JP2017526461A - フレキシブル医療器具 - Google Patents

Abstract

肺カテーテル又は気管支鏡のようなフレキシブル器具を含む医療システムは、挿入の直接手動制御が器具の一部の向き又は剛性のような器具特性のコンピュータ支援制御と共に使用されることができる制御モードを提供する。手動挿入を容易にするために、機構が、挿入軸に沿った動きに関する低い慣性及び摩擦を提供する。１つの実装は、挿入圧力の制御のための器具の手動把持、コンピュータ支援操向のためのジョイスティック又は他の入力装置、及び器具の剛性又はコンプライアンスの制御のためのフットペダルを用いる。他の実装は、コンピュータ支援操向のための及び器具の剛性又はコンプライアンスの制御のためのジョイスティックを用いる。

Description

（関連出願）
この特許出願は、２０１４年９月９日に出願された“FLEXIBLE MEDICAL INSTRUMENT”と題する米国仮特許出願第６２／０４８，１９４号の優先権及び出願日の利益を主張し、その全文が参照によりここに援用される。

ロボット医療装置は、医療処置中に多くの利点を有する。（ここで使用されるとき、「ロボット」又は「ロボット式に」等の用語は、遠隔操作又は遠隔制御ロボットの態様を含む。）特に、ロボット医療装置におけるコンピュータ制御が、生検針、外科用メス、又はクランプのようなツールのより安定し且つより精密な動きを提供することを可能にする場合がある。低侵襲医療処置に関して、コンピュータ制御はまた、コンピュータ化された制御システムが、複雑又は鈍感な機械システム又はインタフェースに適合することができ且つ依然として人間のオペレータに使いやすいユーザインタフェースを提供できるので、ツールの機械システムが容易に手で操作可能である必要がない又は直観的に動作する必要がないため、ツールの小型化を促進する場合がある。

ロボット医療装置及びそれらのユーザインタフェースについての１つの難しさは、人に触覚（tactile or haptic）フィードバックを提供することである。特に、手動操作される医療器具の触覚フィードバックと同様又は同じ触覚フィードバックをコンピュータ化されたシステムの入力装置に提供することは、困難であることがある。触覚フィードバックが重要である状況の１つの例は、肺カテーテル、気管支鏡、生検器具、又は気道又は他の分岐又は入り組んだ自然の管腔を通る他の同様の医療装置のような器具のナビゲーション（navigation）の間である。特に、気道を通る器具の挿入は、器具のさらなる前進に対する抵抗が増大する困難を経験することがある。器具の先端は、例えば、気道が曲がる又は分岐するところで再配向される（reoriented）必要があるかもしれない。医者又は他の医師が挿入圧力を手動で加えることから受ける場合がある触覚の感覚は、医師に誘導及び器具の気道との相互作用に関する洞察を与える。医師はその結果、例えば、より多くの挿入力を加えることによって、器具を再配向（reorient）するとともに気道における摩擦を減らすためにトルク又はねじれを加えることによって、或いは、器具を部分的に又は完全に引っ込めることによって、器具をさらに進めるかどうか又はどのように器具をさらに進めるかをより良く判断することができる場合がある。触覚の感覚は、医師がこのような決定の間に使用する重要な又は決定的な要因になることがある。しかし、標準的なロボット制御器具挿入技術は、医師に、触覚フィードバックを提供しない場合がある、或いは、少しの又は不正確な触覚フィードバックしか提供しない場合がある。

本発明の態様によれば、ロボット制御器具は、器具の挿入に関して非常に低い慣性及び低摩擦駆動部を提供し得る。器具の挿入の間、特に、気道ナビゲーションの間、器具の挿入駆動モータは、オフにされ得る、非アクティブ（inactive）にされ得る、慣性を効果的に最小にする方法に操作され得るとともに、医師は、器具の挿入の、直接の手動の、例えば、直接触れる（hands on）、制御を有し得る。同時に、医師は、器具の遠位先端の向きを制御するために器具のロボットピッチ・ヨー駆動システムを用い得る。例えば、医師は、器具の遠位部分の手動操作を通じて挿入圧力を加え得るとともに、ジョイスティック又は他の入力装置を通じた医師入力を受信するコンピュータインタフェースを通じて先端の向きを制御し得る。能動コンピュータ制御システムはさらに、医師に、器具の剛性の制御のような追加の制御能力を提供する。特に、医師は、器具の挿入長さ、器具の先端、又は器具の任意の部分の剛性を制御し得るとともに、器具が器具の現在の経路に従うことを可能にするように剛性を減少させ得る又は挿入圧力をより良く加えるために器具の剛性を増加させ得る。

