JP2010536493A - ロボット制御カテーテルおよびその較正方法 - Google Patents

Abstract

心臓カテーテルのようなロボット装置を較正する方法は、第１振動周波数で第１振動ベクトルを与えることにより、第１作動軸において装置を振動させるステップを含む。装置を振動させている間に、装置の位置を周期的に測定して複数の位置データ点が生成され、複数の測定軸に関連して装置の位置が表されてもよい。その後、位置データ点は、フーリエ変換アルゴリズムのような信号処理アルゴリズムを用いて処理され、それにより装置の位置を作動軸の移動ベクトルに関連付ける伝達関数を導出する。伝達関数は、分解され、作動軸に対する較正ベクトルとして表現されてもよく、１つまたは複数の測定軸の各々に沿って方向づけられる、ゼロ成分を含む少なくとも１つの成分を含む較正ベクトルを含んでいてもよい。プロセスは、較正することが望ましい任意の作動軸に対して繰り返してもよい。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、米国特許出願第１１／１３９，９０８号明細書の一部継続出願である、２００７年８月２２日に出願された係属中の米国特許出願第１１／８４３，５８９号明細書に対する優先権を主張する。本出願はまた、２００６年１２月２９日に出願された係属中の米国特許出願第１１／６４７，３００号明細書、２００６年１２月２９日に出願された係属中の米国特許出願第１１／６４７，２９８号明細書、２００６年１２月２９日に出願された係属中の米国特許出願第１１／６４７，２７２号明細書、２００６年１２月２９日に出願された係属中の米国特許出願第１１／６４７，２９６号明細書、２００６年１２月２９日に出願された係属中の米国特許出願第１１／６４７，２９７号明細書および２００６年１２月２９日に出願された係属中の米国特許出願第１１／６４７，３０４号明細書にも関連する。上述したものは、その内容全体を本明細書に記載したものとして参照により本明細書に援用される。

（技術分野）
本発明は、位置フィードバックシステムを採用するロボット制御装置に関する。特に、本発明は、位置フィードバックに関してロボット制御装置の作動を較正するために伝達関数を取得する方法に関する。

カテーテルが用いられる医療処置は、ますます増加し続けている。ごくわずかな例を挙げると、カテーテルは、診断処置、治療処置およびアブレーション処置に用いられている。通常、医師は、カテーテルを患者の脈管構造を通して、患者の心臓内の部位等の意図された部位まで操作する。カテーテルは、通常、アブレーション、診断、心臓マッピング等に使用され得る１つまたは複数の電極あるいは他の診断または治療装置を搭載している。

カテーテルを患者の脈管構造を通して意図された部位まで操作するのを容易にするために、カテーテルシャフトの部分、特にその遠位領域を操縦可能にする場合があることは既知である。たとえば、カテーテルは、標的部位に向かう途中に患者の脈管構造の曲がりくねった経路を通り抜けるために、医師が必要に応じてかつ要求通りにカテーテルの遠位端を並進させ、回転させかつ偏向させることができるように、製造される場合がある。

例として、偏向性は、１本または複数本の操縦ワイヤ（「プルワイヤ」と呼ぶ場合がある）をカテーテルシャフトの長さに沿って取り付けることによって達成されることが多い。これらの操縦ワイヤは１つまたは複数のアクチュエータに結合され、医師はそれを利用してワイヤに対し選択的に張力をかけることができ、それによってカテーテルの遠位端を偏向させる。カテーテルを偏向軸上で作動させるために、プルワイヤを電動式電気機械制御システムに結合する場合もあることも知られている。同様に、カテーテルを前進させかつ後退させる（すなわち、並進させる）ために、カテーテルを電動キャリッジに結合する場合もある。

位置フィードバックシステム（位置確認システム、ナビゲーションシステムまたはマッピングシステムと呼ぶ場合もあり、本明細書ではそれらのさまざまな用語を同義で用いる）を用いることにより、医師に対し、患者内におけるカテーテルの位置に関する情報を提供することができる。米国特許第５，６９７，３７７号明細書（‘３７７特許）および同第５，９８３，１２６号明細書（‘１２６特許）（ともに、その内容全体を本明細書に記載されたものとして参照により明示的に本明細書に援用される）は、患者の心臓におけるカテーテルの位置を確定するナビゲーションシステムを開示している。

‘３７７特許および‘１２６特許のシステムでは、患者の身体上に配置される互いに直交するように配置されたパッチ電極の対に電流パルスを印加する。これらのパッチを用いて、患者内部に一組の直交するｘ測定軸、ｙ測定軸およびｚ測定軸を画定する電界を形成する。それらの特許は、各軸に１つ、３つの異なる周波数で連続的に供給される振幅の小さい低電流パルスを教示している。これら電界内、たとえば患者の心臓内に配置される位置決め電極には、各軸を画定するパッチ電極の対の間のその位置に応じて電圧がかかる。位置決め電極における電圧は、基準電極の電圧と比較した時、位置決め電極の基準電極に対する位置を示す。したがって、３つの電圧を使用して３次元空間において位置決め電極、したがってカテーテルの位置を画定することができ、それを、一組の直交する測定軸に対する直交（ｘ、ｙ、ｚ）座標として表すことができる。

カテーテルを作動させるために用いられるモータ自体は極めて精密であるが、カテーテルを偏向させ、並進させまたは回転させるために採用される機械系は、特に作動力をかなりの距離にわたって伝達しなければならない場合、それほど精密ではない。特に、カテーテル先端の位置は、カテーテルの温度、その最新移動過程、およびそれが横断している、曲がりくねった経路とともに、プルワイヤまたは他の機械系要素および電気機械系要素に供給される変位に対する予期されかつ所望される依存性を含む、多くの変動要素によって決まる。この変動性の多くが、カテーテル本体および内部カテーテル構造の長さに沿った保持力（それらをまとめて「記憶（ｍｅｍｏｒｙ）」と呼ぶ場合がある）による。実際に、プルワイヤの所与の変位に対し、これらの要因により、先端位置の変動が１ｃｍを上回る結果となる場合がある。先端位置に望まれる相対的な変化も、同じ理由で正確に予測可能ではない。

さらに、上述したナビゲーションシステム等の現行の位置フィードバックシステムには、固有の誤差がある可能性がある。心臓内ナビゲーションシステムは、再現性に関しては堅牢であるが、それらが提供する寸法フィードバックは、状況による（ｃｏｎｔｅｘｕａｌ）、すなわち、特定の患者、心腔構造および他の要因に左右される傾向にある。これは、すべての部位が同じ相対的な状況でマッピングされマークされるマッピング応用では問題はないが、カテーテルの開ループでの特性評価では問題がある。たとえば、ナビゲーションシステムが、１０ｍｍの偏向が必要であることを示す場合、この移動は、実際には、カテーテルの特性により９ｍｍのみであり、１ｍｍの誤差がもたらされる。このナビゲーションシステム誤差は、上述した装置誤差に加わるものである。

したがって、３次元空間におけるカテーテルの所望の動きを、モータに供給される制御ベクトルまたは動作コマンド（本明細書では「移動ベクトル」と呼ぶ）に関連付ける伝達関数を得ることが望ましい。一次較正方法は、予測される移動に対してカテーテルを作動させ、上述したナビゲーションシステムを利用して実際の移動を測定するというものであり得る。予測された移動の実際の移動に対する比から、スケール補正係数を導出することができる。しかしながら、この手法は、カテーテル自体のいくつかの不確実性を考慮することはできるが、患者の動き、心臓の動き、患者の呼吸および電子ノイズ等の外部誤差源を考慮していない。

本明細書では、ロボット制御心臓カテーテルおよびそのカテーテルを較正する方法を開示する。較正方法は、カテーテルに供給される作動と、位置フィードバックシステムにおいて患者の動き、心臓の動き、患者の呼吸および電子ノイズ等の外部誤差源を考慮しながら得られる作動との関係を確立する。これにより、ロボット制御カテーテルの正確かつ精密な制御が容易になる。

