JP6472757B2 - 見通し線エラーを示し、かつ低減させるためのナビゲーションシステムおよび方法 - Google Patents

Description

［関連出願］
本願は、２０１３年１月１６日に出願された米国仮特許出願第６１／７５３，２１９号の優先権および利得を主張するものであり、その内容は、参照することによって、その全体がここに含まれるものとする。

［発明の分野］
本開示は、一般的に、１つまたは複数の対象物を追跡しているときの見通し線エラーを示し、かつ低減させるためのナビゲーションシステムおよび方法に関する。

ナビゲーションシステムは、対象物を位置付ける際にユーザーを支援するものである。例えば、ナビゲーションシステムは、工業用途、航空宇宙用途、防衛用途、および医療用途に用いられている。医療分野では、ナビゲーションシステムは、外科用器具を患者の解剖学的構造に対して配置する際に外科医を支援している。ナビゲーションシステムを用いる外科手術の例として、神経外科手術および整形外科手術が挙げられる。典型的には、器具および解剖学的構造が、ディスプレイ上に示されたそれらの相対運動によって、一緒に追跡されるようになっている。

ナビゲーションシステムは、対象物の位置および／または方位を追跡するために、光信号、音波、磁場、高周波信号、などを用いることができる。多くの場合、ナビゲーションシステムは、追跡される対象物に取付けられた追跡装置を備えている。追跡装置の位置を決定し、最終的に対象物の位置および／または方位を決定するために、定位装置が、追跡装置上の追跡素子と協働するようになっている。ナビゲーションシステムは、追跡装置を介して、対象物の運動を監視している。

多くのナビゲーションシステムは、追跡素子と追跡素子から追跡信号を受信するセンサとの間の遮られない見通し線に依存している。見通し線が遮られると、追跡素子から送信された追跡信号が、センサによって受信されないことになる。その結果、エラーが生じる可能性がある。典型的には、このような場合、ナビゲーションが中断され、見通し線が回復するかまたはシステムがリセットされるまで、エラーメッセージがユーザーに送られるようになっている。医療分野では、多くの場合、エラーメッセージは、外科医から遠く離れたモニター上に表示されるので、外科医がエラーに気付き、タイミングよく該エラーを修正することが困難である。これよって、外科手術手順に遅れが生じる可能性がある。

このような事情から、当技術分野において、見通し線の問題を迅速に確認し、それほど大きな遅れをもたらすことなく、該問題を解決することができるナビゲーションシステムおよび方法が必要とされている。また、当技術分野において、見通し線を良くし、追跡素子とセンサとの間の見通し線に対する障害物に付随して生じ得るエラーを低減させるのを助長するナビゲーションシステムおよび方法も必要とされている。

一実施形態では、対象物を追跡するためのナビゲーションシステムが提供されている。ナビゲーションシステムは、追跡信号を送信するための追跡素子を備えている。対象物の位置を決定するために追追跡素子から追跡信号を受信するセンサが、設けられている。追跡素子およびセンサの一方は、対象物に取付け可能になっている。また、エラー指示計が、対象物に取付け可能になっている。エラー指示計は、センサが追跡素子から追跡信号を受信するときのエラーを示すものである。エラー指示計は、第１の発光素子および第２の発光素子を備えている。センサが追跡信号を追跡素子から受信したかどうかを、コンピュータシステムが判断する。また、コンピュータシステムは、もしセンサが追跡信号を受信しなかったなら、エラー信号を生成し、エラー信号の生成に応じて、第１の発光素子を作動させる。さらに、コンピュータシステムは、エラー信号の生成に応じて、第２の発光素子を作動停止させる。

対象物を追跡するための方法も提供されている。この方法は、追跡素子およびセンサの一方を対象物に取り付けることを含んでいる。また、この方法は、追跡信号を追跡素子から送信し、センサが追跡信号を追跡素子から受信したかどうかを判断することも含んでいる。もしセンサが追跡信号を受信しなかったなら、エラー信号が生成される。第１の発光素子がエラー信号に応じて作動され、第２の発光素子がエラー信号に応じて作動停止される。

このナビゲーションシステムおよび方法の１つの利点は、エラーが追跡される対象物上において直接確認されることである。その結果、ユーザーは、信号送信の問題を良好に特定することができ、それほど大きい遅れをもたらすことなく、該課題を修正することができる。また、場合によっては、指示計を追跡される対象物上に配置することによって、エラーメッセージが遠く離れたモニター上に表示される場合と比較して、ユーザーがエラーに気付く可能性が大きくなる。

他の実施形態では、対象物を追跡している間の見通し線の問題を低減させるナビゲーションシステムが提供されている。ナビゲーションシステムは、追跡装置を備えている。追跡装置は、対象物に取付け可能な基部と、追跡素子と、追跡素子を所望の方位に配置させるために基部に対する追跡素子の少なくとも１自由度の運動を可能にするように追跡素子を基部に連結するコネクタと、を備えている。コンピュータシステムが、追跡素子が所望の方位にあるかどうかを判断し、もし追跡素子が所望の方位にないなら、追跡素子を基部に対して少なくとも１自由度で移動させるようにユーザーに指示する。

また、対象物を追跡するようにナビゲーションシステムを設定するための方法であって、ナビゲーションシステムは、コンピュータシステムと、基部、追跡素子、およびコネクタを備える追跡装置とを備えている、方法が提供されている。この方法は、基部を対象物に取り付けることと、追跡素子が所望の方位にあるかどうかを判断することと、を含んでいる。ユーザーは、もし追跡要素が所望の方位にないなら、追跡素子を基部に対して少なくとも１自由度で移動させるように、指示される。

このナビゲーションシステムおよび方法の１つの利点は、追跡装置の設定中に、追跡装置が所望の方位に配置されるようにユーザーを案内することである。例えば、所望の方位は、ナビゲーションシステムのセンサのような他の装置に対する必要な見通し線を追跡装置にもたらす方位であるとよい。

本発明の利点は、本発明が添付の図面と関連して以下の詳細な説明を参照することによって良好に理解されたなら、容易に分かるだろう。

ロボットマニピュレータと併せて用いられる本発明のナビゲーションシステムの斜視図である。 ナビゲーションシステムの概略図である。 ナビゲーションシステムに用いられる座標系の概略図である。 追跡装置の分解図である。 図４の追跡装置の立面図である。 図４の追跡装置の上面図である。 骨プレートの斜視図である。 骨プレートの上面である。 図８の線９−９に略沿って切断された骨プレートの断面図である。 図９の拡大図である。 骨ネジの斜視図である。 骨ネジの立面図である。 骨ネジの中心に沿って切断された骨ネジの断面図である。 図１３の拡大図である。 図１２の骨ネジの端面図である。 延長アームの立面図である。 延長アームの中心に沿って切断された延長アームの断面図である。 延長アームの後面図である。 延長アームの上面図である。 図１７の拡大図である。 骨に取付けられた状態で示されている図４のトラッカーアセンブリの立面図である。 追跡ヘッドの斜視図である。 コネクタの斜視図である。 コネクタの上面図である。 図２４の線２５−２５に略沿って切断されたコネクタの断面図である。 図２４の線２６−２６に略沿って切断されたコネクタの断面図である。 代替的追跡ヘッドの斜視図である。 さらに他の代替的追跡ヘッドの斜視図である。 光リングの斜視図である。 ナビゲーションシステムの概略図である。 ２つの指示用ＬＥＤの電気配線図である。 ４つの追跡用ＬＥＤの電気配線図である。 重力に対して異なる傾斜位置にある追跡ヘッドの概略図である。 異なる回転位置にある追跡ヘッドの概略図である。 スクリュードライバーの斜視図である。 スクリュードライバーの中心に沿って切断したスクリュードライバーの断面図である。 ノーズチューブの斜視図である。 ノーズチューブの中心に沿って切断したノーズチューブの断面図である。 図３８の線３９−３９に略沿って切断したノーズチューブの断面図である。 中間チューブの斜視図である。 中間チューブの中心に沿って切断した中間チューブの断面図である。 後キャップの斜視図である。 後キャプの中心に沿って切断した後キャップの断面図である。 ハンマーの斜視図である。 ハンマーの立面図である。 図４５の線４６−４６に略沿って切断したハンマーの断面図である。 トリガー部材の端面図である。 トリガー部材の中心に沿って切断したトリガー部材の断面図である。 バネキャップの断面図である。 駆動ロッドの立面図である。 図５０の線５１−５１に略沿って切断した駆動ロッドの断面図である。

図１を参照すると、ナビゲーションシステム２０が示されている。医療施設の手術室のような外科手術環境におけるナビゲーションシステム２０が示されている。ナビゲーションシステム２０は、手術室内の種々の対象物の運動を追跡するために設置されている。このような対象物として、例えば、外科用器具２２、患者の大腿骨Ｆ、および患者の頸骨Ｔが挙げられる。ナビゲーションシステム２０は、外科医に対するこれらの対象物の相対的な位置および方位を表示する目的で、場合によっては、所定の経路または解剖学的境界に対する外科用器具２２の運動を制御または拘束する目的で、これらの対象物を追跡するようになっている。

ナビゲーションシステム２０は、ナビゲーションコンピュータ２６を収容するコンピュータカートアセンブリ２４を備えている。ナビゲーションインターフェイスが、ナビゲーションコンピュータ２６と操作可能に連通している。ナビゲーションインターフェイスの例として、無菌領域の外側に配置されるように構成された第１のディスプレイ２８と、無菌領域の内側に配置されるように構成された第２のディスプレイ２９が挙げられる。ディスプレイ２８，２９は、コンピュータカートアセンブリ２４に調整可能に取り付けられている。マウスおよびキーボードのような第１および第２の入力装置３０，３２を用いて、情報をナビゲーションコンピュータ２６に入力するかまたはナビゲーションコンピュータ２６のいくつかの態様を選択／制御することができる。ディスプレイ２８，２９上のタッチスクリーン（図示せず）または音声駆動装置を含む他の入力装置も考えられる。

定位装置３４が、ナビゲーションコンピュータ２６と連通している。図示されている実施形態では、定位装置３４は、光学的定位装置であり、（検出装置とも呼ばれる）カメラユニット３６を備えている。カメラユニット３６は、１つまたは複数の位置センサ４０を収容する外側ケーシング３８を有している。いくつかの実施形態では、少なくとも２つ、好ましくは、３つの光学センサ４０が用いられている。これらの光学センサ４０は、３つの独立した電荷結合素子（ＣＣＤ）であるとよい。一実施形態では、３つの一次元ＣＣＤが用いられている。他の実施形態では、各々が独立した１つまたは２つ以上のＣＣＤを有する個別のカメラユニットが、手術室の周辺に配置されていてもよいことを理解されたい。ＣＣＤは、赤外線（ＩＲ）信号を検出するようになっている。

理想的には障害物によって遮られることなく、以下に述べるトラッカーの視野内に入るように光学センサ４０を位置決めするために、カメラユニット３６は、調整可能なアームに取り付けられている。

カメラユニット３６は、光学センサ４０から信号を受信するために、光学センサ４０に連通するカメラ制御装置４２を備えている。カメラ制御装置４２は、有線接続または無線接続（図示せず）のいずれかを介してナビゲーションコンピュータ２６に連通している。このような接続の１つは、高速通信およびアイソクロナス実時間データ転送のためのシリアルバスインターフェイス標準であるＩＥＥＥ１３９４インターフェイスであるとよい。また、この接続は、個別企業特有のプロトコルを用いることもできる。他の実施形態では、光学センサ４０は、ナビゲーションコンピュータ２６と直接連通していてもよい。

位置および方位に関する信号および／またはデータは、対象物を追跡する目的でナビゲーションコンピュータ２６に送信される。コンピュータカートアセンブリ２４、ディスプレイ２８、およびカメラユニット３６は、２０１０年５月２５日にMalackowskiらに刊行された「外科システム」と題する米国特許第７，７２５，１６２号に記載されているものと同様であるとよい。この文献は、参照することによって、ここに含まれるものとする。

