JP2009537232A - ロボット機器システム - Google Patents

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Abstract

一実施例においては、ロボット機器システムがコントローラと通信する、マスタ入力デバイスと機器ドライバとを具え、前記機器ドライバはガイド機器インタフェースを有し、当該ガイド機器インタフェースは少なくとも部分的に、前記マスタ入力デバイスにより生成され、前記ガイド機器インタフェースと機能的に連結するガイド機器を操作するための制御信号に応答する、1又はそれ以上のガイド機器駆動要素を具えている。マスタ入力デバイスはリンケージアセンブリと連結したオペレータインタフェースを含み、前記オペレータインタフェースとリンケージアセンブリとの間に挿入された1又はそれ以上のロードセルを有し、前記マスタ入力デバイスによって生成された制御信号は前記リンケージアセンブリと関連する前記オペレータインタフェースの移動に応じて、1又はそれ以上のロードセルによって生成された出力信号に少なくとも一部分は基づいている。
【選択図】図1

Description

本発明は一般的にロボット制御の医療機器システムに関し、特に最小侵襲の医療行為及び診断の用途のために構成されるロボット制御の可撓性機器システムに関する。
ロボット機器(例えば、カテーテル)システム及びデバイスは、外科医の手が内部器官にアクセスするのを可能にするように、患者の体腔が開けられた従来の技術とは対照的に、最小侵襲の医療手段を行う用途に好適である。例えば、制御可能性が高い、最小サイズのシステムが、患者内の深くにあり、血管又は胃腸管のような天然の経路、あるいは小さく、外科的に生成される経路を介してアクセスできる、組織のイメージング、診断及び治療を促進するのに必要である。
本発明の様々な実施例によると、ロボット機器システムは組織構造を通過して、様々な医学的状態を取り扱うために診断し介入するように提供される。一実施例においては、システムはコントローラと通信する、マスタ入力デバイスと機器ドライバとを含む、ロボット機器システムを具え、前記機器ドライバはガイド機器インタフェースを有し、当該ガイド機器インタフェースは少なくとも部分的に、前記マスタ入力デバイスにより生成され、前記ガイド機器インタフェースと機能的に連結するガイド機器を操作するための制御信号に応答する、1又はそれ以上のガイド機器駆動要素を具えている。マスタ入力デバイスはリンケージアセンブリと連結したオペレータインタフェースを含み、前記オペレータインタフェースとリンケージアセンブリとの間に挿入された1又はそれ以上のロードセルを有し、前記マスタ入力デバイスによって生成された制御信号は、前記リンケージアセンブリと関連する前記オペレータインタフェースの移動に応じて、1又はそれ以上のロードセルによって生成された出力信号の少なくとも一部分に基づいている。
様々な実施例において、前記オペレータインタフェースは前記リンケージアセンブリと関連して少なくとも3自由度で移動可能であり、前記1又はそれ以上のロードセルの各々が、前記オペレータインタフェースの移動による局在型の張力あるいは加圧を検出する。少なくとも1の実施例において、前記オペレータインタフェースは各インタフェース取付部材によって前記リンケージアセンブリと連結され、1又はそれ以上のロードセンサが各インタフェース取付部材の間に挿入される。一実施例において、前記1又はそれ以上のロードセルは、前記各インタフェース取付部材の間に挿入される、3つのロードセルと3つの隣接したばねとを具えている。一実施例において、前記オペレータインタフェースに連結されるシャフトは前記インタフェース取付部材で形成され、前記オペレータインタフェースへ加えられたねじり荷重を検出する、1対のロードセル間に配置された、アーチ状スロットを通過する。1のこのような実施例においては、前記オペレータインタフェースは、前記インタフェース取付部材の面に隣接して前記回転型取付金具の周りを回転できるように構成された回転型取付止め具を有する前記インタフェース取付部材へ連結されるオペレータインタフェース台を具え、これによって前記スロットを通ずる前記シャフトの移動を制限する。
別の実施例によると、ロボット機器システムはマスタ入力デバイスを含むコントローラと、当該コントローラと通信する機器ドライバを具えている。前記機器ドライバは、ガイド機器インタフェースであって、少なくとも一部分について、この機器インタフェースと機能的に連結したガイド機器を操作するために前記マスタ入力デバイスにより生成される制御信号に応答する2又はそれ以上のガイド機器駆動要素を具えるガイド機器インタフェースと、シース機器インタフェースであって、少なくとも一部分について、この機器インタフェースと機能的に連結したシース機器を操作するために前記マスタ入力デバイスにより生成される制御信号に応答する2又はそれ以上のシース機器駆動要素を具えるシース機器インタフェースとを具え、前記シース機器駆動要素は、前記ガイド機器駆動要素とは独立に制御される。1のこのような実施例において、前記2又はそれ以上のガイド機器駆動要素は、他のガイド機器制御要素とは独立に制御される。1のこのような実施例において、前記2又はそれ以上のシース機器駆動要素は、他のシース機器制御要素とは独立に制御される。1のこのような実施例において、前記各ガイド機器インタフェース及びシース機器インタフェースは、前記ガイド機器インタフェースに機能的に連結したガイド機器の一部分が、前記シース機器インタフェースに機能的に連結したシース機器の内腔内に同軸配置されるように、前記機器ドライバ上に配置される。
更に別の実施例においては、ロボット機器システムはマスタ入力デバイスを含むコントローラと、当該コントローラと通信する機器ドライバを具えている。前記機器ドライバは、ガイド機器インタフェースであって、少なくとも一部分について、この機器インタフェースと機能的に連結したガイド機器を操作するために前記マスタ入力デバイスにより生成される制御信号に応答する1又はそれ以上のガイド機器駆動要素を具え、ガイド機器挿入軌道に沿って制御可能に動くことができるガイド機器インタフェースと、シース機器インタフェースであって、少なくとも一部分について、この機器インタフェースと機能的に連結したシース機器を操作するために前記マスタ入力デバイスにより生成される制御信号に応答する1又はそれ以上のシース機器駆動要素を具え、前記ガイド機器インタフェースの移動とは独立して、シース機器挿入軌道に沿って制御可能に動くことができるシース機器インタフェースとを具える。1のこのような実施例において、前記ガイド機器軌道は、前記シース機器挿入軌道と実質的に一直線に並んでいる。1のこのような実施例において、前記ガイド機器インタフェースの移動は、各々のガイド挿入親ねじの回転制御によって得られる。1のこのような実施例において、前記シース機器インタフェースの移動は、各々のシース挿入親ねじの回転制御によって得られる。別のこのような実施例において、前記ガイド機器インタフェースの移動は、各々のガイド挿入ケーブル及び滑車のアセンブリによって得られる。別のこのような実施例において、前記シース機器インタフェースの移動は、各々のシース挿入ケーブル及び滑車のアセンブリによって得られる。
