JP2018516107A - 外科用工具の自律移動の際に同外科用工具を制御するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

ロボットシステムの外科用工具の自律移動時に該工具を制御するためのシステム及び方法を提供する。外科用工具の移動経路が決定され、その経路に対する外科用工具の少なくとも１つの許容可能な向きが生成される。外科用工具は該少なくとも１つの許容可能な向きで該経路に沿って自律移動する。外科用工具に加わる力が検出され、検出された力に基づいて変更先の向きが特定される。変更先の向きと少なくとも１つの許容可能な向きとの比較に応じて外科用工具が経路に沿って自律移動する。【選択図】図４

Description

［関連出願］
本願は、２０１５年４月１０日に出願された米国仮特許出願第６２／１４５，５８４号に基づく優先権及び利益を主張するものであり、その全内容は本明細書の一部をなすものとする。

［発明の分野］
本発明は、広く、外科用工具の自律移動の際に同外科用工具を制御するためのシステム及び方法に関する。

近年、医療従事者の間ではロボットシステムを用いた外科的処置が評価されている。通常このようなロボットシステムは可動アームを備える。アームの末端部は高精度に位置決め可能な自由端となっており、このアームの末端部に外科用工具を取り付けることができる。外科用工具は、患部の処置を行うために該患部に適用されるエネルギーアプリケータを有する。

ロボットシステムの中には、医療従事者が手動で外科用工具を操作して患部に対してエネルギーアプリケータを移動させるものがある。この手動操作には、患部にて外科用工具の向きを自在に再調整することが含まれる。医療従事者は、患部において開創器や他の組織等の障害物を避けるために手動で外科用工具の向きを再調整することを望むであろう。しかし、ロボットシステムによっては外科用工具が自律移動し、医療従事者が患部において向きを再調整できない仕様になっている。

本開示内容によれば、ある経路に沿って移動するように構成された外科用工具を備えたロボットシステムが提供される。本システムにおいて、マニピュレータは外科用工具を支持し、経路に沿って外科用工具を移動させるように構成されている。経路生成部は経路を決定する。向き生成部は経路について少なくとも１つの許容可能な向きを決定する。マニピュレータ制御部は、経路生成部及び向き生成部と通信し、経路に沿って少なくとも１つの許容可能な向きで外科用工具を自律移動させるよう前記マニピュレータに指示を与える。センサは外科用工具に加わる力を検出する。マニピュレータ制御部は、検出された力に基づいて変更先の向きを特定し、この変更先の向きを上記少なくとも１つの許容可能な向きと比較することに応じて外科用工具を経路に沿って移動させるよう指示を与える。

本開示内容によれば、ロボットシステムの外科用工具の自律移動時に該工具を制御する方法が提供される。本方法において、外科用工具の移動の経路を決定し、経路について外科用工具の少なくとも１つの許容可能な向きを生成する。外科用工具は経路に沿って少なくとも１つの許容可能な向きで自律移動する。外科用工具に加わる力を検出し、検出された力に基づいて変更先の向きが特定される。変更先の向きを少なくとも１つの許容可能な向きと比較することに応じて外科用工具が経路に沿って自律移動する。

一実施形態によれば、上記システム及び上記方法は、外科用工具の向きが少なくとも１つの許容可能な向きに保持されるように外科用工具を制御する利点をもたらす。このようにすることで、外科用工具が望ましくない向きに置かれ、患部における切削効率の低下や他の物体との接触等が生じる可能性を抑えることができる。

発明の利点は添付の図面と照らし合わせて以下の詳細な説明を参照すれば深い理解が可能であり、該利点は容易に理解されるであろう。

ロボットシステムの斜視図である。 ロボット制御システムの説明図である。 一実施形態において実施されるステップを示す説明図である。 外科器具が少なくとも１つの許容可能な向きで経路に沿って移動することを示す説明図である。 外科用工具の変更先の向きと外科用工具の少なくとも１つの許容可能な向きとの比較を示す説明図である。 外科用工具の変更先の向きと外科用工具の少なくとも１つの許容可能な向きとの比較を示す説明図である。

図１に、患者１２に外科手術を施すためのロボットシステム１０を示す。ここでいう外科手術とは組織除去手術であり、組織とは患者の骨やその他の組織である。ここで開示するシステムや方法を外科手術に限らず他の処置に用いることもでき、ロボットシステムを利用した産業用途や他の用途にも適用可能である。

ロボットシステム１０は、マニピュレータ１４及び外科用工具１６を備えている。外科用工具１６は、マニピュレータ１４に装着されたエンドエフェクタ１８の一部を成している。外科用工具１６は施術者が手に持つように設計されている。一構成例が米国特許出願第１３／９５８，０７０号「外科器具を複数のモードにて制御可能な外科用マニピュレータ」に記されており、その開示内容は本明細書の一部をなすものとする。マニピュレータ１４及び外科用工具１６を別の構成とすることもできる。外科用工具１６はエネルギーアプリケータ２０を有し、これは患部において患者１２の組織に接触するように設計されている。エネルギーアプリケータ２０とは、ドリルやノコ刃や小型の切削工具（bur）や超音波チップ等である。また、マニピュレータ１４には、マニピュレータコンピュータ２２や他の制御部が収容されている。

ロボットシステム１０は、半自律モードや手動モードにて動作可能である。半自律モードでは、マニピュレータ１４は、患部にある外科用工具１６、さらにはエネルギーアプリケータ２０の自律移動を指示する。一実施形態によれば、ロボットシステム１０が半自律モードである場合、マニピュレータ１４は施術者の助けを借りずに外科用工具１６を移動できる。「施術者の助けを借りずに」とは、施術者が外科用工具１６を動かすために該工具に物理的に触れることがないという意味である。その代わりに、施術者はある種の遠隔操作を行い移動の開始や停止を制御することができる。例えば、施術者は遠隔操作のボタンを押して外科用工具１６の移動を開始したり、ボタンを戻すことで外科用工具１６の移動を停止させてもよい。

手動モードでは、施術者が外科用工具１６に物理的に触れて該工具を動かす。これは米国特許出願第１３／９５８，０７０号「外科器具を複数のモードにて制御可能な外科用マニピュレータ」に記されており、その開示内容は本明細書の一部をなすものとする。

