JP2018530383A - 遠隔運動中心ロボットの光学的位置合わせ - Google Patents

Abstract

患者内への計画した切開点を経る計画されたツール軌道を用いる低侵襲処置のためのロボット手術システムである。該ロボット手術システムは、光学エンドエフェクタ５０（例えば、レーザポインタ又は内視鏡）、ＲＣＭロボット４０（例えば、同心弧ロボット）及びロボットコントローラ６０を使用する。動作時において、ロボットコントローラ６０は、ＲＣＭロボット４０による光学エンドエフェクタ５０の患者に付着された１以上のマーカに対する光学的照準合わせを制御すると共に、更にＲＣＭロボット４０による光学エンドエフェクタ５０の当該患者のボリューム画像内に示される計画されたツール軌道への軸合わせを、前記光学的照準合わせから導出された当該患者のボリューム画像内に示される計画された切開点への遠隔運動中心の位置合わせに基づいて制御する。

Description

本開示は、広くは、介入ツールが特定の切開点を介し定義されたツール軌道に沿って患者内に挿入されることを要する低侵襲処置、特には低侵襲脳神経外科処置（例えば、生検）に関する。本開示は、更に特定的には、介入ツールを計画したツール軌道に沿って正確に位置決め及び配向（方向決め）するための患者内への計画した切開点に対する遠隔運動中心ロボットによる遠隔運動中心（“ＲＣＭ”）の位置合わせに関する。

画像誘導脳生検は、手術医が根深い脳病変に低侵襲的に正確にターゲットを定めることを可能にする。即ち、患者の頭部は、固定されると共に追跡及び位置特定システム（例えば、光学式、電磁式、機械式又はこれらの組み合わせ）を用いた術前スキャン（例えば、ＣＴ、ＭＲＩ、ＵＳ等）に対して位置合わせされる。典型的に、このような位置合わせは、患者の頭蓋骨上に配置されたマーカ及び／又は追跡される手動ポインタを用いて実行される。当該追跡システムに対する脳病変の術前撮像スキャン内に示される既知の位置に基づいて、当該患者内への切開点の適切な位置が、手術医により生検のために特定される。次いで、該手術医は追跡される生検ニードルの挿入角を当該画像誘導追跡システムからのフィードバックに基づいて手動で整列させる。ニードルが手術医により挿入される際に、画像誘導追跡システムは該ニードルの軌道を確認すると共に、何時正しい挿入深度に到達したかを識別する。この目的のために、従来技術で知られている画像誘導システムは、ニードル挿入前に医師が計画したツール軌道に整列させる機械的ニードルガイドを提供する。

このような画像誘導を用いても、且つ、当該追跡システムに対する術前撮像スキャンの正確な位置合わせが達成されたとしても、手術医は自由空間において５°の自由度の整列を行わなければならない。このように、位置合わせ及びニードル整列におけるユーザエラーは、正しくない切開位置に及び／又は介入ツールが患者頭部内のターゲット脳病変を逃すことにつながり得る。

本開示は、低侵襲処置（例えば、低侵襲脳神経外科処置）の間において遠隔運動中心（“ＲＣＭ”）ロボットを患者の画像に位置合わせするためにロボットに装着された光学エンドエフェクタ（例えば、レーザポインタ又は内視鏡）を用いる発明を提供するものである。患者の画像をＲＣＭロボットに位置合わせすることにより、当該処置を実行するために計画したツール軌道の正確な位置及び方位（向き）が、自動的に正確に定まる。このことは、手術医が介入ツールをヒューマンエラーの最小限のリスクで正確且つ制御された態様で配置することを可能にする。

本開示の発明の一形態は、患者内への計画された切開点を経るツール軌道を用いる低侵襲処置のためのロボット手術システムである。

該ロボット手術システムは、光学エンドエフェクタ（例えば、レーザポインタ又は内視鏡）、及び自身の構造により定まる遠隔運動中心の回りで前記光学エンドエフェクタを回転させるＲＣＭロボットを使用する。

該ロボット手術システムは、更に、前記ＲＣＭロボットによる前記患者に付着された少なくとも１つのマーカに対する前記光学エンドエフェクタの光学的照準合わせを制御すると共に、前記ＲＣＭロボットによる前記患者のボリューム画像内に示される前記計画されたツール軌道への前記光学エンドエフェクタの軸合わせ（軸整列）を、前記ＲＣＭロボットによる前記患者に付着された前記位置合わせマーカに対する前記光学エンドエフェクタの光学的照準合わせから導出された前記患者のボリューム画像内に示される前記計画された切開点への前記遠隔運動中心の位置合わせに基づいて制御するロボットコントローラを使用する。

本開示の発明の第２の形態は、計画された切開点を経る患者内への計画されたツール軌道を用いる低侵襲処置のためのロボット手術方法である。

該ロボット手術方法は、ＲＣＭロボットが光学エンドエフェクタを前記患者に付着された少なくとも１つのマーカに対し光学的に照準合わせするステップ、及び位置合わせモジュールが前記ＲＣＭロボットによる前記患者に付着された前記マーカに対する前記光学エンドエフェクタの光学的照準合わせから、前記患者のボリューム画像内に示される前記計画された切開点への遠隔運動中心の位置合わせを導き出すステップを含む。

前記遠隔運動中心は、前記ＲＣＭロボットの構造により定まる。

当該ロボット手術方法は、更に、前記ＲＣＭロボットが前記患者のボリューム画像内に示される前記計画されたツール軌道に対して前記光学エンドエフェクタを、前記位置合わせモジュールによる前記患者のボリューム画像内に示される前記計画された切開点に対する前記遠隔運動中心の位置合わせに基づいて軸合わせするステップを含む。

本開示の発明の目的に関し、これらに限られるものではないが、“計画されたツール軌道”、“計画された切開点”、“エンドエフェクタ”、“遠隔運動中心”、“ロボット”、“マーカ”及び“ボリューム画像”を含む当業用語は、本開示の当業技術において理解されるように、且つ、本明細書で例示的に記載されているように解釈されるべきである。

