JP7145599B2 - ２ｄ－３ｄ位置合わせの収束を改善するための方法及びシステム - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年５月１８日に出願された米国特許出願第１５／１５７，４４４号の一部継続であり、その米国特許出願は、２０１６年４月１１日に出願された米国特許出願第１５／０９５，８８３号の一部継続であり、その米国特許出願は、２０１３年１０月２４日に出願された米国特許出願第１４／０６２，７０７号の一部継続であり、その米国特許出願は、２０１３年６月２１日に出願された米国特許出願第１３／９２４，５０５号の一部継続出願であり、その米国特許出願は、２０１２年６月２１日に出願された仮出願第６１／６６２，７０２号に対する優先権を主張し、及び２０１３年３月１５日に出願された仮出願第６１／８００，５２７号に対する優先権を主張し、それらの全ては、全ての目的のためにその全体として参照することにより本明細書に組み込まれる。
［技術分野］

本開示は、位置認識システム、特に、ロボット支援手術のための複数画像の位置合わせに関する。
[背景技術]

画像誘導分野においては、位置合わせは２つ以上の座標系間の変換を定量化することである。位置合わせ成功後、光学的に追跡された空間など、１つの座標系のツールまたは他の物体の位置が、医用画像空間など、別の座標系に正確に表示され得る。画像誘導またはロボット支援画像誘導をコンピュータ断層画像（ＣＴ）スキャンまたは磁気共鳴画像（ＭＲＩ）スキャンなどの術前３Ｄ画像データセットを用いて実施する場合、術前に得られた解剖学的ＣＴまたはＭＲＩ座標系、術中に得られた解剖学的座標系、追跡カメラの座標系の間など、複数の座標系間で共に位置合わせすること（ｃｏ－ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）が必要とされる場合もある。

複数の座標系を共に位置合わせする１つの方法では、追跡カメラを用いて追跡されるＸ線装置及び患者の位置と共に、手術時に、患者の一対の２ＤのＸ線写真を取る場合など、２Ｄ－３Ｄ位置合わせを使用する。次に、Ｘ線撮影する座標系を、２Ｄ－３Ｄ位置合わせ法により術前に得られた３Ｄ医用画像座標系に位置合わせしてもよい。この方法においては、３Ｄ ＣＴまたはＭＲＩデータセットを使用して、Ｘ線写真をシミュレートする２Ｄ再構成平面画像を生成してもよい。２Ｄ再構成シミュレートＸ線画像を３Ｄデータセットから生成する１つの方法では、２Ｄ平面上での立体医用画像（例えば、デジタル再構成シミュレーション画像（ＤＲＲ））から投射される点放射源からＸ線に沿って強度を追跡し、統合する。ＤＲＲは、実際の２Ｄ Ｘ線画像に一致するまで、つまり、ＤＲＲと実際の放射線写真の骨の特徴または強度特性が、ある程度の許容差内で重なり合うまで反復して生成される。例えば、反復方法は、Ｐｏｗｅｌｌ法などの方法を含んでもよい。これは、推定から始まり、その後、誤差が許容差内になるまで、系統的にパラメータを調節することによって、費用関数を最小限に抑える。一例として、費用関数は、ＤＲＲ及び実際のＸ線写真の画像内での場所で、ピクセル強度を減算することによって、構成され得、一対の両Ｘ線図において、ピクセル強度がＸ線とＤＲＲとの間で最も接近して合致したときに、最小限に抑えられる。反復工程間で調節可能な費用関数のパラメータとしては、３Ｄ立体データの位置及び配向、Ｘ線源、３Ｄボリュームに対するＸ線経路の角度などを挙げることができ、これらは、一対の撮影を行ったとき、既知の（追跡された）Ｘ線装置の実際の相対位置の幾何学的制約内で独立して、かつ／または同時に変化することもある。一旦一致が見出されると、Ｘ線撮影が行われるときにＸ線装置があるべきＣＴまたはＭＲＩ座標系での位置は、計算で使用されるパラメータからわかる。また、追跡座標系における実際のＸ線装置の位置も追跡カメラからわかる。このため、ＣＴ（またはＭＲＩ）、Ｘ線及びカメラの座標系間での変換が決定される。

しかし、上述の反復方法は、確実な一致を見出すまでに、数多くの反復を必要とする場合もあることから問題となることもある。これにより、長時間の遅延もあり、また更に悪いことに、複数の反復が１つの解に収束できないこともある。このため、２Ｄ－３Ｄ位置合わせの収束を改善するためにシステム及び方法が必要とされている。
［発明の概要］

本開示は、コンピュータ構成を開始することにより、反復を開始する前に、シミュレートされた及び実際のＸ線がかなり良好に合致するように、２Ｄ－３Ｄ位置合わせの収束を改善する方法及びシステムを提供する。改善することにより、反復の減少、処理時間の短縮、収束不良の減少などが得られる可能性がある。

一実施形態においては、デジタル医用画像を位置合わせするためのシステム及び方法が提供される。この方法は、３Ｄ解剖学的特徴及び第１の座標系を有する３Ｄデジタル医用画像を記憶するステップと、２Ｄ解剖学的特徴及び第２の座標系を有する２Ｄデジタル医用画像を記憶するステップとを含む。この方法は、３Ｄデジタル医用画像及び２Ｄデジタル医用画像上のデジタル医用物体の配置を記憶するステップ、及び３Ｄデジタル医用画像からシミュレートされた２Ｄデジタル医用画像であって、３Ｄ解剖学的特徴に対応しているシミュレートされた２Ｄ解剖学的特徴を含む、シミュレートされた２Ｄデジタル医用画像を生成するステップを更に含む。２Ｄ解剖学的特徴は、一致に到達し、その一致に基づいて第１の座標系と第２の座標系との位置合わせが決定されるまで、シミュレートされた２Ｄ解剖学的特徴と比較する。

本発明のこれらの及び他のシステム、方法、物体、特徴、及び利点は、以下の好ましい実施形態の詳細な説明及び図より、当業者にとって明らかであろう。本明細書に記載の全ての文書は、参照することにより、その全体が本明細書に組み込まれる。

本発明及びその特定の実施形態の以下の詳細な説明は、以下の図を参照することによって理解されてもよい。
［図面の簡単な説明]

［図１]外科手技の間のロボットシステム、患者、外科医、及び他の医療要員の場所についての潜在的配設の頭上図である。
［図２]一実施形態に係る患者に対する外科用ロボット及びカメラの位置付けを含むロボットシステムを例解する。
［図３]例示的な実施形態に従う外科用ロボットシステムを例解する。
［図４]例示的な実施形態に従う外科用ロボットの一部を例解する。
［図５]例示的な実施形態に従う外科用ロボットのブロック図を例解する。
［図６]例示的な実施形態に従う外科用ロボットを例解する。
［図７Ａ～７Ｃ]例示的な実施形態に従うエンドエフェクタを例解する。
［図８]一実施形態に係るエンドエフェクタの誘導管への外科用器具の挿入前及び後の、外科用器具及びエンドエフェクタを例解する。
［図９Ａ～９Ｃ]例示的な実施形態に従うエンドエフェクタ及びロボットアームの一部分を例解する。
［図１０]例示的な実施形態に従う動的参照アレイ、画像化アレイ、及び他の構成要素を例解する。
［図１１]例示的な実施形態に従う位置合わせ方法を例解する。
［図１２Ａ～１２Ｂ]例示的な実施形態に係る画像化デバイスの実施形態を例解する。
［図１３]コンピュータ断層撮影ボリュームの複数のスライスにおける１つの腰椎上の椎弓根スクリューの軌道を計画する工程を例解する。
［図１４]Ｘ線上の複数の図による単一の腰椎上の椎弓根スクリューの軌道を計画する工程を例解する。
［図１５]本開示と一致する例示的方法を例解する。

本発明は、特定の好ましい実施形態と関連して記述され、他の実施形態は、当業者によって理解され、本明細書に包含される。
[発明を実施するための形態]

本開示は、本明細書における説明に記載されるまたは図面において例解される構成要素の構築及び配設の詳細にその用途において限定されないことが理解されるものとする。本開示の教示は、他の実施形態において使用及び実践されてもよいし、種々の方法において実践または実行されてもよい。また、本明細書において使用される専門表現及び専門用語が、説明目的のためであり、制限として見なされるべきではないことが理解されるものとする。本明細書における「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、及びこれらの変化形の使用は、その後に列記される項目、及びそれらの同等物、ならびに追加の項目を包含することが意味される。別途指定または制限されない限り、「装着された（ｍｏｕｎｔｅｄ）」、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「支持された（ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ）」、及び「連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語、ならびにこれらの変化形は、広義に使用され、直接的及び間接的双方の装着、接続、支持、及び連結を包含する。更に、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」及び「連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」は、物理的もしくは機械的接続または連結に制限されない。

以下の考察は、当業者が本開示の実施形態を作製及び使用することを可能にするために提示される。例解される実施形態への種々の修正は、当業者には容易に明らかであり、本明細書における原理は、本開示の実施形態から逸脱することなく、他の実施形態及び用途に適用され得る。このため、実施形態は、示される実施形態に制限されることを意図しないが、本明細書において開示される原理及び特性と一致する最も広い範囲が与えられるものとする。以下の発明を実施するための形態は、異なる図面における同様の要素が同様の参照番号を有する図面を参照して読まれるものとする。図面は、必ずしも縮尺通りではなく、選択された実施形態を描写し、実施形態の範囲を制限することを意図しない。当業者は、本明細書において提供される実施例が、多くの有用な代替物を有し、実施形態の範囲内にあることを認識するであろう。

