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特表2025-500376組織のパラメータに基づいてツールの動作を変更するためのロボットシステム、方法、及びソフトウェアプログラム
(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】2025-01-09
(54)【発明の名称】組織のパラメータに基づいてツールの動作を変更するためのロボットシステム、方法、及びソフトウェアプログラム
(51)【国際特許分類】
A61B 34/10 20160101AFI20241226BHJP
【ＦＩ】
A61B34/10
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024537517
(86)(22)【出願日】2022-12-16
(85)【翻訳文提出日】2024-06-20
(86)【国際出願番号】 US2022053172
(87)【国際公開番号】W WO2023121966
(87)【国際公開日】2023-06-29
(31)【優先権主張番号】63/291,566
(32)【優先日】2021-12-20
(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】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
(72)【発明者】
【氏名】クラナ，リシャブ
(72)【発明者】
【氏名】ウイリアムズ，ブラント
(72)【発明者】
【氏名】ムニーズ，エリック
(72)【発明者】
【氏名】シェン，デリン
(57)【要約】
コンピュータで実行される手術計画方法が提供される。この方法は、解剖学的ボリュームの解剖学的データと、ツールがツールパスに沿って移動する該ツールパスを含むパスデータとを取得することを含む。この方法はまた、ツールデータを取得することと、パスデータと解剖学的データとをマージすることと、ツールパスの点については、その点の位置を特定することと、その位置でツールの幾何学的形状をロードすることと、その位置でツールと解剖学的ボリュームとの間の交差部を特定することと、交差部内の解剖学的データの密度値を決定することと、交差部に関連するツール接触係数を計算することと、密度値及びツール接触係数に基づいてツールの計画されたフィードレート係数を設定することと、計画されたフィードレート係数を点に関連付けることとを行うことと、ツールパスの点に関連付けられた計画されたフィードレート係数を含むカッティング計画データを出力することとを含む。
【選択図】図６
【選択図】図６
【特許請求の範囲】
【請求項1】
解剖学的ボリュームの幾何学的形状及び密度値を含む解剖学的データを取得することと、前記解剖学的ボリュームと相互作用するために、ロボットマニピュレータがツールパスに沿ってツールを移動させることになる前記ツールパスを含むパスデータを取得することであって、前記ツールがその間を連続的に通過することになる点によって前記ツールパスが画定されるものである、パスデータを取得することと、
前記ツールパスと相互作用することになる前記ツールの幾何学的形状を含むツールデータを取得することと、
前記パスデータと前記解剖学的データとをマージすることと、
前記ツールパスの少なくとも１つの点について、以下のこと、すなわち、前記解剖学的データに対する前記点の位置を特定することと、前記ツールデータから前記特定された位置における前記ツールの前記幾何学的形状をロードすることと、前記特定された位置で前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の交差部を特定することと、前記交差部内の前記解剖学的データの密度値を決定することと、前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の相互作用に関連するツール接触係数を計算することと、前記決定された密度値と前記計算されたツール接触係数とに基づいて前記ツールの計画されたフィードレート係数を設定することと、前記計画されたフィードレート係数を前記少なくとも１つの点に関連付けることとを行うことと、
前記ツールパスの前記少なくとも１つの点に関連付けられた前記計画されたフィードレート係数を含む前記ツールパスを含むカッティング計画データを出力することと
を含む、コンピュータにより実行される手術計画方法。
【請求項2】
解剖学的データを取得することは、前記解剖学的ボリュームに関連付けられた骨モデルを取得することをさらに含む、請求項１に記載のコンピュータにより実行される手術計画方法。
【請求項3】
パスデータを取得するステップが、前記解剖学的ボリュームの前記骨モデルの計画された切除ボリュームと、
前記骨モデル用に選択されたインプラントモデルの幾何学的形状と
のうちの１つ以上に基づいて事前に決定された前記ツールパスを取得することをさらに含む、請求項２に記載のコンピュータにより実行される手術計画方法。
【請求項4】
解剖学的データを取得することは、前記解剖学的ボリュームのスライスを含む撮像データを取得することをさらに含む、請求項１に記載のコンピュータにより実行される手術計画方法。
【請求項5】
撮像データを取得することが、撮像時の切片及び傾きの値と、スライス厚と、患者の位置を含むＤＩＣＯＭデータとを取得することをさらに含む、請求項４に記載のコンピュータにより実行される手術計画方法。
【請求項6】
前記特定された位置において、前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の前記交差部を特定することが、前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の前記交差部を示す前記撮像データの１つ以上のスライスを特定すること
をさらに含む、請求項４に記載のコンピュータにより実行される手術計画方法。
【請求項7】
前記交差部内の前記解剖学的データの密度値を決定することが、特定されたスライスごとに、前記交差部内に位置する前記撮像データの放射線密度値を決定することと、
前記１つ以上の特定されたスライスのそれぞれの前記交差部内に位置する放射線密度値を収集することと
をさらに含む、請求項６に記載のコンピュータにより実行される手術計画方法。
【請求項8】
前記決定された密度値に基づいて前記ツールの前記計画されたフィードレート係数を設定することは、前記収集された放射線密度値に基づいて、前記特定された位置に対する前記解剖学的ボリュームの骨密度（ＢＭＤ）係数を計算することと、
前記計算されたＢＭＤ係数に基づいて、前記ツールの前記計画されたフィードレート係数を設定することと
をさらに含む、請求項７に記載のコンピュータにより実行される手術計画方法。
【請求項9】
撮像データを取得することは、前記解剖学的ボリュームのＣＴスライスを取得することをさらに含み、前記ツールの前記幾何学的形状は、前記ツールの３Ｄ幾何学的形状を含み、
前記ツールパスの前記少なくとも１つの点に対して、以下のこと、すなわち、前記特定された位置に前記ツールの前記３Ｄ幾何学的形状をロードすることと、前記特定された位置で前記ツールの前記３Ｄ幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間に断面交差部があるＣＴスライスを特定することとを行い、
特定されたＣＴスライスごとに、前記断面交差部内の各ピクセルのハンスフィールド単位を決定することと、
前記特定された各ＣＴスライスの前記断面交差部内の前記ピクセルから前記ハンスフィールド単位を収集することと
を行う、請求項８に記載のコンピュータにより実行される手術計画方法。
【請求項10】
前記１つ以上の特定されたスライスのそれぞれの前記交差部内に位置する前記放射線密度値を収集することは、前記収集された放射線密度値から、平均放射線密度値と、中央放射線密度値と、最大放射線密度値とのうちの１つ以上を特定することをさらに含み、前記ＢＭＤ係数を計算することは、前記平均放射線密度値と、前記中央放射線密度値と、前記最大放射線密度値とのうちの前記１つ以上を、前記ＢＭＤ係数に変換することをさらに含む、
請求項８に記載のコンピュータにより実行される手術計画方法。
【請求項11】
前記ツールパスの前記少なくとも１つの点について、前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の前記交差部を示す前記撮像データのスライスを特定した後に、特定されたスライスごとに、前記交差部の外側の前記ツールの前記幾何学的形状に対する、前記交差部内の前記ツールの前記幾何学的形状に関連する交差比を計算することによって、前記ツール接触係数を計算することをさらに含む、請求項１０に記載のコンピュータにより実行される手術計画方法。
【請求項12】
前記平均放射線密度値と、前記中央放射線密度値と、前記最大放射線密度値とのうちの前記１つ以上を前記ＢＭＤ係数に変換することが、前記平均放射線密度値と、前記中央放射線密度値と、前記最大放射線密度値とのうちの前記１つ以上に前記交差比を乗算することをさらに含む、請求項１１に記載のコンピュータにより実行される手術計画方法。
【請求項13】
特定されたスライスごとに、所定の閾値を超えるハンスフィールド単位を有する前記ツールの前記幾何学的形状内のピクセルの量を決定する、請求項１１に記載のコンピュータにより実行される手術計画方法。
【請求項14】
前記決定された密度値に基づいて前記特定された位置に対する前記解剖学的ボリュームの骨密度（ＢＭＤ）係数を計算することをさらに含み、前記決定された密度値に基づいて前記ツールの前記計画されたフィードレート係数を設定することは、前記計算されたＢＭＤ係数に基づいて前記計画されたフィードレート係数を設定することをさらに含む、
請求項１に記載のコンピュータにより実行される手術計画方法。
【請求項15】
既定のＢＭＤ係数と既定のフィードレート係数との間の関連性を規定するルックアップテーブルにアクセスすることをさらに含み、前記ツールパスの前記少なくとも１つの点について、前記計算されたＢＭＤ係数に基づいて前記計画されたフィードレート係数を設定することは、以下のこと、すなわち、前記ルックアップテーブル内で、前記計算されたＢＭＤ係数に最も近い前記既定のＢＭＤ係数を特定することと、前記ルックアップテーブル内の前記最も近い特定された既定のＢＭＤ係数に関連付けられた前記既定のフィードレート係数に基づいて前記計画されたフィードレート係数を設定することとをさらに含む、
請求項１４に記載のコンピュータにより実行される手術計画方法。
【請求項16】
前記ツールパスの前記少なくとも１つの点について、前記計算されたＢＭＤ係数に基づいて前記計画されたフィードレート係数を設定することは、前記計算されたＢＭＤ係数が最小閾値を下回るとの判定に応答して、前記計画されたフィードレート係数を最大フィードレート係数となるように設定することと、
前記計算されたＢＭＤ係数が最大閾値を超えているとの判定に応じて、前記計画されたフィードレート係数を最小フィードレート係数に設定することと
の１つ以上をさらに含む、請求項１５に記載のコンピュータにより実行される手術計画方法。
【請求項17】
前記ツールパスの１点について、前記１点の位置での前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の前記交差部から取得された相互作用座標を保存することであって、前記相互作用座標が、前記１点の前記位置での前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間のシミュレートされた相互作用の位置を示すものである前記保存することと、前記１点に続く前記ツールパスの第２の点について、以下のこと、すなわち、前記解剖学的データに対する前記第２の点の位置を特定することと、前記ツールデータから前記第２の点の前記特定された位置における前記ツールの前記幾何学的形状をロードすることと、前記第２の点の前記特定された位置で前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の交差部を特定することと、前記第２の点の前記位置での前記交差部内の前記解剖学的データの密度値を決定することと、前記決定された密度値の座標を前記相互作用座標と比較することと、前記相互作用座標と同一の座標を持つ密度値を無視することとを行うことと
をさらに含む、請求項１に記載のコンピュータにより実行される手術計画方法。
【請求項18】
前記ツールパスの前記少なくとも１つの点について、前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の前記交差部を越えて位置する密度値を無視することをさらに含む、請求項１に記載のコンピュータにより実行される手術計画方法。
【請求項19】
前記パスデータと前記解剖学的データとをマージすることが、前記パスデータと前記解剖学的データとを共通の座標系にマージすることをさらに含む、請求項１に記載のコンピュータにより実行される手術計画方法。
【請求項20】
前記カッティング計画データは、前記解剖学的ボリュームと相互作用するために、ロボットマニピュレータが前記ツールパスに沿って自律モードでツールを移動させることになる前記ツールパスを含む、請求項１に記載のコンピュータにより実行される手術計画方法。
【請求項21】
前記ツールパスの各点について、以下のこと、すなわち、前記解剖学的データに対する前記点の前記位置を特定することと、
前記ツールデータから前記特定された位置における前記ツールの前記幾何学的形状をロードすることと、
前記特定された位置で前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の前記交差部を特定することと、
前記交差部内の前記解剖学的データの密度値を決定することと、
前記決定された密度値に基づいて前記ツールの前記計画されたフィードレート係数を設定することと、
前記計画されたフィードレート係数を前記点に関連付けることと
をさらに含み、
前記カッティング計画データを出力することが、前記ツールパスの各点に関連付けられた前記計画されたフィードレート係数を含む前記ツールパスをさらに含む、
請求項１に記載のコンピュータにより実行される手術計画方法。
【請求項22】
１つ以上のプロセッサによって実行されたとき、コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアを実施する命令が格納されている非一時的なコンピュータ可読媒体であって、前記コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアは、解剖学的ボリュームの幾何学的形状及び密度値を含む解剖学的データを取得することと、
前記解剖学的ボリュームと相互作用するために、ロボットマニピュレータがツールパスに沿ってツールを移動させることになる前記ツールパスを含むパスデータを取得することであって、前記ツールがその間を連続的に通過することになる点によって前記ツールパスが画定されるものである、パスデータを取得することと、
前記ツールパスと相互作用することになる前記ツールの幾何学的形状を含むツールデータを取得することと、
前記パスデータと前記解剖学的データとをマージすることと、
前記ツールパスの少なくとも１つの点について、以下のこと、すなわち、前記解剖学的データに対する前記点の位置を特定することと、前記ツールデータから前記特定された位置における前記ツールの前記幾何学的形状をロードすることと、前記特定された位置で前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の交差部を特定することと、前記交差部内の前記解剖学的データの密度値を決定することと、前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の相互作用に関連するツール接触係数を計算することと、前記決定された密度値と前記計算されたツール接触係数とに基づいて、前記ツールの計画されたフィードレート係数を設定することと、前記計画されたフィードレート係数を前記少なくとも１つの点に関連付けることとを行うことと、
前記ツールパスの前記少なくとも１つの点に関連付けられた前記計画されたフィードレート係数を含む前記ツールパスを含むカッティング計画データを出力することと
を行うように構成されている、前記非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項23】
前記手術計画ソフトウェアは、実行されたときに、前記解剖学的ボリュームに関連付けられた骨モデルを取得するようにさらに構成されていることによって、解剖学的データを取得する、請求項２２に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項24】
前記手術計画ソフトウェアは、実行されたときに、前記解剖学的ボリュームの前記骨モデルの計画された切除ボリュームと、
前記骨モデル用に選択されたインプラントモデルの幾何学的形状と
のうちの１つ以上に基づいて事前に決定された前記ツールパスを取得するようにさらに構成されることによって、パスデータを取得する、請求項２３に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項25】
前記手術計画ソフトウェアは、実行されたときに、前記解剖学的ボリュームのスライスを含む撮像データを取得するようにさらに構成されることによって、解剖学的データを取得する、請求項２２に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項26】
前記手術計画ソフトウェアは、実行されたときに、撮像時の切片及び傾きの値と、スライス厚と、患者の位置を含むＤＩＣＯＭデータとを取得するようにさらに構成されることによって、撮像データを取得する、請求項２５に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項27】
前記手術計画ソフトウェアは、実行されたときに、前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の前記交差部を示す前記撮像データの１つ以上のスライスを特定するようにさらに構成されることによって、前記特定された位置における前記ツールの幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の前記交差部を識別する、請求項２５に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項28】
前記手術計画ソフトウェアは、実行されたときに、特定されたスライスごとに、前記交差部内に位置する前記撮像データの放射線密度値を決定することと、
前記１つ以上の特定されたスライスのそれぞれの前記交差部内に位置する放射線密度値を収集することと
を行うようにさらに構成されることによって、前記交差部内の前記解剖学的データの密度値を決定する、請求項２７に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項29】
前記手術計画ソフトウェアは、実行されたときに、前記収集された放射線密度値に基づいて、前記特定された位置に対する前記解剖学的ボリュームの骨密度（ＢＭＤ）係数を計算することと、
前記計算されたＢＭＤ係数に基づいて、前記ツールの前記計画されたフィードレート係数を設定することと
を行うようにさらに構成されることによって、前記決定された密度値に基づいて前記ツールの前記計画されたフィードレート係数を設定する、請求項２８に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項30】
前記手術計画ソフトウェアは、実行されたときに、前記解剖学的ボリュームのＣＴスライスを取得するようにさらに構成されることによって、撮像データを取得し、前記ツールの前記幾何学的形状は、前記ツールの３Ｄ幾何学的形状を含み、
前記ツールパスの前記少なくとも１つの点について、前記手術計画ソフトウェアは、以下のこと、すなわち、前記特定された位置に前記ツールの前記３Ｄ幾何学的形状をロードすることと、前記特定された位置で前記ツールの前記３Ｄ幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間に断面交差部があるＣＴスライスを特定することとを行うことと、
特定されたＣＴスライスごとに、前記断面交差部内の各ピクセルのハンスフィールド単位を決定することと、
前記特定された各ＣＴスライスの前記断面交差部内の前記ピクセルから前記ハンスフィールド単位を収集することと
を行う、請求項２９に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項31】
前記手術計画ソフトウェアが、前記収集された放射線密度値から平均放射線密度値と、中央放射線密度値と、最大放射線密度値とのうちの１つ以上を特定するようにさらに構成されることによって、前記１つ以上の特定されたスライスのそれぞれの前記交差部内に位置する前記放射線密度値を収集することと、
前記平均放射線密度値と、前記中央放射線密度値と、及び前記最大放射線密度値とのうちの前記１つ以上を、前記ＢＭＤ係数に変換するようにさらに構成されることによって、前記ＢＭＤ係数を計算することと
を行うようにさらに構成されている、請求項２９に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項32】
前記手術計画ソフトウェアが、前記ツールパスの前記少なくとも１つの点について、前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の前記交差部を示す前記撮像データのスライスを特定した後に、特定されたスライスごとに、前記交差部の外側の前記ツールの前記幾何学的形状に対する、前記交差部内の前記ツールの前記幾何学的形状に関連する交差比を計算することによって、前記ツール接触係数を計算するように構成されている、請求項３１に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項33】
前記手術計画ソフトウェアは、実行されたときに、前記平均放射線密度値と、前記中央放射線密度値と、前記最大放射線密度値とのうちの前記１つ以上に前記交差比を乗算するようにさらに構成されることによって、前記平均放射線密度値と、前記中央放射線密度値と、前記最大放射線密度値とのうちの前記１つ以上を前記ＢＭＤ係数に変換する、請求項３２に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項34】
前記手術計画ソフトウェアは、特定されたスライスごとに、所定の閾値を超えるハンスフィールド単位を有する前記ツールの前記幾何学的形状内のピクセルの量を決定することを行うようにさらに構成されている、請求項３２に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項35】
前記手術計画ソフトウェアが、前記決定された密度値に基づいて前記特定された位置に対する前記解剖学的ボリュームの骨密度（ＢＭＤ）係数を計算することを行うようにさらに構成されており、
前記手術計画ソフトウェアは、前記計算されたＢＭＤ係数に基づいて前記計画されたフィードレート係数を設定するようにさらに構成されることによって、前記決定された密度値に基づいて前記ツールの前記計画されたフィードレート係数を設定する、請求項２３に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項36】
前記手術計画ソフトウェアが、既定のＢＭＤ係数と既定のフィードレート係数との間の関連性を規定するルックアップテーブルにアクセスすることを行うようにさらに構成されており、
前記ツールパスの前記少なくとも１つの点について、前記手術計画ソフトウェアが、以下のこと、すなわち、前記ルックアップテーブル内で前記計算されたＢＭＤ係数に最も近い前記既定のＢＭＤ係数を特定することと、前記ルックアップテーブル内の前記最も近い特定された既定のＢＭＤ係数に関連付けられた前記既定のフィードレート係数に基づいて前記計画されたフィードレート係数を設定することとを行うようにさらに構成されることによって、前記計算されたＢＭＤ係数に基づいて前記計画されたフィードレート係数を設定する、
請求項３５に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項37】
前記手術計画ソフトウェアは、実行されたときに、前記ツールパスの前記少なくとも１つの点について、以下のこと、すなわち、前記計算されたＢＭＤ係数が最小閾値を下回るとの判定に応答して、前記計画されたフィードレート係数を最大フィードレート係数となるように設定することと、
前記計算されたＢＭＤ係数が最大閾値を超えているとの判定に応じて、前記計画されたフィードレート係数を最小フィードレート係数に設定することと
のうちの１つ以上を行うようにさらに構成されることによって、前記計算されたＢＭＤ係数に基づいて前記計画されたフィードレート係数を設定する、請求項３６に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項38】
前記手術計画ソフトウェアが、前記ツールパスの１点について、前記１点の位置での前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の前記交差部から取得された相互作用座標を保存することであって、前記相互作用座標が、前記１点の前記位置での前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間のシミュレートされた相互作用の位置を示す前記保存することと、
前記１点に続く前記ツールパスの第２の点について、以下のこと、すなわち、前記解剖学的データに対する前記第２の点の位置を特定することと、前記ツールデータから前記第２の点の前記特定された位置における前記ツールの前記幾何学的形状をロードすることと、前記第２の点の前記特定された位置で前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の交差部を特定することと、前記第２の点の前記位置での前記交差部内の前記解剖学的データの密度値を決定することと、前記決定された密度値の座標を前記相互作用座標と比較することと、前記相互作用座標と同一の座標を持つ密度値を無視することとを行うことと
を行うようにさらに構成されている、請求項２３に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項39】
前記手術計画ソフトウェアは、前記ツールパスの前記少なくとも１つの点に対して、前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の前記交差部を越えて位置する密度値を無視することを行うようにさらに構成されている、請求項２３に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項40】
前記手術計画ソフトウェアは、実行されたときに、前記パスデータと前記解剖学的データとを共通の座標系にマージするようにさらに構成されることによって、前記パスデータと前記解剖学的データとをマージする、請求項２３に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項41】
前記カッティング計画データは、前記解剖学的ボリュームと相互作用するために、ロボットマニピュレータが前記ツールパスに沿って自律モードでツールを移動させることになる前記ツールパスを含む、請求項２３に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項42】
