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▶ エヌディーアール メディカル テクノロジー プライベート リミテッドの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022013628
(43)【公開日】2022-01-18
(54)【発明の名称】ロボットを動作させるための制御システム及び方法
(51)【国際特許分類】
B25J 9/10 20060101AFI20220111BHJP
A61B 34/30 20160101ALI20220111BHJP
【ＦＩ】
B25J9/10 A
A61B34/30
【審査請求】未請求
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2021017026
(22)【出願日】2021-02-05
(31)【優先権主張番号】16/919,725
(32)【優先日】2020-07-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】521055585
【氏名又は名称】エヌディーアール メディカル テクノロジー プライベート リミテッド
【氏名又は名称原語表記】ＮＤＲ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐｔｅ．Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】Ｂｌｏｃｋ ７５，Ａｙｅｒ Ｒａｊａｈ Ｃｒｅｓｃｅｎｔ，＃０２－１９，Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ １３９９５３
(74)【代理人】
【識別番号】100180781
【弁理士】
【氏名又は名称】安達 友和
(72)【発明者】
【氏名】カ ウェイ ン
(72)【発明者】
【氏名】キー イー リム
(72)【発明者】
【氏名】ウェイ キン リム
(72)【発明者】
【氏名】ジン クァン ゴウ
(72)【発明者】
【氏名】ダレン ユー ヤン チェオン
【テーマコード（参考）】
3C707
【Ｆターム（参考）】
3C707AS35
3C707BS10
3C707LT11
3C707LT17
(57)【要約】 （修正有）
【課題】ロボットの較正に基づいて、３Ｄイメージングデバイスによって取得されたターゲットを含む体の３Ｄ画像を処理して、マニピュレータを制御して細長ツールの長手方向軸をターゲットと位置合わせする制御システムを提供する。
【解決手段】ロボットは、細長ツールを閉塞されたターゲットに位置合わせするためにロボット空間内でマニピュレータのエンドエフェクタに取り付けられた細長ツールを移動させるように構成され、ロボット空間は、固定端部を中心とする３次元（３Ｄ）空間を含む。制御システムは、ロボット及び３Ｄイメージングデバイスと通信可能に接続されたプロセッサをさらに備える。３Ｄイメージングデバイスは、イメージング空間内の３Ｄ画像を取得するように構成され、イメージング空間は、３Ｄイメージングデバイスにおける固定基準点を中心とする３Ｄ空間を含む。
【選択図】図１A
【解決手段】ロボットは、細長ツールを閉塞されたターゲットに位置合わせするためにロボット空間内でマニピュレータのエンドエフェクタに取り付けられた細長ツールを移動させるように構成され、ロボット空間は、固定端部を中心とする３次元（３Ｄ）空間を含む。制御システムは、ロボット及び３Ｄイメージングデバイスと通信可能に接続されたプロセッサをさらに備える。３Ｄイメージングデバイスは、イメージング空間内の３Ｄ画像を取得するように構成され、イメージング空間は、３Ｄイメージングデバイスにおける固定基準点を中心とする３Ｄ空間を含む。
【選択図】図１A
【特許請求の範囲】
【請求項1】
固定端部と、前記固定端部に対して移動可能なマニピュレータとを備えるロボットと、
前記ロボット及び３次元（３Ｄ）イメージングデバイスと通信可能に接続されたプロセッサと
を備え、
前記ロボットは、細長ツールを閉塞されたターゲットと位置合わせするためにロボット空間内でマニピュレータのエンドエフェクタに取り付けられた前記細長ツールを移動させるように構成され、
前記ロボット空間は、前記固定端部を中心とする３Ｄ空間を含み、
前記３Ｄイメージングデバイスは、イメージング空間内の３Ｄ画像を取得するように構成され、
前記イメージング空間は、前記３Ｄイメージングデバイスにおける固定基準点を中心とする３Ｄ空間を含み、
前記プロセッサは、
前記３Ｄイメージングデバイスによって取得された前記エンドエフェクタの予備的な３Ｄ画像を処理して、前記ロボット空間と前記イメージング空間とを統合することによって前記ロボットを較正することと、
前記ロボットの較正に基づいて、前記３Ｄイメージングデバイスによって取得された前記ターゲットを含む体の３Ｄ画像を処理して、統合された空間における前記ターゲットの場所データを取得することと、
前記統合された空間における前記ターゲットの前記場所データに基づいて、前記マニピュレータを自動的に制御して、前記細長ツールの長手方向軸を前記ターゲットと位置合わせすることと、
を実行するように構成されていることを特徴とする制御システム。
前記ロボット及び３次元（３Ｄ）イメージングデバイスと通信可能に接続されたプロセッサと
を備え、
前記ロボットは、細長ツールを閉塞されたターゲットと位置合わせするためにロボット空間内でマニピュレータのエンドエフェクタに取り付けられた前記細長ツールを移動させるように構成され、
前記ロボット空間は、前記固定端部を中心とする３Ｄ空間を含み、
前記３Ｄイメージングデバイスは、イメージング空間内の３Ｄ画像を取得するように構成され、
前記イメージング空間は、前記３Ｄイメージングデバイスにおける固定基準点を中心とする３Ｄ空間を含み、
前記プロセッサは、
前記３Ｄイメージングデバイスによって取得された前記エンドエフェクタの予備的な３Ｄ画像を処理して、前記ロボット空間と前記イメージング空間とを統合することによって前記ロボットを較正することと、
前記ロボットの較正に基づいて、前記３Ｄイメージングデバイスによって取得された前記ターゲットを含む体の３Ｄ画像を処理して、統合された空間における前記ターゲットの場所データを取得することと、
前記統合された空間における前記ターゲットの前記場所データに基づいて、前記マニピュレータを自動的に制御して、前記細長ツールの長手方向軸を前記ターゲットと位置合わせすることと、
を実行するように構成されていることを特徴とする制御システム。
【請求項2】
前記プロセッサは、
前記エンドエフェクタの前記予備的な３Ｄ画像を処理して、前記固定基準点と前記ロボットの前記固定端部との間の合成ベクトルを計算することと、
計算された前記合成ベクトルに基づいて、前記イメージング空間における前記エンドエフェクタの位置データを取得することと、
を実行するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の制御システム。
前記エンドエフェクタの前記予備的な３Ｄ画像を処理して、前記固定基準点と前記ロボットの前記固定端部との間の合成ベクトルを計算することと、
計算された前記合成ベクトルに基づいて、前記イメージング空間における前記エンドエフェクタの位置データを取得することと、
を実行するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の制御システム。
【請求項3】
前記プロセッサは、
前記エンドエフェクタの前記予備的な３Ｄ画像を処理して、前記イメージング空間における前記エンドエフェクタの位置データを取得することと、
前記エンドエフェクタの前記位置データに基づいて、前記固定基準点と前記エンドエフェクタとの間の第１の方向ベクトルを計算することと、
前記第１の方向ベクトルと、前記エンドエフェクタと前記ロボットの前記固定端部との間の第２の方向ベクトルとを組み合わせて、前記３Ｄイメージングデバイスの前記固定基準点と前記ロボットの前記固定端部との間の前記合成ベクトルを計算することと、
を実行するように構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の制御システム。
前記エンドエフェクタの前記予備的な３Ｄ画像を処理して、前記イメージング空間における前記エンドエフェクタの位置データを取得することと、
前記エンドエフェクタの前記位置データに基づいて、前記固定基準点と前記エンドエフェクタとの間の第１の方向ベクトルを計算することと、
前記第１の方向ベクトルと、前記エンドエフェクタと前記ロボットの前記固定端部との間の第２の方向ベクトルとを組み合わせて、前記３Ｄイメージングデバイスの前記固定基準点と前記ロボットの前記固定端部との間の前記合成ベクトルを計算することと、
を実行するように構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の制御システム。
【請求項4】
前記プロセッサは、
前記体の３Ｄ画像を処理して、前記イメージング空間における前記ターゲットの位置データを抽出することと、
前記ロボットの較正に基づいて、前記イメージング空間における前記ターゲットの前記位置データを前記統合された空間における前記ターゲットの前記場所データに変換することと、
を実行するように構成されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の制御システム。
前記体の３Ｄ画像を処理して、前記イメージング空間における前記ターゲットの位置データを抽出することと、
