(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の解剖学的構造（Ｆ、Ｔ）を前記解剖学的構造の座標系に画定された少なくとも１つの目標面に従って切断する外科用システムであって、
（ｉ）ロボットデバイス（１００）であって、
切断ツールと、
３つ〜５つの電動自由度を含み、複数の可動セグメントからなるアーキテクチャを有する作動ユニット（４）であって、前記複数の可動セグメントは直列的に接続されており、前記電動自由度のうちの少なくとも２つが、互いに対してほぼ直交する各自の回転軸を中心とした回転自由度であり、前記目標面に対する前記切断ツールの位置及び向きを調節するように構成されている、作動ユニットと、
前記作動ユニットを前記切断ツールに接続する平面機構であって、少なくとも２つの自由度で、平面内でのみ移動するように前記切断ツールを拘束するように構成されている、平面機構と、
を備える、ロボットデバイス（１００）と、
（ｉｉ）前記作動ユニット（４）を支持する受動的に関節接合する係止可能保持アーム（５）と、
（ｉｉｉ）前記解剖学的構造の前記座標系に対する切断面の姿勢をリアルタイムで判定するように構成された追跡ユニット（２００）と、
（ｉｖ）前記目標面に対する前記切断面の姿勢を判定し、前記切断面を前記目標面と位置合わせするように前記作動ユニットを制御するように構成されている、制御ユニット（３００）と、
を備える、外科用システム。
【請求項２】
前記切断ツールは、前記切断面内で振動するように構成された鋸刃（２２）を備える外科用鋸（２）である、請求項１に記載の外科用システム。
【請求項３】
前記切断面は、前記平面機構の前記平面に対して平行である、請求項２に記載の外科用システム。
【請求項４】
前記作動ユニットは、連続する第１、第２、及び第３の回転軸を中心にした３つの回転自由度を備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の外科用システム。
【請求項５】
前記第２の回転軸（Ａ２）は、前記第１及び第３の回転軸（Ａ１、Ａ３）に対してほぼ直交している、請求項４に記載の外科用システム。
【請求項６】
前記平面機構（２４）は受動的である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の外科用システム。
【請求項７】
前記平面機構（２４）は、少なくとも１つの電動自由度を備え、よって、前記平面機構は、少なくとも部分的に能動的である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の外科用システム。
【請求項８】
前記切断面が前記目標面と位置合わせされると、前記平面機構（２４）の前記自由度をそれぞれロックするように適合されたロックシステムを更に備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載の外科用システム。
【請求項９】
前記保持アーム（５）は、前記ロボットデバイスの現在の姿勢と、前記切断面と前記目標面との位置合わせを可能にする目標姿勢との間の距離に反比例する制動力を加えるように構成された制動システムを備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の外科用システム。
【請求項１０】
前記追跡ユニット（２００）は、前記解剖学的構造に堅固に取り付けられるように構成された少なくとも１つのトラッカーと、前記保持アーム及び／又は前記作動ユニットに堅固に取り付けられた少なくとも１つのトラッカーとを備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の外科用システム。
【請求項１１】
前記追跡ユニットは、前記切断ツールに堅固に取り付けられるように構成されたトラッカーを更に備える、請求項１０に記載の外科用システム。
【請求項１２】
前記平面機構の端部に前記切断ツールを取り付けるように構成されたインタフェースを更に備え、前記追跡ユニットは、前記平面機構の前記端部に堅固に取り付けられるように構成されたトラッカーを備える、請求項１０に記載の外科用システム。
【請求項１３】
少なくとも１つの目標面に対する前記ロボットデバイスの姿勢に関するフィードバック情報をユーザに提供するように構成されたユーザインタフェースを更に備える、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の外科用システム。
【請求項１４】
前記ユーザインタフェースは、前記切断面を前記ロボットデバイスの現在の前記姿勢で各目標面と位置合わせできる否かに関する表示を表示するように構成された画面を備える、請求項１３に記載の外科用システム。
【請求項１５】
前記外科用システムは、前記ロボットデバイスを前記解剖学的構造に対して再配置することなく、全膝関節形成術において少なくとも５回の大腿骨切断及び１回の脛骨切断を行うように適合されている、請求項１３又は１４に記載の外科用システム。
【請求項１６】
前記解剖学的構造と前記作動ユニット及び／又は前記保持アームとの間に部分的機械リンクを提供するように構成された支持ユニットを更に備え、前記部分的機械リンクは、前記解剖学的構造と前記作動ユニット及び／又は前記保持アームとの、制限範囲内の少なくとも１つの自由度に沿った相対運動を可能にするように構成されている、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の外科用システム。
【請求項１７】
前記支持ユニット（６）は、少なくとも２つの着脱可能な要素と、前記解剖学的構造に取り付けられるように構成された第１の要素と、前記作動ユニット及び／又は前記保持アームに取り付けられるように構成された第２の要素と、を備え、前記第１の要素は、前記解剖学的構造の周囲に巻き付けられるように構成されたストラップ（６１）と、前記ストラップが通過する少なくとも１つのスロットを備える剛性基部（６０）とを備え、前記剛性基部は、前記第２の要素に取り外し可能に取り付けられるように構成されている、請求項１６に記載の外科用システム。
【請求項１８】
前記作動ユニット及び／又は前記保持アームの少なくとも一部を前記患者から隔離するように構成された滅菌ドレープ上に、前記作動ユニット（４）及び／又は前記保持アーム（５）に取り外し可能に取り付けられた中間部（７）を更に備える、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の外科用システム。
【請求項１９】
前記トラッカーは、前記中間部（７）を介して前記保持アーム（５）及び／又は前記作動ユニット（４）に堅固に取り付けられている、請求項１０と組み合わせた請求項１８に記載の外科用システム。
【請求項２０】
前記制御ユニット（３００）は、前記切断面が前記目標面と位置合わせされたときにのみ前記切断ツールの操作を可能にするように構成されている、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の外科用システム。
【請求項２１】
前記制御ユニット（３００）は、
前記追跡ユニット（２００）によって提供される位置決め情報を使用して、前記作動ユニット（４）及び前記解剖学的構造の姿勢を判定する工程（Ｓ１）と、
前記作動ユニットの幾何学的モデルに基づいて、工程（Ｓ１）で判定された前記姿勢から前記平面機構の理論上の姿勢を計算し、前記平面機構（２４）の平面と前記目標面との間の偏差を計算する工程（Ｓ２）と、
前記偏差が閾値未満である場合、前記切断ツール（２）の操作を可能にし、工程（Ｓ１）に戻って、前記作動ユニット及び前記解剖学的構造の新たな姿勢を判定する工程と、
前記偏差が前記閾値以上である場合、前記作動ユニットの前記座標系に前記目標面を投影する工程（Ｓ３）と、
前記作動ユニット（４）の新たな姿勢を計算して前記切断面を前記目標面と位置合わせし、前記作動ユニット（４）のモータによって加えられる運動を判定する工程（Ｓ４）と、
前記作動ユニット（４）を作動させて前記運動を加え、工程（Ｓ１）に戻って、前記作動ユニット及び前記解剖学的構造の新たな姿勢を判定する工程（Ｓ５）と、
を含む制御ループを実行するように構成されている、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の外科用システム。
【請求項２２】
前記制御ユニットが、
前記追跡ユニット（２００）によって提供される位置決め情報を使用して、前記作動ユニット（４）、前記切断ツール（２）、及び前記解剖学的構造の姿勢を判定する工程（Ｓ’１）と、
前記切断面と前記目標面との間の偏差を計算する工程（Ｓ’２）と、
前記偏差が閾値未満である場合、前記切断ツールの操作を可能にし、工程（Ｓ’１）に戻って、前記作動ユニット、前記切断ツール、及び前記解剖学的構造の新たな姿勢を判定する工程と、
前記偏差が前記閾値以上である場合、前記作動ユニットの前記座標系に前記切断面及び前記目標面を投影する工程（Ｓ’３）と、
前記平面機構（２４）の平面と前記切断面との間の変換を計算する工程（Ｓ’４）と、
工程（Ｓ’４）で計算された変換を用いて前記目標面を更新する工程（Ｓ’５）と、
前記作動ユニット（４）の新たな姿勢を計算して前記切断面を更新された前記目標面と位置合わせし、前記作動ユニットのモータによって加えられる運動を判定する工程（Ｓ’６）と、
前記作動ユニット（４）を作動させて、前記運動を加える工程と、
を含む制御ループを実行するように構成されている、請求項１１又は１２と組み合わせた請求項１〜２０のいずれか一項に記載の外科用システム。
【請求項２３】
前記平面機構は、前記切断面に対して直交する平行回転軸を有する複数の継手を含む、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の外科用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの目標面に沿って患者の解剖学的構造を切断するロボットシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
全膝関節形成術は、典型的には、損傷した骨及び軟骨を除去し、人工膝関節を装着するために、大腿骨骨端及び脛骨骨端の両方を切断する必要がある。
【０００３】
その目的のために、外科医は、切断ブロックを通じて振動鋸を使用することによって、大腿骨で５回以上及び脛骨で１回以上の切断を行う必要がある。
【０００４】
図１は、大腿骨コンポーネントＦＣ及び脛骨コンポーネントＴＣを含む人工膝関節を収容するように意図された膝の概略斜視図である。一般的に、大腿骨Ｆで行われる切断は、平面Ｆ１に沿った遠位切断、平面Ｆ２に沿った前方切断、平面Ｆ３に沿った後方切断、並びに遠位面を前方面及び後方面にそれぞれ接続する前方面取りＦ４及び後方面取りＦ５である。平面Ｔ１に沿った脛骨Ｔの切断も行う必要がある。
【０００５】
外科医がこれら全ての平面を正確にかつ短時間で切断するために、コンピュータ支援システムが開発されてきた。
【０００６】
例えば、文献国際公開第２０１４／１９８７８４号は、ハンドヘルド型デバイスを備える外科用システムであって、当該携帯装置は、
ユーザの手に保持されるように設計された基部と、
患者の身体の一部の計画された体積を切削するように意図されたフライスを装着するためのエンドエフェクタと、
当該計画された体積を治療するため、基部に対してフライスを移動させるために当該基部及び当該エンドエフェクタに接続された作動ユニットと、
基部又はエンドエフェクタと治療対象部位との間の部分的機械リンクを提供するために基部又はエンドエフェクタに接続された支持ユニットと、
を含む外科用システムを教示している。
【０００７】
当該システムは、治療対象部位に対するフライス、エンドエフェクタ、及び基部のうちの少なくとも１つの姿勢をリアルタイムで判定するように構成された追跡ユニットを更に備える。
【０００８】
当該システムの制御ユニットは、
（ａ）当該測定された姿勢に応じて、基部に対するフライス又はエンドエフェクタの最適経路をリアルタイムで計算し、
（ｂ）フライス又はエンドエフェクタの当該計算された経路が、基部の姿勢を変更することなく達成され得るかどうかを検出し、達成され得ない場合、治療対象部位に対する基部の可能な再配置を判定し、
（ｃ）当該計算された経路に従ってエンドエフェクタを移動させるように作動ユニットを構成し、
（ｄ）計画された体積が治療されるまで、工程（ａ）〜（ｃ）を反復するように構成されている。
【０００９】
ユーザインタフェースは、フィードバック情報をユーザに表示するために使用される。
【００１０】
しかしながら、この文献に記載されているロボットが、身体の一部を切削するのに非常に効率的であるとしても、文献国際公開第２０１４／１９８７８４号に示されるような平面状の５バーリンクの形態の作動ユニットを有する設計は、鋸で身体部分を切断するのに最適ではない。実際に、作動ユニットによって提供される自由度は、切断される各平面と一致する鋸機構を使用して膝関節形成術を行う複数の切断面には適していない。
【００１１】
文献米国特許出願公開第２０１１／０１３０７６１号は、全膝関節形成術において大腿骨で複数の切断を行うために鋸を誘導する専用のロボットシステムを教示している。このシステムは、骨及び器具に取り付けられたトラッカーを所定の位置及び向きで位置決めするナビゲーションシステムを備える。
【００１２】
システムは、少なくとも１つのピンによって大腿骨に堅固に取り付けられた座部を備える。
【００１３】
２つのねじを備える調節システムが、玉継手を介して座部に取り付けられる。
【００１４】
切断面内で鋸刃を誘導するように意図されたスロットを備える切断ブロックが、２つのモータを支持するアームに取り付けられる。
【００１５】
アームは、調節システムに枢動可能に装着され、座部に対するアームの向きは、調節システムの２つのねじによって調節可能である。
【００１６】
アームは、第１のモータによって第１の回転軸を中心に座部に対して回転可能であり、切断ブロックは、第２のモータによって第２の回転軸を中心にアームに対して回転可能であり、両方の回転軸は互いに対して平行である。
【００１７】
使用中、座部は、少なくとも１つのピンによって大腿骨に堅固に固定され、次いで、第１及び第２の回転軸の位置が、外科医によって手動で操作される調節デバイスによって、ナビゲーションシステムからの視覚フィードバックに応じて修正される。
【００１８】
適切な位置が発見されると、切断ブロックに取り付けられたトラッカーは取り外され、切断ブロックがそれ以上誘導されない。
【００１９】
次いで、モータは、２つの回転軸を中心に切断ブロックを移動させるように動作する。次に、外科医は、切断ブロック内に収容された鋸を使用して、所望の各切断面に沿って骨を切断する。したがって、システムは、目標面に対する切断ブロックのスロットの起こり得る位置ずれをリアルタイムで検出又は補償することができない。
【００２０】
上記システムの主な欠点は、ロボットの重量を支えるために大型のピンを骨に埋め込むことを必要とし、ロボットに担持される切断ブロックに挿入された鋸による鋸引き中に加えられる力を補償するので、大腿骨に対する座部の堅固な固定が極めて侵襲的となることである。大きな重量を支え、大きな力に対応するために使用される大型ピンは、骨折を発生させる可能性があり得る。また、重量及び力は骨内でピンを移動させて、システムの精度に著しい影響を及ぼす可能性がある。
【００２１】
加えて、回転軸は、全ての目標面を達成するために、非常に精密に調節されなければならない。しかしながら、この調節は手動で行われ、ナビゲーションシステムによって提供される視覚フィードバックでしか支援されないため、困難であり、誤差又は不正確さをもたらしやすい。ユーザ又は鋸によって加えられた力を理由に切断面が鋸引き中にわずかに移動する場合、ユーザがその移動を見つけ、手動で調節を補正することは非常に困難であろう。
【００２２】
