JP5878645B2 - 患者の内部器官に対して医療機器を位置決めするための補助装置 - Google Patents

Description

本発明は、患者の内部器官に対して医療機器を位置決めするための補助装置に関する。本発明は、更に、そのような装置を制御する方法に関する。

特に、本発明は、患者の内部器官に対して医療機器を位置決めするために使用され、医療機器の操作手段を制御する制御ユニットを備える、補助装置に関し、制御ユニットが、内部器官の画像取得手段に接続され、操作手段に対して制御コマンドを発生する画像解析手段を有している、補助装置に関する。

「開腹」手術は、患者に対する負担が非常に大きいことが知られている。この理由のため、医療機器を患者の自然導管（膣、直腸、耳道など）または患者の体に接続された人工導管（カニューレ、人工静脈、トロカールなど）に挿入する、低侵襲手術を使用する専門医が増えている。

泌尿器科学において、前立腺癌の可能性を検査するために前立腺生検を行うことが知られている。これは、前立腺の内部から組織の試料を採取することを含み、試料は、癌細胞の存在を検出するために、検査室で分析される。これを行うために、患者は横たわる。超音波センサと、生検針を有する針案内装置と、を備える医療機器が、直腸により形成される自然導管に挿入される。外科医は、医療機器を使用して、前立腺にアクセスするために結腸壁を穿孔し、そして組織試料を採取する。

生検を行うために、外科医が使用できる唯一の画像は、超音波センサによりリアルタイムで得られる二次元画像である。従って、外科医は、前立腺の内部に分布している試料を正しく採取するために、前立腺の三次元形状を想像しなくてはならない。従って、これは、外科医に非常に高度な技術を要求する。

更に、前立腺は非常に柔らかい器官であるため、針が前立腺内部に入れられなくても、針が単に接触しただけで、前立腺を変形するのに十分である。従って、外科医が、試料は正しく採取されたと考えても、外科医が正確に必要な箇所で前立腺を突き刺していない可能性もある。従って、試料が前立腺から均一に採取されていない、というリスクがある。

外科医を補助して種々のタイプの穿孔を非常に正確に行う装置が、近年登場した。

この新装置は、前立腺の三次元画像を提供することができるプローブを備えている。この計画の実行原理は、穿孔のための理論的な場所を計画し、生検中に、前立腺の変形を調査することである。そして、前立腺の変形の調査に従って、理論的な穿孔計画が修正され、穿孔を、正しい場所で行うことができる。しかし、穿孔位置の訂正は、外科医の技術に全面的に依存したその後の新しい計画に基づいている。

更に、患者が局部麻酔されず、および／または固定されない可能性がある。これは、患者が、そして医療機器が接触する可能性がある自然導管または人工導管のすべての組織が、手術中に動く可能性があることを意味する。

外科医を補助するために、医療機器を案内する装置が知られており、医療機器の近位端部を動かすための関節結合アームを備えている。従って、外科医は、関節結合アームを制御し、医療機器を所与の位置に止めることができる。しかし、この種の案内装置は、医療機器の位置を、患者が置かれている検査室に関して固定された基準システムにおいて定義されているものと想定している。

しかし、患者および／または患者の前立腺は、動く可能性があり、これは２つの重大な意味を有している。

第一に、前立腺は、関節結合アームの位置の制御が定義されている基準システムに対して、固定されていない。従って、医療機器の所望の位置が関節結合アームに入力された時間と、この位置に医療機器が到達した時間との間に、前立腺の位置の変化が起こり得る。従って、医療機器が到達した目標位置は、固定された基準システムにおける関節結合アームから見れば正しいが、前立腺から見れば誤りである、ということがあり得る。すなわち、穿孔が、前立腺の意図した領域で行われない。

第二に、医療機器が患者の体内に入る箇所は、患者と共に動く。従って、関節結合アームは、患者の動きに逆らう可能性があり、これは、患者にとって不快であり、患者の組織のどこかを損傷する可能性すらある。

