JP2008142535A - 準拠枠登録システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＴスキャナでの基準マーカの使用は、患者の実際の位置がロボットの準拠枠内で正確に登録されないか、または以前の画像と一致しない。患者をロボットの準拠枠内で登録するに要する処理技術は複雑であって時間を要する。
【解決手段】準拠枠を有し、ワークピース上で遂行される作業を援助するシステムが提供される。該システムは、その準拠枠内の第１ロケーションの位置を登録する参照用構成と、ツールを保持してワークを援助するための、システムの準拠枠内の位置が既知であるツールホルダと、ワークピースに関係した画像データであって第１ロケーションに対する位置によってインデックス付けされた画像を表す画像データを受信するデータインターフェースと、画像データによって第１ロケーションに関して表される画像の相対位置と、システムの準拠枠内の第１ロケーションの位置とを使用することによって、画像データをシステムの準拠枠内で登録する処理構成と、を備える。
【選択図】図３

Description

［発明の説明］
本発明は、準拠枠（座標系）内でのワークピースの登録の方法に関する。特に、本発明は、ワークピースの１以上の予め取得された画像を利用して、ロボット又は他の装置の準拠枠内でワークピースのロケーション（位置）を登録することに関する。

ワークピースが扱われる時に、ワークピースの実際のロケーションをその画像と共に登録することが時折必要とされる。これは、どのような作業でも、ワークピースの正しい領域上で確実に遂行されるようにするためである。例えば、ワークピースの内部構造の画像は、外部から見ることができないワークピースの内部構造の一部で作業が遂行されるときに、取得され、目安として使用されることがある。

そのような例において、ワークピースの画像を取得することに使用される準拠枠は、後続の作業が遂行される準拠枠と一致されなければならない。この結果、ツールをワークピース上又は内に方向付けして、関心のある領域（例えばワークピースの内部構造の一部）に作用させることが可能になる。このツールは、それまでに取得されたワークピースの画像を利用して方向付けされるが、このようにツールを方向付けすることは困難である。何故ならば、ワークピースの実際の方位は通常、以前に画像が取得されたときのワークピースの方位とは異なるからである。加えて、画像の形式は、そのような作業の助けとならないことがある。例えば、ワークピースの画像スライスは、ワークピースをその実際の方位に描くことはあるが、画像スライスに基づいてツールを方向付けすることは、容易な手順ではないことがある。

一般に、ワークピースの画像をワークピースの後続のロケーションと共に登録するために、画像中だけでなく実際のワークピースについても見ることができるワークピースの特徴を利用する必要がある。

その代わりに、基準マーカがワークピースの外面に見える状態で取り付けられることがある。これらマーカの画像内でのロケーションは、ワークピース上のマーカの実際のロケーションと共に登録され、この様にしてワークピースのロケーション及び方位は決定され、そして画像と一致させられる。

例えば、そのような技術は、外科手術で利用され、その手術中にＭＲＩ又はＣＴスキャナ（又は他の撮像装置／様相）を使用して画像が最初に取得され、患者の一部の内部構造を記録する。基準マーカは、患者の皮膚に接着されるか、患者の骨の１つに埋設される。これらの基準マーカは、スキャンプロセス中に得られたＭＲ又はＸ線ＣＴ画像内で見ることができる。続いて、ＭＲＩ又はＸ線ＣＴ画像を利用して、外科手術が患者に対して遂行される。

基準マーカ及び同様の技術の使用は、多数の問題を持ち込む。例えば、基準マーカが変位された状態になると、ワークピース（又は上記の例では患者）の実際のロケーションは、ロボットの準拠枠内で正確に登録されないか、あるいはそれまでに捕捉されたワークピースの画像と一致しなくなる。

加えて、ワークピースをロボットの準拠枠内で登録するに要する処理技術は複雑であって、しばしば完了するまでにかなりの量の時間を要する。

本発明は、従来技術に関連した問題を改善しようとしている。

本発明がより容易に理解されるようにするために、その実施形態が、例として、添付の図を参照して説明される。

本発明は、ワークピースが患者である外科手術を参照することによって以下で説明される。しかしながら、本発明は、他のワークピース及び他の手順に関連した用途にも等しく適用可能であることが認められるであろう。例えば、本発明の実施形態は、製造施設内で、又は自動化製造ラインの一部として利用可能である。

