JP6542259B2 - ロボットインターフェース位置調整決定システムおよび方法 - Google Patents

Description

本開示は、ロボット外科手術システムに関する。特に、本開示は、ロボット外科手術システムを制御するためのハンドヘルドユーザインターフェースを対象とする。

ロボット外科手術システムは、低侵襲的医療手技において使用されている。いくつかのロボット外科手術システムは、ロボットアームと、ロボットアームに搭載される鉗子または把持ツール等の外科手術器具またはエンドエフェクタとを支持するコンソールを含んでいる。複数の関節を有する機械的入力デバイスが、ロボットアームおよび／またはロボットアームに搭載される外科手術器具を移動させるために、外科医によって操作される。

機械的入力デバイスは、関節および関節を接続するロッドの構成に応じて変動する、デバイスが移動させられ得る限定された可動域を提供している。より大きい可動域は、関節および／またはロッドを拡大し、入力デバイスが移動する作業空間を増加させること、および／またはエンドエフェクタの出力運動をアップスケールすることによって達成されている。関節、ロッド、および／または作業空間の拡大は、システムを容易に運搬可能ではなくさせている。エンドエフェクタ運動のアップスケールは、入力デバイスの人間工学的にスケールされた運動からのエンドエフェクタの微細な移動の精度を低減させ、システムを精密ではないものにしている。

ロボットシステムおよび入力デバイスのサイズは、機械的入力デバイスの代わりに、ワイヤレス入力デバイスを光源および位置感度検出器等の光学追跡技術とともに使用することによって縮小され得る。光学入力デバイスは、機械的ロッドおよび関節の空間要件を排除するであろうが、可動域は、依然として、位置検出器および光源の特性および構成によって限定されるであろう。より大きい可動域は、エンドエフェクタ運動をアップスケールすることによっても支援されているが、それによって、外科手術システムの精度を低下させている。

より大きい可動域を有し、より小さい専有面積を占有する容易に運搬可能な外科手術ロボット入力デバイスに対する必要性がある。さらに、アップスケールを通してエンドエフェクタ移動の精度を低下させない、より大きい可動域を支援する光学追跡入力デバイスに対する必要性もある。

ロボット外科手術システムは、追加の命令を用いてプログラムされ、入力デバイス内の光学追跡センサを補完する追加の非光学センサを含み得る。追加の非光学センサは、光学追跡センサの可動域を超える、入力デバイスのための追加の可動域を提供するように構成され得る。追加のプログラミング命令は、光学および非光学センサから得られた信号間の位置計算誤差を低減させるアルゴリズムを含み得る。これらのアルゴリズムはまた、光学センサと非光学センサとの間の位置計算の入力源を変更するときのより平滑な遷移を提供し得る。

ロボット外科手術システムは、少なくとも１つのロボットアームとロボットアームの遠位端に一対のジョー部材を有するエンドエフェクタを有するロボット外科手術デバイスを含み得る。本システムはまた、オペレーティングコンソールを含む。ハンドピースは、ロボット外科手術デバイス上のエンドエフェクタを制御するように構成されているピンチインターフェースと、少なくとも１つのマーカと、ハンドピースの加速度を測定するように構成されている加速度計と、データをピンチインターフェースまたは加速度計のうちの少なくとも１つからロボット外科手術デバイスに伝送するように構成されている送信機とを含む。本システムはまた、マーカを追跡し、ハンドピースの位置または向きを提供する追跡システムを含む。コントローラは、追跡システムからのハンドピースの位置または向き、または加速度計からのハンドピースの測定された加速度を受信する。コントローラは、ハンドピースの位置、向き、または加速度に基づいて、ロボットアームの移動を制御する。

ピンチインターフェースは、一対のピンチ部材を含み得る。いくつかの側面では、対のピンチ部材は、ピンチ部材の相対的移動を測定するように構成されている少なくとも１つのピンチセンサを含み得る。対のピンチ部材の相対的移動は、対のジョー部材を移動させる。対のピンチ部材の測定された相対的移動は、所定の係数によって乗算され、対のジョー部材の移動を生じさせる。

いくつかの側面では、対のピンチ部材は、力センサを含み、対のピンチ部材に加えられている力を測定し得る。対のピンチ部材に加えられている力は、対のジョー部材に対のジョー部材間に配置される組織への閉鎖力がピンチ部材に比例的に整合した位置に移動させる。

ロボット外科手術デバイスは、複数のロボットアームを含み得、ハンドピースは、ロボットアームのうちの１つを選択するように構成されているスイッチを含み得る。

他の側面では、ハンドピースは、マスタデバイスまたはスレーブデバイスに係合するように構成されている、スイッチを含み得る。

ある側面では、追跡システムは、光学、磁気、または誘導追跡システムである。

本開示の別の側面では、ロボット外科手術デバイスを制御するためのハンドヘルド器具が、提供される。ハンドヘルド器具は、ロボット外科手術デバイス上のエンドエフェクタを制御するように構成されているピンチインターフェースと、ハンドピースの加速度を測定するように構成されている加速度計とを有する少なくとも１つのハンドピースを含む。ハンドピースはまた、ロボット外科手術デバイスの移動を制御するために、データをピンチインターフェースまたは加速度計のうちの少なくとも１つからロボット外科手術デバイスに伝送するように構成されている、送信機を含む。

