特許 7603617 パッシブ曲げモードを備えたアクティブ制御の操縦可能医用デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-12

(45)【発行日】2024-12-20

(54)【発明の名称】パッシブ曲げモードを備えたアクティブ制御の操縦可能医用デバイス

(51)【国際特許分類】

   A61B 34/30 20160101AFI20241213BHJP

   A61B 34/20 20160101ALI20241213BHJP

   A61M 25/092 20060101ALI20241213BHJP

   A61B 1/005 20060101ALI20241213BHJP

   B25J 17/00 20060101ALI20241213BHJP

【ＦＩ】

A61B34/30

A61B34/20

A61M25/092 500

A61B1/005 523

B25J17/00 L

【請求項の数】 25

(21)【出願番号】P 2021570737

(86)(22)【出願日】2020-05-28

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-08-10

(86)【国際出願番号】 US2020034898

(87)【国際公開番号】W WO2020243285

(87)【国際公開日】2020-12-03

【審査請求日】2022-01-27

(31)【優先権主張番号】62/855,354

(32)【優先日】2019-05-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】596130705

【氏名又は名称】キヤノン ユーエスエイ，インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＣＡＮＯＮ Ｕ．Ｓ．Ａ．，ＩＮＣ

(74)【代理人】

【識別番号】100090273

【弁理士】

【氏名又は名称】國分 孝悦

(72)【発明者】

【氏名】キンケイド マシュー マイケル

(72)【発明者】

【氏名】加藤 貴久

【審査官】北村 龍平

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／０１４３０３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００２－１２５９１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／００１１８３０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１３／１０８７７６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２００９－５１６５７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５２８０６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ６１Ｂ １７／００ － １８／２８

３４／３０ － ３４／３７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

操縦可能医用器具であって、
非湾曲可能セクション及び少なくとも１つの湾曲可能セクションを有する細長カテーテル体であって、前記細長カテーテル体の近位端から遠位端まで長さ方向に延びる複数のチャネルを含む、細長カテーテル体と、
前記細長カテーテル体の壁に沿って第１のチャネル内に配置された制御ワイヤであって、当該制御ワイヤの遠位端が前記少なくとも１つの湾曲可能セクションに取り付けられるように前記非湾曲可能セクションを通って前記少なくとも１つの湾曲可能セクションへ延びる制御ワイヤと、
前記制御ワイヤのひずみの量及び変位の量を測定するように構成されたセンサと、
前記制御ワイヤの近位端に機械的に結合されたアクチュエータであって、前記少なくとも１つの湾曲可能セクションを押したり引いたりするように前記制御ワイヤに駆動力を加えることにより、前記細長カテーテル体を作動させるように構成された、アクチュエータと、
（ａ）前記センサの測定値に基づいて前記制御ワイヤの力及び変位をモニタリングし、（ｂ）アクティブモードにおける当該操縦可能医用器具の作動を制御し、（ｃ）アクティブ制御のパッシブモードにおける当該操縦可能医用器具の適合性を制御し、（ｄ）前記制御ワイヤの前記モニタリングされた力及び変位に基づいて、前記アクティブモードと前記アクティブ制御のパッシブモードとを交互に切り替えるように構成されたコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、前記アクティブモードにおいて、前記アクチュエータによって前記制御ワイヤに加えられる前記駆動力に基づいて、当該操縦可能医用器具の作動を制御し、
前記コントローラは、前記制御ワイヤの前記モニタリングされた力及び変位に基づいて、前記制御ワイヤに前記駆動力以外の外力が作用したかどうかを決定し、前記制御ワイヤに前記外力が作用したという決定に基づいて前記アクティブ制御のパッシブモードに移行し、前記コントローラは、前記制御ワイヤが前記アクチュエータから切り離されているかのように前記制御ワイヤが前記外力によって動作できるようにするために、前記アクチュエータによって前記制御ワイヤに加えられる前記駆動力を低減することによって、前記外力に適合するように前記制御ワイヤを制御する、
操縦可能医用器具。

【請求項2】

前記アクティブ制御のパッシブモードでは、前記制御ワイヤが前記アクチュエータから切り離されているかのように前記制御ワイヤが完全にパッシブであるように、前記コントローラは、前記アクチュエータを、前記制御ワイヤに加えられた前記駆動力とは反対の方向に前記制御ワイヤを動かすように制御する、
請求項１に記載の操縦可能医用器具。

【請求項3】

前記アクティブモードでは、前記コントローラは、前記制御ワイヤを第１の方向に変位させることによって前記細長カテーテル体を能動的に曲げるために、前記制御ワイヤに前記駆動力を加えるように前記アクチュエータを制御し、前記センサは、前記制御ワイヤに加えられた前記ひずみの量か、又は前記駆動力によって及ぼされた前記制御ワイヤの前記変位の量を示す第１の信号を出力する、
請求項１に記載の操縦可能医用器具。

【請求項4】

前記アクティブ制御のパッシブモードでは、前記制御ワイヤが完全にパッシブであるとともに、前記制御ワイヤが前記アクチュエータから切り離されているかのように前記外力によって動かされることが可能であるように、前記コントローラは、前記制御ワイヤに対する前記駆動力の付加を停止するように前記アクチュエータを制御する、
請求項３に記載の操縦可能医用器具。

【請求項5】

前記アクティブ制御のパッシブモードにおいて、前記センサは、前記制御ワイヤにかかる前記外力を示す第２の信号を出力するように構成され、
前記コントローラは、前記センサから出力された前記第２の信号を用いて、前記アクチュエータに、前記制御ワイヤに加えられた前記ひずみの量を低減させるか、又は前記制御ワイヤの前記変位の量を低減させる、
請求項３に記載の操縦可能医用器具。

【請求項6】

前記アクティブ制御のパッシブモードにおいて、前記コントローラは、前記アクチュエータに、前記制御ワイヤに加えられた前記駆動力を低減させ、前記制御ワイヤに加わる前記ひずみの量又は前記制御ワイヤの前記変位の量を調整する、
請求項５に記載の操縦可能医用器具。

【請求項7】

前記アクティブ制御のパッシブモードでは、前記制御ワイヤが前記アクチュエータから切り離されているかのように前記制御ワイヤが完全にパッシブであるように、前記コントローラは、前記第１の方向とは反対の第２の方向に前記制御ワイヤを動かすように前記アクチュエータを制御する、
請求項３に記載の操縦可能医用器具。

【請求項8】

前記センサは、前記制御ワイヤに対する前記ひずみの量を測定するひずみゲージと、前記アクティブモード及び前記アクティブ制御のパッシブモードには関係なく前記制御ワイヤの前記変位の量を測定するエンコーダとを含む、
請求項１に記載の操縦可能医用器具。

【請求項9】

前記アクティブモードにおいて、前記センサは、前記駆動力によって前記制御ワイヤに加えられた前記ひずみの量と、前記外力によって加えられたひずみの量とを測定するように構成され、
前記コントローラは、前記外力によって加えられた前記ひずみの量に基づいて、前記アクティブモードを停止し、前記アクティブ制御のパッシブモードに入る、
請求項１に記載の操縦可能医用器具。

【請求項10】

前記アクティブモードにおいて、前記コントローラは、ユーザから、当該操縦可能医用器具の異常を示す入力信号を受け取るように構成され、
前記コントローラは、前記ユーザによって入力された前記信号に基づいて、前記アクティブモードを停止し、前記アクティブ制御のパッシブモードに入る、
請求項１に記載の操縦可能医用器具。

【請求項11】

前記アクチュエータは、前記制御ワイヤに直接結合された直接駆動モータを含む、
請求項１に記載の操縦可能医用器具。

【請求項12】

前記直接駆動モータは、前記制御ワイヤに直接接続されたリニアモータであり、
前記コントローラは、前記外力に基づくコマンド信号を用いて、前記制御ワイヤに対して無視できる力をかけるように前記リニアモータを制御する、
請求項１１に記載の操縦可能医用器具。

【請求項13】

前記アクチュエータは、可動台車及び固定子を有するリニア超音波モータを含み、
前記コントローラは、前記センサから出力された信号か、又はユーザによって入力された信号を用いて前記リニア超音波モータを制御し、前記制御ワイヤからの力によって前記可動台車を変位させる、
請求項１に記載の操縦可能医用器具。

【請求項14】

前記アクティブ制御のパッシブモードでは、前記センサが、前記制御ワイヤの測定された前記ひずみの量又は測定された前記変位の量に基づく位置フィードバック信号及び／又は力フィードバック信号を出力し続けている間、前記コントローラは、前記アクチュエータに前記制御ワイヤを駆動させて、前記制御ワイヤが完全にパッシブであるとともに、前記制御ワイヤが前記アクチュエータから切り離されているかのように前記外力によって動かされるようにする、
請求項１に記載の操縦可能医用器具。

【請求項15】

前記アクティブモードでは、前記少なくとも１つの湾曲可能セクションは、管腔内の蛇行進路を通って挿入方向及び引抜き方向に駆動されるように構成され、
前記アクティブ制御のパッシブモードでは、前記コントローラは、前記アクチュエータに、前記挿入方向及び／又は引抜き方向におけるひずみを調整するように前記制御ワイヤを駆動させる、
請求項１に記載の操縦可能医用器具。

【請求項16】

前記アクティブ制御のパッシブモードでは、前記コントローラは、前記アクチュエータに、前記制御ワイヤが前記アクチュエータに接続されたままである一方で前記細長カテーテル体を作動させることなく、前記第１のチャネルに沿って前記制御ワイヤを自由に並進させる、
請求項１に記載の操縦可能医用器具。

【請求項17】

前記センサは、前記アクティブモードと前記アクティブ制御のパッシブモードの両方において、前記制御ワイヤの前記ひずみの量及び前記変位の量を継続的に測定し、
前記コントローラは、前記制御ワイヤのひずみ及び変位の所望の量と測定された量との差に基づいて、前記アクティブモードと前記アクティブ制御のパッシブモードとを切り替える、
請求項１に記載の操縦可能医用器具。

【請求項18】

前記コントローラは、前記アクチュエータから前記制御ワイヤを切り離すことなく、前記アクティブモードと前記アクティブ制御のパッシブモードとを自動的に切り替える、
請求項１に記載の操縦可能医用器具。

【請求項19】

前記コントローラは、前記アクチュエータをアクティブ制御して、前記外力が無視できるようになるまで前記制御ワイヤを前記外力の方向とは反対の方向に移動させることにより、前記アクティブモードから前記アクティブ制御のパッシブモードに自動的に切り替え、及び／又は、
前記コントローラは、前記外力が無視できるようになった後、前記アクチュエータをアクティブ制御して前記駆動力を利用して前記制御ワイヤを押したり引いたりすることにより、前記アクティブ制御のパッシブモードから前記アクティブモードに自動的に切り替える、
請求項１に記載の操縦可能医用器具。

【請求項20】

前記コントローラは更に、ユーザによるコマンド入力に基づいて、前記アクティブモードと前記アクティブ制御のパッシブモードとの間で切り替えるように構成されている、
請求項１に記載の操縦可能医用器具。

【請求項21】

前記ユーザによる前記コマンド入力を受信すると、前記コントローラは、前記駆動力を解放又は停止することによって、又は、前記センサによって測定された前記ひずみの量が無視できるようになるまで前記アクチュエータをアクティブ制御して前記制御ワイヤを前記外力の方向とは反対の方向に動かすことによって、前記アクティブモードから前記アクティブ制御のパッシブモードに切り替え、
前記コントローラは、前記センサによって測定された前記ひずみの量が無視できるようになったとき、前記ユーザによる第２のコマンド入力を受信すると、前記アクティブ制御のパッシブモードから前記アクティブモードに切り替える、
請求項２０に記載の操縦可能医用器具。

【請求項22】

前記アクチュエータは、前記制御ワイヤの前記近位端に直接結合された直接駆動ユニットを含み、
前記コントローラは、摩擦なしで直線方向に自由に動くように前記直接駆動ユニットを制御し、前記アクティブ制御のパッシブモードで前記直接駆動ユニットを少なくとも一時的に停止することによって、前記アクティブモードと前記アクティブ制御のパッシブモードとの間で切り替える、
請求項１に記載の操縦可能医用器具。

【請求項23】

前記アクチュエータは、回転モータ及び回転運動から直線運動への変換機構を含み、
前記アクティブモードにおいて前記駆動力を第１の方向に加えることによって前記制御ワイヤを制御できるように、前記回転運動から直線運動への変換機構は、前記制御ワイヤの前記近位端に直接結合される、
請求項１に記載の操縦可能医用器具。

【請求項24】

前記アクティブ制御のパッシブモードでは、前記センサが前記制御ワイヤの前記ひずみの量及び前記変位の量を継続的に測定している間に、前記回転モータは、前記制御ワイヤの前記ひずみの量を低減するように、前記回転運動から直線運動への変換機構を介して前記制御ワイヤを前記第１の方向と反対の第２の方向に駆動する、
請求項２３に記載の操縦可能医用器具。

【請求項25】

前記アクチュエータは、前記制御ワイヤの前記近位端に直接結合されたリニア超音波アクチュエータを含み、
前記コントローラは、前記センサが前記ひずみの量及び前記変位の量を継続的に測定している間に、前記リニア超音波アクチュエータを制御して前記駆動力なしで前記制御ワイヤを直線方向に移動させることによって、前記アクティブモードから前記アクティブ制御のパッシブモードに切り替える、
請求項１に記載の操縦可能医用器具。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願への相互参照
本願は、２０１９年５月３１日に提出された米国仮特許出願第６２／８５５３５４号に対する優先権を主張し、その開示は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。

