JP2018514394A - ツール軸を位置決定または追跡する方法 - Google Patents

Abstract

本体がツール軸の周りを回転するようにツールの周りに配置されるように構成された外面を有する本体を備える、キャリブレーションデバイスが提供される。１つまたは複数の基準マーカーは、外面上に、追跡システムと連通して配置される。また、追跡システムと連通した、固定された基準マーカーアレイも提供される。キャリブレーションツールは、基準マーカーアレイに対してツール軸を規定する。また、外科的システムには、円形パスへの法線ベクトルまたは回転の中心点を計算してツール軸の方位を規定する、追跡モジュールも提供される。外科的システムを用いる方法および基準マーカーアレイに対してツール軸を規定する方法が提供される。ロボットリンク方位を規定するためのシステム、または、ツール 医療手順および基準マーカーアレイを追跡するためのシステムが提供される。

Description

［関連出願］
本出願は、２０１５年３月５日に出願された米国仮出願第６２／１２８，８５７号の優先権の利益を主張するものであり；その内容は、参照により本明細書中に援用される。

［本発明の分野］
本発明は概して、コンピューター支援の外科的システムの分野に関し、より具体的には、新規かつ有用なデバイス、および、追跡システムに対してツールをキャリブレーションする方法に関する。

コンピューター支援の外科的システムは、外科医が様々な医療手順を行なうのを助けるために広く用いられている。そのような例の１つは、股関節全置換術（ＴＨＡ）で外科医が大腿管を用意するのを助けるＲＯＢＯＤＯＣ（商標）Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ（Ｔｈｉｎｋ Ｓｕｒｇｉｃａｌ（商標），Ｆｒｅｍｏｎｔ，ＣＡ）である。ミリメートル未満の精度で管を用意するためには、任意の他の追跡システム座標フレームと同様に、ツール中心点（ＴＣＰ）およびツールの重心軸の両方ともがロボット座標フレームに関して正確にキャリブレーションされなければならない。また、追跡システムは、手術室内の他の物体、例えば目的の解剖学的構造または他の医療機器を位置決定および追跡するためにも用いられ得る。したがって、追跡された物体の全ての間の関係を合体して、動的な様式で医療手順を改善または補助し得る。

追跡システムは、典型的に、受動または能動の基準マーカーのセットからのエネルギーを検出する多数の受信機を備える。追跡された基準マーカーのアレイに対する先端位置とツール方位との間の関係を規定するためには、キャリブレーション手順を行なわなければならない。ツール先端位置および方位に対して基準マーカーのアレイをキャリブレーションする多くの異なる方法が存在するが、プロセスは、通常、時間がかかり、費用がかかり、および／または、特定の外科的手順に十分なほど正確ではない。

キャリブレーションの１つの既存の方法は、ツール上の正確な位置および方位でアレイを製造して、その後に工場キャリブレーションステップが続くものである。しかしながら、その方法は、外科的状況において用いられ得る全てのツール上にアレイを正確に配置することを要求し、全体的なコストが高くなる。代替の方法は、手術室内でアレイに対してツールをキャリブレーションする。機械的または光学的に追跡されるデジタイザーが手作業で配置されて、ツール上に多くの点を集めてツールとアレイとの間の幾何学的関係を規定する。しかしながら、単一の測定を用いて光学的に追跡される切断ツールをキャリブレーションする場合、追跡システムは、システムの固有誤差に基づき、キャリブレーションデバイスとして用いるのに十分に正確ではない。加えて、デジタル化プロセスはユーザーにとって面倒であり、全体的な作業時間が増大する。

基準マーカーアレイとツールとの間の関係が知られた時点で、ツールの位置および方位は、手順中、正確に追跡され得る。しかしながら、伝統的な追跡システムでの別の問題は、追跡中に、三次元空間内に基準マーカーのそれぞれを位置決定する際の固有誤差であり、追跡精度に影響を及ぼし得る。誤差は、三角測量の関数、サンプリング時間、基準マーカー間の幾何学的関係における製造誤差、および、マーカーが互いに対して不動であるという事実であり得る。非常に正確な外科的手順に関する必要性を考慮すると、追跡システムの精度を改善することのできる任意の方法が非常に望ましい。

したがって、コンピューター支援の外科的システムおよび高レベルの精度を必要とする他のロボットアプリケーションにおいて、追跡アレイに対してツール先端の位置および方位を迅速かつ正確に規定することのできる、キャリブレーションデバイスに関する必要性が、当技術分野において存在する。外科的手順の結果および外科的システムの信頼性を改善するために追跡の精度を改善すること、または他のロボットアプリケーションに関する、さらなる必要性が存在する。

外面を有する本体を備えるキャリブレーションデバイスが提供される。本体は、本体がツール軸の周りを回転するように、ツール軸を備えるツールの周りに配置されるように構成される。少なくとも１つの基準マーカーは、本体の外面上に配置されて、追跡システムと連通される。また、追跡システムと連通された、固定された基準マーカーアレイも提供される。キャリブレーションツールは、基準マーカーアレイに対してツール軸を規定する。

また、ツールおよび追跡モジュールを備える外科的システムも提供される。基準マーカーアレイは、ツールに固定されて、追跡モジュールと連通される。キャリブレーションデバイスは、本体上に配置された少なくとも１つの基準マーカーを具備する本体を備え、本体は、本体がツール軸の周りを回転するように、ツールの周りに配置されるように構成される。本体の回転に応答して、追跡モジュールによって追跡される少なくとも１つの基準マーカーによって１つまたは複数の円形パスが作られて、追跡モジュールは、円形パスへの法線ベクトルまたは回転の中心点の少なくとも１つを計算して、前記追跡モジュールおよび前記ツールに固定された基準マーカーアレイに対してツール軸の方位を規定する。外科的システムを用いる方法は、２以上の回転された基準マーカーによってトレースされる円形パスへの法線ベクトルの平均、２以上の回転された基準マーカーによってトレースされる円形パスの中心点の間の法線ベクトルの平均、または、２つの前述の選択肢の平均の計算を含む。

