JP6970154B2 - Surgical robot automation with tracking markers - Google Patents

Surgical robot automation with tracking markers Download PDF

Info

Publication number
JP6970154B2
JP6970154B2 JP2019185124A JP2019185124A JP6970154B2 JP 6970154 B2 JP6970154 B2 JP 6970154B2 JP 2019185124 A JP2019185124 A JP 2019185124A JP 2019185124 A JP2019185124 A JP 2019185124A JP 6970154 B2 JP6970154 B2 JP 6970154B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
surgical
robot
implant
marker
tracking
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2019185124A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2020075108A (en
Inventor
ジョンソン ノーバート
クロフォード ニール
フォーサイス ジェフリー
Original Assignee
グローバス メディカル インコーポレイティッド
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US16/156,350 external-priority patent/US20190038366A1/en
Application filed by グローバス メディカル インコーポレイティッド filed Critical グローバス メディカル インコーポレイティッド
Publication of JP2020075108A publication Critical patent/JP2020075108A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6970154B2 publication Critical patent/JP6970154B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/36—Image-producing devices or illumination devices not otherwise provided for
    • A61B90/361—Image-producing devices, e.g. surgical cameras
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2046—Tracking techniques
    • A61B2034/2055—Optical tracking systems
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2046—Tracking techniques
    • A61B2034/2065—Tracking using image or pattern recognition

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Surgical Instruments (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Description

［関連出願の相互参照］
この出願は、２０１８年５月３１日に出願された米国特許第１５／６０９，３３４号（米国特許出願第２０１７−０２５８５３５号として公開）の一部継続出願であり、これは、２０１６年５月１８日に出願された米国特許出願第１５／１５７，４４４号（米国特許出願第２０１６−０２５６２２５号として公開）の一部継続出願であり、これは、２０１６年４月１１日に出願された米国特許出願第１５／０９５，８８３号（米国特許出願第２０１６−０２２０３２０号として公開）の一部継続出願であり、これは、２０１３年１０月２４日に出願された米国特許出願第１４／０６２，７０７号（米国特許出願第２０１４−０２７５９５５号として公開）の一部継続出願であり、これは、２０１３年６月２１日に出願された米国特許出願第１３／９２４，５０５号（米国特許第９，７８２，２２９号として公開）の一部継続出願であり、これは、２０１２年６月２１日に出願された仮出願第６１／６６２，７０２号（消滅）に対する優先権を主張し、および２０１３年３月１５日に出願された仮出願第６１／８００，５２７号（消滅）に対する優先権を主張する。本出願はまた、２０１７年１１月２１日に出願された仮出願番号第６２／５８３，８５１号に対する優先権を主張する。上で特定される出願の全てが、あらゆる目的のために、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。 [Cross-reference of related applications]
This application is a partial continuation of US Patent No. 15 / 609,334 (published as US Patent Application No. 2017-02585535) filed on May 31, 2018, which is May 2016. This is a partial continuation application of US Patent Application No. 15 / 157,444 (published as US Patent Application No. 2016-02562225) filed on 18th, which was filed on April 11, 2016 in the United States. This is a partial continuation application of Patent Application No. 15 / 095,883 (published as US Patent Application No. 2016-0220320), which is a US Patent Application No. 14/062, filed on October 24, 2013. It is a partial continuation application of No. 707 (published as US Patent Application No. 2014-0275955), which is the US Patent Application No. 13 / 924,505 filed on June 21, 2013 (US Patent No. 9). , 782,229), which claims priority over provisional application No. 61 / 662,702 (extinguished) filed June 21, 2012, and 2013. Claims priority over provisional application No. 61 / 800,527 (extinguished) filed on March 15, 2014. The application also claims priority to provisional application No. 62 / 583,851 filed on 21 November 2017. All of the applications identified above are incorporated herein by reference in their entirety for all purposes.

本開示は、特定の患者の解剖学的構造に適合するように改変された外科手術インプラントの手術用ナビゲーション、および患者の解剖学的構造上にオーバーレイされた改変外科手術インプラントのグラフィック表示を表示することに関連する。 The present disclosure displays surgical navigation of surgical implants modified to fit the anatomical structure of a particular patient, and a graphic representation of the modified surgical implants superimposed on the patient's anatomical structure. Related to that.

脊椎固定は、脊椎の変形を修正するために使用される外科的処置である。痛みを伴う症状を和らげるために運動を制限するように、脊椎の疼痛部分を融合させることを伴う。脊髄融合手術は、異常な脊柱湾曲（脊柱側弯症、異常脊柱後弯症）、変性椎間板疾患、脊椎すべり症、脊髄神経圧迫を引き起こす外傷、および感染または腫瘍によって引き起こされる椎骨不安定性を治療するために最も広く利用されている。 Spinal fusion is a surgical procedure used to correct spinal deformities. Accompanied by fusing the painful parts of the spine to limit exercise to relieve painful symptoms. Spinal fusion surgery is to treat abnormal spinal curvature (spine kyphosis, abnormal kyphosis), degenerative disc disease, spondylolisthesis, trauma that causes spinal nerve compression, and vertebral instability caused by infection or tumor. Most widely used.

融合手術は、ロッドおよびスクリューを備えた器具類、ならびに椎骨間の骨移植片の配置を伴う。手術中、外科医は、矢状面および冠状面の両方の脊柱のＸ線撮影パラメータが臨床的に許容される値に収まるように、脊柱の変形を修正する。手術中、外科医は修正された背骨をロッドを用いて所定の場所に固定する。ロッドは、背骨の形状に適合する必要があり、したがって、それに応じて曲げられる必要がある。 Fusion surgery involves the placement of instruments with rods and screws, as well as bone grafts between the vertebrae. During surgery, the surgeon corrects the spinal deformity so that the radiographic parameters of both the sagittal and coronal planes are within clinically acceptable values. During surgery, the surgeon uses a rod to secure the modified spine in place. The rod needs to fit the shape of the spine and therefore needs to be bent accordingly.

現在、開放手術でロッド配置を実施する際、ロッドは、外科医が全体を見渡すことのできる状況で、ねじヘッドのスロット内に押し込まれ得る。外科手術部位が露出しているため、外科医はロッドが適切に曲げられ、ねじヘッドに適合するかどうかを確認できる。これにより、外科医はその場で調整を行うこともできる。開放手術では、処置のための容易なアクセスおよび幅広い視野が許容されるが、回復および治癒時間は最小侵襲手術（ＭＩＳ）よりも長い。ＭＩＳ処置では、脊椎へのアクセスはいくつかの小さな切開を介して得られる。ＭＩＳ処置を利用する場合、挿入ガイドは各ねじからそれぞれの切開を貫通する。皮膚の下では、外科医がそれを軸方向に組織中を通す際に、ロッドが通過するため、ねじマウントにカットされたセクションがある。このプロセスは、一連の針の穴に糸を通すことに比することができる。しかし、糸とは異なり、ロッドは剛直であり、また外科手術構造が複数のレベルからなる場合に、曲げられたロッドの経路を見つけにくい。 Currently, when performing rod placement in open surgery, the rod can be pushed into the slot of the screw head in a situation where the surgeon can see the whole thing. The exposed surgical site allows the surgeon to ensure that the rod is properly bent and fits into the screw head. This also allows the surgeon to make adjustments on the fly. Open surgery allows easy access and wide field of view for the procedure, but recovery and healing times are longer than minimally invasive surgery (MIS). With MIS treatment, access to the spine is gained through several small incisions. When utilizing the MIS procedure, the insertion guide penetrates each incision from each screw. Under the skin, there is a section cut into a screw mount for the rod to pass as the surgeon passes it axially through the tissue. This process can be compared to threading a series of needle holes. However, unlike threads, the rod is rigid and it is difficult to find the path of the bent rod when the surgical structure consists of multiple levels.

ＭＩＳ処置において、外科医は位置認識システムを用いて、３次元（３Ｄ）における特定のオブジェクトの位置を決定し、それを追跡し得る。ロボット支援手術では、例えば、外科用器具および／または外科手術インプラントのような特定のオブジェクトは、器具がロボットまたは医師によって位置決めされ、動かされるとき、高度な精度で追跡される必要がある。 In the MIS procedure, the surgeon can use a position recognition system to locate and track a particular object in three dimensions (3D). In robot-assisted surgery, certain objects, such as surgical instruments and / or surgical implants, need to be tracked with a high degree of accuracy as the instrument is positioned and moved by the robot or physician.

赤外線信号に基づく位置認識システムは、オブジェクトを追跡するために能動および／または受動センサまたはマーカーを使用することができる。受動センサまたはマーカーでは、追跡されるオブジェクトは、反射球状ボールのような受動センサを含むことができ、受動センサは、追跡されるオブジェクトの戦略的位置に配置される。赤外線送信機は信号を送信し、反射球状ボールは信号を反射して、オブジェクトの３次元位置を決定するのを助ける。能動センサまたはマーカーにおいて、追跡されるオブジェクトは、発光ダイオード（ＬＥＤ）などのアクティブ赤外線送信機を含み、したがって、３Ｄ検出のためにそれ自身の赤外線信号を生成する。 Position recognition systems based on infrared signals can use active and / or passive sensors or markers to track objects. In a passive sensor or marker, the tracked object can include a passive sensor, such as a reflective spherical ball, which is placed at the strategic location of the tracked object. The infrared transmitter sends a signal, and the reflective spherical ball reflects the signal to help determine the three-dimensional position of the object. In an active sensor or marker, the tracked object includes an active infrared transmitter such as a light emitting diode (LED) and thus produces its own infrared signal for 3D detection.

能動または受動追跡センサのいずれかを用いて、システムは、一つまたは複数の赤外線カメラ、デジタル信号、能動および／または受動センサの既知の位置、距離、応答信号を受信するのに要した時間、他の既知の変数、またはそれらの組み合わせからの情報、またはそれらへの情報に基づいて、能動および／または受動センサの３次元位置を幾何学的に解決する。 With either active or passive tracking sensors, the time required for the system to receive one or more infrared cameras, digital signals, known positions, distances, response signals of active and / or passive sensors, Based on information from other known variables, or combinations thereof, or information to them, the 3D position of the active and / or passive sensor is geometrically resolved.

ロッドがねじヘッドチューリップを通して目で見ることなく位置付けられる必要があるため、最小侵襲手術中に脊髄ロッドを挿入することは困難であり得る。手術用ナビゲーション技術は、ＭＩＳ処置においてチューリップを通して曲げられたロッドを配置する間、外科医に可視性を提供することになる。従って、既知の様式でロッドに取り付けられたナビゲーションアレイを伴う曲げられたロッドの手術用ナビゲーションを可能にするニーズがあり、曲げられたロッドの形状は既知である必要がある。 Insertion of the spinal cord rod during minimally invasive surgery can be difficult because the rod needs to be positioned invisibly through the screw head tulip. Surgical navigation techniques will provide the surgeon with visibility while placing the bent rod through the tulips in the MIS procedure. Therefore, there is a need to enable surgical navigation of bent rods with navigation arrays attached to the rods in a known fashion, and the shape of the bent rods needs to be known.

このニーズおよびその他のニーズを満たすために、外科手術インプラントをナビゲートするための装置、システム、および方法が提供される。 To meet this and other needs, devices, systems, and methods for navigating surgical implants are provided.

一実施形態によれば、手術用ナビゲーションシステムは、コンピュータ、カメラ、ディスプレイ、インプラントトラッカーを有する外科手術インプラント、および外科手術インプラントと関連付けられたツールトラッカーを有する検出ツールを含む。コンピュータは、検出ツールが外科手術インプラントの外部表面に沿って移動すると、検出ツールの位置に関連付けられたデータを受信することによって、外科手術インプラントの形状を決定するように構成され得る。 According to one embodiment, the surgical navigation system includes a computer, a camera, a display, a surgical implant with an implant tracker, and a detection tool with a tool tracker associated with the surgical implant. The computer may be configured to determine the shape of the surgical implant by receiving data associated with the location of the detection tool as the detection tool moves along the outer surface of the surgical implant.

一実施形態によれば、ロボット支援外科手術で使用されるための手術用ロボットシステムは、コンピュータ、ロボットアーム、カメラ、ディスプレイ、インプラントトラッカーを有する外科手術インプラント、および外科手術インプラントと関連付けられたツールトラッカーを有する検出ツールを含む。コンピュータは、ロボットアームを患者の解剖学的構造の標的位置に移動させて、外科手術インプラントを挿入するように構成され得る。コンピュータは、検出ツールが外科手術インプラントの外部表面に沿って移動すると、検出ツールの位置に関連付けられたデータを受信することによって、外科手術インプラントの形状を決定するように構成され得る。 According to one embodiment, the surgical robot system for use in robot-assisted surgery is a computer, a robot arm, a camera, a display, a surgical implant with an implant tracker, and a tool tracker associated with the surgical implant. Includes detection tools with. The computer may be configured to move the robot arm to a target location in the patient's anatomy to insert a surgical implant. The computer may be configured to determine the shape of the surgical implant by receiving data associated with the location of the detection tool as the detection tool moves along the outer surface of the surgical implant.

図１は、外科施術中のロボットシステム、患者、外科医、および他の医療従事者の位置のあり得る配置の俯瞰図である。FIG. 1 is a bird's-eye view of possible locations of robotic systems, patients, surgeons, and other healthcare professionals during a surgical procedure. 図２は、一実施形態による、患者に対する手術用ロボットおよびカメラの位置決めを含むロボットシステムを示す。FIG. 2 shows a robotic system, including positioning of a surgical robot and a camera with respect to a patient, according to one embodiment. 図３は、例示的な実施形態による手術用ロボットシステムを示す。FIG. 3 shows a surgical robot system according to an exemplary embodiment. 図４は、例示的な実施形態による、手術用ロボットの一部分を示す。FIG. 4 shows a portion of a surgical robot according to an exemplary embodiment. 図５は、例示的な実施形態による手術用ロボットのブロック図を示す。FIG. 5 shows a block diagram of a surgical robot according to an exemplary embodiment. 図６は、例示的な実施形態による手術用ロボットを示す。FIG. 6 shows a surgical robot according to an exemplary embodiment. 図７Ａ〜７Ｃは、例示的な実施形態によるエンドエフェクタを示す。7A-7C show end effectors according to exemplary embodiments. 図８は、一実施形態によるエンドエフェクタのガイドチューブ内に外科用器具を挿入する前後の外科用器具およびエンドエフェクタを示す。FIG. 8 shows the surgical instrument and the end effector before and after inserting the surgical instrument into the guide tube of the end effector according to the embodiment. 図９Ａ〜９Ｃは、例示的な実施形態によるエンドエフェクタおよびロボットアームの部分を示す。9A-9C show portions of the end effector and robot arm according to an exemplary embodiment. 図１０は、例示的な実施形態による動的基準アレイ、撮像アレイ、および他のコンポーネントを示す。FIG. 10 shows a dynamic reference array, an imaging array, and other components according to an exemplary embodiment. 図１１は、例示的な実施形態による登録の方法を示す。FIG. 11 shows a registration method according to an exemplary embodiment. 図１２Ａ〜１２Ｂは、例示的な実施形態による撮像装置の実施形態を示す。12A-12B show embodiments of an image pickup apparatus according to an exemplary embodiment. 図１３Ａは、例示的な実施形態による、ロボットアームとエンドエフェクタとを含むロボットの一部を示す。FIG. 13A shows a portion of a robot, including a robot arm and an end effector, according to an exemplary embodiment.

図１３Ｂは、エンドエフェクタの拡大図であり、図１３Ａに示すように、複数の追跡マーカーがその上にしっかりと固定される。 FIG. 13B is an enlarged view of the end effector, on which a plurality of tracking markers are firmly anchored, as shown in FIG. 13A.

図１３Ｃは、一実施形態による、複数の追跡マーカーがその上にしっかりと固定されたツールまたは器具である。
図１４Ａは、第一構成の可動追跡マーカーを有するエンドエフェクタの代替バージョンである。 FIG. 13C is a tool or instrument, according to one embodiment, on which a plurality of tracking markers are firmly immobilized.
FIG. 14A is an alternative version of the end effector with the first configuration movable tracking marker.

図１４Ｂは、第二の構成の可動追跡マーカーを有する図１４Ａに示すエンドエフェクタである。 FIG. 14B is the end effector shown in FIG. 14A with a second configuration movable tracking marker.

図１４Ｃは、図１４Ａの第一の構成における追跡マーカーのテンプレートを示す。 FIG. 14C shows a template for tracking markers in the first configuration of FIG. 14A.

図１４Ｄは、図１４Ｂの第二の構成における追跡マーカーのテンプレートを示す。
図１５Ａは、単一の追跡マーカーのみがその上に固定されたエンドエフェクタの代替バージョンを示す。 図１５Ｂは、ガイドチューブを介して配置された器具を有する図１５Ａのエンドエフェクタを示す。 図１５Ｃは、二つの異なる位置に器具を有する図１５Ａのエンドエフェクタを示し、器具がガイドチューブ内にまたはガイドチューブの外側に配置されるかどうかを決定するための結果のロジックを示す。 図１５Ｄは、図１５Ａのエンドエフェクタを示すが、器具は、二つの異なるフレームでかつガイドチューブ上の単一の追跡マーカーに対して相対的な距離でガイドチューブ内にある。 図１５Ｅは、座標系に対して図１５Ａのエンドエフェクタを示す。 図１６は、ロボットのエンドエフェクタを所望の標的軌道にナビゲートして移動させる方法のブロック図である。 また、図１７Ａおよび１７Ｂは、それぞれ、収縮および拡張位置に固定および可動追跡マーカーを有する拡張可能インプラントを挿入するための器具を示す。 また、図１８Ａおよび１８Ｂは、それぞれ、挿入位置および傾斜位置に固定および可動追跡マーカーを有する関節のあるインプラントを挿入するための器具を示す。 図１９Ａは、交換可能または代替のエンドエフェクタを含むロボットの一実施形態を示す。 FIG. 14D shows a template for tracking markers in the second configuration of FIG. 14B.
FIG. 15A shows an alternative version of an end effector with only a single tracking marker immobilized on it. FIG. 15B shows the end effector of FIG. 15A with an instrument placed via a guide tube. FIG. 15C shows the end effector of FIG. 15A with the instrument in two different positions and shows the resulting logic for determining whether the instrument is located inside or outside the guide tube. FIG. 15D shows the end effector of FIG. 15A, where the instrument is in the guide tube at two different frames and at a distance relative to a single tracking marker on the guide tube. FIG. 15E shows the end effector of FIG. 15A with respect to the coordinate system. FIG. 16 is a block diagram of a method of navigating and moving a robot end effector to a desired target trajectory. Also, FIGS. 17A and 17B show instruments for inserting expandable implants with fixed and movable tracking markers in contraction and expansion positions, respectively. Also, FIGS. 18A and 18B show instruments for inserting articulated implants with fixed and movable tracking markers in insertion and tilt positions, respectively. FIG. 19A shows an embodiment of a robot that includes replaceable or alternative end effectors.

図１９Ｂは、器具スタイルのエンドエフェクタが結合されたロボットの一実施形態を示す。
図２０Ａ〜２０Ｂは、本開示の原理と一致する外科手術インプラントを示す。 図２１は、本開示の原理と一致する外科手術インプラントを追跡するためのシステムの例示的な実施形態を示す。 図２２は、本開示の原理と一致する外科手術インプラントを追跡するための例示的方法を示す。 図２３Ａ〜２３Ｃは、本開示の原理と一致する脊髄インプラントの幾何学的形状を決定するための例示的な実施形態を示す。 FIG. 19B shows an embodiment of a robot coupled with an instrument-style end effector.
20A-20B show surgical implants consistent with the principles of the present disclosure. FIG. 21 shows an exemplary embodiment of a system for tracking surgical implants that is consistent with the principles of the present disclosure. FIG. 22 shows an exemplary method for tracking surgical implants that is consistent with the principles of the present disclosure. 23A-23C show exemplary embodiments for determining the geometry of spinal implants that are consistent with the principles of the present disclosure.

本開示は、その適用において、本明細書の説明に記載された、または図面に示された構成の詳細およびコンポーネントの配置に限定されないことを理解されたい。本開示の教示は、他の実施形態において使用され、実施され、様々な方法で実施され、または実行されてもよい。また、本明細書で使用される表現および用語は、説明のためのものであり、限定的であると見なされるべきではないことを理解されたい。本明細書中の「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」または「有す（ｈａｖｉｎｇ）」の使用およびそれらの変形は、その後に列挙されるアイテムおよびその等価物ならびに追加のアイテムを含むことを意味する。別段に特定または限定されていない限り、「装着される（ｍｏｕｎｔｅｄ）」、「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「支持される（ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ）」および「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語およびそれらの変形は、広範に使用され、直接的および間接的な取り付け、接続、支持および結合の両方を包含する。さらに、「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」および「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」は、物理的または機械的な接続または結合に限定されない。 It is to be understood that this disclosure is not limited in its application to the configuration details and component arrangements described in the description of this specification or shown in the drawings. The teachings of the present disclosure may be used, practiced, practiced in various ways, or practiced in other embodiments. It should also be understood that the expressions and terms used herein are for illustration purposes only and should not be considered limiting. The use of "include", "comprising" or "having" and variations thereof herein include the items listed below and their equivalents as well as additional items. Means. Unless otherwise specified or limited, the terms "mounted", "connected", "supported" and "coupled" and theirs. Deformations are widely used and include both direct and indirect attachment, connection, support and coupling. Further, "connected" and "coupled" are not limited to physical or mechanical connections or connections.

以下の議論は、当業者が本開示の実施形態を作成し使用することを可能にするために提示される。例解された実施形態に対する様々な変更は、当業者には容易に明らかであり、本明細書の原理は、本開示の実施形態から逸脱することなく他の実施形態およびアプリケーションに適用することができる。したがって、実施形態は、示された実施形態に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示された原理および特徴と一致する最も広い範囲が与えられるべきである。以下の詳細な説明は、図面を参照して読まれるべきであり、異なる図における同様の要素は、同様の参照番号を有する。必ずしも縮尺通りではない図面は、選択された実施形態を示しており、実施形態の範囲を限定するものではない。当業者は、本明細書で提供される例が多くの有用な代替物を有し、実施形態の範囲内に入ることを認識するであろう。 The following discussion is presented to allow one of ordinary skill in the art to create and use embodiments of the present disclosure. Various changes to the illustrated embodiments will be readily apparent to those of skill in the art and the principles herein may apply to other embodiments and applications without departing from the embodiments of the present disclosure. can. Accordingly, embodiments are not intended to be limited to the embodiments shown, and should be given the broadest scope consistent with the principles and features disclosed herein. The following detailed description should be read with reference to the drawings, and similar elements in different figures have similar reference numbers. Drawings that are not necessarily on scale indicate the selected embodiment and do not limit the scope of the embodiment. Those skilled in the art will recognize that the examples provided herein have many useful alternatives and fall within the scope of the embodiments.

ここで図面を参照すると、図１および図２は、例示的な実施形態による手術用ロボットシステム１００を示す。手術用ロボットシステム１００は、例えば、外科手術用ロボット１０２と、一つまたは複数のロボットアーム１０４と、基部１０６と、ディスプレイ１１０と、ガイドチューブ１１４を含むエンドエフェクタ１１２と、一つまたは複数の追跡マーカー１１８とを含む。手術用ロボットシステム１００は、患者２１０に直接（例えば、患者２１０の骨に）固定されるように適合された一つまたは複数の追跡マーカー１１８も含む患者追跡装置１１６を含むことができる。手術用ロボットシステム１００は、例えば、カメラスタンド２０２上に配置されたカメラ２００を利用することもできる。カメラスタンド２０２は、カメラ２００を所望の位置に移動させ、方向付けし、支持するための任意の適切な構成を有することができる。カメラ２００は、好適な任意のカメラ、または、カメラ２００の視点から見ることができる所与の測定ボリューム内にある、例えば能動的および受動的な追跡マーカー１１８を識別することができる、一つまたは複数の赤外線カメラ（例えば、二焦点カメラまたは立体写真測量カメラ）等のカメラを含んでもよい。カメラ２００は、所与の測定ボリュームを走査し、マーカー１１８から来る光を検出して、マーカー１１８の三次元での位置を識別し、決定することができる。例えば、能動マーカー１１８は、電気信号によって作動する赤外線発光マーカー（例えば、赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ））を含むことができ、受動マーカー１１８は、例えば、カメラ２００上の照明器または他の適切な装置によって発光される、赤外線を反射する再帰反射マーカー（例えば、それらは、入射ＩＲ照射を入射光の方向へ反射する）を含むことができる。 Referring here to the drawings, FIGS. 1 and 2 show a surgical robot system 100 according to an exemplary embodiment. The surgical robot system 100 includes, for example, a surgical robot 102, one or more robot arms 104, a base 106, a display 110, an end effector 112 including a guide tube 114, and one or more tracking. Includes marker 118 and. The surgical robot system 100 can include a patient tracking device 116 that also includes one or more tracking markers 118 adapted to be fixed directly to the patient 210 (eg, to the bone of the patient 210). The surgical robot system 100 can also use, for example, a camera 200 arranged on the camera stand 202. The camera stand 202 can have any suitable configuration for moving, orienting, and supporting the camera 200 in the desired position. The camera 200 can identify any suitable camera, or, for example, an active and passive tracking marker 118, which is within a given measurement volume visible from the viewpoint of the camera 200, one or the other. It may include a camera such as a plurality of infrared cameras (eg, a bifocal camera or a stereoscopic photography camera). The camera 200 can scan a given measurement volume, detect the light coming from the marker 118, and identify and determine the three-dimensional position of the marker 118. For example, the active marker 118 can include an infrared emitting marker (eg, an infrared light emitting diode (LED)) that is actuated by an electrical signal, and the passive marker 118 is, for example, an illuminator or other suitable device on the camera 200. Can include infrared-reflecting retroreflective markers (eg, they reflect incident IR irradiation in the direction of incident light) emitted by.

