JP7184961B2 - ロボット外科システムのための拘束および非拘束関節運動リミット - Google Patents

Description

ロボット外科システムは、固定された進入点における外科ポータルまたはアクセスポートを通して、外科器具が患者の体内に挿入される低侵襲医療処置において使用されてきた。これらのシステムには、外科器具が患者の体内で操作される際に、外科器具がこれらの固定された進入点を超えて動かないようにするための遠隔動心（ＲＣＭ）が組み込まれていた。これらの外科ロボットの多くは、ロボットアームの一部分が外科ポータルに直接取り付けられた機械式ＲＣＭを使用していた。機械的ＲＣＭを使用する外科ロボットとは異なり、ソフトウェアベースのＲＣＭは通常、増加された可動域を提供し、かつ外科ロボットのロボットアーム間の衝突を低減するために、外科ポータルに機械的に接続されていなかった。

ロボット外科システムの操作者が外科手術部位内で外科器具を操作すると、外科手術部位内の制限、外科器具がアクセスポートから突出する量、およびＲＣＭからの外科器具の遠位部分の距離により、ジョイント拘束に急激な変化が起こり得る。

したがって、ロボット外科処置中にリアルタイムで器具の関節運動制御制限を容易にする、ソフトウェアベースおよび機械ベースのＲＣＭを備えたロボット外科システムが必要とされている。

本開示は、外科器具に対して関節運動リミットを選択的に拘束するためのシステムおよび方法を対象とする。

１つの態様では、外科器具に対して関節運動リミットを選択的に拘束する方法は、外科器具の近位または遠位直線運動を検出することと、近位または遠位直線運動後の外科器具のツール中心点と遠隔動心との間の距離を計算することと、検出された直線運動が遠位直線運動である場合、計算された距離に基づいて、外科器具に関節運動リミットを割り当てて拘束することと、検出された直線運動が近位直線運動である場合、計算された距離に基づいて、外科器具に非拘束関節運動リミットを割り当てることと、を含む。

この方法は、検出された直線運動が近位直線運動である場合、外科器具の現在の関節運動角度を判定することと、外科器具の現在の関節運動角度が割り当てられた非拘束関節運動リミットよりも大きい場合を判定することと、をさらに含み得る。一態様では、外科器具の現在の関節運動角度が割り当てられた非拘束関節運動リミットよりも大きい場合、外科器具の現在の関節運動角度は影響を受けず、外科器具は非拘束関節運動リミットによって拘束されないままである。追加的または代替的に、外科器具の現在の関節運動角度が割り当てられた非拘束関節運動リミット以下である場合、この方法は、受信したユーザコマンドに基づいて、外科器具を新しい関節運動角度に関節運動させることと、外科器具の新しい関節運動角度が割り当てられた非拘束関節運動リミット未満である場合を判定することと、をさらに含む。追加的または代替的に、新しい関節運動角度が割り当てられた非拘束関節運動リミット未満ではないと判定された場合、外科器具の新しい関節運動角度は影響を受けず、外科器具は、非拘束関節運動リミットによって拘束されないままである。追加的または代替的に、新しい関節運動角度が割り当てられた非拘束関節運動リミット未満であると判定された場合、外科器具の新しい関節運動角度は影響を受けず、この方法は、非拘束関節運動リミットを拘束関節運動リミットに変換することをさらに含む。

拘束関節運動リミットおよび非拘束関節運動リミットは、線形、二次、累乗曲線、または何らかの他の形状のうちの少なくとも１つを含む関節運動リミットランプに基づくことができる。

本開示の別の態様では、ロボット外科システムが提供される。ロボット外科システムは、その遠位部分に配設された外科器具を含む外科ロボットアームと、外科ロボットアームに動作可能に結合されたコントローラと、を含む。コントローラは、外科器具が挿入される患者の外科ポータルの位置に基づいて、外科ロボットアームの外科器具のソフトウェアベースの遠隔動心を確立することと、外科器具の近位または遠位直線運動を検出することと、近位または遠位直線運動後の外科器具のツール中心点と遠隔動心との間の距離を計算することと、検出された直線運動が遠位直線運動である場合、計算された距離に基づいて、関節運動リミットを外科器具に割り当てて拘束することと、検出された直線運動が近位直線運動である場合、計算された距離に基づいて、非拘束関節運動リミットを外科器具に割り当てることと、を行うように構成されている。

一態様では、コントローラはさらに、検出された直線運動が近位直線運動である場合、外科器具の現在の関節運動角度を判定することと、外科器具の現在の関節運動角度が割り当てられた非拘束関節運動リミットよりも大きい場合を判定することと、を行うように構成されている。一態様では、外科器具の現在の関節運動角度が割り当てられた非拘束関節運動リミットよりも大きい場合、外科器具の現在の関節運動角度は影響を受けず、外科器具は、非拘束関節運動リミットによって拘束されないままである。

追加的または代替的に、外科器具の現在の関節運動角度が割り当てられた非拘束関節運動リミット以下である場合、コントローラは、受信したユーザコマンドに基づいて、外科器具を新しい関節運動角度に関節運動させ、外科器具の新しい関節運動角度が割り当てられた非拘束関節運動リミット未満である場合を判定するようにさらに構成され得る。追加的または代替的に、新しい関節運動角度が割り当てられた非拘束関節運動リミット未満ではないと判定された場合、外科器具の新しい関節運動角度は影響を受けず、外科器具は、非拘束関節運動リミットによって拘束されないままである。追加的または代替的に、新しい関節運動角度が割り当てられた非拘束関節運動リミット未満であると判定された場合、外科器具の新しい関節運動角度は影響を受けず、コントローラは、非拘束関節運動リミットを拘束関節運動リミットに変換する。