更に詳細には、本開示の発明の目的に関し、“光学エンドエフェクタ”なる用語はロボットのエンドエフェクタ（末端効果器）として機能すると共に如何なる形の放射も放出及び／又は受光する光学的能力を有する如何なる装置も広く含み、“ＲＣＭロボット”なる用語は遠隔運動中心（遠隔動心）を定める構造的構成を有するロボットであって、これにより、該ロボット又はその一部が該ロボットから空間的に固定された点の回りで回転することができる如何なるロボットも広く含むものである。光学エンドエフェクタの例は、これらに限定されるものではないが、当業技術において知られており且つ本明細書に例示される如何なるタイプのレーザポインタ及び内視鏡（endoscope）も含む一方、ＲＣＭロボットの例は、これらに限られるものではないが、当業技術において知られており且つ本明細書で例示される如何なるタイプの同心弧ロボットも含む。

本開示の発明の目的に関し、“コントローラ”なる用語は、本明細書において後述される本開示の種々の発明原理のアプリケーションを制御するためのワークステーションに収容され又は接続される全ての構成の特定用途向けメインボード又は特定用途向け集積回路を広く含むものである。該コントローラの構成は、これらに限定されるものではないが、プロセッサ（又は複数のプロセッサ）、コンピュータ使用可能な／コンピュータ読取可能な記憶媒体、オペレーティングシステム、アプリケーションモジュール、周辺装置コントローラ、スロット及びポートを含むことができる。

前記ワークステーションの例は、これらに限定されるものではないが、１以上のコンピュータ装置（例えば、クライアントコンピュータ、デスクトップ及びタブレット等）のアセンブリ、ディスプレイ／モニタ、及び１以上の入力装置（例えば、キーボード、ジョイスティック及びマウス等）を含む。

本開示の発明の目的に関し、“アプリケーションモジュール”なる用語は、特定のアプリケーションを実行するための実行可能なプログラム（例えば、実行可能なソフトウェア及び／又はファームウエア）及び／又は電子回路からなる前記コントローラの構成要素を広く含むものである。

本開示の発明の目的に関し、本明細書における“ロボット”コントローラ及び“撮像”コントローラ等の前記コントローラの記述的標記は、“コントローラ”なる用語に対する如何なる付加的な限定を指定又は意味することなく、本明細書に記載され及び請求項に記載される特定のコントローラを識別するものである。

同様に、本開示の発明の目的に関し、本明細書における“サーボ制御”モジュール及び“位置合わせ制御”モジュール等のアプリケーションモジュールの記述的標記は、“アプリケーションモジュール”なる用語に対する如何なる付加的な限定も指定又は意味することなく、本明細書に記載され及び請求項に記載される特定のアプリケーションモジュールを識別するものである。

本開示の上記形態及び他の形態並びに本開示の種々のフィーチャ及び利点は、添付図面に関連して精読される本開示の種々の実施態様の後述する詳細な説明から更に明らかになるであろう。該詳細な説明及び図面は、限定するというより本開示を解説するだけのものであり、本開示の範囲は添付請求項及びその均等物により定義されるものである。

図１は、本開示の発明的原理による低侵襲脳神経外科処置の第１の例示的実施態様を示す。 図２は、本開示の発明的原理によるロボット画像誘導方法の一例示的実施態様のフローチャートを示す。 図３Ａ乃至図３Ｄは、本開示の発明的原理による位置合わせマーカの例示的実施態様を示す。 図４Ａ乃至図４Ｇは、本開示の発明的原理による患者に対するＲＣＭロボットの例示的位置合わせを示す。 図５は、本開示の発明的原理による低侵襲脳神経外科処置の第２の例示的実施態様を示す。 図６は、本開示の発明的原理による低侵襲脳神経外科処置の第３の例示的実施態様を示す。 図７Ａ及び図７Ｂは、本開示の発明的原理によるワークステーションの例示的実施態様を示す。

本開示の理解を容易にするために、図１の以下の記載は、低侵襲脳神経外科処置の間における患者の画像に遠隔運動中心（“ＲＣＭ”）を位置合わせするためにロボットに装着されたレーザポインタを使用する基本的な発明的原理を教示する。この記載から、当業者であれば、本開示の発明的原理を、何らかのタイプの低侵襲処置の間において患者の画像にＲＣＭロボットを位置合わせするために種々の光学エンドエフェクタ（末端効果器）にどの様に適用するかを理解するであろう。

図１を参照すると、低侵襲生検の撮像フェーズは、撮像コントローラ２０、撮像手段２２（例えば、ＣＴ、ＭＲＩ又はＵＳ撮像手段）及び撮像コントローラ２０と撮像手段２２との間の通信経路２３（例えば、有線／無線接続）を使用する。一般的に、動作時において、当該低侵襲生検の撮像フェーズは、撮像コントローラ２０が、当業技術において知られているように固定具１１により固定された患者１０の頭部に付着されたマーカ（黒点として印された）を示すボリューム画像の撮像手段２２による発生の表示を制御することを伴う。撮像に際して、撮像コントローラ２０は、更に、当業技術において知られているようにボリューム画像２１内で患者１０の頭部における切開点の位置（ボリューム画像２１のマーカの間の円により印された）及び患者１０の頭部内のターゲット病変に到達する目的の上記切開点を経るツール軌道（切開点に垂直なツール軌道を表すボリューム２１のマーカ円内のＸにより印された）をユーザが計画することを制御する。

依然として図１を参照すると、当該低侵襲生検の位置合わせフェーズは、ロボットプラットフォーム３０、同心弧ロボットの形態のＲＣＭロボット４０、レーザポインタの形態の光学エンドエフェクタ５０、ロボットコントローラ６０ａ、並びにロボットコントローラ６０ａと同心弧（concentric arc）ロボット４０との間及びロボットコントローラ６０ａとロボットプラットフォーム３０の能動型実施態様との間の通信経路６３ａ（例えば、有線／無線接続）を使用する。

