JP2015529104A - 最小侵襲器具におけるコンポーネントを構成するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

カテーテルシステムが、細長い可撓性カテーテル、及び、該カテーテルの上に載せられる支持構造体を含む。支持構造体は、第１の整列特徴及び第２の整列特徴を含む。当該システムは、第１の整列特徴とかみ合わされる第１のセンサコンポーネント、及び、第２の整列特徴とかみ合わされる第２のセンサコンポーネントをさらに含む。第１のセンサコンポーネントは、第１の整列特徴によって、支持構造体にて少なくとも１つの自由度で第２のセンサコンポーネントに対して固定される。

Description

本開示は、最小侵襲手術に対するシステム及び方法を対象とし、特に、最小侵襲器具におけるコンポーネントを構成するためのシステム及び方法を対象としている。

最小侵襲医療技術は、診断手順又は外科手術手技の間にダメージを受ける組織の量を減らし、その結果、患者の回復時間を短くする、不快感を減らす、及び、有害な副作用を減らすように意図される。そのような最小侵襲技術は、患者の解剖学的形態における自然孔を介して、又は、１つ又は複数の外科的切開を介して行われてもよい。これらの自然孔又は切開を介して、臨床医は、手術器具を挿入して標的組織位置に到達してもよい。標的組織位置に到達するために、最小侵襲手術器具は、肺、大腸、腸管、腎臓、心臓、脳若しくは循環器系等の解剖学的システム内の自然の又は外科的に作られた連結した通路を進んでもよい。ナビゲーション補助システムは、臨床医が手術器具の経路を定める、及び、解剖学的形態へのダメージを回避するのに寄与する。これらのシステムはセンサの使用を組み込んで、実空間における又は以前に記録されたか若しくは同時に集められた画像に関する手術器具の形状、ポーズ及び位置をより的確に描くことができる。多くの解剖学的通路が密集した動的な解剖学的システム及び／又は解剖学的領域において、手術器具の形状、ポーズ及び位置を的確に決定することは、センサシステム、ステアリングシステム及び画像処理コンポーネントの相対配置における正確さに少なくとも部分的に依存し得る。

改善されたシステム及び方法が、最小侵襲器具のシステム及びコンポーネントの相対配置の厳格な制御に必要とされる。

本発明の実施形態が、以下の説明に続く特許請求の範囲によって要約される。

一実施形態において、カテーテルシステムが、細長い可撓性カテーテル、及び、該カテーテルの上に載せられる支持構造体を含む。支持構造体は、第１の整列特徴及び第２の整列特徴を含む。当該システムは、第１の整列特徴とかみ合わされる第１のセンサコンポーネント、及び、第２の整列特徴とかみ合わされる第２のセンサコンポーネントをさらに含む。第１のセンサコンポーネントは、第１の整列特徴によって、支持構造体にて少なくとも１つの自由度で第２のセンサコンポーネントに対して固定される。

別の実施形態において、カテーテルシステムが、細長い可撓性カテーテル、及び、該カテーテルの上に載せられる第１の支持構造体を含む。第１の支持構造体は、第１の整列特徴及び第２の整列特徴を含む。当該システムは、カテーテルの上に載せられる第２の支持構造体をさらに含む。第２の支持構造体は、第３の整列特徴及び第４の整列特徴を含む。当該システムは、第１の整列特徴とかみ合わされる第１の部分、及び、第３の整列特徴とかみ合わされる第２の部分を含む第１のセンサコンポーネントをさらに含む。当該システムは、第２の整列特徴及び第４の整列特徴とかみ合わされるステアリングワイヤをさらに含む。第１のセンサコンポーネントは、第１の整列特徴及び第２の整列特徴によって、少なくとも１つの自由度で第１の支持構造体にてステアリングワイヤに対して固定される。第１のセンサコンポーネントは、第３の整列特徴及び第４の整列特徴によって、少なくとも１つの自由度で第２の支持構造体にてステアリングワイヤに対して固定される。

別の実施形態において、方法が、可撓性カテーテルを提供するステップを含む。可撓性カテーテルは、第１のセンサコンポーネント、第２のセンサコンポーネント及び第１の支持構造体を含む。第１の支持構造体は、第１の整列特徴及び第２の整列特徴を含む。第１のセンサコンポーネントは、第１の支持構造体にて第２のセンサコンポーネントに対して所定の位置において固定される。当該方法は、第１のセンサコンポーネント及び第２のセンサコンポーネントからデータを取得するステップをさらに含む。当該方法は、所定の位置並びに第１のセンサコンポーネント及び第２のセンサコンポーネントからのデータに基づき、可撓性カテーテルの少なくとも一部のポーズを決定するステップも含む。

本開示の態様は、以下の詳細な説明から、付随の図と共に読まれた場合に最も理解される。当産業における標準的技法に従って、種々の特徴は一定の比例に応じて描かれているのではないということが強調される。実際、種々の特徴の大きさは、考察を明瞭にするため、任意に増やすか又は減らしてもよい。加えて、本開示は、種々の例において参照番号及び／又は文字を繰り返してもよい。この繰り返しは、簡潔性及び明瞭性のためであり、それ自体が、考察される種々の実施形態及び／又は構成間の関係を決定するわけではない。

本開示の実施形態によるロボット手術システムの概略的な上面図である。 本開示の態様を利用した内視鏡検査システムを例示した図である。 本開示の実施形態による分解組立図で表したプローブアセンブリを例示した図である。 図３ａのカテーテルの整列支持構造体の断面図である。 図３ａのカテーテルの別の整列支持構造体の断面図である。 図３ｃの整列支持構造体の斜視図である。 図３ａのプローブの断面図である。 本開示の実施形態による代わりの近位の支持構造体の斜視図である。 図４の近位の支持構造体の端面図である。 三次元空間におけるプローブの一部のポーズを決定するための方法を記載した流れ図である。 本開示の実施形態によるプローブの斜視図である。

以下の本発明の態様の詳細な説明において、数多くの特定の詳細が明記され、開示される実施形態の完全な理解を提供している。しかし、この開示の実施形態は、これらの特定の詳細を要することなく実行されてもよいということが当業者には明らかになる。他の例において、よく知られた方法、手順、構成要素及び回路は、本発明の実施形態の態様を不必要に不明瞭にしないように詳細に記載されていない。さらに、必要でない説明の繰返しを回避するために、１つの例示的な実施形態に従って記載される１つ又は複数の構成要素若しくは動作は、他の例示的な実施形態から適用可能であるとして使用する又は省くことができる。

以下の実施形態は、種々の器具及び器具の一部を、三次元空間におけるその状態の観点から説明している。本明細書において使用される場合、「位置」という用語は、（例えば、デカルトＸ、Ｙ、Ｚ座標に沿った３つの並進移動（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎａｌ）自由度等）三次元空間における対象又は対象の一部の位置を意味する。本明細書において使用される場合、「方向」という用語は、対象又は対象の一部の回転による配置（３つの回転自由度、例えばロール、ピッチ及びヨー等）を意味する。本明細書において使用される場合、「ポーズ」という用語は、（全部で６つの自由度までで）少なくとも１つの並進移動自由度における対象又は対象の一部の位置、及び、少なくとも１つの回転自由度におけるその対象又は対象の一部の方向を意味する。本明細書において使用される場合、「形状」という用語は、対象に沿って測定されるポーズ、位置又は方向のセットを意味する。

図面の図１を参考にすると、ロボット手術システムが、参照番号１００によって概して示されている。図１において示されているように、ロボットシステム１００は、一般に、患者Ｐに対して種々の手技を行うことにおいて手術器具１０４を操作するための手術マニピュレーターアセンブリ１０２を含む。アセンブリ１０２は、手術台Ｏに載せられるか又はその近くにある。マスターアセンブリ１０６は、外科医Ｓが手術部位を見るのを、及び、スレーブマニピュレーターアセンブリ１０２を制御するのを可能にする。

マスターアセンブリ１０６は、手術台Ｏと同じ室内に通常置かれる外科医のコンソールＣに置かれてもよい。しかし、外科医Ｓは、患者Ｐとは異なる部屋又は完全に異なる建物に置くことができるということが理解されるべきである。マスターアセンブリ１０６は、一般に、任意の支持物１０８、及び、マニピュレーターアセンブリ１０２を制御するための１つ又は複数の制御装置１１２を含む。１つ又は複数の制御装置１１２は、ジョイスティック、トラックボール、データグローブ、トリガーガン、手動操作制御装置、音声認識装置、又は、身体動作若しくは存在センサ等、いかなる数の種々の入力装置を含んでもよい。