拘束関節運動リミットおよび非拘束関節運動リミットは、線形、二次、累乗曲線、または何らかの他の形状のうちの少なくとも１つを含む関節運動リミットランプに基づくことができる。

本開示のさらに別の態様では、非一時的なコンピュータ可読記憶媒体が提供される。コンピュータ可読記憶媒体は、プロセッサによって実行されると、外科器具の近位または遠位直線運動を検出することと、近位または遠位直線運動後の外科器具のツール中心点と遠隔動心との間の距離を計算することと、検出された直線運動が遠位直線運動である場合、計算された距離に基づいて、外科器具に関節運動リミットを割り当てて拘束することと、検出された直線運動が近位直線運動である場合、計算された距離に基づいて、非拘束関節運動リミットを外科器具に割り当てることと、を含む方法を実行するプログラムで符号化されている。

この方法は、検出された直線運動が近位直線運動である場合、外科器具の現在の関節運動角度を判定することと、外科器具の現在の関節運動角度が割り当てられた非拘束関節運動リミットよりも大きい場合を判定することと、をさらに含み得る。一態様では、外科器具の現在の関節運動角度が割り当てられた非拘束関節運動リミットよりも大きい場合、外
科器具の現在の関節運動角度は影響を受けず、外科器具は非拘束関節運動リミットによって拘束されないままである。追加的または代替的に、外科器具の現在の関節運動角度が割り当てられた非拘束関節運動リミット以下である場合、この方法は、受信したユーザコマンドに基づいて、外科器具を新しい関節運動角度に関節運動させることと、外科器具の新しい関節運動角度が割り当てられた非拘束関節運動リミット未満である場合を判定することと、をさらに含む。追加的または代替的に、新しい関節運動角度が割り当てられた非拘束関節運動リミット未満ではないと判定された場合、外科器具の新しい関節運動角度は影響を受けず、外科器具は、非拘束関節運動リミットによって拘束されないままである。追加的または代替的に、新しい関節運動角度が割り当てられた非拘束関節運動リミット未満であると判定された場合、外科器具の新しい関節運動角度は影響を受けず、この方法は、非拘束関節運動リミットを拘束関節運動リミットに変換することをさらに含む。

