JP5946784B2 - 外科用視覚化方法、システムおよびデバイス、ならびにデバイス操作 - Google Patents

Description

本発明は、外科的処置で使用するコンソールに関する。より詳細には、コンソールは、外部操作構成要素、および手術中の患者への外傷を最小限に抑えるために内部ロボット・デバイスと共に使用することができる視覚ディスプレイを備える。

開腹手術はしばしば、治療を必要とする部位への適切な視覚的および物理的アクセスを持つために、患者の身体へのかなりの大きさの切開を外科医が行なう必要がある。腹部手術などの処置を行なうために腹腔鏡検査を行なうことにより、一般的な手術でのパラダイム変化をマーキングする。腹腔鏡手術は、腹壁内の小さな切開部を使用し、腹腔内に小型内視鏡を挿入し、内視鏡によって捕捉される画像を視覚ディスプレイの上に伝達して行なわれる。外科医はしたがって、患者の身体内にかなりの大きさの切開部を作ることなく腹腔を見ることができ、それによって侵襲性を小さくし、患者に小さな外傷、短い回復時間、および優れた化粧効果の利点を提供することができる。内視鏡に加えて、腹腔鏡手術が、腹壁内の切開部を通して挿入される長い剛性のあるツールを使用して行なわれる。しかし、腹腔鏡処置を行なうための従来の技術およびツールは、外科医の器用さおよび視覚を制限する可能性がある。切開部の寸法を考えると、ツールの操作性が制限され、手術部位の補助視野が必要である場合は追加の切開部が必要である可能性がある。加えて、視覚ディスプレイの典型的な位置では、外科医が上側前方向に注視する必要がある。外科医の視力はまた、２次元映像ディスプレイによって制限される可能性がある。器用さおよび視力の両方でのこれらの制約は、あまり複雑でない処置への腹腔鏡技術の適用が制限される。

原時点で低侵襲性手術で使用される別の方法は、経腔処置に関する。従来の経腔処置は、変更した従来の内視鏡ツールを利用する。しかし、これらの変更した内視鏡ツールは、小さくなった視野および２次元視覚ディスプレイの使用を含む、腹腔鏡ツールと同様の制約を与える。また、内視鏡ツールは自然開口部を通して体腔にアクセスするために、その長さに沿って可撓性がなければならないので、空間的定位を測定および維持する追加の問題が与えられる。加えて、組織触診は、内視鏡の軸に沿って力を加える必要があることにより制限される。

したがって、操作性を向上した改良型の低侵襲性外科用デバイスの必要性が当技術分野にある。

第１の態様では、外科用システムは、（ａ）患者の体腔内に全体が位置決めされるロボット・デバイスであって、（ｉ）デバイス本体と、（ｉｉ）前記デバイス本体に動作可能に接続され、第１の終端エフェクタを含む第１のロボット・アームと、（ｉｉｉ）前記デバイス本体に動作可能に接続され、第２の終端エフェクタを含む第２のロボット・アームと、（ｉｖ）前記デバイス本体に付随して設けられ、前記第１及び第２のロボット・アーム間に位置決めされたカメラと、を含む前記ロボット・デバイスと、（ｂ）ユーザ・コンソールであって、（ｉ）前記ユーザ・コンソールに動作可能に接続され、前記第１及び第２のロボット・アームと連動するように構成された第１及び第２のマニピュレータ・アームと、（ｉｉ）前記ユーザ・コンソール上に配置され、前記カメラから画像を受けるように構成された視覚ディスプレイであって、前記カメラから画像を受けることにより前記第１及び第２のロボット・アームと物理的に接続されているように前記第１及び第２のマニピュレータ・アームを視覚的に見せる視覚ディスプレイと、を含む前記ユーザ・コンソールと、（ｃ）前記ユーザ・コンソールと前記ロボット・デバイスとを動作可能に接続する接続構成要素と、を備えることを要旨とする。

１つの実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムの斜視図。 図１Ａの実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムの斜視図。 １つの実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムの制御方式の図。 １つの実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムの代替制御方式の図。 別の実施形態による、患者の体腔に対して位置決めされた外科用視覚化およびデバイス操作システムの上面図。 図３Ａの実施形態による、患者の体腔に対して位置決めされた外科用視覚化およびデバイス操作システムの正面図。 図３Ａの実施形態による、患者の体腔に対して位置決めされた外科用視覚化およびデバイス操作システムの側面図。 別の実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムの斜視図。 図４Ａの実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムの正面図。 別の実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムの斜視図。 図５Ａの実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムの正面図。 １つの実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムのコンソールおよびマニピュレータ・アームの正面図。 図６Ａの実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムのコンソールおよびマニピュレータ・アームの斜視図。 図６Ａの実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムのコンソールおよびマニピュレータ・アームの斜視図。 図６Ａの実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムのコンソールおよびマニピュレータ・アームの拡大斜視図。 １つの実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムの１式のオフセット平面ヒンジ継手マニピュレータの正面図。 図７Ａの実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムの１式のオフセット平面ヒンジ継手マニピュレータの斜視図。 図７Ａの実施形態による、患者の体腔に対して位置決めされた外科用視覚化およびデバイス操作システムの１式のオフセット平面ヒンジ継手マニピュレータの斜視図。 １つの実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムのコンソールの後部斜視図。 図８Ａの実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムのコンソールの前部斜視図。 代替実施形態による、患者の体腔に対して位置決めされた外科用視覚化およびデバイス操作システムの側面斜視図。 代替実施形態による、患者の体腔に対して位置決めされた外科用視覚化およびデバイス操作システムの斜視図。 代替実施形態による、患者の体腔に対して位置決めされた外科用視覚化およびデバイス操作システムの斜視図。 別の実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムの略図。 別の実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムの指導者コンソールの略図。 図１２Ａの実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムの生徒コンソールの略図。 別の実施形態による、安定化システムを有する外科用視覚化およびデバイス操作システムの斜視図。 １つの実施形態による、非折り畳み位置にある外科用視覚化およびデバイス操作システムのロボット・デバイスの斜視図。 図１４Ａの実施形態による、折り畳み位置にある外科用視覚化およびデバイス操作システムのロボット・デバイスの回転軸の図。 １つの実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムのロボット・デバイスの運動モデルの図。 図１５Ａの実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムのロボット・デバイスの運動モデルのショルダ継手の拡大図。 図１５Ａの実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムのロボット・デバイスの作動経路の図。 １つの実施形態による、作業空間内で追跡されるＮＯＴＥＳロボット・デバイスの計画経路および実経路のグラフ。 １つの実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムのロボット・デバイスのショルダ継手の運動モデル。 １つの実施形態による、外科用視覚化およびデバイス操作システムのオフセット平面ヒンジ継手の略図。 １つの実施形態による、名目状態での外科用視覚化およびデバイス操作システムのオフセット平面ヒンジ継手の運動モデル。 図１５Ａの実施形態による、量αだけ回転した外科用視覚化およびデバイス操作システムのオフセット平面ヒンジ継手の運動モデル。

図１Ａおよび１Ｂは、外科用視覚化およびデバイス操作システム１０の１つの実施形態の斜視図である。システム１０は、患者の腹部などの体腔１６内部に位置決めされた外科用ロボット・デバイス１４と連動する制御コンソール１２を備えている。すなわち、制御コンソール１２は、体腔１６内部でデバイス１４を操作するために使用することができる。システム１０は、腹腔鏡外科医の確立された技術を当てにしながら、腹腔鏡および自然開口部経腔内視鏡外科（「ＮＯＴＥＳ」）処置などの、標準的外科処置に関連する視覚および器用さの操作制約に対処する。ロボット・デバイス１４は、体腔１６内に全体的に配置され、（従来の腹腔鏡および内視鏡ツールと比較して）入口切開部によって制約を受けない。

図１Ａおよび図１Ｂに示す実施態様によると、コンソール１２は、患者の体腔１６の外側に位置決めされるように構成され、コンソール磁石２２、視覚ディスプレイ２４（図１Ｂによく示す）、および第１のマニピュレータ２６Ａおよび第２のマニピュレータ２６Ｂ（集合的に、「マニピュレータ２６」と呼ぶ）を備えている。本願明細書で使用するように、「コンソール」は、コントローラまたは動作ハブを意味することを意図している。コンソール磁石２２は、ロボット・デバイス１４を体腔１６の内部空洞壁２０に向けてコンソール１２に隣接させるように引き付け、それによってロボット・デバイス１４を内部空洞壁２０に対して位置決めする。視覚ディスプレイ２４は、ロボット・デバイス１４に接続され、ロボット・デバイス１４によって捕捉される体腔１６の視覚フィードバックを表示する。本実施形態では、マニピュレータ２６はコンソール１２に接続され、コンソール１２と連動してロボット・デバイス１４と通信し、これを制御する。図示するような実施態様では、コンソール１２およびマニピュレータ２６は、無線通信によりロボット・デバイス１４を操作する。別の方法では、以下にさらに詳細に説明するように、コンソール１２は物理的接続によりロボット・デバイス１４に接続させることができる。

１つの実施態様では、ロボット・デバイス１４をコンソール１２に対して体腔１６内に位置決めすることによって、システム１０は外科医が、コンソール１２に対するロボット・デバイス１４の空間的定位を判断および維持することを可能にする。システム１０の他の利点は、これに限らないが、外科医用の訓練ツールを提供すること、外科医が現場にいる必要性を少なくするまたはなくすこと、および外科用ロボット・システムの費用を少なくすることを含むことができる。

図１Ｂは、１つの実施形態によるマニピュレータ２６を備えたコンソール１２の斜視図を示す。本願明細書に使用されるように、「マニピュレータ」は、有線または無線接続構成要素を介してロボット・デバイスを操作するコンソールに関連する任意の入力デバイスを意味することを意図している。マニピュレータは、本願明細書では「マニピュレータ・アーム」または「マニピュレータ・ハンドル」と呼ぶこともできる。本実施形態では、各マニピュレータ２６Ａおよび２６Ｂは、３つの回転（１つは軸方向、２つは交差軸方向）および１つの平行移動（上下）と、捕捉器具、焼灼構成要素、および／または吸引／洗浄構成要素などの操作構成要素を制御するバイナリ・トリガを与えるように構成されている。これらの能力は、本願明細書中で追加の実施形態でさらに詳細に説明する。マニピュレータ２６の位置が測定されると、その位置情報はコンソール１２内に配置されたシステム・プロセッサ（図示せず）に伝達され、システム・プロセッサは位置情報を処理して、その処理結果を示すコマンドをロボット・デバイス１４に伝達することにより、デバイス１４またはロボット・デバイス１４に接続された任意のデバイスを、適切な位置または場所に位置決めする。マニピュレータ２６の位置はプロセッサに対し連続的に更新され、それにより、マニピュレータ２６とロボット・デバイス１４および／またはロボット・デバイス１４に接続された任意のデバイスとの移動がコマンドに対して実質的にリアルタイムとなるようになっている。

