JP7686745B2 - 画像誘導手術のためのユニバーサルツールアダプタ - Google Patents

Description

本発明は、一般に手術に関し、詳細には、画像誘導手術中にツールを保持するために使用されるツールアダプタに関する。

手術中、多くの場合、手術に使用するツールを相対的に固定された状態で保持する必要がある。手術を行う外科医がツールを保持することができるが、ツールを機械的に保持することで、外科医の手を他の作業のために解放することができる。画像誘導手術中、多くの場合、患者の解剖学的構造に対して手術に使用されるツールの位置を所望の精度で追跡又は決定する必要がある。次に、ツールの画像は、ツールの追跡された位置に基づいて、患者の解剖学的構造の画像に対して外科医に表示することができる（例えば、患者の画像上で拡張されて）。

本出願に参照により組み込まれる文書は、本出願の不可欠な部分と見なされる。本明細書で明示的又は非明示的に行われた定義と矛盾する方法でこれらの組み込まれる文書に用語が定義されている場合は、本明細書の定義のみを考慮すべきである。

本発明の一実施形態は、ツールアダプタを提供し、ツールアダプタは、連結部で終端する近位端と、円形結合部を有する遠位端とを有するアダプタアームであって、円形結合部は、中心を有し、円形結合部に直交して中心を貫通する軸を規定する、アダプタアームと；ツールグリップであって、軸の周りのツールグリップの回転を可能にするように、円形結合部に回転可能に結合され、軸に沿ってツールを固定的に保持するように構成されている、ツールグリップと；から構成されている。

開示された実施形態では、ツールグリップは、コレットホルダーに収容されたコレットを含み、コレットは、圧縮時にツールを把持するように構成されている。コレットホルダーは、円形開口部によって保持され、軸線に沿って平行移動できないように構成することができる。ツールアダプタは、コレットの圧縮を実施するように、コレットホルダーにねじ込むように構成されたコレット締結ヘッドを含むことができる。

さらなる開示された実施形態では、ツールアダプタは、近位端の連結部に固定的に結合され、軸と予め設定された空間的関係にある位置マーカーを含み、位置マーカーは、位置マーカーを空間的に追跡することを可能にする光学素子を有し、位置マーカーの追跡は、ツールグリップによって保持されるツールの追跡を可能にするようになっている。

さらなる開示された実施形態では、ツールアダプタは、ツールグリップに結合され、グリップに予め設定された閾値トルクを加えるように構成されたトルク制限デバイスを含み、閾値トルクを超えた場合にツールグリップの回転が許容されるようになっている。トルク制限デバイスは、ツールグリップ内に保持され、円形開口部に対して力を及ぼすように構成された複数のピンで構成することができる。

追加の開示された実施形態では、ツールアダプタは、ツールグリップに結合され、ツールに所定の全表示心振れ（ＴＩＲ）を適用するように構成された全表示心振れ（ＴＩＲ）制御手段を含む。

本発明の一実施形態によれば、画像誘導手術を行うための方法がさらに提供され、本方法は、連結部で終端する近位端と円形結合部を含む遠位端とを有するアダプタアームを提供するステップであって、円形結合部は、中心を有し、円形結合部に直交して中心を貫通する軸を規定する、ステップと；ツールグリップを円形結合部に回転可能に結合するステップであって、ツールグリップは、軸の周りで回転できるようになっており、ツールグリップは、軸に沿ってツールを固定的に保持するように構成されている、ステップと；位置マーカーを、アダプタアームの近位端の連結部に、軸と予め設定された空間的関係で固定的に結合するステップであって、位置マーカーは、位置マーカーの追跡がツールグリップに固定されたツールの追跡をもたらすように、位置マーカーを空間的に追跡することができる光学素子を含む、ステップと；手術を行う専門家に、追跡されたツールの画像を提示するステップと；を含む。

本発明の一実施形態によれば、方法が提供され、本方法は、アダプタアームの近位端の連結部に位置マーカーを固定的に結合するステップであって、アダプタアームは、円形結合部を含む遠位端をさらに有し、円形結合部は、中心を有し、円形結合部に直交して中心を貫通する軸を規定し、連結部は、軸と予め設定された空間関係にある、ステップと；アダプタアームのツールグリップを貫通してツールを挿入するステップであって、ツールグリップは、コレットを備え、軸の周りのツールグリップの回転を可能にするように円形結合部に回転可能に結合され、ツールグリップは、軸に沿ってツールを固定的に保持するように構成されている、ステップと；コレットを圧縮するステップであって、コレットは圧縮時にツールを把持するように構成されている、ステップと；から構成される。

開示された実施形態では、本方法は、ツールの較正を可能にするために、ツールの終端を予め設定された場所に位置付けるステップを含む。また、本方法は、位置マーカー及びツールが追跡されている間に、ツールを患者に挿入するステップを含むことができる。

さらなる開示された実施形態では、コレットの圧縮は、コレット締結ヘッドを回転させるステップを含む。

さらなる開示された実施形態では、位置マーカーは、位置マーカーを空間的に追跡することを可能にする光学素子を含み、位置マーカーの追跡は、アダプタアームに固定されたツールの追跡を可能にする。

