(57)【要約】  本発明は、患者の脊椎の座標系で定義された少なくとも１つのターゲット軸（Ｔ）に対してユーザが保持する外科手術ツール（２００）を案内するシステムに関し、システムは、  （ｉ）ロボット装置（３００）であって、    −ベース（３０１）と、    −ツールを案内軸（Ｇ）に拘束するように構成された案内装置（３０３）と、    −ベース（３０１）に対して移動可能であり、案内装置（３０３）に連結されてターゲット軸に対する案内装置の位置と向きを調整する小型の電動作動ユニット（３０４）と、    −ベース（３０１）に接続され、案内装置と脊椎との間の部分的な機械的リンクを提供するように脊椎又は脊椎に隣接する患者の身体の領域と接触するように設計された少なくとも１つの要素を備える支持ユニット（３０５）と、を備えるロボット装置（３００）と、  （ｉｉ）ロボット装置のベース（３０１）を支持する受動的関節式ロック可能保持アーム（４００）と、  （ｉｉｉ）患者の脊椎の座標系に対する案内軸の姿勢をリアルタイムで決定するように構成された追跡ユニット（５００）と、  （ｉｖ）制御ユニットであって、    （ａ）ターゲット軸に対する案内軸の姿勢を決定し、    （ｂ）決定された姿勢についてロボット装置の作業空間を計算し、    （ｃ）計算された作業空間と案内装置の姿勢に基づいて、案内軸をターゲット軸と整列させる作動ユニットの能力を表す少なくとも１つのインジケータを計算する、ように構成された制御ユニットと、  （ｖ）制御ユニットに連結され、ターゲット軸（Ｔ）に対する案内軸（Ｇ）の表現を表示するように構成されたユーザインタフェース（６００）と、を備え、  制御ユニットが、作動ユニットを制御して、案内軸をターゲット軸と整列させるように更に構成されている。
2020509873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の脊椎の座標系で定義された少なくとも１つのターゲット軸（Ｔ）に対してユーザが保持する外科手術ツール（２００）を案内するシステムであって、
（ｉ）ロボット装置（３００）であって、
−ベース（３０１）と、
−前記ユーザが前記ツールを使用している間、前記ツールを案内軸（Ｇ）に拘束するように構成された案内装置（３０３）と、
−前記ベース（３０１）に対して移動可能であり、前記案内装置（３０３）に連結されて前記ターゲット軸に対する前記案内装置の位置と向きを調整する小型の電動作動ユニット（３０４）と、
−前記ベース（３０１）に接続され、前記案内装置と前記脊椎との間の部分的な機械的リンクを提供するように前記脊椎又は前記脊椎に隣接する前記患者の身体の領域と接触するように設計された少なくとも１つの要素を備える支持ユニット（３０５）と、を備えるロボット装置（３０３）と、
（ｉｉ）前記ロボット装置の前記ベース（３０１）を支持する受動的関節式ロック可能保持アーム（４００）と、
（ｉｉｉ）前記患者の脊椎の前記座標系に対する前記案内軸の姿勢をリアルタイムで決定するように構成された追跡ユニット（５００）と、
（ｉｖ）制御ユニットであって、
（ａ）前記ターゲット軸に対する前記案内軸の前記姿勢を決定し、
（ｂ）前記決定された姿勢について前記ロボット装置の作業空間を計算し、
（ｃ）前記計算された作業空間と前記案内装置の前記姿勢に基づいて、前記案内軸を前記ターゲット軸と整列させる前記作動ユニットの能力を表す少なくとも１つのインジケータを計算する、ように構成された制御ユニットと、
（ｖ）前記制御ユニットに連結され、前記ターゲット軸（Ｔ）に対する前記案内軸（Ｇ）の表現を表示するように構成されたユーザインタフェース（６００）と、を備え、
前記制御ユニットが、前記作動ユニットを制御して、前記案内軸を前記ターゲット軸と整列させるように更に構成されている、システム。
【請求項２】
前記案内軸を前記ターゲット軸と整列させる前記作動ユニットの前記能力が、前記作業空間のエンベロープと前記ターゲット軸との間の距離に基づいて計算される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記能力は、前記ターゲット軸（Ｔ）が前記作業空間（Ｗ）内にあり、前記作業空間の前記エンベロープと前記ターゲット軸との間の距離が決定された閾値を下回る場合に第１のレベルにあり、前記ターゲット軸が前記作業空間内にあり、前記作業空間の前記エンベロープと前記ターゲット軸との間の距離が前記決定された閾値を超える場合に第２のレベルにある、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記作動ユニットは、前記案内装置を前記ターゲット軸と整列させる前記作動ユニットの前記能力が前記第２のレベルにある場合にのみ、作動するように構成されている、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記ユーザインタフェースが、前記ターゲット軸に対する前記案内軸の２Ｄ表現を表示するように構成され、前記２Ｄ表現が、前記ターゲット軸に垂直な平面において、前記案内軸の遠位点を表す中心を有する第１の円（Ｃ１）と、前記案内軸の近位点を表す中心を有する第２の円（Ｃ２）と、前記ターゲット軸を表す交差を有するクロス（Ｃ）と、を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記ユーザインタフェースが、前記ターゲット軸に対する前記案内軸の３Ｄ表現を表示するように構成され、前記３Ｄ表現が、前記ターゲット軸の遠位点を表す交差を有する第１のクロスと、前記ターゲット軸の近位点を表す交差を有する第２のクロスと、前記案内軸を表すバーと、を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記ユーザインタフェースが、前記案内軸を前記ターゲット軸と整列させる前記作動ユニットの前記能力を表す前記少なくとも１つの計算されたインジケータを表示するように更に構成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
前記計算されたインジケータ（Ｉ）が、前記作業空間の前記エンベロープと前記ターゲット軸との間の距離の関数として変動し得る少なくとも１つの特徴を有する要素として前記ユーザインタフェース上に表示される、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記計算されたインジケータが、前記案内装置（３０３）の遠位及び近位セクションの前記作業空間（Ｗ）の前記エンベロープをそれぞれ表す一対の遠位及び近位トーラス（Ｔ１、Ｔ２）を含む三次元ビューとして前記ユーザインタフェース上に表示され、前記ユーザインタフェースが、前記遠位及び近位トーラスに対する前記案内軸を更に表示する、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記計算されたインジケータが、前記案内装置の遠位セクション内及び基準表面上の前記作業空間の前記エンベロープをそれぞれ表す遠位トーラス及び近位ディスクとして前記ユーザインタフェースに表示され、前記ユーザインタフェースが、前記遠位トーラス及び近位ディスクに対する前記案内軸を更に表示し、前記基準表面が、前記患者の皮膚、前記脊椎内の前記ツールの入口点、及び前記脊椎内のターゲット点を通過する前記脊椎のセクション、から選択される、請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
前記計算されたインジケータが、前記案内装置の遠位セクション内及びターゲット点を含む前記脊椎のセクション上の前記作業空間の前記エンベロープをそれぞれ表す遠位トーラス及び近位ディスクとして前記ユーザインタフェース上に表示され、前記ユーザインタフェースが、前記遠位トーラス及び近位ディスクに対する前記案内軸を更に表示し、前記ディスクが、前記ターゲット点を通過する３Ｄ医療画像のスライスを含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項１２】