本開示の発明の目的の場合、“ロボットプラットフォーム”なる用語は、デカルト座標系内で本開示のＲＣＭロボットを運動させるように構造的に構成され、これにより該ロボットの遠隔運動中心をデカルト座標系内の所望の点に移動させることができる任意のプラットフォームを広く含むものである。

図１の実施態様の場合、ロボットプラットフォーム３０は、基部３１（動作空間内のベッドレール又は他の安定した位置に接続可能な）並びに基部３１に対して静止的な又は基部３１に対して平行移動可能、回動可能及び／又は伸張可能な支柱３２を使用する。ロボットプラットフォーム３０は、更に、ロボット保持アーム３４並びに該ロボット保持アーム３４を支柱３２に連結し、これにより該ロボット保持アーム３４がデカルト座標系内で支柱３２に対して平行移動可能、回動可能及び／又は伸張可能となるようにするジョイント（継手）３３を使用する。

実際には、ロボットプラットフォーム３０は、支柱３２及び／又はロボット保持アーム３４の手動操作という点で受動的なもの、又は通信経路６３ａを介して基部３１及び／又はロボット保持アーム３４の平行移動、回動及び／又は伸張を指令するようにロボットコントローラ６０ａにより制御される電動支柱３２及び／又は電動ジョイント３３という点で能動的なものとすることができる。ロボットプラットフォーム３０の受動的及び能動的な両実施態様に対して、支柱３２及び／又はジョイント３３は、基部３１に対する支柱３２の姿勢及び／又はデカルト座標系内でのロボット保持アーム３４の姿勢を知らせるコード化信号を発生するためのエンコーダ（図示略）を含み、これにより、ロボットコントローラ６０ａは支柱３２及び／又はロボット保持アーム３４を追跡することができる。

同心弧ロボット４０は、ピッチアクチュエータ４１に機械的に連結されると共に、ヨーアクチュエータ４３に機械的に連結され又は物理的に統合されたピッチ弧部４２を使用する。同心弧ロボット４０は、更に、ヨーアクチュエータ４３に機械的に連結されると共に、エンドエフェクタホルダ４５と機械的に連結され又は物理的に統合されたヨー弧部４４を含む。

ピッチアクチュエータ４１は、ピッチ軸ＰＡを囲む双方向矢印により示されるように、該ピッチアクチュエータ４１のピッチ軸ＰＡの回りでピッチ弧部４２、ヨーアクチュエータ４３、ヨー弧部４４、エンドエフェクタホルダ４５及びレーザポインタ５０を同時に回動（旋回）させるべく該ピッチアクチュエータ４１を選択的に駆動するために通信経路６３ａを介してロボットコントローラ６０ａにより制御することが可能なエンコード型モータ（図示略）を含む。

ヨーアクチュエータ４３は、ヨー軸ＹＡを囲む双方向矢印により示されるように、該ヨーアクチュエータ４３のヨー軸ＹＡの回りでヨーアクチュエータ４３、ヨー弧部４４、エンドエフェクタホルダ４５及びレーザポインタ５０を回動させるべく該ヨーアクチュエータ４３を選択的に駆動するために通信経路６３ａを介してロボットコントローラ６０ａにより制御することが可能なエンコード型モータ（図示略）を含む。

エンドエフェクタホルダ４５は、レーザポインタ５０を保持し、これにより、該レーザポインタ５０により放出されるレーザビームＬＢが該エンドエフェクタホルダ４５の長軸に整列されるようにするよう既知の態様で構成されている。

当業技術で既知のように、ピッチアクチュエータ４１、ヨーアクチュエータ４３及びエンドエフェクタホルダ４５の相対方位は遠隔運動中心ＲＣＭをピッチ軸ＰＡ、ヨー軸ＹＡ及びエンドエフェクタ軸（レーザビームＬＢにより示された）の交差として定める。ロボットプラットフォーム３０の能動型実施態様により発生されるコード化信号に基づいて、ロボットコントローラ６０ａは、患者１０の頭部に対して遠隔運動中心ＲＣＭを戦略的に位置決めするためにサーボモジュール６１ａを既知のように実行する。ピッチアクチュエータ４１及びヨーアクチュエータ４３により発生されるコード化信号に基づいて、ロボットコントローラ６０ａは、患者１０の頭部に付着されたマーカに対してレーザポインタ５０を戦術的に向けるためにサーボモジュール６１ａを既知のように実行する。

一般的に、動作時において、当該低侵襲生検の位置合わせフェーズは、ロボットコントローラ６０ａが遠隔運動中心ＲＣＭを患者１０の頭部のボリューム画像２１内の切開点の位置に位置合わせするために位置合わせモジュール６２ａを実行することを伴い、これにより、レーザビームＬＢは撮像フェーズの間に計画されたツール軌道ＴＴに整列される。位置合わせモジュール６２ａの更に詳細な説明は、図２の記載により行う。

図１を依然として参照すると、当該低侵襲生検の生検フェーズは、エンドエフェクタホルダ４５からのレーザポインタ５０の除去及び該エンドエフェクタホルダ４５内へのツールガイド７０の挿入を含む。前記位置合わせフェーズの間における計画したツール軌道へのレーザビームＬＢの位置合わせされた整列に基づいて、生検ニードル７１を、患者１０の頭部内のターゲット病変に到達するようにツールガイド７０により正確且つ制御された態様で配置することができる。

位置合わせモジュール６２ａの更なる理解を容易にするために、以下は、図１に示された低侵襲生検の前後関係における図２に示される本開示の例示的ロボット画像誘導方法の撮像フェーズ及び位置合わせフェーズの説明である。この説明から、当業者であれば、如何なる特定の低侵襲処置及び本開示のＲＣＭロボット及びロボットプラットフォームの如何なる構成に対しても適用可能な位置合わせモジュールを実施化するために、本開示の原理をどの様に適用するかを理解するであろう。

