特許 6887069 生体構造を加工するためのシステム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6887069

(24)【登録日】2021年5月19日

(45)【発行日】2021年6月16日

(54)【発明の名称】生体構造を加工するためのシステム及び方法

(51)【国際特許分類】

   A61B 34/20 20160101AFI20210603BHJP

【ＦＩ】

   A61B34/20

【請求項の数】11

【外国語出願】

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2021-14559(P2021-14559)

(22)【出願日】2021年2月1日

(62)【分割の表示】特願2017-558694(P2017-558694)の分割

【原出願日】2016年5月18日

【審査請求日】2021年3月1日

(31)【優先権主張番号】62/163,672

(32)【優先日】2015年5月19日

(33)【優先権主張国】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】507280594

【氏名又は名称】マコ サージカル コーポレーション

(74)【代理人】

【識別番号】100099623

【弁理士】

【氏名又は名称】奥山 尚一

(74)【代理人】

【識別番号】100107319

【弁理士】

【氏名又は名称】松島 鉄男

(74)【代理人】

【識別番号】100125380

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 綾子

(74)【代理人】

【識別番号】100142996

【弁理士】

【氏名又は名称】森本 聡二

(74)【代理人】

【識別番号】100166268

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 祐

(74)【代理人】

【識別番号】100180231

【弁理士】

【氏名又は名称】水島 亜希子

(74)【代理人】

【識別番号】100096769

【弁理士】

【氏名又は名称】有原 幸一

(72)【発明者】

【氏名】ボウリング，デイヴィッド・ジーン

(72)【発明者】

【氏名】スチュアート，ジョン・マイケル

(72)【発明者】

【氏名】カルプ，ジェリー・エイ

(72)【発明者】

【氏名】マラコウスキー，ドナルド・ダブリュー

(72)【発明者】

【氏名】モクテスマ・デ・ラ・バレラ，ホセ・ルイス

(72)【発明者】

【氏名】レスラー，パトリック

(72)【発明者】

【氏名】ビア，ジョエル・エヌ

【審査官】 北川 大地

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／００３９６８１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０１６９４２３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ａ６１Ｂ ３４／２０

Ａ６１Ｂ ３４／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

生体構造を加工するための外科用システムであって、
ベース及びリンケージを有するマニピュレータと、
前記マニピュレータに連結された工具であって、前記生体構造と相互作用するために前
記ベースに対して移動可能になっている、工具と、
前記生体構造に関連する第１の仮想境界及び前記生体構造に関連する第２の仮想境界を
生成し、第１のモード及び第２のモードにおいて前記工具の移動を制御するように構成さ
れた制御装置であって、前記第１のモードにおいて、前記工具を前記第１の仮想境界に関
連して拘束するために、前記第１の仮想境界を有効化し、前記第２のモードにおいて、前
記工具を前記第２の仮想境界に関連して拘束するために、前記第１の仮想境界を無効化す
る、制御装置と、
備えている、外科用システム。

【請求項2】

前記制御装置は、前記第１のモードにおいて、前記工具が前記第２の仮想境界に達する
ことを阻止するように構成されている、請求項１に記載の外科用システム。

【請求項3】

前記制御装置は、前記第２のモードにおいて、前記工具が前記第２の仮想境界に達する
ことを可能にするように構成されている、請求項１に記載の外科用システム。

【請求項4】

区域が前記第１及び第２の仮想境界間に画定されており、前記制御装置は、前記工具が
前記第１のモードにおいて前記区域を貫通することを阻止し、前記工具が前記第２のモー
ドにおいて前記区域を貫通することを可能にするように構成されている、請求項１に記載
の外科用システム。

【請求項5】

前記第１の仮想境界は、前記生体構造の目標面から離間している、請求項１に記載の外
科用システム。

【請求項6】

前記第１のモードは、自律モード及び自動モードの一方であり、前記第２のモードは、
前記自律モード及び前記手動モードの他方である、請求項１に記載の外科用システム。

【請求項7】

前記第１及び第２のモードは、両方が自律モード又は両方が手動モードのいずれかであ
る、請求項１に記載の外科用システム。

【請求項8】

前記工具の送り速度は、前記第１及び第２のモード間において互いに異なっている、請
求項１〜７のいずれか１つに記載の外科用システム。

【請求項9】

前記制御装置は、前記第１のモードにおいて前記第２の仮想境界を有効化するように構
成されている、請求項１〜７のいずれか１つに記載の外科用システム。

【請求項10】

前記第１の仮想境界は、中間仮想境界としてさらに規定されており、前記第２の仮想境
界は、目標仮想境界としてさらに規定されている、請求項１〜７のいずれか１つに記載の
外科用システム。

【請求項11】

前記第１の仮想境界は、前記第２の仮想境界から離間している、請求項１〜７のいずれ
か１つに記載の外科用システム。

【請求項12】

前記制御装置は、前記第１のモードにおいて前記生体構造を塊切除するように前記工具
を制御するように、かつ前記第２のモードにおいて前記生体構造を微小切除するように前
記工具を制御するように、構成されている、請求項１〜７のいずれか１つに記載の外科用
システム。

【請求項13】

生体構造を工具によって加工するための外科用システムを操作する方法であって、
前記生体構造に関連する第１の仮想境界を画定するステップと、
前記生体構造に関連する第２の仮想境界を画定するステップと、
第１のモードにおいて、前記第１の仮想境界を有効化するステップと、
前記第１のモードにおいて、前記工具の移動を前記第１の仮想境界に関連して拘束する
ステップと、
第２のモードにおいて、前記第１の仮想境界を無効化するステップと、
前記第２のモードにおいて、前記工具の移動を前記第２の仮想境界に関連して拘束する
ステップと、
を含む、方法。

【請求項14】

前記第１のモードにおいて、前記工具が前記第２の仮想境界に達することを阻止するス
テップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記第２のモードにおいて、前記工具が前記第２の仮想境界に達することを可能にする
ステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。

【請求項16】

前記第１及び第２の仮想境界間の区域を画定するステップと、前記第１のモードにおい
て前記工具が前記区域を貫通することを阻止し、前記第２のモードにおいて前記工具が前
記区域を貫通することを可能にするステップとをさらに含む、請求項１３に記載の方法。

【請求項17】

前記第１の仮想境界を画定する前記ステップは、前記第１の仮想境界を前記生体構造の
目標面から離間させるようにさらに規定される、請求項１３に記載の方法。

【請求項18】

前記第１のモードにおいて前記工具の移動を拘束する前記ステップは、自律モード及び
手動モードの一方によって行われ、記第２のモードにおいて前記工具の移動を拘束する前
記ステップは、前記自律モード及び前記手動モードの他方によって行われる、請求項１３
に記載の方法。

【請求項19】

前記第１のモードにおいて前記工具の移動を拘束する前記ステップ及び前記第２のモー
ドにおいて前記工具の移動を拘束する前記ステップの両方が、自律モード又は自動モード
のいずれかによって行われる、請求項１３に記載の方法。

【請求項20】

前記第１及び第２のモード間の互いに異なる送り速度に従って前記工具を操作すること
をさらに含む、請求項１３〜１９のいずれか１つに記載の方法。

【請求項21】

前記第１及び第２のモード間の切換えを手動によって行うステップをさらに含む、請求
項１３〜１９のいずれか１つに記載の方法。

【請求項22】

前記第１及び第２のモード間の切換えを自律的に行うステップをさらに含む、請求項１
３〜１９のいずれか１つに記載の方法。

【請求項23】

前記第１のモードにおいて、前記第２の仮想境界を有効化するステップをさらに含む、
請求項１３〜１９のいずれか１つに記載の方法。

【請求項24】

前記第１のモードにおいて前記生体構造を塊切除し、前記第２のモードにおいて前記生
体構造を微細切除することをさらに含む、請求項１３〜１９のいずれか１つに記載の方法
。

【請求項25】

前記第１の仮想境界は、中間仮想境界としてさらに規定され、前記第２の仮想境界は、
目標仮想境界としてさらに規定される、請求項１３〜１９のいずれか１つに記載の方法。

【請求項26】

前記第１の仮想境界及び前記第２の仮想境界を互いに離間させることをさらに含む、請
求項１３〜１９のいずれか１つに記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

［関連出願の相互参照］
本願は、２０１５年５月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／１６３，６７２号
の優先権及び利得を主張するものであり、その開示内容は、参照することによって、その
全体がここに含まれるものとする。