代わりの実施形態において、ロボットシステムは、２つ以上のスレーブマニピュレーターアセンブリ及び／又は２つ以上のマスターアセンブリを含んでもよい。マニピュレーターアセンブリの正確な数は、複数の要因の中でも外科手術手技及び手術室内の空間制限次第である。マスターアセンブリは一か所に置かれてもよく、又は、別の位置に置かれてもよい。多数のマスターアセンブリは、二人以上のオペレータが、種々の組み合わせの１つ又は複数のスレーブマニピュレーターアセンブリを制御するのを可能にする。

可視化システム１１０は、手術部位の同時発生（リアルタイム）画像が外科医コンソールＣに提供されるように、内視鏡システムを含んでもよい。同時発生画像は、例えば、手術部位内に置かれた画像処理プローブによってキャプチャされる二次元又は三次元画像であってもよい。この実施形態において、可視化システム１１０は、手術器具１０４に統合して又は取外し可能に結合されてもよい内視鏡的コンポーネントを含む。しかし、代わりの実施形態において、別のマニピュレーターアセンブリに取り付けられた別の内視鏡を使用し、手術部位を画像表示してもよい。或いは、別の内視鏡アセンブリが、ロボット制御を要することなく、ユーザによって直接作動させられてもよい。内視鏡アセンブリは、（例えば遠隔操作ステアリングワイヤを介して等）アクティブステアリング装置、又は、（例えばガイドワイヤ若しくは直接的なユーザの指導を介して等）パッシブステアリング装置を含むナビゲーション制御装置であってもよい。可視化システム１１０は、１つ又は複数のコンピュータプロセッサと相互作用するか又さもなければ１つ又は複数のコンピュータプロセッサによって実行されるハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア又はその組み合わせとして実行されてもよく、１つ又は複数のコンピュータプロセッサは、例えば、制御システム１１６の１つ又は複数のプロセッサを含む。

表示システム１１１は、可視化システム１１０によってキャプチャされた手術部位及び手術器具の画像を表示してもよい。ディスプレイ１１１及び１つ又は複数のマスター制御装置１１２は、スコープアセンブリにおける画像処理装置と手術器具との相対位置が、外科医の眼と１つ又は複数の手との相対位置と類似するように方向づけられてもよく、従って、オペレータは、実質的に本当に目の前で作業空間を見ているかのように、手術器具１０４及び１つ又は複数のマスター制御装置１１２をマニピュレートすることができる。本当に目の前でとは、表示される組織の画像が、イメージャの位置にてオペレータが物理的に存在し且つイメージャの視点からの組織を直接見ているかのようにオペレータのもとに現れるということを意味している。

或いは又は加えて、表示システム１１１は、コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）、磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）、蛍光透視法、サーモグラフィー、超音波、光干渉断層撮影法（ＯＣＴ）、熱画像測定、インピーダンス画像法、レーザー画像法又はナノチューブＸ線画像法等の画像処理技術を使用して手術前に記録された及び／又はモデリングされた手術部位の画像を示してもよい。示された手術前画像は、二次元、三次元、又は、（例えば時間ベース若しくは速度ベースの情報を含む）四次元の画像を含んでもよい。

いくつかの実施形態において、表示システム１１１は、手術器具の実際の位置が、以前に記録されたか又は同時発生の画像に位置合わせされて（例えば動的に参照されて）手術器具の先端の位置の内部の手術部位の仮想的な画像を外科医Ｓに与える仮想的なナビゲーションの画像を表示してもよい。

他の実施形態において、表示システム１１１は、手術器具の実際の位置が、（手術前に記録された画像を含む）前の画像又は同時発生の画像に位置合わせされて、手術部位の手術器具の仮想的な画像を外科医Ｓに与える仮想的なナビゲーションの画像を表示してもよい。手術器具の一部の画像を仮想的な画像に重ねて、手術器具を制御する外科医を補助してもよい。

図１において示されているように、制御システム１１６は、外科用スレーブマニピュレーターアセンブリ１０２とマスターアセンブリ１０６と可視化システム１１０と表示システム１１１との間の制御に影響を与えるための少なくとも１つのプロセッサ（図示せず）及び典型的には複数のプロセッサを含む。制御システム１１６は、本明細書において記載される方法の一部又は全てを実行するプログラムによる命令（例えば、命令を記憶するコンピュータ可読媒体）も含む。制御システム１１６は、図１の概略図において単一のブロックとして示されているけれども、このシステムは、処理の少なくとも一部が任意で外科用スレーブマニピュレーターアセンブリに隣接して行われる、一部がマスターアセンブリに隣接して行われる等、（例えば、外科用スレーブマニピュレーターアセンブリ１０２及び／又はマスターアセンブリ１０６上に）多くのデータ処理回路を含んでもよい。種々様々な集中型又は分散型データ処理アーキテクチャーのいずれも利用してよい。同様に、プログラムによる命令を、多くの別のプログラム若しくはサブルーチンとして実行してもよく、又は、本明細書に記載されるロボットシステムの多くの他の態様に統合させてもよい。一実施形態において、制御システム１１６は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＩｒＤＡ、ＨｏｍｅＲＦ、ＩＥＥＥ８０２．１１、ＤＥＣＴ及びＷｉｒｅｌｅｓｓ Ｔｅｌｅｍｅｔｒｙ等の無線通信プロトコルをサポートしてもよい。

いくつかの実施形態において、制御システム１１６は、手術器具１０４からの力及びトルクフィードバックを、１つ又は複数の制御装置１１２に対する１つ又は複数の対応するサーボモータに提供するために１つ又は複数のサーボコントローラを含んでもよい。１つ又は複数のサーボコントローラは、体内の開口部を介して患者の体内の内部手術部位内に延びる器具を動かすようマニピュレーターアセンブリ１０２に指示する信号を送ることもできる。いかなる適した従来又は専門のサーボコントローラも使用してよい。サーボコントローラは、マニピュレーターアセンブリ１０２とは別であってもよく、又は、マニピュレーターアセンブリ１０２と一体であってもよい。いくつかの実施形態において、サーボコントローラ及びマニピュレーターアセンブリは、患者の体に隣接して置かれるロボットアームカートの一部として提供される。

各マニピュレーターアセンブリ１０２が手術器具１０４をサポートし、さらに、１つ又は複数のノンサーボ制御リンク（例えば、一般的にはセットアップ構造と呼ばれる、しかるべき所に手動で置く及び固定することができる１つ又は複数のリンク等）及びロボットマニピュレーターの連続的な機構を含んでもよい。ロボットマニピュレーターアセンブリ１０２は、一連の作動装置（例えばモータ等）によって駆動される。これらのモータは、制御システム１１６からのコマンドに応答してロボットマニピュレーターを能動的に動かす。モータは、自然に又は外科的に作られた解剖学的孔の中に手術器具を進めるよう、及び、複数の自由度において手術器具の遠位端を動かすように手術器具にさらに結合され、複数の自由度は、（例えばＸ、Ｙ、Ｚのデカルト軸に沿った直進運動等の）３つの直線運動度、及び、（例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚのデカルト軸を中心とした回転等の）３つの回転運動度を含んでもよい。加えて、モータを使用して、生検装置等のはさみ口において組織をとらえるために、器具のつなげることができるエンドエフェクタを作動させることができる。

図２は、本開示の態様を利用する最小侵襲手術システム２００を例示している。システム２００は、最小侵襲アセンブリ２０２、画像処理システム２０４、追跡システム２０６及び駆動システム２０８を含む。最小侵襲手術システム２００は、可視化及び表示システムの一部として、システム１００等のロボット手術システム内に（例えば、器具１０４の一部として）組み入れることができる。或いは、最小侵襲手術システム２００は、ロボットなしの調査手技、若しくは、（例えば、駆動システム２０８が、カテーテル２１０を直接マニピュレートするためのハンドル、トリガ、又は、他のインターフェース要素を含むシステム等）、ロボット制御を要することのない、腹腔鏡検査用器具等の伝統的な手動操作の手術器具を要する手技、又は、ロボットによる制御もロボットなしの制御も提供される及び／又は利用される「混成」手技に使用することができる。

最小侵襲アセンブリ２０２は、遠位端２１２及び近位端２１４を有する細長い可撓性カテーテル２１０を含む。カテーテル２１０は、カテーテル２１０を通る中心操作通路２２２を画定する体壁２１１を含む。中心軸Ａ１が、中心操作通路２２２を通って長軸方向に延びる。通路２２２は、可撓性プローブ２１６等の操作コンポーネントを受けるよう大きさが決定される。可撓性プローブ２１６は、例えば、画像処理プローブであってもよい。

