JP7349992B2 - ロボット手術システムのための衝突処理アルゴリズム - Google Patents

Description

ロボット手術システムは、低侵襲医療処置で使用されている。医療処置中、ロボット手術システムは、ユーザインターフェースとインターフェースする外科医によって制御される。ユーザインターフェースにより、外科医は患者に作用するエンドエフェクタを操作できる。

エンドエフェクタは、患者の体内の作業部位にエンドエフェクタを配置するために、患者の小さな切開（カニューレを介して）または自然の開口部内に挿入される。いくつかのロボット手術システムは、ロボットアームを支持するロボットコンソールと、メス、鉗子、またはロボットアームに取り付けられた把持ツールなどの少なくとも１つのエンドエフェクタとを含む。

一般に、ユーザインターフェースは、外科医がロボット手術システムを制御するために移動可能である入力コントローラまたはハンドルを含む。ロボット手術システムは、通常、スケール変更係数を使用して外科医の手の動きを縮小し、患者内のロボット機器の所望の位置を決定する。多くの場合、このスケール変更係数では、ハンドルの動きが入力ハンドルの動きの範囲よりも大きい必要がある。したがって、ハンドルは作業空間の境界限界に到達し、外科医が所望の動きを完了するのを防ぐ。市場に出回っている現在のロボット手術システムは、「クラッチ」と呼ばれる機能を使用して、入力ハンドルの動きをロボット機器から分離する。外科医は、次いで、機器を静止したまま、ユーザインターフェースの作業空間内の新しい位置にハンドルを自由に移動できる。一旦入力ハンドルが作業空間の境界から離れると、外科医は、「再クラッチ」して入力ハンドルの動きを再結合して、ロボット機器で所望の動きを完了することができる。

ロボット外科処置中、ロボットアームまたはエンドエフェクタは、組織、器官、または別の手術器具（例えば、別のロボットアームまたはエンドエフェクタ、アクセスポート、またはカメラ）と衝突し得る。このような衝突により、入力ハンドルの位置と、入力ハンドルに関連付けられたロボットアームまたはエンドエフェクタとの位置の不一致が生じる可能性がある。この位置の不一致は、外科処置中にロボットアームまたはエンドエフェクタの望ましくない動きを引き起こす可能性がある。

したがって、ロボット手術システムのための衝突処理アルゴリズムに対する必要性が存在する。

本開示の一態様では、ロボット手術システムの衝突処理の方法は、ロボット手術システムのための衝突処理の方法は、手術ロボットの一部が障害物と衝突し、ツールを障害物に向けて移動させることに対応する方向に入力ハンドルが移動されるとき、ロボット手術システムの手術ロボットのツールの姿勢に対してロボット手術システムのユーザインターフェースの入力ハンドルを滑らせることを含む。入力ハンドルは、入力ハンドルが滑った後に、ツールの所望の姿勢に対してオフセットを有する。

態様では、本方法は、入力ハンドルを滑らせた後、手術ロボットの一部を障害物から離れて移動させる方向に入力ハンドルを移動させることを含む。入力ハンドルは、ツールが障害物から離れる方向に移動する前に、オフセットに対応する距離を移動し得る。あるいは、ツールは、入力ハンドルの位置とツールの姿勢との間のトリムを維持しながら、障害物から離れる方向に移動し得る。トリムはオフセットに等しくてもよく、本方法は、トリムが所定の値に到達するまで、オフセットに平行な方向に、ツールの姿勢に対する入力ハンドルの移動を動的にスケール変更することをさらに含み得る。所定の値はゼロまたは非ゼロであり得る。

いくつかの態様では、手術ロボットが所定の力閾値に到達した後、ツールを所望の姿勢に向けて移動させた後に、ツールの姿勢に対してハンドルを滑らせることが生じる。本方法は、ツールが所定の力閾値に到達したときの入力ハンドルの閾値位置と、入力ハンドルが閾値位置を超えて押し出された後の入力ハンドルの位置との間のオフセットを画定する、ロボット手術システムの処理ユニットをさらに含み得る。本方法は、ロボット手術システムが、臨床医に力フィードバックを提供して、閾値位置を超えて入力ハンドルの滑りに抵抗することを含み得る。

本開示の別の態様では、ロボット手術システムとロボット手術システムの処理ユニットとの衝突処理の方法は、ロボット手術システムのユーザインターフェースから第１の入力信号を受信して、ロボット手術システムの手術ロボットのツールをツールの所望の姿勢に移動させることと、入力制御信号を手術ロボットに送信して、ツールを所望の姿勢に向けて移動させることと、ツールを所望の姿勢に向けて移動させる力が所定の閾値よりも大きいというフィードバック信号を、手術ロボットから受信することと、所定の閾値に到達したときに、ツールを閾値姿勢に維持することと、閾値姿勢に対する入力ハンドルの位置を入力ハンドルの第２の位置に滑らせて、入力ハンドルの第２の位置と入力ハンドルの第２の位置に対応するツールの所望の姿勢との間のオフセットを画定することと、を含み得る。