前記手術計画ソフトウェアが、前記ツールパスの各点について、以下のこと、すなわち、前記解剖学的データに対する前記点の前記位置を特定することと、前記ツールデータから前記特定された位置における前記ツールの前記幾何学的形状をロードすることと、前記特定された位置で前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の前記交差部を特定することと、前記交差部内の前記解剖学的データの密度値を決定することと、前記決定された密度値に基づいて前記ツールの前記計画されたフィードレート係数を設定することと、前記計画されたフィードレート係数を前記点に関連付けることとをさらに行うように構成されており、
前記手術計画ソフトウェアは、実行されたときに、前記ツールパスの各点に関連付けられた前記計画されたフィードレート係数を含む前記ツールパスを出力するようにさらに構成されることによって、前記カッティング計画データを出力するようにさらに構成されている、
請求項２３に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項43】
ツールを支持し移動させるように構成された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た制御システムであって、
１つ以上のプロセッサと、
前記１つ以上のプロセッサによって実行されたときに、コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアを実施する命令が格納されている非一時的なコンピュータ可読媒体であって、前記コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアは、解剖学的ボリュームの幾何学的形状及び密度値を含む解剖学的データを取得することと、前記解剖学的ボリュームと相互作用するためにロボットマニピュレータがツールパスに沿ってツールを移動させることになる前記ツールパスを含むパスデータを取得することであって、前記ツールがその間を連続的に通過することになる点によって前記ツールパスが画定されるものである、パスデータを取得することと、前記ツールパスと相互作用することになる前記ツールの幾何学的形状を含むツールデータを取得することと、前記パスデータと前記解剖学的データとをマージすることと、前記ツールパスの少なくとも１つの点について、以下のこと、すなわち、前記解剖学的データに対する前記点の位置を特定することと、前記ツールデータから前記特定された位置における前記ツールの前記幾何学的形状をロードすることと、前記特定された位置で前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の交差部を特定することと、前記交差部内の前記解剖学的データの密度値を決定することと、前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の相互作用に関連するツール接触係数を計算することと、前記決定された密度値と前記計算されたツール接触係数とに基づいて前記ツールの計画されたフィードレート係数を設定することと、前記計画されたフィードレート係数を前記少なくとも１つの点に関連付けることとを行うことと、
前記ツールパスの前記少なくとも１つの点に関連付けられた前記計画されたフィードレート係数を含む前記ツールパスを含むカッティング計画データを出力することとを行うように構成されている非一時的なコンピュータ可読媒体と
を含む前記制御システムと
を備える手術システムであって、
前記制御システムは、前記出力されたカッティング計画データを利用して、前記ツールが前記解剖学的ボリュームと相互作用できるようにするための前記ツールパスの前記少なくとも１つの点に関連付けられた前記計画されたフィードレート係数に従って、前記ツールを前記ツールパスに沿って移動させるように、前記ロボットマニピュレータを制御するものである、手術システム。
【請求項44】
解剖学的構造の幾何学的形状を含む解剖学的データを取得することと、前記解剖学的構造と相互作用するために、ロボットマニピュレータがツールパスに沿ってツールを移動させることになる前記ツールパスを含むパスデータを取得することであって、前記ツールがその間を連続的に通過することになる点によって前記ツールパスが画定されるものである、パスデータを取得することと、
前記ツールの幾何学的形状を含むツールデータを取得することと、
前記パスデータと前記解剖学的データとをマージすることと、
前記ツールパスの少なくとも１つの点について、以下のこと、すなわち、前記解剖学的データに対する前記点の位置を特定することと、前記ツールデータから前記特定された位置における前記ツールの前記幾何学的形状をロードすることと、前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的構造との間の相互作用に関連するツール接触係数を計算することと、前記計算されたツール接触係数に基づいて前記ツールの計画されたフィードレート係数を設定することと、前記計画されたフィードレート係数を前記少なくとも１つの点に関連付けることとを行うことと、
前記ツールパスの前記少なくとも１つの点に関連付けられた前記計画されたフィードレート係数を含む前記ツールパスを含むカッティング計画データを出力することと
を含むコンピュータにより実行される手術計画方法。
【請求項45】
解剖学的ボリュームの幾何学的形状及び密度値を含む解剖学的データを取得することと、多角形要素のメッシュを有する仮想物体の幾何学形状を含む仮想物体データを取得することと、
前記解剖学的データと前記仮想物体データとをマージして、前記密度値に基づいて前記メッシュの１つ以上の多角形要素のパラメータを決定することと、
前記仮想物体の前記１つ以上の多角形要素と相互作用するようになっている仮想モデルとしてツールが表される仮想シミュレーションを実施することと、
前記仮想物体の前記１つ以上の多角形要素と相互作用するツールの前記仮想モデルに応答して、前記パラメータに基づいて前記ツールの動作を変更することと
を含むコンピュータにより実行される方法。
【請求項46】
第１のフィードレートに従って前記ツールを動かすようにロボットマニピュレータに命令することと、前記ツールが前記第１のフィードレートに従って移動する間、前記仮想モデルと前記仮想物体の前記１つ以上の多角形要素との間の相互作用を検出することと、
前記１つ以上の多角形要素に関連付けられた前記パラメータに基づいて第２のフィードレートを計算することと
を含み、
前記ツールの動作を変更することは、前記ロボットマニピュレータに前記第２のフィードレートで前記ツールを移動させるように命令することを含む、請求項４５に記載のコンピュータにより実行される方法。
【請求項47】
ロボットマニピュレータに前記ツールを動かすよう命令することと、前記ツールの前記仮想モデルを用いて、前記仮想物体の前記１つ以上の多角形要素を貫通することと、
前記１つ以上の多角形要素に関連付けられた前記パラメータに基づいて反力を計算することと、
前記仮想シミュレーションにおいて前記仮想モデルに前記反力を適用して、前記仮想モデルによる前記１つ以上の多角形要素の貫通を低減させることと
を含み、
前記ツールの動作を変更することは、前記仮想シミュレーションにおいて前記仮想モデルへの前記反力の印加に従って前記ツールを移動させて、前記仮想物体に対する前記ツールの動きを制約するように前記ロボットマニピュレータに命令することを含む、請求項４５に記載のコンピュータにより実行される方法。
【請求項48】
解剖学的ボリュームの幾何学的形状及び密度値を含む解剖学的データを取得することと、多角形要素のメッシュを有する仮想物体の幾何学形状を含む仮想物体データを取得することと、
前記解剖学的データと前記仮想物体データとをマージして、前記密度値に基づいて前記メッシュの１つ以上の多角形要素のパラメータを決定することと
を含むコンピュータにより実行される方法。
【請求項49】
解剖学的ボリュームの幾何学的形状及び組織のパラメータを含む解剖学的データを取得することと、点によって画定されるツールパスを含むパスデータを取得することと、
前記ツールパスと相互作用することになるツールの幾何学的形状を含むツールデータを取得することと、
前記パスデータと前記解剖学的データとをマージすることと、
前記ツールパスの少なくとも１つの点について、以下のこと、すなわち、前記解剖学的データに対する前記点の位置を特定することと、前記ツールデータから前記特定された位置における前記ツールの前記幾何学的形状をロードすることと、前記特定された位置で前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の交差部を特定することと、前記交差部内の前記解剖学的データの前記組織のパラメータを決定することと、前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の相互作用に関連するツール接触係数を計算することと、前記決定された組織のパラメータと前記計算されたツール接触係数とに基づいて前記ツールの計画されたフィードレート係数を設定することと、前記計画されたフィードレート係数を前記少なくとも１つの点に関連付けることとを行うことと、
前記ツールパスの前記少なくとも１つの点に関連付けられた前記計画されたフィードレート係数を含む前記ツールパスを含むカッティング計画データを出力することと
を行うようにコンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアが構成されている、１つ以上のプロセッサによって実行されたときに、コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアを実施する命令が格納されている非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項50】
前記コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアは、前記ツールのモータ上で所定のモータ電流を達成することに基づいて、前記ツールの前記計画されたフィードレート係数を設定するようにさらに構成されている、請求項４９に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項51】
前記コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアが、前記決定された組織のパラメータ及び前記計算されたツール接触係数に基づいて前記ツールの出力姿勢を設定することと、
前記出力姿勢を前記少なくとも１つの点に関連付けることと、
前記ツールパスの前記少なくとも１つの点に関連付けられた前記出力姿勢を含む前記ツールパスを含む前記カッティング計画データを出力することと
を行うようにさらに構成されている、請求項４９に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項52】
前記コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアは、前記ツールパスの少なくとも１つの点に対する前記ツールの既定の姿勢を取得するようにさらに構成されることによって、パスデータを取得するように構成されている、請求項４９に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項53】
解剖学的ボリュームの幾何学的形状及び組織のパラメータを含む解剖学的データを取得することと、点によって画定されるツールパスを含むパスデータを取得することと、
前記ツールパスと相互作用することになるツールの幾何学的形状を含むツールデータを取得することと、
前記パスデータと前記解剖学的データとをマージすることと、
前記ツールパスの少なくとも１つの点について、以下のこと、すなわち、前記解剖学的データに対する前記点の位置を特定することと、前記ツールデータから前記特定された位置における前記ツールの前記幾何学的形状をロードすることと、前記特定された位置で前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の交差部を特定することと、前記交差部内の前記解剖学的データの前記組織のパラメータを決定することと、前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の相互作用に関連するツール接触係数を計算することと、前記決定された組織のパラメータ及び前記計算されたツール接触係数に基づいて前記ツールの出力姿勢を設定することと、前記出力姿勢を前記少なくとも１つの点に関連付けることとを行うことと、
前記ツールパスの前記少なくとも１つの点に関連付けられた前記出力姿勢を含む前記ツールパスを含むカッティング計画データを出力することと
を行うようにコンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアが構成されている、１つ以上のプロセッサによって実行されたときに、コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアを実施する命令が格納されている非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項54】
前記コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアは、前記ツールパスの少なくとも１つの点に対する前記ツールの既定の姿勢を取得するようにさらに構成されることによって、パスデータを取得するように構成されている、請求項５３に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項55】
１つ以上のプロセッサによって実行されたときに、コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアを実施する命令が格納されている非一時的なコンピュータ可読媒体であって、前記コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアは、解剖学的ボリュームの幾何学的形状及び組織のパラメータを含む解剖学的データを取得することと、
点によって画定されるツールパスを含むパスデータを取得することと、
前記ツールパスと相互作用することになるツールの幾何学的形状を含むツールデータを取得することと、
前記パスデータと前記解剖学的データとをマージすることと、
前記ツールパスの少なくとも１つの点について、以下のこと、すなわち、前記解剖学的データに対する前記点の位置を特定することと、前記ツールデータから、前記特定された位置における前記ツールの前記幾何学的形状をロードすることと、前記特定された位置で、前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の交差部を特定することと、前記交差部内の前記解剖学的データの前記組織のパラメータを決定することと、前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の相互作用に関連するツール接触係数を計算することと、前記決定された組織のパラメータと前記計算されたツール接触係数とに基づいて、前記ツールの計画されたフィードレート係数を設定し、前記ツールのモータで所定のモータ電流を達成することと、前記計画されたフィードレート係数を前記少なくとも１つの点に関連付けることとを行うことと、
前記ツールパスの前記少なくとも１つの点に関連付けられた前記計画されたフィードレート係数を含む前記ツールパスを含むカッティング計画データを出力することと
を行うようにコンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアが構成されている、１つ以上のプロセッサによって実行されたときに、コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアを実施する命令が格納されている非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項56】
解剖学的ボリュームの幾何学的形状及び組織のパラメータを含む解剖学的データを取得することと、点によって画定されるツールパスを含むパスデータを取得することと、
前記ツールパスと相互作用することになるツールの幾何学的形状を含むツールデータを取得することと、
前記パスデータと前記解剖学的データとをマージすることと、
前記ツールパスの少なくとも１つの点について、以下のこと、すなわち、前記解剖学的データに対する前記点の位置を特定することと、前記ツールデータから前記特定された位置における前記ツールの前記幾何学的形状をロードすることと、前記特定された位置で前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の交差部を特定することと、前記交差部内の前記解剖学的データの前記組織のパラメータを決定することと、前記ツールの前記幾何学的形状と前記解剖学的ボリュームとの間の相互作用に関連するツール接触係数を計算することと、前記決定された組織のパラメータと前記計算されたツール接触係数とに基づいてツール動作パラメータを設定することと、前記ツール動作パラメータを前記少なくとも１つの点に関連付けることとを行うことと、
前記ツールパスの前記少なくとも１つの点に関連付けられた前記ツール動作パラメータを含む前記ツールパスを含むカッティング計画データを出力することと
を行うようにコンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアが構成されている、１つ以上のプロセッサによって実行されたときに、コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアを実施する命令が格納されている非一時的なコンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０２１年１２月２０日に出願された米国仮特許出願第６３／２９１，５６６号に対する優先権及びこの米国仮特許出願の全ての利益を主張するものであり、この米国仮特許出願の内容全体を引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
本出願は、２０２１年１２月２０日に出願された米国仮特許出願第６３／２９１，５６６号に対する優先権及びこの米国仮特許出願の全ての利益を主張するものであり、この米国仮特許出願の内容全体を引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【0002】
本開示は、一般に、骨密度（bone density）といった組織のパラメータに基づいてツールの動作を変更するためのロボットシステム、方法、及びソフトウェアプログラムに関する。
【背景技術】
【0003】
手術部位において外科的処置を行うロボットシステムは、ベースと複数のリンク及び関節を有するマニピュレータと、マニピュレータに結合されたエンドエフェクタ（end effector）とを含むことが多い。多くの場合、エンドエフェクタは、手術部位で組織を除去するように設計されたエネルギーアプリケータを備えた手術ツールを含むかこれを支持する。
【0004】
エネルギーアプリケータは通常、手術部位の組織を除去するために、ツールパスに沿って動かされる。エネルギーアプリケータがツールパスに沿って移動する速度または速さは、ツールまたはエネルギーアプリケータ（energy applicator）の「フィードレート（feed rate）」として当業者に一般に知られている。
【0005】
従来のシステムは、フィードレートの手動ユーザ選択、骨密度（bone mineral density：骨密度、骨ミネラル密度、または骨塩密度）といった組織の特性、エネルギーアプリケータに加えられる力の検知、パスの曲率といった条件または入力を考慮して、フィードレートを調整または決定することを企図してきた。
【0006】
しかしながら、従来のフィードレート技術は、少なくとも患者の撮像データの詳細な分析と計画されたツールパスに対する解剖学的構造の密度とに基づいて、ツールパスフィードレートの綿密な事前計画を提供するという点で不十分である。例えば、フィードレートを決定する際に、従来の技術は、とりわけ、ツールパスに沿った点（複数可）で評価された解剖学的構造に対するツール幾何学的形状の交差の比率、または解剖学的構造の特定の部分が、ツールパスに沿った別の点でツールによってすでに除去されているかどうかを考慮することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
その結果として、従来のフィードレート技術は、切除部の寸法不足またはツールのスカイビング（tool skiving）による移植の適合性の問題、切除面におけるピットの形成、ツールによって加えられる最適以下のカッティング力など、最適とはいえない結果をもたらす可能性がある。これらの欠陥の少なくとも一部に対処する必要が依然として残っている。
【課題を解決するための手段】
【0008】
この発明の概要は、下記の発明を実施するための形態でさらに後述する概念の抜粋を、簡略化した形で紹介する。本概要は、特許請求されている主題の範囲を限定することを意図したものではなく、特許請求されている主題の重要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図したものでもない。
【0009】
第１の態様では、コンピュータにより実行される手術計画方法が提供される。この方法は、解剖学的ボリューム（anatomical volume）の幾何学的形状（geometry：ジオメトリ）及び密度値を含む解剖学的データを取得することと、解剖学的ボリュームと相互作用（interact：インタラクション）するように、ロボットマニピュレータがツールパスに沿ってツールを移動させることになる該ツールパスを含むパスデータを取得することであって、ここで、ツールがその間を連続的に通過することになる点によってツールパスが画定される、取得することと、ツールパスと相互作用することになるツールの幾何学的形状を含むツールデータを取得することと、パスデータと解剖学的データとをマージ（merge：合体）することと、ツールパスの少なくとも１つの点について、解剖学的データに対する点の位置を特定することと、ツールデータから、特定された位置におけるツールの幾何学的形状をロードすることと、特定された位置で、ツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の交差部を特定し、交差部内の解剖学的データの密度値を決定し、ツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の相互作用に関連するツール接触係数（tool contact factor）を計算し、決定された密度値と計算されたツール接触係数とに基づいて、ツールの計画されたフィードレート係数を設定し、計画されたフィードレート係数を少なくとも１つの点に関連付けることを行うことと、ツールパスの少なくとも１つの点に関連付けられた計画されたフィードレート係数を含むツールパスを含むカッティング計画データを出力することとを含む。
【0010】
第２の態様では、非一時的なコンピュータ可読媒体が提供される。非一時的なコンピュータ可読媒体は、１つ以上のプロセッサによって実行されたとき、コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアを実施する命令が格納されており、コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアは、解剖学的ボリュームの幾何学的形状及び密度値を含む解剖学的データを取得することと、解剖学的ボリュームと相互作用するように、ロボットマニピュレータがツールパスに沿ってツールを移動させることになる該ツールパスを含むパスデータを取得することであって、ここで、ツールがその間を連続的に通過することになる点によってツールパスが画定されるものである、取得することと、ツールパスと相互作用することになるツールの幾何学的形状を含むツールデータを取得することと、パスデータと解剖学的データとをマージ（merge：合体）することと、ツールパスの少なくとも１つの点について、解剖学的データに対する点の位置を特定し、ツールデータから、特定された位置におけるツールの幾何学的形状をロードし、特定された位置で、ツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の交差部を特定し、交差部内の解剖学的データの密度値を決定し、ツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の相互作用に関連するツール接触係数を計算し、決定された密度値と計算されたツール接触係数とに基づいて、ツールの計画されたフィードレート係数を設定し、計画されたフィードレート係数を少なくとも１つの点に関連付けることを行うことと、ツールパスの少なくとも１つの点に関連付けられた計画されたフィードレート係数を含むツールパスを含むカッティング計画データを出力することとを行うように構成されている。
【0011】
第３の態様では、手術システムが提供される。手術システムは、ツールを支持し移動させるように構成された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制御システムであって、１つ以上のプロセッサと、１つ以上のプロセッサによって実行されたときに、コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアを実施する命令が格納されている非一時的なコンピュータ可読媒体であって、そのコンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアは、解剖学的ボリュームの幾何学的形状及び密度値を含む解剖学的データを取得することと、その解剖学的ボリュームと相互作用するように、ロボットマニピュレータがツールパスに沿ってツールを移動させることになる該ツールパスを含むパスデータを取得することであって、ここで、ツールがその間を連続的に通過することになる点によってツールパスが画定される、取得することと、ツールパスと相互作用することになるツールの幾何学的形状を含むツールデータを取得することと、パスデータと解剖学的データとをマージ（merge：合体）することと、ツールパスの少なくとも１つの点について、解剖学的データに対する点の位置を特定することと、ツールデータから、特定された位置におけるツールの幾何学的形状をロードし、特定された位置で、ツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の交差部を特定し、交差部内の解剖学的データの密度値を決定し、ツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の相互作用に関連するツール接触係数を計算し、決定された密度値と計算されたツール接触係数とに基づいて、ツールの計画されたフィードレート係数を設定し、計画されたフィードレート係数を少なくとも１つの点に関連付けることを行うことと、ツールパスの少なくとも１つの点に関連付けられた計画されたフィードレート係数を含むツールパスを含むカッティング計画データを出力することとを行うように構成されている、非一時的なコンピュータ可読媒体とを含む、制御システムとを備え、ここで、制御システムは、出力されたカッティング計画データを利用して、ツールが解剖学的ボリュームと相互作用できるようにするためのツールパスの少なくとも１つの点に関連付けられた計画されたフィードレート係数に従って、ツールをツールパスに沿って移動させるように、ロボットマニピュレータを制御する。第３の態様による手術システムを動作させる方法もまた、提供される。
【0012】
