JP7742982B2 - 対象の関連表面点をサンプリングする方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、医療用ナビゲーションシステムのために対象の関連表面点をサンプリングする方法、位置合わせ装置、コンピュータ支援手術用の手術ナビゲーションシステムおよびコンピュータプログラムに関する。

背景技術
表面ベースの画像位置合わせは、医用画像データを患者の解剖学的領域に関連付けるための確立された方法である。表面形状取得方法は、非接触および接触ベースの方法に分けることができる。接触ベースの方法は、通常、実際の表面の上または下で点を取得することができるため、測定誤差が生じやすい。一方、非接触方法は、通常、（例えば毛髪によって）覆われた領域上の点を取得するのに使用できない。

本発明は、ＩＧＳ（Ｉｍａｇｅ Ｇｕｉｄｅｄ Ｓｕｒｇｅｒｙ）ワークフローに使用することができる。潜在的な用途には、脊椎手術、頭蓋手術、ｅｎｔ手術、ｃｍｆ手術および腹腔鏡手術が含まれる。

本発明の態様、例および例示的なステップならびにそれらの実施形態を以下に開示する。本発明の様々な例示的な特徴は、技術的に適切かつ実行可能であれば、本発明に従って組み合わせることができる。
発明の簡単な説明
本明細書で前述した従来技術に照らして、本発明の目的は、対象の組織タイプの分析を含むことにより、医療用ナビゲーションシステムのために対象の関連表面点をサンプリングするための改善された方法を提供することであると考えることができる。

以下では、本発明の特定の特徴の簡単な説明が与えられ、これは、本発明をこのセクションに記載された特徴または特徴の組み合わせのみに限定すると理解されるべきではない。

医療用ナビゲーションシステムのために対象の関連表面点をサンプリングする方法が提示される。

特に、対象の複数の表面点から、関連表面点が受け入れられ、非関連表面点が破棄される。本発明の１つの技術的効果は、対象の表面形状取得を改善できることである。

この目的のために、表面点の追加情報が取得され、各表面点に割り当てられて各表面点が検証される。
発明の全般的な説明
このセクションでは、本発明の一般的な特徴の説明が、例えば、本発明の可能な実施形態を参照することによって与えられる。

これは独立請求項の主題によって達成され、さらなる実施形態が従属請求項および以下の説明に組み込まれる。

記載された実施形態は、同様に、医療用ナビゲーションシステムのために対象の関連表面点をサンプリングする方法、コンピュータ支援手術用の手術ナビゲーションシステムおよびコンピュータプログラに関する。相乗効果は、実施形態の異なる組み合わせから生じ得るが、それらは以下で詳細に説明されない場合がある。さらに、方法に関する本発明のすべての実施形態は、本明細書に明示的に記載されたステップの順序で実行され得ることに留意されたい。それにもかかわらず、これは本方法のステップの唯一かつ本質的な順序である必要はない。本明細書に提示される方法は、以下で反対のことが明示的に言及されない限り、それぞれの方法実施形態から逸脱することなく、開示されたステップの別の順序で実行することができる。

技術用語は常識によって使用される。特定の意味が特定の用語に伝えられる場合、用語の定義は、その用語が使用される文脈において以下に与えられる。

本開示によれば、医療用ナビゲーションシステムのために対象の関連表面点をサンプリングする方法が提供される。この方法は、意図された処置に応じて対象に対する意図された処置のための表面位置合わせタイプを決定するステップを含み、表面位置合わせタイプは、対象の少なくとも一部の少なくとも１つの関連する組織タイプを含む。さらに、位置合わせ装置を用いて対象の少なくとも１つの表面点の位置を決定する。方法は、決定された少なくとも１つの表面点で対象の組織タイプを識別するステップと、識別された組織タイプと意図された処置の決定された表面位置合わせタイプとに応じて少なくとも１つの表面点を検証するステップとをさらに含み、それによって少なくとも１つの関連表面点および／または少なくとも１つの非関連表面点の位置を決定し、少なくとも１つの関連表面点は受け入れられ、少なくとも１つの非関連表面点は破棄される。

好ましい実施形態では、方法は各表面点に対して実行される。あるいは、複数の表面点が決定され、したがって、各表面点に対する対象の組織タイプが識別され、次に、検証ステップは、決定された複数の表面点から関連表面点をフィルタリングすることに関する。この場合、決定された表面点を、対応する表面点における対象の識別された組織タイプに関連付けるステップが必要である。

好ましい実施形態では、サンプリングプロセス中に複数のフレーム、または言い換えれば画像が撮影され、すべてのフレームについて対象の少なくとも１つの表面点が決定され、決定された表面点の組織タイプが識別される。３Ｄスキャナまたは構造化光スキャナを使用する場合、対象の２つ以上の表面点をフレームごとに決定することができる。

好ましい実施形態では、組織タイプは、皮膚、骨、異なる組織、特に血管、心臓組織、肝臓組織および／または腎臓組織などの生物学的組織、および／またはドレープ、特に手術用ドレープ、シリコーン切開用ドレープ、および／またはテーブルクッションなどの非生物学的組織を含む。本明細書で使用される「組織タイプ」という用語は、一般に、表面タイプに関連し得る。

好ましい実施形態では、表面位置合わせタイプは、特に神経外科手術のための顔位置合わせ、特にＥＮＴ手術のための鼻腔内位置合わせ、特に腹腔鏡手術および／または開放手術のための肝臓位置合わせ、および／または特に脊椎手術および／または整形外科手術のための骨表面位置合わせを含む。

したがって、例えば、顔位置合わせおよび／またはＥＮＴ手術のために、関連する組織タイプは皮膚を含む。さらなる例では、骨表面位置合わせのために、関連する組織タイプは骨を含む。さらなる例によれば、肝臓の位置合わせのために、関連する組織タイプは肝臓組織を含む。例えば、鼻腔内位置合わせのために、関連する組織タイプは粘膜を含む。

本明細書で使用される「対象」という用語は、人体、特に患者を含む。
本明細書で使用される「表面点」という用語は、表面座標とも呼ばれ得る。

本明細書で使用される「関連表面点」という用語は、決定された表面位置合わせタイプに関連するものとして検証される表面点に関する。例えば、組織タイプが「骨」の表面点は、脊椎手術用の関連表面点である。さらなる例では、組織タイプが「ドレープ」の表面点は、通常、非関連表面点である。

「意図された処置」という用語は、例えば患者などの特定の対象に対して行われることが意図された手術などの処置および／または介入に関する。

好ましくは、本明細書に記載の方法は、コンピュータ実装医療方法に関する。
したがって、関連表面データのみが取得され、非関連表面データは関連データセットを歪めない。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
コンピュータ実装方法
本発明による方法は、例えば、コンピュータ実装方法である。例えば、本発明による方法のすべてのステップまたは単にいくつかのステップ（すなわち、ステップの総数未満）は、コンピュータ（例えば、少なくとも１つのコンピュータ）によって実行することができる。コンピュータ実装方法の一実施形態は、データ処理方法を実行するためのコンピュータの使用である。コンピュータ実装方法の一実施形態は、コンピュータが方法の１つ、複数、またはすべてのステップを実行するように動作するような、コンピュータの動作に関する方法である。