図２に示すように、ロボットシステム１０はロボット制御システム２４を備えている。ロボット制御システム２４は、マニピュレータ１４の動きを指示するためのソフトウェア及び／又はハードウェアを含むものである。ロボット制御システムは、外科手術の際にマニピュレータ１４の動きを指示し外科用工具１６の向きを制御する。外科用工具１６の向きは座標系を用いて定められる。一実施形態によれば、この座標系とは、マニピュレータ座標系（manipulator coordinate system）ＭＮＰＬ（図１参照）である。マニピュレータ座標系ＭＮＰＬの原点は、マニピュレータ１４上の一点に設定されている。マニピュレータ座標系ＭＮＰＬの一例は米国特許出願第１３／９５８０７０号「外科器具を複数のモードにて制御可能な外科用マニピュレータ」に記されており、その開示内容は本明細書の一部をなすものとする。

ロボットシステム１０は案内ステーション２６を有している。案内ステーション２６は様々な物体の動きを追跡するように構成されている。物体には例えば外科用工具１６や大腿骨Ｆや脛骨Ｔがある。案内ステーション２６は、これらの物体を追跡し、それぞれの位置情報をローカライザ座標系（localizer coordinate system）ＬＣＬＺにまとめて示す。ローカライザ座標系ＬＣＬＺ上の座標は、従来の変換手法を用いてマニピュレータ座標系ＭＮＰＬに変換できる。案内ステーション２６は、外科医に対するそれらの相対位置及び向きを仮想表現として表示することもできる。

案内ステーション２６は、ナビゲーションコンピュータ３０及び／又は他の種類の制御部を収容したコンピュータカートアセンブリ２８を具備する。ナビゲーションインタフェースは、ナビゲーションコンピュータ３０と通信可能である。ナビゲーションインタフェースは１つ又は複数のディスプレイ３２を有する。キーボードやマウス等の第１及び第２の入力装置３４、３６を使用して、ナビゲーションコンピュータ３０に情報を入力する、あるいはナビゲーションコンピュータ３０の特定の態様を選択・制御することが可能である。タッチスクリーン（図示省略）や音声駆動等を含む他の入力装置も使用可能である。

また、案内ステーション２６は、ナビゲーションコンピュータ３０と通信を行うローカライザ３８を備える。一実施形態によれば、ローカライザ３８は光学ローカライザであり、カメラユニット４０を具備する。カメラユニット４０は、１つ又は複数の光学位置センサ４４を収容した外側ケーシング４２を有する。ロボットシステム１０は１つもしくは複数のトラッカを有する。トラッカは、ポインタトラッカＰＴと外科用工具トラッカ５０と第１患者トラッカ４８と第２患者トラッカ４９とを含んでもよい。各トラッカは、アクティブマーカ４６を有する。アクティブマーカ４６は発光ダイオードすなわちＬＥＤとすることができる。他の実施形態では、トラッカ４８，４９，５０はカメラユニット４０から発せられた光を反射する反射器等のパッシブマーカを有してもよい。ロボットシステム１０の一部である別のコンポーネントを追跡するための追加のトラッカをロボットシステム１０に組み込んでもよい。例えば、インプラント部品の取り替え時に膝関節周辺の組織を押えるために用いられる開創器（図示省略）にトラッカを取り付けてもよい。

図１に示す実施形態によれば、第１患者トラッカ４８を患者１２の大腿骨Ｆにしっかりと固定し、第２患者トラッカ４９を患者１２の脛骨Ｔにしっかりと固定する。患者トラッカ４８，４９は骨の部位にしっかりと固定されている。さらに、外科用工具トラッカ５０がしっかりと外科用工具１６に固定されている。尚、好適な方法でトラッカ４８，４９，５０を各要素に固定できることは理解されるであろう。

トラッカ４８，４９，５０はカメラユニット４０と通信を行いトラッカ４８，４９，５０の位置データをカメラユニット４０に提供する。カメラユニット４０はトラッカ４８，４９，５０の位置データをナビゲーションコンピュータ３０に提供する。一実施形態においては、ナビゲーションコンピュータ３０はその後、大腿骨Ｆと脛骨Ｔの位置データ及び外科用工具１６の位置データを判定してマニピュレータコンピュータ２２に送る。大腿骨Ｆと脛骨Ｔと外科器具１６の位置データは、従来の位置合わせ（registration）・ナビゲーション技術を用いてトラッカ位置データにより判定できる。位置データは、大腿骨Ｆと脛骨Ｔと外科器具１６及び追跡される他の物体の位置及び／又は向きに対応した位置情報を含むものである。ここで言う位置データは、位置データや向きデータ或いは位置データと向きデータを組み合わせたものであってもよい。

マニピュレータコンピュータ２２は、外科用工具１６のための、ナビゲーションに基づくデータと、外科用工具１６のための、エンコーダに基づく位置データとを用いて変換行列を決定することにより、位置データをローカライザ座標系ＬＣＬＺからマニピュレータ座標系ＭＮＰＬへと変換できる。マニピュレータ１４のジョイント部に配置されたエンコーダ（図示省略）を用いてエンコーダによる位置データを判定する。マニピュレータコンピュータ２２は、エンコーダを用いてマニピュレータ座標系ＭＮＰＬにおける外科用工具１６のエンコーダによる位置と向きを算出する。外科用工具１６の位置と向きは、ローカライザ座標系ＬＣＬＺ上でも判明しているため、変換行列が得られる。

ロボット制御システム２４はさらにソフトウェアモジュールを含む。ソフトウェアモジュールは１つもしくは複数のコンピュータプログラムの一部であってよく、これらのコンピュータプログラムはマニピュレータコンピュータ２２やナビゲーションコンピュータ３０やこれらを組み合わせたコンピュータ上で動作してデータを処理し、ロボットシステム１０の制御を支援するものである。ソフトウェアモジュールはマニピュレータコンピュータ２２やナビゲーションコンピュータ３０やこれらを組み合わせたコンピュータ内のメモリに保存されコンピュータ２２，３０の１つもしくは複数のプロセッサにより実行される、一連の命令を含む。さらに、医療従事者を促す、及び／又は医療従事者と通信するためのソフトウェアモジュールを１つもしくは複数のプログラムの一部としてもよく、マニピュレータコンピュータ２２、ナビゲーションコンピュータ３０やこれらの組み合わせの中のメモリに記憶された命令を含んでもよい。外科医は第１及び第２の入力装置３４，３６及び１つもしくは複数のディスプレイ３２を用いてソフトウェアモジュールと通信を行う。