拘束関節運動リミットおよび非拘束関節運動リミットは、線形、二次、累乗曲線、または何らかの他の形状のうちの少なくとも１つを含む関節運動リミットランプに基づくことができる。
本発明は、例えば以下の項目を提供する。
（項目１）
外科器具に対して関節運動リミットを選択的に拘束する方法であって、
前記外科器具の近位または遠位直線運動を検出することと、
前記近位または前記遠位直線運動後の前記外科器具のツール中心点と、遠隔動心との間の距離を計算することと、
前記検出された直線運動が遠位直線運動である場合、前記計算された距離に基づいて、前記外科器具に拘束関節運動リミットを割り当てることと、
前記検出された直線運動が近位直線運動である場合、前記計算された距離に基づいて、非拘束関節運動リミットを外科器具に割り当てることと、を含む、方法。
（項目２）
前記検出された直線運動が近位直線運動である場合、前記外科器具の現在の関節運動角度を判定することと、
前記外科器具の前記現在の関節運動角度が、前記割り当てられた非拘束関節運動リミットよりも大きい場合を判定することと、をさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記外科器具の前記現在の関節運動角度が、前記割り当てられた非拘束関節運動リミットよりも大きい場合、前記外科器具の前記現在の関節運動角度は影響を受けず、前記外科器具は前記非拘束関節運動リミットによって拘束されないままである、項目２に記載の方法。
（項目４）
前記外科器具の前記現在の関節運動角度が、前記割り当てられた非拘束関節運動リミット以下である場合、前記方法は、
受信したユーザコマンドに基づいて、前記外科器具を新しい関節運動角度に関節運動させることと、
前記外科器具の前記新しい関節運動角度が、前記割り当てられた非拘束関節運動リミット未満である場合を判定することと、をさらに含む、項目２に記載の方法。
（項目５）
前記新しい関節運動角度が、前記割り当てられた非拘束関節運動リミット未満ではないと判定された場合、前記外科器具の前記新しい関節運動角度は影響を受けず、前記外科器具は前記非拘束関節運動リミットによって拘束されないままである、項目４に記載の方法。
（項目６）
前記新しい関節運動角度が、前記割り当てられた非拘束関節運動リミット未満であると判定された場合、前記外科器具の前記新しい関節運動角度は影響を受けず、前記方法は、前記非拘束関節運動リミットを拘束関節運動リミットに変換することをさらに含む、項目４に記載の方法。
（項目７）
前記拘束関節運動リミットおよび前記非拘束関節運動リミットが、線形、二次、累乗曲線、または何らかの他の形状のうちの少なくとも１つを含む関節運動リミットランプに基づいている、項目１に記載の方法。
（項目８）
ロボット外科システムであって、
外科ロボットアームであって、その遠位部分に配設された外科器具を含む外科ロボットアームと、
前記外科ロボットアームに動作可能に結合されたコントローラと、を含み、前記コントローラが、
前記外科器具が挿入される患者の外科ポータルの場所に基づいて、前記外科ロボットアーム前記外科器具のソフトウェアベースの遠隔動心を確立することと、
前記外科器具の近位または遠位直線運動を検出することと、
前記近位または前記遠位直線運動後の前記外科器具のツール中心点と、前記遠隔動心との間の距離を計算することと、
前記検出された直線運動が遠位直線運動である場合、前記計算された距離に基づいて、関節運動リミットを前記外科器具に割り当てて拘束することと、
前記検出された直線運動が近位直線運動である場合、前記計算された距離に基づいて、非拘束関節運動リミットを前記外科器具に割り当てることと、を行うように構成されている、ロボット外科システム。
（項目９）
前記コントローラが、
前記検出された直線運動が近位直線運動である場合、前記外科器具の現在の関節運動角度を判定し、
前記外科器具の前記現在の関節運動角度が、前記割り当てられた非拘束関節運動リミットよりも大きい場合を判定するようにさらに構成されている、項目８に記載のロボット外科システム。
（項目１０）
前記外科器具の前記現在の関節運動角度が、前記割り当てられた非拘束関節運動リミットよりも大きい場合、前記外科器具の前記現在の関節運動角度は影響を受けず、前記外科器具は前記非拘束関節運動リミットによって拘束されないままである、項目９に記載のロボット外科システム。
（項目１１）
前記外科器具の前記現在の関節運動角度が、前記割り当てられた非拘束関節運動リミット以下である場合、前記コントローラは、
受信したユーザコマンドに基づいて、前記外科器具を新しい関節運動角度に関節運動させることと、
前記外科器具の前記新しい関節運動角度が、前記割り当てられた非拘束関節運動リミット未満である場合を判定することと、を行うようにさらに構成されている、項目９に記載のロボット外科システム。
（項目１２）
前記新しい関節運動角度が、前記割り当てられた非拘束関節運動リミット未満ではないと判定された場合、前記外科器具の前記新しい関節運動角度は影響を受けず、前記外科器具は前記非拘束関節運動リミットによって拘束されないままである、項目１１に記載のロボット外科システム。
（項目１３）
前記新しい関節運動角度が、前記割り当てられた非拘束関節運動リミット未満であると判定された場合、前記外科器具の前記新しい関節運動角度は影響を受けず、前記コントローラは前記非拘束関節運動リミットを拘束関節運動リミットに変換する、項目１１に記載のロボット外科システム。
（項目１４）
非一時的なコンピュータ可読記憶媒体であって、プロセッサによって実行されると、
外科器具の近位または遠位直線運動を検出することと、
前記近位または前記遠位直線運動後の前記外科器具のツール中心点と、遠隔動心との間の距離を計算することと、
前記検出された直線運動が遠位直線運動である場合、前記計算された距離に基づいて、関節運動リミットを前記外科器具に割り当てて拘束することと、
前記検出された直線運動が近位直線運動である場合、前記計算された距離に基づいて、非拘束関節運動リミットを前記外科器具に割り当てることと、を含む、方法を実行するプログラムで符号化されている、非一時的なコンピュータ可読記憶媒体。
（項目１５）
前記方法が、
前記検出された直線運動が近位直線運動である場合、前記外科器具の現在の関節運動角
度を判定することと、
前記外科器具の前記現在の関節運動角度が、前記割り当てられた非拘束関節運動リミットよりも大きい場合を判定することと、をさらに含む、項目１４に記載の非一時的なコンピュータ記憶媒体。
（項目１６）
前記外科器具の前記現在の関節運動角度が、前記割り当てられた非拘束関節運動リミットよりも大きい場合、前記外科器具の現在の関節運動角度は影響を受けず、前記外科器具は前記非拘束関節運動リミットによって拘束されないままである、項目１５に記載の非一時的なコンピュータ可読記憶媒体。
（項目１７）
前記外科器具の前記現在の関節運動角度が、前記割り当てられた非拘束関節運動リミット以下である場合、前記方法は、
受信したユーザコマンドに基づいて、前記外科器具を新しい関節運動角度に関節運動させることと、
前記外科器具の前記新しい関節運動角度が、前記割り当てられた非拘束関節運動リミット未満である場合を判定することと、をさらに含む、項目１５に記載の非一時的なコンピュータ可読記憶媒体。
（項目１８）
前記新しい関節運動角度が、前記割り当てられた非拘束関節運動リミット未満ではないと判定された場合、前記外科器具の前記新しい関節運動角度は影響を受けず、前記外科器具は前記非拘束関節運動リミットに拘束されないままである、項目１７に記載の非一時的なコンピュータ可読記憶媒体。
（項目１９）
前記新しい関節運動角度が、前記割り当てられた非拘束関節運動リミット未満であると判定された場合、前記外科器具の前記新しい関節運動角度は影響を受けず、前記方法は前記非拘束関節運動リミットを拘束関節運動リミットに変換することをさらに含む、項目１７に記載の非一時的なコンピュータ可読記憶媒体。
（項目２０）
前記拘束関節運動リミットおよび前記非拘束関節運動リミットが、線形、二次、累乗曲線、または何らかの他の形状のうちの少なくとも１つを含む関節運動リミットランプに基づいている、項目１４に記載の非一時的なコンピュータ可読記憶媒体。

