JP2016536076A - 基準レファレンスの位置及び方向を決定するための方法 - Google Patents

Abstract

基準レファレンスの３次元位置及び方向を決定するための方法は、前記基準レファレンスの一部がトラッカーによって観察できるよう、前記基準レファレンスを配置する段階と、前記トラッカーから、前記トラッカーによって観察できる前記基準レファレンスの一部のスキャンデータを得る段階と、前記基準レファレンス上の位置ポイントに関して設定された幾何学的情報を得る段階であって、前記幾何学的情報は、前記基準レファレンスの構造に対する前記位置ポイントの３次元座標を含む段階と、前記スキャンデータ内で、前記設定された幾何学的情報内の座標を有する少なくとも３つの位置ポイントを識別する段階と、前記手術部位のスキャンデータと、前記設定された幾何学的情報内の前記少なくとも３つの識別された位置ポイントの座標から、前記基準レファレンスの前記３次元位置及び方向を決定する段階とを含む。

Description

本願は、その開示が本明細書に参照として統合されている、２０１３年８月１３日付で出願された米国の仮特許出願の第６１／８６５５０８号の米国特許法第１１９条による優先権の利益を主張する。

本発明は、位置モニタリングハードウェア及びソフトウェアに関する。さらに詳細には、本発明は、医療手術過程において基準レファレンスの位置及び方向を決定することに関する。

手術手順を観察し、モニタリングするための視覚的及び他の感覚的システムが業界に公知されている。現在、かかる観察及びモニタリングシステムを用いてコンピュータが補助する手術が可能であり、実際、日常的に行われている。かかる手順において、コンピュータソフトウェアは、患者の臨床映像及び現在の手術手順から観察された手術映像と相互作用し、手術を行う際、外科医を案内する。例えば、１つの公知のシステムにおいて、キャリアアセンブリは患者の顎骨に対し、正確に繰り返せる位置で取り付け要素の上部に少なくとも１つの基準マーカーを有する。その基準マーカーと患者の顎骨の間に位置登録を提供するため、そのキャリアアセンブリを採択し、その位置登録を使用してドリルリングアセンブリを案内するトラッキングシステムを採択することで、人工の歯（インプラント）を移植する。このような相対的に新しいコンピュータ具現技術を備えることで、更なる改良は手術手順の効率性を一層向上させることができる。

基準レファレンスの位置及び方向を３次元に決定するための方法は、前記基準レファレンスの一部がトラッカーによって観察できるよう、前記基準レファレンスを配置する段階と、前記トラッカーから、前記トラッカーによって観察できる前記基準レファレンスの前記一部のスキャンデータを得る段階と、データベースから、前記基準レファレンス上の位置ポイントに関して設定された幾何学的情報を得る段階であって、前記幾何学的情報は、前記基準レファレンスの構造に対する前記位置ポイントの３次元座標を含む段階と、前記スキャンデータ内で、前記設定された幾何学的情報内の少なくとも２つの非平行線に沿って配列された座標を有する少なくとも３つの位置ポイントを識別する段階と、前記スキャンデータと、前記設定された幾何学的情報内の前記少なくとも３つの識別された位置ポイントの座標から、前記基準レファレンスの前記３次元位置及び方向を決定する段階とを含む。前記少なくとも３つの位置ポイントは、多数の位置ポイントを含むことができ、前記多数のポイントは３次元に分布され得る。前記少なくとも３つの位置ポイントは、２つの非平行線に沿って配列された座標を有する４つの位置ポイントであってもよい。前記方法は、前記データベース内に前記設定された幾何学的情報を保存する段階をさらに含むことができる。

図面と共に後述する本発明の実施形態の説明を参照することによって、上記で言及した、若しくは他の特徴及び目的、かかる特徴及び目的を達成するための方法はさらに明確になり、本発明そのものはさらに理解できるであろう。

本発明の実施形態が利用できるネットワークシステムの概略的な模式図である。 コンピューティングシステム（サーバまたはクライアント、または適切であれば両方共）のブロック図であって、このコンピューティングシステムは選択的な入力装置（例えばキーボード、マウス、タッチスクリーンなど）と出力装置、ハードウェア、ネットワークコネクション、１つ以上のプロセッサ並びにデータ及びモジュールのためのメモリ／ストレージを備えており、本発明の実施形態と共にコントローラ及びディスプレイとして利用することができる。 本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。 本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。 本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。 本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。 本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。 本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。 本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。 本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。 本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。 本発明の実施形態に係る手術モニタリングシステムのハードウェアの構成要素を示す図面である。 本発明の位置登録方法の１つの実施形態を示すフローチャート模式図である。 本発明の位置登録方法の１つの実施形態を示すフローチャート模式図である。 本発明の位置登録方法の１つの実施形態を示すフローチャート模式図である。 本発明の１つの実施形態によってトラッキングポールと歯用ドリルを備える歯用基準キーの図面である。 本発明の他の実施形態によって基準キー、内視鏡、生検針を示す内視鏡手術部位の図面である。 一体と統合されたトラッキングマーカーの実施形態を示す生検針の図面である。 図３Ａないし図３Ｅ及び図３Ｇないし図３Ｊの基準レファレンをより詳細に示す図面である。 図３Ａないし図３Ｅ及び図３Ｇないし図３Ｊの基準レファレンの部分を示す図面である。

多数の図面全体において相応する参照記号は相応する部分を示す。たとえ図面が本発明の実施形態を示していても、それら図面は必ずしも同じ割合ではなく、本発明をさらに上手く例示し、説明できるよう、ある特徴は誇張になっていることもある。フローチャートとスクリーンショットもまた、本質上、代表的であるが、本発明の実際の実施形態は、図面に示していない他の特徴及び段階を含むことができる。本明細書で開示された例示は、１つの形態で本発明の実施形態を説明する。しかし、そのような例示は、決して本発明の範囲を制限するものとして解釈されてはならない。

下記に開示された実施形態は、網羅的だったり、後述する詳細な説明に開示されている正確な形態に本発明を制限したりしようとする意図ではない。寧ろ、開示された実施形態における教示を本技術分野における通常の技術者が活用できるよう、実施形態が選択され、説明されている。

後述する詳細な説明は、英数字文字または他の情報を表すコンピュータメモリ内でデータビット上の作動に対するアルゴリズム及び記号表現で部分的に提示されている。前記ハードウェアコンポーネントは特定のスキャニング法を利用し、特定形態と相対的な方向及び大きさを備えているものに示されているが、一般的な場合、通常の技術者であれば本発明の教示内で様々な特定形態、方向及びスキャニング法が使用できることを認識することができる。コンピュータは、映像データを獲得して処理するインターフェースを含み、一般的に命令を行うためのプロセッサと、命令及びデータを保存するためのメモリとを含む。汎用コンピュータが、そのメモリ内に保存されている一連のマシンエンコーディングされた命令を有する場合、かかるエンコーディングされた命令に応じて作動するコンピュータは、特定形態のマシン、即ち、その一連の命令により具現化された作動を行うよう、特別に構成されているコンピュータであり得る。命令の一部は、他のマシンの作動を制御する信号を生成するため、適応することができる。よって、命令の一部はそれらの制御信号を介して作動し、コンピュータ自体から遠く離れている素材を変形させることができる。これら説明及び表現は、データ処理分野における通常の技術者によって、彼らの作業内容をその分野における通常の技術者に最も効率よく伝達するに用いられる手段である。

本明細書において、そして一般的にアルゴリズムは希望する結果を誘導する、一貫性ある一連の段階として認識されている。これらの段階は物理量を物理的に処理するに要求される段階であって、手術部位の周辺物質を表すスキャニングされたデータを観察し、測定する段階である。必ずしも必要なものではないが、通常、それら量は、保存、転送、変形、組合、比較及び他の方法で処理できる電気的若しくは磁気的パルスまたは信号の形態を有する。時々、主に一般的使用との理由で、それら信号を物理的アイテムや顕示に対するレファレンスとしてビット、値、記号、文字、ディスプレイデータ、ターム、数字などで呼ぶことが便利であると判明されたが、物理的なアイテムや顕示においてそれらの信号は、映像の基礎となるデータを確保するよう、具現或いは表現されている。しかし、それら及び類似の用語は全て適切な物理量と関連しており、本明細書でそれら量に適用される便利なラベルとして単に使用されていることに留意すべきである。

