JP7041068B6 - 剛性近位部及びフレキシブル遠位部を有するハイブリッドロボットを制御するための制御ユニット、システム、及び方法 - Google Patents

Description

低侵襲手術では、患者の体内における外科医の器用さを改善するために、操縦可能な装置がしばしば使用される。ある公知の操縦可能な装置は、遠位端に複数の関節及び腱を含み、近位端に駆動システムを含む。この装置は、さらに、ロボットポジショナを使用して位置決めされ得る。ロボットによる位置決めは、解剖学的構造に対する装置の動きの追跡を可能にする。

外科手術で使用される操縦可能な装置の別のタイプは外科用画像取得装置であり、例えば、偏向先端を有する内視鏡、又はロボット内視鏡などである。このような内視鏡は、臨床医が直視するために解剖学的構造を外科的に露出させることなく、患者の内部解剖学的構造を見ることを可能にする細長いカメラアセンブリである。内視鏡は、狭い元から存在する開口部又は皮膚における小さな切開部を通ることができ、結果として、内視鏡の補助なしの視覚化及び介入と比較して、患者に与える外傷を低減することができる。

既知の器用な装置の制御は困難である。臨床医（例えば、外科医又は他のユーザ）は、通常は支点（例えば、身体への入口地点）を中心とする繊細でない近位端の動作と、体内における複雑で繊細な動作とを組み合わせなければならない。この問題へのアプローチは操作の繊細な装置のロボットによる位置決めであるが、これは、手術室における設置面積を増大させ、また、手術の費用及び所要時間を増加させる。近位端が撮像装置の視野内にない場合、この問題はさらに悪化する（例えば、内視鏡が患者の体内でのみ画像を撮影し、Ｃアーム等のポータブル撮像システムの視野が装置全体を撮像するには小さすぎ、オペレータが放射線を浴びる可能性がある）。また、器用な装置で位置が達成された後、手のふるえ及び手の不随意運動により、位置ずれが生じ得る。

例えば、大動脈弁置換術は、患者の心臓弁を人工弁で置換する処置である。弁置換のための低侵襲手術は、胸部の小さな切開部を介して、患者の鼓動する心臓内に人工弁を配置することを含む。大動脈弁置換術の従来の手術は、部分的に、患者の左心室壁を通る開口部を心臓の外側から作り、開口部を通してイントロデューサシースを挿入し、バルーンカテーテルをイントロデューサシースを通して左心室に通し、プッシャー及びスリーブを使用してバルーンカテーテル及びバルーンカテーテルに取り付けられた人工弁を前進させ、人工弁を大動脈弁輪内に配置することを含む。しかし、従来の手術は、（小さい切開部における）患者の表面から、患者の肋骨間及び心臓を通り、（鼓動する心臓内の）大動脈弁に至る、弁の手動による直線的配置を前提とする。これは、いくつかの理由から非常に困難である。例えば、直線は、解剖学的環境の乏しい近似である。より詳細には、大動脈弁置換術には３つの主要な関心位置、すなわち患者進入位置、心臓進入位置、及び弁自体の位置が存在する。これらの３つの主要な位置は同一直線上に存在しない。また、直線に沿った配置は、肋骨、心筋、心臓内部の肉柱形成などの他の解剖学的特徴によって制約を受け得る。さらに、特に、視覚的フィードバックが悪く、解剖学的構造が常に動いている（例えば、心臓の鼓動及び弁のフラップ）場合、直線経路を計画するために外科医が全ての解剖学的ランドマークをマッピングすることは困難である。さらに、Ｘ線及び超音波の視野は、典型的には心臓のみを撮像するように制限されているので、心臓の外側における画像ガイドは存在しない。

したがって、医療画像及び追跡情報の組み合わせを用いて、剛性近位部及びフレキシブル遠位部を有する手術用ロボットを制御するための装置、システム、方法、及びコンピュータ可読記憶媒体を提供することが望ましい可能性がある。

ある代表的実施形態によれば、遠隔運動中心（ＲＣＭ）を有する剛性近位部、フレキシブル遠位部、及び画像取得装置を備えるロボットを含むロボットシステムのための制御ユニットが提供される。前記制御ユニットはプロセッサを備え、前記プロセッサは、前記画像取得装置から画像を受け取り、前記受け取られた画像に基づき、第１の目標位置への第１の展開経路を生成し、前記受け取られた画像に基づき、前記第１の目標位置から第２の目標位置への第２の展開経路を生成し、前記第１の展開経路に沿った前記剛性近位部の配置のための第１の誘導情報を生成し、前記第２の展開経路に沿った前記フレキシブル遠位部の配置のための第２の誘導情報を生成し、前記剛性近位部を前記第１目標位置に誘導するために前記第１の誘導情報を前記剛性近位部に配備し、前記フレキシブル遠位部を前記第２の目標位置に誘導するために前記第２の誘導情報を前記フレキシブル遠位部に配備する。

他の代表的実施形態によれば、ロボットシステムはロボットと制御ユニットとを含む。前記ロボットは、遠隔運動中心（ＲＣＭ）を有する剛性近位部、フレキシブル遠位部、及び少なくとも１つの画像取得装置を備える。前記制御ユニットは、前記少なくとも１つの画像取得装置から画像を受け取り、前記画像に基づき、第１の目標位置への第１の展開経路を生成し、前記画像に基づき、前記第１の目標位置から第２の目標位置への第２の展開経路を生成し、前記第１の展開経路に沿った前記剛性近位部の配置のための第１の誘導情報を生成し、前記第２の展開経路に沿った前記フレキシブル遠位部の配置のための第２の誘導情報を生成する。

他の代表的実施形態によれば、ロボットシステムを制御するためにプロセッサによって実行される機械可読命令が格納された非一時的コンピュータ可読記憶媒体が提供される。前記ロボットシステムは制御ユニットとロボットとを有し、前記ロボットは、遠隔運動中心（ＲＣＭ）を有する剛性近位部、フレキシブル遠位部、及び少なくとも１つの画像取得装置を備える。前記機械可読命令は、ターゲットにアクセスするための前記ロボットの前記剛性近位部及び前記フレキシブル遠位部の制御方法を実行するように構成され、前記方法は、前記剛性近位部のための、患者の手術部位内の関心領域への第１の展開経路を生成するステップと、前記剛性近位部を、前記第１の展開経路上で前記関心領域に移動させるステップと、前記剛性近位部を通して、前記フレキシブル遠位部を展開させるステップと、前記関心領域内の前記フレキシブル遠位部の位置を追跡するステップと、前記フレキシブル遠位部のための、前記ターゲットへの第２の展開経路を生成するステップと、前記フレキシブル遠位部を、前記第２の展開経路上で前記ターゲットまで移動させるステップとを含む。

添付図面と併せて以下の詳細な説明を読むことにより、代表的実施形態が最も良く理解されるであろう。各種の特徴は必ずしも縮尺通りに描かれているわけではないことに留意されたい。実際には、寸法は、議論の明瞭化のために任意に増減されている可能性がある。適用可能で好都合な場合、同様な参照番号は同様な要素を指す。
図１Ａは、ある代表的実施形態に係る手術用ロボットシステムを示す概略的ブロック図である。 図１Ｂは、代表的実施形態に係る、手術用ロボットシステム内のロボットのフレキシブル遠位部の斜視図である。 図２Ａは、代表的実施形態に係る、図１Ａに示す手術用ロボットシステムにおけるロボットの動作の詳細を示す模式図である。 図２Ｂは、代表的実施形態に係る、図１Ａに示す手術用ロボットシステムにおけるロボットの動作の詳細を示す模式図である。 図３は、代表的実施形態に係る、患者の心臓にアクセスするための手術用ロボットシステムの斜視図である。 図４は、代表的実施形態に係る、ターゲットにアクセスするためのロボットの剛性近位部及びフレキシブル遠位部の制御方法における様々な動作を示すフローチャートである。

