JP5750122B2

JP5750122B2 - ロボット内視鏡の作動制御方法およびシステム

Info

Publication number: JP5750122B2
Application number: JP2012552891A
Authority: JP
Inventors: キュードンハウィー，ケイトリン; マリアプリスコ，ジュセップ
Original assignee: インテュイティブサージカルオペレーションズ，インコーポレイテッド
Priority date: 2010-02-11
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2031-01-26
Also published as: WO2011100110A1; CN102711586B; EP2533678A1; CN102711586A; US20110196199A1; US9039608B2; US8668638B2; US20140200407A1; JP2013519431A; EP2533678B1

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１０年２月１１日に出願された、“ＭＥＴＨＯＤＡＮＤＳＹＳＴＥＭＦＯＲＡＵＴＯＭＡＴＩＣＡＬＬＹＭＡＩＮＴＡＩＮＩＮＧＡＮＯＰＥＲＡＴＯＲＳＥＬＥＣＴＥＤＲＯＬＬＯＲＩＥＮＴＡＴＩＯＮＡＴＡＤＩＳＴＡＬＴＩＰＯＦＡＲＯＢＯＴＩＣＥＮＤＳＣＯＰＥ”と題する米国仮特許出願第６１／３０３，３６５号（代理人整理番号ＩＳＲＧ０２４７０ＰＲＯＶ）の利益を主張する。

本発明は概してロボット内視鏡、特にロボット内視鏡先端のオペレータ指令動作を制御する間にロボット内視鏡の遠位先端でのオペレータ選択ロール方向を自動的に保つ方法およびシステムに関する。

内視鏡は、医師が装置を自然開口部または外科医が作った開口を経由して挿入するとともにそれを患者の内部の標的部位に誘導することにより、体内の臓器の画像を捉えるとともに体内の臓器の問題を診断することを可能にする医療用装置である。ある場合には、内視鏡は、体内の臓器に医療処置を行うために使用され得る。遠位先端が誘導目的のために制御可能に方向付けられるとともに位置決めされるように、内視鏡は操作可能であり得る。ステレオカメラまたは単眼カメラ等の画像取得装置が遠位先端に設けられるので、その視点からカメラにより捉えられた画像は外科医によりディスプレイ画面上で見られ得る。標的部位での様々な医療処置を行うために、切断、把持、焼灼等のために使用されるような手術道具が内視鏡の遠位先端から外に延びる。

内視鏡は、腹腔鏡検査で使用されるもののようにリジッドであり得る、または体の内腔の湾曲に従うことが出来るように柔軟であり得る。内視鏡はまた剛性付与可能および／またはロボットであり得る。剛性付与可能な内視鏡は、機械的にロックする機構により実質的な剛性が作られ得る柔軟な本体の少なくとも１つの部分を有する内視鏡である。ロボット内視鏡は、コンピュータ制御されたサーボ機構の下で湾曲する少なくとも１つの部分を有する柔軟な内視鏡である。

経管腔的内視鏡手術（ＮＯＴＥＳ）は患者の外科手術を行うために操作可能な内視鏡を使用し得る。例として、柔軟な内視鏡は、人体の開口の１つを通って誘導され得るとともに、外側からの低侵襲切開を通ってではなく、患者の内側から腹部に入り得る。例えば、“経胃的（ｔｒａｎｓｇａｓｔｒｉｃ）”手術では、器具が口を通過するとともに胃の中に入れられる。次に、器具が腹部に入り得るとともに腹腔内で医療処置を実行するために外科医により使用され得るように、胃切開が行われる。いったん手術が完了すると、器具が手術中に取り除かれた任意の組織と共に引っ込められ、次に侵入口は塞がれる。内視鏡の侵入に適応するために患者に外部切開が行われないので、ＮＯＴＥＳは低侵襲切開を用いた手術よりさらに痛みが少なくなり得る。また、全身麻酔薬の要求の減少およびより早い回復期間をもたらし得る。

内視鏡の操作中、内視鏡の先端は、標的部位に向かって進む間、または標的部位で医療処置を行う間、何度もそして異なる方向に曲げられる。したがって、内視鏡の遠位先端で捉えられた画像の方向が変化し得るとともに、捉えられた画像を見る際にオペレータは方向が分からなくなり得る。このような方向感覚を失った結果、オペレータが内視鏡の先端を間違った方向に誤って動かした場合、先端は意図せずに穴を開け得るまたは別の方法で組織を傷つけ患者に害を及ぼし得る。たとえ注意深く内視鏡先端を動かすことによりこのような害が避けられても、患者の標的部位に対する内視鏡先端の正確な方向を繰返し確かめるためにさらなる時間が必要になる。したがって、処置をするために必要な時間は長くなり、これは手術のコストを増加させるとともに健康安全上の懸念を増加させる。

本明細書に援用する、Ｓｃｈａｒａ等による特許文献１（２００６）は、内視鏡の回転を検出するとともに、ビデオディスプレイ装置に回転した画像を表示する前に検出した回転を補償するために内視鏡画像を適宜回転させることにより、重量参照型の、垂直方向の内視鏡画像を表示するための方法を開示する。

このような画像回転技術の１つの問題は、道具が内視鏡の遠位端部から外に延びるときに、それらが目の前の作業のために捉えられた画像のオペレータの視点から正しく方向付けられていないかもしれないということである。また、画像を方向付けるために参照として重力を用いることは便利であり得るが、重力の方向を検出するための専用の付加的なハードウェアのコストおよび複雑さを除去することが望ましい。さらに、オペレータに異なる方向の参照を選択するための手段を提供することが時には有益になり得る。

米国特許７，１３４，９９２号

したがって、本発明の１つまたは複数の態様の１つの目的は、ロボット内視鏡先端を患者の内部の標的部位に向かってまたは標的部位で動かす間にロボット内視鏡の遠位先端での所望のロール方向を自動的に保つ方法、およびその方法を実行するシステムである。

