JP2023511474A - 患者モデルとカスタマイズ可能な手術室とを用いた外科手術作業フローをシミュレートするための仮想現実システム - Google Patents
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Abstract
Description
本PCT出願は、米国特許出願公開第16/667,237号(V0060-US1)及び米国特許出願公開第16/667,241号(V0060-US2)による、本出願以前の出願日の利益を主張する。
本発明は、概して、外科手術用ロボットシステムに関し、より具体的には、ロボット外科手術を計画するためのシステム及び方法に関する。
外科手術用ロボットシステムの作業フローは、作業空間として既知の患者の領域において手術を実行することができるようにするための手術機器の準備について記載している。作業フローの最適化は、外科手術の準備をするために、作業空間、ツールの配置、ポートの場所、及び外科手術用ロボットアームの設定を決定することを含み得る。図2を参照すると、衝突のリスクを低減し、作業空間内のツールの到達可能性を最大化するように、作業フローが仮想環境300内で最適化され得る。本明細書で使用される場合、「仮想」とは、2次元又は3次元空間におけるオブジェクト(例えば、外科手術機器、部屋、及び/又は人々)の、コンピュータによって生成される表現物を記載し得るということを理解されたい。現実での対応するものを表す仮想機器が生成され得るが、これはサイズ及び形状を定義している。例えば、仮想外科手術用ロボットアームは実際の外科手術用ロボットアームを表すことができ、仮想対象は現実の患者を表すことができ、仮想手術室は、実際の手術室を表すことができる。オブジェクトのコンピュータモデルは、例えば外科手術機器及び患者など(ただし、それらに限定されない)の、物理的オブジェクトの属性を説明するデータをグループ化したものである。仮想オブジェクトは、コンピュータモデルに基づいて生成することができる。
慎重な計画立案と視覚化とは、外科手術用ロボットシステムの設定が、再現性及び成功の可能性が高い作業フローをサポートするのに役立ち得る。外科手術用ロボットシステムと適合性がない手術室を、仮想環境の助けを借りて識別することができる。
(1) 外科手術用ロボットシステムを用いた外科手術用ロボット作業フローを計画するための方法であって、
仮想外科手術用ロボットアーム及び仮想患者を含む仮想外科手術環境を生成することと、
前記仮想患者内の作業空間を決定することと、
前記作業空間に基づいて仮想ツールの位置を決定することと、
前記仮想ツールの前記位置に基づいて、前記仮想ツールが取り付けられている前記仮想外科手術用ロボットアームの位置を、前記作業空間内の前記仮想ツールの到達範囲を保つように決定することと、
を含む、方法。
(2) 前記作業空間が、手術タイプ及び前記仮想患者に基づいて決定される、実施態様1に記載の方法。
(3) 前記仮想外科手術用ロボットアーム又は前記仮想ツールの前記位置が、前記仮想外科手術用ロボットアームの動作制約を定義する運動学的パラメータに更に基づく、実施態様1に記載の方法。
(4) 前記運動学的パラメータが、物理的外科手術用ロボットアームの幾何学的形状と動作制約とを定義するコンピュータモデルから抽出される、実施態様3に記載の方法。
(5) 前記運動学的パラメータが、物理的外科手術又は物理的シミュレーション中にキャプチャされた物理的外科手術用ロボットアームのモータ制御データに基づいて決定される、実施態様3に記載の方法。
(7) 前記仮想外科手術環境内での、仮想制御タワー又は仮想ユーザコンソールの場所又は配向を、
医療者及び他の医療機器に十分なクリアランスを提供することと、
衝突のリスクを最小化することと、