【0002】

［発明の分野］
本発明は、一般的に、外科用システムの工具によって、生体構造を加工するためのシス
テム及び方法に関し、さらに詳細には、仮想境界を用いて工具を拘束するためのシステム
及び方法に関する。

【背景技術】

【0003】

最近、オペレータは、外科処置の手技を支援するためにロボット装置を用いることが有
用であることを見出してきている。ロボット装置は、典型的には、高度の正確さで配置さ
れ得る遠位自由端を有する移動可能なアームを備えている。外科部位に作用する工具がア
ームの自由端に取り付けられている。オペレータは、アームを移動させ、これによって、
工具を外科部位に正確に位置決めし、処置を行うことが可能になる。

【0004】

ロボット外科手術では、工具が作動される領域を工具が拘束される領域から線引きする
ために、外科手術前に、仮想境界がコンピュータ支援設計ソフトウエアを用いて生成され
る。例えば、整形外科手術では、外科手術の後に残る骨の区域から手術中に工具によって
除去される骨の区域を線引きするために、仮想切除境界が生成されることがある。

【0005】

仮想境界に対する工具の位置及び／又は方位を決定するために、ナビゲーションシステ
ムが工具の移動を追跡する。ロボットシステムは、ナビゲーションシステムと協働し、工
具が仮想境界を超えて移動しないように工具の移動を案内する。多くの場合、仮想境界は
、患者の骨のモデル内に生成され、骨に関して固定されており、これによって、モデルが
ナビゲーションシステムに読み込まれると、ナビゲーションシステムは、骨の移動を追跡
することによって、該仮想境界の移動を追跡することができる。

【0006】

多くの場合、オペレータは、外科手術中に種々の切除モードによる工具の動的制御を望
んでいる。例えば、場合によっては、オペレータは、生体構造の塊切除のために工具を手
動によって制御する手動モードを望むことがある。また、オペレータは、生体構造の自動
化された高精度の切除を行うための自律モードにおいて工具を制御することを望むことも
ある。従来のシステムでは、生体構造の目標面に関連する仮想境界は、制御のモードと無
関係に有効になっている。換言すれば、例えば、工具が自律モードによって制御されても
又は手動モードによって制御されても、同一の仮想境界が用いられることになる。マニピ
ュレータは、一般的に、いずれのモードであっても、境界を超える工具の前進を許容しな
い。しかし、場合によっては、マニピュレータは、境界を超える工具の移動を不注意によ
って許容することがある。例えば、手動モードにおいて、オペレータは、境界を超える工
具の移動を防ぐマニピュレータの能力を超える大きな力を工具に加えることがある。この
場合、仮想境界を超える生体構造の切除が生じ、これによって、所望の目標面から外れる
ことがある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

当技術分野において、少なくとも前述の課題を解決するためのシステム及び方法が必要
とされている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

生体構造を加工するためのシステムの一実施形態が提供される。システムは、ベース及
びリンケージを有するマニピュレータを備えている。工具は、マニピュレータに連結され
、生体構造と相互作用するためにベースに対して移動可能になっている。制御装置は、生
体構造に関連する第１の仮想境界及び生体構造に関連する第２の仮想境界を生成するよう
に構成されている。制御装置は、第１のモード及び第２のモードにおいて工具の移動を制
御するように構成されている。制御装置は、第１のモードにおいて、工具を第１の仮想境
界に関連して拘束するために、第１の仮想境界を有効化するようになっている。制御装置
は、第２のモードにおいて、工具を第２の仮想境界に関連して拘束するために、第１の仮
想境界を無効化にするようになっている。

【0009】

工具によって生体構造を加工するように外科用システムを操作する方法の一実施形態が
提供される。この方法は、生体構造に関連する第１の仮想境界及び生体構造に関連する第
２の仮想境界を画定することを含んでいる。第１のモードにおいて、第１の仮想境界が有
効化される。第１のモードでは、工具の移動は、第１の仮想境界に関連して拘束されるこ
とになる。第２のモードにおいて、第１の仮想境界は、無効化される。第２のモードでは
、、工具の移動は、第２の仮想境界に関連して拘束されることになる。

【0010】

本システム及び方法は、有利には、第１及び第２のモード間における中間仮想境界の有
効化を選択的に制御する機会をもたらす。その結果、本システム及び方法は、第１及び第
２のモードの各々に対して異なる仮想境界構成をもたらし、これによって、外科用システ
ムの汎用性及び性能を高めることができる。

【0011】

本発明の利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによってより理
解されれば、容易に了解されるだろう。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態による工具によって患者の生体構造を加工するためのシステムの斜視図である。

【図2】本発明の一実施形態による外科用システムを制御するための制御装置の概略図である。

【図3】本発明の一実施形態による目標面を形成するために工具経路に沿って生体構造と相互作用する工具を示す図である。

【図4】工具が目標仮想境界に関して離間した中間仮想境界に関連して拘束されている第１のモードにおけるシステムの操作を示す図である。

【図5】工具が生体構造の目標面から位置ずれした目標仮想境界に関連して拘束されている第２のモードにおけるシステムの操作を示す図である。

【図6】工具が中間仮想境界に関連して拘束されており、目標仮想境界が有効化されて維持されている第１のモードにおけるシステムの操作を示す図である。

【図7】工具が生体構造の目標面と一直線に並んだ目標仮想境界に関連して拘束されている第２のモードにおけるシステムの操作を示す図である。

【図8】工具が中間仮想境界に関連して拘束されており、目標仮想境界が無効化されている第１のモードにおけるシステムの操作を示す図である。

【図9】工具が目標仮想境界と異なる輪郭を有する中間仮想境界に関連して拘束されている第１のモードにおけるシステムの操作を示す図である。

【図10】工具が目標面と異なる輪郭を有する目標仮想境界に関連して拘束されている第２のモードにおけるシステムの操作を示す図である。

【図11】工具が中間仮想境界と目標仮想境界との間に拘束されている第１のモードにおけるシステムの操作を示す図である。

【図12】工具が中間仮想境界と目標面との間に拘束されている第１のモードにおけるシステムの操作を示す図である。

【図13】図１３Ａ、図１３Ｂおよび図１３Ｃは、一例による第１のモードにおける塊切除の後に生じる生体構造の特性を示す図である。

【図14】図１４Ａ、図１４Ｂおよび図１４Ｃは、一例による第２のモードにおける微細切除の後に生じる生体構の特性を示す図である。

【図15】各々が個別のモードにおいて有効化される３つの仮想境界を用いるシステムの操作を示す図である。

【図16】２つ以上の工具及び同時に有効化された３つの仮想境界を用いるシステムの操作を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

［Ｉ．概観］
図面を参照すると、患者１２の生体構造を加工するためのシステム１０及び方法が図面
の全体にわたって示されている。なお、いくつかの図面を通して、同様の番号は、同様又
は対応する部品を示すものとする。図１に示されているように、システム１０は、骨又は
軟組織のような患者１２の生体構造から材料を切除するためのロボット外科切除システム
である。図１において、患者１２は、外科処置を受けている。図１の生体構造は、患者１
２の大腿骨（Ｆ）及び脛骨（Ｔ）を含んでいる。外科処置は、組織除去を含んでいる。他
の実施形態では、外科処置は、部分膝関節置換手術又は全膝関節置換手術及び股関節置換
手術を含んでいる。システム１０は、股関節移植片又は膝関節移植片のような外科移植片
によって置換されることになる材料を切除するように設計されている。なお、膝関節移植
片は、単顆移植片、双顆移植片、及び全膝移植片を含んでいる。これらの形式の移植片の
いくつかは、「人工移植片及び移植の方法」と題する米国特許出願第１３／５３０，９２
７号に示されている。この開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとす
る。当業者であれば、ここに開示されるシステム及び方法は、他の外科処置又は非外科処
置を行うために用いられてもよいし、又はロボットシステムが利用される産業用途又は他
の用途に用いられてもよいことを理解するだろう。

