特表 2024-509749 確実に器具を案内するための協調的な医療ロボット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-03-05

(54)【発明の名称】確実に器具を案内するための協調的な医療ロボット

(51)【国際特許分類】

   A61B 34/32 20160101AFI20240227BHJP

   A61B 34/20 20160101ALI20240227BHJP

【ＦＩ】

A61B34/32

A61B34/20

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023549828

(86)(22)【出願日】2022-03-14

(85)【翻訳文提出日】2023-09-21

(86)【国際出願番号】 FR2022050456

(87)【国際公開番号】W WO2022195210

(87)【国際公開日】2022-09-22

(31)【優先権主張番号】2102647

(32)【優先日】2021-03-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】520148884

【氏名又は名称】クアンタム サージカル

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100109346

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 敏史

(74)【代理人】

【識別番号】100117189

【弁理士】

【氏名又は名称】江口 昭彦

(74)【代理人】

【識別番号】100134120

【弁理士】

【氏名又は名称】内藤 和彦

(72)【発明者】

【氏名】アオアクリア，モハメド ファエド

(72)【発明者】

【氏名】ブロンデル，リュシアン

(72)【発明者】

【氏名】ナホム，ベルタン

(72)【発明者】

【氏名】バダノ，フェルナンド

【テーマコード（参考）】

4C130

【Ｆターム（参考）】

4C130AA04

4C130AA24

4C130AA32

4C130AB06

4C130AD02

4C130AD09

4C130AD11

4C130CA11

(57)【要約】

本発明は、患者（２０）の関連する解剖学的部分への医療的介入の最中に、施術者を支援するための医療ロボット（１０）に関する。医療ロボットは、一方の端部に、医療器具（１５）を案内することを意図したツールガイド（１４）を備えるロボットアーム（１３）を含む。医療ロボット（１０）はまた、ロボットアーム（１３）の動きを制御するように構成された制御装置（１２）を含む。ツールガイド（１４）は力センサーに結合される。医療ロボット（１０）が「協調手動制御」モードで使用されるとき、制御装置（１２）は、力センサーを使用して、施術者によってツールガイド（１４）にもたらされる力を決定し、且つ決定された力に用いられる利得係数に基づいて、ツールガイドの動きの速度を計算するように構成される。好都合なことに、利得係数の値は、可変であり、且つ決定された力に基づいて計算される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

患者（２０）の解剖学的構造の関連部分での医療処置の最中に、施術者を支援するための医療ロボット（１０）であって、前記医療ロボット（１０）は、遠位端部に、医療器具（１５）を案内するように設計されているツールガイド（１４）を含むロボットアーム（１３）、並びに前記ロボットアーム（１３）の変位を制御するように構成されている制御装置（１２）を含み、前記ツールガイド（１４）は力センサー（１６）に結合されており、及び、前記医療ロボット（１０）が「協調手動制御」モードで使用されるとき、前記制御装置（１２）は：
－ 前記力センサー（１６）を用いて、前記施術者によって前記ツールガイド（１４）にもたらされる力を決定し；
－ そのように決定された前記力に用いられる利得係数に従って、前記ツールガイド（１４）の変位の速度を計算し；
－ そのように計算された前記速度に従って、前記ロボットアーム（１３）の前記変位を制御する
ように構成される、医療ロボットにおいて、
前記利得係数の値は可変であり、且つ前記施術者によって前記ツールガイドにもたらされる前記力に従って計算されることを特徴とする、医療ロボット（１０）。

【請求項2】

前記利得係数は、前記制御装置（１２）によって実施される「比例、積分、微分」補正器の比例パラメータに対応する、請求項１に記載の医療ロボット（１０）。

【請求項3】

前記制御装置（１２）はまた、少なくとも１つの方向において前記ツールガイド（１４）の前記変位を防止するように構成される、請求項１又は２に記載の医療ロボット（１０）。

【請求項4】

前記制御装置（１２）はまた、前記ツールガイド（１４）の前記変位を、前記ツールガイド（１４）の主軸（１４５）に対応する単一方向に制限するように構成される、請求項１～３のいずれか１項に記載の医療ロボット（１０）。

【請求項5】

前記利得係数の前記値は：

【数1】

（式中、Ｇ（ｆ）は、前記利得係数であり；Ｋは、定数であり；｜ｆ｜は、前記力センサー（１６）を用いて前記制御装置（１２）によって決定される、前記施術者によって前記ツールガイド（１４）にもたらされる前記力であり、Ｆ_ｍｉｎ及びＦ_ｍａｘは、前記施術者によってもたらされる前記力の最小値及び最大値にそれぞれ対応する）
によって定義される、請求項１～４のいずれか１項に記載の医療ロボット。

【請求項6】

前記制御装置（１２）は、前記ツールガイド（１４）の現在の位置と前記ツールガイドが到達する必要がある標的位置との間の距離に同様に従って、前記ツールガイド（１４）の前記変位の速度を計算するように構成される、請求項１～５のいずれか１項に記載の医療ロボット（１０）。

【請求項7】

前記ロボットアーム（１３）は、少なくとも６自由度を備える関節アームである、請求項１～６のいずれか１項に記載の医療ロボット（１０）。

【請求項8】

前記医療ロボット（１０）が「医療器具挿入」モードで使用されているとき、前記制御装置（１２）は、前記ツールガイド（１４）のいずれの変位も防止するように構成され、及び、前記力センサー（１６）を用いて、前記制御装置（１２）は、前記医療器具（１５）にもたらされる力を決定するように構成され、前記ツールガイド（１４）は、前記制御装置（１２）からのコマンドで、前記医療器具（１５）を自動的に解放する手段を含み、及び前記制御装置（１２）は、前記医療器具（１５）にもたらされる前記力が予め決められた閾値よりも大きいとき、又は前記医療器具（１５）にもたらされる前記力の変化が、所与の期間にわたって、予め決められた閾値よりも大きいとき、前記医療器具（１５）を解放するように前記ツールガイド（１４）にコマンドを出すように構成される、請求項１～７のいずれか１項に記載の医療ロボット（１０）。

【請求項9】

前記ツールガイド（１４）は、ナビゲーションシステム（３０）によって検出され得る少なくとも１つのマーカ（１４７）を含み、及び前記制御装置（１２）は：
－ 前記ナビゲーションシステム（３０）の基準における前記ツールガイド（１４）の位置に関する第１の情報を前記ナビゲーションシステム（３０）から受信し；
－ 前記ナビゲーションシステム（３０）の前記基準における、前記ツールガイド（１４）が到達する必要がある標的位置に関する第２の情報を前記ナビゲーションシステム（３０）から受信し；
－ 前記第２の情報によって、前記医療ロボット（１０）の基準における前記標的位置を決定し；
－ 「自動制御」モードにおいて、前記施術者の介入なく、前記ロボットアーム（１３）を変位させて、前記ツールガイド（１４）を前記標的位置に到達させる
ように構成される、請求項１～８のいずれか１項に記載の医療ロボット（１０）。

【請求項10】

前記第２の情報は、前記ナビゲーションシステム（３０）の前記基準における、前記患者（２０）で前記解剖学的構造の前記関連部分の近くに位置決めされるように設計される患者基準（２２）の位置に対応し、前記患者基準（２２）は、前記ナビゲーションシステム（３０）によって検出され得る少なくとも１つのマーカ（２３）、及び少なくとも１つの放射線不透過性マーカ（２４）を含み、並びに前記制御装置（１２）は、前記患者基準（２２）の前記位置から及び医療的介入を行うために前記医療器具（１５）が辿る必要がある軌道から前記ツールガイド（１４）の前記標的位置を決定するように構成され、前記軌道は、前記患者の前記解剖学的構造の前記関連部分及び前記患者基準（２２）の前記少なくとも１つの放射線不透過性マーカ（２４）が見え得る介入前医用画像（４０）を用いて、前記患者基準（２２）の前記位置に対して規定される、請求項９に記載の医療ロボット（１０）。

