JP2022535754A - パッシブ曲げモードを備えたアクティブ制御の操縦可能医用デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2019年5月31日に提出された米国仮特許出願第62/855354号に対する優先権を主張し、その開示は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。
図1Aは、本開示の一実施形態に係る、コンピュータシステム400(例えばコンソール)と、ロボット制御システム300と、ハンドルインタフェース200を介して制御システム300に接続された操縦可能器具100とを含む、連続体ロボットシステム1000の全体構造を示す。操縦可能器具100は、近位の非操縦可能セクション102と、カテーテル又は内視鏡を用いた低侵襲医療措置に適用可能な複数の湾曲セクションから成る操縦可能セクション103とを有する。具体的には、図1Aはロボット制御操縦可能器具100を示し、該操縦可能器具100は、長手方向軸Axに沿って配置された複数の湾曲セグメント又はセクション(1、2、3、…N)に分割される操縦可能セクション103を有し、操縦可能セクションの少なくとも1つを長手方向軸Axに関して角度βに曲げるように構成される。
図3は、アクティブ制御のパッシブ曲げモード(本明細書では「力制御ループ」の実装と呼ばれる)の例示の実施形態を示す。図3に示されるように、操縦可能器具100の各制御ワイヤ110は、その近位端で、対応するモータ及びモータ制御システムに接続される。図示を簡潔にするために、図3は、第1のモータ制御システム321(モータコントローラ)によって制御される第1のリニアモータ311に接続された第1の制御ワイヤ110aを示す。同様に、第2の制御ワイヤ110bは、第2のモータ制御システム322によって制御される第2のリニアモータ312に接続される。正確な位置決め(たるみを回避するための)を保証するために、リニアモータ311は構造的基礎311aに固定され、リニアモータ312は同様の基礎312aに固定される。基礎311a/312aは、例えば、インタフェース200と制御システム300の少なくとも一部とを囲む患者インタフェースユニット(PIU)のハウジング又はシャシであってよい。操縦可能器具100がi~M番の制御ワイヤ110を有する場合、対応するi~M番の制御モータ又はアクチュエータが予想される。ただし、対応する同数のモータコントローラを提供することは期待されておらず、その必要もない。各モータMが対応する制御ワイヤ110を作動させるように個別に制御されさえすれば、単一のコントローラを、本明細書に記載の全てのモータ又はアクチュエータのそれぞれを個別に駆動するようにプログラムすることができる。
図4は、操縦可能器具100のアクティブ制御のパッシブ曲げモードの別の例示の実施形態を示し、この実施形態は、本明細書では「無摩擦直接駆動」の実装と呼ばれる。図4では、操縦可能器具100の第1の制御ワイヤ110aは、その近位端で、対応する第1のモータ311に移動台車341を介して直接接続されており、第2の制御ワイヤ110bは、その近位端で、第2のモータ312に移動台車342を介して直接接続されている。移動台車341、342は、例えば進路L1、L2に沿って直線的に制御ワイヤ110を変位させるように構成されたねじ式のリニアシャフトによって、対応するモータ311、312に機械的に接続される。このようなねじ式リニアアクチュエータは、周知の親ねじ、ボールねじ、又はローラーねじの原理に基づいてよい。第1及び第2の制御モータ311、312は、両方ともモータコントローラ320に動作可能に接続される。更に、第1の支持ワイヤ121aは、その近位端で第1のひずみセンサ211に接続され、第2の支持ワイヤ121bは、その近位端で第2のひずみセンサ222に接続される。各ひずみセンサは、その最も近い制御ワイヤ110に加えられているひずみの量に対応する信号を出力する(又は、少なくとも2つの最も近い制御ワイヤ110に加えられているひずみ力の平均に対応する信号)。第1のひずみセンサ221は第1のひずみ信号(Fi)を出力し、第2のひずみセンサ222は第2のひずみ信号(Fi+1)を出力する。全てのひずみセンサによって検出されたひずみの量に対応する出力信号は、フィードバックループ325としてコントローラ320にフィードバックされる。一部の実施形態では、コントローラ320は、比例積分微分制御(PID)のような標準的なスキームを用いて実装することができる。