外科的ツールに対する基準マーカーアレイの固定を含む、基準マーカーアレイに対してツール軸を規定する方法が提供される。少なくとも１つの基準マーカーを備えるキャリブレーションデバイスが、ツール上に取り付けられる。キャリブレーションデバイスが、ツール軸の周りに取り付けられる。前記の少なくとも１つの基準マーカーの回転は、追跡モジュールを用いて追跡される。法線ベクトルおよび中心点は、基準マーカーの回転によってトレースされる１つまたは複数の円形パスから計算されて、基準マーカーアレイに対してツール軸の方位を規定する。

また、遠位リンクに取り付けられた近位リンクおよび遠位リンクを備えるロボットリンク方位を規定するシステムも提供される。基準マーカーのセットおよび追跡モジュールは、プロセッサが遠位リンク上に第一の座標系を規定することができるように基準マーカーのセット由来の３つの基準マーカーが追跡モジュールに見えるように、遠位リンク上に置かれる。

また、追跡モジュールを具備する外科的ツールを備える、医療手順において補助するためのツールを追跡するシステムも提供される。ツールの軸の周りで同時に回転する本体が提供される。回転する本体は、前記の少なくとも１つの基準マーカーがツール軸の周りを回転するときに、追跡モジュールが前記の少なくとも１つの基準マーカーの位置を記録するように、少なくとも１つの基準マーカーを備える。

剛性本体、および、剛性本体の領域上に円形パスを作りながら回転する追跡モジュールと連通した少なくとも１つの基準マーカーを備える、外科的ロボットの関連における物体を追跡するための基準マーカーアレイが提供され、それにより、少なくとも１つの基準マーカーは、基準マーカーの回転の中心からの距離をオフセットされる。

本発明は、本発明の特定の態様を示すことが意図される以下の図面に関してさらに詳述されるが、本発明の実施に対する限定と解釈すべきでない。

図１は、手術台または手術室の関連における本発明の実施態様に係る、システムの主なコンポーネントを示す。 図２Ａ、２Ｂ、および２Ｃは、本発明の実施態様に係る、基準マーカーアレイに対してツール軸の方位を規定するための方法およびキャリブレーションデバイスを示す。 図３は、本発明の実施態様に係る、ツール上にクリップ留めすることが可能なキャリブレーションデバイスを示す。 図４Ａおよび４Ｂは、本発明の実施態様に係る、基準マーカーアレイに対してツール先端中心点を規定するキャリブレーションデバイスの横断面図である。 図５Ａおよび５Ｂは、本発明の実施態様に係る、ロボットのリンク回転角度およびリンク軸を決定する方法を示す。 図６は、本発明の実施態様に係る、追跡のためのツールが組み込まれた回転する基準マーカーを示す。 図７Ａおよび７Ｂは、本発明の実施態様に係る、追跡精度を改善するための、基準マーカーアレイ上の回転する基準マーカーを示す。

本発明は、基準マーカーアレイに対してツールの位置および方位を正確かつ効率的に規定するためのシステムおよびプロセスとして有用性があり、医療手順において補助する。本発明の様々な実施態様の以下の説明は、本発明をこれらの特定の実施態様に限定することを意図せず、むしろ、その例示的な態様を通して任意の当業者が本発明を作成および使用することを可能にする。

値の範囲が与えられる場合、その範囲は、明示的にその範囲内に含まれてその範囲の最後の有効数字が変化するように、その範囲のエンドポイント値だけでなく、その範囲の中間値も含むことを意図することが理解されるべきである。例として、１〜４と挙げられた範囲は、１〜２、１〜３、２〜４、３〜４、および１〜４を含むことが意図される。

本明細書において用いられる基準マーカーは、追跡システムによって検出可能な参照点を指し、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）または電磁気エミッタのような能動トランスミッタであってよく；または、レトロ−反射フィルムを備えるプラスチック球のような受動反射体であってよい。特定の実施態様では、特定のタイプの基準マーカーの使用は、これらの適用可能な実施態様のためにそのように（ａｓ ｓｕｃｈ ｆｏｒ）規定される。基準マーカーアレイは、任意の幾何学的形状の剛性本体内／上の公知の幾何学的関係での２以上の基準マーカーの配置であり；別段の定めのない限り、３つの基準マーカーの配置を用いて、剛性本体の全ての６自由度（６−ＤＯＦ）を分解し得る。

用語「ツール」は、外部物体上で作業することの可能な任意の器具であってよい。これらは例示的に、プローブ、ドリル、カッター、バール、または鋸刃；および、組織に接触する器具（例えば、ドリルに取り付けられて筺体内に組み立てられたカッターであり、ここで筺体は、ロボットマニミュレーターアームの遠位端に取り付けられ得る）を格納および／または操作するために用いられる任意のアセンブリを含む。

本明細書において用いられる用語「連通」は、ワイヤレスまたは電気接続のいずれかによるデータおよび／またはエネルギーの送信および／または受信を指す。

追跡システムの使用が本明細書において開示される。追跡システムは、基準マーカーから放射または反射されるエネルギーを検出するための少なくとも１つの受信機を備え、受信機は、基準マーカーまたは基準マーカーアレイの位置および／または方位（ＰＯＳＥ）を処理するためのプロセッサを備える追跡モジュールに連結される。追跡モジュールは、基準マーカーアレイとツールとの間の関係に基づいてツール位置を生成することができ、その関係は、本明細書に記載のキャリブレーション技術を用いて決定される。特定の実施態様では、キャリブレーション技術は、追跡モジュールと連通したキャリブレーションデバイスを用いて、ツールの位置を決定するための少なくとも１つの参照点を提供する。検出可能なエネルギーは、例えば、制限されないが、光学、電磁気、赤外線、紫外線、磁気、光ファイバー、超音波および標的化された可視光であってよい。光学追跡システムの例は、Ｐｏｌａｒｉｓ Ｓｐｅｃｔｒａ（登録商標）Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ（ＮＤＩ Ｍｅｄｉｃａｌ）である。また、本明細書においてコンピューター支援の外科的システムも言及され、それは、コンピューター支援の外科的システム、ロボット外科的システム、ナビゲーション支援外科的システム、画像ガイド外科的システムなどと同義と考えられる。