可撓性カテーテル２１０は、受動的に可撓性の部分２１８及び操縦可能な可撓性の部分２２０を含む。カテーテル２１０が解剖学的管腔を通って進められるに従い、受動部分２１８は、外部の力に応じて受動的に曲がるか又はカーブする。操縦可能部分２２０は、以下にさらに記載されるように、オペレータの器具の曲りの制御に対する組み込まれた機構を含む。

受動部分２１８は、以下にさらに記載されるように、例えば、操縦可能部分内に延びないコンポーネントを受動部分内に収容するために、操縦可能部分２２０の外径よりも大きい外径を有し得る。一例において、受動部分の外径は約５ｍｍであってもよい。操縦可能部分２２０のより小さい外径は、操縦可能部分２２０が、近位の本体部分は接近可能ではない場合があるより小さい体腔に進むのを可能にし得る。別の例において、操縦可能部分の外径は約３ｍｍであってもよい。

最小侵襲手術手技の間、（予め記録された、概略の又は同時発生の画像を含む）患者の解剖学的形態の画像へのプローブ（例えば画像処理プローブ等）の的確なレジストレーションは、プローブ及びそのガイドするカテーテルと付随するセンサ及び他のコンポーネントの位置並びに相対運動に関する仮定に頼る。その仮定が的確であるために、相対的なセンサのポーズの正確な決定が所望される。以下に記載されるように、ガイドカテーテル及びプローブの構造は、センサとカテーテルステアリング装置と画像処理コンポーネントとの相対運動を制限して、相対的なセンサのポーズ、位置及び／又は方向に関する一貫した且つ信頼できる情報を提供することができる。

図３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ及び３ｅは、細長い可撓性カテーテル２５２を含むプローブアセンブリ２５０を例示しており、体壁２５４が、カテーテルを通して中心操作通路２５６を画定している。中心軸Ａ２は、中心操作通路２５６を通って長軸方向に延びる。通路２５６は、可撓性プローブ２５８を受けるよう大きさが決定される。カテーテル２５２は、受動的に可撓性の部分２６０、操縦可能な可撓性の部分２６２、近位の整列支持構造体２６４及び遠位の整列支持構造体２６５を含む。この実施形態において、カテーテル２５２の整列支持構造体２６４、２６５は、種々のセンサ及びステアリングワイヤの相対位置／整列を制御するために、精密機械、精密金型又はさもなければ精密製造のものであり、従って、幾何学的変化性を減らし、さもなければこの幾何学的変化性は、カテーテル２５２を製造及び／又は使用する間に発生し得る。この変化性を減らすことによって、センサ及びステアリングワイヤの相対位置に関する仮定に頼るポーズ及び形状の計算の精度が改善される。代わりの実施形態において、ステアリング部分の近位端又は遠位端の単一の支持構造体が使用されてもよい。

この実施形態において、近位の支持構造体２６４及びカテーテル２５２の一部分２６０、２６２は連続的に整列させられ、近位の支持構造体は、受動部分２６０と操縦可能部分２６２との間で結合される。例えば、近位の支持構造体２６４の一末端は、受動部分２６０の遠位端に隣接するか又は重なってもよく、さらに、もう一方の末端は、操縦可能部分２６２の近位端に隣接するか又は重なってもよい。代わりの実施形態において、近位の支持構造体２６４は、受動部分２６０の遠位部分の上を滑る及びそこに固定されることになるリングであってもよい。受動部分２６０及び操縦可能部分２６２に対して近位の支持構造体２６４を固定する他の構成も適し得る。ある特定の実施形態において、支持構造体は上記のように受動及び操縦可能部分に結合され得るけれども、他の実施形態において、支持構造体は、カテーテルに沿ったいずれの位置に置かれてもよい。種々の実施形態において、支持構造体２６４、２６５は、カテーテル２１０内に込みこまれる、カテーテル２１０上に固定される、又さもなければ、カテーテル２１０に載せられてもよい。

図３ｂにおいて示されているように、近位の支持構造体２６４は、体壁部分２６７を含む。支持構造体２６４は、支持構造体内で延びるセンサ及び／又はステアリングワイヤ等の操作コンポーネントの位置及び方向を固定するために使用することができる整列特徴を含む。例えば、通路２６６は、体壁２６７を通って又は部分的に通って長軸方向に延びる。通路２６６は、中心軸Ａ２から半径方向に（ｒａｄｉａｌｌｙ）中心線をはずして置かれ、さらに、中心軸Ａ２に対して概して平行である。通路２６６は、支持構造体２６４の長さ又は部分的な長さを延び得るセンサコンポーネント２６８とかみ合うよう大きさが決定される。センサコンポーネント２６８は、通路２６６の少なくとも一部の中でのりづけ、プレスばめ、又さもなければ固定することができ、その結果、支持構造体２６４内でセンサコンポーネント２６８を正確に位置づけ及び方向づけることができる。本明細書において使用される場合、「固定される」という用語は、概して、通常のカテーテル及びプローブの使用中に限定された範囲内で変わる位置及び方向を記載するために使用される。通路２６６が、センサコンポーネント２６８に対する整列特徴として描かれ且つ記載されているけれども、種々の他の実施形態において、そのような整列特徴は、体壁２６７の内部／外部表面内若しくはその上のノッチ、溝、１つ又は複数の隆起部、ポケット、又は、いかなる他の特徴も含み得るということに留意されたい。

支持構造体２６４は、ステアリングワイヤ２７２等のナビゲーション制御装置を受けるよう大きさが決定されたナビゲーション通路２７０等の整列特徴をさらに含む。通路２７０は、中心軸Ａ２から半径方向に中心線をはずして置かれ、さらに、中心軸Ａ２に対して概して平行である。この実施形態において、通路２７０は、概して、軸Ａ２を中心として半径方向パターンに均等の間隔で置かれている。代わりの実施形態において、より少ない又は多いステアリングワイヤを収容するために、より少ない又は多い通路２７０があってもよく、さらに、通路は、軸Ａ２から等しい又は変わる半径方向距離にて、種々の対称的又は非対称的な構成にあってもよい。ステアリングワイヤ２７２は、通路２７０内で摺動可能にかみ合わされ、支持構造体２６４内のステアリングワイヤの位置及び方向を制限する。通路２７０が、ステアリングワイヤ２７２に対する整列特徴として描かれ且つ記載されているけれども、種々の他の実施形態において、そのような整列特徴は、体壁２６７の内部／外部表面内若しくはその上のノッチ、溝、１つ又は複数の隆起部、ポケット、又は、いかなる他の特徴も含み得るということに留意されたい。

近位の支持構造体２６４は、センサコンポーネント２７６とかみ合うよう大きさが決定された通路２７４も含み得る。通路２７４は、軸Ａ２から半径方向に中心線をはずして置かれ、さらに、軸Ａ２に対して概して平行である。センサコンポーネント２７６は、通路２７４内で少なくとも部分的にのりづけされるか又はさもなければ固定されて、近位の支持構造体２６４に対するセンサコンポーネント２７６の（例えばＸ−Ｙ座標面の）側方移動、（例えばＺ座標方向の）縦方向移動、及び、（例えばＺ座標方向を中心とした）ロールを含む１つ又は複数の自由度における動きを制限してもよい。別の実施形態において、センサコンポーネント２７６は、通路２７４における鍵穴形状と対応する鍵構造のような形状の断面を有して、近位の支持構造体２６４に対するセンサ２７６の（例えば、Ｚ座標方向を中心とした回転の）ロール移動を制限してもよい。通路２７４が、センサコンポーネント２７６に対する整列特徴として描かれ且つ記載されているけれども、種々の他の実施形態において、そのような整列特徴は、体壁２６７の内部／外部表面内若しくはその上のノッチ、溝、１つ又は複数の隆起部、ポケット、又は、いかなる他の特徴も含み得るということに留意されたい。