器具剛性は、制御器具が作動しているテンドン又は器具の他の構造の張力を制御するために用いる方法又はプロセスを通じて、調整可能であり得る。１つの実装では、フットペダル又は他の専用入力装置が、フレキシブル（可撓性）（flexible）器具の剛性のユーザ制御を提供することができる。他の実装では、ジョイスティック又は器具を操向する（steer）ためにユーザが操作し得る他の入力装置もまた、剛性制御を提供し得る。例えば、入力装置は、中心又は中立位置、例えば、ユーザが入力装置を解放するとき、入力装置がとる位置を有することができ、入力装置がその中立位置にあるとき、器具のための制御システムは、器具を低剛性状態に置き得る。したがって、器具を自然管腔に挿入するとき抵抗にあうユーザは、フレキシブル器具が弛緩する（relax）とともに自然管腔の形状に従うことを可能にするように、入力装置を単に解放し得る。器具が弛緩され且つ従った後、さらなる挿入に対する抵抗は大幅に減らされ得る。

このような制御システムは、ユーザに先端剛性の直観的な制御を提供し得る。例えば、ペダルストロークが先端剛性に比例するフットペダルのような追加の又は専用の入力装置の使用は、剛性を明確に制御するためにユーザに単純且つ自然な方法を与える。ジョイスティック又は他の入力装置が依然として先端の向きを制御するために使用されることができる。代替的には、ジョイスティックのような単一の入力装置の操作は、剛性及び向き制御の両方を制御することができる。例えば、剛性制御を実装するための１つの方法は、例えばバネ荷重機構による中心位置に対する、ジョイスティック位置を、先端剛性及び相対向きにマッピングする（map）ことである。別々の剛性制御並びに統合されたマニピュレータと剛性制御の組合せも用いられることができる。

医療器具の挿入圧力の直接手動制御及び他の特性のコンピュータ支援制御を可能にする実装におけるシステムを概略的に示す。 医療器具のためのナビゲーションプロセスのフロー図である。 他の実施形態による医療システムのブロック図である。 フレキシブル器具の遠位先端の実装の１つの例を示す。 フレキシブル器具の操向及び剛性両方を制御するのに適するジョイスティックを示す。

図面は、説明目的のための例を示し、本発明それ自体を示すものではない。異なる図における同じ参照記号の使用は同様の又は同一のアイテムを示す。

肺カテーテル又は気管支鏡のようなフレキシブル器具を含む医療システムは、気道のような自然管腔のナビゲーションのために多数の制御モードを提供することができる。コンピュータ支援制御モードでは、ユーザは、入力装置を操作し得るとともに、フレキシブル器具の操向及び挿入のためにコンピュータシステムにアクチュエータを制御させ得る。半ロボット制御モードでは、ユーザは、挿入圧力の直接手動制御を有し得ると同時に、先端の向き又は器具剛性又は硬さのような器具特性のコンピュータ支援制御又は機械的に作動される制御のための入力装置を操作し得る。手動制御を容易にするために、ロボット制御器具の操向駆動機構が低慣性且つ低摩擦挿入機構に取り付けられることができ、挿入駆動はバックドライブ可能（backdrivable）であることができ、これは、器具が手動で操作されることを可能にする一方そこから医師が器具と気道との間の相互作用を知覚し得る触覚感覚を保つ。一般的に、バックドライブ可能な器具は、アクチュエータ機構がオフであるときユーザが手動で操作又は動作させることができる作動部分を有する器具である。ユーザはしたがって、ある量の直接加えられる労力又は力で器具の一部を直接操作し得る。器具の手動操作、例えば、手動挿入は、一般的に、器具と患者の組織との間の相互作用に関する直接の触覚感覚を与える。操向駆動機構は、器具の遠位先端のピッチ及びヨーの向きを操作することができるとともに、ジョイスティックのような入力装置を操作することによって精密に制御されることができる。コンピュータ支援制御システムはまた、器具の全て又は一部の、例えば、器具の遠位先端近くの長さの剛性を操作又は制御することもできる。剛性制御は、独立して先端の向き制御するとともに器具を手動で挿入しながら、ユーザが器具の制御される部分の剛性を変化させることを可能するフットパッド又はペダルのような別個の入力装置を通じて実装されることができる。例えば、フットペダルは、バックエンド機構（backend mechanism）が高い剛性を持つ先端制御モードを提供する、例えば、ペダルが押されていない、解放位置を有し得る一方、ペダルを押す又は荷重をかけることは、器具の遠位部分の剛性を、遠位部分の、最低の剛性状態、すなわち、最高のコンプライアンス（compliance）状態まで減らすことができる。コンピュータ支援操向及び剛性制御のための別個の入力装置の代替として、ジョイスティックのような単一の入力装置が、器具の遠位先端の、操向、例えば、剛性並びにピッチ及びヨーの向きのいずれも制御することができる。例えば、制御システムは、入力装置が、遠位先端のピッチ又はヨー角度が増加されるべきであることを示すとき、器具の遠位先端の剛性を増加させ得る。