ＲＯＢＯＤＯＣ（商標）Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍに対する参照がなされるように、医療または産業用途のいずれかのための任意の自律の触覚システム、または半自律のロボットシステムが、本明細書に開示されるデバイスおよび方法から利益を受けることができることが理解されるべきである。本明細書中に開示される発明から利益を受け得るコンピューター支援の外科的システムの例は、例えば、ＯＢＯＤＯＣ（商標）Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ（Ｔｈｉｎｋ Ｓｕｒｇｉｃａｌ，Ｉｎｃ．）、ＮａｖｉｏＰＦＳ（商標）Ｓｙｓｔｅｍ（Ｂｌｕｅ Ｂｅｌｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．）、ＲＩＯ（登録商標）Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ（Ｍａｋｏ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｃｏｒｐ．）、ナビゲートされるフリーハンド鋸（ＴＲＡＫ Ｓｕｒｇｉｃａｌ）、４自由度の鋸、少なくとも１自由度を有する連接型のハンドヘルドシステム、仮出願６２／０５４，００９に開示されてその全体で参照により本明細書中に援用される連接型のハンドヘルドドリルシステム、または、追跡を必要とする任意の他のコンピューター制御されたデバイスを含む。

本発明の実施態様は、医療手順において助けるためにツールを正確に追跡するための、基準マーカーアレイに対してツール中心点およびツール軸の方位を規定するためのシステム、デバイスおよび方法を記載する。図１は、コンピューター支援の外科的処置を行なうための外科的システム１０１の高レベルの概略を示す。一般に、コンピューター支援の外科的システム１０３は、ユーザーインターフェース１０７およびツール１０５を備え、患者１０９における医療手順において助けるために配置される。ユーザーインターフェース１０７は、操作パラメーター、手順ワークフロー、ロボットの状態、機能エラー、ガイドコマンド、および、ツールが修正する組織のリアルタイムビューのようなユーザー指示を表示するためのモニターであってよい。また、ユーザーインターフェース１０７は、特定の実施態様では、ヘッドアップ表示装置ユニット（ＨＵＤ）、Ｇｏｏｇｌｅ（商標）グラス、外部モニター、および／または、電気的またはワイヤレスでロボットシステムと連通され得るスマートウォッチでもある。例えば、ＨＵＤは、例示的に、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＴＣＰ／ＩＰ、可視光通信、ＷＬＡＮ、またはそれらの組み合わせを介して、ロボットシステムにワイヤレスで連結される。ロボットシステムおよび／またはユーザーインターフェースは、ジョイスティック、携帯電話のようなコントローラーデバイスの使用を介して、または、モニターに触れることにより、またはそれらの組み合わせで、ユーザーによる入力を受信し得る。そのような入力は、例えば、ガイドコマンド、手順ワークフロー全体を通して与えられる様々なプロンプトの選択、特定の医療手順の選択、他の外部コンポーネント／デバイスの位置の指定、解剖学的構造の登録の補助、光学追跡モジュールの構成、およびそれらの組み合わせを含んでよい。外科的システム１０１は、基準マーカー（図２の２０３、２１３）を検出するため、および、目的の解剖学的構造上、外科的システム１０３の基板上、ツール１０５上、キャリブレーションデバイス２０１上、ならびに、任意の他の医療機器上に配置され得る基準マーカーアレイ（図２の２１１）、または、ツール（単数または複数）が正確に手順を実行しているのを確実にするための参照位置を追跡するための、追跡モジュール１１１に連結された検出器１１２を具備する追跡システム１１０を備える。外科的処置の前に、基準マーカーアレイは、ツール１０５に対して配置されて固定される。それから、ツール１０５は、追跡モジュール１１１がツール中心点およびツール軸の方位の正確な位置を知っているので、以下に記載の方法を用いてキャリブレーションされる。

追跡システムおよび基準マーカーアレイに対してツール軸の方位を迅速かつより正確にキャリブレーションするためのデバイスの本発明の実施態様は、図２Ａ〜図２Ｃに示される。図２Ａは、少なくとも１つの基準マーカー２０３を備える、中空の円柱状スリーブの形状のキャリブレーションデバイス２０１を示す。基準マーカー２０３は、受動または能動のいずれかである。キャリブレーションデバイス２０１は、図２Ｃに示されるようにスリーブ２０１の軸に沿って配置された２以上の基準マーカー２０３を備えてよい。図３に関する別の実施態様では、キャリブレーションデバイス３０１は、ツール軸３０７上にクリップ留めすることが可能な２以上の接着ポイントまたはクリップ３１１を備える。２以上の接着ポイントまたはクリップ３１１に組み立てられる剛性部材３０３は、その上に置かれた少なくとも１つの基準マーカー３０５を備え、剛性部材３０３は、ツール軸３０７の周りを回転することが可能である。接着クリップ３１１は、変動する直径で機能し得て（ｍａｙ ｃｏｍｅ ｉｎ）、剛性部材３０３にモジュール式に組み立てられ得る。例えば、異なる直径を有するクリップ３１１は、ポイント３０９で剛性部材３０３に組み立てられ得て、変動する直径のツールに適合する。本発明の特定の実施態様では、接着クリップ３１１は、ツール１０５を緩く握って、キャリブレーションデバイス３０１の全体がツール軸３０７の周りで自由に回転するのを可能にする。別の特定の実施態様では、接着クリップ３１１は、クリップがツールを堅く握り得るように軸受を備えて、クリップ３１１と剛性部材３０３との間の軸受機構が、剛性部材３０３が接着クリップ３１１およびツール軸３０７の周りを自由に回転するのを可能にする。