更に、外科的制約、解剖学的制約、又は誤用により、ピンが正しい位置に配置されない場合、ロボットは、全ての切断部に到達することができるように切断ブロックを位置決めすることができず、骨内でピンをわずかに異なる場所に再配置する必要があり、この再配置は困難である。
【００２３】
加えて、このシステムでは、座部が大腿骨に固定されている間に脛骨切断を実行することができず、したがって、脛骨の切断を実行するには特定のデバイスが必要であり、そのために追加の時間、追加のピン、追加のシステム及び努力が必要となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明の目的は、目標面に到達するために切断ツールの位置及び向きを正確に制御しながら患者の骨へのいかなる侵襲的な取り付けも必要としない、患者の解剖学的骨構造を少なくとも１つの目標面に従って切断するために切断ツールを誘導することが意図される外科用システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
したがって、本発明は、患者の解剖学的構造を解剖学的構造の座標系に画定された少なくとも１つの目標面に従って切断する外科用システムであって、
（ｉ）ロボットデバイスであって、
切断ツールと、
３つ〜５つの電動自由度を含むシリアルアーキテクチャを有する作動ユニットであって、当該電動自由度のうちの少なくとも２つが、互いに対してほぼ直交する各自の回転軸を中心とした回転自由度であり、各目標面に対する切断ツールの位置及び向きを調節するように構成されている、作動ユニットと、
作動ユニットの最後のセグメントを切断ツールに接続する平面機構と、
を備える、ロボットデバイスと、
（ｉｉ）作動ユニットを支持する受動的に関節接合する係止可能保持アームと、
（ｉｉｉ）解剖学的構造の座標系に対する切断面の姿勢をリアルタイムで判定するように構成された追跡ユニットと、
（ｉｖ）目標面に対する切断面の姿勢を判定し、切断面を目標面と位置合わせさせるように作動ユニットを制御するように構成されている、制御ユニットと、
を備える、外科用システムを提供する。
【００２６】
本明細書において、「ほぼ直交する軸」とは、軸間の角度が９０度±３０度であることを意味する。
【００２７】
「ほぼ平行な軸」とは、軸間の角度が０度±３０度である軸を意味する。
【００２８】
「保持アーム」とは、少なくとも２つのセグメントから成り、所与の位置に係止され得る関節接合アームを意味する。保持アームは、手術台、脚部ホルダ、又はブロックされたホイールを有する可動カートなどの手術室の固定構造物に取り付けられる。
【００２９】
「作動ユニット」とは、電動自由度により互いに連結された一連の剛性セグメントを意味する。作動ユニットは、保持アームの末端に堅固に取り付けられる。作動ユニットは、制御ユニットによって制御される。
【００３０】
「平面機構」とは、少なくとも２つの自由度で、平面内でのみ移動するように物体を拘束する機構を意味する。例えば、平面機構は、２つの並進度及び１つの回転度を有するように作製することができる。
【００３１】
「切断ツール」とは、骨の中での切断を実行することが可能な、鋸、フライス、レーザ、又は高圧ウォータージェットを意味する。膝手術では、一般的に、切断ツールは、振動鋸刃を但持し作動させる動力ユニットから成る。
【００３２】
「解剖学的構造」とは、本明細書において、骨及び軟骨などのほぼ剛性の構造、又は２つ以上の骨から形成された関節を意味する。
【００３３】
「姿勢」とは、本明細書において、最大６つの自由度におけるツールの３Ｄ位置及び３Ｄ向きを意味する。用途に応じて、「姿勢」は、必ずしも６つの自由度全てによって判定されず、１つの自由度又は６つ未満の自由度を含むサブセットによって判定されてもよいことに留意されたい。
【００３４】
切断面と目標面との「位置合わせ」は、本明細書において、目標面からの当該切断面の偏差が距離１ｍｍ未満、角度１度未満であることを意味する。好ましくは、切断面は、目標面と完全に一致する。このような距離を測定するために、目標面の選択された点が切断面に投影され、投影された点と目標面との間の距離が測定される。選択された点は、切断対象の解剖学的構造の近傍にあるものとする。例えば、選択された点は、解剖学的構造の解剖学的点であってもよいし、あるいは、目標面に投影された、切断対象の解剖学的構造の中心であってもよい。
【００３５】
本発明の有利な非限定的実施形態によれば、以下の特徴を適宜組み合わせることができる。
切断ツールは、判定された切断面内で振動するように構成された鋸刃を備える外科用鋸である。
切断面は、平面機構の平面に対して平行である。
切断面は、平面機構の平面に対して直交する。
切断ツールは、フライスである。
切断ツールは、レーザである。
切断ツールは、高圧ウォータージェットである。
切断ツールは、軟組織を切断するように適合されたメス又はランセットである。
作動ユニットは、連続する第１、第２、及び第３の回転軸を中心にした３つの回転自由度を有する。
第２の軸は、第１の軸又は第３の軸に対してほぼ平行であり、第１及び第３の軸は、互いに対してほぼ直交している。
第２の軸は、第１及び第３の軸に対してほぼ直交している。
作動ユニットは、第１の軸を中心とした第１の電動回転自由度と、第１の軸に対してほぼ直交する第２の軸に沿った第２の電動並進自由度と、第１及び第２の軸に対してほぼ直交する第３の軸を中心とした第３の電動回転自由度と、を有する。
作動ユニットは、第１の軸に沿った第１の電動並進自由度と、第１の軸に対してほぼ直交する第２の軸に沿った第２の電動並進自由度と、第１及び第２の軸に対してほぼ直交する第３の軸を中心とした第３の電動回転自由度と、第３の軸に対してほぼ直交する第４の軸（Ａ４）を中心とした第４の電動回転自由度と、を有する。
平面機構は、受動的である。
平面機構は、少なくとも部分的に能動的である。
平面機構は、少なくとも２つの電動自由度を有する。
システムは、切断面が目標面と位置合わせされると、平面機構の自由度をそれぞれロックするように適合されたロックシステムを備える。
保持アームは、ロボットデバイスの現在の姿勢と、目標面と切断面との位置合わせを可能にする目標姿勢との間の距離に反比例する制動力を加えるように構成された制動システムを備える。
追跡ユニットは、解剖学的構造に堅固に取り付けられるように構成された少なくとも１つのトラッカーと、保持アーム及び／又は作動ユニットに堅固に取り付けられた少なくとも１つのトラッカーと、を備える。
追跡ユニットは、切断ツールに堅固に取り付けられるように構成されたトラッカーを更に備える。
システムは、平面機構の端部に切断ツールを取り付けるように構成されたインタフェースを更に備え、追跡ユニットは、平面機構の当該端部に堅固に取り付けられるように構成されたトラッカーを備える。
システムは、少なくとも１つの目標面に対するロボットデバイスの姿勢に関するフィードバック情報をユーザに提供するように構成されたユーザインタフェースを更に備える。
ユーザインタフェースは、切断面をロボットデバイスの現在の姿勢で各目標面と位置合わせできるか否かに関する表示を表示するように構成された画面を備える。
ユーザインタフェースは、切断面をロボットデバイスの現在の姿勢で各目標面と位置合わせできるか否かを表示する、及び／又は切断面を当該目標面と位置合わせするようにロボットデバイスの姿勢を調節する指示を提供する、矢印、数字、又は文字を表すために支持面に配置されたＬＥＤなどの視覚的インジケータを備える。
ユーザインタフェースは、ロボットデバイスの向きに関するフィードバック情報を提供するように、それぞれが仮想アルコール水準器を表す数値表示を含む。
システムは、ロボットデバイスを解剖学的構造に対して再配置することなく、全膝関節形成術において少なくとも５回の大腿骨切断及び１回の脛骨切断を行うように適合されている。
システムは、解剖学的構造と作動ユニット及び／又は保持アームとの間に部分的機械リンクを提供するように構成された支持ユニットを更に備える。
支持ユニットは、少なくとも２つの着脱可能な要素と、解剖学的構造に取り付けられるように構成された第１の要素と、作動ユニット及び／又は保持アームに取り付けられるように構成された第２の要素と、を備える。
第１の要素は、解剖学的構造の周囲に巻き付けられるように構成されたストラップと、ストラップが通過する少なくとも１つのスロットを備える剛性基部とを備え、当該剛性基部は、第２の要素に取り外し可能に取り付けられるように構成されている。
システムは、第１の要素に取り付けられた少なくとも１つの軟組織リトラクタを更に備える。
支持ユニットは、解剖学的構造と作動ユニット及び／又は保持アームとの間の距離を調節するように構成された少なくとも１つの調節機構を備える。
支持ユニットは、解剖学的構造に利用されるように構成された少なくとも１つのロッドを備える。
支持ユニットは、解剖学的構造に利用されるように構成された少なくとも１つの吸引パッドを備える。
システムは、作動ユニット及び／又は保持アームの少なくとも一部を患者から隔離するように構成された滅菌ドレープ上に、作動ユニット及び／又は保持アームに取り外し可能に取り付けられた中間部を更に備える。
トラッカーは、当該中間部を介して保持アーム及び／又は作動ユニットに堅固に取り付けられている。
支持ユニットは、当該中間部を介して、保持アーム及び／又は作動ユニットに取り付けられている。
制御ユニットは、切断面が目標面と位置合わせされたときにのみ、切断ツールの操作を可能にするように構成されている。
制御ユニットは、切断面が目標面と位置合わせされている限り、作動ユニットを作動させて、当該平面に対して直交する方向に平面機構の平面を変位させるように構成されている。
切断ツールは、切断ツールと平面機構との間のいかなる並進も回避するように構成された相補的特徴部を有するインタフェースを介して平面機構上に載置されている。
制御ユニットは、
追跡ユニットによって提供される位置決め情報を使用して、作動ユニット及び解剖学的構造の姿勢を判定する工程（Ｓ１）と、
作動ユニットの幾何学的モデルに基づいて、工程（Ｓ１）で判定された姿勢から平面機構の理論上の姿勢を計算し、平面機構の平面と目標面との間の偏差を計算する工程（Ｓ２）と、
当該偏差が閾値未満である場合、切断ツールの操作を可能にし、工程（Ｓ１）に戻って、作動ユニット及び解剖学的構造の新たな姿勢を判定する工程と、
当該偏差が当該閾値以上である場合、
作動ユニットの座標系に目標面を投影する工程（Ｓ３）と、
作動ユニットの新たな姿勢を計算して切断面を目標面と位置合わせし、作動ユニットのモータによって加えられる運動を判定する工程（Ｓ４）と、
作動ユニットを作動させて当該運動を加え、工程（Ｓ１）に戻って、作動ユニット及び解剖学的構造の新たな姿勢を判定する工程（Ｓ５）と、
を含む制御ループを実行するように構成されている。
制御ユニットは、
追跡ユニットによって提供される位置決め情報を使用して、作動ユニット、切断ツール、及び解剖学的構造の姿勢を判定する工程（Ｓ’１）と、
切断面と目標面との間の偏差を計算する工程（Ｓ’２）と、
偏差が閾値未満である場合、切断ツールの操作を可能にし、工程（Ｓ’１）に戻って、作動ユニット、切断ツール、及び解剖学的構造の新たな姿勢を判定する工程と、
偏差が閾値以上である場合、
作動ユニットの座標系に切断面及び目標面を投影する工程（Ｓ’３）と、
平面機構の平面と切断面との間の変換を計算する工程（Ｓ’４）と、
工程（Ｓ’４）で計算された変換を用いて目標面を更新する工程（Ｓ’５）と、
作動ユニットの新たな姿勢を計算して切断面を更新された目標面と位置合わせし、作動ユニットのモータによって加えられる運動を判定する工程（Ｓ’６）と、
作動ユニットを作動させて当該運動を加える工程と、
を含む制御ループを実行するように構成されている。
【００３６】
「部分的機械リンク」とは、少なくとも２つの部分の間の機械的リンクを意味し、当該少なくとも２つの部分の、制限範囲内の少なくとも１つの自由度に沿った相対運動が可能である。この用語は、「完全な」機械的リンク、すなわち、部品間の相対運動が許容されないリンクを除外する。このような完全な機械的リンクの一例は、例えば米国特許第２０１１／０１３０７６１号に示すように、当該骨に埋め込まれる少なくとも１つのねじ又はピンによって、切断対象の骨にロボットシステムを堅固に取り付けることである。典型的には、部分的機械リンクは、バネと同様に、２つの部品間で減衰を生じさせることができる。典型的には、２つの部品間の少なくとも１つの自由度は、固定値に機械的に拘束される、又は所与の範囲内に留まる。
【００３７】
「支持ユニット」とは、解剖学的構造と作動ユニットとの間に部分的機械リンクを形成するデバイスを意味する。
【００３８】
以下に更に詳細に記載するように、作動ユニットと患者の身体の解剖学的構造との間に提供される当該部分的機械リンクは、直接的であってもよい、つまり、支持ユニットが切断対象の構造（骨）と接触している、又は間接的であってもよい、つまり、支持ユニットが、切断対象の構造体に隣接する患者の身体の一部と接触している。当該隣接部分は、切断対象の構造と同じ関節に属する骨、又は当該骨構造を囲む軟組織（おそらくは皮膚を含む）から成ってもよい。間接的な部分的機械的リンクは、支持ユニットが第１の骨の皮膚に接続され、作動ユニットが、解剖学的関節接合（例えば、膝関節によって接続された大腿骨及び脛骨）によって第１の骨に接続された第２の骨内の平面を切断するため使用されるときに得ることができる。また、間接的な部分的機械的リンクは、支持ユニットが解剖学的構造を中間デバイスに接続し、中間デバイスが、剛性リンク又は第２の部分的機械リンクによって作動ユニットに接続されるときに得ることができる。
【００３９】
支持ユニットが接触する解剖学的部分及び支持ユニット自体の設計に応じて、当該部分的機械リンクは剛性であってもよい（すなわち、骨に対して侵襲的でない固定接点を有する）、又は減衰されてもよい。
【００４０】
上記デバイスは、（例えば、ユーザの小さい動き又は患者の不随意運動に起因する）所与の量の相対姿勢誤差を補償することができる。
【００４１】
支持ユニットは、解剖学的構造と作動ユニットとの間の空間的関係を部分的に安定させることを目的とする。支持ユニットの別の利点は、作動ユニットの基部に対して、明確に画定され限定された可動域内に解剖学的構造を拘束することである。これにより、ロボットの動作中、脚部の大きな偶発的運動が低減される。
【００４２】
部分的機械リンクは、（例えば、保持アームの屈曲、患者の不随意運動、又は切断動作中の振動に起因する）解剖学的構造に対するロボットデバイスのわずかな運動を許容する一方、３つの電動自由度は、これらのわずかな運動を考慮して、切断面の位置をリアルタイムで調節し、所望の位置合わせを維持することができる。したがって、平行軸での２つの電動回転自由度のみを有する文献米国特許出願公開第２０１１／０１３０７６１号に記載されたシステムと比較して、本発明による第３の電動回転自由度は、座部を骨に非常に正確かつ堅固に取り付ける必要性を排除することによって、外科的処置の侵襲性を低減する。加えて、電動化されリアルタイムで調節される３つの別々の自由度によって切断面が設定されるため、切断面のリアルタイム追跡が可能になる。
【００４３】
有利なことに、膝関節形成術の場合、患者の脚部を同じ位置に保ち、システムをほぼ移動させることなく、全ての脛骨及び大腿骨の切断を実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
本発明の他の特徴、実施形態、及び利点は、添付図面に基づく以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。
【図１】膝プロテーゼを埋め込むために大腿骨及び脛骨で実行される切断の概略図である。
【図２】本発明による外科用システムの全体図である。
【図３Ａ】本発明の第１の実施形態に係るロボットデバイスの斜視図である。
【図３Ｂ】本発明の第１の実施形態に係るロボットデバイスの斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るロボットデバイスの斜視図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係るロボットデバイスの斜視図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る作動ユニットのアーキテクチャの概略図である。
