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図面 (20)

課題・解決手段

一部の実施形態は、患者脊椎アラインメント情報及び治療デバイスデータを解析して提供するシステム及び方法を含む。一部の実施形態では、システム及び/又は方法は、初期患者データを取得し、かつ脊椎アラインメント輪郭情報を取得することができる。一部の実施形態では、システム及び/又は方法は、患者の局所解剖学的特徴を評価し、かつ解剖学的領域データを取得することができる。一部の実施形態では、システム及び/又は方法は、局所生体構造と治療デバイス場所及び輪郭形成とを解析することができる。一部の実施形態では、システム及び/又は方法は、局所生体構造解析及び治療デバイス輪郭形成データをディスプレイ上に出力することができる。

概要

背景

現在のツールは、特に脊椎矯正中に操作された後で患者の脊椎の手術アラインメントを迅速かつ正確に評価する外科医能力を制限している。これに加えて、従来技術オプションの殆どは、過度放射線露出、当該の解剖学標認点の不十分な視覚化、及び手術ワークフローに対する長々しい中断を導入する又はそれに頼っている。

概要

一部の実施形態は、患者の脊椎アラインメント情報及び治療デバイスデータを解析して提供するシステム及び方法を含む。一部の実施形態では、システム及び/又は方法は、初期患者データを取得し、かつ脊椎アラインメント輪郭情報を取得することができる。一部の実施形態では、システム及び/又は方法は、患者の局所解剖学的特徴を評価し、かつ解剖学的領域データを取得することができる。一部の実施形態では、システム及び/又は方法は、局所生体構造と治療デバイス場所及び輪郭形成とを解析することができる。一部の実施形態では、システム及び/又は方法は、局所生体構造解析及び治療デバイス輪郭形成データをディスプレイ上に出力することができる。

目的

一部の実施形態は、患者の脊椎アラインメント情報及び治療デバイスデータを解析して提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

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請求項1

脊椎アラインメント情報及び治療デバイスデータを解析して提供する方法であって、初期患者データを得る段階と、アラインメント輪郭情報を取得する段階と、局所解剖学的特徴を評価する段階と、解剖学的領域データを得る段階と、局所生体構造を解析する段階と、治療デバイス場所及び輪郭形成を解析する段階と、前記局所生体構造解析及び治療デバイス輪郭形成データをディスプレイ上に出力する段階と、を含むことを特徴とする方法。

技術分野

0001

〔関連出願〕
この出願は、引用によって本明細書にその内容全体が組み込まれている2017年7月3日出願の米国仮特許出願第62/528,390号に対する優先権を主張するものである。

背景技術

0002

現在のツールは、特に脊椎矯正中に操作された後で患者の脊椎の手術アラインメントを迅速かつ正確に評価する外科医能力を制限している。これに加えて、従来技術オプションの殆どは、過度放射線露出、当該の解剖学標認点の不十分な視覚化、及び手術ワークフローに対する長々しい中断を導入する又はそれに頼っている。

課題を解決するための手段

0003

一部の実施形態は、患者の脊椎アラインメント情報及び治療デバイスデータを解析して提供する方法を含む。一部の実施形態では、本方法は、初期患者データを取得する段階と脊椎アラインメント輪郭情報を取得する段階とを含むことができる。一部の実施形態では、本方法は、患者の局在性解剖学的特徴を評価する段階と解剖学的領域データを取得する段階とを含むことができる。一部の実施形態では、本方法は、局在性生体構造と治療デバイス場所及び輪郭付けとを解析する段階を含むことができる。一部の実施形態では、本方法は、局在性解剖学的解析と治療デバイス輪郭付けデータとをディスプレイ上に出力することができる。