図２は、本開示の例示的ロボット画像誘導方法における手術医により実行される動作を表すフローチャート８０、及び本開示の例示的ロボット画像誘導方法におけるコントローラにより実行される動作を表すフローチャート１００を示す。

図１及び図２を参照すると、図１の撮像フェーズの間において、フローチャート８０のステージＳ８２は手術医が既知のように患者１０に放射線不透過性マーカを付着することを含み、フローチャート８０のステージＳ８４は、手術医が撮像コントローラ２０と遣り取りし、これにより、撮像手段２２がフローチャート１００のステージＳ１０２の間に撮像コントローラ２０により制御されて、患者１０の頭部に付着された不透過性マーカを表すボリューム画像２１を発生することを含む。実際には、これらマーカは同一の構造を有することができるか、又は各マーカがボリューム画像２１内のマーカの個々の識別を容易にするために固有の形状を有することができる。

例えば、図３Ａは星型形状を持つ放射線不透過性マーカ１３０を示し、図３Ｂは十字形状を持つ放射線不透過性マーカ１３１を示し、図３Ｃは菱形形状を持つ放射線不透過性マーカ１３２を示し、図３Ｄは八角形状を持つ放射線不透過性マーカ１３３を示す。

図１及び図２に戻ると、撮像ステージＳ８４及びＳ１０２に続いて、フローチャート８０のステージＳ８６は、手術医がフローチャート１００のステージＳ１０４の間に撮像コントローラ２０と遣り取りして、既知のようにボリューム画像２１内の患者１０の頭部内への切開点の位置を計画すると共に、既知のようにボリューム画像２１内の患者１０の頭部内の病変に到達するための上記切開点を経るツール軌道を計画する過程を含む。

図１及び図２を依然として参照すると、図１の位置合わせフェーズの開始時において、フローチャート８０のステージＳ８８は、手術医が受動型ロボットプラットフォーム３０を手動で操作するか又は能動型ロボットプラットフォーム３０のためのサーボモジュール６１ａと遣り取りして、図４Ａに例示的に示されるように、遠隔運動中心ＲＣＭを患者１０の頭部から空間的に任意に配置する過程を含む。ロボットプラットフォーム３０のコード化されていない受動型又は能動型実施態様（“ＵＲＰ”）の場合、位置合わせモジュール６２ａはロボットプラットフォーム３０の上記手動又はサーボ制御についてコード化信号を介して通知されることはなく、フローチャート１００のステージＳ１０８に進む。ロボットプラットフォーム３０のコード化された受動型又は能動型実施態様（“ＥＲＰ”）の場合、フローチャート１００のステージＳ１０４は位置合わせモジュール６２ａがステージＳ８８の間における患者１０の頭部からの空間的な遠隔運動中心ＲＣＭの任意の配置に関してコード化信号を介して通知される過程を含み、これにより、位置合わせモジュール６２ａはロボットプラットフォーム３０の追跡を開始する。

ステージＳ８８の完了に続いて、フローチャート８０のステージＳ９０は、手術医がサーボモジュール６１ａと遣り取りして、レーザポインタ５０のレーザビームＬＢを各マーカ上に順次中心を合わせる過程を含み、これによれば、フローチャート１００のステージＳ１０８はサーボモジュール６１ａ又は位置合わせモジュール６２ａが各マーカ上でのレーザビームＬＢの中心合わせに関してピッチアクチュエータ４１及びヨーアクチュエータ４３のコード化位置を記録する過程を含む。

例えば、図４ＢはレーザビームＬＢを第１マーカ上に中心を合わせるためのヨーアクチュエータ４３のサーボモジュール６１ａによるサーボ制御を示し、これによれば、サーボモジュール６１ａ又は位置合わせモジュール６２ａは第１マーカ上でのレーザビームＬＢの中心合わせに対応してピッチアクチュエータ４１及びヨーアクチュエータ４３のコード化位置を記録する。

図４Ｃは、レーザビームＬＢを第２マーカ上に中心を合わせるためのピッチアクチュエータ４１のサーボモジュール６１ａによるサーボ制御を示し、これによれば、サーボモジュール６１ａ又は位置合わせモジュール６２ａは第２マーカ上でのレーザビームＬＢの中心合わせに対応してピッチアクチュエータ４１及びヨーアクチュエータ４３のコード化位置を記録する。

図４Ｄは、レーザビームＬＢを第３マーカ上に中心を合わせるためのピッチアクチュエータ４１及びヨーアクチュエータ４３のサーボモジュール６１ａによるサーボ制御を示し、これによれば、サーボモジュール６１ａ又は位置合わせモジュール６２ａは第３マーカ上でのレーザビームＬＢの中心合わせに対応してピッチアクチュエータ４１及びヨーアクチュエータ４３のコード化位置を記録する。

そして、図４Ｅは、レーザビームＬＢを第４マーカ上に中心を合わせるためのピッチアクチュエータ４１のサーボモジュール６１ａによるサーボ制御を示し、これによれば、サーボモジュール６１ａ又は位置合わせモジュール６２ａは第４マーカ上でのレーザビームＬＢの中心合わせに対応してピッチアクチュエータ４１及びヨーアクチュエータ４３のコード化位置を記録する。

ステージＳ１０８の完了に続いて、フローチャート１００のステージＳ１１０は、位置合わせモジュール６２ａがピッチアクチュエータ４１及びヨーアクチュエータ４３の記録されたコード化位置を既知のように処理して、同心弧ロボット４０をボリューム画像２１に示されたマーカ及び計画された切開位置に位置合わせする過程を含む。

ステージＳ１１０の位置合わせに基づいて、ロボットプラットフォーム３０のコード化されていない受動型又は能動型実施態様（“ＵＲＰ”）の場合、フローチャート１００のステージＳ１１２は、図４Ｆに記号的に黒点で例示的に示された計画された切開位置にレーザビームＬＢの中心を合わせるために要する、ピッチアクチュエータ４１及び／又はヨーアクチュエータ４３のサーボモジュール６１ａを介しての自動サーボ制御を含む。