図は、例示した本発明の実施例の設計及び有用性を示し、同様の要素は共通の参照番号によって引用されている。
図1は、一実施例によるロボットカテーテルシステムを示す。 図2は、一実施例によるロボットカテーテルシステムの操作ワークステーションを示す。 図3は、一実施例によるマスタ入力デバイスの投射図を示す。 図4Aは、別の実施例によるマスタ入力デバイスの側面図を示す。 図4Bは、図4Aのマスタ入力デバイスの実施例の拡大した一部分の側面図を示す。 図4Cは、図4Aのマスタ入力デバイスの実施例の分解組立した一部分の投射図を示す。 図4Dは、図4Aのマスタ入力デバイスの実施例の一部分の投射図を示す。 図4Eは、図4Aのマスタ入力デバイスの実施例の拡大した一部分の背面図を示す。 図4Fは、図4Aのマスタ入力デバイスの実施例の拡大した一部分の投射図を示す。 図5は、一実施例によるロボットカテーテルシステムを示す。 図6Aは、一実施例によるロボット機器ドライバを示す。 図6Bは、一実施例による機器セット及び機器インタフェース部材の投射図を示す。 図6Cは、一実施例による機器セット及び機器インタフェース部材の一部分の投射図を示す。 図6Dは、一実施例による機器ドライバの一部分の投射図を示す。 図6Eは、一実施例による機器ドライバの一部分の投射図を示す。 図6Fは、一実施例による機器ドライバの一部分の投射図を示す。 図6Gは、一実施例による機器の輸送挿入構成の概略表現を示す。 図6Hは、一実施例による機器インタフェースソケットと機器の輸送挿入構成の概略表現を示す。 図6Iは、一実施例による機器ドライバの一部分の投射図を示す。 図6Jは、一実施例による機器ドライバの一部分の投射図を示す。 図6Kは、一実施例による機器ドライバの一部分の投射図を示す。 図6Lは、一実施例による機器ドライバの一部分の投射図を示す。 図6Mは、一実施例による機器ドライバの一部分の投射図を示す。 図6Nは、一実施例による機器ドライバの一部分の投射図を示す。 図7は、一実施例によるオペレータ制御コンソールの投射図を示す。 図8は、一実施例による機器ドライバと機器の一部分の投射図を示す。 図9は、一実施例により示されるユーザインタフェースを示す。 図10Aは、一実施例により示されるユーザインタフェースを示す。 図10Bは、一実施例により示されるユーザインタフェースを示す。 図11は、一実施例により示されるユーザインタフェースを示す。 図12は、一実施例による操作上の構成を示す。 図13は、一実施例により示されるユーザインタフェースを示す。 図14は、一実施例により示されるユーザインタフェースを示す。 図15は、一実施例により示されるユーザインタフェースを示す。 図16は、一実施例により示されるユーザインタフェースを示す。 図17は、一実施例により示されるユーザインタフェースを示す。 図18は、一実施例により示されるユーザインタフェースを示す。 図19は、一実施例による操作上の構成を示す。 図20は、一実施例による操作上の構成を示す。 図21は、一実施例により示されるユーザインタフェースを示す。
図1によると、ロボットカテーテルシステムが、オペレータワークステーション(2)と、可動型計算処理及び制御システム(6)と、ロボット機器ドライバ(16)と、手術台(22)へ着脱可能に取り付けられた可動式支持アセンブリ(26)と、シース機器(30)の作業内腔を通じて同軸配置されるガイド機器(18)を含む機器セットと、を具えているのを示し、前記ガイド機器は介入性及び診断上の医療手順用の様々な構成のツール(図1に図示せず)を受け取るように構成される作業内腔を規定している。
図2によると、オペレータワークステーション(2)の実施例の近接図が示され、マスタ入力デバイス(12)と、オペレータ制御コンソール(8)と、タッチスクリーンインタフェース(5)と、デバイス無効スイッチ(7)と、いくつかのディスプレイ(4)とを具えている。図3によると、好適なマスタ入力デバイス(12)の一実施例の近接した等尺図が、オペレータインタフェース(217)と好ましくは固定接触したマスタインタフェースリンクアセンブリ部材(992)によってマスタインタフェースリンクアセンブリ(991)に連結される実質的に球状のオペレータインタフェース(217)を有するように示されている。好適なマスタ意入力デバイスは商標名「PhantomTM」で知られるSensible Devices社あるいは商標名「OmegaTM」で知られるForce Dimension社のような製造業者から入手できる。図4A−4Fによると、好適なマスタ入力デバイス(12)の別の実施例が示されている。
図4Aによると、マスタ入力デバイス(12)構成は、オペレータインタフェース(217)とマスタ入力デバイスのリンクアセンブリ部材(804)との間に挿入される3自由度(DOF)のインタフェースを伴って示されている。図4Aによると、オペレータインタフェース(217)は2つのインタフェース取付部材(804、806)によりマスタインタフェースリンクアセンブリ(991)と連結され、それらのインタフェース取付部材(804、806)の間にいくつかのロードセンサが接続される。図4Bによると、マスタ入力デバイスのクローズアップしたマスタ入力デバイスの一部分の側面図が示され、リンクアセンブリ部材(804)と、オペレータインタフェース取付部材(804)との間に挿入された3つのロードセル(808)と3つの隣接するばね(810)とを示している。また、オペレータインタフェース台(800)と連結され、オペレータインタフェース取付部材(806)内に形成されたアーチ状スロット(816)を通過し、2つの小さい方のロードセル(820)間に配置されるシャフトが示されている。オペレータインタフェース台(800)は、図4Bに示されるように、シャフト(814)がスロット(816)を通過し、小さなロードセル(820)がオペレータインタフェース(217)上のトルクを感知するようにしたオペレータインタフェース取付部材(806)の面に隣接して、オペレータインタフェース台(800)が回転型取付金具(812)の周りを回転できるように構成された回転型取付止め具(812)を有するオペレータインタフェース取付部材(806)へ連結される。