【0002】

本開示は、概してロボット医用デバイスに関する。より詳細には、本開示は、管腔内の蛇行進路を通るインターベンション用のツール及び器具（ロボット内視鏡やカテーテル等）の誘導に適用可能である制御可能な剛性をもつ多関節の操縦可能医用デバイスの様々な実施形態を例示する。

【背景技術】

【0003】

医療分野では、内視鏡手術器具やカテーテル等の湾曲可能な医用器具がよく知られており、受け入れられ続けている。このような湾曲可能医用器具は、概して、一般にスリーブ又はシースと呼ばれる細長い軟性の管を含み、これは、近位端から遠位端まで延びる開口を有する。シースに沿って（典型的は、内側に）１つ以上のツールチャネルが延びており、シースの遠位端に位置するエンドエフェクタへのアクセスを可能にする。内視鏡は、軟性シャフトの遠位端にイメージング、照明及び操縦の機能を備えることができ、人体内の直線的でない管腔や蛇行経路のナビゲーションを可能にしている。このタイプの医用器具は、医師が器具の近位端を操作することによって、遠位端に位置するエンドエフェクタを制御できるように、ねじり剛性と長手方向の剛性を維持しながら対象の病変領域にアクセスするために、少なくとも１つ又は複数のカーブを備えた柔軟なアクセスを提供することになっている。

【0004】

到達困難な対象の病変領域にアクセスするために操縦可能な医用内視鏡ツールを主に使用する低侵襲手術（ＭＩＳ）や経管腔的内視鏡手術（ＮＯＴＥＳ）において、医用器具設計のいくつかの要件は、（１）湾曲可能医用器具の外寸（外径）を最小化し、（２）ツールチャネルの開口のサイズ（内径）を最大化し、（３）患者に痛みや不快感を与えることなく蛇行経路を進むために、適切な柔軟性（又は剛性）を提供することである。したがって、サイズを最適化するには、湾曲可能医用器具は、好ましくは壁厚が最小であるシースを含む必要があり、また、患者の不快感を最小限に抑えるには、湾曲可能医用器具は、好ましくは、全体外径が最小である必要がある。同時に、このような細く繊細な湾曲可能医用器具は、その長手方向軸の方向での挿入及び引戻しや、長手方向軸を中心とした回転（軸方向回転）、複数方向及び／又は器具の複数セクションでの径方向の曲げ等、複数方向の動きについて操縦可能であるように、十分な剛性と柔軟性を提供する必要がある。最近では、管腔内の蛇行進路に沿った操縦可能医用器具の操縦性を向上させるために、剛性とナビゲーションを制御できるロボット化器具が登場している。既知のロボット化器具では、操縦可能器具の遠位部分で局所的に曲がってカーブを作り出すために、特許文献と非特許文献において異なる技術が開示されている。

【0005】

例として、米国付与前特許出願公開第２０１６００６７４５０号には、入れ子状のコンジットを備えた軟性器具が記載されており、これは、駆動腱が湾曲可能医用器具の遠位部を曲げている間に近位部の形状を保持するために、複数のコンジットを提供する。複数のコンジットは、コンジットの近位端が拘束されている状態と拘束されていない状態で２元的に制御されることになる。拘束されたコンジットを選択することにより、湾曲可能医用デバイスは、コンジットが展開された面積に基づいて湾曲可能医用デバイスの硬さを変えることによって、遠位セグメントを曲げる長さを変えることができる。

【0006】

米国付与前特許出願公開第２０１００２８０４４９号には、医用デバイスの挿入中に制御セクションを経路のカーブに合わせるために、操縦可能セクションの部分から作動力を分離することが可能な、複数の独立したセクションを備えた操縦可能器具が開示されている。米国第２０１００２８０４４９号には、操縦可能カテーテルである「第１の部分」と、操縦可能シースである「第２の部分」を備えた操縦可能器具が開示されている。各部分は独立して制御され、また、各部分を経路に合わせるために、関節運動又は操縦の力から分離することができる。次に、第１の部分を再び作動し、第２の部分のカーブの周りで第２の部分を通して挿入することができる。この文献は、肺気道を通して操縦可能器具を挿入する際の、選択された部分における関節運動又は操縦の力の分離に着目している。

【0007】

米国付与前特許出願公開第２０１４０２７６５９４号には、操縦可能器具が制御ワイヤによって制御されるロボット手術システムが開示されている。制御ワイヤはプーリによって作動され、プーリに対するトルクは、トルクセンサによって測定される。プーリに対するトルクは、制御ワイヤの引張に変換される。この文献では、制御ワイヤはプーリに対してのみ引っ張ることができるので、引張のみを検知することができる（すなわち、制御ワイヤをプーリに押し付けることにより、制御ワイヤがプーリからほどけることになる）。米国特許第８６４４９８８号には、遠位関節の位置決めと近位アクチュエータの間に無視できない適合性のある（すなわち、たるみのない）カテーテル等の医用器具の操縦に、力とフィードバック制御を用いる操縦可能医用器具が開示されている。

【0008】

Ｂｌａｎｃらによる非特許文献“Flexible Medical Devices：Review of Controllable Stiffness Solutions”（Ａｃｔｕａｔｏｒｓ ２０１７，６，２３；ｄｏｉ：１０．３３９０／ａｃｔ６０３００２３）と、Ｌｏｅｖｅらによる非特許文献“Scopes Too Flexible…and Too Stiff”（ＩＥＥＥ Ｐｕｌｓｅに公開された記事、２０１１年１月、ＤＯＩ：１０．１１０９／ＭＰＵＬ．２０１０．９３９１７６）には、両方とも、数多くの設計上の課題と、制御可能な柔軟性及び／又は剛性を備えた操縦可能医用デバイスを提供するための解決策の案が記載されている。

【0009】

しかしながら、一般的な最先端技術（特に上記の例示的な文献）は、必要に応じて操縦可能器具の特定のレベルの柔軟性が望まれる典型的なワークフロー又は手順における特定の状況に対処していない。より具体的には、既知の以前の文献には、制御ワイヤに対する引張がゼロになるアクティブ制御のパッシブ曲げモード（特定の状況において望ましい）を備えた操縦可能器具が開示されていない。

【発明の概要】

【0010】

本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、アクティブ制御のパッシブ曲げモードを備えた操縦可能医用器具が提供される。本開示の一態様によれば、操縦可能医用器具は、以下を備える：細長体であって、長手方向軸と、近位端と、遠位端と、細長体に沿って配置された複数のチャネルとを有し、非湾曲可能セクション及び少なくとも１つの湾曲可能セクションを有する、細長体；細長体のチャネル内に配置されるとともに、非湾曲可能セクション及び少なくとも１つの湾曲可能セクションを通って延びる制御ワイヤであって、少なくとも１つの湾曲可能セクションの遠位端に固定され、長手方向軸に関してある角度で細長体を曲げるようにチャネルに沿って摺動可能であるように構成された、制御ワイヤ；その近位端で制御ワイヤに動作可能に接続された駆動ユニット；制御ワイヤに加えられたひずみの量か、又は制御ワイヤの距離変位の量を示す信号を出力するように構成されたセンサ；及び、アクティブ制御モードとパッシブ制御モードの一方において、駆動ユニットに、制御ワイヤに駆動力を選択的に加えさせるように構成されたコントローラ。アクティブ制御モードでは、コントローラは、コマンド信号を用いて、蛇行進路を進むように細長体を曲げるために、駆動ユニットに駆動力を加えさせる。パッシブ制御モードでは、コントローラは、センサから出力された信号を用いて、駆動ユニットに、制御ワイヤに加えられたひずみの量を低減させるか、又は、制御ワイヤの距離変位の量を低減させる。

【0011】

本開示の別の態様によれば、操縦可能医用器具は、以下を備える：非湾曲可能セクション（１０２）及び少なくとも１つの湾曲可能セクション（１０３）を有する細長体（１００）であって、長手方向軸（Ａｘ）に沿って細長体（１００）の近位端から遠位端まで延びる複数のチャネル（１０４、１０５）を含む、細長体；細長体（１０２）の第１のチャネル（１０４）内に配置された制御ワイヤ（１１０）であって、非湾曲可能セクション及び少なくとも１つの湾曲可能セクションを通って延び、少なくとも１つの湾曲可能セクションに取り付けられる、制御ワイヤ（１１０）；制御ワイヤ（１１０）のひずみの量又は変位の量を測定するように構成されたセンサ（２２１、２３１）；制御ワイヤ（１１０）に機械的に結合されたアクチュエータ（３１０）であって、制御ワイヤに駆動力を加えることにより、細長体（１００）の少なくとも１つの湾曲可能セクション（１０３）を作動させるように構成された、アクチュエータ（３１０）；及び、制御ワイヤに加えられた駆動力以外の外力に基づいて、アクティブ制御モード及びパッシブ制御モードに従ってアクチュエータ（３１０）の動作を制御するように構成されたコントローラ（３２０）。

【0012】

本開示の様々な態様によれば、操縦可能医用デバイスは、アクティブ制御のパッシブ曲げモードを提供することによって著しく改善され、それにより、（１）操縦可能器具に最大の柔軟性が必要であるときに、制御ワイヤでの力がゼロになり、（２）採用される制御モードに関わらず、制御ワイヤ１１０の力及び変位が連続的にモニタリングされ、（３）蛇行進路を通って進むときであっても、操縦可能器具での摩擦が最低限に抑えられ、（４）制御ワイヤの近位端が、その対応するアクチュエータにアクティブに接続されたままで自由に並進できるようになる。

【0013】

本開示のこれら及び他の目的、特徴及び利点は、本開示の例示の実施形態の以下の詳細な説明を添付の図面及び提供された特許請求の範囲と併せて読むと、明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0014】

本開示の更なる目的、特徴及び利点は、本開示の例示の実施形態を示す添付の図と併せて解釈すると、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

【0015】

【図1】図１Ａは、アクティブ制御のパッシブ曲げモードを用いるカテーテル支援又は内視鏡支援の低侵襲手術（ＭＩＳ）に適用可能な連続体ロボットシステム１０００の例示の実施形態を示す図である。図１Ｂは、細長い軟性シャフト（細長体）と、その近位端から遠位端まで延びる複数のチャネル又は開口とを有する操縦可能器具１００を、より詳細に示す図である。

【図2】図２Ａは、２つの湾曲セクションをもつ例示の操縦可能器具１００の斜視図である。図２Ｂは、制御ワイヤを誘導するためのスルーホール（ガイド穴）を備えた代表的なガイド部材の斜視図である。図２Ｃは、操縦可能器具１００の単一の湾曲セクション１０６の曲げ又は操縦の例を示す図である。

【図3】図３は、本明細書では「力制御ループ」の実装と呼ぶ、アクティブ制御のパッシブ曲げモードの例示の実施形態を示す図である。

【図4】図４は、本明細書では「無摩擦直接駆動」の実装と呼ぶ、操縦可能器具１００のアクティブ制御のパッシブ曲げモードの例示の実施形態を示す図である。

【図5】図５Ａ及び図５Ｂは、無摩擦軸受を備えた誘導モータによって実装される無摩擦直接駆動構成の例示の実施形態を示す図である。

【図6】図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃは、超音波モータによって実装される無摩擦直接駆動構成の別の例示の実装を示す図である。

【図7】図７Ａは、本開示に係る操縦可能医用器具１００のアクティブ制御のパッシブ曲げモードを実装するように構成された制御システム１５００の例示のブロック図である。図７Ｂは、制御システム１５００のモータコントローラ１５０４を動作させるか、又はモータコントローラ１５０４の一部であり得るコンピュータ１６００の機能ブロックを示す図である。

【図8】図８は、フィードバック力制御ループを備えた操縦可能医用器具１００のアクティブ制御のパッシブ曲げモードを実装するための例示のフローチャートである。

【図9】図９は、無摩擦直接駆動を備えた操縦可能医用器具１００のアクティブ制御のパッシブ曲げモードを実装するための例示のフローチャートである。

【図10】図１０Ａは、操縦可能器具に最大の柔軟性が必要な場合に、制御ワイヤでの力をゼロまで低減することによって制御ワイヤが外力に適合するように、駆動ユニットに、制御ワイヤに加えられたひずみ又は圧縮の量を低減させるか、又は、制御ワイヤの距離変位の量を低減させるためのアルゴリズムを実装する例示のフローチャートである。図１０Ｂは、アクティブ制御モード及びパッシブ制御モードの下で操縦可能器具１００を動作させるためのユーザ起動制御のシナリオの例示プロセスを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

添付の図面を参照して、本明細書に開示される実施形態を詳細に説明する。図面はいくつかの可能な構成及びアプローチを表すが、図面は必ずしも縮尺どおりではなく、本開示の特定の態様をより分かりやすく図示及び説明するために、特定の特徴が誇張、削除又は部分的に切断される場合がある。本明細書に記載の説明は、網羅的であること、そうでなければ、図面に示され以下の詳細な説明に開示される正確な形態及び構成に特許請求の範囲を限定又は制限することを意図するものではない。

【0017】

図全体を通して、別段の記載がない限り、同じ参照番号及び文字は、例示される実施形態の同様の特徴、要素、コンポーネント又は部分を示すために用いられる。更に、これから図を参照して本開示を詳細に説明するが、それは、例示の実施形態に関連してなされる。添付の特許請求の範囲によって定義される本開示の真の範囲及び主旨から逸脱することなく、説明される例示の実施形態に対して変更及び修正を行うことができることが意図される。

