JP2005510289A - インターベンショナル手法のためのロボットシステムを案内されたｃｔ画像における触覚フィードバック及び表示 - Google Patents

Abstract

対象（２０）に画像案内医療処置を実行するためのシステム（１０）は、処置中、要求に応じて、実際の処置におけるリアルタイムの画像を間欠的に取得する医療用画像化装置（１００）を含んでいる。ロボットアーム（２００）は、（生検ニードル（２１０）などの）医療用具を保持しており、上記処置を実行するのに用いられる。ロボットアーム（２００）は、ハプティックコントロール（４００）からの駆動信号に反応して医療用具をマニピュレートする。（例えば、ストレインゲージ（２３０）などの）検知器は、上記処置中での医療用具により受ける応力を測定する。ハプティックコントロール（４００）は、オペレーターにより、入力装置（例えば、ノブ（４０４）又は補助用具、例えば、生検では、遠隔ニードル（５００）など）のマニピュレートに反応して駆動信号を発生し、このオペレーターは、医療用具により受けた測定された応力に従って、ハプティックコントロールからの触覚フィードバックを受ける。（例えば、ビデオモニター（１５２などの）ディスプレイは、上記処置の仮想計画視野を示す。この仮想計画視野は、そこの重ねあわされたロボットアーム（２００）により保持された医療用具に対応する仮想医療用具（例えば、仮想ニードル（３００））を伴った対象（２０）に関する処置前の画像（３１０）を示す。ハプティックコントロール（４００）からの駆動信号に反応して、仮想医療用具は、処理前画像（３１０）に相対して更新された位置及び配向を有している。

Description

発明の詳細な説明

（本発明の背景）
本発明は、インターベンショナル医療処置をガイドされた画像に関する。コンピューター断層撮影（ＣＴ）画像化システム及びロボット補助針生検と組み合わせた特定の適用例を見出し、且つ、これに関連する特定の参照文にて述べる。しかしながら、本発明は、異なる画像化モーダリティー及び／又は異なる医療処置を用いた他の同様の適用例にも適用可能であることを理解すべきである。

インターベンショナル医療処置は、出来る限り侵襲性を最小限にしたものとしてしばしば所望されている。しかしながら、周囲の解剖学的構造に対して、外科用ツール及び／又は装置の相対位置及び／又は配向を視覚化し、或いは、知ることを可能にすることも望まれている。後者の目標は、生体組織の直接の検査により達成されてもよい。しかしながら、内部生体組織の場合、直接の検査は、所望するよりもより侵襲性が高い可能性があり、直接の検査に関して、内部生体組織を露出又はアクセスすべく、追加の或いはより多くの切開を必要とする可能性がある。

例えば、ヒト又は動物対象に由来する組織の一部をサンプリング又は試験することがしばしば望まれ、特に、可能性のある癌原性腫瘍、前段階の悪性新生物状態、及びその他の疾病の診断及び処置において望まれる。典型的に、腫瘍の場合、内科医が癌やその他の疾病状態が存在すると疑う場合、腫瘍由来の細胞が実際に癌やその他の疾病状態にあるかどうかを決定すべく生検を実行する。例えば、経皮生検などの多くの生検は、分析用の細胞を採取するのに使用する針様器具にて実行される。

近年、針生検などのインターベンショナル医療処置の実績は、Ｘ線画像化、ＣＴスキャン、連続ＣＴ（ＣＣＴ）、磁気共鳴画像化（ＭＲＩ）、フルオロスコピー、単光子放出ＣＴ（ＳＰＥＣＴ）、陽電子放出断層撮影及びこれらに類する画像化を使用することにより向上されてきている。この画像化装置は、放射線医、外科医、内科医、又はその他の医療従事者などのインターベンショナリスト（ｉｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎａｌｉｓｔ）が、診断又は治療の間、患者への生検針などのインターベンショナル装置の挿入を追跡することを可能としている。かかる画像化モーダリティーが最小限の侵襲性にてこの処置を行うことを可能とし、且つ、インターベンショナリスト又は患者に有益である一方、特定の欠点を有している。

例えば、例えば、ＣＴ画像化などの画像案内手法に関して、針の位置の追跡は、リアルタイムに行われない。つまり、静止画像が取得され、ニードルの位置が示される。従って、このニードルは、若干量だけ進行又は収納され、且つその他の静止画像は、ニードルの新たな位置を検証すべく取得される。このシーケンスは、ニードルの進行を追跡に比すような回数だけ繰り返される。かかる手法は、ニードルが若干の距離だけ又は画像化の間の若干の増加の程度まで、時間を要する傾向にあり、且つ、ニードルの進行は、画像化の間、中断される。さらに、正確性は、インターリム（ｉｎｔｅｒｒｉｍ）の間、つまり、画像間で、ニードルの位置が視覚化されない程度に影響を受ける。

ＣＣＴ画像化及びフルオロスコピーの開発に関して、リアルタイムの画像化が可能となってきた。ＣＣＴスキャニングにおいて、回転するＸ線源は、連続的に対象を照射し、一秒当たり約６フレームの比率にて画像を生成する。インターベンショナリストによるリアルタイムの案内に関するＣＣＴ又はフルオロスコピーの使用及び／又は生検の間のニードルの追跡は、容易に取得される。結果として、生検は、より正確になるばかりでなく、継続時間がより短縮される。しかしながら、この画像化手法が連続的に進行することに起因して、患者と能力のあるインターベンショナリストの両者は、例えば、非連続性ＣＴなどに比べてより多くの放射線の曝露を受ける。

