(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の外科アームを含む超精巧外科システムをが提供する。【解決手段】超精巧外科システムは、超精巧外科ツール３００にそれぞれ結合された２つの超精巧外科アーム２００を含む。操作者１は、操作者１の右手中に保持された入力デバイス５００で超精巧外科アーム２００を制御する。操作者１は、操作者１の左手中に保持された入力デバイス５００で別の超精巧外科アーム２００を制御する。入力デバイス５００は、操作者１の移動に応答して、超精巧外科アーム２００および／または超精巧外科ツール３００を移動する。超精巧外科システムはディスプレイ６００を含む。ディスプレイ６００は、操作者１が、超精巧外科システムに適用されるべき制約を確立することを可能にし得る。【選択図】図３Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィクスチャに結合可能な１つまたは複数の電気機械アームと；
１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリを画成するために前記１つまたは複数の電気機械アームによって支持される１つまたは複数の電気機械ツールと；
前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリと電子的に通信するように構成された電子制御システムであって、前記電子制御システムが、前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリの操作を制御するように構成される、電子制御システムと；
前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリを操作するために前記電子制御システムを介して前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリに１つまたは複数の制御信号を通信するように作動可能な１つまたは複数のポータブルハンドヘルドコントローラと
を備える、外科システムであって、
前記１つまたは複数のポータブルハンドヘルドコントローラは、操作領域の複数のロケーションから、外科医が外科的手技中に移動可能になることと前記操作領域の様々なロケーションから前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリを操作することとを可能にする前記１つまたは複数の制御信号を提供するように構成された、
外科システム。
【請求項２】
前記複数のロケーションのうちの１つが患者の手術テーブルのそばにある、請求項１に記載の外科システム。
【請求項３】
前記複数のロケーションのうちの１つが遠隔制御スタンドである、請求項１に記載の外科システム。
【請求項４】
前記１つまたは複数のポータブルハンドヘルドコントローラが前記手術テーブルのそばから操作可能であり、それにより、前記外科医が一方の手で用手ツールを、ならびに別の手で前記１つまたは複数のポータブルハンドヘルドコントローラを介して電気機械アームおよびツールアセンブリを同時に操作することが可能になる、請求項２に記載の外科システム。
【請求項５】
前記電気機械アームおよびツールアセンブリと前記用手ツールとが、互いに独立してまたは互いに同期して操作される、請求項４に記載の外科システム。
【請求項６】
前記電気機械アームおよびツールアセンブリと前記用手ツールとが、整合されたか部分的に整合されたかまたは互いに独立した基準系において操作される、請求項４に記載の外科システム。
【請求項７】
前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリが、同じ外科的作業空間において同時に操作可能である、請求項１に記載の外科システム。
【請求項８】
前記１つまたは複数のポータブルハンドヘルドコントローラのうちの少なくとも１つがワイヤレスであり、前記１つまたは複数の制御信号をワイヤレスに通信する、請求項１に記載の外科システム。
【請求項９】
前記フィクスチャが手術テーブルに結合された、請求項１に記載の外科システム。
【請求項１０】
前記１つまたは複数の電気機械アームがそれぞれ３つの自由度を備える、請求項１に記載の外科システム。
【請求項１１】
前記１つまたは複数のポータブルハンドヘルドコントローラの前記操作領域内の位置がトラッキングされる、請求項１に記載の外科システム。
【請求項１２】
１つまたは複数のカメラを備える１つまたは複数のソースから入力信号を受信するように構成された可視化システムをさらに備え、前記可視化システムが、前記外科医の視線内の１つまたは複数のモニタ上に外科的作業空間の画像を表示するように構成された、請求項１に記載の外科システム。
【請求項１３】
前記１つまたは複数のポータブルハンドヘルドコントローラが、前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリを選択的に操作するように構成された、請求項１に記載の外科システム。
【請求項１４】
前記１つまたは複数のポータブルハンドヘルドコントローラを前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリと選択的に係合および離脱し、それにより、前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリを選択的に操作するように作動可能なクラッチをさらに備える、請求項１３に記載の外科システム。
【請求項１５】
前記１つまたは複数のポータブルハンドヘルドコントローラのうちの１つを、異なる電気機械アームおよびツールアセンブリを操作することの間で選択的に切り替えるように操作可能なユーザインターフェースをさらに備える、請求項１に記載の外科システム。
【請求項１６】
前記ユーザインターフェースがディスプレイである、請求項１５に記載の外科システム。
【請求項１７】
フィクスチャに結合可能な１つまたは複数の電気機械アームと；
１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリを画成するために前記１つまたは複数の電気機械アームによって支持される１つまたは複数の電気機械ツールと；
前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリと電子的に通信するように構成された電子制御システムであって、前記電子制御システムが、前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリの操作を制御するように構成される、電子制御システムと；
前記電子制御システムと通信するように構成された可視化システムであって、前記可視化システムが、１つまたは複数のカメラを備える１つまたは複数のソースから入力信号を受信し、外科医の視線内の１つまたは複数のモニタ上に外科的作業空間の１つまたは複数の画像を表示するように構成される、可視化システムと
を備える、外科システムであって、
前記電子制御システムは、複数の基準系において前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリを電子的に制御し、前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリと１つまたは複数のカメラとのために異なる基準系の間で動的に切り替わり、それにより、前記外科医が外科的手技中に患者に対して異なる配向に移動することを可能にし、前記異なる配向から前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリを制御するように構成された、
外科システム。
【請求項１８】
前記制御システムが、前記外科的作業空間中でカメラの基準系において前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリを制御し、それにより、前記外科医に前記外科的作業空間の没入型ビューを提供するように構成された、請求項１７に記載の外科システム。
【請求項１９】
前記制御システムが、患者の体の外部の基準系において前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリを制御するように構成された、請求項１７に記載の外科システム。
【請求項２０】
前記制御システムが、前記カメラの前記基準系と患者の体の外部の基準系との間で動的に切り替わりながら、前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリを制御するように構成された、請求項１８に記載の外科システム。
【請求項２１】
前記制御システムは、前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリ間で前記外科医によって保持される１つまたは複数のポータブルハンドヘルドコントローラのマッピングを切り替え、それにより、前記外科医が自分自身を前記患者に対して異なる視点に再配置することが可能になるように構成された、請求項１７に記載の外科システム。
【請求項２２】
前記可視化システムが、前記外科医に従う基準系において前記外科的作業空間の１つまたは複数の画像を表示する、請求項１７に記載の外科システム。
【請求項２３】
フィクスチャに結合可能な１つまたは複数の電気機械アームであって、前記１つまたは複数の電気機械アームの各々が、前記電気機械アームのベースに近接した冗長ロール機構を備える３つの自由度を有する、電気機械アームと；
１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリを画成するために前記１つまたは複数の電気機械アームによって支持される１つまたは複数の電気機械ツールと；
前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリと電子的に通信するように構成された電子制御システムであって、前記電子制御システムが、前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリの操作を制御するように構成される、電子制御システムと
を備える、外科システムであって、
前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリが前記フィクスチャに結合されるとき、前記冗長ロール機構が、患者上の切開ポイントに近接して画成される遠隔中心の下方に垂直方向に配置され、それにより、前記患者の体の外部に前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリのデッドゾーンを画成し、このようにして、前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリが前記患者の体の内部の外科的作業空間のすべての４つの象限にアクセスすることを可能にし、前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリの前記外科的作業空間を最大にする、
外科システム。
【請求項２４】
操作領域の様々なロケーションから前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリを操作するために前記電子制御システムを介して前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリに１つまたは複数の制御信号を通信するように前記操作領域の複数のロケーションから外科医によって作動可能な１つまたは複数のポータブルハンドヘルドコントローラをさらに備える、請求項２３に記載の外科システム。
【請求項２５】
前記複数のロケーションのうちの１つが患者の手術テーブルのそばにある、請求項２４に記載の外科システム。
【請求項２６】
前記１つまたは複数のポータブルハンドヘルドコントローラが前記手術テーブルのそばから操作可能であり、それにより、前記外科医が一方の手で用手ツールを、ならびに別の手で前記１つまたは複数のポータブルハンドヘルドコントローラを介して電気機械アームおよびツールアセンブリを同時に操作することが可能になる、請求項２５に記載の外科システム。
【請求項２７】
前記１つまたは複数の電気機械アームの各々が、前記３つの自由度に関連する３つの軸を有し、前記３つの軸が前記遠隔中心において交差する、請求項２３に記載の外科システム。
【請求項２８】
フィクスチャに選択的に結合可能な１つまたは複数の電気機械アームと；
１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリを画成するために前記１つまたは複数の電気機械アームによって支持される１つまたは複数の電気機械ツールと；
前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリと電子的に通信するように構成された電子制御システムであって、前記電子制御システムが、前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリの操作を制御するように構成される、電子制御システムと
を備える、外科システムであって、
前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリは、モジュラー様式で前記フィクスチャに結合し、それにより、外科的手技中に前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリの複数の組合せが前記外科的手技によって必要とされるように使用されることが可能になり、それにより、外科的手技中に患者の外部の作業空間の増大を可能にするように構成された、
外科システム。
【請求項２９】
前記１つまたは複数の電気機械アームの各々が、前記電気機械アームのベースに近接した冗長ロール機構を備える３つの自由度を有し、このようにして、前記外科的手技中に前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリが患者から離れて移動されることが可能になり、それにより、前記患者の外部の前記作業空間が増大される、請求項２８に記載の外科システム。
【請求項３０】
前記１つまたは複数の電気機械アームおよびツールアセンブリの各々が、前記１つまたは複数の電気機械アームの２つの異なるポーズを介して前記１つまたは複数の電気機械ツールのための所望の位置を達成し、それにより、前記患者上のロケーションへのより大きいアクセスを提供するように構成された、請求項２８に記載の外科システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権出願への参照による組込み
本出願は、そのすべてが参照により全体として本明細書に組み込まれ、本明細書の一部と見なされるべきである、２０１３年３月１５日に出願された米国仮出願第６１／７９１２４８号と、２０１３年１１月２０日に出願された米国仮出願第６１／９０６８０２号と、２０１３年１１月２６日に出願された米国仮出願第６１／９０８８８８号と、２０１３年１２月１２日に出願された米国仮出願第６１／９１５４０３号と、２０１４年２月５日に出願された米国仮出願第６１／９３５９６６号との米国特許法第１１９条（ｅ）項の下での優先権の利益を主張する。
【０００２】
外科ロボットは、外科医が最小侵襲様式で患者を手術することを可能にする。本出願は、外科システムおよび方法に関し、より詳細には、１つまたは複数の超精巧外科アームと１つまたは複数の超精巧外科ツールとをもつ超精巧外科システム、およびそれを操作する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
現在、外科医は、多くの技法を利用する最小侵襲手術の個別の方式の間で選択しなければならない。腹腔鏡手術は、概して、用手ツールを用いた腹腔鏡手術、およびロボットツールを用いた腹腔鏡手術という、２つのカテゴリー内に入る。用手ツールを使用する腹腔鏡手術では、手技は、典型的には小さい切開を通して実施される。用手ツールは、並進され、支点の周りを回転され、および／または移動され得る。支点の周りを回転する用手ツールの場合、外科医はツールのハンドルを保持する。外科医がハンドルを一方向に移動すると、ツールの遠位端が別の方向に移動する。ツールの近位端の動きに対するツールの遠位端の発生する動きは自然でないことがあり、外科医は技法を練習する必要がある。
【０００４】
腹腔鏡ツールの動きは腹腔鏡カメラによってキャプチャされる。腹腔鏡カメラは、用手ツールとまったく同様に切開を通して体内に挿入される長いシャフトを有する。腹腔鏡カメラは、用手ツールの遠位先端を見るために配置され、ツールの遠位端の動きをキャプチャする。ディスプレイは、典型的には、カメラの基準系に対するツールの動きを示す。支点の周りを回転する用手ツールの場合、ツールは、腹腔鏡カメラの画像に基づいて容易に明らかでないことがある極座標系において移動する。
【０００５】
腹腔鏡手術の別の方式はロボット外科である。市場にあるロボット外科システムでは、大きいロボットアームがロボットツールを制御する。ツールは小さい切開部の中に挿入される。ロボットツールの遠位端は、典型的には、患者の体内で手技を実施するためのエンドエフェクタ（例えば、グラスパ、ステープラなど）を含む。エンドエフェクタは、ロボットアームの能力の制約内で、空間中を並進される。外科医は、典型的には、患者から離れている没入型コンソールからロボットアームを制御する。ロボットツールは、いくつかの外科的タスクをうまく行うように構成されるが、他の外科的タスクには好適でない。
【０００６】
市場にある外科ロボットシステムでは、ロボットツールの動きは概してロボットカメラによってキャプチャされる。ロボットカメラの動きは、ロボットツールを制御するロボットアームとまったく同様にやはり外科医の制御下で、ロボットアームによって制御される。外科医は、カメラの基準系において外科医の手の移動をロボットツールの移動にマッピングすることができる。外科医の手の動きは、ロボットカメラの基準系内でロボットツールの遠位端エフェクタにマッピングされる。基準系は、したがって、カメラによって提供されるビューに限定される。ディスプレイは、典型的には、カメラの基準系に対するロボットツールの遠位端の動きを示す。外科医は、したがって、特定のタスクついて望まれるようにロボットツールを制御するために、カメラによって提供される限られた情報で解剖学的構造のメンタルモデルを作成しなければならない。外科医の遠隔ロケーションにより、外科医は、外科的空間についての外科医の理解を増補するために患者の追加のビューを収集することができない。この操作方式は、大きい動き、または患者の体外の基準系に対して移動するのがより自然である動きでは、限定的である。したがって、ロボットカメラ基準系に対してロボットツールの遠位先端を制御することにより、用手ツールを使用する腹腔鏡手術と比較して、外科的手技のいくつかの態様がより自然になる。例えば、縫合タスクにおいて持針器ツールを操作することがより容易になり得る。しかしながら、ロボットカメラの限られた基準系は、手術のいくつかの他の態様をあまり自然でなくさせる。例えば、腹部のある象限から別の象限への大きい移動を行うこと、特に患者の正中線を含むアークを通るカメラ掃引を伴う動きを行うことは、極めて難しい。これらの同じ動きは、患者の体の外部の基準系から用手ツールを用いることで自然な様式で達成され得る。
【０００７】
市場にあるシステムは、ツールを制御する、例えば、ツールの回転および並進を制御する複雑な機構を有する。いくつかの現在のロボットシステムでは、ツールの並進は、複雑で巨大な一連の線形スライドのネスティングを使用して達成される。ツールシャフトの全長を手術のために利用可能にするために、ツールの極近位端にスライドがアタッチされる。その結果、体内へのツールの完全な延長を除くどんな条件においても、並進機構は患者の体から離れて延長する。この位置では、並進機構は、当該のロボットアームの他の構成要素または他のロボットアームとの干渉を受ける。回転および並進機構のサイズにより、隣接するロボットアームの近い配置は不可能になり、したがって場合によっては、ロボットツールはさらに離れて置かれる。ツールが縦振りおよび横振りを介して移動するとき、並進機構はロボットアームに高い慣性負荷を与え、それにより、より大きくより強力なアームが必要となる。回転および並進機構はロボットアームの遠位端に重量みを加える。したがって、ロボットツールを制御する複雑な回転および並進機構を移動するために、リンクセグメントと、リンクセグメントを制御するためのモーターとはより大きくなければならない。各追加のセグメントおよび各追加のモーターが重量を加え、その重量は問題を悪化させる。ロボットアームの遠位端は重く、スチフネスの十分なレベルを維持するためにより一層強力な近位ジョイントによって支持される必要がある。
【０００８】
ロボットアームは、したがって、巨大であり、患者の周囲の空間を占有する。外科的手技を実施するために複数のロボットアームが使用される場合、アームは、衝突を回避するように慎重に調整されなければならない。さらに、ロボットアームの構成要素間の衝突を回避するようにロボットアームを再配置するために、多くの追加のステップが取られる。さらに、ロボットアームおよびツールの挿入の角度、サイズおよび設計、ならびに他の要因により、ロボットアームは、デッドゾーンと呼ばれるいくつかのロケーションに達することができないことがある。ロボットアームの大きいサイズは、ロボットアームの周りの操作を計画することを手術スタッフに強制する。これは、外科的手技のフレキシビリティおよび効率の低下につながる。さらに、市場にあるロボットアームは重い。ロボットシステムの設計は、ロボットシステムの使用のためにすでにセットアップされている、特別に設計された操作領域を必要とする。このように、手術室のセットアップにおけるフレキシビリティが限られている。
【０００９】
外科医は、市場にあるロボット外科システムを使用しているとき、しばしば遠隔コンソールにおいて座ってまたは立っていながら、患者から離れて位置する。典型的に、外科医は、没入型エクスペリエンスを提供するビューアを通して手術部位およびツールを閲覧する。場合によっては、外科医とサポートスタッフとの間の連絡が、コンソールを介した外科医の位置により抑制または妨害される。外科医は患者から離れており、スタッフと直接連絡を取ることができないので、ロボット外科を実施するチームは高度にトレーニングされ、熟練している必要がある。ロボット外科が実施される状況において高レベルの効率を達成するために、数か月、場合によっては数年の訓練を要する。これは、チームのメンバーが交換されることを困難にさせる。さらに、（コンソールにおける）この遠隔ロケーションから、外科医は、ロボットアームを制御しながら同時に用手ツールを使用することができない。
【００１０】
患者の体においてある手術部位から別の手術部位へのロボットツールの大スケールの動きを実行することなど、いくつかのタスクは、ロボットアームの構成要素の干渉に起因して、より困難になる。用手ツールを用いれば容易に実施されるいくつかのタスクは、ロボットツールを用いて実施するのがより複雑であるかまたは不可能である。例えば、場合によっては、ロボットは、単に、タスクを達成することが可能なエンドエフェクタを有しない。触診など、触覚フィードバックを必要とするいくつかのタスクは、ロボットアームを操作している外科医によっては行われ得ない。むしろ、ロボットアームを操作している外科医は、手術テーブルのそばにいるアシスタントまたは外科医がこれらのタイプのタスクを支援することを必要とする。
【００１１】
市場にあるロボットアームは、典型的には２つの自由度を有する。典型的に、これらの２つの自由度はピッチ機構およびロール機構から来る。ロボットツールは、典型的には４つの自由度を有する。ロボットツールは、典型的には並進および回転することができる。ロボットツールは、典型的には手首において縦振りおよび横振りすることができる。したがって、市場にあるシステムは、典型的には、ロボットアームとロボットツールとからの自由度を含む、６つの自由度を有する。
【００１２】
いくつかのロボットアームによって使用される並進機構は、シャフト軸の周りを回転することができない。回転を達成するために、これらのシステムは、単に並進機構から独立してツールシャフトだけを回転させる。エンドエフェクタを連接するケーブルは回転中にねじれ、したがってケーブルの摩擦および結束が生じる。このねじれはケーブルの長さの変化を生じさせ、この長さの変化は、システムの弾性またはたるみによって補償されなければならない。このねじれはまた、典型的には約＋／−２７０°の回転に限定される、回転範囲の限定を生じさせる。
【００１３】
上記で説明した最小侵襲手術の現在の方式の１つの欠点は、それらがばらばらであることである。外科医が手術テーブルにおいて用手ツールを使用するために、その外科医は、遠隔コンソールにおいてロボットアームを制御していることが不可能である。外科医が遠隔コンソールにおいてロボットアームを制御するために、その外科医は、手術テーブルにおいて用手ツールを使用していることが不可能である。外科医はロボットツールと用手ツールの両方を同時に制御することができない。
【００１４】
最小侵襲手術の現在の方式の別の欠点は、それらが外科医に限られた情報を提供することである。典型的に、この情報はロボットカメラのビューに限定される。外科医は、カメラからの画像に対する患者、外科医、またはツールのロケーションなど、追加の制約に関する情報を提供されない。外科医は、ツールを移動することおよび／またはロボットカメラを移動することなしにカメラの基準系を理解するための情報を提供されない。ツールを移動し、画像を閲覧することによって、外科医は、患者内の作業空間と操作領域とのメンタルモデルを作成することができる。
【００１５】
市場にあるロボット外科システムに関する別の欠点は、それらが、手術中に外科医自身を再配置する能力を外科医に与えないことである。外科医は、ロボットツールを操作して、ロボットツールのエンドエフェクタを用いて外科的タスクを実施するために、没入型コンソールにとどまっていなければならない。
【００１６】
市場にあるロボット外科システムの別の欠点は、それらが典型的には地面に固定され、手術中に患者の配向に従わないことである。ロボットアームが使用中の間、ロボットアームおよび／またはベッドの位置は変更され得ない。典型的に、ロボットアームは水平レベル表面に取り付けられ（例えば、床に固定され）、患者は水平レベル表面（例えば、ベッド）上に置かれる。いくつかの手術では、実施されるべき手術に基づいて水平表面に対して患者の体をある角度に向ける（例えば、傾ける）（例えば、内部臓器を患者の頭部のほうへシフトさせるために患者の頭部を低くする）ことが有利であり得る。
【００１７】
市場にあるロボットアームに関する別の欠点は、作業空間にアクセスすることが、ロボットアームが極めて大きい範囲の動きを介して移動することを必要とし得ることである。単一の手術のために複数のロボットアームが使用されるとき、移動は限定され得る。それらのロボットアーム間のまたは単一のロボットアームの構成要素間の衝突の可能性が増大する。本課題は、患者の外部の自由空間を最大にしながら、またロボットシステムを小さくコンパクトに保ちながら、体内の作業空間を最大にすることである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
市場にあるロボット外科システムに関して上記で説明した欠陥を克服し、外科的手技を実施するときに外科医にフレキシビリティを提供する外科システムが必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
以下で説明する超精巧外科システムは、上記で説明した欠陥の多くを克服し、市場にあるロボット外科システムに勝る利点を提供する。超精巧外科システムの１つの利点は、超精巧外科システムが小さくコンパクトであり、したがって、様々なフィクスチャに様々な方法で取り付けられ得ることである。超精巧外科システムの１つの利点は、特定の外科的手技を行うことを可能にするために（例えば、所望の組織または臓器へのより良いアクセスを提供する方法で内部臓器をシフトするために）患者の体が傾けられるときなど、外科的手技中に、超精巧外科アームが患者の配向に従うように取り付けられ得ることである。超精巧外科システムの１つの利点は、外科医が患者に手術をしながら超精巧外科ツールと用手ツールを同時に使用する能力である。超精巧外科システムの別の利点は、それがモジュラー式であり、したがって、手技に先立ってまたは手技中にどのように外科的領域がセットアップされるかにおいてフレキシビリティを提供し、患者の上方の自由空間が最大にされることを可能にすることである。本システムのさらに別の利点は、それが、外科医が外科的手技を実施しながら移動可能になり、また、外科的手技中に用手ツールのみを使用することと、用手ツールと超精巧外科ツールを使用することと、超精巧外科ツールのみを使用することとの間をシームレスに移ることを可能にすることである。本システムの別の利点は、それが、超精巧外科ツールの操作をより自然にさせる追加の情報を外科医に提供することである。さらに別の利点は、それが、患者の近くで特定の外科的タスクを実施するために手術中に外科医自身を再配置する能力を外科医に提供することである。例えば、外科的手技中に、外科医は、行われるべき手技に基づいて異なる位置からツールを操作すること、または用手ツールが保持される必要がある様式に起因して、外科医自身を再配置することを望み得る。本システムのさらに別の利点は、超精巧外科ツールのエンドエフェクタが、患者の体内の作業空間が最大にされるように、単一の入口点から患者内の異なるロケーションに達することができることである。例えば腹部手術において、単一の入口点から腹部のすべての４つの象限にアクセスする必要があり得る。超精巧外科システムのさらなる利点は、本明細書で提供される説明で明らかになろう。
【００２０】
別の態様によれば、超精巧外科アームはフィクスチャ（例えば、手術テーブル、病院ベッド、検査テーブル、壁、床、天井、テーブル、カート、またはドリー）に結合することができる。超精巧外科アームは支持アームによって支持され得る。支持アームは、超精巧外科アームを配置するために移動され得る。支持アームは、遠隔中心を配置するために移動され得る。超精巧外科アームは水平位置調整機構によって支持され得る。超精巧外科アームは垂直位置調整機構によって支持され得る。水平位置調整機構および／または垂直位置調整機構は、遠隔中心を配置するために移動され得る。
【００２１】
別の態様によれば、超精巧外科システムは、手術中に患者の配向に従うように１つまたは複数の超精巧外科アームがある角度に向けられる（例えば、傾けられる）ことを可能にすることができる。典型的に、患者は水平レベル表面（例えば、ベッド）上に置かれる。いくつかの手術では、実施されるべき手術に基づいて水平表面に対して患者の体をある角度に向ける（例えば傾ける）（例えば、手術部位へのアクセスの改善のために、内部臓器を手術部位から離れて患者の頭部のほうへシフトさせるために患者の頭部を低くする）ことが有利であり得る。超精巧外科システムは、このように、使用中の超精巧外科アームを伴う手技中に超精巧外科アームをある角度に向けること（例えば、水平から傾けること）を可能にする。
【００２２】