前記ロボットの較正に基づいて、前記イメージング空間における前記ターゲットの前記位置データを前記統合された空間における前記ターゲットの前記場所データに変換することと、
を実行するように構成されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の制御システム。
【請求項5】
前記マニピュレータは、ｘ軸、y軸、又はz軸に沿った前記細長ツールの変位を含む前記細長ツールの粗調整を実行するように構成され、
前記エンドエフェクタは、ピボットポイントに対する前記細長ツールの角度方向の調整を含む前記細長ツールの微調整を実行するように構成された調整機構を備えることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の制御システム。
前記エンドエフェクタは、ピボットポイントに対する前記細長ツールの角度方向の調整を含む前記細長ツールの微調整を実行するように構成された調整機構を備えることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の制御システム。
【請求項6】
前記調整機構は、
ベースと、
前記ベースに平行になるように構成されたプラットフォームと、
前記ベースを前記プラットフォームと連結する複数のアームと、
を備え、
前記複数のアームは、前記ベースに平行な平面に沿って前記プラットフォームを移動させて、前記細長ツールの前記角度方向を調整するように構成されていることを特徴とする、請求項５に記載の制御システム。
ベースと、
前記ベースに平行になるように構成されたプラットフォームと、
前記ベースを前記プラットフォームと連結する複数のアームと、
を備え、
前記複数のアームは、前記ベースに平行な平面に沿って前記プラットフォームを移動させて、前記細長ツールの前記角度方向を調整するように構成されていることを特徴とする、請求項５に記載の制御システム。
【請求項7】
前記調整機構は、異なる放射線透過性を有する材料で作られた部分を備え、
前記プロセッサは、前記予備的な３Ｄ画像を処理して、前記ロボットの較正のために前記調整機構の放射線不透過性の部分の位置データを取得することを特徴とする、請求項５又は６に記載の制御システム。
前記プロセッサは、前記予備的な３Ｄ画像を処理して、前記ロボットの較正のために前記調整機構の放射線不透過性の部分の位置データを取得することを特徴とする、請求項５又は６に記載の制御システム。
【請求項8】
前記プロセッサは、
前記体の３Ｄ画像を処理して、前記ターゲットと揃う選択された線を識別することと、
円錐空間の頂点が前記ターゲットに配置され、前記円錐空間の軸が前記線と位置合わせされた、前記線に沿って先細になる仮想的な円錐空間を生成することと、
をさらに実行するように構成され、
前記円錐空間は、前記調整機構の前記微調整のプロセスへの境界を提供することを特徴とする、請求項５から７の何れか一項に記載の制御システム。
前記体の３Ｄ画像を処理して、前記ターゲットと揃う選択された線を識別することと、
円錐空間の頂点が前記ターゲットに配置され、前記円錐空間の軸が前記線と位置合わせされた、前記線に沿って先細になる仮想的な円錐空間を生成することと、
をさらに実行するように構成され、
前記円錐空間は、前記調整機構の前記微調整のプロセスへの境界を提供することを特徴とする、請求項５から７の何れか一項に記載の制御システム。
【請求項9】
前記プロセッサは、
前記ロボットの粗調整のため、式ｄ≦ｒ（ｘ）－ｗに基づいて、前記マニピュレータを自動的に制御して、前記細長ツールを前記円錐空間内に移動させること
を実行するように構成され、
ｄは、前記調整機構の作動半径の中心と前記円錐空間の軸との間の最も近い距離を表し、
ｒ（ｘ）は、ｄの測定値に対応する前記円錐空間の半径を表し、
ｗは、前記調整機構の最大作動半径を表すことを特徴とする、請求項８に記載の制御システム。
前記ロボットの粗調整のため、式ｄ≦ｒ（ｘ）－ｗに基づいて、前記マニピュレータを自動的に制御して、前記細長ツールを前記円錐空間内に移動させること
を実行するように構成され、
ｄは、前記調整機構の作動半径の中心と前記円錐空間の軸との間の最も近い距離を表し、
ｒ（ｘ）は、ｄの測定値に対応する前記円錐空間の半径を表し、
ｗは、前記調整機構の最大作動半径を表すことを特徴とする、請求項８に記載の制御システム。
【請求項10】
細長ツールを使用して閉塞されたターゲットに突き当てるシステムであって、
前記システムは、
請求項１から９のいずれか一項に記載の制御システムと、
前記ロボットを動作させるアクチュエータと、
を備え、
前記プロセッサは、前記ターゲットと位置合わせ時の前記細長ツールの先端との間の到達可能距離を計算するように構成され、
前記アクチュエータは、位置合わせ時の前記細長ツールの角度方向と前記到達可能距離とに基づいて、前記細長ツールを前記ターゲットに向かって前進させるように構成されていることを特徴とするシステム。
前記システムは、
請求項１から９のいずれか一項に記載の制御システムと、
前記ロボットを動作させるアクチュエータと、
を備え、
前記プロセッサは、前記ターゲットと位置合わせ時の前記細長ツールの先端との間の到達可能距離を計算するように構成され、
前記アクチュエータは、位置合わせ時の前記細長ツールの角度方向と前記到達可能距離とに基づいて、前記細長ツールを前記ターゲットに向かって前進させるように構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項11】
ロボットを動作させる方法であって、
前記ロボットは、固定端部と、前記固定端部に対して移動可能なマニピュレータとを備え、
前記方法は、
３次元（３Ｄ）イメージングデバイスによって取得された前記マニピュレータのエンドエフェクタの予備的な３Ｄ画像を受け取ることと、
前記予備的な３Ｄ画像を処理して、前記ロボットによって動作可能なロボット空間と前記３Ｄイメージングデバイスによって動作可能なイメージング空間とを統合することによって前記ロボットを較正することと、
前記ロボットの較正に基づいて、前記３Ｄイメージングデバイスによって取得された閉塞されたターゲットを含む体の３Ｄ画像を処理して、統合された空間における前記ターゲットの場所データを取得することと、
前記統合された空間における前記ターゲットの前記場所データに基づいて、前記マニピュレータを自動的に制御して、前記マニピュレータの前記エンドエフェクタに取り付けられた細長ツールの長手方向軸を前記ターゲットと位置合わせすることと、
を含むことを特徴とする方法。
前記ロボットは、固定端部と、前記固定端部に対して移動可能なマニピュレータとを備え、
前記方法は、
３次元（３Ｄ）イメージングデバイスによって取得された前記マニピュレータのエンドエフェクタの予備的な３Ｄ画像を受け取ることと、
前記予備的な３Ｄ画像を処理して、前記ロボットによって動作可能なロボット空間と前記３Ｄイメージングデバイスによって動作可能なイメージング空間とを統合することによって前記ロボットを較正することと、
前記ロボットの較正に基づいて、前記３Ｄイメージングデバイスによって取得された閉塞されたターゲットを含む体の３Ｄ画像を処理して、統合された空間における前記ターゲットの場所データを取得することと、
前記統合された空間における前記ターゲットの前記場所データに基づいて、前記マニピュレータを自動的に制御して、前記マニピュレータの前記エンドエフェクタに取り付けられた細長ツールの長手方向軸を前記ターゲットと位置合わせすることと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項12】
前記エンドエフェクタの前記予備的な３Ｄ画像を処理することは、
前記ロボットの前記固定端部と前記３Ｄイメージングデバイスにおける固定基準点との間の合成ベクトルを計算することと、
計算された前記合成ベクトルに基づいて、共通の原点を決定して、前記ロボット空間と前記イメージング空間とを統合することと、
を含み、
前記ロボットの前記固定端部は、前記ロボット空間の中心であり、前記固定基準点は、前記イメージング空間の中心であることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
前記ロボットの前記固定端部と前記３Ｄイメージングデバイスにおける固定基準点との間の合成ベクトルを計算することと、
計算された前記合成ベクトルに基づいて、共通の原点を決定して、前記ロボット空間と前記イメージング空間とを統合することと、
を含み、
前記ロボットの前記固定端部は、前記ロボット空間の中心であり、前記固定基準点は、前記イメージング空間の中心であることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記合成ベクトルを計算することは、
前記イメージング空間における前記エンドエフェクタの位置データを取得することと、
前記エンドエフェクタの前記位置データに基づいて、前記固定基準点と前記エンドエフェクタとの間の第１の方向ベクトルを計算することと、
前記第１の方向ベクトルと、前記エンドエフェクタと前記ロボットの前記固定端部との間の第２の方向ベクトルとを組み合わせて、前記３Ｄイメージングデバイスの前記固定基準点と前記ロボットの前記固定端部との間の合成ベクトルを計算することと、
を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
前記イメージング空間における前記エンドエフェクタの位置データを取得することと、