【図７】本発明の第５の実施形態に係る作動ユニットのアーキテクチャの概略図である。
【図８Ａ】それぞれ脛骨切断、遠位切断、前方切断、後方切断、前方面取り切断、及び後方面取り切断を実行する間の図３Ａ〜図３Ｂに示すデバイスの斜視図である。
【図８Ｂ】それぞれ脛骨切断、遠位切断、前方切断、後方切断、前方面取り切断、及び後方面取り切断を実行する間の図３Ａ〜図３Ｂに示すデバイスの斜視図である。
【図８Ｃ】それぞれ脛骨切断、遠位切断、前方切断、後方切断、前方面取り切断、及び後方面取り切断を実行する間の図３Ａ〜図３Ｂに示すデバイスの斜視図である。
【図８Ｄ】それぞれ脛骨切断、遠位切断、前方切断、後方切断、前方面取り切断、及び後方面取り切断を実行する間の図３Ａ〜図３Ｂに示すデバイスの斜視図である。
【図８Ｅ】それぞれ脛骨切断、遠位切断、前方切断、後方切断、前方面取り切断、及び後方面取り切断を実行する間の図３Ａ〜図３Ｂに示すデバイスの斜視図である。
【図８Ｆ】それぞれ脛骨切断、遠位切断、前方切断、後方切断、前方面取り切断、及び後方面取り切断を実行する間の図３Ａ〜図３Ｂに示すデバイスの斜視図である。
【図９】保持アームの一実施形態を示す図である。
【図１０】保持アームの別の実施形態を示す図である。
【図１１】脛骨に取り付けられた支持ユニットの一実施形態を示す図である。
【図１２】大腿骨に取り付けられた支持ユニットの一実施形態を示す図である。
【図１３】軟組織リトラクタを支持する支持ユニットの一実施形態を示す図である。
【図１４】軟組織リトラクタを支持する支持ユニットの別の実施形態を示す図である。
【図１５】本発明によるロボットデバイスを使用して大腿骨で切断される１０個の目標面を有する実施形態の概略図である。
【図１６】トラッカーが切断ツールに取り付けられていない場合に、制御ユニットによって実行される補償制御ループの一実施形態を示す図である。
【図１７】トラッカーが切断ツールに取り付けられている場合に、制御ユニットによって実行される補償制御ループの別の実施形態を示す図である。
【図１８】６つの自由度を有する大型ロボットが、本発明で使用される平面機構を備えている状況を示す図である。
【図１９Ａ】大腿骨及び脛骨の何回かの切断を行うためにロボットデバイスの位置決めを誘導するユーザインタフェースの一実施形態を示す図である。
【図１９Ｂ】大腿骨及び脛骨の何回かの切断を行うためにロボットデバイスの位置決めを誘導するユーザインタフェースの一実施形態を示す図である。
【図１９Ｃ】大腿骨及び脛骨の何回かの切断を行うためにロボットデバイスの位置決めを誘導するユーザインタフェースの一実施形態を示す図である。
【図２０】一実施形態に係るロボットデバイスの設定を示す図である。
【図２１】別の実施形態に係るロボットデバイスの設定を示す図である。
【図２２】別の実施形態に係るロボットデバイスの設定を示す図である。
【図２３】支持ユニットの一実施形態を示す図２１又は図２２の拡大図である。
【図２４Ａ】垂直切断を実行するためのロボットデバイスの利用を示す図である。
【図２４Ｂ】垂直切断を実行するためのロボットデバイスの利用を示す図である。
【図２４Ｃ】垂直切断を実行するためのロボットデバイスの利用を示す図である。
【図２５】切断ツールがフライスであるロボットデバイスの一実施形態を示す図である。
【図２６】電動平面機構の一実施形態を示す図である。
【図２７】切断ブロックが、切断ブロックと切断対象の骨との間の距離を調節するスライダ上に装着するように意図さされているデバイスの一実施形態を示す図である。
【図２８Ａ】それぞれ切断ツールを挿入するための２つのスロットを含む切断ブロックの斜視図と、３つのスロットを含む切断ブロックの斜視図である。
【図２８Ｂ】それぞれ切断ツールを挿入するための２つのスロットを含む切断ブロックの斜視図と、３つのスロットを含む切断ブロックの斜視図である。
【図２９Ａ】それぞれ脛骨の切断、並びに大腿骨の遠位切断、前方切断、後方切断、前方面取り切断、及び後方面取り切断を実行するように位置決めされた切断ブロックを有するロボットデバイスの斜視図である。
【図２９Ｂ】それぞれ脛骨の切断、並びに大腿骨の遠位切断、前方切断、後方切断、前方面取り切断、及び後方面取り切断を実行するように位置決めされた切断ブロックを有するロボットデバイスの斜視図である。
【図２９Ｃ】それぞれ脛骨の切断、並びに大腿骨の遠位切断、前方切断、後方切断、前方面取り切断、及び後方面取り切断を実行するように位置決めされた切断ブロックを有するロボットデバイスの斜視図である。
【図２９Ｄ】それぞれ脛骨の切断、並びに大腿骨の遠位切断、前方切断、後方切断、前方面取り切断、及び後方面取り切断を実行するように位置決めされた切断ブロックを有するロボットデバイスの斜視図である。
【図２９Ｅ】それぞれ脛骨の切断、並びに大腿骨の遠位切断、前方切断、後方切断、前方面取り切断、及び後方面取り切断を実行するように位置決めされた切断ブロックを有するロボットデバイスの斜視図である。
【図２９Ｆ】それぞれ脛骨の切断、並びに大腿骨の遠位切断、前方切断、後方切断、前方面取り切断、及び後方面取り切断を実行するように位置決めされた切断ブロックを有するロボットデバイスの斜視図である。
【図３０】切断ブロックが装着されるスライダが、ラック・アンド・ピニオン機構によって提供される複数の所定位置を含むデバイスの一実施形態を示す図である。
【図３１Ａ】デバイスの支持ユニットの各種実施形態を示す図である。
【図３１Ｂ】デバイスの支持ユニットの各種実施形態を示す図である。
【図３２】切断ブロックを有するロボットデバイスの設定を示す図である。
【図３３】本発明の実施形態を実施する少なくとも１つの骨切り術を実行するための外科的処置のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下の説明は、膝手術、特に全膝関節形成術（ＴＫＡ）に焦点を当てており、この場合、切断対象の解剖学的構造は、大腿骨及び脛骨から成る関節である。
【００４６】
しかしながら、本発明はこの特定の用途に限定されるものではなく、骨解剖学的構造内の少なくとも１つの平面に沿って切断を行う必要がある様々な用途に適用することができる。概して、本発明は、少なくとも１つの骨切り術工程を必要とする任意の外科的介入において使用することができる。特に限定されるものではないが、本発明は、以下の外科的用途：単顆型膝関節形成術（ＵＫＡ）、脛骨又は大腿骨骨切り術、膝蓋骨修復、外反母趾手術、近位大腿骨を切断する股関節手術、上腕骨頭を切断する肩手術、変形を矯正し椎体の骨切り術を実行する脊柱手術、足首手術、顎顔面手術においても実行することができる。
【００４７】
以下で更に詳述するように、デバイスは、解剖学的構造をそれに沿って切断される少なくとも１つの目標面が、切断を実行する前に計画される状況で使用される。
【００４８】
少なくとも１つの目標面は、患者の術前画像（例えば、ＣＴ画像、ＭＲＩ画像、超音波画像、統計的形状モデルやＰＥＴなどと組み合わせた２Ｄ又は３ＤのＸ線）、術中３Ｄデータ（例えば、術中ＣＴ又は術中ＣＢＣＴ、術中ＭＲＩ、超音波画像、２Ｄ又は３Ｄの術中Ｘ線画像、システムの位置を特定し、３Ｄ点、３Ｄ点の集合体、３Ｄ点の集合体によって再構成される表面などを提供することによって提供される幾何学的データ）、又はその両方を使用して計画される。
【００４９】
多くのコンピュータ支援外科術式は、外科手術中に収集された画像又は幾何学的患者データを使用して、切断対象の解剖学的構造に付与された座標系に目標面を登録するために存在する。
【００５０】
典型的には、術中画像又はデータは、解剖学的構造に付与された固有の座標系に術前画像を登録するために使用され、通常、コンピュータ支援外科的技術のいずれかを使用可能なトラッカー（反射マーカで作製された光学トラッカー、能動的ＬＥＤで作製された光学トラッカー、コイルで作製された電磁トラッカー、慣性センサ、超音波センサ、ＲＦＩＤセンサの組み合わせなど）である。
【００５１】
これらの従来のコンピュータ支援外科術式のいずれかを使用することにより、目標面は、切断対象の解剖学的構造に付与された座標系内に既知の幾何学的表示を含み、以下に詳述するように、その表示の移動が追跡ユニットによってリアルタイムで追跡される。典型的には、全膝手術のための手術計画工程では、５つの目標面が、大腿骨に固定されたトラッカーに付与された座標系に画定され、１つの目標面が、脛骨に固定されたトラッカーに付与された座標系に画定される。
【００５２】
図２は、本発明による外科用システムの全体図である。
【００５３】
患者Ｐは、例えば全膝関節形成術（ＴＫＡ）の観点から、手術台５００に横たわっている。
【００５４】
その目的のために、少なくとも１つの目標面、好ましくは複数の目標面に沿って脛骨及び大腿骨を切断するように意図された鋸２などの切断ツールが、外科医などのユーザによって使用される。
【００５５】
切断ツールは、ロボットデバイス１００によって保持され、作動ユニット４（図２には示されていないが、後続の図面を見るとよりよく分かる）によって、各目標面内に拘束される。
【００５６】
ロボットデバイス１００は、作動ユニットを制御する制御ユニット３００に接続される。
【００５７】
当該制御ユニットは、典型的には、電源、ＡＣ／ＤＣコンバータ、作動ユニットのモータに電力を供給する運動コントローラ、ヒューズ、リアルタイム制御システムインタフェース回路を備える。
【００５８】
システムは、デバイスと切断対象の解剖学的構造の相対的姿勢が、リアルタイムで追跡され、リアルタイム制御ユニットと計画システムとの間で共有されるように、追跡ユニット２００を更に備える。
【００５９】
少なくとも１つの座標系が切断ツール及び／又はロボットデバイスに付与される一方、少なくとも１つの座標系が解剖学的構造に付与される。
【００６０】
追跡ユニットは、両方の座標系間の相対運動をリアルタイムで測定する。リアルタイムとは、短待ち時間、理想的には５ミリ秒未満で、２０ヘルツ超、好ましくは１００〜５００ヘルツの範囲の高周波数を意味する。
【００６１】
追跡ユニットによって取得されたデータは、ワイヤ３０１又は無線による任意の好適な接続を介して、短待ち時間で制御ユニット３００に転送される。
【００６２】
リアルタイム制御ユニットは、提案されたリアルタイム制御アルゴリズムを、追加の短待ち時間で、妥当な高頻度で実行することができる。
【００６３】
リアルタイム制御ユニットは、当該測定された姿勢に応じて、目標面に対する鋸の位置をリアルタイムで計算する。
【００６４】
この図では、接続はワイヤ３０１によって表されているが、ロボットデバイスがバッテリ駆動式である場合は無線であってもよい。
【００６５】
制御ユニット及び追跡ユニットは、手術室内を移動することができるカート３０２内に配置されてもよい。これらのユニットは、別個のカート、関節接合保持アーム、照明システムに装着されてもよい、又は追跡ユニットは、解剖学的構造若しくはロボットデバイスに取り付けられたいくつかの部分に直接装着されてもよい。例えば、電磁センサが解剖学的構造に取り付けられる一方、切断ツールは電磁エミッタを堅固に支持することができる。
【００６６】
システムは、フィードバック情報をユーザに表示し、ユーザによるシステム構成を可能にするように意図された視覚的ユーザインタフェース４００を更に備えてもよい。フィードバック情報は、以下を含むことができる。
解剖学的構造の切断前の、切断面と目標面との間の偏差（距離及び／又は角度）に関する表示
目標面がロボットデバイスの現在の位置で達成され得るか否かに関する表示
作動ユニットが切断面と目標面とを位置合わせできるようにするために、切断対象の解剖学的構造に対して作動ユニットを再配置する方向
解剖学的構造の切断中の、切断面と目標面との間の偏差（距離及び／又は角度）に関する表示
当該ユーザインタフェース４００は、有利なことに画面を備え、画面は、主述室内のカート、例えば、制御ユニット及び追跡ユニットと同じカート３０２又は別個のカートに配置されてもよい、又は手術室の壁又は天井に取り付けられてもよい。
【００６７】
当該画面に加えて又は画面の代わりに、ユーザインタフェースは、ユーザに情報を提供するためにロボットデバイス自体に配置されたインジケータを含んでもよい。当該インジケータは、矢印、数字、又は文字を示すように配置されたＬＥＤ、又は小型ディスプレイで作製することができる。
【００６８】
制御ユニット、追跡ユニット、及び／又はユーザインタフェースがロボットデバイス自体に埋め込まれている外科用システムは、埋め込まれたユニットが十分に強力な電源又は電池から給電され、サイズ及び重量がユーザによるロボットデバイスの操作を妨げない限り、本発明の範囲内である。例えば、マイクロカメラを作動ユニットの基部に取り付けることができ、マーカを解剖学的構造及び切断ツールに付与することができる。
【００６９】
一実施形態によれば、切断ツールは、平面機構を使用して作動ユニットに取り付けられた外科用鋸である。鋸２は、ケーシング２３と、ケーシング２３に対する所定平面（「切断面」と称する）内で振動する鋸刃２２とを備える（特に図３Ａを参照）。よって、作動ユニット４が鋸をリアルタイムで目標面内に拘束する限り、鋸刃は、切断ブロックを必要とせずに目標面に従って解剖学的構造を切断するように操作され得る。通常、切断面はケーシングの長軸に対して平行であり、鋸刃はこの軸の両側で振動する。このような鋸は、医療分野において「矢状鋸」として既知である。ケーシングは通常、切断面が平面機構の平面に対して平行になるように、平面機構に対して位置決めされる。
【００７０】
一実施形態によれば、鋸刃は、ケーシングの長軸に沿って前後に移動し、このような鋸は、医療分野において「往復鋸」として既知である。ケーシングは通常、切断面が平面機構の平面に対して直交するように、平面機構に対して位置決めされる。
【００７１】
一実施形態（図２５を参照）によれば、切断ツールはフライス２’である。実際、特にフライスヘッドが小さい場合（例えば、３ｍｍ程度の直径を有する場合）、切断面内に拘束されるフライスの動作により、面状切断を実行することができる。フライスの先端は、球形又は円筒形であってもよい。典型的には、円筒軸に対して平行な平面内に留まるように平面機構によって拘束された直径３ｍｍの円筒形フライスの先端は、大きな切断を行うのに十分な剛性を有し、高速切断を行うのに十分小型である。
【００７２】
一実施形態（図示せず）によれば、切断ツールは、骨の後方の軟組織の損傷を回避するためにレーザの貫通深さを制御するシステムを有するレーザである。
【００７３】
別の実施形態（図示せず）によれば、切断ツールは、高圧ウォータージェット又は解剖学的構造を切断する任意の他のデバイスであってもよい。
【００７４】
別の実施形態によれば、軟組織の切断のため、切断ツールは、メス又はランセットなどの任意の電気作動型デバイスであってもよい。
【００７５】
以下に説明される図面において、切断ツールは通常、本発明を限定することを意図せず、鋸である。
【００７６】
作動ユニット４は、複数の可動セグメントから成るシリアルアーキテクチャを有する。作動ユニットのセグメントは、全図面を通じて符号４１、４２、４３で示す。いくつかの実施形態では、作動ユニットは、各目標面に対する切断面の位置及び向きを調節するための３つの電動回転自由度を有する。他の実施形態では、作動ユニットは、２つの電動回転自由度及び１つ又は２つの電動並進自由度を有する。一般的に、作動ユニットは、３つ〜５つの電動自由度を有し、そのうちの少なくとも２つは、互いに対して直交する回転自由度である。本明細書において、用語「軸」は、当該自由度に対応する幾何学的回転軸又は並進軸を表す。
【００７７】
セグメント及びそれらのコンポーネントは、ロボットデバイスが、面状関節接合及び切断ツールを保持するのに十分な強靭さを保ち、ユーザが切断ツールを操作するときにユーザによって加えられる標準的な圧力に抵抗しつつも、可能な限りコンパクトで軽量であるように最適に一体化される。