態様では、本方法は、フィードバック制御信号をユーザインターフェースに送信して、ツールの閾値姿勢に対応する閾値位置を超える入力ハンドルの移動に抵抗することを含む。

いくつかの態様では、本方法は、入力ハンドルがツールの閾値姿勢に対応する閾値位置に向かって移動することを示す入力ハンドルの位置を滑らせた後、ユーザインターフェースから第２の入力信号を受信することを含む。本方法は、第２の入力信号を受信することに応答して、ツールを閾値姿勢に維持することを含み得る。あるいは、本方法は、第２の制御信号を手術ロボットに送信して、入力ハンドルとツールの姿勢との間に画定されたトリムを用いて、ツールを所望の姿勢から離れて移動させることを含み得る。第２の制御信号を送信することは、入力ハンドルの第２の位置と入力ハンドルの第２の位置に対応するツールの所望の姿勢との間のオフセットに等しいトリムを含み得る。本方法は、入力ハンドルの移動をツールの姿勢に動的にスケール変更して、トリムが所定の値に到達するまで、入力ハンドルの位置とツールの姿勢との間のトリムを減少させることを含み得る。所定の値はゼロまたは非ゼロであり得る。

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、添付の図面を参照して以下により詳細に説明される。
例えば、本願は以下の項目を提供する。
（項目１）
ロボット手術システムのための衝突処理の方法であって、
手術ロボットの一部が障害物と衝突し、ツールを前記障害物に向かって移動させることに対応する方向に入力ハンドルが移動されるとき、前記ロボット手術システムの前記手術ロボットの前記ツールの姿勢に対して前記ロボット手術システムのユーザインターフェースの前記入力ハンドルを滑らせることであって、前記入力ハンドルが、前記入力ハンドルの滑りに応答して前記ツールの所望の姿勢に対してオフセットを有する、滑らせること、を含む、方法。
（項目２）
前記入力ハンドルを滑らせた後、前記手術ロボットの前記一部を前記障害物から離れて移動させる方向に前記入力ハンドルを移動させることをさらに含み、前記入力ハンドルが、前記ツールが前記障害物から離れる方向に移動する前に、前記オフセットに対応する距離を移動する、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記入力ハンドルの位置と前記ツールの姿勢との間のトリムを維持しながら、前記ツールが前記障害物から離れる方向に移動するように、前記入力ハンドルを滑らせた後、前記入力ハンドルを前記障害物から離れる方向に移動させることをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目４）
前記トリムが前記オフセットに等しい、項目３に記載の方法。
（項目５）
前記トリムが所定の値に到達するまで、前記オフセットに平行な方向に、前記ツールの前記姿勢に対する前記入力ハンドルの移動を動的にスケール変更することをさらに含む、項目３に記載の方法。
（項目６）
前記所定の値が非ゼロである、項目５に記載の方法。
（項目７）
前記手術ロボットが所定の力閾値に到達した後、前記ツールを所望の姿勢に向けて移動させた後に、前記ツールの前記姿勢に対して前記入力ハンドルを滑らせることが生じる、項目１に記載の方法。
（項目８）
前記ツールが前記所定の力閾値に到達したときの前記入力ハンドルの閾値位置と、前記入力ハンドルが前記閾値位置を超えて押し出された後の前記入力ハンドルの位置との間の前記オフセットを画定する、前記ロボット手術システムの処理ユニットをさらに含む、項目７に記載の方法。
（項目９）
前記ロボット手術システムが、臨床医に力フィードバックを提供して、前記閾値位置を超えて前記入力ハンドルの滑りに抵抗することをさらに含む、項目８に記載の方法。
（項目１０）
ロボット手術システムと前記ロボット手術システムの処理ユニットとの衝突処理の方法であって、
前記ロボット手術システムのユーザインターフェースから第１の入力信号を受信して、前記ロボット手術システムの手術ロボットのツールを前記ツールの所望の姿勢に移動させることと、
入力制御信号を前記手術ロボットに送信して、前記ツールを前記所望の姿勢に向けて移動させることと、
前記ツールを前記所望の姿勢に向けて移動させる力が所定の閾値よりも大きいというフィードバック信号を、前記手術ロボットから受信することと、
前記所定の閾値に到達したときに、前記ツールを閾値姿勢に維持することと、
前記閾値姿勢に対する前記入力ハンドルの位置を前記入力ハンドルの第２の位置に滑らせて、前記入力ハンドルの前記第２の位置と前記入力ハンドルの前記第２の位置に対応する前記ツールの所望の姿勢との間のオフセットを画定することと、を含む、方法。
（項目１１）
フィードバック制御信号を前記ユーザインターフェースに送信して、前記ツールの前記閾値姿勢に対応する閾値位置を超える前記入力ハンドルの移動に抵抗することをさらに含む、項目１０に記載の方法。
（項目１２）
前記入力ハンドルが前記ツールの前記閾値姿勢に対応する閾値位置に向かって移動することを示す前記入力ハンドルの前記位置を滑らせた後、前記ユーザインターフェースから第２の入力信号を受信することをさらに含む、項目１０に記載の方法。
（項目１３）
前記第２の入力信号を受信することに応答して、前記ツールを前記閾値姿勢に維持することをさらに含む、項目１２に記載の方法。
（項目１４）
第２の制御信号を前記手術ロボットに送信して、前記入力ハンドルと前記ツールの前記姿勢との間に画定されたトリムを用いて、前記ツールを前記所望の姿勢から離れて移動させることをさらに含む、項目１２に記載の方法。
（項目１５）
前記第２の制御信号を送信することが、前記入力ハンドルの前記第２の位置と前記入力ハンドルの前記第２の位置に対応する前記ツールの前記所望の姿勢との間の前記オフセットに等しいトリムを含む、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
前記入力ハンドルの移動を前記ツールの前記姿勢に動的にスケール変更して、前記トリムが所定の値に到達するまで、前記入力ハンドルの前記位置と前記ツールの前記姿勢との間の前記トリムを減少させることをさらに含む、項目１４に記載の方法。
（項目１７）
前記所定の値が非ゼロである、項目１６に記載の方法。

