JP6139577B2 - 形状センサを用い器具を制御するシステム - Google Patents

Description

（関連出願の引用）
本願は、米国仮特許出願第６０／８９８，２００号（２００７年１月２７日出願）に基づく優先権の利益を主張する。この仮出願の内容全体は、本明細書に参照により援用される。

（参照による援用）
本願に記載の特許、特許公報、および特許出願はすべて、各個々の公開または特許出願が、具体的かつ個々に参照することによって組み込まれるように示されていると同程度に、参照することによって、全体として本明細書に援用される
（本発明の技術分野）
本発明は、概して、関節運動器具または蛇状ロボットに関する。より具体的には、本発明は、関節運動器具または蛇状ロボットの形状を感知することに関する。

内視鏡、結腸鏡および他の制御可能器具は、幅広い医療および産業用途において見られる。そのような器具の移動または使用の複雑性が増すにつれ、より正確に制御可能器具を制御し、身体内に配置し、その形状を識別する必要がある。いくつかの異なる種類の形状感知デバイスが利用可能である。

形状感知デバイスは利用可能であるが、形状感知デバイスを制御可能器具内に統合する際の課題が残る。制御可能器具の動作、または形状情報から恩恵を受け得る手技を制御するための形状情報の協調的使用が可能なシステムには、課題が残る。本明細書に記載される本発明のシステムおよび制御可能器具の実施形態は、これらおよび他の課題を解決する。

本発明の一側面は、操縦可能遠位部分と、複数の関節運動セグメントとを備える、細長い本体を有する器具を提供する。器具は、形状センサを組み込み、器具の少なくとも一部の形状を示すように改良可能である。一実施形態では、形状センサは、光学形状センサである。他の実施形態では、形状センサは、例えば、抵抗変化可撓性バンド、屈折センサ、電位差計、または磁気センサであり得る。

本発明の別の側面は、器具の移動を誘導するために使用される制御信号と、器具の全部または一部の形状に対する形状指示信号との間の制御ループをつなぐシステムを提供する。システムは、例えば、ユーザ入力デバイスと、コントローラと、関節運動セグメントを有する器具と、形状センサとを備えることが可能である。コントローラは、ユーザ入力デバイスからの制御信号と、形状センサからの形状信号とに応答して、器具の移動を誘導するように構成される。

本発明のさらに別の側面は、細長い本体を有する器具を制御する方法を提供する。方法は、制御信号をコントローラに入力し、器具の形状を変更するステップと、形状センサによって、器具の一部の形状を感知するステップと、形状センサからコントローラに、器具の一部の形状に対応する形状信号を出力するステップと、制御信号および形状信号に応答して、器具の移動を誘導するステップと、を含む。

本発明の一側面は、器具の形状を感知するためのシステムを提供する。システムは、細長い本体を有する器具と、細長い本体の一部に沿って螺旋パターンで延在する形状センサと、形状センサの端部の軸配向を維持するための形状センサの各端部上のインジケータとを備える。螺旋パターンは、細長い本体の一端から他端までの整数回の完全螺旋巻きを備えることが可能である。一実施形態では、形状センサは、光学形状センサである。形状センサの軸配向は、形状センサ上の物理的または視覚マーカ、形状センサを細長い本体にクリップで止めること、または形状センサを細長い本体内に統合することを含むが、それらに限定されない、種々の方法で維持することが可能である。

本発明の新規特徴は、添付の請求項における事項によって規定される。本発明の特徴および利点のさらなる理解は、例証的実施形態を規定し、本発明の原理が利用される以下の発明を実施するための形態を参照することによって得られるであろう。
（項目１）
細長い本体を有する器具を制御するためのシステムであって、
該細長い本体の少なくとも一部に沿って互いに連結される複数の関節運動セグメントと、
該複数の関節運動セグメントのうちの少なくとも１つの形状を変更する制御信号を提供するように構成されるユーザ入力デバイスと、
該複数の関節運動セグメントのうちの少なくとも１つの形状に対応する形状信号を提供するように構成される、該細長い本体と接触するセンサと、
該ユーザ入力デバイスおよび該センサと通信するコントローラであって、該制御信号および該形状信号に応答して、該複数の関節運動セグメントのうちの少なくとも１つの移動を誘導する、コントローラと
を備える、システム。
（項目２）
上記コントローラと通信し、上記複数の関節運動セグメントのうちの少なくとも１つを移動させるように構成されるアクチュエータをさらに備える、項目１に記載のシステム。
（項目３）
上記アクチュエータは、上記器具の内側に位置付けられる、項目２に記載のシステム。
（項目４）
上記アクチュエータは、上記器具の外側に位置付けられる、項目２に記載のシステム。
（項目５）
上記センサは、上記細長い本体の全長の形状を示すのに十分な長さである、項目１に記載のシステム。
（項目６）
上記センサは、患者内に挿入される上記細長い本体の一部の形状を示すのに十分な長さである、項目１に記載のシステム。
（項目７）
上記センサは、光学形状センサを備える、項目１に記載のシステム。
（項目８）
上記センサは、複数の磁気センサを備える、項目１に記載のシステム。
（項目９）
上記センサは、複数の屈曲センサを備える、項目１に記載のシステム。
（項目１０）
上記センサは、複数の伸縮センサを備える、項目１に記載のシステム。
（項目１１）
上記センサは、複数の電位差計を備える、項目１に記載のシステム。
（項目１２）
上記細長い本体の一部の形状を表す出力を表示するように構成されるビデオディスプレイをさらに備える、項目１に記載のシステム。
（項目１３）
細長い本体を有する器具を制御する方法であって、
制御信号をコントローラに入力し、該細長い本体の形状を変更するステップと、
形状センサによって、該細長い本体の少なくとも一部の形状を感知するステップと、
該形状センサから該コントローラに、該細長い本体の該一部の形状に対応する形状信号を出力するステップと、
該制御信号および該形状信号に応答して、該細長い本体の移動を誘導するステップと
を包含する、方法。
（項目１４）
上記誘導するステップは、アクチュエータの動作を誘導し、上記細長い本体を移動させるステップをさらに包含する、項目１３に記載の方法。
（項目１５）
上記感知するステップは、上記細長い本体の全長の形状を感知するステップを包含する、項目１３に記載の方法。
（項目１６）
上記感知するステップは、患者内に挿入される上記細長い本体の一部の形状を感知するステップを包含する、項目１３に記載の方法。
（項目１７）
上記出力するステップは、上記細長い本体の一部の形状を表す出力を表示するビデオディスプレイに上記形状信号を出力するステップをさらに包含する、項目１３に記載の方法。
（項目１８）
患者内に外科的開口部を生成するステップをさらに包含する、項目１３に記載の方法。
（項目１９）
上記外科的開口部は、自然身体孔を含む、項目１８に記載の方法。
（項目２０）
外科的開口部を生成するステップの前に、上記自然身体孔を通して、上記細長い本体の少なくとも一部を挿入するステップをさらに包含する、項目１８に記載の方法。
（項目２１）
上記細長い本体を上記外科的開口部内に挿入するステップをさらに包含する、項目１８に記載の方法。
（項目２２）
上記外科的開口部を越えて、上記細長い本体の少なくとも一部の形状を感知するステップをさらに包含する、項目２１に記載の方法。
（項目２３）
上記形状信号をビデオディスプレイに出力し、上記外科的開口部を越えて、上記細長い本体の一部の形状を表す出力を表示するステップをさらに包含する、項目２２に記載の方法。
（項目２４）
器具の形状を感知するためのシステムであって、
可撓性の細長い本体と、
近位端および遠位端を有する形状センサであって、該可撓性の細長い本体の一部に沿って螺旋パターンで延在し、略整数回の略完全螺旋巻きを備える、形状センサと、
該形状センサの該近位端上および該遠位端上の少なくとも１つのインジケータであって、該可撓性の細長い本体に対し、該形状センサの該近位端から該形状センサの該遠位端に該形状センサの軸配向を維持するように整列される、少なくとも１つのインジケータと
を備える、システム。
（項目２５）
上記形状センサは、光学形状センサである、項目２４に記載のシステム。
（項目２６）
上記少なくとも１つのインジケータは、視覚マーカである、項目２４に記載のシステム。
（項目２７）
上記少なくとも１つのインジケータは、上記可撓性の細長い本体に対し、上記形状センサ近位端と、上記形状センサ遠位端とを保持するように構成される複数のクリップである、項目２４に記載のシステム。
（項目２８）
上記少なくとも１つのインジケータは、物理的インジケータである、項目２４に記載のシステム。
（項目２９）
上記物理的インジケータは、タブである、項目２８に記載のシステム。
（項目３０）
上記物理的インジケータは、溝である、項目２８に記載のシステム。
（項目３１）
上記可撓性の細長い本体に対し、上記形状センサ近位端と、上記形状センサ遠位端とを、保持するように構成される複数のクリップをさらに備える、項目２４に記載のシステム。
（項目３２）
上記形状センサは、上記細長い本体内に統合される、項目２４に記載のシステム。
（項目３３）
上記細長い本体は、複数の関節運動セグメントを備え、上記少なくとも１つのインジケータは、各関節運動セグメントの遠位部分に対し、各関節運動セグメントの近位部分における上記形状センサの上記軸配向を維持する、項目２４に記載のシステム。
（項目３４）
上記螺旋パターンは、上記複数の関節運動セグメントのそれぞれに対し、略整数回の略完全螺旋巻きを備える、項目３３に記載のシステム。
（項目３５）
上記略整数回の略完全螺旋巻きは、上記複数の関節運動セグメントのそれぞれに対する略１回の完全螺旋巻きを備える、項目３４に記載のシステム。