図示するような例示的な実施形態では、マニピュレータ２６は標準的腹腔鏡ツール・ハンドルを実質的に複製する。すなわち、マニピュレータ２６は標準的腹腔鏡ツールと概ね同じ形状および移動を有する。別の方法では、マニピュレータ２６は、これに限らないが、２次元および３次元マウスおよびキーボードなどの当技術分野で知られているコンピュータ・コントロール、スティック、ホイールおよびトリガなどの当技術分野で知られている重機および航空機コントロール、および人間の身体に適合し、人間の動作をモデリングするように作られた高性能グローブまたは他の同様のデバイスを必要とするバーチャル・リアリティで使用される様々な技術を含む様々な形態をとることができる。１つの実施形態では、例えば、バーチャル・リアリティ・コントロールが使用され、ロボット・デバイス１４はより人間らしく見えるように変更される。別の実施形態では、ロボット・デバイス１４は、外科医の手のように見えるように構成されている。

１つの実施態様によると、視覚ディスプレイ２４は、後面２３の反対側のコンソール１２の前面２５に位置決めされている。実際、コンソール１２は、コンソール１２の前面２５および視覚ディスプレイ２４が体腔１６の上に立っている外科医に見えるように、体腔１６の外部表面１８上に位置決めされている。１つの態様では、視覚ディスプレイ２４は、ロボット・デバイス１４上の画像捕捉構成要素に動作可能に接続されている。ロボット・デバイス１４からの信号は、あらゆる形式（例えば、ＮＴＳＣ、デジタル、ＰＡＬなど）で伝達することができる。例えば、信号は映像信号および／または静止画像信号であってもよい。視覚ディスプレイ２４はまた、ロボット・デバイス１４で使用することができる画像捕捉構成要素によって収集される画像を表示することが可能な任意の知られているディスプレイ構成要素であってもよい。１つの実施形態では、視覚ディスプレイ２４は標準的映像モニタである。代替実施形態では、視覚ディスプレイ２４は、ロボット・デバイス１４上の画像化構成要素を介して外科医に２次元視覚フィードバック、３次元視覚フィードバックまたは立体鏡画像化を表示することができる。当業者には、カメラからの信号を処理して、これに限らないが、ＮＴＳＣ信号を表示するように構成されたテレビ、ＰＡＬ信号を表示するように構成されたテレビ、ブラウン管ベース・コンピュータ・モニタ、ＬＣＤモニタ、およびプラズマ・ディスプレイを含む、多くの異なるタイプの表示デバイスに表示信号を生成させることができることが理解される。例示的な実施形態では、コンソール１２は、インテューイティブ・サージカル・インク社（Ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ Ｓｕｒｇｉｃａｌ，Ｉｎｃ．）［米国カルフォルニア州サニーベール（Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ）所在］から市販されているｄａ Ｖｉｎｃｉ（登録商標）コンソールである。

実際、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、コンソール１２は１つの実施形態によると、体腔１６の外部表面１８上にあり、ロボット・デバイス１４はデバイス１４をコンソール１２によって位置決めまたは制御することができるように位置決めされている。図１Ａの実施形態では、ロボット・デバイス１４は、体腔１６の内部空洞壁２０に対して位置決めされている。この構成により、コンソール１２およびロボット・デバイス１４を入口切開部によって制約されないようにすることが可能になり、外科医に手術領域の視野を与えることが可能になる。ロボット・デバイス１４を制御するためにコンソール１２を使用することができ、さらにロボット・デバイス１４は、患者内で（内部空洞壁２０に沿ってなど）移動し、体腔１６内の所望の場所に位置決めされ、ユーザに代替視野および作業空間を与えることができるように、ロボット・デバイスはコンソール１２に対して実質的に固定されたままの状態で外部表面１８に沿って移動することができる。

図２Ａは、外科用視覚化およびデバイス操作システム２９の別の実施形態の内部構成要素の略図を示す。ロボット・デバイス３２は、ロボット・デバイス３２をコンソール３８に接続する接続構成要素３７を介してマニピュレータ３４に接続されている。本願明細書で使用するように、「接続構成要素」は、構成要素間の情報および／または電力の伝達および／または変換を行なう外科用視覚化・デバイス操作システムの少なくとも２つの構成要素間の有線または無線接続を意味することを意図している。接続構成要素３７は、コンソール３８とロボット・デバイス３２とを動作可能に接続し、（１）ロボット・デバイス３２の画像化構成要素（図示せず）とコンソール３８上の視覚ディスプレイ４０との間の通信を可能にして、画像化構成要素（図示せず）によって収集された画像がコンソール３８に送信されて視覚ディスプレイ４０上に表示されるようにし、および／または（２）マニピュレータ３４とロボット・デバイス３２との間の通信を可能にして、ユーザによるマニピュレータ３４の操作がロボット・デバイス３２の操作または制御につながるようにする。

１つの実施形態によると、接続構成要素３７は、ワイヤ、コード、または他の物理的可撓性接続などの有線接続である。有線接続は、第１の端部がロボット・デバイス３２に、第２の端部がコンソール３８に（特に、マニピュレータ３４に）接続されている。本出願では、物理的または有線接続は、「連結化の（tethered）」または「連結部（tether）」とも呼ばれる。有線接続は、可撓性がある、柔軟性がある、あるいは異なる形状または構成に容易に形成または変更することが可能な任意の物理的構成要素であってもよい。１つの実施形態によると、有線接続は、１本または複数本のワイヤまたはコード、またはデバイス３２およびコンソール３８に動作可能に接続された任意の他のタイプの物理的構成要素を含んでいる。有線接続は、電力および／またはデータ３６Ａ、映像３６Ｂ、またはロボット・デバイス３２の操作に必要または有用である他のものを伝達または伝搬するように構成されている。別の代替形態では、有線接続は、少なくとも２本のワイヤまたはコード、または他のこのような構成要素を備え、それぞれ別個の外部ユニット（１つの例では、以下に説明するように、電源およびデータ送受信ユニットである）に接続されている。

図２Ｂは、接続構成要素３７が無線接続である、外科用視覚化およびデバイス操作システム３０の代替実施形態の略図を示す。すなわち、本実施形態では、ロボット・デバイス３２は、コンソール３８（したがって、視覚ディスプレイ４０およびマニピュレータ３４）と無線通信する。無線接続は、本願明細書では「非連結（untethered）」とも呼ばれる。「非連結デバイス」、「無線デバイス」、または「無線接続部」は、本出願では、外科的処置の少なくとも一部でロボット・デバイス３２の一部が患者の身体の外側にないように患者の身体内に完全に囲まれた任意のロボット・デバイス３２、別の言い方をすれば、外科的処置の少なくとも一部で任意の外部対象物に物理的に接続されていない状態で患者の身体内で作動する任意のロボット・デバイス３２を意味することを意図している。１つの実施形態では、非連結（untethered）ロボット・デバイス３２は、ロボット・デバイス３２を制御するのに必要なデータを含むデータを無線で送受信する。図２Ｂに示す無線実施形態では、ロボット・デバイス３２は、無線接続のために受信機３３Ａおよび送信機３３Ｂと共に、内部電源装置を有する。本実施形態では、コンソール３８は、無線接続のために受信機３５Ａおよび送信機３５Ｂと共に、内部電源装置を有する。別の方法では、コンソール３８は、壁面コンセントなどの外部電源装置を使用して電力を与えることができる。コンソール３８、受信機３５Ａ、および送信機３５Ｂは、プロセッサ４８およびディスプレイ４０に接続された通信構成要素３１を形成する。本願明細書で記載されるような無線ロボット・デバイス３２で使用される受信機３３Ａおよび３５Ａおよび送信機３３Ｂおよび３５Ｂは、任意の知られている受信機および／または送信機であってもよい。例えば、任意の知られている受信機および／または送信機は遠隔車両ロック・デバイス、リモコンおよび携帯電話で使用されている。例示的な実施形態では、ロボット・コマンドは、ノーディック・セミコンダクタ社（Ｎｏｒｄｉｃ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）［米国カルフォルニア州サニーベール（Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ）所在］から市販されている、９００ＭＨｚ無線送信機チップ（ＮＲＦ９０５−ＲＥＥＬ）を使用して送受信され、映像はスパイビル・ドットコム社（Ｓｐｙｖｉｌｌｅ．ｃｏｍ）［米国テネシー州モンタレー（Ｍｏｎｔｅｒｅｙ）所在］から市販されている、２．４ＧＨｚ送信機（ＬＵＶ２００Ｍ）を使用して伝達される。

図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃは、患者の体腔５２に対して位置決めされたシステム５０の別の実施形態の、上面図、正面図および側面図をそれぞれ示す。システム５０は、コンソール５４およびロボット・デバイス５６を備え、コンソール５４が体腔５２の外部表面５８上に位置決めされ、ロボット・デバイス５６がコンソール磁石６２によって体腔５２内で内部表面６０に対して保持される場合に、「仮想孔」または「仮想切開部」効果を作り出す。すなわち、視覚ディスプレイ６４は、患者の体腔５２内のロボット・デバイス５６の画像化構成要素６６によって収集された視覚画像をコンソール５４上で示し、マニピュレータ６８は、図３Ａによく示されるように、第１のマニピュレータ６８Ａおよび第２のマニピュレータ６８Ｂ（集合的に「マニピュレータ６８」と呼ぶ）を使用したときに、ユーザの視野を通じて視覚ディスプレイ６４および患者の体腔５２を見渡すことが可能となるように、視覚ディスプレイ６４に対して位置決めされている。ユーザまたは外科医に得られる効果は、体腔５２を直接見ており、体腔５２内に配置されたロボット・デバイス５６の第１のアーム７０Ａおよび７０Ｂ（集合的に「アーム７０」と呼ぶ）、および第１の終端エフェクタ７２Ａおよび第２の終端エフェクタ７２Ｂ（集合的に「終端エフェクタ７２」と呼ぶ）を直接制御するようにマニピュレータ６８を操作することができるという実感がユーザにあることである。コンソール５４はしたがって、マニピュレータ６８がユーザの手にある間に、ユーザの前および体腔５２の上に視覚ディスプレイ６４を置くことによって開腹手術を複製することが可能である。視覚ディスプレイ６４の場所は、非ロボット腹腔鏡手術での標準的な実施と同様であり、それによって「仮想孔」の現実的な態様を加える。加えて、コンソール５４、視覚ディスプレイ６４、マニピュレータ６８、アーム７０、および終端エフェクタ７２のこのような位置決めにより、ユーザの注視方向と手術部位または作業場所との間のより快適な人間工学的に正しい関係が与えられる。システム５０を使用して、患者の身体の上またはその近くに位置決めされたマニピュレータ６８は、ユーザに対して標準的腹腔鏡ツール・ハンドルの外観および感触に似ているまたはこれらを実質的に複製すると考えられ、それによって腹腔鏡外科医の既存の経験を当てにし、システム５０の使用をより直観的なものにする。その結果、標準的な処置を経験した外科医または他のユーザは、もしあれば必要とされる十分な順応または訓練全くなしで、システム５０を容易に使用し始めることができる。

１つの実施形態では、ロボットは、画像化システムからの映像フィードバックを除いて、アーム位置フィードバックや終端エフェクタ位置フィードバックなしでロボットの移動を命令するように外科医がコンソールを使用する開ループ・システムで制御される。開ループ制御方式の１つの実施例は、移動位置と固定位置との間で容易にトグルスイッチを切り換えるためにマニピュレータ６８を使用することに関する。この方式では、ロボット・アームは、単一速度で移動することしかできず、移動するように命令するかまたは移動しないように命令するかの何れかである。したがって、マニピュレータ６８は、移動を開始するようにロボット・アームと係合するために１方向に移動される。マニピュレータ６８はその後、ロボット・アームが移動するのを止めるために、元の位置に戻される。