【００７８】
本明細書では、軸及びセグメントは、基部（すなわち、ロボットデバイスの作動中、静止したままのロボットデバイスの部分）から切断ツールに向かって増加するように番号付けされている。この種の番号付けは、シリアルロボットアーキテクチャにとって伝統的な番号付けである。
【００７９】
好ましくは、作動ユニットのアーキテクチャは、３つの回転自由度を有して作製される。
【００８０】
好ましいアーキテクチャによれば、セグメントは、２つの隣接セグメントの回転軸（すなわち、第１及び第２の軸、又は第２の軸及び第３の軸のいずれか）が互いに対してほぼ平行であり、第１の軸が第３の軸に対してほぼ直交するように配置される。好ましくは、２つの隣接セグメントの回転軸は互いに対して平行であり、第１の軸は第３の軸に直交している。
【００８１】
図３Ａ〜図３Ｂに示す好適な実施形態によると、第２の軸Ａ２は第１の軸Ａ１に対して平行であり、第３の軸Ａ３は第１及び第２の軸に対して直交している。有利なことに、第１の軸と第２の軸との間の距離は、８０〜１００ｍｍの固定距離である。このような場合、ＴＫＡに適用すると、ロボットデバイスの単一の初期位置で、脛骨切断及び大腿骨切断を行うことができる。
【００８２】
膝関節形成術（ＴＫＡ、ＵＫＡなど）で使用される際、対象の脚部の内側（内方）又は外側（外方）にロボットデバイスを配置することができる。第１の回転軸Ａ１は、膝の矢状面に対してほぼ直交し、内側上顆又は外側上顆の水準にほぼ位置することが意図される。ロボットデバイスのどの用途でも、作動ユニットを大体の範囲で位置合わせするために識別及び使用しやすい何らかの解剖学的目印を定義することができる。
【００８３】
図４に示す別の実施形態によれば、第２の軸Ａ２は、第１の軸Ａ１に対してほぼ直交し、第３の軸Ａ３は第２の軸に対してほぼ平行である。この実施形態の好適な実装形態では、第２の軸Ａ２は第１の軸Ａ１に対して直交し、第３の軸Ａ３は第２の軸に対して平行である。
【００８４】
使用中、第１の回転軸は、膝の上顆軸に対してほぼ平行であることが意図され、通常は、手術台に対してほぼ平行であり、脚部軸に対して直交している。
【００８５】
図５に示す別のアーキテクチャによれば、第２の軸Ａ２は第１の軸Ａ１に対してほぼ直交し、第３の軸Ａ３は第２の軸Ａ２に対してほぼ直交している。このアーキテクチャの好ましい実装形態では、第２の軸Ａ２は第１の軸Ａ１に対して直交し、第３の軸Ａ３は第２の軸Ａ２に対して直交している。第１の軸Ａ１及び第３の軸Ａ３は、一定の距離だけ分離される。
【００８６】
図５のアーキテクチャと比較して、図３Ａ〜図３Ｂのアーキテクチャは以下の利点を有する。膝関節に対する第１の回転軸の意図された位置を前提とすると、後者のアーキテクチャは十分に調整されている。つまり、膝関節形成術の処置の例では、全ての意図された目標面位置について作動ユニットをわずかに移動させることによって、切断面のわずかな移動を達成し得る。
【００８７】
有利なことに、膝関節形成術（ＴＫＡ、ＵＫＡなど）に適用するため、作動ユニットは、ロボットデバイスを実質的に移動させることなく全ての大腿骨及び脛骨の切断を実行するのに十分な寸法である。この点において、図５のアーキテクチャは、作動ユニットを更に小型化するので、図３Ａ、図３Ｂ、及び図４のいずれかのアーキテクチャよりも好ましい。使用時に、図５のアーキテクチャは、第１の軸が大腿骨の上顆軸とほぼ位置合わせされているとき、膝関節形成術にとって十分に調整されている。
【００８８】
図６に示す実施形態によれば、作動ユニット４は、２つの電動回転自由度及び１つの電動並進自由度を有し、以下のように配置されている。第１の軸Ａ１は回転軸であり、第２の軸Ａ２はＡ１に対してほぼ直交する（好ましくは直交する）並進軸であり、第３の軸Ａ３はＡ１及びＡ２に対してほぼ直交する（好ましくは直交する）回転軸である。
【００８９】
図７に示す実施形態によれば、作動ユニット４は、２つの電動回転自由度及び２つの電動並進自由度を有し、以下のように配置されている。第１の軸Ａ１は並進軸であり、第２の軸Ａ２はＡ１に対してほぼ直交する（好ましくは直交する）並進軸であり、第３の軸Ａ３はＡ１及びＡ２に対してほぼ直交する（好ましくは直交する）回転軸であり、第４の軸Ａ４はＡ３に対してほぼ直交する（好ましくは直交する）回転軸である。
【００９０】
いくつかの実施形態では、作動ユニットのアーキテクチャは、切断面内における、電動化されてもよく、されなくてもよい追加の運動を可能にする。６つの電動自由度を排除することによって、本発明は、具体的にはリアルタイムでの骨の動きを補償するために必要とされる、特に第１の軸に従ったより低い慣性、ひいてはより大きな応答性によって、大型外科用ロボットに対して差別化される。
【００９１】
以下でより詳述するように、作動ユニット４は、制御ユニット３００によって制御される。制御ユニットは、ロボットデバイス内に一体化されてもよく、又はロボットデバイスから分離されてもよい。
【００９２】
切断ツールは、全図面を通じて参照符号２４で指定された平面機構によって作動ユニットに結合され、平面機構は、切断面内での切断ツールの運動を拘束するように構成されている。
【００９３】
有利なことに、切断ツールは、平面機構から分離させることができる。好ましくは、特に切断ツールがトラッカーを収容することを意図しない場合、切断ツールの取り付け手段は、再現可能な固定を提供する。
【００９４】
平面機構を実装するために、いくつかの異なるアーキテクチャが存在する。例えば、平面機構は、１つの回転軸と切断ツールを長手方向に沿って搬送する１つの並進軸とだけを有するように作製することができる。あるいは、平面機構は、２つの直交する並進軸と回転軸とを有して作製することができる。別の実施形態によれば、平面機構は、回転軸と切断ツールを搬送する並進軸とを含むアーチ状のスライダであってもよい。
【００９５】
一実施形態によれば、平面機構２４は受動的であり、つまり、機構が電動化されておらず、ユーザによって自由に操作され得る。例えば、図８Ａ〜図８Ｆに示す実施形態では、受動的機構２４は、切断面に対して直交する３つの平行回転軸２４ｅ〜２４ｇによって連結されたセグメント２４ａ〜２４ｄを備える。このような受動的機構の１つの利点は、鋸を骨内で操作するときにユーザの全知覚を保つことである。例えば、外科医は、切断ブロック内で鋸を自由に操作し、骨の抵抗の変化を感知することによって、鋸刃が骨の背後に到達した時点を見つけ、この知覚は、関節において非常に低い摩擦を有する受動的平面機構で完全に保たれる。
【００９６】
あるいは、平面機構は、少なくとも部分的に能動的であってもよい、すなわち、少なくとも１つの電動自由度を有することができる。平面機構が能動的である場合、すなわち、少なくとも２つの電動自由度を有する場合（図２６を参照）、切断は自動的に実行され得る。当該電動自由度は全て、切断面内で切断ツールを移動させるように構成されていることに留意されたい。
【００９７】
実施形態にかかわらず、平面機構は、切断面が目標面と整合すると、各自由度をロックするロックシステムを備えてもよい。
【００９８】
作動ユニット及び平面機構の滅菌コンポーネントは、介入前に滅菌することが可能である。しかしながら、好適な実施形態では、ケーブル及び平面機構を備えた作動ユニットは、使い捨て滅菌ドレープによって覆われている。システムの追加コンポーネントも、滅菌ドレープ下で保護され得る。これは、製造及び設計を容易化し、そのコストを低減するだけでなく、デバイスの再滅菌を必要とせずに複数回の連続する手術に使用しやすいという利点を有する。切断ツール自体は、任意の従来の外科用ツールと同様に滅菌されている。典型的には、オートクレーブを使用して介入前に滅菌される。滅菌ドレープと切断ツールとの間に様々な種類の機械的アダプタを設けることができる。このようなアダプタは、鋸が追跡要素（以下でより詳述する）を含む場合、非常に精密な再現可能な固定を必要としないため、システム全体の精度が高まる。滅菌ドレープは平面機構を覆って、デバイスの設計及び製造を容易にする。例えば、この設計は、オートクレーブが困難であるボールベアリング機構の使用を可能にする。
【００９９】
システムは、作動ユニットを支持する関節接合する係止可能保持アーム５を備え、この保持アームは、手術台、脚部ホルダ又はホイールをブロックすることができる可動カートなどの機械的支持体に接続するのに適している。脚部ホルダは、患者が手術台に横たわっているとき、脚部を所定の屈曲位置に維持するように構成された調節可能な機構である。
【０１００】
保持アーム５は、玉継手、回転継手、及び／又は並進継手を使用する、いくつかの関節接合セグメントから成る。
【０１０１】
保持アームは、手動でノブ（機械的ロックシステム）によって、又はロックシステムの専用アクチュエータによって能動的に係止可能である。ロックシステムは、電気システム、圧電システム、油圧システム、空気圧システム、又はこのようなシステムの組み合わせ（例えば、電気モータによって駆動される油圧シリンダ）であってもよい。例えば、ＳＭＩＴＨ＆ＮＥＰＨＥＷ社は、ＳＰＩＤＥＲ（商標）の名称で、能動的に係止可能な受動的保持アームを販売している。アクチュエータは、ボタン、フットスイッチ、遠隔ボタンなどであり得る。ロボットデバイスを操作するために、ユーザは、ロボットデバイスの所望の姿勢が達成されるまでアクチュエータを作動させ続けなければならない。
【０１０２】
保持アームは、ロボットデバイスの重量を支え、治療される解剖学的構造に対するロボットデバイスの大まかな位置決めを維持する。このため、デバイスを操作する際のユーザの運動が制限され、有利な実施形態では、ユーザ及び／又は患者の運動、切断ツールの振動、及び作動ユニットの運動によって引き起こされる反発力が減衰される。
【０１０３】
一実施形態によれば、保持アームは受動的である。
【０１０４】
有利なことに、保持アームは、ロボットデバイスと、患者に固定されたトラッカーに対するロボットデバイスの目標位置との間の距離に応じて漸進的に制動されてもよい。例えば、制動力は、ロボットデバイスの目標位置までの距離に反比例してもよい。あるいは、１つ又は複数の同心体積（例えば、立方体又は球体）が、ロボットデバイスの目標位置の周囲に画定されてもよい。制動力は、当該体積のうちの１つにおけるロボットデバイスの存在に応じて調節することができる。よって、ロボットデバイスが目標位置に近接しているとき、保持アームは制動され、ユーザは力フィードバック情報を受け取ることができる。あるいは、フィードバック情報は、光信号又は音響信号の形態で提供されてもよい。例えば、光信号の可変フラッシュ周波数及び／又は強度は、ロボットデバイスと目標位置との間の距離を示すことができる。同様に、音響信号の可変周波数、反復速度、及び／又は振幅が、上記距離を示すことができる。いずれの場合も、制動は完全ではないため、ユーザは常に、最終的な所望の位置までロボットデバイスを常操作することができる。次に、保持アームは、ユーザからの動作（例えば、アクチュエータの操作、ボタンの解放又は押圧）に応じて係止される。ロボットデバイスを再び移動させることを望む場合、ユーザはおそらくは上述の制動力で、再度アクチュエータを操作して保持アームを解放しなければならない。ロボットデバイスの新たな目標位置が規定される場合、新たな制動量が規定され、当該新たな量に基づいて制動が調節される。
【０１０５】
一実施形態では、保持アームは、例えば、術野において顕微鏡の搬送及び配置のため一般的に使用されるように、制御ユニットの重量を相殺する重りが搭載されている。
【０１０６】
一実施形態では、保持アームは、システム全体の重量を補償するバネ機構により垂直並進し、次いで、３つの平行軸及び垂直軸から成る大きな平面構造のシリアルアーキテクチャを有する。各軸は、ロックシステムを備える。
【０１０７】
図９は、クランプ５０２によって手術台５００のレール５０１に固定された保持アーム５の一実施形態を示す。保持アームは、クランプから旋回リンク５１、玉継手５２という順序の運動学的リンクで形成される。中央モジュール５３は、押されたときに保持アームを解放するアクチュエータ５４を備える。あるいは、このようなアクチュエータは、ユーザが解剖学的構造に対するロボットデバイスの位置を変更することを望む場合、アーム及びロボットデバイスの操作を容易にするため、保持アームの高い部分に配置されてもよい。
【０１０８】
図１０は、クランプ５０１によって手術台５００のレールに固定された保持アーム５の別の実施形態を示す。保持アームは、６つの旋回リンク５１で形成される。保持アームは、アクチュエータ（図示せず）によって係止されてもよい。
【０１０９】
好ましくは、レバーアームの効果を最小限に抑えるために、保持アームと作動ユニットとの間の接続部を、作動ユニットの第１のセグメント又はロボットデバイスの重心に可能な限り近づける。保持アームに取り付けられた作動ユニットの一部は、ロボットデバイスの基部と呼ばれる。
【０１１０】
一実施形態によれば、作動ユニットの第１のセグメントは、保持アームに固定されてもよい。このような場合、作動ユニットの第２のセグメントは、必然的に第１のセグメントに対して移動可能である。このアーキテクチャは、作動ユニットの動いているコンポーネントの重量を最小限に抑えるという点で有利である。その結果、ロボットデバイスは応答性が高くなることができ、切断面のリアルタイム制御に好適である。
【０１１１】
一実施形態によれば、作動ユニットの第１のセグメントは、保持アームに対して移動可能であってもよい。このような場合、第１及び第２のセグメントは、好ましくは単一のハウジングに埋め込まれる。
【０１１２】
一実施形態によれば、デバイスは、作動ユニットと解剖学的構造との間に部分的機械リンクを形成するように構成された支持ユニットを更に備えてもよい。支持ユニットは、保持アーム又は作動ユニットに直接又は間接的に取り付けられてもよい。後者の場合、支持ユニットは、作動ユニットの固定セグメント（例えば、保持アームに固定されている場合は第１のセグメント）、又は（保持アームに対してセグメントの回転軸を中心に回転可能な）作動ユニットの可動セグメントに取り付けられてもよい。図１１及び図１２を参照して後述する実施形態によれば、支持ユニット６は、保持アーム５又は作動ユニット４に取り外し可能に取り付けられた中間部７に取り付けられてもよい。中間部７は、例えば、滅菌ドレープ（図示せず）上に配置されて、支持ユニット６と保持アーム又は作動ユニットとの間に滅菌接続部を形成する滅菌部分であってもよい。支持ユニットは通常、滅菌コンポーネントである。作動ユニットが滅菌ドレープで覆われている場合、支持ユニットと作動ユニット又は保持アームとの間の接続は、中間部を介して滅菌ドレープ上に確立され得る。ロボットデバイスが滅菌されている場合、支持ユニットは、ロボットデバイスに直接接続され得る。
【０１１３】
一実施形態によれば、作動ユニットと解剖学的構造との間に部分的機械リンクを提供するように、支持ユニットは、切断対象の解剖学的構造又は切断対象の解剖学的構造に隣接する患者の身体のある部位との接触を目的とした少なくとも１つの要素を備える。
【０１１４】
支持ユニットが使用される場合、支持ユニットは、外科的介入を行うために必要な運動を妨げないように配置される。具体的には、支持ユニットは、各切断を実行するロボットデバイスの運動に干渉しないように配置されている。
【０１１５】
一般に、支持ユニットは、解剖学的構造（切断対象の解剖学的構造又は解剖学的構造に隣接する解剖学的構造、例えば、切断対象の骨を囲む軟組織）と接触するように意図された少なくとも１つの要素を備える。この要素６０は、少なくとも１つのストラップ６１によって患者に取り付けられ得る。その目的のために、この要素は、ストラップが延在する少なくとも１つのスロットを備えてもよい。ストラップは、可撓性又は半剛性（例えば、スキーブーツ用の締結デバイスのようなもの）であってもよい。ストラップは、締結機構、面ファスナー（Ｖｅｌｃｒｏ（商標））としても知られる）などの任意の好適な手段によって調節することができる。あるいは、ストラップは、接着剤であってもよい、又は解剖学的構造と接触して配置された高摩擦係数材料（例えば、軟質熱プラスチック、シリコーン）で作製された少なくとも１つの部分を含むことができる。