オペレータインタフェース取付部材(806)とマスタ入力デバイスのリンクアセンブリ部材(804)との間の力を感知するロードセル(808)は、オペレータインタフェース(217)での縦揺れ及び偏揺れの荷重を感知するように協調して利用できる。従って、3自由度はこのマスタ入力デバイスの変動で感知されうる。一実施例において、トルクの自由度は、機器ドライバと関連する伸長型機器とを電気機械的な回転で動かす、オペレータによる企図として解釈されうる。縦揺れ及び偏揺れの自由度は関連する機器ドライバ及び/又は機器の様々な変数又は自由度に割り当てられる。例えば、一実施例においては、縦揺れの自由度は、ポジティブな縦揺れ(例えば、オペレータインタフェース217がガイド機器の先端を動かすように3D空間内について穏やかに動かされる場合に、縦揺れのDOFが偶発的にトリガされるのを防ぐための、選択された最小しきい値荷重を超える)が、オペレータがシース機器をガイド機器の遠位端方向に遠位に挿入することを所望する信号として解釈されうるようなシース挿入の移動の自由度に割り当てられ、同様に、ネガティブな縦揺れが消極的な挿入、つまり、シース機器を近位で回すのに割り当てられる。図4C−4Fはマスタ入力デバイス(12)のこの変動を示して、オペレータインタフェース台(800)、マスタ入力デバイスのフレームセット(802)、マスタ入力デバイスのリンクアセンブリ部材(804)、オペレータインタフェース取付部材(806)、ロードセル(808,820)、ばね(810、818)、回転取付部材(812)、シャフト(814)、及びオペレータインタフェース取付部材(806)内に形成されるアーチ状スロット(816)の相対位置をより完全に示している。
図5によると、可動式支持アセンブリ(26)によって手術台(22)へ連結される機器ドライバ(16)の一実施例の等尺図が示されている。ガイド(18)及びシース(30)機器は、好ましくは主体のロボットカテーテルシステムを利用する医療手順中にあるように、機器ドライバに着脱可能に連結して示されている。
図6Aによると、機器ドライバの一実施例が、ガイド機器インタフェース面(40)の遠位に配置されるシース機器インタフェース面(38)を有するクローズアップした等尺図で示されている。機器ドライバ(16)の近位部分は可動式支持アセンブリ(26)の遠位部分と連結されている。
図6Bによると、ガイド機器(18)と、シース機器(30)と、関連したガイド及びシースのベースカバー(1060)と、シースのパージチューブ(1051)と、Touhyアセンブリ(1100)とを具える機器セットの一実施例は、シース機器インタフェース面(38)とガイド機器インタフェース面(40)の近くに示され、どのようにして機器セット(30、18)がインタフェース面(38、40)と接続して機能するように構成されるかを示している。図6Cによると、異なる部分の等尺図が、どのようにしてシース機器ベース(46)及びガイド機器ベース(48)の下方と、関連した機器インタフェース部材(1054)とが、シース機器インタフェース面(38)とガイド機器インタフェース面(40)とを幾何学的に接続して機能するように構成されるかを示している。各々の示されたガイド機器ベース(48)とシース機器ベース(46)の様態は、関連するインタフェース面(38、40)の方へ伸びる少なくとも1つのピン(1058)を有して、各ピン(1058)と連結した圧縮型電子スイッチ(図示せず)によって、インターフェースの検出を促進する。更に、各々の示されたガイド機器ベース(48)とシース機器ベース(46)の様態は、関連するインタフェース面(38、40)の方へ伸びて、組合せ可能に連結する少なくとも1つの連結部材(1056)を有して、このような面の幾何学的態様と着脱可能に連結するのを促進する。
図6D−6Fによると、機器ドライバ(16)の一実施例の部分投射図が示され、シース機器インタフェース(38)が連結されるシース機器ドライバのブロック(185)、及び、ガイド機器インタフェース(40)が連結されるガイドキャリジ(240)は、このような様態における2つの別個に動作する親ねじ(995、998)機構によって、互いに独立して機器ドライバの長軸に沿って(あるいは、それに関する限りでは、各親ねじ(995、998)の長軸に沿って挿入できることを示している。図6Dによると、一実施例において、機器ドライバ(16)はシース機器インタフェース(38)とガイド機器インタフェース(40)とを別個に挿入するように構成され、シース機器とガイド機器とを具える着脱可能に連結した機器セットの独立関係の挿入(互いに関連し、機器ドライバのメインフレーム(137)に関連する)を生ずる。ガイド及びシース機器は、図6Cに示したように、ガイド及びシースのインタフェース(40、38)の下にある駆動されたインタフェースソケット(44)と連結できる、駆動可能な機器インタフェース部材(1054)を有するように構成される。
図6C及び6Dに示した実施例において、2つの駆動可能なインタフェース部材(1054)を有するシース機器(30)と、4つの駆動可能なインタフェース部材(1054)を有するガイド機器は、シース機器(30)の2のステアリング操作と、ガイド機器(18)の4のステアリング操作とを提供するのに利用され、好ましい実施例においては、このようなステアリング操作は以下のように利用される:1のシースのステアリング操作は、シース機器の壁を通じて通されたプルワイヤのような、遠位で終端した張力要素が、第1の方向にシース機器を動くことを保証し;1のシースのステアリング操作は、シース機器の壁を通じて通されたプルワイヤのような、より近位で終端した張力要素が、近位の張力要素終端点の近位でシース機器に沿った位置で第1の方向と実質的に逆の方向に、シース機器の屈曲を生じさせることを保証し;4のステアリング動作の各々は、ガイド機器の壁を通じて通されたプルワイヤのような、より遠位で終端した張力要素が、4の張力要素内の結合した張力によって、ガイド機器の制御可能な全方向性の動作を生じさせることを保証する。
示された実施例においては、ケーブル式キャプスタン又はベルト式滑車のような、ガイド挿入モータインタフェース(993)に連結されたガイド挿入モータ(図示せず)は、動作をベルト(994)を利用するガイド挿入親ねじ(995)へ伝送する。ガイド挿入親ねじ(995)は、シースのブロック(185)あるいは機器ドライバフレーム(137)の位置とは独立して、ガイドのキャリッジ(240)に親ねじ(995)の軸と平行に挿入、往復させるように構成された、ガイドのキャリッジ(240)構造と連結した、ギヤ、歯形ノギス又はラックのような、親ねじインタフェースと連結される。