第４の態様では、コンピュータにより実行される手術計画方法が提供される。このコンピュータにより実行される手術計画方法は、解剖学的構造の幾何学的形状を含む解剖学的データを取得することと、解剖学的構造と相互作用するように、ロボットマニピュレータがツールパスに沿ってツールを移動させることになる該ツールパスを含むパスデータを取得することであって、ここで、ツールがその間を連続的に通過することになる点によってツールパスが画定される、取得することと、ツールの幾何学的形状を含むツールデータを取得することと、パスデータと解剖学的データとをマージ（merge：合体）することと、ツールパスの少なくとも１つの点について、解剖学的データに対する点の位置を特定し、ツールデータから、特定された位置におけるツールの幾何学的形状をロードし、ツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の相互作用に関連するツール接触係数を計算し、計算されたツール接触係数に基づいてツールの計画されたフィードレート係数を設定し、計画されたフィードレート係数を少なくとも１つの点に関連付けることを行うことと、ツールパスの少なくとも１つの点に関連付けられた計画されたフィードレート係数を含むツールパスを含むカッティング計画データを出力することとを含む。第４の態様のコンピュータにより実行される方法を実行するための命令を含む非一時的なコンピュータ可読媒体、またはコンピュータプログラム製品も提供される。
【0013】
第５の態様では、コンピュータにより実行される方法が提供される。このコンピュータにより実行される方法は、解剖学的ボリュームの幾何学的形状及び密度値を含む解剖学的データを取得することと、多角形要素のメッシュを有する仮想物体の幾何学形状を含む仮想物体データを取得することと、解剖学的データと仮想物体データとをマージ（merge：合体）することと、密度値に基づいてメッシュの１つ以上の多角形要素のパラメータを決定することと、ツールが１つ以上の多角形要素と相互作用することに応答して、パラメータに従って、ツールの動作を変更することとを含む。第５の態様のコンピュータにより実行される方法を実行するための命令を含む非一時的なコンピュータ可読媒体、またはコンピュータプログラム製品も提供される。
【0014】
第６の態様では、コンピュータにより実行される方法が提供される。このコンピュータにより実行される方法は、解剖学的ボリュームの幾何学的形状及び密度値を含む解剖学的データを取得することと、多角形要素のメッシュを有する仮想物体の幾何学形状を含む仮想物体データを取得することと、解剖学的データと仮想物体データとをマージ（merge：合体）して、密度値に基づいてメッシュの１つ以上の多角形要素のパラメータを決定することとを含む。第６の態様のコンピュータにより実行される方法を実行するための命令を含む非一時的なコンピュータ可読媒体、またはコンピュータプログラム製品も提供される。
【0015】
第７の態様では、非一時的なコンピュータ可読媒体が開示される。この非一時的なコンピュータ可読媒体は、１つ以上のプロセッサによって実行されたときに、コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアを実施する命令が格納されており、このコンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアは、解剖学的ボリュームの幾何学的形状及び組織のパラメータを含む解剖学的データを取得することと、解剖学的ボリュームと相互作用するように、ロボットマニピュレータがツールパスに沿ってツールを移動させることになる該ツールパスを含むパスデータを取得することであって、ここで、ツールがその間を連続的に通過することになる点によってツールパスが画定される、取得することと、ツールパスと相互作用することになるツールの幾何学的形状を含むツールデータを取得することと、パスデータと解剖学的データとをマージ（merge：合体）することと、ツールパスの少なくとも１つの点について、解剖学的データに対する点の位置を特定し、ツールデータから、特定された位置におけるツールの幾何学的形状をロードし、特定された位置で、ツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の交差部を特定し、交差部内の解剖学的データの組織のパラメータを決定し、ツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の相互作用に関連するツール接触係数を計算し、決定された組織のパラメータと計算されたツール接触係数とに基づいて、ツールの計画されたフィードレート係数を設定し、計画されたフィードレート係数を少なくとも１つの点に関連付けることを行うことと、ツールパスの少なくとも１つの点に関連付けられた計画されたフィードレート係数を含むツールパスを含むカッティング計画データを出力することとを行うように構成されている。第７の態様のステップを実行するコンピュータにより実行される方法も提供される。
【0016】
第８の態様では、非一時的なコンピュータ可読媒体が開示される。この非一時的なコンピュータ可読媒体は、１つ以上のプロセッサによって実行されたときに、コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアを実施する命令が格納されており、コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアは、解剖学的ボリュームの幾何学的形状及び組織のパラメータを含む解剖学的データを取得することと、解剖学的ボリュームと相互作用するように、ロボットマニピュレータがツールパスに沿ってツールを移動させることになる該ツールパスを含むパスデータを取得することであって、ここで、ツールがその間を連続的に通過することになる点によってツールパスが画定される、取得することと、ツールパスと相互作用することになるツールの幾何学的形状を含むツールデータを取得することと、パスデータと解剖学的データとをマージ（merge：合体）することと、ツールパスの少なくとも１つの点について、解剖学的データに対する点の位置を特定し、ツールデータから、特定された位置におけるツールの幾何学的形状をロードし、特定された位置で、ツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の交差部を特定し、交差部内の解剖学的データの組織のパラメータを決定し、ツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の相互作用に関連するツール接触係数を計算し、決定された組織のパラメータと計算されたツール接触係数とに基づいて、ツールの出力姿勢を設定し、出力姿勢を少なくとも１つの点に関連付けることを行うことと、ツールパスの少なくとも１つの点に関連付けられた出力姿勢を含むツールパスを含むカッティング計画データを出力することとを行うように構成されている。第８の態様のステップを実行するコンピュータにより実行される方法も提供される。
【0017】
第９の態様では、非一時的なコンピュータ可読媒体が開示される。この非一時的なコンピュータ可読媒体は、１つ以上のプロセッサによって実行されたときに、コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアを実施する命令が格納されており、コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアは、解剖学的ボリュームの幾何学的形状及び組織のパラメータを含む解剖学的データを取得することと、解剖学的ボリュームと相互作用するように、ロボットマニピュレータがツールパスに沿ってツールを移動させることになる該ツールパスを含むパスデータを取得することであって、ここで、ツールがその間を連続的に通過することになる点によってツールパスが画定される、取得することと、ツールパスと相互作用することになるツールの幾何学的形状を含むツールデータを取得することと、パスデータと解剖学的データとをマージ（merge：合体）することと、ツールパスの少なくとも１つの点について、解剖学的データに対する点の位置を特定し、ツールデータから、特定された位置におけるツールの幾何学的形状をロードし、特定された位置で、ツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の交差部を特定し、交差部内の解剖学的データの組織のパラメータを決定し、ツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の相互作用に関連するツール接触係数を計算し、決定された組織のパラメータと計算されたツール接触係数とに基づいて、ツールの計画されたフィードレート係数を設定し、ツールのモータで所定のモータ電流を達成し、計画されたフィードレート係数を少なくとも１つの点に関連付けることを行うことと、ツールパスの少なくとも１つの点に関連付けられた計画されたフィードレート係数を含むツールパスを含むカッティング計画データを出力することとを行うように構成されている。第９の態様のステップを実行するコンピュータにより実行される方法も提供される。
【0018】
第１０の態様では、非一時的なコンピュータ可読媒体は、１つ以上のプロセッサによって実行されたときに、このコンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアを実施する命令が格納されており、コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアは、解剖学的ボリュームの幾何学的形状及び組織のパラメータを含む解剖学的データを取得することと、解剖学的ボリュームと相互作用するように、ロボットマニピュレータがツールパスに沿ってツールを移動させることになる該ツールパスを含むパスデータを取得することであって、ここで、ツールがその間を連続的に通過することになる点によってツールパスが画定される、取得することと、ツールパスと相互作用することになるツールの幾何学的形状を含むツールデータを取得することと、パスデータと解剖学的データとをマージ（merge：合体）することと、ツールパスの少なくとも１つの点について、解剖学的データに対する点の位置を特定し、ツールデータから、特定された位置におけるツールの幾何学的形状をロードし、特定された位置で、ツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の交差部を特定し、交差部内の解剖学的データの組織のパラメータを決定し、ツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の相互作用に関連するツール接触係数を計算し、決定された組織のパラメータと計算されたツール接触係数とに基づいて、ツール動作パラメータを設定し、ツール動作パラメータを少なくとも１つの点に関連付けることを行うことと、ツールパスの少なくとも１つの点に関連付けられたツール動作パラメータを含むツールパスを含む計画データを出力することとを行うように構成されている。第１０の態様のステップを実行するコンピュータにより実行される方法も提供される。
【0019】
第１１の態様では、ツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の交差部を特定することと、交差部内の解剖学的データの組織のパラメータを決定することと、ツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の相互作用に関連するツール接触係数を計算することと、決定された組織のパラメータ及び計算されたツール接触係数に基づいてツール動作パラメータを設定することとを含むコンピュータにより実行される方法が提供される。第１１の態様のステップを実装するコンピュータプログラム製品またはロボットシステムも提供される。
【0020】
上記の態様のうちのいずれも、部分的または全体的に組み合わせることができる。
【0021】
上記の態様のいずれも、コンピュータにより実行される方法、ロボット手術システム、及び／または１つ以上のプロセッサ（つまり、コンピュータにより実行される方法、ロボット手術システム、または１つ以上のプロセッサのうちの１つ以上）によって実行されたときに、コンピュータにより実行される手術計画ソフトウェアまたはコンピュータプログラム製品を実施する命令が格納されている非一時的なコンピュータ可読媒体として実施することができる。
【0022】
上記の態様のいずれかは、そのような実施態様が全体的または部分的に利用されるかどうかにかかわらず、以下の実施態様のいずれかで利用することができる。
【0023】
一実施態様では、解剖学的データを取得することは、解剖学的ボリュームに関連付けられた骨モデルを取得することを含む。一実施態様では、パスデータを取得することは、解剖学的ボリュームの骨モデルの計画された切除ボリュームに基づいて予め定められたツールパスを取得することをさらに含む。一実施態様では、パスデータを取得することは、骨モデルに対して選択されたインプラントモデルの幾何学的形状に基づいて予め定められたツールパスを取得することをさらに含む。いくつかの実施態様では、骨モデルは患者特有の骨モデルであっても、統計的な骨モデルであってもよい。いくつかの実施態様では、パスデータを取得することは、ツールパスの少なくとも１つの点に対するツールの既定の姿勢を取得することを含む。骨モデルは、寛骨臼、関節窩、または任意のタイプの関節窩（ジョイントソケット）のものでありうる。骨モデルは、大腿骨、脛骨、上腕骨、または脊椎の一部（椎骨）の場合がある。一実施態様では、解剖学的データは、術前画像なしで（例えば、画像なしで）、または骨モデルを形成せずに取得される。骨モデルは患者特有のものである場合もあれば、同様の集団からの統計データセットに基づいている場合もあってよい。
【0024】
一実施態様では、解剖学的データを取得することは、解剖学的ボリュームのスライスを含む撮像データを取得することを含む。一実施態様では、撮像データを取得することは、画像撮影時の切片及び傾きの値、スライス厚、及び患者の位置を含むＤＩＣＯＭデータを取得することを含む。一実施態様では、解剖学的データをえることは解剖学的ボリュームのＣＴスライスをえることを含む。そのような実施態様では、ツールの幾何学的形状は、ツールの３Ｄ幾何学的形状を含み、ツールパスの少なくとも１点について、特定された位置でツールの３Ｄ幾何学的形状をロードすることと、特定された位置でツールの３Ｄ幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間に断面交差部があるＣＴスライスを特定することと、特定されたＣＴスライスごとに、断面交差部内の各ピクセルのハンスフィールド単位（Hounsfield unit）を決定することと、特定された各ＣＴスライスの断面交差部内のピクセルからハンスフィールド単位を収集することとを含む。
【0025】
一実施態様では、特定された位置で、ツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の交差部を特定することは、ツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の交差部を示す撮像データの１つ以上のスライスを特定することを含む。一実施態様は、ツールパスの少なくとも１つの点について、ツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の交差部を示す撮像データのスライスを特定した後に、特定されたスライスごとに、交差部の外側のツールの幾何学的形状に対する交差部内のツールの幾何学的形状に関連する交差比を計算することを含む。一実施態様は、特定されたスライスごとに、所定の閾値を超えるハンスフィールド単位を有するツールの幾何学的形状内のピクセルの量を決定することを含む。
【0026】
一実施態様では、交差部内の解剖学的データの密度値を決定するあるいは求めることは、特定されたスライスごとに、交差部内に位置する撮像データの放射線密度値を決定することを含む。一実施態様では、交差部内の解剖学的データの密度値を決定することは、１つ以上の特定されたスライスのそれぞれの交差部内に位置する放射線密度値を収集することを含む。一実施態様では、１つ以上の特定されたスライスのそれぞれの交差部内に位置する放射線密度値を収集することは、収集された放射線密度値から平均放射線密度値、中央放射線密度値、及び最大放射線密度値のうちの１つ以上を特定することを含む。
【0027】
一実施態様では、決定された密度値に基づいてツールの計画されたフィードレート係数を設定することは、収集された放射線密度値に基づいて、特定された位置に対する解剖学的ボリュームの骨密度（ＢＭＤ：bone mineral density）係数を計算することを含む。一実施態様では、決定された密度値に基づいてツールの計画されたフィードレート係数を設定することは、計算されたＢＭＤ係数に基づいて、ツールの計画されたフィードレート係数を設定することを含む。一実施態様では、ＢＭＤ係数を計算することは、平均放射線密度値、中央放射線密度値、及び／または最大放射線密度値（つまり、平均放射線密度値、中央放射線密度値、または最大放射線密度値のうちの１つ以上）をＢＭＤ係数に変換することを含む。一実施態様では、平均放射線密度値、中央放射線密度値、及び最大放射線密度値のうちの１つ以上をＢＭＤ係数に変換することは、平均放射線密度値、中央放射線密度値、及び最大放射線密度値のうちの１つ以上に交差比を乗算することを含む。一実施態様では、決定された密度値に基づいてツールの計画されたフィードレート係数を設定することは、計算されたＢＭＤ係数に基づいて、計画されたフィードレート係数を設定することを含む。一実施態様は、既定の骨密度（ＢＭＤ）係数と既定のフィードレート係数との間の関連を規定するルックアップテーブルにアクセスすることを含む。このような実施態様では、ツールパスの少なくとも１つの点について、計算されたＢＭＤ係数に基づいて計画されたフィードレート係数を設定することは、ルックアップテーブル内で、計算されたＢＭＤに最も近い既定のＢＭＤ係数を特定することと、ルックアップテーブル内で最も近い特定された既定のＢＭＤ係数に関連付けられた既定のフィードレート係数に基づいて、計画されたフィードレート係数を設定することとを含む。一実施態様では、ツールパスの少なくとも１つの点について、計算されたＢＭＤ係数に基づいて計画されたフィードレート係数を設定することは、計算されたＢＭＤ係数が最小閾値を下回っているとの判定に応じて、計画されたフィードレート係数を最大フィードレート係数に設定すること、及び／または計算されたＢＭＤ係数が最大閾値を超えているとの判定に応じて、計画されたフィードレート係数を最小フィードレート係数に設定すること（つまり、計算されたＢＭＤ係数が最小閾値を下回っているとの判定に応じて計画されたフィードレート係数を最大フィードレート係数に設定すること、または計算されたＢＭＤ係数が最大閾値を超えているとの判定に応じて計画されたフィードレート係数を最小フィードレート係数に設定すること、あるいはそれらの両方）を含む。一実施態様では、計画されたフィードレート係数を設定することは、ツールのモータで所定のモータ電流を達成することに基づいて、計画されたフィードレート係数を設定することを含む。
【0028】
１つの実施態様は、ツールパスの１点について、１点の位置でのツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の交差部から取得された相互作用座標を保存することであって、ここで、相互作用座標が、１点の位置でのツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間のシミュレートされた相互作用の位置を示す保存することと、１点に続くツールパスの第２の点について、解剖学的データに対する第２の点の位置を特定することと、ツールデータから、第２の点の特定された位置におけるツールの幾何学的形状をロードすることと、第２の点の特定された位置で、ツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の交差部を特定することと、第２の点の位置での交差部内の解剖学的データの密度値を決定することと、決定された密度値の座標を相互作用座標と比較することと、相互作用座標と同一の座標を持つ密度値を無視することとを含む。
【0029】
一実施態様は、ツールパスの少なくとも１つの点について、ツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の交差部を越えて位置する密度値を無視することを含む。
【0030】
一実施態様では、パスデータと解剖学的データとをマージすることは、パスデータと解剖学的データとを共通の座標系にマージすることを含む。
【0031】
一実施態様では、カッティング計画データ（cut plan data）は、解剖学的ボリュームと相互作用するために、ロボットマニピュレータがツールパスに沿って自律モードでツールを移動させることになる該ツールパスを含む。
【0032】
一実施態様は、ツールパスの各点について、解剖学的データに対する点の位置を特定することと、ツールデータから、特定された位置におけるツールの幾何学的形状をロードすることと、特定された位置で、ツールの幾何学的形状と解剖学的ボリュームとの間の交差部を特定することと、交差部内の解剖学的データの密度値を決定することと、決定された密度値に基づいて、ツールの計画されたフィードレート係数を設定することと、計画されたフィードレート係数を点に関連付けることとを含み、カッティング計画データを出力することは、ツールパスの各点に関連付けられた計画されたフィードレート係数を含むツールパスをさらに含む。
【0033】
一実施態様では、ロボットマニピュレータは、第１のフィードレートに従ってツールを移動するように命令され、ツールが第１のフィードレートに従って移動する間に、仮想モデルと仮想物体の１つ以上の多角形要素との間の相互作用が検出される。第２のフィードレートは、１つ以上の多角形要素に関連付けられたパラメータに基づいて計算される。ツールの動作は、ロボットマニピュレータが第２のフィードレートでツールを移動させるように命令されるように変更される。
【0034】
一実施態様では、ロボットマニピュレータはツールを移動させるように命令される。ツールの仮想モデルは、仮想物体の１つ以上の多角形要素を貫通する。反力（reactive force）は、１つ以上の多角形要素に関連付けられたパラメータに基づいて計算される。仮想モデルによる１つ以上の多角形要素の貫通を低減するために、仮想シミュレーションにおいて反力が仮想モデルに適用される。ツールの動作は、仮想シミュレーションにおける仮想モデルへの反力の適用に従ってツールを動かすようにロボットマニピュレータが命令されて、仮想物体に対するツールの動きを制約するように変更される。
【0035】
添付の図面と関連して考えながら以下の詳細な説明を参照することによって、本開示の利点がより良く理解されると、本開示の利点が容易に認められよう。
【図面の簡単な説明】
【0036】
【図1】ロボット手術システムの一実施態様の斜視図である。
【図2】一実施態様による、ロボット手術システムを制御するための構成要素及びコントローラを含む制御システムのブロック図である。
【図3】一実施態様による、ロボット手術システムによって利用されるソフトウェアプログラムの機能ブロック図である。
【図4】カッティング計画データを決定する方法のフローチャートである。
【図6】カッティング計画データの線図である。
【図9】カッティング計画データを決定するために使用される保存された数量を示す表である。
【図10】既定の骨密度係数と既定のフィードレート係数との間の関連を規定するルックアップテーブルである。
【図11】ツールが第１の点に位置するときの、図１のロボット手術システムのツールと解剖学的ボリュームとの交差部、及びツールが第２の点に位置するときの、図１のロボット手術システムのツールと解剖学的ボリュームとの交差部の断面図である。
【図12】仮想物体及び解剖学的データのステップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0037】
［Ｉ．システム概要］
図１を参照すると、手術システム１０が示されている。システム１０は、骨または軟組織の治療など、患者１２の手術部位または解剖学的ボリューム（ＡＶ：anatomical volume）を治療するのに有用である。図１では、患者１２は外科的処置を受けている。図１の解剖学的構造は、患者１２の大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔを含む。外科的処置は、組織の除去または他の治療形態を含みうる。治療は、組織のカッティング、凝固、組織の病変破壊、他のｉｎ－ｓｉｔｕでの組織治療などを含みうる。一部の例では、外科的処置は、部分的または完全な膝関節または股関節置換手術、肩関節置換手術、脊椎手術、または足首手術を含む。一部の例では、システム１０は、単顆膝関節インプラント、二顆膝関節インプラント、多顆膝関節インプラント、もしくは全膝関節インプラントを含む、股関節インプラント及び膝関節インプラントといった外科的インプラントにより置き換えられる物質を切除するように設計される。これらの種類のインプラントのうちの一部は、「Prosthetic Implant and Method of Implantation」と題する米国特許出願公開第２０１２／０３３０４２９号に示され、その開示は引用することにより本明細書の一部をなすものとする。本明細書に開示されるシステム１０及び技術は、外科的または非外科的である他の処置を実行するために使用されてもよく、あるいはロボットシステムを利用する産業用途または他の用途で使用されてもよい。
図１を参照すると、手術システム１０が示されている。システム１０は、骨または軟組織の治療など、患者１２の手術部位または解剖学的ボリューム（ＡＶ：anatomical volume）を治療するのに有用である。図１では、患者１２は外科的処置を受けている。図１の解剖学的構造は、患者１２の大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔを含む。外科的処置は、組織の除去または他の治療形態を含みうる。治療は、組織のカッティング、凝固、組織の病変破壊、他のｉｎ－ｓｉｔｕでの組織治療などを含みうる。一部の例では、外科的処置は、部分的または完全な膝関節または股関節置換手術、肩関節置換手術、脊椎手術、または足首手術を含む。一部の例では、システム１０は、単顆膝関節インプラント、二顆膝関節インプラント、多顆膝関節インプラント、もしくは全膝関節インプラントを含む、股関節インプラント及び膝関節インプラントといった外科的インプラントにより置き換えられる物質を切除するように設計される。これらの種類のインプラントのうちの一部は、「Prosthetic Implant and Method of Implantation」と題する米国特許出願公開第２０１２／０３３０４２９号に示され、その開示は引用することにより本明細書の一部をなすものとする。本明細書に開示されるシステム１０及び技術は、外科的または非外科的である他の処置を実行するために使用されてもよく、あるいはロボットシステムを利用する産業用途または他の用途で使用されてもよい。
【0038】
