(57)【要約】      （修正有）【課題】手術台の位置特定及び手術台の姿勢を推定するための方法及びシステムを提供する。【解決手段】マニピュレータアセンブリ２６及び独立して位置付け可能な手術台１４を位置合わせするための方法は、マニピュレータアセンブリに関連したセンサを用いて、手術台上の基準マーカーを読み取るステップと、共通の基準フレームに対してマニピュレータアセンブリ及び手術台の位置を特定するステップと、を含む。方法は、マニピュレータアセンブリと手術台との間の協調運動に使用するためのマニピュレータアセンブリに対する手術台の３Ｄ姿勢を推定するために、手術台の３Ｄ構成を２Ｄ基準フレームに変換するステップをさらに含み得る。【選択図】図１
2020163153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
手術台の姿勢を推定する方法であって、当該方法は、
前記手術台に隣接するマニピュレータアセンブリに関連したカメラを用いて、前記手術台のベース上の１つ又は複数の基準マーカーを読み取るステップであって、前記手術台は、支持面を有する基板と、該基板を支持する支持構造体とをさらに含み、前記支持構造体は、前記支持面が１つ又は複数の自由度（ＤＯＦ）に沿って位置付け可能になるように移動可能である、読み取るステップを含み、
前記１つ又は複数の基準マーカーを読み取るステップは、外科的処置の前に前記１つ又は複数の基準マーカーのうちの少なくとも１つを読み取るステップを含む、
方法。
【請求項２】
前記１つ又は複数の基準マーカーは、前記手術台上の固定位置に配置され、
好ましくは、当該方法は、
前記１つ又は複数の基準マーカーを前記手術台に貼り付けるステップ、及び／又は前記１つ又は複数の基準マーカーを前記手術台に対して選択位置に特定の向きで前記手術台に形成するステップをさらに含み、
好ましくは、前記１つ又は複数の基準マーカーを前記手術台に形成するステップは、前記１つ又は複数の基準マーカーを手術台にエッチング、彫刻、及び／又はエンボス加工を行うステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記１つ又は複数の基準マーカーの読み取りに基づいて、共通面上で前記マニピュレータアセンブリに対する前記手術台の位置を特定するステップをさらに含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記共通面は、前記手術台及び前記マニピュレータアセンブリが配置される接地面である、又は、
当該方法は、
前記手術台の６ＤＯＦの３Ｄ姿勢を前記共通面上の３ＤＯＦの２Ｄ姿勢に変換するステップ、又は
前記共通面上の前記マニピュレータアセンブリに対する前記手術台の位置特定に基づいて、前記マニピュレータアセンブリに対する前記手術台の３Ｄ姿勢を推定するステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記１つ又は複数の基準マーカーは前記手術台の複数の位置に配置され、前記１つ又は複数の基準マーカーを読み取るステップは、前記１つ又は複数の基準マーカーのうちの少なくとも１つを読み取るステップを含み、
好ましくは、前記１つ又は複数の基準マーカーを読み取るステップは、前記１つ又は複数の基準マーカーのうちの単一の基準マーカーを読み取るステップを含み、前記手術台の位置特定は、前記単一の基準マーカーの読み取りに基づく、又は
当該方法は、
前記１つ又は複数の基準マーカーの初期読み取り及び該初期読み取りに基づく位置特定に続いて、前記１つ又は複数の基準マーカーのうちの少なくとも１つを読み取るステップと、
初期の位置特定を更新及び／又は検証するために、前記１つ又は複数の基準マーカーの後続の読み取りに基づいて、前記マニピュレータアセンブリに対する前記手術台の位置を前記共通面上で特定するステップとをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記カメラを用いて取得した視覚画像内の前記手術台の位置を抽出するステップと、
前記カメラのカメラビューに対する前記手術台の表現又は表示を提供するステップと、をさらに含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記１つ又は複数の基準マーカーの読み取りに基づいて、前記手術台の型式、モデル、又は製造元を特定するステップをさらに含み、
好ましくは、当該方法は、前記手術台と前記マニピュレータアセンブリとの間の互換性の態様をチェックするステップ、及び／又は前記マニピュレータアセンブリを前記手術台と一緒に使用するための使用許可を与えるステップをさらに含む、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
遠隔手術システムであって、当該システムは、
マニピュレータアセンブリと、
該マニピュレータアセンブリに近接して配置された手術台であって、該手術台は、前記手術台のベースに１つ又は複数の基準マーカーを有しており、前記手術台は、支持面を有する基板と、該基板を支持する支持構造体とをさらに含み、該支持構造体は、前記支持面が１つ又は複数の自由度（ＤＯＦ）に沿って位置付け可能になるように移動可能である、１つ又は複数の基準マーカーと、
前記手術台が前記マニピュレータアセンブリに近接した範囲内に位置付けされているときに、前記手術台の前記１つ又は複数の基準マーカーを読み取るように構成されたカメラと、
該カメラを使用して前記１つ又は複数の基準マーカーを読み取るように構成されたプロセッサと、を含む、
システム。
【請求項９】
前記１つ又は複数の基準マーカーは、バーコード、ＲＦＩＤタグ、ライト、又はこれらの任意の組合せを含む、又は
前記１つ又は複数の基準マーカーは、前記手術台の選択部分に固定して取り付けられ、及び／又は形成される、又は
前記１つ又は複数の基準マーカーは、選択部分及び選択位置で、前記手術台に対して特定の向きで固定して取り付け及び／又は形成されており、接地面に対する前記手術台の姿勢は、前記１つ又は複数の基準マーカーのうちの少なくとも１つを読み取ることから決定可能である、又は
前記１つ又は複数の基準マーカーは、前記手術台のベースの周りに及び／又は前記手術台の手術台上面の縁部又は側面に沿って延びる１つ又は複数の２Ｄバーコードを含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記プロセッサは、前記１つ又は複数の基準マーカーの読み取りに基づいて、共通面上で前記マニピュレータアセンブリに対する前記手術台の位置を特定するようにさらに構成される、請求項８又は９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記手術台は、６ＤＯＦに沿って位置付け可能であり、及び
前記プロセッサは、前記手術台の６ＤＯＦの３Ｄ姿勢を前記共通面上の３ＤＯＦの２Ｄ姿勢に変換するようにさらに構成される、又は
前記プロセッサは、前記マニピュレータアセンブリに対する前記手術台の前記ベースの前記共通面上での位置特定に基づいて、前記マニピュレータアセンブリに対する前記手術台の３Ｄ姿勢を推定するようにさらに構成される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記プロセッサは、
前記カメラを用いて取得した視覚画像内の前記手術台の位置を抽出し、
前記カメラのカメラビューに対する前記手術台の表現又は表示を提供するようにさらに構成される、請求項１０又は１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記プロセッサは、前記１つ又は複数の基準マーカーの読み取りに基づいて、前記手術台の型式、モデル、又は製造元を特定するようにさらに構成され、
好ましくは、前記プロセッサは、前記手術台と前記マニピュレータアセンブリとの間の互換性の態様をチェックし、及び／又は前記マニピュレータアセンブリを前記手術台と一緒に使用するための使用許可を与えるようにさらに構成される、請求項８乃至１２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１４】
手術台であって、当該手術台は、
ベースと、
患者支持面を有する基板と、
該基板を支持する支持構造体であって、該支持構造体は、前記患者支持面が１つ又は複数のＤＯＦに沿って位置付け可能になるように移動可能である、支持構造体と、
前記手術台の前記ベースに選択位置及び／又は選択向きで配置された１つ又は複数の基準マーカーであって、該１つ又は複数の基準マーカーは、前記手術台が位置付けされ、且つマニピュレータアセンブリを有する遠隔手術システムと通信可能に結合されているときに、カメラを使用して読み取り可能である、１つ又は複数の基準マーカーと、を有する、
手術台。
【請求項１５】
前記選択位置及び／又は選択向きは、前記手術台の姿勢が、前記１つ又は複数の基準マーカーのうちの少なくとも１つを読み取ることによって判定可能であるように、予め決定される、又は
前記支持構造体は、前記基板が６自由度に沿って位置付け可能であるように構成される、又は
前記１つ又は複数の基準マーカーは、前記手術台の周りに延びる一連の２Ｄバーコードを含む、請求項１４に記載の手術台。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基準マーカーを用いたテーブル姿勢追跡のための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本願は、２０１４年３月１７日に出願された米国仮特許出願第６１／９５４，５５９号について優先権を主張するものであり、この文献の全体の内容は、全ての目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
【０００３】
本願は、２０１４年３月１７日に出願された”Methods  and  Devices  for  Tele-Surgical  Table  Registration”という標題の米国仮特許出願第６１／９５４，５３８号（代理人整理番号：ＩＳＲＧ０５５５０ＰＲＯＶ／ＵＳ）に関連しており、この文献は、全ての目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００４】
最小侵襲性医療技術は、診断的処置又は外科的処置中に損傷を受ける無関係な組織の量を減らし、それによって患者の回復時間、不快感、及び有害な副作用を低減させることを意図している。最小侵襲性手術の１つの効果は、例えば、手術後の入院回復期間を減少させることである。標準的な手術についての平均入院日数が、典型的には、同様の最小侵襲性手術についての平均日数より大幅に長いため、最小侵襲性技術の使用を増大させることによって、毎年数百万ドルの病院コストを節約することができる。米国で毎年行われる手術の多くは、潜在的には最小侵襲的な方法で行うことができるが、最小侵襲性手術用器具の制限及びそれら手術用器具を習得することに関する更なる外科的訓練によって、現在の手術の一部のみしか、これらの有利な技術を使用していない。
【０００５】
最小侵襲性手術システム又は遠隔手術システムが、外科医の器用さを向上させ、且つ従来の最小侵襲性技術のいくつかの制限を回避するために開発されてきた。遠隔手術では、外科医は、手で器具を直接的に保持して移動させるのではなく、いくつかの形態の遠隔制御（例えば、サーボ機構等）を使用して手術用器具の動きを操縦する。遠隔手術システムでは、手術ワークステーションにおいて手術部位の画像を外科医に提供することができる。ディスプレイ上で手術部位の２次元又は３次元画像を見ながら、外科医は、マスター制御装置を操縦し、次にサーボによって機械的に作動される器具の動作を制御することによって、患者に外科的処置を行う。
【０００６】