以下の詳細な説明では、限定ではなく説明を目的として、本教示の完全な理解を提供するために具体的詳細を開示する代表的な実施形態について記載する。しかしながら、本開示の利益を享受した当業者は、本明細書に開示される具体的詳細から逸脱する本教示に係る他の実施形態が、添付の特許請求の範囲内にとどまることを理解するであろう。さらに、代表的実施形態の説明を曖昧にしないために、周知の装置及び方法の説明が省略され得る。このような方法及び装置は、本発明の教示の範囲内にあることは明らかである。

本明細書で使用する用語は、具体的実施形態を説明するためのものに過ぎず、限定を意図するものではないことを理解されたい。あらゆる定義された用語は、本教示の技術分野において一般的に理解され受け入れられている定義された用語の技術的及び科学的意味に追加されたものである。

本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される場合、用語「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈上特に明記されない限り、指示対象の単数及び複数の両方を含む。したがって、例えば、「装置（ａ ｄｅｖｉｃｅ）」とは、１つの装置及び複数の装置を含む。

本明細書で使用される場合、２つ以上の部分又は構成要素が「結合されている」という記述は、部分が直接的又は（リンクが生じる限り）間接的に、すなわち１つ又は複数の中間部分又は要素を介して、互いに結合され又はともに動作することを意味する。

添付図面において、方向に関する用語／語句及び相対的用語／語句を使用して、様々な要素の互いの関係が記述され得る。これらの用語／語句は、図面に描かれている向きに加えて、装置及び／又は要素の異なる向きを包含するように意図されている。

添付図面において、「上」、「下」、「頂部」、「底部」、「上側」、及び「下側」等の相対的用語が、様々な要素の互いの関係を示すために使用され得る。これらの相対的用語は、図面に描かれている向きに加えて、装置及び／又は要素の異なる向きを包含するように意図されている。例えば、図面の視点に関して装置が反転された場合、例えば、別の要素の「上」にあると記載された要素は、反転後はその要素の「下」にある。同様に、装置が図面の視点に対して９０°回転された場合、別の要素の「上」又は「下」にあると記載された要素は、その要素に「隣接」することになる。ここで、「隣接する」とは、別の要素に当接すること、又は要素間に１つ以上の層、材料、構造などが介在することを意味する。

本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用される場合、通常の意味に加えて、「実質的な」又は「実質的に」という用語は、許容される限界又は程度を意味する。例えば、「実質的に取り消される」とは、当業者が許容できるとみなす取り消しであることを意味する。

まず、図１を参照して、本教示の特徴に係る手術用ロボットシステム１００について説明する。具体的には、外科用ロボットシステム１００は、限定はされないが、例えば、低侵襲心臓手術（例えば、冠動脈バイパス移植及び僧帽弁置換術）、低侵襲性腹部手術（例えば、前立腺切除術又は胆嚢摘出術を行うための腹腔鏡検査）、及び自然開口部越経管腔的内視鏡手術（ＮＯＴＥＳ）などを含む医療処置のために利用され得る。

図１Ａは、剛性近位部１０２及びフレキシブル遠位部１０３を有するハイブリッドロボット１０１を備える外科用ロボットシステム１００を概略的に示す。一般的に、剛性近位部１０２は、患者の体の表面にある第１の入口地点Ｅ１を介して患者Ｐの体腔内に進められる。剛性近位部１０２は、画像を用いて手術部位Ｓにおける関心領域ＲＯＩ（例えば、患者の心臓等の内臓器官）に誘導され、フレキシブル遠位部１０３は、第２の入口地点Ｅ２（第１の目標位置とも呼ばれる）を介して、剛性近位部１０２から関心領域ＲＯＩへと展開される。その後、フレキシブル遠位部１０３は、画像を用いて関心領域ＲＯＩ内の領域内のターゲットＴ（例えば、患者の心臓の大動脈弁等の内臓器官内に存在する特徴又は物体）（第２の目標位置とも称される）に誘導される。ターゲットＴに到達した後、フレキシブル遠位部１０３は、様々な診断、外科手術又は治療処置（例えば、大動脈弁置換など）を行うことができる。ロボット１０１の剛性近位部１０２及びフレキシブル遠位部１０３は、以下で説明するように、制御ユニット１０６の制御下で作動されてもよく、又は一実施形態では、剛性近位部１０２は、臨床医（ユーザ）によって患者Ｐの身体への入口地点Ｅ１に手動で配置されて操作されるハンドヘルドイントロデューサであってもよい。

ロボット１０１の剛性近位部１０２は、第１の入口地点Ｅ１にＲＣＭ（ｒｅｍｏｔｅ ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ｍｏｔｉｏｎ）を有し、これにより、剛性近位部１０２が第１の入口地点Ｅ１（「ピボット点」）を中心に回動することができる。言い換えれば、ＲＣＭは、患者Ｐの体の表面に配置され、複数の自由度に沿った移動のために構成される。他の実施形態では、ロボット１０１の剛性近位部１０２は、第２の入口地点Ｅ２にＲＣＭを有し、ＲＣＭがＲＩＯの表面に配置されてもよく、これにより、複数の自由度に沿った移動を可能にし得る。ＲＣＭが体Ｐの表面に位置する実施形態では、ＲＣＭがＲＩＯの表面に位置する実施形態よりも、第１の入口地点Ｅ１の開口部が小さくてもよい。これは、ＲＣＭがＲＩＯの表面に位置する場合、剛性近位部１０２は患者Ｐの体内で回動するので、剛性近位部１０２が、動作角度に対応する患者Ｐの体の表面における距離、及び第１の入口地点Ｅ１と第２の入口地点Ｅ２との間の距離を移動するための空間が第１の入口地点Ｅ１に必要だからである。様々な実施形態において、剛性近位部１０２は、入出力（Ｉ／Ｏ）回路１０８を介して受信される制御ユニット１０６からの命令によって操作されるか、又は臨床医によって手動で操作され、剛性近位部１０２が手術部位Ｓ内の所望の関心領域ＲＯＩに誘導される。

本教示によれば、剛性近位部１０２の動きが追跡され、この動きに基づいて、遠位部１０３の位置を調節し、ターゲットＴに対する遠位部１０３の正確な位置を保証することができる。近位部１０２は、説明的には、フレキシブル遠位部１０３及び特定の外科処置又は治療処置を実施するのに有用な構成要素を通すことができる管状部分を含む。例えば、かかる構成要素は、近位部１０２を通して供給され得る様々なエンドエフェクタ、撮像装置、及び他の構成要素又はデバイス（例えば、人工心臓弁又はステント）を含み得る。

手術用ロボットシステム１００は、患者Ｐの体内のロボット１０１の剛性近位部１０２及びフレキシブル遠位部１０３の少なくとも一部の位置のリアルタイム画像を提供するディスプレイ１０４を備える。後に詳述されるように、ディスプレイ１０４は、Ｉ／Ｏ回路１０８及び／又はプロセッサ１３０を介して、画像取得装置１１４からリアルタイム画像を受信し得る。画像取得装置１１４は、近位部１０２及びフレキシブル遠位部１０３、フレキシブル遠位部１０３、関心領域ＲＯＩ（例えば、心臓又は他の器官等の解剖学的物体）、及び／又は手術部位ＳにおけるターゲットＴ（例えば、解剖学的物体内のある箇所又はその一部）の１つ又は複数のライブ画像を取得するように構成され得る。