本開示の例示的な実施形態のさらなる詳細および態様が、添付の図を参照して、以下でより詳細に説明される。

本明細書に組み込まれており、かつその一部を構成する添付の図面は、本開示の実施形態を示し、上記の本開示の一般的な説明、および以下の実施形態（複数可）の詳細な説明とともに、本開示の原理を説明する役割を果たす。

本開示による、ロボット外科システムの概略図である。 本開示の一態様による、外科器具に対して関節運動リミットを選択的に拘束する方法を示すフローチャートである。 図２の方法に従って外科器具が制御されている間の、外科器具の近位直線後退中の外科器具の遠位部分の図である。 図２の方法に従って外科器具が制御されている間の、外科器具の近位直線後退中の外科器具の遠位部分の図である。 図２の方法に従って外科器具が制御されている間の、外科器具の近位直線後退中の外科器具の遠位部分の図である。 図２の方法に従って外科器具が制御されている間の、外科器具の近位直線後退中の外科器具の遠位部分の図である。 外科器具の近位直線後退中の、ＲＣＭの遠位での関節運動リミット対外科器具の距離を示すグラフである。 図２の方法に従って外科器具が制御されている間の、外科器具の遠位直線前進中の外科器具の遠位部分の図である。 図２の方法に従って外科器具が制御されている間の、外科器具の遠位直線前進中の外科器具の遠位部分の図である。 図２の方法に従って外科器具が制御されている間の、外科器具の遠位直線前進中の外科器具の遠位部分の図である。 外科器具の遠位直線前進中の、ＲＣＭの遠位での、関節運動リミット対外科器具の距離を示すグラフである。 本開示の一態様による、外科器具の選択的ジョイントの関節運動を選択的に制限するための方法である。 アクセスポイントから様々な距離にあり、図７の方法によって制御される外科器具の遠位部分の図である。 アクセスポイントから様々な距離にあり、図７の方法によって制御される外科器具の遠位部分の図である。 アクセスポイントから様々な距離にあり、図７の方法によって制御される外科器具の遠位部分の図である。

本開示の実施形態は、図面を参照して詳細に説明され、図面の中で同様の参照番号は、いくつかの図の各々において同一のまたは対応する要素を示す。本明細書で使用される場合、「遠位」という用語は、ユーザまたはロボット構成要素からより遠いデバイスの部分を示し、「近位」という用語は、ユーザまたはロボット構成要素により近いデバイスの部分を示す。

最初に図１を参照すると、例えば、ロボット外科システムなどの外科システムは、概して、ロボット外科システム１として示されており、概して、複数のロボットアーム２、３と、コントローラまたは制御デバイス４と、制御デバイス４と結合された操作コンソール５と、を含む。操作コンソール５は、三次元画像を表示するように設定され得る表示デバイス６と、手動入力デバイス７、８とを含み、これによって、例えば、外科医などの人（図示せず）が、当業者には原理的に知られているように、第１の操作モードでロボットアーム２、３を遠隔操作することができる。

ロボット外科システム１はまた、ロボットアーム２、３のそれぞれの遠位端に接続された外科アセンブリ１００を含む。外科アセンブリ１００は、以下でより詳細に説明されるように、外科器具２００などの１つ以上の外科器具を支持することができる。ロボットアーム２、３の各々は、ジョイントを通して接続される複数の部材から成る。ロボットアーム２（および／またはロボットアーム３）は、外科器具２００を支持するように機能する取り付け部分を含む。

ロボットアーム２、３は、制御デバイス４に接続されている、電気駆動装置（図示せず）によって駆動され得る。制御デバイス４（例えば、コンピュータ）は、ロボットアーム２、３、それらの外科アセンブリ１００、および／または外科器具２００が、手動入力デバイス７、８によって規定される運動に従って所望の運動を実行するように、特にコンピュータプログラムによって、駆動装置を作動させるために設定される。制御デバイス４は、ロボットアーム２、３および／または駆動装置の運動を調整するように設定することもできる。上記のように、コントローラまたは制御デバイス４に電気的に結合されている間、ロボットアーム２、３は、ソフトウェアベースであり得る制御デバイス４から信号を受信して、いずれかの好適な場所に遠隔動心「ＲＣＭ」を確立するように構成されている。

ロボット外科システム１は、１つ以上の外科器具２００、３００のエンドエフェクタによって低侵襲的に治療される、患者テーブル１２上に横たわる患者「Ｐ」に対して使用されるように構成されている。外科システム１はまた、３つ以上のロボットアーム２、３を含んでもよく、追加のロボットアームは、同様に制御デバイス４に接続され、操作コンソール５によって遠隔操作可能である。１つ以上の追加の外科アセンブリ１００および／または外科器具２００もまた、追加のロボットアームに取り付けることができる。

制御デバイス４は、複数のモータを制御することができ、各モータは、外科器具２００、３００の１つ以上のケーブルの弛緩または引張を駆動するように構成されている。使用中、これらのケーブルが弛緩されるか、または引っ張られると、１つ以上のケーブルが、外科器具２００、３００のエンドエフェクタの動作および／または運動をもたらす。制御デバイス４は、外科器具２００、３００のエンドエフェクタの動作および／または運動（例えば、直線運動、関節運動、回転など）を調整するために、これらのケーブルの弛緩または引張の動きを調整するように、様々なモータの作動を調整することが企図されている
。エンドエフェクタの構築および動作、ならびにロボット外科システムの他の態様の詳細な考察については、２０１４年１０月２０日に出願された国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／６１３２９号、発明の名称「Ｗｒｉｓｔ ａｎｄ Ｊａｗ Ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ ｆｏｒ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ」を参照することができ、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる。