一態様によれば、超精巧外科システムは、外科医など、１人の操作者による用手ツールと超精巧外科ツールの同時使用に適応する。用手ツールと超精巧外科ツールの同時使用は、患者内の同じ作業空間中であり得る。操作者は、一方の手で用手ツールを制御し、他方の手で超精巧外科ツールを制御することができる。
【００２３】
超精巧外科ツールは、ツールシャフトと、手首と、エンドエフェクタとを含むことができる。ツールは、近位端にあるか、またはツールのシャフトに沿った任意のポイントに配置されたモーターパックを有することができる。モーターパックは、エンドエフェクタの動きを実現するためにツール中の駆動機構の移動を作動させる複数のモーターを含むことができる。一実施形態では、モーターパックは取外し可能であり得る。
【００２４】
別の態様によれば、超精巧外科システムは、操作者が、超精巧外科ツールを操作しながら、患者のベッドサイドにおいて、すなわち、手術テーブルにおいて、を含む、複数のロケーションから患者と相互作用することを可能にする。超精巧外科システムは、操作者が、患者の隣に位置しながら患者のベッドサイドにおいて、１つまたは複数の超精巧外科ツールを制御すること、あるいは超精巧外科ツールと用手ツールを同時に制御することを可能にする。
【００２５】
別の態様によれば、超精巧外科システムは、操作者が手技中に操作領域の周りで移動可能になることを可能にする。この移動性は、外科医が、外科的手技を実施するために患者の周りで最適な位置を見つけることと、手術中に必要または所望に応じて外科医自身を再配置することとを可能にする。超精巧外科システムは、このように、操作者が、患者のベッドサイドからおよび／または別個の遠隔スタンドからを含む、複数のロケーションから超精巧外科ツールを制御することを可能にする。操作者は、用手ツールおよび／または超精巧外科ツールを操作するためにより最適な位置に移転することができる。
【００２６】
別の態様によれば、超精巧外科システムはモジュラー式であり、それにより、患者に対して超精巧外科システムの１つまたは複数の超精巧外科アームを構成する際におけるフレキシビリティおよび多用性が可能になる。超精巧外科システムによって提供されるそのようなフレキシビリティは、超精巧外科アームの有利な離間を可能にする。このフレキシビリティはまた、必要に応じて超精巧外科アームを追加または除去することによって、外科的手技を開始するより前に患者または環境に適合するように、および外科的手技中に修正されるように操作領域がセットアップされることを可能にする。超精巧外科システムのモジュラー態様によって提供されるフレキシビリティはまた、患者の周りのより多くの自由空間を可能にし、それにより、１つまたは複数の超精巧外科アーム間の衝突が限定される。前記自由空間はまた、例えば、様々な位置から用手ツールを（例えば、超精巧外科ツールと同時に）操作するための、または患者に緊急手技が実施される必要があるときなど、手術中に患者に対して外科医自身を再配置するための、患者へのより大きいアクセスを外科医に与える。超精巧外科システムによって提供される前記自由空間はまた、追加の超精巧外科アームの配置を可能にし、ならびに超精巧外科アームのより大きい範囲の動きを可能にする。
【００２７】
別の態様によれば、超精巧外科アームのサイズおよび／または重量が最小限に抑えられる。超精巧外科ツールの回転／並進機構のサイズおよび／または重量が最小限に抑えられ、それにより、超精巧外科ツールを支持する超精巧外科アームのサイズおよび／または重量が最小限に抑えられることが可能になる。超精巧外科アームのサイズおよび重量を最小限に抑えることにより、超精巧外科アームの移動を実施するのにあまり巨大でない、モーターなどの駆動機構の使用が可能になる。さらに、超精巧外科アームの駆動機構に電力供給するために必要とされる電力の量が低減される。さらに、超精巧外科アームのより小さいサイズおよび／または重量は、フィクスチャへの超精巧外科アームの取付けにおけるフレキシビリティを可能にする。超精巧外科システムによって占有されるより小さい空間により、操作者は、有利には、外科的領域の周りのより多くの自由空間を有することができる。
【００２８】
別の態様によれば、超精巧外科システムは、ツールの配置についての外科医の理解を増補することによって、超精巧外科ツールの動きについての外科医の自然な理解を可能にする。超精巧外科システムは、患者の体内の、作業空間内の用手ツールと超精巧外科ツールとの配置に関する情報を提供する。例えば、超精巧外科システムは、外科医に対する超精巧外科ツールの配向および位置を外科医が理解するのを助ける視覚的手がかりを外科医に提供することができ、それにより、外科医は、外科医によって作動されたときに超精巧外科ツールがどのように移動するのかを理解することが可能になる。超精巧外科システムは、超精巧外科ツールの制御が操作者の選好に基づいて調整されることを可能にする。超精巧外科システムは、操作者に提示される情報が操作者の選好に基づいて調整されることを可能にする。
【００２９】
別の態様によれば、超精巧外科システムは、デッドゾーン、超精巧外科ツールによってアクセス不可能な体内の領域を低減する。超精巧外科アームは、デッドゾーンが患者の体から離れて置かれ得るように配置され得る。超精巧外科システムは、デッドゾーンを最小限に抑えるように超精巧外科アームを取り付けることが達成しやすいように設計され得る。超精巧外科システムは、超精巧外科アームの中立位置および／またはゼロ位置がデッドゾーンを最小限に抑えるように設計され得る。
【００３０】
別の態様によれば、超精巧外科アームは冗長自由度を有することができる。冗長自由度は、超精巧外科アームが様々な所望のポーズで置かれることを可能にすることができる。冗長自由度は、患者の周りのより多くの自由空間を可能にすることができる。冗長自由度は、患者の上方の空間内の、より多くの超精巧外科アーム（例えば、複数の超精巧外科アーム）の配置および使用を可能にすることができる。さらに、冗長自由度は、患者内のより大きい作業空間を可能にすることができる。冗長自由度は、（単一の超精巧外科アームの構成要素間の）自己衝突と、（超精巧外科アーム間、超精巧外科アームと患者との間の）他の衝突との数を限定することができる。
【００３１】
一態様によれば、超精巧外科アームは３つの自由度を有することができる。超精巧外科アームは、市場にあるシステムと比較して１つの冗長自由度を有することができる。超精巧外科アームは２つのロール軸を有することができる。これらの２つのロール軸のうちの１つは冗長ロール軸であり得る。超精巧外科アームは冗長ロール機構を有することができる。超精巧外科ツールおよび回転／並進機構は４つの自由度を有することができる。超精巧外科ツールは回転および並進することができる。さらに、超精巧外科ツールは縦振りおよび（例えば、手首を介して）ロールすることができる。超精巧外科アーム、超精巧外科ツールおよび回転／並進機構は一緒に、７つの自由度を提供することができる。一実施形態では、超精巧外科アーム、超精巧外科ツールおよび回転／並進機構は一緒に、８つ以上の自由度を提供することができる。超精巧外科アームは、市場にあるシステムと比較して２つ以上の冗長自由度を有することができる。冗長自由度は、超精巧外科アームが様々な所望のポーズで置かれることを可能にすることができる。さらに、冗長自由度は、超精巧外科ツールが、超精巧外科アームの様々なポーズを介して所望の配向で配置されることを可能にすることができる。
【００３２】
超精巧外科アームは、遠隔中心を確立するために配置され得る。遠隔中心は、体内への進入が行われるロケーションである。超精巧外科システムでは、遠隔中心は、超精巧外科アームの様々なロールおよび縦振り機構の回転軸と、超精巧外科ツールの軸とが交差する空間中のロケーションである。遠隔中心は患者の切開部に位置し得る。デッドゾーンを患者の体外に配置するために、遠隔中心の下方にショルダーロール機構が置かれ得る。
【００３３】
別の態様によれば、超精巧外科アームは、縦振り機構と、第１のロール機構と、第２のロール機構とを含むことができる。第１のロール機構と第２のロール機構との軸は遠隔中心を通過することができる。さらに、超精巧外科アームに結合された超精巧外科ツールの軸は遠隔中心を通過することができる。超精巧外科アームは、第２のロール機構の垂直ロケーションが、すべての軸がそれを通過する遠隔中心にあり得るかまたはその下方にあり得るように構成され得る。第２のロール機構は冗長ロール機構である。
【００３４】
超精巧外科アームは、第２のロール機構が初期位置から少なくとも最高＋／−９０°回転することができるように構成され得る。いくつかの実施形態では、超精巧外科アームは、第２のロール機構が初期位置から＋／−９０°よりも多く回転することができるように構成され得る。第２のロール機構は、有利には、縦振り機構と１つのロール機構とのみを有する市場にあるロボットアームではアクセス不可能であるかまたは達しにくいターゲットに達することができる。
【００３５】
縦振り機構と、第１のロール機構と、第２のロール機構との構成により、超精巧外科アームは様々なポーズを仮定することができる。ターゲットロケーションは、遠隔中心を維持しながら縦振り機構、第１のロール機構、および／または第２のロール機構の配向を変更することによってアクセスされ得る。
【００３６】
別の態様によれば、超精巧外科システムは、超精巧外科ツールに回転および／または並進を与えることができる回転／並進機構を含む。超精巧外科アームは、回転／並進機構が遠隔中心に近接して（例えば、３〜５インチ以内に、２〜６インチ以内に、１〜７インチ以内に、７インチ未満に、６インチ未満に、５インチ未満に、４インチ未満に、３インチ未満に、２インチ未満に、１インチ未満に）位置するように構成され得る。回転／並進機構は、超精巧外科アームの回転慣性モーメントへの限られた寄与を有するように構成され得る。回転／並進機構は、移動中に、隣接する超精巧外科アームへの干渉を限定するように構成され得る。回転／並進機構は、それが超精巧外科ツールのシャフトに直接作用するように構成され得る。回転／並進機構は、それが超精巧外科ツールの異なるサイズのシャフトに適応するように構成され得る。回転／並進機構は、市場にあるシステムよりも小さい幅を有することができ、それにより、隣接する超精巧外科アームの超精巧外科ツールは互いに近くに配置されることが可能になる。
【００３７】
回転／並進機構は、回転と並進のための機械的エネルギー入力が、回転および／または並進がそれらの２つの機械的エネルギー入力の合成された動きによって達成されるような差分であり得るように構成され得る。回転と並進のための機械的エネルギー入力は、機構に加えられる力が２つの入力モーターの合成された力であるような差分であり得る。回転／並進機構は、それが超精巧外科システムの無菌構成要素と超精巧外科システムの非無菌構成要素との間のバリアを維持するように構成され得る。回転／並進機構は、超精巧外科ツールのシャフト位置が、患者の体外のシャフト長の抵抗またはキャパシタンスを通してシャフト上で直接測定されるように構成され得る。
【００３８】
別の態様によれば、超精巧外科システムは制御システムを含むことができる。超精巧外科アームは入力デバイスによって制御され得る。超精巧外科ツールは入力デバイスによって制御され得る。入力デバイスの位置および配向はトラッキングされ得る。入力デバイスはワイヤレスまたはワイヤードであり得る。超精巧外科システムは１つまたは複数の入力デバイス（例えば、２つ、３つ、４つ、５つ、６つの入力デバイスなど）を含むことができる。
【００３９】
入力デバイスは１つまたは複数の制御ポイントを制御することができる。制御ポイントは、何らかの動きを実行するための能力を有するロケーションである。１つまたは複数の制御ポイントが超精巧外科アーム上にあり得る。１つまたは複数の制御ポイントが超精巧外科ツール上にあり得る。入力デバイスの移動の、１つまたは複数の制御ポイントの移動への変換は、他の制御ポイントの移動から独立していることがある。入力デバイスの移動の、１つまたは複数の制御ポイントの移動への変換は、他の制御ポイントの移動と同期され得る。操作者は、１つまたは複数の制御ポイントを同時に制御することができる。
【００４０】
制御対象は、１つまたは複数の超精巧外科ツールおよび／または１つまたは複数の超精巧外科アームを備えるグループから選択され得る。超精巧外科システムの制御システムは、１つまたは複数のディスプレイ上に表示される画像のズーム係数に応じて入力デバイスの移動を制御対象の移動に変換することができる。
【００４１】
制御システムは、１つまたは複数の入力デバイスと１つまたは複数の制御対象との間の制約の適用を含むことができる。制御システムは、制約が位置などの測定量、または距離、速度、力、および張力などの導出パラメータであるように構成され得る。制御システムは、制約が制御対象ごとに異なり得るように構成され得る。制御システムは、制約が制御対象のグループについて同じであり得るように構成され得る。セット中の各超精巧外科ツールは、独立した制約を有することができる。制約は、１つまたは複数の超精巧外科ツールが単一の入力デバイスで一緒に操作され得るということであり得る。
【００４２】
超精巧外科システムは、１つまたは複数の超精巧外科アームおよび／または１つまたは複数の超精巧外科ツールと通信する電子制御システムを含むことができる。超精巧外科システムは、信号を制御システムと通信する１つまたは複数の入力デバイスを含むことができる。入力デバイスからの信号は操作領域内で送信され得る。例えば、入力デバイスからの信号は患者のベッドサイドから送信され得、それにより、操作者は、患者のベッドサイドから超精巧外科アームを制御することが可能になる。制御システムは、操作領域内の様々なロケーションからの１つまたは複数の超精巧外科アームおよび／または１つまたは複数の超精巧外科ツールと信号を通信することができる。
【００４３】
別の態様によれば、超精巧外科システムは、整合されたか部分的に整合されたかまたは互いに独立した基準系における超精巧外科ツールと用手ツールとの制御を可能にする。超精巧外科システムは、整合されたか部分的に整合されたかまたは互いに独立した基準系における１つまたは複数の超精巧外科ツールの制御を可能にする。超精巧外科システムは、基準系に関する情報を操作者に提供する。
【００４４】
別の態様によれば、超精巧外科システムは、超精巧外科ツールの移動が単一のツールの移動にロックされることを可能にする。超精巧外科システムは、１つまたは複数の超精巧外科ツールの移動が単一の超精巧外科ツールの移動にロックされることを可能にする。超精巧外科システムは、１つまたは複数の超精巧外科ツールの移動が単一の用手ツールの移動にロックされることを可能にする。
【００４５】
別の態様によれば、超精巧外科システムは、ある機構をもつ１つまたは複数の超精巧外科ツールの動きを可能および不能にする。機構はクラッチであり得る。機構の操作は、超精巧外科ツールのための基準系を確立することができる。機構の操作は、操作者が基準系の初期確立の後に新しい基準系を確立することを可能にする。超精巧外科システムは、基準系が、入力デバイスを操作している操作者の手の手首または前腕に関連付けられ得るように構成され得る。超精巧外科システムは、基準系が、用手ツールを操作している操作者の手の手首または前腕に関連付けられ得るように構成され得る。操作者は、１つまたは複数の用手ツールの基準系から独立した基準系において１つまたは複数の超精巧外科ツールを操作することができる。
【００４６】
別の態様によれば、超精巧外科システムは、基準系の理解を可能にする。超精巧外科システムは、１つまたは複数のソースからの情報をアグリゲートし、外科医に１つまたは複数の画像を提供する可視化システムを含むことができる。情報は、外科医、患者、超精巧外科アーム、超精巧外科ツール、および／または用手ツールの位置情報であり得る。情報は制御ポイントの位置情報であり得る。画像は、外科医の視点を反映するように操作され得る。画像は、外科医が別のロケーションに移動すると外科医の視点を反映するように更新され得る。
【００４７】
可視化システムによって提示される情報は、カメラからのライブデータ、術前ＭＲＩ、ＣＴ、超音波または他の画像診断法からのデータ、ならびに人体の臓器および他の部分のモデルであり得る。可視化システムは、カメラからのデータが受信されると画像がリアルタイムで更新され得るように構成され得る。可視化システムは、画像が様々なソースからの情報の混合であり得るように構成され得る。混合すべき情報の混合およびタイプはズーム係数に依存し得る。画像は、情報に関係する警告（例えば、リアルタイムでない、正確に整合されないモデル、低解像度データ）を表示するために更新され得る。
【００４８】
可視化システムは、１つまたは複数のディスプレイ上に画像を提示することができる。各ディスプレイ上に表示される画像は異なり得る。各ディスプレイは異なる画像（例えば、患者のロケーション、制御ポイントのロケーション）を提示し得る。可視化システムは、実施されている操作のタイプに応じて画像が自動的に調整され得るように構成され得る。可視化システムは、画像が外科医のロケーションに従って回転され、配向され得るように構成され得る。可視化システムは、ズーム操作中に、画像が混合されて、ズームインされた画像とズームアウトされた画像との間でスムーズに遷移し得るように構成され得る。画像はユーザ入力デバイスによって制御され得る。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１Ａ】相互作用連続体を概略的に示す。
【図１Ｂ】相互作用連続体に沿ったシナリオを概略的に示す。
【図２】超精巧外科システムの一実施形態を概略的に示す。
【図３Ａ】相互作用連続体に沿ったシナリオを概略的に示す。
【図３Ｂ】相互作用連続体に沿ったシナリオを概略的に示す。
【図３Ｃ】相互作用連続体に沿ったシナリオを概略的に示す。
【図４】ベッドに結合された超精巧外科アームを概略的に示す。
【図５】支持アームの一実施形態を概略的に示す。
【図６】図４の超精巧外科アームの複数の自由度を概略的に示す。
【図７】回転軸と遠隔中心とをもつ超精巧外科アームの一実施形態を概略的に示す。
【図８】図７の超精巧外科アームの一実施形態の自由度を概略的に示す。
【図９】ゼロ位置と、超精巧外科ツールの初期位置と、ターゲット位置とを概略的に示す。
【図１０】超精巧外科アームの縦振りセグメントと他の部分との間の干渉により、超精巧外科ツールがターゲット位置に達することができないことを概略的に示す。
【図１１】図１０の同じターゲットポイントに達するためにどのようにショルダーロールセグメントがアクティブにされ得るかを概略的に示す。
【図１２】超精巧外科アームについてのデッドゾーンのロケーションを概略的に示す。
【図１３Ａ】ターゲット位置に達するための超精巧外科アームの構成を概略的に示す。
【図１３Ｂ】図１３Ａのターゲット位置に達するための超精巧外科アームの別の構成を概略的に示す。
【図１４】超精巧外科アームの一実施形態を概略的に示す。
【図１５】超精巧外科アームの一実施形態を概略的に示す。
【図１６】超精巧外科アームの一実施形態を概略的に示す。
【図１７】非対称回転／並進機構の一実施形態を概略的に示す。
【図１８】図１７の非対称回転／並進機構の上面図を概略的に示す。
【図１９】超精巧外科ツールの並進を示す矢印とともに図１７の非対称回転／並進機構の側面図を概略的に示す。
【図２０】超精巧外科ツールの並進を示す矢印とともに図１７の非対称回転／並進機構の上面図を概略的に示す。
【図２１】超精巧外科ツールの回転を示す矢印とともに図１７の非対称回転／並進機構の側面図を概略的に示す。
【図２２】超精巧外科ツールの回転を示す矢印とともに図１７の非対称回転／並進機構の上面図を概略的に示す。
【図２３】対称回転／並進機構の一実施形態を概略的に示す。
【図２４】図２３の線形駆動ベルトとローラーとを示す図２３の対称回転／並進機構の側面図を概略的に示す。
【図２５】超精巧外科ツールの並進を示す矢印とともに図２３の対称回転／並進機構の側面図を概略的に示す。
【図２６】超精巧外科ツールの並進を示す矢印とともに図２３の対称回転／並進機構の線形駆動ベルトとローラーとを示す側面図を概略的に示す。
【図２７】超精巧外科ツールの回転を示す矢印とともに図２３の対称回転／並進機構の側面図を概略的に示す。
【図２８】連続ベルト駆動機構をもつ回転／並進機構の一実施形態を概略的に示す。
【図２９】幅調整器機構の一実施形態を概略的に示す。
【図３０】新しい位置における図２９の幅調整器機構の側面図を概略的に示す。
【図３１】図３０のローラーの新しい位置の上面図を概略的に示す。
【図３２Ａ】入力デバイスの一実施形態である。
【図３２Ｂ】入力デバイスの一実施形態である。
【図３３Ａ】仮想グリップを概略的に示す。
【図３３Ｂ】仮想グリップを概略的に示す。
【図３４】超精巧外科システムの制御システムの一実施形態を概略的に示す。
【図３５】制御システムのブロック図を概略的に示す。
【図３６】ディスプレイのスクリーンショットの一実施形態を概略的に示す。
【図３７】ディスプレイのスクリーンショットを概略的に示す。
【図３８Ａ】一定の張力で組織を保持する方法を概略的に示す。
【図３８Ｂ】一定の張力で組織を保持する方法を概略的に示す。
【図３９】超精巧外科ツールと用手ツールを同時に使用する方法を概略的に示す。
【図４０】ディスプレイのスクリーンショットを概略的に示す。
【図４１Ａ】同じ方向に配向された２つの基準系を概略的に示す。
【図４１Ｂ】図４１Ａにおいて指定されたロケーションに置かれた観察者によって知覚される動きを概略的に示す。
【図４１Ｃ】同じ方向に配向されていない２つの基準系を概略的に示す。
【図４１Ｄ】図４１Ｃにおいて指定されたロケーションに置かれた観察者によって知覚される動きを概略的に示す。
【図４２Ａ】超精巧外科ツールと用手ツールとを制御している操作者を概略的に示す。
【図４２Ｂ】ディスプレイのスクリーンショットを概略的に示す。
【図４２Ｃ】超精巧外科ツールを制御している操作者を概略的に示す。
【図４３】ディスプレイのスクリーンショットを概略的に示す。
【図４４】図４４Ａ〜Ｃは、ディスプレイ上に提示された様々な画像を概略的に示す。
【図４５】ディスプレイのスクリーンショットを概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
「超精巧」という用語は、「超」と「精巧」の通常の意味の組合せである；超は優越または上方を意味し、精巧は手または体の使用における熟練または器用さを意味する。本明細書で使用する超精巧外科システムは、以下でさらに説明するように、相互作用連続体に沿った外科医と患者との間の相互作用を可能にし、実施され得る外科的手技に関して高められた多用性を提供する。超精巧外科システムは、患者と相互作用する外科医の能力を向上させ、より自然で、より相互作用的で、より多用性のある外科システムを生成するために組み合わされるいくつかの特徴を含む。超精巧外科システムの多用性は本システムの様々な態様によって示されており、例えば、それのモジュラリティは、１つまたは複数の超精巧外科アームを使用することと、および用手外科ツールのみを利用するために超精巧外科アームをじゃまにならない所に移動することと、外科的手技中に外科医が外科的領域中で移動可能になることを本システムが可能にすることと、特定の外科的タスクのために最適な位置への患者の複数のベッドサイドロケーション間で動かすことを可能にしながら、外科医が超精巧外科ツールと用手ツールを同時に操作することを本システムが可能にすることとを可能にする。この特徴と、以下で説明する他の特徴とにより、超精巧外科システムは、市場にある純粋に「ロボット的な」外科システムよりも多くの多用性を有する。
【００５１】
超精巧外科システムの性質は、いくつかの方法の中でも、作動されたときに超精巧外科ツールがどのように移動することになるかを自然に理解するように、外科医が患者に対するそのツールの配置を容易に理解することを可能にする様々な情報を外科医に（例えば、ディスプレイを介して）提供することによって示される。超精巧外科システムの相互作用的性質は、特に、ユーザ入力デバイスを用いて複数の超精巧外科ツールを選択的に制御する外科医の能力によって、ならびに、外科的手技中に異なる基準系の間で（例えば、患者の体内の没入型基準系と患者の体外の基準系との間で）移動し、それにより、手技中に外科医が外科医自身を再配置することが可能になり、その間中、外科医に対するツールの位置および配向に気づいたままでいる能力によって示される。
【００５２】
序論
本明細書で説明する超精巧外科システムは、特に、外科医が患者のベッドサイドにいながら用手ツールと超精巧外科ツールを同時に使用することを可能にするという点で、既存の市場にあるロボット外科システムとは基本的に異なる概念フレームワークを提供する。患者のベッドサイドに、すなわち、手術テーブルのそばにいるこの能力は、外科チームとの連絡の改善から；患者の直接モニタリングまで；（例えば、用手ツールと超精巧外科ツールとの間の）ツール交換を可能にすることまで：いくつかの利点を提供する。その上、以下で説明する超精巧外科システムは、外科医が、外科医によって所望されるかまたは外科的タスクによって必要とされるように、超精巧外科ツールのみを使用することと、用手ツールと超精巧外科ツールの組合せを同時に使用することと、用手ツールのみを使用することとの間で、相互作用連続体に沿って外科的手技をシームレスに実施することを有利に可能にする、フレキシブルで、より自然で、より相互作用的なシステムを一緒に提供するいくつかのサブシステムを含む。
【００５３】
超精巧外科システムの有利な一態様は、市場にあるシステムのサイズよりも小さくてコンパクトであり、アームが患者に対して、カート、またはドリー、または手術室の壁もしくは天井に取り付けられるのか、あるいは患者のベッドに直接取り付けられるのかにかかわらず、どのように取り付けられるかのフレキシビリティの増加を可能にする、超精巧外科アームのサイズである。超精巧外科アームのより小さいサイズはまた、超精巧外科システムがモジュラー式であることを可能にし、ここで、使用される超精巧外科アームの数は、外科的必要に応じて外科医によって所望されるように変化することができる。超精巧外科アームの小さいサイズはさらに、患者の上方の自由空間の増加を実現し、それにより、外科医がベッドサイドロケーションから作業する能力が可能になる。実際、上述したように、超精巧外科システムの一発明態様は、外科医が相互作用連続体に沿って操作することを可能にすることであり、１つのシナリオでは、外科医は、超精巧外科アームをじゃまにならない所に移動し、用手ツールのみを使用することができる。自由空間を最大にするこの能力（例えば、超精巧外科アームをじゃまにならない所に移動する、アームの小さいサイズ）は、以下でより詳細に説明するように、有利には、冗長ロールを含む３つの自由度を超精巧外科アームに提供することによって向上される。さらに、超精巧外科アームの冗長ロールは、有利には、超精巧外科ツールのデッドゾーンが患者の体外に位置することを保証するように配置され、それにより、体の中の作業空間内の超精巧外科ツールのアクセスの増加が可能になる。
【００５４】
さらに、超精巧外科ツールのための回転および並進機構は、有利には、以下で説明するように、超精巧外科アームの小さいサイズを可能にする。実際、回転／並進システムは、市場にあるシステムのための回転および並進を与える機構よりも直径が小さく、軽く、コンパクトであり、それにより、回転／並進機構を支持する超精巧外科アームがより小さくなることが可能になる。
【００５５】
超精巧外科システムの別の有利で相互に関係する態様は、それが外科医に提供する、自由に動き回り、患者の近くの最適な位置に外科医自身を配置するための能力である。この能力は、超精巧外科アームと超精巧外科ツールとの操作を制御する制御システムに外科医の手の移動を通信する１つまたは複数のハンドヘルドポータブル入力デバイスで外科医が超精巧外科アームを制御することを可能にすることを含む、いくつかの方法で超精巧外科システムによって提供される。一実施形態では、ハンドヘルドポータブル入力デバイスはワイヤレスである。超精巧外科システムは、有利には、ハンドヘルドポータブル入力デバイスのトラッキング、ならびに外科医の移動に起因する超精巧外科アームまたは超精巧外科ツールの意図しない動きを防ぐための特徴（例えば、クラッチ）を提供する。
【００５６】
超精巧外科システムのさらに別の有利で相互に関係する部分は、超精巧外科ツールおよび超精巧外科アームに外科医のコマンドを（例えば、ユーザ入力デバイスを介して）通信し、外科医がどのように超精巧外科ツールおよび超精巧外科アームと相互作用するかを促進する、制御システムである。本システムの別の有利で相互に関係する部分は、様々な基準系（例えば、没入型、患者の体外の鳥瞰図）から患者の体内で超精巧外科ツールを操作する際に外科医を助ける、可視化システムである。制御システムおよび可視化システムは、外科医が超精巧外科ツールと用手ツールとの配置を自然に認識することを可能にする様々な情報（例えば、視覚的手がかり）を提供することによって、外科的手技を実施する際の外科医の能力を向上させるために協働し得る。
【００５７】
超精巧外科システムの構成要素またはサブシステムの各々は、市場にあるシステム中の対応する構成要素に勝る利点を有する。さらに、まとまると、これらの構成要素およびサブシステムは、より自然で、より相互作用的で、よりフレキシブルな様式で患者と相互作用する外科医の能力を向上させるまったく異なるパラダイムを外科的手技に提供する超精巧外科システムを提供する。次に、超精巧外科システムについてより詳細に説明する。
【００５８】
図１Ａに、超精巧外科システムの相互作用連続体を示す。連続体の右端は、外科医の体と患者の体との間の身体的相互作用を示す。連続体の極右端は、手で組織を動かしている外科医を含む。メスなどの用手ツールの使用は、手で組織を動かすことよりもあまり身体的に相互作用的でない。メスなどの腹腔鏡ツールの使用は、手で組織を動かすことよりもあまり身体的に相互作用的でない。連続体の左端は、エンドエフェクタを制御するための超精巧外科アームの使用を示す。連続体に沿って、操作者は、用手ツールおよび／または超精巧ツールを様々な組合せで使用することができる。超精巧外科システムは、外科医などの操作者１が、連続体に沿ってどこでも作業することを可能にする。
【００５９】
連続体の右端において、外科医は、身体的に組織を操作するために患者に極めて近接している。外科医は、手術部位における組織に直接接触し、感じることが可能である。連続体の左端において、外科医は、現実のツールのための代用として働くユーザ入力デバイスを操作することによって、遠隔で患者と相互作用する。外科医は、ユーザ入力デバイスを操作することによってグラスパなどのエンドエフェクタを操作する。多くのシナリオは相互作用連続体に沿って生じる。
【００６０】
本明細書の実施形態は、操作者によって使用され得る超精巧外科システムの使用について説明する。操作者は、超精巧外科システムを操作している外科医、医療アシスタント、スタッフ、検査医、または任意の他の人であり得る。操作者は、手術を実施する資格を与えられた医療専門家に限定されず、超精巧外科システムを操作するようにトレーニングされるどんな操作者をも含む。
【００６１】
