JP2018512056A - Ｘ線スキャナガントリの軸を釣り合わせ、ユーザ選択位置を維持する装置および方法 - Google Patents

Abstract

入力センサ、アナログ加算器、コントローラおよびフィードバックセンサを含むシステム。入力センサは、Ｘ線スキャナガントリの構成部品へ或る方向に加えられる第１の力またはトルク量を検出し、指令信号を生成する。指令信号は第１の力またはトルク量を示す。アナログ加算器は、指令信号およびフィードバック信号に基づいて誤差信号を生成する。コントローラは、誤差信号を減少させ、上記方向にガントリの釣合せをもたらし、所定値に等しい、または所定値から所定範囲内であるガントリへの正味力またはトルクを提供するために、誤差信号に基づいてモータの動作を制御する。フィードバックセンサは、制御動作の結果としてガントリへ上記方向に加えられる第２の力またはトルク量を検出し、フィードバック信号を生成する。

Description

[0001]本開示はＸ線撮像システムに関し、特にＸ線スキャナガントリを位置決めすることに関する。

[0002]本項は本開示に関連する背景情報を提供するが、必ずしも先行技術ではない。
[0003]ヒト患者などの被検者は、患者の解剖学的構造を矯正または強化するために、外科的処置を選択すること、または受けることを求められることがある。解剖学的構造の強化は、骨の移動もしくは造成、埋込装置の挿入、または他の適切な処置など、様々な処置を含むことができる。外科医は患者の画像に基づいて患者に処置を行うことができるが、それらの画像は、撮像システムを有するＸ線スキャナを使用して取得され得る。画像は処置の前または間に取得されてもよい。撮像システムは、たとえば、ＯアームまたはＣアーム撮像システムでもよい。画像は、撮像システムの動作モードに応じて蛍光透視または放射線画像でもよい。

[0004]患者の取得された画像は、外科医が処置を計画して行うのを支援することができる。外科医は患者の２次元画像または３次元画像表現を選択してもよい。画像は、外科医が処置を行うときに（外皮および筋組織を含む）上部組織を除去することなく患者の解剖学的構造を見られるようにすることによって、外科医が低侵襲手技で処置を行うのを支援することができる。

[0005]Ｏアーム撮像システムは「Ｏ」形のガントリおよび「Ｏ」形の回転体を含む。Ｃアーム撮像システムは「Ｃ」形のガントリおよび「Ｃ」形の回転体を含む。これらの撮像システムの各々は、典型的には、対応する回転体上に互いに反対側に装着されるＸ線源およびＸ線検出器を含む。Ｘ線源の各々はＸ線を発生し、それらは被検者に向けられる。Ｘ線検出器の各々は、Ｘ線が被検者を通過した後に、Ｘ線を検出する。

[0006]Ｏアーム（またはＣアーム）ガントリは、ガントリが外科手術のために適切な位置に移動され得る複数の軸（たとえば、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸、揺動軸および傾斜軸）を有してもよい。ガントリは重く、そのためペンダント（または遠隔制御装置）を使用し、ガントリが外科手術のための選択位置になるまで軸の各々を１つずつ手動で微動させることによって、外科手術のために位置決めされてもよい。これは典型的には２人作業であり、１人がガントリの手前側におり、軸の各々を駆動している一方、もう１人が、手術台、患者、またはガントリの範囲の他の装置および／もしくは備品との起こりうる干渉を１人目に知らせるためにガントリの裏側を監視している。

本願発明の一実施例は、例えば、Ｘ線スキャナガントリの軸を釣り合わせ、ユーザ選択位置を維持する装置および方法に関する。

[0007]本項は本開示の一般的な概要を提供し、その全範囲またはその特徴のすべての包括的な開示ではない。
[0008]様々な実施形態によれば、入力センサ、アナログ加算器、コントローラおよびフィードバックセンサを含むシステムが提供される。入力センサは、（ｉ）Ｘ線スキャナガントリの構成部品へ或る方向にユーザによって加えられる第１の力またはトルク量を検出し、（ｉｉ）入力指令信号を生成するように構成される。入力指令信号は第１の力またはトルク量を示す。アナログ加算器は、入力指令信号およびフィードバック信号に基づいて誤差信号を生成するように構成される。コントローラは、（ｉ）誤差信号を減少させ、（ｉｉ）上記方向にＸ線スキャナガントリの釣合せをもたらし、（ｉｉｉ）所定値に等しい、または所定値から所定範囲内である上記方向のＸ線スキャナガントリへの正味力またはトルクを提供するために、誤差信号に基づいてモータの動作を制御するように構成される。フィードバックセンサは、（ｉ）モータの制御動作の結果としてＸ線スキャナガントリへ上記方向に加えられる第２の力またはトルク量を検出し、（ｉｉ）力またはトルク量に基づいてフィードバック信号を生成するように構成される。

[0009]他の特徴では、システムが提供され、入力センサ、アナログ加算器、コントローラおよびフィードバックセンサを含む。入力センサは、（ｉ）ユーザによるＸ線スキャナガントリの構成部品の移動を検出し、（ｉｉ）入力指令信号を生成するように構成され、ここでは入力指令信号は或る方向へのＸ線スキャナガントリの移動を指令する。アナログ加算器は、入力指令信号およびフィードバック信号に基づいて誤差信号を生成するように構成される。コントローラは、（ｉ）誤差信号を減少させ、（ｉｉ）上記方向にＸ線スキャナガントリの釣合せをもたらし、（ｉｉｉ）所定値に等しい、または所定値から所定範囲内である上記方向のＸ線スキャナガントリへの正味力を提供するために、誤差信号に基づいてモータの動作を制御するように構成される。フィードバックセンサは、（ｉ）モータの制御動作の結果としての上記方向へのＸ線スキャナガントリの移動を検出し、（ｉｉ）検出された移動に基づいてフィードバック信号を生成するように構成される。

[0010]他の特徴では、方法が提供され、Ｘ線スキャナガントリの構成部品へ或る方向にユーザによって加えられる第１の力またはトルク量を、入力センサを介して検出するステップと、入力指令信号を生成するステップであって、入力指令信号が第１の力またはトルク量を示す、ステップとを含む。方法は、入力指令信号およびフィードバック信号に基づいて誤差信号を生成するステップと、（ｉ）誤差信号を減少させ、（ｉｉ）上記方向にＸ線スキャナガントリの釣合せをもたらし、（ｉｉｉ）所定値に等しい、または所定値から所定範囲内である上記方向のＸ線スキャナガントリへの正味力またはトルクを提供するために、誤差信号に基づいてモータの動作を制御するステップとをさらに含む。方法は、モータの制御動作の結果としてＸ線スキャナガントリへ第１の方向に加えられる第２の力またはトルク量を、フィードバックセンサを介して検出するステップと、第２の力またはトルク量に基づいてフィードバック信号を生成するステップとをさらになお含む。

[0011]適用性のさらなる範囲は、本明細書に提供される記載から明らかになるであろう。本概要における記載および具体例は例示の目的のためにのみ意図され、本開示の範囲を限定するものとは意図されない。

[0012]本明細書に記載される図面は、すべての可能な実装ではなく選択された実施形態の例示目的のみのためであり、本開示の範囲を限定するものとは意図されない。

[0013]本開示の実施形態に従うガントリ位置決めシステムを含む、手術室における撮像システムの環境図である。 [0014]図１のガントリ位置決めシステムのゼロ力制御システムの力ベースの例の機能ブロック図である。 [0015]ガントリを位置決めし、本開示の実施形態に従う図２のゼロ力制御システムを動作させる方法を例示する。 [0016]図１のガントリ位置決めシステムのゼロ力制御システムの位置および力ベースの例の機能ブロック図である。 [0017]ガントリを位置決めし、本開示の実施形態に従う図４のゼロ力制御システムを動作させる方法を例示する。

[0018]ガントリの従来の位置決め技法に伴う欠点を克服するために、ガントリ位置決めシステムの例が本明細書に開示される。ガントリ位置決めシステムはゼロ力システムを含み、それは、ユーザ（または外科医）が、構成部品（たとえば、ハンドル）または他の入力制御装置（たとえば、ジョイスティック）を介して、ユーザによって物理的に加えられる最小限の力でガントリを適切な位置に物理的に移動させることを可能にする。類似の例として、歯科医が患者の口内を見るために患者上でライトを移動させることがある。歯科医はライトの端を把持し、ライトを選択位置に手動で操作してもよい。ライトが選択位置になった後で、歯科医はライトを放し、ライトは選択位置にとどまる。本明細書に開示されるガントリ位置決めシステムは、ユーザがガントリを選択位置に手動で移動させ、構成部品または入力制御装置を放せるようにし、ガントリは選択位置にとどまる。

[0019]以下の記載は本質的に例示的なものであるにすぎない。図面を通じて、対応する参照数字が同様のまたは対応する部品および特徴を示すことが理解されるべきである。以上示されるように、本教示は、ＯアームまたはＣアーム撮像システムなどの撮像システムを対象とする。しかしながら、本明細書に開示される教示が他の撮像システムに適用可能であることに留意されたい。