本開示の様々な態様を、本明細書に組み込まれ、その一部を構成する図面を参照して下で説明する。

本開示によるユーザインターフェースおよびロボットシステムの概略図である。 図１のユーザインターフェースの作業空間の平面図、概略図である。 図１のユーザインターフェースの表示装置の図であり、手術部位内の手術ロボットのツールを図示する。 本開示による衝突処理および衝突回復の方法のフローチャートである。 本開示による衝突処理および衝突回復の別の方法のフローチャートである。

ここで本開示の実施形態が図面を参照して詳細に記載され、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。本明細書に使用される際、「臨床医」という用語は、医師、看護師、または任意の他の医療提供者を指し、医療支援従事者を含み得る。この説明の全体を通して、「近位」という用語は、臨床医に最も近い装置またはその構成要素の一部分を指し、「遠位」という用語は、臨床医から最も遠い装置またはその構成要素の一部分を指す。加えて、本明細書で使用される「中立」という用語は、スケール変更なしを意味すると理解される。

本開示は、概して、ロボット手術システムのための衝突処理および衝突回復アルゴリズムまたは方法に関する。具体的には、衝突処理のために、ロボット手術システムの処理ユニットは、手術ロボットの一部が障害物と衝突したときに、ユーザインターフェースの入力ハンドルが、手術ロボットのツールの姿勢に対応する位置を超えて滑ることを可能にし得る。ツールの姿勢に対する入力ハンドルの滑りは、入力ハンドルの位置とツールの姿勢との間のオフセットを画定する。

衝突から回復するために、手術用ロボットが障害物と衝突したときにツールが姿勢から移動する前に、入力ハンドルがオフセット全体を通って移動し得る。あるいは、手術ロボットを障害物から離れて移動させるための入力ハンドルの任意の移動は、トリムが入力ハンドルの位置とツールの姿勢との間に画定されるように、手術ロボットを障害物から離れて移動させるものとする。トリムはオフセットに等しくてもよく、またはロボット手術システムは、臨床医が知覚できない様式でトリムを減少または除去するために手術ロボットの移動を動的にスケール変更し得る。

図１を参照すると、本開示によるロボット手術システム１は、概して、手術ロボット１０、処理ユニット３０、およびユーザインターフェース４０として示されている。手術ロボット１０は、概して、リンク機構１２およびロボットベース１８を含む。リンク機構１２は、組織に作用するように構成されたエンドエフェクタまたはツール２０を移動可能に支持する。リンク機構１２は、それぞれが、組織に作用するように構成されているエンドエフェクタまたはツール２０を支持する端部１４を有するアームの形態であり得る。さらに、リンク機構１２の端部１４は、手術部位「Ｓ」を撮像するための撮像装置１６を含むことができる。ユーザインターフェース４０は、処理ユニット３０を通してロボットベース１８と通信する。

ユーザインターフェース４０は、３次元画像を表示するように構成されている表示装置４４を含む。表示装置４４は、手術部位「Ｓ」の３次元画像を表示し、これは、リンク機構１２の端部１４に配置された撮像装置１６によって捕捉されたデータを含み、かつ／または手術現場の周りに配置された撮像装置（例えば、手術部位「Ｓ」内に配置された撮像装置、患者「Ｐ」に隣接して配置された撮像装置、撮像アーム５２の遠位端に配置された撮像装置５６）によって撮像されたデータを含み得る。撮像装置（例えば、撮像装置１６、５６）は、手術部位「Ｓ」の視覚画像、赤外線画像、超音波画像、Ｘ線画像、熱画像、および／または任意の他の既知のリアルタイム画像を捕捉してもよい。撮像装置は、キャプチャした撮像データを処理ユニット３０に送信し、処理ユニット３０は、撮像データからリアルタイムで手術部位「Ｓ」の３次元画像を作成し、その３次元画像を表示するために表示装置４４に送信する。

