JP7128224B2 - 統合された手術台運動のためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

（関連出願）
本出願は、２０１４年１０月２７日に出願された"System and Method for Integrated Surgical Table"と題する米国仮出願第62/069,245号及び２０１５年３月１７日に出願された"System and Method for Integrating Surgical Table Motion"と題する米国仮特許出願第62/134,292号の優先権を主張し、これらの両方は、それらの全部が参照により本明細書に援用される。

本開示は概して、多関節アーム（articulated arms）を備える装置の動作に関し、より具体的には、患者を動かすときに多関節アームを再位置決めすること及び多関節アーム及び移動している内視鏡ビュー基準フレームへの外乱の間の器具制御を可能にすること関する。

ますます多くの装置が自律的及び半自律的電子デバイスに置き換えられている。これは特に、手術室、介入室、集中治療病棟、救急室等で見出される自律的及び半自律的電子デバイスの大規模アレイを備える今日の病院において当てはまる。例えば、ガラス温度計及び水銀温度計が電子体温計に置き換えられており、静脈内点滴ラインは今や電子モニタ及び流量調整器を含み、従来の手持ち式手術器具は、コンピュータ支援医療装置によって置き換えられている。

これらの電子デバイスは、それらを操作する人に利点及び課題の両方をもたらす。これらの電子デバイスの多くは、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又は半自律運動を行える可能性がある。これらの１又は複数の多関節アーム及びエンドエフェクタのそれぞれは、多関節アーム及びエンドエフェクタの動作をサポートするリンク及び関節ジョイント（articulated joint）の組合せを含む。多くの場合、関節ジョイントは、リンクの遠位端部に位置する対応する器具並びに対応する多関節アーム及び／又はエンドエフェクタの関節ジョイントの所望の位置及び／又は向き（一括して、姿勢）を得るために、操作される。器具に近位の関節ジョイントのそれぞれは、対応する器具の位置及び／又は向きを操作するために使用される可能性がある少なくとも１自由度を持つ対応する多関節アーム及び／エンドエフェクタを提供する。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、対応する器具のｘ、ｙ、及びｚ位置（一括して、並進運動と称される）並びに対応する器具のロール、ピッチ、及びヨーの向き（一括して、回転運動と称される）を制御することを可能にする少なくとも６自由度を含む可能性がある。対応する器具の姿勢の制御におけるより大きい柔軟性を提供するために、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とき、関節ジョイントの位置及び／又は向きの多数の異なる組合せが、対応する器具の同じ姿勢を得るために使用されてよいことが可能である。

患者の内部構造へのアクセス、又は患者の内部構造の可視化を向上又は最適化するために、手術マニピュレータアセンブリとして使用されるコンピュータ支援装置のマニピュレータアームに対して手術台上の患者を動かすことが外科医又は手術室スタッフにとってしばしば望ましい。例えば、外科医は、外科処置中に臓器の重力支援圧排（gravity-assisted retraction）を実行することを望む場合がある。患者の臓器は手術台が傾けられるとき動くので、安全のために、手術器具は手術台を動かす前に患者から取り除かれる。その結果、多くの従来の遠隔操作手術システムでは、このような圧排（retraction）を実行するために、マニピュレータアームは、器具が患者の中に挿入される体の開口部が安全に動くことができるように、患者をマニピュレータアームに結合するカニューレから切り離されなければならず、手術台はその後標的臓器の圧排に適していると推定される新しい位置に動かされなければならず、その後器具が体の開口部に再び挿入されなければならない。この方法は、時間がかかり且つ煩わしい場合がある。さらに、このプロセスは、幾つかの反復を伴う場合があり、なぜなら、内視鏡もまた一般的に、台が動かされる前に安全性を向上させるために患者から取り除かれるので、手術作業空間の可視化が失われ、新しい位置は典型的には知識や経験に基づいて推測であり、これは圧排を適切に実行するのに的確又は十分であるかもしれないしそうでないかもしれないからである。度重なる繰り返しを避けるために、医師はしばしば、所望の重力支援圧排が生じていることを確実にするために「過剰修正（overcorrection）」し且つ必要よりも大幅である位置及び向きを選択する。この過剰修正は、患者の頭を下げた向きのような、特定の向きが、患者、特にこのような向きにおいてしばしば呼吸がしにくい大きい患者によって許容されにくい場合があるので、患者の安全の問題につながる場合がある。加えて、器具が患者から取り除かれるとともにマニピュレータアームがカニューレから取り除かれるので、器具は、従来の腹腔鏡手術で行われるように圧排を支援するために、医師によって使用されることができない。

したがって、多関節アームが患者に接続されている間に、患者及び／又は多関節アームの再位置決めを可能にすることが望ましい。患者又はアームが再位置決めされているとき、多関節アームに対するある制御を維持することもユーザにとって望ましい。本明細書に記載されるシステム及び方法は、これらの問題に他の問題と併せて対処する。

実施形態と一致して、コンピュータ支援医療装置は、第１の多関節アームであって、エンドエフェクタ、第１のジョイントセット、及び第２のジョイントセットを有する、第１の多関節アームと、制御ユニットと、を有する。幾つかの実施形態では、制御ユニットは、多関節アーム及び手術台に結合されるとき、第１のジョイントセットの１又は複数のジョイントを浮動（floating）モードに設定するように；手術台の運動によって生じる第１のジョイントセットの運動を検出するように；手術台の運動に基づいて第２のジョイントセットを駆動するように；手術台が動いている間にエンドエフェクタを動かす器具動作指令を受信するように；及び器具動作指令に基づいてエンドエフェクタを動かすように、構成される。幾つかの例では、器具動作指令は、イメージング座標フレーム（imaging coordinate frame）に関連している。幾つかの例では、制御ユニットは、器具動作指令をイメージング座標フレームからエンドエフェクタ座標フレームに変換する。幾つかの例では、イメージング座標フレームは、手術台の運動より前にセーブされたイメージング装置の姿勢に基づいている。幾つかの例では、イメージング座標フレームは、仮想座標フレームである。幾つかの例では、制御ユニットは、イメージング座標フレームを手術台のテーブルトップに対して固定された関係に維持する。幾つかの例では、制御ユニットは、器具動作指令に基づいて第２のジョイントセットの１又は複数のジョイントに１又は複数の運動指令を送信する。幾つかの例では、制御ユニットはさらに、手術台の運動に基づいて第２の多関節アームの第３のジョイントセットを駆動するように構成される。幾つかの例では、第２のジョイントセットは手術台の運動に基づいて駆動され、制御ユニットは、手術台座標フレームにおける手術台の運動をエンドエフェクタ座標フレームにおける動作に変換するように及び第２のジョイントセットをエンドエフェクタ座標フレームにおける動作に関連して動くよう駆動するように、構成される。

幾つかの実施形態では、医療装置の動作を制御する方法は、医療装置の第１の多関節アームの第１のジョイントセットの１又は複数のジョイントを浮動モードに設定するステップ、手術台の運動によって生じる第１のジョイントセットの運動を検出するステップ、手術台の運動に関連するデータを受信するステップ、受信したデータに基づいて第１の多関節アームの第２のジョイントセットを駆動するステップ、手術台が動いている間に第１の多関節アームのエンドエフェクタを動かす器具動作指令を受信するステップ、及び器具動作指令に基づいてエンドエフェクタを動かすステップ、を含む。

幾つかの実施形態では、非一時的機械可読媒体は、複数の機械可読指令を含み、この指令は、医療装置に関連付けられる１又は複数のプロセッサによって実行されるとき、第１の多関節アームの第１のジョイントセットの１又は複数のジョイントを浮動モードに設定するステップ、手術台によって生じる第１のジョイントセットの運動を検出するステップ、手術台の運動に関連するデータを受信するステップ、手術台の運動に関連するデータに基づいて第２のジョイントセットを駆動するステップ、手術台が動いている間にエンドエフェクタを動かす器具動作指令を受信するステップ、及び器具動作指令に基づいてエンドエフェクタを動かすステップ、を含む方法を１又は複数のプロセッサに実行させるように適合される。

幾つかの実施形態では、コンピュータ支援医療装置は、第１の多関節アームを有し、第１の多関節アームはエンドエフェクタを有する。幾つかの実施形態では、制御ユニットは、多関節アーム及び手術台に結合されるとき、手術台が動かされるときに手術台のテーブルトップに対してエンドエフェクタの向き及び位置を維持するように構成される。

幾つかの実施形態によるコンピュータ支援システムの簡略図である。 幾つかの実施形態によるコンピュータ支援システムを示す簡略図である。 幾つかの実施形態によるコンピュータ支援医療システムの運動学的モデルの簡略図である。 例示的なカメラビュー及び座標系の斜視図を示す簡略図である。 センサの視点からのカメラビュー又はディスプレイ及び関連する座標系を示す簡略図である。 浮動状態に設定されるときに多関節アームの１又は複数のジョイントが動かされる間の１又は複数のエンドエフェクタに対する制御を維持する方法の簡略図である。 手術台動作中の多関節アームのエンドエフェクタに対する直観的制御を維持するための方法の簡略図である。 本明細書に記載される統合コンピュータ支援装置及び可動手術台機構を組み込む様々なコンピュータ支援装置システムアーキテクチャを示す単純化された概略図である。 本明細書に記載される統合コンピュータ支援装置及び可動手術台機構を組み込む様々なコンピュータ支援装置システムアーキテクチャを示す単純化された概略図である。 本明細書に記載される統合コンピュータ支援装置及び可動手術台機構を組み込む様々なコンピュータ支援装置システムアーキテクチャを示す単純化された概略図である。 本明細書に記載される統合コンピュータ支援装置及び可動手術台機構を組み込む様々なコンピュータ支援装置システムアーキテクチャを示す単純化された概略図である。 本明細書に記載される統合コンピュータ支援装置及び可動手術台機構を組み込む様々なコンピュータ支援装置システムアーキテクチャを示す単純化された概略図である。 本明細書に記載される統合コンピュータ支援装置及び可動手術台機構を組み込む様々なコンピュータ支援装置システムアーキテクチャを示す単純化された概略図である。 本明細書に記載される統合コンピュータ支援装置及び可動手術台機構を組み込む様々なコンピュータ支援装置システムアーキテクチャを示す単純化された概略図である。

図面において、同じ記号を有する要素は、同じ又は同様の機能を有する。

以下の記載では、本開示と一致する幾つかの実施形態を述べる具体的な詳細が説明される。しかしながら、幾つかの実施形態は、これらの具体的な詳細の幾つか又は全てがなくても実施できることは当業者には明らかであろう。本明細書に開示される具体的な実施形態は、例証であって限定ではないことが意図されている。当業者は、ここには具体的に記載されていない他の要素が本開示の範囲及び精神のなかにあることを認識するであろう。また、不必要な繰り返しを避けるために、１つの実施形態に関連して図示及び記載された１又は複数の特徴は、そうでないことが具体的に記載されていない限り又は１又は複数の特徴が実施態様を非機能的にしない限り、他の実施形態に組み込まれ得る。用語「～を含む（including）」は、含むことを意味するが、それに限定されるものではなく、含まれる１又は複数の個々のアイテムのそれぞれは、特に断りのない限り、オプションであるとみなされるべきである。同様に、用語「～し得る、～してもよい、～ことができる、～する可能性がある（may）」は、アイテムがオプションであることを示す。

図１は、幾つかの実施形態によるコンピュータ支援システム１００の簡略図である。図１に示されるように、コンピュータ支援システム１００は、１若しくは複数の可動又は多関節アーム１２０を持つ装置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する。幾つかの例では、装置１１０は、コンピュータ支援手術装置と一致し得る。１又は複数の多関節アーム１２０は、多関節アーム１２０の少なくとも１つの遠位端部に取り付けられる１又は複数の器具、手術器具、イメージング装置等の支持を提供する。装置１１０はさらに、オペレータワークステーション（図示せず）に結合されることができ、この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又は複数のマスタ制御装置を含むことができる。幾つかの実施形態では、装置１１０及びオペレータワークステーションは、Sunnyvale, CaliforniaのIntuitive Surgical, Inc.によって商品化されているda Vinci（登録商標）Surgical Systemに対応し得る。幾つかの実施形態では、他の形態、より少ない又はより多い多関節アーム等を持つ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とともに使用され得る。

装置１１０は、インタフェースを経由して制御ユニット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／又はバスを含み得るとともに、さらに、１又は複数のネットワークスイッチング及び／又はルーティング装置を持つ１又は複数のネットワークを含み得る。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、１つのプロセッサ１４０のみを備えて示されているが、プロセッサ１４０は、制御ユニット１３０の中の１又は複数の中央処理装置、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、デジタルシグナルプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡｓ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣｓ）などの代表であり得ることが理解される。制御ユニット１３０は、独立型サブシステム及び／又はコンピューティングデバイスに追加されるボードとして、又は仮想マシンとして実装され得る。幾つかの実施形態では、制御ユニットは、オペレータワークステーションの部分として含まれ得る及び／又はオペレータワークステーションと別であるが、オペレータワークステーションと協調して動作され得る。制御ユニットの幾つかの例、例えば制御ユニット１３０は、１又は複数のプロセッサ（例えば、プロセッサ１４０）によって実行されるとき、１又は複数のプロセッサに方法５００、６００のプロセスを実行させ得る実行可能コードを含む非一時的、有形機械可読媒体を含み得る。

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格納するために使用される。メモリ１５０は、１又は複数の種類の機械可読媒体を含み得る。機械可読媒体の幾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、任意の他の磁気媒体、ＣＤ－ＲＯＭ、任意の他の光学媒体、パンチカード、紙テープ、孔のパターンを持つ任意の他の物理媒体、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、フラッシュＥＰＲＯＭ、任意の他のメモリチップ又はカートリッジ、及び／又はそこからプロセッサ又はコンピュータが読むように適合される任意の他の媒体を含み得る。

図示されるように、メモリ１５０は、装置１１０の自律及び／又は半自律制御をサポートする動作制御アプリケーション１６０を含む。動作制御アプリケーション１６０は、装置１１０から位置、動作、及び／又は他のセンサ情報を受信するための、他の装置に関する他の制御ユニットと位置、動作、及び／又は衝突回避情報を交換するための、並びに／又は、装置１１０、多関節アーム１２０、及び／又は装置１１０のエンドエフェクタの動作を計画する及び／又は計画の支援をするための、１又は複数のアプリケーションプログラミングインターフェース（ＡＰＩｓ）を含み得る。動作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描かれているが、動作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合せを使用して実装され得る。

