JP2022516473A - 低侵襲性外科手術における到達性、作業空間、および巧妙さを最適化するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

外科手術ロボットのツールの向きの誤差の定量化のためのシステム、方法、およびコンピュータプログラム製品が、開示される。ロボットアームが、外科手術器具と、外科手術器具の遠位端において配置されたツールとを含む第１のロボットアームが、提供される。第１のｘ成分と、第１のｙ成分と、第１のｚ成分とを含むツールの第１の向きが、決定される。第２のｘ成分と、第２のｙ成分と、第２のｚ成分とを含むツールの所望の向きが、決定される。第１のｘ成分と第２のｘ成分との間の第１の角度が、決定され、第１のｙ成分と第２のｙ成分との間の第２の角度が、決定され、第１のｚ成分と第２のｚ成分との間の第３の角度が、決定される。第１の角度、第２の角度、および第３の角度に基づいて、誤差メトリックが、決定される。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる２０１８年１２月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／７８５，９５７号の利益を主張する。

本開示の実施形態は、概して、低侵襲性外科手術ロボットの到達性、作業空間、および巧妙さの最適化に関する。具体的に、本開示は、外科手術ロボットの到達性、作業空間、および巧妙さを最適化するための誤差を最小化する切開部の設置を決定する方法を説明する。

本開示の実施形態によると、外科手術ロボットのための誤差を最小化する作業空間を決定するためのシステム、そのための方法、およびそのためのコンピュータプログラム製品が、提供される。種々の実施形態において、システムは、近位端と遠位端とを有する第１のロボットアームを含む。近位端は、基部に固定される。システムは、ロボットアームの遠位端において配置される外科手術器具をさらに含み、外科手術器具は、近位端と遠位端とを有する。システムは、外科手術器具の遠位端に結合されたツールと、それを用いて具現化されるプログラム命令を有するコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を含むコンピューティングノードとをさらに含む。プログラム命令は、プロセッサに、誤差を最小化する切開部位が患者内で決定される方法を実施させるように、コンピューティングノードのプロセッサによって実行可能である。ツールに関するツールの向きの誤差が、解剖学的構造の１つ以上の場所および誤差を最小化する切開部位に基づいて、決定される。外科手術ロボットは、ツールの向きの誤差に基づいて調節され、それによって、ツールの向きの誤差を最小化する。

種々の実施形態において、解剖学的構造の１つ以上の場所への外科手術軌道が、決定され得る。種々の実施形態において、外科手術軌道は、外科手術軌道に沿って定義された複数の点を用いて離散化される。種々の実施形態において、ツールの向きの誤差は、外科手術軌道に沿った複数の点の各々に関して決定される。種々の実施形態において、ツールの向きの誤差は、誤差＝α^２＋β^２＋γ^２によって決定され、式中、αは、ツールの所望のｘ成分と実際のｘ成分との間の角度であり、βは、ツールの所望のｙ成分と実際のｙ成分との間の角度であり、γは、ツールの所望のｚ成分と実際のｚ成分との間の角度である。種々の実施形態において、患者内の誤差を最小化する切開部位を決定することは、患者の解剖学的モデルの表面を離散化し、それによって、表面上に複数の候補切開部位を発生させることを含む。種々の実施形態において、患者内の誤差を最小化する切開部位を決定することは、複数の候補切開部位の各々に関してツールの向きの誤差を決定することを含む。種々の実施形態において、複数の候補切開部位のうちの最小の誤差メトリックを有する１つが、選択される。種々の実施形態において、外科手術ロボットの基部の誤差を最小化する位置が、決定され、誤差を最小化する位置は、選択される切開部位に基づく。種々の実施形態において、基部の誤差を最小化する位置を決定することは、患者の外部の空間を複数の候補基部場所に離散化することを含む。種々の実施形態において、離散化される外科手術軌道に基づく第２のツールの向きの誤差が、複数の候補基部場所の各々に関して決定される。種々の実施形態において、第２のツールの向きの誤差は、誤差＝α^２＋β^２＋γ^２によって決定され、式中、αは、ツールの所望のｘ成分と実際のｘ成分との間の角度であり、βは、ツールの所望のｙ成分と実際のｙ成分との間の角度であり、γは、ツールの所望のｚ成分と実際のｚ成分との間の角度である。

種々の実施形態において、近位端と、遠位端と、ツールを有する遠位端における外科手術器具とを有する外科手術ロボットのための誤差を最小化する作業空間を決定する方法が、提供され、患者内の誤差を最小化する切開部位が、決定される。ツールに関するツールの向きの誤差が、解剖学的構造の１つ以上の場所および誤差を最小化する切開部位に基づいて、決定される。外科手術ロボットは、ツールの向きの誤差に基づいて調節され、それによって、ツールの向きの誤差を最小化する。

種々の実施形態において、解剖学的構造の１つ以上の場所への外科手術軌道が、決定され得る。種々の実施形態において、外科手術軌道は、外科手術軌道に沿って定義された複数の点を用いて離散化される。種々の実施形態において、ツールの向きの誤差は、外科手術軌道に沿った複数の点の各々に関して決定される。種々の実施形態において、ツールの向きの誤差は、誤差＝α^２＋β^２＋γ^２によって決定され、式中、αは、ツールの所望のｘ成分と実際のｘ成分との間の角度であり、βは、ツールの所望のｙ成分と実際のｙ成分との間の角度であり、γは、ツールの所望のｚ成分と実際のｚ成分との間の角度である。種々の実施形態において、患者内の誤差を最小化する切開部位を決定することは、患者の解剖学的モデルの表面を離散化し、それによって、表面上に複数の候補切開部位を発生させることを含む。種々の実施形態において、患者内の誤差を最小化する切開部位を決定することは、複数の候補切開部位の各々に関してツールの向きの誤差を決定することを含む。種々の実施形態において、複数の候補切開部位のうちの最小の誤差メトリックを有する１つが、選択される。種々の実施形態において、外科手術ロボットの基部の誤差を最小化する位置が、決定され、誤差を最小化する位置は、選択される切開部位に基づく。種々の実施形態において、基部の誤差を最小化する位置を決定することは、患者の外部の空間を複数の候補基部場所に離散化することを含む。種々の実施形態において、離散化される外科手術軌道に基づく第２のツールの向きの誤差が、複数の候補基部場所の各々に関して決定される。種々の実施形態において、第２のツールの向きの誤差は、誤差＝α^２＋β^２＋γ^２によって決定され、式中、αは、ツールの所望のｘ成分と実際のｘ成分との間の角度であり、βは、ツールの所望のｙ成分と実際のｙ成分との間の角度であり、γは、ツールの所望のｚ成分と実際のｚ成分との間の角度である。

種々の実施形態において、近位端と、遠位端と、ツールを有する遠位端における外科手術器具とを有する外科手術ロボットのための誤差を最小化する作業空間を決定するためのコンピュータプログラム製品が、提供される。コンピュータプログラム製品は、それを用いて具現化されるプログラム命令を有するコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を含む。プログラム命令は、プロセッサに、誤差を最小化する切開部位が患者内で決定される方法を実施させるように、コンピューティングノードのプロセッサによって実行可能である。ツールに関するツールの向きの誤差が、解剖学的構造の１つ以上の場所および誤差を最小化する切開部位に基づいて、決定される。外科手術ロボットは、ツールの向きの誤差に基づいて調節され、それによって、ツールの向きの誤差を最小化する。

種々の実施形態において、解剖学的構造の１つ以上の場所への外科手術軌道が、決定され得る。種々の実施形態において、外科手術軌道は、外科手術軌道に沿って定義された複数の点を用いて離散化される。種々の実施形態において、ツールの向きの誤差は、外科手術軌道に沿った複数の点の各々に関して決定される。種々の実施形態において、ツールの向きの誤差は、誤差＝α^２＋β^２＋γ^２によって決定され、式中、αは、ツールの所望のｘ成分と実際のｘ成分との間の角度であり、βは、ツールの所望のｙ成分と実際のｙ成分との間の角度であり、γは、ツールの所望のｚ成分と実際のｚ成分との間の角度である。種々の実施形態において、患者内の誤差を最小化する切開部位を決定することは、患者の解剖学的モデルの表面を離散化し、それによって、表面上に複数の候補切開部位を発生させることを含む。種々の実施形態において、患者内の誤差を最小化する切開部位を決定することは、複数の候補切開部位の各々に関してツールの向きの誤差を決定することを含む。種々の実施形態において、複数の候補切開部位のうちの最小の誤差メトリックを有する１つが、選択される。種々の実施形態において、外科手術ロボットの基部の誤差を最小化する位置が、決定され、誤差を最小化する位置は、選択される切開部位に基づく。種々の実施形態において、基部の誤差を最小化する位置を決定することは、患者の外部の空間を複数の候補基部場所に離散化することを含む。種々の実施形態において、離散化される外科手術軌道に基づく第２のツールの向きの誤差が、複数の候補基部場所の各々に関して決定される。種々の実施形態において、第２のツールの向きの誤差は、誤差＝α^２＋β^２＋γ^２によって決定され、式中、αは、ツールの所望のｘ成分と実際のｘ成分との間の角度であり、βは、ツールの所望のｙ成分と実際のｙ成分との間の角度であり、γは、ツールの所望のｚ成分と実際のｚ成分との間の角度である。

本開示の実施形態によると、外科手術ロボットの外科手術器具の遠位端におけるツールの向ききの誤差を決定するためのシステム、そのための方法、およびそのためのコンピュータプログラム製品が、提供される。種々の実施形態において、システムは、近位端と遠位端とを有する。近位端は、基部に固定される。外科手術器具が、ロボットアームの遠位端において配置され、外科手術器具は、近位端と遠位端とを有する。ツールが、外科手術器具の遠位端に結合される。システムは、それを用いて具現化されるプログラム命令を有するコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を含むコンピューティングノードをさらに含む。プログラム命令は、プロセッサに、エンドエフェクタの第１の向きが決定される方法を実施させるようにコンピューティングノードのプロセッサによって実行可能である。第１の向きは、第１のｘ成分と、第１のｙ成分と、第１のｚ成分とを含む。エンドエフェクタの所望の向きが、決定される。所望の向きは、第２のｘ成分と、第２のｙ成分と、第２のｚ成分とを含む。第１のｘ成分と第２のｘ成分との間の第１の角度が、決定され、第１のｙ成分と第２のｙ成分との間の第２の角度が、決定され、第１のｚ成分と第２のｚ成分との間の第３の角度が、決定される。第１の角度、第２の角度、および第３の角度に基づく誤差メトリックが、決定される。