【請求項11】

前記制御装置（１２）は：
－ 前記患者基準（２２）の前記位置に対する前記ツールガイド（１４）の第１の瞬間における位置を前記基準位置として記憶し；
－ 前記ツールガイド（１４）の第２の瞬間における位置と前記基準位置との差が、予め決められた閾値を下回るかどうかを決定する
ように構成される、請求項１０に記載の医療ロボット（１０）。

【請求項12】

前記ツールガイド（１４）は、前記制御装置（１２）の前記コマンドで、前記医療器具（１５）を自動的に解放する手段を含み、及び前記制御装置（１２）が前記ナビゲーションシステム（３０）から前記患者基準（２２）の予期しない変位を示す情報を受信すると、前記制御装置（１２）は、前記医療器具（１５）を解放するように前記ツールガイド（１４）にコマンドを出すように構成される、請求項１０又は１１に記載の医療ロボット（１０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

発明の分野
本発明は、医療又は外科的処置の最中に施術者を支援するためのロボット機器の分野に属する。より詳細には、本発明は、低侵襲又は経皮的な医療処置の最中に、医療器具を案内及び解放するためのツールガイドを備えるロボットアームを含む医療ロボットに関する。

【背景技術】

【0002】

従来技術
低侵襲又は経皮的な手段で行われる医療処置は、施術者による１つ又は複数の医療器具（例えば針、プローブ、カテーテルなど）の患者の体内への、標的の解剖学的領域（例えば肝臓、肺、腎臓、又は骨内の腫瘍）に到達するための所与の深さまでの挿入を必要とし得る。

【0003】

医療器具の挿入の動きが完全に施術者によって行われると、処置の結果は、施術者の力量にかなり依存する。動きの精度は、遠隔制御される医療ロボットの支援のおかげで、向上され得る。この場合も、処置の成功は、依然として、施術者の力量に部分的に依存し、及び患者の医用画像を連続的に取得する必要があり、これは、患者を大量の放射線にさらすことを伴う。

【0004】

挿入の動きの精度さらに向上させ、且つ患者への放射線量を制限するために、自動制御されるロボットアームを使用することが可能である。ロボットアームは、医療器具を案内するためのツールガイドを備え得る。施術者は、例えば介入前医用画像上で、患者の解剖学的構造の関連部分の標的領域に到達するために医療器具が辿る必要のある軌道を示し、及びロボットアームは、適所に自動的に変位されて、ツールガイドが、計画された軌道に従って医療器具を案内することを可能にする。

【0005】

施術者が、ツールガイドを患者の解剖学的構造の関連部分の方へ持って行くために、又は医療器具の（任意選択的に部分的な）挿入後にツールガイドを解放するために、ロボットアームを手動で変位させることができるようにすることが好都合である。施術者によってロボットアームが手動で変位されるとき、及びツールガイドが患者の解剖学的構造の関連部分から比較的離れているとき、ロボットアームの動きは、滑らかで反応がよい必要がある。他方で、ツールガイドが患者の解剖学的構造の関連部分の比較的近くにあるとき、ロボットアームの動きは、医療器具の挿入の位置に、正確に、及び医療器具又はツールガイドによって患者を傷つけるリスクなく、到達するために、精度をもって且つ低速で制御される必要がある。また、施術者が震えることに起因するロボットアームのガタガタする動きを回避することが必要である。

【0006】

このために、震えが存在するか又は否かを決定するために、加速度計によって、施術者によってもたらされる力についての調査を頻繁に行うことが構想され得る。しかしながら、このタイプの解決法は、実施するのが比較的複雑であり、及び医療ロボットに追加的なセンサー（加速度計）を組み込む必要がある。

【0007】

例えば、患者の体内へ医療器具を挿入している最中、ロボットアームが医療器具を案内しているときに、患者が予期しない動きを行う場合でも、処置の最中に医療器具によって患者が傷つけられることができないことを保証する措置を取ることも必要である。医療器具は、一般的に、患者が無呼吸である間に挿入される。それゆえ、医療器具がツールガイドから解放される前に呼吸運動が再開する場合に、医療器具によって患者が傷つけられることができないことを保証することも必要である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

発明の概要
本発明の目的は、特に上述したものなどの従来技術の不都合な点のうちのいくつか又は全てをなくすことである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

このために、第１の態様によれば、本発明は、患者の解剖学的構造の関連部分での医療処置の最中に、施術者を支援するための医療ロボットを提案する。医療ロボットは、医療器具を案内するように設計されるツールガイドを遠位端部に含むロボットアームを含む。医療ロボットはまた、ロボットアームの変位を制御するように構成される制御装置を含む。ツールガイドは力センサーに結合される。医療ロボットが「協調手動制御」モードにおいて使用されるとき、制御装置は、力センサーによって、施術者によってツールガイドにもたらされる力を決定し、且つそのように決定された力に用いられる利得係数に従って、ツールガイドの変位の速度を計算するように構成される。好都合なことに、前記利得係数の値は可変であり、及び施術者によってツールガイドにもたらされる力に従って計算される。制御装置は、そのように計算された速度に従って、ロボットアームの変位を制御するように構成される。

【0010】

それゆえ、施術者は、ロボットアームの端部に固定されているツールガイドに手で力をもたらすことによってロボットアームを変位させる。力センサーは、制御装置が、施術者によってもたらされる力に従ってロボットアームの変位の速度を制御することを可能にする。実際、ツールガイドの変位の速度は、施術者によってツールガイドにもたらされる力に利得係数を用いることによって計算される。施術者によってツールガイドにもたらされる力は、例えば、フィルタリング、ノイズ低減、ツールガイドの重量の補償、ツールガイドの基準点への位置移動（transposition）などを含み得る一連の動作による、力センサーによって測定される力及びモーメントに基づいて、制御装置によって決定される。施術者によってツールガイドにもたらされる力が大きいほど、制御装置によって計算されるツールガイドの変位の速度は速くなる。それゆえ、ツールガイドが患者から比較的離れており、及び施術者がツールガイドにかなりの力をもたらすとき、ロボットアームは、迅速に、滑らかに、及び反応よく変位される。他方で、ツールガイドが患者の体に近いために、施術者がツールガイドにわずかな力をもたらすとき、ロボットアームは、低速で変位されて、精度及び安全性を保証するようにする。

【0011】

さらに、以下に説明するように、利得係数が、施術者によってツールガイドにもたらされる力に従って変化することによって、施術者による震えによって発生する、ロボットアームの変位においてガタガタすることを回避することを可能にする（震えは、高周波数で変化する低振幅の力に対応する）。

【0012】

例えば、利得係数は、施術者によってツールガイドにもたらされる力が最小値Ｆ_ｍｉｎと最大値Ｆ_ｍａｘとの間で変化するときに、この力によって線形的に変化する。

【0013】

特定の実施形態では、本発明はまた、以下の特性のうちの１つ以上を、個別に取られて又は技術的に可能な全ての組み合わせに従って、含み得る。

【0014】

特定の実施形態では、利得係数は、制御装置によって実施される比例・積分・微分補正器の比例パラメータに対応する。

【0015】

制御ループを用いて、制御装置は、施術者によってもたらされる力を相殺することを意図する、ツールガイドの変位の速度を計算する。このために、ＰＩＤ補正器が使用され得る。ＰＩＤは、比例、積分、微分の頭字語である。業界で一般に使用されているのは、閉ループ制御システムである。実際、本発明は、施術者によってもたらされる低振幅の力によって発生した動きは、震えを含むであろうという仮説に基づいている。それゆえ、提案される解決法は、震えを検出するために、頻繁な分析を必要としない。この仮説を採用することによって、問題を単純化し且つＰＩＤ補正器を使用することが可能になる。