従って、先行技術において、受ける放射線暴露のレベルとこの手法のリアルタイムの視覚化との間にはトレード・オフの関係が存在する。つまり、より低い放射線曝露は、常套的に、リアルタイムの視覚化のコストにおいて達成され、逆に、リアルタイム視覚は、より高い放射線曝露のコストにおいて常套的に達成される。

一つの問題は、インターベンショナリストを放射線曝露から防御することにある。針生検において、例えば、しばしば生検用の針及び案内は、Ｘ線放射の平面内又はこれに近接して行われ、ニードルの先端は、この画像平面に存在し、これにより、連続的な追跡を可能としている。画像化の平面に近接して残存することはまた、しばしば、ニードルが対象を通過する距離を最小限にすることを可能とする。その結果、このことは、インターベンショナリストの手をＸ線ビーム内に配置することとなる。一日当たり数回のかかる手法を実行するインターベンショナリストの手は、毒性量の放射線を簡単に受けることが可能となってしまう。従って、放射線曝露のリスクを伴うことなく、針生検を行う方法を、インターベンショナリストに提供することが望まれる。

上述の問題を解決するための提案する手法には、インターベンショナリストの手がＸ線ビームを避けつつ、インターベンショナリストが生検用針をマニピュレートすることを可能とする機械システムの使用を含む。しかしながら、機械リンケージを有する、かかるシステムは、インターベンショナリストが直接ニードルをマニピュレートすることにて利用可能なその他の触感（例えば、応力、脱落及び／又はニードルの動くなど）を減弱又は消失してしまう。このことは、インターベンショナリストが、この手法に関連するこれら触感に由来する有用な情報を典型的に取得する点において欠点である。例えば、インターベンショナリストは、異なる組織間のニードルの通過、骨への接触、皮膚を通過するなどを体感することをしばしば可能としている。インターベンショナリストは、一般的に、生検を実行する際、この「間隔」を所望する。訓練された技術者に対して、このことは、ニードルの位置の追加的な指示として機能する。

通常、Ｆｕｒｓｔらの所有する米国特許第６，２４５，０２８号は、この間隔の欠落及び部分的にインターベンショナリストの放射線曝露の問題を解決している。しかしながら、連続的な画像化モーダリティー（例えばＣＣＴ）を使用する限り、患者への放射線曝露は、所望するよりも高いものとなる可能性がある。

本発明は、上述の問題その他を克服する、インターベンショナル手法のための、ロボットシステムを案内された画像における、新規で向上された触覚フィードバック及び表示を意図している。

（本発明の概略）
本発明の一面によると、医療用具にて、患者に医療処置を実行するための装置が提供されている。この装置は：この処置中、要求に応じて、実際の処置におけるリアルタイムの医療用画像を間欠的に得るための画像化手段；この処置を実行するのに使用する医療用具を保持するロボット手段であって、第１信号に反応してこの医療用具をマニピュレートするロボット手段；この処置の間、医療用具により受けた応力を測定する応力検知手段；オペレーターにより、入力装置のマニピュレートに反応して、上記の第１信号を生成し、且つ、医療用具により受けた測定された応力に従って、オペレーターの触覚フィードバックを提供する、コントロール手段；並びに、この処置の仮想的な計画視野を示すディスプレイ手段であって、この仮想的な計画視野は、そこに重なり合った上記のロボット手段により保持された医療用具に対応した仮想医療用具にて、対象の処置前における画像を示し、コントロール手段に由来する第１信号に反応して、仮想医療用具が、処置前における画像に相対して更新された位置及び配向を有している、ディスプレイ手段；を有している。

本発明の別の面によると、対象に対して医療処置を実行する方法であって、処置前の対象の画像を取得し且つそこに医療処置を行うのに使用する実際の医療用具に対応する仮想の医療用具を重ね合わせることにより、医療措置を計画することを含む。実際の医療用具を保持するロボットアームは、この医療処置を実行すべく、遠隔的に制御され、実際のニードルにより受ける応力は、この医療処置が実行されるべく測定される。また、この方法は、この処置を実行するオペレーターに、測定された応力に基づいて触覚フィードバックを提供し、且つ、ロボットアームの制御に従って、処置前の画像における仮想の医療用具の位置及び配向を更新することを含む。追加的に、実際の医療処置のリアルタイムの画像は、この医療処置中、間欠的に取得される。

本発明の一つの利点は、インターベンショナリスト及び患者の両方への過剰な放射線曝露に対してガードするという点である。

本発明の別の利点は、オペレーターに触覚フィードバックを提供する点である。

本発明におけるさらに別の利点は、検証のため、実際の処置におけるリアルタイムの画像を間欠的に取得する一方、インターベンショナリストが、処置の仮想的な視野を介して、処置の進行を連続的にモニター及び／又は視覚化することを可能とする点である。

本発明の別のさらなる利点及び有益性は、当業者にとって、好適実施例に関する以下の詳細な記載を読解及び理解することにより、明らかになるであろう。

（図面の簡単な説明）
本発明は、種々のコンポーネント及びコンポーネントの配置、並びに、種々のステップ及びステップの配置の形態を取ってもよい。図面は、好適実施例を図示する目的のためのみであり、本発明を限定的に解釈すべきものではない。