一部のアルゴリズムは情報入力と同時に希望する結果を生成するためにデータ構造を利用することができる。データ構造はデータ処理システムによるデータ管理を非常に促進させ、精巧なソフトウェアシステムを介さなければアクセスすることができない。データ構造はメモリの情報コンテンツではなく、寧ろメモリ内に保存された情報に対する物理的構造を付与、若しくは顕示する特定の電子的構造要素を表す。単なる抽象化を飛び越え、データ構造はメモリ内の特定の電気的または磁気的な構造要素であって、時々関連アイテムのデータモデリングの物理的特性である複雑なデータを正確に表し、同時にコンピュータの作動における効率性を増加させる。

さらに、行われる処理作業は、通常、人間オペレーターによって行われる精神的動作に関連している、比較若しくは追加のような用語で時々言及される。本発明の一部分を形成する、本発明で説明した任意の作動において、人間オペレーターのそのような能力は全く必要でないか、若しくは殆どの場合に好ましくなく、かかる作動は機械作動である。本発明の作動を行うための有用な機械は、汎用デジタルコンピュータまたは他の類似の機器を含む。全ての場合において、コンピュータを作動する際の作動方法と、コンピュータ操作自体の方法の間の区別は認識されるべきである。本発明は、電気的または他の（例えば機械的、化学的）物理的信号を処理する際、他の希望する物理的顕示または信号を生成することができるようにコンピュータを作動させる方法及び装置に関するものである。前記コンピュータはソフトウェアモジュールで作動するが、このソフトウェアモジュールは一連の機械命令を表す媒体に保存されている信号の収集所（コレクション）であり、一連の機械命令を通じ、コンピュータプロセッサはアルゴリズム段階を具現する機械命令を行うことができる。かかる機械命令は、プロセッサがその命令を具現するように解析する実際のコンピュータコードであってもよく、代わりとして実際のコンピュータコードを獲得できるように解析される、かかる命令のハイレベルのコーディングであってもよい。ソフトウェアモジュールはまた、ハードウェアコンポーネントを含むことができるが、アルゴリズムの一部の様相は命令の結果としてではなく、回路自体によって行われる。

また、本発明は、それら作動を行うための装置に関する。この装置は、要求される目的のために特別に構成することができ、若しくはコンピュータ内に保存されているコンピュータプログラムによって選択的に起動したり、若しくは再構成される汎用コンピュータを含むことができる。特定のハードウェアを必要とすると明示的に示されない限り、本明細書に提示するアルゴリズムは、任意の特定コンピュータまたは他の装置と本質的に連係していない。一部の場合において、コンピュータプログラムは特定のプロトコルで構成されている信号を介し、他のプログラムまたは装備と通信したり連係したりするが、このプログラムまたは装備は、相互作用できる特定のハードウェアまたはプログラミングを必要としたり、必要としなかったりする。特に、本明細書における教示に従って記録されたプログラムが備えられている多様な汎用マシンを使用することができ、または要求される方法段階を行うためにさらに特化した装置を構成する方が一層好都合であると判明されるかもしれない。様々なこれらマシンのために要求される構造は、下記の説明から明らかになるであろう。

本発明は、「客体指向」ソフトウェア、特に「客体指向」運営体制を取り扱うことができる。前記「客体指向」ソフトウェアは「客体」に編成されるが、それぞれの客体はその客体に転送された「メッセージ」若しくはその客体と一緒に発生する「イベント」に応えて行われる様々な手順（方法）を記述するコンピュータ命令のブロックを含む。例えば、かかる作動は変数の処理、外部イベントによる客体の活性化、及び他の客体への１つ以上のメッセージの伝達を含む。必ずしも必要なわけではないが、物理的客体は、物理的装置から観察されたデータを収集し、ソフトウェアシステムにその観察されたデータを転送できる相応するソフトウェア客体を有する。かかる観察されたデータは単に便利であるという点で物理的客体及び／またはソフトウェア客体からアクセスすることができる。従って、後述する説明で「実際のデータ」が使用される場合、かかる「実際のデータ」は器具自体からあってもよく、または相応するソフトウェア客体若しくはモジュールからあってもよい。

メッセージはプロセスを行う任意の機能と知識を有する客体の間で転送及び受信される。メッセージはユーザーの命令に応じて発生するが、例えば、イベントを生成する「マウス」ポインターでアイコンを活性化させるユーザーによって発生する。また、メッセージはメッセージの受信に応じる客体によって発生し得る。客体のうちの１つの客体がメッセージを受信する際、その客体は受信したメッセージに相応する作動（メッセージ手順）を行い、必要であれば、その作動の結果を返す。それぞれの客体は、客体自体の内部状態（インスタンス変数）が保存される領域を有するが、その領域で他の客体のアクセスは許容されない。客体指向システムの１つの特徴は、継承である。例えば、ディスプレイ上に「円」を描くための客体は、ディスプレイ上に「外形」を描くための他の客体から機能と知識を継承することができる。

プログラマーは、個別のコードブロックを記録することにより、客体指向プログラミング言語で「プログラム化する」が、それぞれのコードブロックは、その方法を定義することで客体を生成する。メッセージにより相互通信するように適合に変わっているこれら客体のコレクションは、客体指向プログラムを含む。客体指向コンピュータプログラミングは、対話型システムのモデリングを容易にするが、このシステムでシステムのそれぞれのコンポーネントは客体を用いてモデリングすることができ、それぞれのコンポーネントの行為はそれに相応する客体の方法によってシミュレーションされ、コンポーネントの間の相互作用は、客体の間に転送されるメッセージによってシミュレーションされる。

オペレーターは、客体のうちの１つの客体にメッセージを転送することで、客体指向プログラムを含む相互関連した客体のコレクションを誘発することができる。メッセージを受信すると予め設定された機能を行うことにより、客体に反応させることができるが、設定された機能は１つ以上の他の客体に追加的なメッセージを転送することを含むことができる。その他の客体は受信したメッセージに応じ、順次に追加的な機能を行うことができるが、追加的な機能はさらに多くのメッセージを転送することを含む。この方式で、メッセージと応答のシーケンスは、無限に続けられることができ、または全てのメッセージが応答され、且つ新しいメッセージが転送されなかったときに終了することができる。客体指向言語を活用するシステムをモデリングする際、プログラマーは、モデリングされたシステムのそれぞれのコンポーネントが１つの誘発にどう反応するかだけについて考えればよく、一部の誘発に応じて行われる作動手順については考える必要がない。かかる作動手順は、本質的にその誘発に応答する客体の間における相互作用の結果から得られ、プログラマーによって予め定められる必要はない。

たとえ客体指向プログラミングが、相互関連したコンポーネントシステムのシミュレーションをさらに直観的になるようにすることはできるとしても、順次に構成されたプログラムの場合のように、通常、１つの客体指向プログラムによって行われる作動手順は、ソフトウェアのリストから直ちに明確になるわけではないため、客体指向プログラムの作動は時々理解し難い。また、客体指向プログラムの作動が非常に明白に顕示されることを観察して、客体指向プログラムがどのように動作するかを決めることも容易ではない。単に相対的に少数の段階のみ観察できるコンピュータ出力を生成するため、プログラムに応じ、コンピュータによって行われる殆どの作動は観察者に見えない。