幾つかの実施形態では、コンピュータ支援システム１００は、手術室及び／又は介入室の中で見つけられ得る。コンピュータ支援システム１００は、２つの多関節アーム１２０を持つ１つの装置１１０のみを含んでいるが、当業者は、コンピュータ支援システム１００が、装置１１０と同様の及び／又は装置１１０と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持つ任意の数の装置を含み得ることを理解するであろう。幾つかの実施形態では、装置のそれぞれは、より少ない又はより多い多関節アーム及び／又はエンドエフェクタを含み得る。

コンピュータ支援装置１００はさらに手術台１７０を含む。１又は複数の多関節アーム１２０のように、手術台１７０は、手術台１７０のベースに対するテーブルトップ１８０の関節運動をサポートする。幾つかの例では、テーブルトップ１８０の関節運動は、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向き（Trendelenburg orientation）等を変えるためのサポートを含み得る。図示されていないが、手術台１７０は、１又は複数の制御入力部、例えば、テーブルトップ１８０の位置及び／又は向きを制御するための手術台指令ユニット等を含み得る。幾つかの例では、手術台１７０は、ドイツのTrumpf Medical Systems GmbHによって商品化されている手術台の１又は複数に対応し得る。

手術台１７０も、インタフェースを経由して制御ユニット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／又はバスを含み得るとともに、さらに、１又は複数のネットワークスイッチング及び／又はルーティング装置を持つ１又は複数のネットワークを含み得る。幾つかの実施形態では、手術台１７０は、制御ユニット１３０と異なる制御ユニットに結合されてもよい。幾つかの例では、動作制御アプリケーション１６０は、手術台１７０及び／又はテーブルトップ１８０に関連付けられる位置、動作、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ーフェース（ＡＰＩｓ）を含み得る。幾つかの例では、動作制御アプリケーション１６０は、手術台１７０及び／又はテーブルトップ１８０の動作を計画し得る及び／又は動作の計画を支援し得る。幾つかの例では、動作制御アプリケーション１６０は、多関節アーム、器具、エンドエフェクタ、手術台構成要素等の他の動作を補償するように、ジョイント及びリンクの可動域の制限、多関節アーム、器具、エンドエフェクタ、手術台構成要素等の運動に適応する及び／又は回避する、衝突回避に関連付けられる動作計画に寄与することができ、内視鏡のようなビューイング（viewing）装置を、関心領域及び／又は１又は複数の器具又はエンドエフェクタをビューイング装置の視野内に維持及び／又は配置するように、調整し得る。幾つかの例では、動作制御アプリケーション１６０は、例えば、手術台指令ユニットの使用により手術台１７０及び／又はテーブルトップ１８０の運動を妨げることによって、手術台１７０及び／又はテーブルトップ１８０の動作を妨げ得る。幾つかの例では、動作制御アプリケーション１６０は、装置１１０と手術台１７０との間の幾何学的関係が分かるように、装置１１０を手術台１７０に位置合わせするのを補助し得る。幾つかの例では、幾何学的関係は、装置１１０及び手術台１７０に対して維持される座標フレーム間の並進及び／又は１又は複数の回転を含み得る。

制御ユニット１３０はさらに、インタフェースを経由してオペレータワークステーション１９０に結合され得る。オペレータワークステーション１９０は、多関節アーム１２０及びエンドエフェクタの運動及び／又は操作を制御するために、オペレータ、例えば外科医によって使用され得る。多関節アーム１２０及びエンドエフェクタの操作をサポートするために、オペレータワークステーション１９０は、多関節アーム１２０及び／又はエンドエフェクタのうちの１又は複数の少なくとも一部の画像を表示するためのディスプレイシステム１９２を含む。例えば、ディスプレイシステム１９２は、多関節アーム１２０及び／又はエンドエフェクタが使用されているとき、オペレータが多関節アーム１２０及び／又はエンドエフェクタを見ることが非現実的及び／又は不可能であるときに使用され得る。幾つかの実施形態では、ディスプレイシステム１９２は、多関節アーム１２０のうちの１つ、又は第３の多関節アーム（図示せず）によって制御される、内視鏡のような、ビデオキャプチャ装置からのビデオ画像を表示し得る。

オペレータワークステーション１９０はさらに、装置１１０、多関節アーム１２０、及び／又は多関節アーム１２０に取り付けられたエンドエフェクタを操作するために使用され得る１又は複数の入力制御部（又は「マスタ制御部１９５」）を持つコンソール作業空間を含み得る。入力制御部１９５のそれぞれは、入力制御部１９５の運動がオペレータワークステーション１９によって検出され得るとともに制御ユニット１３０に伝達され得るように、それら自身の多関節アームの遠位端部に結合され得る。改良された人間工学を提供するために、コンソール作業空間はまた、オペレータが、入力制御部１９５を操作する間に腕を置くことができる、アームレスト１９７のような、１又は複数のレスト（rest）も含み得る。幾つかの例では、ディスプレイシステム１９２及び入力制御部１９５は、多関節アーム１２０及び／又は多関節アーム１２０に取り付けられたエンドエフェクタを遠隔操作するために、オペレータによって使用され得る。幾つかの実施形態では、装置１１０、オペレータワークステーション１９０、及び制御ユニット１３０は、Sunnyvale, CaliforniaのIntuitive Surgical, Inc.によって商品化されているda Vinci（登録商標）Surgical Systemに対応し得る。

幾つかの実施形態では、他の構成及び／又はアーキテクチャが、コンピュータ支援システム１００とともに使用され得る。幾つかの例では、制御ユニット１３０は、オペレータワークステーション１９０及び／又は装置１１０の一部として含まれ得る。幾つかの実施形態では、コンピュータ支援システム１００は、手術室及び／又は介入室で見つけられ得る。コンピュータ支援システム１００は、２つの多関節アーム１２０を持つ１つの装置１１０のみを含んでいるが、当業者は、コンピュータ支援システム１００が、装置１１０と同様の及び／又は装置１１０と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持つ任意の数の装置を含み得ることを理解するであろう。幾つかの例では、装置のそれぞれは、より少ない又はより多い多関節アーム１２０及び／又はエンドエフェクタを含み得る。そのうえ、装置１１０に取り付けられ得る追加のアームを制御するために追加のワークステーション１９０があり得る。そのうえ、幾つかの実施形態では、ワークステーション１９０は、手術台１９０を制御するための制御部を有し得る。

図２は、幾つかの実施形態によるコンピュータ支援システム２００を示す簡略化された図である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と一致し得る。図２に示されるように、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るコンピュータ支援装置２１０及び手術台２８０を含む。図２に示されていないが、コンピュータ支援装置２１０及び手術台２８０は、手術台２８０に関する少なくとも運動学的情報がコンピュータ支援装置２１０の多関節アームの動作を実行するために使用される動作制御アプリケーションに知られるように、１又は複数のインタフェース及び１又は複数の制御ユニットを用いて一緒に結合され得る。

コンピュータ支援装置２１０は、様々なリンク及びジョイントを含む。図２の実施形態では、コンピュータ支援装置は概して、リンク及びジョイントの３つの異なるセットに分けられる。近位端部で可動カート２１５（又は「患者側カート２１５」）から始まっているのは、セットアップ構造２２０である。セットアップ構造の遠位端部に結合されるのは、多関節アームを形成する一連のリンク及びセットアップジョイント２４０である。そして。セットアップジョイント２４０の遠位端部に結合されるのは、多ジョイントマニピュレータ２６０である。幾つかの例では、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。コンピュータ支援システムは、１つの一連のセットアップジョイント２４０及び対応するマニピュレータ２６０だけを伴って示されているが、当業者は、コンピュータ支援システムが、多数の多関節アームを備えるように、１より多い一連のセットアップジョイント２４０及び対応するマニピュレータ２６０を含み得ることを理解するであろう。

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に取り付けられる。可動カート２１５は、コンピュータ支援装置２１０が、手術台２８０の近くでコンピュータ支援装置をより良く位置決めするように、場所から場所に、例えば、手術室の間で又は手術室の中で、移送されることを可能にする。セットアップ構造２２０は、可動カート２１５に取り付けられる。図２に示されるように、セットアップ構造２２０は、コラム（column）リンク２２１及び２２２を含む２部分コラムを含む。コラムリンク２２２の上方又は遠位端部に結合されるのは、ショルダジョイント２２３である。ショルダジョイント２２３に結合されるのは、ブームリンク２２４及び２２５を含む２部分ブームである。ブームリンク２２５の遠位端部には、手首ジョイント２２６があり、手首ジョイント２２６に結合されるのは、アーム取付プラットフォーム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、アーム取付プラットフォーム２２７の位置及び向き（すなわち、姿勢）を変更するための様々な自由度を含む。例えば、２部分コラムは、ショルダジョイント２２３を軸２３２に沿って上下に動かすことによりアーム取付プラットフォーム２２７の高さを調整するために使用される。アーム取付プラットフォーム２２７はさらに、ショルダジョイント２２３を用いて可動カート２１５、２部分コラム、及び軸２３２周りに回転される。アーム取付プラットフォーム２２７の水平位置はまた、２部分ブームを用いて軸２３４に沿って調整される。そして、アーム取付プラットフォーム２２７の向きもまた、手首ジョイント２２６を用いてアーム取付プラットフォーム配向軸２３６周りの回転によって調整され得る。したがって、セットアップ構造２２０内のリンク及びジョイントの動作制限を条件として、アーム取付プラットフォーム２２７の位置は、２部分コラムを用いて、可動カート２１５の上で垂直方向に調整され得る。アーム取付プラットフォーム２２７の位置はまた、２部分ブーム及びショルダジョイント２２３それぞれを用いて、移動カート２１５の周りに半径方向及び角度方向に調整され得る。そして、アーム取付プラットフォーム２２７の角度方向（angular orientation）もまた、手首ジョイント２２６を用いて変更され得る。

アーム取付プラットフォーム２２７は、１又は複数の多関節アームの取付けポイントとして使用される。可動カート２１５の周りでアーム取付プラットフォーム２２７の高さ、水平位置、及び向きを調整する能力は、手術又は処置が行われる可動カート２１５の近くに位置する作業スペースの周りに１又は複数の多関節アームを位置決めする及び向き合せするためのフレキシブルなセットアップ構造を提供する。例えば、アーム取付プラットフォーム２２７は、様々な多関節アーム並びにこれらの対応するマニピュレータ及び器具が患者に外科処置を行うのに十分な可動域を有するように、患者の上に位置決めされ得る。図２は、第１のセットアップジョイント２４２（又は「フレックスジョイント２４２」）を用いてアーム取付プラットフォーム２２７に結合された単一の多関節アームを示している。１つの多関節アームのみが示されているが、当業者は、多数の関節式アームが、追加の第１のセットアップジョイントを用いてアーム取付プラットフォーム２２７に結合され得ることを理解するであろう。

第１のセットアップジョイント２４２は、患者側カート２１５の最も近位にある多関節アームのセットアップジョイント２４０セクションの最近位部分を形成する。セットアップジョイント２４０はさらに、一連のジョイント及びリンクを含み得る。図２に示されるように、セットアップジョイント２４０は、１又は複数のジョイント（明示的には図示せず）を介して結合される少なくともリンク２４４及び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のセットアップジョイント２４２を用いて、アーム取付プラットフォーム２２７に対してセットアップジョイント２４０を軸２５２の周りに回転させ、第１のセットアップジョイント２４２とリンク２４６との間の半径方向及び水平方向距離を調整し、軸２５４に沿ったアーム取付プラットフォーム２２７に対するリンク２４６の遠位端部におけるマニピュレータ取付部２６２の高さを調整し、マニピュレータ取付部２６２を軸２５４の周りに回転させる能力を含む。いくつかの例では、セットアップジョイント２４０はさらに、アーム取付プラットフォーム２２７に対するマニピュレータ取付部２６２の姿勢を変更するために、追加の自由度を可能にする追加のジョイント、リンク、及び軸をさらに含み得る。

マニピュレータ２６０は、マニピュレータ取付部２６２を介してセットアップジョイント２４０の遠位端部に結合される。マニピュレータ２６０は、マニピュレータ２６０の遠位端部に取り付けられた器具キャリッジ２６８を持つ追加のジョイント２６４及びリンク２６６を含む。器具又はマニピュレータ器具２７０が、器具キャリッジ２６８に取り付けられる。器具２７０は、挿入軸に沿って整列されるシャフト２７２を含む。シャフト２７２は、典型的には、マニピュレータ２６０に関連付けられる動作の遠隔中心（remote center）２７４を通過するように整列される。動作の遠隔中心２７４の位置は、典型的には、マニピュレータ２６０のジョイント２６４の動作が、動作の遠隔中心２７４の周りでシャフト２７２の回転を生じさせるように、マニピュレータ取付部２６２に対して固定された並進関係に維持される。実施形態に応じて、マニピュレータ取付部２６２に対する動作の遠隔中心２７４の固定された並進関係は、マニピュレータ２６０のジョイント２６４及びリンク２６６の物理的な拘束を用いて、ジョイント２６４に許容される動作に置かれるソフトウェア拘束を用いて、及び／又はこれら両方の組合せを用いて、維持される。ジョイント及びリンクの物理的な拘束を用いて維持される動作の遠隔中心を使用するコンピュータ支援手術装置の代表的な実施形態は、２０１３年５月１３日に出願された、”Redundant Axis and Degree of Freedom for Hardware-Constrained Remote Center Robotic Manipulator”と題する米国特許出願第１３／９０６，８８８号に記載され、ソフトウェア拘束によって維持される動作の遠隔中心を使用するコンピュータ支援手術装置の代表的な実施形態は、２００５年５月１９日に出願された、”Software Center and Highly Configurable Robotic Systems for Surgery and Other Uses”と題する米国特許第８，００４，２２９号に記載されており、これらの明細書はその全体が参照により本明細書に援用される。いくつかの例では、動作の遠隔中心２７４は、シャフト２７２が患者２７８の中に挿入されるときの、手術ポート、体の開口部、又は患者２７８の切開部位の位置に対応し得る。器具２７０が使用されるとき、動作の遠隔中心２７４は体の開口部に対応しているので、動作の遠隔中心２７４は、動作の遠隔中心２７４での患者２７８の解剖学的構造へのストレスを制限するために、患者２７８に対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、オプションで、体の開口部に位置するカニューレ（図示せず）を通過し得る。いくつかの例では、比較的大きなシャフト又はガイドチューブ外径（例えば、４－５ｍｍ以上）を有する器具は、カニューレを用いて身体開口部を通過し得るが、カニューレは、オプションで、比較的小さなシャフト及びガイドチューブ外径（例えば、２－３ｍｍ以下）を有する器具では省略され得る。