このように、通路２６６、２７０及び２７４は、センサコンポーネント２６８、ステアリングワイヤ２７２及びセンサコンポーネント２７６の支持構造体２６４内の互いに対する位置づけ及び方向づけを制御する。さらに、通路２６６、２７０及び２７４は、中心軸Ａ２に対するセンサコンポーネント２６８、ステアリングワイヤ２７２及びセンサコンポーネント２７６の位置づけ及び方向づけを制御する。従って、支持構造体２６４を的確に製造することによって、センサコンポーネント２６８、ステアリングワイヤ２７２及びセンサコンポーネント２７６の（支持構造体２６４での）互いに及び／又は中心軸Ａ２／中心操作通路２５６に対する位置づけ及び方向づけを、カテーテル２１０内で的確に特徴づける且つ制御することができる。この正確な位置及び方向の制御は、次に、センサコンポーネント２６８、ステアリングワイヤ２７２及びセンサコンポーネント２７６の（互いに及び／又は中心軸Ａ２に対する）実際の位置／方向と、カテーテル２１０の位置、形状並びに／又はポーズを制御及び／若しくは検出するためのアルゴリズムにおいて使用される予想された位置／方向との間の密接な相関関係のために、的確なセンサのモニタリング及びカテーテルの制御を可能にする。近位の支持構造体２６４は、通路２６６、２７０及び２７４の一定の空間変位を維持するのに十分に強固な材料から形成されてもよい。適した材料は、金属、強固なポリマー材料又はセラミックスを含み得る。近位の支持構造体２６４は、可撓性カテーテルの一部分２６０、２６２よりも概して強固である。多くの実施形態において、カテーテルの一部分２６０及び２６２に対する支持構造体２６４の強剛性及び概して短い長さは、支持構造体２６４が、カテーテルの一部分２６０及び２６２内で可能であるよりも有意に堅固な寸法公差を有して生成されるのを可能にし、その結果、カテーテルの一部分２６０及び２６２内の特徴に頼ることから可能であるよりも、カテーテル２１０内のセンサコンポーネント２６８、ステアリングワイヤ２７２及びセンサコンポーネント２７６の優れた配置精度を可能にし得る。

この実施形態において、遠位の支持構造体２６５は、操縦可能部分２６２の遠位端に結合させられる。例えば、遠位の支持構造体２６５の近位端は、操縦可能部分２６２の遠位端に隣接するか又は重なってもよい。代わりの実施形態において、遠位の支持構造体２６５は、操縦可能部分２６２の遠位部分の上又はその中を摺動する及びそこに固定されることになるリングであってもよい。操縦可能部分２６２に対して遠位の支持構造体２６５を固定する他の構成も適し得る。

図３ｃにおいて示されているように、遠位の支持構造体２６５は、体壁部分２７８を含む。支持構造体２６５は、支持構造体内で延びるセンサ及び／又はステアリングワイヤ等の操作コンポーネントの位置及び方向を固定するために使用することができる整列特徴を含む。例えば、遠位の支持構造体２６５は、ステアリングワイヤ２７２等のナビゲーション制御装置とかみ合うよう大きさが決定されたナビゲーション通路２８０をさらに含む。通路２７０は、中心軸Ａ２から半径方向に中心線をはずして置かれ、さらに、中心軸Ａ２に対して概して平行である。この実施形態において、通路２８０は、概して、軸Ａ２を中心として半径方向パターンに均等の間隔で置かれている。代わりの実施形態において、より少ない又は多いステアリングワイヤを収容するために、より少ない又は多い通路２８０があってもよく、さらに、通路は、軸Ａ２から等しい又は変わる半径方向距離にて、種々の対称的又は非対称的な構成にあってもよい。ステアリングワイヤ２７２は、通路２８０内に置かれ、支持構造体２６５内のステアリングワイヤの位置及び方向を制限する。いくつかの実施形態において、ステアリングワイヤは、（例えば、通路２８０内又はその周辺の接着剤、はんだ付け、クランピング、又は、取付け特徴への取付けを介して）通路２８０内で固定することができる。他の実施形態において、ステアリングワイヤは、通路２８０の外側の位置にて支持構造体２６５に固定することができる。

遠位の支持構造体２６５は、センサコンポーネント２７６とかみ合うよう大きさが決定された通路２８２等のセンサ整列特徴も含む。通路２８２は、軸Ａ２から半径方向に中心線をはずして置かれ、さらに、軸Ａ２に対して概して平行である。センサコンポーネント２７６は、通路２８２内で少なくとも部分的にのりづけされるか又はさもなければ固定されて、例えば、遠位の支持構造体２６４に対するセンサコンポーネント２７６の（例えばＸ−Ｙ座標面の）側方移動、（例えばＺ座標方向の）縦方向移動、及び、（例えばＺ座標方向を中心とした）ロールを含む少なくとも１つの自由度における動きを制限してもよい。

このように、通路２８０、２８２は、ステアリングワイヤ２７２及びセンサコンポーネント２７６の支持構造体２６５内の互いに対する位置及び方向を制御する。さらに、通路２８０及び２８２は、中心軸Ａ２に対するステアリングワイヤ２７２及びセンサコンポーネント２７６の位置づけ及び方向づけを制御する。従って、支持構造体２６５を的確に製造することによって、ステアリングワイヤ２７２及びセンサコンポーネント２７６の（支持構造体２６５での）互いに及び／又は中心軸Ａ２／中心操作通路２６５に対する位置づけ及び方向づけを、カテーテル２１０内で的確に特徴づける且つ制御することができる。支持構造体２６４に関する上記の様式と類似の様式で、この正確な位置及び方向の制御は、次に、ステアリングワイヤ２７２及びセンサコンポーネント２７６の（互いに及び／又は中心軸Ａ２に対する）実際の位置／方向と、カテーテル２１０の位置、形状並びに／又はポーズを制御及び／若しくは検出するためのアルゴリズムにおいて使用される予想された位置／方向との間の密接な相関関係のために、的確なセンサのモニタリング及びカテーテルの制御を可能にする。遠位の支持構造体２６５は、通路２８０、２８２の一定の空間変位を維持するのに十分に強固な材料から形成されてもよい。適した材料は、金属、強固なポリマー材料又はセラミックスを含み得る。遠位の支持構造体２６５は、概して、可撓性カテーテルの一部分２６０、２６２よりも強固である。支持構造体２６４、２６５は、概して、カテーテルの残りよりも強固であり、それらをカテーテル２５２の操縦可能部分の近位端及び遠位端等の制限された位置に置くため、支持構造体間のカテーテルの操縦可能部分の長さに対するより優れた可撓性及び操縦性を可能にする。さらに、多くの実施形態において、カテーテルの一部分２６２に対する支持構造体２６５の強剛性及び概して短い長さは、支持構造体２６５が、カテーテルの一部分２６２内で可能であるよりも有意に堅固な寸法公差を有して生成されるのを可能にし、その結果、カテーテルの一部分２６０及び２６２内の特徴に頼ることから可能であるよりも、カテーテル２１０内のステアリングワイヤ２７２及びセンサコンポーネント２７６の優れた配置精度を可能にし得る。

図３ｄにおいて示されているように、遠位の支持構造体２６５はポート３３８をさらに含むことができ、支持構造体に対してセンサコンポーネントを固定するために、ポート３３８を介して接着材料（図示せず）を置き、センサコンポーネント２７６を支持構造体２６５に付着させてもよい。

近位の支持構造体２６４は外径Ｄ１を有し、さらに、遠位の支持構造体２６５は外径Ｄ２を有する。近位の支持構造体２６４内で延びるセンサ２６８を収容するために、外径Ｄ１は直径Ｄ２よりも概して大きい。通路２８０、２８２は、近位の支持構造体２６４における通路２７０、２７４とそれぞれ同じ軸Ａ２からの半径方向間隔で体壁部分２６５を通って延びる。或いは、遠位の支持構造体２６５における通路２８０、２８２は、軸Ａ２から異なる所定の距離の間隔で置かれてもよい。例えば、通路２８０、２８２は、より小さな直径の操縦可能部分２６５を収容するために、軸Ａ２により近い間隔で置かれてもよい。

より長いか又は短いカテーテルが適し得るけれども、カテーテル２５２の全長は約６０から８０ｃｍであってもよい。操縦可能な本体部分２６２は、約１０から２０ｃｍの長さを有してもよい。種々の実施形態において、カテーテル２５２の操縦可能及び受動部分の長さはより長いか又は短くてもよい。

カテーテル２５２の受動的に可撓性の部分２６０は、操作通路２５６、ステアリングワイヤ２７２及び／又はセンサ２６８、２７６に対するチャネルを有する突出した構成を有してもよい。同様に、カテーテル２５２の遠位の可撓性部分２６２は、操作通路２５６、ステアリングワイヤ２７２及び／又はセンサ２７６に対するチャネルを有する突出した構成を有してもよい。或いは、可撓性部分２６０、２６２は、（例えば、ステアリングワイヤ又はセンサを導くチューブをはさむ同軸カテーテルのセット等の）多層構成を有してもよい。

