JP2011502807A - ロボット具有装置、医療ワークステーションおよび、対象物を位置決めする方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、医療技術装置、医療ワークステーションおよび、対象物（Ｐ）を位置決めする方法に関する。医療技術装置はナビゲーションシステム（１７、１８）と、複数の回転軸（１〜６）を有するロボット（Ｒ）とを含む。ナビゲーションシステム（１７、１８）は、対象物（Ｐ）の特異箇所または対象物（Ｐ）に配置されたマーカ（Ｍ）を検出する検出装置（１８）と、検出装置（１８）によって検出された特異箇所またはマーカ（Ｍ）に基づいて対象物（Ｐ）の位置を決定する処理装置（１７）とを有する。ナビゲーションシステムの検出装置（１８）はロボット（Ｒ）に取り付けられている。

Description

本発明は、ロボット具有装置、医療ワークステーションおよび、対象物を位置決めする方法に関する。

特許文献１においては、Ｘ線装置と、外科器具と、ポジション検出システムと、外科器具を誘導する少なくとも一部が自動化された患者治療用ロボットとを備えた医療ワークステーションが開示されている。外科器具、Ｘ線装置および患者のポジションを検出するために、Ｘ線装置、患者および外科器具またはロボットには、ポジション検出システムの光学式ポジション検出装置によって検出されるポジションマーカが配置されている。光学式ポジション検出装置によって検出されたポジションマーカ画像の評価に基づいて、ポジションマーカのポジションおよび場合により向き、したがって、外科器具、Ｘ線装置および患者の空間内ポジションおよび場合により向きを求めることができる。

特許文献２においては、整形外科手術に際して外科ツールを位置決めするおよびガイドするための装置であって、取り付け板を含んだプログラム制御式多関節ロボットアームと、産業用ロボットのツール座標系における三次元対象物測定を行うための、取り付け板に取り付けられたマニュアルガイド式センサ装置とを備えた産業用ロボットを具有する装置が開示されている。センサ装置は、関節ポジションを検出するためのセンサを備えたマニュアルガイド式の多関節走査アームまたは、定置受信器と、送信器付き走査ピンと、取り付け板に取り付けられた送信器とを有するデータ遠隔伝送式測定装置を含んでいる。送信器は、受信器によって検出された測位信号を発する、空間内に所定配設された複数の発信器を含んでいる。

米国特許出願公開第２００４／００７７９３９Ａ１号明細書 米国特許第６，２２８，０８９Ｂ１号明細書

本発明の目的は、ロボットの位置とさらなる別の少なくとも１つの対象物の位置とをより正確に決定し得るようにする、ロボット具有医療ワークステーションのための前提条件を創出することである。

本発明のさらなるもう一つの目的は、相応して適切に整備された医療ワークステーションのためのロボット具有装置を提供することである。

本発明の上記課題は、
対象物の特異箇所または対象物に配置されたマーカを検出する検出装置と、検出装置によって検出された特異箇所またはマーカに基づいて対象物の位置を算定するための処理装置とからなるナビゲーションシステムと、
ナビゲーションシステムの検出装置が取り付けられた複数の回転軸を有するロボットと、
を有する装置によって解決される。

本発明による装置は特に医療分野向けに想定されているものであるが、ただし医療以外の分野での使用、たとえば機械類の保守、点検または修理に際する使用も考えられる。

対象物が生物であれば、本発明の上記課題はまた、本発明による装置と、対象物としての生物を載置するために設けられた患者ベッドシートとを備えた医療技術ワークステーションによって解決される。

ナビゲーションシステムは、医療技術分野特に最小侵襲医療技術分野において、たとえば米国特許第６，８９５，２６８Ｂ１号明細書から一般に知られている。ナビゲーションシステムは検出装置を有し、この検出装置はたとえば光学式検出装置特にカメラ、レーザトラッキングシステム、パターン化されたライト用のプロジェクタまたはリニアプロジェクタを有することが可能である。検出装置は、一般に公知の方法で、対象物特に対象物の表面に配置されたマーカまたは対象物の表面の特異箇所を検出するように構成されている。検出装置によって検出されたマーカまたは特異箇所に基づいて、ナビゲーションシステムの計算装置は基本的に一般に公知の方法で、生物の位置および場合によりその向きを決定することができる。本発明によれば、ナビゲーションシステムの検出装置はロボットに取り付けられている。ロボットへの検出装置の取り付けによって、ナビゲーションシステムの座標系とロボットの座標系との相互の位置は既知であり、それゆえ、ナビゲーションシステムはロボットの位置と場合によりその向きとをロボットのマーカまたは特異箇所によって決定する必要はない。これにより、特にロボットに対する対象物の位置をより正確に決定することのできる前提条件が生ずることになる。