一実施形態によれば、マニピュレータコンピュータ２２はマニピュレータ１４の動きを指示するためのデータを処理するマニピュレータ制御部５２を具備する。マニピュレータ制御部５２は単一もしくは複数のソースからのデータを受信し処理できる。一実施形態によれば、ナビゲーションコンピュータ３０は大腿骨Ｆと脛骨Ｔと外科器具１６に関する位置データをマニピュレータ制御部５２へ送信するためのナビゲーション制御部５４を備えている。マニピュレータ制御部５２は、ナビゲーション制御部５４が提供する位置データを受信及び処理してマニピュレータ１４の動きを指示する。

マニピュレータ制御部５２は、大腿骨Ｆ及び／又は脛骨Ｔ及び外科用工具１６の画像を１つもしくは複数のディスプレイ３２上に表示することで外科医に患者１２と外科器具１６の位置を示すこともできる。マニピュレータコンピュータ２２は、外科医がマニピュレータコンピュータ２２を用いてマニピュレータ１４に指示できるように１つもしくは複数のディスプレイ３２に命令や要求情報を表示してもよい。

図２に示すように、ロボット制御システム２４はさらに、経路生成部５６と向き生成部５８を備えている。一実施形態によれば、経路生成部５６と向き生成部５８は共にソフトウェアモジュールである。ソフトウェアモジュールは、マニピュレータ制御部５２やロボットシステム２４のその他の好適なコンポーネント上で動作可能である。

図３に示すように、経路生成部５６は、ステップ９０において外科用工具１６の移動経路を決定する。経路の一例を図４に符号６０を付して示す。経路生成部５６は、外科用工具１８の経路６０を、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬに沿って動くように決定する。さらに、経路生成部５６は、経路６０に関連する経路データを生成し、マニピュレータ制御部５２に送る。外科手術の際は常に経路６０が更新されるように経路生成部５６は術前及び／又は術中の経路データをマニピュレータ制御部５２に提供する。このことは米国特許出願第１３／９５８，０７０号「外科器具を複数のモードにて制御可能な外科用マニピュレータ」に記されており、その開示内容は本明細書の一部をなすものとする。

一実施形態によれば、経路６０は、骨において、或いは骨を通るように決定される。例えば、外科用工具１８が所定量の骨を切削し取り除いてインプラント（図示省略）を挿入できるように経路６０を決定してもよい。経路６０は、特定の構造（大きさや形等）のインプラントを挿入するために切削する所定量の骨に対応している。

経路生成部５６は、ロボット制御システム２４から提供される患者１２や外科用工具１６やインプラント及び／又は患部にあるその他の物体に関するデータを用いて、経路データを生成する。経路生成部５６に入力されるデータは、大腿骨及び／又は脛骨や外科用工具１６や他の物体の姿勢データ、画像データ（例えばＣＴ／ＭＲＩデータ）、外科用工具１６が届く限界である境界の形状を表すデータ及び／又は外科用工具１６が取り除く組織の立体形状(volume)を表すデータ、インプラントデータ及び外科医が設定した境界の位置に関するデータを含んでよい。経路生成部５６は該データを処理して切断経路を生成する。

いくつかの態様によれば、経路生成部５６はまた、取り除く対象の立体モデルを入力情報として受信する。別の実施例としては、経路生成部５６は組織の入力画像や境界の形状を表すデータや外科医の設定に基づいて立体モデルを作成する。整形外科手術においては、境界は通常インプラントの形状であり、外科医の設定はインプラントの位置であることが多い。これらデータに基づいて経路生成部５６が経路６０を決定する。工具の経路の各セグメントは、骨座標系上の各点の間を結ぶベクトル又は曲線として定められる。経路の各セグメントは３次元で定められる。というのも、外科用工具１６は組織に対して単一面においてのみ使用されるものではないからである。外科用工具１６はまた現在位置している面よりも下方又は上方の面において組織に接触するように上下に動くものである。

経路生成部５６は続いて、切断経路に関する経路データを生成しマニピュレータ制御部５２に送る。ロボット制御システム２４は外科手術中いつでも経路生成部３６に該データを提供し経路を更新できる。

他の実施形態によれば、経路６０は１つもしくは複数のセグメントに分けられる。例えば、図４に示すように、経路６０は４つのセグメント６０ａ〜６０ｄに分けられ、各セグメント６０ａ〜６０ｄは第１エンドポイント６１と第２エンドポイント６３を有する。経路６０の各セグメント６０ａ〜６０ｄに対して、経路生成部５６はロボット制御システム２４によって提供されるデータを処理して経路セグメントデータを生成できる。図４には４つのセグメント６０ａ〜６０ｄのみが示されているが、当業者であれば経路６０を所望の数に分割可能であることは理解しうるであろう。例えば、図５Ａ及び５Ｂを参照すると、図示した経路６０は７つのセグメントに分けることができ、ここで、各直線部が別々のセグメントであり、各曲線部が別々のセグメントである。各セグメントの長さは同じであってもよく、異なっていてもよい。

一実施形態において図４に示すように、経路生成部５６は、患者１２の骨又は他の処置すべき組織に関連した経路６０に関する経路データを生成する。経路生成部５６は、骨に沿って移動する外科用工具１６、さらにはエネルギーアプリケータ２０の経路６０を、外科用工具１６が経路６０に沿って移動する際にエネルギーアプリケータ２０が患者１２の骨を取り除くものとなるように決定する。患者１２から大量の骨を取り除くことができる。

図２及び図３に示すように、ステップ９４において、向き生成部５８は経路６０に関し、外科用工具１６の少なくとも１つの許容可能な向き６５を決定する。図４並びに図５Ａ及び５Ｂにおいて、外科用工具１６の実際の向きを実線で示し、少なくとも１つの許容可能な向き６５を点線で示している。

一実施形態によれば、向き生成部５８は、マニピュレータ制御部５２と通信を行い、経路６０に対する外科用工具１６の少なくとも１つの許容可能な向き６５を決定する。向き生成部５８は、少なくとも１つの許容可能な向き６５に関する向きデータを生成する。任意の時点において上記少なくとも１つの許容可能な向き６５は１つのみであってもよく複数であってもよい。