本開示は、図面を参照して、その実施形態の以下の詳細な説明からより完全に理解されることになる。

本発明の実施形態による、拡張現実システムにおけるツールアダプタの使用を概略的に示す。 本発明の一実施形態による、拡張現実アセンブリを例示する概略図である。 本発明の別の実施形態による、ヘッドアップディスプレイを例示する概略図である 本発明の一実施形態による、例示的なツールアダプタ及びツールを例示する概略図である 本発明の一実施形態による、ツールアダプタ及びツールの概略分解組立図である。 本発明の一実施形態による、ツールアダプタ及びツールの概略断面図である。 本発明の別の実施形態による、例示的なツールアダプタ及びツールを示す概略図である。 本発明の一実施形態による、拡張現実システムでツールアダプタを使用する際に実行されるステップのフローチャートである。

（概要）
拡張現実システムを使用して行われる医療処置の間、処置に使用されるツール、例えば、椎弓根スクリューに使用されるスクリュードライバーは、通常、追跡する必要があり、システムを使用して医療専門家に提示される画像は、ツール及び処置を受けている患者を正しく示すようになっている。ツールを追跡するために、通常、マーカーがツールに結合され、マーカーはシステムによって追跡される。しかしながら、スクリュードライバーのように１又は２以上の回転、あるいは部分回転を必要とするツールの場合、追跡が維持されるようにマーカーは追跡グシステムの視野内にとどまる必要がある。さらに、追跡エラーをなくすために、全表示心振れを最小にする必要がある。さらに、回転ツール又は固定ツール（すなわち、プローブ、ポインタ又はパイロットなど、通常使用中に回転しないツール）のいずれを使用する場合でも、アダプタを介してしっかりした把持力を加えて、ツールをマーカーに対して所定の位置に保持することが望まれる。

本発明の実施形態は、マーカーを有するツールアダプタをツールに取り付け、ツールとマーカーの空間的関係を変えることなく、ツールアダプタをツールの周りで回転させることができるように構成することによって、これらの問題の両方を解決する解決策を提供する。

ツールアダプタは、近位端がマーカーとの連結部で、遠位端が円形開口部で終端するアダプタアームを備える。ツールグリップは、開口部によって規定される軸の周りのツールグリップの回転を可能にするように、円形開口部に回転可能に結合され、ツールグリップは、軸に沿ってツールを固定的に保持するように構成されている。

ツールグリップは、通常、コレットホルダーに収容されたコレットを備え、コレットは、コレットが圧縮された場合にツールを把持するように構成されている。コレットを使用することで、ツールをしっかりと安定的に中心位置に保持することができる。コレットホルダーは円形開口部に保持され、コレット、コレットホルダー、円形開口部の組み合わせは、回転中にツールのシャフトが開口部の軸に沿って正確に維持され、全ての回転中に全表示心振れ（ＴＩＲ）が非常に小さいという結果をもたらす。本発明者らは、１００ミクロンのオーダーのＴＩＲを有する先行技術のシステムとは対照的に、本発明の実施形態が、１０ミクロンのオーダーのＴＩＲを有し、結果として把持されたツールの追跡精度を大幅に改善することを見出している。

（システムの説明）
以下では、全ての方向の参照（たとえば、上、下、上、下、左、右、頂部、底部、上方、下方、垂直、及び水平）は、読者が本発明を理解するのを助けるための識別目的でのみ使用され、制限的ではなく、詳細には本発明の実施形態の位置、向き、又は使用に関して制限をもたらすことはない。

ここで、本発明の一実施形態による、拡張現実システム２０におけるツールアダプタ１８の使用を概略的に示す図１を参照する。例示的に及び簡略化のために、以下の説明では、システム２０は、医療処置において医療従事者２２によって使用されると想定し、アダプタ１８は、以下でより詳細に説明するように、レンチ１８０を使用して、例えばスクリュードライバーなどの円筒形のツール１６に取り付けられる。本明細書では医療処置を想定しているが、本発明の実施形態は非医療的な状況でも使用できることを理解されたい。

システム２０は、医療従事者２２によって操作され、医療従事者は、例示的に、図２Ａに関して以下でより詳細に説明されるツールアダプタ１８を追跡する拡張現実アセンブリ２４を装着する。アセンブリ２４は、ツールホルダーを追跡することができる追跡システムの１つのタイプに過ぎず、本発明の範囲は、ツールアダプタ１８及び／又はその上に取り付けられた位置マーカー１４を追跡できる何らかの追跡システムを備えることを理解されたい。

アセンブリ２４は、特に、視線７４によって示される視野を有し、可視スペクトル及び／又は赤外線（ＩＲ）スペクトルなどの非可視スペクトルでの画像を取得するように構成された、本明細書ではカメラ７２とも呼ばれる画像取得デバイス７２を備える。アセンブリ２４と、システム２０、プロセッサ２６、及びデバイス７２の機能とは、以下に説明される。拡張現実アセンブリ２４と同様のアセンブリ、及びその動作は、Ｂｅｎｉｓｈｔｉらの米国特許第９，９２８，６２９号に記載されており、その開示内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

アセンブリ２４は、専門家２２上の多数の異なる保持構造に装着するために組み込むことができるが、本図では、保持構造は、眼鏡と同類であると想定される。拡張現実技術の当業者は、システム２０のユーザが装着するヘッドセットに統合されるヘッドアップディスプレイへの拡張現実アセンブリの組み込みなどの、他の可能性のある構造を認識しており、そのような構造は全て、本発明の範囲に含まれると想定される。別の例示的なヘッドアップディスプレイは、図２Ｂを参照して、以下に説明される。