無摩擦直接駆動構成の別の実装は、移動台車とアクチュエータ又はモータの基礎との間の摩擦が非常に低いリニア誘導アクチュエータを使用することであり得る。この実装の一例は、空気軸受を備えた高精度リニアモータの使用である。空気軸受を備えた高精度リニアモータ(PLM)は、ウェハの光リソグラフィ製造において広く使用されており、ほぼゼロの摩擦を実現し、ステージの動きに関してはサブミクロンの位置精度を達成する。PLMの可動子は、法線方向の3つの空気軸受と、横方向の2つの空気軸受(各側に1つ)によって、固定子上に浮かぶ。空気軸受を備えたPLMは、直線に沿って移動することが期待されており、動作中にサブミクロンの位置決め精度に達することができる。空気軸受の利点は、摩擦がほぼゼロであり、発熱が少なく、騒音が少ないことである。空気軸受を備えたPLMは、バックラッシュや摩擦によって引き起こされる非線形性や外乱も大幅に低減する。これらの利点により、空気軸受を備えたPLMは、半導体製造等の高度な製造分野に適用することができるが、制御ワイヤを動作させるために微小電気機械システムを用いた新規の操縦可能医用器具100の制御ワイヤ110の無摩擦直接駆動構成において実装することもできる。
無摩擦直接駆動構成の別の実装は、リニア超音波モータの使用であってよく、これは、制御信号が適用されることによって台車と固定子の間の接触が非常に低い摩擦であるモードで機能することができる。図6A、図6B及び図6Cは、制御ワイヤ110上で作動する超音波モータの例示の実施形態を示す。図6Aにおいて、操縦可能医用器具100は、図1A、図1B、図3及び/又は図4を参照して前述した構造に類似し、曲げ制御は、図2A~図2Cに関して記述したものに類似する。
図7Aは、本開示に係る操縦可能医用器具100のアクティブ制御のパッシブ曲げモードを実装するように構成された制御システム1500の例示のブロック図を示す。アクティブ制御のパッシブ曲げモードでは、(1)操縦可能器具に最大の柔軟性が必要であるときに、制御ワイヤ110での力がゼロになり、(2)採用される制御モードに関わらず、制御ワイヤ110の力及び変位が連続的にモニタリングされ、(3)蛇行進路を通る挿入中又は引戻し中に該進路を通って進むときであっても、操縦可能器具での摩擦が最低限に抑えられ、(4)制御ワイヤ110の近位端が、その対応するアクチュエータに接続されたままで自由に並進できるように、制御システム1500が操縦可能器具100を制御する。
本発明の実施形態は、記憶媒体(より完全には「非一時的コンピュータ可読記憶媒体」と呼ぶこともできる)に記録されたコンピュータ実行可能命令(例えば1つ以上のプログラム)を読み出し実行して、前述の実施形態のうち1つ以上の機能を実行し、かつ/又は、前述の実施形態のうち1つ以上の機能を実行するための1つ以上の回路(例えば特定用途向け集積回路(ASIC))を含むシステム又は装置のコンピュータによって実現することもできるし、また、システム又は装置のコンピュータが、記憶媒体からコンピュータ実行可能命令を読み出し実行して、前述の実施形態のうち1つ以上の機能を実行すること、及び/又は1つ以上の回路を制御して、前述の実施形態のうち1つ以上の機能を実行することによって実行される方法によって実現することもできる。コンピュータは、1つ以上のプロセッサ(例えば中央処理装置(CPU)、マイクロ処理ユニット(MPU))を含んでよく、コンピュータ実行可能命令を読み出して実行するための別個のコンピュータ又は別個のプロセッサのネットワークを含んでよい。コンピュータ実行可能命令は、例えばネットワークク又は記憶媒体から、コンピュータに提供することができる。記憶媒体は、例えば、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ(RAM)、リードオンリーメモリ(ROM)、分散コンピューティングシステムのストレージ、光ディスク(コンパクトディスク(CD)、デジタル多用途ディスク(DVD)又はBlu-rayDisc(BD)(商標)等)、フラッシュメモリデバイス、メモリカード等のうち1つ以上を含んでよい。I/Oインタフェースは、入出力デバイスに対して通信インタフェースを提供するために用いることができ、入出力デバイスとしては、キーボード、ディスプレイ、マウス、タッチスクリーン、タッチレスインタフェース(例えばジェスチャー認識デバイス)、印刷デバイス、ライトペン、光学式ストレージデバイス、スキャナ、マイクロフォン、カメラ、ドライブ、通信ケーブル及びネットワーク(有線又は無線)が挙げられる。
Claims (20)
