JP6537523B2 - ツールの姿勢を維持するシステム及び方法 - Google Patents

Description

本開示は、２０１４年７月１５日に出願された“System and Method for Aligning with a Reference Target”というタイトルの米国仮出願第６２／０２４８８７号と、２０１４年３月１７日に出願された“System and Method for Aligning with a Reference Target”というタイトルの米国仮出願第６１／９５４２６１号の優先権を主張し、参照によりそれらの全てが本書に援用される。また、本開示は、同時に出願された“System and Method for Integrated Surgical Table”というタイトルの代理人整理番号ISRG06930PROV2/US/70228.498US01を有する米国仮出願、同時に出願された“System and Method for Reducing Tool Disturbances”というタイトルの代理人整理番号ISRG07010PROV/US/70228.490US01を有する米国仮出願、及び、同時に出願された“System and Method for Aligning with a Reference Target”というタイトルの代理人整理番号ISRG06230PCT/70228.422WO01を有するＰＣＴ出願に関連し、参照によりそれらの全てが本書に援用される。

本開示は、概して、多関節アームを備えた装置の作動に関し、より具体的には、ツールの姿勢を維持することに関する。

ますます多くの装置が自律的及び半自律的な電子装置で置き換えられてきている。これは、手術室、介入室、集中治療病室、救急処置室等で見出される多くの自律的及び半自律的な電子装置がある今日の病院に特に当てはまる。例えば、ガラスと水銀でできた温度計は電子温度計で置き換えられ、静脈内点滴線は今では電子モニタ及び流量レギュレータを含み、また、従来のハンドヘルドの手術器具はコンピュータ支援医療装置で置き換えられている。

これらの電子装置は、それらを操作する者に利点と課題の双方をもたらす。これらの電子装置の多くは、１又は複数の多関節アーム及び／又はエンドエフェクタの自律的な或いは半自律的な動作を可能にし得る。これらの１又は複数の多関節アーム及び／又はエンドエフェクタのそれぞれは、それら多関節アーム及び／又はエンドエフェクタの運動を支援するリンクと多関節ジョイントの組み合わせを含む。多くの場合、それらの多関節ジョイントは、対応する多関節アーム及び／又はエンドエフェクタにおけるリンク及び多関節ジョイントの遠位端に配置された対応するツールの所望の位置（position）及び／又は方向（orientation）（集合的に、所望の姿勢（pose））を獲得するために操縦される。そのツールの近位にある多関節ジョイントのそれぞれは、対応する多関節アーム及び／又はエンドエフェクタに、対応するツールの位置及び／又は方向を操縦するのに使用され得る少なくとも１つの自由度をもたらす。多くの場合、対応する多関節アーム及び／又はエンドエフェクタは、対応するツールのロール、ピッチ、及びヨー方向ばかりでなく、対応するツールのｘ、ｙ、及びｚ位置を制御できるようにする少なくとも６つの自由度を含み得る。対応するツールの姿勢の制御におけるより大きな柔軟性をもたらすために、対応する多関節アーム及び／又はエンドエフェクタはしばしば冗長自由度を含むように設計される。冗長自由度が存在する場合、対応するツールの同じ姿勢を獲得するために、多関節ジョイントにおける位置及び／又は方向の複数の異なる組み合わせが用いられることが可能である。これは、多関節ジョイントが動いている場合であっても、対応するツールの姿勢が動かないゼロ空間（null space）を創出する。

多関節アーム及び／又はエンドエフェクタのそれぞれが操作されているとき、多関節アーム及び／又はエンドエフェクタは、多関節ジョイントの１又は複数における動きをもたらし得る、計画的な運動及び計画外の運動の双方の対象となる可能性がある。この運動はその１又は複数の多関節ジョイントの位置及び／又は方向を変化させるので、その変化は、多関節アームによって操縦されているツールの姿勢に望ましくない変化をもたらす場合がある。この姿勢の変化は、患者の怪我、多関節アーム及び／若しくはエンドエフェクタの近くにいる人の怪我、多関節アーム及び／若しくはエンドエフェクタの損傷、多関節アーム及び／若しくはエンドエフェクタの近くにある他の装置の損傷、無菌領域の破壊、並びに／又は、他の望ましくない結果をもたらすおそれがある。

米国仮出願第６１／９５４２６１号明細書 米国仮出願第６２／０２４８８７号明細書 米国仮出願第６１／９５４１２０号明細書

したがって、ツールの近位にある多関節ジョイントにおける外乱の存在下でそのツールの姿勢を維持することが望まれる。

いくつかの実施例と一致して、コンピュータ支援医療装置は、１又は複数の第１ジョイント及び１又は複数の第２ジョイントを含む多関節アームと、１又は複数の第１ジョイント及び１又は複数の第２ジョイントの遠位にあるツールと、第１ジョイント及び第２ジョイントに結合された制御ユニットとを含む。制御ユニットは、ツールに関する基準座標フレームを決定し、１又は複数の第１ジョイントの動作に先だって基準座標フレームにおけるツールの基準変換を決定し、１又は複数の第１ジョイントが動かされている間に基準座標フレームにおけるツールの実際の変換を決定し、基準変換と実際の変換との間の差を決定し、且つ、その差に基づいて第２ジョイントを駆動することでツールの姿勢を維持することによって、１又は複数の第２ジョイントを用いて、１又は複数の第１ジョイントの動作の際に、ツールの姿勢を維持する。

いくつかの実施例と一致して、コンピュータ支援医療装置の多関節アームの動きを相殺する方法は、その医療装置のツールの姿勢を決定すること、及び、ツールの近位にある多関節アームにおける１又は複数の第１ジョイントの動作の際に、ツールの近位にある１又は複数の第２ジョイントを用いて、ツールの姿勢を維持することを含む。その姿勢は、ツールに関する基準座標フレームを決定し、１又は複数の第１ジョイントの動作に先だって基準座標フレームにおけるツールの基準変換を決定し、１又は複数の第１ジョイントが動かされている間に基準座標フレームにおけるツールの実際の変換を決定し、基準変換と実際の変換と間の差を決定し、且つ、その差に基づいて第２ジョイントを駆動することでツールの姿勢を維持することによって維持される。姿勢は位置及び方向を含む。

いくつかの実施例と一致して、非一時的な機械可読媒体は複数の機械可読命令を含む。複数の機械可読命令は、医療装置に関連付けられている１又は複数のプロセッサによって実行されると、１又は複数のプロセッサに、ある方法を実行させるように構成されている。その方法は、医療装置のツールの姿勢を決定すること、及び、ツールの近位にある多関節アームにおける１又は複数の第１ジョイントの動作の際に、ツールの近位にある１又は複数の第２ジョイントを用いて、ツールの姿勢を維持することを含む。その姿勢は、ツールに関する基準座標フレームを決定し、１又は複数の第１ジョイントの動作に先だって基準座標フレームにおけるツールの基準変換を決定し、１又は複数の第１ジョイントが動かされている間に基準座標フレームにおけるツールの実際の変換を決定し、基準変換と実際の変換と間の差を決定し、且つ、その差に基づいて第２ジョイントを駆動することでツールの姿勢を維持することによって維持される。姿勢は位置及び方向を含む。

いくつかの実施例にしたがったコンピュータ支援システムの簡略図である。 いくつかの実施例にしたがったコンピュータ支援システムを示す簡略図である。 いくつかの実施例にしたがったコンピュータ支援医療システムの運動学モデルの簡略図である。 いくつかの実施例にしたがったツールの近位にある１又は複数のジョイントの動作中にそのツールの姿勢を維持する方法の簡略図である。

図面では、同一の記号表示を有する要素は同一の或いは同等の機能を有する。以下の説明では、本開示にしたがったいくつかの実施例を記述する具体的な詳細が説明される。しかしながら、これらの具体的な詳細のいくつか或いは全てが無い状態で、いくつかの実施例が実施され得ることは当業者によって明らかであろう。本書で開示される具体的な実施例は例示を意図し限定を意図しない。当業者は、本書では具体的に説明されていないが本開示の範囲及び精神に含まれる他の要素を実現し得る。また、不要な繰り返しを避けるために、１つの実施例に関連して図示され且つ説明された１又は複数の特徴は、別に具体的に記載されていない限り、或いは、その１又は複数の特徴が実施例を非機能的にしない限り、他の実施例に組み込まれ得る。

図１は、いくつかの実施例にしたがったコンピュータ支援システム１００の簡略図である。図１に示すように、コンピュータ支援システム１００は、１又は複数の可動の或いは多関節のアーム１２０を有する装置１１０を含む。１又は複数の多関節アーム１２０のそれぞれは、１又は複数のエンドエフェクタを支持し得る。いくつかの例では、装置１１０は、コンピュータ支援手術装置と一致していてもよい。１又は複数の多関節アーム１２０はそれぞれ、１又は複数のツール、手術器具、撮像装置、及び／又は、少なくとも１つの多関節アーム１２０の遠位端に取り付けられるそれらと同様のもののための支持部を提供し得る。装置１１０は更に、オペレータワークステーション（図示せず。）に結合されてもよい。オペレータワークステーションは、装置１１０、１又は複数の多関節アーム１２０、及び／又はエンドエフェクタを操作するための１又は複数のマスタコントロールを含んでいてもよい。いくつかの実施例では、装置１１０及びオペレータワークステーションは、カリフォルニア州のサニーベールにあるIntuitive Surgical社によって市販されているda Vinci（登録商標） Surgical Systemに対応するものであってもよい。いくつかの実施例では、他の構成、より少ない或いはより多くの多関節アーム、及び／又は、それらと同様のものを有するコンピュータ支援手術装置が、コンピュータ支援システム１００と共に用いられてもよい。