【0014】

システム１０は、マニピュレータ１４を備えている。マニピュレータ１４は、ベース１
６及びリンケージ１８を有してる。リンケージ１８は、直列アーム構成又は平行アーム構
成を形成するリンクを備えているとよい。工具２０がマニピュレータ１４に連結されてお
り、生体構造と相互作用するためにベース１６に対して移動可能になっている。工具２０
は、マニピュレータ１４に取り付けられたエンドエフェクタ２２の一部をなすものである
。工具２０は、オペレータによって把持されるようになっている。マニピュレータ１４及
び工具２０の１つの例示的な構成が、「外科用器具を多重モードによって制御することが
できる外科用マニピュレータ」と題する米国特許第９，１１９，６５５号に記載されてい
る。この開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。マニピュレー
タ１４及び工具２０は、代替的な形態を有するように構成されてもよい。工具２０は、２
０１４年３月１５日に出願された「外科用ロボットマニピュレータのエンドエフェクタ」
と題する米国特許出願公開２０１４／０２７６９４９号に示されている工具と同様のもの
とすることができる。この文献は、参照することによって、ここに含まれるものとする。
工具２０は、外科部位において患者１２の組織に接触するように設計されたエネルギーア
プリケータ２４を備えている。エネルギーアプリケータ２４は、ドリル、鋸ブレード、バ
ー、超音波振動チップ、プローブ、等であるとよい。また、マニピュレータ１４は、マニ
ピュレータコンピュータ２６又は他の形式の制御ユニットを収容している。

【0015】

図２を参照すると、システム１０は、制御装置３０を備えている。制御装置３０は、マ
ニピュレータ１４を制御するためのソフトウエア及び／又はハードウエアを含んでいる。
制御装置３０は、マニピュレータ１４の運動を指示し、座標系に対する工具２０の方位を
制御する。一実施形態では、座標系は、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬ（図１参照）であ
る。マニピュレータ座標系ＭＮＰＬは、原点を有しており、該原点は、マニピュレータ１
４上の一点に位置している。マニピュレータ座標系ＭＮＰＬの一例が、「外科用器具を多
重モードによって制御することができる外科用マニピュレータ」と題する米国特許第９，
１１９，６５５号に記載されている。この開示内容は、参照することによって、ここに含
まれるものとする。

【0016】

システム１０は、ナビゲーションシステム３２をさらに備えている。ナビゲーションシ
ステム３２の一例が、２０１３年９月２４日に出願された「光学的及び非光学的センサを
備えるナビゲーションシステム」と題する米国特許第９，００８，７５７号に記載されて
いる。この文献は、参照することによって、ここに含まれるものとする。ナビゲーション
システム３２は、種々の対象物の移動を追跡するようになっている。このような対象物と
して、例えば、工具２０及び生体構造、例えば、大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔが挙げられる。ナビ
ゲーションシステム３２は、これらの対象物を追跡し、ローカライザー座標系ＬＣＬＺに
おける各対象物の位置情報を収集する。ローカライザー座標系ＬＣＬＺの座標は、従来の
変換技術を用いて、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬに変換されるとよい。ナビゲーション
システム３２は、オペレータに対してそれらの対象物の相対位置及び相対方位の仮想イメ
ージを表示することもできるようになっている。

【0017】

ナビゲーションシステム３２は、ナビゲーションコンピュータ３６を収容するコンピュ
ータカートアセンブリ３４、及び／又は他の形式の制御ユニットを備えている。ナビゲー
ションインターフェイスが、ナビゲーションコンピュータ３６と作動的に通信するように
なっている。ナビゲーションインターフェイスは、１つ又は複数のディスプレイ３８を含
んでいる。キーボード及びマウスのような第１及び第２の入力装置４０，４２を用いて、
情報をナビゲーションコンピュータ３６に入力し、又はナビゲーションコンピュータ３６
のいくつかの特性を選択／制御するようになっているとよい。（図示されない）タッチス
クリーン又は音声起動を含む他の入力装置４０，４２も考えられる。制御装置３０は、シ
ステム１０内の任意の適切な１つ又は複数の装置、例えば、制限されないが、マニピュレ
ータコンピュータ２６、ナビゲーションコンピュータ３６、及びその任意の組合せに実装
されているとよい。

【0018】

ナビゲーションシステム３２は、ナビゲーションコンピュータ３６と通信するローカラ
イザー４４も備えている。一実施形態では、ローカライザー４４は、光学的ローカライザ
ーであり、カメラユニット４６を備えている。カメラユニット４６は、１つ又は複数の光
学位置センサ５０を収容する外側ケーシング４８を有している。システム１０は、１つ又
は複数のトラッカーを備えている。トラッカーは、ポインタートラッカーＰＴ、工具トラ
ッカー５２、第１の患者トラッカー５４、及び第２の患者トラッカー５６を含んでいると
よい。トラッカーは、アクティブマーカー５８を含んでいる。アクティブマーカー５８は
、発光ダイオード又はＬＥＤであるとよい。他の実施形態では、トラッカー５２，５４，
５６は、パッシブマーカー、例えば、カメラユニット４６から放出された光を反射する反
射鏡を有しているとよい。当業者であれば、ここに具体的に記載されない他の適切な追跡
システム及び方法が利用されてもよいことを理解するだろう。

【0019】

図１の例示的実施形態では、第１の患者トラッカー５４は、患者１２の大腿骨Ｆにしっ
かりと固定されており、第２の患者トラッカー５６は、患者１２の脛骨Ｔにしっかりと固
定されている。患者トラッカー５４，５６は、骨の部分にしっかりと固定されている。工
具トラッカー５２は、工具２０にしっかりと取り付けられている。トラッカー５２，５４
，５６は、どのような適切な方法によってそれぞれの構成要素に固定されてもよいことを
理解されたい。

【0020】

トラッカー５２，５４，５６は、カメラユニット４６と通信し、位置データをカメラユ
ニット４６に供給する。カメラユニット４６は、トラッカー５２，５４，５６の位置デー
タをナビゲーションコンピュータ３６に供給する。一実施形態では、ナビゲーションコン
ピュータ３６は、大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔの位置データ及び工具２０の位置データを決定し、
該位置データをマニピュレータコンピュータ２６に送信する。大腿骨Ｆ、脛骨Ｔ、及び工
具２０の位置データは、従来の位置合せ／ナビゲーション技術を用いて、トラッカー位置
データによって決定されるとよい。位置データは、大腿骨Ｔ、脛骨Ｔ、工具２０及び追跡
される任意の他の対象物の位置及び／又は方位に対応する位置情報を含んでいる。ここに
記載される位置データは、位置データ、方位データ、又は位置データと方位データとの組
合せであってもよい。

【0021】

マニピュレータコンピュータ２６は、工具２０に対するナビゲーション基データ及び工
具２０に対するエンコーダ基データを用いて変換行列を決定することによって、位置デー
タをローカライザー座標系ＬＣＬＺからマニピュレータ座標系ＭＮＰＬに変換する。エン
コーダに基づく位置データを決定するために、マニピューレータ１４の継手に位置する（
図示されない）エンコーダが用いられる。マニピュレータコンピュータ２６は、エンコー
ダを用いて、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬにおける工具２０のエンコーダに基づく位置
及び方位を計算する。また、工具２０の位置及び方位は、ローカライザ座標系ＬＣＬＺに
おいて知られているので、変換行列が生成されることになる。

【0022】

図２に示されているように、制御装置３０は、ソフトウエアモジュールをさらに備えて
いる。ソフトウエアモジュールは、システム１０の制御を支援するようにデータを処理す
るためにマニピュレータコンピュータ２６、ナビゲーションコンピュータ３６、又はその
組合せに作用する１つ又は複数のコンピュータプログラムの一部であるとよい。ソフトウ
エアモジュールは、マニピュレータコンピュータ２６、ナビゲーションコンピュータ３６
、又はその組合せのメモリに記憶され、コンピュータ２６，３６の１つ又は複数のプロセ
ッサによって実行される指令の組を含んでいる。加えて、オペレータに指示及び／又は通
信するソフトウエアモジュールは、１つ又は複数のプログラムの一部をなしていてもよく
、マニピュレータコンピュータ２６、ナビゲーションコンピュータ３６、又はその組合せ
のメモリに記憶された指令を含んでいてもよい。オペレータは、第１及び第２の入力装置
４０，４２及び１つ又は複数のディスプレイ３８と相互作用し、ソフトウエアモジュール
と通信するようになっている。

【0023】

一実施形態では、制御装置３０は、マニピュレータ１４の運動を指示するようにデータ
を処理するためのマニピュレータ制御装置６０を備えている。マニピュレータ制御装置６
０は、単一源又は多数源からデータを受信し、かつ処理するようになっているとよい。

【0024】

制御装置３０は、大腿骨Ｆ、脛骨Ｔ、及び工具２０に関する位置データをマニピュレー
タ制御装置６０に通信するためのナビゲーション制御装置６２をさらに備えている。マニ
ピュレータ制御装置６０は、ナビゲーション制御装置６２から供給された位置データを受
信し、マニピュレータ１４の運動を指示するように処理する。一実施形態では、図１に示
されているように、ナビゲーション制御装置６２は、ナビゲーションコンピュータ３６に
実装されている。