特定の実施態様では、基準マーカーアレイ２１１に対してツール軸２１７を規定するために、基準マーカーアレイ２１１は、６自由度を分解する公知の幾何学的関係での基準マーカーのセット２１３を備え、基準マーカーアレイ２１１は、ツール１０５に堅く固定される。ツール１０５は、コンピューター制御されたデバイスの遠位端、リンクおよびまたは接合部２０５に取り付けられる。特定の実施態様では、基準マーカーアレイ２１１は、ツール１０５に組み込まれてパッケージされて、一方で、他の実施態様では、基準マーカーアレイは、別々にパッケージされた別個の物質であり、手術室内でユーザーによってツール１０５に組み立てられて固定される。ツール１０５は、ワークピース上で作業を行なうためのツール先端面およびツール中心点２０７を有する作業末端をさらに備えてよい。キャリブレーションデバイスは、それから、ツール１０５の上に置かれる、および／または、クリップ留めされる。キャリブレーションデバイス２０１は、ツール１０５の周りを自由に（矢印２１５）回転し得るが、特定の実施態様では、ツールに沿って移動することができない。特定の実施態様では、キャリブレーションデバイス２０１は、重力がデバイスをツールの末端に対して維持して移動を防ぐように、ツール１０５の上に置かれ得る。ツール１０５および／またはキャリブレーションデバイス２０１は、移動が生じないのを確実にするための回転カップリングのような連結部を備えてよい。加えて、システムは、キャリブレーション中にキャリブレーションデバイス２０１がツール軸２１７に沿って移動した場合に簡単に検出し得て、モニターまたは警報などを介してユーザーに通知する。

特定の実施態様では、回転は、ユーザーによって手作業でなされてよく、ユーザーは、キャリブレーションデバイススリーブ２０１をツール１０５上に置き、それが回転するときに追跡システムが基準マーカー２０３の位置を記録するように、キャリブレーションデバイス２０１を回転させる。キャリブレーションデバイス２０１は、ユーザーがキャリブレーションデバイス２０１をツール１０５の周りで簡単に回転させるのを可能にする、ハンドル、グリップ、または押出部を備えてよい。特定の実施態様では、キャリブレーションデバイス２０１は、ツール１０５の周りを自動的に回転し得る。キャリブレーションデバイス２０１は、ツール１０５と相互作用する近位端上の連結部を備えてよい。例えば、キャリブレーションデバイス２０１の近位端は、モーター、ギア、アクチュエーター、回転カップリング、または、キャリブレーションデバイス２０１がツール１０５の周りを自動的に回転するのを可能にする任意の他の従来の機械デバイスのようなコンポーネントと連結された、ツール１０５の一部の中にネジで留めるネジ山のセットを備えてよい。特定の実施態様では、キャリブレーションデバイスを回転させるためのコンポーネントは、ツール１０５の作業末端を操作するために用いられる同一および／または同様のエレメントを備えてよい。あるいは、キャリブレーションデバイス２０１は、それ自身をツール１０５の周りで自動的に回転させるためのドライバーを備える。例えば、キャリブレーションデバイス２０１は、多数の同心円状のスリーブを備えてよく、第一の最も内側のスリーブは、ツール１０５上で不動のままであり、第一のスリーブを取り囲む第二のスリーブは、基準マーカー２０３をツール１０５の周りで回転させるためのドライバーを備える。

基準マーカー２０３がツール１０５の周りで回転するときに、追跡システムは、回転全体を通してマーカー位置を記録する。基準マーカー２０３は、基準マーカーの数と等しい数の同心円状の円をトレースする。例えば、１つの基準マーカーは、単一の同心円状の円をトレースし、一方で、図２Ｂに示すように多数の基準は、キャリブレーションデバイス２０１の軸に沿って多数の同心円状の円をトレースする。追跡モジュール１１１は、回転中、記録された位置に円を合わせる。円は、制限されないが、ガウスニュートン、Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ−Ｍａｒｑｕａｒｄｔ、ニュートン、可変投射、および直交距離回帰、マハラノビス距離、またはそれらの組み合わせを含む、最小二乗法のようなアルゴリズムを用いてデータに合わせてよい。データを作る（ｍｏｄｅｌ）には、点の弧のみが必要であることに留意すべきである。合わせられた円は、ツール軸上の中心２１９、および、法線ベクトル２２１を有し、法線ベクトル２２１は、ツール軸２１７の方位を表わす。したがって、ツール軸の方位は、計算された法線ベクトル２２１に対する基準マーカーアレイ２１１のＰＯＳＥに基づいて、基準マーカーアレイ２１１に対して規定することができる。

多数の基準マーカー２０３が用いられる本発明の実施態様では、その結果、それぞれの円が法線ベクトルを有し、ツール軸２１７の方位は、以下の１つまたは組み合わせによって計算され得る。
ｉ． ツールベクトルのぞれぞれの平均
ｉｉ． １つの円中心から他へのベクトルの平均
ｉｉｉ． ｉ．およびｉｉ．の平均

したがって、多数の基準マーカー２０３を用いることにより、基準マーカーアレイ２１１に対するツール軸の真の方位を規定する精度は高くなる。基準マーカーアレイ２１１に対するツール軸の方位を得るには、ただ１つの基準マーカー２０３が必要であるので、多数の基準マーカーは、キャリブレーションの精度を上げる。さらに、ツールのより多くの部分に沿ってより多くの情報がキャプチャーされる円中心を用いる場合、ツール軸２１７に沿って基準マーカーの間の空間を増やすことにより、キャリブレーションの精度が改善される。本明細書に記載のキャリブレーションデバイスの１つの主な利点は、キャリブレーションデバイス２０１上の２以上の基準マーカー２０３間に正確な幾何学的関係を製造する必要がないことである。同様に、追跡システムは、追跡システムに対してツールを正確にキャリブレーションするためにキャリブレーションデバイスの６−ＤＯＦ全体を分解する必要がない（すなわち、ただ１つのマーカーが、ツール軸の方位を決定するのに技術的に必要とされる）。現行のシステムでは、３以上の基準マーカー間の正確な幾何学的関係が、ツールを正確にキャリブレーションするのに必要である。このことは、要求される許容誤差に起因して製造コストを増大させ、幾何学的関係のわずかな偏差が製造中に生じる場合に追跡エラーを誘導し得る。

特定の実施態様では、プロセッサは、円柱状のモデルをキャリブレーションデータに合わせ得る。円柱状のモデルが用いられる場合、ツール軸２１７に沿ってキャリブレーションデバイスが移動し得て、ツール軸２１７の方位がさらに計算され得る。しかしながら、円柱状のモデルを使用する場合、以下に説明するとおり、ツール中心点を位置決定するためにその後のステップが必要である。