図面の簡単な説明

0004

本発明の一部の実施形態により脊椎アラインメント、局所生体構造生体力学ロッド輪郭、及びロッドの能動輪郭付けを評価するための並びに基準の初期化及び様々な出力の対話型表示のためのシステムを示す図である。
本発明の一部の実施形態により身体−面−装着可能基準パッチ表現を示す図である。
本発明の一部の実施形態によりパッチが付加された患者のX線画像上で可視であると考えられる図2Aの基準パッチのX線不透過要素を表示する図である。
本発明の一部の実施形態により骨に締結された骨−装着式基準を有する椎骨を表示する図である。
本発明の一部の実施形態により骨−装着式基準と骨−装着式基準に結合するための上部基準とを有する椎骨のアセンブリ図である。
本発明の一部の実施形態により上部基準に結合された骨−装着式基準を有する椎骨を示す図である。
本発明の一部の実施形態により皮膚−面−装着式基準が患者の背部皮膚に彼らが手術台上に腹臥位位置決めされた時に付加される組立又は手術プロセスを示す図である。
本発明の一部の実施形態により解剖学的モデルに適用された皮膚基準のサンプX線写真側面像を示す図である。
本発明の一部の実施形態により注釈ベクトルを有する図4BのサンプルX線写真側面像を示す図である。
本発明の一部の実施形態により画像取得及びその後の基準マーカの初期化に向けて利用することができるタイプのX線撮像システムのC−アームベースマウントを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図4A図4Bのものとは異なる撮像角度からの脊椎−基準対のサンプルX線画像を示す図である。
本発明の一部の実施形態により注釈ベクトルを含む図4EのサンプルX線画像を示す図である。
本発明の一部の実施形態により各X線画像平面間の入力又は計算角度に基づいて2DX線の各々の上に描かれた変位ベクトルをその上に追加することができる基準原点に対する3D軸線を示す図である。
本発明の一部の実施形態により3D追跡カメラ座標内で基準を局在化するシステム及び方法を示す図である。
本発明の一部の実施形態により基準の独特な場所及び姿勢図4Hの時点でそれを用いて登録された3D取得システムの軸線を表示する図である。
本発明の一部の実施形態による光学追跡システムを示す図である。
本発明の一部の実施形態により追跡される動的座標系を備えた超音波プローブを示す図である。
本発明の一部の実施形態により皮膚−装着式基準に登録することができると考えられる骨生体構造の特定領域の表現として椎骨の断面図の上に重なる患者の皮膚面のアセンブリ図又はプロセス図である。
本発明の一部の実施形態により皮膚−装着式基準及びその関連のドレープ上方基準を付加するためのアセンブリ図又はプロセス図である。
本発明の一部の実施形態により皮膚−装着式基準及びその関連のドレープ上方嵌合基準のアセンブリ図である。
本発明の一部の実施形態により手術部位の外側にあるが3D追跡座標内のそれらの場所が既知であることが望ましい下にある生体構造の領域の上に位置付けられた領域内の解剖学的幻影に付加された皮膚−装着式基準の一実施形態を示す図である。
本発明の一部の実施形態により手術ドレープタオルを横切ってそのドレープ上方基準に嵌合する皮膚−装着式基準の実施形態を示す図である。
本発明の一部の実施形態による基準のアセンブリ図である。
本発明の一部の実施形態による基準のアセンブリ図である。
本発明の一部の実施形態により嵌合する上面基準と共に組み立てられた皮膚−面基準を示す図である。
本発明の一部の実施形態により図9Aの基準のアセンブリ図である。
本発明の一部の実施形態により剛的に取り付けられた追跡可能動的座標系を備えた3D追跡可能プローブを示す図である。
本発明の一部の実施形態による図10Aのプローブの作動先端及び可変高度選択深度ストップの拡大斜視図である。
本発明の一部の実施形態により図10A図10Bのプローブに嵌合するように設計されたレセプタクルを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図10Cの特定レセプタクルに嵌合された図10Aのプローブを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図10Dに示すものとは異なるプローブ高度セレクタに嵌合するように設計されたレセプタクルに嵌合された図10Aのプローブを示す図である。
本発明の一部の実施形態によるプローブの一部分のアセンブリ図である。
本発明の一部の実施形態による図10Fのプローブの部分アセンブリ図である。
本発明の一部の実施形態により3又は4以上の追跡されるマーカを含有するドレープ上方基準に嵌合された皮膚面基準の上部斜視アセンブリ図である。
本発明の一部の実施形態により図11Aの基準の側部斜視アセンブリ図である。
本発明の一部の実施形態により追跡される動的座標系の表現を示す図である。
本発明の一部の実施形態により脊椎のサンプル断面CT走査図である。
本発明の一部の実施形態により追跡される動的座標系を備えたツールを示す図である。
本発明の一部の実施形態により異なる配置にある図14Aのツールを示す図である。
本発明の一部の実施形態により異なる配置にある図14Aのツールを示す図である。
本発明の一部の実施形態により様々な構成にある追跡される動的座標系(DRF)を備えたプローブを示す図である。
本発明の一部の実施形態により様々な構成にある追跡される動的座標系(DRF)を備えたプローブを示す図である。
本発明の一部の実施形態により様々な構成にある追跡される動的座標系(DRF)を備えたプローブを示す図である。
本発明の一部の実施形態による回転符号器を示す図である。
本発明の一部の実施形態による図16符号器との併用のための滑車歯車システムを示す図である。
本発明の一部の実施形態による図17Aの滑車−歯車システムの歯車を示す図である。
本発明の一部の実施形態により図17の滑車−歯車システムに使用するためのコードスプールの斜視図である。
本発明の一部の実施形態により図17の滑車−歯車システムに使用するためのコードスプールの側面図である。
本発明の一部の実施形態により図23Aの3D追跡システムボールアセンブリを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図23Aの3D追跡システムのボールアセンブリを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図23Aの3D追跡システムのボールアセンブリを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図23Aの3D追跡システムのボール−及び−ソケットアセンブリを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図23Aの3D追跡システムのボール−及び−ソケットアセンブリを示す図である。
本発明の一部の実施形態により3D追跡システムのプローブを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図20のプローブの構成要素の外観を示す図である。
本発明の一部の実施形態により図20のプローブの構成要素の外観を示す図である。
本発明の一部の実施形態により図20のプローブの構成要素の外観を示す図である。
本発明の一部の実施形態により図20のプローブの構成要素の外観を示す図である。
本発明の一部の実施形態により図20のプローブの構成要素の外観を示す図である。
本発明の一部の実施形態によりコード固定点に結合されたプローブを含む3D追跡システムのアセンブリを示す図である。
本発明の一部の実施形態によりコード固定点に結合されたプローブを含む3D追跡システムのアセンブリを示す図である。
本発明の一部の実施形態によりプローブの3D追跡を可能にする例示的システムを示す図である。
本発明の一部の実施形態により例示的3D追跡システムを示す図である。
本発明の一部の実施形態によりエンクロージャ内の3D追跡システムを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図23Bの3D追跡システムの分解アセンブリ図である。
本発明の一部の実施形態によりプローブの3D追跡を可能にするシステムを示す図である。
本発明の一部の実施形態によりプローブの3D追跡を可能にするシステムを示す図である。
本発明の一部の実施形態によりプローブの3D追跡を可能にするシステムを示す図である。
本発明の一部の実施形態により3D追跡方法の表現を含む図である。
本発明の一部の実施形態により3D追跡方法の表現を含む図である。
本発明の一部の実施形態により3D追跡方法の表現を含む図である。
本発明の一部の実施形態により3D追跡方法の表現を含む図である。
本発明の一部の実施形態により例示的3D追跡システムを示す図である。
本発明の一部の実施形態によりシステムの作動構成要素及び処理構成要素に向けて構成されたコンピュータシステムを示す図である。
本発明の一部の実施形態により追跡される動的座標系を備えたスクリューヘッド−登録スクリュードライバを示す図である。
本発明の一部の実施形態により追跡される動的座標系を備えたスクリュー−ヘッド−登録スクリュードライバを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図29A図29Bのスクリュードライバのスクリュードライバヘッド及び押下可能先端の拡大斜視図である。
本発明の一部の実施形態によりスクリュードライバ−スクリューインタフェースの断面図である。
本発明の一部の実施形態により3D追跡カメラシステムを示す図である。
本発明の一部の実施形態により追跡される座標系の画像を含む図である。
本発明の一部の実施形態により身体装着式3D追跡カメラを示す図である。
本発明の一部の実施形態により脊椎の後部要素の輪郭を解釈する方法を表示する図である。
本発明の一部の実施形態による有茎(pedicle)スクリューを示す図である。
本発明の別の実施形態による有茎スクリューを示す図である。
本発明の一部の実施形態により多軸チューリップヘッドに嵌合した有茎スクリューを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図33Bの有茎スクリューにインタフェースするように設計されたツールを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図33Dのツールと図33Cのスクリューの間の結合の視覚化を示す図である。
本発明の一部の実施形態により有茎スクリューに結合されたスクリュードライバを示す図である。
本発明の一部の実施形態による図33Aのスクリューの上面図である。
本発明の一部の実施形態による図33Bのスクリューの上面図である。
本発明の一部の実施形態により有茎スクリューにインタフェースするためのツールを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図34のツールの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により図34のツールの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により図34のツールの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により図34のツールの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により図34のツールの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により図34のツールの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により有茎スクリューにインタフェースするためのツールの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により有茎スクリューにインタフェースするためのツールの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により有茎スクリューにインタフェースするためのツールの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により有茎スクリューにインタフェースするためのツールの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により有茎スクリューにインタフェースするためのツールの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により結合有茎スクリュー又はチューリップヘッドなしの図35A図35Eのツールの拡大斜視図である。
本発明の一部の実施形態により有茎スクリューのチューリップヘッドと直接にインタフェースするように設計されたツールを示す図である。
本発明の一部の実施形態により有茎スクリューのチューリップヘッドと直接にインタフェースするように設計されたツールを示す図である。
本発明の一部の実施形態により有茎スクリューのチューリップヘッドと直接にインタフェースするように設計されたツールを示す図である。
本発明の一部の実施形態により有茎スクリューのチューリップヘッドと直接にインタフェースするように設計されたツールを示す図である。
本発明の一部の実施形態により有茎スクリューのチューリップヘッドと直接にインタフェースするように設計されたツールを示す図である。
本発明の一部の実施形態により有茎スクリューのチューリップヘッドと直接にインタフェースするように設計されたツールを示す図である。
本発明の一部の実施形態により有茎スクリューのチューリップヘッドと直接にインタフェースするように設計されたツールを示す図である。
本発明の一部の実施形態により有茎スクリューシャフトなしの図36A図36Gのツールの斜視図である。
本発明の一部の実施形態により有茎スクリューシャフトなしの図36A図36Gのツールの斜視図である。
本発明の一部の実施形態により2つの埋め込み有茎スクリューと直接にインタフェースするためのツールの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により2つの埋め込み有茎スクリューと直接にインタフェースするためのツールの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により2つの埋め込み有茎スクリューと直接にインタフェースするためのツールの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により2つの埋め込み有茎スクリューと直接にインタフェースするためのツールの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により2つの埋め込み有茎スクリューと直接にインタフェースするためのツールの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により2つの埋め込み有茎スクリューと直接にインタフェースするためのツールの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により2つの埋め込み有茎スクリューと直接にインタフェースするためのツールの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により深度ストップを有する有茎スクリューシャフトを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図38の深度ストップを有する有茎スクリューシャフトの上面図である。
本発明の一部の実施形態により結合ハンドルを有するスクリューインタフェース領域を示す図である。
本発明の一部の実施形態により図38Bのスクリューインタフェース領域と図38図38Aの深度ストップを有する有茎スクリューシャフトの間で結合する例示的アセンブリの図である。
本発明の一部の実施形態により図38図38Aの深度ストップを有する有茎スクリューシャフトに結合された図38Bのスクリューインタフェース領域の図である。
本発明の一部の実施形態により図38図38Aの深度ストップを有する有茎スクリューシャフトに結合された図38Bのスクリューインタフェース領域の図である。
本発明の一部の実施形態により図38図38Aの深度ストップを有する有茎スクリューシャフトに結合された図38Bのスクリューインタフェース領域の図である。
本発明の一部の実施形態により図38図38Aの深度ストップを有する有茎スクリューシャフトに結合された図38Bのスクリューインタフェース領域の図である。
本発明の一部の実施形態により骨生体構造を操作して運動範囲を手術中に評価するのに使用されるデバイスの全体斜視図である。
本発明の一部の実施形態により図39Aに関して上述したツールのハンドルの別の実施形態を示す図である。
本発明の一部の実施形態により図39A図39Bに関して上述した実施形態の底面図である。
本発明の一部の実施形態により図39A図39Cに関して上述したツールの断面側面図を表示する図である。
本発明の一部の実施形態によりツールのスクリュー−インタフェース場所間の距離の変動を可能にする幅−調節機構の底面図である。
本発明の一部の実施形態により図39A図39Eに関して上述したデバイスの幅−調節機構、ネジ締め付けノブ、及びスリーブ本体の拡大斜視図である。
本発明の一部の実施形態により真っ直ぐな脊椎曲線を有する脊椎モデルとモデルに係合した2つの可撓性評価ツールとの側面図である。
本発明の一部の実施形態により前弯脊椎曲線を有する脊椎モデルにインタフェースする2つの可撓性評価デバイスの一実施形態を示す図である。
本発明の一部の実施形態により3D追跡カメラ視点からの本発明の実施形態を示す図である。
本発明の一部の実施形態により図34〜図36、図39、図40に関して上述した可撓性評価デバイスのスクリュー−インタフェース構成要素の一実施形態の側面図である。
本発明の一部の実施形態により図41Aに関して上述した実施形態の前面図である。
本発明の一部の実施形態により図39〜図40に関して上述した可撓性評価デバイスと共に組み立てられた図41A図41Bのデバイスを示す図である。
本発明の一部の実施形態により解除タブ、中心−アラインメントポスト、周囲アラインメントピン、スクリュー−インタフェースロッド、側部タブ延長部、及びバネ装荷スナップアームを表示する切り離し可能スクリュー−インタフェース構成要素の斜視アセンブリ図である。
本発明の一部の実施形態により下記で図43を参照して説明する調節可能架橋デバイスを有する図41に上述した切り離し可能スクリューインタフェース構成要素を備えた図39〜図40の可撓性評価デバイスを示す図である。
本発明の一部の実施形態によりチューリップヘッドにインタフェースすることによって有茎スクリューに剛的に結合された図42Aに関して上述した可撓性評価デバイスを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図39、図41、及び図42A図42Bに関して上述した既に嵌合したデバイスからのユーザ−定義式距離で脊椎レベルにインタフェースする第2の可撓性評価デバイスを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図39、図41、図42A図42Cに関して上述した2つの嵌合された可撓性評価デバイスを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図39、図41、及び図42A図42Dに関して上述したように脊椎に剛的に取り付けられた2つの可撓性評価デバイスを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図39、図41、及び図42A図42Fに関して上述した脊椎に剛的に取り付けられた2つの可撓性評価デバイスを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図42A図42Fに関して上述した計装された脊椎を示す図である。
本発明の一部の実施形態により図42A図42Gに関して上述した計装された脊椎を表示する図である。
図42A図42Hに関して上述した計装された脊椎を示す図である。
本発明の一部の実施形態により図42A図42Iに関して上述した計装された脊椎を示す図である。
本発明の一部の実施形態により図42A図42Jに関して上述した計装された脊椎を示す図である。
本発明の一部の実施形態により調節可能架橋デバイスの図である。
本発明の一部の実施形態により調節可能架橋デバイスの図である。
本発明の一部の実施形態により調節可能架橋デバイスの図である。
本発明の一部の実施形態により調節可能架橋デバイスの図である。
本発明の一部の実施形態により調節可能架橋デバイスの図である。
本発明の一部の実施形態により調節可能架橋デバイスの図である。
本発明の一部の実施形態によりクロスバー装備されて図3A図3Cに関して上述したように椎骨の脊椎板に剛的に固定された骨埋め込み式基準を示す図である。
本発明の一部の実施形態により骨埋め込み式基準とスクリュードライバの端部で押下可能摺動シャフトに結合された追跡されるDRF及びTMSMを装備した骨−基準嵌合スクリュードライバとの係合前のプロセス図である。
本発明の一部の実施形態により骨埋め込み式基準とスクリュードライバの端部で押下可能摺動シャフトに結合された追跡されるDRF及びTMSMを装備した骨−基準嵌合スクリュードライバとの係合を示す図である。
本発明の一部の実施形態によりクロスバーを有する骨埋め込み式基準と上に重なる骨−基準−嵌合スクリュードライバとを示す図である。
本発明の一部の実施形態により椎骨係合とレンダリング処理とを示す図である。
本発明の一部の実施形態により椎骨係合とレンダリング処理とを示す図である。
本発明の一部の実施形態により3D追跡ツールを示す図である。
本発明の一部の実施形態により3D追跡ツールを示す図である。
本発明の一部の実施形態によりX線撮像及び追跡システムを示す図である。
本発明の一部の実施形態により脊椎のX線画像の上へのX線検出器の近くに位置決めされた追跡される手術ツール仮想オーバーレイを示す図である。
本発明の一部の実施形態によりX線撮像及び追跡システムを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図46Eに示すようにエミッタの近くに位置決めされた追跡される手術ツールの仮想オーバーレイを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図46D図46Fに上述したツール位置から90度回転された追跡される手術ツールの仮想オーバーレイを示す図である。
本発明の一部の実施形態により追跡される末端キャップの構成要素を示す図である。
本発明の一部の実施形態により図47Aに関して上述した追跡される末端キャップに固定されたロッドにインタフェースするように設計された追跡されるスライダーの構成要素を示す図である。
本発明の一部の実施形態により末端キャップの一部分の拡大図である。
本発明の一部の実施形態により図47Aの構成要素から組み立てられた末端キャップの斜視図である。
本発明の一部の実施形態により図48Bの末端キャップの側面図である。
本発明の一部の実施形態により単一リングロッド評価デバイスアセンブリを示す図である。
本発明の一部の実施形態により単一リングロッド評価デバイスアセンブリを示す図である。
本発明の一部の実施形態により単一リングロッド評価デバイスアセンブリを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図47A及び図48A図48Bに関して上述したロッド及び追跡される末端キャップに結合された図49A図49Cのアセンブリを示す図である。
本発明の一部の実施形態により固定ベース可変リング可動ロッド評価デバイスを示す図である。
本発明の一部の実施形態により固定ベース可変リング可動ロッド評価デバイスを示す図である。
本発明の一部の実施形態により固定ベース可変リング可動ロッド評価デバイスを示す図である。
本発明の一部の実施形態により固定ベース可変リング可動ロッド評価デバイスを示す図である。
本発明の一部の実施形態により末端キャップに結合されたロッドに係合した図50A図50Dの固定ベース可変リング可動ロッド評価デバイスを示す図である。
本発明の一部の実施形態により手持ち式可動ロッド輪郭評価デバイスの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により手持ち式可動ロッド輪郭評価デバイスの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により手持ち式可動ロッド輪郭評価デバイスの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により手持ち式可動ロッド輪郭評価デバイスの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により手持ち式可動ロッド輪郭評価デバイスの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により手持ち式可動ロッド輪郭評価デバイスの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により手持ち式可動ロッド輪郭評価デバイスの様々な図である。
本発明の一部の実施形態により図51A図51Gの手持ち式可動ロッド輪郭評価デバイスを用いた埋め込みの前にロッドの輪郭を登録する処理又は方法の図である。
本発明の一部の実施形態により図51A図51Gの手持ち式可動ロッド輪郭評価デバイスを用いた埋め込みの前にロッドの輪郭を登録する処理又は方法の図である。
本発明の一部の実施形態によるTMSMベースの埋め込みロッド輪郭評価デバイスの構成要素を示す図である。
本発明の一部の実施形態により図52Aの構成要素に結合するための押下可能摺動シャフトを示す図である。
本発明の一部の実施形態による図52Aの構成要素の上面図である。
本発明の一部の実施形態による図52Bの押下可能摺動シャフトの拡大斜視図である。
本発明の一部の実施形態により手術部位内に埋め込まれた後のロッドの輪郭を評価するのに使用される図52A及び図52Bの構成要素のアセンブリを示す図である。
本発明の一部の実施形態による図53Aのアセンブリの一部分の拡大背面図である。
本発明の一部の実施形態による図53A図53Bのアセンブリのロッド−インタフェース領域の拡大図である。
本発明の一部の実施形態によりロッドにインタフェースする図53A図53Cのアセンブリを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図53A図53Dのアセンブリ図の追跡可能DRF部分の拡大図である。
本発明の一部の実施形態により図53A図53Dのアセンブリ図の追跡可能DRF部分の拡大図である。
本発明の一部の実施形態により導電率ベースのロッド輪郭評価デバイスを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図54Aのデバイスのロッド中心化フォーク及び電気接触パッドを示す図である。
本発明の一部の実施形態によりロッドにインタフェースする図54Bのロッド中心化フォークを示す図である。
本発明の一部の実施形態によりロッドにインタフェースする図54Bのロッド中心化フォークを示す図である。
本発明の一部の実施形態により3D追跡される手動可動ロッド曲げ器の様々な図である。
本発明の一部の実施形態により3D追跡される手動可動ロッド曲げ器の様々な図である。
本発明の一部の実施形態により3D追跡される手動可動ロッド曲げ器の様々な図である。
本発明の一部の実施形態により3D追跡される手動可動ロッド曲げ器の様々な図である。
本発明の一部の実施形態により3D追跡される手動可動ロッド曲げ器の様々な図である。
本発明の一部の実施形態により3D追跡される手動可動ロッド曲げ器の様々な図である。
本発明の一部の実施形態により3D追跡される手動可動ロッド曲げ器の様々な図である。
本発明の一部の実施形態により3D追跡される手動可動ロッド曲げ器の様々な図である。
本発明の一部の実施形態により3D追跡される手動可動ロッド曲げ器の様々な図である。
本発明の一部の実施形態により追跡されるDRF装備式末端キャップ、事前登録されたロッド、及びTMSMを装備した手動曲げ器の様々な図である。
本発明の一部の実施形態により追跡されるDRF装備式末端キャップ、事前登録されたロッド、及びTMSMを装備した手動曲げ器の様々な図である。
本発明の一部の実施形態により追跡されるDRF装備式末端キャップ、事前登録されたロッド、及びTMSMを装備した手動曲げ器の様々な図である。
本発明の一部の実施形態により追跡されるDRF装備式末端キャップ、事前登録されたロッド、及びTMSMを装備した手動曲げ器の様々な図である。
本発明の一部の実施形態により追跡されるDRF装備式末端キャップ、事前登録されたロッド、及びTMSMを装備した手動曲げ器の様々な図である。
本発明の一部の実施形態により追跡されるDRF装備式末端キャップ、事前登録されたロッド、及びTMSMを装備した手動曲げ器の様々な図である。
本発明の一部の実施形態によりロッドに結合されたDRF追跡されるトリガ−装備式式原位置曲げ器を示す図である。
本発明の一部の実施形態により脊椎に結合されたロッドに結合されたDRF追跡されるトリガ−装備式式原位置曲げ器を示す図である。
本発明の一部の実施形態により図57Aのロッドの拡大アセンブリ図である。
本発明の一部の実施形態により延長位置にある押下可能摺動シャフト先端の図を含む図57Aに示した曲げ器のロッドインタフェースヘッドの拡大図である。
本発明の一部の実施形態により2又は3以上のX線画像を用いて皮膚−装着式基準又は経皮基準を手術中に初期化するワークフローを示す図である。
本発明の一部の実施形態により手術中に置かれた1又は2以上の骨−装着式基準を骨−装着式基準の配置の前に撮影された2又は3以上のX線画像を用いて初期化するワークフローを示す図である。
本発明の一部の実施形態により骨−装着式基準の配置の後に撮影された2又は3以上のX線画像を用いて手術中に置かれた1又は2以上の骨−装着式基準を初期化するワークフローを示す図である。
本発明の一部の実施形態により手術中に解剖学的基準平面を登録する方法を示す図である。
本発明の一部の実施形態により追跡されるプローブを用いた身体面にわたるトレースを通じて脊椎の輪郭に関する情報を取得するための配置を示す図である。
本発明の一部の実施形態により3D追跡されるプローブを用いたトレースを通じて取得された身体面輪郭の表示を示す図である。
本発明の一部の実施形態により変換されたトレースデータの表示を示す図である。
本発明の一部の実施形態により深度平行移動を施した図62B図62Cのデータの表示を示す図である。
本発明の一部の実施形態により動的座標系(DRF)を有する追跡されるツールに対する1又は2以上の追跡される可動漂遊マーカ(TMSM)のアナログトリガ検出のためのワークフローを示す図である。
本発明の一部の実施形態による追跡プローブアセンブリを示す図である。
本発明の一部の実施形態により図64Aに関して上述したプローブ上のDRFに対する回転TMSM位置の解釈及び計算を示す図である。
本発明の一部の実施形態により3D追跡されるプローブを用いた身体面及び骨面のトレースの患者固有の解釈の初期化に向けて使用される断面画像上の個別の身体面又は骨面注釈の表示を示す図である。
本発明の一部の実施形態によりCT走査からの断面注釈の3D斜視図である。
本発明の一部の実施形態によるコロナ投影座標プロット図である。
本発明の一部の実施形態によるサジタル投影座標のプロット図である。
本発明の一部の実施形態により対応する解剖学的標認点と椎体重心の間の算定断面距離を示す図である。
本発明の一部の実施形態により椎骨(a)の断面スライスのそれらの相対解剖軸線での表示を示す図である。
本発明の一部の実施形態により両側でトレースされた座標と患者初期化データとによって計算された椎体の表示を示す図である。
本発明の一部の実施形態により手術中トレースに基づいて脊椎アラインメントパラメータを計算するワークフローを示す図である。
本発明の一部の実施形態により手術部位のみ内のプローブベースのトレースを用いて脊椎アラインメント曲線を取得するワークフローを示す図である。
本発明の一部の実施形態により手術部位よりも大きい範囲のプローブベースのトレースデータを用いて脊椎アラインメント曲線を取得するワークフローを示す図である。
本発明の一部の実施形態により可撓性評価デバイスを用いて手術中に脊椎の可撓性を評価するワークフローを示す図である。
本発明の一部の実施形態により手術中X線の上に手術器具の実時間オーバーレイを生成するワークフローを示す図である。
本発明の一部の実施形態によりナビゲート/登録されたスクリューの挿入の後に手術ナビゲーションシステムを迅速に再登録するワークフローを示す図である。
本発明の一部の実施形態によりツールシャフトの端部の上のロッド中心化フォークを示す図である。
本発明の一部の実施形態によりロッドと完全に係合した図7第3Aのフォークを示す図である。
本発明の一部の実施形態により埋め込みの前に2つの手持ち式の追跡されるツールを用いてロッドの輪郭を評価するワークフローを示す図である。
本発明の一部の実施形態により埋め込みの前に1つの手持ち式の追跡されるツールと1つの剛的に固定されたリングとを用いてロッドの輪郭を評価するワークフローを示す図である。
本発明の一部の実施形態により埋め込みの後にロッドの輪郭を評価するワークフローを示す図である。
本発明の一部の実施形態により手術部位内のチューリップヘッドにロッドが埋め込まれた後にロッド輪郭の評価によって生成されたデータの解釈の様々な表示を示す図である。
本発明の一部の実施形態により手術部位内のチューリップヘッドにロッドが埋め込まれた後にロッド輪郭の評価によって生成されたデータの解釈の様々な表示を示す図である。
本発明の一部の実施形態により手術部位内のチューリップヘッドにロッドが埋め込まれた後にロッド輪郭の評価によって生成されたデータの解釈の様々な表示を示す図である。
本発明の一部の実施形態によりディスプレイモニタ上の患者画像上へのオーバーレイとして登録されたロッドの対話型ユーザ配置のためのワークフローを示す図である。
本発明の一部の実施形態により追跡されるロッド曲げデバイスを解釈及び計算する処理を表示する図である。
本発明の一部の実施形態により追跡されるロッド曲げデバイスを解釈及び計算する処理を表示する図である。
本発明の一部の実施形態により追跡されるロッド曲げデバイスを解釈及び計算する処理を表示する図である。
本発明の一部の実施形態により追跡されるロッド曲げデバイスを解釈及び計算する処理を表示する図である。
本発明の一部の実施形態により追跡されるロッド曲げデバイスを解釈及び計算する処理を表示する図である。
本発明の一部の実施形態により追跡されるロッド曲げデバイスを解釈及び計算する処理を表示する図である。
本発明の一部の実施形態により追跡されるロッド曲げデバイスを解釈及び計算する処理を表示する図である。
本発明の一部の実施形態によりロッドの埋め込みの前に動的ロッド輪郭の実時間フィードバックを用いてロッドを手動で曲げるためのワークフローを示す図である。
本発明の一部の実施形態により手術中X線画像の上に動的ロッド輪郭の投影を重ねるように指示されたソフトウエア入力を用いてロッドの埋め込みの前にロッドを手動で曲げるためのワークフローを示す図である。
本発明の一部の実施形態によりプローブ較正の処理又は方法を示す図である。
本発明の一部の実施形態によりプローブ較正の処理又は方法を示す図である。
本発明の一部の実施形態により追跡されないディスプレイを使用するユーザインタフェースシステムに対するレーザポインターアナログとして機能するようにトリガ−装備式式プローブを利用するワークフローを示す図である。
本発明の一部の実施形態により3D追跡されるディスプレイモニタを使用するユーザインタフェースに対するレーザポインターアナログとして機能するようにトリガ−装備式式プローブを利用するワークフローを示す図である。
本発明の一部の実施形態により3D追跡されるディスプレイモニタを使用するユーザインタフェースに対するレーザポインターアナログとして機能するようにトリガ−装備式式プローブを利用するワークフローを示す図である。
本発明の一部の実施形態によりユーザ−定義式追跡パッドアナログを通じて追跡されないディスプレイに対するインタフェースデバイスとして機能するようにトリガ−装備式式プローブを利用するワークフローを示す図である。
本発明の一部の実施形態によりアラインメント評価の出力表示を示す図である。
本発明の一部の実施形態によりアラインメント評価の出力表示を示す図である。
本発明の一部の実施形態によりアラインメント評価の出力表示を示す図である。
本発明の一部の実施形態によりアラインメント評価の出力表示を示す図である。
本発明の一部の実施形態により追跡されるDRF装備式末端キャップに固定されて追跡されるロッド曲げ器にインタフェースする事前登録された輪郭を有するロッドを示す図である。
本発明の一部の実施形態により登録されたロッド輪郭のサジタル投影を示す図である。
本発明の一部の実施形態により登録されたロッド輪郭のコロナ投影を示す図である。
本発明の一部の実施形態によりロッドの断面図に対するロッド曲げ器の中心ロッド輪郭付け面の場所の表示を示す図である。
本発明の一部の実施形態により登録されたロッド輪郭のサジタル投影の表示を示す図である。
本発明の一部の実施形態により登録されたロッド輪郭のオーバーレイ、並びに事前登録されたロッドに対する追跡されるロッド曲げ器の場所のオーバーレイ表示を有するサジタル患者画像を示す図である。
本発明の一部の実施形態により登録されたロッド輪郭のオーバーレイ、並びに事前登録されたロッドに対する追跡されるロッド曲げ器の場所のオーバーレイ表示を有する手術計画に向けて調節されたサジタル患者画像を示す図である。
本発明の一部の実施形態によりディスプレイモニタ上にロッド及びロッド曲げ器の場所の表示を含む図である。
本発明の一部の実施形態によりディスプレイモニタ上にロッド及びロッド曲げ器の場所の表示を含む図である。
本発明の一部の実施形態により曲げ器及びロッドの表示を示す図である。
本発明の一部の実施形態により曲げ器及びロッドの表示を示す図である。
本発明の一部の実施形態により曲げ器及びロッドの表示を示す図である。
本発明の一部の実施形態により曲げ器及びロッドの表示を示す図である。
本発明の一部の実施形態により登録されたロッド輪郭のサジタル投影、登録されたロッド輪郭に対するロッド曲げ器の現在の場所の表示、ユーザがロッド曲げ器を置くべきソフトウエア命令式場所の表示、及び生体軸線ラベルを示す図である。
本発明の一部の実施形態によりコロナ平面に適用された図8第8Aの表示を示す図である。
本発明の一部の実施形態によりロッドの断面表示、ロッド曲げ器の中心輪郭付け面の現在の場所、ロッド曲げ器の中心輪郭付け面が置かれるべきソフトウエア命令式場所、及び生体軸線ラベルを示す図である。
本発明の一部の実施形態により既知の直径のロッドに対して誘導される曲げの程度に直接関連する曲げ器のハンドルの現在の相対位置の表示表現を示す図である。
本発明の一部の実施形態により既知の直径のロッドに対して誘導される曲げの程度に直接関連する曲げ器のハンドルのソフトウエア命令式相対位置(k)の表示表現を示す図である。
本発明の一部の実施形態による曲げ角度表示ゲージを示す図である。
本発明の一部の実施形態により患者固有の画像からアラインメントパラメータを模擬するように調節可能ベンチトップ脊椎モデルを適合させるワークフローを示す図である。
本発明の一部の実施形態によりサジタル及びコロナの重ね合わせた脊椎輪郭トレースと、解剖学的モデル上への調節可能マウントの個別ソフトウエア命令式配置と、調節可能ベンチトップモデル上に位置決めされるこれらの調節可能マウントの各々の座標に関する命令とを有するサジタル及びコロナの患者画像を示す図である。
本発明の一部の実施形態による解剖学的モデル装着の分解アセンブリ図である。
本発明の一部の実施形態による解剖学的モデルに対する締結インタフェースを示す図である。
本発明の一部の実施形態により装着された脊椎解剖学的モデルを示す図である。
本発明の一部の実施形態により選択されたモジュール式ツール先端として係合した真っ直ぐなプローブ延長部と係合時のDRFに対するその関連の独特なTMSM位置とを示す図である。
本発明の一部の実施形態によりモジュール式ツール先端とTMSM装備式DRFの間の結合機構を示す図である。
本発明の一部の実施形態により選択されたモジュール式ツール先端として係合した湾曲したプローブ延長部と係合時のDRFに対するその関連の独特なTMSM位置とを示す図である。