本発明の第１実施形態によれば、少なくとも１つの作動軸に対する移動が可能なロボット装置を較正する方法は、概して、第１振動周波数で第１振動ベクトルを与えることにより、第１作動軸においてロボット装置を振動させるステップと、第１作動軸においてロボット装置を振動させている間に、ロボット装置の位置を周期的に測定するステップであって、それにより時間の関数として測定される第１の複数の位置データ点を生成するステップと、フーリエ変換アルゴリズムを用いて第１の複数の位置データ点を処理するステップであって、それにより第１振動ベクトルを与えることに起因するロボット装置の変位を隔離するステップと、処理するステップの出力を、第１作動軸に対する較正ベクトルに分解するステップとを含む。ロボット装置の位置は、約０．５秒〜約１０秒の間のサンプリング間隔で、第１サンプリングレートで測定され、第１サンプリングレートは、第１振動周波数の少なくとも約２倍の倍数であることが好ましく、約５倍〜約１０倍の間であることが好ましい。ロボット装置の位置を、複数の測定軸に対して測定してもよく、それにより、測定軸の各々に対して第１の複数の位置データ点が生成され、それを後にフーリエ変換アルゴリズムを用いて独立して処理してもよい。そして、較正ベクトルは、測定軸の各々に対して少なくとも１つの値を含むことができる。複数の位置データ点をバッファまたは他のメモリに格納してもよい。プロセスを、ロボット装置を作動させることができる他の任意の作動軸に対して繰り返してもよく、それらの作動軸に対し、振動周波数、サンプリング間隔およびサンプリングレートのうちのいずれかまたはすべては、任意に等しくてもよい。作動軸は、並進軸、回転軸および偏向軸を含むことが好ましい。

本発明の別の実施形態によれば、少なくとも１つの作動軸に対する移動が可能なロボット制御カテーテルを較正する方法は、概して、第１振動周波数で第１振動ベクトルを与えることにより、第１作動軸においてカテーテルを機械的に作動させるステップと、カテーテルの位置を周期的に測定するステップであって、それにより時間の関数として測定される第１の複数の位置データ点を生成するステップと、フーリエ変換アルゴリズムを用いて第１の複数の位置データ点を処理するステップであって、それにより患者の動き、心臓の動き、呼吸および電子ノイズのうちの少なくとも１つからカテーテルの機械的作動を識別するステップと、処理するステップの出力を、第１作動軸に対する較正ベクトルに分解するステップとを含む。カテーテルの位置は、約０．５秒〜約１０秒の間のサンプリング間隔で、第１サンプリングレートで測定され、第１サンプリングレートは、第１振動周波数の少なくとも約２倍の倍数であることが好ましく、約５倍〜約１０倍の間であることが好ましい。サンプリングレートは、好ましくは約６０Ｈｚ〜約２００Ｈｚの間であり、より好ましくは約１００Ｈｚであって、第１振動周波数は、好ましくは約１Ｈｚ〜約１０Ｈｚの間であり、より好ましくは約３Ｈｚ〜約５Ｈｚの間である。カテーテルの位置、たとえばカテーテルの先端の位置を、複数の測定軸に対して測定してもよく、それにより、測定軸の各々に対して第１の複数の位置データ点が生成され、それを後にフーリエ変換アルゴリズムを用いて独立して処理してもよい。そして、較正ベクトルは、測定軸の各々に対して少なくとも１つの値を含むことができる。複数の位置データ点をバッファまたは他のメモリに格納してもよい。プロセスを、カテーテルを作動させることができる他の任意の作動軸に対して繰り返してもよく、それらの作動軸に対し、振動周波数、サンプリング間隔およびサンプリングレートのうちのいずれかまたはすべては、任意に等しくてもよい。作動軸は、並進軸、回転軸および偏向軸を含むことが好ましい。

本発明のさらに別の実施形態では、ロボット制御カテーテルを較正する方法は、概して、或る振動周波数で振動ベクトルを与えることにより、作動軸においてカテーテルを振動させるステップと、カテーテルの或る点の位置を周期的に測定するステップであって、それにより時間の関数として測定される複数の位置データ点を生成するステップと、複数の位置データ点に対し信号処理アルゴリズムを適用するステップであって、それにより振動ベクトルを与えることに起因するカテーテルの変位を隔離するステップと、信号処理アルゴリズムの出力を、作動軸に対する較正ベクトルに分解するステップとを含む。信号処理アルゴリズムはフーリエ変換アルゴリズムであってもよい。複数のデータ点は、振動周波数の好ましくは倍数でありかつ少なくとも約２倍であり、より好ましくは約５倍〜約２０倍の間であるサンプリングレートで測定される。カテーテルの位置を、１つまたは複数の測定軸に対して測定してもよく、それにより、測定軸の各々に対して複数の位置データ点が生成される。それにより、較正ベクトルは、測定軸の１つまたは複数の各々に沿って、ゼロ成分を含む少なくとも１つの成分を含んでいてもよい。複数の位置データ点をバッファまたは他のメモリに格納してもよい。作動軸は、並進軸、偏向軸および回転軸からなる群から選択されることが好ましい。

本発明のさらに別の実施形態によれば、少なくとも１つの作動軸に対する移動が可能なロボット制御カテーテルを較正する方法は、第１振動周波数で第１振動ベクトルを与えることにより、第１作動軸においてカテーテルを機械的に作動させるステップと、カテーテルの位置を周期的に測定することにより、時間の関数として測定される第１の複数の位置データ点を生成するステップと、フーリエ変換アルゴリズムを用いて第１の複数の位置データ点を処理することにより、ロボット制御カテーテルの位置を第１作動軸に対する移動ベクトルに関連付ける伝達関数を生成するステップとを含む。この方法はさらに別の作業軸について繰り返してもよい。

本発明のさらなる実施形態では、ロボット制御医療機器は、概して、医療処置を行うように構成されたエンドエフェクタと、エンドエフェクタを移動させるアクチュエータと、エンドエフェクタに対し作動軸における振動ベクトルを与えるようにアクチュエータを起動することにより、エンドエフェクタを機械的に作動させるコントローラと、エンドエフェクタの位置を周期的に測定し、それにより時間の関数として測定される複数の位置データ点を生成する位置フィードバックシステムと、フーリエ変換アルゴリズムに従って複数の位置データ点を処理することにより、エンドエフェクタの位置を作動軸に対する移動ベクトルに関連付ける伝達関数を生成するプロセッサとを有する。エンドエフェクタは心臓カテーテルであってもよい。位置フィードバックシステムは、１つまたは複数の測定軸に対してエンドエフェクタの端部の位置を周期的に測定してもよく、それにより１つまたは複数の測定軸の各々に対して複数の位置データ点が生成され、それを後にフーリエ変換アルゴリズムを用いて独立して処理してもよい。伝達関数は、１つまたは複数の測定軸の各々に沿って方向づけられる、ゼロ成分を含む少なくとも１つの成分を有する較正ベクトルを含んでいてもよい。

本発明の技術的利点は、ロボット制御装置を較正するための伝達関数を導出する際に、装置変動性誤差、位置フィードバックシステム誤差および外部要因誤差を考慮する、というものである。

本発明の上述したおよび他の態様、特徴、詳細、有用性および利点は、以下の説明および特許請求の範囲を読むことにより、かつ添付図面を検討することにより明らかとなろう。

ロボット手術システムの一実施形態の概略図である。 カテーテルが配置されているカテーテル保持装置の一実施形態の斜視図である。 図２のカテーテル保持装置の端面図である。 カテーテルが固定されているカテーテル保持装置の一実施形態の斜視図である。 図４のカテーテル保持装置の端面図である。 ロボット手術システムで使用され得るような例示的な操縦可能カテーテルを示す。 本発明で使用され得るようなロボット手術システムおよび位置確認システムを概略的に示す。 ロボット制御心臓カテーテルまたは他のロボット制御装置を較正する方法のフローチャートである。 ｘ測定軸における例示的な較正グラフを、生データとして、およびフーリエ変換アルゴリズムの適用等による信号処理後として示す。 ｙ測定軸における例示的な較正グラフを、生データとして、およびフーリエ変換アルゴリズムの適用等による信号処理後として示す。 ｚ測定軸における例示的な較正グラフを、生データとして、およびフーリエ変換アルゴリズムの適用等による信号処理後として示す。