ステージＳ１１０の完了に続いて、フローチャート８０のステージＳ９２は手術医がステージＳ１１２の間にレーザビームＬＢにより示された患者の頭部の切開位置をマークする過程を含み、フローチャート８０のステージＳ９４は手術医が受動型ロボットプラットフォーム３０を手動で操作するか又は能動型ロボットプラットフォーム３０のためのサーボモジュール６１ａと遣り取りして、図４Ｇに例示的に示されるようにフローチャート１００のステージＳ１１４の間に遠隔運動中心ＲＣＭを上記切開マーカに合わせる過程を含む。位置合わせモジュール６２ａは、当該位置合わせのグラフィック的及び／又はテキスト的確認情報を提供する。

ステージＳ９４及びＳ１１４の完了に続いて、フローチャート８０のステージＳ９６は、手術医がサーボモジュール６１ａと遣り取りして、切開マーカを含む各マーカ上にレーザポインタ５０のレーザビームＬＢを順次中心合わせする過程を含み、これによれば、フローチャート１００のステージＳ１１４はサーボモジュール６１ａ又は位置合わせモジュール６２ａが各マーカ上でのレーザビームＬＢの中心合わせに関してピッチアクチュエータ４１及びヨーアクチュエータ４３のコード化位置を記録する過程を含む。図４Ｂ〜図４Ｅは、患者１０の頭部から隔てられるものとは異なるが、遠隔運動中心が切開マーカに合わされるステージＳ１１４の例示である。

各マーカ上でのレーザビームＬＢの中心合わせに続いて、フローチャート１００のステージＳ１１８は、位置合わせモジュール６２ａがピッチアクチュエータ４１及びヨーアクチュエータ４３の記録されたコード化位置を既知のように処理して、遠隔運動中心ＲＣＭをボリューム画像２１に示される切開マーカに位置合わせする過程を含む。ステージＳ１１８の位置合わせに基づいて、フローチャート１００のステージＳ１２０は、図１に示された計画されたツール軌道ＴＴにレーザビームＬＢを軸整列（軸合わせ）させるために要する、ピッチアクチュエータ４１及び／又はヨーアクチュエータ４３のサーボモジュール６１ａを介しての自動サーボ制御を含む。

ステージＳ１１０の位置合わせに基づいて、ロボットプラットフォーム３０のコード化された受動型実施態様（“ＥＰＲＰ”）の場合、フローチャート８０のステージＳ９２は、ここでも、手術医がステージＳ１１２の間にレーザビームＬＢにより指示されるように患者の頭部上の切開位置をマークする過程を含み、フローチャート８０のステージＳ９４は、ここでも、手術医が受動型ロボットプラットフォーム３０を手動で操作して、図４Ｇに例示的に示されるようにフローチャート１００のステージＳ１１４の間に遠隔運動中心を上記切開マーカに合わせる過程を含む。位置合わせモジュール６２ａは、当該位置合わせのグラフィック的及び／又はテキスト的確認情報を提供する。

ステージＳ１０６のコード化追跡によれば、ステージＳ１１６及びＳ１１８による切開マーカに対する遠隔運動中心の位置合わせは、ステージＳ１１０の間にボリューム画像に示される切開点に対する遠隔運動中心ＲＣＭの値合わせに鑑みて、省略される。このように、ステージＳ１１４の確認情報を手術医が承認すると、サーボモジュール６１ａは、図１に示されるように計画されたツール軌道ＴＴにレーザビームＬＢを軸整列させるために要するピッチアクチュエータ４１及び／又はヨーアクチュエータ４３のサーボモジュール６１ａを介しての自動サーボ制御のためにステージＳ１１４からステージＳ１２０に進む。

ステージＳ１０６のコード化追跡及びステージＳ１１０の位置合わせに基づいて、ロボットプラットフォーム３０のコード化された能動型実施態様（“ＥＡＲＰ”）の場合、ステージＳ１１４によるＲＣＭ位置合わせ並びにステージＳ１１６及びＳ１１８による切開マーカに対する遠隔運動中心ＲＣＭの位置合わせは、ステージＳ１１０の間においてボリューム画像内に示される切開点に対する遠隔運動中心ＲＣＭの位置合わせに鑑みて省略される。このように、ステージＳ１０６のプラットフォーム追跡及びステージＳ１１０の位置合わせに基づいて、サーボモジュール６１ａは、図１に示されるように計画されたツール軌道ＴＴにレーザビームＬＢを軸整列させるために要するピッチアクチュエータ４１及び／又はヨーアクチュエータ４３のサーボモジュール６１ａを介しての自動サーボ制御のためにステージＳ１１０からステージＳ１２０に進む。

図１及び図２を依然として参照すると、フローチャート８０及び１００が完了した場合、当業者であれば、図１の生検フェーズを最小限のヒューマンエラーで正確且つ制御された態様で実行することができることが分かるであろう。

図１を参照すると、実際には、前記位置合わせフェーズは、更に自動化することができ及び／又は種々の異なる光学エンドエフェクタを利用することができる。

例えば、図５は、カメラ１４０を患者１０の頭部に付着されたマーカ及びレーザポインタ５０を視野内に置くような態様で動作空間内に組み込んだ（例えば、ロボットプラットフォーム３０又は同心弧ロボット４０に取り付けられた）本開示の例示的位置合わせフェーズを示す。サーボモジュール６１ｂは、通信経路６３ｂを介してカメラ１４０のコントローラと通信し、前述したようにマーカ上にレーザポインタ５０のレーザビームＬＢの中心を合わせる際にロボット３０のサーボ制御を自動的に実行するように構成される。このような制御は、図２に示されたステージＳ１０８及びステージＳ１１８（当てはまるなら）の間において手術医がサーボモジュール６１ｂと遣り取りをする如何なる必要性も取り除く。