【０１１６】
更に、支持ユニット６は、作動ユニットの基部（又は保持アーム又は上述の中間部）と、解剖学的構造と接触している支持ユニットの要素との間の機械的接続６２を備える。この接続は、ロボットが使用中であるときは有効にし、外科医が脚部を移動させる必要があるときは無効にすることができる。一実施形態によれば、当該接続は剛性であってもよい。あるいは、当該接続は、ロボットデバイスと患者との間の距離を調節するために、又は患者の形態を考慮に入れるために、少なくとも１つの自由度で関節接合し、係止可能であり得る。ロボットデバイスが所望の位置及び向きに配置されると、支持ユニットが作動ユニットに対する解剖学的構造の運動及び振動を制限できる限り、いくつかの自由度は制御されないままであり得る。機械的接続６２は、例えば、迅速固定具、ラッチ、又は磁石を使用して互いから着脱可能な少なくとも２つの部品６２ａ、６２ｂから成ってもよい。第１の部分６２ａは、解剖学的構造と接触している支持ユニットの要素６０に取り付けられている。第２の部分６２ｂは、作動ユニットの基部又は保持アーム若しくは上述の中間部に取り付けられている。したがって、中間部、作動ユニット、又は保持アームは、支持ユニットを患者から取り外す必要なく、機械的接続を解放するだけで解剖学的構造から分離させることができる。これは、例えば、靭帯バランスの確認又は脚部の術後アライメントの確認という観点から、ユーザが介入中に脚部の位置又は屈曲を変更することを望む場合に特に有用である。
【０１１７】
任意に、支持ユニットは、上述のコンポーネントと組み合わせて、解剖学的構造と接触するように意図された１つ又は複数のロッド６３を含んでもよい（図３１Ａ〜図３１Ｂを参照）。例えば、ＴＫＡの場合、このようなロッドは上顆と接触し得る。当該ロッドは、剛性であり得る、又は（バネ部材を使用して）減衰され得る。したがって、当該ロッドは、骨に堅固に取り付けられることなく、ストラップが所定の方向に締め付けられたときに、解剖学的構造とロボットデバイスとの間の距離を維持することができる。
【０１１８】
ロッドに加えて、又はロッドの代わりに、支持ユニットは、ロボットデバイス及び解剖学的構造が相対的に移動する場合、解剖学的構造（骨、皮膚、又は他の軟組織）上の定位置に留まり、制動を提供するように意図された少なくとも１つの（能動的又は受動的）吸引パッドを備えてもよい。
【０１１９】
好適な実施形態では、支持ユニットは脚部の周囲に取り付けられる。
【０１２０】
支持ユニットは、脛骨（図１１を参照）又は大腿骨（図１２参照）に取り付けられてもよい。支持ユニットは、脛骨及び大腿骨の両方に取り付けられてもよい。この場合、支持ユニットは有利には、支持ユニットを取り外すことなく脚部を動かす（特に脚部の屈曲を調節する）ことができるように関節接合される。
【０１２１】
一実施形態によれば、リトラクタが支持ユニットに取り付けられる。当該リトラクタは、外科医に大きな切開部及び視界を提供するように軟組織を引っ張る。第１のリトラクタは、張力をかけることができるリンクを使用して、切開部の内側及び支持ユニットの後部に取り付けられ得る。第２のリトラクタは、張力をかけることができるリンクを使用して、切開部の外側及び支持ユニットの後部に取り付けられ得る。脚部の操作中、支持ユニットは、迅速だが強力な機械的接続を使用して、作動ユニットの基部又は保持アーム若しくは中間部から取り外される。
【０１２２】
図１３は、支持ユニットに取り付けられたリトラクタの一実施形態を示す。
【０１２３】
支持ユニット６は、保持アーム５に取り外し可能に取り付けられた中間部７に取り付けられている。具体的には、中間部７は、滅菌ドレープ（図示せず）全体にわたって保持アーム５との滅菌接続を可能にする。中間部７は、有利にトラッカー２０２を搬送することができる。支持ユニット６は、基部６１を支持するストラップ６１と、基部から延在する第１の締結具６２ａと、第１の締結具と協働して、迅速かつ強力なコネクタ６２を形成する第２の締結具６２ｂとを有する接続部材とを備え、接続部材は中間部に取り付けられる。
【０１２４】
各リトラクタ６４は、解剖学的構造と接触するように構成された第１の端部６４ａと、支持ユニットのストラップ６１に取り付けられるように構成された第２の端部６４ｂとを有する屈曲形状である。より正確には、２つのバー６５は、ストラップ６１が通過するスロットを含むので、バー６５が脚部から離れて突出する方向に維持される。各バーは、複数の孔６５０を含む。各リトラクタの第２の端部６４ｂは、リトラクタの第１の端部６４ａが解剖学的構造に当接し、軟組織を十分に引っ張るように、対応するバー６５の選択された孔６５０に挿入される。
【０１２５】
図１４は、支持ユニットに取り付けられたリトラクタの別の実施形態を示す。
【０１２６】
支持ユニット６は、保持アーム５に取り外し可能に取り付けられた中間部７に取り付けられている。具体的には、中間部７は、滅菌ドレープ（図示せず）全体にわたって保持アーム５との滅菌接続を可能にする。中間部７は、有利にトラッカーを搬送することができる。支持ユニット６は、基部６０を支持するストラップと、基部から延在する第１の締結具と、第１の締結具と協働して、迅速かつ強力なコネクタ６２を形成する第２の締結具を有する接続部材とを備え、接続部材は中間部に取り付けられる。
【０１２７】
各リトラクタ６４は、軟組織を把持するように構成された第１の端部６４ａと、支持ユニットのストラップ６１に取り付けられるように構成された第２の端部６４ｂとを有する。より正確には、ストラップ６１は、図１３のストラップよりも幅広であってもよく、２つの側面上に複数のフック６１０を備える。各リトラクタの第２の端部６４ｂは、孔６４０を含む。この孔６４０は、リトラクタの第１の端部６４ａが軟組織を十分に引っ張るように、ストラップの選択されたフック６１０と結合される。
【０１２８】
リトラクタを支持ユニットに取り付けることは、外科医の助手がリトラクタを保持する必要がなく、切開部近傍の空間を節約するために特に有利である。
【０１２９】
支持ユニットは、安定装置として作用する。当該支持ユニットは、剛性である、減衰する（例えば、バネ式）、及び／又は調節可能な減衰特性を提供することができる。支持ユニットと患者の身体との間の接触は、１つ若しくは複数の点又は少なくとも１つの表面から成ってもよい。
【０１３０】
解剖学的構造の切断前に、ユーザは、術前及び／又は術中の医用画像及びデータに基づいて、計画システムで介入を計画する。
【０１３１】
この計画工程により、解剖学的構造の切断を実行するのに適した各目標面を判定することができる。計画工程は各用途に特有のものである。
【０１３２】
例えば、既に上述したように、ＴＫＡの場合、膝のプロテーゼの植込計画は通常、大腿骨上の５つの目標面及び脛骨上の１つの目標面を画定する。例えば、個々の解剖学的構造に基づいてプロテーゼの形状を最適化するために、プロテーゼを骨に固定するための６つ以上の切断面を画定することも可能である。これは、図１５に示されており、１０個の切断面ｆ１〜ｆ１０が、大腿骨の矢状図で患者の解剖学的構造に適合するように画定される。このような骨の準備のため、本発明によるロボットデバイスを使用して、高精度で多くの切断を迅速に実行できることが特に有利である。
【０１３３】
計画システムは、本発明による外科用システムの一部を形成し得る。さもなければ、計画システムは、別々に提供され、制御ユニットに接続されてもよい。
【０１３４】
外科的介入の間、ユーザは、術前データ／画像を術中位置合わせ方法と共に使用してもよい、又は術中データ／画像を直接使用してもよい。両方の場合において、計画の結果は、少なくとも１つの目標面からなり、各平面の姿勢は、切断対象の解剖学的構造の座標系内で判定される。
【０１３５】
次いで、各目標面の姿勢を制御ユニットに転送する。
【０１３６】
制御ユニットは、そのサブシステムを初期化し、デバイスの使用準備が整う。
【０１３７】
デバイスの開始前、関節接合保持アームは、作動ユニットを解剖学的構造に対する大まかな好適位置に導くようにユーザによって移動された後に係止される。次いで、切断ツールが、平面機構に取り付けられる。
【０１３８】
支持ユニットも使用される場合、支持ユニットは、切断対象の解剖学的構造又は患者の身体の隣接領域に接続されて、作動ユニットと解剖学的構造との間に部分的機械リンクを提供する。支持ユニットによって提供される部分的機械リンクにより、ユーザが再配置のためにデバイスをわずかに移動させることができる、又はロボットデバイスが患者の不随意運動を補償することができる。患者に対する追加の侵襲的動作（例えば、ピンの植え込み）が不要である。
【０１３９】
デバイスの動作がユーザによって開始されると、追跡ユニットは、再計算及び可視化のために、制御ユニットに追跡情報を連続的に供給する。
【０１４０】
加えて、ユーザインタフェースは、切断面と現在のデバイス位置内の目標面とを位置合わせできるか否かに関する情報をユーザに提供し、適宜、デバイスを適切に再配置する方法を表示する。
【０１４１】
システムは、切断対象の解剖学的構造に対する鋸の姿勢をリアルタイムで判定するように構成された追跡ユニット２００を含む。
【０１４２】
追跡ユニットは、典型的には、追跡システムを含んでもよく、それ自体は既知である。
【０１４３】
コンピュータ支援手術において一般的に使用される追跡システムは、個別に又は組み合わせて使用することができる様々な技術（受動光学、能動光学、電磁、ジャイロ、ジャイロスコープ慣性測定、超音波など）を使用する。好適な実施形態によれば、追跡システムは、受動光学技術に基づく。
【０１４４】
追跡ユニットは、作動ユニットの任意のコンポーネント、例えば、可動セグメントのうちの１つに取り付けられ得る少なくとも１つのトラッカーを備える。
【０１４５】
作動ユニットの各セグメントの位置は、モータのエンコーダ又はセンサ、並びにロボットセグメントの全ての軸及び距離を含むロボットの較正モデルにより、リアルタイムで既知となる。このモデル、及びロボットにおける周知の幾何学的モデリング技術を用いて、全てのセグメントの相対位置を計算することが可能であるため、外部トラッカーを使用してロボットに付与された座標系において１つの測定値が既知である場合、どのセグメント位置も同じ座標系において既知である。加えて、トラッカーが作動ユニットの基部に取り付けられ、第２のトラッカーが解剖学的構造に取り付けられている場合、作動ユニットのいかなるセグメントの姿勢も、解剖学的構造のトラッカーに付与された座標系において既知である。
【０１４６】
一実施形態によれば、切断ツールにトラッカーが取り付けられていない。このようにして、切断ツールはトラッカーの重量を支えず、切断ツールの操作領域はトラッカーに拘束されない。
【０１４７】
しかしながら、切断ツールを作動ユニットに結合する平面機構が受動的である場合、平面機構の平面の姿勢、及び平面機構と作動ユニットの最後のセグメントとの間の接続部の姿勢しか判定することができない。換言すれば、作動ユニットに対する鋸自体の姿勢は、正確に知ることができない。なお、この問題は、エンコーダを備える能動的平面機構を用いることで能動的平面機構の各セグメント及び鋸の位置が判定され得るため、回避することができる。
【０１４８】
別の好適な実施形態では、作動ユニットと切断ツールとの間に存在し得るあらゆる機械的バックラッシュを考慮に入れ、安全上、切断ツールの位置及び向きを過剰に、かつより正確に測定するために、第１のトラッカーが作動ユニットの第１又は第２のセグメントに取り付けられ、第２のトラッカーが切断ツールに取り付けられる。
【０１４９】
加えて、切断対象の解剖学的構造の座標系に対して切断面を位置決めできるように、少なくとも１つのトラッカーが患者の解剖学的構造に堅固に取り付けられる。
【０１５０】
全ての図面を通じて、解剖学的構造に取り付けられたトラッカーは、参照符号２０１で示され、作動ユニット又は保持アームに取り付けられたトラッカーは、参照符号２０２で示され、切断ツールに取り付けられたトラッカーは、参照符号２０３で示される。
【０１５１】
切断ツールにトラッカーが取り付けられていない場合、ロボットデバイスと解剖学的構造との間の相対運動の補償は、以下のように実行され得る。
【０１５２】
切断中、作動ユニットは、切断面が目標面と一致するように、平面機構を変位させる。ロボットデバイスの姿勢は、ロボットデバイスの基部及び解剖学的構造の位置を考慮して、高頻度で更新される。
【０１５３】
その目的のために、切断面が平面機構の平面に対して平行である場合、１つのソリューションとしては、ロボットデバイスの幾何学的モデルを使用して、平面機構が移動する平面と目標面とを一致させる作動ユニット（モータ）の新たな位置を判定することである。当該幾何学的モデルは、ロボットで周知の幾何学的モデリング技術を使用して、作動ユニットのＣＡＤモデル又は専用較正工程から知ることができる。
【０１５４】
図１６は、補償を可能にする制御ループを説明するフローチャートである。
【０１５５】
工程Ｓ１で、ロボットデバイス及び解剖学的構造の新たな姿勢が、トラッカーによって提供される位置決め情報を使用して判定される。
【０１５６】
工程Ｓ２で、ロボットデバイスの幾何学モデルに基づき、平面機構の理論上の位置及び向きは、工程Ｓ１で判定された新たな姿勢から計算することができる。次に、平面機構の平面と目標面との間の偏差ｄが計算される。
【０１５７】
偏差ｄが閾値ｔｈｒ未満である場合、切断ツールを作動させることができ、ロボットデバイス及び解剖学的構造の新たな姿勢が判定される（工程Ｓ１）。
【０１５８】
偏差ｄが閾値ｔｈｒ以上である場合、工程Ｓ３で、目標面がロボットデバイスの座標系に投影される。
【０１５９】
工程Ｓ４で、目標面に到達するように、ロボットデバイスの新たな姿勢が計算される。この計算は、作動ユニットのモータによって加えられる運動を判定する。
【０１６０】
工程Ｓ５では、作動ユニットのモータが、工程Ｓ４に従って作動する。
【０１６１】
次いで、ロボットデバイス及び解剖学的構造の新たな位置が判定される（工程Ｓ１）。
【０１６２】
しかしながら、この手順は、機械的バックラッシュ及び凹凸、並びに切断ツールとロボットデバイスの各種部品との相対位置に応じて変化する構造上の変形のために完璧とはならないロボットデバイスの幾何学的モデルにのみ頼っている。
【０１６３】
もう１つの問題点として、平面機構自体がわずかに屈曲し得る。その結果、そのコンポーネントは同じ位置及び向きを呈しない。実際には、平面機構の位置及び向きの可変な偏位が観察され、切断ツールの位置が完全には補償されず、ロボットデバイスが目標面に収束するのを妨げる。このような場合、ロボットデバイスは振動する、又は目標面から偏位した位置へ近づく。
【０１６４】
運動の補償を向上させるため、追加のトラッカーは、切断ツールに堅固に取り付けられ得る。追加のトラッカーにより、ロボットデバイスの座標系において切断ツールの位置及び向きを確実に判定することができる。
【０１６５】
当該追加トラッカーを、切断ツールに取り付ける代わりに、作動ユニットの反対側の平面機構の端部に堅固に取り付けることができる。平面機構の当該端部は、上述した任意の種類の切断ツール（矢状鋸、往復鋸、フライスなど）だけでなく、その他の外科的ツール、例えば、プロテーゼ及び／又は切断ガイドなどを埋め込む穴を開けるために使用されるドリルガイドなども収容することができるインタフェースを備えてもよい。例えば、ドリルガイドは、穿孔される解剖学的構造の表面をしっかりと捉えるように意図された鋸歯状端部を有することができる。好都合なことに、ハンドルがドリルガイドの反対端に設けられて、外科医による操作を容易にする。したがって、歯付き端部が解剖学的構造に適用されると、外科医は、ナビゲーションインタフェースによって、単にドリルガイドの向きを変更するだけでよい。ドリルは、平面機構の端部に担持されるトラッカーを有する代わりに、トラッカーを担持してもよい。
【０１６６】
ロボットデバイスと解剖学的構造との間の相対運動の補償は、切断ツール又は平面機構の端部に堅固に取り付けられた追加のトラッカーを用いて、以下のように実行することができる。