コンピュータは、例えば電子的および／または光学的にデータを（技術的に）処理するために、例えば少なくとも１つのプロセッサと、例えば少なくとも１つのメモリとを備える。プロセッサは、例えば、半導体、例えば少なくとも部分的にｎ型および／またはｐ型ドープ半導体、例えばＩＩ型、ＩＩＩ型、ＩＶ型、Ｖ型、ＶＩ型半導体材料の少なくとも１つ、例えば（ドープされた）シリコンおよび／またはガリウムヒ素である物質または組成物で作られる。記載の計算ステップまたは決定ステップは、例えば、コンピュータによって実行される。決定ステップまたは計算ステップは、例えば、技術的方法の枠組み内、例えばプログラムの枠組み内でデータを決定するステップである。コンピュータは、例えば、任意の種類のデータ処理装置、例えば電子データ処理装置である。コンピュータは、一般にそのように考えられているデバイス、例えば、デスクトップＰＣ、ノートブック、ネットブックなどであり得るが、例えば、携帯電話または組み込みプロセッサなどの任意のプログラム可能な装置でもあり得る。コンピュータは、例えば、「サブコンピュータ」のシステム（ネットワーク）を含むことができ、各サブコンピュータはそれ自体コンピュータを表す。「コンピュータ」という用語は、クラウドコンピュータ、例えばクラウドサーバを含む。「クラウドコンピュータ」という用語は、例えば少なくとも１つのクラウドコンピュータのシステムと、例えばサーバファームなどの複数の動作可能に相互接続されたクラウドコンピュータとを含むクラウドコンピュータシステムを含む。そのようなクラウドコンピュータは、好ましくは、ワールドワイドウェブ（ＷＷＷ）などの広域ネットワークに接続され、すべてがワールドワイドウェブに接続されたいわゆるコンピュータのクラウド内に配置される。そのようなインフラストラクチャは、「クラウドコンピューティング」に使用され、これは特定のサービスを配信するコンピュータの物理的な位置および／または構成をエンドユーザが知る必要のない、計算、ソフトウェア、データアクセスおよびストレージサービスを言う。例えば、「クラウド」という用語は、この点において、インターネット（ワールドワイドウェブ）の比喩として使用される。例えば、クラウドは、サービスとしてのコンピューティングインフラストラクチャ（ＩａａＳ）を提供する。クラウドコンピュータは、本発明の方法を実行するために使用されるオペレーティングシステムおよび／またはデータ処理アプリケーションの仮想ホストとして機能することができる。クラウドコンピュータは、例えば、Ａｍａｚｏｎ Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ（商標）によって提供されるｅｌａｓｔｉｃ ｃｏｍｐｕｔｅ ｃｌｏｕｄ（ＥＣ２）である。コンピュータは、例えば、データを受信または出力し、および／またはアナログ－デジタル変換を実行するためのインターフェースを備える。データは、例えば、物理的特性を表す、および／または技術的信号から生成されるデータである。技術信号は、例えば、（技術的）検出装置（例えば、マーカ装置を検出するための装置など）および／または（技術的）分析装置（例えば、（医療）撮像方法を実行するための装置など）によって生成され、技術信号は、例えば、電気信号または光学信号である。技術信号は、例えば、コンピュータによって受信または出力されたデータを表す。コンピュータは、好ましくは、コンピュータによって出力された情報を、例えばユーザに表示することを可能にする表示装置に動作可能に結合される。表示装置の一例は、ナビゲートのための「ゴーグル」として使用することができる仮想現実装置または拡張現実装置（仮想現実眼鏡または拡張現実眼鏡とも呼ばれる）である。そのような拡張現実メガネの具体例は、Ｇｏｏｇｌｅ Ｇｌａｓｓ（Ｇｏｏｇｌｅ，Ｉｎｃ．の商標）である。拡張現実装置または仮想現実装置は、ユーザ対話によってコンピュータに情報を入力するため、およびコンピュータによって出力された情報を表示するための両方に使用することができる。表示装置の別の例は、例えば、表示装置に画像情報コンテンツを表示するために使用される信号を生成するためにコンピュータから表示制御データを受信するためにコンピュータに動作可能に結合された液晶ディスプレイを含む標準的なコンピュータモニタである。そのようなコンピュータモニタの特定の実施形態は、デジタルライトボックスである。そのようなデジタルライトボックスの例は、Ｂｒａｉｎｌａｂ ＡＧの製品であるＢｕｚｚ（登録商標）である。モニタはまた、スマートフォンまたは携帯情報端末またはデジタルメディアプレーヤなどの携帯型、例えば手持ち型装置のモニタであってもよい。

本発明はまた、コンピュータ上で実行されると、コンピュータに、本明細書に記載の方法ステップの１つまたは複数またはすべてを実行させるプログラム、および／またはプログラムが記憶されているプログラム記憶媒体（特に非一時的形態）、および／またはプログラム記憶媒体を備えるコンピュータ、および／または例えば本明細書に記載の方法ステップのいずれかまたはすべてを実行するように適合されたコード手段を備える、例えば前述のプログラムなどのプログラムを表す情報を搬送する（物理的、例えば電気的、例えば技術的に生成される）信号波、例えばデジタル信号波に関する。

本発明の枠組み内で、コンピュータプログラム要素は、ハードウェアおよび／またはソフトウェア（これには、ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどが含まれる）によって具現化することができる。本発明の枠組み内で、コンピュータプログラム要素は、コンピュータ使用可能な、例えば、命令実行システム上で、またはそれに関連して使用するためにデータ記憶媒体内に具現化されるコンピュータ可読プログラム命令、「コード」または「コンピュータプログラム」を含むコンピュータ使用可能な、例えばコンピュータ可読データ記憶媒体によって具現化され得るコンピュータプログラム製品の形態をとることができる。そのようなシステムは、コンピュータであってもよく、コンピュータは、本発明によるコンピュータプログラム要素および／またはプログラムを実行するための手段を備えるデータ処理装置、例えば、コンピュータプログラム要素を実行するデジタルプロセッサ（中央処理装置またはＣＰＵ）と、任意選択的に、コンピュータプログラム要素の実行に使用されるおよび／またはコンピュータプログラム要素の実行によって生成されるデータを格納するための揮発性メモリ（例えば、ランダムアクセスメモリまたはＲＡＭ）とを備えるデータ処理装置とすることができる。本発明の枠組み内で、コンピュータ使用可能な、例えばコンピュータ可読データ記憶媒体は、命令実行システム、装置、またはデバイス上で、またはそれに関連して使用するためのプログラムを含む、記憶する、通信する、伝播する、または輸送することができる任意のデータ記憶媒体とすることができる。コンピュータ使用可能な、例えばコンピュータ可読データ記憶媒体は、例えば、電子、磁気、光学、電磁気、赤外線または半導体システム、装置またはデバイス、または例えばインターネットなどの伝搬媒体であってもよいが、これらに限定されない。コンピュータ使用可能またはコンピュータ可読データ記憶媒体はさらに、プログラムは例えば、紙または他の適切な媒体の光学的走査によって電子的に取り込むことができ、次に適切な方法でコンパイル、解釈、または他の方法で処理することができるため、例えば、プログラムが印刷される紙または他の適切な媒体であってもよい。データ記憶媒体は、好ましくは不揮発性データ記憶媒体である。本明細書で説明されるコンピュータプログラム製品ならびに任意のソフトウェアおよび／またはハードウェアは、例示的な実施形態における本発明の機能を実行するための様々な手段を形成する。コンピュータおよび／またはデータ処理装置は、例えば、案内情報を出力する手段を含む案内情報装置を含むことができる。案内情報は、視覚的指示手段（例えば、モニタおよび／またはランプ）によって視覚的に、および／または音響的指示手段（例えば、スピーカおよび／またはデジタル音声出力装置）によって音響的に、および／または触覚的指示手段（例えば、機器に組み込まれた振動する要素または振動素子）によって触覚的に、例えばユーザに出力することができる。本明細書の目的のために、コンピュータは、例えば、技術的、例えば有形の構成要素、例えば機械的および／または電子的構成要素を含む技術的コンピュータである。本明細書でそのように言及される任意の装置は、技術的な、例えば有形の装置である。

データ取得
「データ取得」という表現は、例えば、データがコンピュータ実装方法またはプログラムによって決定されるシナリオを（コンピュータ実装方法の枠組み内で）包含する。データを決定することは、例えば、物理量を測定し、測定値をデータ、例えばデジタルデータに変換すること、および／またはコンピュータによって、例えば本発明による方法の枠組み内でデータを計算する（および、例えば、出力する）ことを含む。「データ取得」の意味はまた、例えば、データが、例えば別のプログラム、前の方法ステップ、または例えばコンピュータ実装方法もしくはプログラムによるさらなる処理のためのデータ記憶媒体から、コンピュータ実装方法もしくはプログラムによって（例えば、入力）受信または取得されるシナリオを包含する。取得されるべきデータの生成は、本発明による方法の一部であってもよいが、そうである必要はない。したがって、「データ取得」という表現は、例えば、データの受信を待つこと、および／またはデータを受信することを意味することもできる。受信データは、例えば、インターフェースを介して入力することができる。「データ取得」という表現はまた、コンピュータ実装方法またはプログラムが、データソース、例えばデータ記憶媒体（例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ、データベース、ハードドライブなど）から、またはインターフェースを介して（例えば、別のコンピュータまたはネットワークから）データを（能動的に）受信または検索するためにステップを実行することを意味することができる。開示された方法または装置によってそれぞれ取得されたデータは、データベースとコンピュータとの間のデータ転送のためにコンピュータに対して動作可能なデータ記憶装置に配置されたデータベースから、例えばデータベースからコンピュータに、取得することができる。コンピュータは、データを取得して、データを決定するステップの入力として使用する。決定されたデータは、後で使用するために記憶される同じまたは別のデータベースに再び出力することができる。開示された方法を実施するために使用されるデータベースまたはデータベースは、ネットワークデータ記憶装置またはネットワークサーバ（例えば、クラウドデータストレージデバイスまたはクラウドサーバ）またはローカルデータ記憶装置（開示された方法を実行する少なくとも１つのコンピュータに動作可能に接続された大容量記憶装置など）に配置することができる。データは、取得ステップの前に追加のステップを実行することによって「使用準備完了」にすることができる。この追加のステップに従って、データが取得されるために生成される。データは、例えば、（例えば、分析装置によって）検出または取り込まれる。代替的または追加的に、データは、追加のステップに従って、例えばインターフェースを介して入力される。生成されたデータは、例えば、（例えば、コンピュータに）入力することができる。（取得ステップに先行する）追加のステップによれば、データをデータ記憶媒体（例えばＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＤおよび／またはハードドライブなど）に記憶する追加のステップを実行することによってデータを提供することもでき、それによって、本発明による方法またはプログラムの枠組み内で使用する準備が整う。したがって、「データ取得」ステップはまた、取得されるべきデータを取得および／または提供するように装置に命令することを含むことができる。特に、取得ステップは、専門的な医療専門知識の実施を必要とし、かつ必要な専門的ケアおよび専門知識を用いて実行された場合であっても実質的な健康リスクを伴う、身体に対する実質的な物理的干渉を表す侵襲的ステップを含まない。特に、データを取得するステップ、例えばデータを決定するステップは、外科的ステップを含まず、特に、外科手術または治療を用いて人体または動物の体を治療するステップを含まない。本方法によって使用される異なるデータを区別するために、データは「ＸＹデータ」などとして示され（すなわち呼ばれ）、それらが説明する情報に関して定義され、それはその後、好ましくは「ＸＹ情報」などと呼ばれる。

