JP2005334650A - エンド・エフェクタを被検者の体内の目標位置まで案内するシステム、方法並びに製造物品 - Google Patents
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Abstract
【課題】被検者の呼吸運動を加味して被検者の体内で生検針及び切除針を正確に案内するロボット・システムを提供する。
【解決手段】被検者が所定の呼吸状態を有するときの被検者の体内の解剖学的構造の複数のディジタル画像（２１０、２１４）を形成し、これらディジタル画像の少なくとも１枚で皮膚挿入位置（２１２）を指示する。方法はさらに、ディジタル画像の少なくとも１枚で目標位置（２１６）を指示し、皮膚挿入位置（２１２）及び目標位置（２１６）に基づいて軌跡経路を決定する。最後に、被検者が所定の呼吸状態を実質的に有するときにエンド・エフェクタ（２６）を軌跡経路に沿って目標位置（２１６）に向かって移動させる。
【選択図】 図１
【解決手段】被検者が所定の呼吸状態を有するときの被検者の体内の解剖学的構造の複数のディジタル画像（２１０、２１４）を形成し、これらディジタル画像の少なくとも１枚で皮膚挿入位置（２１２）を指示する。方法はさらに、ディジタル画像の少なくとも１枚で目標位置（２１６）を指示し、皮膚挿入位置（２１２）及び目標位置（２１６）に基づいて軌跡経路を決定する。最後に、被検者が所定の呼吸状態を実質的に有するときにエンド・エフェクタ（２６）を軌跡経路に沿って目標位置（２１６）に向かって移動させる。
【選択図】 図１
Description
本発明は、エンド・エフェクタ（末端効果器）を被検者の体内の目標位置まで案内するシステム及び方法に関する。
被検者の体内で生検針及び切除針を案内するロボット・システムが開発されている。しかしながら、かかる穿刺針の被検者の腹部内での配置が、被検者の呼吸運動のため極めて困難な場合がある。具体的には、被検者の呼吸運動時には被検者の腹部内の目標位置が移動する。このため、針を所定のエンド・エフェクタ軌跡に沿って初期移動させても、被検者の腹部内の目標位置の移動のため針が目標位置に到達しない場合がある。
米国特許第６４００９７９号
このため、本発明者等は、エンド・エフェクタを被検者の体内の目標位置まで案内する際の上述の欠点を克服する改善されたシステムに対する必要性が存在していることを認めた。
一実施形態例では、エンド・エフェクタを被検者の体内の目標位置まで案内する方法を提供する。この方法は、被検者が所定の呼吸状態を有するときの被検者の体内の解剖学的構造の複数のディジタル画像を形成するステップを含んでいる。この方法はさらに、これらディジタル画像の少なくとも１枚で皮膚挿入位置を指示するステップを含んでいる。この方法はさらに、ディジタル画像の少なくとも１枚で目標位置を指示するステップを含んでいる。この方法はさらに、皮膚挿入位置及び目標位置に基づいて軌跡経路を決定するステップを含んでいる。最後に、この方法は、被検者が所定の呼吸状態を実質的に有するときにエンド・エフェクタを軌跡経路に沿って目標位置に向かって移動させるステップを含んでいる。
もう一つの実施形態例では、エンド・エフェクタを被検者の体内の目標位置まで案内するシステムを提供する。このシステムは、被検者の呼吸状態を監視する呼吸監視装置を含んでいる。このシステムはさらに、被検者が所定の呼吸状態を有するときの被検者の体内の解剖学的構造を走査して走査データを生成するように構成されている走査装置を含んでいる。このシステムはさらに、走査データに基づいて複数のディジタル画像を形成する第一のコンピュータを含んでいる。このシステムはさらに、これら複数のディジタル画像を表示するように構成されている第二のコンピュータを含んでおり、第二のコンピュータはさらに、操作者がディジタル画像の少なくとも１枚で皮膚挿入位置を指示することを可能にするように構成されている。第二のコンピュータはさらに、操作者がディジタル画像の少なくとも１枚で目標位置を指示することを可能にするように構成されている。第二のコンピュータはさらに、皮膚挿入位置及び目標位置に基づいて軌跡経路を決定するように構成されている。最後に、このシステムは、被検者に挿入されるように構成されているエンド・エフェクタを有するエンド・エフェクタ挿入装置を含んでおり、第二のコンピュータは、被検者が所定の呼吸状態を実質的に有するときにエンド・エフェクタを軌跡経路に沿って目標位置に向かって移動させることをエンド・エフェクタ挿入装置に行なわせる。