ステアリングワイヤ２７２は、カテーテル２５２の受動部分２６０を通って、近位の支持構造体２６４の通路２７０を通って、さらに、カテーテル２５２の操縦可能部分２６２を通って延びる。ステアリングワイヤ２７２は、遠位の支持構造体２６５の通路２８０内で、又は、支持構造体２６５の遠位に延びるカテーテル２５２の一部（図示せず）内で終結してもよい。同様に、センサコンポーネント２７６は、カテーテル２５２の受動部分２６０を通って、近位の支持構造体２６４の通路２７４を通って、さらに、カテーテル２５２の操縦可能部分２６２を通って延びる。センサ２７６は、遠位の支持構造体２６５の通路２８２内で、又は、支持構造体２６５の遠位に延びるカテーテル２５２の一部（図示せず）内で終結してもよい。センサコンポーネント２６８は、近位の支持構造体２６４の通路２６６を通って延びるが、操縦可能部分がより小さな解剖学的形態通路を進むのを可能にするために、操縦可能部分２６２の近位で終結されてもよい。

ステアリングワイヤ２７２は、駆動システム（例えば駆動システム２０８等）によって制御される。駆動システム２０８は、マニピュレータ１０２の一部として組み入れられてもよい。駆動システム及び遠隔操作ステアリング機構を有する可撓性手術器具の例が、全内容を本願に援用する“Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｗｉｔｈ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｍｏｔｉｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；”と題された２００７年６月１３日に出願した米国特許第７，９４２，８６８号、“Ｃｏｍｐｌｉａｎｔ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅ；”と題された２００９年６月３０日に出願した米国特許出願公開第２０１０／０３３１８２０号、及び、“Ｐａｓｓｉｖｅ Ｐｒｅｌｏａｄ ａｎｄ Ｃａｐｓｔａｎ Ｄｒｉｖｅ ｆｏｒ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ”と題された２００８年９月３０日に出願した特許出願公開第２０１０／００８２０４１号において記載されている。種々の代わりの実施形態において、カテーテル２５２は、器具の曲りのオペレータ制御に対して統合された機構を有することなく操縦不可能であってもよく、その場合、ステアリングワイヤ２７２及びその付随する通路は省かれてもよい。

この実施形態において、センサコンポーネント２６８は、外部で生成される電磁場に供することができる１つ又は複数の導電コイルを含む電磁（ＥＭ）センサコンポーネントであり得る。ＥＭセンサコンポーネント２６８のそれぞれのコイルは、次に、外部で生成される電磁場に対するコイルの位置及び方向に依存する特徴を有する誘導電気信号を生じる。一実施形態において、ＥＭセンサシステムは、例えば、基点の３つの位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚ、並びに、ピッチ、ヨー及びロールを示す３つの配向角度等、６つの自由度を測定するように構成され且つ置かれてもよい。これらの測定値は、追跡システム（例えば追跡システム２０６等）によって集められる。或いは、ＥＭセンサシステムは、より少ない自由度を感知してもよい。ＥＭセンサシステムのさらなる説明が、全内容を本願に援用する“Ｓｉｘ−Ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ Ｆｒｅｅｄｏｍ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｈａｖｉｎｇ ａ Ｐａｓｓｉｖｅ Ｔｒａｎｓｐｏｎｄｅｒ ｏｎ ｔｈｅ Ｏｂｊｅｃｔ Ｂｅｉｎｇ Ｔｒａｃｋｅｄ”を開示している１９９９年８月１１日に出願した米国特許第６，３８０，７３２号において提供されている。６つの自由度のＥＭセンサとして実行される場合、サイズによる制約が、カテーテル２５２の受動部分２６０への（例えば、近位の支持構造体２６４内又はそれに隣接した）センサコンポーネント２６８の配置を制限して、より小さい体腔に近づくために操縦可能部分２６２の直径が最小にされるのを可能にし得る。

センサコンポーネント２７６は、少なくとも部分的に通路２７４、２８２内で延びる光ファイバーを含み得る。追跡システム２０６は、センサコンポーネント２７６の近位端に結合させられる。この実施形態において、ファイバーは、約２００μｍの直径を有する。他の実施形態において、その大きさは、より大きいか又は小さくてもよい。

センサコンポーネント２７６の光ファイバーは、操縦可能なカテーテルの一部分２６２の形状を決定するための光ファイバー曲げセンサを形成する。１つの代わりの実施形態において、ファイバーブラッググレーティング（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇｓ（ＦＢＧ））を含む光ファイバーが、１つ又は複数の大きさの構造体におけるひずみ測定を提供するために使用される。三次元における光ファイバーの形状及び相対位置をモニターするための種々のシステム及び方法が、全内容を本願に援用する“Ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｈａｐｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｒｅｌａｔｉｎｇ ｔｈｅｒｅｔｏ”を開示している２００５年７月１３日に出願した米国特許出願第１１／１８０，３８９号、“Ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ／ｏｒ ｓｈａｐｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｒａｌｅｉｇｈ ｓｃａｔｔｅｒ”を開示している２００８年３月１２日に出願した米国特許出願第１２／０４７，０５６号、及び、“Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｒｅ Ｂｅｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ”を開示している１９９８年６月１７日に出願した米国特許第６，３８９，１８７号において記載されている。他の代わりの実施形態において、レイリー散乱、ラマン散乱、ブリュアン散乱及び蛍光散乱等、他のひずみ感知技術を利用するセンサが適していてもよい。

この実施形態において、形状センサ２７６の光ファイバーは、１つのクラッド内に多数のコアを含んでもよい。各コアは、各コアにおける光が、他のコアにおいて運ばれている光と著しく相互作用しないように、充分な距離及びコアを隔てるクラッドを持ったシングルモードであってもよい。他の実施形態において、コアの数は変わってもよく、又は、各コアは、別の光ファイバー内に含有されてもよい。

いくつかの実施形態において、ＦＢＧのアレイが、各コア内に提供されている。各ＦＢＧは、屈折率において空間的周期性を生成するように、一連のコアの屈折率の変調を含む。間隔は、各率の変化からの部分的な反射が、狭帯域の波長に対してコヒーレントに合算され、従って、はるかに広い帯域を通過させながら、この狭帯域の波長のみを反射するように選ばれてもよい。ＦＢＧを製作している間に、変調は既知の距離によって間隔があけられ、その結果、既知の域の波長の反射を引き起こしている。しかし、ひずみがファイバーコア上で誘発される場合、変調の間隔は、コア内のひずみの量に応じて変わる。或いは、光ファイバーの曲げと共に変わる後方散乱又は他の光学現象を使用して、各コア内のひずみを決定することができる。

従って、ひずみを測定するために、光がファイバーまで送られ、戻ってくる光の特徴が測定される。例えば、ＦＢＧは、ファイバー上のひずみ及びその温度の結果である反射波長を生じる。このＦＢＧ技術は、Ｓｍａｒｔ Ｆｉｂｒｅｓ Ｌｔｄ．（Ｂｒａｃｋｎｅｌｌ，Ｅｎｇｌａｎｄ）等の種々の供給源から商業的に入手可能である。ロボット手術に対する位置センサにおけるＦＢＧ技術の使用は、全内容を本願に援用する“Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｕｒｇｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇｓ”を開示している２００６年７月２０日に出願した米国特許第７，９３０，０６５号において記載されている。

マルチコアファイバーに適用される場合、光ファイバーの曲げは、各コア内の波長シフトをモニターすることによって測定することができるコア上のひずみを誘発する。２つ以上のコアをファイバー内に軸外しで配置させることによって、ファイバーの曲げは、コアのそれぞれに異なるひずみを誘発する。これらのひずみは、局所的なファイバーの曲げ度の結果である。例えば、ＦＢＧを含有するコアの領域は、ファイバーが曲げられるポイントにて置かれた場合、その結果、それらのポイントでの曲げの量を決定するために使用することができる。既知のＦＢＧ領域の間隔と組み合わされたこれらのデータは、ファイバーの形状を再現するために使用することができる。

上記のように、形状センサ２７６の光ファイバーは、カテーテル２５２の操縦可能部分２６２の形状をモニターするために使用される。より明確には、光ファイバーを通過する光が、部分２６２の形状を検出するため、及び、その情報を利用して外科手術手技を補助するために、追跡システム２０６によって処理される。追跡システム２０６は、カテーテルの一部分２６２の形状を決定するために使用される光を生成及び検出するための検出システムを含んでもよい。この情報は、次に、手術器具の一部の速度及び加速度等、他の関連する変数を決定するために使用することができる。これらの変数のうち１つ又は複数の変数の的確な測定値をリアルタイムで得ることによって、コントローラは、ロボット手術システムの精度を改善する、及び、構成要素部品を駆動させることにおいて導入されるエラーを補うことができる。感知は、ロボットシステムによって作動される自由度のみに限定されてもよく、又は、（例えば、接合間の未作動の強固な構造体の曲げ等）受動自由度にも、（例えば、作動された器具の動き等）能動自由度にも適用されてもよい。