外科手術に先行して、患者はスキャンされ、患者の身体の一領域の内部画像を得ることがある。例えば、患者の脊椎の画像は、手術に先行して取得される。これは、奇形部を修正したり、トラウマを処置するためである。ＣＴスキャナ１，２の一例が図１に示されている。

患者の画像を得ることに利用される撮像装置のタイプは、多数の要因に依存する点が認められるであろう。これらの要因には、撮像装置の利用可能性、取得される情報のタイプ、患者の特性、及び装置を使用することに関連したコストが含まれる。

多くの撮像装置は、標準ファイル形式を使用して画像を取得する。この形式では、患者の（通常は矢状方向、冠状縫合方向又は軸方向の）画像スライスは、画像が取得されるときに、患者がその上に配置されるベッド２（又は“テーブル”）の装置内の位置に直接関係付けられる（即ち、画像データは、テーブル２の相対位置に関してインデックス付けされる）。図２は、第２の位置にある典型的なテーブル２を示している（ＣＴスキャナ１の図を含んだ図１は、第１の位置にあるテーブル２を示している）。

いくつかの装置では、各画像ボクセルは、そのロケーションを３次元空間内でテーブル２上のロケーションに対して表す座標値に関連付けられることがある。このことは、スライスが取得されるときの撮像装置に関して、各画像スライスがテーブル２の位置を表す値に関連付けられる装置の例を含む。この例では、各ボクセルは、特別な画像スライス内の位置（即ち、画像内の２次元位置）と、そのスライスに関連付けられた値とによって、３次元座標に関連付けられる。

多くの撮像装置によって利用されるファイル形式の一例は、ダイコムファイル形式であり、より具体的には、そのファイル形式のバージョン３である。

このファイル形式は広く紹介されてきたので、異なる撮像装置（異なるタイプの撮像装置である必要はない）を使用して得られた画像は、周辺設備を含む多くの異なる装置によって処理され、操作され得る。

ダイコムファイル形式によって支持される実例の撮像技術又は様相には、コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）、磁気共鳴法（ＭＲ）、超音波及びコンピュータＸ線撮影法（ＣＲ）が含まれる。ダイコムファイル形式のようなファイル形式によって支持される莫大な数の様相が更に存在することが認められるであろう。本発明は、好適なファイル形式の一例として単に利用されるダイコムファイル形式の特異な使用によって制限されるものではない。本発明はまた、特別な様相又は撮像装置の使用に限定されるものでもない。

ツールホルダ、ロボット、ツール又は他の装置３が、（上記で論じられ、図３に示されたように）予備画像取得プロセス中に患者が配置されるテーブル２に対する位置に配置される場合、テーブル位置は、ロボット３（又は他の装置）に対して決定され得る。この情報は、現在のテーブル位置を画像取得プロセス中に取得された画像スライスの少なくとも１つにおけるテーブル位置と一致させることによって、ロボットの準拠枠内の患者のロケーションを登録することに利用され、これら画像は、テーブル２上の既知のロケーションに関して参照される。

この技術を使用して、画像取得プロセス中に取得された患者の３次元画像（例えば、多数の画像スライスからなる）内の各ボクセルは、ロボット３の準拠枠内の物理的３次元座標に登録される。かくして、ロボット３は患者に対して繊細な作業をエラーリスクが低減された状態で遂行できるようになる。

画像取得プロセス後の外科手術（又は“介入”）前にテーブル２に対して移動する患者に関する問題を最小化するために、撮像装置の近傍内で、例えば画像が取得されるスキャナスイート内で外科手順を遂行することが好ましい。

テーブル２の位置に対するロケーションでのロボット３の変位は、画像取得プロセスで利用され、テーブル２の位置がロボット３の準拠枠内で登録されるようにするが、それは多数の異なる手法で達成され得る。例えば、ロボット３はテーブル２の既知のロケーションに恒久的に取り付けられる。そのような例では、ロボット３もまた画像取得プロセスの対象となる。そのようなロボット３を所定の撮像装置と関連して利用することが困難になることがある点は認められるであろう。例えば、ＭＲＩの強磁界は、恒久的に取り付けられたロボット３の使用を困難にする。