【0025】

また、マニピュレータ制御装置６０又はナビゲーション制御装置６２は、大腿骨Ｆ及び
／又は脛骨Ｔ及び工具２０のイメージをディスプレイ３８上に表示することによって、患
者１２及び工具２０の位置をオペレータに知らせるようになっているとよい。また、オペ
レータがマニピュレータ１４を指示するためにマニピュレータコンピュータ２６と相互作
用することができるように、マニピュレータコンピュータ２６又はナビゲーションコンピ
ュータ３６は、指示又はリクエスト情報をディスプレイ３８上に表示するようになってい
るとよい。

【0026】

図２に示されているように、制御装置３０は、境界生成器６６を備えている。境界生成
器６６は、図２に示されているように、マニピュレータ制御装置６０に実装されるとよい
ソフトウエアモジュールである。代替的に、境界生成器６６は、ナビゲーション制御装置
６２のような他の構成要素に実装されていてもよい。以下に詳細に示されているように、
境界生成器６６は、工具２０を拘束するための仮想境界を生成するようになっている。

【0027】

工具経路生成器６８は、制御装置３０、さらに具体的には、マニピュレータ制御装置６
０によって処理される他のソフトウエアである。工具経路生成器６８は、図３に示されて
いるように、移植片を受け入れるために一部が除去されるべき骨を示す工具経路７０を生
成するようになっている。図３において、工具経路７０は、ジグザグ線によって表されて
いる。仕上げ面の滑らかさ及び品質は、その一部がジグザグ線の相対的な位置決めに依存
している。さらに具体的には、線のジグザグ経路が狭いほど、仕上げ面の正確さ及び滑ら
かさが大きくなる。破線８４は、マニピュレータ１４を用いて除去されるべき骨の外周を
表している。工具経路７０を生成するための１つの例示的システム及び方法が、「外科用
器具を多重モードによって制御することができる外科用マニピュレータ」と題する米国特
許第９，１１９，６５５号に記載されている。この開示内容は、参照することによって、
ここに含まれるものとする。

【0028】

［ＩＩ．システム及び方法の概観］
工具２０によって生体構造を加工するためのシステム１０及び方法は、図４，５に示さ
れているように、生体構造に関連する第１の仮想境界又は中間仮想境界９０及び第２の仮
想境界又は目標仮想境界８０を制御装置３０によって画定することを含んでいる。中間仮
想境界９０は、目標仮想境界８０から離間している。中間仮想境界９０は、図４に示され
ているように、第１のモードにおいて有効化される。第１のモードでは、工具２０の移動
は、中間仮想境界９０に関連して拘束されることになる。中間仮想境界９０は、図５に示
されているように、第２のモードにおいて無効化される。第２のモードでは、工具２０の
移動は、目標仮想境界８０に関連して拘束されることになる。

【0029】

仮想境界８０，９０を生成するための１つの例示的なシステム及び方法が、「外科用器
具を多重モードによって制御することができる外科用マニピュレータ」と題する米国特許
第９，１１９，６５５号に記載されている。この開示内容は、参照することによって、こ
こに含まれるものとする。境界生成器６６は、目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０を
画定するマップを生成する。これらの境界８０，９０は、工具２０が除去するべき組織と
工具２０が除去するべきではない組織との間を線引きする。代替的に、これらの境界８０
，９０は、工具２０のエネルギーアプリケータ２４が作用するべき組織とエネルギーアプ
リケータ２４が作用するべきではない組織との間を線引する。従って、目標仮想境界８０
及び中間仮想境界９０は、切断境界又は加工境界であり、工具２０の移動を制限すること
になる。多くの場合、制限されるものではないが、仮想境界８０，９０は、患者１２内に
画定されるようになっている。

【0030】

図面の全体を通して、目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０は、第１及び第２のモー
ド間において、工具２０の移動を独立して拘束するようになっている。すなわち、工具２
０は、第１のモードにおける中間仮想境界９０又は第２のモードにおける目標仮想境界８
０のいずれかによって拘束されるようになっている。工具２０の移動を拘束するための方
法は、「外科用工具を多重モードによって制御することができる外科用マニピュレータ」
と題する米国特許第９，１１９，６５５号に記載されている。この開示内容は、参照する
ことによって、ここに含まれるものとする。

【0031】

外科用システム１０は、工具２０の種々の拘束形態をもたらすために、第１及び第２の
モード間の切換えを行うことが可能になっている。図５に示されているように、第１のモ
ードが第２のモードに切り換えられた時、目標仮想境界８０を残して、中間仮想境界９０
が無効化される。従って、第２のモードでは、工具２０は、目標仮想境界８０に達するこ
とが可能である。何故なら、中間仮想境界９０が工具２０を拘束しないからである。工具
２０は、中間仮想境界９０が無効化された時、目標仮想境界８０に関連して拘束されるこ
とになる。

【0032】

第２のモードが図４に示されているように第１のモードに切り換えられた時、中間仮想
境界９０は、有効化又は再有効化される。中間仮想境界９０が有効化された時、工具２０
は、中間仮想境界９０に関連して拘束される。従って、第１のモードでは、中間仮想境界
９０は、工具２０が目標仮想境界８０に達するのを防ぐことになる。

【0033】

マニピュレータ１４は、制御装置３０から指令を受信し、工具２０を第１のモードにお
ける中間仮想境界９０及び／又は第２のモードにおける目標仮想境界８０に関連して移動
させるように、構成されている。ナビゲーションシステム３２は、第１のモードにおける
中間仮想境界９０及び／又は第２のモードにおける目標仮想境界８０に関連して工具２０
の移動を追跡する。工具２０が移動すると、マニピュレータ１４及びナビゲーションシス
テム３２は、協働して、工具２０が第１のモードにおける中間仮想境界９０及び／又は第
２のモードにおける目標仮想境界９０の内側にあるかどうかを判断する。マニピュレータ
１４は、工具２０が移動する程度を選択的に制限する。具体的には、制御装置３０は、第
１のモードにおける中間仮想境界９０及び／又は第２のモードにおける目標仮想境界８０
の外側への工具２０の作用をもたらす移動からマニピュレータ１４を拘束することになる
。もしオペレータが、第１のモードにおける中間仮想境界９０及び／又は第２のモードに
おける目標仮想境界８０を超える工具２０の前進をもたらす力及びトルクを加えたなら、
マニピュレー１４は、工具２０のこの意図された位置付けを実行しないようになっている
。

【0034】

図５に示されているように、目標仮想境界８０は、生体構造、さらに具体的には、生体
構造の目標面９２と関係付けられている。目標仮想境界８０は、目標面９２に関連して画
定されている。目標面９２は、除去処置の後に残る骨の輪郭であり、移植片が取り付けら
れるべき表面でもある。換言すれば、目標面９２は、切除が完了した後に残る切れ目なく
画定された表面領域である。

【0035】

図５に示されているように、処置中、目標仮想境界８０は、目標面９２からいくらか位
置ずれ又は離間しているとよい。一実施形態では、これは、工具２０の大きさ及び加工特
性を考慮してなされる。工具２０の加工特性によって、工具２０が目標仮想境界８０を突
き破ることがある。この突き破りを考慮し、目標仮想境界８０は、目標面９２と目標仮想
境界８０との間に画定された所定距離だけ目標面８２から平行移動されているとよい。一
例では、この距離は、工具２０の厚みの半分に相当する。他の実施形態では、目標仮想境
界８０は、工具２０及びエネルギーアプリケータ２４がいかに追跡されるかに応じて、目
標面９２からいくらか位置ずれ又は離間しているとよい。例えば、エネルギーアプリケー
タ２４は、エネルギーアプリケータ２４の外側の切除面に基づく点よりもむしろエネルギ
ーアプリケータ２４の中心に基づく点に基づいて追跡されるとよい。このような場合、目
標仮想境界８０を目標面９２から位置ずれさせることによって、目標面９２への行き過ぎ
を防ぐように中心追跡を調整することができる。例えば、工具２０のエネルギーアプリケ
ータが球形バーである時、目標仮想境界は、バーの工具中心点（ＴＣＰ）が追跡された時
にバーの直径の半分だけ位置ずれすることになる。その結果、ＴＣＰが目標仮想境界８０
上に位置する時、バーの外面が目標面９２上に位置することになる。