検出装置は、たとえばロボットに組み込まれた要素であってよい。これにより、たとえばロボットの製造時に、ロボットに対する検出システムの位置たとえばロボットの座標系に対する検出システムの位置を決定することが可能である。この位置はロボットの稼動中ずっと維持される。

ただし、検出装置は剛的に、ただし着脱式にロボットに取り付けられていてもよい。

本発明による医療技術装置の一実施形態においては、検出装置はロボットのロボットアームに組み込まれた要素であるか、またはロボットに剛的に、ただし着脱式に取り付けられている。

ロボットは一般に、対象物を自動処理するために合理的なツールを備え、複数の運動軸に関して、特に向き、位置および径路の点でプログラマブルな処理マシンである。ロボットは一般に、マニピュレータとも称されるロボットアームと、制御装置と、場合により、たとえばツールを掴むためのグリッパとして形成されているかまたは、たとえば医療技術分野で使用される場合に、医療器具特に外科器具を掴むために形成されていてよいエフェクタとを含んでいる。医療器具はまた、アダプタを介してエフェクタに取り付けられていてもよい。マニピュレータまたはロボットアームは基本的にロボットの可動部を表している。ロボットアームは特に、たとえば電気駆動装置を介して、たとえばコンピュータとして形成された制御装置によって制御される複数の軸を有している。

本発明による医療技術装置の一実施形態においては、当該装置のロボットはロボットに取り付けられた照明装置を有している。照明装置は、たとえばロボットのロボットアームに取り付けられているかまたはロボットに組み込まれている。

ナビゲーションシステムの検出装置がロボット特にロボットのロボットアームに取り付けられていることにより、検出システムの位置はロボットの運動によって変化させられ、こうして、それを手術領域における諸条件にマッチングさせることができるために、たとえば特に手術領域における検出システムの接近容易性を向上させるための前提条件が所与である。本発明による装置または本発明による医療ワークステーションがナビゲートされるべき手術に使用される場合には、たとえばロボットは、検出装置が比較的良好にマーカまたは特異箇所を検出し得るように、検出装置にとって比較的好適な、特に最適な視角を自動的に選択することができ、この場合、任意の照明装置も相応して連行可能である。

ロボットが冗長自由度を有していれば、同時に、いわゆるツールセンターポイント（ＴＣＰ）を維持しながら、検出装置の視角を変えることも可能である。これはロボットに医療器具特に外科器具が取り付けられている場合に特に有利である。医療器具特に外科器具は、たとえば、生物として配置された対象物をロボットによって自動的に手術するために使用され得る。

本発明による装置の一実施形態においては、当該装置のロボットは対象物のマーカまたは特異箇所を自動的に位置決めするように構成されている。それゆえ、本発明のさらなる別の実施態様においては、以下のステップつまり、対象物の特異箇所、または対象物の表面に配置されたマーカを、特異箇所または対象物に配置されたマーカを検出するためのナビゲーションシステムの検出装置が取り付けられたロボットによって自動的に位置決めするステップ（ここで、ナビゲーションシステムは、検出装置によって検出された特異箇所またはマーカに基づいて対象物の位置を算定するための処理装置を有している）を有する対象物を位置決めする方法が生ずる。

対象物の位置を決定するように、ナビゲーションシステムはマーカまたは特異箇所の位置を決定する。これを実現し得るようにするには、マーカまたは特異箇所を位置決めすることが必要である。これは、本発明による医療技術装置の一実施形態において、当該装置のロボットがマーカまたは特異箇所を走査によって位置決めするように構成されていることによって実現される。本発明による装置のさらなる別の実施形態においては、当該装置のロボットはマーカまたは特異箇所を記録によって位置決めするように構成されている。マーカまたは特異箇所の記録は特にナビゲーションシステムの検出装置によって行うことができる。

