(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-17
(54)【発明の名称】ロボット脊椎手術システム及び方法
(51)【国際特許分類】
A61B 34/30 20160101AFI20220107BHJP
A61B 17/56 20060101ALI20220107BHJP
【ＦＩ】
A61B34/30
A61B17/56
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021524983
(86)(22)【出願日】2019-11-08
(85)【翻訳文提出日】2021-07-01
(86)【国際出願番号】 US2019060502
(87)【国際公開番号】W WO2020097481
(87)【国際公開日】2020-05-14
(31)【優先権主張番号】16/184,376
(32)【優先日】2018-11-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【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】カン，ヒョシグ
(72)【発明者】
【氏名】ディン，ヂィエナン
(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】ジョーンズ，クリストファー・ダブリュー．
(72)【発明者】
【氏名】マキューアン，グレッグ
(72)【発明者】
【氏名】グセルマン，ルーカス
【テーマコード（参考）】
4C160
【Ｆターム（参考）】
4C160LL24
(57)【要約】
脊椎手術を実施するためのロボットシステム及び方法が開示されている。このシステムは、スクリューを保持し、このスクリューを、回転軸を中心に回転させるためのツールを備えたロボットマニピュレータを含む。スクリューはセルフタッピングであり、コントローラによって記憶される既知のねじ山形状を有する。ナビゲーションシステムは、標的部位の位置を追跡する。追跡された標的部位の位置に基づいて、標的部位に対して計画された軌道に沿って手術用ツールの回転軸を維持するように、ロボットマニピュレータの運動を制御する。自律操作モードまたは手動操作モード中、回転軸を中心としたスクリューの回転速度、及び／または計画された軌道に直線的に沿ったスクリューの前進速度は、メモリに記憶される既知のねじ山形状に比例するように制御される。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ロボットマニピュレータと、前記ロボットマニピュレータに結合され、スクリューを保持して回転軸を中心に前記スクリューを回転させるように構成される手術用ツールであって、前記スクリューはセルフタッピングであり、既知のねじ山形状を有する、前記手術用ツールと、
標的部位の位置を追跡するように構成されるナビゲーションシステムと、
前記ロボットマニピュレータ及び前記ナビゲーションシステムに結合され、前記既知のねじ山形状を記憶するメモリを含むロボットコントローラと、
を含む、手術用ロボットシステムであって、
前記ロボットコントローラは、
追跡された前記標的部位の位置に基づいて前記標的部位に対して計画された軌道に沿って前記手術用ツールの前記回転軸を維持するように前記ロボットマニピュレータの運動を制御することと、
前記回転軸を中心に前記スクリューをある回転速度で回転させ、前記計画された軌道に沿って前記スクリューをある前進速度で直線的に前進させるように、前記手術用ツールを自律的に制御することであって、前記回転速度及び前記前進速度は前記メモリに記憶されている前記既知のねじ山形状に比例する、前記手術用ツールを自律的に制御することと、
を行うように構成される、手術用ロボットシステム。
【請求項2】
前記手術用ツールは、スクリュードライバーを含む、請求項１に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項3】
前記計画された軌道は、触覚オブジェクトによって定義される、請求項１に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項4】
前記触覚オブジェクトは、ライン触覚オブジェクトを含み、前記ロボットコントローラは、前記スクリューが前記標的部位で計画された挿入深さに到達したことを示すユーザへの触覚フィードバックを生成するように前記ロボットマニピュレータを制御するように構成される、
請求項３に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項5】
前記ロボットコントローラは、前記計画された軌道に沿って前記回転軸を配置する、前記手術用ツールの自律運動を引き起こすように構成される、請求項１に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項6】
前記スクリューを駆動するために加えられているトルクを判定するトルクセンサを含み、前記ロボットコントローラは、前記トルクがトルク閾値に達するか、または前記トルク閾値を上回ると、前記ロボットコントローラは前記手術用ツールが前記スクリューを前記標的部位に向けて駆動するのを停止させるように構成される、
請求項１に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項7】
前記トルクセンサは、電流測定回路を含む、請求項６に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項8】
前記ナビゲーションシステムは、ナビゲーションコントローラと、前記ナビゲーションコントローラに結合される撮像デバイスとを含む、請求項１に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項9】
前記ナビゲーションシステムは、前記手術用ツールを追跡する第一トラッカーと、前記標的部位を追跡する第二トラッカーとを含む、請求項８に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項10】
前記ナビゲーションコントローラに結合されるディスプレイを含み、前記ナビゲーションコントローラは、前記標的部位に対する前記スクリューの位置に関連する情報を前記ディスプレイに出力するように構成される、
請求項８に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項11】
前記回転速度及び前記前進速度は、関係［δθ／δｔ＝δＤ／δｔ＊ピッチ／２π］に従って前記既知のねじ山形状に比例し、式中、δθ／δｔは前記回転速度であり、δＤ／δｔは前記前進速度であり、ピッチは前記スクリューの単位長さあたりのねじ山の数である、
請求項１に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項12】
ロボットマニピュレータと、ナビゲーションシステムと、
前記ロボットマニピュレータ及び前記ナビゲーションシステムと通信するロボットコントローラと、
前記ロボットマニピュレータに結合され、回転軸を中心にスクリューを回転させる手術用ツールと、
を含む、手術用ロボットシステムを使用して、標的部位に前記スクリューを配置する方法であって、
前記スクリューを前記手術用ツールによって保持することであって、前記スクリューはセルフタッピングであり、既知のねじ山形状を有する、前記保持することと、
前記既知のねじ山形状を前記ロボットコントローラのメモリに記憶することと、
前記ナビゲーションシステムによって前記標的部位の位置を追跡することと、
追跡された前記標的部位の位置に基づいて前記標的部位に対して計画された軌道に沿って前記回転軸を維持するように前記手術用ツールの運動を制御することと、
前記回転軸を中心に前記スクリューをある回転速度で回転させ、前記計画された軌道に沿って前記スクリューをある前進速度で直線的に前進させるように、前記手術用ツールの運動を自律的に制御することであって、前記回転速度及び前記前進速度は前記メモリに記憶されている前記既知のねじ山形状に比例する、前記手術用ツールの運動を自律的に制御することと、
を含む、方法。
【請求項13】
触覚オブジェクトによって前記計画された軌道を画定することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
前記触覚オブジェクトによって前記計画された軌道を画定することは、ライン触覚オブジェクトによって前記計画された軌道を画定することを含み、前記手術用ツールの運動を制御することは、前記スクリューが前記標的部位で前記計画された挿入深さに到達したことを示すように、ユーザへの触覚フィードバックを前記ロボットコントローラによって生成することをさらに含む、
請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
前記回転軸を前記計画された軌道に沿って配置するように前記手術用ツールの運動を自律的に制御することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項16】
前記スクリューを駆動するために加えられているトルクを判定することと、前記トルクがトルク閾値に達するか、または前記トルク閾値を上回ると、前記手術用ツールが前記スクリューを前進させ、及び回転させるのを停止することと、
を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項17】
前記計画された軌道に対する前記回転軸の姿勢を追跡することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項18】
前記標的部位における前記計画された挿入深さに対する前記スクリューの位置に関連する情報を表示することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項19】
前記回転速度及び前記前進速度は、関係［δθ／δｔ＝δＤ／δｔ＊ピッチ／２π］に従って前記既知のねじ山形状に比例し、式中、δθ／δｔは前記回転速度であり、δＤ／δｔは前記前進速度であり、ピッチは前記スクリューの単位長さあたりのねじ山の数である、
請求項１２に記載の方法。
【請求項20】
センサを含むロボットマニピュレータと、前記ロボットマニピュレータに結合され、スクリューを保持して回転軸を中心に前記スクリューを回転させるように構成される手術用ツールであって、前記スクリューはセルフタッピングであり、既知のねじ山形状を有する、前記手術用ツールと、
標的部位の位置を追跡するように構成されるナビゲーションシステムと、
前記ロボットマニピュレータ及び前記ナビゲーションシステムに結合され、前記既知のねじ山形状を記憶するメモリを含むロボットコントローラと、
を含む、手術用ロボットシステムであって、
前記ロボットコントローラは、
追跡された前記標的部位の位置に基づいて前記標的部位に対して計画された軌道上で前記手術用ツールの前記回転軸を維持するように前記ロボットマニピュレータの運動を制御することと、
前記センサを用いて、ユーザが加えた力を検出することと、
前記標的部位内に前記スクリューを埋め込むために前記ユーザが加えた力に基づいて、前記回転軸を中心とした前記スクリューの回転速度または前記計画された軌道に直線的に沿った前記スクリューの前進速度の一方を制御することと、
前記ユーザが加えた力に、そして前記メモリに記憶された前記既知のねじ山形状に、前記前進速度及び前記回転速度が比例するように、前記スクリューの前記前進速度または前記回転速度の他方を自律的に制御することと、
を行うように構成される、手術用ロボットシステム。
【請求項21】
前記手術用ツールは、トリガを含み、前記センサは、前記トリガに結合され、前記ユーザの入力を示す信号を生成するように構成される、
請求項２０に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項22】
前記ロボットコントローラは、前記信号に基づいて前記回転速度を制御し、前記回転速度及び前記既知のねじ山形状に比例するように前記前進速度を自律的に制御する、請求項２１に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項23】
前記ロボットコントローラは、関係［δθ／δｔ＝δＤ／δｔ＊ピッチ／２π］に従って前記回転速度及び前記既知のねじ山形状に比例するように前記前進速度を自律的に制御し、式中、δθ／δｔは前記回転速度であり、δＤ／δｔは前記前進速度であり、ピッチは前記スクリューの単位長さあたりのねじ山の数である、
請求項２２に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項24】
前記ロボットコントローラは、前記信号に基づいて前記前進速度を制御し、前記前進速度及び前記既知のねじ山形状に比例するように前記回転速度を自律的に制御する、請求項２１に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項25】
前記ロボットコントローラは、関係［δθ／δｔ＝δＤ／δｔ＊ピッチ／２π］に従って前記前進速度及び前記既知のねじ山形状に比例するように前記回転速度を自律的に制御し、式中、δθ／δｔは前記回転速度であり、δＤ／δｔは前記前進速度であり、ピッチは前記スクリューの単位長さあたりのねじ山の数である、
請求項２４に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項26】
ロボットマニピュレータと、ナビゲーションシステムと、
前記ロボットマニピュレータ及び前記ナビゲーションシステムと通信するロボットコントローラと、
前記ロボットマニピュレータに結合され、回転軸を中心にスクリューを回転させる手術用ツールと、
を含む、手術用ロボットシステムを使用して、標的部位に前記スクリューを配置する方法であって、
前記スクリューを前記手術用ツールによって保持することであって、前記スクリューはセルフタッピングであり、既知のねじ山形状を有する、前記保持することと、
前記既知のねじ山形状を前記ロボットコントローラのメモリに記憶することと、
前記ナビゲーションシステムによって前記標的部位の位置を追跡することと、
追跡された前記標的部位の位置に基づいて前記標的部位に対して計画された軌道に沿って前記回転軸を維持するように前記手術用ツールの運動を自律的に制御することと、