図6Eによると、図6Dに示されたものと似た実施例が異なる観点から示され、ガイド挿入親ねじ(995)と、更にはギヤのような回転駆動インタフェース(996)で連結されて、ベアリングあるいはブッシングのような低摩擦の回転型取付インタフェース(278)の回転軸(997)の周りの機器ドライバ全体(16)の回転を駆動する回転駆動モータ(280)とを示している。このような回転動作が時計回りあるいは反時計回り方向になる場合、機器ドライバ全体(16)は回転型取付インタフェース(278)の回転軸(997)の周りで回転し、機器ドライバ(16)に連結されたシース、ガイド、及び/又はその他の機器を更に回転させ、あるいは従来のカテーテル用語での、患者の組織に対し「トルク」を与えている。
図6Fによると、図6Eに示したものに似た機器ドライバ(16)の実施例の部分分解図が示され、前述のガイドのキャリッジ(240)挿入構造の実施例とは独立して、主の機器ドライバフレーム(137)に対してシース取付ブロック(185)を挿入する親ねじベースの手段を例示している。図6Fに示すように、シース挿入親ねじ(998)は、シース挿入モータ(999)及び連結したエンコーダ(292)と、シース取付ブロック(185)との間に配置される。シース挿入親ねじ(998)はガイドのキャリッジ(240)あるいは機器ドライバフレーム(137)の位置とは独立して、ガイドのキャリッジ(240)に親ねじ(998)の軸と平行に挿入、往復させるように構成された、シースのブロック(185)と連結した、ギヤ、歯形ノギス又はラックのような、親ねじインタフェースと連結される。
図6Gによると、シースのブロック(185)又はガイドのキャリッジ(240)を挿入する別の実施例が概略形式で示され、このような実施例はシステムのケーブル、滑車、モータ及び可動的に連結されたプラットフォームを利用し、このような構成は前述の親ねじの挿入構成に対する別の実施例である。図6Gに示されたように、キャリッジ(240)はプラットフォーム(246)上にスライド可能に取り付けられ、プラットフォーム(246)はベース構造(248)にスライド可能に取り付けられる。これらのインタフェースでのスライド可能な台(250)は高精度の線形ベアリングで得ることができる。示されたシステムは複数の滑車(244)を通る2つのケーブル(256、258)を有して、スライド可能なインタフェース(250)に沿ったキャリッジ(240)とプラットフォーム(246)のモータ駆動の同期相対動作を得る。当該技術分野の当業者にとって明白なように、モータ(242)は張力Tでキャリッジ移動ケーブル(256)を引く場合、キャリッジ(240)は2*Tの力を感知する。更に、モータが変位Xだけキャリッジ移動ケーブル(256)を引く場合、キャリッジはX/2だけ動き、プラットフォームは「滑車付き」の同期ケーブル(258)によって、その半分の量あるいはX/4だけ動く。
図6Hによると、挿入位置(すなわち、シースのブロック(185)あるいはガイドのキャリッジ(240)の挿入位置)とは独立して回転型機器インタフェースソケット(44)を電気機械的に動作させる構成の実施例は簡単な概略形式で示されている−例示目的の単純化によって1つの駆動機器インタフェースソケット(44)と関連するケーブルのみで示している。図6Hの実施例は、スライド可能なインタフェース(250)によって規定される線形経路に沿って連結される、キャリッジ(240)あるいはシースのブロック(185−例は図示せず)の位置から独立して双方向の回転を生成する機器インタフェースソケット(44)と連結した機器インタフェースの滑車(260)を駆動するように構成される。要約すると、図6Hに示したものに似た機械図式では、モータ(242)が機器インタフェースケーブル(264)の撓みXを引く場合、同一の撓みが、モータ(242)に対するキャリッジ(240)の位置に関わらず、同期ケーブル(266)の位置決めと終端(252)のために、機器インタフェースの滑車(260)に直接的に見られる。このような構成は前述の2駆動のシース機器ステアリングの場合には2倍になり、前述の4駆動のシース機器ステアリングの場合は4倍になる。実際に図6Iによると、このような4の独立駆動されたガイド機器インタフェースソケット(44)のキャリッジ(240)の実施例が示され、ケーブル布線(264)と連結した4つのモータ(242)とエンコーダ(292)を示している。
図6J−6Nによると、機器ドライバ(16)の実施例の更なる部分等尺図が、2のシース機器インタフェースソケット(44)を独立駆動するための一実施例を説明するために示されている。今度も、示された機器ドライバの実施例が、2つのシース機器インタフェース部材(図6Cにおける1054)と4のガイド機器インタフェース部材(図6Cにおける1054)を独立して回転駆動できるように構成される一方で、更に互いに関連するシースのブロック(185)及びガイドのキャリッジ(240)と、機器ドライバフレーム(137)とを独立して挿入している。穴(868)はシース及びガイドの機器インタフェース(38、40)内に規定して、このようなシース機器インタフェース部材(図6Cにおける1054)の、下にある回転駆動用の機器インタフェースソケット(44)への通過に対応させている。図6Jによると、シャフト及び/又は滑車あるいはギヤのような2のモータ駆動インタフェース(1001)は、示した実施例でシースのブロック(185)に固定連結されたモータ(モータ(241)については図6K−6N参照)によって独立して回転できる。このようなインタフェース(1001)は、図6Jに示されるように、ケーブル、鎖あるいはベルトのような機械的な内部連結器を利用する、シャフト及び/又は滑車あるいはギヤのような第2のインタフェース(1002)と機械的に結合される。図6K−Nによると、この実施例における第2のインタフェース(1002)は、ウォームスクリューインタフェースのような動作伝送インタフェース(1003)を有する機器インタフェースソケット(44)と機械駆動可能に連結する。最終結果は機器インタフェースソケット(44)がこの実施例でシース駆動モータ(241)によって駆動されることである。
図7によると、オペレータコンソール(8)の一実施例が示され、様々な所定の方法で主のロボット機器システムを操作するように構成され、操作構成とユーザインタフェースのシナリオの例を利用して以下のように示されている。