図１Ｂに、図１Ａの相互作用連続体をより詳細に繰り返す。図１Ｂは、図２に示された超精巧外科システム１００などの超精巧外科システムを使用する様々な方法を示している。図１Ｂの右側では、操作者１が、用手ツール３５０を用いて外科的ステップを実施し得る。このシナリオでは、超精巧外科システム１００の超精巧外科アーム２００は作業空間から離れて移動され得る。操作者１は、手術の画像を提供するディスプレイ７０２を参照し得る。図１Ｂの左側では、操作者１は、超精巧外科アーム２００を制御するために入力デバイス５００と相互作用する。操作者１は、手術の画像を提供するディスプレイ６００を参照し得る。
【００６２】
この連続体の中央では、異なるシナリオが生じ得る。１つのシナリオは図１Ｂにおいてシナリオ１として示されている。このシナリオでは、操作者１は、（例えば、同じ時間において、同じ作業空間において）１つまたは複数の超精巧外科ツール３００と１つまたは複数の用手ツール３５０を同時に使用し得る。外科医は、入力デバイス５００のうちの１つまたは複数を用いて超精巧外科ツール３００のうちの１つまたは複数を操作することができる。操作者１は、手術の画像を提供するディスプレイ７０２を参照し得る。別のシナリオは図１Ｂにおいてシナリオ２として示されている。このシナリオでは、操作者１は、手で超精巧外科アーム２００を操作し得る。このシナリオは、例えば、超精巧外科アーム２００の大スケールの動きを実行するときに生じ得る。図１Ｂはただ１つの超精巧外科アーム２００を示しているが、超精巧外科システム１００は、図２に示されているように、複数の超精巧外科アーム２００を有することができる。
【００６３】
図示されていない別のシナリオでは、操作者１は、超精巧外科アーム２００によって支持される（図２に示された）トロカール３０２中に用手ツール３５０を挿入することができる。その中に用手ツール３５０が挿入されたトロカール３０２は、手によって操作され得る。この第３のシナリオは、用手ツール３５０を手のみで動かすことが困難であり得るときに有用であり得る。そのような状況に遭遇し得るいくつかの例は、患者が肥満であるとき、または患者中への進入の角度が厄介な場合であり得る。そのような状況では、トロカール３０２を保持している超精巧外科アーム２００は、用手ツール３５０を配置するための動力支援として働き得る。言い換えれば、トロカール３０２を保持している超精巧外科アーム２００は、患者の体によって用手ツール３５０に加えられる力に対抗し得、用手ツール３５０の操縦性を向上させることができる。超精巧外科システム１００の多用性は、有利には、すべてのそのような組合せを可能にする。
【００６４】
図３Ａ〜図３Ｃに、操作者１が外科的手技において使用されるべきツールのタイプを選択するシナリオを示す。図３Ｂはシナリオ１と同様であり、図３Ｃは、図１Ｂに示された連続体の左側と同様である。これらの図は、患者２への外科的手技中における超精巧外科システム１００の使用の３次元図を示している。
【００６５】
図３Ａにおいて、超精巧外科システム１００は、超精巧外科ツール３００にそれぞれ結合された２つの超精巧外科アーム２００を含む。操作者１は、操作者１の右手中に保持された入力デバイス５００で超精巧外科アーム２００を制御する。操作者１は、操作者１の左手中に保持された入力デバイス５００で別の超精巧外科アーム２００を制御する。入力デバイス５００は、操作者１の移動に応答して、超精巧外科アーム２００および／または超精巧外科ツール３００を移動する。超精巧外科システム１００はディスプレイ６００を含む。ディスプレイ６００は、操作者１が、超精巧外科システム１００に適用されるべき制約を確立することを可能にし得る。例えば、ディスプレイ６００は、操作者１が、入力デバイス５００と制御対象（例えば、超精巧外科アーム２００および／または超精巧外科ツール３００）との間の関連付け（例えば、ペアリング）を確立することを可能にし得る。ディスプレイ６００は手術の画像を提供し得る。
【００６６】
図３Ｂにおいて、超精巧外科システム１００は、超精巧外科ツール３００に結合された超精巧外科アーム２００を含む。操作者１は、操作者１の右手中に保持された入力デバイス５００で超精巧外科アーム２００を制御する。入力デバイス５００は、操作者の１移動に応答して、超精巧外科アーム２００および／または超精巧外科ツール３００を移動する。操作者１は、操作者１の左手で用手ツール３５０を制御する。図３Ｂに示されており、本明細書で説明するように、超精巧外科システム１００は、有利には、操作者１（例えば、外科医）が、超精巧外科ツール３００と用手ツール３５０を同時に制御することを可能にする。
【００６７】
図３Ｃにおいて、超精巧外科システム１００は、超精巧外科ツール３００にそれぞれ結合された２つの超精巧外科アーム２００を含む。操作者１は、１つまたは複数の入力デバイス５００で超精巧外科アーム２００を制御することができる。入力デバイス５００は、図３Ａに示された入力デバイスであり得る。入力デバイス５００は、図３Ｃに示されているようにコントローラであり得る。１つまたは複数の入力デバイス５００は、ディスプレイ６００の近くに取り付けられるかまたはさもなければ固定され得る。別の実施形態では、１つまたは複数の入力デバイス５００は、図３Ａに示されたものなどのハンドヘルドポータブル入力デバイスであり得、操作者１は、スタンドに立ってまたは座っていてハンドヘルドポータブル入力デバイスを操作しながら、その人の腕をスタンドの支持バーまたはレストバー上に支持することができる。図３Ａに示された入力デバイス５００のように、図３Ｃに示された１つまたは複数の入力デバイス５００は、操作者１の移動に応答して、超精巧外科アーム２００および／または超精巧外科ツール３００を移動する。
【００６８】
システムの概観
超精巧外科システム１００は、より自然で、より相互作用的で、より多用性のある外科システムを提供することによって、患者と相互作用する外科医の能力を向上させることなど、本明細書で説明する利益を達成するために協働し得る多くの構成要素を含むことができる。超精巧外科システム１００は、１つまたは複数の超精巧外科アーム２００を含むことができ、各超精巧外科アーム２００は超精巧外科ツール３００を操作することができる。超精巧外科システム１００は、１つまたは複数の超精巧外科ツール３００と用手ツール３５０との操作を制御する際に外科医を助ける視覚的手がかりを操作者に提供する制御システムおよびディスプレイ６００、７０２を含む。外科医などの操作者は、場合によっては、操作領域中の様々なロケーションにおいて超精巧外科ツール３００と用手ツール３５０を同時に操作することができる。
【００６９】
図２に、超精巧外科システム１００の一実施形態を示す。超精巧外科システム１００は１つまたは複数の超精巧外科アーム２００を含む。各超精巧外科アーム２００は、（例えば、トロカール３０２を介して）超精巧外科ツール３００を支持することができる。超精巧外科システム１００は１つまたは複数の用手ツール３５０を含むことができる。用手ツール３５０は、操作者（例えば、外科医）によって超精巧外科ツール３００と同時に使用され得る。超精巧外科ツール３００は入力デバイス５００によって制御され得る。入力デバイス５００は、ピンチャー５０２（図３２Ａ参照）およびコントローラ５１４を含む多くの形態を取ることができる。
【００７０】
超精巧外科システム１００は、入力デバイス５００からの移動を超精巧外科アーム２００と超精巧外科ツール３００との移動に変換するための制御システムを含むことができる。操作者１は、どの入力デバイス５００がどの超精巧外科ツール３００または超精巧外科アーム２０を制御するかを選択することができる。制御システム４００は、コンピュータ４０２、１つまたは複数のケーブル４０６および／または電源４０４を含むことができる。
【００７１】
超精巧外科アーム２００はフィクスチャ（例えば、手術テーブル、病院ベッド、検査テーブル、壁、床、天井、テーブル、カート、ドリー）に結合され得る。一実施形態では、フィクスチャがカートまたはドリーである場合、フィクスチャは床に（例えば、一時的に）固定され得る。超精巧外科システム１００は、超精巧外科アーム２００をフィクスチャに結合または保持する機構を含み得る。図２の実施形態では、フィクスチャはベッドまたは手術テーブル１０２である。
【００７２】
超精巧外科アーム２００および超精巧外科ツール３００は制御システム４００によって制御され得、それらの概略図は図３４〜図３５に示されている。制御システムを案内するアルゴリズムおよび／または制御システムによって実施される任意の計算はコンピュータ４０２によって記憶され得る。制御システム４００は、ユーザコマンドを超精巧外科アーム２００の動きおよび／または超精巧外科ツール３００の動きに変換することができる。コンピュータ４０２は電源４０４に接続され得る。コンピュータ４０２は、フットペダルの形態をとり得るクラッチ１１２に接続され得る。コンピュータ４０２は、コンピュータ４０２を他の構成要素に接続するケーブル４０６を含み得る。
【００７３】
超精巧外科システム１００は１つまたは複数の入力デバイス５００を含むことができる。入力デバイス５００は、ワイヤード接続またはワイヤレス接続のいずれかを通して、制御システム４００と通信することができる。本明細書の実施形態で使用する「ワイヤレス」という用語は、限定はしないが、赤外線（ＩＲ）、無線周波数（ＲＦ）、マイクロ波、および超音波を含む、ワイヤレス通信のすべての形態を包含する。入力デバイス５００は、（例えば、入力デバイス５００中の送信機からの信号を制御システム４００の受信機に通信することによって）制御システム４００を介して超精巧外科アーム２００と超精巧外科ツール３００との内の適切なモーターに制御信号を送ることができる。入力デバイス５００は、有利には外科医などの操作者１が手技中に患者２のベッドサイドの周りを動くことを可能にするハンドヘルドおよび／またはポータブルデバイスであり得る。入力デバイス５００は、操作者１が１つまたは複数のロケーション（例えば、複数のロケーション）から超精巧外科アーム２００および／または超精巧外科ツール３００を制御することを可能にすることができる。ロケーションのいくつかは患者２のベッドサイドにあり得る。超精巧外科システム１００はクラッチ１１２を含むことができる。クラッチ１１２は、１つまたは複数の超精巧外科ツール３００を係合および離脱するために使用され得る。クラッチ１１２は、図２に示されているように、フットペダルであり得る。
【００７４】
引き続き図２を参照すると、超精巧外科システム１００はユーザインターフェースサブシステム６０５を含むことができる。ユーザインターフェースサブシステム６０５は入力デバイス（例えば、コントローラ５１４）を含むことができる。ユーザインターフェースサブシステム６０５は、水平レスティングバー６０３などの特徴を含み得るプラットフォーム６０２を含むことができる。ユーザインターフェースサブシステム６０５はディスプレイ６００を含むことができる。ディスプレイ６００はタッチスクリーン６０４を含むことができる。ディスプレイ６００は、相互作用的であり、操作者１からの入力を受信することができる。ディスプレイ６００は、制御システム４００を制御するために使用され得る。ディスプレイ６００は患者から離れて位置することができる。いくつかの実施形態では、ディスプレイ６００は、図２に示されているように、プラットフォーム６０２上に取り付けられる。いくつかの実施形態では、ディスプレイ６００は外科医などの操作者１の体に固定され得る。
【００７５】
いくつかの実施形態では、ユーザインターフェースサブシステム６０５は入力デバイス５００（例えば、ワイヤードコントローラ）を含むことができる。入力デバイス５００は、プラットフォーム６０２に取り付けられるコントローラ５１４であり得る。ユーザインターフェースサブシステム６０５は、外科医などの操作者１が、図２に示されているように、ディスプレイ６００に極めて近接して入力デバイス５００を制御することを可能にする。
【００７６】
ディスプレイ６００は、操作者１が、ペアリングされた超精巧外科ツール３００を入力デバイス５００で操作することができるように、操作者１が、超精巧外科ツール３００を入力デバイス５００とペアリングすることを含む多くの機能を実施することを可能にする。ディスプレイ６００は、操作者１が１つまたは複数の入力デバイス５００を用いて１つまたは複数の超精巧外科ツール３００を制御することを可能にすることができる。ディスプレイ６００はまた、外科医などの操作者１が、ペアリングされた超精巧外科アーム２００を入力デバイス５００で操作することができるように、操作者１が超精巧外科アーム２００を入力デバイス５００とペアリングすることを可能にする。ディスプレイ６００は、操作者１が１つまたは複数の超精巧外科アーム２００を制御することを可能にすることができる。ユーザインターフェース６００は、１つまたは複数の入力デバイス５００と、１つまたは複数の超精巧外科アーム２００または超精巧外科ツール３００など、１つまたは複数の制御対象とのマップを図示または説明することができる。
【００７７】
引き続き図２を参照すると、可視化システム７００は１つまたは複数のディスプレイ７０２を含むことができる。ディスプレイ７０２は、１つまたは複数の超精巧外科アーム２００、１つまたは複数の超精巧外科ツール３００、患者、あるいは外科医または外科チームに関係し得る任意の他の情報に関する情報を表示することができる。ディスプレイ７０２は、超精巧外科アーム２００によって保持された超精巧外科ツール３００の画像、または操作者（例えば、外科医）によって保持された用手ツール３５０の画像など、（図３５に概略的に示された）カメラ３０４または他の可視化デバイスによって見られた画像を示すことができる。カメラ３０４は制御システム４００によって制御され得る。カメラ３０４は超精巧外科ツール３００と見なされ、超精巧ロボットアーム２００によって移動され得る。一実施形態では、カメラ３０４は、制御システム４００を介して入力デバイス５００によって制御され得、制御システム４００は、外科医などの操作者１が、必要に応じてカメラ３０４を配置することを可能にする。超精巧外科システム１００は、操作領域全体にわたる様々なロケーションに配置された複数のディスプレイ７０２を含むことができる。さらに、ディスプレイ６００、７０２は、同じ情報または異なる情報を示すことができる。
【００７８】
図２に示されているように、超精巧外科システム１００は、１つまたは複数の用手ツール３５０（例えば、複数の用手ツール３５０）を用いて使用され得る。図２には１つの用手ツール３５０が示されている。用手ツール３５０は、１つまたは複数の超精巧外科ツール３００と同じ作業空間中で利用され得る。１つまたは複数の用手ツール３５０が使用され得る理由は、超精巧外科システム１００が、有利には、以前に説明したように、操作者１が患者２のすぐそばに立つことを可能にするからである。１つまたは複数の用手ツール３５０が使用され得る理由は、超精巧外科アーム２００がコンパクトであり、それにより、患者２の周りの空間が解放されるからである。本明細書で説明する冗長ロール機構、および冗長ロール機構の配置も、患者２の周りの自由空間を最大化する。したがって、操作者１は、超精巧外科システム１００の他の構成要素への衝突することなしに、超精巧外科ツール３００と用手ツール３５０を同時に操作することができる。図２に示されていない操作者１は、ベッドサイドのそばに立ち、（例えば、入力デバイス５００を介して）１つまたは複数の超精巧外科ツール３００、１つまたは複数の用手ツール３５０、あるいは超精巧外科ツール３００と用手ツール３５０との任意の組合せを制御することを選定する能力を有し得る。
【００７９】
図２に示されているように、超精巧外科アーム２００は超精巧外科ツール３００に結合され得る。したがって、システム１００は、１つまたは複数（例えば複数）の超精巧外科アーム２００と、１つまたは複数（例えば複数）の超精巧外科ツール３００とを有することができる。いくつかの実施形態では、超精巧外科ツール３００はトロカール３０２中に挿入される。トロカール３０２は超精巧外科アーム２００に結合され得る（例えば、固定される、それと一体に形成される、それによって保持される、など）。超精巧外科アーム２００は、トロカール３０２を通して超精巧外科ツール３００を支持し、操作することができる。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の超精巧外科アーム２００は、図３Ａ〜図３Ｃに示されているように、患者２における切開を通して１つまたは複数の超精巧外科ツール３００を挿入することができる。超精巧外科アーム２００および超精巧外科ツール３００は、以下でさらに説明するように、様々なロケーションに１つまたは複数のモーター（例えば、電気モーター）を有することができる。モーターは、患者２内で、手術作業空間において適切に超精巧外科ツール３００の配置を可能にする。超精巧外科アーム２００および超精巧外科ツール３００は電源４０４によって電力供給され得る。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の超精巧外科ツール３００は使い捨てであり得る。いくつかの実施形態では、超精巧外科ツール３００の少なくとも一部分が殺菌されている（例えば、再利用可能である）ことが可能であり得る。
【００８０】
超精巧外科アームを取り付けること
超精巧外科システム１００は、超精巧外科アーム２００を支持するための取付けを提供することができる。取付けは、患者に対する超精巧外科アーム２００および／または超精巧外科ツール３００の配置を可能にする。超精巧外科アーム２００は、可動または固定であり得るいくつかのフィクスチャに取り付けられ得る。超精巧外科アーム２００および／または超精巧外科ツール３００を取り付けることにおけるフレキシビリティは、患者の外部の操作領域および自由空間を設計することにおける多用性を提供する。
【００８１】
図２および図４は、フィクスチャに取り付けられた超精巧外科アーム２００の実施形態を示している。様々な構成要素は、超精巧外科アーム２００が患者２に対して配置されることを可能にする。様々な構成要素はまた、超精巧外科アーム２００が他の超精巧外科アーム２００と衝突を回避することを可能にする。超精巧外科アーム２００は、患者２へのアクセスを可能にするように配置され得る。超精巧外科アーム２００は、操作者１が超精巧外科ツール３００と用手ツール３５０を同時に使用することを可能にするように配置され得る。支持アーム１０６と、エレベータ１２０と、キャリッジ１３０とを含む超精巧外科システム１００のフレキシビリティは、超精巧外科アーム２００のための遠隔中心２５０（図７参照）の配置を可能にする。遠隔中心２５０が確立されると、遠隔中心２５０を維持しながら超精巧外科アーム２００が操作され得る。
【００８２】
図２に示されているように、超精巧外科システム１００は複数の取付けポール１０４を含むことができる。超精巧外科システムは任意の数（例えば、１つ、３つ、４つなど）の取付けポール１０４を含むことができるが、図２では説明の目的で２つが示されている。各取付けポール１０４は超精巧外科アーム２００を支持することができる。図２は、各取付けポール１０４がただ１つの超精巧外科アーム２００を保持していることを示しているが、各取付けポール１０４は、場合によっては任意の数（例えば、１つ、２つ、３つ、４つなど）の超精巧外科アーム２００を支持することができる。超精巧外科システム１００は、有利には、本質的にモジュラー式である。このモジュラリティは、外科チームなどのユーザが、実施されている手技のタイプのために最も効率的に超精巧外科システム１００を構成することを可能にする。そのようなモジュラリティがまた、チームが手術中に取付けポール１０４および／または超精巧外科アーム２００を追加または除去することを可能にする。モジュラリティは、超精巧外科システム１００が様々な方法で構成されることを可能にする。
【００８３】
取付けポール１０４は可動フィクスチャ（例えば、ドリー、ハンドトラックまたは小型カート）によって支持され得る。取付けポール１０４、ならびにすべての関連する超精巧外科アーム２００および支持アーム１０６は、操作領域から離れているロケーションにある可動フィクスチャに取り付けられ得る。可動フィクスチャは、手術の前または手術中に操作領域に移送され得る。手術中に追加の超精巧外科アーム２００が必要である場合、超精巧外科アーム２００は、迅速に容易にフィクスチャ上に取り付けられ得る。いくつかの実施形態では、手術中に追加の超精巧外科アーム２００が必要である場合、可動フィクスチャ上に取り付けられた追加の超精巧外科アーム２００が操作領域中に移送され得る。可動フィクスチャおよび／または取付けポールは、安定性を向上させるために別のフィクスチャ（例えば、床）に固定され得る。取付けポール１０４は不動フィクスチャ（例えば、ベッド、床、壁、または天井）によって支持され得る。
【００８４】
取付けポール１０４は、図２に示されているように、クランプ１０８にアタッチされ得る。クランプ１０８はフィクスチャに接続され得る。図示の実施形態では、フィクスチャはベッド１０２であるが、上記で説明したように、他の好適なフィクスチャが使用され得る。いくつかの実施形態では、クランプ１０８はベッド１０２の１つまたは複数のレール１１０に結合され得る。他のアタッチ機構が可能である。取付けポール１０４は、フィクスチャ（例えば、ベッド１０２）に対して実質的に垂直方向に（例えば、９０度に）置かれ得る。取付けポール１０４は、フィクスチャ（例えば、ベッド１０２）に対して、１５度、３０度、４５度、６０度など、他の角度で置かれ得る。取付けポール１０４は、患者の配向に基づいて他の角度で置かれ得る。
【００８５】
超精巧外科アーム２００は、直接または間接的にフィクスチャ（例えば、ベッド１０２）にアタッチされ得る。一実施形態では、取付けポールおよび／または支持アーム１０６が除外され、超精巧外科アーム２００は、取付けポール１０４にまたはフィクスチャ（例えば、ベッド１０２）の一部に直接結合され得る。いくつかの実施形態では、超精巧外科システム１００はフィクスチャ（例えば、ベッド１０２および／またはレール１１０）から取り外され得る。
【００８６】
図４を参照すると、取付けポール１０４は、（例えば、ベッド１０２に平行な）水平移動または（例えば、ベッド１０２に直角な）垂直移動を可能にする構成要素に結合され得る。エレベータ１２０は、取付けポール１０４の長さに沿った支持アーム１０６および／または超精巧外科アーム２００の配置を可能にする。１つまたは複数のエレベータ１２０は、図示のように、取付けポール１０４に結合され得る。各エレベータ１２０は追加の支持アーム１０６および／または追加の超精巧外科アーム２００に接続され得る。したがって、取付けポール１０４は、場合によっては、複数の支持アーム１０６を支持することができ、各支持アーム１０６は超精巧外科アーム２００に結合される。エレベータ１２０は、超精巧外科アーム２００がそこにおいて取付けポール１０４に結合され得る代替の垂直ロケーションを提供し得る。
【００８７】
図４に示された実施形態を引き続き参照すると、取付けポール１０４はキャリッジ１３０に結合され得る。キャリッジ１３０はアダプタ１３２に結合され得る。キャリッジ１３０およびアダプタ１３２は、キャリッジ１３０がアダプタ１３２に沿って線形にスライドすることを可能にするスライドアセンブリを形成し得る。アダプタ１３２はフィクスチャ（例えば、ベッド１０２および／またはレール１１０）に結合され得る。キャリッジ１３０は、アダプタ１３２なしにフィクスチャ（例えば、ベッド１０２および／またはレール１１０）に直接結合され得る。キャリッジ１３０およびアダプタ１３２は、概して水平方向における取付けポール１０４、支持アーム１０６、および超精巧外科アーム２００の移動を可能にする。いくつかの実施形態では、取付けポール１０４は、キャリッジ１３０および／またはアダプタ１３２なしにフィクスチャ（例えば、ベッド１０２および／またはレール１１０）に直接結合する。取付けポール１０４は、取付けポール１０４がフィクスチャ（例えば、ベッド１０２および／またはレール１１０）に沿って線形にスライドするように構成され得る。
【００８８】
図４を参照すると、取付けポール１０４は、他の方向での移動を可能にする構成要素に結合され得る。例えば、取付けポールは、水平方向と垂直方向とに直交して移動する（例えば、フィクスチャから外側に延びる）スライド（図示せず）に結合され得る。スライドは、フィクスチャに取り付けられたドロワーであり得る。例えば、フィクスチャがベッド１０２である実施形態では、超精巧外科アーム２００は、（例えば、スライド可能なドロワーを介して）ベッド１０２の側面から離れて横方向に移動され得る。
【００８９】
超精巧外科システム１００は、直立して超精巧外科アーム２００を結合または保持する機構を含むことができる。図２および図４は、支持アーム１０６に随意に結合される超精巧外科アーム２００を示している。支持アーム１０６は、モーターまたは他の電気的特徴のない受動アームであり得る。図５に示されているように、支持アーム１０６は第１の端部１１４と第２の端部１１６とを有する。第１の端部１１４は、超精巧外科アーム２００に結合され得る、Ｕ字形ブラケットなどのブラケット１１８を含むことができる。当技術分野で知られている他の接続も利用され得る。ブラケット１１８は、超精巧外科アーム２００の基部において、例えば、以下でさらに説明するショルダーロール機構２０２（図７参照）の近くで超精巧外科アーム２００に結合することができる。第２の端部１１６はエレベータ１２０に結合され得る。第２の端部１１６は回転１２２の中心の周りを回転することができる。
【００９０】
支持アーム１０６は、支持アーム１０６が回転することを可能にする１つまたは複数の回転中心を含むことができる。図５に示された支持アーム１０６は３つの回転中心１２２を有する。回転中心１２２は、図５に示されているように、矢印の方向で軸の周りを回転する。支持アーム１０６は、支持アーム１０６の一部が傾くことを可能にする１つまたは複数の傾き軸１２４を含み得る。図５に示されているように、支持アーム１０６は、支持アーム１０６に結合された超精巧外科アーム２００が傾くことを可能にする１つの傾き軸１２４を有する。回転中心１２２および／または傾き軸１２４は、支持アーム１０６とブラケット１１８との１つまたは複数のリンク１２６が回転され、配置されることを可能にする。回転中心１２２は、支持アーム１０６のリンク１２６を同じ平面で、または異なる平面で、または平面のいくつかの組合せで回転させ得る。
【００９１】
支持アーム１０６は受動的であり得る。操作者１は、支持アーム１０６を配置するために支持アーム１０６を手で動かすことができる。操作者１は、本明細書で説明する遠隔中心２５０を確立するために支持アーム１０６を手で動かすことができる。いくつかの実施形態では、支持アーム１０６は能動的であり得る。そのような実施形態では、支持アーム１０６は、支持アーム１０６のジョイントを移動するために１つまたは複数のモーターを含むことができる。操作者１は、遠隔中心２５０を確立するためにモーターを介して支持アーム１０６を移動することができる。
【００９２】
超精巧外科システム１００は、超精巧外科アーム２００および／または超精巧外科ツール３００を配置する際にフレキシビリティを提供する。フレキシビリティは、有利には、図５に示された支持アーム１０６の回転中心１２２および／または傾き軸１２４によって向上される。フレキシビリティは、取付けポール１０４に沿ってエレベータ１２０を（例えば、垂直方向に）移動する能力によって向上され得る。フレキシビリティは、アダプタ１３２に沿ってキャリッジ１３０を（例えば、水平方向に）移動する能力によって向上され得る。
【００９３】
次に図６を参照すると、支持アーム１０６と、エレベータ１２０と、キャリッジ１３０とは超精巧外科アーム２００の配置を可能にすることができる。矢印１３４、矢印１３６、矢印１３８および矢印１４０は、支持アーム１０６の回転中心と傾き軸とを示す。矢印１４２は、エレベータ１２０が取付けポール１０４に沿って配置され得る、概して垂直な方向を示す。矢印１４４は、キャリッジ１３０が、フィクスチャ（例えば、ベッド１０２および／またはレール１１０）に対するアダプタ１３２に沿って移動し得る、概して水平な方向を示す。一実施形態では、取付けポール１０４は垂直であり得、アダプタ１３２は水平であり得る；したがって、矢印１４２は垂直であり得、矢印１４４は水平であり得る。矢印または自由度のすべては、図６に示されたものとは別様に構成され得る（例えば、支持アーム１０６はより多いまたはより少ない回転中心または傾き軸を有することができる）。
【００９４】
超精巧外科システム１００は、１つまたは複数の超精巧外科アーム２００が、手術中に患者の配向に従うようにある角度に向けられる（例えば、傾けられる）ことを可能にすることができる。典型的には、患者は水平レベル表面（例えば、ベッド）上に置かれる。いくつかの手術では、実施されるべき手術に基づいて水平表面に対して患者の体をある角度に向ける（例えば傾ける）こと（例えば、手術部位へのアクセスの改善のために、内部臓器を手術部位から離れて患者の頭部のほうへシフトさせるために患者の頭部を低くすること）が有利であり得る。超精巧外科システム１００は、超精巧外科アーム２００が患者２の配向に従うように超精巧外科アーム２００をある角度に向けること（例えば、水平から傾けること）を可能にする（例えば、超精巧外科アーム２００が患者２の配向に従うように取り付けられる）。支持アーム１０６と、エレベータ１２０と、キャリッジ１３０と、スライド（図示せず）とは超精巧外科アーム２００が傾くことを可能にすることができる。
【００９５】
作業空間中の超精巧外科アーム２００の位置はトラッキングされ得る。いくつかの実施形態では、位置は、超精巧外科アーム２００の各ジョイントにおけるアブソリュートエンコーダ（図示せず）を結合することによってトラッキングされる。いくつかの実施形態では、（光学トラッカーなどの）位置センサーが超精巧外科アーム２００の基部に取り付けられる。位置センサーは、地上基準点（図示せず）に対する超精巧外科アーム２００の位置を提供することができる。位置センサーおよび／またはエンコーダは、超精巧外科アーム２００の位置をトラッキングするために利用され得る。さらに、位置センサーおよび／またはエンコーダは、超精巧外科ツール３００の位置をトラッキングするために利用され得る。当業者は、超精巧外科システム１００の構成要素をトラッキングする他の好適なセンサー、機構または方法を利用し得る。超精巧外科システム１００は、超精巧外科アーム２００と、超精巧外科ツール３００と、超精巧外科システム１００の追加の構成要素（例えば、操作者１、入力デバイス５００）とをトラッキングするグローバルトラッカーを有することができる。
【００９６】
超精巧外科アーム
超精巧外科システム１００とともに使用される超精巧外科アーム２００は、冗長自由度を有することができる。冗長自由度は、有利には、超精巧外科アーム２００が様々な所望のポーズで置かれることを可能にすることができる。さらに、冗長自由度は、有利には、患者の周りのより多くの自由空間を可能にすることができる。冗長自由度は、より多くの超精巧外科アーム２００（例えば、複数の超精巧外科アーム２００）の使用を可能にすることができる。冗長自由度は、患者２の上方の自由空間内のより多くの超精巧外科アーム２００の配置を可能にすることができる。冗長自由度はまた、患者内のより大きい作業空間を可能にすることができる。冗長自由度は、（単一の超精巧外科アーム２００の構成要素間の）自己衝突と、他の衝突（超精巧外科アーム２００と患者２との間、超精巧外科アーム２００間の）とを低減することができる。
【００９７】