前記エンドエフェクタの前記位置データに基づいて、前記固定基準点と前記エンドエフェクタとの間の第１の方向ベクトルを計算することと、
前記第１の方向ベクトルと、前記エンドエフェクタと前記ロボットの前記固定端部との間の第２の方向ベクトルとを組み合わせて、前記３Ｄイメージングデバイスの前記固定基準点と前記ロボットの前記固定端部との間の合成ベクトルを計算することと、
を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
前記ターゲットを含む前記体の３Ｄ画像を処理することは、
前記イメージング空間における前記ターゲットの位置データを抽出することと、
前記ロボットの較正に基づいて、前記イメージング空間における前記ターゲットの前記位置データを前記統合された空間における前記ターゲットの前記場所データに変換することと、
を含むことを特徴とする、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。
前記イメージング空間における前記ターゲットの位置データを抽出することと、
前記ロボットの較正に基づいて、前記イメージング空間における前記ターゲットの前記位置データを前記統合された空間における前記ターゲットの前記場所データに変換することと、
を含むことを特徴とする、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項15】
前記細長ツールを前記ターゲットと位置合わせすることは、ｘ軸、y軸、又はz軸に沿った前記細長ツールの変位を含む前記細長ツールの粗調整と、ピボットポイントに対する前記細長ツールの角度方向の調整を含む前記細長ツールの微調整とを含むことを特徴とする、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項16】
前記細長ツールの前記角度方向を調整することは、
前記調整機構のベースとプラットフォームを連結する複数のアームを作動させることで、前記ベースに平行な平面に沿って前記プラットフォームを移動させること
を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
前記調整機構のベースとプラットフォームを連結する複数のアームを作動させることで、前記ベースに平行な平面に沿って前記プラットフォームを移動させること
を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
前記調整機構は、異なる放射線透過性を有する材料で作られた部分を備え、
前記予備的な３Ｄ画像を処理するステップは、前記ロボットの較正のために前記調整機構の放射線不透過性の部分の位置データを取得することを含むことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
前記予備的な３Ｄ画像を処理するステップは、前記ロボットの較正のために前記調整機構の放射線不透過性の部分の位置データを取得することを含むことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
前記方法は、
前記体の３Ｄ画像における前記ターゲットと揃う選択された線を識別することと、
円錐空間の頂点が前記ターゲットに配置され、前記円錐空間の軸が前記線と位置合わせされた、前記線に沿って先細になる仮想的な円錐空間を生成することと、
をさらに含み、
前記円錐空間は、前記細長ツールの前記微調整への境界を提供することを特徴とする、請求項１６又は１７に記載の方法。
前記体の３Ｄ画像における前記ターゲットと揃う選択された線を識別することと、
円錐空間の頂点が前記ターゲットに配置され、前記円錐空間の軸が前記線と位置合わせされた、前記線に沿って先細になる仮想的な円錐空間を生成することと、
をさらに含み、
前記円錐空間は、前記細長ツールの前記微調整への境界を提供することを特徴とする、請求項１６又は１７に記載の方法。
【請求項19】
前記マニピュレータを自動的に制御することは、
前記ロボットの粗調整中、式ｄ≦ｒ（ｘ）－ｗに基づいて、前記マニピュレータを自動的に制御して、前記細長ツールを前記円錐空間内に移動すること
を含み、
ｄは、前記調整機構の作動半径の中心と前記円錐空間の軸との間の最も近い距離を表し、
ｒ（ｘ）は、ｄの測定値に対応する前記円錐空間の半径を表し、
ｗは、前記調整機構の最大作動半径を表すことを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
前記ロボットの粗調整中、式ｄ≦ｒ（ｘ）－ｗに基づいて、前記マニピュレータを自動的に制御して、前記細長ツールを前記円錐空間内に移動すること
を含み、
ｄは、前記調整機構の作動半径の中心と前記円錐空間の軸との間の最も近い距離を表し、
ｒ（ｘ）は、ｄの測定値に対応する前記円錐空間の半径を表し、
ｗは、前記調整機構の最大作動半径を表すことを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項20】
細長ツールを使用して閉塞されたターゲットに突き当てる方法であって、
前記方法は、
請求項１１から１９のいずれか一項に記載の方法を使用して、前記細長ツールの長手方向軸を前記ターゲットと位置合わせすることと、
前記ターゲットと位置合わせ時の前記細長ツールの先端との間の到達可能距離を計算することと、
計算された前記到達可能距離に基づいて、前記細長ツールを前記ターゲットに向かって前進させることと、
を含むことを特徴とする方法。
前記方法は、
請求項１１から１９のいずれか一項に記載の方法を使用して、前記細長ツールの長手方向軸を前記ターゲットと位置合わせすることと、
前記ターゲットと位置合わせ時の前記細長ツールの先端との間の到達可能距離を計算することと、
計算された前記到達可能距離に基づいて、前記細長ツールを前記ターゲットに向かって前進させることと、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、概してロボットを動作させる制御システム及び方法に関する。
【背景技術】
【0002】
多くの外科的処置は、患者の体への針の経皮挿入を含む。このような処置では、針の先端が、例えば生検、薬物送達のプロセスなどの医療プロセスが実行されるために、体内の病変、臓器、又は血管に配置される。針の挿入を必要とする外科的処置の幾つかの例には、ワクチン接種、血液／流体サンプリング、局所麻酔、組織生検、カテーテル挿入、極低温アブレーション、電解アブレーション、近接照射療法、脳外科手術、脳深部刺激療法、及び様々な低侵襲手術（ＭＩＳ）が含まれる。
【0003】
手術において患者の体に針を挿入する方法は複数ある。例えば、外科医は、針の一端を患者の皮膚に配置し、リアルタイムの画像データに基づいて針の他端を繰り返し傾けて、針とターゲット（標的）との位置合わせ（アライメント）を確立することにより、手動で処置を行い得る。この方法を使用して行われる外科的処置は、人的エラーを起こしやすい可能性がある。また、患者と外科医は、健康被害を引き起こす可能性のある過剰な量の放射線にさらされる可能性がある。
【0004】
外科的処置を自動化するために、例えばロボットアーム、柔軟な針などの医療機器が導入されている。しかし、臨床医によるリモート制御を可能にするこのような機器の殆どは、手動プロセスを模倣しているに過ぎない。また、外科的処置は通常複雑であり、複数の医療機器を含むシステムを必要とする。しかし、医療機器は通常、個別に設計されており、連携して機能するようにうまく統合されていない。したがって、このような機器を使用して行われる外科的処置は、手術の結果を損なう可能性がある。
【0005】
外科的エラーにより、処置全体が繰り返されるために針を抜かなければならない場合がある。これは、患者の体の複数の穿刺により患者へのリスクが高まる可能性があるので、患者の状態を悪化させる可能性がある。深刻な場合、患者は、例えば内出血、気胸などの合併症を患う可能性がある。
【0006】
したがって、上記課題の少なくとも１つに対処しようとするシステム及び方法を提供するか、又は、有用な代替手段を提供する必要がある。
【発明の概要】
【0007】
本発明の第１の態様によれば、固定端部と、前記固定端部に対して移動可能なマニピュレータとを備えるロボットと、
前記ロボット及び３次元（３Ｄ）イメージングデバイスと通信可能に接続されたプロセッサと
を備え、
前記ロボットは、細長ツールを閉塞されたターゲットと位置合わせするためにロボット空間内でマニピュレータのエンドエフェクタに取り付けられた前記細長ツールを移動させるように構成され、
前記ロボット空間は、前記固定端部を中心とする３Ｄ空間を含み、
前記３Ｄイメージングデバイスは、イメージング空間内の３Ｄ画像を取得するように構成され、
前記イメージング空間は、前記３Ｄイメージングデバイスにおける固定基準点を中心とする３Ｄ空間を含み、
前記プロセッサは、
前記３Ｄイメージングデバイスによって取得された前記エンドエフェクタの予備的な３Ｄ画像を処理して、前記ロボット空間と前記イメージング空間とを統合することによって前記ロボットを較正することと、
前記ロボットの較正に基づいて、前記３Ｄイメージングデバイスによって取得された前記ターゲットを含む体の３Ｄ画像を処理して、統合された空間における前記ターゲットの場所データを取得することと、
前記統合された空間における前記ターゲットの前記場所データに基づいて、前記マニピュレータを自動的に制御して、前記細長ツールの長手方向軸を前記ターゲットと位置合わせすることと、
を実行するように構成されている制御システムが提供される。