シャフト２７２の遠位端部には、エンドエフェクタ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の自由度は、マニピュレータ取付部２６２に対するシャフト２７２及び／又はエンドエフェクタ２７６の少なくともロール、ピッチ、及びヨーの制御を可能にし得る。いくつかの例では、マニピュレータ２６０の自由度はさらに、エンドエフェクタ２７６が、挿入軸に沿って且つ動作の遠隔中心２７４に対して前進及び／又は後退させられ得るように、器具キャリッジ２６８を用いてシャフト２７２を前進及び／又は後退させる能力を含み得る。いくつかの例では、マニピュレータ２６０は、Sunnyvale, CaliforniaのIntuitive Surgical, Inc.によって商品化されているda Vinci（登録商標）Surgical Systemと共に使用するためのマニピュレータと一致し得る。いくつかの例では、器具２７０は、内視鏡のようなイメージング装置、把持器、焼灼器具又は手術用メスのような手術用器具等であり得る。いくつかの例では、エンドエフェクタ２７６は、シャフト２７２の遠位端部に対するエンドエフェクタ２７６の部分の更なる局所的な操作を可能にする、ロール、ピッチ、ヨー、把持のような追加の自由度を含み得る。

手術又は他の医療処置中に、患者２７８は、通常、手術台２８０上に配置される。手術台２８０は、テーブルベース２８２及びテーブルトップ２８４を含み、テーブルベース２８２は、器具２７０のシャフト２７２が体の開口部で患者２７８の中に挿入されている間に器具２７０及び／又はエンドエフェクタ２７６がコンピュータ支援装置２１０によって操作されるように、移動カート２１５に近接して位置する。手術台２８０はさらに、テーブルベース２８２に対するテーブルトップ２８４、したがって患者２７８の相対位置が制御されるように、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を含む。いくつかの例では、多関節構造２９０は、テーブルトップ２８４が、テーブルトップ２８４の上の点に位置し得る仮想的に規定されるテーブル動作アイソセンタ２８６に対して制御されるように構成され得る。いくつかの例では、アイソセンタ２８６は、患者２７８の内部に位置し得る。いくつかの例では、アイソセンタ２８６は、動作の遠隔中心２７４に対応する体の開口部のような体の開口部のうちの１つ又はその近くで、患者の身体壁と共に配置され得る。

図２に示されるように、多関節構造２９０は、テーブルトップ２８４がテーブルベース２８２に対して上昇及び／又は下降され得るように高さ調整ジョイント２９２を含む。多関節構造２９０はさらに、アイソセンタ２８６に対するテーブルトップ２８４の傾斜２９４及びトレンデレンブルグ２９６向きの両方を変更させるジョイント及びリンクを含む。傾斜２９４は、患者２７８の右側又は左側のいずれかが、患者２７８の他方の側に対して上方に（すなわち、テーブルトップ２８４の長手方向、頭蓋から尾骨、又は頭部からつま先（頭蓋から尾骨）の軸の周りに）回転され得るように、テーブルトップ２８４が左右に傾けられることを可能にする。トレンデレンブルグ２９６は、患者２７８の足を持ち上げる（トレンデレンブルグ）か、又は患者２７８の頭部を持ち上げる（逆トレンデレンブルグ）ようにテーブルトップ２８４が回転されることを可能にする。いくつかの例では、傾斜２９４及び／又はトレンデレンブルグ２９６回転のいずれかは、アイソセンタ２８６の周りの回転を生じるように、調整され得る。多関節構造２９０はさらに、図２に示されるような概して左及び／又は右の動作でテーブルベース２８２に対してテーブルトップ２８４を長手方向（頭蓋から尾骨）軸に沿って前後に摺動させる追加のリンク及びジョイント２９８を含む。

図７Ａ－図７Ｇは、本明細書に記載される統合コンピュータ支援装置及び可動手術台機構を組み込んだ様々なコンピュータ支援装置システムアーキテクチャを示す単純化された概略図である。様々な図示されるシステム構成要素は、本明細書に記載される原理に従う。これらの図では、構成要素は明瞭化のために簡略化されており、個々のリンク、ジョイント、マニピュレータ、器具、エンドエフェクタ等のような様々な詳細は示されていないが、これら様々な詳細は、様々な図示された構成要素に組み込まれることが理解されるべきである。

これらのアーキテクチャでは、１又は複数の手術器具又は器具のクラスタ（cluster）に関連付けられるカニューレは示されていないが、カニューレ及び他の器具ガイド装置は、オプションで比較的大きいシャフト又はガイドチューブの外径（例えば、４－５ｍｍ以上）を有する器具又は器具クラスタに使用することができるが、オプションで比較的小さいシャフト又はガイドチューブの外径（例えば、２－３ｍｍ以下）を有する器具では省略され得る。

これらのアーキテクチャにおいても、遠隔操作されるマニピュレータは、手術中に、ハードウェア拘束（例えば、固定された交差する器具ピッチ、ヨー、及びロール軸）又はソフトウェア拘束（例えば、ソフトウェア拘束される交差する器具ピッチ、ヨー、及びロール軸）を用いることによって動作の遠隔中心を規定するマニピュレータを含むと理解されるべきである。そのような器具の回転軸のハイブリッド（例えば、ハードウェア拘束されるロール軸及びソフトウェア拘束されるピッチ及びヨー軸）が規定されることもできる。さらに、いくつかのマニピュレータは、処置中に手術用器具の回転軸を規定し且つ拘束しなくてもよく、いくつかのマニピュレータは、処置中に器具の１又は２つの回転軸だけを規定し且つ拘束してよい。

図７Ａは、可動手術台１１００を示し、単一の器具コンピュータ支援装置１１０１ａが示されている。手術台１１００は、可動テーブルトップ１１０２及び、テーブルトップ１１０２を遠位端部で支持するために、機械的に接地されたテーブルベース１１０４から延びるテーブル支持構造１１０３を含む。いくつかの例では、手術台１１００は、手術台１７０及び／又は２８０と一致し得る。コンピュータ支援装置１１０１ａは、遠隔操作マニピュレータ及び単一の器具アセンブリ１１０５ａを含む。コンピュータ支援装置１１０１ａはまた、近位ベース１１０７ａで機械的に接地され且つマニピュレータ及び器具アセンブリ１１０５ａを遠位端部で支持するように延びる支持構造１１０６ａも含む。支持構造１１０６ａは、アセンブリ１１０５ａが動かされ且つ手術台１１００に対して様々な固定姿勢に保持されることを可能にするように構成される。ベース１１０７ａは、オプションで、手術台１１００に対して恒久的に固定される又は移動可能である。手術台１１００及びコンピュータ支援装置１１０１ａは、本明細書に記載されるように一緒に動作する。

図７Ａは、２、３、４、５、又はそれより多い個々のコンピュータ支援装置が含まれ得ることを示すオプションの第２のコンピュータ支援装置１１０１ｂをさらに示しており、各装置は、対応する支持構造１１０６ｂによって支持された対応する個々の遠隔操作マニピュレータ及び単一の器具アセンブリ（複数可）１１０５ｂを有する。コンピュータ支援装置１１０１ｂは、機械的に接地され、アセンブリ１１０５ｂは、コンピュータ支援装置１１０１ａと同様に、姿勢を取る。手術台１１００及びコンピュータ支援装置１１０１ａ及び１１０１ｂは一緒にマルチ器具手術システムを構成し、且つそれらは本明細書に記載されるように一緒に動作する。いくつかの例では、コンピュータ支援装置１１０１ａ及び／又は１１０１ｂは、コンピュータ支援装置１１０及び／又は２１０と一致し得る。

図７Ｂに示されるように、別の可動手術台１１００及びコンピュータ支援装置１１１１が示される。コンピュータ支援装置１１１１は、代表的なマニピュレータ及び器具アセンブリ１１０５ａ及び１１０５ｂによって示されるように、２、３、４、５又はそれより多い個々の遠隔操作マニピュレータ及び単一の器具アセンブリを含むマルチ器具装置である。コンピュータ支援装置１１１１のアセンブリ１１０５ａ及び１１０５ｂは、手術台１１００に対してアセンブリ１１０５ａ及び１１０５ｂをグループとして一緒に移動させ且つ姿勢を取らせることを可能にする組合せ支持構造１１１２によって支持される。コンピュータ支援装置１１１１のアセンブリ１１０５ａ及び１１０５ｂはまた、対応する個々の支持構造１１１３ａ及び１１１３ｂによってそれぞれ支持され、これら支持構造は、各アセンブリ１１０５ａ及び１１０５ｂが、手術台１１００に対して並びに１又は複数の他のアセンブリ１１０５ａ及び１１０５ｂに対して個別に動かされ且つ姿勢を取ることを可能にする。このようなマルチ器具手術システムアーキテクチャの例は、Intuitive Surgical, Inc.によって商品化されているda Vinci Si（登録商標）手術システム及びda Vinci Xi（登録商標）手術システムである。手術台１１００及び例示のコンピュータ支援装置１１１１を有する手術マニピュレータシステムは、本明細書に記載されるように一緒に動作する。いくつかの例では、コンピュータ支援装置１１１１は、コンピュータ支援装置１１０及び／又は２１０と一致する。

図７Ａ及び図７Ｂのコンピュータ支援装置はそれぞれ、床に機械的に接地された状態で示されている。しかし、１又は複数のこのようなコンピュータ支援装置は、オプションで、壁又は天井に機械的に接地されることができ、このような壁又は天井の接地部に対して恒久的に固定され得る又は移動可能であり得る。いくつかの例では、コンピュータ支援装置は、コンピュータ支援システムの支持ベースが手術台に対して動かされることを可能にするトラック（track）又はグリッドシステム（grid system）を用いて、壁又は天井に取り付けられ得る。いくつかの例では、１又は複数の固定又は解放可能な（releasable）取付けクランプが、それぞれの支持ベースをトラック又はグリッドシステムに取り付けるために使用され得る。図７Ｃに示されるように、コンピュータ支援装置１１２１ａは、壁に機械的に接地され、コンピュータ支援装置１１２１ｂは、天井に機械的に接地される。

加えて、コンピュータ支援装置は、可動手術台１１００を介して間接的に機械的に接地され得る。図７Ｄに示されるように、コンピュータ支援装置１１３１ａはオプションで、手術台１１００のテーブルトップ１１０２に結合される。コンピュータ支援装置１１３１ａは、図７Ｄに示される破線の構造によって表されるように、オプションで、テーブル支持構造１１０３又はテーブルベース１１０４のような手術台１１００の他の部分に結合され得る。テーブルトップ１１０２がテーブル支持構造１１０３又はテーブルベース１１０４に対して動くとき、コンピュータ支援装置１１３１ａも同様にテーブル支持構造１１０３又はテーブルベース１１０４に対して動く。しかし、コンピュータ支援装置１１３１ａがテーブル支持構造１１０３又はテーブルベース１１０４に結合されるとき、コンピュータ支援装置１１３１ａのベースは、テーブルトップ１１０２が移動する際に、地面に対して固定されたままである。テーブルの動作が発生すると、患者の身体が動いてテーブルトップ１１０２に対する体の開口部の位置を変化させるため、器具が患者に挿入される体の開口部も同様に動き得る。従って、コンピュータ支援装置１１３１ａがテーブルトップ１１０２に結合される実施形態に関して、テーブルトップ１１０２は、局所的な機械的接地として機能し、体の開口部は、テーブルトップ１１０２に対して移動し、それによって、コンピュータ支援装置１１３１ａに対して同様に移動する。図７Ｄはまた、第２のコンピュータ支援装置１１３１ｂがオプションで追加され、マルチ器具システムを形成するようにコンピュータ支援装置１１３１ａと同様に構成され得ることも示す。手術台に結合された１つ又は複数のコンピュータ支援装置を含むシステムは、本明細書に開示されるように動作する。

いくつかの実施形態では、同じ又はハイブリッドの機械的接地を伴うコンピュータ支援装置の他の組合せも可能である。例えば、システムは、床に機械的に接地された１つのコンピュータ支援装置、及び手術台を介して床に機械的に接地された第２のコンピュータ支援装置を含み得る。このようなハイブリッドの機械的接地システムは、本明細書で開示されるように動作する。

本発明の態様はまた、２以上の手術用器具が単一の体の開口部を介して体に入る単一の体開口システムも含む。このようなシステムの例は、２０１０年８月１２日に出願された、”Surgical System Instrument Mounting”と題する米国特許第８，８５２，２０８号、及び２００７年６月１３日に出願された、”Minimally Invasive Surgical System”と題する米国特許第９，０６０，６７８号に示されており、これら両文献は参照により援用される。図７Ｅは、上述のような手術台１１００と一緒の遠隔操作マルチ器具コンピュータ支援装置１１４１を示す。２以上の器具１１４２がそれぞれ、対応するマニピュレータ１１４３に結合され、器具１１４２のクラスタ及び器具マニピュレータ１１４３は、システムマニピュレータ１１４４によって一緒に動かされる。システムマニピュレータ１１４４は、システムマニピュレータ１１４４が様々な姿勢に動かされ且つ固定されることを可能にする支持アセンブリ１１４５によって支持される。支持アセンブリ１１４５は、上記の説明と一致するベース１１４６に機械的に接地される。２以上の器具１１４２は、単一の体の開口部で患者に挿入される。オプションで、器具１１４２は、単一のガイドチューブを通って一緒に延び、ガイドチューブは、オプションで、上述の参考文献に記載されているように、カニューレを通って延びる。コンピュータ支援装置１１４１及び手術台１１００は、本明細書に記載されるように一緒に動作する。

図７Ｆは、オプションで、テーブルトップ１１０２、テーブル支持構造１１０３、又はテーブルベース１１０４に結合されることによって、手術台１１００を介して機械的に接地された別のマルチ器具、単一身体開口コンピュータ支援装置１１５１を示す。図７Ｄを参照して上述した説明はまた、図７Ｆに示される機械的な接地オプションにも適用される。コンピュータ支援装置１１５１及び手術台１１００は、本明細書に記載されるように一緒に動作する。

図７Ｇは、１又は複数の遠隔操作マルチ器具、単一身体開口コンピュータ支援装置１１６１、及び１又は複数の遠隔操作単一器具コンピュータ支援装置１１６２が、本明細書に記載されるように手術台１１００と一緒に動作するように組み合わされ得ることを示す。コンピュータ支援装置１１６１及び１１６２のそれぞれは、上述のような様々な方法で、直接的に又は別の構造を介して、機械的に接地され得る。