後述する説明において頻繁に用いられるいくつかの用語は、本明細書の脈絡で特別な意味を有する。用語「客体」は一連のコンピュータ命令及び関連したデータに関するものであって、ユーザーにより、直接的に若しくは間接的に活性化することができる。用語「ウィンドウ環境」、「ウィンドウ実行」及び「客体指向運営体制」は、ラスタースキャンされた動画ディスプレイにおいて、有界領域（ｂｏｕｎｄｅｄ ｒｅｇｉｏｎ）の内部のように動画ディスプレイで情報が処理され、ディスプレイされるコンピュータユーザーインターフェースを示すために用いられる。用語「ネットワーク」「近距離通信網」、「ＬＡＮ」、「広域通信網」、若しくは「ＷＡＮ」はコンピュータの間でメッセージが転送できる方式で接続されている２台以上のコンピュータを意味する。かかるコンピュータネットワークにおいて、１つ以上のコンピュータは、通常、ハードディスクドライブのような大きいストレージ装置とプリンター、若しくはモデムのような周辺装置を作動させる通信ハードウェアを備えたコンピュータである「サーバ」として作動する。「ワークステーション」という用語が用いられる他のコンピュータはユーザーインターフェースを提供し、コンピュータネットワークのユーザーは共有データファイル、共通周辺装置及びワークステーションの相互間通信のようなネットワークリソースにアクセスすることができる。ユーザーはコンピュータプログラムまたはネットワークリソースを活性化し、「プロセス」を生成するが、そのプロセスは入力変数によって決定される特定の作動特性が備えられたコンピュータプログラムの一般的な作動とその環境を全て含む。プロセスに類似しているのがエージェントであるが（たまに知能型エージェントと呼ばれる）、エージェントはユーザーの干渉なく、いくつかの周期的なスケジュールに従い、情報を収集するか、若しくはいくつかの他のサービースを行うプロセスである。一般的にエージェントは、ユーザーによって通常提供されるパラメータを使用し、ホストマシン上でまたはネットワーク上の他の一部のポイントで位置を探索し、そのエージェントの目的に関する情報を収集し、その情報を周期的にユーザーに提供する。

用語「デスクトップ」はそのデスクトップに関連したユーザーに、関連したセッティングを備えている客体のメニュー、若しくはディスプレイを提示する特定のユーザーインターフェースを意味する。デスクトップがネットワークリソースにアクセスする際、通常、遠隔サーバで実行できる応用プログラムが必要となるが、デスクトップは応用プログラムインターフェース、即ちＡＰＩを呼び出して、ユーザーがネットワークリソースにコマンドを提供し、任意の出力を観察できるようにする。用語「ブラウザ」は、ユーザーに必ずしも明白ではないが、デスクトップとネットワークサーバの間にメッセージを転送し、ネットワークユーザーのディスプレイ及びネットワークユーザーとの相互作用に関与するプログラムのことを指す。ブラウザは、コンピュータの汎世界的なネットワーク、即ち「ワールドワイドウェブ」、若しくは簡単に「ウェブ」でテキスト及びグラフィック情報を転送するための通信プロトコルを活用するよう設計されている。本発明に常用できるブラウザの例は、マイクロソフト社で販売しているインターネットエクスプローラー（インターネットエクスプローラーは、マイクロソフト社の商標）、オペラソフトウェアＡＳＡで作ったオペラブラウザプログラム、またはモジラファウンデーションで配布しているファイアフォックスブラウザプログラム（ファイアフォックスは、モジラファウンデーションの登録商標）を含む。後述する説明はブラウザのグラフィックユーザーインターフェースという面でその作動を詳細に説明するが、本発明は、グラフィック基盤のブラウザの多い機能を有している、テキスト基盤のインターフェース、さらには音声若しくは視覚的に活性化されたインターフェースにおいても実行することができる。

ブラウザディスプレイ情報は、標準汎用文書記述言語（ＳＧＭＬ）若しくはハイパーテキスト文書記述言語（ＨＴＭＬ）でフォーマットされているが、この２つの言語は全てスクリプティング言語であって、特定のＡＳＣＩＩテキストコードを使用し、テキスト文書内に非視覚的コードを内蔵している。これらのフォーマットでのファイルは、インターネットのようなグローバル情報ネットワークを含む、コンピュータネットワークを渡り、容易に転送することができ、ブラウザがテキスト、映像をディスプレイできるようにし、音声及び映像の録音物を演奏できるようにする。ウェブは、その通信プロトコルと共にこれらのデータファイルフォーマットを活用し、サーバとワークステーションの間でかかる情報を転送する。ブラウザはまた、拡張性文書記述言語（ＸＭＬ）のファイル内に提供されている情報をディスプレイできるよう、プログラム化できるが、ＸＭＬファイルがあれば様々な文書型定義（ＤＴＤ）を使用することができるため、本質上、ＳＧＭＬ若しくはＨＴＭＬより汎用的である。データフォマッティング及びスタイルシートフォマッティングが別に含まれているため（フォマッティングは情報をディスプレイする方法として考えられるので、ＸＭＬファイルはデータ及び関連した方法を有する）、ＸＭＬファイルは客体に類推することができる。

前述で定義したように、用語「個人携帯情報端末」、または「ＰＤＡ」は、コンピューティング、電話、ファックス、電子メール及びネットワーキングの特徴が結合されている任意の携帯用モバイル機器を意味する。用語「無線広域通信網」、または「ＷＷＡＮ」は、携帯用機器とコンピュータの間でデータ転送のための媒体として機能する無線ネットワークを意味する。用語「同期化」は、有線または無線のうち、１つを経由し、例えば携帯用機器の第１機器と、例えばデスクトップコンピュータの第２機器との間における情報交換を意味する。同期化は２つの機器におけるデータが同一（少なくとも同期化時点で）であることを保障する。

無線広域通信網において、通信はアナログ、デジタルセルラー、または個人携帯通信サービース（ＰＣＳ）ネットワーク上の無線信号の転送を介して主に行われる。信号は、極超短波及び他の電磁気波を介しても転送することができる。現在、殆どの無線データ通信は、符号分割多重接続（ＣＤＭＡ）、時分割多重接続（ＴＤＭＡ）、世界移動通信システム（ＧＳＭ）のような２世代技術、３世代技術（ワイドバンド若しくは３Ｇ）、４世代（ブロードバンド若しくは４Ｇ）、個人デジタルセルラー（ＰＤＣ）を使用するセルラーシステムを経由したり、または高度携帯電話システム（ＡＭＰＳ）で使用されているセルラーデジタルパケットデータ（ＣＤＰＤ）のようなアナログシステムにおけるパケットデータ技術を通じて発生する。

用語「無線応用通信プロトコル」、即ち「ＷＡＰ」は、小型ユーザーインターフェースが備えられた携帯用機器及びモバイル機器でウェブ基盤データの伝達及び提示を容易にする汎用仕様を意味する。「モバイルソフトウェア」は、応用プログラムが移動電話またはＰＤＡのようなモバイル機器で具現できるようにするソフトウェア運営体制を指す。モバイルソフトウェアの例は、Ｊａｖａ及びＪａｖａ ＭＥ（ＪａｖａとＪａｖａ ＭＥはカリフォルニア州・サンタクララ所在のサンマイクロシステムズ社の商標）、ＢＲＥＷ（ＢＲＥＷはカリフォルニア州・サンディエゴ所在のクアラコム社の登録商標）、Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｍｏｂｉｌｅ（Ｗｉｎｄｏｗｓはワシントン州・レドモンド所在のマイクロソフト社の登録商標）、Ｐａｌｍ ＯＳ（Ｐａｌｍはカリフォルニア州・サニーベール所在のパーム社の登録商標）、Ｓｙｍｂｉａｎ ＯＳ（Ｓｙｍｂｉａｎは英国・ロンドン所在のシンビアンソフトウェア株式会社の登録商標）、ＡＮＤＲＯＩＤ ＯＳ（ＡＮＤＲＯＩＤはカリフォルニア州・マウンテンビュー所在のグーグル社の登録商標）、ｉＰｈｏｎｅ ＯＳ（ｉＰｈｏｎｅはカリフォルニア州・クパチーノ所在のアップル社の登録商標）、及びＷｉｎｄｏｗｓ Ｐｈｏｎｅ７がある。「モバイルアプリ」は、モバイルソフトウェアを用いて実行するように記録されたソフトウェアプログラムを指す。

用語「スキャン」、「基準レファレンス」、「基準位置」、「マーカー」、「トラッカー」及び「映像情報」は、本開示において特別な意味を有する。本開示の目的に関連し、用語「スキャン」またはその派生語は、Ｘレイ、磁気共鳴映像（ＭＲＩ）、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、超音波検査、コーンビームコンピュータ断層撮影（ＣＢＣＴ）または患者の定量的な空間再現を生成する任意のシステムを指す。用語「基準レファレンス」または単純に「基点」は、認識可能な固定ポイントとしてユニークに識別できるスキャン映像における客体またはレファレンスを指す。本明細書において、用語「基準位置」は、基準レファレンスが取り付けられる有用な位置を指す。「基準位置」は、普通、手術部位に近接する。用語「マーカー」または「トラッキングマーカー」は、外科または歯の手術位置に近接したセンサーにより認識できる客体またはレファレンスを指すが、ここでセンサーは、光センサー、無線識別装置（ＲＦＩＤ）、音声感知センサー、紫外線若しくは赤外線センサーであってもよい。用語「トラッカー」は、マーカーの位置と、手術中、リアルタイムで連続的にマーカーの方向及び動きを決定できる機器、若しくは機器システムを指す。具現可能な例として、例えばマーカーが印刷されたターゲットで構成されていれば、前記トラッカーはステレオカメラのペアを含むことができる。本明細書において用語「映像情報」は、光学、若しくは別の方法でトラッカーによって取得される情報を説明するために用いられ、マーカーの位置と、手術中、リアルタイムで連続的にマーカーの方向及び移動を決定するため、用いることができる。