登録
身体のｎ次元画像は、空間内の実際の物体、例えば手術室の身体部分の各点の空間位置に、ナビゲーションシステムに格納された画像（ＣＴ、ＭＲなど）の画像データ点が割り当てられたときに登録される。

画像位置合わせ
画像位置合わせは、異なるデータセットを１つの座標系に変換するプロセスである。データは、複数の写真および／または異なるセンサ、異なる時間または異なる視点からのデータであり得る。これは、コンピュータビジョン、医療画像、ならびに衛星からの画像およびデータのコンパイルおよび分析に使用される。これらの異なる測定から得られたデータを比較または統合できるようにするために、位置合わせが必要である。

マーカ
これは、マーカの空間位置（すなわち、その空間位置および／または位置合わせ）を確認することができるように、マーカ検出装置（例えば、カメラもしくは超音波受信機、またはＣＴもしくはＭＲＩ装置などの分析装置）によって検出されるマーカの機能である。検出装置は、例えばナビゲーションシステムの一部である。マーカは、活性マーカであり得る。活性マーカは、例えば、赤外線、可視および／または紫外線スペクトル範囲であり得る電磁放射および／または波を放射することができる。しかしながら、マーカは受動的であってもよく、すなわち、例えば、赤外、可視および／または紫外線スペクトル範囲の電磁放射を反射することができ、またはＸ線放射を遮断することができる。この目的のために、マーカは、対応する反射特性を有する表面を備えることができ、またはＸ線放射を遮断するために金属で作ることができる。マーカが、無線周波数範囲または超音波波長の電磁放射および／または波を反射および／または放射することも可能である。マーカは、好ましくは球形および／または回転楕円形を有し、したがってマーカ球と呼ぶことができる。しかしながら、マーカは、角のある、例えば立方体の形状を示すこともできる。

マーカ装置
マーカ装置は、例えば、好ましくは所定の空間的関係にある基準星またはポインタまたは単一のマーカまたは複数の（個々の）マーカであり得る。マーカ装置は、１つ、２つ、３つまたはそれ以上のマーカを備え、２つ以上のそのようなマーカは、所定の空間的関係にある。この所定の空間的関係は、例えばナビゲーションシステムに知られており、例えばナビゲーションシステムのコンピュータに記憶されている。

別の実施形態では、マーカ装置は、例えば２次元表面上に光学パターンを含む。光学パターンは、円、長方形および／または三角形のような複数の幾何学的形状を含むことができる。光学パターンは、カメラによって取り込まれた画像内で識別することができ、カメラに対するマーカ装置の位置は、画像内のパターンのサイズ、画像内のパターンの向き、および画像内のパターンの歪みから決定することができる。これにより、単一の２次元画像から最大３つの回転次元および最大３つの並進次元の相対位置を決定することが可能になる。

マーカ装置の位置は、例えば医療用ナビゲーションシステムによって確認することができる。マーカ装置が骨または医療器具などの物体に取り付けられている場合、物体の位置は、マーカ装置の位置およびマーカ装置と対象との間の相対位置から決定することができる。この相対位置を決定することは、マーカ装置と物体との位置合わせとも呼ばれる。マーカ装置または物体を追跡することができ、これは、マーカ装置または物体の位置が経時的に２回以上確認されることを意味する。

マーカホルダ
マーカホルダは、マーカを器具、身体の一部および／または基準星の保持要素に取り付けるのに役立つ個々のマーカ用の取り付け装置を意味すると理解され、マーカホルダは、固定されるように取り付けることができ、有利には取り外すことができるように取り付けることができる。マーカホルダは、例えば、棒状および／または円筒状であってもよい。マーカ装置用の締結装置（例えば、ラッチ機構など）は、マーカに面するマーカホルダの端部に設けることができ、マーカ装置をマーカホルダ上に力嵌めおよび／または確実な嵌合で配置するのを助ける。

ポインタ
ポインタはロッドであり、ロッドは、それに固定された１つまたは複数の、有利には２つのマーカを備え、身体の一部の個々の座標、例えば空間座標（すなわち、３次元座標）を測定するために使用することができ、ユーザは、ポインタの位置を、外科用ナビゲーションシステムを使用してポインタ上のマーカを検出することによって決定することができるように、座標に対応する位置にポインタ（例えば、ポインタに取り付けられた少なくとも１つのマーカに対して画定され、有利には固定された位置を有するポインタの一部）を案内する。ポインタのマーカと、座標（例えば、ポインタの先端）を測定するために使用されるポインタの部分との間の相対位置は、例えば既知である。次に、外科用ナビゲーションシステムは、（３次元座標の）位置を所定の身体構造に割り当てることを可能にし、割り当ては、自動的にまたはユーザ手順によって行うことができる。

基準星
「基準星」は、それに取り付けられたいくつかのマーカ、有利には３つのマーカを有する装置を指し、マーカは、マーカが静止するように基準星に（例えば取り外し可能に）取り付けられ、したがって互いに対するマーカの既知の（有利には固定された）位置を提供する。マーカの互いに対する位置に基づいて外科用ナビゲーションシステムが対応する基準星を識別することを可能にするために、マーカの互いに対する位置は、外科用ナビゲーション方法の枠組み内で使用される各基準星に対して個別に異なることができる。したがって、基準星が取り付けられている物体（例えば、器具および／または身体の一部）を、それに応じて識別および／または区別することも可能である。手術ナビゲーション方法では、基準星は、物体（例えば、骨または医療器具）の位置を検出できるようにするために、物体（すなわち、その空間位置および／または位置合わせ）に複数のマーカを取り付ける役割を果たす。そのような基準星は、例えば、物体（例えば、クランプおよび／またはねじ山）に取り付けられる方法、および／または（例えば、マーカ検出装置に対するマーカの視認性を助けるために）マーカと物体との間の距離を保証する保持要素、および／または保持要素に機械的に接続され、マーカを取り付けることができるマーカ保持具を特徴とする。

ナビゲーションシステム
本発明はまた、コンピュータ支援手術用のナビゲーションシステムに関する。このナビゲーションシステムは、好ましくは、本明細書に記載の実施形態のいずれか１つに記載のコンピュータ実施方法に従って提供されたデータを処理するための前述のコンピュータを備える。ナビゲーションシステムは、好ましくは、受信した検出信号に基づいてコンピュータが絶対主点データおよび絶対補助点データを決定することができるように、検出信号を生成し、生成された検出信号をコンピュータに供給するために、主点および補助点を表す検出点の位置を検出するための検出装置を備える。検出点は、例えばポインタによって検出される解剖学的構造の表面上の点である。このようにして、絶対点データをコンピュータに提供することができる。ナビゲーションシステムはまた、好ましくは、コンピュータから計算結果（例えば、主平面の位置、補助平面の位置、および／または標準平面の位置）を受信するためのユーザインターフェースを備える。ユーザインターフェースは、受信したデータを情報としてユーザに提供する。ユーザインターフェースとしては、例えば、モニタなどの表示装置やスピーカなどが挙げられる。ユーザインターフェースは、任意の種類の指示信号（例えば、視覚信号、音声信号および／または振動信号）を使用することができる。表示装置の一例は、ナビゲーションのためのいわゆる「ゴーグル」として使用することができる拡張現実装置（拡張現実眼鏡とも呼ばれる）である。そのような拡張現実メガネの具体例は、Ｇｏｏｇｌｅ Ｇｌａｓｓ（Ｇｏｏｇｌｅ，Ｉｎｃ．の商標）である。拡張現実装置は、ユーザ対話によってナビゲーションシステムのコンピュータに情報を入力するためにも、コンピュータによって出力された情報を表示するためにも使用することができる。