前記ロボット及び３次元（３Ｄ）イメージングデバイスと通信可能に接続されたプロセッサと
を備え、
前記ロボットは、細長ツールを閉塞されたターゲットと位置合わせするためにロボット空間内でマニピュレータのエンドエフェクタに取り付けられた前記細長ツールを移動させるように構成され、
前記ロボット空間は、前記固定端部を中心とする３Ｄ空間を含み、
前記３Ｄイメージングデバイスは、イメージング空間内の３Ｄ画像を取得するように構成され、
前記イメージング空間は、前記３Ｄイメージングデバイスにおける固定基準点を中心とする３Ｄ空間を含み、
前記プロセッサは、
前記３Ｄイメージングデバイスによって取得された前記エンドエフェクタの予備的な３Ｄ画像を処理して、前記ロボット空間と前記イメージング空間とを統合することによって前記ロボットを較正することと、
前記ロボットの較正に基づいて、前記３Ｄイメージングデバイスによって取得された前記ターゲットを含む体の３Ｄ画像を処理して、統合された空間における前記ターゲットの場所データを取得することと、
前記統合された空間における前記ターゲットの前記場所データに基づいて、前記マニピュレータを自動的に制御して、前記細長ツールの長手方向軸を前記ターゲットと位置合わせすることと、
を実行するように構成されている制御システムが提供される。
【0008】
前記プロセッサは、
前記エンドエフェクタの前記予備的な３Ｄ画像を処理して、前記固定基準点と前記ロボットの前記固定端部との間の合成ベクトルを計算することと、
計算された前記合成ベクトルに基づいて、前記イメージング空間における前記エンドエフェクタの位置データを取得することと、
を実行するように構成されてもよい。
前記エンドエフェクタの前記予備的な３Ｄ画像を処理して、前記固定基準点と前記ロボットの前記固定端部との間の合成ベクトルを計算することと、
計算された前記合成ベクトルに基づいて、前記イメージング空間における前記エンドエフェクタの位置データを取得することと、
を実行するように構成されてもよい。
【0009】
前記プロセッサは、
前記エンドエフェクタの前記予備的な３Ｄ画像を処理して、前記イメージング空間における前記エンドエフェクタの位置データを取得することと、
前記エンドエフェクタの前記位置データに基づいて、前記固定基準点と前記エンドエフェクタとの間の第１の方向ベクトルを計算することと、
前記第１の方向ベクトルと、前記エンドエフェクタと前記ロボットの前記固定端部との間の第２の方向ベクトルとを組み合わせて、前記３Ｄイメージングデバイスの前記固定基準点と前記ロボットの前記固定端部との間の合成ベクトルを計算することと、
を実行するように構成されてもよい。
前記エンドエフェクタの前記予備的な３Ｄ画像を処理して、前記イメージング空間における前記エンドエフェクタの位置データを取得することと、
前記エンドエフェクタの前記位置データに基づいて、前記固定基準点と前記エンドエフェクタとの間の第１の方向ベクトルを計算することと、
前記第１の方向ベクトルと、前記エンドエフェクタと前記ロボットの前記固定端部との間の第２の方向ベクトルとを組み合わせて、前記３Ｄイメージングデバイスの前記固定基準点と前記ロボットの前記固定端部との間の合成ベクトルを計算することと、
を実行するように構成されてもよい。
【0010】
前記プロセッサは、
前記体の３Ｄ画像を処理して、前記イメージング空間における前記ターゲットの位置データを抽出することと、
前記ロボットの較正に基づいて、前記イメージング空間における前記ターゲットの前記位置データを前記統合された空間における前記ターゲットの前記場所データに変換することと、
を実行するように構成されてもよい。
前記体の３Ｄ画像を処理して、前記イメージング空間における前記ターゲットの位置データを抽出することと、
前記ロボットの較正に基づいて、前記イメージング空間における前記ターゲットの前記位置データを前記統合された空間における前記ターゲットの前記場所データに変換することと、
を実行するように構成されてもよい。
【0011】
前記マニピュレータは、ｘ軸、y軸、又はz軸に沿った前記細長ツールの変位を含む前記細長ツールの粗調整を実行するように構成されてもよく、前記エンドエフェクタは、ピボットポイントに対する前記細長ツールの角度方向の調整を含む前記細長ツールの微調整を実行するように構成された調整機構を備えてもよい。
【0012】
前記調整機構は、
ベースと、
前記ベースに平行になるように構成されたプラットフォームと、
前記ベースを前記プラットフォームと連結する複数のアームと、
を備え、
前記複数のアームは、前記ベースに平行な平面に沿って前記プラットフォームを移動させて、前記細長ツールの前記角度方向を調整するように構成されてもよい。
ベースと、
前記ベースに平行になるように構成されたプラットフォームと、
前記ベースを前記プラットフォームと連結する複数のアームと、
を備え、
前記複数のアームは、前記ベースに平行な平面に沿って前記プラットフォームを移動させて、前記細長ツールの前記角度方向を調整するように構成されてもよい。
【0013】
前記調整機構は、異なる放射線透過性を有する材料で作られた部分を備えてもよく、前記プロセッサは、前記予備的な３Ｄ画像を処理して、前記ロボットの較正のために前記調整機構の放射線不透過性の部分の位置データを取得してもよい。
【0014】
前記プロセッサは、
前記体の３Ｄ画像を処理して、前記ターゲットと揃う選択された線を識別することと、
円錐空間の頂点が前記ターゲットに配置され、前記円錐空間の軸が前記線と位置合わせされた、前記線に沿って先細になる仮想的な円錐空間を生成することと、
をさらに実行するように構成されてもよく、
前記円錐空間は、前記調整機構の前記微調整のプロセスへの境界を提供してもよい。
前記体の３Ｄ画像を処理して、前記ターゲットと揃う選択された線を識別することと、
円錐空間の頂点が前記ターゲットに配置され、前記円錐空間の軸が前記線と位置合わせされた、前記線に沿って先細になる仮想的な円錐空間を生成することと、
をさらに実行するように構成されてもよく、
前記円錐空間は、前記調整機構の前記微調整のプロセスへの境界を提供してもよい。
【0015】
前記プロセッサは、
前記ロボットの粗調整のため、式ｄ≦ｒ（ｘ）－ｗに基づいて、前記マニピュレータを自動的に制御して、前記細長ツールを前記円錐空間内に移動させること
を実行するように構成されてもよく、この場合、
ｄは、前記調整機構の作動半径の中心と前記円錐空間の軸との間の最も近い距離を表し、
ｒ（ｘ）は、ｄの測定値に対応する前記円錐空間の半径を表し、
ｗは、前記調整機構の最大作動半径を表す。
前記ロボットの粗調整のため、式ｄ≦ｒ（ｘ）－ｗに基づいて、前記マニピュレータを自動的に制御して、前記細長ツールを前記円錐空間内に移動させること
を実行するように構成されてもよく、この場合、
ｄは、前記調整機構の作動半径の中心と前記円錐空間の軸との間の最も近い距離を表し、
ｒ（ｘ）は、ｄの測定値に対応する前記円錐空間の半径を表し、
ｗは、前記調整機構の最大作動半径を表す。
【0016】
本発明の第２の態様によれば、細長ツールを使用して閉塞されたターゲットに突き当てるシステムであって、
前記システムは、
第１の態様で定義される制御システムと、
前記ロボットを動作させるアクチュエータと、
を備え、
前記プロセッサは、前記ターゲットと位置合わせ時の前記細長ツールの先端との間の到達可能距離を計算するように構成され、
前記アクチュエータは、位置合わせ時の前記細長ツールの角度方向と前記到達可能距離とに基づいて、前記細長ツールを前記ターゲットに向かって前進させるように構成されているシステムが提供される。
前記システムは、
第１の態様で定義される制御システムと、
前記ロボットを動作させるアクチュエータと、
を備え、
前記プロセッサは、前記ターゲットと位置合わせ時の前記細長ツールの先端との間の到達可能距離を計算するように構成され、
前記アクチュエータは、位置合わせ時の前記細長ツールの角度方向と前記到達可能距離とに基づいて、前記細長ツールを前記ターゲットに向かって前進させるように構成されているシステムが提供される。
【0017】
本発明の第３の態様によれば、ロボットを動作させる方法であって、
前記ロボットは、固定端部と、前記固定端部に対して移動可能なマニピュレータとを備え、
前記方法は、
３次元（３Ｄ）イメージングデバイスによって取得された前記マニピュレータのエンドエフェクタの予備的な３Ｄ画像を受け取ることと、
前記予備的な３Ｄ画像を処理して、前記ロボットによって動作可能なロボット空間と前記３Ｄイメージングデバイスによって動作可能なイメージング空間とを統合することによって前記ロボットを較正することと、
前記ロボットの較正に基づいて、前記３Ｄイメージングデバイスによって取得された閉塞されたターゲットを含む体の３Ｄ画像を処理して、統合された空間における前記ターゲットの場所データを取得することと、
前記統合された空間における前記ターゲットの前記場所データに基づいて、前記マニピュレータを自動的に制御して、前記マニピュレータの前記エンドエフェクタに取り付けられた細長ツールの長手方向軸を前記ターゲットと位置合わせすることと、
を含む方法が提供される。
前記ロボットは、固定端部と、前記固定端部に対して移動可能なマニピュレータとを備え、
前記方法は、
３次元（３Ｄ）イメージングデバイスによって取得された前記マニピュレータのエンドエフェクタの予備的な３Ｄ画像を受け取ることと、
前記予備的な３Ｄ画像を処理して、前記ロボットによって動作可能なロボット空間と前記３Ｄイメージングデバイスによって動作可能なイメージング空間とを統合することによって前記ロボットを較正することと、