種々の実施形態において、誤差メトリックは、誤差＝α^２＋β^２＋γ^２によって決定され、式中、αは、第１の角度であり、βは、第２の角度であり、γは、第３の角度である。種々の実施形態において、患者の解剖学的モデルが、決定される。種々の実施形態において、解剖学的モデル上の第１の切開部位が、選択され、誤差メトリックは、第１の切開部位に対応する。種々の実施形態において、解剖学的モデルは、解剖図を含む。種々の実施形態において、解剖学的モデルは、患者の撮像に基づいた患者解剖学的構造の３次元再構築物を含む。種々の実施形態において、誤差メトリックを決定することは、外科手術器具に沿った近位場所における固定された３次元位置を維持することを含む。種々の実施形態において、近位場所は、解剖学的モデル上の切開部位に対応する。種々の実施形態において、解剖学的モデルは、標的解剖学的構造を含む。種々の実施形態において、１つ以上の追加の誤差メトリックが、追加の誤差メトリックの各々が、解剖学的モデル内の複数の場所の異なる場所に対応するように、決定される。種々の実施形態において、異なる場所は、２Ｄデカルトグリッドに対応する。種々の実施形態において、解剖学的モデル内の複数の場所の各々に関する誤差メトリックのグラフが、表示される。種々の実施形態において、方法はさらに、解剖学的モデル上の１つ以上の追加の切開部位を選択することと、各追加の切開部位に関して、解剖学的モデル内の複数の場所の各々に関する誤差メトリックのマップを決定することとを含む。種々の実施形態において、最小の誤差メトリックを有する切開部位のうちの１つが、選択される。

種々の実施形態において、エンドエフェクタの向きの誤差を決定する方法が、提供され、エンドエフェクタの第１の向きが、決定される。第１の向きは、第１のｘ成分と、第１のｙ成分と、第１のｚ成分とを含む。エンドエフェクタの所望の向きが、決定される。所望の向きは、第２のｘ成分と、第２のｙ成分と、第２のｚ成分とを含む。第１のｘ成分と第２のｘ成分との間の第１の角度が、決定され、第１のｙ成分と第２のｙ成分との間の第２の角度が、決定され、第１のｚ成分と第２のｚ成分との間の第３の角度が、決定される。第１の角度、第２の角度、および第３の角度に基づく誤差メトリックが、決定される。

種々の実施形態において、誤差メトリックは、誤差＝α^２＋β^２＋γ^２によって決定され、式中、αは、第１の角度であり、βは、第２の角度であり、γは、第３の角度である。種々の実施形態において、患者の解剖学的モデルが、決定される。種々の実施形態において、解剖学的モデル上の第１の切開部位が、選択され、誤差メトリックは、第１の切開部位に対応する。種々の実施形態において、解剖学的モデルは、解剖図を含む。種々の実施形態において、解剖学的モデルは、患者の撮像に基づいた患者解剖学的構造の３次元再構築物を含む。種々の実施形態において、誤差メトリックを決定することは、外科手術器具に沿った近位場所における固定された３次元位置を維持することを含む。種々の実施形態において、近位場所は、解剖学的モデル上の切開部位に対応する。種々の実施形態において、解剖学的モデルは、標的解剖学的構造を含む。種々の実施形態において、１つ以上の追加の誤差メトリックが、追加の誤差メトリックの各々が、解剖学的モデル内の複数の場所の異なる場所に対応するように、決定される。種々の実施形態において、異なる場所は、２Ｄデカルトグリッドに対応する。種々の実施形態において、解剖学的モデル内の複数の場所の各々に関する誤差メトリックのグラフが、表示される。種々の実施形態において、方法はさらに、解剖学的モデル上の１つ以上の追加の切開部位を選択することと、各追加の切開部位に関して、解剖学的モデル内の複数の場所の各々に関する誤差メトリックのマップを決定することとを含む。種々の実施形態において、最小の誤差メトリックを有する切開部位のうちの１つが、選択される。

種々の実施形態において、エンドエフェクタの向きの誤差を決定するためのエンドエフェクタが、それを用いて具現化されるプログラム命令を有するコンピュータ読み取り可能な記憶媒体の形態で提供される。プログラム命令は、プロセッサに、エンドエフェクタの第１の向きが決定される方法を実施させるようにプロセッサによって実行可能である。第１の向きは、第１のｘ成分と、第１のｙ成分と、第１のｚ成分とを含む。エンドエフェクタの所望の向きが、決定される。所望の向きは、第２のｘ成分と、第２のｙ成分と、第２のｚ成分とを含む。第１のｘ成分と第２のｘ成分との間の第１の角度が、決定され、第１のｙ成分と第２のｙ成分との間の第２の角度が、決定され、第１のｚ成分と第２のｚ成分との間の第３の角度が、決定される。第１の角度、第２の角度、および第３の角度に基づく誤差メトリックが、決定される。

種々の実施形態において、誤差メトリックは、誤差＝α^２＋β^２＋γ^２によって決定され、式中、αは、第１の角度であり、βは、第２の角度であり、γは、第３の角度である。種々の実施形態において、患者の解剖学的モデルが、決定される。種々の実施形態において、解剖学的モデル上の第１の切開部位が、選択され、誤差メトリックは、第１の切開部位に対応する。種々の実施形態において、解剖学的モデルは、解剖図を含む。種々の実施形態において、解剖学的モデルは、患者の撮像に基づいた患者解剖学的構造の３次元再構築物を含む。種々の実施形態において、誤差メトリックを決定することは、外科手術器具に沿った近位場所における固定された３次元位置を維持することを含む。種々の実施形態において、近位場所は、解剖学的モデル上の切開部位に対応する。種々の実施形態において、解剖学的モデルは、標的解剖学的構造を含む。種々の実施形態において、１つ以上の追加の誤差メトリックが、追加の誤差メトリックの各々が、解剖学的モデル内の複数の場所の異なる場所に対応するように、決定される。種々の実施形態において、異なる場所は、２Ｄデカルトグリッドに対応する。種々の実施形態において、解剖学的モデル内の複数の場所の各々に関する誤差メトリックのグラフが、表示される。種々の実施形態において、方法はさらに、解剖学的モデル上の１つ以上の追加の切開部位を選択することと、各追加の切開部位に関して、解剖学的モデル内の複数の場所の各々に関する誤差メトリックのマップを決定することとを含む。種々の実施形態において、最小の誤差メトリックを有する切開部位のうちの１つが、選択される。

図１は、本開示のある実施形態による、腹腔鏡下外科手術を実施するためのロボットアームシステムを図示する。

図２Ａ－２Ｂは、本開示のある実施形態による、腹腔鏡下外科手術を実施するためのロボットアームシステムを図示する。 図２Ａ－２Ｂは、本開示のある実施形態による、腹腔鏡下外科手術を実施するためのロボットアームシステムを図示する。

図２Ｃは、本開示のある実施形態による、腹腔鏡下外科手術を実施するためのロボットアームシステムの上面図を図示する。

図３Ａは、本開示のある実施形態による、腹部内での外科手術器具およびツールの２つの向きを図示する。図３Ｂは、本開示のある実施形態による、腹部内での外科手術器具およびツールの種々の向きを図示する。 図３Ａは、本開示のある実施形態による、腹部内での外科手術器具およびツールの２つの向きを図示する。図３Ｂは、本開示のある実施形態による、腹部内での外科手術器具およびツールの種々の向きを図示する。

図４Ａ－４Ｂは、本開示のある実施形態による、ツールの向ききを図示する。 図４Ａ－４Ｂは、本開示のある実施形態による、ツールの向ききを図示する。

図５Ａは、本開示のある実施形態による、離散化された解剖学的モデルを図示する。図５Ｂは、本開示のある実施形態による、離散化された解剖学的モデルを図示する。 図５Ａは、本開示のある実施形態による、離散化された解剖学的モデルを図示する。図５Ｂは、本開示のある実施形態による、離散化された解剖学的モデルを図示する。

図６Ａ－６Ｂは、本開示のある実施形態による、ツールの向きの誤差のグラフ表現を図示する。 図６Ａ－６Ｂは、本開示のある実施形態による、ツールの向きの誤差のグラフ表現を図示する。

図７は、本開示のある実施形態による、ツールの向きの誤差のグラフ表現を図示する。

図８は、本開示のある実施形態による、ロボット外科手術システムの略図を図示する。

図９は、本開示のある実施形態による、ツール誤差を算出する方法のフローチャートを図示する。

図１０は、本開示の種々の実施形態による、例示的なコンピューティングノードを描写する。

多くの外科手術操作（例えば、縫合、切断、および／または折り曲げ）は、満足の行く外科手術転帰を達成するために、外科手術器具の非常に巧妙かつ非常に正確な運動を要求する。全自動ロボット外科手術手技において、外科手術ロボットは、概して、それに取り付けられる外科手術器具を含み、外科手術器具は、ツールを有し、ツールは、患者の腹部内の小さい鍵穴状の切開部の中に設置されるトロカールを通して挿入される。本明細書で使用されるような鍵穴状の切開部は、サイズが約０．２５インチ～１インチである低侵襲的切開部を指し得る。ツールは、例えば、当技術分野において公知であるような、カメラ、切断ツール、把持ツール、圧着ツール、電気焼灼ツール、または任意の他の好適なツール等の任意の好適な医療ツールを含み得る。外科手術器具が、トロカールを通して（患者の体腔、例えば、腹部の中に）挿入されると、ツールの運動および／または可能な向きの範囲が、患者内のトロカールの位置に基づいて限定され得る。トロカール位置が、運動および／または可能な向きの範囲に基づいて最適化されない場合、ツールは、作業空間（例えば、体腔）のある領域またはその中の物体（例えば、主幹動脈）に到達することが可能ではないこともあり、したがって、意図される外科手術タスク（例えば、切断、把持等）を実施することが可能ではないこともある。例えば、ロボットアームの基部が患者から遠すぎる場所に設置された場合、外科手術手技の標的物体である解剖学的物体（例えば、腎臓）は、ツールの動作範囲の外にあり、したがって、外科手術プロセスを複雑にし得る。