図１は、肺カテーテル、気管支鏡、又は挿入軸を有する任意の他のフレキシブル器具のような、ロボット制御器具１１０を含む医療システム１００の１つの実装を概略的に示している。挿入軸は、患者１２０のさらに中への器具１１０の遠位先端１１２の動き又は患者１２０から器具１１０の遠位先端１１２を引き抜くことに対応する。例えば、器具１１０は、患者１２０の肺の中の部位で実行される生検のような処置で使用される肺カテーテルであってよく、医者又は他の医療技師のようなユーザ１３０が、患者１２０の口を通って器具１１０を挿入するために、そしてそこから気道を通って患者１２０の肺の中であり得る標的部位に遠位先端１１２をナビゲートするために、コンピュータシステム１４０の支援を伴って器具１１０を制御し得る。

図示された実施形態の器具１１０は、コンピュータシステム１４０からの電気作動信号を器具１１０における運動学的応答に変換する及び／又は器具１１０からのセンサ信号をコンピュータシステム１４０に中継する、本明細書では時々バックエンド機構１１８と称される、駆動機構１１８を含む。機構１１８は、特に、器具１１０のジョイントのような機械的なシステムの操作又は作動のためのアクチュエータ及び機械的インタフェースを含み得る。機構１１８の１つの実装は、アクチュエータモータの回転をケーブル又はテンドンの動き又は張力に変換する伝動装置を含み、このケーブル又はテンドンは、機構１１８から、器具１１０の長さに沿って配置され得る１又は複数のジョイントに、或いは遠位先端１１２に配置され得るツールに延びる。器具１１０が肺カテーテルである例示的な実装では、器具１１０の一部１１４のジョイントは、遠位先端１１２の位置及び向き並びに遠位部分１１４の硬さ又は合成を制御するように、作動される、例えば、駆動機構１１８によって曲げられる又は屈曲させられることができる。全体が参照により本出願に援用される、“Drive Force Control in Medical Instrument Providing Position Measurements”と題する、２０１１年１１月１７日付けの米国特許出願公開第２０１１０２８２４９１号及び“Tension Control in Actuation of Multi-Joint Medical Instruments”と題する、２０１２年５月１７日付けの米国特許出願公開第２０１２／０１２３４４１号は、カテーテルのようなフレキシブル器具の先端の向き及び剛性を制御するための幾つかの適切なコンピュータ支援制御システム及び方法をさらに記載している。

コンピュータシステム１４０は、例えば機構１１８のコンピュータインタフェースを経由して、器具１１０から受信されるセンサ信号に基づいて、及び１若しくは複数のユーザインタフェース又は入力装置からの制御信号に基づいて、作動信号を生成するように適切なプログラムを実行し得る。図１は、ユーザ１３０が制御情報をコンピュータシステム１４０に提供するために操作する、２つの入力装置、ジョイスティック１４２及び負とペダル１４４を含む実装を示している。特に、ユーザ１３０は、コンピュータシステム１４０及び駆動機構１１８に遠位先端１１２のピッチ及びヨー角度を変化させるようにジョイスティック１４２を操作し得るとともに、コンピュータシステム１４０及び駆動機構１１８に器具１１０の少なくとも一部１１４の剛性を変化させるようにフットペダル１４４を操作し得る。特に、フットペダル１４４は、コンピュータシステム１４０に比例又は反比例制御信号を提供することができ、これは先端１１４の剛性を調整する。ある場合には、ユーザ１３０がペダルを強く押すほど、先端１１４は柔軟（compliant）になる。ペダル１４４が完全に押されるとき、先端１１４は、完全に締まりのない（floppy）状態に変わる。他の場合には、先端１１４は、ユーザ１３０がペダル１４４を押すほど硬くなり得るとともに、ペダル１４４が全く押されていないとき、その最も柔軟な状態にあり得る。剛性は、他の入力装置を使用して制御されることができる。特に、以下に記載されるように、操向及び剛性の両方が、ジョイスティック１４２のような単一の入力装置を通じて制御されることができ、フットペダル１４４は省略されることができる。

機構１１８はさらに、器具１１０の挿入及び除去のために器具１１０の長さに沿って力を加えるように動作可能である挿入駆動システム１５０を含む。挿入駆動システム１５０は、コンピュータシステム１４０が挿入駆動システム１５０の作動運動を制御する作動信号を生成するコンピュータ支援モード及びユーザ１３０が器具１１０と直接接触をするとともに挿入軸に沿った機構１１８の動きを手動で制御する手動モードで動作可能であり得る。

挿入駆動システム１５０は、理想的には、挿入方向における動きに関して低抵抗及び低慣性を持つ機構１１８を提供する。図示された実装では、挿入駆動システム１５０は、トラック（track）又はランプ（ramp）１５２及びトラック１５２と係合する駆動車輪１５４を含む。機構１１８の駆動モータ又は他のアクチュエータ（図示せず）が、トラック１５２に沿って器具１１０の少なくとも一部を動かすように車輪１５４を回転させ得る。追加で又は代替的に、トラック１５２は、機構１１８への重力及び結果として生じる挿入圧力を制御するように調整可能である傾斜角度を有し得る。特に、トラック１５２は、抵抗を最小にする又は挿入方向での器具先端１１２の動きに抵抗する摩擦を克服するように固定される傾斜角度θに設定されることができる。代替的には、トラック１５２の傾斜角度θは、挿入力を制御するために又はユーザ１３０が器具１１０を手動で案内している方向にしたがって、動的に調整されることができる。傾斜角度θはしたがって、処置が始まる前に設定されることができる、又は、例えば慣性又は器具１１０の挿入に抵抗する摩擦を最小にするように、調整されることができる。