図１は、本発明の一実施形態による、操縦可能内視鏡を示す。 図２Ａ〜２Ｃは、本発明の実施形態による、脊椎型リンクの実施形態を示す。 図３は、本発明の実施形態による、制御可能器具の移動を誘導するために使用される制御信号と、制御可能器具の全部または一部の形状に対する形状指示信号との間の制御ループをつなぐシステムを示す。 図４は、本発明の実施形態による、その長さに沿って光学形状感知ファイバを有する関節運動セグメントを示す。 図５は、本発明の実施形態による、抵抗変化屈曲センサを利用して、関節運動セグメントの形状を感知する関節運動セグメントを示す。 図６は、本発明の実施形態による、曲がりセンサを利用して、関節運動セグメントの形状を感知する関節運動セグメントを示す。 図７は、本発明の実施形態による、細長い本体を有する器具を制御するためにとられるステップを表す工程図を示す。

図１は、本発明の実施形態による、器具１０を示す。器具１０は、操縦可能遠位部分１４と、自動的に制御される近位部分１６と、可撓性かつ受動的に操作される近位部分１８とを備える細長い本体１２を有する。また、自動的に制御される近位部分１６も、可撓性かつ受動的に操作されてもよいが、自動的に制御される近位部分１６を提供することが好ましい。細長い本体１２は、操縦可能遠位部分１４と、自動的に制御される部分１６のみを有することも可能である。後述され、図３に図式的に示されるように、器具１０および付随制御システムまたはコントローラは、形状センサを組み込み、少なくとも部分的に、器具１０上またはそれに付随する１つ以上の形状センサによって提供される形状指示信号に基づいて、器具を制御するように改良されてもよい。光ファイバ撮像束２０および照明ファイバ２２は、細長い本体１２から操縦可能遠位部分１４に延在してもよく、またはビデオカメラ２４（例えば、ＣＣＤまたはＣＭＯＳカメラ）は、操縦可能遠位部分１４の遠位端に位置付けられてもよい。ユーザは、ビデオケーブル（例えば、ワイヤまたは光ファイバ（図示せず））を介して、またはビデオ信号の無線伝送を通して、ビデオカメラ２４から供給されるライブあるいは遅延ビデオを観察する。典型的には、器具１０はまた、１つ以上のアクセス管腔と、作業チャネルと、光チャネルと、空気および水チャネルと、真空チャネルと、医療的および産業的内視鏡検査の両方に有用な多数の他の周知の補助部とを含むであろう。これらのチャネルおよび他の設備は、概して、作業チャネル２６として示される。特にこれらの設備は、自然孔経腔的（または、経胃的）内視鏡下手術（ＮＯＴＥＳ）におけるように、手術標的部位に近接する自然孔を通して器具を通過させることによって、手術部位へのツールのアクセスを提供するために、複数のツールチャネルを含んでもよい。経腔的またはＮＯＴＥＳ手技における制御可能器具の使用、および制御可能器具を使用するための方法の種々の詳細は、本発明の譲受人に譲渡された２００６年９月１４日出願の米国特許出願第１１／５２２，３０５号、「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ Ｔｒａｎｓｌｕｍｉｎａｌ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ」にさらに記載されている。「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ Ｔｒａｎｓｌｕｍｉｎａｌ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ」に記載されるシステム、器具、およびデバイスは、本明細書に記載のように改良され、形状感知能力および／または本明細書に記載されるシステム、器具、ならびに方法の制御を提供してもよい。