前記制御ユニットが、いくつかのターゲット軸の中から、前記ロボット装置の現在位置に最も近い前記ターゲット軸を選択し、前記選択されたターゲット軸に対して、工程（ａ）〜（ｃ）を実行するように構成されている、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記作動ユニットが、前記保持アームがロックされている場合にのみ作動するように構成されている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記制御ユニットは、前記案内装置が第１のターゲット軸と整列され、前記保持アームのロックが解除されると、前記第１の軸に最も近い第２のターゲット軸を選択するように構成されている、請求項１２と組み合わせた請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記ロボット装置が、前記保持アームをロックすると同時に前記作動ユニットを作動させて前記案内装置を前記ターゲット軸と整列させるように構成されたトリガを備える、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１６】
前記作動ユニットが、平行な平面内で移動するように構成された２つの５バーリンケージを備える、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記案内装置が、管である、請求項１〜１６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１８】
前記追跡ユニットが、前記案内装置に取り付けられた第１の光学トラッカと、前記患者の脊椎に取り付けられるように構成された第２の光学トラッカと、を備える、請求項１〜１７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１９】
前記追跡ユニットが、前記案内装置に取り付けられた電磁エミッタと、前記患者の脊椎に取り付けられるように構成された電磁センサとを備える、請求項１〜１７のいずれか１項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、患者の脊椎の座標系で定義される少なくとも１つのターゲット軸に対してユーザが保持する外科手術ツールを案内するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
脊椎外科手術は、一般に、患者の椎骨の椎弓根にねじを埋め込むことを伴う。
【０００３】
椎弓根のサイズが小さいため、各々のねじは、椎弓根の実質的に中心を通過するターゲット軸に対して正確に位置決め及び配向されなければならない。各々のターゲット軸は、通常、患者の脊椎の３Ｄ医療画像に基づいて、術前又は術中に計画される。各々のターゲット軸は、外科手術中に取得され、基準トラッカに取り付けられた患者の座標系に関して参照される３Ｄ画像で計画されると想定される。
【０００４】
ねじは、いくつかの（少なくとも２つの）椎骨の椎弓根に埋め込まれなければならないため、外科手術的介入は時間がかかり、反復的である。
【０００５】
外科手術時間を短縮し、外科手術の精度を高めるためには、案内装置を介したねじの位置決めと埋め込みを支援するために、作業端で案内装置を支持するロボットシステムを提供することが望ましい。
【０００６】
そのため、Ｚｉｍｍｅｒ  Ｉｎｃ．製の大型ロボット、例えばＲＯＳＡロボットを使用するいくつかの用途が開発された。
【０００７】
脊椎用のロボットシステムでは、基準トラッカの座標系でいくつかの軸が計画され、知られており、ロボットには、その先端にトラッカが装備され、ロボットがターゲット軸に対して連続して移動され、サーボ制御される。通常、４つ、６つ、又は８つのねじが配置され、脊椎不安定性を防止するために、ねじ頭の間に棒を固定するために使用される。
【０００８】
しかしながら、いくつかの理由から、このような大型のロボットは、椎弓根内にねじを配置するのに便利ではない。まず、これらのロボットは非常に面倒であり、大型ロボットの存在により外科医から離れた場所に留まる可能性があり、したがって外科手術ツールの取り扱いが複雑になる外科医のアシスタントの作業を妨げる。
【０００９】
第２に、長い運動連鎖の完全な剛性は、達成するのが困難であり、ロボット構成要素の高価な機械加工を必要とする。しかしながら、完璧な精度を維持するためには、正しい位置及び向きになったら、ロボットに保持されている案内装置が移動しないようにして、外科手術ツールのターゲット軸に対する位置及び／又は向きがずれないようにすることが重要である。
【００１０】
更に、このようなロボットは、基準トラッカ運動に対してサーボ制御されるために、外科手術ツールの使用中に発生し得る迅速な運動に非常に緩慢であり、あまり順守しない。例えば、ツールがロボットによって保持された案内部に導入されると、それは、それが接触するときに椎骨を押し、これは非常に突然であり得る。
【００１１】
一般に、精度（プログラミング中、再現性だけでなく）及び大型ロボットの速度を維持することは、技術的課題である。
【００１２】
最後に、ロボットは以前にモデル化された環境の部分（完全な環境ではない）のみしか知らないため、ロボットが静止位置からターゲット軸に動いたとき、ロボットがその環境（例えば、患者、ワイヤ、患者に取り付けられたトラッカ、又は患者の近くにある任意の他のツール、撮像装置）に衝突するリスクがある。
【００１３】
一方、小型の骨搭載型ロボットが開発されてきた。
【００１４】
特に、欧州特許第ＥＰ１４１４３６２号は、クランプによって患者の椎骨に取り付けられたロボット装置を備えるシステムを記載している。しかしながら、その小型性にもかかわらず、そのような骨搭載型ロボットは、その重量が椎骨を破壊し得るという欠点を呈する。更に、ロボットの作業端の運動の範囲が制限される。したがって、案内装置とターゲット軸の整列に適合する位置にロボットが取り付けられていない場合、外科医は、ロボットを取り外してより好適な位置に取り付け直すか、アダプタを使用するかのいずれかをする必要がある。
【００１５】
外科手術的介入を非常に面倒にするこれらの解決策のいずれも、外科医にとって便利ではない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の目標は、上記の欠点を回避する脊椎外科手術のためのロボットシステムを設計することである。
【００１７】
そのために、本発明は、患者の脊椎の座標系で定義された少なくとも１つのターゲット軸に対してユーザが保持する外科手術ツールを案内するためのロボットシステムを提供し、システムは、
（ｉ）ロボット装置であって、
−ベースと、
−ツールがユーザによって操作されている間、ツールを案内軸に拘束するように構成された案内装置と、
−ベースに対して移動可能であり、案内装置に連結されてターゲット軸に対する当該案内装置の位置と向きを調整する小型の電動作動ユニットと、
−ベースに接続され、案内装置と脊椎との間の部分的な機械的リンクを提供するように脊椎又は脊椎に隣接する患者の身体の領域と接触するように設計された少なくとも１つの要素を備える支持ユニットと、を備えるロボット装置と、
（ｉｉ）ロボット装置のベースを支持する受動的関節式ロック可能保持アームと、
（ｉｉｉ）患者の脊椎の座標系に対する案内軸の姿勢をリアルタイムで決定するように構成された追跡ユニットと、
（ｉｖ）制御ユニットであって、
（ａ）ターゲット軸に対する案内軸の姿勢を決定し、
（ｂ）当該決定された姿勢についてロボット装置の作業空間を計算し、
（ｃ）計算された作業空間と案内装置の姿勢に基づいて、案内軸をターゲット軸に整列させる作動ユニットの能力を表す少なくとも１つのインジケータを計算する、ように構成された制御ユニットと、
（ｖ）制御ユニットに連結され、ターゲット軸に対する案内軸の表現を表示するように構成されたユーザインタフェースと、を備え、
制御ユニットは、作動ユニットを制御して、案内軸をターゲット軸と整列させるように更に構成されている。
【００１８】
本明細書において、用語「脊椎」は、一組の椎骨を示す。したがって、この用語は、１つ又はいくつかの椎骨、又は更には脊椎全体を含む。
【００１９】
本明細書において、小型機構とは、全ての寸法で約４０センチメートル、好ましくは長さ１０〜２０センチメートル、幅７〜１５センチメートルの最大寸法を有する機構である。機構の長さは、案内軸の方向の寸法として定義され、幅は、２つの他の方向の寸法である。
【００２０】
「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例は、ロボットシステムを、当該骨に埋め込まれた少なくとも１つのねじ又はピンによって切断される骨に堅く取り付けることになる。