図１は、医療機器１２をロボット操作および制御するロボット手術システム１０の一実施形態を概略的に示す。医療機器１２はカテーテルであることが好ましく、それは、単に例としてかつ限定なしに、アブレーションカテーテル、ガイドワイヤカテーテル、イントロデューサカテーテル、プローブまたはスタイレットを含む、いかなるタイプのカテーテルであってもよい。しかしながら、本発明の範囲から逸脱することなく、ロボット手術システム１０により、他のいかなる治療用医療機器、診断用医療機器または補助医療機器を制御してもよい、ということが理解されるべきである。こうした他の機器には、限定されないが、カテーテルが搬送または送達することができる、注射器、電気泳動装置、イオン導入装置、経皮薬剤送達装置、筋芽細胞送達装置、幹細胞送達装置、アブレーション装置、ステントおよびペースメーカリードがある。ロボット手術システム１０を用いて、本明細書で説明する迅速な取付けおよび取外し機能に従って２つ以上の医療機器１２を操作し制御してもよい、ということがさらに理解されるべきである。したがって、本明細書では、「医療機器」、「プローブ」、「治療用装置」および「カテーテル」という用語を同義で用いる。「エンドエフェクタ」という一般用語もまた、医療機器１２を説明するために用いる場合もある。

ロボット手術システム１０は、概して、トラック１４と、カテーテル保持装置１６と、並進サーボ機構１８と、カテーテル偏向制御機構２０と、偏向サーボ機構２２と、並進サーボ機構１８および偏向サーボ機構２２のうちの少なくとも一方に動作可能に結合されるコントローラ２４とを有している。並進サーボ機構１８および偏向サーボ機構２２は、連続モータ、ステッピングモータ、液圧アクチュエータ、プーリシステム、および当業者には既知である他の装置を含む、或る距離を置いて機械制御を提供するいかなるタイプの装置であってもよい。カテーテル偏向制御機構２０および偏向サーボ機構２２を、本明細書ではまとめて「カテーテル偏向機構」と呼ぶ。

カテーテル保持装置１６は、カテーテル受入部２６を有している。カテーテル受入部２６は、カテーテル１２の近位端３０近くに位置するカテーテル制御ハンドル２８をカテーテル受入部２６内に取り付けることにより、カテーテル１２を受け入れるように構成されている。カテーテル受け部２６は、いかなるタイプのカテーテル１２（または上述したように別の医療機器）の迅速な取付けおよび取外しにも適合されていることが好ましく、それにより、ロボット手術システム１０による制御のための装置１２の取付け、および手動制御（たとえば、カテーテル制御ハンドル２８の使用者による操作）のための装置１２の取外しが容易になる。したがって、カテーテル制御ハンドル２８を、摩擦嵌合により、あるいは１つまたは複数のクイックリリースファスナを用いて、カテーテル受入部２６に固定することができる。別法として、カテーテル受入部２６の内面とカテーテル制御ハンドル２８の外面は、カテーテル制御ハンドル２８をカテーテル保持装置１６内にねじ込むことができるようにする嵌合ねじ部を有していてもよい。ロボット手術システム１０の他の実施形態では、カテーテル制御ハンドル２８は、カテーテル受入部２６の適所に締め付けられるかまたはひもで縛られる。カテーテル受入部２６内にカテーテル制御ハンドル２８を受け入れるのを容易にするために、アダプタを用いてもよい。

図２および図３に、カテーテル制御ハンドル２８が配置されているが固定されてはいない、カテーテル保持装置１６の一実施形態を示す。カテーテル保持装置１６は、基板３２と複数の直立した支持板３４とを有している。支持板３４は、プーリシステム３８に連結されたカム３６を支持する。

カテーテル制御ハンドル２８は、開口部４０内を下方に、カテーテル受入部２６内のプーリシステム３８のベルト４０の上に受け入れられる。カテーテル制御ハンドルが下方に付勢されると、ベルト４０が上部プーリ３８ａおよび下部プーリ３８ｂを矢印ａの方向に回転させる。これにより、カム３６がリンク４２を介して下方に付勢され、上部プーリ３８ａ、３８ｂがリンク４４を介して互いに向かって引き寄せられ、同時にベルト４０がカテーテル制御ハンドル２８の周囲に巻き付けられる。それにより、カテーテル制御ハンドル２８が、図４および図５に示すようにカテーテル受入部２６内に固定される。カテーテル制御ハンドル２８をカテーテル保持装置１６から取り外すためには、使用者は、カム２６を解放するだけでよく、それは、上述したプロセスを逆転し、カテーテル受入部２６を開放する。

カテーテル保持装置１６は、トラック１４に並進可能に関連している。「並進可能に関連する」という句は、カテーテル保持装置１６とトラック１４とのすべての種類の相対的な横方向の動きを含む。たとえば、カテーテル保持装置１６は、トラック１４に対して摺動してもよい。別法として、カテーテル保持装置１６は、トラック１４に取り付けられているウォームギア、親ねじ、ボールねじ等のねじ機構４６に沿って横方向に移動してもよい。カテーテル保持装置１６のトラック１４に対する並進範囲（すなわち、カテーテル保持装置１６が両端の間でトラック１４に対して移動することができる横方向距離）は、少なくとも約５ｃｍであり、人間の心臓のおよその幅であることが好ましい。トラック１４に対するカテーテル保持装置１６の並進範囲が少なくとも約１０ｃｍであることがより好ましい。

本発明の好ましい実施形態では、キャリッジ４８が、ねじ機構４６を介してトラック１４の上に並進可能に取り付けられている。カテーテル保持装置１６は、キャリッジ４８によりトラック１４に対して並進するように、キャリッジ４８に取り付けられている。たとえば、基板３２を、キャリッジ４８に固定してまたは取外し可能に取り付けてもよい。別法として、カテーテル保持装置１６を、キャリッジ４８と、単一アセンブリとして一体的に形成してもよい（すなわち、基板３２およびキャリッジ４８が単一の単体部品であってもよい）。同様に、本発明の実施形態によっては、カテーテル保持装置１６を、キャリッジが介在することなくトラック１４に直接並進可能に取り付けてもよい。

並進サーボ機構１８は、カテーテル保持装置１６に動作可能に結合され、カテーテル保持装置１６のトラック１４に沿った横方向の位置を調整するために、カテーテル保持装置１６のトラック１４に対する並進を制御するように適合されている。並進サーボ機構１８は、キャリッジ４８、したがってそれに取り付けられているカテーテル保持装置１６を、トラック１４に沿って横方向に移動させるために、キャリッジ４８に動作可能に結合されていることが好ましい。図１に示す実施形態では、並進サーボ機構１８は、ねじ機構４６を駆動し、それによりキャリッジ４８をねじ機構４６に沿って横方向に移動させる。

偏向サーボ機構２２は、カテーテル偏向制御機構２０に動作可能に結合されかつそれを制御するように適合されている。本発明の好ましい実施形態では、偏向サーボ機構２２は、カテーテル偏向制御機構２０を回転させることができるように、カテーテル偏向制御機構２０に動作可能に結合されている。偏向サーボ機構２２とカテーテル偏向制御機構２０とを連結する伝達系を簡略化するために、偏向サーボ機構２２およびカテーテル偏向制御機構２０のいずれか一方または両方をキャリッジ４８に取り付けてもよい。ロボット手術システム１０の実施形態によっては、後述するように、カテーテル偏向制御機構２０はカテーテル保持装置１６に、たとえばプーリシステム３８、特にベルト４０を利用することにより組み込まれる。しかしながら、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、カテーテル偏向制御機構２０をカテーテル保持装置１６から分離してもよい、ということを理解するであろう。

コントローラ２４は、カテーテル保持装置１６に受け入れられるカテーテル１２をナビゲートするために、並進サーボ機構１８および偏向サーボ機構２２の少なくとも一方を制御するように適合されている。並進サーボ機構１８および偏向サーボ機構２２を制御するために複数のコントローラを使用することが、本発明の範囲内にあるとみなされることも留意されるべきである。この開示を通して、「コントローラ」という用語は、１つまたは複数のロボットシステムの移動または作動を制御する装置（すなわち、サーボ機構にコマンド入力を提供する構成要素）を指す。当業者は、ロボット手術システム１０内で任意の特定の機構に対して、適当なコントローラをいかに選択するかを理解するであろう。さらに、「コントローラ」という用語は、１つまたは複数のロボットシステムを作動させる単一の統合コントローラと複数のコントローラとの両方を包含するものとみなされるべきである。