[0020]図１は、手術室（または手術室の内部）１０および被検者（たとえば、患者）１４に処置を行うユーザ１２（たとえば、内科医）を図示する。処置を行う際に、ユーザ１２は撮像システム１６を使用して患者１４の画像データを取得する。患者１４の取得された画像データは２次元（２Ｄ）または３次元（３Ｄ）画像を含むことができる。取得された画像データを使用して、モデルが生成されてもよい。モデルは、代数的反復技法を含む様々な技法を使用して、取得された画像データに基づいて生成される３次元（３Ｄ）立体モデルとすることができる。画像データ（１８で示される）は表示装置２０に表示され得、追加的に、撮像コンピューティングシステム３２と関連付けられる表示装置３２ａに表示されてもよい。表示された画像データ１８は、２Ｄ画像、３Ｄ画像、および／または時間変化する４Ｄ画像を含んでもよい。表示された画像データ１８は、取得された画像データ、生成された画像データ、ならびに／または取得されたおよび生成された画像データの組合せも含んでもよい。

[0021]患者１４から取得される画像データは２Ｄ投影として取得されてもよい。２Ｄ投影は次いで、患者１４の３Ｄ立体画像データを再構成するために使用されてもよい。また、３Ｄ立体画像データから、理論的または順方向２Ｄ投影が生成されてもよい。したがって、画像データは、２Ｄ投影および／または３Ｄ立体モデルを提供するために使用されてもよい。

[0022]表示装置２０はコンピューティングシステム２２の一部でもよい。コンピューティングシステム２２は各種のコンピュータ可読媒体を含んでもよい。コンピュータ可読媒体は、コンピューティングシステム２２によってアクセスされる任意の入手可能な媒体でよく、かつ揮発性媒体および不揮発性媒体、ならびに取り外し式媒体および非取り外し式媒体を共に含んでもよい。例として、コンピュータ可読媒体はコンピュータ記憶媒体および通信媒体を含んでもよい。記憶媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリもしくは他のメモリ技術、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）もしくは他の光ディスク記憶デバイス、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク記憶デバイスもしくは他の磁気記憶デバイス、またはコンピュータ可読命令、ソフトウェア、データ構造、プログラムモジュールおよび他のデータを記憶するために使用され得、かつコンピューティングシステム２２によってアクセスされ得る任意の他の媒体を含むが、それに限定されない。コンピュータ可読媒体は直接に、またはインターネットなどのネットワークを通じてアクセスされてもよい。

[0023]１つの例では、コンピューティングシステム２２は、キーボードなどの入力装置２４、およびコンピューティングシステム２２と結合されてもよい１つまたは複数のプロセッサ２６（１つまたは複数のプロセッサは、複数処理コアプロセッサ、マイクロプロセッサなどを含んでもよい）を含むことができる。入力装置２４は、タッチパッド、タッチペン、タッチスクリーン、キーボード、マウス、ジョイスティック（時にジョイスティックコントローラと称される）、トラックボール、ワイヤレスマウス、可聴制御またはその組合せなど、ユーザがコンピューティングシステム２２とインタフェースすることを可能にするのに適する任意の装置を含んでよい。さらには、コンピューティングシステム２２が、表示装置２０から分離した入力装置２４を備えるとして本明細書に記載および例示されるのに対して、コンピューティングシステム２２はタッチパッドまたはタブレットコンピューティング装置を含んでもよく、かつ撮像コンピューティングシステム３２内に統合されても、またはその一部でもよい。コンピューティングシステム２２と表示装置２０との間に、接続（または通信線）２８がデータ通信のために設けられて、表示装置２０を駆動することが画像データ１８を例示できるようにしてもよい。

[0024]撮像システム１６は、Ｏアーム撮像システム、Ｃアーム撮像システムまたは他の適切な撮像システムでもよい。撮像システム１６は、移動カート３０、撮像コンピューティングシステム３２およびガントリ３４（またはＸ線スキャナガントリ）を含んでもよい。ガントリ３４は、Ｘ線源３６、コリメータ（図示せず）、多列検出器３８、平面検出器４０および回転体４２を含む。移動カート３０は１つの手術室から別の手術室へ移動されてもよく、ガントリ３４は移動カート３０に対して移動されてもよい。これは、撮像システム１６が可動であり、かつ固定撮像システムに費やされる資本支出または空間を必要とすることなく様々な処置のために使用されるようにする。ガントリ３４が可動であるとして図示されているが、ガントリ３４は移動カート３０に接続されなくてもよい。

[0025]撮像システム１６、移動カート３０および／または撮像コンピューティングシステム３２は、台１５および／または患者１４に対してガントリ３４を移動させ、方向付けるためのモータ、位置決め装置、連結部材、回路要素、コントローラ（または制御モジュール）、センサなど（その例が図２〜５に図示され、それらに関して記載される）を含んでもよい。モータ、位置決め装置、連結部材、回路要素、コントローラ（または制御モジュール）、センサなどは、ガントリ位置決めシステム３５の一部である。ガントリ位置決めシステム３５は、ユーザが最小限の労力でガントリ３４を選択位置に手動で移動させ、方向付けることを可能にするように構成される。ガントリ位置決めシステム３５の部分の例が図２〜５に関して図示および記載される。

[0026]ガントリ３４は撮像システム１６のアイソセンタを定めてもよい。この点に関しては、ガントリ３４を通る中心線Ｃ１が撮像システム１６のアイソセンタまたは中心を定める。一般に、患者１４はガントリ３４の中心線Ｃ１に沿って位置決めされ得、そのため患者１４の前後軸が撮像システム１６のアイソセンタと合わせられる。

[0027]撮像コンピューティングシステム３２は、多列検出器３８、平面検出器４０および回転体４２の移動、位置決めおよび調節を独立して制御して、プロセッサ２６の画像処理モジュール４３を介する画像データ取得を可能にしてもよい。処理された画像は表示装置２０に表示されてもよい。

[0028]動作中、線源３６は患者１４を通してＸ線を発し、それらは多列検出器３８または平面検出器４０によって検出される。線源３６によって発されるＸ線はコリメータによって整形されて、多列検出器３８または平面検出器４０による検出のために発されてもよい。コリメータは１つまたは複数のリーフを含んでもよく、それらは線源３６によって発されるＸ線を整形するように制御されてもよい。コリメータは、線源３６によって発されるＸ線を、多列検出器３８および平面検出器４０の形状と一致するビームに整形してもよい。多列検出器３８は、軟組織の領域など、解剖学的構造の低コントラスト領域の画像データを取得するために選択されてもよい。平面検出器４０は、骨など、解剖学的構造の高コントラスト領域の画像データを取得するために選択されてもよい。線源３６、コリメータ、多列検出器３８および平面検出器４０は各々、回転体４２に連結および／または装着されてもよい。

[0029]多列検出器３８および平面検出器４０は、（ｉ）ガントリ３４内で線源３６およびコリメータから正反対であり、かつ（ｉｉ）互いに対して、ならびに線源３６およびコリメータと位置合せするように独立して移動可能であるように、回転体４２に連結されてもよい。１つの例では、多列検出器３８は、平面検出器４０が多列検出器３８に隣接するように位置決めされてもよい。１つの代替例では、平面検出器４０は、平面検出器４０を使用する画像が取得されるときに、多列検出器３８上を移動されて線源３６と位置合せしてもよい。別の例では、多列検出器３８は平面検出器４０上に位置決めされてもよい。さらなる代替案として、多列検出器３８および平面検出器４０は各々別々に移動可能でもよく、そのため選択された多列検出器３８または平面検出器４０が線源３６およびコリメータと位置合せされてもよい。多列検出器３８および平面検出器４０の選択された一方は、多列検出器３８および平面検出器４０の選択された一方が線源３６およびコリメータから実質的に反対の、または約１８０度離れたときに、線源３６およびコリメータと位置合せされてもよい。

[0030]線源３６、コリメータ、多列検出器３８および平面検出器４０が回転体４２に連結するので、線源３６、コリメータ、多列検出器３８および平面検出器４０は、患者１４のまわりにガントリ３４内で移動可能である。したがって、多列検出器３８および平面検出器４０は、矢印３９によって示されるように、患者１４のまわりに３６０°運動で回転され得る。線源３６およびコリメータは、線源３６およびコリメータが多列検出器３８または平面検出器４０から略１８０°離れ、それらと反対のままであるように、多列検出器３８および平面検出器４０の少なくとも一方と協力して移動してもよい。

[0031]ガントリ３４は複数の運動自由度を有する。ガントリ３４は、患者１４が配置される台１５に対して等軸に左右揺動または旋回されてもよい（本明細書で等左右揺れとも称される）。等軸旋回（時に揺動（もしくはヨー）角または揺動軸と称される）は矢印４１によって示される。ガントリ３４は、矢印４５（時に傾斜（もしくはロール）角または傾斜軸と称される）によって示されるように患者１４に対して傾けられても、矢印４４（時にｚ軸と称される）によって示されるように患者１４に対して前後に移動されても、矢印４６（時にｙ軸と称される）によって示されるように移動カート３０に対して上下に、かつ患者１４に直角に移動されても、矢印４８（時にｘ軸と称される）によって示されるように移動カート３０から離れて、またはその方へ移動されても、および矢印４９（時にピッチ角またはピッチ軸と称される）によって示されるように移動カート３０上の点のまわりに回転されてもよい。運動自由度はデカルト座標系を使用して表されてもよい。これらの運動自由度はガントリ位置決めシステム３５によって提供され、ユーザがユーザによる最小限の労力で台１５および患者１４に対してガントリを移動させることを可能にする。ガントリ３４のこれらの異なる運動自由度は、線源３６、コリメータ、多列検出器３８および平面検出器４０が患者１４に対して位置決めされるようにする。