装置１１０は、インタフェースを介して制御ユニット１３０に結合される。インタフェースは、１又は複数の無線リンク、ケーブル、コネクタ、及び／又はバスを含んでいてもよく、１又は複数のネットワーク切り替え装置及び／又はルーティング装置を備えた１又は複数のネットワークを更に含んでいてもよい。制御ユニット１３０は、メモリ１５０に結合されたプロセッサ１４０を含む。制御ユニット１３０の動作は、プロセッサ１４０によって制御される。制御ユニット１３０はただ１つのプロセッサ１４０と共に示されているが、プロセッサ１４０は、制御ユニット１３０における、１又は複数の中央処理ユニット、マルチコアプロセッサ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）及び／又はそれらと同様のものの代表であってもよいことが理解されるべきである。制御ユニット１３０は、計算装置に追加されるスタンドアロンのサブシステム及び／若しくはボードとして、或いは、仮想マシンとして実現されてもよい。いくつかの実施例では、制御ユニットは、オペレータワークステーションの一部として含まれていてもよく、且つ／或いは、オペレータワークステーションと協調はするがオペレータワークステーションとは別に操作されてもよい。

メモリ１５０は、制御ユニット１３０によって実行されるソフトウェア、及び／又は、制御ユニット１３０の動作中に使用される１又は複数のデータ構造を保存するために用いられてもよい。メモリ１５０は、１又は複数のタイプの機械可読媒体を含み得る。機械可読媒体のいくつかの一般的な形態は、フロッピーディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、他の任意の磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、他の任意の光学媒体、パンチカード、紙テープ、孔のパターンを有する他の任意の物理媒体、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ−ＥＰＲＯＭ、他の任意のメモリチップ若しくはカートリッジ、及び／又は、プロセッサ若しくはコンピュータが読み取れるように構成された他の任意の媒体を含み得る。

図示されるように、メモリ１５０は、装置１１０の自律的及び／又は半自律的制御をサポートするために使用され得る運動制御アプリケーション１６０を含む。運動制御アプリケーション１６０は、装置１１０から位置、運動、及び／若しくは他のセンサ情報を受信し、手術用テーブル及び／若しくは撮像装置のような他の装置に関する他の制御ユニットと位置、運動、及び／若しくは衝突防止情報を交換し、且つ／或いは、装置１１０、多関節アーム１２０、及び／若しくはその装置１１０のエンドエフェクタに関する動きを計画し且つ／或いは計画を支援するための１又は複数のアプリケーション・プログラミング・インタフェース（ＡＰＩ）を含み得る。また、運動制御アプリケーション１６０は、ソフトウェアアプリケーションとして表されているが、運動制御アプリケーション１６０は、ハードウェア、ソフトウェア、及び／又は、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせを用いて実現されてもよい。

いくつかの実施例では、コンピュータ支援システム１００は、手術室及び／又は介入室（interventional suite）で見出され得る。また、コンピュータ支援システム１００は２つの多関節アーム１２０を有するただ１つの装置１１０を含んでいるが、コンピュータ支援システム１００が、装置１１０と同様の且つ／或いは装置１１０とは異なる設計の多関節アーム及び／又はエンドエフェクタを有する任意の数の装置を含んでいてもよいことを当業者は理解するであろう。いくつかの例では、装置のそれぞれは、より少ない或いはより多くの多関節アーム及び／又はエンドエフェクタを含み得る。

コンピュータ支援システム１００は、手術用テーブル１７０を更に含む。１又は複数の多関節アーム１２０のように、手術用テーブル１７０は、手術用テーブル１７０のベース（基部）に関するテーブルトップ（テーブル頂部）１８０の多関節動作を支持し得る。いくつかの例では、テーブルトップ１８０の多関節動作は、テーブルトップ１８０の高さ、傾き、スライド、トレンデレンブルグ・オリエンテーション、及び／又はそれらと同様のものを変えるための支持を含んでいてもよい。図示されていないが、手術用テーブル１７０は、テーブルトップ１８０の位置及び／又は方向を制御するための制御ペンダントのような１又は複数の制御入力を含んでいてもよい。いくつかの実施例では、手術用テーブル１７０は、ドイツのTrumpf Medical Systems GmbHによって市販されている１又は複数の制御用テーブルに対応し得る。

また、手術用テーブル１７０は、対応するインタフェースを介して制御ユニット１３０に結合されていてもよい。そのインタフェースは、１又は複数の無線リンク、ケーブル、コネクタ、及び／又はバスを含んでいてもよく、１又は複数のネットワーク切り替え装置及び／又はルーティング装置を備えた１又は複数のネットワークを更に含んでいてもよい。いくつかの実施例では、手術用テーブル１７０は、制御ユニット１３０とは異なる制御ユニットに結合されていてもよい。いくつかの例では、運動制御アプリケーション１６０は、手術用テーブル１７０及び／又はテーブルトップ１８０に関連付けられた位置、運動、及び／又は他のセンサ情報を受信するための１又は複数のアプリケーション・プログラミング・インタフェース（ＡＰＩ）を含み得る。いくつかの例では、運動制御アプリケーション１６０は、手術用テーブル１７０及び／又はテーブルトップ１８０の動きを計画し且つ／或いは計画を支援してもよい。いくつかの例では、運動制御アプリケーション１６０は、制御ペンダントの使用を通じて手術用テーブル１７０及び／又はテーブルトップ１８０の動きを防止する等によって、手術用テーブル１７０及び／又はテーブルトップ１８０の運動を防止してもよい。いくつかの例では、運動制御アプリケーション１６０は、装置１１０と手術用テーブル１７０との間の幾何学的関係が分かるように、装置１１０を手術用テーブル１７０と共に登録するのを支援してもよい。いくつかの例では、その幾何学的関係は、装置１１０に関して維持される座標フレームと手術用テーブル１７０に関して維持される座標フレームとの間の並進及び／又は１若しくは複数の回転を含み得る。

図２は、いくつかの実施例にしたがったコンピュータ支援システム２００を示す簡略図である。例えば、コンピュータ支援システム２００は、コンピュータ支援システム１００と一致していてもよい。図２に示すように、コンピュータ支援システム２００は、１又は複数の多関節アームを備えたコンピュータ支援装置２１０と手術用テーブル２８０とを含む。図２には示されていないが、コンピュータ支援装置２１０及び手術用テーブル２８０は、１又は複数のインタフェースと１又は複数の制御ユニットを用いて一緒に結合されてもよい。少なくとも手術用テーブル２８０に関する運動学的情報が、コンピュータ支援装置２１０の多関節アームの運動を実行するために用いられている運動制御アプリケーションに知らされるようにするためである。

コンピュータ支援装置２１０は、種々のリンク及びジョイントを含む。図２の実施例では、コンピュータ支援装置は、通常、リンクとジョイントの３つの異なるセットに分けられる。近位端のところで可動カートすなわち患者側カート２１５で始まるのはセットアップ構造２２０である。そのセットアップ構造の遠位端に結合されるのは、一連のセットアップジョイント２４０である。また、セットアップジョイント２４０の遠位端に結合されるのは、ユニバーサルの手術マニピュレータのようなマニピュレータ２６０である。いくつかの例では、一連のセットアップジョイント２４０及びマニピュレータ２６０は、多関節アーム１２０の１つに対応し得る。また、コンピュータ支援装置は、ただ１つの一連のセットアップジョイント２４０とそれに対応するマニピュレータ２６０と共に示されているが、コンピュータ支援装置が複数の多関節アームを備えることができるように、コンピュータ支援装置が、２つ以上の一連のセットアップジョイント２４０とそれに対応するマニピュレータ２６０を含んでいてもよいことを当業者は理解するであろう。

図示されるように、コンピュータ支援装置２１０は、可動カート２１５に搭載される。可動カート２１５は、手術用テーブル１８０の近くのより良い位置にコンピュータ支援装置２１０を位置付けるために、例えば手術室間で或いは手術室内でといったように、ある位置から別の位置にコンピュータ支援装置２００が移動させられるようにする。セットアップ構造２２０は、可動カート２１５に搭載される。図２に示すように、セットアップ構造２２０は、支柱リンク２２１、２２２を含む２部品の支柱を含む。支柱リンク２２２の上端すなわち遠位端に結合されるのは、肩ジョイント２２３である。肩ジョイント２２３に結合されるのは、ブームリンク２２４、２２５を含む２部品のブームである。ブームリンク２２５の遠位端にはリスト（手首）ジョイント２２６があり、リストジョイント２２６に結合されるのは、オリエンテーション・プラットフォーム（orientation platform）２２７である。

