配置及び再配向設定は、手術部位の座標系内で連続的な基準に基づいて図解できる。図７Ａ及び図７Ｂに全７つの分割パターン７２０が示されている。他の実施形態において、多重要素基準パターン７１０は、これより多かったり、若しくは少ない数の分割パターン７２０を含むことができる。本発明の本実施形態の手術モニタリングシステムが作動する間、分割パターン７２０の選択を適用することができる。多重要素基準パターン７１０の全ての分割パターン７２０が適用されなければならないという制限はない。一例に、どれだけ多くの分割パターン７２０が適用されるべきかに対する決定は、行われる手術で要求される解像度、若しくは、例えば図２のコンピュータ２１０であり得るコントローラの処理速度に基づくことができる。
【００８２】
明確性を期するため、図７Ａは分離性多重要素基準パターンを適用する。他の実施形態において、前記多重要素基準パターンはデフォルトであって、図７Ｂのものと同じ分離性基準パターンを有することができる。続いて、手術過程で、患者の身体が手術部位の近くの形状を変えることにより、別個の分割パターン７２０は位置を変える。また、他の実施形態において、トラッキングマーカー７４０は存在しなくてもよい。このトラッキングシステムは、分割パターンの固有形状に基づいた分割パターン７２０の追跡に依存することができるが、対称中心の欠如のため、方向を決定する作業は分割パターン自体に付与される。既に指摘したように、他の実施形態において、一般的に分割パターン７２０はその外周部で位相的に結合し、連続的な表面を形成できることに制限されない。多重要素基準パターンの一般的な形状についても特に制限はない。
【００８３】
本発明のさらに他の側面で、図８Ａ、図８Ｂ、及び図８Ｃのフローチャートに示すように、多重要素基準パターン７１０を利用し、身体の３次元位置及び方向を追跡するための自動登録方法が提示されている。限定されるものではないが、図８Ａと図８Ｂは、スキャンデータから多重要素基準パターン７１０のうち、１つの分割の３次元位置及び方向を決定するための１つの方法のフローチャートである。図８Ｃは、多重要素基準パターン７１０の分割パターン７２０の変更された方向と位置に基づいて身体の空間的な歪みを決定するための方法のフローチャートを提示するが、多重要素基準パターン７１０に隣接した客体の空間的な歪みを決定するにおいて適用すべき全ての分割パターン７２０に、図８Ａ及び図８Ｂに示す方法を適用した結果を入力として利用している。原則的に、全ての分割パターン７２０を適用する必要はない。
【００８４】
図８Ａ及び図８Ｂに示すように、プロセスが始まると（段階８０２）、前記システムは、例えばＣＴスキャナからスキャンデータセットを獲得し（段階８０４）、前記基点及び前記特別なスキャナモデルの知識に基づいてスキャンと共に提供されたり、或いは提供されない、前記基点に関するＣＴスキャンのデフォルトハンスフィールドユニット（ＨＵ）値をチェックする（段階８０６）。もしかかるデフォルト値が存在しなければ、一般化された所定のシステムデフォルト値が適用される（段階８０８）。続いて、前記基準キー値に関連している予測値の範囲外のハンスフィールドデータ値でスキャンのスライス、若しくは分割スキャンを除去することで、前記データが処理され（段階８１０）、残余ポイントの収集が続く（段階８１２）。もしデータが空いていれば（段階８１４）ＣＴ閾値が調節され（段階８１６）、元のデータが復元され（段階８１８）、スキャンスライスの処理が続く（段階８１０）。前記データが空いていなければ、既存のデータを用いてマスの中央が計算され（段階８２０）、Ｘ・Ｙ・Ｚ軸の計算が行われる（段階８２２）。もしマスの中央がＸ・Ｙ・Ｚ軸の交差点になければ（段階８２４）ユーザーに通知され（段階８２６）、プロセスが終了する（段階８２８）。もしマスの中央がＸ・Ｙ・Ｚ軸の交差点にあれば（段階８２４）前記基点のパターンは前記データと比較される（段階８３６）。もし累積誤差が、許容される最大誤差より大きければ（段階８３８）ユーザーに通知され（段階８４０）、プロセスは終了する（段階８４２）。もし累積誤差が、許容される最大誤差より大きくなければ（段階８３８）Ｘ・Ｙ・Ｚ軸の交差点で座標系が定義され（段階８４４）、ＣＴプロファイルはＨＵユニットのためにアップデートされる（段階８４６）。身体の局所的な空間歪みを決定する際、適用されるべき全ての分割パターン７２０に対し、図８Ａ及び図８Ｂの過程が繰り替えされる。続いて、全ての分割パターン７２０の位置及び方向に関する情報が、図８Ｃに記述された方法において入力として使用される。
【００８５】