【0016】

特定の実施形態では、制御装置はまた、少なくとも１つの方向においてツールガイドの変位を防止するように構成される。

【0017】

用語「方向」は、ツールガイドが組み込まれる三次元基準系（ｘ，ｙ，ｚ）における、ツールガイドの自由度に対応する。この方向は、特に、軸ｘ、ｙ若しくはｚのそれぞれに沿った移動、又はこれらの軸のそれぞれの周りでの回転とし得る。

【0018】

このタイプの配置構成は、例えば、患者の体内へ医療器具を部分的に又は全体的に挿入した後に及びツールガイドから医療器具を解放した後に、ロボットアームが解放されるときにツールガイドが医療器具と衝突するのを防止するために、ロボットアームの変位を制御することを可能にする。

【0019】

特定の実施形態では、制御装置はまた、ツールガイドの変位を、例えばツールガイドの主軸に対応する単一方向に制限するように構成される。

【0020】

このタイプの配置構成は、例えば、ロボットアームを、医療器具が挿入された位置に対応する位置に持って行くために、ロボットアームの変位を制御することを可能にする。

【0021】

特定の実施形態では、利得係数の値は：
［数１］

【数1】

（式中、Ｇ（ｆ）は、利得係数であり；Ｋは、定数であり；｜ｆ｜は、施術者によってツールガイドにもたらされる、力センサーを用いて制御装置によって決定される力であり；Ｆ_ｍｉｎ及びＦ_ｍａｘは、施術者によってもたらされる力の最小値及び最大値にそれぞれ対応する）
であるように定義される。｜ｆ｜、Ｆ_ｍｉｎ及びＦ_ｍａｘは、力の基準（ニュートンで測定される力の強さ）に対応する。以下、説明では、別段の指示がない限り、施術者又は医療器具によってもたらされる「力」に言及するとき、これは、幾分不正確に、「力の強さ」を意味する。例として、Ｆ_ｍｉｎは２Ｎに等しく、及びＦ_ｍａｘは６０Ｎに等しい。

【0022】

特定の実施形態では、制御装置は、ツールガイドの現在の位置とツールガイドが到達する必要がある標的位置との間の距離に従って、ツールガイドの変位の速度を計算するように構成される。

【0023】

特に、このタイプの配置構成は、ツールガイドがその標的位置に接近するときに、ツールガイドのアプローチの速度をさらに制限することを可能にして、医療器具が患者の解剖学的構造の関連部分に近いときの精度及び安全性を高める。

【0024】

特定の実施形態では、ロボットアームは、少なくとも６自由度を有する関節アームである。

【0025】

ロボットアームにおいて少なくとも６自由度を使用することは、ツールガイドが空間内の任意の位置に到達できるようにすることを保証することを可能にする。さらに、医療器具が軸対称性を持っている場合（例えば医療器具が針である場合）、医療器具の対称軸の周りで回転を行う必要がないため、５自由度で十分である。この追加的な自由度は、冗長性のある状況にすること、及び所与の位置に対してロボットアームが無限の取り得る形態を有することを可能にする。これは、施術者が、例えば処置室につきものの制約（医療スタッフが利用可能な空間、障害物の存在、いずれかのナビゲーションシステムによるツールガイドの視認性など）に従ってロボットアームの最適な形態を選択できるため、ある程度の柔軟性をもたらす。

【0026】

特定の実施形態では、医療ロボットが「医療器具挿入」モードで使用されているとき、制御装置は、ツールガイドのいずれの変位も防止し、及び、力センサーを用いて、医療器具にもたらされる力を決定するように構成される。ツールガイドは、制御装置からのコマンドで、医療器具を自動的に解放するための手段を含む。制御装置は、医療器具にもたらされる力が、予め決められた閾値よりも大きいとき、又は医療器具にもたらされる力の変化が、所与の期間にわたって、予め決められた閾値よりも大きいとき、医療器具を解放するようにツールガイドにコマンドを出すように構成される。

【0027】

このタイプの配置構成は、医療器具の挿入フェーズ中（すなわち、医療器具が、患者の体内へのその挿入を案内するためにツールガイドに保持されているとき）、例えば患者が、患者が無呼吸であるべき間に呼吸運動する結果、医療器具に予期しない力をもたらす場合に、医療器具をすぐに解放することを可能にする。

【0028】

特定の実施形態では、ツールガイドは、ナビゲーションシステムによって検出され得る少なくとも１つのマーカを含み、及び制御装置は：
－ 前記ナビゲーションシステムから、ナビゲーションシステムの基準におけるツールガイドの位置に関する第１の情報を受信し；
－ 前記ナビゲーションシステムから、ナビゲーションシステムの基準における、ツールガイドが到達する必要がある標的位置に関する第２の情報を受信し；
－ 第２の情報を用いて、医療ロボットの基準における標的位置を決定し；
－ 「自動制御」モードにおいて、施術者の介入なく、ロボットアームを変位させて、ツールガイドが標的位置に到達するようにする
ように構成される。

【0029】

このタイプの配置構成は、ロボットアームを自動的に及び正確に変位させて、ツールガイドを、外科的処置を行うために医療器具が患者の体内へ挿入され得る標的位置へ持って行くことを可能にする。

【0030】

特に、ツールガイドの標的位置は、介入前医用画像で計画された、医療器具が辿る必要がある軌道に従って決定され得る。このために、特定の実施形態では、第２の情報は、ナビゲーションシステムの基準における、患者の解剖学的構造の関連部分の近くに位置決めされることが意図される患者基準の位置に対応する。患者基準は、ナビゲーションシステムによって検出され得る少なくとも１つのマーカ、及び少なくとも１つの放射線不透過性マーカを含む。軌道は、患者の解剖学的構造の関連部分及び患者基準の放射線不透過性マーカが見え得る介入前医用画像を用いて、患者基準の位置に対して規定される。制御装置は、患者基準の位置から及び計画された軌道から、ツールガイドの標的位置を決定するように構成される。

【0031】

特定の実施形態では、制御装置は：
－ 基準位置として、患者基準の位置に対するツールガイドの第１の瞬間における位置を記憶し；
－ ツールガイドの第２の瞬間における位置と基準位置との差が、予め決められた閾値を下回るかどうかを決定する
ように構成される。

【0032】

このタイプの配置構成は、例えば、医療器具を部分的に挿入した後、医療器具が好適に挿入されたかどうかを検証するために医用画像を取得できるようにするために、ロボットアームが解放される必要があり、その後、ロボットアームは、例えば医療器具の挿入を終わらせるために、医療器具が挿入された初期位置に運ばれる必要がある状況において、特に好都合である。

【0033】

特定の実施形態では、ツールガイドは、制御装置のコマンドで、医療器具を自動的に解放する手段を含む。制御装置は、患者基準の予期しない変位を示す情報をナビゲーションシステムから制御装置が受信するとき、医療器具を解放するように、ツールガイドにコマンドを出すように構成される。

【0034】

それゆえ、患者の体内へ医療器具を挿入している最中に、患者が予期しない動きを行うときに、医療器具によって、患者を傷つけることを回避することが可能である。

【0035】

図面の提示
本発明は、非限定的な例として提供され、及び図１～９を参照して提示される以下の記載を読むことによって、よりよく理解される。

【図面の簡単な説明】

【0036】

【図1】患者の解剖学的構造の関連部分での医療処置の最中に施術者を支援するための、本発明による医療ロボットの概略図である。

【図2】医療ロボットのロボットアームの概略図である。

【図3】ロボットアームの端部に固定されるように設計されるツールガイドの概略図である。

【図4】ツールガイドの端部で医療器具を保持するための機器を示す、ツールガイドの図である。

【図5】ツールガイドでの医療器具の位置決め、並びにナビゲーションシステムによって検出され得るマーカを示す、ツールガイドの図である。

【図6】患者で解剖学的構造の関連部分の近くに位置決めされるように設計される患者基準の概略図である。

【図7】本発明による医療ロボットとナビゲーション機器との協働の図である。

【図8】特に、速度が、もたらされる力に用いられる定数の利得係数に従って定義される場合に、施術者によってツールガイドにもたらされる力に従ってツールガイドが受ける速度及び加速度を表すグラフからなる。