図３は、いくつかの実施形態によるコンピュータ支援医療システムの運動学的モデル３００の簡略図である。図３に示されるように、運動学的モデル３００は、多くのソース及び／又は装置に関連付けられる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台のリンク及びジョイントについての既知の運動学的モデルに基づき得る。運動学的情報はさらに、コンピュータ支援医療装置及び手術台のジョイントの位置及び／又は向きに関連する情報に基づき得る。いくつかの例では、ジョイントの位置及び／又は向きに関連する情報は、直動ジョイント(prismatic joints)の直線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のような１又は複数のセンサから導出され得る。

運動学的モデル３００は、いくつか座標フレーム又は座標系、及び１つ座標フレームから別座標フレームに位置及び／又は向きを変換するための、同次変換（homogeneous transforms）のような変換を含む。いくつかの例では、運動学的モデル３００は、図３に含まれる変換リンケージによって示される順方向及び／又は逆方向／反対方向の変換を合成することによって、１つ座標フレームの位置及び／又は向きを他座標フレームに順方向マッピング及び／又は逆方向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、変換が行列形式の同次変換としてモデル化されるとき、合成は、行列乗算を用いて達成され得る。いくつかの実施形態では、システムが、座標基準フレームを運動学的チェーンの１又は複数の点に付ける（attaching）ために及び１つの基準フレームを運動学的モデル３００の他に変換するために、デナビット・ハーテンバーグ（Denavit-Hartenberg）パラメータ及び変換を使用し得る。いくつかの実施形態では、運動学的モデル３００は、図２のコンピュータ支援装置２１０及び手術台２８０の運動学的関係をモデル化するために、使用され得る。

運動学的モデル３００は、手術台１７０及び／又は手術台２８０のような手術台の位置及び／又は向き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、手術台に関連付けられる基準点及び／又は向きに対する手術台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／又は向きは、テーブルベース２８２のような、手術台のテーブルベースに関連付けられ得る。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のワールド（world）座標フレームとして使用するのに適し得る。

運動学的モデル３００はさらに、テーブルトップ２８４のような、手術台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／又は向き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、アイソセンタ２８６のような、テーブルトップの回転中心又はアイソセンタ周りにセンタリングされ得る。いくつかの例では、テーブルトップ座標フレーム３１０のｚ軸は、手術台が配置される床又は表面に対して垂直方向に及び／又はテーブルトップの表面に直交して向き合せされ得る。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、テーブルトップの長手方向（頭からつま先方向）及び横方向（左右方向）主軸を取り込むように向き合せされ得る。いくつかの例では、テーブルベース対テーブルトップ座標変換３１５が、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との間の位置及び／又は向きをマッピングするために使用される。いくつかの例では、過去及び／又は現在のジョイントセンサの読取値と一緒に、多関節構造２９０のような、手術台の多関節構造の１又は複数の運動学的モデルが、テーブルベース対テーブルトップ座標変換３１５を決定するために使用される。図２の実施形態と一致するいくつかの例では、テーブルベース対テーブルトップ座標変換３１５は、手術台に関連付けられる高さ、傾斜、トレンデレンブルグ、及び／又はスライド設定の複合効果をモデル化する。

運動学的モデル３００はさらに、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／又は向きをモデル化するために使用される装置ベース座標フレームを含む。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る基準点及び／又は向きに対して、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／又は向きは、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のワールド座標フレームとして使用するのに適し得る。

手術台とコンピュータ支援装置との間の位置及び／又は向きの関係を追跡するために、手術台とコンピュータ支援装置との間の位置合わせを行うことがしばしば望ましい。図３に示されるように、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。いくつかの実施形態では、位置合せ変換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との間の部分的な又は完全な変換となり得る。位置合せ変換３２５は、手術台とコンピュータ支援装置との間のアーキテクチャ配置に基づいて決定される。

コンピュータ支援装置がテーブルトップ１１０２に取り付けられる図７Ｄ及び図７Ｆの例では、位置合せ変換３２５は、テーブルベース対テーブルトップ座標変換３１５及びコンピュータ支援装置がテーブルトップ１１２のどこに取り付けられているかを知ることから決定される。

コンピュータ支援装置が床に配置される、或いは壁又は天井に取り付けられる図７Ａ－図７Ｃ、７Ｅ、及び７Ｆの例では、位置合せ変換３２５の決定は、装置ベース座標フレーム３２０及びテーブルベース座標フレーム３０５にいくつかの制約を与えることによって簡略化される。いくつかの例では、これらの制約は、装置ベース座標フレーム３２０及びテーブルベース座標フレーム３０５の両方が同じ垂直上向き又はｚ軸上で一致することを含む。手術台が水平な床に配置されるとの仮定の下で、部屋の壁（例えば、床に対して垂直）と天井（例えば、床に対して平行）との相対的な向きは既知であり、共通の垂直上向き又はｚ軸（又は適切な向き変換）が、装置ベース座標フレーム３２０及びテーブルベース座標フレーム３０５の両方又は適切な向き変換に関して維持されることが可能である。いくつかの例では、共通のｚ軸のため、位置合せ変換３２５はオプションで、テーブルベース座標フレーム３０５のｚ軸の周りの、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位置合せ）を単にモデル化することができる。いくつかの例では、位置合せ変換３２５はオプションで、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位置合せ）をモデル化することもできる。これは、コンピュータ支援装置と手術台との間の垂直（ｚ）関係が分かっているため可能である。従って、テーブルベース対テーブルトップ座標変換３１５におけるテーブルの高さの変化は、テーブルベース座標フレーム３０５及び装置ベース座標フレーム３２０の垂直方向軸が、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との間の高さの変化が互いの妥当な許容誤差（公差）内にあるように、同じ又はほぼ同じであるため、装置ベース座標フレーム３２０の垂直調整に類似している。いくつかの例では、テーブルベース対テーブルトップ座標変換３１５における傾斜及びトレンデレンブルグ調整は、テーブルトップの高さ（又はそのアイソセンタ）及びθＺ及び／又はＸＹ位置合せを知ることによって、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、位置合せ変換３２５及びテーブルベース対テーブルトップ座標変換３１５は、たとえそのコンピュータ支援装置が構造的にそうでない場合でも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。

運動学的モデル３００はさらに、コンピュータ支援装置の多関節アーム上の最近位点に関連付けられる共有座標フレームの適切なモデルとして使用されるアーム取付プラットフォーム座標フレーム３３０を含む。いくつかの実施形態では、アーム取付プラットフォーム座標フレーム３３０は、アーム取付プラットフォーム２２７のようなアーム取付プラットフォーム上の好都合な点に関連付けられ且つこの点に対して向き合せされる。いくつかの例では、アーム取付プラットフォーム座標フレーム３３０の中心点は、アーム取付プラットフォーム座標フレーム３３０のｚ軸がアーム取付プラットフォーム方向軸２３６と整列される状態で、アーム取付プラットフォーム方向軸２３６上に配置され得る。いくつかの例では、装置ベース対アーム取付プラットフォーム座標変換３３５は、装置ベース座標フレーム３２０とアーム取付プラットフォーム座標フレーム３３０との間の位置及び／又は向き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、過去及び／又は現在のジョイントセンサ読取値と一緒に、装置ベースと、セットアップ構造２２０のような、アーム取付プラットフォームとの間のコンピュータ支援装置のリンク及びジョイントの１又は複数の運動学的モデルは、装置ベース対アーム取付プラットフォーム座標変換３３５を決定するために使用され得る。図２の実施形態と一致するいくつかの例では、装置ベース対アーム取付プラットフォーム座標変換３３５は、コンピュータ支援装置のセットアップ構造部分の２部分コラム、肩ジョイント、２部分ブーム、及び手首ジョイントの複合効果をモデル化し得る。

運動学的モデル３００はさらに、コンピュータ支援装置の多関節アームのそれぞれに関連付けられる一連の座標フレーム及び変換を含む。図３に示されるように、運動学的モデル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、異なるコンピュータ支援装置が、より少ない及び／又はより多い（例えば、１、２、４、５、又はそれより多い）多関節アームを含み得ることを理解するだろう。図２のコンピュータ支援装置２１０のリンク及びジョイントの構成と一致して、多関節アームの各々は、多関節アームの遠位端部に取り付けられた器具のタイプに依存して、マニピュレータ取付部座標フレーム、動作の遠隔中心座標フレーム、及び器具又はカメラ座標フレームを用いてモデル化され得る。

運動学的モデル３００では、多関節アームのうちの第１のものの運動学的関係が、マニピュレータ取付部座標フレーム３４１、動作の遠隔中心座標フレーム３４２、器具座標フレーム３４３、アーム取付プラットフォーム対マニピュレータ取付部変換３４４、マニピュレータ取付部対動作の遠隔中心変換３４５、及び動作の遠隔中心対器具変換３４６を用いて、取り込まれる。マニピュレータ取付部座標フレーム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る位置及び／又は向きを表すのに適したモデルを表す。マニピュレータ取付部座標フレーム３４１は典型的には、対応する多関節アームのマニピュレータ取付部２６２のような、マニピュレータ取付部に関連付けられる。アーム取付プラットフォーム対マニピュレータ取付部変換３４４はその結果、対応するセットアップジョイント２４０の過去及び／又は現在のジョイントセンサ読取値と一緒に、アーム取付プラットフォームと、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取付部との間のコンピュータ支援装置のリンク及びジョイントの１又は複数の運動学的モデルに基づく。

動作の遠隔中心座標フレーム３４２は典型的には、対応するマニピュレータ２６０の対応する動作の遠隔中心２７４のような、マニピュレータに取り付けられた器具の動作の遠隔中心に関連付けられる。マニピュレータ取付部対動作の遠隔中心の変換３４５はその結果、対応するジョイント２６４の過去及び／又は現在のジョイントセンサの読取値と一緒に、対応するマニピュレータ取付部と、対応するマニピュレータ２６０の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、対応する動作の遠隔中心との間のコンピュータ支援装置のリンク及びジョイントの１又は複数の運動学的モデルに基づく。対応する動作の遠隔中心が、図２の実施形態のように、対応するマニピュレータ取付部に対して固定した位置関係に維持されるとき、マニピュレータ取付部対動作の遠隔中心変換３４５は、マニピュレータ及び器具が操作される際に変化しない本質的に静的な並進成分並びに、マニピュレータ及び器具が操作される際に変化する動的な回転成分を含む。

器具座標フレーム３４３は典型的には、器具の点に及び／又は、対応する器具２７０の対応するエンドエフェクタ２７６のような、多関節アームに取り付けられた器具のエンドエフェクタに関連付けられる。動作の遠隔中心対器具変換３４６はその結果、過去及び／又は現在のジョイントセンサの読取値と一緒に、対応する器具、エンドエフェクタ、及び動作の遠隔中心を動かす及び／又は向き合せする、コンピュータ支援装置のリンク及びジョイントの１又は複数の運動学的モデルに基づく。いくつかの例では、動作の遠隔中心対器具変換３４６は、対応するシャフト２７２のようなシャフトが動作の遠隔中心を通過する向き、及びこのシャフトが動作の遠隔中心に対して前進及び／又は後退する距離を説明する。いくつかの例では、動作の遠隔中心対器具変換３４６はさらに、器具のシャフトの挿入軸が動作の遠隔中心を通過することを反映するように拘束され得るとともに、シャフトによって規定される軸周りのシャフト及びエンドエフェクタの回転を説明し得る。

運動学的モデル３００では、多関節アームのうちの第２のものの運動学的関係が、マニピュレータ取付部座標フレーム３５１、動作の遠隔中心座標フレーム３５２、器具座標フレーム３５３（又は「器具基準フレーム３５３」）、アーム取付プラットフォーム対マニピュレータ取付部変換３５４、マニピュレータ取付部対動作の遠隔中心変換３５５、及び動作の遠隔中心対器具変換３５６を用いて、取り込まれる。マニピュレータ取付部座標フレーム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る位置及び／又は向きを表すのに適したモデルを表す。マニピュレータ取付部座標フレーム３５１は典型的には、対応する多関節アームのマニピュレータ取付部２６２のようなマニピュレータ取付部に関連付けられる。アーム取付プラットフォーム対マニピュレータ取付部変換３５４はその結果、対応するセットアップジョイント２４０の過去及び／又は現在のジョイントセンサの読取値と一緒に、アーム取付プラットフォームと、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取付部との間のコンピュータ支援装置のリンク及びジョイントの１又は複数の運動学的モデルに基づく。

動作の遠隔中心座標フレーム３５２は、対応するマニピュレータ２６０の対応する動作の遠隔中心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動作の遠隔中心に関連付けられる。マニピュレータ取付部対動作の遠隔中心変換３５５はその結果、対応するジョイント２６４の過去及び／又は現在のジョイントセンサの読取値と一緒に、対応するマニピュレータ取付部と、対応するマニピュレータ２６０の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のような対応する動作の遠隔中心との間のコンピュータ支援装置のリンク及びジョイントの１又は複数の運動学的モデルに基づく。対応する動作の遠隔中心が、図２の実施形態に示されるように、対応するマニピュレータ取付部に対して固定した位置関係で維持されるとき、マニピュレータ取付部対動作の遠隔中心変換３５５は、マニピュレータ及び器具が操作される際に変化しない本質的に静的な並進成分、及びマニピュレータ及び器具が操作される際に変化する動的な回転成分を含み得る。

器具座標フレーム３５３は、エンドエフェクタ上の点、器具、並びに／又は、対応する器具２７０及び／又はエンドエフェクタ２７６のような、多関節アームに取り付けられた器具のエンドエフェクタに関連付けられる。動作の遠隔中心対器具変換３５６はその結果、過去及び／又は現在のジョイントセンサの読取値と一緒に、対応する器具、エンドエフェクタ、及び動作の遠隔中心を移動及び／又は向き合せする、コンピュータ支援装置のリンク及びジョイントの１又は複数の運動学的モデルに基づく。いくつかの例では、動作の遠隔中心対器具変換３５６は、対応するシャフト２７２のようなシャフトが動作の遠隔中心を通過する向き、及びシャフトが動作の遠隔中心に対して前進及び／又は後退する距離を説明する。いくつかの例では、動作の遠隔中心対器具変換３５６は、器具のシャフトの挿入軸が動作の遠隔中心を通過することを反映するように拘束され得るとともに、シャフトによって規定される挿入軸周りのシャフト及びエンドエフェクタの回転を説明する。