ユーザインターフェース４０はまた、臨床医が手術ロボット１０を操作する（例えば、アーム１２、リンク機構１２の端部１４、および／またはツール２０を移動させる）ことを可能にする制御アーム４３上に支持される入力ハンドル４２を含む。入力ハンドル４２のそれぞれは、処理ユニット３０と通信しており、そこに制御信号を送信し、そこからフィードバック信号を受信する。追加または代替として、入力ハンドル４２のそれぞれは、外科医が、リンク機構１２の端部１４で支持されているツール２０を操作（例えば、クランプ、把持、発射、開放、閉鎖、回転、スラスト、スライスなど）することを可能にする入力デバイス４６（図２）を含み得る。

図２をさらに参照すると、入力ハンドル４２のそれぞれは、手術部位「Ｓ」内で、リンク機構１２の端部１４（例えば、ツール２０（図１））を移動させるために、所定の作業空間を通して移動可能である。表示装置４４上の３次元画像は、入力ハンドル４２の移動により、表示装置４４上で見られるようにリンク機構１２の端部１４を移動させるように向けられている。入力ハンドル４２の移動が、３次元画像内のリンク機構１２の端部１４の移動に合わせてスケール変更されている間、３次元画像は静止したままである。３次元画像の向きを維持するために、入力ハンドル４２の運動学的マッピングは、リンク機構１２の端部１４の向きに対するカメラの向きに基づいている。表示装置４４上の３次元画像の向きは、患者「Ｐ」の上方からの視界に対して鏡映または回転させることができる。加えて、表示装置４４上の３次元画像のサイズは、臨床医が手術部位「Ｓ」内の構造をよりよく見ることができるように、手術部位の実際の構造よりも大きくまたは小さくスケール変更され得る。入力ハンドル４２が移動すると、ツール２０は、以下に詳述するように手術部位「Ｓ」内で移動する。ツール２０の移動は、ツール２０を支持するリンク機構１２の端部１４の移動も含むことができる。

ロボット手術システム１の構成および動作の詳細な考察については、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第８，８２８，０２３号を参照することができる。

ツール２０の移動は、入力ハンドル４２の移動に対してスケール変更される。入力ハンドル４２が所定の作業空間内で移動するとき、入力ハンドル４２は処理ユニット３０に入力信号を送る。処理ユニット３０は、入力信号を分析して、入力信号に応答してツール２０を移動させる。処理ユニット３０は、スケール変更された制御信号をロボットベース１８に送信して、入力ハンドル４２の移動に応答してツール２０を移動させる。処理ユニット３０は、入力_距離（例えば、入力ハンドル４２のうちの１つによって移動される距離）をスケール変更係数Ｓ_Ｆで除算することによって入力信号をスケール変更して、スケール変更された出力_距離（例えば、端部１４のうちの１つが移動する距離）に到達する。スケール変更係数Ｓ_Ｆは、約１～約１０の間の範囲にある（例えば、３）。このスケール変更は、次の式で表される。
出力_距離＝入力_距離／Ｓ_Ｆ
スケール変更係数Ｓ_Ｆが大きいほど、入力ハンドル４２の移動に対するツール２０の移動が小さくなることが理解されよう。

ツール２０の移動に対するＸ、Ｙ、Ｚ座標軸に沿った入力ハンドル４２のスケール変更移動の詳細な説明については、各々の開示の内容全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０１５年９月２１日に出願された共通所有された国際特許出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０５１１３０号、および２０１６年１月２０日に出願された国際特許出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１６／１４０３１を参照してもよい。

図１～３を参照すると、ロボット外科処置中に、臨床医は入力ハンドル４２とインターフェースして、手術部位「Ｓ」内のツール２０を操作する。ツール２０が手術部位「Ｓ」内で移動されると、臨床医は、表示装置４４上で手術部位「Ｓ」内でのツール２０の移動を視覚化することができる。

ツール２０を操作するために、臨床医は、第１の位置「Ｐ１」から破線で示される第２の位置「Ｐ２」まで入力ハンドル４２を移動させる（図２）。処理ユニット３０は、ユーザインターフェース４０から送られた入力信号を受信し、制御信号を手術ロボット１０に送信して、ツール２０を第１の姿勢から第２の姿勢に移動させる。例えば、入力ハンドル４２は、矢印「Ｍ１」によって示される方向に制御Ｘ軸に沿った距離だけ移動され、ツール２０は、第１の姿勢「Ｔ１」から第２の姿勢「Ｔ２」に向けてのツール２０の移動を表す矢印「Ｒ１」によって図示されるロボットのＸ軸に沿った方向に移動される。