システム２０は、プロセッサ２６を備え、プロセッサ２６の全体的な制御下にある。１つの実施形態では、プロセッサ２６は、独立型コンピュータ２８内に組み込まれると想定され、プロセッサは、典型的には、図１に示されるように、アセンブリ２４を含むシステムの他の要素と無線通信を行う。代替的に又は追加的に、プロセッサ２６は、通信のために光及び／又は導電ケーブルを使用することができる。さらなる別の実施形態では、プロセッサ２６は、アセンブリ２４の中、又はアセンブリのマウントに統合される。プロセッサ２６は、典型的には、システム２０によって使用される画像及び他の視覚要素が格納されたデータベース４０にアクセスすることができる。プロセッサ２６がシステム２０を作動させることを可能にするソフトウェアは、例えば、ネットワークを介して、電子的形態でプロセッサにダウンロードすることができる。代替的に又は追加的に、ソフトウェアは、光学、磁気、又は電子記憶媒体などの非一次的な有形媒体で提供することができる。

ここで例示する医療処置は患者３０に対するものであり、処置中に位置マーカー１４はツールアダプタ１８に組み込まれる。後述するように、マーカー１４はプロセッサ２６によって追跡可能であり、プロセッサは、マーカーが取り付けられているツールアダプタ及びアダプタによって保持されるツール１６も追跡できるようになっている。

図２Ａは、本発明の一実施形態によるアセンブリ２４を示す概略図である。上述のように、アセンブリ２４は、例示的にフレーム５４に取り付けられた眼鏡５０として構成される。

フレーム５４には、少なくとも１つの画像取得デバイス６８及び／又は７２が取り付けられる。典型的には、デバイス６８及び／又は７２は、可視スペクトル及び／又は非可視スペクトルでのマーカー１４の画像を含む、専門家の目で見ているシーンの画像を取得するように構成されたカメラを備える。

上述のようにアセンブリ２４は、カメラ７２を備え、このカメラは、アセンブリ２４の前方にあるマーカー１４を含むシーンの要素の画像を取得するように構成されている。画像は、カメラ７２によって検出されるスペクトル内の、プロジェクタ７３によって投射された放射線から生成される。プロジェクタ７３は、カメラ７２に近接して配置され、プロジェクタからの逆反射放射線は、カメラ７２によって取得されるようになっている。カメラは、典型的には、手術用照明によって投射されるような他の放射線を遮断するように構成されたバンドパスフィルタを有する。典型的には、カメラ７２及びプロジェクタ７３は、近赤外スペクトルのようなスペクトルの非可視領域で動作する。以下に説明するように、少なくともいくつかの逆反射放射線は、典型的にはマーカー１４から受け取り、プロセッサ２６は、受け取った放射線からカメラ７２が生成したマーカーの画像を使用してマーカーを追跡し、結果としてアダプタ１８とツール１６の位置及び向きを追跡する。

図２Ｂは、本発明の実施形態によるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）７００を例示する概略図である。ＨＵＤ７００は、専門家２２によって装着され、アセンブリ２４（図１）の代わりに使用することができる。ＨＵＤ７００は、赤外線カメラ７０８を組み込む光学系ハウジング７０４を備える。また、ハウジング７０４は、赤外線透明窓７１２を備え、ハウジングの中には、すなわち窓の後方には、１又は２以上の赤外線プロジェクタ７１６が取り付けられている。ハウジング７０４には一対の拡張現実ディスプレイ７２０が取り付けられており、拡張現実ディスプレイ７２０は、専門家２２がディスプレイを通して患者３０の一部又は全部などの実体を見ることを可能にすると共に、データベース４０から受け取ることができる画像又は他の何らかの情報を専門家に提示するように構成されている。

ＨＵＤは、プロセッサハウジング７２６に取り付けられたプロセッサ７２４を含み、プロセッサ７２４はＨＵＤの各要素を動作させる。プロセッサ７２４は、典型的には、アンテナ７２８を介してプロセッサ２６と通信するが、いくつかの実施形態では、プロセッサ７２４は、プロセッサ２６によって実行される機能の一部を実行することができ、他の実施形態では、プロセッサ２６に完全に取って代わることができる。

ＨＵＤ７００の前面には、フラッシュライト７３２取り付けられている。フラッシュライトは、専門家２２がディスプレイ７２０を通して対象物を明確に見ることができるように、可視スペクトル光を対象物に投射する。ヘッドアップディスプレイの各要素は、典型的には、バッテリケーブル入力７３６を介して要素に電力を供給するバッテリ（図示せず）により電力供給される。
ＨＵＤ７００は、ヘッドストラップ７４０によって専門家２２の頭部の所定の位置に保持され、専門家は、調整ノブ７４４によってヘッドストラップを調整することができる。

図３は、本発明の一実施形態による、例示的なツールアダプタ１８及びツール１６を示す概略図であり、図４は、ツールアダプタ及びツールの概略分解組立図であり、図５は、ツールアダプタ及びツールの概略断面図である。ツールアダプタ１８は、アダプタアーム１０２から形成され、アダプタアームは、アームの上端又は遠位端において、本明細書では円形開口部１０４とも呼ばれる円形結合部１０４で終端し、アームの下端又は近位端において、アームをマーカー１４に固定的に連結する連結部１１０で終端する。マーカー１４と同様のマーカーは、Ｍｅｓｓｉｎｇｅｒらの米国特許出願番号１６／１９９，２８１号に記載されており、これは、参照により本明細書に組み込まれる。

