(57)【要約】外科用ロボットシステムは、内視鏡などの管状の柔軟な外科用器具を自動的に較正する。外科用ロボットシステムは、内視鏡の非理想的な動きを補償することによって、内視鏡の動きを正確に具現化し、患者に対して外科的処置を実施しながら内視鏡を操作することができる。較正中、外科用ロボットシステムは内視鏡を目標位置に移動させ、内視鏡の実際の位置および／または向きを表すデータを受け取る。外科用ロボットシステムは、目標位置と実際の位置との間の不一致に少なくとも基づいて、ゲイン値を決定する。内視鏡は、シースおよびリーダと呼ばれる管状部品を含むことができる。外科用ロボットシステムの器具装置マニピュレータは、シースおよび／またはリーダに連結されたプルワイヤを作動させ、それによって内視鏡を関節運動させる。
2019531807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のゲイン値を決定する方法であって、各ゲイン値は内視鏡に関連する複数のプルワイヤのうちの１つに関連し、前記方法は、
複数の方向のうち各方向について、
外科用ロボットシステムを使用して前記複数のプルワイヤのうちの少なくとも１つを平行移動させることによって、前記内視鏡を静止位置から目標位置まで前記方向に移動させるための第１のコマンドを提供し、
前記第１のコマンドに応答して移動された前記内視鏡の実際の位置を示す前記方向に関する空間データを受け取り、
前記外科用ロボットシステムを使用して前記内視鏡を緩めて前記静止位置に戻すための第２のコマンドを提供することと、
前記複数の方向に関する前記空間データに基づいて、前記複数のプルワイヤのうちの少なくとも１つが１とは異なるゲイン値を有するように前記複数のゲイン値を決定することと、
前記複数のゲイン値を記憶することとを含む方法。
【請求項２】
前記複数の方向は少なくともピッチ方向およびヨー方向を含み、
前記複数のプルワイヤは少なくとも３つのプルワイヤを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記内視鏡は、前記内視鏡の遠位端に連結された少なくとも１つの電磁センサ（ＥＭセンサ）を含み、
前記方法は、前記電磁センサに近接して少なくとも１つの電磁場発生器を配置することをさらに含み、
前記空間データを受け取ることは、前記電磁センサにおいて、電磁場の強度が前記電磁センサを含む前記内視鏡の前記遠位端の前記実際の位置の関数である電磁場を検出することを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記内視鏡は、前記内視鏡の遠位端に連結された１以上の空間センサを含み、前記１以上の空間センサが、加速度計またはジャイロスコープのうちの少なくとも１つを含み、
前記空間データを受け取ることは、前記１以上の空間センサによって、前記複数の方向のうちの少なくとも１つにおける動きを検出することを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記内視鏡に近接して複数のカメラを配置することをさらに含み、前記複数のカメラのうちの第１のカメラが前記内視鏡の長手方向軸と平行であり、前記複数のカメラのうちの第２のカメラが前記第１のカメラと直交し、
前記空間データを受け取ることは、前記複数のカメラによって前記内視鏡の複数の画像フレームを撮像することを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記内視鏡は、前記内視鏡の遠位端に連結された複数の基準マーカを含み、
前記方法は、
前記内視鏡に近接して複数の動作追跡カメラを配置することをさらに含み、
前記空間データを受け取ることは、前記複数の動作追跡カメラによって、各基準マーカの複数の画像フレームを撮像することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記内視鏡は、前記内視鏡の内部に埋め込まれた光ファイバを含み、
前記方法は、
前記内視鏡に近接してコンソールを配置することをさらに含み、前記コンソールが、前記光ファイバに連結され、前記光ファイバによって反射された光に基づいて反射スペクトルデータを生成し、
前記空間データを受け取ることは、前記反射スペクトルデータを分析することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記空間データを受け取ることは、
前記内視鏡に近接して透視撮像システムを配置することと、
患者の体内に前記内視鏡の遠位端を挿入することと、
前記透視撮像システムによって前記内視鏡の複数の透視画像を撮像することとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記内視鏡は、カメラおよび作業チャネルを含み、前記カメラおよび前記作業チャネルが、前記複数のプルワイヤの各プルワイヤとそれぞれ非同心である、