プローブ２５８は、カテーテル２５２の通路２５６を通って延びて、カテーテルの遠位の患者の解剖学的形態の画像をキャプチャするように大きさが決定される。プローブ２５８は、近位端２８６及び遠位の先端を含む遠位端２８８を有する細長い可撓体２８４を含む。一実施形態において、可撓体２８４は約２ｍｍの外径を有する。他の実施形態において、可撓体２８４の外径は、より大きいか又は小さくてもよい。可撓体２８４は、透明、半透明又は不透明な材料から形成されてもよい。可撓体２８４は、可撓体の長さの少なくとも一部に沿って長軸方向に走るチャネル２９０を含む。画像キャプチャ器具２９２は、チャネル２９０内で延びる。センサコンポーネント２９４も、チャネル２９０を通って延びる。図３ｅにおいて示されているように、プローブ２５８は、任意で、強固な整列フレーム２９６等の整列支持構造体を含み、そこを通ってセンサコンポーネント２９４は延びる。整列フレーム２９６は、チャネル２９０の一部内で延び、さらに、可撓体２８４によって支持されてもよい。整列支持構造体と同様に、強固なフレーム２９６は、可撓体２８４に対する及び画像キャプチャ器具２９２に対するセンサコンポーネント２９４の配置を制御する。この実施形態において、センサコンポーネント２９４は、概して、可撓体２８４の中心軸Ａ２に沿って画像キャプチャ器具２９２と軸方向に整列させられ、さらに、画像キャプチャ器具の近位に置かれる。センサコンポーネント２９４は、動きを防ぐためにフレーム２９６に付着されてもよい。任意で、照明装置又は別々の流体導管（図示せず）等の他の操作コンポーネントが、チャネル２９０内で延びてもよい。一態様において、器具２９２又はいかなる他の操作コンポーネントによっても占有されていないチャネル２９０の残りの部分は、プローブ２５８の遠位端２８８まで又はそこから流体を送達するための流路であってもよい。プローブの種々の実施形態のさらなる説明が、全内容を本願に援用する“Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｃｌｅａｎｉｎｇ ａ Ｍｉｎｉｍａｌｌｙ Ｉｎｖａｓｉｖｅ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ”と題された２０１２年６月１１日に出願した米国仮特許出願第６１／６５８，３０５号に記載されている。

画像キャプチャ器具２９２は、表示のために画像処理システム（例えば画像処理システム２０４等）に送られ且つ該システムによって処理される画像をキャプチャするために、可撓体２８４の遠位端２８８の近くに配置される双眼実体カメラ又は単眼実体カメラを含む。画像処理システム２０４は、可視化システム１１０及び表示システム１１１の一部として組み入れられてもよい。画像キャプチャ器具２９２は、画像処理システム２０４とインターフェースするためのケーブル、並びに、種々の機械的、光学的及び電気的結合（図示せず）を含む。或いは、画像キャプチャ器具は、画像処理システムに結合するファイバースコープ等のコヒーレント光ファイバー束であってもよい。画像キャプチャ器具は、例えば可視スペクトルで画像データをキャプチャするか、又は、可視及び赤外線又は紫外線のスペクトルで画像データをキャプチャする単一又は多スペクトルのものであってもよい。他の種々の代わりの実施形態において、画像キャプチャ器具２９２は、画像処理システム２０４に画像データを無線で伝達してもよい。

センサコンポーネント２９４は、外部で生成される電磁場に供することができる１つ又は複数の導電コイルを含むＥＭセンサコンポーネントであり得る。ＥＭセンサコンポーネント２９４のそれぞれのコイルは、従って、外部で生成される電磁場に対するコイルの位置及び方向に依存する特徴を有する誘導電気信号を生じる。一実施形態において、ＥＭセンサシステムは、基点の５つの自由度を測定するように構成され且つ置かれてもよい。これらの測定値は、追跡システム２０６によって集められる。或いは、ＥＭセンサシステムは、より少ないか又は多い自由度を感知してもよい。ＥＭセンサシステムのさらなる説明が、先に援用した米国特許第６，３８０，７３２号において提供されている。５つの自由度のＥＭセンサコンポーネント２９４は、６つの自由度のＥＭセンサ２６８よりも小さくあってもよく、従って、プローブ２５８が、カテーテル２５２の通路２５６を通って延びるのに十分小さい直径を有するのを可能にしてもよい。

追跡システム２０６は、カテーテル２５２の操縦可能部分２６２、画像キャプチャ器具２９２、プローブ２５８の遠位の先端及び／若しくは他のコンポーネント又はカテーテル２５２の一部の位置、方向、速度、ポーズ及び／又は形状を決定することにおいて、カテーテルＥＭセンサコンポーネント２６８、形状センサコンポーネント２７６、及び、任意でプローブセンサコンポーネント２９４から受信した情報を使用することができる。追跡システム２０６は、１つ又は複数のコンピュータプロセッサと相互作用するか又さもなければ１つ又は複数のコンピュータプロセッサによって実行されるハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア又はその組み合わせとして実行されてもよく、１つ又は複数のコンピュータプロセッサは、制御システム１１６のプロセッサを含んでもよい。

追跡システム２０６からの情報は、可視化システム１１０からの同時発生の情報及び／又は以前に記録された患者の画像と組み合わされて、システム２５０の制御において使用するために表示システム１１１上にリアルタイムの位置情報を外科医又は他のオペレータに提供してもよい。制御システム１１６は、カテーテル２５２を位置づけるためのフィードバックとしてその位置情報を利用することができる。手術画像に手術器具を位置合わせする及びそれらを表示するために光ファイバーセンサを使用するための種々のシステムが、全内容を本願に援用する“Ｍｅｄｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａｎ Ａｎａｔｏｍｉｃａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｉｍａｇｅ−Ｇｕｉｄｅｄ Ｓｕｒｇｅｒｙ”を開示している２０１１年５月１３日に出願した米国特許出願第１３／１０７，５６２号において提供されている。

種々のセンサ間又はセンサとステアリングワイヤとの間の相対的分離におけるいかなる幾何学的変化性も、ＥＭセンサ及び形状センサからの組み合わされたデータを使用して計算されるポーズ及び形状情報の精度に影響を与える。ポーズ及び形状情報における間違いは、ステアリングワイヤを動かすために後に提供される制御信号においてエラーを引き起こし得る。これらの間違いは、患者の解剖学的画像に対するカテーテル及びプローブのレジストレーションにおいてエラーをさらに引き起こし得る。カテーテル２５２の近位及び遠位の支持構造体２６４、２６５並びにプローブ２５８のフレーム２９６内の通路は、センサ２６８、２７６、２９４及びステアリングワイヤ２７２の相対幾何学的配置をしっかりと制御する。センサ及びステアリングワイヤの相対的整列を制御することによって、幾何学的変化性が減少し、さもなければ、幾何学的変化性は、カテーテル及びプローブが曲がりくねった解剖学的管腔を通って動かされるに従い発生する。この変化性を減らすことによって、センサ及びステアリングワイヤの相対位置に関する仮定に頼るポーズ及び形状計算の精度を改善することができる。

（予め記録された、概略の又は同時発生の画像を含む）患者の解剖学的形態の画像へのカテーテル２５２及びプローブ２５８の的確なレジストレーションは、センサ２６８、２７６、２９４の位置及びセンサの相対運動に関する仮定に基づいている。その仮定が的確であるために、相対的なセンサのポーズが正確に決定されるべきである。上記のように、専用の通路を有する支持構造体２６４、２６５、及び、フレームを有するプローブ２５８の構成は、相対的なセンサのポーズ、位置及び／又は方向に関する信頼できる情報を提供するのに役立つ。