[0032]ガントリ位置決めシステム３５は、図１の例に図示されるように、入力センサ５１および構成部品（またはハンドル）５３を含んでもよい。入力センサ５１は６自由度（ＤＯＦ）センサでもよい。入力センサ５１は、ハンドル５３の移動および／またはそれに加えられる力に基づいて、位置、速度、加速度、力および／またはトルクを検出するために使用されてもよい。入力センサ５１は、図示されるようにガントリ３４に装着されてもよく、またはガントリ３４、撮像コンピューティングシステム３２、移動カート３０、コンピューティングシステム２２などの上または中の他の場所に設けられてもよい。ハンドル５３は、図示されるようにセンサ５１に接続されてもよく、またはジョイスティックの一部でもよい。ジョイスティックは、ジョイスティックの運動を検出するためにエンコーダまたは他の光センサを含んでもよい。入力センサ５１はガントリ３４にハード装着されてもよく、または他の場所に設けられてもよい。図示されるようにセンサ５１およびハンドル５３をガントリ３４の（ｘ軸方向の）端に装着することによって、ユーザは、ハンドル５３のそばに立つとｚ−方向にガントリの手前および裏の両側を見ることができる。

[0033]入力センサ５１はセンサの集合を含んでもよい。入力センサ５１は、６ＤＯＦ感知モジュールに組み立てられるリニアおよび／もしくはロータリエンコーダの組合せ、６ＤＯＦ感知モジュールに組み立てられる一組の光センサ、６ＤＯＦ感知モジュールに組み立てられる一組のロードセルおよび／もしくは歪みゲージ、ならびに／または６ＤＯＦ感知モジュールに組み立てられる一組の加速度計および／もしくはジャイロスコープを含んでもよい。入力センサ５１は、任意の数のエンコーダ（リニアおよび／もしくはロータリエンコーダ）、光センサ、ロードセル、歪みゲージ、加速度計、ジャイロスコープ、ならびに／または他のセンサを含んでもよい。入力センサ５１は６自由度ロードセル（または力／トルクセンサ）を含んでもよい。入力センサ５１は、ハンドル５３の６移動自由度を提供するために多軸ジンバルを含んでもよい。ハンドル５３の６運動自由度は、ガントリ３４の対応する運動に変換されてもよい。入力センサ５１は慣性測定装置（時に慣性測定ユニット（ＩＭＵ）と称される）で、３つの加速度計および３つのジャイロスコープを含んでもよい。センサ５１がエンコーダまたは光センサを含む場合、エンコーダおよび光センサは、エンコーダおよび光センサの種類ならびに使用される対応信号処理回路に応じて位置、速度および／または加速度を検出するために使用されてもよい。センサ５１がＩＭＵを含み、かつ／またはそれとして実装される場合、センサ５１は、速度および／または加速度を測定するために使用されてもよい。ロードセルおよび歪みゲージは、力および／またはトルクを検出するために使用されてもよい。

[0034]撮像システム１６は、患者１４に対して線源３６、コリメータ、多列検出器３８および平面検出器４０を移動させて患者１４の正確な画像データを生成するために、撮像コンピューティングシステム３２によって正確に制御されてもよい。加えて、撮像システム１６は、撮像システム１６からプロセッサ２６への有線もしくはワイヤレス接続または物理媒体転送を含む接続５０を介してプロセッサ２６と接続されてもよい。したがって、撮像システム１６で収集される画像データはまた、ナビゲーション、表示、再構成などのために、撮像コンピューティングシステム３２からコンピューティングシステム２２へ転送されてもよい。

[0035]撮像システム１６は非ナビゲートまたはナビゲート処置の間にも使用されてもよい。ナビゲート処置では、患者１４に対するナビゲーション領域内で場を発生させる、または信号を受信もしくは送信するために、光学ローカライザ６０および電磁ローカライザ６２の一方または両方を含むローカライザが使用されてもよい。所望により、ナビゲート処置を行うことと関連付けられるナビゲーションシステムの構成部品は撮像システム１６内に統合されてもよい。患者１４に対するナビゲート空間またはナビゲーション領域は、ナビゲーション領域内に定められるナビゲーション空間および画像データ１８によって定められる画像空間の登録を許容するために、画像データ１８に登録されてもよい。画像データ１８への患者１４の登録の動的登録および維持を可能にするために、患者追跡器（または動的参照フレーム）６４が患者１４に接続されてもよい。

[0036]ナビゲート処置を可能にするために、次いで器具６６が患者１４に対して追跡されてもよい。器具６６は、光学ローカライザ６０または電磁ローカライザ６２の一方または両方で器具６６の追跡を可能にするために、光学追跡装置６８および／または電磁追跡装置７０を含んでもよい。器具６６はナビゲーションインタフェース装置７４との通信線７２を含んでもよく、その装置は電磁ローカライザ６２および／または光学ローカライザ６０と通信してもよい。ナビゲーションインタフェース装置７４は次いで、通信線８０を介してプロセッサ２６と通信してもよい。接続または通信線２８、５０、７６、７８または８０は、図示されるようにワイヤベースであることができ、または対応する装置は互いとワイヤレスで通信してもよい。統合ナビゲーションシステムを有する撮像システム１６は患者１４に対して器具６６を追跡して、処置を行うために画像データ１８に対する器具６６の追跡された場所の図示を可能にする。

[0037]器具６６は介入器具および／またはインプラントでもよい。インプラントは、心室または血管ステント、脊椎インプラント、神経ステントなどを含んでもよい。器具６６は、脳深部または神経刺激器、アブレーション装置または他の適切な器具などの介入器具でもよい。器具６６を追跡することは、登録された画像データ１８を使用して、かつ患者１４内の器具６６を直接見ることなく、患者１４に対する器具６６の場所を見ることを可能にする。たとえば、器具６６は、画像データ１８に重畳されるアイコンとしてグラフィカルに例示されてもよい。

[0038]さらに、撮像システム１６は、それぞれの光学ローカライザ６０または電磁ローカライザ６２で追跡されることになる光学追跡装置８２または電磁追跡装置８４などの追跡装置を含んでもよい。追跡装置８２、８４は、選択される参照フレームに対する線源３６、多列検出器３８、平面検出器４０、回転体４２および／またはガントリ３４の場所または位置を決定するために、線源３６、多列検出器３８、平面検出器４０、回転体４２、ガントリ３４または撮像システム１６の他の適切な部品と直接関連付けられてもよい。例示されるように、追跡装置８２、８４はガントリ３４のハウジングの外面に位置決めされてもよい。したがって、画像データ１８に対する患者１４の初期登録、自動登録または継続登録を可能にするために、器具６６を含む撮像システム１６の部分が患者１４に対して追跡されてもよい。

[0039]画像処理モジュール４３は入力装置３２ｃからユーザ入力データを受信してもよく、表示装置２０または表示装置３２ａに画像データ１８を出力してもよい。ユーザ入力データは、患者１４の画像データを取得する要求を含んでもよい。ユーザ入力データに基づいて、画像処理モジュール４３は検出器信号および運動信号を生成してもよい。検出器信号は、画像取得のための選択される検出器を含んでもよい。運動信号は、回転体４２が画像データを取得するために選択場所に移動する運動プロファイルを含んでもよい。運動信号は、画像処理モジュールからガントリ制御モジュール８５へ提供される指令または命令信号でもよい。ガントリ制御モジュール８５は、撮像コンピューティングシステム３２内に、移動カート３０上に、またはプロセッサ２６の一部として含まれてもよい。画像処理モジュール４３はまた、線源３６にソース信号を送信してもよい。ソース信号は、少なくとも１つまたは複数のＸ線パルスを出力する、または発するように線源３６に指令してもよい。画像処理モジュール４３はコリメータにコリメータ信号も送信してもよい。コリメータ信号は１つまたは複数の平行Ｘ線パルスの選択形状を示してもよい。平行Ｘ線パルスの選択形状は、多列検出器３８および平面検出器４０の選択された一方に対応してもよい。この点に関して、多列検出器３８が選択されれば、平行Ｘ線パルスは、多列検出器３８の形状と一致するようにコリメータによって整形されてもよい。平面検出器４０が選択されれば、平行Ｘ線パルスは、平面検出器４０の形状と一致するようにコリメータによって整形されてもよい。

[0040]画像処理モジュール４３は入力として多列検出器信号も受信してもよく、それは多列検出器３８によって検出される１つまたは複数の平行Ｘ線パルスを含んでもよい。画像処理モジュール４３は入力として平面検出器信号を受信してもよく、それは平面検出器４０によって検出される１つまたは複数の平行Ｘ線パルスを含んでもよい。受信された平行Ｘ線パルスに基づいて、画像処理モジュール４３は画像データ１８を生成してもよい。

[0041]１つの例では、画像データ１８は単一の２Ｄ画像を含んでもよい。別の例では、画像処理モジュール４３は、患者１４の関心領域の初期３Ｄモデルの自動再構成を行ってもよい。３Ｄモデルの再構成は、最適化のための代数的技法を使用してなど、任意の適切な方法で行われてよい。代数的技法は、期待値最大化（ＥＭ）、オーダーサブセットＥＭ（ＯＳ−ＥＭ）、同時代数的再構成技法（ＳＡＲＴ）および全変動最小化を含んでもよい。３Ｄ立体再構成は２Ｄ投影に基づいてもたらされてもよい。