遠隔手術に使用されるサーボ機構は、大抵の場合、２つのマスター制御装置（外科医の各手に１つ）からの入力を受け付け、及び２つ以上の遠隔手術用アームを含むことができ、各手術用アームには、手術用器具が取り付けられている。マスター制御装置と、関連するマニピュレータアームと、器具アセンブリとの間の通信動作は、典型的には、制御システムを介して達成される。制御システムは、典型的には、例えば力フィードバック等のケースでは、入力コマンドを、マスター制御装置から関連するマニピュレータアーム及び器具アセンブリに、及び逆に器具アセンブリ及びアームアセンブリから関連するマスター制御装置に中継する少なくとも１つのプロセッサを含む。遠隔手術システムの一例は、カリフォルニア州サニーベールのIntuitive  Surgical,  Inc.から入手可能なDA  VINCI（登録商標）システムである。
【０００７】
様々な構造的配置を使用して、遠隔手術中に手術用器具を手術部位に支持することができる。被駆動リンク機構又は「スレーブ」は、大抵の場合、遠隔手術用マニピュレータと呼ばれ、最小侵襲性遠隔手術中に遠隔手術用マニピュレータとして使用される例示的なリンク機構の構成が、米国特許第７，５９４，９１２号、第６，７５８，８４３号、第６，２４６，２００号、及び第５，８００，４２３号に記載されており、これらの文献の完全な開示は、参照により本明細書に組み込まれる。これらのリンク機構は、大抵の場合、シャフトを有する器具を保持するために、平行四辺形配置を利用する。このようなマニピュレータ構造は、器具が、剛体シャフトの長さに沿って空間に位置付けされた操縦の遠隔中心の回りに旋回するように、器具の動きを拘束することができる。（例えば、腹腔鏡手術中に腹壁でトロカール又はカニューレを用いて）操縦の遠隔中心を内部手術部位に対する切開点に位置合せすることにより、手術用器具のエンドエフェクタは、腹壁に対して潜在的に危険な力を与えることなく、マニピュレータのリンク機構を使用してシャフトの基端部を移動させることにより、安全に位置付けすることができる。代替のマニピュレータ構造は、例えば、米国特許第７，７６３，０１５号、第６，７０２，８０５号、第６，６７６，６６９号、第５，８５５，５８３号、第５，８０８，６６５号、第５，４４５，１６６号、及び第５，１８４，６０１号に記載されており、これらの文献の完全な開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００８】
様々な構造的配置を使用して、遠隔手術中に遠隔手術用マニピュレータ及び手術用器具を手術部位に支持し且つ位置付けすることもができる。時にはセットアップ関節、又はセットアップ関節アームと呼ばれる支持リンク機構は、大抵の場合、各マニピュレータと患者の身体のそれぞれの切開点とを位置付け及び位置合わせするために使用される。支持リンク機構は、手術用マニピュレータと、所望の外科切開点及び標的となる解剖学的構造との位置合せを容易にする。例示的な支持リンク機構が、米国特許第６，２４６，２００号、及び第６，７８８，０１８号に記載されており、これらの文献の完全な開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このような新しい遠隔手術システム及び装置が、高度に機動性を有するマニピュレータ同士の間の広範な構成及び協調運動を提供し、非常に有効であり且つ有利であることが判明しているが、それは、手術環境でこのような動きの位置を特定するのに課題を有することが判明している。従って、更なる改良が望まれている。これらの改良された技術が遠隔手術システムの効率性及び使用の容易さを向上させた場合には特に有益になるだろう。例えば、操縦性を向上させる、手術室の空間利用率を高める、迅速且つ容易なセットアップを提供する、使用中にマニピュレータの衝突を抑制する、及び／又はこれらの新しい手術システムの機械的な複雑性及びサイズを低減することは、特に有益になるだろう。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の基本的な理解を提供するために、以下に、本発明のいくつかの実施形態の簡略的な概要を提示する。この概要は、本発明の広範な概要ではない。それは、本発明の主要な／重要な要素を特定する、又は本発明の範囲を線引きすることを意図していない。その唯一の目的は、以降に提示されるより詳細な説明の前置きとして、簡略化した形態で本発明のいくつかの実施形態を提示することである。
【００１１】
本発明は、概して、改良された遠隔手術装置、システム、及び方法、具体的には手術台の位置特定及び手術台の姿勢を推定するための方法及びシステムを提供する。遠隔手術システムは、最小侵襲性外科的処置を患者に行う際に特に有益であるような運動学的なリンク構造及び関連する制御システムを含む。このような処置は、大抵の場合、複数のマニピュレータの間で相互に関連した運動及び協調運動を利用しており、各マニピュレータは、高度に構成可能であり、手術環境内で指定されたエンドエフェクタの位置についての代替構成の範囲を有する。様々な理由のために、特定の処置について患者を特定の位置及び／又は向きで位置付けすることが望ましいことがある。また、いくつかの処置では、処置中に患者の位置及び／又は向きを変更することがさらに望ましいことがある。例えば、特定の患者の位置及び／又は向きは、手術作業空間内の特定の領域にアクセスする際に特に有用である、又は様々な生理学的な理由のために、処置中に患者を特定の位置合せ（例えば、１つ又は複数の軸線に沿って傾斜させる）で配置することが望ましいことがある。多くの遠隔手術システムは、マニピュレータシステムとは分離され、且つ大抵の場合、複数の自由度に沿って独立して位置付け可能である手術台を利用しているため、手術台の様々な位置は、特に複数のマニピュレータ有するシステムでの遠隔手術用マニピュレータの操作中に、特定の課題を提示し得る。従って、このようなマニピュレータシステムが、手術台をマニピュレータアセンブリと一緒に「位置を特定(localize)」し、それによって手術台とマニピュレータアセンブリとの間の空間的関係を決定し、且つ手術用マニピュレータの運動を計算する際に利用することができるような、手段を有するのは望ましい。一態様では、このような位置特定を、マニピュレータアセンブリと手術台との間の直接的な接触無しに、達成できる場合に、それは望ましい。
【００１２】
一態様では、本発明は、１つ又は複数の基準マーカーを使用して手術台の位置を特定する方法を提供する。位置特定の方法は、手術台上に配置された２Ｄバーコード等の１つ又は複数の基準マーカーを読み取るステップと；手術台の３Ｄ姿勢をマニピュレータアセンブリに共通の２Ｄ基準フレームに変換するステップと；手術台とマニピュレータアセンブリとの間の空間的関係を決定するステップと；を含む。このような方法は、マニピュレータアセンブリのベース内に配置された光学式センサやカメラ等のセンサを利用することができ、それによって、手術台を（マニピュレータアセンブリに）近接して位置付けしたときに、接地面に関して、手術台をマニピュレータアセンブリに対して位置を特定することができ、手術台の姿勢とマニピュレータアセンブリとの間の空間的関係を決定することができる。このような姿勢推定は、例えば、心拍や呼吸等の患者の動きを補償するための、又は重力によって処置中に患者の特定の臓器の移動を容易にするための手術台の制御された動きにおいて、マニピュレータ及び手術台の協調運動に利用することができるので、これは有利である。
【００１３】
一態様では、手術台の姿勢を推定する方法は、手術台に隣接するマニピュレータアセンブリに関連したカメラを用いて、手術台のベース上の１つ又は複数の基準マーカーを読み取るステップと；１つ又は複数のマーカーの読み取りに基づいて、マニピュレータアセンブリに対する手術台を共通面上で位置を特定するステップと；を含む。１つ又は複数の基準マーカーは、典型的には、手術台に対する既知の及び／又は予め決定された位置及び／又は向きで、手術台の様々な固定位置に配置される。方法は、１つ又は複数のマーカーを手術台に貼り付けるステップ、及び／又は１つ又は複数のマーカーを、手術台に対して特定の向きで手術台の選択位置に形成するステップを含むことができる。１つ又は複数のマーカーを手術台に形成するステップは、１つ又は複数のマーカーを手術台にエッチング、彫刻、及び／又はエンボス加工を行うステップを含むことができる。
【００１４】
いくつかの実施形態では、１つ又は複数のマーカーを読み取るステップは、患者が手術台上に支持されている間の外科的処置前及び／又は外科的処置中に、１つ又は複数のマーカーのうちの少なくとも１つを読み取るステップを含む。一態様では、共通面は、手術台及びマニピュレータアセンブリが配置される接地面である。多くの実施形態では、手術台は、１つ又は複数の自由度（DOF）に沿って位置付け可能である。
【００１５】
いくつかの態様では、方法は、位置付け可能な手術台の６自由度の３Ｄ姿勢を、共通面上で３自由度の２Ｄ姿勢に変換するステップと；マニピュレータアセンブリに対する手術台のベースの共通面上での位置特定に基づいて、マニピュレータアセンブリに対する手術台の３Ｄ姿勢を推定するステップと；を含む。いくつかの実施形態では、方法は、カメラを用いて取得した可視化画像内の手術台の位置を抽出するステップと；カメラのカメラビューに対する手術台の表現又は表示を提供するステップと；を含むことができる。
【００１６】
別の態様では、方法は、１つ又は複数のマーカーを読み取るステップと；マーカーの読み取りに基づいて、手術台の型式、モデル、又は製造元を特定するステップと；を含むことができる。次に、手術台とマニピュレータアセンブリとの間の互換性をチェックするステップ、及び／又はマニピュレータアセンブリを手術台と一緒に使用するための使用許可を与えるステップを含むことができる。
【００１７】
いくつかの実施形態では、１つ又は複数のマーカーは、手術台の複数の位置に配置された複数のマーカーであり、１つ又は複数のマーカーを読み取るステップは、１つ又は複数のマーカーのうちの少なくとも１つを読み取るステップを含む。一態様では、１つ又は複数のマーカーを読み取るステップは、１つ又は複数のマーカーのうちの単一のマーカーを読み取るステップを含み、及び手術台の位置特定は、単一のマーカーの読み取りに基づいている。
【００１８】
別の態様では、方法は、１つ又は複数のマーカーの初期読み取り及び初期読み取りに基づいた位置特定の後に、１つ又は複数のマーカーのうちの少なくとも１つを読み取るステップと；初期の位置特定を更新及び／又は検証するために、１つ又は複数のマーカーの後続の読み取りに基づいて、マニピュレータアセンブリに対する手術台の位置を共通面上で特定するステップと；を含む。
【００１９】
一態様では、本発明は、遠隔手術システムを提供し、このシステムは、マニピュレータアセンブリと；マニピュレータアセンブリに近接して配置された手術台であって、１つ又は複数の基準マーカーを有する手術台と；手術台をマニピュレータアセンブリに極近接して位置付けしたときに、手術台の１つ又は複数のマーカーを読み取るように構成されるセンサと、を含む。いくつかの実施形態では、手術台は、１つ又は複数の自由度に沿って位置付け可能である。センサは、マニピュレータアセンブリに関連したカメラを含むことができる。いくつかの実施形態では、１つ又は複数の基準マーカーは、バーコード、ＲＦＩＤタグ、ライト(light)、又はこれらの任意の組合せを含むことができる。１つ又は複数のマーカーは、手術台の選択部分に固定して取り付け及び／又は形成することができる。一態様では、１つのマーカーは、手術台に対して特定の向きで選択部分及び選択位置に固定して取り付けられ及び／又は形成されており、それによって接地面に対する手術台の姿勢は、１つ又は複数のマーカーのうちの少なくとも１つの読み取りによって決定可能である。いくつかの実施形態では、１つ又は複数の基準マーカーは、手術台のベースの周りに及び／又は手術台の手術台上面の縁部又は側部に沿って延びる１つ又は複数の２Ｄバーコードを含む。
【００２０】