ナビゲーションコンピュータ２６は、パーソナルコンピュータであってもよいし、またはラップトップコンピュータであってもよい。ナビゲーションコンピュータ２６は、ディスプレイ２８，２９、中央処理ユニット（ＣＰＵ）および／または他のプロセッサ、メモリ（図示せず）、および記憶装置（図示せず）を有している。ナビゲーションコンピュータ２６には、以下に述べるようなソフトウエアがロードされる。このソフトウエアは、カメラユニット３６から受信した信号を追跡されている対象物の位置および方位を表すデータに変換するものである。

ナビゲーションシステム２０は、ここではトラッカーとも呼ばれる複数の追跡装置４４，４６，４８を備えている。図示されている実施形態では、１つのトラッカー４４は、患者の大腿骨Ｆに固定して取り付けられており、他のトラッカー４６は、患者の頸骨Ｔに固定して取り付けられている。トラッカー４４，４６は、骨の区域に固定して取り付けられている。トラッカー４４，４６は、米国特許第７，７２５，１６２号に示されているような方法によって大腿骨Ｆおよび頸骨Ｔに取り付けられているとよい。この文献は、参照することによって、ここに含まれるものとする。他の取付け方法については、以下にさらに説明する。さらなる実施形態では、トラッカー（図示せず）は、膝蓋骨の位置および方位を追跡するために、膝蓋骨に取り付けられている、さらに他の実施形態では、トラッカー４４，４６は、他の種類の組織または解剖学的構造の他の部分に取り付けられていてもよい。

器具トラッカー４８は、外科用器具２２に固定して取り付けられている。器具トラッカー４８は、製造中に外科用器具２２に一体化されていてもよいし、または外科手術手順の準備中に外科用器具２２に個別に取付けられてもよい。追跡される外科用器具２２のワーク端は、回転バール、電気融除装置、などであるとよい。

トラッカー４４，４６，４８は、内部電池によって電力供給されるバッテリであってもよいし、またはカメラユニット３６と同様、好ましくは、外部電力を受給するナビゲーションコンピュータ２６を介して受電するリード線を有していてもよい。

図示されている実施形態では、外科用器具２２は、外科用マニピュレータのエンドエフェクタである。このような構成は、２０１３年８月２日に出願された「外科用器具を多重モードで制御することができる外科用マニュピュレータ」と題する米国特許出願第１３／９５８，０７０号に示されている。この文献の開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。

他の実施形態では、外科用器具２２は、どのような切断ガイド、ジブ、またはマニピュレータまたはロボットのような他の拘束機構を用いることなく、ユーザーの手のみによって手動で位置決めされてもよい。このような外科用器具は、２０１２年８月３１日に出願された「ハウジング、ハウジングから延在する切断付属具、およびハウジングに対する切断付属具の位置を定めるアクチュエータを備える外科用器具」と題する米国特許出願第１３／６００，８８８号に記載されている。この文献の開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。

定位装置３４の光学センサ４０は、トラッカー４４，４６，４８から光信号を受信するようになっている。図示されている実施形態では、トラッカー４４，４６，４８は、能動トラッカーである。この実施形態では、各トラッカー４４，４６，４８は、光信号を光学センサ４０に送信するための少なくとも３つの能動追跡素子またはマーカー５０を有している。能動マーカー５０は、例えば、赤外線のような光を送信する発光ダイオード（ＬＥＤ）５０とすることができる。光学センサ４０は、好ましくは、１００Ｈｚ以上、さらに好ましくは、３００Ｈｚ以上、最も好ましくは、５００Ｈｚ以上のサンプリング周波数を有している。いくつかの実施形態では、光学センサ４０は、１０００Ｈｚのサンプリング周波数を有している。サンプリング周波数は、光学センサ４０が連続的に作動されるＬＥＤ５０から受信する光信号の周波数である。いくつかの実施形態では、ＬＥＤ５０からの光信号は、各トラッカー４４，４６，４８に対して異なる周波数で放射されるようになっている。

図２を参照すると、ＬＥＤ５０の各々は、関連するトラッカー４４，４６，４８のハウジング（図示せず）内に配置されたトラッカー制御装置６２に接続されている。トラッカー制御装置６２は、ナビゲーションコンピュータ２６に対してデータを送信／受信するものである。一実施形態では、トラッカー制御装置６２は、有線接続を介して、約数メガバイト／秒のデータをナビゲーションコンピュータ２６に送信するようになっている。他の実施形態では、無線接続が用いられてもよい。これらの実施形態では、ナビゲーションコンピュータ２６は、トラッカー制御装置６２からデータを受信する送受信機（図示せず）を有している。

他の実施形態では、トラッカー４４，４６，４８は、カメラユニット３６から放射された光を反射する反射器のような受動マーカー（図示せず）を有していてもよい。反射された光は、光学センサ４０によって受信される。能動マーカー構成および受動マーカー構成は、当技術分野においてよく知られている。

トラッカー４４，４６，４８の各々は、トラッカー４４，４６，４８の角速度を測定する３次元ジャイロセンサ６０も備えている。当業者によく知られているように、ジャイロセンサ６０は、ジャイロ座標系のｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に対する角速度を表す測定値を出力するものである。ジャイロ座標系のｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の各々に対する度（°）／秒の測定値を得るために、これらの測定値に対して製造業者によって規定された変換定数が掛けられる。これらの測定値は、ラジアン／秒の単位で表わされる角速度ベクトルに変換することができる。

ジャイロセンサ６０によって測定された角速度は、トラッカー４４，４６，４８を追跡するための追加的な非光学的運動データをナビゲーションシステム６０にもたらすことになる。ジャイロセンサ６０は、トラッカー４４，４６，４８の各座標系の軸に沿って配向されているとよい。他の実施形態では、各ジャイロ座標系は、ジャイロデータがトラッカー４４，４６，４８の座標系のｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に対する角速度を反映すべく、該当するトラッカー座標系に変換されるようになっている。

トラッカー４４，４６，４８の各々は、３軸加速度計７０も備えている。加速度計７０は、加速度座標系のｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の各々に沿った加速度を測定するものである。加速度計７０は、トラッカー４４，４６，４８を追跡するための追加的な非光学的データをナビゲーションシステム２０にもたらすことになる。

加速度計７０は、トラッカー４４，４６，４８の各座標系の軸に沿って配向されているとよい。他の実施形態では、各加速度計座標系は、加速度計データがトラッカー４４，４６，４８の座標系のｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に対する加速度を反映すべく、該当するトラッカー座標系に変換されるようになっている。

ジャイロセンサ６０および加速度計７０の各々は、関連するトラッカーのハウジング内に配置されたトラッカー制御装置６２に連通している。トラッカー制御装置６２は、データをナビゲーションコンピュータ２６に対して送信／受信するものである。このデータは、有線接続または無線接続のいずれかを介して受信可能になっている。

ナビゲーションコンピュータ２６は、ナビゲーションプロセッサ５２を備えている。カメラユニット３６は、トラッカー４４，４６，４８のＬＥＤ５０から光学信号を受信し、定位装置３４に対するトラッカー４４，４６，４８のＬＥＤ５０の位置に関する信号および／またはデータをプロセッサ５２に出力するものである。ジャイロセンサ６０は、ジャイロセンサ６０によって測定された３次元角速度に関する非光学信号をプロセッサ５２に送信するものである。受信した光学信号および非光学信号に基づいて、ナビゲーションプロセッサ５２は、定位装置３４に対するトラッカー４４，４６，４８の相対的な位置および方位を表すデータを生成するものである。

ナビゲーションプロセッサ５２は、ナビゲーションコンピュータ２６の操作を制御する１つまたは複数のプロセッサを含むことができることを理解されたい。これらのプロセッサは、どのような種類のマイクロプロセッサまたは多重プロセッサシステムであってもよい。「プロセッサ」という用語は、単一プロセッサに制限されることを意図していない。

外科手術手順の開始の前、追加的なデータがナビゲーションプロセッサ５２にロードされる。トラッカー４４，４６，４８の位置および方位ならびに予めロードされたデータに基づいて、ナビゲーションプロセッサ５２は、外科用器具２２のワーク端の位置およびワーク端が押し付けられる組織に対する外科要器具２２の方位を決定する。いくつかの実施形態では、ナビゲーションプロセッサ５２は、これらのデータをマニピュレータ制御装置５４に送信する。マニピュレータ制御装置５４は、このデータを用いて、２０１３年８月２日に出願された「外科用器具を多重モードで制御することができる外科用マニピュレータ」と題する米国特許出願第１３／９５８，０７０号に記載されているように、ロボットマニピュレータ５６を制御することができる。この文献の開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。

また、ナビゲーションプロセッサ５２は、外科部位に対する外科用器具のワーク端の相対位置を示す画像信号も生成する。これらの画像信号は、ディスプレイ２８，２９に送られる。ディスプレイ２８，２９は、これらの信号に基づいて、外科医およびスタッフが外科部位に対する外科用器具のワーク端の相対位置を見ることができる画像を生成する。前述したように、ディスプレイ２８，２９は、指令の入力を可能にするタッチスクリーンまたは他の入力／出力装置を備えているとよい。

図３を参照すると、対象物の追跡は、概して、定位装置座標系ＬＣＬＺに基づいて行なわれる。定位装置座標系は、原点および方位（ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の組合せ）を有している。

追跡されている各トラッカー４４，４６，４８および対象物も、定位装置座標系ＬＣＩＺとは別の独自の座標系を有している。ナビゲーションシステム２０の独自の座標系を有する構成要素は、骨トラッカー４４，４６および器具トラッカー４８である。これらの座標系は、それぞれ、骨トラッカー座標系ＢＴＲＫ１，ＢＴＲＫ２、および器具トラッカー座標系ＴＬＴＲとして表わされている。

ナビゲーションシステム２０は、骨に固定して取り付けられた骨トラッカー４４，４６の位置を監視することによって、患者の大腿骨Ｆおよび頸骨Ｔの位置を監視する。大腿骨座標系は、ＦＢＯＮＥであり、頸骨座標系は、ＴＢＯＮＥであり、これらは、骨トラッカー４４，４６が固定して取り付けられた骨の座標系である。

手術手順の開始の前に、大腿骨Ｆおよび頸骨Ｔ（他の実施形態では、他の組織）の術前画像が生成される。これらの画像は、患者の解剖学的構造の磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）スキャン、放射線スキャン、またはコンピュータ断層（ＣＴ）スキャンに基づいているとよい。これらの画像は、当技術分野においてよく知られている方法によって、大腿骨座標系ＦＢＯＮＥおよび頸骨座標系ＴＢＯＮＥにマッピングされる。一実施形態では、（参照することによって、ここに含まれる）Malackowskiらに付与された米国特許第７，７２５，１６２号に開示されているような独自のトラッカーＰＴを有するポインター器具Ｐ（図２参照）を用いて、大腿骨座標系ＦＢＯＮＥおよび頸骨座標系ＴＢＯＮＥを術前画像にマッピングするとよい。これらの画像は、大腿骨座標系ＦＢＯＮＥおよび頸骨座標系ＴＢＯＮＥに固定されることになる。

手術手順の最初の過程において、骨トラッカー４４，４６は、患者の骨に固定して取付けられる。座標系ＦＢＯＮＥおよびＴＢＯＮＥの姿勢（位置および方位）は、それぞれ、座標系ＢＴＲＫ１およびＢＴＲＫ２にマッピングされる。骨とそれらの骨トラッカー４４，４６との間のこの固定された関係によって、座標系ＦＢＯＮＥおよびＴＢＯＮＥは、それぞれ、手術手順の全体を通して、座標系ＢＴＲＫ１およびＢＴＲＫ２に対して固定されることになる。姿勢を表すデータは、マニピュレータ制御装置５４およびナビゲーションプロセッサ５２の両方と一体のメモリに記憶される。