【図9】もたらされる力に従って利得係数が変化する状態で、速度が、もたらされる力に用いられる可変の利得係数に従って定義される場合に、図８に表すものと同様のグラフからなる。

【発明を実施するための形態】

【0037】

これらの図面では、図面毎に同一の参照符号は同一又は類似の要素を指す。明確にするために、示されている要素は、そのように述べている場合を除いて、必ずしも同じ縮尺ではない。

【0038】

発明の実施形態の詳細な説明
図１は、本発明による医療ロボット１０を概略的に示す。医療ロボット１０は、処置台２１に位置決めされた患者２０の解剖学的構造の関連部分での医療処置の最中に、施術者を支援するために使用され得る。

【0039】

非限定的な例としては、低侵襲又は経皮的な手段によって行われる医療処置で使用される場合である。このタイプの処置は、一般的に、施術者による、患者の体内への、解剖学的構造の関連部分にある標的の解剖学的領域（例えば肝臓、肺、腎臓などにある腫瘍）に到達するために所与の深さまでの１つ以上の医療器具（例えば針、プローブ、カテーテルなど）の挿入を必要とする。

【0040】

医療ロボット１０はベース１１を含む。考えられる例では、医療ロボット１０のベース１１は電動車輪を備え、これにより、医療ロボット１０が、移動及び／又は回転の動きによって異なる方向に変位されることを可能にする。

【0041】

医療ロボット１０はまた関節ロボットアーム１３を含み、その一方の端部はベース１１に接続される。ロボットアーム１３の他方の端部には、例えば、針、プローブ、カテーテル、電極などのような医療器具１５を案内するように設計されるガイドツール１４が固定される。それゆえ、医療ロボット１０は、医療処置の最中に、施術者が、医療器具１５を位置決め、保持、又は案内するのを助けるために使用され得る。それゆえ、医療ロボット１０は、施術者の第３の手の一翼を担う。

【0042】

図２に示す考えられる例では、ロボットアーム１３は、６個のスイベル関節１３１～１３６を含み、６自由度をもたらし、三次元空間の任意の位置へ医療器具１５を位置決めする及び／又は変位させるのを可能にする。好都合なことに、ロボットアーム１３の関節１３１～１３５は、位置合わせされておらず、互いにオフセットされており、それにより、ロボットアーム１３の取り得る形態をより多数に可能にする。各関節は、リアルタイムでその角度位置を決定することを可能にする少なくとも１つのエンコーダを含む。それゆえ、ロボットアーム１３の形態は、関節１３１～１３６によって取られる一連のパラメータの値（例えば、各関節に関する回転の角度の値）に対応する。スイベル関節１３６は、ツールガイド１４の主軸の周りでの回転に対応する。しかしながら、必ずしも、医療器具の対称軸の周りで回転を行うわけではないことに留意されるべきである（実際、医療器具を案内及び解放するためには５自由度で十分である）。この追加的な自由度によって、冗長性のある状況を可能にし、及びツールガイド１４の所与の位置に対し、ロボットアーム１３の無限の取り得る形態を有すること可能にする。この冗長性のある状況は、患者の位置又は処置室の形態に関連する制約に適応するために、特に好都合である。

【0043】

図３に示すように、ツールガイド１４は、フランジ１７を用いてロボットアーム１３に固定される。ツールガイドは、図３において破線で表されている主軸１４５を含む。ツールガイド１４は、ツールガイド１４にもたらされる力を制御装置１２が決定できるようにするために、力センサー１６に結合される。この力は、特に、施術者がロボットアーム１３を手動で変位させるときに、施術者によってもたらされ得る。この力はまた、患者の体によって（例えば、医療器具を挿入している最中の患者の偶然の動きの結果として）医療器具１５を介してツールガイド１４にもたらされる力に対応し得る。

【0044】

力センサーは、力センサー１６が受ける、力とモーメントの結果に対応する総合力（施術者によってもたらされる力だけでなく、ツールガイド１４の重量、医療器具１５の重量なども含む）を測定することを可能にすることに留意されるべきである。制御装置は、力センサー１６が受ける力とモーメントの結果に従って、施術者によってツールガイド１４にもたらされる力を決定するように構成される。このために、例えば、総合力から、ツールガイド１４の重量に対応する力（この力は、器具がツールガイド１４によって保持されている場合は医療器具１５の重量に対応する）、測定点とツールガイドの重心との間の差に起因するトルク、及び／又は測定ノイズに関連付けられる何らかの補正を引くことが必要である。力センサー１６によって行われた測定にフィルタリングを実施することも構想され得る。

【0045】

図４及び図５に示すように、ツールガイド１４は、ねじ１４３を用いてフランジ１７に固定されるように設計されるベース１４２、並びに互いに対して可動である２つの部分を含む保持システム１４６を備える、本体１４１を含む。保持システム１４６は、ベース１４２に対向するツールガイド１４の本体１４１の端部において、医療器具１５を保持するように設計される。保持システム１４６の２つの可動部分は、駆動システム、例えば歯車、カム、逆ねじ（inverted threads）を備えるねじ、及び／又は線形アクチュエータによって駆動され得、医療器具１５をブロック又は解放し得る。線形アクチュエータは、可逆的とし得るか（そのため、ツールガイド１４の保持システム１４６は、手動で若しくは制御装置１２からのコマンドで、自動的に開放され得る）、又は不可逆的とし得る（ツールガイド１４の保持システム１４６は、制御装置からのコマンドで、自動的にのみ開放され得る）。ツールガイド１４は、例えば異なる直径の医療器具を案内することを可能にされる。例えば、このタイプのガイドは、医療器具を案内することを可能にし、その直径は、１１～２１ゲージである。ゲージは、針、プローブ又はカテーテルなどの医療器具の外径を規定するために一般に使用される測定単位である（１１ゲージは、外径２．９４６ｍｍに対応する；２１ゲージは、外径０．８１２ｍｍに対応する）。

【0046】

図１に示すように、医療ロボット１０は、ロボットアーム１３の変位を制御するように構成される制御装置１２を含む。制御装置１２は、例えば１つ以上のプロセッサー１２２及びメモリ１２１（磁気ハードディスク、電子メモリ、光ディスクなど）を含み、そこに、ロボットアーム１３を位置決めするための方法の異なるステップを実施するために実行される１組のプログラムコード命令の形でコンピュータプログラム製品が記憶されている。

【0047】

図７に示すように、ナビゲーションシステム３０が、医療ロボット１０の制御装置１２にツールガイド１４の現在の位置及びツールガイドが到達する必要がある標的位置に関する情報を提供するために、使用され得る。提供される現在の位置及び標的位置は、例えば、初めにナビゲーションシステム３０の基準において規定され、その後、制御装置１２によって、医療ロボット１０の基準における位置に変換される。そのため、制御装置は、標的位置に到達するように、ロボットアーム１３を自動的に変位させるように構成され得る（いわゆる「自動制御」モードにおいて、施術者による介入なしに）。ナビゲーションシステム３０及び医療ロボット１０の制御装置１２は、（有線又は無線）通信手段によってデータを交換し得る。

【0048】

本出願では、用語「位置」は、一般的に三次元座標系である所与の基準における対象の位置と向きの組み合わせに対応する。用語「ポーズ」は、空間内での対象の位置と向きのこの組み合わせを表すために、アングロサクソン語の文献で使用される。