また、図１および図２は、手術室環境における手術用ロボットシステム１００の配置のあり得る構成を示す。例えば、ロボット１０２は、患者２１０の近くに、または患者２１０の隣に配置することができる。患者２１０の頭の近くに描かれているが、ロボット１０２は、手術を受ける患者２１０の領域に応じて、患者２１０の近くの任意の適切な場所に配置することができることが理解されよう。カメラ２００は、ロボットシステム１００から分離され、患者２１０の足に配置されてもよい。この位置は、カメラ２００が外科手術領域２０８に対して視覚的に直接視線を有することを可能にする。ここでも、カメラ２００は、外科手術領域２０８に対し視線を有する任意の適切な位置に配置することができると考えられる。示された構成では、外科医１２０はロボット１０２の反対側に配置されるが、依然としてエンドエフェクタ１１２およびディスプレイ１１０を操作することができる。外科医助手１２６もエンドエフェクタ１１２とディスプレイ１１０の両方にアクセスできるよう、外科医１２０の反対側に、配置することができる。必要に応じて、外科医１２０と助手１２６の位置を逆にしてもよい。麻酔医１２２および看護師または手術室技師１２４のための従来からの領域は、ロボット１０２およびカメラ２００の位置によって妨げられないままである。 In addition, FIGS. 1 and 2 show possible configurations of the surgical robot system 100 in an operating room environment. For example, the robot 102 can be placed near the patient 210 or next to the patient 210. Although depicted near the patient 210's head, it will be appreciated that the robot 102 can be placed at any suitable location near the patient 210, depending on the area of the patient 210 undergoing surgery. The camera 200 may be separated from the robot system 100 and placed on the foot of the patient 210. This position allows the camera 200 to have a visual direct line of sight to the surgical area 208. Again, it is believed that the camera 200 can be placed at any suitable position with a line of sight to the surgical area 208. In the configuration shown, the surgeon 120 is located on the opposite side of the robot 102, but can still operate the end effector 112 and the display 110. The surgeon assistant 126 can also be placed on the opposite side of the surgeon 120 so that both the end effector 112 and the display 110 can be accessed. If necessary, the positions of the surgeon 120 and the assistant 126 may be reversed. The traditional area for the anesthesiologist 122 and the nurse or operating room technician 124 remains unobstructed by the positions of the robot 102 and the camera 200.

ロボット１０２の他のコンポーネントに関して、ディスプレイ１１０は、手術用ロボット１０２に取り付けることができ、他の例示的な実施形態では、ディスプレイ１１０は、外科手術用ロボット１０２から離され、手術用ロボット１０２と一緒に手術室内か、または、遠隔地に置かれる。エンドエフェクタ１１２は、ロボットアーム１０４に結合され、少なくとも一つのモータによって制御されてもよい。例示的な実施形態では、エンドエフェクタ１１２は、患者２１０に対して外科手術を行うために使用される外科用器具６０８（本明細書でさらに説明する）を受け入れて配向することができるガイドチューブ１１４を含むことができる。本明細書で使用される用語「エンドエフェクタ」は、「エンドエフェクチュエータ」および「エフェクチュエータ要素」という用語と交換可能に使用される。概してガイドチューブ１１４で示されるが、エンドエフェクタ１１２は、外科手術での使用に適した任意の適切な器具で置き換えることができることが理解されよう。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ１１２は、外科用器具６０８の移動を所望の方法で行うための任意の既知の構造を含むことができる。 With respect to other components of the robot 102, the display 110 can be attached to the surgical robot 102, and in another exemplary embodiment, the display 110 is separated from the surgical robot 102 and together with the surgical robot 102. Placed in the operating room or in a remote location. The end effector 112 may be coupled to the robot arm 104 and controlled by at least one motor. In an exemplary embodiment, the end effector 112 is a guide tube 114 capable of receiving and orienting a surgical instrument 608 (discussed further herein) used to perform surgery on a patient 210. Can be included. The term "end effector" as used herein is used interchangeably with the terms "end effector" and "effectuator element". Although generally indicated by the guide tube 114, it will be appreciated that the end effector 112 can be replaced with any suitable instrument suitable for surgical use. In some embodiments, the end effector 112 can include any known structure for performing the movement of the surgical instrument 608 in the desired manner.

手術用ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２の並進および配向を制御することができる。ロボット１０２は、例えば、エンドエフェクタ１１２をｘ、ｙ、ｚ軸に沿って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に関連するオイラーアングル（例えば、ロール、ピッチ、および／またはヨー）の一つまたは複数が選択的に制御できるように）ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の一つまたは複数、およびｚフレーム軸の回りに選択的に回転するよう構成することができる。いくつかの例示的な実施形態では、エンドエフェクタ１１２の並進および配向の選択的制御は、例えば、回転軸のみを含む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、大幅に改善された正確性を有する医療処置の実行を可能にする。例えば、手術用ロボットシステム１００は患者２１０上で動作するために使用され、ロボットアーム１０４は患者２１０の身体の上方に位置付けられ、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される。 The surgical robot 102 can control the translation and orientation of the end effector 112. The robot 102 can, for example, move the end effector 112 along the x, y, and z axes. The end effector 112 is of the x-axis, y-axis, and z-axis (so that one or more of the Euler angles (eg, roll, pitch, and / or yaw) associated with the end effector 112 can be selectively controlled). It can be configured to selectively rotate one or more, and around the z-frame axis. In some exemplary embodiments, the selective control of translation and orientation of the end effector 112 is significantly improved compared to, for example, a conventional robot utilizing a robotic arm with 6 degrees of freedom containing only the axis of rotation. Allows the execution of medical procedures with the accuracy given. For example, the surgical robot system 100 is used to operate on the patient 210, the robot arm 104 is positioned above the patient 210's body, and the end effector 112 is selected with respect to the z-axis towards the patient 210's body. Is angled.

いくつかの例示的な実施形態では、外科用器具６０８の位置を動的に更新して、手術用ロボット１０２が手術中に外科用器具６０８の位置を常に知ることができるようにすることができる。その結果、いくつかの例示的な実施形態では、手術用ロボット１０２は、（医師が望む場合を除いて）外科用器具６０８を医師のさらなる助けなしに素早く所望の位置に移動させることができる。さらなるいくつかの実施形態では、外科用器具６０８が選択されたあらかじめ計画された軌道から逸脱する場合、外科用器具６０８の経路を修正するように手術用ロボット１０２を構成することができる。いくつかの例示的な実施形態では、手術用ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２および／または外科用器具６０８の動きの停止、変更、および／または手動制御を可能にするように構成され得る。したがって、使用中、例示的な実施形態では、医師または他のユーザは、システム１００を操作することができ、エンドエフェクタ１１２および／または外科用器具６０８の自律移動を停止、修正、または手動で制御する選択肢を有する。手術用ロボット１０２による外科用器具６０８の制御および移動を含む手術用ロボットシステム１００のさらなる詳細は、同時係属中の米国特許出願番号１３／９２４，５０５に見出すことができ、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。 In some exemplary embodiments, the position of the surgical instrument 608 can be dynamically updated so that the surgical robot 102 is always aware of the position of the surgical instrument 608 during surgery. .. As a result, in some exemplary embodiments, the surgical robot 102 can quickly move the surgical instrument 608 (unless the doctor desires) to the desired position without the further help of the doctor. In some further embodiments, the surgical robot 102 can be configured to modify the path of the surgical instrument 608 if the surgical instrument 608 deviates from a selected pre-planned trajectory. In some exemplary embodiments, the surgical robot 102 may be configured to allow stopping, modification, and / or manual control of the end effector 112 and / or the surgical instrument 608. Thus, in use, in an exemplary embodiment, the physician or other user can operate the system 100 and stop, modify, or manually control the autonomous movement of the end effector 112 and / or the surgical instrument 608. Have the option to do. Further details of the Surgical Robot System 100, including the control and movement of the Surgical Instrument 608 by the Surgical Robot 102, can be found in the co-pending US Patent Application No. 13 / 924,505, which is in its entirety by reference. Incorporated in the specification.

ロボット外科手術システム１００は、ロボットアーム１０４、エンドエフェクタ１１２、患者２１０、および／または外科用器具６０８の三次元での動きを追跡するように構成される一つまたは複数の追跡マーカー１１８を含むことができる。例示的な実施形態では、複数の追跡マーカー１１８を、例えばロボット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の外側表面に取り付ける（そうでなければ固定する）ことができるが、これに限定されない。例示的な実施形態では、複数の追跡マーカー１１８のうちの少なくとも一つの追跡マーカー１１８をエンドエフェクタ１１２に取り付けるか、または別の方法で固定することができる。一つまたは複数の追跡マーカー１１８は、患者２１０にさらに取り付けてもよい（または別の方法で固定されてもよい）。例示的な実施形態では、外科医、外科用ツール、またはロボット１０２の他の部分によって不明瞭になる可能性を低減するために、複数の追跡マーカー１１８を外科手術領域２０８から離れた患者２１０上に配置することができる。さらに、一つまたは複数の追跡マーカー１１８を外科用ツール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など）にさらに取り付ける（または別の方法で固定する）ことができる。したがって、追跡マーカー１１８は、マークされたオブジェクト（例えば、エンドエフェクタ１１２、患者２１０、および外科用ツール６０８）のそれぞれをロボット１０２によって追跡することを可能にする。例示的な実施形態では、システム１００は、マークされたオブジェクトのそれぞれから収集された追跡情報を使用して、例えばエンドエフェクタ１１２、外科用器具６０８（例えば、エンドエフェクタ１１２のチューブ１１４内に配置される）の配向と位置および患者２１０の相対位置計算することができる。 The robotic surgical system 100 comprises one or more tracking markers 118 configured to track the movement of the robot arm 104, the end effector 112, the patient 210, and / or the surgical instrument 608 in three dimensions. Can be done. In an exemplary embodiment, a plurality of tracking markers 118 are attached (otherwise fixed) to the outer surface of the robot 102, such as on the base 106 of the robot 102, on the robot arm 104, or on the end effector 112. However, it is not limited to this. In an exemplary embodiment, at least one of the plurality of tracking markers 118 can be attached to the end effector 112 or otherwise secured. The one or more follow-up markers 118 may be further attached (or otherwise immobilized) to the patient 210. In an exemplary embodiment, multiple follow-up markers 118 are placed on the patient 210 away from the surgical area 208 to reduce the possibility of obscuring by the surgeon, surgical tool, or other part of the robot 102. Can be placed. In addition, one or more tracking markers 118 can be further attached (or otherwise secured) to a surgical tool 608 (eg, screwdriver, dilator, implant inserter, etc.). Therefore, the tracking marker 118 allows each of the marked objects (eg, end effector 112, patient 210, and surgical tool 608) to be tracked by the robot 102. In an exemplary embodiment, the system 100 is placed in, for example, an end effector 112, a surgical instrument 608 (eg, a tube 114 of the end effector 112) using tracking information collected from each of the marked objects. The orientation and position of the patient 210 and the relative position of the patient 210 can be calculated.

マーカー１１８は、放射線不透過性または光学マーカーを含むことができる。マーカー１１８は、球形、回転楕円形、円筒形、立方体、直方体などを含む適切な形状にすることができる。例示的な実施形態では、一つまたは複数のマーカー１１８は光学マーカーであってもよい。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ１１２上の一つまたは複数の追跡マーカー１１８の位置決めは、エンドエフェクタ１１２の位置を確認または確認するよう機能することによって、位置測定の精度を最大にすることができる。手術用ロボット１０２および外科用器具６０８の制御、移動および追跡を含む手術用ロボットシステム１００のさらなる詳細は、同時係属中の米国特許出願第１３／９２４，５０５号に見出すことができ、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。 The marker 118 can include a radiation opaque or optical marker. The marker 118 can have a suitable shape including a sphere, a spheroid, a cylinder, a cube, a rectangular parallelepiped, and the like. In an exemplary embodiment, the one or more markers 118 may be optical markers. In some embodiments, the positioning of one or more tracking markers 118 on the end effector 112 may maximize the accuracy of position measurement by functioning to confirm or confirm the position of the end effector 112. can. Further details of the surgical robot system 100, including control, movement and tracking of the surgical robot 102 and the surgical instrument 608, can be found in co-pending US Patent Application No. 13 / 924,505, in its entirety. Incorporated herein by reference.

例示的な実施形態は、外科用器具６０８に結合された一つまたは複数のマーカー１１８を含む。例示的な実施形態では、例えば、患者２１０および外科用器具６０８に結合されたこれらのマーカー１１８、ならびにロボット１０２のエンドエフェクタ１１２に結合されたマーカー１１８は、従来の赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ）、またはＯｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）のような市販の赤外線光学追跡システムを使用して追跡可能なＯｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）ダイオードを含むことができる。Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）は、カナダ、オンタリオ州、ウォータールーのＮｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｃ．の登録商標である。他の実施形態では、マーカー１１８は、Ｐｏｌａｒｉｓ Ｓｐｅｃｔｒａなどの市販の光学追跡システムを使用して追跡することができる従来の反射球を含むことができる。Ｐｏｌａｒｉｓ ＳｐｅｃｔｒａはＮｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ，Ｉｎｃ．の登録商標である。例示的な実施形態では、エンドエフェクタ１１２に結合されたマーカー１１８は、オンおよびオフにすることができる赤外線発光ダイオードを含む能動マーカーであり、患者２１０および外科用器具６０８に結合されたマーカー１１８は受動反射球体を含む。 An exemplary embodiment comprises one or more markers 118 coupled to a surgical instrument 608. In an exemplary embodiment, for example, these markers 118 coupled to the patient 210 and the surgical instrument 608, as well as the marker 118 coupled to the end effector 112 of the robot 102, are conventional infrared light emitting diodes (LEDs), or Optorak® diodes that can be tracked using a commercially available infrared optical tracking system such as Optorak® can be included. Optitrak® is known from Northern Digital Inc. of Waterloo, Ontario, Canada. Is a registered trademark of. In another embodiment, the marker 118 can include a conventional reflective sphere that can be tracked using a commercially available optical tracking system such as Polaris Spectra. Polaris Spectra is described by Northern Digital, Inc. Is a registered trademark of. In an exemplary embodiment, the marker 118 coupled to the end effector 112 is an active marker comprising an infrared light emitting diode that can be turned on and off, and the marker 118 coupled to the patient 210 and the surgical instrument 608 is Includes passively reflecting spheres.

例示的な実施形態では、マーカー１１８から放射された、および／またはマーカー１１８によって反射された光は、カメラ２００によって検出され、マークされたオブジェクトの位置および動きを監視するために使用され得る。代替的な実施形態では、マーカー１１８は、無線周波数および／または電磁気反射器または受信機を含むことができ、カメラ２００は、無線周波数および／または電磁気受信機を含むか、またはそれらに置き換えることができる。 In an exemplary embodiment, the light emitted from and / or reflected by the marker 118 can be detected by the camera 200 and used to monitor the position and movement of the marked object. In an alternative embodiment, the marker 118 may include a radio frequency and / or an electromagnetic reflector or receiver, and the camera 200 may include or replace a radio frequency and / or an electromagnetic receiver. can.

手術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に従う、ドッキングされた構成の手術用ロボットシステム３００およびカメラスタンド３０２を示す。手術用ロボットシステム３００は、ディスプレイ３０４と、上アーム３０６と、下アーム３０８と、エンドエフェクタ３１０と、縦柱３１２と、キャスター３１４と、キャビネット３１６と、タブレット引出し３１８と、コネクタパネル３２０と、制御パネル３２２と、情報のリング３２４とを含むロボット３０１を含む。カメラスタンド３０２は、カメラ３２６を含むことができる。これらのコンポーネントは、図５を参照してより拡大して説明される。図３は、例えば使用されていないときに、カメラスタンド３０２がロボット３０１と入れ子になっているドッキング構成の手術用ロボットシステム３００を示す。当業者であれば、カメラ３２６およびロボット３０１は、互いに分離され、外科施術中に、例えば、図１および図２に示されるように、任意の適切な位置に配置され得ることが理解されよう。 Similar to the surgical robot system 100, FIG. 3 shows a surgical robot system 300 and a camera stand 302 in a docked configuration according to an exemplary embodiment of the present disclosure. The surgical robot system 300 controls a display 304, an upper arm 306, a lower arm 308, an end effector 310, a vertical column 312, a caster 314, a cabinet 316, a tablet drawer 318, a connector panel 320, and the like. Includes a robot 301 that includes a panel 322 and a ring of information 324. The camera stand 302 can include a camera 326. These components will be described in a larger scale with reference to FIG. FIG. 3 shows a surgical robot system 300 in a docked configuration in which the camera stand 302 is nested with the robot 301, for example when not in use. Those skilled in the art will appreciate that the camera 326 and the robot 301 can be separated from each other and placed in any suitable position during the surgical procedure, eg, as shown in FIGS. 1 and 2.

図４は、本開示の例示的な実施形態と一致する基部４００を示す。基部４００は、手術用ロボットシステム３００の一部であってもよく、キャビネット３１６を含んでもよい。キャビネット３１６は、バッテリ４０２、電力分配モジュール４０４、プラットフォ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、およびタブレット引出し４１４を含むがこれに限定されない手術用ロボットシステム３００の特定のコンポーネントを収容することができる。これらのコンポーネント間の接続および関係は、図５を参照してより詳細に説明される。 FIG. 4 shows a base 400 consistent with an exemplary embodiment of the present disclosure. The base 400 may be part of the surgical robot system 300 and may include a cabinet 316. The cabinet 316 can accommodate specific components of the surgical robot system 300 including, but not limited to, a battery 402, a power distribution module 404, a platform interface board module 406, a computer 408, a handle 412, and a tablet drawer 414. .. The connections and relationships between these components are described in more detail with reference to FIG.

図５は、手術用ロボットシステム３００の例示的な実施形態の特定のコンポーネントのブロック図を示す。手術用ロボットシステム３００は、プラットフォームサブシステム５０２、コンピュータサブシステム５０４、動作制御サブシステム５０６、および追跡サブシステム５３２を含むことができる。プラットフォームサブシステム５０２は、バッテリ４０２、電力分配モジュール４０４、プラットフォームインターフェースボードモジュール４０６、およびタブレット充電ステーション５３４をさらに含むことができる。コンピュータサブシステム５０４は、コンピュータ４０８、ディスプレイ３０４、およびスピーカ５３６をさらに含むことができる。動作制御サブシステム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、およびコントローラ５３８をさらに含むことができる。追跡サブシステム５３２は、位置センサ５４０およびカメラ変換器５４２をさらに含むことができる。システム３００はまた、フットペダル５４４およびタブレット５４６を含むことができる。 FIG. 5 shows a block diagram of a particular component of an exemplary embodiment of a surgical robot system 300. The surgical robot system 300 can include a platform subsystem 502, a computer subsystem 504, a motion control subsystem 506, and a tracking subsystem 532. The platform subsystem 502 can further include a battery 402, a power distribution module 404, a platform interface board module 406, and a tablet charging station 534. The computer subsystem 504 may further include a computer 408, a display 304, and a speaker 536. The operation control subsystem 506 can further include a drive circuit 508, a motor 510, 512, 514, 516, 518, a ballast 520, 522, 524, 526, an end effector 310, and a controller 538. The tracking subsystem 532 can further include a position sensor 540 and a camera converter 542. The system 300 can also include a foot pedal 544 and a tablet 546.

入力電力は、電力分配モジュール４０４に供給され得る電源５４８を介してシステム３００に供給される。電力分配モジュール４０４は、入力電力を受け取り、システム３００の他のモジュール、コンポーネント、およびサブシステムに提供される異なる電源供給電圧を生成するように構成される。電力分配モジュール４０４は、プラットフォームインターフェースモジュール４０６に異なる電圧を供給するように構成することができるが、電圧は、コンピュータ４０８、ディスプレイ３０４、スピーカ５３６、例えば電力モータ５１２、５１４、５１６、５１８およびエンドエフェクタ３１０のドライバ５０８、モータ５１０、リング３２４、カメラ変換器５４２、およびシステム３００のための他のコンポーネント（例えばキャビネット３１６内の電気部品を冷却するためのファン）、などの他のコンポーネントに提供することができる。 The input power is supplied to the system 300 via a power source 548 which may be supplied to the power distribution module 404. The power distribution module 404 is configured to receive input power and generate different power supply voltages provided to other modules, components, and subsystems of the system 300. The power distribution module 404 can be configured to supply different voltages to the platform interface module 406, but the voltage is such that the computer 408, display 304, speaker 536, eg power motors 512, 514, 516, 518 and end effectors. To provide to other components such as the driver 508 of the 310, the motor 510, the ring 324, the camera converter 542, and other components for the system 300 (eg, fans for cooling electrical components in cabinet 316). Can be done.

電力分配モジュール４０４はまた、タブレット引出し３１８内に配置され得るタブレット充電ステーション５３４などの他のコンポーネントに電力を供給し得る。タブレット充電ステーション５３４は、テーブル５４６の充電のために、タブレット５４６との無線または有線通信してもよい。タブレット５４６は、本開示と一致し、本明細書に記載される外科医によって使用され得る。 The power distribution module 404 may also power other components, such as the tablet charging station 534, which may be located within the tablet drawer 318. The tablet charging station 534 may communicate wirelessly or by wire with the tablet 546 to charge the table 546. Tablet 546 is consistent with the present disclosure and can be used by the surgeons described herein.

電力分配モジュール４０４は、電力分配モジュール４０４が入力電力５４８から電力を受け取らない場合に一時的な電源として働くバッテリ４０２に接続されてもよい。他の時には、電力分配モジュール４０４は、必要に応じてバッテリ４０２を充電するように働くことができる。 The power distribution module 404 may be connected to a battery 402 that acts as a temporary power source when the power distribution module 404 does not receive power from the input power 548. At other times, the power distribution module 404 can serve to charge the battery 402 as needed.

プラットフォームサブシステム５０２の他のコンポーネントは、コネクタパネル３２０、制御パネル３２２、およびリング３２４も含むことができる。コネクタパネル３２０は、異なる装置およびコンポーネントをシステム３００および／または関連するコンポーネントおよびモジュールに接続するように機能することができる。コネクタパネル３２０は、異なるコンポーネントからラインまたは接続を受ける一つまたは複数のポートを含むことができる。例えば、コネクタパネル３２０は、システム３００を他の機器に接地する接地端子ポート、フットペダル５４４をシステム３００に接続するポート、追跡サブシステム５３２（位置センサ５４０、カメラ変換器５４２、カメラスタンド３０２に関連するカメラ３２６と、を含むことができる）に接続するポートを有することができる。コネクタパネル３２０は、コンピュータ４０８のような他のコンポーネントへのＵＳＢ、イーサネット（登録商標）、ＨＤＭＩ（登録商標）通信を可能にする他のポートを含むこともできる。 Other components of the platform subsystem 502 can also include a connector panel 320, a control panel 322, and a ring 324. The connector panel 320 can function to connect different devices and components to the system 300 and / or related components and modules. The connector panel 320 can include one or more ports that receive lines or connections from different components. For example, the connector panel 320 relates to a ground terminal port for grounding the system 300 to other equipment, a port for connecting the foot pedal 544 to the system 300, and a tracking subsystem 532 (position sensor 540, camera converter 542, camera stand 302). Can have a port to connect to a camera 326 and can include). The connector panel 320 may also include other ports that allow USB, Ethernet®, HDMI® communication to other components such as the computer 408.

制御パネル３２２は、システム３００の動作を制御する、および／またはシステム３００に関する情報を提供する様々なボタンまたはインジケータを提供することができる。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するためのボタン、縦柱３１２を上げるか、または下げるためのボタン、およびシステム３００を物理的に移動させるのを防ぐためにキャスター３１４に係合するように設計された安定器５２０〜５２６を上げるかまたは下げるためのボタンを含むことができる。緊急事態が発生した場合には、他のボタンがシステム３００を停止させてもよいが、これによりすべてのモータ動力が除去され、機械的ブレーキが加えられてすべての動作が停止する。制御パネル３２２はまた、バッテリ４０２のライン電力インジケータまたは充電状態などの特定のシステム状態をユーザに通知するインジケータを有することができる。 The control panel 322 can provide various buttons or indicators that control the operation of the system 300 and / or provide information about the system 300. For example, the control panel 322 engages with a button for powering on or off the system 300, a button for raising or lowering the column 312, and a caster 314 to prevent the system 300 from being physically moved. The stabilizers 520-526 designed to fit can include buttons for raising or lowering. In the event of an emergency, other buttons may stop the system 300, but this removes all motor power and applies mechanical braking to stop all operations. The control panel 322 can also have a line power indicator for the battery 402 or an indicator that informs the user of a particular system condition such as charge status.