（エネルギー付与装置遠位端とも呼ばれる）外科用器具２２のワーク端は、独自の座標系ＥＡＰＰを有している。座標系ＥＡＰＰの原点は、例えば、外科用切断バールの中心軌跡を表しているとよい。座標系ＥＡＰＰの姿勢は、手術手順が開始する前に、器具トラッカー座標系ＴＬＴＲの姿勢に固定される。従って、これらの座標系ＥＡＰＰ，ＴＬＴＲの互いに対する姿勢が、決定されることになる。姿勢を表すデータは、マニピュレータ制御装置５４およびナビゲーションプロセッサ５２の両方と一体のメモリに記憶される。

図２を参照すると、定位エンジン１００は、ナビゲーションシステム２０の判断部分であるソフトウエアモジュールである。定位エンジン１００の構成要素は、ナビゲーションプロセッサ５２上で作動する。いくつかの態様では、定位エンジン１００は、マニピュレータ制御装置５４上で作動するようになっていてもよい。

定位エンジン１００は、カメラ制御装置４２からの光学的信号およびトラッカー制御装置６２からの非光学的信号を入力として受信する。これらの信号に基づき、定位エンジン１００は、定位装置座標系ＬＣＬＺにおける骨トラッカー座標系ＢＴＲＫ１およびＢＴＲＫ２の姿勢を決定する。器具トラッカー４８に対して受信した同じ信号に基づき、定位エンジン１００は、定位装置座標系ＬＣＬＺにおける器具トラッカー座標系ＴＬＴＲの姿勢を決定する。

定位エンジン１００は、トラッカー４４，４６．４８の姿勢を表す信号を座標変換装置１０２に転送する。座標変換装置１０２は、ナビゲーションプロセッサ５２上で作動するナビゲーションシステムソフトウエアモジュールである。座標変換装置１０２は、患者の術前画像と患者トラッカー４４，４６との間の関係を定めるデータを参照する。また、座標変換装置１０２は、器具トラッカー４８に対する外科用器具２２のワーク端の姿勢を表すデータを記憶している。

手術手順中に、座標変換装置１０２は、定位位置３４へのトラッカー４４，４６，４８の相対姿勢を示すデータを受信する。これらのデータおよび予めロードされたデータに基づき、座標変換装置１０２は、定位装置座標系ＬＣＬＺに対する座標系ＥＡＰＰおよび骨座標系ＦＢＯＮＥおよびＴＢＯＮＥの両方の相対的な位置および方位を示すデータを生成する。

その結果、座標変換装置１０２は、器具ワーク端が押し付けられる組織（例えば、骨）に対する外科用器具２２のワーク端の位置および方位を示すデータを生成することになる。これらのデータを表す画像信号は、ディスプレイ２８，２９に送信され、外科医およびスタッフは、この情報を見ることができる。いくつかの実施形態では、これらのデータを表す他の信号が、マニピュレータ５６および外科用器具２２の対応する運動を制御するために、マニピュレータ制御装置５４に送信されてもよい。

定位装置座標系ＬＣＬＺにおけるトラッカー座標系ＢＴＲＫ１，ＢＴＲＫ２，ＴＬＴＲの各々の姿勢を決定するためのステップ、および大腿骨Ｆおよび頸骨Ｔに対するトラッカー４４，４６，４８の姿勢および外科用器具２２の対応する姿勢を決定するためのシステムおよび方法は、２０１３年９月２４日に出願された「光学センサおよび非光学センサを備えるナビゲーションシステム」と題する米国特許出願第１４／０３５，２０７号にさらに詳細に記載されている。この文献の開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。

いくつかの実施形態では、１つのＬＥＤ５０のみが複数の光学センサ４０によって一度に読み取られてもよい。カメラ制御装置４２は、Malackowskiらに付与された米国特許第７，７２５，１６２号に記載されているように、（カメラユニット３６およびトラッカー４４，４６，４８上の）１つまたは複数の赤外線または高周波（ＲＦ）送受信機を介してまたは有線接続を介して、ＬＥＤ５０の作動を制御するようになっているとよい。この文献は、参照することによって、ここに含まれるものとする。代替的に、トラッカー４４，４６，４８は、（例えば、トラッカー４４，４６，４８のスイッチによって）、局所的に作動され、これによって、いったん作動されたなら、カメラ制御装置４２からの指令を受けることなく、そのＬＥＤ５０を連続的に作動させるようになっていてもよい。

トラッカー４４，４６の一実施形態が、図４〜図６に示されている。トラッカー４４，４６は、骨に取り付けられかつ骨に対して適所に固定されるように、構成されている。その結果、骨の運動がトラッカー４４，４６の対応する同様の運動をもたらすことになる。ナビゲーションシステム２０のいくつかの態様では、トラッカー４４，４６の両方が、同一のまたは実質的に同一の構成要素を備えている。他の態様では、トラッカー４４，４６の１つまたは複数の構成要素が互いに異なっていてもよい。簡単にするために、以下、トラッカー４４のみについて説明するが、トラッカー４６は、トラッカー４４と同一または実質的に同一であるとよいことを理解されたい。

図４〜図６を参照すると、トラッカー４４は、患者の解剖学的構造に取り付けるための基部を備えている。基部は、追跡される解剖学的構造に直接または他の組織を介して取付け可能になっている。図示されている実施形態では、基部は、患者の骨、例えば、大腿骨Ｆに取り付けるための骨プレート２００である。複数の固定具が、骨プレート２００を適所に固定している。一実施形態では、固定具は、骨ネジ２０２である。

骨プレート２００は、骨に係合するための複数の突起を備えている。図示されている実施形態では、突起は、スパイク２０４である。いったん骨プレート２００が１つまたは複数の骨ネジによって適所に固定されたなら、スパイク２０４が骨に対する骨プレート２００の回転を阻止することになる。

延長アーム２０６が、骨プレート２００に取り付けられている。延長アーム２０６は、骨ネジ２０２の１つによって骨プレート２００に固定される基部プレート２０８を有している。延長アーム２０６は、基部プレート２０８から取付端２１０に向かってＣ字状に湾曲して延在している。

追跡ヘッド２１２が、延長アーム２０６の取付端２１０に連結されている。追跡ヘッド２１２は、追跡素子を備えている。追跡素子は、図示かつ記載されている実施形態では、ＬＥＤ５０、ジャイロセンサ６０（図示せず）、および加速度計７０（図示せず）である。これらの追跡素子は、前述したように、作用する。さらなる実施形態では、追跡ヘッド２１２は、他の種類の追跡素子、例えば、高周波受信機および／または高周波送信機、磁場センサおよび／または磁場生成器、受動反射ボール、超音波送信機および／または超音波受信機、などを備えていてもよい。

コネクタアセンブリ２１４が、追跡ヘッド２１２を延長アーム２０６に連結している。コネクタアセンブリ２１４は、追跡ヘッド２１２を２自由度の運動を可能にするように支持している。図示されている実施形態では、追跡ヘッド２１２は、コネクタアセンブリ２１４を介して、支持アーム２０６の取付端２１０に回転可能および傾斜可能に取り付けられている。

図７〜図１０を参照すると、骨プレート２００がさらに詳細に示されている。骨プレート２００は、略三角形状であり、各スパイク２０４（図９参照）間において凹んでいる。この凹みは、骨プレート２００が固定される骨または他の組織の形状と一致しているかまたは適合している。

骨プレート２００は、３つの測面２２０，２２２，２２４を有する上下面２１６，２１８を有している。側面２２０，２２２，２２４は、上下面２１６，２１８間に延在している。骨プレート２００の凹みは、約５ｍｍから約５０ｍｍの範囲内にある上面２１６の曲率半径Ｒ１および約５ｍｍから約５０ｍｍの範囲内にある底面２１８の曲率半径Ｒ２によって与えられる（図９参照）。他の実施形態では、曲率半径Ｒ１は、約１５ｍｍから約３５ｍｍの間であり、曲率半径Ｒ２は、約１５ｍｍから約３５ｍｍの間である。

３つのスパイク２０４は、面２１８，２２０，２２２，２２４の一体延長部として形成されている。各スパイク２０４は、鋭利な先端２２６を有している（図１０参照）。鋭利な先端２２６は、底面２１８と２つの隣接側面２２０，２２２，２２４の交差点の近くに形成されている。底面２１８は、各スパイク２０４に沿って鋭利な先端２２６に円弧状に延在し、鋭利な先端２２６に緩慢なテーパを形成している。底面２１８は、鋭利な先端２２６間において略凹状に形作られている。

鋭利な先端２２６は、骨プレート２００が骨に固定されるとき、骨膜のような軟組織を切り開いて骨に入り込むように、形成されている。１つまたは複数の鋭利な先端２２６が骨に入り込むと、これらの鋭利な先端２２６は、骨ネジ２０２の１つまたは複数と連係して骨に対する骨プレート２００の運動を阻止することになる。

また、鋭利な先端２２６は、骨内に係合したとき、骨プレート２００の下方および骨の表面の上方に空間をもたらすように、骨プレート２００を支持する。場合によっては、筋肉、靭帯、などの組織が、骨プレート２００が固定される骨の上に存在することがある。この組織を、骨への鋭利な先端２２６の係合に悪影響を与えることなく、この空間内に取り込むことができる。

骨ネジ２０２を受け入れるために、骨プレート２００を貫通する３つの開口２２８が画定されている。これらの３つの開口２２８は、図１０に示されている断面形状を有している。この形状の一実施形態が、（参照することによって、ここに含まれる）Wolterに付与された米国特許第６，３３２，５６２号に示されている。このような形状は、図１１〜図１５に示されている骨ネジ２０２のネジ付きヘッド２０５受け入れるためのものである。

開口２２８の各々は、軸Ａの周りに画定されている。各開口２２８は、内面２３４によって画定された略円筒状の貫通孔２３０を備えている。貫通孔２３０は、軸Ａを中心とする孔である。

一体フランジ２３２が、貫通孔２３０内において、半径方向内方、すなわち、軸Ａに向かって延在するように、配置されている。フランジ２３２は、骨プレート２００の上下面２１６，２１８から離間している。このフランジ２３２は、軸Ａを中心として環状にかつ軸Ａと略直交して配置されている。フランジ２３２の断面には、内面２３４から端面２３６に向かってテーパが付されている。端面２３６は、（部番が付されていない）円筒状の開口を画定している。フランジ２３２のテーパは、上下面２４０，２４２によって対称的に形成されている。上面２４０は、端面２３６から内面２３４に鋭角αで延在している。下面２４２は、端面２３６から内面２３４に（ただし、上面２４０と反対の方向に）同一の鋭角αで延在している。

図７を再び参照すると、凹部２４４が骨プレート２００の上面２１６に画定されている。凹部２４４は、延長アーム２０６の基部プレート２０８の嵌入を可能にするために、略矩形状になっている。基部プレート２０８は、いったん凹部２４４内に配置された延長アーム２０６が骨プレート２００に対して実質的に回転しないように、寸法決めされている。

中心開口２４６が、凹部２４４内に配置され、骨プレート２００を貫通するように画定されている。中心開口２４６は、開口２２８と同じように骨ネジ２０２を受け入れるようになっているが、開口２２８と異なる断面を有している。中心開口２４６は、その位置において骨プレート２００と実質的に直交する単一直径の略円筒状の貫通孔である。

図９に示されているように、軸Ｃが貫通孔２４６の中心を画定している。各開口２２８は、軸Ｃから等距離で離間している。加えて、これらの開口２２８は、開口２２８の各々の軸Ａを通るように画定された仮想円の周囲に沿って、互いに周方向に等しく離間している（図８参照）。