ここで図１及び図２を参照し、例示的な実施形態による外科用ロボットシステム１００を例解する。外科用ロボットシステム１００は、例えば、外科用ロボット１０２、１つ以上のロボットアーム１０４、基部１０６、表示器１１０、例えば、誘導管１１４を含む、エンドエフェクタ１１２、及び１つ以上の追跡マーカ１１８を含んでもよい。外科用ロボットシステム１００は、患者追跡デバイス１１６を含んでもよく、また、患者追跡デバイス１１６は、１つ以上の追跡マーカ１１８を含み、それは、患者２１０に（例えば、患者２１０の骨に）直接固定されるように適合される。外科用ロボットシステム１００はまた、例えば、カメラスタンド２０２上に位置付けられた、カメラ２００を利用してもよい。カメラスタンド２０２は、カメラ２００を所望の位置に移動、配向、及び支持するために、任意の適切な構成を有することができる。カメラ２００は、任意の適切なカメラまたは複数のカメラ、例えば、カメラ２００の視点から見ることができる所与の測定量においてアクティブ及びパッシブ追跡マーカ１１８を識別することができる、例えば、１つ以上の赤外カメラ（例えば、２焦点または立体写真測量カメラ）等を含んでもよい。カメラ２００は、所与の測定量をスキャンしてもよく、３次元におけるマーカ１１８の位置を識別及び判定するために、マーカ１１８から来る光を検出してもよい。例えば、アクティブマーカ１１８は、電気信号（例えば、赤外発光ダイオード（ＬＥＤ））によって作動される赤外発光マーカを含んでもよく、パッシブマーカ１１８は、例えば、カメラ２００または他の適切なデバイス上の照明器によって発出される赤外光を反射するレトロな反射性マーカ（例えば、それらは、入射光の方向に入射するＩＲ放射を反射する）を含んでもよい。

図１及び２は、手術室環境における外科用ロボットシステム１００の配置のための潜在的な構成を例解する。例えば、ロボット１０２は、患者２１０の近くまたは次に位置付けられてもよい。患者２１０の頭部の近くが描写されるが、ロボット１０２は、手術を受けている患者２１０の領域に応じて、患者２１０の近くの任意の適切な場所に位置付けることができることが理解されるであろう。カメラ２００は、ロボットシステム１００から分離されてもよいし、患者２１０の足に位置付けられてもよい。この場所は、カメラ２００が、手術野２０８への直接的な視線を有することを可能にする。再度、カメラ２００は、手術野２０８への見通し線を有する任意の適切な位置に位置してもよいことが意図される。図示される構成において、外科医１２０は、ロボット１０２の向かいに位置付けられてもよいが、依然として、エンドエフェクタ１１２及び表示器１１０を操作することができる。外科助手１２６は、更にまた、エンドエフェクタ１１２及び表示器１１０の双方にアクセス可能に、外科医１２０の向かいに位置付けられてもよい。所望される場合、外科医１２０及び助手１２６の場所は、逆にされてもよい。麻酔医１２２及び看護師または洗浄技師１２４のための伝統的な領域は、ロボット１０２及びカメラ２００の場所によって邪魔されないままである。

ロボット１０２の他の構成要素に関して、表示器１１０は、外科用ロボット１０２に取設することができ、他の例示的な実施形態において、表示器１１０は、外科用ロボット１０２を伴う手術室内、または遠隔の場所のいずれかにおいて、外科用ロボット１０２から取り外すことができる。エンドエフェクタ１１２は、ロボットアーム１０４に連結されてもよく、少なくとも１つのモータによって制御されてもよい。例示的な実施形態において、エンドエフェクタ１１２は、患者２１０上で手術を実施するために使用される（本明細書において更に説明される）外科用器具６０８を受け入れる及び配向させることができる、誘導管１１４を備えることができる。本明細書において使用される際、「エンドエフェクタ」という用語は、「エンドイフェクチュエータ」及び「イフェクチュエータ要素」という用語と同義的に使用される。誘導管１１４を用いて一般的に示されるが、エンドエフェクタ１１２は、手術中の使用に適した任意の適切な器具類と置き換えてもよいことが理解されるであろう。一部の実施形態において、エンドエフェクタ１１２は、所望の様態における外科用器具６０８の移動をもたらすために任意の既知の構造を備えることができる。

外科用ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２の並進及び配向を制御することができる。ロボット１０２は、例えば、ｘ、ｙ、及びｚ軸に沿って、エンドエフェクタ１１２を移動させることができる。エンドエフェクタ１１２は、（エンドエフェクタ１１２と関連付けられるオイラー角（例えば、ロール、ピッチ、及び／またはヨー）のうちの１つ以上を選択的に制御することができるように）ｘ、ｙ、及びｚ軸、ならびにＺフレーム軸のうちの１つ以上の周囲の選択的回転のために構成することができる。一部の例示的な実施形態において、エンドエフェクタ１１２の並進及び配向の選択的制御は、例えば、回転軸のみを備える６自由度のロボットアームを利用する従来のロボットと比較して、有意に改善された精密性でもって医療手技の実施を可能にすることができる。例えば、外科用ロボットシステム１００は、患者２１０上で動作させるために使用されてもよく、ロボットアーム１０４は、患者２１０の身体の上に位置付けることができ、エンドエフェクタ１１２は、患者２１０の身体に向かってｚ軸に対して選択的に角度付けられる。

一部の例示的な実施形態において、外科用器具６０８の位置は、外科用ロボット１０２が、手技中、常に外科用器具６０８の場所を認識することができるように、動的に更新することができる。結果として、一部の例示的な実施形態において、外科用ロボット１０２は、医師からのいかなる更なる支援も伴わずに（医師がそのように所望しない限り）素早く所望の位置に外科用器具６０８を移動させることができる。一部の更なる実施形態において、外科用ロボット１０２は、外科用器具６０８が、選択された、事前に計画された軌道から外れた場合、外科用器具６０８の経路を補正するように構成することができる。一部の例示的な実施形態において、外科用ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２及び／または外科用器具６０８の移動の停止、修正、及び／または手動制御を可能にするように構成することができる。このため、使用中、例示的な実施形態において、医師または他のユーザは、システム１００を動作させることができ、エンドエフェクタ１１２及び／または外科用器具６０８の自主的な移動を停止、修正、または手動で制御するオプションを有する。外科用ロボット１０２による外科用器具６０８の制御及び移動を含む、外科用ロボットシステム１００の更なる詳細は、その全体として参照することにより本明細書に組み込まれる、同時係属米国特許出願通し番号第１３／９２４，５０５号において見出すことができる。

ロボット外科用システム１００は、３次元においてロボットアーム１０４、エンドエフェクタ１１２、患者２１０、及び／または外科用器具６０８の移動を追跡するように構成された１つ以上の追跡マーカ１１８を備えることができる。例示的な実施形態において、複数の追跡マーカ１１８は、例えば、制限することなく、ロボット１０２の基部１０６上、ロボットアーム１０４上、またはエンドエフェクタ１１２上等の、ロボット１０２の外表面に装着（またはそうでなければ固定）することができる。例示的な実施形態において、複数の追跡マーカ１１８のうちの少なくとも１つの追跡マーカ１１８は、エンドエフェクタ１１２に装着またはそうでなければ固定することができる。１つ以上の追跡マーカ１１８は、更に患者２１０に装着（またはそうではければ固定）することができる。例示的な実施形態において、複数の追跡マーカ１１８は、外科医、外科用ツール、またはロボット１０２の他のパーツによって遮られる可能性を低減するように、手術野２０８から離間して、患者２１０上に位置付けることができる。更に、１つ以上の追跡マーカ１１８は、外科用ツール６０８（例えば、スクリュードライバ、拡張器、インプラント挿入器、または同様のもの）に更に装着（またはそうでなければ固定）することができる。このため、追跡マーカ１１８は、マークされた物体（例えば、エンドエフェクタ１１２、患者２１０、及び外科用ツール６０８）のそれぞれが、ロボット１０２によって追跡されることを可能にする。例示的な実施形態において、システム１００は、例えば、エンドエフェクタ１１２、（例えば、エンドエフェクタ１１２の管１１４内に位置付けられた）外科用器具６０８の、配向及び場所、ならびに患者２１０の相対位置を計算するために、マークされた物体のそれぞれから収集された追跡情報を使用することができる。

例示的な実施形態において、マーカ１１８のうちの１つ以上は、光学マーカであってもよい。一部の実施形態において、エンドエフェクタ１１２上の１つ以上の追跡マーカ１１８の位置付けは、エンドエフェクタ１１２の位置をチェックまたは検証する役割を果たすことによって、位置測定値の精密性を最大化することができる。外科用ロボット１０２及び外科用器具６０８の制御、移動、ならびに追跡を含む、外科用ロボットシステム１００の更なる詳細は、その全体として参照することにより本明細書に組み込まれる、同時係属米国特許出願通し番号第１３／９２４，５０５号において見出すことができる。