前記センサを用いて、ユーザが加えた力を検出することと、
前記標的部位内に前記スクリューを埋め込むために前記ユーザが加えた力に基づいて、前記回転軸を中心とした前記スクリューの回転速度または前記計画された軌道に直線的に沿った前記スクリューの前進速度の一方を制御することと、
前記ユーザが加えた力に、そして前記メモリに記憶された前記既知のねじ山形状に、前記前進速度及び前記回転速度が比例するように、前記スクリューの前記前進速度または前記回転速度の他方を自律的に制御することと、
を含む、方法。
【請求項27】
前記センサは、前記加えた力を検出するために前記手術用ツールに配置される力／トルクセンサを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項28】
前記回転軸を前記計画された軌道に沿って配置するように前記手術用ツールの運動を自律的に制御することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項29】
前記手術用ツールは、トリガを含み、前記トリガは、前記センサに結合され、前記ユーザの入力を示す信号を生成するように構成される、
請求項２６に記載の方法。
【請求項30】
前記回転速度または前記前進速度の一方を制御することは、前記信号に基づいて前記回転速度を制御することと、
関係［δθ／δｔ＝δＤ／δｔ＊ピッチ／２π］に従って前記回転速度及び前記既知のねじ山形状に比例するように前記前進速度を自律的に制御することであって、式中、δθ／δｔは前記回転速度であり、δＤ／δｔは前記前進速度であり、ピッチは前記スクリューの単位長さあたりのねじ山の数である、前記前進速度を自律的に制御することと、
を含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項31】
前記回転速度または前記前進速度の一方を制御することは、前記信号に基づいて前記前進速度を制御することと、
関係［δθ／δｔ＝δＤ／δｔ＊ピッチ／２π］に従って前記前進速度及び前記既知のねじ山形状に比例するように前記回転速度を自律的に制御することであって、式中、δθ／δｔは前記回転速度であり、δＤ／δｔは前記前進速度であり、ピッチは前記スクリューの単位長さあたりのねじ山の数である、前記回転速度を自律的に制御することと、
を含む、請求項２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【0001】
（関連出願の相互参照）
本国際出願は、２０１９年１１月８日に出願された米国非仮特許出願第１６／１８４，３７６号の優先権及び利益を主張するものであり、その内容及び開示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
本国際出願は、２０１９年１１月８日に出願された米国非仮特許出願第１６／１８４，３７６号の優先権及び利益を主張するものであり、その内容及び開示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
患者の脊椎に外科手術を実施するロボットシステムはよく知られている。例えば、ロボットシステムは、患者の脊椎に椎弓根スクリューを配置するために現在利用されている。
【0003】
患者が椎弓根スクリューの配置を伴う手術を必要とする場合、術前撮像及び／または術中撮像は、治療が必要な患者の解剖学的形態（この場合は患者の脊椎）を視覚化するためによく使用される。次に、外科医は、画像に関して、及び／または画像から作成された３Ｄモデルに関して、椎弓根スクリューを配置するべき位置を計画する。この計画は、例えば画像及び／または３Ｄモデル内における所望の姿勢を特定することによって、それらが配置される特定の椎骨に対する各椎弓根スクリューの位置及び向き（すなわち、姿勢）を決定することを含む。計画が設定されると、この計画は実行のためにロボットシステムに転送される。
【0004】
典型的には、ロボットシステムは、ロボットマニピュレータを含み、このロボットマニピュレータは、患者の上方で、かつ配置される椎弓根スクリューの所望の向きにアライメントされた所望の軌道に沿って、ツールガイドを位置決めする。また、ロボットシステムは、ナビゲーションシステムを含み、このナビゲーションシステムは、ロボットマニピュレータが外科医の計画に従って所望の軌道に沿ってツールガイドを配置することができるように、患者の解剖学的形態に対するツールガイドの位置を決定する。場合によっては、ナビゲーションシステムは、マニピュレータ及び患者に取り付けられる追跡デバイスを含み、ロボットシステムは、所望の軌道を維持するため、外科手術中の患者の動きを監視して必要に応じてツールガイドを動かすことにより、外科手術中の患者の動きに応答することができる。
【0005】
ツールガイドが所望の軌道にアライメントを取るように位置決めされると、ロボットマニピュレータは、アライメントを維持するように制御される。その後、外科医は、ツールガイドを介して、椎骨に隣接してカニューレを位置決めする。外科医は、従来の穿孔ツールをカニューレに挿入し、椎弓根スクリュー用のパイロットホールを穿孔する。次に、外科医は、穿孔ツールを取り外し、椎弓根スクリュードライバーを用いて椎弓根スクリューをパイロットホール内の適所にねじ込む。この方法論では、ロボットマニピュレータがパイロットホールの穿孔の際に、または椎弓根スクリューの挿入の際に、ほとんど、またはまったく役割を果たさないため、ロボットマニピュレータはあまり利用されていない。
【発明の概要】
【0006】
一実施形態では、ロボットマニピュレータと、このロボットマニピュレータに結合され、回転軸を中心に回転して患者の脊椎にインプラントを配置する手術用ツールとを含む手術用ロボットシステムが提供される。ロボットコントローラをロボットマニピュレータに結合し、手術用ツールの運動を制御して、回転軸を所望の軌道に沿って設置し、回転軸を所望の軌道に沿って維持し、及び患者の脊椎中へのインプラントの挿入を制御することでインプラントを所望の位置に設置する。ロボットコントローラは、インプラントが所望の位置から所定の距離内に入るまで、インプラントを患者の脊椎内に配置する手術用ツールの自律運動を引き起こすように構成され、その後、インプラントが所望の位置に配置されるまで手術用ツールの手動操作を制御するように構成される。
【0007】
別の実施形態では、ロボットマニピュレータと、このロボットマニピュレータに結合され、回転軸を中心に回転する手術用ツールとを含む手術用ロボットシステムを使用して、患者の脊椎にインプラントを配置する方法が提供される。この方法は、回転軸を所望の軌道に沿って配置するように手術用ツールの運動を制御することを含む。また、方法は、インプラントが所望の位置に配置されるように、所望の軌道に沿って回転軸を維持し、患者の脊椎内へのインプラントの挿入を制御する。インプラントの挿入を制御することは、インプラントが所望の位置から所定の距離内に入るまで、患者の脊椎にインプラントを配置する手術用ツールの自律運動を引き起こし、その後、インプラントが所望の位置に配置されるまで手術用ツールの手動操作を制御することを含む。
【0008】
別の実施形態では、ロボットマニピュレータと、ロボットマニピュレータに結合され、患者の皮膚を切開する皮膚切開ツールとを含む手術用ロボットシステムが提供される。スキントラッカーを患者の皮膚に取り付けて患者の皮膚を追跡する。ロボットコントローラをロボットマニピュレータに結合し、触覚オブジェクトに対する皮膚切開ツールの運動を制御する。触覚オブジェクトは、患者の皮膚における所望の位置で切開が行われるように定義される。
【0009】
別の実施形態では、ロボットマニピュレータと、ロボットマニピュレータに結合された皮膚切開ツールと、患者の皮膚を追跡するために患者の皮膚に取り付けられたスキントラッカーとを含む手術用ロボットシステムを使用して、患者の皮膚に切開を形成する方法が提供される。この方法は、スキントラッカーが患者に取り付けられている間に、ポインタを用いて所望の切開位置を特定することを含む。また、方法は、ナビゲーションシステムを用いて所望の位置の動きを追跡すること、及び触覚オブジェクトに対する皮膚切開ツールの運動を制御することを含む。触覚オブジェクトは、患者の皮膚における所望の位置で切開が行われるように、標的（ターゲット）座標系で定義される。
【0010】
別の実施形態では、ロボットマニピュレータと、ロボットマニピュレータに結合され、回転軸を中心に回転して患者の脊椎内にインプラントを受容するホールを形成する手術用ツールとを含む手術用ロボットシステムが提供される。ロボットコントローラをロボットマニピュレータに結合し、手術用ツールの運動を制御して、回転軸を所望の軌道に沿って配置し、回転軸を所望の軌道に沿って維持し、及び患者の脊椎へのホールの形成を制御することでインプラントを所望の位置に配置する。手術用ツールは、インプラント用のパイロットホールを形成するドリルと、このドリルに統合（一体化）され、インプラントのヘッド用のシートを形成するように形成されたリーマとを含む。
【0011】
別の実施形態では、インプラントを受容するホールを形成する手術用ツールが提供される。手術用ツールは、インプラント用のパイロットホールを形成するドリルを含む。ドリルは、近位端部及び遠位端部を備えたシャフトを有する。リーマは、遠位端部から近位に離れたシャフト上の位置でドリルに統合される。リーマは、インプラントのヘッド用のシートを形成するように形成される。
【0012】
別の実施形態では、ロボットマニピュレータと、このロボットマニピュレータに結合され、回転軸を中心に回転する手術用ツールとを用いて、患者の脊椎にホールを形成する方法が提供される。この方法は、手術用ツールの運動を制御して、回転軸を所望の軌道に沿って配置し、回転軸を所望の軌道に沿って維持し、及び患者の脊椎へのホールの形成を制御することを含み、そして、インプラントを所望の位置に配置する。患者の脊椎に形成されるホールは、インプラント用のパイロットホール、及びインプラントのヘッド用のシートを含む。パイロットホール及びシートの少なくとも一部分を同時に形成する。
【0013】
別の実施形態では、ナビゲーションシステム、ロボットマニピュレータ、及び回転軸を中心にスクリューを回転させるためにロボットマニピュレータに結合された手術用ツールを含む手術用ロボットシステムが提供され、スクリューはセルフタッピングであり、既知のねじ山形状を有する。ナビゲーションシステムは、標的（ターゲット）部位の位置を追跡するように構成される。ロボットコントローラは、ロボットマニピュレータ及びナビゲーションシステムに結合され、既知のねじ山形状を記憶するメモリを含む。ロボットコントローラは、追跡された標的部位の位置に基づいて、標的部位に対して計画された軌道に沿って回転軸を維持するように、ロボットマニピュレータの運動を制御するように構成される。また、ロボットコントローラは、回転軸を中心にスクリューをある回転速度で回転させ、計画された軌道に沿ってスクリューをある前進速度で直線的に前進させるように、手術用ツールを自律制御するように構成され、これら回転速度及び前進速度は、メモリに記憶された既知のねじ山形状に比例する。
【0014】
別の実施形態では、ナビゲーションシステム、ロボットマニピュレータ、及び回転軸を中心にスクリューを回転させるためにロボットマニピュレータに結合された手術用ツールを含む手術用ロボットシステムを使用して、標的部位内にスクリューを配置する方法が提供される。この方法は、手術用ツールを用いてスクリューを保持することを含み、このツールはセルフタッピングであり、既知のねじ山形状を有する。この方法は、既知のねじ山形状をロボットコントローラのメモリに記憶することを含む。この方法は、ナビゲーションシステムを用いて標的部位の位置を追跡することを含む。この方法は、追跡された標的部位の位置に基づいて、標的部位に対して計画された軌道に沿って回転軸を維持するように手術用ツールの運動を制御することを含む。この方法は、回転軸を中心にスクリューをある回転速度で回転させ、計画された軌道に沿ってスクリューをある前進速度で直線的に前進させるように手術用ツールの運動を自律制御することを含み、回転速度及び前進速度はメモリに記憶された既知のねじ山形状に比例する。
【0015】
別の実施形態では、センサを有するロボットマニピュレータを含む手術用ロボットシステムが提供される。手術用ロボットシステムは、手術用ツールを含み、この手術用ツールは、ロボットマニピュレータに結合され、スクリューを保持して回転軸を中心にスクリューを回転させるように構成され、スクリューはセルフタッピングであり、既知のねじ山形状を有する。手術用ロボットシステムは、標的部位の位置を追跡するように構成されるナビゲーションシステムを含む。手術用ロボットシステムは、ロボットコントローラを含み、このロボットコントローラは、ロボットマニピュレータ及びナビゲーションシステムに結合され、既知のねじ山形状を記憶するメモリを含む。ロボットコントローラは、追跡された標的部位の位置に基づいて、標的部位に対して計画された軌道上で手術用ツールの回転軸を維持するように、ロボットマニピュレータの運動を制御するように構成される。ロボットコントローラは、センサを用いてユーザが加える力を検出するように構成される。ロボットコントローラは、標的部位にスクリューを埋め込むためにユーザが加える力に基づいて、回転軸を中心としたスクリューの回転速度または計画された軌道に直線的に沿ったスクリューの前進速度の一方を制御するように構成される。ロボットコントローラは、ユーザが加えた力に、そしてメモリに記憶された既知のねじ山形状に、前進速度及び回転速度が比例するように、スクリューの前進速度または回転速度の他方を自律制御するように構成される。
【0016】