図１０を参照すると、取り付けられたときに、骨プレート２００に対する鉛直方向ベクトルＶが、軸Ｃに沿って患者の解剖学的構造に向かって下方に延在するように、画定されている。鉛直方向ベクトルＶに対して鋭角βで配置された傾斜方向ベクトルＩが、軸Ａに沿って下方に向かうように画定されている。一実施形態では、これらの傾斜方向ベクトルＩは、鉛直方向Ｖの方に略向かって延在し、軸Ｃに沿った同一点ＩＮＴにおいて鉛直方向ベクトルＶと交差している。この配向は、骨プレート２００に作用する力による骨ネジ２０２の引抜きを阻止するのを助長することになる。

骨プレート２００は、ステンレス鋼、コバルト基合金、バイオセラミック、チタン合金、チタン、または他の生体適合性材料から形成されているとよい。

骨ネジ２０２が、図１１〜図１５に示されている。一実施形態では、骨ネジは、米国特許第６，３２２，５６２号に示されているものと同様である。この文献は、参照することによって、ここに含まれるものとする。骨ネジ２０２の各々は、骨に係合するための自己タッピングネジ山２０３を有している。骨ネジ２０２は、開口２２８のフランジ２３２に係合するためのネジ付きヘッド２０５も備えている。骨ネジ２０２は、取り付けられる組織に依存して、種々の大きさを有することができる。例えば、もし骨プレート２００が膝蓋骨に取り付けられるように構成されているなら、より小さい骨ネジが利用されるとよい。もし骨プレート２００が体の他の骨よりも通常硬くなっている頸骨に取り付けられるなら、より小さい骨ネジが用いられるとよい。軟質骨の場合、該骨内により深く埋め込まれるより長い骨ネジが望ましい。

図１６〜図２０は、延長アーム２０６をより詳細に示している。延長アーム２０６の基部プレート２０８は、プレート開口２５２を画定している。プレート開口２５２は、開口２２８と同一の形状および大きさを有している。プレート開口２５２は、開口２２８と同一の特徴を有している。この特徴については、さらに説明しない。プレート開口２５２は、開口２２８と同じように、骨ネジ２０２のような中心固定具を受け入れるようになっている。図示されている実施形態では、骨ネジ２０２がプレート開口２５２および中心開口２４６を通って骨に固定されるとき、基部プレート２０８は、骨プレート２００に対する基部プレート２０８の圧縮によって、骨プレート２００に固定されることになる。

円弧状セグメント２５４が、基部プレート２０８から取付端２１０に延在している。リブ２５６が、基部プレート２０８上に部分的に配置され、円弧状セグメント２５４に沿って延在し、取付端２１０で終端している。リブ２５６は、延長アーム２０６の屈曲、座屈、捻れ、または他の変形を防ぐために、延長アーム２０６に追加的な剛性をもたらすものである。

取付面２５８が、延長アーム２０６の取付端２１０に配置されている。取付面２５８は、コネクタアセンブリ２１４および追跡ヘッド２１２を支持するように構成されている。取付面２５８は、略平坦である。ネジ付き調整固定具２６１を受け入れるためのネジ付き開口２６０が、取付端２１０を貫通するように画定されている（図４参照）。

延長アーム２０６は、骨プレート２００および追跡ヘッド２１２を相互接続するものである。延長アーム２０６は、追跡ヘッド２１２の追跡素子（例えば、ＬＥＤ５０）を骨プレート２００から離間させている。追跡素子は、このように離間され、解剖学的構造の上方に延在し、これによって、追跡素子とカメラユニット３６の光学センサ４０との間に見込まれる見通し線を改良することができる。

図２１を参照すると、延長アーム２０６は、トラッカーヘッド２１２と骨プレート２００との間に組織受け領域２６２を画定するように、略Ｃ字状に形作られている。組織受け領域２６２は、骨プレート２００が骨に取付けられるとき、骨プレート２００の上方に皮膚、脂肪、筋肉、などのような軟組織を受け入れるように、構成されている。

組織受け領域２６２によって、ユーザーは、軟組織を骨から後退させ、骨プレート２００を骨に直接取り付け、次いで、軟組織を骨プレート２００の上方の位置に戻すことが可能になる。従って、全外科手術手順を通して、軟組織を絶えず後退させておく必要がない。図２１は、骨プレート２００が大腿骨Ｆに取り付けられている間に組織受け領域２６２内に位置する皮膚、脂肪、筋肉、および筋膜の層を示している。具体的には、鋭利な先端２２６が、骨膜を通して、大腿骨Ｆの硬質皮質骨内に入り込むことになる。

骨プレート２００は、単皮質的に骨内に固定して取り付けられる。「単皮質的」は、骨ネジ２０２が、外側から皮質骨層に一度しか入り込まないことを意味している。

延長アーム２０６は、ステンレス鋼、コバルト基合金、バイオセラミック、チタン合金、チタン、または他の生体適合性材料から形成されているとよい。

図２２を参照すると、追跡ヘッド２１２は、複数のＬＥＤ５０、ジャイロセンサ６０（図示せず）、加速度計７０（図示せず）、および信号をカメラユニット３６とナビゲーションコンピュータ２６との間で送受信するための送受信機（図示せず）を備えている。追跡ヘッド２１２は、前述したように、有線接続を介してナビゲーションコンピュータ２６に接続されていてもよい。

追跡ヘッド２１２は、コネクタアセンブリ２１４に取り付けるための第１のヒンジ部材２６４を備えている。第１のヒンジ部材２６４は、ネジなし孔２６８を画定している。

コネクタアセンブリ２１４は、図４および図２３〜図２６に示されている。コネクタアセンブリ２１４は、追跡ヘッド２１２および延長アーム２０６を相互接続するためのコネクタ２７０を備えている。コネクタ２７０は、１対の第２のヒンジ部材２７８を備えている。第１のヒンジ部材２６４を受け入れるための空間２８０が、第２のヒンジ部材２７８間に画定されている。第２のヒンジ部材２７８の一方は、ネジなし孔２８２を有しており、他方は、ネジ付き孔２８４を有している。ネジ付き調整固定具２８６（図４参照）が、ネジなし孔を通って、ネジ付き孔２８４内に入るようになっている。

調整固定具２８６を締め付けると、第２のヒンジ部材２７８が互いに引き寄せられ、第１のヒンジ部材２６４を圧縮する。これによって、第２のヒンジ部材２７８に対する第１のヒンジ部材２６４の運動が阻止される。調整固定具２８６を緩めると、第２のヒンジ部材２７８が非圧縮位置に戻り、第１のヒンジ部材２６４が空間２８０内において自在に運動可能になる。

ヒンジ部材２６４，２７８によって形成されたヒンジを介して、追跡ヘッド２１２を骨プレート２００に対して傾斜させることができる。この傾斜は、旋回軸Ｐ（図５参照）を中心とする１自由度の運動である。旋回軸Ｐは、孔２６８，２８２，２８４の中心によって画定されている。

コネクタ２７０は、回転基部２９０も有している。回転基部２９０は、第２のヒンジ部材２７８と一体になっている。回転基部２９０は、取付面２５８と嵌合するための（部番が付されていない）平坦な底面を有している。

回転基部２９０は、開口２９２を画定している。開口２９２は、調整固定具２６１の（個別に部番が付されていない）切頭円錐ヘッドを受け入れるように形作られている（図４参照）。開口２９２は、円筒孔２９４も有している。孔２９４は、調整固定具２６１の（個別に部番が付されていない）ネジ付きシャフトが、孔２９４を通って延長アーム２０６の取付端２１０のネジ付き開口２６０に入るように、形作られている。

調整固定具２６１を締め付けると、回転基部２９０は、取付面２５８に対して引き寄せられる。回転基部２９０の底面と取付面２５８との間の摩擦によって、取付面２５８に対するコネクタ２７０の回転運動が阻止される。調整固定具２６１を緩めると、コネクタ２７０は、取付面２５８に対して自在に回転することができる。従って、追跡ヘッド２１２は、骨プレート２００に対して回転することができる。回転軸Ｒを中心とする１自由度の回転が生じることになる（図５および図６参照）。回転軸Ｒは、孔２９４およびネジ付き開口２６０の中心によって画定されている。

追跡素子のいくつか、例えば、ＬＥＤ５０は、光学センサ４０に対する見通し線に依存して、追跡信号を光学センサ４０に送信する。その結果、これらの追跡素子は、見通し線追跡素子とも呼ばれている。これらの追跡素子は、カメラユニット３６の視野内に位置し、カメラユニット３６への追跡信号の送信が遮られてはならない。場合によっては、１つまたは複数の追跡素子の信号経路が遮られたとき、エラーメッセージが生成されるようになっている。

ナビゲーションシステム２０の光学センサ４０は、ＬＥＤ５０からの信号を受信するように構成されている。ナビゲーションシステム２０は、前述したように、ＬＥＤ５０の作動を制御し、これによって、ナビゲーションシステム２０は、信号がいつ受信されるべきかを予期することができる。ＬＥＤ５０からの予期された信号が受信されないとき、１つの可能性として、信号経路が遮られ、カメラユニット３６への信号の送信が阻止されていることが挙げられる。他の可能性として、ＬＥＤ５０が適切に機能していないことが挙げられる。

ナビゲーションコンピュータ２６は、もし光学センサ４０の任意の１つがＬＥＤ５０から信号を受信しなかったなら、仮に他のセンサ４０が信号を受信していても、エラーが生じたと判断する。他の実施形態では、ナビゲーションコンピュータ２６は、もし光学センサ４０のいずれもが信号を受信しなかったなら、エラーが生じたと判断する。いずれの場合も、ナビゲーションシステム２０が、１つまたは複数のセンサ４０が１つまたは複数のＬＥＤ５０から信号を受信しなかったことに基づいて、エラーが生じたと判断したとき、エラー信号がナビゲーションコンピュータ２６によって生成される。次いで、エラーメッセージが、ディスプレイ２８，２９上に表示される。また、ナビゲーションコンピュータ２６は、エラー信号をトラッカー制御装置６２に送信する。

図２７に示されている実施形態において、エラー指示計３００が追跡ヘッド３１２上に配置されている。トラッカー制御装置６２は、ユーザーがエラー、例えば、ＬＥ５０の１つまたは複数からの信号が遮られていることに気づくように、指示計３００を作動させるようになっている。ナビゲーションコンピュータ２６は、どの特定の１つまたは複数のＬＥＤ５０が信号を１つまたは複数の光学センサ４０に満足に送信しなかったかを判断することができるので、いくつかの実施形態では、トラッカー４０の各ＬＥＤ５０が個別の指示計を有しているとよく、これによって、ユーザーは、具体的にどのＬＥＤ５０が遮られているかを知ることができる。

指示計３００は、指示用発光ダイオード（ＬＥＤ）３０２のような指示用発光素子を備えている。指示用ＬＥＤ３０２は、トラッカー制御装置６２がナビゲーションコンピュータ２６からエラー信号を受信したとき、第１の着色光、例えば、赤色、黄色、またはオレンジ色の光を放射する。指示用ＬＥＤ３０２は、エラー信号を受信していないときまたはエラーが取り除かれた後に警報解除信号をナビゲーションコンピュータ２６から受信したとき、第２の着色光、例えば、緑色または青色の光を放射する。これは、少なくとも必要な数のＬＥＤ５０と１つまたは複数の光学センサ４０との間において、見通し線が遮られておらず、維持されていることを示している。エラーが検出されたとき、光が第２の着色光から第１の着色光に変化する。指示用ＬＥＤ３０２は、エラー状況に基づいて交互に作動される個別の指示用ＬＥＤ、具体的には、エラーに対する１つまたは複数の第１の着色指示用ＬＥＤおよび非エラーに対する１つまたは複数の第２の着色指示用ＬＥＤを含んでいてもよい。他の実施形態では、指示計３００は、エラーが生じたときにエラーメッセージを表示するＬＥＤまたはＬＣＤディスプレイおよび／または音響警報器を含んでいてもよい。