図１に示すように、システム１０はマニピュレータ１４を含む。マニピュレータカート１７（図１に示す）は、マニピュレータ１４がマニピュレータカート１７に固定されるようにマニピュレータ１４を支持することができる。マニピュレータ１４は、ベース１６と、複数のリンク１８とを有する。一例では、隣接するリンク１８の対が関節Ｊの１つによって接続されている。リンク１８は、集合的にマニピュレータ１４の１つ以上のアーム（複数可）２３を形成する。マニピュレータ１４は、直列アーム構成（図１に示される）、並列アーム構成、または任意の他の適切なマニピュレータ構成を有しうる。他の例では、複数のマニピュレータ１４が、複数のアーム構成で利用されてよい。一例によれば、マニピュレータ１４は、マニピュレータ１４に関して少なくとも６自由度（ＤＯＦ：degrees of freedom）を実施する６つの関節Ｊ１～Ｊ６を有する。マニピュレータ１４は、任意の数の自由度を有してよく、任意の適切な数の関節Ｊを有してよく、冗長関節を有してよい。マニピュレータ１４は、手術台に取り付けられてもよく、または患者によって部分的に支持されてもよい。
【0039】
各関節Ｊには、隣接するリンク１８間に配置された関節モータ２７といったアクチュエータが存在しうる。関節モータ２７は、リンク１８を回転させるように構成される。このように、リンク１８の位置は関節モータ２７によって設定される。各関節モータ２７は、マニピュレータ１４の内部の構造フレームに取り付けられてよい。一例では、関節モータ２７は、永久磁石ブラシレスモータといったサーボモータである。関節モータ２７は、同期モータ、ブラシ型ＤＣモータ、ステッピングモータ、誘導モータといった他の構成を有してもよい。
【0040】
関節モータ２７は、以下、関節角度と呼ぶ複数の角度位置のうちの１つに配置される。関節角度は、隣接するリンク１８間の関節Ｊの角度である。各関節Ｊは、関節トルクを受けるように構成されてよい。関節トルクは、関節Ｊの回転またはねじりの「力」であり、関節Ｊの枢着点からある長さにかかる力の関数である。トルクセンサは、関節Ｊの関節トルクを測定するために１つ以上の関節モータ２７に接続されてよい。あるいは、関節モータ２７に印加される電流を表す信号を使用して、関節トルクを測定してよい。
【0041】
１つ以上の関節モータ２７は、位置センサまたはエンコーダ１９を備えることができる。簡潔にするために、１つの関節エンコーダ１９が図１に示されているが、他の関節エンコーダ１９も同様に示されてよい。あるいは、その関節モータ２７によって駆動される１つ以上のリンク１８は、位置センサまたはエンコーダ１９を備えてよい。エンコーダ１９は、各関節Ｊの関節角度を測定しうる。一部の実施形態では、関節モータ２７に対して１つ、動かされるリンク１８に対して１つの２つのエンコーダを使用して、例えば、関節角度と、コンプライアントな伝達による関節モータ２７と関節の間の変位とを平均することによって、関節角度を決定することができる。マニピュレータ１４は、関節エンコーダ１９を必ずしも必要とせず、代わりにまたは追加で、１つ以上の関節Ｊの関節モータ２７に存在するモータエンコーダを利用してよい。また、マニピュレータ１４は、回転関節（rotary joint）を必ずしも必要とせず、代わりにまたは追加で、１つ以上の直動関節（prismatic joint）を利用してよい。特定の関節Ｊは受動的に可動及びロック可能であってよく、他の関節Ｊは能動的に駆動されてよい。関節の種類の任意の適切な組み合わせが企図される。
【0042】
図１を参照すると、マニピュレータ１４のベース１６は通常、マニピュレータ１４の一部であり、マニピュレータ１４または一般的にシステム１０の他の構成要素に固定基準座標系を提供する。通常、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬの原点は、ベース１６の固定基準に規定される。ベース１６は、リンク１８のうちの１つ以上など、マニピュレータ１４の任意の適切な部分に対して規定されてよい。代わりにまたは追加で、マニピュレータ１４がマニピュレータカート１７に物理的に取り付けられている場合など、ベース１６は、マニピュレータカート１７に対して規定されてよい。一例では、ベース１６は、関節Ｊ１の軸と関節Ｊ２の軸の交差部に規定される。よって、関節Ｊ１及び関節Ｊ２は実際には可動構成要素であるが、それにもかかわらず関節Ｊ１と関節Ｊ２の軸の交差部は仮想固定基準姿勢であり、仮想固定基準姿勢は、位置及び向きの両方の固定基準を提供し、マニピュレータ１４及び／またはマニピュレータカート１７（つまり、マニピュレータ１４またはマニピュレータカート１７あるいはそれらの両方）に対して移動しない。他の例では、マニピュレータ１４は、ハンドヘルドマニピュレータであってよく、ベース１６はツールのベース部分（例えば、ユーザが自由に保持する部分、または定められたリンク機構に結合された部分）であり、ツール先端はベース部分に対して（例えば、半自律的に）可動である。ベース部分は、追跡される基準座標系を有し、ツール先端は、（例えば、モータ及び／または関節エンコーダ（つまり、モータまたは関節エンコーダあるいはそれらの両方）と順運動学計算を介して）基準座標系に対して計算されるツール先端座標系を有する。パスに対するツール先端の姿勢を決定できるため、ツール先端の動きをパスに追従するように制御することができる。このようなハンドヘルド構成は、「Surgical Instrument Including Housing, a Cutting Accessory that Extends from the Housing and Actuators that Establish the Position of the Cutting Accessory Relative to the Housing」と題する米国特許第９，７０７，０４３号に記載されているものと同様であってよく、その内容全体は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【0043】
ツール２０は、マニピュレータ１４に結合され、特定のモードで解剖学的構造と相互作用するようにベース１６に対して可動である。ツール２０は、特定の実施形態では、物理的な手術ツールであり、マニピュレータ１４によって支持されるエンドエフェクタ２２であるか、またはそのエンドエフェクタ２２の一部を形成する。ツール２０は、ユーザにより把持されてよい。マニピュレータ１４及びツール２０の１つの可能な配置は、「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in Multiple Modes」と題する米国特許第９，１１９，６５５号に記載され、その開示は引用することにより本明細書の一部をなすものとする。マニピュレータ１４及びツール２０は、代替構成で配置されてもよい。ツール２０は、２０１４年３月１５日に出願された「End Effector of a Surgical Robotic Manipulator」と題する米国特許出願公開第２０１４／０２７６９４９号に示されるものと同様であってよく、これは、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【0044】
ツール２０は、手術部位で患者１２の組織に接触させて、その組織を除去するように設計されたエネルギーアプリケータ２４を含む。一例では、エネルギーアプリケータ２４は、バー２５または手術用カッターである。ツール２０は、マニピュレータ１４に結合された近位端と、エネルギーアプリケータ２４が配置される遠位端とを有するツールシャフト３３を含むことができる。ツールシャフト３３は、エネルギーアプリケータ２４が組織を操作できるように、切断軸を中心に回転する。バー２５は、ほぼ球形であってよく、球形の中心、半径（ｒ）、及び直径を含みうる。あるいは、エネルギーアプリケータ２４は、ドリルビット（drill bit）、ソーブレード（saw blade）、または超音波振動先端などであってよい。ツール２０及び／またはエネルギーアプリケータ２４（つまり、ツール２０またはエネルギーアプリケータ２４あるいはそれらの両方）は、任意の幾何学的特徴、例えば周囲長、円周、半径、直径、幅、長さ、体積、面積、表面／平面、（任意の１つ以上の軸に沿った）動作エンベロープ範囲などを含みうる。所望の治療を実行するために、幾何学的特徴を考慮して、手術部位の組織に対してツール２０をどのように配置するかを決定してよい。本明細書に記載する実施形態の一部では、ツール中心点（ＴＣＰ：tool center point）を有する球形のバーが、便宜上及び説明を容易にするために記載されるが、ツール２０をいずれの特定の形態に限定することも意図していない。
【0045】
力－トルクセンサといったセンサＳが、エンドエフェクタ２２の近位に取り付けられてよい。力－トルクセンサＳは、エンドエフェクタ２２及び／またはツール２０（つまり、エンドエフェクタ２２またはツール２０あるいはそれらの両方）がさらされる力及び／またはトルク（つまり、力またはトルクあるいはそれらの両方）に応じた可変信号を出力するように構成される。そうすることによって、力－トルクセンサＳは、ユーザによってエンドエフェクタ２２及び／またはツール２０に加えられた入力された力を検知することを可能にする。入力された力を利用してマニピュレータ１４の動きを制御し、ユーザが加えた力／トルクをエミュレートすることができる。力－トルクセンサＳはまた、エネルギーアプリケータ２４に加えられる外力を検知しうる。一実施態様では、力－トルクセンサＳは６ＤＯＦセンサであり、力－トルクセンサＳは、３つの相互に直交する力と、ツール２０に加えられる直交する力の軸の周りの３つのトルクとを表す信号を出力するように構成される。追加でまたは代わりに、エンドエフェクタ２２及び／またはツール２０に加えられる入力された力は、関節トルクまたは関節モータ２７上の電流センサを使用して決定されてよい。
【0046】
図１を参照すると、マニピュレータ１４及び／またはマニピュレータカート１７は、マニピュレータコントローラ２６、または他の種類の制御ユニットを収容してよい。マニピュレータコントローラ２６は、１つ以上のコンピュータ、またはマニピュレータ１４の運動を指示する任意の他の適切な形態のコントローラを含みうる。マニピュレータコントローラ２６は、中央処理装置（ＣＰＵ）及び／または他のプロセッサ（つまり、中央処理装置（ＣＰＵ）または他のプロセッサあるいはそれらの両方）と、メモリ（図示せず）と、ストレージ（図示せず）とを有することができる。マニピュレータコントローラ２６には、後述されるソフトウェアがロードされる。プロセッサは、マニピュレータ１４の動作を制御する１つ以上のプロセッサを含むことができる。プロセッサは、任意の種類のマイクロプロセッサ、マルチプロセッサ、及び／またはマルチコア処理システム（つまり、任意の種類のマイクロプロセッサ、マルチプロセッサ、またはマルチコア処理システムのうちの１つ以上）であってよい。マニピュレータコントローラ２６は、追加でまたは代わりに、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／または本明細書で記載されてい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、もしくはファームウェア（つまり、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、本明細書で記載されてい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、もしくはファームウェアのうちの１つ以上）を含みうる。プロセッサという用語は、いずれの実施態様も単一のプロセッサに限定することを意図するものではない。マニピュレータ１４はまた、１つ以上のディスプレイ及び／または入力デバイス（例えば押しボタン、キーボード、マウス、マイクロホン（音声起動）、ジェスチャ制御デバイス、タッチスクリーンなど）（つまり、１つ以上のディスプレイまたは入力デバイスあるいはそれらの両方）を備えたユーザインタフェースＵＩを含みうる。
【0047】
ツール２０は、ツール（例えば、ツール２０の回転モータ）への電力を制御する、ツール２０の動きを制御する、ツール２０の洗浄／吸引を制御するなど、ツール２０の動作を制御するためのツールコントローラ２１を含みうる。ツールコントローラ２１は、マニピュレータコントローラ２６または他の構成要素と通信することができる。ツール２０はまた、１つ以上のディスプレイ及び／または入力デバイス（例えば押しボタン、キーボード、マウス、マイクロホン（音声起動）、ジェスチャ制御デバイス、タッチスクリーンなど）を備えたユーザインタフェースＵＩを含みうる。マニピュレータコントローラ２６は、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬといった座標系に対してツール２０（例えばツール中心点（ＴＣＰ））の状態（位置及び／または向き（つまり、位置又は向きあるいはそれらの両方））を制御する。マニピュレータコントローラ２６は、（直線または角）速度、加速度、またはツール２０の運動の他の導関数を制御することができる。
【0048】
ＴＣＰは、一例では、エネルギーアプリケータ２４に規定された所定の基準点である。エネルギーアプリケータ２４の形状は、ＴＣＰ座標系において既知であるか、またはＴＣＰ座標系に対して規定される。一点のみが追跡されるように、ＴＣＰは、ツール２０のバー２５の球形中心に位置してよい。ＴＣＰは、エネルギーアプリケータ２４の構成に応じて、様々な方法で規定されてよい。ツール２０の制御は、中心点に限定されない。例えば、任意の適切なプリミティブ、メッシュなどを使用して、ツール２０を表すことができる。
【0049】
ツール２０のシャフト３３は、他の座標系に対して既知の、または計算可能な（すなわち必ずしも静的ではない）姿勢を有する。マニピュレータ１４は、関節／モータエンコーダ、または任意の他の非エンコーダ位置検知方法を使用して、シャフト３３の姿勢を決定することができる。マニピュレータ１４は、関節測定値を使用してシャフト３３の姿勢を決定することができ、及び／またはシャフト３３の姿勢を直接測定する（つまり、シャフト３３の姿勢を決定する、またはシャフト３３の姿勢を直接測定する、あるいはそれらの両方の）技術を採用することができる。
【0050】
図１に示すように、システム１０はさらに、ナビゲーションシステム３２を含みうる。ナビゲーションシステム３２の一例は、２０１３年９月２４日に出願された「Navigation System Including Optical and Non-Optical Sensors」と題する米国特許第９，００８，７５７号に記載され、これは、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。ナビゲーションシステム３２は、様々な物体の動きを追跡する。このような物体には、例えば、マニピュレータ１４、ツール２０、及び解剖学的構造、例えば、大腿骨Ｆ及び脛骨Ｔが含まれる。ナビゲーションシステム３２は、これらの物体を追跡して、（ナビゲーション）ローカライザ座標系ＬＣＬＺに対する物体の状態情報を収集する。ローカライザ座標系ＬＣＬＺの座標は、変換を使用して、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬに、及び／またはその逆に（つまり、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬに、またはその逆に、あるいはそれらの両方に）変換されてよい。
【0051】
ナビゲーションシステム３２は、ナビゲーションコントローラ３６、及び／または他の種類の制御ユニット（つまり、ナビゲーションコントローラ３６、または他の種類の制御ユニット、あるいはそれらの両方）を収容するカートアセンブリ３４を含む。ナビゲーションユーザインタフェースＵＩは、ナビゲーションコントローラ３６と動作可能に通信する。ナビゲーションユーザインタフェースＵＩは、１つ以上のディスプレイ３８を含む。ナビゲーションシステム３２は、１つ以上のディスプレイ３８を使用して、追跡対象物体の相対的な状態のグラフィック表現を、ユーザに表示することができる。ナビゲーションユーザインタフェースＵＩはさらに、ナビゲーションコントローラ３６に情報を入力するための、あるいはナビゲーションコントローラ３６の特定の態様を選択／制御するための、１つ以上の入力デバイスを含む。このような入力デバイスには、インタラクティブなタッチスクリーンディスプレイが含まれる。入力デバイスは、押しボタン、キーボード、マウス、マイクロホン（音声起動）、ジェスチャ制御デバイスといったうちの任意の１つ以上を含みうる。
【0052】
ナビゲーションシステム３２はまた、ナビゲーションコントローラ３６に結合されたナビゲーションローカライザ４４を含む。一例では、ローカライザ４４は、光学ローカライザであり、カメラユニット４６を含む。カメラユニット４６は、１つ以上の光学センサ５０を収容する外側筐体（outer casing）４８を有する。ローカライザ４４は、それ自体のローカライザコントローラ４９を含んでよく、さらにマシンビジョンカメラといったビデオカメラＶＣを含みうる。
【0053】
ナビゲーションシステム３２は、１つ以上のトラッカを含む。一例では、トラッカは、ポインタトラッカＰＴ、１つ以上のマニピュレータトラッカ５２Ａ、５２Ｂ、第１の患者トラッカ５４、及び第２の患者トラッカ５６を含みうる。図１に示される例では、マニピュレータトラッカ（すなわちトラッカ５２Ａ）は、ツール２０にしっかりと取り付けられ、第１の患者トラッカ５４は、患者１２の大腿骨Ｆにしっかりと固定され、第２の患者トラッカ５６は、患者１２の脛骨Ｔにしっかりと固定される。この例では、患者トラッカ５４、５６は、骨の一部にしっかりと固定される。ポインタトラッカＰＴは、解剖学的構造をローカライザ座標系ＬＣＬＺに位置合わせするために使用されるポインタＰにしっかりと固定される。マニピュレータトラッカ５２Ａ、５２Ｂは、ツール２０に加えて、またはツール２０以外に、ベース１６などマニピュレータ１４の任意の適切な構成要素に（すなわちトラッカ５２Ｂ）、またはマニピュレータ１４の任意の１つ以上のリンク１８に固定されてよい。トラッカ５２Ａ、５２Ｂ、５４、５６、ＰＴは、任意の適切な方法で各構成要素に固定されてよい。例えば、トラッカは、各トラッカとそれが関連付けられている物体との関係（測定値）を決定するのに適切な（補足的な）方法がある限り、堅固に固定されていても、柔軟に接続されていても（光ファイバ）、または物理的にまったく接続されていなくても（超音波）よい。
【0054】
トラッカのうちの任意の１つ以上は、アクティブマーカ５８を含みうる。アクティブマーカ５８は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含みうる。あるいは、トラッカ５２Ａ、５２Ｂ、５４、５６、ＰＴは、カメラユニット４６から放出された光を反射する反射器といったパッシブマーカを有しうる。本明細書に具体的に記載されていない他の適切なマーカが利用されてもよい。
【0055】
ローカライザ４４は、トラッカ５２Ａ、５２Ｂ、５４、５６、ＰＴを追跡して、トラッカ５２Ａ、５２Ｂ、５４、５６、ＰＴの状態を判断し、これらの状態は、トラッカがそれぞれ取り付けられた物体の状態にそれぞれ対応する。ローカライザ４４は、既知の三角測量技術を実行して、トラッカ５２Ａ、５２Ｂ、５４、５６、ＰＴ及び関連付けられた物体の状態を判断しうる。ローカライザ４４は、トラッカ５２Ａ、５２Ｂ、５４、５６、ＰＴの状態を、ナビゲーションコントローラ３６に提供する。一例では、ナビゲーションコントローラ３６は、トラッカ５２Ａ、５２Ｂ、５４、５６、ＰＴの状態を判断し、マニピュレータコントローラ２６に通信する。本明細書で使用される場合、物体の状態は、追跡対象物体の位置及び／または向き、あるいは位置及び／または向きの均等物／導関数を規定するデータを含みうるが、これらに限定されない。例えば、状態は、物体の姿勢であってよく、直線速度データ及び／または角速度データ（つまり、直線速度データまたは角速度データあるいはそれらの両方）などを含みうる。
【0056】
ナビゲーションコントローラ３６は、１つ以上のコンピュータ、または任意の他の適切な形態のコントローラを含みうる。ナビゲーションコントローラ３６は、中央処理装置（ＣＰＵ）及び／または他のプロセッサと、メモリ（図示せず）と、ストレージ（図示せず）とを有する。プロセッサは、任意の種類のプロセッサ、マイクロプロセッサ、またはマルチプロセッサシステムであってよい。ナビゲーションコントローラ３６には、ソフトウェアがロードされる。ソフトウェアは、例えば、ローカライザ４４から受信した信号を、追跡されている物体の位置及び向きを表すデータに変換する。ナビゲーションコントローラ３６は、追加でまたは代わりに、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、もしくはファームウェアを含みうる。プロセッサという用語は、単一のプロセッサに限定することを意図するものではない。
【0057】
物体の状態を決定するために三角測量技術を使用するナビゲーションシステム３２の一例が示されるが、ナビゲーションシステム３２は、マニピュレータ１４、ツール２０、及び／または患者１２を追跡するための任意の他の適切な構成（つまり、マニピュレータ１４、ツール２０、または患者１２を追跡するための任意の他の適切な構成のうちの１つ以上）を有しうる。別の例では、ナビゲーションシステム３２及び／またはローカライザ４４（つまり、ナビゲーションシステム３２またはローカライザ４４あるいはそれらの両方）は、超音波ベースである。例えば、ナビゲーションシステム３２は、ナビゲーションコントローラ３６に結合された超音波撮像デバイスを含みうる。超音波撮像デバイスは、上述の物体のうちのいずれか、例えばマニピュレータ１４、ツール２０、及び／または患者１２（つまり、マニピュレータ１４、ツール２０、または患者１２のうちの１つ以上）を撮像し、超音波画像に基づいてナビゲーションコントローラ３６への状態信号を生成する。超音波画像は、２Ｄ、３Ｄ、または両方の組み合わせであってよい。ナビゲーションコントローラ３６は、ほぼリアルタイムで画像を処理し、物体の状態を決定してよい。超音波撮像デバイスは、任意の適切な構成を有してよく、図１に示されるカメラユニット４６とは異なってよい。
【0058】
別の例では、ナビゲーションシステム３２及び／またはローカライザ４４は、無線周波数（ＲＦ）ベースである。例えば、ナビゲーションシステム３２は、ナビゲーションコントローラ３６に結合されたＲＦトランシーバを含みうる。マニピュレータ１４、ツール２０、及び／または患者１２は、それらに取り付けられたＲＦエミッタまたはトランスポンダを含みうる。ＲＦエミッタまたはトランスポンダは、受動的であってもよく、能動的に通電されてもよい。ＲＦトランシーバは、ＲＦ追跡信号を送信し、ＲＦエミッタから受信したＲＦ信号に基づいて、ナビゲーションコントローラ３６への状態信号を生成する。ナビゲーションコントローラ３６は、受信したＲＦ信号を分析して、ＲＦ信号に相対的状態を関連付けてよい。ＲＦ信号は、任意の適切な周波数であってよい。ＲＦトランシーバは、ＲＦ信号を効果的に使用して物体を追跡するために、任意の適切な位置に配置されてよい。さらに、ＲＦエミッタまたはトランスポンダは、図１に示されるトラッカ５２Ａ、５２Ｂ、５４、５６、ＰＴとは大きく異なることのできる任意の適切な構造的構成を有しうる。
【0059】
さらに別の例では、ナビゲーションシステム３２及び／またはローカライザ４４は、電磁ベースである。例えば、ナビゲーションシステム３２は、ナビゲーションコントローラ３６に結合されたＥＭトランシーバを含みうる。マニピュレータ１４、ツール２０、及び／または患者１２は、任意の適切な磁気トラッカ、電磁トラッカ、誘導トラッカといったＥＭ構成要素を含みうる。トラッカは、受動的であってもよく、能動的に通電されてもよい。ＥＭトランシーバは、ＥＭ場を生成し、状態を生成する。このようなナビゲーションシステム３２の例は、図１に示されるナビゲーションシステム３２の構成とは異なる構造的構成を有しうる。
【0060】
ナビゲーションシステム３２は、本明細書に具体的に記載されていない任意の他の適切な構成要素または構造を有しうる。さらに、示されるナビゲーションシステム３２に関して前述した技術、方法、及び／または構成要素（つまり、技術、方法、または構成要素のうちの１つ以上）のうちのいずれも、本明細書で記載されるナビゲーションシステム３２の他の例のうちのいずれに対しても実施または提供されてよい。例えば、ナビゲーションシステム３２は、慣性追跡のみ、または追跡技術の任意の組み合わせを利用してよく、追加でまたは代わりに、光ファイバベース追跡、マシンビジョン追跡などを含みうる。
【0061】
図２を参照すると、システム１０は、制御システム６０を含み、制御システム６０は、他の構成要素の中でも特に、マニピュレータコントローラ２６、ナビゲーションコントローラ３６、及びツールコントローラ２１を含む。制御システム６０は、図３に示す１つ以上のソフトウェアプログラム及びソフトウェアモジュールをさらに含む。ソフトウェアモジュールは、マニピュレータコントローラ２６、ナビゲーションコントローラ３６、ツールコントローラ２１、またはこれらの任意の組み合わせにおいて、データを処理してシステム１０の制御を支援するように動作する１つ以上のプログラムの一部であってよい。ソフトウェアプログラム及び／またはモジュール（つまり、ソフトウェアプログラムまたはモジュールあるいはそれらの両方）は、マニピュレータコントローラ２６、ナビゲーションコントローラ３６、ツールコントローラ２１、またはこれらの組み合わせ上の非一時的メモリ６４に記憶されたコンピュータ可読命令を含み、これは、コントローラ２１、２６、３６の１つ以上のプロセッサ７０により実行される。メモリ６４は、ＲＡＭ、不揮発性メモリといった任意の適切な構成のメモリであってよく、ローカルで、またはリモートデータベースから実施されてよい。さらに、ユーザにプロンプト表示及び／または通信（つまり、プロンプト表示または通信あるいはそれらの両方）を行うためのソフトウェアモジュールは、１つ以上のプログラムの一部を形成してよく、マニピュレータコントローラ２６、ナビゲーションコントローラ３６、ツールコントローラ２１、またはこれらの任意の組み合わせのメモリ６４に記憶された命令を含みうる。ユーザは、ナビゲーションユーザインタフェースＵＩまたは他のユーザインタフェースＵＩの入力デバイスのうちのいずれかとインタラクトして、ソフトウェアモジュールと通信してよい。ユーザインタフェースソフトウェアは、マニピュレータコントローラ２６、ナビゲーションコントローラ３６、及び／またはツールコントローラ２１（つまり、マニピュレータコントローラ２６、ナビゲーションコントローラ３６、またはツールコントローラ２１のうちの１つ以上）とは別個のデバイスで実行されてよい。
【0062】
制御システム６０は、本明細書に記載される機能及び方法を実行するのに適した任意の適切な構成の入力デバイス、出力デバイス、及び処理デバイスを含みうる。制御システム６０は、マニピュレータコントローラ２６、ナビゲーションコントローラ３６、もしくはツールコントローラ２１、またはこれらの任意の組み合わせを含みうる、あるいはこれらのコントローラのうちの１つのみを含みうる。これらのコントローラは、図２に示す有線バスもしくは通信ネットワークを介して、無線通信を介して、またはその他の方法で通信しうる。制御システム６０は、コントローラとも称されてよい。制御システム６０は、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、センサ、ディスプレイ、ユーザインタフェース、インジケータ、及び／または本明細書に記載の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、もしくはファームウェアを含みうる。
【0063】