[0042]代数的技法は、画像データ１８としての表示のための患者１４の再構成を行うために反復プロセスを含んでもよい。たとえば、「理論的」患者の地図または定型モデルに基づく、またはそれから生成される純粋または理論画像データ投影は、理論投影画像が患者１４の取得される２Ｄ投影画像データと一致するまで、反復的に変化されてもよい。次いで、定型モデルは、患者１４の取得された２Ｄ投影画像データの３Ｄ立体再構成モデルとして適切に変更されてもよく、かつナビゲーション、診断または介入計画などの外科的介入に使用されてもよい。この点に関して、定型モデルは患者１４の解剖学的構造に関する追加の詳細を提供してもよく、それはユーザ１２が外科的介入を効率的に計画することを可能にしてもよい。理論モデルは理論画像データと関連付けられて理論モデルを構成してもよい。このようにして、モデルまたは画像データ１８は、撮像システム１６で患者１４から取得される画像データに基づいて構築されてもよい。画像処理モジュール４３は表示装置３２ａに画像データ１８を出力してもよい。

[0043]ガントリ制御モジュール８５は、入力として画像処理モジュール４３から検出器信号および運動信号を受信してもよい。ガントリ制御モジュール８５は、検出器信号および運動信号に基づいて、回転体制御モジュール９０に制御信号を（ワイヤを介して、またはワイヤレスで）送信してもよい。回転体制御モジュール９０は回転体４２上に設けられてもよい。検出器信号に基づいて、ガントリ制御モジュール８５は第１の移動信号を生成して、多列検出器３８または平面検出器４０の選択された一方を線源３６およびコリメータと位置合せするように移動させてもよい。運動信号に基づいて、ガントリ制御モジュール８５は回転体４２に対する第２の移動信号も生成して、回転体４２を患者１４に対してガントリ３４内で移動または回転させてもよい。第３の移動信号が運動信号に基づいて生成され、回転体制御モジュール９０に提供されてもよい。回転体４２が回転されて、線源３６、コリメータ、多列検出器３８および平面検出器４０を、ガントリ３４内で患者１４の前後軸のまわりに３６０°移動させてもよい。回転体は３６０°を超えて単一の方向に連続的に回転されてもよい。患者１４のまわりの線源３６、コリメータ、多列検出器３８および平面検出器４０の移動が制御されて、患者１４に対する選択場所および向きで画像データを取得してもよい。

[0044]２Ｄ画像データは回転体４２の複数の環状位置の各々で取得されてもよい。３Ｄ画像データは２Ｄ画像データに基づいて生成されてもよい。また、ガントリ３４、線源３６、多列検出器３８および平面検出器４０は円形に移動されなくてもよく、むしろ渦巻螺旋、または患者１４のまわりの、もしくは患者に対する他の旋動などの別のパターンで移動されてもよい。これは放射線への患者の暴露を低減させることができる。パターン（または経路）は、ガントリ３４などの撮像システム１６の移動に基づいて非対称および／または非線形でもよい。言い換えると、経路は、ガントリ３４が停止され、ガントリ３４が以前にたどった経路に沿った方向に後退されてもよいという点で連続的でなくてもよい。これは、ガントリ３４の以前の揺動をたどることを含んでもよい。

[0045]撮像システム１６への入力は、コンピューティングシステム２２もしくは撮像コンピューティングシステム３２内の入力装置３２ｃ、入力装置２４もしくは他の制御モジュール（図示せず）で受信されても、かつ／または画像処理モジュール４３内の他のサブモジュール（図示せず）によって決定されてもよい。画像処理モジュール４３は、患者１４の画像データが取得されるように要求するユーザ入力データを受信してもよい。入力データは、患者１４上の関心領域が高コントラスト領域（たとえば骨組織）であるか低コントラスト領域（たとえば軟組織）であるかに関する情報を含んでもよい。１つの例では、ユーザ入力データは患者１４の解剖学的構造上の関心領域を含んでもよい。画像処理モジュール４３は、関心領域に基づいて多列検出器３８または平面検出器４０を使用すると自動的に決定してもよい。たとえば、ユーザは（ｉ）多列検出器３８を軟組織の画像を取得するように、および（ｉｉ）平面検出器４０を骨組織の画像を取得するように選択してもよい。

[0046]ユーザ入力データに基づいて、画像処理モジュール４３はソースデータおよび検出器型式データを生成してもよい。画像処理モジュール４３は運動プロファイルデータおよびコリメータデータも生成してもよい。ソースデータは、Ｘ線パルスを出力する情報または撮像システム１６の電源を切る信号を含んでもよい。検出器型式データは、画像データを取得するように選択された多列検出器３８または平面検出器４０を含んでもよい。運動プロファイルデータは、ガントリ３４内の回転体４２の移動のための選択されるプロファイルを含んでもよい。コリメータデータは、Ｘ線パルスを、多列検出器３８および平面検出器４０の選択された一方と一致するように平行Ｘ線パルスに整形する情報を含んでもよい。

[0047]画像処理モジュール４３は、入力として多列検出器データおよび平面検出器データも受信してもよい。多列検出器データは、多列検出器３８によって受信される平行Ｘ線パルスからのエネルギーを示してもよい。平面検出器データは、平面検出器４０によって受信される平行Ｘ線パルスからのエネルギーを示してもよい。多列検出器データおよび平面検出器データに基づいて、画像処理モジュール４３は画像データ１８を生成してもよく、表示装置３２ａまたは表示装置２０にこの画像データ１８を出力してもよい。

[0048]ガントリ制御モジュール８５は、入力として検出器型式データおよび運動プロファイルデータを受信してもよい。検出器型式データに基づいて、ガントリ制御モジュール８５は平面移動データもしくは多列移動データ（および／または対応する信号）を生成してもよい。平面移動データは、平面検出器４０が線源３６およびコリメータと位置合せされるように移動する選択位置を含んでもよい。多列移動データは、多列検出器３８が線源３６およびコリメータと位置合せされるように移動する選択位置を含んでもよい。

[0049]プロセッサ２６またはそのモジュールは、ソースデータに基づいて、線源３６にコリメータの制御のためのパルスデータを生成させてもよい。パルスデータは少なくとも１つのＸ線パルスのためのパルスデータを含んでもよい。プロセッサ２６および／またはそのモジュールは、入力として多列移動データおよび平行パルスデータを受信してもよい。多列移動データに基づいて、多列検出器３８は線源３６と位置合せするように移動してもよい。受信されたパルスデータに基づいて、プロセッサ２６および／またはそのモジュールは、画像処理モジュール４３のための多列検出器データ（および／または対応する信号）を生成してもよい。プロセッサ２６および／またはそのモジュールは、入力として平面移動データおよび平行パルスデータを受信してもよい。平面移動データに基づいて、平面検出器４０は線源３６と位置合せするように移動してもよい。受信されたパルスデータに基づいて、平面制御モジュールは、画像処理モジュール４３のための平面検出器データ（および／または対応する信号）を生成してもよい。

[0050]運動プロファイルデータに基づいて、ガントリ制御モジュール８５は、回転体制御モジュール９０のための回転体運動データ（および／または対応する信号）を生成してもよい。回転体運動データは、回転体４２が画像データの取得を可能にするためにガントリ３４内で移動する選択された移動プロファイルを示してもよい。回転体制御モジュール９０は、入力として回転体運動データを受信してもよい。回転体運動データに基づいて、回転体４２は、画像データを取得するためにガントリ３４内で所望の場所に移動されてもよい。

[0051]センサ５１は、システム１６、２２、３２のプロセッサ２６、ガントリ制御モジュール８５、回転体制御モジュール９０、ならびに／または他のコントローラおよび／もしくはモジュールにワイヤ（または他の２地点間導電性要素）を介して接続されても、またはそれらとワイヤレスで通信してもよい。たとえば、センサ５１がＩＭＵとして実装される場合、センサ５１は、システム１６、２２、３２のプロセッサ２６、ガントリ制御モジュール８５、回転体制御モジュール９０、ならびに／または他のコントローラおよび／もしくはモジュールとワイヤレスで通信してもよい。センサ５１、プロセッサ２６、ガントリ制御モジュール８５および回転体制御モジュール９０は、互いとのワイヤレス通信のためのそれぞれの媒体アクセス制御（ＭＡＣ）モジュールおよび物理レイヤ（ＰＨＹ）モジュールをもつトランシーバを含んでもよい。センサ５１、プロセッサ２６、ガントリ制御モジュール８５および／または回転体制御モジュール９０は、ガントリ３４の移動のために位置制御、速度制御、加速度制御、力制御および／またはトルク制御を提供してもよい。システム１６、２２、３２のセンサ、モジュール、プロセッサおよび／またはコントローラは、互いと通信しても、本明細書に開示されるデータ、信号および／または情報を共有してもよい。