ツール２０の第１の姿勢「Ｔ１」から第２の姿勢「Ｔ２」への移動中に、ツール２０は、手術部位「Ｓ」内の障害物、例えば、組織Ｔ、別のツール２０、器官、または他の手術器具と衝突し得る。ツール２０が障害物と衝突するとき、処理ユニット３０は手術ロボット１０からフィードバック信号を受信し、フィードバック制御信号をユーザインターフェース４０に送信する。フィードバック制御信号を受信することに応答して、ユーザインターフェースは、ツール２０が障害物と衝突することを示す力フィードバックを臨床医に提供する。例えば、臨床医は、矢印「Ｍ１」の方向への制御Ｘ軸に沿った継続的な移動に対する抵抗を感じ得る。

臨床医が力フィードバックを感じるとき、臨床医は、入力ハンドル４２を力フィードバックに逆らって（例えば、力フィードバックの方向と反対側の方向に）押し出し、矢印「Ｍ１」の方向に制御Ｘ軸に沿って入力ハンドル２０を移動させ続け得る。それに応答して、処理ユニット３０は、手術ロボット１０に制御信号を送り続け、矢印「Ｒ１」の方向にロボットのＸ軸に沿ってツール２０を移動させ、遂には、ロボットのＸ軸に沿ったツール２０の移動を継続するための手術ロボット１０の力は、所定の閾値を超える。所定の閾値は、手術ロボット１０の一部の撓みによって、または手術ロボット１０の１つ以上の関節でのトルクによって決定され得る。手術ロボット１０の力が所定の閾値を超えるとき、手術ロボット１０は、ロボットシステム１０の移動から入力ハンドル４２の移動を「クラッチ」し、手術ロボット１０、および／または衝突処理の任意の他の既知の手段の移動から、入力ハンドル４２の移動を縮小する。ツールの衝突、またはロボットシステムと障害物とのリンクを検出および処理するためのシステムならびに方法の詳細な考察については、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０１８年１月４日に出願された米国仮特許出願第６２／６１３，５４３号（「ＳＵＲＧＩＣＡＬ ＲＯＢＯＴ ＩＮＣＬＵＤＩＮＧ ＴＯＲＱＵＥ ＳＥＮＳＯＲＳ［弁理士整理番号Ｃ０００１４９７１．ＵＳＰ１（２０３－１１５２７）］と題された）を参照することができる。

特に図２を参照すると、ロボットのＸ軸に沿ってツール２０を移動させる力は、入力ハンドル４２が閾値位置「ＰＴ」に配置したときに所定の閾値に到達した。示されるように、入力ハンドル４２は、閾値位置「ＰＴ」を通って第２の位置「Ｐ２」まで押し出された。入力ハンドル４２が閾値位置「ＰＴ」と第２の位置「Ｐ２」との間で移動すると、ツール２０は、手術部位「Ｓ」内で実質的に静止し、例えば、ツール２０は、図３に示されるように第１の姿勢「Ｔ１」に残り、これによって、入力ハンドル４２は、ツール２０に対して「滑る」。ツール２０に対する入力ハンドル４２のこの「滑り」は、入力ハンドル４２の位置に基づくツール２０の所望の姿勢「Ｔ２」と、第１の姿勢「Ｔ１」に残るツール２０の実際の姿勢との間の位置の不一致をもたらす。

入力ハンドル４２が第２の位置「Ｐ２」にある状態で、手術ロボット１０は、ツール２０を第１の姿勢「Ｔ１」（所定の閾値に到達した姿勢）に維持し、遂には、入力ハンドル４２は、所定の閾値未満の力を必要とする方向に制御Ｘ軸に沿って移動して、ロボットのＸ軸に沿って、例えば、矢印「Ｒ１」と反対側の方向にツール２０を再配置する。

この位置の不一致は、外科処置中に手術部位「Ｓ」内でツール２０の望ましくない動きを引き起こす可能性がある。例えば、入力ハンドル４２が第２の位置「Ｐ２」にあるとき、所定の閾値力が障害物、例えば、組織「Ｔ」に向けられた状態で、ツール２０を第１の姿勢「Ｔ１」に維持することができる。これによって、ツール２０が障害物からそれ自体を解放する場合、ツール２０は、予期せずおよび／または望ましくない高速で所望の姿勢「Ｔ２」に向けて移動し得る。

図４を参照すると、障害物との衝突の場合にツール２０に対して入力ハンドル４２を滑らせる方法２００が開示されており、本開示による衝突回復の方法が、図１～３のロボット手術システム１を参照して開示されている。以下に詳述するように、ツール２０と患者の組織「Ｔ」との間の衝突が説明される。しかしながら、そのような衝突は、手術ロボット１０の任意の部分と障害物との間で起こり得る。例えば、手術ロボット１０のリンク機構１２と別のリンク機構１２との間に衝突が生じ得る。

最初に、臨床医は、入力ハンドル４２を制御Ｘ軸に沿って第２の位置「Ｐ２」に向けて第１の方向に移動させ、移動を示す入力信号を送信する（ステップ２１０）。処理ユニット３０は、入力信号を受信し（ステップ２４０）、入力制御信号を送信して、手術ロボット１０の所望の姿勢に向けてツール２０を移動させる（ステップ２４２）。手術ロボット１０は、制御信号を受信し、ツール２０、したがって手術ロボット１０を所望の姿勢「Ｔ２」に向けて移動させる（ステップ２６０）。