本開示のさらに別の側面では、ハンドヘルドインターフェースを使用してロボット外科手術デバイスを制御する方法が、提供される。本方法は、ハンドヘルドインターフェース上の複数の光学マーカの画像を捕捉することを含む。ハンドヘルドインターフェースの位置または向きは、画像に基づいて決定される。加速度データは、ハンドヘルドインターフェースから受信される。ロボット外科手術デバイスの移動は、ハンドヘルドインターフェースの決定された位置または向きに基づいて、または、ハンドヘルドインターフェースの加速度データに基づいて制御される。

ロボット外科手術デバイスの位置または向きは、ハンドヘルドインターフェースの決定された位置または向きに基づいて制御され得る。ロボット外科手術デバイスの位置または向きは、ハンドヘルドインターフェースの位置または向きが決定されることができない場合、加速度データに基づいて制御され得る。加速度データは、ロボット外科手術デバイスの推定される位置または向きを計算するために使用され得る。

いくつかの側面では、ハンドヘルドインターフェースの位置または向きを決定することは、捕捉された画像を画像のデータベースと比較することを含む。他の側面では、ハンドヘルドインターフェースの位置または向きを決定することは、光学マーカのうちの少なくとも２つ間の少なくとも２つの距離を計算することを含む。

いくつかの側面では、ハンドピースの位置は、ハンドピースが、再び、光学マーカが決定した向きによって特定可能である場合、ロボットの非ゼロ速度移動を調整することによって、整列するよう戻される。

本開示の別の側面では、ハンドヘルドインターフェースをエンドエフェクタを有するロボット外科手術デバイスに対して向け直す方法が、提供される。本方法は、ハンドヘルドインターフェースを作業野内で検出することと、エンドエフェクタに対するハンドヘルドインターフェースの絶対位置および角度誤差を確立することとを含む。ハンドヘルドインターフェースの移動が、検出され、ハンドヘルドインターフェースの位置または角速度オフセットが、計算される。エンドエフェクタに対する現在の移動ベクトル近傍のハンドヘルドインターフェースのベクトルが、ハンドヘルドインターフェースの計算された位置または角速度オフセットに基づいて整列させられる。

計算された位置または角速度オフセットは、ハンドヘルドインターフェースの速度の分数乗数であり得る。分数乗数の大きさは、移動の向きにおけるオフセットおよびスケール係数の大きさから導出され得る。スケール係数は、無次元係数、角度係数、寸法係数、または時間係数であり得る。