【００２１】
以下で更に詳細に説明するように、案内装置と患者の脊椎との間に提供される当該部分的な機械的リンクは、支持ユニットがそれ自体で治療される解剖学的構造（椎骨）と接触していることを意味する、直接的であるか、又は支持ユニットが治療される解剖学的構造に隣接する患者の身体の一部と接触していることを意味する、間接的であり得る。当該隣接する一部は、治療される椎骨に隣接する椎骨、又は数レベル上若しくは下に位置する椎骨、又は当該椎骨を取り囲む軟組織（おそらく皮膚を含む）、又は骨盤の骨、又は頸椎の頭蓋、又は頭蓋に取り付けられたフレームで構成されてもよい。間接的な部分的な機械的リンクは、支持ユニットがユーザの手で保持され、当該手が椎骨又は治療される椎骨を取り囲む軟組織及び皮膚に寄りかかるときにも得ることができる。
【００２２】
システムは、（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。
【００２３】
「姿勢」とは、本明細書において、最大６自由度における案内装置の３Ｄ位置及び３Ｄ向きを意味する。本出願では、６自由度を全て決定する必要はないが、それらのうちのいくつかのみを決定する必要があることに留意されたい。特に、案内装置は、少なくとも４自由度にしたがって移動される。
【００２４】
案内軸とターゲット軸との「位置合わせ」によって、本明細書では、ターゲット軸からの当該案内軸の偏差が距離０．５ｍｍ未満、角度０．５度未満であることを意味する。好ましくは、案内軸は、ターゲット軸と完全に一致する。
【００２５】
部分的な機械的リンクにより、（解剖学的構造へのツールの挿入、ツールを保持するユーザの動き、患者の不随意運動、又はツール操作中の振動による）解剖学的構造に対するロボット装置のわずかな動きが可能になる一方、作動ユニットは、これらのわずかな動きを考慮して、リアルタイムで案内軸の位置を調整し、ターゲット軸との整列を維持させる。リアルタイムは、少なくとも２０ヘルツ（理想的には３００ヘルツ）のフレームレート、及び５０ミリ秒未満（理想的には５ミリ秒）の遅れを意味する。
【００２６】
好ましい実施形態によれば、案内軸をターゲット軸と整列させる作動ユニットの能力は、作業空間のエンベロープとターゲット軸との間の距離に基づいて計算される。
【００２７】
有利には、当該能力は、ターゲット軸が作業空間内にあり、作業空間のエンベロープとターゲット軸との間の距離が決定された閾値値を下回る場合に第１のレベルにあり、ターゲット軸が作業空間内にあり、作業空間のエンベロープとターゲット軸との間の距離が当該決定された閾値を超える場合に第２のレベルにある。
【００２８】
別の実施形態によれば、作動ユニットは、案内装置をターゲット軸と整列させる作動ユニットの能力が第２のレベルにある場合にのみ、作動するように構成されている。
【００２９】
実施形態によれば、ユーザインタフェースは、ターゲット軸に対する案内軸の２Ｄ表現を表示するように構成され、２Ｄ表現は、ターゲット軸に垂直な平面において、案内軸の遠位点を表す中心を有する第１の円と、案内軸の近位点を表す中心を有する第２の円と、ターゲット軸を表す交差を有するクロスと、を含む。
【００３０】
代替的に、ユーザインタフェースは、ターゲット軸に対する案内軸の３Ｄ表現を表示するように構成され得、当該３Ｄ表現は、ターゲットの遠位点を表す交差を有する第１のクロスと、ターゲット軸の近位点を表す交差を有する第２のクロスと、及び案内軸を表すバーと、を含む。
【００３１】
別の実施形態によれば、ユーザインタフェースは、案内軸をターゲット軸と整列させる作動ユニットの能力を表す当該少なくとも１つの計算されたインジケータを表示するように更に構成されている。
【００３２】
当該計算されたインジケータは、作業空間のエンベロープとターゲット軸との間の距離の関数として変動し得る少なくとも１つの特徴を有する要素としてユーザインタフェース上に表示される。
【００３３】
特に、当該計算されたインジケータは、案内装置の遠位及び近位セクション内の作業空間のエンベロープをそれぞれ表す一対の遠位及び近位トーラスを含む三次元ビューとしてユーザインタフェース上に表示され得、ユーザインタフェースは、当該遠位及び近位トーラスに対する案内軸を更に表示する。
【００３４】
代替的に、当該計算されたインジケータは、案内装置の遠位セクション内及び基準表面上の作業空間のエンベロープをそれぞれ表す遠位トーラス及び近位ディスクとしてユーザインタフェース上に表示され得、ユーザインタフェースは、当該遠位トーラス及び近位ディスクに対する案内軸を更に表示し、基準表面は、患者の皮膚、脊椎内のツールの入口点、及び脊椎内のターゲット点を通過する脊椎のセクションから選択される。
【００３５】
別の実施形態によれば、当該計算されたインジケータは、案内装置の遠位セクション内及びターゲット点を含む脊椎のセクション上の作業空間のエンベロープをそれぞれ表す遠位トーラス及び近位ディスクとしてユーザインタフェース上に表示され得、ユーザインタフェースは、当該遠位トーラス及び近位ディスクに対する案内軸を更に表示し、ディスクは、当該ターゲット点を通過する３Ｄ医療画像のスライスを含む。
【００３６】
有利には、制御ユニットは、いくつかのターゲット軸の中から、ロボット装置の現在位置に最も近いターゲット軸を選択し、当該選択されたターゲット軸に対して、工程（ａ）〜（ｃ）を実行するように構成され得る。
【００３７】
別の実施形態によれば、作動ユニットは、保持アームがロックされている場合にのみ作動するように構成されている。
【００３８】
一実施形態によれば、制御ユニットは、案内装置が第１のターゲット軸と整列され、保持アームのロックが解除されると、第１の軸に最も近い第２のターゲット軸を選択するように構成されている。
【００３９】
一実施形態によれば、ロボット装置は、保持アームをロックすると同時に作動ユニットを作動させて案内装置をターゲット軸と整列させるように構成されたトリガを含む。
【００４０】
一実施形態によれば、作動ユニットは平行な平面内で移動するように構成された２つの５バーリンケージを含む。
【００４１】
一実施形態によれば、案内装置は、管である。
【００４２】
一実施形態によれば、追跡ユニットは、案内装置に取り付けられた第１の光学トラッカと、患者の脊椎に取り付けられるように構成された第２の光学トラッカと、を含む。
【００４３】
代替的に、追跡ユニットは、案内装置に取り付けられた電磁エミッタと、患者の脊椎に取り付けられるように構成された電磁センサとを備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
本発明の更なる特徴及び利点は、添付の図面を参照した以下の詳細な説明に現れる。
【図１】本発明による外科手術システムの全体図である。
【図２】光学追跡に基づく、本発明の実施形態によるシステムの斜視図を示す。
【図３】光学追跡に基づく、本発明の実施形態によるシステムの斜視図を示す。
【図４】電磁追跡に基づく、本発明の実施形態によるシステムの斜視図を示す。
【図５】電磁追跡に基づく、本発明の実施形態によるシステムの斜視図を示す。
【図６】本発明の一実施形態による、ターゲット軸に対するロボット装置の位置決めを案内するための、ユーザインタフェース上に表示される第１のタイプの２Ｄビューを示す。
【図７】本発明の別の実施形態による、ターゲット軸に対するロボット装置の位置決めを案内するための、ユーザインタフェース上に表示される第２のタイプの２Ｄビューを示す。
【図８】本発明の別の実施形態による、ターゲット軸に対するロボット装置の位置決めを案内するための、ユーザインタフェース上に表示される第３のタイプの２Ｄビューを示す。
【図９Ａ】本発明の一実施形態による、ターゲット軸に対するロボット装置の位置決めを案内するための、ユーザインタフェース上に表示される第１のタイプの３Ｄビューを示す。
【図９Ｂ】本発明の一実施形態による、ターゲット軸に対するロボット装置の位置決めを案内するための、ユーザインタフェース上に表示される第１のタイプの３Ｄビューを示す。
【図１０】本発明の別の実施形態による、ターゲット軸に対するロボット装置の位置決めを案内するための、ユーザインタフェース上に表示される第２のタイプの３Ｄビューを示す。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下で更に詳細に説明するように、システムは、解剖学的構造を治療しなければならない少なくとも１つのターゲット軸がツールを用いて治療を行う前に計画される状況で使用される。治療は、一般に、解剖学的構造に穴を削孔すること、及び／又はねじを解剖学的構造に固定することを含む。