前記ロボットの較正に基づいて、前記３Ｄイメージングデバイスによって取得された閉塞されたターゲットを含む体の３Ｄ画像を処理して、統合された空間における前記ターゲットの場所データを取得することと、
前記統合された空間における前記ターゲットの前記場所データに基づいて、前記マニピュレータを自動的に制御して、前記マニピュレータの前記エンドエフェクタに取り付けられた細長ツールの長手方向軸を前記ターゲットと位置合わせすることと、
を含む方法が提供される。
【0018】
前記エンドエフェクタの前記予備的な３Ｄ画像を処理することは、
前記ロボットの前記固定端部と前記３Ｄイメージングデバイスにおける固定基準点との間の合成ベクトルを計算することと、
計算された前記合成ベクトルに基づいて、共通の原点を決定して、前記ロボット空間と前記イメージング空間とを統合することと、
を含んでもよく、この場合、
前記ロボットの前記固定端部は、前記ロボット空間の中心であり、前記固定基準点は、前記イメージング空間の中心である。
前記ロボットの前記固定端部と前記３Ｄイメージングデバイスにおける固定基準点との間の合成ベクトルを計算することと、
計算された前記合成ベクトルに基づいて、共通の原点を決定して、前記ロボット空間と前記イメージング空間とを統合することと、
を含んでもよく、この場合、
前記ロボットの前記固定端部は、前記ロボット空間の中心であり、前記固定基準点は、前記イメージング空間の中心である。
【0019】
前記合成ベクトルを計算することは、
前記イメージング空間における前記エンドエフェクタの位置データを取得することと、
前記エンドエフェクタの前記位置データに基づいて、前記固定基準点と前記エンドエフェクタとの間の第１の方向ベクトルを計算することと、
前記第１の方向ベクトルと、前記エンドエフェクタと前記ロボットの前記固定端部との間の第２の方向ベクトルとを組み合わせて、前記３Ｄイメージングデバイスの前記固定基準点と前記ロボットの前記固定端部との間の合成ベクトルを計算することと、
を含んでもよい。
前記イメージング空間における前記エンドエフェクタの位置データを取得することと、
前記エンドエフェクタの前記位置データに基づいて、前記固定基準点と前記エンドエフェクタとの間の第１の方向ベクトルを計算することと、
前記第１の方向ベクトルと、前記エンドエフェクタと前記ロボットの前記固定端部との間の第２の方向ベクトルとを組み合わせて、前記３Ｄイメージングデバイスの前記固定基準点と前記ロボットの前記固定端部との間の合成ベクトルを計算することと、
を含んでもよい。
【0020】
前記ターゲットを含む体の３Ｄ画像を処理することは、
前記イメージング空間における前記ターゲットの位置データを抽出することと、
前記ロボットの較正に基づいて、前記イメージング空間における前記ターゲットの前記位置データを前記統合された空間における前記ターゲットの前記場所データに変換することと、
を含んでもよい。
前記イメージング空間における前記ターゲットの位置データを抽出することと、
前記ロボットの較正に基づいて、前記イメージング空間における前記ターゲットの前記位置データを前記統合された空間における前記ターゲットの前記場所データに変換することと、
を含んでもよい。
【0021】
前記細長ツールを前記ターゲットと位置合わせすることは、ｘ軸、y軸、又はz軸に沿った前記細長ツールの変位を含む前記細長ツールの粗調整と、ピボットポイントに対する前記細長ツールの角度方向の調整を含む前記細長ツールの微調整とを含んでもよい。
【0022】
前記細長ツールの前記角度方向を調整することは、
前記調整機構のベースとプラットフォームを連結する複数のアームを作動させることで、前記ベースに平行な平面に沿って前記プラットフォームを移動させること
を含んでもよい。
前記調整機構のベースとプラットフォームを連結する複数のアームを作動させることで、前記ベースに平行な平面に沿って前記プラットフォームを移動させること
を含んでもよい。
【0023】
前記調整機構は、異なる放射線透過性を有する材料で作られた部分を備えてもよく、前記予備的な３Ｄ画像を処理するステップは、前記ロボットの較正のために前記調整機構の放射線不透過性の部分の位置データを取得することを含んでもよい。
【0024】
前記方法は、
前記体の３Ｄ画像における前記ターゲットと揃う選択された線を識別することと、
円錐空間の頂点が前記ターゲットに配置され、前記円錐空間の軸が前記線と位置合わせされた、前記線に沿って先細になる仮想的な円錐空間を生成することと、
をさらに含んでもよく、
前記円錐空間は、前記細長ツールの前記微調整への境界を提供してもよい。
前記体の３Ｄ画像における前記ターゲットと揃う選択された線を識別することと、
円錐空間の頂点が前記ターゲットに配置され、前記円錐空間の軸が前記線と位置合わせされた、前記線に沿って先細になる仮想的な円錐空間を生成することと、
をさらに含んでもよく、
前記円錐空間は、前記細長ツールの前記微調整への境界を提供してもよい。
【0025】
前記マニピュレータを自動的に制御することは、
前記ロボットの粗調整中、式ｄ≦ｒ（ｘ）－ｗに基づいて、前記マニピュレータを自動的に制御して、前記細長ツールを前記円錐空間内に移動すること
を含んでもよく、この場合、
ｄは、前記調整機構の作動半径の中心と前記円錐空間の軸との間の最も近い距離を表し、
ｒ（ｘ）は、ｄの測定値に対応する前記円錐空間の半径を表し、
ｗは、前記調整機構の最大作動半径を表す。
前記ロボットの粗調整中、式ｄ≦ｒ（ｘ）－ｗに基づいて、前記マニピュレータを自動的に制御して、前記細長ツールを前記円錐空間内に移動すること
を含んでもよく、この場合、
ｄは、前記調整機構の作動半径の中心と前記円錐空間の軸との間の最も近い距離を表し、
ｒ（ｘ）は、ｄの測定値に対応する前記円錐空間の半径を表し、
ｗは、前記調整機構の最大作動半径を表す。
【0026】
本発明の第４の態様によれば、細長ツールを使用して閉塞されたターゲットに突き当てる方法であって、
前記方法は、
第３の態様に定義される方法を使用して、前記細長ツールの長手方向軸を前記ターゲットと位置合わせすることと、
前記ターゲットと位置合わせ時の前記細長ツールの先端との間の到達可能距離を計算することと、
計算された前記到達可能距離に基づいて、前記細長ツールを前記ターゲットに向かって前進させることと、
を含む方法が提供される。
前記方法は、
第３の態様に定義される方法を使用して、前記細長ツールの長手方向軸を前記ターゲットと位置合わせすることと、
前記ターゲットと位置合わせ時の前記細長ツールの先端との間の到達可能距離を計算することと、
計算された前記到達可能距離に基づいて、前記細長ツールを前記ターゲットに向かって前進させることと、
を含む方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0027】
本発明の実施形態は、例としてのみ提供されており、下記の説明及び図面から、当業者によりよく理解され容易に明らかであろう。
【0028】
【図1A】本発明の例示的な一実施形態による制御システムを示す概略図を示す。
【0029】
【0030】
【0031】
【0032】
【0033】
【0034】
【図4】ロボットを動作させる方法を示すフローチャートを示す。
【0035】
【図5】例示的な実施形態のシステム及び方法を実施するのに適したコンピュータを示す概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【0036】
図１Ａは、例示的な実施形態による制御システム１００を示す概略図を示す。図１Ｂは、図１Ａのシステム１００の拡大図を示す。以下の説明では、システム１００を使用して、患者の体内の病変治療のために体内で行われる外科手術において手術ツール（器具）を位置合わせする。システム１００は、例えば腎臓結石の除去、椎体形成術などの病変治療以外の用途にも使用できることが理解されよう。当業者によって理解されるように、他の非外科的用途も可能である。
【0037】
図１Ａに示すように、システム１００は、ロボット１０４及び３次元（３Ｄ）イメージング（画像化）デバイス１０６に通信可能に接続されているプロセッサ１０２を備える。システム１００の一部として、ロボット１０４は、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸が交わる固定中心を有する３Ｄ空間（以下「ロボット空間１０８」という）内を移動するように構成される。ロボット１０４の動きは、図１Ａの座標軸Ａ１で表される。３Ｄイメージングデバイス１０６によって取得された３Ｄ画像に基づいて、ロボット１０４は、細長ツールを病変に位置合わせするように、プロセッサ１０２によって制御される。ロボット１０４の動きは、プロセッサ１０２から信号を受け取るアクチュエータ（図示せず）によって操作される。
【0038】
一実施形態において、ロボット１０４は、ロボット空間１０８の中心である固定端部１０９と、固定端部１０９に対して移動可能なマニピュレータ（遠隔操縦装置）１１０とを備える。マニピュレータ１１０は、ｘ軸、y軸、z軸、又はこれらのうちの組み合わせに沿った細長ツールの変位を含む細長ツール粗調整に使用される。マニピュレータは、マニピュレータ１１０のエンドエフェクタとしてマニピュレータ１１０の端部に取り付けられた調整機構１１２を備える。調整機構１１２は、ピボットポイント（回転中心）に対する細長ツールの角度方向の調整を含む、細長ツールの微調整に使用される。図１Ａ、図１Ｂに示すように、マニピュレータ１１０は、座標軸Ａ１に沿って動き、調整機構は座標軸Ａ２に沿って動く。