[0052]上記された６自由度を提供し、ユーザがガントリ３４を適所に手動で、物理的に、かつ容易に移動させることを可能にするために、ゼロ力制御システムが各自由度に対して提供されてもよい。各ゼロ力制御システムは、１つまたは複数の入力センサ、コントローラ（または制御モジュール）、増幅器、モータ、連結部材、フィードバックセンサなどを有する。ゼロ力制御システムは、入力センサ、コントローラ、連結部材、フィードバックセンサなどを共有してもよい。センサ５１およびハンドル５３がガントリ３４から離れて設けられ、かつ／またはガントリ３４を移動させるためにジョイスティックが使用される場合、センサ５１がガントリ制御モジュール８５に指令信号を通信してもよいことに留意されたい。ガントリ制御モジュール８５は次いで、指令されるようにガントリ３４の６自由度と関連付けられる１つまたは複数の方向にガントリを移動させるように、それぞれのアクチュエータおよび／またはモータを制御してもよい。

[0053]ゼロ力制御システムが図２〜５に関して下記される。ゼロ力制御システムの各々は、ガントリ３４の自由度の１つまたは複数に対して提供されてもよい。言い換えると、２つのゼロ力制御システムが図２および４に図示されているが、６つのゼロ力制御システムがガントリ３４に、および／またはシステム１６、２２、３２の１つに含まれてもよい。図２〜５がアクティブ制御システムであるゼロ制御システムに関して主に記載されているが、ガントリのゼロ力移動および移動後位置維持はアクティブ制御なしで提供されてもよい。たとえば、（ｉ）最小限の力がガントリ３４を移動させること、および（ｉｉ）ガントリ３４が選択位置に保持されることを可能にする釣合せおよび摩擦装置が、移動カート３０、撮像システム１６、画像コンピューティングシステム３２に、および／またはガントリ３４に、もしくはそれとは別に含まれてもよい。釣合せ装置および摩擦装置は各自由度に対して使用されてもよい。釣合せ装置は、たとえば、おもりおよび／またはばねを含んでもよく、それらは重力の影響を相殺するために使用されてもよい。釣合せ装置は、特にガントリ３４が可動でなく、より高い摩擦力がより優勢でありえる場合に、摩擦を克服するために使用されてもよい。摩擦装置は、たとえば、ブレーキ、摩擦材を有するパッド、停止要素などを含んでもよい。ガントリ３４を位置決めした上で、摩擦装置はガントリ３４を適所に保持してもよいが、しかしわずかな力および／またはトルク量で対応する摩擦を克服することを可能にするために、ガントリ３４は容易に再位置決めされ得る。

[0054]ここで図２も参照すると、ガントリ位置決めシステム３５の少なくとも一部分（またはゼロ力制御システム）１００の力ベースの例を図示する。図示される例では、ゼロ力制御システム１００は、力／トルク入力センサ１０２、アナログ加算器１０３、コントローラ１０４（または力／トルクモジュール）、増幅器１０６、アクチュエータ（またはサーボモータ）１０８、１つまたは複数の連結部材１１０、Ｏアームガントリ（たとえば、ガントリ３４または他のガントリ）１１２、およびフィードバックセンサ１１４を含む。

[0055]力／トルク入力センサ１０２は、たとえば、入力センサ５１でもよく、かつ／またはロードセル、歪みゲージおよび／もしくは他の力／トルクセンサを含んでもよい。力／トルク入力センサ１０２は、センサ５１内の単一のセンサ、荷重センサまたは歪みゲージでもよい。アクチュエータ１０８はモータを含んでも、かつ／またはそれとして実装されてもよい。アクチュエータ１０８は、たとえば、直列弾性アクチュエータ（ＳＥＡ）でもよい。例として、ＳＥＡは、モータによって駆動されるボールねじを含んでもよい。ＳＥＡは、ボールねじの端に軸方向に装着されて力制御を提供するばね（直列ばねと称される）をさらに含んでもよい。ＳＥＡは線形装置または回転装置でもよい。ＳＥＡは動荷重の吸収を提供し、かつボールねじへの損傷を防止するように構成される。ボールねじ上のばねのたわみは、力フィードバックセンサ（たとえば、力フィードバックセンサ１１４）として感知および使用されてもよい。

[0056]連結部材１１０は、ボールねじ、アクセル、ベルト、チェーン、ギア、プーリ、ブラケット、ばね、釣合せ装置、摩擦装置などを含んでもよい。連結部材１１０はアクチュエータ１０８をＯアームガントリ１１２に接続する。フィードバックセンサ１１４は力／トルク入力センサ１０２と同様でも、かつロードセル、歪みゲージおよび／または他の力／トルクセンサを含んでもよい。フィードバックセンサ１１４は、アクチュエータ１０８、連結部材１１０の１つおよび／またはＯアームガントリ１１２に設けられてもよい。

[0057]ゼロ力制御システム１００は図３の方法に関してさらに記載される。図３は、ガントリを位置決めし、ゼロ力制御システム１００を動作させる方法を図示する。以下のタスクが図１〜２の実装に関して主に記載されているが、タスクは本開示の他の実装に適用されるように容易に変更され得る。タスクは反復的に行われてもよい。タスクはＯアームガントリ１１２の各自由度に対して実装されてもよい。

[0058]方法は１３０から開始する。１３２で、力／トルク入力センサ１０２は、図１のハンドル５３、ジョイスティックのハンドル、または他の移動装置に加えられる入力力および／またはトルクを検出する。力および／またはトルクは、単一の自由度に対応する単一の方向のＯアームガントリ１１２の移動と関連付けられてもよい。力／トルク入力センサ１０２は指令信号ＦＣを生成し、それは力量および／またはトルク量を示してもよい。

[0059]１３４で、アナログ加算器１０３は指令信号ＦＣから測定（または検出）されるフィードバック信号ＦＭを減算する。フィードバック信号ＦＭはフィードバックセンサ１１４からでもよい。アナログ加算器は誤差信号ＥＲＲを出力する。１３６で、コントローラ１０４は誤差信号ＥＲＲを受信し、モータ指令信号ＭＣを生成する。コントローラ１０４は比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラまたは他の適切なコントローラでもよい。コントローラ１０４は、ゼロ参照力および／またはトルク（または他の所定の力／トルク量）に基づいてモータ指令信号ＭＣを生成してもよい。コントローラ１０４は、誤差信号ＥＲＲによって示される誤差を補償し、Ｏアームガントリ１１２のハンドル５３または他の構成部品で正味ゼロ力および／もしくはトルク（または他の所定の力／トルク量）を提供するようにアクチュエータ１０８を制御してもよい。これは釣合せをもたらす。

[0060]１３８で、増幅器１０６はモータ指令信号ＭＣを増幅して増幅モータ指令信号ＡＭＣを生成する。１４０で、モータ１０８は、増幅モータ指令信号ＡＭＣに基づいて力／トルク量を出力して、Ｏアームガントリ１１２を特定方向に移動させる。力／トルクは、力／トルク入力センサ１０２によって検出された入力力／トルクの方向に提供されて、ゼロ（もしくは他の所定量）のハンドル５３での正味力／トルクまたはゼロ（もしくは他の所定量）から所定範囲内の正味力／トルクを提供してもよい。

[0061]１４２で、フィードバックセンサ１１４は出力された力／トルクを検出し、測定されたフィードバック信号ＦＭを生成し、それがアナログ加算器１０３に提供される。図２に図示されないが、フィードバックセンサ１１４の出力は、力／トルク指令信号ＦＣと比較可能な力／トルク信号を提供するように処理される信号でもよい。たとえば、フィードバックセンサ１１４の出力はガントリ制御モジュール８５に提供されてもよく、それが次いでフィードバックセンサ１１４の出力を変換して、力／トルク指令信号ＦＣと比較可能である力／トルクフィードバック信号ＦＭを提供してもよい。

[0062]１４４で、誤差信号ＥＲＲがゼロ（もしくは他の所定量）に等しい、またはゼロ（もしくは他の所定量）から所定範囲内であれば、タスク１４６が行われ、そうでなければタスク１３２が行われてもよい。１４６で、Ｏアームガントリ１１２は選択位置に保持される。これは、ブレーキ、摩擦装置および／または他の位置維持装置を使用してなされてもよい。いくつかの摩擦装置は以上に開示された。ブレーキの動作は以下の図４〜５に関してさらに記載される。１４８で、別の力／トルク指令信号が力／トルク入力センサ１０２を介して受信されれば、タスク１３４が行われてもよく、そうでなければ、図示されるようにタスク１４６が行われてもよく、または方法が終了してもよい。

[0063]図２は、単一の力／トルクベースのループ例を提供する。図４は、位置および力／トルク両ベースである二重（またはカスケード）ループ例を提供する。本明細書に開示されるガントリの自由度の各々に対するゼロ力制御は、様々な技法を使用して実装されてもよい。一対の技法が図２〜５に関して記載される。図４のゼロ力制御システムが位置制御ループ内の力／トルク制御ループを有するとして主に記載されているが、ゼロ力制御システムは速度または加速度制御ループを含んでもよい。速度または加速度制御ループは、位置制御ループに加えて、またはその代替案として含まれてもよい。