冗長性は次のように定義される：「マニピュレータが、リンケージの２つ以上の構成を用いて指定の位置に達することができるとき、そのマニピュレータは冗長であると言われる。」Ｐ．Ｊ．  ＫｃＫｅｒｒｏｗ、Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  （Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ  Ｃｏ、シドニー、１９９１）。
【００９８】
図７に、超精巧外科アーム２００の一実施形態を示す。超精巧外科アーム２００は、本明細書で説明する超精巧外科システム１００とともに使用され得る。超精巧外科アーム２００は３つの自由度を有することができる。
【００９９】
冗長自由度は、市場にある外科システムに関して、ショルダーロール機構２０２によって提供され得る。ショルダーロール機構２０２は、超精巧外科アーム２００の下部の近くに位置することができる。冗長自由度は追加のフレキシビリティおよび利点を提供する。冗長自由度によって提供される利点は、超精巧外科アーム２００が、より大きい作業空間にアクセスすることができ、２つの自由度をもつ市場にあるロボットアームが達し得ない追加の解剖学的ターゲットにアクセスすることができることである。冗長自由度は、超精巧外科アーム２００が、体の外部の超精巧外科アーム２００の構成要素を再構成しながら、超精巧外科ツール３００と遠隔中心２５０との先端位置を維持することを可能にする。これらの異なるポーズは、超精巧外科アーム２００が、外科的領域中の患者２、他のツールまたは他の対象との衝突を回避することを可能にする。
【０１００】
いくつかの実施形態では、冗長自由度は、市場にある外科システムに関して、冗長縦振り機構（図示せず）によって提供される。冗長縦振り機構は、超精巧外科アーム２００上のどこでも配置され得る。冗長縦振り機構は、超精巧外科アーム２００の下部の近くに配置され得る。冗長縦振り機構は、本明細書で説明するように、遠隔中心と交差する縦振り軸を有することができる。冗長縦振り機構によって提供される冗長自由度は、本明細書で説明する冗長ロール機構２０２によって提供される冗長自由度について同じ利点を有することができる。超精巧外科ツール３００および回転／並進機構２０８は４つの自由度（例えば、回転、並進、縦振り、横振り）を有することができる。回転／並進機構２０８はツール３００を回転および並進させることができる。超精巧外科ツール３００は縦振りおよびロールすることができる。したがって、超精巧外科アーム２００および超精巧外科ツール３００は合計で７つの自由度を有することができる。超精巧外科アーム２００および超精巧外科ツール３００は８つ以上の自由度（例えば、８つの自由度、９つの自由度など）を有することができる。超精巧外科アーム２００および超精巧外科ツールは、（例えば、グラスパ、フレキシブルエルボーなどのエンドエフェクタによって提供される）追加の自由度を有することができる。典型的に、市場にある外科ロボットシステムは、２つの自由度（縦振りおよびロール）をもつロボットアームを有し、ツールは４つの自由度（回転、並進、縦振り、横振り）を有し、したがって、市場にあるロボット外科システムは、典型的には合計６つの自由度を有する。
【０１０１】
引き続き図７を参照すると、ショルダーロール機構２０２は１つの自由度を提供する。メインロール機構２０４は１つの自由度を提供する。縦振り機構２０６は１つの自由度を提供する。回転／並進機構２０８および超精巧外科ツール３００は４つの自由度（回転、並進、縦振り、横振り）を提供する。超精巧外科アームの精巧さに寄与する４つの機構がある：（１）ショルダーロール機構２０２；（２）メインロール機構２０４；（３）縦振り機構２０６；および（４）回転並進機構２０８。第２のロール機構を組み込むことにより、ショルダーロール機構２０２は、市場にある外科システムと比較して冗長自由度（例えば第７の自由度）を提供する。
【０１０２】
ショルダーロール機構２０２はショルダーロール軸２４４を有する。メインロール機構２０４はメインロール軸２４０を有する。縦振り機構２０６は縦振り軸２２８を有する。機構２０２、２０４、２０６の軸２２８、２４０、２４４は共通のポイントで交差する。図７では、このポイントは遠隔中心２５０と標示されている。
【０１０３】
図８を参照すると、縦振り機構２０６は、超精巧外科アーム２００が超精巧外科ツール３００を縦振り軸２２８の周りに回転させることを可能にする。縦振り軸２２８は遠隔中心２５０を通過する。矢印２３０は、縦振り軸２２８の周りの超精巧外科ツール３００の経路を表すアークを示す。縦振り機構２０６は３つの回転中心２３２、２３４、および２３６を有する。回転中心２３２、２３４、および２３６は、縦振り軸２２８の周りの動きを生成するように機械的にリンクされる。
【０１０４】
さらに図８を参照すると、縦振り機構２０６は、３つのセグメント、縦振りセグメント２２４と縦振りセグメント２２６と縦振りセグメント２２７とを有する。縦振り機構２０６の縦振りセグメント２２４、２２６、および２２７は、２棒、３棒、または４棒リンケージ、あるいはケーブルリンケージなど、多くの構成を有することができる。いくつかの実施形態では、バンドまたはベルトが、縦振りセグメント２２４、２２６および２２７間の相対的角度を抑制する。超精巧外科ツール３００を縦振り軸２２８の周りに回転させている間に、縦振りセグメント２２４と縦振りセグメント２２６は、互いの上に折りたたまれるか、または互いの間に小さい角度を有し得る。縦振りセグメントが折りたたみ位置に近いとき、メインロール機構２０４とトロカール３０２の近位端とは、互いに近くに持ってこられ得る。代替的に、縦振りセグメント２２４と縦振りセグメント２２６は、メインロール機構２０４とトロカール３０２の近位端との間の距離がさらに離れて離間されるように、外に広がるか、または互いの間に大きい角度を有することもできる。
【０１０５】
ロール機構２０２、２０４の回転および動きは図８に示される。矢印２３８は、メインロール軸２４０の周りのメインロール機構２０４の回転を示す。矢印２４２は、ショルダーロール軸２４４の周りのショルダーロール機構２０２の回転を示す。いくつかの実施形態では、ショルダーロール機構２０２は、初期位置から少なくとも最高＋／−９０°回転することができる。他の実施形態では、ショルダーロール機構２０２は初期位置から＋／−９０°よりも多く回転することができる。メインロール軸２４０およびショルダーロール軸２４４は、図８に示されているように遠隔中心２５０において交差する。メインロール機構２０４のメインロールセグメント２２２および／またはショルダーロール機構２０２のショルダーロールセグメント２２０は、セグメントについて任意のサイズ、形状および／または数を有することができる。図示のように、ショルダーロールセグメント２２０はショルダーロール機構２０２をメインロール機構２０４に結合し、メインロールセグメント２２２はメインロール機構２０４を縦振りセグメント２２４に結合する。
【０１０６】
超精巧外科アーム２００の様々なセグメントの構成の一実施形態が図７に示されている。第１のセグメント２１８の一方の端部は、上記で説明したように、場合によっては、フィクスチャ（例えば、ベッド１０２）、支持アーム１０６、または操作領域内の他の支持対象に結合され得る。第１のセグメント２１８の他方の端部はショルダーロール機構２０２に結合される。ショルダーロール機構２０２は、１つまたは複数のセグメント２２０でメインロール機構２０４に接続される。１つまたは複数のセグメント２２２、２２４はメインロール機構２０４を縦振り機構２０６と接続する。１つまたは複数のセグメント２２６、２２７は縦振り機構２０６をトロカール３０２と接続することができる。
【０１０７】
典型的な最小侵襲手術では、患者の体の上に小さい切開部が作られ、それを通ってツールが体内に入れられる。例えば、腹部手術では、切開部は腹壁上に置かれる。患者への危害のリスクを低減するために、体内への進入のポイントにおける体の表面に沿った並進を伴う移動を最小限に抑えることが望ましく、なぜなら、これらのタイプの移動は進入のポイントにおいて組織の引き裂きを生じ得るからである。このように、最小侵襲手技では、ツールシャフトが常に一定のポイントを通過することが望ましい。遠隔中心は体内へのツールの進入のポイントに配置され得る。超精巧外科ツール３００は、超精巧外科アーム２００によって、進入のポイントにおいて組織を引き裂くことなしにこのポイントの周りを枢動され得る。患者２に対する超精巧外科アーム２００の取付けは、切開部において遠隔中心２５０を確立することができる。
【０１０８】
軸の構成は、機構２０２、２０４、２０８が、遠隔中心２５０のロケーションが一定に保たれながら、超精巧外科ツール３００の所望の位置を達成することを可能にする。遠隔中心２５０は、上述したように、患者上の切開部のロケーションまたは体内への超精巧外科ツール３００の進入ポイントのロケーションと対応することができる。遠隔中心２５０は、患者への危害または損傷のリスクを低減するために、有利には一定に保たれ得る。手術中に、例えば腹部手術中に、遠隔中心２５０は腹壁に置かれ得る。このロケーションは、ツールが腹腔に進入するための入口であり得る。超精巧外科ツール３００の異なる位置および配向が所望されると、ショルダーロール機構２０２、メインロール機構２０４、および縦振り機構２０６は、超精巧外科ツール３００が許容自由度内で遠隔中心２５０の周りを枢動するような様式でアクティブにされ得る。
【０１０９】
遠隔中心２５０のロケーションは患者の解剖学的構造によって制約され得る。超精巧外科システム１００のフレキシビリティは、有利には、患者、外科医などの１人または複数の操作者１、１人または複数のアシスタント、および／または操作領域内で見つけられる他の対象もしくは構成要素に対する、１つまたは複数の超精巧外科アーム２００および／または超精巧外科ツール３００の効率的な配置を可能にする。
【０１１０】
図９に、本明細書ではゼロ位置２４６と呼ぶ、初期位置における超精巧外科アーム２００を示す。ターゲットにされる位置、ターゲットツール先端位置２４８の一例が示されている。この例では、ターゲットツール先端位置２４８はメインロール機構２０４の真正面にあり、メインロール軸２４０と共線的である。ターゲット先端位置２４８に達することを試みる１つの方法は、図１０に示されているように縦振りセグメント２２４と縦振りセグメント２２６とを折りたたむことである。しかしながら、ピッチセグメント２２４、２２６を折りたたんだ後でさえ、超精巧外科ツール３００はターゲットツール先端位置２４８に達することができない（図１０参照）。これは、例えば、縦振り動きの範囲の終了に遭遇するので起こり得る。
【０１１１】
ショルダーロール機構２０２は、図１１に示されているように、超精巧外科アーム２００がターゲットツール先端位置２４８に達することを可能にする冗長自由度を提供する。ショルダーロール機構２０２は冗長ロール機構である。ショルダーロール機構２０２は、市場にあるロボットシステムと比較して冗長自由度を提供する。ターゲットツール先端位置２４８から超精巧外科アーム２００を見ると、図９に示されたゼロ位置２４６から、ショルダーロールセグメント２２０は時計回りにいくぶん回転され、メインロールセグメント２２２は、反時計回りにいくぶん回転されている。ショルダーロール機構２０２とメインロール機構２０４とを回転させることによって、ターゲットツール先端位置２４８は今度はアクセス可能である。したがって、別のロール機構の回転軸と交差する回転軸をもつ、図９〜図１１に示されたショルダーロール機構２０２などの第２のロール機構は、超精巧外科アーム２００の精巧さを高めることがわかるであろう。ショルダーロール機構２０２は、図８に示されているように、メインロール機構２０４の回転軸２４０と交差する回転軸２４４を有し、したがって、超精巧外科アーム２００の操縦性および／または精巧さが高められる。
【０１１２】
特異点、デッドゾーン、自由空間、バックラッシュ
超精巧外科アーム２００の設計は超精巧外科システム１００に有意な属性を提供する。超精巧外科アーム２００に対する回転中心２５０のロケーションは、デッドゾーンが患者から離れて置かれることを可能にする。超精巧外科アーム２００の小さいサイズは、患者の周りの自由空間を最大にすることを可能にし、それにより、用手ツールおよび／または超精巧外科ツールの同時使用が可能になる。ショルダーロール機構２０２によって提供される冗長自由度は、バックラッシュの影響を低下させること、超精巧外科アーム２００の実際のバンド幅を改善することなどの領域において、本システムの性能を高めることができる。
【０１１３】
超精巧外科アーム２００は、有利には、操作中に特異点を回避し得る。特異点は２つ以上の軸の共線整合として定義される。この状態は、超精巧外科アーム２００の予測不可能な動きおよび速度を生じ得る。２つの軸が整合するとき、いずれかの軸の周りの回転も一意でない。言い換えれば、１つの自由度に沿った動きが失われる。
【０１１４】
再び図１０を参照すると、縦振りセグメント２２４と縦振りセグメント２２６が互いに対して折りたたまれている。そのような位置では、ツールシャフト軸２５２とメインロール軸２４０は鋭角を張る。ツールシャフト軸２５２とメインロール軸２４０が整合された場合、メインロール軸２４０の周りの回転はツールシャフト軸２５２の周りの回転に等しくなるであろう。そのような位置では、いずれかの軸の周りの移動は超精巧外科ツール３００に対して同じ動きを与える。そのような位置では、１つの自由度が失われるので、エンドエフェクタ３０６の制御は最適でない。図１１は、ショルダーロール機構２０２が、ツールシャフト軸２５２とメインロール軸２４０が整合されないように超精巧外科アーム２００を回転させることができることを示している。ショルダーロール機構２０２によって提供される追加の自由度は、軸が整合するか実質的に整合するかまたはほぼ整合しているときに超精巧外科システム１００が１つの自由度を失うことを防止する。このようにして、超精巧外科アーム２００は、超精巧外科アーム２００の操作中に特異点を回避するように設計され得る。
【０１１５】
超精巧外科アーム２００は、有利にはデッドゾーンを最小限に抑え得る。デッドゾーンは、超精巧外科ツール３００によってアクセス不可能な１つまたは複数の領域として定義される。デッドゾーン２５４は、超精巧外科アーム２００の構成要素間の干渉によって生成され得る。例えば、図１２に示されているように、デッドゾーン２５４は、超精巧外科ツール３００の近位端とショルダーロール機構２０２との間の干渉のために生成され得る。図１２に示されたデッドゾーン２５４は、縦振りセグメント２２４、２２６および／または２２７を、異なるサイズ、形状または数の（例えば、超精巧外科ツール３００の近位端の周りに適合するためにより長い）セグメントで製作することによってなくされ得る。しかしながら、これは超精巧外科アーム２００のサイズおよび／または重量を増加させ得る。図１２に示されたデッドゾーン２５４は、超精巧外科ツール３００の近位端を異なるサイズまたは形状にする（例えば、ショルダーロール機構２０２の内側に適合するためにより短くする）ことによってなくされ得る。
【０１１６】
超精巧外科アーム２００は、デッドゾーンが超精巧外科アーム２００の機能を限定しないように、１つまたは複数のデッドゾーン２５４が患者２の体外に生じるように設計され得る。超精巧外科アーム２００は、したがって、患者の体内の、作業空間内のどこでも超精巧外科ツール３００を配置することが可能である。
【０１１７】
図１２を参照すると、メインロール機構２０４は、超精巧外科ツール３００が今度は上方に面するように回転される。ショルダーロール機構２０２は、超精巧外科ツール３００の近位端の移動に干渉するかまたはさもなければそれを限定し、したがって、デッドゾーン２５４が生成される。デッドゾーン２５４を示すクロスハッチエリアは、ショルダーロール機構２０２への超精巧外科ツール３００の近位端の妨害により、超精巧外科ツール３００の遠位先端が達成することができない位置を示す。図１２は患者２の体を示している。図示のように、デッドゾーン２５４は、患者２の体の外部におよびそれから上方に離れて置かれる。図１２に示されたデッドゾーン２５４内のポイントに超精巧外科ツール３００の遠位先端が達することできないことは、外科的手技における超精巧外科ツール３００の使用に影響を及ぼすことはない。図１２に示されたデッドゾーン２５４は手術が実施されない位置を含む。
【０１１８】
上記で説明したように、超精巧外科アーム２００は、デッドゾーンが体外に生じるように（例えば、支持アーム１０６、取付けポール１０４などを介して）取り付けられ得る。いくつかの実施形態では、ショルダーロール機構２０２は、図７に示されているように遠隔中心２５０の下方に配置され得る。いくつかの実施形態では、ショルダーロール機構２０２は、図１２に示されているように、超精巧外科アーム２００が取り付けられたフィクスチャ（例えば、病院ベッド）により近接している。遠隔中心２５０に対してショルダーロール機構２０２をできる限り低く配向することによって、デッドゾーン２５４は、有利には患者２の体の上におよびそれから離れて置かれる。再び図６を参照すると、ショルダーロール機構２０２は、患者２がその上に置かれるベッド１０２または水平表面により近接している。支持アーム１０６、取付けポール１０４、エレベータ１２０、キャリッジ１３０および／またはアダプタ１３２を配置することによって超精巧外科アーム２００を配置する能力は、有利には、デッドゾーン２５４の配置において追加のフレキシビリティを提供する。いくつかの実施形態では、ショルダーロール機構２０２は、（例えば、取付け、患者のそれらの側の配置により）遠隔中心２５０の上方に配置され得る。
【０１１９】
いくつかの実施形態では、超精巧外科アーム２００はサイズが小さい。超精巧外科アーム２００は、いくつかの実施形態では、１０ポンド未満、８ポンド未満、６ポンド未満、４ポンド未満、３ポンド未満の重さがあり得る。超精巧外科アーム２００は、２４インチ未満の長さ、２２インチ未満の長さ、２０インチ未満の長さ、１６インチ未満の長さ、１４インチ未満の長さ、１２インチ未満の長さであり得る。一実施形態では、超精巧外科アーム２００は、折りたたまれた構成であるときにコンパクトであり得る。
【０１２０】
超精巧外科アーム２００の小さいサイズは、患者２の周りのより多くの自由空間を可能にする。自由空間は、外科医が様々な位置から用手ツール３５０を操作することを可能にする。自由空間は、外科医が手術中に複数のロケーションにおいて外科医自身を再配置することを可能にする。自由空間は、操作者が超精巧外科アーム２００の使用と同時に用手ツール３５０を使用することを可能にする。自由空間は、必要なときに患者へのより容易な身体的アクセスを可能にする。
【０１２１】
有利には、操作者１は、患者にアクセスして用手ツール３５０を使用し、一方同時に、超精巧外科ツール３００を制御するために超精巧外科アーム２００を使用していることが可能である。操作者１は、必要とされるツールを操作するために自由空間を有することを選好するか、または患者２に対してより最適な位置に移動することを選好し得る。遠隔中心２５０を維持しながら、超精巧外科アーム２００は異なる位置に移動され得る。この異なる位置は、患者へのより大きいアクセスを可能にし得る。ショルダーロール機構２０２は、遠隔中心を維持しながら超精巧外科アーム２００を異なる位置に移動する能力を提供する。
【０１２２】
図１３Ａに、超精巧外科アーム２００の初期位置を示す。この図は超精巧外科ツール３００のターゲットツール先端位置２４８を示している。図１３Ｂにおいて、超精巧外科ツール３００のロケーションおよび配向は同じままである。超精巧外科アーム２００が異なる位置を仮定している。ターゲットツール先端位置２４８から超精巧外科アーム２００を見ると、図１３Ａに示された位置から、ショルダーロールセグメント２２０は反時計回りにいくぶん回転され、メインロールセグメント２２２は時計回りにいくぶん回転されている。このように、トールシャフト軸２５２に沿った並進および回転を与える回転／並進機構２０６とともに、超精巧外科ツール３００は、超精巧外科アーム２００の様々なポーズを伴って同じターゲットツール先端位置２４８に維持されることが可能であり得る。操作者１は、必要に応じて、手技のために最適な位置に超精巧外科アーム２００を置くことができる。
【０１２３】
ショルダーロール機構２０２は、他の制限を回避するために超精巧外科アーム２００を異なる位置に移動する能力を提供する。制限は、様々な要因によって外科的環境において課され得る。これらの要因は、患者２の体型、物理的寸法と可動性とに基づく操作領域中の対象の限定、および作業空間の近くまたはその中の他の器具の存在を含む。ショルダーロール機構２０２は、これらの制限を回避するのを助け得る。超精巧外科アーム２００は、制限の影響を最小限に抑えるかまたはなくすように配置され得る。
【０１２４】
（市場にあるシステムと比較して）ショルダーロール機構２０２によって提供される冗長自由度は、バックラッシュの影響を低下させること、本システムの実際のバンド幅を改善することなどの領域において超精巧外科システム１００の性能を高めることになる。バンド幅は、入力デバイス５００の忠実に動きに従う超精巧外科ツール３００の能力である。より高いバンド幅は、超精巧外科ツール３００がより速く加速することを可能にし得る。例えば、低バンド幅システムでは、操作者１が入力デバイス５００を急速にまたは高速度で移動する場合、超精巧外科ツール３００は入力デバイス５００の動きに従うことが可能でないことがある。バックラッシュは、機械システムにおける「遊び」の量である。
【０１２５】
固定遠隔中心２５０を有するシステムでは、バンド幅とバックラッシュは概して逆関係である。例えば、超精巧外科ツール３００のエンドエフェクタ３０６が遠隔中心２５０に極めて近い場合、メインロール機構２０４および／またはショルダーロール機構２０２は、エンドエフェクタ３０６の小さい移動を引き起こすために大きい量移動する。この移動は、超精巧外科アーム２００のバンド幅制限を強調するが、アクチュエータバックラッシュの観点からは好都合である。別の例として、超精巧外科ツール３００のシャフトが遠くに患者２の体内へと延長され、どんな特異点からも離れている場合、エンドエフェクタ３０６の変化を実現せよというより多くの需要がメインロール機構２０４および／またはショルダーロール機構２０２にかけられる。バンド幅は適切であるが、バックラッシュは有意になり得る。バンド幅およびバックラッシュなどのパラメータは、作業空間内の領域に応じてかなり変動し得る
【０１２６】
スイートスポットは、超精巧外科システム１００がそこで制御され、バンド幅およびバックラッシュなどのパラメータが許容パラメータ内にある領域である。バンド幅、バックラッシュ、システムの設計によって課される機械的限定、（２つ以上の自由度が一致する場合の）特異点のロケーションを含む要因が、システムのスイートスポットに影響を及ぼし得る。設計者は、実施されるべきタスクのためにできる限り大きい領域をスイートスポットに定義させることを試みる。
【０１２７】
いくつかの実施形態では、バンド幅およびバックラッシュは、作業空間内のすべての領域のために最適化される。バンド幅およびバックラッシュは特異点の周りで最適でない。例えば、特異点は、図１０に示されているように、ツールシャフト軸２５２がメインロール軸２４０と整合するときに存在し得る。エンドエフェクタ３０６は制御するのがより困難であり得る。ショルダーロール機構２０２は、追加の自由度を提供することによって特異点を防止し得る。ショルダーロール機構２０２は、超精巧外科アーム２００の追加のポーズを提供し、超精巧外科アーム２００のセグメントを構成するための追加の方法を提供し得る。ショルダーロール機構２０２は、バンド幅およびバックラッシュがその上で許容パラメータ内にある、より大きい作業領域を提供することができる。
【０１２８】
代替アーム
超精巧外科アームは多くの構成を有することができる。図１４〜図１６に、超精巧外科アームの代替構成を示す。超精巧外科アームは、本明細書で説明するように、遠隔中心２５０を維持することができる。超精巧外科アームは、本明細書で説明する超精巧外科システムに組み込まれ得る。超精巧外科アームは入力デバイス５００によって制御され得、それにより、操作者は移動可能になることが可能になる。
【０１２９】
図１４は、超精巧外科アーム２０００の一実施形態を示す。超精巧外科アーム２０００は、第１のローラースライド２００４と第２のローラースライド２００６とを含む基部２００２を含むことができる。第１のローラースライド２００４は第２のローラースライド２００６に直交であり得る。第１のローラースライド２００４は第１の方向（例えば、垂直）における移動を可能にする。第２のローラースライド２００６は第２の方向（例えば、水平）における移動を可能にする。ローリングスライド２００４は矢印の方向２０１０に沿ってオフセットアーム２００８を配置することができ、および／またはローリングスライド２００６は矢印の方向２０１２に沿ってオフセットアームを配置することができる。第１のローラースライド２００４および／または第２のローラースライドは受動的であり得る（例えば、動力化されない）。第１のローラースライド２００４および／または第２のローラースライドは能動的であり得る（例えば、動力化される）。
【０１３０】
超精巧外科アーム２０００はオフセットアーム２００８を含む。オフセットアーム２００８はオフセットされる（例えば、オフセットアーム２００８の構造がそれの縦軸について同心または対称的でない）。オフセットアーム２００８は２つの自由度（縦振りおよびロール）を含む。オフセットアーム２００８は縦振り機構２０２４とロール機構とを含むことができる。縦振り機構２０２４は縦振り軸を有する。オフセットアーム２００８は、縦振り軸の周りで、矢印２０２１の周りでトロカール３０２を回転させることができる。ロール機構はロール軸２０１８を有する。オフセットアーム２００８は、矢印２０２０の方向にロール軸２０１８の周りで回転することができる。縦振り軸およびロール軸は遠隔中心２５０と交差する。ローリングスライド２００４およびローリングスライド２００６はまた、遠隔中心を通過する軸の周りのみの動きを可能にする。
【０１３１】
オフセットアーム２００８の遠位端はトロカールキャリア２０２２に結合され得る。いくつかの実施形態では、オフセットアーム２００８は、アーキングスライドによってトロカールキャリア２０２２に結合される。円半径を有するアーキングスライドは、遠隔中心２５０など、回転の固定中心を維持することになる。アークの形状は改変され得る。いくつかの実施形態では、アークの形状は楕円形である。形状を交替させることによって、回転中心のロケーションが垂直方向に変化するようにされ得る。一実施形態では、縦振り機構２０２４は、少なくとも部分的に、トロカールキャリア２０２２に結合されたローリングスライド２００４によって提供される。
【０１３２】
ローリングスライド２０２４は、湾曲したテレスコーピング式に超精巧外科アーム２０００の遠位端とトロカールキャリア２０２２との間をローリングすることによって垂直から最高＋／−９０°（＋／−１５°、＋／−３０°、＋／−４５°、＋／−６０°、＋／−７５°などを含む）延長し得る。ローリングスライド２０２４が垂直であるとき、ローリングスライド２０２４はトロカールキャリア２０２２のプロファイル内にあり得る。これにより、掃引される量が最小限に抑えられ得、それにより、周囲の組織、他の機器、および／または手術室人員との干渉が低減される。
【０１３３】
縦振り機構２０２４、ロール機構、第１のローラースライド２００４、および第２のローラースライド２００６は受動的または能動的であり得る。いくつかの実施形態では、超精巧外科アーム２０００の動きは、エネルギー源（例えば、図示されていない、電気モーターなどのモーター、水力学、気圧力学など）によって能動的に制御され得、操作され得る。
【０１３４】
オフセットアーム２００８は２つの自由度（縦振りおよびロール）を有する。ローリングスライド２００４およびローリングスライド２００６は、矢印２０１０および矢印２０１２に沿った移動を提供することによって２つの自由度を提供することができる。超精巧外科アーム２０００は４つの自由度を有することができる。
【０１３５】
図１５に、超精巧外科アーム２０２６の一実施形態を示す。超精巧外科アーム２０２６は、３つのセグメント、セグメント２０２８とセグメント２０３０とセグメント２０３２とを含み得る。セグメント２０２８、２０３０、および２０３２はロール機構によって互いに結合される。他の実施形態では、セグメント２０２８、２０３０、２０３２は他の好適な機構を介して互いに結合される。これらの３つの機構は回転軸２０３４、２０３６、２０３８を有する。これらの軸は遠隔中心２５０において交差する。超精巧外科アーム２０２６における第３のロール機構は冗長自由度を提供する。
【０１３６】
超精巧外科アーム２０２６の遠位端は超精巧外科ツール２０４６および／またはトロカール２０４８に結合され得る。超精巧外科アーム２０２６は、ツール２０４６を並進および回転させる回転／並進機構２０４４を含み得る。ツール２０４６は２つの自由度（縦振り、横振り）を有し得る。超精巧外科アーム２０２６と、回転／並進機構２０４４と、超精巧外科ツール２０４６との組合せは７つの自由度を有することができる。ツール２０４６は追加の自由度を有することができる。
【０１３７】
図１６に、代替縦振り機構の一実施形態を示す。図１６のアーム２０５０は、超精巧外科アームを提供するために追加の機構（例えば、ロール機構、縦振り機構）と組み合わされ得る。アーム２０５０は遠隔中心２５０を維持することができる。アーム２０５０は、ロール軸２０５８の周りを回転するロール機構を含むことができる。フォロワプレート２０５４がロール軸２０５８の周りを回転することができ、ベアリング（図示せず）によって支持され得る。アーム２０５０は、ベアリング（図示せず）によって支持されモーター（図示せず）によって作動されるロール軸２０５８の周りをアーム２０５０がロールし得るような方法で他の機構に取り付けられ得る。
【０１３８】
アーム２０５０は、縦振り軸の周りを回転する縦振り機構を提供することができる。縦振り機構は、いくつかの形態を取り、４棒リンケージ、バンドまたはケーブル制約付き並列機構、あるいはギアおよびカムを含むことができる。ギアおよびカム機構が図１６に示されている。
【０１３９】
フォロワプレート２０５４は、プロファイリングされたスロット２０５６を含むことができる。フォロワプレート２０５４は、ギアフォロア２０６２に係合し得るギアプロファイル２０６０を含むことができる。ギアプロファイル２０６０は非円形であり得、および／またはギアフォロアは非円形であり得る。ギアフォロア２０６２は、ケーブル２０６６を駆動し得るケーブルスプール２０６４を駆動することができる。ケーブル２０６６はアーム２０５１に結合され得る。アーム２０５１は、ケーブル２０６６と相互作用するギアまたはプーリを含むことができる。ケーブル２０６６は出力プーリ２０６８の回転を駆動する。出力プーリ２０６８はアーム２０５１の遠位端の近くにあり得、トロカール２０７０に結合され得る。アーム２０５１はリニアベアリング２０７２を通ってスライドし得る。プロファイリングされたスロット２０５６と、非円形ギアプロファイル２０６０と、非円形ギアフォロア２０６２とのプロファイルは、トロカール２０７０を縦振り軸の周りで回転させ得る。アーム２０５１の形状は、組織クリアランスのために図示のように直線であるかまたは湾曲し得る。