【００４６】
脊椎手術では、通常、脊椎の両側にいくつかの椎骨に小結節ねじを固定することが必要である。したがって、各々のねじの配置は、それぞれの椎弓根を通過するターゲット軸と関連付けられる。本発明によるシステムは、必要な椎骨内に、短時間でスクリューを連続的に配置することを可能にし、ユーザからの最小限の作用のみを必要とする。
【００４７】
このようなターゲット軸の計画は、術前画像（ＣＴ、ＭＲＩ、超音波画像、統計形状モデル、ＰＥＴなどと組み合わせた２Ｄ又は３Ｄ−Ｘ線など）又は術中３Ｄデータ（例えば、術中ＣＴ又はＣＢＣＴ（Ｃｏｎｅ  Ｂｅａｍ  Ｃｏｍｐｕｔｅｄ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）、術中ＭＲＩ、超音波画像、２Ｄ又は３Ｄ術中Ｘ線画像、ローカライズシステムによって提供される幾何データ、３Ｄポイント、３Ｄポイントのクラウド、３Ｄポイントのクラウドから再構築された表面など）、又はその両方を使用して実行される。以下の説明では、３Ｄ術中画像が、ＣＢＣＴを使用して取得されると考えられる。
【００４８】
複数のコンピュータ支援外科手術方法を使用して、ターゲット軸を、操作される解剖学的構造に取り付けられた基準座標系に登録する。
【００４９】
通常、術中画像又はデータは、解剖学的構造に取り付けられた独自の座標系で術前画像を登録するために使用され、通常はコンピュータ支援外科手術技術のいずれかを使用できるトラッカによって表される（反射マーカーで作られた光学トラッカ、アクティブＬＥＤで作られた光学トラッカ、コイルで作られた電磁トラッカ、慣性センサの組み合わせなど）。
【００５０】
これらの従来のコンピュータ支援外科手術方法のいずれかを使用すると、ターゲット軸は、操作される解剖学的構造に取り付けられた座標系で既知の幾何学的表現を持ち、以下に詳述するように、その動きは追跡ユニットによってリアルタイムで追跡される。
【００５１】
図１は、本発明による外科手術システムの全体図を示す。
【００５２】
このシステムは、処置される各々の椎骨の軟組織に小さな切開部のみが形成される低侵襲手術又は直視下外科手術のいずれかで使用されてもよい。
【００５３】
患者Ｐは、一般的には腹臥位にある、手術台１００上に横たわっている。
【００５４】
穴を削孔するか、又は少なくとも１つのターゲット軸に沿ってねじを取り付けることを意図する外科手術ツール２００は、外科医などのユーザ（図示せず）によって使用される。当該ツールは、ドリル、トロカール、スクエア錐、ねじ回し、バー、又は決定された軸に沿って案内される必要がある任意の他のツールであってもよい。
【００５５】
ロボット装置３００は、案内軸Ｇ（図３に示される）に沿った外科手術ツールの移動を案内するために使用される。
【００５６】
ロボット装置３００は、ロボット装置を操作することができるベース３０１を備える。そのため、ベースは、ハンドル３０２を備えてもよい。
【００５７】
ロボット装置３００は、案内軸Ｇを画定する案内装置３０３を更に備える。
【００５８】
案内装置３０３は、少なくとも４自由度で案内装置の位置及び向きを調整することを可能にする作動ユニット３０４によってベース３０１に接続される。
【００５９】
案内装置３０３は、典型的には、ツールサイズに概ね円形に適合された断面を有する管である。そのような場合、ツール２００は、外科手術的介入を行うために外科医によって管を通して手動で挿入され得る。したがって、ツールは、案内装置に取り付けられず、ロボット装置とは別個にユーザによって操作される。
【００６０】
案内装置は、案内軸に沿った並進運動からなる更なる自由度を含んでもよい。例えば、案内装置は、ツールが直接取り付けられ得る摺動部（図示せず）を含んでもよい。当該摺動部は、電動式であってもよい。
【００６１】
作動ユニット３０４は、空間内に線状セグメントを載置することができる任意の小型の機構である。これは、小型の擬物化アームのようなシリアルアーキテクチャ、又は、例えば、ヘキサアポドのような任意のパラレルアーキテクチャ、又はシリアル及びパラレル部品の組み合わせを有することができる。
【００６２】
好ましい実施形態（図３によりよく見られる）によれば、作動ユニット３０４は、２つの平行な平面内で移動可能であるように構成された２つの５バーリンケージ３０４ａ、３０４ｂを含み、第１のもの（３０４ａ）は、案内装置の遠位セクションに連結され、第２のもの（３０４ｂ）は、案内装置３０３の近位セクションに連結されている。本明細書では、「遠位」及び「近位」とは、患者にそれぞれより遠くかつより近い部分を指定する。
【００６３】
作動ユニット３０４は、アクチュエータによって移動され、各々のアクチュエータは、エンコーダを有し、案内装置の姿勢は、ベースに対して既知である。したがって、ロボット装置の作業空間は、ベースが所定の位置に保持されたときに作動ユニットによって到達可能な案内装置の全ての位置を含む容積として定義される。
【００６４】
加えて、ロボット装置３００は、ベース３０１に連結され、案内装置３０３と患者の脊椎Ｓとの間に部分的な機械的リンクを作り出すように構成された支持ユニット３０５を備える。
【００６５】
支持ユニット３００は、患者の皮膚を支えるように構成されてもよい。そのため、支持ユニットは、ソフトクッションを含んでもよい。また取り外し可能なステッカー、真空機構、患者の皮膚表面に迅速に適合することができる変形可能な形状（このリストは、限定的ではない）であってもよい。支持ユニットはまた、その安定性を増加させる質量を使用することによって強化され得る。例えば、それは、重質材料で作製された変形可能なパッドとすることができる。
【００６６】
そうでなければ、特に直視下外科手術の場合には、支持ユニットは椎骨を支えるように構成されてもよい。そのために、支持ユニットは、椎骨に直接係合するように意図されたピン、２つのピン、フック、クリップ、ステープル、又はＶ字形端部を含んでもよい。
【００６７】
支持ユニットは、ロボットベースに対して、連続的に、又は別個の位置を使用して、複数の位置で調整することができる。例えば、直線状バーはロボットベース内で摺動し、その先端部に支持ユニットを含み、摺動は、バネ又はねじを有するボタンによってロックされ得る。
【００６８】
システムは、ロボット装置３００のベース３０１を支持する受動的関節式ロック可能保持アーム４００を更に備える。
【００６９】
保持アーム４００は、手術台１００に取り付けられたレールなどの機械的支持体上に装着される。保持アームの安定性を改善するために、テーブルに沿った２つのレールは、テーブルの下の機構を使用して互いに取り付けられて、レール間にブリッジを作り出すことができる。代替的に、保持アームはまた、手術台の側に配置された可動カート上に装着されてもよい。
【００７０】
保持アーム４００は、いくつかの自由度で関節運動され、その位置をロックするためのスイッチを備える。スイッチは、安全目的のために、１つのボタン又は２つのボタンであり得る。またフットスイッチであってもよい。保持アームは、任意の好適な技術（例えば、空気圧アーム、油圧アーム、圧電アーム、機械的アーム、ブレーキ付きアームなど）を使用してもよい。
【００７１】
保持アーム４００は、ロボット装置３００の重量を支持し、案内装置がターゲット軸と整列されるとき、ベース及び支持ユニットを固定位置に維持することを可能にする。
【００７２】
システムは、案内装置３０３及び脊椎の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５００も備えている。
【００７３】
少なくとも１つの座標系５０１は、脊椎に取り付けられ、一方、少なくとも１つの座標系５０２は、案内装置３０３に取り付けられる。
【００７４】
追跡ユニット５００は、両方の座標系５０１、５０２間の相対運動をリアルタイムで測定する。
【００７５】
追跡ユニットによって取得されたデータは、ワイヤ又はワイヤレスによる任意の好適な接続を介して、制御ユニットに転送される。
【００７６】
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制御ユニットに連結されたユーザイ」ンタフェース６００を更に備えてもよい。フィードバック情報は、ターゲット軸に対する案内軸の少なくとも表現を含む。