制御デバイス４は、一組の命令に従って計算を実行し、および／または動作するように適合された任意の好適な論理制御回路を含むことができる。制御デバイス４は、無線（例えば、Ｗｉ－Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＬＴＥなど）および／または有線接続のいずれかを介して、遠隔システム「ＲＳ」と通信するように構成することができる。遠隔システム「ＲＳ」は、システム１の様々な構成要素、アルゴリズム、および／または動作に関連するデータ、命令、および／または情報を含むことができる。遠隔システム「ＲＳ」は、任意の好適な電子サービス、データベース、プラットフォーム、クラウドなどを含むことができる。制御デバイス４は、メモリに動作可能に接続された中央処理ユニットを含んでもよい。メモリは、一時的なタイプのメモリ（例えば、ＲＡＭ）および／または非一時的なタイプのメモリ（例えば、フラッシュ媒体、ディスク媒体など）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、メモリは、遠隔システム「ＲＳ」の一部であり、および／またはそれに動作可能に結合される。

制御デバイス４は、駆動回路を通すなど、ロボット外科システム１の構成要素とインターフェース接続するための複数の入力および出力を含むことができる。制御デバイス４は、入力信号を受信し、および／または出力信号を生成して、ロボット外科システム１の様々な構成要素（例えば、１つ以上のモータ）のうちの１つ以上を制御するように構成され得る。出力信号は、ユーザにより事前にプログラムおよび／もしくは入力され得るアルゴリズム命令を含み得、ならびに／またはそれに基づき得る。制御デバイス４は、遠隔システム「ＲＳ」に結合され得るユーザインターフェース（例えば、操作コンソール５のスイッチ、ボタン、タッチスクリーンなど）からの複数のユーザ入力を受け付けるように構成され得る。

ロボット外科システム１の構成要素の構造および動作の詳細な考察については、２０１１年１１月３日に出願された米国特許第８，８２８，０２３号、発明の名称「Ｍｅｄｉｃａｌ Ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ」を参照することができ、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。

次に、図２、図３Ａ～図３Ｄ、図４、図５Ａ～図５Ｃ、および図６に目を向けると、外科器具２００に選択的に関節運動リミットを拘束する方法が、ここで特に詳細に説明され、方法２２０と称される。本明細書において説明される方法のステップは、特定の順序で説明されているが、いずれの順序でも実施することができ、説明するステップの一部またはすべてを含むことができる。追加的に、本明細書において説明される方法は、ロボット外科システムの制御デバイス（例えば、遠隔システム「ＲＳ」、制御デバイス４など）によって実行されると説明されているが、外科器具または外科ロボットシステムのいずれの構成要素によっても実行され得る。

方法２２０は、外科器具２００の直線運動が検出されるステップ２０１で始まる。ステップ２０１での検出は、外科器具２００の直線運動を引き起こすコマンドの受信から（例えば、外科器具２００の実際の運動の前に）、または他の検出手段（例えば、外科器具２００がある位置から別の位置に移動した後の外科器具２００の直線運動を検出する画像ベースの分析）によって行うことができる。ステップ２０２において、制御デバイス４は、ステップ２０１で検出された外科器具２００の直線運動が、外科器具２００の近位後退であるか、または外科器具２００の遠位前進である場合を判定する。制御デバイス４が外科器具２００の直線運動が近位後退である場合（ステップ２０２において、はい）を判定するときに実行されると説明される方法２２０のステップの一部またはすべては、制御デバイス４が、外科器具２００の直線運動が近位後退ではない場合（ステップ２０２において、いいえ）を判定するときに追加的または代替的に実行され得る。さらに、制御デバイス４が、外科器具２００の直線運動が近位後退ではない場合（ステップ２０２において、いいえ）を判定するときに実行されると説明される方法２２０のステップの一部またはすべては、制御デバイス４が、外科器具２００の直線運動が近位後退である場合（ステップ２０２において、はい）を判定するときに追加的または代替的に実行され得る。

制御デバイス４が、直線運動が遠位前進ではなく、外科器具２００の近位後退であると判定するとき（ステップ２０２において、はい）、方法２２０は、ステップ２０３に進み、ここでは、制御デバイス４は、近位後退が完了した後のツール中心点「ＴＣＰ」と遠隔動心「ＲＣＭ」との間の距離を計算する。図３Ａは、近位後退前の外科器具２００の位置を示し、図３Ｂは、近位後退後の外科器具２００の位置を示し、ツール中心点「ＴＣＰ」と遠隔動心「ＲＣＭ」との間の距離が、距離「Ｄ」として示されている。そのような距離は、画像分析によって計算することができ、または一態様では、ツール中心点「ＴＣＰ」および遠隔動心「ＲＣＭ」の位置は既知であり得、制御デバイス４によって追跡することができ、距離は、既知の２つの位置の間の差として計算され得る。

ステップ２０３でツール中心点「ＴＣＰ」と遠隔動心「ＲＣＭ」との間の距離が計算された後、方法２２０はステップ２０５に進み、ここで、制御デバイス４は、ツールの中心点「ＴＣＰ」と遠隔動心「ＲＣＭ」との間の計算された距離に基づいて、外科器具２００に非拘束関節運動リミットを割り当てる。