例示的な実施形態は、外科用器具６０８に連結された１つ以上のマーカ１１８を含む。例示的な実施形態において、例えば、患者２１０及び外科用器具６０８に連結される、これらのマーカ１１８、ならびにロボット１０２のエンドエフェクタ１１２に連結されるマーカ１１８は、従来の赤外発光ダイオード（ＬＥＤ）または、例えば、Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）等の商業的に入手可能な赤外光追跡システムを使用して追跡されることが可能なＯｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）ダイオードを備えることができる。Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）は、Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｃ．，Ｗａｔｅｒｌｏｏ，Ｏｎｔａｒｉｏ，Ｃａｎａｄａの登録商標である。他の実施形態において、マーカ１１８は、Ｐｏｌａｒｉｓ Ｓｐｅｃｔｒａ等の商業的に入手可能な光学追跡システムを使用して追跡されることが可能な従来の反射性球体を備えることができる。Ｐｏｌａｒｉｓ Ｓｐｅｃｔｒａも、Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ， Ｉｎｃの登録商標である。例示的な実施形態において、エンドエフェクタ１１２に連結されたマーカ１１８は、オン及びオフにされ得る赤外発光ダイオードを備えるアクティブマーカであり、患者２１０及び外科用器具６０８に連結されるマーカ１１８は、パッシブ反射性球体を備える。

例示的な実施形態において、マーカ１１８から発出された及び／またはマーカ１１８によって反射された光は、カメラ２００によって検出することができ、マークされた物体の場所及び移動を監視するために使用することができる。代替の実施形態において、マーカ１１８は、無線周波数及び／もしくは電磁リフレクタまたはトランシーバを備えることができ、カメラ２００は、無線周波数及び／もしくは電磁トランシーバを含むか、またはそれによって置き換えることができる。

外科用ロボットシステム１００と同様に、図３は、本開示の例示的な実施形態と一致するドッキング型構成における、外科用ロボットシステム３００及びカメラスタンド３０２を例解する。外科用ロボットシステム３００は、表示器３０４、上部アーム３０６、下部アーム３０８、エンドエフェクタ３１０、垂直カラム３１２、キャスタ３１４、キャビネット３１６、タブレット引出し３１８、コネクタパネル３２０、制御パネル３２２、及び情報のリング部３２４を含む、ロボット３０１を備えてもよい。カメラスタンド３０２は、カメラ３２６を備えてもよい。これらの構成要素は、図５に関してより多く説明される。図３は、カメラスタンド３０２が、例えば、使用中でないときに、ロボット３０１と入れ子にされる、ドッキング型構成における外科用ロボットシステム３００を例解する。カメラ３２６及びロボット３０１は、例えば、図１及び図２に示されるように、外科手技中に、互いに分離してもよいし、任意の適切な場所に位置付けてもよいことが、当業者によって理解されるであろう。図４は、本開示の例示的な実施形態と一致する基部４００を例解する。基部４００は、外科用ロボットシステム３００の一部分であってもよく、キャビネット３１６を備えてもよい。キャビネット３１６は、限定されるものではないが、バッテリ４０２、配電モジュール４０４、プラットホームインターフェースボードモジュール４０６、コンピュータ４０８、ハンドル４１２、及びタブレット引出し４１４を含む、外科用ロボットシステム３００のある構成要素を収容してもよい。これらの構成要素間の接続及び関係は、図５に関してより詳細に説明される。

図５は、外科用ロボットシステム３００の例示的な実施形態のある構成要素のブロック図を例解する。外科用ロボットシステム３００は、プラットホームサブシステム５０２、コンピュータサブシステム５０４、動き制御サブシステム５０６、及び追跡サブシステム５３２を備えてもよい。プラットホームサブシステム５０２は、バッテリ４０２、配電モジュール４０４、プラットホームインターフェースボードモジュール４０６、及びタブレット充電ステーション５３４を更に備えてもよい。コンピュータサブシステム５０４は、コンピュータ４０８、表示器３０４、及びスピーカ５３６を更に備えてもよい。動き制御サブシステム５０６は、駆動回路５０８、モータ５１０、５１２、５１４、５１６、５１８、安定器５２０、５２２、５２４、５２６、エンドエフェクタ３１０、及びコントローラ５３８を更に備えてもよい。追跡サブシステム５３２は、位置センサ５４０及びカメラ変換器５４２を更に備えてもよい。システム３００はまた、フットペダル５４４及びタブレット５４６を備えてもよい。

入力電力は、電源５４８を介してシステム３００に供給され、それは、配電モジュール４０４に提供されてもよい。配電モジュール４０４は、入力電力を受け取り、システム３００の他のモジュール、構成要素、及びサブシステムに提供される異なる電力供給電圧を発生するように構成される。配電モジュール４０４は、異なる電圧供給をプラットホームインターフェースモジュール４０６に提供するように構成されてもよく、それは、例えば、コンピュータ４０８、表示器３０４、スピーカ５３６、ドライバ５０８等の他の構成要素に、例えば、電力モータ５１２、５１４、５１６、５１８及びエンドエフェクタ３１０、モータ５１０、リング部３２４、カメラ変換器５４２、ならびにシステム３００のための他の構成要素、例えば、キャビネット３１６内の電気構成要素を冷却するための送風機に提供されてもよい。

配電モジュール４０４はまた、電力を他の構成要素、例えば、タブレット引出し３１８内に位置し得るタブレット充電ステーション５３４等に提供してもよい。タブレット充電ステーション５３４は、テーブル５４６を充電するためにタブレット５４６と無線または有線通信してもよい。タブレット５４６は、本開示と一致する及び本明細書に説明される外科医によって使用されてもよい。配電モジュール４０４はまた、バッテリ４０２に接続されてもよく、そのバッテリは、万一配電モジュール４０４が入力電力５４８からの電力を受信しない場合において、一時的な電源としての役割を果たす。他のときには、配電モジュール４０４は、必要な場合、バッテリ４０２を充電する役割を果たしてもよい。

プラットホームサブシステム５０２の他の構成要素はまた、コネクタパネル３２０、制御パネル３２２、及びリング部３２４を含んでもよい。コネクタパネル３２０は、異なるデバイス及び構成要素をシステム３００ならびに／または関連付けられた構成要素及びモジュールに接続する役割を果たしてもよい。コネクタパネル３２０は、異なる構成要素からの線路または接続を受け入れる１つ以上のポートを含んでもよい。例えば、コネクタパネル３２０は、システム３００を他の機器に接地し得る接地端子ポート、フットペダル５４４をシステム３００に接続するためのポート、位置センサ５４０、カメラ変換器５４２、及びカメラスタンド３０２と関連付けられたカメラ３２６を備え得る追跡サブシステム５３２に接続するためのポートを有してもよい。コネクタパネル３２０はまた、他の構成要素、例えば、コンピュータ４０８等へのＵＳＢ、イーサネット（登録商標）、ＨＤＭＩ（登録商標）通信を可能にするために、他のポートを含んでもよい。

制御パネル３２２は、システム３００の動作を制御する種々のボタンもしくは指示器を提供してもよいし、及び／またはシステム３００に関する情報を提供してもよい。例えば、制御パネル３２２は、システム３００の電源をオンまたはオフにするためのボタン、垂直カラム３１２を上げるまたは下げるためのボタン、及びシステム３００が物理的に移動することを係止するようにキャスタ３１４に係合するように計画され得る安定器５２０～５２６を上げるまたは下げるためのボタンを含んでもよい。万一緊急の場合には、他のボタンがシステム３００を停止してもよく、それは、全てのモータ電力をなくし得、全ての動きの発生を停止するために機械的制動を加え得る。制御パネル３２２はまた、ユーザにあるシステム状況を通知する指示器、例えば、線路電力指示器等、またはバッテリ４０２用の充電の状態を通知する指示器を有してもよい。

リング部３２４は、システム３００のユーザに、システム３００が不十分に動作している異なるモード及び該ユーザへのある警告を通知するための視覚的指示器であってもよい。

コンピュータサブシステム５０４は、コンピュータ４０８、表示器３０４、及びスピーカ５３６を含む。コンピュータ５０４は、システム３００を動作させるためのオペレーティングシステム及びソフトウェアを含む。コンピュータ５０４は、情報をユーザに表示するために、他の構成要素（例えば、追跡サブシステム５３２、プラットホームサブシステム５０２、及び／または動き制御サブシステム５０６）からの情報を受信及び処理してもよい。更に、コンピュータサブシステム５０４はまた、音声をユーザに提供するためにスピーカ５３６を含んでもよい。