追跡ヘッド３１２は、ＬＥＤ３０２を支持する本体３０６を有している。本体３０６は、透明窓３１０によって覆われた（図番が付されていない）開口を画定している。ＬＥＤ３０２は、ＬＥＤ３０２からの光が窓３１０を通って放射され、その光をユーザーが見ることができるように、本体３０６の内側でかつ窓３１０の背後に配置されている。窓３１０は、ＬＥＤ３０２に対して所望の照明特性をもたらすために、レンズ（図示せず）を備えていてもよい。

図２８および図２９に示されている他の実施形態では、追跡ヘッド４１２は、オレンジ色の光を放射する第１の指示用ＬＥＤ４０２および緑色の光を放射する第２の指示用ＬＥＤ４０４を支持している。追跡ヘッド４１２は、ＬＥＤ５０を支持する上部４１４を備えている。サファイアドーム４１８がＬＥＤ５０を覆っている。追跡ヘッド４１２は、底部４２０をさらに備えている。

光リング４３０が、上部４１４と底部４２０との間に挟まれている。指示用ＬＥＤ４０２，４０４は、図２９に概略的に示されているように、追跡ヘッド４１２の内側において光リング４３０内に配置されている。光リング４３０は、好ましくは、白色アルミニウム材料から形成されており、矩形のリング形状を有している。光リング４３０は、指示用ＬＥＤ４０２，４０４の作動に依存して、オレンジ色の光または緑色の光のいずれかによって照明される。指示用ＬＥＤ４０２，４０４は、図３０に示されているように、トラッカー制御装置６２と電子的に連通している。溶接リング４１６が、組立を容易にするために、光リング４３０と底部４２０との間に配置されている。

光リング４３０は、トラッカー制御装置６２がナビゲーションコンピュータ２６からエラー信号を受信すると、第１の指示用ＬＥＤ４０２からのオレンジ色の光によって照明される。光リング４３０は、エラー信号が受信されていないときまたはエラーが取り除かれた後に警報解除信号がナビゲーションコンピュータ２６から受信されたとき、第２の指示用ＬＥＤ４０４からの緑色の光によって照明される。エラーが再び検出されたとき、光リング４３０は、緑色の光で照明される状態からオレンジ色の光で照明される状態に変化する。指示用ＬＥＤ４０２，４０４は、エラー状況に基づいて交互に作動される。すなわち、エラー状態に対して１つまたは複数の第１の指示用ＬＥＤ４０２が作動され、エラー状態が存在しないときに１つまたは複数の第２の指示用ＬＥＤ４０４が作動されるようになっている。

指示用ＬＥＤ４０２，４０４の交互作動は、図３１に示されている回路を用いて行なわれる。図３１は、トラッカー制御装置６２および指示用ＬＥＤ４０２，４０４の電気配線図を示している。この電気配線図は、指示用ＬＥＤ４０２，４０４の交互の作動／非作動を容易にする電気部品を示している。

指示用ＬＥＤ４０２，４０４の各々は、アノード４３２およびカソード４３４を備えている。図３１において、指示用ＬＥＤ４０２，４０４の各々のアノード４３２は、第１の基準電圧４３６に接続されており、指示用ＬＥＤ４０２，４０４の各々のカソード４３４は、第２の基準電圧４３８に接続されている。一実施形態では、第１の基準電圧４３６は、＋５ＶＤＣであり、第２の基準電圧４３８は、信号用アースである。指示用ＬＥＤ４０２，４０４の各々のアノード４３２は、第１の基準電圧４３８に個別に接続されていてもよいし、または図３１に示されているように組合せて接続されていてもよい。

スイッチ素子Ｍ１，Ｍ２が、それぞれ、指示用ＬＥＤ４０２，４０４のカソード４３４と第２の基準電圧４３８との間に接続されている。スイッチ素子Ｍ１，Ｍ２は、指示用ＬＥＤ４０２，４０４を通る電流を制御し、これによって、指示用ＬＥＤ４０２，４０４の操作を制御するものである。スイッチ素子Ｍ１，Ｍ２は、トランジスターとして、さらに具体的には、Ｎ−チャネルＭＯＳＦＥＴとしてさらに規定されているとよい。ＭＯＳＦＥＴＭ１，Ｍ２の各々は、ゲート、ソース、およびドレインを備えている。ＭＯＳＦＥＴＭ１，Ｍ２の各々のゲートは、トラッカー制御装置６２に接続されている。各ＭＯＳＦＥＴＭ１，Ｍ２のソースは、第２の基準電圧４３８、さらに具体的には、信号用アースに接続されている。各ＭＯＳＦＥＴＭ１，Ｍ２のドレインは、各指示用ＬＥＤ４０２，４０４のカソード４３４に接続されている。レジスタＲ１，Ｒ２が、それぞれ、指示用ＬＥＤ４０２，４０４の各々のカソード４３４と各ＭＯＳＦＥＴＭ１，Ｍ２のドレインとの間に接続されている。レジスタＲ１，Ｒ２は、指示用ＬＥＤ４０２，４０４を通る電流を適切な操作レベルに制限するものである。

トラッカー制御装置６２は、指示用ＬＥＤ４０２，４０４の作動／非作動を制御する。すなわち、トラッカー制御装置６２は、指示用ＬＥＤ４０２，４０４を電流が通ることを許容するかまたは阻止するように、スイッチ素子Ｍ１，Ｍ２を選択的に制御するものである。

一実施形態では、トラッカー制御装置６２は、第１の指示計制御信号をＭＯＳＦＥＴＭ１のゲートに送信する。トラッカー制御装置６２は、ナビゲーションコンピュータ２６からのエラー信号を受信したことに応じて、第１の指示計制御信号を送信するとよい。第１の指示計制御信号によって、ＭＯＳＦＥＴＭ１は、ソースとドレインとの間に閉回路経路を形成し、これによって、電流が指示用ＬＥＤ４０２を通って第１および第２の基準電圧間４３６，４３８間に自在に流れ、指示用ＬＥＤ４０２を点灯させる。

他の実施形態では、トラッカー制御装置６２は、第２の指示計制御信号をＭＯＳＦＥＴＭ２のゲートに送信している。トラッカー制御装置６２は、ナビゲーションシステム２６から警報解除信号または非エラー信号を受信したことに応じて、第２の指示計制御信号を送信するとよい。この場合、第２の指示計制御信号によって、ＭＯＳＦＥＴＭ２は、ソースとドレインとの間に閉回路経路を形成し、これによって、電流が指示用ＬＥＤ４０４を通って第１および第２の基準電圧４３６，４３８間に自在に流れ、指示用ＬＥＤ４０４を点灯させる。

第１および第２の指示計制御信号は、ＭＯＳＦＥＴＭ１，Ｍ２を制御するための任意の適切な所定の電圧または電流に対応しているとよい。

トラッカー制御装置６２は、指示用ＬＥＤ４０２，４０４の交互の作動／非作動をもたらすようになっているとよい。一実施形態では、トラッカー制御装置６２は、指示用ＬＥＤ４０４を作動停止させる第２の指示計制御信号をＭＯＳＦＥＴＭ２のゲートに送信している。一実施形態によれば、トラッカー制御装置６２は、指示用ＬＥＤ４０２の作動中にこの制御を行うようになっている。指示用ＬＥＤ４０４を作動停止するために、第２の指示計制御信号によって、ＭＯＳＦＥＴＭ２がソースとドレインとの間に開回路を形成し、これによって、電流が指示用ＬＥＤ４０４を通って第１および第２の基準電圧４３６，４３８間に流れるのが阻止される。代替的に、トラッカー制御装置６２は、指示用ＬＥＤ４０４の作動中に、指示用ＬＥＤ４０２を作動停止させる第１の指示計制御信号をＭＯＳＦＥＴＭ１のゲートに送信してもよい。

一実施形態では、指示用ＬＥＤ４０２，４０４は、追跡ヘッド４１２に選択的に取外し可能に取り付けることができるようになっている。追跡ヘッド４１２は、追跡ヘッド４１２内に配置された印刷回路基板（ＰＣＢ）アセンブリ（図示せず）を備えているとよく、指示用ＬＥＤ４０２，４０４が、このＰＣＢアセンブリに電気的に接続されるようになっているとよい。図３１において、指示用ＬＥＤ４０２，４０４は、ＰＣＢアセンブリに取外し可能に取り付けることができるユニット４４０に連結されている。簡単にするために、図３１では、ユニット４４０は、指示用ＬＥＤ４０２，４０４を取り囲む点線によって示されている。ユニット４４０は、指示用ＬＥＤ４０２，４０４をＰＣＢアセンブリに選択的に接続するための第１，第２，および第３の端子４４２，４４４，４４６を備えている。第１の端子４４２は、指示用ＬＥＤ４０２，４０４の各々のアノード４３２を第１の基準電圧４３６に選択的に接続するものである。各指示用ＬＥＤ４０２，４０４に対して、第２および第３の端子４４４，４４６は、指示用ＬＥＤ４０２，４０４の各々のカソード４３４をＭＯＳＦＥＴＭ１，Ｍ２に選択的に接続するものである。

ＬＥＤ５０の制御は、図３２に示されている回路を用いて行なわれる。図３２は、トラッカー制御装置６２に接続されたＬＥＤ５０の電気配線図を示している。この電気配線図は、ＬＥＤ５０の制御を容易する電気部品を示している。

図３２において、ＬＥＤ５０の各々は、アノード４５０およびカソード４５２を備えている。ＬＥＤ５０の各々のアノード４５０は、第３の基準電圧４５４に接続されており、ＬＥＤ５０の各々のカソード４５２は、第４の基準電圧４５６に接続されている。一実施形態では、第３の基準電圧４５４は、＋２ＶＤＣであり、第４の基準電圧４５６は、信号用アースである。ＬＥＤ５０の各々のアノード４５０は、第３の基準電圧４５４に個別に接続されていてもよいし、または図３２に示されているように組合せて接続されていてもよい。

スイッチ素子Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６は、それぞれ、ＬＥＤ５０のカソード４５２に接続されている。スイッチ素子Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６は、ＬＥＤ５０を通る電流を制御し、これによって、ＬＥＤ５０の操作を制御するものである。スイッチ素子Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６は、トランジスター、さらに具体的には、Ｎ−チャネルＭＯＳＦＥＴとしてさらに規定されているとよい。ＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６の各々は、ゲート、ソース、およびドレインを備えている。各ＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６のゲートは、トラッカー制御装置６２に接続されている。各ＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６のソースは、最終的に第４の基準電圧４５６、さらに具体的には、信号用アースに接続されている。図３２において、ＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６のソースは、並列の共有ライン４５８に接続されている。各ＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６のドレインは、ＬＥＤ５０の１つのカソード４５２に接続されている。

トラッカー制御装置６２は、ＬＥＤ５０の作動／作動停止を制御するものである。主に、トラッカー制御装置６２は、ＬＥＤ５０を電流が通ることを許容または阻止するように、スイッチ素子Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６を選択的に制御している。

一実施形態では、トラッカー制御装置６２は、任意のＬＥＤ５０またはＬＥＤ５０の組合せの制御の形態を示す入力信号を受信している。トラッカー制御装置６２は、ナビゲーションコンピュータ２６からこの入力信号を受信するとよい。これに応じて、トラッカー制御装置６２は、ＬＥＤ制御信号を任意のＬＥＤ５０またはＬＥＤ５０の組合せに接続されたＭＯＳＦＥＴまたはＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６のゲートに送信している。図３２において、トラッカー制御装置６２は、４つの個別のＬＥＤ制御信号を送信し、各ＬＥＤ制御信号は、各ＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６のゲートに送信される。一実施形態では、トラッカー制御装置６２は、制御信号をＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６に連続的に送信し、ＬＥＤ５０の作動または作動停止を連続的に制御するようになっている。トラッカー制御装置６２は、種々の他の構成、シーケンス、サイクル、またはこれらの組合せに従ってＬＥＤ５０を制御するためのＬＥＤ制御信号をＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６に送信してもよい。