図３を参照すると、制御システム６０によって使用されるソフトウェアは、解剖学的データ６５を利用することができる。解剖学的データ６５は、患者１２の解剖学的ボリュームＡＶの撮像データを含みうる。撮像データは、ＭＲＩ、Ｘ線／蛍光透視法、ＣＴ、及び／または超音波（つまり、ＭＲＩ、Ｘ線／蛍光透視法、ＣＴ、または超音波のうちの１つ以上）といった任意の適切な画像化モダリティを介して取得することができる。撮像データは、解剖学的ボリュームＡＶの幾何学的形状を含むか、またはそれを導出するために使用されうる。例えば、撮像データは、組み合わせて解剖学的ボリュームＡＶの幾何学的形状を形成するＣＴスライスといった撮像されたスライスを含むことができる。解剖学的データ６５はまた、解剖学的ボリュームＡＶの、医用におけるデジタル画像と通信（ＤＩＣＯＭ：Digital Imaging and Communications in Medicine）データを含むことができ、このデータは、各スライスの切片及び傾きの値、スライス厚、及び患者１２の撮像時の位置を含みうる。
【0064】
解剖学的ボリュームＡＶの幾何学的形状は、２Ｄまたは３Ｄの幾何学的形状であってもよい。図５を参照すると、３Ｄ幾何学的形状が解剖学的モデルＡＭを使用して表されている。図６において、解剖学的モデルＡＭは、患者１２の寛骨臼ＡＭの３Ｄ骨モデルである。説明したように、骨モデルは、大腿骨、脛骨、肩甲骨（関節窩）、上腕骨、椎骨といった他の任意のタイプの骨であってもよい。解剖学的モデルＡＭは、解剖学的ボリュームＡＶのＣＴスライスといった画像化されたスライスから形成されうる。さらに、３Ｄ骨モデルは、患者特有の骨モデル（例えば、患者１２の骨に基づく骨モデル）または統計的骨モデル（例えば、代表的な患者の骨に基づく骨モデル）であってもよい。骨モデルは、撮像データの手動または自動セグメンテーション、統計的骨モデルのモーフィングといった任意の適切な方法で形成することができる。
【0065】
解剖学的データ６５はまた、解剖学的ボリュームＡＶの密度値ＤＶを含みうる。例えば、図５を参照すると、解剖学的データ６５は、解剖学的モデルＡＭに関連付けられた放射線密度値ＤＶを含むことができる。放射線密度値ＤＶは、解剖学的モデルＡＭの座標、ピクセル、及び／またはボクセル（voxel）（つまり、座標、ピクセル、またはボクセルのうちの１つ以上）にマッピングされうる。このように、解剖学的データ６５は、解剖学的モデルＡＭを提供することに加えて、解剖学的モデルＡＭに対応する密度値ＤＶも提供する。密度値ＤＶは、任意の適切な密度値とすることができる。例えば、密度値ＤＶは、図５に示すように、ハンスフィールド単位（ＨＵ：Hounsfield unit）で測定することができる。密度値ＤＶは、任意の適切な技術を使用して決定または導出することができる。例えば、密度値ＤＶは、解剖学的ボリュームＡＶの導電率測定から検出することができる。別の例として、密度値ＤＶは、解剖学的構造と同時に画像化される密度ファントム（density phantom）を使用して決定されうる。密度ファントムは、骨密度測定、吸光光度法、定量的コンピュータ断層撮影法、超音波検査、二重エネルギーＸ線吸収測定法（ＤＥＸＡ：dual-energy X-ray absorptiometry）、走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）、または任意の他のタイプの画像解析などを使用して画像化されうる。密度値ＤＶ（density value）は、ＤＩＣＯＭデータに含めることができる。密度値は、例えば手術室のＣＴスキャン装置を使用して手術中に取得することもできる。
【0066】
制御システム６０は、密度値ＤＶを正規化するように構成されうる。場合によっては、密度値ＤＶは、とりわけ、解剖学的ボリュームＡＶを画像化するために使用される画像化モダリティ及び／またはシステム（つまり、画像化モダリティまたはシステムあるいはそれらの両方）に応じて変化しうる。例えば、解剖学的ボリュームＡＶがＭＲＩまたはＣＴを使用してスキャンされる場合には、密度値ＤＶは変化する可能性がある。別の例として、密度値ＤＶは、解剖学的ボリュームＡＶを画像化するために使用されるスキャナの種類またはブランドに基づいて変化しうる。そのような場合、制御システム６０は、本明細書に記載の技術に対する密度値ＤＶの一貫した解釈または評価を提供するために、密度値ＤＶを正規化することができる。一例では、制御システム６０は、解剖学的ボリュームＡＶを用いて画像化される密度ファントムのパラメータに基づいて密度値ＤＶを正規化または較正することがある。場合によっては、制御システム６０は、解剖学的ボリュームＡＶと相互作用するようにツール２０を制御し、相互作用に関連する力及びトルクを測定することによって、密度値ＤＶを正規化することができる。例えば、制御システム６０は、解剖学的ボリュームＡＶの組織をカッティングし、ツール２０（例えば、ツール２０のモータ２７）にかかる力を測定するように、ツール２０を制御することができる。密度値ＤＶは、制御システム６０が、ツール２０に加わる測定された力を生の密度値と比較することによって、正規化することができる。
【0067】
図３を参照すると、制御システム６０によって使用されるソフトウェアは、境界ジェネレータ６６を含みうる。図６に示すように、境界ジェネレータ６６は、ツール２０の動き及び／または動作（つまり、動きまたは動作あるいはそれらの両方）を制約するように仮想物体７１を生成するソフトウェアプログラムまたはモジュールである。仮想物体７１は、仮想境界とすることができ、１次元、２次元、または３次元であってよく、点、線、軸、軌道、平面、または複雑な形状を含む他の形を含むことができる。一部の実施形態では、仮想物体７１は、多角形または三角形のメッシュによって画定される表面である。仮想物体７１は、解剖学的モデルＡＭに関して規定することができ、ツール２０による物質の除去が許可される解剖学的モデルＡＭの領域を、ツール２０による物質の除去が禁止される解剖学的モデルＡＭの領域から、規定することができる。図５の例では、仮想物体７１は、股関節置換手術の寛骨臼コンポーネントの領域の輪郭を描く３Ｄ境界であり、寛骨臼の３Ｄ解剖学的モデルＡＭに関連付けられる。解剖学的モデルＡＭは、仮想物体７１が解剖学的モデルＡＭに関連付けられるように、１つ以上の患者トラッカ５４、５６に位置合わせされる。仮想物体７１は、インプラント特有であってよく、例えば、インプラントのサイズ、形状、体積などに基づいて画定されてよい、及び／または患者に特有であってよく、例えば、患者の解剖学的構造に基づいて画定されてよい（つまり、インプラント特有であってよく、または患者に特有であってよく、あるいはそれらの両方であってもよい）。仮想物体７１は、術前、術中、またはそれらの組み合わせで作成されてよい。換言すれば、仮想物体７１は、外科的処置が始まる前、外科的処置中（組織除去中を含む）、またはそれらの組み合わせで画定されてよい。いずれの場合でも、制御システム６０は、仮想物体７１をメモリ内に記憶／メモリから検索することと、メモリから仮想物体７１を取得することと、術前に仮想物体７１を作成することと、術中に仮想物体７１を作成することとなどによって仮想物体７１を取得する。
【0068】
マニピュレータコントローラ２６及び／またはナビゲーションコントローラ３６（つまり、マニピュレータコントローラ２６またはナビゲーションコントローラ３６あるいはそれらの両方）は、仮想物体７１に関連するツール２０の状態を追跡する。一例では、ＴＣＰの状態は、仮想シミュレーションを介して仮想剛体モデルに適用される力を判定する目的で、仮想物体７１に対して測定される。この判定は、一例では、ツール２０が仮想物体７１に対して所望の位置関係に留まるように（例えば、仮想物体７１を越えて移動しないように）行うことができる。仮想シミュレーションの結果は、マニピュレータ１４に命令される。制御システム６０は、物理的な境界／障壁の存在下で物理的なハンドピースが応答する方法をエミュレートする方法で、マニピュレータ１４を制御／配置する。境界ジェネレータ６６は、マニピュレータコントローラ２６に実装されてよい。代わりに、境界ジェネレータ６６は、ナビゲーションコントローラ３６といった他の構成要素に実装されてよい。
【0069】
図３を参照すると、パスジェネレータ６８は、制御システム６０によって実行される別のソフトウェアプログラムまたはモジュールである。一例では、パスジェネレータ６８は、マニピュレータコントローラ２６によって実行され、パスデータ７３を生成する。パスデータ７３は、マニピュレータ１４が解剖学的ボリュームＡＶ（anatomical volume）と相互作用するためにツール２０を移動させるツールパスＴＰ（tool path）を含むことができる。例えば、ツール２０は、インプラントを受け入れるように解剖学的ボリュームＡＶを準備するために、ツールパスＴＰを横断して、解剖学的ボリュームＡＶの部分を除去することができる。ツールパスＴＰは、複数のパスセグメントＰＳを含みうる、または単一のパスセグメントＰＳ（path segment）を含みうる。パスセグメントＰＳは、直線セグメント、曲線セグメント、それらの組み合わせなどであってよい。ツールパスＴＰはまた、解剖学的モデルＡＭ（anatomical model）に対して規定されてよい。ツールパスＴＰは、解剖学的モデルＡＭに対して選択されたインプラントモデルの幾何学的形状、及び／または解剖学的モデルＡＭの計画された切除ボリューム（つまり、インプラントモデルの幾何学的形状、または解剖学的モデルＡＭの計画された切除ボリューム、あるいはそれらの両方）に基づいて、予め決定されうる。つまり、ツールパスＴＰは、インプラント特有であってよく、例えば、インプラントのサイズ、形状、体積などに基づいて規定されてよく、及び／または患者特有であってよく、例えば、患者の解剖学的構造に基づいて規定されてよい。場合によっては、パスデータ７３は、どのツールパスＴＰがカッティング性能を最適化するかを決定するために評価される、潜在的なツールパスＴＰのセットを含むことができる。
【0070】
場合によっては、パスデータ７３は、ツール２０のシャフト３３の既定の姿勢を含むこともできる。例えば、シャフト３３の既定の姿勢には、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬに対するシャフト３３の状態（例えば、位置及び／または向き）が含まれてもよい。既に述べたように、マニピュレータ１４は、関節／モータエンコーダ、または任意の他の非エンコーダ位置検知方法を使用して、シャフト３３の姿勢を決定することができる。したがって、既定の姿勢はまた、関節／モータエンコーダの検知された読み取り値、または他の何らかの非エンコーダ位置検知方法の観点から提供されてもよい。したがって、パスデータ７３は、ツールパスＴＰだけでなく、ツールパスＴＰに沿ったシャフト３３の既定の姿勢を含むこともできる。例えば、パスデータ７３は、ツールパスＴＰのパスセグメントＰＳに対応するシャフト３３の既定の姿勢を含むことができる。
【0071】
本明細書に記載される１つのバージョンでは、ツールパスＴＰは、組織除去パスとして定められるが、他のバージョンでは、ツールパスＴＰは、組織除去以外の治療に使用されてよい。本明細書に記載される組織除去パスの一例は、ミリングパス（milling path）７２を含む。「ミリングパス」という用語は一般に、解剖学的構造をミリングするためのターゲット（target：標的）部位付近のツール２０のパスを指し、ツール２０がパスの全期間にわたって解剖学的構造を動作可能にミリングすることを必要とすることを意図するものではないことを理解されたい。例えば、ミリングパス７２は、ツール２０がある位置から別の位置にミリングせずに移行する部分またはセグメントを含みうる。さらに、組織焼灼など、ミリングパス７２に沿った他の形態の組織除去を採用してよい。ミリングパス７２は、術前、術中、またはそれらの組み合わせで作成される既定の経路であってよい。換言すれば、ミリングパス７２は、外科的処置が始まる前、外科的処置中（組織除去中を含む）、またはそれらの組み合わせで規定されてよい。いずれの場合でも、制御システム６０は、ミリングパス７２をメモリに記憶／メモリから検索すること、メモリからミリングパス７２を取得すること、ミリングパス７２を術前に作成すること、ミリングパス７２を術中に作成することなどによって、ミリングパス７２を取得する。ミリングパス７２は、円形、らせん／コルクスクリュー、直線、曲線、及びそれらの組み合わせなど、任意の適切な形状、または形状の組み合わせを有しうる。
【0072】
仮想物体７１及び／またはミリングパス７２（つまり、仮想物体７１またはミリングパス７２あるいはそれらの両方）を生成するためのシステム及び方法の一例は、「Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in Multiple Modes」と題する米国特許第９，１１９，６５５号に記載されており、その開示は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。一部の例では、仮想物体７１及び／またはミリングパス７２は、マニピュレータコントローラ２６またはナビゲーションコントローラ３６上ではなく、オフラインで生成されてよい。その後、仮想物体７１及び／またはミリングパス７２は、マニピュレータコントローラ２６によって実行時に利用されてよい。
【0073】
図３に示すように、パス補間器８６は、パスジェネレータ６８のサブモジュールとすることができる。パス補間器８６は、ツールパスＴＰに沿ったエネルギーアプリケータ２４の座標系のターゲット位置を決定する。シャフト３３の姿勢は、エネルギーアプリケータ２４の座標系に対して固定されている。図５を参照すると、これらのターゲット位置は、エネルギーアプリケータ２４がタスクを実行するために連続的に通過することになるツールパスＴＰに沿った点Ｐである。一実施態様では、ツールパスＴＰのパスセグメントＰＳは、後続の点Ｐの間に画定される。パス補間器８６への入力は、パスセグメントＰＳの起点及び終点を規定するデータと、パスセグメントＰＳが直線か曲線か、曲線である場合は曲線の特性を示すデータとを含みうるが、これらに限定されない。パス補間器８６への別の入力はフィードレートであり、これについては次のセクションでより詳細に説明する。フィードレートは、エネルギーアプリケータ２４がパスセグメントＰＳに沿って移動するために設定される既定のレート（predetermined rate）（速さまたは速度）である。上記の入力変数に基づいて、パス補間器８６は、一実施態様において、次のステップに従って、エネルギーアプリケータ２４のターゲット位置を決定しうる。すなわち、１）エネルギーアプリケータ２４の座標系の原点が最初の位置にあると仮定される。最初の位置は、エネルギーアプリケータ２４が移動すべきパスセグメントＰＳに沿った位置である。エネルギーアプリケータ２４がパスセグメントＰＳの始点Ｐにある場合、この点Ｐはエネルギーアプリケータ２４の座標系の最初の位置である。最初の位置とターゲット位置はどちらも骨座標系の点Ｐである。２）フィードレートに基づいて、エネルギーアプリケータ２４が単一のタイムフレームでパスセグメントＰＳに沿って移動する距離が計算される。一部のバージョンでは、タイムフレームの期間は０．１～２ミリ秒である。３）最初の位置、計算された距離の長さ、及びセグメント終点の位置に基づいて、パス補間器８６は、ターゲット位置を規定するデータを生成する。ターゲット位置を決定するために使用されるさらなる変数は、パスセグメントＰＳの特性（直線または曲線）、曲線の場合は、曲率半径を記述するツールパスジェネレータからのデータである。４）座標系がパスセグメントの終点に到達したと判断されるまで、ステップ１～３が繰り返される。セグメント原点から離れた第１のターゲット位置の計算後、各フレームで計算されたターゲット位置は、次のフレームのターゲット位置の計算の基礎となる最初の位置として採用される。５）ターゲット位置がパスセグメントＰＳの終点位置に等しくなると、パス補間器８６は、ステップ１～４を繰り返して、新しいセグメントに沿って位置するターゲット位置のセットを生成する。単一フレームの期間中、エネルギーアプリケータ２４が移動できる距離は、現在のセグメントの終点位置までの距離よりも長くなる場合がある。パス補間器８６が、エネルギーアプリケータ２４がこの状態にあると判断する場合には、パス補間器８６は、エネルギーアプリケータ２４が現在のパスセグメントＰＳ終点にあると判断される時に開始する時点に対して、エネルギーアプリケータ２４がそのフレームの端部の次のパスセグメントＰＳに沿った位置にあるべき場所を示すデータを生成する。本明細書で説明する技術は、ターゲット位置を決定するためのこの方法に限定されるものではない。
【0074】
図３を参照すると、制御システム６０によって使用されるソフトウェアは、ツールデータ６９をさらに利用することができる。ツールデータ６９は、ツールパスＴＰと相互作用するツール２０の幾何学的形状を含む。例えば、ツールデータ６９は、ツール２０のカッティング面の形状を指定するために、ツール２０のエネルギーアプリケータ２４の３Ｄモデルといった３Ｄ幾何学的形状を含むことができる。例えば、３Ｄ幾何学的形状は、ツール２０のエネルギーアプリケータ２４のカッティング面が、円形の断面積、三角形の断面積、平坦な断面積、またはテーパ状の断面積を含むことを指定しうる。３Ｄ幾何学的形状は、３Ｄモデルまたは他の任意のソースから抽出されたエネルギーアプリケータ２４のスライスを含むことができる。場合によっては、ツールデータ６９は、エネルギーアプリケータ２４のカッティング面の形状、サイズ、表面積、体積、及び／または寸法（つまり、形状、サイズ、表面積、体積、または寸法のうちの１つ以上）を含んでもよい。ツールデータ６９には、ツール２０の好ましい使用方法が含まれる場合もある。例えば、いくつかの例では、エネルギーアプリケータ２４の先端ではなく、エネルギーアプリケータ２４の側面を使用したカッティングを促進するために、エネルギーアプリケータ２４のカッティング面をエネルギーアプリケータ２４の側面に配置することができる。ツールデータ６９には、特定のツール２０に対応する好ましいカッティング深さが含まれる場合もある。例えば、特定のツール２０を使用して非常に浅いカッティングを行うことができ、その一方で、別のツール２０を使用してより深いカッティングを行うことができる。ツールデータ６９は、ツール２０のシャフト３３を含んでもよい。ツールデータ６９は、ツールパラメータ、仕様、または較正データから取得することができ、及び／または術前に測定すること（つまり、ツールパラメータ、仕様、または較正データから取得すること、または術前に測定することのうちの１つ以上とすること）ができる。
【0075】
図３を参照すると、制御システム６０によって実行される別のソフトウェアプログラムまたはモジュールは、挙動（behavior）コントローラ７４であってもよい。挙動制御は、エネルギーアプリケータ２４の次の指令位置ＣＰ（commanded position）及び／またはツール２０のシャフト３３の向き（例えば姿勢）（つまり、エネルギーアプリケータ２４の次の指令位置ＣＰまたはツール２０のシャフト３３の向きあるいはそれらの両方）を示すデータを計算するプロセスである。場合によっては、ＴＣＰの位置が挙動コントローラ７４から出力されるが、他の場合には、ツール２０の位置及び向きが出力される。境界ジェネレータ６６、パスジェネレータ６８、及び力／トルクセンサＳからの出力は、挙動コントローラ７４への入力として供給されて、エネルギーアプリケータ２４の次の指令位置ＣＰ及び／またはツール２０の向き（つまり、エネルギーアプリケータ２４の次の指令位置ＣＰまたはツール２０の向きあるいはそれらの両方）を決定しうる。挙動コントローラ７４は、これらの入力を、１つ以上の仮想制約とともに処理して、指令姿勢を（commanded pose）決定してよい。
【0076】
図３を参照すると、制御システム６０によって実行されるさらに別のソフトウェアプログラムまたはモジュールは、運動（motion）コントローラ７６であってもよい。運動制御の１つの態様は、マニピュレータ１４の制御である。運動コントローラ７６は、挙動コントローラ７４から次の指令姿勢を規定するデータを受信する。これらのデータに基づいて、運動コントローラ７６は、（例えば、逆運動学（inverse kinematics）及びヤコビ計算機によって）マニピュレータ１４の関節Ｊの関節角度の次の位置を決定することができ、その結果、マニピュレータ１４は、ツール２０を、例えば指令姿勢で、挙動コントローラ７４によって指令されたようにツール２０を配置することができる。換言すれば、運動コントローラ７６は、デカルト空間で規定されうる指令姿勢をマニピュレータ１４の関節角度に処理し、その結果、マニピュレータコントローラ２６は、それに応じて関節モータ２７に命令して、マニピュレータ１４の関節Ｊをツール２０の指令姿勢に対応する指令関節角度にするように動かすことができる。１つのバージョンでは、運動コントローラ７６は、関節Ｊの関節角度を調整し、関節モータ２７が関連する関節Ｊを指令関節角度まで確実に駆動するように、関節モータ２７が出力するトルクを可能な限り厳密に調整する。
【0077】
境界ジェネレータ６６、パスジェネレータ６８、挙動コントローラ７４、運動コントローラ７６、及びフィードレートジェネレータ６７（後述）のいずれも、ソフトウェアプログラム７８のサブセット、またはそれらの任意の組み合わせで別個及び／または独立して（つまり、別個または独立あるいはそれらの両方で）動作するソフトウェアプログラムであってよい。「ソフトウェアプログラム」という用語は、本明細書では、記載された技術的解決策の様々な機能を実行するように構成されたコンピュータ実行可能命令を記述して使用される。簡単にするために、「ソフトウェアプログラム」という用語は、境界ジェネレータ６６、パスジェネレータ６８、挙動コントローラ７４、運動コントローラ７６、及び／またはフィードレートジェネレータ８２のうちの任意の１つ以上を少なくとも包含することを意図している。ソフトウェアプログラム７８は、マニピュレータコントローラ２６、ナビゲーションコントローラ３６、もしくはそれらの任意の組み合わせで実装することができる、または制御システム６０によって任意の適切な方法で実装されてよい。
【0078】
ユーザインタラクションを処理するために、臨床アプリケーション８０が提供されてよい。臨床アプリケーション８０は、ユーザインタラクションの多くの態様を処理することができ、術前計画、インプラント配置、位置合わせ、骨準備の視覚化、フィードレートパラメータの調整または確認、及びインプラント適合の術後評価などを含む手術ワークフローを調整する。臨床アプリケーション８０は、複数のディスプレイ３８の１つ以上に出力するように構成される。臨床アプリケーション８０は、それ自体の別個のプロセッサ上で実行されてよい、またはナビゲーションコントローラ３６と一緒に実行されてよい。一例では、臨床アプリケーション８０は、インプラント配置がユーザによって設定された後、境界ジェネレータ６６及び／またはパスジェネレータ６８（つまり、境界ジェネレータ６６またはパスジェネレータ６８あるいはそれらの両方）とインタフェースし、次に、境界ジェネレータ６６及び／またはパスジェネレータ６８によって返信された仮想物体７１及び／またはツールパスＴＰ（つまり、仮想物体７１またはツールパスＴＰあるいはそれらの両方）を、実行のためにマニピュレータコントローラ２６に送信する。
【0079】
システム１０は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする米国特許第９，１１９，６５５号に記載されているような、力入力モードまたは手動モードで動作しうる。ここで、ユーザはマニピュレータ１４に力を加え、それに応じて、マニピュレータ１４は、手術部位でツール２０及びそのエネルギーアプリケータ２４の動きを実行する。一例では、ユーザは、ツール２０に物理的に接触して、手動モードでツール２０を動かす。１つのバージョンでは、マニピュレータ１４は、ツール２０を配置するために、ユーザによってツール２０に加えられる力及びトルクを監視する。例えば、マニピュレータ１４は、ユーザによって加えられた力及びトルクを検出し、制御システム６０によって使用される対応する入力（例えば、１つ以上の対応する入力／出力信号）を生成する力／トルクセンサＳを含みうる。
【0080】
マニピュレータコントローラ２６及び／またはナビゲーションコントローラ３６（つまり、マニピュレータコントローラ２６またはナビゲーションコントローラ３６あるいはそれらの両方）は、力／トルクセンサＳからの入力（例えば、信号）を受信する。ユーザによって加えられた力及びトルクに応答して、マニピュレータ１４は、ユーザによって加えられた力及びトルクに基づいて発生したであろう動きをエミュレートする様式でツール２０を動かす。手動モードでのツール２０の動きはまた、境界ジェネレータ６６によって生成された仮想物体７１に対して制約されてよい。一部のバージョンでは、力／トルクセンサＳによって取得された測定値は、力／トルクセンサＳの力／トルク座標系ＦＴから、仮想シミュレーションがツール２０の仮想剛体モデルにおいて実行される仮想質量座標系といった別の座標系に変換され、その結果、仮想シミュレーションで仮想剛体に仮想的に力及びトルクを適用して（他の入力の中でも特に）これらの力及びトルクが仮想剛体の動きにどのように影響するかを最終的に決定することができる。
【0081】
システム１０はまた、マニピュレータ１４が自動化された方法でツールパスＴＰに沿ってツール２０を移動させる半自律モードで動作することもできる。半自律モードでの動作の例は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする米国特許第９，１１９，６５５号にも記載されている。一部の実施形態では、マニピュレータ１４が半自律モードで動作するとき、マニピュレータ１４は、ユーザが、ツール２０を動かすために、ツール２０に物理的に接触しないように、ユーザが力を加えることなく、ツール２０を動かすことができる。代わりに、ユーザは何らかの形態のリモコンまたはスイッチを使用して、自動化された動きの開始と停止を制御してよい。例えば、米国特許第９，１１９，６５５号にも記載されているように、ユーザはリモコンのボタンを押したままにしてツール２０の動きを開始し、ボタンを放してツール２０の動きを停止してよい。
【0082】
［ＩＩ．フィードレートの決定］
エネルギーアプリケータ２４が前進する速さまたは速度は、フィードレートと呼ばれる。一実施態様では、エネルギーアプリケータ２４は、１つ以上のフィードレートでツールパスＴＰに沿って前進することができる。より具体的には、そのような前進は、半自律モードでのマニピュレータ１４の動作中に起こりうる。一実施態様において、このセクションでは、カッティング計画データ７９（図６に示され、本明細書で説明される）を生成するために、ツールパスＴＰと解剖学的モデルＡＭとの間の相互作用に基づいてフィードレートが決定される技術について説明する。本明細書に記載されているフィードレート計算技術は、本明細書の一部をなすものとする米国特許第９，１１９，６５５号に記載されているフィードレート技術によって強化することができる。
エネルギーアプリケータ２４が前進する速さまたは速度は、フィードレートと呼ばれる。一実施態様では、エネルギーアプリケータ２４は、１つ以上のフィードレートでツールパスＴＰに沿って前進することができる。より具体的には、そのような前進は、半自律モードでのマニピュレータ１４の動作中に起こりうる。一実施態様において、このセクションでは、カッティング計画データ７９（図６に示され、本明細書で説明される）を生成するために、ツールパスＴＰと解剖学的モデルＡＭとの間の相互作用に基づいてフィードレートが決定される技術について説明する。本明細書に記載されているフィードレート計算技術は、本明細書の一部をなすものとする米国特許第９，１１９，６５５号に記載されているフィードレート技術によって強化することができる。
【0083】