本発明の１つまたは複数の態様の別の目的は、遠位先端のロール角センサの必要無しにロボット内視鏡の遠位先端での所望のロール方向を自動的に保つ方法、およびその方法を実行するシステムである。

本発明の１つまたは複数の態様のさらに別の目的は、オペレータがロボット内視鏡の遠位先端で自動的に保たれることになる所望のロール方向を選択するための手段を提供する方法、およびその方法を実行するシステムである。

これらのおよびさらなる目的は本発明の様々な態様により達成され、簡潔に述べると、１つの態様は、ロボット内視鏡の遠位先端でのロール方向を保ちながら遠位先端のオペレータ指令動作を制御するコンピュータで実行される方法であって、方法は：オペレータ操作可能な入力制御装置から制御入力を受け取るステップと；ロボット内視鏡の遠位先端の現在の指令状態を制御入力から決定するステップであって、現在の指令状態は現在の指令ロール位置および速度を含む、ステップと；現在の指令ロール位置および速度を、遠位先端の前のプロセス周期の指令状態により示されたロール角度調整および遠位先端で保持されるべきロール方向を示す設定（ｓｅｔｐｏｉｎｔ）に従って、変更された現在の指令ロール位置および速度になるように強いることにより、現在の指令状態を変更するステップと；ロボット内視鏡の遠位先端に、変更された現在の指令状態に駆動されるように命じるステップ；とを有する。

他の態様は医療用ロボットシステムであって：１つまたは複数の屈曲可能なセグメントおよび遠位先端を含む細長い本体を有するロボット内視鏡と；ロボット内視鏡を対応する動作の自由度で操作するための１つまたは複数の駆動可能なジョイントを有するマニピュレータと；オペレータが操作可能な入力制御装置と；オペレータが操作可能な入力制御装置から制御入力を受け取り、ロボット内視鏡の遠位先端の現在の指令状態を制御入力から決定し、現在の指令状態は現在の指令ロール位置および速度を含み、遠位先端の前のプロセス周期の指令状態により示されたロール角度調整および遠位先端で保持されるべきロール方向を示す設定に従って、現在の指令ロール位置および速度を変更された現在の指令ロール位置および速度になるように強いることにより、現在の指令状態を変更し、ロボット内視鏡の遠位先端に、変更された現在の指令状態に駆動されるように命じるように構成されたプロセッサと；を有する。

本発明の様々な態様のさらなる目的、特徴および利点は、好適な実施形態の以下の説明から明らかになり、この説明は添付の図面と一緒に理解されるべきである。

図１は、本発明の態様を利用する医療用ロボットシステムを示す。図２は、本発明の態様を利用する医療用ロボットシステムのロボット内視鏡の概要図を示す。図３は、ロール方向補償無しで異なる方向に向けられるロボット内視鏡の遠位先端を示す。図４は、本発明の態様によるロール方向補償を用いて異なる方向に向けられるロボット内視鏡の遠位先端を示す。図５は、本発明の態様を利用する医療用ロボットシステムに含まれる、設定のオペレータの選択およびロボット内視鏡の遠位先端の制御のための制御プロセッサの構成要素のブロック図を示す。図６は、本発明の態様を利用する医療用ロボットシステムのディスプレイに見られる、ロボット内視鏡の遠位先端のカメラにより捉えられた画像および現在のロール角およびロール設定インジケータの図形表示を示すディスプレイスクリーンを示す。図７は、本発明の態様を利用する、ロボット内視鏡の遠位先端でのロール方向を保ちながら遠位先端のオペレータが指令した動作を制御するコンピュータで実行される方法のフロー図を示す。図８は、本発明の態様を利用する医療用ロボットシステムで使われる、固定基準座標系および固定基準座標系内で動くロボット内視鏡の遠位先端に関連付けられた基準座標系を示す。図９は、本発明の態様を利用する医療用ロボットシステムのロール角度調整を決定するコンピュータで実行される方法のフロー図を示す。図１０は、本発明の態様を利用する医療用ロボットシステムで使われる、ロール角度調整を決定することの図式の描写を示す。

図１は、例として、ロボット内視鏡１１０、ロボット内視鏡１１０内に挿入された複数の光ファイバーケーブル１２０、メモリ１３５を有する制御プロセッサ１３０、駆動システム１４０、画像処理プロセッサ１５０、ディスプレイ画面１６０、および入力制御装置１７１、１７２を含む医療用ロボットシステム１００を示す。制御プロセッサ１３０および画像処理プロセッサ１５０（および本明細書に記載される他のプロセッサまたはコントローラ）は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェアまたはこれらの組み合わせとしてそれぞれ実現され、これら１つまたは複数のコンピュータと相互に作用するまたは１つまたは複数のコンピュータで実現される。ディスプレイ画面１６０は好ましくは、システム１００のオペレータに３次元画像を表示することができるようにコンピュータモニタに組み込まれた左右の目の画面を有する。しかし、コストの検討のために、ディスプレイ画面は２次元画像のみを表示することができる標準のコンピュータモニタであってもよい。１つのディスプレイ画面しか示されていないが、例えば、外科医がディスプレイ画面１６０を見ている間に助手が助手の近くに配置されたディスプレイ画面を見得るように、追加的なディスプレイ画面が設けられ得る。入力制御装置１７１は好ましくは、少なくとも６自由度（ＤＯＦ）の動き（例えば、３つの並進および３つの方向（姿勢））を命じることが可能な６次元（６Ｄ）ジョイスティック（速度型または位置型）である。他方、入力制御装置１７２は、コンピュータマウスまたはキーボード等の従来のコンピュータ入力装置であり得る。