【0018】

本明細書において、特徴又は要素が別の特徴又は要素の「上」にあるとして言及されるとき、それは、当該他の特徴又は要素の直上に存在してよく、又は、介在する特徴及び／又は要素も存在してよい。対照的に、特徴又は要素が別の特徴又は要素の「直上」にあるとして言及されるとき、介在する特徴又は要素は存在しない。また、当然のことながら、特徴又は要素が別の特徴又は要素に「接続される」、「取り付けられる」、「結合される」等として言及されるとき、それは、当該他の特徴に直接的に接続されてよく、取り付けられてよく、又は結合されてよく、又は、介在する特徴又は要素が存在してもよい。対照的に、特徴又は要素が別の特徴又は要素に「直接的に接続される」、「直接的に取り付けられる」又は「直接的に結合される」として言及されるとき、介在する特徴又は要素は存在しない。一実施形態に関して説明又は図示したが、一実施形態においてそのように説明又は図示された特徴及び要素は、他の実施形態に適用することができる。また、当業者であれば理解できるように、別の特徴に「隣接」して配置されている構造又は特徴への言及は、当該隣接する特徴にオーバーラップするかその下にある部分をもつ場合がある。

【0019】

本開示は、概して医用デバイスに関し、管腔内の蛇行進路を通る誘導型のインターベンション用のツール及び器具（内視鏡やカテーテル等）に適用可能である制御可能な剛性をもつ多関節の操縦可能医用デバイスの様々な実施形態を例示する。本開示の実施形態は、ロボットシステムの一部として構成することができるが、当業者には当然のことながら、本明細書に開示される操縦可能器具は、ロボットシステムを必要としない類似の用途に利用されてもよい。

【0020】

操縦可能医用器具及びその部分の実施形態を、３次元空間におけるそれらの状態に関して説明する。本明細書で用いられる場合、「位置」という用語は、３次元空間における物体又は物体の一部の位置（例えばデカルトＸ、Ｙ、Ｚ座標に沿った３自由度の並進自由度）を指し、「向き」という用語は、物体又は物体の一部の回転配置（回転の３自由度―例えばロール、ピッチ、ヨー）を指し、「姿勢」という用語は、少なくとも１つの並進自由度にある物体又は物体の一部の位置と、少なくとも１つの回転自由度にある物体又は一部の物体の向きとを指し（合計で最大６つの自由度）、「形状」という用語は、物体の長尺体に沿って測定された一連の姿勢、位置及び／又は方向を指す。

【0021】

医療機器の分野において既知であるように、「近位」及び「遠位」という用語は、本明細書では、ユーザから手術部位又は診断部位まで延びる器具の端部の操作に関して用いられる。これに関して、「近位」という用語は、器具のうちユーザに近い部分を指し、「遠位」という用語は、器具のうち、ユーザから離れており外科部位又は診断部位に近い部分を指す。

【0022】

＜操縦可能医用デバイスの構成＞
図１Ａは、本開示の一実施形態に係る、コンピュータシステム４００（例えばコンソール）と、ロボット制御システム３００と、ハンドルインタフェース２００を介して制御システム３００に接続された操縦可能器具１００とを含む、連続体ロボットシステム１０００の全体構造を示す。操縦可能器具１００は、近位の非操縦可能セクション１０２と、カテーテル又は内視鏡を用いた低侵襲医療措置に適用可能な複数の湾曲セクションから成る操縦可能セクション１０３とを有する。具体的には、図１Ａはロボット制御操縦可能器具１００を示し、該操縦可能器具１００は、長手方向軸Ａｘに沿って配置された複数の湾曲セグメント又はセクション（１、２、３、…Ｎ）に分割される操縦可能セクション１０３を有し、操縦可能セクションの少なくとも１つを長手方向軸Ａｘに関して角度βに曲げるように構成される。

【0023】

操縦可能器具１００は、ハンドルインタフェース２００及び制御システム３００から成る作動システムによって制御される。制御システム３００は、概して、コントローラを含むか、又は、プロセッサ又は中央処理装置（ＣＰＵ）４１０によって動作させられる適切なソフトウェア、ファームウェア及び周辺ハードウェア（後述する）とともに、コンピュータシステム４００に接続される。数ある機能の中でも、制御システム３００及びコンピュータシステム４００は、外科医その他の操作者に、操縦可能器具１００と相互作用し操作するための画像ディスプレイ４２０及びグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）４２２を提供することができる。ハンドルインタフェース２００は、操縦可能器具１００と制御システム３００の間の電気機械的相互接続を提供する。例えば、ハンドルインタフェース２００は、機械接続、電気接続及び／又は光学接続と、操縦可能器具１００を制御システム３００とインタフェース接続するためのデータ／デジタル取得（ＤＡＱ）システムとを提供することができる。また、ハンドルインタフェース２００は、医用ツールを挿入するためのアクセスポート２５０と、操作者がエンドエフェクタの動作及び／又は器具の操縦を手動制御する際に使用できる１つ以上の機械的ダイヤル又はノブ２５２と、１つ以上の制御ボタン及びステータスインジケータを有するユーザインタフェース２５４とを提供することができる。

【0024】

ユーザインタフェース２５４の一部として、ハンドル２００は、ロボット操縦可能器具１００の動作ステータスをユーザに提供するために、ＬＥＤを含んでよい。一実施形態では、ＬＥＤは、例えば、それぞれ正常動作（緑色の光）と異常動作（赤色の光）を示すための異なる光の色を含んでよい。或いは、ＬＥＤは、例えばある種の異常動作を示すために、点滅するコードを含んでよい。更に、ユーザインタフェース２５４は、緊急時に手動で操縦可能器具の作動を停止するために、緊急オン／オフスイッチを含んでよい。

【0025】

図１Ｂは、一般にスリーブ又はシースと呼ばれる細長い軟性シャフト（細長体）を有する操縦可能器具１００をより詳細に示す。シートは、非操縦可能セクション１０２と、複数の湾曲セグメントから成る操縦可能セクション１０３とから形成されている。操縦可能器具１００の長手方向軸Ａｘに沿って、１つ又は複数のチャネル又は開口が近位端から遠位端へ延びている。開口又はチャネルのうち、シースは、シースの壁に沿って（典型的には、内側に）延びる１つ以上のツールチャネル１０５と、シースの壁に沿って（典型的には、壁内に）延びる複数のワイヤコンジット１０４とを含んでよい。１つ以上のツールチャネル１０５により、操縦可能セクション１０３の遠位端に送達され位置付けられるエンドエフェクタへのアクセスが可能となる。また、１つ以上のチャネル１０５は、液体又は気体の物質（例えば空気や水）を標的エリアに送り又は回収するために、或いは、光ファイバ及び／又は電線を通すために、用いることができる。更に、１つ以上のチャネル１０５は、医用イメージングデバイス１８０（内視鏡カメラやファイバベースのイメージングプローブ等）を挿入するために用いることができる。内視鏡カメラの例としては、イメージングデバイスの先端に配置されたミニチュアＣＭＯＳセンサを備えたカメラ等の、チップ・オン・ティップ（ＣＯＴ）カメラが挙げられるが、これに限定されない。ファイバベースのイメージングプローブの例としては、近赤外自家蛍光（ＮＩＲＡＦ）イメージングプローブ、スペクトル符号化内視鏡（ＳＥＥ）プローブ、血管内超音波検査（ＩＶＵＳ）プローブ、又は光干渉断層撮影（ＯＣＴ）イメージングプローブが挙げられるが、これらに限定されない。

【0026】

ワイヤコンジット１０４は、シースの少なくとも１つのセクションの操縦（又は曲げ）に用いられる制御ワイヤ１１０の固定及び／又は通過を可能にする。そのために、シースの遠位端において、操縦可能セクション１０３は、複数の湾曲可能セグメントから成る。シースの近位端では、非操縦可能セクション１０２が取っ手又はハンドルインタフェース２００に接続され、取っ手又はハンドルは、操縦可能セクションを１つ以上の方向に曲げるために用いられる１つ以上の制御ホイール又はノブ２５２を有する。取っ手又はハンドルには、ツールをツールチャネル１０５内に入れるためのアクセスポート２５０も具現化される。アクセスポート２５０は、小さな鉗子や針、電気焼灼器具等の小さな器具の挿入に用いることができる。一部の実施形態では、ワイヤコンジット１０４を用いて電線１１１を通して、例えば、インタフェースハンドル２００に位置する電気端子２１２に電磁（ＥＭ）センサ１１５を接続することができる。

【0027】

操縦可能器具１００は、ねじり剛性及び長手方向の剛性を維持しながら、器具の遠位端近くの目的の標的エリアに到達するために、１つ又は複数の湾曲カーブを伴う管腔内標的エリアへの柔軟なアクセスを提供するように構成されるので、医師は、制御システムを操縦することにより、シースの遠位端に位置するエンドエフェクタ又はイメージングデバイスを制御することができる。そのような操縦可能機能を提供するために、操縦可能器具１００は、シースの壁に沿う（典型的には、中の）ワイヤコンジット１０４の内側に配置された複数の制御ワイヤ１１０によって制御される。制御ワイヤ１１０の一部は、ワイヤアンカー１１２を用いてシースの遠位端に固定され、他の制御ワイヤ１１０は、ワイヤアンカー１１３を用いて、遠位端から特定の距離に固定することができる。例示の一実施形態では、６本の制御ワイヤを備えた操縦可能器具１００において、２組の制御ワイヤ１１０（すなわち４本の制御ワイヤ）が、ワイヤアンカー１１３によってシースの中央部に（例えば１つ以上の変曲点１０７に）固定されてよく、別の１組の制御ワイヤ１１０（２本の制御ワイヤ）は、ワイヤアンカー１１２によってシースの遠位端に固定することができる。このように、操縦可能器具１００は、３組の拮抗する制御ワイヤ１１０によって制御される少なくとも２つの（すなわち、２つより多い）操縦可能セクションを有することができ、各ワイヤは、別個のワイヤコンジット１０４を通る。

【0028】

器具１００の近位端では、ハンドルインタフェース２００は、操縦可能器具１００と制御システム３００の間の機械的リンク及び電気機械的インタフェースを提供するように構成される。一実施形態では、ハンドルインタフェース２００は、複数の電気機械接続部２１０（制御ワイヤ１１０の各々に対して１つの接続部）を提供するので、アクチュエータシステム３１０は、各制御ワイヤ１１０を機械的に動作させることができる。コントローラ３２０は、本開示の後半で更に詳しく説明するように、各制御ワイヤの引張又はねじり状態に基づいて、各制御ワイヤ１１０の動作を電子的に制御するために用いられる。

【0029】

図１Ｂに示されるように、制御システム３００は、アクチュエータシステム３１０の一部として、複数の作動モータ（又はアクチュエータ）１～Ｍ（Ｍは、ゼロよりも大きく制御ワイヤ１１０の数に等しい整数である）を含んでよい。このように、フィードバック制御ループ３２５によって各制御ワイヤ１１０をアクティブ制御して、患者の生体構造を通って進むための適切なシャフト誘導を実施することができる。

【0030】

図２Ａは、例示の操縦可能器具１００の斜視図である。一実施形態によれば、操縦可能器具１００はワイヤ駆動連続体ロボットであってよく、これは、近位の非操縦可能セクション１０２と、少なくとも１つの変曲点１０７により複数の湾曲セグメント又はセクション１０６ａ及び１０６ｂに分けられる操縦可能セクション１０３とを含む。操縦可能器具１００では、複数の制御ワイヤ１１０が、シースの非操縦可能セクション１０２の壁に沿うコンジット１０４を通って、かつ、シースの操縦可能セクション１０３の複数のガイド部材１０８ａ、１０８ｂ及びアンカー部材１０３ａ、１０３ｂを通って、近位端から遠位端へ延びる。制御ワイヤ１１０は、Ｚ軸に平行な方向に配置される。一部の制御ワイヤ１１０は、変曲点１０７で第１のアンカー部材１０３ａに結合され、制御ワイヤ１１０の一部は、遠位端で第２のアンカー部材１０３ｂに結合される。全ての駆動ワイヤ１１０は、その近位端で、個々のモータ又はアクチュエータ（図１Ｂに示されるようなアクチュエータシステム３１０）に結合される。制御ワイヤ１１０は、金属ワイヤ、例えば、ピアノタイプワイヤ、ステンレス鋼ワイヤ又はニッケル－チタン合金ワイヤであってよい。アンカー部材１０３ａ及び１０３ｂは、その中心軸がＺ軸方向に沿って延びる円環形状を有する。複数の制御ワイヤ１１０のうち、一部の制御ワイヤは、アンカー部材１０３ａに固定して取り付けられ、一部の制御ワイヤは、例えば接着、ピン止め、超音波溶接若しくは熱溶接、圧入、又はねじ止めにより、アンカー部材１０３ｂに取り付けられる。

【0031】

シースの支持セクション又は非操縦可能セクション１０２は、その長手方向軸がＺ軸方向に沿って延びる円筒形状を有し、円筒形状の壁内に複数のコンジット又はスルーホールが延びている。支持セクションは、非操縦可能セクションであり、また、シースのスルーホールを通っている制御ワイヤがＺ軸方向に駆動されたときに、制御ワイヤの座屈又はたるみを生じずにアクチュエータからの作動力を伝達する機能をもつ。