円形または円柱状のモデルをデータに合わせる場合は、基準マーカー２０３がツール１０５の周りを回転するときに、アルゴリズムが、記録された位置の分配の主要因となってもよい。回転速度に応じて、または実に、ユーザーがどのようにキャリブレーション手順を行なうのかに応じて、１つの位置に他と比べてより多くのデータ点が集められてよい。特定の部分の回転中に、他と比較してより多くのデータ点が集められる場合、円形または円柱状のモデルは、法線ベクトルおよび／または中心点に影響を及ぼすクラスター化された領域に偏ってよい。したがって、アルゴリズムは、円または円筒を合わせるためにツール軸２１７の周りの点の均一な分配が用いられるように、データを調整し得る。

特定の実施態様では、キャリブレーションデバイス２０１の一方の末端は、図４Ａに示すように当接面４０１を備える。図４Ａは、ツール１０５の軸の周りに置かれたキャリブレーションデバイス２０１の横断面図である。１つまたは複数の基準マーカー２０３は、当接面４０１から公知の距離「ｄ」の間隔が空いている。キャリブレーションデバイス２０１が、ツール１０５の軸の上に置かれ、および／またはその周りにクリップ留めされる場合は、当接面４０１は、ツール先端面と一致する。多数の基準マーカー２０３が用いられる場合は、基準マーカー２０３のそれぞれは、当接面４０１から公知の距離で間隔が空いてよい。しかしながら、当接面４０１から公知の距離「ｄ」を有するためには、基準マーカー２０３のうちのただ１つ、例えば、キャリブレーションデバイス２０１上の最も近位または遠位の基準マーカーのみが必要である。この実施態様では、作業末端のツール中心点２０７およびツール軸２１７の方位の両方ともが、基準マーカーアレイ２１１に対して規定され得る。当接面４０１は、図４Ａに示されるようにツール先端面と完全に接触してよく、または、図４Ｂに示されるようにツール先端面のほんの一部分のみが当接面４０１と接触してよい。

６自由度を分解することが可能な基準マーカーアレイ２１１は、ツール１０５に堅く固定される。当接面４０１を有するキャリブレーションデバイス２０１は、当接面４０１がツール先端面と一致するようにツール１０５上に置かれる。キャリブレーションデバイス２０１は、ツール１０５の周りを回転し、追跡モジュールは、上述のように合わせられた円を用いて、法線ベクトル２２１およびツール軸の方位２１７を計算する。スリーブ上の１つまたは全ての基準マーカーから当接面４０１までの公知の距離を用いて、ツールベクトルの末端を規定する平面を計算する。例えば、平面は、基準マーカーの位置において、基準マーカー（単数または複数）２０３によってトレースされた円（単数または複数）による空間内に規定される。基準マーカー（単数または複数）２０３から当接面までの公知の距離、円形の平面を移動することにより、平面をツール先端面に規定することができる。トレースされた円形パスから計算された法線ベクトルおよびツール先端面に規定された平面の交点は、ツール軸２１７上にツール先端中心点２０７を規定する。したがって、ツールの作業末端のツール先端中心点２０７およびツール軸の方位の両方とも、基準マーカーアレイ２１１に対して規定される。

本発明の特定の実施態様では、作業末端におけるツール中心点２０７は、デジタイザーを用いて規定され得る。キャリブレーションデバイス２０１上に当接面４０１を有する代わりに、ツール先端面における平面は、多くの点をツールの先端上にデジタル化することによって規定される。デジタイザーは一般に、座標系に対する空間内で点を集めるために機械的または光学的に追跡されるプローブを備える。デジタイザーは、米国特許第６，０３３，４１５号に記載されてその全体で参照により本明細書中に援用されるロボットシステムに連結され得る。デジタイザーがロボットシステムに連結される場合、ロボットシステムのプロセッサは、その後の計算を行なって、この情報を追跡モジュールに通信し得る。デジタイザーが光学的に追跡される場合、追跡モジュールは、その後の計算を直接行ない得る。この特定の方法の実施態様では、基準マーカーアレイ２１１に対するツール軸２１７の方位は、上述の実施態様を用いて決定することができる。ツール先端中心点２１７は、ツール１０５の末端上のいくつかの点をデジタル化することによって決定されて、プロセッサまたは追跡モジュールを用いて、デジタル化された点に平面が最良適合される。ツール先端中心点の位置２０７は、トレースされた円への計算された法線ベクトル２２１によって規定されたツール軸２１７と、ツール軸に垂直でありかつデジタル化された点に最良適合する平面の交点である。したがって、ツール先端中心点の位置２０７およびツール軸２１７の両方とも、基準マーカーアレイ２１１に対して規定される。

キャリブレーションデバイス２０１の使用は、ロボットコンピューター支援の外科的システムのキャリブレーションをチェックするためにさらに用いられ得る。以前の実施態様に記載の任意の方法を行なった後に、ロボットは、ツール軸２１７がロボット座標内であるとロボットが考えるところに動くように作動され得る。キャリブレーションデバイス２０１は、それから、基準マーカー（単数または複数）２０３の位置を記録する追跡システムとともに回転される。プロセッサは、円を、基準マーカーの記録された位置へ合わせ得る。円の直径がトレースされたパスに合う場合、円の中心はそのトレースされたパスに合い、円の法線ベクトルは、ロボットが最初にキャリブレーションされたときにこれらの同一パラメーターが集められる許容範囲内に合う全てのトレースされたパスに合い、その結果、キャリブレーションは有効である。同様に、直径が合わない場合は、中心は合わず、法線ベクトルは合わず、または、トレースされたパスが円形でない場合は、その結果、キャリブレーションは無効である。この手順を同様に用いて、ロボット全体のキャリブレーションをチェックし得る。