本発明による医療技術装置のさらなる別の実施形態においては、当該装置のロボットが対象物の運動を認識し、認識された運動に基づいてマーカまたは特異箇所の位置を自動的に更新するように構成されている場合には、対象物の位置の決定を向上させるための前提条件が生ずる。

本発明による装置のさらなる別の一実施形態においては、当該装置のロボットは、一定の時間経過後に、たとえば周期的に、自動的にマーカまたは特異箇所を新たに位置決めしならびに／もしくはそれらの位置を決定するように構成されている。

それゆえ必要に応じて、本発明による装置によって、ロボットに取り付けられた検出装置を用いて対象物特に対象物としての生物の自動的位置決めを行うことが可能である。また、たとえば任意で、検出装置によって検出されたデータの品質評価を行うためのアルゴリズムを使用することも可能である。これにより、費用および場合によりマニュアル式位置決めの誤り率を減少させることができる。また、場合により、対象または生物の運動によって位置が変化する場合に、たとえば一定のプロセスをベースとして１回実施されるかまたは周期的に実施することのできる比較的容易な再位置決めを行うことが可能であり、こうして、生じ得る位置変化を自動的に補正することが可能である。

検出装置が手動操作も可能なロボットに取り付けられていることにより、さまざまなモードの位置決めが可能である。したがって、たとえば、定義された点すなわち特異箇所または対象物の手術箇所に配置されたマーカのマニュアル式走査によるマニュアル式位置決め、定義された点がマニュアル式に走査され、中間区間が自動的に検出されるまたはスキャンされる方式の半自動式位置決めならびに、位置決めプロセス全体がマニュアル式操作なしに実施される全自動式位置決めが可能である。

本発明による装置は、特にその他のロボットアームの位置が既知の場合に、複数のロボットまたは複数のロボットアームと連携することも可能である。

検出装置によって得られた画像データは、たとえば、特に画像生成医用技術装置により対象物について記録された、術前に得られた画像データセットと組み合わせることも可能である。対象物の特に三次元画像データセットを準備することのできる適切な画像生成医用技術装置とはとりわけ、磁気共鳴装置、コンピュータ断層撮影装置、Ｘ線装置または超音波装置である。同じく、別法としてまたはさらに加えて、ＣＡＤシステムによって得られたデータも使用することが可能である。これにより、これらの画像データセットを検出装置によって記録された付加的に得られたデータによって付加することが可能であり、こうして、たとえば外科医の作業を相応して軽減することができる。

添付の概略図面を参照し、本発明の実施例を例示して説明する。

ロボットを示す図である。 ナビゲーションシステムの検出装置を示す図である。 医療ワークステーションを示す図である。 画像生成医用技術装置を示す図である。 位置決めプロセスを具体的に説明するためのフローチャートである。

図１は、本実施例において、台座Ｓに取り付けられた場合のロボットアームＡを有するロボットＲを示している。ロボットアームＡは基本的に、ロボットＲの可動部を表しており、複数の軸１〜６と、複数のレバー７〜１０と、本実施例において詳細を図示しないアダプタを介して外科器具２１が取り付けられたフランジＦとを含んでいる。外科器具２１はたとえば内視鏡である。

各々の軸１〜６は、本実施例においては、ロボットＲの制御コンピュータ１７に図示しない方法で電気的に接続された電気駆動装置１１〜１６で可動されるため、制御コンピュータ１７または制御コンピュータ１７で実行されるコンピュータプログラムは電気駆動装置を制御して、ロボットＲのフランジＦの位置および向きを基本的に自由に空間において設定することができる。ロボットＲの電気駆動装置１１〜１６はたとえば、それぞれ１つの電動機と、場合により、電動機を制御する電子式出力制御装置とを有している。

本実施例においては、ロボットＲはさらに、図２に詳細に示したナビゲーションシステムの検出装置１８を有する。ナビゲーションシステム自体は、特に米国特許第６，８９５，２６８Ｂ１号明細書から当業者に公知であり、対象物たとえば生物または医療器具の位置を決定するように設けられている。