もう一つの実施形態例では、エンド・エフェクタを被検者の体内の目標位置まで案内するシステムを提供する。このシステムは、被検者の呼吸状態を監視する呼吸監視装置を含んでいる。このシステムはさらに、被検者が所定の呼吸状態を有するときの被検者の体内の解剖学的構造を走査して走査データを生成するように構成されている走査装置を含んでいる。このシステムはさらに、走査データに基づいて複数のディジタル画像を形成する第一のコンピュータを含んでいる。第一のコンピュータはさらに、これら複数のディジタル画像を表示するように構成されている。第一のコンピュータはさらに、操作者がこれらディジタル画像の少なくとも１枚で皮膚挿入位置を指示することを可能にするように構成されている。第一のコンピュータはさらに、操作者がディジタル画像の少なくとも１枚で目標位置を指示することを可能にするように構成されている。第一のコンピュータはさらに、皮膚挿入位置及び目標位置に基づいて軌跡経路を決定するように構成されている。最後に、このシステムは、被検者に挿入されるように構成されているエンド・エフェクタを有するエンド・エフェクタ挿入装置を含んでいる。第一のコンピュータは、被検者が所定の呼吸状態を実質的に有するときにエンド・エフェクタを軌跡経路に沿って目標位置に向かって移動させることをエンド・エフェクタ挿入装置に行なわせる。
もう一つの実施形態例では、製造物品を提供する。この製造物品は、エンド・エフェクタを被検者の体内の目標位置まで案内するコンピュータ・プログラムを符号化して内部に有するコンピュータ記憶媒体を含んでいる。このコンピュータ記憶媒体は、被検者が所定の呼吸状態を有するときの被検者の体内の解剖学的構造の複数のディジタル画像を形成するコードを含んでいる。このコンピュータ記憶媒体はさらに、これらディジタル画像の少なくとも１枚で皮膚挿入位置を指示するためのコードを含んでいる。このコンピュータ記憶媒体はさらに、ディジタル画像の少なくとも１枚で目標位置を指示するためのコードを含んでいる。このコンピュータ記憶媒体はさらに、皮膚挿入位置及び目標位置に基づいて軌跡経路を決定するコードを含んでいる。最後に、このコンピュータ記憶媒体は、被検者が所定の呼吸状態を実質的に有するときにエンド・エフェクタを軌跡経路に沿って目標位置に向かって移動させるコードを含んでいる。
もう一つの実施形態例では、エンド・エフェクタを被検者の体内の目標位置まで案内する方法を提供する。この方法は、少なくとも１回の呼吸サイクルにわたって被検者の呼吸状態を監視するステップを含んでいる。最後に、この方法は、被検者が所定の呼吸状態を実質的に有するときにエンド・エフェクタを軌跡経路に沿って被検者における目標位置に向かって移動させるステップを含んでいる。
図１及び図２にはエンド・エフェクタ配置システム１２及び施術用テーブル１４を有する施術室１０が図示されている。エンド・エフェクタ配置システム１２は、エンド・エフェクタをテーブル１４に横臥する被検者の体内の所定位置まで案内するために設けられており、このことについては後に詳述する。図示の実施形態ではエンド・エフェクタは切除針を含んでいる。但し、エンド・エフェクタは、例えば皮下注射針、生検針、操縦可能型（steerable）穿刺針、及び正像鏡（orthoscopic）器具を含めて被検者の体内に挿入可能な任意の器具又は装置であってよいことを理解されたい。
エンド・エフェクタ配置システム１２は、ロボット式エンド・エフェクタ配置装置２４、エンド・エフェクタ駆動器７０、直線配置装置２５、受動式アーム２８、頭上支持部３０、レール支持部３２、結合ブラケット３４、赤外線式呼吸測定装置３６、位置反射体３８、呼吸監視用コンピュータ４０、ＣＴ走査装置制御用コンピュータ４２、計算機式断層写真法（ＣＴ）走査装置４４、ロボット制御用コンピュータ４６、ジョイスティック４７、及び表示モニタ４８を含んでいる。
図４を参照して述べると、直線配置装置２５は頭上支持部３０及び受動式アーム２８に結合されて動作する。直線配置装置２５は、ロボット式エンド・エフェクタを配置装置２４に対する３本の軸に関して所望の直線位置まで直線移動させるために設けられている。図示の実施形態では、直線配置装置２５は、米国ニューハンプシャー州SalemのDanaher Precision Systems社製のXYZ Stageを含んでいる。
ロボット式エンド・エフェクタ配置装置２４は、エンド・エフェクタ２６が所望の軌跡に一致して配置され得るようにエンド・エフェクタ駆動器７０を配向させるために設けられている。ロボット式エンド・エフェクタ配置装置２４は、ロボット制御用コンピュータ４６に電気的に結合されており、コンピュータ４６から受け取った信号に応答して移動する。図示のように、ロボット式エンド・エフェクタ配置装置２４はハウジング部６２及びハウジング部６４を含んでいる。図示のように、ロボット式エンド・エフェクタ配置装置２４はエンド・エフェクタ駆動器７０に結合されて動作する。
ハウジング部６４は、受動式アーム２８の継手１１６に結合されて動作するシャフトを有するモータ（図示されていない）を内部に収容するために設けられている。モータは、エンド・エフェクタ２６を所望の位置に配置するためにロボット式エンド・エフェクタ配置装置２４を矢印６９によって示すように回転させるように構成されている。ハウジング部６４はハウジング部６２に結合されて動作し、エンド・エフェクタ２６を直線移動させるようにエンド・エフェクタ駆動器７０の構成部材を駆動するモータを収容するために設けられている。