また、例示として、図６はレーザポインタ５０の代わりに内視鏡５１を利用した本開示の例示的位置合わせフェーズを示す。この実施態様のために、サーボモジュール６１ｃは、図２に示したようなステージＳ１０８及びステージＳ１１８（当てはまる場合）の間における該内視鏡５１の視野内での各マーカの中心合わせを含む自動的サーボ制御を実行するように構成される。更に詳細には、図３Ａ〜図３Ｄに各々示されるマーカ１３０〜１３３に対し、サーボモジュール６１ｃは、図２に示されるようなステージＳ１０８及びステージＳ１１８（当てはまるなら）の間において内視鏡５１の視野内でのマーカ１３０〜１３３の順次の中心合わせにおいて自動的サーボ制御を実行する。

実際のところ、図１の各コントローラは、単一のワークステーション内に設置し、又は複数のワークステーションにまたがって分散させることができる。

例えば、図７Ａは、ＣＴ、ＭＲＩ又はＵＳ撮像のために設置された本開示の撮像コントローラ（例えば、撮像コントローラ２０）を有する撮像ワークステーション１５０、並びに本開示のサーボモジュール及び位置合わせモジュールを実行するために設置された本開示のロボットコントローラ（例えば、ロボットコントローラ６０）を有する手術ロボットワークステーション１５１を示している。

更なる例示として、図７Ｂは、ＣＴ、ＭＲＩ又はＵＳ撮像のために設置された本開示の撮像コントローラ（例えば、撮像コントローラ２０）を有すると共に、本開示のサーボモジュール及び位置合わせモジュールを実行するために設置された本開示のロボットコントローラ（例えば、ロボットコントローラ６０）を有するワークステーション１５２を示している。ワークステーション１５２の場合、各コントローラは物理的／論理的に分離し又は統合することができる。

また、実際のところ、本開示の位置合わせモジュールは、本開示のロボットコントローラと通信する本開示の撮像コントローラのアプリケーションとすることができる。

図１〜図７を参照した場合、当業者であれば、介入ツールを最小限のヒューマンエラーのリスクで正確且つ制御された態様で配置するための患者に対する遠隔運動中心ロボットの新規で固有な光学的位置合わせ（これに限るものではない）を含む、本開示の多数の利点を理解するであろう。

更に、当業者であれば本明細書でなされる教示に鑑み理解するように、本開示／明細書に記載され及び／又は図１〜図７に示されたフィーチャ、エレメント、構成部品等は、電子部品／回路、ハードウェア、実行可能なソフトウェア及び実行可能なファームウエアの種々の組み合わせで実施化することができると共に、単一のエレメント又は複数のエレメント内で組み合わせることができる機能を提供することができる。例えば、図１〜図７に示され／図示され／描かれた種々のフィーチャ、エレメント、構成部品等の機能は、専用のハードウェア及び適切なソフトウェアとの関連でソフトウェアを実行することができるハードウェアの使用により提供することができる。プロセッサにより提供される場合、これら機能は単一の専用プロセッサにより、単一の共有プロセッサにより又は複数の個別のプロセッサにより提供され得るものであり、これらの幾つかは共有及び／又は多重化され得る。更に、“プロセッサ”なる用語の明示的な使用は、ソフトウェアを実行することができるハードウェアを専ら指すとみなされるべきではなく、限定無しで、デジタル信号プロセッサ（“ＤＳＰ”）ハードウェア、メモリ（例えば、ソフトウェアを記憶するための読取専用メモリ（“ＲＯＭ”）、ランダムアクセスメモリ（“ＲＡＭ”）、不揮発性記憶部等）、並びに処理を実行及び／又は制御することができる（及び／又は処理を実行及び／又は制御するように構成することができる）実質的に任意の手段及び／又はマシン（ハードウェア、ソフトウェア、ファームウエア、回路、これらの組み合わせ等を含む）を暗黙的に含むことができる。

更に、本発明の原理、態様及び実施態様並びにこれらの特定の例を引用する全ての記述は、これらの構造的等価物及び機能的等価物の両方を含もうとするものである。更に、このような均等物は現在知られている均等物及び将来開発される均等物（例えば、構造とは無関係に、同一又は実質的に同様の機能を果たし得る、開発された何らかのエレメント）の両方を含むものである。このように、例えば、当業者であれば本明細書でなされる教示に鑑みて、本明細書で提示される如何なるブロック図も、本発明の原理を具現化する解説的システム部品及び／又は回路の思想的見方を表すことができることが分かるであろう。同様に、当業者であれば本明細書でなされる教示に鑑み、如何なるフローチャート及び流れ図等も、コンピュータ読取可能な記憶媒体内で実質的に表すことができ、従ってコンピュータ、プロセッサ又は処理能力を備える他の装置により実行され得る（このようなコンピュータ又はプロセッサが明示的に示されているか否かによらず）種々の処理を表すことができると理解すべきである。

更に、本開示の例示的実施態様は、例えばコンピュータ若しくは何らかの命令実行システムにより又は関連して使用するためのプログラムコード及び／又は命令を供給するコンピュータ使用可能な及び／又はコンピュータ読取可能な記憶媒体からアクセスすることができるコンピュータプログラム製品又はアプリケーションモジュールの形態をとることができる。本開示によれば、コンピュータ使用可能な又はコンピュータ読取可能な記憶媒体は、例えば命令実行システム、装置若しくはデバイスにより又は関連して使用するために当該プログラムを含み、記憶し、通知し、伝搬し又は伝送することができる任意の装置とすることができる。このような例示的媒体は、例えば、電子、磁気、光学、電磁、赤外若しくは半導体システム又は伝搬媒体とすることができる。コンピュータ読取可能な媒体の例は、例えば、半導体又は固体メモリ、磁気テープ、取り外し可能なコンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュ（ドライブ）、剛性磁気ディスク及び光ディスクを含む。光ディスクの現在の例は、コンパクトディスク-読取専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、コンパクトディスク-読取／書込（ＣＤ−ＲＷ）及びＤＶＤを含む。更に、今後開発され得る如何なる新たなコンピュータ読取可能な媒体も、本開示の例示的実施態様により使用され又は参照することができるコンピュータ読取可能な媒体と見なされるべきであると理解されたい。