【0032】

図２Ｂは、代表的なガイド部材１０８ｂと代表的なガイド部材１０８ａの斜視図を示す。各ガイド部材は、中心軸又は長手方向軸ＡｘがＺ軸方向に沿って延びる円環形状を有する。ガイド部材１０８ｂは、ガイド部材の円環形状の壁に沿って延びるワイヤコンジット又はガイド穴１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃを有する。ガイド穴１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃは、それぞれの制御ワイヤ１１０を通し、操縦可能器具１００のナビゲーション（操縦）動作中にガイド穴を通って摺動することを可能にするように構成される。制御ワイヤ１１０のうち、１本の制御ワイヤを、そのガイド穴の内表面において所与のアンカー部材に固定して取り付けることができ、他の２本の制御ワイヤは、その所与のアンカー部材のガイド穴に対して摺動可能とすることができる。各ガイド部材１０８ｂは、ガイド穴１０４を介して制御ワイヤ１１０に接触するので、ガイド部材は、摩擦係数の低い潤滑性材料を含んでよい。ガイド部材１０８ａは、湾曲セクション１０６ａ及び湾曲セクション１０６ｂに制御ワイヤ１１０を通すためのガイド穴１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ、１０４ｅ、１０４ｆを有する。湾曲セクション１０６ｂについての設計と同様に、湾曲セクション１０６ａは複数のガイド部材１０８ａを有し、各ガイド部材はガイド穴１０４ａ～１０４ｆを有する。ガイド穴１０４ａ～１０４ｆは、アンカー部材１０３ｂに結合された制御ワイヤ１１０と、アンカー部材１０３ａに結合された制御ワイヤとがガイド穴を通ることを可能にするように、配置される。

【0033】

次に、制御ワイヤ１１０が能動的に駆動されて蛇行進路を進むときの、操縦可能器具１００の曲げ運動（操縦）を説明する。分かりやすくするために、単一の湾曲セグメント又はセクションの曲げについて説明する。図２Ｃに示されるように、操縦可能器具１００の単一の湾曲部１０６は、その遠位端から、アンカー部材１０９と、複数のガイド部材１０８と、複数のガイド穴を備えた非操縦可能な支持セクション１０２とを含む。制御ワイヤ１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃは、それぞれガイド穴１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃに沿って、操縦可能器具の近位端から遠位端へ延びる。制御ワイヤ１１０のうちの１つ又は全部は、その遠位端でアンカー部材１０９に固定して結合される。その遠位でアンカー部材１０９に結合された制御ワイヤ１１０は、各制御ワイヤの近位端に接続されたアクチュエータ又はモータ（図１Ａ～図１Ｂ参照）の作動により、ガイド部材１０８に対して摺動可能である。３本の制御ワイヤ１１０のうち１本（例えば図２Ｃの制御ワイヤ１１０ｂ）は、全てのガイド部材１０８に対して固定（又は機械的に接地）され、残りの２本の制御ワイヤ１１０（例えば図２Ｃの制御ワイヤ１１０ａ及び１１０ｃ）は、ガイド部材１０８のガイド穴に対して摺動可能である。

【0034】

操縦可能器具１００を曲げる際、各制御ワイヤ１１０は、それぞれのアクチュエータ又はモータによって個々に制御される。例えば、図２Ｃでは、制御ワイヤ１１０ｂはアンカー部材１０９に固定又は係留される一方、制御ワイヤ１１０ａは第１の制御力Ｆ１で引っ張られ、制御ワイヤ１１０ｃは、力Ｆ１とは異なる第２の制御力Ｆ２で引っ張られる（この例では、制御力Ｆ２は制御力Ｆ１よりも低い）。このように、制御ワイヤ１１０ａ及び１１０ｃの線形変位の駆動量の組合わせに従って、湾曲部１０６を所望の方向に曲げることができる。操縦可能器具１００の遠位端の姿勢を制御するには、３本の制御ワイヤのうち２本を（或いは、１本でも）駆動すれば十分である。力Ｆ１、Ｆ２がそれぞれ制御ワイヤ１１０ａ、１１０ｃに加えられると、後でより詳細に説明するように、対応するセンサが、加えられた引張力を検出する。ここで、力Ｆ１及びＦ２は、制御ワイヤを引っ張ることによってかかる引張力に限定されないことに留意されたい。力Ｆ１及びＦ２は、所望の量の圧縮力によって制御ワイヤを機械的に押すことによって制御ワイヤ１１０に加えられる圧縮力であってもよい。

【0035】

図２Ｃを参照して、単一の湾曲セクション１０６の遠位端に係留された制御ワイヤを駆動する場合を説明したが、図２Ａの全ての湾曲セクションの制御ワイヤが駆動される場合、各湾曲セクション（１、２、３、…Ｎ）の姿勢は、アクチュエータシステム３１０（駆動ユニット）のアクチュエータによって駆動された個々の制御ワイヤの駆動量に応じて、ヘビのような動きで曲がるように独立して選択的に制御することができる。更に、ワイヤ駆動操縦可能器具１００をその長手方向軸を中心にねじるか又は回転させる機構が、追加で設けられてよい。特定量の回転又はねじりの作用を操縦可能器具１００に与えるために、まず、制御ワイヤ１１０を１本だけ駆動することによって、湾曲セクションを所望の方向に曲げてから、異なる湾曲セクションの第２の制御ワイヤ１１０を作動させることにより、シース全体を回転させることができる。このような操縦可能器具１００の操作は、例えば米国特許第９１４４３７０号（あらゆる目的で参照により本明細書に組み込まれる）に記載されているような、周知の機械的原理及び運動学的原理に基づいて実施することができる。

【0036】

一実施形態によれば、図２Ａ～図２Ｃに示される操縦可能器具１００は、約０．１４インチの外径を有してよく、遠位の操縦可能セクション１０３は長さがおよそ２．０インチであり、器具１００の全長は約２４インチである。アンカー部材は、コンジット１０４と、ガイドリングに似たツールチャネル１０５とを有し、典型的には、医療グレードのプラスチック又は類似の合成物で構成される。このような材料により、寸法が縮小されたカテーテルや内視鏡等の、柔軟でありながらねじり弾性のある操縦可能器具の製造が可能となる。例えば、操縦可能器具１００の他のプロトタイプ寸法は、外径（ＯＤ）約３．３ｍｍ、内径（ツールチャネル）２．４ｍｍ、長さ約５５０ｍｍである。

【0037】

一般に、操縦可能器具の挿入中又は引戻し中のいずれかにおいて、管腔（例えば気道）の中心線は、湾曲セクションのアクティブ制御中に従うべき所望の軌道である。そのため、ロボット誘導型のカテーテルや内視鏡等の既知の操縦可能器具は、軟性シャフトを強制的に所望の軌道に保つことを目的として、シャフト誘導の様々な概念を実現しようと試みてきた。一例では、シャフト誘導システムを使用する場合、操縦可能器具は管腔を通って前進し、センサは、シャフトガイドの挿入深さと、ユーザ制御の操縦可能先端部の角形成とを測定して、軌道情報を取得する。軌道情報は、システムのメモリに記憶され、連続的に更新される。挿入深さを少し前進させた後、新しい形状が所望の軌道に厳密に一致するように器具のセグメントを調整する（回転させる、又は曲げる）ことにより、操縦可能シャフトガイドの形状が修正される。このプロセスは、標的エリアに到達するまで繰り返される。操縦可能器具が患者から引き抜かれるときも、同じプロセスが適用される。例えば、米国第２００７／０１３５８０３号（あらゆる目的で参照により本明細書に組み込まれる）を参照されたい。

【0038】

ただし、ほとんどの操縦可能医用器具は依然として、挿入時と引戻し時のいずれでも、所望の軌道をたどるために周囲の生体構造からの支持に依存している。特に、操縦可能器具に外乱（例えば、患者の無意識の動きによる外力）が加えられたときは、操縦可能器具の先端（又は他の部分）が患者の生体構造に引っ掛かり、適切なナビゲーションを妨げるおそれがあるので（例えば、器具の予期しない湾曲やねじれによって）、操縦可能器具を所望の挿入（又は引抜き）軌道上に維持することは困難である。特に、操縦可能器具の引戻し中は、誘導システムは典型的には非アクティブに維持され、これにより、操縦可能器具は制御されていない（パッシブ）状態に置かれる。しかしながら、依然として、操縦可能器具が患者の生体構造に接触し、予期せず引っかかってしまうおそれがある。これにより、患者に対して不快感及び／又は痛みを生じるおそれがある。この状況を避けるために、先に参照した刊行物である米国第２００７／０１３５８０３号は、器具が患者内で動かされるときに連続的に維持されるセンサベースのマッピング技術を用いて、操縦可能器具の形状をアクティブ制御することを提案している。

【0039】

しかしながら、患者の生体構造の経路から操縦可能器具を取り除くとき、いつでもその剛性をアクティブ制御する能力を維持しながら、器具を非常に柔軟なままにしておく（例えば、ゼロ引張で）ことが有益である場合がある。例えば、除去中に器具を非常に柔軟（コンプライアント）なままにしておくことにより、患者の生体構造（例えば気道や結腸壁等）に対する外傷が少なくなり、器具を除去するのに必要な力が小さくなり、患者の不快感が軽減される。しかしながら、部分的又は完全な除去の後に器具を挿入し直したり方向付けし直したりする必要がある場合（例えば患者の呼吸又は動きが原因で）、器具の位置及び引張力をすぐに制御する必要がある。したがって、（１）外寸（外径）が最小であり、（２）ツールチャネルの開口サイズ（内径）が最大であり、（３）患者に痛みや不快感を与えることなく蛇行経路を効率的に進むために柔軟性（又は剛性）がアクティブ制御される、改善された操縦可能医用器具が求められている。特に、部分的又は完全な除去の後に器具を挿入し直したり方向付けし直したりする必要がある場合（例えば患者の呼吸又は動きが原因で）、アクティブ制御のパッシブ曲げモードでその剛性を制御する能力を維持しながら、器具を非常に柔軟なままにしておく（例えば、ほぼゼロの引張）ことが望ましい。

【0040】

本開示では、（１）操縦可能器具に最大の柔軟性が必要であるときに、制御ワイヤ１１０での力がゼロになり、（２）採用される制御モードに関わらず、制御ワイヤ１１０の力及び変位が連続的にモニタリングされ、（３）挿入中又は引戻し中に蛇行進路を通って進むときであっても、操縦可能器具での摩擦が最低限に抑えられ、（４）制御ワイヤ１１０の近位端が、対応するアクチュエータにアクティブに接続されたままで自由に並進できるように、誘導システムは、操縦可能器具１００をパッシブ制御状態（アクティブ制御のパッシブ曲げモード）に置くように制御される。

【0041】

より具体的には、本開示は、制御ワイヤの位置や制御ワイヤの引張力又は圧縮力等の重要なフィードバック情報を失うことなく、アクティブ形状制御に容易に移行できるパッシブ曲げモードを提案する（逆も同様）。このパッシブからアクティブのモード変換の主な原理は、駆動ワイヤ（制御ワイヤ１１０）がアクティブ制御されることにより、加えられる力を無視できるようにし、その結果として、操縦可能器具１００の非常に柔らかい曲げ挙動を作り出すことである。この効果又はモードは、本明細書では、操縦可能医用デバイスのアクティブ制御のパッシブ曲げモードと呼ばれる。操縦可能医用デバイスのアクティブ制御のパッシブ曲げモードは様々な構成で達成することができるが、摩擦を加えたり過度のたるみを与えたりしないように、駆動ワイヤがハードウェアによって直接駆動されることが重要である。そのために、作動される要素の位置が正確に制御されるように、コントローラとエンドエフェクタの間の安定した正確な関係を維持できるハードウェアによって、制御ワイヤ１１０を駆動することが好ましい。アクティブ制御のパッシブ曲げモードは、患者の生体構造の蛇行進路を通した挿入中及び引戻し中に操縦可能医用器具の滑らかで正確な曲げを制御する際に、特に有利である。

【0042】

実施形態のいずれかでは、制御ワイヤを作動しているモータ又はアクチュエータが存在する。制御ワイヤごとに個別のモータ又はアクチュエータがあってもよいし、様々な制御ワイヤを個別に制御できる単一のモータ又はアクチュエータがあってもよい。制御ワイヤは、他の制御ワイヤと連動して器具の長さ方向に沿って長手方向に動いて、器具の遠位位置に曲げモーメントを生成する。器具の構造により、このような湾曲セクションの１つ以上を個別に作動させることができる。本開示において、ひとつの重要なポイントは、使用するアクチュエータのタイプ（ＤＣモータ、リニア誘導モータ、超音波モータ等）に関係なく、アクティブ曲げモードで制御ワイヤを個別に動かすための線形力が生成され、また、駆動ワイヤのエンコーダ位置フィードバック及び力フィードバックを維持しながら、各制御ワイヤを完全にパッシブ（コンプライアントであり、ワイヤが駆動アクチュエータから切り離されているかのように外力によって動かすことができる）に維持するために、制御ループが用いられることである。一実施形態では、各制御ワイヤを完全にパッシブに維持するために、コントローラは、ひずみ力を実質的にゼロまで低減することによって力の平衡を実施する。別の実施形態では、コントローラは、制御ワイヤに接続されたアクチュエータのアクティブ動作を実施する。これは、この例では制御ワイヤによってアクチュエータをパッシブに動かすことが可能であるので、力平衡フィードバックとは異なる。