図１は、１つの実施形態によるコンピューティング環境１００の高水準のブロック図である。図１は、ネットワーク１１４により接続されているサーバ１１０と３つのクライアント１１２を例示している。説明を簡略且つ明確にできるよう、図１に３つのクライアント１１２のみを示している。コンピューティング環境１００の実施形態は、例えばインターネットであるネットワーク１１４に接続されている数千、若しくは数万のクライアント１１２を有することができる。ユーザー（不図示）はクライアント１１２のうちの１つでソフトウェア１１６を作動させ、サーバ１１０及び関連した通信装備及びソフトウェア（不図示）を経由し、ネットワーク１１４にメッセージを送信・受信することができる。

図２はサーバ１１０、若しくはクライアント１１２を具現するに適切なコンピュータシステム２１０のブロック図である。コンピュータシステム２１０はバス２１２を含むが、バス２１２は、中央プロセッサ２１４、システムメモリ２１７（普通、ＲＡＭであるが、ＲＯＭ、フラッシュＲＡＭ、若しくはその他のメモリも含むことができる）、入力・出力コントローラ２１８、音声出力インターフェース２２２を経由するスピーカシステム２２０のような外部音声装置、ディスプレイアダプタ２２６を経由するディスプレイスクリーン２２４、シリアルポート２２８、２３０、（キーボードコントローラ２３３で接続される）キーボード２３２、ストレージインターフェース２３４、フロッピーディスク２３８を収容し、作動するディスクドライブ２３７、ファイバーチャネルネットワーク２９０に接続され、作動するホストバスアダプタインターフェースカード２３５Ａ、ＳＣＳＩバス２３９に接続され、作動するホストバスアダプタインターフェースカード２３５Ｂ、及び光ディスク２４２を収容し、作動する光ディスクドライブ２４０のような外部装置のコンピューティングシステム２１０の主要なサブシステムを互いに接続する。また、マウス２４６（または、他のポイント・クリック機器、シリアルポート２２８を経由してバス２１２に接続）、モデム２４７（シリアルポート２３０を経由してバス２１２に接続）、及びネットワークインターフェース２４８（バス２１２に直接接続）が含まれている。

バス２１２は、中央プロセッサ２１４とシステムメモリ２１７との間でデータ通信を可能にさせるが、前述した通り、システムメモリはリードオンリーメモリ（ＲＯＭ、不図示）若しくはフラッシュメモリ（不図示）、そしてランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ、不図示）を含むことができる。一般的にＲＡＭは主メモリであって、運営体制及び応用プログラムがその中にローディングされる。ＲＯＭ若しくはフラッシュメモリは、他のソフトウェアコードの中でも基本入力・出力システム（ＢＩＯＳ）を含むことができるが、ＢＩＯＳは、周辺コンポーネントとの相互作用のような基本的なハードウェア作動を制御する。コンピュータシステム２１０に常駐する応用プログラムは、一般的にハードディスクドライブ（例えば、固定ディスク２４４）、光ディスク（例えば、光ドライブ２４０）、フロッピーディスクユニット２３７、若しくは他のストレージ媒体のようなコンピュータ可読媒体に保存され、その媒体を経由してアクセスされる。さらに、ネットワークモデム２４７、若しくはネットワークインターフェース２４８、若しくは他の通信装備（不図示）を経由し、応用プログラムにアクセスする際、応用プログラムは、応用及びデータ通信技術によって変調された電子信号の形であってもよい。

コンピュータシステム２１０の他のストレージインターフェースと同様に、ストレージインターフェース２３４は情報の保存及び／または検索のため、固定ディスクドライブ２４４のような標準コンピュータ可読媒体に接続することができる。固定ディスクドライブ２４４は、コンピュータシステム２１０の一部であってもよく、または別個に分離され、他のインターフェースシステムを介してアクセスすることができる。モデム２４７は、電話接続、またはインターネットサービース提供者（ＩＳＰ、不図示）を経由するインターネットを介し、遠隔サーバへの直接接続を提供することができる。ネットワークインターフェース２４８はＰＯＰ（相互接続位置）を経由するインターネットへの直接ネットワークリンクを介し、遠隔サーバへの直接接続を提供することができる。ネットワークインターフェース２４８は無線技術を使用し、かかる接続を提供することができるが、無線技術はデジタルセルラー電話接続、セルラーデジタルパケットデータ（ＣＤＰＤ）接続、デジタル衛星データ接続、若しくは他の接続を含む。

図３Ａ〜Ｉのハードウェアコンポーネントを含む、他の多くの装置、若しくはサブシステム（不図示）を類似の方式で接続することができるが（例えば、文書スキャナ、デジタルカメラなど）、これらはその代替として近距離通信網、広域通信網、無線通信網、若しくは通信システムを介して関連したコンピュータリソースと通信することができる。従って、一般的に本開示においてはハードウェアコンポーネントがコンピューティングリソースに直接接続されている実施形態を議論することができるが、本技術分野の通常の技術者は、かかるハードウェアはコンピューティングリソースと遠隔で接続できることが分かる。逆に、本開示を実行するため、図２に示す全ての装置が存在する必要はない。装置及びサブシステムは、図２とは異なる方法で相互接続することができる。図２に示したようなコンピュータシステムの作動は、当業界によく知られているので、本出願では詳細に説明しない。本開示を具現できるソフトウェアのソースコード及び／またはオブジェクトコードは、１つ以上のシステムメモリ２１７、固定ディスク２４４、光ディスク２４２、若しくはフロッピー（登録商標）ディスク２３８のようなコンピュータ可読記憶媒体に保存することができる。コンピュータシステム２１０に提供される運営体制は多様であるか、または別バージョンのＭＳ−ＤＯＳ（ＭＳ−ＤＯＳはワシントン州・レドモンド所在のマイクロソフト社の登録商標）、ＷＩＮＤＯＷＳ（ＷＩＮＤＯＷＳはワシントン州・レドモンド所在のマイクロソフト社の登録商標）、ＯＳ／２（ＯＳ／２はニューヨーク州・アーモンク所在のＩＢＭ社の登録商標）、ＵＮＩＸ（ＵＮＩＸはイギリス・レディング所在のエックスオープン社の登録商業）、Ｌｉｎｕｘ（Ｌｉｎｕｘはオレゴン州・ポートランド所在のリーナストーバルズの登録商標）、若しくは他の公知されたり開発されたりした運営体制のうち、１つであり得る。

さらに、本明細書で説明する信号に関し、通常の技術者であれば、信号が第１ブロックから第２ブロックに直接転送、または信号がそれらブロックの間で変調（例えば、増幅、減衰、遅延、ラッチ、バッファリング、反転、フィルターリング、若しくは他の変更）できることが分かる。前述した実施形態の信号は１つのブロックから次のブロックに転送されることが特徴とされているが、信号の情報及び／または機能の面がブロックの間で転送される限り、本開示の他の実施形態は、そのような直接転送された信号に代わって変調された信号を含むことができる。ある程度、関連した回路の物理的限界（例えば、ある程度の減衰及び遅延が必然的にあるはず）により、第２ブロックにおける信号入力は、第１ブロックからの第１信号出力に由来する第２信号として概念化することができる。従って、本明細書において用いられる第１信号に由来する第２信号は、第１信号、または回路制限若しくは第１信号の情報及び／または最終機能の面を変えない他の回路素子の通過による、第１信号に対する任意の変調を含む。