経路６０に沿って障害物が存在するか否かを判断することで、向き生成部５８は経路６０に対する少なくとも１つの許容可能な向き６５を決定できる。もし障害物が存在すれば、向き生成部５８は外科用工具１６が経路６０沿いの障害物を避けるように許容可能な向き６５を決定する。例えば、外科手術が骨の切削処置（bone-milling）である場合、外科用工具１６が患部にある物体を切断する恐れのない所定の向きがある。開創器や組織等の患部に存在するあらゆる障害物が上記障害物に該当する。少なくとも１つの許容可能な向き６５を決定する際に、向き生成部５８はナビゲーションシステムコンピュータ３０や工具経路生成部５６等の障害物等に関する情報を検索できる。

それに加えて、或いはその代わりに向き生成部５８は経路６０に対する少なくとも１つの許容可能な向き６５を決定して、外科用工具１６が経路６０に沿って切削する際の効率を最適化できる。向き生成部５８は外科用工具１６が経路６０に沿って効率的に切削できるように許容可能な向き６５を決定する。例えば、もし外科手術が骨の切削処置の場合、外科用工具１６には切削効率の低下を避けるために好適な向き又は好適な範囲の向きがある。外科用工具１６は、所定の向きにおいてその他の場合と比べてより効率よく切削することができる。様々な場面における外科用工具１６の切削効率に関するパラメータをメモリに保存し、向き生成部５８はこれらのパラメータを参照することができる。外科用工具１６の切削効率は任意の適切な方法によって判定できる。

外科用工具１６の少なくとも１つの許容可能な向き６５は、ある範囲６７における許容可能な向き６５であってよい。図５Ａに示すようにある範囲６７の許容可能な向き６５は、座標系ＭＮＰＬ上の立体（volume）として定められる。図５Ａにおいては、ある範囲の許容可能な向き６５は、エネルギーアプリケータ２０の先端を頂点とする円錐形として表されている。ある範囲６７の許容可能な向き６５は、立体の外辺に沿った及び／又は立体内の任意の向きとして定められる。別の例として、ある範囲の許容可能な向き６５は、マニピュレータ座標系ＭＮＰＬにおける２次元の領域又は面として定義できる。ある範囲６７の許容可能な向き６５は、術前に決定及び／又は術中に更新できる。

図５Ｂに示すように、上記少なくとも１つの許容可能な向き６５は、１つもしくは複数の別々の向きであってよく、この別々の向きが任意の適当な数だけ存在してよい。

一実施形態によれば、向き生成部５８は、上記少なくとも１つの許容可能な向き６５のうち好適なサブセット（部分的な集合）、すなわち少なくとも１つの好適な向きを生成する。例えば仮想的な開口部を組織上に設定した場合、上記少なくとも１つの許容可能な向き６５のうち好適なサブセットの向きでは、外科用工具１６は上記仮想的な開口部に保持される。したがって、許容可能な向き６５の中でも別の向きであって、外科用工具１６が仮想的な開口部の外にあり、すなわち好適な向きではないが、なおも上記少なくとも１つの許容可能な向き６５に属する向きも存在する。好適なサブセットは、外科用工具１６の作業効率を最適化するように決定できる。

図４に示すように、ある実施形態においては、向き生成部５８が経路６０の各セグメント６０ａ〜６０ｄに対して少なくとも１つの許容可能な向き６５を与える。少なくとも１つの許容可能な向き６５は経路６０の各セグメント６０ａ〜６０ｄによって異なってもよく、類似していてもよく、また複数のセグメント６０ａ〜６０ｄ間で同一であってもよい。向き生成部５８は、入力情報として大腿骨及び／又は脛骨や他の対象の姿勢データ、画像データ（例えばＣＴ、ＭＲＩのデータ）、外科用工具１６が届く限界である境界の形状を定めたデータ及び／又は外科用工具１６が取り除く組織の立体形状（volume）を定めたデータ、インプラントデータ及び外科医が設定した境界の位置に関するデータ、患部における仮想開口部を定めたデータ、及び外科用工具１６が通る経路６０を定めたデータを受信することができる。

大腿骨Ｆを切削する際の一実施例によれば、外科用工具１６の向きが大腿骨Ｆの長軸に平行となるように、向き生成部５８は外科用工具１６の向きを選ぶ。この実施例においては、向き生成部５８は、経路６０を定めたデータ及び長軸の向きを含む大腿骨の姿勢データを受信する。この例においては、向き生成部５８は、長軸の動きを踏まえて、経路の各セグメント６０ａ〜６０ｄに対する少なくとも１つの許容可能な向き６５を術中に更新する。他の実施例においては、外科用工具１６が患部の障害物を回避できるように、向き生成部５８は経路６０の各セグメント６０ａ〜６０ｄについて許容可能な向き６５の範囲６７を選択することができる。

向き生成部５８は、外科用工具１６の少なくとも１つの許容可能な向き６５に関する向きデータをマニピュレータ制御部５２に送る。マニピュレータ制御部５２は、向きデータを処理して、外科用工具１６が経路に沿って自律移動をする際にマニピュレータ１４に指示して外科用工具１６の向きを調整する。これは米国特許出願第１３／９５８，０７０号「外科器具を複数のモードにて制御可能な外科用マニピュレータ」に記されている。この米国特許出願の開示内容は本明細書の一部をなすものとする。

図３に示すように、ステップ９６において、外科用工具１６は少なくとも１つの許容可能な向き６５で経路６０に沿って移動する。マニピュレータ制御部５２は、経路生成部５６及び向き生成部５８と通信し、マニピュレータ１４に指示して経路６０に沿って少なくとも１つの許容可能な向き６５で外科用工具１６を自律移動させる。マニピュレータ１４は、施術者による外科用工具１６の手動操作なしに或いは施術者の援助なしに、半自律的に或いは自律的に経路６０に沿って外科用工具１６を移動させる。外科用工具１６が経路６０に沿って自律移動する際、外科用工具１６は少なくとも１つの許容可能な向き６５にある。図４に示すように、マニピュレータ１４は、外科用工具１６が経路６０の各セグメント６０ａ〜６０ｄに沿って第１エンドポイント６１から第２エンドポイント６３へ動く際に、少なくとも１つの許容可能な向き６５に外科用工具１６を置く。