【０１４０】
アーム２０５０は、縦振り機構によって提供される１つの自由度を有する。アーム２０５０は、ロール軸２０５８とともに、ロール機構（図示せず）によって提供される１つの自由度を有することができる。アーム２０５０を超精巧外科アームとするためにアーム２０５０に追加の冗長自由度が追加され得る。超精巧外科ツール（図示せず）および回転／並進機構は、合計６つの自由度のために、４つの自由度を提供することができる。
【０１４１】
縦振り機構およびロール機構は受動的または能動的であり得る。いくつかの実施形態では、アーム２０５０の動きは、エネルギー源（例えば、図示されていない、電気モーターなどのモーター、水力学、気圧力学など）によって能動的に制御され得、操作され得る。操作者１は、回転中心２５０を確立するためにアーム２０５０を取り付けることができる。
【０１４２】
超精巧外科ツール
超精巧外科ツール３００および回転／並進機構２０８は超精巧外科システム１００に４つの自由度を提供する。回転／並進機構２０８は、超精巧外科ツール３００を回転させることも並進させることもできる。回転／並進機構２０８のより小さいサイズは、有利には、前に説明したように、超精巧外科アーム２００のサイズがより小さくなることを可能にする。回転／並進機構２０８の小さいサイズは、超精巧外科アーム２００がより小さく軽量になることを可能し、それは特に、患者２の周りのより多くの自由空間を可能にする。
【０１４３】
超精巧外科ツール３００は回転／並進機構２０８によって回転および／または並進され得る。回転／並進機構２０８は、回転／並進機構２０８とともに超精巧外科ツール３００を回転させる。回転／並進機構２０８は超精巧外科ツール３００を並進させる。回転／並進機構２０８は、並進および／または回転のどんな組合せでも提供することができる。回転／並進機構２０８は、有利には、様々な直径のツールシャフトに適応することができる。回転／並進機構２０８はどんな長さのツールシャフトにも適応する。図１７〜図２２に記載されているツールシャフトと相互作用する機構は、特定の回転数に限定されない。したがって、この機構はどんな長さのツールシャフトにも適応することができ、これは、本質的に範囲が限定されているテレスコーピングセグメントを使用する既存の市場にある並進機構に勝る利点である。回転／並進機構２０８のコンパクトサイズはより小さくなることができ、それにより、より小さい超精巧外科アームの使用が可能になる。
【０１４４】
エンドエフェクタは２つの自由度（縦振り、横振り）を提供し、追加の自由度（ジョー作動、ピンチ）を提供することができる。再び図１０を参照すると、超精巧外科ツール３００は、伸長されたシャフトの先端に展開された、エンドエフェクタ３０６、例えばグラスパ、持針器、ステープラ、焼灼ツールを含む。超精巧外科ツール３００は、（例えば、患者２の）体における小さい切開を通して導入され得る。
【０１４５】
図７は、超精巧外科アーム２００および回転／並進機構２０８を示している。回転／並進機構２０８は超精巧外科システム１００に２つの自由度（回転、並進）を提供する。回転／並進機構によって与えられる自由度の中には、ツールシャフト軸２５２の周りの超精巧外科ツール３００の回転と、ツールシャフト軸２５２に沿った超精巧外科ツール３００の線形並進（図１０参照）とがある。超精巧外科ツール３００は、遠隔中心２５０を移動することなしに回転または並進され得る。回転／並進機構２０８は、超精巧外科アーム２００によって支持される超精巧外科ツール３００上に回転および／または並進を直接与える。
【０１４６】
回転／並進機構２０８の回転は超精巧外科ツール３００の回転に変換される。回転／並進機構２０８の並進は超精巧外科ツール３００の並進に変換される。回転／並進機構２０８のプーリ、ギア化ホイール、または他の係合機構の方向および速度は、超精巧外科ツール３００の様々なタイプの動きを生じる。
【０１４７】
回転／並進機構２０８のより小さいサイズは、超精巧外科アーム２００のサイズがより小さくなり得ることを保証し得る。より小さいサイズは、超精巧外科システム１００の他の構成要素（例えば、他の超精巧外科アーム２００、他のセグメント）との衝突の可能性を低減し得る。超精巧外科ツール３００の近位セクションのより小さいサイズは、超精巧外科ツール３００がより少数の移動制限に遭遇することを保証し得る。超精巧外科ツール３００のより小さい重量は、より巨大でなくなるモーターなどの駆動機構の使用を可能にする。さらに、大きく強力なモーターの必要が低減され得る。
【０１４８】
回転／並進機構２０８の小さいサイズは、患者２の周りのより多くの自由空間を可能にする。自由空間は、外科医が、様々な位置から超精巧外科ツール３００と同時に用手ツール３５０を操作することを可能にする。自由空間は、外科医が手術中に複数のロケーションにおいて外科医自身を再配置することを可能にする。自由空間は、操作者が超精巧外科アーム２００の使用と同時に用手ツール３５０を使用することを可能にする。自由空間は、必要なときに患者へのより容易な身体的アクセスを可能にする。
【０１４９】
超精巧外科システム１００によって占有されるより小さい空間により、外科医または外科チームメンバーなどの操作者１は、有利には、患者の周りのより多くの自由空間を可能にすることができる。自由空間は、操作者１が患者へのアクセスを容易に獲得することを可能にする。
【０１５０】
図１７〜図２２に、回転／並進機構２０８の一実施形態を示す。非対称回転／並進機構２５８および対称回転／並進機構２５００という、２つの異なるタイプの回転／並進機構２０８について以下で説明する。他のタイプの回転／並進機構２０８もあり得る。回転／並進機構２５８、２５００は、対称または非対称差動構成でローラー、ギア、プーリ、摩擦面などを使用し得る。それはまた、システムの個別部品の数を最小限に抑え使用とセットアップとの容易さを高めるために、超精巧外科ツールと組み合わされ得る。非対称回転／並進機構２５８は、少なくとも２つのプーリ、プーリ２６０およびプーリ２６２を含むことができる。非対称回転／並進機構２５８は、プーリ２６０、２６２の中心を通って位置する中心ハウジング２６４を有する。プーリ２６０は中心ハウジング２６４に結合され得る。プーリ２６２は中心ハウジング２６４の周りを回転することができる。超精巧外科ツール３００は中心ハウジング２６４を通して挿入され得る。
【０１５１】
プーリ２６０は、少なくとも２つのローラー、ローラー２６６およびローラー２６８を含むことができる。次に図１８を参照すると、ローラー２６６はローラーホイール２７０とローラードラム２７２とを有する。ローラー２６８はローラーホイール２７４とローラードラム２７６とを有する。ローラードラム２７２、２７６の直径はローラーホイール２７０、２７４よりも小さい。ローラーホイール２７０は凹面２７８を有し、ローラーホイール２７４は凹面２８０を有する。凹面２７８、２８０は、超精巧外科ツール３００の形状に適合し、ローラー２６６、２６８の能力が中心ハウジング２６４中のスロットを通して超精巧外科ツール３００を把持するかまたはそれに係合することを可能にすることができる。ローラーホイール２７０およびローラーホイール２７４は凹面を有するように示されているが、超精巧外科ツール３００のツールシャフトの表面に係合するために、限定はしないが、テクスチャ表面、ギア歯、およびベルトを含む様々な他の表面が利用され得る。
【０１５２】
プーリ２６０は、少なくとも２つの追加のローラー、ローラー２８２およびローラー２８４を含む。ローラー２８２、２８４はプーリ２６０の下面にアタッチされる。図１７は、プーリ２６０の下面にアタッチされたローラー２８２を示している。
【０１５３】
超精巧外科ツール３００の並進のプロセスが図１９および図２０に示されている。図１９に示されているように、モーター２８６がプーリ２６０を駆動し、モーター２８８がプーリ２６２を駆動する。前述のように、超精巧外科ツール３００は中心ハウジング２６４を通って挿入され得る。プーリ２６２が矢印１の方向に回転するようにモーター２８８が駆動される場合、ローラー２８２は矢印２の方向に回転する。図１９に示されているのと同じ動きを示す上面図である図２０を参照すると、ローラー２８２は矢印２の方向に回転していることが示されている。
【０１５４】
ローラー２８４は図１９に示されていない。図１９に示されているのと同じ動きを示す上面図である図２０を参照すると；ローラー２８４は矢印３の方向に回転していることが示されている。ローラー２８２、２８４の回転はローラードラム２７２およびローラードラム２７６が回転することを引き起こす。ローラードラム２７２、２７６の回転はローラーホイール２７０およびローラーホイール２７４が回転することを引き起こす。ローラーホイール２７０とローラードラム２７２とを含むローラー２６６の回転は矢印４によって示される。ローラーホイール２７４とローラードラム２７６とを含むローラー２６８の回転は矢印５によって示される。
【０１５５】
ローラー２６６のローラーホイール２７０の回転とローラー２６８のローラーホイール２７４の回転は、中心ハウジング２６４中に挿入された超精巧外科ツール３００が並進することを引き起こす。しかしながら、異なる超精巧外科ツール３００の使用を可能にするために、超精巧外科ツール３００は中心ハウジング２６４から分離することを可能にされる必要がある。超精巧外科ツール３００は、図１９に示された矢印６の方向に並進する。矢印６は、それが垂直であり図面の平面外にあり得るので、図２０には示されていない。超精巧外科ツール３００を下方向に並進させるために、モーター２８８は単に逆方向に、矢印１の逆方向に回転する。これは、ローラーホイール２７０、２７４とローラードラム２７２、２７６とを含むローラー２６６、２６８の動きが逆方向に回転することを引き起こす。これは、超精巧外科ツール３００が、図１９および図２０に示された方向とは反対方向に並進することを引き起こす。
【０１５６】
超精巧外科ツール３００の回転のプロセスが図２１および図２２に示されている。図２１において、プーリ２６０およびプーリ２６２は、それぞれモーター２８６およびモーター２８８によって回転される。プーリ２６０とプーリ２６２の両方は、矢印７によって示された同じ方向に回転される。モーター２８６とモーター２８８の両方の動きにより、ローラー２８２は、図１９および図２０に示されているように矢印２の方向に回転しない。モーター２８６とモーター２８８の両方の動きにより、ローラー２８４は、図２０に示されているように矢印３の方向に回転しない。プーリ２６０とプーリ２６２の両方が同じ方向に回転するとき、ローラー２８２および２８４はそれら自体の回転軸２９０、２９２の周りを回転しない。その後、ローラー２６６および２６８は、図２０に示されているようにそれら自体の回転軸２９４、２９６の周りを回転しない。ローラー２６６、２６８、２８２、２８４は、図２２の矢印８によって示されているように、プーリ２６０とともに回転する。プーリ２６０は中心ハウジング２６４の周りを回転する。プーリ２６０が回転すると、超精巧外科ツール３００は矢印９によって示されているように回転する。反対方向に回転するために、モーターは単に逆方向に、図２１に示された矢印７の逆方向に回転する。
【０１５７】
回転並進２５８は、ローラーおよび摩擦ホイールなどの係合機構を使用する。追加または代替として、ギア、ベルト、ベベルギア、およびケーブルを含む他のタイプの係合機構が利用され得る。
【０１５８】
図２３〜図２７に、回転／並進機構２５００の別の実施形態を示す。この機構は対称回転／並進および差動回転／並進機構のカテゴリーに入る。対称回転／並進機構２５００はベベルギア２５０４とベベルギア２５０６とを含むことができる。図２３において、中心ハウジング２５０２はベベルギア２５０４、２５０６に対して概して直角である。ベベルギア２５０４、２５０６は、図２４に示されている歯を含む。
【０１５９】
モーター２５０８（例えば、電気モーター）はモーターギア２５１０を含む。モーター２５０８およびモーターギア２５１０はベベルギア２５０４を駆動する。ベベルギア２５０４はインセットベベルギア２５１２を駆動する。インセットギア２５１２とインセットギア２５２６は中心ハウジング２５０２に接続されるが、それらの自体の中心回転軸の周りを回転することができる。インセットベベルギア２５１２は中心ハウジング２５０２に結合される。インセットベベルギア２５１２はアクスル２５１４の周りを回転する。アクスル２５１４は２次ギア２５１６に結合される。２次ギア２５１６はスパーギア２５１８と連係する。スパーギア２５１８はローラー２５２０に接続される。
【０１６０】
モーター２５２２（例えば、電気モーター）はモーターギア２５２４を含む。モーター２５２２およびモーターギア２５２４はベベルギア２５０６を駆動する。ベベルギア２５０６はインセットベベルギア２５２６を駆動する。インセットベベルギア２５２６は中心ハウジング２５０２に結合される。インセットベベルギア２５２６はアクスル２５２８の周りを回転する。アクスル２５２８は２次ギア２５３０に結合される。２次ギア２５３０はスパーギア２５３２と連係する。スパーギア２５３２はローラー２５３６と接続される。
【０１６１】
図２４は、ローラー２５２０、２５３６と、ベベルギア２５０４、２５０６とを示している。対称回転／並進機構２５００は、ローラー２５２０に結合された線形駆動ベルト２５３８と、ローラー２５３６に結合された線形駆動ベルト２５４０とを含む。ローラー２５２０は、線形駆動ベルト２５３８がローラー２５２０を部分的にラップアラウンドするように、線形駆動ベルト２５３８と中心ハウジング２５０２との間に置かれる。ローラー２５３６は、線形駆動ベルト２５４０がローラー２５３６を部分的にラップアラウンドするように、線形駆動ベルト２５４０と中心ハウジング２５０２との間に置かれる。線形駆動ベルト２５３８および線形駆動ベルト２５４０は、少なくとも部分的に超精巧外科ツール３００の長さに沿って延長することができ、超精巧外科ツール３００のシャフトに結合される。
【０１６２】
超精巧外科ツール３００の並進のプロセスが図２５および図２６に示されている。モーター２５２２は矢印の方向１に示されているように回転される。これは、ベベルギア２５０６が矢印２の方向に回転することを引き起こす。ベベルギア２５０６は、インセットベベルギア２５２６が矢印３の方向に回転することを引き起こす。インセットベベルギア２５２６の回転は、２次ギア２５３０が矢印４と同じ方向に回転することを引き起こす。２次ギア２５３０の回転は、スパーギア２５３２が矢印５の方向に回転することを引き起こす。スパーギア２５３２の回転は、ローラー２５３６が矢印６の方向に回転することを引き起こす。次に図２６を参照すると、ローラー２５３６は矢印６の方向に回転する。
【０１６３】
モーター２５０８は矢印の方向７に示されているように回転される。これは、ベベルギア２５０４が矢印８の方向に回転することを引き起こす。ベベルギア２５０４は、インセットベベルギア２５１２が矢印９の方向に回転することを引き起こす。インセットベベルギア２５１２の回転は、２次ギア２５１６が矢印１０のような方向に回転することを引き起こす。２次ギア２５１６の回転は、スパーギア２５１８が矢印１１の方向に回転することを引き起こす。スパーギア２５１８の回転は、ローラー２５２０が矢印１２の方向に回転することを引き起こす。次に図２６を参照すると、ローラー２５２０は矢印１２の方向に回転する。図２６に示されているように、ローラー２５２０は超精巧外科ツール３００の反対側に係合する。図２３および図２５において、ローラー２５２０は中心ハウジング２５０２と超精巧外科ツール３００との後ろにあり、したがって破線で示されている。
【０１６４】
ローラー２５２０、２５３６の回転は、図２６の矢印１３と矢印１４とによって示される方向に線形ベルト駆動２５３８、２５４０の線形並進を引き起こす。線形ベルト駆動２５３８、２５４０の動きは超精巧外科ツール３００の線形並進を引き起こす。線形ベルト駆動２５３８、２５４０は超精巧外科ツール３００のツールシャフトに結合され、超精巧外科ツール３００は中心ハウジング２５０２を通って並進する。中心ハウジング２５０２中に挿入された超精巧外科ツール３００は矢印１３と矢印１４との方向に並進し得る。超精巧外科ツール３００を上方向に移動するために、モーター２５０８、２５２２は単に反対方向に、図２５の矢印１および矢印７と反対の方向に回転し得る。
【０１６５】
超精巧外科ツール３００の回転のプロセスが図２７および図２８に示されている。線形ベルト駆動の下のモーター、モーターギア、２次ギア、スパーギアおよびローラーは図示されていない。さらに、ベベルギアとインセットギアとのための歯は図示されていない。図２７において、ベベルギア２５０４、２５０６はモーター（図示せず）によって回転される。ベベルギア２５０４とベベルギア２５０６の両方は、矢印１５によって示された同じ方向に回転される。両方のモーターの動きにより、インセットベベルギア２５１２、２５２６は、図２２に示されているように矢印３および９の方向に回転しない。
【０１６６】
両方のモーターの動きにより、ローラー２５２０、２５３６は、図２７の矢印１６によって示されているようにベベルギア２５０４、２５０６とともに回転する。同じ方向におけるベベルギア２５０４とベベルギア２５０６の両方の回転は、中心ハウジング２５０２と、キャプチャされた超精巧外科ツール３００とが、すべて同じ速度で回転することを引き起こす。ベベルギア２５０４、２５０６が回転されると、超精巧外科ツール３００は矢印１６によって示されているように回転する。反対方向に回転するために、モーターは単に逆方向に回転する。
【０１６７】
モーター２５０８とモーター２５２２の両方の動きにより、インセットベベルギア２５１２、２５２６はベベルギア２５０４、２５０６とともに回転させる。インセットベベルギア２５１２、２５２６は中心ハウジング２５０２に結合される。同じ方向におけるベベルギア２５０４、２５０６とインセットベベルギア２５１２、２５２６との回転は、中心ハウジング２５０２と、キャプチャされた超精巧外科ツール３００とが、すべて同じ速度で回転することを引き起こす。回転／並進機構２０８においてギア、ベルト、およびベベルギアなどの係合機構が利用され得る。他の実施形態では、追加または代替として、ローラー、ベアリング、およびケーブルなど、他のタイプの係合機構が利用され得る。
【０１６８】
図２８は、図２３〜図２７の線形ベルト駆動２５３８、２５４０とローラー２５２０、２５３６との代替実施形態を示している。本実施形態はより小さい連続ベルト駆動２５４６、２５４８を含む。ベルト駆動２５４６は２つのローラー２５５０、２５５２を囲む。ベルト駆動２５４８は２つのローラー２５５６、２５５８を囲む。ベルト駆動２５４６、２５４８のための歯２５６０、２５６２はベルト駆動２５４６、２５４８の外表面上に置かれる。ベルト駆動２５４６、２５４８のための歯２５６０、２５６２は、中心ハウジング２５０２の外表面上にあるかまたは超精巧外科ツール３００のツールシャフト上に直接ある歯２５６４、２５６６に係合する。図示の実施形態では中心ハウジング２５０２または超精巧外科ツール３００のツールシャフトに係合するためにベルト駆動が使用されているが、中心ハウジング２５０２または超精巧外科ツール３００のツールシャフトに係合するために様々な他の好適な機構が利用され得る。
【０１６９】
回転／並進機構２０８は、並進または回転の任意の組合せを提供することができる。再び図２３を参照して、モーター２５０８の反時計回り回転とモーター２５２２の反時計回り回転とに「＋」方向が割り当てられ、モーター２５０８および２５２２の時計回り回転に「−」方向が割り当てられると仮定する。さらにまた、下方向における中心ハウジング２５０２または超精巧外科ツール３００のツールシャフトの並進の１つのユニットが「Ｔ＋」と呼ばれ、中心ハウジング２５０２の時計回り回転の１つのユニットが「Ｒ＋」と呼ばれると仮定する。この名称は、概念を変更することなしに反転され得る。さらに、１つの並進ユニットは、１ｃｍなど、距離の整数ユニットに対応しないことがあることに留意すべきである。同様に、１つの回転ユニットは、中心ハウジング２５０２の完全な回転に対応しないことがある。実際の距離または度数へのこれらのユニットの変換は、選択されたギア比に依存する。
【０１７０】
モーター２５０８の回転の１つのユニットまたは「ＭＡ＋」が、正の方向における１つの並進ユニットと、正の方向における中心ハウジング２５０２の１つの回転ユニットとを生成すると仮定する。したがって：
ＭＡ＋＝Ｔ＋＋Ｒ＋  式１
【０１７１】
同様に、モーター２５２２の回転の１つのユニットまたはＭＢ＋が、正の方向における１つの並進ユニットと、負の方向における中心ハウジング２５０２の１つの回転ユニットとを生成する。したがって：
ＭＢ＋＝Ｔ＋＋Ｒ−  式２
【０１７２】
例えば、正の方向における並進の２つのユニットを得るためには：
ＭＡ＋＋ＭＢ＋＝２Ｔ＋  式３
【０１７３】
負の方向における回転の１つのユニットを得るためには、
１／２ＭＡ−＋１／２ＭＢ＋＝Ｒ−  式４
【０１７４】
したがって、１つのモーターが移動しない組合せを含めて、モーター２５０８、２５２２の動きを組み合わせることによって、並進および／または回転の任意の組合せが取得され得る。いくつかの実施形態では、同じ概念を使用して、並進と回転との速度が変化され得る。モーター２５０８、２５２２の速度は所定の値として設定され得る。いくつかの実施形態では、ディスプレイ６００を通して、操作者１（例えば、外科医）はより遅くより高感度の設定を選定することを希望し得るが、別の操作者はあまり高感度でない設定を選好し得る。これは、スクリーン上のポインタの応答が、選好設定に基づくユーザ設定に従い得る、コンピュータマウスの感度設定の設定に類似している。
【０１７５】
いくつかの実施形態では、並進ユニットおよび回転ユニットは、実際の距離および回転の実際の度数に対応し得る。変換値は超精巧外科アーム２００の設計段階中に決定され得るか、または較正手順を介して決定され得る。変換値は、制御システム４００内のメモリに記憶され得る。構成要素における遊びおよび他の要因により、各モーター２５０８、２５２２は、まったく同じ量の並進および回転を生じないことがある。この場合、これらの差は、制御システム４００によって、および上記で説明した式においてアカウントされ（ａｃｃｏｕｎｔｅｄ）得る。
【０１７６】
回転／並進機構２０８は、有利には、様々な直径のツールシャフトに適応することができる。図２９〜図３１に、本明細書で説明する非対称回転／並進機構２５８に結合された幅調整器２６００を示す。幅調整器２６００は対称回転／並進機構２５００に結合され得る。図２９は、中心ハウジング２６４に結合された幅調整器２６００の側面図を示している。幅調整器２６００は、中心ハウジング２６４の長さに沿って上下に移動し得る。幅調整器は、ローラー２６６、２６８、および２８２にアタッチされた複数のリンク２６０２Ａ、２６０２Ｂ、２６０２Ｃ（図示せず）、２６０２Ｄ（図示せず）を有することができる。リンクはローラー２８４（図示せず）にアタッチされ得る。リンク２６０２Ａ、２６０２Ｂは三角形状に構成され得る。リンク２６０２Ａは、概して三角形状に幅調整器２６００をローラー２６６とローラー２８２とに接続する。リンク２６０２Ｂは、概して三角形状に幅調整器２６００をローラー２６８とローラー２８２とに接続する。リンク２６０２Ｃは、概して三角形状に幅調整器２６００をローラー２６６とローラー２８４とに接続する（図示せず）。リンク２６０２Ｄは、概して三角形状に幅調整器２６００をローラー２６８とローラー２８４とに接続する（図示せず）。三角形形状は展開され得る形状の一例であり、他の形状が可能である。リンク２６０２は固体片であり得る。
【０１７７】
リンク２６０２は、ローラー２８２および２８４の回転軸の周りを枢動する。リンク２６０２は、ローラー２６６および２６８の中心の位置を調整することができる。ローラー２６６、２６８は、それらの回転軸２９４、２９６に沿って延長するシャフトを有する。ローラー２６６および２６８のシャフトはリンク２６０２に結合される。
【０１７８】
幅調整器２６００は、中心ハウジング２６４の軸に沿って並進することができる。幅調整器２６００が下方へ移動するとき、リンク２６０２は新しい位置を取るために枢動する。リンクはローラー２８２、２８４の軸２９０、２９２の周りを枢動する。リンク２６０２のこの新しい位置において、ローラー２６６、２６８は、図３１に示されているように新しい位置を取る。ローラー２６６’、２６８’の新しい位置は、より大きい直径の超精巧外科ツール３００が中心ハウジング２６４中に挿入されることを可能にする。図３０〜図３１に示されているように、ローラー２６６、２６８の古い位置は破線で示されているが、ローラー２６６’、２６８’の新しい位置は実線で示されている。新しい位置におけるローラー２６６’と新しい位置におけるローラー２６８’との間にはより多くの空間がある。
【０１７９】
別の例では、肥満の患者において、体型によりツールの操作は困難になる；これらの場合、超精巧外科アーム２００によって、より大きいまたはより長い超精巧外科ツール３００が支持され得る。幅調整器２６００は、より大きい直径のツールが使用されることを可能にする。回転／並進機構２０８は、より長いツールの使用を可能にする。
【０１８０】
本発明の他の態様では、しばしば、超精巧外科ツール３００が患者２の体内にどのくらい挿入されるかを知ることが望ましい。外科的設定において、超精巧外科ツール３００は、患者２の腹部など、患者２の体内に挿入される。超精巧外科ツール３００のどのくらいが患者２の体内にあるのかを知ること、および／または超精巧外科ツール３００のどのくらいが体外にあるのかを知ることが有利であり得る。この距離は、患者２の体外にある超精巧外科ツール３００のセクションの抵抗またはキャパシタンスなどの電気パラメータを監視し計算することによって決定され得る。
【０１８１】
進入のポイントにおいて患者２の体と超精巧外科ツール３００との間の接触が作られる。患者の外部の超精巧外科ツール３００上の設定ポイントと、進入のポイントにおける超精巧外科ツール３００上の接触ポイントとの間に電気回路が完成され得る。超精巧外科ツール３００が操作されると、設定ポイントと接触ポイントとの間の抵抗またはキャパシタンスなどの電気パラメータが変化し得る。この変化が監視され、（例えば、制御システム４００によって）患者２内部のツールの比に対する患者２外部のツールの比を計算するためにさらに処理され得る。
【０１８２】
入力デバイス
入力デバイス５００は、超精巧外科アーム２００および／または超精巧外科ツール３００を制御する。入力デバイス５００はワイヤレスおよび／またはポータブルであり得、それにより、操作者が患者２の周りを移動することが可能になる。入力デバイス５００は、操作者が操作領域内の様々なロケーション（例えば、患者のベッドサイドにおける様々なロケーション）にいることを可能にする。入力デバイス５００は、操作者が超精巧外科ツール３００と用手ツール３５０を同時に制御することを可能にする。超精巧外科ツール３００と用手ツール３５０の同時の操作は、有利には、操作者が超精巧外科ツール３００を制御しながら外科アシスタントが用手ツール３５０を操作する必要を低減する。本発明の入力デバイス５００は、ピンチャー５０２（図３２Ａ参照）およびコントローラ５１４（図２参照）を含むいくつかの形態を取ることができる。
【０１８３】
入力デバイス５００はワイヤレスまたはワイヤードであり得る。いくつかの実施形態では、入力デバイス５００は操作者によって携帯され得るハンドヘルドポータブルデバイスであり、それにより、操作者が患者２の周りを移動し、超精巧外科システム１００の使用中に様々なロケーション（例えば、様々なベッドサイドロケーション）から入力デバイス５００を操作することが可能になる。操作者１は、したがって、図３Ａ〜図３Ｃに示されているように、操作領域の周りを移動し、様々なロケーションから超精巧外科アーム２００を制御することができる。
【０１８４】
いくつかの実施形態では、入力デバイス５００は操作者１の体に結合され得る。図３２Ａにピンチャー５０２を示す。ピンチャー５０２は、親指と人差し指とを用いて超精巧外科ツール３００を保持することに一致する様式で超精巧外科ツール３００を制御する際に操作者１を支援し得る。ピンチャー５０２は、ツール先端などの制御ポイントにおいて超精巧外科ツール３００を制御する際に操作者１を支援し得る。
【０１８５】
外科医などの操作者１は、ピンチャー５０２の２つのリング５０４、５０６を着用する。１つのリング５０４は操作者１の親指の周りに置かれ得、１つのリング５０６は操作者１の人差し指の周りに置かれ得る。ただし、リング５０４、５０６は、ピンチャーの構成に基づいて他の指に着用され得る。入力デバイス５０２の動きと、ツール先端または末端エフェクタ３０６の動きとの関連付けがあり得る。
【０１８６】
ピンチャー５０２は、位置センサーおよびジャイロスコープなど、様々なセンサー５０８を有し得る。また、ひずみセンサーなどの追加のセンサー５１０がピンチャー５０２の２つのアーム間の距離を測定し得る。センサー５０８、５１０は、ピンチャー５０２の位置および配向に関係する情報を制御システム４００に提供することができる。これらのセンサー５０８、５１０からの情報は、操作者１の手と手首と指との移動が制御ポイントの動きに変換され得るように、制御アルゴリズムへの入力として働く。入力デバイス５０２の移動は、超精巧外科アーム２００、超精巧外科ツール３００、および／またはグリッパーなどの超精巧外科ツール３００の末端エフェクタ３０６の移動を制御することができる。一実施形態では、ピンチャー５０２はボタン電池などの電源（図示せず）を含むことができる。
【０１８７】
いくつかの実施形態では、リングの第２のペア（ａ  ｓｅｃｏｎｄ  ａ  ｐａｉｒ）が提供され得る。リングの第２のペアは同じ手の他の指に着用され得る。操作者１は、手の様々な動きが特定のコマンドに変換され得るように、リングの第２のペアを他の指の周りに着用し得る。リングの第２のペアは、ピンチャー５０２を制御している同じ手の異なる指に着用され得る。リングの第２のペアの１つのリングは操作者１の親指の周りに置かれ得、リングの第２のペアの１つのリングは操作者１の小指（ｔｈｅ  ｌａｓｔ  ｆｉｎｇｅｒ）の周りに置かれ得る。非限定的な例として、第１のピンチャー５０２のリング５０４、５０６の第１のペアは第１の超精巧外科ツール３００を制御することができ、リングの第２のペアは第２の超精巧外科ツール３００を制御することができる。非限定的な例として、第１のピンチャー５０２のリング５０４、５０６の第１のペアと、リングの第２のペアとは、同じ超精巧外科ツール３００を制御することができる。
【０１８８】
いくつかの実施形態では、リングの第２のペアおよび／または第２のピンチャー５０２は他の手に着用され得る。リングの第２のペアおよび／または第２のピンチャー５０２は、第１のピンチャー５０２を制御している手とは操作者１の異なる手に着用され得る。非限定的な例として、第１のピンチャー５０２のリング５０４、５０６の第１のペアは第１の超精巧外科ツール３００を制御することができ、リングの第２のペアおよび／または第２のピンチャー５０２は第２の超精巧外科ツール３００を制御することができる。非限定的な例として、第１のピンチャー５０２のリング５０４、５０６の第１のペアならびにリングの第２のペアおよび／または第２のピンチャー５０２は、（例えば、異なる制御ポイントにおいて）同じ超精巧外科ツール３００を制御することができる。
【０１８９】
