JP2020028753A - 捻転に対する感度の低い形状センサを用いた絶対的3次元測定のための方法およびシステム - Google Patents
捻転に対する感度の低い形状センサを用いた絶対的3次元測定のための方法およびシステム Download PDFInfo
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Abstract
Description
J.Curet、Catherine J.Mohr、Katherine D.Stoyを発明者とする、名称「METHOD AND SYSTEM FOR ABSOLUTE THREE−DIMENSIONAL MEASUREMENTS USING A TWIST−INSENSITIVE SHAPE SENSOR」の米国仮出願61/304,094号に対する優先権および利益を主張し、この米国仮出願は、本明細書において参考として援用される。
本発明は、例えば、以下を提供する。
(項目1)
継手を含む基準固定具と、
外科手術器具と、
該継手と該外科手術器具との間に接続されるテザーと、
該基準固定具から該継手を通して該テザーを通して該外科手術器具内へ延在する形状センサと
を備え、該形状センサは、該テザー内において、実質的に捻転がなく、
該形状センサからの情報は、固定された世界基準フレームに対する絶対的3次元情報を生成する際に使用される、装置。
(項目2)
前記基準固定具は、
継手追跡装置をさらに備え、該継手追跡装置は、前記継手の運動を追跡し、該継手追跡装置からの情報は、前記形状センサからの情報と組み合わせて、前記固定された世界基準フレームに対する絶対的3次元情報を生成する際に使用される、項目1に記載の装置。
(項目3)
前記継手は、1自由度のみ有する、項目1に記載の装置。
(項目4)
前記継手は、ロール継手を備え、前記1自由度は、ロールである、項目3に記載の装置。
(項目5)
前記継手は、自由度を有していない、項目1に記載の装置。
(項目6)
前記形状センサは、前記外科手術器具に入ると既知の特徴を含む、項目1に記載の装置。
(項目7)
前記テザーは、該テザーの長手方向軸に沿って延在する内腔を画定し、前記形状センサは、該内腔を通して延在する、項目1に記載の装置。
(項目8)
前記テザーは、捻転に対して靭性があるテザーを備える、項目1に記載の装置。
(項目9)
前記テザーは、前記テザーの長手方向軸に沿って内腔を画定し、前記形状センサは、該内腔を通して延在する、項目8に記載の装置。
(項目10)
前記内腔は、前記長手方向軸に対して垂直な非円形断面を有し、さらに、前記テザーを通して延在する前記形状センサの一部は、該非円形断面を有する、項目9に記載の装置。
(項目11)
前記内腔を通して延在し、内張内腔を有する内張をさらに備え、
前記形状センサは、該内張内腔を通って延在し、
該内張は、前記形状センサが該内張内を自由に回転するような材料を備える、項目7に記載の装置。
(項目12)
前記材料は、フッ素化ポリマーである、項目11に記載の装置。
(項目13)
前記外科手術器具は、カニューレであって、前記装置は、
第2の外科手術器具と、
該カニューレと該第2の外科手術器具との間に接続される第2のテザーと
をさらに備える、項目1に記載の装置。
(項目14)
前記外科手術器具は、可撓性外科手術器具を備える、項目1に記載の装置。
(項目15)
プロセッサによって、継手追跡装置からの情報を処理して、第1の姿勢情報を生成することであって、
該継手追跡装置は、基準固定具に接続され、
該継手追跡装置は、該テザーに接続される継手の運動を測定し、
該基準固定具は、低侵襲外科手術のための場所に取り付けられ、固定された世界基準フレームを確立する際に使用される、ことと、
該プロセッサによって、該継手および該テザーを通して延在する形状センサからの情報を処理して、第2の姿勢情報を生成することと、
該第1の姿勢情報および該第2の姿勢情報を使用して、該プロセッサによって、該固定された世界基準フレーム内において、該外科手術器具の近位部分の絶対的3次元姿勢を生成することと
を含む、方法。
(項目16)
前記形状センサは、前記外科手術器具の遠位部分まで延在し、前記方法は、
前記プロセッサによって、該外科手術器具を通して延在する該形状センサからの情報を処理して、第3の姿勢情報を生成することをさらに含む、項目15に記載の方法。
(項目17)
前記方法は、
前記第3の姿勢情報を使用して、前記プロセッサによって、前記固定された世界基準フレーム内において、前記外科手術器具の前記遠位部分の絶対的3次元姿勢を生成することをさらに含む、項目16に記載の方法。
(項目18)
前記第3の姿勢情報を使用して、前記プロセッサによって生成することは、
前記固定された世界基準フレーム内において、前記外科手術器具の形状を生成することをさらに含む、項目16に記載の方法。
(項目19)
前記外科手術器具は、カニューレを備える、項目15に記載の方法。
(項目20)
前記外科手術器具は、可撓性外科手術器具を備える、項目15に記載の方法。
(項目21)
外科手術器具をテザーの遠位端に連結することと、