故に、誤差を最小化する切開部の設置を決定し、それによって、正確な外科手術操作を可能にし、ロボット支援外科手術を改良するシステムおよび方法の必要性が、存在する。

図１は、本開示のある実施形態による、腹腔鏡下外科手術を実施するためのロボットアームシステム１００を図示する。ロボットアームシステム１００は、近位端において基部１０１に取り付けられるロボットアーム１０２を含む。ロボットアーム１０２は、遠位端において外科手術器具１０４をさらに含み、外科手術器具１０４は、例えば、握持器、電気焼灼ツール、切断ツール等のツール（図示せず）を含む。トロカール１０５が、腹部１０８の中の切開部１０６の中に挿入され、それによって、外科手術手技が生じるであろう体腔（例えば、腹腔）へのアクセスを提供する。種々の実施形態において、ロボット外科手術を監督する外科医１１０が、外科手術器具１０４（およびツール）をトロカール１０５を通して体腔の中に挿入し得る。

図２Ａ－２Ｂは、本開示のある実施形態による、腹腔鏡下外科手術を実施するためのロボットアームシステム２００を図示する。図１のロボットアームシステムと同様、ロボットアームシステム２００は、（４０ｃｍ×４０ｃｍ×２０ｃｍの寸法を有する長方形のボックスとしてモデル化される）腹部２０８の上に位置付けられるロボットアーム２０２を含む。種々の実施形態において、腹部２０８の寸法は、特定の患者に基づいて変動し得る。図２Ｂは、第１の症例に対応する第１の切開部２０６ａと、第２の症例に対応する第２の鍵穴状の切開部２０６ｂとを含む腹部２０８を示す。外科手術器具の端部におけるツールは、所与の外科手術プロセスのための切開部の場所に応じて、異なる向きの誤差を有し得る。エンドエフェクタ向きの誤差の変動性が、図６Ａ、６Ｂ、および７に関してより詳細に議論されるであろう。

図２Ｃは、本開示のある実施形態による、腹腔鏡下外科手術を実施するためのロボットアームシステム２００の上面図を図示する。図２Ｃに示されるように、腹部２０８の中の（腹部のおよそ中心における）第２の鍵穴状の切開部２０６ｂは、基部からいずれの方向にも約３０ｃｍの場所に位置付けられている。種々の実施形態において、最適化アルゴリズムが、各潜在的切開部２０６ａ、２０６ｂに適用され、特定の外科手術手技に基づいて、ツールにおける最大誤差を決定し得る。

図３Ａは、本開示のある実施形態による、腹部３０８内における外科手術器具３０４ａ、３０４ｂおよびツール３０７ａ、３０７ｂの２つの向きを図示する。図３Ａに示されるように、外科手術器具３０４ａおよびツール３０７ａが、腹部３０８の中の切開部３０６内に第１の向きにおいて設置されている。切開部３０６によってもたらされる１つ以上の制約および／または敏感な組織（例えば、神経および／または血管）に起因して、ツール３０７ａは、ツール３０７ａの向きと異なる向きを有するツール３０７ｂを伴う外科手術器具３０４ｂによって示される向き等、所望の向きが可能ではないこともある。種々の実施形態において、円錐体３５０ａは、外科手術器具３０４ａがその特定の場所にあるときのツール３０７ａの可能な向きの全てを表す。種々の実施形態において、円錐体３５０ｂは、外科手術器具３０４ｂがその特定の場所にあるときのツール３０７ｂの可能な向きの全てを表す。図３Ａに示されるように、円錐体３５０ｂは、物体３２０と衝突せず、解剖学的構造３２２にアクセスすることができる。

種々の実施形態において、外科手術器具（およびツール）は、特定の体腔内において限定された作業空間を有し得る。種々の実施形態において、１つ以上の物体３２０（例えば、骨または血管）が、外科手術器具が解剖学的構造３２２（例えば、腎臓）にアクセスするために特定の所望の向きを採用することが可能であることを妨害し得る。第１の向きにおいて、ツール３０７ａは、腹部３０８のある部分における解剖学的構造３２２に対して外科手術操作を実施することが可能ではないこともある一方、所望の向きにおいて、外科手術器具３０４ｂは、解剖学的構造３２２に対して外科手術操作を実施することが可能である。

種々の実施形態において、外科手術器具（およびツール）は、ロボットアームの基部の設置に基づいて、特定の体腔内において限定された作業空間を有し得る。種々の実施形態において、ロボットアームの基部が、不正確に位置付けられる（例えば、患者から遠すぎる場所に設置される）場合、外科手術器具は、解剖学的構造３２２（例えば、腎臓）にアクセスするための（外科手術器具３０４ｂのツール３０７ｂによって示される向き等の）特定の所望の向きを採用することが可能ではないこともある。

図３Ｂは、本開示のある実施形態による、腹部３０８内における、外科手術器具３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ、３０４ｄおよびツール３０７ａ、３０７ｂ、３０７ｃ、３０７ｄの種々の向きを図示する。種々の実施形態において、外科手術器具３０４ａの第１の向きにおいて、ツールの所望の向きは、ツールを遮断する物体３２０（例えば、神経および／または血管構造）の存在に起因して、達成可能ではない。種々の実施形態において、外科手術器具３０４ｂの第２の向きにおいて、ツールのための所望の向きは、円錐体３５０の内側にある向きのみが達成可能であるので、切開部位３０６および／またはトロカールに起因して、達成可能ではない。種々の実施形態において、ツール３０７ｂおよび３０７ｃは、所望のツールの向き３０７ａに関して最も少ないツールの向きの誤差を有し得る。この例では、３０７ｂは、切開部位３０６に起因して達成可能ではなく、したがって、ツール３０７ｃの向きが、選択されるであろう。

種々の実施形態において、切開部の場所（および後続のトロカール設置）が、外科手術ロボットに運動学的制約を課す。種々の実施形態において、１つの制約は、器具が、（例えば、切開部を損傷させることを回避するために）切開部位において側方に移動するべきではないことである。種々の実施形態において、ツールにおける操作性が、手技が（切開部／トロカールにおける本制約のため）腹腔鏡下で実施されるとき、著しく低減させられ得る。種々の実施形態において、器具が関節運動遠位ツールを有していない場合、切開部位の適切な設置が、外科手術標的（例えば、器官）を与えられた器具の操作性を維持するために重要である。種々の実施形態において、１つ以上の関節運動関節部を有する巧妙なツール（例えば、握持器）を用いる場合でも、例えば、切開部位が、器具および／またはツールの運動を制限するので、ツールは、ある角度から標的に到達するように試みるとき、問題に遭遇し得る。

図４Ａ－４Ｂは、本開示のある実施形態による、ツール４０７の向きを図示する。図４Ａに示されるように、ツール４０７は、最遠位点４１２に基づいた向きを有する。ツール４０７の向きは、３Ｄ空間内でのツール４０７の向きを一緒に定義する３つのベクトル：ｘ成分４１４ａと、ｙ成分４１４ｂと、ｚ成分４１４ｃとを含む。

図４Ｂは、図４Ａに図示されるツール４０７を伴わない遠位点４１２を図示する。図４Ｂに示されるように、ツール４０７は、ｘ成分４１４ａと、ｙ成分４１４ｂと、ｚ成分４１４ｃとを含む実際の向きを含む。この場合、実際の向きは、所望の向きと異なり、所望の向きは、ツール４０７の所望の向きを一緒に定義するｘ’成分４１６ａ、ｙ’成分４１６ｂ、およびｚ’成分によって表される。

種々の実施形態において、角度が、特定の軸とそれらの所望の構成との間で測定され得る。例えば、角度αが、ｘ成分４１４ａとｘ’成分４１６ａとの間で測定され、角度βが、ｙ成分４１４ｂとｙ’成分４１６ｂとの間で測定され、角度γが、ｚ成分４１４ｃとｚ’成分４１６ｃとの間で測定される。誤差メトリックが、下記の式を使用して決定され得る。
α^２＋β^２＋γ^２＝誤差 （式１）

種々の実施形態において、外科手術標的が、識別され得る。種々の実施形態において、外科手術標的は、組織、器官、構造、および／または外科手術手技の任意の他の好適な標的であり得る。

種々の実施形態において、外科手術タスク（例えば、組織を縫合すること）が、規定され得る。種々の実施形態において、外科手術タスクは、ツールの最遠位端の軌道に関して規定され得る。種々の実施形態において、軌道は、１つ以上の線を含み得る。種々の実施形態において、軌道は、１つ以上の曲線を含み得る。種々の実施形態において、軌道は、スプラインを含み得る。

種々の実施形態において、軌道は、離散点の有限組に離散化され得る。種々の実施形態において、離散化された軌道は、各点間に所定の距離を有する離散点の組を含み得る。種々の実施形態において、各点間の所定の距離は、異なり得る。例えば、直線に沿った点が、各点間により長い距離を有し得る一方、曲線上の点が、各点間により短い距離を有し得る。種々の実施形態において、軌道は、任意の好適な公知の離散化アルゴリズムを使用して離散化され得る。

種々の実施形態において、離散化された軌道に沿った各点に関して、ツールの所望の向きが、決定される。種々の実施形態において、所望の向きは、１つ以上の可能な向きと比較される。種々の実施形態において、１つ以上の可能な向きは、ツールの実際の向きであり得る。種々の実施形態において、実際の向きは、上記の式１を使用して、各離散化された点において所望の向きと比較され、軌道に沿った各離散化された点に関して誤差を決定する。種々の実施形態において、所与の切開場所から実施される軌道に関する誤差が、図６Ａ、６Ｂ、および７に示されるように、可視化され得る。

種々の実施形態において、ツールの向ききが、所望の向きと比較して最も小さい誤差を有する１つ以上の可能な配向から選択される。種々の実施形態において、可能な向きのうちの１つが、所望の向きを含むとき、その向きが、選択される。種々の実施形態において、所望の向きが、可能な向きの中に含まれるとき、誤差は、ゼロであり得る。

種々の実施形態において、各離散化された点において決定された誤差が、合算され、特定の候補切開場所を与えられた軌道全体に関する総誤差メトリックを決定し得る。種々の実施形態において、総誤差メトリックは、複数の候補切開場所の各々に関して算出され得る。

種々の実施形態において、軌道および／または総誤差メトリックは、外科手術サブタスクのタイプ（例えば、縫合）、外科手術のタイプ、外科手術の設計、器具および／またはツールの次元（例えば、４ＤＯＦ、５ＤＯＦ、６ＤＯＦ）、外科手術の複雑度、および／または状況（例えば、周囲の神経が、回避されるべきであること）に依存し得る。