運動学的モデル３００では、多関節アームのうちの第３のものの運動学的関係が、マニピュレータ取付部座標フレーム３６１、動作の遠隔中心座標フレーム３６２、カメラ座標フレーム３６３、アーム取付プラットフォーム対マニピュレータ取付部変換３６４、マニピュレータ取付部対動作の遠隔中心変換３６５、及び動作の遠隔中心対カメラ変換３６６を用いて、取り込まれる。マニピュレータ取付部座標フレーム３６１は、マニピュレータ２６０のようマニピュレータに関連付けられる位置及び／又は向きを表すのに適したモデルを表す。マニピュレータ取付部座標フレーム３６１は典型的には、対応する多関節アームのマニピュレータ取付部２６２のようなマニピュレータ取付部に関連付けられる。アーム取付プラットフォーム対マニピュレータ取付部変換３６４はその結果、対応するセットアップジョイント２４０の過去及び／又は現在のジョイントセンサの読取値と一緒に、アーム取付プラットフォームと、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取付部との間のコンピュータ支援装置のリンク及びジョイントの１又は複数の運動学的モデルに基づく。

動作の遠隔中心座標フレーム３６２は典型的には、対応するマニピュレータ２６０の対応する動作の遠隔中心２７４のような、多関節アームのマニピュレータの動作の遠隔中心に関連付けられる。マニピュレータ取付部対動作の遠隔中心変換３６５はその結果、対応するジョイント２６４の過去及び／又は現在のジョイントセンサの読取値と一緒に、対応するマニピュレータ取付部と、対応するマニピュレータ２６０の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、対応する動作の遠隔中心との間のコンピュータ支援装置のリンク及びジョイントの１又は複数の運動学的モデルに基づく。対応する動作の遠隔中心が、図２の実施形態のように、対応するマニピュレータ取付部に固定した位置関係で維持されるとき、マニピュレータ取付部対動作の遠隔中心変換３６５は、マニピュレータ及び器具が操作される際に変化しない本質的に静的な並進成分、及びマニピュレータ及び器具が操作される際に変化する動的な回転成分を含む。

カメラ座標フレーム３６３は、多関節アームに取り付けられた内視鏡のようなイメージング装置に関連付けられる。動作の遠隔中心対カメラ変換３６６はその結果、過去及び／又は現在のジョイントセンサの読取値と一緒に、イメージング装置及び対応する動作の遠隔中心を移動及び／又は向き合せさせる、コンピュータ支援装置のリンク及びジョイントの１又は複数の運動学的モデルに基づく。いくつかの例では、動作の遠隔中心対カメラ変換３６６は、対応するシャフト２７２のようなシャフトが動作の遠隔中心を通過する向き、及びシャフトが動作の遠隔中心に対して前進及び／又は後退する距離を説明する。いくつかの例では、動作の遠隔中心対カメラ変換３６６は、イメージング装置のシャフトの挿入軸が動作の遠隔中心を通過することを反映するように拘束され得るとともに、シャフトによって規定される軸周りのイメージング装置の回転を説明する。

幾つかの実施形態では、カメラ座標フレーム３６３に関連付けられるイメージング装置は、ユーザがカメラ座標フレーム３６３からのビデオストリームを見ることができるように、オペレータワークステーションにビデオを流し得る。例えば、イメージング装置によって取り込まれたビデオは、中継され、図１のオペレータワークステーション１９０のディスプレイシステム１９２上に表示され得る。幾つかの実施形態では、イメージング装置は、それが器具座標フレーム３４３に関連付けられる器具及び／又は器具座標フレーム３５３に関連付けられる器具のビデオ及び／又は画像を取り込むように、向けられ得る。器具座標フレーム３４３に関連付けられる器具及び／又は器具座標フレーム３５３に関連付けられる器具は、図１の入力部又はマスタ制御部１９５のような、コントローラを通じてユーザによって操作され得る。幾つかの実施形態では、器具の直観的な操作を可能にするために、制御部からのユーザ指令がカメラ座標フレーム３６３の座標系と関連付けを行い得る。例えば、コントローラを使用する上下、左右、及び出入り（in and out）の指令は、カメラ座標フレーム３６３に関する上下、左右、及び出入りの器具の運動に変換し得る。上下、左右、及び出入りは、座標フレーム３６３のｘ、ｙ、及びｚ並進軸によって再送され得る。同様に、ロール、ピッチ、及びヨー指令は、器具を、カメラ座標フレームに関してロール、ピッチ、及びヨー運動させ得る。幾つかの実施形態では、図１のプロセッサ１４０のような、１又は複数のプロセッサが、ユーザ指令をカメラ座標フレーム３６３から器具座標フレーム３４３及び３５３におけるそれぞれの指令及び動作に変換し得る。並進移動指令は、運動学的関係により得る。例えば、器具座標フレーム３４３に関連付けられる器具への指令は、カメラ座標フレーム３６３から変換３６６を使用して動作の遠隔中心基準フレーム３６２へ、次に動作の遠隔中心基準フレーム３６２から変換３６５を使用してマニピュレータ取付部座標フレーム３６１へ、マニピュレータ取付部座標フレーム３６１から変換３６４を使用してアーム取付プラットフォーム座標フレーム３３０へ、アーム取付プラットフォーム座標フレーム３３０から変換３４４を使用してマニピュレータ取付部座標フレーム３４１へ、マニピュレータ取付部座標フレーム３４１から変換３４５を使用して動作の遠隔中心座標フレーム３４２へ、動作の遠隔中心座標フレーム３４２から変換３４６を使用して器具座標フレーム３４３になり得る。この方法では、ある基準フレームで知られている任意の動作指令が、１又は複数の他の座標フレームにおける対応する指令に変換されることができる。

上で議論され、ここでさらに強調するように、図３は、単なる例に過ぎず、特許請求の範囲を過度に限定すべきでない。当業者は、多くの変形形態、代替形態、及び修正形態を認識するだろう。幾つかの実施形態によれば、手術台とコンピュータ支援装置との間の位置合せは、代替の位置合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よい。代替の位置合せ変換が使用されるとき、位置合せ変換３２５は、代替の位置合せ変換をテーブルベース対テーブルトップ変換３１５の逆／反対をと合成することによって決定される。幾つかの実施形態によれば、コンピュータ支援装置をモデル化するために使用さ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のリンク及びジョイント、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／又はその器具の特定の構成に応じて異なるように構成されてよい。いくつかの実施形態によれば、運動学的モデル３００の座標フレーム及び変換は、１又は複数の仮想器具及び／又は仮想カメラに関連付けられる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。幾つかの例では、仮想器具及び／又はカメラは、以前に格納及び／又はラッチされた器具の位置、動作に起因する器具及び／又はカメラの投影、外科医及び／又は他の従事者等によって規定された基準点等に関連付けられ得る。

コンピュータ支援装置１１０及び／又は２１０のようなコンピュータ支援装置が作動されているとき、目標の１つは、多関節アームの１又は複数のジョイントから、器具、リンク（複数可）及び／又はジョイント（複数可）の１又は複数のポイントの位置への外乱及び／又は動きの伝搬を最小にする及び／又は除去することである。例えば、図２を参照すると、ジョイント２４２及び／又はリンク２４６の１又は複数への外乱は、外乱が、エンドエフェクタ２７６（エンドエフェクタ２７６は関心のある典型的なポイントにある）に、患者２７８の中にある間に、伝搬する場合に、患者２７８に障害を引き起こすかもしれない。

コンピュータ支援システムの動作の１つのモードでは、手術台の１又は複数のジョイント及び多関節アームのジョイントは、ジョイントの動作が、制限される及び／又は完全に禁止されるように、サーボ制御及び／又はブレーキの使用を通じて定位置にロック及び／又は保持され得る。幾つかの例では、これは、マニピュレータのジョイントが、所望の処置を遂行するとき、器具を他のジョイントからの動作によって邪魔されずに制御することを可能にする。幾つかの実施形態では、マニピュレータは、動作の遠隔中心を維持するように物理的に拘束され得るとともに、マニピュレータを構成しない１又は複数のジョイントの動作は、動作の遠隔中心を不必要に動かすかもしれない。これらの例では、マニピュレータを構成しないジョイントを、物理的及び／又はサーボ制御ブレーキシステムを通じて定位置にロックさせることを有益であることがある。しかし、動作の遠隔中心の運動を許容すること、したがって、動作の遠隔中心の位置に影響を及ぼし得るジョイントのうちの１又は複数をロックするブレーキの解除を許容することが望ましい場合があることがある。

幾つかの例では、器具は、処置の間に患者に挿入され得る。幾つかの例では、器具の位置は、図１のワークステーション１９０のようなオペレータコンソールの外科医によって遠隔操作を介して制御され得る。しかし、器具が患者に挿入されたままである間に、多関節アームの動作を可能にするコンピュータ支援システムの動作の他のモデルをサポートすることが望ましいことがある。動作のこれらの他のモードは、器具が患者に挿入されていないときの動作のモードと比べてリスクを増加させるかもしれない。幾つかの例では、これらのリスクは、器具が患者に対して動くことを可能にされるときの患者への危害、滅菌野の破損、多関節アーム間の衝突等を含むかもしれない。

一般的な場合では、動作のこれらの他のモードは、器具に近位の１又は複数のジョイントが、１又は複数のジョイントの位置及び／又は向きの変化（すなわち、動作）をもたらす外乱に曝されるときに、患者に対する器具のあるポイントを維持する目標によって特徴付けられ得る。器具に近位の、乱されたジョイントと称され得る、１又は複数の第１のジョイントにおける外乱が、器具の位置の変化をもたらすので、乱されたジョイントの動作によって生じる器具の運動を補償する１又は複数の第２の若しくは補償ジョイントにおける運動を導入することが望ましいことがある。外乱の程度及び補償の量を決定することは、外乱の種類及び性質、例えば、外乱が手術台又は患者の運動に関連しているかどうか、又は外乱が器具を制御するために使用される多関節アームに限定されるかどうか等、に依存する。

器具の位置を維持する動作のこれらの他のモードに関連する外乱は、患者が動いているとき発生し得るので、器具及び／又はエンドエフェクタの位置は局所（local）座標フレームでモニタされ得る。幾つかの例では、これらの外乱は、手術台の多関節構造の動作（すなわち、テーブル運動）又は手術台に対する患者の運動を可能にすることによって生じる外乱を含み得る。幾つかの例では、多関節アーム及び器具を、患者に対する器具の位置が変化しないように、患者とともに動かすことが一般的に望ましい。幾つかの例では、これは、患者が動くとき、多関節アームの１又は複数のジョイントを解放すること及び／又はロック解除すること並びに体の開口部における体壁が動作の遠隔中心及び器具を引っ張ることを可能にすることを含み得る器具ドラッギング（instrument dragging）を使用して達成され得る。幾つかの例では、動作の遠隔中心が動くにつれて、動作の遠隔中心に対する器具の向きが変化し始めてよく、患者に対する器具の位置の変化をもたらす。手術台動作中の手術処置の能動的な継続を許容するシステムの例は、２０１５年３月１７日に出願された、"System and Method for Integrated Surgical Table"と題する、米国仮特許出願第62/134,207号、及び同時に出願された、代理人整理番号ISRG06930PCT / 70228.498WO01の"System and Method for Integrated Surgical Table"と題するＰＣＴ特許出願に示されており、これらの両方は、それらの全体が参照により本明細書に援用される。

図４Ａ及び４Ｂは、２つの異なる視点からの例示のカメラビュー４００を示している。図４Ａは、オーバーヘッド視点（overhead perspective）であってよく、図４Ｂはイメージング装置４１０のセンサの視点であってよい。図４Ｂの視点からのカメラビュー４００は、イメージング装置４１０からのストリーミングイメージキャプチャを受信する、図１のオペレータワークステーション１９０のディスプレイシステム１９２のような、ディスプレイから見られ得る。幾つかの実施形態では、イメージング装置４１０は、内視鏡であってよく、図１の多関節アーム１０２及び／又は図２の多関節アームのような、多関節アームによって制御されてよい。図４Ａでは、カメラビュー４００は、イメージング装置４１０の例示の視野及びフォーカスエリア（focus area）を表し得る破線によって輪郭を描かれている。図４Ｂでは、例示のカメラビューが、図１のオペレータワークステーション１９０のディスプレイシステム１９２のような、ディスプレイ上でイメージング装置４１０からのビデオストリームを見るユーザの視点から示されている。幾つかの実施形態では、イメージング装置４１０によって提供されるビデオストリームは、立体的であってよい。イメージング装置４１０は、立体ビデオストリームを提供するために１又は複数のセンサを使用し得る。この方法では、オペレータは、図１のコンピュータ支援システム１００のようなシステムを使用するとき、奥行き感知覚を有し得る。カメラ座標フレーム４１１は、イメージング装置４１０の座標フレームを説明する。図４Ａでは、カメラ座標フレーム４１１は、ページを出入りするＹ１軸（図示せず）を持つカメラ座標フレーム４１１のＺ１及びＸ１軸を示している。図４Ｂでは、カメラ座標フレーム４１１のＹ１及びＸ１軸が示され、Ｚ１軸（図示せず）はページを出入りする。幾つかの実施形態では、カメラ座標フレーム４１１は、図３のカメラ座標フレーム３６３であってよい。

図４Ａ及び４Ｂはまた、器具４２０及び４３０を含み、これらもまた、図１の多関節アーム１０２及び／又は図２の多関節アームのような、１又は複数の多関節アームによって制御され得る。器具４２０及び４３０は、カメラビュー４００の中にあってよく、図１の入力制御部１９５のような、制御部を使用するとともに図４Ｂの視点から器具４２０及び４３０を見る１又は複数のユーザ又はオペレータによって操作されてよい。図４Ａ及び４Ｂはまた、異なる視点からの、器具４２０及び４３０それぞれの座標フレーム４２１及び４３１を示している。幾つかの例では、座標フレーム４２１及び４３１は、図３の器具座標フレーム３４３及び３５３と同じであってよい。

器具４２０及び４３０を制御するユーザは、カメラビュー４００の図４Ｂの視点から器具を見ているので、ユーザ指令がカメラ座標フレーム４１１で行われることが有益であることがある。カメラ座標フレーム４１１で提供される任意の指令は、図３の運動学的モデル３００のような運動学的モデルを使用することによって、器具の座標フレーム４２１及び４３１における指令に変換される。この方法では、上下は、カメラビューに関連し、このカメラビューは一般的にユーザの視点と一致し得る。器具４２０又は４３０を上下に動かすユーザ指令は、器具がカメラ座標フレーム４１１のＹ１軸に沿って動くことに変換し得る。同様に、他の並進運動に関するユーザ指令は、カメラ座標フレーム４１１のＸ１及びＺ１軸に従い得る。幾つかの実施形態では、ロール、ピッチ、及びヨーのような回転運動に関する指令もまた、カメラ座標フレーム４１１から器具の座標基準フレーム４２１、４３１に変換され得る。