セットアップ構造２２０のリンク及びジョイントは、オリエンテーション・プラットフォーム２２７の位置及び向き（すなわち姿勢）を変えるための複数の自由度を含む。例えば、２部品の支柱は、軸２３２に沿って肩ジョイント２２３を上下に動かすことでオリエンテーション・プラットフォーム２２７の高さを調整するために使用され得る。オリエンテーション・プラットフォーム２２７は、追加的に、肩ジョイント２２３を用い、可動カート２１５、２部品の支柱、及び軸２３２の回りを回転させられ得る。また、オリエンテーション・プラットフォーム２２７の水平位置も、２部品のブームを用い、軸２３４に沿って調整され得る。また、オリエンテーション・プラットフォーム２２７の向きは、リストジョイント２２６を用いた軸２３６の回りの回転によっても調整され得る。このように、セットアップ構造２２０におけるリンク及びジョイントの運動限界（motion limit）に依存し、オリエンテーション・プラットフォーム２２７の位置は、２部品の支柱を用い、可動カート２１５の上で鉛直方向に調整され得る。また、オリエンテーション・プラットフォーム２２７の位置は、２部品のブーム及び肩ジョイント２２３のそれぞれを用い、可動カート２１５の回りで半径方向に且つ角度的に調整され得る。また、オリエンテーション・プラットフォーム２２７の角度方向は、リストジョイント２２６を用いることでも変更され得る。

オリエンテーション・プラットフォーム２２７は、１又は複数の多関節アームのための取り付け点として使用され得る。可動カート２１５に関してオリエンテーション・プラットフォーム２２７の高さ、水平位置、及び方向を調整する能力は、可動カート２１５の近くに位置付けられる患者等の作業空間の周りで１又は複数の多関節アームを位置付け且つ方向付けるためのフレキシブルなセットアップ構造をもたらす。図２は、第１セットアップジョイントすなわち第１フレックスジョイント２４２を用いてオリエンテーション・プラットフォームに結合された単一の多関節アームを示す。また、ただ１つの多関節アームが示されているが、追加的な第１セットアップジョイントを用いて複数の多関節アームがオリエンテーション・プラットフォーム２２７に結合され得ることを当業者は理解するであろう。

第１セットアップジョイント２４２は、多関節アームの一部であるセットアップジョイント２４０の最も近位の部分を形成する。セットアップジョイント２４０は、一連のジョイント及びリンクを更に含んでいてもよい。図２に示すように、セットアップジョイント２４０は、少なくとも、（明示されていない）１又は複数のジョイントを介して結合されたリンク２４４、２４６を含む。セットアップジョイント２４０のジョイント及びリンクは、第１セットアップジョイント２４２を用いて軸２５２の回りでオリエンテーション・プラットフォーム２２７に関してセットアップジョイント２４０を回転させる能力、第１セットアップジョイント２４２とリンク２４６の間の半径方向距離又は水平距離を調整する能力、軸２５４に沿ってオリエンテーション・プラットフォームに関するリンク２４６の遠位端にあるマニピュレータマウント２６２の高さを調整する能力、及び、軸２５４の回りでマニピュレータマウント２６２を回転させる能力を含む。いくつかの実施例では、セットアップジョイント２４０は、オリエンテーション・プラットフォーム２２７に関してマニピュレータマウント２６２の姿勢を変えるための追加的な自由度をもたらす追加的なジョイント、リンク、及び軸を更に含んでいてもよい。

マニピュレータ２６０は、マニピュレータマウント２６２を介してセットアップジョイント２４０の遠位端に結合される。マニピュレータ２６０は、マニピュレータ２６０の遠位端に搭載された器具キャリッジ２６８と共に、追加のジョイント２６４及びリンク２６６を含む。器具すなわちマニピュレータツール２７０は、器具キャリッジ２６８に搭載される。ツール２７０は、挿入軸に沿うように調整されたシャフト２７２を含む。シャフト２７２は、通常、マニピュレータ２６０に関連付けられた遠隔中心２７４を通過するように調整される。遠隔中心２７４の位置は、通常、マニピュレータマウント２６２に関して固定並進運動の関係で維持される。マニピュレータ２６０におけるジョイント２６４の操作が遠隔中心２７４回りのシャフト２７２の回転をもたらすようにするためである。実施例によっては、マニピュレータマウント２６２に関する遠隔中心２７４の固定並進運動の関係は、マニピュレータ２６０におけるジョイント２６４及びリンク２６６の物理的制約条件、ジョイント２６４に関して許容された動きに課せられたソフトウェア制約条件、及び／又は、双方の組み合わせを用いることによって維持される。いくつかの例では、遠隔中心２７４は、マニピュレータ２６０が患者２７８にドッキング（結合）された後の患者２７８における手術用ポート又は切開部位の場所に対応し得る。遠隔中心２７４が手術用ポートに対応するため、ツール２７０が用いられるとき、遠隔中心２７４は、遠隔中心２７４での患者２７８の生体構造への圧力（stress）を制限するため、患者２７８に関して静止したままである。いくつかの例では、シャフト２７２は、手術用ポートのところにあるカニューレ（図示せず）を通過させられてもよい。

シャフト２７２の遠位端のところにはツール若しくはツールチップ２７６がある。ジョイント２６４及びリンク２６６によるマニピュレータ２６０における自由度は、マニピュレータマウント２６２に関するシャフト２７２及び／又はツールチップ２７６のロール、ピッチ、及びヨーの制御を少なくとも可能にし得る。いくつかの例では、マニピュレータ２６０における自由度は、器具キャリッジ２６８を用いてシャフト２７２を前進させ且つ／或いは後退させる能力を更に含んでいてもよい。ツールチップ２７６が挿入軸に沿って且つ遠隔中心２７４に関して前進させられ且つ／或いは後退させられるようにするためである。いくつかの例では、マニピュレータ２６０は、カリフォルニア州のサニーベールにあるIntuitive Surgical社によって市販されているda Vinci（登録商標） Surgical Systemと共に使用されるユニバーサルの手術マニピュレータと一致していてもよい。いくつかの例では、ツール２７０は、内視鏡のような撮像装置、グリッパー、焼灼器（cautery）又は外科用メス（scalpel）のような手術用ツール、及び／又は、それらと同様のものであってもよい。いくつかの例では、ツールチップ２７６は、シャフト２７２に関するツールチップ２７６の位置の追加的な局部的操縦を可能にする、ロール、ピッチ、ヨー、グリップ、及び／又はそれらと同様のもののような、追加的な自由度を含んでいてもよい。

手術或いは他の医療処置の際、患者２７８は、通常、手術用テーブル２８０の上に位置付けられる。手術用テーブル２８０は、テーブルベース２８２及びテーブルトップ２８４を含む。器具２７０及び／又はツールチップ２７６が、患者２７８にドッキングされている間、コンピュータ支援装置２１０によって操縦されるよう、テーブルベース２８２は、可動カート２１５の近くに置かれている。テーブルベース２８２に関するテーブルトップ２８４ひいては患者２７８の相対位置が制御されるよう、手術用テーブル２８０は、テーブルベース２８２とテーブルトップ２８４との間に１又は複数のジョイント又はリンクを含む多関節構造２９０を更に含む。いくつかの例では、テーブルトップ２８４の上にある点に位置付けられ得る仮想的に定められた治療中心（iso center）２８６に関してテーブルトップ２８４が制御されるように多関節構造２９０が構成されてもよい。いくつかの例では、治療中心２８６は、患者２７８の体内に位置付けられてもよい。いくつかの例では、治療中心２８６は、遠隔中心２７４に対応するポート部位のような、複数のポート部位のうちの１つのところにある或いはその近くにある患者の体壁に配置されてもよい。

図２に示すように、テーブルトップ２８４がテーブルベース２８２に関して上昇させられ且つ／或いは下降させられるように、多関節構造２９０は高さ調節ジョイント２９２を含む。多関節構造２９０は、治療中心２８６に関するテーブルトップ２８４のチルト２９４及びトレンデレンブルグ２９６の双方の幾何学的配置（orientation）を変更するためのジョイント及びリンクを更に含む。患者２７８の右側又は左側の一方が患者２７８の他方の側に関して上方に（すなわち、テーブルトップ２８４の長手軸すなわち頭のてっぺんからつま先までの軸の回りで）回転させられるように、チルト２９４は、テーブルトップ２８４が左右に傾斜するのを可能にする。患者２７８の足が上がり（トレンデレンブルグ）或いは患者２７８の頭が上がる（逆トレンデレンブルグ）ように、トレンデレンブルグ２９６は、テーブルトップ２８４が回転するのを可能にする。いくつかの例では、チルト２９４及び／又はトレンデレンブルグ２９６の回転は、治療中心２８６回りの回転を発生させるように調節され得る。多関節構造２９０は、図２に描かれるように大まかな左及び／又は右への運動でテーブルベース２８２に関してテーブルトップ２８４を行ったり来たりスライドさせるための追加的なリンク及びジョイント２９８を更に含む。

図３は、いくつかの実施例に従ったコンピュータ支援医療システムの運動学モデル３００の簡略図である。図３に示すように、運動学モデル３００は、多くのソース及び／又は装置に関連付けられた運動学的情報を含み得る。運動学的情報は、コンピュータ支援医療装置及び手術用テーブルにおけるリンク及びジョイントに関する既知の運動学モデルに基づいていてもよい。運動学的情報は更に、コンピュータ支援医療装置及び手術用テーブルにおけるジョイントの位置及び／又は方向に関連付けられた情報に基づいていてもよい。いくつかの例では、そのジョイントの位置及び／又は方向に関連付けられた情報は、プリズムジョイント（prismatic joint）の線形位置及び回転ジョイント（revolute joint）の回転位置を測定するエンコーダ等の１又は複数のセンサから導き出されてもよい。