治療の間、医療機器が患者の体内に入った箇所は、医療機器を、力の「ノイズ」に晒し、力のノイズは、外科医にとって有用な触覚情報、すなわち医療機器と対象の器官との間の相互作用による応力、を隠してしまう。この理由のため、外科医は、前立腺に加えられた応力を完全には知ることができず、相当な変形および／または相当な動きを、知らない間に引き起こす可能性がある。

本発明の目的は、患者の自然導管または人工導管に挿入される医療機器を、内部器官に対して位置決めするために使用され、少なくとも部分的に、上述の不利益を回避する、補助装置を提案することである。

この目的を達成するために、本発明は、患者の自然導管または人工導管に挿入される医療機器を内部器官に対して位置決めする、補助装置を提案し、この装置は、
少なくとも一部が患者の体内に挿入されるようにされ、医療機器を支持する、支持体と、
支持体を動かすための操作手段であって、支持体の近位端部を動かすために複数の自由度を有する関節結合アームを有する、操作手段と、
内部器官に対して医療機器を位置決めするために、内部器官の画像を取得する画像取得手段であって、支持体によって保持されているプローブを有し、医療機器とプローブとが強固に接続されている、画像取得手段と、
操作手段を制御する制御ユニットであって、画像取得手段に接続され、画像解析手段を有し、画像解析手段が、関節結合アームに対して意図された制御コマンドを発生し、内部器官に対する医療機器の少なくとも１つの動きを制御し、画像解析手段が、プローブと内部器官との間の距離を推定する手段を有し、関節結合アームの動きを距離の関数として制動する、制御ユニットと、
を備える。

従って、支持体は、プローブの医療機器に対する相対的位置が分かるように、プローブと医療機器との両者を保持する。プローブにより得られる画像は、内部器官に対するプローブの位置を表しており、従って、内部器官に対する医療機器の位置を直接表している。このため、内部器官に対する医療機器の位置を、タイミングの変更なしで、リアルタイムで推定できる。

この装置はまた、支持体の近位端部を、この近位端部で力を発生させることによって動かすために、複数の自由度を有する関節結合アームも備えている。医療機器を患者の内部に挿入するために、医療機器の位置は、良好に定義され、支持体の近位端部の位置、従って、医療機器の位置、に作用することができる関節結合アームによって、修正することができる。

関節結合アームは、医療機器の位置に単独で作用するのではない。外科医もまた支持体を、従って医療機器を操作する。このため、外科医により支持体に加えられる力と、関節結合アームにより支持体に加えられる力と、の合力が、医療機器の動きと位置を決定する。

このように支持体は、外科医と関節結合アームとの両者によって操作され、それにより、医療機器の位置にも専門医の触感にも作用することができる。

すなわち、関節結合アームによる力の発生は、医療機器のみを操作することを目的としているのではなく、外科医の感覚、従って外科医の操作、を修正することを目的としており、特に、例えば、外科医に、医療機器と器官との間の相互作用を表わす力を感じさせることによって、または外科医の操作を、医療機器を対象位置に位置決めするように修正することによって、修正することを目的としている。

更に、プローブと内部器官との間の距離を推定する手段により、制御ユニットは、医療機器の動きに対する抵抗力を距離の関数として与える、制御コマンドを発生することができ、支持体は、針が前立腺に接近するにつれて、制動を増加される。

更に言えば、本発明に係る装置は、外科医が内部器官に対して行う動作を補助し、例えば、外科医が医療機器を内部器官に強く押しすぎないことを、また急激に押さないことを、確実にする。

本発明に係る装置は、前立腺のような変形を生じやすい柔らかい器官に、医療機器を接近させるのに、特に有用である。

これは、プローブからの画像が、たとえ前立腺が変形しても、前立腺に対して医療機器を正しく位置決めするために、前立腺の変形を考慮できるようにするからである。従って、生検を非常に正確な位置で行うことが可能である。

更に、従来の装置では、前立腺がかなり変形しやすいため、多くの外科医が、実際には前立腺を既に押し付けているときでも、前立腺Ｐにまだ到達していないという印象を持つことがあることが、判明した。本発明による装置により、外科医を前立腺まで案内し、医療機器を、前立腺を押し付けることなく前立腺上に静置させることが可能であり、これは、医療機器を、前立腺に対して医療処置が行われる前に、前立腺に対して、より良好に位置決めすることができるということを意味する。