図３を参照すると、制御システム６０によって使用されるソフトウェアは、フィードレートジェネレータ８２を含む。フィードレートジェネレータ８２は、カッティング性能を最適化するために、エネルギーアプリケータ２４がツールパスＴＰの１つ以上の個々のパスセグメントＰＳに沿って移動する際に移動すべきフィードレートまたはフィードレート係数を決定する（図５参照）。フィードレート係数をスカラー値にすることができる。実際には、マニピュレータコントローラ２６には、複数のフィードレート係数が提供されてよい。これらのフィードレート係数は、デフォルトのフィードレートを設定するために使用することができ、及び／または以下に記載するように、変数に従ってスケーリングまたは変更すること（つまり、デフォルトのフィードレートを設定するために使用すること、または変数に従ってスケーリングまたは変更することができる、あるいはそれらの両方とすること）ができる。フィードレート係数は、エネルギーアプリケータ２４が前進する実際のフィードレートに常に対応する必要はない。
【0084】
フィードレートジェネレータ８２は、フィードレート（複数可）またはフィードレート係数を決定し、それをツールパスＴＰに関連付けることができる。フィードレートジェネレータ８２は、手術前及び／または手術中（つまり、手術前または手術中あるいはそれらの両方）にそれを行うことができる。いくつかの例では、フィードレートジェネレータ８２は術前にこれを行い、その後になって、外科医は、例えば臨床アプリケーション８０を使用して、フィードレートジェネレータ８２の出力を変更または調整することができる。
【0085】
ジェネレータ８２は、フィードレートのみに限定されることを意図していない。フィードレート以外のツール動作パラメータが生成される限り、ジェネレータ８２は、ツールパラメータジェネレータ８２、ツール動作パラメータジェネレータ８２といった任意の適切な用語を使用して識別することができる。
【0086】
［ｉ．カッティング計画データの概要］
制御システム６０は、フィードレートジェネレータ８２を使用して、カッティング計画データ７９を生成または出力することができる。カッティング計画データ７９は、計画されたツールパスＴＰ、パスセグメントＰＳ、及びオプションとして、ツールパスＴＰまたはパスセグメントに関連付けられたツールの計画されたフィードレートまたはフィードレート係数として理解することができる。カッティング計画データ７９の一例を図６に示す。図示するように、カッティング計画データ７９は、ツールパスＴＰの各パスセグメントＰＳ１・・・ＰＳＮに割り当てられた計画されたフィードレート係数ＦＲ１・・・ＦＲＮを含む。フィードレートジェネレータ８２は、点Ｐ１・・・ＰＮにおける解剖学的モデルＡＭとツール２０との間の相互作用のシミュレーションに基づいて、各パスセグメントＰＳ１・・・ＰＳＮに割り当てられる計画されたフィードレート係数ＦＲ１・・・ＦＲＮを決定するように構成されている。カッティング計画データ７９は、解剖学的構造をカッティングするために、ツール及び／またはマニピュレータ１４（つまり、ツールまたはマニピュレータ１４あるいはそれらの両方）をどのように制御することができるかに関する他の何らかのパラメータ（ツール動作パラメータなど）を含むことができる。これらのパラメータには、仮想物体７１、ツールまたはメッシュの剛性／減衰パラメータ、カッティング速さ、カッティング深さ、ツールパスまたはツールセグメントの数、カッティング力、組織温度などが含まれるが、これらに限定されない。
制御システム６０は、フィードレートジェネレータ８２を使用して、カッティング計画データ７９を生成または出力することができる。カッティング計画データ７９は、計画されたツールパスＴＰ、パスセグメントＰＳ、及びオプションとして、ツールパスＴＰまたはパスセグメントに関連付けられたツールの計画されたフィードレートまたはフィードレート係数として理解することができる。カッティング計画データ７９の一例を図６に示す。図示するように、カッティング計画データ７９は、ツールパスＴＰの各パスセグメントＰＳ１・・・ＰＳＮに割り当てられた計画されたフィードレート係数ＦＲ１・・・ＦＲＮを含む。フィードレートジェネレータ８２は、点Ｐ１・・・ＰＮにおける解剖学的モデルＡＭとツール２０との間の相互作用のシミュレーションに基づいて、各パスセグメントＰＳ１・・・ＰＳＮに割り当てられる計画されたフィードレート係数ＦＲ１・・・ＦＲＮを決定するように構成されている。カッティング計画データ７９は、解剖学的構造をカッティングするために、ツール及び／またはマニピュレータ１４（つまり、ツールまたはマニピュレータ１４あるいはそれらの両方）をどのように制御することができるかに関する他の何らかのパラメータ（ツール動作パラメータなど）を含むことができる。これらのパラメータには、仮想物体７１、ツールまたはメッシュの剛性／減衰パラメータ、カッティング速さ、カッティング深さ、ツールパスまたはツールセグメントの数、カッティング力、組織温度などが含まれるが、これらに限定されない。
【0087】
カッティング計画データ７９とツールパスＴＰとの一例が、寛骨臼を含む例に関して、図６に示される。カッティング計画データ７９及びツールパスＴＰは、図示のものと異なる場合がある。例えば、ツールパスＴＰには、より多くのまたはより少ない数の点Ｐ及びパスセグメントＰＳが含まれる場合がある。別の例として、カッティング計画データ７９は、より多くのまたはより少ない数の計画されたフィードレート係数ＦＲ１・・・ＦＲＮを含むことがある。ツールパスＴＰもまた、解剖学的構造またはインプラントの領域に応じて、図示されているものと異なる場合がある。
【0088】
図６を参照すると、パスジェネレータ６８及びフィードレートジェネレータ８２を含む、マニピュレータコントローラ２６を含むがこれらに限定されない１つ以上のコントローラは、カッティング計画データ７９に従ってツール２０のエネルギーアプリケータ２４を複数の指令位置ＣＰ１～ＣＰＮに前進させるようにマニピュレータ１４を制御するように構成される。指令位置ＣＰは、半自律モードでのツールパスＴＰに沿った点Ｐに対して規定されることが多いが、必ずしもそうではない。あるいは、指令位置ＣＰは、手動モードでシステム１０によってエミュレートされるユーザが開始した運動に従って決定されてもよい。
【0089】
［ｉｉ．カッティング計画データの生成方法］
このサブセクションでは、ツールパスＴＰと解剖学的モデルＡＭとの間の相互作用をシミュレーションすることに基づいて、カッティング計画データ７９を生成する方法について説明する。
このサブセクションでは、ツールパスＴＰと解剖学的モデルＡＭとの間の相互作用をシミュレーションすることに基づいて、カッティング計画データ７９を生成する方法について説明する。
【0090】
［ａ．解剖学的データ、パスデータ、及びツールデータの取得］
カッティング計画データ７９の作成方法の例を図４に示す。この実施態様では、カッティング計画データ７９を生成する方法は、解剖学的データ６５、パスデータ７３、及びツールデータ６９を取得するステップＭ１を含む。この情報は、制御システム６０、より具体的には、フィードレートジェネレータ８２によって取得される。図３を参照すると、フィードレートジェネレータ８２は、（パスデータ７３を受信するための）パスジェネレータ６８、ならびに解剖学的データ６５及びツールデータ６９を含むソース（例えば、メモリ）と通信するものとして示されている。解剖学的データ６５、パスデータ７３、及びツールデータ６９は、フィードレートジェネレータ８２への入力として機能する。
カッティング計画データ７９の作成方法の例を図４に示す。この実施態様では、カッティング計画データ７９を生成する方法は、解剖学的データ６５、パスデータ７３、及びツールデータ６９を取得するステップＭ１を含む。この情報は、制御システム６０、より具体的には、フィードレートジェネレータ８２によって取得される。図３を参照すると、フィードレートジェネレータ８２は、（パスデータ７３を受信するための）パスジェネレータ６８、ならびに解剖学的データ６５及びツールデータ６９を含むソース（例えば、メモリ）と通信するものとして示されている。解剖学的データ６５、パスデータ７３、及びツールデータ６９は、フィードレートジェネレータ８２への入力として機能する。
【0091】
［ｂ．解剖学的データとパスデータとのマージ］
図４を参照すると、この方法は、パスデータ７３と解剖学的データ６５とをマージ（merge：合体）するステップＭ２を含む。ステップＭ１中に、解剖学的データ６５及びパスデータ７３を取得した後、制御システム６０またはフィードレートジェネレータ８２は、データを共通の座標系にマージすることによってデータを処理する。パスデータ７３と解剖学的データ６５とをマージするステップＭ２が、図５の例示的な一例にさらに示されている。図示されるように、パスデータ７３は、ツールパスＴＰ及びツールパスＴＰに沿った点Ｐを含み、ツールパスＴＰ及び点Ｐはパスデータ座標系ＸＴ，ＹＴ，ＺＴ上にマッピングされる。解剖学的データ６５は、解剖学的データ座標系ＸＡ，ＹＡ，ＺＡ上にマッピングされた解剖学的モデルＡＭ及び密度値ＤＶを含む。一例では、ツールパスＴＰと解剖学的モデルＡＭとが、マージされたモデル７７を作成するように、パスデータ７３と解剖学的データ６５とがマージされ、マージされたモデル７７はマージされた座標系ＸＭ，ＹＭ，ＺＭ上にマッピングされる。
図４を参照すると、この方法は、パスデータ７３と解剖学的データ６５とをマージ（merge：合体）するステップＭ２を含む。ステップＭ１中に、解剖学的データ６５及びパスデータ７３を取得した後、制御システム６０またはフィードレートジェネレータ８２は、データを共通の座標系にマージすることによってデータを処理する。パスデータ７３と解剖学的データ６５とをマージするステップＭ２が、図５の例示的な一例にさらに示されている。図示されるように、パスデータ７３は、ツールパスＴＰ及びツールパスＴＰに沿った点Ｐを含み、ツールパスＴＰ及び点Ｐはパスデータ座標系ＸＴ，ＹＴ，ＺＴ上にマッピングされる。解剖学的データ６５は、解剖学的データ座標系ＸＡ，ＹＡ，ＺＡ上にマッピングされた解剖学的モデルＡＭ及び密度値ＤＶを含む。一例では、ツールパスＴＰと解剖学的モデルＡＭとが、マージされたモデル７７を作成するように、パスデータ７３と解剖学的データ６５とがマージされ、マージされたモデル７７はマージされた座標系ＸＭ，ＹＭ，ＺＭ上にマッピングされる。
【0092】
マージされた座標系ＸＭ，ＹＭ，ＺＭは、解剖学的データ座標系ＸＡ，ＹＡ，ＺＡ、パスデータ座標系ＸＴ，ＹＴ，ＺＴ、または新しい、異なる、あるいは任意の座標系とすることができる。場合によっては、パスデータ座標系ＸＴ，ＹＴ，ＺＴが、マージされた座標系ＸＭ，ＹＭ，ＺＭとして機能するように、解剖学的データ６５を変換し、パスデータ７３上に重ね合わせることができる。例えば、解剖学的モデルＡＭがパスデータ座標系ＸＴ，ＹＴ，ＺＴにマッピングされるように、解剖学的モデルＡＭをスケーリングしてパスデータ７３上に重ね合わせることができる。さらに、密度値ＤＶは、解剖学的データ座標系ＸＡ，ＹＡ，ＺＡにおける座標からパスデータ座標系ＸＴ，ＹＴ，ＺＴにおける座標にマッピングされうる。他の例では、解剖学的データ座標系ＸＡ，ＹＡ，ＺＡが、マージされた座標系ＸＭ，ＹＭ，ＺＭとして機能するように、パスデータ７３を変換し、解剖学的データ６５上に重ね合わせることができる。例えば、ツールパスＴＰが解剖学的データ座標系ＸＡ，ＹＡ，ＺＡにマッピングされるように、ツールパスＴＰをスケーリングして解剖学的データ６５上に重ね合わせることができる。さらに、ツールＴＰに沿った点Ｐは、パスデータ座標系ＸＴ，ＹＴ，ＺＴから解剖学的データ座標系ＸＡ，ＹＡ，ＺＡにマッピングされうる。さらに他の例では、パスデータ７３及び解剖学的データ６５の両方が、マージされた座標系ＸＭ，ＹＭ，ＺＭが新しい座標系となるように、互いに変換され、重ね合わされうる。例えば、ツールパスＴＰ及び／または解剖学的モデルＡＭ（つまり、ツールパスＴＰまたは解剖学的モデルＡＭあるいはそれらの両方）は、ツールパスＴＰ及び解剖学的モデルＡＭの両方が新しい、マージされた座標系ＸＭ，ＹＭ，ＺＭにマッピングされうるように、異なる係数を使用してスケーリングされてもよい。
【0093】
このマージは、視覚的な形式で提供または実行することができるが、そうする必要はない。例えば、マージは、純粋に計算上行われ、ユーザには見えない場合がある。あるいは、これらのステップの態様は、ユーザが、パスデータ７３及び解剖学的データ６５を体験または相互作用することができるように、例えば臨床アプリケーション８０を使用して、ユーザに対して視覚化することができる。
【0094】
［ｃ．カッティング計画データの生成］
フィードレートジェネレータ８２が、パスデータ７３と解剖学的データ６５とをマージすると、フィードレートジェネレータ８２は、一連の追加ステップを実行して、カッティング計画データ７９を生成する。これらのステップについて、このセクションで説明する。フィードレートジェネレータ８２は、個々の点（複数可）Ｐにおけるツール２０と解剖学的モデルＡＭとの間の相互作用を評価またはシミュレートすることによって、これを行う。例えば、図６を参照すると、フィードレートジェネレータ８２は、対応する点Ｐ１・・・ＰＮにおけるツール２０と解剖学的モデルＡＭとの間の相互作用をシミュレートすることによって、パスセグメント（複数可）ＰＳ１・・・ＰＳＮに対するツールパスＴＰのカッティング計画データ７９を生成する。例えば、パスセグメントＰＳ１のカッティング計画データ７９を生成するために、フィードレートジェネレータ８２は、点Ｐ１におけるツール２０と解剖学的モデルＡＭとの間の相互作用をシミュレートする。簡潔にするために、パスセグメントＰＳについてフィードレートジェネレータ８２によって生成されたカッティング計画データ７９を、本明細書では点Ｐについてのカッティング計画データ７９と呼ぶことにする。カッティング計画データ７９は、ツールパスＴＰの任意の数または全てのパスセグメントＰＳまたは点Ｐに関連するデータを含む出力とすることができる。
フィードレートジェネレータ８２が、パスデータ７３と解剖学的データ６５とをマージすると、フィードレートジェネレータ８２は、一連の追加ステップを実行して、カッティング計画データ７９を生成する。これらのステップについて、このセクションで説明する。フィードレートジェネレータ８２は、個々の点（複数可）Ｐにおけるツール２０と解剖学的モデルＡＭとの間の相互作用を評価またはシミュレートすることによって、これを行う。例えば、図６を参照すると、フィードレートジェネレータ８２は、対応する点Ｐ１・・・ＰＮにおけるツール２０と解剖学的モデルＡＭとの間の相互作用をシミュレートすることによって、パスセグメント（複数可）ＰＳ１・・・ＰＳＮに対するツールパスＴＰのカッティング計画データ７９を生成する。例えば、パスセグメントＰＳ１のカッティング計画データ７９を生成するために、フィードレートジェネレータ８２は、点Ｐ１におけるツール２０と解剖学的モデルＡＭとの間の相互作用をシミュレートする。簡潔にするために、パスセグメントＰＳについてフィードレートジェネレータ８２によって生成されたカッティング計画データ７９を、本明細書では点Ｐについてのカッティング計画データ７９と呼ぶことにする。カッティング計画データ７９は、ツールパスＴＰの任意の数または全てのパスセグメントＰＳまたは点Ｐに関連するデータを含む出力とすることができる。
【0095】
一例では、ツール２０と解剖学的モデルＡＭとの間のシミュレートされた相互作用は、ツール２０と解剖学的モデルＡＭとの間のシミュレートされた交差部Ｉを含むことができる。フィードレートジェネレータ８２は、ツール２０と解剖学的モデルＡＭとの間の相互作用をシミュレートし、シミュレートされた相互作用中にツール２０が解剖学的モデルＡＭと交差するかどうかを判定することができる。次に、フィードレートジェネレータ８２は、ツール２０と解剖学的モデルＡＭとの間のシミュレートされた交差部Ｉの分析に基づいて、カッティング計画データ７９を生成することができる。このような交差部Ｉの例を図５～図７に示す。図５のマージ（merge：合体）されたモデル７７を参照すると、ツール２０は、ツールパスＴＰに沿って移動する際に、様々な例示的な交差部Ｉで解剖学的モデルＡＭと交差しうる。このような交差部Ｉの１つが点ＰＩで発生する。様々な交差部Ｉの例もまた、図６に示されており、図７に断面図で示されている。これらの図は交差部Ｉの例を示しているが、概念の範囲を限定することを意図したものではない。他の例では、ツールパスＴＰは、解剖学的モデルＡＭの異なる位置で解剖学的モデルＡＭと交差してもよく、解剖学的モデルＡＭの異なる数の位置で解剖学的モデルＡＭと交差してもよい。交差部Ｉに関する詳細については、以下でさらに説明する。
【0096】
ツールパスＴＰに沿った点Ｐのカッティング計画データ７９を生成するには、図４の方法がループＭＬを実行しうる。図４の例では、ループＭＬは、ツールパスＴＰのカッティング計画データ７９を生成するために、ツールパスＴＰに沿ったＮ個の点Ｐ（及び対応するパスセグメントＰＳ）についてのカッティング計画データ７９を生成することを繰り返す。点Ｐの数は、プログラムによって自動的に決定されるか、またはユーザによって選択されうる。この方法は、ツールパスＴＰのＮ個の点Ｐのそれぞれが分析されたかどうかを判定するステップＭ３を含む。ステップＭ３において、Ｎは任意の点の数に設定されうる。場合によっては、フィードレートジェネレータ８２は、ツールパスＴＰの全てではないが一部の点Ｐについて、ループＭＬを反復することができる。例えば、場合によっては、フィードレートジェネレータ８２は、ツールパスＴＰに沿った少なくとも１つの点Ｐ、ツールパスＴＰに沿った１つ以上の点Ｐのグループ化、ｎ（ｎは０より大きい数）の倍数であるツールパスＴＰに沿った全ての点Ｐ、ツールパスＴＰに沿ったランダムに選択された点Ｐ、またはツールパスＴＰに沿った選択された／既定の点Ｐにわたって、反復することができる。ただし、図４に示す例では、このループＭＬは、ツールパスＴＰの全ての点Ｐが解析されたかどうかを評価する。フィードレートジェネレータ８２がツールパスＴＰ上の各点Ｐの評価が完了したと判定した場合には、フィードレートジェネレータ８２はステップＭ１１に進み、ツールパスＴＰのカッティング計画データ７９を出力する。しかし、フィードレートジェネレータ８２が、ツールパスＴＰに沿った各点Ｐについてカッティング計画データ７９が生成されていないと判定した場合、フィードレートジェネレータ８２はステップＭ４に進み、ループＭＬをもう一度繰り返して、ツールパスＴＰに沿った連続する（または残りの）点Ｐについて、カッティング計画データ７９を生成する。
【0097】
図示のように、ループＭＬは、ツールパスＴＰに沿ったＮ個の点Ｐに基づいてカッティング計画データ７９を生成するステップＭ４～Ｍ１０を含む。ステップＭ４～Ｍ１０は、個々の点Ｐに対して評価される。ただし、後続のステップが前のステップに依存しない限り、これらのステップＭ４～Ｍ１０の順序は、示されている正確な順序で実行する必要はない。ループＭＬは、解剖学的データ６５に対するツールパスＴＰ上の点Ｐの位置を特定するステップＭ４と、ツールデータ６９から、特定された位置におけるツール２０の幾何学的形状をロードするステップＭ５と、ツール２０の幾何学的形状と解剖学的ボリュームＡＶとの間の交差部を特定するステップＭ６と、交差部内の解剖学的データ６５の密度値ＤＶを決定するステップＭ７と、交差部の外側のツール２０の幾何学的形状に対する交差部内のツール２０の幾何学的形状に関連する交差比を計算するステップＭ８と、決定された密度値ＤＶ及び計算された交差比に基づいて、点Ｐに対応するパスセグメントＰＳにおけるツール２０の計画されたフィードレート係数ＦＲを設定するステップＭ１０とを含む。以前に決定された密度値ＤＶを無視するステップＭ９については、本明細書では別のサブセクションで説明する。
【0098】
ステップＭ４中、フィードレートジェネレータ８２は、点Ｐの位置を特定する。具体的には、フィードレートジェネレータ８２は、解剖学的データ６５に対する点Ｐの位置を特定する。図６の一例を参照すると、フィードレートジェネレータ８２は、点Ｐ１が、マージされた座標系ＸＭ，ＹＭ，ＺＭ内の座標（ｘＰ１，ｙＰ１，ｚＰ１）に位置していると決定することができる。フィードレートジェネレータ８２は、異なる方法を使用して、または任意の座標系からの座標を使用して、点Ｐの位置を特定することができる。
【0099】
ステップＭ５中、フィードレートジェネレータ８２は、点Ｐにおけるツール２０の幾何学的形状を決定する。具体的には、フィードレートジェネレータ８２は、ツールデータ６９から、点Ｐにおけるツール２０の幾何学的形状をロードする。前述したように、カッティング計画データ７９は、点Ｐにおけるツール２０の幾何学的形状と解剖学的ボリュームＡＶとの間の交差部Ｉを考慮する。点Ｐにおけるツール２０の幾何学的形状と解剖学的ボリュームＡＶとの間の交差部Ｉを特定するには、フィードレートジェネレータ８２は、点Ｐにおけるツール２０の幾何学的形状をロードまたは提供する。例えば、フィードレートジェネレータ８２は、ステップＭ５中に、エネルギーアプリケータ２４の、３Ｄモデルといった３Ｄ幾何学的形状をロードすることができる。３Ｄ幾何学的形状は、エネルギーアプリケータ２４の３Ｄボリュームまたはスライスを含むことができる。フィードレートジェネレータ８２はまた、ツール２０の寸法（例えば、半径、直径、体積、カッティング面の形状、またはエネルギーアプリケータ２４の表面積）をロードして、ツール２０の幾何学的形状を決定することもできる。
【0100】
フィードレートジェネレータ８２は、ツールデータ６９に基づいて計画されたフィードレートＦＲを決定してもよい。例えば、フィードレートジェネレータ８２は、ツール２０の幾何学的形状に基づいて計画されたフィードレートＦＲを決定してもよい。例えば、エネルギーアプリケータ２４のカッティング面は、テーパ状の断面積を含んでもよい。このような例では、フィードレートジェネレータ８２は、テーパ状断面積でのカッティングを最適化する速さでツール２０を移動させるように、計画されたフィードレートＦＲを決定することができる。別の例として、フィードレートジェネレータ８２は、ツール２０の好ましい使用に基づいて、計画されたフィードレートＦＲを決定することができる。例えば、エネルギーアプリケータ２４のカッティング面をエネルギーアプリケータ２４の側面に配置して、素早いブラッシング動作でエネルギーアプリケータ２４の側面を使用したカッティングを促進することができる。このような例では、フィードレートジェネレータ８２は、ツール２０で素早いブラッシング動作を実行する速さでツール２０を移動させるように、計画されたフィードレートＦＲを決定することができる。さらに別の例として、フィードレートジェネレータ８２は、ツール２０の好ましいカッティング深さに基づいて、計画されたフィードレートＦＲを決定することができる。例えば、ツール２０は、より浅いカッティングに好ましく使用されうる。このような例では、フィードレートジェネレータ８２は、より浅いカッティングを実行するためにツール２０を移動させるように、計画されたフィードレートＦＲを決定することができる。ツールデータ６９に関連するこれらの計画されたフィードレートＦＲの考慮事項は、方法のステップＭ５中に考慮されてもよく、または方法の他の何らかの適切なステップ中に考慮されてもよい。
【0101】
ステップＭ６では、図７の一例に示されるように、フィードレートジェネレータ８２は、ツール２０の幾何学的形状と点Ｐ１における解剖学的ボリュームＡＶとの間の交差部Ｉを特定する。この例では、エネルギーアプリケータ２４は、球状のカッティングバーである。解剖学的ボリュームＡＶと比較される幾何学的形状は、エネルギーアプリケータ２４の円形断面である。したがって、円形断面のサイズ及び解剖学的ボリュームＡＶの幾何学的形状は、スライスごとに異なることになる。点Ｐ１では、任意のスライスについて、ツール幾何学的形状の一部が交差部Ｉ内に含まれうるが、ツール２０の他の部分は交差部Ｉ内に含まれない場合がある。交差部Ｉを特定するには、フィードレートジェネレータ８２は、解剖学的ボリュームＡＶ及びツール２０の撮像されたスライスを分析または掃引して、交差部Ｉを特定することができる。
【0102】
図７の例では、フィードレートジェネレータ８２は、ツール２０の対応するスライスに対して４つの撮像されたスライスＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを分析する。スライスＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは説明のために示されている。他の例では、フィードレートジェネレータ８２は、解剖学的ボリュームＡＶの任意の適切な数のスライスを分析することができる。さらに、スライスは、図７に示されるものとは異なる解剖学的ボリュームＡＶのビューを特徴とすることができる。さらに、ツール２０の幾何学的形状は、具体的に示されているものと異なっていてもよい。
【0103】
この例では、フィードレートジェネレータ８２は、ツールの３Ｄ幾何学的形状と解剖学的ボリュームＡＶとの間に断面交差部Ｉが存在するＣＴスライスを特定することができる。図７を参照すると、断面交差部Ｉが斜線を用いて示されている。以下のように、フィードレートジェネレータ８２は、点Ｐ１において、スライスＢ、Ｃ、及びＤが交差部Ｉを含むが、スライスＡが交差部Ｉを含まないことを特定することができる。
【0104】
フィードレートジェネレータ８２は、各スライスＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄについて、交差部Ｉ内のピクセルＰＸの量を特定することによって、交差部Ｉを特定することができる。図７を参照すると、スライスＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄはそれぞれ、ピクセルＰＸを含む。図８は、ピクセルＰＸがラベル付けされているスライスＢのより詳細な図を提供する。スライスＢの場合、フィードレートジェネレータ８２は、６つのピクセル、ピクセルＰＸ１～ＰＸ６が断面交差部Ｉ内に位置していると特定することができる。場合によっては、フィードレートジェネレータ８２は、代わりに、ピクセルＰＸに関して断面交差部Ｉの面積を計算してもよい（すなわち、面積は、単一のピクセルＰＸのサイズに基づきうる）。
【0105】
図７に示すピクセルＰＸ（及び本明細書で説明する図８）は、説明のために示されている。他の例では、ピクセルＰＸのサイズは、これより大きい場合、または小さい場合がある。さらに、ツール２０及び解剖学的ボリュームＡＶもまた、例示の目的で示されている。他の例では、ツール２０及び解剖学的ボリュームＡＶは、異なる形状及び／またはサイズ（つまり、異なる形状または異なるサイズあるいはそれらの両方）を含みうる。
【0106】
フィードレートジェネレータ８２は、様々な方法を使用して交差部Ｉ内のピクセルＰＸの量を特定することができる。一例では、交差部Ｉ内に完全に位置するピクセルＰＸのみが考慮され、交差部内に部分的に位置するものが無視される。場合によっては、フィードレートジェネレータ８２は、断面交差部内に少なくとも部分的に位置するピクセルＰＸを考慮することができる。例えば、フィードレートジェネレータ８２は、ピクセルＰＸの既定のパーセンテージ、例えば５０％よりも大きいパーセンテージが断面交差部Ｉ内に位置する場合には、ピクセルＰＸが断面交差部Ｉ内に位置すると判定してもよい。例えば、図８に示すように、フィードレートジェネレータ８２は、ピクセルＰＸ１、ＰＸ２、ＰＸ５、ＰＸ６が部分的に断面交差部Ｉ内に位置していることを識別してもよい。別の例では、ピクセルがどの程度交差部の内側にあるか、及びピクセルがどの程度交差部の外側にあるかに応じて、交差の比率を各ピクセルＰＸに適用することができる。
【0107】
場合によっては、フィードレートジェネレータ８２は、ピクセルＰＸの密度値ＤＶに基づいて、いずれかの交差するピクセルＰＸをフィルタリングしてもよい。例えば、図７を参照すると、スライスＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各ピクセルＰＸは、解剖学的データ６５の対応する密度値ＤＶを含む。フィードレートジェネレータ８２は、交差するピクセルＰＸの密度値ＤＶが所定の閾値を超えるか下回るかを評価してもよい。そうである場合、フィードレートジェネレータ８２は、そのような値に基づいて、交差するピクセルＰＸを含めること、または無視することが可能である。