好ましくは、自動的に制御される近位部分１６は、コンピュータおよび／または電子コントローラ３０を介して制御される、複数の関節運動セグメント２８を備える。そのような自動的に制御される内視鏡は、２００２年８月２７日出願の本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第１０／２２９，５７７号（現在は、米国特許第６，８５８，００５号）「Ｔｅｎｄｏｎ-Ｄｒｉｖｅｎ Ｅｎｄｏｓｃｏｐｅ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ」、および同様に本発明の譲受人に譲渡された２００７年５月１８日出願の米国特許出願第１１／７５０，９８８号「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｄｉｓｐｌａｙｉｎｇ Ｔｈｒｅｅ-Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｓｔｅｅｒａｂｌｅ Ｄｉｓｔａｌ Ｔｉｐ ｏｆ ａｎ Ｅｎｄｏｓｃｏｐｅ」にさらに詳細に記載されている。好ましくは、テンドンの遠位端は、各関節運動セグメント２８または操縦可能遠位部分１４に機械的に接続され、テンドンの近位端は、アクチュエータに機械的に接続され、関節運動セグメント２８または操縦可能遠位部分１４を移動させる。テンドンを駆動するアクチュエータは、テンドンに力を印加可能な種々の異なる種類の機構、例えば、電子機械モータ、空気圧および油圧シリンダ、空気圧および油圧モータ、ソレノイド、形状記憶合金ワイヤ、電子回転アクチュエータ、あるいは当技術分野において周知の他のデバイスまたは方法を含んでもよい。形状記憶合金ワイヤが使用される場合、アクチュエータ内でテンドンのそれぞれの近位端に取設されるいくつかのワイヤ束の中に構成することが可能である。テンドンを駆動するアクチュエータは、器具１０内に位置付けられてもよく、または代替として、アクチュエータは、器具１０の外側に位置付けられてもよい。

セグメントの関節運動は、エネルギー、例えば、電流、電圧、熱等を束のそれぞれに印加し、ワイヤ束における直線的運動を作動させ、それによって、テンドンの移動を作動させることによって、達成されてもよい。コントローラ内のアクチュエータの直線的並進は、所望の程度のセグメント移動および関節運動に依存して、比較的短距離を移動し、有効な関節運動を達成してもよい。一実施形態では、ラックアンドピニオン式ギアに取設されるノブを使用して、操縦可能遠位部分１４に取設されるテンドンを作動させることが可能である。軸方向運動変換器３２（また、深度基準デバイスまたは深度基準とも呼ばれる）は、細長い本体１２が前進および後退すると、その軸方向運動、すなわち、深度変化を測定するために提供されてもよい。器具１０の細長い本体１２が軸方向運動変換器３２を通って摺動すると、基準固定点に対する細長い本体１２の軸方向位置を示す。軸方向運動変換器３２は、２００６年９月１４日出願の米国特許出願第１１／５２２，３０５号「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ Ｔｒａｎｓｌｕｍｉｎａｌ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ」にさらに完全に記載されている。加えて、以下にさらに完全に記載されるように、単独で、または光学形状センサと組み合わせて、光学センサを使用して、器具の軸方向位置を判断してもよい。いずれの場合も、形状情報と組み合わせた深度情報を使用して、細長い本体の挿入または引き抜きに伴って、その３次元画像を構築することが可能である。加えて、そのようなシステムからの情報を使用して、基準点（すなわち、基準（ｄａｔｕｍ））からセンサが辿る経路の形状を提供してもよい。加えて、制御システムへの入力として、そのようなシステムからの情報を使用して、（ｉ）ユーザの制御下、ある位置へ器具を駆動する、（ｉｉ）ユーザに推奨される操縦コマンドを提供し、所望の位置または配向に器具を操作する、（ｉｉｉ）器具を自動的に制御し、ユーザからの入力、所定の経路（手術計画）、あるいは撮像システムまたはディスプレイからの入力に適合させてもよい。

図１に記載される実施形態では、ハンドル３４は、照明ファイバ２２に接続される、またはそれと連結する照明ケーブル３８によって、照明源３６に接続される。ハンドル３４は、コントローラケーブル４０を経由して、電子コントローラ３０に接続される。ユーザ入力デバイス４２（例えば、ジョイスティック）は、第２のケーブル４４を経由して電子コントローラ３０に接続されるか、または直接ハンドル３４に接続される。コントローラ３０は、セグメント化された自動的に制御される近位部分１６の移動を制御する。

一実施形態では、器具１０の関節運動セグメント２８は、図２Ａ-２Ｃに示されるように、複数のリンク２００から構築することができる。図２Ａは、単一リンク２００の端面図を示す。各リンク２００は、前述のように、集合的に内部管腔を形成可能な中心開口または作業チャネル２０２を画定することができる。図２Ｂに示されるように、リンク２００は、２対のヒンジ２０４および２０６を有してもよい。第１の対のヒンジ２０４は、リンク２００の第１の面から垂直に突出可能であって、第１の対からの外周まわり９０度に位置する第２の対のヒンジ２０６は、第１の面の反対の脊椎の第２の面上のリンク２００の面から垂直に突出する。図２Ｃに示される実施形態では、各関節運動セグメント２８は、４つのリンク２００を備えることができるが、１つだけのリンクを含む、任意の数のリンクを使用してもよい。使用されるリンク２００の最終数は、主として、関節運動セグメント２８または器具１０が使用される目的によって定義される。各リンク２００は、本実施形態では、隣接するリンクに対し、１自由度で移動可能である。複数のリンクは、セグメント２８に２自由度を提供する。関節運動セグメントのさらなる詳細は、本発明の譲受人に譲渡された２００７年１０月１１日出願の米国特許出願第１１／８７１，１０４号「Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍａｎａｇｉｎｇ Ｂｏｗｄｅｎ Ｃａｂｌｅｓ ｉｎ Ａｒｔｉｃｕｌａｔｉｎｇ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ」において見ることができる。

図３は、器具の移動を誘導するために使用される制御信号と、制御可能器具の全部または一部の形状のための形状指示信号との間の制御ループをつなぐ例示的システム３００および方法を示す。システム３００は、器具１０等の器具を利用して実装されるため、システム３００の以下の説明は、図１の器具１０の参照を含む。細長い本体１２の形状を判断するために、器具１０は、細長い本体１２と接触する形状センサ３０２をさらに含むことができる。例えば、形状センサは、細長い本体の長さに沿って延在する光学感知ファイバまたはファイバ束であることができる。本発明の実施形態は、光ファイバの形状を測定し、それらの測定値を使用して、光ファイバが付随する器具の曲率および／または相対位置を判断するという概念を構築する。いくつかの実施形態では、形状感知は、高空間分解能光ファイバ屈折センサの直線状アレイを生成することによって達成される。一般に、各要素が十分に小さいと仮定し、各個々の要素における構造の曲率を知ることによって、全体形状が、統合プロセスを通して再構築される。器具１０上または内の付加的種類の形状センサおよびその配向は、以下で詳述される。