実施例

0005

本発明のいずれかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明がその適用において以下の説明に例示する又は以下の図面で例示する構成及び構成要素配置の詳細に限定されないことは理解されるものとする。本発明は、他の実施形態が可能であり、様々な方式を用いて実施又は実行することができる。更に、本明細書に使用する表現法及び用語法が説明目的であり、限定的なものと見なすべきではないことは理解されるものとする。本明細書での「including」、「comprising」、又は「having」、及びこれらの変形の使用は、これらの後に列記する品目、その均等物、並びに追加品目を包含するように意図したものである。別途指定又は限定しない限り、「装着される」、「接続される」、「支持される」、及び「結合される」という用語、及びこれらの変形は、広義に使用するものであり、直接的と間接的の両方の装着、接続、支持、及び結合を包含する。更に、「接続される」及び「結合される」は、物理的又は機械的な接続又は結合に限定されない。

0006

以下の解説は、当業者が本発明の実施形態を製造及び使用することを可能にするために提示するものである。当業者には、例示する実施形態への様々な修正が明らかであり、本明細書での包括的な原理を本発明の実施形態から逸脱することなく他の実施形態及び用途に適用することができる。従って、本発明の実施形態は、本明細書に示す実施形態に限定されず、本明細書に開示する原理及び特徴に従う最も広い範囲に適合することになる。以下の詳細説明は、異なる図にある類似の要素が類似の参照番号を有する複数の図を参照して読まれるものとする。必ずしも正確な縮尺とは限らないこれらの図は、代表的な実施形態を示しており、本発明の実施形態の範囲を限定するように意図したものではない。当業者は、本明細書で提示する例が本発明の実施形態の範囲に収まる多くの有利な変形を有することを認識するであろう。

0007

本明細書に使用する場合に、「追跡される」は、追跡システムの座標系に対して追跡される物体の3D座標を追跡する追跡デバイス(例えば、少なくとも図17A図17B図18A図18B図19A図19C図19D図19E図20A図20E図21A図21B図22図23A図23B図23C図24図26図27A図27D図28A等の3D追跡光学手ナビゲーション電気機械デバイス)とインタフェースする特定の物体の機能を意味する。「追跡される」物体の一例は、物体が、3D空間内で追跡される剛的に取り付けられた動的座標系を有する場合である。

0008

本明細書に使用する場合に、動的座標系(dynamic reference frame,以下では「DRF」)は、その面上の個別点(マーカ)が認識されて物体の場所と姿勢の両方の計算を可能にし、更に、DRFに対する相対座標系を定めることを可能にするように一意的に識別可能な構成で位置決めされた3又は4以上の点を意味する。更に、本明細書に使用する場合に、漂遊マーカは、DRFに関連付けられるが、隣接DRFとは別個の(漂遊)構造として識別することができる典型的に光反射性又は光放出性のいずれかを有する3D追跡される物体を意味する。

0009

本明細書に使用する場合に、追跡される可動漂遊マーカ(TMSM)は、他の漂遊マーカ又は隣接DRFのいずれかに対して移動するように設計され、かつコンピュータ取得システムに情報を通信することができるそれらの他のエンティティに対する位置及び/又は運動を有する漂遊マーカを意味する。

0010

本明細書に使用する場合に、プローブは、場所及び方位が3D空間内で既知であり、かつこれらの情報を用いてシステムが追跡される物体(例えば、先端、シャフト固有特徴部など)上の他の点の場所及び方位をこれらが独立に追跡されない場合であっても推定することができるように追跡されるデバイスを意味する及び/又は定める。

0011

本明細書に使用する場合に、基準は、それが当該の物体/領域の近くに置かれた時に当該の物体に対する基準の相対位置を初期化することができ、それによってその後に基準の場所及び方位が参照された時に初期化された当該の物体の正確な場所を計算することができることで空間内の別の点に対する基準として主として使用される物体である。多くの場合に、基準は、3D追跡されるプローブが相互作用した時に取得システムが3Dの場所及び方位を計算することができるようにタッピングされる凹部又はトレースされる溝のいずれかの形態にある独特な面パターンを有する。更に、基準は、最も一般的にはX線画像撮像による基準の視覚化及び登録を可能にする埋め込みX線不透過性マーカを有する物体である。仮に「基準マーカ」を使用される場合に、この用語は、X線で視覚化することができる基準構造内に埋め込まれた「X線不透過性マーカ」と特定的に記さない限り同等語である。

0012

本明細書に使用する場合に、「3D剛体変換」は、回転変換と平行移動変換の両方を含む行列の適用を含む数学演算を表している。3D剛体変換は、システムが、物体の変形を伴わずに物体の関係を1つの座標軸から別のものに変換することを必要とする場合に利用される。例えば、3D追跡取得システムを基準とする3D追跡されるツールの場所座標及び方位値を有する代わりに、3D追跡されるツールは、空間の範囲にある別の3D追跡されるツールの座標及び方位を基準とするように剛体変換することができる。

0013

本明細書に使用する場合に、有茎スクリューは、と呼ばれる脊椎骨の生体構造の中に挿入されるスクリューである。このスクリューに言及する場合は必ず、システムがいずれかの他のスクリュー、並びに他の手術インプラント(例えば、ケージ、ロッドなど)に適合することができると考える。

0014

本明細書に使用する場合に、チューリップヘッドは、スクリューヘッドに取り付けられ、かつ運動範囲で多軸又は単軸とすることができる物体である。一般的に、チューリップヘッドは、ファスナがこの構造と剛的に係合することを可能にする雌ネジを有する。チューリップヘッドは、デバイスを剛的に取り付けることを可能にする嵌合特徴部を外壁/面上に有することができる。一般的に、チューリップヘッドは、ロッドインプラントの挿入を受け入れるように設計される。

0015

本明細書に使用する場合に、ロッドは、円と同様であるが、他の形状(例えば、鍵穴半円など)にも似た断面を有するあらゆる物体とすることができる。ロッドは、いずれかの長さ及び曲率とすることができる。ロッドは、追跡される又は追跡されないツールに結合することができる。一般的に、ロッドは、チューリップヘッドのキャビティの中に挿入され、次いで、チューリップヘッドの内壁上のネジ山によって締結されたキャップスクリューによって定位置に剛的に固定される。

0016

本明細書に使用する場合に、登録は、3D追跡されるツール又は物体が物体の状態、3D場所、3D方位、独特なアイデンティティ、他の物体に対する相対位置、又はシステムのアルゴリズムのための他の関連情報に関する情報を信号送信するいずれかの時を意味する。例えば、「3D追跡されるプローブは、基準の位置及びアイデンティティを登録することができる」は、特定の基準が3D追跡取得システムに対する特定の3D空間内位置を有することを3D追跡されるプローブがコンピュータシステムに通信することができることを意味する。

0017

本明細書に使用する場合に、サジタルは、視点が患者の左半身又は右半身のいずれの側からのものであるかに依存して患者の上部(例えば、頭)が右側又は左側にあり、かつ患者の下部(例えば、足)がその反対端にある患者の側面図を意味する解剖学的平面である。

0018

本明細書に使用する場合に、コロナは、視点が患者の下方又は上方のいずれの側からのものであるかに依存して患者の上部(例えば、頭)が上部又は下部にあり、かつ患者の下部(例えば、足)がその反対端にある患者の上面図を意味する解剖学的平面である。

0019

本明細書に使用する場合に、軸線方向は、視点が患者の腹臥位又は仰臥位のいずれの側からのものであるかに依存して患者の後部が上部又は下部にあり、かつ患者の前部がその反対端にある患者の断面図を意味する解剖学的平面である。

0020

本明細書に使用する場合に、横断方向、「軸線方向と同義」、及び「押下可能な摺動シャフト又はプランジャ」は、面、バネ装荷式ボタン、又は他の機械的作動手段を押すことによって作動する押下可能、時にバネ装荷式の摺動シャフトを意味する。一般的に、プランジャは、隣接DRF又は他の追跡される漂遊マーカの位置に対するプランジャに沿う自体の位置を通信することができる機械的にリンクされた追跡される可動漂遊マーカを有する。このシャフトは、一般的に、3D追跡されるツールと同軸である。シャフトは、物体内で係合することができるので、必ずしも物体から突出しなくてもよい。

0021

本明細書に使用する場合に、電気機械3D追跡システムは、3D空間内で独立に追跡される複数の延長可能コードへの機械的リンケージを通じて空間内のプローブの3Dの場所及び方位を追跡する本明細書を通して説明する発明を意味する。このシステムは、延長可能コードの長さを測定するための回転符号器、並びにボール−及び−ソケットインタフェースを通って進むコードの軌道球面回転角を検出するためのセンサを含む。

0022

本明細書に使用する場合に、セグメント及び/又は全長の脊椎アラインメントの評価の脊椎アラインメントパラメータは、各関連のX線画像アラインメントパラメータ(例えば、コブ角腰椎前彎LL)、胸椎後弯(TK)、C2−C7のサジタル垂直軸SVA)、C7−S1のSVA、C2−S1のSVA、仙骨正中線(CSVL)、T1骨盤角(T1PA)、骨盤傾斜(PT)、骨盤形態角(PI)、垂直角(CBVA)、T1傾斜、仙骨傾斜(SS)、C1−2の前彎、C2−C7の椎前彎、C0−C2の椎前彎、C1−C2の椎前彎、PI−LLの不整合、C2の骨盤傾斜(CPT)、C2−T3の角度、T1からの脊椎−骨盤傾度(T1SPi)及びT9からの脊椎−骨盤傾度(T9SPi)C0傾斜、T1傾斜と頸椎前彎の間の不整合(T1S−CL)、及び/又は広域サジタル角(GSA))に関する値を用いて生成される。本明細書でアラインメント評価又はアラインメントパラメータの計算に言及する時には必ず、上述のパラメータ及び言及しない他のパラメータのいずれも当該説明部分において計算することができると仮定することができる。

0023

本明細書に使用する場合に、3D追跡取得システムは、3D空間内の点を取得して3D追跡されるツールによって特定の指令を登録するための3D追跡システムの使用を広義に意味する。この用語の主な例は、手術ナビゲーションに使用されるもののような光学追跡システム(例えば、図12図15A図15C等に示すようにツール又は物体を追跡する図5Aに示すNDI Polaris Spectra立体視カメラシステム)、及び/又は少なくとも図16図17A図17B図18A図18B図19A図19C図19D図19E図20A図20E図21A図21B図22図23A図23B図23C図24図26図27A図27D図28A等で説明する電気機械追跡システムである。

0024

本明細書に使用する場合に、3D追跡されるプローブは、光学手術ナビゲーションシステム(例えば、図5AのNDI Polaris立体視カメラ)又は電気機械3D追跡システム(例えば、図16図17A図17B図18A図18B図19A図19C図19D図19E図20A図20E図21A図21B図22図23A図23B図23C図24図26図27A図27D図28Aに説明する新しい追跡システム)のようないずれかの3D追跡取得システムによって3D物理空間内で追跡される手持ち式又はロボット保持式とすることができるツールである。光学手術ナビゲーションシステムに頼る一実施形態は、剛的に取り付けられた3D追跡されるDRFを有するプローブを含む。一部の実施形態は、その運動を直線的又は回転的に(例えば、プローブ上のヒンジピボット周りに)作動させることができる押下可能、バネ装荷式、又はユーザ作動式の摺動シャフト上に装着された機械的にリンクされた3D追跡される可動漂遊マーカ(TMSM)の包含も伴っている。

0025

本明細書に使用する場合に、光学3D追跡システムは、シーン又は追跡−適合物体の場所、方位、及びアイデンティティの3Dマッピングを提供することができるいずれかの光学系を広義に意味する。光学3D追跡システムの一例は、NDI Polaris Spectra立体視カメラシステムである図5Aに示す手術ナビゲーションシステムである。この例は、主として本発明の大部分にわたって着目するものであるが、広範囲にわたるカバレージの目的で、ほぼあらゆる3D追跡光学ベースのシステムからの類似の情報を収集することができることに注意されたい。

0026

本明細書に使用する場合に、皮膚−装着式基準は、特に、患者の皮膚面上に直接に又は皮膚内に経皮方式で装着することができる。本明細書に使用する場合に、ドレープ上方嵌合基準は、特に、手術ドレープ又はいずれかの他の遮蔽材料の下にある別の基準に嵌合することができる。

0027

本明細書に使用する場合に、追跡される漂遊マーカ(「TSM」)は、DRFの一部として登録されない独立した光反射性又は光放出性のマーカとして定められた光学3D追跡される漂遊マーカを意味する。この特定の漂遊マーカは、動的基準マーカに対する直接移動を示さないが、様々な独特な指令を取得ユニットに信号送信するためのトグルとして使用することができる。

0028

本明細書に使用する場合に、追跡される可動漂遊マーカ(TMSM)は、DRFの一部として登録されない独立した光反射性又は光放出性のマーカとして定められた光学3D追跡される漂遊マーカを意味する。この特定の漂遊マーカは、取得ユニット及びコンピュータシステムに様々な独特な指令を信号送信する様々な作動方法(例えば、直線変位ヒンジの周りの回転、これら2つの組合せなど)によって動的基準マーカに対する移動を体験することができる。

0029

本明細書に使用する場合に、ディスプレイモニタは、システムの出力、システムのフィードバックシステム及び命令、システムの計算、及び利用可能な他の関連の情報又は設定を視覚的に描くことができるいずれかのディスプレイ実施形態を意味する。

0030

本明細書に使用する場合に、「追跡される末端キャップ」は、剛的に取り付けられた3D追跡されるDRFを含み、ロッド又はロッド状物体に剛的に取り付けることができる3D追跡される物体を意味する。末端キャップは、インプラントの輪郭がトレースされ、構造的に操作/輪郭付けされ、又はいずれかの他の評価が行われる間にインプラントに対する座標系を確立する方式でロッドの座標系を与える。同義語である「追跡されるDRF装備式末端キャップ」の形態でもこの用語を使用する。

0031

本明細書に使用する場合に、追跡されるスライダーは、剛的に取り付けられた3D追跡されるDRFを含み、かつロッド面と機械的に係合してロッドの長さに沿ってトレースすることによってロッドの輪郭を登録することができる3D追跡される物体を意味する。一般的に、スライダーツールは、3D追跡される末端キャップツールに対する3D座標及び方位値を出力するように変換される。この用語は、「DRFを備えたスライダーツール」の形態でも使用され、一般的にロッド輪郭を評価するのに使用される。

0032

本明細書に使用する場合に、取得システムは、上述した3D追跡取得システムという用語と同義である。一般的に、このシステムは、3D追跡カメラ(例えば、NDI Polaris立体視カメラ)及びそれが通信するコンピュータシステムである。

0033

本明細書に使用する場合に、エンドエフェクタは、3D場所、3D方位、独特なアイデンティティ、シーン内の他の物体への物理的な又はアイデンティティに基づく関係、物体に印加される力、又はエンドエフェクタが受ける力を含むがこれらに限定されない情報の登録又は通信を可能にする方式で別の面又は物体と相互接続する物体のいずれかの構成要素を意味する。

0034

本明細書に使用する場合に、トレースは、3Dトレースされるプローブ又は物体によって面に沿う個別点又は連続点を取得する方法を意味する。

0035

本明細書に使用する場合に、端板は、椎間円板及びその他方の側に結合された近くの椎骨にインタフェースする脊椎骨の面を意味する。端板は、当該の標認点(例えば、腰椎のL4椎骨)の構成要素として容易に識別及び計算することができる線セグメントのように出現するので、主として端板面が2DX線上に出現する方法に起因して患者の脊椎アラインメントパラメータ(例えば、コブ角)を測定するのに使用される一般的な解剖学的標認点である。