に基づいて決定することを更に含む、実施態様6に記載の方法。
(8) 前記仮想患者又は手術への変更を定義する受信した入力に基づいて、前記仮想外科手術環境を更新するために前記方法を繰り返すことを更に含む、実施態様7に記載の方法。
(9) 操作が、順序にしたがって実施され、前記順序が、a)第1に、前記仮想患者及び外科手術タイプに基づいて、前記作業空間を決定することと、b)第2に、前記作業空間に基づいて、前記仮想ツールの前記位置を決定することと、c)第3に、前記仮想ツールの前記位置に基づいて前記仮想外科手術用ロボットアームの前記位置を決定することと、d)第4に、残りの仮想外科手術用ロボット機器の場所及び配向を決定することと、
を含む、実施態様1に記載の方法。
(10) 前記仮想外科手術環境を、鳥瞰図(stadium view)として、又は一人称視点として表示させることを更に含む、実施態様1に記載の方法。
(12) 前記仮想患者が、物理的患者の3次元スキャンから生成される、又はデータベースから選択される、実施態様1に記載の方法。
(13) 前記仮想患者が、1つ以上の物理的外科手術からキャプチャされたセンサ情報又は外科手術ロボット動作データに基づいて生成又は修正される、実施態様1に記載の方法。
(14) 前記仮想患者を生成又は修正することが、前記1つ以上の物理的外科手術中にキャプチャされた、a)物理的患者の内部のカメラ画像、又はb)外科手術用ロボットツールの動作に基づいて、前記仮想患者の内部体積を推定することを含む、実施態様13に記載の方法。
(15) 前記仮想患者を生成又は修正することが、前記1つ以上の物理的外科手術中にキャプチャされた内視鏡データに基づいて、前記仮想患者の内部体積を再構築することを含む、実施態様13に記載の方法。
仮想外科手術用ロボットアーム及び仮想患者を含む仮想外科手術環境を生成することと、
前記仮想患者内の作業空間を決定することと、
前記作業空間に基づいて仮想ツールの位置を決定することと、
前記仮想ツールの前記位置に基づいて、前記仮想ツールが取り付けられている前記仮想外科手術用ロボットアームの位置を、前記作業空間内の前記仮想ツールの到達範囲を保つように決定することと、
を含む操作を実行するように構成されている仮想現実プロセッサ、を備える、システム。
(17) 前記操作が、重要度に基づいた順序で実行され、前記順序が、a)前記仮想患者及び外科手術タイプに基づいて、前記作業空間を決定することと、b)次に、前記作業空間に基づいて、前記仮想ツールの前記位置を決定することと、c)次に、前記仮想ツールの前記位置に基づいて前記仮想外科手術用ロボットアームの前記位置を決定することと、d)次に、残りの仮想外科手術用ロボット機器の場所及び配向を決定することと、
を含む、実施態様16に記載のシステム。
(18) 前記作業空間が、前記1つ以上の物理的外科手術中にキャプチャされた、a)物理的患者の内部のカメラ画像、又はb)物理的外科手術用ロボットアーム又はツールの動作、に基づいて決定された前記仮想患者の内部体積に基づく、実施態様16に記載のシステム。
(19) 前記仮想患者が、物理的患者の3次元スキャンから生成される、実施態様16に記載のシステム。
(20) ディスプレイを更に備え、前記仮想外科手術環境が前記ディスプレイ上に出力される、実施態様16に記載のシステム。
既存の手術室(OR)モデル及び既存の機器モデルに基づいて、仮想外科手術機器を含む仮想手術室を生成することと、
物理的手術室内の外科手術用ロボットシステムを含む物理的機器を有する前記物理的手術室を定義する、センサフィードバックを受信することと、
前記センサフィードバックに基づいて、前記仮想手術室及び前記仮想外科手術機器を更新することと、
前記仮想手術室内の前記仮想外科手術機器のレイアウトを最適化することと、
前記仮想手術室及び前記仮想外科手術機器をディスプレイ上に表すことと、