【0043】

直流（ＤＣ）モータの場合、回転運動から線形運動への変換が必要である。このために、典型的には、親ねじ又はボールねじ機構が用いられる。しかし、超音波や直接駆動アクチュエータ等の他の代替手段の方が有利な場合がある。超音波モータとリニア誘導モータの利点は、これらが両方ともリニアアクチュエータであり、機械的な変換を必要としないことである。超音波モータ又はリニア誘導モータは、機械式ギアや中間機構なしで、制御ワイヤを直接駆動することができる。このようなリニアアクチュエータで制御ワイヤを直接駆動する利点のひとつは、摩擦その他の非線形性（例えば、親ねじ機構での機械的なスロップ）が低減されることである。

【0044】

アクティブ制御モードでは、所与の湾曲セクションの各制御ワイヤには、特定の位置が割り当てられる。位置の誤差が測定され、この誤差を減らすために修正措置が取られる。これは１秒間に何度も発生し、位置エラーを無視できる量まで迅速に低減する。その結果、器具の指令形状は、制御ワイヤ位置に基づく閉ループ制御下にある。

【0045】

しかしながら、時には、蛇行進路の壁からの力や、例えば患者の呼吸動作に起因するナビゲーション進路の予期せぬ変化等の、外部から器具に加えられる外力に、器具の形状を合わせる必要がある。力フィードバックを適用するために、本開示は、制御ワイヤの各々に力センサを含む。制御ワイヤ上で引張又は圧縮が感知された場合、コントローラは、センサからの信号に基づいて、引張又は圧縮、或いは制御ワイヤの変位を測定することができる。次に、測定された力をゼロに向けて低減するための修正措置を講じるためのアルゴリズムが提供される。これにより、蛇行進路の壁と器具との間に作用する全体的な力が減少することになる。このプロセスは、１秒間に何度も発生することができ、力を無視できる量まで迅速に低減することができる。

【0046】

本開示では、器具と蛇行進路の間の接触に起因する器具に対する外力を低減する別の態様は、独自の制御ワイヤ構成と作動方法によって実現される。ほとんどの既知の操縦可能器では、その制御ワイヤに引張力モードのみが使用され、作動位置の各セットに対して拮抗的な構成の少なくとも２本の制御ワイヤがある。これは、引張のみを使用する場合、１つの平面で曲がり得る１つの湾曲セクションに２本の制御ワイヤが必要になることを意味する。また、この従来の方法では、引張下で器具が長手方向に変形するのを防ぐ堅いバックボーンが器具に存在することが必要となる。しかしながら、本開示では、制御ワイヤに引張と圧縮の両方を使用することが可能であり、操縦可能器具にはバックボーンがない。代わりに、本開示では、偶力を用いた対称構成の複数の制御ワイヤを用いて、湾曲セクションに純粋な曲げモーメントを生成する。純粋な曲げモーメントにより、器具に沿ってゼロの長手方向力が生じる。これにより、引張及び圧縮の力を正確に制御することができるだけでなく、バックボーンを組み込まないことで器具のサイズを縮小することができる。典型的には、引張のみの制御ワイヤでは、機構を事前装着し、制御システムを妨害し得るたるみや非線形性を回避するために、少量ではあるがゼロではない量の引張が常に制御ワイヤに対して維持される。本開示の操縦可能器具には、そのような問題はない。制御ワイヤには、機械的スロップやたるみがなく（特に、アクチュエータに直接接続される場合）、アクチュエータはリニアアクチュエータである。これにより、制御力を連続的にモニタリング及び調整しながら、制御ワイヤの全ての軸力をゼロまで低減することが可能となる。この作用により、堅いバックボーンがないことと相まって、要求に応じた非常にコンプライアントな器具が得られる。更に、プログラムされたアルゴリズムは、アクティブ制御の曲げモードからパッシブ制御の曲げモードに（逆も同様）シームレスに変化する。

【0047】

＜第１の実装：力制御ループ＞
図３は、アクティブ制御のパッシブ曲げモード（本明細書では「力制御ループ」の実装と呼ばれる）の例示の実施形態を示す。図３に示されるように、操縦可能器具１００の各制御ワイヤ１１０は、その近位端で、対応するモータ及びモータ制御システムに接続される。図示を簡潔にするために、図３は、第１のモータ制御システム３２１（モータコントローラ）によって制御される第１のリニアモータ３１１に接続された第１の制御ワイヤ１１０ａを示す。同様に、第２の制御ワイヤ１１０ｂは、第２のモータ制御システム３２２によって制御される第２のリニアモータ３１２に接続される。正確な位置決め（たるみを回避するための）を保証するために、リニアモータ３１１は構造的基礎３１１ａに固定され、リニアモータ３１２は同様の基礎３１２ａに固定される。基礎３１１ａ／３１２ａは、例えば、インタフェース２００と制御システム３００の少なくとも一部とを囲む患者インタフェースユニット（ＰＩＵ）のハウジング又はシャシであってよい。操縦可能器具１００がｉ～Ｍ番の制御ワイヤ１１０を有する場合、対応するｉ～Ｍ番の制御モータ又はアクチュエータが予想される。ただし、対応する同数のモータコントローラを提供することは期待されておらず、その必要もない。各モータＭが対応する制御ワイヤ１１０を作動させるように個別に制御されさえすれば、単一のコントローラを、本明細書に記載の全てのモータ又はアクチュエータのそれぞれを個別に駆動するようにプログラムすることができる。

【0048】

図３の実施形態では、パッシブとアクティブのモード変換の原理を実装するために、各制御ワイヤ１１０は、ひずみセンサ及び位置センサにも接続される。図３では、第１の制御ワイヤ１１０ａは、ひずみセンサ２２１及び位置センサ２３１（変位センサ）に接続されている。同様に、第２の制御ワイヤ１１０ｂは、ひずみセンサ２２２及び位置センサ２３２に接続される。ひずみセンサは、ひずみゲージベース、光学ベース、又はエンコーダベースのセンサであってよく、位置センサは、エンコーダベース、電磁ベース、又はホール効果ベースのセンサであってよい。エンコーダベースのセンサとしては、光学エンコーダ、磁気エンコーダ、ポテンショメータ等が挙げられる。

【0049】

ひずみセンサは、駆動された制御ワイヤ１１０にかかる圧縮力又は引張力Ｆを検出及び／又は測定し、所与の時点で制御ワイヤに加えられている圧縮力又は引張力の量（ひずみの量）に対応する（を示す）信号（Ｆｉ）を出力する。同様に、位置センサは、制御ワイヤ１１０の長手方向位置（又は動いた距離）を検出し、制御ワイヤの現在位置に対応する（を示す）信号（Ｘｉ）を出力する。各制御ワイヤ１１０のひずみセンサ及び位置センサからの信号は、モータ制御システムに送られる。モータ制御システムによって制御信号（Ｃｉ）が生成され、この信号は、対応する制御ワイヤ１１０をより力の小さい方向に動かすように、モータ又はアクチュエータに送り返される。すなわち、モータ制御システムによって生成される制御信号（Ｃｉ）は、制御ワイヤに加えられているひずみの量を低減するように、対応する制御ワイヤ１１０を力Ｆの方向とは反対の方向に動かす対応するアクチュエータ又はモータのフィードバックループにおいて用いられる。これにより、図７Ａ～図１０に関して後に詳述されるように、短時間ｔの後、制御ワイヤに残っている力は無視できるようになる。このように、アクティブ制御で制御ワイヤ１１０を駆動することにより、操縦可能器具１００に加えられる力を実質的に無視できることが可能となり、結果として、器具の遠位端の非常に柔らかい曲げ挙動が作り出される。

【0050】

＜第２の実装：無摩擦直接駆動＞
図４は、操縦可能器具１００のアクティブ制御のパッシブ曲げモードの別の例示の実施形態を示し、この実施形態は、本明細書では「無摩擦直接駆動」の実装と呼ばれる。図４では、操縦可能器具１００の第１の制御ワイヤ１１０ａは、その近位端で、対応する第１のモータ３１１に移動台車３４１を介して直接接続されており、第２の制御ワイヤ１１０ｂは、その近位端で、第２のモータ３１２に移動台車３４２を介して直接接続されている。移動台車３４１、３４２は、例えば進路Ｌ１、Ｌ２に沿って直線的に制御ワイヤ１１０を変位させるように構成されたねじ式のリニアシャフトによって、対応するモータ３１１、３１２に機械的に接続される。このようなねじ式リニアアクチュエータは、周知の親ねじ、ボールねじ、又はローラーねじの原理に基づいてよい。第１及び第２の制御モータ３１１、３１２は、両方ともモータコントローラ３２０に動作可能に接続される。更に、第１の支持ワイヤ１２１ａは、その近位端で第１のひずみセンサ２１１に接続され、第２の支持ワイヤ１２１ｂは、その近位端で第２のひずみセンサ２２２に接続される。各ひずみセンサは、その最も近い制御ワイヤ１１０に加えられているひずみの量に対応する信号を出力する（又は、少なくとも２つの最も近い制御ワイヤ１１０に加えられているひずみ力の平均に対応する信号）。第１のひずみセンサ２２１は第１のひずみ信号（Ｆ_i）を出力し、第２のひずみセンサ２２２は第２のひずみ信号（Ｆ_i+1）を出力する。全てのひずみセンサによって検出されたひずみの量に対応する出力信号は、フィードバックループ３２５としてコントローラ３２０にフィードバックされる。一部の実施形態では、コントローラ３２０は、比例積分微分制御（ＰＩＤ）のような標準的なスキームを用いて実装することができる。

【0051】

前の図３の実施形態では、リニアモータは、ひずみセンサが間に配置された状態で制御ワイヤ１１０に接続される。対称的に、図４の実施形態によれば、リニアモータ３１１／３１２は、移動台車３４１／３４２から対応する制御ワイヤ１１０ａ／１１０ｂに直接接続される。制御ワイヤに加えられているひずみをモニタリングするために、第１の支持ワイヤ１２１ａの遠位端に第１のひずみセンサが設けられ、第２の支持ワイヤ１２１ｂの近位端には第２のひずみセンサ２２２が設けられる。このような直接接続構成により、移動台車３４１／３４２とアクチュエータ又はモータ３１１／３１２の基礎（又はハウジング）との間の摩擦が最小限に抑えられる。このように、リニアモータのモードがゼロの力をもつように指示された場合、駆動ワイヤからの力により、対応するモータの移動台車３４１／３４１が変位することになり、よって、制御ワイヤの残留力又は引張が排除される。

【0052】

誘導リニアモータ及び空気軸受ステージによる無摩擦直接駆動
無摩擦直接駆動構成の別の実装は、移動台車とアクチュエータ又はモータの基礎との間の摩擦が非常に低いリニア誘導アクチュエータを使用することであり得る。この実装の一例は、空気軸受を備えた高精度リニアモータの使用である。空気軸受を備えた高精度リニアモータ（ＰＬＭ）は、ウェハの光リソグラフィ製造において広く使用されており、ほぼゼロの摩擦を実現し、ステージの動きに関してはサブミクロンの位置精度を達成する。ＰＬＭの可動子は、法線方向の３つの空気軸受と、横方向の２つの空気軸受（各側に１つ）によって、固定子上に浮かぶ。空気軸受を備えたＰＬＭは、直線に沿って移動することが期待されており、動作中にサブミクロンの位置決め精度に達することができる。空気軸受の利点は、摩擦がほぼゼロであり、発熱が少なく、騒音が少ないことである。空気軸受を備えたＰＬＭは、バックラッシュや摩擦によって引き起こされる非線形性や外乱も大幅に低減する。これらの利点により、空気軸受を備えたＰＬＭは、半導体製造等の高度な製造分野に適用することができるが、制御ワイヤを動作させるために微小電気機械システムを用いた新規の操縦可能医用器具１００の制御ワイヤ１１０の無摩擦直接駆動構成において実装することもできる。

【0053】

図５Ａ及び図５Ｂは、無摩擦軸受を備えた誘導モータによって実装される無摩擦直接駆動構成の例示の実施形態を示す。図５Ａにおいて、操縦可能医用器具１００は、図１Ａ、図１Ｂ、図３及び／又は図４を参照して前述した構造に類似している。図５Ａでは、アクチュエータ又はモータは、可動子又はモータ台車１３３０及び固定子から成る駆動ユニット１３００として実装され、固定子は、磁気ベースプレート１３６０と、トッププレート又はガイド１３１０とから成る。駆動ユニット１３００は、図１Ａのモータ１を代表してＭ１と標示されている。当然のことながら、図５Ａには、複数の駆動ユニット１３００（例えば制御ワイヤごとに１つ）が存在する。図５Ｂは、空気軸受ステージと組み合わさった誘導リニアモータ（駆動ユニット１３００）の図をより詳細に示す。図５Ｂにおいて、トッププレート又はガイド１３１０は、複数の圧力ゾーン（Ｐ）１３１２と複数の真空ゾーン（Ｖ）１３１４を含む。これらのゾーンは、ガイド１３１０をモータ台車１３３０から所定の距離に維持するために、互いにバランスを取る。圧力ゾーンと真空ゾーンは、製造者によって事前に負荷がかけられており、本明細書では、空気軸受セクション１３２０の「フローティング」効果を説明するためにばねとして表されている。可動子又はモータ台車１３３０は、モータ台車１３３０に加えられる誘導力１３４０がゼロである（誘導力なし）ときに、直線方向１３０２に自由に動くことができる。位置センサ１３３１は、モータ台車１３３０の線形運動をモニタリングし、モータ台車１３３０（移動台車）の変位の量を示す信号Ｘｉを出力する。ここで、信号Ｘｉは、制御ワイヤ１１０のモータ１３００の作動を制御するためのフィードバック信号１３２５として用いられる。誘導力１３４０は、モータ台車１３３０のモータ巻線１３３２に加えられる。モータ巻線１３３２と、磁気ベースプレート１３６０（永久磁石である）の永久磁石（Ｎ、Ｓ）との間には、空隙１３５０が設けられる。