【0036】

中間仮想境界９０は、目標仮想境界８０から離間している。図４に示されているように
、中間仮想境界９０は、目標仮想境界８０が目標面９２から離間しているよりも目標面９
２から大きく離間している。本質的に、目標仮想境界８０は、目標面９２と中間仮想境界
９０との間に位置している。中間仮想境界９０が目標面９２から大きく離間しているので
、工具２０の移動は、一般的に、目標仮想境界８０に関連して拘束されるのと比較して、
中間仮想境界９０に関連してより大きく拘束されることになる。換言すれば、工具２０の
移動は、第２のモードにおけるのと比較して第１のモードにおいてより大きく拘束される
ことになる。

【0037】

図４に示されているように、区域１００が目標仮想境界８０と中間仮想境界９０との間
に画定されている。境界８０，９０は、どのような適切な距離だけ互いに離間していても
よい。一例では、目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０が略０．５ｍｍだけ離間してい
る場合、区域１００は、０．５ｍｍの厚みを有することになる。一面では、中間仮想境界
９０は、目標仮想境界８０に関してオフセット境界と考えられる。一般的に、制御装置３
０は、第１のモードにおいて、工具２０が区域１００を貫通するのを阻止するようになっ
ている。第１のモードにおける工具２０の区域１００の貫通阻止は、目標仮想境界８０が
有効であるかどうかに関わらずに生じるようになっているとよい。制御装置３０は、第２
のモードでは、工具２０が区域１００を貫通することを可能にする。区域１００は、目標
仮想境界８０及び／又は中間仮想境界９０が有効であるか又は無効であるかに関わらず画
定されるとよい。

【0038】

目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０は、図４に示されているように、同一の輪郭を
有しているとよい。具体的には、目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０は、目標面９２
と同様の輪郭を有している。同様の輪郭は、目標面９２の段階的な形成を促進するのに有
益である。

【0039】

ディスプレイ３８は、目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０、並びに治療されている
生体構造のイメージを示すとよい。加えて、目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０に関
連する情報は、マニピュレータ制御装置６０に送信され、工具２０がこれらの仮想境界８
０，９０に侵入しないように、該仮想境界８０，９０に対するマニピュレータ１４及び工
具２０の対応する移動を案内するようになっているとよい。

【0040】

マニピュレータ制御装置６０は、目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０の移動を連続
的に追跡するとよい。場合によっては、生体構造は、処置中に第１の位置から第２の位置
に移動することがある。このような場合、マニピュレータ制御装置６０は、仮想境界８０
，９０の位置を生体構造の第２の位置と一致するように更新することになる。

【0041】

一実施形態では、第１のモード及び／又は第２のモードは、自律モード又は手動モード
である。自律モード及び手動モードの例は、「外科用器具を多重モードによって制御する
ことができる外科用マニピュレータ」と題する米国特許第９，１１９，６５５号に記載さ
れている。この開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。

【0042】

一実施形態では、第１のモードにおいて、システムは、手動モードによって運転される
ようになっている。オペレータは、手動によって指示し、マニピュレータ１４は、外科部
位にある工具２０、従って、エネルギーアプリケータ２４の移動を制御する。オペレータ
は、工具２０の移動を生じさせるために工具２０と物理的に接触する。マニピュレータ１
４は、工具２０を位置決めするために、オペレータによって工具２０に加えられた力及び
トルクを監視する。これらの力及びトルクは、マニピュレータ１４の一部であるセンサに
よって測定される。加えられた力及びトルクに応じて、マニピュレータ１４は、オペレー
タによって加えられた力及びトルクに基づいて生じ得る移動を実行することによって、工
具２０を機械的に移動させることになる。第１のモードにおける工具２０の移動は、中間
仮想境界９０に関連して拘束される。この場合、中間仮想境界９０が触覚境界として作用
し、マニピュレータ１４は、オペレータに触覚フィードバックをもたらし、中間仮想境界
９０の位置をオペレータに示すことになる。例えば、マニピュレータ１４が中間仮想境界
９０を超える工具２０の移動を抑止又は阻止することによって、オペレータは、中間仮想
境界９０に達した時に仮想壁を触覚によって検知することになる。

【0043】

第１のモードにおける手動加工中のどんな時でも、又は第１のモードにおける加工が完
了した後、システム１０は、第１のモードから第２のモードへの切換えを行うことができ
る。一実施形態では、第１のモードと第２のモードとの間の切換えは、手動入力に応じて
行われる。例えば、オペレータは、ある種の制御を用いて、第１及び第２のモードのいず
れが有効であるかを遠隔的に管理することができる。代替的に、切換えは、特定の事象又
は条件に応じて自律的に行われてもよい。例えば、システム１０は、第１のモードにおい
て必要量の組織が除去されたと判断し、それに応じて、第２のモードへの切換えを行うよ
うになっていてもよい。当業者であれば、第１のモードと第２のモードとの間の切換えは
、ここに明示的に記載されない他の方法によって行われてもよいことを理解するだろう。

【0044】

第２のモードにおいて、一実施形態では、マニピュレータ１４は、外科部位にある工具
２０、従って、エネルギーアプリケータ２４の自律運動を指示するようになっている。マ
ニピュレータ１４は、オペレータの支援なしに工具２０を移動させることができる。「オ
ペレータの支援なし」は、工具２０を移動させる力を加えるためにオペレータが工具２０
に物理的に接触しないことを意味している。代わって、オペレータは、ある種の制御を用
いて、移動の開始及び停止を遠隔的に管理することになる。例えば、オペレータは、工具
２０の移動を開始する遠隔制御のボタンを押下し、工具２０の移動を停止するために該ボ
タンを解放するとよい。代替的に、オペレータは、工具２０の移動を開始するボタンを押
し、工具２０の移動を停止するボタンを押すようになっていてもよい。第２のモードにお
ける工具２０の移動は、目標仮想境界８０に関連して拘束されることになる。

【0045】

システム１０及び方法は、有利には、第１のモードと第２のモードとの間で中間仮想境
界９０の有効化を選択的に制御する機会をもたらすようになっている。これによって、シ
ステム１０及び方法は、第１及び第２のモードの各々に対して種々の仮想境界構成をもた
らすことになる。その結果、外科用システム及びオペレータの手技の融通性が高められる
ことになる。いくつかの実施形態では、これは、有利には、オペレータが第１のモードに
おいて塊加工を行うようにマニピュレータ１４を用いる機会をもたらす。オペレータは、
最初、組織の大きな塊を除去するために工具２０を手動によって作動させるとよい。処置
のこの部分は、減量（debulking）と呼ばれることもある。中間仮想境界９０が工具２０
を目標面９２から離れて拘束していることを知っているオペレータは、自律加工中におけ
るよりも著しく迅速な塊加工を行う措置を取ることができる。いったん組織の塊が手動に
よって除去されたなら、システム１０は、第２のモードに切換えられ、組織の残りの部分
の自律加工を極めて正確かつ制御された方法によって行うことができる。換言すれば、第
２のモードでは、オペレータは、残りの組織の表面を画定するために、器具の微細な位置
決めを必要とする。処置のこの部分は、仕上げ切除（finishing cut）としても知られて
いる。この仕上げ切除が可能になるのは、中間仮想境界９０が無効化され、目標仮想境界
８０が有効化されているからである。

【0046】

［ＩＩＩ．他の実施形態］
目標及び仮想境界８０，９０は、マニピュレータ１４、さらに具体的には、境界生成器
６６への種々の入力値から導かれるとよい。境界生成器６６への１つの入力値として、処
置が行われるべき部位の術前イメージが挙げられる。もしマニピュレータ１４が、患者１
２に移植片が装着されるように組織を選択的に除去するようになっていたなら、境界生成
器６６への第２の入力値は、移植片の形状のマップである。このマップの当初のバージョ
ンは、移植片データベースから得られるとよい。移植片の形状は、移植片を受け入れるた
めに除去されるべき組織の境界を画定する。この関係は、移植片が患者１２の骨に装着さ
れることが意図された成形外科移植片の場合、特に当てはまる。