【０１６７】
よって、図１６を参照して説明した制御ループは、図１７に示す制御ループに変更される。
【０１６８】
改良された制御ループでは、切断ツール又は平面機構の端部の正確な位置が、平面機構の理論上の位置の代わりに使用される。
【０１６９】
これにより、補償機構の信頼性が大幅に高まる。
【０１７０】
更に、切断ツールに取り付けられたトラッカーと、作動ユニットに取り付けられたトラッカーとを関連付けることによって、２つのトラッカー間の位置合わせ誤差を動的に推定することができる。次いで、この位置合わせ誤差を使用して、目標面に対する平面機構の位置及び向きを修正する。
【０１７１】
図１７は、補償を可能にする制御ループを説明するフローチャートである。
【０１７２】
工程Ｓ’１で、ロボットデバイス、切断ツール、及び解剖学的構造の新たな姿勢が、トラッカーによって提供される位置決め情報を用いて判定される。
【０１７３】
工程Ｓ’２で、切断ツール（切断面）の平面と目標面との間の偏差ｄが計算される。
【０１７４】
偏差ｄが閾値ｔｈｒ未満である場合、切断ツールを操作することができ、ロボットデバイス及び解剖学的構造の新たな姿勢が判定される（工程Ｓ’１）。
【０１７５】
偏差ｄが閾値ｔｈｒ以上である場合、工程Ｓ’３において、切断ツール（切断面）の平面及び目標面がロボットデバイスの座標系に投影される。
【０１７６】
工程Ｓ’４で、平面機構の平面と切断ツールの平面との間の剛性変換に対応する補正行列Ｔｅｒｒが計算される。
【０１７７】
工程Ｓ’５で、目標面がＴｅｒｒで更新される。
【０１７８】
工程Ｓ’６で、ロボットデバイスの新たな姿勢が、目標面に到達するように計算される。この計算は、作動ユニットのモータによって加えられる運動を判定する。
【０１７９】
工程Ｓ’７で、作動ユニットのモータが、工程Ｓ’６に応じて作動する。
【０１８０】
次いで、ロボットデバイス及び解剖学的構造の新たな位置が判定される（工程Ｓ’１）。
【０１８１】
この基本アルゴリズムは、以下のロボットデバイスの挙動を更に改善させることが証明されている。
各種要素の位置の空間的フィルタリング（例えば、カルマンフィルタ又はその等価物による）
例えば、四元数平均化法による、所与の時間枠におけるＴｅｒｒの推定の平均化このため、変換推定と機械的リンクのより複雑な実体との間の小さい不一致に起因する潜在的振動を低減することができる。
【０１８２】
補正行列Ｔｅｒｒは、平面機構の現在の延長に応じて変化する場合があり、一定ではない。また、補正行列は、平面機構の機械的バックラッシュ及び屈曲、ロボットの位置、及びその他の要因にも依存する。補正行列は、ユーザによる鋸の妥当な運動を考慮に入れて、２つの計算の間の偏差Ｔｅｒｒが有意でなくなるようにリアルタイムで計算される。この補正方法は、モデルにおける機械的欠陥、バックラッシュ、及び誤差を補正するうえで極めて正確かつ効率的である。
【０１８３】
ちなみに、上述した補償方法は、平面機構を保持する６つの自由度の大型外科用ロボットにとっても有利であることに留意されたい。実際に、平面機構は術野に非常に近接しているため、小型のままにする必要があり、その結果、切断時に外科医によりかけられる力で屈曲しやすい。大型外科用ロボットが正確である場合であっても、それ自体、平面機構の上記屈曲を補償することができない。しかしながら、切断ツール上のトラッカーを使用して上記補償方法を実行することにより、この問題を克服することができる。図１８は、このような大型ロボットを示す。ロボット１０００は、６つの電動自由度を含むシリアルアーキテクチャを有するアーム１００１と、アームの最後のセグメントを切断ツール２に接続する平面機構２４とを備える。ロボットは、患者の解剖学的構造の座標系に対する切断面の姿勢をリアルタイムで判定するように構成された追跡ユニットと共に使用される。追跡ユニットは、解剖学的構造に取り付けられるように構成された少なくとも１つのトラッカー（図示せず）と、ロボットのアームのセグメントに取り付けられたトラッカー２０２と、切断ツール２に取り付けられたトラッカー２０３とを備える。ロボットは、目標面に対する切断面の姿勢を判定し、切断面を目標面と位置合わせするようにアームを制御する制御ユニットによって制御される。制御ユニットは、
追跡ユニットのトラッカーによって提供される位置決め情報を使用して、アーム、切断ツール、及び解剖学的構造の姿勢を判定する工程（Ｓ’１）と、
切断面と目標面との間の偏差を計算する工程（Ｓ’２）と、
偏差が閾値未満である場合、切断ツールの操作を可能にし、工程（Ｓ’１）に戻って、アーム、切断ツール、及び解剖学的構造の新たな姿勢を判定する工程とに、
偏差が閾値以上である場合、ロボットの座標系に切断面及び目標面を投影する工程（Ｓ’３）と、
平面機構の平面と切断面との間の変換を計算する工程（Ｓ’４）と、
目標面を、工程（Ｓ’４）で計算された変換を用いて更新する工程（Ｓ’５）と、
）更新された目標面に到達するようにロボットの新たな姿勢を計算し、アームのモータによって加えられる運動を判定する工程（Ｓ’６）と、
を含む補償方法を実施するように構成されている。
【０１８４】
有利なことに、切断ツール及び／又は作動ユニットへのトラッカーの取り付けは、可逆的かつ再現可能である。
【０１８５】
一実施形態によれば、トラッカーが作動ユニットに取り付けられる代わりに、システムはまた、支持ユニットを保持アーム又は作動ユニットに、ロボットデバイスと保持アームとの間の接続部が十分に剛性である（機械的遊びを有しない）場合は保持アームに接続する中間部（図１１〜図１４に示す部品７）に取り付けられたトラッカー、並びに／又はロボットデバイスに堅固に接続された任意の他のコンポーネントに取り付けられたトラッカーを備える。
【０１８６】
前述したように、ユーザインタフェースは、切断面を目標面と位置合わせさせるのに好適な作動ユニットの潜在的な位置及び向きをユーザに表示するように定義される。
【０１８７】
適宜、ユーザインタフェースは、作動ユニットを最適な姿勢で再配置し、切断面と目標面との位置合わせを可能にする情報をユーザに提供してもよい。ユーザインタフェースは、全ての目標切断面が作動ユニットの現在位置から到達することができるか否かを表示し、できない場合は、最適位置に到達するように移動する方向をユーザに表示してもよい。
【０１８８】
当該ユーザインタフェースは、視覚的及び／又は聴覚的であってもよい。
【０１８９】
一実施形態によれば、ユーザインタフェースは、制御ユニットに接続された画面、例えば、図２に示す画面４００を含んでもよい。
【０１９０】
図１９Ａ〜図１９Ｃは、ロボットデバイスの様々な姿勢に対応するスクリーニングを示す３つの図である。図１９Ａの状況では、ロボットデバイスは、計画された切断のいずれも実行できない位置及び向きにある。この状況は、ＴＫＡに必要な６つの目標面のそれぞれを表す領域Ａ内のアイコンに交差線が引かれていることによって示される。図１９Ｂの状況では、ロボットデバイスは、計画された切断の全部ではないが一部を実行することができる位置及び向きにある。この状況は、領域Ａ内のＴＫＡに必要な６つの目標面のうちの２つを表すアイコンに交差線が引かれていることによって示される。図１９Ｃの状況では、ロボットデバイスは、計画された切断の全てを実行できる位置及び向きにある。この状況は、ＴＫＡに必要な６つの目標面のそれぞれを表す領域Ａ内のアイコン全てに交差線が引かれていないことによって示される。
【０１９１】
したがって、このようなユーザインタフェース（他の実施形態は後述する）では、ユーザは、ロボットデバイスの再配置を必要とせずに、システムがＴＫＡの６回の切断（５回の大腿骨切断及び１回の脛骨切断）を実行することができるようにロボットデバイスを位置決めすることができる。このようにして、ＴＫＡ手術は、従来技術のデバイスよりもはるかに高速に実行することができる。
【０１９２】
解剖学的構造の現実的な３Ｄモデルが利用可能である場合（すなわち、患者の術前又は術中の撮像によって得られる）場合、切断ツール（例えば、振動ブレードのエンベロープ）のリアルタイム表示と共に当該３Ｄモデルを画面に表示してもよい。例えば、切断ツールが鋸である場合、鋸刃の先端が絶対に骨から突出しないようにするために、ユーザが骨に対する鋸刃の先端位置の映像を視認することができるようにする。鋸を作動ユニットに接続する平面機構が電動化される場合、この制御は自動化されてもよい。
【０１９３】
デバイスの使用中、制御システムは、鋸が目標面と位置合わせされ得るか否かをリアルタイムで確認する。ロボットデバイスが、鋸が当該目標面と位置合わせされ得ないように移動する場合、例えば、振動及び／又は患者の不随意運動が生じた場合、ユーザに提供される情報は変化し得る。例えば、矢印の色が変化する、又は音響フィードバックが生成される。
【０１９４】
別の実施形態（図示せず）によれば、ユーザインタフェースは、ＬＥＤなどの視覚的インジケータを含む。これらのＬＥＤは、ロボットデバイスに固定される支持面に配置されてもよい。あるいは、ＬＥＤは、ロボットデバイスとは別個の支持体に配置され、ワイヤによってその支持体に接続されてもよい。あるいは、ＬＥＤは、ロボットデバイスとは別個の支持体に配置され、ロボットデバイスに無線で接続されてもよい。このような別個の支持体は、ユーザの視野内でロボットデバイス／切断ツールの近傍に配置することができる。
【０１９５】
当該インジケータは、ロボットデバイスが、切断面と目標面との間の位置ずれを補償することができない場合に、ユーザに切断ツールを作動させないように指示するように意図されている。例えば、解剖学的構造及び／又は切断ツールに取り付けられたトラッカーが不可視になるとすぐ、赤色光及び点滅光が点く。トラッカーの視認性が回復するとすぐに、光が消えるか、緑色光に変えられる。
【０１９６】
ユーザに情報を提供する別の方法は、仮想アルコール水準器を表す数値表示（例えば、ＬＣＤ画面によって提供される）を使用することである。ロボットデバイスの全般的な向きは、ロボットデバイスの頂部の仮想アルコール水準器と側部（患者の脚部の反対側）の仮想アルコール水準器に基づいて、ユーザによって調節することができる。ロボットデバイスの距離は、支持ユニットを使用して、及び／又は所望の方向を指す矢印を表すＬＥＤなどのインジケータを使用して、及び／又はユーザインタフェースの画面を介して調節することができる。
【０１９７】
システムは、鋸と目標面とを位置合わせさせるために、鋸の姿勢を最適に制御するように意図された制御ユニットを更に備える。
【０１９８】
一実施形態によれば、制御ユニットは、切断を実行するために使用される外科用鋸に結合されてもよく、切断面が目標面と位置合わせされたときにのみ鋸の作動を可能にするように構成されてもよい。これにより、システムの安全性が向上する。
【０１９９】
図２０は、図３〜図３Ｂに示すロボットデバイスの設定の一実施形態を示す。
【０２００】
患者（図２０には１つの屈曲した脚部のみが示されている）は、脚部下側が脚部ホルダ６００によって支持された状態で、手術台５００に横たわっている。トラッカー２０１は大腿骨に固定され、別のトラッカー２０１は脛骨に固定される。
【０２０１】
保持アーム５は、一端が脚部ホルダ６００に取り付けられ、他端が作動ユニット４に取り付けられている。
【０２０２】
保持アームは、ロボットデバイスを患者に対する所望の位置に導くようにユーザによって自由に操作され、ロボットの重量を支えることができる。アーム５は、所望の位置が達成されると、係止することができる。保持アームは、図９及び図１０を参照して説明されるアームのうちの１つであってもよい。
【０２０３】
この設定では、ロボットデバイスは、いかなる支持ユニットも含まない。しかしながら、本発明の範囲から逸脱することなく、支持ユニットを（保持アームに加えて）設けることができる。
【０２０４】
トラッカー２０２は、ロボットデバイスの作動ユニット４の第２のセグメントに固定される。
【０２０５】
鋸２は、受動的平面機構２４によって第３のセグメントに接続される。
【０２０６】
更に、トラッカー２０３が鋸２に取り付けられ、ロボットデバイスと鋸との間に存在し得る機械的遊びを補償することができる。
【０２０７】
図２１は、図３Ａ〜図３Ｂに示すロボットデバイスの設定の別の実施形態を示す。
【０２０８】
患者（図２１では１本の脚部のみが示されている）は、脚部が屈曲位置にある手術台５００に横たわっている。図示されていないが、患者の脚部は、外科的介入に一般的に使用されるウェッジによって当該屈曲位置に維持され得る。例えば、屈曲脚部の内側及び外側への運動を低減するため、１つのウェッジを脚部の下に、別のウェッジを腰部の外側に配置することができる。
【０２０９】
トラッカー２０１は大腿骨に固定され、別のトラッカー２０１は脛骨に固定される。
【０２１０】
保持アーム５は、一端が手術台５００上に配置されたレール５０１に取り付けられており、他端が作動ユニット４に取り付けられている。保持アームが取り付けられるレールは、台の対象脚部と同じ側に位置するレール、又は台の対象脚部の反対側に位置するレールであってもよい。
【０２１１】
作動ユニットはまた、上側脚部の周囲に配置されたストラップ６１に取り付けられて、解剖学的構造と作動ユニット４との間に部分的機械リンクを形成する支持ユニット６を提供する。支持ユニットが切断対象の解剖学的構造と直接的に接触する、又は切断対象の解剖学的構造に隣接する患者の身体の領域（ここでは、大腿骨を取り囲む軟組織）を介して間接的に接触するという事実により、支持ユニットは、デバイスを操作する際のユーザの運動を制限する部分的機械リンクの効果を発揮し、有利な実施形態では、ユーザ及び／又は患者の運動、切断ツールの振動、及び作動ユニットの運動によって引き起こされる反発力を減衰させる。
【０２１２】
トラッカー２０２は、ロボットデバイスの作動ユニット４の第２のセグメントに固定されている。
【０２１３】
鋸２は、受動的平面機構２４によって作動ユニット４の第３のセグメントに接続されている。
【０２１４】
更に、トラッカー２０３が鋸２に取り付けられ、ロボットデバイスと鋸との間に存在し得る機械的遊びを補償することができる。
【０２１５】
図２２は、図３Ａ〜図３Ｂに示すロボットデバイスの設定の別の実施形態を示す。
【０２１６】
患者（図２２には１つの屈曲した脚部のみが示されている）は、脚部下側が脚部ホルダ６００によって支持された状態で、手術台５００に横たわっている。トラッカー２０１は大腿骨に固定されており、別のトラッカー２０１は脛骨に固定されている。
【０２１７】
保持アーム５は、一端が脚部ホルダ６００に取り付けられ、他端が作動ユニットに取り付けられている。
【０２１８】
図２１の実施形態のように、作動ユニット４はまた、上部脚部の周囲に配置されたストラップに取り付けられており、解剖学的構造と作動ユニットとの間に部分的機械リンクを形成する支持ユニット６を提供する。
【０２１９】
図２３は、支持ユニットをより良好に示す図２１又は図２２の拡大図である。
【０２２０】
支持ユニット６は、患者の大腿骨Ｆの周囲の軟組織を共に包囲する可撓性ストラップ６１及び剛性支持体６０を備える。可撓性ストラップ６１は、剛性支持体６０を脚部に締め付けることができ、可撓性ストラップの張力は、患者の脚部の直径に応じて調節される。様々な厚さのクッションを、剛性支持体と患者の皮膚との間に挿入して、様々な大きさの脚部に適合させることができる。また、バネ機構を使用して剛性支持体の側面に圧力をかけることも可能であり、個々の患者に可変調節を提供する。最後に、作動ユニット４から支持ユニットの剛性支持体６０を引き離すことができる機械システム６２を使用し得る。距離は、離散位置又はクランプ機構によって設定することができる。
【０２２１】
任意の実施形態において、大腿骨に取り付けられた支持ユニットは、脛骨及び大腿骨が軟組織によって連結されて運動を安定させる機械的リンクを形成するので、脛骨の切断を行うために使用することができる。別の実施形態では、支持ユニットは、脚部（脛骨）の下部に取り付けることができ、作動ユニットは、大腿骨及び脛骨の全ての切断を行うために使用される。