請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記内視鏡は、リーダ管状部品を少なくとも部分的に半径方向に囲むシース管状部品を含み、前記シース管状部品が、前記複数のプルワイヤのうちの少なくとも２つのプルワイヤである第１の組を含み、前記リーダ管状部品が、前記複数のプルワイヤのうちの少なくとも２つのプルワイヤである第２の組を含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記複数のゲイン値を決定することは、前記シース管状部品に対する前記リーダ管状部品のロール角を受け取ることを含む、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記複数のゲイン値を決定することは、前記シース管状部品によって半径方向に囲まれた前記リーダ管状部品の長さを受け取ることを含む、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記シース管状部品に対する前記リーダ管状部品のロール角および前記シース管状部品によって半径方向に囲まれた前記リーダ管状部品の長さのうちの少なくとも１つを修正するためのコマンドを提供することと、
前記複数の方向のうち各方向について、
前記外科用ロボットシステムを使用して前記複数のプルワイヤのうちの少なくとも１つを平行移動させることによって、前記内視鏡を前記静止位置から前記目標位置まで前記方向に移動させるための第３のコマンドを提供し、
前記第３のコマンドに応答して移動された前記内視鏡の前記実際の位置を示す前記方向に関する新しい空間データを受け取り、
前記外科用ロボットシステムを使用して前記内視鏡を緩めて前記静止位置に戻すための第４のコマンドを提供することと、
前記複数の方向に関する前記新しい空間データに基づいて、前記複数のプルワイヤのうちの少なくとも１つが１とは異なる新しいゲイン値を有するように、複数の新しいゲイン値を決定することと、
前記複数の新しいゲイン値を記憶することとをさらに含む、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも２つのプルワイヤである前記第１の組は、
ピッチ軸に沿って正方向に前記シース管状部品を移動させる第１のプルワイヤと、
前記ピッチ軸に沿って負方向に前記シース管状部品を移動させる第２のプルワイヤと、
ヨー軸に沿って正方向に前記シース管状部品を移動させる第３のプルワイヤと、
前記ヨー軸に沿って負方向に前記シース管状部品を移動させる第４のプルワイヤとを少なくとも含む、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
少なくとも２つのプルワイヤである前記第２の組は、
前記ピッチ軸に沿って前記正方向に前記リーダ管状部品を移動させる第５のプルワイヤと、
前記ピッチ軸に沿って前記負方向に前記リーダ管状部品を移動させる第６のプルワイヤと、
前記ヨー軸に沿って前記正方向に前記リーダ管状部品を移動させる第７のプルワイヤと、
前記ヨー軸に沿って前記負方向に前記リーダ管状部品を移動させる第８のプルワイヤとを少なくとも含む、
請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記リーダ管状部品および前記シース管状部品は、それぞれ複数のセグメントを含み、各セグメントがヤング率に関連付けられ、
前記複数のゲイン値を決定することは、前記リーダ管状部品および前記シース管状部品のそれぞれの少なくとも１つのセグメントの前記ヤング率を受け取ることをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
シース管状部品に連結された管状部品を含む内視鏡に関連する情報であって、前記シース管状部品に対する前記リーダ管状部品のロール角と、前記シース管状部品によって半径方向に囲まれた前記リーダ管状部品の長さとを示す情報を受け取ることと、
複数の方向のうち各方向について、
外科用ロボットシステムを使用して前記内視鏡の複数のプルワイヤのうちの少なくとも１つを平行移動させることによって、前記内視鏡を静止位置から目標位置まで前記方向に移動させるための第１のコマンドを提供し、
前記第１のコマンドに応答して移動された前記内視鏡の実際の位置を示す空間データを受け取り、
前記外科用ロボットシステムを使用して前記内視鏡を緩めて前記静止位置に戻すための第２のコマンドを提供することと、
前記ロール角と、前記長さと、各方向の前記空間データとに基づいて、各プルワイヤが複数のゲイン値のうちの１つに関連付けられるように、前記複数のゲイン値を決定することと、
前記複数のゲイン値を記憶することとを含む方法。
【請求項１８】
前記シース管状部品に対する前記リーダ管状部品の前記ロール角および前記シース管状部品によって半径方向に囲まれた前記リーダ管状部品の前記長さのうちの少なくとも１つを修正するためのコマンドを提供することと、
前記複数の方向のうち各方向について、
前記外科用ロボットシステムを使用して前記複数のプルワイヤのうちの少なくとも１つを平行移動させることによって、前記内視鏡を前記静止位置から前記目標位置まで前記方向に移動させるための第３のコマンドを提供し、