本発明は、手術ハードウェア及びソフトウェアモニタリングシステム及び方法の実施形態に関するものであって、患者の手術までに余裕がある間、例えば、患者が手術を準備する間、このシステムが手術部位をモデル化できるよう手術計画を可能にする。
前記システムは、図３Ａにおいて単一基準キー１０で表示されている、特別に構成されるハードウェアピースを使用し、手術の重要領域（ｃｒｉｔｉｃａｌ ａｒｅａ）に対してモニタリングシステムのトラッキングマーカー１２の方向を一定方向にする。単一基準キー１０は意図された手術領域に隣接した位置に取り付けられるが、図３Ａの歯の手術領域の例示的な実施形態において、基準キー１０は歯の副木１４に取り付けられている。トラッキングマーカー１２はトラッキングポール１１によって基準キー１０に接続することができる。手術部位に関する映像情報を獲得する適切なトラッカーに基準レファレンスが直接見える実施形態において（例えば、図５及び図６を参照）、トラッキングマーカーは基準レファレンスに直接取り付けることができる。例えば、歯の手術で、手術領域の近くに基準キー１０を確実に位置付けすることができるよう、歯のトラッキングマーカー１２を使用することができる。トラッカーによってトラッキングマーカー１２から獲得されたデータの持続的な映像処理のため、前記単一基準キー１０はレファレンスポイント、即ち、基点として使用することができる。

他の実施形態において、追加のトラッキングマーカー１２は基準キー１０及びその基準キーに関連した任意のトラッキングポール１１、またはトラッキングマーカー１２とは独立したアイテムに取り付けることができる。かかるトラッキングマーカーに関する他の実施形態は、図６及び図７を用いて下記で詳細に説明する。

さらに他の実施形態において、手術部位に隣接したアイテム、若しくは器具のうち、少なくとも１つは本発明のモニタリングシステム７００のためのトラッカーとして機能し、前記トラッキングマーカー１２及び前記手術領域のスキャンデータに対し、任意の追加のトラッキングマーカーの方向及び位置を感知できるように取り付けられるトラッカーを選択的に有することができる。一例として、器具に取り付けられている前記トラッカーは小型デジタルカメラであってもよい。例えば、歯医者用ドリルに取り付けられてもよい。前記アイテム、若しくは器具に取り付けられたトラッカーによって追跡される任意の他のマーカーは、そのトラッカーの視界の中になければならない。

歯の手術の例を用いると、手術部位の初期スキャンを得るため、患者はスキャニングされる。基準キー１０の特定の形により、メモリ内に保存されており、例えば、図２のコンピュータ２１０のプロセッサ２１４及びメモリ２１７の適切なコントローラで実行されるコンピュータソフトウェアは、前記スキャンデータから手術部位内で基準キーの相対的な位置を認識することができるので、基準キー１０の位置及び方向を参照し、更なる観察を行うことができる。一部の実施形態において、前記基準レファレンスはスキャニングされた際、認識可能な識別象徴として明確なマーキングを含む。他の実施形態において、前記基準レファレンスは、スキャンで見える身体はスキャンの分析から明確に決定できる前面、後面、上面、下面及び左／右が定義されている表面を示し、それによって基準レファレンスの位置はもちろん、その方向までも決定できるようにする非対称的な形を有しているという点で、前記基準レファレンスは、区別される形状を含んでいる。

さらに、前記コンピュータソフトウェアは、歯、顎骨、皮膚及び歯茎組織、他の手術器具などのようにスキャン内の客体を構成するための座標系を生成することができる。前記座標系はスキャンの映像を基点周辺の空間に関連付けし、方向と位置、両方共によってマーカーが付けられた前記器具を位置付けする。続いて、モニタリングシステムにより生成された前記モデルは、境界条件を点検するために使用することができ、トラッカーと協同してリアルタイムでその配置を適切なディスプレイ、例えば、図２のディスプレイ２２４上に表示する。

１つの実施形態において、前記コンピュータシステムは基準キー１０の物理的な構成に関し、設定された知識を有しており、基準キー１０を位置付けするため、スキャンのスライス／セクションを点検する。基準キー１０を位置付けする作業は、その独特な形状に基づいたり、または基準キー上部、若しくはトラッキングマーカー１２のような前記基準キー１０への取付物上部ではっきりと識別され、且つ方向性を有するマーキングに基づくことができる。基準キー１０を構築する際、放射線不透過性素材、若しくは高密度素材を採択した高い映像処理コントラストを通じ、基準キー１０がスキャンではっきりと見えるようにすることができる。他の実施形態において、適切な高密度、若しくは放射線不透過性インク、若しくは素材を使用して、はっきりと識別され、方向性を有するマーキング素材を生成することができる。

基準キー１０が識別されると、分割スキャンから前記基準キー１０の位置及び方向が決定され、基準キー１０内の１つのポイント（地点）が座標系の中央に割り当てられる。そのように選択されたポイントは任意に選択することができ、またはその選択は数々の有用な基準に基づくことができる。モデルは続いて変形マトリクスの形に誘導され、基準システムに関連付けされるが、１つの特定実施形態において、基準キー１０が手術部位の座標系に関連付けされる。その結果で生成される仮想の構築物は、意図されている手術の仮想モデリングのための手術手順計画ソフトウェアによって使用され、代替手段として手術ソフトウェアのための映像支援を提供し／提供したり手術手順を行うための経路をグラフに表したりするための目的で、器具を構成するための計測ソフトウェアによって使用されることができる。

いくつかの実施形態において、前記モニタリングハードウェアは前記基準レファレンスへのトラッキング取付物を含む。歯の手術に関連する実施形態において、前記基準キー１０への前記トラッキング取付物はトラッキングマーカー１２であるが、前記トラッキングマーカー１２はトラッキングポール１１を介し、基準キー１０に取り付けられている。トラッキングマーカー１２は、特別な識別パターンを有することができる。例えば、トラッキングマーカー１２のような追跡可能な取付物と、さらに関連しているトラッキングポール１１は、公知の構成を有するため、トラッキングポール１１及び／またはトラッキングマーカー１２からの観察データを座標系に正確に図解することができ、それにより、手術手順の進行をモニタリングして、記録することができる。例えば、特に図３Ｊに示すように、基準キー１０は、トラッキングポール１１のインサート１７に締結されるよう特別に調整されている所定の位置にホール１５を有することができる。例えば、かかる配置において、トラッキングポール１１は小さい力で基準キー１０のホール１５内部に取り付けることができ、それにより、かかる取り付けが成功的に完了すると聴覚的な通知を与えることができる。

手術手順において、トラッキングポールの方向を転換することも可能である。例えば、歯の手術が口腔内の反対側の歯を扱う場合、外科医が手を取り替える場合及び／または２番目の外科医が手術の一部を行う場合、手術位置を変更するため、そのような方向転換があり得る。例えば、トラッキングポールの移動は、座標系に対する前記トラッキングポールの再登録のきっかけとなり得るため、その位置をそれに応じて調節することができる。例えば、歯の手術の実施形態の場合、取り付けられたトラッキングマーカー１２を備えたトラッキングポール１１が基準キー１０のホール１５から分離され、関連したトラッキングポールを備えた別のトラッキングマーカーが基準キー１０の代替ホールに接続されるとき、かかる再登録が自動的に開始される。さらに、ソフトウェアで境界条件が具現され、観察データがその警戒領域にアクセスし／アクセスしたり入ったりする際、ユーザーに通知することができる。

本発明を活用するシステムのさらに他の実施形態において、本明細書で「ハンドピース」（図５及び図６）と命名される手術器具、若しくは手術道具は、座標系内に位置し、追跡できる独特な構成を有することができ、本明細書で説明するような適切なトラッキングマーカーを有することができる。仮想の素材との潜在的な衝突を示すための境界条件を設定することができ、ハンドピースが境界条件にアクセスすると感知された際、スクリーン上に指示が現れたり、或いはアラームサウンドが鳴り得る。それだけでなく、希望する手術領域を示せるよう、ターゲットの境界条件を設定することができ、ハンドピースの経路がターゲット領域を離れる傾向にあるとき、そのハンドピースが希望経路を離れていることを示す表示が、スクリーン上に見えたり、或いはアラームサウンドが鳴り得る。