本開示のさらなる詳細および側面は、添付の図を参照して以下により詳細に説明される。
例えば、本願は以下の項目を提供する。
（項目１）
ロボット外科手術システムであって、
ロボット外科手術デバイスであって、
少なくとも１つのロボットアームと、
前記ロボットアームの遠位端に一対のジョー部材を有するエンドエフェクタと
を含むロボット外科手術デバイスと、
少なくとも１つのハンドピースであって、前記ハンドピースは、
前記ロボット外科手術デバイス上のエンドエフェクタを制御するように構成されているピンチインターフェースと、
少なくとも１つのマーカと、
前記ハンドピースの加速度を測定するように構成されている加速度計と、
データを前記ピンチインターフェースまたは加速度計のうちの少なくとも１つから前記ロボット外科手術デバイスに伝送するように構成されている送信機と
を含む、ハンドピースと、
前記少なくとも１つのマーカを追跡し、前記ハンドピースの位置または向きを提供するように構成されている追跡システムと、
コントローラと
を備え、
前記コントローラは、（ｉ）前記追跡システムからの前記ハンドピースの位置と、（ｉｉ）前記加速度計からの前記ハンドピースの測定された加速度とを示すデータを受信し、前記測定された加速度を積分し、前記追跡システムのそれを越える第２の位置を確立するように構成され、前記コントローラは、前記ハンドピースの前記位置または前記測定された加速度に基づいて、前記ロボットアームの移動を制御するように構成されている、
ロボット外科手術システム。
（項目２）
前記ピンチインターフェースは、一対のピンチ部材を含む、項目１に記載のロボット外科手術システム。
（項目３）
前記対のピンチ部材は、前記対のピンチ部材の相対的移動を測定するように構成されている少なくとも１つのピンチセンサを含む、項目２に記載のロボット外科手術システム。
（項目４）
前記対のピンチ部材の前記相対的移動は、前記対のジョー部材を移動させる、項目３に記載のロボット外科手術システム。
（項目５）
前記対のピンチ部材の前記測定された相対的移動は、所定の係数によって乗算され、前記対のジョー部材の移動を生じさせる、項目４に記載のロボット外科手術システム。
（項目６）
前記対のピンチ部材は、前記対のピンチ部材に加えられている力を測定するように構成されている力センサを含む、項目２に記載のロボット外科手術システム。
（項目７）
前記対のピンチ部材に加えられている力は、前記対のジョー部材に前記対のジョー部材間に配置される組織への閉鎖力が前記ピンチ部材に比例的に整合した位置まで移動させる、項目６に記載のロボット外科手術システム。
（項目８）
前記ロボット外科手術デバイスは、複数のロボットアームを含み、前記ハンドピースは、前記複数のロボットアームのうちの１つを選択するように構成されているスイッチを含む、項目１に記載のロボット外科手術システム。
（項目９）
前記追跡システムは、光学、磁気、または誘導追跡システムである、項目１に記載のロボット外科手術システム。
（項目１０）
ロボット外科手術デバイスを制御するためのハンドヘルド器具であって、前記ハンドヘルド器具は、少なくとも１つのハンドピースを備え、前記ハンドピースは、
ロボット外科手術デバイス上のエンドエフェクタを制御するように構成されているピンチインターフェースと、
前記ハンドピースの加速度を測定するように構成されている加速度計と、
ロボット外科手術デバイスの移動を制御するために、データを前記ピンチインターフェースまたは前記加速度計のうちの少なくとも１つからロボット外科手術デバイスに伝送するように構成されている送信機と
を含む、ハンドヘルド器具。
（項目１１）
ハンドヘルドインターフェースを使用してロボット外科手術デバイスを制御する方法であって、前記方法は、
前記ハンドヘルドインターフェース上の複数の光学マーカの画像を捕捉することと、
前記画像に基づいて、前記ハンドヘルドインターフェースの位置または向きを決定することと、
加速度データを前記ハンドヘルドインターフェースから受信することと、
前記ハンドヘルドインターフェースの前記決定された位置または向きに基づいて、または、前記ハンドヘルドインターフェースの前記加速度データに基づいて、前記ロボット外科手術デバイスの移動を制御することと
を含む、方法。
（項目１２）
前記ロボット外科手術デバイスの位置または向きは、前記ハンドヘルドインターフェースの前記決定された位置または向きに基づいて制御される、項目１１に記載の方法。
（項目１３）
前記ロボット外科手術デバイスの位置または向きは、前記ハンドヘルドインターフェースの位置または向きが決定されることができない場合、前記加速度データに基づいて制御される、項目１２に記載の方法。
（項目１４）
前記加速度データは、前記ロボット外科手術デバイスの推定される位置または向きを計算するために使用される、項目１３に記載の方法。
（項目１５）
前記ハンドヘルドインターフェースの位置または向きを決定することは、前記捕捉された画像を画像のデータベースと比較することを含む、項目１１に記載の方法。
（項目１６）
前記ハンドヘルドデバイスの位置または向きを決定することは、前記複数の光学マーカ間の複数の距離を計算することを含む、項目１１に記載の方法。
（項目１７）
前記ハンドピースの位置は、前記ハンドピースが前記光学マーカによって特定可能である場合、前記ロボットの非ゼロ速度移動を調整することによって整列させられる、項目１１に記載の方法。
（項目１８）
エンドエフェクタを有するロボット外科手術デバイスに対してハンドヘルドインターフェースを向け直す方法であって、
前記ハンドヘルドインターフェースを作業野内で検出することと、
前記エンドエフェクタに対する前記ハンドヘルドインターフェースの絶対位置および角度誤差を確立することと、
前記ハンドヘルドインターフェースの移動を検出することと、
前記ハンドヘルドインターフェースの位置または角速度オフセットを計算することと、
前記ハンドヘルドインターフェースのベクトルを、前記ハンドヘルドインターフェースの前記計算された位置または角速度オフセットに基づいて、前記エンドエフェクタに対する現在の移動ベクトル近傍に整列させることと
を含む、方法。
（項目１９）
前記計算された位置または角速度オフセットは、前記ハンドヘルドインターフェースの速度の分数乗数である、項目１８に記載の方法。
（項目２０）
前記分数乗数の大きさは、向きのオフセットおよびスケール係数の大きさから導出される、項目１９に記載の方法。
（項目２１）
前記スケール係数は、無次元係数、角度係数、寸法係数、または時間係数である、項目２０に記載の方法。

本開示の前述および他の側面、特徴、ならびに利点は、付随の図面と関連して検討されることによって、以下の発明を実施するための形態に照らしてより明白になるであろう。
図１は、本開示のある実施形態による、ロボット外科手術システムの略図である。 図２は、本開示のある実施形態による、示されるハンドピースの例証である。 図３は、図２のハンドピースの略図である。 図４は、本開示のある実施形態による、コントローラの略図である。 図５は、本開示のある実施形態による、追跡アルゴリズムを描写する、フロー図である。 図６は、本開示のある実施形態による、整列アルゴリズムを描写する、フロー図である。

本開示の特定の実施形態が、付随の図面を参照して、本明細書に説明される。しかしながら、開示される実施形態は、単に、本開示の実施例であり、種々の形態で具現化され得ることを理解されたい。周知の機能または構造は、不必要な詳細において本開示を曖昧にすることを回避するために、詳細に説明されない。したがって、本明細書に開示される具体的構造および機能詳細は、限定としてではなく、単に、請求項の基礎として、かつ事実上任意の適切に詳述される構造において本開示を種々に採用することを当業者に教示するための代表的基礎として解釈されるべきである。類似参照番号は、図の説明全体を通して、類似または同じ要素を指し得る。