追跡サブシステム５３２は、位置センサ５０４及び変換器５４２を含んでもよい。追跡サブシステム５３２は、図３に関して説明されたようなカメラ３２６を含むカメラスタンド３０２に対応してもよい。位置センサ５０４は、カメラ３２６であってもよい。追跡サブシステムは、外科手技中にユーザによって使用されるシステム３００及び／または器具の異なる構成要素上に位置する、ある一定のマーカの場所を追跡してもよい。この追跡は、それぞれ、アクティブまたはパッシブ要素、例えば、ＬＥＤまたは反射性マーカ等の場所を追跡する赤外技術の使用を含む、本開示と一致する様態で行われてもよい。これらの種類のマーカを有する構造の場所、配向、及び位置は、表示器３０４上でユーザに表示され得るコンピュータ４０８に提供されてもよい。例えば、これらの種類のマーカを有し、（ナビゲーション空間として呼ばれ得る）この様態で追跡される外科用器具６０８が、患者の解剖学的構造の３次元画像に関連してユーザに示されてもよい。動き制御サブシステム５０６は、垂直カラム３１２、上部アーム３０６、下部アーム３０８を物理的に移動させる、またはエンドエフェクタ３１０を回転させるように構成されてもよい。物理的移動は、１つ以上のモータ５１０～５１８の使用を通じて行われてもよい。例えば、モータ５１０は、垂直カラム３１２を垂直に上げるまたは下げるように構成されてもよい。モータ５１２は、図３に示されるように垂直カラム３１２との係合点の周囲に、上部アーム３０８を横に移動させるように構成されてもよい。モータ５１４は、図３に示されるように上部アーム３０８との係合点の周囲に、下部アーム３０８を横に移動させるように構成されてもよい。モータ５１６及び５１８は、一方がロールを制御し得、かつもう一方が傾きを制御し得るような様態で、エンドエフェクタ３１０を移動させるように構成されてもよく、それによって、エンドエフェクタ３１０が移動され得る複数の角度を提供する。これらの移動は、コントローラ５３８によって達成されてもよく、そのコントローラは、エンドエフェクタ３１０上に配置されたロードセルを通してこれらの移動を制御し得、ユーザが、これらのロードセルを係合することによって作動され得、所望の様態においてシステム３００を移動させる。

更に、システム３００は、ユーザが、（タッチスクリーン入力デバイスであってもよい）表示器３０４上に、表示器３０４上の患者の解剖組織の３次元画像上に外科用器具または構成要素の場所を指示することを通じて、垂直カラム３１２、上部アーム３０６、及び下部アーム３０８の自動移動を提供してもよい。ユーザは、フットペダル５４４を踏むことまたはいくらかの他の入力手段によって、この自動移動を開始してもよい。

図６は、例示的な実施形態と一致する外科用ロボットシステム６００を例解する。外科用ロボットシステム６００は、エンドエフェクタ６０２、ロボットアーム６０４、誘導管６０６、器具６０８、及びロボット基部６１０を備えてもよい。器具ツール６０８は、１つ以上の追跡マーカ（例えば、マーカ１１８等）を含む追跡アレイ６１２に取設してもよく、関連付けられた軌道６１４を有してもよい。軌道６１４は、器具ツール６０８が、一度それが誘導管６０６を通して位置付けられるまたは誘導管６０６内に固定されると進むように構成される移動の経路、例えば、患者への器具ツール６０８の挿入の経路を表現してもよい。例示的な動作において、ロボット基部６１０は、外科用ロボットシステム６００が、患者２１０上で動作している際に、ユーザ（例えば、外科医）を支援してもよいように、ロボットアーム６０４及びエンドエフェクタ６０２と電子通信するように構成されてもよい。外科用ロボットシステム６００は、前に説明した外科用ロボットシステム１００及び３００と一致してもよい。

追跡アレイ６１２は、器具ツール６０８の場所及び配向を監視するために、器具６０８上に装着されてもよい。追跡アレイ６１２は、器具６０８に取設されてもよく、追跡マーカ８０４を備えてもよい。図８に最も良く見られるように、追跡マーカ８０４は、例えば、発光ダイオード及び／または他の種類の反射性マーカ（例えば、本明細書における他の箇所に説明されるようなマーカ１１８）であってもよい。追跡デバイスは、外科用ロボットシステムと関連付けられた１つ以上の見通し線デバイスであってもよい。例として、追跡デバイスは、外科用ロボットシステム１００、３００と関連付けられた１つ以上のカメラ２００、３２６であってもよいし、また、ロボットアーム６０４、ロボット基部６１０、エンドエフェクタ６０２、及び／または患者２１０に対する器具６０８の定義された領域または相対的配向について追跡アレイ６１２を追跡してもよい。追跡デバイスは、カメラスタンド３０２及び追跡サブシステム５３２と併せて説明された構造のものと一致してもよい。

図７Ａ、７Ｂ、及び７Ｃは、例示的な実施形態と一致するエンドエフェクタ６０２のそれぞれ、上面図、正面図、及び側面図を例解する。エンドエフェクタ６０２は、１つ以上の追跡マーカ７０２を備えてもよい。追跡マーカ７０２は、発光ダイオードまたは他の種類のアクティブ及びパッシブマーカ、例えば、前に説明した追跡マーカ１１８等であってもよい。例示的な実施形態において、追跡マーカ７０２は、電気信号によって作動されるアクティブ赤外発光マーカ（例えば、赤外発光ダイオード（ＬＥＤ））である。このため、追跡マーカ７０２は、赤外マーカ７０２がカメラ２００、３２６に認識できるように作動させてもよいし、または赤外マーカ７０２がカメラ２００、３２６に認識できないように非作動にしてもよい。このため、マーカ７０２がアクティブであるとき、エンドエフェクタ６０２は、システム１００、３００、６００によって制御されてもよいし、マーカ７０２が非作動にされるとき、エンドエフェクタ６０２は、適切な位置に係止され、システム１００、３００、６００によって移動されることができなくてもよい。

マーカ７０２は、マーカ７０２が、外科用ロボットシステム１００、３００、６００と関連付けられた１つ以上のカメラ２００、３２６または他の追跡デバイスによって認識されることができるような様態で、エンドエフェクタ６０２上または内に配置してもよい。カメラ２００、３２６または他の追跡デバイスは、追跡マーカ７０２の移動を追うことによって、エンドエフェクタ６０２を、それが異なる位置及び視野角に移動する際に、追跡してもよい。マーカ７０２及び／またはエンドエフェクタ６０２の場所は、外科用ロボットシステム１００、３００、６００と関連付けられた表示器１１０、３０４、例えば、図２に示されるような表示器１１０及び／または図３に示される表示器３０４上に示されてもよい。この表示器１１０、３０４は、ユーザが、エンドエフェクタ６０２が、ロボットアーム６０４、ロボット基部６１０、患者２１０、及び／またはユーザに対する望ましい位置にあることを確保することを可能にし得る。

例えば、図７Ａに示されるように、マーカ７０２は、追跡デバイスが、手術野２０８から離れて配置され、ロボット１０２、３０１の方に向くように、かつ、カメラ２００、３２６が、追跡デバイス１００、３００、６００に対するエンドエフェクタ６０２の共通配向の範囲を通してマーカ７０２のうちの少なくとも３つを見ることができるように、エンドエフェクタ６０２の表面の周囲に配置されてもよい。例えば、マーカ７０２の分配は、このようにして、エンドエフェクタ６０２が手術野２０８において並進及び回転されるときに、エンドエフェクタ６０２が追跡デバイスによって監視されることを可能にする。

加えて、例示的な実施形態において、エンドエフェクタ６０２は、外部カメラ２００、３２６がマーカ７０２を読み取る準備ができたときを検出することができる赤外（ＩＲ）受信機を装備してもよい。この検出の直後、エンドエフェクタ６０２は、次いで、マーカ７０２を照明してもよい。外部カメラ２００、３２６がマーカ７０２を読み取る準備ができているというＩＲ受信機による検出は、外部カメラ２００、３２６に、発光ダイオードであり得るマーカ７０２のデューティーサイクルを同期させる必要性を信号で伝えてもよい。これはまた、全体としてロボットシステムによる低電力消費を可能にし得、それによって、マーカ７０２が、連続的に照明される代わりに、適時にのみ照明されるであろう。更に、例示的な実施形態において、マーカ７０２は、他のナビゲーションツール、例えば、異なる種類の外科用器具６０８等との干渉を防ぐために、電源をオフにしてもよい。

図８は、追跡アレイ６１２及び追跡マーカ８０４を含む１つの種類の外科用器具６０８を描写する。追跡マーカ８０４は、限定されるものでないが、発光ダイオードまたは反射性球体を含む、本明細書に説明される任意の種類のものであってもよい。マーカ８０４は、外科用ロボットシステム１００、３００、６００と関連付けられた追跡デバイスによって監視され、カメラ２００、３２６の見通し線のうちの１つ以上であってもよい。カメラ２００、３２６は、追跡アレイ６１２及びマーカ８０４の位置ならびに配向に基づいて、器具６０８の場所を追跡してもよい。ユーザ、例えば、外科医１２０等は、追跡アレイ６１２及びマーカ８０４が、追跡デバイスまたはカメラ２００、３２６によって十分に認識され、器具６０８及びマーカ８０４を、例えば、例示的な外科用ロボットシステムの表示器１１０上に表示させるような様態で、器具６０８を配向させてもよい。