もしトラッカー制御装置６２への入力信号が任意のＬＥＤ５０を作動させるべきであることを指示したなら、トラッカー制御装置６２は、ＬＥＤ制御信号を各ＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６のゲートに送信する。これによって、ＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６は、ソースとドレインと間に閉回路経路を形成し、これによって、電流が各ＬＥＤ５０を通って第３および第４基準電圧４５４，４５６間に自在に流れ、各ＬＥＤ５０を点灯させる。

もし入力信号がトラッカー制御装置６２によって受信されなかったなら、またはトラッカー制御装置６２への入力信号が任意のＬＥＤ５０を作動停止させることを指示したなら、トラッカー制御装置６２は、任意のＬＥＤ５０を作動停止させるＬＥＤ制御信号をＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６のゲートに送信する。主に、このＬＥＤ制御信号によって、ＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６は、ＭＯＳＦＥＴのソースとドレインとの間に開回路を形成し、これによって、電流がＬＥＤ５０を通って第３の基準電圧４５４と信号用アース４５６との間に流れることが阻止される。

ＬＥＤ５０は、追跡ヘッド４１２に取外し可能に取り付けることができるようになっているとよい。図３２において、各ＬＥＤ５０は、ＰＣＢアセンブリに取外し可能に取り付けることができるユニット４６０に連結されている。簡単にするために、図３２では、各ユニット４６０は、ＬＥＤ５０の各々を取り囲む点線によって表わされている。一実施形態では、各ユニット４６０は、各ＬＥＤ５０をＰＣＢアセンブリに選択的に接続するための第１および第２の端子４６２，４６４を備えている。図３２において、第１の端子４６２は、各ＬＥＤ５０のアノード４５０を第３の基準電圧４５４に選択的に接続している。第２の端子４６４は、各ＬＥＤ５０のカソード４５２を各ＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６のドレインに選択的に接続している。

図３２において、任意のＬＥＤ５０またはＬＥＤ５０の組合せの操作電圧を測定するための電圧検出回路４７０が設けられている。電圧検出回路は、直列ＲＣ回路として配列されたレジスタＲ３およびコンデンサＣ１を備えている。電圧検出回路４７０は、概して、ＬＥＤ５０とトラッカー制御装置６２との間に接続されている。レジスタＲ３は、共有ライン４５８においてＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６のソースに接続されており、コンデンサＣ１は、レジスタＲ３と第４の基準電圧４５６との間に接続されている。一実施形態では、電圧検出回路４７０は、第３および第４の基準電圧４５４，４５６間のＬＥＤ５０の操作電圧を測定するようになっている。

電圧検出回路４７０は、ＬＥＤ５０の測定された操作電圧を表す電圧検出信号をトラッカー制御装置６２に送信するものである。一実施形態では、電圧検出回路４７０は、不適当な電圧状態からＬＥＤ５０を保護している。トラッカー制御装置６２は、電圧検出信号を処理し、それに応じて、電圧検出信号の値に基づきＬＥＤ制御信号を修正するとよい。例えば、トラッカー制御装置６２は、もし電圧検出信号が所定の閾値レベルを超えているとトラッカー制御装置６２が判断したなら、ＬＥＤ制御信号の電圧を変化させるとよい。他の実施形態では、トラッカー制御装置６２は、ＬＥＤ５０が誤作動しているかどうかを判断するために、電圧検出回路４７０を利用する。トラッカー制御装置６２は、ＬＥＤ５０の誤作動をナビゲーションシステム２０に伝えることができ、これによって、ナビゲーションシステム２０は、このような誤作動を予期し、これに対応することができる。電圧検出回路４７０は、種々の他の形態および方法に従って、用いられてもよい。

図３２において、任意のＬＥＤ５０またはＬＥＤ５０の組合せの操作電流を測定するための電流検出回路４８０が設けられている。電流検出回路４８０は、不適当な電流状態からＬＥＤ５０を保護するものである。電流検出回路４８０は、直列ＲＣ回路として配列されたレジスタＲ４およびコンデンサＣ２を備えている。電流検出回路４８０は、概して、ＬＥＤ５０とトラッカー制御装置６２との間に接続されている。レジスタＲ４は、共有ライン４５８においてＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６のソースに接続されており、コンデンサＣ２は、レジスタＲ４と信号用アース４５６との間に接続されている。一実施形態では、電流検出回路４８０は、第３および第４の基準電圧４５４，４５６間を通るＬＥＤの全操作電流を測定するようになっている。

１つの操作モードでは、電流検出回路４８０は、トラッカー制御装置６２に電流検出信号を供給している。この電流検出信号は、ＬＥＤ５０の測定された操作電流から導かれるとよい。トラッカー制御装置６２は、この電流検出信号を処理し、この電流検出信号が所定値と一致しているかどうかを決定している。例えば、トラッカー制御装置６２は、この電流検出信号が所定の閾値電圧レベルを超えていることを決定するようになっているとよい。

図３２において、ＬＥＤ５０に供給される電流を制限するための電流制限回路４８２がさらに設けられている。図３２において、電流制限回路４８２は、ＬＥＤ５０を通る電流を調整するための増幅器４８４を備えている。増幅器４８４は、第１および第２の入力端子４８６，４８８および出力端子４９０を備えている。電流制限回路４８２は、ＬＥＤ５０を通る電流を制御するためのＭＯＳＦＥＴＭ７を備えている。ＭＯＳＦＥＴＭ７は、ゲート、ソース、およびドレインを備えている。

増幅器４８２の第１の入力端子４８６は、トラッカー制御装置６２に接続されている。増幅器４８２の第２の入力端子４８８は、ＭＯＳＦＥＴＭ７のゲートおよびソースに接続されている。コンデンサＣ３は、第２の入力端子４８８とＭＯＳＦＥＴＭ７のゲートとの間に配置されている。レジスタＲ５が、第２の入力端子４８８とＭＯＳＦＥＴＭ７のソースとの間に配置されている。レジスタＲ６が、ＭＯＳＦＥＴＭ７のソースと信号用アース４５６との間に接続されている。増幅器４８２の出力端子４９０は、ＭＯＳＦＥＴＭ７のゲートに接続されている。レジスタＲ７が、増幅器４８４の出力４９０とＭＯＳＦＥＴＭ７のゲートとの間に接続されている。ＭＯＳＦＥＴＭ７のドレインは、共有ライン４５８においてＭＯＳＦＥＴＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６のソースに接続されている。

１つの操作モードでは、トラッカー制御装置６２は、電流制限信号を電流制限回路４８２に送信している。トラッカー制御装置６２は、電流検出回路４８０によって生じた電流検出信号の値に基づき電流制限信号を送信するとよい。図３２において、トラッカー制御装置６２によって送信された電流制限信号は、増幅器４８２の第１の入力端子４８６によって受信される。増幅器４８４は、トラッカー制御装置６２から受信した電流制限信号に基づきＭＯＳＦＥＴＭ７を制御する。一例では、増幅器４８４は、電流制限信号に応じてＬＥＤ５０の各々を作動停止する。具体的には、増幅器４８４は、信号を出力端子４９０からＭＯＳＦＥＴＭ７のゲートに送る。これによって、ＭＯＳＦＥＴＭ７は、ソースとドレインとの間に開回路を形成する。その結果、電流が第３および第４の基準電圧４５４，４５６間に流れるのが阻止され、これによって、ＬＥＤ５０の各々を作動停止することができる。他の実施形態では、増幅器は、電流制限信号に応じて、ＬＥＤ５０を通る電流を制限するが、ＬＥＤ５０を完全に作動停止しないようになっていてもよい。

電流検出回路４８０および電流制限回路４８２は、種々の他の構成および方法に従って用いられてもよい。

いくつかの実施形態では、トラッカー４４は、もしＬＥＤ５０の１つからの追跡信号が遮られても、残っているＬＥＤ５０から位置および方位データを得ることができるように、４つ以上の追跡用ＬＥＤ５０を備えているとよい。この場合、エラー信号が生成される前に、ナビゲーションコンピュータ２６は、まず全追跡サイクルを実施することになる。全追跡サイクルは、追跡サイクルにおいて光学センサ４０がＬＥＤ５０の少なくとも３つから追跡信号を受信するかどうかを判断するために、トラッカー４４のＬＥＤ５０の全てを連続的に作動させることを含んでいる。次いで、もし追跡サイクルにおいて１つの光学センサ４０（いくつかの実施形態では、全ての光学センサ４０）が少なくとも３つのＬＥＤ５０から追跡信号を受信しなかったなら、エラー信号が生成される。

ナビゲーションシステム２０は、外科医または他の医療従事者によるトラッカー４４の位置決めを支援するように、構成されている。この支援は、追跡ヘッド２１２（または追跡ヘッド３１２，４１２）をＬＥＤ５０と光学センサ４０との間に見通し線をもたらす所望の方位に配置させるのを助長し、かつ外科手術手順中に生じ得る見通し線エラーを低減させるのを助長することになる。

骨プレート２００が骨、例えば、大腿骨Ｆに取付けられた時点で、追跡ヘッド２１２は、コネクタアセンブリ２１４を介して、骨プレート２００に対して移動することができるようになっている。具体的には、追跡ヘッド２１２は、枢軸Ｐおよび回転軸Ｒ（図４参照）を中心として移動可能である。コネクタアセンブリ２１４は、骨プレート２００に対する追跡ヘッド２１２のこれらの２自由度の運動を可能にし、これによって、追跡ヘッド２１２を所望の方位に配置させることができる。これは、ＬＥＤ５０と光学センサ４０との間に見通し線をもたらすのを助長することになる。

ナビゲーションの開始前に、医療従事者は、追跡ヘッド２１２を初期方位に配置させるように指示される。初期方位は、外科手術の間中ずっとＬＥＤ５０が光学センサ４０の見通し線内にあり、障害物によって遮られないように、追跡ヘッド２１２が視覚的に配向される方位である。いったんユーザーが追跡ヘッド２１２を初期方位に配置したなら、ナビゲーションコンピュータ２６は、必要に応じて、所望の方位を維持しながらどの程度まで追跡ヘッド２１２をさらに移動させることができるかの観点からトラッカー４４をセットアップするように医療従事者に指示を与える。

ナビゲーションコンピュータ２６は、最初、追跡ヘッド２１２の初期方位を決定し、追跡ヘッド２１２がすでに所望の方位にあるかどうかを判断する。もし追跡ヘッド２１２が所望の方位にないなら、ナビゲーションシステム２０は、ディスプレイ２８，２９に表示されたソフトウエア指令を介して、所望の方位を得るために追跡ヘッド２１２を骨プレート２００に対して１つまたは複数の自由度で移動させるように、ユーザーに指示することになる。

トラッカー４４は、図２２に示されているように、方位センサ３２０を備えている。一実施形態では、方位センサ３２０は、３軸、すなわち、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に沿って重力（加速度）を測定するように構成された３軸重力センサ３２０である。

重力センサ３２０は、追跡ヘッド２１２内に配置されている。重力センサ３２０は、トラッカー制御装置６２に操作可能に接続されている。トラッカー制御装置６２は、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に関する重力測定値を重力センサ３２０から受信する。これらの信号は、重力に対する追跡ヘッド２１２の現在の方位を決定するために、ナビゲーションシステム２０によって解析される。いくつかの実施形態では、加速度計７０が重力センサ３２０として用いられてもよいことを理解されたい。