本発明は、更に、上記のような装置を制御する方法に関し、この方法は、
取得手段を使用して内部器官の少なくとも１枚の画像を取得する工程と、
画像を、画像解析手段を使用して解析する工程と、
関節結合アームに対する制御コマンドを、この画像の解析の関数として発生する工程と、を備える。

本発明は、更に、上記のような装置を制御する方法に関し、この方法は、
内部器官の少なくとも１枚の基準画像を取得する工程と、
画像取得手段を使用して、内部器官の少なくとも第１の画像を取得する工程と、
この画像と基準画像との比較により、内部器官の主要な変形の軸を計算し、また、この軸上の器官の変形の値も計算する、推定手段を使用する工程と、
推定手段を使用して、主要変形の方向と、この主要変形の値とを、関節結合アームに関する参照フレーム内に代入する工程と、
主要変形の方向と値の表示から、医療機器と内部器官との間の距離を決定する工程と、
この距離の変化に従って、関節結合アームに対する制御コマンドを発生する工程と、
を備える。

本発明は、発明の特定の非制限的な実施形態の、下記の記述を考慮し、また、患者の体の一部が示されている、本発明に係る補助装置の図面を参照することにより、更に理解されよう。

本発明に係る補助装置の概略図である。

患者の内部器官に対して医療機器を位置決めする、本発明に係る補助装置は、医療機器を前立腺の近位に移動させるように意図されている。この使用法は、もちろん非制限的なものであり、本発明に係る装置は、医療機器を、如何なる内部器官、例えば膀胱、の近位に移動させるためにも利用することができる。

図１を参照すると、この装置は、患者の前立腺Ｐに対して生検を行うための針２を収容する針ホルダー３を有する、支持体１を備える。支持体１は、更に、針ホルダー３の駆動手段４を有し、針２を、定義された作動軸Ｘに沿って前立腺Ｐに挿入し、作動軸Ｘに沿って前立腺Ｐから引き抜く。

支持体１は、針２が前立腺Ｐの近くになるように、少なくとも支持体１の一部が患者の体内に導入されるように、意図されている。この目的のため、装置は、支持体１を動かすための操作手段を備える。操作手段は、支持体の近位端部１ａを動かすために、複数の自由度を有する関節結合アーム９を有する。近位端部とは、患者の体内に導入される端部に対して反対側の端部を意味する。

装置はまた、針２を前立腺Ｐに対して位置決めするために、前立腺Ｐの画像を取得する手段も備える。画像取得手段は、超音波プローブ５を有する。本発明によれば、プローブ５は、支持体１に保持されており、プローブ５と針ホルダー３と針２とが、強固に接続され、一緒に直腸１００内に導入されるようにされている。

ここで、支持体１は、直腸１００により形成される自然導管を介して、プローブ５が前立腺Ｐの裏側の直腸壁に接触するまで、肛門を通してこの自然導管を通過させることによって導入され、生検中に、針２は、直腸壁を通して前立腺Ｐ内に挿入される。

従って、プローブ５により得られた画像は、前立腺Ｐに対する支持体１の位置を表わしている。プローブ５が、針２から、定義された距離にあり、針２の針ホルダー３もまた、支持体１に強固に接続されているので、これらの画像は、前立腺Ｐに対する針２の位置も表わしている。従って、前立腺Ｐに対する針２の位置をリアルタイムで決定でき、それにより、専門医の作業を非常に容易にする。直腸壁は、非常に薄く、従って、プローブ５による前立腺Ｐの画像の取得を妨げない、ということに留意されたい。

本発明に係る装置は、更に、制御ユニット１０を備え、制御ユニット１０は、操作手段、特に、関節結合アーム９、を制御し、画像取得手段、特に、プローブ５、に接続されている。制御ユニット１０は、画像を解析するための解析手段１１を有し、関節結合アーム９に対する制御コマンドを発生し、前立腺Ｐに対する針２の少なくとも１つの動きを制御する。