ツール２０が所望の姿勢「Ｔ２」に向けて移動すると、手術ロボット１０の一部、例えば、ツール２０は、組織「Ｔ」と衝突し得、これによって、手術ロボット１０は、手術ロボット１０を所望の姿勢「Ｔ２」に向けて移動させ続ける（ステップ２６２）ために、所定の閾値よりも大きい力を必要とするであろう。この姿勢は、閾値姿勢「Ｔ１」と定義される。所定の閾値に到達または所定の閾値を超えるとき、手術ロボット１０は処理ユニット３０にフィードバック信号を送信する。

処理ユニット３０は、手術ロボット１０からフィードバック信号を受信し（ステップ２４４）、手術ロボット１０に制御信号を送信して（ステップ２４６）、手術ロボットを閾値姿勢「Ｔ１」に維持する（ステップ２６４）。さらに、処理ユニット３０は、フィードバック制御信号をユーザインターフェース４０に送信する（ステップ２４６）。フィードバック制御信号に応答して、臨床医は、手術ロボット１０の閾値姿勢「Ｔ１」に対応する閾値位置「ＰＴ」を超えて入力ハンドルを移動すること対して力フィードバックを経験する（ステップ２１２）。

臨床医は、ユーザインターフェース４０の力フィードバックを通して第２の位置「Ｐ２」まで入力ハンドル４２を第１の方向に押し出し得る（ステップ２１４）。処理ユニット３０は、入力ハンドル４２の第１の方向への移動に応答して入力信号を受信し、手術ロボット１０の姿勢に対して入力ハンドル４２の位置を滑らせる（ステップ２４８）。入力ハンドル４２が閾値位置「ＰＴ」を超えて移動すると、入力ハンドル４２が閾値位置「ＰＴ」と第２の位置「Ｐ２」との間で「滑る」と、オフセットが制御Ｘ軸に沿って生成される。オフセットは、入力ハンドル４２の位置が手術ロボット１０の姿勢（例えば、閾値位置「ＰＴ」）および入力ハンドル４２の位置（例えば、第２の位置「Ｐ２」）に対応する点を超える入力ハンドル４２の移動を表す。

入力ハンドル４２が第２の位置「Ｐ２」にある状態で、入力ハンドル４２は、制御Ｘ軸に沿って、障害物から離れる第２の方向、例えば、矢印「Ｍ１」と反対側の方向に移動できる（ステップ２１６）。これによって、手術ロボット１０のツール２０がロボットのＸ軸に沿って矢印「Ｒ１」の反対側の方向に移動する前に、入力ハンドル４２は、第２の位置「Ｐ２」と閾値位置「ＰＴ」との間のオフセットに等しいデッドゾーンを通って移動する。一旦入力ハンドル４２が制御Ｘ軸に沿って閾値位置「ＰＴ」に戻ると、手術ロボット１０は、衝突から回復され、これによって、手術ロボット１０は、第２の方向の入力ハンドル４２の追加の移動に応答して、ツール２０をロボットＸ軸に沿って移動させる（ステップ２２０、２５４、２５６、２６６）。制御Ｘ軸に沿った閾値位置「ＰＴ」への入力ハンドル４２の移動は、抵抗、例えば、力フィードバックをほとんどまたは全く伴わずに許可され、一方、閾値位置「ＰＴ」から離れて制御Ｘ軸に沿った入力ハンドル４２の追加の移動は、追加の力フィードバックで抵抗されることになる。

さらに図５を参照すると、本開示による衝突回復の別の方法３００が開示されている。処理ユニット３０がオフセットを画定するために手術ロボット１０の閾値姿勢に対して入力ハンドル４２の位置を滑らせた（ステップ２４８）後、入力ハンドル４２は制御Ｘ軸に沿って第２の方向に移動する（ステップ３０２）。処理ユニット３０は、入力ハンドル４２の第２の方向への移動を示す入力信号を受信し（ステップ３５０）、第２の制御信号を手術ロボット１０に送信して、入力ハンドルと手術ロボットの姿勢との間のトリムを用いて、閾値姿勢「Ｔ２」から離れて移動する（ステップ３５２）。トリムは、閾値位置「ＰＴ」と第２の位置「Ｐ２」との間のオフセットに実質的に等しいことが理解されよう。手術ロボット１０は、第２の制御信号を受信し、閾値姿勢から離れて手術ロボット１０を移動させる（ステップ３６６）。ロボット手術システム１は、入力ハンドル４２の位置と手術ロボット１０の姿勢との間に維持されたトリムを用いた入力ハンドル４２の移動に応答して、手術ロボット１０を操作し続け得る。