本発明はまた、
絶対点データおよび相対点データを処理するコンピュータと、
絶対点データを生成して絶対点データをコンピュータに供給するために、主点および補助点の位置を検出する検出装置と、
相対点データを受信し、相対点データをコンピュータに供給するためのデータインターフェースと、
ユーザに情報を提供するためにコンピュータからデータを受信するためのユーザインターフェースであって、受信データは、コンピュータによって実行された処理の結果に基づいてコンピュータによって生成される、ユーザインターフェースと
を含む、コンピュータ支援手術用のナビゲーションシステムに関する。

手術ナビゲーションシステム
外科用ナビゲーションシステムなどのナビゲーションシステムは、少なくとも１つのマーカ装置と、電磁波および／または放射線および／または超音波を放射する送信機と、電磁波および／または放射線および／または超音波を受信する受信機と、受信機および／または送信機に接続された電子データ処理装置とを備えることができ、データ処理装置（例えば、コンピュータ）が、例えば、プロセッサ（ＣＰＵ）と、ワーキングメモリと、有利には、指示信号を発行するための指示装置（例えば、モニタなどの視覚的表示装置、および／またはスピーカなどの音声的表示装置、および／またはバイブレータなどの触覚的表示装置）と、永久データメモリとを含み、データ処理装置が、受信機によって転送されたナビゲーションデータを処理し、有利には、指示装置を介してユーザに案内情報を出力することができるシステムを意味すると理解される。ナビゲーションデータは、永久データメモリに記憶することができ、例えば、メモリに予め記憶されたデータと比較することができる。

ランドマーク
ランドマークは、複数の患者の同じ解剖学的身体部分において常に同一であるか、または高い類似度で繰り返される解剖学的身体部分の定義された要素である。典型的なランドマークは、例えば、大腿骨の上顆または椎骨の横突起および／または背突起の先端である。点（主点または補助点）は、そのようなランドマークを表すことができる。身体部分の特徴的な解剖学的構造上（例えば、その表面上）にあるランドマークも、前記構造を表すことができる。ランドマークは、解剖学的構造を全体として、またはその点もしくは一部のみとして表すことができる。ランドマークは、例えば、顕著な構造である解剖学的構造上に存在することもできる。そのような解剖学的構造の例は、腸骨稜の後面である。ランドマークの別の例は、寛骨臼の縁によって、例えば縁の中心によって規定されるランドマークである。別の例では、ランドマークは、多数の検出点に由来する寛骨臼の底または最深点を表す。したがって、１つのランドマークは、例えば、多数の検出点を表すことができる。上述したように、ランドマークは、身体部分の特徴的な構造に基づいて定義される解剖学的特性を表すことができる。さらに、ランドマークは、寛骨臼に対して移動したときの大腿骨の回転中心など、２つの身体部分の相対的な動きによって規定される解剖学的特性を表すこともできる。

参照
位置の決定は、ナビゲーションシステムの参照システム内の位置をナビゲーションシステムに通知することを意味する場合、参照と呼ばれる。

例えば、本発明は、専門的な医療専門知識の実施を必要とし、かつ必要な専門的なケアおよび専門知識を用いて実施される場合であっても実質的な健康リスクを伴う、身体との実質的な物理的干渉を表す侵襲的ステップを伴わないか、または特に含まないか、または包含しない。例えば、本発明は、医療用インプラントを解剖学的構造に固定するために医療用インプラントを位置決めするステップ、または医療用インプラントを解剖学的構造に固定するステップ、または医療用インプラントを固定するための解剖学的構造を準備するステップを含まない。より具体的には、本発明は、いかなる外科的または治療的活動も伴わないか、または特に含まないか、または包含しない。

以下、好ましい実施形態についてより詳細に説明する。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、少なくとも１つの表面点の位置を決定するステップは、対象に対する位置合わせ装置の空間位置および／または向きを決定し、位置合わせ装置と対象の表面点との間の距離を決定することを含む。

好ましい実施形態では、位置合わせ装置の空間位置および／または向きは、自由度５または６で決定される。好ましくは、追跡装置が、対象に対する位置合わせ装置の空間位置および／または向きを決定する。

好ましくは、追跡システムは、位置合わせ装置および対象の空間位置および／または向きを決定し、それによって位置合わせ装置および対象の空間位置および／または向きの関係を決定するように構成される。言い換えれば、基準点が決定され、基準点に対して位置合わせ装置および対象の空間位置および／または向きが決定される。その結果、対象に対する位置合わせ装置の空間位置および／または向きを決定することができる。追跡システムは、好ましくは、位置合わせ装置および対象を追跡するために必要なすべての構成要素を備える。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、本方法は、対象の特性測定値を決定し、対象の決定された特性測定値を異なる組織タイプに関連する所定の特性値と比較することを含む、対象の組織タイプを識別するステップを含む。

「特性測定値という用語」は、測定することができる対象の異なる特性に関する。
したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、特性測定値は、放射線の減衰、色、スペクトル吸収、ラマン分光法、および／または蛍光を含む。

好ましくは、色は、肌色または髪色のような物体の元の色に関連する。さらに、例えば、緑色または青色は、人体の表面には一般的ではないが、医療技術で使用されるドレープには一般的である。したがって、特定の表面点における対象の色は、対象の組織タイプにつながる可能性がある。

特性測定値は、好ましくは、組織タイプ識別ユニットによって測定され、さらに好ましくは、対象の特性測定値を測定するように構成された特性測定ユニットを備える。特性測定ユニットは、好ましくは、特に色を測定するためのカメラ、特に放射線の減衰を測定するための放射線検出器、特にスペクトル吸収を測定するための分光計、特にラマン分光法を測定するためのラマン分光計、および／または特に蛍光を測定するための光度計を備える。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、本方法は、対象の少なくとも１つの表面点を決定するステップを含み、決定された少なくとも１つの表面点における対象の組織タイプの識別は、各表面点に対して同時に実行される。

したがって、組織タイプを対応する表面点に関連付けるステップは不要である。
したがって、対象の表面形状取得を単純化し、したがって改善することができる。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、本方法は、非接触追跡装置を使用することによって対象の少なくとも１つの表面点の位置を決定するステップを含む。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、本方法は、光学追跡装置を使用することによって対象の少なくとも１つの表面点を決定するステップを含む。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、本方法は、光学追跡装置の少なくとも１つの光学マーカを使用することによって、少なくとも自由度５で対象に対する位置合わせ装置の空間位置および／または向きを決定するステップを含む。

好ましくは、追跡装置は、位置合わせ装置を追跡するために使用される位置合わせ装置の構成要素である。

好ましい実施形態では、本方法は、光学追跡システムの光学光源によって光ビームを提供するステップと、少なくとも位置合わせ装置に配置された少なくとも１つの光反射光学マーカで光ビームを反射するステップと、反射光ビームに基づいて少なくとも自由度５で対象に対する位置合わせ装置の空間位置および／または向きを決定するステップとを含む。

好ましくは、光ビームは赤外光ビームである。
好ましくは、少なくとも１つの光学マーカが、それぞれ位置合わせ装置および対象に配置される。

好ましくは、光学光源は基準点を規定し、基準点に対して位置合わせ装置および対象の空間位置および／または向きが決定される。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、本方法は、電磁追跡装置を使用することによって対象の少なくとも１つの表面点の位置を決定するステップを含む。

追跡装置は、例えば、追跡のための少なくとも１つの電磁センサ、特にコイルおよび／またはチップを備える電磁追跡装置である。好ましくは、電磁センサは、追跡装置の他のセンサに対して角度を付けて追跡装置内に配置される。電磁追跡は光学追跡とは対照的であり、対象への視覚的接続に依存しない。したがって、電磁追跡は、腹臥位の対象および／または柔軟な器具の先端追跡で特に好ましい。これは、対象が、特にドラフトによって覆われている場合、または対象に血液が付いている場合にも当てはまる。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、本方法は、電磁装置の少なくとも１つの電磁センサ、特にコイルまたはチップを使用することによって、少なくとも自由度５で対象に対する位置合わせ装置の空間位置および／または向きを決定するステップを含む。