ロボット内視鏡１１０は、好ましくは少なくとも２つの制御可能な屈曲可能なセグメントを持つ柔軟な細長い本体１１４を有する。ロボット内視鏡は、その遠位端１１１での操作可能な先端１１２をもたらす少なくとも１つの制御可能な屈曲可能なセグメントを持つ。ロボット内視鏡はまた、内視鏡１１０およびその制御可能な屈曲可能なセグメントの動作を駆動するために、その近位端１１５に接続された駆動システム１４０も有する。例えば点線のバージョンの曲げられた先端１１２によって示されるように、先端１１２が制御可能に曲げられ得るまたは回転され得るように、制御ケーブルまたは他の従来の制御手段（図示せず）が駆動システム１４０から操作可能な先端１１２の少なくとも１つの制御可能な屈曲可能なセグメントに延びる。他の制御可能な屈曲可能なセグメントが制御可能に曲げられ得るように、他の制御ケーブルまたは他の従来の制御手段（図示せず）もこの例では他の制御可能な屈曲可能なセグメントに延び得る。屈曲可能なセグメントだけでなく、何らかの方法で他の屈曲可能なセグメントとともに動くように強いられる受動的な屈曲可能なセグメントもまたロボット内視鏡に含まれ得る。

図２を参照すると、駆動システム１４０は、内視鏡マニピュレータ２３１および１つまたは複数の屈曲アクチュエータ２３２を含む。内視鏡マニピュレータ２３１は、ロボット内視鏡１１０を２自由度で駆動する働きをする。一方の自由度は、ロボット内視鏡１１０の近位端１１５を前方および後方に動かす直進ジョイントで実現される（「Ｉ／Ｏ」で表示された点線の両方向矢印により示される）挿入／引き戻し動作である。他方の自由度は、ロボット内視鏡１１０をその挿入／引き戻し方向周りに回転させる回転ジョイントで実現される（「φ」で表示された点線の両方向矢印により示される）近位ロール回転である。屈曲アクチュエータ２３２は、屈曲アクチュエータがそれぞれの（α_１−α_３で表示された点線の両矢印の弧により示される）ピッチ回転および（β_１−β_３で表示された点線の両矢印の弧により示される）ヨー回転でそれぞれ屈曲可能であるように、ロボット内視鏡１１０の屈曲セグメント２０１−２０３を駆動する。屈曲可能なセグメントに加えて、内視鏡マニピュレータ２３１がリンク２１１をＩ／Ｏ方向またはロール回転（φ）で動かすときに、その時に本体１１４の残り（並びに、特に、全ての屈曲可能なセグメント２０１−２０３および屈曲可能なセグメント２０１−２０３に連結する連結リンク２１２−２１５）が第１リンク２１１と調和して動くように、ロボット内視鏡１１０の第１リンク２１１は、その近位端で内視鏡マニピュレータ２３１に連結されるとともにその遠位端で本体１１４の残りに連結される。

光ファイバーケーブルを通過する光が、内視鏡１１０の遠位先端１１２の方向を含む内視鏡１１０の現在の位置および形状を決定するために、制御プロセッサ１３０（または別個の位置プロセッサ）により処理されるように、１つまたは複数の光ファイバーケーブル１２０（図１に示す）が好ましくは、ファイバーブラッググレーティング（または、レイリー散乱等の他の歪センサ）等の屈曲または形状センサで構成される。内視鏡１１０を通って延びる光ファイバーケーブル１２０に加えて、歪センサで構成される１つまたは複数の追加的な光ファイバーケーブル（図示せず）が、取り付け点での内視鏡１１０の位置情報を提供するために、内視鏡１１０に取り付けられ得る。ファイバーブラッググレーティングを用いる内視鏡の位置および屈曲の決定の追加の詳細は、例えば“ＲｏｂｏｔｉｃＳｕｒｇｅｒｙＳｙｓｔｅｍＩｎｃｌｕｄｉｎｇＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｏｒｓＵｓｉｎｇＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇ”と題する米国特許出願第２００７／０１５６０１９Ａ１、“ＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃＰｏｓｉｔｉｏｎａｎｄ／ｏｒＳｈａｐｅＳｅｎｓｉｎｇＢａｓｅｄｏｎＲａｙｌｅｉｇｈＳｃａｔｔｅｒ”と題する米国特許出願第２００８／０２１２０８２Ａ１、“ＲｏｂｏｔｉｃＳｕｒｇｉｃａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｕｓｉｎｇＢｒａｇｇＦｉｂｅｒＳｅｎｓｏｒｓ”と題する米国特許出願第２００８／０２１８７７０Ａ１、および、“ＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃＳｈａｐｅＳｅｎｓｏｒ”と題する米国特許出願番号１２／１６４，８２９に見ることができ、これらはそれぞれ本明細書に援用される。従来の操作可能な内視鏡の追加の詳細は、例えば“ＳｔｅｅｒａｂｌｅＥｎｄｏｓｃｏｐｅａｎｄＩｍｐｒｏｖｅｄＭｅｔｈｏｄｏｆＩｎｓｅｒｔｉｏｎ”と題する米国特許第６，８６９，３９６Ｂ２に見ることができ、これは本明細書に援用される。光ファイバーセンサは屈曲および形状検知に好適な手段であるが、例えば電磁センサ、ポテンショメータ等、他のセンサもまた本発明の実施において使用され得る。

画像処理プロセッサ１５０に送信されるとともに処理され、内視鏡の従来の方法でディスプレイ画面１６０に表示される画像を捉えるために、ステレオカメラまたは単眼カメラが内視鏡１１０の遠位先端１１２に設けられる。光ファイバーケーブル１２０の１つは、遠位先端１１２での照明目的のために近位端で光源（図示せず）に連結され得る。遠位先端基準座標系２００は、遠位先端１１２において遠位先端１１２から離れた方向を見るカメラのビューの深さ軸Ｚ_ＴＩＰ、水平軸Ｘ_ＴＩＰおよび垂直軸Ｙ_ＴＩＰにより定義される。