【0108】
フィードレートジェネレータ８２は、各スライスＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの交差部Ｉ内のピクセルＰＸの量を記憶することができる。図９は、保存された数量を視覚的に表現したものである。図示されるように、交差部Ｉ内のピクセルＰＸの量は、各スライスＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄについて列８１に格納されうる。
【0109】
ピクセルＰＸの使用を伴う本明細書で説明される技術の任意の態様は、ピクセルＰＸを伴わない他の方法で実施することができる。例えば、解剖学的ボリュームＡＶのボクセルを、解剖学的構造の３Ｄモデルから決定し、点Ｐにおけるツール幾何学的形状の３Ｄモデルと比較してもよい。ボクセルは、密度値ＤＶを含みうる。本明細書で説明する幾何学的形状を比較する場合、他のタイプの２Ｄまたは３Ｄの単位または測定値を利用することができる。
【0110】
ステップＭ７中、フィードレートジェネレータ８２は、交差部Ｉ内の解剖学的データ６５の密度値ＤＶを特定する。密度値ＤＶは、交差部Ｉにおける解剖学的ボリュームＡＶの密度を示す。例えば、密度値ＤＶにより、フィードレートジェネレータ８２は、ツール２０が緻密骨組織、海綿骨組織、軟骨下骨組織、脂肪、及び／または軟骨（つまり、緻密骨組織、海綿骨組織、軟骨下骨組織、脂肪、または軟骨のうちの１つ以上）といった異なるタイプの組織に、どのように接触しているかを判定することが可能になる。さらに、ヌル（null）値またはゼロ値が、空気の領域を示してもよい。このように、カッティング計画データ７９は、点Ｐで接触する組織の種類を説明する。より具体的には、カッティング計画データ７９は、点Ｐで接触する組織の種類を説明する計画されたフィードレート係数ＦＲを含む。密度値ＤＶは、ハンスフィールド単位で測定された放射線密度値ＤＶとすることができる。ただし、他の例では、密度値ＤＶが、ハンスフィールド単位（ＨＵ）以外の単位を含むことがあってもよい。例えば、密度値ＤＶは、放射線不透過性、放射線透過性、及び／または透過放射輝度（transradiancy）（つまり、放射線不透過性、放射線透過性、または透過放射輝度のうちの１つ以上）の任意の尺度とすることができる。
【0111】
図７の例を続けると、フィードレートジェネレータ８２は、各スライスＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄについて、交差部Ｉ内の解剖学的データ６５の密度値ＤＶを特定することができる。フィードレートジェネレータ８２は、交差部Ｉの外側にあるとみなされたピクセル／ボクセルの任意の密度値を無視することができる。図７では、解剖学的スライスＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各ピクセルＰＸは、対応する放射線密度値ＤＶを含む。点Ｐ１におけるスライスＢの放射線密度値ＤＶの具体的であるが非限定的な例が、例えば図８に示されている。図示されるように、交差部ＩはピクセルＰＸ１～ＰＸ６を含み、フィードレートジェネレータ８２は、それぞれ放射線密度値ＤＶ７９５ＨＵ、７８０ＨＵ、７８５ＨＵ、７９０ＨＵ、７９５ＨＵ、及び８０１ＨＵを特定する。フィードレートジェネレータ８２は、他のスライスＣ、Ｄについての交差部Ｉ内の解剖学的データ６５の密度値ＤＶを同様に決定することができる。
【0112】
フィードレートジェネレータ８２が各スライスＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの交差部Ｉ内の密度値ＤＶを特定すると、フィードレートジェネレータ８２は密度値ＤＶを収集する。フィードレートジェネレータ８２は、各スライスＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの密度値ＤＶの平均、中央値、範囲、最頻値、最大値、または最小密度値ＤＶのうちの１つ以上を計算または決定することによって、密度値ＤＶを収集することができる。例えば、図８の例では、スライスＢのピクセルＰＸ１～ＰＸ６は、７９１ハンスフィールド単位（ＨＵ）の平均放射線密度値ＤＶを有する。次に、フィードレートジェネレータ８２は、図９の列８３に示すように、ピクセルＰＸ１～ＰＸ６の平均放射線密度値ＤＶをメモリに記憶することができる。フィードレートジェネレータ８２は、同様に、スライスＣ、Ｄについて、交差部Ｉ内の密度値ＤＶを収集し、記憶することができる。
【0113】
ステップＭ８中、フィードレートジェネレータ８２は、特定された点でツールが解剖学的ボリュームＡＶに接触する範囲に関連するツール接触係数を計算することができる。例えば、ツール接触係数は、ツール２０が所与の点で解剖学的ボリュームＡＶを擦るまたは掠めるかどうか、あるいはツール２０が解剖学的ボリュームＡＶにバリを入れているか、エアカッティングを行っているかどうかを明らかにしうる。このように、カッティング計画データ７９は、点Ｐにおけるツール２０と解剖学的ボリュームＡＶとの間の接触の範囲を説明する。カッティング計画データ７９は、点Ｐにおけるツール接触の範囲を説明する計画されたフィードレート係数ＦＲを含む。
【0114】
一例では、ツール接触係数は、点Ｐにおける交差部Ｉの外側のツール２０の幾何学形状に対する、交差部Ｉ内のツール２０の幾何学形状に関連する交差比である。本明細書で説明するように、交差比は、各スライスＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄについての交差部Ｉ内のピクセルの量に基づいて決定されてもよい。しかし、他の場合には、交差比は、任意の他の適切な方法を使用して決定されてもよい。
【0115】
フィードレートジェネレータ８２は、各スライスＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄについて個々の交差比を決定することによって、交差比を決定することができる。フィードレートジェネレータ８２は、各スライスＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄについて、交差部Ｉ内に位置するツール２０の幾何学的形状の第１の量と、交差部を越えて位置するツールの幾何学的形状の第２の量との間の比率を計算することによって、個々の交差比を計算する。例えば、フィードレートジェネレータ８２は、交差部Ｉ内に位置するツール２０のピクセルＰＸの量と、交差部Ｉを越えて位置するツール２０のピクセルＰＸの量とに基づいて、交差比を計算することができる。他の実施例では、フィードレートジェネレータ８２は、交差部Ｉ内に位置するツール２０のピクセルＰＸの量と、ツール２０のピクセルＰＸの総数とに基づいて、交差比を計算することができる。
【0116】
図８のスライスＢの例を参照すると、フィードレートジェネレータ８２は、このスライスにおけるエネルギーアプリケータ２４が合計２６個のピクセルを占めるかまたは交差し、６個のピクセルが交差部Ｉ内に位置し、２０個のピクセルが交差部Ｉを越えて位置していると決定することができる。したがって、フィードレートジェネレータ８２は、スライスＢの交差比を（６／２６）すなわち０．２３０８となるように計算することができる。同様の比率を計算する他の方法も考えられ、必ずしも交差しているツール２０のピクセル／総ピクセルの比率である必要はない。次に、フィードレートジェネレータ８２は、スライスＢの交差比を図９の列８５に格納することができる。フィードレートジェネレータ８２は、スライスＣ、Ｄについての交差比を同様に決定し、記憶することができる。別の例では、交差比は、ピクセルに関して説明した方法と同じようにして、ボクセルの交差部に基づく。
【0117】
ツール接触係数は、代替的または追加的に、他の計算に基づくこともできる。例えば、フィードレートジェネレータ８２は、解剖学的ボリュームに対するツール幾何学的形状の表面、円周、外周、輪郭、または２Ｄもしくは３Ｄ境界を評価することができる。例えば、フィードレートジェネレータ８２は、図８において、空気と比較して、ツール幾何学的形状の円周のうちどれだけが解剖学的ボリュームＡＶを通過し、またはこれに接触しているかを決定することができる。この量は、長さ（例えば、円弧の長さ）、角度の測定値、または幾何学的境界の比率にすることができる。あるいは、ツール幾何学的形状の面積または体積を、ピクセル／ボクセルに関係なく、解剖学的ボリュームＡＶに対して相対的に評価することができる。フィードレートジェネレータ８２は、解剖学的ボリュームＡＶの密度値ＤＶに対するツールの硬度を評価または比較することによって、ツールの接触を評価するように幾何学的アプローチを補足することができる。このツールの硬度評価を使用して、各ピクセル／ボクセルに適用されうる個々の接触力を決定することができる。
【0118】
ステップＭ１０中、フィードレートジェネレータ８２は、決定された密度値ＤＶ及び計算されたツール接触係数に基づいて、点Ｐに対応するパスセグメントＰＳにおけるツール２０の計画されたフィードレート係数ＦＲを設定する。場合によっては、フィードレートジェネレータ８２が、決定された密度値ＤＶに関係なく、計算されたツール接触係数に基づいて、ツール２０の計画されたフィードレート係数ＦＲを設定できることが考えられる。ステップＭ１０中、フィードレートジェネレータ８２は、決定された密度値ＤＶ及び計算されたツール接触係数に基づいて、骨密度（ＢＭＤ）係数を任意選択的に計算することができる。次に、フィードレートジェネレータ８２は、計算されたＢＭＤ係数に基づいて、ツールの計画されたフィードレート係数を設定する。
【0119】
フィードレートジェネレータ８２は、ステップＭ７中に各交差部スライスに対して収集された放射線密度値ＤＶに、ステップＭ８中に各交差部スライスに対して計算されたツール接触係数を乗算することによって、ＢＭＤ係数を計算することができる。この方法でＢＭＤ係数を計算するために、フィードレートジェネレータ８２は、ステップＭ７中に各交差部スライスに対して以前に収集された放射線密度値ＤＶを換算する。図９を参照すると、フィードレートジェネレータ８２は、収集された放射線密度値ＤＶ（８０５ＨＵ）の最大値を計算することによって、放射線密度値ＤＶを換算する。他の例では、フィードレートジェネレータ８２は、平均、中央値、及び／または最小（つまり、平均、中央値、または最小のうちの１つ以上）の放射線密度値ＤＶを使用して、放射線密度値ＤＶを換算することができる。フィードレートジェネレータ８２はまた、ステップＭ８中に各スライスについて以前に計算されたツール接触係数を換算する。図９の例を参照すると、フィードレートジェネレータ８２は、交差比の平均（０．７４３６）を計算することによって、ツール接触係数を換算することができる。他の実施例では、フィードレートジェネレータ８２は、中央値、最大値、及び／または最小値（つまり、中央値、最大値、または最小値のうちの１つ以上）の放射線密度値ＤＶを用いて、放射線密度値ＤＶを換算することができる。以下のように、フィードレートジェネレータ８２は、ＢＭＤ係数を５９８．５９８と計算する。
【0120】
場合によっては、ＢＭＤ係数は、そのような密度値が正規化されているか生の密度値であるかにかかわらず、可変密度値ＤＶを説明するための標準化係数として利用される。例えば、密度値ＤＶに基づいて、ＢＭＤ係数は１～１００の標準化されたスケールから選択されうる。標準化されたスケールは、上述したように、例えば画像化モダリティ、解剖学的ボリュームの画像化に使用されるスキャナ、密度ファントムのパラメータ、またはツールにかかる測定された力に応じて、異なる正規化係数を考慮に入れることができる。
【0121】
フィードレートジェネレータ８２は、ルックアップテーブルにアクセスして、計算されたＢＭＤに基づいて、計画されたフィードレート係数ＦＲを決定することができる。具体的には、フィードレートジェネレータ８２は、既定のＢＭＤ係数と既定のフィードレート係数ＦＲとの間の関連を規定するルックアップテーブルにアクセスすることができる。ルックアップテーブルの例を図１０に示す。フィードレートジェネレータ８２は、ルックアップテーブルにおいて、計算されたＢＭＤ係数に最も近い既定のＢＭＤ係数を特定し、最も近い特定された既定のＢＭＤに関連付けられた既定のフィードレート係数に基づいて、計画されたフィードレート係数ＦＲを設定する。図９の例では、フィードレートジェネレータ８２は、ＢＭＤ係数を５９８．５９８と計算する。したがって、フィードレートジェネレータ８２は、既定のＢＭＤ係数６００が５９８．５９８に最も近いと決定することができる。次に、フィードレートジェネレータ８２は、パスセグメントＰＳ１の計画されたフィードレート係数ＦＲを９０ｍｍ／秒に設定することができる。
【0122】
図１０に示すルックアップテーブルは、ルックアップテーブルの一例として機能する。他の例では、計画されたフィードレート係数ＦＲ及びＢＭＤ係数は、カッティング性能を最適化するための優先順位に基づいて変更される場合がある。例えば、制御システム６０が解剖学的ボリュームＡＶの密度値ＤＶの変動に多かれ少なかれ敏感である場合、ルックアップテーブル内の連続するＢＭＤ係数間の差が減少するか、または増加する可能性がある。別の例として、制御システム６０が計画されたフィードレート係数ＦＲの変動を減少または増加させる場合、連続する計画されたフィードレート係数ＦＲ間の差が減少または増加する可能性がある。さらに、図１０のルックアップテーブルは、等間隔に配置されたＢＭＤ係数（１００から１０００まで）を特徴とするが、場合によっては、ルックアップテーブルは、ＢＭＤ係数の既定の範囲（例えば、５０５、５１０、５１５、５２０など）あたりの計画されたフィードレート係数ＦＲを決定する分解能を高めるために、追加のＢＭＤ係数と、その既定の範囲あたりの対応する計画されたフィードレート係数ＦＲとを含むことができる。
【0123】
場合によっては、フィードレートジェネレータ８２は、計算されたＢＭＤ係数が最小閾値を下回るとの判定に応答して、パスセグメントＰＳの計画されたフィードレート係数ＦＲを最大フィードレート係数となるように設定してもよい。例えば、図１０のルックアップテーブルを参照すると、フィードレートジェネレータ８２は、ＢＭＤ係数が１００未満である場合、計画されたフィードレート係数ＦＲを５ｍｍ／秒（ツール２０の最小フィードレート）に設定してもよい。場合によっては、計算されたＢＭＤ係数が最大閾値を超えているとの判定に応じて、計画されたフィードレート係数を最小フィードレート係数に設定する。例えば、図１０のルックアップテーブルを参照すると、フィードレートジェネレータ８２は、ＢＭＤ係数が１０００を超えている場合、計画されたフィードレート係数ＦＲを４００ｍｍ／秒（ツール２０の最大フィードレート）に設定してもよい。実際には、ツール２０のフィードレートＦＲは、通常、５～４００ｍｍ／秒の間である。しかしながら、フィードレートは、状況に応じて、この範囲よりも大きくても小さくてもよい。
【0124】
場合によっては、フィードレートジェネレータ８２は、各パスセグメントＰＳのデフォルトの計画されたフィードレート係数ＦＲを取得することができる。例えば、フィードレートジェネレータ８２は、ステップＭ１中にパスデータ７３を取得した後、ツールパスＴＰのパスセグメントＰＳごとにデフォルトの計画されたフィードレート係数ＦＲを設定することができる。ステップＭ８中、フィードレートジェネレータ８２は、計算されたＢＭＤ係数に基づいて、パスセグメントＰＳのデフォルトフィードレートＦＲを変更することができる。例えば、図１０を参照すると、フィードレートジェネレータ８２は、ツールパスＴＰに沿った各パスセグメントＰＳに対して９０ｍｍ／秒のデフォルトの計画されたフィードレート係数ＦＲを取得することができる。次いで、フィードレートジェネレータ８２は、計算されたＢＭＤ係数に基づいて、デフォルトの計画されたフィードレートＦＲを９０ｍｍ／秒から異なる計画されたフィードレート（例えば、８０ｍｍ／秒、１００ｍｍ／秒）に変更することができる。このようにして、フィードレートジェネレータ８２は、ツールパスＴＰのいくつかのパスセグメントＰＳに対してデフォルトの計画されたフィードレートＦＲを保持することができる。図１０のルックアップテーブルは、デフォルトの計画されたフィードレートＦＲから計画されたフィードレートＦＲを変更したいというユーザの希望に基づいて変化しうる。例えば、ユーザが計画されたフィードレートＦＲをデフォルトの計画されたフィードレートＦＲのままにしたい場合には、連続するＢＭＤ係数間の差が大きくなる可能性がある。このような場合、デフォルトの計画されたフィードレートＦＲに対応するように追加のＢＭＤ係数を設定できる。ユーザがデフォルトの計画されたフィードレートＦＲから計画されたフィードレートＦＲを変更したい場合には、連続するＢＭＤ係数間の差が減少する可能性がある。このような場合には、デフォルトの計画されたフィードレートＦＲに対応するＢＭＤ係数の数が減少する可能性がある。
【0125】
［ｄ．以前に分析された解剖学的領域を無視する］
ステップＭ９中、フィードレートジェネレータ８２は、任意選択的に、図４に示すプロセスの間に以前に評価された解剖学的ボリュームＶＭの部分（ピクセル／ボクセル／面積／体積）を無視するように構成される。このステップの目的は、これら以前の領域がツールパスＴＰに沿ってツール２０によって除去されたであろうという仮定に基づいて、これらの以前に分析された領域を考慮／無視することである。解剖学的ボリュームＡＶの以前に除去された部分の密度値を無視することは、現在の点に対するより正確なフィードレートＦＲ決定を生成するのに役立つ。このアプローチは、例えば、ツールパスＴＰに沿った連続する点Ｐ間の距離がツール２０のサイズより小さい場合、またはツールパスＴＰが同じ解剖学的領域を２回通過するときに有用である。このような場合、フィードレートジェネレータ８２は、解剖学的ボリュームＡＶの以前に除去された部分に対応する密度値ＤＶを考慮に入れる必要はない。
ステップＭ９中、フィードレートジェネレータ８２は、任意選択的に、図４に示すプロセスの間に以前に評価された解剖学的ボリュームＶＭの部分（ピクセル／ボクセル／面積／体積）を無視するように構成される。このステップの目的は、これら以前の領域がツールパスＴＰに沿ってツール２０によって除去されたであろうという仮定に基づいて、これらの以前に分析された領域を考慮／無視することである。解剖学的ボリュームＡＶの以前に除去された部分の密度値を無視することは、現在の点に対するより正確なフィードレートＦＲ決定を生成するのに役立つ。このアプローチは、例えば、ツールパスＴＰに沿った連続する点Ｐ間の距離がツール２０のサイズより小さい場合、またはツールパスＴＰが同じ解剖学的領域を２回通過するときに有用である。このような場合、フィードレートジェネレータ８２は、解剖学的ボリュームＡＶの以前に除去された部分に対応する密度値ＤＶを考慮に入れる必要はない。
【0126】
図１１は、ステップＭ９の例示的な例を示す。図１１は、ツール２０がツールパスＴＰに沿った第１の点Ｐ１及び連続する第２の点Ｐ２にあるときのツール幾何学的形状のスライス及び解剖学的ボリュームＡＶの画像化スライスを含む。第１の点Ｐ１におけるツール２０は実線で示され、第２の点Ｐ２におけるツール２０は点線で示されている。ツール２０は、交差部Ｉ１における第１の点Ｐ１において解剖学的モデルＡＭと交差するように示され、交差部Ｉ２における第２の点Ｐ２において解剖学的モデルＡＭと交差するように示される。
【0127】
図示されるように、点Ｐ１及びＰ２におけるツール２０と解剖学的ボリュームＡＶとのそれぞれの交差部Ｉ１、Ｉ２は、共通のピクセルＰＸを含む。これらの共通ピクセルＰＸは、ツール２０が点Ｐ１にあったときにツール２０によって以前に除去された解剖学的ボリュームＡＶの一部とツール２０が、点Ｐ２で交差すると予想されることを示す。したがって、フィードレートジェネレータ８２は、点Ｐ２のカッティング計画データ７９を決定する際に、共通ピクセルＰＸを無視するように構成される。
【0128】
図１１の例では、フィードレートジェネレータ８２は、まず、点Ｐ１について交差部Ｉ１に対応するピクセルＰＸを生成し、記憶する。これらのピクセルＰＸは交差部Ｉ１の位置を示し、本明細書では「相互作用座標」と呼ぶ。フィードレートジェネレータ８２は、相互作用座標に対応する密度値ＤＶを記憶することもできる。交差部Ｉ１のこれらの決定された密度値ＤＶを、本明細書では「以前に決定された密度値ＤＶ」と呼ぶ。これらの相互作用座標は、ピクセル／ボクセルの特定の座標に特に限定される必要はない。代わりに、ツール接触係数に関連して上述した任意の技術を同様に利用して、ツール２０と解剖学的ボリュームＡＶとの以前の相互作用を決定することができる。また、ツールパスＴＰ座標系、解剖学的座標系、またはマージされた座標系を使用して、（ピクセル／ボクセルの位置に関係なく）座標系を基準にして座標を特定することができる。
【0129】
図１１の例を続けると、フィードレートジェネレータ８２は、第２の点Ｐ２に対してステップＭ４～Ｍ８を経て進行する。ステップＭ９中、フィードレートジェネレータ８２は、以前に決定された相互作用座標を無視する。これを行うために、フィードレートジェネレータ８２は、まず、第２の点Ｐ２の相互作用座標（例えば、ピクセルＰＸ）を第１の点Ｐ１の相互作用座標と比較する。フィードレートジェネレータ８２は、第１の点Ｐ１の相互作用座標と同一の相互作用座標を有するいずれの第２の点Ｐ２の密度値ＤＶを無視してもよい。図１１において、交差部Ｉ１及びＩ２のこれらの共通相互作用座標は、ピクセルＰＸＡ～ＰＸＦを含む。したがって、フィードレートジェネレータ８２は、第２の点Ｐ２についてカッティング計画データ７９を決定する際に、ピクセルＰＸＡ～ＰＸＦに関連付けられた密度値ＤＶを無視する。そのような値を無視するということは、フィードレートジェネレータ８２が、そのような座標におけるこれらの密度値を無効にするか、またはゼロにすることを意味しうる。さらに、このプロセスのコンテキストで評価された点Ｐ１、Ｐ２は連続した点であったが、Ｐ２は時間的にＰ１に続く任意の点であり、必ずしもＰ１の直後に連続する必要はない。
【0130】
場合によっては、フィードレートジェネレータ８２は、ツール幾何学的形状との以前のピクセル／ボクセル相互作用の量に応じて、以前に決定された密度値ＤＶを無視するように構成されうる。例えば、フィードレートジェネレータ８２は、以前に決定された密度値ＤＶに対応するピクセルＰＸのＸ％を超えるものが以前に相互作用された場合、以前に決定された密度値ＤＶを無視するように構成されうる。例えば、図１１を参照すると、ピクセルＰＸＣの５０％未満が第１の点Ｐ１でツール２０によって相互作用されたので、ピクセルＰＸＣは無視されない可能性がある。しかしながら、ピクセルＰＸＡ、ＰＸＢ、ＰＸＤ、ＰＸＥ、ＰＸＦの５０％を超えるピクセルが、第１の点Ｐ１においてツール２０によって相互作用されたので、ピクセルＰＸＡ、ＰＸＢ、ＰＸＤ、ＰＸＥ、ＰＸＦは無視されてもよい。別の例では、フィードレートジェネレータ８２は、以前に決定された密度値ＤＶに関連付けられたピクセルＰＸの１００％が相互作用した場合にのみ、以前に決定された密度値ＤＶを無視するように構成されうる。例えば、図１１を参照すると、ピクセルＰＸＡ、ＰＸＣ、ＰＸＥ、ＰＸＦの１００％未満が第１の点Ｐ１でツール幾何学的形状によって相互作用されたので、ピクセルＰＸＡ、ＰＸＣ、ＰＸＥ、ＰＸＦは無視されない可能性がある。ただし、ピクセルＰＸＢ、ＰＸＤの１００％が第１の点Ｐ１でツール幾何学的形状と相互作用しているので、ピクセルＰＸＢ、ＰＸＤは無視されうる。他の例では、以前の相互作用座標を無視するかどうかを決定する目的で、ツール接触係数を考慮することができる。
【0131】
他の例では、以前の相互作用座標における密度値ＤＶを無視する代わりに、フィードレートジェネレータ８２は、以前に決定された密度値ＤＶのスケーリングされたバージョンまたは残余を使用するように構成されうる。スケーリングされた以前に決定された密度値ＤＶは、以前の相互作用の尺度に基づくことができる。例えば、図１１を参照すると、ツール幾何学的形状は点Ｐ１でピクセルＰＸＣの約２５％と相互作用した。したがって、点Ｐ２についてのカッティング計画データ７９の決定からピクセルＰＸＣを無視する代わりに、フィードレートジェネレータ８２は、点Ｐ１での相互作用に基づいて、ピクセルＰＸＣに対応する密度値ＤＶをスケーリングすることができる。例えば、フィードレートジェネレータ８２は、ピクセルＰＸＣ（６０６ＨＵ）に対応する密度値ＤＶの７５％を使用して、点Ｐ２のカッティング計画データ７９を決定することができる。
【0132】
［ｅ．カッティング計画データを出力する］
ステップＭ１１中に、フィードレートジェネレータ８２は、ツールパスＴＰについてのカッティング計画データ７９を出力する。図３を参照すると、フィードレートジェネレータ８２は、カッティング計画データ７９を挙動コントローラ７４に出力することができる。次いで、挙動コントローラ７４は、カッティング計画データ７９に基づいて、運動コントローラ７６を制御することができる。このように、制御システム６０は、マニピュレータ１４を制御して、カッティング計画データ７９に基づいて、計画されたフィードレートＦＲでツールパスＴＰに沿ってツール２０を移動させる。さらに、図３を参照すると、カッティング計画データ７９は臨床アプリケーション８０に出力されうる。したがって、臨床アプリケーション８０を操作するユーザは、外科的処置を実行する前または実行中に、カッティング計画データ７９を閲覧することができる。さらに、臨床アプリケーション８０を操作するユーザは、外科的処置を実行する前または実行中に、カッティング計画データ７９を調整することができる。
ステップＭ１１中に、フィードレートジェネレータ８２は、ツールパスＴＰについてのカッティング計画データ７９を出力する。図３を参照すると、フィードレートジェネレータ８２は、カッティング計画データ７９を挙動コントローラ７４に出力することができる。次いで、挙動コントローラ７４は、カッティング計画データ７９に基づいて、運動コントローラ７６を制御することができる。このように、制御システム６０は、マニピュレータ１４を制御して、カッティング計画データ７９に基づいて、計画されたフィードレートＦＲでツールパスＴＰに沿ってツール２０を移動させる。さらに、図３を参照すると、カッティング計画データ７９は臨床アプリケーション８０に出力されうる。したがって、臨床アプリケーション８０を操作するユーザは、外科的処置を実行する前または実行中に、カッティング計画データ７９を閲覧することができる。さらに、臨床アプリケーション８０を操作するユーザは、外科的処置を実行する前または実行中に、カッティング計画データ７９を調整することができる。
【0133】
図６に示すように、カッティング計画データ７９は、ツールパスＴＰを含む。一方、カッティング計画データ７９はまた、ツールパスＴＰに沿ったパスセグメントＰＳ１・・・ＰＳＮに対する計画されたフィードレート係数ＦＲ１・・・ＦＲＮも含む。このようにして、カッティング計画データ７９は、最初に取得されたツールパスＴＰの強化または拡張されたバージョンであってもよい。さらに、場合によっては、フィードレートジェネレータ８２がカッティング計画データ７９を生成すると、カッティング計画データ７９は元のツールパスＴＰを置き換えることができる。
【0134】