図7に示されたような制御コンソール(8)と、図6A−6Nで示されたような機器ドライバ/機器構成で、心臓切除シナリオが主発明の操作態様を利用した、診断上及び/又は介入性の手順の例として例示できる。図8によると、機器ドライバの実施例(16)はシース機器(30)とガイド機器(18)へ着脱可能に連結されたように示されている。ガイド機器(18)の遠位管状部分は、シース機器(30)によって規定される作業内腔を通じて可動的に挿入される。心臓マッピング又は切除カテーテル(881)はガイド機器(18)によって規定される作業内腔を通じて挿入され、ハンドルからの応力を防ぐためにガイド機器インタフェース(40)の一部分と連結される従来の切除カテーテル(881)の近位のハンドル(1004)は、ガイド機器(18)に利用される。
図9によると、フラットスクリーンのコンピュータモニタのようなオペレータワークステーション(図2の要素2)のディスプレイ(1011)の1つが、主表示領域(1005)と、2の補助領域(1006、1007)と、シース機器制御ダッシュボード(1012)と、身体に対する機器の空間定位表示器(1008)と、身体に対する蛍光透視の空間定位表示器(1009)と、負荷感知表示目盛(1010)とを伴い示されており、それらの総てがグラフィカルユーザインタフェースのオブジェクトとして図表で表わされる。シース機器制御ダッシュボードは例えば、機器ドライバ(ひいては、示された実施例におけるシース機器及びガイド機器)の回転、あるいは「トルク」位置、あるいはシステムの物理的な回転限界に対する機器ドライバの回転と、システムあるいは機器の安全限界に対するシース機器の遠位屈曲動作と、示されたシースのブロック(185)を挿入することによる、システムあるいは機器の安全限界に対するシース機器の挿入動作の表示器を具えている。各グラフィカルゲージ表示器は、(例えば、機器の安全ゾーン外の操作が好ましくはシステムに損害を与えないように構成されず、一実施例においては、システムの所定の限界を得ることが難しいことを除いては、自動車エンジンのタコメータのレッドライン表示に似た)安全ゾーンの着色した表示で示すこともできる。示されたグラフィカルユーザインタフェース式の負荷感知表示器は、最大範囲と負荷0とこのような最大値の間の目盛とで構成される。「インテリセンス」用のオペレータコンソール(8)ボタン(826)を利用して、負荷感知をアクティブにでき、「ベースライン」用のボタン(828)は、負荷比較目的の基準(ほぼ零の)負荷になるとオペレータが考えるものを捕捉するように構成され、ズーム(830)、スチール(834)、クリップ(836)及びレビュー(838)ボタンを利用して、それぞれシステムに、示した画像を拡大あるいは縮小させ、示された静止画像を捕捉させ、示された画像のムービークリップを捕捉させ、ムービーあるいはクリップを再検討させることができる。例えばトラックボール(824)と2つのボタン(822)とを具えるマウスインタフェースは、オペレータ及びシステムの相互作用に利用できる。
図10Aによると、2次元の背景で表わされる実際の蛍光透視ベースの画像に入り組んだシース/ガイド/切除カテーテルの登録は、オペレータコンソール(8)上の登録ボタン(832)を押下し、マウス(822,824)を用いて、シース機器(1013)、ガイド機器(1014)及び作業機器(1015)の蛍光間接撮影画像の長さの下に3つのグラフィックマーカ(1020)を配置することによって得ることができる。3次元で登録するために、蛍光透視画像面は一般的には蛍光透視システムのスイングアームを移動し、新しい蛍光透視の位置に関係する情報をロボット機器制御システムへ入力することによって変化し、更なる3つのマーカ(1025)がマウス(822、824)を用いて選択され、1つは遠位端のガイド機器(1014)の蛍光透視画像表示であり、2のその他のマーカは、その他の蛍光透視面内で事前選択されたポイント位置に基づく突出線(1023、1024)が背景で第2の蛍光間接撮影画像と交差する場所にある。6つの点(1020、1025)と、蛍光透視面の相対位置とが決められると、蛍光透視画像は、機器があるべき算出位置に基づき(例えば運動学的な計算に基づき)表示された機器の「アニメーション」画像(1016、1017,1018)で登録できる。
更に図10Aに示すように、長軸の目盛線(1022)は、オペレータにシース機器の外側にガイド機器がどの程度挿入されているかに関連する表示を提供する方法として、ガイド機器のアニメーション画像(1017)上にグラフィカルに示すことができる。各目盛が例えば、挿入長の追加のセンチメータを表示することができる。更に、透過する影(1021)が、関連する機器がモニタ面から平面外部に向けられている表示をオペレータに提供する方法として、シース機器、ガイド機器又は作業機器のアニメーション表現(1016、1017、1018)の一部としてオペレータに提供できる。更に、機器が所定の瞬間に能動的に駆動されている表示をオペレータに提供する方法として、このような機器のアニメーション表現(1016、1017、1018)は表示された機器のアニメーション上での着色の切換で強調でき、例えば、ガイド機器が能動的でない場合、ガイド機器のアニメーション(1017)は一般的に青色に着色したオブジェクトで表示でき、ガイド機器がオペレータによって能動的に駆動されていない場合、ガイド機器(1017)のアニメーション表現は、例えば明赤色又は鮭肉色のオブジェクトとして表現でき、点滅するオブジェクトを提供するように不連続に表現できる。同様に、シース機器のアニメーション表現(1016)はこのような機器がシース機器コンソールで能動的に駆動されているフィードバックでオペレータに示す方法として強調される。更に、各機器が強調されたカラム強度の位置にあるフィードバックをオペレータに提供する方法として(すなわち、機器の1つが組織構造のようなオブジェクトに向けて挿入される際に屈曲がまっすぐなカラム応力より可能性が高い非常に屈曲する位置と対照的に、各機器がまっすぐな位置にある場合、例えば、各機器の全長又は別の実施例の遠位部分のみが、直線位置の5あるいは10度内の位置を占有する場合)、このような機器のアニメーション表現は、明黄色のような異なる容易に区別可能な色で強調される。
図11によると、登録の次に、機器システムは右心房のような組織構造(1026)に対して示された機器(1016,1017,1018)のアニメーション表現を利用して周囲にナビゲートでき、いくつかの点は、データベースに保存されたグラフィカルマーカ(1027)及びこのようなマーカの座標で、コンソール(8)上のマークポイントボタン(840)を用いてマークされる。各々のマークされた点は例えば、着色した球体として示すことができ、自動あるいは手動で標識できる。後に、これらの点は、事象のプログラムを用いて、主のロボット機器システムの電気機械的な操縦性を利用して、選択した命令で自動的に元に戻すことができる(例えば小休止の時間が、各マーカ位置で選択されて、作業機器がそこに接触したままにすることができ、あるいは小休止の時間が、同時に加えられる切除エネルギ、EKG、インピーダンス、組織コンプライアンス、あるいはこのような小休止間に得られる他のデータを伴っている)。