ステップ２０７において、制御デバイス４は、外科器具２００が近位後退位置にある状態での外科器具２００の現在の関節運動角度を判定する（図３Ｂ）。そのような判定は、画像分析によって行うことができ、または一態様では、外科器具２００の関節運動角度は既知であり得、制御デバイス４によって追跡することができる。ステップ２０８において、制御デバイス４は、ステップ２０７で判定した関節運動角度が、割り当てられたリミットよりも大きい場合を判定する。一態様では、割り当てられたリミットは、ステップ２０５で割り当てられた非拘束関節運動リミット（またはステップ２０６で割り当てられた拘束関節運動リミット）に等しい。

制御デバイス４が、（図３Ｂに示される近位後退位置にある）外科器具２００の現在の関節運動角度が割り当てられたリミットより大きい（ステップ２０８では、はい）と判定すると、方法２２０は、ステップ２１０に進み、ここでは、制御デバイス４は、外科器具２００の関節運動角度に対して何も行わない。特に、ステップ２１０において、外科器具２００の現在の関節運動角度が、割り当てられた非拘束関節運動リミットよりも大きい場合、外科器具２００の現在の関節運動角度は影響を受けず、外科器具２００は、非拘束関節運動リミットによって拘束されないままである。

代替的に、制御デバイス４が、（図３Ｂに示される近位後退位置にある）外科器具２００の現在の関節運動角度が割り当てられたリミット以下である（ステップ２０８では、いいえ）と判定した場合、方法２２０はステップ２０９に進み、ここでは、制御デバイス４は、（外科器具２００を関節運動させるために受信したコマンドに基づいて）外科器具２００を新しい関節運動角度に関節運動させ、ステップ２１２では、外科器具２００の新しい関節運動角度が、割り当てられた非拘束関節運動リミット未満である場合を判定する。図３Ｃおよび図３Ｄは、図３Ｂに表されるその初期関節運動角度からそれぞれの新しい関節運動角度に関節運動された後の外科器具２００を示す。

制御デバイス４が、外科器具２００（図３Ｃに示される）の新しい関節運動角度が、割り当てられた非拘束関節運動リミット未満ではない（ステップ２１２では、いいえ）と判定すると、方法２２０は、ステップ２１４に進み、ここでは、制御デバイス４は、外科器具２００を非拘束関節運動リミットに割り当てたままにする。特に、ステップ２１４において、外科器具２００の関節運動角度への影響はなく、外科器具２００は、関節運動リミットによって拘束されないままである。したがって、この状況では、割り当てられたリミットが拘束されていないため、外科器具２００は、操作者または制御デバイス４が望むときに、割り当てられたリミットを超えて依然として関節運動することができる（例えば、より低い角度値に関節運動することができる）。

代替的に、制御デバイス４が、外科器具２００（図３Ｄに示される）の新しい関節運動角度が割り当てられた非拘束関節運動リミット未満であると（ステップ２１２では、はい）判定した場合、方法２２０はステップ２１３に進み、ここでは、制御デバイス４は、非拘束関節運動リミットを拘束関節運動リミットに変換する。特に、ステップ２１３において、外科器具２００の関節運動角度は影響を受けないが、外科器具２００がここで非拘束関節運動リミットを超えて（例えば、非拘束リミット角度値未満の角度値に）関節運動するようになったため、外科器具２００はここで関節運動リミットによって拘束される。

したがって、方法２２０によるこの構成では、外科器具２００は、（遠隔中心点からの特定の距離において）関節運動リミットを超えて関節運動することができ、外科器具２００がすでに、割り当てられた非拘束関節運動リミットを超えて（例えば、より低い角度値に）関節運動された後にのみ関節運動リミットに拘束されることになる。図４は、図３Ａ～図３Ｄ全体に示される外科器具２００の運動（例えば、近位後退および関節運動）中に、外科器具２００に割り当てられる例示的な拘束（および非拘束）関節運動リミットのグラフである。

方法２２０のステップ２０１に戻ると、制御デバイス４が、直線運動が外科器具２００の（近位後退ではなく）遠位前進であると判定すると（ステップ２０２では、はい）、方法２２０はステップ２０４に進み、ここでは、制御デバイス４は、遠位前進が完了した後、ツール中心点「ＴＣＰ」と遠隔動心「ＲＣＭ」との間の距離を計算する。図５Ａは、遠位前進前の外科器具２００の位置を示し、図５Ｂは、遠位前進後の外科器具２００の位置を示しており、ツール中心点「ＴＣＰ」と遠隔動心「ＲＣＭ」との間の距離は、距離「Ｄ」として示されている。そのような距離は、画像分析によって計算することができ、または一態様では、ツール中心点「ＴＣＰ」および遠隔動心「ＲＣＭ」の位置は既知であり得、制御デバイス４によって追跡することができ、距離は２つの既知の位置の差として計算することができる。

ステップ２０４でツール中心点「ＴＣＰ」と遠隔動心「ＲＣＭ」との間の距離が計算された後、方法２２０はステップ２０６に進み、ここでは、制御デバイス４は、遠位前進した位置でのツール中心点「ＴＣＰ」と遠隔動心「ＲＣＭ」との間の計算された距離に基づいて、外科器具２００に関節運動リミットを割り当てて拘束する（図５Ｂ）。次に、制御デバイス４が、外科器具２００を新しい角度に関節運動させるためのコマンドを受信すると、関節運動角度は、割り当てられた拘束リミットに制限され、拘束リミット角度を超えて関節運動することが防止される。図５Ｃは、新しい関節運動角度に関節運動され、拘束された関節運動リミットによって制限されている外科器具２００を示している。