ナビゲーションシステムはたとえば磁気ナビゲーションシステムまたは光学式ナビゲーションシステムであることが可能であり、たとえば対象物、たとえば図３において患者ベッドシートＬに載置されている患者Ｐの位置および場合により向きを求めるために使用される。

患者Ｐの位置を求めるように、患者または患者の表面にはたとえばマーカＭが取り付けられており、ナビゲーションシステムは当該マーカの位置を算定する。そのために、マーカの位置すなわち患者Ｐに対する当該マーカの位置および向きは既知でなければならず、それは公知の方法で求められる。

本実施例においては、検出装置１８は、マーカＭの画像を記録するステレオカメラ２０を有している。検出装置１８または検出装置のステレオカメラ２０は、本実施例においては、ロボットＲの制御コンピュータ１７と図示しない方法で接続されており、当該制御コンピュータで、ステレオカメラ２０によって記録された患者ＰのマーカＭの画像を一般に公知の方法で評価して、その評価に基づいてマーカＭの位置、したがって、患者Ｐの空間における位置を決定するコンピュータプログラムが実行される。

本実施例においては、検出装置１８はそのステレオカメラ２０と共にロボットアームＡに組み込まれている。この組み込みによって検出装置１８の空間における位置は既知であり、それにより、患者Ｐの空間における位置も算定することができる。

本実施例においては、ロボットＲは医療器具２１によって自動的方法で患者Ｐを治療することが意図されている。この治療のために、制御コンピュータ１７で同じく適切なコンピュータプログラムが実行される。ロボットＲの位置および向きに基づいてもしくはロボットＲに対する検出装置１８の位置に基づいて決定可能な医療器具２１の位置および向きと、検出装置１８によって求められた患者Ｐの位置および場合により向きとに基づいて、ロボットＲはあらかじめ所定の方法で、患者Ｐが所望通りに治療されるように医療器具２１を運動させることが可能である。

患者Ｐの空間における位置および場合により向きを得るためには、本実施例においては、先ずマーカＭの位置決めが必要である。図５は、本実施例において用いられる、マーカＭを位置決めする方法を具体的に示している。

位置決めの一環として、手術位置および患者ベッドシートＬに対する患者Ｐの空間における当初位置または当初位置が検出される。そのため、本実施例においては、自動的にステレオカメラ２０によってマーカＭが走査され、これについては、図５に示したフローチャートのステップＳ１で行われる。

本実施例においては、さらに、記録されたマーカＭに基づいて、制御コンピュータ１７または制御コンピュータ１７で実行されるコンピュータプログラムは患者Ｐの運動を認識するようになされている。この運動は、たとえば、ステレオカメラ２０で記録された画像の評価によって認識される。

患者Ｐが所定の尺度以上に運動する場合には、本実施例においては、ロボットＲは自動的に患者Ｐの位置または向きを更新し、これについては、フローチャートのステップＳ２で行われる。

別法としてまたはさらに加えて、患者Ｐの位置決めおよび／または患者の位置または向きの決定は所定の時間間隔で、特に周期的に、反復されるようになされていてもよい。

本実施例においては、さらにフランジＦには、特に医療器具２１の領域を照明する照明装置１９が取り付けられている。

本実施例においては、さらに、ステレオカメラ２０を用いて得られた画像データを、術前に準備された患者Ｐの特に三次元画像データセットと組み合わせることも行われる。術前に得られた特に三次元画像データセットは、たとえば、図４に示した画像生成医用技術装置２２たとえば磁気共鳴装置、コンピュータ断層撮影装置、Ｘ線装置または超音波装置によって準備される。

本実施例においては、ナビゲーションシステムの検出装置１８はロボットアームＡに組み込まれている。検出装置１８は、また、ロボットＲの定置部分たとえばロボットの台座Ｓに組み込まれるかまたはロボットＲとくにロボットのロボットアームＡに着脱式に取り付けられてもよい。

患者Ｐに取り付けらたれマーカＭに代えて、患者Ｐの特異箇所が患者の位置および場合により患者の向きの認識のために使用されてもよい。

Claims (11)