形状センサ３０２に加え、図３のシステム３００はまた、ユーザ入力デバイス４２、コントローラ３０、アクチュエータ３０４、および関節運動セグメント２８を含む。前述のように、ユーザ入力デバイス４２は、コントローラ３０と通信し、制御信号を提供し、関節運動セグメント２８の少なくとも１つの形状を変更するように構成される。コントローラ３０は、アクチュエータ３０４と通信して、関節運動セグメント２８の移動を誘導し、したがって、細長い本体１２の形状を制御する。特に、ユーザは、ユーザ入力デバイス４２（すなわち、ジョイスティックまたはコンピュータ等）に制御信号を入力し、次いで、制御信号をコントローラ３０に伝送する。ユーザは、器具１０を制御するか、またはいくつかの例示的方法で所望の運動を示してもよい。一実施形態では、ユーザは、ユーザ入力デバイス４２によって、操縦可能遠位部分１４を操縦し、器具１０が進む必要がある方向を識別する。次いで、器具１０は前進させられ、操縦可能遠位部分１４に追随するセグメントは、その前のセグメントの形状をとる。この前脚追従形状判断は、一般に、器具１０が遠位に前進するときに、隣接する遠位セグメントの形状をとる近接して隣接するセグメントによって機能する。セグメントの別のセグメントの形状への適合度合についての判断、および１つ以上のセグメントの形状の判断は、少なくとも部分的に、形状センサによって判断される。前脚追従形状判断は、遠位に前進するか、または近位に後退するかにかかわらず、同じく機能する。代替として、別の実施形態では、ユーザは、操縦可能遠位部分に関係なく、かつ細長い本体１２の前進または後退さえ伴わずに、細長い本体の任意の所望の形状を入力することができる（すなわち、視覚ディスプレイまたはグラフィカルユーザインターフェースと相互作用するコンピュータ等に）。言い換えると、コントローラは、ユーザからの入力の有無にかかわらず、細長い本体１２を任意の所望の形状に操作することができる。細長い本体１２が所望の形状に移動したか、またはどの程度移動したかについての判断は、少なくとも部分的に、細長い本体１２およびコントローラ３０と通信する形状センサによって生成される形状指示信号に依存する。

ユーザ入力デバイス４２からの制御信号に応答して、器具１０の形状が変化すると、形状センサ３０２は、関節運動セグメント２８の少なくとも１つの形状に対応する形状信号を提供する。例えば、形状センサ３０２が、細長い本体１２の全長に沿って延設する場合、形状信号は、細長い本体１２の全長の形状に対応することができる。しかしながら、器具１０が患者内に挿入される用途では、形状センサ３０２は、細長い本体１２の全長に沿って延設する必要はなく、むしろ、患者内に挿入される細長い本体１２の一部（すなわち、ユーザから見えない細長い本体１２の一部）の形状を示す長さのみで十分であることを理解されたい。

形状センサ３０２は、関節運動セグメント２８の少なくとも１つの形状に対応する形状信号を提供するように構成される。ユーザ入力デバイス４２および形状センサ３０２の両方と通信するコントローラ３０は、ユーザ入力デバイス４２からの制御信号と、形状センサ３０２からの形状信号とに応答して、関節運動セグメント２８の少なくとも１つの移動を誘導することができる。前述のように、関節運動器具または蛇状ロボットは、ユーザによって意図される形状を必ずしも達成しないことがあることを理解されたい。例えば、アクチュエータが失敗するか、あるいは関節運動セグメント２８の移動に関与するテンドンが、結合、伸張、滑脱、または破損し、関節運動セグメント２８がユーザによって意図される形状を達成できないようにし得る。したがって、コントローラ３０は、器具１０が、ユーザによって意図される形状を自動的に達成可能なように、形状センサ３０２からの形状信号に応答して、器具１０の移動を誘導し、器具１０内の任意のエラーを補償することができる。

一実施形態では、ユーザは、ユーザ入力デバイス４２によって、器具１０を案内または操縦する一方、形状センサ３０２によって感知される細長い本体１２の実際の形状を監視してもよい。例えば、システム３００は、形状センサ３０２からの形状信号を受信して、細長い本体１２の一部の形状を表す出力を表示するように構成されるビデオディスプレイ（図３に図示せず）をさらに含むことができる。したがって、ユーザは、ビデオディスプレイ上に表示させながら、細長い本体１２の形状を監視することによって、器具１０の形状の移動または変更を案内、操縦、または誘導することができる。コントローラ３０は、ユーザ入力デバイス４２からの制御信号および形状センサ３０２からの形状信号に応答して、細長い本体１２の移動を誘導するため、システム３００は、細長い本体１２の実際の形状に応じて、器具１０を制御するための閉ループフィードバック制御システムを提供する。

システム３００のさらに別の実施形態では、ユーザは、グラフィカルユーザインターフェースディスプレイ等の双方向ディスプレイ上に所望の形状を入力することができ、コントローラ３０は、器具１０を誘導し、所望の形状を自動的に達成することができる。これは、前述と同様の方法で達成され、細長い本体１２の形状が、ユーザからの所望の形状と一致するまで、コントローラ３０が、形状センサ３０２からの形状信号に応答して、細長い本体１２の移動を誘導する。

システム３００は、種々の手術手技において実装可能である。例えば、外科的開口部が、患者内に生成され、器具１０が挿入され、前述のように、システムを使用して制御可能である。また、外科的開口部は、自然身体孔、あるいは最初に、身体内に自然または生成開口部を通して、細長い本体の少なくとも一部を通過させた後に生成される開口部であることができる。ＮＯＴＥＳ手技では、例えば、細長い本体１２は、鼻または口を通して、次いで、食道を通して、患者の胃内に挿入可能である。本実施例では、細長い本体１２が胃内に入ると、細長い本体１２を腹膜腔または腹腔内に進入させるための外科的開口部を胃壁に切開することができる。したがって、システム３００は、患者内に入ると、外科的開口部を越える、自然身体孔部を越える、または両方を越える細長い本体１２の全部または一部を含む、細長い本体１２の形状を正確に感知、測定、判断、および／または制御することができる。

当技術分野において周知のように、光学感知ファイバは、“Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｓｈａｐｅ”， ＳＰＩＥ'ｓ ＯＥＭａｇａｚｉｎｅ， ｐｐ． １８-２１ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００５に記載のように、多芯ファイバの芯に光ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）の高密度直線状アレイを備えることができる。ファイバの形状、およびそれにより、それと整列される器具の形状を測定する複数の方法が存在する。一方法は、ファイバ束を掃引波長レーザで照射し、ファイバ束からの反射光を測定することを含む。ファイバ束内の曲がりによって、ＦＢＧの反射特性を変更し、それによって、ＦＢＧは、局所ひずみゲージとして作用する。多くのＦＢＧアレイを正確に読み出し、ファイバ束の形状を判断する際に、課題が生じる。