（好適実施例に関する詳細な記載）
図１を参照すると、画像案内インターベンショナル医療処置システム１０は、対象２０の医療用診断画像を生成可能な医療用画像化装置１００を含んでいる。任意で、医療用画像化装置１００は、Ｘ線画像化装置、ＣＴスキャナー、ＣＣＴスキャナー、ＭＲＩスキャナー、フルオロスコープ、ＳＰＥＣＴスキャナー、ＰＥＴスキャナー、及びこれらの組み合わせを含んでいる。

示した実施例において、医療用画像化装置１００は、中央検査領域１１２を規定する静止ガントリー１１０を有するＣＴスキャナーである。回転ガントリー１１４は、中央検査領域１１２の周囲で回転するため、静止ガントリー１１０上に取り付けられている。Ｘ線管などの貫通放射源１２０は、それとともに回転するため、回転ガントリー１１４上に配置されている。この貫通放射源は、放射ビーム１２２を生成し、回転ガントリー１１４が回転するにつれ、放射ビーム１２２を通過する。コリメーター・シャッターアッセンブリ１２４は、薄いファン型に放射ビーム１２２を形成し、選択的にビーム１２２を開口及び閉口する。代替的に、放射ビーム１２２は、貫通放射源１２０において、電気的にゲート開口及び閉口する。ＣＴスキャナーから取得されたデータとともに適切な再構築アルゴリズムを用いて、そこの対象２０の画像は、選択的に再構築される。

手術、長いす又はこれらに類するものなどの対象支持体１３０は、その上に受け入れて、ヒト又は動物患者などの対象２０を、少なくとも部分的に中央検査領域１１２の内部に吊るし、或いは、保持し、薄いファン型の放射ビーム１２２は、対象２０の興味ある部分にて断面スライスを切断する。

示した第４世代のＣＴスキャナーにおいて、放射検知器１４０のリングは、インターベンショナル医療処置システム１０上の中央検査領域１１２の周辺周りに取り付けられる。代替的に、第３世代のＣＴスキャナーは、貫通放射源１２０の反対の中央検査領域１１２の側において、回転ガントリー１１４上に取り付けられた放射検知器１４０のアークとともに使用され、これらは、薄いファン型の放射ビーム１２２により規定されたアークを覆っている。この配置にもかかわらず、放射検知器１４０は、中央検査領域１１２を横切った後に、貫通放射源１２０から放出された放射線を受け入れるべく配置されている。

ソースファンの幾何学性において、貫通放射源１２０から放射された放射線を覆う検知器のアークは、ソースファン視野を生成すべく、中央検査領域１１２の背後で貫通放射源１２０が回転するにつれ、短時間の間隔にて、同時にサンプリングされる。検知器のファンの幾何学性において、各検知器は、検知器ファン視野を生成すべく中央検査領域１１２の背後で貫通放射源１２０が回転するにつれ、複数の時間においてサンプリングされる。貫通放射源１２０と各放射検知器１４０との間の通路は、レイとして表される。

放射検知器１４０は、検知した放射線を電子投射データへと変換する。つまり、放射検知器１４０のそれぞれは、受けた放射線の強度に比例する出力信号を生成する。任意で、参照検知器は、中央検査領域１１２を横切らない放射線を検知してもよい。参照検知器と各放射線検知器１４０とにより受け取られる放射線の程度の差異は、放射のサンプリングされたファンの対応する例に沿った放射線減衰の量の指示を提供する。いずれかのケースにおいて、各放射検知器１４０は、視野における各レイに沿った投射に対応するデータ要素を生成する。データラインにおけるデータ要素のそれぞれは、再構築された対象を通過する対応する例に沿った線微分に関連されている。

ＣＴスキャナーにより各スキャンに関して、放射検知器１４０由来の画像データは、収集され、且つ、通常の様式にて、対象２０の画像表示へと再構築される。例えば、ワークステーション及び／又はコントロールコンソール１５０に組み込まれたデータ処理ユニットは、この画像データを取得し、レビニング手法（ｒｅｂｉｎｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）、畳み込み／逆投影アルゴリズム、及び／又はその他の適切な再構築手法を用いて、画像データから画像表示を再構築する。好適実施例において、対象２０の興味ある領域からの、放射ビーム１２２の薄いファンの他のビームにより横切られた断面スライスに対応するこの画像表示は、ビデオモニター１５２やこれに類するものなどの、ヒトが視認できるディスプレイ上に表示され、これは、コントロールコンソール１５０の一部でもある。コントロールコンソール１５０は、任意で、医療用画像化装置１００（例えば、医療用画像化装置１００を含む走査ルームに近接したシールドされたルーム）に対して、遠隔的に配置されており、一つ以上のモニター１５２、コンピューター若しくはデータ処理ハードウェア及び／若しくはソフトウェア、一つ以上のメモリ若しくはその他のデータ保存装置、並びに一つ以上の標準的入力装置（例えばキーボード、マウス、トラックボールなど）を含んでいる。

図２を参照し、且つ続けて図１を参照すると好適実施例において、画像案内インターベンショナル医療処置システム１０は、所望の位置及び軌道において、例えば生検用ニードル２１０などの、インターベンショナル外科用具又はこれに類する医療用具を保持するロボットアーム２００を有している。このロボットアーム２００は、完全に調節可能であり、多重接合型で多重セグメント型のアームであり、各接合部は、その自由度を種々変更できる。後の詳述するように、生検用ニードル２１０は、ロボットアームの把持部２２０にて保持される（図３に最も良好に示されている）。従って、ロボットアーム２００を適切に配置することにより、且つ、互いに対して対象２０及びロボットアーム２００を適切に配置することにより、対象２０に相対した生検用ニードル２１０の任意の位置及び／又は配向を所望の如く達成される。