本明細書で説明するピンチャー５０２の移動はいかなる制御ポイントの移動でも引き起こすことができる。制御ポイントはエンドエフェクタ（例えば、グラスパの動き）を制御することができる。しかしながら、入力デバイス５００は、超精巧外科ツール３００のエンドエフェクタ３０６または先端のみを制御する必要はない。入力デバイス５００は、（例えば、ディスプレイ６００を介して）超精巧外科ツール３００に沿った任意のロケーションを制御ポイントに割り当てることによって超精巧外科ツール３００の任意の部分を制御することができる。制御ポイントは、操作者１がツールをそこから制御している仮想ロケーション（例えば、支点）と見なされ得る。制御ポイントは、超精巧外科ツール３００、超精巧外科アーム２００、または超精巧外科システム１００の任意の構成要素に沿ってどこでも作成され得る。
【０１９０】
いくつかの実施形態では、入力デバイス５００は操作者１によって保持される。図３２Ｂに、入力デバイス５００の別の実施形態を示す。図示の実施形態では、入力デバイス５００はノブ５０３であり得る。外科医などの操作者１は、手の１つまたは複数の指でノブ５０３を保持することができる。ノブ５０３は１つまたは複数のボタン５０５を有することができる。操作者が１つまたは複数のボタン５０５についての少なくとも１つを押し込むとき、超精巧外科ツール３００の制御ポイントが移動または作動され得る。
【０１９１】
いくつかの実施形態では、入力デバイス５００は操作者１に対して固定である。一実施形態が図２に示されている。超精巧外科システム１００はプラットフォーム６０２を含むことができる。入力デバイス５００はプラットフォーム６０２に結合され得る。入力デバイス５００は操作領域内のどんなフィクスチャにも結合され得る。入力デバイス５００はコントローラ５１４の形態をとることができる。コントローラ５１４はワイヤードまたはワイヤレスであり得る。ユーザインターフェースサブシステム６０５は、外科医などの操作者１が、図２に示されているように、ディスプレイ６００に極めて近接してワイヤードコントローラ５１４を制御することを可能にする。ワイヤードコントローラ５１４はこのディスプレイ６００の下方に配置され得る。プラットフォーム６０２は水平レスティングバー６０３をも含み得る。
【０１９２】
例えば、手術中の操作者１が座って超精巧外科ツール３００を制御することを決定する場合、コントローラ５１４はその操作者１がそれを行うことを可能にする。いくつかの外科的手技では、操作者１は、ピンチャー５０２など、操作者の体にアタッチされた入力デバイス５００よりはむしろ、ワイヤードコントローラ５１４などの固定入力デバイスを移動するほうがより快適であることがわかり得る。例えば、操作者１は、水平レスティングバー６０２にもたれながらおよび／または座りながら、その操作者１の移動をより良く制御することが可能であり得る。操作者の自然な体の位置は、ワイヤードコントローラ５１４を制御しながら、操作者の体の一部を水平レスティングバー６０３にもたれさせることであり得る。操作者１は、水平レスティングバー６０３にもたれながら他の入力デバイス５００（例えば、ピンチャー５０２）を制御することができる。
【０１９３】
超精巧外科システム１００は、外科的領域中の複数のロケーションから制御され得る。いくつかの実施形態では、操作者１は、１つまたは複数の入力デバイス５００（例えば、ピンチャー５０２、ワイヤードコントローラ５１４）を保持するかまたはさもなければ制御しながら座るかまたは立つことができる。操作者は、レスティングバー６０３上に操作者の体の一部を支持することができる。様々な入力デバイス５００は、操作者１が動き回り、最も最適位置に操作者１自身を配置することを可能にする。
【０１９４】
入力デバイス５００は１つまたは複数の制御ポイントの移動を制御する。制御ポイントは、何らかの動きを実行するための能力を有するロケーションである。制御ポイントは、超精巧外科アーム２００、超精巧外科ツール３００、または任意の他のロケーション上に配置され得る。超精巧外科ツール３００は、１つまたは複数の制御ポイント２６００に対する入力デバイス５００によって制御され得る。制御ポイント２６００は、移動する能力を有する超精巧外科アーム２００および／または超精巧外科ツール３００上のロケーションである。操作者１による入力は、制御ポイント２６００に接続されている１つまたは複数のセクションの移動を実現する。
【０１９５】
操作者１は、操作されている入力デバイス５００に制御ポイント２６００を関連付けることができる。入力デバイス５００を移動することは、超精巧外科アーム２００および／または超精巧外科ツール３００が制御ポイントの周りを移動することを引き起こす。入力デバイス５００の移動は、選択された制御ポイント２６００の移動を引き起こすであろう。これは、超精巧外科アーム２００によって制御される超精巧外科ツール３００の移動を引き起こすであろう。特定の制御ポイント２６００に入力デバイス５００を割り当てるためにディスプレイ６００が使用され得る。
【０１９６】
超精巧外科ツール３００は、１つまたは複数の仮想グリップ５１２に対する入力デバイス５００によって制御され得る。仮想グリップ５１２は、超精巧外科ツール３００が患者２内に配置されるフレキシビリティを高めることができる。図３３Ａおよび図３３Ｂは超精巧外科ツール３００を示している。図３３Ａにおいて、仮想グリップ５１２は超精巧外科ツール３００の端部に置かれる。超精巧外科ツール３００が仮想グリップ５１２のロケーションの周りを移動するように抑制された場合、ツール先端およびエンドエフェクタ３０６は小さい距離のみ揺動し得る。図３３Ｂでは、仮想グリップ５１２は超精巧外科ツール３００の中央のほうへ置かれる。ツール先端およびエンドエフェクタ３０６はより大きい距離を揺動することができる。仮想グリップ５１２は、外科医などの操作者１が、細かい動きと粗い動きとの間で決定することを可能にする。仮想グリップ５１２をツール先端のほうへ移動することによって、操作者はより細かい操作を完了することができる。複数の超精巧外科ツール３００が使用される場合、各ツールは異なる仮想グリップ５１２を有し得る。さらに、各仮想グリップ５１２が独立して制御されるように、異なる仮想グリップ５１２は異なる入力デバイス５００によってアクティブにされ得る。例えば、図３３Ａに示されているように、１つの入力デバイス５００をもつ左手が、エンドエフェクタの近くの仮想グリップを用いて超精巧外科ツール３００を制御し得る。別の入力デバイス５００をもつ右手は、図３３Ｂに示されているように、超精巧外科ツール３００の中央に置かれた仮想グリップ５１２を用いて同じ超精巧外科ツール３００を制御し得る。
【０１９７】
本明細書で説明するように、操作者１は、仮想グリップ５１２をツール先端に関連付けることによって超精巧外科ツール３００を制御し得る。操作者１の他方の手を用いて、操作者１は、仮想グリップ５１２を超精巧外科ツール３００（例えば、同じ超精巧外科ツール３００または異なる超精巧外科ツール３００）の近位端に関連付け得る。近位端における仮想グリップは、操作者１が、その人が腹腔鏡ツールを制御する方法と同様に超精巧外科ツール３００を制御することを可能にし得る。この様式における超精巧外科ツール３００の自然な制御は、本明細書で説明するように、操作者の手の各々に独立した基準系を関連付けることによって達成され得る。
【０１９８】
空間中の入力デバイス５００の位置はトラッキングされ得る。いくつかの実施形態では、この位置は、入力デバイス５００にアブソリュートエンコーダ（図示せず）を結合することによってトラッキングされる。いくつかの実施形態では、入力デバイス５００の基部に位置センサー（光学トラッカー）が取り付けられる。いくつかの実施形態では、入力デバイス５００は、操作者１が着用するセンサーによってトラッキングされる。いくつかの実施形態では、入力デバイス５００はプラットフォーム６０２上のセンサーによってトラッキングされる。位置センサーは、地上基準点（図示せず）に対する入力デバイス５００の位置を提供することができる。位置センサーおよび／またはエンコーダは、入力デバイス５００の位置をトラッキングするために利用され得る。当業者は、超精巧外科システム１００の構成要素をトラッキングする他の好適なセンサー、機構または方法を利用し得る。いくつかの実施形態では、２つ以上の（例えば、複数の、いくつかの）トラッキング技術が連携して使用される。冗長トラッキング技術はオクルージョンをなくし、機能不全を検出することができる。冗長トラッキング技術は分解能またはバンド幅を増加させることができる。
【０１９９】
いくつかの実施形態では、入力デバイス５００は無菌であるか、または殺菌されることが可能である。操作者１は、手技中に操作者１の手を無菌環境中に維持する必要がある。手術中に、操作者１は、１つまたは複数の用手ツール３５０と、１つまたは複数の入力デバイス５００とを操作し得る。入力デバイス５００は、患者に接触することと併せて使用され得る。例えば、操作者１は、入力デバイス５００を制御し、同時に（例えば、それらのハンドでまたは用手ツールで）患者２に接触することができる。無菌操作環境を維持するために、入力デバイス５００は無菌であるかまたは殺菌されることが可能でなければならない。
【０２００】
いくつかの実施形態では、入力デバイス５００は、制御システム４００と相互作用する１つまたは複数の特徴を含むことができる。例えば、入力デバイス５００は、患者内の作業空間中かまたは患者の上方の自由空間中に置かれたカメラなど、カメラ３０４（図３５参照）を制御することができる。カメラ３０４は超精巧外科ツール３００と見なされ、入力デバイス５００によって制御され得る。入力デバイス５００は、ディスプレイ６００、７０２上に示される画像を改変することができる。画像は、以下で説明するように、操作者１などのトラッキング対象、あるいは超精巧外科アーム２００および／または超精巧外科ツール３００などの制御可能対象の視点を反映するために、ディスプレイ６００、７０２上で反転、回転、および左右フリップされ得る。いくつかの実施形態では、入力デバイス５００はボタンおよび／またはスライダーを含む。ボタンおよび／またはスライダーは、カメラ３０４のパン／ティルトおよび／またはズームを変更するために操作者１によって作動され得る。いくつかの実施形態では、操作者１は、カメラパラメータを変更するために、入力デバイス５００上のボタンを押下し、操作者の体の別の部分の動きを使用する。例えば、操作者１は、カメラパラメータを変更するために、ボタンを押下し、操作者１の眼の動きを使用することができる。いくつかの実施形態では、操作者１は、カメラ３０４のズームを変更するために（例えば、指で）スライダーを移動する。いくつかの実施形態では、入力デバイス５００は、以下で説明する制御システム４００からの情報を受け付けることができる。制御システムは、操作者１のための触覚フィードバックを生成せよという命令などの情報を入力デバイス５００に送ることができる。触覚フィードバックはワイヤレスまたはワイヤード接続を介して送られ得る。入力デバイス５００は、ツールを使用することについての触覚フィードバックを模倣するセンサーを組み込むことができる。入力デバイス５００は超精巧外科ツール３００の触覚フィードバックを模倣することができる。入力デバイス５００は用手ツール３５０の触覚フィードバックを模倣することができる。超精巧外科システム１００は、用手ツール３５０の実際の触覚フィードバックを、入力デバイス５００によって伝達される模倣触覚フィードバックにリンクすることができる。いくつかの実施形態では、入力デバイス５００は、触覚フィードバックを提供することができるインターフェース（例えば、プラットフォーム６０２）においてドッキングされ得る。
【０２０１】
制御システム
超精巧外科システム１００は、（例えば、入力デバイス５００、ディスプレイ６００を介した）ユーザ入力を出力（例えば、制御ポイントの動き、画像）に変換する制御システム４００を含むことができる。制御システム４００は、いくつかのユーザ入力をいくつかの制御可能対象にペアリングすることができる。様々な超精巧外科ツール３００の移動を実行しているとき、制御システム４００は１つまたは複数の制約を維持し得る。制御システム４００は、１つまたは複数の超精巧外科ツール３００を単一のツール（例えば、超精巧外科ツール３００または用手ツール３５０）にロックすることができる。有利には、制御システム４００により、超精巧外科システム１００は、外科的手技を実施するために操作者（例えば、外科医）に提供されるフレキシビリティを可能にすることが可能になる。例えば、以下でより詳細に説明するように、制御システム４００により、外科医は、様々な基準系（例えば、没入型カメラ搭載の基準系、ワールドグラウンド基準系）と、様々な基準系の間を移動する能力とを使用して超精巧外科ツール３００を制御することが可能になり、この能力は、有利には外科医が、外科的タスクを実施するためにカメラ搭載の基準系を用いて超精巧外科ツール３００を操作することと、外科医自身に対する超精巧外科ツール３００の位置の認識を保ちながら、外科医が別の位置に外科医自身を再配置することを可能にするワールドグラウンド基準系にと、次いで、外科的タスクを続けて異なる外科的タスクを開始するためにカメラ搭載の基準系に戻ることとの間でシームレスに移動することを可能にする。さらに、制御システム４００により、有利には、外科医は、超精巧外科ツール３００の制御を（例えば、右と左との間で）切り替えることと、最適な位置への外科医の再配置を可能にすることと、それに応じてカメラビューを回転することとが可能になる。さらに、制御システム４００により、有利には、１つまたは複数の超精巧外科ツール３００は、それが別のツール（例えば、別の超精巧外科ツール３００、または用手ツール３５０）と同期して移動するように制御されることが可能になり得、それにより、外科医は、ツールを仮想的につなぎ留め、ツールを別の手術部位に移動するときなどにそれらを同時に移動することが可能になり得る。
【０２０２】
図３４に、制御システム４００の一実施形態を示す。制御システム４００のアーキテクチャは、３つのセクション；入力を受信するセクション４０８と、出力を送ることを担当するセクション４１０と、入力を含む様々なデータに基づいて出力を計算するセクション４１２とを含んでいるものとして考えられ得る。操作者１は、入力デバイス５００を介して入力を提供することができる。入力はワイヤレスまたはワイヤード入力デバイス５００によって提供され得る。操作者１のロケーションは、（例えば、制御システム４００と通信するトラッキングデバイスによってトラッキングされる）入力であり得る。追加の構成要素が、ディスプレイ６００とクラッチ１１２とを含む入力を提供することができる。
【０２０３】
制御システム４００は、超精巧外科アーム２００、超精巧外科ツール３００、および／または用手ツール３５０のロケーションおよび配向センサーから入力を受信し得る。制御システム４００は、様々な入力に部分的に基づいて出力を計算する。出力は１つまたは複数の超精巧外科ツール３００および／または１つまたは複数の超精巧外科アーム２００を操作し得る。出力は、外科医によって触れられる入力デバイス５００に送られる触覚信号であり得る。出力は、１つまたは複数のディスプレイ６００、７０２上に示される画像であり得る。
【０２０４】
図３５に、コンピュータ４０２をもつ制御システム４００の一実施形態を示す。制御システム４００は、１つまたは複数の超精巧外科アーム２００ならびに１つまたは複数の超精巧外科ツール３００など、いくつかの制御可能対象に結合され得る。
【０２０５】
制御システム４００はいくつかの入力デバイス５００に結合され得る。矢印は、制御システム４００と入力デバイス５００との間の情報のフローを示す。制御システムは、矢印によって示されるように、情報、例えば触覚フィードバックを入力デバイス５００に送ることができる。破線矢印はワイヤレス通信を示すように意図されている。両矢印は、制御システムへの入力と、制御システムからの出力とを示す。触覚フィードバックはワイヤレスまたはワイヤード接続を介して送られ得る。入力デバイス５００は、１つまたは複数の超精巧外科アーム２００および／または１つまたは複数の超精巧外科ツール３００の移動を制御するために使用され得る。
【０２０６】
入力デバイス５００以外に、制御システムはいくつかの出力デバイスにも結合され得る。制御システム４００は、ディスプレイ６００およびディスプレイ７０２など、いくつかのデバイスに結合され得る。ディスプレイ６００も入力であり得る。ディスプレイ６００は、操作者１に情報を提供し、操作者１からの情報を受け付ける。ディスプレイ６００はタッチスクリーンモニタ６０４であり得る。ｉＰａｄ（登録商標）または他のモバイル電子デバイスなど、他のタイプのディスプレイ６００も使用され得る。いくつかの実施形態では、ディスプレイ６００は無菌であるか、または殺菌されることが可能である。ディスプレイ６００は用手ツール３５０と併せて使用され得る。ディスプレイ６００は、患者に接触することと併せて使用され得る。操作者１は、ディスプレイ６００と用手ツール３５０を同時に制御することができる。操作者は、ディスプレイ６００を制御し、同時に患者２に接触することができる。
【０２０７】
制御システム４００は、超精巧外科アーム２００および／または超精巧外科ツール３００など、いくつかの制御可能対象に結合され得る。制御システム４００はいくつかの入力デバイス５００に結合され得る。両側矢印は、コンピュータ４０２と入力デバイス５００との間の情報のフローを示す。クラッチ１１２はコンピュータに入力を提供することができる。
【０２０８】
用手ツール３５０（例えば、用手ツール３５０に固定されたセンサー３５２）はコンピュータに入力を提供することができる。前に説明したように、用手ツール３５０はまた、超精巧外科システム１００とともに使用され得る。用手ツール３５０上のセンサー３５２はコンピュータ４０２に入力を提供することができる。用手ツール３５０は、位置センサーなどのセンサー３５２によってトラッキングされ得る。センサー３５２は、例えば、用手ツール３５０上に適合するカラーまたはスリーブによって固定され得る。カラーまたはスリーブは、ワイヤレスまたはワイヤードであり得る様々なセンサー３５２を含むことができる。いくつかの実施形態では、センサー３５２は、用手ツール３５０と一体的に形成され得る。用手ツール３５０のトラッキングは、用手ツール３５０がカメラ３０４の視界の範囲内にないときなど、多くの状況において有用である。
【０２０９】
ディスプレイ６００は、入力デバイス５００と、１つまたは複数の超精巧外科アーム２００および／または１つまたは複数の超精巧外科ツール３００などの制御対象との間の関連付け（例えば、ペアリング）を示し得る。非限定的な例として、ディスプレイ６００は、入力デバイス５００と、１つまたは複数の超精巧外科アーム２００および／または１つまたは複数の超精巧外科ツール３００などの制御対象とのためのアイコンを示し得る。
【０２１０】
図３６に、ディスプレイ６００のスクリーンショットの一実施形態を示す。この例では、操作者１が入力デバイス５００を選択する。図３６に示されているように、操作者１によって選択されるために２つの入力デバイス５００が利用可能である。これらの入力デバイス５００は２つのワイヤレスコントローラ５１４であるが、他の入力デバイス５００がディスプレイ６００上に示され得る（例えば、ワイヤードコントローラ）。図３６に示されているように、操作者によって選択されるために５つの制御可能対象が利用可能である。これらの制御可能対象は、１つのカメラ３０４を含む５つの超精巧外科ツール３００である。カメラ３０４は超精巧外科ツール３００と見なされ得る。他の制御可能対象がディスプレイ６００上に示され得る。操作者１は、入力デバイスアイコンのうちの１つを選択することができる。操作者１は、制御可能対象アイコンのうちの１つを選択することができる。いくつかの実施形態では、操作者１は、入力デバイスアイコンを選択し、次いで、制御可能対象アイコンを順に選択し、その制御可能対象アイコンは、選択された入力デバイスとペアリングされ、選択された制御可能対象を制御することになる。別の実施形態では、操作者１は、タッチスクリーン６０４上で入力デバイスアイコンと制御可能対象アイコンとの間に指を走らせて、それらを互いにペアリングし得る。また別の実施形態では、操作者１は、２つのアイコンを選択するためにマウスまたはポインタを使用し得る。ディスプレイ６００は、例えばアイコン間にラインを示すことによって、入力デバイス５００と制御対象との間の関連付け（例えば、ペアリング）を示し得る。
【０２１１】
例えば、ワイヤレスコントローラ１と標示された１つのコントローラ５１４は、ツール３と標示された１つの制御可能対象を制御し得る。ワイヤレスコントローラ２と標示された１つのコントローラ５１４は、ツール４と標示された１つの制御可能対象を制御し得る。入力デバイスと制御可能対象との間の他の構成は、上記で説明した選択シーケンスに従うことによって可能である。図３７は、図３６に示されたディスプレイのスクリーンショットである。例えば、ワイヤレスコントローラ１と標示された１つのコントローラ５１４は、ツール１と標示された１つの制御可能対象を制御し得る。ワイヤレスコントローラ２と標示された１つのコントローラ５１４は、ツール５と標示された１つの制御可能対象を制御し得る。
【０２１２】
制御システム４００は、入力デバイス５００の座標系と、１つまたは複数の超精巧外科アーム２００および／または１つまたは複数の超精巧外科ツール３００などの制御対象の座標系とを関連付け得る。ディスプレイ６００は、入力デバイス５００と制御対象との間の関連付け（例えば、ペアリング）を示し得る。入力デバイス５００および制御対象は、同じ座標系において移動し得る。入力デバイス５００は直線座標系において移動し得、それにより、制御対象も直線座標系において移動され得る。例えば、正のｘ軸方向の１距離当たりの入力デバイス５００の移動は、正のｘ軸方向に超精巧外科ツール３００を異なる距離または同じ距離移動させ得る。制御対象と入力デバイスの両方は直線座標系において移動する。
【０２１３】
入力デバイス５００は想像上の中心の周りを移動し得、それにより、制御対象は仮想グリップ５１２の周りを移動され得る。例えば、超精巧外科ツール３００が支点の周りを円弧で移動する場合、入力デバイス５００を想像上の中心の周りに円運動で移動させることがより自然であり得る。この円運動は、入力デバイス５００の直線運動よりも自然であり得る。制御対象と入力デバイスの両方は極座標系において移動する。
【０２１４】
入力デバイス５００および制御対象は、異なる座標系において移動し得る。入力デバイス５００は直線座標系において移動され得、それにより、制御対象は極座標系において移動され得る。いくつかのタイプの動きでは、代替座標系において制御対象の動きを計算および／または表示するのがより容易であり得る。組合せが可能である。
【０２１５】
操作者は、超精巧外科システム１００のためにいくつかの制約を確立し得る。制御システム４００は、制約が位置などの測定量、または距離、速度、力、および張力などの導出パラメータであるように構成され得る。制御システムは、制約が制御対象ごとに異なり得るように構成され得る。
【０２１６】
様々な超精巧外科ツール３００の移動を実行しているとき、制御システム４００は１つまたは複数の制約を維持し得る。制約は、距離、速度、力、張力、および／または半径などの物理または導出パラメータであり得る。制御システム４００は、１つまたは複数の超精巧外科ツール３００の動きに１つまたは複数の制約を適用し得る。制約は制御対象ごとに異なり得る。例えば、単一のツールにロックされた超精巧外科ツール３００は異なる制約を受け得る。各超精巧外科ツール３００は独立した制約を有し得る。
【０２１７】
いくつかの実施形態では、２つの超精巧外科ツール３００は一緒に移動するように制約され得る。外科医などの操作者１は、超精巧外科ツール３００のうちの１つまたは複数を単一のツールにロックすることができる。ロックされた超精巧外科ツール３００のすべては単一のツールに従い得る。言い換えれば、ロックされた超精巧外科ツール３００のすべては、単一のツールが操作者１によって制御されあちこちを移動されるように、実質的に一斉に（例えば、同時に）移動し得る。概念的に、このロックステップ動きは、超精巧外科ツール３００の相対的位置を一定に保持し、超精巧外科ツール３００のセットを一斉に移動する、仮想的束縛として見なされ得る。
【０２１８】
１つまたは複数の超精巧外科ツール３００を単一のツールにロックするという概念は、その単一のツールが超精巧外科ツール３００であるか用手ツール３５０であるかに等しく適用される。１つまたは複数の超精巧外科ツール３００が用手ツール３５０に従うために、用手ツール３５０は並進と回転とについて空間中でトラッキングされ得る。１つまたは複数の超精巧外科ツール３００が用手ツール３５０に従うこのタイプの構成は、外科医などの操作者１が作業空間内で大きい距離を移動することを希望するときに有用であり得る。ロッキングの概念はまた、有利には、超精巧外科ツール３００、用手ツール３５０および／または患者２の解剖学的構造間の衝突を回避し得る。
【０２１９】
すべての超精巧外科ツール３００を単一のツールにロックすることが必要であるとは限らない。いくつかの実施形態では、操作者１は、超精巧外科ツール３００の一部（しかし全部ではない）を単一のツールにロックし、一部の超精巧外科ツール３００をアンロックさせて所定の位置に残すことを選定することができる。例えば、カメラ３０４は良好な位置にあり得るが、グラスパなどの他の超精巧外科ツール３００は異なるロケーションに移動される必要があり得る。グラスパなどの他の超精巧外科ツール３００は単一の超精巧外科ツール３００に従うようにロックされ得るが、カメラ３０４は所定の位置にとどまることができる。操作者１が、外科的介入を受けている現在のセクションから遠くにある体の別のセクション上で手術する必要がある場合、超精巧外科ツール３００の全部または一部を一斉に移動する必要が発生し得る。
【０２２０】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の超精巧外科ツールは、ディスプレイ６００の使用を通して単一の超精巧外科ツールまたは単一の用手ツールにロックされ得る。図４０に、ディスプレイ６００上に表示され得るスクリーンショットを示す。他のスクリーンレイアウトが可能である。ディスプレイ６００は、外科医などの操作者１が超精巧外科ツール３００のうちの１つまたは複数をロックすることを可能にする。スクリーンショットの上部分は、入力デバイス５００と、超精巧外科ツール３００などの制御可能対象とを示している。図４０は、カメラ３０４を含む５つの超精巧外科ツール３００を示している。用手ツール３５０も示されている。図４０は、２つの入力デバイス５００と、ワイヤレスコントローラ５２０と、ワイヤレスコントローラ５２２とを示している。制御システム４００と通信しているすべての超精巧外科ツール３００とすべての用手ツール３５０とを含むツールに応じて、ディスプレイ６００は適切なアイコンを表示する。ワイヤレスコントローラ５２０は制御可能対象ツール１に接続される。ワイヤレスコントローラ５２２は制御可能対象に接続されない。
【０２２１】
図４０のスクリーンショットの下部分はロッキングオプションを示している。入力デバイスによって制御されるすべての制御可能対象がリスト上に現れるとは限らない。例えば、ツール１はワイヤレスコントローラ５２０によって制御されているので、ディスプレイ６００は、ロックされ得るツールのセット中にツール１を表示しない。１つまたは複数の超精巧外科ツール３００など、選択される制御可能対象は、ロックされるためにユーザによって選択され得る。例えば、ツール２および３はロックされるために選択されるが、ツール４および５は選択されない。ディスプレイ６００は、図４０に示されているように、選択された項目をハイライトすることができる。ロックされるように選択された超精巧外科ツール３００は白で示されているが、他のものは黒で示されている。スクリーンショットの下部分に、ディスプレイ６００は単一のツールのためのオプションを表示する。１つまたは複数のロックされた超精巧外科ツール３００によってこの単一のツールが従われる。例えば、用手ツール３５０が単一のツールになるように選択されるが、ワイヤレスコントローラ５２２によって制御されるツール１は選択されない。ディスプレイ６００は、図４０に示されているように、選択された項目をハイライトすることができる。この例では、ツール２とツール３とが用手ツール３５０にロックされるが、他の構成が可能である。
【０２２２】
いくつかの実施形態では、単一のツールの移動は、ツールのセットに関連付けられたより大きい移動ではなく、より小さいハンドジェスチャーによって制御され得る。例えば、単一のツールは、ワイヤレスコントローラ５２２によって制御されるツール１であり得る。ワイヤレスコントローラ５２２は、上記で説明したように、操作者１によって着用され得る。例えば、操作者の手の１つまたは複数の指は、固定されたまたはさもなければアタッチされたセンサーを有し得る。手のまたは指の特定の移動が単一のツールを移動させ得る。ロックされた１つまたは複数の超精巧外科ツール３００は、上記で説明したように、単一のツールの移動に従って移動する。
【０２２３】
外科医などの操作者１は、選択された超精巧外科ツール３００を単一のツールに能動的に従うことに関与するかまたはそれから離脱し得る。操作者は、フットペダルなどのクラッチ１１２を利用することができる。例えば、クラッチ１１２が押下されたとき、選択された超精巧外科ツール３００は単一のツールに従うことになる。クラッチ１１２がリリースされたとき、選択された超精巧外科ツール３００は、移動を停止し、所定の位置にとどまることになる。この特徴により、有利には、操作者は、コンピュータユーザがマウスを持ち上げそれをより快適な位置に配置することによってコンピュータマウスを再配置するのとほとんど同様に、操作者の腕を再配置することが可能になり得る。
【０２２４】
以下の３つの制約は、課され得る追加の制約の例を提供する。把持された対象の一定張力が維持される。超精巧外科ツールの動きに対する手の動きの比が１：１０であり、これは、手が１０ｃｍ移動するとき、ツールが１ｃｍ移動することを意味する。カメラツール３０４が、線形的に並進される代わりに、支点の周りを回転される。
【０２２５】
制御システム４００は、制約を超精巧外科ツール３００に適用することができる。例えば、制御システム４００は、超精巧外科ツール３００のセットによって保持された組織に一定張力を印加するために１つの超精巧外科ツール３００の位置を調整することができる。これらの制約は、超精巧外科ツール３００を制御するための有用な方法を提供する。制約は、同様に用手ツール３５０に対して適用され得る。上記で説明した制約に加えて、またはそれの代わりに他の制約が適用され得る。制御システム４００は、超精巧外科ツール３００とカメラ３０４との間に制約を適用することができる。制御システム４００は、１つまたは複数の超精巧外科ツール３００とカメラ３０４との間に位置、速度または力の制約を確立することができる。
【０２２６】
図３８Ａ〜図３８Ｂにおいて、グリッパーなどの２つの超精巧外科ツール３００が組織突起の両側に示されている。超精巧外科ツール３００は、図３８に示されているようにある距離３０８にある。突起が除去されたとき、超精巧外科ツール３００は再配置される必要があり得る。例えば、突起はもはや組織を引っ張っていないので、組織はより高い張力で保持される必要があり得る。超精巧外科ツール３００は今度は、距離３０８よりも大きくなり得る距離３１０にある。制御システム４００は、手術のいくつかのパラメータが維持され得るように超精巧外科ツール３００を制御し得る。例えば、この例では、制御システム４００は、組織が一定張力にあるように超精巧外科ツール３００を制御し得る。