コンピュータ支援モードの１つの実装では、挿入駆動システム１５０のアクチュエータ駆動部は、挿入圧力の全てを提供する。手動モードの１つの実装では、挿入駆動システム１５０のアクチュエータ駆動部は、オフ又は非アクティブである。手動挿入モード動作は、例えば、駆動車輪１５４が手動挿入モードにおいて自由に回転する（freewheeling）ように、挿入駆動システムの駆動モータをオフにする又は非アクティブにすることによって提供され得る。

システム１００の１つの作動技術は、先端１１２の向き及び器具１１０の剛性を制御するために器具１１０のコンピュータ支援動作を使用しながら、手動の器具の挿入を制御することを含む。図２は、器具１１０が、患者１２０の気道の特定の部位までナビゲートされる必要がある肺カテーテルであるときのシステム１００の動作の１つのプロセス２００のフロー図である。気道ナビゲーションの間、ユーザ１３０は、遠位先端１１２の向きを制御することによってカテーテル１１０を操向する。例えば、ユーザ１３０は、遠位先端１１２のビジョンシステム（図示せず）によって取り込まれる気道の３Ｄ画像を示す立体ビューイングシステム又は遠位先端１１２の位置を示すセンサ情報の表示を用い得るとともに、このようなビュー又は位置情報に基づいて、ユーザ１３０は、遠位先端１１２が、カテーテル１１０がたどる（follow）ことになる気道に向けて又は気道に沿って向けられるまで、ジョイスティック１４２又は他の入力装置を操作することによって、ブロック２１０に表されるように、遠位先端１１２を操向することができる。ユーザ１３０は、その後、器具１１０の一部を把持するとともに挿入方向で器具１１０に圧力を加えることによって、ブロック２２０に表されるように、挿入圧力を手動で加えることができる。ユーザ１３０は、例えば、一方の手で器具１１０に挿入圧力を手動で加え続け得る一方、同時に遠位先端１１２を操向するようにジョイスティック１４２を操作するために他の手を使用する。

挿入プロセスの間、カテーテル−組織の相互作用が生じる場合があり、気道でのカテーテルの前進を妨げる又は前進に抵抗する場合がある。ユーザ１３０が手動で挿入圧力を加える間、ユーザ１３０は、加えられる挿入圧力及び抵抗の量を感知できるとともに、ブロック２３０に表されるように、挿入に対する抵抗が、例えばユーザ１３０が状況に対して高過ぎると判断するレベルまで、増加したかどうかを決定することができる。抵抗が高過ぎる場合、例えば、カテーテルが、組織の中で詰まる（get stuck）、例えば、きつい管腔に押し入る場合、ユーザ１３０は、ブロック２４０に表されるように、カテーテル１１０の剛性を変えることができる。例えば、ユーザ１３０は、器具１１０の少なくとも遠位部分１１４の硬さ又は合成のレベルを減少させるようにフットペダル１４４又は他の入力装置を操作することができる。幾つかの医療システムでは、カテーテル先端の剛性は、ユーザ入力に対するアクチュエータ応答を決定するのに使用される適用制御比例ゲインパラメータ（applied control proportional gain parameter）のような制御パラメータと同等であり得る。他の医療システムでは、器具１１０は、剛性を変えるようにロックされる又は緩められることができるジョイントを有し得る。剛性を制御するための具体的な機構にかかわらず、遠位部分１１４は、ブロック２４０の実行中に高度に柔軟にされることができ、これは、遠位部分１１４が、弛緩し且つ器具１１０が存在する気道の形状に器具１１０の形状を従うことを可能にする。部分１１４が弛緩するとき、気道の壁に対する器具１１０の摩擦は劇的に低下し得る。器具１１０の遠位先端１１２はその後、操向（ブロック２１０）が再開される前又は後に、ブロック２５０において手動で圧力を加えることによって挿入されることができる。ブロック２４０において先端を弛緩させることは、概して、挿入圧力が加えられるとき、カテーテルのような器具が、管腔方向に沿って前に動くことを可能にする。操向が再開するとき、ユーザは、操向を可能にするために剛性を増加させるようにフットペダル１４４を使用（例えば、解放）することができる、又はユーザが、例えば、気道ナビゲーションのために、先端の向きを変える必要があるまで、低剛性状態で器具を前進させ続けることができる。