従って、制御ユニット１０は、プローブ５からの画像を使用して、前立腺Ｐに対する針２を、関節結合アーム９によって位置決めする。更に、制御ユニット１０は、前立腺Ｐが変形または動いた場合に、前立腺Ｐに対して針２を正しく位置決めするために、タイミングを変更しなくてよいので、リアルタイムで制御コマンドを調整することができる。

従って、支持体１と操作手段の動きが止められ、針２が前立腺Ｐに対して静止している場合、解析手段１１は、前立腺Ｐの画像から、前立腺Ｐがプローブ５に対して動いたかどうかを推定することができる。もし動いていれば、前立腺Ｐに対する針２の位置を、再調整することが必要である。このようにして、制御ユニット１０は、前立腺Ｐに対する針２の正確な位置決めを、常に確実にする。

発明者は、専門医の中には、支持体１を前立腺Ｐに対して強く押し過ぎる傾向がある専門医がいるということに、気付いた。実際、目で見ることができないことと、前立腺の相当な変形性のために、専門医は、実際には既に前立腺Ｐを押し付けているのに、前立腺Ｐにまだ到達していないという印象を持つことが、時々ある。

従って、本発明によれば、解析手段１１は、プローブ５と前立腺Ｐに到達するために穿孔される直腸壁との間の距離を推定する、推定手段１２を有する。推定手段１２は、プローブ５からの画像を解析することによって、この距離をリアルタイムで推定する。制御ユニット１０は、次に、支持体１の動きに対する抵抗力を距離の関数として与える、制御コマンドを発生し、支持体１は、針２が前立腺Ｐに接近するにつれて、制動を増加される。

本発明に係る装置を操作する専門医は、関節結合アーム９と一体になり、関節結合アーム９の部分の抵抗力がますます強くなるのを感知し、従って、前立腺Ｐからの距離を、更に容易に推定できる。力のフィードバックが、このように人工的に達成される。力のフィードバックは、力のセンサ無しで得られるので、有利である。

特別な実施形態によれば、制御ユニット１０は、関節結合アーム９の制動を、以下のように命令する。

初期化シーケンスにおいて、第１のステップの間に、取得手段は、基準画像と呼ばれる第１の画像を取得する。

基準画像は、次に、制御ユニット１０に送られる。基準画像は、例えば、前立腺Ｐの全体画像、または前立腺Ｐの特別な領域の画像である。基準画像は、例えば、二次元または三次元である。変形例としては、基準画像は、上記取得手段によって取得されるのではなく、他の医療解析（例えば、磁気共鳴画像）により取得されて、制御ユニット１０に供給される。

医療機器の動きのシーケンスにおいて、取得手段は、少なくとも１枚の画像を取得して、それを制御ユニット１０に送る。

この画像と基準画像とを比較することにより、推定手段は、前立腺Ｐの主要変形の軸（つまり、主要変形の方向）を計算し、また、この軸上における前立腺Ｐの変形の値も計算する。

推定手段は、次に、主要変形の方向と主要変形の値とを、関節結合アーム９に関する参照フレーム内に代入するが、関節結合アーム９に対するプローブ５の位置は、すでに説明したように、既知である。

その後、関節結合アーム９の参照フレームにおける主要変形の方向と値の表示に基づいて、推定手段は、医療機器２（従って、プローブ５）と前立腺Ｐとの間の距離を決定する。

制御ユニット１０は、次に、関節結合アーム９を操作し、医療機器２とプローブ５との動きが、医療機器２（従ってプローブ５）と前立腺Ｐとの間の距離に比例して、制動されるようにする。

解析手段は、プローブ５が直腸壁を通して既に前立腺に接触している場合に前立腺Ｐの変形を推定する、推定手段１３を有することが好ましい。変形の推定手段１３は、プローブ５からの画像を解析することにより、リアルタイムでこの変形を推定する。例えば、変形の推定手段１３は、プローブ５により押し潰された前立腺Ｐの距離を推定する、推定手段１５を有する。制御ユニット１０は、次に、関節結合アーム９の動きに対する抵抗力を変形の関数として与える、制御コマンドを発生し、針２が前立腺Ｐに入り込み、前立腺Ｐを変形させるにつれて、関節結合アーム９が、ますます制動されるようになる。このようにして人工的な剛性が作成されて、専門医の操作を補助する。特に、これは、専門医が前立腺Ｐを過度に押し付けないことを、確実にする。