【0054】

この配置では、空隙１３５０により、モータ台車１３３０は、空気軸受上で自由に浮いている。空隙のおかげで、長手方向の摩擦がない。そして、電流がリニア誘導モータを通過しないとき、モータ台車１３３０に力は加えられない。したがって、制御ワイヤ１１０によってモータ台車１３３０に加えられる動きと力によって、モータ台車が直線方向１３０２に自由に動くことになる。台車の運動は、位置センサ１３３１によって連続的に測定することができる。制御ワイヤ１１０とモータ台車１３３０の位置をアクティブ制御することが望ましいときは、制御システムは、単に、前の実施形態のように、リニア誘導モータに電流を流し、制御ループにおいてフィードバックとして位置データを使用する必要がある。

【0055】

図５Ｂは、無摩擦空気軸受と組み合わさった誘導リニアモータ１３００の簡略図を示す。この実施形態の実装には、軸受と誘導駆動力の両方の要素が必要である。ここで、モータ台車１３３０（駆動制御ワイヤ１１０に取り付けられている）が自由に動けるモードを有することが必要である。そして、必要に応じて、モータ巻線１３３２に電流を印可し、それによって、台車１３３０を所望の方向（好ましくは、力の小さくなる方向）に動かすための力１３４０を生成することができる。本明細書におけるこの実装の別の構成要素は、位置センサフィードバックを維持しながら、モータ台車１３３０が自由に動くことを可能にすることができるということである。そして、位置センサデータが常に取得されているので、いつでもモードを自由移動モードからアクティブ制御モードに戻すことができる。

【0056】

空気軸受についてもう１つ詳しく説明する。図５Ａ及び図５Ｂの図において、発明者は、モータ台車１３３０とトッププレート１３１０の上部ガイド表面との間に位置する空気塊を表すために、ばねを示した。この特定の図は、いわゆる真空前負荷空気軸受の圧力（Ｐ）ゾーンと真空（Ｖ）ゾーンを示す。圧力ゾーンと真空ゾーンは、互いに“戦う”。圧力がモータ台車を押しのけ、真空がモータ台車を近付ける。モータ台車は、上部ガイド表面からある距離を置いて、これら２つの反対の力が釣り合っている場所に落ち着く。モータ台車１３３０からトッププレート１３１０の上部ガイド表面までの距離が変化すると、真空力と圧力力のバランスが崩れ、正味の修正力が自然に発生し、モータ台車１３３０が元の飛行高さ（力が釣り合っている場所）に戻る。これにより、制御ワイヤ１１０は、外力が加えられない限り、実質的にゼロの力を連続的に維持する。

【0057】

超音波モータによる無摩擦直接駆動
無摩擦直接駆動構成の別の実装は、リニア超音波モータの使用であってよく、これは、制御信号が適用されることによって台車と固定子の間の接触が非常に低い摩擦であるモードで機能することができる。図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃは、制御ワイヤ１１０上で作動する超音波モータの例示の実施形態を示す。図６Ａにおいて、操縦可能医用器具１００は、図１Ａ、図１Ｂ、図３及び／又は図４を参照して前述した構造に類似し、曲げ制御は、図２Ａ～図２Ｃに関して記述したものに類似する。

【0058】

図６Ａでは、モータ又はアクチュエータは、スライダ又は可動体１４３０及び固定子から成る超音波圧電駆動ユニット１４００として実装され、固定子は、結合プレート１４２０及び振動圧電素子１４１０から成る。駆動ユニット１４００は、図１Ａのモータ１を代表してＭ１と標示されている。当然のことながら、図６Ａには、複数の駆動ユニット１４００（例えば制御ワイヤごとに１つ）が存在する。圧電アクチュエータは、圧電効果に基づいて電気エネルギーを機械的変位に変換するトランスデューサである。このようなアクチュエータは、比較的大きな力を発生させながら、小さな機械的変位を高速で制御できるので、高精度の位置決め機構として有利に使用することができる。一例として、ＰＩＬｉｎｅ（登録商標）超音波ピエゾモータは、最大１５Ｎの保持力と最大０．３Ｎｍのトルクで、２ｎｍの分解能で５００ｍｍ／秒の速度を達成することができる。

【0059】

図６Ｂ及び図６Ｃは、操縦可能医用デバイス１００に対する超音波駆動ユニット１４００の適用をより詳細に示す。リニア超音波圧電モータでは、コントローラシステム３００からのプログラムされた制御の下で、圧電素子１４１０に高周波振動電圧波形が印加される。波形信号により、結合プレート１４２０にモード振動が生じ、接触点１４２１、１４２２（‘足’）は、高速で可動体１４３０と交互に接触する。可動体１４３０と足点１４２１、１４２２の間には予荷重の垂直抗力が存在し、これにより、接触中、一度に一方の足と可動体１４３０（可動プレート）との間に瞬間的な静摩擦が生じる。この振動性の振動の間に接触点がたどる経路には、垂直方向と平面方向又は水平方向の成分がある。垂直方向の動きにより、一度に一方の足がプレートに接触し、水平方向の動きにより、可動体１４３０が一方向（好ましくは制御ワイヤの長手方向）に押される。前の実施形態と同様に、ひずみ及び／又は位置センサ１４３１は、可動体１４３０によって作動されたか又は制御ワイヤ１１０に伝達されたひずみの量又は変位の量（距離）を示す信号Ｘｉを出力する。フィードバック信号１４２５は、操縦可能器具１００の作動を制御するために用いられる。

【0060】

例えば、図６Ｂは、第１の足１４２１が可動体１４３０に接触し、可動体１４３０を右方向にスライド又は移動させる初期位置を示す。図６Ｃは、第２の足１４２２が可動体１４３０に接触し、可動体１４３０を右方向にスライド又は移動させ続ける第２又は最終の位置を示す。結果として生じる効果は、可動体１４３０が距離１４５０の線形運動を受ける一方で、ひずみセンサ１４３１が可動体１４３０の位置を連続的にモニタリングすることである。このように、操縦可能器具１００の操縦可能セクション１０３の少なくとも１つのセグメントが曲がると、可動体１４３０は、第１の位置Ｚ₀から第２の位置Ｚ₁まで直線的に並進（移動）することができる（例えばカテーテル又は内視鏡の曲げにより）。

【0061】

超音波モータに印加される電圧波形に応じて、様々な動作と挙動を実現することができる。可動体１４３０は、制御ワイヤ１１０に取り付けられているので、制御可能な速度で直線運動１４０２のいずれかの方向に駆動することができる。また、位置フィードバックもひずみセンサ１４３１によって常にモニタリングされるので、いつでも、制御システムは、ひずみセンサ１４３１からの情報を位置決めの目的で使用することができる。また、圧電アクチュエータには、圧電アクチュエータ１４１０に電力が印加されていないときに、足と可動体の間に静摩擦があるという特性がある。これは、駆動制御ワイヤのパッシブなブレーキ力として機能し、臨床現場においてエンドエフェクタの不随意運動を回避する際にも有用である。超音波駆動ユニット１４００の別の挙動は、低摩擦モードを有することである。特定の振動電圧信号を圧電素子１４１０に印加することで、足（接触点１４２１、１４２２）が可動体１４３０にほとんど水平力を生じず、可動体１４３０の表面との接触にほとんど時間を費やさないようにすることができる。結果として生じる効果は、超音波アクチュエータが摩擦駆動アクチュエータよりも低摩擦軸受のように挙動することである。

【0062】

誘導アクチュエータ設計と同様に、リニア超音波モータの可動体１４３０は、カテーテルの曲げに起因する制御ワイヤの位置変化に応答して自由に動くことができる。可動体１４３０の位置は、ひずみセンサ１４３１によって連続的にモニタリングされ、制御システムはいつでもアクティブモードに戻り、可動体に力を加えることができる。

【0063】

どちらの場合でも、リニアモータは、制御ワイヤ１１０に直接接続され、また、制御ワイヤからの小さな力によって動かすことができる。制御ワイヤに対する力と制御ワイヤの変位は、互いに独立して、モータの制御モードに関係なく測定することができ、また、ひずみセンサ及び位置センサは駆動力が無視できるときであっても連続的にアクティブであるので、これらの力がモード変更によって妨げられることがない。

【0064】

駆動制御ワイヤ１１０に力が存在しないとき、制御ワイヤは自由に並進することができるので、器具１００の形状を容易に変化させることができる。例えば、何らかの障害物（患者の気道壁等）による操縦可能器具１００の遠位端への外部接触により、操縦可能器具の曲げが生じ、それによって制御ワイヤの変位が生じるおそれがある。制御ワイヤの動きがあるとすぐに、ひずみセンサ１４３１は、コントローラに出力信号を提供し、これが、反対方向（より小さな力の方向）に制御ワイヤに駆動力を加えるようにアクチュエータをトリガする。

【0065】

全ての実施形態における“ひずみセンサ”の検知原理は、ひずみゲージベースであってよい。既知のひずみゲージは、物体に加えられた圧縮力又は引張力（ひずみ）の測定に用いられる力検知レジスタを用いる回路である。物体が弾性の限度内で変形すると、物体は細く長くなるか、或いは短く広くなる。その結果として、抵抗に変化がある。力検知レジスタは、表面に力が加えられたときに予測可能な方法で抵抗が変化する導電性高分子フィルムを含む。抵抗値に生じた変化の量により、加えられた力の量を測定することができる。ひずみゲージは、リニアひずみゲージやせん断ひずみゲージ等、様々な形状で利用可能である。また、ピエゾ抵抗素子と呼ばれる半導体ひずみゲージ、金又は炭素ベースのレジスタで作られたナノ粒子ひずみゲージ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）で広く使用されているマイクロスケールひずみゲージもある。他の実装では、ファイバブラッググレーティングやファブリ・ペロー干渉計等の光ファイバセンサを使用することができる。例えば、刊行物ＵＳ２０１８／０１９３１００（あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる）を参照されたい。

【0066】

実装の２つのモードのうち、超音波モータを用いる実施形態がより有利であり得る。具体的には、超音波モータ技術の継続的な進歩により、軽量の超音波モータを備えた操縦可能器具１００を実装することが可能であり、ミクロンサイズの動きで、速度を落とすことなく大きな力に対応でき、力や位置の検出とは独立して機能することができる。更に、超音波モータは非常に小さいので、非常にコンパクトな空間に組み立てることができる。力の伝達量に影響を与えることなく、より大きな速度を達成することが可能である。

【0067】

＜制御システム及びフィードバック制御の実装＞
図７Ａは、本開示に係る操縦可能医用器具１００のアクティブ制御のパッシブ曲げモードを実装するように構成された制御システム１５００の例示のブロック図を示す。アクティブ制御のパッシブ曲げモードでは、（１）操縦可能器具に最大の柔軟性が必要であるときに、制御ワイヤ１１０での力がゼロになり、（２）採用される制御モードに関わらず、制御ワイヤ１１０の力及び変位が連続的にモニタリングされ、（３）蛇行進路を通る挿入中又は引戻し中に該進路を通って進むときであっても、操縦可能器具での摩擦が最低限に抑えられ、（４）制御ワイヤ１１０の近位端が、その対応するアクチュエータに接続されたままで自由に並進できるように、制御システム１５００が操縦可能器具１００を制御する。

【0068】

図７Ａにおいて、制御システム１５００は、「所望のワイヤ位置」ブロック１５０２と、「モータコントローラ」ブロック１５０４と、モータ又はアクチュエータブロック１５０６と、「実際のワイヤ位置」ブロック１５０８と、ひずみ及び／又は位置センサブロック１５１０と、コンパレータブロック１５１２とを含む。この制御システム１５００は、所望の位置と実際の位置の差（力／位置センサブロック１５１０によって提供される）から（コンパレータブロック１５１２で）エラー信号を生成するフィードバック制御ループの、高度に簡略化したバージョンである。エラー信号はまた、制御ワイヤにかかる所望の力又は以前に測定された力と、ひずみセンサによって検出された力（例えば外力）の突然の変化との比較から、生成されてもよい。エラー信号は、モータコントローラ１５０４によって制御入力信号に変換され、次いでモータ又はアクチュエータに送られる。これは、制御ワイヤのうちの１本の閉ループ制御である。各制御ワイヤ１１０は、自身のフィードバックループをもつことになる（これは端入力端出力“ＳＩＳＯ”と呼ばれる）。この場合、単一のフィードバックループによって複数のモータを制御することが望ましい場合は、複数の入出力システムも可能であるが、その実装は本特許出願には記載されない。

【0069】

当業者には当然のことながら、制御システム１５００は、完全にハードウェアの実施形態と、完全にソフトウェアの実施形態（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコード等を含む）の形態を取ることができ、或いは、ソフトウェアとハードウェアの態様を組み合せた実施形態の形態を取ることができ、それらは全て、本明細書では「回路」、「モジュール」又は「システム」と呼ばれることがある。更に、制御システム１５００の一部の態様は、コンピュータで使用可能なプログラムコードが格納された任意の有形の表現媒体に具体化された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。例えば、方法、装置（システム）及びコンピュータプログラム製品のフローチャート図及び／又はブロック図を参照して後述する制御システム１５００の一部の態様は、コンピュータプログラム命令によって実装することができる。コンピュータプログラム命令は、コンピュータその他のプログラマブルデータ処理装置に特定の方式で機能するように指示できるコンピュータ可読媒体に格納されてよく、それにより、コンピュータ可読媒体に格納された命令は、フローチャート及び／又はブロック図において指定された機能／動作／ステップを実装する命令及びおプロセスを含む製造品を構成する。