図３に単純化して示されるように、遠位先端１１２が１つの方向３０１または他の方向３０２に曲げられるとき、その水平方向３００（Ｘ_ＴＩＰ−Ｚ_ＴＩＰ平面により定義される）はその周囲に対して変化し得る。前に説明したように、周囲に対する水平方向のこのような変化は、遠位先端カメラにより捉えられるとともにディスプレイ画面１６０に表示される画像からの領域をオペレータが見るので、オペレータに方向を分からなくさせ得る。このような方向感覚の喪失を防ぐために、理想的には、図４に示されるように、遠位先端１１２が任意の方向に曲げられたとき、その水平方向３００が周囲に対して同じに保たれる。例えば、水平方向３００は常に重力に直交することが望まれ得る。

図５は、例として、オペレータが、ロボット内視鏡１１０の遠位先端１１２において捉えられたカメラビューの所望のロール方向を示す設定を選択または変化させること、および、システムが自動的に遠位先端１１２での所望のロール方向を保持しながら遠位先端１１２の移動を命じることを可能にする、制御プロセッサの構成要素のブロック図を示す。オペレータは、入力制御装置１７２等の適切な入力装置を使用して、設定を選択または変更するとともに入力制御装置１７１を使用してロボット内視鏡１１０の遠位先端１１２の動作を命じるために、設定プロセッサ１３２と情報をやりとりする。

初期またはデフォルトの設定は、基準を生成するためにオペレータの介在によりまたはオペレータの介在無しに重力を用いて定められ得る。この場合、設定を示す基準ベクトルＹ_ＳＰは、重力ベクトルから反対の方向を向くように規定され得る。設定はその後オペレータが設定プロセッサ１３２とやりとりすることにより変更され得る（またはデフォルトの設定が規定されていない場合最初に定められ得る）。例えば、オペレータは、入力制御装置１７１、１７２の１つの選択ボタンを押すことにより、またはこのような目的のために音声認識システム（図示せず）により認識される音声支持を使用することにより、またはその他の良く知られた対話型手段を使用することにより、先端１１２の現在のロール方向に対応するように設定を選択し得る。この場合、設定プロセッサ１３２は、このようなオペレータの選択入力時の先端のカメラビューのＹ_ＴＩＰ軸と同じ方向を向くように、設定を示す基準ベクトルＹ_ＳＰを規定する。先端の基準座標系（Ｘ_ＴＩＰ、Ｙ_ＴＩＰ、Ｚ_ＴＩＰ）は、駆動ユニット１４０の検知されたジョイント位置１３８から順運動学プロセッサ１３６により生成された現在の先端位置および方向から従来の方法で決定される。

別の例として、オペレータは、グラフィカルユーザーインターフェース（ＧＵＩ）とやりとりすることにより設定を定め得る。図６に示されるように、設定プロセッサ１３２は、グラフィック画像６００が遠位先端カメラにより捉えられた画像３５０に隣接して表示されるディスプレイ画面１６０を含むＧＵＩを含むように実現され得る。グラフィック画像６００は、現在のロール角インジケータ６０１およびグラフィカルに回転可能なロール設定インジケータ６０２を含む。ＧＵＩは、入力制御装置１７２等の入力制御装置がグラフィック画像６００の回転可能なロール設定インジケータ６０２と相互に作用することを可能にする。例えば、オペレータによる入力制御装置１７２の動きに反応して、ロール設定インジケータ６０２は、図６に示すように、現在のロール角インジケータ６０１から、異なる角度に回転され得る。その一方、オペレータがロール設定インジケータ６０２を回転させるとき、入力ハンドラ１３１は、遠位先端ロール角度がロール設定インジケータ６０２により示された角度と一致するとき、選択可能なロール設定インジケータ６０２がディスプレイ画面１６０から消えるとともに現在のロール角インジケータ６０１が残るように、遠位先端ロール角度（φ_ＴＩＰ）および現在のロール角インジケータ６０１に動きを追跡させる。

図５に戻って参照すると、オペレータは、ロボット内視鏡１１０の遠位先端１１２の動きを、入力制御装置１７１を動かすことにより命じる。入力制御装置１７１が位置型装置である場合、その動きは６ＤＯＦの並進および方向（姿勢）の位置を決める。この場合、６ＤＯＦの並進および方向（姿勢）の速度は、連続するプロセス周期の間の対応する位置の変化をプロセス周期の継続時間で割ることにより、従来の方法で計算され得る。他方、入力制御装置１７１が速度型装置である場合、その動きは６ＤＯＦの並進および方向の速度を決める。この後者の場合、６ＤＯＦの並進および方向の位置はそれぞれ、対応する速度およびプロセス周期の継続時間の積を直前のプロセスのサイクルに関して計算された（または初期設定された）位置の値に加えることにより、従来の方法で計算され得る。いずれの場合も、追加的な速度または位置の計算は、記載を簡略化する目的のために、入力制御装置１７１の一部とみなされる、入力プロセッサにより実行される。

入力ハンドラプロセッサ１３１は、固定デカルトＸ，Ｙ，Ｚ基準座標系（例えば、図８の固定座標系）に対する遠位先端１１２の現在の指令状態を生成するために、入力制御装置１７１の出力を処理するとともに、遠位先端１１２の変更された現在の指令状態を生成するために、設定プロセッサ１３２により提供された設定の情報を使用して現在の指令状態を変更する。入力ハンドラプロセッサ１３１により実行される処理の詳細な説明は、本明細書に図７−１０を参照して説明される。変更された現在の指令状態は、遠位先端１１２のオペレータが指令した動きおよび遠位先端１１２でのロール方向を保持する（すなわち、設定に関連する基準ベクトルＹ_ＳＰに対する遠位先端カメラビューのＸ_ＴＩＰ−Ｚ_ＴＩＰ平面により規定される水平線の角度を保持する）ための要件の両方を考慮に入れる。