リング３２４は、システム３００のユーザに、システム３００が動作している異なるモードおよびユーザに対するある種の警告を通知する視覚的インジケータとすることができる。 The ring 324 can be a visual indicator that alerts the user of the system 300 to different modes in which the system 300 is operating and certain warnings to the user.

コンピュータサブシステム５０４は、コンピュータ４０８と、ディスプレイ３０４と、スピーカ５３６とを含む。コンピュータ５０４は、システム３００を動作させるオペレーティングシステムと、ソフトウェアとを含む。コンピュータ５０４は、ユーザに情報を表示するために、他のコンポーネント（例えば、追跡サブシステム５３２、プラットフォームサブシステム５０２、および／または動作制御サブシステム５０６）から情報を受信し処理することができる。さらに、コンピュータサブシステム５０４は、ユーザにオーディオを提供するスピーカ５３６を含むこともできる。 The computer subsystem 504 includes a computer 408, a display 304, and a speaker 536. The computer 504 includes an operating system for operating the system 300 and software. The computer 504 can receive and process information from other components (eg, tracking subsystem 532, platform subsystem 502, and / or motion control subsystem 506) in order to display the information to the user. Further, the computer subsystem 504 may also include a speaker 536 that provides audio to the user.

追跡サブシステム５３２は、位置センサ５０４と変換器５４２とを含むことができる。追跡サブシステム５３２は、図３に関して説明したカメラ３２６を含むカメラスタンド３０２に対応することができる。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、外科施術中にユーザが使用するシステム３００の異なるコンポーネントおよび／または器具上に位置する特定のマーカーの位置を追跡することができる。この追跡は、それぞれ、ＬＥＤまたは反射マーカーなどの能動または受動素子の位置を追跡する赤外線技術の使用を含む、本開示と一致する方法で行われてもよい。これらのタイプのマーカーを有する構造体の位置、配向、および配置は、ディスプレイ３０４上のユーザに示されるコンピュータ４０８に提供されてもよい。例えば、これらのタイプのマーカーを有し、このようにして（ナビゲーション空間と呼ぶことができる）追跡される外科用器具６０８は、患者の解剖学的構造の三次元画像に関連してユーザに示されてもよい。 The tracking subsystem 532 can include a position sensor 504 and a converter 542. The tracking subsystem 532 can accommodate a camera stand 302 that includes the camera 326 described with respect to FIG. The position sensor 504 may be a camera 326. The tracking subsystem can track the location of specific markers located on different components and / or instruments of the system 300 used by the user during surgery. This tracking may be performed in a manner consistent with the present disclosure, each including the use of infrared technology for tracking the location of active or passive elements such as LEDs or reflective markers. The location, orientation, and placement of structures with these types of markers may be provided to the computer 408 shown to the user on the display 304. For example, a surgical instrument 608 that has these types of markers and is tracked in this way (which can be called the navigation space) is shown to the user in relation to a three-dimensional image of the patient's anatomy. May be done.

動作制御サブシステム５０６は、縦柱３１２、上アーム３０６、下アーム３０８、を物理的に移動させ、または回転エンドエフェクタ３１０回転させるように構成することができる。物理的な移動は、一つまたは複数のモータ５１０〜５１８の使用を通じて行うことができる。例えば、モータ５１０は縦柱３１２を垂直に持ち上げるかまたは下降させるように構成することができる。モータ５１２は、図３に示すように、縦柱３１２との係合点の周りで上アーム３０８を横方向に移動させるように構成することができる。モータ５１４は、図３に示すように、下アーム３０８を上アーム３０８との係合点の周りで横方向に移動させるように構成することができる。モータ５１６および５１８は、ひとつがロールを制御し、ひとつが傾斜を制御して、エンドエフェクタ３１０を移動させるように構成することができ、それによって、エンドエフェクタ３１０を移動させることができる複数の角度を提供することができる。これらの動きは、エンドエフェクタ３１０上に配置され、ユーザが所望の方法でシステム３００を移動させるためにこれらのロードセルに係合することによって起動される、ロードセルを介してこれらの動きを制御するコントローラ５３８によって達成され得る。 The motion control subsystem 506 can be configured to physically move the vertical column 312, the upper arm 306, and the lower arm 308, or to rotate the rotary end effector 310. Physical movement can be done through the use of one or more motors 510-518. For example, the motor 510 can be configured to vertically lift or lower the vertical column 312. As shown in FIG. 3, the motor 512 can be configured to laterally move the upper arm 308 around the engagement point with the vertical column 312. The motor 514 can be configured to laterally move the lower arm 308 around the point of engagement with the upper arm 308, as shown in FIG. Motors 516 and 518 can be configured to move the end effector 310, one controlling the roll and one controlling the tilt, thereby moving the end effector 310 at multiple angles. Can be provided. These movements are placed on the end effector 310 and are activated by engaging the load cells in order for the user to move the system 300 in a desired manner, a controller that controls these movements via the load cells. Can be achieved by 538.

さらに、システム３００は、ディスプレイ３０４（タッチスクリーン入力装置とすることができる）上でユーザがディスプレイ３０４上の患者の解剖学的構造の三次元画像上の外科用器具またはコンポーネントの位置を示すことにより、縦柱３１２、上アーム３０６、および下アーム３０８の自動移動を提供することができる。ユーザは、フットペダル５４４またはいくつかの他の入力手段を踏んでこの自動移動を開始することができる。 Further, the system 300 allows the user to indicate on the display 304 (which can be a touch screen input device) the location of a surgical instrument or component on a three-dimensional image of the patient's anatomy on the display 304. , Vertical columns 312, upper arm 306, and lower arm 308 can be provided for automatic movement. The user can initiate this automatic movement by stepping on the foot pedal 544 or some other input means.

図６は、例示的な実施形態による手術用ロボットシステム６００を示す。手術用ロボットシステム６００と、エンドエフェクタ６０２と、ロボットアーム６０４と、ガイドチューブ６０６と、器具６０８と、ロボット基部６１０とを含むことができる。器具ツール６０８は、一つまたは複数の追跡マーカー（マーカー１１８など）を含む追跡アレイ６１２に取り付けられ、関連する軌道６１４を有することができる。軌道６１４は、ガイドチューブ６０６を通って位置決めされるかまたは固定されると、器具ツール６０８が移動するように構成される移動経路（例えば器具ツール６０８が患者に挿入される経路など）を表すことができる。例示的な動作では、ロボット基部６１０は、ロボットアーム６０４およびエンドエフェクタ６０２と電子的に通信するように構成され、手術用ロボットシステム６００は、患者２１０上で動作する際、ユーザ（例えば外科医）を支援する。手術用ロボットシステム６００は、前述した手術用ロボットシステム１００および３００と一致し得る。 FIG. 6 shows a surgical robot system 600 according to an exemplary embodiment. It can include a surgical robot system 600, an end effector 602, a robot arm 604, a guide tube 606, an instrument 608, and a robot base 610. The instrument tool 608 can be attached to a tracking array 612 containing one or more tracking markers (such as the marker 118) and have an associated orbit 614. The orbit 614 represents a travel path (eg, a path through which the instrument tool 608 is inserted into the patient) configured to move the instrument tool 608 when positioned or anchored through the guide tube 606. Can be done. In an exemplary operation, the robot base 610 is configured to electronically communicate with the robot arm 604 and the end effector 602, and the surgical robot system 600 moves the user (eg, a surgeon) when operating on the patient 210. Support. The surgical robot system 600 may be consistent with the surgical robot systems 100 and 300 described above.

追跡アレイ６１２は、器具ツール６０８の位置および配向を監視するために、器具６０８に据え付けられてもよい。追跡アレイ６１２は、器具６０８に取り付けられてもよく、追跡マーカー８０４を含んでもよい。図８に最もよく示されるように、追跡マーカー８０４は、例えば、発光ダイオードおよび／または他のタイプの反射マーカー（例えば、本明細書の別の場所で説明したマーカー１１８）であってもよい。追跡装置は、手術用ロボットシステムに関連する一つまたは複数の視線装置であってもよい。例として、追跡装置は、手術用ロボットシステム１００、３００に関連する一つまたは複数のカメラ２００、３２６であってもよく、ロボットアーム６０４、ロボット基部６１０、エンドエフェクタ６０２、および／または患者２１０に関連して器具６０８の定義された領域または相対的な配向について追跡アレイ６１２を追跡してもよい。追跡装置は、カメラスタンド３０２および追跡サブシステム５３２に関連して説明した構造と一致していてもよい。 The tracking array 612 may be mounted on the instrument 608 to monitor the position and orientation of the instrument tool 608. The tracking array 612 may be attached to the instrument 608 or may include a tracking marker 804. As best shown in FIG. 8, the tracking marker 804 may be, for example, a light emitting diode and / or other type of reflection marker (eg, the marker 118 described elsewhere herein). The tracking device may be one or more gaze devices associated with the surgical robot system. As an example, the tracking device may be one or more cameras 200, 326 associated with the surgical robot system 100, 300, to the robot arm 604, the robot base 610, the end effector 602, and / or the patient 210. In connection with this, the tracking array 612 may be tracked for a defined region or relative orientation of the instrument 608. The tracking device may be consistent with the structures described in connection with the camera stand 302 and tracking subsystem 532.

また、図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃは、例示的な実施形態によるエンドエフェクタ６０２の上面図、正面図、および側面図をそれぞれ示す。エンドエフェクタ６０２は、一つまたは複数の追跡マーカー７０２を含むことができる。追跡マーカー７０２は、発光ダイオードまたは他のタイプの能動および受動マーカー、例えば前述の追跡マーカー１１８であってもよい。例示的な実施形態では、追跡マーカー７０２は、電気信号（例えば、赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ））によって起動される能動赤外線発光マーカーである。したがって、追跡マーカー７０２は、赤外線マーカー７０２がカメラ２００、３２６に見えるようにアクティブにしてもよい、または赤外線マーカー７０２がカメラ２００、３２６には見えないように非アクティブにしてもよい。したがって、マーカー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、マーカー７０２が非アクティブ化されると、エンドエフェクタ６０２は所定の位置にロックされ、システム１００、３００、６００によっては動くことができない。 7A, 7B and 7C show a top view, a front view and a side view of the end effector 602 according to an exemplary embodiment, respectively. The end effector 602 can include one or more tracking markers 702. The tracking marker 702 may be a light emitting diode or other type of active and passive marker, such as the tracking marker 118 described above. In an exemplary embodiment, the tracking marker 702 is an active infrared emitting marker activated by an electrical signal (eg, an infrared light emitting diode (LED)). Therefore, the tracking marker 702 may be active so that the infrared marker 702 is visible to the cameras 200 and 326, or may be inactive so that the infrared marker 702 is not visible to the cameras 200 and 326. Thus, when the marker 702 is active, the end effector 602 is controlled by systems 100, 300, 600, and when the marker 702 is deactivated, the end effector 602 is locked in place and the systems 100, 300, Some 600 cannot move.

マーカー７０２は、マーカー７０２が一つまたは複数のカメラ２００、３２６、または手術用ロボットシステム１００、３００、６００に関連する他の追跡装置によって視認されるように、エンドエフェクタ６０２の上または内部に配置されてもよい。カメラ２００、３２６または他の追跡装置は、追跡マーカー７０２の移動に追従して異なる位置および視野角に移動するときにエンドエフェクタ６０２を追跡することができる。マーカー７０２および／またはエンドエフェクタ６０２の位置は、手術用ロボットシステム１００、３００、６００に関連するディスプレイ１１０、３０４、例えば図２に示すディスプレイ１１０および／または図３に示すディスプレイ３０４に示されてもよい。このディスプレイ１１０、３０４により、ユーザは、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、および／またはユーザに対して望ましい位置にあることを確実にすることができる。 The marker 702 is placed on or inside the end effector 602 so that the marker 702 is visible by one or more cameras 200, 326, or other tracking devices associated with the surgical robot systems 100, 300, 600. May be done. The camera 200, 326 or other tracking device can track the end effector 602 as it moves to a different position and viewing angle following the movement of the tracking marker 702. The location of the markers 702 and / or end effector 602 may also be indicated on displays 110, 304 associated with the surgical robot systems 100, 300, 600, such as display 110 shown in FIG. 2 and / or display 304 shown in FIG. good. The displays 110, 304 allow the user to ensure that the end effector 602 is in the desired position for the robot arm 604, the robot base 610, the patient 210, and / or the user.

例えば、図７Ａに示すように、マーカー７０２をエンドエフェクタ６０２の表面の周りに配置して、外科手術領域２０８から離れて配置され、ロボット１０２、３０１およびカメラ２００、３２６の方を向いている追跡装置が、追跡装置１００、３００、６００に対するエンドエフェクタ６０２の一般的な配向の範囲を通って少なくとも３つのマーカー７０２を見ることができる。例えば、このようにマーカー７０２を分布させることにより、エンドエフェクタ６０２が外科手術領域２０８内で移動および回転されるときに、追跡装置によってエンドエフェクタ６０２を監視することが可能になる。 For example, as shown in FIG. 7A, a marker 702 is placed around the surface of the end effector 602, placed away from the surgical area 208, and tracked towards robots 102, 301 and cameras 200, 326. The device can see at least three markers 702 through the range of general orientation of the end effector 602 with respect to the tracking devices 100, 300, 600. For example, such distribution of the marker 702 makes it possible for the tracking device to monitor the end effector 602 as it is moved and rotated within the surgical area 208.

さらに、例示的な実施形態では、エンドエフェクタ６０２は、外部カメラ２００、３２６がマーカー７０２を読み取る準備ができているときを検出することができる赤外線（ＩＲ）受信機を含むことができる。この検出に際して、エンドエフェクタ６０２はマーカー７０２を照らすことができる。外部カメラ２００、３２６がマーカー７０２を読み取る準備ができていることをＩＲ受信機が検出することにより、発光ダイオードであってもよいマーカー７０２のデューティサイクルを外部カメラ２００、３２６に同期させる必要があることを知らせることができる。これはまた、全体としてロボットシステムによるより低い電力消費を可能にすることができ、それにより、マーカー７０２は、連続的に照射される代わりに適切な時間にのみ照射される。さらに、例示的な実施形態では、マーカー７０２の電源をオフにして、異なるタイプの外科用器具６０８などの他のナビゲーションツールとの干渉を防止することができる。 Further, in an exemplary embodiment, the end effector 602 can include an infrared (IR) receiver capable of detecting when the external cameras 200 and 326 are ready to read the marker 702. Upon this detection, the end effector 602 can illuminate the marker 702. The duty cycle of the marker 702, which may be a light emitting diode, needs to be synchronized with the external cameras 200 and 326 by the IR receiver detecting that the external cameras 200 and 326 are ready to read the marker 702. I can tell you that. It can also allow lower power consumption by the robotic system as a whole, whereby the marker 702 is illuminated only at the appropriate time instead of being continuously illuminated. Further, in an exemplary embodiment, the marker 702 can be powered off to prevent interference with other navigation tools such as different types of surgical instruments 608.

図８は、追跡アレイ６１２および追跡マーカー８０４を含む一つのタイプの外科用器具６０８を示す。追跡マーカー８０４は発光ダイオードまたは反射球を含む、本明細書に記載された任意のタイプのものでよいが、これに、限定するものではない。マーカー８０４は、手術用ロボットシステム１００、３００、６００に関連する追跡装置によって監視され、一つまたは複数の視線カメラ２００、３２６であってもよい。カメラ２００、３２６は、追跡アレイ６１２およびマーカー８０４の位置および配向に基づいて器具６０８の位置を追跡することができる。外科医１２０のようなユーザは、追跡アレイ６１２およびマーカー８０４が、追跡装置またはカメラ２００、３２６によって十分に認識され、器具６０８およびマーカー８０４を、例えば例示的な手術用ロボットシステムのディスプレイ１１０上に表示するように器具６０８を向けることができる。 FIG. 8 shows one type of surgical instrument 608 containing a tracking array 612 and a tracking marker 804. The tracking marker 804 may be, but is not limited to, any type described herein, including light emitting diodes or reflective spheres. The marker 804 may be monitored by tracking devices associated with the surgical robot systems 100, 300, 600 and may be one or more line-of-sight cameras 200, 326. The cameras 200 and 326 can track the position of the instrument 608 based on the position and orientation of the tracking array 612 and the marker 804. A user, such as the surgeon 120, has the tracking array 612 and the marker 804 fully recognized by the tracking device or camera 200, 326 and displays the instrument 608 and the marker 804, eg, on the display 110 of an exemplary surgical robot system. The instrument 608 can be pointed to do so.

外科医１２０が器具６０８をエンドエフェクタ６０２のガイドチューブ６０６内に配置し、器具６０８を調整する方法は、図８において明らかである。エンドエフェクタ１１２、３１０、６０２の中空チューブまたはガイドチューブ１１４、６０６は、外科用器具６０８の少なくとも一部分を受容するような大きさおよび構成を有する。ガイドチューブ１１４、６０６は、外科用器具６０８の挿入および軌道が患者２１０の体内または体上の所望の解剖学的標的に到達できるように、ロボットアーム１０４によって方向付けられるように構成される。外科用器具６０８は、略円筒形の器具の少なくとも一部を含み得る。スクリュードライバが外科用ツール６０８として例示されるが、任意の適切な外科用ツール６０８がエンドエフェクタ６０２によって位置決めされてもよいことは理解されよう。一例として、外科用器具６０８は、一つまたは複数のガイドワイヤ、カニューレ、レトラクタ、ドリル、リーマ、スクリュードライバ、挿入ツール、除去ツールなどを含み得る。中空チューブ１１４、６０６は全体として円筒形状を有するものとして示されるが、当業者であれば、ガイドチューブ１１４、６０６は、外科用器具６０８を収容し、手術部位にアクセスするのに望ましい任意の適切なサイズおよび構成を有することができる。 The method by which the surgeon 120 places the instrument 608 in the guide tube 606 of the end effector 602 and adjusts the instrument 608 is apparent in FIG. The hollow tubes or guide tubes 114, 606 of the end effectors 112, 310, 602 are sized and configured to receive at least a portion of the surgical instrument 608. The guide tubes 114, 606 are configured to be oriented by the robot arm 104 so that the insertion and trajectory of the surgical instrument 608 can reach the desired anatomical target within or on the body of the patient 210. The surgical instrument 608 may include at least a portion of a substantially cylindrical instrument. Although the screwdriver is exemplified as a surgical tool 608, it will be appreciated that any suitable surgical tool 608 may be positioned by the end effector 602. As an example, the surgical instrument 608 may include one or more guide wires, cannulas, retractors, drills, reamers, screwdrivers, insertion tools, removal tools and the like. Hollow tubes 114, 606 are shown as having a cylindrical shape as a whole, but those skilled in the art would find guide tubes 114, 606 any suitable suitable for accommodating surgical instruments 608 and accessing the surgical site. Can have different sizes and configurations.

また、図９Ａ〜図９Ｃは、例示的な実施形態によるエンドエフェクタ６０２およびロボットアーム６０４の一部を示す。エンドエフェクタ６０２は、本体１２０２およびクランプ１２０４をさらに含むことができる。クランプ１２０４は、ハンドル１２０６、ボール１２０８、バネ１２１０、およびリップ１２１２を含むことができる。ロボットアーム６０４は、窪み１２１４、取り付けプレート１２１６、リップ１２１８、および磁石１２２０をさらに含むことができる。 9A-9C also show a portion of the end effector 602 and the robot arm 604 according to an exemplary embodiment. The end effector 602 can further include a body 1202 and a clamp 1204. Clamp 1204 can include a handle 1206, a ball 1208, a spring 1210, and a lip 1212. The robot arm 604 can further include a recess 1214, a mounting plate 1216, a lip 1218, and a magnet 1220.

エンドエフェクタ６０２は、一つまたは複数のカップリングを介して手術用ロボットシステムおよびロボットアーム６０４と機械的にインターフェースおよび／または係合することができる。例えば、エンドエフェクタ６０２は、位置決めカップリングおよび／または補強カップリングを介してロボットアーム６０４と係合することができる。これらの結合によって、エンドエフェクタ６０２は、可撓性で無菌の障壁の外側でロボットアーム６０４に固定することができる。例示的な実施形態では位置決めカップリングは磁気キネマティックマウントであってもよく、補強カップリングは五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。 The end effector 602 can mechanically interface and / or engage with the surgical robot system and robot arm 604 via one or more couplings. For example, the end effector 602 can engage the robot arm 604 via a positioning coupling and / or a reinforcing coupling. These couplings allow the end effector 602 to be secured to the robot arm 604 outside the flexible and sterile barrier. In an exemplary embodiment, the positioning coupling may be a magnetic kinematic mount and the reinforced coupling may be a five-bar overcenter clamping link mechanism.

位置決めカップリングに関して、ロボットアーム６０４は、非磁性材料、一つまたは複数の窪み１２１４、リップ１２１８、および磁石１２２０であってもよい取り付けプレート１２１６を含むことができる。磁石１２２０は、窪み１２１４の各々の下に取り付けられている。クランプ１２０４の部分は、磁性材料を含み、一つまたは複数の磁石１２２０によって引き付けられる。クランプ１２０４およびロボットアーム６０４の磁気吸引により、ボール１２０８はそれぞれの窪み１２１４内に着座するようになる。例えば、図９Ｂに示すボール１２０８は、図９Ａに示すように、窪み１２１４内に着座する。この座は、磁気アシストキネマティックカップリングと考えることができる。磁石１２２０は、エンドエフェクタ６０２の配向にかかわらず、エンドエフェクタ６０２の全重量を支持するのに十分な強度を有するように構成することができる。位置決めカップリングは、６自由度を一意的に制限する任意のスタイルのキネマティックマウントである。 With respect to the positioning coupling, the robot arm 604 can include a non-magnetic material, one or more recesses 1214, a lip 1218, and a mounting plate 1216, which may be a magnet 1220. Magnets 1220 are mounted under each of the recesses 1214. The portion of the clamp 1204 contains a magnetic material and is attracted by one or more magnets 1220. The magnetic attraction of the clamp 1204 and the robot arm 604 causes the balls 1208 to sit in their respective recesses 1214. For example, the ball 1208 shown in FIG. 9B sits in the recess 1214, as shown in FIG. 9A. This seat can be thought of as a magnetically assisted kinematic coupling. The magnet 1220 can be configured to have sufficient strength to support the full weight of the end effector 602, regardless of the orientation of the end effector 602. The positioning coupling is any style of kinematic mount that uniquely limits 6 degrees of freedom.

補強カップリングに関して、クランプ１２０４の部分は、固定接地リンクとなるように構成することができ、そのようなクランプ１２０４は、五つの棒状リンク機構として機能することができる。リップ１２１２およびリップ１２１８が、エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４を固定するようにクランプ１２０４に係合するとき、閉鎖クランプハンドル１２０６は、エンドエフェクタ６０２をロボットアーム６０４に固定してもよい。クランプハンドル１２０６が閉じられているとき、クランプ１２０４がロック位置にある間、バネ１２１０は伸張されてもよいし応力が加えられてもよい。ロック位置は、中心を過ぎたリンク機構を提供する位置であってもよい。クランプ１２０４を解放するためにクランプハンドル１２０６に適用される力がない場合には、リンク機構は開かない。したがって、ロック位置において、エンドエフェクタ６０２は、ロボットアーム６０４にしっかりと固定され得る。 With respect to the reinforcing coupling, the portion of the clamp 1204 can be configured to be a fixed ground link, such a clamp 1204 can function as five rod-shaped link mechanisms. The closing clamp handle 1206 may secure the end effector 602 to the robot arm 604 when the lip 1212 and the lip 1218 engage the clamp 1204 to secure the end effector 602 and the robot arm 604. When the clamp handle 1206 is closed, the spring 1210 may be stretched or stressed while the clamp 1204 is in the locked position. The locking position may be a position that provides a link mechanism past the center. If there is no force applied to the clamp handle 1206 to release the clamp 1204, the linkage will not open. Therefore, in the locked position, the end effector 602 can be firmly fixed to the robot arm 604.

バネ１２１０は、張力のある湾曲ビームであってもよい。バネ１２１０は、未使用のＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）のような高い剛性と高降伏歪みを示す材料で構成することができる。エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４との間のリンク機構は、二つのカップリングの締結を妨げることなく、エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４との間の無菌バリアを提供し得る。 The spring 1210 may be a curved beam with tension. The spring 1210 can be made of a material that exhibits high stiffness and high yield strain, such as unused PEEK (polyetheretherketone). The link mechanism between the end effector 602 and the robot arm 604 may provide a sterile barrier between the end effector 602 and the robot arm 604 without interfering with the fastening of the two couplings.

補強カップリングは、複数のバネ部材とのリンク機構であってもよい。補強カップリングは、カムまたは摩擦に基づく機構でラッチすることができる。補強カップリングは、エンドエフェクタ１０２をロボットアーム６０４に固定するのを支援する、十分に強力な電磁石であってもよい。補強カップリングは、エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４との間のインターフェースを滑り、ねじ機構、オーバーセンタリンク機構、または、カム機構で固定するエンドエフェクタ６０２および／またはロボットアーム６０４から完全に分離する多数のカラーであってもよい。 The reinforcing coupling may be a link mechanism with a plurality of spring members. Reinforcing couplings can be latched by a cam or friction-based mechanism. The reinforcing coupling may be a sufficiently strong electromagnet that assists in fixing the end effector 102 to the robot arm 604. Reinforcing couplings slide the interface between the end effector 602 and the robot arm 604 and are completely separated from the end effector 602 and / or the robot arm 604 secured by a threading mechanism, overcenter link mechanism, or cam mechanism. It may be the color of.