更には、多数の撮像装置では、患者が配置されるテーブルは、スキャン装置内の孔を通過させられなければならない。このことは、テーブルに恒久的に取り付けられるロボット３の寸法に厳しい規制を課す。更には、このタイプのロボット３は、撮像装置に対する妨害を起こすことがある。

その代わりに、スキャンプロセスの後に、ロボット３を一時的にテーブルに取り付けることが可能である。このことは、１つのアタッチメント構成（図示せず）をテーブル２上の既知のロケーションに設け、且つ対応するアタッチメント構成４をロボット３の一部上に設けることによって達成され得る。

ロボット３は、スキャナテーブル２から分離されていて、テーブル２に概ね隣接した位置へ移動されることが好ましい。ロボット３は、自立構造型且つ自己完結型である（但し、電源は例外的である）。この例では、ロボット３は、参照用構成４を有し、ロボット３の準拠枠内のテーブル２の位置を、参照用構成４を利用して登録することが可能である。

参照用構成４は、多数の形態をとることができる。例えば、この構成４は、１以上のロケーション登録要素を有することがある。これらの要素は、テーブル上の１以上の対応する位置決め要素に接して隣接可能である。ロボット３の１以上のロケーション登録要素は、ロボット３のロケーションに関して固定されたロケーションを持つか、あるいはロボットのロケーションに関して移動可能（又は双方の組合せ）であり得る。

後者の場合、ロボット３のロケーション登録要素の位置は、この発明の１つの形態によれば、ロボット３のロケーションに関して固定された表面に沿って磁気符号化テープを使用して、決定され得る。そのような構成において、ロケーション登録要素の移動は、対応する移動を、符号化テープの読み取りに好適な磁気情報読み取り装置（又はデコーダ）に生じさせる。この結果、前記要素のロケーションは、ロボットのロケーションに関して決定され得る。ロケーション登録要素が１よりも多い軸方向に移動可能な場合は、追加の参照用構成４が必要とされることもある点が認められるであろう。

他の参照用構成４には、レーザ干渉計、三角測量技術、（例えば複数のロケーションに移動される１台のカメラによって、あるいは２台以上のカメラによって捕捉された）立体画像、及び接触式又は非接触式トリガプローブ（又は他の計測技術）の使用が含まれる。いくつかの例では、ロボット３のアーム６に取り付けられたツール５は、１つの位置へ操作されて、ツール５がテーブル２上の既知のロケーションと接触する。その代わりに、ロボット３の少なくとも一部分は、撮像装置内に挿入され、そしてロボット３の前記部分の得られた画像は、そのジョイントエンコーダからのそれ自体の位置の知見と組み合わされて、参照用に使用され得る。

本発明の他の実施形態では、ロボット３は、１以上の固定されたレセプタクル又は表面を備えた参照用構成４を持ち、その中に又はそれに接してテーブル２の少なくとも一部分が配置され得る。そのような表面又はレセプタクルは、テーブル２のロケーションをロボット３の準拠枠内で登録することに使用できることが認められるであろう。

テーブル２の位置をロボット３の準拠枠内で登録することに使用される方法が多数の形態をとり得ることは理解されるであろう。上記で提供された構成は、そのような方法の単なる例に過ぎない。

参照は、患者及びテーブル２が依然として撮像装置内又は付近に存在する間に起こることができる。テーブル２はそれから撮像装置外へ移動され、患者に対し更に接近することを可能にする。テーブル２の移動は、例えば撮像装置によって記録され、そしてこの情報は、ロボット３へ送られる。従って、ロボット３の準拠枠内で第１の位置に登録されたテーブル２は、その後第２の位置へ移動され、そしてその移動は記録される。ロボット３は、その準拠枠内で、テーブル２のロケーションを再登録することなく、記録された移動情報を使用することによって、テーブル２の位置を調整することが可能になる。