システム１００及びプロセス２００は、遠位先端１１２のピッチ−ヨー向きを操向するロボット制御器具の精密さの利点を提供しながら、ユーザ１３０に触覚フィードバックを与えることができる。器具１１０が、気道のような管腔の中で詰まる場合、ユーザ１３０は、直接且つ即座に抵抗を感じ得るとともに、遠位先端１１２がきつい管腔の中を、組織を損傷する又は組織に突き当たることなしに容易にスライドできるように、先端１１２の方向若しくは向きを調整することによって、又は先端１１２の剛性を減少させることによって、反応し得る。

図１のシステム１００、特に挿入駆動部１５０は、遠位先端１１２が、標的部位、例えば、生検針のための生検部位に近づくとき、完全ロボット制御モードで操作され得る。特に、ユーザ１３０は、システム１００を、挿入軸及びピッチ−ヨーの両方がジョイスティック１４２又は他の入力装置（図示せず）を通じて制御されることができるコンピュータ支援制御モードに切り替えることができる。完全ロボット制御モードは、特に、生検針のようなツールが、器具１１０を通じて挿入され且つユーザ１３０が、遠位先端１１２が安定している又は精密に制御されることを望むとき、望ましい。

図３は、上述のように動作し得るカテーテルシステム３００の１つの特定の実装を概略的に示している。図示された実装では、カテーテルシステム３００は、肺カテーテル３１０、操向駆動機構３２０、挿入駆動機構３３０、制御ロジック部３４０、オペレータインタフェース３５０、及びセンサシステム３６０を含む。

カテーテル３１０は、概して、フレキシブルであり、生検針又はビジョンシステムのような交換可能なプローブを収容することができる主管腔（main lumen）を含む１又は複数の管腔を有する。フレキシブルカテーテルは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のような可撓性又は低摩擦材料の内層又は外層を備える織りワイヤチューブのような編み構造を使用して作られることができる。１つの実施形態では、カテーテル３１０は、ポリエーテルブロックアミド（Ｐｅｂａｘ）のような材料の編みジャケット及びリフローされた（すなわち、溶解によって融合された）ジャケットによって纏められた管腔又はチューブの束を含む。追加の先端セクション３１６（例えば、図４に示され、以下にさらに記載されるような金属構造）が、カテーテル３１０の遠位端部として取り付けられることができる。主管腔に加えて、カテーテル３１０は、プルワイヤ及びセンサ線のためのより小さい管腔を含み得る。図示された実施形態では、カテーテル３１０は、操向駆動機構３２０に取り付けられた近位セクション３１２及び近位セクション３１２から延びる遠位セクション３１４を有する。近位セクション３１２は、システム３００が手動挿入モードで動作するとき、挿入圧力を加えるためにユーザが把持し得る把持領域を含み得る。遠位セクション３１４は、操向駆動機構３２０から近位セクション３１２及び遠位セクション３１４を通って延び且つ操向可能な遠位操向可能セグメント３１６に接続するプルワイヤを通じて作動され得る機械的な構造を含み得る。

器具１１０の全長は、約６０から８０ｃｍ又はそれより長く、遠位セクションは約１５ｃｍの長さで、操向可能セグメント３１６は約４から５ｃｍの長さであり得る。遠位セクション３１４は、より小さい自然管腔又は通路への遠位先端３１６のナビゲーションを可能にするため、近位セクション３１２が有するより小さい直径を有し得る。医療処置の間、近位セクション３１２の一部及び遠位セクション３１４の全ては、患者の喉及び気道のような自然管腔に沿って挿入され得る。遠位セクション３１４のより小さい直径は、近位セクション３１２に対して小さ過ぎるかもしれない管腔における遠位セクション３１４の使用を可能にするが、近位セクション３１２のより大きい直径はまた手動操作を容易にし得る。

操向可能セグメント３１６は、遠隔制御可能であり、特にプルワイヤを使用して制御されることができるピッチ及びヨーを有する。操向可能セグメント３１６は、遠位セクション３１４の全て又は一部を含み得るとともに、Ｐｅｂａｘのような可撓性材料のチューブとして単純に実現され得る。理想的には、操向可能セグメント３１６は、操向駆動機構３２０が作動テンドンを引っ張るとき、作動を分離する又は操向可能セグメント３１６に対する曲げを促進するように、カテーテル３１０の残りの部分より可撓性がある。カテーテル３１０はまた、作動が、器具１１０の近位セクション３１２を曲げる（操向可能セグメント３１６以外のセクション３１４の任意の部分を曲げる）のを防ぐために、作動テンドンのためのボーデンケーブルの使用のような追加の機構又は構造を用いることもできる。