図６に示すように、カテーテル１２は、カテーテル１２の近位端３０近くのカテーテル制御ハンドル２８からカテーテル１２の遠位端５２まで延在する少なくとも１本のプルワイヤ５０を含む、操縦可能カテーテルであることが好ましい。プルワイヤ５０を、同様にカテーテル１２の遠位端５２近くに位置する少なくとも１つのプルリング５４に結合してもよい。プルワイヤ５０は、緊張状態になると、カテーテル１２の遠位端５２をさまざまな形状になるように偏向させる。当業者は理解するように、プルワイヤ５０を追加することにより、カテーテル１２の遠位端５２の偏向の多様性が向上する。たとえば、プルリング５４への取付点が１つである単一プルワイヤ５０により、カテーテル１２の遠位端５２は、単一軸上で、恐らくは一方向のみに、たとえば図６に対して上方に偏向することができる。第２プルワイヤ５０を追加する（図６に示すように）ことにより、または単一プルワイヤ５０を輪にしてプルリング５４に２つの取付点５６があるようにすることにより、カテーテル１２の遠位端５２を、２つの方向に、たとえば図６に対して上方および下方の両方に偏向させてもよい。４つのプルワイヤ５０がプルリング５４に約９０°の間隔で取り付けられるカテーテル１２は、４つの方向に、たとえば図６に対し上方、下方および用紙面に入る方向および出る方向に偏向することができる。

カテーテル制御ハンドル２８に１つまたは複数のカテーテル偏向アクチュエータ５８を設けることにより、１本または複数本のプルワイヤ５０に選択的に張力をかけるようにしてもよく、それにより、カテーテル１２の遠位端５２の偏向の方向および程度が制御される。実施形態によっては、１つまたは複数のノブを設けてもよく、その回転により、１本または複数本のプルワイヤ５０に選択的に張力がかけられる。しかしながら、カテーテル偏向アクチュエータ５８は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、限定されないがスライダおよびスイッチを含む他の多くの形態をとってもよいということが理解されるべきである。さらに、カテーテル制御ハンドル２８自体を回転させることにより、選択的にプルワイヤ５０に張力をかけカテーテル１２の遠位端５２を偏向させてもよい、ということも企図される。

図１に戻ると、カテーテル制御ハンドル２８がカテーテル受入部２６内に受け入れられると、カテーテル１２は、カテーテル保持装置１６によりトラック１４に対して並進し、それにより、カテーテル１２を患者の体内に前進させかつ患者の体内から後退させることを可能にする第１自由度が提供される。さらに、カテーテル１２は、カテーテル偏向制御機構２０に動作可能に結合されており、カテーテル偏向制御機構２０の作動によってカテーテル１２の遠位端５２が偏向し、それにより、カテーテル１２に対し第２自由度が提供される。特に、カテーテル偏向アクチュエータ５８をカテーテル偏向制御機構２０に動作可能に結合してもよく、それによりカテーテル偏向制御機構２０は、カテーテル偏向アクチュエータ５８を作動させて、選択的に１本または複数本のプルワイヤ５０に張力をかけ、カテーテル１２の遠位端５２を所望の方向に所望の量だけ偏向させることができる。

本発明の実施形態によっては、カテーテル偏向制御機構２０を回転させることにより、カテーテル偏向アクチュエータ５８が回転し、それによりカテーテル１２内で１本または複数本のプルワイヤ５０に選択的に張力がかけられる。カテーテル偏向制御機構２０とカテーテル偏向アクチュエータ５８との間の伝達系は、たとえばカテーテル偏向制御機構２０およびカテーテル偏向アクチュエータ５８を包囲するゴム引きコーティングによって提供される、摩擦嵌合であってもよい。別法として、カテーテル偏向制御機構２０およびカテーテル偏向アクチュエータ５８を、嵌合ギア歯またはローレット削りによって結合してもよい。

特に、図２〜図５に示すカテーテル保持装置１６の実施形態を参照すると、カテーテル１２がカテーテル受入部２６に固定されると、ベルト４０がカテーテル制御ハンドル２８と摩擦係合する。それらはまた、カテーテル偏向アクチュエータ５８と係合してもよい。したがって、プーリシステム３８が偏向サーボ機構２２によって駆動された場合、ベルト４０は、選択的に１本または複数本のプルワイヤ５０に張力をかけカテーテル１２の遠位端５２を偏向させるために、カテーテル制御ハンドル２８またはカテーテル偏向アクチュエータ５８あるいは両方を回転させることができる。

上述したカテーテル偏向制御機構２０およびカテーテル偏向アクチュエータ５８の特定の構成は、単に例示的なものであり、本発明の精神および範囲から逸脱することなく変更が可能である、ということが理解されるべきである。たとえば、カテーテル偏向アクチュエータ５８がノブではなくスライダである場合、カテーテル偏向制御機構２０を、スライダを作動させるように好適に変更してもよく、またはさらにはモジュラユニットとして置き換えてもよい。これにより、さまざまな構成の既製医療機器とロボット手術システム１０との容易な取付けおよび相互接続を可能にすることによって、ロボット手術システム１０の迅速接続／分離操作が容易になる。

上述したように、カテーテル１２内に追加のプルワイヤ５０を含めることにより、カテーテル１２の遠位端５２が偏向することができる方向の数が増加する。これを、本明細書では「偏向多様性」と呼ぶ。しかしながら、使用されるプルワイヤ５０の数が比較的少ない場合（たとえば、約４本未満のプルワイヤ５０）、失われる偏向多様性を、カテーテル１２をその軸を中心に回転させることによって補償してもよい。たとえば、プルリング５４への取付点が１つである単一プルワイヤ５０のみを使用し、一方向にしか偏向することができないカテーテルでは、カテーテルを、単にその軸を中心に１８０°回転させることにより、反対方向に偏向させることができる。同様に、１８０°離れた２つの方向に偏向することができるカテーテルを、その軸を中心に９０°回転させることにより、それらの間の中間の方向に偏向させることができる。

したがって、本発明の実施形態によれば、カテーテル受入部２６は回転可能である。こうした回転可能カテーテル受入部の一例は、図２〜図５に示すプーリシステム３８によって画定されるカテーテル受入部２６である。回転可能なカテーテル受入部２６には回転サーボ機構６０が回転可能に結合されており、回転可能なカテーテル受入部２６を制御するように適合されている。したがって、プーリシステム３８は、回転サーボ機構６０によって駆動されてもよく、それにより、ベルト４０と係合してカテーテル１２をその軸を中心に回転させる。

望ましい場合、回転サーボ機構６０を、カテーテル保持装置１６とともにトラック１４に対して並進するように、キャリッジ４８に取り付けるかまたはカテーテル保持装置１６に取り付けてもよい。この構成により、回転サーボ機構６０とカテーテル保持装置１６との間に一定の距離関係がもたらされ、それによって、回転サーボ機構６０をカテーテル保持装置１６に結合する伝達系を簡略化することができる。

カテーテル１２は、カテーテル保持装置１６に取り付けられると、カテーテル受入部２６とともに回転し、それにより、カテーテル１２に対して第３自由度が提供され、プルワイヤ５０の数が比較的少ないことに起因する低い偏向多様性が補償される。カテーテル受入部２６は、その軸を中心に少なくとも約３６０°回転可能であることが好ましく、それにより、そこに受け入れられたカテーテル１２もまた、その軸を中心に少なくとも３６０°回転可能であり、それにより、カテーテル１２の遠位端５２の実質的に任意の方向での偏向が容易になり、カテーテル１２の遠位端５２の偏向多様性が大幅に向上する。カテーテル受入部２６を、その軸を中心に約７２０°以上回転するように設計してもよい。

カテーテル受入部２６を回転させることによってカテーテル１２を回転させることにより、カテーテル１２の遠位端５２が意図せず偏向することがある。当業者がこの開示から理解するように、カテーテル受入部２６およびカテーテル１２が回転する際、回転サーボ機構６０によって加えられるトルクがカテーテル偏向制御機構２０の慣性に打ち勝つには不十分である場合、カテーテル偏向アクチュエータ５８は、カテーテル制御ハンドル２８と回転するのではなく、固定されたままであることがある。すなわち、カテーテル偏向アクチュエータ５８は、カテーテル偏向制御機構２０に抗して動かないことがあり、カテーテル制御ハンドル２８とカテーテル偏向アクチュエータ５８との間に相対的な回転がもたらされる。この相対的な回転により、１本または複数本のプルワイヤ５０に指示されていない張力が加わり、カテーテル１２の遠位端５２が不注意に偏向することがある。