【0070】

図７Ｂは、モータコントローラ１５０４又はコンピュータシステム４００を動作させるか、又はその一部であり得るコンピュータ１６００の機能ブロックを示す。図７Ｂに示されるように、コンピュータ１６００は、とりわけ、中央処理装置（ＣＰＵ）１６０１と、揮発性ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び不揮発性リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）を含む記憶メモリ１６０２と、ユーザ入出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース１６０３と、システムインタフェース１６０４とを含んでよく、これらは、データバス１６０５を介して動作可能に相互接続される。コンピュータ１６００は、例えばユーザインタフェース１６０３を介してユーザ入力を受信したときに制御システム１６００の様々な部分に送信できるコマンドを発行するように、プログラムすることができる。ユーザインタフェース１６０３の一部として、タッチパネルスクリーン、キーボード、マウス、ジョイスティック、ボールコントローラ及び／又はフットペダルを含めることができる。ユーザインタフェース１６０３を用いて、ユーザは、制御システム１５００に操縦可能器具１００をアクティブ操作させるコマンドを発行することができる。例えば、ユーザがユーザインタフェース１６０３を介してコマンドを入力すると、コマンドは、所与のプログラムルーチンの実行のために中央処理装置ＣＰＵ１６０１に送信され、それにより、ＣＰＵ１６０１は、システムインタフェース１６０４を介してコマンドを制御ワイヤ１１０の１つ以上に送信し、或いは、１つ以上のひずみセンサ２２１又は２２２からの出力信号を準備する。

【0071】

ＣＰＵ１６０１は、記憶メモリ１６０２に格納されたコンピュータ実行可能命令を読み出して実行するように構成された１つ以上のマイクロプロセッサ（プロセッサ）を含んでよい。コンピュータ実行可能命令は、本明細書に開示される新規のプロセス、方法及び／又は計算の実行のためのプログラムコードを含んでよい。特に、コンピュータ実行可能命令は、操縦可能医用器具１００のアクティブ制御のパッシブ曲げモードを実装するために、図８、図９、図１０Ａ及び図１０Ｂに示されるプロセスの実行のためのプログラムコードを含んでよい。

【0072】

記憶メモリ１６０２は、１つ以上のコンピュータ可読媒体及び／又はコンピュータ書込み可能媒体を含み、例えば、磁気ディスク（例えばハードディスク）、光ディスク（例えばＤＶＤ、Ｂｌｕ－ｒａｙ）、光磁気ディスク、半導体メモリ（例えば不揮発性メモリカード、フラッシュメモリ、ソリッドステートドライブ、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ）、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等を含んでよい。記憶メモリ１６０２は、コンピュータ可読データ及び／又はコンピュータ実行可能命令を格納することができる。

【0073】

システムインタフェース１６０４は、入力デバイス及び出力デバイスに対して電子通信インタフェースを提供する。特に、システムインタフェース１６０４は、制御ワイヤ１１０を動作させるモータ又はアクチュエータにコンピュータ１６００をインタフェース接続するための１つ以上の回路（フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）等）を含んでよい。システムインタフェース１６０４はまた、キーボード、ディスプレイ、マウス、印刷装置、タッチスクリーン、ライトペン、光記憶装置、スキャナ、マイクロフォン、カメラ、ドライブ、通信ケーブル及びネットワーク（有線又は無線のいずれか）を含んでもよい。

【0074】

図８は、フィードバック力制御ループを備えた操縦可能医用器具１００のアクティブ制御のパッシブ曲げモードを実装するための例示のフローチャートを示す。図８のプロセスは、すなわち以下のステップを含む：（ａ）カテーテルが外力によって曲げられたかどうかを決定するステップ；（ｂ）カテーテルの近位端のひずみ又は位置センサによって検知された引張／圧縮の力を読み取るステップ；（ｃ）制御アルゴリズムを実行して、曲げ力を低減するためにどのように駆動ワイヤアクチュエータを動かすかを決定するステップ；及び、（ｄ）駆動ワイヤに対する残留曲げ力が存在し続けているかどうかを決定するステップ。

【0075】

より具体的には、図８のフローは、操縦可能器具１００がアクティブシャフト誘導モードにあると仮定しており、ステップ１７０２では、制御システム１５００が、進行中の操縦可能器具誘導を実行している。すなわち、ステップ１７０２では、システムが、カテーテル挿入中又は除去（引抜き）中のいずれかに、操縦器具のナビゲーションをモニタリングする。ステップ１７０４では、システム１５００が、センサからの信号を読み取る。すなわち、システムは、デバイスの近位端に位置するひずみセンサ２２１／２２２、位置センサ２３１／２３２、或いは１つ以上のひずみセンサと１つ以上の位置センサのいずれかからの信号を読み取る。一部の実施形態では、操縦可能器具１００の遠位端に、ひずみ、位置及び／又は向きのセンサ（例えばＥＭセンサ１１５）が設けられてもよい。ステップ１７０６では、システム１５００が、操縦可能器具がアクティブ駆動力以外の外力によって作動したか（曲がったか）どうかを決定するまで、センサからの信号を継続的にモニタリングする。器具が外力によって曲げられた場合（ステップ１７０６でＹＥＳ）、フローはステップ１７０８へ進む。ステップ１７０８では、システム１５００が、操縦可能器具１００のナビゲーションを一時的に停止する。ステップ１７１０では、システム１５００が、操縦可能デバイスに加えられている力のひずみを低減するために、モータ又はアクチュエータをどのように動かすかを決定するためのアルゴリズムを開始する。ステップ１７１２では、システム１５００が、曲げ力が無視できるかどうかを決定する。外部曲げ力によってかかる力が無視できる程度でない場合（ステップ１７１２のＮＯ）、システム１５００は、外力が無視できる程度になるまで、制御ワイヤ１１０に加えられた力を継続的に調節する。曲げ力が無視できる程度（ほぼゼロに等しい）である場合、フローはステップ１７１４に進み、制御システムは、操縦可能器具１００の通常のナビゲーションを続ける。

【0076】

一実施形態によれば、図８のプロセスにおいて、ステップ１７０６では、システムが、制御ワイヤの位置や制御ワイヤの力（引張又は圧縮）等の重要なフィードバック情報を失うことなく、アクティブ形状制御（アクティブ制御モード：ステップ１７０２～１７０４）からパッシブ曲げモード（パッシブ制御モード：１７０８～１７１２）に移行する。そのために、システムは、センサベースのマッピング技術を採用してよく、該技術では、ＵＳ２００７／０１３５８０３に記載されたのと同様な方式で、システムのメモリに軌道情報が格納され、器具が患者の生体構造内を動くときに連続的に更新される。しかしながら、本開示において、ステップ１７０６では、器具が外力によって曲げられたとシステムが決定すると、システムは、パッシブ曲げモードに入り、制御ワイヤの位置や制御ワイヤの力（引張又は圧縮）等の重要なフィードバック情報を失うことなく、アクティブ形状制御に容易に移行することができる（逆も同様）。ステップ１７０６での決定は、所望の又は記録されたワイヤ位置（或いは、制御ワイヤに対する所望の又は記録された駆動力）と、センサによって測定された実際の力又は位置との間の、システムコントローラによってなされた比較に基づくことができる。ステップ１７０６での決定は、閾値を含んでよい。具体的には、操縦可能器具のねじれを防ぎ、患者の快適さと安全性を確保するために、ユーザは、線形変位、ねじれ、回転の量（又はひずみ力の量）の閾値をソフトウェアで設定することができる。例えば、ユーザが所望値と測定値の閾値の差として５％又は１０％又は１５％を設定した場合、システムコントローラソフトウェアは、エラーが閾値を超えた場合にのみ、アクティブ制御モードとパッシブ制御モードの間の変更をトリガする。操縦ワイヤの“アクティブ”制御から“パッシブ”制御へのアクティブな移行により、制御ワイヤの位置や制御ワイヤの力等の重要なフィードバック情報を失うことなく、システム応答時間が短縮される。

【0077】

図９は、無摩擦直接駆動を備えた操縦可能医用器具１００のアクティブ制御のパッシブ曲げモードを実装するための例示のフローチャートを示す。図９のプロセスは、すなわち以下のステップを含む：（ａ）カテーテルが外力によって曲げられたかどうかを決定するステップ；（ｂ）カテーテルの近位端のひずみ又は位置センサによって検知された引張／圧縮の力を読み取るステップ；（ｃ）ワイヤにかかる力に応じてアクチュエータ自体が動くように、アクチュエータをパッシブモードにするための制御アルゴリズムを実行するステップ；（ｄ）駆動制御ワイヤに対する曲げ力が無視できる程度かどうかを決定するステップ；及び、（ｅ）アクチュエータをそのアクティブモード（制御ワイヤと係合している）に戻すステップ。

【0078】

より具体的には、図９のフローは、操縦可能器具１００がアクティブシャフト誘導モードにあると仮定している点で図８に類似しており、ステップ１８０２では、制御システム１５００が、進行中の操縦可能器具誘導を実行している。すなわち、図９において、ステップ１８０２、１８０４、１８０６、１８０８は、それぞれステップ１７０２、１７０４、１７０６、１７０８に類似する。特に、ステップ１８０６では、システムコントローラが、アクチュエータによって加えられた通常のナビゲーション力以外の外力によって操縦可能器具が曲げられたかどうかを決定する。ステップ１８１０では、システム１５００が、モータ又はアクチュエータをパッシブモード（アクチュエータが制御ワイヤに任意の力をかけるのを停止する）にするためのアルゴリズムを開始する。この状態において、制御ワイヤに外力が作用すると、制御ワイヤ１１０にかかっている外力が無視できる程度（例えば、実質的にゼロ）になるまで、アクチュエータは、最小限の摩擦で直線的に変位（移動）する。ステップ１８１２では、システム１５００が、曲げ力が無視できるかどうかを決定する。曲げ力が無視できる程度（ほぞゼロに等しい）である場合、フローはステップ１８１４へ進み、制御システム１５００は、アクチュエータをアクティブモード（モータが制御ワイヤと係合している）にし、操縦可能器具１００の通常のナビゲーションを再開する。

【0079】

別のシナリオでは、制御ワイヤを解放（切離し）するアルゴリズムは、ユーザの入力に基づくことができる。具体的には、ステップ１８０６において、ユーザは、器具ナビゲーションにおける特定の異常事象を決定し、手動で信号を入力して、アクティブ制御モードからパッシブ制御モードに切り替えることができる。例えば、ナビゲーション中に、カテーテルが蛇行進路を通って駆動されるときに、プッシュの問題及び／又は追跡の問題が発生する場合がある。そのような問題が発生した場合、システムは、ユーザに、アクティブナビゲーションを手動で停止してパッシブ制御に入るように促すことができる。プッシュの問題は、カテーテルの近位部分が管腔アクセスポイントに押し込まれたときに発生するが、カテーテルの遠位端が対応する距離だけ動くことはない。追跡の問題は、近位部分にトルクがかかり、遠位端が期待どおりに比例して回転しない場合に発生する。押込みと追跡の制御は、患者の生体構造の困難なカーブ及び／又は障害物を取って進む際の、カテーテルの非常に重要な側面である。このような問題に対処するために、システムは、器具が動かなくなった場合に押込み及び／又は追跡の問題をユーザに促すために、例えばハンドル２００に、触覚フィードバック等の警告システムや、音又は視覚のインジケータを装備することができる。

【0080】

操縦可能医用器具１００のアクティブ制御のパッシブ曲げモードにおいて制御ワイヤの引張を低減するための例示のアルゴリズムは、図８及び図９に関して前述したのと同様のプロセスを含んでよい。図１０Ａは、図８のステップ１７１０において引張力（又は変位）を低減し、図９のステップ１８１０において制御ワイヤを解放する際に等しく役立ち得る例示のアルゴリズムを示す。

【0081】

図１０Ａにおいて、フローは、１つ以上の制御ワイヤ１１０に引張力を及ぼしている外力の検出に起因して操縦可能器具１００の通常のナビゲーションが一時的に停止（中断）されたときに、開始される。すなわち、図８のステップ１７１０又は図９のステップ１８１０では、制御システム１５００が、ひずみ又は位置センサ（図１０Ａのステップ１９０２）から信号を受け取る。図１０Ａのアルゴリズムにおいて、ステップ１９０４では、システムコントローラが、アクチュエータ又はモータの駆動方向を反転することにより（図８の場合：ステップ１７１０）、又は、制御ワイヤを解放することにより（図９の場合：ステップ１８１０）、ステップ１９０２で測定されたひずみ力を低減する。次に、図１０Ａのステップ１９０６では、システム１５００が、引張信号がほぼゼロの（又は無視できる）値のひずみ力を表すかどうかを決定する。センサからの信号がほぼゼロ以外の値を示す場合（１９０６においてＮＯ）、システムは、操縦可能器具が力制御ループ下で制御されるのか、又は無摩擦直接駆動下で制御されるのかに応じて、図８又は図９のフロープロセスのいずれかに従って、ひずみ力の低減を続行する。外力の引張がほぼゼロまで低減されると（１９０６においてＹＥＳ）、引張力のアクティブ制御は終了する。