【0039】
調整機構１１２は、ベースと、ベースに平行になるように構成されたプラットフォームとを備える。ベースとプラットフォームは、ベースに平行な平面に沿ってプラットフォームを移動させて細長ツールの角度方向を調整するように構成されている複数のアームによって連結されている。一実施形態において、調整機構は、異なる放射線透過性を有する材料で作られた部分を備える。例えば、調整機構１１２のプラットフォームは、Ｘ線を遮る放射線不透過性材料であるチタン製の３つのボールを備え、調整機構１１２の残りの部分は、放射線透過性材料で作られている。３つのボールは、プラットフォームの環状リングにおいて互いに均一な角距離をおいて配置され、そのため、調整機構１１２の位置は、調整機構１１２が３Ｄイメージングデバイス１０６によってスキャン（走査）されるときに正確に決定され得る。調整機構１１２の構成は、図２Ａ～図２Ｃを参照して、以下でさらに詳細に説明される。
【0040】
３Ｄイメージングデバイス１０６は、コンピュータ処理された３Ｄ画像を生成するために患者の体の走査を実行することができる医療イメージングデバイスである。３Ｄイメージングデバイス１０６の幾つかの例には、磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）装置、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャナ、フルオロスコープ（透視装置）が含まれる。図１Ａに示すように、３Ｄイメージングデバイス１０６は、Ｘ線管を備えるガントリ１１４と、ベッド１１６とを備え、ベッド１１６は、Ｘ線管がベッド１１６上の患者の周りを回転している間にガントリ１１４内に移動することができる。３Ｄイメージングデバイス１０６は、３Ｄ空間（以下、「イメージング空間１１８」という）内の３Ｄ画像を取得するように構成される。イメージング空間１１８は、図１Ａ、図１Ｂにおいて、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸が交わる固定中心（以下「固定基準点１２０」という）を有する座標軸Ａ３で表される。
【0041】
３Ｄイメージングデバイス１０６は、使用中、ロボット１０４のエンドエフェクタをスキャンして、エンドエフェクタの予備的な３Ｄ画像を生成する。プロセッサ１０２は、予備的な３Ｄ画像を処理して、ロボット空間１０８をイメージング空間１１８と統合することによって、ロボット１０４を較正する。一実施形態において、エンドエフェクタの予備的な３Ｄ画像を処理して、イメージング空間１１８におけるエンドエフェクタの位置データを取得する。例えば、プロセッサ１０２は、予備的な３Ｄ画像を処理して、調整機構１１２の放射線不透過性の部分の位置データを取得する。
【0042】
エンドエフェクタの位置データに基づいて、プロセッサ１０２は、固定基準点１２０とエンドエフェクタとの間の第１の方向ベクトルＶ１を計算する。さらに、プロセッサ１０２は、エンドエフェクタとロボット１０４の固定端部１０９との間の第２の方向ベクトルＶ２を計算する。第１の方向ベクトルＶ１と第２の方向ベクトルＶ２とを組み合わせて、固定基準点１２０とロボット１０４の固定端部１０９との間の合成ベクトルＲを計算する。計算された合成ベクトルＲに基づいて、プロセッサ１０２は、ロボット空間１０８とイメージング空間１１８との統合のための共通の原点を決定する。一実施形態において、共通の原点は、固定基準点１２０と同じ点にある。しかし、共通の原点は、グローバル座標系の任意の他の点に配置可能であることが理解されよう。
【0043】
その後、ロボット１０４は、３Ｄイメージングデバイス１０４が病変を含む患者の体をスキャンするために、３Ｄイメージングデバイス１０６の横にしまい込まれる。ロボット１０４の較正に基づいて、プロセッサ１０２は、体の３Ｄ画像を処理して、統合された空間における病変の場所データを取得する。一実施形態において、プロセッサ１０２は、３Ｄ画像を処理して、イメージング空間１１８における病変の位置データを抽出し、ロボット１０４の較正に基づいて、イメージング空間１１８における位置データを、統合された空間における病変の場所データに変換する。一実施形態において、プロセッサ１０２はさらに、調整機構１１２の微調整プロセスへの境界を提供する微調整空間を生成するように構成される。
【0044】
プロセッサ１０２は、３Ｄイメージングデバイス１０６からの３Ｄ画像を処理して、体表面、体（例えば、他の器官、骨、動脈）内の閉塞、病変を含む体の部分の場所データを取得するためのソフトウェアを備える。例えば、腫瘍学的イメージングでは、病変は通常、正常な体細胞よりも豊富な血液供給を有し、これにより、３Ｄ画像上に識別可能な陰影が生成される。これにより、ソフトウェアは、３Ｄ画像の陰影に基づいて病変の画像を識別することが可能となる。ソフトウェアを使用して病変を識別する代わりに、３Ｄ画像上の病変もまた、表示デバイスで臨床医によって手動で識別され得ることが理解されるであろう。
【0045】
病変の場所データが取得された後、ロボット１０４は、患者の体の上方の、ロボット１０４の以前の位置に戻される。病変の場所データに基づいて、プロセッサ１０２は、マニピュレータ１１０を自動的に制御して、細長ツールの長手方向軸を病変と位置合わせする。一実施形態において、３Ｄイメージングデバイス１０６は、体と手術ツールを含むロボット１０４のエンドエフェクタとのリアルタイム３Ｄ画像を取得する。プロセッサ１０２は、粗調整プロセス中、マニピュレータ１１０を制御して、プロセッサ１０２によって生成された微調整空間内の位置に手術ツールを移動させる。次に、プロセッサ１０２は、微調整プロセス中、調整機構１１２を制御して、微調整空間内の手術ツールの角度方向を調整し、手術ツールの長手方向軸を病変と位置合わせする。粗調整プロセス及び微調整プロセスについては、図３を参照して以下でさらに詳しく説明する。
【0046】
プロセッサ１０２は、手術ツールを位置合わせした後、リアルタイムの３Ｄ画像から手術ツールの先端の場所データを抽出する。先端と病変の場所データに基づいて、プロセッサ１０２は、先端と病変との到達可距離を計算する。一実施形態において、プロセッサ１０２は、計算された距離に基づいて、病変に向かう手術ツールの軌道をシミュレートする。シミュレーション結果が満足のいくものである場合、臨床医は、プロセッサ１０２によって制御される自動挿入又は臨床医によって制御される手動挿入のいずれかによって、病変に向けて手術ツールの挿入を進めることを確認する。プロセッサ１０２は、進めるための確認を受け取ると、計算された到達可能（突当）距離に基づいて手術ツールを病変に向かって前進させるようにアクチュエータに信号を送る。
【0047】
図２Ａ、図２Ｂはそれぞれ、図１Ａ、図１Ｂのシステム１００での使用に適した調整機構１１２の斜視図、正面図を示す。調整機構１１２は、環状リングの形態のベース２０２と、第１のアーム２０４ａ、第２のアーム２０４ｂ、及び第３のアーム２０４ｃとして表される複数のアームとを備える。アーム２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃは、互いに略均一な角距離をおいてベース２０２に接続されている。
【0048】
調整機構１１２は、より高い位置のプラットフォーム２０６をさらに備える。より高い位置のプラットフォーム２０６は、アーム２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃの各々のエンドエフェクタ２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃに接続されている。プラットフォーム２０６は、環状リングの形態であり、プラットフォーム２０６の中心にボールジョイントコンプライアンス２１０を備える。ボールジョイントコンプライアンス２１０は、手術ツール２１２を保持し手術ツール２１２の摺動を可能にする穴を備える。ボールジョイントコンプライアンス２１０は、手術ツール２１２を保持して患者の体内に挿入するための、プランジャ（図示せず）の形態の駆動機構をさらに備える。
【0049】
動作中、ベース２０２は、マニピュレータ１１０の端部に取り付けられる。アーム２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃは、少なくとも１つのアクチュエータ（図示せず）によって作動されて、互いに協調してプラットフォーム２０６の位置を調整し、したがって、ピボットポイント２１０に対する手術ツール２１２の方向を調整する。図２Ａに矢印２１６ａ、２１６ｂ、２１６ｃで示すように、プラットフォーム２０６は、ベース２０２に対して移動する。プラットフォーム２０６の位置がアーム２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃによって調整される場合、ボールジョイントコンプライアンス２１０は、プラットフォーム２０６の中心で緩く保持されて、手術ツール２１２が、ピボットポイント２１０を中心に自由に旋回又は回転できる。この構成により、図２Ａに矢印２１８で示すように、手術ツール２１２の傾斜が可能になる。
【0050】