図３を参照すると、把持部２２０は、エンドエフェクター２２６の用具保持部材２２４間に配置された生検用ニードル２１０又はその他の用具をそれぞれ、選択的に保持又は開放すべく、空圧式又はその他の駆動方式にて、互いに対して進行して向かい、且つ、互いに対して離れるように、移動する反対部分２２２ａ及び反対部分２２２ｂを有している。エンドエフェクター２２６は、ストレインゲージ２３０及び複数のスプリング部材２４０を介して、把持部２２０の残りの部分に機械的に連結されている。任意で、ロードセル、圧力センサー又はその他の同様の応力測定装置は、示したストレインゲージ２３０の変わりに用いられてもよい。追加で、一つ以上のスプリング部材２４０は、追加のストレインゲージ２３０に置き換えられてもよい。

ストレインゲージ２３０は、エンドエフェクター２２６に保持された用具により受ける応力を測定し、且つ、これに反応又は比例して、応力信号を生成する。例えば、軸方向又はその他の応力が生検用ニードル２１０により受ける場合、応力は、エンドエフェクター２２６を介して、ストレインゲージ２３０へと移行される。ストレインゲージ２３０により受ける屈折又は応力は、ストレインゲージ２３０に、これに反応した又は比例した信号又は電流を生じさせる。多重的ストレインゲージ２３０を使用する場合、これらの出力信号は、任意で平均化され、或いは、同様に結合される。

好ましくは、４つの部材（一つのストレインゲージ２３０と３つの弾力性スプリング部材２４０）は、エンドエフェクター２２６を把持部２２０の残りの部分へと結合する。最も良好に図３Ａに示したように、２つの並列部材（一つは上部、一つは底部）は、エンドエフェクター２２６の個々に対応した部分を、反対部分２２２ａ及び反対部分２２２ｂへと結合する。この並列部材は、応力を受けた際、エンドエフェクター２２６の実質的に線形な屈折を保持し、或いは、確実にしている。つまり、これらは、エンドエフェクター２２６の望まない傾斜に対向しており、従って、保持されている生検用ニードル２１０又はその他の用具の望まない傾斜に対向している。スプリング部材２４０は、また、エンドエフェクター２２６における、ストレインゲージ２３０を介して望ましくなく移行される可能性のある振動の効果を最小限にすべくダンピング機構を供してもよい。

好適実施例によると、対象２０の興味ある領域に関する診断医療用画像又は画像は、インターベンショナル医療処置を実行する前に取得される。例えば、興味ある処置が生検である場合、処置前又は制御前の画像は、腫瘍又は疾病状態を有する生体組織の近傍又はこれらを含む視野の軸方向のスライスであるであろう。任意で、制御前の画像又は画像データは、医療用画像化装置１００又はその他の診断医療用画像化装置にて取得される。制御前の画像データを用いて、インターベンショナリスト又はその他の医療従事者は、仮想処理計画システム及び／又は方法を介してこの処置を計画する。仮想的処置計画の例は、通常、Ｙｎｏｆらの所有する米国特許第６，０６４，９０４号に見出される。

図４を参照すると、仮想処置計画は、興味ある領域の画像をもたらし、得られた制御前の画像に相対した所望の配向及び位置に存在している、重ね合わされた仮想外科用具、例えば、仮想生検ニードル３００を含んでいる。つまり、制御前の画像は、興味ある生体組織３１０を可視化し、且つ、この仮想計画を介して、仮想生検ニードル３００又はその他の医療用具は、この処置を実行するための所望の位置及び軌道において重ね合わされ、又は取り込まれている。示した実施例において、仮想生検ニードル３００は、経皮での挿入位置３０２、標的位置３０４並びに／又は標的に対する深さの読み、並びに二つの地点及び／又は角の形成の読み（ａｎｇｕｌａｔｉｏｎ ｒｅａｄｉｎｇ）を接続するニードル軌道３０６により規定される。共同で、示された外科用具又は医療用具を伴った制御前又は処置前の画像は、ここでは、仮想及び／又は計画視野として参照される。好適実施例において、この仮想計画視野は、ニードルの軌道を含む横軸方向スライス又は不透明平面に重ね合わされた仮想生検ニードル３００を含んでいる。多重平面再フォーマット（ＭＰＲ）視野を用いて、ニードル軌道３０６は、横軸方向平面に存在しているかどうかにかかわらず、この仮想計画視野において追跡される。つまり、この仮想計画視野は、任意で、容量データから生成され、従って、任意の配向に関して仮想生検ニードル３００の完全な軌道を示すことが可能であり、ＣＴスキャナーにより生成された、大部分に関して、横軸視野の画像のみでもよい実際の画像とは異なっている。従って、ニードルの軌道が横軸視野と共通の平面ではない場合、完全なニードルの軌道の視覚化は、失われない。

仮想計画視野は、好ましくは、ワークステーション若しくはコントロールコンソール１５０上にロード及び／又は保持されるか、代替的に、インターベンショナリストにより表示又は視覚化されてもよい分離したコンピューター、ワークステーション又はコンソール上に保持される。