幾つかの実施形態では、カメラ座標フレーム４１１は、物理的なイメージング装置４１０から切り離されてよい。例えば、カメラ座標フレーム４４０が、イメージング装置４１０の運動４４１の前のイメージング装置４１０の以前の位置に関するセーブされたカメラ座標フレームであってよい。カメラ座標フレーム４４０の位置は、図１のメモリ１５０のような、コンピュータ可読媒体に格納され得る。幾つかの実施形態では、座標フレーム４４０は、図３の取り付けプラットフォーム座標フレーム３３０、テーブルトップ座標フレーム３１０、動作の遠隔中心座標フレーム３４２及び／又は同様のもののような、基準座標フレームからの変換として格納されてよい。幾つかの実施形態では、カメラ座標フレーム４４０は、１又は複数のジョイントの位置に基づく多関節アームの形態（configuration）として格納されてよい。

カメラ座標フレーム４４０を実際のカメラから切り離すことは、器具運動が座標フレーム４４０に関して決定されるとき有益であり得る。例えば、器具４２０及び４３０の位置がカメラ座標フレーム４１１に関連して指令され且つカメラ座標フレーム４１１がイメージング装置４１０に固定されている場合、イメージング装置４１０に対する望ましくない外乱が、器具４２０及び４３０に対する望ましくない外乱に変換する。代わりに、器具４２０及び４３０の位置がカメラ座標フレーム４４０のような、セーブされた座標フレームに関連して指令される場合、カメラ座標フレーム４４０は、イメージング装置４１０の如何なる運動からも潜在的に独立しているセーブされた座標フレームであるので、この問題は起こらないだろう。

幾つかの実施形態では、図３のテーブルトップ座標フレーム３１０、動作の遠隔中心座標フレーム３４２、及び／又は同様のもののような、基準フレームに対してカメラ座標フレーム４４０を固定する（latch）ことが有益であることがある。カメラ座標フレーム４４０は、基準フレームが動くとき、カメラ座標フレーム４４０も動き且つ基準座標フレームとの関連で距離、向き、及び／又は位置を維持するように、基準座標フレームに対して固定され得る。例えば、カメラ座標フレーム４４０が、図３のテーブルトップ座標フレーム３１０に対して固定される場合、テーブルトップが物理的に上に移動する（テーブルトップ座標フレームを動かす）とき、座標フレーム４４０もまた上に移動するだろう。同様に、テーブルトップが回転する場合、カメラ座標フレーム４４０もまたテーブルと同じ軸に沿って回転し得る。以下により詳細に論じられるように、これは、テーブル運動を可能にするとき、有益である。幾つかの実施形態では、テーブル運動が、動作の遠隔中心座標フレーム３４２のような、他の座標フレームにおける運動に変換しない状況があり得るので、テーブル運動の間にテーブルトップ座標フレームにカメラ座標フレーム４４０を固定することが有利であることがある。

幾つかの実施形態では、ユーザは、カメラ座標フレーム４４０を、イメージング装置４１０及びカメラ座標フレーム４１１とともに動かす及び／又は再整列するオプションを有してよい。この方法では、イメージング装置４１０が、器具運動がユーザにより直観的でなくなるように、カメラ座標フレーム４４０からあまりに遠くに離れるとき、ユーザは、カメラ座標フレーム４４０を再設定し得る。

前述のように、コンピュータ支援装置１１０及び／又は２１０のようなコンピュータ支援装置が動作しているとき、手術台１７０及び／又は２８０のような手術台の運動が許容される間に、器具及び／又はエンドエフェクタの継続制御を許容することが望ましいであろう。幾つかの例では、これは、手術台運動が、患者に挿入されている器具を除去する必要無しに生じ得るので、より時間のかからない処置を可能にし得る。幾つかの例では、これは、手術台運動が、より最適な手術台姿勢を得るために生じている間に、外科医及び／又は他の医療関係者が臓器運動をモニタすることを可能にし得る。幾つかの例では、これはまた、手術台運動の間の外科処置の能動的な継続を可能にし得る。

図５は、多関節アームの１又は複数のジョイントが外力によって動かされている間に多関節アームのエンドエフェクタの直観的な制御を維持する例示の方法５００の簡略化された図である。幾つかの実施形態によれば、方法５００は、１又は複数のプロセッサ（例えば、図１の制御ユニット１３０のプロセッサ１４０）上で実行されるとき、１又は複数のプロセッサに、プロセス５１０－５９５の１又は複数を実行させ得る、少なくとも部分的に、非一時的、有形、機械可読媒体に格納される実行可能コードの形態で、実装され得るプロセス５１０－５９５の１又は複数を含み得る。

プロセス５１０において、イメージング装置に関する座標フレーム及び／又は設定は、図１のメモリ１５０のようなメモリに格納されることができ、仮想座標フレームを作る。仮想座標フレームは、１又は複数の行列、及び／又は同様のものの形態でのように、同次変換（homogeneous transform）を表すことができる任意の適切なデータ構造に格納され得る。幾つかの例では、仮想座標フレームは、イメージング装置を制御する多関節アームに関する運動学的モデルに基づく変換の形態でメモリに格納され得る。幾つかの例では、仮想座標フレームは、そこから変換が、多関節アームの１又は複数の運動学的モデルを使用して再計算され得る多関節アームのジョイント角度、位置、及び／又は形態として格納され得る。幾つかの例では、仮想座標フレームは、図３のアーム取付プラットフォーム３３０及び／又は装置ベース座標フレーム３２０のような、基準座標フレームに関連する位置及び向きとしてメモリに格納され得る。幾つかの例では、仮想座標フレームは、ブレーキ解放前又は１若しくは複数の多関節アームの１若しくは複数のジョイントが浮動状態（floating state）に設定される前のような、ある時点におけるイメージング装置の位置に基づき得る。浮動状態に設定されるジョイントは、一般的に、浮動ジョイントと称され得る。幾つかの例では、仮想座標フレームの複数のコピーが、各仮想座標フレームが、特定の多関節アーム及び／又は異なる多関節アームに関する複数の状況に関連して修正され得るように、格納され得る。例えば、単一のイメージング装置のビュー内で幾つかの器具を制御する幾つかの多関節アームがあり得る。幾つかの多関節アームのそれぞれは、異なる方法で位置決めされ得るとともに、多関節アームの動作の遠隔中心のように、多関節アームに関連して及び各多関節アームに関してメモリに格納される１又は複数の仮想カメラ座標フレームがあり得る。これらの仮想カメラ座標フレームは、多関節アームの１又は複数の運動に基づいて修正され得る。

プロセス５２０において、エンドエフェクタ及び／又は器具を保持する多関節アーム（以後、「器具アーム」）のための浮動ジョイントセットを構成する１又は複数のジョイントは、浮動状態にされ得る。ジョイントが、浮動状態に設定されるとき、浮動ジョイントは、力の導入に際して自由に動き得る。幾つかの実施形態では、イメージング装置のための多関節アーム（以後「イメージングアーム」）もまた、浮動状態にされるジョイントセットを有し得る。浮動ジョイントは、浮動状態にあるとき、重力からの１又は複数のジョイントの運動を防ぐ及び／又は減らすように重力補償され得る。図２によれば、セットアップジョイント２４０は、器具アーム及び／又はイメージングアームのための浮動ジョイントセット（複数可）を構成し得る。

幾つかの例では、浮動ジョイントセット（複数可）は、物理的な動作フィードバック（physical motion feedback）を受け得る。幾つかの例では、物理的な動作フィードバックは、図２の手術台２８０のような、装置によって間接的にもたらされ得る。例えば、多関節アームの動作の遠隔中心が、患者の体の開口部に配置され得る。患者は、テーブルが動くとき、患者が動くように、手術台の上に載っていてよい。患者の運動は、患者の体の開口を動かすことがあり、これは、多関節アームの運動を間接的にもたらす。この力は、その結果、ジョイントセット（複数可）の浮動ジョイントの１又は複数を動かすことを生じさせ得る。これは、時折、器具ドラッギングと称される。

しかし、浮動ジョイントは、他のソースから動作フィードバックを受けて良い。幾つかの例では、物理的な動作フィードバックのソースは、オペレータが多関節アームを押すこと及び／又は引くことからであり得る。例えば、オペレータは、多関節アームの動作の遠隔中心を引っ張り、浮動ジョイントセット（複数可）に物理的な動作フィードバックを受けさせ得る。幾つかの例では、オペレータは、患者が動かされている間に患者に接続している１又は複数の多関節アームを安定させるのを支援していてよい。当業者は、浮動ジョイントの位置及び／又は向きの変化をもたらし得る物理的な動作フィードバックの幾つかのソース、それらの全ては本明細書で考慮される、があることを認識するであろう。

方法５００に関する以下の例では、物理的な動作フィードバックが、多関節アームとある方法で通信可能に接続される及び／又は位置合わせされる移動する手術台と関連して論じされる。例えば、図１では、手術台１７０は、制御ユニット１３０及び装置１１１０を通じてアーム１２０に通信可能に結合される。しかし、当業者は、物体が多関節アームとある方法で通信可能に接続される及び／又は位置合わせされるかどうかに無関係に物体が直接及び／又は間接的に多関節アームを動かす任意の状況に方法５００が適用され得ることが認識されるだろう。例えば、手術台からの多少の通信を使用する方法５００における任意のプロセスは、方法５００が、位置合わせされていない物体に適用されるとき、無視／省略され得る。さらに、多関節アームが手術台によって動かされる代わりに、多関節アームは、他の外乱によって動かされ得る。

プロセス５３０において、手術台のような、物体は、器具アーム及び／又はイメージングアームの浮動ジョイントの１つを直接及び／又は間接的に動かし得る。幾つかの例では、手術台は、上／下、左／右、前／後、チルト、トレンデレンブルグ、スライド、ロール、ピッチ、ヨー、及び／又は同様のもののような、運動の幾つかの自由度を有し得る。台運動は、図１の制御ユニット１３０のような、コントローラによって制御され得る。幾つかの実施形態では、コントローラは、ユーザ入力に基づいて台の運動を制御し得る。幾つかの実施形態では、コントローラは、予めプログラムされた台運動に基づいて台を動かし得る。幾つかの実施形態では、手術台は、台の上に載っている患者を動かすように構成され得る。上の例は、浮動ジョイントに直接及び／又は間接的な動作をもたらす手術台であるが、他の実施形態では、他の装置及び／又は物体が、多関節アーム（複数可）に直接及び／又は間接的な動作をもたらし得る。

プロセス５４０において、プロセス５３０のテーブル運動によってもたらされる器具アーム及び／又はイメージングアームの１又は複数の浮動ジョイントの動作が検出される。幾つかの実施形態では、器具アーム及び／又はイメージングアームは、患者の体の開口部に器具アーム及び／又はイメージングアームの動作の遠隔中心に配置し得る。プロセス５３０における運動は、器具アーム及び／又はイメージングアームの動作の遠隔中心の動かすことがあり、これは各アームの浮動ジョイントの１つを乱す。幾つかの実施形態では、動作の遠隔中心の運動は、次に器具ドラッギングを引き起こす手術台が患者を動かすことのように、間接的であり得る。制御ユニット１３０のような制御ユニットは、器具アーム及び／又はイメージングアームの浮動ジョイントの１又は複数が動いたことの指標（indicator）を受信する。指標は、ジョイント位置データを提供する浮動ジョイントのセンサから生じ得る。

幾つかの実施形態では、検出される動作は、局所座標フレームからプロセス５１０の間に作られた仮想座標フレームに変換される。幾つかの実施形態では、変換される動作は、仮想座標フレームにおける並進及び回転運動のような異なる成分に分離され得る。

プロセス５５０において、手術台からの動作読取値、データ、及び／又はレポートが、受信されるとともに仮想座標フレームに変換される。変換された動作は、いったん仮想座標フレームに変換されると並進及び回転成分に分離され得る。例えば、図３にしたがって、テーブルトップ座標フレーム３１０は、台の運動に基づいて変化し得る。変化又は運動は、座標フレーム３１０から、動作の遠隔中心座標フレーム３４２のような他の座標フレームに変換され得る。図３にしたがって、テーブルトップ座標フレーム３１０の基準フレームから動作の遠隔中心座標フレーム３４２に変換することは、変換３２５、３４４、及び３４５を通じて決定される。テーブルの運動は次に、プロセス５１０で格納された変換を使用して、動作の遠隔中心の座標フレームから仮想座標フレーム（図示せず）に変換される。

幾つかの実施形態では、方法５００のこのプロセスは省略され得る。例えば、プロセス５５０は、手術台、又は他の物体が、動作読取値を提供及び／又はレポートしない、あるいは不正確な読取値を提供するとき、省略され得る。

幾つかの実施形態では、プロセス５４０又は５５０は、適切な動作データが１又は複数の他の動作／位置決めデータから導出され得るとき、省略され得る。例えば、手術台は、器具アーム及び／又はイメージングアームに対して完全な位置合わせを有し得る。幾つかの例では、手術台が浮動アームと同じ自由度又は動きを有するとき、ジョイント位置決めデータは十分であり得る。

オプションのプロセス５６０では、器具アームは、手術台の動作を追跡し且つ補償するために、動作の遠隔中心及び／又はエンドエフェクタ上のポイントのような器具アームの関心のあるポイントを、浮動ジョイントと異なり得る第２のジョイントのセットを使用して、動かし得る。これらの第２のジョイントのセットはまた、器具アームの補償ジョイントとも称され得る。補償ジョイントは、概して駆動され得る又は他の動作を補償し得るジョイントを指し得る。幾つかの場合では、補償ジョイントは、浮動ジョイントと相互排他的であり得る。幾つかの補償ジョイントは、補償ジョイントのセット及び／又は補償ジョイントセットと称され得る。これは、浮動ジョイントが手術台に関連して１又は複数の自由度を欠くとき、有益であり得る。例えば、浮動ジョイントセットは、手術台が動かされるとき、手術台及び／又は患者に対する向きを維持するために動作の遠隔中心、器具、及び／又はエンドエフェクタを回転させる及び／又は並進移動させることができないことがある。器具アームが、患者が動かされることに関連して動くことができないとき、器具シャフト及び／エンドエフェクタは、患者に対して動くことがあり、患者及び／又は器具に損傷をもたらすかもしれない。

幾つかの例では、第２のジョイントセットは、台座標フレームから関心のあるポイントの座標フレームに台動作データを変換すること（変換された動作データ）、回転動作のような、浮動ジョイントが動くことができない変換された動作データの部分を分離すること、及び変換された動作データの分離された部分に基づいて第２のジョイントセットを駆動することによって、浮動ジョイントの動きの欠乏を補償し得る。