したがって、カテーテル１２が回転する際に実質的に一定の偏向を維持するために、コントローラ２４を、回転サーボ機構６０と偏向サーボ機構２２との両方に動作可能に結合してもよい。コントローラ２４は、偏向サーボ機構２２および回転サーボ機構６０のうちの少なくとも一方を制御して、好ましくは偏向サーボ機構２２および回転サーボ機構６０の両方を同時に制御して、カテーテル受入部２６およびカテーテル１２が回転する際に遠位端５２の実質的に一定の偏向を維持するよう適合されている。たとえば、コントローラ２４は、回転サーボ機構６０に対しカテーテル受入部２６を回転させるように命令する際、同時に、偏向サーボ機構２２に対し、カテーテル偏向制御機構２０を反対方向に回転するよう作動させるように命令してもよく、それにより、カテーテル偏向アクチュエータ５８とカテーテル制御ハンドル２８との間の相対的な回転が実質的になくなり、カテーテル１２の実質的に一定の偏向を維持するのに役立つ。別法として、コントローラ２４は、回転サーボ機構６０に対してカテーテル受入部２６を回転させるように命令する際、同時に、偏向サーボ機構２２に対し、カテーテル偏向制御機構２０をカテーテル偏向アクチュエータ５８から切り離すように命令してもよく、それによりカテーテル偏向アクチュエータ５８はカテーテル制御ハンドル２８とともに自由に回転することができる。いずれの場合も、コントローラ２４を、偏向サーボ機構２２と回転サーボ機構６０とを差動装置等の機械的伝動システムを通して結合する必要をなくすように構成することができる。さらに、本明細書では並進サーボ機構１８、偏向サーボ機構２２および回転サーボ機構６０を制御するように適合された単一コントローラとして説明しているが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、複数のコントローラを使用してもよい。

イントロデューサ６２、好ましくは操縦可能イントロデューサ、最も好ましくはアジリス（Ａｇｉｌｉｓ）（商標）操縦可能イントロデューサを、ロボット手術システム１０の一部として提供してもよい。イントロデューサ６２の近位端６４は固定されていることが好ましく、一方、イントロデューサ６２の遠位端６６は、患者（明確にするために図示せず）内の標的部位（本明細書において「標的」という用語は、治療または診断が行われる場所を指す）に近接する位置まで延在する。イントロデューサ６２は、イントロデューサ６２の遠位端６６を少なくとも１自由度で制御するように適合された少なくとも１つのサーボ機構７０を含むロボット制御システム６８を介して、操縦可能であってもよい。好ましくは、ロボット制御システム６８は、ロボット手術システム１０に対して合計６自由度をもたらす、３自由度（並進、偏向および回転）でイントロデューサ６２の遠位端６６を制御するように適合された３つのサーボ機構７０と、サーボ機構７０を制御するように適合された少なくとも１つのコントローラ７２とを有している。本明細書においてロボット手術システム１０および医療機器１２に関して説明したものと同様の制御原理を、操縦可能イントロデューサ６２に適用してもよい。

患者の体外でカテーテル１２の周囲に実質的無菌野を形成するために、伸張可能かつ折畳み可能な管状シャフト７４が、カテーテル１２のカテーテル保持装置１６とイントロデューサ６２の近位端６４との間の領域等、カテーテル１２の少なくとも一部を実質的に包囲する。好ましくは、シャフト７４は、ロボット手術システム１０の他の関連部品とともに使用前に殺菌される。カテーテル保持装置１６がカテーテル１２を患者内に（すなわち図１の右側に）前進させるように並進すると、管状シャフト７４は折り畳まれる。反対に、カテーテル保持装置１６がカテーテル１２を患者から（すなわち図１の左側に）後退させるように並進すると、管状シャフト７４は伸張する。管状シャフト７４は、複数の入れ子式の管状要素７６から組み立てられていることが好ましい。しかしながら、管状シャフト７４は、別法として、アコーディオンプリーツ状構造または他の伸張可能かつ折畳み可能構造であってもよい、ということが企図される。

ロボット手術システム１０を採用して、並進サーボ機構１８、偏向サーボ機構２２および回転サーボ機構６０（存在する場合）のうちの１つまたは複数を、コントローラ２４を介して作動させることにより、カテーテル１２を、患者内にかつ患者を通して患者の体内の１つまたは複数の部位までロボットによって進めることができる。ロボット手術システム１０は、コントローラ２４によって実行されるコンピュータプログラムに従って自動的に動作してもよい。また、外科医、心臓専門医または他の医師であり得る使用者が、３次元ジョイスティック（たとえば３入力軸を有するジョイスティック）、ステアリングヨークまたは使用者がカテーテル１２をロボットによって操縦するのを可能にする別の好適な入力デバイス、もしくはこうしたデバイスの集まり等、適当な制御装置のセットによってロボット手術システム１０を制御してもよい、ということも企図される。

当業者は、サーボ機構１８、２２、６０における移動ベクトル入力とカテーテル１２の移動との関係を知っていることが望ましいことを理解するであろう。この関係を確立する方法およびシステムについて、図７および図８を参照して説明する。

図７は、コントローラ２４による命令に従いロボット手術システム１０を介してロボット制御されるカテーテル１２を含む手術システム８０を概略的に示す。ロボット手術システム１０への入力を、コンピュータシステム９２を介して提供してもよい。

例示の目的で、カテーテル１２は、患者の心臓８２の腔５２内に挿入されているように示されている。カテーテル１２は、位置フィードバックシステム８６を用いてカテーテル１２の位置を特定するために１つまたは複数のセンサまたは電極８４、８８を搭載している。好ましくは、位置フィードバックシステム８６は、セント・ジュード・メディカル・インコーポレーテッド（Ｓｔ．Ｊｕｄｅ Ｍｅｄｉｃａｌ，Ｉｎｃ．）のエンサイト（Ｅｎｓｉｔｅ）ＮａｖＸ（商標）システムであり、それは、カテーテル１２の位置を測定するために用いることができる測定軸を画定する対の電極９０を有している。例示の目的で、１対の電極９０のみを示す。たとえばバイオセンス・ウェブスター・インコーポレイテッド（Ｂｉｏｓｅｎｓｅ Ｗｅｂｓｔｅｒ，Ｉｎｃ．）製のカルト（ＣＡＲＴＯ）ナビゲーションシステムを含む他の位置確認システムを採用してもよい、ということが理解される。

コントローラ２４が、サーボ機構１８、２２、６０のうちの１つまたは複数等のアクチュエータを起動してカテーテル１２に対し作動軸における振動ベクトルを与えることにより、カテーテル１２を機械的に作動させるよう命令してもよい。カテーテル１２が振動している間、位置フィードバックシステム８６は、カテーテル１２の位置を周期的に測定し、それにより、時間の関数として測定される複数の位置データ点を作成する。上述したように、複数の位置データ点を１つまたは複数の測定軸に対して測定することにより、１つまたは複数の軸の各々に対して複数の位置データ点を作成してもよい。

コンピュータシステム９２は、フーリエ変換アルゴリズム等の信号処理アルゴリズムに従って複数の位置データ点を処理して、カテーテル１２の位置を作動軸に対する移動ベクトル（たとえば、サーボ機構１８、２２または６０等のサーボ機構への入力）に関連付ける伝達関数を生成する、プロセッサをさらに含む。信号処理アルゴリズムを、１つまたは複数の測定軸の各々に対する複数の位置データ点に別個にかつ独立して適用してもよい。伝達関数は、１つまたは複数の測定軸の各々に沿って方向づけられる少なくとも１つの成分を含む較正ベクトルを含んでいてもよい。

図８のフローチャートに、カテーテル１２をその作動軸上で較正する方法を示す。ステップ１１０において、カテーテル１２に対し第１振動周波数で第１振動ベクトルを与える。第１振動ベクトルは、第１作動軸、たとえば並進軸においてカテーテル１２を機械的に作動させ、カテーテル１２に振動をもたらす。好ましくは、第１振動ベクトルは、結果としての実際のカテーテル１２の振動が第１作動軸に制限されるように、カテーテル１２を第１作動軸のみで作動させる。したがって、第１振動ベクトルを与えるためには、サーボ機構１８、２２、６０のうちの１つまたは複数への入力が必要であり得る。たとえば、上述したように、回転軸においてのみカテーテル１２を作動させるには、偏向サーボ機構２２と回転サーボ機構６０との両方に対する入力が必要であり得る。