図４〜図７を参照して述べると、エンド・エフェクタ駆動器７０は、被検者の体内にエンド・エフェクタ２６を直線移動させるために設けられている。エンド・エフェクタ駆動器７０は、エンド・エフェクタ２６に結合されて動作するハウジング部７２を含んでいる。入力シャフト７６が、ハウジング部６４に配置されているＤＣモータ（図示されていない）によって駆動される。ハウジング部７２は、アクリル材料又は他の放射線透過性材料で構築することができる。ハウジング部７２は、該ハウジング部７２を貫通して延在する第一のリム付き内孔７４を画定しており、入力シャフト７６及び軸方向荷重套管７８を内部に摺動自在に収容するように構成されている。套管７８は入力シャフト７６の外側で摺動し、Ｏリング８０を介してナット８２によって荷重を加えられる。ハウジング部７２はさらに、ハウジング部７２の内部の第一のリム付き内孔７４を横断して接線に沿って延在する第二のリム付き内孔８４を内部に画定している。入力シャフト７６、套管７８及びナット８２は、アクリル材料又は他の放射線透過性材料で構築することができる。入力シャフト７６はさらに、駆動側端部６９によってＤＣモータに、また他端ではナット８２に結合されている。入力シャフト７６を入力シャフト７６と同じ回転速度でナット８２に結合することにより、ナット８２によってＯリング８０に荷重が加わって套管７８が駆動される。
図６及び図７を参照して述べると、エンド・エフェクタ２６はハウジング部７２の第二のリム付き内孔８４に沿って摺動し、結果として、入力シャフト７６の接触面８６と套管７８の接触面８８との間に押圧される。接触面８８は套管の両端の一方に対応する。接触面８６及び８８は、各接触面とエンド・エフェクタ２６との間の摩擦駆動力に対応してエンド・エフェクタ２６に軸方向の力を加える。さらに、入力シャフト７６の接触面８６の底面にフィレット９０を設けてもよい。
図４〜図１０を参照して述べると、エンド・エフェクタ駆動器７０から延びた基準部材６８が設けられてロボット座標系をディジタル画像座標系に相関付けており、このことについては後に詳述する。基準部材６８は一般的には、部材６８の第一の脚及び第二の脚が穿刺針駆動器７０のハウジングの両側から延びた状態でＶ字形になっている。
受動式アーム２８は、ロボット式エンド・エフェクタ配置装置２４を保持するために設けられている。図示のように、受動式アーム２８は、アーム部１１０、アーム部１１２、締付け部１１４、並びに玉継手１１６、１１８及び１２０を含んでいる。ロボット式エンド・エフェクタ配置装置２４は、間に介設されている玉継手１１６を介してアーム部１１０に取り付けられている。アーム部１１０は、玉継手１１８を介してアーム部１１２に結合されて動作する。締付け部１１４を緩めると、アーム部１１２及びアーム部１１０が玉継手１１８を介して互いに対して相対移動することができ、玉継手１１６及び１２０もまた緩む。締付け部１１４を締めると、アーム部１１０がアーム部１１２に対して固定されて、玉継手１１６及び１２０が所定位置にロックされる。そして、受動式アーム２８が継手１２０を介して頭上支持部３０に結合されて動作する。
図１を参照すると、被検者の上方に懸吊されている受動式アーム２８及びロボット式エンド・エフェクタ配置装置２４を保持する頭上支持部３０が設けられている。頭上支持部３０は、支持部１２２及び支持部１２４を含んでいる。支持部１２４は、支持部１２２の内部に入れ子式で収容される。このように、支持部１２４を支持部１２２に対して上下させてエンド・エフェクタ２６を被検者の所望の皮膚挿入点に初期配置することができる。図示のように、頭上支持部３０はレール支持部３２に取り付けられて動作し、レール支持部３２ははさらに、施術室１０の天井に取り付けられる。
レール支持部３２は、被検者に対するロボット式エンド・エフェクタ配置装置２４の直線移動を可能にするために設けられる。図２を参照すると、頭上支持部３０は結合ブラケット３４を介してテーブル１４の可動部に結合することができる。従って、テーブル１４及びテーブルに横臥している被検者がＣＴ走査装置４４に関して直線移動すると、頭上支持部３０はレール支持部３２を介して直線移動して、ロボット式エンド・エフェクタ配置装置２４がかかる移動の間に被検者に対して固定した位置に留まることを可能にする。
図１及び図８を参照して述べると、テーブル１４に横臥している被検者の呼吸状態を測定する赤外線式呼吸測定装置３６が設けられている。赤外線式呼吸測定装置３６は、赤外線送信器１３０及び赤外線検出器１３２を含んでいる。図示のように、赤外線式呼吸測定装置３６は、テーブル１４に結合されて動作するスタンド１３３に装着されることができる。赤外線送信器１３０は赤外線ビームを被検者の胸部に配置されている反射体３８に向かって照射する。すると、赤外線ビームは赤外線反射体３８から反射して赤外線検出器１３２に向かう。赤外線検出器１３２は反射した赤外線ビームを受光して、反射した赤外線ビームに応じて被検者の胸部の位置を指示する信号１３５を発生する。被検者の胸部の位置はさらに、被検者の呼吸状態も示す。
被検者の呼吸状態を指示する信号１３５を受信する呼吸監視用コンピュータ４０が設けられている。コンピュータ４０はさらに、信号１３５の振幅が上限閾値（ＴＵ）及び下限閾値（ＴＬ）を有する所定範囲ΔＲ内にある時刻を判定するように構成されている。信号１３５が所定の呼吸状態を示す所定範囲ΔＲ内にあるときに、コンピュータ４０はゲート信号１３７を発生し、ゲート信号１３７はロボット制御用コンピュータ４６へ送信される。後に詳述するように、ロボット制御用コンピュータ４６は、ゲート信号１３７が高論理レベルにあるときに被検者の体内にエンド・エフェクタ２６を直線移動する。さらに、ゲート信号１３７が高論理レベルにないときには、ロボット制御用コンピュータはエンド・エフェクタ２６の直線移動を停止させる。