いくつかの実施形態において、マニピュレータ制御部５２は向き調節部（図示省略）を有し、この調節部は半自律モードにおける通常操作の間、外科用工具１６の実際の向きを少なくとも１つの好適な向きに維持する。これは米国特許出願第１３／９５８，０７０号「外科器具を複数のモードにて制御可能な外科用マニピュレータ」に記されており、この米国特許出願の開示内容は本明細書の一部をなすものとする。一実施形態によれば、向き調節部は、外科用工具１６が経路６０に沿って移動するのに合わせて、少なくとも１つの許容可能な向き６５の好適なサブセット内に外科用工具１６の向きが維持されるように働く。例えば、向き調節部は、組織上方に設定された仮想開口部内に外科用工具１６を維持できる。

外科手術において、経路６０に沿って自律移動中の外科用工具１６の向きを変えようとする場合がある。その変更先の向き６９に外科用工具１６を置こうとすると外科用工具１６に力が加わる。図５Ａ及び５Ｂに、外科用工具１６の実際の向きに対する外科用工具１６の変更先の向き６９を示す。実際の向きと変更先の向き６９との間の矢印は、力が加わることにより外科用工具１６の実際の向きが変化すると予測されるその動きを示したものである。

通常、外科用工具１６の向きの変更は、半自律モードにおいて手動で動作を中断することで行われる。例えば、外科用工具１６が処置の対象ではない組織等の対象に接触又は接触する可能性がある場合に、施術者が外科用工具１６の向きを変えることが重要となろう。外科用工具１６がこのような対象に接触或いは接触する可能性がある場合、施術者は外科用工具１６の向きを、変更先の向き６９に変更する必要がある。このように、変更先の向き６９は手動にて動作が中断されることにより発生する。変更先の向き６９は、施術者が望む向きとすることができる。当事者であれば施術者が特に望まないとしても向きが変更され得ることは当然理解できるであろう。例えば、誤って不意に外科用工具１６に力が加わり、自律移動中の外科用工具１６の向きが変わることも考えられる。

図３に示すように、ステップ９８においてセンサ６４は外科用工具１６に加わる力を検出する。このようなセンサの１つは米国特許出願第１４／１９９，２９９号「力及びトルクを測定するためのセンサ組立体及び方法」に記されており、この米国特許出願の開示内容は本明細書の一部をなすものとする。再び図１を参照すると、センサ６４は外科用工具１６に接続されている。センサ６４は外科用工具１６と一体化されており、別の実施形態においてはマニピュレータ１４と一体化されている。外科用工具に加わる力は任意の適切な力であってよく、限定はされないが、回転方向の力や軸方向の力等がある。それに加えてもしくはその代わりに、外科用工具１６に加えられる力を、例えば応力測定値等のセンサ６４の計測値から推定することができる。外科用工具１６に加わるトルクもセンサ６４の測定値から推定可能である。施術者や他の外的要因によって外科用工具１６に力及び／又はトルクが加わることがある。センサ６４は、変更先の向き６９に外科用工具１６を向けようとする際に外科用工具１６に加わる力に関連したセンサデータを生成する。

いくつかの実施形態では、外科用工具１６にボタンが設けられており、施術者は向きを変更したい場合に押下する。このようなボタンは米国特許出願第１３／９５８，０７０号「外科器具を複数のモードにて制御可能な外科用マニピュレータ」に記されており、この米国特許出願の開示内容は本明細書の一部をなすものとする。ボタンの押下は、施術者が外科用工具１６を変更先の向き６９に置きたいという合図である。

場合によってはボタンが押下されていなくても、半自律モードにて（通常の再調整時の力と比べて）比較的大きな力が外科用工具１６に加わる（センサ６４によって検出される）と、マニピュレータ制御部５２は経路に沿って進むエネルギーアプリケータ２０の進行を止めることができる。この大きな力は、施術者が最初にボタンを押下せずに外科用工具１６を再調整しようとした結果、或いは外科用工具１６が開創器等の他の物体にぶつかった結果生じるものである。検出される、外科用工具１６に加わる力は、所定の閾値と照らし合わせてモニタされる。力が所定の閾値を上回ると、異常もしくは大きいと判定される。マニピュレータ制御部５２は、施術者が向きを変えたいかどうかの確認を求める施術者向けメッセージをディスプレイ３２に表示する。施術者が確認すると、次にロボット制御システム２４は施術者が望む変更先の向き６９が許容可能かどうかを判断する。

図３に示すステップ１００において、検出された力に基づいて変更先の向き６９を特定する。マニピュレータ制御部５２はセンサ６４からセンサデータを受信して評価する。マニピュレータ制御部５２はセンサデータを元に変更先の向き６９を判定する。そうすることで、マニピュレータ制御部５２は、マニピュレータ１４が外科用工具１６の向きを再調整するために外科用工具１６に加わる力に即座に反応したとした場合に、外科用工具１６がどのように、そしてどの向きに動くのかを予測する。特定された変更先の向き６９はメモリに保存され、後にマニピュレータ制御部６９が参照できる。変更先の向き６９は米国特許出願第１３／９５８，０７０号「外科器具を複数のモードにて制御可能な外科用マニピュレータ」に記された方法を用いて算出可能であり、この米国特許出願の開示内容は本明細書の一部をなすものとする。

マニピュレータ制御部５２は、変更先の向き６９を評価するように構成されている。マニピュレータ制御部５２は、変更先の向き６９が評価されるまでマニピュレータ１４が外科用工具１６を変更先の向き６９に動かさないようにマニピュレータ１４を制御する。

再び図３を参照すると、ステップ１０２においてマニピュレータ制御部５２は、変更先の向き６９を少なくとも１つの許容可能な向き５４と比較する。ステップ１０２においてマニピュレータ制御部５２は、この比較に応じて経路６０に沿って外科用工具１６を自律移動させる。