図４は、操向可能セグメント３１６の１つの特定の実装を示している。図４の実装における操向可能セグメント３１６は、プローブシステムのための主管腔を定めるとともに、例えば、作動テンドン４３０及び図４に示されていない形状センサのための、より小さい管腔を定める、チューブ４１０から作られる。図示された実施形態では、テンドン４３０は、９０°離れて配置され、テンドン４３０の位置によって定められるピッチ及びヨー方向での器具１１０の操向を容易にするように管腔３１２を囲んでいる。操向可能セグメント３１６の内部構造を寄り用示すために図４に示されていない、リフローされたジャケットもまた、チューブ４１０をカバーし得る。図４に示されるように、チューブ４１０は、一連の屈曲部４２０を含むようにカット又は形成される。テンドン４３０は、操向可能セグメント３１６の遠位先端４１５に接続し、操向駆動機構３２０に戻って延びる。テンドン４３０は、ワイヤ、ケーブル、ボーデンケーブル、ハイポチューブ、又は操向駆動機構３２０から遠位先端４１５に力を伝達できるとともに操向駆動機構３２０がテンドン４３０を引っ張るとき近位セクション３１２の曲げを制限する任意の他の構造であることができる。動作において、テンドン４３０のうちのいずれか１つをより強く引っ張ることは、操向可能セグメント３１６をそのテンドン４３０の方向に曲げさせる。繰り返される曲げに適応するために、チューブ４１０は、ほとんど又は全く損傷なしに繰り返し曲げられることができる合金である、ニチノールのような材料で作られ得る。

遠位操向可能セグメント３１６を作動させるためにテンドン４３０を引っ張る、図３の操向駆動機構３２０は、アクチュエータ３２２、例えば、電気モータの運動を、カテーテル３１０を通って延びるとともに遠位操向可能セグメント３１６に接続するテンドン４３０の運動（又は張力）に変換する、機械的システム又は伝動装置３２４を含む。（プッシュロッドが、考えられるところではプルワイヤの代わりにカテーテル３１０で使用され得るが、所望のレベルの可撓性を提供しないかもしれない。）遠位操向可能セグメント３１６の動き及び姿勢は、したがって、操向駆動機構３２０におけるアクチュエータ３２２のためのそれぞれの作動信号のコンピュータ化された選択又は生成を通じて制御されることができる。テンドン４３０に加えられるアクチュエータ力の制御はまた、操向可能セグメント３１６の動きに対する有効剛性又は抵抗も制御することができる。操向可能セグメント３１６の作動及び剛性制御に加えて、操向駆動機構３２０は、カテーテル３１０の近位端部の回転又はロールのようなカテーテル３１０の他の動きを制御するために使用されることができ、これもまた、アクチュエータ３２２及び伝動装置３２４を通じて動力供給され得る。フレキシブルシャフト器具で知られているバックエンド機構又は伝動装置は、一般的に、操向駆動機構３２０のために使用される又は変更されることができる。例えば、フレキシブル器具のための幾つかの既知の駆動システムは、“Compliant Surgical Device”と題する、米国特許出願公開第２０１０／０３３１８２０号に記載され、これはその全体が参照により本願に援用される。作動カテーテル３１０に加えて操向駆動機構３２０は、カテーテル３１０の主管腔におけるプローブの除去及び交換を可能にすべきであるので、駆動構造はこのような操作の間に邪魔にならないところにあるべきである。

図３の図示された実装では、操向駆動機構３２０は、挿入駆動機構３３０に取り付けられ、この挿入駆動機構は、挿入方向に沿って操向駆動機構３２０及びカテーテル３１０を動かすために使用されるアクチュエータ３３２及び機械的システム３３４を含む。機械的システム３３４は、操向駆動機構３２０をスライドさせる又は運ぶように結合され得るとともに、上述のように調整可能な傾斜を持つトラックシステムを含み得る。アクチュエータ３３２は、制御ロジック部３４０によって選択される作動信号にしたがって、操向駆動機構３２０及びカテーテル３１０の動きに動力を供給する駆動モータであり得る。

制御ロジック部３４０は、遠位操向可能セグメント３１６を作動させるとともにカテーテル３１０の遠位先端の向きを制御するように必要に応じてテンドンを選択的に引っ張るために操向駆動機構３２０のアクチュエータ３２２を制御するとともに、カテーテル３１０の遠位先端の挿入方向における動きを制御するためにアクチュエータ３３２を制御する。一般的に、制御ロジック部３４０は、例えば、外科医、医師、又はオペレータインタフェース３５０、例えば、ジョイスティック１４２及びフットペダル１４４を使用する他の医療関係者からの指令に応じて、及びセンサシステム３６０からの測定信号に応じて、動作する。しかし、手動挿入モードでは、制御ロジック部３４０は、ユーザが挿入圧力を制御することを可能にするように、挿入駆動システム３３０のアクチュエータ３３２を自由に回転する状態に置き得る。制御ロジック部３４０は、オペレータインタフェース３５０及びセンサシステム３６０からの信号を解釈するとともにアクチュエータ３２２及び３３２のための作動信号を生成するように、適切なソフトウェア、ファームウェア、及び／又はデバイス特有のインタフェースハードウェアを備える汎用コンピュータを使用して実装され得る。