例示的な実施形態における手術ツール２１２は、ピボットポイント２１４の反対側の手術ツール２１２の端部２２２に隣接して取り付けられた調節可能なストッパ２２０を備える。手術ツール２１２の方向及び挿入の深さが確認された後、ストッパ２２０とボールジョイントコンプライアンス２１０との間の距離が挿入の深さに略等しくなるように、ボールジョイントコンプライアンス２１０の位置がロックされ、ストッパ２２０が手術ツールに取り付けられる。次に、プランジャがアクチュエータによって作動されて、手術ツール２１２を保持して患者の体内に挿入する。手術ツール２１２の挿入の深さは、ボールジョイントコンプライアンス２１０とストッパ２２０との間の距離によって制限され、手術ツール２１２の患者の体内への過度の挿入を防止する。
【0051】
調整機構１１２の構造は、通常、軽くて剛性のある材料で作られる。一実施形態において、調整機構１１２の様々な部分が、異なる放射線透過性を有する材料で作ることができる。一例として、調整機構１１２のプラットフォーム２０６は、例えばステンレス鋼、チタンなどの放射線不透過性材料で作られた３つのボールを備え、調整機構１１２の他の部分は、放射線透過性材料で作られる。３つのボールは、プラットフォームの環状リングにおいて互いに均一な角距離をおいて配置され、そのため、調整機構１１２の位置は、調整機構１１２が３Ｄイメージングデバイス１０６によってスキャンされるときに正確に決定されて、調整機構１１２とロボット１０４又は３Ｄイメージングデバイス１０６との間の幾何学的関係の決定を可能にする。
【0052】
調整機構１１２は、単純な構造を有し、サイズが比較的小さいので、プロセッサ１０２からの信号に対して迅速に移動、応答し得る。調整機構１１２の構成はまた、過度の移動を制限する。これにより、手術中の皮膚の裂傷を低減し得る。さらに、調整機構１１２の殆どの部分が生体適合性材料で作られており、そのため、手術における調整機構１１２の使用は、患者に望ましくない影響を引き起こさない。例えば、適切であり得る材料は、チタン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）である。しかし、調整機構１１２の構造は、他の材料によって作られ得ることが理解されよう。
【0053】
一実施形態において、手術ツール２１２は、手術ツール２１２の圧力変化を検出するためにプロセッサ１０２に通信可能に接続された触覚センサ（図示せず）を含み得る。これは、患者の体における手術ツール２１２の深さの検出及び病変の検出の際のプロセッサ１０２の精度を高め得る。
【0054】
図２Ｃは、図２Ａの調整機構１１２のツールホルダ２２４の使用を示す２つの斜視図を示す。ここで、ツールホルダ２２４は、プラットフォーム２０６から取り外し可能である。ツールホルダ２２４の構造は、ボールジョイントコンプライアンス２１０と、複数の支持構造２２６とを備える。複数の支持構造２２６は、ボールジョイントコンプライアンス２１０から半径方向外向きに延在し、ボールジョイントコンプライアンス２１０をプラットフォーム２０６の環状リングと連結する。キャッチ２２８として表される係合機構は、ツールホルダ２２４をプラットフォーム２０６に取り外し可能に固定するために使用される。
【0055】
第１の配置（図２Ｃの左図）に示すように、プラットフォーム２０６が動かされて手術ツール２１２を傾斜させるときに、ツールホルダ２２４はプラットフォーム２０６に取り付けられる。手術ツール２１２の傾斜は矢印２１８によって示される。第２の配置（図２Ｃの右図）に示すように、ストッパ２２０によって許容される挿入の深さを超えてさらに挿入が必要な場合、例えば、ツールホルダ２２４を時計回り又は反時計回りの方向に回転させ、矢印２３０で示すように、患者の体の上に下げることによって、ツールホルダ２２４はプラットフォーム２０６から取り外される。ツールホルダ２２４は、例えば、粘着テープ又はゲルを使用して、患者の体に取り付けることができる。ツールホルダ２２４が患者の体に取り付けられた後、矢印２３２に示すように、プランジャがアクチュエータによって作動されて、手術ツール２１２を保持し、さらに患者の体に挿入する。この時点で、手術ツールの角度方向は、病変と揃っていることが確認されている。したがって、ツールホルダ２２４は、手術ツール２１２が患者の体内により深く挿入されることを可能にし、必要に応じて実行される作業の種類に柔軟に対応できるようにする。
【0056】
【0057】
３Ｄイメージングデバイス１０６が体をスキャンした後、病変３０２を含む体の３Ｄ画像が表示デバイスに表示される。体表面及び体内の閉塞に対する病変３０２の場所に基づいて、臨床医は、病変３０２と位置合わせされ病変３０２に突き当てる手術ツールの挿入に適した軌道線３０４を選択する。手動選択の代わりに、プロセッサ１０２におけるソフトウェアが、病変に突き当てるための手術ツールの挿入のための一又は複数の軌道線を自動的に決定することができることが理解されよう。詳細には、病変３０２の場所に基づいて、ソフトウェアは、手術ツールが臓器を傷つけないように重要な臓器を迂回するため、且つ、例えば手術ツールを曲げる可能性がある骨などの硬い構造を迂回するために、適切な軌道経路を提案することができる。
【0058】
プロセッサ１０２は、円錐空間３０６の頂点が病変３０２に配置され、円錐空間３０６の軸３１０が選択された線３０４と位置合わせされた、線３０４に沿って先細になる仮想的な円錐空間３０６を生成する。円錐空間３０６は、調整機構１１２によるピボットポイントに対する手術ツールの傾斜を含む微調整プロセスへの境界を提供する。言い換えると、手術ツールの角度方向は、円錐空間３０６内で調整される。この調整は、マニピュレータ１１０の粗調整中に、プロセッサ１０２によって達成される。詳細には、プロセッサ１０２は、式ｄ≦ｒ（ｘ）－ｗに基づいて、較正されたロボット１０４を自動的に制御して、細長ツールを円錐空間３０６内に移動させる。ここで、
ｄ＝調整機構の作動半径の中心と円錐空間の軸との間の最も近い距離、
ｒ（ｘ）＝ｄの測定値に対応する円錐空間の半径、
ｗ＝調整機構の最大作動半径
である。
ｄ＝調整機構の作動半径の中心と円錐空間の軸との間の最も近い距離、
ｒ（ｘ）＝ｄの測定値に対応する円錐空間の半径、
ｗ＝調整機構の最大作動半径
である。
【0059】
その後、微調整プロセスが調整機構１１２によって実行される。手術ツールは、ピボットポイントに対して円錐空間３０６内で傾斜されて、手術ツールを病変３０２と位置合わせする（図３に、２つのより小さな円錐空間３１２ａ、３１２ｂで示すように）。
【0060】
図４は、ロボットを動作させる方法を示すフローチャートを示す。ロボットは、固定端部と、固定端部に対して移動可能なマニピュレータとを備える。ステップ４０２で、３Ｄイメージングデバイスによって取得されたマニピュレータのエンドエフェクタの予備的な３次元（３Ｄ）画像が受け取られる。ステップ４０４で、予備的な３Ｄ画像は、ロボットによって動作可能なロボット空間を３Ｄイメージングデバイスによって動作可能なイメージング空間と統合することによってロボットを較正するために処理される。ステップ４０６で、ロボットの較正に基づいて、３Ｄイメージングデバイスによって取得された閉塞されたターゲットを含む体の３Ｄ画像が処理されて、統合された空間におけるターゲットの場所データを取得する。ステップ４０８で、統合された空間におけるターゲットの場所データに基づいて、マニピュレータは、細長ツールの長手方向軸をターゲットと位置合わせするように自動的に制御される。
【0061】
本発明の実施形態は、ロボットを動作させる制御システム及び方法を提供する。図を参照して上記で説明したように、プロセッサ１０２は、固定基準点１２０と固定端部１０９との間の合成ベクトルを計算して共通の原点を見つけることによってロボット１０４を較正する。これにより、ロボット空間１０６とイメージング空間１１８とを統合することによってロボット１０４を較正することができる。次に、体の３Ｄ画像が処理されて、統合された空間におけるターゲットの場所データが取得され、マニピュレータ１１０がプロセッサ１０２によって制御されて手術ツールの長手方向軸をターゲットと位置合わせする。
【0062】
ロボット空間１０８とイメージング空間１１８の統合により、ロボット１０４のその場での較正が可能になる。較正により、ロボット１０４と３Ｄイメージングデバイス１０６は相乗的に動作することができ、ロボット１０４は、３Ｄイメージングデバイスによって取得された３Ｄ画像に基づいてプロセッサ１０２によって制御されて、統合された空間における位置に正確に到達することができる。これにより、手術ツールを位置合わせしてターゲットに突き当てる際のロボット１０４の精度を有利に高め、したがって、外科手術におけるエラーの可能性を低減し得る。さらに、患者の体のリアルタイム３Ｄ画像は、体内のターゲットの場所データを提供する。これにより、ロボット１０４は、角度方向を正確に調整して、手術ツールの先端とターゲットとの間の到達可能距離を決定することができる。
【0063】
図５は、例示的なコンピューティングデバイス５００（以下、同様の意味で、コンピュータシステム５００という）を示す。例示的なコンピューティングデバイス５００は、図１Ａ、図１Ｂに示すシステム１００及び図３、図４に示すプロセスを実施するために使用され得る。コンピューティングデバイス５００の説明は、例としてのみ提供されており、限定することを意図しない。
【0064】
図５に示すように、例示的なコンピューティングデバイス５００は、ソフトウェアルーチンを実行するためのプロセッサ５０７を備える。明確にするため、単一のプロセッサが示されているが、コンピューティングデバイス５００は、マルチプロセッサシステムを備えてもよい。プロセッサ５０７は、コンピューティングデバイス５００の他のコンポーネントと通信するために通信インフラストラクチャ５０６に接続されている。通信インフラストラクチャ５０６は、例えば、通信バス、クロスバー、ネットワークを含み得る。