図１０および図１１を参照すると、外科施術の前または間に、ナビゲーション空間および画像空間の両方において、患者２１０のオブジェクトおよび標的解剖学的構造を追跡するために、特定の登録手順が実施されてもよい。このような登録を行うために、登録システム１４００を図１０に示すように使用することができる。 With reference to FIGS. 10 and 11, specific enrollment procedures are performed to track the object and target anatomy of patient 210, both in the navigation space and in the imaging space, before or during the surgical procedure. May be good. To perform such registration, the registration system 1400 can be used as shown in FIG.

患者２１０の位置を追跡するために、患者追跡装置１１６は、患者２１０の硬い解剖学的構造に固定される患者固定器具１４０２を含み、動的基準ベース（ＤＲＢ）１４０４は、患者固定器具１４０２に固定的に取り付けられてもよい。例えば、患者固定器具１４０２は、動的基準ベース１４０４の開口部１４０６に挿入されてもよい。動的基準ベース１４０４は、追跡サブシステム５３２のような追跡装置に見えるマーカー１４０８を含むことができる。これらのマーカー１４０８は、本明細書で前述したように、光学マーカーまたは追跡マーカー１１８などの反射球であってもよい。 To track the location of the patient 210, the patient tracking device 116 includes a patient fixation device 1402 that is secured to the rigid anatomical structure of the patient 210, and a dynamic reference base (DRB) 1404 is attached to the patient fixation device 1402. It may be fixedly attached. For example, the patient fixation device 1402 may be inserted into the opening 1406 of the dynamic reference base 1404. The dynamic reference base 1404 can include a marker 1408 that looks like a tracking device such as tracking subsystem 532. These markers 1408 may be reflective spheres such as optical markers or tracking markers 118, as described herein above.

患者固定器具１４０２は、患者２１０の硬い解剖学的構造に取り付けられ、外科施術中に取り付けられたままであり得る。例示的な実施形態では、患者固定器具１４０２は、患者２１０の硬い領域、例えば、外科施術の対象となる標的解剖学的構造から離れて位置する骨に取り付けられる。標的解剖学的構造を追跡するために、動的基準ベース１４０４は、動的基準ベース１４０４を標的解剖学的構造の位置で登録するために、標的解剖学的構造上またはその付近に一時的に配置される登録固定具の使用を通して、標的解剖学的構造と関連する。 The patient fixation device 1402 is attached to the rigid anatomy of the patient 210 and may remain attached during the surgical procedure. In an exemplary embodiment, the patient fixation device 1402 is attached to a rigid area of the patient 210, eg, a bone located away from the target anatomy to be surgically operated. To track the target anatomy, the dynamic reference base 1404 temporarily registers on or near the target anatomy to register the dynamic reference base 1404 at the location of the target anatomy. Through the use of registered fixtures that are placed, it is associated with the target anatomy.

登録固定具１４１０は、枢動アーム１４１２を使用して患者固定器具１４０２に取り付けられる。枢動アーム１４１２は、患者固定器具１４０２を登録固定具１４１０の開口部１４１４に挿入することによって患者固定器具１４０２に取り付けられる。枢動アーム１４１２は、例えば、枢動アーム１４１２の開口部１４１８にノブ１４１６を挿入することによって、登録固定具１４１０に取り付けられる。 The registration fixture 1410 is attached to the patient fixation device 1402 using the pivot arm 1412. The pivot arm 1412 is attached to the patient fixation device 1402 by inserting the patient fixation device 1402 into the opening 1414 of the registration fixture 1410. The pivot arm 1412 is attached to the registration fixture 1410, for example, by inserting the knob 1416 into the opening 1418 of the pivot arm 1412.

枢動アーム１４１２を使用して、登録固定具１４１０を標的解剖学的構造の上に配置することができ、その位置は、登録固定具１４１０上の追跡マーカー１４２０および／または基準１４２２を使用して画像空間およびナビゲーション空間において決定することができる。登録固定具１４１０は、ナビゲーション空間で見えるマーカー１４２０の集合を含むことができる（例えば、マーカー１４２０は、追跡サブシステム５３２によって検出可能であり得る）。追跡マーカー１４２０は、本明細書で前述したように、赤外光で可視的な光学マーカーであってもよい。登録固定具１４１０は、撮像空間（例えば、三次元ＣＴ画像）内で視認可能な、例えばベアリングボールなどの基準点１４２２の集合体を含むこともできる。図１１を参照してより詳細に説明するように、登録固定具１４１０を使用して、標的解剖学的構造を動的基準ベース１４０４に関連付けることができ、それにより、解剖学的構造の画像にナビゲーション空間内のオブジェクトの描写をオーバーレイすることができる。標的解剖学的構造から離れた位置に配置された動的基準ベース１４０４は、基準点となり、それにより、登録固定具１４１０および／または枢動アーム１４１２を手術領域から除去することができる。 The pivot arm 1412 can be used to place the registration fixture 1410 over the target anatomy, and its position can be positioned using the tracking marker 1420 and / or reference 1422 on the registration fixture 1410. It can be determined in the image space and the navigation space. Registration fixture 1410 can include a set of markers 1420 visible in the navigation space (eg, marker 1420 may be detectable by tracking subsystem 532). The tracking marker 1420 may be an optical marker visible in infrared light, as described herein above. The registration fixture 1410 can also include an aggregate of reference points 1422 visible in the imaging space (eg, a three-dimensional CT image), such as a bearing ball. As described in more detail with reference to FIG. 11, a registration fixture 1410 can be used to associate the target anatomy with the dynamic reference base 1404, thereby making an image of the anatomy. You can overlay the depiction of objects in the navigation space. The dynamic reference base 1404, located away from the target anatomy, serves as a reference point, which allows the registration fixture 1410 and / or the pivot arm 1412 to be removed from the surgical area.

図１１は、本開示による、登録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から始まり、標的解剖学的構造のグラフィック表示（または画像）をシステム１００、３００、６００、例えばコンピュータ４０８にインポートすることができる。このグラフィック表示は、登録固定具１４１０および検出可能な基準の撮像パターン１４２０を含む、患者２１０の標的解剖学的構造の三次元ＣＴまたは蛍光透視スキャンであってもよい。 FIG. 11 provides an exemplary method 1500 for registration according to the present disclosure. Method 1500 can begin at step 1502 and import a graphic representation (or image) of the target anatomy into systems 100, 300, 600, such as computer 408. This graphic display may be a three-dimensional CT or fluoroscopic scan of the target anatomy of patient 210, including a registered fixture 1410 and a detectable reference imaging pattern 1420.

ステップ１５０４において、基準点１４２０の撮像パターンが検出され、撮像空間に登録され、コンピュータ４０８に記憶される。任意選択的に、ステップ１５０６においてこの時点で、登録固定具１４１０のグラフィック表示を、標的解剖学的構造の画像上にオーバーレイすることができる。 In step 1504, the image pickup pattern of the reference point 1420 is detected, registered in the image pickup space, and stored in the computer 408. Optionally, at this point in step 1506, the graphic display of the registration fixture 1410 can be overlaid on the image of the target anatomy.

ステップ１５０８では、マーカー１４２０を認識することによって、登録固定具１４１０のナビゲーションパターンが検出され、登録される。マーカー１４２０は、位置センサ５４０を介して追跡サブシステム５３２によって赤外線によってナビゲーション空間内で認識される光学マーカーであってもよい。したがって、標的解剖学的構造の位置、配向、および他の情報がナビゲーション空間に登録される。したがって、登録固定具１４１０は、基準点１４２２の使用による画像空間およびマーカー１４２０の使用によるナビゲーション空間の両方で認識され得る。ステップ１５１０で、画像空間における登録固定具１４１０の登録がナビゲーション空間に転送される。この転送は、例えば、マーカー１４２０のナビゲーションパターンの位置と比較した基準１４２２の撮像パターンの相対位置を使用することによって行われる。 In step 1508, by recognizing the marker 1420, the navigation pattern of the registration fixture 1410 is detected and registered. The marker 1420 may be an optical marker recognized in the navigation space by infrared light by the tracking subsystem 532 via the position sensor 540. Therefore, the position, orientation, and other information of the target anatomy is registered in the navigation space. Therefore, the registration fixture 1410 can be recognized both in the image space by using the reference point 1422 and in the navigation space by using the marker 1420. In step 1510, the registration of the registration fixture 1410 in the image space is transferred to the navigation space. This transfer is performed, for example, by using the relative position of the imaging pattern of reference 1422 compared to the position of the navigation pattern of marker 1420.

ステップ１５１２において、登録固定具１４１０のナビゲーション空間の登録（画像空間で登録される）は、さらに、患者固定器具１４０２に取り付けられた動的登録アレイ１４０４のナビゲーション空間に転送される。したがって、ナビゲーション空間が画像空間に関連付けられているため、登録固定具１４１０を除去し、動的基準ベース１４０４を使用して、ナビゲーション空間および画像空間の両方の標的解剖学的構造を追跡することができる。 In step 1512, the registration of the navigation space of the registration fixture 1410 (registered in the image space) is further transferred to the navigation space of the dynamic registration array 1404 attached to the patient fixation device 1402. Therefore, since the navigation space is associated with the image space, it is possible to remove the registration fixture 1410 and use the dynamic reference base 1404 to track the target anatomy of both the navigation space and the image space. can.

ステップ１５１４および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ー（例えば、光学マーカー８０４を用いる外科用器具６０８）を用いて、画像空間およびオブジェクト上にオーバーレイしてもよい。オブジェクトは、標的解剖学的構造の画像上の外科用器具６０８のグラフィック表示を通して追跡することができる。 In steps 1514 and 1516, the navigation space may be overlaid on the image space and objects using markers recognizable in the navigation space (eg, surgical instruments 608 with optical markers 804). Objects can be tracked through a graphic representation of the surgical instrument 608 on an image of the target anatomy.

また、図１２Ａ〜図１２Ｂは、患者２１０の術前、手術中、手術後、および／またはリアルタイム画像データを取得するためにロボットシステム１００、３００、６００と共に使用され得る撮像装置１３０４を示す。任意の適切な主題は、撮像システム１３０４を使用して、任意の適切な手順のために画像化することができる。撮像システム１３０４は、撮像装置１３０６および／またはＣ−アーム１３０８装置などの任意の撮像装置とすることができる。ｘ線システムで必要とされる患者２１０の頻繁な手動の再位置決めの必要性なしに、いくつかの異なる位置から患者２１０のｘ線を取得することが望ましい場合がある。図１２Ａに示すように、撮像システム１３０４は、「Ｃ」字形の対向する遠位端１３１２で終端する細長いＣ字形部材を含むＣ−アーム１３０８の形態であってもよい。Ｃ字形部材１１３０は、ｘ線源１３１４および画像レセプタ１３１６をさらに含むことができる。アームのＣ−アーム１３０８内の空間は、医師がｘ線支持構造１３１８からの干渉が実質的にない患者を診断するための余地を提供することができる。図１２Ｂに示すように、撮像システムは、図示されていない画像取り込み部を取り囲むことができるホイール１３３２を含むホイール付き移動カート１３３０のような、支持構造撮像装置支持構造１３２８に取り付けられたガントリハウジング１３２４を参照すると、固定および可動有する撮像装置１３０６を含むことができる。画像取り込み部は、互いに約１８０度に配置され、画像取り込み部の追跡に対して回転子（図示せず）に取り付けられたｘ線源および／または放出部と、ｘ線受取りおよび／または画像受取り部とを含むことができる。画像取り込み部は、画像取得中に３６０度回転するように動作可能であってもよい。画像取り込み部は、中心点および／または軸の周りを回転することができ、患者２１０の画像データを複数の方向からまたは複数の平面において取得することを可能にする。特定の撮像システム１３０４が本明細書で例示されるが、任意の適切な撮像システムが当業者によって選択されてもよいことは理解されよう。 Also, FIGS. 12A-12B show imaging device 1304 that can be used with robotic systems 100, 300, 600 to acquire pre-surgery, intra-surgery, post-surgery, and / or real-time image data of patient 210. Any suitable subject can be imaged for any suitable procedure using imaging system 1304. The imaging system 1304 can be any imaging device such as an imaging device 1306 and / or a C-arm 1308 device. It may be desirable to obtain patient 210 x-rays from several different locations without the need for frequent manual repositioning of patient 210 as required by the x-ray system. As shown in FIG. 12A, the imaging system 1304 may be in the form of a C-arm 1308 comprising an elongated C-shaped member terminating at the opposite distal end 1312 of the "C" shape. The C-shaped member 1130 can further include an x-ray source 1314 and an image receptacle 1316. The space within the C-arm 1308 of the arm can provide room for the physician to diagnose a patient with virtually no interference from the x-ray support structure 1318. As shown in FIG. 12B, the imaging system is a gantry housing 1324 mounted on a support structure imager support structure 1328, such as a wheeled moving cart 1330 that includes a wheel 1332 that can surround an image capture unit (not shown). Can include a fixed and movable imaging device 1306 with reference to. The image capture units are arranged approximately 180 degrees from each other and have an x-ray source and / or emission unit attached to a rotor (not shown) for tracking the image capture unit, and an x-ray receiver and / or image receiver. Can include parts and parts. The image capture unit may be operable so as to rotate 360 degrees during image acquisition. The image capture unit can rotate around a center point and / or an axis, allowing image data of the patient 210 to be acquired from multiple directions or in multiple planes. Although specific imaging systems 1304 are exemplified herein, it will be appreciated that any suitable imaging system may be selected by one of ordinary skill in the art.

ここで図１３Ａ〜図１３Ｃを参照すると、手術用ロボットシステム１００、３００、６００は、所望の手術領域に対するエンドエフェクタ１１２、６０２、外科用器具６０８、および／または患者２１０（例えば、患者追跡装置１１６）の正確な位置決めに依存する。図１３Ａ〜図１３Ｃに示す実施形態では、を参照すると、追跡マーカー１１８、８０４は、器具６０８および／またはエンドエフェクタ１１２の一部分に固定的に取り付けられている。 Referring now to FIGS. 13A-13C, the surgical robot systems 100, 300, 600 are end effectors 112, 602, surgical instruments 608, and / or patient 210 (eg, patient tracking device 116) for a desired surgical area. ) Depends on accurate positioning. In embodiments shown in FIGS. 13A-13C, with reference to, tracking markers 118, 804 are fixedly attached to a portion of instrument 608 and / or end effector 112.

図１３Ａは、基部１０６、ロボットアーム１０４、およびエンドエフェクタ１１２を含むロボット１０２を含む手術用ロボットシステム１００の一部を示す。ディスプレイ、カメラなどの図示されていない他の要素もまた、本明細書で説明するように存在してもよい。図１３Ｂは、ガイドチューブ１１４を有するエンドエフェクタ１１２と、エンドエフェクタ１１２にしっかりと固定された複数の追跡マーカー１１８の拡大図を示す。この実施形態では、複数の追跡マーカー１１８がガイドチューブ１１２に取り付けられている。図１３Ｃは、器具６０８にしっかりと固定された複数の追跡マーカー８０４を有する器具６０８（この場合、プローブ６０８Ａ）を示す。本明細書の他の箇所に記載されるように、器具６０８は、ガイドワイヤ、カニューレ、レトラクタ、ドリル、リーマ、スクリュードライバ、挿入ツール、除去ツール、などの適切な外科用器具を含み得るが、それらに限定されない。 FIG. 13A shows a portion of a surgical robot system 100 that includes a base 106, a robot arm 104, and a robot 102 that includes an end effector 112. Other elements not shown, such as displays, cameras, etc., may also be present as described herein. FIG. 13B shows an enlarged view of an end effector 112 having a guide tube 114 and a plurality of tracking markers 118 firmly anchored to the end effector 112. In this embodiment, a plurality of tracking markers 118 are attached to the guide tube 112. FIG. 13C shows an instrument 608 (in this case, probe 608A) having a plurality of tracking markers 804 firmly anchored to the instrument 608. As described elsewhere herein, the instrument 608 may include suitable surgical instruments such as guidewires, cannulas, retractors, drills, reamers, screwdrivers, insertion tools, removal tools, etc. Not limited to them.

器具６０８、エンドエフェクタ１１２、または３Ｄで追跡される他のオブジェクトを追跡する場合、追跡マーカー１１８、８０４のアレイは、ツール６０８またはエンドエフェクタ１１２の一部に固定的に取り付けられてもよい。追跡マーカー１１８、８０４は、マーカー１１８、８０４がじゃまにならない（例えば、外科手術、視界などを妨げない）ように取り付けられることが好ましい。マーカー１１８、８０４は、例えば、アレイ６１２を用いて、器具６０８、エンドエフェクタ１１２、または追跡される他のオブジェクトに固定されてもよい。通常、三つまたは四つのマーカー１１８、８０４がアレイ６１２と共に使用される。アレイ６１２は、直線部分、クロスピースを含むことができ、マーカー１１８、８０４が互いに異なる相対位置および位置にあるように非対称であってもよい。例えば、図１３Ｃに示すように、４−マーカー追跡アレイ６１２を有するプローブ６０８Ａが示されており、図１３Ｂは、異なる４マーカー追跡アレイ６１２を有するエンドエフェクタ１１２を示す。 When tracking an instrument 608, an end effector 112, or another object tracked in 3D, the array of tracking markers 118, 804 may be fixedly attached to a part of the tool 608 or the end effector 112. The tracking markers 118, 804 are preferably attached so that the markers 118, 804 do not interfere (eg, do not interfere with surgery, visibility, etc.). Markers 118, 804 may be anchored to the instrument 608, the end effector 112, or other objects to be tracked, for example using an array 612. Typically, three or four markers 118, 804 are used with the array 612. The array 612 can include straight sections, crosspieces, and may be asymmetric such that the markers 118, 804 are in different relative positions and positions. For example, as shown in FIG. 13C, a probe 608A with a 4-marker tracking array 612 is shown, and FIG. 13B shows an end effector 112 with a different 4-marker tracking array 612.

図１３Ｃでは、追跡アレイ６１２は、プローブ６０８Ａのハンドル６２０として機能する。したがって、四つのマーカー８０４は、プローブ６０８Ａのハンドル６２０に取り付けられ、シャフト６２２および先端６２４から離れている。これらの四つのマーカー８０４の立体写真測量による追跡は、器具６０８を剛体として追跡することを可能にし、追跡システム１００、３００、６００が、プローブ６０８Ａが追跡カメラ２００、３２６の前方動かされる間に先端６２４の位置およびシャフト６２２の配向を正確に決定することができる。 In FIG. 13C, the tracking array 612 functions as the handle 620 of the probe 608A. Therefore, the four markers 804 are attached to the handle 620 of the probe 608A and are separated from the shaft 622 and the tip 624. Tracking by stereoscopic photogrammetry of these four markers 804 allows the instrument 608 to be tracked as a rigid body, with tracking systems 100, 300, 600 tipped while probe 608A is moved forward of tracking cameras 200, 326. The position of the 624 and the orientation of the shaft 622 can be accurately determined.

一つまたは複数のツール６０８、エンドエフェクタ１１２、または３Ｄで追跡される他のオブジェクト（例えば、複数の剛体）の自動追跡を可能にするために、各ツール６０８、エンドエフェクタ１１２などのマーカー１１８、８０４が、既知のマーカー間間隔で非対称に配置される。非対称アラインメントの理由は、どのマーカー１１８、８０４が剛体上の特定の位置に対応するか、マーカー１１８、８０４が正面または背面から見られているかどうか、すなわち鏡像化されるかは明瞭にするためである。例えば、マーカー１１８、８０４がツール６０８またはエンドエフェクタ１１２上の正方形に配置されていた場合、どのマーカー１１８、８０４が正方形のどの隅に対応するかは、システム１００、３００、６００にとっては不明である。例えば、プローブ６０８Ａの場合、どのマーカー８０４がシャフト６２２に最も近いかは不明である。したがって、シャフト６２２がどのようにアレイ６１２から伸びていたかは分からない。したがって、各アレイ６１２、したがって各ツール６０８、エンドエフェクタ１１２、または追跡される他のオブジェクトは、他のツール６０８または追跡されている他のオブジェクトから区別できるように、固有のマーカーパターンを有さなければならない。非対称性およびユニークなマーカーパターンは、システム１００、３００、６００が個々のマーカー１１８、８０４を検出し、保存されたテンプレートに対してマーカー間隔をチェックして、それらが、どのツール６０８、エンドエフェクタ１１２、または他のオブジェクトを表しているのかを決定することを可能にする。次に、検出されたマーカー１１８、８０４を自動的にソートし、追跡された各オブジェクトに正しい順序で割り当てることができる。この情報がなければ、ユーザがどの検出されたマーカー１１８、８０４がそれぞれの剛体上のどの位置のどの位置に対応するかを手動で指定しない限り、例えばツール先端６２４およびシャフト６２２のアライメントなどの重要な幾何情報を抽出するために剛体計算を実行することができないであろう。これらの概念は、３Ｄ光学追跡の方法の当業者には一般に公知である。 Markers 118, such as each tool 608, end effector 112, to allow automatic tracking of one or more tools 608, end effector 112, or other objects (eg, multiple rigid bodies) tracked in 3D. 804s are asymmetrically placed at known marker spacing. The reason for the asymmetric alignment is to clarify which markers 118, 804 correspond to a particular position on the rigid body, whether the markers 118, 804 are viewed from the front or back, that is, mirrored. be. For example, if the markers 118, 804 were placed in a square on the tool 608 or the end effector 112, it is unknown to the systems 100, 300, 600 which marker 118, 804 corresponds to which corner of the square. .. For example, in the case of probe 608A, it is unclear which marker 804 is closest to shaft 622. Therefore, it is unknown how the shaft 622 extended from the array 612. Therefore, each array 612, and thus each tool 608, end effector 112, or other object being tracked, must have a unique marker pattern so that it can be distinguished from the other tool 608 or other objects being tracked. Must be. The asymmetry and unique marker pattern is that the systems 100, 300, 600 detect individual markers 118, 804 and check the marker spacing against the saved template, which tool 608, end effector 112. , Or makes it possible to determine if it represents another object. The detected markers 118, 804 can then be automatically sorted and assigned to each tracked object in the correct order. Without this information, it is important, for example, the alignment of the tool tip 624 and the shaft 622, unless the user manually specifies which position and position on which detected markers 118, 804 correspond to which position on each rigid body. Rigid body calculations will not be possible to extract various geometric information. These concepts are generally known to those of skill in the art of 3D optical tracking methods.

ここで図１４Ａ〜図１４Ｄを参照すると、可動追跡マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを有するエンドエフェクタ９１２の代替バージョンが示される。図１４Ａでは、可動追跡マーカー９１８Ａ−９１８Ｄを有するアレイが第一の構成で示され、図１４Ｂにおいて、可動追跡マーカー９１８Ａ−９１８Ｄは、第一の構成に対して傾斜した第二の構成で示される。図１４Ｃは、例えば、図１４Ａの第一の構成におけるカメラ２００、３２６によって見られるように、追跡マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄのテンプレートを示す。図１４Ｄは、例えば、図１４Ｂの第二の構成におけるカメラ２００、３２６によって見られるように、追跡マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄのテンプレートを示す。 Referring now to FIGS. 14A-14D, an alternative version of the end effector 912 with the movable tracking markers 918A-918D is shown. In FIG. 14A, an array with mobile tracking markers 918A-918D is shown in the first configuration, and in FIG. 14B, the mobile tracking markers 918A-918D are shown in a second configuration tilted relative to the first configuration. .. FIG. 14C shows templates for tracking markers 918A-918D, for example, as seen by cameras 200 and 326 in the first configuration of FIG. 14A. FIG. 14D shows templates for tracking markers 918A-918D, for example, as seen by cameras 200 and 326 in the second configuration of FIG. 14B.

この実施形態では、４マーカーアレイ追跡が企図されるが、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄが剛体に対してすべて固定位置にあるわけではなく、その代わりに一つまたは複数のアレイマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄが、例えばテスト中に調整され、追跡されるマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの自動検出およびソートのためのプロセスを中断することなく、追跡される剛体に関する最新の情報を与えることができる。 In this embodiment, four marker array tracking is intended, but not all markers 918A-918D are in a fixed position with respect to the rigid body, instead one or more array markers 918A-918D are tested, eg. It is possible to provide up-to-date information about the rigid body to be tracked without interrupting the process for automatic detection and sorting of markers 918A-918D adjusted and tracked in.