【０２２７】
超精巧外科システム１００において複数のツールが使用される場合、２つ以上のツールの任意のセットが剛体として制御され得る。例えば、超精巧外科ツール３００のセットは、組織が剛体として操作されカメラ３０４によってトラッキングされるように制御され得る。制御システム４００が適切な張力を計算し、超精巧外科ツール３００を通して組織に印加するとき、剛体の効果が達成され得る。この計算はリアルタイムであり、動的であり得る。例えば、外科医の制御側の動きにより組織のセクションが動いている場合、これは、剛体の効果を維持するのを支援し得る。
【０２２８】
基準系、視覚的手がかり
制御システム４００は、有利には、操作者１が超精巧外科ツール３００および／または用手ツール３５０を自然に制御することを可能にする。自然で有効な制御を可能にする、以下の少なくとも２つの相互接続された部片がある：視覚的手がかり、および人体にとって自然であり人間の脳によって容易に処理される基準系において移動すること。脳は、人の手首に関連付けられた基準系を容易に理解することができる。制御システム４００は、有利には、超精巧外科ツール３００および／または用手ツール３５０に関係する視覚的手がかりを操作者１に提供し、その視覚的手がかりにより、操作者は、超精巧外科ツール３００および／または用手ツール３５０の移動に関連付けられた基準系をより良く理解することが可能になる。
【０２２９】
基準系
上記で説明したように、基準系が手首に結合されている場合、人間の脳は移動を容易に理解することができる。図４１Ａ〜図４１Ｄを参照すると、脳は、対象に達するために、手首が対象のほうへ移動されるべきであることを理解する。脳は、手首の配向に基づいて、手首をどの方向へ移動すべきかを理解する。
【０２３０】
図４１Ａおよび図４１Ｃに、外科医などの操作者１の左手および右手が示されている。各図には、手の動きの方向が示されている。各手は対象のほうへ移動する。左手は位置１から位置２まで、対象Ａのほうへ移動する。右手は位置１から位置２まで、対象Ｂのほうへ移動する。各手首の上に基準系が置かれる。基準系の配向は、基準系を表すアイコンのとがった端部によって示されている。想像上の観察者８０２が、基準系アイコンの中央の円上に立ち得る。言い換えれば、想像上の観察者８０２は、アイコンのとがった端部の方向に、矢印の方向に見ることができる。
【０２３１】
図４１Ａおよび図４１Ｃは、各手についての動きと基準系とを示している。図４１Ｂおよび図４１Ｄは、上記で説明したように置かれた想像上の観察者８０２によって動きがどのように知覚されるかを示している。左手は位置１から位置２まで、対象Ａのほうへ移動する。右手は位置１から位置２まで、対象Ｂのほうへ移動する。各手首の上に基準系が置かれる。
【０２３２】
図４１Ａでは、両方の手は同じ方向に配向され、したがって、両方の手は対象に達するために前方に移動しなければならない。図４１Ａにおいて、各想像上の観察者８０２のための基準系（各手首の上に１つ）は、同じ方向に配向される。言い換えれば、それらの基準系は整合される。
【０２３３】
図４１Ｂは、これらの想像上の観察者８０２に対象がどのように見えるかを示している。両方の想像上の観察者８０２は、実質的に同じ画像を見る。位置１において、対象ＡおよびＢ、円および三角形は、想像上の観察者８０２からある距離だけ離れている。位置２において、対象ＡおよびＢ、円および三角形は、想像上の観察者８０２により近接している。右手首の上の想像上の観察者８０２は、対象Ｂ、三角形により近接している。左手首の上の想像上の観察者８０２は、対象Ａ、円により近接している。
【０２３４】
図４１Ｃにおいて、左手は右手に対して直角である。右手は、対象に達するために前方に移動しなければならない。左手は、対象に達するために左のほうへ移動しなければならない。図４１Ｃでは、各想像上の観察者８０２のための基準系（各手首の上に１つ）は、同じ方向に配向されない。左手の基準系は右手の上の基準系に対して９０°回転される。図４１Ｃは互いに９０°回転された基準系を示しているが、３次元空間における他のどんな配向も可能である。
【０２３５】
図４１Ｄは、これらの想像上の観察者８０２に対象がどのように見えるかを示している。両方の想像上の観察者８０２は異なる画像を見る。右手首の上の想像上の観察者にとって、対象ＡおよびＢは閲覧者の前にある。左手首の上の想像上の観察者にとって、対象ＡおよびＢは閲覧者の左側にある。位置１において、対象ＡおよびＢ、円および三角形は、想像上の観察者８０２からある距離だけ離れている。位置２において、対象ＡおよびＢ、円および三角形は、想像上の観察者８０２により近接している。
【０２３６】
図４１Ａ〜図４１Ｄにおいて、操作者は視覚的手がかりを提供される。操作者は対象ＡおよびＢを見ることができる。操作者１はその操作者１の手を見ることができる。操作者１が患者の体内で超精巧外科ツール３００および／または用手ツール３５０を操作しているとき、操作者１は、超精巧外科ツール３００および／または用手ツール３５０に関係する視覚的手がかりを受け取ることから恩恵を受け得る。視覚的手がかりは、操作者が、超精巧外科ツール３００の移動に関連付けられた基準系をより良く理解することを可能にすることができる。本明細書で説明するように、超精巧外科システム１００は、操作者１が超精巧外科ツール３００と用手ツール３５０を同時に制御することを可能にする。例えば、非限定的な例として、操作者１は、左手でグリッパーなどの超精巧外科ツール３００を制御し、右手でステープラなどの用手ツール３５０を制御することができる。制御システム４００は、操作者１が、独立した基準系８００において各ツールを操作することを可能にすることができる。制御システム４００は、操作者の動き（例えば、入力デバイス５００を制御する動き）を正しい基準系における移動に変換するための制御アルゴリズムを含むことができる。
【０２３７】
次に図４２Ａを参照すると、操作者１は、患者の体内で超精巧外科ツール３００と用手ツール３５０とを操作している。図４２Ａは、操作者１の左手で超精巧外科ツール３００を制御し、操作者１の右手で用手ツール３５０を制御している操作者１を示している。超精巧外科ツール３００および／または用手ツール３５０の両方は体内にあり、操作者の視界から遮られている。
【０２３８】
用手ツール３５０は、患者２に対する操作者１の位置を規定し得る。用手ツール３５０の設計は、用手ツール３５０を制御している手の位置を規定することになる。操作者１は、操作者１の他方の手で実質的に同じ位置から超精巧外科ツール３００を制御することを希望し得る。
【０２３９】
超精巧外科ツール３００を制御している操作者の左手に関連付けられた基準系は、用手ツールを制御している操作者の右手に関連付けられた基準系に対して回転され得る。図４２Ａに示されているように、右手のための基準系は左手のための基準系に対して９０°回転される（図４１Ａに示された構成の反対の構成）。
【０２４０】
基準系は各手首の上に置かれる。想像上の観察者８０２に対象がどのように見えるかを示すために各手首の上に矢印の２つの直交ペアが示されている。右手首において、「ＲＲ」という文字は、この方向が操作者の右手首の右側である、または想像上の観察者８０２に対して右側であるように見えるものであることを示す。「ＬＲ」という文字は、操作者の左手首の右側、または想像上の観察者８０２に対して右側であるように見えるものを示す。両方の想像上の観察者８０２は異なる画像を見る。（体内にレンズをもつ）カメラ３０４は、体内にある用手ツール３５０と超精巧外科ツール３００の両方を見る。
【０２４１】
用手ツール３５０を操作するために、操作者１は右手を移動し得、図示のように基準系において右手首を使用し得る。右手は、右腕に対して９０°の角度に、および左手に対して９０°の角度に示されている。操作者は、各ツールを独立した基準系において操作することができる。用手ツール３５０は、右手首に関連付けられた基準系に関して操作され得、超精巧外科ツール３００は左手首に関して操作され得る。
【０２４２】
図４２Ａは、左手に固定された入力デバイス５００を示している。操作者１は、グラスパなどの超精巧外科ツール３００を制御するために入力デバイス５００を使用することができる。（体内にレンズをもつ）カメラ３０４は、ディスプレイ７０２上にグラスパおよび／またはグラスパのエンドエフェクタの動きを示す。図示の実施形態では、操作者１は、患者２に対面して患者２のそばに立っており、操作者１の頭部をディスプレイ７０２に向けている（例えば、矢印Ｂに沿ってまっすぐ向けている）。制御システム４００は、ディスプレイ上に手術の自然な全体像を示すことができる。例えば、左手の右方への動きは、ディスプレイ７０２上に提示される超精巧外科ツール３００の右方への動きとして示され得る。制御システム４００は、ディスプレイ６００、７０２上で画像を配向するために、入力デバイス５００の位置、カメラ３０４の位置、操作者１の位置、および／または超精巧外科ツール３００の位置を使用することができる。制御システム４００はグラスパのエンドエフェクタの動きを計算することができる。制御システム４００は、ディスプレイ６００、７０２上でカメラ３０４の画像を配向することができる。例えば、制御システム４００は、左手首の右方の動きが超精巧外科ツール３００の右方の動きとして見られるように画像を配向することができる。
【０２４３】
操作者の右手を用いた用手ツール３５０の制御は、操作者の右手首に関連付けられた基準系において行われ得る。操作者の左手を用いた超精巧外科ツール３００の制御は、操作者の左手首に関連付けられた基準系において行われ得る。左手首のこの基準系は、右手首の基準系から独立した基準系であり得る。操作者の右手首と右手との角度にかかわらず、人間の脳は、それらの右手首と右手とに対して右、左、上、および下を認識することができる。
【０２４４】
２つの基準系は、完全に独立しているか、部分的に整合されるか、または完全に整合され得る。いくつかの実施形態では、超精巧外科ツール３００は、外科的ターゲットと整合された基準系において移動し得る。用手ツール３５０と超精巧外科ツール３００の両方は、用手ツール３５０と超精巧外科ツール３００との一致する移動を可能にするように外科的ターゲットに対して移動し得る。すべてのこれらの例において、用手ツール３５０の基準系は、超精巧外科ツール３００の基準系と整合されることも整合されないこともあることに留意されたい。各状況は、超精巧外科ツール３００と用手ツール３５０とがどのように制御されるかおいてそれ固有の利点を有するであろう。
【０２４５】
複数のツールを独立した基準系において制御しているとき、ツールの様々な組合せが利用され得る。操作者は、超精巧外科ツール３００および用手ツール３５０、あるいは２つ以上の超精巧外科ツール３００、あるいは２つ以上の用手ツール３５０を制御し得る。操作者１は、上記で説明したように用手ツール３５０と超精巧外科ツール３００とを制御するのとは対照的に、各手を用いて１つまたは複数の超精巧外科ツール３００を操作し得る。
【０２４６】
人間の脳はまた、超精巧外科ツール３００を容易に理解し、用手ツール３５０と協調させて、これらの２つのツールを一緒に使用することが可能である。脳は、異なる基準系にもかかわらず、移動を協調させることが可能である。図４２Ａにおいて、操作者１は、右手でステープラなどの用手ツール３５０を保持し、左手で入力デバイス５００を保持している。
【０２４７】
視覚的手がかり
人間の脳は、適切な情報を用いて、用手ツール３５０と超精巧外科ツール３００とをどのように移動すべきかを決定することが可能である。この情報は、ユーザが超精巧外科ツール３００の移動を自然に理解することを可能にするはずである。制御システム４００は、例えば、超精巧外科ツール３００の自然な制御を可能にするために、操作者に提示される画像を配向することによって、または前記画像において提供される情報を変化させること（例えば、操作者１がツールの配向を理解するのを助けるために患者２の体の少なくとも一部を示すこと）によって、有利にはそのような視覚的手がかりを操作者１（例えば、外科医）に提供する。このようにして、制御システム４００は、操作者１のどんなロケーションからでも超精巧外科ツール３００の自然な制御を可能にすることができる。
【０２４８】
図４２Ｂに、ディスプレイ７０２のビューを示す。ディスプレイ７０２は、図４２Ａに示されたカメラ３０４によってキャプチャされた画像を提供することができる。図４２Ａには、矢印Ａの方向に沿った左手の右方の動きが示されている。ツールの相対的配向が、作業空間についての操作者１の理解を増補することができる。ディスプレイ７０２は、同じ環境中に用手ツール３５０と超精巧外科ツール３００とを表すことがある。しかしながら、ツール３００、３５０に対する患者の配向の画像など、カメラ画像以外の画像が、患者の体内の超精巧外科ツール３００および／または用手ツールの動きについての操作者１の理解を増補し得る。
【０２４９】
制御システム４００は、ディスプレイ６００、７０２上でカメラ画像を配向し得る。ディスプレイ６００，７０２は用手ツール３５０と超精巧外科ツール３００の両方を示すことができる。制御システム４００は、操作者の手首の基準系に対してカメラ画像を配向し得る。制御システム４００は、操作者の手首に対する動きの方向を判断し、同じ方向に移動の画像を提示し得る。例えば、図４２Ａにおいて、操作者１は操作者１の左手を矢印Ａに沿って移動する。操作者は操作者の左手を右のほうへ移動する。
【０２５０】
図４２Ｂに示されているように、制御システム４００は、ディスプレイ７０２上に提示される画像が移動の方向に一致するようにカメラ３０４の画像を配向することができる。ディスプレイ７０２上に提示されるとき、超精巧外科ツール３００の動きは元の方向に沿って右方に生じる。カメラの視点からは、この動きは左方であるか、またはある角度に向けられ得る。制御システム４００は、操作者１が動きを自然に理解することが可能であるように超精巧外科ツール３００の動きを表示することができる。ディスプレイ７０２を見ることによって、操作者１は、入力デバイス５００の右方の移動を超精巧外科ツール３００の右方の動きと調和させることができる。
【０２５１】
ディスプレイ６００、７０２上の画像の配向は、支点の周りを回転する超精巧ツールまたは用手ツールの使用を支援し得る。用手ツール３５０の遠位端（手から最も遠く離れたセクション）の動きは、手に対して反対方向に移動し得る。言い換えれば、右手が支点の周りでステープラを操作している場合、ステープラのハンドルの右方の動きは、ステープラの遠位端の左方の動きに変換されることになる。視覚的手がかりを提供することによって、超精巧外科システム１００は、支点の周りを回転する超精巧ツールまたは用手ツールの自然な使用を可能にし得る。
【０２５２】
制御システム４００は、本明細書で説明するように、操作者１に提示される画像を介して操作者１のどんなロケーションからでも超精巧外科ツール３００の自然な制御を可能にすることができる。手技中に、操作者１は操作エリアの周りを移動する必要があり得る。用手ツール３５０は操作者１のロケーションを規定し得る。制御システム４００は、操作者のロケーションにかかわらず、操作者１の視点に基づいて画像を提示することができる。
【０２５３】
操作者１の位置はトラッキングされ得る。画像は、操作者１の視点に一致するように更新され得る。画像は、特にズームアウトされたビューにおいて、操作者１のロケーションに基づいて計算され得る。操作者１のトラッキングは、限定はしないが、センサーを操作者１に固定すること、または光学的位置決定システムを使用することによるなど、様々な技術のうちの１つを使用することによって達成され得る。超精巧外科システムは、操作者１をトラッキングするグローバルトラッカーを有することができる。
【０２５４】
操作者１のロケーションは、制御システム４００への入力であり得る。制御システム４００は、操作者１の視点（ｐｏｉｎｔ  ｖｉｅｗ）から画像を計算し、提示する。言い換えれば、ディスプレイ６００、７０２は、操作者１がそのロケーションからどんな解剖学的構造またはツールを見ているであろうかを示すことができる。操作者１が動き回ると、ディスプレイ６００、７０２上に提示される画像は操作者１の位置に基づくものになり得る。操作者のロケーションに基づく画像の計算および提示は、解剖学的構造についての操作者の理解を増補し、操作者が、用手ツール３５０と超精巧外科ツール３００の両方とより容易に相互作用することを可能にし得る。
【０２５５】
座標変換が近位端（例えば、腹腔鏡ツール）または遠位端（例えば、エンドエフェクタ）に関連付けられ得る。制御システム４００は、超精巧外科ツール３００と用手ツール３５０との画像を独立した座標系において提示し得る。前述のように、入力デバイス５００の座標系は超精巧外科ツール３００の座標系とは異なり得る。ディスプレイ６００、７０２上の画像は、超精巧外科ツール３００の動きを超精巧外科ツール３００の座標系において示すことができる。
【０２５６】
図４２Ｃに、ツールと、ディスプレイ７０２と、操作者１との構成の別の例を示す。ディスプレイ７０２は操作者１の左側に見せられる。操作者１は、患者２に対面して患者２のそばに立っているが、操作者１の頭部を（矢印Ｃに沿って）ディスプレイ７０２のほうへ向けている。各超精巧外科ツール３００の基準系は操作者１の各手首に関連付けられる。制御システム４００は、ディスプレイ７０２のどんなロケーションからでも超精巧外科ツール３００の自然な制御を可能にすることができる。ディスプレイ７０２は、操作者が超精巧外科ツール３００と用手ツールとの動きを理解することを可能にするための視覚的手がかりを提示することができる。ディスプレイ７０２の配向にかかわらず、制御システムは、操作者の理解を増補するためにこの画像を配向することができる。制御システム４００は、ディスプレイ７０２の配置にかかわらず、ディスプレイ７０２上に手術の自然な全体像を示すことができる。手首との基準系の関連付けにより、制御の直観が維持される。
【０２５７】
ディスプレイ６００、７０２は同じ画像または異なる画像を示すことができる。ディスプレイ６００は、本明細書で説明するように、システムへの入力を提供することができる。ディスプレイ６００、７０２は単一のスクリーン上に複数の画像を示すことができる。
【０２５８】
ディスプレイ６００、７０２は、入力デバイス５００の動きと、超精巧外科ツール３００の動きとの間の様々なタイプの関連付けを示し得る。いくつかの実施形態では、手の動き、ツールの動き、およびディスプレイ上に示される動きの間に１：１の関係があり得る。他の関係が可能である。ディスプレイ６００、７０２は、手の動きとツールの動きとの方向に対して、動きが逆に示されるように逆の動きを示し得る。ディスプレイ６００、７０２は、手の動きとツールの動きとの方向に対してある角度でスキューされた動きを示し得る。ディスプレイ６００、７０２は、手首に関連付けられた基準系に対するどんな配向でも示し得る。
【０２５９】
手首は、基準系が関連付けられ得る対象の一例として述べられたものにすぎない。基準系は、操作者の体、患者、作業空間中の対象、操作領域中の対象、ディスプレイ、超精巧外科ツール、カメラ、超精巧外科アーム、または任意の他の対象の任意の部分に固定され得る。しかしながら、前腕、手首、手、および頭部を含む、操作者の体のセクションに基準系を固定することは、自然な様式で超精巧外科ツール３００の制御を可能にし得る。
【０２６０】
本明細書で説明するように、超精巧外科システム１００は、有利には、操作者１が様々な基準系から超精巧外科ツール３００を制御することを可能にする。例えば、操作者１は、体内の、作業空間中のカメラ３０４の基準系から超精巧外科ツール３００を制御することができる。操作者１は、操作者１の手の移動を、カメラ３０４の基準系における超精巧外科ツールの移動にマッピングすることができる。このビューは、大きい動き、または患者の体外の基準系に対して移動するのがより自然である動きでは、限定的であり得る。したがって、超精巧外科システム１００は、操作者が基準系を別のビューに動的に変更することを可能にする。操作者１は、１つまたは複数の超精巧外科ツール３００のためにワールドグラウンド基準系（例えば、操作領域と患者とのビュー）に切り替わることができる。ワールドグラウンド基準系は、本明細書で説明するように、大きい動きのために、および／または１つまたは複数の超精巧外科ツール３００が単一のツールにロックされるときのために有用であり得る。ワールドグラウンド基準系は、１つまたは複数の超精巧外科ツール３００を患者に対して新しいロケーションに移動しているときに有用であり得る。ワールドグラウンド基準系は、操作者１が患者に対して操作者１自身を再配置するときに、および／または操作者１の新しい位置に基づいてどの手が入力デバイス５００を制御するのかを切り替えるときに有用であり得る。操作者１は、カメラ３０４を制御し、ワールドグラウンド基準系のディスプレイ６００、７０２上に画像を提示することができる。超精巧外科システム１００は、操作者が基準系をカメラ３０４の基準系に動的に戻すことを可能にする。
【０２６１】
いくつかの実施形態では、基準系は動いていることがある。非限定的な例として、基準系は、移動中のプロセスにあり得る用手ツール３５０にアタッチされ得る。制御システム４００は、ツールのセットが一緒に移動するように１つまたは複数の超精巧外科ツール３００を用手ツール３５０にロックし得る。ロッキングの概念については本明細書で説明されている。ディスプレイ６００、７０２は、移動中のツールに関連付けられた基準系を示し得、意図されたグループとしてツールのセットが移動しているという保証を提供し得る。
【０２６２】
クラッチ１１２が初めに係合されたとき、操作者１の位置に基づいて基準系が確立され得る。クラッチ１１２が係合されたとき、入力デバイス５００は１つまたは複数の超精巧外科ツール３００を制御することができる。クラッチ１１２が離脱されるとき、制御システム４００はこの基準系を記憶することができる。クラッチ１１２が再び係合されたとき、１つまたは複数の超精巧外科ツール３００は、前に確立されたのと同じ基準系に対して移動する。
【０２６３】
いくつかの実施形態では、クラッチ１１２が再び係合されたとき、操作者１の新しい位置に基づいて新しい基準系が確立される。操作者１は、クラッチ１１２の以前の係合において確立された基準系を使用すべきか、または新しい基準系を使用すべきかを決定し得る。クラッチ１１２の係合は１つまたは複数の基準系を確立し得る。操作者１がただ１つの入力デバイス５００を使用している場合、制御システム４００によってただ１つの基準系が確立され得る。しかしながら、操作者１が２つの入力デバイス５００を使用している場合、クラッチ１１２によって２つの基準系が確立され得る。基準系は、各手首に関連付けられ得、整合されるか、部分的に整合されるか、または独立していることがある。
【０２６４】
操作者１の右手と左手とは、２つの異なる基準系において対象を操作することができる。対象はサイズ、形状または機能が類似していないことがある。超精巧外科システム１００は、用手ツール３５０と超精巧外科ツール３００の同時制御を可能にする。操作者１は、この同時制御を可能にするために、用手ツール３５０および／または超精巧外科ツール３００への制約に関して十分な手がかりを提供される。操作者１は、この同時制御を可能にするために、用手ツール３５０および／または超精巧外科ツール３００の基準系に関して十分な手がかりを提供される。超精巧外科システム１００の制御システム４００は、有利には、様々な基準系における超精巧外科ツール３００および／または用手ツールの動きを可能にする。この能力は、用手ツール３５０と超精巧外科ツール３００の複合使用中に極めて有用であり得る。
【０２６５】
視覚的手がかりのソース
情報の１つのソースは、操作領域またはディスプレイ６００、７０２のいずれかを観測することを通して操作者１によって見られる視覚的手がかりである。追加の情報が、超精巧外科ツール３００と用手ツール３５０との動きについての操作者の理解を増補することができる。視覚的手がかりは制御システムによって供給され、ディスプレイ６００、７０２上に示され得る。
【０２６６】
情報の１つのソースは、操作領域を観測することを通して操作者１によって見られる視覚的手がかりである。操作者のロケーションから、操作者は操作領域のセットアップを見ることができる。操作者１は、患者に対する、操作者１の手を含む操作者１の体の配向を見ることができる。操作者１は、ツールが体に進入するロケーションを見ることができる。言い換えれば、外科医は、解剖学的構造に対するツール３００、３５０の位置を理解するための手がかりとして、ベッド１０２、患者２、外科医の手など、外科医の周りの対象を使用し得る。外科医は、その理解に合わせて超精巧外科ツール３００または用手ツール３５０を操作することができる。
【０２６７】
情報の１つのソースは、視覚的手がかりであり、ディスプレイ６００、７０２上に提示される画像である。制御システム４００は、手技についての操作者の理解に関係する画像を計算し、提示することができる。画像は、操作者１が超精巧外科ツール３００、用手ツール３５０、および／または患者の解剖学的構造を見ることを可能にすることができる。画像は、超精巧外科システム１００の１つまたは複数の可視化構成要素から発生することができる。これらの構成要素は、制御システム４００によって制御され得る１つまたは複数のカメラ３０４を含む。カメラ３０４は、超精巧外科ツール３００と見なされ、操作者１に画像を提供するために超精巧ロボットアーム２００によって移動され得る。例えば、複数のカメラ３０４が配備され得る。各カメラ３０４は、解剖学的構造の異なるセクションの画像を収集し得る。いくつかの実施形態では、各トロカール先端上にミリメートルサイズのカメラ３０４が配置される。いくつかの実施形態では、制御システム４００および／または可視化構成要素は、患者２の内部と外部の両方の環境のリアルタイム３Ｄ再構成を実施する。制御システム４００および／または可視化構成要素は、以前のＸ線およびＣＴスキャンなど、患者の以前のイメージングを組み込むことができる。より完全な情報を操作者１に与えるために、ソースからの情報は混合され得る。可視化システム７００は、様々なソースから作業空間を閲覧するための自由を操作者１に提供し得る。
【０２６８】
画像は１つまたは複数のディスプレイ６００、７０２上で閲覧され得る。ディスプレイ６００は、本明細書で説明するように、操作者１からフィードバックを受け取るように構成され得る。画像は１つまたは複数の没入型コンソール７０４上で閲覧され得る。超精巧外科システム１００は、操作者１が、操作者１が動き回り、手技のために患者２に対して最も最適な位置に操作者１自身を置くことを可能にする。手技中に、操作者１（例えば、外科医）は操作者１自身を再配置し得る。１つまたは複数のディスプレイ６００、７０２は、操作者１が、複数のロケーションから超精巧外科ツール３００、用手ツール３５０、および／または患者の解剖学的構造を閲覧することを可能にする。ディスプレイ６００、７０２上の画像は操作者１のロケーションに基づいて更新され得る。
【０２６９】
ディスプレイ６００、７０２上に示される画像は、実施されている操作のタイプに依存し得る。例えば、操作者１が精密な縫合を行っている場合、解剖学的構造とツールとのズームインされたビューがディスプレイ６００、７０２上に示され得る。このビューはカメラ３０４から直接取得され得る。操作者が次に体の異なる部分に移動することを希望する場合、ツールの大きい動きが必要とされ、ズームアウトされたビューがディスプレイ６００、７０２上に示され得る。言い換えれば、ズーム係数が動きに適応することができる。ズーム機能は、実施されている動きのタイプに少なくとも部分的に基づいて、制御システム４００によって自動的に遂行され得る。ズーム機能はまた、操作者１によって開始され得る。ズームレベルは、ズームインまたはズームアウトするためのジェスチャーを使用することによるなど、入力デバイス５００を使用して変更され得る。ズームレベルを変更する他の方法が可能であり、例えば、サムホイールなどの用手デバイスを入力デバイス５００上にアタッチし、その入力デバイス５００において、操作者はズームレベルを変更するためにサムホイールを移動することができる。他の方法は、ディスプレイ７０２またはディスプレイ６００上にボタンまたはスライドバーを設けることを含む。
【０２７０】
ズーム操作中に、画像間の遷移は滑らかでシームレスであり得る。画像がズームアウトすると、より少ない解剖学的細部が表示され得る。制御システムは、患者１内のカメラ３０４から、患者の体外に取り付けられたカメラ３０４からのフィードへの変更など、画像フィードを変更し得る。ズームアウトされたビューについてのデータの他のソースについては以下で説明する。
【０２７１】
いくつかの実施形態では、仮想カメラ７０６（図４３参照）が作成され得、これにより、様々な視点からのターゲット可視化が可能になる。仮想カメラ７０６はどんな視点からでも画像を作成する。仮想カメラ７０６は、作業空間の周りに存在する複数の制御可能対象のうちのいずれかの視点に関連付けられ得る。仮想カメラ７０６は、外科医などの操作者１の視点に関連付けられ得る。操作者１が動き回ると、可視化システム７００は操作者の現在の視点に調整する。仮想カメラ７０６は、本明細書で説明するように、複数のソースを使用して画像を作成することができる。
【０２７２】
いくつかの実施形態では、仮想カメラ７０６はカメラツール３０４に関連付けられ得る。外科医などの操作者１は、手術外科中にカメラ３０４の位置を調整することを選定し得、それにより、したがって、仮想カメラ７０６が調整される。したがって、カメラ３０４が移動するにつれてディスプレイ６００、７０２が更新されることになる。
【０２７３】
図４３に、手術中に外科医などの操作者１によって仮想カメラ７０６がどのように調整され得るかの一例を示す。操作者１がトラッキングデバイスを着用している場合、操作者１はトラッキングされ得る。操作者１のビューに対してカメラ３０４のビューが反転される場合、制御システム４００は、操作者１の位置を認識し、操作者１の視点をより良く反映するためにディスプレイ６００、７０２上で仮想カメラ７０６を反転させることができる。操作者１がカメラ３０４と整合されるように移動すると、制御システム４００は、操作者１の位置を認識し、カメラ３０４の正しい画像を反映することができる。画像は、操作者１などのトラッキング対象、あるいは超精巧外科アーム２００および／または超精巧外科ツール３００などの制御可能対象の視点を反映するために、ディスプレイ６００、７０２上で反転、回転、および左右フリップされ得る。別の例として、ディスプレイ６００は、外科医などの操作者１が最も適切なビューを選定し得るように仮想カメラ７０６の位置を変更するためのスライダーまたはボタンを表示し得る。
【０２７４】