を含む、方法。
(22) 前記既存の手術室モデル及び前記既存の機器モデルが、データベースから読み出される、実施態様21に記載の方法。
(23) 前記既存の手術室モデル又は前記既存の機器モデルが、幾何学的形状、サイズ、名称、外科手術用ロボットシステム構成、及び手術タイプのうちの1つ以上を含む、実施態様21に記載の方法。
(24) 前記外科手術用ロボットシステム構成が、何本かのロボットアーム、ツール、及び前記ロボットアームの姿勢のうちの1つ以上を定義する、実施態様23に記載の方法。
(25) 仮想患者が、患者モデルに基づいて前記仮想手術室内で生成される、実施態様21に記載の方法。
(27) 前記センサフィードバックが、前記物理的手術室における前記外科手術用ロボットシステムの運動学的データを含む、実施態様21に記載の方法。
(28) 前記センサフィードバックが、前記仮想手術室内の仮想カメラの場所及び視線に対応する場所及び視線を、前記物理的手術室内に有するカメラからのカメラデータを含む、実施態様21に記載の方法。
(29) 前記仮想カメラの前記視線内に閉塞が存在するかどうかを判定することと、
前記閉塞が存在する場合に、前記仮想カメラの前記場所又は前記視線を修正して、前記閉塞を最小化又は排除することと、
を更に含む、実施態様28に記載の方法。
(30) 前記仮想手術室内の前記仮想外科手術機器の前記レイアウトを最適化することが、前記仮想手術室の改善された幾何学的形状を決定することを含み、前記改善された幾何学的形状が、前記仮想手術室の形状又はサイズの変更を含む、実施態様21に記載の方法。
(32) 前記基準が、重要度に基づいて重み付けされている、実施態様31に記載の方法。
(33) 前記仮想手術室内の前記仮想外科手術機器の前記レイアウトを最適化することが、前記仮想手術室内に仮想ケーブルを配線することを含む、実施態様21に記載の方法。
(34) 前記仮想手術室に基づいて、前記物理的手術室の前記物理的機器の適合性スコアを決定することを更に含み、前記適合性スコアが、a)前記仮想手術室が、前記仮想外科手術機器をサポートする能力を有するかどうか、b)前記仮想外科手術機器を前記仮想手術室に確実に出入りさせることができるかどうか、c)前記仮想外科手術機器のうちの1つ以上のサイズの、前記仮想手術室の入口若しくは通路との比較、又はd)前記仮想外科手術機器どうしの間、前記仮想外科手術機器と前記物理的手術室の壁との間、若しくは前記仮想外科手術機器と仮想人員との間に、十分なクリアランスが存在するかどうか、
を含む1つ以上の適合性因子に基づく、実施態様21に記載の方法。
(35) 前記仮想外科手術機器の前記最適化されたレイアウトを有する前記仮想手術室を、コンピュータのメモリ中のデータベースに記憶することを更に含む、実施態様21に記載の方法。
仮想現実プロセッサであって、
物理的手術室の幾何学的形状に基づいて、物理的外科手術機器を表す仮想外科手術機器を内部に有する仮想手術室を生成し、
前記仮想手術室内の前記仮想外科手術機器のレイアウトを最適化し、かつ
前記仮想手術室内の前記仮想外科手術機器の前記最適化されたレイアウトに基づいて、前記物理的手術室と前記物理的外科手術機器との間の適合性を決定する、ように構成されている仮想現実プロセッサを備える、システム。
(37) 前記適合性を決定することが、a)前記仮想手術室が、前記仮想外科手術機器をサポートする能力を有するかどうか、b)前記仮想外科手術機器を前記仮想手術室に確実に出入りさせ得るかどうか、c)前記仮想外科手術機器のうちの1つ以上のサイズの、前記仮想手術室の入口若しくは通路との比較、又はd)前記仮想外科手術機器どうしの間、前記仮想外科手術機器と前記物理的手術室の壁との間、若しくは前記仮想外科手術機器と仮想人員との間に、十分なクリアランスが存在するかどうか、