図２Ａに示すシステムは、別の開ループ制御方式を利用する。本実施形態のマニピュレータ３４の位置は、電位差計４２を使用して測定される。「電位差計」は、「符号器」と呼ぶこともできる。マニピュレータ位置を測定する他の方法は、音を測定するスペクトルまたは音響符号器内の赤外線または他の波長を使用する光学符号器を含んでいる。本願明細書で使用するように、「符号器」は、回転または平行移動位置を電子パルスに変換することが可能な任意のデバイスを意味することを意図している。符号器測定からの位置データにより、コンソールに対する各マニピュレータの位置、およびマニピュレータの速度を判断することができる。この情報はその後、ロボット・アームに対するコマンドを判断するために使用することができる。

図２Ａでは、各マニピュレータ３４Ａおよび３４Ｂは本実施形態では、３つの回転（１つは軸方向、２つは交差軸方向）および１つの平行移動（上下）を含んでいる。これらの各動作が測定される。本実施形態では、符号器位置は、デジタル信号としてプロセッサに伝達される。別の方法では、符号器位置はアナログ電圧として伝達される。この代替実施形態では、符号器４２によって出力される符号器電圧はその後、プロセッサ４８に送信される前にアナログ／デジタル変換器４４に伝達される。図２Ａに示す１つの例では、アナログ信号は１０００Ｈｚでデジタル化される。これらのデジタル化された信号はその後、ユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）ハブ４６を介して、プロセッサ４８に伝達される。プロセッサ４８内のソフトウェアは、ＵＳＢハブ４６からマニピュレータ３４の位置を（デジタル信号として）読み取り、ロボット・デバイス３２に送信されるモータ・コマンドを判断する。本実施形態では、符号器位置は、ロボット・アームが移動すべきかどうか、およびどの方向に移動すべきかを示す。これにより、ロボット内の作動モータが「フル・オン」フォワード、「フル・オン」バックワード、またはオフとして命令されるバイナリ制御システムに接続される。例えば、ロボット（図示せず）上のアームは、特定の方向に移動する、または移動しないように命令される。アクチュエータからコンピュータ４８内の制御プログラムへの直接フィードバックはない。コンピュータ４８からのコマンドは、ロボット・デバイス３２をコンピュータ４８に連結するケーブルを介してロボット・デバイス３２のアクチュエータに送信される。別の実施形態では、変換器／ＵＳＢハブ／コンピュータは全てコンソール内に集積させられ、それによってロボットはコンソールからの単一の連結部を有する。別の代替実施形態では、連結部（tether）は、図２Ｂに示すようにロボットへのコマンドおよびロボットからの映像をコンソールに無線伝達する無線システムによって省略可能であるか、またはこれに置き換えられる。この無線実施形態では、ロボットは、電池などのオンボード電源を備えている。有線（図２Ａ）または無線（図２Ｂ）の何れかの実施形態では、コントローラ４５によって受信されたコマンドは、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号をアクチュエータ４１に与えるようにＨブリッジ４３に送信される。ＰＷＭ信号は、モータが作動するように指示される全運転出力の割合を示す。本実施形態では、ロボットからコンソールへの唯一のフィードバックは、ロボット３２に搭載された画像化システム（画像化装置４７およびレンズ４９を含む）からのビデオ画像である。ロボット・デバイス３２の画像化構成要素４７からのＮＴＳＣ映像信号は、コンソール３８上の視覚ディスプレイ４０にケーブルを通して送り戻される。この開ループ構成では、コンピュータ制御プログラムにロボット位置データは戻されない。外科医は、ディスプレイを観察することによってロボット・デバイスに何が起こっているかを観察し、この観察により、ロボットが所望の方向に移動するように外科医が命令することが可能になる。

別の代替形態では、コントローラは、ロボット技術で一般に使用される「閉ループ」コントローラ・システムである。明らかではあるが、閉ループ・コントローラ・システムは、ユーザが特定の移動または動作に関する特定の指示を与えることを可能にし、さらにデバイスが特定の移動または動作を終了した場合に感知するフィードバック・センサを提供するコントローラを備えたシステムである。このシステムにより、極めて特定の指示またはコマンドおよび極めて正確な動作が可能なる。例えば、図３に示す実施形態では、ユーザは、デバイス５６は右側アーム７０Ｂを身体６６に対して３０°に位置決めすべきであるという指示をコントローラに入力することができ、その後、右側アーム７０Ｂは、アーム７０Ｂが所望の角度に位置決めされたことをセンサが感知するまで移動する。フィードバック・センサは、結合センサ、視覚センサ、または任意の他の知られているフィードバック・センサであってもよい。したがって閉ループ・コントローラ・システムにより、超精密デバイス位置決め、軌道制御、および力制御を含む、デバイスの極めて特定で精密な制御を利用することが可能である。１つの実施形態では、デバイスはその後、結合空間またはデカルト座標空間で精密に操作することができる。本実施形態では、マニピュレータおよびロボット・アームの位置を計ることで、外科医はロボット終端エフェクタでのより優れた制御性を得る。

加えて、様々な制御方式が、終端エフェクタに関しても考えられる。例えば、１つの実施形態によると、各マニピュレータ６８Ａおよび６８Ｂは、デバイス操作構成要素での把持、焼灼、吸引／洗浄、またはいくつかの他の動作のためのトリガを備えている。１つの実施形態では、トリガはバイナリであり、開ループ様態で焼灼、把持、吸引、または洗浄を開始または停止させるために使用される。別の方法では、操作構成要素および／またはトリガからの位置フィードバックは、操作構成要素が外科医からの入力と厳密に一致するように閉ループ様態で操作構成要素を制御するために使用される。

別の方法では、ロボット・デバイス５６は、上に記載したものに加えて多くの制御方式の任意の１つによって制御することができ、利用可能である様々なタイプのマニピュレータ６８はさらに、マニピュレータ６８とロボット・デバイス５６との間の相互作用のために利用可能な選択肢を広げる。１つの実施形態では、マニピュレータ６８は、典型的なジョイスティック・コントローラのように使用され、それによって名目位置からの何れかのコントローラの再位置決め（回転または平行移動を含む）が、ロボット・デバイス５６のアームまたは構成要素を対応する方向に移動させる。本実施形態では、ロボット・デバイス５６またはその構成要素（アームなど）の少なくとも１つの動作速度は、マニピュレータ６８に加えられる入力の大きさによって制御され、それによってマニピュレータ６８の大きな回転または移動により、ロボット・デバイス５６またはその構成要素がより迅速に移動させられる。

上記制御方式および任意の他の知られているロボット・コントローラ技術の何れかを、本願明細書に開示するロボット・デバイスの何れかに組み込むことができることが理解される。

別の実施態様によると、本願明細書に記載した任意のロボット・デバイスは、接続構成要素を介してコンソールだけではなく、外部ユニット（すなわち、電源装置およびデータ送受信ユニット）または１つまたは複数の他のロボット・デバイスにも接続されており、このようなロボット・デバイスは本願明細書に記載されている、あるいは当技術分野で知られている。すなわち、１つの実施形態によると、２つ以上のロボット・デバイスは、互いに、および外部ユニットに動作可能に接続される。２つのロボット・デバイスが存在する１つの実施形態によると、２つのロボット・デバイスは、可撓性有線接続または無線接続によって互いにおよび外部ユニットに動作可能に接続される。すなわち、２つのロボット・デバイスは、各ロボット・デバイスに接続された可撓性有線接続によって互いに動作可能に接続され、各ロボット・デバイスはまた、可撓性有線接続によって外部ユニットに動作可能に接続されている。１つの実施形態では、３つの別個の可撓性有線接続、（１）２つのロボット・デバイスを接続する有線接続、（２）ロボット・デバイスの１つを外部ユニットに接続する有線接続、および（３）ロボット・デバイスのもう１つを外部ユニットに接続する有線接続が存在する。別の方法では、１つの有線接続は、ロボット・デバイスおよび外部ユニットの両方に動作可能に接続されている。別の代替実施形態では、２つのロボット・デバイスを互いにおよび外部ユニットに接続させるために、任意の数の有線接続を任意の構成で使用することができる。

別の方法では、２つ以上のロボット・デバイスは、非連結の（untethered）方法で互いにおよび外部ユニットに動作可能に接続されている。すなわち、ロボット・デバイスは、物理的に接続されていないやり方で互いにおよび外部ユニットに動作可能に接続されている。１つの実施形態では、ロボット・デバイスおよび外部ユニットは無線で動作可能に接続されている。

別の方法では、視覚ディスプレイおよびマニピュレータは、互いに物理的に接触または物理的に隣接している必要がない。すなわち、１つの実施形態では、視覚ディスプレイおよびマニピュレータは、完全に異なる場所にあってもよい。例示的な実施形態では、視覚ディスプレイはユーザの目の高さに位置決めすることができ、それによってユーザは真っ直ぐ前だけしか見る必要がなく、マニピュレータは患者の身体に隣接してまたは他のところに位置決めされている。当業者には、視覚ディスプレイの場所は外科医の視野のどこにあってもよいことが理解される。

別の実施形態では、コンソールはまた、患者、またはロボット・デバイスに近接して配置する必要はない。すなわち、本願明細書に記載されるようなコンソールは、完全に異なる地理的位置にあってもよく、さらに患者に処置を行なうために接続構成要素を介してロボット・デバイスと連動させることも可能である。極端な例では、外科医は、地球上の外科医が視覚ディスプレイを見ながらマニピュレータを制御し、それによって宇宙基地にいる患者内に配置されたロボット・デバイスを操作することによって患者に手術を行なうといったような、地球の周りを回る宇宙基地にいる患者に対して視覚化および制御システムを使用して手術を行なうことができる。このような実施形態では、ロボット・デバイスは、患者の身体の外側の適切な場所に位置決めされた磁気構成要素、またはいくつかの他のタイプの取付構成要素を使用して患者内に位置決めすることができる。さらに、患者に対して異なる地理的位置にあるにも関わらず、外科医またはユーザは、標準的腹腔鏡処置の一般的な「外観および感触」を実質的に複製または再生成するやり方でコンソールを利用することができることを理解される。すなわち、ユーザは、マニピュレータを備えたコンソールをテーブルまたは他の物体上のユーザの前に位置決めすることができ、それによってユーザは概ね同じやり方で位置決めされ、ユーザが患者と同じ部屋にいるのと概ね同じやり方でマニピュレータを利用し、患者に標準的腹腔鏡処置を行なう。

ロボット・デバイス８０を操作するために使用することができるコンソール９２を有する、視覚化およびデバイス操作システム８０の別の実施形態が、図４Ａおよび図４Ｂに示されている。ロボット・デバイス８０は、２つのアーム８２Ａ、８２Ｂ（一緒に「８２」とも呼ぶ）を有する。２つのアーム８２の使用により、デバイス８０は伸縮および／または解剖作業などの様々な処置および作業を行なうことが可能になる。

１つの実施態様によると、各アーム８２は、アーム８２Ａに接続された操作構成要素８８などの操作構成要素（「終端エフェクタ」とも呼ぶ）を有することができる。図４Ａおよび図４Ｂに示す実施形態では、終端エフェクタ８８は把持器具８８である。さらに、ロボット・デバイス８０はカメラ９０も有する。このようにして、本実施形態のロボット・デバイス８０は、手術用視覚および組織操作を行なうことができる。