テーブル２のロケーションがロボット３の準拠枠内で登録されると、それ以前に取得された画像情報は、テーブル２の既知のロケーションと一致させられる。これは、患者（即ち、ワークピース）のロケーションをロボット３の準拠枠内で登録するためである。この情報は、データインターフェース７を通して取得される。

データインターフェース７は、撮像装置と直接接続されるか、あるいはネットワークとの接続（例えばイーサネット（登録商標）接続）を備えてもよい。このインターフェースは、ワイヤ式又はワイヤレス式である。

ロボット３は、画像情報内のボクセルに関連した座標情報を使用して、患者のロケーションをその準拠枠内で登録する。換言すれば、ロボット３は、テーブル２の既知のロケーションを、テーブル２上の患者の位置に関係した情報と共に使用して、患者の実際のロケーションを決定する。

本発明の一実施形態に係るロボット３は、従って、（テーブルのロケーションをその準拠枠と共に決定する）１以上の参照用構成４と、（画像取得プロセス中に取得された画像に関する情報と、テーブルの移動に関する情報とを受信する）データインターフェース７と、テーブル２のロケーションをロボット３の準拠枠内で登録すると共に画像情報を準拠枠に一致させることに好適な処理構成（図示せず）とを備える。処理構成は、ロボット３の準拠枠内の１以上の３次元座標値（即ち、ボクセルに関連付けられると共に画像情報内に格納された座標値とは潜在的に異なる座標値）を、複数の画像の１以上のそれぞれのボクセルに割り当てることが好ましい。

ロボット３は、１以上のツール５、又はツール５を受けるツールアッタチメント構成（図示せず）を有することが有利である。この場合、ツール５は、例えば、患者に作用するに好適である。患者がロボット３の準拠枠内で登録された後に、ロボット３は、動作して、患者に関係した仕事を実行することができる。

“ロボット”という用語が上記で使用されてきたが、この用語は、ワークピース（例えば、患者）を制御し、援助し又は実際に作業することが可能な半自動化装置を含むことを意図されている。しかしながら、このシステムは、ロボットを含む必要はなく、そしてその代わりに、例えば、受動的なツールホルダを有するものであってもよい。ツールホルダによって保持されたツールは、それ自身が外科用ロボットを備えることがある。

本発明のいくつかの実施形態では、ロボット３はまた、ワークピースの１以上の特徴、又はワークピースに取り付けられるかその上に配置された１以上の基準マーカ（図示せず）を位置決めして、登録プロセスを助けるように動作可能であってもよい。

テーブル２は、ワークピース（又は第２のタイプの物体）がそれに対して位置決めされることがある第１のタイプの物体の一例に過ぎない。ワークピースは、既知のロケーションに関して（例えば、座標値によって）既知の位置を持つ点のロケーションをロボット３が決定できる限り、（画像情報の座標値の基礎を形成するために）既知のロケーションに対して配置され得る。換言すれば、ロボット３は、画像ボクセルに関連した座標がそれに基づいて作られる基礎を決定することが可能でなければならない（このことは通常、座標系の原点のロケーションと座標値の間隔に関する情報を必要とする）。

この明細書及び請求の範囲で使用されるときに、”comprises”及び”comprising”という用語並びにそれらの語尾変化は、特定の特徴、工程又は整数が含まれていることを意味している。これらの用語は、他の特徴、工程又は部品を排除するように解釈されるべきではない。

先の説明、又は後続の請求の範囲、又は添付の図面で開示され、それらの特異な形態で又は開示された機能を実行するための手段に関して表現された特徴、あるいは開示された結果を達成するための方法やプロセスは、適切なものとして、別々に、又はそのような特徴の組合せとして、発明をその種々の形態で実現するために利用され得る。

ＣＴスキャナを示す。 画像取得装置、例えばＣＴ又はＭＲＩスキャナと共に使用するためのテーブルを示す。 本発明の一実施形態に係るロボットを示す。

符号の説明

２ テーブル
３ ロボット
４ 参照用構成
５ ツール
６ アーム

Claims (25)