別の態様では、システムは、手術台に隣接するマニピュレータアセンブリに関連したカメラを用いて、手術台のベース上の１つ又は複数のマーカーを読み取り；１つ又は複数のマーカーの読み取りに基づいて、マニピュレータアセンブリに対する手術台の位置を共通面上で特定するように構成されたプロセッサを含む。いくつかの実施形態では、手術台は、６つの自由度に沿って位置付け可能であり、プロセッサは、位置付け可能な手術台の６自由度の３Ｄ姿勢を、共通面上で３自由度の２Ｄ姿勢に変換する、ようにさらに構成される。プロセッサは、共通面上でのマニピュレータアセンブリに対する手術台のベースの位置特定に基づいて、マニピュレータアセンブリに対する手術台の３Ｄ姿勢を推定するようにさらに構成することができる。いくつかの実施形態では、プロセッサは、センサを用いて取得した可視化画像内の手術台の位置を抽出し、カメラのカメラビューに対する手術台の表現又は表示を提供する、ようにさらに構成される。いくつかの実施形態では、プロセッサは、マーカーの読み取りに基づいて、手術台の型式、モデル、又は製造元を特定する、ようにさらに構成される。プロセッサは、手術台とマニピュレータアセンブリとの間の互換性の態様をチェックし、及び／又はそのような特定に基づいて、マニピュレータアセンブリを手術台と一緒に使用するための使用許可を与えるように構成することができる。
【００２１】
別の態様では、本発明は、テーブル、典型的には、遠隔手術システムで使用するための手術台を提供する。いくつかの実施形態では、テーブルは、患者支持面を有する基板と；基板を支持する支持構造体であって、患者支持面を１つ又は複数の自由度に沿って位置付け可能にするように、移動可能である支持構造体と；１つ又は複数のマーカーを読み取ることにより、接地面に対する手術台の姿勢を決定可能にするような選択位置及び／又は選択向きで手術台に配置された１つ又は複数の基準マーカーと；を含む。１つ又は複数のマーカーは、基板及び／又は手術台のベースの外縁又は側部に沿って配置された複数のマーカーを含むことができる。いくつかの実施形態では、１つ又は複数のマーカーは、選択位置に配置され、及び／又は向きは、テーブルの姿勢を１つ又は複数のマーカーのうちの少なくとも１つの読み取りによって決定可能にするように、予め決定される。一態様では、支持構造体は、テーブル基板を複数の自由度、例えば６つの自由度に沿って位置付け可能にするように構成され、及び１つ又は複数のマーカーは、手術台の周りに延びる一連の２Ｄバーコードを含むことができる。
【００２２】
いくつかの実施形態では、手術台は、手術台をマニピュレータアセンブリを有する遠隔手術システムと一緒に位置付けし且つ通信可能に結合したときに、手術台の１つ又は複数のマーカーを読み取るように構成されたセンサを含む。他の実施形態では、センサは、マニピュレータアセンブリ等の、手術台の外部の別の装置に関連付けられる。センサは、共通基準に対して１つ又は複数のマーカーのうちの少なくとも１つの位置を特定するのに適したカメラ、ＲＦＩＤ検出器、エコー位置検出器、磁気センサ、レーザ検出器、又は他のセンサ等の感光性検出器であってもよい。
【００２３】
本発明の特性及び利点をより完全に理解するために、以下の詳細な説明及び添付の図面に対して参照を行うべきである。本発明の他の態様、目的、及び利点は、図面、及び以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】多くの実施形態に係る手術を行うために使用される最小侵襲性遠隔手術システムの平面図である。
【図２】多くの実施形態に係る遠隔手術システムの外科医制御コンソールの斜視図である。
【図３】多くの実施形態に係る遠隔手術システムの電子機器カートの斜視図である。
【図４】多くの実施形態に係る遠隔手術システムの模式図である。
【図５Ａ】多くの実施形態に係る遠隔手術システムの患者側カート（手術用ロボット）の部分図である。
【図５Ｂ】多くの実施形態に係る遠隔手術用ツールの正面図である。
【図６】多くの実施形態に係る遠隔手術システムの概略斜視図である。
【図７】多くの実施形態に係る別の遠隔手術システムの概略斜視図である。
【図８】図７の概略図に一致する、多くの実施形態に係る遠隔手術システムを示す図である。
【図９】図８の遠隔手術システムの向き合せプラットフォームに対するセットアップ・リンク機構の回転方向の制限を示す図である。
【図１０】多くの実施形態に係る遠隔手術システムのブームアセンブリの回転制限に関連した重心図である。
【図１１Ａ】本発明の態様による、位置特定カメラを有する例示的なマニピュレータアセンブリと、基準マーカーを有する位置付け可能な手術台とを示す図である。
【図１１Ｂ】本発明の態様による、例示的なマニピュレータアセンブリと、手術台の上に貼り付けられたドレープを含む位置付け可能な手術台とを示す図である。
【図１２】６つの自由度に沿って位置付け可能な例示的な手術台を示す図である。
【図１３Ａ】６つの自由度に沿って位置付け可能な例示的な手術台を示す図である。
【図１３Ｂ】６つの自由度に沿って位置付け可能な例示的な手術台を示す図である。
【図１３Ｃ】６つの自由度に沿って位置付け可能な例示的な手術台を示す図である。
【図１４Ａ】本発明の態様による基準マーカーを含むベースを有する例示的な手術台を示す図である。
【図１４Ｂ】本発明の態様による基準マーカーを含むベースを有する例示的な手術台を示す図である。
【図１５】図１４Ｂに示した基準マーカーの詳細例を示す図である。
【図１６】本発明の態様による基準マーカーを有する対象物をセンサを用いて位置特定する概略図である。
【図１７】本発明の態様によるマニピュレータアセンブリの基端側ベース内の基準マーカーを読み取るカメラセンサの図である。
【図１８Ａ】本発明の態様による、基準マーカーの読み取りに基づいて光学的な姿勢推定を実証するプロット図である。
【図１８Ｂ】本発明の態様による、基準マーカーの読み取りに基づいて光学的な姿勢推定を実証するプロット図である。
【図１９Ａ】本発明の態様による姿勢推定方法の精度を示すプロット図である。
【図１９Ｂ】本発明の態様による姿勢推定方法の精度を示すプロット図である。
【図２０】本発明の態様による基準マーカーの読み取りのための設定画像パラメータがセンサとの距離によって変動する依存性を示す概略図である。
【図２１】本発明の態様による姿勢推定の積算を示す概略図である。
【図２２】本発明の態様による姿勢推定の積算を示す概略図である。
【図２３】本発明の態様による例示的な方法の概略図である。
【図２４】本発明の態様による例示的な方法の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下の詳細な説明において、本発明の様々な実施形態について説明する。説明目的のために、実施形態の完全な理解を提供するために、特定の構成及び詳細について記載する。しかしながら、特定の詳細無しに本発明を実施できることは、当業者には明らかであろう。また、周知の特徴は、記述されている実施形態を不明瞭にしないために、省略又は簡略化され得る。
【００２６】
本明細書に記載の運動学的リンク構造及び制御システムは、システムユーザが遠隔手術用マニピュレータ構造を特定の患者に配置するのを支援する際に特に有益である。治療中に組織等と相互作用するために使用され、能動的に駆動されるマニピュレータと連動して、遠隔手術システムは、マニピュレータ構造を手術作業部位に支持し且つ位置合せするのを補助するように構成された１つ又は複数の運動学的リンクシステムを有することができる。これら運動学的システムの高度の設定機能は多くの利点及び高度な機能を提供するが、特に手術台がマニピュレータアセンブリとは別に位置付け可能とされるときに、手術台等の別個の構成要素に対するマニピュレータアセンブリのマニピュレータ機構の位置を特定することは困難である。大抵の場合、手術の準備段階で又は手術中に患者を様々な向き又は位置合せで位置付けするのが有用であるので、初期設定中又は処置中のいずれかでマニピュレータアセンブリを手術台に対して位置特定することができれば、それは望ましいことであり、それによって、マニピュレータアセンブリに対する手術台の位置及び／又は向きを決定し、潜在的に、計算されたマニピュレータの動き又は手術台の移動（自動駆動型又はユーザ駆動型のいずれか）に利用することができる。このような位置特定及び姿勢推定方法によって、関連出願に記載の、様々なゼロ空間運動及び衝突回避運動を含むがこれらに限定されないマニピュレータの様々な計算された運動の更なる利用を可能にし、さらに、任意のマニピュレータ又はマニピュレータアセンブリの関連する構成要素に対する手術台の位置及び／又は向きを決定するために使用することができる。また、姿勢推定は、２０１３年１２月１０日に出願された、”Collision  Avoidance  During  Controlled  Movement  of  Image  Capturing  Device  and  Manipulatable  Device  Movable  Arms”という標題の米国特許出願第１４／１０１，７６９号に記載のもののいずれか等の他の様々な特徴に応じて使用することができ、この文献は、全ての目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれ、又は参考文献のいずれかが参照により組み込まれる。本明細書に記載のシステム、装置、及び方法は、これらの特定の手術システムに適用されるが、本明細書に記載の本発明の態様による様々な異なるタイプのマニピュレータシステムと共に使用することができる。
【００２７】
最小侵襲性遠隔手術
【００２８】
ここで図面を参照すると、同様の参照符号が、いくつかの図面を通じて同様の部品を表す。図１は、最小侵襲性遠隔手術（MIRS）システム１０の平面図であり、このシステム１０は、典型的には、手術台１４上に横たわっている患者１２に最小侵襲性診断又は外科的処置を行うために使用される。このシステムは、処置中に外科医１８によって使用される外科医コンソール１６を含むことができる。１人以上のアシスタント２０が、手術に加わることもできる。ＭＩＲＳシステム１０は、患者側カート２２（手術用ロボット）と電子機器カート２４とをさらに含むことができる。患者側カート２２は、外科医１８がコンソール１６を通じて手術部位を視認しながら、少なくとも１つの着脱可能に結合されたツールアセンブリ２６（以下、単に「ツール」という）を最小侵襲性切開部を介して患者１２の体内で操縦することができる。手術部位の画像は、立体内視鏡等の内視鏡２８により取得することができ、この内視鏡は、内視鏡２８を向き合せさせるように、患者側カート２２によって操縦することができる。電子機器カート２４を使用し、手術部位の画像を処理して、外科医コンソール１６を介して外科医１８に後で表示することができる。一度に使用される手術用ツール２６の数は、一般的に、診断又は外科的処置、及び他の要因の中でも手術室内の空間的制約に依存するであろう。手術中に使用される１つ又は複数のツール２６を変更する必要がある場合に、アシスタント２０は、患者側カート２２からツール２６を取り外し、手術室内のトレイ３０からの別のツール２６をその取り外したツールと置き換えることができる。
【００２９】
図２は、外科医コンソール１６の斜視図である。外科医コンソール１６は、奥行き知覚を可能にするような、手術部位の調整された立体視を外科医１８に表示するための左眼用ディスプレイ３２と右眼用ディスプレイ３４とを含む。コンソール１６は、１つ又は複数の入力制御装置３６をさらに含んでおり、この入力制御装置によって、次に、患者側カート２２（図１Ａに示される）に１つ又は複数のツールを操作させる。入力制御装置３６は、外科医にテレプレゼンスを提供するように、（図１Ａに示される）それら関連するツール２６と同じ自由度を提供することができ、又は外科医がツール２６を直接的に制御しているような強く認識できる感覚を有するような、入力制御装置３６がツール２６と一体であるという知覚を提供することができる。この目的のために、位置、力、及び触覚フィードバックセンサ（図示せず）を使用して、位置、力、及び触覚感覚を、ツール２６から入力制御装置３６を介して外科医の手に再び送信することができる。
【００３０】
外科医コンソール１６は、通常、外科医が、手術を直接的に監視できるように、必要に応じて物理的に存在するように、そして電話又は他の通信媒体を介して話すのではなく、アシスタントに直接的に話すように、患者と同じ部屋に位置している。しかしながら、外科医は、遠隔の外科手術を可能にするように、別の部屋、完全に異なる建物、又は患者から遠隔の他の位置に位置することができる。