前記第３のコマンドに応答して移動された前記内視鏡の前記実際の位置を示す前記方向に関する新しい空間データを受け取り、
前記外科用ロボットシステムを使用して前記内視鏡を緩めて前記静止位置に戻すための第４のコマンドを提供することと、
前記複数の方向に関する前記新しい空間データに基づいて、前記複数のプルワイヤのうちの少なくとも１つが１とは異なる新しいゲイン値を有するように、複数の新しいゲイン値を決定することと、
前記複数の新しいゲイン値を記憶することとを含む
請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記シース管状部品は、前記複数のプルワイヤのうちの少なくとも２つのプルワイヤである第１の組を含み、
前記リーダ管状部品は、前記複数のプルワイヤのうちの少なくとも２つのプルワイヤである第２の組を含む、
請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
シース管状部品に連結された管状部品を含む内視鏡の複数のプルワイヤのうちの１つのプルワイヤにそれぞれ関連する複数のデフォルトゲイン値を検索することと、
外科用ロボットシステムを使用して患者の体内に前記内視鏡を挿入することと、
前記シース管状部品に対する前記リーダ管状部品のロール角と、前記シース管状部品によって半径方向に囲まれた前記リーダ管状部品の長さとを示す情報を受け取ることと、
前記外科用ロボットシステムを使用して前記複数のプルワイヤのうちの少なくとも１つを平行移動させることによって、前記内視鏡を移動させるためのコマンドを提供することと、
前記コマンドに応答して移動された前記内視鏡の実際の位置を示す空間データを受け取ることと、
前記複数のプルワイヤのうちの少なくとも１つについて、前記ロール角、前記長さおよび前記空間データに基づいて新しいゲイン値を決定することと、
前記新しいゲイン値を記憶することとを含む方法。
【請求項２１】
前記新しいゲイン値に基づいて第２のコマンドを生成することと、
前記外科用ロボットシステムを使用して前記内視鏡を移動させるための前記第２のコマンドを提供することとをさらに含む、
請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記空間データを受け取ることは、
前記内視鏡に近接して透視撮像システムを配置することと、
前記透視撮像システムによって前記内視鏡の複数の透視画像を撮像することとを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記外科用ロボットシステムは、前記コマンドに応答して、ヨー方向およびピッチ方向の角度に前記内視鏡を曲げる、
請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願の主題は、２０１４年１０月２４日に出願され、「ＳＹＳＴＥＭ  ＦＯＲ  ＲＯＢＯＴＩＣ−ＡＳＳＩＳＴＥＤ  ＥＮＤＯＬＵＭＥＮＡＬ  ＳＵＲＧＥＲＹ  ＡＮＤ  ＲＥＬＡＴＥＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ」と題された米国特許出願第１４／５２３，７６０号に関連し、その全開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
この説明は、一般に、外科用ロボットに関し、特に、プルワイヤを用いて内視鏡を較正するための自動化プロセスに関する。
【背景技術】
【０００３】
ロボット技術は様々な用途を有する。特に、ロボットアームは、人間が通常実行するであろう作業を完了するのを支援する。例えば、工場では、ロボットアームを使用して自動車および家電製品を製造する。さらに、科学施設では、ロボットアームを使用してマイクロプレートの搬送などの実験手順を自動化する。近年、外科的処置を実施するのを補助するために、医師がロボットアームを使用し始めている。例えば、医師は、ロボットアームを使用して内視鏡などの外科用器具を制御する。
【０００４】
可動先端部を有する内視鏡は、低侵襲的方法で外科的処置を実施するのを支援する。肺または血管などの患者の遠隔部位に可動先端部を向けることができる。先端部の実際の位置が目標位置からずれていると、先端部の位置を修正するための追加の操作をすることになる場合がある。手動較正のための既存の技術は、先端部の動きを正確に具現化しない内視鏡先端部のわずかなたわみに左右されることがある。
【発明の概要】
【０００５】
外科用ロボットシステムは、内視鏡などの管状の柔軟な外科用器具を自動的に較正する。外科用ロボットシステムは、内視鏡の非理想的な動きを補償することによって、内視鏡の動きを正確に具現化し、患者に対して外科的処置を実施しながら内視鏡を操作することができる。較正中、外科用ロボットシステムは、内視鏡を目標位置に移動させ、内視鏡の実際の位置を表す較正データを受け取る。外科用ロボットシステムは、空間センサによってとらえた較正データに基づいて、コマンドに応答して内視鏡が移動する実際の位置および／または向きを特定する。空間センサの例には、加速度計、ジャイロスコープ、電磁センサ、光ファイバ、カメラおよび透視撮像システムが挙げられる。外科用ロボットシステムは、目標位置と実際の位置との間の不一致に少なくとも基づいて、ゲイン値を決定する。外科用ロボットシステムは、外科的処置の前または最中に較正を実行することができる。