- 非湾曲可能セクション及び少なくとも1つの湾曲可能セクションを有する細長体であって、長手方向軸に沿って前記細長体の近位端から遠位端まで延びる複数のチャネルを含む、細長体と、
前記細長体の第1のチャネル内に配置された制御ワイヤであって、前記非湾曲可能セクション及び前記少なくとも1つの湾曲可能セクションを通って延び、前記少なくとも1つの湾曲可能セクションに取り付けられる、制御ワイヤと、
前記制御ワイヤのひずみの量又は変位の量を測定するように構成されたセンサと、
前記制御ワイヤに機械的に結合されたアクチュエータであって、前記制御ワイヤに駆動力を加えることにより、前記細長体の前記少なくとも1つの湾曲可能セクションを作動させるように構成された、アクチュエータと、
前記アクチュエータによって加えられた前記駆動力以外の前記制御ワイヤに加えられる外力に基づいて、又は、ユーザ入力に基づいて、アクティブ制御モード下とパッシブ制御モード下で交互に前記操縦可能器具の作動を制御するように構成されたコントローラと、
を備える、操縦可能医用器具。 - 前記パッシブ制御モードでは、前記制御ワイヤが前記アクチュエータから切り離されているかのように前記制御ワイヤが完全にパッシブであるように、前記コントローラは、前記アクチュエータ自体を、前記制御ワイヤに加えられた前記駆動力とは反対の方向に動くように制御する、
請求項1に記載の操縦可能医用器具。 - 前記アクティブ制御モードでは、前記コントローラは、前記制御ワイヤを第1の方向に変位させることによって前記細長体を能動的に曲げるために、前記制御ワイヤに前記駆動力を加えるように前記アクチュエータを制御し、前記センサは、前記制御ワイヤに加えられた前記ひずみの量か、又は前記駆動力によって及ぼされた前記制御ワイヤの前記変位の量を示す第1の信号を出力する、
請求項1に記載の操縦可能医用器具。 - 前記パッシブ制御モードでは、前記制御ワイヤが完全にパッシブであるとともに、前記制御ワイヤが前記アクチュエータから切り離されているかのように前記外力によって動かされることが可能であるように、前記コントローラは、前記制御ワイヤに対する前記駆動力の付加を停止するように前記アクチュエータを制御する、
請求項3に記載の操縦可能医用器具。 - 前記パッシブ制御モードにおいて、前記センサは、前記制御ワイヤにかかる前記外力を示す第2の信号を出力するように構成され、
前記コントローラは、前記センサから出力された前記第2の信号を用いて、前記アクチュエータに、前記制御ワイヤに加えられた前記ひずみの量を低減させるか、又は前記制御ワイヤの前記変位の量を低減させる、
請求項3に記載の操縦可能医用器具。 - 前記パッシブ制御モードにおいて、前記コントローラは、制御ワイヤに加えられた前記ひずみの量が無視できる程度になるまで、又は、前記制御ワイヤの前記変位の量が実質的にゼロになるまで、前記アクチュエータに、前記制御ワイヤに加えられた前記駆動力を低減させる、
請求項5に記載の操縦可能医用器具。 - 前記パッシブ制御モードでは、前記制御ワイヤが前記アクチュエータから切り離されているかのように前記制御ワイヤが完全にパッシブであるように、前記コントローラは、前記第1の方向とは反対の第2の方向に前記制御ワイヤを動かすように前記アクチュエータを制御する、
請求項1に記載の操縦可能医用器具。 - 前記センサは、前記制御ワイヤに対する前記ひずみの量を測定するひずみゲージと、前記アクティブ制御モード及び前記パッシブ制御モードには関係なく前記制御ワイヤの前記変位の量を測定するエンコーダとを含む、
請求項1に記載の操縦可能医用器具。 - 前記アクティブ制御モードにおいて、前記センサは、前記駆動力によって前記制御ワイヤに加えられた前記ひずみの量と、前記外力によって加えられたひずみの量とを測定するように構成され、
前記コントローラは、前記外力によって加えられた前記ひずみの量に基づいて、前記アクティブ制御モードを停止し、前記パッシブ制御モードに入る、
請求項1に記載の操縦可能医用器具。 - 前記アクティブ制御モードにおいて、前記コントローラは、前記ユーザから、前記操縦可能器具の異常を示す入力信号を受け取るように構成され、
前記コントローラは、ユーザによって入力された前記信号に基づいて、前記アクティブ制御モードを停止し、前記パッシブ制御モードに入る、
請求項1に記載の操縦可能医用器具。 - 前記アクチュエータは、前記制御ワイヤに直接結合された直接駆動モータを含む、
請求項1に記載の操縦可能医用器具。 - 前記直接駆動モータは、前記制御ワイヤに直接接続されたリニアモータであり、