ＦＢＧアレイを読み出す技術の１つは、ファイバ束の特定領域に沿って、被覆加工を剥離するエネルギー漏出技術である。剥離される被覆加工に関連する曲がりによって、曲がりの大きさに応じて、ファイバを通って伝達される光の量を増減させる。この技術の制限の１つは、測定が所望される各方向に対し、１つのファイバが必要であることである。

別の技術は、２００５年３月３日発行の米国特許第６，８８８，６２３号「Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ３-Ｄ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ」に記載のような多芯ファイバのクロスカップリングである。クロスカップリングは、ファイバの形状の関数であって、各芯内のエネルギーを分析することによって、ファイバの形状を判断することができる。

波長分割多重方式（ＷＤＭ）では、ブラッグ格子は、異なる公称中心波長を有する多芯ファイバに沿って、種々の位置に書き込まれる。各格子は、システム内に照射される光の波長が格子の中心波長に近くなるように選択することによって、個別に対応され得る。格子近傍のファイバ内のひずみ（すなわち、曲がり）は、格子の中心波長を若干偏移させ、この中心波長は、反射スペクトルの偏移によって測定可能である。この技術の制限は、対応可能な格子の数が、入力光源を走査可能な波長の全範囲と、多芯ケーブルのひずみによる波長内に予想される偏移量によって制御されるような、公称中心波長の最小差異とによって制限されることである。２００８年１月８日発行の米国特許第７，３１７，８４９号「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ」は、この技術についてさらに説明している。

光パルス試験法（Ｏｐｔｉｃａｌ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ：ＯＴＤＲ）は、ＷＤＭ技術の制限に対する１つの解決策として使用可能である。この解決策は、同一公称中心波長で多くの格子を書き込み、反射の時間遅延を使用して、格子の空間的位置を分離することによって、多くの同時測定を可能にする。光ファイバケーブル内の反射位置は、ファイバ内への発射点から、発射の近接点へ戻る反射の受光までの光の飛行時間を測定することによって判断される。原則として、この技術を使用して、同一中心波長格子を分離することができるが、しかしながら実際は、この技術によって利用可能な位置分解能は、粗悪である場合が多い。

別のより好ましい技術では、ＯＴＤＲは、多芯ファイバを使用し、すべての格子は、略同一公称波長で書き込まれ、格子の位置は、格子の反射と、ファイバの近位端における高反射体との間に共鳴空洞を形成することによって、周波数領域内で判断される。この技術は、形状センサを生成する１つの多芯ファイバのみを必要とし、多くの格子を同一公称中心波長で書き込み、長いファイバを可能にする。Ｌｕｎａ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ（ｗｗｗ．ｌｕｎａｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ．ｃｏｍ）は、この技術に基づいて構築される形状センサを生成している組織である。

本明細書で使用されるように、光学形状センサは、任意の周知の光学形状センサを含む。例示的光学センサの構造、動作、および使用の詳細は、２００２年４月２３日発行の米国特許第６，３７６，８３０号「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｇｕｉｄｅｄ Ｗａｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ」、２００２年７月３０日発行の米国特許第６，４２６，４９６号「Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｍｏｎｉｔｏｒ ｆｏｒ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｌａｓｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ」、２００５年２月１５日発行の米国特許第６，８５６，４００号「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｃｏｍｐｌｅｔｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｌｏｓｓ， Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ ａｎｄ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｅｆｆｅｃｔｓ」、２００６年９月２６日発行の米国特許第７，１１３，６５９号「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｆｉｂｅｒ」、および２００６年８月２９日発行の米国特許第７，０９９，０１５号「Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ」において見られ得るが、それらに限定されない。

形状センサ３０２が、光学形状センサを備える場合、一方法が、細長い本体の形状に対応するように生成される形状信号の正確性を向上させるように、近位端から遠位端への形状センサの軸配向は、器具１０に対し整列されなければない。前述のように、作業チャネル２６は、器具１０の中心に沿って延設する。一実施形態では、作業チャネルは、中心を外れた位置へ移動し、形状センサは、作業チャネルによって以前使用された空間を占めるように位置付けられる。代替として、形状センサ３０２は、器具１０内で中心を外れて配置されてもよい。しかしながら、器具１０が曲がると、形状センサは、圧縮または伸張し、破損を受ける可能性があるため、すべての中心形状センサ位置は、形状センサ３０２の軸配向を維持する際に困難を生じる場合がある。

形状センサが、損傷を最小限にし、細長い本体の全部または一部の形状を表す正確な信号を提供するように位置付けられることを確実するために採用され得るいくつかの技術が存在する。図４を参照すると、光学形状センサ４０２は、可撓性の細長い本体の一部に沿って、螺旋パターンに延在し、単一関節運動セグメント２８に沿って、単一完全螺旋巻きを備える。他の実施形態では、特定の光学形状センサの特別な技術要件によって必要とされるように、器具に対する形状センサの近位端から遠位端の形状センサの軸配向が維持される限り、光学形状センサ４０２は、整数回の完全螺旋巻きに対し、螺旋パターンで延在可能である。光学形状センサは、図４に示されるように、単一関節運動セグメント２８のみに沿って、螺旋パターンで延在可能である、または細長い本体の全長を含む、細長い本体の複数の関節運動セグメントに沿って、螺旋パターンで延在可能である。一実施形態では、形状センサが、複数の関節運動セグメントに沿って螺設する場合、形状センサは、各関節運動セグメントに対し、整数回の完全螺旋巻きで螺設する。これによって、各関節運動セグメント２８に沿って、したがって、集合的に、細長い本体に沿って、軸配向を維持する。

可撓性の細長い本体の一部に沿って、光学形状センサ４０２を螺設することによって、必然的に発生する撚りを光学形状センサに付与し、それは、可撓性の細長い本体に沿って延設するので、形状センサの軸配向を妨害する。したがって、逆撚りを光学形状センサ内に誘発させ、細長い本体に沿った螺旋路によって生じる自然な撚りを除去し、細長い本体に対し、近位端から遠位端の形状センサの軸配向を維持しなければならない。