【００３１】
図３は、電子機器カート２４の斜視図である。電子機器カート２４は、内視鏡２８に結合することができ、後続の表示のために、取り込んだ画像を処理するためのプロセッサを含むことができ、処理した画像を外科医コンソール上で、又はローカルに及び／又はリモートに位置する別の適切なディスプレイ上で外科医に表示する。例えば、立体内視鏡が使用される場合に、電子機器カート２４は、取り込まれた画像を処理して、手術部位の調整された立体画像を外科医に提示することができる。このような調整は、対向する画像同士間の位置合わせを含むことができ、且つ立体内視鏡の立体作業距離の調節も含むことができる。別の例として、画像処理は、光学収差等の画像取込装置の結像誤差を補償するために、以前に決定されたカメラ較正パラメータの使用を含むことができる。
【００３２】
図４は、（図１のＭＩＲＳシステム１０等の）遠隔手術システム５０を概略的に示している。上述したように、（図１の外科医コンソール１６等の）外科医コンソール５２は、外科医によって、最小侵襲的処置中に（図１の患者側カート２２等の）患者側カート（手術用ロボット）５４を制御するために使用することができる。患者側カート５４は、立体内視鏡等の撮像装置を使用して、手術部位の画像を取り込み、取り込んだ画像を（図１の電子機器カート２４等の）電子機器カート５６に出力することができる。上述したように、電子機器カート５６は、後続の表示の前に、取り込んだ画像を様々な方法で処理することができる。例えば、電子機器カート５６は、結合画像を外科医コンソール５２を介して外科医に表示する前に、取り込んだ画像を仮想制御インターフェイスにオーバーレイすることができる。患者側カート５４は、電子機器カート５６の外部で処理するために取り込んだ画像を出力することができる。例えば、患者側カート５４は、取り込んだ画像をプロセッサ５８に出力することができ、プロセッサ５８を使用して、取り込んだ画像を処理することができる。画像は、取り込んだ画像を一緒に、順次に、及び／又はこれらの組合せで処理するように一緒に結合することができる電子機器カート５６及びプロセッサ５８の組合せによっても処理することができる。１つ又は複数の別個のディスプレイ６０は、手術部位の画像等の画像又は他の関連画像のローカル及び／又はリモート表示のために、プロセッサ５８及び／又は電子機器カート５６に結合することもできる。
【００３３】
プロセッサ５８は、典型的には、ソフトウェア及びハードウェアの組合せを含み、ソフトウェアは、本明細書に記載の制御の方法ステップを機能的に実行するためのコンピュータ可読コード命令を具現化する有形の媒体を含む。ハードウェアは、典型的には、１つ又は複数のデータ処理基板を含み、この処理基板は、同じ位置に配置され得るが、大抵の場合、本明細書に記載のマニピュレータ構造の間で分散されるコンポーネントを有することになる。ソフトウェアは、大抵の場合、不揮発性媒体を含み、また、モノリシックなコードも含むことができるが、より典型的には、多種多様の分散型データ処理アーキテクチャのいずれかで必要に応じて実行される多数のサブルーチンを含むことになる。
【００３４】
図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ、患者側カート２２及び手術用ツール６２を示している。手術用ツール６２は、手術用ツール２６の一例である。示される患者側カート２２は、３つの手術用ツール２６と、手術部位の画像を取り込むために使用される立体内視鏡等の撮像装置２８とを操縦するために提供される。操縦は、複数の関節を有するマニピュレータ機構によって提供される。撮像装置２８及び手術用ツール２６が、切開部の大きさを最小にするように運動学的な遠隔中心を切開部に維持するように、患者の切開部に位置付けされ、この切開部を通して操縦することができる。手術部位の画像は、それら手術用ツールを撮像装置２８の視野内に位置付けたときに、手術用ツール２６の先端部の画像を含んでもよい。
【００３５】
手術用ツール２６は、切開部、自然オリフィス、経皮浸透等の最小侵襲性アクセス開孔部を介してチューブ状カニューレ６４を挿入することによって、患者の体内に挿入される。カニューレ６４は、マニピュレータアームに取り付けられ、手術用ツール２６のシャフトが、カニューレの管腔を通過する。マニピュレータアームは、カニューレが取り付けられたことを示す信号を送信することができる。
【００３６】
遠隔手術システム及びモジュール式マニピュレータの支持
【００３７】
図６は、多くの実施形態に係る遠隔手術システム７０の概略斜視図である。手術システム７０は、取付けベース７２、支持リンク機構７４、向き合せプラットフォーム７６、複数の外部セットアップ・リンク機構７８（２つを示す）、複数の内部セットアップ・リンク機構８０（２つを示す）、及び複数の手術用器具マニピュレータ８２を含む。各マニピュレータ８２は、マニピュレータ８２に取り付けられた手術用器具を選択的に関節運動させるように動作可能であり、且つ挿入軸線に沿って患者内に挿入可能である。各マニピュレータ８２は、セットアップ・リンク機能７８，８０のうちの１つに取り付けられ、且つこの１つのリンク機構によって支持される。各外部セットアップ・リンク機構７８は、第１のセットアップ・リンク機構の関節８４によって向き合せプラットフォーム７６に回転可能に結合され、且つこの向き合せプラットフォーム７６よって支持される。各内部セットアップ・リンク機構８０は、向き合せプラットフォーム７６に固定して取り付けられ、且つ向き合せプラットフォーム７６によって支持される。向き合せプラットフォーム７６は、支持リンク機構７４に回転可能に結合され、且つ支持リンク機構７４によって支持される。そして、支持リンク機構７４は、取付けベース７２に固定して取り付けられ、且つ取付けベース７２によって支持される。
【００３８】
多くの実施形態では、取付けベース７２は、移動可能であり、且つ床の上に支持されており、それによって、手術システム７０全体を例えば手術室内に選択的に再位置付けするのを可能にする。取付けベース７２は、選択的な再位置付けだけでなく、取付けベース７２が選択された位置から移動するのを選択的に防止することの両方を提供する、操舵可能な車輪アセンブリ及び／又は他の適切な支持機構を含むことができる。取付けベース７２は、例えば、天井マウント、床固定／台座マウント、壁マウント、又は他の適切な取付け面によって支持されるように構成されたインターフェイス等の他の適切な構成も有することができる。
【００３９】
支持リンク機構７４は、取付けベース７２に対して向き合せプラットフォーム７６を選択的に位置付け及び／又は向き合せするように動作可能である。支持リンク機構７４は、柱脚８６、並進可能な柱部材８８、肩関節９０、ブーム・ベース部材９２、ブームの第１ステージ部材９４、ブームの第２ステージ部材９６、及び手首関節９８を含む。柱脚８６は、取付けベース７２に固定して取り付けられる。並進可能な柱部材８８は、柱脚８６に対して並進するように、柱脚８６に摺動可能に結合される。多くの実施形態では、並進可能な柱部材８８は、垂直方向に向き合せされた軸線に沿って柱脚８６に対して並進する。ブーム・ベース部材９２は、肩関節９０によって並進可能な柱部材８８に回転可能に結合される。肩関節９０は、並進可能な柱部材８８に対する水平面にブーム・ベース部材９２を選択的に向き合せするように動作可能であり、ブーム・ベース部材が、柱脚８６及び取付けベース７２に対して固定した角度方向を有する。ブームの第１ステージ部材９４は、ブーム・ベース部材９２に対して水平方向に選択的に並進可能であり、多くの実施形態では、その水平方向は、ブーム・ベース部材９２とブームの第１ステージ部材９４との両方に位置合わせされる。ブームの第２ステージ部材９６は、同様に、ブームの第１ステージ部材９４に対して水平方向に選択的に並進移動であり、多くの実施形態では、その水平方向は、ブームの第１ステージ部材９４及びブームの第２ステージ部材９６に位置合わせされる。従って、支持リンク機構７４は、肩関節９０とブームの第２ステージ部材９６の先端部との間の距離を選択的に設定するように動作可能である。手首関節９８は、ブームの第２ステージ部材９６の先端部を向き合せプラットフォーム７６に回転可能に結合する。手首関節９８は、取付けベース７２に対して向き合せプラットフォーム７６の角度方向を選択的に設定するように動作可能である。
【００４０】
各セットアップ・リンク機構７８，８０は、向き合せプラットフォーム７６に対して関連するマニピュレータ８２を選択的に位置付け及び／又は向き合せするように動作可能である。各セットアップ・リンク機構７８，８０は、セットアップ・リンク機構のベース・リンク１００、セットアップ・リンク機構の伸長リンク１０２、セットアップ・リンク機構の平行四辺形リンク部１０４、セットアップ・リンク機構の垂直リンク１０６、第２のセットアップ・リンク機構の関節１０８、及びマニピュレータ支持リンク１１０を含む。各セットアップ・リンク機構では、外部セットアップ・リンク機構７８のベース・リンク１００は、第１のセットアップ・リンク機構の関節８４の操作により向き合せプラットフォーム７６に対して選択的に向き合せすることができる。示される実施形態では、内部セットアップ・リンク機構の各セットアップ・リンク機構のベース・リンク１００は、向き合せプラットフォーム７６に固定して取り付けられる。各内部セットアップ・リンク機構８０は、追加の第１のセットアップ・リンク機構の関節８４により外部セットアップ・リンク機構と同様に、向き合せプラットフォーム７６に回転可能に取り付けることもできる。各セットアップ・リンク機構の伸長リンク１０２は、関連するセットアップ・リンク機構のベース・リンク１００に対して水平方向に並進可能であり、多くの実施形態では、その水平位方向は、関連するセットアップ及びセットアップ・リンク機構の伸長リンク１０２に位置合せされる。各セットアップ・リンク機構の平行四辺形リンク部１０４は、セットアップ・リンク機構の垂直リンク１０６を垂直方向に維持しながら、セットアップ・リンク機構の垂直リンク１０６を垂直方向に選択的に並進させるように構成され且つ動作可能にされる。例示的な実施形態では、各セットアップ・リンク機構の平行四辺形リンク部１０４は、第１の平行四辺形関節１１２、結合リンク１１４、及び第２の平行四辺形関節１１６を含む。第１の平行四辺形関節１１２は、結合リンク１１４をセットアップ・リンク機構の伸長リンク１０２に回転可能に結合する。第２の平行四辺形関節１１６は、セットアップ・リンク機構の垂直リンク１０６を結合リンク１１４に回転可能に結合する。第１の平行四辺形関節１１２は、第２の平行四辺形関節１１６に回転可能に結び付けられており、それによって、セットアップ・リンク機構の垂直リンク１０６を垂直方向に選択的に並進させる間に、セットアップ・リンク機構の垂直リンク１０６を垂直方向に維持するように、セットアップ・リンク機構の伸長リンク１０２に対する結合リンク１１４の回転が、結合リンク１１４に対するセットアップ・リンク機構の垂直リンク１０６の反作用回転に一致される。第２のセットアップ・リンク機構関節１０８は、セットアップ・リンク機構の垂直リンク１０６に対してマニピュレータ支持リンク１１０を選択的に向き合せするように動作可能であり、それによって、セットアップ・リンク機構の垂直リンク１０６に対して、関連して取り付けられたマニピュレータ８２を選択的に向き合せする。
【００４１】