図８Ｃを参照すると、カメラから映像情報が獲得され（段階８４８）、身体に対する多重要素基準パターン７１０のうち、任意の特定分割７２０がその映像情報に存在するかどうかが決定される（段階８５０）。前記映像情報内に特定分割７２０が存在しなければ、このプロセスを続けるべきかどうかがユーザーに問われる（段階８５２）。続けない場合、前記プロセスは終了する（段階８５４）。前記プロセスが続く場合は、前記映像情報内から特定分割７２０が発見されなかったことがユーザーに通知され（段階８５６）、前記プロセスはカメラから映像情報を獲得する段階に戻る（段階８４８）。段階８５０で、前記映像情報内に特定分割のうち、１つが存在すれば、適用された全ての異なる分割パターン７２０が識別され、適用された全ての分割７２０の３次元位置及び方向は、前記映像情報に基づいて決定される（段階８５８）。前記映像情報に基づいて適用された全ての分割パターンに関する３次元位置及び方向は、前記スキャンデータに基づいた同一の分割パターンに関する３次元位置及び方向と比較される（段階８６０）。かかる比較に基づき、身体の空間的な歪みが決定される（段階８６２）。かかる歪みをリアルタイムでモニタリングできるよう、前記プロセスはカメラから映像情報を獲得する段階（段階８４８）に復帰する。ユーザーがこのプロセスを終了できるよう（段階８６６）、適切なクエリが含まれてもよい。映像データから予め設定された形状、若しくは表示を有するトラッキングマーカーの位置及び方向を決定するための詳細な方法は、本技術分野の技術者に知られているので、ここでは説明しない。
【００８６】
前述の方法によって、例えば、図２のコンピュータ２１０であるコントローラのソフトウェアは、多重要素基準パターン７１０を認識することができ、多重要素基準パターン７１０の識別に基づいた客体若しくは手術部位のモデルと、多重要素基準パターン７１０から受信した前記観察データに基づいた基準パターンの形状変化を計算することができる。それにより、多重要素基準パターン７１０に隣接した解剖学的な特徴といった特徴の位置及び方向をリアルタイムで計算することができる。
【００８７】
本発明の他の側面から、図９の実施形態に示すように、ベース不可視構造に対し空間的に関連性のある不可視構造を再配列するための方法は、基準位置で第１単一基準レファレンス９３０をベース不可視構造９１０に取り付ける段階を含む。非制限的な例として、ベース不可視構造９１０は患者の顔面骨構造であってもよく、図９の９２０のように、前記空間的に関連性のある不可視構造は前記顔面骨構造から骨折された骨の部分であってもよい。単一基準レファレンス９３０は、図１、図２及び図３Ａないし図３Ｊの基準キー１０として詳細に前述した形であってもよい。第１の３次元トラッキングポール９４０及び第１トラッキングマーカー９５０は、図１、図２及び図３Ａないし図３Ｊに追跡可能なポール１１及び３次元トラッキングマーカー１２として詳細に前述した形であってもよい。図１、図２及び図３Ａないし図３Ｊの実施形態と同様に、第１の追跡可能なポール９４０は、第１単一基準レファレンス９３０及び第１の３次元トラッキングマーカー９５０に結合することができる。
【００８８】
この方法において、本実施形態でハンドピースに取り付けるため、図５及び図６に記述したトラッキングマーカーの小型バージョンである、第２のトラッキングマーカー９６０は、公知の位置及び方向に、この非制限的な実施例で空間的に関連性のある不可視構造９２０である骨折された顔面部に取り付けられている。顎顔面の手術において、潜在的な奇形のため、多くの場合、大きな切開を行うことは不本意である。本発明の方法を用いると、第２トラッキングマーカー９６０を取り付けるため、非常に小さい切開のみ行うことができる。第２トラッキングマーカー９６０は、空間的に関連性のある不可視構造９２０に直接取り付けてもよく、或いは次に詳細に説明する通り、（図９に示すように）間接連結してもよい。
【００８９】
第２トラッキングマーカー９６０が、空間的に関連性のある不可視構造９２０に直接連結される実施形態において、この連結は、トラッキングマーカー９６０に固定して取り付けられている手術用ネジを介して行われ得る。図１０に、トラッキングマーカー９６０´に統合されている手術用ネジ９６２´の適切な例を示す。いくつかの実施形態において、手術用ネジ９６２´は、トラッキングマーカー９６０´に一体統合することができる。トラッキングマーカー９６０、９６０´が不可視構造９２０に直接連結されているこれら２つの全ての実施形態において、ユーザーは空間的に関連性のある不可視構造９２０にトラッキングマーカー９６０、９６０´を正確な位置に取り付けた者であるため、ユーザーは空間的に関連性のある不可視構造９２０に相対的なトラッキングマーカー９６０、９６０´の正確な３次元位置及び方向を知っている。単一トラッキングマーカー９６０、９６０´上のパターンは、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｆ、図３Ｇのトラッキングマーカー１２及び図３Ｉのトラッキングマーカー１２´について記述されたものと同一であり得る。他の実施形態において、例えば図１０のトラッキングマーカー９６０´であるトラッキングマーカー９６０´は、回転方向に非対称パターンで配列されている多数のコントラスト部９６４´を有することができる。かかる形のマーカーは、その開示が本明細書で参照のために統合されている、同時に係留中である米国特許出願の第１３／７１３１６５号に非常に詳細に記述されている。前記多数のコントラスト部のうち、少なくとも１つは数学的に記述できる曲面部を含む外周部９６６´を有することができる。例えば、手術用ネジ９６２´を関連性のある不可視構造９２０の内部へ挿入できるよう、六角キーソケット９６８´を備えたトラッキングマーカー９６０´を提供することができるが、回転力を与えてネジ作用を発揮できるよう、六角キーソケットに適切な六角キーが結合できる。手術用ネジ９６２´を回転させるための他の形のソケット若しくは手段が、本技術分野の通常の技術者に公知されているので、本明細書では説明しない。