外科医１２０が、器具６０８をエンドエフェクタ６０２の誘導管６０６の中に配置し得、器具６０８を調節し得る様態が、図８において明らかである。エンドエフェクタ１１２、３１０、６０２の中空管または誘導管１１４、６０６は、外科用器具６０８の少なくとも一部分を受け入れるようにサイズ決定及び構成される。誘導管１１４、６０６は、外科用器具６０８のための挿入及び軌道が、患者２１０の身体内またはその上で所望の解剖学的対象に到達することができるように、ロボットアーム１０４によって配向されるように構成される。外科用器具６０８は、略円筒形器具の少なくとも一部分を含んでもよい。スクリュードライバが外科用ツール６０８として例解されるが、任意の適切な外科用ツール６０８がエンドエフェクタ６０２によって位置付けられてもよいことが理解されるであろう。例として、外科用器具６０８は、誘導ワイヤ、カニューレ、レトラクタ、掘削器、リーマ、スクリュードライバ、挿入ツール、除去ツール、または同様のもののうちの１つ以上を含んでもよい。中空管１１４、６０６は円筒形構成を有するように一般的に示されるが、誘導管１１４、６０６は、外科用器具６０８に適応するために及び手術位置にアクセスするために所望された任意の適切な形状、サイズ、及び構成を有してもよいことが当業者によって理解されるであろう。

図９Ａ～９Ｃは、例示的な実施形態と一致するエンドエフェクタ６０２及びロボットアーム６０４の一部分を例解する。エンドエフェクタ６０２は、本体１２０２及びクランプ１２０４を更に備えてもよい。クランプ１２０４は、ハンドル１２０６、ボール１２０８、バネ１２１０、及びリップ部１２１２を備えてもよい。ロボットアーム６０４は、凹部１２１４、装着プレート１２１６、リップ部１２１８、及び磁石１２２０を更に備えてもよい。［００７２］エンドエフェクタ６０２は、１つ以上の連結を通して外科用ロボットシステム及びロボットアーム６０４と機械的にインターフェースを取ってもよいし、ならびに／または係合してもよい。例えば、エンドエフェクタ６０２は、位置決め連結及び／または補強連結を通してロボットアーム６０４と係合してもよい。これらの連結を通して、エンドエフェクタ６０２は、可撓性及び無菌バリアの外側のロボットアーム６０４と締結してもよい。例示的な実施形態において、位置決め連結は、磁気運動学的装着であってもよく、補強連結は、５つの棒状オーバーセンタクランピングリンク機構であってもよい。

位置決め連結に関して、ロボットアーム６０４は、装着プレート１２１６を備えてもよく、それは、非磁気材料、１つ以上の凹部１２１４、リップ部１２１８、及び磁石１２２０であってもよい。磁石１２２０は、凹部１２１４のそれぞれの下に装着される。クランプ１２０４の一部分は、磁気材料を備えてもよく、１つ以上の磁石１２２０によって吸引されてもよい。クランプ１２０４及びロボットアーム６０４の磁気吸引を通して、ボール１２０８は、それぞれの凹部１２１４の中に着座させる。例えば、図９Ｂに示すボール１２０８は、図９Ａに示す凹部１２１４に着座させてもよい。この着座は、磁気的に支援された運動学的連結と考えられ得る。磁石１２２０は、エンドエフェクタ６０２の配向に関わらず、エンドエフェクタ６０２の全重量を支持するのに十分強いように構成されてもよい。位置決め連結は、６自由度を固有に抑制する任意の様式の運動学的装着であってもよい。

補強連結に関して、クランプ１２０４の一部分は、固定接地リンクであるように構成されてもよく、そのように、クランプ１２０４は、５つの棒リンク機構としての役割を果たしてもよい。クランプハンドル１２０６を閉じることは、リップ部１２１２及びリップ部１２１８が、エンドエフェクタ６０２及びロボットアーム６０４を固定するような様態でクランプ１２０４に係合する際に、エンドエフェクタ６０２をロボットアーム６０４に締結し得る。クランプハンドル１２０６が閉じられると、バネ１２１０は、クランプ１２０４が係止位置にある間に伸長または加圧され得る。係止位置は、中心を過ぎたリンク機構を提供する位置であり得る。中心を過ぎた閉じた位置の理由で、リンク機構は、クランプ１２０４を解放するためにクランプハンドル１２０６に加えられる力がなければ開かない。このため、係止位置において、エンドエフェクタ６０２は、ロボットアーム６０４に強固に固定され得る。

バネ１２１０は、張力における曲がり梁であってもよい。バネ１２１０は、高剛性及び高降伏ひずみを呈する材料、例えば、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）バージン材等から成ってもよい。エンドエフェクタ６０２及びロボットアーム６０４間のリンク機構は、エンドエフェクタ６０２及びロボットアーム６０４間に、２つの連結の締結を妨害せずに、無菌バリアを提供し得る。

補強連結は、複数のバネ部材を用いるリンク機構であってもよい。補強連結は、カムまたは摩擦に基づく機構を用いて掛止めしてもよい。補強連結はまた、ロボットアーム６０４へのエンドエフェクタ１０２の締結を支持する十分に強力な電磁石であってもよい。補強連結は、エンドエフェクタ６０２及びロボットアーム６０４間の界面上を滑り、かつスクリュー機構、オーバーセンタリンク機構、またはカム機構を用いて締め付ける、エンドエフェクタ６０２及び／またはロボットアーム６０４のいずれかから完全に分離したマルチピースカラーであってもよい。

図１０及び１１を参照すると、外科手技の前または間に、ある位置合わせ手技が、ナビゲーション空間及び画像空間の両方において、物体及び患者２１０の対象の解剖学的構造を追跡するために行われてもよい。かかる位置合わせを行うために、位置合わせシステム１４００は図１０に例解されるように使用されてもよい。

患者２１０の位置を追跡するために、患者追跡デバイス１１６は、患者２１０の硬い解剖学的構造に固定されるべき患者固定器具１４０２を含んでもよく、動的参照基部（ＤＲＢ）１４０４は、患者固定器具１４０２に確実に取設されてもよい。例えば、患者固定器具１４０２は、動的参照基部１４０４の開口部１４０６に挿入されてもよい。動的参照基部１４０４は、追跡デバイス、例えば、追跡サブシステム５３２等が認識できるマーカ１４０８を含んでもよい。これらのマーカ１４０８は、本明細書に前に考察されたように、光学マーカまたは反射性球体、例えば、追跡マーカ１１８等であってもよい。

患者固定器具１４０２は、患者２１０の硬い解剖組織に取設され、外科手技全体を通して取設されたままであってもよい。例示的な実施形態において、患者固定器具１４０２は、患者２１０の硬い領域、例えば、外科手技を受ける対象の解剖学的構造から離れて位置する骨に取設される。対象の解剖学的構造を追跡するために、動的参照基部１４０４は、対象の解剖学的構造の場所を用いて動的参照基部１４０４を位置合わせするために、対象の解剖学的構造上またはその近くに一時的に配置される位置合わせ固定具の使用を通して対象の解剖学的構造と関連付けられる。

位置合わせ固定具１４１０は、枢動アーム１４１２の使用を通じて、患者固定器具１４０２に取設される。枢動アーム１４１２は、位置合わせ固定具１４１０の開口部１４１４を通して患者固定器具１４０２を挿入することによって、患者固定器具１４０２に取設される。枢動アーム１４１２は、例えば、枢動アーム１４１２の開口部１４１８を通してノブ１４１６を挿入することによって、位置合わせ固定具１４１０に取設される。

枢動アーム１４１２を使用して、位置合わせ固定具１４１０は、対象の解剖学的構造の上に配置されてもよく、その場所は、位置合わせ固定具１４１０上の追跡マーカ１４２０及び／または基準１４２２を使用して、画像空間及びナビゲーション空間において判定されてもよい。位置合わせ固定具１４１０は、ナビゲーション空間において認識できるマーカ１４２０の集合物を含んでもよい（例えば、マーカ１４２０は、追跡サブシステム５３２によって検出可能であってもよい）。追跡マーカ１４２０は、本明細書において前に説明されるように、赤外光において認識できる光学マーカであってもよい。位置合わせ固定具１４１０はまた、画像化空間（例えば、３次元ＣＴ画像）において認識できる基準１４２２、例えば、軸受ボール等の集合物を含んでもよい。図１１に関してより詳細に説明されるように、位置合わせ固定具１４１０を使用して、対象の解剖学的構造は、動的参照基部１４０４と関連付けられてもよく、それによって、ナビゲーション空間における物体の描写が、解剖学的構造の画像上に重ね合わされることを可能にする。対象の解剖学的構造から離れた位置に位置する動的参照基部１４０４は、参照点になり得、それによって、外科用領域からの位置合わせ固定具１４１０及び／または枢動アーム１４１２の取外しを可能にする。

図１１は、本開示と一致する位置合わせのための例示的な方法１５００を提供する。方法１５００は、ステップ１５０２において始まり、そのステップにおいて、対象の解剖学的構造のグラフィカル表現（または画像（複数可））が、システム１００、３００ ６００、例えば、コンピュータ４０８にインポートされてもよい。グラフィカル表現は、位置合わせ固定具１４１０及び基準１４２０の検出可能な画像化パターンを含む、患者２１０の対象の解剖学的構造の３次元ＣＴまたは蛍光透視スキャンであってもよい。

ステップ１５０４において、基準１４２０の画像化パターンが、画像化空間において検出され、かつ位置合わせされ、コンピュータ４０８内に記憶される。任意選択的に、このときに、ステップ１５０６において、位置合わせ固定具１４１０のグラフィカル表現が、対象の解剖学的構造の画像上に重ね合わされてもよい。