例えば、関節結合アームを、前立腺Ｐの変形に対して制御することが可能であり、例えば、前立腺Ｐに加わる関節結合アームによって発生する力を、任意の論理式（例えば比例関係であって、減衰はあってもなくてもよく、また、器官の挙動の法則を再現してもしなくてもよい）を使用して推定することにより、関節結合アームを、前立腺Ｐの変形に対して制御することが可能である。

特別な実施形態によれば、機器が前立腺Ｐと接触していてもいなくても、前立腺Ｐの変形に基づいて、前立腺Ｐ上の接近すべき特別な領域（例えば、穿孔を行うための領域）と医療機器２との間の距離を、推定することが可能である。前立腺の特別な領域（ターゲットと呼ばれる）が定義され、制御ユニット１０に入力されると、制御ユニット１０は、取得手段により取得された画像を利用して、ターゲットに接近するために医療機器２が動く必要のある方向を計算し、この方向において医療機器２とターゲットとを隔てている距離を計算する。医療機器２、従ってプローブ５が、関節結合アーム９に対する既知の位置を有しているので、上記の距離と方向とは、関節結合アーム９に関する参照フレーム内に記述することができる。

制御ユニット１０は、次に、関節結合アームに対する制御コマンドを発生することができ、例えば、専門医が医療機器２をターゲットから遠ざかるように動かす傾向にあれば、関節結合アーム９は、抵抗力を与え、または、逆に、関節結合アーム９は、専門医の動きを、正しい方向に案内する。

好ましい実施形態によれば、制御ユニット１０は、関節結合アーム９の操作モードを選択するための選択手段１４を有する。関節結合アーム９の操作の第１のモードによれば、関節結合アーム９は、単独で、支持体１の動きを与える。関節結合アーム９の操作の第２のモードによれば、専門医もまた、関節結合アーム９と協力して、支持体１を、例えば、支持体１の近位端部１ａで動かす。この目的のため、近位端部１ａは、ハンドルとしての形状にすることが好ましい。関節結合アーム９は、このように、共同操作をすることができる。関節結合アーム９の操作の第３のモードによれば、専門医は、関節結合アーム９を、いくつかの自由度でのみ動かすことができる。関節結合アーム９は、この場合、部分的に共同操作をすることができる。

従って、専門医は、関節結合アーム９によるどの程度の補助を望むのか、を選択することができる。本発明に係る装置は、従って、共同操作可能であることにより、専門医の要求に合わせている。

本発明に係る装置は、専門医が、針２を、前立腺Ｐに対して正確に位置決めすることを、補助することができ、また、専門医の触感も改善することができる。

従って、関節結合アーム９は、針２の位置に、単独で作用するのではなく、専門医もまた支持体１を操作し、従って、間接的に、針２を操作する。従って、針の動きと位置とを決定するのは、専門医によって支持体に加えられる力と、関節結合アーム９によって支持体に加えられる力と、の組み合わせである。

従って、支持体１は、専門医と関節結合アーム９との両者によって操作され、それによって、針の位置と、専門医の触感と、に作用することが可能である。

関節結合アーム９による力の発生は、針を単独で操作する目的は有しておらず、専門医の操作を修正する目的を有しており、特に、例えば、専門医に、針２と前立腺Ｐとの間の相互作用の代表である力を感じさせることにより、または、針をターゲットの位置に位置決めするように専門医の操作を修正することにより、専門医の感覚、従って専門医の技術を修正する目的を有している。

好ましい実施形態によれば、操作手段は、支持体１の近位端部１ａに、ボールジョイントタイプの接続Ｒによって接続されている。

患者が局部麻酔をされず、および／または動けないようにされないことが、可能である。従って、針２が導入される肛門は、必ずしも固定されなくてよい。ボールジョイント接続Ｒは、操作手段が患者の自然な動きを阻害することを防止するので、有利である。本発明に係る装置は、このように、患者の解剖学的構造を尊重している。