該テザーの近位端を基準構造の継手に連結することであって、該基準構造は、該継手の運動を測定するための継手追跡装置を含む、ことと、
形状センサを、該継手および該テザーを通して、該外科手術器具内へと延在させることと
を含み、該形状センサは、世界固定基準フレーム内において、該外科手術器具の一部の絶対的3次元姿勢を決定する際に使用される情報を提供する、方法。
(項目22)
前記外科手術器具は、カニューレを備え、前記方法は、
前記基準構造を低侵襲遠隔操作外科手術システムのマニピュレータを支持するアームに接続することをさらに含む、項目21に記載の方法。
(式(17)参照)における、以下により完全に説明される実施例で使用される。継手追跡装置111から測定を含む、固定された世界基準フレームの配向は、座標系行列
(式(9)参照)において使用される。
に対する式は、所与のファイバコアに沿った距離の関数として記述されている。
式中、Δdは、指数nあたりの距離増分である。Δd値は、OFDRベースの質問機の分解能によって設定される。例えば、各ファイバコアに沿った距離の関数としての局所歪みε(s)は、各コアに対して、Luna Innovations Incorporated(Roanoke、Virginia)から市販の製品「Optical Backscatter Reflectometer」を利用することによって求められる。そのようなデバイスは、Optical Backscatter Refrectometer User Guide Chaps 5-6、33-60(Luna Technologies,Inc.2004)(Document version 1.0 for OBR control software version 0.42 Beta)(参照することによって本明細書に組み込まれる)に示されるように、ファイバコアに沿った距離の関数として反射された光の位相微分を出力することが可能である。そのような位相微分情報は、式(1)における所望の局所歪みε(s)に比例する。
式中、ΔεpおよびΔεqは、2つの差分ひずみアレイを示す。
m−行列
は、マルチコアファイバの完全記述であって、座標系内のファイバのコアの場所および初期回転配向の影響を捕捉する。
小角度近似値の場合、前述の式は、以下のように簡略化される。
式中、一次小角度近似値が使用されるため、
有効回転行列である。
または、小角度近似値が使用されるとき、
したがって、アレイに沿った任意の場所における座標系は、以下によって求められる。
本座標系行列の初期値
は、外部座標系内のファイバの初期配向を記述する。ファイバが、初期、z−軸に沿って整合される場合、行列は、以下となる。
前述の説明では、第1の2つのベクトルは、依然として、その軸の周囲のファイバの回転である1自由度を有する(前述のm−行列における同一回転自由度)。多くの実装では、本状況は、概して、ファイバが、連鎖内に埋め込まれる、または較正によって関連付けられるように、自動的に配慮されるため、概して、問題ではない。さらに、これは、初期行列が以下に制限される場合でも、完全な一般性が留保される可能性を意味する。
接ベクトル
は、
行列の最後列である。
故に、任意の特定の点における接ベクトルは、以前の回転ベクトルのすべての積である。
接ベクトルに対する式に代入すると、以下が求められる。
一般性のため、任意のオフセットベクトルを追加して、計算された座標を任意の任意の座標系に入れることができる。
式中、
および
セグメントの開始時における基準のフレームに対する、セグメントの終了時における基準のフレームの位置および配向の算出の場合、
は、恒等行列であって、
は、セグメントの開始時における基準のフレームを表す、ゼロのベクトルである。代替として、算出は、別のベース、または、例えば、連鎖のベースに位置する世界フレーム内で行うことができる。この場合、
は、前述のベースフレームに対して、セグメントの開始時における基準のフレームの配向を指定する、33行列であって、
は、前述のベースフレームに対して、開始セグメントにおける基準のフレームの原点の位置を指定する、31ベクトルである。
Claims (14)
- 外科手術システムであって、前記外科手術システムは、
遠位部分と近位部分とを有する可撓性の外科手術器具であって、前記遠位部分は、複数の点に接触するように構成された遠位点を含む、可撓性の外科手術器具と、
第1の場所における第1の基準フレーム内に位置付けられた基準固定具と、
前記遠位部分から前記近位部分を通って前記基準固定具まで延びている形状センサであって、前記形状センサは、前記形状センサが前記可撓性の外科手術器具に入る第2の場所において既知の幾何学的形状を有し、前記形状センサは、前記第1の基準フレームに対する前記可撓性の外科手術器具のための複数の形状情報を提供する、形状センサと、
プロセッサと入力/出力モジュールとを有するコントローラであって、前記コントローラは、所定の場所における患者に関連付けられた所定のフレームに対する前記第1の場所における前記第1の基準フレームのための姿勢情報を生成するように構成されている、コントローラと