【0047】

境界生成器６６への他の入力値は、オペレータ設定値である。これらの設定値は、エネ
ルギーアプリケータ２４がどの組織に作用されるべきかを指示する値であるとよい。もし
エネルギーアプリケータ２４が組織を除去するようになっていたなら、設定値は、除去さ
れるべき組織とエネルギーアプリエータ２４の作用の後に残る組織との間の境界を識別す
る値であるとよい。もしマニピュレータ１４が整形外科移植片の取付けを助長するように
なっていたなら、これらの設定値は、どの組織上に移植片が位置決めされるべきかを規定
する値であるとよい。これらの設定値は、データ処理ユニットを用いて、術前に入力され
るとよい。代替的に、これらの設定値は、システム１０の構成要素の１つに関係付けられ
た入力／出力ユニット、例えば、ナビゲーションインターフェイス４０，４２によって入
力されてもよい。

【0048】

前述の入力データ及び指令に基づき、境界生成器６６は、目標仮想境界８０及び中間仮
想境界９０を生成するとよい。境界８０，９０は、二次元であってもよいし、三次元であ
ってもよい。例えば、目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０は、図示されているように
、仮想マップ又は他の三次元モデルとして生成されるとよい。生成されたマップ又はモデ
ルは、工具２０の移動を案内することになる。モデルは、対象物の位置を示すためにディ
スプレイ３８上に表示されるとよい。加えて、モデルに関する情報は、マニピュレータ制
御装置６０に送信され、目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０に関連してマニピュレー
タ１４及び工具２０の対応する移動を案内するようになっているとよい。

【0049】

実際には、処置の開始前に、外科部位におけるオペレータは、目標仮想境界８０及び中
間仮想境界９０の当初バージョンを設定するとよい。処置の開始時に、患者１２に実際に
装着されるべき移植片をさらに正確に画定するデータが、境界生成器６６内に読み込まれ
るとよい。このようなデータは、移植片に関係付けられた記憶装置、例えば、メモリステ
ィク又はＲＦＩＤタグから得られるとよい。このようなデータは、境界生成器６６に供給
される移植片データベースデータの構成部分であってもよい。これらのデータは、特定の
移植片の製造後測定値に基づくものである。これらのデータは、製造のバラツキによって
移植片形状の先に記憶された入手可能な画定といくらか異なる可能性がある特定移植片の
形状の画定をもたらすことになる。移植片に固有のデータに基づき、境界生成器６６は、
除去されるべき組織と残存させるべき組織との間の境界を示す目標仮想境界８０及び中間
仮想境界９０を更新するとよい。患者１２内に移植される移植片の例として、２０１２年
６月２２日に出願された「人工移植片及び移植の方法」と題する米国特許出願第１３／５
３０，９２７号に示されるものが挙げられる。この文献は、参照することによって、ここ
に含まれるものとする。適切な量の材料、例えば、骨が除去された後、ここに開示されて
いる移植片を患者１２内に移植することができる。他の移植片も考えられる。

【0050】

一実施形態では、目標仮想境界８０は、生体構造に関係付けられた座標系の点から導か
れるようになっている。目標仮想境界８０は、捕捉された点の各々を互いに接続すること
によって補間されるとよい。これによって、目標仮想境界８０を画定するウエブ又はメッ
シュが生じることになる。もし２つの点のみが捕捉されたなら、目標仮想境界８０は、こ
れらの点間の線になる。もし３つの点が捕捉されたなら、目標仮想境界８０は、互いに隣
接する点を接続する２つの線によって形成されることになる。ディスプレイ３８は、生じ
た目標仮想境界８０の形状の仮想フィードバックをもたらすとよい。入力装置４０，４２
を利用して、例えば、境界を移動させることによって、境界を拡大又は収縮することによ
って、又は目標仮想境界８０の形状を変化させることによって、目標仮想境界８０を制御
及び修正するとよい。当業者であれば、目標仮想境界８０は、ここに具体的に記載されな
い他の方法によって生成されてもよいことを理解するだろう。

【0051】

目標仮想境界８０の代替的配置及び構成が、図７，１０に示されている。場合によって
は、図７に示されているように、目標仮想境界８０と生体構造の目標面９２との間に位置
ずれを生じさせず、むしろ目標仮想境界８０を目標面９２と直接一致させると適切なこと
がある。例えば、工具２０の加工特性によっては、工具２０が目標仮想境界８０を超えな
いことがある。追加的又は代替的に、工具２０は、エネルギーアプリケータ２４の中心点
ではなくエネルギーアプリケータ２４の外面の点に基づいて、追跡される場合がある。こ
のような場合、目標仮想境界８０を目標面９２と一致させることによって、目標面９２を
生じさせる正確な加工を行うことができる。さらに他の実施形態では、工具２０は、工具
２０の外面の移動の範囲を輪郭付けする包絡線に基づいて追跡されることがある。例えば
、工具２０が鋸ブレードである時、包絡線は、鋸ブレードの振動中の鋸ブレードの外面の
移動が包絡線内に捕捉されるように、鋸ブレードの外面の移動の範囲を含むことになる。
目標仮想境界８０の位置決めは、このような包絡線を考慮するとよい。

【0052】

他の例では、図５に示されているように、目標仮想境界８０は、概して目標面９２と一
致していない。代わって、目標仮想境界８０は、目標面９２から離間し、目標面９２を超
えて位置している。当業者であれば、目標仮想境界８０がここに具体的に記載されない他
の構成を有していてもよいことを理解するだろう。

【0053】

中間仮想境界９０は、目標仮想境界８０と同様の方法によって形成されるとよい。代替
的に、制御装置３０は、目標仮想境界８０から中間仮想境界９０を導いてもよい。例えば
、制御装置３０は、中間仮想境界９０を形成するために、目標仮想境界８０をコピーして
もよい。目標仮想境界８０のコピーは、中間仮想境界９０を形成するためにどのような適
切な方法によって修正又は変形されてもよい。例えば、目標仮想境界８０のコピーには、
平行移動、転移、傾斜、寸法変更、回転、反射、及び同様の修正が施されてもよい。当業
者であれば、中間仮想境界９０がここに具体的に記載されない他の方法によって目標仮想
境界８０から導かれてもよいことを理解するだろう。

【0054】

目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０は、どのような適切な輪郭を有していてもよい
。例えば、図５に示されているように、目標仮想境界８０は、目標面９２の輪郭と同様の
輪郭を有しているとよい。図１０において、目標仮想境界８０は、平面的又は平らな輪郭
を有している。図４において、中間仮想境界９０は、目標面９２の輪郭と同様の輪郭を有
している。図９において、中間仮想境界９０は、平面的又は平らな輪郭を有している。当
業者であれば、目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０は、ここに具体的に記載されない
他の輪郭を有していてもよいことを理解するだろう。

【0055】

目標仮想境界８０及び中間仮想境界９０は、図４に示されているように、同じ輪郭を有
する必要がない。代わって、境界８０，９０は、図９に示されているように、互いに異な
る輪郭を有していてもよい。図９において、目標仮想境界８０の輪郭は、目標面９２の輪
郭と同一であり、中間仮想境界９０の輪郭は、平面的である。勿論、当業者であれば、境
界８０，９０のいずれかの輪郭は、図９に示されてるものと異なっていてもよいことを理
解するだろう。境界８０，９０の各々の輪郭は、どのような適切な技術によって手動的又
は自動的に生成されてもよい。いくつかの因子、例えば、制限されないが、用いられる工
具２０及び／又はモデルに応じて種々の輪郭を有すると、有益である。

【0056】

第１のモードを考慮すると、目標仮想境界８０のいくつかの異なる実施形態が可能であ
る。前述したように、第１のモードでは、中間仮想境界９０が有効化され、工具２０は、
中間仮想境界９０に関連して拘束される。しかし、第１のモードでは、目標仮想境界８０
の有効化及び無効化が制御されてもよい。例えば、図４、図６および図９に示されている
ように、第１のモードでは、目標仮想境界８０が有効化され、同時に中間境界９０も有効
になっていてもよい。一例では、これは、冗長目的のためになされるとよい。前述したよ
うに、中間境界９０は、切除境界として作用するので、システム１０の重要な特徴である
。中間境界９０の実行におけるエラーは、目標面９２をエラーに晒す可能性がある。目標
仮想境界８０を同時に有効化することによって、システム１０は、目標仮想境界８０を中
間仮想境界９０に対するバックアップとして有することによって、信頼性を高めることに
なる。これによって、マニピュレータ１４は、目標仮想境界８０が冗長境界として設けら
れていることを知ることによって、より高速で作動することができる。代替的に、図８に
示されているように、目標仮想境界８０は、第１のモードにおいて無効化されてもよい。
これは、コンピューティング資源を保存し、実行の複雑さなどを減少するために行われる
とよい。