画像取得装置１１４は、例えばＣアームを備え、ここで、Ｃアームとは撮像スキャナインテンシファイアであり、Ｃ構成を有することからそのように呼ばれている。当業者には明らかであるように、ＣアームはＸ線撮影能力を有し、外科手術中のＸ線透視撮影のために使用することができる。より一般的には、画像取得装置１１４は、リアルタイム撮像を提供するために、当業者の知識の範囲内の様々な手術中撮像装置のうちの１つを含み得る。これらのリアルタイム（すなわち、手術中）画像は、以下で説明されるようなレジストレーションを行うために、手術前画像と合わせて使用され得る。第２の画像取得装置１１４として想定される撮像装置は、限定はされないが、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）装置、超音波撮像装置、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）装置、単一光子放射断層撮影（ＳＰＥＣＴ）撮像装置を含む。これらの画像はリアルタイムで取得され得る。

一般的に、フレキシブル遠位部１０３は、少なくとも２つのリンク、及びそれらの間の少なくとも１つのジョイント（関節）を含む。代表的実施形態に関連してより詳細に後述されるように、ロボット１０１は、例えば関心領域ＲＯＩ内の１つ又は複数の運動度（ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ ｍｏｔｉｏｎ）における操作のために、フレキシブル遠位部１０３の１つ又は複数の関節を制御するように構造的に構成される。例えば、フレキシブル遠位部１０３は、限定はされないが、２つのリンク及び１つの関節を備えるデバイス、スネーク状のデバイス、又は操縦可能なカテーテルを含む多数の装置のうちの１つであり得る。実際には、当業者に理解されるように、フレキシブル遠位部１０３は、１つ又は複数の自由度において動くように構成される。一般的には、フレキシブル遠位部１０３は、直線的に前進（すなわち、１自由度）し、平面移動（すなわち、２自由度）し、回転する。より一般的には、フレキシブル遠位部１０３は、スネーク状ロボットの場合、複数の自由度、例えば６以上を有し得る。

一例として、フレキシブル遠位部１０３は、フレキシブル遠位部１０３の遠位端１０３’を所望の位置（例えば、ターゲットＴ）に適切に配置するように制御される複数のリンク及び関節を含む。複数のリンク及び複数の関節を備える装置としてのフレキシブル遠位部１０３の例が図１Ｂに示されている。

図１Ｂを参照すると、フレキシブル遠位部１０３はロボット１０１のスネーク状ロボット部分であり、代表的実施形態によれば、それぞれが各関節１４２によって接続された複数のリンク１４１を含む。複数のリンク１４１はそれぞれ剛性セグメントを備え、関節１４２はそれぞれ、歯車アセンブリを備え得る。例示的には、各関節１４２は、１自由度と３自由度（ロール、ピッチ、及びヨー）との間で実装され得る。以下により詳細に説明するように、制御ユニット１０６は、モータ制御の実行、及びフレキシブル遠位部１０３の位置及び向きデータの収集を行うように構成される。あるいは、フレキシブル遠位部１０３は、例えば、参照によりその開示が本明細書に詳細に組み込まれるＷａｌｌａｃｅらによる米国特許第８，４０９，１３６号（２０１３年４月２日）に記載されているようなカテーテルロボットであってもよい。

理解されるように、フレキシブル遠位部１０３は、特定のロボット手技のために望まれるエンドエフェクタ（図示せず）を含み得る。一例として、フレキシブル遠位部１０３に接続されたエンドエフェクタは、グリッパ又はツールホルダを備え得る。同様に、フレキシブル遠位部１０３は、腹腔鏡器具、腹腔鏡、スクリュー配置のためのツール、前方視認カメラ、又は生検若しくは治療用の針などのツールを含むことができる。当業者の知識の範囲内の他の外科用装置及びツールも、フレキシブル遠位部１０３とともに使用され得る。

ディスプレイ１０４は、本明細書でより完全に説明するように、画像及びデータを表示するように適合された出力デバイス及び／又はユーザインターフェイスを備える。ディスプレイ１０４は、手術用ロボットシステム１００の様々な要素に隣接して、これらの要素とともに臨床医の近くに配置され得る１つ以上のディスプレイを含み得る。ディスプレイ１０４は、例えば画像取得装置１１４によって提供される手術部位Ｓのライブ画像及び／又は術前画像を表示するように構成される。ディスプレイ１０４は、視覚的、聴覚的、又は触覚的なデータを出力し得る。ディスプレイ１０４の例は、限定はされないが、コンピュータモニタ、テレビス画面、タッチスクリーン、触覚電子ディスプレイ、点字スクリーン、陰極線管（ＣＲＴ）、蓄積管、双安定ディスプレイ、電子ペーパー、ベクトルディスプレイ、フラットパネルディスプレイ、蛍光表示管（ＶＦ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）ディスプレイ、エレクトロルミネセンスディスプレイ（ＥＬＤ）、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオードディスプレイ（ＯＬＥＤ）、プロジェクタ、及びヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）を含む。

制御ユニット１０６は、手術用ロボットシステム１００の様々な構成要素からの入力を受け取り、かつ、構成要素に出力（例えば、命令又はコマンド）を供給するように構成される。制御ユニット１０６は、以下により詳細に説明するように、手術用ロボットシステム１００の様々な構成要素からの入力を受け取り、また、プロセッサ１３０に出力を供給しかつプロセッサ１３０からの入力を受け取るＩ／Ｏ回路１０８を備える。プロセッサ１３０はまた、処理を可能にするためのメモリ１３４と、（同じメモリでも別々のメモリであってもよい）コンピュータ可読媒体（ＣＲＭ）１３６とを備える。プロセッサ１３０は、一般的に、例えば、Ｉ／Ｏ回路１０８を介して画像取得装置１１４から画像を受信し、また、取得された画像を処理してメモリ１３４及び／又はＣＲＭ１３６に保存するように構成される。したがって、プロセッサ１３０は、画像取得装置１１４によって取得された患者Ｐの内部を基本的に視覚的マッピングするデータベースを構築することができる。他の実施形態では、内部画像を提供するために追加の画像取得装置が含まれてもよい。このような追加の画像取得装置は、例えば、経食道心エコー検査（ＴＥＥ）プローブ又は内視鏡を含み、内部画像は、追加画像取得装置によって横断される患者Ｐの内部部分を含み得る。プロセッサ１３０によって構築されたデータベースを使用して、第１の入口地点Ｅ１から第２の入口地点Ｅ２までの経路（例えば、第１の目標位置への第１の展開経路ＤＰ１）、及び第２の入口地点Ｅ２から関心領域ＲＯＩ内のターゲットＴまでの経路（例えば、第２の目標位置への第２の展開経路ＤＰ２）が決定され得る。プロセッサ１３０は、表示のためにＩ／Ｏ回路１０８を介してディスプレイ１０４に画像を送信する。

追加画像取得装置が内視鏡（図示せず）を備える場合、内視鏡画像が提供される。内視鏡は、独立して又は制御ユニット１０６の制御下で動作する内視鏡コントローラによって制御され得る。特定の代表的実施形態では、内視鏡は管と、検査対象の器官又は物体を照らするための光送達システムとを含み、例えば、光源は通常体外に存在し、通常、光は光ファイバシステムを介して指向される。また、対物レンズから観察者に画像を伝達するレンズ系が含まれてもよく、典型的には、剛性内視鏡の場合はリレーレンズ系、又はファイバスコープの場合は光ファイバの束である。また、接眼レンズを備えていないビデオスコープも考えられ、この場合、カメラが画像をスクリーン（例えば、ディスプレイ１０４）に送信して画像を取得する。内視鏡の追加チャネルは、医療機器又はマニピュレータの進入を可能にし得る。