コンソール９２は、１つの実施形態によると、電力、コマンド信号、および映像の１つまたは複数を与える接続構成要素１００によってロボット・デバイス８０に接続されている。コンソール９２は、ディスプレイ構成要素９８、ならびに各ハンドル９６と対応するアーム８２との間の動作接続によりロボット・アーム８２の移動を制御するために使用することができる２つのマニピュレータ９６Ａおよび９６Ｂ（本願明細書では「ジョイスティック」とも呼ばれる）を備えている。外科医が、カメラ・フォーカス／ズーム、照明レベル、カメラ５０の流し撮り位置、および／またはロボット・デバイス８０に関連する任意の他の構成要素または制御可能な変数などのものを制御することを可能にするために、スイッチ、ノブ、またはコンソール９２上の任意の他のタイプの入力構成要素（図示せず）の形態の様々なコントロールを提供することもできる。

１つの例示的な実施形態では、ジョイスティック９６は、標準的腹腔鏡ツールのように外科医が操作するまたは「感じる」ように構成されている。すなわち、外科医は、ちょうどトロカール・ポートを通して挿入された標準的腹腔鏡ツールが典型的には４つのＤＯＦ（３つの回転および１つの平行移動）で移動することができるように、４つの自由度（「ＤＯＦ」）でジョイスティック９６を移動させることができる。図４Ｂに示すように、マニピュレータ９６によって表示されるＤＯＦのうちの３つは、矢印ＥおよびＦによって示されるような２つの軸外回転、および矢印Ｇによって特定される１つの軸方向回転を含む回転である。矢印Ｈによって示されるような第４のＤＯＦは、外科医がジョイスティックを伸ばすことを可能にする平行移動である。本実施形態では、ジョイスティック９６の位置は、これらの４つの向きにのみ移動するように制約されており、ジョイスティック９６の位置はジョイスティック９６およびコンソール９２に接続された一連の符号器を使用して測定することができる。これらの位置を使用して、コンソール９２内のコンピュータ・システム（図示せず）内の制御アルゴリズムは、アクチュエータ・コマンドを判断し、これらのコマンドをロボット・デバイス９０に伝達する。各アーム８２は図４Ｂに示すような本実施形態ではまた、外科医に４つのＤＯＦを可能にする。すなわち、各アーム８２は、矢印ＡおよびＢによって示すような２つの自由度を提供する回転ショルダ継手８４、および矢印ＣおよびＤによって示すようなアーム伸縮および回転を行なうプリズム回転肘継手８６をそれぞれ有する。したがって、ロボット・デバイス８０は、コンソール９２からコマンド信号を受信し、対応するマニピュレータ９６内でユーザによって生じる同様の移動に応答して４つのＤＯＦで移動するように適切なアーム８２を作動させる。

図５Ａおよび図５Ｂは、コンソール１１２が単一のロボット・アーム１１６を制御する単一のマニピュレータ・アーム１１４を有する、視覚化およびデバイス操作システム１１０の別の実施形態を示す。１つの実施態様によると、１アーム・ロボット・デバイス１１０は、これに限らないが、組織生検および組織収縮を含む様々な外科的処置および作業に使用することができる。例えば、把持器具１１８は、胆嚢腸管吻合手術中に胆嚢を退縮させるために使用することができる。

図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃおよび図６Ｄは、視覚化およびデバイス操作システム１２０の代替実施態様を示す。図６Ａは、マニピュレータ１２４Ａ、１２４Ｂ（集合的に、「マニピュレータ１２４」と呼ぶ）を有するコンソール１２２の正面図を示す。本実施形態では、各マニピュレータ１２４Ａ、１２４Ｂは、それぞれ担持システム１２６Ａ、１２６Ｂ（集合的に、「担持システム１２６」と呼ぶ）でコンソール１２２に接続されている。図６Ｂおよび図６Ｃは、担持システム１２６によってコンソール１２２に取り付けられたマニピュレータ１２４の２つの異なる斜視図を示し、図６Ｄは担持システム１２６Ｂの拡大斜視図を示す。図６Ａおよび図６Ｄに最もよく示すように、各担持システム１２６は、２つのトラック１２７、１２８および３つの担持ホイール１３０、１３１、１３３を備えている。図６Ａ〜図６Ｄに示すように、トラック１２７、１２８はコンソール１２２に固定され、マニピュレータ１２４をコンソール１２２に接続する。各マニピュレータ１２４は、トラック１２７、１２８と接触している３つの担持ホイール１３０、１３１、１３３、すなわち上側トラック１２７に接触している２つの上側ホイール１３０、１３１、および下側トラック１２８に接触している１つの下側ホイール１３３を有する。図６Ａ〜図６Ｄに示すような上下側トラック１２７、１２８は、コンソール１２２に対して所定の角度で位置決めされており、それによってトラック１２７、１２８に沿ったホイール１３０、１３１、１３３の移動により、マニピュレータ１２４のアームがコンソールを通しておよびこれを越えて延ばされた（これは、特定の実施形態によると、患者内に延びることを意味する）場合に、各マニピュレータ１２４を近似軸１３２周りで回転させる。１つの実施形態では、各マニピュレータ１２４Ａ、１２４Ｂの近似軸１３２Ａ、１３２Ｂは、ロボット・デバイス１３４の実際のショルダ継手１３６Ａ、１３６Ｂと一致する、あるいはそれと概ね同じ場所にあり、それによってマニピュレータ１２４はユーザにはロボット・アーム１３８Ａ、１３８Ｂに直接接続されているように「見える」。

代替実施態様では、トラックがマニピュレータに接続され、ホイールがコンソールに接続されるように、担持システムの構成要素を逆にすることができる。本実施形態では、図１に示すように、担持ホイール１３０は回転し、一方トラック１２８は近似軸１３２周りで移動する。

図６Ａ〜図６Ｄは、１平面内の１セットのトラック１２８および担持ホイール１３０を含む担持システム１２６を示すが、代替実施形態では、担持システムは、任意の数の平面内の任意の数のセットのトラックおよび担持ホイールを含むことができる。１つの実施形態では、トラックはコンソールにしっかり保持されていないが、代わりに第２のセットの担持ホイールに取り付けられている。この第２のセットの担持ホイールはその後、コンソールに取り付けられた第２のトラックに固定される。本実施形態では、第１のトラック／担持ホイール・アセンブリにより１つの回転が可能になり、一方第２のトラック／担持ホイール・アセンブリにより第２の回転が可能になる。この組合せにより、手術中の腹腔鏡手術器具には一般的な２つの軸外回転が行なわれる。

別の代替実施形態では、マニピュレータ１４０Ａ、１４０Ｂ（集合的に、「マニピュレータ１４０」と呼ぶ）は、図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃに示すように、オフセット平面ヒンジ継手１４４Ａ、１４４Ｂによってコンソール１４２に接続させることができる。オフセット平面ヒンジ継手は、マイクロ操作の分野や、さらに、複数のヒンジが互いに接続されて同心マルチリンク球面継手を形成する並列ロボット工学の分野で使用されていることを理解されたい。１つの実施態様によると、ロボット・デバイス１４６の通常および実際の制御は、各マニピュレータ１４０をロボット・デバイス１４６のそれぞれのショルダ継手１４８Ａ、１４８Ｂと概ね同じ場所に位置する近似軸周りで回転させるように構成することによって達成される。したがって、オフセット平面ヒンジ継手１４４の使用により、腹腔鏡手術器具に一般的な回転を概ね複製する２つの軸外回転が可能になる。

１つの実施形態では、オフセット平面ヒンジ継手１４４は、第１の屈曲ブラケット１５０Ａ、１５０Ｂおよび第２の屈曲ブラケット１５２Ａ、１５２Ｂ（集合的に、「屈曲ブラケット１５０、１５２」と呼ぶ）、第１の直線ブラケット１５４Ａ、１５４Ｂおよび第２の直線ブラケット１５６Ａ、１５６Ｂ（集合的に、「直線ブラケット１５４、１５６」と呼ぶ）、および水平ばね板１５８Ａ、１５８Ｂおよびベースばね板１６０Ａ、１６０Ｂ（集合的に、「ばね板１５８、１６０」と呼ぶ）を含む６棒リンクである。ばね板１５８、１６０は、単一の軸周りの回転を可能にするので、ドア・ヒンジと同様である。水平ばね板１５８Ａ、１５８Ｂにより、マニピュレータ１４０は矢印Ｃによって示すように軸方向に回転し、矢印Ｄによって示すように上下に平行移動することが可能になる。ベースばね板１６０Ａ、１６０Ｂはまた、固定ピン１６２Ａ、１６２Ｂ周りで矢印Ｂによって示すように自由に回転する。６棒リンクにより、マニピュレータ１４０が、デバイス・ショルダ継手１４８と概ね同じ領域に置かれた近似遠隔軸周りで矢印Ａに沿って回転することが可能になる。これらの組み合わされた３つの回転により、コンソール１４２およびロボット１４６が物理的に接続していない状態で、従来の腹腔鏡検査の外観および感触が可能になる。

図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃに示すようなオフセット表面ヒンジ継手構成により、ロボット・デバイス・ショルダ継手１４８と概ね同じ場所にある近似回転軸周りのマニピュレータ１４０の回転が可能になる。この運動学的構成は、普通のレバーと同様の他の機械設計で実施されている。本実施形態では、概ねショルダ継手１４８に置かれている各マニピュレータ１４０の近似回転軸により、マニピュレータ１４０の動作が標準的腹腔鏡手術ツールの動作を概ね模倣する。ショルダ継手１４８とほぼ同じ場所に置かれた近似軸周りの回転を可能にすることに加えて、また、オフセット平面ヒンジ継手１４４により、各マニピュレータ１４０Ａ、１４０Ｂがそのそれぞれの軸周りに回転し、水平ばね板１５８を通して平行移動することが可能になる。

いくつかの代替実施形態では、コンソール１４２に対するマニピュレータ１４０の近似回転軸は、可変皮膚厚さに対応するように調節可能である。これは、オフセット平面ヒンジ継手１４４をコンソール１４２から離れるように垂直にまたは平行に移動させることによって、または固定ピン１６２の角度を調節することによって達成される。当業者には、この調節は、個別の患者によって腹壁の様々な厚さのためにキャリブレーションすることができる電子設定の形であってもよいことが認識され、理解される。

本出願の図の多くは２つのマニピュレータを有するコンソールを示すが、コンソールは任意の数のマニピュレータを備えることができることを理解されたい。例えば、コンソールは、各セットが患者の体腔内で協働して使用されている異なるロボット・デバイス専用である、２セット以上のマニピュレータを備えることができる。別の方法では、コンソールまたはマニピュレータは、２つ以上のロボット・デバイスを操作することが可能である。例えば、１つの実施形態では、マニピュレータまたはコンソールは、ユーザが１つのロボット・デバイスから別のロボット・デバイスまでの通信を切り換え、それによって１つのロボット・デバイスから別のロボット・デバイスまでの操作制御を切り換えることを可能にするスイッチ、または任意の他のタイプの知られている入力を備えている。このスイッチは、コンソール上の機械トグル・タイプ・スイッチ、または床面上のフットペダルであってもよい。スイッチはまた、ソフトウェアで実現される切換能力を備えたコンソール上のタッチ・スクリーンに組み込まれ、コンソール・タッチ・スクリーン・インターフェイス上の図形を押すことによって作動させることができる。したがって、コンソールおよびマニピュレータは、１つのロボット・デバイス、２つのロボット・デバイス、または外科的処置で共に使用される可能性がある任意の数または組合せのロボット・デバイスで使用することができる。加えて、コンソールおよびマニピュレータは、患者の体腔内のロボット・デバイスだけでなく、完全には体腔内に置かれていないロボット・デバイスを制御するために使用することができる。