1. 対象物（Ｐ）の特異箇所または前記対象物（Ｐ）に配置されたマーカ（Ｍ）を検出する検出装置（１８）と、前記検出装置（１８）によって検出された前記特異箇所または前記マーカ（Ｍ）に基づいて前記対象物（Ｐ）の位置を決定する処理装置（１７）とを備えるナビゲーションシステム（１７、１８）と、
   前記ナビゲーションシステムの前記検出装置（１８）が取り付けられた複数の回転軸（１〜６）を有するロボット（Ｒ）と、
   を有する装置。
2. 前記検出装置は、光学式検出装置（１８）特にカメラ（２０）、レーザトラッキングシステム、バターン化されたライト用のプロジェクタまたはリニアプロジェクタを有し、ならびに／もしくは、前記ロボット（Ｒ）に組み込まれた要素であるか、または剛的に、ただし着脱式に前記ロボット（Ｒ）に取り付けられている請求項１記載の装置。
3. 前記検出装置（１８）は、前記ロボット（Ｒ）のロボットアーム（Ａ）に組み込まれた要素であるか、または剛的に、ただし着脱式に前記ロボットアーム（Ａ）に取り付けられている請求項２記載の装置。
4. 前記ロボット（Ｒ）に取り付けられた照明装置（１９）を有する請求項１〜３のいずれか一項記載の装置。
5. 前記装置の前記ロボット（Ｒ）は、
   前記対象物（Ｐ）の前記マーカ（Ｍ）または前記特異箇所を自動的に位置決めし、
   前記対象物（Ｐ）の運動を認識して、認識された前記運動に基づいて自動的に前記マーカ（Ｍ）または前記特異箇所の位置を更新し、
   一定の時間経過後に自動的に前記マーカ（Ｍ）または前記特異箇所を新たに位置決めし、ならびに／もしくは、
   前記マーカ（Ｍ）または前記特異箇所を走査によりならびに／もしくは記録によって位置決めする
   ように構成されている請求項１〜５のいずれか一項記載の装置。
6. 前記装置の前記ロボット（Ｒ）には医療器具特に外科器具（２１）が取り付けられている請求項１〜５のいずれか一項記載の装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項記載の医療技術装置と、前記対象物として生物（Ｐ）を載置するために設けられた患者ベッドシート（Ｌ）とを備えたワークステーション。
8. 対象物（Ｐ）の特異箇所または前記対象物（Ｐ）の表面に配置されたマーカ（Ｍ）を、前記特異箇所または前記対象物（Ｐ）に配置されたマーカ（Ｍ）を検出するナビゲーションシステムの検出装置（１８）が取り付けられたロボット（Ｒ）によって自動的に位置決めするステップであって、前記ナビゲーションシステムは、前記検出装置（１８）によって検出された前記特異箇所または前記マーカ（Ｍ）に基づいて前記対象物（Ｐ）の位置を算定する処理装置（１７）を有する、ステップを有する対象物を位置決めする方法。
9. 前記対象物（Ｐ）の運動を自動的に認識して、前記対象物（Ｐ）の前記認識された運動に基づいて前記マーカ（Ｍ）または前記特異箇所の位置を自動的に更新するステップと、
   一定の時間経過後に前記マーカ（Ｍ）または前記特異箇所の位置決めを自動的に反復するステップと、
   前記マーカ（Ｍ）または前記特異箇所を位置決めするように、前記ロボット（Ｒ）によって前記特異箇所または前記マーカ（Ｍ）を自動的に走査するステップと、
   前記マーカ（Ｍ）または前記特異箇所を位置決めするように、前記特異箇所または前記マーカ（Ｍ）を自動的に記録するステップと、
   をさらに有する請求項８記載の方法。
10. 前記検出装置は、光学式検出装置（１８）、特にカメラ（２０）、レーザトラッキングシステム、パターン化されたライト用のプロジェクタまたはリニアプロジェクタを有し、ならびに／もしくは、前記ロボット（Ｒ）に組み込まれた要素であるか、または剛的に、ただし着脱式に前記ロボット（Ｒ）に取り付けられている請求項８または９記載の方法。
11. 前記検出装置（１８）は、前記ロボット（Ｒ）のロボットアーム（Ａ）に組み込まれた要素であるか、または剛的に、ただし着脱式に前記ロボットアーム（Ａ）に取り付けられている請求項１０記載の方法。

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