図６は、図５Ａ～図５Ｃ全体に示される外科器具２００の運動（例えば、遠位前進および関節運動）中に、外科器具２００に割り当てられる例示的な拘束関節運動リミットのグラフである。

ステップ２０６に続いて、方法２２０は、ステップ２０１に戻る。したがって、外科器具２００のさらなる遠位前進が検出されると、制御デバイス４は、ツール中心点「ＴＣＰ」と遠隔動心「ＲＣＭ」との間の新しい距離を計算し（ステップ２０４を繰り返す）、したがって、新たに計算された距離に基づいて、外科器具２００の新しい（例えば、より高い）拘束関節運動リミットを割り当てる。ステップ２０６に続いて、特定の例において、方法２２０はまた、上記のステップ２０７に戻る。

ここで図７および図８Ａ～図８Ｃに目を向けると、外科器具２００の複数の令状ジョイントの関節運動を選択的に制限する方法が、ここで特に詳細に説明され、方法７００と称される。本明細書において説明される方法のステップは、特定の順序で説明されているが、いずれの順序でも実施することができ、説明するステップの一部またはすべてを含むことができる。追加的に、本明細書において説明される方法は、ロボット外科システムの制御デバイス４によって実行されると説明されているが、外科器具または外科ロボットシステムのいずれの構成要素によっても実行され得る。

方法７００は、ステップ７０１で始まり、ここでは、制御デバイス４は、外科器具２００の遠位部分８０１（図８Ａ～図８Ｃ）と、外科器具２００が位置づけられるアクセスポート８５２の遠位部分８５０（図８Ａ～図８Ｃ）との間の距離を計算する。図８Ａ～図８Ｃを参照すると、外科器具２００は、アクセスポート８５２を通して配置され、アクセスポート８５２の遠位部分８５０から出現する。外科器具２００は、遠位部分８０１、第１の手首ジョイント８０３、および第２の手首ジョイント８０５を含む。第１の手首ジョイント８０３および第２の手首ジョイント８０５は、それぞれの枢動軸の周りでの外科器具２００の関節運動を可能にするように機能する。ステップ７０１において、そのような距離は、画像分析によって計算され得、または一態様では、外科器具２００の遠位部分８０１、アクセスポート８５２の遠位部分８５０の位置は既知であり得、制御デバイス４によって追跡することができ、距離は、２つの既知の位置の差として計算することができる。

ステップ７０２において、制御デバイス４は、ステップ７０１で計算された距離が第１の閾値距離未満である場合を判定する。距離が第１の閾値距離未満である場合（ステップ７０２では、はい）、方法７００は、ステップ７０３に進み、ここでは、制御デバイス４は、第１の手首ジョイントおよび第２の手首ジョイントの両方の関節運動を制限する。代替的に、距離が第１の閾値距離（ステップ７０２では、いいえ）未満ではない場合、方法７００は、ステップ７０４に進み、ここでは、制御デバイス４は、ステップ７０１で計算された距離が第２の閾値距離未満である場合を判定する。第２の閾値距離は、第１の閾値距離を超える距離値である。

距離が第２の閾値距離未満である場合（ステップ７０４において、はい）、方法７００は、ステップ７０５に進み、ここでは、制御デバイス４は、第２の手首ジョイントのみの関節運動を制限し、第１の手首ジョイントの関節運動を可能にする。代替的に、距離が第２の閾値距離未満ではない場合（ステップ７０４において、いいえ）、方法７００は、ステップ７０７に進み、ここでは、制御デバイス４は、第１の手首ジョイントおよび第２の手首ジョイントの両方の完全な関節運動を可能にする。

図８Ａは、外科器具２００の遠位部分８０１と、それが位置づけられるアクセスポート８５２の遠位部分８５０との間の距離「ｄ１」が、第１の閾値距離未満であるときの外科器具２００を示している。この状況において、第１の手首ジョイント（図示せず）および第２の手首ジョイント（図示せず）の両方に関節運動リミットが割り当てられている。例えば、この状況では、第１および第２の手首ジョイント（図示せず）は、制御デバイス４によっていかなる関節運動も防止される。

図８Ｂは、外科器具２００の遠位部分８０１と、それが位置づけられるアクセスポート８５２の遠位部分８５０との間の距離「ｄ２」が、第１の閾値距離よりも大きいが、第２の閾値距離未満である場合の外科器具２００を示している。この状況では、第２の手首ジョイント（図示せず）のみに関節運動リミットが割り当てられ、第１の手首ジョイント８０３は、制御デバイス４によって自由に関節運動される。

図８Ｃは、外科器具２００の遠位部分８０１と、それが位置づけられるアクセスポート８５２の遠位部分８５０との間の距離「ｄ３」が、第１の閾値距離および第２の閾値距離の両方よりも大きい場合の外科器具２００を示している。この状況では、第１の手首ジョイント８０３および第２の手首ジョイント８０５の両方が、制御デバイス４によって自由に制御され、関節運動リミットが割り当てられていない。