評価部６６はマニピュレータ制御部５２上で動作するソフトウェアモジュールである。一実施形態によれば、評価部６６は変更先の向き６９を評価して、変更先の向き６９と少なくとも１つの許容可能な向き６５とを比較する。評価部６６は、マニピュレータコンピュータ２２に保存され、各経路６０又は経路の各セグメント６０ａ〜６０ｄに対する外科用工具１６の少なくとも１つの許容可能な向き６５を定めた参照テーブル（ルックアップテーブル）を参照することもできる。評価部６６は、参照テーブルに基づいて変更先の向き６９と、経路、あるいは外科用工具１６が位置する経路上の特定のセグメントに対する少なくとも１つの許容可能な向き６５とを比較することができる。評価部６６は、変更先の向き６９を、参照テーブル内の複数の向きと比較するように参照テーブルを活用することもできる。評価部６６は、該評価部６６が行った評価に関する評価データをマニピュレータ制御部５２に提供する。

変更先の向き６９は、少なくとも１つの許容可能な向き６５と合っている場合もあれば、そうではない場合もある。変更先の向き６９が少なくとも１つの許容可能な向き６５に合っているか否かを決定する際に、マニピュレータ制御部５２は変更先の向き６９が少なくとも１つの許容可能な向き６５に含まれるか否かを判断する。すなわち、マニピュレータ制御部５２は、変更先の向き６９が複数の許容可能な向き６５の１つもしくはある範囲６７内の許容可能な向き６５の１つと合っているか否かを判定する。変更先の向き６９と許容可能な向き６５との位置関係は、任意の適切なアルゴリズムや方法に応じて評価できる。

変更先の向き６９が少なくとも１つの許容可能な向き６５に合っていると判断するにあたり、変更先の向き６９と許容可能な向き６５とがぴったり合っていなければならない場合がある。変更先の向き６９が少なくとも１つの許容可能な向き６５に合っていると判断するにあたり、変更先の向き６９と許容可能な向き６５とがぴったり合っていなくてもよい場合もある。その場合、変更先の向き６９と少なくとも１つの許容可能な向き６５とがほぼ合っている。例えば、マニピュレータ制御部５２は、向き６５，６９の差が所定の閾値内に収まっている場合に、変更先の向き６９は少なくとも１つの許容可能な向き６５に合っていると判断できる。

一例においては、変更先の向き６９と少なくとも１つの許容可能な向き６５との比較に応じて外科用工具１６を少なくとも１つの許容可能な向き６５に維持できるようにマニピュレータ制御部５２が構成される。例えば、変更先の向き６９が少なくとも１つの許容可能な向き６５に合っていないという判定に応じて、外科用工具１６を少なくとも１つの許容可能な向き６５に維持できるようにマニピュレータ制御部５２を構成する。マニピュレータ制御部５２は、変更先の向き６９に関する評価に応じて、外科用工具１６が経路６０について移動する際に外科用工具１６を少なくとも１つの許容可能な向き６５に保つ。

この構成の一例を図５Ａに示す。図５Ａでは、経路６０に対する許容可能な向き６５が円錐形で定義された領域６７で示されている。外科用工具１６の実際の向きは元々、領域６７に収まっており、許容可能な向き６５の１つである。力（Ｂ）が外科用工具１６に加わると、マニピュレータ制御部５２は検出された力に基づいて変更先の向き６９ｂを特定する。変更先の向き６９ｂは許容可能な向き６５の領域６７を超えたところにあると判定される。そして、変更先の向き６９ｂは少なくとも１つの許容可能な向き６５に合っていない。つまり、変更先の向き６９ｂは許容されない。よって、マニピュレータ制御部５２は、外科用工具１６を少なくとも１つの許容可能な向き６５に維持し、より具体的には実際の向きに維持する。

変更先の向き６９が少なくとも１つの許容可能な向き６５に収まっていないと評価部６６が判断したときには、この評価データがマニピュレータ制御部５２に与えられ、マニピュレータ１４は外科用工具１６を変更先の向き６９に動かさないようにする。マニピュレータ制御部５２は、評価部６６から与えられた評価データを処理して、外科用工具１６が経路について移動する際に外科用工具１６を少なくとも１つの許容可能な向き６５に保つようにマニピュレータ１４に指示を与える。マニピュレータ制御部５２は、外科用工具１６の移動を完全に阻むことで変更先の向き６９への外科用工具１６の動きを抑えることができる。その他には、マニピュレータ制御部５２は所定期間や所定距離を移動する間、或いは外科用工具１６が経路６０の次のセグメントに達するまでの間、最も近い許容可能な向き６５へと外科用工具１６を動かしてもよい。

別の例においては、変更先の向き６９と少なくとも１つの許容可能な向き６５との比較に応じて、変更先の向き６９への外科用工具１６の動きを指示するようにマニピュレータ制御部５２が構成されている。より詳細には、変更先の向き６９が少なくとも１つの許容可能な向き６５に合っているという判断に応じて、変更先の向き６９への外科用工具１６の動きを指示するようにマニピュレータ制御部５２が構成されている。許容可能な向き６５の範囲６７が設定されており、変更先の向き６９がその範囲６７に収まる場合、マニピュレータ制御部５２はマニピュレータ１４に指示を与えて外科用工具１６を変更先の向き６９に動かす。

このシナリオの一例を図５Ａに示す。図５Ａでは外科用工具１６の実際の向きは元々、領域６７に収まっており、許容可能な向き６５の１つである。力（Ａ）が外科用工具１６に加わると、マニピュレータ制御部５２は検出された力に基づいて変更先の向き６９ａを特定する。変更先の向き６９ａは許容可能な向き６５の領域６７内にあると判定される。変更先の向き６９ａは少なくとも１つの許容可能な向き６５に合っている。つまり、変更先の向き６９ａは許容される。マニピュレータ制御部５２は、外科用工具１６が実際の位置から領域６７内の変更先の向き６９ａへと動くことを許可する。別の例を図５Ｂに示す。図５Ｂでは許容可能な向き６５ａ，６５ｂが異なっている。力（Ｃ）に基づいて変更先の向き６９が許容可能な個別の向き６５ｂに合っていると判定する。よって、マニピュレータ制御部５２は、実際の向きから許容可能な個別の向き６５ｂへ外科用工具１６が動くことを許可する。移動後、外科用工具１６の実際の向きは許容可能な個別の向き６５ｂと合うことになる。