本説明は、語句「ある実施形態では」、「実施形態では」、「いくつかの実施形態では」、または「他の実施形態では」を使用し得、それらの各々は、本開示による同一または異なる実施形態のうちの１つ以上のものを指し得る。本説明の目的のために、「ＡまたはＢ」の形態における語句は、「（Ａ）、（Ｂ）、または（ＡおよびＢ）」を意味する。本説明の目的のために、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも１つ」の形態における語句は、「（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（ＡおよびＢ）、（ＡおよびＣ）、（ＢおよびＣ）、または（Ａ、Ｂ、およびＣ）」を意味する。

用語「臨床医」は、本明細書に説明される実施形態の使用を伴う医療手技を行う、任意の医療従事者（すなわち、医師、外科医、看護士、または同等者）を指す。図面に図示され、以下の説明全体を通して説明されるように、外科手術器具上の相対的位置を参照するときの従来通り、用語「近位」または「後縁」は、臨床医により近い装置の端部を指し、用語「遠位」または「前縁」は、臨床医からより離された装置の端部を指す。

本明細書に説明されるシステムはまた、１つ以上のコントローラを利用して、情報を受信し、受信された情報を変換し、出力を生成し得る。コントローラは、任意のタイプのコンピューティングデバイス、算出回路、またはメモリ内に記憶される一連の命令を実行可能である任意のタイプのプロセッサもしくは処理回路を含み得る。コントローラは、複数のプロセッサおよび／またはマルチコア中央処理ユニット（ＣＰＵ）を含み得、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、マイクロコントローラ等の任意のタイプのプロセッサを含み得る。コントローラは、データおよび／または一連の命令を実施するアルゴリズムを記憶するためのメモリも含む。

本明細書に説明される方法、プログラム、アルゴリズム、またはコードのいずれも、プログラミング言語またはコンピュータプログラムに変換されるか、もしくはそれで表され得る。「プログラミング言語」および「コンピュータプログラム」は、コンピュータへの命令を規定するために使用される任意の言語であり、（限定ではないが）これらの言語およびその派生物、すなわち、Ａｓｓｅｍｂｌｅｒ、Ｂａｓｉｃ、バッチファイル、ＢＣＰＬ、Ｃ、Ｃ＋、Ｃ＋＋、Ｄｅｌｐｈｉ、Ｆｏｒｔｒａｎ、Ｊａｖａ（登録商標）、Ｊａｖａ（登録商標）Ｓｃｒｉｐｔ、機械コード、オペレーティングシステムコマンド言語、Ｐａｓｃａｌ、Ｐｅｒｌ、ＰＬ１、スクリプト言語、ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ、それ自体がプログラムを規定するメタ言語、ならびにあらゆる第１、第２、第３、第４、および第５世代コンピュータ言語を含む。データベースおよび他のデータスキーマならびに任意の他のメタ言語も含まれる。この定義の目的のために、解釈され、コンパイルされ、またはコンパイルおよび解釈アプローチの両方を使用する言語間の区別はなされない。この定義の目的のために、プログラムのコンパイルバージョンとソースバージョンとの間の区別はなされない。したがって、プログラムへの言及は、プログラミング言語が２つ以上の状態（ソース、コンパイル、オブジェクト、またはリンク等）で存在し得る場合、あらゆるそのような状態への言及である。この定義はまた、実際の命令およびそれらの命令の意図も包含する。

本明細書で説明される方法、プログラム、アルゴリズム、またはコードのいずれも、１つ以上の機械読み取り可能な媒体もしくはメモリ上に含まれ得る。用語「メモリ」は、プロセッサ、コンピュータ、またはデジタル処理デバイス等の機械によって読み取り可能な形態で情報を提供（例えば、記憶および／または伝送）する、機構を含み得る。例えば、メモリは、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、磁気ディスク記憶媒体、光学記憶媒体、フラッシュメモリデバイス、または任意の他の揮発性もしくは不揮発性メモリ記憶デバイスを含み得る。それらに含まれるコードまたは命令は、搬送波信号、赤外線信号、デジタル信号、および他の同様の信号によって表されることができる。

スイッチは、少なくとも２つの状態間の変化をもたらすことが可能であるデバイスを含み得る。したがって、スイッチは、プッシュボタン、トグル、トランジスタ、回転機構、スクロールホイール、ロッカ、ナイフスイッチ等を含み得る。

本開示は、滅菌され、臨床医が滅菌手術野内からロボット外科手術システムを動作させることを可能にするように設計されるハンドヘルドインターフェースまたはハンドピースを対象とする。臨床医は、別個の左および右ハンドピースを有し得る。ハンドピースの各々は、ピンチセンサおよび力センサを含む、フィンガピンチ制御を含み得る。ハンドピースは、手術室内で一般に使用される位置センサシステム（例えば、光学システム）によって、絶対空間内で追跡される。本開示のハンドピースは、軸加速度計も組み込み、冗長位置または向き（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）情報を提供する。ハンドピースは、データを、ロボット外科手術デバイスを制御するコントローラに伝送する。ハンドピースの位置は、光学システムがハンドピースを追跡することが不能であるとき（例えば、臨床医が任意のまたは全ての光学マーカの視野を遮るとき）、加速度計データを使用して強化される。