代替実施形態では、コンソールは任意のマニピュレータを備えていなくてもよい。コンソールが任意のマニピュレータを備えていない実施形態では、コンソール磁石は、体腔内の周りでロボット・デバイスを移動させるために使用することができる。別の実施形態では、マニピュレータおよびコンソールは物理的に別個の構成要素であってもよい。

図８Ａおよび図８Ｂは、マニピュレータのないコンソール１８０の１つの実施形態を示す。本実施形態では、コンソール磁石１８２は、コンソール１８６の後面１８４に取り付けられている。別の方法では、本願明細書に開示する任意のコンソールと同様に、コンソール磁石１８２は、ロボット・デバイスに磁気結合させることが可能であるように、コンソール１８６上の任意の構成または場所に位置決めされた２つ以上の磁石であってもよい。実際、コンソール１８６は、コンソール１８６の後面１８４およびコンソール磁石１８２が外部表面に隣接するように、体腔の外部表面上にまたはこれに隣接して位置決めされている。この位置では、コンソール磁石１８２は、患者の身体内に配置された任意のロボット・デバイスと相互作用することができ、特定の実施形態では、体腔の内部空洞壁に対して定位置にデバイスを維持することができる。

１つの実施形態では、図８Ａおよび図８Ｂのコンソール１８６は、アームを備えていないロボット・デバイスを操作するために使用される。すなわち、コンソール１８６を身体の外側で移動させて患者の身体の内側での１点から別の点までロボット・デバイスを移動させるのにコンソール１８６を使用することができ、さらに患者の内側に位置決めすることができる様々な種類のロボット・デバイスを操作するためにアーム以外の作動構成要素を有することができる。これに限らないが、コンソール１８６で操作することができるタイプのロボット・デバイスの例としては、米国特許出願第１１／７６６，６８３号に開示されるものなどのロボット・カメラ・デバイスが挙げられる。本実施形態では、ロボット・カメラからの視覚フィードバックは、映像スクリーン１８８上に表示することができる。別の実施形態では、コンソール１８６は、コンソール１８６を任意のロボット・デバイスで使用することを可能にするボタン、または他のタイプのアクチュエータなどの非アーム・コントロールを有する。

マニピュレータ・アームを備えていないコンソールの２つの別の実施形態が、図９、図１０Ａおよび図１０Ｂに与えられる。図９は、コンソール２０２、コンソール磁石２０４Ａおよび２０４Ｂ（集合的に、「コンソール磁石２０４」と呼ぶ）、および磁気制御ロボット・デバイス２０６を有する外科用視覚化およびデバイス操作システム２００を示す。図１０Ａおよび図１０Ｂは、コンソール２１２、第１のコンソール磁石２１４Ａおよび第２のコンソール磁石２１４Ｂ（集合的に、「コンソール磁石２１４」と呼ぶ）、および磁気制御ロボット・デバイス２１６を有する外科用視覚化およびデバイス操作システム２１０を示す。コンソール２０２、２１２がマニピュレータを備えていない場合、ロボット・デバイス２０６および２１６はしたがって、体腔２１８の上でコンソール２０２、２１２およびコンソール磁石２０４、２１４の移動によってそれぞれ制御される。

本願明細書で開示された任意のコンソール実施形態は、医療処置に使用することができる任意の知られているロボット・デバイスを位置決めおよび／または制御するために使用することができることを理解されたい。

図１１は、システムが、１つは指導者２２２用、もう１つは生徒２２４用の２つのコンソールを備えている１つの実施形態による外科用システム２２０を示す。２つのコンソール２２６Ａ、２２６Ｂは、患者の身体内に位置決めされたロボット・デバイス（図示せず）に接続、あるいは結合されている。各コンソール２２６Ａ、２２６Ｂは、右側マニピュレータ・アーム２２８Ａ、２２８Ｂおよび左側マニピュレータ・アーム２３０Ａ、２３０Ｂを有する。別の方法では、様々なコンソール実施形態に関して本願明細書に記載されたように、各コンソール２２６Ａ、２２６Ｂは、１つのマニピュレータ・アームを有する、マニピュレータ・アームを有しない、または任意の他の構成を有することができる。本実施形態では、生徒コンソール２２６Ｂで与えられるコマンドは、終端エフェクタが組織を損傷するのを防ぐなどの様々な目的でバイパスさせることができる。

図１１に示すように、２つのコンソール２２６Ａ、２２６Ｂは、患者の内部で使用されるインビボ手術ロボットに接続されている。各コンソール２２６とロボット・デバイス（図示せず）との間の接続は、本願明細書に記載するような任意の接続であってもよい。コンソール２２６を位置決めする箇所も任意であることを理解されたい。１つの実施形態では、コンソール２２６は患者２３２上に直接位置決めされる。別の方法では、患者２３２のそばに位置決めすることができる。例えば、患者２３２のそばに位置決めされる１つの実施形態では、両方のコンソール２２６Ａ、２２６Ｂは、譜面台と同様のスタンド上に置かれている。さらに、コンソール２２２６が患者２３２のそばに、または同じ部屋に位置決めされている場合、コンソール２２６Ａ、２２６Ｂはコンソール２２６Ａ、２２６Ｂのユーザ２２２、２２４が患者２３２に対向するように位置決めすることができることを理解されたい。１つの実施形態では、コンソール２２６Ａ、２２６Ｂは並べて位置決めすることができる。別の方法では、コンソール２２６Ａ、２２６Ｂは患者２３２と部屋内の任意の向きに位置決めすることができる。

上述したような１つの実施態様によると、両方のコンソール２２６は患者と同じ部屋に位置決めされている。別の方法では、１つのコンソールは患者と同じ部屋に位置決めされており、もう１つのコンソールは同じ建物内の別の部屋などのどこか別の場所、または同じ国の別の場所、または世界中の別の場所に位置決めされている。別の代替形態では、両方のコンソール２２６Ａ、２２６Ｂは、患者２３２を含む部屋の外側のどこか別の場所に位置決めされている。その結果、外科医２２２および／または生徒２２４は、世界中の異なる場所からを含む、遠隔でコンソールを操作することができる。

図１１に示すシステムの１つの実施形態は、患者の安全性を高める。すなわち、システムにより、複数の手または複数のオペレータが同時に機器にアクセスすることが可能になり、一方、ペダル２３４またはボタン（図示せず）の接触によって、指導者２２２が生徒のコンソール２２６Ｂをロボット・デバイスから切断（または「凍結」）する（すなわち、コマンドを生徒のコンソール２２６Ｂから送信することができないように、生徒のコンソール２２６Ｂとロボット・デバイスとの間の通信を切断）することも可能になる。このように、指導者２２２は、必要に応じて手術中にロボット・デバイスの制御を引き継ぐことができる。

別の実施態様によると、コンソール・マニピュレータ２２８、２３０（「マニピュレータ・ハンドル」、「ハンドル」、または「ジョイスティック」とも呼ぶ）は、上述した他のコンソール実施形態で記載したようなものに接続された位置符号器（ジョイスティック位置を判断するために使用される）を有するだけでなく、コンソール２２６Ａ、２２６Ｂはハンドル２３０、２２８を駆動するように構成されたアクチュエータ（図示せず）を有することもできる。すなわち、アクチュエータはハンドル２３０Ａ、２２８Ａに接続され、それによってアクチュエータはハンドル２３０Ｂ、２２８Ｂを移動させるために作動させることができる。１つの実施形態によると、第２のコンソール２２６Ｂ上のアクチュエータは第１のコンソール２２６Ａと接続させることができ、それによって第１のコンソール２２６Ａでのハンドル操作により、第２のコンソール２２６Ｂでのアクチュエータがハンドル２２８Ｂ、２３０Ｂを作動させることができる。したがって、１つの実施態様は、２つのコンソール２２６Ａ，２２６Ｂ間のマスタ／スレーブ関係を与える。このマスタ／スレーブ関係は何れの方向でも機能することができ、それによって第１のコンソール２２６Ａでのマニピュレータ２３０Ａ、２２８Ａの何れかが第２のコンソール２２６Ｂでのマニピュレータ２３０Ｂ、２２８Ｂを制御している、または逆も同様であることを理解されたい。

１つの実施形態によると、コンソール２２６に関して上に記載したマスタ／スレーブ接続実施態様は、生徒が手術中に指導者の動作を観察することを可能にする。すなわち、指導者のコンソール２２６Ａでのハンドル２３０Ａ、２２８Ａの移動により、生徒のコンソール２２６Ｂでのハンドル２３０Ｂ、２２８Ｂが同じように移動し、それによって生徒２２４がハンドル２３０Ｂ、２２８Ｂの移動を観察することが可能になる。同様に、生徒２２４が制御を行なう場合、指導者のコンソール２２６Ａはスレーブ・コンソールとなり得る。すなわち、生徒コンソール・ハンドル２３０Ｂ、２２８Ｂの移動が指導者のコンソール・ハンドル２３０Ａ、２２８Ａの同様の移動を作動させるように、生徒のコンソール２２６Ｂのハンドル２３０Ｂ、２２８Ｂは、指導者のコンソール２２６Ａのハンドル２３０Ａ、２２８Ａに接続させることができ、それによって指導者２２２は生徒２２４が行なっていることに対する「感触」を観察または維持することができる。１つの代替実施形態によると、指導者のコンソール２２６Ａはまた、生徒コンソール２２６Ｂを終端エフェクタ１８４、１８６から切断する、あるいは生徒コンソール２２６Ｂとインビボ・デバイス（図示せず）との間の通信を分裂させるための上述したようなペダル２３４、ボタン、または任意の他の種類の構成要素（図示せず）を有することができる。したがって、指導者２２２は、コンソール２２６Ａ，２２６Ｂ間のマスタ／スレーブ接続を介して生徒２２４の動作を観察し、必要に応じて、手術を容易に引き継ぐために分断ペダル２３４を作動させることができる。

上記したような連結コンソールは、インビボ手術ロボット・デバイスを制御可能な任意のコンソールを制御するための中央コマンドを備えた任意の数のコンソールを含むことができることを理解されたい。別の実施態様によると、複数のコンソールからのコマンドは、ロボット・デバイスに命令するために共に使用することができる。本実施形態では、指導者が生徒のさらなる制御を徐々に許可するために、複数のコマンドを調製することができる。

図１２Ａおよび図１２Ｂは、図１２Ａに示す指導者コンソールのユーザがペン２４２（または、任意のペン状機器、またはユーザの指）でスクリーン２４４を触ることによって、図１２Ｂに示す生徒コンソール２５８上に見える情報および／または指示を与えるように指導者コンソールが構成されている別の実施形態による外科用システム２４０を示す。指導者コンソール２４６は「第１のコンソール」または「一次コンソール」と呼ぶこともでき、一方、生徒コンソール２５８は「第２のコンソール」または「二次コンソール」と呼ぶこともできる。本実施態様では、システム２４０は、図１２Ａ内のスクリーン２４４上で描かれた指示が図１２Ｂの生徒のスクリーン２６０上に見えるように構成されている。１つの実施形態では、指導者２４８は、生徒２６２と容易に通信するためにこのシステム２４０を使用することができる。例えば、指導者２４８は、重要な外科的特徴および当該部位の地点を容易に示すことができる。