図12によると、操作の順番が示されている。関連する機器の登録(1028)の次に、このような機器は対象の組織構造及び対象地点の方向に、蛍光透視(1013、1014、1015)と機器のグラフィカルユーザインタフェースのアニメーション(1016、1017,1018)表示の双方を利用して正確にナビゲートでき、機器と近くの組織構造あるいは他の組織との間の幾何学的位置、及び/又は推定した、あるいは確認された点のような(例えば、インピーダンスモニタリング、力あるいは接触感知、EKG信号分析等を用いて決定された接触のような)、システムによってマークされ、保存される。オペレータワークステーション(2)のインタフェース(タッチスクリーンインタフェース(5)のような)を用いて、これらの点は上述のようにオペレータによってプログラムされて、機器が、ある期間中各地点で最も遠位の機器先端を配置し、このような小休止中に加熱切除し、EKGをモニタするなどできるようにする機能系列によって、再命令し、標識し、着色コード化し、あるいは利用することができる。機能系列がプログラムされた後に、オペレータは機器が自動的に及び電気機械的に機能系列を通じて移動するのを見るように実行できる。このような方法は、例えば、心臓のマッピング、心臓の切除あるいは組織注入療法のシナリオで用いることができる。
上述したように、示したオペレータコンソール(8)の実施例上のズームトグルスイッチ(830)を利用して、示したグラフィカルインタフェース上でズームインあるいはズームアウトできる。静止ボタン(834)を利用して、主表示領域のスクリーンショットあるいは画像を捕捉できる。クリップボタン(836)を利用して、選択した期間の特定の表示領域のディジタルビデオを捕捉できる。レビューボタン(838)を利用して、静止ショットあるいはビデオグリップを再検討できる。ICEボタン(842)を利用して、上述のような機器の表示に加えて、血管内の超音波画像を具えるビューイングモードに切換えることができる。蛍光ビューボタンを選択して(844)、上述の機器の表示に加えて、蛍光透視図を表示できる。「3Dモード」ボタンを選択して(846)、表示されたユーザインタフェース領域(例えば1005、1006、1007)のうちの1つが、マウス(824、822)あるいはマスタ入力デバイス(12)のような入力を用いて3次元で回転操縦することを可能にでき、選択した地点を示すことができる。機器に対する患者の空間定位表示器の小さなグラフィカルユーザインタフェース表現は、周囲を回転するように構成され、手術台上の患者に対して示された機器の位置を示すこともできる。
前の図7によると、いくつかのシース機器制御は示されたオペレータコンソール(8)の実施例に特徴付けられ、特定のシースの「屈曲モード」(850)、特定の「作業機器先端モード」(852)、機器ドライバ(ひいては、前述した示された実施例においては機器)回転あるいは「トルク」動作(854)、シースの遠位屈曲動作(858)、シースの近位屈曲動作(860)、シース挿入動作(856)、特定の「シース フォロー ザ ガイド(sheath follow the guide)」あるいは「シースフォロー」モード(862)、及び特定の「ガイド機器自動後退」モード(1068)のためのコントロールを含んでいる。
図13によると、シース機器はコンソール(8)上の「挿入」ロッカースイッチ(856)を用いてガイド機器の位置に対し挿入あるいは後退できる。シース機器が、このような既存のガイド位置を実質的に変えることなく、システムにシース及びガイド機器の移動を統合させ、ガイドの以前の位置に沿ってシース「フォローイング」を生じさせるように構成されるガイド機器の遠位部分に忍び寄って「包む」場合、他の考察のない簡単なシース挿入は、ガイドの遠位部分の位置を空間に移動させることができ、よって、オペレータがガイドの遠位先端の位置を自動維持する間に、ガイドに対してシースを挿入することを所望する場合、「シースフォロー」ロッカースイッチ(862)を用いることができる。例えば、フォローモードを用いて、ガイドが既に通過した中隔横断穿刺を通じてシースを通すことが所望され、更なる負荷はシースがガイド上に進む場合に回転移動するガイド機器及び/又はシース機器によって組織穿刺位置に使用されることなく、実質的に最小侵襲のシース機器交差を得ている。
図14によると、デュアル動作のシース機器は、ある張力要素をより近位の位置(1034)で終端させ、他の張力要素がシース機器の遠位先端でシース機器の実質的に逆位置に終端させた場合、示された機器ドライバ(16)の実施例により述べたように、遠位のシース屈曲ロッカースイッチ(858)及び近位のシース屈曲ロッカースイッチ(860)を利用して、個別又は同時にシース機器の位置を調節できる。
図15によると、「自動後退」ボタン(1068)は以前に占有した経路に沿ってガイド機器を後退させるように構成され、ガイド機器の遠位の中心点(1038)は、ガイド機器及び/又はシース機器のより近位の部分によって事前に占有された長軸の中心点(1037)によって形成される経路に沿って後退する。この特徴を利用して、近傍の構造での妨害を最小化することが重要である(及び、オペレータはガイド機器が以前に経路を占有したことを知っている、したがって、ガイド機器がおそらくはこのような経路に沿って安全に引き戻すことができる)場合に、様々なシナリオでガイド機器を安全に撤退することができる。
図16によると、シース「屈曲」モードを用いて(屈曲ボタン(850)を押すことによって)、近位のシース機器の形状を調節する間に、空間においてグラフィカルユーザインタフェースマーカ(1039)として表示できる遠位のシースの位置をロックでき、例えば、シース及び/又はガイドの軌道を変更できる。図17によると、機器「先端」モード(先端ボタン(852)を押すことによって動作する)は同様に、シースの調節を許容する空間内で、遠位のガイドの位置、あるいは別の実施例においては作業機器の遠位チップの位置をロックしている。ロックされた先端位置は、図17に示されるようにグラフィカルユーザインタフェースマーカ(1040)として示すことができる。図18によると、シースと屈曲モードの双方が同時に動作して、シースのより近位の形状が調節される間に、シース及びガイドの双方の遠位先端をロックできる。