好適な、許容可能な向き６５のサブセットが存在し、変更先の向き６９が好適な向きのうちの１つに合っている場合、マニピュレータ制御部５２はマニピュレータ１４に指示して外科用工具１６を好適な向きに動かす。変更先の向き６９が好適な向きのいずれにも合っていないものの許容可能であると判断された場合、マニピュレータ制御部５２はマニピュレータ１４に指示して外科用工具１６を好適ではない変更先の向き６９に動かしてもよい。あるいは、マニピュレータ制御部５２は、マニピュレータ１４に指示して外科用工具１６を変更先の向き６９に最も近い好適な向きに動かすことも可能である。

場合によっては、変更先の向き６９が少なくとも１つの許容可能な向き６５に合っていないと判断されたときであっても、外科用工具１６の変更先の向き６９への動きを一時的に許可するようにマニピュレータ制御部５２は構成されている。例えば、マニピュレータ制御部５２は、マニピュレータ１４に指示して所定の時間又は距離を移動する間だけ或いは外科用工具１６が経路６０の次のセグメントに達するまでの間、変更先の向き６９に外科用工具１６を動かす。

このようなシナリオにおいては、所定の事象が発生すると、許容されない変更先の向き６９から少なくとも１つの許容可能な向き６５へと外科用工具１６を自動的に戻すようにマニピュレータ制御部５２は構成されている。所定の事象の例としては、限定されるわけではないが、所定時間経過の検知や、外科用工具１６の所定距離の横断や、経路の次のセグメントへの到達や、外科用工具１６に対する予期しない力の検出等がある。所定の時間は、例えば外科用工具１６が許容されていない変更先の向き６９に置かれていた時間に基づくものである。許容されない変更先の向き６９にある外科用工具１６に対する予期しない力は、例えばその場において予期せず物体にぶつかる等して生じるものである。

所定の事象が引き起こされ、或いは検出されると、向き調節部はマニピュレータ１４に指示して、外科用工具１６が経路６０に沿って移動を続ける際に外科用工具１６の向きを再調整して許容可能な向き６５に戻す。このスナップバック（回復）の特徴により、実質的に、施術者は外科用工具１６の向きを一時的に再調整できる。その一方で、マニピュレータ制御部５２は、向き生成部５８によって決定される少なくとも１つの許容可能な向き６５に外科用工具１６を直ちに戻す。場合によっては、マニピュレータ制御部５２は、所定の事象の後に、許容されていない変更先の向き６９から最も近い許容可能な向き６５へと外科用工具１６の向きを自動的に再調整する。その他に、マニピュレータ制御部５２は、許容されていない変更先の向き６９から好適な向きの１つへ外科用工具１６の向きを自動的に再調整できる。

外科用工具１６は、向き変更を望む時に用いられるボタンとは異なる手動優先ボタンを備えていてもよい。手動優先ボタンが押されると、外科用工具１６は、変更先の向き６９が少なくとも１つの許容可能な向き６５に収まっているか否かに関わらず、所望の変更先の向き６９に置くことができる。手動優先ボタンは、避けるべき物体が存在し、施術者が該物体を回避できる変更先の向き６９に外科用工具１６を向けることをロボット制御システム２４が許可しない場合に用いることができる。いくつかの例では、手動優先ボタンが使用される場合、マニピュレータ制御部５２は、外科用工具１６の向きを少なくとも１つの好適な向き或いは他の許容可能な向き６５に戻さないようにする。

変更先の向き６９が少なくとも１つの許容可能な向き６５に収まっていると評価部６６が判断した場合、マニピュレータ制御部５２は変更先の向き６９を保存できる。こうすることで、何らかの理由で外科用工具１６が同じ経路セグメントに戻るか或いは同じ経路セグメントの所定の距離内にある場合、マニピュレータ制御部５２はマニピュレータ１４に指示して、変更先の向き６９に応じて外科用工具１６の向きを再調整する。このようにして、施術者による外科用工具１６の再調整は、経路に沿って切削しながらマニピュレータ制御部５２に所望の向きを指示する役割を果たす。

本明細書で参照されるいずれのコンピュータ或いは制御装置は、特に言及がない限り、メモリ、記憶装置、１つもしくは複数のプロセッサやマイクロプロセッサを備えた中央制御装置（ＣＰＵ（central processing unit）、入力／出力装置等である。「メモリ」という用語は、ＲＡＭ（random access memory）、ＲＯＭ（read only memory）、固定メモリ装置（例えばハードドライブ）、リムーバブルメモリ装置（例えばディスケット）、フラッシュメモリ等の、プロセッサやＣＰＵに対応した非一時的メモリを含む。

本発明の態様はコンピュータ読み取り可能プログラムコードを含む１つもしくは複数のコンピュータ読み取り可能媒体において実施されるコンピュータプログラムプログラムの形を取ることができることは当業者であれば理解し得るであろう。本明細書中で述べた、本発明の方法を実施するための命令やコードを含むコンピュータソフトウェアは、１つもしくは複数の対応するメモリ装置（例えば、ＲＯＭや固定或いはリムーバブルメモリ）に保存でき、利用できる状態になったら、部分的に或いは全体的に（例えばＲＡＭに）取り込まれＣＰＵによって実行される。かかるソフトウェアは、限定されるわけではないが、ファームウェアや常駐ソフトウェアやマイクロコード等を含むことができる。

上記において、複数の実施形態について説明した。しかし、本明細書で述べた実施形態は、網羅的であることを目的としているわけではなく、本発明を任意の特定の形態に限定するものでもない。使用した専門用語は、限定的な用語ではなく、説明のための用語の性質を帯びたものである。上記開示内容を踏まえて多くの改良及び変形が可能であり、本発明は、明確に記載されたものとは異なる方法で実施することができる。

Claims (28)