一次コンソール２４６のユーザ２０６は指導者である必要はないが、二次コンソール２５８で見えるように、一次コンソール２４６での情報を入力することができるまたは入力したい任意のユーザである可能性があることを理解されたい。また、１つの代替実施態様によると、１つのスクリーン上の情報の入力、および他のスクリーン上の外観は何れの方向にも作用することができ、それによって何れかのスクリーン上に入力される情報がもう１つのスクリーン上で見えるようになることを理解されたい。

また、図１２Ａおよび図１２Ｂに関して上述した技術は、標準的ツールを使用して標準的腹腔鏡手術で使用することができる、または図１２Ｂに示すようなインビボ・ロボット・デバイスの使用と組み合わせることができることを理解されたい。

標準的腹腔鏡技術で使用される場合、１つの実施形態によると、外科医２０６は、腹腔鏡からの映像供給を含んでいても含んでいなくてもよいタッチ・スクリーン・モニタ２４４上のペン状機器２４２を使用して情報を与える。この入力はその後、外科チームが使用しているモニタまたはスクリーン２６０の上に重ねられる、あるいはその上に見える。本実施形態では、入力タッチ・スクリーン２４４はさらに、指導者２０６が任意のマーキングを消す、またはスクリーン２４４を洗浄することを可能にする。さらに、システム２４０はまた、処置のセグメント（または処置全体）を保存することを可能にする。これらのセグメントは、映像、音声、およびスクリーン２４４上に描かれた指示を含むことができる。これにより、指導者２０６または生徒２６２は、手術を再検討する、またはさらにはスレーブ・モードで何れかのコンソール２４６、２５８を使用して手術を再生することが可能になる。

１つの実施形態では、上記システムで使用されるタッチ・スクリーン２４４は、ヒューレット・パッカード社（Ｈｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ）［米国カルフォルニア州パロ・オルト（Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ）所在］によるＰａｖｉｌｉｏｎ ＴＸ１０００Ｚなどのタッチ・スクリーン・タブレット・ノートブックである。代替実施形態では、タッチ・スクリーンは、マス・マルチメディア・インク社（Ｍａｓｓ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ，Ｉｎｃ）［米国コロラド州コロラド・スプリングズ（Ｃｏｌｏｒａｄｏ Ｓｐｒｉｎｇｓ）所在］によるＭａｇｉｃＴｏｕｃｈタッチ・スクリーンなどのタッチ・スクリーン・オーバーレイである。１つの実施形態では、スクリーン間の通信はＵＳＢ技術により伝達され、一方別の実施形態では、生徒スクリーン２６０は標準的９ピン・モニタ出力を使用して指導者タブレット・ノートブックから作動する第２のスクリーンである。別の代替形態では、上記システムの様々な実施形態で利用されるタッチ・スクリーンは、当技術分野で知られている任意の知られているタッチ・スクリーンであってもよい。

図１３は、安定化システム２８２を有する外科用システム２８０の別の実施形態を示す。１つの実施形態によると、安定化システム２８２によりコンソール２８８を定位置に安定化および／または固定することが可能になる。このような安定化システム２８２は、患者の身体および／または患者の身体内に配置されたデバイス２９８に対するコンソール２８８およびハンドル２９４のロッキングおよび移動につながる可能性がある、コンソール２８８およびマニピュレータ２９４の重量、および／または使用中に外科医によって加えられる力によって生じる手術環境の不安定性を小さくすることができる。

図１３に示すように、システムは２つのリンク２８４を有する。各リンク２８４の１つの端部は、コンソール２８８に取り付けられ、各リンク２８４のもう１つの端部はベース２９０に取り付けられている。別の方法では、リンク２８４は、マニピュレータ・アーム２９４または視覚化および制御システム２８０の任意の他の部分に取り付けることができる。

ベース２９０は、１つの実施形態によると、プラットフォーム、テーブル（例えば、作業台を含む）、移動ベッド、スタンド、またはカートである。別の方法では、ベース２９０は、作業台または治療領域内の他の同様の物体に接続され、これに沿って平行移動するように構成された平行移動構成要素であり、それによって安定化システム２８２は患者の側部に近接して、またはこれに沿って前後に移動することができる。別の代替形態では、ベース２９０は床面または任意の他の安定物体である。ベース２９０へのコンソール２８８のリンク２８４による取り付けにより、構成要素２８８に安定性を与える。さらに別の代替形態では、ベースがなく、リンク２８４はある様態で患者に取り付けられるまたは接続される。例えば、１つの実施形態では、リンク２８４は、患者の脚部または腰の周りのストラップまたは他の物体、あるいは患者に取り付けられたまたは接続された任意の他のタイプの物体に取り付けることができる。

１つの態様では、リンク２８４はさらに、ロボット２９８を患者の身体の内部に粗く位置決めし、その後システム２８２を処置のために適切なまたは所望の位置にロックする能力を外科医に与える。１つの実施態様では、ベース２９０は絶対的剛性を与える、または別の方法では、システム２８２の移動の様々な減衰量を与える。さらに、システム２８２はその後ロックが外されて、外科医が処置中にシステム２８２を再位置決めする、またはシステム２８２を取り除くことが可能になる。

リンク２８４は、システム２８０およびベース２９０を取り付け安定化することが可能な任意の構造であってもよい。１つの代替実施形態では、リンク２８４はベース２９０への取付を助けるクランプ（略図的に２９２と示す）を有する。

別の実施形態では、リンク２８４はさらに、リンク２８４を必要に応じて再構成または再位置決めすることを可能にする１つまたは複数の継手（略図的に２８６と示す）を有する。このような継手２８６は、定位置に位置決めし、その後固定することができるようにロック可能である。さらに、継手２８６はまた、可変量の減衰を与えることができる。

図１３に示すような１つの実施形態によると、安定化システム２８２は２つのリンク２８４を有する。別の方法では、システムは１つのリンク、または３つ以上のリンクを有することができる。リンクの数は、患者の寸法、行なわれている処置、および／または使用されている特定の処置機器（特定のロボット・デバイスを含む）によって変更することができる。

システム２８２の機械継手、リンク、および取付クランプは、金属またはポリマー、または医療用デバイスで使用される任意の他の知られている材料で製造することができる。さらに、リンク２８４は剛性があるまたは変形可能であってもよい。リンク２８４が変形可能である実施形態では、継手２８６は粗位置決めのために調節することができ、一方細かい位置決めは、視覚化および制御システムの正確な位置を可能にするために、リンクを変形または屈曲することによって達成される。

患者の体腔内で使用するために構成された任意のロボット・デバイスは、本願明細書に記載された様々な外科用視覚およびデバイス操作システムの１つまたは複数で使用することができる。本願明細書で使用するように、「ロボット・デバイス」は、外科的処置中に腹腔鏡的または内視鏡的に使用することができる任意のデバイスを意味することを意図している。本願明細書で開示されたシステムで使用することができる様々なロボット・デバイスのいくつかは、これに限らないが、米国同時係属特許出願第１１／９３２，４４１号（２００７年１０月３１日出願、名称「外科応用例のためのロボット」）、米国同時係属特許出願第１１／６９５，９４４号（２００７年４月３日出願、名称「外科応用例のためのロボット」）、米国同時係属特許出願第１１／９４７，０９７号（２００７年１１月２７日出願、名称「薬剤運搬構成要素を備えたデバイス用ロボットおよび関連する方法」）、米国同時係属特許出願第１１／９３２，５１６号（２００７年１０月３１日出願、名称「外科応用例のためのロボット」）、米国特許出願第１１／７６６，６８３号（２００７年６月２１日、名称「磁気結合可能な手術ロボット・デバイスおよび関連する方法」）、米国同時係属特許出願第１１／７６６，７２０号（２００７年６月２１日出願、名称「磁気結合可能なロボット・デバイスおよび関連する方法」）、米国同時係属特許出願第６０／８９０，６９１号（２００７年２月２０日出願）、米国同時係属特許出願第６０／９４９，３９１号（２００７年７月１２日出願）、米国同時係属特許出願第６０／９４９，３９０号（２００７年７月１２日出願）、米国同時係属特許出願第６０／９５６，０３２号（２００７年８月１５日出願）、米国同時係属特許出願第６０／９８３，４４５号（２００７年１０月２９日出願）、米国同時係属特許出願第６０／９９０，０６２号（２００７年１１月２６日出願）、米国同時係属特許出願第６０／９９０，０７６号（２００７年１１月２６日出願）、米国同時係属特許出願第６０／９９０，０８６号（２００７年１１月２６日出願）、米国同時係属特許出願第６０／９９０，１０６号（２００７年１１月２６日出願）、第６０／９９０，４７０号（２００７年１１月２６日出願）に開示されたデバイスの任意の１つまたは複数を含んでおり、これら全ては全体を本願明細書に援用する。

例示的な実施形態では、ロボット・デバイスは、ＮＯＴＥＳデバイスなどの自然開口部経腔内視鏡外科用デバイスであってもよい。当業者には、当技術分野で知られる特徴と合わせて本願明細書で開示された特徴を含む、特徴の様々な組合せが利用可能であることが認識され、理解される。

図１４Ａおよび図１４Ｂは、それぞれ非折り畳み位置および折り畳み位置にある、本願明細書に開示されたシステムの１つまたは複数で使用されるロボット・デバイス３００の１つの実施形態を示す。図１４Ａおよび図１４Ｂを相互に参照して説明する。ロボット・デバイス３００は、デバイス磁石（図示せず）、本体３０２、第１のアーム３０４Ａおよび第２のアーム３０４Ｂ（集合的に、「アーム３０４」と呼ぶ）、第１のショルダ継手３０６Ａおよび第２のショルダ継手３０６Ｂ（集合的に、「ショルダ継手３０６」と呼ぶ）、第１の肘継手３０８Ａおよび第２の肘継手３０８Ｂ（集合的に、「肘継手３０８」と呼ぶ）、第１の終端エフェクタ３１０Ａおよび第２の終端エフェクタ３１０Ｂ（集合的に、「終端エフェクタ３１０」と呼ぶ）、ならびに画像化構成要素３１２を備えている。ここでは、ショルダ継手３０６は２つの方向に回転可能であり、肘継手３０８は１方向に平行移動し、終端エフェクタ３１０は１方向に回転する。１つの実施形態では、デバイス磁石（図示せず）は、上述した実施態様と同様の様態でロボット・デバイス３００を患者内にコンソールに対して空間的関係で位置決めするために、コンソール磁石などの外部磁石と相互作用することができる。

第１のアーム３０４Ａの上側（または、「第１の」）部分は、第１のショルダ継手３０６Ａによって本体３０２に旋回可能に接続されている。さらに、第１のアームの下側（または、「第２の」）部分３１４Ａは、第１の肘継手３０８Ａで上側部分３０４Ａに平行移動可能に接続されている。第１の終端エフェクタ（または、「操作構成要素」）３１０Ａは、下側部分３１４Ａに回転可能に取り付けられている。同様に、第２のアーム３０４Ｂの上側部分は、第２のショルダ継手３０６Ｂによって本体３０２に旋回可能に接続されており、一方下側部分３１４Ｂは第２の肘継手３０８Ｂで上側部分３０４Ｂに平行移動可能に接続されている。第２の終端エフェクタ３１０Ｂは、下側部分３１４Ｂに回転可能に取り付けられている。本体３０２へのアーム３０４の接続により、アーム３０４は本体３０２の長さと垂直な軸周りに、さらに本体３０２の長さと平行な軸周りに回転することが可能になる。