図７は、多くの実施形態に係る遠隔手術システム１２０の概略斜視図である。手術システム１２０は、図６の手術システム７０の構成要素と同様の構成要素を含んでいるので、同じ参照符号が同様の構成要素に使用され、上述した同様の構成要素の対応する記述は、手術システム１２０に適用可能であり、重複を避けるためここでは省略する。手術システム１２０は、取付けベース７２、支持リンク機構１２２、向き合せプラットフォーム１２４、複数のセットアップ・リンク機構１２６（４つ示す）、及び複数の手術用器具マニピュレータ８２を含む。各マニピュレータ８２は、マニピュレータ８２に取り付けられた手術用器具を選択的に関節運動させるように動作可能であり、且つ挿入軸線に沿って患者の体内に挿入可能である。各マニピュレータ８２は、セットアップ・リンク機構１２６のうちの１つに取り付けられ、且つこの１つのリンク機構によって支持される。各セットアップ・リンク機構１２６は、第１のセットアップ・リンク機構の関節８４により向き合せプラットフォーム１２４に回転可能に結合され、且つ向き合せプラットフォーム１２４によって支持される。向き合せプラットフォーム１２４は、支持リンク機構１２２に回転に結合され、且つ支持リンク機構１２２によって支持される。そして、支持リンク機構１２２は、取付けベース７２に固定して取り付けられ、且つ取付けベース７２によって支持される。
【００４２】
支持リンク機構１２２は、取付けベース７２に対して向き合せプラットフォーム１２４を選択的位置付け及び／又は向き合せするように動作可能である。支持リンク機構１２２は、柱脚８６、並進可能な柱部材８８、肩関節９０、ブーム・ベース部材９２、ブームの第１ステージ部材９４、及び手首関節９８を含む。支持リンク機構１２２は、肩関節９０とブームの第１ステージ部材９４の先端部との間の距離を選択的に設定するように動作可能である。手首関節９８は、ブームの第１ステージ部材９４の先端部を向き合せプラットフォーム１２４に回転可能に結合する。手首関節９８は、取付けベース７２に対する向き合せプラットフォーム１２４の角度方向を選択的に設定するように動作可能である。
【００４３】
各セットアップ・リンク機構１２６は、向き合せプラットフォーム１２４に対して関連するマニピュレータ８２を選択的に位置付け及び／又は向き合せするように動作可能である。各セットアップ・リンク機構１２６は、セットアップ・リンク機構のベース・リンク１００、セットアップ・リンク機構の伸長リンク１０２、セットアップ・リンク機構の垂直リンク１０６、第２のセットアップ・リンク機構の関節１０８、竜巻(tornado)機構の支持リンク１２８、及び竜巻機構１３０を含む。セットアップ・リンク機構１２６の各セットアップ・リンク機構のベース・リンク１００は、関連する第１のセットアップ・リンク機構の関節８４の操作によって、向き合せプラットフォーム１２４に対して選択的に向き合せさせることができる。各セットアップ・リンク機構の垂直リンク１０６は、関連するセットアップ・リンク機構の伸長リンク１０２に対して垂直方向に選択的に並進可能である。第２のセットアップ・リンク機構の関節１０８は、セットアップ・リンク機構の垂直リンク１０６対して竜巻機構の支持リンク１２８を選択的に向き合せするように動作可能である。
【００４４】
各竜巻機構１３０は、竜巻関節１３２、結合リンク１３４、及びマニピュレータ支持部１３６を含む。結合リンク１３４は、マニピュレータ支持部１３６を竜巻関節１３２に固定して結合する。竜巻関節１３０は、竜巻機構の支持リンク１２８に対してマニピュレータ支持体１３６を竜巻軸線１３６の周りに回転させるように動作可能である。竜巻機構１３０は、マニピュレータ支持部１３６を位置付け且つ向き合せするように構成され、それによって、マニピュレータ８２の操縦の遠隔中心（RC）が、竜巻軸線１３６と交差する。従って、竜巻関節１３２の動作は、患者に対して操縦の関連する遠隔中心（RC）を移動させることなく、患者に対して関連したマニピュレータ８２の再向き合せするために使用することができる。
【００４５】
図８は、図７の遠隔手術システム１２０の概略図に一致する、多くの実施形態に係る遠隔手術システム１４０の簡略図である。手術システム１４０は、図７の遠隔手術システム１２０に一致しているので、同じ参照符号が、同様の構成要素に使用され、上述した同様の構成要素の対応する記述は、手術システム１４０に適用可能であり、重複を避けるためここでは省略する。
【００４６】
支持リンク機構１２２は、複数のセットアップ構造軸線に沿って支持リンク機構１２２のリンク同士の間の相対運動によって、取り付けベース７２に対して向き合せプラットフォーム１２４を選択的に位置付けし且つ向き合せするように構成される。並進可能な柱部材８８は、第１のセットアップ構造（ＳＵＳ）軸線１４２に沿って柱脚８６に対して選択的に再位置付け可能であり、多くの実施形態では、軸線１４２は、垂直方向に向き合せされる。肩関節９０は、並進可能な柱部材８８に対してブーム・ベース部材９２を第２のＳＵＳ軸線１４４の周りで選択的に向き合せするように動作可能であり、多くの実施形態では、軸線１４４は、垂直方向に向き合せされる。ブームの第１ステージ部材９４は、第３のＳＵＳ軸線１４６に沿ってブーム・ベース部材９２に対して選択的に再位置付け可能であり、多くの実施形態では、軸線１４６は、水平方向に向き合せされる。手首関節９８は、ブームの第１ステージ部材９４に対して向き合せプラットフォーム１２４を第４のＳＵＳ軸線１４８の周りで選択的に向き合せするように動作可能であり、多くの実施形態では、軸線１４８は、垂直方向に向き合せされる。
【００４７】
各セットアップ・リンク機構１２６は、複数のセットアップ関節（SUJ）の軸線に沿ったセットアップ・リンク機構１２６のリンク同士の間の相対運動により、向き合せプラットフォーム１２４に対して関連するマニピュレータ８２を選択的に位置付け及び向き合せするように構成される。各第１のセットアップ・リンク機構の関節８４は、向き合せプラットフォーム１２４に対して関連するセットアップ・リンク機構のベース・リンク１００を第１のＳＵＪ軸線１５０の周りで選択的に向き合せするように動作可能であり、多くの実施形態では、軸線１５０は、垂直方向に向き合せされる。各セットアップ・リンク機構の伸長リンク１０２は、第２のＳＵＪ軸線１５２に沿って、関連するセットアップ・リンク機構のベース・リンク１０に対して選択的に再位置付けすることができ、多くの実施形態では、軸線１５２は、水平方向に向き合せされる。各セットアップ・リンク機構の垂直リンク１０６は、第３のＳＵＪ軸線１５４に沿って、関連するセットアップ・リンク伸長リンク１０２に対して選択的に再位置付けすることができ、多くの実施形態では、軸線１５４は、垂直方向に向き合せされる。各第２のセットアップ・リンク機構関節１０８は、セットアップ・リンク機構の垂直リンク１０６に対して竜巻機構の支持リンク１２８を第３のＳＵＪ軸線１５４の周りで選択的に向き合せするように動作可能である。各竜巻関節１３２は、関連するマニピュレータ８２を関連する竜巻軸線１３８の周りで回転させるように動作可能である。
【００４８】
図９は、多くの実施形態に係る向き合せプラットフォーム１２４に対してセットアップ・リンク機構１２６の回転方向の制限を示す。各セットアップ・リンク機構１２６は、向き合せプラットフォーム１２４に対する時計回り制限の向きで示されている。対応する反時計回り制限の方向が、垂直方向に向き合せされたミラー面に対して図９の鏡像関係で表される。図示されるように、２つの内部セットアップ・リンク機構１２６のそれぞれは、垂直基準１５６から一方向に５度〜垂直基準１５６から反対方向に７５度までで向き合せさせることができる。図示されるように、２つの外部セットアップ・リンク機構のそれぞれは、垂直基準１５６から対応する方向に１５度〜９５度までで向き合せさせることができる。
【００４９】
使用時には、大抵の場合、外科助手、外科医、技術サポート者、又は他のユーザにとって、手術のための遠隔手術システム１４０のリンク機構の一部又は全部がセットアップ構造のリンク機構、セットアップ関節、及び／又は各マニピュレータを含むように構成することが望ましいであろう。第１のステージ部材９４に対して向き合せプラットフォーム１２４を手首関節９８の方向の第４のＳＵＳ軸線１４８の周りで位置付けることが、これらのリンク機構を構成する際の作業に含まれる。関節駆動モータ１２１及び／又はブレーキシステム１２３が、手首関節９８に結合され、１つの例示的な実施形態では、駆動モータ１２１とブレーキ１２３との両方を含む。さらに、関節センサシステムは、典型的には、手首関節９８の角度設定又は位置を感知する。
【００５０】
使用するためにシステムを手動で構成するための例示的なユーザ・インターフェイス、システム、及び方法は、矢印１２７によって模式的に示されるように、手首関節９８の関節運動により、向き合せプラットフォーム１２４の第４のＳＵＳ軸線１４８の周りでの手動関節運動を参照して本明細書で説明する。セットアップ構造の１つ又は複数の代替関節、１つ又は複数のセットアップ関節、又はマニピュレータリンク機構の１つ又は複数の関節を含む代替実施形態を使用して、運動学的システム全体の１つ又は複数の代替関節を関節運動させることができるのを理解すべきである。電動式手首関節を関節運動させるための例示的な実施形態の使用によって、ユーザがマニピュレータ８２を効率的に位置付けすることが可能になる。本明細書に記載されるように手首関節９８の手動関節運動は、図５Ｂに示されるように、マニピュレータ８２をそれら関連するカニューレ６４に手動でドッキングする間に、使用の速度及び使い易さを向上させることができる。
【００５１】
図１０は、多くの実施形態に係る遠隔手術システム１６０の支持リンク機構の回転制限に関連した重心図を示している。遠隔手術システム１６０の構成要素が、遠隔手術システム１６０の重心１６２を手術システム１６０の支持リンク機構１６４に対する一方の側に最大限にシフトさせるように位置付けされ且つ向き合せされた状態で、支持リンク機構１６４の肩関節は、取付けベースの予め定められた安定性の限界を超えるのを防止するために、支持構造体１６４の回転をセットアップ構造（ＳＵＳ）の肩関節軸線１６６の周りで制限するように構成することができる。
【００５２】
図１１は、関連するセットアップ構造のリンク機構１２６によって支持される複数のマニピュレータアーム８２を有する患者側カート２２を含む例示的なシステムの概要を示しており、そのセットアップ構造の下に、手術台２００が配置される。特定の態様では、手術台２００は、患者側カートとは別の構造体であり、それによって、手術台は、患者側カートとは別々に位置付け可能であり、大抵の場合、患者側カートから独立して位置付け可能である。しかしながら、特定の他の態様では、本明細書に記載の位置特定及び姿勢推定方法によって、別々に位置付け可能な手術台をマニピュレータの計算された動きに連動して制御することが可能になり、それによって、手術台は、別々に位置付け可能であるが、このような動きがシステムによって調整されるので、もはや独立して位置付け可能ではないとみなされ得ることが理解される。多くの実施形態では、手術台２００は、支持ベース２０２に取り付けられた支柱２０４によって支持される、手術台の患者支持面２１０を含む。システムは、システムによって、患者側カートに対して手術台を位置合せするのを可能にする基準マーカー３００をさらに含み、それによって、患者側カートのマニピュレータと手術台の患者面２１０との間の空間的関係を、決定することができ、及び計算されたマニピュレータの動き又は指令された手術台の移動に利用することができる。
【００５３】
図１２は、手術用マニピュレータシステムを使用するための例示的な手術台２００を示している。手術台２００は、取り付けられたときに手術台の上面を所望の位置及び／又は向きに移動させる１つ又は複数の関節（図示せず）を含むことができる。１つ又は複数の関節は、被駆動関節、手動関節運動関節、又はこれらの組合せを含むことができる。このような関節は、油圧等の並進可能な関節だけでなく、本明細書に記載のいずれかのような回転可能な関節及び旋回関節を含むことができる。１つ又は複数の関節は、必要に応じて、患者側アシスタント又は麻酔医によって調整することができ、又は、外科医コンソールの医師等のより遠隔のユーザによって、又は自律型アルゴリズムに従ったシステムによって、或いは患者の呼吸等の生理学的な運動を補償する動き等の１つ又は複数の計算された動きに従って調整されるように構成することができる。
【００５４】