本発明のための内視鏡の例は、限定はされないが、任意の種類のスコープ、フレキシブル又は剛性（例えば、内視鏡、関節鏡、気管支鏡、胆道鏡、結腸鏡、膀胱鏡、十二指腸鏡、胃鏡、子宮鏡、腹腔鏡、鼻腔鏡、Ｓ状結腸鏡、洞穴鏡、胸腔鏡など）、及び画像システムを備えたスコープに類似した任意の装置を含む。撮像はローカルであり、表面画像は、光ファイバ、レンズ、又は小型（例えばＣＣＤベースの）撮像システムを用いて光学的に取得され得る。

追加画像取得装置は制御ユニット１０６に接続されてもよく、制御ユニット１０６の構成要素であってもよい。追加画像取得装置は、最終的にディスプレイ１０４に供給される画像を提供し、また、前方光学的視野又は斜め光学的視野を有する任意の種類のカメラを含み、所定のフレームレート（例えば、毎秒３０フレーム）で２次元デジタルビデオフレームのシーケンスを取得可能であり、また、各デジタルビデオフレームをＩ／Ｏ回路１０８を介して制御ユニット１０６に供給可能であり得る。特に、追加画像取得装置は、その視野内でフレキシブル遠位部１０３の画像を取得することができるように配置され及び方向付けられ得る。一部の実施形態では、追加画像取得装置は、モータによって作動されるカメラを含み、ロボット１０１のために計画された器具経路に沿って配置され得る。

プロセッサ１３０は、本明細書に説明される様々な機能を実行するためにソフトウェア（例えば、マイクロコード）を使用してプログラム可能な１つ以上のマイクロプロセッサを備え得る。特に、プロセッサ１３０は、２つ以上のプロセッサ又は処理コアを備え得る。プロセッサ１３０は、例えば、マルチコアプロセッサであってもよい。制御ユニット１０６はまた、単一のコンピュータシステム（図示せず）内に、又は手術用ロボットシステム１００に関連づけられた複数のコンピュータシステム（図示せず）にかけて分散されたプロセッサの集合を含み得る。理解されるであろうように、多くのプログラムの命令が、同じ計算装置に集約された、又は複数の計算装置にわたって分散されたプロセッサ１３０によって実行され得る。本開示の様々な実施形態においてプロセッサ１３０として採用され得る構成要素の例は、限定はされないが、従来のマイクロプロセッサ、マイクロ制御ユニット、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、及び／又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含む。

メモリ１３４及び／又はＣＲＭ１３６は、手術用ロボットシステム１００の様々な構成要素の機能の過程で集められた様々な種類のデータを保存するように構成され得る。これらのデータは、以下により詳細に説明するように集められた画像データ及び追跡データを含む。メモリ１３４及び／又はＣＲＭ１３６はまた、術前画像データなどの術前データを記憶してもよい。以下により詳細に説明するように、これらのデータは、ロボット１０１の動作中に剛性近位部１０２及びフレキシブル遠位部１０３の位置を追跡するために使用され得る。さらに、メモリ１３４及びＣＲＭ１３６はそれぞれ、手術用ロボットシステム１００を制御するために、並びに画像データ及び追跡データを含む様々なデータを保存するためにプロセッサ１３０によって実行されるように構成されたマシン可読命令を保存する非一時的コンピュータ可読媒体を含む。例えば、これらの命令（プログラム）はメモリ１３４内で符号化され、プロセッサ１３０上で実行されると、本明細書に説明される機能の少なくとも一部を実行する。特に、本明細書では、用語「プログラム」又は「コンピュータプログラム」は、制御ユニット１０６をプログラムするために使用され得る様々な種類のコンピュータコード（例えば、ソフトウェア又はマイクロコード）を指すために一般的な意味で使用される。

メモリ１３４及びＣＲＭ１３６は、非揮発性コンピュータメモリ又は揮発性コンピュータメモリ、又は両者を含み、限定はされないが、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）、電気的プログラマブルリードオンリーメモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ドライブ、フロッピーディスク、コンパクトディスク（ＣＤ）、光ディスク、磁気テープ等、スマートカード、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）、ＣＤ－ＲＯＭ、及びソリッドステートハードドライブを含む。例えば、メモリ１３４などの様々な記憶媒体は、プロセッサ１３０内に固定されていてもよく、又は輸送可能、例えば、本明細書に記載されている本教示の様々な側面を実施するためにプロセッサ１３０に１つ又は複数のプログラムがロード可能であってもよい。

ロボット１０１は追加座標系を導入するので、ロボット１０１をある所望の基準系と位置合わせ（位置及び向き）することは、保証及び維持が困難である。なぜなら、作業空間及び動作の制約下で配置されるからである。以下でより詳細に説明するように、臨床医によって同位置合わせを精神的に実行する必要なく、既知のレジストレーション方法及び装置を用いて、異種の座標系の不整合が実行される。このために、ロボット１０１及びその具体的構成要素を撮像システムにレジストレーションするための様々な方法及び装置が現存する。一例として、レジストレーションは、画像内に映るフレキシブル遠位部１０３の特徴を、術前に集められた対応する特徴とマッチングすることによって実行され得る。ターゲットＴは、画像内のターゲットＴの位置をマーキングすることによって臨床医又は外科医によって識別されてもよい。別の実施形態では、ターゲットＴは、当該技術分野で知られている特徴マッチング及び物体認識手段によって自動的に検出され得る。ターゲットＴは、その後、レジストレーションを使用して画像からロボット座標系に計算され得る。レジストレーションの例は、共同所有されるＰｏｐｏｖｉｃの米国特許第９，０９５，２５２号（２０１５年８月４日）、Ｔｒｏｖａｔｏらの米国特許出願公開第２０１１／０２８２１５１号（２０１１年１１月１７日）、Ｔｈｉｅｎｐｈｒａｐａらによる米国特許出願公開第２０１４／０２１２０２５号（２０１４年７月３１日）、Ｐｏｐｏｖｉｃらによる米国特許出願公開第２０１５／００１０２２５号、米国特許出願公開第２０１５／００７３２６５号（２０１５年１月８日）、Ｐｏｐｏｖｉｃらによる米国特許出願公開第２０１５／０１２６８５９号（２０１５年５月７日）、及びＥｌｈａｗａｒｙらによる米国特許出願公開第２０１５／０２０２０１５号（２０１５年７月２３日）に開示されており、これらの全てが、参照により本明細書に詳細に援用される。

追跡システム１２０は、ロボット１０１の剛性近位部１０２及びフレキシブル遠位部１０３に関する追跡情報を生成するように構成される。追跡システム１２０は、当業者によって理解されるように、光学追跡システム、機械的追跡システム、電磁追跡システム、及び形状検出追跡システムのうちの１つ又は複数であってもよい。追跡システム１２０と協働させるために、無線周波数（ＲＦ）センサ、ＬＥＤセンサ、パッシブマーカ、反射マーカなどのセンサ又はタグが、ロボット１０１の近位部１０２に、又はフレキシブル遠位部１０３の端部１０３’の近位に、又はこれらの両方に含まれてもよい。形状検出追跡システムは、例えば、Ｒａｍａｍｕｒｔｈｙらによる米国特許第９１８６０４６号に記載されており、その開示が参照により本明細書に詳細に援用される。