ステップ１５０８において、位置合わせ固定具１４１０のナビゲーションパターンが、マーカ１４２０を認識することによって検出され、かつ位置合わせされる。マーカ１４２０は、位置センサ５４０を介して追跡サブシステム５３２によって赤外光を通してナビゲーション空間において認識される光学マーカであってもよい。このため、対象の解剖学的構造の場所、配向、及び他の情報が、ナビゲーション空間において位置合わせされる。したがって、位置合わせ固定具１４１０は、基準１４２２の使用による画像空間とマーカ１４２０の使用によるナビゲーション空間の両方において認識されてもよい。ステップ１５１０において、画像空間内の位置合わせ固定具１４１０の位置合わせが、ナビゲーション空間に転移される。この転移は、例えば、マーカ１４２０のナビゲーションパターンの位置と比較して、基準１４２２の画像化パターンの相対位置を使用することによって、行われる。

ステップ１５１２において、（画像空間を用いて位置合わせされた）位置合わせ固定具１４１０のナビゲーション空間の位置合わせが、患者固定器具１４０２に取設された動的位置合わせアレイ１４０４のナビゲーション空間に更に転移される。このため、位置合わせ固定具１４１０は、取り外されてもよく、動的参照基部１４０４は、ナビゲーション空間が画像空間と関連付けられるので、ナビゲーション及び画像空間の両方において、対象の解剖学的構造を追跡するために使用されてもよい。

ステップ１５１４及び１５１６において、ナビゲーション空間は、ナビゲーション空間において認識できるマーカ（例えば、光学マーカ８０４を用いる外科用器具６０８）を用いて、画像空間及び物体上に重ね合わせてもよい。物体は、対象の解剖学的構造の画像上の外科用器具６０８のグラフィカル表現を通して追跡されてもよい。

図１２Ａ～１２Ｂは、患者２１０の手術前、手術中、手術後、及び／またはリアルタイムの画像データを取得するためにロボットシステム１００、３００、６００と併せて使用され得る画像化デバイス１３０４を例解する。任意の適切な主題が、画像化システム１３０４を使用して任意の適切な手技のために画像化されてもよい。画像化システム１３０４は、任意の画像化デバイス、例えば、画像化デバイス１３０６及び／またはＣアーム１３０８デバイス等であってもよい。Ｘ線システムにおいて要求され得る患者２１０の頻繁な手動の再位置付けを必要とせずに、いくらかの異なる位置から患者２１０のＸ線写真を取ることが望ましいであろう。図１２Ａに例解されるように、画像化システム１３０４は、「Ｃ」形状の両遠位端１３１２において終端する細長いＣ形状部材を含むＣアーム１３０８の形態にあってもよい。Ｃ形状部材１１３０は、Ｘ線源１３１４及び画像受信器１３１６を更に備えてもよい。アームのＣアーム１３０８内の空間は、Ｘ線支持構造１３１８からの実質的な干渉なしで患者を診療するための余地を医師に提供し得る。図１２Ｂに例解されるように、画像化システムは、支持構造画像化デバイス支持構造１３２８、例えば、車輪１３３２を有する車輪付移動可能カート１３３０等に取設されるガントリー筐体１３２４を有する画像化デバイス１３０６を含んでもよく、それは、例解されない、画像捕捉部分を取り囲んでもよい。画像捕捉部分は、Ｘ線源及び／または発出部分ならびにＸ線受信及び／または画像受信部分を含んでもよく、それらは、互いから約１８０度に配置されてもよいし、画像捕捉部分の軌道に対してロータ（例解されない）上に装着されてもよい。画像捕捉部分は、画像取得の間に３６０度回転するように動作可能であってもよい。画像捕捉部分は、中心点及び／または軸の周囲に回転してもよく、患者２１０の画像データが、多方向からまたは複数の平面において取得されることを可能にする。ある画像化システム１３０４が本明細書に例解されるが、任意の適切な画像化システムが、当業者によって選択されてもよいことが理解されるであろう。

ロボットシステム３００は、例えば、コンピュータサブシステム５０４の一部として、及び更には、例えば、コンピュータ４０６の一部として、画像位置合わせ機能を備えてもよい。位置合わせ機能は、具体的には、医療手技（例えば、手術）の準備中に、患者の医用画像を取得し、処理することによって、位置合わせを実施するように構成されてもよい。位置合わせは、別の座標系に対して、１つの座標系内に患者２１０の術前画像データ、術中画像データ、及びリアルタイム画像データ間などの医用物体を位置付けするために行われてもよい。医用物体は、パッシブインプラント（例えば、スクリュー、ピン）、電子式インプラント（例えば、人工ペースメーカ、人工内耳など）、生体活性インプラント（例えば、医薬インプラント）、生物学的移植用組織、人工移植用材料などであってもよい。例えば、画像誘導またはロボット支援画像誘導は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャンまたは磁気共鳴画像（ＭＲＩ）スキャンなどの術前３Ｄ画像データセットを用いて実施され得る。術前に得られた解剖学的ＣＴまたはＭＲＩ座標系、術中に得られた解剖学的座標系、追跡カメラの座標系などの間など、複数の座標系を共に位置合わせすることが必要とされる場合もある。複数の座標系を共に位置合わせすることには、手術時に患者の複数の２Ｄ Ｘ線写真を取る、Ｘ線装置及び患者の位置を追跡する（例えば、追跡カメラを用いて）など２Ｄ－３Ｄ位置合わせを使用してもよい。次に、Ｘ線写真を取る座標系を、２Ｄ－３Ｄ位置合わせにより術前得られた３Ｄ医用画像座標系に位置合わせしてもよい。

複数の座標系を共に位置合わせすることには、反復工程を伴ってもよい。例えば、３Ｄ ＣＴまたはＭＲＩデータセットを使用して、Ｘ線写真をシミュレートする２Ｄ再構成平面画像を生成してもよい。３Ｄデータセットから２Ｄ再構成シミュレートＸ線画像を生成することは、デジタル再構成シミュレーション画像（ＤＲＲ）を生成するための準備中などに、２Ｄ平面上での立体医用画像から投射される点放射源からＸ線に沿って強度を追跡し、統合することを含んでもよい。次いで、ＤＲＲは、実際の２Ｄ Ｘ線画像に一致するまで、つまり、ＤＲＲ及び実際の放射線画像上の骨構造の特徴または強度特性が、ある程度の許容差内で重なり合うまで反復して生成されてもよい。実施形態においては、コンピュータ構成の初期条件は、本工程において必要な反復数を減らすために制定されてもよい。例えば、コンピュータ構成は、反復が始まる前に、シミュレートされたＸ線と実際のＸ線が所定のレベルに合致するように初期化されてもよい。このため、反復数が減少する可能性があり、かつ、複数の座標系の位置合わせに関連付けられる共に位置合わせすることへの収束に到達する可能性がある。

複数の座標系を位置合わせするためのコンピュータ構成の初期条件には、ユーザ（例えば、外科医、医師、医療技術者、医療助手など）がソフトウェアを操作し、外科手技中埋め込むことを意図している外科用物体（ｓｕｒｇｉｃａｌ ｏｂｊｅｃｔ）を表現するグラフィック物体を、術中に得られる複数の画像（例えば、Ｘ線画像）上に現れる解剖学的構造に重畳させ得るステップを含んでもよい。実施形態においては、グラフィック物体を適用するとき、外科用金具を埋め込み、Ｘ線撮影を行った場合、それらの外観が、Ｘ線上に現れる陰影の外観に類似しているように、描写されてもよい。２Ｄ画像上にグラフィック物体を置く前またはその後、ユーザは、グラフィック物体が２Ｄ画像に適用されるグラフィック物体と同一の解剖学的場所で、３Ｄ医用画像上に重畳されるように、ソフトウェアの操作を行ってもよい。一例においては、術前３Ｄ医用画像は、術中２Ｄ Ｘ線画像と一緒に使用してもよく、そこでユーザは、おそらく最初に（術前に）３Ｄ医用画像上でのスクリューの場所を計画する可能性があり、その後、術中に、２つ以上の２Ｄ Ｘ線写真上で同一のスクリューを設計する。例えば、手術前、ユーザは、システムを使用して、３Ｄ術前ＣＴまたはＭＲＩ画像上の特定の脊柱において椎弓根スクリューを設計し、次いで、手術を始める前、手術室でのシステムとの相互作用により、Ｘ線上で同じ椎弓根スクリューを計画する。図１３は、コンピュータ断層撮影ボリューム１６００（４つの画像の左上１６００Ａ、４つの画像の右上１６００Ｂ、及び４つの画像の右下１６００Ｄ）の相互直交スライス、及び任意で３Ｄ後部の斜視図（４つの画像の左下１６００Ｃ）から、単一の腰椎（Ｌ３）の椎弓根スクリュー１６０２の軌道を計画する工程の一部を示す。スクリューの軌道を計画するために、ユーザは、システムとの相互作用（例えば、マウス、タッチスクリーン、ボイスコマンド、または他の対話式方法）を介して、コンピュータ断層撮影ボリューム画像１６００に重ね合わせる、スクリュー１６０２を表現するグラフィック物体の位置を操作する。図１４は、Ｘ線図１７００（前後のＸ線図１７００Ａ及びＸ線側面図１７００Ｂ）での単一の腰椎（Ｌ３）上の椎弓根スクリュー１６０２の軌道を計画する工程の一部を示す。スクリューの軌道を計画するために、ユーザは、システムとの相互作用を介して、Ｘ線画像に重ね合わせる、スクリュー１６０２を表現するグラフィック物体の位置を操作する。