種々の実施形態において、複数の候補切開場所は、メッシュを集合的に定義し得る。種々の実施形態において、メッシュは、図５Ａおよび５Ｂに関して下でより詳細に説明されるように、解剖学的モデルの表面に沿った離散化された点を含み得る。

種々の実施形態において、最小の総誤差メトリックを有する１つの切開点が、候補切開点の中から選択される。種々の実施形態において、選択された切開点が、ユーザ（例えば、外科医）に提示される。種々の実施形態において、２つ以上の切開点が、２つ以上の切開点が同一の最小の総誤差メトリックを有するとき、強調され得る。種々の実施形態において、２つ以上の強調される切開点が、ユーザ（例えば、外科医）に表示され得る。種々の実施形態において、ユーザ（例えば、外科医）は、外科手術が最終的に使用するであろう２つ以上の強調される切開点のうちのどれかを決定し得る。種々の実施形態において、システムは、外科手術手技のために使用されるであろう、２つ以上の強調される切開部位のうちの１つを選択するユーザ入力を受信し得る。

種々の実施形態において、本明細書に説明されるプロセスは、切開部の設置と、ロボット基部の設置とを含む２段階の最適化であり得る。種々の実施形態において、ユーザ（例えば、外科医）が、切開部の選択肢の有限セット（例えば、情報に基づいた／誘導された意思決定）から選択し得る。種々の実施形態において、プロセスは、器具ツールの先端が外科手術標的に到達することが可能であるように、ロボットの基部のための場所を決定し得る。種々の実施形態において、ロボット基部の設置を決定するプロセスは、切開部の設置から独立している。

種々の実施形態において、プロセスは、術中の最適化を含み得る。種々の実施形態において、切開部位は、患者の身体上ですでに選択され、生成されている。種々の実施形態において、トロカールが、切開部位の中に挿入されている。種々の実施形態において、ロボット基部は、定位置内に係止されている。種々の実施形態において、アルゴリズムが、外科手術器具および／またはツールの任意の実際の向きと所望の向きとの間の誤差を術中に最小化する。

図５Ａは、本開示のある実施形態による、離散化された解剖学的モデル５０８を図示する。種々の実施形態において、解剖学的モデルは、解剖学的構造の任意の一部（例えば、全面的な解剖学的モデルまたは解剖学的モデルの一部のみ）を含み得る。種々の実施形態において、解剖学的モデル５０８は、完全なモデルの一部であり、ヒトの胴体を含む。種々の実施形態において、解剖学的モデル５０８は、一般的な３Ｄ解剖図から読み出され得る。種々の実施形態において、解剖学的モデル５０８は、患者の外科手術前撮像から読み出され得る。種々の実施形態において、解剖学的モデルは、以前の撮像（例えば、外科手術前撮像）に基づいた、患者の次元再構築物を含み得る。種々の実施形態において、解剖学的モデル５０８の１つ以上の表面が、任意の好適な離散化アルゴリズムを使用して離散化され得る。例えば、解剖学的モデル５０８の上部表面が、多角形メッシュ５０９（例えば、表面メッシュ）を使用して離散化され得る。種々の実施形態において、メッシュ５０９は、複数の頂点５１１を含み得る。本明細書で使用されるような頂点（または複数の頂点）は、表面を複数の離散セグメント（すなわち、メッシュ）に離散化するために使用される、グリッド内の２つの縁の任意の交点であり得る。種々の実施形態において、各頂点５１１は、低侵襲性外科手術手技のための潜在的切開部位を表し得る。種々の実施形態において、１つ以上の算出が、各頂点において行われ得る。種々の実施形態において、算出は、隣接する頂点の結果に基づいて、反復され得る。種々の実施形態において、算出は、複数の結果が１つの結果に収束する（例えば、結果が、反復間で所定のパーセントを超えて変化しなくなる）まで反復され得る。種々の実施形態において、外科手術ロボット作業空間を最適化するための切開部（およびトロカール）設置アルゴリズムが、頂点５１１の各々において算出され得る。種々の実施形態において、１つ以上の誤差を最小化する切開部位５１３が、３Ｄ解剖学的モデル５０８上に表示され得る。種々の実施形態において、１つ以上の誤差を最小化する切開部位５１３が、プロジェクタを介して、（例えば、外科手術台上にいる間）患者上に投影され得る。

種々の実施形態において、各頂点は、３次元の点を含む。種々の実施形態において、各頂点は、候補切開部が設置され得る身体の任意の好適な表面上に位置し得る。種々の実施形態において、例えば、好適な切開部が作製され得ない身体の所定のエリアが、メッシュから除外され得る。

種々の実施形態において、メッシュ５０９は、プロジェクタを介して患者上に投影され得る。種々の実施形態において、投影されるメッシュは、例えば、デカルトグリッドであり得る。種々の実施形態において、カメラが、患者の画像および投影されたメッシュ５０９を記録し得る。種々の実施形態において、システムは、患者の画像を３Ｄ解剖学的構造（例えば、解剖図）と位置合わせし得る。種々の実施形態において、システムは、３Ｄ解剖学的構造内の特定の場所および／または解剖学的構造に到達すべきツールのために、メッシュ５０９の頂点５１１の各々における利用可能な作業空間および／またはツールの向きの誤差を決定し得る。

図５Ｂは、本開示のある実施形態による、離散化された解剖学的モデル５０８を図示する。種々の実施形態において、複雑な形状を有する患者の解剖学的領域が、より単純な形状によって表され得る。種々の実施形態において、解剖学的モデル５０８は、単純な３次元形状、例えば、長方形のボックス、立方体、球、楕円体、円柱等である。例えば、患者の腹部は、長さ（Ｌ）と、幅（Ｗ）と、奥行（Ｄ）とを有するボックスとして表され得る。種々の実施形態において、ボックスの１つ以上の表面が、任意の好適な離散化アルゴリズムを使用して離散化され得る。例えば、ボックスの上部表面は、多角形（例えば、長方形、正方形、三角形等）のメッシュ５０９（例えば、表面メッシュ）を使用して離散化され得る。種々の実施形態において、メッシュ５０９は、複数の頂点５１１を含み得る。種々の実施形態において、各頂点５１１は、低侵襲性外科手術手技のための潜在的切開部位を表し得る。種々の実施形態において、１つ以上の算出が、各頂点５１１において行われ得る。種々の実施形態において、算出は、隣接する頂点５１１の結果に基づいて、反復され得る。種々の実施形態において、算出は、複数の結果が１つの結果に収束する（例えば、結果が、反復間で所定のパーセントを超えて変化しなくなる）まで反復され得る。種々の実施形態において、外科手術ロボット作業空間を最適化するための切開部（およびトロカール）設置アルゴリズムが、頂点５１１の各々において算出され得る。種々の実施形態において、ボックスの表面が、２Ｄであるが、切開部は、３Ｄであり得る。種々の実施形態において、切開部に沿った点の全てが、ボックスがロボットの基部と整列させられる場合、同一の深度（例えばｚ値）を有し得る。

種々の実施形態において、外科手術経路が、メッシュ５０９における各頂点５１１に関して決定され得る。種々の実施形態において、誤差メトリックが、メッシュ５０９における各頂点に関して決定され得る。種々の実施形態において、誤差メトリックのプロット（例えば、表面プロット）が、モデル５０８と別個にユーザ（例えば、外科医）に表示され得る。種々の実施形態において、プロット（例えば、表面プロット）が、モデル５０８上にオーバーレイされ得る。種々の実施形態において、プロットは、１つの色（例えば、青色）が、最も小さいまたはごくわずかであると決定された誤差を表す一方、別の色（例えば、赤色）が、最も大きいと決定された誤差を表すように、ある範囲の色を用いて色分けされ得る。種々の実施形態において、システムは、ユーザ（例えば、外科医）に特定の外科手術のための誤差を最小化する切開点の指示を提供し得る。種々の実施形態において、２つ以上の切開点が、特定の外科手術を実施するための誤差を最小化するとして返され得る。

図５Ａと同様、誤差を最小化する切開部位５１３（解剖学的モデル５０８のボリューム内の標的解剖学的構造５２２にアクセスするための切開部位）が、ツールの向きの誤差がメッシュ５０９の各頂点５１１において決定された後、選択され得る。種々の実施形態において、標的解剖学的構造５２２は、３次元空間内の１つ以上の点（ｘ，ｙ，ｚ）によって表され得る。種々の実施形態において、３次元空間内の点は、解剖学的構造５２２の任意の好適な部分に対応し得る。例えば、点は、質量中心に対応し得る。別の例では、１つ以上の点は、解剖学的構造５２２の表面に沿った任意の離散点に対応し得る。種々の実施形態において、１つ以上の点は、解剖学的構造５２２のボリューム内の任意の離散点に対応し得る。種々の実施形態において、標的解剖学的構造５２２は、一般的な３Ｄ解剖図からモデル化され得る（すなわち、解剖学的モデル５０８内に成形される、および／または位置付けられ得る）。種々の実施形態において、標的解剖学的構造５２２は、患者の撮像（例えば、外科手術前撮像）の３Ｄ再構築物としてモデル化され得る（すなわち、解剖学的モデル５０８内に成形され得、および／または位置付けられ得る）。種々の実施形態において、標的解剖学的構造は、単純化された形状（例えば、長方形のボックス、立方体、球、楕円体、円柱等）として表され得る。例えば、標的解剖学的構造５０８は、楕円体として表される腎臓であり得る。いくつかの実施形態において、反復的な最適化技法が、誤差を最小化する切開部位を選択するために適用される。

図６Ａ－６Ｂは、本開示のある実施形態による、ツールの向きの誤差のグラフ表現を図示する。グラフを発生させるために、ツールの最遠位先端のための所望の向きが、提供され、ツールのためのＸ値およびＹ値が、所定の値だけ増加させられた。各増加に関して、上で説明されるアルゴリズムが、実施され、ツールの向きの誤差を算出した。誤差を最小化する向きは、所与の向きと所望の向きとの間の最少量の誤差を有する。算出された誤差は、グラフの形状において可視化され得る。図６Ａは、上で説明されるように第１の鍵穴状の切開部を使用する第１の切開位置を表し、ツールの向きの誤差が、腹部モデルの中心において最も大きいことを示す。図６Ｂは、精緻化された（すなわち、より高分解能の）メッシュを伴う図６Ａの誤差計算を示す。