開示された実施形態では、アーム１０２は単一のユニットとして形成される。しかしながら、他の実施形態では、アーム１０２は、一緒に固定的に結合された２又は３以上のユニットとして形成することができる。例えば、開口部１０４は、アーム１０２の残部とは別のユニットとして形成することができ、開口部は、アームの残部に対して何らかの好都合な手段によって固定的に結合することができる。

ツールグリップ３２は、以下でより詳細に説明されるように、ツール１６を固定的に保持し、ツールグリップは、円形開口部１０４に回転可能に結合され、ツール１６は、グリップが回転すると開口に対して回転するようになっている。

円形開口部１０４は、典型的には１０ｍｍから５０ｍｍの範囲の直径を有する内部円筒表面１０６を備え、この表面は開口部の対称軸１１４を画定する。ツールグリップ３２は、内部円筒表面１０６の直径よりもわずかに小さい直径を有して開口部１０４に嵌合する外部円筒表面１１２を有する剛性コレットホルダー１２０を備える。後述する場合を除き、コレットホルダー１２０は、開口部１０４の中で自由に回転することができる。

コレットホルダー１２０を開口部１０４に組み付けた後、ホルダーは、軸線１１４に沿って平行移動できないように、上側円形ワッシャ１３０及び下側ロックナット１３２によって保持される。ロックナット１３２は、その形状及びそれが形成される材料により、ワッシャとして機能する。ワッシャ及びナットは、典型的には、ＰＥＥＫのような低摩擦材料から形成され、摩擦ベアリングとして機能し、ホルダーが軸の周りに回転するのを可能にしながら、ホルダーが軸１１４に沿って平行移動するのを防止する。上側ワッシャ１３０は、表面１１２に固定的に形成された円形突出リッジ１３６と開口部１０４の上縁１４０との間で所定位置に保持される。

下側ロックナット１３２は、ねじ切りされ、ホルダー１２０のねじ切りされた下側領域１４４と嵌合するように構成され、開口部１０４の下縁１４８と嵌合するように寸法決めされる。下側ロックナットは、ナットと領域１４４との間の接着剤によって、及び領域１４４にねじ留めされる止めねじ１５２を用いて、領域１４４の所定位置に保持される。ロックナットを所定位置に保持するための止めねじ１５２以外の機構、例えば、ダウエルピンは、当業者に周知であり、全てのそのような機構は、本発明の範囲内で含まれると想定される。

以下に説明するように、いくつかの実施形態では、ロックナットは、コレットホルダー１２０の周りのアーム１０２の回転自由度を制御された方法で制限するために使用することができる。

コレット１５０は、コレットホルダー１２０の中に嵌合する。コレット１５０は、円筒形の上側外側部分１５４、及び円錐形の下側外側部分１５８を有する。また、コレット１５０は、コレットが圧縮されていない場合にツール１６を受け入れ、コレットが圧縮されている場合にツールを把持するように寸法決めされた中央円筒開口１６２を有する。本発明の実施形態は、コレットのセットを備え、セットの各コレットは、所定範囲の直径を有するツールを受け入れることができる。

コレットホルダー１２０は、上側内側円筒表面１６６及び下側内側円錐表面１７０を有し、２つの内側表面はコレット１５０（図５）の外側表面と嵌合するように寸法決めされている。

コレット１５０は、保持バネ１７４によってコレットホルダー内の所定位置に保持され、保持バネは、上側円筒表面１６６の専用溝に対してバネ作用を行う。コレット締結ヘッド１７８は、コレットホルダー１２０のねじ付き外面１８２にねじ込まれるように構成されている。締結ヘッド１７８は、内部でバネ１７４と嵌合するように構成されているので、ヘッドがコレットホルダーに向かって移動するように表面１８２にねじ込まれると、ヘッドは、バネ１７４を押し進め、従ってコレット１５０を押し込んで圧縮する。

コレット締結ヘッド１７８の上面には、内側円筒管体１９０が固定されており、この管体は、円筒ツール１６の外径よりも大きな内径を有する。締結ヘッド１７８の外面は、レンチ１８０によって把持できるように構成されており、レンチは、締結ヘッドを回転させることができるようになっている。例示的に、１つの実施形態では、外面は突起１９４を有し、レンチ１８０は、締結ヘッドを回転させることができるようにこの突起と嵌合する。

ツール１６が管体１９０を横切るようにアダプタ１８内に配置さると、コレット締結ヘッド１７８の回転によりコレット１５０の平坦な縁部が押し進められ、コレットが圧縮され、結果としてツール１６の把持がもたらされる。ツールがコレットによって把持されている間、アダプタアーム１０２は、ツールの周りを回転することができることを理解されたい。

上記の説明を検討すると、ツールグリップ３２は、アーム１０２及びツール１６以外に、コレットホルダー１２０並びにコレットホルダー及びコレット１５０に結合される本明細書に記載の他の要素を含むことを理解できる。