上記の実施形態において、信頼できる情報を提供するために、形状センサコンポーネント２７６は、カテーテル２５２に対して固定された側方位置で保持されてもよい。さらに、形状センサコンポーネント２７６は、長軸方向の摺動が可能にされ得るけれども、センサコンポーネント２６８に対して固定されたポーズで維持されてもよい。加えて、形状センサコンポーネント２７６は、カテーテル２５２の遠位端、特に遠位の先端に対して固定されたポーズで維持されてもよい。さらに、センサコンポーネント２９４は、プローブ２５８の遠位の先端に対して固定されたポーズで維持されてもよく、さらに、概して、（プローブ２５８が操作通路２５６内に挿入された場合に軸Ａ２と同一線上にある）プローブの中心軸と同一線上に整列させられる。或いは、センサコンポーネント２９４は、プローブの中心軸に対して平行である等、プローブ２５８内に異なる既知の構成で配置されてもよい。代わりの実施形態において、プローブ又はカテーテルのセンサコンポーネントは、カテーテル、プローブ、又は、カテーテル若しくはプローブの特定の操作コンポーネント上の種々の位置に対して固定された位置、方向又はポーズで保持されてもよい。さらに、センサコンポーネントは、カテーテル又はプローブの種々の他の操作コンポーネントと一直線をなして保持されてもよい。

支持構造体の通路及びプローブのフレームに対する機械公差は、必要とされる精度に応じて変わり得る。種々の特定の実施形態において、適した公差が以下に記載される。例えば、種々の実施形態において、形状センサコンポーネント２７６は、ＥＭセンサコンポーネント２６８に最も近い形状センサコンポーネントのポイントにて、（例えば約１ｍｍ未満の偏差の）固定された位置、及び、（例えば約１度未満の回転偏差の）固定された方向で維持されてもよい。種々の実施形態において、カテーテル２５０の遠位端領域でのステアリングワイヤ２７２に対する形状センサコンポーネント２７６の同じ位置づけ／方向を、支持構造体２６５によって維持することができる。種々の実施形態において、形状センサコンポーネント２７６は、ＥＭセンサコンポーネント２６８に対して（例えば約０．５ｍｍ未満の偏差の）固定された側方位置、及び、（例えば約０．５度未満の回転偏差の）ピッチ／ヨー方向で維持されてもよい。種々の実施形態において、ＥＭセンサコンポーネント２６８とカテーテル２５２の先端との間の形状センサコンポーネント２７６上で誘発されるロールの量は、連結の間に約５度未満で維持されてもよい。例えば、センサコンポーネント２７６は、通路２７４／２８２における鍵穴形状と対応する鍵構造のような形状の断面を有して、センサ２７６の（例えば、Ｚ座標方向を中心とした回転の）ロール移動を制限してもよい。種々の実施形態において、形状センサコンポーネント２７６の遠位端は、カテーテルの遠位の先端から約２ｍｍ以下の（例えば約０．５ｍｍ未満の偏差の）固定された位置にて維持されてもよい。種々の実施形態において、ＥＭセンサコンポーネント２９４は、プローブ２５８の遠位端に対して（例えば約１ｍｍ未満の偏差の）固定された位置、及び、（例えば約１０度未満の偏差の）固定された方向で維持されてもよい。種々の実施形態において、ＥＭセンサコンポーネント２９４の縦軸は、プローブの中心軸と（例えば、約０．５ｍｍ未満及び約５度未満の偏差内の）同一線上で固定されてもよい。種々の実施形態において、形状センサコンポーネント２７６は、約１ｍｍ未満変わるステアリングワイヤに対する側方位置を有してもよい。種々の実施形態において、形状センサコンポーネント２７６は、約１ｍｍ未満変わるＥＭセンサコンポーネント２６８に対する側方距離を有してもよい。種々の実施形態において、形状センサコンポーネント２７６は、約１ｍｍ未満だけ変わるカテーテル２５２の遠位の先端に対する側方位置を有してもよい。

種々の代わりの実施形態において、整列支持構造体は、カテーテルと統合されてもよい。例えば、操縦可能部分に近い（例えば操縦可能部分のすぐ遠位又は近位の）カテーテルの部分は、カテーテル内にきわめてわずかな公差の通路を形成するために精密押出し又は精密機械加工されてもよい。或いは、強固な支持構造体が、センサコンポーネントを固定するためにカテーテル内に挿入されてもよい。挿入された支持構造体は、接着剤、摩擦適合（ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｆｉｔ）、又は、他の既知の付着方法によってしかるべき所に保持されてもよい。

近位の支持構造体の代わりの実施形態が、図４及び５において例示されている。この実施形態において、近位の支持構造体３００は体壁３０２を有し、そこを通って通路３０４が延びている。通路３０４は、周囲境界３０６を含み、さらに、プローブ（例えばプローブ２５８等）を通過させるよう大きさが決定され、さらに、軸Ａ３中心として整列させられる。通路３０８が、体壁３０２を通って延び、軸Ａ３から半径方向に中心線をはずして置かれ、さらに、軸Ａ３に対して概して平行である。通路３０８は、センサコンポーネント２６８等のセンサコンポーネントとかみ合うよう大きさが決定される。支持構造体３００は、センサコンポーネント２７６とかみ合うよう大きさが決定された溝３１０をさらに含む。溝３１０は、概して、周囲境界３０６の近くでセンサコンポーネント２７６を保つことができ、通路３０４内のセンサコンポーネントの側方運動（Ｘ−Ｙ座標方向）を制限又は限定している。センサコンポーネント２７６は、溝３１０内で摺動又は回転させることができる。支持構造体３００は、ステアリングワイヤ２７２を受けるよう大きさが決定された溝３１２をさらに含む。溝３１２は、概して、周囲境界３０６の近くでステアリングワイヤ２７２を保つことができ、軸Ａ３に向かう又は軸Ａ３を中心として半径方向の、通路３０４内のセンサコンポーネントの側方運動を制限又は限定している。ステアリングワイヤ２７２は、溝３１２内で摺動又は回転させることができる。支持構造体３００はポート３１４をさらに含んでもよく、支持構造体に対するセンサコンポーネントの運動を防ぐか又は制限するために、ポート３１４を介して接着材料（図示せず）が置かれて、センサコンポーネント２６８を支持構造体３００に付着させてもよい。種々の溝（３１０、３１２）及び通路（３０４）が、例証目的で整列特徴として描かれ且つ記載されているけれども、種々の他の実施形態において、そのような整列特徴は、体壁３０２の内部／外部表面内又は該表面上の通路、ノッチ、溝、隆起部、ポケット、又はいかなる他の特徴のいかなる組み合わせも含み得るということに留意されたい。

次に図６を参照すると、内視鏡検査システムを作動させる方法４００が、４０２にて、整列支持構造体を有するカテーテルを提供するステップを含む。当該方法は、４０４にて、支持構造体内で延び且つ支持構造体に関して側方方向に固定される第１のセンサコンポーネントを提供するステップも含む。任意で、４０６にて、ステアリングワイヤ等のステアリングコンポーネントが提供され、支持構造体内で延びている。ステアリングワイヤは、支持構造体に関して側方方向に固定される。４０８にて、プローブが提供される。第２のセンサコンポーネントが、プローブ内で延び、さらに、プローブの先端に対して固定されたポーズを有する。当該方法４００は、４１０にて、第１のセンサコンポーネントからデータを取得するステップを含む。４１２にて、データが、第２のセンサコンポーネントから取得される。４１４にて、プローブの遠位の先端のポーズが、三次元空間において、第１及び第２のセンサコンポーネントからのデータを用いて決定される。いくつかの実施形態において、４１４の決定は、支持構造体によって定められる第１及び第２のセンサの（互いに関する及び／又はカテーテルの中心軸に関する）相対位置及び／又は方向を使用して行われる。プローブの遠位の先端のポーズは、患者の解剖学的形態の画像と位置合わせされ、患者の解剖学的形態内でカテーテル及びプローブを動かすための的確なナビゲーション情報を外科医に提供することができる。

図７は、本開示の実施形態によるプローブ５００の遠位端を例示している。プローブ５００は、システム２５０内で使用するためのプローブ２５８に代わるものとして使用することができる。プローブ５００は、記載されることになる相違点を有してプローブ２５８に似ている。この実施形態において、プローブ５００は、細長い可撓体５０２を含む。可撓体５０２は、画像キャプチャ器具５０６が延びる長軸方向のチャネル５０４を含む。センサコンポーネント５０８も、チャネル５０４を通って延びる。センサコンポーネント５０８が、概略的に例示されており、さらに、チャネル５０４内に種々の方法のうちいずれの方法で置かれてもよい。