いくつかの実施形態では、ハンドピース内のコイルを使用する磁場センサが、磁気または誘導追跡システムを用いてハンドピースを追跡するために使用され得る。

図１に目を向けると、本開示のある実施形態による、ロボット外科手術システムの一実施例が、概して、１００として示される。システム１００は、エンドエフェクタ１０６を有する複数のロボットアーム１０４と、複数のロボットアーム１０４およびエンドエフェクタ１０６を制御するように構成されているモータ１０８とを含むロボット外科手術デバイス１０２を含む。エンドエフェクタ１０６は、鉗子（図１に示されるように）、プローブ、カメラ、または外科手術手技において使用するために好適な任意の他の器具であり得る。ロボット外科手術デバイス１０２は、コントローラ１１０によって制御される。ディスプレイ１１２は、外科手術野の視覚的表現を臨床医に提供する。ディスプレイ１１２は、外科手術野の２次元または３次元視野を提供する、テレビまたはモニタであり得る。いくつかの実施形態では、ディスプレイ１１２は、画像をレンズ（例えば、ＧＯＯＧＬＥ ＧＬＡＳＳ（登録商標））のうちの一方上に投影する一対の眼鏡であり得る。

ハンドピース１１４は、伝送導管１１６を介して、コントローラ１１０に命令を提供することによって、ロボット外科手術デバイス１０２を制御する。伝送導管１１６は、ワイヤ、光ファイバ、無線波、または他のワイヤレス通信導管であり得る。システム１００は、ロボット外科手術デバイス１０２を制御するための単一ハンドピース１１４を含み得るか、またはシステム１００は、２つのハンドピース１１４（左および右ハンドピース）を含み得る。少なくとも１つの画像捕捉デバイスとプロセッサとを含み得る光学測定システム（ＯＭＳ）１１８が、ハンドピース１１４の位置または向きを追跡するために使用される。ＯＭＳ１１８は、例えば、ＰＯＬＡＲＩＳ ＳＰＥＣＴＲＡ（登録商標）またはＰＯＬＡＲＩＳ ＶＩＣＲＡ（登録商標）システム（Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ，Ｉｎｃ．によって製造される）であり得る。

図２および３は、本明細書に説明される実施形態において使用するためのハンドピース１１４の一実施例を図示する。ハンドピース１１４は、人間工学的設計を有し、臨床医によって被られるいかなる疲労も軽減させ得る。ハンドピース１１４は、ハンドピース１１４の種々の構成要素を格納するように構成されている筐体１２０を含む。起動スイッチ１２２が、ロボット外科手術デバイス１０２を起動させるために使用される。ピンチインターフェース１２４は、点１２８ａ、１２８ｂの周りに枢動する対のピンチ部材１２６ａ、１２６ｂを含む。ピンチ部材１２６ａ、１２６ｂの各々は、ピンチ部材１２６ａ、１２６ｂ間の相対的距離を決定するピンチセンサ１３０を含む。エンドエフェクタ１０６のジョー部材は、ピンチ部材１２６ａ、１２６ｂの決定された相対的距離に基づいて、開閉するように制御される。ピンチ部材１２６ａ、１２６ｂがそれらのそれぞれの移動限界に到達すると、力センサ１３２は、ピンチ部材１２６ａ、１２６ｂに加えられている力の量を決定する。加えられている力の量は、ある係数によって乗算され、エンドエフェクタ１０６のジョー部材のための閉鎖力として変換される。他の実施形態では、ステープリングまたは脈管密閉手技のアクティブ化は、エンドエフェクタ１０６のジョー部材のための所定の閉鎖力を加え得る。

ハンドピース１１４は、１つ以上の機能スイッチ１３４も含む。ハンドピース１１４は、ディスプレイスイッチ１３６を含み得る。臨床医がディスプレイスイッチ１３６を起動させると、臨床医は、ハンドピース１１４を使用し、ディスプレイ１１２を制御し得る。例えば、臨床医は、カーソルを移動させること、ズームインまたはアウトすること、エリアを選択すること、またはディスプレイ１１２上で行われ得る任意の他の機能を行い得る。ロボット外科手術デバイス１０２は、複数のアーム１０４を有するので、臨床医は、アーム選択スイッチ１３８を使用して、ロボット外科手術デバイス１０２のアーム１０４のうちの１つを選択し得る。アーム１０４のうちの１つの選択に応じて、ハンドピース１１４の移動は、選択されたアーム１０４の移動を生じさせる。本ロボット外科手術デバイスは、マスタ／スレーブ構成を含み得、ロボット外科手術デバイスは、いくつかのマスタデバイスを含み、各マスタデバイスは、対応するいくつかのスレーブデバイスを含む。マスタ／スレーブスイッチ１４０は、種々のマスタおよびスレーブデバイスを選択するために使用され得る。ハンドピース１１４は、マスタであり、アーム１０４は、スレーブである。

ハンドピース１１４は、適切な加速度を測定するための加速度計１４２を含み、適切な加速度は、自由落下（すなわち、慣性）、測定されている物体に対して一時的に静止している観察者に対する加速度である。具体的には、加速度計１４２は、ベクトル量として、適切な加速度（またはｇ力）の大きさおよび方向を検出し得る単軸または多軸加速度計であり得る。加速度計１４２は、ハンドピース１１４の回転加速度、座標加速度、振動、または衝撃も感知し得る。