図２２を参照すると、ｘ軸およびy軸は、追跡ヘッド２１２の前面と平行の追跡ヘッド２１２の面に配向されている。ｚ軸は、ｘ軸およびｙ軸と直交して配向されている。ｚ軸に沿った重力測定値がゼロのとき、重力は、ｚ軸に沿って作用しておらず、これは、追跡ヘッド２１２のｘ−ｙ面が垂直に配向していることを意味している。

図３３Ａおよび図３３Ｂを参照すると、一実施形態では、所望の方位は、ｚ軸の重力測定値がゼロになる角度に設定された枢軸Ｐおよび回転軸Ｒを中心とする傾斜角を含んでいる。

図３３Ａを参照すると、ＬＥＤ５０によって送信された信号は、信号放出領域３２４の中心を画定する中心信号軸３２２を有する見通し線追跡信号と見なされる。所望の方位は、一実施形態において、ＬＥＤ５０の中心信号軸３２２が重力の方向と直交したときの方位として、例えば、重力の方向に配向されたベクトル３２６と直交したときの方位としてさらに定義される。

この実施形態では、ナビゲーションコンピュータ２６は、ｚ軸重力測定値がゼロになるまで、追跡ヘッド２１２の傾斜角を調整するようにユーザーに指示するように、構成されている。これは、図３３Ｂに示されているように，追跡ヘッド２１２のｘ−ｙ面が重力ベクトル３２６に対して垂直に配向されたときに生じる。

ユーザーに対する傾斜角を調整する指示は、追跡ヘッド２１２の現在の方位が図表によって表わされているディスプレイ２８，２９を介して、ナビゲーションシステム２０によって行なわれる。現在の方位は、ユーザーが傾斜角を変化させることによって、動的に調整されることになる。追跡ヘッド２１２の所望の方位も、現在の方位が所望の方位にどの程度近いかをユーザーが視覚的に判断することができるように、図表によって示されている。現在の方位が所望の方位にあるとき、ディスプレイ２８，２９は、緑色に光るようになっているとよく、または追跡ヘッド２１２が重力に対して所望の方位にあることを示すいくつかの他の視覚的指示計を有していてもよい。所望の方位は、ｘ−ｙ面が好ましくは重力に対して垂直になる理想的な方位からの所定のずれ、例えば、±１０％、±５％、または±２％のずれを含んでいてもよいことを理解されたい。

代替的実施形態では、追跡ヘッド２１２のＬＥＤが、緑色の光を放出するように作動されることによって、現在の方位が所望の方位にあることをユーザーに指示してもよい。代替的に、追跡ヘッド２１２が所望の方位にあることを示す聴覚的指示計が、トラッカー４４上に設けられていてもよい。

いったん追跡ヘッド２１２が重力に対して所望の方位にあるように傾斜角が設定されたなら（例えば、図３３Ｂ参照）、追跡ヘッド２１２が骨プレート２００に対して傾斜することができないように、コネクタアセンブリ２１４の調整固定具２８６が締付けられることになる。場合によっては、追跡ヘッド２１２を所望の方位に配置するために、追跡ヘッド２１２の傾斜調整しか必要とされないこともある。

他の場合、追跡ヘッド２１２を所望の方位に配置する傾斜調整の後、回転軸Ｒを中心とする回転調整が必要である。これらの場合、所望の方位への配向は、ｚ軸に沿った重力測定値が略ゼロから非ゼロに移行する追加的な回転調整を含んでいてもよい。具体的には、最初、追跡ヘッド２１２を垂直に配置するために傾斜調整を行い、次いで、（ｚ軸に沿った重力測定値が非ゼロになる）回転調整を行い、次いで、ｚ軸を略ゼロに戻すためにさらなる傾斜調整を行う（すなわち、追跡ヘッド２１２を垂直に戻す）ように、調整が反復されるとよい。

回転調整中に、ＬＥＤ５０は、光学センサ４０によって追跡されている。具体的には、ナビゲーションコンピュータ２６は、光学センサ４０によって受信される信号に基づき、追跡ヘッド２１２のどの回転方位がＬＥＤ５０に対して最良の見通し線をもたらすかを判断するように、構成されている。

所望の回転方位は、追跡ヘッド２１２を運動の最大範囲、例えば、３６０°にわたって一回以上回転させるようにユーザーに指示することによって、決定することができる。追跡ヘッド２１２が回転している間、ナビゲーションコンピュータ２６は、軸Ｒを中心とするどの回転位置（例えば、どの回転角度）において各ＬＥＤ５０に対する見通し線が存在し、かつどの回転位置において各ＬＥＤ５０に対する見通し線が存在しないかを判断する。これは、追跡ヘッド２１２を膝関節の種々の位置において、すなわち、膝関節の拡縮位置において、その運動の最大範囲にわたって追跡ヘッド２１２を回転することを含んでいるとよい。これによって、各ＬＥＤ５０に対する軸Ｒを中心とする見通し位置の範囲が決定される。次いで、最適適合アルゴリズムを用いて、ＬＥＤ５０の全てに対する見通し位置の範囲内において最も適する軸Ｒを中心とする位置を決定することができる。

ナビゲーションコンピュータ２６は、現在の回転位置がナビゲーションコンピュータ２６によって決定された所望の回転位置と一致するまで追跡ヘッド２１２を回転させるように、ディスプレイ２８，２９を通してユーザーに指示する。例えば、図３４Ａに示されている現在の回転位置に対する図３４Ｂに示されている所望の回転位置を参照されたい。ユーザーに対する指示は、ディスプレイ２８，２９上の現在の回転位置および所望の回転位置を表す画像を示し、ユーザーが所望の回転位置に向かって調整を行うにつれて現在の回転位置を動的に変化させることによって、達成されるとよい。

傾斜角の調整と同じように、追跡ヘッド２１２上のＬＥＤが、緑色の光を放射するように作動されることによって、回転位置が所望の回転位置になったときをユーザーに指示するようになっているとよい。代替的に、現在の回転位置が所望の回転位置にあることを示すために、聴覚的指示計がトラッカー４４に設けられてもよい。所望の回転位置は、理想の回転位置からの所定のずれ、例えば、±１０％、±５％、または±２％のずれを含んでいてもよいことを理解されたい。

所望の回転方位が得られたとき、追跡ヘッド２１２が骨プレート２００に対して回転することができないように、コネクタアセンブリ２１４の調整固定具２６１が締付けられることになる。従って、追跡ヘッド２１２は、骨プレート２００および骨に対して移動できないように固定されたことになる。

いくつかの実施形態では、ＬＥＤ５０は、傾斜角および回転角の両方の調整中、光学センサ４０によって追跡されている。具体的には、ナビゲーションコンピュータ２６は、光学センサ４０によって受信された信号に基づき、追跡ヘッド２１２のどの傾斜および回転方位がＬＥＤ５０から光学センサ４０への最良の見通し線をもたらすかを判断するように、構成されている。

これらの実施形態では、所望の方位は、追跡ヘッド２１２をそれらの運動の最大範囲にわたって一回以上連続的または間欠的に傾斜および回転させるように、ユーザーに指示することによって、決定されてもよい。追跡ヘッド２１２が傾斜および回転している間、ナビゲーションシステム２６は、軸Ｐおよび軸Ｒを中心とするどの傾斜位置および回転位置（例えば、どの傾斜角および回転角）において各ＬＥＤ５０に対する見通し線が存在し、かつどの傾斜位置および回転位置において各ＬＥＤ５０に対する見通し線が存在しないかを判断する。これによって、各ＬＥＤ５０に対する軸Ｐおよび軸Ｒを中心とする見通し位置の範囲が決定される。次いで、最適適合アルゴリズムを用いて、ＬＥＤ５０の全てに対する見通し位置の範囲内において最も適合する軸Ｐおよび軸Ｒを中心とする位置を決定することができる。

このプロセスは、反復されるとよく、追跡ヘッド２１２に対する適切な位置を見出すために軸Ｐおよび軸Ｒを中心とするユーザーによるいくつかの調整を含んでいてもよい。場合によっては、ナビゲーションコンピュータ２６は、ユーザーによって設定された不十分な初期方位によって、ＬＥＤ５０の全てに対して見通し線が維持される方位を識別することができないことがある。この場合、ナビゲーションコンピュータ２６は、最初、ＬＥＤ５０が視覚的に光学センサ４０に面するように追跡ヘッド２１２を再配向するようにユーザーを指示し、次いで、種々の運動による追跡ヘッド２１２の方位の測定を継続し、これによって、ＬＥＤ５０の全てに対して見通し線を維持する最適適合を見出すようになっていてもよい。

場合によっては、傾斜調整は、まず、追跡ヘッド２１２をその傾斜運動の全範囲にわたって、可能であれば、拡縮位置を含む多数の膝位置において、一回以上移動させることによって行なわれてもよい。次いで、最適適合傾斜角が決定され、傾斜角がこの最適適合傾斜角に固定されることになる。その後、追跡ヘッド２１２は、その回転運動の全範囲にわたって、可能であれば、拡縮位置を含む多数の膝位置において、一回以上移動されるとよい。次いで、最適適合回転角が決定され、回転角がこの最適適合回転角に固定されることになる。

いくつかの実施形態では、第３の自由度の運動が、所望の位置、例えば、トラッカー４４の高さに対して調整されてもよい。図示されている実施形態では、外科医が膝関節を曲げるときにトラッカー４４が上下に移動するという事実から、２自由度の運動しか調整されていない。この場合、追跡ヘッド２１２のＬＥＤ５０は、ＬＥＤ５０とセンサ４０との間の見通し線を損なうことなく、光学センサ４０に対して上下されるとよい。

スクリュードライバー５００が、図３５〜図５１に示されている。スクリュードライバー５００は、骨ネジ２０２を適所に配置するために用いられるものである。

図３６を参照すると、スクリュードライバー５００は、ねじ込みの前に各骨ネジ２０２を骨内に打ち込む一体式衝撃具５０２を備えている。スクリュードライバー５００が骨ネジに２０２に対して押し込まれると、衝撃具５０２が後バネ５０４内にエネルギーを蓄える。このエネルギーは、最終的に、骨ネジ２０を骨内に押し込む力として解放される。衝撃具５０２は、エネルギーが蓄えられていない静止状態において始動され、蓄えられたエネルギーを徐々に増大させるように作動され、次いで、エネルギーを解放するように作動される。

スクリュードライバー５００は、本体を備えている。本体は、ノーズチューブ５０８、中間チューブ５１０、および後キャップ５１２を備えている。ノーズチューブ５０８、中間チューブ５１０、および後キャップ５１０は、内部構成要素を組み立てる目的で互いに離脱可能に接続される個別の部品である。他の実施形態では、ノーズチューブ５０８、中間チューブ５１０、および後キャップ５１２は、互いに恒久的に固定されていてもよいことを理解されたい。

ノーズチューブ５０８は、略円錐の遠位端５１４を有している。ノーズチューブ５０８は、その遠位端５１４から雄ネジ付き近位端５１６まで延在している。ノーズチューブ５０８は、中空である。ノーズチューブ５０８は、近位孔５１８および遠位孔５２０を画定している。近位孔５１８は、遠位孔５２０よりも大きい断面積を有している。近位孔５１８は、円形断面を有しており、遠位孔５２０は、六角形断面を有している。

中間チューブ５１０は、略円筒状である。中間チューブ５１０は、雌ネジ付き遠位端５２２および雄ネジ付き近位端５２４を有している。雌ネジ付き遠位端５２２は、ノーズチューブ５０８の雄ネジ付き近位端５１６に螺合されている。

後キャップ５１２は、上部５２６を有している。後キャップ５１２は、上部５２６から遠位方向に雌ネジ付き区域５２８まで延在している。雌ネジ付き区域５２８は、中間チューブ５１０の雄ネジ付き近位端５２４に螺合されている。