好ましい実施形態では、本方法は、電磁追跡システムの電磁界発生器によって時変電磁界を提供するステップと、電磁界に基づいて少なくとも自由度５で対象に対する位置合わせ装置の空間位置および／または向きを決定するステップとを含む。好ましくは、電磁センサは、経時的な電磁界の変化を検出するように構成される。例えば、電磁センサが少なくとも１つのコイルを備える場合、時変電磁界はコイルに時変電流を誘導する。

好ましくは、少なくとも１つの電磁センサが、位置合わせ装置および対象にそれぞれ配置される。

好ましくは、電磁界発生器は基準点を規定し、基準点に対して位置合わせ装置および対象の空間位置および／または向きが決定される。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、本方法は、磁気追跡装置を使用することによって対象の少なくとも１つの表面点の位置を決定するステップを含む。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、本方法は、磁気追跡装置の少なくとも１つの磁気センサを使用することによって、少なくとも自由度５で対象に対する位置合わせ装置の空間位置および／または向きを決定するステップを含む。

好ましい実施形態では、本方法は、磁気追跡システムの磁場発生器によって時変磁場を提供するステップと、磁場に基づいて少なくとも自由度５で対象に対する位置合わせ装置の空間位置および／または向きを決定するステップとを含む。好ましくは、磁気センサは、経時的な磁場の変化を検出するように構成される。

好ましくは、磁場発生器は永久磁石を備え、永久磁石を第１の回転軸および第２の回転軸の周りで同時に回転させて、時変磁場を発生させるように構成される。第２の回転軸は、永久磁石の質量中心からオフセットされた交点で第１の回転軸と交差する。

好ましくは、磁気センサは、巨大磁気抵抗センサ、異方性磁気抵抗センサ、またはホール効果センサを含む。

好ましくは、少なくとも１つの磁気センサが、それぞれ位置合わせ装置および対象に配置される。

好ましくは、磁場発生器は基準点を規定し、基準点に対して位置合わせ装置および対象の空間位置および／または向きが決定される。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、本方法は、映像ベースの追跡装置を使用することによって、対象の少なくとも１つの表面点の位置を決定するステップを含む。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、本方法は、映像ベースの追跡装置の少なくとも１つの映像マーカを使用することによって、少なくとも自由度５で対象に対する位置合わせ装置の空間位置および／または向きを決定するステップを含む。

好ましい実施形態では、本方法は、映像ベースの追跡システムのビデオカメラによって少なくとも位置合わせ装置に配置された映像マーカを識別し、映像マーカに基づいて少なくとも自由度５で対象に対する位置合わせ装置の空間位置および／または向きを決定するステップを含む。

好ましくは、映像マーカはバーコードまたはＱＲコード（登録商標）である。
好ましくは、少なくとも１つの映像マーカが、それぞれ位置合わせ装置および対象に配置される。

好ましくは、ビデオカメラは基準点を規定し、基準点に対して位置合わせ装置および対象の空間位置および／または向きが決定される。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、方法は、受け入れられた関連表面点に応じて、表面マッチング位置合わせを実行し、対象を医療用ナビゲーション装置に位置合わせするステップを含む。

好ましい実施形態では、医療用ナビゲーション装置は対象の虚像データを記憶しており、それを用いて関連表面点が表面マッチング位置合わせのためにマッチングされる。さらに、医療用ナビゲーション装置は、追跡された位置合わせ装置と一致する位置合わせ装置の虚像データを記憶している。したがって、完全にマッチングが実行されれば、実際の対象に対する位置合わせ装置の配置は、対象の虚像に対する位置合わせ装置の虚像の配置に応じたものとなる。

好ましくは、表面マッチング位置合わせは、所定量の関連表面点が受け入れられたときに実行される。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、本方法は、対象を考慮した位置合わせ装置の実際の位置を、対象の画像データセットを考慮した位置合わせ装置の仮想表現の仮想位置と比較することによって、表面マッチング位置合わせを検証するステップを含む。

好ましい実施形態では、検証ステップは、外科医のような医療専門家によって行われる。

好ましい実施形態では、検証には、確認しやすい制御点が使用される。例えば、ユーザは、対象を考慮した位置合わせ装置の先端、特にペン形状の接触ベースの追跡装置の先端の実際の位置を、対象の画像データセットを考慮した位置合わせ装置の仮想表現の先端、特にペン形状の接触ベースの追跡装置の先端の仮想位置と比較する。

対象の画像データセットは、好ましくは対象のデジタルモデルであり、さらに好ましくはサンプリング方法に予め定められている。

実際の位置合わせ装置の位置は、対象、特に患者の物理的な解剖学的構造と比較した位置合わせ装置の位置に関連する。

対象の特定の表面点が特定の場所、例えば位置合わせ装置の先端で取得される必要はないことを明確にすべきである。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、本方法は、接触ベースの追跡装置を使用することによって対象の少なくとも１つの表面点の位置を決定するステップを含む。

好ましくは、接触ベースの追跡装置は、対象の表面に接触するための先端を有するペンの形態で位置合わせ装置から延在する。

好ましい実施形態では、接触ベースの位置決定は、追加の表面点を決定するために使用されることが好ましい。したがって、表面点は、接触ベースの位置決定によって決定することができ、非接触の位置決定によってすべてを決定することはほとんどまたは全くできない。例えば、頭部表面の位置は、非接触の位置決定によって比較的容易に決定され得る。しかしながら、頭部の一部が毛髪で覆われている場合、非接触の位置決定は適切ではない可能性がある。この場合、そのような表面点を決定するために、接触ベースの位置決定を使用することができる。

好ましくは、接触ベースの追跡装置自体が、対象に触れるときに異なる表面点で対象の組織タイプを決定することができる。例えば、接触ベースの追跡装置は、対象に触れるときに、骨と皮膚とで異なり得る。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、本方法は、位置合わせ装置と対象の表面点との間の決定された距離に応じて、」接触ベースの追跡装置を用いて少なくとも１つの表面点の位置を決定することと、非接触追跡装置を用いて少なくとも１つの表面点の位置を決定することとを切り替えるステップを含む。

言い換えれば、位置合わせ装置が表面点に接触すると、自動的に接触ベースの位置決定が使用される。偶発的な接触ベースの位置決定を防止するために、接触ベースの追跡装置は、好ましくは、接触ベースの位置決定が起動される前に所定の時間にわたって対象までの所定の距離内にある必要がある。

好ましくは、接触ベースの追跡装置の対象の表面との接触は、接触センサによって検出される。接触センサが、特に皮膚接触を検出することによって、接触ベースの追跡装置の対象の表面との接触を検出した場合、対象の少なくとも１つの表面点の決定がトリガされる。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
別の態様によれば、医療用ナビゲーションシステムに対して対象を位置合わせするための位置合わせ装置が提供される。位置合わせ装置は、少なくとも１つの表面点で対象の組織タイプを識別するように構成された組織タイプ識別ユニットと、対象の少なくとも１つの表面点の位置を決定し、意図された処置に応じて対象の意図された処置のための表面位置合わせタイプを決定し、表面位置合わせタイプは、対象の少なくとも一部の少なくとも１つの関連する組織タイプを含み、対象の識別された組織タイプと意図された処置の決定された表面位置合わせタイプとに応じて少なくとも１つの表面点を検証し、それによって少なくとも１つの関連表面点および／または少なくとも１つの非関連表面点の位置を決定し、少なくとも１つの関連表面点が受け入れられ、少なくとも１つの非関連表面点が破棄されるように構成された制御装置とを備える。

あるいは、組織タイプ識別ユニットは、組織タイプに関する情報を収集するようにのみ構成することができ、追加の外部ユニットが、組織タイプ識別ユニットによって収集された情報に応じて組織タイプを識別するように構成される。

あるいは、位置合わせ装置の空間位置および／または向きは、ロボットシステムによって決定されてもよい。近接センサがロボットアクチュエータの遠位端に取り付けられている場合、空間位置および／または向きは、ロボットシステムの姿勢から導出することができる。

例えば、位置合わせ装置は手持ち式装置として実装される。さらなる例では、位置合わせ装置は内視鏡として実装される。

好ましくは、近接センサは、レーザ三角測量センサである。
したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、位置合わせ装置は、対象に対する位置合わせ装置の空間位置および／または向きを決定するように構成された追跡装置と、位置合わせ装置と対象の少なくとも１つの表面点との間の距離を決定するように構成された近接センサとを備える。制御装置は、決定された空間位置および／または向きおよび／または距離に応じて、対象の少なくとも１つの表面点の位置を決定するように構成される。

好ましくは、追跡装置に対する近接センサの空間位置は既知である。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、追跡装置は、対象の少なくとも１つの表面点の位置を決定するように構成された非接触追跡装置を備える。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、追跡装置は光学追跡装置を備える。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、光学追跡装置は、少なくとも自由度５で対象に対する位置合わせ装置の空間位置および／または向きを決定するために使用されるように構成された少なくとも１つの光学マーカを備える。