プロセッサ１４４は、起動スイッチ１２２、ピンチセンサ１３０、力センサ１３２、機能スイッチ１３４、および加速度計１４２からの信号を受信し、従来の手段によって、送受信機１４６を介して、コントローラ１１０に信号を伝送する。送受信機１４６は、コントローラ１１０からの信号も受信し、ハンドピース１１４上に提供される触知デバイス１４８を用いて、触知フィードバックを臨床医に提供し得る。触知デバイス１４８は、シミュレートされた触覚応答を臨床医に提供する任意のデバイスであり得る。

ハンドピース１１４は、複数の光学マーカ１４９も含む。光学マーカ１４９は、以下に説明されるように、ハンドピース１１４の距離および向きを提供するために、あるパターン（例えば、図２に示されるような菱形パターン）で配列される。任意の数の光学マーカ１４９が、使用され得、光学マーカ１４９は、任意のパターンで配列され得る。

図４は、図１のコントローラ１１０の概略ブロック図である。コントローラ１１０は、プロセッサ１５０と、入力１５２と、メモリ１５４と、ロボットコントローラ１５６と、ディスプレイ制御１５８と、送受信機１６０とを含む。プロセッサ１５０は、情報またはデータを受信し、受信された情報またはデータを処理し、出力を提供する、集積回路またはアナログもしくはデジタル構成要素から成る回路であり得る。例えば、プロセッサ１５０は、加速度計１４２からの加速度センサ信号を積分し、直交および回転の移動または位置を決定し得る。１つ以上のスイッチ、キーボード、マウス、タッチスクリーン等であり得る入力１５２は、臨床医によって動作させられ、種々の機能を果たす。メモリ１５４は、プロセッサによって使用され、ロボット外科手術システム１００の種々の側面を制御するアルゴリズムを記憶し得る。メモリ１５４は、患者に関連する画像、またはハンドピース１１４の距離および向きを決定するための光学マーカパターンのデータベースを記憶し得る。ロボットコントローラ１５６は、プロセッサ１５０から信号を受信し、ロボット外科手術デバイス１０２の移動を制御する。ディスプレイ制御１５８は、プロセッサ１５０からのデータを受信し、ディスプレイ１１２に提供される画像をレンダリングする。送受信機１６０は、ハンドピース１１４からのデータを受信する。そのデータは、ロボット外科手術デバイス１０２またはディスプレイ１１２を制御するために、プロセッサ１５０によって使用される。

図１−４と併せて論じられる、図５は、本開示のある実施形態による、ハンドピース１１４の追跡方法を描写するフロー図である。図５に示されるように、ロボット外科手術デバイス１０２は、ステップｓ２００において起動させられる。ＯＭＳ１１８は、ステップｓ２０２において、光学マーカ１４９の画像を捕捉する。ＯＭＳ１１８が画像を捕捉後、画像は、プロセッサ１５０によって処理され、画像が光学マーカ１４９の全てを含むかどうかを決定する。捕捉された画像が光学マーカ１４９の全てを含む場合、プロセスは、ステップｓ２０６に進み、外科手術デバイスの位置または向きが決定される。メモリ１５４は、２つ以上の光学マーカパターン画像が距離および向きに関連付けられたルックアップテーブルを記憶している。ステップｓ２０６では、プロセッサ１５０は、捕捉された画像をメモリ１５４内に記憶された光学マーカパターンの画像と比較する。プロセッサは、次いで、その捕捉された画像と最良に合致する記憶された画像を決定する。プロセッサ１５０は、次いで、ルックアップテーブルを読み取り、ハンドピース１１４の距離および向きを抽出する。他の実施形態では、ハンドピース１１４の距離および向きを決定するために、光学マーカ間の距離または角度が計算されることができる。ハンドピース１１４の距離および向きは、プロセッサ１５０によって変換され、ロボット外科手術デバイス１０２またはエンドエフェクタ１０６の所望の位置および向きを決定する。次いで、ステップｓ２０８では、ロボット外科手術デバイス１０２またはエンドエフェクタ１０６が、決定された位置または向きに基づいて移動させられる。ステップｓ２１０では、プロセッサ１５０は、ハンドピース１１４の追跡を継続すべきかどうかを決定する。ハンドピース１１４がもはや必要とされない場合、プロセスは、ステップｓ２１２に進み、追跡は、中断される。ハンドピース１１４が依然として必要とされる場合、プロセスは、ステップｓ２０２に進む。

ステップｓ２０４では、捕捉された画像が、光学マーカ１４９の全てを含まない場合、ハンドピース１１４の加速度が、ステップｓ２１４において、加速度計１４２によって捕捉される。加速度計１４２は、ハンドピース１１４の移動の大きさおよび方向を測定し、かつハンドピース１１４の向きを感知する。その大きさおよび方向、またはハンドピース１１４の向きは、プロセッサ１５０に提供され、ステップｓ２１６において、ロボット外科手術デバイス１０２またはエンドエフェクタ１０６の所望の位置もしくは向きを推定する。ロボット外科手術デバイス１０２またはエンドエフェクタ１０６は、次いで、ステップｓ２１８において推定された位置または向きに基づいて移動させられる。