図１及び図２を参照して述べると、所定の走査範囲内の被検者の体内の解剖学的構造の複数のＣＴディジタル画像を撮影する計算機式断層写真法（ＣＴ）走査装置４４が設けられている。図示のように、ＣＴ走査装置４４は開口１４０を含んでおり、開口１４０を通してテーブル１４の一部及び被検者が延在することができる。ＣＴスキャナ４４の所定の走査範囲は開口１４０内に位置する。複数のＣＴディジタル画像はエンド・エフェクタ配置システム１２の操作者によって用いられて、（ｉ）エンド・エフェクタ２６の皮膚挿入点、及び（ii）エンド・エフェクタ２６の先端を配置すべき被検者の体内の目標位置を決定する。ＣＴ走査装置４４はＣＴ走査装置制御用コンピュータ４２に結合されて動作する。尚、エンド・エフェクタ配置システム１２は、ＣＴ走査装置４４以外の例えば磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置、超音波撮像装置又はＸ線装置のような他の形式の医療撮像装置と共に用いることもできる。
ＣＴ走査装置制御用コンピュータ４２は、ＣＴ走査装置４４の動作を制御するために設けられる。具体的には、コンピュータ４２は、被検者を走査して走査データを生成することを装置４４に行なわせる。この後に、コンピュータ４２は走査データを処理して、走査データから被検者の体内の解剖学的構造の複数のディジタル画像を形成する。この後に、ロボット制御用コンピュータ４６はコンピュータ４２に問い合わせて、ディジタル画像をロボット制御用コンピュータ４６へ送信することをコンピュータ４２に行なわせる。
ロボット制御用コンピュータ４６は、ロボット式エンド・エフェクタ配置装置２４及び直線配置装置２５の移動を制御することによりエンド・エフェクタ２６の移動を制御するために設けられる。ロボット制御用コンピュータ４６は、ゲート信号１３７を受信する呼吸監視用コンピュータ４０に電気的に結合される。ロボット制御用コンピュータ４６はさらに、被検者の上述の複数のＣＴディジタル画像を受信するためにコンピュータ４２に電気的に結合される。さらに、コンピュータ４６はロボット式エンド・エフェクタ配置装置２４に電気的に結合される。コンピュータ４６の操作者は上述の複数のＣＴディジタル画像を表示モニタ４８上のコンピュータ・ウィンドウに表示させることができる。操作者はまた、コンピュータ・ウィンドウのタッチスクリーンを介して被検者の体表の皮膚挿入点及び被検者の体内の目標位置を選択することができる。
テーブル１４は、被検者を支持し、さらに被検者をＣＴ走査装置４４の走査領域内で移動させるために設けられている。テーブル１４は、台１６０、垂直支持部材１６２、固定式テーブル・トップ部１６４及び可動式テーブル・トップ部１６６を含んでいる。図示のように、固定式テーブル・トップ部１６４は垂直支持部材１６２によって支持される。支持部材１６２はさらに、台１６０に固定式で取り付けられる。可動式テーブル・トップ部１６６は、固定式テーブル・トップ部１６４に対して直線移動することができる。前述のように、結合ブラケット３４が受動式アーム２８と可動式テーブル・トップ部１６６との間に介設されており、被検者がＣＴ走査装置４４の走査領域内に移動されつつあるときにロボット式エンド・エフェクタ配置装置２４と被検者との間の相対位置を保持する。
被検者の体内での皮膚挿入点から目標点へのエンド・エフェクタ２６の移動を案内する方法の詳細な説明を行なう前に、エンド・エフェクタ軌跡を決定してロボット式エンド・エフェクタ配置装置２４を制御するためにロボット制御用コンピュータ４６によって用いられる制御ウィンドウの簡単な全体像について説明する。図１１に、ロボット制御用コンピュータ４６によって表示モニタ４８に生成されるコンピュータ・ウィンドウ１８０を示す。コンピュータ・ウィンドウ１８０は、（ｉ）「設定」アイコン、（ii）「画像表示」アイコン、（iii）「手順計画」アイコン、（iv）「ロボット位置合わせ」アイコン、及び（ｖ）「手順実行」アイコンを含め幾つかの命令アイコンを含んでおり、これらについて以下に詳述する。
ロボット制御用コンピュータ４６の操作者が「設定」アイコンを選択すると、操作者は、エンド・エフェクタ２６を被検者の体内に案内するときに用いられるエンド・エフェクタ移動速度を入力することを許可される。
ロボット制御用コンピュータ４６の操作者が「画像表示」アイコンを選択すると、コンピュータ４６はコンピュータ・ウィンドウ１８０を表示する。操作者が「画像取得」アイコンを選択すると、コンピュータ４６はＣＴ走査装置制御用コンピュータ４２に問い合わせてＣＴ走査装置４４から得られた複数のディジタル画像を取得する。この後に、ロボット制御用コンピュータは所定枚数のディジタル画像をコンピュータ・ウィンドウ１８０に表示する。例えば、ディジタル画像１９０、１９２、１９４及び１９６をコンピュータ・ウィンドウ１８０に表示することができる。ディジタル画像１９０、１９２、１９４及び１９６は被検者の腹部の断面画像を表わす。