別の実施形態では、手術用ロボットシステムを使用して標的部位にスクリューを配置する方法が提供される。手術用ロボットシステムは、ロボットマニピュレータ、ナビゲーションシステム、これらロボットマニピュレータ及びナビゲーションシステムと通信するロボットコントローラを含む。手術用ロボットシステムは、回転軸を中心にスクリューを回転させるためにロボットマニピュレータに結合される手術用ツールを含む。ロボットマニピュレータはセンサを含む。この方法は、手術用ツールを用いてスクリューを保持することを含み、このスクリューはセルフタッピングであり、既知のねじ山形状を有する。この方法は、既知のねじ山形状をロボットコントローラのメモリに記憶することを含む。この方法は、ナビゲーションシステムを用いて標的部位の位置を追跡することを含む。この方法は、追跡された標的部位の位置に基づいて、標的部位に対して計画された軌道に沿って回転軸を維持するように手術用ツールの運動を制御することを含む。この方法は、センサを用いてユーザが加える力を検出することを含む。この方法は、標的部位にスクリューを埋め込むためにユーザが加える力に基づいて、回転軸を中心としたスクリューの回転速度または計画された軌道に直線的に沿ったスクリューの前進速度の一方を制御することを含む。この方法は、ユーザが加えた力に、そしてメモリに記憶された既知のねじ山形状に、前進速度及び回転速度が比例するように、自律的に、スクリューの前進速度または回転速度の他方を自律制御することを含む。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】ロボット手術システムの斜視図である。
【図3】脊椎手術を実施するために撮像デバイスと組み合わせて使用されるロボット手術システムの斜視図である。
【図4】ドリルに結合されるハウジングを含む手術用ツールに結合されたロボットアームの部分斜視図である。
【図5】ドライバー及びスクリューに結合された手術用ツールに結合されるロボットアームの部分斜視図である。
【図6】別の手術用ツールの立面図である。
【図7】椎弓根内にパイロットホールを穿孔する様子を示す図である。
【図8】椎弓根スクリューをパイロットホールにねじ込む様子を示す図である。
【図9A】電流出力対深さを示す図であり、穿孔がユーザの計画に従っていることを確認するために使用することができる図である。
【図9B】電流出力対深さを示す図であり、椎弓根スクリューの挿入がユーザの計画に従っていることを確認するために使用することができる図である。
【図10A】ロボットアームに取り付けられる皮膚切開ツールを示す図である。
【図10B】ロボットアームに取り付けられる別の皮膚切開ツールを示す図である。
【図11】ロボットアームに取り付けられるＪａｍｓｈｉｄｉ針を示す図である。
【図12】インプラントを所望の位置に配置する１つの手術中に実行されるサンプルステップのフローチャートである。
【図13】切開を行う１つの手術中に実行されるサンプルステップのフローチャートである。
【図14】椎弓根スクリューをパイロットホールにねじ込む様子を示す図である。
【図15】インプラントを所望の位置に配置する１つの手術中に実行されるサンプルステップのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0018】
図１及び図２を参照すると、さまざまな外科手術に使用されることのできる手術用ロボットシステム１０が示されている。さまざまな外科手術は、脊椎手術、例えば、椎弓根スクリュー、他のスクリュー、または他のタイプのインプラントが脊椎内に配置される脊椎手術を含むが、これらには限定されない。ロボットシステム１０は、ローカライザ１４及び追跡デバイス１６を含むナビゲーションシステム１２と、１つ以上のディスプレイ１８と、ロボットマニピュレータ（例えば、ベース２２やテーブルなどに取り付けられたロボットアーム２０）とを備える。ロボットアーム２０は、ベース２２に回転自在に結合されたベースリンク２４と、ベースリンク２４から遠位端部２８まで連続的に延在する複数のアームリンク２６とを含む。アームリンク２６は、ロボットアーム２０内の複数の関節を中心に枢動／回転する。脊椎手術を実施する際に使用する手術用ツールは、例えば、概して符号３０で示されている。手術用ツール３０は、ロボットアーム２０の遠位端部２８に枢動可能に連結されることができる。
【0019】
ロボットコントローラ３２は、手術用ツール３０の操作中に、ロボットアーム２０の制御、または外科医へのガイダンスを提供するように構成される。一実施形態では、ロボットコントローラ３２は、ロボットアーム２０を介してユーザに触覚フィードバックを提供するように、ロボットアーム２０を制御する（例えば、その関節用モータを制御することによって）ように構成される。この触覚フィードバックは、外科医が外科手術に関連する所定の仮想境界を越えて手術用ツール３０を手動で動かすことを制約し、または抑制するのに役立つ。このような触覚フィードバックシステム及び仮想境界を定義する関連した触覚オブジェクトは、例えば、２００６年２月２１日に出願されて、「Ｈａｐｔｉｃ Ｇｕｉｄａｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ」と題された、Ｑｕａｉｄらの米国特許第８，０１０，１８０号、及び／または、２０１２年１２月２１日に出願されて、「Ｓｙｓｔｅｍｓ Ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｆｏｒ Ｈａｐｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｏｆ Ａ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｔｏｏｌ」と題された、Ｏｔｔｏらの米国特許出願公開第２０１４／０１８０２９０号に記載されており、これらのそれぞれは参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。一実施形態では、ロボットシステム１０は、Ｆｏｒｔ Ｌａｕｄｅｒｄａｌｅ、ＦＬ、ＵＳＡのＭＡＫＯ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｃｏｒｐ．によって製造されたＲＩＯ（商標）ロボットアームインタラクティブ整形外科システムである。
【0020】
いくつかの実施形態では、ロボットアーム２０は、外科手術を実施するために、所定のツールパス（経路）及び／または他の所定の運動に基づいて自律的に動作する。そのような運動は、外科手術の間に、及び／または手術の前に、定義され得る。さらなる実施形態では、手動制御及び自律制御の組み合わせを利用する。例えば、ユーザが手術用ツール３０に力を加えてロボットアーム２０の運動を引き起こす手動モードと、ユーザがペンダントを保持してロボットアーム２０が自律的にツールパスに追従するように制御する半自律モードとの両方を用いるロボットシステムは、２０１５年６月４日に出願されて、「Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ Ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ Ｆｏｒ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｂｅｔｗｅｅｎ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｍｏｄｅｓ」と題された、Ｂｏｗｌｉｎｇらの米国特許第９，５６６，１２２号に記載されており、これは参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【0021】
ナビゲーションシステム１２は、標的座標系に関して手術室内のさまざまなオブジェクトの運動を追跡するようにセットアップされる。そのようなオブジェクトは、例えば、手術用ツール３０、対象となる患者の解剖学的形態（１つ以上の椎骨など）、及び／または他のオブジェクトを含む。ナビゲーションシステム１２は、標的座標系におけるそれらの相対的な位置及び向きを外科医に表示する目的で、そして場合によっては、患者の解剖学的形態に関連付けられ、及び標的座標系に関して（例えば、手術用ナビゲーションでよく知られている座標系変換を介して）定義された仮想境界に対する手術用ツール３０の運動を制御し、または制約する目的で、これらのオブジェクトを追跡する。
【0022】
手術用ナビゲーションシステム１２は、ナビゲーションコントローラ３６を収容するコンピュータカートアセンブリ３４を含む。ナビゲーションコントローラ３６及びロボットコントローラ３２は、合わせて、ロボットシステム１０の制御システムを形成する。ナビゲーションインタフェースは、ナビゲーションコントローラ３６と操作可能に通信する。ナビゲーションインタフェースは、コンピュータカートアセンブリ３４に調整可能に取り付けられるディスプレイ１８を含む。キーボード及びマウスなどの入力デバイスを使用してナビゲーションコントローラ３６に情報を入力し、またはその他の方法によってナビゲーションコントローラ３６のある特定の態様を選択／制御することができる。タッチスクリーン（図示せず）または音声起動（voice-activation）を含む他の入力デバイスの使用も考えられる。
【0023】
ローカライザ１４は、ナビゲーションコントローラ３６と通信する。示された実施形態において、ローカライザ１４は、光学的ローカライザであり、カメラユニット（感知デバイスの一例）を含む。カメラユニットは、１つ以上の光学的位置センサを収容する外側筐体を含む。いくつかの実施形態では、少なくとも２つの光センサ、時には３つ以上の光センサを用いる。光センサは、別個の電荷結合素子（ＣＣＤ）であってもよい。カメラユニットは、調整可能なアームに取り付けられ、光学センサを、理想的には障害物のない、以下で説明される追跡デバイス１６の視野内に配置する。いくつかの実施形態において、カメラユニットは、回転ジョイントを中心に回転することによって、少なくとも１の自由度で調整可能である。他の実施形態では、カメラユニットは、２以上の自由度で調整可能である。
【0024】
ローカライザ１４は、光センサから信号を受信するために光センサと通信するローカライザコントローラ（図示せず）を含む。ローカライザコントローラは、有線か無線かいずれかの接続（図示せず）を介してナビゲーションコントローラ３６と通信する。そのような接続の１つは、ＩＥＥＥ１３９４インタフェースであることができ、このＩＥＥＥ１３９４インタフェースは、高速通信及びアイソクロナスリアルタイムデータ転送用のシリアルバスインタフェース規格である。また、接続は、企業独自のプロトコルを使用することができる。他の実施形態では、光センサは、ナビゲーションコントローラ３６と直接通信する。
【0025】
位置及び向きの信号及び／またはデータは、オブジェクトを追跡する目的でナビゲーションコントローラ３６に伝送される。コンピュータカートアセンブリ３４、ディスプレイ１８及びローカライザ１４は、２０１０年５月２５日に発行され、「Ｓｕｒｇｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍ」と題された、Ｍａｌａｃｋｏｗｓｋｉらの米国特許第７，７２５，１６２号に記載されたものと同様であることができ、これは参照により本明細書に組み込まれる。
【0026】
ロボットコントローラ３２及びナビゲーションコントローラ３６は、それぞれまたは合わせて、１つ以上のパーソナルコンピュータまたはラップトップコンピュータと、データ及びコンピュータ可読インストラクションの記憶に適しているメモリとを含むことができ、メモリは、ローカルメモリ、外部メモリ、クラウドベースメモリ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）、フラッシュメモリまたは他の適切な形式のメモリなどであることができる。ロボットコントローラ３２及びナビゲーションコントローラ３６は、それぞれ、または合わせて、マイクロプロセッサなどの１つ以上のプロセッサを含み、これらのプロセッサは、メモリに記憶されたインストラクションを処理し、またはメモリに記憶されたアルゴリズムを処理し、本明細書に記載される機能を実行することができる。これらのプロセッサは、どのようなタイプのプロセッサでもよく、マイクロプロセッサやマルチプロセッサシステムであることができる。追加的に、または代替的に、ロボットコントローラ３２及びナビゲーションコントローラ３６は、それぞれ、または合わせて、１つ以上のマイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、システムオンチップ、ディスクリート回路、及び／または本明細書に記載される機能を実行することができる他の適切なハードウェア、ソフトウェア、またはファームウェアを含むことができる。ロボットコントローラ３２及びナビゲーションコントローラ３６は、ロボットマニピュレータ、コンピュータカートアセンブリ３４によって運ばれることができ、及び／またはいずれかの他の適切な位置に取り付けられることができる。ロボットコントローラ３２及び／またはナビゲーションコントローラ３６には、以下に説明されるようなソフトウェアがロードされる。ソフトウェアは、ローカライザ１４から受信する信号を、追跡されるオブジェクトの位置及び向きを表すデータに変換する。
【0027】
図３を参照すると、ナビゲーションシステム１２は、本明細書ではトラッカーとも称される複数の追跡デバイス１６を含む。図示された実施形態では、複数のトラッカー１６が患者の別個の椎骨に結合されている。場合によっては、トラッカー１６は、ボーンスクリュー、ボーンピンなどを介して骨の一部分に固定される。他の場合には、棘突起または脊椎の他の部分の上にクランプを使用してトラッカー１６を取り付けることができる。さらなる実施形態では、トラッカー１６は、他の組織タイプまたは解剖学的形態の部分に取り付けられることができる。トラッカー１６が取り付けられている解剖学的形態に対するトラッカー１６の位置は、ポイントベースの登録などの登録技法によって決定されることができ、これらの登録技法では、デジタルプローブ７３（例えば、それ自体マーカーを備えたナビゲーションポインタ）を使用して骨上の骨標識（ランドマーク）上でタッチオフするか、または表面ベースの登録のために骨上のいくつかのポイントでタッチオンする。従来の登録技法を用いて、トラッカー１６の姿勢を患者の解剖学的形態、例えば治療される椎骨Ｖに相関させることができる。
【0028】
他のタイプの登録も可能であり、例えば、椎骨Ｖの棘突起に取り付けられる機械的クランプであって、クランプを取り付ける棘突起の形状を特定する触覚センサ（図示せず）を含む前記機械的クランプを備えたトラッカー１６を使用することができる。次に、棘突起の形状を登録のために棘突起の３Ｄモデルにマッチングさせることができる。触覚センサと、追跡デバイス１６上の３つ以上のマーカーとの間の既知の関係は、ナビゲーションコントローラ３６に予めロードされる。この既知の関係に基づいて、患者の解剖学的形態に対するマーカーの位置を決定することができる。