ハンドピース１１４の加速度計１４２は、患者に対する位置または向き、およびドリフトの潜在性を決定するための真の基準欠いているので、プロセッサ１５０は、メモリ１５４内に記憶される整列アルゴリズムを実行する。整列アルゴリズムは、非ゼロ速度を調整し、算出されたハンドピース１１４位置を光学追跡システムに対する絶対的な向き（ａｂｓｏｌｕｔｅ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）に戻すことによって、いかなる方向感覚を失わせるジャンプも伴わずに、ロボット外科手術デバイス１０２、ロボットアーム１０４、エンドエフェクタ１０６、外科手術野、または患者に関するハンドピース１１４の絶対的な向きを再確立する。システムは、ハンドピース１１４の移動がゼロ速度に近づきつつあるとき、補正を行わないであろう。図６に示されるように、アルゴリズムは、ステップｓ３００から開始し、ハンドピース１１４が検出される。ステップｓ３０２では、ハンドピース１１４の絶対位置および角度誤差が、ロボットの現在の位置に対するハンドピース１１４の場所を逆計算し、ロボットの現在の位置に対するハンドピース１１４の位置および光学場内のハンドピース１１４の位置から現在のオフセットを決定することによって確立される。ステップｓ３０４では、ハンドピース１１４の移動が、プロセッサ１５０によって検出される。例えば、ハンドピース１１４が移動させられると、加速度計１４２は、加速度データをプロセッサ１５０に伝送する。加速度データに基づいて、プロセッサ１５０は、ハンドピース１１４が移動していることを決定する。

プロセッサ１５０は、次いで、ステップｓ３０６において、ハンドピース１１４のベクトルを、ロボット外科手術デバイス１０２、ロボットアーム１０４、またはエンドエフェクタ１０６に対する現在の移動ベクトルと整列させるために必要とされる、位置または角速度オフセットを計算する。位置または角速度オフセットは、ハンドピース１１４の速度の分数乗数（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）である。分数乗数の大きさは、ハンドピース１１４の移動の向きにおけるオフセットおよびスケール係数の大きさから導出される。スケール係数は、無次元係数、角度係数、寸法係数、または時間係数であり得る。

例えば、デバイス、例えば、エンドエフェクタ１０６が、全体的座標位置内に位置付けられるｘ、ｙ、ｚ座標からベクトル基準として数学的に位置し、臨床医がｙ−軸を中心とする回転においてハンドピース１１４を移動させる間、ハンドピース１１４のベクトルが角度的にドリフトする、所与のシステムでは、分数乗数の大きさは、以下のように計算されることができる。

式中、

は、角度位置であり、

は、角速度である。

整列アルゴリズムでは、逆時定数（スケール係数）が大きいほど、整列がより速く生じる。これは、スケール係数の大きさにかかわらず、要求される補正がゼロに近づくにつれて、ハンドピース１１４の速度とロボット外科手術デバイス１０２、ロボットアーム１０４、またはエンドエフェクタ１０６の速度との間のオフセットが同等に近づく、完全整列状態に漸近する補正をもたらす。

他の実施形態では、速度オフセットは、計算されたオフセットに沿った速度が存在し、誤差がゼロ（０）を上回る限り、一定であり得る。そのような状況では、逆時定数は、整列プロセスの所望の加減を維持するために、比較的に小さくあるべきである。速度がゼロであるとき、補正はなく、非意図的移動を防止し、ユーザとロボットとの間の非整合運動に起因するいかなる方向感覚を失わせる影響も排除し得る。

位置または角速度オフセットが、ステップｓ３０６において計算されると、ハンドピース１１４のベクトルは、ロボット外科手術デバイス１０２、ロボットアーム１０４、またはエンドエフェクタ１０６のベクトルに整列させられる。

前述の説明は、本開示の例証にすぎないことを理解されたい。種々の代替および修正が、本開示から逸脱することなく、当業者によって考案されることができる。故に、本開示は、あらゆるそのような代替、修正、および変形例を包含することが意図される。添付の図面を参照して説明される実施形態は、本開示のある実施例を実証するためだけに提示される。前述および／または添付の請求項におけるものと実質的に異ならない、他の要素、ステップ、方法、および技法もまた、本開示の範囲内であることが意図される。

Claims (17)