患者に対する遠隔運動中心ロボットの新規且つ発明的光学位置合わせの好ましい及び例示的実施態様（解説的であることを意図し、限定するものではない）を説明したので、当業者によれば、図１〜図７を含む本明細書に提示された教示に照らして種々の修正及び変更を行うことができることに注意されたい。従って、本開示の好ましい及び例示的実施態様に対し、ここに開示された実施態様の範囲内である変更を行うことができると理解されるべきである。

更に、当該装置を組み込む及び／又は実施化する対応する及び／又は関連するシステム、又は本開示による装置で使用／実施化することができるような装置も、考えることができ、本開示の範囲内に入ると見なされることが想定される。更に、本開示による装置及び／又はシステムを製造及び／又は使用する対応する及び／又は関連する方法も、考えることができ、本開示の範囲内に入ると見なされる。

Claims (20)

1. 計画された切開点を経る患者内への計画されたツール軌道を用いる低侵襲処置のためのロボット手術システムであって、
   光学エンドエフェクタと、
   ＲＣＭロボット自身の構造により定まる遠隔運動中心の回りで前記光学エンドエフェクタを回転させることができるＲＣＭロボットと、
   ロボットコントローラと、
   を有し、
   前記ロボットコントローラは、前記ＲＣＭロボットと通信して、該ＲＣＭロボットによる前記患者に付着された少なくとも１つのマーカに対する前記光学エンドエフェクタの光学的照準合わせを制御し、
   前記ロボットコントローラは、更に、前記ＲＣＭロボットと通信して、該ＲＣＭロボットによる前記患者のボリューム画像内に示される前記計画されたツール軌道への前記光学エンドエフェクタの軸合わせを、前記ＲＣＭロボットによる前記患者に付着された前記少なくとも１つのマーカに対する前記光学エンドエフェクタの光学的照準合わせから導出された前記患者のボリューム画像内に示される前記計画された切開点への前記遠隔運動中心の位置合わせに基づいて制御する、
   ロボット手術システム。
2. 前記ＲＣＭロボットが、前記光学エンドエフェクタを遠隔運動中心の回りで回転させるためのピッチ自由度及びヨー自由度を有する同心弧ロボットである、請求項１に記載のロボット手術システム。
3. 前記ＲＣＭロボットを前記患者に対して位置決めすることができるロボットプラットフォームを更に有し、
   前記ロボットコントローラは、前記ＲＣＭロボット及び前記ロボットプラットフォームと通信して、該ＲＣＭロボット及びロボットプラットフォームにより前記患者に付着された前記少なくとも１つのマーカに対する前記光学エンドエフェクタの光学的照準合わせを制御し、
   前記ロボットコントローラは、前記ＲＣＭロボット及び前記ロボットプラットフォームと通信して、該ＲＣＭロボット及びロボットプラットフォームによる前記患者のボリューム画像内に示される前記計画されたツール軌道への前記光学エンドエフェクタの軸合わせを、前記ＲＣＭロボットによる前記患者に付着された前記少なくとも１つのマーカに対する前記光学エンドエフェクタの光学的照準合わせから導出された前記患者のボリューム画像内に示される前記計画された切開点への前記遠隔運動中心の位置合わせに基づいて制御する、
   請求項１に記載のロボット手術システム。
4. 前記光学エンドエフェクタはレーザビームを放出するレーザポインタであり、
   前記ロボットコントローラは、前記ＲＣＭロボットと通信して、該ＲＣＭロボットによる前記患者に付着された前記少なくとも１つのマーカに対する前記レーザポインタによるレーザビームの放射の光学的照準合わせを制御し、
   前記ロボットコントローラは、更に、前記ＲＣＭロボットと通信して、該ＲＣＭロボットによる前記患者のボリューム画像内に示される前記計画されたツール軌道への前記レーザポインタによるレーザビームの放射の軸合わせを、前記ＲＣＭロボットによる前記患者に付着された前記少なくとも１つのマーカに対する前記レーザポインタによるレーザビームの放射の光学的照準合わせから導出された前記患者のボリューム画像内に示される前記計画された切開点への前記遠隔運動中心の位置合わせに基づいて制御する、
   請求項１に記載のロボット手術システム。
5. 前記光学エンドエフェクタは視野を持つ内視鏡であり、
   前記ロボットコントローラは、前記ＲＣＭロボットと通信して、該ＲＣＭロボットによる前記患者に付着された前記少なくとも１つのマーカに対する前記内視鏡の視野の光学的照準合わせを制御し、
   前記ロボットコントローラは、更に、前記ＲＣＭロボットと通信して、該ＲＣＭロボットによる前記患者のボリューム画像内に示される前記計画されたツール軌道への前記内視鏡の視野の軸合わせを、前記ＲＣＭロボットによる前記患者に付着された前記少なくとも１つのマーカに対する前記内視鏡の視野の光学的照準合わせから導出された前記患者のボリューム画像内に示される前記計画された切開点への前記遠隔運動中心の位置合わせに基づいて制御する、
   請求項１に記載のロボット手術システム。
6. 前記光学エンドエフェクタを前記患者に付着された前記少なくとも１つのマーカと関連して撮像するカメラを更に有し、
   前記ロボットコントローラが、前記ＲＣＭロボット及び前記カメラと通信して、前記ＲＣＭロボットによる前記患者に付着された前記少なくとも１つのマーカに対する前記光学エンドエフェクタの光学的照準合わせを制御する、
   請求項１に記載のロボット手術システム。
7. 計画された切開点を経る患者内への計画されたツール軌道を用いる低侵襲処置のためのロボット手術方法であって、
   ＲＣＭロボットが、光学エンドエフェクタを前記患者に付着された少なくとも１つのマーカに対し光学的に照準合わせするステップと、