本発明に係る装置は、プローブ５によって得られた画像のための表示画面７を備える。表示画面は、制御ユニット１０に接続されている。従って、専門医は、視覚的なフィードバックを有することができ、前立腺Ｐに対する針２の距離を、推定することができる。

本発明に係る装置は、支持体１の動きを止めるための手段を備えることが好ましい。従って、針２が、一旦前立腺Ｐに対して正しく位置決めされると、専門医は、針２を前立腺Ｐ内に挿入する前に、支持体１と関節結合アーム９の動きを、止めることができる。

もちろん、本発明は、記述された実施形態に制限されず、請求項で定義される本発明の範囲から逸脱することなく、本発明を変形することが可能である。

本装置は、針を保持している針ホルダーだけでなく、如何なる他の医療機器も、内部器官に近づけることができる。更に、本装置は、医療機器を、前立腺だけでなく、如何なる他の器官にも近づけることを可能にする。特に、本装置は、男性の生殖系に対してのみ意図されているのではない。更に、目標とする器官には、ここでは支持体を、自然導管、すなわち直腸、を通して導入し、接近させたが、支持体を、患者の体内に、トロカールのような人工経路を介して導入することにより、目標とする器官に接近させることもできる。

プローブを、超音波プローブ以外、例えば、光学または赤外線装置、とすることもできる。

操作手段は、ボールジョイント以外の接続、例えば、カルダンジョイントタイプの接続、によって支持体の近位端部に接続することができる。

制御ユニットは、操作手段の作動モードを選択するための、選択手段を有することができる。特に、制御ユニットは、操作手段の作動モードを選択するための手段を有することができ、選択されたモードでは、操作手段を、共同操作することができる。制御ユニットは、操作手段の操作モードを選択するための手段を有することができ、選択されたモードでは、操作手段を、部分的に共同操作することができる。

関節結合アームは、患者の体内にある支持体の、少なくとも近位端部の動きができるようにすれば、支持体の近位端部を、如何なる自由度で動くように構成することも、可能である。

Claims (6)

1. 患者の自然導管（１００）または人工導管に挿入される医療機器（２）を、患者の内部器官（Ｐ）に対して位置決めするための補助装置であって、前記補助装置が、
   支持体（１）であって、前記支持体の少なくとも一部が、前記患者の体内に挿入され、前記医療機器を支持する、支持体（１）と、
   前記支持体を動かす操作手段であって、前記支持体の近位端部（１ａ）を動かすために複数の自由度を有する関節結合アーム（９）を備える、操作手段と、
   前記医療機器を前記内部器官に対して位置決めするために、前記内部器官の画像を取得する画像取得手段であって、前記画像取得手段が、プローブ（５）を有し、前記プローブが、前記医療機器と前記プローブとが強固に接続されるように前記支持体に保持されている、画像取得手段と、
   前記操作手段を制御する制御ユニット（１０）であって、前記制御ユニットが、前記画像取得手段に接続され、画像解析手段（１１）を有し、前記画像解析手段が、前記内部器官に対する前記医療機器の少なくとも１つの動きを制御するために、前記関節結合アームに対して制御コマンドを発生し、前記画像解析手段が、前記プローブ（５）と前記内部器官との間の距離を推定する、推定手段（１２）を有し、前記関節結合アーム（９）の動きの制動を前記距離が小さくなるほど増加するように、前記関節結合アーム（９）の動きを前記距離の関数として制動する、制御ユニット（１０）と、
   を備える、装置。
2. 前記画像解析手段が、前記内部器官の変形を推定する、推定手段（１３）を有し、前記関節結合アーム（９）の動きを前記変形の関数として制動する、請求項１に記載の装置。
3. 前記関節結合アーム（９）が、カルダンジョイントまたはボールジョイントタイプの接続によって、前記支持体（１）の前記近位端部（１ａ）に接続されている、請求項１に記載の装置。
4. 前記プローブ（５）が超音波プローブである、請求項１に記載の装置。
5. 前記プローブ（５）により得られた画像のための表示画面（７）を有する、請求項１に記載の装置。
6. 前記医療機器が、針（２）である、請求項１に記載の装置。

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