【００７７】
このユーザインタフェース６００は、制御ユニット及び追跡ユニットと同じカート７００上に位置する画面を有利に含んでもよい。
【００７８】
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装置自体に配置されたインジケータを含んでもよい。
【００７９】
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装置自体に埋め込まれている外科手術システムは、埋め込まれたユニットが十分に強力なバッテリーで駆動され、それらのサイズと重量がユーザによるロボット装置の操作を妨げないのであれば、なお、本発明の範囲内にあるであろう。例えば、マイクロカメラをロボット装置のベースに取り付けることができ、マーカーを、脊椎及び案内装置に取り付けることができる。
【００８０】
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ＡＣ／ＤＣ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。
【００８１】
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、わずかな遅延で妥当な高頻度で実行することができる。
【００８２】
制御ユニットは、追跡ユニットによって提供されたデータに基づいて、選択されたターゲット軸に対する案内装置の姿勢をリアルタイムで計算する。
【００８３】
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内に配設されてもよい。これらのユニットはまた、別個のカート、関節式保持アーム、照明システムに装着されてもよく、又は追跡ユニットは、解剖学的構造若しくはロボット装置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、案内装置は、電磁エミッタを堅固に支持することができ、電磁センサは、解剖学的構造に取り付けることができる。
【００８４】
制御ユニットは、
（ａ）ターゲット軸に対する案内軸の姿勢を決定し、（この決定は、患者の座標系に対するターゲット軸の姿勢が既知であるために行うことができる。）
（ｂ）当該決定された姿勢についてロボット装置の作業空間を計算し、（この計算には、次の工程が含まれる：作動ユニットのアクチュエータの位置に関する知識により、患者の座標系に対するベースの姿勢を決定でき、次に、作動ユニットの各々のアクチュエータによって許容される最大変位を使用して、ベースの当該姿勢の作業空間が決定される）、
（ｃ）計算された作業空間と案内装置の姿勢に基づいて、案内軸をターゲット軸に整列させる作動ユニットの能力を表す少なくとも１つのインジケータを計算し、
（ｄ）ユーザインタフェースによって表示される、ターゲット軸に対する案内軸の姿勢をユーザインタフェースに提供し、
（ｅ）作動ユニットを制御して、案内軸をターゲット軸に整列させる、ように構成されている。
【００８５】
一実施形態によれば、計算されたインジケータは、必ずしもユーザに表示されることなく、作動ユニットを作動させるか又は作動ユニットを作動させないように制御ユニットによって使用されてもよい。
【００８６】
好ましい実施形態によれば、計算されたインジケータは、表示されるように、制御ユニットによってユーザインタフェースに提供される（そのようなインジケータの例は、図６〜図１０を参照して以下で説明される）。
【００８７】
この計算されたインジケータは、ターゲット軸が作業空間内に含まれていない場合、作動ユニットは、案内装置をターゲット軸と整列させることができないために有用である。一方、作業空間にターゲット軸が含まれているという事実は、ロボット装置の十分な作業を確実にするのに十分ではない場合がある。実際、ターゲット軸が作業空間のエンベロープ（外表面）に近すぎる場合、作動ユニットは、案内装置をターゲット軸と整列することができるが、患者と案内装置の比較的小さな動きの場合、作動空間からターゲット軸が延在する結果、作動ユニットは、この整列を維持できないリスクがある。したがって、システムの正確な動作のために、作業空間のエンベロープとターゲット軸との間の特定の距離（補償マージンとも呼ばれる）を確実にすることが好ましい。
【００８８】
言い換えれば、案内軸をターゲット軸と整列させる作動ユニットの能力は、２つの異なるレベル：
−ターゲット軸が作業空間内にあり、作業空間のエンベロープとターゲット軸との間の距離が決定された閾値を下回る場合の第１のレベル（低レベル）、及び
−ターゲット軸が作業空間内にあり、作業空間のエンベロープとターゲット軸との間の距離が当該決定された閾値を超える場合の第２のレベル（高レベル）、にあり得る。
【００８９】
好ましくは、作動ユニットは、作動ユニットが、ツールの動作中にターゲット軸に対する案内装置の可能な動きを補償し、常に案内軸とターゲット軸との整列を維持できるように確実にするため、案内軸をターゲット軸と整列させる能力が第１のレベルではなく第２のレベルにある場合にのみ作動する。
【００９０】
更に、ユーザインタフェースは、作業空間がターゲット軸を含まないときにロボット装置を適切に位置決めする方法についての指示をユーザに提供してもよい。例えば、丸い矢印は、保持アームをロックする前に、ロボットを一方向に回転させることをユーザに指示するように示すことができ、直線矢印は、並進の必要性を指示することができる。このような矢印は、ユーザインタフェースの画面上にあるか、又は、例えば小ディスプレイ若しくはＬＥＤを使用して、ロボット装置自体に直接置くことができる。
【００９１】
システムの動作の実施形態について以下に説明する。
【００９２】
ロボット装置を使用する前に、ユーザは、術前及び／又は術中の医療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。
【００９３】
この計画工程は、各々の椎骨（一般に、各々の椎骨の２つの椎弓根の各々の１つのターゲット軸）の治療を実行するのに適したターゲット軸を決定することを可能にする。
【００９４】
計画システムは、本発明による外科手術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。
【００９５】
外科手術的介入の間、ユーザは、術前データ／画像を術中登録方法と共に使用してもよく、又は術中データ／画像を直接使用してもよい。
【００９６】
両方の場合において、計画の結果は、少なくとも１つのターゲット軸からなり、各々の軸の姿勢は、基準の患者の脊椎の座標系内で決定される。
【００９７】
次いで、各々のターゲット軸の姿勢を制御ユニットに転送する。
【００９８】
制御ユニットは、そのサブシステムを初期化し、ロボット装置の使用準備が整う。
【００９９】
外科手術介入中、第１の工程（アプローチ工程）で、ユーザは保持アームのボタン（複数可）を放し、作動ユニットが案内装置をターゲット軸と整列させることができる位置にベースをもたらすように、保持アームによって保持されているロボット装置のベースを移動させ、支持ユニットを脊椎又は患者の身体の隣接領域に接続して、案内装置と脊椎との間に部分的な機械的リンクを提供する。ベースの好適な姿勢に達すると、ユーザは、保持アームのボタンを解放し、保持アームをロックしてベースを固定する。次いで、ユーザは、保持アームが作動ユニットを保持しているため、外科手術ツールを操作するために、ベースを完全に解放することができる。
【０１００】
このアプローチ工程では、ロボット装置は、好ましくは非アクティブであり、案内装置は、作動装置の中立位置に維持される。次いで、第２の工程（動作工程）では、保持アームがロックされた後、作動ユニットが作動されて、案内装置を、ターゲット軸と整列させる。制御ユニットの作動は、ユーザが保持アームのボタン（複数可）を解放するとすぐに自動的に起動することができる。
【０１０１】
代替的に、ロボット装置の作動ユニットは、アプローチ工程中に連続的に作動されてもよく、案内装置は、ターゲット軸に対してサーボ制御される。ユーザは、案内装置がターゲット軸と整列されると、保持アームをロックする。
【０１０２】
第３の工程では、ユーザは、案内装置によって案内される外科手術ツールを使用する。案内装置は、保持アームがロック解除されるまで、ターゲット軸に対してサーボ制御されたままである。