0036

本明細書に使用する場合に、姿勢は、別の物体又は3D追跡取得システムに対する物体の方位を意味する。物体の姿勢は、複数の視点からの冗長的なものとすることができ、又は一意的に識別可能な出力3D方位値とすることができる。

0037

本明細書に使用する場合に、独特という用語は、一般的に物体の際立ったアイデンティティ又はその識別可能な方位を意味する。本明細書に使用する「独特なパターン」という表現は、一般的に、1)電気機械3D追跡システム(図16図17A図17B図18A図18B図19A図19C図19D図19E図20A図20E図21A図21B図22図23A図23B図23C図24図26図27A図27D図28Aに示す)内のボール構成要素上に埋め込まれたパターン面、2)物体群を別の追跡される/登録される物体群と比較して一意的に識別可能な方式で登録することができる物体の非対称又は識別可能な配置のいずれかを意味する。

0038

本明細書に使用する場合に、レベルは、脊椎の椎骨の範囲にある一定の脊椎骨を意味する。レベルは、椎骨のうちのいずれか(例えば、L5、T10、C1、S3など)を意味することができる。この例の略記号は、腰椎骨、胸椎骨、頸椎骨、及び仙椎骨を意味する。

0039

本明細書に使用する場合に、「完全に係合する」は、物体を3D空間内で互いに対して確実に登録することを可能にする方式で完全にリンク、嵌合、又は位置合わせされた2又は3以上の物体を表すために使用される。完全に係合することにより、一般的に、コンピュータシステムへの特定の指令の通信又は格納するための取得がトリガされることになる。

0040

本明細書に使用する場合に、トリガは、データを格納するために、指令を解釈するために、又は物体のアイデンティティを登録するためにコンピュータ又は取得システムに信号送信するボタン又は通信時点のいずれかを表すために使用される。

0041

本発明の一部の実施形態は、外科医が患者のアラインメント及び生体力学的能力の手術中の評価及び調節を行うことを可能にするシステムを含む。本発明の開示のシステムの複数の実施形態は、様々な計算及びアルゴリズムを用いて患者の脊椎の生体力学的品質及びこれらの品質を高めるために使用されるカスタム化インプラントの定量的評価を生成するために、患者の局所及び/又は全長の脊椎の湾曲及び可撓性を登録し、更に脊椎の立体構造を操作するのに使用される器具/インプラントを登録する。これらの定量的評価は、脊椎の広域アラインメントとセグメントアラインメントの両方に関する様々なX線画像パラメータに関して計算される値(例えば、腰椎前彎、仙骨正中線、T1骨盤角、胸椎後弯、コブ角など)を含むがこれらに限定されない。

0042

本明細書に説明する実施形態のうちの1又は2以上の一部の重要な特徴は、3D追跡取得システムに対して初期化される当該の解剖学的標認点(すなわち、C7、S1など)を含むことができる。一部の実施形態では、連続的又は個別の3D追跡される取得は、手術部位の範囲と範囲外(例えば、皮膚面)の両方で脊椎の面(例えば、後部、前部、又は側部)に沿って行われる。一部の実施形態では、取得点と当該の解剖学的領域(例えば、椎体の重心)の間の関係を識別するために、一連のアルゴリズムは、連続的又は個別の3D追跡されるプローブデータフィルタリングする。一部の実施形態では、セグメント及び/又は全長の脊椎アラインメントの評価は、各関連のX線画像パラメータ(例えば、コブ角、腰椎前彎、胸椎後弯、C2−C7椎前彎、C7−S1サジタル垂直軸、仙骨正中線、T1骨盤角、骨盤形態角、骨盤形態角−腰椎前彎不整合など)に対する値を用いて生成される。一部の実施形態では、スクリュー、ロッド、又はケージのような計装ハードウエアの輪郭、位置、アラインメントの評価を生成することができる。

0043

一部の実施形態は、生体構造内/上に埋め込まれた又は埋め込まれることになるインプラントを評価及び調節するための登録された当該の解剖学的標認点の3D動的レンダリングを含む定量的フィードバックのシステムを含む。一部の実施形態では、セグメント、領域、又は全長の可撓性及び運動範囲の評価は、椎骨セグメント選択範囲の間で生成することができる。一部の実施形態では、視覚ディスプレイは、脊髄の湾曲及びアラインメント、定量的X線画像アラインメントパラメータ値、計装ハードウエア解析、脊椎の可撓性又は運動範囲、並びにX線画像を取得及び解析するための様々な手法に関する情報を出力する。一部の実施形態では、視覚ディスプレイは、ユーザがシステム又は当該の解剖学的領域の定量的又は視覚的な解析を計算するために、それに対する作動を開始するために、又はそれを出力するための特定の指令をシステムに信号送信するための対話型フィードバック及びインタフェースを可能にする。

0044

本提案の実施形態のいずれも独立した発明とすることができ、他の発明又は図1に示す明示的なシステムワークフロー(例えば、患者の初期化、アラインメント輪郭取得など)の前段又は後段とする必要はない。例えば、本明細書に説明する本発明の一部の実施形態は、脊椎の手術中アラインメントを評価し、計装ハードウエアの輪郭又はアラインメントに関する情報を抽出し、患者の脊椎の生体力学的品質のうちの一部を評価するためのデバイス、アセンブリ、システム、及び方法を含む。全体システムの一部の実施形態を図1に例示しており、この場合に、中央ソフトウエアシステムは、個別的及び/又は連続的な場所(例えば、手術部位の内側及び/又は外側)データからの入力を受け入れることができ、これらのデータは、患者の脊椎のセグメント間又は全長のアラインメント、湾曲、位置、運動範囲、及び生体力学的可撓性に関する視覚的及び定量的な出力を生成するために非X線画像又はX線画像の実施形態、アルゴリズム計算、又はユーザに基づく手動対話によって収集される。本明細書に説明する実施形態のいずれも独立した実施形態とすることができ、これらの実施形態は、本発明の一部の実施形態により脊椎アラインメント、局所生体構造生体力学、ロッド輪郭、及びロッドの能動輪郭付け、並びに基準の初期化及び様々な出力の対話型表示のためのシステムを示す図1に示す明示的な一連の系統的段階(例えば、3Dトレース、局所生体構造、標認点など)の範囲にある必要はない。図1の全体システム100は、1又は2以上のコンピュータ実装方法の1又は2以上のソフトウエアモジュール121を利用する処理を含む図のうちの1又は2以上を参照して以下の説明に説明するデバイス、アセンブリ、システム、及び/又は方法を含むことができる。一部の実施形態では、システム100は、患者初期化107、アラインメント輪郭取得115、参照/検出された解剖学的領域117、第三者ソフトウエア統合119、局所生体構造評価105、ロッド輪郭評価109、ロッド輪郭付け支援111、及び出力表示113のためのデバイス、アセンブリ、システム、及び方法を含むことができる。

0045

本発明の一部の実施形態は、可視面グリッドに対する下にある骨生体構造の相対位置を与える皮膚面マーカ又は経皮アクセスデバイスの正確な配置のためのシステム及び方法に関する。一部の実施形態では、本明細書に説明するシステム及び方法は、骨生体構造に対する重ね置きデバイス又は経皮デバイス場所を検証するために要するX線の本数を低減することができる。例えば、図2Aは、X線不透過性グリッド線をX線画像上に視覚化することができる本発明の一部の実施形態による身体−面−装着可能基準パッチの表現を示している。本明細書での他の関連の図及び解説は、図6B図9A図9B、及び図11A図11Bのようなパッチ上に付加するための皮膚基準マーカの例に関するものを含むことができる。図2Aに示すように、一部の実施形態は、可視及び/又はX線不透過性のグリッド線201を有するX線不透過性マーカアレイを含むことができる身体−面−装着可能基準パッチ200を含む。一部の実施形態では、グリッド線201によって定められる形状又はマーカは、X線不透過性を有する赤色グリッド面「R」(ラベル209)、X線不透過性を有する青色グリッド面「B」(ラベル211)、X線不透過性を有する黄色グリッド面「Y」ラベル205、及び/又はX線不透過性を有する緑色グリッド面「G」(ラベル207)を含むがこれらに限定されない識別子を用いて着色及び/又はマーク付けすることができる。一部の実施形態では、グリッド線は、図示のものよりも広いか又は狭いとすることができる。一部の実施形態では、マーカは、この非限定的な実施形態では示すものよりも大きく、小さく、少なく、又は多いとすることができる。一部の実施形態では、身体−面−装着式基準パッチ200は、下にある骨構造の認識を必要とする面−装着式物体又は印刷デバイスの正確な配置を可能にすることができる。

0046

パッチ200の可視面は、色分布である必要はなく、X線画像上に有意な方式で同じく表示されるいずれかの識別可能パターンで構成することができることに注意しなければならない。一部の実施形態では、パッチは、接着剤(図示せず)又は他の方法によって解剖学的面構造接着することができる。一部の実施形態では、パッチ上の一意的な識別可能グリッドセクションのサイズ及び密度は、特定の用途に基づいて異なるとすることができる。

0047

図2Bは、本発明の一部の実施形態によりパッチが付加された患者のX線画像上で可視であると考えられる図2Aの基準パッチのX線不透過要素を表示している。例えば、X線患者画像225は、その上に放射線不透性基準グリッドパッチ200aが表示された状態で示されており、パッチ200が付加された患者のX線画像225上で可視であると考えられる基準パッチ200のX線不透過要素を表示している。一部の実施形態では、患者に付加されたパッチ200のX線を撮影した後に、ユーザは、下にある当該の生体構造をパッチ上で表す対応するグリッド場所に基づいて面基準を配置すること、又は当該の骨生体構造に向けて経皮アクセスデバイスを誘導することができる。この非限定的な例示的実施形態では、X線不透過性を有する赤色グリッド面「R」(ラベル209)が209aとして示され、X線不透過性を有する青色グリッド面「B」(ラベル211)が211aとして示されている。更に、X線画像225内には、X線不透過性を有する黄色グリッド面「Y」ラベル205が205aとして示され、X線不透過性を有する緑色グリッド面「G」(ラベル207)が207aとして示されている。一部の実施形態では、このようにして使用される場合に、図2Aのパッチ200及び図2Bの画像は、正しい手術部位アクセス点の正確な選択を支援することができ、切開部が手術を受けることになる望ましい骨生体構造の上に重なることを保証する。これに加えて、一部の実施形態では、このパッチ200は、2次的皮膚−装着式基準をこれらが下にある当該の骨生体構造に重なるように正確に配置するために使用することができる。パッチ画像上に付加することができる基準の一部の例示的実施形態は、図6B図9A図9B図11A図11Bを含む。一部の実施形態では、パッチ200は、接着剤又は他の従来方法を用いて患者の皮膚に付加することができる。一部の実施形態では、識別可能面マーカのタイプは、図示の非限定的な実施形態とは異なる可能性がある。

0048

図3A図3Cは、3D空間内の基準の場所及び姿勢を登録する(例えば、直接追跡されている個別場所をトレースする、タッピングする)ことを支援するか、X線画像を撮影する時に基準を初期化することを支援するか、又は1又は2以上の嵌合デバイスが結合された後に基準及びそれが取り付けられた骨生体構造を直接操作するかのいずれかを行うことができるこれらの嵌合デバイスにインタフェースするためのクロスバーを有するように設計された骨−装着式基準デバイスを示している。一部の実施形態では、骨生体構造に装着された基準を撮像した後に、後で基準が位置決めされる時に対応する骨生体構造要素も局在化可能であるように、骨生体構造の別の解剖学的セグメントに対する基準の空間内相対場所を登録することができる。骨−装着式基準320が骨に締結された状態の椎骨300が示されている。一部の実施形態では、基準320は右脊椎板の内側縁に締結することができるが、この基準の小さいサイズ及び外形に起因して、骨生体構造上のどこにでも装着することができる。一部の実施形態では、骨−装着式基準320は、骨(例えば、椎骨300)に剛的に締結することができるようにネジ付きの又は平滑な骨−穿刺構成要素(図示せず)を含むことができる。一部の実施形態では、骨−穿刺構成要素は、骨生体構造の反対側まで穿通しないように又は他にいずれの繊細な生体構造も損傷しないように有意に小型化することができる。

0049

一部の実施形態では、基準320は、基準320を横断する1又は2以上のクロスバー325を含むことができる。一部の実施形態では、クロスバー325は、結合される基準350の嵌合インタフェースがクロスバー325と直接係合することを可能にするための開放空間がクロスバー325の下に存在するように配置することができる。この事例では、基準320は、追跡されるデバイスによってアクセスされる時に空間内の基準の姿勢及び場所を解釈するように基準350に剛的に固定することができる(下記の図3Bを参照されたい)。

0050

これに加えて、一部の実施形態は、3D追跡されるプローブによってトレースする又は個別的に登録することができる溝327及び他の識別可能パターンを含むがこれらに限定されないパターン付き周囲面を含む(図3B)。図3Bは、骨−装着式基準320が関連基準350と様々な機構によって機械的に結合することができるような骨−装着式基準320の嵌合機能を示す骨−装着式基準320と、それに結合するための基準350とを有する椎骨300でのアセンブリ図を示している。例えば、1つの非限定的機構は、関連基準350が機構355の係合設計の中に90度回転して入れられる時に関連基準350がベース骨基準320のクロスバー325の中に緊密に引っ張り込まれるような4分の1回転係合機構355を含む。一部の実施形態では、関連基準350の構造は、3又は4以上の識別可能凹部370の非対称パターンを含むがこれに限定されない面特徴部を含むことができるようなものである。一部の実施形態では、識別可能凹部370は、更に下記で図3C及び図44B図44Dを参照してより詳細に説明するように、3D追跡可能デバイスとのインタフェースによって3D空間内の独特な位置及び姿勢を認識することを可能にすることができる。一部の他の実施形態では、基準との他の従来の嵌合機構は、4分の1回転、半回転、剛的にクランプするデバイス、及びバネ装荷式スナップインデバイスを含むがこれらに限定されない。

0051

3D追跡されるプローブと相互作用する時に3D空間内の基準の一実施形態の登録に向けて使用することができる関連基準350の一意的に識別可能な面構造は、1)3又は4以上の一意的に離間した凹部、2)基準の場所及び姿勢を識別するために3D追跡されるプローブがトレースすることができる一意的に識別可能な溝、3)3D追跡カメラによって追跡することができる3D空間内場所を有する3又は4以上の追跡されるマーカのセットを含むインサート、4)追跡されるDRF、5)独特な姿勢及び場所をX線撮像によって識別可能にすることを可能にするための放射線不透性特徴部を有するより大きい実施形態、及び6)基準に剛的に結合することができる追跡されるプローブが下記で図44A図44Dを参照して説明するように空間内の基準の場所及び姿勢を解釈することができるような追跡されるプローブとのインタフェースを含むことができるがこれらに限定されない。例えば、図3Cは、本発明の一部の実施形態により上部基準(基準350)に結合された骨−装着式基準320を有する椎骨300を示している。骨−装着式基準320は、剛的に取り付けられた関連基準350を含み、3D追跡されるプローブによって登録することができる一意的に識別可能な面パターン370(面凹部)の一実施形態を例証している。一部の実施形態では、面パターン370を構成する3又は4以上の個別凹部は、面パターン370内に結合されて入ることができる3D追跡されるプローブの少なくとも一部分と結合することができる。その結果、次いで、1又は2以上のコンピュータシステムを用いて3D空間内の基準の場所及び独特な姿勢を算定することができる。

0052

図4Aは、本発明の一部の実施形態により皮膚−面−装着式基準400を患者425に付加するための組立処理又は手術処理450を示している。皮膚−面−装着式基準400は、患者が手術台435の上に腹臥位で位置決めされている時に患者の背部皮膚に付加される。一部の実施形態では、この基準400は、取り付けられた接着剤化合物ステープル縫合糸、又は重ね置き接着性ドレープによって患者の皮膚に接着することができる。

0053

図4Bは、本発明の一部の実施形態により解剖学的モデルに適用された皮膚基準マーカ444のサンプルX線写真側面像を示している。一部の実施形態では、基準マーカ444のX線不透過要素は、それ自体をX線画像上で明瞭に視覚化して識別することを可能にする。更に、X線不透過性マーカ444の既知のサイズは、X線画像441内での基準スケーリングを可能にする。更に、この場合に、同じくX線画像441の視野の範囲にある近くの生体構造を下記で図4C及び図4Fに説明するためにX線画像441の平面内に変位ベクトルを示すことができるように初期化することができる。一部の実施形態では、いずれの視点からの基準のX線画像も、システムが基準の3D方位を自動的に推定することを可能にすることができるパターンの独特な姿勢を視覚化することを可能にするために、放射線不透性基準マーカ444の配置を非対称パターンで設計することができる。例えば、図4Cは、本発明の一部の実施形態により注釈ベクトルを有する図4BのサンプルX線写真側面像440を示している。図4Cは、基準の位置に対して知ることが望ましい位置を有する解剖学的要素に隣接して設けられた基準に対する初期化処理の一態様を表示している。一部の実施形態では、手動又は自動のソフトウエア注釈(マーカ444間を延びるベクトル465及び460として示す)は、基準内のX線不透過性マーカの識別を可能にすることができる。