いくつかの実施形態では、アーム１０２は、ロック機構２００を備える。ロック機構２００は、操作ボタン２０４を備え、この操作ボタンは、バネ及び結合ロッドを介して、機構のピン２０８を、コレットホルダー表面１１２の穴２１２のうちの１つと嵌合させる又はそこから離脱させるように切り替えるように構成される。ロック機構の使用は、レンチ１８０が締結ヘッド１７８を回転させる間に、ツールの中心軸の周りのコレットホルダー１２０の自由回転を防止することによって、ツール１６のツールアダプタ１８への取り付けを容易にする。

いくつかの実施形態では、円形開口部１０４は、穴２１２と整列する穴を有する。開口部１０４の穴は、機構２００を穴２１２と整列させるために専門家２２が使用することができ、また、アダプタ１８が洗浄される場合に液体のフラッシング及び残留液体の回避を容易にすることができる。

上述のように、マーカー１４は、下側連結部１１０に固定的に取り付けられる。図示の実施形態では、マーカー１４は、マーカー１４上に形成された光学素子１２を備える。要素１２は、上側マーカーセクション１５に複数の開口２１として形成することができ、開口は、上側マーカーセクションに固定された下側マーカーセクション２３によって開口に対して所定位置に保持される逆反射シート１７によって裏打ちされる。マーカー１４は、ねじ１９によって下側連結部１１０に固定的に結合される。

要素１２は、典型的には、回転対称軸又は反射対称軸を持たないように構成されており、プロセッサ２６が、アセンブリ２４の画像取得デバイス６８及び／又はカメラ７２によって取得した要素１２の画像を含むマーカー１４の画像を使用して、マーカーを追跡するように、すなわち、アセンブリによって定義される参照フレーム内のマーカーの位置及び向きを決定するようになっている。

いくつかの実施形態では、典型的にはアダプタ１８の製作において、ロックナット１３２は、コレットホルダー１２０の周りのアーム１０２の回転自由度を制御された方法で制限するために使用することができる。この場合、ロックナットはトルク制限デバイスとして機能する。その回転に制限がない場合、処置中に専門家２２が偶発的にアームを回転させることがある。本明細書で説明するように、アームの偶発的な回転はシステム２０の機能に影響を与えないが、このような回転は望ましくない場合がある。

アームの回転に制限がない場合、ツール１６がコレット１５０によってコレットホルダー１２０に締め付けられ、ツールが水平に保持されると、アーム１０２の重量、すなわち重力によるアームへの力によって、アームが軸１１４を中心に回転して垂直な「６時」位置になることを理解されたい。上述のように、ロックナット１３２は、重力の力を打ち消すように調整することができ、ツール１６が水平に保持される場合に、アーム１０２は回転せず、同様に水平な「３時」位置にある。ロックナットは、重力によって発生するトルクを相殺するトルクを提供するように作用する。相殺トルクは、本明細書では閾値トルクとも呼ばれ、アーム１０２の回転を完全に防止するものではないが、回転は閾値トルクを超えたときにのみ生じるので、アームの偶発的な回転を制限する。

ロックナット１３２によって提供される閾値トルクは、重力によるアダプタ１８の回転を防止するが、専門家２２によるツール１６の円滑な回転を妨げる可能性のある過度の摩擦を加えないことを理解されたい。アーム及び８０ｇの質量を有し軸１１４から１００ｍｍの質量中心を有するマーカーの場合、アーム１９２に加えられる閾値トルクは、約８Ｎ・ｃｍである。

ロックナット１３２は、トルク制限デバイスとして機能することに加えて、アダプタ１８によって把持されるツールの全表示心振れ（ｔｏｔａｌ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｒｕｎｏｕｔ）（ＴＩＲ）の制御手段としても機能する。ロックナット１３２が８Ｎ／ｃｍの閾値トルクを有するように設定される場合、ＴＩＲは約６０ミクロン以下となる。

図６は、本発明の別の実施形態による、例示的なツールアダプタ４１８及びツール１６を示す概略図である。以下に説明する相違点を除けば、アダプタ４１８の動作は、アダプタ１８（図１から５）の動作と概して類似しており、アダプタ１８及び４１８の両方において同じ参照数字で示される要素は、構造及び動作において概して類似している。

アダプタ１８とは対照的に、アダプタ４１８では、コレットホルダー１２０に３つの実質的に類似するブラインドホール４２０が形成されている。ブラインドホール４２０は、軸１１４に関して対称的に分散配置分布され、軸に対して直交している。

ブラインドホール４２０には３つの実質的に類似するバネ４２８が挿入され、バネには３つの実質的に類似するピン４２４が挿入されている。各ピン４２４は、ブラインドホール４２０の直径に適合する外径を有する末端肩部４３２を有する。

加えて、図６に示されるように、挿入後、バネ及びピンは、各バネの下端がブラインドホールの基部に接触し、バネの上端が肩部４３２に接触し、肩部の露出面４３６が表面１１２からわずかに突出するように寸法決めされている。

アダプタ４１８の組み立て後、各表面４３６は、バネ４２８のパラメータ、すなわち、バネのバネ定数だけでなくその変化した長さの関数である力で開口部１０４の内側表面１０６を押す。結果として、押付け力は、開口部１０４が軸１１４の周りを回転する又は回転しようとするときに開口部１０４に摩擦力を発生させ、摩擦力は、上記で言及した閾値トルクを提供する。