ロボットシステム１００、３００、６００のエンドエフェクタ９１２に接続されたガイドチューブ９１４のような任意のツールを追跡する場合、追跡アレイの主な目的は、カメラ座標系におけるエンドエフェクタ９１２の位置を更新することである。固定システムを使用する場合、例えば、図１３Ｂに示すように、反射マーカー１１８のアレイ６１２は、ガイドチューブ１１４から固定的に延びている。追跡マーカー１１８は固定的に接続されるので、カメラ座標系におけるマーカー位置の情報はまた、カメラ座標系におけるガイドチューブ１１４の中心線、先端およびテールの正確な位置を提供する。通常、このようなアレイ６１２からのエンドエフェクタ１１２の位置に関する情報、および別の追跡されたソースからの標的軌道の位置に関する情報は、ガイドチューブ１１４を軌道と整列するように移動させ、先端を軌道ベクトルに沿った特定の位置に移動させるロボット１０２の各軸に対して入力されなければならない必要な移動を計算するために使用される。 When tracking any tool such as the guide tube 914 connected to the end effector 912 of the robot system 100, 300, 600, the main purpose of the tracking array is to update the position of the end effector 912 in the camera coordinate system. Is. When using a fixation system, for example, as shown in FIG. 13B, the array 612 of reflection markers 118 is fixedly extended from the guide tube 114. Since the tracking marker 118 is fixedly connected, the marker position information in the camera coordinate system also provides the exact position of the centerline, tip and tail of the guide tube 114 in the camera coordinate system. Normally, information about the position of the end effector 112 from such an array 612, and information about the position of the target orbit from another tracked source, moves the guide tube 114 to align with the orbit and orbits the tip. It is used to calculate the required movement that must be entered for each axis of the robot 102 to move to a particular position along the vector.

場合によっては、所望の軌道は厄介なまたは到達不能な位置にあるが、ガイドチューブ１１４を旋回させることができる場合には到達することができる。例えば、ガイドチューブ１１４がピッチ（手首上下角）軸の限界を超えて上方に枢動可能である場合、ロボット１０２の基部１０６から離れて指し示す非常に急な軌道は到達可能であり得るが、もし、ガイドチューブ１１４が、それを手首の端部に接続するプレートに平行に取り付けられるならば到達できないかもしれない。このような軌道に達するためには、ロボット１０２の基部１０６を移動させるか、または異なるガイドチューブアタッチメントを有する異なるエンドエフェクタ１１２を作業用エンドエフェクタと交換することができる。これらの解決の両方は、時間がかかり、扱いにくい場合がある。 In some cases, the desired trajectory is in an awkward or unreachable position, but can be reached if the guide tube 114 can be swiveled. For example, if the guide tube 114 is pivotable upwards beyond the limits of the pitch (wrist up / down angle) axis, a very steep trajectory pointing away from the base 106 of the robot 102 may be reachable, but if. , The guide tube 114 may not be reachable if attached parallel to the plate connecting it to the end of the wrist. To reach such a trajectory, the base 106 of the robot 102 can be moved or different end effectors 112 with different guide tube attachments can be replaced with working end effectors. Both of these solutions can be time consuming and cumbersome.

図１４Ａおよび図１４Ｂに最もよく示されるように、もし、アレイ９０８がマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの一つまたは複数が固定位置になく、その代わりにマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの一つまたは複数が調整、旋回、枢動、または移動できるならば、ロボット１０２は、検出および追跡プロセスを中断することなく、追跡されているオブジェクトに関する更新された情報を提供することができる。例えば、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの一つは定位置に固定され、他のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは移動可能であってもよい。マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの二つは、定位置に固定され、他のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは、移動可能であってもよい。マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄのうちの三つは、定位置に固定され、他のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは、移動可能であってもよい。またはマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄのすべてが可動であってもよい。 As best shown in FIGS. 14A and 14B, if the array 908 does not have one or more of the markers 918A-918D in a fixed position, instead one or more of the markers 918A-918D adjust, swivel, If it can be pivoted or moved, the robot 102 can provide updated information about the object being tracked without interrupting the detection and tracking process. For example, one of the markers 918A-918D may be fixed in place and the other markers 918A-918D may be mobile. Two of the markers 918A-918D may be fixed in place and the other markers 918A-918D may be mobile. Three of the markers 918A-918D may be fixed in place and the other markers 918A-918D may be mobile. Alternatively, all of the markers 918A to 918D may be movable.

図１４Ａおよび図１４Ｂに示す実施形態では、マーカー９１８Ａ、９１８Ｂは、エンドエフェクタ９１２の基部９０６に直接的に固定的に接続され、マーカー９１８Ｃ、９１８Ｄは、チューブ９１４に固定的に接続される。アレイ６１２と同様に、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄをエンドエフェクタ９１２、器具６０８、または追跡される他のオブジェクトに取り付けるために、アレイ９０８を設けることができる。しかしながら、この場合、アレイ９０８は、複数の別個のコンポーネントから構成される。例えば、マーカー９１８Ａ、９１８Ｂは、第一のアレイ９０８Ａによって基部９０６に接続され、マーカー９１８Ｃ、９１８Ｄは、第二のアレイ９０８Ｂによってガイドチューブ９１４に接続されてもよい。マーカー９１８Ａは、第一のアレイ９０８Ａの第一の端部に取り付けられてもよく、マーカー９１８Ｂは、直線距離に分離され、第一のアレイ９０８Ａの第二の端部に固定されてもよい。第一のアレイ９０８は実質的に直線状であるが、第二のアレイ９０８Ｂは、曲がり構成、またはＶ形状構成を有し、それぞれの根元端がガイドチューブ９１４に接続され、そこからＶ字形で遠位端に分岐し、一つの遠位端にマーカー９１８Ｃを有し、他方の遠位端にはマーカー９１８Ｄを有す。特定の構成が本明細書に例示されるが、異なる数およびタイプのアレイ９０８Ａ、９０８Ｂおよび異なる配置、数、およびタイプのマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを含む他の非対称設計が企図されることが理解されよう。 In the embodiments shown in FIGS. 14A and 14B, the markers 918A, 918B are fixedly connected directly to the base 906 of the end effector 912, and the markers 918C, 918D are fixedly connected to the tube 914. Similar to the array 612, the array 908 can be provided to attach the markers 918A-918D to the end effector 912, instrument 608, or other object to be tracked. However, in this case, the array 908 is composed of a plurality of separate components. For example, the markers 918A, 918B may be connected to the base 906 by a first array 908A and the markers 918C, 918D may be connected to the guide tube 914 by a second array 908B. The marker 918A may be attached to the first end of the first array 908A and the marker 918B may be separated into linear distances and secured to the second end of the first array 908A. The first array 908 is substantially linear, while the second array 908B has a curved or V-shaped configuration, each root end connected to a guide tube 914 from which it is V-shaped. It branches to the distal end and has a marker 918C at one distal end and a marker 918D at the other distal end. Although specific configurations are exemplified herein, it will be appreciated that other asymmetric designs including arrays 908A, 908B of different numbers and types and markers 918A-918D of different arrangements, numbers, and types are contemplated. ..

ガイドチューブ９１４は、例えば、基部９０６に対するヒンジ９２０または他のコネクタを横切って、基部９０６に対して移動可能、枢動可能、または枢動可能であってもよい。したがって、マーカー９１８Ｃ、９１８Ｄは、ガイドチューブ９１４が枢動し、旋回し、または移動するときに、マーカー９１８Ｃ、９１８Ｄも枢動、旋回または移動するように移動可能である。図１４Ａに最もよく示されるように、ガイドチューブ９１４は、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄが第一の構成を有するように、実質的に法線方向または垂直の向きに整列された長手方向軸９１６を有する。ここで図１４Ｂを参照すると、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄが第一の構成と異なる第二の構成を有するように、長手方向軸９１６が垂直方向に対して角度をなすように、ガイドチューブ９１４が枢動、旋回、または移動される。 The guide tube 914 may be movable, pivotable, or pivotable with respect to the base 906, for example, across a hinge 920 or other connector to the base 906. Therefore, the markers 918C, 918D are movable so that when the guide tube 914 is pivoted, swiveled, or moved, the markers 918C, 918D are also pivoted, swiveled, or moved. As best shown in FIG. 14A, the guide tube 914 has a longitudinal axis 916 that is substantially normal or vertically aligned so that the markers 918A-918D have the first configuration. Referring here to FIG. 14B, the guide tube 914 is pivoted so that the longitudinal axis 916 is angled with respect to the vertical direction so that the markers 918A-918D have a second configuration different from the first configuration. , Turn, or move.

図１４Ａ〜図１４Ｄに記載された実施形態とは対照的に、四つのマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの全てがガイドチューブ９１４に固定的に取り付けられた状態で、ガイドチューブ９１４とアーム１０４（例えば、手首アタッチメント）との間にスイベルが存在し、このスイベルがユーザによって調整された場合、ロボットシステム１００、３００、６００は、ガイドチューブ９１４の配向が変化したことを自動的に検出することができない。ロボットシステム１００、３００、６００は、マーカーアレイ９０８の位置を追跡し、ガイドチューブ９１４が以前の配向で手首（ロボットアーム１０４）に取り付けられていると仮定して、不正確なロボット軸の動きを計算する。一つまたは複数のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄ（例えば、二つのマーカー９１８Ｃ、９１８Ｄ）を、チューブ９１４上に固定して保持し、一つまたは複数のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄ（例えば、二つのマーカー９１８Ａ、９１８Ｂ）をスイベルを横切って保持することによって、新しい位置の自動検出が可能となり、ロボットアーム１０４の端部上の新しいツールまたはエンドエフェクタ１１２、９１２の検出に基づいて正しいロボットの動きが計算される。 In contrast to the embodiments described in FIGS. 14A-14D, the guide tube 914 and arm 104 (eg, wrist attachment) with all four markers 918A-918D fixedly attached to the guide tube 914. ), And if the swivel is adjusted by the user, the robot systems 100, 300, 600 cannot automatically detect that the orientation of the guide tube 914 has changed. Robot systems 100, 300, 600 track the position of the marker array 908 and assume inaccurate robot axis movements, assuming that the guide tube 914 is attached to the wrist (robot arm 104) in the previous orientation. calculate. One or more markers 918A-918D (eg, two markers 918C, 918D) are fixed and held on tube 914 and one or more markers 918A-918D (eg, two markers 918A, 918B) are fixed and held. By holding the swivel across the swivel, new positions can be automatically detected and the correct robot movement is calculated based on the detection of new tools or end effectors 112, 912 on the end of the robot arm 104.

一つまたは複数のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは、任意の適切な手段にしたがって移動、枢動、旋回等されるように構成される。例えば、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは、クランプ、バネ、レバー、摺動、トグルなどのヒンジ９２０によって、またはマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを個々にまたは組み合わせて移動させるための、または、アレイ９０８Ａ、９０８Ｂを個々にまたは組み合わせて移動させるための、または、エンドエフェクタ９１２の任意の部分を別の部分に対して移動させるための、または、ツール６０８の任意の部分を別の部分に対して移動させるための、任意の他の適切な機構によって、動かしても良い。 One or more markers 918A-918D are configured to be moved, pivoted, swiveled, etc. according to any suitable means. For example, markers 918A-918D can be moved by hinges 920 such as clamps, springs, levers, slides, toggles, or to move markers 918A-918D individually or in combination, or arrays 908A, 908B individually or. Any part for moving in combination, for moving any part of the end effector 912 to another part, or for moving any part of the tool 608 to another part. It may be moved by other suitable mechanism.

図１４Ａおよび図１４Ｂに示すように、アレイ９０８およびガイドチューブ９１４は、単に、クランプまたはヒンジ９２０を緩め、アレイ９０８Ａ、９０８Ｂの一部を他の部分９０８Ａ、９０８Ｂに対して移動させ、ヒンジ９２０を再調整して、ガイドチューブ９１４が異なる位置に向けられるように構成可能であってもよい。例えば、二つのマーカー９１８Ｃ、９１８Ｄはチューブ９１４と固定的に相互接続され、二つのマーカー９１８Ａ、９１８Ｂはヒンジ９２０を介してロボットアーム１０４に取り付けられるエンドエフェクタ９１２の基部９０６に固定的に相互接続され得る。ヒンジ９２０は、ユーザが第一の構成（図１４Ａ）と第二の構成（図１４Ｂ）との間を素早く切り替えることを可能にするためにゆるめて締めることができるウイングナットなどのクランプの形態であってもよい。 As shown in FIGS. 14A and 14B, the array 908 and guide tube 914 simply loosen the clamps or hinges 920, moving a portion of the arrays 908A, 908B relative to the other portions 908A, 908B to move the hinge 920. It may be readjusted and configured so that the guide tube 914 is oriented in a different position. For example, the two markers 918C, 918D are fixedly interconnected with the tube 914, and the two markers 918A, 918B are fixedly interconnected to the base 906 of the end effector 912 attached to the robot arm 104 via the hinge 920. obtain. The hinge 920 is in the form of a clamp such as a wing nut that can be loosened and tightened to allow the user to quickly switch between the first configuration (FIG. 14A) and the second configuration (FIG. 14B). There may be.

カメラ２００、３２６は、例えば、図１４Ｃおよび図１４Ｄで識別されたテンプレートの一つにおいてマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを検出する。アレイ９０８が第一の構成（図１４Ａ）にあり、追跡カメラ２００、３２６がマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを検出する場合、追跡されるマーカーは１４Ｃに示すようにアレイテンプレート１と一致する。アレイ９０８が第二の構成（図１４Ｂ）であり、追跡カメラ２００、３２６が同じマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄを検出した場合、追跡されるマーカーは図１４Ｄに示すようにアレイテンプレート２と一致する。アレイテンプレート１およびアレイテンプレート２は、ガイドチューブ９１４、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄ、およびロボットアタッチメント間に固有に画定された空間的関係を有する二つの異なるツールとしてシステム１００、３００、６００によって認識される。したがって、ユーザは、システム１００、３００、６００に変更を通知することなく、第一および第二の構成の間でエンドエフェクタ９１２の位置を調整することができ、システム１００、３００、６００は、ロボット１０２の動きを軌道上にあるように適切に調整する。 Cameras 200 and 326 detect markers 918A-918D, for example, in one of the templates identified in FIGS. 14C and 14D. If the array 908 is in the first configuration (FIG. 14A) and the tracking cameras 200 and 326 detect markers 918A-918D, the markers tracked will match array template 1 as shown in 14C. If array 908 is the second configuration (FIG. 14B) and tracking cameras 200 and 326 detect the same markers 918A-918D, the markers tracked will match array template 2 as shown in FIG. 14D. Array template 1 and array template 2 are recognized by systems 100, 300, 600 as two different tools with a spatial relationship uniquely defined between the guide tube 914, markers 918A-918D, and robot attachment. Thus, the user can adjust the position of the end effector 912 between the first and second configurations without notifying the systems 100, 300, 600 of the change, the system 100, 300, 600 being a robot. Appropriately adjust the movement of 102 so that it is in orbit.

この実施形態では、マーカーアレイが、システム１００、３００、６００がアセンブリを二つの異なるツールまたは二つの異なるエンドエフェクタとして認識することを可能にする固有のテンプレートと一致する二つのアセンブリ位置が存在する。これらの二つの位置の間または外側のスイベルの任意の位置では、（すなわち、それぞれ図１４Ｃおよび図１４Ｄに示すアレイテンプレート１およびアレイテンプレート２）マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄはいずれのテンプレートとも一致せず、システム１００、３００、６００は、カメラ２００、３２６によって個々のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄが検出されるにもかかわらず、存在するアレイを検出せず、マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄがカメラ２００、３２６の視界から一時的にブロックされた場合と同じ結果になる。他のアレイテンプレートが、例えば、異なる器具６０８または他のエンドエフェクタ１１２、９１２などを識別する他の構成用に存在してもよいことが理解されよう。 In this embodiment, there are two assembly positions where the marker array matches a unique template that allows the systems 100, 300, 600 to recognize the assembly as two different tools or two different end effectors. At any position on the swivel between or outside these two positions (ie, Array Template 1 and Array Template 2 shown in FIGS. 14C and 14D, respectively), markers 918A-918D do not match either template and the system. 100, 300, 600 do not detect the existing array even though the individual markers 918A-918D are detected by the cameras 200 and 326, and the markers 918A-918D are temporarily out of sight of the cameras 200 and 326. The result is the same as if it was blocked. It will be appreciated that other array templates may be present for other configurations that identify, for example, different instruments 608 or other end effectors 112, 912 and the like.

記載された実施形態では、二つの別個の組立位置が図１４Ａおよび１４Ｂに示される。しかし、スイベルジョイント、直線ジョイント、スイベルジョイントと直線ジョイントの組み合わせ、ペグボード、または他のアセンブリ上に複数の離散的な位置が存在することが理解されよう。ここで、アレイの一つまたは複数のマーカー９１８Ａ〜９１８Ｄの位置をお互いに調整することによってユニークなマーカーテンプレートを作成することができ、各離散的な位置は、特定のテンプレートと一致し、異なる既知の属性を有する固有のツール６０８またはエンドエフェクタ１１２、９１２を定義する。さらに、エンドエフェクタ９１２について例示されるが、移動可能な固定マーカー９１８Ａ〜９１８Ｄは、任意の適切な器具６０８または追跡される他のオブジェクトとともに使用されてもよいことが理解されよう。 In the described embodiment, two separate assembly positions are shown in FIGS. 14A and 14B. However, it will be appreciated that there are multiple discrete positions on swivel joints, straight joints, swivel and straight joint combinations, pegboards, or other assemblies. Here, unique marker templates can be created by adjusting the positions of one or more markers 918A-918D in the array to each other, where each discrete position matches a particular template and is known to be different. Defines a unique tool 608 or end effectors 112, 912 with the attributes of. Further, although exemplified for the end effector 912, it will be appreciated that the movable fixed markers 918A-918D may be used with any suitable instrument 608 or other object to be tracked.

外部３Ｄ追跡システム１００、３００、６００を使用してロボットのエンドエフェクタ１１２に取り付けられた三つ以上のマーカーの完全な剛体アレイを追跡する場合（例えば、図１３Ａおよび１３Ｂに示すように）、カメラ２００、３２６の座標系におけるロボット１０２の各セクションの３Ｄ位置を直接的に追跡するか、または計算することができる。トラッカーに対するジョイントの幾何学的な配向は設計によって既知であり、ジョイントの線形位置または角度位置は、ロボット１０２の各モータのエンコーダから既知であり、エンドエフェクタ１１２から基部１１６までのすべての可動部品の３Ｄ位置を完全に規定する。同様に、トラッカーがロボット１０２の基部１０６（図示せず）に取り付けられている場合、既知のジョイントジオメトリおよび各モータのエンコーダからのジョイント位置に基づいて、基部１０６からエンドエフェクタ１１２までのロボット１０２の各セクションの３Ｄ位置を追跡または計算することも同様に可能である。 When using an external 3D tracking system 100, 300, 600 to track a complete rigid array of three or more markers attached to the robot's end effector 112 (eg, as shown in FIGS. 13A and 13B), the camera The 3D position of each section of the robot 102 in the 200,326 coordinate system can be directly tracked or calculated. The geometric orientation of the joint with respect to the tracker is known by design, the linear or angular position of the joint is known from the encoder of each motor of the robot 102 and of all moving parts from the end effector 112 to the base 116. Completely define the 3D position. Similarly, if the tracker is attached to the base 106 of the robot 102 (not shown), the robot 102 from the base 106 to the end effector 112 will be based on the known joint geometry and the joint position from the encoder of each motor. It is also possible to track or calculate the 3D position of each section.

いくつかの状況では、エンドエフェクタ１１２に固定的に取り付けられた三つ未満のマーカー１１８からロボット１０２のすべてのセグメントの位置を追跡することが望ましい場合がある。具体的には、ツール６０８がガイドチューブ１１４内に導入される場合、一つの追加のマーカー１１８のみが追跡されて、ロボット９０２の完全な剛体運動を追跡することが望ましい場合がある。 In some situations, it may be desirable to track the position of all segments of the robot 102 from less than three markers 118 fixedly attached to the end effector 112. Specifically, when the tool 608 is introduced into the guide tube 114, it may be desirable to track only one additional marker 118 to track the complete rigid body motion of the robot 902.

ここで図１５Ａ〜図１５Ｅを参照すると、単一の追跡マーカー１０１８のみを有するエンドエフェクタ１０１２の代替バージョンが示される。エンドエフェクタ１０１２は、本明細書に記載の他のエンドエフェクタと同様であってもよく、長手方向軸１０１６に沿って延在するガイドチューブ１０１４を含んでもよい。本明細書で説明する他の追跡マーカーと同様の単一の追跡マーカー１０１８を、ガイドチューブ１０１４にしっかりと固定することができる。この単一マーカー１０１８は、完全な剛体追跡を可能にするために欠けている自由度を追加する目的に役立ち、および／またはロボットおよびカメラの位置決めに関する仮定が有効であることを保証する監視マーカーとして機能する目的に役立ち得る。 Here, with reference to FIGS. 15A-15E, an alternative version of the end effector 1012 with only a single tracking marker 1018 is shown. The end effector 1012 may be similar to the other end effectors described herein and may include a guide tube 1014 extending along the longitudinal axis 1016. A single tracking marker 1018 similar to the other tracking markers described herein can be firmly secured to the guide tube 1014. This single marker 1018 serves the purpose of adding the missing degrees of freedom to enable full rigid body tracking and / or as a surveillance marker that ensures that the robot and camera positioning assumptions are valid. Can serve a functioning purpose.

単一追跡マーカー１０１８は、任意の好都合な方向に突出し、外科医の視界を妨げないエンドエフェクタ１０１２に対する剛性の延長部として、ロボット式エンドエフェクタ１０１２に取り付けられてもよい。追跡マーカー１０１８は、ガイドチューブ１０１４またはエンドエフェクタ１０１２上の任意の他の適切な位置に固定することができる。ガイドチューブ１０１４に取り付けられたとき、追跡マーカー１０１８は、ガイドチューブ１０１４の第一の端部と第二の端部との間の位置に配置されてもよい。例えば、図１５Ａでは、単一追跡マーカー１０１８は、ガイドチューブ１０１４から前方に延在し、ガイドチューブ１０１４の長手方向の中間点の上でかつガイドチューブ１０１４の入口の下方に位置する細いシャフト１０１７の端部に取り付けられた反射球として示される。この位置は、マーカー１０１８がカメラ２００、３２６によって全体的に見えることを可能にするだけでなく、外科医１２０の視界を妨げず、手術の近傍の他のツールまたはオブジェクトと衝突しない。さらに、この位置のマーカー１０１８を有するガイドチューブ１０１４は、ガイドチューブ１０１４に導入された任意のツール６０８上のマーカーアレイを、ガイドチューブ１０１４上の単一マーカー１０１８が見えると同時に見ることができるように設計される。 The single tracking marker 1018 may be attached to the robotic end effector 1012 as an extension of rigidity to the end effector 1012 that projects in any convenient direction and does not obstruct the surgeon's view. The tracking marker 1018 can be anchored in any other suitable position on the guide tube 1014 or end effector 1012. When attached to the guide tube 1014, the tracking marker 1018 may be positioned between the first and second ends of the guide tube 1014. For example, in FIG. 15A, the single tracking marker 1018 extends forward from the guide tube 1014 and is on a thin shaft 1017 located above the longitudinal midpoint of the guide tube 1014 and below the inlet of the guide tube 1014. Shown as a reflective sphere attached to the end. This position not only allows the marker 1018 to be totally visible by the cameras 200 and 326, but also does not obstruct the view of the surgeon 120 and does not collide with other tools or objects in the vicinity of the surgery. Further, the guide tube 1014 having the marker 1018 at this position allows the marker array on any tool 608 introduced into the guide tube 1014 to be seen at the same time as the single marker 1018 on the guide tube 1014 is visible. Designed.

図１５Ｂに示すように、ぴったりとフィットするツールまたは器具６０８がガイドチューブ１０１４内に配置されると、器具６０８は、６つの自由度のうちの４つで機械的に拘束される。すなわち、器具６０８は、ガイドチューブ１０１４の長手方向軸線１０１６を除いて、いかなる方向にも回転させることができず、器具６０８は、ガイドチューブ１０１４の長手方向軸線１０１６に沿って以外の方向に並進することができない。言い換えれば、器具６０８は、ガイドチューブ１０１４の中心線に沿って並進移動しかつ回転させることだけができる。（１）ガイドチューブ１０１４の長手方向軸１０１６周りの回転角度、（２）ガイドチューブ１０１４に沿った位置のようにさらに二つのパラメータが既知であれば、カメラ座標系におけるエンドエフェクタ１０１２の位置が完全に定義される。 As shown in FIG. 15B, when a snug-fitting tool or instrument 608 is placed within the guide tube 1014, the instrument 608 is mechanically constrained in four of the six degrees of freedom. That is, the instrument 608 cannot be rotated in any direction except for the longitudinal axis 1016 of the guide tube 1014, and the instrument 608 translates in any direction other than along the longitudinal axis 1016 of the guide tube 1014. I can't. In other words, the instrument 608 can only translate and rotate along the centerline of the guide tube 1014. If two more parameters are known, such as (1) the rotation angle around the longitudinal axis 1016 of the guide tube 1014 and (2) the position along the guide tube 1014, the position of the end effector 1012 in the camera coordinate system is perfect. Defined in.

次に図１５Ｃに示すように、システム１００、３００、６００は、ツール６０８がガイドチューブ１０１４の内部に実際に配置され、代わりにガイドチューブ１０１４の外側ではなく、カメラ２００、３２６の視界のどこかにあるときを知ることができるべきである。ツール６０８は、長手方向軸または中心線６１６と、複数の追跡されるマーカー８０４を有するアレイ６１２とを有する。剛体計算を使用して、ツール６０８上のアレイ６１２の追跡位置に基づいて、ツール６０８の中心線６１６がカメラ座標系内に位置する場所を決定することができる。 Next, as shown in FIG. 15C, the system 100, 300, 600 is such that the tool 608 is actually placed inside the guide tube 1014 and instead is not outside the guide tube 1014, but somewhere in the field of view of the cameras 200, 326. You should be able to know when you are in. The tool 608 has a longitudinal axis or centerline 616 and an array 612 with a plurality of tracked markers 804. Rigid body calculations can be used to determine where the centerline 616 of the tool 608 is located in the camera coordinate system, based on the tracking position of the array 612 on the tool 608.