図５を参照すると、システム１０は、また、コントロールコンソール１５０に制御的に伝達して組み込まれたハプティックコントロール４００を有している。示した例示的なハプティックコントロール４００は：ノブ４０４、先端部４０６、ブレーキ４０８及び光学エンコーダー４１０上に配置され又はインターフェース接続された共通回転シャフト又は軸４０２；遠隔生検ニードル５００などの、任意の補助又は遠隔外科用又は医療ツール又は用具；並びに調節可能マウント６００を有している。ノブ４０４は、ハプティックコントロール４００のインターベンショナリスト又はその他のオペレーターにより、直接シャフト４０２を回転することを可能としている。先端部４０６は、遠隔生検ニードル５００などの、任意の補助又は遠隔外科用又は医療ツール又は用具上に、形成、取り付け、或いはその他組み込まれたラック５０２をメートしている。このラック及び先端部アッセンブリは、補助ツール（つまり、遠隔生検ニードル５００）の線形移動の、シャフト４０２の回転への変換を達成する。任意で、この動作移行を達成すべく、代替的なアッセンブリを使用してもよい。例えば、一つの好適実施例において最も良好に図１に示している）、先端部４０６は、実質的にスムーズな（つまり歯車の付いていない）周辺表面を有する、任意でゴム又は同様の保持材料にて層状又はカバーされたホイール４０６’に置き換えても良い。（ラックを有していない）遠隔生検ニードル５００又はその他の補助ツールの線形部材の長さは、周辺ホイールと調節可能カム４０７との間で圧縮適合される。この様式において、ニードル又は線形部材が進行される場合、ホイールのラバー又はその他の保持周辺との接触は、ホイールの回転及びシャフト４０２の回転を達成する。加えて、ノブ４０４又は補助ツール以外の代替的なユーザーコントロールを用いてもよく、例えば、このユーザーコントロールは、アナログスライダー又はこれに類するものであってもよい。

ブレーキ信号に反応するブレーキ４０８は、シャフト４０２に可変な摩擦又はその他の抵抗力を適用し、これにより、シャフト４０２の回転を簡単に或いは困難に制御する。任意で、例えば、この抵抗力は、電磁気又は空力的なものであってもよい。好適実施例において、ブレーキ４０８は、これに適用される電流に反応し、且つ、「パワーオフ」型である。つまり、ブレーキ４０８に電流が適用されない場合、ブレーキ４０８は、完全に係合し、これにより、回転に対してシャフト４０２は実質的に固定され；且つ、電流が先端部４０６に進行的に適用されるにつれ、ブレーキ４０８は、トルク量を減少させるべく進行的に開放され、シャフト４０２を回転する。任意で、パワーオン型のブレーキを用いてもよい。

光学エンコーダー４１０は、シャフト４０２の回転程度又は量に反応する駆動信号を生成する。好適実施例において、光学エンコーダー４１０は公知のタイプであり、例えば、シャフト４０２にて回転する、半径方向にエッチング又は貫通されたディスク４１２、発光要素（例えばフォトダイオード又はこれに類するもの）及び光感受性要素（例えば、光電子トランスデューサー又はこれに類するもの）を、ディスク４１２の反対面に有する光学リーダー４１４を含む。従って、シャフト４０２及びディスク４１２が回転すると、ディスク４１２の貫通部に従って、発光要素から発光感受性要素への光の通過が変調される。この様式において光学エンコーダー４１０は、シャフト４０２の回転の量又は程度を測定し、これに反応的又は比例的な駆動信号を発生する。任意で、シャフト４０２の回転を測定するその他の公知の装置を用いてもよい。

調節可能マウント６００は、ベース６１０及びボールジョイント６２０（又はその他のユニバーサルジョイント）を有しており、そこを介して、ハプティックコントロール４００の本体６３０が、ベース６１０に機械的に連結されている。ベース６１０は、ハプティックコントロール４００をテーブルトップ又はその他の作業表面へと固定すべく使用されている。ボールジョイント６２０は、ベース６１０に固定されている表面の配向にかかわらず、ハプティックコントロール４００のインターベンショナリスト又はその他のオペレーターにより、所望に応じて、本体６３０を配置又は配向されることを可能としている。従って、例えば、本体６３０は、遠隔生検ニードル５００の軌道が実際の生検用ニードル２１０の軌道と一致し、これにより、処置におけるより現実的な感覚又は知覚をインターベンショナリストに与えることとなるように、（ハプティックコントロール４００に固定されている表面にかかわらず）、配向されてもよい。つまり、遠隔生検ニードル５００の配向は、実際の生検用ニードル２１０の配向に相互に関連付させてもよい。

図６を参照し、且つ、続けて以前の図面を参照すると、インターベンショナル医療処置システム１０を用いた例示的な制御間の処置について述べている。この例の目的のため、処置は生検とする。医療用画像化装置１００の領域１１２内部に対象又は患者２０を敵切に配置することにより、その把持部２２０のエンドエフェクター２２６に生検用ニードル２１０を保持するロボットアーム２００は、ニードル２１０が、仮想計画視野における仮想生検ニードル３００に対応するように、つまり、実際のニードル先端部は、挿入位置３０２に検討を付けるように、且つ、実際のニードルの配向が計画されたニードル軌道３０６に適合するように、初期的に位置付け及び／又は配置される。任意で、ロボットアーム２２０は、コントロールコンソール１５０に保持されている仮想計画視野に基づいて、自動的にその初期位置及び／又は配置へと移動する。つまり、インターベンショナリスト又はその他のオペレーターは、（コンソールその他から）仮想計画視野又はデータをロボットアーム２００の動きを制御するロボットコントローラー７００へと送信する。ロボットコントローラー７００は、任意で、コントロールコンソール１５０その他に組み込まれた専用プロセッサー又は処理ユニットである。