運動学モデル３００は、複数の座標フレーム若しくは座標系、並びに、複数の座標フレームのうちの１つから複数の座標フレームのうちの別の１つへ位置及び／若しくは方向を変換するための同次変換（homogeneous transform）等の変換（transformation）を含む。いくつかの例では、運動学モデル３００は、図３に含まれる変換結合（transform linkages）によって示される正方向及び／又は逆（反対）方向の変換を合成することによって、複数の座標フレームの１つにおける位置及び／又は方向の、他の任意の座標フレームにおける正方向及び／又は逆方向のマッピングを可能にするために使用され得る。いくつかの例では、その変換が行列形式の同次変換としてモデル化される場合、その合成（composition）は、行列の乗算を用いて実現され得る。いくつかの実施例では、運動学モデル３００は、図２のコンピュータ支援装置２１０と手術用テーブル２８０の運動学的関係をモデル化するために使用され得る。

運動学モデル３００は、手術用テーブル１７０及び／又は手術用テーブル２８０といった手術用テーブルの位置及び／又は方向をモデル化するために使用され得るテーブルベース座標フレーム３０５を含む。いくつかの例では、テーブルベース座標フレーム３０５は、手術用テーブルに関連付けられた基準点及び／又は基準方向に関する手術用テーブル上の他の点をモデル化するために使用され得る。いくつかの例では、基準点及び／又は基準方向は、テーブルベース２８２のような手術用テーブルのテーブルベースに関連付けられてもよい。いくつかの例では、テーブルベース座標フレーム３０５は、コンピュータ支援システムに関する世界座標フレームとしての使用に適したものであってもよい。

運動学モデル３００は、テーブルトップ２８４のような手術用テーブルのテーブルトップを表す座標フレームにおける位置及び／又は方向をモデル化するために使用され得るテーブルトップ座標フレーム３１０を更に含む。いくつかの例では、テーブルトップ座標フレーム３１０は、治療中心２８６のような、テーブルトップの回転中心又は治療中心の辺りに中心があってもよい。いくつかの例では、テーブルトップ座標フレーム３１０のｚ軸は、手術用テーブルが置かれる床若しくは表面に関して垂直に方向付けられ、且つ／或いは、テーブルトップの表面に直角に方向付けられ得る。いくつかの例では、テーブルトップ座標フレーム３１０のｘ軸及びｙ軸は、テーブルトップの（頭のてっぺんからつま先までの）縦方向及び（一側から他側までの）横方向の主軸を占めるように方向付けられてもよい。いくつかの例では、テーブルベース／テーブルトップ座標変換３１５は、テーブルトップ座標フレーム３１０とテーブルベース座標フレーム３０５との間で位置及び／又は方向をマッピングするために使用され得る。いくつかの例では、多関節構造２９０のような手術用テーブルにおける多関節構造の１又は複数の運動学モデルは、過去及び／又は現在のジョイントセンサの測定値と一緒に、テーブルベース／テーブルトップ座標変換３１５を決定するために使用され得る。図２の実施例と一致しているいくつかの例では、テーブルベース／テーブルトップ座標変換３１５は、手術用テーブルに関連付けられた高さ、トレンデレンブルグ、及び／又はスライドの設定の複合効果をモデル化し得る。

運動学モデル３００は、コンピュータ支援装置１１０及び／又はコンピュータ支援装置２１０のようなコンピュータ支援装置の位置及び／又は方向をモデル化するために使用され得る装置ベース座標フレームを更に含む。いくつかの例では、装置ベース座標フレーム３２０は、コンピュータ支援装置に関連付けられた基準点及び／又は基準方向に関するコンピュータ支援装置上の他の点をモデル化するために使用され得る。いくつかの例では、基準点及び／又は基準方向は、可動カート２１５のようなコンピュータ支援装置の装置ベースに関連付けられ得る。いくつかの例では、装置ベース座標フレーム３２０は、コンピュータ支援システムに関する世界座標フレームとしての使用に適したものであってもよい。

手術用テーブルとコンピュータ支援装置との間の位置関係及び／又は方向関係を追跡するため、手術用テーブルとコンピュータ支援装置との間の位置合わせ（registration）を行うことが望ましいこととなり得る。図３に示すように、その位置合わせは、テーブルトップ座標フレーム３１０と装置ベース座標フレーム３２０との間の位置合わせ変換３２５を決定するために使用され得る。いくつかの実施例では、位置合わせ変換３２５は、テーブルトップ座標フレーム３１０と装置ベース座標フレーム３２０との間の部分的な変換であってもよく、完全な変換であってもよい。いくつかの例では、テーブルベース及び装置ベースは、通常、同じ高さの床面に置かれるため、位置合わせ変換３２５は、テーブルベース座標フレーム３０５のｚ軸の回りにおける、テーブルベースに対する装置ベースの回転関係（例えばθｚ位置合わせ）のみをモデル化してもよい。いくつかの例では、位置合わせ変換３２５は、テーブルベース座標フレーム３０５と装置ベース座標フレーム３２０との間の水平オフセット（例えばＸＹ位置合わせ）をモデル化してもよい。これは、コンピュータ支援装置及び手術用テーブルの双方が同じ水平基面（床）上に置かれ且つ直立姿勢で作動させられるため、可能である。この作動関係において、テーブルベース／テーブルトップ変換３１５における高さ調節は、装置ベース座標フレーム３２０における垂直方向の調節と似ている。テーブルベース座標フレーム３０５の垂直軸と装置ベース座標フレーム３２０の垂直軸は、テーブルベース座標フレーム３０５と装置ベース座標フレーム３２０との間の高さの違いが互いの合理的な公差の範囲内となるように、同じかほぼ同じのためである。いくつかの例では、テーブルベース／テーブルトップ変換３１５におけるチルト及びトレンデレンブルグの調節は、テーブルトップ（又はその治療中心）の高さとθｚ及び／又はＸＹ位置合わせとを知ることで、装置ベース座標フレーム３２０にマッピングされ得る。いくつかの例では、位置合わせ変換３２５及びテーブルベース／テーブルトップ変換３１５は、あたかもコンピュータ支援手術装置がテーブルトップに取り付けられているかのようにコンピュータ支援手術装置をモデル化するために使用され得る。

運動学モデル３００は、コンピュータ支援装置における多関節アーム上の最も近位の点に関連付けられた共用座標フレームの適切なモデルとして使用され得るアームガントリ座標フレーム３３０を更に含む。いくつかの実施例では、アームガントリ座標フレーム３３０は、オリエンテーション・プラットフォーム２２７のようなアームガントリ上の都合の良い点に関連付けられ且つその点に関して方向付けられてもよい。いくつかの例では、アームガントリ座標フレーム３３０の中心点は、軸２３６上に位置付けられ、そのｚ軸は軸２３６に合わせられてもよい。いくつかの例では、装置ベース／アームガントリ座標変換３３５は、装置ベース座標フレーム３２０とアームガントリ座標フレーム３３０との間で位置及び／又は方向をマッピングするために使用され得る。いくつかの例では、装置ベースとセットアップ構造２２０のようなアームガントリとの間のコンピュータ支援装置におけるリンク及びジョイントの１又は複数の運動学モデルは、過去及び／又は現在のジョイントセンサの測定値と一緒に、装置ベース／アームガントリ座標変換３３５を決定するために使用され得る。図２の実施例と一致しているいくつかの例では、装置ベース／アームガントリ座標変換３３５は、コンピュータ支援装置における２部品の支柱、肩ジョイント、２部品のブーム、及びリストジョイントの複合効果をモデル化し得る。

運動学モデル３００は、コンピュータ支援装置における多関節アームのそれぞれに関連付けられた一連の座標フレーム及び変換を更に含む。図３に示すように、運動学モデル３００は、３つの多関節アームに関する座標フレーム及び変換を含むが、当業者は別のコンピュータ支援装置がより少ない且つ／或いはより多くの多関節アームを含み得ることを理解するであろう。図２のコンピュータ支援装置２１０におけるリンク及びジョイントの構成と一致して、多関節アームのそれぞれは、その多関節アームの遠位端に搭載されている器具のタイプに応じて、マニピュレータマウント座標フレーム、遠隔中心座標フレーム、ツール／カメラ座標フレームを用いてモデル化されてもよい。

運動学モデル３００では、多関節アームの第１のものの運動学的関係は、マニピュレータマウント座標フレーム３４１、遠隔中心座標フレーム３４２、ツール座標フレーム３４３、ガントリ／マウント変換３４４、マウント／遠隔中心変換３４５、及び遠隔中心／ツール変換３４６を用いて獲得される。マニピュレータマウント座標フレーム３４１は、マニピュレータ２６０のようなマニピュレータに関連付けられた位置及び／又は方向を表すのに適したモデルを表す。マニピュレータマウント座標フレーム３４１は、通常、対応する多関節アームのマニピュレータマウント２６２のようなマニピュレータマウントに関連付けられている。そして、ガントリ／マウント変換３４４は、対応するセットアップジョイント２４０におけるジョイントセンサの過去及び／又は現在の測定値に加え、対応するセットアップジョイント２４０のような対応するマニピュレータマウントとアームガントリとの間のコンピュータ支援装置におけるリンク及びジョイントの１又は複数の運動学モデルに基づく。