いくつかのハードウェアコンポーネントの代替的な実施形態が図３Ｇ〜Ｉに示されている。基準キー１０´は適切な接続部を備えた接続要素を有しており、トラッキングポール１１´が手術部位に対しトラッキングマーカー１２´を位置付けするようにする。独特な形状を有しているが、概念的に基準キー１０´は、前述の実施形態と非常に同一の方式でポール１１´及びトラッキングマーカー１２´に対するアンカーとして機能する。前記モニタリングシステムの前記ソフトウェアは、それぞれ特別に識別される基準キー、トラッキングポール、及びトラッキングマーカーの構成に対し予めプログラムされており、その位置計算は変更された構成パラメータによって変更されるだけである。

規制要件及び実質的な考慮事項により、ハードウェアコンポーネントの素材は異なってもよい。一般的にキー、若しくは基準コンポーネントは、通常、放射線不透過性素材で製造されるため、スキャンのノイズを発生しないが、スキャニングされた映像上に認識できるコントラストを生成するため、それに関連した任意の識別パターンを認識することができる。さらに、キー、若しくは基準コンポーネントは一般的に患者に配置されているため、前記素材は軽量であって、患者に置かれた装置への接続に適合しなければならない。例えば、歯の手術の場合、前記基準キーの素材はプラスチック副木への接続に適合しなければならず、トラッキングポールへの接続に適合しなければならない。外科手術の場合、前記基準キーの素材は患者の皮膚、若しくは他の特定組織への取り付けに適していなければならない。

それに限定されるものではないが、例えば、高コントラストのパターン彫刻を採択することで、前記トラッキングマーカーは鮮明に識別される。前記トラッキングマーカーの素材としては、オートクレーブ工程における損傷に耐性があり、コネクト構造への堅くて繰り返し可能、且つ迅速な接続に適合性のある素材が選択される。前記トラッキングマーカー及びそれに連係されたトラッキングポールは、異なる手術位置に対し異なる位置に収容され得る性能を有しており、前記基準キーと同様、トラッキングマーカーとトラッキングポールは、患者の上部、若しくは患者に対し安定して配置されるため、相対的に軽量でなければならない。前記トラッキングポールも同様に、オートクレーブ工程に適合性がなければならず、トラッキングポールの中で共有された形のコネクターを有しなければならない。

前記基準キー、トラッキングポール及びトラッキングマーカーを追跡する際に採択される前記トラッカーは、１．５ｍ^２サイズの客体を非常に正確に追跡できなければならない。限定されるものではないが、一例として、前記トラッカーはステレオカメラ、若しくはステレオカメラペアである。感覚的な入力を読み取りできるよう、一般的にトラッカーは有線でコンピューティング装置に接続されるが、前記感覚的なデータをコンピューティング装置に転送できるよう、前記トラッカーは選択的に無線接続を有することができる。

ハンドピースのように追跡可能な器具のピースを追加に採択する実施形態において、かかる追跡可能な器具のピースに取り付けられるトラッキングマーカーはまた軽量でなけれなならず、９０°の間隔を持つ３つの客体アレイ内で作動できなければならない。また、高コントラストのパターン彫刻と、標準ハンドピースに対し堅く、迅速な装着メカニズムを選択的に有しなければならない。図６及び図７でさらに詳細に記述するよう、他の実施形態において、前記トラッキングマーカーは一体に統合されている。

本発明の別の側面において、図４Ａ〜Ｃに示すよう、手術活動を追跡するための自動登録方法が提示される。限定されるものではないが、図４Ａ及び図４Ｂは、スキャンデータから前記基準レファレンスの３次元位置及び方向を決定するための１つの方法のフローチャートである。図４Ｃは、前記トラッカーにより獲得された映像情報から適切なトラッキングマーカーの存在を確認し、前記映像情報に基づいて前記基準レファレンスの３次元位置及び方向を決定するための方法を示すフローチャートである。

図４Ａ及び図４Ｂに示すよう、一旦プロセスが始まると（段階４０２）、前記システムは、例えばＣＴスキャンからスキャンデータセットを獲得し（段階４０４）、前記基点及び前記特別なスキャナモデルの知識に基づいてスキャンと共に提供されるか、或いは提供されない、前記基点に関するＣＴスキャンのデフォルトハンスフィールドユニット（ＨＵ）値をチェックし（段階４０６）、もしかかる閾値が存在しなければ一般化された所定のデフォルト値が採択される（段階４０８）。続いて、前記基準キー値に関連している予測値の範囲外のハンスフィールドデータ値で分割スキャンを除去することで、前記データが処理され（段階４１０）、残余ポイントの収集が続く（段階４１２）。もし前記データが空いていれば（段階４１４）ＣＴ閾値が調整され（段階４１６）、元の値が復元され（段階４１８）、分割スキャンの分割処理が続く（段階４１０）。前記データが空いていなければ、既存データを用いてマスの中央が計算され（段階４２０）、Ｘ・Ｙ・Ｚ軸の計算が行われる（段階４２２）。もしマスの中央がＸ・Ｙ・Ｚ軸の交差点になければ（段階４２４）ユーザーに通知され（段階４２６）、プロセスが終了する（段階４２８）。もしマスの中央がＸ・Ｙ・Ｚ軸の交差点にあれば（段階４２４）そのデータポイントは設計された基準データと比較される（段階４３０）。もし累積誤差が、許容される最大誤差より大きければ（段階４３２）ユーザーに通知され（段階４３４）、このプロセスは終了する（段階４３６）。累積誤差が、許容される最大誤差より大きくなければ、Ｘ・Ｙ・Ｚ軸の交差点で座標系が定義され（段階４３８）、スキャンプロファイルはＨＵユニットに対してアップデートされる（段階４４０）。

図４Ｃを参照すると、適切なカメラ若しくは別のセンサーであるトラッカーから映像情報が獲得される（段階４４２）。トラッキングマーカーが映像情報内に存在するかを決定するため、前記映像情報が分析される（段階４４４）。もし存在しなければ、この手順を続けるべきかどうかがユーザーに問われる（段階４４６）。続けない場合、このプロセスは終了する（段階４４８）。このプロセスが続く場合は、前記映像情報内でトラッキングマーカーが発見されなかったことがユーザーに通知され（段階４５０）、このプロセスは映像情報を獲得する段階に戻る（段階４４２）。もし前記映像情報に基づきトラッキングマーカーが発見されたり、若しくは前述した通知により、ユーザーによってトラッキングマーカーが取り付けられたりしたら（段階４５０）、適切なデータベースから前記基準レファレンスに対する前記トラッキングマーカーのオフセット及び相対的な方向が獲得される（段階４５２）。用語「データベース」は、本明細書において形式的な多重要素、若しくは多次元データベースで構成されたか否かにかかわらず、かかる情報の任意のソース、量及び配置を説明するために用いられる。本発明のこの実施形態の単純な具現において、オフセット値と相対的な方向を含む単一データセットが十分であり、その単一データセットは、例えばユーザーによって提供されてもよく、またはコントローラのメモリユニット内にあるか、若しくは分離されたデータベース、若しくはメモリ内にあってもよい。

座標系の原点を前記基準レファレンスに定義し、前記映像情報に基づいて前記基準レファレンスの３次元方向を決定できるよう、前記トラッキングマーカーのオフセット及び相対的な方向が使用され（段階４５４）、登録プロセスが終了する（段階４５６）。前記基準レファレンスの位置と方向をリアルタイムでモニタリングできるよう、このプロセスは段階４５４から繰り返され、カメラから新しい映像情報を獲得することができる（段階４４２）。ユーザーがこのプロセスを終了できるよう、適切なクエリポイントが含まれてもよい。映像データから予め設定された形状を有したりマーキングされたりしたトラッキングマーカーの方向及び位置を決定するための詳細な方法は、本技術分野の技術者に知られているので、ここでは説明しない。前記手術部位に隣接した、トラッキングマーカーを有する任意のアイテムの動きを追跡できるよう、このように誘導された座標系が使用される。他の登録システムも考えられるが、例えば設定されたオフセットではなく、既存の他の感覚的なデータを使用するか、若しくは基点が転送容量を持つようにすることがある。

本発明の実施形態の一例が図５に示されている。所定の歯に取り付けられ、堅く取り付けられたトラッキングマーカー５０４を有する基準キー５０２の他にも、例えば歯用ドリルであり得るハンドピースの追加器具、若しくは道具５０６を前記モニタリングシステムのトラッカーとして機能するカメラ５０８によって観察することができる。