【0029】
また、ベーストラッカー１６は、手術用ツール３０の姿勢を追跡するためにベース２２に結合される。他の実施形態では、別個のトラッカー１６は、例えば製造時に手術用ツール３０に統合されて手術用ツール３０に固定されることができ、または外科手術に備えて手術用ツール３０に別個に取り付けられることができる。いずれの場合も、手術用ツール３０の作業用端部は、ベーストラッカー１６または他のトラッカーによって追跡される。作業用端部には、手術用ツール３０の付属品の遠位端部であることができる。そのような付属品は、ドリル、バー、ソー、電気焼灼デバイス、スクリュードライバー、タップ、手術用ナイフ、Ｊａｍｓｈｉｄｉ針などであることができる。
【0030】
図示された実施形態では、トラッカー１６は、受動型（パッシブ）トラッカーである。この実施形態において、各トラッカー１６は、ローカライザ１４からの光を反射して光センサに戻すために、少なくとも３つの受動追跡（パッシブトラッキング）素子またはマーカーＭを含む。他の実施形態では、トラッカー１６は、能動型（アクティブ）トラッカーであり、光センサに赤外光などの光を伝送する発光ダイオードまたはＬＥＤを含むことができる。受信した光信号に基づいて、ナビゲーションコントローラ３６は、従来の三角測量技術を使用して、ローカライザ１４に対するトラッカー１６の相対的な位置及び向きを示すデータを生成する。場合によっては、より多くの、またはより少ないマーカーを用いることができる。例えば、追跡されるオブジェクトが線を中心に回転可能である場合、２つのマーカーを使用して、この線の周りのさまざまな位置でマーカーの位置を測定することにより、この線の向きを決定することができる。なお、上記ではローカライザ１４及びトラッカー１６が光学追跡技術を利用するものとして説明されているが、代替的に、または追加的に、電磁追跡、高周波追跡、慣性追跡、それらの組み合わせなど、他の追跡モダリティを利用してオブジェクトを追跡することができることを理解されたい。
【0031】
また、手術用ツール３０が、所望の切開境界の外側で、患者の皮膚に不注意に接触したり、貫入したりすることがないように、患者の皮膚表面を追跡することが望ましい場合がある。この目的のため、接着性の裏地を有する能動型マーカーまたは受動型マーカーなどの皮膚貼付マーカーＭを患者の皮膚に貼付して患者の皮膚に関連する境界を画定するようにしてもよい。そのようなマーカーＭのアレイは、実質的に外周リング７４（円形、矩形など）の邪魔をせず、外科手術がリング７４の内側で継続されるように、外周リング７４内に設けられることができる（すなわち、リングは、対象となる切開や椎骨の周りの患者の皮膚上に配置される）。適切なスキンマーカーアレイの１つは、Ｓｔｒｙｋｅｒ Ｌｅｉｂｉｎｇｅｒ ＧｍｂＨ＆Ｃｏ ＫＧ（ＢｏｔｚｉｎｇｅｒＳｔｒａβｅ４１、Ｄ－７９１１１ Ｆｒｅｉｂｕｒｇ、Ｇｅｒｍａｎｙ）によって製造されているＳｐｉｎｅＭａｓｋ（登録商標）トラッカーである。また、２０１５年５月１３日に出願されて、「Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｆｏｒ Ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ Ｏｆ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｔｈｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｏｆ Ａ Ｗｏｒｋ Ｔａｒｇｅｔ」と題された、Ｓｃｈｏｅｐｐらの米国特許出願公開第２０１５／０３２７９４８号も参照されたい。これは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。他の適切なスキントラッカーを使用することも考えられる。デジタルプローブも使用して、皮膚表面及び／または切開をマッピングすることもできる。但し、マッピングすると、さらにデジタル化しなければ皮膚の動きを検出することはできないが、貼付されたトラッカーアレイは、患者の皮膚の動きを検出することができる。
【0032】
外科手術の開始前に、追加データがナビゲーションコントローラ３６にロードされる。トラッカー１６の位置及び向き、ならびに先にロードされたデータに基づいて、ナビゲーションコントローラ３６は、作業用端部が適用される組織に対する、手術用ツール３０の作業用端部の位置及び手術用ツール３０の向きを決定する。追加データは、手術用ツール３０の作業用端部に対する、トラッカー１６またはそのマーカーＭの位置及び／または向きに関する幾何学的形状データなどの較正データを含むことができる。また、この較正データは、既知の幾何学的形状のトラッカー１６上で較正プローブまたは較正ディボットを使用して、手術用ツール３０の作業用端部の位置を、例えばそれ自体のトラッカーまたはベーストラッカー１６に対して決定することなどによって、術前または術中に決定されることができる。追加データは、トラッカー１６を患者の解剖学的形態またはその３Ｄモデルに関連付ける変換データなどの登録データを含むことができる。いくつかの実施形態において、ナビゲーションコントローラ３６は、これらのデータをロボットコントローラ３２に転送する。次に、ロボットコントローラ３２は、このデータを使用して、米国特許第８，０１０，１８０号または第９，５６６，１２２号に記載されているように、ロボットアーム２０を制御することができ、これらは両方とも参照により先に本明細書に組み込まれる。
【0033】
また、ナビゲーションコントローラ３６は、対象となる組織に対して手術用ツール３０の作業用端部の相対位置を示す画像信号を生成する。これらの画像信号はディスプレイ１８に与えられる。ディスプレイ１８は、これらの信号に基づいて、外科医及びスタッフが手術部位に対する手術用ツール３０の相対位置を見ることを可能にする画像を生成する。上記に考察されるようなディスプレイ１８は、コマンドのエントリを可能にする、タッチスクリーンまたは他の入力／出力デバイスを含むことができる。
【0034】
示される実施形態において、手術用ツール３０の姿勢は、ナビゲーションシステム１２を使用して、ベーストラッカー１６を介してベース２２の位置を追跡し、ロボットアーム２０の関節からの関節エンコーダデータ及び手術用ツール３０とロボットアーム２０との間の既知の幾何学的形状の関係に基づいて、手術用ツール３０の姿勢を計算することによって、決定されることができる。最終的に、ローカライザ１４及び追跡デバイス１６は、手術用ツール３０の姿勢及び患者の解剖学的形態の決定を可能にするので、ナビゲーションシステム１２は、手術用ツール３０と患者の解剖学的形態との間の相対的な関係を認識することができる。そのようなナビゲーションシステムの１つは、２０１３年９月２４日に出願されて、「Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｎｄ Ｎｏｎ－Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒｓ」と題された、Ｗｕの米国特許第９，００８，７５７号に示され、これは参照により本明細書に組み込まれる。
【0035】
手術中に、ある特定の手術用タスクについて、ユーザは、ロボットアーム２０を手動で操作し（例えば、ロボットアームを動かし、またはロボットアームの運動を引き起こし）、手術用ツール３０を操作して、穿孔、切断、ソーイング、リーミング、インプラント挿入などのような外科的処置を患者に実施する。ユーザが手術用ツール３０を操作すると、ナビゲーションシステム１２は、手術用ツール３０及び／またはロボットアーム２０の位置を追跡し、触覚フィードバック（例えば、力のフィードバック）をユーザに提供し、患者の解剖学的形態に対して登録されている（またはマッピングされている）１つ以上の所定の仮想境界を越えて手術用ツール３０を動かす（または手術用ツールの運動を引き起こす）ユーザの能力を制限し、その結果、非常に正確で、再現性のある穿孔、切断、ソーイング、リーミング、及び／またはインプラントの配置が行われる。
【0036】
一実施形態において、ロボットアーム２０は、受動方式で動作し、外科医が仮想境界を越えて手術用ツール３０を動かそうとするときに触覚フィードバックを提供する。触覚フィードバックは、ロボットアーム２０内の１つ以上のアクチュエータ（例えば、関節用モータ）によって生成され、ケーブル駆動トランスミッションなどの可撓性トランスミッションを介してユーザに伝達される。ロボットアーム２０が触覚フィードバックを提供していないとき、ユーザは、ロボットアーム２０を自由に動かすことができる。他の実施形態では、参照により本明細書に先に組み込まれた、米国特許第９，５６６，１２２号に示されるものと同様に、ロボットアーム２０は、同様の方法でユーザによって操作されるが、ロボットアーム２０は、能動方式で動作する。例えば、ユーザが手術用ツール３０に力を加えると、この力を力／トルクセンサが測定し、この力／トルクセンサからの測定値に基づくユーザの所望の運動（動き）をロボットアーム３０がエミュレートする。他の手術用タスクについて、ロボットアーム２０は自律的に動作する。
【0037】
図４及び５を参照すると、ロボットアーム２０の遠位端部２８に結合された手術用ツール３０が示されている。より具体的には、カップリング４０が手術用ツール３０とロボットアーム２０の遠位端部２８との間に提供されることで、遠位端部２８に対する軸Ａを中心とした手術用ツール３０の回転が可能になる。図４において、手術用ツール３０は、椎弓根スクリュー、他のスクリュー、または他のタイプのインプラントのためのパイロットホールを穿孔するドリル４２を含む。ドリル４２は、回転軸Ｒを中心に回転するように配置される。図５において、手術用ツール３０は、椎弓根スクリューＰＳまたは他のインプラントを駆動するために、回転軸Ｒを中心に回転するように回転軸Ｒに沿って配置されるドライバー４４（例えば、スクリュードライバー）を含む。
【0038】
手術用ツール３０は、ハウジング４５を含む。駆動系（例えば、モータ）は、ドリル４２、ドライバー４４または他の付属品を駆動するためにハウジング４５内に位置する。駆動系は可変速であることができる。ハンドル４６は、ハウジング４５に設けられ、グリップを含み、外科手術中に、ユーザは、このグリップを把持し、手術用ツール３０及び／またはロボットアーム２０を操作する。
【0039】
さらに、ハウジング４５は、ドリル４２、ドライバー４４または他の付属品を駆動系に取り外し可能に取り付けるために、コレット４７または他のタイプのカプラを含む。場合によっては、減速機４８（図５を参照）が、コレット４７に取り外し可能に取り付けられて、ある特定の付属品に使用されてもよい。減速機４８は、駆動系に直接連結される場合と比較して、付属品の回転速度を低下させるトランスミッションまたはギヤ配列を含む。減速機は、より遅い回転速度が望ましい場合に役立つ。また、トリガ４９が設けられてもよく、このトリガは、ドリル４２及び／またはドライバー４４の速度を制御し、ロボットアーム２０の運動を開始し、または回転軸Ｒを所望の軌道にアライメントさせる（位置合わせする）ことなどを行う。トリガ４９は、ロボットアーム２０及び／または手術用ツール３０を制御する信号を、ロボットコントローラ３２（ツールコントローラを含むことができる）に通信することができる。
【0040】
図６に示される別の実施形態では、カップリング４０の１つの端部は、軸Ａを中心とする回転のために手術用ツール３０を支持する。カップリング４０のもう１つの端部は、ハウジング４５を支持する。ハウジング４５は、カップリング４０に固定されてもよいし、またはカップリング４０内で回転軸Ｒを中心とする回転のために支持されてもよい。換言すれば、ハウジング４５は、カップリング４０内で受動的に回転することができる。ただし、同時に、カップリング４０は、ハウジング４５の位置を正確に制御することができるように、カップリング４０に対する回転軸Ｒに沿ったハウジング４５の軸方向の動きを制限する。トラッカー（図示せず）をハウジング４５に取り付けて、ハウジング４５の位置及び／または向きを追跡することで、回転軸Ｒを、及び／またはハウジング４５に取り付けられた付属品の遠位端部を追跡することができる。回転シャフト６０は、ハウジング４５内で回転自在に支持される。回転シャフト６０は、付属品（例えば、図に示されるようなドライバー４４）に結合する遠位インタフェース／コレット６２と、モータなどのトルク源、手動回転用の回転可能なハンドルなどのような動力源に結合する近位インタフェース／コレット６４とを含む。例えば、ユーザがハンドピース６６を把持し、モータの動作をトリガし、モータが回転シャフト６０を介してドライバー４４に、そして最終的には椎弓根スクリューＰＳにトルクを伝達させることができるように、ドライバー４４は、遠位インタフェース６２／回転シャフト６０に結合されて示され、内部モータを備えるハンドピース６６は、近位インタフェース６４に結合されて示されている。この構成により、ユーザは、椎弓根スクリューＰＳを挿入するときにトルクフィードバックを直接感じることができる。
【0041】
術前撮像及び／または術中撮像を用いて治療が必要な患者の解剖学的形態（患者の脊椎など）を視覚化することができる。外科医は、画像に関して、及び／またはこれらの画像から作成された３Ｄモデルに関して、椎弓根スクリューＰＳを配置するべき位置を計画する。この計画は、例えば、画像及び／または３Ｄモデル内における所望の姿勢を特定することによって、各椎弓根スクリューＰＳの姿勢を、それらが配置される特定の椎骨Ｖに対して決定することを含む。これは、患者の解剖学的形態の３Ｄモデルに関して別個の椎弓根スクリューＰＳの３Ｄモデルを作成し、または位置決めすることを含むことがある。計画が設定されると、この計画は実行のためにロボットシステム１０に転送される。
【0042】
ロボットシステム１０を、撮像デバイス５０（例えば、図３に示されるＣアーム）とともに使用することで、任意の術前画像、例えば、手術前に取得されるＸ線、ＣＴスキャン若しくはＭＲＩ画像に加えて、またはそれらの代わりに、患者の解剖学的形態の術中画像を取得することができる。撮像デバイス５０からの術中画像は、患者の脊椎に配置される椎弓根スクリューＰＳの所望の向きに対するドリル４２またはドライバー４４の実際の位置を決定するのに役立つことができる。別々の追跡デバイス１６を各椎骨Ｖに用いて、椎弓根スクリューＰＳまたは他のインプラントを椎骨Ｖ内に配置するときに、各椎骨Ｖと、別個の椎骨Ｖに対するドリル４２及び／またはドライバー４４の対応する姿勢とを別々に追跡することができる。