図19によると、操縦可能な機器の主システムを操作するための構成の実施例が示されている。機器が登録された(1028)後に、対象の組織構造の方に正確にナビゲートされる(1029)。例えば、心房細動のアプリケーションにおいては、下大静脈から、右心房を横切って、中隔横断穿刺の共通の標的である、中隔の卵円窩の方向にナビゲートできる。所望の組織構造に届いた後で、ガイド機器の作業内腔外にツールを進める前にに、シース機器の形状を再配置あるいは最適化する(1041)ことが所望される。例えば、中隔横断のシナリオにおいては、中隔横断針を進める前に、針の軌道を注意深く調節して、大動脈の流出路のような重要な近傍の組織構造を避けることが所望される。「フォロー」機能(前述の機能を統合して、遠位のガイド機器を再配置することなくガイド機器の軌道に沿って追従できる)と同様に、シース配置(遠位の屈曲、近位の屈曲、挿入)の機能はマスタ入力デバイス(12)を介したガイド機器ナビゲーションと同様に、このような目標に対して利用できる。
関連する機器の配置及び形状を最適化した後で、ツールは正確な軌道及び位置で標的の組織構造内に進めることができる(1042)。例えば中隔横断シナリオで、標的の組織構造を横断することが所望された場合、ガイド機器はツール上を進み(1043)、シースは次いでガイド上を進み(例えば、上述の「フォロー」モードを用いて)、標的とされた組織構造を横切る双方の機器の遠位先端に配置できる(1044)。そこから、シースの遠位先端は上述の「屈曲」モード(あるいは、一実施例においては、左心房のガイド機器作業空間の配置を変えて、所望の組織構造へのアクセスを提供するために、シース機器が新形態をとって、ガイド機器用のより良い軌道を提供する間に、所定の位置にガイド機器の先端をロックする「屈曲」+「先端」モード)を利用して位置にロックでき(1045)、ガイドはそこから前方にナビゲート(1046)できる(一実施例においては、例えば、切除カテーテルあるいは他のツールを運んで、地点をマークする、又は、外傷を生成する−1047)。
図20によると、作業機器の力感知機能を利用する構成が示されている。登録された機器又は機器のセットは、例えば2007年2月22日出願の米国特許出願第11/678,016号に述べられているように、力感知を活性化しながら対象の組織構造の方にナビゲートできる(1048)。いったんシステムが、機器が何かと接触したという(好ましくは、図9に示したような主表示領域に近い力感知範囲を介して)フィードバックを提供すると、このような接触は他の表示器で確認できる(1049−例えば、EKG信号、局在化した位置と算出した位置との間、あるいは算出した位置と蛍光透視位置との間の不整合、インピーダンスモニタリング等)。次いで、関連するステアリング可能な機器の位置及び形状に与えられる正確な力感知信号を得るために、機器は例えば自動後退機能性を用いて、自由空間の位置に後退でき(1053)、接触がないことは他の指示器(EKGがないこと、局在化した位置と算出した位置との間、あるいは算出した位置と蛍光透視位置との間の近い整合、インピーダンスモニタリング等)に加えて、力センサから示された零負荷によって確認でき、力感知システムはベースライン化できる(1057)。次いで、組織構造は、類似の機器形状のファクタ及び位置を有する最新のベースラインで与えられる強化した精度で、再接近及び力感知され(1059)、地点はマークされ、外傷を生成する等ができる(1061)。
ステアリング制御の損失と関連する張力要素のゆるみを防ぐ一方で、ガイド機器の過剰圧縮を減ずるために、8ポンドのような正味容量が張力要素で維持され、ガイド機器本体の正味の圧縮負荷はこの正味量で維持される(例えば、4の張力要素の各々で2ポンドで開始)一方で、個別の張力要素の互いに対する負荷は増減して、ガイド機器の屈曲/ステアリングを誘発できる。
図21によると、一実施例においては、局在化感知を利用して、エラー検出及び接触感知解釈を補助できる。図21に示したように機器システムの変化は、シース機器、ガイド機器、切除カテーテル(あるいは、配置された他の機器であり、切除機器は図示の目的で簡単な機器である)、及び局在化したセンサ(センサが切除カテーテルの遠位先端部分を具える位置(1062)と、センサがガイド機器の遠位先端部分を具える位置(1063)という、2つの選択可能な位置で示され、多くの他の位置も好適である)を含んでいる。システムはガイド機器の遠位先端の中心又は切除カテーテルの遠位先端の中心について、1)逆運動学及び機器機械学に基づき算出された位置、2)局在化したシステムからのフィードバックに基づく位置という、遠位の機器の位置のこのような中心がどこに配置されるかを考察する2つの情報源を用いて、球状に着色されたマーカ(例えば、半透明−例示要素1065、1066)を表示するように構成できる。局在化したシステムが正確であると知られていて、逆運動学に基づく計算が自由空間内で正確である場合は、2つの球状マーカ(1065、1066)は空間において実質的に整列すべきである。2つの球形マーカが整列しない場合、これはシステム又は組織構造との接触のような外部ファクタのエラーであると解釈でき、局在化した位置(このような実施例においては、現実の正確な表現であると推測される)が、システムが機器は逆運動学及び関連するサーボモータ電流(例えば、張力要素負荷の表示)に基づいて到達したと考える位置に到達するのを防いでいる。このような実施例においては、ライン(1066)は2つの示された球形マーカの中心間にグラフィカルに表示でき、よって、オペレータはこのようなラインの長さが、システムの1つのエラー、あるいは、組織構造のような外部ファクタとの接触であると解釈することができる。
本発明の多くの態様の複数の実施例及び変形がここに開示され、述べられてきたが、このような開示は例示の目的のためだけに提供されている。開示されたシステムの多くの組合せ及び置換は、最小侵襲の手術に有用であり、システムはフレキシブルに構成される。例えば、医療アプリケーションよると、4未満の制御要素を有するガイド機器をがシース機器と組み合わされ、ことによると事前に屈曲したステアリング不可能なシース、あるいは、ことによるとシースなしで組み合わされることが所望される。機器ドライバを調整して、より少ない制御要素のためにより少ないモータ及びギヤボックス、あるいは所定の制御要素インタフェースアセンブリを動作するための構成の変化、及び張力メカニズムと、関連する制御要素インタフェースアセンブリと連結した制御要素の滑車の数の変更(制御要素インタフェースアセンブリにつき1の滑車と1のケーブル、制御要素インタフェースアセンブリにつき2の滑車と2のケーブル、割り込ませたスプリットキャリッジ、及び翼付きスプリットキャリッジの実施例、様々な張力の実施例等)を伴う機器構成と調和できる。