逆運動学プロセッサ１３４は、入力ハンドラプロセッサ１３１から遠位先端１１２の指令状態を受け取り、それを内視鏡マニピュレータ２３１および屈曲アクチュエータ２３２を駆動するための対応するジョイント指令に変換する。変換は、内視鏡マニピュレータ２３１およびロボット内視鏡１１０から構成された組み合わされた直列の運動学的チューンの逆運動学に指令状態を従来の方法で適用することにより行われる。ジョイント制御プロセッサ１３５は、各ジョイントが内視鏡マニピュレータ２３１および屈曲アクチュエータ２３２により駆動されるとともに制御されるためのジョイント制御システムを含む。内視鏡マニピュレータ２３１の制御可能なジョイントおよびロボット内視鏡１１０の制御可能な屈曲可能なセグメントがロボット内視鏡１１０の遠位先端１１２の指令状態を生じさせるために適切な位置に駆動されるように、逆運動学プロセッサ１３４の出力は、駆動命令１３７を通じて駆動ユニット１４０の作動を制御するジョイント制御プロセッサ１３５に提供される。

図７は、例として、設定に対応するロボット内視鏡１１０の遠位先端１１２でのロール方向を保ちながら遠位先端１１２のオペレータが指令した動作を制御する入力ハンドラプロセッサ１３１で実行される方法のフロー図を示す。７０１では、方法は入力制御装置１７１からオペレータ入力を受け取る。７０２では、方法は、オペレータ入力を、内視鏡１１０の遠位先端１１２の現在の指令状態に、従来の方法で、例えば、先端１１２の対応する６ＤＯＦの並進および方向（姿勢）の位置および速度の現在の指令状態を生成するために、入力制御装置１７１から受け取った６ＤＯＦの並進および方向（姿勢）の位置および速度を既知の変換に適用することにより、変換する。本明細書で使用される「現在の指令」の用語は、現在のプロセスのサイクルまたは周期（例えば、時間「ｔ」）に対して出された指令を指し、本明細書で使用される「前のプロセスの指令」の用語は、前のプロセスのサイクルまたは周期（例えば、時間「ｔ−１」）で出された指令を指す。

７０３では、方法は、先端１１２の直前のプロセスの指令状態および設定の情報を使用してロール角度調整（Δφ_ＴＩＰＡ）を決定する。ロール角度調整は、設定により示されたロール方向に遠位先端１１２でのカメラにより捉えられたビューの水平Ｘ_ＴＩＰ軸を保持するために必要な、Ｚ_ＴＩＰ軸周りのロール角の変化を表す。図５を参照して前に説明したように、設定は、オペレータにより選択され得る、または、例えば、この場合ロール方向は好ましくは下方を向く重力ベクトルに直交する水平線である、前に援用された米国特許第７，１３４，９９２号に記載されたような、重力検知機構を使用して、自動的に定められ得る。

７０３を実行する方法の例が図９に示され、９０１では、設定を示すとともにその生成は図５を参照して前に記載されている、基準ベクトルＹ_ＳＰが設定プロセッサ１３２から受け取られる。遠位先端１１２が様々な方向に動くとともに方向を合わせるにつれて、図２を参照して定義されるように直交軸Ｘ_ＴＩＰ、Ｚ_ＴＩＰおよびＹ_ＴＩＰを有する遠位先端基準座標系２００はそれに応じて動く。例えば図８に示されるように、基準ベクトルＹ_ＳＰは、先端１１２が前に固定座標系８００内に２００‘として示された先端基準座標系の位置および方向にあったときにオペレータにより定められるように示される。続いて起こる先端１１２の動きは、固定座標系８００内の先端基準座標系２００により示されるように、先端基準座標系の位置および方向の動きをもたらす。９０２では、基準ベクトルＹ_ＳＰは、次に、図１０に示されるように、先端基準座標系のＹ_ＴＩＰ軸およびZ_ＴＩＰ軸を含む平面上に投影される。先端基準座標系２００はこの場合、先端１１２の前のプロセスのサイクルの指令状態（例えば、図５に示されるように直前のプロセスの周期）から提供され得る、または先端１１２の検知された状態を示す順運動学プロセッサ１３６から受け取った情報から提供され得る。９０３では、次に、ロール角度調整（Δφ_ＴＩＰＡ）が、図１０にも示されるように、基準ベクトルＹ_ＳＰとそのＹ_ＴＩＰ−Z_ＴＩＰ平面上の投影Ｙ‘_ＳＰとの間の角度として決定される。

７０４では、７０３で決定されたロール角度調整が閾値より小さいかどうかの決定が行われる。ロール角度調整が閾値より小さい（すなわち、ロール角度調整が比較的小さい）場合、次に方法は７０５に進み、そうでなければ７０７に進む。閾値は、例えば５度または、オペレータが感知できないまたは少なくともオペレータ方向をわからなくさせないディスプレイ表示１６０の捉えられた画像３５０に見られるような先端カメラビューのロール方向の変化をもたらす他の角度等、ある固定値に設定され得る。オペレータの好みを満足するために、図６に示されるＧＵＩもまた、オペレータが閾値を定めるおよび／または調整することを可能にする幾つかの手段を加えることにより、変更され得る。

７０５では、ロール角度調整が閾値より小さいことが決定されているので、次に方法は現在の指令ロール速度（φ’_ＴＩＰＣ（φ_ＴＩＰＣの時間微分））を０に変更し、７０６では、必要に応じて、現在の指令ロール位置、すなわちφ_ＴＩＰＣ（ｔ）を、直前のプロセスのサイクルの現在の指令ロール位置、すなわちφ_ＴＩＰＣ（ｔ−１）に変更するので、遠位先端１１２での現在のロール方向は保持される。

他方、７０７では、ロール角度調整が閾値以上であることが決定されたとき、次に方法は、現在の指令ロール速度（φ’_ＴＩＰＣ）を、本発明の選択された実施形態に応じて、ロール角度調整の関数であるまたは一定値である値に変更し、７０８では、例えば、以下の式（１）を使用して、現在の指令ロール位置、すなわちφ_ＴＩＰＣ（ｔ）を、変更された現在の指令ロール速度（φ’_ＴＩＰＣ）と整合するように変更する。