1. ある経路に沿って移動可能な外科用工具と、
   前記外科用工具を支持し、前記経路に沿って前記外科用工具を移動させるマニピュレータと、
   前記経路を決定する経路生成部と、
   前記経路に関し、前記外科用工具の少なくとも１つの許容可能な向きを決定する向き生成部と、
   前記経路生成部及び前記向き生成部と通信し、決定された前記経路に沿って前記少なくとも１つの許容可能な向きで前記外科用工具を自律移動させるよう前記マニピュレータに指示を与えるマニピュレータ制御部と、
   前記外科用工具に加わる力を検出するセンサと
   を備え、前記マニピュレータ制御部は、前記センサにより検出された力に基づいて変更先の向きを特定し、前記変更先の向きを前記少なくとも１つの許容可能な向きと比較することに応じて、前記経路に沿って前記外科用工具を移動させるよう指示を与えるものである、ロボットシステム。
2. 前記マニピュレータ制御部は、前記変更先の向きを前記少なくとも１つの許容可能な向きと比較することに応じて、前記外科用工具を前記少なくとも１つの許容可能な向きに保持するものである、請求項１に記載のロボットシステム。
3. 前記マニピュレータ制御部は、前記変更先の向きが前記少なくとも１つの許容可能な向きに合っていないという判定に応じて、前記外科用工具を前記少なくとも１つの許容可能な向きに保持するものである、請求項２に記載のロボットシステム。
4. 前記マニピュレータ制御部は、前記変更先の向きを前記少なくとも１つの許容可能な向きと比較することに応じて、前記変更先の向きへの前記外科用工具の移動を指示するものである、請求項１に記載のロボットシステム。
5. 前記マニピュレータ制御部は、前記変更先の向きが前記少なくとも１つの許容可能な向きに合っているという判定に応じて、前記変更先の向きへの前記外科用工具の移動を指示するものである、請求項４に記載のロボットシステム。
6. 前記マニピュレータ制御部は、前記変更先の向きが前記少なくとも１つの許容可能な向きに合っていないという判定に応じて、前記変更先の向きへの前記外科用工具の移動を一時的に許可するものである、請求項４に記載のロボットシステム。
7. 前記マニピュレータ制御部は、所定の事象の発生後に、前記変更先の向きから前記少なくとも１つの許容可能な向きへと戻るよう前記外科用工具を自動的に再調整するものである、請求項６に記載のロボットシステム。
8. 前記少なくとも１つの許容可能な向きは複数の許容可能な向きを含むものである、請求項１に記載のロボットシステム。
9. 前記複数の許容可能な向きが、ある領域内に定められている、請求項８に記載のロボットシステム。
10. 少なくとも１つの好適な向きが前記複数の許容可能な向きの中から定められる、請求項８に記載のロボットシステム。
11. 前記経路は複数の経路セグメントを含み、前記向き生成部は、前記複数の経路セグメントの各々について少なくとも１つの許容可能な向きを決定するものである、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のロボットシステム。
12. 前記外科用工具を前記変更先の向きに置こうとする試みに応じて、前記センサによって検出される前記力が前記外科用工具に加わる、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のロボットシステム。
13. 前記向き生成部は、前記外科用工具が前記経路に沿って障害物を回避できるように前記少なくとも１つの許容可能な向きを決定するものである、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のロボットシステム。
14. 前記向き生成部は、前記経路に従った前記外科用工具の切削効率を最適化するために前記少なくとも１つの許容可能な向きを決定するものである、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のロボットシステム。
15. ロボットシステムの外科用工具の自律移動時に該外科用工具を制御する方法であって、
    前記外科用工具の移動の経路を決定するステップと、
    前記経路に関し、前記外科用工具の少なくとも１つの許容可能な向きを決定するステップと、
    前記外科用工具を前記経路に沿って前記少なくとも１つの許容可能な向きで自律移動させるステップと、
    前記外科用工具に加わる力を検出するステップと、
    検出された前記力に基づいて変更先の向きを特定するステップと、
    前記変更先の向きを前記少なくとも１つの許容可能な向きと比較することに応じて、前記外科用工具を前記経路に沿って自律移動させるステップと
    を含む方法。
16. 前記変更先の向きを前記少なくとも１つの許容可能な向きと比較することに応じて、前記外科用工具を前記経路に沿って自律移動させるステップは、前記外科用工具を前記少なくとも１つの許容可能な向きに保持するステップを含むものである、請求項１５に記載の方法。
17. 前記外科用工具を前記少なくとも１つの許容可能な向きに保持するステップは、前記変更先の向きが前記少なくとも１つの許容可能な向きに合っていないという判定に応じて行われる、請求項１６に記載の方法。
18. 前記変更先の向きを前記少なくとも１つの許容可能な向きと比較することに応じて、前記外科用工具を前記経路に沿って自律移動させるステップは、前記外科用工具を前記変更先の向きに移動させるステップを含むものである、請求項１５に記載の方法。
19. 前記外科用工具を前記変更先の向きに自律移動させるステップは、前記変更先の向きが前記少なくとも１つの許容可能な向きに合っているという判定に応じて行われる、請求項１８に記載の方法。
20. 前記外科用工具を前記変更先の向きに自律移動させるステップは、前記変更先の向きが前記少なくとも１つの許容可能な向きに合っていない場合に一時的に行われる、請求項１８に記載の方法。
21. 所定の事象の発生後に、前記変更先の向きから前記少なくとも１つの許容可能な向きへと戻るよう前記外科用工具を自動的に再調整するステップをさらに含む請求項２０に記載の方法。
22. 前記経路に関し、前記外科用工具の少なくとも１つの許容可能な向きを決定するステップは、前記経路に関し、前記外科用工具の複数の許容可能な向きを決定するステップである、請求項１５に記載の方法。
23. 前記経路に関し、前記外科用工具の複数の許容可能な向きを決定するステップは、ある領域内の前記複数の許容可能な向きを決定するステップである、請求項２２に記載の方法。
24. 前記複数の許容可能な向きの中から少なくとも１つの好適な向きを決定するステップをさらに含む請求項２２に記載の方法。
25. 前記少なくとも１つの許容可能な向きを決定するステップは、前記経路に沿って定められた複数の経路セグメントの各々について前記少なくとも１つの許容可能な向きを決定するステップを含むものである、請求項１５〜２４のいずれか１項に記載の方法。
26. 前記外科用工具に加わる力を検出するステップは、前記外科用工具を前記変更先の向きに置こうとする試みに応じて行われる、請求項１５〜２４のいずれか１項に記載の方法。
27. 前記経路に関し、前記少なくとも１つの許容可能な向きを決定するステップは、前記外科用工具が前記経路に沿って障害物を回避できるように前記少なくとも１つの許容可能な向きを決定するステップを含むものである、請求項１５〜２４のいずれか１項に記載の方法。
28. 前記経路に関し、前記少なくとも１つの許容可能な向きを決定するステップは、前記経路に従った前記外科用工具の切削効率を最適化するために前記少なくとも１つの許容可能な向きを決定するステップを含むものである、請求項１５〜２４のいずれか１項に記載の方法。

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