図４にさらに示されるように、光学形状センサ４０２は、形状センサの少なくとも近位および遠位端上に、少なくとも１つのインジケータ４０４を含むことができる。インジケータ４０４を関節運動セグメント２８全体に整列させ、関節運動セグメント２８に対し、形状センサの近位端の軸配向を維持し、形状センサを遠位に維持することができる。図４の実施形態では、インジケータ４０４は、形状センサから延在するタブ等の物理的インジケータである。これらのタブは、クリップ４０６内に嵌入し、このクリップは、関節運動セグメント２８の各端部の定位置に光学形状センサ４０２を保持し、形状センサの遠位端に対し、形状センサの近位端の軸配向を維持することができる。しかしながら、この構成では、前述のように、形状センサが、関節運動セグメントに沿って螺設される場合、近位端から遠位端の形状センサの軸配向は、依然として、形状センサ内に逆撚りを誘発すること等によって、関節運動セグメントに対し整列されなければならない。別の実施形態では、物理的インジケータは、関節運動セグメントの端部と嵌合するように設計される溝であることができる。さらに別の実施形態では、インジケータ４０４は、例えば、形状センサの長さ上の着色または点線等、形状センサ自体上の視覚マーカであることができる。細長い本体またはそのセグメントに対し、センサの相対位置を説明する目的のために、細長い本体上に示されることを理解されたい。いくつかの実施形態では、形状センサは、細長い本体に、あるいは関節運動セグメントの１つ以上の上、中、または周囲に冠着または結合されるスリーブとして、細長い本体内に統合される。

前述の形状センサ３０２は、光学形状センサに制限されない。図５を参照すると、代替として、抵抗変化可撓性バンドを細長い本体１２内に実装することができる。当技術分野において周知のように、抵抗変化可撓性バンドは、伸縮時に抵抗を変える。抵抗変化可撓性バンドの一実施例は、Ｉｍａｇｅｓ ＳＩ Ｉｎｃ．（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｍａｇｅｓｃｏ．ｃｏｍ／ｓｅｎｓｏｒｓ／ｓｔｒｅｔｃｈ-ｓｅｎｓｏｒ．ｈｔｍｌ）から市販のＳｔｒｅｔｃｈ Ｓｅｎｓｏｒｓ^ＴＭである。図５に示されるように、可撓性バンドセンサ５０２は、細長い本体１２の関節運動セグメント２８の長さに沿って延在可能である。対の可撓性バンドセンサ５０２は、関節運動セグメント２８の各曲がり面（ｘ面およびｙ面）に対する第１および第２の対のヒンジ２０４ならびに２０６に沿って、延設可能である。本実施形態では、可撓性バンドセンサは、関節運動の際、抵抗増大および抵抗減少を経験するであろう。可撓性バンドセンサ５０２間の抵抗差分を判断または測定し、各関節運動セグメント２８の形状を判断するために使用することができる。したがって、可撓性バンドセンサ５０２は、前述のように、細長い本体１２の少なくとも一部の形状に対応する形状信号をコントローラ３０に提供することができる。

代替実施形態では、形状センサ３０２は、ＦｌｅｘＰｏｉｎｔ（ｗｗｗ．ｆｌｅｘｐｏｉｎｔ．ｃｏｍ）またはＳｐｅｃｔｒａＳｙｍｂｏｌ（ｗｗｗ．ｓｐｅｃｔｒａｓｙｍｂｏｌ．ｃｏｍ）製等の複数の屈曲センサを備えることができる。図６に示されるように、屈曲センサ６０２および６０４（屈曲センサ６０４は、ヒンジ２０４に沿って提供されるが、図６では隠れている）は、それぞれ、各リンク２００のヒンジ２０６および２０４に取設され、関節運動の角度を示す信号をコントローラ３０に提供することができる。屈曲センサ６０２および６０４は、平面で、一面に曲がるが、本質的に、直交面には曲げ可能ではない。したがって、本実施形態では、屈曲センサ６０２および６０４は、各対のリンク２００の曲がり面が、各ヒンジを横断する屈曲センサの曲がり面と略平行となるように整列される。前述のように、屈曲センサ６０２および６０４は、細長い本体１２の少なくとも一部の形状に対応する形状信号をコントローラ３０に提供することができる。

さらに別の実施形態では、細長い本体の全部または一部の形状を判断するためのさらに別の技術として、電位差計（ＰＯＴ）を使用して、結合角度を測定することができる。前述の実施形態と同様に、ＰＯＴ獲得アセンブリを関節運動セグメント２８の各ヒンジに提供することができる。本実施形態では、ＰＯＴは、炭素膜に擦れ合うワイパーを有し、それによって、ＰＯＴから出力される抵抗を変更する。ワイパーは、溝付きピースに取設され、この溝付きピースは、関節運動セグメント２８の隣接するリンク２００間のヒンジ２０４および２０６上に固定されている。記載されるように、リンク２００の関節運動は、溝付きピースを転回し、ワイパーを炭素膜に擦れ合わせ、ＰＯＴの抵抗出力を変更する。この抵抗は、前述のように、細長い本体１２の少なくとも一部の形状に対応する形状信号として、コントローラ３０に提供可能である。ＰＯＴセンサの代替は、当業者によって理解されるように、光学エンコーダの使用である。

形状感知のための別の代替デバイスおよび技術は、磁気センサ、または代替として、送信機によって生成される磁場の変動を検出するセンサの使用を含む。Ａｓｃｅｎｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｓｃｅｎｓｉｏｎ-ｔｅｃｈ．ｃｏｍ／）は、本明細書に記載の目的に好適なセンサを開発している。また、２００５年１０月４日出願の米国特許出願第１１／２４２，０４８号「ＤＣ Ｍａｇｎｅｔｉｃ-Ｂａｓｅｄ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ」は、この技術を開示している。磁気センサは、本発明の実施形態による、細長い本体１２に沿って、間隔を置いて、配置することができる。磁気センサの空間的配向およびそれによって検出される移動を使用して、細長い本体の全部または一部の形状を示し、判断し、または測定し得る。前述と同様に、磁気センサは、細長い本体１２の少なくとも一部の形状に対応する形状信号をコントローラ３０に提供することができる。

図７は、本発明の実施形態に従って、例示的細長い本体を有する器具を制御する方法を表す工程図を示す。当業者には明白である詳細および特徴は、工程図７００から省かれている。例えば、当技術分野において周知のように、あるステップは、１つ以上のサブステップから成ってもよく、あるいは特殊機器または材料を伴ってもよい。

工程図７００における方法ステップは、器具１０等の器具を利用して実装されるため、工程図７００の以下の説明は、図１の器具１０および図３のシステム３００の参照を含む。工程図７００のステップ７０２では、制御信号が、細長い本体を有する器具の形状を変更するために、コントローラに出力される。前述のように、ユーザは、制御信号をユーザ入力デバイス４２に入力し、例えば、コントローラ３０に制御信号を伝送することができる。一実施形態では、コントローラ３０は、アクチュエータ３０４と通信し、細長い本体１２の移動を誘導する。

工程図７００のステップ７０４では、細長い本体の少なくとも一部の形状は、形状センサによって感知される。前述のように、形状センサ３０２は、関節運動セグメント２８のうちの少なくとも１つの形状に対応する形状信号を提供する。一実施形態では、形状センサ３０２は、細長い本体１２の全長に沿って延設し、細長い本体１２の全長の形状に対応する形状信号を提供する。しかしながら、別の実施形態では、器具１０は患者内に挿入され、従って、形状センサ３０２が、細長い本体１２の全長に沿って延設する必要はなく、むしろ、患者内に挿入される細長い本体１２の一部の形状を示す長さで十分である。