追跡システム１２０は、剛性近位部１０２及びフレキシブル遠位部１０３の現在位置のフィードバックを提供するために、制御ユニット１０６に情報を提供する。これは、関心領域ＲＯＩに対する剛性近位部１０２の位置の調整、及びターゲットＴに対するフレキシブル遠位部１０３の位置の調整を可能にする。剛性近位部１０２及びフレキシブル遠位部１０３の追跡、並びに画像取得装置１１４によって実現されるレジストレーションからのデータを通じて、プロセッサ１３０は最終的に、ターゲットＴに対するフレキシブル遠位部１０３の位置を決定するように構成される。特に、メモリ１３２内のソフトウェアは、例えば、プロセッサ１３０がターゲットＴに対するフレキシブル遠位部１０３の現在位置を計算することを可能にする。これらの計算に基づいて、プロセッサ１３０は、ターゲットＴに対してより良い位置に移動するために必要な命令／コマンドをフレキシブル遠位部１０３に提供する。一実施形態では、これらのコマンドは、フレキシブル遠位部１０３による望ましくない動きを補償する（及び実質的に無効にする）ために、剛性近位部１０２における又は臨床医からのふるえに起因する運動を補償するように機能する。

手術用ロボットシステム１００は、ユーザインターフェイス１１０を備える。ユーザインターフェイス１１０は、ディスプレイ１０４と同様に、ハードウェアインターフェイス（図示せず）及びＩ／Ｏ回路１０８を介して制御ユニット１０６に模式的に結合されている。ハードウェアインターフェイスは、プロセッサ１３０が、手術用システムの様々な構成要素と相互作用すること、及び、外部の計算デバイス（図示せず）及び／又は装置を制御することを可能にする。ハードウェアインターフェイスは、プロセッサが制御信号又は命令を手術用ロボットシステム１００の様々な構成要素、並びに外部計算デバイス及び／又は装置に送信することを可能にし得る。また、ハードウェアインターフェイスは、プロセッサが手術用ロボットシステム１００の様々な構成要素、並びに外部計算デバイス及び／又は装置とデータを交換することを可能にし得る。ハードウェアインターフェイスの例としては、限定はされないが、ユニバーサルシリアルバス、ＩＥＥＥ１３９４ポート、パラレルポート、ＩＥＥＥ１２８４ポート、シリアルポート、ＲＳ－２３２ポート、ＩＥＥＥ－４８８ポート、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）接続、無線ローカルエリアネットワーク接続、ＴＣＰ／ＩＰ接続、イーサネット（登録商標）接続、制御電圧インターフェイス、ＭＩＤＩインターフェイス、アナログ入力インターフェイス、及びデジタル入力インターフェイスなどがある。

ユーザインターフェイス１１０は、臨床医がコンピュータ（図示せず）又はコンピュータシステム（図示せず）を介して手術用ロボットシステム１００とインタラクトすることを可能にする。ユーザインターフェイス１１０は、例えば、タッチスクリーン、キーボード、マウス、トラックボール、及び／又はタッチパッドを含み得る。一般的に、ユーザインターフェイス１１０は、情報又はデータを臨床医に提供し、かつ／又は、臨床医から情報又はデータを受け取り得る。ユーザインターフェイス１１０は、臨床医からの入力をコンピュータが受け取り、また、コンピュータからユーザに出力を提供することを可能にし得る。言い換えれば、後により明らかにされるように、ユーザインターフェイス１１０は、オペレータがコンピュータを制御又は操作することを可能にし、また、ユーザインターフェイス１１０は、臨床医の制御又は操作の効果をコンピュータが表示することを可能にし得る。ディスプレイ１０４又はそのグラフィカルユーザインターフェイス上のデータ又は情報の表示は、情報を臨床医に提供することの一例である。タッチスクリーン、キーボード、マウス、トラックボール、タッチパッド、ポインティングスティック、グラフィックタブレット、ジョイスティック、ゲームパッド、ウェブカム、ヘッドセット、ギアスティック、ステアリングホイール、ワイヤードグローブ、無線リモコン、及び加速度計を介するデータの受け取りはいずれも、オペレータからの情報又はデータの受け取りを可能にするユーザインターフェイス１１０の構成要素の例である。

上述したように、制御ユニット１０６は、Ｉ／Ｏ回路１０８を含む。他の機能も備えるが、Ｉ／Ｏ回路１０８は、制御ユニット１０６の外部の要素及びデバイスへの通信を制御する。Ｉ／Ｏ回路１０８は、プロセッサ１３０とやり取りされる入出力信号又はデータを解釈するのに必要なロジックを含むインターフェイスとして機能する。例えば、Ｉ／Ｏ回路１０８は、ロボット１０１の剛性近位部１０２及びフレキシブル遠位部１０３に関連する医療画像を例えば画像取得装置１１４から受け取るよう構成された第１の入力部と、追跡システム１２０からロボット１０１の近位部１０２及びフレキシブル遠位部１０３の追跡情報を受け取るよう構成された第２の入力部とを含み得る。Ｉ／Ｏ回路１０８は、ロボット１０１に関連する医療画像をディスプレイ１０４のディスプレイに提供するように構成された出力部を含み得る。

代表的実施形態はまた、患者の体への入口に配置される近位部１０２、及び患者の体内の手術部位Ｓに配置されるフレキシブル遠位部１０３備えるロボット１０１を含む手術用ロボットシステム１００を制御するためにプロセッサ１３０によって実行される機械可読命令が格納された非一時的コンピュータ可読記憶媒体（例えば、メモリ１３４／ＣＲＭ１３６）を対象とし得る。機械可読命令は、メモリ１３２に保存され、ハンドヘルドイントロデューサ１０２の動きを相殺する方法５００を実行するように構成される。

説明のために、関心領域ＲＯＩは、例えば、患者の心臓であると仮定され得る。この場合、フレキシブル遠位部１０３の端部１０３’の位置は、ディスプレイ１０４において提供される画像によって臨床医によって決定され得る。したがって、端部１０３’に配置されたエンドエフェクタを使用して、第２の入口地点Ｅ２における心臓（関心領域ＲＯＩ）の正確な位置に切開が形成され得る。次いで、臨床医は、フレキシブル遠位部１０３の端部１０３’をさらに、置換されるべき大動脈弁（ターゲットＴ）の位置に誘導し得る。その後、弁が交換され、ここでも再び、上述の様々な画像取得及びレジストレーション方法を使用して、心臓の正確な位置が制御ユニット１０６によって決定される。

追跡システム１２０からのデータのみに基づいて、又は第２の画像取得装置１１４からのデータとの組み合わせに基づいて、プロセッサ１３０は、フレキシブル遠位部１０３の実質的無効化運動が、フレキシブル遠位部１０３の端部１０３’での震動を打ち消すことができるように、ロボット１０１のフレキシブル遠位部１０３へのコマンドを介して近位部１０２の散発的な動き（例えば、臨床医のふるえに起因するもの）を相殺し得る。代表的実施形態では、位置相殺モードでは、フレキシブル遠位部１０３に関連する画像が画像取得装置１１４を使用して取得される。上述のように、画像は、Ｘ線画像、コーンビームＣＴ画像、超音波画像、又は内視鏡画像であってもよい。フレキシブル遠位部１０３の形状及び姿勢、並びに／又は手術部位Ｓ内のレジストレーションはそれによって決定され、また、ディスプレイ１０４上に表示され得る。例えば、画像ベースレジストレーション及びツール追跡レジストレーションを含む、術前手術計画及び術中画像に対する手術ツールのリアルタイム追跡が、上記米国特許及び特許出願公開公報に開示されている。解剖学的構造を画像内で視認することができるので、解剖学的構造に対するフレキシブル遠位部１０３の相対位置もまた知ることができ、制御ユニット１０６により算出された位置を使用して、解剖学的ターゲットＴ（この例では置換されるべき弁の位置）に到達するためにフレキシブル遠位部１０３を利用することができる。