【０００６】
いくつかの実施形態では、内視鏡は、シースおよびリーダと呼ばれる管状部品を含む。ゲイン値はまた、シースから延びるリーダの長さ、またはシースに対するリーダの相対ロール角に基づいてもよい。外科用ロボットシステムは、器具装置マニピュレータ（ＩＤＭ）を使用してシースおよびリーダを動かす。例えば、ＩＤＭは、シースまたはリーダに連結されたプルワイヤを平行移動させ、それによって内視鏡を異なる軸、例えばピッチ、ヨーおよびロール軸に沿って移動させる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一実施形態による外科用ロボットシステムを示す。
【図２】一実施形態による外科用ロボットシステム用のコマンドコンソールを示す。
【図３Ａ】一実施形態による内視鏡の複数の動作段階（ｄｅｇｒｅｅｓ  ｏｆ  ｍｏｔｉｏｎ）を示す。
【図３Ｂ】一実施形態による、シースおよびリーダ構成要素を含む内視鏡の上面図である。
【図３Ｃ】一実施形態による内視鏡のシースの断面側面図である。
【図３Ｄ】一実施形態による内視鏡のシースの螺旋部の等角図である。
【図３Ｅ】一実施形態による内視鏡のシースの螺旋部の別の等角図である。
【図３Ｆ】一実施形態による、螺旋部を有する内視鏡のシースの側面図である。
【図３Ｇ】一実施形態による、図３Ｆに示す内視鏡のシースの別の図である。
【図３Ｈ】一実施形態による内視鏡のリーダの断面側面図である。
【図３Ｉ】一実施形態による、図３Ｈに示す内視鏡のリーダの遠位先端部の断面等角図である。
【図４Ａ】一実施形態による外科用ロボットシステムの器具装置マニピュレータの等角図である。
【図４Ｂ】一実施形態による、図４Ａに示す器具装置マニピュレータの分解等角図である。
【図４Ｃ】一実施形態による、図４Ａに示す器具装置マニピュレータの独立駆動機構の等角図である。
【図４Ｄ】一実施形態による、図４Ｃに示す独立駆動機構の歪みゲージによって力がどのように測定され得るかを示す概念図を示す。
【図５Ａ】一実施形態による内視鏡内部のプルワイヤを示す。
【図５Ｂ】一実施形態による、静止位置にある内視鏡の背面図を示す。
【図５Ｃ】一実施形態による、図５Ｂに示す内視鏡の上面図を示す。
【図５Ｄ】一実施形態による、図５Ｂに示す内視鏡の側面図を示す。
【図５Ｅ】一実施形態による、屈曲位置にある図５Ｂに示す内視鏡の背面図を示す。
【図５Ｆ】一実施形態による、図５Ｅに示す内視鏡の上面図を示す。
【図５Ｇ】一実施形態による、図５Ｅに示す内視鏡の側面図を示す。
【図５Ｈ】一実施形態による、非理想的なさらなるずれ（ｏｆｆｓｅｔ）を示す屈曲位置にある、図５Ｂに示す内視鏡の背面図を示す。
【図５Ｉ】一実施形態による、図５Ｈに示す内視鏡の上面図を示す。
【図５Ｊ】一実施形態による、静止位置にある図５Ｂに示す内視鏡の背面図を示す。
【図５Ｋ】一実施形態による、図５Ｊに示す内視鏡の側面図を示す。
【図５Ｌ】一実施形態による、非理想的なロール方向のさらなるずれを示す屈曲位置にある、図５Ｊに示す内視鏡の背面図を示す。
【図５Ｍ】一実施形態による、図５Ｌに示す内視鏡の側面図を示す。
【図６Ａ】一実施形態による電磁追跡システムの図である。
【図６Ｂ】一実施形態による、内視鏡に近接したカメラの図である。
【図６Ｃ】一実施形態による、基準マーカを含む内視鏡に近接した動作追跡カメラの図である。
【図６Ｄ】一実施形態による、形状感知光ファイバを有する内視鏡の図である。
【図６Ｅ】一実施形態による、内視鏡に近接した透視撮像システムの図である。
【図７Ａ】一実施形態による、内視鏡のシースの外側に延びた内視鏡のリーダの長さを示す。
【図７Ｂ】一実施形態による、内視鏡のシースに対する内視鏡のリーダの相対ロール角を示す。
【図８Ａ】一実施形態による、内視鏡の自動較正のためのプロセスのフローチャートである。
【図８Ｂ】一実施形態による、延出長および相対ロール角に基づく内視鏡の自動較正のためのプロセスのフローチャートである。
【図９】一実施形態による、内視鏡の術中自動較正のためのプロセスのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図面は、例示のみを目的として本発明の実施形態を示す。当業者は、本明細書に記載の本発明の原理から逸脱することなく、本明細書に例示した構造および方法の代替的な実施形態を使用できることを以下の説明から容易に理解するであろう。
【０００９】
本明細書に開示されている方法および装置は、２０１４年１０月２４日に出願され、米国特許出願公開第２０１５／０１１９６３７号明細書として公開され、「ＳＹＳＴＥＭ  ＦＯＲ  ＲＯＢＯＴＩＣ−ＡＳＳＩＳＴＥＤ  ＥＮＤＯＬＵＭＥＮＡＬ  ＳＵＲＧＥＲＹ