1. 準拠枠を有し、ワークピース上で遂行される作業を援助するシステムであって、
   システムの準拠枠内の第１ロケーションの位置を登録する参照用構成と、
   ツールを保持して前記作業を援助するための、システムの準拠枠内の位置が既知であるツールホルダと、
   ワークピースに関係した画像データであって第１ロケーションに対する位置によってインデックス付けされた画像を表す画像データを受信するデータインターフェースと、
   画像データによって第１ロケーションに関して表される画像の相対位置と、システムの準拠枠内の第１ロケーションの位置とを利用することによって、画像データをシステムの準拠枠内で登録する処理構成と、
   を備えることを特徴とするシステム。
2. ツールホルダがロボットからなる請求項１に記載のシステム。
3. ロボットは、医療用ロボットである請求項２に記載のシステム。
4. 参照用構成は、レーザ干渉計を備える先行するいずれかの請求項に記載のシステム。
5. 参照用構成は、三角測量装置を備える請求項１〜４のいずれかに記載のシステム。
6. 参照用構成は、第１ロケーションに関連した物体の一部に接する隣接用の１以上の表面を備える請求項１〜４のいずれかに記載のシステム。
7. データインターフェースは、ダイコム３ファイル形式の画像データを受信するように動作可能である先行するいずれかの請求項に記載のシステム。
8. データインターフェースは、各々が第１ロケーションに関する位置によってインデックス付けされた画像スライスの形態をとる画像データを受信するように動作可能である先行するいずれかの請求項に記載のシステム。
9. システムによって受信された第１ロケーションの移動に関する情報の結果として、第１ロケーションの位置をシステムの準拠枠内で調整するように動作可能な参照用調整構成を更に備える先行するいずれかの請求項に記載のシステム。
10. ワークピース上で遂行される作業を援助するツールを保持するためのツールホルダを有したシステムの準拠枠内で画像データを登録する方法であって、ツールホルダの位置はシステムの準拠枠内で既知であり、前記方法は、
    システムの準拠枠内の第１ロケーションの位置を登録する工程と、
    ワークピースに関係した画像データであって第１ロケーションに対する位置によってインデックス付けされた画像を表す画像データを受信する工程と、
    画像データによって第１ロケーションに関して表される画像の相対位置と、システムの準拠枠内の第１ロケーションの位置とを使用することによって、画像データをシステムの準拠枠内で登録する工程と
    を備えることを特徴とする方法。
11. ツールホルダを与える工程は、ロボットを与える工程を備える請求項１０に記載の方法。
12. ロボットとして医療用ロボットを与える工程を更に備える請求項１１に記載の方法。
13. レーザ干渉計を与える工程を更に備えて、第１ロケーションの位置を登録する請求項１０〜１２のいずれかに記載の方法。
14. 三角測量装置を与える工程を更に備えて、第１ロケーションの位置を登録する請求項１０〜１２のいずれかに記載の方法。
15. 第１ロケーションに関連した物体の一部に接する隣接用の１以上の表面を与える工程を更に備えて、第１ロケーションの位置を登録する請求項１０〜１２のいずれかに記載の方法。
16. ダイコム３ファイル形式の画像データを与える工程を更に備える請求項１０〜１５のいずれかに記載の方法。
17. 画像データを受信する工程は、各々が第１ロケーションに関する位置によってインデックス付けされた画像スライスの形態をとる画像データを受信する工程を備える請求項１０〜１６のいずれかに記載の方法。
18. 画像取得装置を使用して画像データを取得する工程を備える請求項１０〜１７のいずれかに記載の方法。
19. 画像データを取得する工程は、ツールホルダを含む画像データを取得する工程を備える請求項１８に記載の方法。
20. システムによって受信された第１ロケーションの移動に関する情報の結果として、第１ロケーションの位置をシステムの準拠枠内で調整する工程を更に備える請求項１０〜１９のいずれかに記載の方法。
21. 請求項１０〜２０のいずれかの方法を実行するシステムを制御するように動作可能なコンピュータプログラム。
22. コンピュータ読み取り可能な媒体上に具体化された請求項２１に記載のコンピュータプログラム。
23. 添付の図３を参照してここで説明されたシステム。
24. 添付の図３を参照してここで説明された方法。
25. 添付の図３を参照してここで説明されたンピュータプログラム。

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