好ましくは、光学追跡システムは、光ビームを提供するように構成された光学光源を備え、少なくとも患者に配置された少なくとも１つの光反射マーカが、光学光源の光ビームを反射するように構成される。したがって、少なくとも１つの光学センサは、反射光ビームに基づいて対象に対する位置合わせ装置の空間位置および／または向きを決定するために使用されるように構成される。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、追跡装置は、電磁追跡装置を備える。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、電磁追跡装置は、少なくとも自由度５で対象に対する位置合わせ装置の空間位置および／または向きを決定するために使用されるように構成された少なくとも１つの電磁センサを備える。

好ましくは、電磁追跡システムは、時変電磁界を生成するように構成された電磁界発生器を備える。したがって、少なくとも１つの電磁センサ、好ましくは電磁センサアレイが、電磁界に基づいて少なくとも自由度５で対象に対する位置合わせ装置の空間位置および／または向きを決定するために使用されるように構成される。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、追跡装置は、磁気追跡装置を備える。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、磁気追跡装置は、少なくとも自由度５で対象に対する位置合わせ装置の空間位置および／または向きを決定するために使用されるように構成された少なくとも１つの磁気センサ、好ましくは磁気センサアレイを備える。

好ましくは、磁気追跡システムは、時変磁場を生成するように構成された磁場発生器を備える。したがって、少なくとも１つの磁気センサは、磁場に基づいて少なくとも自由度５で対象に対する位置合わせ装置の空間位置および／または向きを決定するために使用されるように構成される。

好ましくは、磁場発生器は永久磁石を備え、永久磁石を第１の回転軸および第２の回転軸の周りで同時に回転させるように構成される。第２の回転軸は、永久磁石の質量中心からオフセットされた交点で第１の回転軸と交差する。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、追跡装置は、映像ベースの追跡装置を備える。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、映像ベースの追跡装置は、少なくとも自由度５で対象に対する位置合わせ装置の空間位置および／または向きを決定するために使用されるように構成された少なくとも１つの映像センサを備える。

好ましくは、映像ベースの追跡システムは、位置合わせ装置に配置された少なくとも１つの走査可能マーカを備える。したがって、少なくとも１つの映像センサは、走査可能マーカに基づいて少なくとも自由度５で対象に対する位置合わせ装置の空間位置および／または向きを決定するために使用されるように構成される。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、電磁追跡装置は、少なくとも自由度５で対象に対する位置合わせ装置の空間位置を決定するように構成された少なくとも１つのセンサ、特にコイルおよび／またはチップを備える。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、追跡装置は、対象の少なくとも１つの表面点の位置を決定するように構成された、接触ベースの追跡装置、好ましくはポインタを、さらに好ましくは非接触追跡装置に加えて備える。

接触ベースの追跡装置は、好ましくは、ソフトタッチを備える。
好ましい実施形態では、接触ベースの追跡装置は、決定された少なくとも１つの表面点の組織タイプを識別するように構成される。

したがって、非接触追跡および接触ベースの追跡のための手段を有する追跡位置合わせ装置が提供される。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、制御装置は、対象を考慮した位置合わせ装置の実際の位置を、対象の画像データセットを考慮した位置合わせ装置の仮想表現の仮想位置と比較することによって、表面マッチング位置合わせを検証するように構成される。

好ましくは、表面マッチング位置合わせは自動的に検証される。好ましくは、マッチングプロセスが終了した後、対象は、検証のために接触ベースの追跡装置に接触する。一実施形態では、表面マッチング位置合わせの検証は、接触ベースの追跡装置の先端に加えられる測定圧力に基づく。対象の画像データセットを考慮した位置合わせ装置の仮想表現の仮想位置が接触点に合う場合、接触ベースの追跡装置の先端に加えられる圧力が決定される。このような場合、表面マッチング位置合わせが正確であれば、接触ベースの追跡装置の先端が対象に接触することが期待される。その結果、接触ベースの追跡装置の先端でわずかな力または圧力が測定可能でなければならない。

したがって、接触ベースの追跡装置の先端に加えられた測定圧力は、好ましくは下限０を有する所定の力の範囲と比較される。接触ベースの追跡装置の先端に力が加えられていないと判定された場合、すなわち、接触ベースの追跡装置が実際に対象と接触していないと決定された場合、表面マッチング位置合わせは自動的に検証されない。力の範囲よりも大きい力が接触ベースの追跡装置の先端に加えられていると判定された場合、または言い換えれば、接触ベースの追跡装置が対象に接触しているだけでなく実際に対象の皮膚に押し付けられていると判定された場合、表面マッチング位置合わせは検証されない。しかしながら、検証を進める必要があることが好ましい。したがって、接触ベースの追跡装置の先端で測定された力が所定の力の範囲内にあると判定された場合、表面マッチング位置合わせが自動的に検証される。

言い換えれば、制御装置は、接触ベースの追跡装置の先端部に加えられる力を判定し、対象の画像データセットを考慮した位置合わせ装置の仮想表現の仮想位置が接触点に合うことを決定し、接触ベースの追跡装置の先端部に加えられた力を所定の力の範囲と比較し、判定された力が力の範囲内にある場合には表面マッチング位置合わせを検証し、判定された力が力の範囲内にない場合には表面マッチング位置合わせを検証しないように構成される。

加えて、制御装置は、好ましくは、表面マッチング位置合わせを検証するまたは検証しない前に、比較された接触点の所定の最小量、および検証される位置に位置合わせ装置が保持される時間の所定の最小量をチェックする。

あるいは、外科医のような医療専門家が、表面マッチング位置合わせを検証する。そのような場合、さらに好ましくは、位置合わせ装置は、例えば、接触ベースの追跡装置を実際に対象と接触させたままにすることによって接触ベースの追跡装置の先端に力が加えられていると判定することによって、接触ベースの追跡装置が実際に対象と接触していると判定された場合にのみ医療専門家の手動検証を可能にする。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、制御装置は、受け入れられた関連表面点に応じて、表面マッチング位置合わせを実行し、対象を医療用ナビゲーション装置に位置合わせするように構成される。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、制御ユニットは、位置合わせ装置と対象の表面点との間の決定された距離に応じて、接触ベースの追跡装置を用いて少なくとも１つの表面点の位置を決定することと、非接触追跡装置を用いて少なくとも１つの表面点の位置を決定することとを切り替えるように構成される。

したがって、対象の表面形状取得を改善することができる。
本発明の別の態様によれば、コンピュータ支援手術用の手術ナビゲーションシステムが提供され、システムは、本明細書に記載されるように、位置合わせ装置を備える。

本開示によれば、コンピュータプログラムが提供され、コンピュータプログラムは、コンピュータ上で実行されると、またはコンピュータにロードされると、本明細書に記載されるように、コンピュータに方法の方法ステップを実行させる。さらに、プログラム記憶媒体が提供され、プログラム記憶媒体にプログラムが記憶される。さらに、少なくとも１つのプロセッサと、メモリおよび／またはプログラム記憶媒体とを備えるコンピュータが提供され、プログラムは、コンピュータ上で実行されるか、またはコンピュータのメモリにロードされる。プログラムを表す情報を搬送する信号波またはデジタル信号波が提供される。プログラムを表すデータストリームが提供される。

例えば、前述のプログラムは、例えば、第１の態様による方法のステップのいずれかまたはすべてを実行するように適合されたコード手段を含む。ディスクに格納されたコンピュータプログラムはデータファイルであり、ファイルが読み出されて伝送されると、例えば（物理的、例えば電気的、例えば技術的に生成される）信号の形態のデータストリームとなる。信号は、本明細書に記載の信号波として実装することができる。例えば、信号、例えば信号波は、コンピュータネットワーク、例えばＬＡＮ、ＷＬＡＮ、ＷＡＮ、例えばインターネットを介して送信されるように構成される。したがって、第２の態様による本発明は、代替的または追加的に、前述のプログラムを表すデータストリームに関することができる。

別の態様では、本発明は、本明細書に記載のプログラムが記憶される非一時的コンピュータ可読プログラム記憶媒体に関する。
図面の簡単な説明
以下では、背景説明を与え、本発明の特定の実施形態を表す添付の図面を参照して、本発明を説明する。しかしながら、本発明の範囲は、図の文脈で開示された特定の特徴に限定されない。

本発明の方法の一実施形態のフロー図を概略的に示す図である。 対象の前に配置された位置合わせ装置を概略的に示す図である。 対象の画像データセットの前に配置された位置合わせ装置の仮想表現を概略的に示す図である。 本発明の方法の一実施形態のフロー図を概略的に示す。 位置合わせ装置を概略的に示す図である。