手術台２００は、支持ベース２０２から垂直に延びる支柱２０４で支持される手術台の患者支持面２１０を含む。典型的には、手術台２００は、少なくとも１つの自由度に沿って、好ましくは複数の自由度に沿って、さらに好ましくは６つの自由度に沿って位置付け可能である。図１２に示されるように、例示的な手術台２００は、ｘ軸、ｙ軸に沿って、及びｚ軸に沿って垂直方向に、互いに直交する３つの異なる方向に並進することができ、及び患者支持面２１０の長さに沿って延びる軸線２１４を中心にして旋回し、患者支持面２１０の幅に沿って延びる軸線２１６を中心にして旋回し、及び垂直方向に延びる軸線２１２を中心にして旋回することができる。これらの旋回運動は、図１３Ａ〜図１３Ｃに示される。こうして、例示的な手術台２００は、６つの自由度に沿って位置付け可能である。これらの旋回軸線は必ずしも交差しないことを理解されたい。これらの６つの自由度で可能にされる患者支持面２１０の様々な位置及び／又は向きは、患者の所望の位置、向き、又は傾きを達成するために、初期設定中に利用することができ、及び何らかの理由で患者を再位置付けする必要性に応じて処置中に使用することができる。必ずしも旋回運動を図示されるこれらの特定の軸線に沿って中心決めする必要はなく、その手術台は、様々な他の軸線に沿って同じ方向にこのような旋回運動を与えることができ、それによって手術台の上面によって、手術台の上面上の又は上面から離れた様々な位置に関する旋回運動を提供するのを可能にすることが理解される。いくつかの実施形態では、手術台は、アイソセンタを中心にして、又は器具を最小侵襲性開孔部内に挿入するカニューレ付近にそのような運動を提供するように構成される。
【００５５】
このような手術台の高度の設定可能性によって、患者の位置付けの際に多くの利点及び汎用性が提供されるが、この設定可能性は、マニピュレータアーム及び関連するツールの運動を計算する際に追加の課題をさらに提起し得る。例えば、手術台を傾斜して位置付ける場合に、ツール又はツールを支持する関連するマニピュレータの特定の動きによって、患者支持面と衝突する可能性がある。このような衝突を回避するために様々な方法を使用することができるが、マニピュレータの動きが、手術台の位置を考慮して計算される、及び／又は処置中に手術台の移動及び／又は再位置付けを補償して計算されるように、患者側カートのマニピュレータに対する手術台の位置を決定する場合には特に有用である。このような決定を可能にするために、本発明の態様による方法及びシステムは、患者側カートに対する手術台の手術台姿勢推定値を提供し、それによって、手術台と患者側カートとの間の空間的関係を決定し、且つ必要に応じて様々な計算される動きに利用することができる。別の態様では、本発明の方法を使用して、特定のマニピュレータアセンブリと共に使用するための手術台を特定し、及び／又はそれら特定のマニピュレータと手術台との間の様々な計算される協調運動を可能にするために、手術台との通信を確立することができる。
【００５６】
一態様では、ロボットと手術台との両方が、複数の自由度で対象物を関節運動させるので、手術台とロボットとの相対的な姿勢が必要とされる。マニピュレータアセンブリに対する手術台の姿勢を決定することにより、様々な有利な機能が、手術台とマニピュレータアセンブリとの間の協調運動を実行することにより実現することができる。手術台及びマニピュレータアセンブリの各々の自由度がセンサによって感知することができるので、構成要素の任意の２つの部分の間の相対的な姿勢の決定は、十分である。一態様では、方法は、手術台のベースの位置及び向きを決定し、システムが、手術台及びマニピュレータアセンブリの各々の様々な構成要素の相対位置を互いに対して決定するのを可能にする。
【００５７】
特定の実施形態では、手術台は、ポートの全体の動きを最小限にするために（アイソセンタ概念）、ポートの重心の周りを回転するように制御される。これは、様々な機能、特に「ポートドラッギング(dragging)」に有用である。ポートドラッギングが患者の体壁に非常に大きな力をもたらす場合に、ロボットアームの能動的な駆動が、手術台の動きに追従するために必要とされる。ロボットに対する（手術台の配置を介しての）患者配置の知見は、患者との潜在的な衝突を回避するために、ロボットがその制御を最適化するのに役立つ。２つの対象物の間の相対的な姿勢を測定するのに複数の方法がある。好ましい方法として光学的解決策を選択することに関していくつかの制約がある。
【００５８】
特定の態様では、本発明の方法は、従来のマニピュレータシステムに比べて様々な有利な機能を提供する。一態様では、方法は、ロボットに取り付けられたカメラ及び手術台の外面の基準マーカーを用いて、手術用ロボットと手術台との間の６つの自由度の３Ｄ姿勢（並進及び回転）を決定するステップを含む。３Ｄ姿勢は、接地面上の３つの自由度の２Ｄ姿勢から構成され、両方の構成要素は、共通の接地面に配置されているものとする。基準マーカーは、独立して認識され且つ特定されるように構成要素に細分化することができ、又は基準マーカーのサブセットは、マーカー全体に対して認識され且つ特定することができる。基準マーカーには、チェックサム又はリードソロモンエラーチェック等冗長性、及び訂正スキームが埋め込まれる。特定の態様では、基準マーカーには、姿勢推定に用いられる、画像において正確に位置特定することができる視覚的な機能が含まれる。基準マーカーは、データマトリックスコードとすることができる複数の固有の２Ｄバーコードから構成してもよい。基準マーカーは、垂直方向のバーを含む複数の固有の１Ｄバーコードから構成してもよい。別の態様では、基準マーカーは、点滅パターン（例えば、モールス信号）の複数の単一の点発光素子から構成してもよく、また、装置の固有の識別子を形成するために色と組み合わせることもできる。
【００５９】
なお、実施形態は、本明細書に記載の基準マーカーのいずれかの態様を含む１つ又は複数のマーカーを含んでもよいことが理解される。例えば、手術台は、発光装置、ＲＦＩＤタグ、又は本明細書に記載の任意の態様と組み合わせた１Ｄ、２Ｄ、又は３Ｄバーコードを含む１つ又は複数のマーカーを含んでもよい。また、そのようなマーカーは、１つ又は複数の他の外部装置に関連した１つ又は複数の対応するセンサによってそれぞれのマーカーの感知を可能にするように、手術台上の様々な異なる位置に含めてもよい。さらにマニピュレータアセンブリに対して手術台の位置を特定する方法は、例えば、遠隔手術システムのシミュレーション、テスト、及び／又はセットアップだけでなく、様々な産業ロボット用途を含むがこれらに限定されない様々な他の用途の、非手術的な用途に適用されることも理解される。
【００６０】
特定の他の態様では、基準マーカーは、特定のマニピュレータアセンブリと共に使用される手術台の型式、モデル、シリアル番号を特定することができる。マーカーパターンは、各手術台に固有の識別子を含んでもよい。ソフトウェアは、画像内の基準マーカーを検出するように構成することができ、視覚的特徴の位置を抽出する。対応して許可された基準マーカーの固有の識別子は、マーカーの既知の３Ｄ位置を使用することによって確立される。対応する３Ｄ及び２Ｄ観察は、カメラに対する手術台の３Ｄ姿勢を計算するために使用される。特定の実施形態では、複数の手術用ロボット又は互いに素な(disjoint)手術用ロボットの構成要素は、それぞれのカメラを装備する。一態様では、相対的な姿勢は、カメラによって、その外面上の基準マーカーを含む共通の手術台を観察することにより計算される。カメラは、共通のビューを有することが要求されないことが理解される。これらの方法の多くの利点の中でも、多くの実施形態では、マニピュレータアセンブリと手術室の手術台との間の物理的な接続が位置特定のために必要とされない、ということは利点である。視線がマニピュレータに関連するセンサと手術台の少なくとも１つのマーカーのパターンとの間で維持される限り、位置特定は、環境（例えば、EMI）の影響を受けない。いくつかの態様では、一旦位置特定が確立されると、手術台を再位置付けしない限り、視線を維持する必要はない。別の態様では、手術台の上面が位置付けされる可動式支持構造体が、マニピュレータアセンブリと無線で通信し、それによって、位置特定後の手術台の姿勢の変化は、１つ又は複数の基準マーカーを使用して手術台を再位置特定する必要性無しに、考慮される。
【００６１】
図１４Ａ〜図１４Ｂは、本発明の態様による例示的な手術台を示す。各図は、患者支持面２１０を有する位置付け可能な手術台２００、垂直方向支柱２０４、及びその上に基準マーカー３００を有する可動式支持ベース２０２を示している。一態様では、ベースは、金属であり、基準マーカーは、例えば、ベース又は手術台の上部基板の側面で、手術台にレーザエッチング、刻印、又はエンボス加工される。これは、マーカーの様々な他の型式とは対照的に、ベース又は手術台の上部を容易に滅菌可能であるので、基準マーカーを製造するこの方法は有利である。さらに、このようなマーカーは、マーカーを使用して、特定のマニピュレータアセンブリと共に使用するために、手術台の適切な特定を確実にできるように容易に除去されない。
【００６２】
図１５は、図１４Ｂに示した基準マーカーの詳細例を示している。このようなマーカーは、マニピュレータアセンブリに関連したセンサ（典型的には、マニピュレータアセンブリのベースに配置されたセンサ又はカメラ）によってマーカーの距離を決定できるように、３Ｄ機能も含むこともできる。また、距離は、センサ読取装置の読取り領域（図１５において丸で示される）内で読み出されるマーカーのサイズ及び量によって決定することができる。一態様では、マーカーは、マニピュレータアセンブリに対する手術用ベースの相対的な位置及び／又は向きを決定するのに適した任意のマーカーの形式であってもよい。典型的には、マーカースキーム及びセンサモジュールは、対象物に取り付けられたマーカーを使用して地面上の対象物の２Ｄ姿勢を推定するように構成される。一態様では、マーカーは、バーコードによって提供されるエラーチェック冗長性を含む。化学物質の洗浄に耐え得る耐久性のあるラベル材料が、好ましい。マーカーは、機械可読マーカーの一部として固有の手術台ＩＤとして構成することができる。特定の実施形態では、マーカーは、一般に、高さ及び幅が２ｃｍ〜１２ｃｍの間であり、手術台のベースの表面に沿って、大抵の場合手術台全体の周りに、一連のマーカーを含むことができる。一態様では、マーカーは、マーカーが６０°以上の水平方向視野内に表示されるように構成され、それによって、マーカーは、マニピュレータアセンブリのベースのセンサによって、様々な異なる位置及び／又は向きで読み取ることができる。これらの態様は、図１６の概略図を参照することによってさらに理解することができる。
【００６３】
一態様では、マーカー及びセンサは、様々な動作範囲の検討事項に応じて構成され、以下のいずれか又は全てを含む：
・センサと対象物の前面との間の距離が５ｃｍ〜１００ｃｍの範囲である場合にセンサモジュールは姿勢推定を実行する。なお、センサモジュールは、対象物がセンサの視野の中心に又は中心から外れた箇所のいずれかであるときに動作するように構成してもよいことに留意すべきである。
【００６４】
・拡張された範囲で動作するセンサモジュール。センサモジュールは、対象物がセンサに対して任意の角度である場合に姿勢推定を行うように構成される。
【００６５】
一態様では、マーカー及びセンサは、以下のいずれか又は全てを含む様々な照明の検討事項に応じて構成される。
【００６６】
・環境が非常に弱い光（５ルクス）から明るい手術室の照明（２０００ルクス）まで得ることができる。
【００６７】
・必要であれば、追加照明は、センサの近くに配置することができ、おそらく近赤外線である。
【００６８】
・追加照明は、画像データ収集を行う際に、必要に応じて、起動するように構成することができる。
【００６９】
手術室の手術台の姿勢推定
【００７０】
