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。
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。
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、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。
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。
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、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。
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。
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。
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ー、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。
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。
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。
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モニタリング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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
追跡アレイ612は、器具ツール608の位置および配向をモニタリングするために、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の画定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。
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。
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。
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をモニタリングすることが可能になる。
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。
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モニタリングされ、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。
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ーが外科用ツール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ー、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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ー、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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いように構成され、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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の位置が完全に画定される。
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。
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。
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。
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画定する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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
この方法1100は、位置を確認するために単一マーカー1018の連続的なモニタリング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。
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。
「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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
図20を参照すると、ロボットシステム100は、まず患者の皮膚を貫通し、標的骨に到達するのに使用される初期軌道から骨内へのねじの軌道を変化させるために使用され得る。図20は、患者の皮膚2002、椎骨2004、初期軌道2006、最終軌道2008、および最大枢動位置2010を示す。軌道2006および2008は、処置の間に器具が取ることができる二つの軌道であり得る。二つの軌道は、椎骨2004の脊柱で交差し得る。脊柱のこの点で、軌道が変化し得る。ロボットシステム100は、複数軸の有効化を調整して、初期軌道2006から最終軌道2008への移行をガイドまたは駆動し得る。実線2010は、上述の最大許容可能な位置を示し、これは所望の標的を超える。
二つの交差する軌道を作り出すために、線が医用画像ボリューム上で描かれる場合、ソフトウェア計画が使用され得る。ソフトウェアは、例えば、まず骨内での所望の最終ねじ位置の計画を可能にし、その後、第一の軌道線に沿った調節可能な位置での一つの固定点および皮膚レベルでの一つの固定点を有する第二の線セグメントを描くことを可能にする。