単一マーカー１０１８からガイドチューブ１０１４の中心線または長手方向軸１０１６までの固定された法線（垂直）距離ＤＦは固定され、幾何学的に既知であり、単一マーカー１０１８の位置を追跡することができる。したがって、ツール中心線６１６から単一マーカー１０１８までの検出距離ＤＤが、ガイドチューブ中心線１０１６から単一マーカー１０１８までの既知の固定距離ＤＦと一致する場合、ツール６０８がガイドチューブ１０１４内にある（ツール６０８およびガイドチューブ１０１４の中心線６１６、１０１６が一致）か、またはこの距離ＤＤが固定距離ＤＦに一致する可能性のある位置の軌跡のある点に存在していることを判定できる。例えば、図１５Ｃに示すように、ツール中心線６１６から単一マーカー１０１８までの法線方向の検出距離ＤＤが、二つの位置において、透明なツール６０８によって表される両方のデータフレーム（追跡されるマーカー座標）においてガイドチューブ中心線１０１６から単一マーカー１０１８までの固定距離ＤＦと一致する。したがって、ツール６０８がガイドチューブ１０１４内に配置されるときを決定するために追加の考慮が必要とされ得る。 A fixed normal (vertical) distance DF from the single marker 1018 to the centerline or longitudinal axis 1016 of the guide tube 1014 is fixed, geometrically known, and traces the position of the single marker 1018. be able to. Therefore, the detection distance D D from the tool center line 616 to the single marker 1018, if it matches the known fixed distance D F from the guide tube centerline 1016 to single marker 1018, the tool 608 into the guide tube 1014 Determined that there is (matches the centerlines 616 and 1016 of the tool 608 and the guide tube 1014), or that this distance DD is present at some point in the locus of a position that may coincide with the fixed distance DF. can. For example, as shown in FIG. 15C, the detection distance D D in the normal direction from the tool center line 616 to the single marker 1018, at the two positions, the both data frames represented by a transparent tool 608 (tracking Marker coordinates) coincides with the fixed distance DF from the guide tube centerline 1016 to the single marker 1018. Therefore, additional consideration may be needed to determine when the tool 608 is placed within the guide tube 1014.

ここで図１５Ｄを参照すると、プログラムされたロジックを使用して、ツール６０８がガイドチューブ１０１４内を移動しているという条件を満たすよう、ツール６０８がスペース内で単一の球体１０１８に対して、ある程度の最小距離だけ移動しても、ツール中心線６１６から単一マーカー１０１８までの検出距離ＤＤが正しい長さに固定されたままである、追跡データのフレームを探すことができる。例えば、第一のフレームＦ１は、第一の位置のツール６０８によって検出され、第二のフレームＦ２は、第二の位置のツール６０８によって検出され得る（すなわち、第一の位置に対して直線的に移動される）。ツールアレイ６１２上のマーカー８０４は、第一のフレームＦ１から第二のフレームＦ２へ所与の量より多く（例えば、合計５ｍｍ超）だけ移動することができる。この移動であっても、ツール中心線ベクトルＣ’から単一マーカー１０１８までの検出距離ＤＤは、第一のフレームＦ１と第二のフレームＦ２の両方において実質的に同一である。 Referring now to FIG. 15D, the tool 608 is used with respect to a single sphere 1018 in space to satisfy the condition that the tool 608 is moving in the guide tube 1014 using programmed logic. be moved by some minimum distance remains detection distance D D from the tool center line 616 to a single marker 1018 is fixed to the correct length, it is possible to find a frame of tracking data. For example, the first frame F1 can be detected by the tool 608 in the first position and the second frame F2 can be detected by the tool 608 in the second position (ie, linear with respect to the first position). Will be moved to). The marker 804 on the tool array 612 can move from the first frame F1 to the second frame F2 by more than a given amount (eg, more than 5 mm total). Even in this movement, the detection distance D D from the tool center line vector C 'to a single marker 1018 is substantially the same in both the first frame F1 and second frame F2.

論理的には、外科医１２０またはユーザは、ツール６０８をガイドチューブ１０１４内に配置し、ガイドチューブ１０１４内にそれをわずかに回転させるかまたは滑り込ませることができ、システム１００、３００、６００は、ツール６０８が五つのマーカー（ツール６０８上の四つのマーカー８０４に加えガイドチューブ１０１４上の単一マーカー１０１８）から、ガイドチューブ１０１４内にあることを検知することができる。ツール６０８がガイドチューブ１０１４内にあることを知り、空間内のロボット式エンドエフェクタ１０１２の位置および配向を定める６自由度の全てを計算することができる。単一マーカー１０１８がなければ、ツール６０８がガイドチューブ１０１４内にあることが確実に分かっていても、ガイドチューブ１０１４がツールの中心線ベクトルＣ’に沿ってどこに位置するか、およびガイドチューブ１０１４が中心線ベクトルＣ’に対しどのように回転するかは不明である。 Logically, the surgeon 120 or the user could place the tool 608 inside the guide tube 1014 and slightly rotate or slide it into the guide tube 1014, the system 100, 300, 600 would be the tool. It can be detected that the 608 is in the guide tube 1014 from five markers (four markers 804 on the tool 608 plus a single marker 1018 on the guide tube 1014). Knowing that the tool 608 is inside the guide tube 1014, it is possible to calculate all six degrees of freedom that determine the position and orientation of the robotic end effector 1012 in space. Without the single marker 1018, where the guide tube 1014 is located along the tool centerline vector C'and where the guide tube 1014 is located, even though it is certain that the tool 608 is inside the guide tube 1014. It is unclear how it rotates with respect to the centerline vector C'.

図１５Ｅで強調するように、ツール６０８上四つのマーカー８０４と合わせて単一マーカー１０１８が追跡されるので、ガイドチューブ１０１４およびツール６０８の中心線ベクトルＣ’および単一マーカー１０１８および中心線ベクトルＣ’による法線ベクトルを構築することができる。この法線ベクトルは、手首の遠位のロボットの前腕（この例では、そのセグメントに平行に配向される）に対して既知の配向であり、特定の固定位置で中心線ベクトルＣ’と交差する配向を有する。便宜上、図１５Ｅに示すように、三つの相互に直交するベクトルｋ’、ｊ’、ｉ’を構成することができ、ガイドチューブ１０１４の剛***置および配向を画定することができる。三つの相互に直交するベクトルの一つである、ｋ’は、中心線ベクトルＣ’から構成され、第二のベクトルｊ’は、単一マーカー１０１８を通る法線ベクトルから構成され、第三のベクトルｉ’は、第一と第二のベクトルｋ’、ｊ’のベクトル積である。これらのベクトルｋ’、ｊ’、ｉ’に対するロボットのジョイント位置は、すべてのジョイントがゼロになると既知であり、固定され、したがって剛体計算を使用して、ロボットがホームポジションにいるとき、これらのベクトルｋ’、ｊ’、ｉ’に対するロボットの任意の部分の位置を決定することができる。ロボットの移動中に、ツールマーカー８０４の位置（ツール６０８がガイドチューブ１０１４内にある間）および単一マーカー１０１８の位置が追跡システムから検出され、各ジョイントの角度／直線位置がエンコーダから既知であれば、ロボットの任意の部分の位置および方向を決定することができる。 As highlighted in FIG. 15E, the single marker 1018 is tracked together with the four markers 804 on the tool 608, so that the guide tube 1014 and the tool 608 centerline vector C'and the single marker 1018 and the centerline vector C You can build a normal vector by'. This normal vector is a known orientation with respect to the robot's forearm (oriented parallel to that segment in this example) distal to the wrist and intersects the centerline vector C'at a particular fixed position. Has orientation. For convenience, as shown in FIG. 15E, three mutually orthogonal vectors k', j', i'can be configured to define the rigid body position and orientation of the guide tube 1014. One of the three mutually orthogonal vectors, k'is composed of the centerline vector C', the second vector j'is composed of the normal vector passing through the single marker 1018, and the third. The vector i'is a vector product of the first and second vectors k'and j'. The robot's joint positions with respect to these vectors k', j', i'are known to be zero for all joints and are fixed, so using rigid body calculations, these when the robot is in the home position. The position of any part of the robot with respect to the vectors k', j', i'can be determined. While the robot is moving, the position of the tool marker 804 (while the tool 608 is in the guide tube 1014) and the position of the single marker 1018 are detected by the tracking system and the angle / linear position of each joint is known from the encoder. For example, the position and orientation of any part of the robot can be determined.

いくつかの実施形態では、ガイドチューブ１０１４に対するツール６０８の配向を固定することが有用であり得る。例えば、エンドエフェクタガイドチューブ１０１４は、マシニングまたはインプラントの位置決めを可能にするために、その軸１０１６の周りの特定の位置に向けられてもよい。ガイドチューブ１０１４内に挿入されたツール６０８に取り付けられたあらゆる物の配向は、ツール６０８上の追跡されるマーカー８０４から分かるが、ガイドチューブ１０１４上の追加の追跡マーカー１０１８（または他の実施形態では複数の追跡マーカー）がなければ、カメラ座標系におけるガイドチューブ１０１４自体の回転方向は不明である。このマーカー１０１８は、本質的に、中心線ベクトルＣ’に対するマーカー１０１８の配向に基づいて−１８０°〜＋１８０°の「クロック位置」を提供する。したがって、単一マーカー１０１８は、完全な剛体追跡を可能にする追加の自由度を提供することができ、および／またはロボットおよびカメラの位置決めに関する仮定が有効であることを保証する監視マーカーとして機能することができる。 In some embodiments, it may be useful to fix the orientation of the tool 608 with respect to the guide tube 1014. For example, the end effector guide tube 1014 may be oriented to a specific position around its axis 1016 to allow machining or implant positioning. The orientation of anything attached to the tool 608 inserted into the guide tube 1014 can be seen from the tracked marker 804 on the tool 608, but an additional tracking marker 1018 (or in other embodiments) on the guide tube 1014. Without the multiple tracking markers), the direction of rotation of the guide tube 1014 itself in the camera coordinate system is unknown. The marker 1018 essentially provides a "clock position" of −180 ° to + 180 ° based on the orientation of the marker 1018 with respect to the centerline vector C'. Thus, the single marker 1018 can provide additional degrees of freedom to allow full rigid body tracking and / or serve as a surveillance marker that ensures that the robot and camera positioning assumptions are valid. be able to.

図１６は、ロボット１０２のエンドエフェクタ１０１２（または本明細書に記載の他の任意のエンドエフェクタ）を所望の標的軌道にナビゲートおよび移動させるための方法１１００のブロック図である。ロボットエンドエフェクタ１０１２またはガイドチューブ１０１４上の単一マーカー１０１８の別の使用は、ロボット１０２に取り付けられたフル追跡アレイなしでロボット１０２の自動安全移動を可能にする方法１１００の一部である。この方法１１００は、追跡カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動しないで（すなわち、それらが固定位置にある）、追跡システムの座標系およびロボットの座標系が共に登録され、ガイドチューブ１０１４の位置および配向が、各ロボット軸の符号化された位置にのみ基づいて、ロボットのデカルト座標系において正確に決定することができるように、ロボット１０２が較正されるとき、機能する。 FIG. 16 is a block diagram of method 1100 for navigating and moving an end effector 1012 (or any other end effector described herein) of robot 102 to a desired target trajectory. Another use of the single marker 1018 on the robot end effector 1012 or guide tube 1014 is part of method 1100 that allows automatic safe movement of the robot 102 without a full tracking array attached to the robot 102. In this method 1100, the tracking system and the robot's coordinate system are registered together without the tracking cameras 200 and 326 moving relative to the robot 102 (ie, they are in a fixed position), and the position of the guide tube 1014. And works when the robot 102 is calibrated so that the orientation can be accurately determined in the robot's Cartesian coordinate system based only on the coded position of each robot axis.

この方法１１００では、トラッカーとロボットの座標系を共に登録しなければならないが、これは、追跡システムのデカルト座標系からロボットのデカルト座標系への座標変換が必要であることを意味する。便宜上、この座標変換は、ロボット工学の分野で周知である４ｘ４の並進行列および回転行列であり得る。この変換はＴｃｒと呼ばれ、「変換−カメラからロボットに」を指す。この変換が分かれば、追跡される各マーカーに対しベクトル形式でｘ、ｙ、ｚ座標として受け取られる追跡データの新しいフレームに４ｘ４行列を乗算することができ、結果のｘ、ｙ、ｚ座標はロボットの座標系にある。Ｔｃｒを得るためには、ロボットのフル追跡アレイが、ロボットの座標系で既知の位置にロボットに固定的に取り付けられている間に追跡され、次いで既知の剛体法が座標の変換を計算するために使用される。ロボット１０２のガイドチューブ１０１４に挿入された任意のツール６０８は、追加のマーカー１０１８も読み取られたときに、固定的に取り付けられたアレイと同じ剛体情報を提供することができることは明らかである。すなわち、ツール６０８は、ガイドチューブ１０１４内の任意の位置に、ガイドチューブ１０１４内の任意の回転で、挿入するだけで良い。固定された位置および配向に挿入する必要はない。したがって、追跡アレイ６１２を含む任意のツール６０８をガイドチューブ１０１４に挿入し、ツールのアレイ６１２とガイドチューブ１０１４の単一マーカー１０１８とを読み取ることにより、Ｔｃｒを決定することが可能である。同時に、それぞれの軸上のエンコーダからロボットの座標系におけるガイドチューブ１０１４の現在位置を決定できる。 In this method 1100, both the tracker and the robot's coordinate system must be registered, which means that a coordinate conversion from the tracking system's Cartesian coordinate system to the robot's Cartesian coordinate system is required. For convenience, this coordinate transformation can be a 4x4 parallel traveling matrix and rotation matrix well known in the field of robotics. This conversion is called the Tcr and refers to "conversion-from camera to robot". Once this transformation is known, a new frame of tracking data received as x, y, z coordinates in vector form can be multiplied by a 4x4 matrix for each marker being tracked, and the resulting x, y, z coordinates are robots. It is in the coordinate system of. To obtain the Tcr, the robot's full tracking array is tracked while it is fixedly attached to the robot at a known position in the robot's coordinate system, and then the known rigid body method calculates the transformation of the coordinates. Used for. It is clear that any tool 608 inserted into the guide tube 1014 of the robot 102 can provide the same rigid body information as the fixedly mounted array when the additional marker 1018 is also read. That is, the tool 608 only needs to be inserted at an arbitrary position in the guide tube 1014 at an arbitrary rotation in the guide tube 1014. It does not need to be inserted in a fixed position and orientation. Therefore, it is possible to determine the Tcr by inserting any tool 608, including the tracking array 612, into the guide tube 1014 and reading the tool array 612 and the single marker 1018 on the guide tube 1014. At the same time, the current position of the guide tube 1014 in the robot's coordinate system can be determined from the encoders on each axis.

ロボット１０２を標的軌道にナビゲートして移動させるための論理は、図１６の方法１１００において提供される。ループ１１０２に入る前に、変換Ｔｃｒが以前に記憶されたと仮定する。したがって、ループ１１０２に入る前に、ステップ１１０４において、ロボット基部１０６が固定された後、ロボットが静止している間にガイドチューブに挿入されたツールの追跡データの一つかまたはそれ以上のフレームが格納される。ステップ１１０６において、この静的データおよび以前の較正データから、カメラ座標からロボット座標Ｔｃｒへのロボットガイドチューブ位置の変換が計算される。Ｔｃｒは、カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して動かない限り有効であるべきである。カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動し、Ｔｃｒを再取得する必要がある場合、システム１００、３００、６００は、ガイドチューブ１０１４内にツール６０８を挿入するようにユーザに促し、次いで必要な計算を自動的に実行ことができる。 The logic for navigating and moving the robot 102 to the target trajectory is provided in method 1100 of FIG. It is assumed that the transformation Tcr was previously stored before entering loop 1102. Thus, prior to entering loop 1102, in step 1104, after the robot base 106 has been fixed, one or more frames of the tool tracking data inserted into the guide tube while the robot is stationary are stored. Will be done. In step 1106, the conversion of the robot guide tube position from the camera coordinates to the robot coordinates Tcr is calculated from this static data and the previous calibration data. The Tcr should be valid as long as the cameras 200 and 326 do not move with respect to the robot 102. If the cameras 200, 326 move against the robot 102 and need to reacquire the Tcr, the systems 100, 300, 600 prompt the user to insert the tool 608 into the guide tube 1014, which is then required. Calculations can be performed automatically.

方法１１００のフローチャートでは、収集されるデータの各フレームは、患者２１０上のＤＲＢ１４０４の追跡された位置、エンドエフェクタ１０１４上の単一マーカー１０１８の追跡された位置、および各ロボット軸の位置のスナップショットからなる。ロボットの軸の位置から、エンドエフェクタ１０１２上の単一マーカー１０１８の位置が計算される。この計算された位置は、追跡システムから記録されたマーカー１０１８の実際の位置と比較される。値が一致すれば、ロボット１０２が既知の位置にあることを保証することができる。変換Ｔｃｒは、ロボット１０２の標的がロボットの座標系に関して提供されるように、ＤＲＢ１４０４の追跡された位置に適用される。次いで、ロボット１０２は、標的に到達するために移動するように命令され得る。 In the flowchart of Method 1100, each frame of the collected data is a snapshot of the tracked position of DRB1404 on the patient 210, the tracked position of the single marker 1018 on the end effector 1014, and the position of each robot axis. Consists of. From the position of the robot axis, the position of the single marker 1018 on the end effector 1012 is calculated. This calculated position is compared to the actual position of marker 1018 recorded from the tracking system. If the values match, it can be assured that the robot 102 is in a known position. The transformation Tcr is applied to the tracked position of the DRB 1404 so that the target of the robot 102 is provided with respect to the robot's coordinate system. The robot 102 may then be instructed to move to reach the target.

ステップ１１０４、１１０６の後、ループ１１０２は、追跡システムからＤＲＢ１４０４の剛体情報を受信するステップ１１０８と、標的先端および軌道を画像座標から追跡システム座標に変換するステップ１１１０と、標的先端および軌道をカメラ座標からロボット座標に変換する（Ｔｃｒを適用する）ステップ１１１２とを含む。ループ１１０２はさらに、追跡システムからロボットのための単一の漂遊マーカー位置を受信するステップ１１１４と、単一の漂遊マーカーを追跡システム座標からロボット座標に変換する（格納Ｔｃｒを適用する）ステップ１１１６とを含む。ループ１１０２はまた、順運動学からロボット座標系における単一のロボットマーカー１０１８の現在位置を決定するステップ１１１８を含む。ステップ１１１６および１１１８からの情報は、変換された追跡された位置からの漂遊マーカー座標が、所定の公差よりも小さい計算された座標と一致するかどうかを決定する（ステップ１１２０）ために使用される。イエスであれば、ステップ１１２２に進み、標的ｘ、ｙ、ｚおよび軌道にロボット移動を計算して適用する。いいえの場合は、ステップ１１２４に進み、一旦停止し、処理を続行する前にガイドチューブ１０１４への完全なアレイ挿入を要求し、ステップ１１２６でアレイが挿入された後に、Ｔｃｒを再計算する。その後、ステップ１１０８、１１１４および１１１８を繰り返すように進む。 After steps 1104 and 1106, the loop 1102 receives the rigid body information of the DRB 1404 from the tracking system, steps 1108, converts the target tip and trajectory from image coordinates to tracking system coordinates, and the target tip and trajectory in camera coordinates. Includes step 1112 to convert from to robot coordinates (apply Tcr). Loop 1102 further includes step 1114 to receive a single drift marker position for the robot from the tracking system and step 1116 to convert the single drift marker from tracking system coordinates to robot coordinates (apply storage Tcr). including. Loop 1102 also includes step 1118 to determine the current position of a single robot marker 1018 in the robot coordinate system from forward kinematics. The information from steps 1116 and 1118 is used to determine if the drift marker coordinates from the converted tracked position match the calculated coordinates that are less than a predetermined tolerance (step 1120). .. If yes, proceed to step 1122 to calculate and apply robot movement to targets x, y, z and orbits. If no, proceed to step 1124, pause, request full array insertion into guide tube 1014 before continuing processing, and recalculate Tcr after the array has been inserted in step 1126. Then, steps 1108, 1114 and 1118 are repeated.

この方法１１００は、位置を確認するために単一マーカー１０１８の連続的な監視が省略される方法に優る利点を有する。単一マーカー１０１８がなければ、Ｔｃｒを使用してエンドエフェクタ１０１２の位置を決定し、エンドエフェクタ１０１２を標的位置に送信することは可能であるが、ロボット１０２が実際に予想される場所にいることを確認することはできない。例えば、カメラ２００、３２６が突き当たり、Ｔｃｒがもはや有効でない場合、ロボット１０２は誤った位置に移動することになる。このため、単一マーカー１０１８は安全性に関する価値を提供する。 This method 1100 has an advantage over a method in which continuous monitoring of a single marker 1018 is omitted to confirm the position. Without the single marker 1018, it is possible to use Tcr to locate the end effector 1012 and send the end effector 1012 to the target position, but the robot 102 is actually in the expected location. Cannot be confirmed. For example, if the cameras 200 and 326 hit and the Tcr is no longer valid, the robot 102 will move to the wrong position. For this reason, the single marker 1018 provides safety value.

ロボット１０２の所与の固定位置に対して、理論的には、追跡カメラ２００、３２６を、単一の追跡されるマーカー１０１８は、アレイではなく単一の点であるので、移動されないままである、新しい位置に移動することが可能である。そのような場合、システム１００、３００、６００は、単一マーカー１０１８の計算された位置と、追跡された位置が一致するので、何らエラーを検出しない。しかしながら、ロボットの軸がガイドチューブ１０１２を新しい位置に移動させると、計算された位置と追跡された位置は不一致となり、安全チェックが有効になる。 Theoretically, for a given fixed position of the robot 102, the tracking cameras 200 and 326 remain unmoved because the single tracked marker 1018 is a single point rather than an array. , It is possible to move to a new position. In such a case, the systems 100, 300, 600 do not detect any error because the calculated position of the single marker 1018 matches the tracked position. However, when the robot axis moves the guide tube 1012 to a new position, the calculated position and the tracked position do not match and the safety check becomes effective.

「監視マーカー」という用語が、例えば、ＤＲＢ１４０４に対して固定位置にある単一マーカーを参照して使用することができる。この例では、ＤＲＢ１４０４が突き当てられるか、またはそうでなければ取り外されると、監視マーカーの相対位置が変化し、外科医１２０に、ナビゲーションに問題がある可能性があることを警告することができる。同様に、本明細書に記載の実施形態では、ロボットのガイドチューブ１０１４上に単一マーカー１０１８を用いて、システム１００、３００、６００は、カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動したかどうかを連続的にチェックすることができる。カメラ２００、３２６が突き当たったり機能不全になったり、ロボットが誤動作したりするなどして、追跡システムの座標系のロボットの座標系への登録が失われた場合、システム１００、３００、６００はユーザに警告し、修正を加えることができる。したがって、この単一マーカー１０１８は、ロボット１０２に対する監視マーカーと考えることもできる。 The term "monitoring marker" can be used, for example, with reference to a single marker in a fixed position with respect to DRB1404. In this example, if the DRB1404 is abutted or otherwise removed, the relative position of the surveillance marker will change, alerting the surgeon 120 that there may be a navigation problem. Similarly, in the embodiments described herein, using a single marker 1018 on the robot's guide tube 1014, the systems 100, 300, 600 will see if the cameras 200, 326 have moved relative to the robot 102. Can be checked continuously. If the tracking system's coordinate system is lost in the robot's coordinate system due to the camera 200, 326 hitting, malfunctioning, robot malfunction, etc., the systems 100, 300, 600 will be the user. Can be warned and corrected. Therefore, this single marker 1018 can also be considered as a monitoring marker for the robot 102.

ロボット１０２に恒久的に取り付けられたフルアレイ（例えば、図７Ａ〜７Ｃに示されるエンドエフェクタ６０２上の複数の追跡マーカー７０２）の場合、ロボット監視マーカーのような単一マーカー１０１８のそのような機能は、カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して固定位置にあることが要求されず、Ｔｃｒはロボット１０２の追跡された位置に基づいて各フレームで更新されるので、必要ではない。完全なアレイの代わりに単一マーカー１０１８を使用する理由は、完全なアレイがよりかさばってじゃまであり、それによって、単一マーカー１０１８よりも外科医の視界および外科手術領域２０８へのアクセスが妨げられ、フルアレイに対する視線が、単一マーカー１０１８に対する視線よりも容易にブロックされるからである。 In the case of a full array permanently attached to the robot 102 (eg, multiple tracking markers 702 on the end effector 602 shown in FIGS. 7A-7C), such a function of a single marker 1018, such as a robot surveillance marker, is , Cameras 200 and 326 are not required to be in a fixed position with respect to the robot 102, and Tcr is not required as it is updated at each frame based on the tracked position of the robot 102. The reason for using the single marker 1018 instead of the complete array is that the complete array is bulkier, which impedes the surgeon's visibility and access to the surgical area 208 than the single marker 1018. , Because the line of sight to the full array is more easily blocked than the line of sight to the single marker 1018.