インターベンショナリストは、その後、ハプティックコントロール４００を使用し、実際のニードル２１０を駆動する、つまり、その軌道に沿って、ニードル２１０を選択的に進行及び／又は収納する。つまり、ノブ４０４又は遠隔生検ニードル５００をマニピュレートすることにより、インターベンショナリストは、シャフト４０２に所望の量又は程度の回転を与える。この回転は、それらに反応又は比例する駆動信号を発生する光学エンコーダー４１０により測定される。この駆動信号は、その後、ロボットコントローラー７００に伝達され、これに反応して、ロボットアーム２００はその軌道に従って生検用ニードル２１０を駆動する。好ましくは、遠隔生検ニードル５００と生検用ニードル２１０の移動及び／又は収納料との間には一対一対応が存在する。ノブ４０４に関して、生検用ニードル２１０の移動及び／又は収納の両は、所望に応じて相対的に測定されてもよい。任意で、この相対測定は、遠隔生検ニードル５００が使用された場合、所望するならば適用されてもよい。

駆動信号のロボットコントローラー７００の伝達に加えて、駆動信号は、また、仮想視野処理ユニット７１０に伝達されてもよい。仮想視野処理ユニット７１０は、駆動信号により示された量に従って、計画された軌道３０６に沿った仮想生検ニードル３００の進行及び／又は収納により、ビデオモニター１５２上に表示された仮想計画視野における仮想生検ニードル３００の位置を更新する。好ましくは、仮想視野処理ユニット７１０は、駆動信号が、ハプティックコントロール４００のマニピュレーションに起因して変化するにつれ、仮想計画視野を連続的に更新する。ロボットコントローラー７００と同様に、仮想視野処理ユニット７１０は、任意で、コントロールコンソール１５０その他に組み込まれた、専用プロセッサー又は処理ユニットであってもよい。任意で、仮想生検ニードル３００の進行及び／又は収納は：深さ対標的読みを調節することにより；ニードルにより占有されていない残存する軌道３０６を示す点線若しくはその他の破線間の線の部分又は仮想生検ニードル３００を示す実線を選択的に切り替えることにより；上述の両方により、又はその他適切な方法により仮想視野中に示される。この様式において、インターベンショナリストは、患者２０を継続的に画像化することなく、従って、患者２０に連続的に放射ビーム１２２を曝露することなく、この処置における進行を視覚化することが可能である。

仮想視野を介した処置の進行をモニタリングすることに加えて、インターベンショナリストは、所望又は要求に応じて、実際の処置を視覚化するリアルタイムの画像を得るべく、医療用画像化装置１００を用いた制御間画像化実験９００を間欠的に実行してもよい。ここで、これら制御間の画像は、実際の視野として参照される。この画像化が間欠的である限りは、患者２０の放射線曝露は、患者２０が継続的に画像化される場合に受けるものに比べた曝露よりも低いものである。好ましくは、実際の視野は、仮想の視野に沿ってビデオモニター１５２上に表示される。従って、インターベンショナリストは、実際の処置が、実際に、仮想の視野に示されたように進行していることを確実にすべく、連続的に更新される仮想視野に対して、定期的に更新される実際の視野及び参照をコンサルトしてもよい。

実際のニードル２１０が進行しているか、或いは、ロボットアーム２００により移動されているので、これは応力を受ける。例えば、軸応力は、ニードル２１０が組織を介して進行及び／又は収納する際、受ける。ニードル２１０を保持するエンドエフェクター２２６を介して、これら応力は、検知及び／又は測定するストレインゲージ２３０へと移行及び／又は屈折され、これらに反応する応力信号を発生する。この応力信号は、その後、応力信号を調整する、或いは、これに反応したブレーキ信号を発生するフィードバック処理ユニット８００を介して供給される。ブレーキ信号は、その後、ブレーキ４０８へと適用され、これにより、シャフト４０２の回転を簡便又は困難に制御する。この様式において、ハプティックコントロール４００をマニピュレートするインターベンショナリストは、実際のニードル２１０により受ける応力の触覚フィードバックを受ける。つまり、ハプティックコントロール４００は、実際のニードル２１０を直接マニピュレートする際に受けるのと同様の抵抗感又は触覚感覚を実質的に同様の感覚をインターベンショナリストに示す。任意で、所望ならば、ハプティックコントロール４００により示される抵抗又は触覚感覚は、実際のニードル２１０を直接マニピュレートすることにより受けるスケールバージョンであってもよい。ストレインゲージ２３０により検知及び／又は測定された応力に反応するブレーキ４０８の反応時間は、好ましくは、１００ミリ秒以下、さらに好ましくは、約５０ミリ秒以下である。再び示すが、フィードバック処理ユニット８００又はこれらのいかなるコンポーネントも、任意で、コントロールコンソール１５０その他に組み込まれた専用プロセッサー又は処理ユニットである。