２Ｄ及び３Ｄ画像セットにおいて、ユーザが金具の場所を正確に一致させることができない場合には、ユーザは、所定の配置基準（例えば、異なる外科用物体、解剖学的特徴などのプロファイルに記憶された配置の制約）内の許容差の範囲内（例えば、設定された線形寸法または回転寸法制限内）で配置できる。次いで、そのシステムでは、異なる座標系（例えば、ＣＴ（またはＭＲＩ）及びＸ線座標系の両方）で、シミュレートされた画像と実際の画像との一致を試みる際に、反復工程が始まり、かつこの領域内に収束するように画像上の関心領域を決定するために、物体の場所を使用してもよい。

実施形態においては、本システムは、２Ｄ及び３Ｄで計画されるわずかに１つの物体を使用できる。しかし、１つの計画された物体では、制限された自由度がもたらされることから（例えば、自由度６のうちの５）、２つ以上の計画された物体を使用することにより、性能が改善され得る。つまり、１つの計画された物体では、解剖学的構造の配向が、外科用スクリューの軸の周囲など、物体の回転配列にあることが明らかでない可能性がある。意図した構成全体（例えば、複数の物体の配置）を用いることにより、全関心領域と分離させる更なる利点を有する一方で、手術用金具構成の一部のみを使用する場合、アルゴリズムは、指示された領域外で外挿し、正確な標的化が必要であってもなくてもよい解剖学的特徴（例えば、骨）に一致させてもよい。

ＣＴまたはＭＲＩの３Ｄ医用画像を用いて、すでに物体の配置を計画しているユーザにとっては、２Ｄ平面Ｘ線写真上で設計するときに、対応する物体がどこに進むべきであるかは、すぐに明らかにはならないであろう。画像の相関が困難である理由は、３Ｄ医用画像の計画は、ユーザが、画像ボリュームを介して２つまたは３つの相互直交スライスを見るときに行われるためであり、つまり、そのスライスの正面側または裏側の解剖学的構造ではなく、スライス自体の上で解剖学的構造のみが表示され得るためである。しかし、２Ｄで計画する場合、ユーザは、同じ解剖学的特徴を介して２つ以上の投影を見ることができる。更に、Ｘ線の性質により、投影された画像は、点放射源から生じ、円錐ビームにより患者を通って画像増強器またはコレクタ極板に移動し、２Ｄ及び３Ｄと比較したときにユーザによって精神的に照合することが困難であると考えられる視差を取り入れる。２Ｄ画像が撮影されたときに３Ｄ医用画像がすでに存在する場合には、術前ＣＴまたはＭＲＩを使用する場合のように、ＤＲＲ（一致アルゴリズム内で生成されたものなど）は、２Ｄ画像上での物体の配置を計画するとき、ユーザ用のツールとして使用され得る。つまり、ソフトウェアは、外観が実際のＸ線写真（例えば、デフォルトは、前後及び側面のＸ線であってもよい）にほぼ類似するように、ユーザが迅速に調節できるＤＲＲを生成し、表示することができる。このソフトウェアは、これらのＤＲＲ上で３Ｄ画像に計画された物体を自動的に重畳することができる。この方法を考慮すると、ＤＲＲ上で認識できる物体と隣り合わせるときに、実際の２Ｄ Ｘ線写真上に同様に配置させる物体の配置を計画することは、ユーザにとって比較的容易であり得る。

物体の配置が隣接する場所は、システムにとって既知である（２Ｄ及び３Ｄ画像の両方において、など）ため、位置合わせの一部として初期条件を定めることにより、反復一致アルゴリズムの補助となり、更に迅速に収束させ得る。ユーザの誤配置により、物体の位置が正確に合致しないこともあり得るが、システムによって（またはプロファイル内に記憶された配置の制約を介してユーザによって）設定された制約内に配置されている場合、１つの解に収束させるために、アルゴリズムは、粗調整の代わりに、微調整を開始できるほど十分に接近していてもよい。代替的状況においては、開始位置が提供されていない場合、アルゴリズムによりシミュレートされたＸ線の配向が誤方向へ変化し、おそらく、許容差を超える最小エラー値（例えば、収束に到達しない場合など）への収束を開始することもある。

画像上に初期配置を提供する別の利点は、解剖学的構造上の標識による識別を参照するのではなく、ユーザが実際に撮像された解剖学的構造上に物体を配置できる点である。特に２Ｄ図においては、骨の湾曲が移動する方向など、可視化することが難しい可能性があるため、解剖学的構造上の標識を認識することは、医療関係にとって困難であり得る。例えば、ユーザが、骨突起の最外伸展部に印をつけるように求められているが、骨突起がＸ線経路の方向に対して配向されている場合、その結果得られた陰影のいずれの部分が突起の最外伸展部に相当するか不明である可能性がある。しかし、２Ｄ及び３Ｄ図上に最適に配置されたときに、この工程のほとんどのユーザは、外科用物体の外観に精通している必要があり、このため、物体が医用画像上にどのように現れるかについて、すでに精通している必要がある。

初期配置は、ユーザが２Ｄまたは３Ｄ画像上での各解剖学的特徴（例えば、椎骨）の周囲で範囲（例えば、ボックス）を重畳させる必要がある場合など、２Ｄを３Ｄ医用画像と一致させるためのアルゴリズムによって、時に必要とされるセグメンテーションの目的を自動的に満たすこともある。これによって、各脊髄レベルで一致アルゴリズムを独立して実行できるように、ソフトウェアに各椎骨の解剖学的レベルを示す。各解剖学的特徴を独立して位置合わせする理由は、３Ｄ画像は、一般に、患者が仰臥位で横たわっている間に撮影し、２Ｄ画像は、一般に、患者が腹臥で横たわっている間に撮影するためであり、かつ画像をほぼ同じ配向で撮影した場合であっても、特徴間で若干動きがある可能性があり、このことは、一方のレベルでの２Ｄ－３Ｄ位置合わせが、別のレベルでは必ずしも有効ではないことを意味する。位置合わせ工程（例えば、複数の座標系の反復収束）前の物体の配置から、初期条件を設定することによって、ユーザは、物体が計画されるレベルを認識している。例えば、外科医がＬＩからＬＳまで長い構成を実施しようとする場合、これらの全てのレベルにおいて、術前に３Ｄ画像上で、次いで、術中に再び２Ｄ画像上で、スクリューを計画してもよい。これらの計画工程を実施することによって、画像の各部分の解剖学的レベルに関する類似の情報がソフトウェアに提供されることになる。例えば、その後、３Ｄ及び２Ｄ画像の各レベルのエッジを自動的にセグメント化するために使用される物体から離して外側に移動させながら、画像のピクセル強度の変化を画像解析アルゴリズムにより確認することができる。更に、解剖学的特徴の既知の一般的形状は（例えば、椎骨）及び隣接する物体（例えば、外科用スクリュー）間の既知の一般的な空間を使用して、解剖学的特徴及び物体のエッジを検出するための自動化アルゴリズムを改善することができる。前述の実施例を参照すると、ソフトウェアは、ＬＩ～ＬＳまで各椎骨でのマッチングアルゴリズムを独立して実行し、各レベルに対して固有の位置合わせをもたらすことができる。

本開示では、外科用スクリューの脊柱への挿入など（例えば、図１３及び１４に描写するとおり）の手術例を用いているが、本発明の開示は、医用物体を体内に埋め込むためのあらゆる医療手技に使用される、複数の解剖学的構造画像の位置合わせ収束を改善するための方法及びシステムを示す。当業者は、本発明において開示の方法及びシステムは、当業者に既知の任意の医用インプラントまたは移植に適用されてもよいことを理解するであろう。

図１５は、本開示の原理と一致する例示的方法２５００を例解する。方法２５００は、前述のとおり、ロボットシステムによって実行され、使用されてもよい。方法２５００は、ロボットが３Ｄ撮像システム及び２Ｄ撮像システムからの画像データをインポートし記憶する２５０２にて開始されてもよい。このシステムは、また、第１の座標系の３Ｄ解剖学的特徴及び第２の座標系の２Ｄ解剖学的特徴を記憶してもよい。これらの撮像システムは、上述のものと同じであっても、３Ｄ ＣＴスキャン及び２Ｄ Ｘ線を備えてもよい。更に、本システムは、３Ｄ及び２Ｄ画像の両方上のデジタル医用物体の配置情報を記憶してもよい。ステップ２５０４では、術中２Ｄ画像の特定の特徴が、画像処理を用いて、強調表示されてもよい。ステップ２５０６では、記憶された３Ｄ画像は、剛体変換を受けて、最終的に、３Ｄ画像データを術中２Ｄ画像データに位置合わせするために、ボリューム配向及び位置情報により、２Ｄ ＤＲＲ画像（シミュレートされた２Ｄ画像）を生成してもよい。ボリューム及び配向情報は、後述の比較結果に応じて、初期または後続のシミュレートされた２Ｄ画像の反復に基づいてもよい。

ステップ２５０８では、シミュレートされた２Ｄ画像データの特徴は、画像処理を用いて強調表示され、かつステップ２５１０では、シミュレートされた２Ｄ画像データの初期特徴は、術中２Ｄ画像特徴の画像特徴と比較してもよい。比較の開始点として、ステップ２５０２で記憶されたデジタル医用画像を使用してもよい。