図示された実施形態では、制御ロジック部３４０は、カテーテル３１０の異なる制御モード又はプロセスのための異なるプロセスを実現する多数のモジュール３４１、３４２、３４３、及び３４４を含む。本明細書で使用されるとき、用語「モジュール」は、ハードウェア（例えば、集積回路又は他の回路のようなプロセッサ）及びソフトウェア（例えば、機械実行可能若しくはプロセッサ実行可能命令、コマンド、又はファームウェア、プログラミング、若しくはオブジェクトコードのようなコード）の組合せを指す。ハードウェア及びソフトウェアの組合せは、ハードウェアのみ（すなわち、ソフトウェア要素を持たないハードウェア要素）、ハードウェアでホストされる（hosted）ソフトウェア（例えば、メモリに格納され、プロセッサで実行又は解釈されるソフトウェア）、又はハードウェア及びハードウェアでホストされるソフトウェアを含む。モジュール３４１及び３４２は、それぞれ、手動挿入モード及びコンピュータ支援挿入モードを実装する。モジュール３４３は、剛性モジュール３４４によって設定される剛性レベルを伴って操向を制御し得る。モジュール３４６は、どの制御プロセスが使用されるかを選択し、ユーザ入力、カテーテル３１０の中に展開されるプローブのタイプ又は状態、及び実行されているタスクのようなファクタに選択の基礎を置き得る。

オペレータインタフェース３５０は、標準的な入／出力ハードウェア、例えば、ビジョンシステム若しくはディスプレイ、キーボード、ジョイスティック、フットペダル、マウス、又は手術環境にカスタマイズ若しくは最適化され得る他のポインティングデバイス若しくは同様のＩ／Ｏハードウェア等を含み得る。一般的に、オペレータインタフェース３５０は、ユーザに情報を提供するとともにユーザから指示を受信する。例えば、オペレータインタフェース３５０は、システム３００の状態を示し得るとともにユーザに画像及びシステム３００によって作られた測定値を含むデータを提供し得る。ユーザがオペレータインタフェース３５０、例えば、ジョイスティック又は同様の入力装置を通じて提供し得る１つのタイプの指令は、遠位操向可能セグメント３１６の所望の動き、位置、又は向きを示す。ユーザは、剛性の量又はレベルを示すためにフットペダルを操作し得る。このような入力を使用するとき、制御ロジック部３４０は、操向駆動機構３２０のアクチュエータ３２２のための作動信号を生成することができる。ユーザからの他の指令は、制御ロジック部３４０の作動モードを選択することができる。

図５は、上述のフレキシブル器具の操向のために用いられ得る、ジョイスティック５００を示す。特に、ユーザは、ピッチ角度θ及びヨー角度Ψ又は器具の遠位先端に要求されるピッチ角度θ及びヨー角度Ψの変化を示すために、ジョイスティック５００のベース部分５２０に対して二次元でジョイスティック５００のスティック部分５１０を操作し且つ傾け得る。

医療システムはまた、ジョイスティック入力にしたがってフレキシブル器具の剛性も変化させることができる。特に、剛性は、中立位置からのスティック５１０の変位、ピッチ及びヨー角度θ及びΨ、又はピッチ及びヨー角度θ及びΨの変化／速度、の関数であることができる。１つの特定の実装では、図１のコンピュータシステム１４０又は３４０の制御ロジック部のような制御システムは、ジョイスティックが中立位置にあるとき、例えば駆動テンドンにゼロ又は最小の張力を与えることによって、フレキシブル器具の剛性をその最小値にし、中立位置からのジョイスティック５００の偏差の増大に伴って単調に剛性を増加させる。制御システムは、ジョイスティック５００の中立位置を選択することができ、フレキシブル器具がその周囲環境に従う低剛性又は高コンプライアンス状態にフレキシブル器具を弛緩させることができる。ユーザが、ジョイスティック５００の中立位置からスティック５１０を離すとき、制御システムは、制御される器具の剛性を増加させることができるとともに、制御される器具の遠位先端の向きをユーザが選んだ方向に代えることができる。

ジョイスティック５００の中立位置は、多くの方法で選択され得る。例えば、ジョイスティック５００の中立位置は：固定され得る、例えば、ユーザの力がスティック５１０に加えられないときの位置；ユーザによって設定され得る、例えば、ユーザが、ボタン又はフットペダルのような入力装置を押すことによって；又はスティック５１０のユーザ動作の解析に基づいて制御システムによって設定され得る、例えば、ユーザがある期間スティック５１０を保持した位置に設定され得る。

操向及び剛性両方を制御するためのジョイスティック又は同様の入力装置の使用は、手動挿入モードを提供しても提供しなくてもよいフレキシブル器具及び利用システムで用いられ得る。特に、フレキシブル器具の剛性を容易に解放する能力は、ユーザが手動器具を挿入していないとき又はユーザが挿入されていることに対する器具の抵抗の触感覚を受けないときでさえ、望ましくなり得る。

医療器具の幾つかの実装は、生検部位への器具の遠位先端の操向のための速いナビゲーションプロセスの利点を提供することができる。また、ユーザが、直接の触覚フィードバックを受けることは、ユーザが加えられている挿入圧力の量を正確に判断することを可能にし得るとともに、それによって、自動化されたシステムがカテーテルから組織に膨大な量の力を加える機会を最小にし得る。挿入プロセスの直接触れる感覚（hands on feel）はまた、気道をナビゲートしているとき、ユーザにより多くの自信を与え得る。