ここで、「φ’_ＴＩＰＣ」は修正された現在の指令ロール速度であり、「ΔＴ」はプロセスのサイクルまたは周期の経過時間であり、「φ_ＴＩＰＣ（ｔ−１）」は（図５の記憶要素またはメモリ１３３に前に記憶され、現在そこから読み込まれた）直前のプロセスの周期の指令ロール位置である。

７０７で使用された関数または定数のいずれかまたは両方は、オペレータを驚かせ得る大きいおよび／または不意の変化を避けるために、場合により、全指令先端速度の大きさに比例して調整され得る。このような関数の１つの例では、関数は、ロール角度調整が（ある最大値を持って）大きくなるにつれて現在の指令ロール速度（φ’_ＴＩＰＣ）が大きくなるように、構成され得る。現在の指令ロール速度（φ’_ＴＩＰＣ）が定数に設定される場合、現在の指令ロール速度の大きさのこのような制限は、現在の指令ロール位置に到達するための所要時間を延ばし得るが、大きく、潜在的に危険な先端速度指令が生じることを防ぐ。

７０９では、方法は、７０４の結果に応じて、変更された現在の指令ロール速度が７０５または７０７で決定された値に等しくなるように強いられとともに、変更された現在の指令ロール位置が７０６または７０８で決定された値に等しくなるように強いられるこの場合を除いて、オペレータ入力を内視鏡先端１１２の変更された現在の指令状態に７０２のような従来の方法で変換する。あるいは、内視鏡先端１１２の変更された現在の指令状態は、単に現在の指令状態の現在の指令ロール位置を変更された現在の指令ロール位置に置き換えるとともに現在の指令状態の現在の指令ロール速度を変更された現在の指令ロール位置に置き換えることにより、単純に形成され得る。７１０では、次に、遠位先端１１２の変更された指令状態が、図５を参照して前に記載されたように、逆運動学プロセッサ１３４に提供される。

本発明の様々な態様が１つまたは複数の好適な実施形態を参照して説明されているが、本発明は添付の特許請求の範囲の全範囲内の完全な保護を受ける権利があることが理解されるであろう。