【0057】

第１のモードにおける目標仮想境界８０の制御は、自動的に行われてもよいし、又は手
動によって行われてもよい。例えば、オペレータは、第１のモードにおいて目標仮想境界
８０を手動によって有効化又は無効化するとよい。代替的に、システム１０は、ある特定
の事象又は条件に依存して、目標仮想境界８０を有効化するのが適切であるかどうかを自
動的に決定するようになっていてもよい。例えば、システム１０の不安定さの検出が、第
１のモードにおける目標仮想境界８０の自動有効化をもたらすことになる。

【0058】

第１のモード及び第２のモードは、用途及び種々の他の因子に依存して、互いに異なる
形式（すなわち、手動／自律）であってもよいし、又は同一形式であってもよい。このよ
うな１つの因子は、工具２０の送り速度によって大きく影響される操作手順の期間である
。送り速度は、エネルギーアプリケータ２４の遠位端が経路区域に沿って前進する速度で
ある。概して、自律モードでは、マニピュレータ１４は、より正確であるが、手動モード
よりも遅い送り速度をもたらす。手動モードでは、マニピュレータ１４は、正確ではない
が、自律モードよりも早い送り速度をもたらすことができる。正確さと送り速度との間の
このトレードオフは、第１及び第２のモード中にどの形式の制御が実施されるべきかを示
す１つの因子である。

【0059】

切除経路７０に沿った工具２０の前後振動の周波数は、第１のモードと第２のモードと
の間で異なっているとよい。一般的に、振動の周波数が大きくなるほど、切除経路７０の
振幅が小さくなり、工具２０によってもたらされる切込みが「より微細（fine）」になる
。一方、振動の周波数が小さくなるほど、切除経路７０の振幅がより大きくなり、工具２
０によってもたらされる切込みが「より大きく（bulkier）」なる。

【0060】

一般的に、工具２０が切除経路７０を横断すると、工具２０は、図１３および図１４に
示されるように、生体構造（遠位大腿）にリブ１１０を形成する。このようなリブの例は
、「骨パッド」と題する米国特許出願第１４／１９５，１１３号に示されている。この開
示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。リブ１１０の特定の三次
元形状は、例えば、複数の通路加工部１１２を形成するバーのような回転工具によって得
られるものである。図示されている実施形態では、複数の通路加工部１１２は、切除経路
７０に沿った工具２０の前後運動から得られる実質的に線状の経路に追従している。リブ
１１０は、高さ１１４、幅１１６、及び複数の突起１１８を有している。第１及び第２の
モードが異なる振動周波数の切除経路７０を示す時、第１及び第２のモードは、異なる形
態を有するリブ１１０を生じることになる。

【0061】

一例では、振動数は、第１のモードよりも第２のモードにおいてより大きくなる。例え
ば、図１３Ａ〜図１３Ｃは、第１のモードにおける塊切除によって生じるリブ１１０を示
しており、図１４Ａ〜図１４Ｃは、第２のモードにおける微細切除によって生じるリブ１
１０を示している。その結果、リブ１１０は、第１のモードと第２のモードとの間で異な
って形成されている。具体的には、第１のモード（図１３Ｂ）において形成されたリブ１
１０は、第２のモード（図１４Ｂ）において形成された（互いにより近接している）リブ
１１０と比較して、互いに隣接するリブ１１０間のより大きい頂点間距離を示している。
リブ１１０の高さ及び／又は幅も、第１もモードと第２のモードとの間で異なっていても
よい。例えば、塊切除モード（図１３Ｃ）におけるリブ１１０の幅１１６は、微細切除モ
ード（図１４Ｃ）のリブ１１０の幅１１６よりも大きくなっている。逆に、塊切除モード
（図１３Ｃ）のリブ１１０の高さ１１４は、微細切除モード（図１４Ｃ）のリブ１１０の
高さ１１４よりも小さくなっている。加えて、第１のモードにおいて形成された突起１１
８の幾何学的形状は、第２のモードにおいて形成されたものと異なっていてもよい。第１
及び第２のモードは、有利には、特定の用途に適する種々の表面仕上げをもたらすことに
なる。当業者であれば、第１及び第２のモードは、リブに関してここに記載されている以
外の生体構造の特性の違いをもたらすことを認めるだろう。

【0062】

一実施形態では、第１のモードは、自律モードであり、第２のモードは、手動モードで
ある。第１のモーでは、工具２０の移動は、自律的に行われ、中間仮想境界９０に関連し
て拘束される。第１のモードにおける自律加工は、第２のモードにおける手動加工に切り
換えられる。第２のモードでは、工具２０の移動は、手動によって行われ、目標仮想境界
８０に関して拘束される。具体的には、オペレータは、外科用システム１０に依存して、
第１のモードにおいて組織の加工の大半を自律的に行うことになる。必要に応じて、オペ
レータは、目標面９２により近い目標仮想境界８０に直接相互作用するために第１のモー
ドにおける手動加工に切り換えてもよい。これを行うことによって、オペレータは、多目
的処置、例えば、目標面９２への不規則な面仕上げを行うことができる。システム１０及
び方法によって、オペレータは、自律加工によって計画されるよりも良好に移植片を固定
する目標面９２の最終切口を作製することができる。さらに、オペレータが組織を目標面
９２まで完全に自律的に切除することができなくなっていると好ましい場合がある。第１
のモードにおいて中間仮想境界９０を有効化させることによって、自律加工中にオペレー
タに追加的な余裕を与えることになる。何故なら、中間仮想境界９０は、目標仮想境界８
０から離間しているからである。

【0063】

他の実施形態では、第１及び第２のモードは、いずれも手動モードである。第１のモー
ドでは、工具２０の移動は、手動によって行われ、中間仮想境界９０に関連して拘束され
る。第１のモードにおける手動加工は、第２のモードにおける手動加工に切り換えられる
。手動加工は、第２のモードにおいても保存されるが、境界構成が変化する。何故なら、
中間仮想境界９０が無効化されるからである。第２のモードにおいて、工具２０の移動は
、手動によって行われ、目標仮想境界８０に関連して拘束される。この実施形態は、有利
には、オペレータがマニピュレータ１４を用いて第１及び第２のモードにおいて塊加工を
行う機会をもたらすことになる。中間仮想境界９０が工具２０を目標面９２から離れる方
に拘束することを知っているオペレータは、自律加工中におけるよりも著しく迅速かつよ
り積極的な塊加工を行うことができる。いったん組織の塊が第１のモードにおいて手動に
よって除去されたなら、システム１０は、組織の残り部分の手動加工を可能にするために
第２のモードに切り換えられるとよい。第２のモードにおいて、オペレータは、目標仮想
境界８０に関して目標面９２に不規則な表面仕上げ又は微細な表面仕上げを手動によって
生成することができる。

【0064】

さらに他の実施形態では、第１及び第２のモードは、いずれも自律モードである。第１
のモードでは、工具２０の移動は、自律的に行われ、中間仮想境界９０に関連して拘束さ
れる。第１のモードにおける自律加工は、第２のモードにおける自律加工に切り換えられ
る。第２のモードへの切換えは、自律加工を維持するが、中間仮想境界９０を無効化する
ことによって、境界構成が変化する。第２のモードでは、工具２０の移動は、自律的に行
われ、目標仮想境界８０に関連して拘束される。この実施形態は、有利には、第１及び第
２のモードを通して、高度に正確な制御された方法によって組織を自律的に加工する機会
をもたらすことになる。加えて、オペレータは、第１のモードにおける自律加工の後、組
織を検査することができる。換言すれば、外科用装置１０は、目標面９２まで完全に自律
的に加工するのではなく、第１のモードが第１の段階として用いられることによって、オ
ペレータは、第２のモードにおける中間仮想境界９０を無効化する前に自律切除の進展及
び精度をチェックすることができる。

【0065】

一実施形態では、システム及び方法は、‘ｎ’個のモードを実行するようになっている
。例えば、システム及び方法は、３つ以上のモードを実行することができる。第１のモー
ドは、手動モードであるとよい。第２のモードは、例えば、図１３に示されているような
自律的塊切除を示す自律モードであるとよい。第３のモードは、例えば、図１４に示され
ているような自律的微細切除を示す自律モードであるとよい。当業者であれば、‘ｎ’個
のモードのいずれかがここに記載されている自律モード又は手動モード以外のモードであ
ってもよいことを理解するだろう。