【0049】

考えられる例では、ナビゲーションシステム３０は光学ナビゲーションシステムである。ナビゲーションシステム３０は、例えば、赤外線照射野又は可視光照射野で動作する立体カメラの２つのセンサーに対応する、少なくとも２つの光学センサー３１を含む。

【0050】

図４及び図５に示すように、ツールガイド１４は、光学マーカ１４７を受け入れるように設計されるスタッド１４４を含む。好都合なことに、ツールガイド１４は、ナビゲーションシステム３０の基準系の３つの空間次元でツールガイド１４の位置が決定され得るように、少なくとも３つの光学マーカ１４７を含む。ツールガイドの光学マーカ１４７の互いに対するそれぞれの位置は、ナビゲーション機器３０及び／又は制御装置１２によって直観的に（a priori）分かる。好都合なことに、各光学マーカ１４７の幾何学的形態も直観的に分かり得る。図５に示す例では、光学マーカ１４７は球形を有する。

【0051】

少なくとも３つの光学マーカ１４７を使用することによって、平面、それゆえ、平面に対して垂直である軸ｚ並びに平面上に軸ｘ及びｙを備え、基準が直交となるようにする、正規直交三次元基準（direct orthonormal three-dimensional reference）を規定することを可能にする。それゆえ、これは、ツールガイド１４を表す光学マーカ１４７から形成された基準の位置及び向きを決定することを可能にする。３つの軸ｘ、ｙ及びｚは、６自由度、すなわち軸ｘ、ｙ又はｚのそれぞれに沿った移動、及びこれらの軸のそれぞれの周りでの回転を規定することを可能にする。

【0052】

光学マーカ１４７は、パッシブ又はアクティブとし得る。パッシブ光学マーカは、例えば、ナビゲーションシステム３０などの別の要素が発する光放射を反射する。パッシブ光学マーカは、例えば、赤外線立体カメラによって検出され得る反射球（例えば、Northern Digital Inc．社によって生産されている、Polaris（登録商標）ナビゲーションシステムにおいて使用されているものである）、又は立体カメラによって見える白黒パターン（例えば、ClaroNav社によるMicronTracker（登録商標）ナビゲーションシステムにおいて使用されているものである）に対応し得る。アクティブ光学マーカは、それら自体が光放射、例えば赤外線放射を発し、それがナビゲーションシステム３０によって検出され得る。

【0053】

図７に示すように、ツールガイド１４上に存在するマーカ１４７のアセンブリは、ロボット基準１８に対応する。

【0054】

しかしながら、三次元において特徴のある幾何学的形態を備える単一の光学マーカが、球状の光学マーカ１４７のアセンブリの代わりに使用され得ることに留意されるべきである。

【0055】

患者基準２２が、患者２０の、解剖学的構造の関連部分の近くに位置決めされる。図６は、患者基準２２を概略的に示す。患者基準２２は、少なくとも３つの光学マーカ２３を含み、患者基準２２の位置が、ナビゲーションシステム３０の基準系の３つの空間次元で決定され得るようにする。患者基準２２の光学マーカ２３の互いに対するそれぞれの位置は、ナビゲーションシステム３０及び／又は制御装置１２によって直観的に分かる。好都合なことに、各光学マーカ２３の幾何学的形態も、直観的に分かり得る。図６に示す例では、患者基準２２は、球形の３つの光学マーカ２３を含む。球形は、光放射の反射を最適にすることを可能にする。ツールガイド１４のアクティブ又はパッシブ型の光学マーカ１４７に対して以前に与えられた説明は、患者基準２２の光学マーカ２３にも当てはまる。この場合も、三次元において特徴のある幾何学的形態を備える単一の光学マーカが、３つの球状の光学マーカ２３の代わりに使用されることが構想され得る。

【0056】

以下の説明では、何ら限定ではない例として、ナビゲーションシステム３０の光学センサー３１及び異なる光学マーカ１４７、２３が、赤外線タイプの光放射で動作するように設計されることが考えられる。光学マーカ１４７、２３がパッシブマーカであることも考えられる。光学センサー３１は、赤外線放射を発するように構成される。この赤外線放射は、異なる光学マーカ１４７、２３によって、光学センサー３１の方へ向かって反射される。光学センサー３１は、この反射された赤外線放射を受けるように構成される。そのため、ナビゲーションシステム３０は、光学センサー３１と光学マーカ１４７、２３との間を行って戻ってくるまでの距離を完了するのに赤外線が費やした時間を測定することによって、前記光学マーカ１４７、２３と前記光学センサー３１との間の距離を決定し得る。各光学マーカ１４７、２３と各光学センサー３１との間の距離が分かることによって、並びにツールガイド１４及び患者基準２２での光学マーカ１４７、２３の互いに対する配置構成が直観的に分かることによって、ナビゲーションシステム３０の基準系においてツールガイド１４及び患者基準２２の位置を決定することが可能である。

【0057】

ツールガイド１４が到達する必要がある標的位置は、特に患者基準２２の位置から規定され得る。このために、図６に示すように、患者基準２２はまた、放射線不透過性マーカ２４を含み、これらマーカは、医学的な画像化装置（medical imagery device）によって（例えば断面デンシトメトリー（tomodensitometry）によって、磁気共鳴によって、超音波によって、断層撮影法によって、位置の放射によってなど）取得された医用画像で見える。放射線不透過性マーカ２４の互いに対するそれぞれの位置は、ナビゲーション機器３０及び／又は制御装置１２によって直観的に分かる。好都合なことに、放射線不透過性マーカ２４の幾何学的形態も直観的に分かり得る。好ましくは、患者基準２２は、少なくとも３つの放射線不透過性マーカ２４を含む。放射線不透過性マーカ２４は、例えば、セラミックボールとし得る。しかしながら、三次元において特徴のある幾何学的形態を備える単一の放射線不透過性マーカが３つの球状の放射線不透過性マーカ２４の代わりに使用され得ることに留意すべきである。

【0058】

それゆえ、患者基準２２を備える患者の介入前医用画像４０から医療処置を計画することが可能である。この介入前医用画像４０は、制御装置１２のメモリ１２１に記憶される。それゆえ、介入前医用画像４０から、医療処置を実施するために医療器具１５を案内するために、ツールガイド１４が選ぶ必要がある標的位置を規定することが可能である。計画は、介入前画像４０での、患者２０の皮膚の入口点と患者２０の解剖学的構造の関連部分内にある標的点（例えば腫瘍）との間で、医療器具１５（例えば針）が辿る必要がある軌道４１の決定を含む。図７の基準４２は、患者基準２２の放射線不透過性マーカ２４のアセンブリを表し、それらマーカは、介入前画像４０で見え得る（それゆえ、これは、介入前画像４０での患者基準２２の像を表す）。それゆえ、軌道４１を辿ることを可能にするツールガイド１４の標的位置は、患者基準２２の位置に対して規定され得る。

【0059】

軌道の決定はまた、処置の数日前に取得された術前画像（その画像は、患者が患者基準を備えていない状態で取得される）で実施され得ることに留意されるべきである。そのため、術前画像は、軌道に対する患者基準２２の相対的な位置を得るために、患者基準が見え得る介入前画像４０で再設定され得る。