【0043】
ロボットシステム１０は、椎弓根スクリューＰＳの所望の姿勢を評価し、椎弓根スクリューＰＳの所望の姿勢に対応する、仮想境界（例えば、触覚オブジェクト）、所定のツールパス、及び／または他の自律運動インストラクションを作成し、ロボットアーム２０の運動を制御し、手術用ツール３０のドリル４２及びドライバー４４は、最終的にユーザの計画に従って椎弓根スクリューＰＳを配置する方法で制御される。これは、例えば、外科手術中に、手術用ツール３０の軌道と椎弓根スクリューＰＳの所望の姿勢とのアライメントを取ること、例えば、椎弓根スクリューＰＳの所望の姿勢と回転軸Ｒとのアライメントを取ることを確実にすることを含むことができる。
【0044】
他の実施形態では、ユーザは、手術中に所望の軌道及び／またはスクリュー配置を計画することができる。例えば、ユーザは、対象となる解剖学的形態、例えば椎骨Ｖに対して所望の刺入点にドリル４２を配置し、回転軸Ｒの軌道が所望の向きになっていることをディスプレイ１８が示すまでドリル４２の方向付けを行うことができる。ユーザがこの軌道に満足すると、ユーザは、制御システムに入力（例えば、タッチスクリーン、ボタン、フットペダルなど）を提供して、この軌道を手術中に維持される所望の軌道として設定することができる。回転軸Ｒを維持して所望の軌道に沿ったままとするために手術用ツール３０の運動を制約するように作成される触覚オブジェクトは、図４に示されるようなライン触覚オブジェクトＬＨであることができる。ライン触覚オブジェクトＬＨは、さらに以下に説明されるような開始点ＳＰと、ドリル４２、椎弓根スクリューＰＳなどの所望の深さを画定する標的（ターゲット）点ＴＰと、刺出点ＥＰとを含んでよい。他の触覚オブジェクトの形状、サイズなどを含むことも考えられる。
【0045】
図７及び８を参照すると、椎骨Ｖの１つが示されている。脊椎固定術などの外科手術中に、外科医は、椎弓根領域を介して椎骨Ｖの椎体１００内に１つ以上の椎弓根スクリューＰＳを挿入することができる。椎弓根スクリューＰＳを挿入する前に、外科医は、ドリル４２を用いて、椎体１００にパイロットホール１０２を開けることができる。代替的な実施形態では、自己穿孔、セルフタッピングのボーンスクリューを用いる場合などで、パイロットホールを除外することができる。例えば、２００９年１２月２９日に発行されて、「Ｓｅｌｆ－ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｂｏｎｅ ｓｃｒｅｗ」と題された、Ｓｔｅｆａｎ Ａｕｔｈの米国特許第７，６３７，９２９号の教示を参照されたい。これは参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【0046】
一実施形態では、穿孔が始まる前に、ロボットシステム１０は、パイロットホール１０２の所望の向きと合わせて、所望の軌道と手術用ツール３０の回転軸Ｒとのアライメントを自律的に取ることで、所望の軌道に沿って回転軸Ｒを配置するように手術用ツール３０の運動を制御する。この場合、ロボットアーム２０は、所望の軌道に沿っているが、椎体１００の上方に間隔をあけて（図４に示されるように）ドリル４２を自律的に位置決めすることができるため、ドリル４２は椎体１００にまだ接触していない。このような自律的な位置決めは、ユーザが手術用ツール３０のトリガを引くことによって、またはその他の方法で運動を開始する入力を制御システムに提供することによって、開始されることができる。場合によっては、最初に、手術用ツール３０のツール中心点（ＴＣＰ）が所望の軌道を提供するライン触覚オブジェクトＬＨの開始点ＳＰから所定の距離内（所定の開始球面内）へと移動させられる。ＴＣＰ（例えば、バーの重心、ドリルチップの中心など）が開始点ＳＰから所定の距離内に入ると、トリガを引く（または代替的にフットペダルを押す、または別の入力を動かす）ことで、ロボットアーム２０は、自律的に、所望の軌道上で手術用ツール３０のアライメントを取り、この手術用ツール３０を位置決めするようになる。例えば、２０１２年１２月２１日に出願されて、「Ｓｙｓｔｅｍｓ Ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｆｏｒ Ｈａｐｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｏｆ Ａ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｔｏｏｌ」と題された、Ｏｔｔｏらの米国特許出願公開第２０１４／０１８０２９０号の教示を参照されたい。これは参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。ロボットアーム２０は、術前計画に基づいて手術用ツール３０を患者から一定の距離に移動させるようにプログラムされてもよいし、またはＴＣＰを軌道上の最も近い点に移動させるようにしてもよい。手術用ツール３０が所望の姿勢になると、ロボットシステム１０は、所望の軌道上に回転軸Ｒを保つため、すなわち、ライン触覚オブジェクトＬＨとのアライメントを取るために、患者の動きを追跡し、必要に応じてロボットアーム２０を自律的に調整することで、所望の軌道上に手術用ツール３０の回転軸Ｒを効果的に保持することができる。
【0047】
ロボットシステム１０が手術用ツール３０を所望の軌道上に保持している間、ユーザは、手術用ツール３０を手動で操作して、ライン触覚オブジェクトＬＨに沿って椎体１００に向けてドリル４２を動かし（またはドリルの運動を引き起こし）、パイロットホール１０２を穿孔することができる。受動型ロボットアーム２０を使用する場合など、場合によっては、ユーザがライン触覚オブジェクトＬＨ及び所望の軌道から外れる方法で手術用ツール３０を動かそうとしても、ロボットシステム１０は、触覚フィードバックをユーザに提供することにより、所望の軌道に沿って留まるように、ユーザによる手術用ツール３０の動きを制約する。ユーザは、手術用ツール３０の制約のない動きのために、ロボットアーム２０をフリーモードに戻したい場合、ユーザは、刺出点ＥＰに達するまで、手術用ツール３０をライン触覚オブジェクトＬＨに沿って、患者から離れるように引き戻すことができる。
【0048】
次に、ユーザは、パイロットホール１０２を所望の深さまで穿孔する。穿孔速度は、トリガを介してユーザによって制御されることができ、または患者の解剖学的形態に対するドリル４２の特定の位置に基づいて自動的に制御されることができる。例えば、ドリル４２の回転速度は、椎体Ｖへの最初の穿孔中には高く（速く）設定されることができるが、椎体Ｖへのさらなる穿孔中は遅くされることができ、そして最終的な深さへの最終穿孔中はさらに遅く設定されることができる。また、制御システムは、ロボットコントローラ３２と通信する１つ以上のセンサＳ（例えば、１つ以上の力センサ、力／トルクセンサ、トルクセンサ、圧力センサ、光センサなど）を介したライン触覚によるガイド中に、接触／接触力を監視することができる。有意な接触／接触力が検出されない場合、これは、手術用ツール３０が軟組織を通過していることを意味するため、制御システムは、手術用ツール３０のモータまたは他の動力源（例えば、ＲＦエネルギー、超音波モータなど）を作動させないようにする。骨との接触が検出される場合（例えば、光学的に、感知された力が所定の閾値を上回る場合など）、制御システムは、モータまたは他の動力源を作動させることができる。また、ユーザは、接触／接触力を受動的に感じて、スイッチをトリガして動力源を作動させることができる。
【0049】
ユーザがパイロットホール１０２を所望の深さに到達させたとき、例えば、標的点ＴＰに達したとき、所望の軌道に沿ったユーザの動きを制約するために使用される仮想境界（例えば、触覚オブジェクト）もまた、触覚フィードバックを介して示すことができる。また、別個の仮想境界を使用して、所望の深さを設定することができる。他の場合には、ロボットシステム１０は、パイロットホール１０２を所望の深さまで自律的に穿孔することができる。さらなる場合では、ロボットシステム１０は、最初は自律的に穿孔することができるが、その後、最終的な穿孔を手動で行うことができ、また、その逆を行うこともできる。パイロットホール１０２が形成されると、ドライバー４４を使用して椎弓根スクリューＰＳを配置することができる。いくつかの実施形態では、パイロットホール１０２が不要であることがあり、椎弓根スクリューＰＳは、ロボットシステム１０によって配置されるガイドワイヤ上に、またはいかなるガイダンスもなく、配置されることができる。自己穿孔、セルフタッピングのボーンスクリューを用いる場合などでは、パイロットホールが不要な場合がある。例えば、２００９年１２月２９日に発行され、「Ｓｅｌｆ－ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｂｏｎｅ ｓｃｒｅｗ」と題された、Ｓｔｅｆａｎ Ａｕｔｈの米国特許第７，６３７，９２９号の教示を参照されたい。これは参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【0050】
ナビゲーションシステム１２を使用して各椎骨Ｖを別々に連続的に追跡し、ドリル４２の運動を追跡することの１つの利点は、椎弓根スクリューＰＳを脊髄１０３に近接して挿入することができることであり、そのため、椎弓根スクリューＰＳ及びそれらの対応するパイロットホール１０２の配置は、脊髄１０３との相互作用または損傷を回避するように正確にアライメント（位置決め）されなければならない。外科医が不適切な角度でパイロットホール１０２の穿孔を行い、及び／または深すぎる穿孔を行うと、椎弓根スクリューＰＳまたはパイロットホール１０２を穿孔するために使用されるドリル４２が脊髄１０３を損傷する可能性がある。結果的に、ナビゲーションシステム１２を使用して、患者の解剖学的形態、具体的には術前画像及び／または術中画像内で輪郭を描かれるような解剖学的形態に対するドリル４２及び／またはドライバー４４の姿勢を追跡することで、脊髄１０３を避けることができる。
【0051】
具体的には図７を参照すると、穿孔が完了すると、ドリル４２が椎体１００から取り外され、コレット４７を介して駆動系からドリル４２が取り外され、ドライバー４４が駆動系（減速機４８の有無を問わない）に結合される。椎弓根スクリューＰＳは、パイロットホール１０２の１つに配置するために、ドライバー４４の遠位端部に取り付けられる。元のライン触覚オブジェクトは、椎弓根スクリューＰＳを駆動するためにも使用されることができ、または新しい開始点、標的点、及び刺出点を含む新しいライン触覚オブジェクトが、ドライバー４４及び／または椎弓根スクリューＰＳを取り付けるときに作成されることができる。この場合、ロボットコントローラ３２がハウジング４５に連結される付属品を識別することができるように、ドリル４２及び／またはドライバー４４は、ＲＦＩＤタグまたは他の識別デバイスを含むことができる。ハウジング４５は、タグを読み取って取り付けられている付属品を判断するために、ロボットコントローラ３２と通信する、対応するＲＦＩＤリーダーなどを有することができる。次に、この情報に基づいて、コントローラは、新しいライン触覚オブジェクトを作成し、新しいライン触覚オブジェクトにアクセスし、またはその他の方法により新しいライン触覚オブジェクトを決定することができる。同様に、ロボットコントローラ３２が取り付けられる椎弓根スクリューＰＳのサイズ／タイプを判断することもできるように、椎弓根スクリューＰＳにもＲＦＩＤタグを取り付けることができ、ドライバー４４が同様のリーダーを有することができる。したがって、ライン触覚オブジェクトは、ドライバー４４及び／または椎弓根スクリューＰＳに基づくものとすることができ、ロボットアーム２０を正確に制御して、その特定の椎弓根スクリューＰＳを所望の位置、例えば、患者の解剖学的形態に対する所望の向き及び深さに配置することができる。
【0052】
さらに、ＲＦＩＤタグか、またはビジョンカメラなどの他の検出デバイスかいずれかを介した付属品の自動検出により、制御システムは、ロボットシステム１０によって利用される任意の外科手術ソフトウェアを、ここではドライバー４４が連結されているため、ドライバー４４に関連する次の画面に進めることができ、ユーザのために異なるプロンプト、指示などを与えることができる。音声認識、ジェスチャセンシング、またはその他の入力デバイスを使用して、ソフトウェアを進めること、及び／または治療される次の椎骨１００に変更すること、及び／または手術が行われている椎体１００の（側）面を変更することができる。これもまた、手術用ツール３０の位置に基づくことができる。例えば、取り付けられた付属品のＴＣＰをユーザが特定の椎骨Ｖの一方の側に他方の側よりも近づけて手動で配置した場合、ソフトウェアは、椎骨Ｖの一方の側に対応するように自動的に進むことができる。選択された椎骨Ｖ及び手術の側面は、ディスプレイ１８によって視覚的に、またはオーディオ入力／出力を介して確認されることができる。
【0053】
この場合も、ドリル４２が制御されるのとほぼ同じ方法で、ロボットシステム１０が手術用ツール３０を所望の軌道上に保持している間、ユーザは、手術用ツール３０を手動で操作して、ライン触覚オブジェクトＬＨに沿って椎体１００に向けてドライバー４４及び椎弓根スクリューＰＳを動かして（またはこのドライバー及び椎弓根スクリューの運動を引き起こして）、パイロットホール１０２内に椎弓根スクリューＰＳを挿入することができる。受動型ロボットアーム２０を使用する場合など、場合によっては、ロボットシステム１０は、手術用ツール３０が所望の軌道にアライメントされたままの状態で所望の軌道に沿って留まるように、手術用ツール３０のためのユーザの動きを制約することによって手術用ツール３０の運動を制御する。これは、ユーザが所望の軌道から外れる方法で手術用ツール３０を動かそうとした場合に、ユーザに触覚フィードバックを提供することによって達成することができ、したがって、そのような場合でも、ロボットアーム２０は、インプラントが所望の位置に配置されるように、患者の脊椎中へのインプラントの挿入を制御することができる。次に、ユーザは、椎弓根スクリューＰＳをパイロットホール１０２内の所望の位置まで、例えば、所望の向きで所望の深さまで駆動する。駆動速度は、トリガを介してユーザによって制御され、または患者の解剖学的形態に対するドライバー４４及び／または椎弓根スクリューＰＳの特定の位置に基づいて自動的に制御されることができる。例えば、ドライバー４４の回転速度は、椎体Ｖ内への最初の挿入中には高く設定されることができるが、椎体Ｖ内へのさらなる挿入中は遅くされることができ、そして最終的な深さへの最終埋め込み中はさらに遅く設定されることができる。