ここで図１７Ａ−１７Ｂおよび図１８Ａ−１８Ｂを参照すると、固定および可動追跡マーカー８０４、８０６の両方を含むインプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃなどの器具６０８が示される。インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃは、ハンドル６２０と、ハンドル６２０から延在する外側シャフト６２２とを有してもよい。シャフト６２２は、図示されるように、ハンドル６２０に対して実質的に垂直に、または任意の他の適切な配向に配置され得る。内側シャフト６２６は、一方の端部にノブ６２８を有する外側シャフト６２２を通って延在することができる。インプラント１０、１２は、シャフト６２２に他方の端部で、当業者に公知である典型的な接続機構を使用して、インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃの先端６２４で接続する。ノブ６２８は、例えば、インプラント１０、１２を拡張させまたは関節接合させるために回転させることができる。米国特許第８，７０９，０８６号および第８，４９１，６５９号は、本明細書で参照により盛込まれるが、拡張可能な融合装置および取り付け方法を記載している。 Here, with reference to FIGS. 17A-17B and 18A-18B, an instrument 608 such as implant holders 608B, 608C containing both fixed and movable tracking markers 804, 806 is shown. Implant holders 608B, 608C may have a handle 620 and an outer shaft 622 extending from the handle 620. The shaft 622 may be positioned substantially perpendicular to the handle 620 or in any other suitable orientation as shown. The inner shaft 626 can extend through the outer shaft 622 having a knob 628 at one end. Implants 10 and 12 are connected to the shaft 622 at the other end at the tip 624 of the implant holders 608B, 608C using a typical connection mechanism known to those of skill in the art. The knob 628 can be rotated, for example, to expand or articulate implants 10, 12. U.S. Pat. Nos. 8,709,086 and 8,491,659, incorporated herein by reference, describe expandable fusion devices and mounting methods.

インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃのようなツール６０８を追跡するとき、追跡アレイ６１２は、アレイ６１２を構成するまたは、そうでなければインプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃに取り付けられる、固定マーカー８０４と一つまたは複数の可動マーカー８０６の組み合わせを含むことができる。ナビゲーションアレイ６１２は、インプラントホルダ器具６０８Ｂ、６０８Ｃに対して既知の位置に配置される少なくとも一つまたは複数（例えば、少なくとも二つ）の固定位置マーカー８０４を含むことができる。これらの固定マーカー８０４は、器具の幾何学的形状に対してどの方向にも動くことができず、器具６０８が空間中でどこにあるかを定義するのに有用である。さらに、少なくとも一つのマーカー８０６が存在し、これは、固定マーカー８０４に対して所定の境界内で動くことができる（例えば、摺動、回転など）アレイ６１２または器具自体に取り付けることができる。システム１００、３００、６００（例えば、ソフトウェア）は、可動マーカー８０６の位置をインプラント１０の特定の位置、配向、または他の属性に関係づける（例えば、図１７Ａ〜１７Ｂに示す拡張可能な椎体間スペーサの高さ、図１８Ａ〜１８Ｂに示される関節のある椎体間スペーサの角度）。したがって、システムおよび／またはユーザは、可動マーカー８０６の位置に基づいてインプラント１０、１２の高さまたは角度を決定することができる。 When tracking a tool 608 such as the implant holders 608B, 608C, the tracking array 612 is movable with one or more fixed markers 804 that constitute the array 612 or are otherwise attached to the implant holders 608B, 608C. A combination of markers 806 can be included. The navigation array 612 can include at least one or more (eg, at least two) fixed position markers 804 that are located at known positions with respect to the implant holder instruments 608B, 608C. These fixed markers 804 cannot move in any direction with respect to the geometry of the instrument and are useful in defining where the instrument 608 is in space. In addition, there is at least one marker 806, which can be attached to the array 612 or the instrument itself, which can move within a predetermined boundary relative to the fixed marker 804 (eg, sliding, rotating, etc.). Systems 100, 300, 600 (eg, software) relate the position of the movable marker 806 to a particular position, orientation, or other attribute of the implant 10 (eg, the expandable interbody interbody shown in FIGS. 17A-17B). Spacer height, angle of interbody spacer with joints shown in FIGS. 18A-18B). Thus, the system and / or the user can determine the height or angle of implants 10, 12 based on the position of the movable marker 806.

図１７Ａ〜図１７Ｂに示す実施形態では、四つの固定マーカー８０４を使用してインプラントホルダ６０８Ｂを画定し、第五の可動マーカー８０６を所定の経路内で摺動させて、インプラント高さ（例えば、収縮位置または拡張位置）にフィードバックを提供することができる。図１７Ａは、拡張可能なスペーサ１０をその初期高さで示しており、図１７Ｂは、可動マーカー８０６が異なる位置に並進された、拡張状態のスペーサ１０を示す。この場合、可動マーカー８０６は、インプラント１０が拡張されたときに固定マーカー８０４に近づくが、この移動が逆転してもよいし、そうでなければ異なってもよいと考えられる。マーカー８０６の直線並進の量は、インプラント１０の高さに対応する。二つの位置のみが示されるが、これを連続的な機能として有することが可能であり、それにより、任意の所定の拡張高さを可動マーカー８０６の特定の位置に相関させることができる。 In the embodiments shown in FIGS. 17A-17B, four fixed markers 804 are used to define the implant holder 608B and a fifth movable marker 806 is slid within a predetermined path to implant height (eg, eg). Feedback can be provided to the contracted or expanded position). FIG. 17A shows the expandable spacer 10 at its initial height, and FIG. 17B shows the expanded spacer 10 with the movable marker 806 translated into different positions. In this case, it is believed that the movable marker 806 approaches the fixed marker 804 when the implant 10 is expanded, but this movement may be reversed or otherwise different. The amount of linear translation of the marker 806 corresponds to the height of the implant 10. Although only two positions are shown, it is possible to have this as a continuous function, whereby any predetermined extended height can be correlated with a particular position of the movable marker 806.

ここで図１８Ａ〜図１８Ｂを参照すると、四つの固定マーカー８０４がインプラントホルダ６０８Ｃを画定するために使用され、第五の可動マーカー８０６がインプラント関節角度に対してフィードバックを提供するために所定の経路内で摺動するよう構成される。図１８Ａは、関節のあるスペーサ１２をその初期線形状態で示しており、図１８Ｂは、可動マーカー８０６が異なる位置に移動されたあるオフセット角での関節動作した状態にあるスペーサ１２を示す。マーカー８０６の線形並進量は、インプラント１２の関節角度に対応する。二つの位置だけが示されるが、これを連続機能として有することが可能であり、それによって、任意の所与の関節角度が可動マーカー８０６の特定の位置に相関されることができる。 Referring here to FIGS. 18A-18B, four fixed markers 804 are used to define the implant holder 608C and a fifth movable marker 806 is a predetermined route to provide feedback for the implant joint angle. It is configured to slide within. FIG. 18A shows the spacer 12 with the joint in its initial linear state, and FIG. 18B shows the spacer 12 in the joint-operated state at a certain offset angle in which the movable marker 806 has been moved to a different position. The linear translation of the marker 806 corresponds to the joint angle of the implant 12. Although only two positions are shown, it is possible to have this as a continuous function, whereby any given joint angle can be correlated with a particular position of the movable marker 806.

これらの実施形態では、可動マーカー８０６は、位置に基づいてインプラント１０、１２の属性に関するフィードバックを提供するために連続的に摺動する。また、インプラント属性に関するさらなる情報を提供することができる可動マーカー８０６がなければならない周到な位置が存在し得ることも考えられる。この場合、全てのマーカー８０４、８０６の周到な構成は、特定の配向または特定の高さにおける、インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃおよびインプラント１０、１２の特定の幾何学的形状と相関する。さらに、可動マーカー８０６の任意の動きは、任意の他のタイプのナビゲートされるインプラントの他の可変属性に使用することができる。 In these embodiments, the movable marker 806 slides continuously to provide feedback on the attributes of implants 10, 12 based on position. It is also possible that there may be a well-thought-out position where there must be a movable marker 806 that can provide further information about the implant attributes. In this case, the careful configuration of all markers 804,806 correlates with the particular geometry of implant holders 608B, 608C and implants 10,12 at a particular orientation or height. In addition, any movement of the movable marker 806 can be used for other variable attributes of any other type of navigated implant.

可動マーカー８０６の線形移動に関して図示および説明されるが、可動マーカー８０６は、単に摺動に限定されるべきではない。マーカー８０６の回転または他の動きがインプラント１０、１２に関する情報を提供するのに有用であり得る用途があり得る。一組の固定マーカー８０４と可動マーカー８０６との間の位置の相対的変化は、インプラント１０、１２または他のデバイスに関する関連情報となり得る。さらに、拡張可能で関節のあるインプラント１０、１２が例示されるが、器具６０８は、他の医療機器およびスペーサ、ケージ、プレート、ファスナ、釘、ねじ、ロッド、ピン、ワイヤ構造、縫合糸、アンカークリップ、ステープル、ステント、骨移植片、生物製剤、セメントなどの材料ともに機能することができる。 Although illustrated and described with respect to the linear movement of the movable marker 806, the movable marker 806 should not be limited solely to sliding. There may be applications in which the rotation or other movement of the marker 806 may be useful in providing information about implants 10, 12. The relative change in position between the set of fixed markers 804 and the movable marker 806 can be relevant information about implants 10, 12 or other devices. Further exemplified by expandable and articulated implants 10, 12, the instrument 608 includes other medical devices and spacers, cages, plates, fasteners, nails, screws, rods, pins, wire structures, sutures, anchors. It can work with materials such as clips, staples, stents, bone grafts, biologics and cement.

ここで図１９Ａを参照すると、ロボットエンドエフェクタ１１２は、他のタイプのエンドエフェクタ１１２と交換可能であることが想定される。さらに、各エンドエフェクタ１１２は、所望の外科施術に基づいて一つまたは複数の機能を実行することができると考えられる。例えば、ガイドチューブ１１４を有するエンドエフェクタ１１２は、本明細書で説明されるように器具６０８を案内するために使用されてもよい。さらに、エンドエフェクタ１１２は、例えば、外科用デバイス、器具、またはインプラントを制御する、異なるまたは代替のエンドエフェクタ１１２で置き換えることができる。 Here, with reference to FIG. 19A, it is assumed that the robot end effector 112 is interchangeable with other types of end effectors 112. Further, it is believed that each end effector 112 can perform one or more functions based on the desired surgical procedure. For example, an end effector 112 with a guide tube 114 may be used to guide the instrument 608 as described herein. Further, the end effector 112 can be replaced, for example, with a different or alternative end effector 112 that controls a surgical device, instrument, or implant.

代替のエンドエフェクタ１１２は、ロボットに結合され、ロボットによって制御可能な一つまたは複数の装置または器具を含むことができる。非限定的な例として、図１９Ａに示すエンドエフェクタ１１２は、レトラクタ（例えば、米国特許第８，９９２，４２５号および第８，９６８，３６３号に開示される一つまたは複数のレトラクタ）、または以下のような外科用デバイスを挿入または設置するための一つまたは複数の機構を含むことができる。それは、拡張可能な椎間融合装置（米国特許第８，８４５，７３４号、第９，５１０，９５４号、および第９，４５６，９０３号に例示される拡張可能インプラントなど）、スタンドアロンの椎間融合装置（米国特許第９，３６４，３４３号および第９，４８０，５７９号に例示されるようなインプラントなど）、拡張可能な骨切除装置（米国特許第９，３９３，１２８号および第９，１７３，７４７号に例示される骨矯正インプラントなど）、関節のあるスペーサ（米国特許第９，２５９，３２７号に例示されるインプラントなど）、ファセットプロテーゼ（米国特許第９，５３９，０３１号に例示されるデバイスなど）、椎弓形成術装置（米国特許第９，４８６，２５３号に例示されたデバイスなど）、棘突起スペーサ（米国特許第９，５９２，０８２号に例示されるインプラントなど）、インフレータブル製品、多軸スクリュー、一平面スクリュー、椎弓根スクリュー、ポストスクリューなどを含むファスナ、骨固定プレート、ロッド構築物および変更デバイス（米国特許第８，８８２，８０３号に例示されるデバイスなど）、人工および天然ディスク、動作保存装置、インプラント、および脊髄刺激装置（米国特許第９，４４０，０７６号に例示される装置など）、ならびに他の外科用デバイスである。エンドエフェクタ１１２は、骨セメント、骨移植片、生きた細胞、医薬品、または外科手術標的への他の送達物を提供するために、ロボットに直接的または間接的に結合された一つまたは複数の器具を含むことができる。エンドエフェクタ１１２はまた、椎間板切除術、脊柱後弯形成、椎骨縫合、拡張、または他の外科施術を行うために設計された一つまたは複数の器具を含むことができる。 The alternative end effector 112 may include one or more devices or instruments coupled to the robot and controlled by the robot. As a non-limiting example, the end effector 112 shown in FIG. 19A may be a retractor (eg, one or more retractors disclosed in US Pat. Nos. 8,992,425 and 8,968,363), or It can include one or more mechanisms for inserting or installing surgical devices such as: It includes expandable intervertebral fusion devices (such as the expandable implants exemplified in US Pat. Nos. 8,845,734, 9,510,954, and 9,456,903), stand-alone intervertebral space. Fusion devices (such as implants as exemplified in US Pat. Nos. 9,364,343 and 9,480,579), expandable osteotomy devices (US Pat. Nos. 9,393,128 and 9, Bone orthodontic implants exemplified by 173,747), spacers with joints (implants exemplified by US Pat. No. 9,259,327), facet prostheses (eg, US Pat. No. 9,539,031). Devices such as), vertebral angioplasty devices (such as the device exemplified by US Pat. No. 9,486,253), spinous spacers (such as implants exemplified by US Pat. No. 9,592,082), Inflatable products, fasteners including multi-axis screws, unilateral screws, pedicle screws, post-screws, etc., bone fixation plates, rod constructs and modification devices (such as the devices exemplified by US Pat. No. 8,882,803), Artificial and natural discs, motion storage devices, implants, and spinal cord stimulators (such as those exemplified in US Pat. No. 9,440,076), as well as other surgical devices. The end effector 112 is one or more directly or indirectly coupled to the robot to provide bone cement, bone grafts, living cells, pharmaceuticals, or other deliverables to surgical targets. Can include instruments. The end effector 112 can also include one or more instruments designed for performing discectomy, kyphosis, vertebral suture, dilation, or other surgical procedures.

エンドエフェクタそれ自体および／またはインプラント、デバイスまたは器具は、マーカー１１８の場所および位置が三次元で識別されるように、一つまたは複数のマーカー１１８を含むことができる。マーカー１１８は、カメラ２００に直接的または間接的に視認可能な、本明細書に記載される能動または受動マーカー１１８を含むことができると考えられる。したがって、例えば、インプラント１０上に配置された一つまたは複数のマーカー１１８は、インプラント前、インプラント中およびインプラント後のインプラント１０の追跡を提供することができる。 The end effector itself and / or the implant, device or instrument can include one or more markers 118 so that the location and location of the markers 118 can be identified in three dimensions. It is believed that the marker 118 may include the active or passive markers 118 described herein that are directly or indirectly visible to the camera 200. Thus, for example, one or more markers 118 placed on the implant 10 can provide tracking of the implant 10 before, during and after the implant.

図１９Ｂに示すように、エンドエフェクタ１１２は、ロボットアーム１０４に結合された器具６０８またはその一部を含むことができ（例えば、器具６０８は、図９Ａ〜図９Ｃに示す結合機構によってロボットアーム１０４に結合され得る）、ロボットシステム１００によって制御可能である。したがって、図１９Ｂに示す実施形態では、ロボットシステム１００は、インプラント１０を患者に挿入し、拡張可能インプラント１０を拡張または収縮させることができる。したがって、ロボットシステム１００は、外科医を補助するか、または部分的にまたは完全に独立して動作するように構成することができる。したがって、ロボットシステム１００は、その特定の機能または外科施術のために各代替エンドエフェクタ１１２を制御することができることが想定される。 As shown in FIG. 19B, the end effector 112 can include an instrument 608 coupled to the robot arm 104 or a portion thereof (eg, the instrument 608 is the robot arm 104 by the coupling mechanism shown in FIGS. 9A-9C. Can be coupled to), which can be controlled by the robot system 100. Therefore, in the embodiment shown in FIG. 19B, the robot system 100 can insert the implant 10 into the patient and expand or contract the expandable implant 10. Therefore, the robot system 100 can be configured to assist the surgeon or operate partially or completely independently. Therefore, it is envisioned that the robot system 100 can control each alternative end effector 112 for its particular function or surgical procedure.

図２０Ａ〜２２Ｃを参照すると、最小侵襲手術（ＭＩＳ）中に曲がった脊髄ロッドを追跡するために、手術用ナビゲーションが使用され得る。存在し得る一つの問題は、ロッドがねじヘッドチューリップを通して目で見ることなく位置付けられる必要があるため、ＭＩＳ中に脊髄ロッドを挿入することが困難であり得ることである。手術用ナビゲーション技術は、ＭＩＳ処置においてチューリップを通して曲げられたロッドを配置する間、外科医に可視性を提供することになる。手術用ナビゲーションを可能にするために、ナビゲーションアレイを既知の様式でロッドに取り付ける必要があり、曲がったロッドの形状は既知であるべきである。 With reference to FIGS. 20A-22C, surgical navigation may be used to track a bent spinal rod during minimally invasive surgery (MIS). One problem that can exist is that it can be difficult to insert the spinal cord rod into the MIS because the rod needs to be positioned invisibly through the screw head tulip. Surgical navigation techniques will provide the surgeon with visibility while placing the bent rod through the tulips in the MIS procedure. To enable surgical navigation, the navigation array must be attached to the rod in a known manner and the shape of the bent rod should be known.

ロッドの端部に位置するキー付き六角形などの既知の配向の取付点を有することで、それ自体を追跡アレイに付着させることができ、前述のロッドが患者の体内にあって、カメラおよび外科医が直接見ることができない間、ロッドのナビゲーションが許容される。 By having a mounting point with a known orientation, such as a keyed hexagon located at the end of the rod, it can be attached to the tracking array itself, with the rod mentioned above inside the patient's body, the camera and the surgeon. Rod navigation is allowed while the is not directly visible.

ロッドの形状に関する情報は、ソフトウェアを計画することによって手術前に決定することができる。自動化されたロッドベンダーシステムを使用するときに行われるように、ロッド形状を決定するためにねじヘッドをナビゲートすることによって、術中に決定され得る。また、曲げられたロッドの形状をスキャンするために使用されるナビゲーションワンドによって決定され得る。 Information about the shape of the rod can be determined preoperatively by planning the software. It can be determined intraoperatively by navigating the screw head to determine the rod shape, as is done when using an automated rod bender system. It can also be determined by the navigation wand used to scan the shape of the bent rod.

本開示は、最小切開侵入点を使用しながら、椎弓根スクリューとの整列を確実にするため、ロッドの位置をモニタリングする追跡アレイを提供することによって、ＭＩＳ内の患者特有の曲げられたロッドの追跡を可能にし得る。本開示はまた、曲げられたロッドのＣＡＤモデルの迅速な生成を可能にするロッドの幾何学的形状検出ツールを可能にし得るが、これは次に、ロボット外科手術システムのディスプレイ上の解剖学的構造上にオーバーレイしてグラフィック表示することができる。 The present disclosure provides a patient-specific bent rod within the MIS by providing a tracking array that monitors the position of the rod to ensure alignment with the pedicle screw while using the minimum incision entry point. Can be tracked. The present disclosure may also enable a rod geometry detection tool that allows rapid generation of CAD models of bent rods, which in turn enable anatomical on-display of robotic surgical systems. It can be overlaid on the structure and displayed graphically.

米国仮特許出願第６２／５８３，８５１号（本明細書に参照により組み込まれる）などの他の開示に記載される自動ロッド屈曲装置は、所望の取付点に一致するようにロッドを自動的に曲げるために使用できる。所望の取り付け点は、挿入後のねじヘッドの位置、または再整列適用後にねじヘッドのある位置であり得る。外科手術計画および／またはナビゲーションを使用して、ロッドを相互接続する必要がある点のセットを確立できる。次に、スプラインをポイントに適合させること、ポイントを直線または曲線で接続すること、またはその他の方法でロッド形状を確立できる。ロッド形状が定義されると、自動ロッドベンダーは物理的に曲げられたロッドを生成でき、またソフトウェアは曲げられたロッドの幾何学的形状を表すＣＡＤファイルを生成および保持できる。ＣＡＤ表現を有する他の追跡されたツールと同様に、ナビゲーションシステムは、患者の解剖学的構造上にオーバーレイされた曲げられたロッド、および解剖学的構造上の計画されたまたは追跡されたねじの位置上にオーバーレイされた曲げられたロッドのＣＡＤ表現をレンダリングする。外科手術計画ソフトウェアは、ユーザが曲げられたロッド画像を回転させ、並進移動させることを可能とし、それを解剖学的構造および計画されたねじに対して再配置して、適合が正しいかどうかをチェックすることができる。ナビゲートする場合、曲げられたロッドの現在位置または外挿位置もまた、解剖学的構造および計画されたねじに対して追跡できる。 The automatic rod bending device described in other disclosures, such as US Provisional Patent Application No. 62 / 583,851 (incorporated herein by reference), automatically adjusts the rod to match the desired attachment point. Can be used to bend. The desired attachment point may be the location of the screw head after insertion, or the location of the screw head after realignment application. Surgical planning and / or navigation can be used to establish a set of points where rods need to be interconnected. The splines can then be fitted to the points, the points can be connected by straight lines or curves, or other methods can be used to establish the rod shape. Once the rod shape is defined, the automatic rod bender can generate a physically bent rod and the software can generate and hold a CAD file representing the geometry of the bent rod. Like other tracked tools with CAD representation, the navigation system is a bent rod overlaid on the patient's anatomy, and anatomical planned or tracked screws. Render the CAD representation of the bent rod overlaid on the position. Surgical planning software allows the user to rotate and translate the bent rod image and rearrange it against the anatomy and planned screws to determine if the fit is correct. You can check. When navigating, the current or extrapolated position of the bent rod can also be tracked against the anatomy and planned threads.

曲げられたロッドのナビゲーションは、トラッカーをロッドに取り付けることを含み得る。ロッドは非線形であるため、取付点は、６度の自由度を有する剛体としてロッドを追跡できるような既知の配向である必要がある。トラッカーが考えられる一つの方法で取り付けられることを可能にするロッドの端部への取付機構を使用し得る。この取付機構について考えられる一つの構成は、キー溝を有する六角形である。トラッキングアレイは、メス接続ソケットに挿入するオス接続ボスを有することができ、キー溝は、トラッカーが一方向に取り付けられていることを確実にする（以下でさらに詳細に説明する図２０Ａ〜２１を参照のこと）。その他の可能な構成には、限定されないが、「Ｔ」字型のキー溝、ノッチ付きの円柱、ハート形、豆形、またはノッチ付きのｎ角形を含む。 Navigation of a bent rod may include attaching a tracker to the rod. Since the rod is non-linear, the attachment point needs to be in a known orientation so that the rod can be traced as a rigid body with 6 degrees of freedom. A mounting mechanism to the end of the rod may be used that allows the tracker to be mounted in one possible way. One possible configuration for this mounting mechanism is a hexagon with a keyway. The tracking array can have a male connection boss that inserts into a female connection socket, and the keyway ensures that the tracker is mounted in one direction (FIGS. 20A-21, described in more detail below). See). Other possible configurations include, but are not limited to, a "T" keyway, a notched cylinder, a heart shape, a bean shape, or a notched n-sided polygon.

図２０Ａ〜２０Ｂは、本開示の例示的実施形態を示す。図２０Ａ〜２０Ｂは、屈曲後のロッド２００４の取付点２００２の二つの図を示す。第一の図（図２０Ａ）は、取付点２００２の前面を示す。中央の窪みまたは内部チャネル２００８のキー溝２００６は、内側チャネル２００８の非対称な性質により、ロッド２００４とのトラッカー接続の適切な整列があることを確実にする。第二の図（図２０Ｂ）は、ロッド２００４および取付点２００２を側面から示す。取付点の深さは、六角形の後部に沿ったノッチ２０１０として見ることができる。ノッチ２０１０は、トラッキングアレイが取り付けられる取付点として構成されてもよく、トラッカーとロッド２００４との間の安全な接続を確実にし、シャフトの方向に沿った固定ロック位置を確保する。 20A-20B show exemplary embodiments of the present disclosure. 20A-20B show two views of the attachment point 2002 of the rod 2004 after bending. The first figure (FIG. 20A) shows the front of the attachment point 2002. The central recess or keyway 2006 of the inner channel 2008 ensures that there is a proper alignment of the tracker connection with the rod 2004 due to the asymmetrical nature of the inner channel 2008. The second figure (FIG. 20B) shows the rod 2004 and the attachment point 2002 from the side. The depth of the attachment point can be seen as a notch 2010 along the rear of the hexagon. The notch 2010 may be configured as a mounting point to which the tracking array is mounted, ensuring a secure connection between the tracker and the rod 2004 and ensuring a fixed locking position along the direction of the shaft.