さらに、場合によっては、フィードレートジェネレータ８２は、カッティング計画データ７９を評価して、元のツールパスＴＰを変えることが賢明であると判定することができる。このような変更は、計画されたフィードレート係数ＦＲ１・・・ＦＲＮ、ツール接触係数、無視される相互作用座標など、本明細書で説明する任意の考慮事項、係数、またはステップの評価に基づくことができる。例えば、フィードレートジェネレータ８２は、ツールパスＴＰを変更して、カッティング性能、カッティング時間などを最適化することができる。例えば、ある点での計画されたフィードレートＦＲが過度に遅いか、または速い場合には、フィードレートジェネレータ８２は、その点の位置を変更するか、またはその点を完全に削除することによって、ツールパスＴＰを変更することができる。別の例では、ある点でのツール接触係数が過度に高いか、または低い場合には、フィードレートジェネレータ８２は、その点の位置を変更することによって、ツールパスＴＰを変更することができる。別の例では、ある点Ｐにおいて、フィードレートジェネレータ８２が、以前の点からの過剰な量の特定された以前の相互作用を検出した場合には、フィードレートジェネレータ８２は、カッティング時間を短縮するために、点Ｐの位置または以前の点を変更することによって、ツールパスＴＰを変更することができる。パスデータ７３が１組の潜在的ツールパスＴＰを含む場合には、フィードレートジェネレータ８２は、どの潜在的ツールパスＴＰがカッティング性能、カッティング時間などを最適化するかを判定することができる。次に、フィードレートジェネレータ８２は、カッティング計画データ７９に対して、他のツールパスＴＰを無視して、決定されたツールパスＴＰを選択することができる。
【0135】
変更されたツールパスＴＰは、フィードレートジェネレータ８２によって自動的に決定され、実行されうる。あるいは、提案された変更を確認のためにユーザに提示することもできる。
【0136】
場合によっては、外科的処置中の切除ボリュームのカッティングは、切除ボリュームが完全に除去されたと制御システム６０が判定するまで繰り返されうる。場合によっては、ツール２０は、ツール２０が元のツールパスＴＰをたどらないというエラーに遭遇する可能性があり、その結果、切除ボリュームが完全には除去されないことになる。他の例では、変更されたツールパスＴＰは、ツール２０がたどるときに、切除ボリュームを完全には除去しない可能性がある。そのような場合、外科的処置を再開し、元のツールパスＴＰに従って、または変更されたツールパスＴＰに従って、ツール２０を移動させることによって、切除ボリュームのカッティングを（例えば、エラーの後、及び／または変更されたツールパスＴＰに従ってツール２０が移動した後（つまり、エラーの後、または変更されたツールパスＴＰに従ってツール２０が移動した後、あるいはそれらの両方の後）に）繰り返すことができる。外科的処置が再開され、切除ボリュームが完全に除去されるまで必要な回数だけ繰り返されうる。場合によっては、切除ボリュームが完全には除去されていないことがユーザに通知されてもよく、元のツールパスＴＰに従って、または変更されたツールパスＴＰに従って、外科的処置を再開して繰り返すオプションが提示されてもよい。
【0137】
［ｆ．追加の実施態様］
いくつかの実施形態では、カッティング計画データ７９は、組織のパラメータに追加的にまたは代替的に基づいて決定されうる。そのような実施態様では、解剖学的データ６５は、組織のパラメータを含むことができ、組織のパラメータは、任意の組織のパラメータデータを含むことができる。例えば、組織のパラメータは、解剖学的ボリュームＡＶの密度値ＤＶを含むことができ、及び／または他の組織のパラメータデータを含むことができる（つまり、解剖学的ボリュームＡＶの密度値ＤＶを含むことができ、または他の組織のパラメータデータを含むことができ、あるいはそれらの両方を含むことができる）。例えば、解剖学的ボリュームＡＶの組織のタイプが、組織のパラメータデータから決定されうる。このような例では、制御システム６０は、組織のパラメータデータに基づいて、解剖学的ボリュームＡＶの組織が海綿組織、皮質組織、皮質組織、軟骨組織、または軟組織であることを決定することができる。組織のパラメータデータには、誘電率や導電率といった組織の電気的パラメータが含まれる場合もある。組織のパラメータデータには、血流パラメータ、体積、ボクセルサイズ、面積、ピクセルサイズ、厚さ、皮質の厚さ、重量、脂肪分率、総脂肪、熱パラメータ、熱伝導率、熱膨張、引張強度、音響パラメータ、弾性、骨表面密度、骨表面／体積比などが含まれることもある。
いくつかの実施形態では、カッティング計画データ７９は、組織のパラメータに追加的にまたは代替的に基づいて決定されうる。そのような実施態様では、解剖学的データ６５は、組織のパラメータを含むことができ、組織のパラメータは、任意の組織のパラメータデータを含むことができる。例えば、組織のパラメータは、解剖学的ボリュームＡＶの密度値ＤＶを含むことができ、及び／または他の組織のパラメータデータを含むことができる（つまり、解剖学的ボリュームＡＶの密度値ＤＶを含むことができ、または他の組織のパラメータデータを含むことができ、あるいはそれらの両方を含むことができる）。例えば、解剖学的ボリュームＡＶの組織のタイプが、組織のパラメータデータから決定されうる。このような例では、制御システム６０は、組織のパラメータデータに基づいて、解剖学的ボリュームＡＶの組織が海綿組織、皮質組織、皮質組織、軟骨組織、または軟組織であることを決定することができる。組織のパラメータデータには、誘電率や導電率といった組織の電気的パラメータが含まれる場合もある。組織のパラメータデータには、血流パラメータ、体積、ボクセルサイズ、面積、ピクセルサイズ、厚さ、皮質の厚さ、重量、脂肪分率、総脂肪、熱パラメータ、熱伝導率、熱膨張、引張強度、音響パラメータ、弾性、骨表面密度、骨表面／体積比などが含まれることもある。
【0138】
いくつかの実施態様では、カッティング計画データ７９は、シャフト３３の既定の姿勢に基づいて決定されうる。例えば、シャフト３３の既定の姿勢は、点Ｐにおけるツール２０の幾何学的形状と解剖学的ボリュームＡＶとの間のシミュレートされた相互作用Ｉに影響を与える可能性がある。具体的には、シャフト３３の既定の姿勢は、ツール２０の幾何学的形状に応じて、ツール２０が交差部Ｉで解剖学的ボリュームＡＶにどのように接触するかに影響を与える可能性がある。例えば、エネルギーアプリケータ２４のカッティング面が三角形または先細りの断面または平坦なカッティング先端を含む場合には、シャフト３３の既定の姿勢は、ツール２０と解剖学的ボリュームＡＶとの交差部Ｉに影響を与える。したがって、ステップＭ６中に交差部Ｉをより正確に特定するために、制御システム６０は、ステップＭ１中にＴＣＰの計画姿勢を取得することによってパスデータ７３を取得するように構成されうる。
【0139】
いくつかの実施形態では、カッティング計画データ７９は、ツールパスＴＰの少なくとも１つの点Ｐに関連付けられたシャフト３３の出力姿勢を含むことができる。このような実施態様では、制御システム６０は、エネルギーアプリケータ２４がツールパスＴＰの１つ以上の個別のパスセグメントＰＳに沿って移動する際に、シャフト３３の出力姿勢を決定して、カッティング性能を最適化する。シャフト３３の出力姿勢は、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬに対するシャフト３３の状態（例えば、位置及び／または向き）でありえる。シャフト３３の出力姿勢を出力することにより、制御システム６０はマニピュレータコントローラ２６にマニピュレータ１４がツール２０を移動させるための指示を与える。
【0140】
制御システム６０は、解剖学的データ６５（例えば、密度値ＤＶ及び／または組織のパラメータ（つまり、密度値ＤＶまたは組織のパラメータあるいはそれらの両方））、パスデータ７３、及びツールデータ６９に基づいて、シャフト３３の出力姿勢を決定しうる。例えば、制御システム６０は、ツール２０の幾何学的形状に基づいて出力姿勢を決定することができる。例えば、エネルギーアプリケータ２４のカッティング面は、テーパ状の断面積を含んでもよい。このような例では、制御システム６０は、テーパ状の断面積でのカッティングを最適化するように、ツール２０を配置し、配向するように出力姿勢を決定することができる。別の例として、制御システム６０は、ツール２０の好ましい使用に基づいて出力姿勢を決定することができる。例えば、エネルギーアプリケータ２４の先端ではなく、エネルギーアプリケータ２４の側面を使用したカッティングを促進するために、エネルギーアプリケータ２４のカッティング面をエネルギーアプリケータ２４の側面に配置することができる。そのような例では、制御システム６０は、エネルギーアプリケータ２４の側面がカッティングの大部分を実行するように、ツール２０を配置し、配向するための出力姿勢を決定することができる。さらに別の例として、制御システム６０は、ツール２０の好ましいカッティング深さに基づいて、出力姿勢を決定することができる。例えば、ツール２０は、より浅いカッティングに好ましく使用されうる。このような例では、制御システム６０は、より浅いカッティングを実行するために、ツール２０を配置し、配向するための出力姿勢を決定することができる。
【0141】
制御システム６０は、上述の方法のステップＭ１０中に、シャフト３３の出力姿勢を設定することができる。さらに、制御システム６０は、ステップＭ１１中に、出力姿勢を含むカッティング計画データ７９を出力することができる。さらに、制御システム６０は、出力姿勢を決定するために、上述のステップＭ１～Ｍ９を実行することができる。制御システム６０は、ツール２０の計画されたフィードレートＦＲの出力に加えて、またはその代替として、シャフト３３の出力姿勢を出力してもよい。
【0142】
いくつかの実施形態では、フィードレートジェネレータ８２は、ツール２０のモータで所定のモータ電流を達成するように、計画されたフィードレートＦＲを決定し、及び／またはカッティング計画データ７９を調整すること（つまり、計画されたフィードレートＦＲを決定すること、またはカッティング計画データ７９を調整すること、あるいはそれらの両方）ができる。例えば、フィードレートジェネレータ８２は、ツール２０のモータに一定のモータ電流を維持させるように、計画されたフィードレートＦＲを決定し、及び／またはカッティング計画データ７９を調整することができる。別の例として、フィードレートジェネレータ８２は、ツール２０のモータのモータ電流がモータ電流値の所定の範囲内にあることを保証するように、計画されたフィードレートＦＲを決定し、及び／またはカッティング計画データ７９を調整することができる。
【0143】
いくつかの実施態様では、制御システム６０は、外科的処置中にツール２０の性能を監視することができる。具体的には、制御システム６０は、ツール２０がカッティング計画データ７９に従って解剖学的ボリュームＡＶの切除ボリュームをカッティングしている間、ツール２０の性能を監視することができる。制御システム６０は、解剖学的ボリュームＡＶに加えられるツール２０の接触力、ツール２０の回転速度、ツール２０の実際のフィードレートＦＲ、ツール２０の温度、ツール２０のモータの電流、及び／またはツール２０の性能の任意の他の適切な尺度（つまり、ツール２０の接触力、ツール２０の回転速度、ツール２０の実際のフィードレートＦＲ、ツール２０の温度、ツール２０のモータの電流、またはツール２０の性能の任意の他の適切な尺度のうちの１つ以上）を監視することができる。次いで、制御システム６０は、ツール２０の性能の監視に基づいてカッティング計画データ７９を変更することができる。例えば、制御システム６０は、解剖学的ボリュームＡＶの密度値ＤＶ、計画されたフィードレートＦＲ、ツールパスＴＰ、ＢＭＤ係数、ツール２０の幾何学的形状、及び／またはカッティング計画データ７９の決定において使用される任意の他のパラメータ（解剖学的ボリュームＡＶの密度値ＤＶ、計画されたフィードレートＦＲ、ツールパスＴＰ、ＢＭＤ係数、ツール２０の幾何学的形状、またはカッティング計画データ７９の決定において使用される任意の他のパラメータのうちの１つ以上）を変更することが可能である。
【0144】
［ＩＩＩ．密度値パラメータ化された仮想物体］
図１２及び図１３を参照して、仮想物体７１が、密度値ＤＶから導出される特性、パラメータ（複数可）、または係数によって特徴付けられ、符号化され、あるいは別の形で関連付けられるように、制御システム６０が仮想物体７１を作成または変更するための技術について説明する。この仮想物体７１は、仮想物体７１と相互作用するツールに基づいてマニピュレータ１４またはツール２０の動作を変更するために制御システム６０によって使用されうる。
図１２及び図１３を参照して、仮想物体７１が、密度値ＤＶから導出される特性、パラメータ（複数可）、または係数によって特徴付けられ、符号化され、あるいは別の形で関連付けられるように、制御システム６０が仮想物体７１を作成または変更するための技術について説明する。この仮想物体７１は、仮想物体７１と相互作用するツールに基づいてマニピュレータ１４またはツール２０の動作を変更するために制御システム６０によって使用されうる。
【0145】
上述したように、仮想シミュレーションにおいてツール２０の仮想モデルに加えられる力を決定する目的で、ツール２０、ＴＣＰ、またはエネルギーアプリケータ２４の状態を仮想物体７１に対して測定することができる。仮想シミュレーションでは、ツール２０のモデルは、仮想剛体モデルまたは仮想ボリュームとして表現することができる。力は、仮想物体７１の１つ以上の多角形要素９９と相互作用する仮想モデルに応答して、仮想モデルに関して計算される。仮想モデルに加えられるこれらの力は、制御システム６０がマニピュレータ１４またはツール２０の動作を変更するために使用できる出力をもたらす。これに応答して、制御システム６０は、ツール２０が仮想物体７１を貫通するのを防ぐことによって、マニピュレータ１４の動作を変更するように反力を計算することができる。インタラクションに応答して、制御システム６０は、ツール２０のフィードレートを変更することもできる。仮想物体７１とツールとの相互作用を評価する技術は、２０１８年６月６日に出願された「Robotic Surgical System And Method For Producing Reactive Forces To Implement Virtual Boundaries」と題された米国特許公開第２０１８／０３５３２５３号に記載されているものと同様のものとすることができる。この米国特許公開の内容全体は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【0146】
仮想物体７１とのツールの相互作用、及び本明細書に記載の技術は、自律モード、手動モード、またはガイド付き手動モードを含むマニピュレータ１４の任意の動作モードで行われ、または実施することができる。自律モード及び手動モードについては上で説明した。ガイド付き手動モードでは、制御システム６０は、ツール２０のツールパスＴＰを取得し、それぞれツールパスＴＰに垂直な２つの自由度に関して、ツールパスＴＰに沿ったツール２０の移動に対する仮想制約を規定する。このように、仮想制約は、ツール２０の移動がツールパスＴＰに沿って行われるように制約するために規定される。さらに、ガイド付き手動モードでは、制御システム６０は、ユーザがツール２０に手動で加えたユーザの力及びトルクに応答して、力／トルクセンサＳから入力を受け取る。次に、制御システム６０は、仮想制約及び力／トルクセンサＳからの入力に基づいて、仮想シミュレーションにおいてツール２０のダイナミクスをシミュレートし、仮想シミュレーションに基づいてツールパスＴＰに沿ってツール２０を前進させるようマニピュレータ１４に命令する。例えば、制御システム６０は、仮想シミュレーションにおいて仮想物体７１に対する反力を計算し、シミュレートし、仮想シミュレーションに基づいてツールパスＴＰに沿ってツール２０を前進させるようにマニピュレータ１４に命令しうる。ガイド付き手動モードについては、引用することにより本明細書の一部をなすものとする米国特許公開第２０２０／０２８１６７６号にさらに説明されている。
【0147】
この技術によれば、制御システム６０は、解剖学的データ６５と、仮想物体７１に関連付けられた仮想物体データ９７とを取得する。制御システム６０は、解剖学的ボリュームＡＶの幾何学的形状及び密度値ＤＶを含む解剖学的データ６５を取得する。解剖学的データ６５は、密度値ＤＶを含む解剖学的ボリュームＡＶの解剖学的モデルＡＭとして、図１２に示されている。解剖学的データ６５は、解剖学的データ座標系ＸＡ，ＹＡ，ＺＡ上にマッピングすることができる。制御システム６０はまた、多角形要素のメッシュを有する仮想物体７１の幾何学的形状を含む仮想物体データを取得する。図１２に示す仮想物体データ９７は、仮想物体座標系ＸＶ，ＹＶ，ＺＶ上にマッピングされた仮想物体７１を含む。図示されているように、仮想物体７１は、多角形要素９９のメッシュを含む。図１２において、多角形要素９９は三角形である。しかしながら、他の例では、個々の多角形要素９９は、任意の適切な多角形であってもよい。
【0148】
図１２を参照すると、制御システム６０は、解剖学的データ６５と仮想物体データとをマージ（merge：合体）して、マージされたモデル１０１を作成し、このマージされたモデル１０１は、マージされた座標系ＸＭ，ＹＭ，ＺＭ、あるいは解剖学的データ座標系ＸＡ，ＹＡ，ＺＡ、仮想物体座標系ＸＶ，ＹＶ，ＺＶ、または新しい、異なる、もしくは任意の座標系といった他のいずれかの座標系上にマッピングされうる。このマージは、視覚的な形式で提供または実行することができるが、そうする必要はない。例えば、マージは、純粋に計算上行われ、ユーザには見えない場合がある。あるいは、これらのステップの態様は、ユーザが、仮想物体７１及び解剖学的データ６５を体験または相互作用することができるように、例えば臨床アプリケーション８０を使用して、ユーザに対して視覚化することができる。
【0149】
図１２は、マージされたモデル１０１の２つのビューを提供する。すなわち、マージされたモデル１０１がＸＭ，ＹＭ座標系で示される第１のビュー、及びマージされたモデル１０１がＸＭ，ＺＭ座標系で示される第２のビューである。いずれのビューにおいても、仮想物体７１の多角形要素９９と解剖学的モデルＡＭとが重ね合わされている。
【0150】
例示の目的で、示される多角形要素９９は、密度値ＤＶ領域のサイズに比べて誇張されている場合があり、したがって縮尺通りではない。多角形要素９９及び密度値ＤＶ領域のサイズについてさらに詳しく説明すると、任意の数の多角形要素９９が１つの密度値ＤＶ領域内に収まることができ、任意の数の密度値ＤＶ領域が１つの多角形要素９９内に収まることができる。
【0151】
マージされると、仮想物体７１は、解剖学的ボリュームＡＶと交差することができ、及び／または解剖学的ボリュームＡＶから間隔を空けて配置すること（つまり、解剖学的ボリュームＡＶと交差すること、または解剖学的ボリュームＡＶから間隔を空けて配置すること、あるいはそれらの両方をすること）ができる。この技術では、任意の数の仮想物体７１を利用することができ、これらの仮想物体７１は、任意の適切な形状（例えば、平面または複雑な形状）または目的（例えば、侵入禁止ゾーン、侵入可能ゾーン、境界、など）を有しうる。一例において、仮想物体７１は、２０１６年５月１８日に出願された「System And Method For Manipulating An Anatomy」と題されたＵＳ２０１６０３３８７８２Ａ１に記載されている境界のようなものとすることができ、その全内容は引用することにより本明細書の一部をなすものとする。仮想物体７１は、任意の数の多角形要素９９を持つことができる。仮想物体７１は、上述したように、境界ジェネレータ６６によって生成されうる。
【0152】
制御システム６０が解剖学的データ６５と仮想物体７１とをマージすると、制御システム６０は、仮想物体７１の１つ以上の多角形要素９９に関連付けるパラメータを決定する。このパラメータは、仮想シミュレーションに適用されるツールの仮想モデルに対して多角形要素９９が有する効果、影響、及び／または反応（つまり、効果、影響、または反応のうちの１つ以上）を規定することができる。パラメータは、多角形要素９９の最初のパラメータを規定することも、既存のパラメータを上書きまたは置換することもできる。一例では、パラメータは、多角形要素９９の剛性に関連する調整パラメータである。この調整パラメータは、多角形要素９９に関連するスプリングまたはダンパーのパラメータを規定しうる。別の例では、パラメータは、ツール２０のフィードレートに影響を与える可能性がある。例えば、フィードレートジェネレータ８２は挙動コントローラ７４に結合され、ツール２０のモデルと本明細書に記載のようにパラメータ化された任意の多角形要素９９との間の相互作用を認識することができる。そこから、フィードレートジェネレータ８２は、そのような相互作用に基づいてツール２０のフィードレートを規定または調整することができる。
【0153】
以下の例としてピクセルＰＸが使用されるが、ピクセルＰＸの使用を伴う本明細書で説明される技術のあらゆる態様は、ピクセルＰＸを含まない他の方法で実施することができる。例えば、解剖学的ボリュームＡＶのボクセルＶＸも同様に使用されうる。ボクセルＶＸには、密度値ＤＶを含めることができる。本明細書で説明する幾何学的形状を比較する場合、他のタイプの２Ｄまたは３Ｄの単位または測定値を利用することができる。
【0154】
図１２のマージされたモデル１０１の第１のビューを参照すると、一例における制御システム６０は、ＸＭ，ＹＭ座標系において、多角形要素９９の周囲によってカプセル化されるピクセルＰＸの密度値ＤＶを考慮することによって、図示された多角形要素９９のパラメータを決定するあるいは求めることができる。制御システム６０はまた、ＸＭ，ＹＭ座標系において、多角形要素９９によって少なくとも部分的にカプセル化されるピクセルＰＸの密度値ＤＶを考慮することによって、多角形要素９９のパラメータを決定することができる。他の例では、制御システム６０は、多角形要素９９によって完全にカプセル化されたピクセルＰＸの密度値ＤＶを考慮することによって、多角形要素９９のパラメータを決定することができる。制御システム６０は、ピクセルＰＸのＸ％未満が多角形要素９９によってカプセル化されている場合、ピクセルＰＸの密度値ＤＶを無視することもできる。
【0155】
図１２のマージされたモデル１０１の第２のビューを参照すると、制御システム６０は、追加的に、または代替的に、ＸＭ，ＺＭ座標系において、多角形要素９９の平面と交差するピクセルＰＸの密度値ＤＶを考慮することによって、多角形要素９９のパラメータを決定することができる。制御システム６０は、多角形要素９９と少なくとも部分的に交差するピクセルＰＸの密度値ＤＶを考慮することによって、多角形要素９９のパラメータを決定することができる。他の例では、制御システム６０は、図１２に示されるＰＸ深さとして示される、多角形要素９９からの所定のまたは測定された深さまたは距離内のピクセルＰＸの密度値ＤＶを考慮することによって、多角形要素９９のパラメータを決定することができる。深さＰＸ深さは、任意の適切な深さであり、任意の適切な単位とすることができる。例えば、深さＰＸ深さは、例えば、仮想物体７１の下１ｍｍ、または仮想物体７１の下３ピクセルＰＸなど、予め定められてもよい。
【0156】
いくつかの例では、制御システム６０は、ツール２０またはツール２０の仮想モデルがどのように仮想物体７１を貫通するかに応じて、仮想物体７１の下のピクセルＰＸの密度値ＤＶを使用して多角形要素９９のパラメータを決定することができる。そのような例では、制御システム６０は、ツール２０またはツール２０の仮想モデルによって相互作用される仮想物体７１の下のピクセルＰＸの密度値ＤＶを考慮することができる。例えば、制御システム６０は、ツール２０の仮想モデルと交差する任意の密度値ＤＶを考慮することができる。
【0157】
制御システム６０が、考慮すべき密度値ＤＶを特定すると、制御システム６０は、多角形要素９９に近接する、多角形要素９９と相互作用する、多角形要素９９に関連する、または多角形要素９９に交差する密度値ＤＶの平均値、中央値、範囲、最頻値、最大値、または最小値の密度値ＤＶのうちの１つ以上を計算すること、または決定することを含むが、これらに限定されない多くの方法で、多角形要素（複数可）９９のパラメータを決定することができる。パラメータ値は密度値ＤＶに基づくが、パラメータ値は、考慮された密度値ＤＶに関連する計算からえられる密度値に対応する必要はない。代わりに、パラメータ値を標準化または正規化された値にすることができる。
【0158】
制御システム６０が仮想物体７１の多角形要素９９のパラメータを決定すると、制御システム６０は、多角形要素９９と相互作用するツール２０に応じてツール２０の動作を修正することができる。
【0159】
図１３Ａの例では、エネルギーアプリケータ２４が、第１のフィードレートで仮想物体７１に沿ってスライドするシナリオを示す。第１のフィードレートは、予め決定することも、ユーザが加えた力に基づいて決定することもでき、マニピュレータは、ユーザが加えた力に応じて手動モードまたはガイド付き手動モードで制御される。これらのモードでは、ユーザは、ツール２０を仮想物体７１に沿ってスライドさせる方法で、ツール２０を自由に動かすことができる。そしてまた、これにより、ツール２０の仮想モデルが仮想物体７１内の多角形要素９９をかすめ（skimming：スキミングし）たり、または部分的に貫通したりする可能性がある。そのような場合、制御システム６０は、ツール２０が相互作用する多角形要素９９のパラメータに従って、第２のフィードレートを計算することができる。次に、制御システム６０は、ロボットマニピュレータに、ツール２０を第２のフィードレートで移動させるように命令することができる。例えば、ユーザは、仮想物体７１に沿って図示の方向に２ｍｍ／秒の第１のフィードレートでツール２０を移動させることができる。この動作中にツール２０が相互作用する多角形要素９９は、パラメータ０．５を有することができ、これはフィードレートの２分の１スケーリング係数でありえる。これに応答して、制御システム６０は、第１のフィードレートの２分の１、すなわち１ｍｍ／秒となる第２のフィードレートに従って、マニピュレータ１４を制御することができる。したがって、このパラメータは、例えば、ツール２０と仮想物体７１との相互作用に関して、解剖学的構造の密度が考慮されるように、既存のフィードレートを調整することができる。
【0160】
図１３Ｂの例では、エネルギーアプリケータ２４は、仮想物体７１の多角形要素９９を貫通する。そのような場合、制御システム６０は、ツールのモデルと多角形要素（複数可）９９との間の仮想シミュレーションから導出された反力ＲＸＦを適用することに基づいて、ツール２０の動作を修正する。制御システム６０は、ツール２０が相互作用する多角形要素（複数可）９９のパラメータに従って反力ＲＸＦを計算し、仮想モデルによる多角形要素９９の貫通を低減させるために、仮想シミュレーションにおいて反力ＲＸＦを仮想モデルに適用する。次に、制御システム６０は、仮想物体７１に対するツール２０の動きを制限するために、反力ＲＸＦの適用に従ってツール２０を動かすようにマニピュレータ１４に命令する。この反力パラメータ手法は、個別に利用することも、フィードレートパラメータ手法と組み合わせて利用することもできる。
【0161】
前述の説明では、いくつかの実施形態について説明してきた。本明細書で論じられる実施形態は、網羅的であること、またはいずれかの特定の形態に限定されることを意図したものではない。使用された用語は、限定ではなく、単語の説明的な性質を有することが意図される。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、具体的に記載されているものとは異なるように実施されてもよい。さらに、本書類で使用されている見出しは、参照と読みやすさのみを目的として導入されており、見出しの主題のみによってセクションの内容を制限するものと理解されるべきではない。
【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13A】
【図13B】
【国際調査報告】