【０２２２】
支持ユニットの基部６２ｂは、第１の軸を中心に自由に回転するように、作動ユニット４の第１のセグメント４１に取り付けられている（保持アームにも堅固に取り付けられている）。
【０２２３】
基部６２ｂは、中央溝６２１を備える径方向に延在する部材６２０を備える。
【０２２４】
基部６２ｂは、中央溝６２１に摺動可能に係合するねじによってストラップ支持体６２２に接続される。作動ユニットと脚部との間の距離は、ねじ６２２に対して基部６２ｂを移動させることによって調節することができる。所望の距離が得られると、ねじ６２２は、基部をストラップ支持体６０に堅固に接続するように締められる。図１１〜図１２に示す他の実施形態によれば、調節用のねじ及び溝を有せずに径方向に延在する部材を使用して、作動ユニットと脚部との間に固定距離を設けることも可能であり、旋回リンクによって作動ユニット、保持アーム、又は中間部に接続するだけでよい。作動ユニットの基部に対する固定要素を使用して、支持ユニットの運動及び調節を排除することも可能である。
【０２２５】
図２３は、支持ユニットの一例のみを示しており、当業者であれば、脚部に対するロボットデバイスの位置を調節するために、より多くの設定（並進及び／又は回転）を含むように支持ユニットを設計することができる。
【０２２６】
支持ユニットは、図２１、図２２及び図２３では大腿骨の周囲に示されているが、脛骨に又は大腿骨及び脛骨の両方に取り付けられ得る。
【０２２７】
図２４Ａ〜図２４Ｃは、ロボットデバイスの別の用途を示す。本実施形態では、切断ツールは、平面機構の平面に対して直交する往復鋸である。
【０２２８】
この鋸は、いわゆる垂直又は矢状切断を実行するために使用し得る。具体的には、ＴＫＡ手術中、これらの垂直切断により、大腿骨内に、後方安定型（ＰＳ）大腿骨コンポーネントを収容するように構成されたボックスＢを形成することができる（図２４Ａを参照）。ＵＫＡ手術中、往復鋸を使用して、脛骨インプラントを設置するのに必要な矢状切断を行うことができる。
【０２２９】
切断の開始前に、第１の工程は、平面機構２４を、切断部に対して直交する平面（例えば、脛骨の矢状切断、図２４Ｂ参照）と位置合わせさせることである。作動ユニット４は、切断対象の骨材料の上方又は下方の所与の平面内に平面機構２４を拘束する。
【０２３０】
平面機構が能動的である場合（完全に電動化された場合）、鋸は自動的／能動的にシステムによって位置決めすることができる。
【０２３１】
さもなければ、平面機構が部分的に能動的である（電動及び非電動自由度の組み合わせを有する）場合、又は完全に受動的である場合、鋸２はトラッカー２０３によって三次元で位置決めしなければならない。外科医を支援するために、骨及び目標面に対する鋸の位置及び向きを示すインタフェースが表示される。次いで、外科医は、鋸２が目標位置及び向き（目標面に対して直交する平面内で考慮されるときに線（点線で表される線（以下、「目標線」と称する）である）に到達するまで、鋸を移動させることができる（図２４Ｃを参照）。
【０２３２】
別の選択肢として、平面機構が部分的又は完全に能動的であるか、又は位置係止機構を装備している場合、外科医に往復鋸を正しい位置に変位させた後、鋸刃が正しい位置に到達すると、鋸刃を目標線の内側に留まらせる又は拘束する。
【０２３３】
次いで、切断を実行し、往復鋸を上下に動かすことができる。
【０２３４】
第１の選択肢によれば、作動ユニットは、平面機構の面を規則的に変化させることによって、鋸を能動的に変位させる。作動ユニットが実際に移動する間に切断が実現され得るように、このプロセス中に鋸の切断動作を有効化しなければならない。好適な実施形態では、鋸の切断動作は、システムの制御ユニットによってオン又はオフに切り替えられる。平面機構が完全に能動的でない場合、外科医は、切断中に鋸刃を右向きに維持する必要があり得る。任意の時点で、平面機構の向き又は位置が、所定の閾値（例えば、２度又は２ｍｍ）を超えて目標線から逸脱した場合、作動ユニットは平面機構の面の降下又は上昇を停止する。加えて、安全上の理由から、外科医が例えばフットスイッチ及び／又はトリガの押圧によって切断動作を維持する場合のみ、平面機構の面の変位を可能にすべきである。フットスイッチ又はトリガが解放されるとすぐに、作動ユニットは、平面機構の面の下降又は上昇を停止する。必要に応じて、平面機構の面の変位速度は、切断中に進捗度に基づいて変更されてもよい。例えば、速度は、鋸刃と骨表面との間の初期接触による滑り、又は位置合わせの失敗の他の原因を回避するため、開始時は低速であってもよい。次いで、作動ユニットは、切断の途中でより高速に移動させ、最終的には、様々な所定速度プロファイルでの切断限界（例えば、脛骨切断面）に到達するときにゼロになるまで徐々に減速させることができる。
【０２３５】
別の選択肢によれば、外科医は鋸を押し上げたり押し下げたりして切断を行う。ロボットデバイスは、外科医によって加えられた力の方向及び強度を検出し、作動ユニットは、平面機構の面を適宜変位させる（平面機構の面が目標面に対して常に直交するように向きを維持する）。刃が限界（例えば、ＵＫＡの場合には、計画された又は既に実行された横方向脛骨切断）に達した場合、作動ユニットはそれ以上移動せず、鋸が降下又は上昇することを防止するので、外科医は限界に到達したと感じる。前述のセクションと同様に、作動ユニットによって加えられる反力は、切断工程の進捗度に応じて変更し得る。
【０２３６】
上記の説明では、デフォルトで往復鋸が平面機構に堅固に締結されることが想定される。しかしながら、部分的機械リンクのみを使用することも可能である（例えば、鋸は平面機構上に静止するだけであってもよく、鋸と平面機構との間の望ましくない並進を防止するために、相補的特徴部を有する単純なインタフェースであってもよい）。このように、平面機構は主に、鋸の切断が不足する、又は過剰となることを防止するガードとして機能する。また、平面機構は、矢状切断に対して直角に変位される際に、鋸を部分的に案内することができる。更に、誤った切断を防止するために、作動ユニットは、鋸の位置及び向きが目標線に対して所定範囲（例えば、２ｍｍ及び２度）内に維持された場合にのみ移動し得る。
【０２３７】
図２５は、切断ツールとしてフライス２’を有する図３Ａ〜図３Ｂに示すロボットデバイスの設定を示す。
【０２３８】
これらの図に示すトラッカーは光学トラッカーであるが、任意の他の追跡技術（例えば、電磁）を利用できることに留意されたい。
【０２３９】
なお、上記の実施形態は組み合わせ得ることに留意されたい。
【０２４０】
また、保持アーム及び、もしあれば、部分的機械リンクのみを提供する支持ユニットは、ロボットデバイスの重量を完全に支えつつ、患者に対するいかなる侵襲的動作も必要としない。
【０２４１】
したがって、文献米国特許出願公開第２０１１／０１３０７６１号における骨に埋め込まれた（すなわち、骨を数センチメートル貫通する）大きなねじ及びピンと比較して、本発明によるロボットデバイスは、患者に直接固定されず、患者に非侵襲的に固定されたコンポーネント（手術台、脚部ホルダなど）に取り付けられた保持アームによって保持されてもよく、非侵襲性取り付け手段（例えば、ストラップなど）によって患者に直接結合されてもよい。
【０２４２】
低速運動及び高速運動を含む、切断対象の解剖学的構造に対するロボットデバイスのマイクロ運動又はマクロ運動は、デバイスの精度を定義する許容誤差範囲及び所与の時間枠内で補償される。
【０２４３】
典型的には、骨手術用途では、十分な精度を得るために、数十分の１ミリメートルの範囲の運動を補償する必要がある。このような補償は、超高速運動の検出及び測定、並びに加えられる補償運動の計算及び所望の補償運動の実行を要する。
【０２４４】
６つの自由度の大型外科用ロボットは非常に頑健であるが、非常に複雑かつ高価である。加えて、それらのロボットは、切断面のリアルタイム制御に適合しない（特に第１の可動セグメント上での）大きな慣性を有する。一方、既存の小型軽量ロボットは、解剖学的構造に堅固に取り付けられていない場合には、使用することができない。対照的に、本発明は、患者へのいかなる侵襲的固定も必要とすることなく、切断面のリアルタイム制御を可能にする小型軽量ロボットデバイスを提供する。
【０２４５】
前述の説明は、平面機構を介して作動ユニットに取り付けられた切断ツールに関して行ってきたが、実施形態は、上述の平面機構又はスライダを介して作動ユニットに取り付けられた切断ブロックを備える（図２７を参照）。切断ブロックは、切断ツールの切断面に対応する案内面を画定する少なくとも１つのスロットを備える。各スロットにより、ユーザの手に保持された切断ツールをそれぞれの案内面内に拘束することができる。この切断ツールは、上述したように、矢状鋸、往復鋸、又はフライスであり得る。
【０２４６】
特定の実施形態によれば、切断ブロック２０００は、２つのスロット２０、２０’（図２８Ａを参照）又は３つのスロット２０、２０’、２０’’（図２８Ｂを参照）を含んでもよい。よって、切断ブロックは、１つのスロットが目標面と位置合わせされた状態で配置されると、別のスロットを別の目標面と位置合わせされるには、切断ブロックの姿勢をわずかに調節するだけでよい。さらに、スロットは、１つのスロットが目標面と位置合わせして配置されると、少なくとも１つの他のスロットも別の目標面と位置合わせされるように、所与の相対位置に配置されてもよい。このようにして、切断ブロック及びロボットデバイスを移動させることなく、何回かの切断を実行することが可能である。
【０２４７】
鋸刃を最適に誘導し、鋸刃の偏差を回避するために、スロットの幅ｗは可能な限り大きく設定される。例えば、限定するものではないが、スロットの幅は、１０〜２５ｍｍの範囲であり得る。
【０２４８】
平面機構又はスライダは、スロット２０によって画定される平面に対して平行な軸Ａ４に沿った並進の追加の自由度を提供する（図２９Ａ〜図２９Ｆ及び図２７を参照）。このようなスライダは、作動ユニットの回転軸間の距離を短距離に維持することができ、スライダに沿った追加の並進は、解剖学的構造のより遠い領域への切断ブロックのアクセスを提供する。一実施形態によれば、スライダは手動で操作される。図３０に示すように、スライダは、複数の所定位置を提供するために、ラック・アンド・ピニオン機構２１０を備えてもよい。一実施形態によれば、スライダは、バネ（図示せず）などの弾性部材によって付勢されてもよい。一実施形態によれば、スライダは電動化されて、目標面内で制御ユニットによって制御された第４の電動自由度を提供することができる。切断ブロックの位置が調節されると、スライダは、切断ブロックの更なる移動を回避するために遮断されてもよい。
【０２４９】
平面機構は更に、スロット２０によって画定される平面に対してほぼ直交する第５の軸Ａ５を中心に切断ブロックを枢動させることができる。これにより、案内面の向きを変更することなく、切断ブロックを骨の近くに配置することができる。この切断ブロックの回転自由度は、上述のスライダによって提供される並進自由度と組み合わされてもよい。
【０２５０】
いくつかの実施形態では、支持ユニットは、切断ブロックと患者との間に配置され得る。
【０２５１】
例えば、図３１Ａに示すように、切断ブロック２０００は、解剖学的構造に接触するように構成された少なくとも１つの可撓インタフェース（例えば、１つ以上のシリコーンクッション５６）を含む。このようにして、切断ブロックは、解剖学的構造に（例えば、上述のスライダを使用して）押し付けられて、部分的機械リンクを確保することができる。膝をほぼ静止して保持する脚部ホルダと組み合わせて、圧力を保持アーム５に印加し得る。しかしながら、可撓インタフェースを解剖学的構造に沿って数度又は数ミリメートル摺動させて位置を調節することが可能である。本実施形態では、作動ユニットは、切断ブロック２０００を介して解剖学的構造に接続されており、支持ユニットはシリコーンクッション５６で作製されている。好適な実施形態によれば、可撓インタフェースは、切断ブロックのスロット２０の両側に配置された２つのシリコーンクッションを含み、鋸で切断する際に損傷を回避するように両クッション間に十分な距離をとる。シリコーンの代わりに、任意の軟質生体適合性材料を使用することができる。
【０２５２】
別の実施形態（図示せず）によれば、切断ブロックは、複数の鋭利な歯で作製されたインタフェースを含んでもよい。このようにして、切断ブロックは、歯によって解剖学的構造に対して押圧及び保持されて、部分的機械リンクを確保することができる。
【０２５３】
別の実施形態によれば、切断ブロックは、小さなピン５７によって解剖学的構造に固定されてもよい（図３１Ｂを参照）。当該ピンは、制御ユニットによって制御された専用モータを使用して、自動的に穿孔及び除去することができる。
【０２５４】
追跡ユニットは、切断ブロック又は切断ツールに取り付けられたトラッカーを含んでもよい。
【０２５５】
このような切断ブロックは、具体的には、ノッチを形成するために、解剖学的構造内のボックスの側壁を切断し得る。このため、後方安定型の大腿骨インプラントを位置決めすることが必要であり、インプラントは、完全な嵌合のために骨にノッチを形成する必要がある設計のボックスを含む。
【０２５６】
図３２は、このような状況におけるロボットデバイスの設定を示す。
【０２５７】
患者（図３２には１本の屈曲した脚部のみが示されている）は、手術台５００に横たわっている。トラッカー２０１は大腿骨に固定され、別のトラッカー２０１は脛骨に固定されている。
【０２５８】
保持アーム５は、一端部が台に取り付けられ、他端が作動ユニットに取り付けられている。
【０２５９】
この設定では、ロボットデバイスは、いかなる支持ユニットも含まない。しかしながら、保持アーム５に加えて、支持ユニットを設けてもよい。
【０２６０】
トラッカー２０２は、ロボットデバイスの作動ユニットの第２のセグメントに固定される。
【０２６１】
切断ブロック２０００は、受動的平面機構２４によって作動ユニット４の第３のセグメントに接続される。
【０２６２】
トラッカー２０３もまた、切断ブロックに取り付けられており、ロボットデバイスと切断ブロックとの間に存在し得る機械的遊びを補償することができる。
【０２６３】
切断ツールは、刃が切断ブロック２０００のスロットを通過する往復鋸２である。
【０２６４】
制御ユニットの動作について以下でより詳細に説明する。
【０２６５】
図３３は、全膝関節形成術などの少なくとも１つの骨切り術を実行するように意図された完全外科的介入のフローチャートである。初期工程及び最終工程は、本発明の一部を構成しない場合があることに留意されたい。
【０２６６】
工程１０１で、外科的介入によって治療される領域内の患者の解剖学的構造が取得される。この解剖学的構造は、例えば、骨の画像を取得する撮像手段を使用して、及び／又は画像を含まない外科用ナビゲーション技術において一般的に使用されるように、骨表面の複数の点を取得する位置決めポインタ（デジタル化プローブ）を使用して取得されてもよい。
【０２６７】
工程１０２で、取得された患者の解剖学的構造に基づいて手術計画が立てられる。この計画工程の結果、切断を実行するように意図された目標面の姿勢が定義される。
【０２６８】
工程１０３で、ユーザは、目標面に従った切断の実行を可能にするように意図された大体の位置に保持アームを有するロボットデバイスを位置決めする。この工程では、患者の解剖学的構造に、少なくとも１つのトラッカーが設けられる。ロボットデバイスは、ロボットデバイスと切断対象の解剖学的構造との相対位置を特定できるように、少なくとも１つのトラッカーを備える。この工程で、特にロボットデバイスを再配置することなく何回かの切断が行われる場合、ユーザは、ユーザインタフェースを使用してロボットデバイスの好適な位置及び向きを判定することができる。
【０２６９】
工程１０４で、実行される切断の順序が選択される。その目的のために、制御ユニットは、対応する目標面の姿勢を取得する。何回かの切断が実行される場合、それらの切断は、特定の順序でシステムに記憶され、順次ロードされてもよい。さもなければ、ユーザインタフェースにより、ユーザが特定の切断を選択し得る。この工程は、工程１０５の前の任意の時点で実行され得ることに留意されたい。