ステップ２５１２では、システムは、シミュレートされた２Ｄ画像データの現在の特徴と術中２Ｄ画像データの画像特徴の一致が発生するか否かを決定してもよい。一致が発生した場合、方法２５００は、ステップ２５１４に進み、３Ｄ座標系（第１の座標系）と２Ｄ座標系（第２の座標系）の位置合わせを行う。ステップ２５１２で一致が発生しない場合、方法２５００は、ステップ２５０６に進み、シミュレートされた２Ｄ画像データの次の反復または別の画像特徴と２Ｄ画像データの画像特徴とを比較する。これは、一致が発生するまで繰り返し行い、方法２５００をステップ１５１４に送信し、第１及び第２の座標系の位置合わせを行う。

本発明は、詳細に示し、記載している好ましい実施形態と関連して開示されているが、様々な変化形態及びその改良形態は、当業者にとって容易に明らかであろう。したがって、本発明の趣旨及び範囲は、前述の実施例に制限されるものではないが、法律によって許容可能である最も広い範囲意味で理解されるものとする。

本明細書に参照される全ての文献は、援用によって本明細書に組み込まれる。

外科手技の間のロボットシステム、患者、外科医、及び他の医療要員の場所についての潜在的配設の頭上図である。 一実施形態に係る患者に対する外科用ロボット及びカメラの位置付けを含むロボットシステムを例解する。 例示的な実施形態に従う外科用ロボットシステムを例解する。 例示的な実施形態に従う外科用ロボットの一部を例解する。 例示的な実施形態に従う外科用ロボットのブロック図を例解する。 例示的な実施形態に従う外科用ロボットを例解する。 例示的な実施形態に従うエンドエフェクタを例解する。 例示的な実施形態に従うエンドエフェクタを例解する。 例示的な実施形態に従うエンドエフェクタを例解する。 一実施形態に係るエンドエフェクタの誘導管への外科用器具の挿入前及び後の、外科用器具及びエンドエフェクタを例解する。 例示的な実施形態に従うエンドエフェクタ及びロボットアームの一部分を例解する。 例示的な実施形態に従うエンドエフェクタ及びロボットアームの一部分を例解する。 例示的な実施形態に従うエンドエフェクタ及びロボットアームの一部分を例解する。 例示的な実施形態に従う動的参照アレイ、画像化アレイ、及び他の構成要素を例解する。 例示的な実施形態に従う位置合わせ方法を例解する。 例示的な実施形態に係る画像化デバイスの実施形態を例解する。 例示的な実施形態に係る画像化デバイスの実施形態を例解する。 コンピュータ断層撮影ボリュームの複数のスライスにおける１つの腰椎上の椎弓根スクリューの軌道を計画する工程を例解する。 Ｘ線上の複数の図による単一の腰椎上の椎弓根スクリューの軌道を計画する工程を例解する。 本開示と一致する例示的方法を例解する。

Claims (18)

1. ロボットアーム及びロボット基部を有するロボットであって、前記ロボット基部は、三次元（３Ｄ）医用画像及びＸ線システムからの二次元（２Ｄ）医用画像を受信するように構成された画像位置合わせ機能を備える、ロボットと、
   解剖学的座標系において、１つ以上の追跡マーカを検出するように構成された少なくとも１つのカメラと、を備える、外科用ロボットシステムであって、
   前記画像位置合わせ機能は、前記３Ｄ医用画像からシミュレートされた２Ｄデジタル医用画像を生成し、エラー許容値に達するまで前記シミュレートされた２Ｄデジタル医用画像の位置のピクセル強度と２Ｄ医用画像の位置のピクセル強度とを比較する反復工程を用いることによって前記シミュレートされた２Ｄデジタル医用画像を前記２Ｄ医用画像と一致させるように構成され、
   前記画像位置合わせ機能は、最初に、前記３Ｄ医用画像上に仮想的に配置した第１のデジタル医用物体を前記２Ｄ医用画像上に仮想的に配置した第２のデジタル医用物体に対応させることによって、前記シミュレートされた２Ｄデジタル医用画像を前記２Ｄ医用画像に関連付け、前記３Ｄ医用画像及び前記２Ｄ医用画像上に関心領域を決定し、
   前記反復工程は、比較のために決定された前記関心領域内に収束し、前記第１のデジタル医用物体及び前記第２のデジタル医用物体において動作するように構成され、
   前記画像位置合わせ機能は、
   （ｉ）３Ｄ解剖学的特徴及び第１の座標系を含む、３Ｄ医用画像を記憶することと、
   （ｉｉ）２Ｄ解剖学的特徴及び第２の座標系を含む、２Ｄ医用画像を記憶することと、
   （ｉｉｉ）前記３Ｄ医用画像及び前記２Ｄ医用画像上のデジタル医用物体の配置を記憶することと、
   （ｉｖ）前記３Ｄ医用画像から、前記３Ｄ解剖学的特徴に対応しているシミュレートされた２Ｄ解剖学的特徴を含む、シミュレートされた２Ｄデジタル医用画像を生成することと、
   （ｖ）一致に到達するまで、前記２Ｄ解剖学的特徴を前記シミュレートされた２Ｄ解剖学的特徴と比較することと、
   （ｖｉ）前記一致に基づいて、前記第１の座標系を前記第２の座標系と位置合わせすることと、によって位置合わせするように更に構成され、
   前記解剖学的座標系における前記ロボットアームの位置及び患者の位置が、前記１つ以上の追跡マーカを用いて、前記第１の座標系を描写する表示器上に表現されてもよい、外科用ロボットシステム。
2. 前記３Ｄ医用画像は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）システム及び磁気共鳴画像（ＭＲＩ）システムのうちの少なくとも１つによって生成される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記解剖学的座標系は、前記患者の位置を追跡する画像追跡システムによって少なくとも一部決定される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記３Ｄ医用画像は、断層撮影（ＣＴ）システム及び磁気共鳴画像（ＭＲＩ）システムのうちの１つから術前に得られ、前記２Ｄ医用画像は、Ｘ線システムから術中に得られる、請求項１に記載のシステム。
5. 前記デジタル医用物体は、外科用医用インプラントデバイスである、請求項１に記載のシステム。
6. 前記デジタル医用物体は、デジタル式にシミュレートされた生体活性インプラントデバイス、電子式医用インプラントデバイス、及び人工医用移植材料のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載のシステム。
7. 前記デジタル医用物体の前記配置は、陰影として現れる、請求項１に記載のシステム。
8. 前記３Ｄ医用画像及び前記生成された２Ｄデジタル医用画像に配置された前記対応するデジタル医用物体の前記配置には、配置許容差が提供される、請求項１に記載のシステム。
9. 前記一致は、一致許容差内で決定される、請求項１に記載のシステム。
10. 外科用ロボットシステムによってデジタル医用画像座標系を位置合わせするための方法であって、
    ３Ｄ解剖学的特徴及び第１の座標系を含む、３Ｄ医用画像を記憶するステップと、
    ２Ｄ解剖学的特徴及び第２の座標系を含む、Ｘ線システムからの２Ｄ医用画像を記憶するステップと、
    前記３Ｄ医用画像及び前記２Ｄ医用画像上のデジタル医用物体の仮想的な配置を記憶するステップと、
    仮想的に配置された前記デジタル医用物体に基づいて、前記３Ｄ医用画像及び前記２Ｄ医用画像上における関心領域を決定するステップと、
    前記３Ｄ医用画像から、前記３Ｄ解剖学的特徴に対応しているシミュレートされた２Ｄ解剖学的特徴を含む、シミュレートされた２Ｄデジタル医用画像を生成するステップと、
    一致に到達するまで、決定された前記関心領域において前記２Ｄ解剖学的特徴を前記シミュレートされた２Ｄ解剖学的特徴と比較するステップと、
    前記一致に基づいて、前記第１の座標系と前記第２の座標系との位置合わせを決定するステップと、を含む、方法。
11. 前記３Ｄ医用画像は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）システム及び磁気共鳴画像（ＭＲＩ）システムのうちの少なくとも１つによって生成される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第２の座標系は、医療手技中、患者の解剖学的座標系を参照する、請求項１０に記載の方法。
13. 前記解剖学的座標系は、前記患者の位置を追跡する画像追跡システム及びＸ線システムによって少なくとも一部決定される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記３Ｄ医用画像は、断層撮影（ＣＴ）システム及び磁気共鳴画像（ＭＲＩ）システムのうちの１つから術前に得られ、前記２Ｄ医用画像は、術中に得られる、請求項１０に記載の方法。
15. 前記デジタル医用物体は、デジタル式にシミュレートされた外科用医用インプラントデバイスである、請求項１０に記載の方法。
16. 前記デジタル医用物体は、デジタル式にシミュレートされた生体活性インプラントデバイス、電子式医用インプラントデバイス、及び人工医用移植材料のうちの少なくとも１つである、請求項１０に記載の方法。
17. 前記デジタル医用物体の前記配置は、医用画像上の実際の物体の複製として現れる、請求項１０に記載の方法。
18. 前記３Ｄ医用画像及び前記生成された２Ｄデジタル医用画像に配置された前記対応するデジタル医用物体の前記配置には、配置許容差が提供される、請求項１０に記載の方法。

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