仮想カメラ７０６からの画像を拡張するために様々なカメラパラメータが制御および調整され得る。非限定的な例として、ズーム機能が調整され得る。例えば、大スケールの動きが望まれる場合、ディスプレイ６００、７０２上の画像がズームアウトされ得る。外科医などの操作者１がツールを大スケールの動きのために動かすと、ディスプレイ６００、７０２上の画像は、作業空間を閲覧するためにズームインおよびズームアウトすることができる。これは自動的に行われ得る。角度およびズームなどのカメラパラメータは、例えば、仮想カメラ７０６が入力デバイス５００によって制御される場合、手の動きを使用して調整され得る。手またはワイヤレスコントローラにアタッチされたセンサーなどの入力デバイス５００は、高度の可視化システム７００が、動きのパターンを認識し、仮想角度およびズームを変更することなどの機能を実施することを可能にする。
【０２７５】
超精巧外科システム１００は複数のディスプレイ６００、７０２を有し得る。ズームレベルに応じて、制御システム４００は、異なるカメラアングルなどの異なるパラメータをそれぞれもつ異なる画像を各ディスプレイ６００、７０２上に表示し得る。これにより、外科医および／または外科アシスタントなどの操作者１は、患者に同時に手術し、各人のロケーションに対して外科的作業空間の最も自然な視点を提示するディスプレイ６００、７０２を各々が参照することが可能になり得る。これは、例えば、アシスタントが患者の脚部の近くに位置し、外科主治医が患者のそばに位置する場合に有用であろう。アシスタントのディスプレイ７０２はアシスタントの視点から解剖学的構造およびツールを示し得、外科医のディスプレイ７０２は外科医の視点から解剖学的構造およびツールを示し得る。
【０２７６】
各ディスプレイ６００、７０２中に示される画像のカメラアングルおよび観点などのパラメータは、患者２の位置および配向、ディスプレイ６００、７０２の位置および配向、操作者１などの画像の観察者の位置および配向を含む、１つまたは複数のパラメータに依存し得る。これは、制御システム４００が、ディスプレイ６００、７０２、操作者１、および患者２などの様々な対象のロケーションおよび配向についての知識を有することを暗示する。操作者１がどこに位置するかを知らないなど、そのような知識が入手可能でない場合、制御システム４００は、そのパラメータなしに画像を計算する。
【０２７７】
ベッドサイドのそばに立っている操作者１が、患者２を見、引き続いてディスプレイ６００、７０２を見上げるかまたはそのほうを見るとき、操作者１は、ズームアウトされたビューにおいて解剖学的構造またはツールをナビゲートすることが有用であることがわかり得る。ズームアウトされたビューは、様々なソースからのデータを用いて作成され得る。これらのソースは、超精巧外科システム１００の周りの１つまたは複数のロケーション中にアタッチされた、および／または１つまたは複数の超精巧外科ツール３００にアタッチされたカメラ３０４からのライブデータを含み得る。これらのソースは、解剖学的構造のＭＲＩまたはＣＴデータまたはモデルなどの術前イメージングデータを含み得る。例えば、ズームアウトのプロセスは、ポートを通って置かれた患者の体内にあり得るカメラ３０４によって見られた詳細な内部の解剖学的構造の画像を表示することから開始し得る。ズーム係数が減少する（すなわち、カメラがズームアウトである）と、臓器全体が表示される。ズーム係数がさらに減少すると、視点は体外に移動し得、内部臓器のレンダリングと混合された患者の体の外部を示し得る。この概念は図４４に示されている。
【０２７８】
図４４Ａから開始すると、食道と胃への入口（胃食道開口）との断面のズームインされたビューが示されている。これは、胃がバイパスされる肥満手術の典型的な部位である。図４４Ｂには、胃と、食道のいくつかの部分との輪郭が示されている。図４４Ｂに示された画像は、図４４Ａに対してズームアウトされている。図４４Ｃには、全身に対して胃、食道が示されている。ズームのレベルは、外科医が、どのように最良に超精巧外科ツール３００および／または用手ツール３５０を操作するべきかを理解することを可能にするように調整され得る。操作者１が、エンドエフェクタを、例えば正確で小さい動きのために可視化する必要のみがある場合、図４４Ａなどの「ズームイン」された画像が有用であり得る。操作者１が、ツールを再配置し、解剖学的構造への異なる接近角度を使用することを希望する場合、再配置のプロセス中に図４４Ｃなどの画像が有用であり得る。
【０２７９】
超精巧外科システム１００は、ユーザが、患者の内部のズームインされたビューから患者の外部のズームアウトされたビューに移動することを可能にする。画像がズームアウトされたビューにあるとき、外科医は新しい位置に移動することができる。操作者１は、ズームアウトされたビューにおいて操作者１自身を患者に対して再配置することがより容易であることがわかり得る。この位置から、操作者１は、操作者１の新しい位置から閲覧されるように体内のツールを見るためにズームインすることができる。いくつかの実施形態では、操作者１は、操作者１が操作者１自身を再配置する前に入力デバイス５００を離脱させることができる。操作者１は、操作者１が操作者１自身を再配置した後に入力デバイス５００を係合させることができる。いくつかの実施形態では、操作者１は、新しい位置に基づいて、どの手が入力デバイス５００を制御するのかを切り替えることができる。
【０２８０】
内部臓器のレンダリングは、データの様々なソースの組合せであり得る。これらのソースは、カメラまたは他の可視化デバイスによって見られる実際のリアルタイム画像を含む。これらのソースは、手術の過程にわたって立体視腹腔鏡カメラフィードから生成される臓器の３次元モデルデータを含むことができる。これらのソースは、ＭＲＩ、ＣＴまたは他の画像診断法からの術前データを含むことができる。カメラ３０４などのリアルタイムソースからの新しいデータが利用可能になると、モデルは補正および拡張され得る。補正されたモデルは、次いで表示され得る。
【０２８１】
制御システム４００は、限定はしないが、（カメラ３０４からの）リアルタイムデータ、モデルデータ、術前データ、古くなったデータ（特に、時間的に現在の瞬間より前に撮られたカメラ３０４からのデータ）など、様々なクラスにデータをカテゴリー分類し得る。各タイプのデータは、混合された画像において別様に表示され得る。例えば、古くなったデータは、データのその特定の部分を使用する際、画像中にその陰影が現れたときに注意が払われるべきであることを示す黄色の陰影と混合され得る。別の例では、モデルデータは、その特定のデータを使用する際、画像中にその陰影が現れたときに極度の注意が払われるべきであることを示す赤色の陰影と混合され得る。このタイプのカテゴリー分類および表示は、外科医がディスプレイ６００、７０２上の画像を見ながら患者の体内でツールを操作するときの、外科医への警告およびリマインダとして働き得る。
【０２８２】
ズーム係数および／または視点が調整されると、制御システム４００は、操作者１の動き（制御側の動き）と、超精巧外科ツール３００の動き（被制御側の動き）との間の関係を変化させ得る。一例として、ズームインされたビューでは、制御システム４００は、手の大きい動きを用いて小さく正確な動きのみが可能になるような方法で手の動きをスケーリングし得る。画像がズームアウトされると、制御側の動きと被制御側の動きとの間のスケーリングは、例えば、いくつかの実施形態では、それらの２つの間に１：１の関係があるように変化し得る。他の態様は、仮想グリップおよび制御ポイントのロケーションなどのズーム係数に従って変化し得る。
【０２８３】
図４５に、ディスプレイ７０２上のビューとしての画像を示す。ディスプレイ６００および／またはディスプレイ７０２は操作領域の特徴を表示することができる。ディスプレイ６００および／またはディスプレイ７０２は、１つまたは複数の超精巧外科アーム２００、１つまたは複数の超精巧外科ツール３００、１つまたは複数の用手ツール３５０、患者２、フィクスチャ（例えば、ベッド）、操作者１などの画像を示すことができる。ディスプレイ６００および／またはディスプレイ７０２は超精巧外科システム１００の制御ポイントを示すことができる
【０２８４】
ディスプレイ６００および／またはディスプレイ７０２は超精巧外科システム１００の制約を示し得る。例えば、ディスプレイ６００、７０２は用手ツール３５０の支点のロケーションを示し得る。ディスプレイ６００、７０２は、操作者の理解を増補するために制約を提示することができる。例えば、ディスプレイ６００、７０２は超精巧外科ツール３００の仮想グリップ５１２のロケーションを示し得る。ディスプレイ６００、７０２は、操作者の理解を増補するために制約を提示することができる。
【０２８５】
ディスプレイ６００および／またはディスプレイ７０２は超精巧外科システム１００の制御ポイントを示し得る。制御ポイント２６００は、移動する能力を有する超精巧外科アーム２００と超精巧外科ツール２００との上のロケーションである。制御システム４００は、操作者１の入力または制約に基づいて制御ポイント２６００の周りの移動を引き起こすことができる。例えば、操作者１による入力は、制御ポイント２６００に接続された１つまたは複数のセクションの移動に影響を及ぼす。制御ポイント２６００を移動することは、制御ポイント２６００に接続された超精巧外科アーム２００の１つまたは複数のセクションが移動することを引き起こす。
【０２８６】
制御ポイント２６００は入力デバイス５００を介して移動され得る。入力デバイス５００の移動は、選択された制御ポイント２６００の移動を引き起こし得る。これは、超精巧外科アーム２００によって制御される超精巧外科ツール３００の移動を引き起こし得る。特定の制御ポイント２６００に入力デバイス５００を割り当てるためにディスプレイ６００が使用され得る。
【０２８７】
制御ポイント２６００は、限定はしないが、ディスプレイ中の色、十字線、他のアイコンを含む、様々な方法で示され得る。ディスプレイ６００、７０２上の超精巧外科アーム２００の画像は、手術部位の周りの１つまたは多くのカメラ３０２からの実際のカメラ画像であり得る。ディスプレイ６００、７０２上の超精巧外科アーム２００の画像は図であり得る。
【０２８８】
外科的方法の一実施形態
いくつかの実施形態では、同じ作業空間において１つまたは複数の超精巧外科ツール３００とともに１つまたは複数の用手ツール３５０が使用される。用手ツール３５０の一例はステープラ３５４である、図３９参照。ステープラ３５４は超精巧外科ツール３００とともに使用され得る。結腸切除外科的手技において両方のタイプのツールを使用しているときのワークフローが、方法５を示す図３９に示されている。図３９は、超精巧外科ツール３００と用手ツール３５０とを使用する１つの方法を示している。本方法は、特定の位置に結腸を保持し、結腸にわたってステープルラインを置くことに関する。本システムは、第１のグラスパ３１２と、第２のグラスパ３１４と、カメラ３０４と、ステープラ３５４とを含む。本システムは、２つの入力デバイス５００と、第１のコントローラ５１６と、第２のコントローラ５１８とを含む。
【０２８９】
ステップ１０において、操作者１は、入力デバイス５００のいずれかを使用することによってカメラ３０４を配置し得る。いくつかの実施形態では、操作者１は、入力デバイス５００のアイコンをカメラ３０４などの制御可能対象のアイコンと連結する。
【０２９０】
次いで、ステップ２０において、操作者１は、操作者の一方の手によって制御される第１のコントローラ５１６を使用して、第１のグラスパ３１２などの制御可能対象を移動する。操作者は第１のグラスパ３１２を使用して、結腸のセクションを配置し、保持する。操作者はクラッチ１１２を使用して、制御可能対象、第１のグラスパ３１２を離脱させる。第１のグラスパ３１２は所定の位置に残る。操作者１は第１のコントローラ５１６を下に設定することができる。
【０２９１】
さらに、ステップ３０において、操作者１は、一方の手で用手ステープラ３５４をピックアップすることができる。操作者１は、用手ステープラ３５４を配置し、配置されたカメラ３０４によって見られるターゲット位置にステープラ３５４を移動することができる。ステップ４０において、操作者１は、ステープラ３５４を保持していない手によって制御される第２のコントローラ５１８を使用する。第２のコントローラ５１８は、第２のグラスパ３１４などの第２の制御可能対象を移動する。操作者１は第２のグラスパ３１４を使用して、結腸のセクションを配置し、保持する。次いで、ステップ５０において、操作者１は、ステープラ３５４と第２のグラスパ３１４とを操作して、ステープルを受け取るために最も最適な位置に結腸を配置する。最後に、ステップ６０において、操作者１は用手ステープラ３５４を操作し、ステープルはターゲットロケーションに送達される。この方法は、同じ作業空間中の同じ操作者１によって１つまたは複数の用手ツール３５０と１つまたは複数超精巧外科ツール３００とがどのように同時に使用され得るかを示している。操作者１は、この手技中に（例えば、１つまたは複数の、例えば複数の、ベッドサイドロケーションにおいて）常に患者のそばに立っていることがあり得る。いくつかの実施形態では、操作者１は、患者から離れているコントローラ５１４からなど、遠隔で、最初の２つのステップ、ステップ１０および２０を実施し得る。
【０２９２】
超精巧外科ツール３００では、接触の感覚を伝達することがしばしば困難である。外科医は時々、解剖学的構造に関するより良い情報を得るために接触を使用する。しかしながら、多くの外科医は、いくつかの状況において患者に接触することを選好する。いくつかの実施形態では、組織との接触を行うために用手ツール３５０が使用され得る。これは、従来の手術で一般に行われる。超精巧外科ツール３００についての外科医の操作を案内し得る用手ツール３５０を使用することによって感覚入力は提供される。力センサーおよびロードセルなどのプロキシデバイスは、複雑な機構を通して超精巧外科ツール３００に圧力または接触の感覚を伝達することができる。（制御システム４００の送信機からの信号を入力デバイス５００の受信機に通信することによるなど、１つまたは複数の入力デバイス５００を介して）超精巧外科ツール３００によって操作者に伝達される圧力は、患者２の解剖学的構造の理解を促進する。
【０２９３】
用手ツール３５０は、他の方法において、超精巧外科ツール３００とともに使用され得る。例えば、超精巧外科アーム２００は、図２に示されているように、トロカール３０２を保持し得る。用手ツール３５０または超精巧外科ツール３００はトロカール３０２を通して挿入され得る。この使用方法は、例えば、外科医が他のツールを操作していながら、用手ツール３５０によって組織が所定の位置に保持される必要があるときに有益であり得る。別の例では、肥満した患者において、体型によりツールの操作は困難になる；これらの場合、操作者１への物理的応力を軽減するために、用手ツールまたは超精巧外科ツール３００は超精巧外科アーム２００によって保持または支持され得る。
【０２９４】
本明細書の実施形態では、超精巧外科システムは、フィクスチャに結合されるものとして説明された。超精巧外科システムは、ベッド、病院ベッド、手術テーブル、検査テーブル、プラットフォーム、床、壁、カート、またはドリーに結合され得る。フィクスチャがカートまたはドリーである場合、フィクスチャは床に固定され得る。フィクスチャは、医療診療室、検査医の診療室、病院、医師の診療室、クリニック診療室、または超精巧外科システムの使用に適する任意の他のロケーション内に配置され得る。
【０２９５】
いくつかの実施形態では外科的手技に関して説明したが、超精巧外科システムは任意の適切な様式で使用され得る。超精巧外科システムは、経皮挿入のために超精巧外科ツールを操作する方法において使用され得る。本明細書で説明する超精巧外科システムは、非経皮手技（例えば、切開を行い経皮的に超精巧外科ツールを挿入することを伴わない手技）において操作され得る。例えば、超精巧外科システムは皮膚生検をとるために使用され得る。超精巧外科システムはどんな手術のためにも使用され得る。超精巧外科システムは任意の適切な医学的手技において使用され得る。超精巧外科システムは、生きている患者（例えば、手術）または死体（例えば、検死）に関連して使用され得る。本明細書で説明する実施形態は任意の適切な様式で使用され得る。超精巧外科アームは製品の製造または組立てにおいて使用され得る（例えば、組立ライン上で、クリーンルーム中でなど）。
【０２９６】
本開示についていくつかの実施形態および実施例のコンテキストにおいて説明したが、本開示は、具体的に開示された実施形態を越えて、他の代替実施形態および／または使用および明らかな修正形態ならびにそれらの等価物にわたることが、当業者によって理解されよう。さらに、本開示の実施形態のいくつかの変形形態を詳細に示し説明したが、本開示の範囲内にある他の修正形態は、当業者に容易に明らかになるであろう。また、本実施形態の特定の特徴および態様の様々な組合せまたは部分組合せが行われ、依然として本開示の範囲内に入り得ることが企図される。例えば、一実施形態に関して上記で説明した特徴は、本明細書で説明した異なる実施形態とともに使用され得、この組合せは依然として本開示の範囲内に入る。本開示の実施形態の様々な様式を形成するために、開示する実施形態の様々な特徴および態様は互いに組み合わせられるかまたは置換され得ることを理解されたい。このように、本明細書における開示の範囲は、上記で説明した特定の実施形態によって限定されるべきではないことが意図される。したがって、特に明記しない限り、または明らかに不適合でない限り、本発明の各実施形態は、本明細書で説明するそれの本質的特徴に加えて、本明細書で開示する本発明の他の各実施形態からの、本明細書で説明する１つまたは複数の特徴を含み得る。
【０２９７】
特定の態様、実施形態または実施例に関して説明した特徴、材料、特性、またはグループは、それらと不適合でない限り、本セクションまたは本明細書の他の場所で説明したいかなる他の態様、実施形態または実施例にも適用可能であるものと理解されるべきである。（すべての添付の特許請求の範囲、要約書および図面を含む）本明細書で開示する特徴のすべて、および／またはそのように開示する任意の方法またはプロセスのステップのすべては、そのような特徴および／またはステップの少なくともいくつかが相互排他的である組合せを除いて、どんな組合せにおいても組み合わせられ得る。保護は、いかなる上記の実施形態の詳細にも制限されない。保護は、（すべての添付の特許請求の範囲、要約書および図面を含む）本明細書で開示する特徴の、任意の新規の１つ、または任意の新規の組合せにわたるか、あるいは、そのように開示する任意の方法またはプロセスのステップの、任意の新規の１つ、または任意の新規の組合せにわたる。
【０２９８】
さらに、別の実装形態のコンテキストにおいて本開示で説明したいくつかの特徴は、単一の実装形態において組合せでも実装され得る。逆に、単一の実装形態のコンテキストにおいて説明した様々な特徴は、複数の実装形態において別々に、または任意の好適な部分組合せでも実装され得る。その上、特徴について上記ではいくつかの組合せで働くものとして説明したことがあるが、請求する組合せからの１つまたは複数の特徴は、場合によっては、組合せから削除され得、組合せは、部分組合せまたは部分組合せの変形形態として請求され得る。
【０２９９】
その上、操作が特定の順序で図面において示されるかまたは本明細書で説明されることがあるが、望ましい結果を達成するために、そのような操作は、示された特定の順序で、または逐次順序で実施される必要はなく、あるいは、すべての操作が実施される必要はない。図示または説明されていない他の操作が、例示的な方法およびプロセスに組み込まれ得る。例えば、説明する操作のいずれかの前に、それらの後に、それらと同時に、またはそれらの間に、１つまたは複数の追加の操作が実施され得る。さらに、操作は、他の実装形態では再構成されるかまたは並べ替えられ得る。いくつかの実施形態では、説明および／または開示されるプロセスにおいて取られる実際のステップは、図において示されるものとは異なり得ることを当業者は諒解されよう。実施形態に応じて、上記で説明したステップのいくつかは削除され得、他のものが追加され得る。さらに、上記で開示された特定の実施形態の特徴および属性は、追加の実施形態を形成するために異なる方法で組み合わせられ得、それらのすべては本開示の範囲内に入る。また、上記で説明した実装形態における様々なシステム構成要素の分離は、すべての実装形態においてそのような分離を必要とするものと理解されるべきではなく、説明する構成要素およびシステムは、概して、単一の製品において一緒に組み込まれるかまたは複数の製品にパッケージングされ得ることを理解されたい。
【０３００】
本開示のために、いくつかの態様、利点および新規の特徴について本明細書で説明した。必ずしもすべてのそのような利点は、いずれかの特定の実施形態に従って達成されるとは限らない。したがって、例えば、本開示は、本明細書で教示または示唆され得る他の利点を必ずしも達成することなしに、本明細書で教示する１つの利点または利点のグループを達成する様式で実施または実行され得ることを、当業者は認識されよう。
【０３０１】
「できる（ｃａｎ）」、「し得る（ｃｏｕｌｄ）」、「であろう（ｍｉｇｈｔ）」、または「し得る（ｍａｙ）」などの条件付き文言は、別段に明記されていない限り、またはさもなければ使用されるコンテキスト内で理解されない限り、いくつかの特徴、要素、および／またはステップを、いくつかの実施形態は含むが、他の実施形態は含まないことを伝えるものと概して意図される。したがって、そのような条件付き文言は、特徴、要素、および／またはステップが１つまたは複数の実施形態のために何らかの方法で必要とされること、あるいは、１つまたは複数の実施形態が、ユーザ入力またはプロンプティングを用いてまたは用いずに、これらの特徴、要素、および／またはステップがいずれかの特定の実施形態に含まれるかまたはその特定の実施形態において実施されるべきであるかどうかを判断するための論理を必ず含むことを暗示するものと概して意図されない。
【０３０２】
「Ｘ、Ｙ、およびＺのうちの少なくとも１つ」という句などの連結的文言は、別段に明記されていない限り、項目、用語などがＸ、Ｙ、またはＺのいずれかであり得ることを伝えるために概して使用されるコンテキストとともに本来なら理解される。したがって、そのような連結的文言は、いくつかの実施形態が、Ｘの少なくとも１つと、Ｙの少なくとも１つと、Ｚの少なくとも１つとの存在を必要とすることを暗示するものと概して意図されない。
【０３０３】
本明細書で使用する「近似的に」、「約」、「概して」、および「実質的に」という用語など、本明細書で使用する程度の文言は、依然として所望の機能を実施するかまたは所望の結果を達成する述べられた値、量、または特性に近い値、量、または特性を表す。例えば、「近似的に」、「約」、「概して」、および「実質的に」という用語は、述べられた量の１０％未満以内、５％未満以内、１％未満以内、０．１％未満以内、および０．０１％未満以内である量を指し得る。別の例として、いくつかの実施形態では、「概して並列な」および「実質的に並列な」という用語は、正確に並列から１５度、１０度、５度、３度、１度、０．１度以下などだけ逸脱する値、量、または特性を指す。
【０３０４】
本開示の範囲は、このセクションまたは本明細書の他の場所における好ましい実施形態の特定の開示によって限定されるものと意図されず、このセクションまたは本明細書の他の場所で提示されるかあるいは将来において提示される特許請求の範囲によって定義され得る。特許請求の範囲の文言は、特許請求の範囲において採用された文言に基づいて広く解釈され、本明細書においてまたは出願の審査過程中に記載される実施例に限定されるものではなく、それらの実施例は非排他的と解釈されるべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｂ】
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【図３３Ａ】
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【図３３Ｂ】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８Ａ】
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【図３８Ｂ】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１Ａ】
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【図４１Ｂ】
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【図４１Ｃ】
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【図４１Ｄ】
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【図４２Ａ】
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【図４２Ｂ】
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【図４２Ｃ】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年3月12日(2020.3.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィクスチャに結合可能な少なくとも１つの電気機械アームと；
電気機械アームおよびツールアセンブリを画成するために前記少なくとも１つの電気機械アームによって支持される少なくとも１つの電気機械ツールと；
前記電気機械アームおよびツールアセンブリの操作と電子的に通信するように、および前記電気機械アームおよびツールアセンブリの操作を制御するように、構成される、制御システムと；
前記電気機械アームおよびツールアセンブリを操作するために前記制御システムを介して前記電気機械アームおよびツールアセンブリに制御信号を通信するように作動可能な少なくとも１つのポータブルハンドヘルドコントローラであって、前記少なくとも１つのポータブルハンドヘルドコントローラの動きは、前記電気機械アームおよびツールアセンブリの動きを制御する、少なくとも１つのポータブルハンドヘルドコントローラと；
前記少なくとも１つのポータブルハンドヘルドコントローラの位置をトラッキングするように操作可能なトラッキングシステムであって、前記トラッキングシステムは、前記ポータブルハンドヘルドコントローラに組み込まれる少なくとも１つの位置センサーを備える、トラッキングシステムと、
を備える、外科システムであって、
前記少なくとも１つのポータブルハンドヘルドコントローラは、手術テーブルと遠隔制御スタンドとの間にある操作領域の複数の外科医位置に外科医によって外科的手技中に運ばれるように構成され、それにより、前記外科医が外科的手技中に複数の外科医位置の間を移動すること、および前記操作領域の複数の外科医位置から前記少なくとも１つのポータブルハンドヘルドコントローラを使用して前記電気機械アームおよびツールアセンブリを操作することを、可能にし、前記位置センサーは、前記遠隔制御スタンドから独立して前記複数の外科医位置のいずれかで前記少なくとも１つのポータブルハンドヘルドコントローラの位置をトラッキングするように操作可能である、
外科システム。
【請求項２】
前記複数の外科医位置のうちの１つが患者の手術テーブルのそばを含む、請求項１に記載の外科システム。
【請求項３】
前記複数の外科医位置のうちの１つが遠隔制御スタンドを含む、請求項１に記載の外科システム。
【請求項４】
前記少なくとも１つのポータブルハンドヘルドコントローラが前記手術テーブルのそばから操作可能であり、それにより、前記外科医が一方の手で用手ツールを、ならびに別の手で前記少なくとも１つのポータブルハンドヘルドコントローラを介して電気機械アームおよびツールアセンブリを同時に操作することが可能になる、請求項２に記載の外科システム。
【請求項５】
前記電気機械アームおよびツールアセンブリと前記用手ツールとが、互いに独立して操作される、請求項４に記載の外科システム。
【請求項６】
前記電気機械アームおよびツールアセンブリと前記用手ツールとが、整合されたか部分的に整合された基準系において操作される、請求項４に記載の外科システム。
【請求項７】
第２の電気機械アームおよびツールアセンブリをさらに備え、電気機械アームおよびツールアセンブリが、同じ外科的作業空間において同時に操作可能である、請求項１に記載の外科システム。
【請求項８】
前記少なくとも１つのポータブルハンドヘルドコントローラがワイヤレスであり、制御信号をワイヤレスに通信する、請求項１に記載の外科システム。
【請求項９】
前記フィクスチャが手術テーブルに結合された、請求項１に記載の外科システム。
【請求項１０】
前記電気機械アームが３つの自由度を備える、請求項１に記載の外科システム。
【請求項１１】
前記位置センサーは、前記ポータブルハンドヘルドコントローラに取り付けられるアブソリュートエンコーダを備え、前記アブソリュートエンコーダは、地面に対する前記ポータブルハンドヘルドコントローラの位置をトラッキングするように操作可能である、請求項１に記載の外科システム。
【請求項１２】
カメラを備える少なくとも１つのソースから入力信号を受信するように構成された可視化システムをさらに備え、前記可視化システムが、前記外科医の視線内の少なくとも１つのモニタ上に外科的作業空間の画像を表示するように構成された、請求項１に記載の外科システム。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのポータブルハンドヘルドコントローラが、前記電気機械アームおよびツールアセンブリを選択的に操作するように構成された、請求項１に記載の外科システム。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのポータブルハンドヘルドコントローラを前記電気機械アームおよびツールアセンブリと選択的に係合および離脱し、それにより、前記電気機械アームおよびツールアセンブリを選択的に操作するように作動可能なクラッチをさらに備える、請求項１３に記載の外科システム。
【請求項１５】
前記ポータブルハンドヘルドコントローラを、異なる電気機械アームおよびツールアセンブリを操作することの間で選択的に切り替えるように操作可能なユーザインターフェースをさらに備える、請求項１に記載の外科システム。
【請求項１６】
前記ユーザインターフェースがディスプレイである、請求項１５に記載の外科システム。
【請求項１７】
前記電気機械アームおよびツールアセンブリおよび用手ツールは、互いに同期して操作される、請求項４に記載の外科システム。
【請求項１８】
前記電気機械アームおよびツールアセンブリおよび用手ツールは、互いに独立した基準系において操作される、請求項４に記載の外科システム。
【請求項１９】
前記位置センサーは、前記ポータブルハンドヘルドコントローラに取り付けられる光学トラッカーを備え、前記光学トラッカーは、地上基準点に対する前記ポータブルハンドヘルドコントローラの位置をトラッキングするように操作可能である、請求項１１に記載の外科システム。
【請求項２０】
トラッキングシステムは、前記外科医に結合された位置センサーをさらに備え、前記外科医に結合された前記位置センサーは、地上基準点に対する前記ポータブルハンドヘルドコントローラの位置をトラッキングするように操作可能である、請求項１１に記載の外科システム。
【外国語明細書】
2020096893000001.pdf