ＡＮＤ  ＲＥＬＡＴＥＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ」と題された米国特許出願第１４／５２３，７６０号明細書（その全開示内容は、参照により先に組み込まれている）に記載されているような１つ以上の内視鏡構成要素または工程とともに使用するのに非常に適している。前述の出願は、本明細書に開示された実施形態による組合せに適したシステム構成要素、管腔内システム、仮想レール構成、機構チェンジャーインターフェース、器具装置マニピュレータ（ＩＤＭ）、内視鏡用器具設計、制御コンソール、内視鏡、器具装置マニピュレータ、管腔内ナビゲーションおよび管腔内手順を記載している。
【００１０】
Ｉ．外科用ロボットシステム
図１は、一実施形態による外科用ロボットシステム１００を示す。外科用ロボットシステム１００は、１つ以上のロボットアーム、例えばロボットアーム１０２に連結された基部１０１を含む。基部１０１はコマンドコンソールに通信可能に連結されており、これについては第ＩＩ節「コマンドコンソール」の図２を参照してさらに説明される。基部１０１は、ロボットアーム１０２が患者に対して外科的処置を実行するためのアクセスを有するように配置することができ、医師などのユーザがコマンドコンソールで快適に外科用ロボットシステム１００を制御することができる。いくつかの実施形態では、基部１０１は、患者を支持するための外科手術台またはベッドに連結されてもよい。明確にするために図１には示されていないが、基部１０１は、制御電子回路、空気圧、電源、光源などのサブシステムを含んでもよい。ロボットアーム１０２は、関節１１１で連結された複数のアームセグメント１１０を含み、これにより、ロボットアーム１０２に多自由度、例えば、７つのアームセグメントに対応する７つの自由度を提供する。基部１０１は、電源１１２と、空気圧１１３と、中央処理装置、データバス、制御回路およびメモリなどの構成要素を含む制御およびセンサ電子回路１１４と、ロボットアーム１０２を動かすためのモータなどの関連アクチュエータとを収容してもよい。基部１０１内の電子回路１１４はまた、コマンドコンソールから通信された制御信号を処理し送信してもよい。
【００１１】
いくつかの実施形態では、基部１０１は、外科用ロボットシステム１００を搬送するための車輪１１５を含む。外科用ロボットシステム１００の可動性は、外科手術室内の空間的制約に適応するのを支援するとともに、外科用機器の適切な位置決めおよび移動を容易にする。さらに、この可動性は、ロボットアーム１０２が患者、医師、麻酔科医または他の機器と干渉しないように、ロボットアーム１０２を構成することを可能にする。処置中、ユーザはコマンドコンソールなどの制御装置を使用してロボットアーム１０２を制御してもよい。
【００１２】
いくつかの実施形態では、ロボットアーム１０２は、ブレーキとカウンターバランスとの組合せを使用してロボットアーム１０２の位置を維持するセットアップ関節を含む。カウンターバランスは、ガススプリングまたはコイルスプリングを含んでもよい。ブレーキ、例えばフェールセーフブレーキは、機械的および／または電気的構成要素を含んでもよい。さらに、ロボットアーム１０２は、重力支援受動支持型ロボットアームであってよい。
【００１３】
各ロボットアーム１０２は、機構チェンジャーインターフェース（ＭＣＩ）１１６を使用して器具装置マニピュレータ（ＩＤＭ）１１７に連結されてもよい。ＩＤＭ１１７は、取り外され、異なる種類のＩＤＭと交換され得る。例えば、第１の種類のＩＤＭは内視鏡を操作し、第２の種類のＩＤＭは腹腔鏡を操作する。ＭＣＩ１１６は、空気圧、電力、電気信号および光信号をロボットアーム１０２からＩＤＭ１１７に伝達するためのコネクタを含む。ＭＣＩ１１６は、止めねじまたは基板コネクタとすることができる。ＩＤＭ１１７は、直接駆動、ハーモニック駆動、ギヤ駆動、ベルトおよびプーリ、磁気駆動などを含む技術を使用して、内視鏡１１８などの外科用器具を操作する。ＭＣＩ１１６は、ＩＤＭ１１７の種類に基づいて交換可能であり、特定の種類の外科的処置用にカスタマイズすることができる。ロボットアーム１０２は、ＫＵＫＡ  ＡＧ（登録商標）ＬＢＲ５ロボットアームのように、関節レベルのトルク感知、および手首を遠位端に含むことができる。
【００１４】
内視鏡１１８は、患者の解剖学的構造内に挿入されて解剖学的構造（例えば体組織）の画像を撮像する管状の柔軟な外科用器具である。具体的には、内視鏡１１８は、画像を撮像する１つ以上の撮像装置（例えば、カメラまたはセンサ）を含む。撮像装置は、光ファイバ、ファイバアレイまたはレンズなどの１つ以上の光学部品を含んでもよい。光学部品は、内視鏡１１８の先端部の動きが撮像装置によって撮像された画像に変化をもたらすように、内視鏡１１８の先端部とともに動く。内視鏡１１８は、第ＩＩＩ節「内視鏡」の図３Ａ〜Ｉを参照してさらに説明される。
【００１５】