衝撃具５０２は、中間チューブ５１０内に配置されたハンマー５３０を備えている。ハンマー５３０は、略円筒形状を有している。後バネ５０４は、後キャップ５１２とハンマー５３０との間に配置されている。後バネ５０４は、ハンマー５３０を遠位側に付勢している。後バネ５０４の圧縮は、後キャプ５１２を緩めるかまたは締め付けてハンマー５３０の蓄えられたエネルギーを増減することによって、調整することができる。

受入れ孔５３２が、ハンマー５３０に形成されている。受入れ孔５３２は、ハンマー５３０の中心軸を中心として配置されている。受入れ孔５３２は、円筒状である。交差孔５３４が、受入れ５３２と直交する方向に形成されている（図４６参照）。

衝撃具５０２は、交差孔５３４内に配置されたトリガー５３６を備えている。トリガー５３６は、半円筒状である。トリガー５３６は、平坦な底面５３８を有している（図４７参照）。貫通孔５４０が、トリガー５３６に画定されている。衝撃具５０２が静止状態にあるとき、板バネ５４２がトリガー５３６を、貫通孔５４０が受入れ孔５３２に対して外れた位置、すなわち、位置ずれした位置に付勢することになる。

駆動ロッド５４４が、最終的に、骨ネジ２０２に押し込まれる衝撃具５０２内に蓄えられたエネルギーを受けることになる。駆動ロッド５４４は、近位端５４８を有する円筒シャフト５４６を有している。近位端５４８は、ハンマー５３０の受入れ孔５３２内に嵌入されるように形作られている。

ボス５５０が、駆動ロッド５４４の近位端５４８に配置され、肩５５２を形成している（図５０参照）。衝撃具５０２の静止状態では、肩５５２は、トリガー５３６の平坦な底面５３８に係合している。この状態では、ボス５５０は、トリガー５３６に画定された貫通孔５４０内に突出しているが、肩５５２は、円筒シャフト５４６が貫通孔５４０に入るのを阻止している。

駆動ロッド５４４は、遠位端５５６を有する六角形シャフト５５４を有している。六角形シャフト５５４は、ノーズチューブ５０８の六角形状の遠位孔５２０と嵌合し、これによって、ユーザーによる本体の回転が六角形シャフト５５４を回転させることになる。遠位端５５６は、骨ネジ２０２のヘッドに係合するように構成された特徴部を有し、スクリュードライバー５００の本体が回転したときに骨ネジ２０２を回転させて骨内に押し込むようになっている。

カラー５５８が、六角形シャフト５５４に固定されている。カラー５５８は、駆動ロッド５４４がノーズチューブ５０８から落下するのを阻止している。カラー５５８は、ノーズチューブ５０８の近位孔５１８と嵌合するために円筒形状を有している。

バネキャップ５６０が、中間チューブ５１０の内側おいてノーズチューブ５０８とハンマー５３０との間の中心に配置されている。バネキャップ５６０は、中間チューブ５１０の内側に圧入されている。

ロッドバネ５６２が、駆動ロッド５４４の円筒シャフト５４６の周りに配置されている。ロッドバネ５６２は、バネキャップ５６０と駆動ロッド５４４のカラー５５８との間において、ハンマー５３０が作動した後にスクリュードライバー５００を静止状態に戻すように作用する。バネキャップ５６０は、駆動ロッド５４４の円筒シャフト５４６を受入れ、中間チューブ５１０の内側に円筒シャフト５４６を心出しするための（部番が付されていない）貫通孔を画定している。

スクリュードライバー５００は、後キャップ５１２および／または中間チューブ５１０を把持し、それらを遠位側に付勢することによって、骨ネジ２０２に対して押圧されている。従って、骨ネジ２０２は、骨に押し付けられる。同時に、駆動ロッド５４４は、中間チューブ５１０内において近位側に移動する。肩５５２は、トリガー５３６を近位側に押し付け、板バネ５４２は、トリガー５３６をハンマー５３０の受入れ孔５３２から位置ずれした貫通孔５４０内に維持している。

中間チューブ５１０は、傾斜した内面５６６を備えている。トリガー５３６が傾斜した内面５６６に達したとき、傾斜した内面５６６は、トリガーに係合する。これが行なわれると、傾斜した内面５６６がカムとして作用し、トリガー５３６は、トリガー５３６の貫通孔５４０が心出しされ、ハンマー５３０の受入れ孔５３２と真っ直ぐに並ぶように、押し出される。同様に、駆動ロッド５４４の近位端５４８は、貫通孔５４０内に嵌合するように位置合わせされ、これによって、トリガー５３６は、駆動ロッド５４４に沿って摺動し、ハンマー５３０を解放する。次いで、ハンマー５３０は、後バネ５０４による推進力によって、前方に移動する。

ハンマー５３０の受入れ孔５３２が所定の深さを有しているので、駆動ロッド５４４の近位端５４８のボス５５０は、最終的に、受入れ孔５３２に底付きし、ハンマー５３０の力が駆動ロッド５４４および骨ネジ２０２に伝達され、骨ネジ２０２を骨内に押し込むことになる。

［他の実施形態］
一実施形態では、トラッカー４４，４６，４８の各々が能動的に追跡されているとき、ＬＥＤの作動は、以下のように行なわれる。すなわち、トラッカー４４の１つのＬＥＤ５０が作動され、トラッカー４６の１つのＬＥＤ５０が作動され、トラッカー４８の１つのＬＥＤ５０が作動され、次いで、トラッカー４４の第２のＬＥＤ５０が作動され、トラッカー４６の第２のＬＥＤ５０が作動され、以後、全てのＬＥＤ５０が作動されるまで、これが継続され、次いで、このシーケンスが繰り返される。この作動の順序は、カメラユニット３６の送受信機（図示せず）からトラッカー４４，４６，４８の送受信機（図示せず）に送信される指示信号またはナビゲーションコンピュータ２６からトラッカー４４，４６，３８の各々のトラッカー制御装置６２への有線接続を介して送信される指示信号によって行なわれる。

閉ループにあるナビゲーションシステム２０を用いて、外科用切断器具によって行なわれる外科手術手順を制御することができる。トラッカー５０が器具２２および切断される解剖学的構造に装着され、これによって、ナビゲーションシステム２０は、器具２２および切断される解剖学的構造、例えば、骨の位置および方位を追跡することができる。

一実施形態では、ナビゲーションシステム２０は、組織を治療するためのロボット外科用システムの一部である。いくつかの態様では、ロボット外科用システムは、患者の解剖学的構造、例えば、骨または軟組織から材料を切除するためのロボット外科切断システムである。この切断システムは、単踝膝移植片、双踝膝移植片、または全膝移植片を含む股関節移植片および膝移植片のような外科用移植片のために骨を前処理するために用いられてもよい。これらの形式の移植片のいくつかは、「人工移植片および移植の方法」と題する米国特許出願第１３／５３０，５２７号に示されている。この文献の開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。

一実施形態では、ナビゲーションシステム２０は、（マニピュレータ制御装置５４を備えることができる）ロボット制御システムと連通している。ナビゲーションシステム２０は、位置および／または方位データをロボット制御システムに伝送する。位置および／または方位データは、解剖学的構造に対する器具２２の位置および／または方位を表している。この通信によって、切断が所定の境界内で行なわれるように解剖学的構造の切断を制限する閉ループ制御がもたらされる。

一実施形態では、大腿骨Ｆおよび頸骨Ｔの各々は、外科用器具２２のワーク端によって取り除かれる目標とする材料体積を有している。この目標とする体積は、１つまたは複数の境界によって画定されている。境界は、手術手順のあとに残されるべき骨の表面を画定している。いくつかの実施形態では、ナビゲーションシステム２０は、２０１３年８月２日に出願された「外科用器具を多重モードで制御することができる外科用マニピュレータ」と題する米国特許出願第１３／９５８，０７０号に開示されているように、ワーク端、例えば、バールが目標とする材料体積のみを除去し、境界を超えて延長しないことを確実にするように、外科用器具２２を追跡および制御する。この出願の開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。

前述の記載において、いくつかの実施形態について説明してきた。しかし、本明細書において検討した実施形態は、本発明をどのような特定の形態にも排他または制限することを意図していない。用いられた技術用語は、制限のための用語ではなく説明のための用語であることが意図されている。上記の示唆に照らして、多くの修正および変更が可能であり、本発明は、具体的に記載されている以外の形態で実施されてもよい。

Claims (8)

1. 対象物を追跡するためのナビゲーションシステムであって、
   追跡信号を送信するように構成された少なくとも３つの光学的追跡素子を有する追跡ヘッドを備えている前記対象物に取付け可能な追跡装置と、
   前記対象物の位置を決定するために前記少なくとも３つの光学的追跡素子から前記追跡信号を受信するように構成されたセンサと、
   前記追跡ヘッドによって支持されたエラー指示計であって、前記エラー指示計は、前記センサが前記少なくとも３つの光学的追跡素子の１つから前記追跡信号を受信するときのエラーを示すように構成されており、第１の発光素子および第２の発光素子を備えている、エラー指示計と、
   前記少なくとも３つの光学的追跡要素の連続的作動を含む追跡サイクルにおいて、前記センサが前記少なくとも３つの光学的追跡素子から前記追跡信号を受信したかどうかを判断し、もし前記追跡サイクルにおいて、前記センサが前記少なくとも３つの光学的追跡素子から前記追跡信号を受信しなかったなら、エラー信号を生成するように構成されたコンピュータシステムであって、前記コンピュータシステムはさらに、
   前記エラー信号の生成に応じて、前記第１の発光素子を作動させ、前記エラー信号の生成に応じて、前記第２の発光素子を作動停止させるように構成され、または、
   前記エラー信号の生成に応じて、第１の着色光を放射させるために、前記エラー信号がないときには、第２の着色光を放射させるために、前記第１および第２の発光素子を作動させるように構成されている、コンピュータシステムと、
   を備えている、
   ナビゲーションシステム。
2. 前記第１の発光素子は、前記第１の着色光を放射するように構成されており、前記第２の発光素子は、前記第２の着色光を放射するように構成されており、前記コンピュータシステムは、前記エラー信号の生成に応じて、前記第１の着色光を放射させるために、前記第１の発光素子を作動させ、前記エラー信号の生成に応じて、前記第２の着色光の放射を中断させるために、前記第２の発光素子を作動停止させるように構成されている、請求項１に記載のナビゲーションシステム。
3. 前記追跡ヘッドは、前記対象物に取り付けられるように構成された追跡本体を備えており、前記追跡本体は、光リングを備えており、前記第１および第２の発光素子は、前記光リングを照明するために、前記光リングの内側に位置するように前記追跡本体に取り付けられている、請求項２に記載のナビゲーションシステム。
4. 前記第１の発光素子は、前記コンピュータシステムが前記エラー信号を生成したときに前記光リングが前記第１の着色光によって照明され、前記第１の着色光を放射するように構成された発光ダイオードであり、前記第２の発光素子は、前記センサが前記追跡信号を受信したと前記コンピュータシステムが判断したとき、前記光リングが前記第２の着色光によって照明され、前記第２の着色光を放射するように構成された発光ダイオードである、請求項３に記載のナビゲーションシステム。
5. 前記追跡本体は、上面、底面、および側面を備えており、前記追跡本体は、前記側面に画定された光開口を画定しており、前記第１および第２の発光素子の一方から光が前記光開口を通って放射されるようになっている、請求項３に記載のナビゲーションシステム。
6. 前記センサは、視野を有しており、前記追跡素子は、前記少なくとも３つの光学的追跡素子が前記視野内にあるように前記対象物に取付け可能になっている、請求項１に記載のナビゲーションシステム。
7. 前記少なくとも３つの光学的追跡素子は、発光ダイオードである、請求項１に記載のナビゲーションシステム。
8. 前記少なくとも３つの光学的追跡素子は、反射ボールである、請求項１に記載のナビゲーションシステム。

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