[0064]ここで図１および図４を参照すると、図１のガントリ位置決めシステム３５の少なくとも一部分（またはゼロ力制御システム）１５０の位置および力ベースの例を図示する。図示される例では、ゼロ力制御システム１５０は、ガントリ制御モジュール８５、位置入力センサ１５２、第１のスイッチ１５４、第１のアナログ加算器１５６、位置コントローラ（または位置モジュール）１５８、第２のスイッチ１６０、力／トルク入力センサ１６２、第２のアナログ加算器１６３、第２の（または力／トルク）コントローラ１６４（または力／トルクモジュール）、増幅器１６６、アクチュエータ（またはサーボモータ）１６８、１つまたは複数の連結部材１７０、Ｏアームガントリ（たとえば、ガントリ３４または他のガントリ）１７２、力／トルクフィードバックセンサ１７４、および位置フィードバックセンサ１７６を含む。ゼロ力制御システム１５０は、ブレーキ１８０および／または摩擦装置も含んでもよい。第１のアナログ加算器１５６、位置コントローラ１５８、第２のスイッチ１６０、第２のアナログ加算器１６３、力コントローラ１６４、増幅器１６６、モータ１６８、連結部材１７０、Ｏアームガントリ１７２および位置フィードバックセンサ１７６は、位置制御ループ１８２（外側ループと称される）の一部である。第２のアナログ加算器１６３、力コントローラ１６４、増幅器１６６、モータ１６８、連結部材１７０、Ｏアームガントリ１７２および力／トルクフィードバックセンサ１７４は、力／トルク制御ループ１８４（内側ループと称される）の一部である。

[0065]位置入力センサ１５２は、たとえば、入力センサ５１、ジョイスティック、エンコーダ、光センサおよび／または他の位置センサでもよい。位置入力センサ１５２は、センサ５１内のかつ／またはジョイスティック内の単一の位置、速度および／または加速度センサでもよい。力／トルク入力センサ１６２は、たとえば、入力センサ５１でもよく、かつ／またはロードセル、歪みゲージおよび／もしくは他の力／トルクセンサを含んでもよい。力／トルク入力センサ１６２は、センサ５１内の単一のセンサ、荷重センサまたは歪みゲージでもよい。アクチュエータ１６８はモータを含んでも、かつ／またはそれとして実装されてもよい。アクチュエータ１６８は、たとえば、ＳＥＡでもよい。ＳＥＡのボールねじ上のばねのたわみは、力フィードバックセンサ（たとえば、力／トルクフィードバックセンサ１７４）として感知および使用されてもよい。

[0066]連結部材１７０は、ボールねじ、アクセル、ベルト、チェーン、ギア、プーリ、ブラケット、ばね、釣合せ装置、摩擦装置などを含んでもよい。連結部材１７０はアクチュエータ１６８をＯアームガントリ１７２に接続する。力／トルクフィードバックセンサ１７４は力／トルク入力センサ１６２と同様でも、かつ１つまたは複数のロードセル、歪みゲージおよび／または他の力／トルクセンサを含んでもよい。力／トルクフィードバックセンサ１７４は、アクチュエータ１６８、連結部材１７０の１つおよび／またはＯアームガントリ１７２に設けられてもよい。位置フィードバックセンサ１７６は位置入力センサ１５２と同様でもよく、１つまたは複数のエンコーダ、光センサおよび／または他の位置センサを含んでもよい。

[0067]ゼロ力制御システム１５０は図５の方法に関してさらに記載される。図５は、ガントリを位置決めし、ゼロ力制御システム１５０を動作させる方法を図示する。以下のタスクが図１および４の実装に関して主に記載されているが、タスクは本開示の他の実装に適用されるように容易に変更され得る。タスクは反復的に行われてもよい。タスクはＯアームガントリ１７２の各自由度に対して実装されてもよい。

[0068]方法は２００から開始する。スイッチ１５４、１６０は２００で閉じられてもよく、または動作モードに応じて２００で閉状態にあってもよい。第１のスイッチ１５４は、位置指令信号に基づいて位置制御が行われるかどうかを制御する。第２のスイッチは、位置制御ループ１８２を介して位置制御が提供されるかどうかを制御する。

[0069]２０２で、位置入力センサ１５２は位置指令信号ＰＣを生成する。位置指令信号ＰＣによって示される位置は、単一の自由度に対応する単一の方向のＯアームガントリ１１２の移動と関連付けられてもよい。２０４で、第１のアナログ加算器１５６は、位置指令信号ＰＣおよび測定される位置フィードバック信号ＰＭを合計して位置誤差信号ＰＥＲＲを生成する。２０６で、位置コントローラ１５８は位置誤差信号を受信し、第１の力指令信号ＦＣ１を生成し、それは力量またはトルク量を示してもよい。位置コントローラ１５８はＰＩＤコントローラまたは他の適切なコントローラでもよい。第１の力指令信号ＦＣ１は、位置誤差信号ＰＥＲＲおよび、たとえば、位置誤差を力／トルク指令値に関係付けるテーブルに基づいてもよい。

[0070]２０７で、力／トルク入力センサ１６２は第２の力／トルク指令信号ＦＣ２を生成してもよく、それは第２の力量および／または第２のトルク量を示してもよい。力および／またはトルクは、単一の自由度に対応する単一の方向のＯアームガントリ１７２の移動と関連付けられてもよい。

[0071]２０８で、第２のアナログ加算器１６３は、第１の力／トルク指令信号ＦＣ１および力／トルク入力センサ１６２からの第２の力／トルク指令信号ＦＣ２を合計する。ＦＣ１およびＦＣ２の合計から力／トルクフィードバック信号ＦＭが減算される。減算の結果は力／トルク誤差信号ＦＥＲＲとして提供される。

[0072]２１０で、力／トルクコントローラ１６４は力／トルク誤差信号ＦＥＲＲを受信し、モータ指令信号ＭＣを生成する。力／トルクコントローラ１６４はＰＩＤコントローラまたは他の適切なコントローラでもよい。力／トルクコントローラ１６４は、ゼロ参照力および／またはトルク（または他の所定の力／トルク量）に基づいてモータ指令信号ＭＣを生成してもよい。力／トルクコントローラ１６４は、力／トルク誤差信号ＦＥＲＲによって示される誤差を補償し、Ｏアームガントリ１７２のハンドル５３または他の構成部品で正味ゼロ力および／もしくはトルク（または他の所定の力／トルク量）を提供するようにアクチュエータ１６８を制御してもよい。これは釣合せをもたらす。

[0073]２１２で、増幅器１６６はモータ指令信号ＭＣを増幅して増幅モータ指令信号ＡＭＣを生成する。２１４で、モータ１６８は、増幅モータ指令信号ＡＭＣに基づいて力／トルク量を出力して、Ｏアームガントリ１７２を特定方向に移動させる。力／トルクは、力／トルク入力センサ１６２によって検出された入力力／トルクの方向に、および／または位置入力センサ１５２によって示される方向に提供されてもよい。これは、ゼロ（もしくは他の所定の力／トルク量）のハンドル５３での正味力／トルクまたはゼロ（もしくは他の所定の力／トルク量）から所定範囲内の正味力／トルクを提供する。

[0074]２１６で、力／トルクフィードバックセンサ１７４は出力された力／トルクを検出し、測定された力／トルクフィードバック信号ＦＭを生成し、それが第２のアナログ加算器１６３に提供される。図４に図示されないが、力／トルクフィードバックセンサ１７４の出力は、力／トルク指令信号ＦＣ１、ＦＣ２と比較可能な力／トルク信号を提供するように処理される信号でもよい。たとえば、力／トルクフィードバックセンサ１７４の出力はガントリ制御モジュール８５に提供されてもよく、それが次いで力／トルクフィードバックセンサ１７４の出力を変換して、力／トルク指令信号ＦＣ１、ＦＣ２と比較可能である力／トルクフィードバック信号ＦＭを提供してもよい。

[0075]２１８で、位置フィードバックセンサ１７６は位置フィードバック信号ＰＭを生成してもよく、それが第１のアナログ加算器１５６に提供される。位置フィードバック信号ＰＭは、対応する運動自由度に対するＯアームガントリ１７２の位置を示してもよい。図４に図示されないが、位置フィードバックセンサ１７６の出力は、位置指令信号ＰＣと比較可能な位置信号を提供するように処理される信号でもよい。たとえば、位置フィードバックセンサ１７６の出力はガントリ制御モジュール８５に提供されてもよく、それが次いで位置フィードバックセンサ１７６の出力を変換して、位置指令信号ＰＣと比較可能である位置フィードバック信号ＰＭを提供してもよい。

[0076]２２０で、位置誤差信号ＰＥＲＲおよび／または力／トルク誤差信号ＦＥＲＲがゼロに等しく、かつ／またはゼロから所定のそれぞれの範囲内であれば、タスク２２２が行われてもよく、そうでなければタスク２０２または２０７が行われてもよい。

[0077]２２２で、Ｏアームガントリ１７２は選択位置に保持される。これは、ブレーキ１８０、摩擦装置および／または他の位置維持装置を使用してなされてもよい。いくつかの摩擦装置は以上に開示された。ガントリ制御モジュールは、指令信号ＰＣ、ＦＣ１、ＦＣ２、誤差信号ＰＥＲＲ、ＦＥＲＲおよび／またはフィードバック信号ＦＭ、ＰＭを監視し、これらの信号に基づいてブレーキ１８０を制御してもよい。２２４で、別の位置指令信号および／または力／トルク指令信号が入力センサ１５２、１６２を介して受信されれば、タスク２０４および／または２０７が行われてもよく、そうでなければ、図示されるようにタスク２２２が行われてもよく、または方法が終了してもよい。