【００９０】
前述の方法を用いる際、基本構造の既存スキャンが本方法の実施形態のスタート地点になる。例示的な本実施形態において、空間的に関連性のある不可視構造（骨折された顔面部）は全体的に正確な隣接部位に位置しているが、基本構造９１０（顔面骨構造）の残る部分と正確に結合してはいない。適切な映像トラッカー９７０の視界内にある第１トラッキングマーカー９５０及び第２トラッキングマーカー９６０を使用し、マーカー９５０、９６０を含む領域に関する映像情報が適切なコントローラ９８０に提供できる。コントローラ９８０は、例えば図２のコンピュータ２１０のプロセッサ２１４及びメモリ２１７であってもよく、図２のディスプレイスクリーン２２４のように適切なディスプレイモニタを備えることができる。予め設定されたスキャンデータは、メモリ２１７に常駐することができる。いくつかの実施形態において、トラッカー９７０は非ステレオ光学トラッカーであってもよく、他の実施形態において、トラッカー９７０はステレオ光学トラッカーであってもよい。
【００９１】
コントローラ９８０は、既存のスキャンからスキャンデータにアクセスし、マーカー９５０の位置及び方向を、基準レファレンス９３０の位置及び方向と、基準レファレンス９３０が取り付けられるベース不可視構造９１０の位置及び方向と、この実施例で患者の顔面骨構造の位置及び方向とに関連付ける。したがって、公知の第１トラッキングマーカー９５０とベース不可視構造９１０の間の空間関係と、公知の第２トラッキングマーカー９６０と空間的に関連性のある不可視構造９２０の間の空間関係とを使用し、コントローラ９８０は、ベース不可視構造９１０と空間的に関連性のある不可視構造９２０との間の空間関係を、リアルタイムで演算することができる。この非制限的な実施例において、それにより外科医はベース不可視構造９１０に対して空間的に関連性のある不可視構造９２０を扱うことができるようになる。
【００９２】
図９に示す、前述のシステム及び方法は、それぞれ適切な３次元トラッキングマーカーを必要とする不可視構造を有する１つ以上の身体に含まれている２つを越える不可視構造に拡張することができる。
【００９３】
いくつかの実施形態において、第２単一基準レファレンス９９０が空間的に関連性のある構造９２０に取り付けられてもよく、トラッキングマーカー９６０は第２単一基準レファレンス９９０に直接取り付けられてもよく、第２トラッキングポール９９５を介して取り付けられてもよい。この実施形態において、本明細書に開示されている形の単一基準レファレンスのみが、前記基本構造９１０及び前記空間的に関連性のある構造９２０の追跡される単位構造当たりに要求されることを明確にするため、本明細書において基点という脈略で用語「単一」が用いられる。かかる構成により、スキャンから獲得されたスキャンデータは、空間的に関連性のある構造９２０に相対的な第２単一基準レファレンス９００の基準位置及び方向が前記スキャンデータから獲得できるようにするスキャンデータを含むことができる。これは、基本構造９１０及び空間的に関連性のある構造９２０が、人間解剖学及び骨の構造に比べてあまり知られていない構造の部分である場合に応用できる。一例に、図６Ｂのアンティキティラ装置６１２´があるが、アンチキティラ装置で内部構造はスキャンデータがないときは知られず、内部構造の正確な位置を把握するため、物体６００´の２つのセグメント位置を互いに把握する方法を知ることは不可能である。
【００９４】
また、本実施形態のシステム及び方向は、それぞれ３次元トラッキングマーカーと共に単一基準位置に取り付けられている適切な基準レファレンスと、選択的にトラッキングマーカーを必要とする不可視構造である、１つ以上の身体に含まれている２つを越える不可視構造に対しても拡張できる。即ち、前記基準レファレンスは、相応する身体の中から相応する単一身体の単一基準位置にそれぞれ取り付けられる単一基準レファレンスである。
【００９５】
本発明は例示的な設計を有するものと記述されたが、本発明は、本開示の精神及び範囲内でさらに変更することができる。したがって、本出願は、その一般的な原理を用いる本発明の任意の変異や使用若しくは変形を包括することを意図する。さらに、本出願は、本発明が属する技術分野で公知されているか、若しくは通常の慣行内に入るような本開示からの逸脱を包括することを意図している。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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【図３Ｈ】
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【図３Ｉ】
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【図３Ｊ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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