当業者が理解するように、さまざまな誤差源が他の作動軸における見かけの振動をもたらす可能性がある（すなわち、誤差源により、カテーテル１２が、第１作動軸において作動された時に残りの作動軸のうちの１つまたは複数の上でも移動しているように見える場合がある）。本明細書で述べているように、本発明の１つの目的は、第１作動軸におけるカテーテル１２の実際の機械的振動を、これらの誤差源に起因するカテーテル１２の見かけの振動から隔離することである。

第１振動ベクトルは、小さい動きベクトルであることが好ましく、その結果、第１作動軸における予測される振動は約１ｍｍ〜約１０ｍｍの間になり、より好ましくは約２ｍｍ〜約３ｍｍの間になる。より大きい距離が企図されるが、アクチュエータを正確に特性評価することができるためには短い間隔で十分な場合が多い。第１振動周波数は、好ましくは約１Ｈｚ〜約１０Ｈｚの間であり、より好ましくは約３Ｈｚ〜約５Ｈｚの間である。

ステップ１２０において、カテーテル１２（またはその上の点）の位置を周期的に測定する。測定される位置は、カテーテル１２の先端（たとえば電極８４）の位置であってもよい。これにより、時間の関数として測定される第１の複数の位置データ点が生成される。本発明の実施形態によっては、複数の測定軸に対してカテーテル１２の位置が測定され、その複数の測定軸は、作動軸とは異なっていてもよい。たとえば、カテーテル１２の位置を、上述した‘３７７特許および‘１２６特許に開示されているナビゲーションシステムのｘ軸、ｙ軸およびｚ軸に対して、または図７に示すパッチ電極９０によって画定される軸に対して測定してもよい。このように、ステップ１２０により、測定軸の各々に対し時間の関数として複数の位置データ点（たとえば、複数の（ｘ、ｙ、ｚ）座標点、または別法として測定軸の各々に対する別個の複数の位置データ点）が生成される。

測定ステップ１２０は、約０．５秒〜約１０秒の間、好ましくは約３秒の周期（本明細書では「サンプリング間隔」と呼ぶ）で発生し、振動ステップ１１０と同時に発生する（すなわち、カテーテル１２が第１作動軸上で振動している間に、カテーテル１２の位置が周期的に測定される）。第１の複数の位置データ点を、任意に、コンピュータシステム９２の一部であってもよいバッファまたは他のメモリに格納してもよい。カテーテル１２の位置が複数の測定軸に対して測定される場合、測定軸の各々に対する複数の位置データ点（たとえば、ｘ軸に対する第１の複数の位置データ点、ｙ軸に対する第１の複数の位置データ点およびｚ軸に対する第１の複数の位置データ点）を別個に格納してもよい。測定軸の各々に対する複数の位置データ点を、たとえば第１の複数の（ｘ、ｙ、ｚ）座標としてまとめて格納してもよい、ということも企図される。

サンプリング間隔中、第１の複数の位置データ点が第１サンプリングレートで測定され、第１サンプリングレートは、第１振動周波数の少なくとも２倍である、第１振動周波数の倍数であることが好ましく、より好ましくは、第１振動周波数の約５倍〜約２０倍の間であることが好ましい。最も好ましくは、第１サンプリングレートは、約６０Ｈｚ〜約２００Ｈｚの間であり、約１００Ｈｚであることが特に好ましい。第１サンプリングレートを第１振動周波数の倍数として設定することにより、サンプリング間隔中に整数の振動が確実に獲得される。

当業者がこの開示から理解するように、かつ簡単に上述したように、ステップ１２０で生成される第１の複数の位置データ点は、カテーテル１２の機械的作動と任意の誤差源とをともに反映する。これらの誤差源には、限定されないが、カテーテルの記憶（ｍｅｍｏｒｙ）、患者の動き、心臓の動き（たとえば心拍）、呼吸、摩擦および電子ノイズがある。後続するステップにおいて、ステップ１１０において第１振動ベクトルを与えたことに起因するカテーテル１２の実際の変位が隔離され、それにより、第１振動ベクトルに起因するカテーテル１２の機械的作動が、１つまたは複数の誤差源に起因する見かけの振動から識別される。

したがって、ステップ１３０において、第１の複数の位置データ点を、信号処理アルゴリズムを用いて処理する。信号処理アルゴリズムはフーリエ変換アルゴリズムであることが好ましいが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく他の信号処理アルゴリズムを採用してもよい。他の好適な信号処理アルゴリズムには、限定されないが同期復調（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）または相互相関があり、機械的強制関数（たとえば振動ベクトル）の複製である波形に、各ナビゲーション（たとえば測定）軸から得られる測定されたナビゲーション信号（たとえば複数の位置データ点）を乗ずる。これにより、有利に、各ナビゲーション軸における相対的な変位を、機械的強制関数に関連しない動きおよびノイズから抽出することができる（すなわち、第１振動ベクトルに起因するカテーテル１２の機械的作動を、１つまたは複数の誤差源または他の影響に起因する見かけの振動から隔離することができる）。

複数の測定軸に対しカテーテル１２の位置を測定し、その結果、測定軸の各々に対し複数の位置データ点が生成されると、処理ステップ１３０は、フーリエ変換アルゴリズム等の信号処理アルゴリズムを用いて、測定軸の各々に対し複数の位置データ点を別個に処理することを含んでもよいが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、測定軸の各々に対する複数の位置データ点をまとめて処理する（たとえば、複数の（ｘ、ｙ、ｚ）座標点に信号処理アルゴリズムを適用する）ことも可能である。

上述したように、サンプリング間隔は、第１作動軸におけるカテーテル１２の整数の振動を獲得する。強制関数周波数とサンプリング間隔との整数関係を実施することにより、ステップ１４０において、フーリエパワースペクトルアルゴリズムによって、概して、２つ以上の周波数ビンにわたって広がるピークとは対照的に、第１振動周波数での単一ピークがもたらされる。そして、ステップ１５０において、強制関数に対応する周波数ビンからの値を単にスケーリングすることにより、寸法関連信号を回復することができる。この信号処理により、第１振動ベクトルを与えることに起因するカテーテル１２の移動が有効に隔離され、この処理を、判断ブロック１６０に示すように、測定軸の各々に対して独立して繰り返してもよい。しかしながら、第１の複数の位置データ点を、測定軸成分に分解することなく処理してもよい、ということも企図される。

ステップ１７０において、カテーテル１２の位置を第１作動軸の移動ベクトルに関連付ける伝達関数を、信号処理中に回復された１つまたは複数の寸法信号から生成する。伝達関数は、所望のまたは予測されたカテーテル１２の移動とそれに対する移動ベクトルコマンド入力（たとえば、サーボ機構１８、２２および６０のうちの１つまたは複数に対する入力）との間の相関を確立することにより、第１作動軸においてカテーテル１２を較正し、それにより、作動コマンドの正確な実行が確実になり、少なくとも第１作動軸に沿ったカテーテル１２の精密な制御が可能になる。

ステップ１８０において、ステップ１７０で生成された伝達関数を、第１作動軸に対する較正ベクトルに分解してもよい。較正ベクトルは、測定軸の各々に対して少なくとも１つの値を含んでいてもよく、言い換えれば、較正ベクトルは、与えられる振動ベクトルとカテーテル１２の実際の測定された応答とのベクトル差を表す、測定軸の各々に沿って向けられた少なくとも１つの成分を含んでいてもよい。これらのベクトル成分のうちの１つまたは複数は、カテーテル１２が、第１作動軸における特定の測定軸に対して予測されるように位置合せされる場合、ゼロ成分であり得る、ということが理解されるべきである。上述したように、較正ベクトルは、カテーテル１２の所望のまたは予測された移動をカテーテル１２の実際の移動に関連付け、それにより、カテーテル１２に提供される入力（たとえば、並進サーボ機構１８に送出される並進コマンド）とそれらの実際の出力（たとえばカテーテル１２の遠位端５２の並進）との間の関係を定義する。