[0078]代替的に、ガントリ制御モジュール８５は、スイッチが開いているので位置指令信号ＰＣがゼロである位置制御ループＰＭを介して選択位置が維持されるように、スイッチ１５４を開いてもよい。位置指令信号がゼロであると、これは現在位置を維持することを位置制御ループに示す。第１のスイッチ１５４が開状態にあるとき、位置制御ループは位置入力センサ１５２からの入力を受信しなくてもよい。第１のスイッチ１５４は、現在位置、たとえば、位置入力センサ１５２および／または力／トルク入力センサ１６２を介して以前に選択された位置を維持するために開かれてもよい。その結果、位置制御ループ１８２は、Ｏアームガントリ１７２の移動を制御すること（または移動制御モードで動作すること）からＯアームガントリ１７２の位置を維持すること（または位置維持モードで動作すること）へ変換される。

[0079]第１のスイッチ１５４が開いていれば、Ｏアームガントリ１７２は力／トルク入力センサ１６２を介して選択位置に操作されてもよい。Ｏアームガントリ１７２が選択位置になった後で、力／トルク入力センサ１６２の出力はゼロに戻ってもよい。位置制御ループ１８２は次いでＯアームガントリ１７２を選択位置に保持してもよい。

[0080]図３および５の上記されたタスクは例示的な例であるものとされ、タスクは順次、同期して、同時に、連続的に、重複する期間の間、または用途に応じた異なる順序で行われてもよい。また、タスクのいずれも、実装および／または事象のシーケンスに応じて、行われなくても、または省略されてもよい。

[0081]図４の制御ループ組合せ以外のカスケード制御ループ組合せが実装されてもよい。制御ループ組合せの内側ループおよび外側ループは、制御ループの構成に基づいて、位置、速度および力／トルクを検出してもよい。以下の表１は、カスケード内側および外側ループ組合せの例ならびにループの各々によって検出および制御されるそれぞれのパラメータを提供する。

[0082]上記された例は、ユーザによる最小限の労力でガントリ３４の急速な位置決めを提供する。ガントリの迅速な位置決めは外科手術準備時間を削減する。ガントリは、ガントリの各運動自由度に対するゼロ力制御システムによってもたらされる釣合せのために、最小限に加えられるユーザ力で移動され得る。対応する構成部品（たとえば、図１のハンドル５３）、ジョイスティックおよび／または他の入力制御装置の設置のために、ユーザがガントリを容易に移動させ、関心領域を見ることができるので、ガントリは２人目の人の必要なしで移動され得る。

[0083]本開示に記載されるワイヤレス通信は、ＩＥＥＥ規格８０２．１１−２０１２、ＩＥＥＥ規格８０２．１６−２００９、ＩＥＥＥ規格８０２．２０−２００８および／またはブルートゥース（登録商標）コア仕様ｖ４．０を完全または部分的に順守して行われ得る。様々な実装では、ブルートゥースコア仕様ｖ４．０は、ブルートゥースコア仕様補遺２、３または４の１つまたは複数によって修正されてもよい。様々な実装では、ＩＥＥＥ８０２．１１−２０１２は、ドラフトＩＥＥＥ規格８０２．１１ａｃ、ドラフトＩＥＥＥ規格８０２．１１ａｄおよび／またはドラフトＩＥＥＥ規格８０２．１１ａｈによって補足されてもよい。

[0084]前述の記載は本質的に単に例示的であり、決して本開示、その応用または使用を限定するものとは意図されない。本開示の広い教示は各種の形態で実装され得る。したがって、本開示が特定の例を含むのに対して、図面、明細書および以下の請求項の検討に応じて他の修正が明らかになるであろうから、本開示の真の範囲はそのように限定されるべきではない。本明細書で使用される場合、Ａ、ＢおよびＣの少なくとも１つという句は、非排他的論理和を使用して論理的（Ａ ＯＲ Ｂ ＯＲ Ｃ）を意味するものと解釈されるべきであり、「Ａの少なくとも１つ、Ｂの少なくとも１つ、およびＣの少なくとも１つ」を意味するものと解釈されるべきではない。方法内の１つまたは複数のステップが、本開示の原則を変更することなく異なる順序で（または並行して）実行されてもよいことが理解されるべきである。

[0085]本出願では、以下の定義を含め、「モジュール」という用語または「コントローラ」という用語は「回路」という用語と置き換えられてもよい。「モジュール」という用語は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、デジタル、アナログもしくはアナログ／デジタル混合ディスクリート回路、デジタル、アナログもしくはアナログ／デジタル混合集積回路、組合せ論理回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、コードを実行するプロセッサ回路（共有、専用もしくはグループ）、プロセッサ回路によって実行されるコードを記憶するメモリ回路（共有、専用もしくはグループ）、記載された機能性を提供する他の適切なハードウェア部品、または、システムオンチップでなど、以上のいくつかもしくはすべての組合せを指しても、それらの一部でも、またはそれらを含んでもよい。

[0086]モジュールは１つまたは複数のインタフェース回路を含んでもよい。いくつかの例では、インタフェース回路は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、インターネット、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）またはその組合せに接続される有線またはワイヤレスインタフェースを含んでもよい。本開示の任意の所与のモジュールの機能性も、インタフェース回路を介して接続される複数のモジュール間で分散されてもよい。たとえば、複数のモジュールが負荷平衡を許容してもよい。さらなる例では、サーバ（リモートまたはクラウドとも知られる）モジュールは、クライアントモジュールのためになんらかの機能性を達成してもよい。

[0087]上記使用されるコードという用語はソフトウェア、ファームウェアおよび／またはマイクロコードを含んでもよく、プログラム、ルーチン、機能、クラス、データ構造および／またはオブジェクトを指してもよい。共有プロセッサ回路という用語は、複数のモジュールからのいくつかまたはすべてのコードを実行する単一のプロセッサ回路を包含する。グループプロセッサ回路という用語は、追加のプロセッサ回路と組合せで、１つまたは複数のモジュールからのいくつかまたはすべてのコードを実行するプロセッサ回路を包含する。複数のプロセッサ回路への言及は、ディスクリートダイ上の複数のプロセッサ回路、単一のダイ上の複数のプロセッサ回路、単一のプロセッサ回路の複数のコア、単一のプロセッサ回路の複数のスレッド、または以上の組合せを包含する。共有メモリ回路という用語は、複数のモジュールからのいくつかまたはすべてのコードを記憶する単一のメモリ回路を包含する。グループメモリ回路という用語は、追加のメモリと組合せで、１つまたは複数のモジュールからのいくつかまたはすべてのコードを記憶するメモリ回路を包含する。

[0088]メモリ回路という用語は、コンピュータ可読媒体という用語の部分集合である。コンピュータ可読媒体という用語は、本明細書で使用される場合、（搬送波上など）媒体を通じて伝播する一時的電気または電磁信号を包含せず、したがってコンピュータ可読媒体という用語は、有形かつ非一時的と考えられてもよい。非一時的な、有形のコンピュータ可読媒体の非限定的な例は、不揮発性メモリ回路（フラッシュメモリ回路、消去可能プログラマブルリードオンリメモリ回路またはマスクリードオンリメモリ回路など）、揮発性メモリ回路（スタティックランダムアクセスメモリ回路またはダイナミックランダムアクセスメモリ回路など）、磁気記憶媒体（アナログもしくはデジタル磁気テープまたはハードディスクドライブなど）、および光記憶媒体（ＣＤ、ＤＶＤまたはブルーレイディスクなど）である。

[0089]本出願に記載される装置および方法は、汎用コンピュータをコンピュータプログラムで具象化される１つまたは複数の特定の機能を実行するように構成することによって作成される専用コンピュータによって部分的または完全に実装されてもよい。上記された機能ブロック、フローチャート部品および他の要素はソフトウェア仕様の役目をし、それらは熟練技術者またはプログラマの定常業務によってコンピュータプログラムに変換され得る。

[0090]コンピュータプログラムは、少なくとも１つの非一時的な、有形のコンピュータ可読媒体に記憶されるプロセッサ実行可能命令を含む。コンピュータプログラムはまた、記憶データを含んでも、またはそれに依存してもよい。コンピュータプログラムは、専用コンピュータのハードウェアと対話する基本入出力システム（ＢＩＯＳ）、専用コンピュータの特定の装置と対話するデバイスドライバ、１つまたは複数のオペレーティングシステム、ユーザアプリケーション、バックグラウンドサービス、バックグラウンドアプリケーションなどを包含してもよい。

[0091]コンピュータプログラムは、（ｉ）ＨＴＭＬ（ハイパーテキストマークアップ言語）またはＸＭＬ（拡張マークアップ言語）などの、解析されることになる記述文、（ｉｉ）アセンブリコード、（ｉｉｉ）コンパイラによってソースコードから生成されるオブジェクトコード、（ｉｖ）インタプリタによる実行のためのソースコード、（ｖ）ジャストインタイムコンパイラによるコンパイルおよび実行のためのソースコード、などを含んでもよい。単に例として、ソースコードは、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ Ｃ、Ｈａｓｋｅｌｌ、Ｇｏ、ＳＱＬ、Ｒ、Ｌｉｓｐ、Ｊａｖａ（登録商標）、Ｆｏｒｔｒａｎ、Ｐｅｒｌ、Ｐａｓｃａｌ、Ｃｕｒｌ、ＯＣａｍｌ、Ｊａｖａｓｃｒｉｐｔ（登録商標）、ＨＴＭＬ５、Ａｄａ、ＡＳＰ（アクティブサーバページ）、ＰＨＰ、Ｓｃａｌａ、Ｅｉｆｆｅｌ、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ、Ｅｒｌａｎｇ、Ｒｕｂｙ、Ｆｌａｓｈ（登録商標）、Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ（登録商標）、Ｌｕａ、およびＰｙｔｈｏｎ（登録商標）を含む言語からの構文を使用して書かれてもよい。