本発明の実施形態の他の例が図６Ａに示されている。例えば、人間の腹や胸であり得る手術部位６００は、トラッキングマーカー６０４を支持できるよう、所定の位置に固定されている基準キー６０２を有することができる。手術過程において適切なトラッキングマーカーを有する他の装置を手術部位６００で使用することができる。非制限的な例として、内視鏡６０６は別のトラッキングマーカーを有することができ、トラッキングマーカーを有する生検針６０８は手術部位において提示されることができる。前記システムに対するトラッカーとして機能するセンサー６１０は、例えばカメラ、赤外線感知器、若しくはレーダーであり得る。特に前記トラッカーは、本発明の実施形態の目的に関する映像情報として用いるための手術部位６００の２次元映像を生成する、２次元映像トラッカーであり得るが、前記映像情報は、前記トラッカーの視界内の任意のトラッキングマーカーの２次元映像情報を含む。手術部位６００、内視鏡６０６、生検針６０８、基準キー６０２及びトラッキングマーカー６０４は、全てトラッカー６１０の視界内にあってもよい。

図６は、生検針６０８を追跡するために用いられるトラッキングマーカーの１つの実施形態を示す。図７は、例えば生検針６０８のトラッキングマーカーの他の実施形態を示す。この実施形態において、トラッキングマーカー６１８は、生検針６０８の剛性の位置方向部に一体統合されている。本明細書において、素材の１ピースから一緒に作られるアイテムを記述するために「一体統合された」が用いられるが、これは着脱可能若しくは非統合的な結合を通じ、該当アイテムが製造後に一緒に接合されている状況と対比する。この特定実施例において、生検針６０８の適切な剛性の位置方向部は、そのハンドル６１２である。ハンドル６１２は、例えば素材の単一体ピースからモールディング、キャスティング、切削若しくは別の方式で製造することができ、トラッキングマーカー６１８は、同一素材の一体ピースから作ったり、形成したり、製造することができる。トラッキングマーカー６１８は、前記生検針６０８の剛性のハンドル部６１２が製造される工程と同一工程で形成することができる。

いくつかの実施形態において、ハンドル６１２そのものは、２つ以上のセクションを含むことができる。組立てられた場合、前記２つ以上のセクションは、剛性の全体を生成するが、この場合、生検針６０８のポイントである装置の作業端部がハンドル６１２に対し、どこでどのように３次元的な方向及び位置を有するようになるかについては、この剛性の全体が左右する。トラッキングマーカー６１８が生検針６０８のハンドル６１２の堅い部分に一体統合されており、生検針６０８のポイントに対し、一体統合されたトラッキングマーカー６１８の方向及び位置が固定して知られている範囲で、トラッカー６１０の視界内にあるトラッキングマーカー６１８の３次元方向及び位置を知っていると、生検針６０８のポイントの位置及び方向をユーザーに提供することになる。かかる実施形態において、例えば生検針６０８のハンドル６１２の２つの半分に基づいて、生検針６０８の適切な剛性の位置方向部は、トラッキングマーカー６１８が一体統合されている、ハンドル６１２のその半分である。

装置の剛性の位置方向部に対する３次元トラッキングマーカーの一体統合は、手術器具に限定されない。適切な剛性の位置方向部を有する任意の医療機器に適用することができ、実際に適切な剛性の位置方向部を有する任意の装置に適用することができる。

他の実施形態において記述されたトラッキングマーカーと同様に、トラッキングマーカーの方向がトラッカー６１０の視界内にある生検針６０８の２次元映像から決定できるよう、トラッキングマーカー６１８は３次元形状を有することができる。他の実施形態において、一体統合されたトラッキングマーカー６１８は、一体統合されたマーキング部を有するため、その方向がトラッカー６１０の視界内にある生検針６０８の２次元映像から決定できる。さらに他の実施形態において、トラッキングマーカーは、その位置、その方向若しくは両方共に決定できるよう、形状及びマーキングを全て有することができる。

さらに他の実施形態において、位置方向マーキング部は、トラッキングマーカー６１８の上に筆写、陰刻、刻印、陽刻若しくは他の方法で形成することができる。トラッキングマーカー６１８の位置及び方向を決定するための有用なマーキング部は、発明の名称が「識別マーカーの３次元位置及び方向を決定するためのシステム並びに方向」であり、米国公開特許の第２０１４／０１２６７６７Ａ１号として公開されており、本明細書に参照として完全に統合されている、同時係留中である米国特許出願の第１３／７１３１６５号に記述されている。

特許出願第１３７１３１６５号に記述された通り、トラッキングマーカー６１８上の前記マーキング部は、回転方向に非対称パターンで配列されている多数のコントラスト部を含み、前記コントラスト部のうち、少なくとも１つは、数学的に記述できる曲線部を有する外周部を有する。コントラスト部の外周部は、例えば、楕円若しくは円を含む円錐曲線を含むことができる。前記マーキング部は、前記トラッキングマーカーに一体統合されることができる。他の実施形態において、前記マーキング部は、追跡マーカー６１８の上に筆写、陰刻、刻印、陽刻若しくは他の方法で形成することができる。前記非対称パターンに対する幾何学的情報は、データーベースに保存することができる。トラッカー６１０から獲得された映像情報を、トラッキングマーカー６１８に関する幾何学的情報と比較するため、例えば図２のコンピューター２１０のプロセッサ２１４及びメモリ２１７である適切なコントローラが使用され、トラッキングマーカー６１８及びこれに連係された生検針６０８の３次元位置及び方向を決定することができる。

本発明のさらに他の側面から、装置の３次元的に追跡可能な剛性の位置方向部を製造するための方法は、装置の剛性の位置方向部に統合された３次元トラッキングマーカーを一体に形成する段階を含む。前記方法は、前記トラッキングマーカーに統合された位置方向マーキング部を一体に形成する段階をさらに含むことができる。前記方法は、前記３次元トラッキングマーカー上に位置方向マーキング部を、筆写、陰刻、刻印、陽刻若しくは他の方法で形成する段階をさらに含むことができる。

図８Ａは、基準キー１３を示す。非制限的な例として、図３Ａないし図３Ｅ及び図３Ｇないし図３Ｊに関し、既に説明した基準キー１０を選択する。一般的に前記基準キーは、その位置及び方向が３次元で決定できるようにマーキングされたり、形状を有することができる。ここに記述されている実施形態において、基準キー１０は、その位置及び方向が３次元で決定できるようにマーキングされている。図８Ａに、基準キー１０上に５つの識別可能な位置ポイントがＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅと示されている。これらの識別可能なポイントの間に少なくとも５つの異なる非平行線が引かれてもよい。５つのポイントを結ぶ線から少なくとも４つの異なる独特な三角形が形成され得る。例えば、Ａ、Ｂ、Ｃの少なくとも３つの識別可能なポイントを使用し、基準キー１０の位置及び方向が迅速に決定できることは明らかである。図８Ａの場合、類似方式で使用できる他の三角形を形成できるよう、類似に適用できる様々な異なるポイントが存在する。

次に、適切なトラッカーによる観察によって一部１０´のみを提示できるよう割れていたり、部分的にのみ観察可能な同一タグ１０を示す図８Ｂを説明する。適用しようと設計した任意の特定透過性放射線を適用したトラッカーを使用し、トラッカーによる基準レファレンスの映像的検出可能性を記述するため、用語「観察可能」が用いられる。割れていたり、部分的にのみ観察可能な全ての場合において、ポイントＡ、Ｂ、Ｃ及びＥのみがトラッカー（図８Ａに不図示）に見える。３次元空間においてタグ１０´の位置及び方向を完全に決定できるよう、例えばポイントＣ又はＥのうち、いずれの１つと共にポイントＡとＢがあれば十分である。使用可能なポイントが多ければ多いほど、その位置及び方向を３次元で決定することがさらに正確になる。

図８Ａ及び図８Ｂから、基準レファレンス１０若しくは基準レファレンス１０の一部１０´の上に、２つの互いに非平行な方向に沿って配置されている２セットのポイントを識別すれば、３次元で基準レファレンス１０の位置及び方向を決定できるということは確かである。