種々の実施形態において、外科医が、ツール誤差のマップを提供され得る。種々の実施形態において、可視化された誤差は、タスクを実施することの運動学的制約によって引き起こされる誤差を表す。種々の実施形態において、外科医は、特定の手技に関するツール誤差のマップ（すなわち、軌道）に加えて、２つ以上の推奨される切開部位を提供され得る。種々の実施形態において、推奨される切開部位は、最も小さい誤差を伴うものを含み得る。種々の実施形態において、推奨される切開部位は、絶対的に最も小さい誤差を伴う切開部位を含み得る。種々の実施形態において、推奨される切開部位は、最も小さい５％、１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％等の誤差を有する切開部位を含み得る。

種々の実施形態において、切開部位が事前選択される場合、ロボット基部場所が事前選択され、切開部位が事前選択される術前アルゴリズムが、必要とされないこともある。種々の実施形態において、術中アルゴリズムが、事前選択された運動学的制約に基づいて、ツール先端における誤差を最小化し得る。

図７は、本開示のある実施形態による、ツールの向きの誤差のグラフ表現を図示する。図７は、上で説明されるように第２の鍵穴状の切開部を使用した第２の切開位置を表し、ツールの向きの誤差が、腹部モデルの右上隅において最も大きいことを示す。

図６Ａ、６Ｂ、および７に示される上記のグラフに基づいて、誤差分布は、切開場所に応じて変動する。これらの実験は、単一の向きを用いて実施されたが、ある外科手術操作（例えば、縫合）は、例えば、外科手術器具および／またはツールの回転および／または平行移動の任意の組み合わせを通した複数の向きを要求する。したがって、誤差を最小化する切開部の設置は、手技（点の数および方向）についての知識を要求する。縫合の例に関して、好適な縫合手技が既知である場合、誤差を最小化する切開部の設置は、特定の縫合手技を実施するための既知の運動から決定され得る。

図８は、本開示のある実施形態による、ロボット外科手術システム８００の略図を図示する。ロボット外科手術システム８００は、システム８００が基部８０１に取り付けられたロボットアーム８０２を含む点で、上で説明されるシステムに類似する。ロボットアーム８０２は、ロボットアーム８０２の遠位端において配置される外科手術器具８０４を含む。外科手術器具８０４は、切開部８０６内に設置されるトロカール８０５を通して挿入され、最遠位端８１２においてツールを含む。

いくつかの実施形態において、反復的な最適化技法は、ツールの向きの誤差が最小化されるように、誤差を最小化する切開点、誤差を最小化するトロカール位置、および誤差を最小化する基部位置を選択するために適用される。いくつかのそのような実施形態において、網羅的な探索が、１つ以上の位置変数から実施される。例えば、所与の基部位置に関して、誤差が、潜在的切開点の所定のグリッド上の全ての点に関して算出され得る。算出が、所与の変数に関して各潜在的位置に関して実施されると、最も小さい誤差構成が、選択される。いくつかの実施形態において、数学的最適化方法が、使用され、それによって、網羅的な探索を回避する。例えば、勾配降下法が、位置変数の誤差を最小化する選択に到達するために適用され得る。種々の数学的最適化方法、例えば、微分展開、局所探索、勾配降下法、または疑似アニーリング法が、設置変数に基づいて誤差を最小化するために有用であることを理解されたい。

種々の実施形態において、第１のステップにおいて、解剖学的モデル８０８の体腔（例えば、腹腔）内の１つ以上の標的解剖学的構造８２２にアクセスするための作業空間の誤差を最小化する量を提供するために、誤差を最小化する切開位置が、患者上で選択され得る。

種々の実施形態において、第２のステップにおいて、ロボットアーム８０２の基部８０１の位置が、決定される。種々の実施形態において、基部８０１の位置は、第１のステップから選択された誤差を最小化する切開部位８０６に基づいて決定される。種々の実施形態において、基部の位置は、特定の外科手術手技のための最適な腹腔鏡作業空間を可能にする２つ以上の潜在的な誤差を最小化する位置を含み得る。

種々の実施形態において、外科手術ロボットの基部の場所を決定するために、外科手術軌道、外科手術標的（例えば、標的解剖学的構造）、および器具タイプが、与えられる。種々の実施形態において、切開部位が、基部の場所を決定することに先立って選択され得る。

種々の実施形態において、基部の場所を決定するために、患者の外側における所定の空間が、点のグリッドに離散化され得、各点は、基部のための基部である。基部８０１および切開部位８０６の候補場所に関して、ロボットアームおよび／またはツールの到達性が、決定され得る。種々の実施形態において、到達性は、図８に示されるように、弧によって定義される領域に制約され得る。種々の実施形態において、基部を移動させることは、作業空間の形状および／またはボリュームを変化させる。候補基部８０１（および事前選択される切開部位８０６）に関して、誤差メトリックが、決定され得る。種々の実施形態において、誤差メトリックは、上で説明される誤差決定と同様、ツールの軌道に基づき得る。種々の実施形態において、ツールの軌道が、離散化され、誤差が、候補基部場所に関して決定される。種々の実施形態において、例として、基部の１つ以上の場所は、ロボット作業空間が（例えば、実際の向きと所望の向きとの間の最小限の誤差を伴う）軌道を実施することが可能であるツール自体に関して算出されるものに類似する（例えば、それと同一の）誤差を有し得る。種々の実施形態において、ロボット基部が、例えば、患者から遠すぎる場所に位置する場合、ロボットは、切開部位（およびトロカール）の制約を所与として、誤差を最小化するツールの向ききをとる能力がないので、ツールの向ききは、所望のツールの向きから著しく異なり得る。

種々の実施形態において、離散化された場所のうちの１つ以上が、除外され得る。種々の実施形態において、除外された場所は、ロボット基部を位置付けるために利用不可能である場所に対応し得る。例えば、要求される医療機器（例えば、麻酔モニタ／送達デバイス）が、患者の近くに位置し得る。

種々の実施形態において、最も少ない誤差を伴う候補基部場所が、ロボット設置のために推奨される。種々の実施形態において、誤差のマップが、外科手術ロボットのための推奨される基部場所をとともにユーザに提供され得る。

種々の実施形態において、第３のステップにおいて、ツールの向きの誤差が、上で説明されるように決定される。種々の実施形態において、ツールの向きの誤差が、最小化され、腹腔鏡作業空間内の１つ以上の物体（例えば、重要となる神経および／または血管）を回避し得る。種々の実施形態において、例えば、ツールは、所望の向きと、可能な向きを表す、ツールから広がっている円錐体とを有する。種々の実施形態において、円錐体内の１つの向きが、式１において定義されるように、誤差を最小化するであろう。種々の実施形態において、可能な向きの円錐体が、所望の向きを含む場合、誤差は、ゼロである。

種々の実施形態において、ツールの向きの誤差は、ツールの最遠位端を通る実際の軌道と所望の軌道との間の差異として決定され得る。

図９は、本開示のある実施形態による、エンドエフェクタ誤差を算出する方法９００のフローチャートを図示する。９０２において、第１のロボットアームが、提供され、ロボットアームは、トロカールと、エンドエフェクタとを含む。９０４において、エンドエフェクタの第１の向きが、決定される。第１の向きは、第１のｘ成分と、第１のｙ成分と、第１のｚ成分とを含む。９０６において、エンドエフェクタの所望の向きが、決定される。所望の向きは、第２のｘ成分と、第２のｙ成分と、第２のｚ成分とを含む。９０８において、第１のｘ成分と第２のｘ成分との間の第１の角度が、決定され、第１のｙ成分と第２のｙ成分との間の第２の角度が、決定され、第１のｚ成分と第２のｚ成分との間の第３の角度が、決定される。９１０において、第１の角度、第２の角度、および第３の角度に基づく誤差メトリックが、決定される。

種々の実施形態において、誤差メトリックを決定することは、第１の角度、第２の角度、および第３の角度の各々の２乗値を合算することを含み得る。種々の実施形態において、２つ以上の誤差メトリックが、各誤差メトリックが、異なるトロカール位置に対応するように、決定され得る。種々の実施形態において、各トロカール位置に関する決定された誤差メトリックが、特定の外科手術手技のために誤差を最小化するトロカール位置と比較され得る。

種々の実施形態において、エンドエフェクタ向きの誤差を決定するためのアルゴリズム入力は、例えば、トロカール位置、腹腔のサイズおよび位置、および所望のエンドエフェクタ先端向きを含み得る。種々の実施形態において、エンドエフェクタ向きの誤差は、２つ以上の潜在的切開部位に関して決定され得、誤差は、比較され、特定の外科手術手技のための誤差を最小化する切開部位を決定し得る。

ここで図１０を参照すると、本明細書に説明されるコンピュータビジョンシステムと共に使用され得る例示的コンピューティングノードの概略図が、示される。コンピューティングノード１０は、好適なコンピューティングノードの一例にすぎず、本明細書に説明される実施形態の使用または機能性の範囲に関するいかなる限定も示唆することを意図していない。それにもかかわらず、コンピューティングノード１０は、実装される、および／または前述に述べられる機能性のいずれかを実施することが可能である。

コンピューティングノード１０において、コンピュータシステム／サーバ１２が、存在し、それは、多数の他の汎用目的または特殊目的コンピューティングシステム環境または構成で動作する。コンピュータシステム／サーバ１２との使用のために好適であり得る周知のコンピューティングシステム、環境、および／または構成の例は、限定ではないが、パーソナルコンピュータシステム、サーバコンピュータシステム、シンクライアント、シッククライアント、ハンドヘルドまたはラップトップデバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベースのシステム、セットトップボックス、プログラマブル消費者電子機器、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータシステム、メインフレームコンピュータシステム、および上記のシステムまたはデバイスのいずれかを含む分散型クラウドコンピューティング環境等を含む。

コンピュータシステム／サーバ１２は、コンピュータシステムによって実行されるプログラムモジュール等のコンピュータシステム実行可能命令の一般的コンテキストにおいて説明され得る。概して、プログラムモジュールは、特定のタスクを実施するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、論理、データ構造等、または特定の抽象データタイプを実装するそれらを含み得る。コンピュータシステム／サーバ１２は、タスクが通信ネットワークを通してリンクされる遠隔処理デバイスによって実施される分散型クラウドコンピューティング環境内で実践され得る。分散型クラウドコンピューティング環境では、プログラムモジュールは、メモリ記憶デバイスを含むローカルおよび遠隔コンピュータシステム記憶媒体の両方内に位置し得る。