【0060】

該当する例では、ナビゲーションシステム３０は、医療ロボット１０の制御装置１２に、ナビゲーションシステム３０の基準におけるツールガイド１４の現在の位置を提供するように構成される。しかしながら、医療ロボット１０の制御装置１２は、医療ロボット１０の基準系におけるツールガイド１４の現在の位置が分かる（関節１３１～１３６のエンコーダを介して）。それゆえ、制御装置１２は、ナビゲーション機器３０の基準系における位置から医療ロボット１０の基準系における位置を規定するために実行するための変換を決定し得る。ナビゲーションシステム３０はまた、医療ロボットの制御装置１２に、ナビゲーションシステム３０の基準における患者基準２２の位置を提供するように構成される。それゆえ、制御装置１０は、医療ロボット１０の基準系における患者基準２２の位置を規定し得る。しかしながら、介入前画像４０のおかげで、医療ロボット１０の制御装置１２は、患者基準２２の位置に対する、ツールガイド１４が到達する必要がある標的位置の位置が分かる。それゆえ、制御装置１２は、ナビゲーションシステム３０によって提供された情報から、ツールガイド１４が到達する必要がある標的位置を決定し得る。それゆえ、制御装置１２は、標的位置に到達するようにロボットアーム１３を自動的に変位させるように構成され得る（いわゆる「自動制御」モードにおいて、施術者の介入なく）。

【0061】

ロボットアーム１３の変位は、例えば、医療ロボット１０のユーザインタフェースでの制御モードの選択、及び制御ペダル１９によって選択されるモードの起動次第である。

【0062】

いわゆる「協調手動制御」モードは、施術者自身がロボットアーム１３を手動で変位させ得るが、ロボットアーム１３の変位の制御は、制御装置１２によるモードに対応する（ロボットアーム１３の変位の速度及び／又は取り得る方向を制限するために）。

【0063】

いわゆる「自動制御」モードは、ロボットアーム１３が制御装置１２によって完全に制御されるモードに対応する。それゆえ、ロボットアーム１３は、施術者が介入せずに、自動的に変位される。

【0064】

複数の「協調手動制御」モードが存在する。

【0065】

いわゆる「アプローチ協調手動制御」モードは、例えば、施術者がロボットアーム１３を変位させて、患者の解剖学的構造の関連部分に比較的近いアプローチ位置１０１の方へガイドツール１４を持って行き、且つロボットアーム１３が、ナビゲーションシステム３０の視野に入るようにするモードに対応する。このモードでは、施術者によってロボットアーム１３にもたらされる力に従ってロボットアーム１３の変位の速度を制御することが好都合である。このモードでは、ロボットアーム１３の変位は、一般的に、全ての方向に許される。

【0066】

そのため、ロボットアームは、アプローチ位置１０１から挿入位置１０２へ自動的に変位され得る（「自動制御」モードにおいて）。挿入位置１０２は、医療器具１５が、計画された軌道を辿ることができるようにするために、ツールガイド１４が位置決めされる必要がある標的位置に対応する。

【0067】

いわゆる「解放協調手動制御」モードは、例えば、患者２０の体内への医療器具１５の部分的な挿入後に、医療器具１５がツールガイド１４の保持機器１４６から解放され得、及びロボットアーム１３が施術者によって挿入位置１０２から解放位置１０３の方へ向かって手動で解放され得るモードに対応する。このタイプの配置構成は、医療器具１５の部分的な挿入後に対照医用画像（control medical image）を生み出すために（例えば、医療器具が辿った軌道が、計画された軌道に対応していることを確認するために）、患者２０を動かすことを可能にする。このモードでは、少なくとも１つの方向においてツールガイド１４の変位を防止するようにロボットアーム１３を制御するように制御装置１２を構成すること、又はツールガイド１４の主軸１４５に対応する単一方向に従ってツールガイド１４の変位を制限する（解放方向は、ツールガイド１４の主軸１４５を、保持機器１４６からベース１４２へ向かって行く方向に辿る）ことが好都合とし得る。特定の実施形態によれば、「解放協調手動制御」モードが起動されると、制御装置１２は、患者基準２２の位置に対するツールガイド１４の現在の位置を基準位置として記憶するように構成される。それゆえ、基準位置は、「解放協調手動制御」モードが起動される第１の瞬間ｔ_１のツールガイド１４の位置である。

【0068】

いわゆる「リターン協調手動制御」モードは、例えば、対照画像を生じた後、「解放協調手動制御」モードが選択されたときに記録された基準位置をツールガイド１４が取り戻すように、ロボットアーム１３が施術者によって手動で変位されるモードに対応する。この基準位置は、挿入位置１０２（ツールガイド１４が到達する必要がある標的位置）に対応する。それゆえ、「リターン協調手動制御」モードは、医療器具１５の挿入を終わらせるために、ツールガイド１４を解放位置１０３から挿入位置１０２へ持って行くために使用される。その変位では、ツールガイド１４は、挿入位置１０３の範囲を越えないことが重要である（換言すると、ツールガイド１４は、挿入を終わらせるための正しい位置に運ばれないことがあるため、部分的に挿入された医療器具とツールガイド１４との間に衝突もある）。ツールガイド１４の主軸１４５に沿った方向にツールガイド１４の変位を制限するようにロボットアーム１３を制御することが好都合とし得る（リターン方向は、ツールガイド１４の主軸１４５を、ベース１４２から保持機器１４６の方へ向かって行く方向に辿る）。さらに、ツールガイド１４の現在の位置とツールガイド１４が到達する必要がある標的位置（記録された基準位置に対応する）との間の距離に従ってツールガイド１４の変位の速度を制御するように制御装置１２を構成することが好都合とし得る。それゆえ、第２の瞬間ｔ_２では、制御装置１２は、第２の瞬間ｔ_２におけるツールガイドの位置と基準位置（第１の瞬間ｔ_１におけるツールガイド１４の位置）との間の差を計算するように構成される。ツールガイド１４の変位の速度は、計算された距離が短いほど（すなわち、ツールガイド１４がその標的位置に近いほど）、標的位置に到達するときのゼロ速度に到達するまで、変位の速度が低くなるように、制御される。制御装置１２は、ツールガイド１４が到達する位置と基準位置との間の差が、予め決められた閾値を下回るかどうかを決定するように構成される。この場合には、標的位置に到達したと考えられる。ツールガイド１４の位置は、患者基準２２位置の位置に対して規定されることが留意されるべきである。標的位置に到達したら、施術者は、医療器具１５の挿入を終わらせ得る。予め決められた閾値は、例えば１ｍｍ、又は０．１ｍｍ、又はさらには０．０３ｍｍに等しい。

【0069】

「協調手動制御」モードが起動されると、施術者は、ツールガイド１４に手で力をもたらすことによってロボットアーム１３を変位させる。しかしながら、ロボットアーム１３の変位は、力制御（ツールガイド１４の変位の速度の制御）及び位置制御（ツールガイド１４の変位の方向の制御）をもたらす制御装置１２によって、制御される。

【0070】

力制御は、アドミッタンスによる制御法則によって管理される。ツールガイド１４の変位の速度は、制御装置１２によって制御される。ツールガイド１４の変位の速度は、施術者によってツールガイド１４にもたらされる力に従って計算され、前記力は、力センサー１６を用いて制御装置によって決定される。

【0071】

より具体的には、そのように決定された力は、制御ループの入力データに対応する。この制御ループの出力データは、ツールガイド１４の変位のデカルト速度である。制御ループは、例えば、１２５Ｈｚの周波数で動作される（この場合、ツールガイド１４の変位の速度の値は、８ｍｓ毎に更新される）。

【0072】

制御装置１２は、ツールガイド１４の変位の速度を計算し、施術者によってツールガイドにもたらされる力を相殺することを可能にする。換言すると、現時点で（制御ループの各反復において）決定されるこの力の値と、必要とされる力の値（ゼロの力）との間の差（エラーとしても知られる）は、決定される力と等しい。制御ループのアルゴリズムは変位の速度を規定するように設計され、これは、エラーをゼロにする傾向がある。このエラーを補正するために、ＰＩＤ補正器が使用され得る（ＰＩＤは、「比例、積分、微分（proportional、integral、Derivative）」の頭字語である。業界で一般に使用されているのは閉ループ制御システムである）。エラー（すなわち、決定される力と必要とされる力との差）は、ＰＩＤ補正器の入力データであり、ＰＩＤ補正器は、出力として速度を提供して、ゼロの傾向があるエラーを得ることを可能にする。