【0066】

システム及び方法は、‘ｎ’個の仮想境界を設定するとよい。例えば、システム及び方
法は、３つ以上の仮想境界を設定するとよい。‘ｎ’個の仮想境界は、‘ｎ’個のモード
に対して実行されるとよい。３つの仮想境界の一例が、図１５に示されている。図１５に
おいて、第１の仮想境界９０、第２の仮想境界８０、及び第３の仮想境界１２０が、生体
構造に関係付けられている、ここで、第１の仮想境界９０は、骨の軟骨及び表面層の除去
を促進するために設けられており、第２の仮想境界８０は、移植片を配置するための骨の
より深い層の除去を促進するために設けられており、第３の仮想境界１２０は、移植片を
固定するためのペグ／テイルを挿入するための加工孔の形成を促進するために設けられて
いる。第１のモードにおいて、第１の仮想境界９０が有効化される。第１のモードでは、
工具の移動は、第１の仮想境界９０に関連して拘束される。第２モードにおいて、第１の
仮想境界９０が無効化される。第２のモードでは、第３の仮想境界１２０の有効化が維持
されるとよい。第２のモードにおいて、工具の移動は、第２の仮想境界８０に関連して拘
束される。第３のモードにおいて、第２の仮想境界８０が無効化される。第３のモードで
は、工具の移動は、第３の仮想境界１２０に関連して拘束される。

【0067】

いくつかの実施形態では、‘ｎ’個の仮想境界は、組織に特有である。すなわち、仮想
境界は、異なる種類の組織に関連して工具２０を拘束するように構成されている。例えば
、‘ｎ’個の仮想境界は、軟組織、軟骨、骨、靭帯等に関連して工具を拘束するようにな
っているとよい。これは、工具２０による加工から特定の組織を保護するために行われて
もよい。

【0068】

付加的又は代替的に、‘ｎ’個の仮想境界は、領域／位置に特有である。すなわち、仮
想境界は、種々の領域又は位置に関連して工具２０を拘束するように構成されている。例
えば、‘ｎ’個の仮想境界は、外科部位における他の対象物、例えば、開創器、他の工具
、トラッカー等に関連して工具２０を拘束するようになっているとよい。加えて‘ｎ’個
の仮想境界のいずれか１つは、生体構造が灌注されている湿った位置への工具２０の接近
を防ぐ灌注境界として機能するようになっているとよい。当業者であれば、‘ｎ’個の仮
想境界及び‘ｎ’個のモードがここで具体的に記載されない種々の他の技術によって実施
されてもよいことを認めるだろう。

【0069】

他の実施形態では、‘ｎ’個の仮想境界は、２つ以上の外科用工具２０と併せて用いら
れてもよい。例えば、図１６に示されているように、第１の外科用工具２０ａ及び第２の
外科用工具２０ｂが設けられている。工具２０ａ，２０ｂは、連携して及び／又は同期し
て移動するようになっている。第１の仮想境界９０は、生体構造の上面に関連して画定さ
れており、第２及び第３の仮想境界８０，１２０は、それぞれ、生体構造の左右の面に沿
って画定されている。ここで、仮想境界８０，９０，１２０は、同時に有効化されるとよ
い。さらに、仮想境界８０，９０，１２０は、互いに交差していてもよいし、又は接触し
ていてもよい。他の例では、１つの工具２０は、加工のために用いられ、他の工具は、組
織除去のために用いられるようになっている。このような場合、１つの仮想境界は、加工
拘束境界として機能するとよく、他の仮想境界は、牽引工具が意図された牽引領域から離
脱するのを防ぐ組織牽引境界として機能するとよい。

【0070】

‘ｎ’個の仮想境界のいずれかは、生体構造の位置が変化するにつれて仮想境界が移動
するように、生体構造に対して画定されるとよい。これは、ここに記載されているナビゲ
ーション技術及び制御技術を用いて達成されるとよい。

【0071】

‘ｎ’個の仮想境界は、例えば、図面の全体を通して示されているように同一の生体構
造に関して画定されるとよい。このような場合、‘ｎ’個の仮想境界の各々は、生体構造
が移動すると該生体構造に追従することになる。代替的に、‘ｎ’個の仮想境界は、種々
の生体構造に関連して画定されてもよい。例えば、‘ｎ’個の仮想境界のいくつかが大腿
骨に関連して画定され、‘ｎ’個の仮想境界の他のものが脛骨に関して画定されてもよい
。これは、予期しない加工から脛骨を保護するために行われる。このような場合、仮想境
界間の空間は、大腿骨と脛骨との間のそれぞれの移動に応じて変更されてもよい。

【0072】

制御装置３０は、第１のモードがいつ第２のモードに切り換えられたか又はその逆に第
２のモードがいつ第１のモードに切り換えられたかを検出するようになっている。制御装
置３０は、工具２０の拘束が目標仮想境界８０又は中間仮想境界９０のいずれに関連して
生じているかどうかをオペレータに伝えるために、オペレータに警告を発するようになっ
ているとよい。警告は、視覚的、触覚的、聴覚的、及び同様の方法であるとよい。当業者
であれば、警告がここに具体的に記載されていない種々の他の方法によって実施されても
よいことを理解するだろう。

【0073】

場合によっては、システム１０が第１のモードに切り換えられた時、工具２０が第２の
モードにおける区域１００内にあってもよい。このような場合、工具２０は、中間仮想境
界９０と目標仮想境界８０又は目標面９２との間に捕捉されることになる。一例では、図
１１に示されているように、目標仮想境界８０は、第１のモードにおいてその有効化が維
持され、これによって、工具２０が中間仮想境界９０と目標仮想境界８０との間に捕捉さ
れている。他の例では、図１２に示されているように、目標仮想境界８０は、第１のモー
ドにおいて無効化され、これによって、工具２０が中間仮想境界９０と目標面９２との間
に捕捉されている。

【0074】

このような工具２０の捕捉は、意図的であってもよいし、又は非意図的であってもよい
。非意図的である時、制御装置３０は、第２のモードが第１のモードに切り換えられた時
の工具２０の位置を評価し、これによって、工具２０の捕捉を防ぐようになっていてもよ
い。例えば、もし工具２０が第１のモードに切り換えられた時に区域１００内にあったな
ら、制御措置３０は、工具２０が中間仮想境界９０を超えて引っ張られるように工具２０
を区域１００から引き出すように、マニピュレータ１４を指示するとよい。これは、工具
２０の離脱を可能にするために中間仮想境界９０を一時的に無効化することを必然的に伴
うことになる。他の場合、工具２０を第１のモードにおいて区域１００内に捕捉すること
が意図されてもよい。工具２０の捕捉は、中間仮想境界９０を上側拘束又は切除境界とし
て用いるために行われるとよい。図示されているように、第２のモードにおいて、工具２
０は、狭い切口によって区域１００内の組織を貫通することになる。その後、第１のモー
ドが再び有効化され、中間仮想境界９０によって工具２０を区域１００において捕捉する
とよい。工具２０が前述のように拘束されていることを知っているオペレータは、区域１
００内の組織を自動的又は自律的に除去することができる。この構成は、組織内に孔等を
形成する時に有用である。

【0075】

以上、いくつかの実施形態について検討してきた。しかし、ここで検討された実施形態
は、包括的であることを意図しておらず、すなわち、本発明を任意の特定の形態に制限す
ることを意図していない。用いられた専門用語は、記載の便宜上のものであり、制限する
ことを意図するものではない。上記の示唆に照らせば、多くの修正及び変更が可能であり
、本発明は、具体的に記載される以外の方法によって実施されてもよい。

【0076】

本発明の多くの特徴及び利点は、詳細な説明から明らかであり、それ故、本発明の真の
精神及び範囲内に含まれる本発明の全てのこのような特徴及び利点を包含することが添付
の請求項によって意図されている。さらに、多数の修正及び変更が当業者によって容易に
行われることから、本発明を図示かつ記載された正確な構造及び操作に制限することは、
求められておらず、従って、全ての適切な修正及び等価物は、本発明の範囲内に含まれる
ことになる。

【要約】      （修正有）

【課題】外科用システムにおいて、仮想境界を用いて工具を拘束するためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】工具２０によって生体構造を加工するための外科用システム及び方法は、生体構造に関連する第１の仮想境界９０を画定することと、生体構造に関連する第２の仮想境界８０を画定することとを含んでいる。第１の仮想境界は、第１のモードにおいて有効化される。第１のモードにおいて、工具の移動は、第１の仮想境界に関連して拘束される。第１の仮想境界は、第２のモードにおいて無効化される。第２のモードでは、工具の移動は、第２の仮想境界に関連して拘束される。
【選択図】図４

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】