を備え、
前記姿勢情報を生成することは、
前記入力/出力モジュールが、前記可撓性の外科手術器具の前記遠位点が前記複数の点のうちのそれぞれの点に接触したときに、前記形状センサの複数の形状情報を受信することと、
前記プロセッサが、前記既知の幾何学的形状を有する前記形状センサに沿って前記複数の形状情報を積分することによって、前記第1の場所に対する前記それぞれの点の場所を計算することと、
前記プロセッサが、前記第1の場所に対する前記それぞれの点の場所を用いて、前記所定の場所における前記所定のフレームに対する前記第1の場所における前記第1の基準フレームの姿勢を計算することと
によって行われる、外科手術システム。 - 前記プロセッサは、前記所定の場所における前記所定のフレームに対する前記第1の場所における前記第1の基準フレームのための前記姿勢情報と、前記第1の場所における前記第1の基準フレームに対する前記可撓性の外科手術器具の前記遠位部分の姿勢とを組み合わせることによって、前記所定の場所における前記所定のフレームに対する前記可撓性の外科手術器具の前記遠位部分の姿勢を決定するようにさらに構成されている、請求項1に記載の外科手術システム。
- 前記可撓性の外科手術器具は、カニューレを含む、請求項1に記載の外科手術システム。
- 前記外科手術システムは、前記カニューレと共に延在するように定寸されている第2の外科手術器具をさらに備える、請求項3に記載の外科手術システム。
- 前記可撓性の外科手術器具は、ロボット外科手術器具を含む、請求項1に記載の外科手術システム。
- 前記可撓性の外科手術器具は、内視鏡器具を含む、請求項1に記載の外科手術システム。
- 前記複数の点は、手術台の上の少なくとも1つの基準点を含む、請求項1に記載の外科手術システム。
- 外科手術システムであって、前記外科手術システムは、
遠位部分と近位部分とを有する可撓性の外科手術器具であって、前記遠位部分は、複数の点に接触するように構成された遠位点を含む、可撓性の外科手術器具と、
少なくとも1つの継手と少なくとも1つの継手追跡装置とを含む基準固定具であって、前記基準固定具は、第1の場所における第1の基準フレーム内に位置付けられており、前記少なくとも1つの継手追跡装置は、前記第1の場所において前記少なくとも1つの継手の運動を測定するように構成されている、基準固定具と、
前記遠位部分から前記近位部分を通って前記基準固定具まで延びている形状センサであって、前記形状センサは、前記形状センサが前記可撓性の外科手術器具に入る第2の場所において既知の幾何学的形状を有し、前記形状センサは、前記第1の基準フレームに対する前記可撓性の外科手術器具のための複数の形状情報を提供する、形状センサと、
プロセッサと入力/出力モジュールとを有するコントローラであって、前記コントローラは、所定の場所における患者に関連付けられた所定のフレームに対する前記第1の場所における前記第1の基準フレームのための姿勢情報を生成するように構成されている、コントローラと
を備え、
前記姿勢情報を生成することは、
前記入力/出力モジュールが、前記可撓性の外科手術器具の前記遠位点が前記複数の点のうちのそれぞれの点に接触したときに、前記形状センサの複数の形状情報と、前記少なくとも1つの継手追跡装置からの前記第1の場所における前記少なくとも1つの継手の運動の情報とを受信することと、
前記プロセッサが、前記既知の幾何学的形状を有する前記形状センサに沿って前記複数の形状情報を積分することによって、前記第1の場所に対する前記それぞれの点の場所を計算することと、
前記プロセッサが、前記第1の場所における前記少なくとも1つの継手の運動の情報と、前記第1の場所に対する前記それぞれの点の場所とを用いて、前記所定の場所における前記所定のフレームに対する前記第1の場所における前記第1の基準フレームの姿勢を決定することと
によって行われる、外科手術システム。 - 前記コントローラは、前記所定の場所における前記所定のフレームに対する前記第1の場所における前記第1の基準フレームのための前記姿勢情報と、前記第1の場所における前記第1の基準フレームに対する前記可撓性の外科手術器具の前記遠位部分の姿勢とを組み合わせることによって、前記所定の場所における前記所定のフレームに対する前記可撓性の外科手術器具の前記遠位部分の姿勢を決定するようにさらに構成されている、請求項8に記載の外科手術システム。
- 前記可撓性の外科手術器具は、カニューレを含む、請求項8に記載の外科手術システム。
- 前記外科手術システムは、前記カニューレと共に延在するように定寸されている第2の外科手術器具をさらに備える、請求項10に記載の外科手術システム。
- 前記可撓性の外科手術器具は、ロボット外科手術器具を含む、請求項8に記載の外科手術システム。
- 前記可撓性の外科手術器具は、内視鏡器具を含む、請求項8に記載の外科手術システム。
- 前記少なくとも1つの継手追跡装置は、光学継手追跡装置である、請求項8に記載の外科手術システム。
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