発明を実施するための形態
図１は、医療用ナビゲーションシステムのために対象２０の関連表面点をサンプリングする方法の一実施形態のフロー図を概略的に示す。ステップＺ１において、対象の意図された処置Ｐに対する表面位置合わせタイプＲが、意図された処置Ｐに基づいて決定される。例えば、意図された処置Ｐは、脳神経外科手術である。したがって、表面位置合わせタイプＲは、顔位置合わせであると決定される。

ステップＺ２において、ユーザ、特に医療専門家は、対象２０を位置合わせするための位置合わせ装置１０を対象２０に向ける。この場合の対象２０は、患者の自立性である。開始時に、対象２０の複数の表面点２１、２２の位置を決定するために非接触点取得プロセスが実行される。例えば、表面点２１、２２の決定は、好ましくは位置合わせ装置１０のボタンがユーザによって押される限り、連続測定によって実行される。測定プロセスは、対象２０の複数のフレームを決定する。

ステップＺ３において、決定されたフレームごとに、以下の測定が実行される。第１に、対象２０に対する位置合わせ装置１０の空間位置Ｘおよび／または向きＯが決定される。好ましくは、空間位置Ｘおよび／または向きＯは、自由度５～６で決定される。第２に、位置合わせ装置１０と対象２０上の測定表面点２１、２２との間の距離ｄが決定される。第３に、対象表面の測定可能な特性、特に、特性測定値と呼ばれるすべての測定表面点２１、２２についての測定可能な特性が決定される。例えば、特定の表面点２１、２２における対象２０の色は、そのような特性測定値である。この場合、測定可能な特性は、カメラ（図示せず）によって測定される。

ステップＺ４において、表面点２１、２２、特に表面座標は、位置合わせ装置１０の空間位置Ｘおよび／または向きＯを対象２０までの位置合わせ装置１０の距離ｄと組み合わせることによって計算される。

ステップＺ５において、測定表面点２１、２２の各々について、決定された特性測定値に基づいて、対象表面の組織タイプＴが決定される。例えば、測定表面点２１、２２が緑色の特性測定値と関連付けられている場合、識別された組織タイプＴは、手術用ドレープである。そのような関連付けは、好ましくは、特性測定値の測定値を特性測定値の既知の既に関連付けられた記憶値と比較することに基づいて実行される。

ステップＺ６において、表面点２１、２２は、表面点２１、２２に関連する特性測定値に基づいて決定された組織タイプＴに関連付けられる。

ステップＺ７において、表面点２１、２２が検証される。意図された処置Ｐ、特に決定された位置合わせタイプＲに応じて、意図された処置Ｐに関連性がないと見なされる非関連表面点２２が破棄され、意図された処置Ｐに関連性があると見なされる関連表面点が受け入れられる。例えば、意図された処置Ｐが脳神経外科手術である場合、表面位置合わせタイプＲは顔位置合わせであると判定される。したがって、関連する組織タイプは皮膚である。表面点２１、２２の測定された色に基づいて、皮膚の色を有する表面点２１、２２の１つが組織タイプの皮膚と関連付けられ、したがって関連表面点２１が決定される。表面点２１、２２の別の１つは、茶色に関連付けられる。したがって、この表面点の組織タイプＴは、意図された処置Ｐに関連しない毛髪であると判定される。そのような表面点は、非関連表面点２２と見なされ、破棄される。

ステップＺ８において、対象２０のより良好な取得のために追加の表面点２１、２２が望まれるかどうかが決定される。より多くの表面点２１、２２が望まれる場合、方法はステップＺ９にジャンプする。そうでない場合、方法はステップＺ１０にジャンプする。

ステップＺ９において、追加の表面点２１、２２が、接触ベースの点取得によって取得される。この場合、毛髪で覆われた患者の顔の領域は、接触ベースの点取得によって回避することができ、したがって直接決定することができる。表面点２１、２２の測定は、例えば位置合わせ装置１０のボタンを押すことによって手動でトリガされ、および／または組織接触によって自動的にトリガされる。

ステップＺ１０において、表面マッチング位置合わせが実行され、対象２０が医療用ナビゲーション装置に位置合わせされる。医療用ナビゲーション装置は、対象２０の仮想表現である対象２０の画像データセット４０を格納している。この画像データセット４０は、測定された関連表面点２１と一致する。したがって、追跡装置１１ａ、１１ｂによって追跡される位置合わせ装置１０は、位置合わせ装置の仮想表現３０と一致する。

ステップＺ１１では、表面マッチング位置合わせが検証される。位置合わせ装置１０の位置が、画像データセット４０を考慮した位置合わせ装置の仮想表現３０の位置と比較される。例えば、位置合わせ装置１０の先端１２は、対象２０の鼻の先端に対して保持される。理想的には、位置合わせ装置の仮想表現３０は、画像データセット４０の鼻の先端と接触している。次に、ユーザは、マッチング手順が意図された処置Ｐに対して十分に正確であるかどうかを決定することができる。

図２は、対象２０の前に配置された位置合わせ装置１０を概略的に示す。
対象２０は、毛髪２４を有する患者の頭部２３である。対象２０の頭部２３を医療用ナビゲーションシステムのためにサンプリングしなければならない。

そこで、位置合わせ装置１０が用いられる。位置合わせ装置１０は、追跡装置１１と、近接センサ１３と、制御装置（図示せず）と、組織タイプ識別ユニット（図示せず）とを備える。

追跡装置１１は、この場合には少なくとも１つのコイルＣ１を有する電磁追跡装置である非接触追跡装置１１ａと、この場合には少なくとも１つのコイルＣ２を有するペン型ポインタである接触ベースの追跡装置１１ｂとを備える。コイルＣ１、Ｃ２は、５自由点追跡、言い換えれば、位置合わせ装置１０の空間位置Ｘおよび／または向きＯの決定を可能にする。接触ベースの追跡装置１１ｂは、先端１２を備える。

近接センサ１３は、位置合わせ装置１０と対象２０の異なる表面点２１、２２との間の距離ｄを決定するように構成されたレーザ１３ａおよびＣＣＤセンサ１３ｂを備える。

見て分かるように、毛髪２４に関する表面点は、非関連表面点２２と見なすことができ、対象２０の関連表面のサンプリング中に考慮されるべきではない。一方、頭部２３に関する表面点は、関連表面点２１と見なされるべきであり、対象２０の関連表面のサンプリング中に考慮されるべきである。

図３は、対象２０の画像データセット４０の前に配置された位置合わせ装置１０の仮想表現３０を概略的に示す。この表現は、医療用ナビゲーションシステムに記憶されたデータに従っている。頭部２３および毛髪２４を有する実際の対象２０と比較して、対象２０の画像データセット４０は、意図された処置Ｐに関連する情報、この場合は頭部２３のみを含む。理想的には、対象２０のサンプリングは、対象２０の関連表面点２１のみを含む。これにより、表面マッチング位置合わせの精度を向上させることができる。

表面マッチング位置合わせの検証のために、記憶された画像データセット４０の位置と比較した位置合わせ装置１０の表現３０の先端３２の位置は、対象２０の位置と比較した位置合わせ装置１０の先端１２の位置に従うべきである。

図４は、医療用ナビゲーションシステムのために対象２０の関連表面点をサンプリングする方法のフロー図を概略的に示す。この方法は、意図された処置に応じて対象に対する意図された処置のための表面位置合わせタイプを決定するためのステップＳ１を含み、表面位置合わせタイプは、対象の少なくとも一部の少なくとも１つの関連する組織タイプを含む。ステップＳ２において、対象２０の少なくとも１つの表面点２１、２２が、位置合わせ装置１０を使用して決定される。続いて、ステップＳ３において、対象２０の組織タイプが、決定された少なくとも１つの表面点２１、２２において特定される。ステップＳ４において、識別された組織タイプと意図された処置の決定された表面位置合わせタイプとに応じて少なくとも１つの表面点２１、２２が検証され、それによって少なくとも１つの関連表面点２１および／または少なくとも１つの非関連表面点２２の位置が決定され、少なくとも１つの関連表面点２１が受け入れられ、少なくとも１つの非関連表面点２２が破棄される。

図５は、位置合わせ装置１０を概略的に示す。医療用ナビゲーションシステムのために対象２０を位置合わせするための位置合わせ装置１０は、追跡装置１１と、近接センサ１３と、組織タイプ識別ユニット１４と、制御装置１５とを備える。