上述したように、生検又は心臓切除などの処置の間、フレキシブル遠位部１０３を同じ位置に保つために、制御ユニット１０６は、追跡システム１２０、及び場合によっては画像取得装置１１４からの追跡情報を使用して、追跡システム１２０からのロボット１０１の近位部１０２の位置を連続的に更新する。言い換えれば、フレキシブル遠位部１０３は、患者Ｐの外部の剛性近位部１０２の動きを相殺するよう、患者Ｐの内部で動くように制御される。

代表的実施形態では、制御ユニット１０６は、所定の入口地点、所定の第２の展開経路ＤＰ２、及び解剖学的ターゲットＴに応じて、フレキシブル遠位部１０３の関節（例えば、関節１４２）のロボット１０１運動パラメータを計算し得る。かかるパラメータは、フレキシブル遠位部１０３を、心筋の所定の第２の入口地点Ｅ２及び計画された第２の展開経路ＤＰ２と位置合わせし得る。制御ユニット１０６は、フレキシブル遠位部１０３を計画された第２の入口地点Ｅ２及び第２の展開経路ＤＰ２と位置合わせする計算された関節運動パラメータに応じて制御コマンドを生成し、該ロボット制御コマンドをロボット１０１に伝達し得る。

プロセッサ１３０は、ハードウェア、ソフトウェア、及びファームウェアの組み合わせを使用して、記載の機能及び動作を実行し得る。プロセッサ１３０は、例えば画像取得装置１１４からの、剛性近位部１０２及び手術部位Ｓにおける又はその近傍のフレキシブル遠位部１０３に関連する画像を処理して、フレキシブル遠位部１０３を手術部位Ｓにおける対応する解剖学的構造とレジストレーションするよう構成される。図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明されたように、プロセッサ１３０は、追跡システム１２０からのロボット１０１の近位部１０２の追跡情報を処理して、ＲＣＭを中心とする動きを決定するように構成される。プロセッサ１３０は、さらに、Ｉ／Ｏ回路１０８を介してディスプレイ１０４に画像を送信するよう構成され得る。

上記から理解されるように、画像取得装置１１４、追跡システム１２０、メモリ１３４／ＣＲＭ１３６に記憶された様々なデータ及びソフトウェア、及びプロセッサ１３０の動作の協働機能により、制御ユニット１０６は、手術部位Ｓにおける手術用ロボット１０１のフレキシブル遠位部１０３及びターゲットＴに関連するライブ画像及び術前画像の取得及び処理を制御するための１つ又は複数の制御コマンドを提供し、ロボット１０１の近位部１０２及び／又はフレキシブル遠位部１０３に関連する追跡情報を使用してターゲットＴに対してフレキシブル遠位部１０３をさらに制御するよう構成される。以下に説明する実施例では、代表的実施形態の手術用ロボットシステム１００の様々な特徴についてさらに説明する。これらの実施例は単なる例であり、何らの限定も意図するものではないことに留意されたい。

図２Ａ及び図２Ｂは、代表的実施形態に係る、図１Ａに示す手術用ロボットシステムにおけるロボットの動作の詳細を示す模式図である。具体的には、図２Ａは、剛性近位部１０２のＲＣＭが患者の体の表面に位置する場合のロボットの動作を示し、図２Ｂは、剛性近位部１０２のＲＣＭが関心領域ＲＯＩ（例えば、内部器官）の表面に位置する場合のロボットの動作を示す。

図２Ａに示すように、ロボット１０１の剛性近位部１０２は、制御ユニット１０６の制御下で又は手動で、第１の入口地点Ｅ１（例えば、手術用ポート）を介して患者Ｐに挿入される。剛性近位部１０２のＲＣＭは、患者の体の表面上の第１の入口地点Ｅ１に位置し、これは、剛性近位部１０２が患者の体の表面に対して様々な角度（例えば、Ａ１及びＡ２）で回動することを可能にし、それにより、関心領域ＲＯＩ（例えば、内部器官）内のターゲットＴへのフレキシブル遠位部１０３によるアクセスを許容するように剛性近位部１０２が配置される。剛性近位部１０２は、第２の入口地点Ｅ２を介して関心領域ＲＯＩに挿入され得る。挿入後、フレキシブル遠位部１０３は、ターゲットＴにアクセスするよう展開される。

一実施形態では、プロセッサ（例えば、図１Ａのプロセッサ１３０）は、少なくとも１つの画像取得装置（例えば、画像取得装置１１４）から画像を受け取り、（少なくとも部分的に）受け取られた画像に基づき、剛性近位部１０２が第１の入口地点Ｅ１から第２の入口地点Ｅ２へと辿るための第１の展開経路（例えば、第１の展開経路ＤＰ１）を生成し、コントローラ（例えば、制御ユニット１０６）が第１の展開経路に沿って剛性近位部１０２を展開するための命令を提供する。また、プロセッサは、（少なくとも部分的に）受け取られた画像に基づき、フレキシブル遠位部１０３が第２の入口地点Ｅ２からターゲットＴへと辿るための第２の展開経路（例えば、第２の展開経路ＤＰ２）を生成し、コントローラが剛性近位部１０２の端部からフレキシブル遠位部１０３を第２の展開経路に沿って展開するための命令を提供する。

図２Ｂを参照して、剛性近位部１０２が第２の入口地点Ｅ２を中心に回動する点を除き動作は同様であるが、患者の体の表面における剛性近位部１０２の回動運動を許容するために第１の入口地点Ｅ１においてより大きい切開部が必要とされる。すなわち、ロボット１０１の剛性近位部１０２は、制御ユニット１０６の制御下で又は手動で、第１の入口地点Ｅ１を介して患者Ｐに挿入される。剛性近位部１０２のＲＣＭは、患者の体内の関心領域ＲＯＩ（例えば、内部器官）の表面上の第２の入口地点Ｅ２に位置し、これは、剛性近位部１０２が関心領域ＲＯＩの表面に対して様々な角度（例えば、Ｂ１及びＢ２）で回動することを可能にし、それにより、関心領域ＲＯＩ内のターゲットＴへのフレキシブル遠位部１０３によるアクセスを許容するように剛性近位部１０２が配置される。

上記したように、一実施形態では、プロセッサ（例えば、プロセッサ１３０）は、少なくとも１つの画像取得装置（例えば、画像取得装置１１４）から画像を受け取り、（少なくとも部分的に）受け取られた画像に基づき、剛性近位部１０２が第１の入口地点Ｅ１から第２の入口地点Ｅ２へと辿るための第１の展開経路を生成し、コントローラ（例えば、制御ユニット１０６）が第１の展開経路に沿って剛性近位部１０２を展開するための命令を提供する。また、プロセッサは、（少なくとも部分的に）受け取られた画像に基づき、フレキシブル遠位部１０３が第２の入口地点Ｅ２からターゲットＴへと辿るための第２の展開経路を生成し、コントローラが剛性近位部１０２の端部からフレキシブル遠位部１０３を第２の展開経路に沿って展開するための命令を提供する。

図３は、代表的実施形態に係る、患者の心臓にアクセスするための手術用ロボットシステムの斜視図であり、手術用ロボットシステムはここでは大動脈弁置換のために使用される。大動脈弁置換術は、本教示の範囲から逸脱することなく、他の種類の医療処置及び外科手術のために使用され得る手術用ロボットシステム１０１の実施例である。

図３を参照して、手術用ロボットシステム３０１は、剛性近位部１０２及びフレキシブル遠位部１０３を有するロボット１０１を備える。図示の実施形態では、剛性近位部１０２のＲＣＭは患者Ｐの体の表面に位置する。剛性近位部１０２は、例えばコントローラによって又は手動で操作され、第１の入口地点Ｅ１（例えば、 ２つのリブ間に初期切開部が形成される）及び第２の入口地点Ｅ２を通って心臓３０１に進入する。フレキシブル遠位部１０３は、剛性近位部１０２を通って展開され、人工弁を心室３０５内に配備するために使用される。