閾値トルクは、適切なパラメータを有するバネを選択することによって、並びにピン４２４及び開口部１０４が形成される材料を選択することによって、上記の８Ｎ・ｃｍの値、又はこの値を上回る値もしくは下回る値に設定することができることを理解されたい。従って、これらの選択によって、必要以上の実験を行うことなく、何らかの所望の閾値トルクを実施することができる。

ツールグリップ３２を組み立てるために、最初に、バネ４２８及びピン４２４が、それらのブラインドホールに配置される。次に、ホルダアームの開口部１０４が、コレットホルダー１２０及びピン肩部４３２の上に摺動される。最後に、ロックナット１３２がホルダー１２０にねじ込まれる。

上述したように、ロックナット１３２がＴＩＲ値及び閾値トルク値を設定するように作用するアダプタ１８とは対照的に、アダプタ４１８では、２つのパラメータを独立して設定することができる。すなわち、アダプタ４１８では、ロックナット１３２はＴＩＲ値を設定するために使用され、バネ４２８及びピン４２４は閾値トルク値を設定するために使用される。

上記の説明では、軸１１４に関して対称的に分散配置される３セットのバネ４２８及びピン４２４があることが想定される。しかしながら、２、４、又は５セットのバネ及びピンなどの、軸に関して対称的に分散配置される何らかの他の好都合な複数のバネ及びピンが、トルク制限デバイスとして使用できることを理解されたい。

図７は、本発明の一実施形態による、拡張現実システム２０（図１）で開示されたツールアダプタ（例えば、ツールアダプタ１８又はツールアダプタ４１８）を使用する際に実行されるステップのフローチャートである。ステップは、専門家２２のようなアダプタのユーザによって実行することができる。

最初のステップ３００では、マーカー１４などのマーカーがツールアダプタに取り付けられる。例えば、マーカー１４は、ツールアダプタのアーム１０２の連結部１１０に取り付けることができる。別の例として、図３から６を参照して上述したように、ツールアダプタ４１８が組み立てられる。組み立ては、典型的には、上述のように、予め決定されたＴＩＲを提供するためにロックナット１３２を調整すること、及びピン４２４及びスプリング４２８を位置決めすることを含む。いくつかの実施形態では、マーカーが既にツールアダプタに取り付けられているか又はツールアダプタに組み込まれている場合には、最初のステップ３００は必要ない。

ツール挿入ステップ３０４では、ツール１６のような円筒形ツールが、アダプタのコレット（例えば、コレット１５０）の開口（例えば、開口１６２）を貫通して挿入される。ツールは、患者（例えば、患者３０）に対する上記で言及した医療処置において使用されるため、ツールは、ツール１６の先端（例えば、先端１６Ｔ）がマーカーの高さよりも下になるように挿入される。

コレット作動ステップ３０８では、コレットが圧縮される。この圧縮により、コレットはツールを把持する。例えば、レンチ１８０は、コレット１５０を圧縮するようにコレット締結ヘッド１７８を回転させるために使用され、その圧縮によりコレットはツール１６を把持する。レンチ１８０が使用されている間、上述したように、ロック機構２００は、コレット１５０の圧縮を容易にするように、コレットホルダー１２０を所定位置にロックするように作動する必要がある。

ステップ３００－３０８は、ツール及びツールアダプタを組み立てるための方法、及び／又はツールを画像誘導システムのフレームと共に又はフレーム内で医療処置中に使用できる状態にするための方法を提供する。以下のステップ３１０は、画像誘導システムを介して実行される較正ステップに言及し、ステップ３１６は、医療処置又は手術の間にツールを追跡するためのアダプタの使用に言及する。

上述したように、プロセッサ２６は、マーカー１４を追跡すること、又はマーカー１４に関する追跡情報にアクセスすること、又はその追跡情報を受け取ることができる。従って、較正ステップ３１０では、専門家２２は、ツール終端１６Ｔを所定の位置に配置し、プロセッサ２６は、マーカー１４の画像を取得する又はそれにアクセスする（例えば、カメラ６８及び／又は７３を介して）。取得した画像から、プロセッサは、マーカーの位置、すなわちその位置及び向きを計算し、マーカーの位置とツール終端１６Ｔとの間のベクトル対応関係及びツール１６の向きを形成する。すなわち、プロセッサは、マーカー位置をツール終端１６Ｔ及び軸１１４の方向に変換する。マーカーがアームに固定されているので、アーム１０２が軸１１４の周りに回転しても、ベクトル対応関係は変化しないことを理解されたい。

ツール挿入ステップ３１６において、ツール、例えばツール１６は、マーカー（例えば、マーカー１４）が追跡されながら（例えば、カメラ６８及び／又は７３、及びプロセッサ２６によって）、患者（例えば、患者３０）に挿入される。マーカーの追跡は、プロセッサに、マーカーの位置及び向き、すなわちマーカー位置を提供する。マーカー位置から、プロセッサは、ステップ３１０で又はステップ３１０に続いて見出されたベクトル対応関係を使用して、ツール終端の位置及びツールの向きを見出すことができる。プロセッサは、アセンブリ２４のようなニアアイ型アセンブリ又はヘッドマウントアセンブリにおいて正しく示された画像を提示する際に、ツールの向き及びツール終端（又は先端）の位置を使用することができる。