Claims (17)

  1. ロボット機器システムであって:
    マスタ入力デバイスを具えるコントローラと;
    当該コントローラと通信し、機器インタフェースと機能的に連結したガイド機器を操作するために、少なくとも部分的に前記マスタ入力デバイスにより生成される制御信号に応じた1又はそれ以上のガイド機器駆動要素を具えるガイド機器インタフェースを有する前記機器ドライバとを具え、
    前記マスタ入力デバイスは、1又はそれ以上のロードセルがオペレータインタフェースとリンケージアセンブリとの間に挿入されて、当該リンケージアセンブリへ連結された前記オペレータインタフェースを具え、前記マスタ入力デバイスによって生成された制御信号は、少なくとも部分的に、前記リンケージアセンブリに対する前記オペレータインタフェースの移動に応じて、前記1又はそれ以上のロードセルによって生成された出力信号に基づくことを特徴とするシステム。
  2. 請求項1に記載のシステムにおいて、前記オペレータインタフェースが前記リンケージアセンブリに対して少なくとも3自由度で移動可能であることを特徴とするシステム。
  3. 請求項1又は2に記載のシステムにおいて、前記1又はそれ以上のロードセルの各々が、前記オペレータインタフェースの移動のために局在型の張力又は加圧を検出するように構成されることを特徴とするシステム。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載のシステムにおいて、前記オペレータインタフェースが、1又はそれ以上のロードセンサが間挿される各インタフェース取付部材(804、806)によって前記リンクアセンブリと連結されることを特徴とするシステム。
  5. 請求項4に記載のシステムにおいて、前記1又はそれ以上のロードセルが、前記各インタフェース取付部材(804,808)間に挿入される3つのロードセル(808)と、3つの隣接するばね(810)とを具えることを特徴とするシステム。
  6. 請求項4又は5に記載のシステムが更に、前記オペレータインタフェースに連結されたシャフト(814)を具え、当該シャフト(814)が前記インタフェース取付部材(806)に形成されたアーチ状スロット(816)を通過し、前記オペレータインタフェースに加えられたねじり荷重を検出する1対のロードセル(820)間に配置されることを特徴とするシステム。
  7. 請求項6に記載のシステムにおいて、前記オペレータインタフェースが、前記オペレータインタフェース取付部材(806)の面に隣接して、回転型取付金具(812)の周りを回転し、それによって前記スロット(816)を通じて前記シャフト(814)の移動を制限できる、回転型取付止め具(812)を有するオペレータインタフェース取付部材(806)へ連結されたオペレータインタフェース台(800)を具えることを特徴とするシステム。
  8. ロボット機器システムであって:
    マスタ入力デバイスを具えるコントローラと;
    当該コントローラと通信する機器ドライバと;
    を具え、当該機器ドライバが:
    機器インタフェースと機能的に連結したガイド機器を操作するために、少なくとも部分的に前記マスタ入力デバイスにより生成される制御信号に応じた2又はそれ以上のガイド機器駆動要素を具えるガイド機器インタフェースと;
    機器インタフェースと機能的に連結したシース機器を操作するために、少なくとも部分的に前記マスタ入力デバイスにより生成される制御信号に応じた2又はそれ以上のシース機器駆動要素を具えるシース機器インタフェースと;
    を具え、当該シース機器駆動要素が前記ガイド機器駆動要素とは独立して制御されることを特徴とするシステム。
  9. 請求項8に記載のシステムにおいて、前記2又はそれ以上のガイド機器駆動要素の各々が、他のガイド機器制御要素とは独立して制御されることを特徴とするシステム。
  10. 請求項8又は9に記載のシステムにおいて、前記2又はそれ以上のシース機器駆動要素の各々が、他のシース機器制御要素とは独立して制御されることを特徴とするシステム。
  11. 請求項8乃至10のいずれか1項に記載のシステムにおいて、前記各々のガイド機器インタフェース及びシース機器インタフェースは、前記ガイド機器インタフェースと機能的に連結したガイド機器の部分が、前記シース機器インタフェースと機能的に連結したシース機器の内腔に同軸配置されるように、前記機器ドライバ上に配置されることを特徴とするシステム。
  12. ロボット機器システムが:
    マスタ入力デバイスを具えるコントローラと;
    当該コントローラと通信する機器ドライバと;
    を具え、当該機器ドライバが:
    機器インタフェースと機能的に連結したガイド機器を操作するために、少なくとも部分的に前記マスタ入力デバイスにより生成される制御信号に応じた1又はそれ以上のガイド機器駆動要素を具え、ガイド機器挿入軌道に沿って制御可能に移動可能なガイド機器インタフェースと;
    機器インタフェースと機能的に連結したシース機器を操作するために、少なくとも部分的に前記マスタ入力デバイスにより生成される制御信号に応じた1又はそれ以上のシース機器駆動要素を具え、前記ガイド機器駆動要素とは独立してシース機器挿入軌道に沿って制御可能に移動可能なシース機器インタフェースと;
    を具えることを特徴とするシステム。
  13. 請求項12に記載のシステムにおいて、前記ガイド機器軌道は前記シース機器軌道と実質的に整列していることを特徴とするシステム。
  14. 請求項12又は13に記載のシステムにおいて、前記ガイド機器インタフェースの移動が各ガイド挿入親ねじの制御された回転によって得られることを特徴とするシステム。
  15. 請求項12乃至14のいずれか1項に記載のシステムにおいて、前記シース機器インタフェースの移動が各シース挿入親ねじの制御された回転によって得られることを特徴とするシステム。
  16. 請求項12又は13に記載のシステムにおいて、前記ガイド機器インタフェースの移動が、各ガイド挿入ケーブルと滑車のアセンブリとによって得られることを特徴とするシステム。
  17. 請求項12、13、及び16のいずれか1項に記載のシステムにおいて、前記シース機器インタフェースの移動が、各シース挿入ケーブルと滑車のアセンブリとによって得られることを特徴とするシステム。
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