手術用ロボットシステム３０１は、画像検出器３１４－１及びソース３１４－２を有するＣアーム撮像システムである画像取得装置３１４をさらに含む。画像取得装置３１４は、心臓３１０及びロボット１０１のライブ及び／又は術前画像を提供する。画像データは、追跡システム（例えば、追跡システム１２０）からの追跡データとともに、プロセッサ（例えば、プロセッサ１３０）は、剛性近位部１０２が第１の入口地点Ｅ１から第２の入口地点Ｅ２へと辿るための展開経路、及びフレキシブル遠位部１０３が第２の入口地点Ｅ２から心室３０５（ターゲット）へと辿るための展開経路を決定及び監視することを可能にする。図示の実施形態では、心臓３０１のライブ撮像を提供するために、プローブ３１１及びトランスデューサ３１２を有する経食道心エコー検査（ＴＥＥ）プローブ３１０がさらに含まれる。

図４は、代表的実施形態に係る手術用ロボットシステム１００によって実行され得る制御及び誘導方法４００の動作を示すフローチャートである。以下の説明では、例を提供するために、方法４００が図１Ａに示される手術用ロボットシステム１００のバージョンによって実行されると仮定する。したがって、図４に示される動作の全て又は一部が、プロセッサ１３０によって又はプロセッサ１３０の制御下で実行され得る。しかしながら、方法は、本教示の範囲から逸脱することなく、手術用ロボットシステムの他の実施形態を使用して実施されてもよい。

この実施形態では、剛性近位部１０２は、ＲＣＭが患者Ｐへの第１の入口地点Ｅ１（例えば、肋骨間）に配置されるように構成されていると仮定する。この構成は、肋骨及び胸部筋肉への損傷を最小限に抑えるが、フレキシブル遠位部１０３が展開される前に実行される剛性近位部１０２の動作をいくらか制限する。動作４０１において、剛性近位部１０２の（患者の身体上の）初期位置が決定される。剛性近位部１０２は、例えば臨床医によって、剛性近位部の手動又はマスター／スレーブ制御を用いて、初期位置に位置合わせされ、剛性近位部１０２が第１の入口地点Ｅ１を介して体腔内に配置される。

剛性近位部１０２は、体腔を通って手術部位Ｓに向かって前進する。剛性近位部１０２が、Ｘ線画像のような画像取得装置１１４によって提供される画像において視認されると、本明細書で提供されるレジストレーション方法を含む任意の方法を使用して、剛性近位部１０２が関心領域ＲＯＩ（例えば、この例では患者の心臓）とレジストレーションされる。例えば、画像ベースレジストレーション及びツール追跡レジストレーションを含む、術前手術計画及び術中画像に対する手術ツールのリアルタイム追跡が、参照により本明細書に詳細に援用される、共同所有のＰｏｐｏｖｉｃによる米国特許出願公開第２０１２／０２９４４９８号（２０１２年１１月２２日）に開示されている。

動作４０３において、剛性近位部１０２のために、ＲＣＭ（例えば、第１の入口地点Ｅ１）から関心領域ＲＯＩの入口地点（例えば、第２の入口地点Ｅ２）までの第１の展開経路ＤＰ１が生成される。第１の展開経路ＤＰ１は、例えば画像取得装置１１４によって提供される画像を介して知られる第１の入口地点Ｅ１及び関心領域ＲＯＩの境界の位置に基づき、プロセッサ１３０によって生成され得る。一実施形態では、第１の展開経路ＤＰ１は、例えば、プロセッサ１３０及び／又は画像取得装置１１４によって提供されるデータ及び／又は画像を使用して臨床医によって決定され得る。

剛性近位部１０２は、制御ユニット１０６の制御下で自動展開を用いて、剛性近位部１０２が第２の入口地点Ｅ２を介して関心領域ＲＯＩに進入するまで、ロボット１０１の動作によって決定された第１の展開経路ＤＰ１に沿って動かされる（動作４０４）。例えば、第１の展開経路ＤＰ１に沿う剛性近位部１０２の配置のために、第１の誘導情報が生成され得る。一般的に、誘導情報は、ロボット１０１の画像取得装置１１４へのレジストレーションを含み、また、患者Ｐの体内の決定された展開経路に対応する３次元空間における座標、及びロボットを座標に移動させるためのコマンドなどのデータを提供し得る。あるいは、臨床医は、例えば画像取得装置１１４からのライブ画像を使用して、決定された第１の展開経路ＤＰ１に沿って剛性近位部１０２を手動で動かすことができる。

動作４０５において、フレキシブル遠位部１０３は、剛性近位部１０２を通って関心領域ＲＯＩ内に展開される。この例では、フレキシブル遠位部１０３は心臓に導入されるので、Ｘ線及び超音波下で視認可能である。例えば心臓のクローズアップライブ撮像を提供するために、フレキシブル遠位部１０３は画像取得装置１１４からのｘ線にレジストレーションされ、また、Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓから入手可能なＥｃｈｏＮａｖｉｇａｔｏｒ（登録商標）を使用して、上述のＴＥＥプローブ３１０などの超音波ＴＥＥプローブ（任意選択可能）からの超音波にレジストレーションされ得る。

フレキシブル遠位部の位置は、関心領域ＲＯＩ内で追跡される（動作４０６）。動作４０７において、フレキシブル遠位部１０３のために、フレキシブル遠位部１０３の追跡位置からターゲットＴ（例えば、心筋）までの第２の展開経路ＤＰ２が生成される。第２の展開経路ＤＰ２は、例えば画像取得装置１１４によって提供される画像を介して知られる第２の入口地点Ｅ２及びターゲットＴの位置に基づき、プロセッサ１３０によって生成され得る。

動作４０８において、フレキシブル遠位部１０３の遠位先端が、第２展開経路ＤＰ２に沿ってターゲットＴに移動される。例えば、フレキシブル遠位部１０３を移動させるために、フレキシブル遠位部１０３を第２展開経路ＤＰ２に沿って配置するための第２の誘導情報が生成され得る。本例では、第２の展開経路ＤＰ２及び／又は第２の誘導情報を生成するために、Ｘ線画像及び超音波画像のうちの少なくとも１つにおいて心臓の大動脈弁の弁輪が検出され、かかるライブ画像を用いて、ロボット１０１のフレキシブル遠位部が制御され、フレキシブル遠位部の遠位先端が弁輪に又は弁輪に対して垂直に配置され得る。目標位置に到達すると、治療装置が展開される。上述したように、治療装置は、心臓の左心室を通過したバルーンカテーテル及び人工弁を含み、人工弁を大動脈弁輪内に適切に配置するために、プッシャー及びスリーブを使用してバルーンカテーテル及び人工弁が前進させられられ、取り付けされる。

他の実施形態では、剛性近位部１０２は、ＲＣＭが関心領域ＲＯＩ（例えば心臓）への第２の入口地点Ｅ２に配置されるように構成される。この実施形態では、胸腔における第１の入口地点Ｅ１は、剛性近位部１０２の小さな動きを可能にするために、より大きな切開部でなければならない。これにより、展開後、フレキシブル遠位部１０３の再配置が可能になる。

一連の展開動作は、図４を参照して上述した実施形態と同じである。しかしながら、本実施形態では、フレキシブル遠位部１０３の再配置を容易にするために最後の動作が加えられる。例えば、第２の展開経路ＤＰ２の計画が到達不能な経路をもたらす場合、ロボット１０１の剛性近位部１０２は、関心領域ＲＯＩへの第２の入口地点Ｅ２を中心として回動することによってフレキシブル遠位部デバイスを到達可能な位置に再配置することができる。