１つの実施形態では、ツール１６はスクリュードライバーを備え、これは、専門家２２が椎弓根スクリュー（ｐｅｄｉｃｌｅ ｓｃｒｅｗ）を調整できるように患者３０に挿入される。スクリュードライバーの回転時、プロセッサ２６は、マーカー１４が追跡されている限り、較正ステップ３１０で見出したベクトル対応関係を使用して、ドライバーの向き及びその終端を依然として追跡できることを理解されたい。

代替的に又は追加的に、処置の位置決め中に、マーカー１４が、専門家の患者の視界、及び／又は、装置６８及び／又はカメラ７２によって取得される患者の視界を妨げる場合がある。これらの事象のいずれかにおいて、及びいくつかの実施形態によれば、専門家２２は、マーカー１４がもはや視界を妨げないように、しかしマーカーが継続的に追跡されている間に、ステップ３００で加えられた閾値トルクよりも大きいトルクを加えて、軸１１４の周りでアーム１０２を回転させることができる。マーカー１４が追跡され続けるので、プロセッサは、ツールとマーカーとの間、及びツール終端とマーカーとの間の空間的関係、すなわちベクトル対応関係が、軸１１４の周りのツールアダプタの回転によって変化しないので、マーカーの新たに追跡された位置を使用して、ツール１６及びツール終端１６Ｔを追跡し続けることができる。

当業者であれば、上述したステップ３００－３１６の順番は、ステップの可能性のある順番の一例に過ぎず、ステップは、ここで与えられた順番とは異なる順番で実行することができることを理解されたい。例えば、最初のステップ３００は、コレット作動ステップ３０８の後に実行することができる。このような順番はすべて、本発明の範囲に含まれることが想定される。

上記の説明では、本明細書に記載されたツールアダプタにおいて、その軸の周りに回転させることができるツール、例えばスクリュードライバーを一例として用いたが、アダプタに使用されるツールは回転する必要がないことを理解されたい。従って、アダプタで使用されるツールは、ツール軸の周りで固定される又は非回転可能とすることができる。

上記の実施形態は例として例示されており、本発明は、上記で特に示され、説明されたものに限定されないことを理解されたい。むしろ、本発明の範囲は、上記の様々な特徴の組み合わせ及び部分的組み合わせの両方、並びに上述の記載を読んだ当業者に想起される、先行技術に開示されていないその変形及び修正を含む。

Claims (22)