   位置合わせモジュールが、前記ＲＣＭロボットによる前記患者に付着された前記少なくとも１つのマーカに対する前記光学エンドエフェクタの光学的照準合わせから、前記患者のボリューム画像内に示される前記計画された切開点への遠隔運動中心の位置合わせを導き出すステップであって、前記遠隔運動中心が前記ＲＣＭロボットの構造により定まるステップと、
   前記ＲＣＭロボットが、前記患者のボリューム画像内に示される前記計画されたツール軌道に対して前記光学エンドエフェクタを、前記位置合わせモジュールによる前記患者のボリューム画像内に示される前記計画された切開点に対する前記遠隔運動中心の位置合わせに基づいて軸合わせするステップと、
   を有する、ロボット手術方法。
8. 前記少なくとも１つのマーカは複数のマーカを含み、該複数のマーカの各マーカが固有の形状を有する、請求項７に記載のロボット手術方法。
9. ロボットコントローラが、前記光学エンドエフェクタを前記患者に付着された少なくとも１つのマーカに対し光学的に照準合わせすると共に該光学エンドエフェクタを前記患者のボリューム画像内に示される前記計画されたツール軌道に対して軸合わせするために前記ＲＣＭロボットをサーボ制御するステップを更に有する、請求項７に記載のロボット手術方法。
10. 前記光学エンドエフェクタは前記患者に付着された前記少なくとも１つのマーカを撮像し、
    前記ロボットコントローラは、前記光学エンドエフェクタを、前記患者のボリューム画像内に示されると共に前記光学エンドエフェクタにより撮像される前記少なくとも１つのマーカの一致に基づいて前記患者に付着された前記少なくとも１つのマーカに対し光学的に照準合わせするようサーボ制御する、
    請求項９に記載のロボット手術方法。
11. 前記光学エンドエフェクタはレーザビームを放出するレーザポインタであり、
    前記ＲＣＭロボットは、前記レーザポインタによるレーザビームの放射を前記患者に付着された前記少なくとも１つのマーカに対して光学的に照準合わせし、
    前記位置合わせモジュールは、前記患者のボリューム画像内に示される前記計画された切開点への前記遠隔運動中心の位置合わせを、前記ＲＣＭロボットによる前記患者に付着された前記少なくとも１つのマーカに対する前記レーザポインタによるレーザビームの放射の光学的照準合わせから導き出し、
    前記ＲＣＭロボットは、前記レーザポインタによるレーザビームの放射を、前記位置合わせモジュールによる前記患者のボリューム画像内に示される前記計画された切開点への前記遠隔運動中心の位置合わせに基づいて、前記患者のボリューム画像内に示される前記計画されたツール軌道に軸合わせする、
    請求項７に記載のロボット手術方法。
12. 前記光学エンドエフェクタは視野を持つ内視鏡であり、
    前記ＲＣＭロボットは、前記内視鏡の視野を前記患者に付着された前記少なくとも１つのマーカに対して光学的に照準合わせし、
    前記位置合わせモジュールは、前記患者のボリューム画像内に示される前記計画された切開点への前記遠隔運動中心の位置合わせを、前記ＲＣＭロボットによる前記患者に付着された前記少なくとも１つのマーカに対する前記内視鏡の視野の光学的照準合わせから導き出し、
    前記ＲＣＭロボットは、前記内視鏡の視野を、前記位置合わせモジュールによる前記患者のボリューム画像内に示される前記計画された切開点への前記遠隔運動中心の位置合わせに基づいて、前記患者のボリューム画像内に示される前記計画されたツール軌道に軸合わせする、
    請求項７に記載のロボット手術方法。
13. カメラが前記光学エンドエフェクタを前記患者に付着された前記少なくとも１つのマーカと関連して撮像するステップを更に有し、
    前記ＲＣＭロボットが、前記光学エンドエフェクタを、前記カメラによる該光学エンドエフェクタの前記患者に付着された前記少なくとも１つのマーカとの相対的な撮像に基づいて、前記患者に付着された前記少なくとも１つのマーカに対し光学的に照準を合わせる、
    請求項７に記載のロボット手術方法。
14. 受動型ロボットプラットフォームが前記ＲＣＭロボットを前記患者の頭部に対して位置決めするステップを更に有する、請求項７に記載のロボット手術方法。
15. ロボットコントローラが前記受動型ロボットプラットフォームによる前記ＲＣＭロボットの前記患者の頭部に対する位置決めを追跡するステップを更に有する、請求項１４に記載のロボット手術方法。
16. 能動型ロボットプラットフォームが前記ＲＣＭロボットを前記患者の頭部に対して位置決めするステップを更に有する、請求項７に記載のロボット手術方法。
17. ロボットコントローラが前記能動型ロボットプラットフォームによる前記ＲＣＭロボットの前記患者の頭部に対する位置決めを追跡するステップを更に有する、請求項１６に記載のロボット手術方法。
18. 前記ＲＣＭロボットが前記光学エンドエフェクタを前記患者の頭部における該患者のボリューム画像内に示される前記計画された切開点の位置に対応する位置に光学的に照準合わせするステップを更に有する、請求項１７に記載のロボット手術方法。
19. 前記患者における前記光学エンドエフェクタにより光学的に照準を合わされた位置に切開マーカを付着させるステップを更に有する、請求項１８に記載のロボット手術方法。
20. ＲＣＭロボットが光学エンドエフェクタを前記患者に付着された少なくとも１つのマーカ及び切開マーカに光学的に照準合わせするステップを更に有し、
    前記位置合わせモジュールが、前記ＲＣＭロボットにより前記光学エンドエフェクタを前記患者に付着された前記少なくとも１つのマーカ及び前記切開マーカに光学的に照準を合わせることから、前記遠隔運動中心を前記患者のボリューム画像内に示される前記計画された切開点に位置合わせする、
    請求項１８に記載のロボット手術方法。

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