プローブ５００は、任意で、チャネル内の固定された側方位置で画像キャプチャ器具及び／又はセンサコンポーネント５０８を支持するために、チャネル内に支持構造体を含む。支持構造体は、異なる空間的関係でセンサコンポーネント５０８及び画像キャプチャ器具５０６を、互いに対して又は可撓体５０２に対して保持するように構築されてもよく、その空間的関係は、同軸、非同軸、平行整列又は角をなす関係を含む。任意で、照明装置又は別々の流体導管（図示せず）等の他の操作コンポーネントが、チャネル５０４内で延びてもよい。種々のコンポーネント及びプローブの実施形態のさらなる説明が、先に援用した米国仮特許出願第６１／６５８，３０５号に記載されている。

当該システム及び方法は、腔内プローブに関して本明細書において記載されてきたけれども、当該システム及び方法は、器具のｉｎ ｖｉｖｏ洗浄が有利である他の処理にも適している。例えば、記載される流体送達及び洗浄のシステム並びに方法は、アブレーションカテーテル、レーザーカテーテル、他の最小侵襲器具、又は、他のタイプの内視鏡検査装置を用いた使用に適し得る。

本発明の実施形態における１つ又は複数の要素は、制御システム１１６等のコンピュータシステムのプロセッサ上で行うようにソフトウェアにおいて実行されてもよい。ソフトウェアにおいて実行される場合、本発明の実施形態の要素は、本質的に、必要なタスクを行うコードセグメントである。プログラム又はコードセグメントは、プロセッサ可読記憶媒体又は装置において記憶することができ、伝送媒体又は通信リンクにわたる搬送波で表されるコンピュータデータシグナルとしてダウンロードされてもよい。プロセッサ可読記憶装置は、光媒体、半導体媒体及び磁気媒体を含む、情報を記憶することができるいかなる媒体を含んでもよい。プロセッサ可読記憶装置の例として、電子回路、半導体素子、半導体メモリ素子、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、消去プログラム可能読取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、フロッピーディスケット、ＣＤ−ＲＯＭ、光ディスク、ハードディスク又は他の記憶装置が挙げられる。コードセグメントは、インターネット、イントラネット等のコンピュータネットワークを介してダウンロードされてもよい。

示されたプロセス及び表示は、いかなる特定のコンピュータ又は他の装置にも本質的には関連しないということに留意されたい。種々のこれらのシステムに対する要求される構造は、特許請求の範囲における要素として明らかになる。加えて、本発明の実施形態は、いかなる特定のプログラム言語を参考にしても記載されない。種々のプログラム言語を使用して、本明細書において記載される本発明の教示を実行してもよいということが正しく理解されることになる。

本発明の特定の例証的な実施形態が記載され、さらに、付随の図面において示されてきたけれども、そのような実施形態は単に広義の発明を例示したものであって、その広義の発明を限定するのではないということ、及び、本発明の実施形態は、種々の他の修正が当業者に対して生じ得るため、示され且つ記載される特定の構造及び配置に限定されないということを理解されたい。

Claims (22)

1. 細長い可撓性カテーテル、
   第１の整列特徴及び第２の整列特徴を含む、前記カテーテルの上に載せられる支持構造体、
   前記第１の整列特徴とかみ合わされる第１のセンサコンポーネント、及び、
   前記第２の整列特徴とかみ合わされる第２のセンサコンポーネント、
   を含むカテーテルシステムであって、
   前記第１のセンサコンポーネントが、前記第１の整列特徴によって、前記支持構造体にて少なくとも１つの自由度で前記第２のセンサコンポーネントに対して固定される、カテーテルシステム。
2. 前記細長い可撓性カテーテルが、第１の縦軸を有する中心管腔を画定し、
   前記支持構造体が、第２の縦軸を有する作業管腔を画定する壁をさらに含み、さらに、
   前記第２の縦軸が、前記第１の縦軸と整列させられる、請求項１に記載のカテーテルシステム。
3. 前記細長い可撓性カテーテルが、前記作業管腔内で延びる、請求項２に記載のカテーテルシステム。
4. 前記作業管腔が、前記中心管腔と連続的に整列させられる、請求項２に記載のカテーテルシステム。
5. 前記第１のセンサコンポーネントが形状センサを含む、請求項１に記載のカテーテルシステム。
6. 前記第１のセンサコンポーネントが、前記支持構造体に関して側方方向に固定される、請求項１に記載のカテーテルシステム。
7. 前記第２のセンサコンポーネントが、電磁位置センサを含む、請求項１に記載のカテーテルシステム。
8. 前記電磁位置センサが、６つの自由度の電磁位置センサを含む、請求項７に記載のカテーテルシステム。
9. 前記第２のセンサコンポーネントが、前記支持構造体に関して側方方向に固定される、請求項１に記載のカテーテルシステム。
10. 第３の整列特徴を含む第２の支持構造体をさらに含む、請求項１に記載のカテーテルシステム。
11. 前記第１のセンサコンポーネントが、前記第３の整列特徴とかみ合わされる、請求項９に記載のカテーテルシステム。
12. 前記第１のセンサコンポーネントが第１の鍵構造を有し、さらに、前記第１の整列特徴が、前記第１の鍵構造とかみ合う第２の鍵特徴を有する、請求項１に記載のカテーテルシステム。
13. 前記細長い可撓性カテーテル及び前記支持構造体内で延びるよう大きさが決定された細長い可撓性プローブをさらに含む、請求項１に記載のカテーテルシステム。
14. 細長い可撓性カテーテル、
    第１の整列特徴及び第２の整列特徴を含む、前記カテーテルの上に載せられる第１の支持構造体、
    第３の整列特徴及び第４の整列特徴を含む、前記カテーテルの上に載せられる第２の支持構造体、
    前記第１の整列特徴とかみ合わされる第１の部分、及び、前記第３の整列特徴とかみ合わされる第２の部分を含む第１のセンサコンポーネント、並びに、
    前記第２の整列特徴及び前記第４の整列特徴とかみ合わされるステアリングワイヤ、
    を含むカテーテルシステムであって、
    前記第１のセンサコンポーネントが、前記第１の整列特徴及び前記第２の整列特徴によって、少なくとも１つの自由度で前記第１の支持構造体にて固定され、さらに、
    前記第１のセンサコンポーネントが、前記第３の整列特徴及び前記第４の整列特徴によって、少なくとも１つの自由度で前記第２の支持構造体にて固定される、カテーテルシステム。
15. 前記第１の支持構造体が、第５の整列特徴をさらに含み、当該カテーテルシステムが、前記第５の整列特徴とかみ合わされる第２のセンサコンポーネントをさらに含み、
    前記第２のセンサコンポーネントが、前記第１、第２及び第５の整列特徴によって、少なくとも１つの自由度で前記第１の支持構造体にて固定される、請求項１４に記載のカテーテルシステム。
16. 前記第１のセンサコンポーネントが形状センサを含む、請求項１４に記載のカテーテルシステム。
17. 前記第２のセンサコンポーネントが、電磁位置センサを含む、請求項１４に記載のカテーテルシステム。
18. 細長い可撓性プローブをさらに含み、
    前記細長い可撓性カテーテルが、前記細長い可撓性プローブを受けるよう大きさが決定された操作通路を含む、請求項１４に記載のカテーテルシステム。
19. 第１のセンサコンポーネント、第２のセンサコンポーネント及び第１の支持構造体を含む可撓性カテーテルを提供するステップであって、前記第１の支持構造体が、第１の整列特徴及び第２の整列特徴を含み、前記第１のセンサコンポーネントが、前記第１の支持構造体にて前記第２のセンサコンポーネントに対して固定された自由度の制約にある、ステップと、
    前記第１のセンサコンポーネント及び前記第２のセンサコンポーネントからデータを取得するステップと、
    前記固定された自由度の制約、並びに、前記第１のセンサコンポーネント及び前記第２のセンサコンポーネントからのデータに基づき、前記可撓性カテーテルの少なくとも一部のポーズを決定するステップと、
    を含む方法。
20. 前記第１のセンサコンポーネントが形状センサを含み、さらに、データを取得するステップが、前記第１のセンサコンポーネントから前記可撓性カテーテルに対する形状データを取得するステップを含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記第２のセンサコンポーネントが電磁位置センサを含み、さらに、データを取得するステップが、前記第２のセンサコンポーネントから位置データを取得するステップを含む、請求項１９に記載の方法。
22. 第３の支持構造体、及び、第３の支持構造体に関して固定される第３のセンサコンポーネントを含む細長い可撓性プローブを提供するステップと、
    前記可撓性カテーテル内に前記細長い可撓性プローブを挿入するステップと、
    前記第３のセンサコンポーネントからデータを取得するステップと、
    をさらに含む、請求項１９に記載の方法。

Images