あるいは、いくつかの実施形態では、ロボット手術システム１は、臨床医が知覚できない様式でトリムを減少または除去するために、入力ハンドル４２およびツール２０の移動を動的にスケール変更し得る。例えば、入力信号が処理ユニット３０に送信されるように、入力ハンドル４２を制御Ｘ軸に沿って第１および第２の方向に移動させることができる（ステップ３０４）。処理ユニット３０は、入力信号を受信し（ステップ３５４）、入力ハンドル４２の移動を動的にスケール変更して、入力ハンドル４２と手術ロボット１０の姿勢との間のトリムを減少する（ステップ３５６）。処理ユニット３０は、スケール変更された制御信号を手術ロボット１０に送信し（ステップ３５８）、これにより、スケール変更された制御信号に応答して手術ロボット１０を移動させる（ステップ３６８）。トリムは、所定の値に減少され得、ロボット手術システム１０は、入力ハンドル４２の移動に応答して手術ロボット１０を移動させ続け得る。特定の実施形態では、トリムの所定の値は非ゼロであり、他の実施形態では、トリムは、入力ハンドル４２の位置が手術ロボット１０の姿勢に対応するように、ゼロに減少させられる。

オフセットおよび／または動的スケール変更と共に機能して、オフセットを排除するロボット手術システムの詳細な考察については、２０１７年９月５日に出願された、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる、共通所有された米国仮特許出願第６２／５５４，２９２号（「ＲＯＢＯＴＩＣ ＳＵＲＧＩＣＡＬ ＳＹＳＴＥＭＳ ＷＩＴＨ ＲＯＬＬ，ＰＩＴＣＨ，ＡＮＤ ＹＡＷ ＲＥＡＬＩＧＮＭＥＮＴ ＩＮＣＬＵＤＩＮＧ ＴＲＩＭ ＡＮＤ ＦＬＩＰ ＡＬＧＯＲＩＴＨＭＳ」［弁理士整理番号Ｃ０００１４９７３．ＵＳＰ１（２０３－１１５２５）］と題された）を参照することができる。

ツール２０の姿勢に対する入力ハンドル４２の位置を滑らせることにより、手術部位「Ｓ」内でツール２０を移動させることなく、ユーザインターフェース４０の作業空間内で入力ハンドル４２を移動または再配置することができる。上記で詳述した衝突回復の方法、例えば、入力ハンドル４２をデッドゾーンを介して移動し、オフセットで動作し、動的にスケール変更して、オフセットを除去することにより、衝突後の手術ロボットのツール（例えば、ツール２０）の予測可能な移動が可能になる。そのような予測可能な移動は、手術結果を改善し、手術時間を短縮し、回復時間を短縮し、および／または手術のコストを削減し得る。

上記で詳述したように、ユーザインターフェース４０は、手術ロボット１０と動作可能に通信して、患者に外科処置を実行する。しかしながら、ユーザインターフェース４０は、シミュレートされた環境でロボットシステムおよび／またはツールを仮想的に作動させるために、手術シミュレータ（図示せず）と動作可能に通信し得ることが想定される。例えば、ロボット手術システム１は、ユーザインターフェース４０が結合されて手術ロボット１０を作動させる第１のモードと、ユーザインターフェース４０が手術シミュレータに結合されてロボットシステムを仮想的に作動させる第２のモードとを有し得る。手術シミュレータは、スタンドアロンユニットであっても、または処理ユニット３０内に組み込まれてもよい。手術シミュレータは、ユーザインターフェース４０を介して、視覚、聴覚、力、および／または触覚フィードバックを臨床医に提供することにより、ユーザインターフェース４０とインターフェースする臨床医に仮想的に応答する。例えば、臨床医が入力ハンドル４２とインターフェースすると、手術シミュレータは、組織に仮想的に作用する代表的なツールを移動させる。手術シミュレータは、臨床医が、患者に外科処置を行う前に、外科処置を実施することを可能にすることが想定される。加えて、手術シミュレータは、外科処置に関して臨床医を訓練するために使用することができる。さらに、手術シミュレータは、提案された外科処置中に、「複雑な状態」をシミュレーションして、臨床医が外科処置を計画することを可能にすることができる。

本開示のいくつかの実施形態が図面に示されているが、本開示は当該技術分野が許容する広い範囲として捉えられるべきであり、本明細書も同様に読み取られるべきと考えられるので、本開示はこれらの実施形態に限定されるものではないことが意図される。上記の実施形態の任意の組み合わせもまた想定され、これらは、添付の特許請求の範囲内である。したがって、上記の説明は、限定として解釈されるべきではなく、特定の実施形態の単なる例示として解釈されるべきである。当業者は本明細書に添付される特許請求の範囲内での他の修正を想定するであろう。

Claims (13)