のうちの1つ以上に基づく、実施態様36に記載のシステム。
(38) 前記仮想手術室内の前記仮想外科手術機器の前記レイアウトを最適化することが、前記仮想手術室の形状又はサイズの変更を含む前記仮想手術室の改善された幾何学的形状を決定することを含む、実施態様36に記載のシステム。
(39) 前記仮想外科手術機器の前記レイアウトを最適化することが、作業フロー、前記仮想外科手術機器のクリアランス、又は衝突のリスクのうちの1つ以上に基づく、実施態様36に記載のシステム。
(40) 前記仮想手術室内の前記仮想外科手術機器の前記レイアウトを最適化することが、前記仮想手術室内に仮想ケーブルを配線することを含む、実施態様36に記載のシステム。
Claims (40)
- 外科手術用ロボットシステムの外科手術作業フローを計画するためのシステムであって、
仮想外科手術用ロボットアーム及び仮想患者を含む仮想外科手術環境を生成することと、
前記仮想患者内の作業空間を決定することと、
前記作業空間に基づいて仮想ツールの位置を決定することと、
前記仮想ツールの前記位置に基づいて、前記仮想ツールが取り付けられている前記仮想外科手術用ロボットアームの位置を、前記作業空間内の前記仮想ツールの到達範囲を保つように決定することと、
を含む操作を実行するように構成されている仮想現実プロセッサ、を備える、システム。 - 前記操作が、重要度に基づいた順序で実行され、前記順序が、a)前記仮想患者及び外科手術タイプに基づいて、前記作業空間を決定することと、b)次に、前記作業空間に基づいて、前記仮想ツールの前記位置を決定することと、c)次に、前記仮想ツールの前記位置に基づいて前記仮想外科手術用ロボットアームの前記位置を決定することと、d)次に、残りの仮想外科手術用ロボット機器の場所及び配向を決定することと、
を含む、請求項1に記載のシステム。 - 前記作業空間が、前記1つ以上の物理的外科手術中にキャプチャされた、a)物理的患者の内部のカメラ画像、又はb)物理的外科手術用ロボットアーム又はツールの動作、に基づいて決定された前記仮想患者の内部体積に基づく、請求項1に記載のシステム。
- 前記仮想患者が、物理的患者の3次元スキャンから生成される、請求項1に記載のシステム。
- ディスプレイを更に備え、前記仮想外科手術環境が前記ディスプレイ上に出力される、請求項1に記載のシステム。
- 1つ以上のプロセッサによって実行される方法であって、
既存の手術室(OR)モデル及び既存の機器モデルに基づいて、仮想外科手術機器を含む仮想手術室を生成することと、
物理的手術室内の外科手術用ロボットシステムを含む物理的機器を有する前記物理的手術室を定義する、センサフィードバックを受信することと、
前記センサフィードバックに基づいて、前記仮想手術室及び前記仮想外科手術機器を更新することと、
前記仮想手術室内の前記仮想外科手術機器のレイアウトを最適化することと、
前記仮想手術室及び前記仮想外科手術機器をディスプレイ上に表すことと、
を含む、方法。 - 前記既存の手術室モデル及び前記既存の機器モデルが、データベースから読み出される、請求項6に記載の方法。
- 前記既存の手術室モデル又は前記既存の機器モデルが、幾何学的形状、サイズ、名称、外科手術用ロボットシステム構成、及び手術タイプのうちの1つ以上を含む、請求項6に記載の方法。
- 前記外科手術用ロボットシステム構成が、何本かのロボットアーム、ツール、及び前記ロボットアームの姿勢のうちの1つ以上を定義する、請求項8に記載の方法。
- 仮想患者が、患者モデルに基づいて前記仮想手術室内で生成される、請求項6に記載の方法。
- 前記センサフィードバックが、カメラ、赤外線センサ、3Dスキャンカメラ、ロボットセンサ、及び人間追跡デバイスのうちの1つ以上のセンサによって生成される、請求項6に記載の方法。