外科用ロボットシステム１００のロボットアーム１０２は、細長い移動部材を使用して内視鏡１１８を操作する。細長い移動部材は、プルもしくはプッシュワイヤとも呼ばれるプルワイヤ、ケーブル、ファイバまたは可撓性シャフトを含んでもよい。例えば、ロボットアーム１０２は、内視鏡１１８に連結された複数のプルワイヤを作動させて内視鏡１１８の先端部を曲げる。プルワイヤは、ステンレス鋼、ケブラー、タングステン、炭素繊維などの金属材料および非金属材料の両方を含んでもよい。内視鏡１１８は、細長い移動部材によって加えられる力に応答して非理想的な動きを示す可能性がある。非理想的な動きは、内視鏡１１８の剛性および圧縮性の不完全性または変動、ならびに様々な細長い移動部材間の弛みまたは剛性のばらつきによるものであり得る。
【００１６】
外科用ロボットシステム１００は、コンピュータシステム１２０、例えば、コンピュータプロセッサを含む。コンピュータシステム１２０は、較正モジュール１３０、較正記憶装置１４０、コマンドモジュール１５０およびデータ処理モジュール１６０を含む。データ処理モジュール１６０は、外科用ロボットシステム１００によって収集された較正データを処理することができる。較正モジュール１３０は、較正データに基づくゲイン値を用いて内視鏡１１８の非理想的な動きを特徴付けることができる。コンピュータシステム１２０およびそのモジュールは、第ＶＩＩ節「較正プロセスフロー」でさらに説明される。外科用ロボットシステム１００は、ゲイン値の正確な値を決定することによって、内視鏡１１８をさらに正確に制御することができる。いくつかの実施形態では、コンピュータシステム１２０の一部または全部の機能は、外科用ロボットシステム１００の外部で、例えば、外科用ロボットシステム１００に通信可能に連結された別のコンピュータシステムまたはサーバ上で実行される。
【００１７】
ＩＩ．コマンドコンソール
図２は、一実施形態による外科用ロボットシステム１００用のコマンドコンソール２００を示す。コマンドコンソール２００は、コンソール基部２０１、ディスプレイモジュール２０２、例えばモニタ、ならびに制御モジュール、例えばキーボード２０３およびジョイスティック２０４を含む。いくつかの実施形態では、コマンドモジュール２００の機能のうちの１つ以上は、外科用ロボットシステム１００の基部１０１、または外科用ロボッ
トシステム１００に通信可能に連結された別のシステムに統合されてもよい。ユーザ２０５、例えば医師は、コマンドコンソール２００を使用して人間工学的な位置から外科用ロボットシステム１００を遠隔制御する。
【００１８】
コンソール基部２０１は、例えば、図１に示す内視鏡１１８からのカメラ画像および追跡センサデータなどの信号を解釈および処理する役割を果たす中央処理装置、メモリ装置、データバスおよび関連データ通信ポートを含んでもよい。いくつかの実施形態では、コンソール基部２０１および基部１０１の両方が、負荷の最適配分のための信号処理を実行する。コンソール基部２０１はまた、制御モジュール２０３および２０４を介してユーザ２０５によって提供されたコマンドおよび命令を処理してもよい。制御モジュールは、図２に示すキーボード２０３およびジョイスティック２０４に加えて、他の装置、例えば、手のジェスチャおよび指のジェスチャをとらえるコンピュータマウス、トラックパッド、トラックボール、制御パッド、ビデオゲームコントローラおよびセンサ（例えば、モーションセンサまたはカメラ）を含んでもよい。
【００１９】
ユーザ２０５は、速度モードまたは位置制御モードでコマンドコンソール２００を使用して、内視鏡１１８などの外科用器具を制御することができる。速度モードでは、ユーザ２０５は、制御モジュールを用いた直接手動制御に基づいて、内視鏡１１８の遠位端のピッチおよびヨー運動を直接制御する。例えば、ジョイスティック２０４上の動きが、内視鏡１１８の遠位端でのヨーおよびピッチ運動にマッピングされてもよい。ジョイスティック２０４は、ユーザ２０５に触覚フィードバックを提供することができる。例えば、ジョイスティック２０４は振動して、内視鏡１１８が特定の方向にそれ以上平行移動または回転できないことを示す。コマンドコンソール２００はまた、視覚フィードバック（例えばポップアップメッセージ）および／または音声フィードバック（例えばビープ音）を提供して、内視鏡１１８が最大の平行移動または回転に到達したことを示すことができる。
【００２０】
位置制御モードでは、コマンドコンソール２００は、患者の三次元（３Ｄ）マップおよび患者の所定のコンピュータモデルを使用して、外科用器具、例えば内視鏡１１８を制御する。コマンドコンソール２００は、外科用ロボットシステム１００のロボットアーム１０２に制御信号を送って、内視鏡１１８を目標位置まで操作する。３Ｄマップに依存しているため、位置制御モードでは患者の解剖学的構造の正確なマッピングが必要になる。
【００２１】
いくつかの実施形態では、ユーザ２０５は、コマンドコンソール２００を使用せずに、外科用ロボットシステム１００のロボットアーム１０２を手動で操作することができる。外科手術室での設定中に、ユーザ２０５は、ロボットアーム１０２、内視鏡１１８および他の外科用機器を動かして、患者にアクセスしてもよい。外科用ロボットシステム１００は、ユーザ２０５からの力フィードバックおよび慣性制御を利用して、ロボットアーム１０２および機器の適切な構成を決定してもよい。
【００２２】