図１２を参照して述べると、ロボット制御用コンピュータ４６の操作者が「手順計画」アイコンを選択すると、コンピュータ４６はコンピュータ・ウィンドウ２０４を表示する。コンピュータ・ウィンドウ２０４は、エンド・エフェクタ２６が被検者の体内に初期挿入される位置である皮膚挿入点を操作者が選択することを可能にするために設けられる。さらに、ウィンドウ２０４は、エンド・エフェクタ２６の先端を移動させるべき被検者の体内の目標点を操作者が選択することを可能にするために設けられる。図示のように、ウィンドウ２０４は、（ｉ）「皮膚挿入点画像選択」アイコン、（ii）「皮膚挿入点選択」アイコン、（iii）「目標画像選択」アイコン、及び（iv）「目標点選択」アイコンの各選択アイコンを含んでいる。
「皮膚挿入点画像選択」アイコンは、操作者が複数のディジタル画像を観察して、エンド・エフェクタ２６について所望の皮膚挿入域を有する特定のディジタル画像を決定することを可能にする。図示のように、操作者は所望の皮膚挿入域を有するディジタル画像２１０を選択することができる。
「皮膚挿入点選択」アイコンは、操作者がエンド・エフェクタ２６についての皮膚挿入点を指定するために特定のディジタル画像で点を選択することを可能にする。図示のように、操作者はディジタル画像２１０上で皮膚挿入点２１２を選択することができる。
「目標画像選択」アイコンは、操作者が複数のディジタル画像を観察してエンド・エフェクタ２６の先端について所望の目標域を有する特定の目標ディジタル画像を選択することを可能にする。図示のように、操作者は所望の目標域を有するディジタル画像２１４を選択することができる。
「目標点選択」アイコンは、操作者がエンド・エフェクタ２６についての目標点を指定するための特定の目標ディジタル画像で点を選択することを可能にする。図示のように、操作者はディジタル画像２１４上の目標点２１６を選択することができる。
図１０及び図１３を参照して述べると、操作者が「ロボット位置合わせ」アイコンを選択すると、ロボット制御用コンピュータ４６は表示モニタ４８にコンピュータ・ウィンドウ２２４を生成して、ＣＴ走査装置制御用コンピュータ４２からディジタル画像を検索する。「位置合わせ実行」アイコンは、操作者がロボット式エンド・エフェクタ配置装置２４に所望の位置を指令してエンド・エフェクタ２６をディジタル又はＣＴ画像座標系において指定される点（例えば皮膚挿入点及び目標点）に配置することを可能にする。具体的には、操作者は、頭上支持部３０及びロボット式エンド・エフェクタ配置装置２４を手動で移動させてエンド・エフェクタ２６の先端を所望の皮膚挿入点の近くに概略的に配置することを許される。被検者の術前走査の前に、ディジタル画像座標系は固定されたロボット座標系に関連付けされて、エンド・エフェクタ２６をディジタル画像座標系において指定される点まで移動させる指令をロボット式エンド・エフェクタ配置装置２４が受けることができるようにする。この工程は６段のステップを有する。すなわち（ｉ）エンド・エフェクタ２６に対して既知の位置及び配向に取り付けられた基準部材６８のディジタル画像を形成するステップ、（ii）このディジタル画像を用いて、ディジタル画像座標系に対して相対的なエンド・エフェクタ２６の位置及び配向を決定するステップ、（iii）前のステップで決定された位置及び配向から、エンド・エフェクタ座標系とディジタル画像座標系との間の空間的関係を定義する第一の同次座標変換行列（例えば同次変換）を構築するステップ、（iv）ロボットの運動特性を介してロボット参照フレームに対して相対的なエンド・エフェクタ２６の位置及び配向を決定するステップ、（ｖ）前のステップで決定された位置及び配向から、エンド・エフェクタ座標系とロボット座標系との間の空間的関係を定義する第二の同次座標変換行列を構築するステップ、並びに（vi）第一の同次座標変換行列と第二の同次座標変換行列とを乗算して、操作者がディジタル画像座標系でロボット移動を指定することを可能にする第三の座標変換行列を得るステップである。
図１４を参照して述べると、ロボット制御用コンピュータ４６の操作者が「手順実行」アイコンを選択すると、コンピュータ４６は表示モニタ４８にコンピュータ・ウィンドウ２３０を表示する。ウィンドウ２３０は、次の命令アイコンを含んでいる。すなわち（ｉ）「皮膚挿入点へ移動」アイコン、（ii）「エンド・エフェクタ配向変更」アイコン及び（iii）「エンド・エフェクタ駆動」アイコンである。
操作者が「皮膚挿入点へ移動」アイコンを選択すると、「皮膚挿入点へ自動移動」アイコンが表示される。この後に、操作者が「皮膚挿入点へ自動移動」アイコンを選択すると、直線配置装置２５がエンド・エフェクタ先端をジョイスティック４７の作動に応じて位置合わせ位置から所望の皮膚挿入点へ移動させる。
操作者が「エンド・エフェクタ配向変更」アイコンを選択してジョイスティック４７を作動させると、ロボット式エンド・エフェクタ配置装置２４はエンド・エフェクタ２６の先端を、選択された皮膚挿入点及び目標点に基づいて算出された軌跡経路に沿って配向させる。