例えば、図３にしたがって、テーブルトップ座標フレーム３１０の運動は、動作の遠隔中心座標フレーム３４２に変換される。浮動ジョイントが補償することができない（動作の遠隔中心座標フレーム３４２における）変換された運動は、変換された運動から分離される。例えば、変換された運動は、行列として表され得る。浮動ジョイントが、動作の遠隔中心を並進移動させることができるが動作の遠隔中心を回転させることができないとき、並進運動を表す行列の部分はゼロにされ、行列の回転部分はそのままである。これは、事実上、変換された運動を回転運動だけに分離する。ジョイントは、次に、分離された変換された運動に基づいて動作の遠隔中心を動かすように駆動される。

同様に、イメージングアームはまた、手術台の動作を追跡するために第２のジョイントセットを使用して、イメージング装置及び／又は動作の遠隔中心のような、イメージングアームの関心のあるポイントも動かし得る。方法は、動作が、イメージング装置、例えば、動作の遠隔中心座標フレーム３５２に関連する座標フレームに変換されることを除いて、器具アームと同じである。この方法では、器具アームの器具は、テーブル及びイメージングアームのイメージング装置に対してそれらの向きを維持する。結果として、イメージング装置によって提供される画像を通じて器具を見ているオペレータは、動いている患者の解剖学的構造を見るだろうが、テーブルトップに固定された方法での器具、カメラ、及び患者の動きは、静止して及び／又は比較的静止して現れ得る。これは、カメラ及び器具全体が、調和して動いている又は互いに及び／又はテーブルトップと調和するように非常に近くにあり得るためである。

プロセス５７０において、仮想座標フレームは、器具アームの運動に関連して動かされる。幾つかの実施形態では、仮想座標フレームは、動作の遠隔中心のような、器具アーム上の関心のあるポイントに関連して動かされる。

幾つかの例では、仮想座標フレームは、器具アームの動作の遠隔中心のような、関心のあるポイントと結び付けられる（linked）。この方法では、器具アームの関心のあるポイントが、テーブルによって動かされる及び／又は台動作を補償するために動かされる。仮想座標フレームは、仮想座標フレームを動作の遠隔中心と接続する剛性物体（rigid object）があるかのように、関心のあるポイントと関連して動かされる。

幾つかの例では、仮想座標フレームの位置は、ジョイント動作データを使用して関心のあるポイントを追跡するように動かされる。例えば、仮想座標フレームは、仮想座標フレームの座標フレームへのプロセス５４０におけるジョイント位置決めデータの変換に基づいて動かされる。

同様に、仮想座標フレームの位置は、手術台動作データを使用して関心のあるポイントを追跡するように動かされる。例えば、仮想座標フレームは、仮想座標フレームの座標フレームへのプロセス５５０における台動作データの変換に基づいて動かされる。

幾つかの実施形態では、仮想座標フレームは、ジョイント動作データ及び台動作データの組み合わせを使用して動かされ得る。例えば、仮想座標フレームに変換されたプロセス５４０のジョイント動作データ、及び仮想座標フレームに変換され且つ浮動アームにおいて結合している自由度が分離されるプロセス５００の台動作が使用され得る。幾つかの例では、テーブル動作から分離された動作は、仮想座標フレームにおける回転運動であり得る。

幾つかの実施形態では、仮想座標フレームは、テーブルトップのような、関心のある他のポイントの運動に関連して動かされる。仮想座標フレームは、テーブルトップに関連して仮想座標フレームの位置を変えるように、台動作データを使用する。これは、台が、多関節アームの動作の遠隔中心の明らかな運動を引き起こすことなしに向きを実質的に変化させることができるときに有用であり得る。例えば、アイソセンタ動作（isocentered motion）。

テーブル及び／又は浮動ジョイントの運動に基づいて仮想座標フレームを動かすことによって、仮想座標フレームは、イメージング装置に関する座標フレームの正確な予測位置を維持する。器具を操作しているユーザは、イメージング装置を通じて器具を見ていることがあるとともに仮想座標フレームはイメージング装置の良好な予測器（predictor）であるので、ユーザは、仮想座標フレームを使用して適用された器具動作指令とイメージング装置の実際の座標フレームを使用して適用された器具動作指令との間の差を分かることができないかもしれない。これは、イメージング装置が、仮想座標フレームに完全に位置決め及び／又は向き合わせされていない場合でも、イメージング装置の基準フレームにおける器具動作指令を有効に近似する。

しかし、指令がもはやイメージング装置の座標フレームにないことをユーザが分かるように、仮想座標フレームがイメージング装置からあまりに遠くに離れている場合では、ユーザは、仮想座標フレームの位置をイメージング装置の実際に位置に再設定でき得る。

プロセス５８０において、器具アームの器具及び／又はエンドエフェクタを動かすための指令が受信され得る。器具動作指令は、入力制御部１９５のような、ユーザ操作入力制御部から来得る。幾つかの例では、器具動作指令は、台動作中に受信され得る。

プロセス５９０において、５８０における指令は、仮想座標フレームにおける運動指令から、図３の運動学的モデルのような運動学的モデルを使用して器具及び／又はエンドエフェクタの座標フレームに変換される。幾つかの例では、器具アームのための補償ジョイント変化は、器具及び／又はエンドエフェクタの座標フレームにおける運動指令に基づいて決定される。幾つかの例では、器具及び／又はエンドエフェクタの座標フレームにおける運動指令は、エンドエフェクタの座標フレームから補償ジョイントのそれぞれに関連付けられる１又は複数の局所座標系にマッピングされる。実際、これは、仮想座標フレームから器具及び／又はエンドエフェクタ座標フレームに、その後エンドエフェクタ座標フレームから器具アームの補償ジョイントに対する運動指令に動作指令を変換する。幾つかの例では、１又は複数の運動学的モデルは、運動指令は座標フレームのそれぞれに変換するために使用される。幾つかの例では、補償ジョイントは、第１のジョイントセットの部分ではない多関節アーム及び／又はマニピュレータのジョイントのいずれかを含み得る。いったん各ジョイントのそれぞれの座標フレームのための運動指令が決定されると、それらは、補償ジョイントのそれぞれの運動を決定するために使用される。幾つかの例では、逆ヤコビアンが、運動指令を補償ジョイントの運動にマッピングするために使用され得る。幾つかの例では、補償ジョイントにおける運動は、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得る。

プロセス５９５において、第２のジョイントのセットが、プロセス５８０において決定された変換指令にしたがって器具及び／又はエンドエフェクタを動かすように駆動される。幾つかの実施形態では、器具は、台が動いている間に動かされ得る及び／又は駆動され得る。幾つかの実施形態によれば、プロセス５１０－５９０のうちの１又は複数は、同時に実行され得る。例えば、ジョイントを駆動するユーザ指令は、台が動く間に、浮動ジョイントが台によって動かされ、補償ジョイントもプロセス５８０－５９０にしたがって動いている間に補償ジョイントがプロセス５６０にしたがって動き得るように、台動作に基づいてジョイントを駆動する指令に重ねられる。

上で論じられ且つここでさらに強調されるように、図５は、単なる例であり、これは、請求項の範囲を過度に限定すべきではない。当業者は、多くの変形、代替、及び修正を認めるだろう。幾つかの実施形態によれば、プロセス５１０－５９０のうちの１又は複数は、図５に暗示された順番と異なる順番で実行されてよい。幾つかの例では、プロセス５１０－５９０のうちの１又は複数は、任意の順番で及び／又は部分的に又は完全に並列に実行され得る。幾つかの実施形態では、１又は複数のプロセス５１０－５９０は、省略／無視され得る。

図６は、台動作中の多関節アームのエンドエフェクタの直観的な制御を維持するための方法６００の簡略化された図である。幾つかの例では、ユーザが、コントローラを使用して１又は複数の多関節アームの１又は複数のエンドエフェクタを動作させていてよい。幾つかの例では、１又は複数の多関節アームのエンドエフェクタは、図１の多関節アーム１２０のエンドエフェクタであり得る。幾つかの例では、ユーザは、図１のオペレータワークステーション１９０を通じてエンドエフェクタ及び多関節アームを制御していてよい。幾つかの例では、ユーザは、多関節アーム上のイメージング装置からの画像キャプチャを表示していてよいディスプレイシステム１９２を通じて１又は複数のエンドエフェクタを見ていてよい。

プロセス６１０では、ユーザ制御部は、エンドエフェクタを動かすための制御指令がイメージング装置の仮想座標フレームに関連して行われ得るように、設定される。幾つかの実施形態では、仮想座標フレームは、図５のプロセス５１０を使用して作られる。幾つかの例では、受信されたユーザ指令は、図３の運動学的モデルのような運動学的モデルを使用して、仮想座標フレームにおける運動指令から、器具及び／又はエンドエフェクタの座標フレームに変換される。

プロセス６２０において、手術台が動かされ、これは、台上に載っている患者、多関節アーム、エンドエフェクタ、及び／又はイメージング装置を直接及び／又は間接的に物理的に動かし得る。手術台運動は、台を並進運動させる及び／又は回転させるためのユーザ指令に応じ得る。幾つかの実施形態では、多関節アームは、台が浮動ジョイントを直接及び／又は間接的に動かし得るように、浮動状態にあるジョイントのセットを有し得る。

プロセス６３０において、エンドエフェクタ、イメージング装置及び／又は仮想座標フレームは、台が動くとき、手術台のテーブルトップとの相対距離及び向きを維持するように動かされる。例えば、テーブルトップが上に動く場合、プロセス６３０において、エンドエフェクタ、イメージング装置及び仮想座標フレームもまた上に動く。また、テーブルトップが回転する場合、イメージング装置、エンドエフェクタ、及び仮想座標フレームは、テーブルトップの軸と同じ軸に沿って回転される。この方法では、イメージング装置によって取り込まれた画像を見ているユーザに対して、ユーザは、動いているとき、テーブル動作中にテーブルトップとの向きを維持していないものは何でも（例えば、固定されていない患者の解剖学的構造）を知覚するであろう。対照的に、ユーザは、テーブルトップ及び、テーブルトップに拘束されている或いは動かないものとしてテーブルトップと向きを維持しているいずれかの物体を知覚するであろう。

幾つかの例では、エンドエフェクタ及びイメージング装置に対する運動は、器具ドラッギングによる近似であり得る。幾つかの例では、エンドエフェクタ及びイメージング装置に対する運動は、台動作中のテーブルトップに関連するエンドエフェクタの相対位置を維持するための１又は複数のジョイントの補償運動であり得る。幾つかの例では、仮想座標フレームの運動は、台動作中の台及び／又はテーブルトップ動作に基づく。例えば、仮想座標フレームは、テーブルトップに関連して固定され得るとともに、テーブルトップが動かされるとき、仮想座標フレームもまた、テーブルトップとの向き及び位置を維持するために動かされる。プロセス６３０は、プロセス５４０－５７０のような図５の１又は複数のプロセスを実装し得る。

プロセス６４０において、ユーザ制御及び指令は、手術台がプロセス６２０にいしたがって動かされるとき、仮想座標、エンドエフェクタ、及び／又はイメージング装置がプロセス６３０にしたがって手術台とともに動くときに仮想座標フレームに関連してエンドエフェクタを動かすように継続的に構成される。幾つかの実施形態では、プロセス６４０は、図５のプロセス５９０－５９５を使用して実装され得る。

上で論じられ且つここでさらに強調されるように、図６は、単なる例であり、これは、請求項の範囲を過度に限定すべきではない。当業者は、多くの変形、代替、及び修正を認めるだろう。幾つかの実施形態によれば、プロセス６１０－６４０のうちの１又は複数は、図６に暗示された順番と異なる順番で実行されてよい。幾つかの例では、プロセス６１０－６４０のうちの１又は複数は、任意の順番で及び／又は部分的に又は完全に並列に実行され得る。幾つかの実施形態では、１又は複数のプロセス６１０－６４０は、省略／無視され得る。

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）によって実行されるとき、１又は複数のプロセッサに方法５００のプロセスを実行させ得る、実行可能なコードを含む非一時的な、有形の機械可読媒体を含み得る。方法５００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（登録商標）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、任意の他の磁気媒体、ＣＤ－ＲＯＭ、任意の他の光学媒体、パンチカード、紙テープ、孔のパターンを持つ任意の他の物理的媒体、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ－ＥＰＲＯＭ、任意の他のメモリチップ又はカートリッジ、及び／又はプロセッサ、若しくはコンピュータが読み取るように適合される任意の他の媒体である。

例示的な実施形態が図示され且つ説明されているが、広範な修正、変更、及び置換が、前述の開示において企図され、いくつかの例では、実施形態のいくつかの特徴は、他の特徴の対応する使用なしに用いることができる。当業者は、多くの変形形態、代替形態、及び修正形態を認識するだろう。従って、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定され、特許請求の範囲は、本明細書に開示された実施形態の範囲と一致する方法で及び広範に解釈することが適切である。