ディスプレイモジュール２０２は、電子モニタ、ゴーグルまたは眼鏡などの仮想現実視認装置、および／または他の表示装置手段を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ディスプレイモジュール２０２は、例えば、タッチスクリーンを有するタブレット装置として、制御モジュールと一体化される。さらに、ユーザ２０５は、一体型ディスプレイモジュール２０２および制御モジュールを使用して、データを見ることも外科用ロボットシステム１００にコマンドを入力することもできる。
【００２３】
ディスプレイモジュール２０２は、立体視装置、例えばバイザーまたはゴーグルを使用して３Ｄ画像を表示することができる。３Ｄ画像は、患者の解剖学的構造を示すコンピュータ３Ｄモデルである「エンドビュー（ｅｎｄｏ  ｖｉｅｗ）」（すなわち、内視鏡ビュー）を提供する。「エンドビュー」は、患者の体内の仮想環境および患者の体内の内視鏡
１１８の予測位置を提供する。ユーザ２０５は、「エンドビュー」モデルとカメラによって撮像された実際の画像とを比較して、内視鏡１１８が患者の体内で正しい（またはほぼ正しい）位置にあることを頭の中で判断し確認するのを補助する。「エンドビュー」は、内視鏡１１８の遠位端の周りの解剖学的構造、例えば、患者の腸または大腸の形状に関する情報を提供する。ディスプレイモジュール２０２は、内視鏡１１８の遠位端の周りの解剖学的構造の３Ｄモデルおよびコンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャンを同時に表示することができる。さらに、ディスプレイモジュール２０２は、３ＤモデルおよびＣＴスキャン上に内視鏡１１８の所定の最適な操作経路を重ね合わせてもよい。
【００２４】
いくつかの実施形態では、外科的処置の状態を示すのを支援するために、内視鏡１１８のモデルが３Ｄモデルとともに表示される。例えば、ＣＴスキャンは、生検が必要となり得る解剖学的構造内の病変を特定する。動作中、ディスプレイモジュール２０２は、内視鏡１１８の現在位置に対応する、内視鏡１１８によって撮像された基準画像を示してもよい。ディスプレイモジュール２０２は、ユーザ設定および特定の外科的処置に応じて、内視鏡１１８のモデルの様々な像を自動的に表示してもよい。例えば、ディスプレイモジュール２０２は、内視鏡１１８が患者の手術領域に近づく操作ステップの間、内視鏡１１８の俯瞰透視像を示す。
【００２５】
ＩＩＩ．内視鏡
図３Ａは、一実施形態による内視鏡１１８の複数の動作段階を示す。内視鏡１１８は、図１に示す内視鏡１１８の一実施形態である。図３Ａに示すように、内視鏡１１８の先端部３０１は、長手方向軸３０６（ロール軸３０６とも呼ばれる）に対する曲がり角度がゼロになる向きに向けられている。外科用ロボットシステム１００は、先端部３０１の様々な向きで画像を撮像するために、正のヨー軸３０２、負のヨー軸３０３、正のピッチ軸３０４、負のピッチ軸３０５またはロール軸３０６上に先端部３０１を曲げる。内視鏡１１８の先端部３０１または本体３１０は、長手方向軸３０６、ｘ軸３０８またはｙ軸３０９においてで延ばすか、平行移動させてもよい。
【００２６】
図３Ｂは、一実施形態による、シースおよびリーダ構成要素を含む内視鏡１１８の上面図である。内視鏡１１８は、内側に入れ子にされたか部分的に入れ子にされ、かつシース３１１管状部品と長手方向に整列したリーダ３１５管状部品を含む。シース３１１は、近位シース部３１２および遠位シース部３１３を含む。リーダ３１５は、シース３１１よりも小さい外径を有し、近位リーダ部３１６および遠位リーダ部３１７を含む。シース基部３１４およびリーダ基部３１８は、例えば、外科用ロボットシステム１００のユーザからの制御信号に基づいて、それぞれ遠位シース部３１３および遠位リーダ部３１７を作動させる。シース基部３１４およびリーダ基部３１８は、例えば、図１に示すＩＤＭ１１７の一部である。湾曲部とも呼ばれることがある遠位リーダ部３１７の構造、構成、機能および使用法は、２０１４年３月７日に出願された米国特許出願第１４／２０１，６１０号明細書および２０１４年９月５日に出願された米国特許出願第１４／４７９，０９５号明細書に開示されており、それらの全内容は参照により組み込まれる。
【００２７】
シース基部３１４およびリーダ基部３１８の両方は、シース３１１およびリーダ３１５に連結されたプルワイヤを制御するための駆動機構（例えば、第ＩＩＩ．Ｄ節「器具装置マニピュレータ」の図４Ａ〜Ｄを参照してさらに説明される独立駆動機構）を含む。例えば、シース基部３１４は、シース３１１に連結されたプルワイヤに引張荷重を発生させて遠位シース部３１３を曲げる。同様に、リーダ基部３１８は、リーダ３１５に連結されたプルワイヤに引張荷重を発生させて遠位リーダ部３１７を曲げる。また、シース基部３１４およびリーダ基部３１８の両方は、ＩＤＭからそれぞれシース３１１およびリーダ３１４に、空気圧、電力、電気信号または光信号をルーティングするためのカップリングを含んでもよい。プルワイヤは、シース３１１またはリーダ３１５内のプルワイヤの長さに沿
って鋼製コイルパイプを含んでもよく、これにより、軸方向の圧縮を荷重の起点、例えば、それぞれシース基部３１４またはリーダ基部３１８に戻す。