操作者が「エンド・エフェクタ駆動」アイコンを選択してジョイスティック４７を作動させると、ロボット式エンド・エフェクタ配置装置２４は、所定の呼吸状態が得られたときに皮膚挿入点から目標点までのエンド・エフェクタ２６の先端の直線移動を開始する。さらに、ロボット制御用コンピュータ４６は「フルオロ表示」アイコンを含むコンピュータ・ウィンドウ２３２を表示する。操作者が「フルオロ表示」アイコンを選択すると、実時間ディジタル画像２３４が表示されて、操作者が被検者の体内でのエンド・エフェクタ２６の走行経路を観察するのを可能にすることができる。
図１６を参照して、エンド・エフェクタ２６を被検者の体内の皮膚挿入点から目標位置まで案内する方法について説明する。
ステップ２５０では、被検者が一定の呼吸状態を保持した状態でＣＴ走査装置４４が被検者の術前走査を行なって、走査データを生成する。ＣＴ走査装置制御用コンピュータは、走査データに基づいて被検者の体内の解剖学的構造の第一の複数のディジタル画像を形成する。尚、術前走査時には、被検者は実質的に、例えば全吸気位置又は全呼気位置のような所定の呼吸状態を保持していることを特記しておく。
ステップ２５２では、呼吸監視用コンピュータ４０が術前走査時に被検者の呼吸状態を観察して、被検者の所定の呼吸状態を決定する。具体的には、呼吸監視用コンピュータ４０は被検者の呼吸状態を示すゲート信号１３７を受信する。
ステップ２５４では、ＣＴ走査装置制御用コンピュータ４２が第一の複数のディジタル画像をロボット制御用コンピュータ４６へ送信する。
ステップ２５６では、ロボット制御用コンピュータ４６の操作者が第一の複数のディジタル画像から第一のディジタル画像を選択する。第一のディジタル画像は目標位置についての関心領域を示す。
ステップ２５８では、ロボット制御用コンピュータ４６の操作者はエンド・エフェクタ先端について目標位置を第一のディジタル画像上で選択する。目標位置はディジタル画像座標系での一つの位置に対応する。
ステップ２６０では、ロボット制御用コンピュータ４６の操作者はこれら複数のディジタル画像から第二のディジタル画像を選択する。第二のディジタル画像は皮膚挿入位置についての関心領域を示す。
ステップ２６２では、ロボット制御用コンピュータ４６の操作者はエンド・エフェクタ先端についての皮膚挿入位置を第二のディジタル画像上で選択する。皮膚挿入位置はディジタル画像座標系での一つの位置に対応する。
ステップ２６４では、ロボット制御用コンピュータ４６が、ロボット式エンド・エフェクタ配置装置２４及びエンド・エフェクタ駆動器を用いて皮膚挿入位置から目標位置までエンド・エフェクタ先端を移動させるためのエンド・エフェクタ先端についての軌跡経路をディジタル画像座標系において算出する。
ステップ２６６では、エンド・エフェクタ駆動器７０に配設されている基準部材６８がＣＴ走査装置４４によって走査され得るように、ロボット式エンド・エフェクタ配置装置２４がＣＴ走査装置４４の走査領域に配置される。
ステップ２６８では、ＣＴ走査装置４４が基準部材６８の走査を実行して走査データを生成する。ＣＴ走査装置制御用コンピュータ４２はこの走査データに基づいて基準部材６８の第二の複数のディジタル画像を形成する。
ステップ２７０では、ＣＴ走査装置制御用コンピュータ４２がロボット制御用コンピュータ４６へ第二の複数のディジタル画像を送信する。
ステップ２７２では、ロボット制御用コンピュータ４６がディジタル画像座標系における基準部材６８の位置を決定する。
ステップ２７４では、ロボット制御用コンピュータ４６が、ディジタル画像座標系の座標をエンド・エフェクタ座標系の座標へ変換する第一の座標変換行列を、（ｉ）エンド・エフェクタ座標系における基準部材６８の位置、及び（ii）ディジタル画像座標系における基準部材６８の位置に基づいて決定する。第一四半部の変換行列は、ロボット制御用コンピュータ４６がディジタル画像座標系におけるエンド・エフェクタ２６の位置を決定することを可能にする。
ステップ２７６では、ロボット制御用コンピュータ４６が、エンド・エフェクタ座標系の座標をロボット座標系の座標へ変換する第二の座標変換行列をロボットの運動特性に基づいて決定する。
ステップ２７８では、ロボット制御用コンピュータ４６が、ディジタル画像座標系の座標をロボット座標系の座標へ変換する第三の座標変換行列を第一の座標変換行列及び第二の座標変換行列に基づいて決定する。尚、ロボット制御用コンピュータ４６がディジタル画像座標系及びロボット座標系におけるエンド・エフェクタ２６の位置を決定することができるときに、コンピュータ４６はディジタル画像座標系とロボット座標系との間で座標変換し得ることを理解されたい。
ステップ２８０では、ロボット制御用コンピュータ４６が、ディジタル画像座標系において指定される軌跡経路を第三の座標変換行列を介して変換することによりロボット座標系での軌跡経路を決定する。
ステップ２８２では、エンド・エフェクタ２６を保持するロボット式エンド・エフェクタ配置装置２４が、エンド・エフェクタ２６の先端が皮膚挿入位置に配置されて所定の軌跡経路と一致して配向するように移動される。