追跡装置１１は、対象２０に対する位置合わせ装置の空間位置Ｘおよび／または向きＯを決定するように構成され、空間位置Ｘおよび／または向きＯを制御装置１５に提供するように構成される。近接センサ１３は、位置合わせ装置１０と対象２０の少なくとも１つの表面点２１、２２との間の距離ｄを決定するように構成され、距離ｄを制御装置１５に提供するように構成される。組織タイプ識別ユニット１４は、少なくとも１つの表面点２１、２２で対象２０の組織タイプＴを識別するように構成され、組織タイプＴを制御装置１５に提供するように構成される。

また、制御装置１５には、意図された処置Ｐ、言い換えれば、対象２０に対してどのような介入を行う予定であり、何に対して医療用ナビゲーションが必要であるかが提供される。

制御装置１５は、決定された空間位置Ｘおよび／または向きＯおよび／または距離ｄに応じて対象２０の少なくとも１つの表面点２１、２２の位置を決定し、意図された処置Ｐに応じて対象２０の意図された処置Ｐのための表面位置合わせタイプＲを決定し、表面位置合わせタイプＲが対象２０の少なくとも一部の少なくとも１つの関連する組織タイプを含み、特定された組織タイプＴと意図された処置Ｐの決定された表面位置合わせタイプＲとに応じて少なくとも１つの表面点２１、２２を検証し、それによって少なくとも１つの関連表面点２１および／または少なくとも１つの非関連表面点２２の位置を決定し、少なくとも１つの関連表面点２１が受け入れられ、少なくとも１つの非関連表面点２２が破棄されるように構成される。

制御装置１５は、好ましくは、決定ユニット１５ａおよび決定ユニット１５ｂを備える。決定ユニット１５ａは、決定された空間位置Ｘおよび／または向きＯＰおよび／または距離ｄに応じて対象２０の少なくとも１つの表面点２１、２２を決定し、意図された処置Ｐに応じて対象２０上の意図された処置Ｐのための表面位置合わせタイプＲを決定するように構成される。したがって、決定ユニット１５ａは、組織タイプＴ、少なくとも１つの表面点２１、２２、および位置合わせタイプＲを決定ユニット１５ｂに提供する。決定ユニット１５ｂは、識別された組織タイプＴと意図された処置Ｐの決定された表面位置合わせタイプＲとに応じて少なくとも１つの表面点２１、２２を検証し、それによって少なくとも１つの関連表面点２１および／または少なくとも１つの非関連表面点２２の位置を決定し、少なくとも１つの関連表面点２１は受け入れられ、少なくとも１つの非関連表面点２２は破棄されるように構成される。

Claims (15)

1. 医療用ナビゲーションシステムに対象（２０）を位置合わせするための位置合わせ装置（１０）であって、前記位置合わせ装置（１０）は前記医療用ナビゲーションシステムの一部であって、前記位置合わせ装置（１０）は、
   前記対象（２０）の少なくとも１つの表面点（２１、２２）における前記対象（２０）の組織タイプ（Ｔ）を識別するように構成された組織タイプ識別ユニット（１４）と、
   前記対象（２０）の前記少なくとも１つの表面点（２１、２２）の位置を決定し、前記対象（２０）の少なくとも一部に対する意図された処置（Ｐ）に応じて、前記少なくとも一部と前記医療用ナビゲーションシステムとの位置合わせの種類に関する情報である表面位置合わせタイプ（Ｒ）を決定し、前記表面位置合わせタイプ（Ｒ）が前記対象（２０）の前記少なくとも一部の少なくとも１つの関連する組織タイプを含み、前記識別された組織タイプ（Ｔ）と前記意図された処置（Ｐ）の前記決定された表面位置合わせタイプ（Ｒ）とに応じて前記少なくとも１つの表面点（２１、２２）が前記意図された処置（Ｐ）に関連する表面点であるかどうかを検証し、それによって少なくとも１つの関連表面点（２１）および／または少なくとも１つの非関連表面点（２２）の位置を決定し、前記少なくとも１つの関連表面点（２１）が受け入れられ、前記少なくとも１つの非関連表面点（２２）が破棄されるように構成された制御装置（１５）と、
   前記対象（２０）に対する前記位置合わせ装置（１０）の空間位置（Ｘ）および／または向き（Ｏ）を決定するように構成された追跡装置（１１）と、
   前記位置合わせ装置（１０）と前記対象（２０）の前記少なくとも１つの表面点（２１、２２）との間の距離（ｄ）を決定するように構成された近接センサ（１３）と
   を備え、
   前記制御装置（１５）が、前記決定された空間位置（Ｘ）および／または向き（Ｏ）および／または距離（ｄ）に応じて前記対象（２０）の少なくとも１つの表面点（２１、２２）の位置を決定するように構成される、医療用ナビゲーションシステムに対象（２０）を位置合わせするための位置合わせ装置（１０）。
2. 前記追跡装置（１１）は、前記対象（２０）に対する前記位置合わせ装置の前記空間位置（Ｘ）および／または前記向き（Ｏ）を決定する非接触追跡装置（１１ａ）を備える、請求項１に記載の位置合わせ装置。
3. 前記非接触追跡装置は、前記対象（２０）に対する前記位置合わせ装置の前記空間位置（Ｘ）および／または前記向き（Ｏ）を決定するために使用される光学追跡装置を備える、請求項２に記載の位置合わせ装置。
4. 前記光学追跡装置は、少なくとも自由度５で前記対象（２０）に対する前記位置合わせ装置（１０）の前記空間位置（Ｘ）および／または前記向き（Ｏ）を決定するために使用される少なくとも１つの光学マーカを備える、請求項３に記載の位置合わせ装置。
5. 前記追跡装置は、前記対象（２０）に対する前記位置合わせ装置の空間位置（Ｘ）および／または前記向き（Ｏ）を決定するために使用される電磁追跡装置を備える、請求項２に記載の位置合わせ装置。
6. 前記電磁追跡装置は、
   少なくとも自由度５で前記対象（２０）に対する前記位置合わせ装置（１０）の前記空間位置（Ｘ）および／または前記向き（Ｏ）を決定するために使用される少なくとも１つの電磁センサを備える、請求項５に記載の位置合わせ装置。
7. 前記追跡装置は、前記対象（２０）のに対する前記位置合わせ装置の前記空間位置（Ｘ）および／または前記向き（Ｏ）を決定するために使用される磁気追跡装置を備える、請求項２に記載の位置合わせ装置。
8. 前記磁気追跡装置は、少なくとも自由度５で前記対象（２０）に対する前記位置合わせ装置（１０）の前記空間位置（Ｘ）および／または前記向き（Ｏ）を決定するために使用される少なくとも１つの磁気センサを備える、請求項７に記載の位置合わせ装置。
9. 前記追跡装置は、前記対象（２０）に対する前記位置合わせ装置（１０）の空間位置（Ｘ）および／または向き（Ｏ）を決定するために使用される映像ベースの追跡装置を備える、請求項２に記載の位置合わせ装置。
10. 前記映像ベースの追跡装置は、少なくとも自由度５で前記対象（２０）に対する前記位置合わせ装置（１０）の前記空間位置（Ｘ）および／または前記向き（Ｏ）を決定するために使用される少なくとも１つの映像マーカを備える、請求項９に記載の位置合わせ装置。
11. 前記追跡装置（１１）は、前記対象（２０）に対する前記位置合わせ装置（１０）の空間位置（Ｘ）および／または向き（Ｏ）を決定するように構成された接触ベースの追跡装置（１１ｂ）を備える、請求項２から１０のいずれか１項に記載の位置合わせ装置。
12. 前記制御装置（１５）は、前記受け入れられた関連表面点（２１）に応じて、前記対象（２０）を前記医療用ナビゲーションシステムに位置合わせする表面マッチング位置合わせを実行するように構成されている、請求項２から１１のいずれか１項に記載の位置合わせ装置。
13. 前記制御装置（１５）は、前記対象（２０）を基準とする前記位置合わせ装置（１０）の実際の位置と、前記対象（２０）の画像データセット（４０）を基準とする前記位置合わせ装置（１０）の仮想表現（３０）の仮想位置とを比較して、前記表面マッチング位置合わせにおいて、前記仮想位置が前記実際の位置に従っていることを検証するように構成されている、請求項１２に記載の位置合わせ装置。
14. 前記制御装置（１５）は、前記位置合わせ装置（１０）と前記対象（２０）の前記表面点（２１，２２）との間の前記決定された距離（ｄ）に応じて、前記接触ベースの追跡装置（１１ｂ）を用いて前記少なくとも１つの表面点（２１，２２）の位置を決定することと、前記非接触追跡装置（１１ａ）を用いて前記少なくとも１つの表面点（２１，２２）の位置を決定することとを切り替えるように構成される、請求項１１に記載の位置合わせ装置。
15. システムが請求項１から１４のいずれか１項に記載の位置合わせ装置を備える、コンピュータ支援手術用の手術ナビゲーションシステム。