1. 衝突処理のために構成されているロボット手術システムであって、前記ロボット手術システムは、
   ユーザインターフェースと、
   処理ユニットと、
   前記ユーザインターフェースの入力ハンドルであって、前記ロボット手術システムの手術ロボットの一部が障害物と衝突し、かつ、前記入力ハンドルが前記手術ロボットのツールを前記障害物に向かって移動させることに対応する方向に移動されるとき、前記入力ハンドルは、前記ツールの姿勢に対して滑らせられるように構成されており、前記入力ハンドルは、前記入力ハンドルを滑らせることに応答して前記ツールの所望の姿勢に対してオフセットを有する、入力ハンドルと
   を含み、
   前記入力ハンドルは、前記入力ハンドルを滑らせた後、前記手術ロボットの前記一部を前記障害物から離れて移動させる方向に移動されるようにさらに構成されており、前記入力ハンドルは、前記ツールが前記障害物から離れる方向に移動する前に、前記オフセットに対応する距離を移動し、
   前記処理ユニットは、前記ツールが所定の力閾値に到達したときの前記入力ハンドルの閾値位置と、前記入力ハンドルが前記閾値位置を超えて押し出された後の前記入力ハンドルの位置との間の前記オフセットを画定し、
   前記入力ハンドルが前記閾値位置を超えて押し出されたとき、前記処理ユニットは、前記入力ハンドルが前記オフセットを除去するために前記閾値位置に戻るように移動されるまで、前記入力ハンドルの移動にかかわらず、前記ツールを移動させないように構成されている、ロボット手術システム。
2. 前記入力ハンドルは、前記入力ハンドルの位置と前記ツールの姿勢との間のトリムを維持しながら、前記ツールが前記障害物から離れる方向に移動するように、前記入力ハンドルを滑らせた後、前記障害物から離れる方向に移動されるようにさらに構成されている、請求項１に記載のロボット手術システム。
3. 前記トリムは、前記オフセットに等しい、請求項２に記載のロボット手術システム。
4. 前記入力ハンドルは、前記トリムが所定の値に到達するまで前記オフセットに平行な方向に前記ツールの姿勢に対して動的にスケール変更する態様で移動するようにさらに構成されている、請求項２に記載のロボット手術システム。
5. 前記所定の値は、非ゼロである、請求項４に記載のロボット手術システム。
6. 前記入力ハンドルは、前記手術ロボットが前記所定の力閾値に到達した後、前記ツールを所望の姿勢に向けて移動させるために、前記ツールの姿勢に対して滑らせられるようにさらに構成されている、請求項１に記載のロボット手術システム。
7. 前記処理ユニットは、臨床医に力フィードバックを提供することにより、前記閾値位置を超えて前記入力ハンドルの滑りに抵抗するように構成されている、請求項１に記載のロボット手術システム。
8. 衝突処理のために構成されているロボット手術システムであって、前記ロボット手術システムは、処理ユニットを備え、前記処理ユニットは、
   前記ロボット手術システムのユーザインターフェースから第１の入力信号を受信することにより、前記ロボット手術システムの手術ロボットのツールを前記ツールの所望の姿勢に移動させることと、
   入力制御信号を前記手術ロボットに送信することにより、前記ツールを前記所望の姿勢に向けて移動させることと、
   前記ツールを前記所望の姿勢に向けて移動させる力が所定の閾値よりも大きいというフィードバック信号を前記手術ロボットから受信することと、
   前記所定の閾値に到達したときに、前記ツールを閾値姿勢に維持することと、
   前記閾値姿勢に対する前記入力ハンドルの位置を前記入力ハンドルの第２の位置に滑らせることにより、前記入力ハンドルの前記第２の位置と前記入力ハンドルの前記第２の位置に対応する前記ツールの所望の姿勢との間のオフセットを画定することと、
   第２の制御信号を前記手術ロボットに送信することにより、前記入力ハンドルと前記ツールの姿勢との間に画定されたトリムを用いて、前記ツールを前記所望の姿勢から離れて移動させることと、
   前記入力ハンドルの移動を前記ツールの前記所望の姿勢に動的にスケール変更することにより、前記トリムが所定の値に到達するまで前記入力ハンドルの位置と前記ツールの前記所望の姿勢との間の前記トリムを減少させることと
   を含むステップを実行するように構成されている、ロボット手術システム。
9. 前記処理ユニットは、フィードバック制御信号を前記ユーザインターフェースに送信することにより、前記ツールの前記閾値姿勢に対応する閾値位置を超える前記入力ハンドルの移動に抵抗するステップを実行するように構成されている、請求項８に記載のロボット手術システム。
10. 前記処理ユニットは、前記入力ハンドルが前記ツールの前記閾値姿勢に対応する閾値位置に向かって移動することを示す前記入力ハンドルの位置を滑らせた後、前記ユーザインターフェースから第２の入力信号を受信するステップを実行するようにさらに構成されている、請求項８に記載のロボット手術システム。
11. 前記処理ユニットは、前記第２の入力信号を受信することに応答して、前記ツールを前記閾値姿勢に維持するステップを実行するようにさらに構成されている、請求項１０に記載のロボット手術システム。
12. 前記第２の制御信号を送信することは、前記入力ハンドルの前記第２の位置と前記入力ハンドルの前記第２の位置に対応する前記ツールの前記所望の姿勢との間の前記オフセットに等しいトリムを含む、請求項９に記載のロボット手術システム。
13. 前記所定の値は、非ゼロである、請求項９に記載のロボット手術システム。

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