ステップ２８４では、呼吸監視用コンピュータ４０は、監視されている被検者の呼吸状態が所定の呼吸状態に等しいか否かを判定する。具体的には、呼吸監視用コンピュータ４０は、信号１３５が所定の呼吸範囲ΔＲ内にある時刻を判定する。信号１３５が所定の呼吸範囲内にあるとコンピュータ４０が判定したら、コンピュータ４０はロボット制御用コンピュータ４６に送信されるゲート信号１３７を発生する。ステップ２８４の値が「Ｙｅｓ」に等しければ、方法はステップ２８６へ進む。他の場合には、ステップ２８４へ戻る。
ステップ２８６では、ロボット制御用コンピュータ４６がロボット座標系における目標位置座標を算出する。
ステップ２８８では、ロボット制御用コンピュータ４６は、操作者がジョイスティック４７を作動させ、且つ監視されている呼吸状態が所定の呼吸状態に等しくなったときに、エンド・エフェクタ２６の先端を目標位置座標に向かって移動させることをエンド・エフェクタ駆動器７０に行なわせる。
ステップ２９０では、操作者は、エンド・エフェクタ２６の先端が目標位置に到達したか否かを被検者のエンド・エフェクタ２６の「実時間」ディジタル画像を観察することにより判定する。代替的には、エンド・エフェクタ２６の先端が目標位置に到達したか否かをロボット制御用コンピュータ４６が自動判定することもできる。ステップ２９０の値が「Ｙｅｓ」に等しい場合には、方法はステップ３００へ進む。他の場合には、ステップ２８４へ戻る。
ステップ３００では、ロボット制御用コンピュータ４６はエンド・エフェクタ２６の直線移動を停止させる。
エンド・エフェクタを被検者の体内の目標位置まで案内するシステム及び方法は他のシステムを凌ぐ実質的な利点を有する。具体的には、本システムは、被検者が所定の呼吸状態にあるときにのみ被検者の体内の所定の軌跡経路に沿ってエンド・エフェクタを移動させて目標位置に向かうエンド・エフェクタのさらに正確な配置を得る技術的効果を提供する。
幾つかの実施形態例を参照して本発明の実施形態を説明したが、当業者であれば本発明の範囲から逸脱せずに本発明の構成要素に対して様々な変形を加えまた均等構成を置換し得ることを理解されよう。加えて、本発明の範囲から逸脱せずに本発明の教示を具体的な状況に合わせて適応構成する多くの改変を施してもよい。従って、本発明は、本発明を実施するために開示された実施形態に限定されず、特許請求の範囲内にある全ての実施形態を包含するものとする。さらに、第一、第二等の用語の利用は重要性の序列を表わすのではなく、一方の要素を他方の要素と区別するために用いられている。さらに、単数不定冠詞の利用は量の制限を表わすのではなく、参照されている項目が少なくとも一つ存在していることを示すものである。
１０ 施術室
１２ エンド・エフェクタ配置システム
１４ 施術用テーブル
２４ ロボット式エンド・エフェクタ配置装置
２５ 直線配置装置
２６ エンド・エフェクタ
２８ 受動式アーム
３０ 頭上支持部
３２ レール支持部
３４ 結合ブラケット
３６ 赤外線式呼吸測定装置
３８ 位置反射体
６２、６４、７２ ハウジング部
６８ 基準部材
６９ エンド・エフェクタ配置装置の回転運動の方向（図４）
６９ 駆動側端部（図５）
７０ エンド・エフェクタ駆動器
７４、８４ リム付き内孔
７６ 入力シャフト
７８ 軸方向取付け套管
８０ Ｏ字管
８２ ナット
８６、８８ 接触面
９０ フィレット
１１０、１１２ アーム部
１１４ 締付け部
１１６、１１８、１２０ 玉継手
１２２、１２４ 支持部
１３０ 赤外線送信器
１３２ 赤外線検出器
１３３ スタンド
１３５ 胸部位置信号（呼吸信号）
１３７ ゲート信号
１４０ 開口
１６０ 台
１６２ 垂直支持部材
１６４ 固定式テーブル・トップ部
１６６ 可動式テーブル・トップ部
１８０ コンピュータ・ウィンドウ
１９０、１９２、１９４、１９６、２１４、２３４ ディジタル画像
２０４ 「手順計画」コンピュータ・ウィンドウ
２１０ 皮膚挿入域を有するディジタル画像
２１２ 皮膚挿入点
２１４ 目標域を有するディジタル画像
２１６ 目標点
２２４ 「ロボット位置合わせ」コンピュータ・ウィンドウ
２３０ 「手順実行」コンピュータ・ウィンドウ
２３２ 「エンド・エフェクタ駆動」コンピュータ・ウィンドウ
２３４ 実時間ディジタル画像
１２ エンド・エフェクタ配置システム
１４ 施術用テーブル
２４ ロボット式エンド・エフェクタ配置装置
２５ 直線配置装置
２６ エンド・エフェクタ
２８ 受動式アーム
３０ 頭上支持部
３２ レール支持部
３４ 結合ブラケット
３６ 赤外線式呼吸測定装置
３８ 位置反射体
６２、６４、７２ ハウジング部
６８ 基準部材
６９ エンド・エフェクタ配置装置の回転運動の方向（図４）
６９ 駆動側端部（図５）
７０ エンド・エフェクタ駆動器
７４、８４ リム付き内孔
７６ 入力シャフト
７８ 軸方向取付け套管
８０ Ｏ字管
８２ ナット
８６、８８ 接触面
９０ フィレット
１１０、１１２ アーム部
１１４ 締付け部
１１６、１１８、１２０ 玉継手
１２２、１２４ 支持部
１３０ 赤外線送信器
１３２ 赤外線検出器
１３３ スタンド
１３５ 胸部位置信号（呼吸信号）