図１０に示されるように、コンピューティングノード１０内のコンピュータシステム／サーバ１２は、汎用目的コンピューティングデバイスの形態で示される。コンピュータシステム／サーバ１２のコンポーネントは、限定ではないが、１つ以上のプロセッサまたは処理ユニット１６、システムメモリ２８、およびシステムメモリ２８を含む種々のシステムコンポーネントをプロセッサ１６に結合するバス１８を含み得る。

バス１８は、種々のバスアーキテクチャのいずれかを使用するメモリバスまたはメモリコントローラ、周辺バス、加速グラフィックポート、およびプロセッサまたはローカルバスを含むいくつかのタイプのバス構造のいずれかのうちの１つ以上のものを表す。一例として、限定ではなく、そのようなアーキテクチャは、産業標準アーキテクチャ（ＩＳＡ）バス、マイクロチャネルアーキテクチャ（ＭＣＡ）バス、拡張ＩＳＡ（ＥＩＳＡ）バス、Ｖｉｄｅｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ（ＶＥＳＡ）ローカルバス、および周辺コンポーネント相互接続（ＰＣＩ）バスを含む。

コンピュータシステム／サーバ１２は、典型的に、種々のコンピュータシステム読み取り可能な媒体を含む。そのような媒体は、コンピュータシステム／サーバ１２によってアクセス可能な任意の利用可能な媒体であり得、揮発性および不揮発性媒体のリムーバブルおよび非リムーバブル媒体の両方を含む。

システムメモリ２８は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）３０および／またはキャッシュメモリ３２等の揮発性メモリの形態におけるコンピュータシステム読み取り可能な媒体を含むことができる。コンピュータシステム／サーバ１２は、他のリムーバブル／非リムーバブル揮発性／不揮発性コンピュータシステム記憶媒体をさらに含み得る。一例にすぎないが、記憶システム３４は、非リムーバブル不揮発性磁気媒体（示されないが、典型的に、「ハードドライブ」と呼ばれる）から読み取り、それに書き込むために提供されることができる。図示されないが、リムーバブル不揮発性磁気ディスク（例えば、「フロッピー（登録商標）ディスク」）から読み取り、それに書き込むための磁気ディスクドライブ、およびＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、または他の光学媒体等のリムーバブル不揮発性光ディスクから読み取り、それに書き込むための光ディスクドライブが、提供されることができる。そのようなインスタンスでは、それぞれ、１つ以上のデータ媒体インターフェースによって、バス１８に接続されることができる。下記にさらに描写および説明されるであろうように、メモリ２８は、本開示の実施形態の機能を行うように構成されるプログラムモジュールの組（例えば、少なくとも１つ）を有する少なくとも１つのプログラム製品を含み得る。

プログラムモジュール４２の組（少なくとも１つ）を有するプログラム／ユーティリティ４０は、一例として、限定ではなく、メモリ２８、およびオペレーティングシステム、１つ以上のアプリケーションプログラム、他のプログラムモジュール、およびプログラムデータの中に記憶され得る。オペレーティングシステム、１つ以上のアプリケーションプログラム、他のプログラムモジュール、およびプログラムデータまたはそれらのある組み合わせの各々は、ネットワーキング環境の実装を含み得る。プログラムモジュール４２は、概して、本明細書に説明される実施形態の機能および／または方法論を行う。

コンピュータシステム／サーバ１２は、キーボード、ポインティングデバイス、ディスプレイ２４等の１つ以上の外部デバイス１４、ユーザがコンピュータシステム／サーバ１２と相互作用することを可能にする１つ以上のデバイス、および／またはコンピュータシステム／サーバ１２が１つ以上の他のコンピューティングデバイスと通信することを可能にする任意のデバイス（例えば、ネットワークカード、モデム等）とも通信し得る。そのような通信は、入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース２２を介して生じ得る。なおもさらに、コンピュータシステム／サーバ１２は、ネットワークアダプタ２０を介して、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、一般的広域ネットワーク（ＷＡＮ）、および／またはパブリックネットワーク（例えば、インターネット）等の１つ以上のネットワークと通信することができる。描写されるように、ネットワークアダプタ２０は、バス１８を介して、コンピュータシステム／サーバ１２の他のコンポーネントと通信する。図示されないが、他のハードウェアおよび／またはソフトウェアコンポーネントも、コンピュータシステム／サーバ１２と共に使用され得ることを理解されたい。例は、限定ではないが、マイクロコード、デバイスドライバ、冗長処理ユニット、外部ディスクドライブアレイ、ＲＡＩＤシステム、テープドライブ、およびデータアーカイブ記憶システム等を含む。

他の実施形態において、コンピュータシステム／サーバは、１つ以上のカメラ（例えば、デジタルカメラ、明視野カメラ）または他の撮像／感知デバイス（例えば、赤外線カメラまたはセンサ）に接続され得る。

本開示は、システム、方法、および／またはコンピュータプログラム製品を含み得る。コンピュータプログラム製品は、プロセッサに本開示の側面を行わせるためのコンピュータ読み取り可能なプログラム命令をその上に有するコンピュータ読み取り可能な記憶媒体（または複数の媒体）を含み得る。

コンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、命令実行デバイスによる使用のための命令を保持し、記憶し得る有形デバイスであることができる。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、例えば、限定ではないが、電子記憶デバイス、磁気記憶デバイス、光学記憶デバイス、電磁記憶デバイス、半導体記憶デバイス、または前述の任意の好適な組み合わせであり得る。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体のより具体的例の非包括的リストは、以下を含む：ポータブルコンピュータディスケット、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能なプログラム可能読み取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭまたはフラッシュメモリ）、静的ランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、ポータブルコンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、メモリスティック、フロッピー（登録商標）ディスク、その上に記録される命令を有するパンチカードまたは溝内の隆起構造等の機械的にエンコードされたデバイス、および前述の任意の好適な組み合わせ。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、本明細書で使用される場合、それ自体では、無線波または他の自由に伝搬する電磁波、導波管または他の伝送媒体を通して伝搬する電磁波（例えば、光ファイバケーブルを通して通過する光パルス）、またはワイヤを通して伝送される電気信号等の一過性信号であるとして解釈されるべきではない。

本明細書に説明されるコンピュータ読み取り可能なプログラム命令は、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体からそれぞれのコンピューティング／処理デバイスに、またはネットワーク、例えば、インターネット、ローカルエリアネットワーク、広域ネットワーク、および／または無線ネットワークを介して、外部コンピュータまたは外部記憶デバイスにダウンロードされることができる。ネットワークは、銅伝送ケーブル、光学伝送ファイバ、無線伝送、ルータ、ファイアウォール、スイッチ、ゲートウェイコンピュータ、および／またはエッジサーバを備え得る。各コンピューティング／処理デバイス内のネットワークアダプタカードまたはネットワークインターフェースは、コンピュータ読み取り可能なプログラム命令をネットワークから受信し、それぞれのコンピューティング／処理デバイス内のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体内への記憶のために、コンピュータ読み取り可能なプログラム命令を転送する。

本開示の動作を行うためのコンピュータ読み取り可能なプログラム命令は、アセンブラ命令、命令セットアーキテクチャ（ＩＳＡ）命令、機械命令、機械依存命令、マイクロコード、ファームウェア命令、状態設定データ、またはＳｍａｌｌｔａｌｋ、Ｃ＋＋等のオブジェクト指向プログラミング言語、および「Ｃ」プログラミング言語または類似プログラミング言語等の従来の手続型プログラミング言語を含む１つ以上のプログラミング言語の任意の組み合わせで書き込まれるソースコードまたはオブジェクトコードのいずれかであり得る。コンピュータ読み取り可能なプログラム命令は、ユーザのコンピュータ上で完全に、ユーザのコンピュータ上で部分的に、独立型ソフトウェアパッケージとして、部分的にユーザのコンピュータ上および部分的に遠隔コンピュータ上で、または完全に遠隔コンピュータまたはサーバ上で実行され得る。後者のシナリオでは、遠隔コンピュータは、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）または広域ネットワーク（ＷＡＮ）を含む任意のタイプのネットワークを通して、ユーザのコンピュータに接続され得るか、または、接続は、外部コンピュータに行われ得る（例えば、インターネットサービスプロバイダを使用して、インターネットを通して）。いくつかの実施形態において、例えば、プログラマブル論理回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、またはプログラマブル論理アレイ（ＰＬＡ）を含む電子回路網が、本開示の側面を実施するために、コンピュータ読み取り可能なプログラム命令の状態情報を利用し、電子回路網を個人化することによって、コンピュータ読み取り可能なプログラム命令を実行し得る。

本開示の側面は、本開示の実施形態による、方法、装置（システム）、およびコンピュータプログラム製品のフローチャート図および／またはブロック図を参照して本明細書に説明される。フローチャート図および／またはブロック図の各ブロックおよびフローチャート図および／またはブロック図内のブロックの組み合わせが、コンピュータ読み取り可能なプログラム命令によって実装され得ることを理解されたい。

これらのコンピュータ読み取り可能なプログラム命令は、コンピュータまたは他のプログラマブルデータ処理装置のプロセッサを介して実行される命令がフローチャートおよび／またはブロック図のブロックまたは複数のブロックにおいて規定される機能／行為を実装するための手段を作成するような機械を生産するために、汎用目的コンピュータ、特殊目的コンピュータ、または他のプログラマブルデータ処理装置のプロセッサに提供され得る。これらのコンピュータ読み取り可能なプログラム命令は、命令を記憶しているコンピュータ読み取り可能な記憶媒体がフローチャートおよび／またはブロック図のブロックまたは複数のブロックにおいて規定される機能／行為の側面を実装する命令を含む製造品を構成するように、コンピュータ、プログラマブルデータ処理装置、および／または他のデバイスに、特定の様式において機能するように指示し得るコンピュータ読み取り可能な記憶媒体内にも記憶され得る。

コンピュータ読み取り可能なプログラム命令は、コンピュータ、他のプログラマブル装置、または他のデバイス上で実行される命令がフローチャートおよび／またはブロック図のブロックまたは複数のブロックにおいて規定される機能／行為を実装するように、コンピュータ、他のプログラマブルデータ処理装置、または他のデバイス上にもロードされ、一連の動作ステップをコンピュータ、他のプログラマブル装置、または他のデバイス上で実施させ、コンピュータ実装プロセスを生産し得る。