一部の実施形態において、基準レファレンス１０若しくは基準レファレンス１０の一部１０´の３次元位置及び方向を完全に決定するため、２つの非平行な直線に沿ってそれぞれ形成されるポイント２つのセット２つとして分布される４つの識別可能なポイントを適用することができる。図８Ａ及び図８Ｂを参照すると、この実施形態において、一方ではポイントＡとＢとの間の線と、他方ではポイントＣとＥとの間の線を適用することができる。

したがって、３つの識別された位置ポイントが適用される実施形態は、特別なケースであって、４つのポイントのうち、２つは同一ポイントであり、要求される２つの非平行線は共通ポイントを共有するケースである。

さらに一般的な場合に、基準レファレンス１０若しくは基準レファレンス１０´の一部の位置及び方向を完全に決定するに要求される、基準レファレンス１０若しくは基準レファレンス１０の一部１０´上の識別可能なポイントは、２本の直線に沿って位置する必要はないが、これらポイントの間の３次元空間関係が知られていなければならない。

基準レファレンス１０若しくは基準レファレンス１０の一部１０´の位置及び方向を完全に決定するための基本要件は、例えばＡ、Ｂ、Ｃの少なくとも３つの識別可能な位置ポイントがなければならないということであって、これら位置ポイントは２本の非平行線を定義し、トラッカーによって観察でき、基準レファレンス１０若しくは１０´の構造に対してこれらの３次元位置が知られている既存のデータベースから識別することができる。１つの実施形態において、前記少なくとも３つの識別可能な位置ポイントに関する基準レファレンス１０、１０´の特定構造は、トラッカーのオペレーターによって明示されるが、例えば関連するパラメータのデータ入力によるか、或いはその使用前に基準レファレンス１０のスキャニングによるか、或いは基準レファレンス１０の複製のスキャニングによって明示され、少なくとも３つの位置ポイントを認識すると、それによって基準レファレンス１０、１０´の位置及び方向を決定することができる。その代わりに、前記システムは、前記少なくとも３つの識別可能な位置ポイントに関する情報及び基準レファレンス１０、１０´に関する別の映像情報を用いることができる。例えば、基準レファレンス１０、１０´上の外部縁の少なくとも一部分、若しくは観察可能な特定形状やマーカーが映像認識ソフトウェアによって用いられ、基準レファレンスの特定タイプや実例、若しくは既知の基準レファレンスのデータベースからの基準レファレンスの既知の映像に対するマッチを識別することができるが、前記データベースは、前記相応する特定構造に関する情報と、前記少なくとも３つの識別可能な位置ポイントの関係に関する情報を有する。

一般的に、基準レファレンス１０若しくは基準レファレンス１０の一部１０´上に一般分布で配置された多数の識別可能なポイントを適用することができるが、適用される識別可能なポイントの数が増加すると、この方法の正確性が向上する。

本明細書に記述された他の実施例において、少なくとも３つの予め識別されたポイントがトラッカーによって観察されることができ、基準レファレンスの構造に対するこれら３つの予め識別されたポイントの３次元位置が知られていれば、適用される全体基準レファレンスは、トラッカーによって観察されなくてもよい。前記基準レファレンスの構造は、前記オペレーターによって直接入力されてもよく、適切なデータベースから誘導されてもよい。

さらに詳細に、前記実施形態のうち、任意の実施形態の一般的な基準レファレンスの位置及び方向を３次元で決定するための前述した方法は、基準レファレンスの一部がトラッカーによって観察できるように前記基準レファレンスを配置する段階と、前記トラッカーから、前記トラッカーによって観察できる前記基準レファレンスの一部のスキャンデータを得る段階と、前記基準レファレンス上の位置ポイントに対し、設定された幾何学的情報を得る段階であって、前記幾何学的情報は前記基準レファレンスの構造に対する前記位置ポイントの３次元座標を含む段階と、前記スキャンデータ内で、前記設定された幾何学的情報内の少なくとも２本の非平行線に沿って配置された座標を有する少なくとも３つの位置ポイントを識別する段階と、前記スキャンデータと、前記設定された幾何学的情報内の前記少なくとも３つの識別された位置ポイントの座標から前記基準レファレンスの前記３次元位置及び方向を決定する段階とを含む。前記少なくとも３つの位置ポイントは、多数の位置ポイントを含むことができ、前記多数のポイントは３次元で分布することができる。

本発明は、例示的な設計を有するものと記述されたが、本発明は、本開示の精神及び範囲内でさらに変更することができる。したがって、本出願は、その一般的な原理を用いる本発明の任意の変異や使用若しくは変形を包括することを意図する。さらに、本出願は、本発明が属する技術分野で公知されているか、若しくは通常の慣行内に入るような本開示からの逸脱を包括することを意図している。

Claims (16)

1. 基準レファレンスの位置及び方向を３次元に決定するための方法であって、
   前記基準レファレンスの一部がトラッカーによって観察できるよう、前記基準レファレンスを配置する段階と、
   前記トラッカーから、前記トラッカーによって観察できる前記基準レファレンスの一部のスキャンデータを得る段階と、
   前記基準レファレンス上の位置ポイントに関して設定された幾何学的情報を得る段階であって、前記幾何学的情報は、前記基準レファレンスの構造に対する前記位置ポイントの３次元座標を含む段階と、
   前記スキャンデータ内で、前記設定された幾何学的情報内の少なくとも２本の非平行線に沿って配列された座標を有する少なくとも３つの位置ポイントを識別する段階と、
   前記スキャンデータと、前記設定された幾何学的情報内の前記少なくとも３つの識別された位置ポイントの座標から、前記基準レファレンスの前記３次元位置及び方向を決定する段階とを含む方法。
2. 前記少なくとも３つの位置ポイントは、多数の位置ポイントを含む、請求項０に記載の方法。
3. 前記多数のポイントは、３次元に分布されている、請求項０に記載の方法。
4. 前記少なくとも３つの位置ポイントは、２本の非平行線に沿って配列された座標を有する４つの位置ポイントである、請求項０に記載の方法。
5. 前記データベース内に前記設定された幾何学的情報を保存する段階をさらに含む、請求項０に記載の方法。
6. 前記得る段階は、前記基準レファレンスに対するマッチを見つけるためにデータベースを用いる段階を含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記得る段階は、前記基準レファレンスの複製をスキャニングする段階を含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記得る段階は、オペレーターが前記基準レファレンスに関する関連パラメータを入力する段階を含む、請求項１に記載の方法。
9. 基準レファレンスの位置及び方向を３次元に決定するためのシステムであって、
   プロセッサに関するデータを含むコンピューティング装置と、
   前記コンピューティング装置に接続され、手術部位から映像データを転送するように構成されているトラッカーとを含み、
   前記メモリは、多数のコンピューティング装置命令を保存し、
   前記多数の方法は、前記基準レファレンス上の位置ポイントに関して設定された幾何学的情報を得るため、前記トラッカーから、前記トラッカーによって観察できる前記基準レファレンスの少なくとも一部を含む映像データを得る命令を含み、
   前記幾何学的情報は、前記映像データ内で前記設定された幾何学的情報内の少なくとも２本の非平行線に沿って配列された座標を有する少なくとも３つの位置ポイントを識別し、前記スキャンデータと、前記設定された幾何学的情報内の前記少なくとも３つの識別された位置ポイントの座標から、前記基準レファレンスの前記３次元位置及び方向を決定できるよう、前記基準レファレンスの前記構造に対する前記位置ポイントの３次元座標を含むシステム。
10. 前記少なくとも３つの位置ポイントは、多数の位置ポイントを含む、請求項９に記載のシステム。
11. 前記多数の位置ポイントは、３次元に分布されている、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記少なくとも３つの位置ポイントは、２本の非平行線に沿って配列される座標を有する４つの位置ポイントである、請求項９に記載のシステム。
13. 前記データベース内に前記設定された幾何学的情報を保存する段階をさらに含む、請求項９に記載のシステム。
14. 前記設定された幾何学的情報を得るための前記命令は、前記基準レファレンスに対するマッチを見つけるためにデータベースを用いる命令を含む、請求項９に記載のシステム。
15. 前記基準レファレンス上の映像情報を得るために前記トラッカーを用いることにより、設定された幾何学的情報を得る命令をさらに含む、請求項９に記載のシステム。
16. 関連パラメータのオペレーターの入力により、設定された幾何学的情報を得る命令をさらに含む、請求項９に記載のシステム。

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