工程図７００のステップ７０６では、細長い本体の一部の形状に対応する形状信号は、形状センサからコントローラに出力される。一実施形態では、出力ステップは、形状信号をビデオディスプレイに出力し、細長い本体の一部の形状を表す出力を表示するステップをさらに含むことができる。前述のように、システム３００は、形状センサ３０２から形状信号を受信し、細長い本体１２の一部の形状を表す出力を表示するように構成されるビデオディスプレイを含むことができる。したがって、ユーザは、ビデオディスプレイ上に表示させながら、細長い本体１２の形状を監視することによって、器具１０の形状の移動または変更を案内、操縦、または誘導することができる。

工程図７００のステップ７０８では、細長い本体の移動は、制御信号および形状信号に応答して、誘導される。前述のように、ユーザ入力デバイス４２および形状センサ３０２の両方と通信するコントローラ３０は、ユーザ入力デバイス４２からの制御信号と、形状センサ３０２からの形状信号とに応答して、関節運動セグメント２８の少なくとも１つの移動を誘導し、器具１０を制御するための閉ループフィードバック制御システムを提供することができる。

他の実施形態では、方法は、患者内に外科的開口部を生成するステップをさらに含むことができる。外科的開口部を患者内に生成し、器具１０を挿入して、上述のシステムを使用して制御することができる。また、外科的開口部は、自然身体孔、あるいは最初に、身体内に自然または生成開口部を通して、細長い本体の少なくとも一部を通過させた後に生成される開口部であることができる。加えて、方法は、外科的開口部を越えて、細長い本体の少なくとも一部の形状を感知して、形状信号をビデオディスプレイに出力し、外科的開口部を越えて、細長い本体の一部の形状を表す出力を表示するステップをさらに含むことができる。

細長い本体の形状を感知するステップに加え、光学センサを使用して、特定の所定の点からの細長い本体の挿入深度を判断することができる。また、この情報を使用して、前述のように、細長い本体の３次元形状を構築することができる。２つ以上の形状センサを使用して、器具の挿入深度を判断してもよい。一対の形状センサを検討する。各センサは、ｘ、ｙ、ｚ座標系内のｘ、ｙ、ｚ位置に提供可能である。１つのセンサが、固定位置に配置され、基準位置として使用される。一実施形態では、第１のセンサのｘ、ｙ、ｚ先端位置が、基準点として使用される。基準点は、身体内の自然または外科的に生成された開口部上または近傍に配置されてもよい。基準センサ点は、自然開口部または外科的に生成された開口部を通して体内に進入後、体内に生成される外科的に生成された開口部に隣接して位置付けられてもよい。基準点は、外科的開口部が、ほかの場所で生成または利用される場合でも、自然開口部またはその近傍に位置付けられてもよい。例えば、開口部が、胃または消化管内の別の点に生成される場合、基準点は、口またはその近傍であってもよい。加えて、２００６年９月１４日出願の同時係属中の特許出願第１１／５２２，３０５号「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｕｓｅｆｕｌ ｉｎ Ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ Ｔｒａｎｓｌｕｍｉｎａｌ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ」に記載のように、基準点開口部が生成され、形状センサおよび可撓性器具が位置付けられ、ＮＯＴＥＳの支援の下に使用されてもよい。第２のセンサは、器具に取設される。器具は、第１のセンサの先端近傍を通過する。第２の器具のｘ、ｙ、ｚ位置は、既知である。次に、１つが、先端のｘ、ｙ、ｚ位置に一致するか、または最も近く対応するまで、器具に沿って、ｘ、ｙ、ｚ位置を比較する。次いで、器具上のｘ、ｙ、ｚ位置を使用して、基準点に対する器具の位置、および器具が基準点を越えて挿入された深度を判断する。加えて、第２の器具の形状もまた、第２の形状センサからの情報に基づいて既知である。また、基準点に対し通過された身体の経路、器官、または一部は、第２の形状センサの挿入深度および形状を使用して判断してもよい。また、器具が引き抜きまたは操作される際に、類似技術を使用してもよい。

代替実施形態では、本明細書に記載される技術を使用して、形状センサではない別の位置センサに対し、形状センサの相対位置を測定してもよい。例えば、肛門が手術台上の既知の位置に配置され、形状センサの基部が、手術台に対し既知の位置に配置される場合、挿入深度は、領域内の単一の形状センサを使用して、完全に判断され得、第２のセンサは、肛門および形状センサの基部の既知の相対位置によって形成される「定規」となる。

同様に、この構成から速度、加速度、およびより高次の導関数を判断することも可能であろう。複数のセンサを使用して、冗長度、一貫性／エラー照合、ならびに種々の確率的推定技術（拡張カルマンフィルタ、アンセンテッド変換フィルタ、ウィーナフィルタ、Ｈ＿無限最適推定等）を通して、低エラーおよび低信号ノイズを提供することができる。

本明細書に記載される種々の実施形態に関連する付加的詳細に関しては、材料および製造技術は、当業者の水準内で採用され得る。一般的または論理的に採用される付加的作用の観点から、本明細書の方法に基づく側面に対しても、同様のことが当てはまり得る。細長い本体を備える形状センサおよび付随制御システム光学形状センサの完全な統合ならびに適切な動作を確実にするために、必要とされる付加的システム要件が存在し、例えば、光源が光学センサに確実に集光または提供されるように、光源および最適構成要素を必要とする。また、これらおよび他の従来の構成要素は、使用される特定の形状センサまたは複数のセンサの技術要件による必要に応じて、システム３００の一部として含まれる。

また、記載される本発明の変形例の任意のオプション特徴は、独立して、または本明細書に記載される特徴の任意の１つ以上と組み合わせて、説明および請求され得ることが企図される。同様に、単数項目の参照は、複数の同一項目が存在する可能性を含む。より具体的には、本明細書および添付の請求項で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎｄ」、「ｓａｉｄ」、および「ｔｈｅ」は、文脈によって別途明示的に記載がない限り、複数形も含む。さらに、請求項は、任意のオプション要素を除外して作成され得ることに留意されたい。したがって、この記述は、請求項要素の列挙と関連する「単に」、「唯一」等のそのような除外用語、または「否定的」制限の使用の根拠としての役割を果たすことが意図される。本明細書に別途定義されない限り、本明細書で使用されるあらゆる技術および特定用語は、本発明が属する当業者によって一般的に理解されるものと同一意味を有する。本発明の範囲は、本主題明細書によって制限されず、むしろ、採用される請求項用語の明白な意味によってのみ制限される。