また、本発明の実施態様は、基準マーカーアレイを用いて接合軸を位置決定する方法を記載する。図５Ａに関して、標的接合軸に遠位のリンク５０１は、リンク５０１の回転角度を問わずリンク上の少なくとも３つの基準マーカー５０３が光学追跡システムに見えるように十分な数のいくつかの基準マーカー５０３を備える。リンク５０１上のいくつかの基準マーカー５０３は、基準マーカーアレイを考慮し得る。基準マーカー５０３は、１）３つの可視基準マーカー５０３のみ用いて座標系５０７がリンク５０１上で確立され得るように、および、２）基準マーカー５０３の公知の名目上の形状を用いて、任意の３つの可視基準が与えられた同一の座標系を確立し得るように、空間が空けられる。リンク５０１はその回転軸の周りを回転するので、光学追跡システムは、可視基準を追跡する。リンク５０１は回転の一定軸を備えるので、各基準は回転軸の周りの円形パスをトレースする。プロセッサは、トレースされた基準マーカーに円を合わせて、リンク軸の大まかな中心５０９を計算し得る。中心の平均は、空間内でリンク軸の位置を規定する。プロセッサは、合わせられた円への法線ベクトルをさらに計算し得る。法線ベクトルの平均は、リンク軸の方位５１１を規定する。特定の実施態様では、少なくとも３つの基準５０３が常に見えるので、固定された座標系は、フランジ上に確立され得る。空間内の任意の２つの任意の（ａｒｂｉｔｒａｒｙ）点は、両方とも、基準マーカー座標系５０７に固定されて、そして、回転全体を通して全体的な座標内に固定されて、接合部の回転軸を規定する。当該方法の実施態様は、物体（ロボットリンク）の即時の回転軸上の点を見つける。回転軸上の無数の数の点が存在するが、軸を規定するには２つのみ見つける必要がある。２つの点は、ａ）局所的なリンク座標系内で一定であり、かつ、ｂ）近位リンクが作動されていないと推測される全体的な座標内で一定である。

図５Ｂに関して、基準マーカー５１３の第二のセットは、遠位リンク５０１のすぐ近位に置かれて、２つのリンク間の絶対的回転角度を決定し得る。一実施態様では、遠位リンクの回転軸は近位リンクに対して回転して、以前の実施態様に記載のとおり回転軸を位置決定する。近位リンク上に位置決定されると、基準マーカー５１３の同様のセットが置かれるが、遠位リンク上の基準マーカー５０３のセットから基準が区別され得るように異なる形状を有する。基準マーカーは、１）固有の座標系５１５が、任意の３つの可視基準を用いてフランジ上に確立され得て、２）基準マーカーアレイの公知の名目上の形状を用いて、任意の３つの可視基準マーカーが与えられた同一の座標系が確立され得るように、空間が空いている。２つのリンク間の角度は、リンク５０１の回転軸の周りの２つの座標系間の相対的回転（すなわち、投影角）を計算することによって決定され得る。その概念は、例えば、ロボットをキャリブレーションするのを助けるために用いてよく、または、追加のエンコーダー（ｅｘｔｒａ ｅｎｃｏｄｅｒ）として用いてよい。基準マーカーアレイが、それぞれのリンクの間および／または上に、記載されるように配置される場合は、その結果、光学追跡システムは、任意の構成においてロボットの位置および方位を規定し得る。したがって、プログラム化された位置および方位と比較した実際のロボット位置および方位を測定するために光学追跡システムが用いられ得る場合は、ロボットは、キャリブレーション手順を行なうようにプログラム化され得る。代替の実施態様では、回転全体を通して近位リンク５１５の基準マーカー座標系および基準マーカー座標系５０７の両方において一定である空間内の任意の２つの任意（ａｒｂｉｔｒａｒｙ）の点は、接合部の回転軸を規定する。

また、本発明の実施態様は、固定された軸の周りを回転する基準マーカーを用いてツールを追跡するシステムおよび方法、ならびに、その対応する名目上のモデルを用いて基準マーカーアレイを登録する、より正確な方法を説明する。図６に関して、回転物体６０１は、ツール１０５の軸と一致するように並べられた回転物体の回転軸を備え、ツールに固定される。少なくとも１つの基準マーカー６０３は、回転物体に取り付けられて、または組み込まれる。回転物体は、高速で回転する。基準マーカー（単数または複数）は、円形パスがトレースされるように、基準マーカー（単数または複数）の多数の位置を記録する光学追跡システムによって追跡される。特定の実施態様では、追跡モジュール１１１の受光器は、円形パスが一連のカメラフレーム全体を通してトレースされるカメラである。特定の実施態様では、カメラは、１つまたは複数の基準マーカーが単一のフレーム内の１つまたは複数の円形パスをトレースするように、より長いシャッタースピードを用いてよい。

キャリブレーションデバイス２０１を用いて、以前に記載した任意の方法を用いて、回転する基準マーカー６０３に対してツール軸の方位２１７および／または作業末端のツール中心点２０７を規定し得る。カメラのサンプリングレートおよび基準マーカー（単数または複数）６０３の回転レートが大きい場合、その結果、ツール軸およびツール先端位置は、回転する基準マーカー（単数または複数）６０３のみを用いて追跡され得る。

回転する基準マーカー６０３を具備するシステムを用いた本発明の特定の実施態様では、第二のマーカーアレイは、ツールの６自由度全てを分解するのに十分な形状に配置された基準マーカーを用いて、ツールに取り付けられる。このマーカーアレイは、ツール軸およびツール先端を追跡するために用いられないが、マーカーアレイを用いて、衝突防止のような他の機能のためのツールの全体的な形状を追跡し得る。別の実施態様では、１つまたは複数の基準マーカーは、６自由度全てを分離するのに十分な全体アレイよりむしろ、ツールに固定される。ツール軸およびツール先端位置を知ることは、システムの動きを５自由度に分解するので、１つまたは複数の固定された基準マーカーは、最後の自由度（すなわち、ツール軸の周りの回転）を分解することができる。