遠隔中心座標フレーム３４２は、通常、対応するマニピュレータ２６０の対応する遠隔中心２７４のような、多関節アームに取り付けられたマニピュレータの遠隔中心に関連付けられている。そして、マウント／遠隔中心変換３４５は、対応するジョイント２６４におけるジョイントセンサの過去及び／又は現在の測定値に加え、対応するマニピュレータ２６０における対応するジョイント２６４、対応するリンク２６６、及び、対応するキャリッジ２６８のような、対応する遠隔中心と、対応するマニピュレータマウントとの間のコンピュータ支援装置におけるリンク及びジョイントの１又は複数の運動学モデルに基づく。対応する遠隔中心が、図２の実施例におけるように、対応するマニピュレータマウントに関して固定位置関係で維持されている場合、マウント／遠隔中心変換３４５は、原則的に静止している並進成分と動的な回転成分とを含み得る。

ツール座標フレーム３４３は、通常、対応するツール２７０及び／又はツールチップ２７６のような、多関節アームに取り付けられた器具におけるツール及び／ツールチップに関連付けられている。そして、遠隔中心／ツール変換３４６は、ジョイントセンサの過去及び／又は現在の測定値に加え、対応するツール及び対応する遠隔中心を動かし且つ／或いは方向付けるコンピュータ支援装置におけるリンク及びジョイントの１又は複数の運動学モデルに基づく。いくつかの例では、遠隔中心／ツール変換３４６は、対応するシャフト２７２のようなシャフトが遠隔中心を通過するときの方向と、遠隔中心に関してシャフトが前進させられ且つ／或いは後退させられるときの距離とを説明する。いくつかの例では、遠隔中心／ツール変換３４６は、ツールのシャフトの挿入軸が遠隔中心を通過することを反映するように拘束され、且つ、そのシャフトによって定められる軸の回りのシャフト及びツールチップの回転を説明し得る。

運動学モデル３００では、多関節アームの第２のものの運動学的関係は、マニピュレータマウント座標フレーム３５１、遠隔中心座標フレーム３５２、ツール座標フレーム３５３、ガントリ／マウント変換３５４、マウント／遠隔中心変換３５５、及び、遠隔中心／ツール変換３５６を用いて獲得される。マニピュレータマウント座標フレーム３５１は、マニピュレータ２６０のようなマニピュレータに関連付けられた位置及び／又は方向を表すのに適したモデルを表す。マニピュレータマウント座標フレーム３５１は、通常、対応する多関節アームのマニピュレータマウント２６２のようなマニピュレータマウントに関連付けられている。そして、ガントリ／マウント変換３５４は、対応するセットアップジョイント２４０におけるジョイントセンサの過去及び／又は現在の測定値に加え、対応するセットアップジョイント２４０のような対応するマニピュレータマウントとアームガントリとの間のコンピュータ支援装置におけるリンク及びジョイントの１又は複数の運動学モデルに基づく。

遠隔中心座標フレーム３５２は、通常、対応するマニピュレータ２６０の対応する遠隔中心２７４のような、多関節アームに取り付けられたマニピュレータの遠隔中心に関連付けられている。そして、マウント／遠隔中心変換３５５は、対応するジョイント２６４におけるジョイントセンサの過去及び／又は現在の測定値に加え、対応するマニピュレータ２６０における対応するジョイント２６４、対応するリンク２６６、及び、対応するキャリッジ２６８のような、対応する遠隔中心と、対応するマニピュレータマウントとの間のコンピュータ支援装置におけるリンク及びジョイントの１又は複数の運動学モデルに基づく。対応する遠隔中心が、図２の実施例におけるように、対応するマニピュレータマウントに関して固定位置関係で維持されている場合、マウント／遠隔中心変換３５５は、原則的に静止している並進成分と動的な回転成分とを含み得る。

ツール座標フレーム３５３は、通常、対応するツール２７０及び／又はツールチップ２７６のような、多関節アームに取り付けられた器具におけるツール及び／又はツールチップに関連付けられている。そして、遠隔中心／ツール変換３５６は、ジョイントセンサの過去及び／又は現在の測定値に加え、対応するツール及び対応する遠隔中心を動かし且つ／或いは方向付けるコンピュータ支援装置におけるリンク及びジョイントの１又は複数の運動学モデルに基づく。いくつかの例では、遠隔中心／ツール変換３５６は、対応するシャフト２７２のようなシャフトが遠隔中心を通過するときの方向と、遠隔中心に関してシャフトが前進させられ且つ／或いは後退させられるときの距離とを説明する。いくつかの例では、遠隔中心／ツール変換３５６は、ツールのシャフトの挿入軸が遠隔中心を通過することを反映するように拘束され、且つ、そのシャフトによって定められる挿入軸の回りのシャフト及びツールチップの回転を説明し得る。

運動学モデル３００では、多関節アームの第３のものの運動学的関係は、マニピュレータマウント座標フレーム３６１、遠隔中心座標フレーム３６２、カメラ座標フレーム３６３、ガントリ／マウント変換３６４、マウント／遠隔中心変換３６５、及び、遠隔中心／カメラ変換３６６を用いて獲得される。マニピュレータマウント座標フレーム３６１は、マニピュレータ２６０のようなマニピュレータに関連付けられた位置及び／又は方向を表すのに適したモデルを表す。マニピュレータマウント座標フレーム３６１は、通常、対応する多関節アームのマニピュレータマウント２６２のようなマニピュレータマウントに関連付けられている。そして、ガントリ／マウント変換３６４は、対応するセットアップジョイント２４０におけるジョイントセンサの過去及び／又は現在の測定値に加え、対応するセットアップジョイント２４０のような対応するマニピュレータマウントとアームガントリとの間のコンピュータ支援装置におけるリンク及びジョイントの１又は複数の運動学モデルに基づく。

遠隔中心座標フレーム３６２は、通常、対応するマニピュレータ２６０の対応する遠隔中心２７４のような、多関節アームに取り付けられたマニピュレータの遠隔中心に関連付けられている。そして、マウント／遠隔中心変換３６５は、対応するジョイント２６４におけるジョイントセンサの過去及び／又は現在の測定値に加え、対応するマニピュレータ２６０における対応するジョイント２６４、対応するリンク２６６、及び、対応するキャリッジ２６８のような、対応する遠隔中心と、対応するマニピュレータマウントとの間のコンピュータ支援装置におけるリンク及びジョイントの１又は複数の運動学モデルに基づく。対応する遠隔中心が、図２の実施例におけるように、対応するマニピュレータマウントに関して固定位置関係で維持されている場合、マウント／遠隔中心変換３６５は、原則的に静止している並進成分と動的な回転成分とを含み得る。

カメラ座標フレーム３６３は、通常、多関節アームに取り付けられた内視鏡のような撮像装置に関連付けられている。そして、遠隔中心／カメラ変換３６６は、ジョイントセンサの過去及び／又は現在の測定値に加え、撮像装置及び対応する遠隔中心を動かし且つ／或いは方向付けるコンピュータ支援装置におけるリンク及びジョイントの１又は複数の運動学モデルに基づく。いくつかの例では、遠隔中心／カメラ変換３６６は、対応するシャフト２７２のようなシャフトが遠隔中心を通過するときの方向と、遠隔中心に関してシャフトが前進させられ且つ／或いは後退させられるときの距離とを説明する。いくつかの例では、遠隔中心／カメラ変換３６６は、撮像装置のシャフトの挿入軸が遠隔中心を通過することを反映するように拘束され、且つ、そのシャフトによって定められる軸の回りの撮像装置の回転を説明し得る。

上述され且つここで更に強調されるように、図３はほんの一例に過ぎず、請求項の範囲を不当に制限することはない。当業者は、多くの変形例、代替例、及び改良例を認識するであろう。いくつかの実施例によると、手術用テーブルとコンピュータ支援装置との間の位置合わせは、別の位置合わせ変換を用いてテーブルトップ座標フレーム３１０と装置ベース座標フレーム３２０との間で決定されてもよい。別の位置合わせ変換が用いられた場合、位置合わせ変換３２５は、テーブルベース／テーブルトップ変換３１５の逆／反対のものでその別の位置合わせ変換を合成することで決定されてもよい。いくつかの実施例によると、コンピュータ支援装置をモデル化するために用いられる座標フレーム及び／又は変換は、コンピュータ支援装置、その多関節アーム、そのエンドエフェクタ、そのマニピュレータ、及び／又はその器具におけるリンク及びジョイントの固有の構成によって異なるように用意され得る。いくつかの実施例によると、運動学モデル３００の座標フレーム及び変換は、１又は複数の仮想ツール及び／又は仮想カメラに関連付けられた座標フレーム及び変換をモデル化するために使用され得る。いくつかの例では、仮想ツール及び／又は仮想カメラは、事前に記憶された且つ／或いは事前にラッチされたツール位置、運動によるツール及び／若しくはカメラの投影、医者及び／若しくは他の関係者によって定められた基準点、並びに／又は、それらと同様のものに関連付けられてもよい。

前述のように、コンピュータ支援システム１１０及び／又は２１０のようなコンピュータ支援システムが作動させられているときには、手術用テーブル１７０及び／又は２８０のような手術用テーブルの動きが許容されている間、ツール及び／又はツールチップの継続的な制御を許容することが望ましいであろう。いくつかの例では、患者からマニピュレータを解き放つ必要なく手術用テーブルの動作が行われ得るため、このことは、より時間がかからない処置を可能にし得る。いくつかの例では、このことは、手術用テーブルのより適切な姿勢を得るために手術用テーブルの動作が行われている間、医者及び／又は他の医療関係者が臓器の動きを監視できるようにし得る。いくつかの例では、このことは、手術用テーブルの動作の際の外科的処置の積極的な継続をも可能にし得る。