【0065】
コンピューティングデバイス５００はさらに、例えばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などのメインメモリ５０８と、二次メモリ５１０とを備える。二次メモリ５１０は、例えば、ストレージドライブ５１２及び／又はリムーバブルストレージドライブ５１７などを備え、ストレージドライブ５１２は、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ、又はハイブリッドドライブであり、リムーバブルストレージドライブ５１７は、磁気テープドライブ、光ディスクドライブ、ソリッドステートストレージドライブ（例えば、ＵＳＢフラッシュドライブ、フラッシュメモリデバイス、ソリッドステートドライブ、又はメモリカードなど）を含み得る。リムーバブルストレージドライブ５１７は周知の方法で、リムーバブル記憶媒体５７７から読み取り、且つ／又は、これに書き込む。リムーバブル記憶媒体５７７は、磁気テープ、光ディスク、不揮発性メモリ記憶媒体などを含み、リムーバブル記憶ドライブ５１７によって読み取られ、書き込まれる。関連技術の当業者によって理解されるように、リムーバブル記憶媒体５７７は、コンピュータ実行可能プログラムコード命令及び／又はデータを中に記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を含む。
【0066】
代替的な実施形態において、二次メモリ５１０は、コンピュータプログラム又は他の命令をコンピューティングデバイス５００にロードすることを可能にするための他の同様の手段を追加的又は代替的に備え得る。そのような手段は、例えば、リムーバブルストレージユニット５２２及びインタフェース５５０を含み得る。リムーバブルストレージユニット５２２及びインタフェース５５０の例には、プログラムカートリッジ及びカートリッジインタフェース（例えば、ビデオゲームコンソールデバイスに見られるものなど）、リムーバブルメモリチップ（例えば、ＥＰＲＯＭ、ＰＲＯＭなど）及び関連するソケット、リムーバブルソリッドステートストレージドライブ（例えば、ＵＳＢフラッシュドライブ、フラッシュメモリデバイス、ソリッドステートドライブ、メモリカードなど）、及びソフトウェア及びデータをリムーバブルストレージユニット５２２からコンピュータシステム５００に転送できるようにする他のリムーバブルストレージユニット５２２及びインタフェース５５０が含まれる。
【0067】
コンピューティングデバイス５００はまた、少なくとも１つの通信インタフェース５２７を備える。通信インタフェース５２７は、ソフトウェア及びデータが、通信経路５２６を介してコンピューティングデバイス５００と外部デバイスとの間で転送されることを可能にする。本発明の様々な実施形態において、通信インタフェース５２７は、データがコンピューティングデバイス５００と、例えばパブリックデータ又はプライベートデータ通信ネットワークなどのデータ通信ネットワークとの間で転送されることを可能にする。通信インタフェース５２７は、異なるコンピューティングデバイス５００間でデータを交換するために使用されることも可能で、その場合、そのようなコンピューティングデバイス５００は、相互接続されたコンピュータネットワークの一部を形成する。通信インタフェース５２７の例には、モデム、ネットワークインタフェース（例えば、イーサネットカードなど）、通信ポート（例えば、シリアル、パラレル、プリンタ、ＧＰＩＢ、ＩＥＥＥ １３９４、ＲＪ４５、ＵＳＢなど）、関連する回路を備えたアンテナなどが含まれ得る。通信インタフェース５２７は、有線であっても無線であってもよい。通信インタフェース５２７を介して転送されるソフトウェア及びデータは、通信インタフェース５２７によって受け取ることができる電子信号、電磁信号、光信号、又は他の信号であり得る信号の形態である。このような信号は、通信経路５２６を介して通信インタフェースに提供される。
【0068】
図５に示すように、コンピューティングデバイス５００はさらに、関連するディスプレイ５５０に画像をレンダリングするための動作を実行するディスプレイインタフェース５０２と、関連するスピーカ５５７を介してオーディオコンテンツを再生するための動作を実行するためのオーディオインタフェース５５２とを含む。
【0069】
本明細書で使用される場合、「コンピュータプログラム製品」という用語は、一部において、リムーバブル記憶媒体５７７、リムーバブルストレージユニット５２２、ストレージドライブ５１２に取り付けられたハードディスク、又は通信経路５２６（ワイヤレスリンク又はケーブル）を介して通信インタフェース５２７にソフトウェアを運ぶ搬送波を指し得る。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、実行及び／又は処理のために、記録された命令及び／又はデータをコンピューティングデバイス５００に提供する、任意の非一時的で不揮発性の有形記憶媒体を指す。このような記憶媒体の例には、磁気テープ、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ、Ｂｌｕ－ｒａｙ（登録商標）ディスク、ハードディスクドライブ、ＲＯＭ、集積回路、ソリッドステートストレージドライブ（例えば、ＵＳＢフラッシュドライブ、フラッシュメモリデバイス、ソリッドステートドライブ、メモリカードなど）、ハイブリッドドライブ、磁気光学ディスク、例えばＰＣＭＣＩＡカードなどのコンピュータ読み取り可能なカードなど（このようなデバイスがコンピューティングデバイス５００の内部又は外部であるか否かに関わらず）が含まれる。コンピューティングデバイス５００へのソフトウェア、アプリケーションプログラム、命令、及び／又はデータの提供にも関与し得る一時的又は無形のコンピュータ読み取り可能な伝送媒体の例には、無線又は赤外線伝送チャネル、並びに別のコンピュータ又はネットワークデバイスへのネットワーク接続、及び電子メール送信、ウェブサイトに記録された情報を含むインターネット又はイントラネットなどが含まれる。
【0070】
コンピュータプログラム（コンピュータプログラムコードともいう）は、メインメモリ５０８及び／又は二次メモリ５１０に格納される。コンピュータプログラムは、通信インタフェース５２７を介して受け取られ得る。そのようなコンピュータプログラムは、実行されると、コンピューティングデバイス５００が、本明細書に記載の実施形態の一又は複数の特徴を実行できるようにする。様々な実施形態において、コンピュータプログラムは、実行されると、プロセッサ５０７が上記の実施形態の特徴を実行することを可能にする。したがって、そのようなコンピュータプログラムは、コンピュータシステム５００のコントローラを表す。
【0071】
ソフトウェアは、コンピュータプログラム製品に格納され、リムーバブルストレージドライブ５１７、ストレージドライブ５１２、又はインタフェース５５０を使用してコンピューティングデバイス５００にロードされ得る。コンピュータプログラム製品は、非一時的なコンピュータ読み取り可能な媒体であり得る。或いは、コンピュータプログラム製品は、通信経路５２６を介してコンピュータシステム５００にダウンロードされ得る。ソフトウェアは、プロセッサ５０７によって実行されると、コンピューティングデバイス５００に、本明細書に記載の実施形態の機能を実行させる。
【0072】
図５の実施形態は、単に例として提示されていることを理解されたい。したがって、幾つかの実施形態において、コンピューティングデバイス５００の一又は複数の機能が、省略されてもよい。また、幾つかの実施形態において、コンピューティングデバイス５００の一又は複数の機能が、一緒に組み合わせられてもよい。さらに、幾つかの実施形態において、コンピューティングデバイス５００の一又は複数の機能が、一又は複数の構成要素に分割されてもよい。
【0073】
コンピューティングデバイス５００が、固定端部と固定端部に対して移動可能なマニピュレータとを備えるロボットを較正するように構成される場合、コンピューティングシステム５００は、実行されるとコンピューティングシステム５００に以下を含むステップを実行させるアプリケーションを格納した非一時的なコンピュータ読み取り場可能な媒体を備える。含まれるステップは、３Ｄイメージングデバイスによって取得されたマニピュレータのエンドエフェクタの予備的な３次元（３Ｄ）画像を受けとることと、ロボットによって動作可能なロボット空間を３Ｄイメージングデバイスによって動作可能なイメージング空間と統合することによって、ロボットを較正するために予備的な３Ｄ画像を処理することと、ロボットの較正に基づいて、３Ｄイメージングデバイスによって取得された閉塞されたターゲットを含む体の３Ｄ画像を処理して、統合された空間におけるターゲットの場所データを取得することと、統合された空間におけるターゲットの場所データに基づいて、マニピュレータを自動的に制御して、マニピュレータのエンドエフェクタに取り付けられた細長ツールの長手方向軸をターゲットと位置合わせすることである。
【0074】
当業者は、広く記載されている本発明の主旨又は範囲から逸脱することなく、特定の実施形態に示されるように、本発明に対して多数の変形及び／又は変更を行うことができることを理解されたい。したがって、本実施形態は、全ての点で例示的であり、限定的ではないと見なされるべきである。
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3】
【図4】
【図5】
【外国語明細書】