【０１０３】
好ましい実施形態によれば、保持アームをロックするために使用されるスイッチはまた、作動ユニットを作動させるように構成されている。例えば、スイッチは、ロボット装置のベースを変位させるときにユーザによって押されるトリガを含んでもよい。そのため、トリガは、ベースのハンドル上に配設されてもよい。ロボット装置が案内装置をターゲット軸に整列させるのに好適な位置にあるとき、ユーザは、作動ユニットを作動させ、案内装置をターゲット軸に移動させるトリガを放す。
【０１０４】
このようにして、システムの動作は、非常に単純かつ真直であり、ユーザによって行われる動作を最小化する。
【０１０５】
本発明によるシステムは、案内装置が複数のターゲット軸と連続的に整列されなければならない場合に特に有利である。
【０１０６】
実際、制御ユニットは、到達する複数のターゲット軸のうち、ロボット装置の現在位置に最も近いものを検出し、当該選択されたターゲット軸について上記の工程を実行することができる。次いで、一旦保持アームがロック解除され、新しいターゲット軸に到達しなければならないとき、制御ユニットは、ロボット装置の現在位置に最も近い次のターゲット軸を選択する。しかしながら、ユーザは、ロボット装置を予め定義されたターゲット軸に到達させ、最も近いものではないようにするために、ユーザインタフェース上のボタンを常に押すことができる。
【０１０７】
したがって、システムは、ガンとして使用することができ、すなわち、トリガの動作のみが保持アームをロック／ロック解除し、作動ユニットを作動／非作動させるためのトリガの動作のみを包含する。
【０１０８】
図２及び図３は、本発明の実施形態によるシステムのロボット装置の斜視図を示す（制御ユニット及びユーザインタフェースは、これらの図には示されていない）。
【０１０９】
この実施形態では、追跡は、光学技術に基づく。この技術の利点は、動作環境における金属ツールの存在によって影響を受けないことである。
【０１１０】
ロボット装置は、ロボット装置を操作するためのハンドルを備えるベースを備える。ベースは、保持アームの端部に更に取り付けられる。
【０１１１】
ロボット装置は、案内装置と、案内装置をベースに接続する作動ユニットとを備える。図示した実施形態では、案内装置は、円形断面を有する線形管である。
【０１１２】
図示された実施形態では、作動ユニットは、第１のボールジョイントによって案内装置の遠位セクションに接続された第１の５バーリンケージと、第２のボールジョイントによって案内装置の近位セクションに接続された第２の５バーリンケージを備える。５バーリンケージは、２つの平行な平面内で移動する。案内装置は、ボールジョイントのうちの少なくとも１つに固定されてもよく、他に１つに対して摺動してもよい。
【０１１３】
しかしながら、ロボット装置のアーキテクチャは、図示されたアーキテクチャに限定されない。３、４、５、又は６の自由度を有する任意の他の小型のロボットアーキテクチャを使用することができる。例えば、ロボット装置は、６つのロトイドジョイントから作製された擬人構造を有することができる。
【０１１４】
いずれの場合でも、ロボット装置のアーキテクチャは小型であり、短い運動連鎖により、ターゲット軸に対する案内軸のずれを補償するために非常に高速に作動できることを確実にするが、それでも非常に正確性を維持する。
【０１１５】
ロボット装置のハンドルは、有利には、保持アームをロック又はロック解除し、作動ユニットを同時に作動又は非作動させるように構成されたトリガを備える。
【０１１６】
第１の光トラッカ５０２は、案内装置に取り付けられる。この追跡位置から、ロボットベースの位置を計算することが可能である。また、冗長性及び安全性の目的のために、ロボットベース上にある１つのトラッカ、又は１つがベース上にあり、１つが案内装置上にある２つのトラッカを使用することも可能である。
【０１１７】
第２の光学トラッカ５０１は、患者の椎骨に取り付けられ、患者の座標系を画定する。
【０１１８】
両方のトラッカは、Ｐｏｌａｒｉｓ  Ｓｐｅｃｔｒａ若しくはＶｉｃｒａカメラ（Ｎｏｒｔｈｅｒｎ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｉｎｃ．，Ｃａｎａｄａ）など又はより高速生成の３Ｄカメラ（図示せず）の視野内に配設される。
【０１１９】
追跡システムは、患者の座標系に対する案内装置の位置及び向きをリアルタイムで決定することを可能にする。
【０１２０】
作動ユニット３０４のモータは、ベースに対して既知の位置を有するため、制御ユニットは、患者の座標系に対するベースの位置及び向きを計算することができる。制御ユニットは又、ベースの各々の姿勢についてロボット装置の作業空間を計算することもできる。
【０１２１】
図４及び図５は、本発明の別の実施形態によるシステムのロボット装置の斜視図を示す（制御ユニット及びユーザインタフェースは、これらの図には示されていない）。
【０１２２】
ロボット装置のアーキテクチャは、図２〜図３を参照して説明したものと同様であり、したがって、再度説明されない。
【０１２３】
この実施形態では、追跡は、電磁技術に基づく。この技術の利点は、追跡装置が非常に小型であり、したがって低侵襲手術に好適であり、視野方向の問題を回避することである。
【０１２４】
好ましい実施形態では、エミッタ５０３は、案内装置３０３の近位部分に取り付けられる。代替的に、エミッタは、ベース３０１の近位部分に取り付けられてもよい。
【０１２５】
センサ５０４は、患者の椎骨に取り付けられ、患者の座標系を画定する。
【０１２６】
電磁トラッカは、アーチファクトを生成する金属物体に敏感であるが、この配列により、エミッタ５０３とセンサ５０４がそれらの間の金属物体なしで互いに非常に近くなることを確実にする。金属アーチファクトの存在を確認するための機構を使用して、測定が正確であることを確実にすることができる。
【０１２７】
図６〜図１０は、ターゲット軸に対する案内装置の位置を示し、案内装置をターゲット軸に整列させる作動ユニットの能力の少なくとも１つのインジケータを表すために、ユーザインタフェースによって表示され得るビューの様々な、しかし限定ではない実施形態を示す。当該ビューは、二次元（２Ｄ）又は三次元（３Ｄ）のいずれかであってもよい。
【０１２８】
図６は、本発明の一実施形態による、ターゲット軸に対するロボット装置の位置決めを案内するためのユーザインタフェースの画面に表示される第１のタイプの２Ｄビュー（上部）及び３つの状況での脊椎とターゲット軸に対する作業空間の対応する側面図（下部）を示す。
【０１２９】
この実施形態では、案内装置の姿勢は、２つの円：案内装置３０３の遠位セクションの中心を表す中心を有する第１の円Ｃ１と、案内装置３０３の近位セクションの中心を表す中心を有する第２の円Ｃ２によって表される。
【０１３０】
画面の平面は、ターゲット軸Ｔに垂直な平面に対応する。円Ｃ１、Ｃ２の中心は、案内装置の遠位セクション及び近位セクションの中心の当該平面への直交投影として計算される。
【０１３１】
クロスＣも、画面上に表示される。クロスの交差点は、ターゲット軸Ｔと上述の平面との交点として計算される。
【０１３２】
クロスＣに対する円Ｃ１、Ｃ２の相対位置は、案内軸とターゲット軸との間の距離を示す。
【０１３３】
案内軸をターゲット軸と整列するために、ユーザの目標は、円の中心がクロスと一致するようにすることである。この表現は、ナビゲーションシステムにおいて標準的であり、通常は手動で実行することは困難である。
【０１３４】
ユーザがロボット装置をアプローチ工程中に移動させると、ユーザインタフェースは、クロスに対する円の対応する変位をリアルタイムで表示する。
【０１３５】
更に、ユーザインタフェースはまた、ロボット装置の作業空間に関する情報を表示する。
【０１３６】
図の左側で表される状況では、案内装置３０３はターゲット軸と整列しておらず、後者は、椎骨Ｖの椎弓根を通過する。これは、円Ｃ１、Ｃ２が互いから離れているという事実によって、特に、それらの中心がクロスＣの交点と一致しないという事実によって、ユーザインタフェースの画面上に表される。
【０１３７】
加えて、ロボット装置の作業空間Ｗは、当該整列を達成することを可能にしない。これは、ユーザインタフェースの画面上で、輪郭の特定の色と太さで表される（図示の実施形態では、暗い色の正方形Ｉ）。もちろん、輪郭の代わりに、作業空間のエンベロープとターゲット軸との間の距離の関数として変動し得る少なくとも１つの特徴を有する任意の他の要素をインジケータとして使用することができる。