ステップ１９０に示すように、詳細に上述したプロセスを、任意の残りの作動軸（たとえば回転軸や偏向軸）に対して繰り返してもよい。たとえば、カテーテル１２を、それぞれ第２振動周波数で第２振動ベクトルを与え第３振動周波数で第３振動ベクトルを与えることにより、第２作動軸および第３作動軸を中心に機械的に振動させてもよい。カテーテル１２の位置を、それぞれ第２および第３の複数の位置データ点を生成するために周期的に測定してもよく、それらの位置データ点を、後に、カテーテル１２の位置を第２作動軸および第３作動軸に対する移動ベクトルに関連付ける伝達関数を生成するために、信号処理アルゴリズムを用いて処理してもよい。これらの伝達関数を、第２作動軸および第３作動軸に対する較正ベクトルに分解しかつそうした較正ベクトルとして表してもよい。

当業者は、この開示から、第２作動軸および第３作動軸に対するプロセスの詳細が、第１作動軸に関して説明した詳細に概して従うことを理解するはずである。たとえば、第２および第３の複数の位置データ点を、それぞれの第２サンプリングレートおよび第３サンプリングレートで測定してもよく、それらのサンプリングレートは、それぞれ、第２振動周波数および第３振動周波数の倍数であることが好ましい。同様に、第２および第３の複数の位置データ点のいずれかまたは両方をバッファまたは他のメモリに格納してもよい。第１振動周波数、第２振動周波数および第３振動周波数は等しくてもよく、第１サンプリングレート、第２サンプリングレートおよび第３サンプリングレートは等しくてもよい、ということも企図される。当業者は、さらに、この開示から、作動軸の各々に対し伝達関数および／または較正ベクトルを有益に隔離するように、作動軸の各々に対しプロセスを独立して実行することを理解するはずである。望ましい場合、その後、ステップ２００において、これらのいくつかの伝達関数および／または較正ベクトルを較正行列にすることができ、たとえば治療を送達するかまたは診断処置を行うためにカテーテル１２を患者内にナビゲートする際に、その較正行列を利用してもよい。

ここで、本発明の実際的な例を、図９ａ〜図９ｃを参照して説明する。カテーテル１２を、並進、回転、偏向等であってもよい作動軸を中心に、約１．５Ｈｚの周波数で約４秒間、機械的に振動させ、カテーテル１２の位置を、デカルト座標系において時間の関数として測定する。図９ａ〜図９ｃの左側のグラフは、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸それぞれで測定された生の動きデータ（たとえば、複数の位置データ点）を示す。図９ａ〜図９ｃの右側のグラフは、フーリエ変換アルゴリズムを用いた信号処理後の位置データを示す。フーリエ変換グラフに示すように、１．５Ｈｚ周波数ビンは、ｘ方向に０．６ｍｍ、ｙ方向に０．２ｍｍ、ｚ方向に２．０ｍｍの振幅を有している。１ｍｍ単位ベクトルにスケーリングすることにより、図示する作動軸に対して０．２９ｉ＋０．１０ｊ＋０．９５ｋの較正ベクトルがもたらされる。

本発明の実施形態を、ある程度の特定性をもって上述したが、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、開示した実施形態に対し多数の変更を行うことができる。たとえば、本発明を、ロボット制御カテーテルの背景で説明したが、本明細書で開示した較正方法を、位置フィードバックシステムを組み込んだ他の任意のロボット制御医療機器または非医療機器の背景において実施することができる。さらに、（ｘ、ｙ、ｚ）座標系以外の座標系において位置を測定する位置フィードバックシステム（たとえば、パラメータ座標または変位ベクトルを用いて動作する位置フィードバックシステム）を含む、本明細書で説明したもの以外の位置確認システムを採用して、ロボット装置の位置を周期的に測定することができる。

方向についてのすべての言及（たとえば、上、下、上方、下方、左、右、左方、右方、頂部、底部、上部、下部、垂直、水平、右回りおよび左回り）は、単に読者が本発明を理解するのを助ける識別目的のためにのみ使用するものであり、特に本発明の位置、向きまたは使用に関して限定をもたらすものではない。接合についての言及（たとえば、取り付けられた、結合された、接続された等）は、広く解釈されるべきであり、要素の接続の間に中間部材および要素間の相対移動を含んでもよい。このように、接合についての言及は、必ずしも、２つの要素が直接接続されかつ互いに固定関係にあることを意味するものではない。

上記説明に含まれるかまたは添付図面に示したすべての事項は、限定するものではなく単に例示するものであると解釈されるべきであることが意図されている。添付の特許請求の範囲で定義されるような本発明の精神から逸脱することなく、詳細または構造に対する変更を行ってもよい。

Claims (42)