一態様では、これらの方法から利益を得るマニピュレータアセンブリの１つの際立った特徴は、ドッキング解除し且つ再ドッキングさせることなく、処置中に患者テーブルを移動する能力である。手術中の手術台の動きに対応するために、３Ｄ（次元）の点の周りに旋回する手術室（OR）の手術台を使用することができる。いくつかの実施形態では、旋回点が、全てのポートの重心と一致し、それによって全てのポートの全体的なずれ（変位）を最小化させる。これは、患者側カート（PSC）及びＯＲの手術台の相対的な姿勢を既知とすることを必要とし得る。ＰＳＣ及びＯＲの手術台の両方で、完全な運動学的な情報が利用可能であるので、ＰＳＣ上の任意の部分とＯＲの手術台上の任意の部分との間の姿勢は、十分である。これらの方法は、従来のマーカー読み取り技術や位置特定の方法に関連した様々な問題に対処し、以下のいずれか又は全てを含む：ＯＲの手術台とＰＳＣとの間に機械的リンクが存在しないこと；ＯＲの手術台とＰＳＣとの間にケーブルが存在しないこと。これらの方法は、光、特に明るい標準的な手術室、可能性のある干渉、焼灼ノイズ、ＩＲリンク及び／又はＲＦリンクの存在を必要としないロボット手術に関連した低照明を含む、ＯＲ環境に関連する困難性に対処する。
【００７１】
一態様では、マーカー及びセンサは、十分な精度を提供するように構成される。いくつかの実施形態では、精度要件は、手術台の中心が＋／−１０ｍｍ内で測定されることであり、この要件は、カニューレのサイズから主に導かれる。誤差がゼロであっても、マニピュレータは、各ポートにおいていくつかのずれを有するので（例えば、旋回点は、全てのポートの重心である）、こうして、大きな誤差を許容することができる。
【００７２】
別の態様では、センサモジュールは、ＰＳＣベースに割り当てられた空間内に収める必要がある。いくつかの実施形態では、マニピュレータアセンブリのベースのセンサモジュールに割り当てられた空間は、約７．６２ｃｍ（３インチ）×７．６２ｃｍ（３インチ）×１２．７ｃｍ（５インチ）であり、光学窓から最も前面までの距離は、約５．０８ｃｍ（２インチ）である。図１７は、マニピュレータアセンブリのベース内のセンサカメラの１つの可能な配置を示している。いくつかの実施形態では、衝撃吸収材が、センサ又はカメラのマウントに含まれる。
【００７３】
別の態様では、センサ及びマーカーの構成は、手術台とマニピュレータアセンブリとの間に十分な作動距離を可能にするように、読み込まれる範囲となるように構成され、その作動距離は、手術台の位置及び／又は向きの作動範囲となる。例えば、マーカー及びセンサは、マーカーを６０度に近い水平視野内で読み取ることができ、及びマーカーを読み取るための作動距離が２．５４ｃｍ（１インチ）〜６０．９６ｃｍ（２フィート）以上の間となるように構成することができる。手術台は、特定の処置のために必要とされる際に、手術台を完全に回転させることができるように、支持ベースの両側にマーカーを含むこともできる。
【００７４】
特定の態様では、マーカー及びセンサは、電磁式追跡、光学式追跡、レーザベース、形状センサ、超音波手段、又はこれらの任意の組合せのいずれか又は全てを用いて１つ又は複数のマーカーを追跡するように構成してもよい。しかしながら、これらの特定のアプローチに関連する欠点によって、方法は、典型的には、本明細書に記載されるような姿勢推定を実行するためにマーカーの光学式追跡を利用する。光学式追跡の１つの利点は、その光学式追跡が目に見えない障害（例えば、電磁（EM）干渉）によって影響を受けないことである。基準マーカーを視認する必要があるので、好ましくない点は、視線の問題である。しかしながら、ＥＭ干渉とは異なり、これは、ユーザが補正すべきこと（例えば、カメラとマーカーの間のゴミを遠ざける）を理解するのにはるかに容易である。光学式追跡の基本原理は、その画像の観察による既知の幾何学的形状を用いて対象物又は基準マーカーの姿勢を計算することである。別の態様では、単眼又は一対のステレオカメラを使用することができる。
【００７５】
一態様では、複数の受動的な再帰反射性ボール又は能動的な点滅ＬＥＤは、幾何学的に固有の構成を形成する。一態様では、基準マーカーは、２Ｄバーコードを含む。任意の２Ｄバーコードは、読み取り機がバーコードのいくつかの基準点（理想的には、＞＝４）の画像座標を提供する限りは、マーカーとして使用することができる。別の態様では、能動的な点マーカーを使用してもよい。複数の能動的な点マーカー（例えば、ＬＥＤ）が、手術台ベースの外周に配置される。それらの点滅パターンは、それら点マーカーを容易に自己識別可能にさせるように固有なものである。３つ以上の点が視野に表示されている場合に、姿勢を計算することができる。そのマーカーが発光する基準マーカーであるので、コントラストが、受動的なマーカーよりも高く、ＰＳＣに光源が必要ない。照明の全体的な電力消費は、非常に低い。電源を入れて制御されるマーカーが必要である受動的なマーカーとは異なっており、その受動的なマーカーはあまり望ましくない。全ての基準マーカーが同じレベルにある場合は、ｌｄのＣＣＤセンサを使用することが可能である。
【００７６】
光学的姿勢推定
【００７７】
図１８Ａ〜図１８Ｂは、光学式追跡を用いた姿勢推定を示すプロットを示している。上に示されるプロットは、簡略化されたセットアップでの姿勢推定の理論を示しており、カメラの中心は、パターンの入口にあり、カメラは、水平方向に向いている。画像内のパターンは、水平線によってミラーリングされ、従って、上部のみが考慮される。ｐのｘ座標は、平面図において光線のその角度を決定する。ｐ（ｈ）の座標は、距離（ｄ）を決定する。マーカーの３Ｄ回転は、台形側面の画像回転に１：１マッピングされる。画像内のこれら３つの量によって、平面図において３自由度の姿勢を完全に決定することができる。この例では、８つの測定値（画像内に４つの座標）がある。これは、優決定系(over-determined  system)であり、残りの測定値を使用して、推定をより正確にする。
【００７８】
このような推定式は、以下の通りである。
【００７９】
ｄ＝（Ｈ＊ｆ）／ｈ
ここで、Ｈは、マーカーの物理的な半分の高さであり、ｆは、画素の焦点距離である（ｆ＝（分解能／２）／ｔａｎ（視野／２））。ｈとｄとの間の関係が非線形であることは明らかである。（比較として、オーバーヘッドカメラが、画像解像度の直線状の関係と最大化利用(maximized  utilization)を提供する。）深さ分解能は、ｈに対するｄの導関数によって計算することができる。
【００８０】
ｄ’＝−Ｈ＊ｆ／（ｈ’’２）
【００８１】
図１９Ａ〜図１９Ｂのプロットは、深さ分解能を示している。この例では、１画素の画像誤差が、６００ｍｍ離された状態で１０ｍｍ（−２’）の距離誤差に変換され、概ね精度要件を満たす。いくつかの実施形態では、姿勢推定は、較正された単眼カメラによる既知の幾何学的形状を用いて対象物の３Ｄ姿勢（３つの並進及び３つの回転）決定するステップを含む。モジュールは、ツール追跡も可能である。別の態様では、姿勢推定は、３つの自由度（２つの並進及び１つの回転）を推定するために１つの面だけが必要であるような面（例えば、接地面）上で実行される。このような場合には、以下の少なくとも２つのオプションがある：
・３Ｄ姿勢推定を行い、３Ｄ姿勢を２Ｄ姿勢に投影すること。
【００８２】
・２Ｄの姿勢をパラメータ化し、２Ｄ姿勢の最適化を行うこと。
【００８３】
いくつかの実施形態では、基準マーカーは、手術台のベースの周りを包み込み、手術台のベースを完全に覆うように構成される。全ての領域は、少なくとも１つのマーカーが処置中に表示される確率を最大化するためにマーカーによって覆うことができる。サイズは、作動範囲の近端と遠端の両方を制約することによって決定してもよい。バーコードの幅−高さの比は、水平方向の短縮(foreshortening)が、回転によって垂直方向の短縮よりも大きいという事実によって、一方がより大きくなるように設計される。より定量的な解析は、次の段落で提供される。自己識別可能なサブマーカーは、視点が不明な場合に、部分的な閉鎖に対処するための１つの方法である。各サブマーカーは、固有のＩＤを有し、モデルに関連付けることができる。１つのサブマーカーは、姿勢推定に十分な制約を提供するが、より多くのサブマーカーによって、精度が向上する。
【００８４】
一態様では、バーコードのサイズは、次の２つの因子を含む。下限は、最大距離で且つ最大回転角度でそれらバーコードを検出可能にするために必要とされる。上限は、少なくとも全体のパターンが最小作動距離で表示されることを確実にするために必要とされる。別の態様では、マーカー及びセンサは、マーカーの視線を維持するように構成される。以図１１Ｂを参照することによって理解されるように、手術台は、手術台の多くを視界から隠すように処置中にドレープが付けられる。従って、手術台にドレープが付けられたときに、それら基準マーカーとセンサとの間の視線が暗くされないままであるように、基準マーカー及びセンサを構成することが特に有用である。これを達成するための１つの手段は、手術台のベースに基準マーカーを位置付けすること、及びマニピュレータアセンブリのベース内にセンサを位置付けすることである。システムがドッキングされた後に、理論的には人員や機器が、それら２つ部分（基準マーカーとセンサ）の間にあってはならないことに留意すべきである。代替案は、赤外線、ＲＦＩＤタグ、或いは潜在的にドレープ材料又は他のそのような障害物を貫通し得る様々な他の手段を含んでもよい。代替案は、視線が１つのセンサによって遮られる場合に、別のセンサを使用できるように、複数のセンサを含むことがある。
【００８５】
図２１及び図２２は、既存の遠隔操作手術用マニピュレータシステムにカメラやバーコード読み取り機を組み込んで使用され得る２つの代替アプローチを示す。一態様では、カメラフレームの姿勢を、有用にするためにＰＳＣフレームに変形する必要がある。これは、連鎖する以下の２つの変形を含み得る：内部カメラからカメラ筐体に変形すること；カメラ筐体からＰＳＣに変形すること。一態様では、較正が不要となるように、先に述べた２番目（カメラ筐体からＰＳＣに変形すること）を正確に行うことができる場合に、それは特に有用である。カメラを交換する必要がある場合に、これは、現場での較正が必要とされないように、全ての較正を工場で行うようにすることを可能にする。
【００８６】
図２３〜図２４は、本発明の態様による例示的な方法を示している。一例では、姿勢推定の方法は、接地面上で、位置付け可能な手術台の６自由度の３Ｄ姿勢を３自由度の２Ｄ姿勢に変換するステップと；マニピュレータアセンブリに関連したカメラを用いて、手術台のベース上のマーカーを読み取るステップと；基準マーカーの読み取りに基づいて、接地面上で、マニピュレータアセンブリに対する手術台の位置を特定するステップと；接地面上でのマニピュレータアセンブリに対する手術台のベースの位置特定に基づいて、マニピュレータアセンブリに対する手術台の３Ｄ姿勢を推定するステップと；を含む。いくつかの方法は、カメラの可視化画像内の手術台の位置を抽出するステップと；カメラビューに対する手術台の表現又は表示を提供するステップと；をさらに含む。別の例では、方法は、マニピュレータアセンブリに関連したカメラを用いて、手術台のベース上のマーカーを読み取るステップと；マーカーの読み取りに基づいて、手術台の型式、モデル、又は製造元を特定するステップと；を含む。いくつかの方法は、手術台とマニピュレータアセンブリとの間の互換性の態様をチェックするステップ、及び／又はマニピュレータアセンブリを手術台と一緒に使用するための使用許可を与えるステップ；をさらに含む。このような方法は、手術台の姿勢推定の計算のために、手術台の型式、モデル、又は製造元、及び／又は手術台とマニピュレータアセンブリとの間の協調運動の計算を出力するステップを含む。
【００８７】
他の変形形態が、本発明の精神の範囲内にある。こうして、本発明は、様々な修正及び代替の構成が可能であるが、その特定の例示の実施形態が、図面に示されており、詳細に上述してきた。しかしながら、開示された特定の形態（複数可）に本発明を限定する意図がないことを理解すべきであり、逆に、その意図は、添付の特許請求の範囲に規定されるように、本発明の精神及び範囲内に入る全ての修正、代替構成、及び均等物を包含することである。
【００８８】