- 前記センサフィードバックが、前記物理的手術室における前記外科手術用ロボットシステムの運動学的データを含む、請求項6に記載の方法。
- 前記センサフィードバックが、前記仮想手術室内の仮想カメラの場所及び視線に対応する場所及び視線を、前記物理的手術室内に有するカメラからのカメラデータを含む、請求項6に記載の方法。
- 前記仮想カメラの前記視線内に閉塞が存在するかどうかを判定することと、
前記閉塞が存在する場合に、前記仮想カメラの前記場所又は前記視線を修正して、前記閉塞を最小化又は排除することと、
を更に含む、請求項13に記載の方法。 - 前記仮想手術室内の前記仮想外科手術機器の前記レイアウトを最適化することが、前記仮想手術室の改善された幾何学的形状を決定することを含み、前記改善された幾何学的形状が、前記仮想手術室の形状又はサイズの変更を含む、請求項6に記載の方法。
- 前記仮想手術室内の前記仮想外科手術機器の前記レイアウトを最適化することが、作業フロー、前記仮想外科手術機器のクリアランス、及び衝突のリスクのうちの1つ以上の基準に基づく、請求項6に記載の方法。
- 前記基準が、重要度に基づいて重み付けされている、請求項16に記載の方法。
- 前記仮想手術室内の前記仮想外科手術機器の前記レイアウトを最適化することが、前記仮想手術室内に仮想ケーブルを配線することを含む、請求項6に記載の方法。
- 前記仮想手術室に基づいて、前記物理的手術室の前記物理的機器の適合性スコアを決定することを更に含み、前記適合性スコアが、a)前記仮想手術室が、前記仮想外科手術機器をサポートする能力を有するかどうか、b)前記仮想外科手術機器を前記仮想手術室に確実に出入りさせることができるかどうか、c)前記仮想外科手術機器のうちの1つ以上のサイズの、前記仮想手術室の入口若しくは通路との比較、又はd)前記仮想外科手術機器どうしの間、前記仮想外科手術機器と前記物理的手術室の壁との間、若しくは前記仮想外科手術機器と仮想人員との間に、十分なクリアランスが存在するかどうか、
を含む1つ以上の適合性因子に基づく、請求項6に記載の方法。 - 前記仮想外科手術機器の前記最適化されたレイアウトを有する前記仮想手術室を、コンピュータのメモリ中のデータベースに記憶することを更に含む、請求項6に記載の方法。
- 仮想外科手術用ロボットシステムを備える仮想手術室(OR)を生成するためのシステムであって、
仮想現実プロセッサであって、
物理的手術室の幾何学的形状に基づいて、物理的外科手術機器を表す仮想外科手術機器を内部に有する仮想手術室を生成し、
前記仮想手術室内の前記仮想外科手術機器のレイアウトを最適化し、かつ
前記仮想手術室内の前記仮想外科手術機器の前記最適化されたレイアウトに基づいて、前記物理的手術室と前記物理的外科手術機器との間の適合性を決定する、ように構成されている仮想現実プロセッサを備える、システム。 - 前記適合性を決定することが、a)前記仮想手術室が、前記仮想外科手術機器をサポートする能力を有するかどうか、b)前記仮想外科手術機器を前記仮想手術室に確実に出入りさせ得るかどうか、c)前記仮想外科手術機器のうちの1つ以上のサイズの、前記仮想手術室の入口若しくは通路との比較、又はd)前記仮想外科手術機器どうしの間、前記仮想外科手術機器と前記物理的手術室の壁との間、若しくは前記仮想外科手術機器と仮想人員との間に、十分なクリアランスが存在するかどうか、
のうちの1つ以上に基づく、請求項21に記載のシステム。 - 前記仮想手術室内の前記仮想外科手術機器の前記レイアウトを最適化することが、前記仮想手術室の形状又はサイズの変更を含む前記仮想手術室の改善された幾何学的形状を決定することを含む、請求項21に記載のシステム。
- 前記仮想外科手術機器の前記レイアウトを最適化することが、作業フロー、前記仮想外科手術機器のクリアランス、又は衝突のリスクのうちの1つ以上に基づく、請求項21に記載のシステム。