【0054】
ユーザが椎弓根スクリューＰＳを所望の深さに到達させたとき、所望の軌道に沿ったユーザの動きを制約するために使用される仮想境界（例えば、ライン触覚オブジェクト）を触覚フィードバックを介して示すこともできる。また、別個の仮想境界を使用して、所望の深さを設定することができる。他の場合には、ロボットシステム１０は、椎弓根スクリューＰＳを所望の深さまで自律的に挿入することができる。さらなる場合では、ロボットシステム１０は、椎弓根スクリューＰＳを最初は初期深さまで自律的に駆動することができるが、その後、最終的な深さまでの最終的な埋め込みを手動で行うことができ、また、その逆を行うこともできる。一例では、椎弓根スクリューＰＳは、最終的な深さから所定の距離（ナビゲーションシステム１２によって決定されるような）内になるまでは自律的に配置される。この時点で、ユーザは、ユーザが椎弓根スクリュー３０の締め付けを感じることができるような手術用ツール３０を用いて、手動で椎弓根スクリューＰＳの埋め込み完了させるか、または別のツール（電動または手動の）を使用して、椎弓根スクリューＰＳの配置を完了させる。ユーザは、制御システムにより、ディスプレイ１８を介して、椎弓根スクリューＰＳが最大の深さに達するまでに何回転残っているかを指令されることができ、及び／またはディスプレイ１８は、椎弓根スクリューＰＳのさらなる駆動がどの程度必要とされているかをユーザに容易に視覚化することができるように、椎弓根スクリューＰＳ、解剖学的形態、及び／または標的点をグラフィカルに表すことができる。
【0055】
いくつかの手術において、すべてのパイロットホールがまず穿孔され、その後、すべての椎弓根スクリューＰＳがそれらの所望の位置内に駆動されるときなど、パイロットホールの穿孔とインプラントの駆動との間で、回転軸Ｒが所望の軌道から離れてしまうことがある。そのような場合、各椎弓根スクリューＰＳを配置する前に、ロボットシステム１０は、まず前述される方法で椎弓根スクリューＰＳごとに所望の軌道と手術用ツール３０の回転軸Ｒとのアライメントを自律的に取ることによって、所望の軌道に沿って回転軸Ｒを配置するように手術用ツール３０の運動を制御することができる。
【0056】
１つの代替案において、椎弓根スクリューＰＳは、ロボットシステム１０の支援で挿入され、ロボットコントローラ３２は、回転軸Ｒを中心とした回転速度及び計画された軌道に沿った前進速度が椎弓根スクリューのねじ山形状に比例するように挿入を制御する。例えば、ねじ山形状は、椎弓根スクリューＰＳの長さ、ねじ山の直径、ねじ山の深さ、ヘッドサイズ及びねじ山のピッチＰのいずれか１つ以上を含むことができる。図１４は、標的（ターゲット）部位に隣接する椎弓根スクリューＰＳの開始位置を示す。この場合、線形触覚オブジェクトＬＨによって指定される計画された軌道とともに、標的部位は椎骨Ｖとして示されている。椎弓根スクリューＰＳと椎体１００との間のねじ式のインタフェースは、椎弓根スクリューが正しく挿入されない場合に、骨、スクリューＰＳ、ドライバー４４または手術用ツール３０に損傷を与える危険性がある。骨は、おそらく最も弱い材料であるので、スクリューが正しく挿入されない場合、損傷を受ける可能性が最も高くなる。不適切な挿入は、例えば、回転軸Ｒを中心とした回転が不十分な状態で椎弓根スクリューＰＳが軌道ＬＨに沿って直線的に前進する場合に起こることがある。これが原因で、ねじ山に隣接する骨材料がせん断され、骨の中に押し込まれるようになる可能性がある。別の例において、不適切な挿入は、例えば、椎弓根スクリューＰＳが軌道ＬＨに沿った前進が不十分な状態で回転軸Ｒを中心に回転する場合に起こることがあり、これが原因で、ねじ山に隣接する骨材料がせん断され、ねじ山に沿って押し戻されるようになり、事実上ホールを開けすぎてしまう可能性がある。いずれの例においても、不適切な挿入の結果、椎弓根スクリューＰＳを骨に固定する骨材料の強度及び量が減少する。
【0057】
図１４は、この潜在的なリスクに対処するための位置制御を使用する挿入のため、椎体１００に隣接する開始点Ｄｏにある椎弓根スクリューＰＳを示す。スクリューを挿入するための位置制御は、手術全体を通して適切な深さ位置及び角度または回転位置が維持されることを確実にする。上記の実施形態に示されるように、椎体１００にパイロットホールを形成してもよいし、またはパイロットホールを必要としないように自己穿孔及びセルフタッピングのスクリューを用いた手術を行ってもよい。椎弓根スクリューＰＳの開始点Ｄｏは、椎体１００に隣接しており、すなわち、スクリューのどの部分も椎体１００に貫入する前の状態である。代替案では、開始点Ｄｏは、手術全体を通して適切な位置制御を確実にするために、安全マージンとして椎体１００から一定の距離だけ離隔されることができる。挿入の深さＤは、軌道ＬＨに沿って進み、椎体１００内への椎弓根スクリューＰＳの挿入を完了するために計画された深さとしての最終的な深さＤｆに至る。
【0058】
ロボットコントローラ３２は、回転速度及び軌道ＬＨに沿った前進速度が椎弓根スクリューＰＳのねじ山のピッチＰに比例するように、椎弓根スクリューＰＳの挿入を制御するように構成される。椎弓根スクリューＰＳは既知の幾何学的形状を有し、ナビゲーションシステム１２内に仮想で提示される。ねじ山のピッチＰは、単位長さあたりのねじ山の数として定義される。特定の例では、図１４に示される椎弓根スクリューは、１インチあたり１２個のねじ山のピッチを有することができる。他の例示的な椎弓根スクリューＰＳは、１インチあたり８、１０、１４、１６個または他の数のねじ山を有することができる。ロボットアーム２０と椎弓根スクリューＰＳとの間に定義された関係と、ロボットシステム１０のメモリに記憶される椎弓根スクリューＰＳの既知の形状とを有することで、ロボットコントローラ３２は、特定のねじ山のピッチを有する椎弓根スクリューを挿入するために適切な回転速度及び前進速度に確実に確保するように構成される。
【0059】
椎弓根スクリューＰＳのねじ山形状は、術前または術中にロボットシステム１０のメモリに記憶されることができる。一例では、椎弓根スクリューＰＳは、手術計画の一部分として選択され、椎弓根スクリューＰＳの対応するねじ山形状は、椎弓根スクリューＰＳに関連付けられ、計画に入力される。術中の手術のために計画がロードされると、ロボットシステム１０は、即時アクセスのために、既知のねじ山形状をメモリに記憶させる。別の例では、オペレータは、異なる椎弓根スクリューＰＳを手動で選択することができ、またはロボットシステム１０の操作に関連するＧＵＩを使用してねじ山形状を手動で入力することができる。入力されたねじ山形状は、メモリに記憶されるデータベースから取得されることができ、またはオペレータが選択された椎弓根スクリューＰＳに関連するオフライン仕様からそのような情報を取得することから導出されることができる。これらの例のいずれかでは、ＧＵＩを使用してオペレータが入力した後に、ねじ山形状をメモリに記憶することができ、その後、ロボットシステム１０は、入力されたねじ山形状を用いて本明細書に記載の制御技法を実行することができる。さらに別の例では、ロボットシステム１０に直接接続され、または無線で接続される測定ツールを利用して、任意の意図された椎弓根スクリューＰＳをスキャンまたは測定し、ねじ山形状を抽出し、測定されたねじ山形状をロボットシステム１０のメモリに伝送することができる。
【0060】
椎弓根スクリューのねじ山のピッチ、角度位置または回転位置と、挿入深さまたは軌道に沿った前進との間の関係は、式［θ＝Ｄ＊（ピッチ／２π）］によって決定され、式中、θは角度位置であり、Ｄは単位長さでの挿入深さであり、ピッチは椎弓根スクリューＰＳの単位長さあたりのねじ山数である。ロボットコントローラ３２は、この関係を使用して、椎弓根スクリューの挿入を制御する。例えば、時間について１階微分すると、角度位置の変化率、つまり回転速度δθ／δｔは、挿入深さの変化率、つまり前進速度δＤ／δｔにピッチを乗算し、２πで除算したものに等しい。これは、次のように表すことができる。δθ／δｔ＝δＤ／δｔ＊（ピッチ／２π）（式１）
【0061】
上記のように、ロボットアームは、能動方式で動作することができ、ユーザが力を手術用ツールに加えると、この力を力／トルクセンサが測定する。ロボットアームは、力／トルクセンサからの測定値に基づいて、ユーザの所望の運動をエミュレートする。ロボットコントローラ３２は、加えられた力の方向に、そして加えられた力の大きさに比例したロボットアーム２０の変位を命令するように構成されることができる。さらに、ロボットコントローラ３２は、ねじ山のピッチに対する椎弓根スクリューＰＳの回転速度と前進速度との間の比例関係を維持するように構成される。
【0062】
１つの代替案では、図１５に示されるように、インプラントを配置する方法が提供される。図１５は、スクリューを骨の中に配置するなど、インプラントを所望の位置に配置するための外科手術で実行されることができるサンプルステップのフローチャートを示す。ステップ４００では、最初にインプラントを受容するように解剖学的形態を形成する。このような形成は、（１）患者に切開を形成すること（図１３も参照）、（２）開創器で組織を開創すること、（３）解剖学的形態内にパイロットホールを穿孔すること、（４）解剖学的形態内に雌ねじを切ることなど、いくつかのステップを含むことができる。すべての手術において、すべての形成ステップを実行する必要はない。例えば、自己穿孔、セルフタッピングのスクリューが用いられている場合、パイロットホールを穿孔し、または雌ねじを切る別個のステップは必要とされない。
【0063】
図１４のように、手術計画に従って、回転軸Ｒが計画された軌道ＬＨにアライメントされていない場合、または他の理由で回転軸Ｒが所望の軌道から離れた場合、ステップ４０２では、回転軸Ｒのアライメントを取る（位置決めを行う）。具体的には、ステップ４０２において、ロボットシステム１０は、手術用ツール３０の運動を制御して回転軸Ｒを所望の軌道に沿って配置する。これは、ロボットシステム１０が手術用ツール３０の自律運動を引き起こし、回転軸Ｒを所望の軌道に沿って配置することを含むことができる。あるいは、ロボットシステム１０は、回転軸Ｒが計画された軌道ＬＨに沿って配置されるまで、ユーザが手動モードで力／トルクを加えることで手術用ツール３０を動かすことを可能にしてもよい。ロボットシステム１０は、適切なアライメントを示すフィードバック（視覚、可聴、及び／または触覚）をユーザに生成することができる。いくつかの例において、誘引性触覚は、ツールの位置が誘引性触覚によって定義される閾値距離まで軌道ＬＨに近くになるように、ツール３０を計画された軌道ＬＨに向かって引き寄せるために利用されることができる。
【0064】
回転軸Ｒが所望の軌道上に配置されると、ステップ４０４において、ロボットシステム１０は、回転軸Ｒを所望の軌道に沿って維持するように動作する。これは、手術用ツール３０の運動を、自律的であろうと手動であろうと制約することを含むことができるため、手術用ツール３０は、インプラントが所望の位置に配置されるまで、手術全体を通して所望の軌道とのアライメントが取られたままである。
【0065】
患者の椎骨Ｖ内へのインプラントの挿入は、インプラントが所望の位置に配置されるように、ステップ４０６～４１０で行われる。ステップ４０６及び４０８において、ロボットシステム１０は、手術用ツール３０の自律運動を引き起こし、計画された軌道に沿った直線的なツールの自律前進を制御するのと同時に、回転軸Ｒを中心とした手術用ツールの自律回転を制御する。前進及び回転の自律制御は、上述の式１によって定義される、ねじ山のピッチに関連している。ねじ山のピッチによって決定される自律制御は、椎弓根スクリューの適切な挿入を確実にし、周囲の骨組織への損傷を引き起こさないようにする。
【0066】
自律制御は、ステップ４１０の完了まで継続し、ロボットシステム１０は、インプラントを所望の位置に、すなわち、手術計画に従った最終的な挿入深さに配置する。
【0067】
ステップ４００～４１０は、複数の代替案においてはユーザによって命令されることができる。第一例では、ロボットシステム１０は、完全な自律性で実行するように構成されることができる。すなわち、ユーザがロボットシステム１０に操作を実行するように命令すると、ロボットシステム１０は、操作が完了するまで、さらなるユーザ入力なしで操作を実行する。代替の実施形態では、ユーザは、操作の自律的な実行を開始させることに続き、ボタンを押し続けること、フットスイッチを押し続けることまたは他の連続的な入力制御などによって継続的な入力を提供し、入力が停止した場合、例えば、ボタンまたはフットスイッチが解放された場合に、ロボットシステム１０が操作の実行を一時停止するようにしてもよい。自律制御と協働して、ユーザは、操作を実行する速度を調節することができる。ボタンやフットスイッチに加えて、ユーザが複数の離散した速度に関するステップワイズ機能でロボットの速度の増加または減少を命令することができるように、追加の制御（装置）を設けることができる。追加の速度制御（装置）は、ボタン、セレクタ、ダイヤルまたは他の適切な制御のセットを含むことができる。
【0068】
さらなる実施形態では、この方法は、ユーザが手術用ツールに力を加え、この力を力／トルクセンサが測定する能動方式で、ロボットシステム１０を使用することを含む。ロボットシステムは、力／トルクセンサからの測定値に基づいて、ユーザの所望のロボットアームの運動をエミュレートする。この実施形態では、ユーザは、ロボットシステムを自律モードに切り替え、インプラントを挿入するために自律制御操作の実行を命令することができる。ロボットシステム１０は、ユーザによって加えられた入力を示す信号を力／トルクセンサから受信し、入力の力の大きさに比例した速度で自律制御を実行する。ロボットシステム１０は、ユーザが制御（装置）から手を離した場合またはその他の方法によって力／トルクセンサに力が入力されない場合、操作の実行を一時停止するようにさらに構成されることができる。
【0069】