図１４Ｂに最もよく示すような１つの実施形態によると、各アーム３０４は４つの自由度（ＤＯＦ）を有し、それによって終端エフェクタ３１０の動作は標準的腹腔鏡ツールの動作（３つの回転および１つの平行移動）と同様である。各アーム３０４は、矢印Ａによって示すように本体３０２の長さに垂直な軸周りに回転することができ（回転は「ヨー」とも呼ばれる）、さらに矢印Ｂによって示すように本体３０２と平行な軸周りに回転することができる（回転は「ピッチ」とも呼ばれる）。加えて、各アーム３０４は、矢印Ｃに示すようにアーム３０４と平行な軸周りに終端エフェクタ３１０で回転することができる（回転は「ロール」とも呼ばれる）。最後に、各アーム３０４はまた、終端エフェクタのリーチを長くするために、矢印Ｄによって示すように下側部分３１４の伸張によって平行移動可能に延ばすことができる。本実施形態では、伸張または平行移動Ｄは、ここでは肘継手と呼ばれるプリズム継手を使用して達成される。本願明細書に開示された様々な実施形態によるマニピュレータを有するコンソールとともに、標準的腹腔鏡ツールと同じ自由度を有するアーム３０４を備えたロボット・デバイス３００を使用することにより、ユーザが標準的な非ロボット腹腔鏡ツールの移動を実質的に複製する様態でマニピュレータを操作することが可能になる。様々な特定のロボット・デバイスを本願明細書に示すことができるが、様々な自由度を有するアームまたは終端エフェクタを備えた多くのロボット・デバイスが利用可能であることを理解されたい。別の実施形態では、本願明細書で開示されたコンソールはまた、アームまたは終端エフェクタを備えていない様々なロボット・デバイスで使用することができることを理解されたい。

アーム３０４の下側部分３１４は、上側アーム部分３０４から伸縮可能な終端エフェクタ３１０と嵌合している。終端エフェクタ３１０の設計は、既存の標準的な手持ち式腹腔鏡ツールに基づいている。本願明細書で使用されるように、「終端エフェクタ」は、外科的または診査処置に関連するいくつかの動作または処置を行なう任意の構成要素、特に任意の知られている外科的または診査腹腔鏡処置を行なう、またはこの性能を助けることができる任意のデバイスを意味することを意図している。終端エフェクタは、「操作構成要素」と呼ぶこともできる。１つの態様では、１つまたは複数の終端エフェクタ３１０は、高い器用さを必要とする処置を助ける。現在知られている標準的技術では、剛性のある腹腔鏡ツールを小さな切開部に通すことによりツール先端の移動および位置決めが制約されるので、移動が制約される。これに対して、体腔内部に操作構成要素を有するロボット・デバイスは、同じ制約を受けない。終端エフェクタ３１０の例としては、これに限らないが、クランプ、外科用メス、任意のタイプの生検ツール、把持器具、鉗子、ステープラ、切断デバイス、焼灼デバイス、吸引／洗浄デバイス、超音波燃焼デバイスまたは他の同様の構成要素が挙げられる。終端エフェクタは、本願明細書で開示された特許または出願のいずかに開示されたような交換可能終端エフェクタを含む任意の終端エフェクタ、または医療用処置のためにロボット・デバイスで使用される任意の他の知られている終端エフェクタであってもよいことを理解されたい。加えて、これらのデバイスはまた、当技術分野で知られている、および／または援用する特許または出願に記載されているようなアクチュエータなどの、終端エフェクタを操作するのに有用である任意の追加構成要素を含むことができることを理解されたい。

ロボット・デバイス３００は、画像化構成要素３１２を介して外科医に２次元視覚フィードバック、３次元視覚フィードバック、または立体画像化を与えることができる。１つの実施形態によると、画像化構成要素３１２（本願明細書では、「カメラ」とも呼ぶ）は、ロボット・デバイス３００の本体３０２の中心部に配置されている。本願明細書で使用されるような画像化構成要素３１２は、画像を捕捉するための任意のデバイスを意味することを意図していることを理解されたい。画像化構成要素３１２は、コンソール（例えば、図１のコンソール１２など）上の視覚ディスプレイに体腔の視覚フィードバックを与える。画像化構成要素３１２の様々な実施形態は、これに限らないが、視覚ディスプレイを通してユーザにリアルタイム映像を与えるカメラ、３次元画像を生成するステレオ・カメラ、相補型金属酸化膜半導体（「ＣＭＯＳ」）デジタル画像センサ、四角形７ｍｍカメラ、原時点で携帯電話で使用されるものと同様の任意の小型カメラ、原時点で内視鏡デバイス内でまたはこれで使用される任意の画像化デバイス、流し撮りおよび傾斜カメラ、ならびに腹腔全体を観察するために十分な被写界深度を与える任意のデバイスを含んでいる。相補型金属酸化膜半導体（「ＣＭＯＳ」）デジタル画像センサの例示的な実施形態は、マイクロン・テクノロジー・インク社（Ｍｉｃｒｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ．）［米国アイダホ州ボイシ（Ｂｏｉｓｅ）所在］によるモデルＮｏ．ＭＴ９Ｖ１２５である。さらに、本願明細書で援用する特許または出願の何れかで開示された任意の画像化構成要素は、本願明細書で説明するシステムおよびデバイスで使用される任意のデバイスに組み込むことができる。図１４Ａおよび図１４Ｂはロボット・デバイス３００の本体３０２の中心部に配置された画像化構成要素３１２を示すが、画像化構成要素３１２は、本体３０２またはロボット・デバイス３００の任意の部分に配置することができる。

画像化構成要素３１２は１つの実施態様では、「視野」とも呼ばれる、見られる領域を照らすように構成された照明構成要素（図示せず）を備えることもできる。当該領域（例えば、手術部位など）の視野が改善される、または表示領域が大きくなるように、照明構成要素は、画像化構成要素に一定のまたは可変の照明を与えるために任意の画像化構成要素および終端エフェクタに近接して位置決めすることができる。照明構成要素は、手術部位の視野を照らし、それによって任意のロボット・デバイス、および／またはこのようなロボット・デバイスとあわせて使用されている任意の他のデバイスの操作が容易になる。１つの例では、照明構成要素は発光ダイオード（ＬＥＤ）ライトである。別の例では、照明構成要素は患者の外側に光源を備えた光ファイバ・フィラメントまたはケーブルであってもよく、光ファイバ・ケーブルを介してロボットに伝達することができる。別の代替形態では、照明構成要素は、本願明細書で援用する特許または出願の何れかで開示されるような任意のソースを含む、任意の適切な照明源であってもよい。照明構成要素１つだけを備えた画像化構成要素３１２が説明されているが、画像化構成要素３１２は任意の数の照明構成要素を備えることができる。例示的な実施形態では、照明構成要素は２つの５ｍｍＬＥＤを備えることができる。

ロボット・デバイス３００は、標準的腹腔鏡ポートまたは自然開口部解決法、または当技術分野で知られているまたは本願明細書に援用する特許または出願の何れかに開示された任意の他の方法の使用を含む、多くの方法で体腔内に挿入するまたは位置決めすることができる。１つの実施形態では、ロボット・デバイス３００のアーム３０４は、各ショルダ継手３０６Ａおよび３０６Ｂで、それぞれ磁石３２８Ａおよび３２８Ｂから磁石３２６Ａおよび３２６Ｂを切断することによって部分的に切断される。これにより、アーム３０４の回転レベルが大きくなり、体腔内により容易に挿入することができるように、ロボット・デバイス３００が直線的だが可撓性がある構造をとることが可能になる。ロボット・デバイス３００はその後、体腔内で一度組み立てることができる。この組立てには、磁石３２８Ａを３２６Ａに、磁石３２８Ｂを３２６Ｂに取り付けることが必要である。１つの例では、外科医は他のツールを使用してこの組立てを積極的に行なうことができる。別の例では、アームは挿入後にこの位置まで移動するように装填されたばねである。

図１４Ａおよび図１４Ｂに示されたロボット・デバイス２６０は、様々なモータ、および上記に参照として援用した、２００７年６月２１日出願の「磁気結合可能なロボット・デバイスおよび関連する方法」という名称の米国特許出願第１１／７６６，６８３号に開示されたものと同様のデバイスの操作のための他の内部構成要素を含んでいることを理解されたい。また、このデバイスは本願明細書に開示された視覚化および制御システムで使用することができる、多くのロボット・デバイスの単なる例示的なものであることを理解されたい。

複数の実施形態を開示したが、さらなる他の実施形態は、例示的な実施形態を示し記載する以下の詳細な説明から当業者に明らかとなる。これらの実施形態は、発明の思想および範囲から逸脱することなく、様々な態様で変更を行なうことが可能であることが理解し得る。したがって、図面および詳細な説明は、本来は例示的なものであり限定的なものではないと考えるものとする。

［実施例１］
以下は、本願明細書で開示されたような任意のコンソールで使用することができるＮＯＴＥＳロボット・デバイスの１つの実施形態の動作の例示的な運動学的設計である。設計は、ロボット・デバイスの１つの特定の実施形態の単なる例示的なものであり、上述したように、コンソールとあわせて使用することができる任意の数のロボット・デバイスとして任意の方法で限定することを意図するものではない。

この特定の設計は、図１５Ａに示すように、ロボット・デバイスの運動モデルで始まる。ここで、ＮＯＴＥＳロボットの運動モデルは図では、図１５Ａのロボット略図上に重ねられている。ロボットは、継手変数θ_２およびａ_２によってそれぞれ示される回転ショルダ継手Ａおよびプリズム・アームＢを備えた２ＤＯＦ平面マニピュレータである。

ロボットに対するＤｅｎａｖｉｔ−Ｈａｒｔｅｎｂｅｒｇパラメータが、表１に示されている。パラメータα_０は、重力を取り入れるために使用される普遍的フレーム｛０｝に対するロボットの回転角度を規定する。パラメータａ_１およびａ_３は、それぞれショルダ継手の回転軸に対する終端エフェクタの本体幅およびオフセットを規定する定数である。

一般的な運動モデルおよびＤｅｎａｖｉｔ−Ｈａｒｔｅｎｂｅｒｇパラメータを使用して、フレーム｛１｝に対する終端エフェクタ３３２の場所［ｘ，ｙ］を説明する式が式１で規定され、式２および式３で与えられるようなロボットのヤコビアン行列式を導き出すために使用される。フレーム｛１｝に対する終端エフェクタ３３２の位置は、^１Ｐ_Org4として示されている。

継手変数ａ_２およびθ_２に対する逆運動学方程式は、（１）を解くことによって得られる。式４は、変数ａ_２を説明する逆運動学方程式を記載し、式５はθ_２を記載する。