本発明を説明する文脈（特に以下の特許請求の範囲の文脈）における「１つの(a,  an)」及び「その(the)」及び同様の指示語の使用は、本明細書に特に指示がない限り又は本明細書の文脈に明らかに矛盾しない限り、単数及び複数の両方を網羅するように解釈される。用語「備える、有する、含む(comprising)」、「有する、含む(having)」、「含む、有する(including)」、「含む(containing)」は、特に断りのない限り、オープンエンドの用語に解釈される（すなわち、「含む、有する(including)」を意味するが、これらに限定されるものではない）。用語「接続」は、間に何か介在するものがあっても、何かに部分的に又は完全に含まれる、何かに取り付けられる、又は何かと一緒に接合されるように解釈される。本明細書での値の範囲の記載は、本明細書に特に指示がない限り、この範囲に含まれる各別個の値を個別に参照する簡便な方法の役割を果たすことが単に意図されており、各別個の値は、本明細書に個別に記載されるように、明細に組み込まれる。本明細書で説明する全ての方法は、本明細書に特に指示がない限り又は本明細書の文脈に明らかに矛盾しない限り、任意の適切な順序で行うことができる。本明細書に記載された、いくつかの及び全ての例、又は例示的な言葉（例えば、「等」）の使用は、単に本発明の実施形態をより良く説明することを意図しており、他に注記がない限り、本発明の範囲を限定するものではない。明細書中の言語は、本発明を実施するのに不可欠な、主張していない要素を示すように解釈すべきである。
【００８９】
本明細書に記載された刊行物、特許出願、及び特許文献を含む全ての参考文献は、各文献が個別に存在し、参照により組み込まれるように具体的に示され、その全体が本明細書に記載されているかのような、同程度まで参照により本明細書に組み込まれる。
【００９０】
以下に、出願当初の特許請求の範囲の内容を実施例として記載しておく。
［実施例１］
手術台の姿勢を推定する方法であって、当該方法は、
前記手術台に隣接するマニピュレータアセンブリに関連したカメラを用いて、前記手術台のベース上の１つ又は複数の基準マーカーを読み取るステップと、
前記１つ又は複数のマーカーの読み取りに基づいて、前記マニピュレータアセンブリに対する前記手術台の共通面上での位置を特定するステップと、を含む、
方法。
［実施例２］
前記１つ又は複数のマーカーは、前記手術台上の固定位置に１つ又は複数の基準マーカーを含む、実施例１に記載の方法。
［実施例３］
前記１つ又は複数のマーカーを前記手術台に貼り付けるステップ、及び／又は前記１つ又は複数のマーカーを、前記手術台に対して特定の向きで前記手術台の選択位置に形成するステップ、を含む、実施例１に記載の方法。
［実施例４］
前記１つ又は複数のマーカーを前記手術台に形成するステップは、前記１つ又は複数のマーカーを前記手術台にエッチング、彫刻、及び／又はエンボス加工を行うステップを含む、実施例１に記載の方法。
［実施例５］
前記１つ又は複数のマーカーを読み取るステップは、患者が前記手術台上に支持されている間の外科的処置前及び／又は外科的処置中に、前記１つ又は複数のマーカーのうちの少なくとも１つを読み取るステップを、含む、実施例１に記載の方法。
［実施例６］
前記共通面は、前記手術台及び前記マニピュレータアセンブリが配置された接地面である、実施例１に記載の方法。
［実施例７］
前記手術台は、１つ又は複数の自由度（DOF）に沿って位置付け可能である、実施例１に記載の方法。
［実施例８］
位置付け可能な前記手術台の６自由度の３Ｄ姿勢を、前記共通面上で３自由度の２Ｄ姿勢に変換するステップをさらに含む、実施例７に記載の方法。
［実施例９］
前記マニピュレータアセンブリに対する前記手術台の前記ベースの前記共通面上の位置特定に基づいて、前記マニピュレータアセンブリに対する前記手術台の３Ｄ姿勢を推定するステップをさらに含む、実施例１に記載の方法。
［実施例１０］
前記カメラを用いて取得した可視化画像内の前記手術台の位置を抽出するステップ、及び前記カメラのカメラビューに対する前記手術台の表現又は表示を提供するステップをさらに含む、実施例１に記載の方法。
［実施例１１］
前記マーカーの読み取りに基づいて、前記手術台の型式、モデル、又は製造元を特定するステップをさらに含む、実施例１に記載の方法。
［実施例１２］
前記手術台と前記マニピュレータアセンブリとの間の互換性の態様をチェックするステップ、及び／又は前記マニピュレータアセンブリを前記手術台と一緒に使用するための使用許可を与えるステップ、をさらに含む、実施例１１に記載の方法。
［実施例１３］
前記１つ又は複数のマーカーは、前記手術台の複数の位置に配置された複数のマーカーを含み、前記１つ又は複数のマーカーを読み取るステップは、前記１つ又は複数のマーカーのうちの少なくとも１つを読み取るステップを含む、実施例１に記載の方法。
［実施例１４］
前記１つ又は複数のマーカーを読み取るステップは、前記１つ又は複数のマーカーのうちの単一のマーカーを読み取るステップを含み、前記手術台の位置特定は、前記単一のマーカーの読み取りに基づいている、実施例１３に記載の方法。
［実施例１５］
前記１つ又は複数のマーカーの初期読み取り及び該初期読み取りに基づいた位置特定の後に、前記１つ又は複数のマーカーのうちの少なくとも１つを読み取るステップと、
初期の位置特定を更新及び／又は検証するために、前記１つ又は複数のマーカーの後続の読み取りに基づいて、前記マニピュレータアセンブリに対する前記手術台の前記共通面上での位置を特定するステップと、をさらに含む、実施例１３記載の方法。
［実施例１６］
遠隔手術システムであって、当該システムは、
マニピュレータアセンブリと、
該マニピュレータアセンブリに近接して配置された手術台であって、１つ又は複数の基準マーカーを有する手術台と、
前記手術台をマニピュレータアセンブリに近接して位置付けしたときに、前記手術台の前記１つ又は複数のマーカーを読み取るように構成されるセンサと、を備える、
システム。
［実施例１７］
前記手術台は、１つ又は複数の自由度(DOF)に沿って位置付け可能である、実施例１６に記載のシステム。
［実施例１８］
前記センサは、前記マニピュレータアセンブリのカメラを含む、実施例１６に記載のシステム。
［実施例１９］
前記１つ又は複数の基準マーカーは、バーコード、ＲＦＩＤタグ、ライト、又はこれらの任意の組合せを含む、実施例１６に記載のシステム。
［実施例２０］
前記１つ又は複数のマーカーは、前記手術台の選択部分に固定して取り付けられ及び／又は形成される、実施例１６に記載のシステム。
［実施例２１］
前記１つ又は複数のマーカーは、接地面に対する前記手術台の姿勢が、前記１つ又は複数のマーカーのうちの少なくとも１つの読み取りによって決定可能であるように、前記手術台に対して特定の向きに選択部分及び選択位置に固定して取り付けられ及び／又は形成される、実施例１６に記載のシステム。
［実施例２２］
前記１つ又は複数の基準マーカーは、前記手術台のベースの周りに及び／又は前記手術台の手術台上面の縁部又は側部に沿って延びる１つ又は複数の２Ｄバーコードを含む、実施例１６に記載のシステム。
［実施例２３］
前記システムは、
前記手術台に隣接するマニピュレータアセンブリに関連したカメラを用いて、前記手術台のベース上の１つ又は複数のマーカーを読み取り、
前記１つ又は複数のマーカーの読み取りに基づいて、マニピュレータアセンブリに対する手術台の共通面上での位置を特定する、ように構成されたプロセッサを含む、
実施例１６に記載のシステム。
［実施例２４］
前記手術台は、６つの自由度に沿って位置付け可能であり、前記プロセッサは、
位置付け可能な前記手術台の６自由度の３Ｄ姿勢を、前記共通面上で３自由度の２Ｄ姿勢に変換する、ようにさらに構成される、実施例２３に記載のシステム。
［実施例２５］
前記プロセッサは、
前記マニピュレータアセンブリに対する前記手術台の前記ベースの前記共通面上での位置特定に基づいて、前記マニピュレータアセンブリに対する前記手術台の３Ｄ姿勢を推定する、ようにさらに構成される、実施例２３に記載のシステム。
［実施例２６］
前記プロセッサは、
前記センサを用いて取得した可視化画像内の前記手術台の位置を抽出し、
前記カメラのカメラビューに対する前記手術台の表現又は表示を提供する、ようにさらに構成される、実施例２３に記載のシステム。
［実施例２７］
前記マーカーの読み取りに基づいて、前記手術台の型式、モデル、又は製造元を特定するように構成されたプロセッサをさらに含む、実施例１６に記載のシステム。
［実施例２８］
前記プロセッサは、
前記手術台と前記マニピュレータアセンブリとの間の互換性の態様をチェックし、及び／又は前記マニピュレータアセンブリを前記手術台と一緒に使用するための使用許可を与得る、ようにさらに構成される、実施例２７に記載のシステム。
［実施例２９］
手術台あって、
患者支持面を有する基板と、
該基板を支持する支持構造体であって、前記患者支持面を１つ又は複数の自由度に沿って位置付け可能にするように移動可能である支持構造体と、
１つ又は複数の基準マーカーであって、該１つ又は複数のマーカーを読み取ることにより、接地面に対する前記手術台の姿勢を決定可能にするような選択位置及び／又は選択向きで前記手術台に配置された１つ又は複数の基準マーカーと、を有する、
手術台。
［実施例３０］
前記１つ又は複数のマーカーは、前記手術台の前記基板及び／又はベースの外縁又は側部に沿って配置された複数のマーカーを含む、実施例２９に記載の手術台。
［実施例３１］
前記選択位置及び／又は選択向きは、前記１つ又は複数のマーカーのうちの少なくとも１つの読み取りにより前記手術台の姿勢を決定可能にするように、予め決定される、実施例２９に記載の手術台。
［実施例３２］
前記手術台をマニピュレータアセンブリを有する遠隔手術システムと一緒に位置付けし且つ通信可能に結合したときに、前記手術台の前記１つ又は複数のマーカーを読み取るように構成されたセンサをさらに含む、実施例２９に記載の手術台。
［実施例３３］
前記センサは、感光性検出器又はカメラを含む、実施例３２に記載の手術台。
［実施例３４］
前記支持構造体は、基板を６つの自由度に沿って位置付け可能にするように構成される、実施例３２に記載の手術台。
［実施例３５］
前記１つ又は複数のマーカーは、前記手術台の周りに延びる一連の２Ｄバーコードを含む、実施例３２に記載の手術台。
【図１】
2020163153.tif 000003
【図２】
2020163153.tif 000004
【図３】
2020163153.tif 000005
【図４】
2020163153.tif 000006
【図５Ａ】
2020163153.tif 000007
【図５Ｂ】
2020163153.tif 000008
【図６】
2020163153.tif 000009
【図７】
2020163153.tif 000010
【図８】
2020163153.tif 000011
【図９】
2020163153.tif 000012
【図１０】
2020163153.tif 000013
【図１１Ａ】
2020163153.tif 000014
【図１１Ｂ】
2020163153.tif 000015
【図１２】
2020163153.tif 000016
【図１３Ａ】
2020163153.tif 000017
【図１３Ｂ】
2020163153.tif 000018
【図１３Ｃ】
2020163153.tif 000019
【図１４Ａ】
2020163153.tif 000020
【図１４Ｂ】
2020163153.tif 000021
【図１５】
2020163153.tif 000022
【図１６】
2020163153.tif 000023
【図１７】
2020163153.tif 000024
【図１８Ａ】
2020163153.tif 000025
【図１８Ｂ】
2020163153.tif 000026
【図１９Ａ】
2020163153.tif 000027
【図１９Ｂ】
2020163153.tif 000028
【図２０】
2020163153.tif 000029
【図２１】
2020163153.tif 000030
【図２２】
2020163153.tif 000031
【図２３】
2020163153.tif 000032
【図２４】
2020163153.tif 000033
【外国語明細書】
2020163153000001.pdf