【0073】

以下、単純にするために、ＰＩＤ補正器の「比例」部分のみを考慮する。換言すると、「積分」部分及び「微分」部分がゼロであったかのようにする。

【0074】

ツールガイド１４の変位の速度は、決定される力に利得係数を用いることによって、計算される：
［数２］
｜ｖ｜＝Ｇ×｜ｆ｜
（式中、Ｇは、利得係数であり、｜ｆ｜は、制御装置によって決定される力（施術者によってツールガイド１４にもたらされる力）であり、及び｜ｖ｜は、ツールガイド１４の変位の速度である）
利得係数Ｇは、ＰＩＤ補正器の「比例」部分の利得係数に対応する。

【0075】

換言すると、施術者によってツールガイド１４にもたらされる力が大きいほど、制御装置１２によって計算されるツールガイド１４の変位の速度は速くなる。それゆえ、ツールガイド１４が患者から比較的離れており、及び施術者がツールガイド１４にかなりの力をもたらすとき、ロボットアーム１３は、急速に、滑らかに、及び反応よく変位される。他方で、ツールガイド１４が患者の解剖学的構造の関連部分に近いために、施術者がツールガイド１４に低振幅の力をもたらす場合、ロボットアーム１３は低速で変位されて、精度及び安全性を保証する。

【0076】

しかしながら、ツールガイド１４が患者の解剖学的構造の関連部分に比較的近いとき、ツールガイド１４の動きは、医療器具の挿入位置１０２に正確に到達するために、精度をもって及び低速で制御される必要がある。それゆえ、施術者による震えに起因するロボットアーム１３のガタガタする動きを回避することが必要である。このために、利得係数の値は、施術者によってツールガイドにもたらされる力に従って変化するように規定される。例えば、利得係数は、この力が最小値Ｆ_ｍｉｎと最大値Ｆ_ｍａｘとの間で変化するとき、この力と共に線形的に変化する。利得係数Ｇ（ｆ）の値は、以下の通り定義され得る：
［数１］

【数2】

（式中、Ｋは、定数であり、｜ｆ｜は、制御装置によって決定される力（施術者によってツールガイド１４にもたらされる力）であり、並びにＦ_ｍｉｎ及びＦ_ｍａｘは、施術者によってもたらされ得る力の最小値及び最大値にそれぞれ対応する）
ゲインは、｜ｆ｜がＦ_ｍａｘよりも大きい場合、定義されない：｜ｆ｜がＦ_ｍａｘよりも大きいとき、速度は、最高速度Ｖ_ｍａｘに設定された上限を有する。｜ｆ｜がＦ_ｍｉｎよりも小さい場合、ゲインはゼロである：力｜ｆ｜がＦ_ｍｉｎよりも小さい場合、速度はゼロである。

【0077】

施術者によってツールガイドにもたらされる力に従って利得係数が変化することは、施術者による震えによって発生する、ロボットアーム１３の変位においてガタガタすることを回避することを可能にする（震えは、高周波数によって変化する低振幅の力に対応する）。施術者によってツールガイドにもたらされる力に従う利得係数の可変性は、ツールガイド１４が患者の解剖学的構造の関連部分に近いときに、ツールガイド１４の変位において、精度及び安全性を保証することを可能にする。さらに、利得係数のこのタイプの定義は、施術者によってツールガイドにもたらされる力がＦ_ｍｉｎとＦ_ｍａｘとの間で変化するときに、ツールガイド１４の変位の速度の連続性を可能にする。

【0078】

式の数２を参照して説明したものの代替例として、ツールガイド１４の変位の速度はまた、以下の形で計算され得る：
［数３］
｜ｖ｜＝Ｇ×（｜ｆ｜－Ｆ_ｍｉｎ）

【0079】

図８及び図９は、これについてより詳細に説明している。図８は、制御装置によって決定される、施術者によってツールガイドにもたらされる力が、Ｆ_ｍｉｎとＦ_ｍａｘとの間で変化するときに、利得係数Ｇが定数である場合に対応する。図９は、決定される力に従って利得係数が変化する場合に対応する（Ｇは、式の数１におけるように定義される）。図８及び図９のそれぞれは、４つのグラフを含む。図８及び図９の部分ａ）のグラフは、決定される力（｜ｆ｜）に従うツールガイド１４の変位の速度（｜ｖ｜）を表す。図８及び図９の部分ｂ）のグラフは、決定される力（｜ｆ｜）に従ってツールガイド１４が経験する加速度（｜ａ｜）を表す。図８及び図９の部分ｃ）のグラフは、高周波数で変化する低振幅の力（震えによるゆっくりとした動き）で、施術者がツールガイド１４を変位させるときの、時間（ｔ）ベースで決定される力（｜ｆ｜）を表す。図８及び図９の部分（ｄ）のグラフは、決定される力が、部分ｃ）のグラフで示すように変化する（震えによるゆっくりとした動き）ときの、ツールガイド１４が時間（ｔ）ベースで経験する加速度（｜ａ｜）を表す。

【0080】

図８に対応するシナリオでは、決定される力がＦ_ｍｉｎとＦ_ｍａｘとの間で変化するときに、利得係数Ｇは一定である。決定される力がＦ_ｍｉｎよりも小さいとき、利得係数Ｇはゼロである。ツールガイド１４の変位の速度は、決定される力がＦ_ｍａｘよりも大きいとき、最高速度Ｖ_ｍａｘに設定された上限を有する。図８の部分ａ）に示すように、｜ｆ｜がＦ_ｍｉｎとＦ_ｍａｘとの間で変化するとき、｜ｖ｜は、ゼロとＶ_ｍａｘとの間で線形的に変化する。｜ｆ｜がＦ_ｍｉｎよりも小さいとき、｜ｖ｜はゼロである。図８の部分ａ）に示すように、そのため、｜ｆ｜がＦ_ｍｉｎとＦ_ｍａｘとの間で変化するとき、ツールガイド１４が経験する加速度｜ａ｜は、一定値Ａを取る。｜ｆ｜がＦ_ｍｉｎよりも小さいか又はＦ_ｍａｘよりも大きいとき、ツールガイド１４が経験する加速度｜ａ｜はゼロである。それゆえ、図８の部分ｄ）には、｜ｆ｜がＦ_ｍｉｎの周りで振動すると（図８の部分ｃ）に示すように、震えのある施術者によってもたらされる低振幅の力）、ツールガイド１４が経験する加速度｜ａ｜は、決定される力｜ｆ｜がＦ_ｍｉｎを上回るたびに、突然値ゼロから値Ａになることが示されている。反対に、ツールガイド１４が経験する加速度｜ａ｜は、決定される力｜ｆ｜がＦ_ｍｉｎを下回るたびに、突然値Ａから値ゼロになる。このタイプの状況は、ツールガイド１４のガタガタする動きにつながり得る。