図中のフローチャートおよびブロック図は、本開示の種々の実施形態による、システム、方法、およびコンピュータプログラム製品の可能な実装のアーキテクチャ、機能性、および動作を図示する。この点において、フローチャートまたはブロック図内の各ブロックが、規定された論理機能を実装するための１つ以上の実行可能命令を備えているモジュール、セグメント、または命令の一部を表し得る。様々な代替実装において、ブロック内に記載される機能は、図に記載の順序から外れて生じ得る。例えば、連続して示される２つのブロックは、実際は、実質的に並行して実行され得るか、または、ブロックは、時として、関わる機能性に応じて、逆の順序で実行され得る。ブロック図および／またはフローチャート図の各ブロック、およびブロック図および／またはフローチャート図内のブロックの組み合わせが、規定された機能または行為を実施する、または特殊目的ハードウェアおよびコンピュータ命令の組み合わせを行う特殊目的のハードウェアベースのシステムによって実装され得ることにも留意されたい。

本開示の種々の実施形態の説明は、例証目的のために提示されているが、包括的である、または開示される実施形態に限定されることを意図するものではない。多くの修正および変形例が、説明される実施形態の範囲および精神から逸脱することなく、当業者に明白となるであろう。本明細書で使用される専門用語は、実施形態の原理、市場に見出される技術に優る実践的用途または技術的改良を最良に説明する、または当業者が本明細書に開示される実施形態を理解することを可能にするように選定された。

Claims (78)