好適実施例において、フィードバック処理ユニット８００は、増幅器８１０、アナログ／デジタル変換器８２０（Ａ／Ｄ）、ルックアップテーブル８３０（ＬＵＴ）、プログラム可能パワーサプライ８４０（ＰＰＳ）を含んでいる。制御時、ストレインゲージ２３０からの応力信号は、増幅器８１０により増幅され；増幅信号（任意で、ノイズを除去するローパスのフィルタリングの後）、アナログ／デジタル変換器８２０によりデジタル信号へと変換され；デジタル信号は、その後、ＰＰＳコントロール信号へと応力信号をマッピングするルックアップテーブル８３０をアクセスすべく使用され；且つ、ＰＰＳコントロール信号はその後、ブレーキ４０８へとブレーキ信号を供給するプログラム可能パワーサプライ８４０を制御すべく使用される。ルックアップテーブル８３０は、適切な応力フィードバック及び／又は所望するスケーリングを達成すべく、特定のブレーキ及びストレインゲージ特性に従って好ましく調節される。任意のローパスフィルタリングは、ＲＣローパスフィルターを用いて実行されてもよい。このフィルターは、エンドエフェクター２２６における機械的振動に対する光学電子的な解決を提供する。

任意で、フィードバック処理ユニット８００は、インターベンショナリストが視覚と同様に、ニードル２１０により受けた応力の触感を有するように、ビデオモニター１５２上に、測定された応力又は代表的な指示を表示する。追加的に、応力が一つ以上の同定された閾値を超える場合、適切な警告メッセージをモニター１５２上に表示してもよい。例えば、測定された応力が、生検用ニードル２１０が骨に接触した時に示す応力又はこれに近い値である場合、警告を表示してもよい。同様に、測定された応力が心筋をやぶるのに十分高いレベルである場合、警告を表示してもよい。追加で、ルックアップテーブル８３０は、一つ以上の閾値に遭遇する際、ブレーキ４０８がさらなる回転に対抗して、シャフト４０２を実質的に固定すべく完全に係合し、これにより、興味ある生体組織又は組織が損傷を受ける前、又は患者２０に有害となる前に、ニードル２１０がさらに進行することを効果的に中止するように、調節されても同調されてもよい。異なる組織に抵抗及び／又は通過する際の生検用ニードル上での応力の受けが、応力信号のマッピングをＰＰＳコントロール信号へと適切に設定することにより実験データ及び／又は履歴データからすることが可能である限り、ルックアップテーブル８３０もまた、生検用ニードル２１０の先端が特定の組織に遭遇し、或いは、一つの組織から別の組織へと通過する際、触感を促進又は強調すべく、任意で同調されてもよい。

調節信号もまた、フィードバック処理ユニット８００から、ロボットコントローラー７００及び／又は仮想視野処理ユニット７１０へと送信されてもよい。これらの信号は、ロボットコントローラー７００及び仮想視野処理ユニット７１０が、ストレインゲージ２３０により受け、且つ、測定された応力及び／又は屈折に従って調節することを可能とする。例えば、フィードバック処理ユニット８００からの調節信号は、エンドエフェクター２２６により受けるストレインゲージ２３０により測定された軽微な屈折に関して補完すべく、ロボットコントローラー７００により機能される。この調節信号はまた、ニードル上の応力及びその配向に起因した、組織内における、計画された軌道３０６に由来するニードルの偏差を予測すべく、仮想視野処理ユニット７１０により任意で使用されてもよい。これへの反応において、ニードルの斜角又はその他の修正動作における示唆又は推奨される再配向は、インターベンショナリストに伝達されてもよく、例えば、ビデオモニター１５２上に示された仮想視野にて視覚化された外挿された結果にて、伝達されてもよい。

フィードバック処理ユニット８００に関してさらに、好ましくは、各処置の前に同定されたベースラインである。例えば、空気の残りにおけるニードル２１０に関してアナログ／デジタル変換器８２０からの初期出力値（つまり、処置の制御によりいかなる外力も適用されていない状態）は、保存され又はセーブされる。この保存値又はベースラインは、その後、アナログ／デジタル変換器８２０からの次なる全ての出力値から差分される。この様式において、処置中、アナログ／デジタル変換器８２０からのデジタル出力信号は、処置を行う前の初期的なニードルの条件に相対して作成される。

本発明に一面に従った、例示的な画像案内インターベンショナル医療処置システムに関する概略図であって、そこに含まれるハプティックコントロールの正面図を示している。 本発明の一面に従った、生検用ニードルを保持するロボットアームを示している。 図２に示したロボットアームの把持部に関する斜視図である。 図３のセクション線Ａに沿った把持部に関する断面側面図である。 例示的なインターベンショナル医療処置のための、本発明の一面に従った仮想計画視野である。 本発明の一面に従ったハプティックコントロールに関する側面図を示している。 本発明の一面に従った、例示的な画像案内インターベンショナル医療処置システムに関する制御を示したブロック図である。

Claims (18)