コンピュータ支援システム１１０及び／又は２００のようなコンピュータ支援システムが作動させられているとき、目標の１つは、ツール及び／又はツールチップのそれぞれの適切な姿勢を維持することである。コンピュータ支援システムの一動作態様では、手術用テーブルのジョイント、及び、マニピュレータのそれぞれの近位にあるジョイントは、ジョイントの動きが制限され且つ／或いは完全に禁止されるよう、サーボコントロール及び／又はブレーキの使用を通じて適切な位置にロックされ且つ／或いは保持される。これは、マニピュレータにおけるジョイントが、他のジョイントの運動からの干渉なく、所望の処置を遂行するために、ツールの姿勢を制御できるようにする。いくつかの例では、マニピュレータは、その処置の際に患者にドッキングさせられてもよい。いくつかの例では、ツール及び／又はツールチップの姿勢は、オペレータコンソールのところにいる医者による遠隔操作を介して制御され得る。しかしながら、ツールが患者にドッキングされたままの間、多関節アームにおける運動を可能にするコンピュータ支援システムの別の動作態様をサポートすることが望ましいこととなり得る。これらの別の動作態様は、ツールが患者にドッキングされていないときの動作態様では存在しないリスクを導入し得る。いくつかの例では、これらのリスクは、ツール及び／若しくはツールチップが患者に関して動くことを許可されている場合の患者の怪我、無菌領域の破壊、多関節アーム間の衝突、並びに／又は、それらと同様のものを含み得る。

一般的なケースでは、これらの別の動作態様は、ツールの近位にある１又は複数のジョイントが、その１又は複数のジョイントの位置及び／又は方向の変化（すなわち運動）をもたらす外乱にさらされる場合に、ドッキングされたマニピュレータに取り付けられたツールの患者に関する姿勢を維持するという目標によって特徴付けられてもよい。ツールの近位にある１又は複数の第１ジョイントすなわち外乱の影響を受ける外乱ジョイント（disturbed joint）における外乱がツール及びそのツールチップの姿勢の変化をもたらすため、その外乱ジョイントの動きによって引き起こされるツールの姿勢の変化を相殺する１又は複数の第２ジョイントすなわち補償ジョイントの動きを導入することが望ましいこととなり得る。外乱の程度、及び、補償の量の決定は、その外乱が手術用テーブル又は患者の動きに関連付けられているか、或いは、ツールを操縦するために使用される多関節アームにその外乱が限定されているかといったその外乱のタイプ及び特質に依存する。

ツールの姿勢を維持するそれらの別の動作態様に関連付けられた外乱は、２つの大まかなカテゴリに分類され得る。第１カテゴリでは、マニピュレータがドッキングされる患者は、ツール及び／又はツールチップの姿勢が任意の適切な世界座標フレームで監視され且つ維持されるように、動いていない。第１カテゴリは、多関節アームの制御された動きに関連付けられた外乱を含み得る。いくつかの例では、多関節アームのその制御された動きは、処置を行う前に多関節アーム及び／又はマニピュレータをセットアップするために使用される１又は複数のジョイントの動きを含み得る。これの１例は、処置の際にマニピュレータ２６０の良好な可動域をもたらすべくセットアップジョイント２４０が動かされるのを可能にするためにオリエンテーション・プラットフォーム２２７が並進させられ且つ調整されるところの図２の実施例に一致するコンピュータ支援装置のセットアップ構造における１又は複数のジョイントの動きを含む。このタイプの動きの例は、参照により本書に援用された、２０１４年７月１５日に出願された“System and Method for Aligning with a Reference Target”というタイトルの米国仮出願第６２／０２４８８７号、及び、２０１４年３月１７日に出願された“System and Method for Aligning with a Reference Target”というタイトルの米国仮出願第６１／９５４２６１号により詳細に記載されている。これの別の例は、別の多関節アーム及び／又はその多関節アームの近くにある既知の障害物との衝突防止をもたらすための１又は複数のジョイントの動きを含む。第１カテゴリは、他の動きを開始させる前のブレーキ及び／又は他のジョイントのロックの解除に関連付けられた外乱を更に含んでいてもよい。いくつかの例では、例えば患者の体壁によってマニピュレータの遠隔中心に適用される力及びトルクによるような、ツールのシャフトにかかる外力及び／又はトルクは、ブレーキ及び／又はロックが解除され且つ力及び／又はトルクがその解放されたジョイントによって吸収されるときに、ツール及び／又はツールチップの望ましくない動きをもたらし得る。第１カテゴリは、オペレータによる多関節アームの手動再配置の際に、且つ／或いは、多関節アームと障害物との間の衝突により発生するかもしれないような、クラッチ状態又は浮遊状態にある多関節アームの作動によって引き起こされる外乱を更に含んでいてもよい。このタイプの動きの例は、参照により本書に援用される２０１４年３月１７日に出願された“System and Method for Breakaway Clutching in an Articulated Arm”というタイトルの米国仮出願第６１／９５４１２０号により詳細に記載されている。

第２カテゴリでは、マニピュレータがドッキングされる患者は動いており、ツール及び／又はツールチップの姿勢が局部座標フレームで監視されるようにしている。第２カテゴリは、手術用テーブルにおける多関節構造の動き（すなわちテーブル動作）、又は、その手術用テーブルに関する患者の動作を許容することによって引き起こされる外乱を含み得る。第２カテゴリでは、患者に関するツールの姿勢が変化しないように、多関節アーム及びツールを患者と共に移動させることが一般的に望まれている。いくつかの例では、これは、多関節アームにおける１又は複数のジョイントを解放し且つ／或いはそのロックを解除し、且つ、患者が動くときにポートのところで患者の体壁が遠隔中心及びツールを引っ張ることができるようにすることを含み得るポート引き摺りを利用することで達成され得る。いくつかの例では、遠隔中心が動くときに遠隔中心に関するツールの方向が変化し始め、患者に関するツールの姿勢との間で変化をもたらす。

図４は、いくつかの実施例にしたがってツールの近位にある１又は複数のジョイントの動作の際にツールの姿勢を維持する方法４００の簡略図である。方法４００における１又は複数のプロセス４１０−４６０は、少なくとも部分的には、１又は複数のプロセッサ（例えば制御ユニット１３０におけるプロセッサ１４０）によって実行されたときに、それら１又は複数のプロセッサに１又は複数のプロセス４１０−４６０を行わせ得る、非一時的な具体的な機械可読媒体に記憶された実行可能なコードの形で実現され得る。いくつかの実施例では、方法４００は、１又は複数の補償ジョイントにおける補償動作を導入することによって、１又は複数の外乱ジョイントにおける動きによるツールの姿勢の変化を相殺するために使用され得る。いくつかの例では、方法４００は、外乱ジョイントにおける動きが、制御された動き、クラッチ動作、ブレーキ若しくはロックの解除、患者の動き、及び／又はそれらと同様のものによる場合に、使用され得る。図２の実施例に一致するいくつかの例では、１若しくは複数の外乱ジョイント、及び／又は、１若しくは複数の補償ジョイントは、セットアップ構造２２０におけるジョイントの任意のもの、セットアップジョイント２４０、及び／又は、ツールの近位にあるマニピュレータ２６０における任意のジョイントを含み得る。いくつかの実施例では、方法４００の使用は、多関節アーム、エンドエフェクタ、及び／又はマニピュレータに関する遠隔中心が定められるように、器具、カニューレ、及び／又はそれらと同様のものが、対応する多関節アーム、エンドエフェクタ、及び／又はマニピュレータの遠位端に結合されているときの動作に限定されてもよい。いくつかの実施例では、方法４００は、患者ポートからの抵抗を用いて且つ／或いはコンピュータ支援装置のオペレータによって、少なくとも部分的にツールの姿勢が維持されるようにすることを含んでいてもよい。

いくつかの実施例によると、方法４００は、１又は複数の外乱ジョイントの動作の際にツールの姿勢を維持しない方法に比べ、１又は複数の有用な改善を支援し得る。いくつかの例では、方法４００は、ツール及び／又はそのツールが搭載される多関節アームにおける他のリンク及びジョイントと、位置及び方向がコンピュータ支援装置に知られている他の多関節アーム、エンドエフェクタ、及び／又は、ツールとの間の衝突の可能性を低減させ得る。いくつかの例では、方法４００は、ツールが搭載されている多関節アームに取り付けられた１又は複数の無菌ドレープの動きを低減させ得る。オペレータの１又は複数の露出領域（例えばオペレータの顔）のような１又は複数の非無菌障害物と接触するように１又は複数の無菌ドレープを押しやり且つ／或いは動かしてしまい、その結果としてもたらされる無菌領域の破壊をより好適に防止するためである。いくつかの例では、方法４００は、ツール及び／又はツールチップによる患者の怪我の可能性を低減させるために、患者の体内でツール及び／又はツールチップを動かし且つ／或いは押しやる可能性を低減させ得る。