図２１は、本開示の原理による曲げられたロッドを追跡するためのシステム２１００の例示的実施形態を示す。システム２１００は、取付点２００２を有するロッド２００４および接続点２１０４を有するトラッカー（またはトラッキングアレイ）２１０２を含み得る。接続点２１０４は、ロッド上のキー溝２００６に係合し、トラッカー２１０２をロッド２００２に挿入し得る。トラッカー２１０２は、六角形のキー溝２００６に取り付ける接続点２１０４上の対応する一片を有し得る。トラッカー２１０２は、キー溝２００６中にロックされ、ノッチ２０１０に巻き付けられる。ロッド取付点２００２の周りのトラッカー２１０２のクランプは、ロッド２００４のトラッカー２１０２に対する固定を確実とする助けとなる。 FIG. 21 shows an exemplary embodiment of a system 2100 for tracking a bent rod according to the principles of the present disclosure. The system 2100 may include a rod 2004 with attachment points 2002 and a tracker (or tracking array) 2102 with connection points 2104. The connection point 2104 may engage the keyway 2006 on the rod to insert the tracker 2102 into the rod 2002. The tracker 2102 may have a corresponding piece on the connection point 2104 that attaches to the hexagonal keyway 2006. The tracker 2102 is locked in the keyway 2006 and wound around the notch 2010. Clamping the tracker 2102 around the rod attachment point 2002 helps ensure that the rod 2004 is secured to the tracker 2102.

図２２は、本開示の原理と一致するトラッカー取付けおよび登録のための例示的方法２２００を示す。ステップ２２０２で、自動ロッド屈曲装置または手動ロッド屈曲装置は、患者に移植された椎弓根スクリューヘッドに適合するようにロッドを曲げ得る。 FIG. 22 shows an exemplary method 2200 for tracker mounting and registration consistent with the principles of the present disclosure. At step 2202, the automatic rod flexor or manual rod flexor can bend the rod to fit the pedicle screw head implanted in the patient.

ステップ２２０４で、曲げられたロッドを追跡するために、キー溝に対するロッドの配向が決定される。キー溝の配向は、いくつかの方法で記録され得る。一つの例示的な方法では、ロッドは、屈曲プロセス中にシステムがロッドの配向を認識するように、ロッドベンダー内に位置付けられる。別の例示的な方法では、キー溝は、自動ロッド屈曲装置によってロッドの端部に刻み込まれ得る。別の例示的な方法では、光学式検知、レーザースキャンまたはその他の手段を通してロッドの形状を検出することによって、キー溝の配向が検出され得る。ロッドが曲げられた後、自動ロッド屈曲装置に関連付けられたコンピュータとの接続を通して、ＣＡＤファイルがナビゲーションシステムにインポートされ得る。外科医は次に、トラッカーをロッドに取り付け、ノッチ２０１０内に取り付けられたクリップを介して固定し得る。トラッカー上のマーカーは、その接続におけるトラッカーの配向が既知であるように、事前に較正され得る。曲げられたロッドのトラッカーは、患者上のトラッキングアレイと同時に追跡され、曲げられたロッドトラッカーのコネクタの位置が患者の解剖学的構造に対して認識できることが可能となる。ロッドは、曲げられたロッドトラッカーのコネクタでその固定点を提供され、キー溝付きコネクタの配向によって指示通りに延びる。 At step 2204, the orientation of the rod with respect to the keyway is determined to track the bent rod. Keyway orientation can be recorded in several ways. In one exemplary method, the rod is positioned within the rod bender so that the system recognizes the orientation of the rod during the bending process. In another exemplary method, the keyway may be inscribed in the end of the rod by an automatic rod bending device. In another exemplary method, keyway orientation can be detected by detecting the shape of the rod through optical detection, laser scanning or other means. After the rod is bent, the CAD file can be imported into the navigation system through a connection with a computer associated with the automatic rod bending device. The surgeon may then attach the tracker to the rod and secure it via a clip mounted within the notch 2010. Markers on the tracker can be pre-calibrated so that the orientation of the tracker at its connection is known. The bent rod tracker is tracked simultaneously with the tracking array on the patient, allowing the position of the bent rod tracker connector to be recognizable to the patient's anatomy. The rod is provided with its fixation point by a bent rod tracker connector and extends as directed by the orientation of the keyway connector.

ステップ２２０６で、曲げられたロッドがナビゲートされる。ナビゲートに当たり、外科医は曲げられたロッドトラッカーのシャフトを把持し、ロッドを切開を通して外科手術部位内に挿入し、切開とねじアイレットを貫通するようにロッドを操作し、一つ以上のトラッキングカメラの視界内にあるようトラッキングアレイを維持しながら、ロッドを操縦する。トラッカーおよびロッドを操作してロッドの湾曲に従うことは、切開サイズを最小限に留めることに役立つ。 At step 2206, the bent rod is navigated. Upon navigating, the surgeon grasps the shaft of the bent rod tracker, inserts the rod through the incision into the surgical site, manipulates the rod through the incision and screw eyelet, and of one or more tracking cameras. Steer the rod while keeping the tracking array in sight. Manipulating the tracker and rod to follow the rod's curvature helps to minimize the incision size.

ステップ２２０８で、患者の解剖学的構造に対して曲げられたロッドは、ロボットシステムのディスプレイ上に表示され得る。ロッドをナビゲーション下で操縦する間、ロッドは、解剖学的構造上にオーバーレイされる形で、挿入された椎弓根スクリューに対して可視化され得る。外科医は、ロッドの位置、特に先端部が、前進するときにねじアイレットに対してどのように変化するかを可視化できる。 At step 2208, the rod bent relative to the patient's anatomy can be displayed on the display of the robot system. While maneuvering the rod under navigation, the rod may be visible to the inserted pedicle screw in an overlay on the anatomy. The surgeon can visualize how the position of the rod, especially the tip, changes with respect to the screw eyelet as it advances.

ステップ２２１０で、ロッドがねじヘッドを通して操縦されると、外科医は、各ねじに共線的に挿入されたドライバを使用してねじロックキャップを挿入および締め付けることにより、ねじをロッドにロックし得る。ロッドが配置され、ねじがロッドにロックされる前または後に、外科医はロッドの端部からトラッカーを取り外し得る。 At step 2210, as the rod is steered through the screw head, the surgeon may lock the screw to the rod by inserting and tightening the screw lock cap using a driver collinearly inserted into each screw. The surgeon may remove the tracker from the end of the rod before or after the rod is placed and the screw is locked to the rod.

例示的実施形態では、曲げられたロッドの幾何学的形状は決定され得るが、それは手術前には不明であり得、手術時に自動または手動で曲げられ得る。ロッドの幾何学的形状が決定されると、その解剖学的構造上でロッドを可視化するためにＣＡＤモデルが生成され得る。ロッドの幾何学的形状は、図２３Ａ〜Ｃに示したように追跡されたツールを使用して湾曲を検出することによって決定され得る。 In an exemplary embodiment, the geometry of the bent rod can be determined, but it can be unknown prior to surgery and can be bent automatically or manually during surgery. Once the geometry of the rod is determined, a CAD model can be generated to visualize the rod on its anatomy. The geometry of the rod can be determined by detecting the curvature using a tracked tool as shown in FIGS. 23A-C.

図２３Ａは、ロッドの幾何学的形状を決定するためのシステム２３００を示す。システム２３００は、ロッド２００４およびフット２３０４およびナビゲーションアレイ２３０６を有する追跡されたツール２３０２を含み得る。ナビゲーションアレイ２３０６は、ナビゲーション目的でカメラを追跡するために認識可能であり得る。 FIG. 23A shows a system 2300 for determining the geometry of the rod. The system 2300 may include a tracked tool 2302 with a rod 2004 and a foot 2304 and a navigation array 2306. The navigation array 2306 may be recognizable for tracking the camera for navigation purposes.

ロッドの幾何学的形状を決定するために、ロッドは、カメラの座標系内に残るように、テーブルに固定することができる。あるいは、図２１に関連して説明した通り、トラッカー２１０２はロッド２００４の端部に取り付けることができ、ロッド２００４およびツール２３０２は、トラッカー２１０２およびナビゲーションアレイ２３０６の両方がトラッキングカメラから見えるままである限り、互いに対して自由に移動することができる。ユーザは、ツール２３０２をロッド２００４の外表面に沿って移動させ得る。ツール２３０２の端部は、フットがロッドに対して自由に押し付けられることができるように、Ｖ字または半円のノッチが付き、かつ一方の端部が開いたフット２３０８を有するか、またはロッド囲むようにリング状であり、ロッドの端部を開口部に通す必要があるフット２３１０を有し得る。ツール２３０２は、円形開口部の中心の位置、またはロッドの中心がツール２３０２のナビゲーションアレイ２３０６に対してどこにあるかが既知であるノッチの位置を較正することができる。 To determine the geometry of the rod, the rod can be fixed to the table so that it remains in the camera's coordinate system. Alternatively, as described in connection with FIG. 21, the tracker 2102 can be attached to the end of the rod 2004, and the rod 2004 and the tool 2302 are as long as both the tracker 2102 and the navigation array 2306 remain visible to the tracking camera. , Can move freely with respect to each other. The user may move the tool 2302 along the outer surface of the rod 2004. The end of the tool 2302 has a V-shaped or semi-circular notch and one end has an open foot 2308 or surrounds the rod so that the foot can be freely pressed against the rod. As such, it may have a foot 2310 that is ring-shaped and requires the end of the rod to pass through the opening. The tool 2302 can calibrate the position of the center of the circular opening, or the position of the notch where it is known where the center of the rod is relative to the navigation array 2306 of the tool 2302.

ユーザは、ツール２３０２をロッド２００４に沿って移動させ、曲げられたロッドの形状を記録し得る。ツール２３０２のフット２３０４が、ロッド２００４が通過する穴である場合、ロッド２３０４は鋭利な湾曲がある場合に穴の中で詰まり得る。この状況を避ける一つの方法は、穴の断面、ワッシャーと同様に薄く平らにすることである。ツール２３０２は、ロッドの長さにわたって移動してもよく、その湾曲に関連するデータは連続的にまたは単位ごとに記録される。このデータは、ＣＡＤモデルを生成するために使用される。 The user may move the tool 2302 along the rod 2004 and record the shape of the bent rod. If the foot 2304 of the tool 2302 is a hole through which the rod 2004 passes, the rod 2304 can clog in the hole if there is a sharp curve. One way to avoid this situation is to flatten the cross section of the hole, as well as the washer. The tool 2302 may move over the length of the rod and the data related to its curvature is recorded continuously or unit by unit. This data is used to generate a CAD model.

図２３Ａでは、ツール２３０２上のフット２３０４は、ロッドに接触しながら、ツール２３０２およびナビゲーションアレイ２３０６をロッド上で移動させることができる。システムは、その長さに沿って間隔を置いてロッド位置を検出し得、ナビゲーション用のロッドの幾何学的形状を記録し得る。フット２３０４は、図２３Ｂに示すように、Ｕ字型ソケット２３０８であってもよく、または図２３Ｃに示す通り、ロッドが通過する穴２３１０を有するフットであってもよい。 In FIG. 23A, the foot 2304 on the tool 2302 can move the tool 2302 and the navigation array 2306 on the rod while in contact with the rod. The system can detect rod positions at intervals along its length and record the geometry of the rod for navigation. The foot 2304 may be a U-shaped socket 2308, as shown in FIG. 23B, or, as shown in FIG. 23C, a foot having a hole 2310 through which the rod passes.

本明細書に記載されるロボットおよび関連するシステムは、背骨用途を参照して一般に説明されるが、ロボットシステムは、他の外科手術への適用において使用されるように構成される。他の外科手術には、外傷の手術または他の整形外科手術（例えば、髄内釘、プレートなどの配置）、頭蓋、神経、心胸郭、血管、結腸直腸、腫瘍学、歯科および他の外科手術および処置が挙げられるが、これらに限定されない。 Although the robots and related systems described herein are generally described with reference to spinal applications, robotic systems are configured to be used in other surgical applications. Other surgical procedures include traumatic surgery or other orthopedic surgery (eg, placement of intramedullary nails, plates, etc.), cranial, nerve, cardiothoracic, vascular, colonic rectal, oncology, dentistry and other surgery. And treatment, but not limited to these.

本発明のいくつかの実施形態が前述の明細書に開示されているが、本発明の多くの変更および他の実施形態が、発明に関係することが想定され、前述の説明および関連する図面に提示された教示の利益を享受する。したがって、本発明は、上に開示された特定の実施形態に限定されず、多くの修正および他の実施形態が添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されることが理解される。一実施形態の特徴は、本明細書に記載された異なる実施形態の特徴と組み合わせることができ、または使用することがさらに想定される。さらに、特定の用語が、本明細書および以下の特許請求の範囲で用いられているが、それらは包括的で説明的な意味でのみ使用され、記載された発明および以下の特許請求の範囲を限定する目的で使用されるものではない。本明細書に引用された各特許および公報の開示全体は、あたかもそのような各特許または特許公報が参照により個々に本明細書に組み込まれているかのように、その全体が参照により組み込まれる。本発明の様々な特徴および利点が、下記の特許請求の範囲に記載されている。 Although some embodiments of the invention are disclosed in the specification above, many modifications and other embodiments of the invention are assumed to be relevant to the invention and are described in the description and related drawings above. Enjoy the benefits of the teachings presented. Accordingly, it is understood that the invention is not limited to the particular embodiments disclosed above, but that many modifications and other embodiments are intended to be included within the appended claims. The features of one embodiment can be combined or further envisioned to be combined with or used with the features of the different embodiments described herein. In addition, certain terms are used herein and in the claims below, but they are used only in a comprehensive and descriptive sense to cover the inventions described and the claims below. It is not used for limiting purposes. The entire disclosure of each patent and gazette cited herein is incorporated by reference in its entirety as if each such patent or patent gazette was individually incorporated herein by reference. Various features and advantages of the present invention are described in the claims below.

Claims (18)

手術用ナビゲーションシステムであって、
コンピュータと、
カメラと、
ディスプレイと、
インプラントトラッカーを有する外科手術インプラントと、
前記外科手術インプラントと関連付けられたツールトラッカーを有する検出ツールと、
を備え、
前記コンピュータが、前記検出ツールが前記外科手術インプラントの外部表面に沿って移動すると、前記検出ツールの位置に関連付けられたデータを受信することによって、前記外科手術インプラントの形状を決定するように構成され、
前記外科手術インプラントは、取付点を含むロッドであり、前記取付点は、六角形のキー溝およびノッチを有しており、前記外科手術インプラントは、前記インプラントトラッカーに結合するように構成されており、
前記インプラントトラッカーは、前記六角形のキー溝に取り付けられる接続点を含み、前記外科手術インプラントの前記ノッチに巻き付けられる、手術用ナビゲーションシステム。 Surgical navigation system
With a computer
With the camera
With the display
Surgical implants with implant trackers and
A detection tool with a tool tracker associated with the surgical implant,
Equipped with
The computer is configured to determine the shape of the surgical implant by receiving data associated with the location of the detection tool as the detection tool moves along the outer surface of the surgical implant. ,
The surgical implant is a rod containing a attachment point, the attachment point has a hexagonal keyway and a notch, and the surgical implant is configured to bind to the implant tracker. ,
The implant tracker includes a connection point attached to the hexagonal keyway, the wound on the notches of the surgical implant, the surgical navigation system. 前記カメラが、前記外科手術インプラントを追跡するように構成される、請求項１に記載の手術用ナビゲーションシステム。 The surgical navigation system of claim 1, wherein the camera is configured to track the surgical implant. 前記ディスプレイが、患者の解剖学的構造に関連して前記外科手術インプラントのグラフィック表示を表示するように構成される、請求項２に記載の手術用ナビゲーションシステム。 The surgical navigation system according to claim 2, wherein the display is configured to display a graphic display of the surgical implant in relation to the patient's anatomy. 前記ディスプレイが、前記コンピュータによって決定された前記外科手術インプラントの形状を表示するように構成される、請求項３に記載の手術用ナビゲーションシステム。 The surgical navigation system of claim 3, wherein the display is configured to show the shape of the surgical implant as determined by the computer. 前記インプラントトラッカーが、前記カメラによって認識されるように構成された一つ以上の光学センサを備える、請求項１に記載の手術用ナビゲーションシステム。 The surgical navigation system of claim 1, wherein the implant tracker comprises one or more optical sensors configured to be recognized by the camera. 前記ツールトラッカーが、前記カメラによって認識されるように構成された一つ以上の光学センサを備える、請求項５に記載の手術用ナビゲーションシステム。 The surgical navigation system of claim 5, wherein the tool tracker comprises one or more optical sensors configured to be recognized by the camera. 前記ロッドの一部分が、椎弓根スクリュー内に受け入れられるように構成されている、請求項１に記載の手術用ナビゲーションシステム。 The portion of the rod is configured to be found acceptable to pedicle the screw, surgical navigation system according to claim 1. 前記検出ツールがＵ字型のフットを含む、請求項１に記載の手術用ナビゲーションシステム。 The surgical navigation system of claim 1, wherein the detection tool comprises a U-shaped foot. 前記検出ツールが貫通穴を有するフットを含む、請求項１に記載の手術用ナビゲーションシステム。 The surgical navigation system of claim 1, wherein the detection tool comprises a foot having a through hole. ロボット支援外科手術で使用するための手術用ロボットシステムであって、前記システムが、
コンピュータと、
ロボットアームと、
カメラと、
ディスプレイと、
インプラントトラッカーを有する外科手術インプラントと、
前記外科手術インプラントと関連付けられたツールトラッカーを有する検出ツールと、
を備え、
前記コンピュータが、前記ロボットアームを患者の解剖学的構造の標的位置に移動させて、前記外科手術インプラントを挿入するように構成され
前記コンピュータが、前記検出ツールが前記外科手術インプラントの外部表面に沿って移動すると、前記検出ツールの位置に関連付けられたデータを受信することによって、前記外科手術インプラントの形状を決定するように構成され、
前記外科手術インプラントは、取付点を含むロッドであり、前記取付点は、六角形のキー溝およびノッチを有しており、前記外科手術インプラントは、前記インプラントトラッカーに結合するように構成されており、
前記インプラントトラッカーは、前記六角形のキー溝に取り付けられる接続点を含み、前記外科手術インプラントの前記ノッチに巻き付けられる、手術用ロボットシステム。 Robot-assisted surgery A surgical robot system for use in surgery, said system.
With a computer
With the robot arm
With the camera
With the display
Surgical implants with implant trackers and
A detection tool with a tool tracker associated with the surgical implant,
Equipped with
The computer is configured to move the robot arm to a target location in the patient's anatomy to insert the surgical implant, where the detection tool is along the external surface of the surgical implant. As it travels, it is configured to determine the shape of the surgical implant by receiving data associated with the location of the detection tool.
The surgical implant is a rod containing a attachment point, the attachment point has a hexagonal keyway and a notch, and the surgical implant is configured to bind to the implant tracker. ,
The implant tracker includes a connection point attached to the hexagonal keyway, the wound on the notches of surgical implants, surgical robot system. 前記カメラが、前記外科手術インプラントを追跡するように構成される、請求項１０に記載の手術用ロボットシステム。 10. The surgical robot system of claim 10 , wherein the camera is configured to track the surgical implant. 前記ディスプレイが、患者の解剖学的構造に関連して前記外科手術インプラントのグラフィック表示を表示するように構成される、請求項１１に記載の手術用ロボットシステム。 11. The surgical robot system of claim 11 , wherein the display is configured to display a graphic display of the surgical implant in relation to the anatomical structure of the patient. 前記ディスプレイが、前記コンピュータによって決定された前記外科手術インプラントの形状を表示するように構成される、請求項１２に記載の手術用ロボットシステム。 12. The surgical robot system of claim 12 , wherein the display is configured to display the shape of the surgical implant as determined by the computer. 前記インプラントトラッカーが、前記カメラによって認識されるように構成された一つ以上の光学センサを備える、請求項１０に記載の手術用ロボットシステム。 10. The surgical robot system of claim 10 , wherein the implant tracker comprises one or more optical sensors configured to be recognized by the camera. 前記ツールトラッカーが、前記カメラによって認識されるように構成された一つ以上の光学センサを備える、請求項１４に記載の手術用ロボットシステム。 14. The surgical robot system of claim 14, wherein the tool tracker comprises one or more optical sensors configured to be recognized by the camera. 前記ロッドの一部分が、椎弓根スクリュー内に受け入れられるように構成されている、請求項１０に記載の手術用ロボットシステム。 The portion of the rod is configured to be found acceptable to pedicle the screw, surgical robotic system of claim 10. 前記検出ツールがＵ字型のフットを含む、請求項１０に記載の手術用ロボットシステム。 10. The surgical robot system of claim 10 , wherein the detection tool comprises a U-shaped foot. 前記検出ツールが貫通穴を有するフットを含む、請求項１０に記載の手術用ロボットシステム。 10. The surgical robot system of claim 10 , wherein the detection tool comprises a foot having a through hole.
JP2019185124A 2018-10-10 2019-10-08 Surgical robot automation with tracking markers Active JP6970154B2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/156,350 2018-10-10
US16/156,350 US20190038366A1 (en) 2012-06-21 2018-10-10 Surgical robotic automation with tracking markers

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2020075108A JP2020075108A (en) 2020-05-21
JP6970154B2 true JP6970154B2 (en) 2021-11-24

Family

ID=70200154

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019185124A Active JP6970154B2 (en) 2018-10-10 2019-10-08 Surgical robot automation with tracking markers

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6970154B2 (en)
CN (1) CN111012503A (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111631818B (en) * 2020-06-03 2021-01-29 杭州键嘉机器人有限公司 End calibration device of orthopaedic surgery robot
CN111700682B (en) * 2020-06-30 2021-09-14 苏州大学 Normal coincidence registration system
CN111956325B (en) 2020-07-01 2021-08-20 北京和华瑞博医疗科技有限公司 Accurate positioning device, method and system for medical instrument
CN115300159A (en) * 2022-07-14 2022-11-08 桂林市啄木鸟医疗器械有限公司 Automatic laser cutting subassembly, arm and dental chair
CN117137626B (en) * 2023-10-30 2024-04-12 北京三博脑科医院有限公司 Noninvasive registration method for neurosurgery robot

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7107091B2 (en) * 2002-07-25 2006-09-12 Orthosoft Inc. Multiple bone tracking
US7835778B2 (en) * 2003-10-16 2010-11-16 Medtronic Navigation, Inc. Method and apparatus for surgical navigation of a multiple piece construct for implantation
US7764985B2 (en) * 2003-10-20 2010-07-27 Smith & Nephew, Inc. Surgical navigation system component fault interfaces and related processes
US8888821B2 (en) * 2012-04-05 2014-11-18 Warsaw Orthopedic, Inc. Spinal implant measuring system and method
US9414859B2 (en) * 2013-04-19 2016-08-16 Warsaw Orthopedic, Inc. Surgical rod measuring system and method
EP3474758B1 (en) * 2016-06-23 2023-09-13 Mazor Robotics Ltd. Minimally invasive intervertebral rod insertion
CN111417352B (en) * 2016-10-21 2024-05-24 莫比乌斯成像公司 Method and system for setting trajectory and target location for image guided surgery
US20210121237A1 (en) * 2017-03-17 2021-04-29 Intellijoint Surgical Inc. Systems and methods for augmented reality display in navigated surgeries

Also Published As

Publication number Publication date
JP2020075108A (en) 2020-05-21
CN111012503A (en) 2020-04-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6840815B2 (en) Surgical robot automation with tracking markers
JP6770599B2 (en) Surgical robot automation with tracking markers to control tool advance
US11045267B2 (en) Surgical robotic automation with tracking markers
JP7019658B2 (en) Surgical robot automation with tracking markers
US11864839B2 (en) Methods of adjusting a virtual implant and related surgical navigation systems
JP6936282B2 (en) Controlling surgical robots to avoid robot arm collisions
EP3636195B1 (en) Surgical robotic automation with tracking markers
US20190029765A1 (en) Surgical robotic systems providing transfer of registration and related methods and computer program products
JP6970154B2 (en) Surgical robot automation with tracking markers
US11793570B2 (en) Surgical robotic automation with tracking markers
JP6714737B2 (en) Surgical robot system and related method for monitoring target trajectory deviation
JP6894466B2 (en) Systems and methods related to robotic guidance in surgery
JP2020096829A (en) Drill guide fixtures, cranial insertion fixtures, and related methods and robotic systems
JP6704034B2 (en) Surgical robot system with retractor
JP7082090B2 (en) How to tune virtual implants and related surgical navigation systems
JP2021003552A (en) Surgical robotic automation with tracking markers
JP6979049B2 (en) Robot systems and related methods that provide co-registration using natural standards
JP6751461B2 (en) Surgical robot automation with tracking markers
EP3636394A1 (en) Robotic system for spinal fixation elements registration with tracking markers
JP2021126521A (en) System and method of determining optimal 3-dimensional position and orientation of imaging device for imaging patient bones
JP2021041166A (en) Surgical robotic automation with tracking markers
US20240197407A1 (en) Methods of adjusting a virtual implant and related surgical navigation systems
US20240008928A1 (en) Surgical robotic automation with tracking markers

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20191008

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20200911

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200915

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20201210

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210316

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210610

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20211019

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20211028

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6970154

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150