以下の請求項は、本発明の範囲を定義し、これらの請求項およびその同等物の範囲内の方法および構造は、それによって網羅されるものと意図される。

Claims (23)

1. 遠隔で制御される操縦可能器具の移動を制御するためのシステムであって、
   前記システムは、
   複数の関節運動可能セグメントを含む外科用器具であって、前記複数の関節運動可能セグメントは、前記外科用器具の形状を変化させるように互いに対して関節運動するように構成されている、外科用器具と、
   前記複数の関節運動可能セグメントの周囲に螺旋構成で配置される光ファイバであって、前記光ファイバは、前記複数の関節運動可能セグメントのうちの少なくとも１つの関節運動可能セグメントの長さに沿った前記複数の関節運動可能セグメントのうちの前記少なくとも１つの関節運動可能セグメントの感知された形状に対応する形状信号を伝送するように構成されている、光ファイバと、
   前記光ファイバと信号通信するコントローラであって、前記コントローラは、前記外科用器具に論理的に連結され、少なくとも前記光ファイバから受信された前記形状信号に応答して前記外科用器具を移動させることにより所望の形状を達成するための制御信号を出力するように構成されており、前記制御信号は、前記外科用器具の前記形状を前記所望の形状に変化させるためのユーザ入力に基づいている、コントローラと
   を含む、システム。
2. 前記光ファイバは、前記外科用器具の前記形状の変化に応答して前記形状信号を変更するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記コントローラは、前記複数の関節運動可能セグメントを独立して制御して前記外科用器具の前記形状を変化させるための制御信号を出力するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
4. 前記複数の関節運動可能セグメントの各々は、前記複数の関節運動可能セグメントを互いに対して関節運動させるように構成されたアクチュエータをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記アクチュエータは、テンドンを介して前記複数の関節運動可能セグメントに連結されている、請求項４に記載のシステム。
6. 前記アクチュエータは、電子機械モータ、空気圧モータ、油圧モータおよび電子回転アクチュエータからなる群より選択される、請求項５に記載のシステム。
7. 前記複数の関節運動可能セグメントの前記形状を変化させるための制御信号を前記アクチュエータに伝送するように構成されたユーザ入力デバイスをさらに含む、請求項４に記載のシステム。
8. 前記コントローラは、前記ユーザ入力デバイスからの前記制御信号および前記光ファイバからの前記形状信号に応答して前記複数の関節運動可能セグメントのうちの少なくとも１つの関節運動可能セグメントを移動させるための信号を前記アクチュエータに出力するように構成されている、請求項７に記載のシステム。
9. 前記ユーザ入力デバイスは、前記外科用器具の少なくとも一部分の形状を表す出力を表示するように構成された双方向ディスプレイを含む、請求項７に記載のシステム。
10. 前記複数の関節運動可能セグメントは、第１の関節運動可能セグメントおよび第２の関節運動可能セグメントを含み、
    前記コントローラは、前記外科用器具が経路に沿って前進または後退すると前記形状信号に基づいて前記第１の関節運動可能セグメントの形状および前記第２の関節運動可能セグメントの形状を計算するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
11. ユーザ入力デバイスは、前記外科用器具の形状を前記所望の形状に変化させるためのコマンドをユーザから受信するように構成されたインターフェースを含み、
    前記コントローラは、前記光ファイバからの前記形状信号に基づいて前記外科用器具の前記形状を計算するように構成されており、前記コントローラは、前記形状信号に基づいて前記所望の形状と前記形状との差異を計算するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
12. 前記コントローラは、前記形状信号に基づいて前記所望の形状と前記形状との間の前記計算された差異を補償するように前記外科用器具を移動させるための前記制御信号を出力するように構成されている、請求項１１に記載のシステム。
13. センサをさらに含み、
    前記センサと比較した前記光ファイバの位置は、前記センサに対する前記外科用器具の位置を決定するために、または、前記外科用器具が前記センサを越えて挿入された深度を決定するために用いられる、請求項１に記載のシステム。
14. 前記光ファイバは、高空間解像度の光ファイバ曲がりセンサの直線状アレイを含む、請求項１に記載のシステム。
15. 前記光ファイバは、ブラッグ格子を含む、請求項１に記載のシステム。
16. 前記光ファイバは、前記光ファイバの螺旋の方向と反対の方向の逆撚りを含む、請求項１に記載のシステム。
17. 前記光ファイバは、前記関節運動可能セグメントの各々に沿って、単一完全螺旋巻きで延在する、請求項１に記載のシステム。
18. 前記光ファイバは、前記関節運動可能セグメントの各々に対して整数回の完全螺旋巻きで延在する、請求項１に記載のシステム。
19. 遠隔で制御される操縦可能器具の作動方法であって、前記遠隔で制御される操縦可能器具は、複数の関節運動可能セグメントを含む外科用器具であって、前記複数の関節運動可能セグメントは、前記外科用器具の形状を変化させるように互いに対して関節運動するように構成されている、外科用器具と、前記複数の関節運動可能セグメントの周囲に螺旋構成で配置される光ファイバと、コントローラとを含み、
    前記方法は、
    前記コントローラにより、前記光ファイバから前記複数の関節運動可能セグメントのうちの少なくとも１つの関節運動可能セグメントの長さに沿った前記複数の関節運動可能セグメントのうちの前記少なくとも１つの関節運動可能セグメントの感知された形状に対応する形状信号を受信することと、
    前記コントローラにより、少なくとも前記光ファイバからの前記形状信号に応答して前記外科用器具を移動させることにより所望の形状を達成するための制御信号を出力することであって、前記制御信号は、前記外科用器具の前記形状を前記所望の形状に変化させるためのユーザ入力に基づいている、ことと
    を含む、方法。
20. 前記出力することは、前記コントローラにより、前記複数の関節運動可能セグメントを独立して移動させて前記外科用器具の前記形状を変化させるための制御信号を出力することを含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記遠隔で制御される操縦可能器具は、入力デバイスをさらに含み、前記出力することは、前記コントローラにより、前記入力デバイスにおける入力に基づいて前記外科用器具を移動させるための制御信号を出力することをさらに含み、前記入力は、前記外科用器具を移動させるためのユーザコマンドである、請求項１９に記載の方法。
22. 前記形状信号を受信することは、前記コントローラにより、前記外科用器具の移動中の前記外科用器具の前記形状の変化に依存した可変形状信号を受信することを含む、請求項１９に記載の方法。
23. 前記遠隔で制御される操縦可能器具は、センサをさらに含み、前記方法は、
    前記センサと前記光ファイバの位置を比較することと、
    前記比較することに基づいて、前記センサに対する前記外科用器具の位置、または、前記外科用器具が前記センサを越えて挿入された深度を決定することと
    をさらに含む、請求項１９に記載の方法。