プロセス４１０では、ツールに関する基準座標フレームが決定される。ツールに関する基準座標フレームの決定は動作モードに依存する。いくつかの例では、基準フレームの決定は更に、ツールが搭載される多関節アーム、及び／又は、外乱の結果として動き得る１又は複数のジョイント（すなわち外乱ジョイント）に関して予想される外乱のタイプに依存し得る。患者が動いておらず、且つ、多関節アームに取り付けられたマニピュレータに関する遠隔中心が並進運動に左右されないところでの、多関節アームの制御された動作、多関節アームの手動再配置、多関節アームの衝突によって引き起こされる動作、及び／又は、それらと同様のものに外乱のソースが関連付けられる場合、世界座標フレームに関して固定されている任意の座標フレームが使用され得る。図２及び図３の実施例に一致して、装置ベース座標フレーム３２０、アームガントリ座標フレーム３３０、並びに／又は、遠隔中心座標フレーム３４２、３５２、及び３６２の何れかが基準座標フレームとして使用されてもよい。遠隔中心が動くようにする１又は複数の外乱ジョイントのブレーキ及び／又はロックの解除に外乱のソースが関連付けられている場合、世界座標フレームに関して固定されている任意の座標フレームが使用され得る。図２及び図３の実施例と一致して、遠隔中心座標フレーム３４２、３５２、及び３６２の何れかではなく、装置ベース座標フレーム３２０及び／又はアームガントリ座標フレーム３３０の何れかが基準座標フレームとして使用されてもよい。外乱のソースが患者の動き、及び／又は、手術用テーブルの動きに関連付けられている場合、患者と共に動く局部座標フレームが使用され得る。図２及び図３の実施例と一致して、多関節アームに関連付けられた遠隔中心座標フレーム３４２、３５２、若しくは３６２、及び／又は、テーブルトップ座標フレーム３１０は、基準座標フレームとして使用されてもよい。

プロセス４２０では、基準座標フレームにおけるツールの基準変換が決定される。１又は複数の外乱ジョイントの動きの開始に先だって、コンピュータ支援装置の１又は複数の運動学モデルは、プロセス４１０の際に決定された基準座標フレームにおけるツールに関する基準変換を決定するために使用される。いくつかの例では、その１又は複数の運動学モデルは、多関節アーム、マニピュレータ、ツール、セットアップ構造、及び／又はそれらと同様のものにおけるリンク及びジョイントに関する１又は複数の運動学モデルを含み得る。図２及び図３の実施例を例として用いると、基準座標フレームが遠隔中心座標フレーム３４２、３５２、又は３６２である場合、外乱が始まる前にラッチされ或いは記録された遠隔中心／ツール変換３４６、３５６、又は遠隔中心／カメラ変換３６６のそれぞれは、ツールの基準変換となる。基準座標フレームがアームガントリ座標フレーム３３０である場合、外乱が始まる前にラッチされ或いは記録された、対応するガントリ／マウント変換３４４、３５４、又は３６４と、対応するマウント／遠隔中心変換３４５、３５５、又は３６５と、対応する遠隔中心／ツール変換３４６、３５６、又は対応する遠隔中心／カメラ変換３６６との合成は、ツールの基準変換となる。いくつかの例では、ツールが多関節アーム、エンドエフェクタ、及び／又はマニピュレータに搭載されていない場合、カニューレの挿入方向、及び／又は、器具の仮想シャフトに基づいて基準変換を決定するために、カニューレ及び／又は仮想ツールが使用され得る。

プロセス４３０では、基準座標フレームにおけるツールの実際の変換が決定される。外乱によって１又は複数の外乱ジョイントが動き始めると、ツールは１又は複数の外乱ジョイントの遠位にあるため、ツールの姿勢は変化し始める。１又は複数の外乱ジョイントの動きは監視され、且つ、プロセス４２０の際に使用されたのと同じ１又は複数の運動学モデルは、基準座標フレームにおけるツールの実際の変換を決定するために、現在のジョイントの位置及び／又は方向を用いて再び適用される。実際の変換は、１又は複数の外乱ジョイントの動きがどのようにしてそのツールをその維持されるべき姿勢から遠ざける傾向にあるのかを表す。

プロセス４４０では、実際の変換と基準変換との差が決定される。実際の変換と基準変換との間の差は、外乱によってツールの姿勢に導入されている誤差を表す。多関節アームにおける１又は複数の補償ジョイントを用いた動きによってツールの姿勢における誤差が相殺されなければ、ツールの姿勢は不必要に変化してしまう。いくつかの例では、その差は、実際の変換と基準変換の対応する行列及び／又はベクトル表現の減算によって決定されてもよい。いくつかの例では、その差は、基準変換の逆／反対（inverse/reverse）変換と実際の変換とを合成することで決定される誤差変換として表現されてもよい。

プロセス４５０では、その差に基づいて補償ジョイント変化が決定される。プロセス４４０の際に決定された、実際の変換と基準変換との間の差を用いることで、１又は複数の補償ジョイントにおける変化が決定される。実際の変換と基準変換との間の差は、実際の変換及び基準変換の基準座標系から、補償ジョイントのそれぞれに関連付けられている１又は複数の局部座標系にマッピングされる。実際には、これは、基準座標系からのツールの姿勢の誤差を、補償ジョイントに関する姿勢の誤差に変換する。いくつかの例では、その差を局部座標系に変換するために１又は複数の運動学モデルが使用され得る。いくつかの例では、補償ジョイントは、外乱ジョイントの１つではない、多関節アーム及び／又はマニピュレータにおけるジョイントの何れかを含んでいてもよい。姿勢における相対誤差が決定されると、それらは、補償ジョイントのそれぞれに関する動きを決定するために使用され得る。いくつかの例では、その相対誤差を補償ジョイントの補償動作にマッピングするために逆ヤコビアンが使用され得る。いくつかの例では、補償ジョイントにおける動きは、補償ジョイントに適用されるジョイント速度として適用されてもよい。

プロセス４６０では、補償ジョイントが駆動される。プロセス４５０の際に決定された補償ジョイントの動きに基づいて１又は複数の命令が補償ジョイントにおける１又は複数のアクチュエータに送信される。補償ジョイントに向けて送信されたそれらの命令は、１又は複数の外乱ジョイントの動きによってもたらされたツールの姿勢における誤差を補正する。基準座標系におけるツールの姿勢が最小限の誤差で維持されるようにするためである。１又は複数の補償ジョイントがツールの姿勢に対する修正変更を実行し続ける限り、プロセス４３０−４６０は、ツールの姿勢に導入された任意の誤差を相殺するために繰り返される。

いくつかの実施例によると、プロセス４６０は、実際的制限の対象となり得る。いくつかの例では、ツールの姿勢の誤差を相殺するための１又は複数の補償ジョイントの能力は、１又は複数の補償ジョイントの可動域（Range of Motion (ROM)）リミットによって制限され得る。いくつかの例では、１又は複数の補償ジョイントに関するＲＯＭリミットに達した場合、且つ／或いは、そのＲＯＭリミットにまさに達しようとしている場合、方法４００及び／又はプロセス４６０は停止され得る。そして、１又は複数の視覚的及び／又は聴覚的な誤差の指示（cue）を用いて誤差がオペレータに示され得る。いくつかの例では、方法４００及び／又はプロセス４６０の動作を停止させるよりもむしろ、プロセス４６０は、外乱によって引き起こされた動きの全てが相殺されたのではないことを知らせるフィードバックをオペレータに提供しながら制御可能な誤差を最小限にするために、ツールの姿勢における誤差を部分的に相殺する変形態様で動作してもよい。いくつかの例では、そのフィードバックは、補償が制限されていることを示す１若しくは複数の視覚的及び／若しくは聴覚的な指示、並びに／又は、１若しくは複数の補償ジョイントへの抵抗の適用を含んでいてもよい。いくつかの例では、その抵抗は、１若しくは複数の補償ジョイントに関連付けられた１若しくは複数のブレーキを部分的に適用すること、並びに／又は、１若しくは複数の補償ジョイントに関連付けられた１若しくは複数のアクチュエータに運動抵抗電圧及び／若しくは信号を適用することを含んでいてもよい。

上述され且つここで更に強調されるように、図４はほんの一例に過ぎず、請求項の範囲を不当に制限することはない。当業者は、多くの変形例、代替例、及び改良例を認識するであろう。いくつかの実施例によると、方法４００は、コンピュータ支援装置によって操縦されているツールのそれぞれに独立して適用され得る。いくつかの例では、それらのツールは、患者にドッキングされたツールの任意のものを含んでいてもよい。いくつかの例では、補償ジョイントは、コンピュータ支援装置におけるオリエンテーション・プラットフォーム２２７のようなアームガントリの遠位に配置されてもよい。それらのツールのそれぞれの姿勢を維持するための補償がそれらのツールのそれぞれに別々に適用されるようにするためである。

いくつかの実施例によると、外乱ジョイント及び補償ジョイントは、多関節アーム及び／又はマニピュレータにおけるジョイントのそれぞれを含んでいなくてもよい。いくつかの例では、補償ジョイントは、マニピュレータのロールジョイント、ピッチジョイント、及びヨージョイントのみを含んでいてもよい。いくつかの例では、多関節アーム及び／又はマニピュレータにおける他のジョイントは、方法４００の際のそれらの相対的な動きを防止するためにロックされてもよい。いくつかの例では、多関節アーム及び／又はマニピュレータにおける１又は複数の非作動ジョイントは、方法４００の際にロックが解除されていてもよく、且つ／或いは、クラッチ状態及び／又は浮遊状態に置かれていてもよい。ツールの姿勢における誤差が、ロック解除されたジョイントにおける変化によって、少なくとも部分的に低減されるようにするためである。いくつかの例では、ロック解除されたジョイントにおける変化は、補償ジョイントが駆動されるべき量を低減させ得る。いくつかの例では、ツールの姿勢は、患者ポートからの抵抗を用いることで、且つ／或いは、コンピュータ支援装置のオペレータによって、少なくとも部分的に維持され得る。