ショルダ継手の幾何形状は、図１５Ｂに示すオフセット・スライダ・クランク機構の運動モデルによって与えられる。距離ｅは、本体３３８に対するアーム３４０の回転軸Ａまでのスライダ３３４の運動線からのオフセット距離であり、距離ｓは回転軸Ａに対するスライダ３３４の位置である。距離Ｌ１は、ピン３３４とピン３４６との間のリンク３３６の長さである。距離Ｌ２は、回転軸Ａとピン３４４との間の長さである。上記構成から導き出された位置および速度方程式は、クランク位置ψおよび角速度

の関数としてスライダ位置および速度に対して解くことができる。式６は、スライダ位置ｓを記載し、等式７はスライダ速度

を記載している。

開ループ制御試験は、デカルト直線経路に対してＮＯＴＥＳロボットで行なわれた。放物線混合での一次関数を使用し、最大許容速度を考えて、経路はデカルト空間内で計画された。デカルト経路は、全て上式１〜式７で記載された、逆運動関係および逆ヤコビアン行列式を使用して継手空間に変換された。

デカルト空間内のＰ１＝（０，６０）からＰ２＝（４０，８５）までの経路（ｍｍ）が、図１５Ｃに示すように作り出された。継手変数θ_２はその後、アクチュエータ空間に変換され、速度はオフセット・スライダ・クランク機構に対して導き出された方程式を使用して、モータ速度に直線的に関連している（式６および式７）。

生成されたアクチュエータ空間速度軌跡を使用し、６つの開ループ試験が行なわれた。計画経路および実経路の比較が、図１５Ｄに示されている。実経路の平均値が、全ての経路を含むエンベロープを備えて点線で与えられている。開ループ試験は所望の経路を密接してたどるが、フィードバック制御はシステム性能を良くする。

［実施例２］
以下は、ＮＯＴＥＳロボット・デバイスのショルダ継手の１つの実施形態の動作の例示的設計である。ここで、ロボット・デバイスの本体でアームを定平面に保持したいことにより、典型的な継手設計からの逸脱が必要であった。ＮＯＴＥＳロボット・デバイスのショルダ継手の運動モデルの１つの実施例が、図１６に示されている。本機構では、運動用送りねじは、ｙ方向にのみ移動するように制約されたスライダに力（Ｆ_ｓ）を加える。スライダ機構は、各端部で回転自由度でリンク（ｂｄ）によってロボット・アーム（ａｃ）に接続されている。長さ（ａｂ）は一定であり、回転点（ａ）からリンク・ピン（ｂ）までのアームの長さを規定する。長さ（ａｄ）は、回転点（ａ）とスライダ（ｄ）との間の距離を示す。角度θ_１は、（ａｂ）と（ａｄ）との間の角度である。この特定の実施例では、モデルのリンク長さが式８〜式１１に示されている。

これらの長さを使用して、ｘまたはｙ方向に終端エフェクタまで機械を通して平行移動させることができるスライダ（Ｆ_ｓ）からの力の量の式は、式１２および式１３によって導き出され、与えられ、式中Ｆ_ｘはｘ方向の力の量であり、Ｆ_ｙはｙ方向の力の量である。

本運動学的構成では、Ｉに対するｄの割合が１未満である場合にのみ可能である、リンクｂｄがリンクａｄに垂直に近づいたときに、極めて大きな機械的利点が得られる。数学的に、この点では、適用可能な力（Ｆｘ）は無限である。しかし、Ｉに対するｄの割合が１未満である場合、ショルダ継手の運動の範囲は０．９のｄ／Ｉの割合で制限され、６５度の最大回転角度が作り出される。本実施例では、大きな範囲の運動とリンク構成の機械的利点の両方を得るために、１のｄ／Ｉ割合が使用された。この割合で、式１２および式１３はそれぞれ式１４および式１５に簡約し、リンク長さを判断するために使用される。

［実施例３］
以下は、コンソールのマニピュレータの１つの実施形態の運動の例示的設計である。本実施例では、腹腔鏡ツール・ハンドルは、ＮＯＴＥＳロボット・デバイスの移動を制御するために使用される。ロボット・デバイスの自然のおよび実際の制御は、腹腔鏡ツールがロボット・アームと同じ点周りで回転する必要があることによって達成された。この点は図では物理的に同じ点であるが、この点は仮想点である可能性がある。仮想点がコンソールおよびロボット・デバイス両方に対して物理的に同じ場所にない場合の仮想点に対する相対的運動により、同じ効果が作り出される。

本実施例では、米国特許第５，６５７，５８４号に示されたものと同様の「オフセット平面ヒンジ」が使用された。リンクにより、マニピュレータが遠隔点の周りで回転することが可能になる。オフセット平面ヒンジ継手の例が、図１７に示されている。図１７に示されたオフセット平面ヒンジ継手は、図７Ａおよび図７Ｂで示し説明したオフセット平面ヒンジ継手と同様である。本実施例のオフセット平面ヒンジ継手の運動表示が、図１８Ａおよび図１８Ｂに示されている。式１６〜式２２は、リンクの幾何形状を記載している。ピン間のリンク長さが、２つのピン・ラベルとして挙げられている（すなわち、

はピンａとピンｂとの間の距離である）。リンクの多くは、同じ長さであり、リンクＬ１、Ｌ２またはＬ３の何れかの部材としてグループ化されている。角度ψは、リンク

と

との間の角度である

式２０〜式２２は、どのリンクが並列であるかを挙げている。これらの関係で、点ｄから点ｇまでの距離を求めることができる。この距離を使用して、本実施例のリンクの最大回転を判断する。距離は、式２３で与えられ、式２６に簡約される。

運動モデルを使用して、点ｄから点ｇまでの距離がゼロである場合に、本実施例でのばね板の最大相対回転が生じ、本実施例での最大ブラケット回転（θ_ｍａｘ）を求めることができる。

式３１：θ_ｍａｘ＝π−φ
本実施例でのブラケット回転とばね板回転の間の関係は、式３２によって与えられる。上記最大ブラケット回転を代用することにより、式３３に示すように最大ばね板回転が生じる。

式３２：α＝θ−φ−π

本実施例では、オフセット平面ヒンジ継手の設計および位置決めは、いくつかの要因に基づいている。オフセット平面ヒンジ継手を適度な寸法に保持するために、ベースばね板のオフセット角度は約３０°に設定した。本実施例では、マニピュレータの最大回転はオフセット角度によって制限されるが、より大きな最大ばね板回転のための設計により、マニピュレータの十分な回転が可能になる。マニピュレータの位置の測定により、ロボット・デバイス用コントローラとしての使用が可能になる。前に示したように、マニピュレータの回転はブラケット回転に直接関連している（式３２）。本実施例では、この回転は電位差計を使用して測定することができる。さらに、コンソールへの接続ピン周りのオフセット平面ヒンジ継手の回転はまた、電位差計を使用して行なわれる。これらの２つの測定により、マニピュレータの位置を判断することが可能になる。その軸周りの各マニピュレータの平行移動は、機械スイッチまたは直線電位差計を使用して判断することができる。さらに、マニピュレータのハンドルの絞りおよび解放が監視される。当業者には、回転、平行移動、圧力および力を監視および測定するために様々なセンサが当技術分野で利用可能であることが理解される。

外科用視覚化およびデバイス操作システムは普通、視覚ディスプレイおよび１式のマニピュレータを有するコンソールと、体腔内に位置決めされたロボット・デバイスと、コンソールおよびロボット・デバイスを動作可能に接続させる接続構成要素とを備えている。システムは、視覚ディスプレイ上のロボット・デバイスによって捕捉される画像を表示することによって「仮想孔」効果を与える。コンソールは、体腔の上に直接位置決めすることができ、それによって体腔の画像が視覚ディスプレイに供給されているときに、外科医は自分が患者の体腔内を直接見ているように感じる。外科医はその後、マニピュレータが手術部位で体腔内に位置決めされたロボット・デバイスに接続されているかのように、マニピュレータを操作および制御することができる。「視覚孔」効果を与えることに加えて、システムによりまた、外科医が別の場所に置かれた患者に対して処置を行なうことが可能になる。外科医が視覚ディスプレイを見て、マニピュレータを操作すると、ロボット・デバイスはマニピュレータの移動に応答し、マニピュレータを通して外科医によって指示された移動を行なう。

外科用視覚化およびデバイス操作システムを好ましい実施形態を参照して説明したが、当業者には、発明の思想および範囲から逸脱することなく形態および細部に変更を加えることができることが理解される。

Claims (11)

1. 外科用システムであって、
   （ａ）患者の体腔内に全体が位置決めされるロボット・デバイスであって、
   （ｉ）デバイス本体と、
   （ｉｉ）前記デバイス本体に動作可能に接続され、第１の終端エフェクタを含む第１のロボット・アームと、
   （ｉｉｉ）前記デバイス本体に動作可能に接続され、第２の終端エフェクタを含む第２のロボット・アームと、
   （ｉｖ）前記デバイス本体に付随して設けられ、前記第１及び第２のロボット・アーム間に位置決めされたカメラと、
   を含む前記ロボット・デバイスと、
   （ｂ）ユーザ・コンソールであって、
   （ｉ）前記ユーザ・コンソールに動作可能に接続され、前記第１及び第２のロボット・アームと連動するように構成された第１及び第２のマニピュレータ・アームと、
   （ｉｉ）前記ユーザ・コンソール上に配置され、前記カメラから画像を受けるように構成された視覚ディスプレイであって、前記カメラから画像を受けることにより前記第１及び第２のロボット・アームと物理的に接続されているように前記第１及び第２のマニピュレータ・アームを視覚的に見せる視覚ディスプレイと、
   （ｉｉｉ）前記ユーザ・コンソールと関連付けされているコンソール磁石であって、前記ロボット・デバイスと磁気結合するように構成された前記コンソール磁石と、
   を含む前記ユーザ・コンソールと、
   （ｃ）前記ユーザ・コンソールと前記ロボット・デバイスとを動作可能に接続する接続構成要素と
   を備える外科用システム。
2. 前記接続構成要素が、前記ユーザ・コンソールと前記ロボット・デバイスとを物理的に接続するように構成された連結部からなる、請求項１に記載の外科用システム。
3. 前記第１のロボット・アームが第１の肘継手を含み、前記第２のロボット・アームが第２の肘継手を含む、請求項１に記載の外科用システム。
4. 前記第１及び第２のマニピュレータ・アームは、当該第１及び第２のマニピュレータ・アームが前記視覚ディスプレイを貫通しているように見せるべく前記視覚ディスプレイに対して位置決めされている、請求項１に記載の外科用システム。
5. 前記第１及び第２のマニピュレータ・アームは、当該第１及び第２のマニピュレータ・アームが前記体腔内を貫通しているように見せるべく前記視覚ディスプレイに対して位置決めされている、請求項１に記載の外科用システム。
6. 前記第１及び第２のマニピュレータ・アームの各々は標準的腹腔鏡ツールとして動作するように構成されている、請求項１に記載の外科用システム。
7. 前記第１及び第２のマニピュレータ・アームの各々は標準的腹腔鏡ツール・ハンドルに類似した形状を有する、請求項１に記載の外科用システム。
8. 取付構成要素をさらに備える請求項１に記載の外科用システム。
9. 前記ユーザ・コンソールが患者に隣接して配置されている、請求項１に記載の外科用システム。
10. 前記ユーザ・コンソールが患者から離れた場所に配置されている、請求項１に記載の外科用システム。
11. 前記第１及び第２のマニピュレータ・アームは４つの自由度で動作するように構成されている、請求項１に記載の外科用システム。