本発明の特定の実施態様では、基準マーカーアレイ上の回転する基準マーカーは、追跡の精度を改善するために使用される。図７Ａおよび図７Ｂに関して、２つの基準マーカーアレイ構成７０１および７１３が示される。図７Ａは、少なくとも１つの基準マーカー７０３が取り付けられた、または組み込まれた回転する本体７０５からなる基準マーカーアレイを示す。それぞれの回転機構は、それぞれの基準マーカーがマーカーアレイ上で動かない回転中心７０９を有する一定の半径で７０３を回転させるように、ゼロの機械的遊び（ｚｅｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｌａｙ）を備える。特定の実施態様では、追跡システム１１０受信機は、カメラである。追跡システム１１０は、それぞれの基準マーカー（単数または複数）円形移動７０７の相当な部分（全回転が理想的である）をキャプチャーするのに十分長くシャッターが開くようなカメラシャッタースピードを用いて追跡する。例えば、基準マーカーが１０，０００回転／分（ｒｐｍ）で回転するならば、その結果、０．００６秒のシャッタースピードは全回転をキャプチャーし、一方で、０．００３秒のシャッタースピードは半回転をキャプチャーする。その結果、プロセッサは、それぞれの円形パスに３次元で円を合わせて、中心７０９および法線ベクトル７１１は、それぞれの円形パスに関して計算される。それぞれの基準マーカーに関する名目上の中心および法線ベクトルからなる名目上のモデルは、計算された中心および法線ベクトルに登録され得て、したがって、追跡中に、マーカーアレイを名目上のモデルに登録する。

同様に、図７Ｂは、マーカーアレイ７１３の異なる構成を示し、少なくとも１つの基準マーカー７０３は、回転中心７０９の周りを回転する。この実施態様では、基準マーカーは、回転するプラットフォーム上よりむしろ、自然に回転することが可能である。前のように、中心７０９および法線ベクトル７１１は、追跡中に、それぞれの基準マーカーに関する名目上の中心および法線ベクトルからなる名目上のモデルに計算および登録され得る。この方法は、正確な中心および法線ベクトルが計算されて追跡および登録に用いられるので、高い精度、および、より正確な登録を生じさせる。また、この構成では、６自由度を分解するのに２つの基準マーカーのみが必要であることも理解されるべきである。少なくとも１つの回転する基準マーカー７０３、および、第二の基準マーカー（示さず）は、基準マーカーアレイ７０１または７１３に固定される。加えて、回転する基準マーカーを加えることによって、多数の自由度における冗長の（ｒｅｄｕｎｄａｎｔ）追跡が、最小限の量の基準マーカーを用いて可能である。

［他の実施態様］
少なくとも１つの例示的な実施態様が前述の詳細な説明に示されているが、膨大な数の変型が存在することが理解されるべきである。また、例示的な実施態様（単数または複数）は単なる例示であり、説明された実施態様の範囲、適用性、または構成を限定することを決して意図しないことも理解されるべきである。むしろ、前述の詳細な説明は、例示的な実施態様（単数または複数）を実施するための便利な手引きを当業者に提供する。添付の請求項に記載の範囲およびその法律的な同等物を逸脱せずに、様々な変更がエレメントの機能および配置においてなされ得ることが理解されるべきである。

Claims (25)