１３７ ゲート信号
１４０ 開口
１６０ 台
１６２ 垂直支持部材
１６４ 固定式テーブル・トップ部
１６６ 可動式テーブル・トップ部
１８０ コンピュータ・ウィンドウ
１９０、１９２、１９４、１９６、２１４、２３４ ディジタル画像
２０４ 「手順計画」コンピュータ・ウィンドウ
２１０ 皮膚挿入域を有するディジタル画像
２１２ 皮膚挿入点
２１４ 目標域を有するディジタル画像
２１６ 目標点
２２４ 「ロボット位置合わせ」コンピュータ・ウィンドウ
２３０ 「手順実行」コンピュータ・ウィンドウ
２３２ 「エンド・エフェクタ駆動」コンピュータ・ウィンドウ
２３４ 実時間ディジタル画像
Claims (10)
- エンド・エフェクタ（２６）を被検者の体内の目標位置（２１６）まで案内する方法であって、
前記被検者が所定の呼吸状態を有するときの前記被検者の体内の解剖学的構造の複数のディジタル画像（２１０、２１４）を形成するステップと、
前記ディジタル画像の少なくとも１枚で皮膚挿入位置（２１２）を指示するステップと、
前記ディジタル画像の少なくとも１枚で前記目標位置（２１６）を指示するステップと、
前記皮膚挿入位置（２１２）及び前記目標位置（２１６）に基づいて軌跡経路を決定するステップと、
前記被検者が前記所定の呼吸状態を実質的に有するときに前記エンド・エフェクタ（２６）を前記軌跡経路に沿って前記目標位置（２１６）に向かって移動させるステップと、
を備えた方法。 - 前記複数のディジタル画像（２１０、２１４）を形成するステップは、
走査装置（４４）の内部で軸に沿って前記被検者を移動させるステップと、
該移動時に、各々別個の軸方向位置で形成される前記複数の断面ディジタル画像（２１０、２１４）を形成するステップと、
を含んでいる、請求項１に記載の方法。 - 前記エンド・エフェクタ（２６）を移動させるステップは、
前記被検者の呼吸状態を経時的に監視するステップと、
前記監視された呼吸状態と前記所定の呼吸状態との間の差が閾値以下であるときに前記エンド・エフェクタ（２６）を前記軌跡経路に沿って移動させるステップと、
を含んでいる、請求項１に記載の方法。 - 前記エンド・エフェクタ（２６）は所定の速度で移動される、請求項１に記載の方法。
- 前記複数のディジタル画像（２１０、２１４）は複数の計算機式断層写真法画像を含んでいる、請求項１に記載の方法。
- エンド・エフェクタ（２６）を被検者の体内の目標位置（２１６）まで案内するシステムであって、
前記被検者の呼吸状態を監視する呼吸監視装置と、
前記被検者が所定の呼吸状態を有するときの前記被検者の体内の解剖学的構造を走査して走査データを生成するように構成されている走査装置（４４）と、
前記走査データに基づいて複数のディジタル画像（２１０、２１４）を形成する第一のコンピュータ（４２）と、
前記複数のディジタル画像（２１０、２１４）を表示するように構成されている第二のコンピュータ（４６）であって、さらに、操作者が前記ディジタル画像の少なくとも１枚で皮膚挿入位置（２１２）を指示することを可能にするように構成されており、さらに、前記操作者が前記ディジタル画像の少なくとも１枚で前記目標位置（２１６）を指示することを可能にするように構成されており、さらに、前記皮膚挿入位置（２１２）及び前記目標位置（２１６）に基づいて軌跡経路を決定するように構成されている第二のコンピュータ（４６）と、
前記被検者に挿入されるように構成されている前記エンド・エフェクタ（２６）を有するエンド・エフェクタ挿入装置であって、前記第二のコンピュータ（４６）は、前記被検者が前記所定の呼吸状態を実質的に有するときに前記エンド・エフェクタ（２６）を前記軌跡経路に沿って前記目標位置（２１６）に向かって移動させることを当該エンド・エフェクタ挿入装置に行なわせる、エンド・エフェクタ挿入装置と、
を備えたシステム。。 - 前記呼吸監視装置は、前記被検者の胸部の位置を検出する赤外線式呼吸測定装置（３６）を含んでいる、請求項６に記載のシステム。
- 前記走査装置（４４）は計算機式断層写真法スキャナを含んでおり、前記複数のディジタル画像は複数の計算機式断層写真法画像を含んでいる、請求項６に記載のシステム。
- 前記エンド・エフェクタ挿入装置は、前記エンド・エフェクタ（２６）を直線移動させるように構成されているエンド・エフェクタ駆動器（７０）を含んでいる、請求項６に記載のシステム。
- エンド・エフェクタ（２６）を被検者の体内の目標位置（２１６）まで案内する方法であって、
少なくとも１回の呼吸サイクルにわたって被検者の呼吸状態を監視するステップと、
前記被検者が所定の呼吸状態を実質的に有するときにエンド・エフェクタ（２６）を軌跡経路に沿って前記被検者における前記目標位置（２１６）に向かって移動させるステップと、
を備えた方法。
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|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|
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