【０１３８】
図の中央に表されている状況では、案内装置３０３は、ターゲット軸Ｔと整列している。これは、ユーザインタフェースの画面上で、円が実質的に重なり、その中心がクロスの交差点と実質的に一致するという事実によって表される。
【０１３９】
しかしながら、作業空間Ｗはターゲット軸Ｔを中心とするものではなく、これは、案内装置に対する患者の更なる相対運動の場合に十分なマージンが存在しない可能性があるため、望ましくない。これは、ユーザインタフェースの画面上で、前の状況とは異なる輪郭の特定の色と太さで表される（図示の実施形態では、同じ暗い色のより太い正方形Ｉ）。
【０１４０】
図の右に表されている状況では、案内装置３０３は、なおターゲット軸Ｔと整列している。これは、ユーザインタフェースの画面上で、円Ｃ１、Ｃ２が実質的に重なり、それらの中心がクロスＣの交差点と実質的に一致するという事実によって表される。
【０１４１】
この状況では、作業空間Ｗは、好適な構成であるターゲット軸Ｔ上で実質的に中心に置かれる。これは、ユーザインタフェースの画面上で、前の状況とは異なる輪郭の特定の色と太さで表される（図示の実施形態では、明るい色のより太い正方形Ｉ）。
【０１４２】
図７は、本発明の別の実施形態による、ターゲット軸に対する案内軸の位置決めを案内するためのユーザインタフェースの画面上に表示される第２のタイプの２Ｄビュー（上部）及び２つの状況での脊椎とターゲット軸に対する作業空間の対応する側面図（下部）を示す。
【０１４３】
この実施形態では、案内装置の姿勢は、図６にあるようなターゲット軸を表すクロスＣに対する２つの円Ｃ１、Ｃ２によって表される。したがって、円及びクロスは、再び説明されない。
【０１４４】
図７の実施形態では、ターゲット軸Ｔとロボット装置の作業空間Ｗのエンベロープとの間の距離を示す補償マージンは、可変幅のクラウンＩとして表される：大きな補償マージンに対応する大きな幅、小さな補償マージンに対応する小さな幅。クラウンの幅の変動中、クラウンの外径は同じままであってもよく、内径のみが変化してもよい。
【０１４５】
クラウンはまた、補償マージンに応じて可変方式で着色及び／又はテクスチャ加工されてもよい。例えば、補償マージンが小さいとき、クラウンは橙色であってもよく、補償マージンが大きいときは緑色であってもよい。
【０１４６】
案内軸３０３をターゲット軸Ｔと整列するために、ユーザの目標は、円の中心がクロスと一致するようにすることである。
【０１４７】
次に、ユーザがロボット装置を動かすと、ユーザインタフェースは、補償マージンの変化に応じたクラウン幅の変化と共に、クロスに対する円の対応する変位をリアルタイムで表示する。
【０１４８】
図の左に表されている状況では、案内装置３０３は、なおターゲット軸Ｔと整列している。これは、ユーザインタフェースの画面上で、円Ｃ１、Ｃ２が実質的に重なり、その中心がクロスＣの交差点と実質的に一致するという事実によって表される。しかしながら、作業空間Ｗは、ターゲット軸Ｔに対して中心に位置しておらず、これは、補償マージンが小さいことを意味する。これは、暗い色及び比較的小さい幅を有するクラウンによって表される。
【０１４９】
図の右に表されている状況では、案内装置３０３は、ターゲット軸Ｔと整列している。これは、ユーザインタフェースの画面上で、円が実質的に重なり、それらの中心がクロスの交差点と実質的に一致するという事実によって表される。しかしながら、作業空間Ｗは、ターゲット軸Ｔに対して実質的に中心に位置しており、これは、補償マージンが、図の左側よりも大きいことを意味する。これは、明るい色及び比較的広い幅を有するクラウンによって表される。
【０１５０】
図８は、本発明の別の実施形態による、ターゲット軸に対する案内軸の位置決めを案内するためのユーザインタフェースの画面に表示される第３のタイプの２Ｄビュー（上部）及び２つの状況での脊椎とターゲット軸に対する作業空間の対応する側面図（下部）を示す。
【０１５１】
円Ｃ１、Ｃ２、クロスＣ及びクラウンは、図７と同じ情報を表し、したがって、再び詳細に説明されない。
【０１５２】
この実施形態では、補償マージンを表すクラウンＩは、一定の幅を有するが、可変の外径及び内径を有する。補償マージンが増加するにつれて、クラウンの外径は増加する。
【０１５３】
クラウンはまた、補償マージンに応じて可変方式で着色及び／又はテクスチャ加工されてもよい。例えば、補償マージンが小さいときは、橙色であり、補償マージンが大きいときは、緑色であり得る。
【０１５４】
図の左に表されている状況では、案内装置３０３は、なおターゲット軸Ｔと整列している。これは、ユーザインタフェースの画面上で、円が実質的に重なり、その中心がクロスＣ１、Ｃ２の交差点と実質的に一致するという事実によって表される。しかしながら、作業空間Ｗは、ターゲット軸Ｔに対して中心に位置しておらず、これは、補償マージンが小さいことを意味する。これは、暗色及び比較的小さい外径を有するクラウンによって表される。
【０１５５】
図の右に表されている状況では、案内装置３０３は、ターゲット軸Ｔと整列している。これは、ユーザインタフェースの画面上で、円が実質的に重なり、それらの中心がクロスの交差点と実質的に一致するという事実によって表される。しかしながら、作業空間Ｗは、ターゲット軸Ｔに対して実質的に中心に位置しており、これは、補償マージンが、図の左側よりも大きいことを意味する。これは、明るい色及び比較的大きい外径を有するクラウンによって表される。
【０１５６】
図６〜図８に示されるような２Ｄビューの代わりに、ユーザインタフェースは、３Ｄビューを表示することができる。
【０１５７】
図９Ａ〜図９Ｂは、本発明の一実施形態による、ターゲット軸に対するロボット装置の位置決めを案内するためにユーザインタフェース上に表示される第１のタイプの３Ｄビューを示す。
【０１５８】
第１のトーラスＴ１は、作業空間のエンベロープの遠位セクションを表し、第２のトーラスＴ２は、作業空間のエンベロープの近位セクションを表す。ターゲット軸と各々のトーラスの平面との間の交点は、それぞれのクロスによって表される。バーは、案内軸Ｇを表す。
【０１５９】
有利には、トーラス及びバーは、椎骨に対するユーザの位置に実質的に対応する視点から表される。したがって、ターゲット軸に対するロボット装置の位置の表現は、ユーザにとってより直感的である。この一貫した向きは、通常は一定の設定であるため、ユーザ、患者、及びディスプレイの所定のセットのために予め定義することができる。３Ｄビューはまた、ユーザ視点に一致するように移動させることもできる。
【０１６０】
例えば、図９Ａでは、トーラス及びバーは、約３０度の角度から見られる。
【０１６１】
図９Ｂでは、トーラス及びバーは、約６０度の角度から見られる。
【０１６２】
ユーザの目標は、トーラスの中心にできるだけ近いように、両トーラス内にバーを配置することである。
【０１６３】
この位置決めを助けるために、トーラスの色及び／又はテクスチャが変化し得る。
【０１６４】
例えば、図９Ａ及び図９Ｂの左側では、バーは、緑色（明るい色によって表される）で表示され得る、近位トーラスＴ２の内側にあるが、橙色（暗い色によって表される）で表示され得る、遠位トーラスＴ１の外側にある。バーはまた、案内装置が、ターゲット軸と整列することができないことを示す、暗い色でもある。
【０１６５】
図９Ａ及び図９Ｂの中央では、バーは、橙色（暗い色によって表される）で表示され得る、近位トーラスＴ２の外側にあるが、緑色（明るい色によって表される）で表示され得る、遠位トーラスＴ１の内側にある。バーはまた、案内装置が、ターゲット軸と整列することができないことを示す、暗い色でもある。
【０１６６】
図９Ａ及び図９Ｂの右側では、バーは、トーラスＴ１、Ｔ２の内側にあり、それゆえ、同じ明るい色で表示される。バーはまた、作動装置を使用してターゲット軸と整列され得ることを示す、明るい色でもある。
【０１６７】
図１０は、本発明の別の実施形態による、ターゲット軸に対する案内装置の位置決めを案内するためにユーザインタフェースの画面上に表示される第２のタイプの３Ｄビューを示す。
【０１６８】
図９Ｂの図と比較すると、近位トーラスＴ２は、ディスクＤによって置き換えられている。
【０１６９】