1. ロボット外科手術システムであって、
   ロボット外科手術デバイスであって、
   少なくとも１つのロボットアームと、
   前記ロボットアームの遠位端に一対のジョー部材を有するエンドエフェクタと
   を含むロボット外科手術デバイスと、
   少なくとも１つのハンドピースであって、前記ハンドピースは、
   前記ロボット外科手術デバイス上の前記エンドエフェクタを制御するように構成されているピンチインターフェースと、
   少なくとも１つのマーカと、
   前記ハンドピースの加速度を測定するように構成されている加速度計と、
   データを前記ピンチインターフェースまたは加速度計のうちの少なくとも１つから前記ロボット外科手術デバイスに伝送するように構成されている送信機と
   を含む、ハンドピースと、
   前記少なくとも１つのマーカを追跡し、前記ハンドピースの位置または向きを提供するように構成されている追跡システムと、
   コントローラと
   を備え、
   前記コントローラは、（ｉ）前記追跡システムからの前記ハンドピースの位置と、（ｉｉ）前記加速度計からの前記ハンドピースの測定された加速度とを示すデータを受信し、前記測定された加速度を積分することにより、前記ハンドピースの推定された位置を確立するように構成されており、前記コントローラは、前記ハンドピースの位置または前記ハンドピースの測定された加速度に基づいて、前記ロボットアームの移動を制御するように構成されており、
   前記コントローラは、前記ハンドピースの位置または向きが前記追跡システムから決定されることができるかどうかを決定し、決定されることができない場合、前記ハンドピースの測定された加速度に基づいて前記ロボットアームの移動を制御するように構成されている、ロボット外科手術システム。
2. 前記ピンチインターフェースは、一対のピンチ部材を含む、請求項１に記載のロボット外科手術システム。
3. 前記対のピンチ部材は、前記対のピンチ部材の相対的移動を測定するように構成されている少なくとも１つのピンチセンサを含む、請求項２に記載のロボット外科手術システム。
4. 前記対のピンチ部材の相対的移動は、前記対のジョー部材を移動させる、請求項３に記載のロボット外科手術システム。
5. 前記対のピンチ部材の測定された相対的移動は、所定の係数によって乗算され、前記対のジョー部材の移動を生じさせる、請求項４に記載のロボット外科手術システム。
6. 前記対のピンチ部材は、前記対のピンチ部材に加えられている力を測定するように構成されている力センサを含む、請求項２に記載のロボット外科手術システム。
7. 前記対のピンチ部材に加えられている力は、前記対のジョー部材に前記対のジョー部材間に配置される組織への閉鎖力が前記ピンチ部材に比例的に整合した位置まで移動させる、請求項６に記載のロボット外科手術システム。
8. 前記ロボット外科手術デバイスは、複数のロボットアームを含み、前記ハンドピースは、前記複数のロボットアームのうちの１つを選択するように構成されているスイッチを含む、請求項１に記載のロボット外科手術システム。
9. 前記追跡システムは、光学、磁気、または、誘導追跡システムである、請求項１に記載のロボット外科手術システム。
10. ロボット外科手術デバイスを制御するためのハンドヘルド器具であって、前記ハンドヘルド器具は、
    少なくとも１つのハンドピースと、
    コントローラと
    を備え、
    前記ハンドピースは、
    ロボット外科手術デバイス上のエンドエフェクタを制御するように構成されているピンチインターフェースと、
    前記ハンドピースの加速度を測定するように構成されている加速度計と、
    ロボット外科手術デバイスの移動を制御するために、データを前記ピンチインターフェースまたは前記加速度計のうちの少なくとも１つからロボット外科手術デバイスに伝送するように構成されている送信機と
    を含み、
    前記コントローラは、前記ハンドピースの位置または向きが追跡システムから決定されることができるかどうかを決定し、決定されることができない場合、前記ハンドピースの測定された加速度に基づいて前記ロボット外科手術デバイスのロボットアームの移動を制御するように構成されている、ハンドヘルド器具。
11. ハンドヘルドインターフェースを使用してロボット外科手術デバイスを制御する方法であって、前記ロボット外科手術デバイスは、追跡システムとコントローラとを含み、前記方法は、
    前記追跡システムが、前記ハンドヘルドインターフェース上の複数の光学マーカの画像を捕捉することと、
    前記コントローラが、前記画像に基づいて、前記ハンドヘルドインターフェースの位置または向きを決定することと、
    前記コントローラが、加速度データを前記ハンドヘルドインターフェースから受信することと、
    前記コントローラが、前記ハンドヘルドインターフェースの前記決定された位置または向きに基づいて、または、前記ハンドヘルドインターフェースの前記加速度データに基づいて、前記ロボット外科手術デバイスの移動を制御することと、
    前記コントローラが、前記画像が前記複数の光学マーカのすべてを含むかどうかを決定することであって、前記画像が前記複数の光学マーカのすべてを含まない場合、前記ロボット外科手術デバイスのロボットアームの位置または向きが前記加速度データに基づいて制御される、ことと
    を含む、方法。
12. 前記ロボット外科手術デバイスの前記ロボットアームの位置または向きは、前記ハンドヘルドインターフェースの前記決定された位置または向きに基づいて制御される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記ロボット外科手術デバイスの前記ロボットアームの位置または向きは、前記ハンドヘルドインターフェースの位置または向きが決定されることができない場合、前記加速度データに基づいて制御される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記加速度データは、前記ロボット外科手術デバイスの前記ロボットアームの推定される位置または向きを計算するために使用される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記ハンドヘルドインターフェースの位置または向きを決定することは、前記コントローラが、前記捕捉された画像を画像のデータベースと比較することを含む、請求項１１に記載の方法。
16. 前記ハンドヘルドインターフェースの位置または向きを決定することは、前記コントローラが、前記複数の光学マーカ間の複数の距離を計算することを含む、請求項１１に記載の方法。
17. 前記ハンドヘルドインターフェースの位置は、前記ハンドヘルドインターフェースが前記複数の光学マーカによって特定可能である場合、前記ロボット外科手術デバイスの非ゼロ速度移動を調整することによって前記ロボット外科手術デバイスの位置に整列させられる、請求項１１に記載の方法。