【0082】

図１０Ｂは、ユーザの入力に基づいて、図８のステップ１７１０又は図９のステップ１８１０において１つ以上の制御ワイヤ１１０の作動を解放する（又は、変位を調節する）ことによって引張力を同様に下げることのできる、例示のアルゴリズムを示す。より具体的には、前の記載によれば、アクティブ制御モードからパッシブ制御モードへの自動変更（逆も同様）は、ひずみ及び／又は位置のセンサによってモニタリングされる外力（例えば患者の動き）とその特定の閾値に基づいて発生する。しかしながら、代替の実施形態では、パッシブ／アクティブのモード間の切替えは、操縦可能器具１００の操作者によって実装することもできる。特に、パッシブ制御モードは、患者の曲がりくねった生体構造（例えば気道）を通るナビゲーション中に、カテーテルが「ブロックされた」状況から抜け出すのに役立つ場合がある。この場合、カテーテルが引っ掛かっていると医師の操作者が判断した場合、ユーザは、例えばコントローラのボタンを押してアクティブ制御モードを停止してパッシブ制御モードに入ることにより、アクティブモードをパッシブモードに切り替えることができる。パッシブモードでは、システムコントローラが、カテーテルの姿勢を“緩め”、カテーテルが“引っ掛かり”状態から抜け出すことを可能にする。その後、操作者は、モードをアクティブモードに戻し、引き続きロボット制御を使用することができる。

【0083】

図１０Ｂは、アクティブ制御モード及びパッシブ制御モードの下で操縦可能器具１００を動作させるためのユーザ起動制御のシナリオの例示プロセスを示す。図１０Ｂでは、例えば、操縦可能器具１００が管腔内経路で阻まれているか或いは引っ掛かっているとユーザが判断し、ハンドル２００のユーザインタフェース２５４の制御ボタンを押すか、或いは、コンピュータシステム４００のＧＵＩ４２２を介して手動でコマンドを入力したときに、ステップ１９１２において、コントローラ３２０が、ユーザから入力信号を受け取る。ユーザがそのような入力信号を入力するとすぐに、ステップ１９１４では、システムコントローラ３２０が、アクチュエータ３１０を制御ワイヤ１１０から切り離し、解放させる。ステップ１９１５では、ひずみセンサが、制御ワイヤに残っている引張力を測定する。次に、ステップ１９１６では、システムコントローラが、制御ワイヤの引張信号がほぼゼロである（又は無視できる）かどうかを決定する。センサからの信号がほぼゼロ以外の値を示す場合（１９１６でＮＯ）、システムは、操縦可能器具が引っ掛かっていると決定し、ステップ１９１８へ進む。ステップ１９１８では、システムが、より小さい力の方向に制御ワイヤ１１０を作動させることにより、ひずみ力を能動的に低減する。このステップ１９１５、１９１６及び１９１８のプロセスは、カテーテルが緩められる（パッシブモードで）まで続く。制御ワイヤでの引張がほぼゼロまで低減されると（１９０６においてＹＥＳ）、パッシブ制御モードが終了し、ユーザは、システムをアクティブ制御モードに戻すことができる。

【0084】

アクティブ制御のパッシブ曲げモードでは、制御ワイヤ１１０に加えられる能動力が存在しない。制御ワイヤ１１０に力が存在しないとき、制御ワイヤは自由に並進することができるので、操縦可能器具１００の形状を容易に変化させることができる。例えば、操縦可能デバイス１００の遠位端に対する外部接触が気道壁等の何かによって発生した場合、この外乱によって、シースの予期しない曲げが生じる可能性があり、これにより、制御ワイヤの変位が生じ、患者に起こり得る不快感又は痛みが軽減される。対照的に、制御ワイヤ１１０がそれに加えられた引張力で能動的に曲げられる場合、外部接触は検出されない場合があり、したがって、修正することができないおそれがある。

【0085】

操縦可能器具が患者の生体構造内で誤って阻まれたり引っ掛かったりしている可能性がある場合、ユーザは、手動で作動力を停止して、操縦可能器具をパッシブ関連状態にすることができる。更に、手動操作下では、カテーテルがパッシブであるが依然として引っ掛かっている場合、システム又はユーザは、カテーテルが引っ掛からなくなるまで、より小さい力の方向に制御ワイヤを駆動するようにアクチュエータを制御することができる。その後、操作者は、モードをアクティブモードに戻し、引き続きロボット制御を使用する。ユーザの手動操作によるパッシブモードは、システムが実行する非常に簡単な判定である（操作者がモードを切り替える判断を行うので）。

【0086】

アクティブ制御のパッシブ曲げモードは、既知のシャフト誘導制御システムに比べて様々な有利な効果をもたらす。まず、両方の実施形態について、利点のひとつは、エンコーダ位置フィードバック及び力フィードバックを維持しながら、制御ワイヤを完全にパッシブ（制御ワイヤが駆動アクチュエータから切り離されているかのように、外力によって動かすことができる）にできることである。更に、制御ワイヤ１１０は、ギア、ベルト又はプーリなしで、リニアアクチュエータによって直接駆動され、これにより、摩擦の追加を回避することができ、また、制御ワイヤに過度のたるみを与えることを防止することができる。制御ワイヤ１１０は、プルモード及びプッシュモード（引張及び圧縮）でアクティブ制御することができる。したがって、アクティブ制御のパッシブ曲げモードは、操縦可能器具１００の挿入中及び除去（引抜き）中に実施することができる。

【0087】

第２の実施形態の特有の利点は、この場合、アクチュエータは駆動ワイヤによって受動的に動かせるので、フィードバックを用いて均衡を保つ力とは異なることであり、これは、センサノイズや速度の問題の影響を受けない。更に、摩擦が最小化されて（超音波モータ駆動システムの場合は固有の周波数及び波形を用いて、リニア誘導モータの場合は空気軸受ステージ等の低摩擦表面によって）、モータ可動体が受動的に動くことを可能にする。

【0088】

本明細書に記載の全ての実施形態は、アクティブ曲げモードの従来の技術に勝る重要な利点を提供すると考えられるが、第２の実施形態は、特に超音波モータを使用する場合、更に有利であると考えられる。すなわち、超音波モータを用いてアクティブ制御のパッシブ曲げモードを実装することにより、移動重みが小さく、速度を落とすことなく大きな力を測定可能な操縦可能器具が可能となる。更に、操縦可能器具は、力と位置の検知とは無関係に、アクティブ制御モード又はパッシブ制御モードのいずれかで動作することが可能となる。超音波モータ技術により、小型のアクチュエータによる高精度の制御が可能になるので、操縦可能器具は非常にコンパクトにすることができる。更に、機械的スロップがなく、アクティブ形状制御とパッシブ曲げ制御の間をシームレスに移行できるので、力の伝達量に影響を与えることなく、より高速での制御を実現することができる。

【0089】

＜変更、定義、他の実施形態＞
本発明の実施形態は、記憶媒体（より完全には「非一時的コンピュータ可読記憶媒体」と呼ぶこともできる）に記録されたコンピュータ実行可能命令（例えば１つ以上のプログラム）を読み出し実行して、前述の実施形態のうち１つ以上の機能を実行し、かつ／又は、前述の実施形態のうち１つ以上の機能を実行するための１つ以上の回路（例えば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ））を含むシステム又は装置のコンピュータによって実現することもできるし、また、システム又は装置のコンピュータが、記憶媒体からコンピュータ実行可能命令を読み出し実行して、前述の実施形態のうち１つ以上の機能を実行すること、及び／又は１つ以上の回路を制御して、前述の実施形態のうち１つ以上の機能を実行することによって実行される方法によって実現することもできる。コンピュータは、１つ以上のプロセッサ（例えば中央処理装置（ＣＰＵ）、マイクロ処理ユニット（ＭＰＵ））を含んでよく、コンピュータ実行可能命令を読み出して実行するための別個のコンピュータ又は別個のプロセッサのネットワークを含んでよい。コンピュータ実行可能命令は、例えばネットワークク又は記憶媒体から、コンピュータに提供することができる。記憶媒体は、例えば、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、分散コンピューティングシステムのストレージ、光ディスク（コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）又はＢｌｕ－ｒａｙＤｉｓｃ（ＢＤ）（商標）等）、フラッシュメモリデバイス、メモリカード等のうち１つ以上を含んでよい。Ｉ／Ｏインタフェースは、入出力デバイスに対して通信インタフェースを提供するために用いることができ、入出力デバイスとしては、キーボード、ディスプレイ、マウス、タッチスクリーン、タッチレスインタフェース（例えばジェスチャー認識デバイス）、印刷デバイス、ライトペン、光学式ストレージデバイス、スキャナ、マイクロフォン、カメラ、ドライブ、通信ケーブル及びネットワーク（有線又は無線）が挙げられる。

【0090】

説明に言及する際、開示する例を完全に理解できるようするために、具体的な詳細が記載される。他の例では、本開示を不必要に長くしないように、周知の方法、手順、コンポーネント及び回路は、詳細には説明されない。本明細書において別段の定義がされない限り、本明細書で使用される全ての技術用語及び科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。本発明の広さは、本明細書によって限定されるのではなく、むしろ、採用される特許請求の範囲の用語の平易な意味によってのみ限定される。

【0091】

当然のことながら、要素又は部品が他の要素又は部品に関して「～上に」、「～に対して」、「～に接続される」、或いは「～に結合される」と言及される場合、それは、当該他の要素又は部品に対して直接的に上にあってよく、対してよく、接続されてよく、或いは結合されてよく、又は、介在する要素又は部品が存在してもよい。対照的に、ある要素が別の要素又は部品に関して「直上にある」、「直接接続される」又は「直接結合される」と言及されるとき、介在する要素又は部品は存在しない。使用される場合、「及び／又は」という語句は、「／」と省略される場合があり、それは、そのように提供される場合、関連する列挙された項目のうちの１つ以上のありとあらゆる組合わせを含む。

【0092】

様々な図に示されるようなある要素又は特徴と別の要素又は特徴との関係を説明するための記述を簡易にするために、本明細書では、「下」、「真下」、「下方」、「低い」、「上方」、「上」、「近位」、「遠位」等の空間的な相対語が使用される場合がある。ただし、当然のことながら、空間的な相対語は、図に示されている向きに加えて、使用中又は動作中のデバイスの様々な向きを包含することが意図される。例えば、他の要素又は特徴の「下方」又は「真下」にあると記述されている要素は、図中のデバイスが裏返されると、当該他の要素又は特徴の「上方」に向けられることになる。よって、「下方」等の相対的な空間用語は、上と下の両方の向きを包含することができる。デバイスは、他の方法で方向付けられてもよく（９０度回転又は他の方向に）、本明細書で使用される空間的な相対的記述子は、それに応じて解釈されるべきである。同様に、相対的な空間用語「近位」と「遠位」も、該当する場合、交換可能である場合がある。

【0093】

本明細書で使用される「約」又は「およそ」という用語は、例えば１０％以内、５％以内又はそれ未満を意味する。一部の実施形態では、「約」という用語は、測定誤差内を意味することがある。これに関して、説明され又はクレームされる際に、用語が明示的に表示されていなくても、全ての数値は「約」又は「およそ」という語が前置されているかのように読まれてよい。「約」又は「およそ」という語句は、大きさ及び／又は位置を記述するとき、記載の値及び／又は位置が値及び／又は位置の妥当な予想範囲内にあることを示すために使用されることがある。例えば、数値は、記述された値（又は値の範囲）の±０．１％、記述された値（又は値の範囲）の±１％、記述された値（又は値の範囲）の±２％、記述された値（又は値の範囲）の±５％、記述された値（又は値の範囲）の±１０％等である値を含み得る。任意の数値範囲は、本明細書に記載される場合、そこに包含される全ての部分範囲を含むことが意図される。

【0094】

本明細書では、様々な要素、コンポーネント、領域、部品及び／又は部分を説明するために、第１、第２、第３等の用語が使用される場合がある。当然のことながら、これらの要素、コンポーネント、領域、部品及び／又は部分はこれらの用語によって限定されるべきではない。これらの用語は、ある要素、コンポーネント、領域、部品又は部分を別の領域、部品又は部分から区別するためにのみ使用されている。よって、後述する第１の要素、コンポーネント、領域、部品又はセクションは、本明細書の開示から逸脱することなく、第２の要素、コンポーネント、領域、部品又はセクションと呼ぶことができる。

【0095】

本明細書において用いられる用語は、特定の実施形態を説明する目的のものにすぎず、限定することを意図するものではない。本明細書において用いられる場合、単数形は、文脈上明確に別段の指示がない限り、複数形も含むことを意図している。更に、当然のことながら、「含む」という用語は、本明細書において用いられる場合、記載の特徴、整数、ステップ、動作、要素及び／又はコンポーネントの存在を指定するが、明示的に記載されていない１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、コンポーネント及び／又はそれらのグループの存在又は追加を排除するものではない。更に、留意すべきこととして、一部のクレームは、任意の要素を除外するように起草される場合があり、このようなクレームは、クレーム要素の記載に関連して「単独で」、「～のみ」等の排他的な用語を使用する場合があり、又は、「否定的な」限定を使用する場合がある。

【0096】

図面に示された例示の実施形態を説明する際、分かりやすくするために、具体的な専門用語が使用される。しかしながら、本特許明細書の開示は、そのように選択された具体的な専門用語に限定されることを意図するものではなく、当然ながら、具体的な要素の各々は、同様に機能する技術的な均等物を全て含む。

【0097】

本開示は、例示の実施形態を参照して説明されたが、当然のことながら、本開示は、開示された例示の実施形態に限定されない。以下の特許請求の範囲は、そのような変更並びに均等の構造及び機能を全て包含するように、最も広い解釈が与えられるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】