0054

これらのX線不透過性マーカの互いに対するサイズ、並びに互いに対する方位が与えられると、X線画像440の平面に対する基準442の姿勢を判別することができる。一部の実施形態では、ユーザは、システムにインタフェースして基準442からの変位ベクトル470を計算する1又は2以上の追加の点を選択する。この例では、大きい円(例えば、427として示す)に示す特定の椎体の中心領域が選択されており、ソフトウエアは、ディスプレイモニタ上での各X線不透過性マーカ444とこの注釈領域の間のピクセル距離を計算している。基準内又は上のX線不透過性マーカの既知のサイズに基づいて、ピクセルを単位として測定された長さを距離の単位(例えば、mm、cmなど)で測定された長さに変換することができるように画像をスケーリングすることができる。他の実施形態では、ソフトウエアはまた、たとえいくつかの椎骨にわたってさえも基準からあらゆる当該の解剖学的標認点までの変位ベクトルを計算することができる。

0055

図4Dは、本発明の一部の実施形態により画像取得及びその後の基準マーカの初期化に向けて利用することができるタイプのX線撮像システムのC−アーム480ベースのマウントを示している。一部の実施形態では、撮影された第1のX線画像に続いて、患者−基準複合体とX線エミッタの間の相対角度が既知又は未知のいずれかの量だけ回転され、その後の画像が撮影される。第2の画像は、第1のX線画像の平面の外側の追加情報が基準と当該の骨生体構造の間の3D変位ベクトルを構成することを可能にする。このX線システムは、C−アームベースのデバイスである必要はなく、O字アーム平板X線、CT走査、MRI、及び壁装着又はベッド装着式取得システムを含むがこれらに限定されない他の画像取得システムで構成することができる。

0056

図4Eは、本発明の一部の実施形態により図4A図4Bとは異なる撮像角度からの脊椎−基準対のサンプルX線画像485を示しており、更に近くにある当該の解剖学的区域に対するスケーリング及び局在化を可能にするために基準内又は上で分散されたX線不透過性マーカの配置の一実施形態として基準放射線不透性マーカ(487a、487bとして示す)を示している。

0057

図4Fは、本発明の一部の実施形態により注釈ベクトルを含む図4EのサンプルX線画像485を示している。図4Fは、撮像されたものであって図4Eに上述した基準−身体対に関するX線画像初期化処理を表示している。注釈ベクトル488は、基準442(図4B図4C)内のX線不透過性マーカ487a、487bの各々の相対位置を参照するために、並びに基準442が後のこの基準の局在化後に基準点として機能することができるユーザが示した近くにある当該の解剖学的領域(489として示す)に対する変位ベクトルの計算を行うために使用される。一部の実施形態では、いずれかの視点からの基準のX線画像が、システムが基準の3D方位を自動的に推定することを可能にすることができるパターンの独特な姿勢を視覚化することを可能にするために、放射線不透性基準マーカの配置は、X線不透過性マーカ487aと487bの間にある例示的な独特な三角形ベクトルパターンによって見られるように非対称パターンで設計することができる。この点に関して、基準の方位の推定により、システムが基準軸線に対するベクトルを計算することが可能になる。

0058

図4Gは、本発明の一部の実施形態により図4Hの時点で基準の独特な場所及び姿勢を登録した際に用いた3D取得システムの軸線を表示している。この非限定的な実施形態では、3D追跡取得システム座標軸492は、変換された3D変位ベクトル494を用いて示している。例えば、図4Gは、図4Hで説明するように、基準の独特な場所及び姿勢を登録した際に用いた3D追跡取得システムの軸線492を表示している。一部の実施形態では、図4C図4F図4Gに上述した基準原点から当該の解剖学的領域への既知の変位ベクトルに基づいて、この変位ベクトルは剛体変換を受け、3D追跡取得システムの軸線に対する基準軸線を定める。取得されるこのベクトル(494として示す)は、注釈された解剖学的領域の場所を3D追跡取得システムの軸線内で知ることを可能にすることができ、1つの同じ取得システムによってアクセスされる他の場所に対する当該解剖学的領域の空間内場所の解釈が可能になる。

0059

図4Hは、本発明の一部の実施形態により3D追跡カメラ座標内で基準を局在化するためのシステム及び方法を示している。この非限定的な実施形態には、識別可能トレースパターン495と、トリガ機能496を有する追跡されるプローブと、基準座標軸497とを示している。図4Hは、3D追跡カメラ座標内で基準を局在化する1つの方法を非限定的な実施形態として表示している。図示のように、基準には、追跡されるプローブ(496)が基準の痕跡パターンをその中にトレースすることができる独特な溝パターン(パターン495)が装備される。上記で図4Aに関して上述したように、基準の識別可能特徴部は、一意的にトレース可能なパターンに限定されず、タッピングされる個別点、追跡されるマーカに対する装着場所、及び基準の位置及び姿勢を解釈するためにプローブの姿勢を使用することができるような追跡されるプローブとの剛的な結合でもある。追跡されるプローブによって基準上の独特な面パターンをトレースすることにより、次いで、基準の軸線(i)及び原点を3D追跡取得システムの座標系に関して解釈することができる。一部の実施形態では、取得システムは、下記で図4Iに説明するように初期化された近くの解剖学的領域の場所を解釈することができることになる。

0060

図4Iは、本発明の一部の実施形態により各X線画像平面間の入力角度又は計算角度に基づいて2DX線の各々の上に描かれた変位ベクトルを追加することができる基準原点に対する3D軸線を示している。この非限定的な実施形態は、X線画像座標系498aと3D変位ベクトル498bとを含み、X線画像平面の各々の間の入力角度又は計算角度に基づいて2DX線の各々の上に描かれた変位ベクトルを追加することができる基準原点に対する3D軸線を表示している。取得されるこのベクトルは、基準原点からユーザが入力した当該の解剖学的骨領域(499)まで描かれた3Dベクトル(498b)を表している。一部の実施形態では、これは、図4Hに説明しているように、他の3D追跡取得システム軸線内で基準の場所及び姿勢を解釈することによって当該の解剖学的骨領域の局在化が可能になる。

0061

図5A図5Cは、図4A図4Iを参照して上述したように、下にある当該の解剖学的領域に対する基準点として機能する基準を初期化する構成要素、システム、及び方法を表示している。しかし、X線画像を利用する代わりに、これらの方法は、追跡カメラによって視覚化された時に場所及び姿勢を算定することができるように追跡されるDRFを備えた超音波ベースのプローブを利用することができる。例えば、図5Aは、本発明の一部の実施形態による光学追跡システム550を示し、図5Bは、本発明の一部の実施形態により追跡されるDRF580を備えた超音波プローブ575を示している。更に、図5Cは、本発明の一部の実施形態により椎骨596の断面図の上に重なる患者の皮膚面594のアセンブリ図又はプロセス図590を皮膚−装着式基準592に対して登録することができる骨生体構造の特定領域の表現として例示している。本発明の一部の実施形態では、図5Aの光学3D追跡システム550は、本明細書を通して言及する3D追跡取得システムに向けて利用することができる。このシステムは、カメラ放出赤外線光反射する追跡されるマーカの場所を検出するために立体視カメラ551を利用する。この検出は、本明細書を通して3D座標の取得に向けて使用することができる追跡システム550の一例であるが、光放出マーカ、電子通信などを含むがこれらに限定されない他の方法によって達成することができる。更に、一部の実施形態では、図5Bの超音波プローブ575には、マーカ585を用いてプローブの場所及び姿勢を3D空間内で追跡することを可能にする追跡されるDRF580が装備される。一部の実施形態では、プローブの正確な場所を追跡することにより、当該の生体構造点への3D変位ベクトルを生成するために使用することができる各撮像平面の間の相対角度を記録することが可能になる。

0062

図6A図6Dは、場所を知ることが望ましい身体の骨生体構造の上に重なる面をドレープが遮蔽する手順中に基準を視覚化し、それと共に参照することができるように、皮膚−装着式基準を手術ドレープを横切って嵌合することを可能にする上部嵌合構成要素と共に付加するデバイス、システム、及び処理の描写を含む。

0063

図6Aは、皮膚−装着式基準(a)と、その関連のドレープ上方嵌合基準(b)とを付加する段階を使用することができるサンプルシナリオを描いている。患者が手術台上に腹臥位で位置決めされた状態で、手術に向けて露出することにはならないが、他の解剖学的領域に対する場所を知ることが望ましい骨生体構造を下に含む領域の上に皮膚−装着式基準を付加することができる。手術ドレープ(f)が皮膚−装着式基準の上にあてがわれた後に、次いで、ドレープ上方嵌合基準を用いて下にある皮膚−装着式基準の位置を解釈することができ、これに対しては下記で図6B図6Dにおいてより詳細に説明する。例えば、図6Aは、本発明の一部の実施形態により皮膚−装着式基準625と、その関連のドレープ上方基準635とを付加する段階に関するアセンブリ図又はプロセス図600を示しており、図6Bは、本発明の一部の実施形態により皮膚−装着式基準400及びその関連のドレープ上方嵌合基準415のアセンブリ図650を示している。一部の実施形態では、基準625は基準400を含み、基準635は基準415を含むことができる。

0064

皮膚−装着式基準400及びその関連のドレープ上方嵌合基準415の一実施形態の詳細な構成要素を示す図6Bを参照すると、一部の実施形態では、皮膚−装着式基準400は、接着性材料、皮膚に縫合又はステープル吻合されるループ領域、及び身体面に密に巻き付くように取り付けられるバンドを含むがこれらに限定されない皮膚面(図示せず)に接着する方法を含むことができる。一部の実施形態では、基準のうちのいずれかの内部に又はその上に含まれるのは、基準のX線画像上で容易に視覚化される1又は2以上のX線不透過性マーカ408とすることができる。更に、一部の実施形態では、上記で図4に上述したように、これらのX線不透過性マーカ408は、これらを2DX線画像上で基準の姿勢を識別するために使用することができるように互いに及び基準本体それ自体に対して位置決めすることができる。一部の実施形態では、基準は、手術ドレープ(図6Aに605として示す)によって分離されている時に2つの基準を確実に締結することを支援するようにこれらの基準の面内又は上に埋め込まれた磁石(例えば、基準400内に磁石404として、基準415内に419として示す)を含有することができる。一部の実施形態では、これらの磁石は様々な幾何学形状を有することができる。例えば、一部の実施形態は、X線不透過性マーカの機能、並びにドレープを横切って嵌合基準をインタフェースすることを支援するための特徴部の機能の両方として機能するように使用することができる球体磁石を含む。一部の実施形態では、皮膚−装着式基準には、機械的アラインメント嵌合部(402a及び402bとして示す)として機能する突起を装備することができる。一部の実施形態では、嵌合部は、一方の基準から(例えば、図示のように400から、及び/又はこれに代えて基準400と基準415の両方から)突出し、反対の基準内に嵌合切欠き部を有し、両方の基準が互いに対して適正に位置合わせすることを保証することを支援することができる。突起は、図6Bの非限定的な実施形態では形状が円錐形であるが、他の実施形態では先細又は非先細の幾何学形状を有するように製造することができる。

0065

図6Cは、本発明の一部の実施形態により手術部位の外側にあるが、3D追跡座標内の場所が既知であることが望ましい下にある生体構造の領域の上に位置付けられた領域内で解剖学的幻影に付加される皮膚−装着式基準の一実施形態を示している。更に、図6Dは、本発明の一部の実施形態により手術ドレープ/タオルを横切ってドレープ上方基準に嵌合する皮膚−装着式基準の実施形態を示している。図6Cを参照すると、一部の実施形態では、本発明の一部の実施形態に従って手術部位681の外側にあるが、3D追跡座標内の場所が既知であることが望ましい下にある生体構造の領域の上に位置付けられた領域内で解剖学的幻影677に皮膚−装着式基準400を付加することができる。例えば、図6Dは、本発明の一部の実施形態により手術ドレープ/タオル679を横切ってドレープ上方基準415に嵌合する皮膚−装着式基準400の実施形態を示している。一部の実施形態では、ドレープ上方嵌合基準415は皮膚−面基準400と予想可能な方式で機械的に嵌合されるので、ドレープ上方嵌合基準415の場所及び姿勢を用いて、下にある皮膚−装着式基準400の場所及び姿勢を算定することができる。更に、皮膚−装着式基準400が近くの生体構造に対して予め初期化されていた場合に、ドレープ上方嵌合基準415の場所及び姿勢を下にある当該の生体構造に対する代用基準点として使用することができる。

0066

図7は、本発明の一部の実施形態により基準740のアセンブリ図700を示しており、1つの基準の別のものに対する一意的な識別を可能にする実施形態を描いている。一部の実施形態では、この実施形態は、1よりも多い基準が使用され、基準のアイデンティティを必要とする時のシナリオに適用することができる。この実施形態では、基準740に嵌合する電極735を有するように設計されたインタフェースプローブ703が示されている。一部の実施形態では、電極は、基準740に結合するか又はその中に挿入することができ、基準材料内に組み込まれた回路の特性(例えば、電気抵抗キャパシタンスなど)に基づいて嵌合プローブによって基準の独特なアイデンティティを既知にすることができる。図示のように、一部の実施形態では、プローブ703は、追跡可能マーカ725を有する追跡されるDRF715に結合されたプローブシャフト705を含むことができる。更に、一部の実施形態では、基準740は、2つの組み込み電極を含むことができ、電極間に埋め込まれた識別回路構成要素(例えば、抵抗器コンデンサーなど)を有することができる。このようにして、追跡されるDRF715を備えたプローブ703は、それが、基準740にインタフェースすることができる嵌合電極735を有し、基準740の独特な電気特性を測定し、同時に3D空間内のこの基準の場所及び姿勢を識別するように設計することができる。従って、上述した実施形態は、複数の基準が配備される時に有利とすることができる一意的な基準の識別を可能にすることができる。

0067

図8は、本発明の一部の実施形態による基準のアセンブリ図800を示しており、1つの基準の別のものに対する一意的な識別を可能にする。この実施形態は、1よりも多い基準が使用され、基準の独特なアイデンティティを知ることが望ましい時のシナリオに適用することができる。この設計では、RFID読取回路を備えたプローブが、基準内のバネ埋め込みRFIDタグ回路にインタフェースする。このようにして、プローブ803は、バネ装荷式一時的プッシュボタンの押下によってアクセスされた基準をトリガすることができ、同時にどの基準が参照されたかに関する情報を取得することができる。図示のように、プローブ803は、バネ装荷式ボタン855を含む埋め込みRFID読取器850に結合されるように構成された追跡可能マーカ725を有する追跡されるDRF715を含むことができる。一部の実施形態では、シャフト705の先端707は、ボタン855の面858と結合することができ、バネ864を押圧して最終的に端子862とRFIDタグ870との接触を可能にする。一部の実施形態では、追跡されるDRF715に加えてRFID読取器850を備えたプローブ803によってアクセスされるとバネ864を押下するプローブ803は、1)それが接近した基準をトリガし、2)基準面の場所を解釈し、3)基準の独特なアイデンティティをその埋め込みRFIDタグに基づいて解釈するという3つのタスクを同時に実施することができる。

0068

図9Aは、図6A図6Bに関して上述した皮膚−面基準の別の実施形態を表示している。この事例では、組み立てられた皮膚−面基準900は、皮膚−装着式基準に結合された嵌合上面基準905を含む。例えば、図9Aは、ドレープ上方嵌合基準905と共に組み立てられた皮膚−面基準930を表示している。底面基準930には、皮膚面に接着する機構が装備される。基準対905、930は、予想可能な嵌合構成を維持しながら手術ドレープ又はタオルを受け入れるように設計されたインタフェース925で互いに接合する。上部基準の一実施形態は、図4A図4Iに関して上述したように、追跡されるプローブ(例えば、本明細書に説明する追跡されるプローブのうちのいずれか)がパターンをトレースし、その情報から基準の独特なアイデンティティ、並びに空間内の基準の場所及び姿勢を解釈し、基準ベースの軸線の識別を可能にすることができるような独特な幾何学形状(例えば、この図に示す「z」幾何学形状)にある溝(トレースパターン910)を含有する。

0069

基準900の外部設計は、情報をユーザに埋め込み命令として通信するように構成される。基準の一実施形態は、外部矢印外観(すなわち、組み立てられる基準900が矢印として成形される)を有し、それを用いてユーザがこの基準をどのように配置しなければならないかを示すことができる(例えば、矢印が手術部位と対向するように基準を配置する)。一部の実施形態では、ユーザが基準905の面915から基準905が位置決めされた基準930の本体面920に下方にプローブをトレースすることを容易にするために既知の幾何学形状の傾斜付き下降920を実施することができる。一部の実施形態では、基準900のフレーム付き構造は、基準溝910から下にある面への移行部にわたってより予想可能なトレースを可能にすることができる。これに加えて、一部の実施形態では、この構造は、基準の傾斜設計の既知の幾何学形状を所与として下にある身体面の場所を計算する機能を与える。

0070

図9Bは、本発明の一部の実施形態により図9Aに従って基準900のアセンブリ図を示している。この非限定的な実施形態では、皮膚−装着式基準930は、図6Bに関して上述したものと類似の雄アラインメント支援突起940を含む。更に、この突起は、手術ドレープの場合のように追加体積の重ね置き材料を受け入れるために扁平上部922を有する。このようにして、この構造は、挟まれたドレープの存在下で2つの基準の間にあるドレープのテンティングを回避することによってこれらの基準嵌合部の間近の接近を可能にする。一部の実施形態では、基準905、930には、図6Bに上述したものと同じとすることができるX線不透過性マーカと磁気の両方を受け入れるための切欠き部924が装備される。切欠き部924の一実施形態は、あらゆるX線画像視角において独特な姿勢推定を可能にする相対構成でX線不透過性マーカを剛的に埋め込む非対称幾何学パターンを含む。2つの基準を接近させることを支援するために使用される磁石の代わりに、他の実施形態は、手術ドレープを跨ぐ緊密な機械的リンクを可能にする4分の1回転機構又は捻回機構を有する突起を含むことができる。一部の実施形態では、ドレープ上方嵌合基準905には、皮膚−装着式基準930上の突起940、922の場所に嵌合するように構成された雌アラインメント支援切欠き部908が装備される。これらの突起及び嵌合切欠き部の場所、サイズ、及び幾何学形状は様々なものとすることができ、この実施形態は、一実施形態に過ぎないことに注意しなければならない。更に、突起を皮膚−装着式基準上だけに設置することは必要ではなく、ドレープ上方嵌合基準上の切欠き部は、形状とサイズとの様々な組合せを含むことができる。