[0092]請求項で詳述される要素のいずれも、要素が「のための手段」という句を使用して明白に詳述されない限り、または「のための動作」もしくは「のためのステップ」という句を使用する方法クレームの場合、米国特許法第１１２条（ｆ）の意味内のミーンズプラスファンクション要素であるとは意図されない。

Claims (20)

1. （ｉ）Ｘ線スキャナガントリの第１の構成部品へ第１の方向にユーザによって加えられる第１の力またはトルク量を検出し、（ｉｉ）第１の入力指令信号を生成するように構成され、前記第１の入力指令信号が前記第１の力またはトルク量を示す、第１の入力センサと、
   前記第１の入力指令信号および第１のフィードバック信号に基づいて第１の誤差信号を生成するように構成された第１のアナログ加算器と、
   （ｉ）前記第１の誤差信号を減少させ、（ｉｉ）前記第１の方向に前記Ｘ線スキャナガントリの釣合せ(counterbalancing)をもたらし、（ｉｉｉ）所定値に等しい、または前記所定値から所定範囲内である前記第１の方向の前記Ｘ線スキャナガントリへの正味力(net force)またはトルクを提供するために、前記誤差信号に基づいてモータの動作を制御するように構成された第１のコントローラと、
   （ｉ）前記モータの前記制御動作の結果として前記Ｘ線スキャナガントリへ前記第１の方向に加えられる第２の力またはトルク量を検出し、（ｉｉ）前記検出された第２の力またはトルク量に基づいて前記第１のフィードバック信号を生成するように構成された第１のフィードバックセンサと、を備えるシステム。
2. 前記所定値がゼロである、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１の構成部品が、前記第１の入力センサに装着されるハンドルである、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記第１のコントローラが、前記第１の誤差信号に基づいてモータ指令信号を生成するように構成され、かつ、
   前記モータが、前記モータ指令信号に基づいて前記Ｘ線スキャナガントリへ前記第１の方向に前記第２の力またはトルク量を加えるように構成される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記第１の入力センサがロードセル(load cell)または歪みゲージを備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 出力信号を生成するように構成された第２のコントローラをさらに備え、
   前記第１のアナログ加算器が、前記出力信号に基づいて前記第１の誤差信号を生成するように構成される、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム。
7. （ｉ）前記第１の構成部品の移動を検出し、（ｉｉ）第２の入力指令信号を生成するように構成され、前記第２の入力指令信号が前記方向への前記Ｘ線スキャナガントリの移動を指令する、第２の入力センサと、
   前記第２の入力指令信号および第２のフィードバック信号に基づいて第２の誤差信号を生成するように構成された第２の加算器であって、前記第２のコントローラが、前記第２の誤差信号に基づいて前記出力信号を生成するように構成されるものと、
   前記モータの前記制御動作の前記結果に基づいて前記第２のフィードバック信号を生成するように構成された第２のフィードバックセンサと、
   をさらに備える、請求項６に記載のシステム。
8. 前記Ｘ線スキャナガントリをユーザ選択位置に移動させるために前記第２の入力センサを前記第２のアナログ加算器に接続するように構成されたスイッチと、
   前記第１の構成部品へ前記ユーザによって加えられる前記第１の力またはトルク量の結果として前記Ｘ線スキャナガントリの前記ユーザ選択位置を維持するために前記スイッチの状態を変化させるように構成された制御モジュールとをさらに備える、請求項７に記載のシステム。
9. 前記システムの位置制御ループを切り離すように構成され、前記位置制御ループが、前記第２のアナログ加算器、前記第２のコントローラおよび前記第２のフィードバックセンサを含む、スイッチと、
   前記スイッチの状態を、第１のモードと第２のモードとの間で遷移するように変化させるように構成され、
   前記第１のモードの間、前記位置制御ループが接続され、前記第１のコントローラが、前記第１の入力指令信号および前記第２の入力指令信号の両方に基づいて前記正味力またはトルクを提供しており、
   前記第２のモードの間、前記位置制御ループが切り離され、前記第１のコントローラが、前記第２の入力指令信号ではなく前記第１の入力指令信号に基づいて前記正味力またはトルクを提供している、
   制御モジュールと、
   をさらに備える、請求項７に記載のシステム。
10. （ｉ）ユーザによるＸ線スキャナガントリの第１の構成部品の移動を検出し、（ｉｉ）入力指令信号を生成するように構成され、前記入力指令信号が或る方向への前記Ｘ線スキャナガントリの移動を指令する、入力センサと、
    前記入力指令信号およびフィードバック信号に基づいて誤差信号を生成するように構成されたアナログ加算器と、
    （ｉ）前記誤差信号を減少させ、（ｉｉ）前記方向に前記Ｘ線スキャナガントリの釣合せをもたらし、（ｉｉｉ）所定値に等しい、または前記所定値から所定範囲内である前記方向の前記Ｘ線スキャナガントリへの正味力を提供するために、前記誤差信号に基づいてモータの動作を制御するように構成されたコントローラと、
    （ｉ）前記モータの前記制御動作の結果としての前記方向への前記Ｘ線スキャナガントリの移動を検出し、（ｉｉ）前記検出された移動に基づいて前記フィードバック信号を生成するように構成されたフィードバックセンサと、を備えるシステム。
11. 前記所定値がゼロである、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記第１の構成部品が、前記入力センサに装着されるハンドルである、請求項１０または１１に記載のシステム。
13. 前記コントローラが、前記誤差信号に基づいてモータ指令信号を生成するように構成され、かつ、
    前記モータが、前記モータ指令信号に基づいて前記Ｘ線スキャナガントリを前記方向に移動させるように構成される、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載のシステム。
14. 前記第１の構成部品の前記移動が、前記第１の構成部品の位置の変化、前記第１の構成部品の速度の変化、または前記第１の構成部品の加速度の変化に基づいて検出される、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載のシステム。
15. 前記入力指令信号が前記第１の構成部品の位置を示し、かつ、
    前記フィードバック信号が前記Ｘ線スキャナの第２の構成部品の位置を示す、請求項１０〜１４のいずれか一項に記載のシステム。
16. Ｘ線スキャナガントリの構成部品へ第１の方向にユーザによって加えられる第１の力またはトルク量を、第１の入力センサを介して検出するステップと、
    第１の入力指令信号を生成するステップであって、前記第１の入力指令信号が前記第１の力またはトルク量を示す、ステップと、
    前記第１の入力指令信号および第１のフィードバック信号に基づいて第１の誤差信号を生成するステップと、
    （ｉ）前記第１の誤差信号を減少させ、（ｉｉ）前記第１の方向に前記Ｘ線スキャナガントリの釣合せをもたらし、（ｉｉｉ）所定値に等しい、または前記所定値から所定範囲内である前記第１の方向の前記Ｘ線スキャナガントリへの正味力またはトルクを提供するために、前記誤差信号に基づいてモータの動作を制御するステップと、
    前記モータの前記制御動作の結果として前記Ｘ線スキャナガントリへ前記第１の方向に加えられる第２の力またはトルク量を、第１のフィードバックセンサを介して検出するステップと、
    前記第２の力またはトルク量に基づいて前記第１のフィードバック信号を生成するステップと、を含む方法。
17. コントローラを介して出力信号を生成するステップをさらに含み、
    前記第１の誤差信号が前記出力信号に基づいて生成される、請求項１６に記載の方法。
18. 前記構成部品の移動を第２の入力センサを介して検出するステップと、
    第２の入力指令信号を生成するステップであって、前記第２の入力指令信号が前記方向への前記Ｘ線スキャナガントリの移動を指令する、ステップと、
    前記第２の入力指令信号および第２のフィードバック信号に基づいて第２の誤差信号を生成するステップと、
    前記出力信号が前記第２の誤差信号に基づいて生成され、
    前記モータの前記制御動作の前記結果に基づいて前記第２のフィードバック信号を、第２のフィードバックセンサを介して生成するステップと、
    をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記Ｘ線スキャナガントリをユーザ選択位置に移動させるために前記第２の入力センサをアナログ加算器に、スイッチを介して接続するステップと、
    前記構成部品へ前記ユーザによって加えられる前記第１の力またはトルク量の結果として前記Ｘ線スキャナガントリの前記ユーザ選択位置を維持するために前記スイッチの状態を変化させるステップと、
    をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. 位置制御ループをスイッチを介して切り離すステップであって、前記位置制御ループが前記第２のフィードバックセンサを含む、ステップと、
    前記スイッチの状態を、第１のモードと第２のモードとの間で遷移するように変化させるステップであって、
    前記第１のモードの間、前記位置制御ループが接続され、前記正味力またはトルクが、前記第１の入力指令信号および前記第２の入力指令信号の両方に基づいて前期モータを介して提供され、
    前記第２のモードの間、前記位置制御ループが切り離され、前記正味力またはトルクが、前記第２の入力指令信号ではなく前記第１の入力指令信号に基づいて提供される、
    ステップと、
    をさらに含む、請求項１８に記載の方法。

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