1. キャリブレーションデバイスであって、
   外面を有する本体（前記本体は、前記本体がツール軸の周りを回転するように、ツール軸を備えるツールの周りに配置されるように構成される）；
   前記本体の外面上に配置された少なくとも１つの基準マーカー（前記の少なくとも１つの基準マーカーは、追跡システムと連通している）；
   前記追跡システムと連通している、固定された基準マーカーアレイ；
   を備え、
   ここで、前記キャリブレーションツールは、前記基準マーカーアレイに対して前記ツール軸を規定する、
   キャリブレーションデバイス。
2. 請求項１のキャリブレーションデバイスであって、
   前記本体は、中空の円柱状スリーブである、
   キャリブレーションデバイス。
3. 請求項１のキャリブレーションデバイスであって、
   前記中空の円柱状スリーブの縦軸に沿って軸方向にオフセットされた２以上の基準マーカーをさらに備える、
   キャリブレーションデバイス。
4. 請求項２のキャリブレーションデバイスであって、
   前記の少なくとも１つの基準マーカーは、前記中空の円柱状スリーブの第一の末端から公知の距離で配置される、
   キャリブレーションデバイス。
5. 請求項２のキャリブレーションデバイスであって、
   前記スリーブは、当接面を有する第一の末端をさらに備え、
   ここで、前記の少なくとも１つの基準マーカーの位置は、前記当接面から公知の距離である、
   キャリブレーションデバイス。
6. 請求項１から５のいずれか一項のキャリブレーションデバイスであって、
   前記本体は、剛性部材と接合された２以上の接着ポイントまたはクリップをさらに備え；
   ここで、前記の少なくとも１つの基準マーカーは、前記剛性部材上に配置される、
   キャリブレーションデバイス。
7. 外科的システムであって、
   ツール軸を備えるツール；
   追跡モジュール；
   前記ツールに固定されて前記追跡モジュールと連通した、基準マーカーアレイ；および
   前記本体上に配置された少なくとも１つの基準マーカーを具備する本体を備える、キャリブレーションデバイス（ここで、前記本体は、前記本体が前記ツール軸の周りを回転するように、前記ツールの周りに配置されるように構成される）；
   を備え、
   ここで、前記本体の回転に応答して、１つまたは複数の円形パスが、前記追跡モジュールによって追跡される前記の少なくとも１つの基準マーカーによって作られ、
   前記追跡モジュールは、前記回転の中心点または前記円形パスへの法線ベクトルの少なくとも１つを計算して、前記追跡モジュールおよび前記ツールに固定された前記基準マーカーアレイに対してツール軸方位を規定する、
   外科的システム。
8. 請求項７の外科的システムであって、
   前記キャリブレーションデバイスは、中空の円柱状スリーブであり、前記中空の円柱状スリーブの縦軸に沿って軸方向にオフセットされた２以上の基準マーカーを備える、
   外科的システム。
9. 請求項７または８のいずれか一項の外科的システムを使用する方法であって、
   ａ）前記回転の前記中心点における、前記の少なくとも１つの基準マーカーによってトレースされる前記の１つまたは複数の円形パスの前記法線ベクトルの交点、および
   ｂ）前記基準マーカーから公知の距離である、前記キャリブレーションデバイス上の当接面によって規定される平面
   を計算するステップによって、前記基準マーカーアレイに関して前記ツールの作業末端におけるツール中心点の位置を規定するための、
   方法。
10. 請求項７または８のいずれか一項の外科的システムを使用する方法であって、
    ａ）２以上の回転された基準マーカーによってトレースされる前記円形パスへの前記法線ベクトルの平均を計算するステップ
    ｂ）前記の２以上の回転された基準マーカーによってトレースされる前記円形パスの前記中心点の間の前記法線ベクトルの平均を計算するステップ、または
    ｃ）ａおよびｂの平均を計算するステップ
    の少なくとも１つを含む、前記のツール軸方位を決定するための、
    方法。
11. 基準マーカーアレイに対してツール軸を規定する方法であって、
    前記基準マーカーアレイをツールに固定するステップ；
    少なくとも１つの基準マーカーを備えるキャリブレーションデバイスを前記ツール上に取り付けるステップ；
    前記ツール軸の周りで前記キャリブレーションデバイスを回転させるステップ；
    追跡モジュールを用いて、前記の少なくとも１つの基準マーカーの前記回転を追跡するステップ；および
    前記の基準マーカーの回転によってトレースされる１つまたは複数の円形パスから中心点および法線ベクトルを計算して、前記基準マーカーアレイに対する前記ツール軸方位を規定するステップ
    を含む、
    方法。
12. 請求項１１の方法であって、
    デジタイザーを用いて、前記ツールのツール先端面上に点集合を集めるステップ；
    プロセッサを用いて、前記の集められた点集合に平面を最良適合するステップ；および
    １）回転の中心点における、前記法線ベクトルの交点、および２）前記の最良適合する平面から、前記基準マーカーアレイに対する前記ツール先端面におけるツール中心点の位置を規定するステップ
    をさらに含む、
    方法。
13. 請求項１１または１２のいずれか一項の方法であって、
    所定のロボット位置および方位（ポーズ）において、前記キャリブレーションデバイスを備えるロボットを、事前にキャリブレーションされたツール軸へ作動するステップ；
    前記キャリブレーションデバイスを、前記ツール軸の周りで回転させるステップ；
    前記追跡モジュールを用いて、回転中、前記基準マーカーの位置を記録するステップ；
    プロセッサを用いて、円形モデルを前記の記録された位置に合わせるステップ；
    前記円の直径、中心、または法線ベクトルの少なくとも１つを計算するステップ；および
    前記円の直径、中心、または法線ベクトルの少なくとも１つを、前記の事前にキャリブレーションされたツール軸から保存された値と比較して、前記のロボットのキャリブレーションの有効性を判定するステップ、
    をさらに含む、
    方法。
14. 請求項１１の方法であって、
    前記キャリブレーションデバイスの一方の末端は、当接面を有するスリーブをさらに備え、
    それにより、前記スリーブ上の前記基準マーカーは、前記当接面から公知の距離である、
    方法。
15. 請求項１４の方法であって、
    １）回転の前記中心点における、前記基準マーカーによってトレースされる前記円形パスへの前記の計算された法線ベクトルの前記交点、および
    ２）前記当接面において規定された平面
    に基づいて、
    前記ツールの前記作業末端におけるツール中心点の位置を計算するステップをさらに含む、
    方法。
16. ロボットリンク方位を規定するためのシステムであって、
    遠位リンク；
    前記遠位リンクに取り付けられた近位リンク；
    追跡モジュール；および
    基準マーカーのセット（プロセッサが第一の座標系を前記遠位リンク上に規定することができるように前記の基準マーカーのセット由来の３つの基準マーカーが前記追跡モジュールに見えるように前記遠位リンク上に配置される）、
    を備える、
    システム。
17. 請求項１６のシステムであって、
    前記追跡モジュールは、回転中に、前記の３つの基準マーカーの位置を記録し、
    前記プロセッサは、円形モデルを前記の記録された位置に合わせて、前記円に垂直のベクトルまたは円中心の少なくとも１つを計算して、遠位リンク位置または遠位リンク方位の少なくとも１つを規定する、
    システム。
18. 請求項１６のシステムであって、
    前記近位リンクは、第二のセット由来の３つの二次基準マーカーが前記追跡モジュールに見えて、前記プロセッサが前記近位リンク上に第二の座標系を規定するように、基準マーカーの第二のセットをさらに備える、
    システム。
19. 請求項１８のシステムであって、
    前記追跡モジュールと連通した前記プロセッサは、回転軸の周りで前記の第一の座標系と前記の第二の座標系との間の相対的回転を計算することによって、前記近位リンクと前記遠位リンクとの間の角度を計算する、
    システム。
20. 医療手順で補助するためのツールを追跡するためのシステムであって、
    ツール；
    追跡モジュール；および
    前記ツールの軸の周りで同時に回転する本体（前記の回転する本体は、前記の少なくとも１つの基準マーカーが前記ツール軸の周りを回転するときに、前記追跡モジュールが前記の少なくとも１つの基準マーカーの位置を記録するように、少なくとも１つの基準マーカーを備える）、
    を備える、
    システム。
21. 請求項２０のシステムであって、
    前記基準マーカーの前記の記録された位置に円を合わせるようにプログラムされたプロセッサをさらに備える、
    システム。
22. 請求項２０のシステムであって、
    前記プロセッサは、前記の合わせられた円に垂直なベクトルまたは前記の合わせられた円の中心点の少なくとも１つを計算する、
    システム。
23. 請求項２０から２２のいずれか一項のシステムであって、
    前記追跡モジュールは、回転中に、前記の３つの基準マーカーの位置を記録し、
    前記プロセッサは、円形モデルを前記の記録された位置に合わせて、円中心または前記円に垂直なベクトルの少なくとも１つを計算して、遠位リンク位置または遠位リンク方位の少なくとも１つを規定する、
    システム。
24. 物体を追跡するための基準マーカーアレイであって、
    剛性本体；および
    追跡モジュールと連通している少なくとも１つの基準マーカー（前記の少なくとも１つの基準マーカーが、前記基準マーカーの回転の中心からの距離をオフセットされるように、前記剛性本体の領域上に円形パスを作りながら回転する）
    を備える、
    基準マーカーアレイ。
25. 請求項２４の基準マーカーアレイであって、
    前記剛性本体に固定された基準マーカーをさらに備える、
    基準マーカーアレイ。

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