0071

磁石の代わりに、一部の実施形態は、「ドレープ上方クランプ」特徴部(すなわち、上部基準の上のタブが、下の基準側の上から間にドレープを把持しながら下に押さえ付けることになる)を含むことができる。本発明の他の実施形態は、ドレープ上方基準の上に装備され、手術ドレープによって分離された時の適正なアラインメントを保証するために下側基準の対応する領域の上にスナップ留めするように設計された2つのクランプアームを含む。

0072

一部の実施形態では、基準には、本明細書を通して言及する他の構成要素(例えば、深度ストップベースの基準及びプローブ組合せ図10A図10G))を装備することができる。一意的に識別可能であることを可能にする基準の他の実施形態は、下記で図10A図10Gを参照して説明するように、深度感知技術を備えたプローブに嵌合するように設計された個別深度の戻り止めを含み、それによって基準及びそれに対する戻り止めの独特な場所を計測戻り止め深度の分布に基づいて決定することができる。

0073

一部の実施形態では、下部基準が患者の皮膚の不均等な面輪郭に成功裏に接着することを可能にするために、この基準に可撓性構成要素を付加することができる。デバイスの他の実施形態は、不均等な身体面輪郭との嵌合をより確実に可能にする可撓性材料を用いて底面を構成する段階を含む。

0074

一部の実施形態は、バネ装荷式摺動シャフトの押下の深度を示す作動追跡されるマーカに結合された追跡されるプローブ、並びにシャフトにインタフェースし、それを個別量だけ偏向させるように設計された嵌合基準の実施形態を含む。この設計の目的は多元的である。例えば、図10Aは、本発明の一部の実施形態により剛的に取り付けられた追跡可能DRF1020を備えた3D追跡可能プローブ1000を示している。一部の実施形態では、下記で少なくとも図15A図15C及び図63を参照して説明するように、追跡されるプローブ1000上の作動されるマーカ1030は、プローブ1000と取得システムの間のアナログ通信を可能にする。一部の実施形態では、作動されるマーカ1030は、プローブの先端(1049として示す)でのシャフトの偏向深度に関する情報を伝達する。更に、完全に係合した時に設定高度だけシャフト先端を偏向させるように設計された嵌合基準に結合された時に、プローブ1000は、1)それが嵌合基準と完全に係合した時、2)嵌合基準の場所及び姿勢、及び3)嵌合基準の独特なアイデンティティという3つの事柄を基準が摺動シャフトに対してもたらすことになる設計押下深度に基づいて伝達することができる。図示のように、追跡されるDRF1020は、固定マーカ1025a、1025b、1025c、1025dを含む。フレーム1020内に示すこれらのマーカ1025a、1025b、1025c、1025dの一部又は全ては、本明細書に説明するDRFのあらゆるものに対して使用することができる。一部の実施形態では、本明細書に説明するDRFのいずれもこれらのマーカを使用することができ、又はそれ未満のマーカを使用することができる。一部の実施形態では、本明細書に説明するDRFのいずれも、マーカ1025a、1025b、1025c、及び/又は1025dのうちのいずれかと類似である又は等しいより多くのマーカを使用することができる。一部の実施形態では、本明細書に説明するプローブ又はDRFのいずれも、マーカ1025a、1025b、1025c、及び/又は1025dのいずれかであるが異なる幾何学形状又は形状を有するものを含むことができる(すなわち、マーカは、図示のものよりも小さい又は大きいとすることができ、又はプローブシャフトからの異なる距離に配置することができる)。

0075

本発明の一実施形態は、剛的に取り付けられた追跡されるDRF1020を備えた3D追跡されるプローブを含む。更に、追跡される可動漂遊マーカ1030が、プローブ1000と同軸であるバネ装荷式シャフト1010に剛的に取り付けられ、プローブ1000の長さに沿った貫通孔内で作動する。一部の実施形態では、摺動シャフトは、それを追跡される可動漂遊マーカ1030に対するマウント1005と共に平行移動する押下可能先端1049bによって作動させることができる。プローブのこの実施形態は、プローブ先端1049bの近くに一連の同心状に向けられた様々な直径の突起1040を更に含む。これらの様々な直径の突起1040は、プローブ上の特定の深度ストップに嵌合するために様々な内径を有するように設計された下記で図10Cを参照して説明する深度ストップ基準に嵌合する時に可変深度ストップ選択肢(1045、1047、1049)として機能することができる。例えば、図10Bは、図10Aに上述した作動先端及び可変深度ストップを有するプローブ1000のより詳細な斜視図を表示している。追跡されるプローブシャフト1010は、押下可能摺動シャフト先端1049b及びその関連のTMSM(1030)をコンピュータシステムに通信される独特なトリガ信号に対する様々な高度(1041、1045、1047)まで作動させるための深度ストップとして機能する様々な高度の同軸円筒形押出部1040を含む。

0076

図10Cは、図10A図10Bに関して上述したようにプローブに嵌合するように設計された深度ストップ基準の一実施形態を表示している。これらの深度ストップ基準(1050、1052)は、プローブ上の様々な深度ストップと結合することができるように可変の内径を有する。DRF1020に対する追跡される可動漂遊マーカ1030の識別可能な偏向をもたらすことができるプローブ(例えば、プローブ1000など)上の定められた深度ストップに嵌合する可変の内径を有するのに加えて、これらの深度ストップ基準の更に他の実施形態は、適合する内径を有する深度ストップ基準に嵌合しているにも関わらず摺動プローブ先端1049bを様々な量だけ作動させることができるように可変の床面深度を更に含む。このようにして、これらの深度ストップ基準1050、1052は互いに区別することができ、これらの嵌合内径及び/又は深度ストップは、追加の一意的識別子を与える。従って、これらの深度ストップ基準は、図3A図3B図6A図6D、及び図9A図9Bに関して上述した基準に結合されるプローブ−インタフェース構成要素として結合することができる。

0077

図10Dは、図10Cに関して上述した特定の深度ストップ基準(1050として示す)に嵌合された図10A図10Bに関して上述したプローブ1000を表示している。これら2つの構成要素がこのようにして結合された状態で、追跡される可動漂遊マーカ1030をプローブシャフト1010と同軸上で作動させることができ、プローブとその嵌合深度ストップ基準の両方の既知の幾何学形状に基づいて、追跡されるDRFに対する偏向を測定し、プローブの深度ストップ高度1061への特定の嵌合に基づいて予想された偏向量と比較することができる。このようにして、摺動先端と摺動シャフトに取り付けられた追跡される可動漂遊マーカとの計測偏向(「M」)は、プローブ(例えば、1000及び/又は1001)が特定の深度ストップ基準(1060)と完全に係合した時の一意的識別子として機能することができる。

0078

図10Eは、図10Dに関して示したものとは異なるプローブ1000の深度ストップ1082に嵌合するように設計された深度ストップ基準1084に嵌合された図10Aに関して上述したものであるプローブ1002を表示している。図10Dと比較すると、この図は、多高度選択プローブ(1082)上の異なる嵌合領域をそれに関連付けられた追跡される可動漂遊マーカ(1030)の異なる偏向高度(「P」)と共に表示しており、摺動プローブ先端の異なる押下深度を示す(「P」を図10Dの「M」と比較されたい)。

0079

図10Fは、本発明の一部の実施形態によるプローブ1000の実施形態の一部分のアセンブリ図1099を示している。一実施形態では、図10Aに関して上述した3D追跡されるプローブ1000は、図10Cに関して上述した深度ストップ基準のうちのいずれかに係合することができる非対称突出押出部(1091)を含み、対応するスロット(1093)がこのプローブの押出部に嵌合し、プローブは、深度ストップ基準と1つの方位にしか嵌合することができない。この非対称アラインメントは、プローブが基準の座標軸の独特な方位を登録し、従って、基準が登録間でどのように回転及び平行移動するかを検出することを可能にする。図10Gは、両方共図10Fに関して示した深度ストップを備えた3D追跡されるプローブと部分係合状態にある深度ストップ基準の斜視図を示している。

0080

図11A図11Bは、皮膚面と図6A図6B及び図9A図9Bに上述した嵌合基準設計との実施形態を表示している。この設計での主な相違点は、上部基準の場所、姿勢、及びアイデンティティの全てを追跡されるプローブにインタフェースする必要なく3D追跡取得ユニットによって識別することができるようにこの基準に装着された追跡されるマーカが存在する点である。このようにして、基準の情報は、この基準が3D追跡カメラシステムの視線内である限り常に登録される。組み立てられた基準は、初期化された後に上述したものと同じ目的、すなわち、下にある生体構造の空間内3D場所に対する面基準点として機能することができる。例えば、図11Aは、3又は4以上の追跡されるマーカ1135を含有するドレープ上方嵌合基準1105に嵌合された皮膚−面基準1155の上面アセンブリ図1100を表示している。これらのマーカは、カメラ取得システムがそれを当該基準に関する独特なエンティティとして認識することができるような予め決められた構成で位置決めされる。これらの追跡されるマーカ1135は、それがカメラの視線内にある限り3D空間内の基準の場所及び姿勢の常時登録を可能にする。これらの追跡されるマーカ1135がカメラの視線内にない場合に、上部基準構成要素(1105)は、追跡されるプローブによってアクセス及びトレースすることができる面輪郭1110を更に含む。このようにして、基準アセンブリ(1105、1155)は、追跡されるマーカの視線が遮蔽されているか否かに関わらず3D空間内でこの基準アセンブリを登録することができることを保証する冗長性を有するように設計される。

0081

一部の実施形態では、基準上に装着されたマーカは、基準の一意的な識別を可能にする方式で配置することができる。他の実施形態は、一意的識別可能パターン(例えば、非対称三角形)で位置決めされた3又は4以上の3D追跡されるマーカを含有する。

0082

一部の実施形態は、2つの座標系にわたる局在化を可能にする光学系と融合された高度なX線撮像を可能にするために、図6A図6D図9A図9B図11A図11Bに示す基準の例示的実施形態の上に図27A図27Bに示す独特なパターンを埋め込む段階を含む。一部の実施形態では、独特なパターン(例えば、CALTag/ARtag)を基準パッチ又は皮膚ベースの基準に適用することができる。この設計は、3D追跡カメラ空間内と2D又は3DX線撮像空間内の両方で容易に視覚化することができるX線不透過性の独特なパターン面(例えば、CalTag)を伴っている。一部の実施形態は、別個のX線画像間の相対的な場所及び姿勢を計算するために独特なパターン面に対するC−アームの絶対場所を使用する段階を含み、これらの画像の空間関係及び重複を理解するロバスト縫い合わせアルゴリズムを可能にする。本発明は、X線撮像デバイスに装着された対応する光センサと併用することができると考えられ、システムは、カメラとX線撮像デバイスのエミッタ又は検出器との間の相対的な幾何学関係を知っている。このシステムは、縫い合わせ、独特な3D姿勢検出、絶対場所関係を可能にすることができ、回転された/傾斜したX線撮像システムを用いて取得されたX線画像によってロバストであるべきである。X線画像内で視覚化される独特なパターン面は、物理単位(例えば、ミリメートル)への画像の自動スケーリングを可能にし、並びに当該の生体構造に対するかつX線撮像デバイスに対する基準の姿勢を自動的に検出することができると考えられる。

0083

図11Bは、患者の皮膚に接着性裏当て1157を通じて装着された皮膚−装着式基準1155に結合されたドレープ上方嵌合基準1105上に追跡されるマーカを備えた基準実施形態の別の図を表示している。この実施形態は、磁石及び電子機器1125、1160の挿入のための挿入スロットを含有することができる。図11A図11Bには示していないが、この基準には、図6A図6D及び図9A図9Bに関して上述した突起と嵌合切欠き部とをアラインメントに向けて装備することができることに注意しなければならない。

0084

一部の実施形態は、相対的な解剖学的基準平面の表示を備えた追跡されるDRFを含む。この事例では、機能態様は、追跡されるDRFが取得システムに示す上でどのようにして追跡されるDRFの方位を最適に定めるべきか、解剖学的軸線座標に対するカメラ座標をどのように解釈されるかをユーザに通知する外部表示方法にある。例えば、図12は、解剖学的相対参照軸線を通信するための組み込み表示を有する追跡されるDRF1250の表現1200を表示している。この設計は、DRFを定めるが、患者の近くにDRFをどのようにして適切に位置決めするかをユーザに命令することを支援する重ね置き身体外形基準1225も定める4つの追跡されるマーカ1275を含む。このデバイスには、それが患者の方位に位置合わせするまでユーザがデバイスを回転させ、次いで、それを定位置にロックすることを可能にする調節可能装着面(フレーム1250の下にある1280として記している)が取り付けられる。このデバイスは、取得システムが、DRFを登録することだけではなく、動的基準平面の既知の幾何学形状に対する解剖学的基準平面を定めることも可能にする。このデバイスを利用することにより、取得システムが、被検体に対するカメラの方位に依存して多くの場合に歪んで見えてユーザが解釈することが困難なカメラ座標ではなく解剖学的基準平面上にデータを表示することが可能になる。このデバイス上に解剖学的基準軸線を示す方法は、この図に示す人体オーバーレイに限定されないことに注意しなければならない。他の方法は、ソフトウエアインタフェースが、患者に対してDRFの方位を適切に定めるようにユーザをウォークスルーさせることができるような関連の解剖学的軸線を表示する書込テキスト、解剖学的方位を表す個別身体部位の画像、及び特定の解剖学的軸線に位置合わせすべき領域に対する英数字ラベル付け又は独特なパターンのラベル付けを含むがこれらに限定されない。注意される点は、この座標系はほぼどこにでも装着することができ、調節可能マウントを有する必要はなく、剛体直交軸線とすることができる点である。例えば、他の実施形態は、座標系を手術台又はいずれかの剛性面に1つの方位で剛的に装着する段階、又は患者の生体構造(例えば、脊椎の棘突起)に剛的に直接装着する段階を含む。

0085

一部の実施形態は、脊椎の断面CT走査図を含み、トレース方法によって脊椎の輪郭の評価を実施する前に、下記で図65A図65E及び図66A図65Bを参照してより詳細に説明するように患者データを初期化するために使用することができる当該の少数の解剖学的領域を強調表示する。一部の実施形態では、これをある一定の領域(例えば、皮膚面、脊椎板、横断方向処理)と他の当該領域(例えば、椎体の重心、椎体の前セグメントなど)との間の断面変位を解釈するために使用することができる。脊椎アラインメントの手術中評価の前にCT走査図を用いて患者を初期化することにより、ソフトウエアが他の領域(例えば、椎体重心)の場所に対する代用物として露出領域(例えば、脊椎板)の局在性をより的確に解釈することが可能になる。そうするのに、取得データの手術中解釈を図3A図3B図4A図4I図6A図6B図9A図9B、及び図11A図11Bに関して上述した基準標認点の使用を用いて又は用いずに実施することができる。例えば、図13は、背部皮膚面1335、並びに椎骨1358及びその骨要素のうちの多くのものの断面図を含む特定の解剖学的領域が可視である患者のサンプル断面CT画像1300を表示している。CT画像セットから、特定の当該領域から別のものまでの(例えば、皮膚中間点から椎体重心までの更に脊椎板から椎体重心までの)変位ベクトル1325を計算することによって患者の生体構造を初期化することができる。このようにして初期化した後に、ソフトウエアは、他の初期化された当該領域に対する1つの領域の相対場所に関してこの領域の場所を解釈することができる。例えば、脊椎アラインメントパラメータを解釈するためには椎体重心の場所が最も有利とすることができるが、手術中に皮膚又は脊椎板しか露出しない場合に、露出要素の座標を初期化データに基づいて収集し、平行移動して非露出領域(例えば、椎体重心)の場所を表すことができる。

0086

一部の実施形態は、取得システムへの個別信号送信に向けて利用することができる追跡されるマーカ配置を有するアセンブリを含む。一部の実施形態では、アセンブリ内に動的座標系(DRF)を構成する4つの追跡されるマーカと、2つの追跡される漂遊マーカ(TSM)とが含まれる。この実施形態では、アセンブリの中心は、選択TSMを遮蔽するか又は全く遮蔽しないように配置することができる回転シールドを含むことができる。ツールの幾何学形状が既知である場合に、取得システムソフトウエアは、どのTSMが露出しているかを解釈することができ、事前プログラミングされた組合せに基づいて、ツールは、走査システムと個別メッセージを通信することができる。例えば、第1のTSMが遮蔽されている場合に、システムが特定の状態にあることを示すことができ、一方、第2のTSMが遮蔽されている場合に、別の状態を示すことになる。ツールはDRFを含むので、その場所及び姿勢を3D追跡カメラが解釈することができ、次いで、遮蔽された漂遊マーカと露出した漂遊マーカとの配置を通信に向けて使用することができる。