皮膚を貫通するための初期軌道とねじを挿入するための最終軌道との間で切り替えるために、ロボットシステム100は自動枢動を実施し得る。自動枢動では、交差点が自動枢動のフルクラムとして保持され得る。例示的な実施形態では、ロボットシステム100は、ツールまたは器具の先端を追跡し得、先端が交差点に達すると自動枢動を開始し得る。ロボットシステム100またはロボットアーム104が初期軌道から最終軌道へと移動すると、最初の進入で貫通された組織は、ツール上の横方向の力によって一方の側に引っ張られ、ロボットシステム100またはロボットアーム104はこの抵抗を克服し得る。エンドエフェクタ(例えば、エンドエフェクタ112)の上またはその近くのロードセルは、印加された力をモニタリングし、力の安全性の閾値が超過した場合は停止するかバックさせ得る。組織を入口軌道から最終軌道へ引っ張る際に実質的な抵抗があり得るが、この行為は患者を手術台上でわずかに動かし得る。患者基準アレイ(例えば、動的基準ベースまたはDRB1404などのDRB)は、動きをモニタリングし得る。一つの例示的な実施形態では、ロボットシステム100は、この抵抗を自動的に補正し、組織の抵抗を克服するために追加的な動きを適用し、骨に対する所望の最終軌道と一致する適切な位置に到達することができる。
例示的な実施形態では、ロボットシステム100は、動きが許容され、特定の領域(「飛行禁止区域(no fly zone)」)における動きを防止するコリドーを提供し得るが、そこではただ初期入口軌道から最終軌道への回転フロントガラス-ワイパー様の動きだけが許容される。その後、外科医は、最終軌道に移動することによって生じる組織抵抗を手動で克服し得る。ロボットシステム100は、ユーザが操作を行う際に、この「飛行禁止区域」を更新し得る。例示的な実施形態では、ユーザは、組織を所望の最終軌道に向かって引っ張り始めることができるが、そうすることにより、患者がベッド上で横方向にわずかに回転することとなり得る。DRBの位置に基づいて、ロボットシステム100は、ユーザがツールおよびガイドチューブを適切な方向に引っ張り続けることができるように、許容可能な弧を更新し得る。標的上に至ると、ロボットシステムが骨内へのツールの挿入の残りのために最終軌道上に留まるように、ロボットシステム100は、その位置でロックされるか、または自動的にそれ自体をロックし得る。
例示的な実施形態では、ハイブリッド方法を使用し得る。ハイブリッド方法では、ユーザは、上述の通り、ロボットシステム100で挿入軌道から最終軌道へツールを手動で移動させ、「飛行禁止区域」を有効化し得る。ユーザは、手動でどの程度の力を適用するべきか、および手術台上の患者にどの程度の動きが生じるかを評価し得る。その後、ユーザは、それがツールを最終軌道に移動させる安全な操作であるかどうかを決定し得る。安全であるとみなされる場合、同じ操作をロボットシステム100によって自動的に実施し得る。例えば、初期パイロット穴を作り出すための錐の最初の挿入および枢動は、上述の手動の方法によって実施され得る。次に、タップの挿入および枢動ならびにスクリュードライバーの挿入については、ロボットシステム100は、初期進入軌道と最終軌道との間の移行を自動的に実施し得る。
一部の状況では、ツールが患者に挿入される間に、安全上またはその他の理由から、ロボットシステム100が動的な動きを防止することが望ましい場合がある。すなわち、ロボットシステムは、ツールが皮膚の下に貫通した後に、DRBの動きに基づく軌道の変更を防止し得る。例示的方法では、最終軌道がロボットシステム100に対して設定されるとき、ユーザは組織を伸張した、後退した配向で保持し得る。この目標を達成するための例示的方法は、ロボットシステムがユーザによって保持されるツールの経路に従うこと、例えば、ツールが保持されている場所のすぐ上、を可能とし得る。ユーザは、ナビゲーション下で、その先端が入口点にあるようにツールを骨内に位置付けて、ツールの配向が最終的に所望の配向に合致するまで、ツールを角度調整し得る。同時に、ロボットシステムは、ツールが保持されるすぐ上の軌道を模倣し得、追跡されるツールのシャフトと同一線上に整列する。ロボットシステム100は、その基部に対するロボットのガイドチューブの位置、またはその初期の未装填位置に対するDRBの位置を記憶し得る。次に、フロントガラス-ワイパー様の飛行禁止区域の二つのエンドポイントを画定する時、ロボットシステム100は、現在のDRB位置からの記憶された最終軌道DRB位置のオフセットのために、DRBに対する入口軌道としての入口軌道およびロボット基部に対する記憶された軌道として最終軌道を設定し得る。次いで、ロボットシステム100は、ユーザが軌道を切り替えることを望む時、これらの二つの位置間の移動を盲目的に(フィードバックなしに)可能とし得る。追跡されたツール位置はなお、ツールが正確に貫通できるようにするために、任意のツールの実際の位置を示し得る。別の方法として、最終許容位置は、必要とされるよりもほんの少し大きく角度付けられた軌道にあってもよい。ユーザは、横方向の力を適用しながらモニターを監視して、ターゲットの上にある時に動きを止めることができる。外科医は一度の自由度のみを制御することができるため、フリーハンドナビゲーションよりも必要な場所にツールを位置付けることが容易である。
図21~24は、本開示に合致する、例示的な実施形態を示す。図21では、ロボットシステム100は、エンドエフェクタ2104およびDRB2106を有するロボットアーム2102を含み得る。ロボットアーム2102は、初期軌道2006から最終軌道2008へ移動される器具2108に連結された状態で示される。図22では、さらなる枢動ロボットアーム2102は、破線によって表される初期位置から実線によって表される最終位置への患者の位置の変化を引き起こし得る。図23では、椎弓根スクリューのため、椎骨2004に穴を作り出すためにドリル2300が挿入され得る。図24は、ロボットアーム2102が椎弓根スクリュー2402を椎骨2004内に挿入するために使用される場合に、外科医が組織を手動で後退させるために使用し得るレトラクタ2400を示す。
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。
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。