当業者であれば、本明細書において具体的に記載され、添付の図に示される構造および方法が、非限定的で例示的な実施形態であり、説明、開示、および図が、単に特定の実施形態の例示にすぎないと解釈されるべきであることを理解するであろう。したがって、本開示は、説明される厳密な実施形態に限定されることがなく、種々の他の変更および修正を、本開示の範囲または主旨から逸脱することなく、当業者が行うことができることを理解されよう。追加的に、特定の実施形態に関連して図示または説明される要素および特徴は、特定の他の実施形態の要素および特徴と、本開示の範囲から逸脱することなく組み合わせることができ、このような修正および変形もまた、本開示の範囲に含まれる。したがって、本開示の主題は、具体的に図示および説明されているものによって限定されない。

Claims (13)

1. 外科器具の選択的ジョイントの関節運動を選択的に制限する方法であって、前記方法は、
   前記外科器具の遠位部分とアクセスポートの遠位部分との間の距離を計算することであって、前記外科器具は、前記アクセスポートを通して位置づけられる、ことと、
   前記計算された距離が第１の閾値距離未満である場合、前記外科器具の第１のジョイントおよび第２のジョイントの関節運動を制限することと、
   前記計算された距離が第２の閾値距離未満であり、かつ前記第１の閾値距離未満ではない場合、前記外科器具の前記第２のジョイントの関節運動を制限し、前記外科器具の前記第１のジョイントの制限されない関節運動を可能にすることと
   を含む、方法。
2. 前記外科器具および前記アクセスポートの画像を分析することと、前記画像に基づいて、前記外科器具の前記遠位部分と前記アクセスポートの前記遠位部分との間の前記距離を計算することとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記外科器具の位置および前記アクセスポートの位置を追跡することと、前記外科器具の前記追跡された位置および前記アクセスポートの前記追跡された位置に基づいて、前記外科器具の前記遠位部分と前記アクセスポートの前記遠位部分との間の前記距離を計算することとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記第２の閾値距離の値は、前記第１の閾値距離の値より大きい、請求項１に記載の方法。
5. 前記計算された距離が前記第１の閾値距離および前記第２の閾値距離未満ではない場合、前記外科器具の前記第１のジョイントおよび前記第２のジョイントの制限されない関節運動を可能にすることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. ロボット外科システムであって、前記ロボット外科システムは、
   外科ロボットアームであって、前記外科ロボットアームは、その遠位部分に配設されアクセスポートを通して延在する外科器具を含み、前記外科器具は、第１のジョイントと第２のジョイントとを含む、外科ロボットアームと、
   前記外科ロボットアームに動作可能に結合されたコントローラと
   を備え、前記コントローラは、
   前記外科器具の遠位部分と前記アクセスポートの遠位部分との間の距離を計算することであって、前記外科器具は、前記アクセスポートを通して位置づけられる、ことと、
   前記計算された距離が第１の閾値距離未満である場合、前記外科器具の前記第１のジョイントおよび前記第２のジョイントの関節運動を制限することと、
   前記計算された距離が第２の閾値距離未満であり、かつ前記第１の閾値未満ではない場合、前記外科器具の前記第２のジョイントの関節運動を制限し、前記外科器具の前記第１のジョイントの制限されない関節運動を可能にすることと
   を行うように構成される、ロボット外科システム。
7. 前記コントローラは、前記外科器具および前記アクセスポートの画像を分析することと、画像分析に基づいて、前記外科器具の前記遠位部分と前記アクセスポートの前記遠位部分との間の前記距離を計算することとを行うようにさらに構成される、請求項６に記載のロボット外科システム。
8. 前記コントローラは、前記外科器具の位置および前記アクセスポートの位置を追跡することと、前記外科器具の前記追跡された位置および前記アクセスポートの前記追跡された位置に基づいて、前記外科器具の前記遠位部分と前記アクセスポートの前記遠位部分との間の前記距離を計算することとを行うようにさらに構成される、請求項６に記載のロボット外科システム。
9. 前記第２の閾値距離の値は、前記第１の閾値距離の値より大きい、請求項６に記載のロボット外科システム。
10. 前記コントローラは、前記計算された距離が前記第１の閾値距離および前記第２の閾値距離未満ではない場合、前記外科器具の前記第１のジョイントおよび前記第２のジョイントの制限されない関節運動を可能にするようにさらに構成される、請求項６に記載のロボット外科システム。
11. プログラムで符号化された非一時的なコンピュータ可読記憶媒体であって、前記プログラムは、プロセッサによって実行されると、方法を実行し、前記方法は、
    外科器具の遠位部分とアクセスポートの遠位部分との間の距離を計算することであって、前記外科器具は、前記アクセスポートを通して位置づけられる、ことと、
    前記計算された距離が第１の閾値距離未満である場合、前記外科器具の第１のジョイントおよび第２のジョイントの関節運動を制限することと、
    前記計算された距離が第２の閾値距離未満であり、かつ前記第１の閾値未満ではない場合、前記外科器具の前記第２のジョイントの関節運動を制限し、前記外科器具の前記第１のジョイントの制限されない関節運動を可能にすることと
    を含む、非一時的なコンピュータ可読記憶媒体。
12. 前記方法は、前記外科器具および前記アクセスポートの画像を分析することと、前記画像に基づいて、前記外科器具の前記遠位部分と前記アクセスポートの前記遠位部分との間の前記距離を計算することとをさらに含む、請求項１１に記載の非一時的なコンピュータ可読記憶媒体。
13. 前記方法は、前記計算された距離が前記第１の閾値距離および前記第２の閾値距離未満ではない場合、前記外科器具の前記第１のジョイントおよび前記第２のジョイントの制限されない関節運動を可能にすることをさらに含む、請求項１１に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。

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