- 前記仮想手術室内の前記仮想外科手術機器の前記レイアウトを最適化することが、前記仮想手術室内に仮想ケーブルを配線することを含む、請求項21に記載のシステム。
- 外科手術用ロボットシステムを用いた外科手術用ロボット作業フローを計画するための方法であって、
仮想外科手術用ロボットアーム及び仮想患者を含む仮想外科手術環境を生成することと、
前記仮想患者内の作業空間を決定することと、
前記作業空間に基づいて仮想ツールの位置を決定することと、
前記仮想ツールの前記位置に基づいて、前記仮想ツールが取り付けられている前記仮想外科手術用ロボットアームの位置を、前記作業空間内の前記仮想ツールの到達範囲を保つように決定することと、
を含む、方法。 - 前記作業空間が、手術タイプ及び前記仮想患者に基づいて決定される、請求項26に記載の方法。
- 前記仮想外科手術用ロボットアーム又は前記仮想ツールの前記位置が、前記仮想外科手術用ロボットアームの動作制約を定義する運動学的パラメータに更に基づく、請求項26に記載の方法。
- 前記運動学的パラメータが、物理的外科手術用ロボットアームの幾何学的形状と動作制約とを定義するコンピュータモデルから抽出される、請求項28に記載の方法。
- 前記運動学的パラメータが、物理的外科手術又は物理的シミュレーション中にキャプチャされた物理的外科手術用ロボットアームのモータ制御データに基づいて決定される、請求項28に記載の方法。
- 前記仮想ツールの前記位置に基づいて前記仮想患者上の進入ポイントを決定することを更に含み、前記仮想ツールがトロカールを含む、請求項28に記載の方法。
- 前記仮想外科手術環境内での、仮想制御タワー又は仮想ユーザコンソールの場所又は配向を、
医療者及び他の医療機器に十分なクリアランスを提供することと、
衝突のリスクを最小化することと、
に基づいて決定することを更に含む、請求項31に記載の方法。 - 前記仮想患者又は手術への変更を定義する受信した入力に基づいて、前記仮想外科手術環境を更新するために前記方法を繰り返すことを更に含む、請求項32に記載の方法。
- 操作が、順序にしたがって実施され、前記順序が、a)第1に、前記仮想患者及び外科手術タイプに基づいて、前記作業空間を決定することと、b)第2に、前記作業空間に基づいて、前記仮想ツールの前記位置を決定することと、c)第3に、前記仮想ツールの前記位置に基づいて前記仮想外科手術用ロボットアームの前記位置を決定することと、d)第4に、残りの仮想外科手術用ロボット機器の場所及び配向を決定することと、
を含む、請求項26に記載の方法。 - 前記仮想外科手術環境を、鳥瞰図として、又は一人称視点として表示させることを更に含む、請求項26に記載の方法。
- ヘッドマウントディスプレイを通じて前記仮想外科手術環境を表示させることを更に含む、請求項26に記載の方法。
- 前記仮想患者が、物理的患者の3次元スキャンから生成される、又はデータベースから選択される、請求項26に記載の方法。
- 前記仮想患者が、1つ以上の物理的外科手術からキャプチャされたセンサ情報又は外科手術ロボット動作データに基づいて生成又は修正される、請求項26に記載の方法。
- 前記仮想患者を生成又は修正することが、前記1つ以上の物理的外科手術中にキャプチャされた、a)物理的患者の内部のカメラ画像、又はb)外科手術用ロボットツールの動作に基づいて、前記仮想患者の内部体積を推定することを含む、請求項38に記載の方法。
- 前記仮想患者を生成又は修正することが、前記1つ以上の物理的外科手術中にキャプチャされた内視鏡データに基づいて、前記仮想患者の内部体積を再構築することを含む、請求項38に記載の方法。
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