さらなる実施形態では、この方法は、図４～図６に示される手術用ツール３０を含み、ユーザの入力を示す信号をロボットコントローラ３２に通信することができるトリガ４９を有するロボットシステム１０を使用することを含む。ロボットシステム１０は、トリガ４９の押し込み量（操作量）に応じて、インプラントの挿入中に、回転軸Ｒを中心とした回転速度か、または軌道に沿った前進かのいずれか一方をユーザが制御するようなモードで動作するように構成されることができる。ステップ４０６～４１０では、ユーザは、回転速度または前進速度を制御するために、例えば、トリガ４９を可変的に押し込むことによって入力を提供する。ロボットシステムは、前進速度または回転速度の一方を制御することによって入力に応答し、上述の式１に定義された関係に従って、ねじ山のピッチに比例するインプラントの設置の両方の態様を維持する。
【0070】
ステップ４１０の後、インプラントが所望の位置に配置された状態で、ステップ４１２では、ツールをインプラントから引き抜く。インプラントを骨の中に前進させる場合と同様に、ユーザは、椎骨Ｖから離れる方向に手術用ツールに力を入力して、手術用ツールの引き抜きを命令することができる。あるいは、ロボットシステム１０は、インプラントが配置されると、ユーザからのさらなる入力なしに、手術用ツールを自律的に引き抜くことができる。ステップ４００～４１２で説明されているプロセスは、追加のインプラントを配置するために新たに実行され、そしてすべてのインプラントが手術計画に従って配置されるまで継続されることができる。
【0071】
部分的椎間関節切除術は、手術用ツール３０が椎弓根スクリューＰＳのヘッドを最終的に受容するための滑らかな骨表面を提供しながら実施されることができる。切除量は、ユーザの計画に基づいて、すなわち、３Ｄモデル中のヘッドの位置を決定することによって定義されることができる。ヘッド形状に対応するバーまたは予め形成されたリーマ７０を使用して、材料を除去することができる。場合によっては、ドリル４２は、別個のツールを回避するために、図７の隠線に示されるように、リーマをその中に組み込むことができ、その結果、ドリル４２は、パイロットホールを形成するためのより小さな輪郭の穿孔シャフトを有し、及びより近位に椎弓根スクリューＰＳのヘッド用のシート７２を形成するためのリーマ７０が配置され、そのため、パイロットホール１０２及びシート７２の少なくとも一部分を同時に形成することができる。示される実施形態では、ドリル４２は、近位端部及び遠位端部を有する穿孔シャフトと、遠位端部にあるドリルチップとを有する。リーマ７０は、ドリル４２が標的椎体内の所望の深さまで挿入されると、リーマ７０がファセットの近くに位置するように、ドリル先端から近位に間隔をあけて配置される。任意の適切なドリル及び／またはリーマの切断機能を用いて、ホールを形成することができ、例えば、インプラントを受容するために患者の脊椎にパイロットホール及びシートを形成することができる。
【0072】
ロボットコントローラ３２を使用して、ドライバー４４での椎弓根スクリューＰＳの駆動に関連するトルクを測定することにより、椎弓根スクリューＰＳの挿入を制御することができる。より具体的には、椎弓根スクリューＰＳを椎体１００に挿入するために必要なトルクは、椎体１００に椎弓根スクリューＰＳが深く配置されるほど増加し、パイロットホール１０２の端部に達するとさらに増加する。結果として、手術用ツール３０内のモータのトルク出力は、椎弓根スクリューＰＳが所望の深さに到達したかどうか、及び／またはパイロットホール１０２の端部に到達したかどうかを示すことができる。ロボットコントローラ３２は、このトルクを監視し（例えば、トルクセンサを介して、モータの消費電流などを監視することなどによって）、それに応じてドライバー４４の回転を制御する。例えば、閾値トルクに達すると、ドライバー４４を停止させることができる。
【0073】
図９Ａ及び９Ｂを参照すると、制御システムは、トルク出力、例えば、電流または他の測定された力のパラメータを使用して、挿入中のドリル４２または椎弓根スクリューＰＳの位置を確認することが可能であってもよい。これは、追跡デバイス１６が椎骨１００に対して不注意に動く場合に特に有用であることができ、これは他の方法で検出されず、穿孔またはスクリューの駆動の際にエラーをもたらす可能性がある。例えば、椎骨１００を撮影した術前及び／または術中画像を使用して、椎骨１００についての骨塩密度（ＢＭＤ）の体積マップを生成することができる。ロボット手術のためのそのようなＢＭＤマップの生成及び利用は、２０１６年６月２８日に出願されて、「Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ａ Ｔｏｏｌ Ｒｅｍｏｖｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｆｒｏｍ Ａ Ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ」と題された、Ｍｏｃｔｅｚｕｍａ ｄｅ ｌａ Ｂａｒｒｅｒａらの米国特許出願公開第２０１７／００００５７２号に示され、記載されており、これは参照により本明細書に組み込まれる。穿孔中またはスクリュー駆動中に、制御システムは、ＢＭＤマップを評価して、３Ｄモデル及びユーザの計画に従って、骨に対するドリル４２／椎弓根スクリューＰＳの接触点（すなわち、ドリル／椎弓根スクリューＰＳが計画に従っている場合には現在の接触点）におけるＢＭＤを予測することができる。次に、制御システムは、手術用ツール３０の電流若しくはトルクまたは相互作用力の対応する値を予測し（例えば、力／トルクセンサを使用して）、その値を測定された実際の値と比較して、閾値を超える不一致が見つかったかどうかを判定することができる。不一致が見つかった場合、その不一致は、手術を停止したり、計画を更新したりするために使用することができる。図９Ｂは、椎弓根スクリューＰＳの挿入の電流、トルク及び力のプロファイルを示す。事実上、スクリュー駆動中、ロボットシステム１０は、スクリューの挿入の電流、トルク及び力のプロファイルを監視して、椎弓根スクリューが計画された軌道を追従することを示すことができる。また、挿入トルクのプロファイルは、骨の骨粗鬆症の程度を示すために使用されることができる。
【0074】
また、超音波トランスデューサ（図示せず）を患者の皮膚の裏側に取り付けて、患者の解剖学的形態及び外科手術の進行のリアルタイム画像を生成することができる。術中画像を使用して、椎弓根スクリューＰＳが計画された所望の軌道を追従しているかどうかを判断したり、ドリル４２または椎弓根スクリューＰＳが神経や内側または外側の皮質境界を含むいずれかの重要な構造に近づいているかどうかを判断したりすることができる。
【0075】
図１０Ａを参照すると、手術用ツール３０の付属品の１つは、メス、電気メス、鋭利なチップを有する他のツールなどの皮膚切開ツール８０を含むことができる。皮膚切開ツール８０は、ドリル４２及び／またはドライバー４４と同様に取り付けられてもよく、あるいは別個のエンドエフェクタの一部分であって、カップリング４０に取り付ける架台（マウント）８１に連結されてもよく、皮膚切開Ｉは、前述されているものと同様の方法で、触覚ガイダンス、すなわち、仮想境界（例えば、触覚オブジェクト）を用いて行われることができ、すなわち、切開Ｉを作成するときに仮想境界を用いて、患者の皮膚における所望の切開に関してユーザの運動（動き）を制約することができる。一例では、デジタルプローブ７３は、所望の切開位置に接触し、関連した境界／触覚オブジェクトを作成するために使用されることができる。別の例では、デジタル化することによって、及び／または術前の方法によって、リング７４の姿勢に基づいて３Ｄ皮膚モデルを決定することができ、制御システムが椎弓根スクリューの配置の所望の計画を使用し、この皮膚モデルに基づいて切開Ｉの位置を決定することができる。
【0076】
図１０Ｂを参照すると、デジタルプローブ７３と同様の他のタイプのポインタも切開の所望の位置を特定するために使用することができ、他のタイプのポインタは、皮膚切開ツール８０、エンドエフェクタまたは他の構成要素に取り付けられて、切開の位置を示すために患者の皮膚に可視光ＬＴを投影することができるレーザポインタＬＰなどである。そのようなレーザポインタは、最初に所望の軌道と皮膚切開ツール８０の回転軸Ｒとのアライメントを取り、その後、レーザポインタＬＰを作動させることにより、所望の軌道に沿って光を投射するために使用されることができる。皮膚切開ツール８０の代替形態は、図１０Ｂに示され、ロボットアームによって適所に保持されるツールガイドＴＧを介して配置される。スキントラッカー（例えば、リング７４）を介して達成される患者の皮膚の追跡により、ナビゲーションシステム１２もまた、皮膚モデル（例えば、表面モデル、点群など）及び皮膚モデルと所望の軌道の交点に基づいて切開Ｉの所望の位置を近似的に決定することができ、これにより、ユーザは、触覚フィードバックによって患者の皮膚における所望の位置で所望の切開を行うことができる。
【0077】
触覚オブジェクトは、切開の作成をガイドする触覚フィードバックを確立するためにさまざまな方法で定義されることができる（例えば、図１０Ａに示されるＶ字型触覚オブジェクトＶＨを参照）。触覚オブジェクトは、皮膚切開ツールの幅、皮膚切開の所望の長さ及び／または切開の所望の深さに基づいて定義されることができる。また、所望の切開の深さは、最大切開深さの範囲内でユーザによって制御されることができ、最大切開深さは、触覚オブジェクトの一部分としてプログラムされた最大切開深さか、または、皮膚切開ツール８０がエンドエフェクタのツールガイドＴＧにおけるガイド開口部（図示せず）を介して所定の点を越えてスライドするのを防止するために使用されることができる機械的停止のいずれかによって決定されることができる。
【0078】
図１１を参照すると、手術用ツール３０の付属品の１つは、例えば、Ｊａｍｓｈｉｄｉ針、スタイレットを備えた別のアクセスカニューレなどのワイヤ挿入ツール９０を含むことができる。ワイヤ挿入ツール９０は、皮膚切開ツール８０と同様に取り付けられるか、または別個のエンドエフェクタの一部分であり、カップリング４０に取り付ける架台（マウント）９１に固定的に連結されることができる。ワイヤ挿入ツール９０と架台９１との間に相対的な動きが許容されない場合、すなわち、それらが互いに固定されている場合、ワイヤ挿入ツール９０は、ライン触覚オブジェクトＬＨによってガイドされて、皮膚切開Ｉに入り、骨、例えば椎骨上の標的点ＴＰに達することができる。架台９１が開口部９３を備えたツールガイドＴＧを含む場合など、ワイヤ挿入ツール９０と架台９１との間の相対的な軸方向のスライド運動が許容される場合、ツールガイドＴＧは、所望の向きに位置決めされることができ、ワイヤ挿入ツール９０は、ツールガイドＴＧの開口部９３に沿って挿入されることができる。標的点ＴＰまでの相対距離、ワイヤ挿入ツール９０の長さ及びツールガイド位置に応じて、ワイヤ挿入ツール９０は、ドリル４２及び／またはドライバー４４について前述されるものと同じ方法で、ライン触覚オブジェクトＬＨを介してガイドされることができる。
【0079】
図１２は、スクリューを骨の中に配置するなど、インプラントを所望の位置に配置するための外科手術で実行されることができるサンプルステップのフローチャートを示す。ステップ２００では、最初にインプラントを受容するように解剖学的形態を形成する。このような形成は、（１）患者に切開を形成すること（図１３も参照）、（２）組織開創器で組織を開創すること、（３）開創された組織内にカニューレを配置すること、（４）解剖学的形態内にパイロットホールを穿孔すること、（５）解剖学的形態内に雌ねじを切ることなど、いくつかのステップを含むことができる。
【0080】
回転軸Ｒが所望の軌道にアライメントされていない場合、または他の理由で回転軸Ｒが所望の軌道から離れた場合、ステップ２０２では、回転軸Ｒのアライメントを取る。具体的には、ステップ２０２において、ロボットシステム１０は、回転軸Ｒを所望の軌道に沿って配置するように手術用ツール３０の運動を制御する。これは、回転軸Ｒを所望の軌道に沿って配置するように手術用ツール３０の自律運動を引き起こすロボットシステム１０を含むことができる。
【0081】
回転軸Ｒが所望の軌道上に配置されると、ステップ２０４において、ロボットシステム１０は、回転軸Ｒを所望の軌道に沿って維持するように動作する。これは、ユーザが手術用ツール３０を脊椎に向けて手動で動かしている間、またはユーザが脊椎に向けた手術用ツール３０の運動を手動で引き起こしている間、手術用ツール３０が所望の軌道にアライメントされたままであるように、手術用ツール３０の運動を制約することによって、手術用ツール３０の手動操作を制御することを含むことができる。
【0082】
患者の脊椎内へのインプラントの挿入は、ステップ２０６及び２０８で行われ、インプラントが所望の位置に配置する。ステップ２０６において、ロボットシステム１０は、インプラントが所望の位置から所定の距離内に入るまで、手術用ツール３０の自律運動を引き起こし、インプラントを患者の脊椎内に配置する。その後、ステップ２０８において、ユーザは、手術用ツール３０を手動操作し、ロボットシステム１０は、インプラントが所望の位置に配置されるまで、手術用ツール３０のそのような手動操作を制御する。ロボットシステム１０は、例えば、インプラントが所望の位置に到達したことを示す触覚フィードバックを、ロボットコントローラ３２を用いてユーザに生成することによって、そのような手動操作を制御することができる。インプラントが所望の位置に配置されると、ステップ２１０において、手術用ツール３０は解剖学的形態から引き抜かれ、すべてのインプラントが配置されるまで手術は進められる。
【0083】
図１３は、患者の皮膚に切開Ｉを形成するために実行されるサンプルステップのフローチャートを示す。ステップ３００では、まず、スキントラッカー（例えば、リング７４）が患者に取り付けられている状態で、ポインタを用いて切開の所望の位置を識別する。一例では、ポインタは、デジタルプローブ７３を含み、このデジタルプローブ７３は、所望の切開位置に接触して切開Ｉの所望の位置を識別し、関連した境界／触覚オブジェクトを作成するために使用されることができる。別の例では、レーザポインタＬＰを使用して、切開の所望の位置を識別することができる。
【0084】