1. ツールアダプタであって、
   連結部で終端する近位端と、円形開口部を含む遠位端とを有するアダプタアームであって、前記円形開口部は、中心を有し、前記円形開口部に直交して前記中心を貫通する軸を規定する、アダプタアームと、
   ツールグリップであって、コレットホルダーに収容されたコレットを備え、前記コレットは、前記軸に沿ってツールを前記ツールグリップに固定的に保持するために、圧縮時に前記ツールを把持するように構成されている、ツールグリップと、
   を備え、
   前記ツールグリップは、前記ツールグリップおよび前記固定的に保持されたツールの、前記アダプタアームに対する前記軸を中心とした回転を可能にするように、前記円形開口部に回転可能に接続されており、
   前記ツールグリップに結合され、ＴＩＲ（a total indicated runout）の値を予め決められた範囲内に制御するように構成されたＴＩＲコントローラであって、前記ＴＩＲの値は、前記ツールグリップの回転における前記軸からの前記ツールの振れ量を示す、ＴＩＲコントローラを備え、
   前記ＴＩＲコントローラは、前記円形開口部の下縁と嵌合するように構成された下側ロックナットを備える、
   ツールアダプタ。
2. 前記コレットホルダーは、前記円形開口部によって保持され、前記軸に沿って平行移動できないように構成されている、請求項１に記載のツールアダプタ。
3. 前記コレットの前記圧縮を実施するように、前記コレットホルダーにねじ込むように構成されたコレット締結ヘッドを備える、請求項１に記載のツールアダプタ。
4. 前記軸に対して予め設定された空間的関係で前記近位端の前記連結部に固定的に結合された位置マーカーを備え、前記位置マーカーは、前記位置マーカーを空間的に追跡することを可能にする光学素子を含み、前記位置マーカーの追跡は、前記ツールグリップによって保持される前記ツールの追跡を可能にするようになっている、請求項１に記載のツールアダプタ。
5. 前記ツールグリップに結合され、前記ツールグリップと前記アダプタアームとの間の閾値トルクを超えたときに、前記ツールグリップに対する前記アダプタアームの回転を許容するように構成されたトルク制限デバイスを備える、請求項１に記載のツールアダプタ。
6. 前記閾値トルクは、摩擦力を介して提供される、請求項５に記載のツールアダプタ。
7. 前記トルク制限デバイスは、前記ツールグリップ内に保持され且つ前記円形開口部に対して力を及ぼすように構成された複数のピンを備える、請求項５に記載のツールアダプタ。
8. 前記トルク制限デバイスは、前記円形開口部の前記下縁と嵌合するように構成された前記下側ロックナットを備える、請求項５に記載のツールアダプタ。
9. 前記軸を中心とした前記コレットホルダーの自由回転を防止することによって、前記ツールの前記ツールアダプタへの取り付けを容易にするように構成されたロック機構をさらに備える、請求項１に記載のツールアダプタ。
10. ツールアダプタであって、
    近位端から遠位端まで延びるアダプタアームであって、
    前記アダプタアームの前記近位端は、位置マーカーに固定的に接続するように構成されており、
    前記アダプタアームの前記遠位端は、開口部を有し、前記開口部は前記開口部に直交する軸を規定する、
    アダプタアームと、
    前記アダプタアームに対して前記軸を中心として回転できるように、前記開口部に回転可能に連結されているツールグリップであって、
    前記ツールグリップは、前記ツールグリップが前記軸を中心に前記アダプタアームに対して回転することを許容されている間、前記軸に沿って前記ツールグリップに対してツールを固定的に保持するように、前記ツールグリップが前記開口部に回転可能に連結されたときに前記ツールを受け入れるように構成されたコレットを含む、
    ツールグリップと、
    前記ツールグリップに結合され、前記ツールグリップと前記アダプタアームとの間の閾値トルクを超えたときに、前記ツールグリップに対する前記アダプタアームの回転を許容するように構成されたトルク制限デバイスと、
    を備え、
    前記トルク制限デバイスは、前記ツールグリップ内に保持され且つ前記開口部に対して力を及ぼすように構成された複数のピンを備える、
    ツールアダプタ。
11. 前記ツールグリップはさらに、前記コレットを収容するコレットホルダーと、前記コレットを前記コレットホルダーの円錐面に押し付け、前記コレットを圧縮して前記ツールを把持するように構成された締結ヘッドと、を備える、請求項１０に記載のツールアダプタ。
12. 前記コレットホルダーは、前記開口部に対して、前記軸に沿って平行移動できないように構成されている、請求項１１に記載のツールアダプタ。
13. 前記アダプタアームの前記近位端は、前記位置マーカーを前記軸と予め設定された空間的関係に維持するように構成され、前記位置マーカーは、空間的に追跡されるように構成されており、前記位置マーカーの追跡は、前記ツールグリップによって保持される前記ツールの追跡を提供する、請求項１０に記載のツールアダプタ。
14. 前記ツールは、スクリュードライバーである、請求項１０に記載のツールアダプタ。
15. 前記位置マーカーは、前記位置マーカーを空間的に追跡することを可能にする光学素子を含む、請求項１０に記載のツールアダプタ。
16. 前記軸を中心とする前記アダプタアームに対する前記ツールグリップの回転を選択的に防止するように構成されたロック機構をさらに備える、請求項１０に記載のツールアダプタ。
17. ツールアダプタであって、
    連結部で終端する近位端と、円形開口部を含む遠位端とを有するアダプタアームであって、前記円形開口部は、中心を有し、前記円形開口部に直交して前記中心を貫通する軸を規定する、アダプタアームと、
    ツールグリップであって、コレットホルダーに収容されたコレットを備え、前記コレットは、前記軸に沿ってツールを前記ツールグリップに固定的に保持するために、圧縮時に前記ツールを把持するように構成されている、ツールグリップと、
    を備え、
    前記ツールグリップは、前記ツールグリップおよび前記固定的に保持されたツールの、前記アダプタアームに対する前記軸を中心とした回転を可能にするように、前記円形開口部に回転可能に接続されており、
    前記ツールグリップに結合され、前記ツールグリップと前記アダプタアームとの間の閾値トルクを超えたときに、前記ツールグリップに対する前記アダプタアームの回転を許容するように構成されたトルク制限デバイス
    を備え、
    前記トルク制限デバイスは、前記ツールグリップ内に保持され且つ前記円形開口部に対して力を及ぼすように構成された複数のピンを備える、
    ツールアダプタ。
18. 前記コレットの前記圧縮を実施するように、前記コレットホルダーにねじ込むように構成されたコレット締結ヘッドを備える、請求項１７に記載のツールアダプタ。
19. 前記軸を中心とした前記コレットホルダーの自由回転を防止することによって、前記ツールの前記ツールアダプタへの取り付けを容易にするように構成されたロック機構をさらに備える、請求項１７に記載のツールアダプタ。
20. ツールアダプタであって、
    連結部で終端する近位端と、円形開口部を含む遠位端とを有するアダプタアームであって、前記円形開口部は、中心を有し、前記円形開口部に直交して前記中心を貫通する軸を規定する、アダプタアームと、
    ツールグリップであって、コレットホルダーに収容されたコレットを備え、前記コレットは、前記軸に沿ってツールを前記ツールグリップに固定的に保持するために、圧縮時に前記ツールを把持するように構成されている、ツールグリップと、
    を備え、
    前記ツールグリップは、前記ツールグリップおよび前記固定的に保持されたツールの、前記アダプタアームに対する前記軸を中心とした回転を可能にするように、前記円形開口部に回転可能に接続されており、
    前記ツールグリップに結合され、前記ツールグリップと前記アダプタアームとの間の閾値トルクを超えたときに、前記ツールグリップに対する前記アダプタアームの回転を許容するように構成されたトルク制限デバイス
    を備え、
    前記トルク制限デバイスは、前記円形開口部の下縁と嵌合するように構成された下側ロックナットを備える、
    ツールアダプタ。
21. 前記コレットの前記圧縮を実施するように、前記コレットホルダーにねじ込むように構成されたコレット締結ヘッドを備える、請求項２０に記載のツールアダプタ。
22. 前記軸を中心とした前記コレットホルダーの自由回転を防止することによって、前記ツールの前記ツールアダプタへの取り付けを容易にするように構成されたロック機構をさらに備える、請求項２０に記載のツールアダプタ。

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