Claims

医療ロボットシステムのロボット内視鏡の作動制御方法であって、前記医療ロボットシステムは、入力制御装置及び制御プロセッサを有し、前記方法は、
前記制御プロセッサが、現在のプロセス周期において前記入力制御装置から制御入力を受け取るステップと、
前記制御プロセッサが、前記ロボット内視鏡の先端の現在のプロセス周期指令状態を前記制御入力を使用して決定するステップであって、前記現在のプロセス周期指令状態は現在のプロセス周期指令ロール位置および現在のプロセス周期指令速度を含む、ステップと、
前記制御プロセッサが、ロール角度調整を、設定値と前記ロボット内視鏡の前記先端の前のプロセス周期指令状態との差を使用して決定するステップであって、前記設定値は、前記ロボット内視鏡の前記先端で捕えれるカメラビューの所望のロール位置を示す、ステップと、
前記制御プロセッサが、変更された現在のプロセス周期指令ロール位置を、前記ロール角度調整によって前記前のプロセス周期指令状態に条件的に関連づけられるように、前記現在のプロセス周期指令ロール位置を変更することにより決定するステップ、及び変更された現在のプロセス周期指令ロール速度を、前記ロール角度調整によって、定数及び前記ロール角度調整の関数の一方に条件的に関連づけられるように、前記現在のプロセス周期指令ロール速度を変更することにより決定するステップと、
前記制御プロセッサが、前記現在のプロセス周期指令ロール位置および前記現在のプロセス周期指令ロール速度を、それぞれ前記変更された現在のプロセス周期指令ロール位置および現在のプロセス周期指令ロール速度になるように強いることにより、前記現在のプロセス周期前記指令状態を変更するステップと、
前記制御プロセッサが、前記設定値によって示される前記所望のロール位置に前記内視鏡の前記先端の前記ロール位置を維持するよう、前記ロボット内視鏡の前記先端に、前記変更された現在のプロセス周期指令状態に駆動されるように命じるステップと、を有する、
方法。
先端基準座標系は、前記先端で捉えられるビューの深さ方向を示すＺ_ＴＩＰ軸と、前記ビューの水平方向を示すＸ_ＴＩＰ軸と、前記ビューの垂直方向を示すＹ_ＴＩＰ軸とを有するように、前記ロボット内視鏡の前記先端において定義され、
前記制御プロセッサが前記ロール角度調整を決定するステップは、
前記制御プロセッサが、前記設定値を示す基準ベクトルを受け取るステップと、
前記制御プロセッサが、前記Ｙ_ＴＩＰ軸および前記Ｚ_ＴＩＰ軸を含む平面上に前記基準ベクトルを投影するステップと、
前記制御プロセッサが、前記基準ベクトルと投影された前記基準ベクトルとの間の角度として前記ロール角度調整を決定するステップと、
をさらに有する、請求項１に記載の方法。
前記制御プロセッサが、前記現在のプロセス周期指令状態を変更するステップは、
前記制御プロセッサが、前記現在のプロセス周期指令ロール速度を、前記変更された現在のプリセス周期指令ロール速度を零に設定することによって変更するステップと、
前記制御プロセッサが、前記現在のプロセス周期指令ロール位置を、前記ロール角度調整が閾値よりも小さい場合、前記変更された現在のプロセス周期指令ロール位置を前記前のプロセス周期指令ロール位置に設定することによって変更するステップと、を有する、
請求項１に記載の方法。
前記制御プロセッサが、前記現在のプロセス周期指令状態を変更するステップは、
前記制御プロセッサが、前記変更された現在のプロセス周期指令ロール速度を固定値に設定することによって、前記現在のプロセス周期指令ロール速度を変更するステップと、
前記制御プロセッサが、前記ロール角度調整が閾値以上の場合に、前記変更された現在のプロセス周期指令ロール速度を、前記前のプロセス周期指令ロール位置と、前記変更された現在のプロセス周期指令ロール速度及び前記プロセス周期の積との和に設定することによって、前記現在のプロセス周期指令ロール位置を変更するステップと、を有する、
請求項１に記載の方法。
前記制御プロセッサが、前記現在のプロセス周期指令状態を変更するステップは、
前記制御プロセッサが、前記現在のプロセス周期指令ロール速度を、前記ロール角度調整の関数であるように変更するステップと、
前記制御プロセッサが、前記ロール角度調整が閾値以上の場合に、前記変更された現在のプロセス周期指令ロール位置を、前記前のプロセス周期指令ロール位置と、前記変更された現在のプロセス周期指令ロール速度及び前記プロセス周期の積との和に設定することによって、前記現在のプロセス周期指令ロール位置を変更するステップと、を有する、
請求項１に記載の方法。
前記設定値は、重力ベクトルとは反対の方向を指すベクトルを示すように定められる、
請求項１に記載の方法。
前記制御プロセッサが、設定値入力装置から前記設定値の指示を受け取るステップをさらに有する、
請求項１に記載の方法。
前記設定値は、前記設定値の指示が前記設定値入力装置から受け取られた時点での前記先端のロール姿勢を示すベクトルを示すように定められる、
請求項７に記載の方法。
前記制御プロセッサが、ディスプレイ画面に前記設定値のグラフィカル表現を表示させるステップと、
前記制御プロセッサが、前記設定値入力装置から入力を受け取るステップと、
前記制御プロセッサが、受け取った前記入力に従って前記設定値の前記グラフィカル表現の方向を前記ディスプレイ画面上で調整させるステップと、
前記制御プロセッサが、前記設定値の前記グラフィカル表現の調整された前記方向から前記設定値を決定するステップと、をさらに有する、
請求項７に記載の方法。
前記制御プロセッサが、前記ロボット内視鏡の前記先端に、前記変更された現在のプロセス周期指令状態に駆動されるよう命じるステップは、
前記制御プロセッサが、前記ロボット内視鏡の前記先端の前記変更された現在のプロセス周期指令状態を達成するように、前記ロボット内視鏡を対応する自由度の動きで操作するマニピュレータの１つまたは複数のジョイントの状態および前記ロボット内視鏡の本体を曲げるための前記ロボット内視鏡の１つまたは複数の屈曲セグメントの屈曲角度の組み合わせを決定するステップと、
前記制御プロセッサが、前記マニピュレータの前記１つまたは複数のジョイントに、決定された前記ジョイントの状態へと駆動されるよう命じるとともに、前記ロボット内視鏡の前記１つまたは複数の屈曲セグメントに、決定された前記屈曲角度へと駆動されるよう命じるステップと、を有する、
請求項１に記載の方法。
前記マニピュレータの前記１つまたは複数のジョイントは、前記ロボット内視鏡の近位端を直線経路に沿って前後に動かす直進ジョイントと、前記ロボット内視鏡の前記近位端を前記直線経路の周りに回転させる回転ジョイントとを有する、
請求項１０に記載の方法。
前記制御プロセッサが、前記ロボット内視鏡の前記先端の前記現在のプロセス周期指令状態を前記制御入力から決定するステップは、
前記制御プロセッサが、前記制御入力と、１つまたは複数の前記前のプロセス周期の前記制御入力の記憶されている情報とから、並進及び角度に関する先端状態を決定するステップを有する、
請求項１０に記載の方法。
前記制御プロセッサが、前記ロボット内視鏡の前記先端の前記現在のプロセス周期指令状態を前記制御入力から決定するステップは、
前記制御プロセッサが、前記制御入力を、固定デカルト基準座標系に対する前記ロボット内視鏡の前記先端の所望の状態に変換するステップを有する、
請求項１０に記載の方法。
前記制御プロセッサが、前記マニピュレータの前記１つまたは複数のジョイントの状態および前記ロボット内視鏡の前記１つまたは複数の屈曲セグメントの前記屈曲角度を決定するステップは、