1. 外科手術ロボットのための誤差を最小化する作業空間を決定するためのシステムであって、前記システムは、
   近位端と遠位端とを有する第１のロボットアームであって、前記近位端は、基部に固定されている、第１のロボットアームと、
   前記ロボットアームの前記遠位端において配置された外科手術器具であって、前記外科手術器具は、近位端と遠位端とを有する、外科手術器具と、
   前記外科手術器具の前記遠位端に結合されたツールと、
   コンピュータ読み取り可能な記憶媒体を備えているコンピューティングノードと
   を備え、
   前記記憶媒体は、それを用いて具現されるプログラム命令を有し、前記プログラム命令は、プロセッサに方法を実施させるように前記コンピューティングノードの前記プロセッサによって実行可能であり、前記方法は、
   患者内の誤差を最小化する切開部位を決定することと、
   解剖学的構造の１つ以上の場所と前記誤差を最小化する切開部位とに基づいて、前記ツールに関するツールの向きの誤差を決定することと、
   前記ツールの向きの誤差に基づいて、前記外科手術ロボットを調節し、それによって、前記ツールの向きの誤差を最小化することと
   を含む、システム。
2. 前記方法は、前記解剖学的構造の１つ以上の場所への外科手術軌道を決定することをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記方法は、前記外科手術軌道に沿って定義された複数の点を用いて前記外科手術軌道を離散化することをさらに含む、請求項２に記載のシステム。
4. 前記ツールの向きの誤差は、前記外科手術軌道に沿った前記複数の点の各々に関して決定される、請求項３に記載のシステム。
5. 前記ツールの向きの誤差は、
   誤差＝α^２＋β^２＋γ^２
   によって決定され、式中、αは、前記ツールの所望のｘ成分と実際のｘ成分との間の角度であり、βは、前記ツールの所望のｙ成分と実際のｙ成分との間の角度であり、γは、前記ツールの所望のｚ成分と実際のｚ成分との間の角度である、請求項４に記載のシステム。
6. 患者内の誤差を最小化する切開部位を決定することは、前記患者の解剖学的モデルの表面を離散化し、それによって、前記表面上に複数の候補切開部位を発生させることを含む、請求項５に記載のシステム。
7. 前記患者内の誤差を最小化する切開部位を決定することは、前記複数の候補切開部位の各々に関してツールの向きの誤差を決定することを含む、請求項１に記載のシステム。
8. 前記方法は、前記複数の候補切開部位のうちの最小の誤差メトリックを有する１つを選択することをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
9. 前記方法は、前記外科手術ロボットの基部の誤差を最小化する位置を決定することをさらに含み、前記誤差を最小化する位置は、前記選択された切開部位に基づく、請求項８に記載のシステム。
10. 前記基部の前記誤差を最小化する位置を決定することは、前記患者の外部の空間を複数の候補基部場所に離散化することを含む、請求項９に記載のシステム。
11. 前記方法は、前記複数の候補基部場所の各々に関して、前記離散化された外科手術軌道に基づいて、第２のツールの向きの誤差を決定することをさらに含む、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記第２のツールの向きの誤差は、
    誤差＝α^２＋β^２＋γ^２
    によって決定され、式中、αは、前記ツールの所望のｘ成分と実際のｘ成分との間の角度であり、βは、前記ツールの所望のｙ成分と実際のｙ成分との間の角度であり、γは、前記ツールの所望のｚ成分と実際のｚ成分との間の角度である、請求項１１に記載のシステム。
13. 外科手術ロボットのための誤差を最小化する作業空間を決定する方法であって、前記外科手術ロボットは、近位端と、遠位端と、前記遠位端における外科手術器具とを有し、前記外科手術器具は、ツールを有し、前記方法は、
    患者内の誤差を最小化する切開部位を決定することと、
    解剖学的構造の１つ以上の場所と前記誤差を最小化する切開部位とに基づいて、前記ツールに関するツールの向きの誤差を決定することと、
    前記ツールの向きの誤差に基づいて、前記外科手術ロボットを調節し、それによって、前記ツールの向きの誤差を最小化することと
    を含む、方法。
14. 前記解剖学的構造の１つ以上の場所への外科手術軌道を決定することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記外科手術軌道に沿って定義された複数の点を用いて前記外科手術軌道を離散化することをさらに含む、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記ツールの向きの誤差は、前記外科手術軌道に沿った前記複数の点の各々に関して決定される、請求項１５に記載の方法。
17. 前記ツールの向きの誤差は、
    誤差＝α^２＋β^２＋γ^２
    によって決定され、式中、αは、前記ツールの所望のｘ成分と実際のｘ成分との間の角度であり、βは、前記ツールの所望のｙ成分と実際のｙ成分との間の角度であり、γは、前記ツールの所望のｚ成分と実際のｚ成分との間の角度である、請求項１３に記載の方法。
18. 患者内の誤差を最小化する切開部位を決定することは、前記患者の解剖学的モデルの表面を離散化し、それによって、前記表面上に複数の候補切開部位を発生させることを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記患者内の誤差を最小化する切開部位を決定することは、前記複数の候補切開部位の各々に関してツールの向きの誤差を決定することを含む、請求項１に記載の方法。
20. 前記複数の候補切開部位のうちの最小の誤差メトリックを有する１つを選択することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
21. 前記外科手術ロボットの基部の誤差を最小化する位置を決定することをさらに含み、前記誤差を最小化する位置は、前記選択された切開部位に基づく、請求項２０に記載の方法。
22. 前記基部の誤差を最小化する位置を決定することは、前記患者の外部の空間を複数の候補基部場所に離散化することを含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記複数の候補基部場所の各々に関して、前記離散化された外科手術軌道に基づいて、第２のツールの向きの誤差を決定することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
24. 前記第２のツールの向きの誤差は、
    誤差＝α^２＋β^２＋γ^２
    によって決定され、式中、αは、前記ツールの所望のｘ成分と実際のｘ成分との間の角度であり、βは、前記ツールの所望のｙ成分と実際のｙ成分との間の角度であり、γは、前記ツールの所望のｚ成分と実際のｚ成分との間の角度である、請求項２３に記載の方法。
25. 外科手術ロボットのための誤差を最小化する作業空間を決定するためのコンピュータプログラム製品であって、前記外科手術ロボットは、近位端と、遠位端と、前記遠位端における外科手術器具とを有し、前記外科手術器具は、ツールを有し、前記コンピュータプログラム製品は、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体を備え、前記記憶媒体は、それを用いて具現化されるプログラム命令を有し、前記プログラム命令は、プロセッサに方法を実施させるように前記プロセッサによって実行可能であり、前記方法は、
    患者内の誤差を最小化する切開部位を決定することと、
    解剖学的構造の１つ以上の場所と前記誤差を最小化する切開部位とに基づいて、前記ツールに関するツールの向きの誤差を決定することと、
    前記ツールの向きの誤差に基づいて、前記外科手術ロボットを調節し、それによって、前記ツールの向きの誤差を最小化することと
    を含む、コンピュータプログラム製品。
26. 前記解剖学的構造の１つ以上の場所への外科手術軌道を決定することをさらに含む、請求項２５に記載のコンピュータプログラム製品。
27. 前記外科手術軌道に沿って定義された複数の点を用いて前記外科手術軌道を離散化することをさらに含む、請求項２６に記載のコンピュータプログラム製品。
28. 前記ツールの向きの誤差は、前記外科手術軌道に沿った前記複数の点の各々に関して決定される、請求項２７に記載のコンピュータプログラム製品。
29. 前記ツールの向きの誤差は、
    誤差＝α^２＋β^２＋γ^２
    によって決定され、式中、αは、前記ツールの所望のｘ成分と実際のｘ成分との間の角度であり、βは、前記ツールの所望のｙ成分と実際のｙ成分との間の角度であり、γは、前記ツールの所望のｚ成分と実際のｚ成分との間の角度である、請求項２５に記載のコンピュータプログラム製品。
30. 患者内の誤差を最小化する切開部位を決定することは、前記患者の解剖学的モデルの表面を離散化し、それによって、前記表面上に複数の候補切開部位を発生させることを含む、請求項２９に記載のコンピュータプログラム製品。
31. 前記患者内の誤差を最小化する切開部位を決定することは、前記複数の候補切開部位の各々に関してツールの向きの誤差を決定することを含む、請求項２５に記載のコンピュータプログラム製品。
32. 前記複数の候補切開部位のうちの最小の誤差メトリックを有する１つを選択することをさらに含む、請求項２５に記載のコンピュータプログラム製品。
33. 前記外科手術ロボットの基部の誤差を最小化する位置を決定することをさらに含み、前記誤差を最小化する位置は、前記選択された切開部位に基づく、請求項３２に記載のコンピュータプログラム製品。
34. 前記基部の誤差を最小化する位置を決定することは、前記患者の外部の空間を複数の候補基部場所に離散化することを含む、請求項３３に記載のコンピュータプログラム製品。
35. 前記複数の候補基部場所の各々に関して、前記離散化された外科手術軌道に基づいて、第２のツールの向きの誤差を決定することをさらに含む、請求項３４に記載のコンピュータプログラム製品。
36. 前記第２のツールの向きの誤差は、
    誤差＝α^２＋β^２＋γ^２
    によって決定され、式中、αは、前記ツールの所望のｘ成分と実際のｘ成分との間の角度であり、βは、前記ツールの所望のｙ成分と実際のｙ成分との間の角度であり、γは、前記ツールの所望のｚ成分と実際のｚ成分との間の角度である、請求項３５に記載のコンピュータプログラム製品。
37. システムであって、前記システムは、
    近位端と遠位端とを有する第１のロボットアームであって、前記近位端は、基部に固定されている、第１のロボットアームと、
    前記ロボットアームの前記遠位端において配置された外科手術器具であって、前記外科手術器具は、近位端と遠位端とを有する、外科手術器具と、
    前記外科手術器具の前記遠位端に結合されたツールと、
    コンピュータ読み取り可能な記憶媒体を備えているコンピューティングノードと
    を備え、
    前記記憶媒体は、それを用いて具現化されるプログラム命令を有し、前記プログラム命令は、プロセッサに方法を実施させるように前記コンピューティングノードの前記プロセッサによって実行可能であり、前記方法は、
    前記ツールの第１の向きを決定することであって、前記第１の向きは、第１のｘ成分と、第１のｙ成分と、第１のｚ成分とを備えている、ことと、
    前記ツールの所望の向きを決定することであって、前記所望の向きは、第２のｘ成分と、第２のｙ成分と、第２のｚ成分とを備えている、ことと、
    前記第１のｘ成分と前記第２のｘ成分との間の第１の角度、前記第１のｙ成分と前記第２のｙ成分との間の第２の角度、および前記第１のｚ成分と前記第２のｚ成分との間の第３の角度を決定することと、
    前記第１の角度、前記第２の角度、および前記第３の角度に基づいて、誤差メトリックを決定することと
    を含む、システム。
38. 前記誤差メトリックは、
    誤差＝α^２＋β^２＋γ^２
    によって決定され、式中、αは、前記第１の角度であり、βは、前記第２の角度であり、γは、前記第３の角度である、請求項３７に記載のシステム。
39. 前記方法は、患者の解剖学的モデルを決定することをさらに含む、請求項３７に記載のシステム。
40. 前記方法は、前記解剖学的モデル上の第１の切開部位を選択することをさらに含み、前記誤差メトリックは、前記第１の切開部位に対応する、請求項３９に記載のシステム。
41. 前記解剖学的モデルは、解剖図を備えている、請求項３９に記載のシステム。
42. 前記解剖学的モデルは、前記患者の撮像に基づいた患者解剖学的構造の３次元再構築物を備えている、請求項３９に記載のシステム。
43. 前記誤差メトリックを決定することは、前記外科手術器具に沿った近位場所における固定された３次元位置を維持することを含む、請求項４０に記載のシステム。
44. 前記近位場所は、前記解剖学的モデル上の前記切開部位に対応する、請求項４３に記載のシステム。
45. 前記解剖学的モデルは、標的解剖学的構造を備えている、請求項３９に記載のシステム。
46. 前記方法は、１つ以上の追加の誤差メトリックを決定することをさらに含み、前記追加の誤差メトリックの各々は、前記解剖学的モデル内の複数の場所の異なる場所に対応する、請求項３９に記載のシステム。
47. 前記異なる場所は、２Ｄデカルトグリッドに対応する、請求項４６に記載のシステム。
48. 前記方法は、前記解剖学的モデル内の前記複数の場所の各々に関する誤差メトリックのグラフを表示することをさらに含む、請求項４６に記載のシステム。
49. 前記方法は、
    前記解剖学的モデル上の１つ以上の追加の切開部位を選択することと、
    各追加の切開部位に関して、前記解剖学的モデル内の複数の場所の各々に関する誤差メトリックのマップを決定することと
    をさらに含む、請求項４０に記載のシステム。
50. 前記方法は、前記切開部位のうちの前記最小の誤差メトリックを有する１つを選択することをさらに含む、請求項４９に記載のシステム。
51. 外科手術ロボットの外科手術器具の遠位端におけるツールの向きの誤差を決定する方法であって、前記方法は、
    第１のロボットアームを提供することであって、前記ロボットアームは、外科手術器具と、前記外科手術器具の遠位端において配置されたツールとを備えている、ことと、
    前記ツールの第１の向きを決定することであって、前記第１の向きは、第１のｘ成分と、第１のｙ成分と、第１のｚ成分とを備えている、ことと、
    前記ツールの所望の向きを決定することであって、前記所望の向きは、第２のｘ成分と、第２のｙ成分と、第２のｚ成分とを備えている、ことと、
    前記第１のｘ成分と前記第２のｘ成分との間の第１の角度、前記第１のｙ成分と前記第２のｙ成分との間の第２の角度、および前記第１のｚ成分と前記第２のｚ成分との間の第３の角度を決定することと、
    前記第１の角度、前記第２の角度、および前記第３の角度に基づいて、誤差メトリックを決定することと
    を含む、方法。
52. 前記誤差メトリックは、
    誤差＝α^２＋β^２＋γ^２
    によって決定され、式中、αは、前記第１の角度であり、βは、前記第２の角度であり、γは、前記第３の角度である、請求項５１に記載の方法。
53. 患者の解剖学的モデルを決定することをさらに含む、請求項５１に記載の方法。
54. 前記解剖学的モデル上の第１の切開部位を選択することをさらに含み、前記誤差メトリックは、前記第１の切開部位に対応する、請求項５３に記載の方法。
55. 前記解剖学的モデルは、解剖図を備えている、請求項５３に記載の方法。
56. 前記解剖学的モデルは、前記患者の撮像に基づいた患者解剖学的構造の３次元再構築物を備えている、請求項５３に記載の方法。
57. 前記誤差メトリックを決定することは、前記外科手術器具に沿った近位場所における固定された３次元位置を維持することを含む、請求項５４に記載の方法。
58. 前記近位場所は、前記解剖学的モデル上の切開部位に対応する、請求項５７に記載の方法。
59. 前記解剖学的モデルは、標的解剖学的構造を備えている、請求項５３に記載の方法。
60. １つ以上の追加の誤差メトリックを決定することをさらに含み、前記追加の誤差メトリックの各々は、前記解剖学的モデル内の複数の場所の異なる場所に対応する、請求項５３に記載の方法。
61. 前記異なる場所は、２Ｄデカルトグリッドに対応する、請求項６０に記載の方法。
62. 前記解剖学的モデル内の前記複数の場所の各々に関して誤差メトリックのマップを表示することをさらに含む、請求項６０に記載の方法。
63. 前記解剖学的モデル上の１つ以上の追加の切開部位を選択することと、
    各追加の切開部位に関して、前記解剖学的モデル内の複数の場所の各々に関する誤差メトリックのマップを決定することと
    をさらに含む、請求項５４に記載の方法。
64. 前記切開部位のうちの前記最小の誤差メトリックを有する１つを選択することをさらに含む、請求項６３に記載の方法。
65. 外科手術ロボットの外科手術器具の遠位端におけるツールの向きの誤差を決定するためのコンピュータプログラム製品であって、前記外科手術ロボットは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体を備え、前記記憶媒体は、それを用いて具現化されるプログラム命令を有し、前記プログラム命令は、プロセッサに方法を実施させるように前記プロセッサによって実行可能であり、前記方法は、
    前記ツールの第１の向きを決定することであって、前記第１の向きは、第１のｘ成分と、第１のｙ成分と、第１のｚ成分とを備えている、ことと、
    前記ツールの所望の向きを決定することであって、前記所望の向きは、第２のｘ成分と、第２のｙ成分と、第２のｚ成分とを備えている、ことと、
    前記第１のｘ成分と前記第２のｘ成分との間の第１の角度、前記第１のｙ成分と前記第２のｙ成分との間の第２の角度、および前記第１のｚ成分と前記第２のｚ成分との間の第３の角度を決定することと、
    前記第１の角度、前記第２の角度、および前記第３の角度に基づいて、誤差メトリックを決定することと
    を含む、コンピュータプログラム製品。
66. 前記誤差メトリックは、
    誤差＝α^２＋β^２＋γ^２
    によって決定され、式中、αは、前記第１の角度であり、βは、前記第２の角度であり、γは、前記第３の角度である、請求項６５に記載のコンピュータプログラム製品。
67. 患者の解剖学的モデルを決定することをさらに含む、請求項６５に記載のコンピュータプログラム製品。
68. 前記解剖学的モデル上の第１の切開部位を選択することをさらに含み、前記誤差メトリックは、前記第１の切開部位に対応する、請求項６７に記載のコンピュータプログラム製品。
69. 前記解剖学的モデルは、解剖図を備えている、請求項６７に記載のコンピュータプログラム製品。
70. 前記解剖学的モデルは、前記患者の撮像に基づいた患者解剖学的構造の３次元再構築物を備えている、請求項６７に記載のコンピュータプログラム製品。
71. 前記誤差メトリックを決定することは、前記外科手術器具に沿った近位場所における固定された３次元位置を維持することを含む、請求項６８に記載のコンピュータプログラム製品。
72. 前記近位場所は、前記解剖学的モデル上の切開部位に対応する、請求項７１に記載のコンピュータプログラム製品。
73. 前記解剖学的モデルは、標的解剖学的構造を備えている、請求項６７に記載のコンピュータプログラム製品。
74. １つ以上の追加の誤差メトリックを決定することをさらに含み、前記追加の誤差メトリックの各々は、前記解剖学的モデル内の複数の場所の異なる場所に対応する、請求項６７に記載のコンピュータプログラム製品。
75. 前記異なる場所は、２Ｄデカルトグリッドに対応する、請求項７４に記載のコンピュータプログラム製品。
76. 前記解剖学的モデル内の前記複数の場所の各々に関する誤差メトリックのグラフを表示することをさらに含む、請求項７４に記載のコンピュータプログラム製品。
77. 前記解剖学的モデル上の１つ以上の追加の切開部位を選択することと、
    各追加の切開部位に関して、前記解剖学的モデル内の複数の場所の各々に関する誤差メトリックのマップを決定することと
    をさらに含む、請求項６８に記載のコンピュータプログラム製品。
78. 前記切開部位のうちの前記最小の誤差メトリックを有する１つを選択することをさらに含む、請求項７７に記載のコンピュータプログラム製品。

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