前記コントローラは、前記外力に基づくコマンド信号を用いて、前記制御ワイヤに対して実質的に無視できる力をかけるように前記リニアモータを制御し、
実質的に無視できる力を有するように前記リニアモータが命令されたとき、前記制御ワイヤに加えられた前記外力が、前記リニアモータの移動台車を変位させ、それにより、前記制御ワイヤに加えられたひずみ力を除去する、
請求項11に記載の操縦可能医用器具。 - 前記アクチュエータは、可動台車及び固定子を有するリニア超音波モータを含み、
前記コントローラは、前記センサから出力された前記信号か、又は前記ユーザによって入力された前記信号を用いて、前記可動台車と前記固定子の間の接触を最小化するように前記超音波モータを制御し、それにより、前記制御ワイヤからの力によって前記可動台車を変位させ、前記制御ワイヤに加えられたひずみ力を除去する、
請求項1に記載の操縦可能医用器具。 - 前記パッシブ制御モードでは、前記センサが、前記制御ワイヤの測定された前記ひずみの量又は変位の量に基づく位置フィードバック信号及び/又は力フィードバック信号を出力し続けている間、前記コントローラは、前記アクチュエータに前記制御ワイヤを駆動させて、前記制御ワイヤが完全にパッシブであるとともに、前記制御ワイヤが前記アクチュエータから切り離されているかのように前記外力によって動かされるようにする、
請求項1に記載の操縦可能医用器具。 - 前記アクティブ制御モードでは、前記少なくとも1つの湾曲可能セクションは、管腔内の蛇行進路を通って挿入方向及び引抜き方向に駆動されるように構成され、
前記パッシブ制御モードでは、前記コントローラは、前記アクチュエータに、前記挿入方向及び/又は引抜き方向に実質的に無視できるひずみをもつように前記制御ワイヤを駆動させる、
請求項1に記載の操縦可能医用器具。 - 前記パッシブ制御モードでは、前記コントローラは、前記アクチュエータに、前記制御ワイヤが前記アクチュエータに接続されたままである一方で前記細長体を作動させることなく、前記第1のチャネルに沿って前記制御ワイヤを自由に並進させる、
請求項1に記載の操縦可能医用器具。 - アクティブ制御モード下とパッシブ制御モード下で交互に操縦可能医用器具を制御するための方法であって、前記医用器具は、非湾曲可能セクション及び少なくとも1つの湾曲可能セクションを有する細長体であって、長手方向軸に沿って前記細長体の近位端から遠位端まで延びる複数のチャネルを含む、細長体と、前記細長体のチャネル内に配置された制御ワイヤであって、前記非湾曲可能セクション及び前記少なくとも1つの湾曲可能セクションを通って延び、前記少なくとも1つの湾曲可能セクションに取り付けられる、制御ワイヤと、を備え、前記方法は、
アクチュエータにより、前記細長体の前記少なくとも1つの湾曲可能セクションを曲げるように前記制御ワイヤを駆動するステップと、
センサによって前記制御ワイヤを検知し、前記制御ワイヤに加えられたひずみの量か、又は前記制御ワイヤの変位の量を示す信号を出力するステップと、
前記制御ワイヤに加えられた前記駆動力以外の外力に基づいて、又は、ユーザ入力に基づいて、アクティブ制御モード及びパッシブ制御モードに従って前記アクチュエータの動作を制御するステップと、
を含む、方法。 - 前記アクティブ制御モード下では、前記制御するステップは、前記細長体を能動的に曲げるために前記制御ワイヤに駆動力を加えるためのコマンド信号を用い、
前記パッシブ制御モード下では、前記制御ワイヤが完全にパッシブであり、前記制御ワイヤが前記アクチュエータから切り離されているかのように前記外力によって動かすことが可能であるように、前記制御するステップは、前記センサから出力された前記信号を用いて、前記制御ワイヤに加えられた前記ひずみの量か、又は、前記制御ワイヤの前記変位の量を実質的にゼロまで低減するように前記制御ワイヤを駆動する、
請求項17に記載の方法。 - 前記アクティブ制御モードにおいて、前記制御するステップは、
前記ユーザから、前記操縦可能器具の異常を示す入力信号を受け取るステップと、
ユーザによって入力された前記信号に基づいて、前記アクティブ制御モードを停止し、前記パッシブ制御モードに移行するステップと、
を含む、請求項17に記載の方法。 - コンピュータ実行可能命令を格納している非一時的コンピュータ可読媒体であって、前記コンピュータ実行可能命令は、1つ以上のプロセッサによって実行されたときに、コンピュータに、請求項17に記載の方法に従って操縦可能医用器具を制御させる、非一時的コンピュータ可読媒体。
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