いくつかの実施例によると、プロセス４３０−４６０のうちの１つ又は複数は、同時に実行されてもよい。いくつかの実施例によると、追加の条件が、例えば、コンピュータ支援装置の制御をオペレータに戻すことによる、且つ／或いは、コンピュータ支援装置の動作の停止によるような方法４００の早期終了をもたらす場合がある。いくつかの例では、その追加の条件は、補償動作を完了させることができないこと、オペレータワークステーション及び／若しくは多関節アームにおける１若しくは複数のコントロールを用いたオペレータの手動介入及び／若しくはオーバーライド、１若しくは複数のセーフティインターロックによるオペレータワークステーションからのオペレータの離脱の検出、コンピュータ支援装置における位置追跡エラー、システム故障、並びに／又は、それらと同様のものを含んでいてもよい。いくつかの例では、コンピュータ支援装置におけるリンク及び／若しくはジョイント間の差し迫った衝突の検出、コンピュータ支援装置における１若しくは複数のジョイントの運動の範囲の制限、患者の動きのためにツールの姿勢を維持できないこと、並びに／又は、それと同様のもののために、所望の動きができない場合がある。いくつかの例では、方法４００の早期終了は、オペレータに向けて送信されるエラー通知をもたらすようにしてもよい。いくつかの例では、そのエラー通知は、テキストメッセージ、点滅する光、可聴音、発話された語句、及び／又はそれらと同様のものといった任意の可視的な及び／又は可聴式の指示を含んでいてもよい。

制御ユニット１３０のような制御ユニットのいくつかの例は、１又は複数のプロセッサ（例えばプロセッサ１４０）によって実行されたときにその１又は複数のプロセッサに方法４００のプロセスを行わせる実行可能なコードを含む非一時的な具体的な機械可読媒体を含んでいてもよい。方法４００のプロセスを含み得る機械可読媒体のいくつかの一般的な形態は、例えば、フロッピーディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、他の任意の磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、他の任意の光学媒体、パンチカード、紙テープ、孔のパターンを有する他の任意の物理媒体、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ−ＥＰＲＯＭ、他の任意のメモリチップ若しくはカートリッジ、及び／又は、プロセッサ若しくはコンピュータが読み取れるように構成された他の任意の媒体を含み得る。

例示的な実施例が図示され且つ説明されたが、前述の開示及びいくつかの例において広範囲の改良、変形、及び置換が予期され、実施例におけるいくつかの特徴は、他の特徴の対応する使用無しで、採用されてもよい。当業者は、多くの変形例、代替例、及び改良例を認識するであろう。このように、本発明の範囲は以下の請求項によってのみ制限されるべきであり、また、それら請求項は広く且つ本書で開示された実施例の範囲と整合する態様で解釈されることが適切である。

Claims (15)

1. コンピュータ支援医療装置であって：
   制御ユニットと、
   １又は複数の第１ジョイント及び１又は複数の第２ジョイントを含む多関節アームと、を含み、
   前記多関節アームは、１又は複数の前記第１ジョイント及び１又は複数の前記第２ジョイントの遠位にあるツールを保持するように構成され、
   １又は複数の前記第１ジョイント及び１又は複数の前記第２ジョイントは、前記制御ユニットに結合され、
   １又は複数の前記第１ジョイントの動作の際に、前記制御ユニットは：
   前記ツールに関する基準座標フレームを決定し；
   １又は複数の前記第１ジョイントの動作に先だって前記基準座標フレームにおける前記ツールの基準変換を決定し；
   １又は複数の前記第１ジョイントが動いている間に前記基準座標フレームにおける前記ツールの実際の変換を決定し；
   前記基準変換と前記実際の変換との間の差を決定し；且つ
   前記差に基づいて１又は複数の前記第２ジョイントを駆動することで前記ツールの姿勢を維持する；
   ことによって、１又は複数の前記第２ジョイントを用いて、前記ツールの姿勢を維持する、
   装置。
2. 前記制御ユニットは更に：
   前記差を、１又は複数の前記第２ジョイントに固有の第２座標フレームに変換することによって、或いは、
   １又は複数の前記第２ジョイントに関する逆ヤコビアンに基づいて１又は複数の前記第２ジョイントに関する命令を決定することによって、或いは、
   １又は複数の前記第１ジョイントの位置と、１又は複数の前記第２ジョイントの位置と、前記コンピュータ支援医療装置の１又は複数の運動学モデルとに基づいて前記基準変換及び前記実際の変換を決定することによって、
   前記ツールの前記姿勢を維持する、
   請求項１の装置。
3. １又は複数の前記第２ジョイントは、前記基準座標フレームに関する前記ツールのロール、ピッチ、及びヨーを制御するように構成されている、
   請求項１又は２の装置。
4. 前記基準座標フレームは：
   前記多関節アームの遠隔中心に関連付けられ、或いは、
   前記コンピュータ支援医療装置に関する世界座標系に関して固定され、或いは、
   患者が位置付けられる手術用テーブルの頂部に関連付けられている、
   請求項１乃至３の何れかの装置。
5. 前記制御ユニットは更に、１又は複数の前記第１ジョイントの動作の原因に基づいて前記ツールに関する前記基準座標フレームを決定することによって前記ツールの前記姿勢を維持する、
   請求項１乃至４の何れかの装置。
6. １又は複数の前記第１ジョイントの前記動作は患者の動作によるものであり、前記基準座標フレームは、前記多関節アームの遠隔中心に関連付けられている、
   請求項５の装置。
7. 前記多関節アームの前記遠隔中心は、前記多関節アームが前記患者にドッキングされるところであるポートのところに位置付けられている、
   請求項６の装置。
8. 前記患者の前記動作は、手術用テーブルの動作による、
   請求項６又は７の装置。
9. １又は複数の前記第１ジョイントの前記動作が、前記多関節アームの制御された動き、前記多関節アームの手動再配置、前記多関節アームの衝突によって引き起こされた動き、及び、１若しくは複数の前記第１ジョイントの１若しくは複数のブレーキ若しくはロックの解除、からなる複数の原因のグループから選択される１つの原因による場合、前記基準座標フレームは、前記コンピュータ支援医療装置の世界座標フレームに関して固定されている、
   請求項５の装置。
10. １又は複数の前記第２ジョイントのそれぞれは、前記多関節アームのマニピュレータに関連付けられ、
    １又は複数の前記第２ジョイントのそれぞれは、１又は複数の前記第１ジョイントのそれぞれの遠位にある、
    請求項１乃至９の何れかの装置。
11. 前記制御ユニットは、前記実際の変換を用いて前記基準変換の逆を作成することによって前記基準変換と前記実際の変換との間の前記差を決定する、
    請求項１乃至１０の何れかの装置。
12. コンピュータ支援医療装置に関連付けられている１又は複数のプロセッサによって実行されると１又は複数の前記プロセッサに以下の段階を実行させるように構成された複数の機械可読命令を含む非一時的な機械可読媒体であって、前記段階には、
    前記コンピュータ支援医療装置のツールの位置及び方向を含む前記ツールの姿勢を決定すること；及び
    前記ツールの近位にある多関節アームにおける１又は複数の第１ジョイントの動作の際に、前記ツールの近位にある１又は複数の第２ジョイントを用いて、前記ツールの前記姿勢を維持すること；が含まれ、
    前記ツールの前記姿勢を維持することは：
    前記ツールに関する基準座標フレームを決定し；
    １又は複数の前記第１ジョイントの前記動作に先だって前記基準座標フレームにおける前記ツールの基準変換を決定し；
    １又は複数の前記第１ジョイントが動かされている間に前記基準座標フレームにおける前記ツールの実際の変換を決定し；
    前記基準変換と前記実際の変換と間の差を決定し；且つ
    前記差に基づいて前記第２ジョイントを駆動することで前記ツールの前記姿勢を維持する；ことによる、
    非一時的な機械可読媒体。
13. 前記基準座標フレームは、
    前記多関節アームの遠隔中心に関連付けられ、或いは、
    前記コンピュータ支援医療装置に関する世界座標系に関して固定されている、
    請求項１２の非一時的な機械可読媒体。
14. １又は複数の前記第１ジョイントの前記動作が、前記多関節アームの制御された動き、前記多関節アームの手動再配置、前記多関節アームの衝突によって引き起こされた動き、及び、１若しくは複数の前記第１ジョイントの１若しくは複数のブレーキ若しくはロックの解除、から構成される複数の原因のグループから選択される１つの原因による場合、前記基準座標フレームは、前記コンピュータ支援医療装置の世界座標フレームに関して固定されている、
    請求項１２又は１３の非一時的な機械可読媒体。
15. 前記ツールの前記姿勢を維持することは、１又は複数の前記第１ジョイントの前記動作の原因に基づいて前記ツールに関する前記基準座標フレームを決定することを含む、
    請求項１２又は１３の非一時的な機械可読媒体。

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