0087

図14Aは、マーカ1420を有する追跡されるDRF1401、1422a(見えていない)及び1422bとラベル付けして示す2つの追跡される漂遊マーカを備えたツールを表示している。更に、ツールには、この時点では1422aの可視性を遮るように位置決めされている回転シールド1415が装備される。ツールにはDRFが装備されているので、3D追跡カメラは、空間内のツールの場所及び姿勢を決定し、更に、DRFとして機能する4つのマーカとTSMとして機能するものとの間で区別することができる。ツールは、可視又は不可視なTSMの様々な組合せを有することによって取得システムと通信するようにプログラムすることができる。例えば、1422aが遮蔽されている時には、システムは、図14Bに示すように1422bが遮蔽されている場合とは異なり、更に図14Cに示すようにTSMのいずれも遮蔽されないことによって通信される状態とも異なるある一定の状態にあることを示している。このツールに関する1又は2以上のTSMのあらゆる組合せが存在することができ、更にTSMの個々のもの又は組合せを遮蔽する状態又は露出させる状態のあらゆる置換も可能であり、様々な状態が取得システムに通信されることに注意しなければならない。この図に示す回転シールドは、3D追跡カメラのTSM視覚化をどのようにして阻止するかの一実施形態に過ぎない。視覚化を阻止する他の実施形態は、バネ装荷式回転ワイパー、直線運動スライダー、TSMが遮蔽位置から露出位置に移動するようにTSMを作動すること、及びTSMの様々な組合せを遮蔽するか又は露出させることができるように複数のパネルを有する回転シールドを含むがこれらに限定されない。TSMを遮蔽し、露出させることによって信号送信するこの技術は、図10A図10Gを参照して上述したように、更に下記で図15A図15C図63、及び図64A図64Bに関してより詳細に説明するように、TSMを作動させる段階と組み合わせることができることに注意しなければならない。

0088

図14B図14Cは、本発明の一部の実施形態により異なる配置にある図14Aのツールを示している。例えば、図14Bは、図14Aに関して解説したが、この配置では回転シールド1415がTSM1422bの視覚化を遮っており、TSM1422aが露出しているツールの一実施形態を表示している。この組合せを用いて、その独特な状態を取得システムソフトウエアに通信することができる。更に、図14Cは、図14Aに関して解説したが、この配置では両方のTSM1422a及び1422bが可視であるように回転シールド1415が位置決めされたツールの一実施形態を表示しており、この位置決めを用いて独特な状態が取得システムソフトウエアに通信される。

0089

一部の実施形態は、追跡されるDRFと、ユーザが作動させてアナログ情報又はバイナリ情報を取得システムソフトウエアに示すのに利用することができる追跡される可動漂遊マーカ(TMSM)とを備えた3D追跡されるプローブを含む。例えば、図15A図15Cは、本発明の一部の実施形態により様々な構成にある追跡される動的座標系(DRF)を備えたプローブを示している。プローブシャフト内のピボット点の周りに回転する追跡される可動漂遊マーカをユーザが作動させることにより、DRFに対する追跡される可動漂遊マーカの場所を計算することができ、更にある一定の位置で視覚化される時に、この場所を用いて様々なメッセージを取得システムのソフトウエアに通信することができる。図15Aを参照すると、プローブ1500の一実施形態には、追跡される動的座標系(DRF)1510、六角形押出プローブシャフト1505上のピボットヒンジ1550の周りに回転するアーム1530に結合された追跡される可動漂遊マーカ(TMSM)1525を装備することができる。アーム1530は、ユーザが押下可能タブ1570を同軸プローブシャフトに向けて内向きに押下することによって作動させることを可能にするスパニング外部バネマウント1580、1575によってバネ装荷される(バネ1578により)。図示のプローブ1500の実施形態は、繊細な生体構造を損傷することを回避するために鈍頭の半球形先端1560を有し、更にユーザによるより力強い把持に向けて六角形の押出プローブシャフト1505を有する。このプローブ1500は、ユーザが押下可能タブ1570を押下又は解除した時にTMSM1525をピボットヒンジ1550の周りに回転させるように設計される。DRF1510に対するTMSM1525の場所及び相対角度は、本発明の開示のシステムのうちのいずれかのものの取得ソフトウエアによって計算され、それは、図63及び図64A図64Bに関してより詳細に説明するように、システムとのバイナリ又はアナログの両方の通信に向けて使用することができる。

0090

TMSM1525の構成要素の運動のタイプに関して、TMSM1525は、図10A図10Eに関して上述したように直線的に、回転的に、又はこれら2つのタイプの運動の組合せで移動することができることに注意しなければならない。作動方法に関して、一実施形態は、この図に示すようにユーザ押下可能タブであるが、ユーザ摺動ボタン回転ボタン、及び図10A図10Bに関して上述したように押下可能摺動シャフトで構成することができる。バネの場所に関して、外部圧縮バネを示すが、これは一実施形態に過ぎず、これは、以下に限定されるものではないが、捩りバネ内部圧縮バネ、形状記憶を有する変形可能材料を含むことができる。プローブシャフト1505に関して、図示の六角形押出形状は一実施形態に過ぎず、他の実施形態は、円形、三角形、四角形五角形の押出部、及びユーザ把持と限られたアクセス環境内へのプローブ配置とに向けて不均一な回転プロファイルを含むがこれらに限定されない。プローブシャフト1505は直線形又は対称である必要はない。押下可能タブ1570に関して、その場所は、ツールの本体上のどこにでも配置することができる。プローブ先端1560に関して、この先端は、その端点で様々な形状及び尖鋭度を含むことができるので、鈍頭半球形設計は一実施形態に過ぎない。他の実施形態は、直線的/回転的な運動タイプを含むことができ、更に他の作動方法を含むことができる。一部の実施形態は、ユーザボタン対スライダー対押下可能摺動シャフト(前に図10A図10Bに示した)を含む。他の実施形態は、バネの異なる場所、内部又は外部への配置、捩りバネ、圧縮性バネ、又は非圧縮性バネを含む。他の実施形態は、先端の鈍頭又は尖頭の代わりの形状及びサイズを含む。一部の更に別の実施形態は、図33D図33F及び図44B図44Dのような他の締結デバイス内に示す嵌合先端を含む。

0091

図15Bを参照すると、図15Aに関して上述したアナログ通信に向けて回転追跡される可動漂遊マーカ1525を有する追跡されるプローブ1500を使用することができる。この実施形態は、押下可能タブ1570が非押下場所にあり、バネ1578は最圧縮状態にある時の追跡される可動漂遊マーカ1525の場所を表示している。DRF1510に対する追跡される可動漂遊マーカ1525の場所及び角度を図63及び図64A図64Bに関してより詳細に説明するように計算することができる。

0092

図15Cは、図15Aに関して上述したアナログ通信に向けて使用される回転追跡される可動漂遊マーカ1525を有する追跡されるプローブ1500の一実施形態を表示している。この実施形態は、押下可能タブ1570が押下場所にあり、バネ1578が最延長状態にある追跡される可動漂遊マーカ1525の場所(1525aと記している)を表示している。追跡される可動漂遊マーカが進む円弧(1509と記している)は、TMSM1525の場所を追跡されるDRF1510に対して比較することによって視覚化することができ、その例を図15A図15Cに示している。DRF1510に対する追跡される可動漂遊マーカ1525の場所及び角度は、図63及び図64A図64Bに関してより詳細に説明するように計算することができる。

0093

本発明の一部の実施形態は、電気機械3D追跡システム(例えば、図23B図23Cに示すシステムなど)の外側に格納される延長可能コードの正確な長さを測定するのに使用される回転符号器を利用する。この計算は、機械的にリンクされたコードが格納に起因してもたらす回転の量を符号器が測定することによって達成される。回転符号器は、通過するコードと機械的に直接リンクされ、又はコードの数回転分を格納するスプールとリンクされるかのいずれかである。電気機械追跡システムのこの構成要素は、取得ユニットとプローブとの間で延長可能なコードの正確な長さ測定を提供する。電気機械追跡システムの回転測定システムは、回転度を測定することができるシステムと、回転測定処理を可能にするか又は改善するいずれかの支援機械システムとで構成される。回転測定システムは、延長可能コード及び/又は格納スプール/引張システムと機械的にインタフェースし、符号器にインタフェースされた延長可能コードの直線距離を測定する。例えば、回転測定システムの一実施形態は、図16に示す回転符号器1600である。回転符号器は、本体1610の周りのシャフト1630の位置又は運動を電気信号に変換する電気機械デバイスである。一部の実施形態では、回転符号器の電気的インタフェース1650は、回転符号器のタイプ及び製造業者に依存する。回転符号器1600の内側にある内部回路は、シャフトの回転量、シャフトの回転方向を自動的に計算するか又はデジタル又はアナログのインタフェースを通じて測定データを通信することができる。回転測定を通信する方法及びインタフェースは、符号器システムに対して重要ではない。直線距離の計算に対してはシャフト1630の回転の程度及び方向が重要である。他の実施形態では、回転、特に、電気機械3D追跡システムの外側に能動的に格納される延長可能コードの長さを測定するための長さ較正に対する必要性を排除することができる絶対回転を測定するために電位差計を使用することができる。

0094

図17Aは、本発明の一部の実施形態により図16の符号器1600との併用のための滑車−歯車システム1701を示しており、図17Bは、本発明の一部の実施形態により図17Aの滑車−歯車システム1701の歯車1710を示している。図23A図23Bに示す電気機械3D追跡システムのこの構成要素は、エンクロージャを横断し、システムを超えて図20に示すプローブ2000まで延びる延長可能コードの長さ測定の高い精度を可能にする。滑車−歯車実施形態1701は、符号器によって行われる回転測定の感度をコードインタフェースプーリと符号器シャフト歯車の間に機械的に位置決めされた1組の歯車間の歯車比にほぼ等しい倍率増倍する方式で図16に示す符号器シャフト1650(構成要素1650)の歯車ベースの作動を可能にする。

0095

一部の実施形態は、図16に示す回転測定システムの精度を高めるために符号器シャフト、格納スプール/引張システム、及び/又は延長可能コードの間に位置付けられた滑車−歯車システムを含む。滑車−歯車システムの一実施形態を図17Aに示している。延長可能コード1705の直線移動は、延長可能コード1705と、プーリの内径を取り囲む高摩擦Oリング1748との間の面摩擦を用いて滑車−歯車1710に結合される。滑車−歯車1710(図17Bに詳細に示す)は、回転符号器シャフト歯車1715と機械的にインタフェースし、延長可能コード1705の直線移動中に、滑車−歯車1710のあらゆる回転は回転符号器シャフト歯車1715のより大きい回転度に対応し、対応するこれらの回転の関係は、1710と1715の間の歯車比によって決定される。回転符号器1720の分解能は、本説明の滑車−歯車システム1701を用いて固定量だけ高めることができ、それによって延長可能コード長測定精度の改善がもたらされる。一部の実施形態では、本説明の滑車−歯車1710は、Oリングの簡単な取り外しを可能にするノッチ1745を有するように設計することができ、滑車−歯車の中心に位置決めされた切欠き部1745は、ユーザがプローブを応答方式で格納するためのシステムの使い勝手に対して多大な効果を有する可能性がある滑車−歯車1710の中心軸線の周りのその最小限の摩擦の回転を可能にするベアリングの挿入を可能にするように設計される。

0096

延長可能コード1705と機械的にインタフェースする滑車−歯車1710の面の一部の実施形態は、延長可能コード1705と滑車−歯車1710の面との間の摩擦を高める特定の幾何学的断面輪郭を伴う可能性がある。1つの例示的実施形態は、コード1705の面を締め付ける字溝を含み、この設計は、全体システムが引張下に置かれた時にコードと滑車−歯車1710の間に緊密公差適合を形成する。他の実施形態は、滑車−歯車システムと延長可能コードの複数回転分を格納する引張スプールシステム(下記で図18A図18Bを参照してより詳細に説明する)との直接リンケージを含むことができる。

0097

図18Aは、本発明の一部の実施形態により図17の滑車−歯車システムに使用するためのコードスプールの斜視図を示し、図18Bは側面図を示している。図23A図23Bに示す電気機械3D追跡システムのこの構成要素は、回転毎に定められた長さでスプールの内と外とに置換される延長可能コードの螺旋格納を含む。一部の実施形態は、いずれかの時点でエンクロージャから延ばし出されるコードの回転数を測定するために図16に示す回転符号器と機械的に直接にインタフェースするスプールを含む。

0098

スプールシステムの一実施形態は、図17Aに示す滑車−歯車システム及び/又は図16に示す回転符号器1600内の結合を最大に高めるために延長可能コード1705に対向する力を与える引張システムとのリンケージを含む。一部の実施形態では、引張システムは、延長可能コードに沿ってたるみがないことを保証するためにコードで予備装荷され、引張調整することができる。コード上にたるみが起こると、符号器システムの周りの回転度の正確な測定が最適性を失う。格納スプール/引張システムの一実施形態は、延長可能コードに引張を与えるバネベースのシステムである。格納スプール/引張システムの一実施形態は、ユーザの指定値に変更可能な延長可能コードの引張度を可能にするサブシステムを含むことができる。格納スプール/引張システムの一実施形態は、予備引張を受けた延長可能コードが突然解除された場合に延長可能コードが危険な程高速に進むことを防止するためにスプールの運動を減速及び/又は停止する機構を含むことができる。

0099

格納スプールは、延長可能コードを内部に含むことができるシステムを提供する。例えば、図18A図18Bに示すコードスプール1800の一実施形態は、コード1705をスプールの中心の周りに設定された回転区分で回転させることができるように側部から取り除かれたコード進入スロット1840を有する円筒ディスク1805から構成される。この実施形態は、コードの直径よりもかなり大きい厚みを有するコード進入スロット1840を有することができる。この実施形態は、コードをスプールの中心から外向きに単一回転厚み螺旋スタック状に螺旋するように強いるようにコードの大体の直径のものであるコード進入スロット1840を有することができる。この実施形態は、固定値のものである内側コードスプール半径1820を有することができる。この実施形態は、方程式で表すことができる内側コードスプール半径1820を有することができる。一実施形態では、アルキメデス螺旋半径方向距離がコードの直径に等しく、従って、延長可能コードはそれ自体の周りにアルキメデス螺旋によって表されるものと同じく連続的に巻き付き、それによって直線コード距離の計算に加えてスプールの中心とコードの中心の間の距離の計算が容易になる。

0100

一実施形態は、スプール1805の設計取付点1830によって設定される既知の半径でスプールへの固定を開始するコードを含む。一実施形態は、コードの長さがスプール内に完全に含まれるまで、又はコードがスプール外縁(外半径1810によって定められる)に達するまでコードスプール内面内半径1820によって定められる)の周りに巻き付くコードを含む。スプール外縁が大きい程、コードの移動によって印加される可能性がある高いトルク及び弱い抵抗力をユーザがコード引張システムの格納に携わる時に感じることになる。しかし、大きい半径の内面は、符号器の回転感度の単一分解能ステップに含まれるコードの長さが長くなることによって精度の低い測定を招く。

0101

本明細書に説明する回転測定システムでは、延長可能コード1705は、格納スプールと回転測定センサの間に機械接続を与える。延長可能コード1705は、プローブ(図19A図19E)と符号器システム1600(図16)の間に機械接続を与え、プローブが空間を通って移動する時にプローブ先端の場所の3次元測定を可能にする。延長可能コードの一般的な実施形態は、細い直径の低延伸コードである。延長可能コードの一実施形態は、金属ケーブルであり、一部の実施形態は、ナイロンコーティングのような特殊コーティングを含む。延長可能コードの一実施形態は、Kevlarケーブルである。

0102

図19A図19Cは、本発明の一部の実施形態により図23Aの3D追跡システムのボールアセンブリ1900を示している。図23B図23Cに示す電気機械3D追跡システムのこの構成要素は、ボールの中心を通過する延長可能コードの通過運動によって操作されるボール−及び−ソケットインタフェースを含む。一部の実施形態では、延長可能コード(例えば、図17Aに示すコード1705、図21Aに示すコード2120、又は図21Bに示すコード2150など)は、中心バレルを通ってのコード挿入点(コード進入通路1903)への進入によってボール−及び−ソケットシステムを通過することができる。コードに対する進入点は、球形構造の中心と交わるように構造化され、後に球体回転中心に登録する。コード進入点のこのアラインメント(バレル1930)は、コードの移動をコードスプールとボールの中心の間の直線、並びにボールの中心とプローブ(図20)の間の直線という2つのセクションに数学的に分離することを可能にする。一部の実施形態では、バレルは、コードの移動中にバレルを偏向させる可能性があるコードによって印加される望ましくない力及びトルクを最小にするために追加された機械的構造によって支持される。一部の実施形態では、ボールアセンブリは、ボール(又は球体)1901のバレル支持構造体を含むことができる。バレルは、ボールの前部を出る時に内部で補強壁1902によって支持される。コード進入場所でのバレルの偏向を最小にするために、支持棒1940が、コードの移動中に達成される偏向を最小にするための機械的剛性をバレルに与える。

0103

一部の実施形態では、球体は、球面の上部から押し出された円筒形の溝1950を含み、この溝は、画像又はいずれかの独特なパターンの設置をパターン面のいずれの球形歪みも伴わずに可能にする。この場合に、撮像センサを用いて、円筒形溝1950上のパターンが撮像センサに対してどのように回転及び平行移動するかを精査することによってボールの回転を球面座標シータ及びファイで測定することができる。円筒形溝ボール1901の中心及び撮像センサとの円筒形溝のアラインメントを維持するために、ボール1901は、バレル構造体の周りのボールの回転を防止する円筒形窓に直交する押出部(ロール防止ロッド1920)を含む。

0104

一部の実施形態では、図19B及び図19Dに示すように、ボール1901は、その内側で始まってその前の固定距離まで半径方向に延びる円筒形バレル1930を含む。コード(例えば、コード1705など)は、ボールの後方にある押出部を通過し、コード挿入点(1903として示す)においてバレルに進入し、バレルを通じてボールの前方でバレルを出る(バレル1930を通って)。バレル1930は、その内側とコードの外側の間の面接触面積を低減し、バレル1930を通る滑らかなコード移動を保証することを支援する非常に多くの孔(バレル開窓1922)を含む。このバレル設計は、符号器(例えば、符号器1600など)に、直線コード距離の計算に必要とされる固定の退出点を設ける。バレル1930は、ボール1901を前方で出る時にバレルシャフトベースコーナ隅肉バレル先端コーナ隅肉1924)によって補強された壁によって外部で支持される。更に、一部の実施形態では、円筒形溝1950は断面的に平坦な面を与え、そこから撮像センサがパターンの歪みによって引き起こされる追加の変換を必要とすることなく球形ボールの回転度を計算することができる。図19Cを参照すると、円筒形溝(溝1951)は、球面の上部から押し出され、画像又はいずれかの独特なパターンの設置をパターン面のいずれの球形歪みも伴わずに可能にする。一部の実施形態では、図示のバレルの剛性を補強するための支持構造体は、最終製品には必要とされず、脆弱な材料を用いた3Dプリントによって製造されたプロトタイプのための構成要素を含むことができる。