前記制御プロセッサが、前記変更された現在のプロセス周期指令状態を、前記マニピュレータおよび前記ロボット内視鏡から構成された組み合わされた直列の運動学的チェーンの逆運動学に適用するステップを有する、
請求項１０に記載の方法。
１つまたは複数の屈曲可能なセグメントおよび遠位先端を含む細長い本体を有するロボット内視鏡と、
前記ロボット内視鏡を対応する動作の自由度で操作するための１つまたは複数の駆動可能なジョイントを有するマニピュレータと、
入力制御装置と、
制御プロセッサであって、
前記入力制御装置から制御入力を受け取り、
前記ロボット内視鏡の前記先端の現在のプロセス周期指令状態を前記制御入力から決定し、前記現在のプロセス周期指令状態は現在のプロセス周期指令ロール位置および現在のプロセス周期指令ロール速度を含み、
ロール角度調整を、設定値と前記ロボット内視鏡の前記先端の前のプロセス周期指令状態との差を使用して決定し、前記設定値は、前記ロボット内視鏡の前記先端で捕えれるカメラビューの所望のロール位置を示し、
変更された現在のプロセス周期指令ロール位置を、前記ロール角度調整によって前記前のプロセス周期指令状態に条件的に関連づけられるように、前記現在のプロセス周期指令ロール位置を変更することにより決定し、及び変更された現在のプロセス周期指令ロール速度を、前記ロール角度調整によって、定数及び前記ロール角度調整の関数の一方に条件的に関連づけられるように、前記現在のプロセス周期指令ロール速度を変更することにより決定し、
前記現在のプロセス周期指令ロール位置および前記現在のプロセス周期ロール速度をそれぞれ前記変更された現在のプロセス周期指令ロール位置および前記変更された現在のプロセス周期ロール速度になるように強いることにより、前記現在のプロセス周期指令状態を変更し、
前記設定値によって示される前記所望のロール位置に前記内視鏡の前記先端の前記ロール位置を維持するように、前記ロボット内視鏡の前記先端に、前記変更された前記現在のプロセス周期指令状態に駆動されるように命じる、ように構成される、
制御プロセッサと、を有する、
医療用ロボットシステム。
先端基準座標系が、前記先端で捉えられるビューの深さ方向を示すＺ_ＴＩＰ軸と、前記ビューの水平方向を示すＸ_ＴＩＰ軸と、前記ビューの垂直方向を示すＹ_ＴＩＰ軸とを有するように、前記ロボット内視鏡の前記先端において定義され、
前記制御プロセッサはさらに、前記設定値を示す基準ベクトルを受け取ること、前記Ｙ_ＴＩＰ軸および前記Ｚ_ＴＩＰ軸を含む平面上に前記基準ベクトルを投影すること、及び前記基準ベクトルと投影された前記基準ベクトルとの間の角度として前記ロール角度調整を決定することによって、前記ロール角度調整を決定するように構成される、
請求項１５に記載の医療用ロボットシステム。
前記制御プロセッサは、前記変更された現在のプロセス周期指令ロール速度を零に設定することによって前記現在のプロセス周期指令ロール速度を変更するように、及び前記ロール角度調整が閾値以下の場合、前記変更された現在のプロセス周期指令ロール位置を前記前のプロセス周期指令ロール位置に設定することによって前記現在のプロセス周期指令ロール位置を変更するように構成される、
請求項１５に記載の医療用ロボットシステム。
前記制御プロセッサは、前記変更された現在のプロセス周期指令ロール速度を固定値に設定することによって前記現在のプロセス周期指令ロール速度を変更するように、及び前記ロール角度調整が閾値以上の場合に、前記変更された現在のプロセス周期指令ロール位置を、前記前のプロセス周期指令ロール位置と、前記変更された現在のプロセス周期指令ロール速度及び前記プロセス周期の積との和に設定することによって、前記現在のプロセス周期指令ロール位置を変更するように構成される、
請求項１５に記載の医療用ロボットシステム。
前記制御プロセッサは、前記ロール角度調整の関数であるように前記現在のプロセス周期指令ロール速度を変更するように、及び前記ロール角度調整が閾値以上の場合に、前記変更された現在のプロセス周期指令ロール位置を、前記前のプロセス周期指令ロール位置と、前記変更された現在のプロセス周期指令ロール速度及び前記プロセス周期の積との和に設定することによって、前記現在のプロセス周期指令ロール位置を変更するように構成される、
請求項１５に記載の医療用ロボットシステム。
前記設定値は、重力ベクトルとは反対の方向を指すベクトルを示すように定められる、
請求項１５に記載の医療用ロボットシステム。
前記制御プロセッサは、設定値入力装置から前記設定値の指示を受け取るように構成される、
請求項１５に記載の医療用ロボットシステム。
前記制御プロセッサは、前記設定値の指示が前記設定値入力装置から受け取られた時点での前記先端のロール姿勢によって前記設定値を示すベクトルを定義するよう、前記設定値を定めるように構成される、
請求項２１に記載の医療用ロボットシステム。
ディスプレイ画面と、
方向調整入力装置と、をさらに有し、
前記制御プロセッサは、前記ディスプレイ画面にロールの前記設定値のグラフィカル表現を表示し、前記方向調整入力装置から入力を受け取り、前記方向調整入力装置から受け取った前記入力に従って前記ディスプレイ画面上で前記設定値の前記グラフィカル表現の方向を調整し、前記設定値の前記グラフィカル表現の調整された前記方向から前記設定値を決定するように構成される、
請求項２１に記載の医療用ロボットシステム。
前記制御プロセッサは、前記ロボット内視鏡の前記先端の前記変更された現在のプロセス周期指令状態を達成するように、前記マニピュレータの１つまたは複数のジョイントの状態および前記細長い本体の１つまたは複数の屈曲セグメントの屈曲角度の組み合わせを決定し、前記マニピュレータの前記１つまたは複数のジョイントに、決定された前記ジョイントの状態へと駆動されるよう命じるとともに、前記ロボット内視鏡の前記１つまたは複数の屈曲セグメントに、決定された前記屈曲角度へと駆動されるよう命じることにより、前記ロボット内視鏡の前記先端に、前記変更された現在のプロセス周期指令状態に駆動されるよう命じるように構成される、
請求項１５に記載の医療用ロボットシステム。
前記マニピュレータの前記１つまたは複数のジョイントは、前記ロボット内視鏡の近位端を直線経路に沿って前後に動かす直進ジョイントと、前記ロボット内視鏡の前記近位端を前記直線経路の周りに回転させる回転ジョイントとを有する、
請求項２４に記載の医療用ロボットシステム。
前記制御プロセッサは、前記制御入力と、１つまたは複数の前記前のプロセス周期の前記制御入力の記憶されている情報とから、並進及び角度に関する先端状態を決定することにより、前記ロボット内視鏡の前記先端の前記現在のプロセス周期指令状態を前記制御入力から決定するように構成される、
請求項２０に記載の医療用ロボットシステム。
前記制御プロセッサは、前記制御入力を、固定デカルト基準座標系に対する前記ロボット内視鏡の前記先端の所望の状態に変換することにより、前記ロボット内視鏡の前記先端の前記現在のプロセス周期指令状態を前記制御入力から決定するように構成される、
請求項２４に記載の医療用ロボットシステム。
前記制御プロセッサは、前記変更された現在のプロセス周期指令状態を、前記マニピュレータおよび前記ロボット内視鏡から構成された組み合わされた直列の運動学的チェーンの逆運動学に適用することにより、前記マニピュレータの前記１つまたは複数のジョイントの状態および前記ロボット内視鏡の前記１つまたは複数の屈曲セグメントの前記屈曲角度を決定するように構成される、
請求項２７に記載の医療用ロボットシステム。