【0081】

図９に対応するシナリオでは、利得係数Ｇは、決定される力｜ｆ｜がＦ_ｍｉｎとＦ_ｍａｘとの間で変化するときに、｜ｆ｜と一緒に線形的に変化する。決定される力がＦ_ｍｉｎよりも小さいとき、利得係数Ｇはゼロである。ツールガイド１４の変位の速度は、決定される力がＦ_ｍａｘよりも大きいとき、最高速度Ｖ_ｍａｘに設定された上限を有する。図９の部分ａ）に示すように、｜ｆ｜がＦ_ｍｉｎとＦ_ｍａｘとの間で変化するとき、｜ｖ｜は、ゼロとＶ_ｍａｘとの間で指数関数的に変化する。｜ｆ｜がＦ_ｍｉｎを下回るとき、｜ｖ｜はゼロである。図９の部分ａ）に示すように、｜ｆ｜がＦ_ｍｉｎとＦ_ｍａｘとの間で変化するとき、ツールガイド１４が経験する加速度｜ａ｜は、最小値Ａ_ｍｉｎと最大値Ａ_ｍａｘとの間で線形的に変化する。｜ｆ｜がＦ_ｍｉｎを下回るか又はＦ_ｍａｘを上回るとき、ツールガイド１４が経験する加速度｜ａ｜はゼロである。それゆえ、図９の部分ｄ）から、｜ｆ｜がＦ_ｍｉｎの周りで振動するとき（図９の部分ｃ）に示すように、震えのある施術者によってもたらされる低振幅の力）、ツールガイド１４が経験する加速度｜ａ｜は、決定される力｜ｆ｜がＦ_ｍｉｎを上回るたびに、値ゼロから値Ａ_ｍｉｎになり、｜ａ｜は、｜ｆ｜がＦ_ｍｉｎを上回ると、｜ｆ｜と一緒に連続的に及び線形的に変化し、且つ｜ａ｜は、決定される力｜ｆ｜がＦ_ｍｉｎを下回るたびに、値Ａ_ｍｉｎから値ゼロになることが分かる。しかしながら、値Ａ_ｍｉｎは、値Ａよりも著しく小さい。図９の部分ｄ）に表されている、ツールガイド１４が経験する加速度｜ａ｜の変化は、図８の部分ｄ）に表されている変化よりも、明らかにわずかである。それゆえ、決定される力に従って利得係数Ｇの値を変化させることは、施術者による震えによって発生する、ロボットアーム１３の変位においてガタガタすることを回避することを可能にする。

【0082】

式［数１］によって提案された利得係数Ｇの定義は、非限定的な例にすぎないことに留意されるべきである。決定される力に従って変化させるが、利得係数Ｇを異なって定義することが構想され得ることが認識されるであろう。利得係数Ｇの特定の定義の選択は、本発明の変形例にすぎない。

【0083】

位置制御では、ＰＩＤ補正器の出力で計算される速度に、選択マトリックスを乗じる。この選択マトリックスは、ゼロに等しい乗算係数（multiplicative coefficient）を禁止方向に、及び１に等しい乗算係数を許可方向に用いることによって、制御される必要がある位置方向を選択することを可能にする。選択マトリックスを用いた後に得られる速度は、ツールガイド１４の変位の速度に対応する。

【0084】

既に述べたように、「協調手動制御」モードでは、特に解放位置１０３においてツールガイド１４を解放するために（「解放協調手動制御」モード）、又はツールガイド１４を解放位置１０３から挿入位置１０２へ持って行くために（「リターン協調手動制御」モード）、少なくとも１つの方向におけるツールガイド１４の変位を防止するか、又はツールガイド１４の主軸１４５に対応する単一方向に従ってツールガイド１４の変位を制限するように、ロボットアーム１３を制御するように制御装置１２を構成することが好都合とし得る。

【0085】

また、「リターン協調手動制御」モードに関して既に述べたように、ツールガイド１４の現在の位置とツールガイド１４が到達する必要がある標的位置との間の距離に従ってツールガイド１４の変位の速度を制御するように制御装置１２を構成することが好都合とし得る。ツールガイド１４の変位の速度は、特に、この距離が短いほど（すなわち、ツールガイド１４がその標的位置に近いほど）、標的位置に到達するときにゼロ速度に到達するまで、変位の速度がゆっくりとなるように、制御され得る。

【0086】

「アプローチ協調手動制御」モードでは、位置制御はない：ツールガイド１４の変位は、いずれの方向にも制約されない。このモードでは、力制御のみが用いられる。

【0087】

医療ロボット１０の制御装置１２はまた、例えば医療器具１５がまだツールガイドから解放されていないときに患者２０が予期しない動きを行うときに、医療器具１５による傷害のリスクがある状況を検出するように構成され得る。実際、このタイプの状況は、医療器具による患者の傷害につながり得る（例えば、医療器具による、解剖学的構造の関連部分又は患者の体の別の部分の健康な組織への損傷）。それゆえ、このタイプの状況が検出されるときに、患者が傷つけられるのを防止するための措置が取られ得る。

【0088】

特定の実施形態では、医療ロボット１０のツールガイド１４は、医療器具１５を瞬間的に解放することを可能にするアクチュエータを含む。アクチュエータは、保持機器１４６の２つの可動部分が離れるように動き、それゆえ医療器具１５を解放するために、医療ロボットの制御装置１２によって制御される。制御装置１２は、傷害のリスクがある特定の状況が検出されると、医療器具１５を解放するようにツールガイド１４にコマンドを出すように構成される。

【0089】

第１の例によれば、制御装置１２が、患者基準２２の予期しない変位（患者２０による予期しない動きを表す患者基準２２の位置の変化）を示す、ナビゲーションシステム３０から得られた情報を受信すると、傷害のリスクがある特定の状況が検出される。

【0090】

第２の例によれば、「医療器具挿入」モードは、ユーザインタフェースによって選択され、且つ制御ペダル１９によって起動され得る。このモードでは、制御装置１２は、ツールガイド１４のいずれの変位も防止するように構成され、及び制御装置１２は、力センサーを用いて、医療器具１５にもたらされる力を決定するように構成される。傷害のリスクがある特定の状況は、例えば、医療器具にもたらされる力が予め決められた閾値を上回るとき、検出される（患者２０による予期しない動きが、医療器具１５を介して力センサー１６へ力をもたらすという結果を伴う）。別の例によれば、医療器具にもたらされる力の変化が、所与の期間にわたって、予め決められた閾値を上回るとき、傷害のリスクがある特定の状況が検出される。

【0091】

医療器具１５の自動解放に、解放方向（ツールガイド１４の主軸１４５に沿って、医療ロボットのベース１１の方へ向かう方向）におけるロボットアーム１３の自動解放が付随して起こり得る。

【0092】

上述の記載は、本発明が、その異なる特性及びそれらの利点によって、述べた目標を達成することをはっきりと説明している。

【0093】

特に、施術者によってもたらされる力に従って変化する利得係数に基づいて、ツールガイド１４の変位の速度を定義することは、施術者が低振幅の力をもたらすことによってツールガイド１４を手動で変位させるときに、ロボットアーム１３の制御された正確でスムーズな変位を可能にする。ロボットアーム１３の変位は、施術者が高振幅の力をツールガイド１４へもたらすときには、滑らかで反応よいままであり続ける。

【0094】

ロボットアーム１３の力制御及び位置制御は、医療器具１５の（任意選択的に部分的な）挿入後に、ツールガイド１４を安全に解放することを可能にする。必要であれば、本発明はまた、ツールガイド１４を挿入位置へ安全に且つ正確に持って行くことを可能にする。

【0095】

最後に、医療器具１５の自動緊急解放は、医療処置の最中に患者が予期しない動きを行うときに、患者を傷つけることを回避することを可能にする。

【0096】

本発明は、光学ナビゲーションシステムを使用して説明されたことに留意されるべきである。しかしながら、変形例によれば、光学ナビゲーションシステムの代わりに電磁ナビゲーションシステムを使用することを妨げるものはない。この場合、そのため、ナビゲーションシステムによって検出され得る、異なる「マーカ」（患者基準２２に存在するマーカ、ツールガイド１４に存在するマーカ）は、電磁センサーに対応し、それらの位置は、発生した電磁場にあるナビゲーションシステムによって決定され得る。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8a)】

【図8b)】

【図8c)】

【図8d)】

【図9a)】

【図9b)】

【図9c)】

【図9d)】

【国際調査報告】