1. 医療用具にて対象に医療処置を行う装置であって、当該装置は：
   前記処置中、要求に応じて、実際の前記処置のリアルタイム医療画像を間欠的に取得する画像化手段；
   前記処置の実行に使用する前記医療用具を保持するロボット手段であって、第１信号に反応した前記医療用具をマニピュレートする、ロボット手段；
   前記処置中、前記医療用具により受けた応力を測定する応力検知手段；
   オペレーターによる入力装置の操作に反応して、前記第１信号を生成し、且つ、前記医療用具により受けた前記の測定された応力に従って、前記オペレーターの触覚フィードバックを提供する、コントロール手段；並びに
   前記処置に関する仮想計画視野を示す、ディスプレイ手段であって、前記仮想計画視野は、重ね合わされた前記ロボット手段により保持されている前記医療用具に対応した、仮想の医療用具を伴った、前記対象に関する処置前の画像を示しており、前記仮想医療用具は、前記コントロール手段からの前記第１信号に反応して、前記の処置前の画像に相対して更新された位置及び配向を有している、ディスプレイ手段；
   を有していることを特徴とする装置。
2. 前記画像化手段は、ＣＴスキャナー、ＭＲＩスキャナー、フルオロスコープ、ＳＰＥＣＴスキャナー又はＰＥＴスキャナーであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記応力検知手段は、ストレインゲージ、ロードセル又は圧力センサーを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記医療用具は、生検用ニードルであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記ロボット手段は：
   前記医療用具を保持する、エンドエフェクターを有する把持部を有し、
   前記エンドエフェクターは、前記応力検知手段及び複数の弾性スプリング部材として機能する、ストレインゲージにより、前記把持部に機械的に連結されており、
   前記弾性スプリング部材及び前記ストレインゲージは、前記エンドエフェクターの傾斜を防止するように配置されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記ストレインゲージ及び少なくとも一つの前記弾性スプリング部材は、前記エンドエフェクターの対向する側面上に互いに並列に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記応力検知手段は、前記の測定された応力に反応する第２信号を生成し、且つ、
   前記第２信号に反応して、前記コントロール手段に伝達される第３信号を生成するフィードバック処理ユニットを更に有し、
   前記コントロール手段は、前記第３信号に反応して、前記触覚フィードバックを発生する、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記フィードバック処理ユニットは：
   前記第２信号を増幅する増幅器；
   前記の増幅された第２信号をデジタル化するアナログ／デジタル変換器；
   前記のデジタル化された第２信号によりアクセスされ、且つ、前記のデジタル化された第２信号を、プログラム可能パワーサプライコントロール信号へとマッピングする、ルックアップテーブル；及び
   前記のプログラム可能パワーサプライ信号に反応して、前記第３信号を生成する、プログラム可能パワーサプライ；
   を有することを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 前記ルックアップテーブルは、前記コントロール手段により、前記オペレーターへと供される前記触覚フィードバックが、前記オペレーターが前記医療用具を直接マニピュレートする際、前記オペレーターにより受けるのと実質的に同様となるように、同調されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記ルックアップテーブルは、一つの特定の組織から他の組織へと前記医療用具が移行する際、前記コントロール手段により前記オペレーターに供される前記触覚フィードバックを促進するように、同調されていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
11. 前記コントロール手段は：
    前記入力装置における前記のオペレーターの操作に反応して回転するシャフト；
    前記シャフトを簡単に回転して制御するブレーキであって、前記応力検知手段により測定された応力に反応する、ブレーキ；及び
    前記シャフトの前記回転を測定し、且つ、これに反応する前記第１信号を生成する、エンコーダー；
    を有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記入力装置は、前記シャフトに結合された補助的医療用具であって、
    前記補助的医療用具は、前記ロボット手段により保持されている前記医療用具を実質的に真似たものであることを特徴とする請求項４に記載の装置。
13. 前記コントロール手段は：
    該コントロール手段を作動表面に取り付ける、調節可能マウント；をさらに有し、
    前記調節可能マウントは、前記の作動表面の配向にかかわらず、複数の配向に沿って、前記オペレーターが、選択的に前記入力装置を配向することを可能にする、ジョイントを含んでいる、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
14. 前記応力検知手段からの前記の測定された応力が所定の閾値を超える場合、前記ブレーキは、完全に係合し、これにより、実質的に回転に対して前記シャフトを固定することを特徴とする請求項１１に記載の装置。
15. 対象に医療処置を実行する方法であって：
    （ａ）前記対象の処置前の画像を取得し、これに、前記医療処置を実行するのに使用する実際の医療用具に対応する仮想医療用具を重ね合わせることを有する、前記医療処置を計画し；
    （ｂ）前記医療処置を実行する実際の前記医療用具を保持するロボットアームを遠隔的に制御し；
    （ｃ）前記医療処置を実行されるように、前記の実際のニードルにより受ける応力を測定し；
    （ｄ）前記の測定された応力に基づいて、前記処置を実行するオペレーターに触覚フィードバックを提供し；
    （ｅ）前記ロボットアームの前記制御に従って、前記の処置前の画像における前記仮想医療用具の位置及び配向を更新し；且つ
    （ｆ）前記医療処置の間、前記の実際の医療処置におけるリアルタイムの画像を間欠的に取得する；
    ことを有することを特徴とする方法。
16. 前記ステップ（ｂ）は：
    前記ロボットアームが、ほぼ同様の様式にて前記の実際の医療用具をマニピュレートするように、前記の実際の医療用具をほぼ真似た補助的医療用具をマニピュレートする；
    ことを有することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記の測定された応力が、所定の閾値を超える場合、前記補助的医療用具を実質的に固定することを更に有することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記の測定された応力が、所定の閾値を超える場合、前記オペレーターに示すことをさらに有することを特徴とする請求項１５に記載の方法。

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