ステップ３０２では、切開Ｉの所望の位置が識別されると、皮膚（及び切開Ｉのための皮膚上の所望の位置）は、前述の方法でナビゲーションシステム１２を用いて追跡されることができる。
【0085】
皮膚及び切開Ｉのための所望の位置が追跡されているため、ロボットシステム１０は、ステップ３０４において、切開のために作成された触覚オブジェクトに関して皮膚切開ツール８０の運動を制御することができる。触覚オブジェクトは、患者の皮膚におけるの所望の位置で切開が行われるように、標的座標系で定義される。一例では、ロボットシステム１０は、皮膚切開ツール８０の手動操作を制御することによって、触覚オブジェクトに対する皮膚切開ツール８０の運動を制御することができる。これは、ユーザが皮膚切開ツール８０を手動で動かしている間、またはユーザが皮膚切開ツール８０の運動を手動で引き起こしている間、皮膚切開ツール８０が所望の位置で切開Ｉを行うように、触覚オブジェクトで定義される仮想境界に対して皮膚切開ツール８０の運動を制約することによって行われることができる。ロボットシステム１０は、皮膚切開ツール８０が切開Ｉの所望の深さに達したこと、またはそうでなければ皮膚切開ツール８０が切開Ｉについて所望の限界値に達したことを示す触覚フィードバックをユーザに生成することによって、触覚オブジェクトに対する皮膚切開ツール８０の運動を制約することができる。切開Ｉが所望の位置で行われると、皮膚切開ツール８０は、ステップ３０６において、解剖学的形態から引き抜かれ、すべての切開が行われるまで手術は進められる。
【0086】
本明細書に記載のシステム及び方法は、椎弓根スクリューＰＳ、他のスクリュー、ファスナまたは他のインプラントを患者に配置するために用いられることができることを理解されたい。したがって、椎弓根スクリューＰＳが一例として全体を通して言及されているとしても、本明細書に記載されているものと同じシステム及び方法を利用して、患者の任意の解剖学的形態を治療することができ、及び／または任意のインプラントを患者に、例えば、股関節、膝、大腿骨、脛骨、顔、肩、脊椎などに配置することができる。例えば、ロボットアーム２０も使用して、脊椎インプラント用のケージを配置すること、ロッドを配置することまたは他の構成要素を配置することができ、ロボットアームを椎間板切除術または他の手術に使用することができる。他の手術のために、異なるエンドエフェクタもロボットアーム３０に取り付けることができる。場合によっては、エンドエフェクタは、関節アームも含み、この関節アームは、インプラントの挿入、すなわち、インプラントを所望の姿勢で配置することを容易にする。エンドエフェクタの関節アームは、インプラントを配置するために同じ方法で制御されるロボットアーム２０の単なる縮小版であってもよいし、またはインプラントを位置決めするように制御される別の機構であってもよい。ナビゲーションシステム１２は、光学ベースのトラッカーを備えた光学ナビゲーションシステムを含むことができるが、超音波を介して物体を追跡する超音波ナビゲーションシステム、ＲＦエネルギーを介して物体を追跡する無線周波数ナビゲーションシステム、及び／または電磁信号を介して物体を追跡する電磁ナビゲーションシステムなどの他のモダリティを追加的に、または代替的に使用することができる。他のタイプのナビゲーションシステムの使用もまた考えられる。場合によっては、本明細書に記載のモデルが三角形メッシュ、ボクセルを使用する体積モデルまたは他のタイプの３Ｄ及び／または２Ｄモデルを含むことができることも理解されたい。
【0087】
以上では、いくつかの実施形態について説明してきた。しかし、本明細書で論じられている実施形態は、網羅的であることや本発明をいずれかの特定の形態に限定することを意図するものではない。使用されている用語は、限定ではなく、説明の言葉という性質のものであることを意図するものである。上記の教示に照らして多くの修正形態及び変形形態が可能であり、本発明は、具体的に説明されているもの以外のものでも実施されることができる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【手続補正書】
【提出日】2021-07-09
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ロボットマニピュレータと、前記ロボットマニピュレータに結合され、スクリューを保持して回転軸を中心に前記スクリューを回転させるように構成される手術用ツールであって、前記スクリューはセルフタッピングであり、既知のねじ山形状を有する、前記手術用ツールと、
標的部位の位置を追跡するように構成されるナビゲーションシステムと、
前記ロボットマニピュレータ及び前記ナビゲーションシステムに結合され、前記既知のねじ山形状を記憶するメモリを含むロボットコントローラと、
を含む、手術用ロボットシステムであって、
前記ロボットコントローラは、
追跡された前記標的部位の位置に基づいて前記標的部位に対して計画された軌道に沿って前記手術用ツールの前記回転軸を維持するように前記ロボットマニピュレータの運動を制御することと、
前記回転軸を中心に前記スクリューをある回転速度で回転させ、前記計画された軌道に沿って前記スクリューをある前進速度で直線的に前進させるように、前記手術用ツールを自律的に制御することであって、前記回転速度及び前記前進速度は前記メモリに記憶されている前記既知のねじ山形状に比例する、前記手術用ツールを自律的に制御することと、
を行うように構成される、手術用ロボットシステム。
【請求項2】
前記手術用ツールは、スクリュードライバーを含む、請求項１に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項3】
前記計画された軌道は、触覚オブジェクトによって定義される、請求項１に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項4】
前記触覚オブジェクトは、ライン触覚オブジェクトを含み、前記ロボットコントローラは、前記スクリューが前記標的部位で計画された挿入深さに到達したことを示すユーザへの触覚フィードバックを生成するように前記ロボットマニピュレータを制御するように構成される、
請求項３に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項5】
前記ロボットコントローラは、前記計画された軌道に沿って前記回転軸を配置する、前記手術用ツールの自律運動を引き起こすように構成される、請求項１に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項6】
前記スクリューを駆動するために加えられているトルクを判定するトルクセンサを含み、前記ロボットコントローラは、前記トルクがトルク閾値に達するか、または前記トルク閾値を上回ると、前記ロボットコントローラは前記手術用ツールが前記スクリューを前記標的部位に向けて駆動するのを停止させるように構成される、
請求項１に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項7】
前記ナビゲーションシステムは、ナビゲーションコントローラと、前記ナビゲーションコントローラに結合される撮像デバイスとを含む、請求項１に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項8】
前記ナビゲーションシステムは、前記手術用ツールを追跡する第一トラッカーと、前記標的部位を追跡する第二トラッカーとを含む、請求項７に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項9】
前記ナビゲーションコントローラに結合されるディスプレイを含み、前記ナビゲーションコントローラは、前記標的部位に対する前記スクリューの位置に関連する情報を前記ディスプレイに出力するように構成される、
請求項７に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項10】
前記回転速度及び前記前進速度は、関係［δθ／δｔ＝δＤ／δｔ＊ピッチ／２π］に従って前記既知のねじ山形状に比例し、式中、δθ／δｔは前記回転速度であり、δＤ／δｔは前記前進速度であり、ピッチは前記スクリューの単位長さあたりのねじ山の数である、
請求項１に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項11】
センサを含むロボットマニピュレータと、前記ロボットマニピュレータに結合され、スクリューを保持して回転軸を中心に前記スクリューを回転させるように構成される手術用ツールであって、前記スクリューはセルフタッピングであり、既知のねじ山形状を有する、前記手術用ツールと、
標的部位の位置を追跡するように構成されるナビゲーションシステムと、
前記ロボットマニピュレータ及び前記ナビゲーションシステムに結合され、前記既知のねじ山形状を記憶するメモリを含むロボットコントローラと、
を含む、手術用ロボットシステムであって、
前記ロボットコントローラは、
追跡された前記標的部位の位置に基づいて前記標的部位に対して計画された軌道上で前記手術用ツールの前記回転軸を維持するように前記ロボットマニピュレータの運動を制御することと、
前記センサを用いて、ユーザが加えた力を検出することと、
前記標的部位内に前記スクリューを埋め込むために前記ユーザが加えた力に基づいて、前記回転軸を中心とした前記スクリューの回転速度または前記計画された軌道に直線的に沿った前記スクリューの前進速度の一方を制御することと、
前記ユーザが加えた力に、そして前記メモリに記憶された前記既知のねじ山形状に、前記前進速度及び前記回転速度が比例するように、前記スクリューの前記前進速度または前記回転速度の他方を自律的に制御することと、
を行うように構成される、手術用ロボットシステム。
【請求項12】
前記手術用ツールは、トリガを含み、前記センサは、前記トリガに結合され、前記ユーザの入力を示す信号を生成するように構成される、
請求項１１に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項13】
前記ロボットコントローラは、前記信号に基づいて前記回転速度を制御し、前記回転速度及び前記既知のねじ山形状に比例するように前記前進速度を自律的に制御する、請求項１２に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項14】
前記ロボットコントローラは、関係［δθ／δｔ＝δＤ／δｔ＊ピッチ／２π］に従って前記回転速度及び前記既知のねじ山形状に比例するように前記前進速度を自律的に制御し、式中、δθ／δｔは前記回転速度であり、δＤ／δｔは前記前進速度であり、ピッチは前記スクリューの単位長さあたりのねじ山の数である、
請求項１３に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項15】
前記ロボットコントローラは、前記信号に基づいて前記前進速度を制御し、前記前進速度及び前記既知のねじ山形状に比例するように前記回転速度を自律的に制御する、請求項１２に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項16】
前記ロボットコントローラは、関係［δθ／δｔ＝δＤ／δｔ＊ピッチ／２π］に従って前記前進速度及び前記既知のねじ山形状に比例するように前記回転速度を自律的に制御し、式中、δθ／δｔは前記回転速度であり、δＤ／δｔは前記前進速度であり、ピッチは前記スクリューの単位長さあたりのねじ山の数である、
請求項１５に記載の手術用ロボットシステム。
【請求項17】
ロボットマニピュレータと、ナビゲーションシステムと、
前記ロボットマニピュレータ及び前記ナビゲーションシステムと通信するロボットコントローラと、
前記ロボットマニピュレータに結合され、回転軸を中心にスクリューを回転させる手術用ツールと、
を含む、手術用ロボットシステムを使用して、標的部位に前記スクリューを配置する方法であって、
前記スクリューを前記手術用ツールによって保持することであって、前記スクリューはセルフタッピングであり、既知のねじ山形状を有する、前記保持することと、
前記既知のねじ山形状を前記ロボットコントローラのメモリに記憶することと、
前記ナビゲーションシステムによって前記標的部位の位置を追跡することと、
追跡された前記標的部位の位置に基づいて前記標的部位に対して計画された軌道に沿って前記回転軸を維持するように前記手術用ツールの運動を制御することと、
前記回転軸を中心に前記スクリューをある回転速度で回転させ、前記計画された軌道に沿って前記スクリューをある前進速度で直線的に前進させるように、前記手術用ツールの運動を自律的に制御することであって、前記回転速度及び前記前進速度は前記メモリに記憶されている前記既知のねじ山形状に比例する、前記手術用ツールの運動を自律的に制御することと、
を含む、方法。
【請求項18】
ロボットマニピュレータと、ナビゲーションシステムと、
前記ロボットマニピュレータ及び前記ナビゲーションシステムと通信するロボットコントローラと、
回転軸を中心にスクリューを回転させるように前記ロボットマニピュレータに結合された手術用ツールであって、前記ロボットマニピュレータはセンサを含む、前記手術用ツールと、
を含む、手術用ロボットシステムを使用して、標的部位に前記スクリューを配置する方法であって、
前記スクリューを前記手術用ツールによって保持することであって、前記スクリューはセルフタッピングであり、既知のねじ山形状を有する、前記保持することと、
前記既知のねじ山形状を前記ロボットコントローラのメモリに記憶することと、
前記ナビゲーションシステムによって前記標的部位の位置を追跡することと、
追跡された前記標的部位の位置に基づいて前記標的部位に対して計画された軌道に沿って前記回転軸を維持するように前記手術用ツールの運動を自律的に制御することと、
前記センサを用いて、ユーザが加えた力を検出することと、
前記標的部位内に前記スクリューを埋め込むために前記ユーザが加えた力に基づいて、前記回転軸を中心とした前記スクリューの回転速度または前記計画された軌道に直線的に沿った前記スクリューの前進速度の一方を制御することと、
前記ユーザが加えた力に、そして前記メモリに記憶された前記既知のねじ山形状に、前記前進速度及び前記回転速度が比例するように、前記スクリューの前記前進速度または前記回転速度の他方を自律的に制御することと、
を含む、方法。
【国際調査報告】