特定の実施形態では、方法４００は、医療画像をディスプレイ１０４に送信するステップをさらに含み得る。本明細書において、ディスプレイ構成は、任意の適切な技術下で画像、追跡される手術ツール、及び他のエンドエフェクタを表示するように構造的に構成された任意のデバイスとして広義に定義される。ディスプレイの例には、コンピュータモニタ、テレビ画面、タッチスクリーン、プロジェクタ、及びヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）などがある。

本教示は、スマートシステム及びデバイスに向かう技術的進歩の一部である。適用可能なアプリケーションには、術前ＣＴ、（特に、作業空間が見えにくい低侵襲手術における）外科手術ナビゲーション、及び解剖学的ターゲット及び腫瘍の発見に関するライブビデオの拡張現実が含まれる。

この開示に関連して、様々な構造及び構成要素は様々な手段で実装され得ることに留意されたい。さらに、様々な材料、構造、及びパラメータは、単なる例示であって、限定的な意味は有さない。この開示に関連して、当業者は、添付の特許請求の範囲の枠内において、各自のアプリケーション及び該アプリケーションに必要な材料及び機器を決定しつつ、本教示を実施することができる。

Claims (21)

1. 遠隔運動中心（ＲＣＭ）を有する剛性近位部、フレキシブル遠位部、及び少なくとも１つの画像取得装置を備えるロボットを含むロボットシステムのための制御ユニットであって、前記制御ユニットは、
   プロセッサを備え、前記プロセッサは、
   前記少なくとも１つの画像取得装置から画像を受け取り、
   前記受け取られた画像に基づき、第１の目標位置への第１の展開経路を生成し、
   前記受け取られた画像に基づき、前記第１の目標位置から第２の目標位置への第２の展開経路を生成し、
   前記第１の展開経路に沿った前記剛性近位部の配置のための第１の誘導情報を生成し、
   前記第２の展開経路に沿った前記フレキシブル遠位部の配置のための第２の誘導情報を生成し、
   前記第１の誘導情報を使用して前記剛性近位部を前記第１の目標位置に誘導し、前記第２の誘導情報を使用して前記フレキシブル遠位部を前記第２の目標位置に誘導する、制御ユニット。
2. 前記第１の目標位置は、患者内の手術部位における関心領域の入口地点を含む、請求項１に記載の制御ユニット。
3. 前記第２の目標位置は、前記手術部位における前記関心領域内のターゲットを含む、請求項２に記載の制御ユニット。
4. 前記関心領域は、前記患者の内部器官を含み、前記ターゲットは、前記内部器官の一部内のある位置を含む、請求項３に記載の制御ユニット。
5. 前記ＲＣＭは、前記患者の身体への入口地点に位置する、請求項３に記載の制御ユニット。
6. 前記ＲＣＭは、前記手術部位における前記内部器官の入口地点に位置する、請求項４に記載の制御ユニット。
7. 前記第１の展開経路は直線状であり、前記第２の展開経路は非直線状である、請求項１に記載の制御ユニット。
8. 前記第１及び第２の誘導情報は、前記画像取得装置への前記ロボットのレジストレーションを含む、請求項１に記載の制御ユニット。
9. ロボットを備えるロボットシステムであって、前記ロボットは、
   遠隔運動中心（ＲＣＭ）を有する剛性近位部と、
   フレキシブル遠位部と、
   少なくとも１つの画像取得装置とを有し、
   前記ロボットシステムはさらに制御ユニットを備え、前記制御ユニットは、
   前記少なくとも１つの画像取得装置から画像を受け取り、
   前記画像に基づき、第１の目標位置への第１の展開経路を生成し、
   前記画像に基づき、前記第１の目標位置から第２の目標位置への第２の展開経路を生成し、
   前記第１の展開経路に沿った前記剛性近位部の配置のための第１の誘導情報を生成し、
   前記第２の展開経路に沿った前記フレキシブル遠位部の配置のための第２の誘導情報を生成する、ロボットシステム。
10. 前記第１の展開経路は直線状であり、前記第２の展開経路は非直線状である、請求項９に記載のロボットシステム。
11. 前記第１の目標位置は、患者の手術部位内の関心領域への入口地点であり、前記第２の目標位置は、前記関心領域内のターゲットの地点である、請求項９に記載のロボットシステム。
12. 前記剛性近位部の前記ＲＣＭは、前記患者の身体への入口地点に位置する、請求項１１に記載のロボットシステム。
13. 前記ＲＣＭは、前記関心領域への入口地点に位置する、請求項１１に記載のロボットシステム。
14. 前記関心領域は前記患者の心臓であり、前記ターゲットは人工弁で置換される大動脈弁である、請求項１１に記載のロボットシステム。
15. 前記少なくとも１つの画像取得装置は、
    前記心臓に隣接して配置されるプローブ及びトランスデューサを有し、前記心臓のライブ撮像を提供する経食道心エコー（ＴＥＥ）プローブと、
    前記手術部位を撮像するためのＸ線を有するＣアームとを備える、請求項１４に記載のロボットシステム。
16. ロボットシステムを制御するためにプロセッサによって実行される機械可読命令が格納された非一時的コンピュータ可読記憶媒体であって、前記ロボットシステムは制御ユニットとロボットとを有し、前記ロボットは、遠隔運動中心（ＲＣＭ）を有する剛性近位部、フレキシブル遠位部、及び少なくとも１つの画像取得装置を備え、前記機械可読命令は、ターゲットにアクセスするための前記ロボットの前記剛性近位部及び前記フレキシブル遠位部の制御方法を実行するように構成され、前記制御方法は、
    前記剛性近位部のための、患者の手術部位内の関心領域への第１の展開経路を生成するステップと、
    前記剛性近位部を、前記第１の展開経路上で前記関心領域に移動させるステップと、
    前記剛性近位部を通して、前記フレキシブル遠位部を展開させるステップと、
    前記関心領域内の前記フレキシブル遠位部の位置を追跡するステップと、
    前記フレキシブル遠位部のための、前記ターゲットへの第２の展開経路を生成するステップと、
    前記フレキシブル遠位部を、前記第２の展開経路上で前記ターゲットまで移動させるステップとを含む、非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
17. 前記制御方法はさらに、
    最初に、前記患者に対する前記剛性近位部の初期位置を決定するステップと、
    前記剛性近位部を、前記患者の前記手術部位における前記関心領域にレジストレーションするステップとを含み、
    前記第１の展開経路は、前記剛性近位部の前記レジストレーションに基づき生成される、請求項１６に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
18. 前記第１の展開経路は、前記少なくとも１つの画像取得装置によって提供される画像に基づく、前記患者の体内への前記剛性近位部の第１の入口地点の既知の位置、及び前記関心領域の境界の既知の位置に基づいてプロセッサによって生成される、請求項１６に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
19. 前記第２の展開経路は、前記少なくとも１つの画像取得装置によって提供される画像に基づく、前記関心領域への前記剛性近位部の第２の入口地点の既知の位置、及び前記ターゲットの既知の位置に基づいて前記プロセッサによって生成される、請求項１８に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
20. 前記制御方法はさらに、
    前記少なくとも１つの画像取得装置によって提供される画像をディスプレイに送信するステップを含む、請求項１６に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
21. 前記関心領域内の前記フレキシブル遠位部の位置を追跡するステップは、光学的追跡、機械的追跡、電磁追跡システム、及び形状検出追跡のうちの少なくとも１つを含む、請求項１６に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。

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