これとは別に、ユーザインタフェースの実装は、図９Ｂについて既に説明したものと同様である。
【０１７０】
このディスクは、患者の皮膚、椎骨内の入口点（特に、直視下科手術の場合）、又は椎骨内のターゲット点（例えば椎弓根の中心）いずれかであり得る平坦な表面を表す。後者の場合、ディスクは、計画に使用され、ターゲット点を通過する３Ｄ医療画像のスライスを含んでもよい。
【０１７１】
当然ながら、当業者は、（形状、色、テクスチャなどの観点から）ターゲット軸に対する作業空間の姿勢の任意の他の表現を選択してもよく、特に、ユーザが要求する人間工学及び直感を考慮することができる。
【０１７２】
本発明によるシステムは、外科手術ツールの線形軌道を実行するために必要とされるたびに、固定された骨又は関節運動する骨、例えば、膝、尻、肩、頭蓋骨上の、を有する、身体の他の部分に使用することができる。
【０１７３】
参照文献
欧州特許第１４１４３６２号
【０１７４】
〔実施の態様〕
（１）  患者の脊椎の座標系で定義された少なくとも１つのターゲット軸（Ｔ）に対してユーザが保持する外科手術ツール（２００）を案内するシステムであって、
（ｉ）ロボット装置（３００）であって、
−ベース（３０１）と、
−前記ユーザが前記ツールを使用している間、前記ツールを案内軸（Ｇ）に拘束するように構成された案内装置（３０３）と、
−前記ベース（３０１）に対して移動可能であり、前記案内装置（３０３）に連結されて前記ターゲット軸に対する前記案内装置の位置と向きを調整する小型の電動作動ユニット（３０４）と、
−前記ベース（３０１）に接続され、前記案内装置と前記脊椎との間の部分的な機械的リンクを提供するように前記脊椎又は前記脊椎に隣接する前記患者の身体の領域と接触するように設計された少なくとも１つの要素を備える支持ユニット（３０５）と、を備えるロボット装置（３０３）と、
（ｉｉ）前記ロボット装置の前記ベース（３０１）を支持する受動的関節式ロック可能保持アーム（４００）と、
（ｉｉｉ）前記患者の脊椎の前記座標系に対する前記案内軸の姿勢をリアルタイムで決定するように構成された追跡ユニット（５００）と、
（ｉｖ）制御ユニットであって、
（ａ）前記ターゲット軸に対する前記案内軸の前記姿勢を決定し、
（ｂ）前記決定された姿勢について前記ロボット装置の作業空間を計算し、
（ｃ）前記計算された作業空間と前記案内装置の前記姿勢に基づいて、前記案内軸を前記ターゲット軸と整列させる前記作動ユニットの能力を表す少なくとも１つのインジケータを計算する、ように構成された制御ユニットと、
（ｖ）前記制御ユニットに連結され、前記ターゲット軸（Ｔ）に対する前記案内軸（Ｇ）の表現を表示するように構成されたユーザインタフェース（６００）と、を備え、
前記制御ユニットが、前記作動ユニットを制御して、前記案内軸を前記ターゲット軸と整列させるように更に構成されている、システム。
（２）  前記案内軸を前記ターゲット軸と整列させる前記作動ユニットの前記能力が、前記作業空間のエンベロープと前記ターゲット軸との間の距離に基づいて計算される、実施態様１に記載のシステム。
（３）  前記能力は、前記ターゲット軸（Ｔ）が前記作業空間（Ｗ）内にあり、前記作業空間の前記エンベロープと前記ターゲット軸との間の距離が決定された閾値を下回る場合に第１のレベルにあり、前記ターゲット軸が前記作業空間内にあり、前記作業空間の前記エンベロープと前記ターゲット軸との間の距離が前記決定された閾値を超える場合に第２のレベルにある、実施態様２に記載のシステム。
（４）  前記作動ユニットは、前記案内装置を前記ターゲット軸と整列させる前記作動ユニットの前記能力が前記第２のレベルにある場合にのみ、作動するように構成されている、実施態様３に記載のシステム。
（５）  前記ユーザインタフェースが、前記ターゲット軸に対する前記案内軸の２Ｄ表現を表示するように構成され、前記２Ｄ表現が、前記ターゲット軸に垂直な平面において、前記案内軸の遠位点を表す中心を有する第１の円（Ｃ１）と、前記案内軸の近位点を表す中心を有する第２の円（Ｃ２）と、前記ターゲット軸を表す交差を有するクロス（Ｃ）と、を含む、実施態様１〜４のいずれかに記載のシステム。
【０１７５】
（６）  前記ユーザインタフェースが、前記ターゲット軸に対する前記案内軸の３Ｄ表現を表示するように構成され、前記３Ｄ表現が、前記ターゲット軸の遠位点を表す交差を有する第１のクロスと、前記ターゲット軸の近位点を表す交差を有する第２のクロスと、前記案内軸を表すバーと、を含む、実施態様１〜４のいずれかに記載のシステム。
（７）  前記ユーザインタフェースが、前記案内軸を前記ターゲット軸と整列させる前記作動ユニットの前記能力を表す前記少なくとも１つの計算されたインジケータを表示するように更に構成されている、実施態様１〜６のいずれかに記載のシステム。
（８）  前記計算されたインジケータ（Ｉ）が、前記作業空間の前記エンベロープと前記ターゲット軸との間の距離の関数として変動し得る少なくとも１つの特徴を有する要素として前記ユーザインタフェース上に表示される、実施態様７に記載のシステム。
（９）  前記計算されたインジケータが、前記案内装置（３０３）の遠位及び近位セクションの前記作業空間（Ｗ）の前記エンベロープをそれぞれ表す一対の遠位及び近位トーラス（Ｔ１、Ｔ２）を含む三次元ビューとして前記ユーザインタフェース上に表示され、前記ユーザインタフェースが、前記遠位及び近位トーラスに対する前記案内軸を更に表示する、実施態様７に記載のシステム。
（１０）  前記計算されたインジケータが、前記案内装置の遠位セクション内及び基準表面上の前記作業空間の前記エンベロープをそれぞれ表す遠位トーラス及び近位ディスクとして前記ユーザインタフェースに表示され、前記ユーザインタフェースが、前記遠位トーラス及び近位ディスクに対する前記案内軸を更に表示し、前記基準表面が、前記患者の皮膚、前記脊椎内の前記ツールの入口点、及び前記脊椎内のターゲット点を通過する前記脊椎のセクション、から選択される、実施態様７に記載のシステム。
【０１７６】
（１１）  前記計算されたインジケータが、前記案内装置の遠位セクション内及びターゲット点を含む前記脊椎のセクション上の前記作業空間の前記エンベロープをそれぞれ表す遠位トーラス及び近位ディスクとして前記ユーザインタフェース上に表示され、前記ユーザインタフェースが、前記遠位トーラス及び近位ディスクに対する前記案内軸を更に表示し、前記ディスクが、前記ターゲット点を通過する３Ｄ医療画像のスライスを含む、実施態様７に記載のシステム。
（１２）  前記制御ユニットが、いくつかのターゲット軸の中から、前記ロボット装置の現在位置に最も近い前記ターゲット軸を選択し、前記選択されたターゲット軸に対して、工程（ａ）〜（ｃ）を実行するように構成されている、実施態様１〜１１のいずれかに記載のシステム。
（１３）  前記作動ユニットが、前記保持アームがロックされている場合にのみ作動するように構成されている、実施態様１〜１２のいずれかに記載のシステム。
（１４）  前記制御ユニットは、前記案内装置が第１のターゲット軸と整列され、前記保持アームのロックが解除されると、前記第１の軸に最も近い第２のターゲット軸を選択するように構成されている、実施態様１２と組み合わせた実施態様１３に記載のシステム。
（１５）  前記ロボット装置が、前記保持アームをロックすると同時に前記作動ユニットを作動させて前記案内装置を前記ターゲット軸と整列させるように構成されたトリガを備える、実施態様１〜１４のいずれかに記載のシステム。
【０１７７】
（１６）  前記作動ユニットが、平行な平面内で移動するように構成された２つの５バーリンケージを備える、実施態様１〜１５のいずれかに記載のシステム。
（１７）  前記案内装置が、管である、実施態様１〜１６のいずれかに記載のシステム。
（１８）  前記追跡ユニットが、前記案内装置に取り付けられた第１の光学トラッカと、前記患者の脊椎に取り付けられるように構成された第２の光学トラッカと、を備える、実施態様１〜１７のいずれかに記載のシステム。
（１９）  前記追跡ユニットが、前記案内装置に取り付けられた電磁エミッタと、前記患者の脊椎に取り付けられるように構成された電磁センサとを備える、実施態様１〜１７のいずれかに記載のシステム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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