上記発明の幾つかの実施形態は、光学的又は磁気的ディスク、メモリカード、又はコンピュータ装置が本明細書に記載された具体的なプロセスを行うために実行することができる命令を含む他のソリッドステートの記憶装置のような、コンピュータ可読媒体、例えば、非一時的媒体に実装されることができる。このような媒体は更に、データ及び遂行可能な命令のダウンロードを提供するインターネットのような、ネットワークに接続されたサーバー又は他の装置であり得る又はこれらに含まれ得る。

特定の実装が開示されているが、これらの実装は、単なる例であり、限定として取られるべきではない。開示された実装の特徴の様々な適応及び組み合わせは、添付の請求項の範囲内にある。

Claims (17)

1. フレキシブル器具；
   制御ロジック部；
   前記制御ロジック部からの第１の信号に応じて前記フレキシブル器具の遠位先端の向きを制御するように構成される第１の機構；及び
   挿入方向に沿って前記フレキシブル器具を動かすように構成される第２の機構；を有し、
   前記制御ロジック部は：
   前記第２の機構が前記制御ロジック部からの第２の信号に応じて前記挿入方向に沿って前記フレキシブル器具を動かす第１のモード；及び
   前記制御ロジック部が、前記挿入方向に沿った前記フレキシブル器具の動きの手動制御を可能にする第２のモード；を提供する、
   システム。
2. 前記第１の信号を生成するようユーザによって操作可能な第１の入力装置をさらに有する、
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記システムを前記第１のモードと前記第２のモードとの間で切り替えるようユーザによって操作可能な第２の入力装置をさらに有する、
   請求項２に記載のシステム。
4. 前記第１の入力装置はジョイスティックを含み、前記第２の入力装置はペダルを含む、
   請求項３に記載のシステム。
5. 前記制御ロジック部は、前記フレキシブル器具の剛性を制御するために前記第２の入力装置を通じて提供されるユーザ入力を使用する、
   請求項３に記載のシステム。
6. 前記第１の入力装置は中立位置を有するジョイスティックを含み、前記制御ロジック部は、前記ジョイスティックが前記中立位置にあることに応じて、前記フレキシブル器具に低剛性状態になるよう命じる、
   請求項２に記載のシステム。
7. 前記中立位置から離れる前記ジョイスティックのユーザ動作に応じて、前記制御ロジック部は、前記フレキシブル器具の剛性を増加させるよう命じる、
   請求項６に記載のシステム。
8. 前記第２のモードにおいて、前記フレキシブル器具は、前記システムが前記第１のモードであるときより低い剛性を有するよう命じられる、
   請求項１に記載のシステム。
9. 前記フレキシブル器具は、肺カテーテル及び気管支鏡からなるグループから選択される器具を含む、
   請求項１に記載のシステム。
10. ユーザが自然管腔を通ってフレキシブル器具を手動で挿入することを可能にするステップ；及び
    コンピュータ支援制御を使用して、前記フレキシブル器具の遠位先端の向きを制御するステップ；を含む、
    ナビゲーション方法。
11. 前記ユーザが前記フレキシブル器具を手動で挿入することを可能にする前記ステップは、前記ユーザが前記フレキシブル器具の少なくとも一部を前記ユーザの手で持つことを可能にするステップを含む、
    請求項１０に記載の方法。
12. 前記コンピュータ支援制御を使用して、制御する前記ステップは：
    入力装置を通じてユーザの入力を受信するステップ；
    前記入力に基づいて信号を生成するステップ；及び
    前記信号にしたがって、前記遠位先端の前記向きを制御するアクチュエータに命じるステップ；を含む、
    請求項１０に記載の方法。
13. コンピュータ支援制御を使用して、前記自然管腔を通る前記フレキシブル器具の前記挿入を制御するステップをさらに含む、
    請求項１０に記載の方法。
14. 前記フレキシブル器具の剛性を減らす命令を受信するステップをさらに含む、
    請求項１０に記載の方法。
15. 前記フレキシブル器具の剛性を増やす命令を受信するステップをさらに含む、
    請求項１０に記載の方法。
16. フレキシブル器具；
    ジョイスティック；及び
    前記フレキシブル器具の遠位先端の向きを制御するために及び前記フレキシブル器具の剛性を制御するために前記ジョイスティックからの入力を使用するように適合される制御ロジック部；を有する、
    システム。
17. 前記ジョイスティックは中立位置を有し、前記制御ロジック部は、前記フレキシブル器具の剛性が、前記ジョイスティックが前記中立位置にあることに応じて最低であり、前記ジョイスティックが前記中立位置から離れて動かされることに応じて高くされるように、前記フレキシブル器具を動作させる、
    請求項１６に記載のシステム。
    

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