1. 少なくとも１つの作動軸に対する移動が可能なロボット装置を較正する方法であって、
   第１振動周波数で第１振動ベクトルを与えることにより、第１作動軸において前記ロボット装置を振動させるステップと、
   前記第１作動軸において前記ロボット装置を振動させている間に、前記ロボット装置の位置を周期的に測定するステップであって、それにより時間の関数として測定される第１の複数の位置データ点を生成するステップと、
   フーリエ変換アルゴリズムを用いて前記第１の複数の位置データ点を処理するステップであって、それにより前記第１振動ベクトルを与えることに起因する前記ロボット装置の変位を隔離するステップと、
   前記処理するステップの出力を、前記第１作動軸に対する較正ベクトルに分解するステップと
   を含む方法。
2. 前記測定するステップが、前記ロボット装置を振動させている間に、複数の測定軸に対して前記ロボット装置の位置を周期的に測定し、それにより前記測定軸の各々に対して第１の複数の位置データ点を生成することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記処理するステップが、フーリエ変換アルゴリズムを用いて前記測定軸の各々に対し前記第１の複数の位置データ点を処理することを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記分解するステップが、前記第１作動軸に対する較正ベクトルを計算することを含み、前記較正ベクトルが前記測定軸の各々に対し少なくとも１つの値を含む、請求項３に記載の方法。
5. 第２振動周波数で第２振動ベクトルを与えることにより、第２作動軸において前記ロボット装置を振動させるステップと、
   前記第２作動軸において前記ロボット装置を振動させている間に、前記ロボット装置の位置を周期的に測定するステップであって、それにより時間の関数として測定される第２の複数の位置データ点を生成するステップと、
   フーリエ変換アルゴリズムを用いて前記第２の複数の位置データ点を処理するステップであって、それにより前記第２振動ベクトルを与えることに起因する前記ロボット装置の変位を隔離するステップと、
   前記処理するステップの出力を、前記第２作動軸に対する較正ベクトルに分解するステップと
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記第２の複数の位置データ点を格納するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
7. 第３振動周波数で第３振動ベクトルを与えることにより、第３作動軸において前記ロボット装置を振動させるステップと、
   前記第３作動軸において前記ロボット装置を振動させている間に、前記ロボット装置の位置を周期的に測定するステップであって、それにより時間の関数として測定される第３の複数の位置データ点を生成するステップと、
   フーリエ変換アルゴリズムを用いて前記第３の複数の位置データ点を処理するステップであって、それにより前記第３振動ベクトルを与えることに起因する前記ロボット装置の変位を隔離するステップと、
   前記処理するステップの出力を、前記第３作動軸に対する較正ベクトルに分解するステップと
   をさらに含む、請求項５に記載の方法。
8. 前記第３の複数の位置データ点を格納するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記測定するステップの各々が、約０．５秒〜約１０秒の間のサンプリング間隔で実行される、請求項７に記載の方法。
10. 前記第１振動周波数、前記第２振動周波数および前記第３振動周波数が等しい、請求項７に記載の方法。
11. 前記第１の複数の位置データ点、前記第２の複数の位置データ点および前記第３の複数の位置データ点が、それぞれ第１サンプリングレート、第２サンプリングレートおよび第３サンプリングレートで測定される、請求項７に記載の方法。
12. 前記第１サンプリングレート、前記第２サンプリングレートおよび前記第３サンプリングレートが等しい、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１サンプリングレートが前記第１振動周波数の倍数であり、前記第２サンプリングレートが前記第２振動周波数の倍数であり、前記第３サンプリングレートが前記第３振動周波数の倍数である、請求項１１に記載の方法。
14. 前記第１作動軸、前記第２作動軸および前記第３作動軸が、並進軸、回転軸および偏向軸を含む、請求項７に記載の方法。
15. 前記第１の複数の位置データ点を格納するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
16. 前記第１の複数の位置データ点が第１サンプリングレートで測定され、前記第１サンプリングレートが前記第１振動周波数の倍数である、請求項１に記載の方法。
17. 前記第１サンプリングレートが、前記第１振動周波数の少なくとも約２倍である、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第１サンプリングレートが、前記第１振動周波数の約５倍〜約２０倍の間である、請求項１７に記載の方法。
19. 前記第１サンプリングレートが、約６０Ｈｚ〜約２００Ｈｚの間である、請求項１６に記載の方法。
20. 少なくとも１つの作動軸に対する移動が可能なロボット制御カテーテルを較正する方法であって、
    第１振動周波数で第１振動ベクトルを与えることにより、第１作動軸において前記カテーテルを機械的に作動させるステップと、
    前記カテーテルの位置を周期的に測定するステップであって、それにより時間の関数として測定される第１の複数の位置データ点を生成するステップと、
    フーリエ変換アルゴリズムを用いて前記第１の複数の位置データ点を処理するステップであって、それにより患者の動き、心臓の動き、呼吸および電子ノイズのうちの少なくとも１つから前記カテーテルの機械的作動を識別するステップと、
    前記処理するステップの出力を、前記第１作動軸に対する較正ベクトルに分解するステップと
    を含む方法。
21. 前記測定するステップが、前記カテーテルを機械的に作動させている間に、複数の測定軸に対する前記カテーテルの位置を周期的に測定し、それにより前記測定軸の各々に対し第１の複数の位置データ点を生成することを含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記処理するステップが、フーリエ変換アルゴリズムを用いて、前記測定軸の各々に対し前記第１の複数の位置データ点を処理することを含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記分解するステップが、前記第１作動軸に対する較正ベクトルを計算することを含み、前記較正ベクトルが前記測定軸の各々に対し少なくとも１つの値を含む、請求項２２に記載の方法。
24. 第２振動周波数で第２振動ベクトルを与えることにより、第２作動軸において前記カテーテルを機械的に作動させるステップと、
    前記第２作動軸において前記カテーテルを機械的に作動させている間に、前記カテーテルの位置を周期的に測定するステップであって、それにより時間の関数として測定される第２の複数の位置データ点を生成するステップと、
    フーリエ変換アルゴリズムを用いて前記第２の複数の位置データ点を処理するステップであって、それにより患者の動き、心臓の動き、呼吸および電子ノイズのうちの少なくとも１つから前記カテーテルの機械的作動を識別するステップと、
    前記処理するステップの出力を、前記第２作動軸に対する較正ベクトルに分解するステップと、
    第３振動周波数で第３振動ベクトルを与えることにより、第３作動軸において前記カテーテルを機械的に作動させるステップと、
    前記第３作動軸において前記カテーテルを機械的に作動させている間に、前記カテーテルの位置を周期的に測定するステップであって、それにより時間の関数として測定される第３の複数の位置データ点を生成するステップと、
    フーリエ変換アルゴリズムを用いて前記第３の複数の位置データ点を処理するステップであって、それにより患者の動き、心臓の動き、呼吸および電子ノイズのうちの少なくとも１つから前記カテーテルの機械的作動を識別するステップと、
    前記処理するステップの出力を、前記第３作動軸に対する較正ベクトルに分解するステップと
    を含む、請求項２０に記載の方法。
25. 前記測定するステップが、前記カテーテルの先端の位置を周期的に測定することを含む、請求項２４に記載の方法。
26. 前記第１作動軸、前記第２作動軸および前記第３作動軸が、並進軸、回転軸および偏向軸を含む、請求項２４に記載の方法。
27. 前記第１振動周波数が約１Ｈｚ〜約１０Ｈｚの間である、請求項２０に記載の方法。
28. 前記第１振動周波数が約３Ｈｚ〜約５Ｈｚの間である、請求項２７に記載の方法。
29. ロボット制御カテーテルを較正する方法であって、
    或る振動周波数で振動ベクトルを与えることにより、作動軸において前記カテーテルを振動させるステップと、
    前記カテーテルの或る点の位置を周期的に測定するステップであって、それにより時間の関数として測定される複数の位置データ点を生成するステップと、
    前記複数の位置データ点に対し信号処理アルゴリズムを適用するステップであって、それにより前記振動ベクトルを与えることに起因する前記カテーテルの変位を隔離するステップと、
    前記信号処理アルゴリズムの出力を、前記作動軸に対する較正ベクトルに分解するステップと
    を含む方法。
30. 前記複数の位置データ点に信号処理アルゴリズムを適用するステップが、前記複数の位置データ点にフーリエ変換アルゴリズムを適用することを含む、請求項２９に記載の方法。
31. 前記測定するステップが、１つまたは複数の測定軸に対する前記カテーテルの或る点の位置を周期的に測定し、それにより前記１つまたは複数の測定軸の各々に対する複数の位置データ点を生成することを含む、請求項２９に記載の方法。
32. 前記分解するステップが、前記作動軸に対する較正ベクトルを計算することを含み、前記較正ベクトルが、前記１つまたは複数の測定軸の各々に沿って向けられた少なくとも１つの成分を含む、請求項３１に記載の方法。
33. 前記複数の位置データ点が或るサンプリングレートで測定され、前記サンプリングレートが前記振動周波数の倍数である、請求項２９に記載の方法。
34. 前記サンプリングレートが、前記振動周波数の約５倍〜約２０倍の間である、請求項２９に記載の方法。
35. 前記作動軸が、回転軸、並進軸および偏向軸からなる群から選択される、請求項２９に記載の方法。
36. ロボット制御医療機器であって、
    医療処置を行うように構成されたエンドエフェクタと、
    前記エンドエフェクタを移動させるアクチュエータと、
    前記エンドエフェクタに対し作動軸における振動ベクトルを与えるように前記アクチュエータを起動することにより、前記エンドエフェクタを機械的に作動させるコントローラと、
    前記エンドエフェクタの位置を周期的に測定し、それにより時間の関数として測定される複数の位置データ点を生成する位置フィードバックシステムと、
    フーリエ変換アルゴリズムに従って前記複数の位置データ点を処理することにより、前記エンドエフェクタの位置を前記作動軸に対する移動ベクトルに関連付ける伝達関数を生成するプロセッサと
    を備える医療機器。
37. 前記エンドエフェクタが心臓カテーテルを含む、請求項３６に記載の医療機器。
38. 前記位置フィードバックシステムが、１つまたは複数の測定軸に対して前記エンドエフェクタの位置を周期的に測定し、それにより前記１つまたは複数の測定軸の各々に対し複数の位置データ点を生成する、請求項３６に記載の医療機器。
39. 前記プロセッサが、フーリエ変換アルゴリズムに従って、前記１つまたは複数の測定軸の各々に対して前記複数の位置データ点を処理する、請求項３８に記載の医療機器。
40. 前記伝達関数が、前記１つまたは複数の測定軸に沿って向けられた少なくとも１つの成分を含む較正ベクトルを含む、請求項３８に記載の医療機器。
41. 少なくとも１つの作動軸に対する移動が可能なロボット制御カテーテルを較正する方法であって、
    第１振動周波数で第１振動ベクトルを与えることにより、第１作動軸において前記カテーテルを機械的に作動させるステップと、
    前記カテーテルの位置を周期的に測定することにより、時間の関数として測定される第１の複数の位置データ点を生成するステップと、
    フーリエ変換アルゴリズムを用いて前記第１の複数の位置データ点を処理することにより、前記ロボット制御カテーテルの位置を前記第１作動軸に対する移動ベクトルに関連付ける伝達関数を生成するステップと
    を含む方法。
42. 第２振動周波数で第２振動ベクトルを与えることにより、第２作動軸において前記カテーテルを機械的に作動させるステップと、
    前記カテーテルの位置を周期的に測定することにより、時間の関数として測定される第２の複数の位置データ点を生成するステップと、
    フーリエ変換アルゴリズムを用いて前記第２の複数の位置データ点を処理することにより、前記ロボット制御カテーテルの位置を前記第２作動軸に対する移動ベクトルに関連付ける伝達関数を生成するステップと、
    第３振動周波数で第３振動ベクトルを与えることにより、第３作動軸において前記カテーテルを作動させるステップと、
    前記カテーテルの位置を周期的に測定することにより、時間の関数として測定される第３の複数の位置データ点を生成するステップと、
    フーリエ変換アルゴリズムを用いて前記第３の複数の位置データ点を処理することにより、前記ロボット制御カテーテルの位置を前記第３作動軸に対する移動ベクトルに関連付ける伝達関数を生成するステップと
    をさらに含む、請求項４１に記載の方法。
    
    

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