0105

図19D図19Eは、本発明の一部の実施形態により図23Aの3D追跡システムのボール−及び−ソケットアセンブリを示している。ボール1901に対するソケットエンクロージャ1950は、延長可能コードでの通過運動及び軌道変化に起因して内部で回転するためのインタフェース面を与える。ソケット実施形態は、バレル1930の移動を定められた運動範囲(窓1932内)に制限する窓切欠き部1980を含む。窓の境界は、複数のボール−及び−ソケットシステムにコードが互いに交わるか又は進行を妨害するままにさせることなく電気機械3D追跡システムに対する最適な追跡体積を維持することを支援する。システムは、ボールからのロッド押出部の制限付き移動が、バレルの周りのボールの回転を防止する経路に沿って進むことを可能にする支援的なロール防止チャネル1976を更に含む。システムのロール制限の特徴は、円筒形窓がプレビュー窓1999内で常に見える状態にあり、それによってパターンのあらゆる移動が撮像センサに対して常に補足可能になることの保証も与える。ボールの外側とソケットの内側の間の面摩擦を最小にするために複数のソケット領域1998がソケット構造体の上部及び下部から取り除かれる。何度も言及するように、ソケットとボールとコードの間の摩擦を最小にする必要性は、3次元追跡システムの機能性に対して重大である。本提案の方法は、ボール−及び−ソケット構造体の一実施形態を表している。一実施形態は、ボールとソケット面の間に位置付けられたボールベアリングの層を含むことができる。一実施形態は、ボールとソケット面の間に位置決めされたいずれかの形態の潤滑剤を含むことができる。一実施形態は、バレルとコード面の間に位置決めされたいずれかの形態の潤滑剤を含むことができる。ボール−及び−ソケットの構造的完全性を維持するためには高強度及び高耐久性の材料が必要である。ボール−及び−ソケットシステムの他の実施形態は、金属、ポリマー、又はプラスチックで構成することができる。

0106

図20は、本発明の一部の実施形態による3D追跡システムのプローブ2000を示しており、図20A図20Eは、本発明の一部の実施形態による図20のプローブ2000の構成要素の図を示している。図23B図23Cに示す電気機械3D追跡システムのこの構成要素は、空間内の3D点を登録するのに使用されるプローブを含み、それに対して追跡システムは、その座標系に関するプローブの3Dの場所及び方位を動的に登録する。プローブ2000は、3D空間内で追跡される延長可能コードが固定の距離だけ離れて装着される2つの自由回転固定点を含む。一部の実施形態では、プローブ2000はプローブシャフト2025を含むことができる。プローブ2000は、電気機械3D追跡システムに様々な機能を与える。第1に、プローブ2000は、ユーザが3次元面に沿ってトレースすることを可能にする。第2に、プローブは、各符号器の延長可能コードに対する固定の機械的インタフェースを与える。プローブ2000の3D姿勢は、各符号器からの直線コード距離の計算、各コード接続点の間の固定距離、及び三角関数公式から導出することができる。プローブ2000の姿勢と直線コード距離とを用いてプローブ先端2024の正確な場所を3次元空間内で推定することができる。第3に、プローブ2000は、電気的、機械的、又は電気機械的なインタフェースを通じて複数の材料との相互作用を識別する機能を有する。第4に、プローブ2000は、ユーザがそれを保持してコード又はいずれか追加の測定システム干渉することなく3次元面をトレースすることを可能にする把持区域を有する。

0107

プローブ2000の一実施形態を図20に示しており、この実施形態は、2つのコードに対する取付点を有する。符号器(図16に上述したものなど)からのコードは、コード固定マウント2010に結合することができ、これらのコード固定マウントの各々は、シャフト2025に結合されたコード装着スペーサ2001によって分離された個々のベアリングに機械的に結合され、各ベアリングの内面は、プローブエンクロージャと同軸である内部ロッド構造体に剛的に装着される。スペーサ及びベアリングは、ユーザが把持することができるプローブ半体に固定された内部ロッドと同軸である(例えば、ベアリング2044を参照されたい)。一部の実施形態では、内部ロッド構造体は、剛性キャップ2005によってプローブエンクロージャ内に維持される。しかし、プローブキャップ2005を含むがこれに限定されないいくつかの構成要素は任意的であることに注意しなければならない。コードマウント及びベアリングシステムは、プローブ2000が符号器実施形態の測定システムの精度に影響を及ぼすことなくあらゆる方向に自由に移動することを可能にする。プローブ把持区域(シャフト2025上の)は、ユーザが3次元でトレースするための間隔を与える。

0108

一部の実施形態は、2つの3D追跡されるコード固定点の間の機械的作動によって調節可能な距離だけ離間したこれら2つの固定点に機械的にリンクされたプローブを含む図23A図23Cに示す電気機械3D追跡システムの構成要素を含む。例えば、図21A図21Bは、コード固定点に結合されたプローブ2100a及び2100bを含む3D追跡システムのアセンブリを示す(プローブ2100a、2100bから延びる延長可能コード2120、2150を参照されたい)。一部の実施形態では、これらのプローブは、押下可能摺動シャフト2115a、2115bとバネ装荷式トリガ2140(プローブ2100bの)とを有するプローブハンドル2130a、2130bを含む。各3D追跡されるプローブ2100a、2100bは、押下可能シャフト(示していないバネ装荷された)が面2115a、2115bに対して押圧された時に、又はユーザによってプローブ2100a、2100bのシャフト2130a、2130b上のバネ装荷式ボタン2140を通じて手動で作動された時に延長可能コード固定マウント間の距離が選択的に変更されるような埋め込み機械システムを含む。延長可能コード2120、2150は、電気機械3D追跡システムに機械的にリンクされる。

0109

一部の実施形態では、処理アルゴリズムは、コードマウント間の相対距離変化を検出し、電気機械3D追跡システムがプローブ先端において点を能動的に登録されることをこのシステムに信号送信するか又はどのタイプの測定をプローブが実施しているか又はプローブが相互作用している場所アイデンティティを指定する特定の指令を解釈する。プローブの軸線に関する2つの動的コード固定マウントの間の距離は、プローブ先端の座標及び姿勢に関する3Dコード固定マウント座標を剛体変換することによって計算することができる。このようにして、コード固定マウントとそこから電気機械3D追跡システムまでの相対距離との間で他方のコード固定マウントと比較して変化する関係によって引き起こされる計算の変化なくコード固定マウント間の3D距離を計算することができる。

0110

図22は、本発明の一部の実施形態によりプローブの3D追跡を可能にする例示的システムを示す図である。図23A図23Cに示す電気機械3D追跡システムのこの構成要素は、プローブの場所及び方位の3D追跡を可能にするために通信する能動的及び受動的な構成要素から構成されるシステムを伴う。電気機械3D追跡システムにリンクされたプローブに対するいくつかの実施形態が存在し、図22は、プローブの3D追跡を可能にするために互いに通信し合うシステムの構成要素間のインタフェースを示している。一部の実施形態は、上述の実施形態で説明したように、符号器実施形態及び処理ソフトウエアがトレース中に検出を行うことになる電気的又は機械的なフィードバックシステムを持たないプローブを含む。埋め込み電気サブシステム(図22)を有するプローブは、ユーザが点の登録とプローブ(図21A図21B)の追跡とを制御することを可能にする非常に多数のユーザ制御トグルスイッチを含むことができる。一部の実施形態は、無線電磁放射線(RF)光放出デバイスによって伝達することができるマイクロコントローラ又はコンピュータ処理システムへの通信の方法を含む。一部の実施形態では、コードをドッキングされた追跡システムに機械的にリンクすることができる。一部の実施形態は、位置追跡のためのプローブに機械的にリンクされた2つのコードの間に印加された電圧によってプローブに電力を供給する方法を含む。再充電機能を有するバッテリシステム又はコンデンサーのような同等のエネルギ源を含めることができる。一部の実施形態では、不使用中にプローブがエンクロージャ上に置かれている時にエネルギを供給するためにプローブとエンクロージャの間に電気接続が存在する。一部の実施形態では、プローブの運動及び/又は姿勢を測定するために、感知システムの複数のセンサは、複数の慣性測定ユニット加速度計、及び/又はジャイロスコープとすることができる。この実施形態は、符号器又は延長可能コードとの機械的リンケージに対する必要性を排除することができる。一実施形態は、傾きセンサとすることができる。一実施形態は、プローブ上のコードマウントの回転を測定するセンサとすることができる。一実施形態は、プローブ及び/又はプローブ先端に印加される機械力を測定するためのシステムとすることができる。一部の実施形態では、プローブ上の固定場所に位置決めされた無線周波数識別(RFID)タグ及び/又は読取器は、プローブに位置決めされたRFID読取器がRFIDタグを読み取って3Dでの点の登録とプローブ先端の能動的追跡とを開始又は停止するRFIDを含むことができる。RFIDの一実施形態は、プローブに位置決めされてプローブの使用中に特定のアイデンティティを有する場所を識別するために特定の場所に位置決めされたRFIDタグを読み取るRFID読取器である。例えば、蓄電器2212、電力インタフェース2214、通信システム2216、マイクロコントローラ2218、センサ2220、プローブ2210のRFID2222、符号器2226に結合されたコード2230、2228に結合されたコード2232、デジタル信号2234a(符号器2226からの)、及びデジタル信号2234b(符号器2228からの)を参照されたい。更に、コンピュータシステム内のデータストレージ及び処理ソフトウエア2238にインタフェース2236を通じて結合されたデータ取得コントローラ2224を参照されたい。

0111

一部の実施形態は、複数の様々な面上に装着することができる追跡システムの構成要素の全てを小型の形態で含む電気機械3D追跡システムのエンクロージャを含む。例えば、図23Aは、ボール構造体2320(例えば、図19A図19Eに関して上述したものなど)から延びる延長可能コード2350と、結合されたプローブ2340と、構造体2310、2330、2320に結合された剛性面マウント2305とを含む本発明の一部の実施形態による例示的3D追跡システム2300を示している。図示のように、一実施形態は、様々な設定で利用することを可能にする締結装着機構に対するインタフェースを含む。締結装着機構2305は、吸引カップマウントと剛性構造体(例えば、2310、2330、2320)に嵌合するためのファスナ孔とを含むことができる。一部の実施形態は、手術台、ベッド、麻酔ポール、患者の手術部位の上に又はその近くに位置決めされるように構成された可動スタンド(例えば、メイヨースタンド)、患者の生体構造に対して操作されるように構成された可動スタンド上の取外し可器具トレイ、又はいずれかの他の剛性構造体にインタフェースするフック及びクランプを含む。一部の実施形態は、個別的及び連続的なトレース登録を収集するためにプローブ2340を用いてユーザが格納する延長可能コード(2350として示す)を含む。

0112

電気機械3D追跡システムの構成要素は、小型設計集約し、封入デバイスによって取り囲むことができる。例えば、図23Bは、本発明の一部の実施形態によるエンクロージャ内の3D追跡システムを示している。一部の実施形態では、エンクロージャ2360は、球体2374、2365のバレル2367、2372から延びる延長可能コード2370(コード2350とすることができる)と共に示されている(コードが図23Aのプローブ2340のようなプローブに結合された状態で)。一部の実施形態では、エンクロージャ2360は、内部構成要素異物外傷体液、及び露光から保護することができる。更に、エンクロージャ2360は、延長可能プローブシステムが使用されていない時のためにプローブ(例えば、プローブ2340など)をエンクロージャ2360に剛的に固定する外部プローブ装着システムを含むことができる。一部の実施形態では、エンクロージャは、プローブに取り付けられる2つの延長可能コードを送り出すスプールシステムを更に含み、各コード2370は、各球体のバレル構造体を通じてプローブの電気機械三角測位を可能にする。

0113

一部の実施形態は、カメラシステムのための照明の変化を防止するために内部光源を含む。一部の実施形態は、電力及び/又はデータをドッキング状態にある時のプローブに送信する及び/又はそこから受信することを可能にする電気的インタフェースを含む。電気的インタフェースの一実施形態は、プローブ装着システムから延びてプローブ上の電気接点に結合する金属接点とすることができる。

0114

図23Cは、本発明の一部の実施形態による図23Bの3D追跡システムの分解アセンブリ図を示している。例えば、一部の実施形態は、回転符号器2399、スプールバネ(図示せず)に対する固定のバネ引張アーム2390、スプール2392、ソケットの上半体2395(図19D図19Eを参照されたい)及び独特な埋め込みパターン2383、ボール2374(図19A図19Cを参照されたい)、ボールのバレル2365を含むエンクロージャ2361と、埋め込み光センサ(図示せず)を有する封入蓋2362とを含む。図23は、電気機械3D追跡システムの一実施形態からの構成要素の集約体を示している。2つの回転符号器2399の各々は、プローブ(図示せず)に結合された延長可能コードの長さを測定する。各延長可能コード(図示せず)は、剛性エンクロージャに装着されたバネ引張アーム2390によって一端が固定されたバネ(図示せず)によって引張されているスプール2392によって保存及び格納される。各延長可能コードは、ボールの回転中にコードの制御式移動を可能にするために、観察窓(図示せず)を有するソケット(2395)内で回転することができるボール2374をその中心から進むバレル(2365)を経て通過することができる。ボールの回転は、ボールの中心の上方に位置合わせされて球面座標においてボールのファイ及びシータの回転を反映することができるボール面上の埋め込みパターン2383によって測定される。エンクロージャは、その下部構成要素(2361)と結合して保護環境を生成することを支援することができ、一方、光センサ(図示せず)、照明(図示せず)、及びマイクロコントローラ(図示せず)を埋め込み光センサ及び回転符号器からの視覚出力及び電気出力を記録して解析するために更に含む蓋2362を含む。他の実施形態では、エンクロージャ内に無線通信構成要素(図示せず)が更に含まれる。

0115

図24は、本発明の一部の実施形態によるプローブの3D追跡を可能にするシステムを示している。この実施形態は、プローブ(例えば、本明細書に説明するプローブのうちのいずれかのものなど)の先端にある3D点の電気機械的局在化を可能にする構成要素から構成されるシステムを示している。3つの延長可能コード(2428、2430、2432)が、3つの別個の回転符号器2422、2424、2426から延びる接続部を通ってプローブ2420のプローブ先端2421に機械的にリンクし、これらの回転符号器は各コードの長さを測定し、そこからソフトウエアシステムが三角測位幾何方程式によってプローブ先端の3D点を計算する。符号器(符号器2422、2424、2426のうちのいずれかのものなど)のこの実施形態は、延長可能コード(例えば、2428、2430、2432など)を巻き付けるスプールと、引張力を与えるいずれかのシステムによって表すことができるバネ装荷式格納システムと、回転度を検出するのに使用される他のセンサによって表すことができる回転符号器とによって表される。3つの符号器実施形態は、互いに対して固定された距離に位置決めされる。プローブ2420は、全てのコード2428、2430、2432をプローブ2420にインタフェースさせる単一コードマウント接続部をプローブ先端2421に含有する。プローブ2420が3次元で移動される時に、コード長が回転符号器2422、2424、2426(例えば、図16に示す)によって測定されるが、引き伸ばしたコードの長さを検出するのに他のセンサを使用することができる。各符号器2422、2424、2426の間の既知の距離、プローブ先端2421までの計測コード長を用いて、システムの三角測位アルゴリズムは、データを幾何学的関係によって処理してプローブ先端2421の3次元場所を計算することができる。三コード符号器システムは、3次元位置を計算するのに少なくとも3つの符号器実施形態を必要とする。

0116

図23B図23Cに示す電気機械3D追跡システムの別の実施形態は、システム内に図25に示す構成要素を含むことができ、この場合に、球面座標においてボールのファイ及びシータの移動を測定する(例えば、ボール−及び−ソケットシステム又はボール−及び−ソケットアセンブリ毎に2つの符号器を用いて)機械的にリンクされた回転符号器によってボール−及び−ソケット移動が感知される。図25に示す符号器ベースの3D追跡システム実施形態は、プローブ2510、コード2520、2522、符号器2514、2526、機械的リンケージ及び測定システム2518、2512、2528、2530、ボール−及び−ソケット2516、2524、データ取得器2550、2555、コンピュータ2560を含む。各ボール−及び−ソケット2516、2524は、符号器2514、2526に機械的にリンクされる。延長可能コード2520、2522は、ボールの中心に位置付けられたバレルを半径方向に通してプローブ2510に接続され、バレルが延長可能コードの場所に従うことを可能にする。バレルはボールの中心に固定され、ボールの回転軸線は、ソケット上のスロット内に着座するロッドによって固定されるので、ボールは、バレルの軸線の周りに半径方向に回転することができず、バレルは、プローブの場所を追跡することができる。ソケット内のボールの回転の測定は、3D空間を通じてプローブを移動する時にバレルの角度テークオフの球面座標計算を可能にする。コード長は、図16に関して上述したように回転符号器によって測定されるが、引き伸ばしたコードの長さを検出するのに他のセンサを使用することができる。コード長及び角度テークオフの測定は、球面座標系でのプローブの3D場所を計算するほど十分なデータを提供する。

0117

角度テークオフを計算するのに使用される測定システムの一実施形態は、ボールの面と回転符号器の間の機械的リンケージであるが、回転度を検出するのに他のセンサを使用することができる。プローブの平行移動に起因してボールがシータ方向とファイ方向とに回転する時に、機械的リンケージは、回転符号器のシャフトを回転させ、各球面座標面内のボールの回転度を計算することができる。

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