【０２７０】
工程１０５で、制御ユニットは、トラッカーの追跡データを受信する。したがって、制御ユニットは、切断対象の解剖学的構造に対するロボットデバイスの現在位置を計算することができる。
【０２７１】
ロボットデバイスの現在位置、並びにロボットデバイスの目標面の姿勢及び運動学的設計に基づいて、制御は工程１０６において、目標面に到達できるようにする作動ユニットの移動量を計算する。工程１０７で、制御ユニットは、現在位置にあるロボットデバイスが目標面に到達し得るか否かを（すなわち、支持ユニットを移動させることなく）確認する。到達可能である場合、制御ユニットは、切断面と目標面とを位置合わせさせるため、切断ツール又は切断ガイドを必要な位置に移動させるように作動ユニットに指示する（工程１０８）。
【０２７２】
ロボットデバイスの現在位置が目標面での位置合わせを実現できない場合、制御ユニットは、切断を実行できず、実行してはならないことをユーザに警告し（工程１０９）、工程１１０で、目標面に到達するロボットデバイスの新たな位置を計算し（当該新たな位置はホルダユニットを移動させることを意味する）、工程１０５〜１０７を再度実行する。
【０２７３】
工程１０８で、切断面が目標面と位置合わせされると、切断が制御ユニットによって許可される（例えば、切断面が目標面と位置合わせしているという表示をユーザに提供する、及び／又は切断ツールの始動をユーザに許可する）。ユーザは、切断面内で切断ツールを操作することによって切断を実行することができる。この切断工程の間、制御ユニットは、追跡データを使用して、切断面と目標面との位置合わせが維持されているか否かを確認する（工程１０５と１０８との間のループを参照）。
【０２７４】
切断が完了すると（工程１０８の後）、ユーザは、切断が終了したことを制御ユニットに表示する。当該表示は、例えば、フットスイッチ又はボタンを押すことによって行うことができる。
【０２７５】
工程１１１で、ユーザ又は制御ユニットは、実行すべき切断が残っているか否かを確認する。
【０２７６】
残っていない場合、工程１１２で、術後チェックが実行されてもよい。
【０２７７】
実行すべき切断が残っている場合、工程１０５〜１０８（及び、適宜１０９及び１１０）は、全ての計画された切断が実行されるまで反復される。
【０２７８】
参考文献
国際公開第２０１４／１９８７８４号
米国特許出願公開第２０１１／０１３０７６１号
【０２７９】
〔実施の態様〕
（１）  患者の解剖学的構造（Ｆ、Ｔ）を前記解剖学的構造の座標系に画定された少なくとも１つの目標面に従って切断する外科用システムであって、
（ｉ）ロボットデバイス（１００）であって、
切断ツールと、
３つ〜５つの電動自由度を含むシリアルアーキテクチャを有する作動ユニット（４）であって、前記電動自由度のうちの少なくとも２つが、互いに対してほぼ直交する各自の回転軸を中心とした回転自由度であり、各目標面に対する前記切断ツールの位置及び向きを調節するように構成されている、作動ユニットと、
前記作動ユニットの最後のセグメントを前記切断ツールに接続する平面機構と、
を備える、ロボットデバイス（１００）と、
（ｉｉ）前記作動ユニット（４）を支持する受動的に関節接合する係止可能保持アーム（５）と、
（ｉｉｉ）前記解剖学的構造の前記座標系に対する切断面の姿勢をリアルタイムで判定するように構成された追跡ユニット（２００）と、
（ｉｖ）前記目標面に対する前記切断面の姿勢を判定し、前記切断面を前記目標面と位置合わせするように前記作動ユニットを制御するように構成されている、制御ユニット（３００）と、
を備える、外科用システム。
（２）  前記切断ツールは、判定された切断面内で振動するように構成された鋸刃（２２）を備える外科用鋸（２）である、実施態様１に記載の外科用システム。
（３）  前記切断面は、前記平面機構の平面に対して平行である、実施態様２に記載の外科用システム。
（４）  前記切断面は、前記平面機構の平面に直交する、実施態様２に記載の外科用システム。
（５）  前記切断ツールは、フライスである、実施態様１に記載の外科用システム。
【０２８０】
（６）  前記切断ツールは、レーザである、実施態様１に記載の外科用システム。
（７）  前記切断ツールが、高圧ウォータージェットである、実施態様１に記載の外科用システム。
（８）  前記切断ツールは、軟組織を切断するように適合されたメス又はランセットである、実施態様１に記載の外科用システム。
（９）  前記作動ユニットは、連続する第１、第２、及び第３の回転軸を中心にした３つの回転自由度を備える、実施態様１〜８のいずれかに記載の外科用システム。
（１０）  前記第２の軸（Ａ２）は、前記第１の軸（Ａ１）又は前記第３の軸（Ａ３）に対してほぼ平行であり、前記第１及び第３の軸（Ａ１、Ａ３）が、互いに対してほぼ直交している、実施態様９に記載の外科用システム。
【０２８１】
（１１）  前記第２の軸（Ａ２）は、前記第１及び第３の軸（Ａ１、Ａ３）に対してほぼ直交している、実施態様９に記載の外科用システム。
（１２）  前記作動ユニット（４）は、第１の軸（Ａ１）を中心とした第１の電動回転自由度と、前記第１の軸（Ａ１）にほぼ直交する第２の軸（Ａ２）に沿った第２の電動並進自由度と、前記第１及び第２の軸（Ａ１、Ａ２）に対してほぼ直交する第３の軸（Ａ３）を中心にした第３の電動回転自由度と、を有する、実施態様１〜８のいずれかに記載の外科用システム。
（１３）  前記作動ユニット（４）は、第１の軸（Ａ１）に沿った第１の電動並進自由度と、前記第１の軸（Ａ１）に対してほぼ直交する第２の軸（Ａ２）に沿った第２の電動並進自由度と、前記第１及び第２の軸（Ａ１、Ａ２）に対してほぼ直交する第３の軸（Ａ３）を中心にした第３の電動回転自由度と、前記第３の軸（Ａ３）に対してほぼ直交する第４の軸（Ａ４）を中心にした第４の電動回転自由度と、を有する、実施態様１〜８のいずれかに記載の外科用システム。
（１４）  前記平面機構（２４）は受動的である、実施態様１〜１３のいずれかに記載の外科用システム。
（１５）  前記平面機構（２４）は、少なくとも部分的に能動的である、実施態様１〜１３のいずれかに記載の外科用システム。
【０２８２】
（１６）  前記平面機構（２４）は、少なくとも２つの電動自由度を備える、実施態様１５に記載の外科用システム。
（１７）  前記切断面が前記目標面と位置合わせされると、前記平面機構（２４）の自由度をそれぞれロックするように適合されたロックシステムを更に備える、実施態様１〜１６のいずれかに記載の外科用システム。
（１８）  前記保持アーム（５）は、前記ロボットデバイスの現在の姿勢と、前記切断面と前記目標面との位置合わせを可能にする目標姿勢との間の距離に反比例する制動力を加えるように構成された制動システムを備える、実施態様１〜１７のいずれかに記載の外科用システム。
（１９）  前記追跡ユニット（２００）は、前記解剖学的構造に堅固に取り付けられるように構成された少なくとも１つのトラッカーと、前記保持アーム及び／又は前記作動ユニットに堅固に取り付けられた少なくとも１つのトラッカーとを備える、実施態様１〜１８のいずれかに記載の外科用システム。
（２０）  前記追跡ユニットは、前記切断ツールに堅固に取り付けられるように構成されたトラッカーを更に備える、実施態様１９に記載の外科用システム。
【０２８３】
（２１）  前記平面機構の端部に前記切断ツールを取り付けるように構成されたインタフェースを更に備え、前記追跡ユニットは、前記平面機構の前記端部に堅固に取り付けられるように構成されたトラッカーを備える、実施態様１９に記載の外科用システム。
（２２）  少なくとも１つの目標面に対する前記ロボットデバイスの姿勢に関するフィードバック情報をユーザに提供するように構成されたユーザインタフェースを更に備える、実施態様１〜２１のいずれかに記載の外科用システム。
（２３）  前記ユーザインタフェースは、前記切断面を前記ロボットデバイスの前記現在の姿勢で各目標面と位置合わせできる否かに関する表示を表示するように構成された画面を備える、実施態様２２に記載の外科用システム。
（２４）  前記ユーザインタフェースは、前記切断面を前記ロボットデバイスの前記現在の姿勢で各目標面と位置合わせできるか否かを表示する、及び／又は前記切断面を前記目標面と位置合わせするように前記ロボットデバイスの前記姿勢を調節する指示を提供する、矢印、数字、又は文字を表すために支持面に配置されたＬＥＤなどの視覚的インジケータを備える、実施態様２２〜２３のいずれかに記載の外科用システム。
（２５）  前記ユーザインタフェースは、前記ロボットデバイスの向きに関するフィードバック情報を提供するように、それぞれが仮想アルコール水準器を表す数値表示を含む、実施態様２２〜２４のいずれかに記載の外科用システム。
【０２８４】
（２６）  前記システムは、前記ロボットデバイスを前記解剖学的構造に対して再配置することなく、全膝関節形成術において少なくとも５回の大腿骨切断及び１回の脛骨切断を行うように適合されている、実施態様２２〜２５のいずれかに記載の外科用システム。
（２７）  前記解剖学的構造と前記作動ユニット及び／又は前記保持アームとの間に部分的機械リンクを提供するように構成された支持ユニットを更に備える、実施態様１〜２６のいずれかに記載の外科用システム。
（２８）  前記支持ユニット（６）は、少なくとも２つの着脱可能な要素と、前記解剖学的構造に取り付けられるように構成された第１の要素と、前記作動ユニット及び／又は前記保持アームに取り付けられるように構成された第２の要素と、を備える、実施態様２７に記載の外科用システム。
（２９）  前記第１の要素は、前記解剖学的構造の周囲に巻き付けられるように構成されたストラップ（６１）と、前記ストラップが通過する少なくとも１つのスロットを備える剛性基部（６０）とを備え、前記剛性基部は、前記第２の要素に取り外し可能に取り付けられるように構成されている、実施態様２８に記載の外科用システム。
（３０）  前記第１の要素に取り付けられた少なくとも１つの軟組織リトラクタ（６４）を更に備える、実施態様２８〜２９のいずれかに記載の外科用システム。
【０２８５】
（３１）  前記支持ユニット（６）は、前記解剖学的構造と前記作動ユニット及び／又は前記保持アームとの間の距離を調節するように構成された少なくとも１つの調節機構を備える、実施態様２８〜３０のいずれかに記載の外科用システム。
（３２）  前記支持ユニット（６）は、前記解剖学的構造に利用されるように構成された少なくとも１つのロッド（６３）を備える、実施態様２８〜３１のいずれかに記載の外科用システム。
（３３）  前記支持ユニット（６）は、前記解剖学的構造に利用されるように構成された少なくとも１つの吸引パッドを備える、実施態様２８〜３２のいずれかに記載の外科用システム。
（３４）  前記作動ユニット及び／又は前記保持アームの少なくとも一部を前記患者から隔離するように構成された滅菌ドレープ上に、前記作動ユニット（４）及び／又は前記保持アーム（５）に取り外し可能に取り付けられた中間部（７）を更に備える、実施態様１〜３３のいずれかに記載の外科用システム。
（３５）  前記トラッカーは、前記中間部（７）を介して前記保持アーム（５）及び／又は前記作動ユニット（４）に堅固に取り付けられている、実施態様１９と組み合わせた実施態様３４に記載の外科用システム。
【０２８６】
（３６）  前記支持ユニット（６）は、前記中間部（７）を介して前記保持アーム（５）及び／又は前記作動ユニット（４）に取り付けられている、実施態様２７〜３３のいずれかと組み合わせた実施態様３４又は３５に記載の外科用システム。
（３７）  前記制御ユニット（３００）は、前記切断面が前記目標面と位置合わせされたときにのみ前記切断ツールの操作を可能にするように構成されている、実施態様１〜３６のいずれかに記載の外科用システム。
（３８）  前記制御ユニット（３００）は、前記切断面が前記目標面と位置合わせされている限り、前記作動ユニット（４）を作動させて、前記平面に対して直交する方向に前記平面機構（２４）の前記平面を変位させるように構成されている、実施態様４に記載の外科用システム。
（３９）  前記切断ツールは、前記切断ツールと前記平面機構との間のいかなる並進も回避するように構成された相補的特徴部を有するインタフェースを介して前記平面機構（２４）に載置されている、実施態様４又は実施態様３８に記載の外科用システム。
（４０）  前記制御ユニット（３００）は、
前記追跡ユニット（２００）によって提供される位置決め情報を使用して、前記作動ユニット（４）及び前記解剖学的構造の姿勢を判定する工程（Ｓ１）と、
前記作動ユニットの幾何学的モデルに基づいて、工程（Ｓ１）で判定された前記姿勢から前記平面機構の理論上の姿勢を計算し、前記平面機構（２４）の前記平面と前記目標面との間の偏差を計算する工程（Ｓ２）と、
前記偏差が閾値未満である場合、前記切断ツール（２）の操作を可能にし、工程（Ｓ１）に戻って、前記作動ユニット及び前記解剖学的構造の新たな姿勢を判定する工程と、
前記偏差が前記閾値以上である場合、前記作動ユニットの前記座標系に前記目標面を投影する工程（Ｓ３）と、
前記作動ユニット（４）の新たな姿勢を計算して前記切断面を前記目標面と位置合わせし、前記作動ユニット（４）のモータによって加えられる運動を判定する工程（Ｓ４）と、
前記作動ユニット（４）を作動させて前記運動を加え、工程（Ｓ１）に戻って、前記作動ユニット及び前記解剖学的構造の新たな姿勢を判定する工程（Ｓ５）と、
を含む制御ループを実行するように構成されている、実施態様１〜３９のいずれかに記載の外科用システム。
【０２８７】
（４１）  前記制御ユニットが、
前記追跡ユニット（２００）によって提供される位置決め情報を使用して、前記作動ユニット（４）、前記切断ツール（２）、及び前記解剖学的構造の姿勢を判定する工程（Ｓ’１）と、
前記切断面と前記目標面との間の偏差を計算する工程（Ｓ’２）と、
前記偏差が閾値未満である場合、前記切断ツールの操作を可能にし、工程（Ｓ’１）に戻って、前記作動ユニット、前記切断ツール、及び前記解剖学的構造の新たな姿勢を判定する工程と、
前記偏差が前記閾値以上である場合、前記作動ユニットの前記座標系に前記切断面及び前記目標面を投影する工程（Ｓ’３）と、
前記平面機構（２４）の前記平面と前記切断面との間の変換を計算する工程（Ｓ’４）と、
工程（Ｓ’４）で計算された変換を用いて前記目標面を更新する工程（Ｓ’５）と、
前記作動ユニット（４）の新たな姿勢を計算して前記切断面を更新された前記目標面と位置合わせし、前記作動ユニットの前記モータによって加えられる運動を判定する工程（Ｓ’６）と、
前記作動ユニット（４）を作動させて、前記運動を加える工程と、
を含む制御ループを実行するように構成されている、実施態様２０又は２１と組み合わせた実施態様１〜３９のいずれかに記載の外科用システム。
【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４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図２９Ｃ】
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【図２９Ｄ】
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【図２９Ｅ】
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【図２９Ｆ】
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【図３０】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３２】
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【図３３】
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