次の付記を記す。
（付記１） 第１の多関節アームであって、エンドエフェクタ、第１のジョイントセット、及び第２のジョイントセットを有する、第１の多関節アームと、
制御ユニットであって、前記多関節アーム及び手術台に結合されるとき、
前記第１のジョイントセットの１又は複数のジョイントを浮動モードに設定するように；
前記手術台の運動によって生じる前記第１のジョイントセットに対する運動を検出するように；
前記手術台の前記運動に基づいて前記第２のジョイントセットを駆動するように；
前記手術台が動いている間に前記エンドエフェクタを動かす器具動作指令を受信するように；及び
前記器具動作指令に基づいて前記エンドエフェクタを動かすように、構成される、
制御ユニットと、を有する、
コンピュータ支援医療装置。
（付記２） 前記器具動作指令は、イメージング座標フレームに関連している、
付記１に記載の装置。
（付記３） 前記制御ユニットはさらに、前記器具動作指令を前記イメージング座標フレームから前記エンドエフェクタの座標フレームに変換する、
付記２に記載の装置。
（付記４） 前記イメージング座標フレームは、前記手術台の前記運動より前にセーブされたイメージング装置の姿勢に基づいている、
付記２に記載の装置。
（付記５） 前記イメージング座標フレームは、仮想座標フレームであり、前記制御ユニットはさらに、前記イメージング座標フレームを前記手術台のテーブルトップに対して固定された関係に維持する、
付記２に記載の装置。
（付記６） 前記制御ユニットはさらに、前記器具動作指令に基づいて前記第２のジョイントセットの１又は複数のジョイントに１又は複数の運動指令を送信する、
付記２に記載の装置。
（付記７） 前記制御ユニットはさらに、前記手術台の前記運動に基づいて第２の多関節アームの第３のジョイントセットを駆動するように構成される、
付記１に記載の装置。
（付記８） 前記手術台の前記運動に基づいて前記第２のジョイントセットを駆動するために、前記制御ユニットはさらに、
手術台座標フレームにおける前記手術台の前記運動をエンドエフェクタ座標フレームにおける動作に変換するように、及び
前記第２のジョイントセットを、前記エンドエフェクタ座標フレームにおける前記動作に関連して動くよう駆動するように、構成される、
付記１に記載の装置。
（付記９） 前記手術台の前記運動に基づいて前記第２のジョイントセットを駆動するために、前記制御ユニットはさらに、
手術台座標フレームにおける前記手術台の前記運動を動作の遠隔中心座標フレームにおける動作に変換するように、
前記動作の遠隔中心座標フレームにおける前記動作の回転部分を分離するように、及び
前記第２のジョイントセットを、前記動作の遠隔中心座標フレームにおける前記動作の前記回転部分に基づいて動くよう駆動するように、構成される、
付記１に記載の装置。
（付記１０） 前記手術台の前記運動に基づいて第３のジョイントセットを駆動するために、前記制御ユニットはさらに、
前記手術台座標フレームにおける前記手術台の前記運動をイメージング装置座標フレームにおける動作に変換するように、及び
前記第３のジョイントセットを、前記イメージング装置座標フレームにおける前記動作に関連して動くよう駆動するように、構成される、
付記７に記載の装置。
（付記１１） 前記台の前記運動に基づいて前記第３のジョイントセットを駆動するために、前記制御ユニットはさらに、
前記台座標フレームにおける前記手術台の前記運動をイメージング装置座標フレームにおける動作に変換するように、
前記イメージング装置座標フレームにおける前記動作の回転部分を分離するように、及び
前記第３のジョイントセットを、前記イメージング装置座標フレームにおける前記動作の前記回転部分に関連して動くよう駆動するように、構成される、
付記７に記載の装置。
（付記１２） 医療装置の動作を制御する方法であって、前記方法は：、
前記医療装置の第１の多関節アームの第１のジョイントセットの１又は複数のジョイントを浮動モードに設定するステップ、
手術台の運動によって生じる前記第１のジョイントセットに対する運動を検出するステップ、
前記手術台の前記運動に関連するデータを受信するステップ、
受信した前記データに基づいて前記第１の多関節アームの第２のジョイントセットを駆動するステップ、
前記手術台が動いている間に前記第１の多関節アームのエンドエフェクタを動かす器具動作指令を受信するステップ、及び
前記器具動作指令に基づいて前記エンドエフェクタを動かすステップ、を含む、
方法。
（付記１３） 前記器具動作指令は、仮想イメージング座標フレームに関連している、
付記１２に記載の方法。
（付記１４） 前記方法はさらに、前記器具動作指令を前記仮想イメージング座標フレームから前記エンドエフェクタの座標フレームに変換するステップを含む、
付記１３に記載の方法。
（付記１５） 前記仮想イメージング座標フレームは、前記手術台の前記運動より前にセーブされたイメージング装置の姿勢に基づいている、
付記１３に記載の方法。
（付記１６） 前記方法はさらに、前記仮想イメージング座標フレームを前記手術台のテーブルトップに対して固定された関係に維持するステップを含む、
付記１３に記載の方法。
（付記１７） 前記器具動作指令に基づいて前記エンドエフェクタを動かすステップは、前記器具動作指令に基づいて前記第２のジョイントセットの１又は複数のジョイントに１又は複数の運動指令を送信するステップを含む、
付記１３に記載の方法。
（付記１８） 前記方法はさらに、前記手術台の前記運動に基づいて第２の多関節アームの第３のジョイントセットを駆動するステップを含む、
付記１２に記載の方法。
（付記１９） 受信した前記データに基づいて前記第２のジョイントセットを駆動するステップは、
手術台座標フレームにおける前記手術台の前記運動に関連する前記データをエンドエフェクタ座標フレームにおける動作に変換するステップ、及び
前記第２のジョイントセットを、前記エンドエフェクタ座標フレームにおける前記動作に関連して動くよう駆動するステップ、を含む、
付記１２に記載の方法。
（付記２０） 受信した前記データに基づいて前記第２のジョイントセットを駆動するステップは、
手術台座標フレームにおける前記手術台の前記運動に関連する前記データを動作の遠隔中心座標フレームにおける動作に変換するステップ、
前記動作の遠隔中心座標フレームにおける前記動作の回転部分を分離するステップ、及び
前記第２のジョイントセットを、前記動作の遠隔中心座標フレームにおける前記動作の前記回転部分に基づいて動くよう駆動するステップ、を含む、
付記１２に記載の方法。
（付記２１） 前記手術台の前記運動に基づいて前記第３のジョイントセットを駆動するステップは、
手術台座標フレームにおける前記手術台の前記運動に関連する前記データをイメージング装置座標フレームにおける動作に変換するステップ、及び
前記第３のジョイントセットを、前記イメージング装置座標フレームにおける前記動作に関連して動くよう駆動するステップ、を含む、
付記１８に記載の方法。
（付記２２） 前記台の前記運動に基づいて前記第３のジョイントセットを駆動するステップは、
前記台座標フレームにおける前記手術台の前記運動をイメージング装置座標フレームにおける動作に変換するステップ、
前記イメージング装置座標フレームにおける前記動作の回転部分を分離するステップ、及び
前記第３のジョイントセットを、前記仮想イメージング装置座標フレームにおける前記動作の前記回転部分に関連して動くよう駆動するステップ、を含む、
付記１８に記載の方法。
（付記２３） 医療装置に関連付けられる１又は複数のプロセッサによって実行されるとき、前記１又は複数のプロセッサに方法を実行させるように適合される複数の機械可読指令を含む非一時的機械可読媒体であって、前記方法は、
第１の多関節アームの第１のジョイントセットの１又は複数のジョイントを浮動モードに設定するステップ、
手術台によって生じる前記第１のジョイントセットに対する運動を検出するステップ、
前記手術台の前記運動に関連するデータを受信するステップ、
前記手術台の前記運動に関連する前記データに基づいて第２のジョイントセットを駆動するステップ、
前記手術台が動いている間に前記エンドエフェクタを動かす器具動作指令を受信するステップ、及び
前記器具動作指令に基づいて前記エンドエフェクタを動かすステップ、を含む、
非一時的機械可読媒体。
（付記２４） 前記器具動作指令は、仮想イメージング座標フレームに関連している、
付記２３に記載の方法。
（付記２５） 前記方法はさらに、前記器具動作指令を前記仮想イメージング座標フレームから前記エンドエフェクタの座標フレームに変換するステップを含む、
付記２４に記載の方法。
（付記２６） 前記仮想イメージング座標フレームは、前記手術台の前記運動より前にセーブされたイメージング装置の姿勢に基づいている、
付記２４に記載の方法。
（付記２７） 前記方法はさらに、前記イメージング座標フレームを前記手術台のテーブルトップに対して固定された関係に維持するステップを含む、
付記２４に記載の方法。
（付記２８） 前記器具動作指令に基づいて前記エンドエフェクタを動かすステップは、前記器具動作指令に基づいて前記第２のジョイントセットの１又は複数のジョイントに１又は複数の運動指令を送信するステップを含む、
付記２４に記載の方法。
（付記２９） 前記方法はさらに、前記手術台の前記運動に基づいて第２の多関節アームの第３のジョイントセットを駆動するステップを含む、
付記２３に記載の方法。
（付記３０） 受信した前記データに基づいて前記第２のジョイントセットを駆動するステップは、
手術台座標フレームにおける前記手術台の前記運動に関連する前記データをエンドエフェクタ座標フレームにおける動作に変換するステップ、及び
前記第２のジョイントセットを、前記エンドエフェクタ座標フレームにおける前記動作に関連して動くよう駆動するステップ、を含む、
付記２３に記載の方法。
（付記３１） 前記手術台の前記運動に関連する前記データ基づいて前記第２のジョイントセットを駆動するステップは、
手術台座標フレームにおける前記手術台の前記運動に関連する前記データを動作の遠隔中心座標フレームにおける動作に変換するステップ、
前記動作の遠隔中心座標フレームにおける前記動作の回転部分を分離するステップ、及び
前記第２のジョイントセットを、前記動作の遠隔中心座標フレームにおける前記動作の前記回転部分に基づいて動くよう駆動するステップ、を含む、
付記２３に記載の方法。
（付記３２） 前記手術台の前記運動に基づいて前記第３のジョイントセットを駆動するステップはさらに、
手術台座標フレームにおける前記手術台の前記運動に関連する前記データをイメージング装置座標フレームにおける動作に変換するステップ、及び
前記第３のジョイントセットを、前記イメージング装置座標フレームにおける前記動作に関連して動くよう駆動するステップ、を含む、
付記２９に記載の方法。
（付記３３） 前記手術台の前記運動に基づいて前記第３のジョイントセットを駆動するために、前記制御ユニットはさらに、
前記台座標フレームにおける前記手術台の前記運動をイメージング装置座標フレームにおける動作に変換するように、
前記イメージング装置座標フレームにおける前記動作の回転部分を分離するように、及び
前記第３のジョイントセットを、前記仮想イメージング装置座標フレームにおける前記動作の前記回転部分に関連して動くよう駆動するように、構成される、
付記２９に記載の方法。
（付記３４） エンドエフェクタを有する、第１の多関節アーム、及び
制御ユニットであって、前記多関節アーム及び手術台に結合されるとき：
前記手術台が動かされるときに前記手術台のテーブルトップと関連して前記エンドエフェクタの前記向き及び位置を維持するように構成される、
制御ユニット、を有する、
コンピュータ支援医療装置。
（付記３５） 前記制御ユニットはさらに、前記手術台が動かされるとき、前記手術台の前記テーブルトップと関連して仮想座標フレームの向き及び位置を維持するように構成される、
付記３４に記載の装置。
（付記３６） 前記制御ユニットはさらに、前記手術台が動かされるとき、前記手術台の前記テーブルトップと関連してイメージング装置の向き及び位置を維持するように構成される、
付記３５に記載の装置。
（付記３７） 前記制御ユニットはさらに、エンドエフェクタ動作指令を受信するように、前記エンドエフェクタ動作指令を前記仮想座標フレームから前記エンドエフェクタ座標フレームにおける動作指令に変換するように、及び前記エンドエフェクタ座標フレームにおける前記動作指令に基づいて前記エンドエフェクタを動かすように、構成される、
付記３５に記載の装置。

Claims (10)

1. 多関節アームであって、エンドエフェクタを支持するように構成され、１つ又は複数のジョイントを有する、多関節アームと、
   前記多関節アーム及び台に結合される制御ユニットと、を有し、
   前記制御ユニットは：
   前記エンドエフェクタを動かす第１の器具動作指令を受信し、
   イメージング座標フレームに対する前記１つ又は複数のジョイントの第１の運動を決定し、前記イメージング座標フレームは前記エンドエフェクタの画像をキャプチャするイメージング装置のものであり、前記イメージング座標フレームは前記イメージング装置とともに動き、前記第１の運動は前記第１の器具動作指令を実行するためのものであり、
   前記第１の運動に基づいて前記１つ又は複数のジョイントを駆動し、
   前記台を動かす前の時点における前記イメージング装置の姿勢に基づく仮想座標フレームを決定し、
   前記台の上部の運動又は前記多関節アームの関心のあるポイントの運動に基づいて前記仮想座標フレームを動かし、
   前記台が動いている間且つ前記エンドエフェクタを動かす第２の器具動作指令に応答して、前記仮想座標フレームに対する前記１つ又は複数のジョイントの第２の運動を決定し、前記第２の運動は前記第２の器具動作指令を実行するためのものであり、
   前記第２の運動に基づいて前記１つ又は複数のジョイントを駆動する；
   ように構成される、
   コンピュータ支援装置。
2. 前記制御ユニットはさらに、前記多関節アームの１つ又は複数の運動学的モデルを使用して前記第１及び前記第２の運動をエンドエフェクタ座標フレームに変換するように構成される、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記制御ユニットはさらに、前記台の前記上部と前記イメージング装置との間の相対距離及び相対的な向きを維持するよう前記イメージング装置を動かすように構成される、
   請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記制御ユニットはさらに、前記イメージング装置の位置に基づいて前記仮想座標フレームを再設定するように構成される、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記制御ユニットはさらに、前記多関節アームの少なくとも１つの前記ジョイントを、前記少なくとも１つのジョイントが前記多関節アームに加えられた外力に応答して動くことができるモードにするように構成される、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
6. 装置の作動方法であって、前記方法は：
   制御ユニットが、多関節アームによって支持されるエンドエフェクタを動かす第１の器具動作指令を受信するステップ、
   前記制御ユニットが、イメージング座標フレームに対する前記多関節アームの１つ又は複数のジョイントの第１の運動を決定するステップであって、前記イメージング座標フレームは前記エンドエフェクタの画像をキャプチャするイメージング装置のものであり、前記イメージング座標フレームは前記イメージング装置とともに動き、前記第１の運動は前記第１の器具動作指令を実行するためのものである、ステップ、
   前記制御ユニットが、前記第１の運動に基づいて前記１つ又は複数のジョイントを駆動するステップ、
   前記制御ユニットが、前記制御ユニットに結合された台を動かす前の時点における前記イメージング装置の姿勢に基づいて仮想座標フレームを決定するステップ、
   前記制御ユニットが、前記台の上部の運動又は前記多関節アームの関心のあるポイントの運動に基づいて前記仮想座標フレームを動かすステップ、
   前記制御ユニットが、前記台が動いている間且つ前記エンドエフェクタを動かす第２の器具動作指令に応答して、前記仮想座標フレームに対する前記１つ又は複数のジョイントの第２の運動を決定するステップであって、前記第２の運動は前記第２の器具動作指令を実行するためのものである、ステップ、及び
   前記制御ユニットが、前記第２の運動に基づいて前記１つ又は複数のジョイントを駆動するステップ、
   を含む、
   方法。
7. 前記制御ユニットが、前記多関節アームの１つ又は複数の運動学的モデルを使用して前記第１及び前記第２の運動をエンドエフェクタ座標フレームに変換するステップをさらに含む、
   請求項６に記載の方法。
8. 前記制御ユニットが、前記台の前記上部と前記イメージング装置との間の相対距離及び相対的な向きを維持するよう前記イメージング装置を動かすステップをさらに含む、
   請求項６又は７に記載の方法。
9. 前記制御ユニットが、前記イメージング装置の位置に基づいて前記仮想座標フレームを再設定するステップをさらに含む、
   請求項６乃至８のいずれか１項に記載の方法。
10. 医療装置に関連付けられる１又は複数のプロセッサによって実行されるとき１又は複数のプロセッサに請求項６乃至９のいずれか１項に記載の方法を実行させるように適合される、複数の機械可読命令を含む、非一時的機械可読媒体。

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