【００２８】
内視鏡１１８は、シース３１１およびリーダ３１５に連結されたプルワイヤによって提供される多自由度のために、患者の解剖学的構造を容易に操作することができる。例えば、シース３１１および／またはリーダ３１５のいずれかに４つ以上のプルワイヤを使用して、８つ以上の自由度をもたらしてもよい。他の実施形態では、最大３つのプルワイヤを使用して、最大６つの自由度をもたらしてもよい。長手方向軸３０６に沿ってシース３１１およびリーダ３１５を３６０度まで回転させて、さらに多くの動作段階をもたらしてもよい。回転角度と多自由度とを組み合わせることによって、外科用ロボットシステム１００のユーザに、内視鏡１１８の使い勝手が良く直感的な制御を提供する。
【００２９】
ＩＩＩ．Ａ．内視鏡シース
図３Ｃは、一実施形態による内視鏡１１８のシース３１１の断面側面図である。シース３１１は、図３Ｂに示すリーダ３１５などの管状部品を収容する大きさのルーメン３２３を含む。シース３１１は、壁３２４の長さの内側で導管３２７および３２８を通って延びるプルワイヤ３２５および３２６を有する壁３２４を含む。導管は、螺旋部３３０と遠位非螺旋部３２９とを含む。プルワイヤ３２５を適切に引っ張り、螺旋部３３０の屈曲を最小限に抑えながら、遠位端３２０を正のｙ軸方向に圧縮してもよい。同様に、プルワイヤ３２６を適切に引っ張り、遠位端３２０を負のｙ軸方向に圧縮してもよい。いくつかの実施形態では、ルーメン３２３はシース３１１と同心ではない。
【００３０】
プルワイヤ３２５および３２６は、必ずしもシース３１１の長さにわたって真っ直ぐに延びる必要はない。むしろ、プルワイヤ３２５および３２６は、螺旋部３３０に沿ってシース３１１の周りを螺旋状に延び、遠位非螺旋部３２９、およびシース３１１の他の任意の非螺旋部に沿って長手方向に真っ直ぐに（すなわち、長手方向軸３０６にほぼ平行に）延びる。螺旋部３３０は、シース３１１の長さに沿ったいずれかで始まり終端してもよい。さらに、螺旋部３３０の長さおよびピッチは、シース３１１の所望の特性、例えば、シース３１１の柔軟性と、螺旋部３３０での摩擦とに基づいて決定されてもよい。
【００３１】
図３Ｃではプルワイヤ３２５および３２６は互いに対して１８０度の位置に配置されているが、シース３１１のプルワイヤは異なる角度に配置されてもよいことに留意されたい。例えば、シースの３つのプルワイヤは、それぞれ互いに対して１２０度の位置に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、プルワイヤは互いに対して等間隔に配置されておらず、すなわち角度のずれ（ａｎｇｌｅ  ｏｆｆｓｅｔ）は一定とならない。
【００３２】
ＩＩＩ．Ｂ．螺旋部
図３Ｄは、一実施形態による内視鏡１１８のシース３１１の螺旋部３３０の等角図である。図３Ｄは、遠位非螺旋部３２９と螺旋部３３０とを区別するために、１つのプルワイヤ３２５のみを示している。いくつかの実施形態では、螺旋部３３０は可変ピッチを有する。
【００３３】
図３Ｅは、一実施形態による内視鏡１１８のシース３１１の螺旋部３３０の別の等角図である。図３Ｅは、遠位非螺旋部３２９および可変ピッチ螺旋部３３０に沿って延びる４つのプルワイヤ３２５、３２６、３５１および３５２を示す。
【００３４】
内視鏡１１８のシース３１１およびリーダ３１５内の螺旋部３３０は、外科用ロボットシステム１００および／またはユーザが、腸または大腸などの患者の解剖学的構造内の非線形経路を通って内視鏡１１８を操作するのを支援する。非線形経路で操作する場合、（シース３１１およびリーダ３１５の両方に）制御可能な遠位部分を依然として有しながら
、内視鏡１１８が柔軟性を維持することは有用である。さらに、内視鏡１１８に沿った望ましくない屈曲の量を減らすことは有利である。以前の内視鏡設計では、遠位部分を操作するためにプルワイヤを引っ張ると、内視鏡の長さに沿って、それぞれマッスリング（ｍｕｓｃｌｉｎｇ）および曲線アライメント（ｃｕｒｖｅ  ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）と呼ばれ得る望ましくない屈曲およびトルク付与が発生していた。
【００３５】
図３Ｆは、一実施形態による、螺旋部３３０を有する内視鏡１１８のシース３１１の側面図である。図３Ｆ〜図Ｇは、螺旋部３３０がどのようにマッスリングおよび曲線アライメントを実質的に軽減するのを支援するかを示す。プルワイヤ３２５は、螺旋部３３０の長さの周りに螺旋状に延びているため、長手方向軸３０６の周りの複数の方向に圧縮荷重３３５を半径方向かつ対称に分散させる。さらに、内視鏡１１８に加えられる曲げモーメントもまた、長手方向軸３０６の周りに対称に分散され、これにより、対向する圧縮力と引張力とを釣り合わせ、相殺する。曲げモーメントの分散は、最小限の正味の曲げ力および回転力のみを生じさせ、内視鏡１１８の低い潜在的エネルギー状態を作り出し、ひいてはマッスリングおよび曲線アライメントを排除または実質的に軽減する。
【００３６】
螺旋部３３０のピッチは、螺旋部３３０の摩擦および剛性に影響を及ぼすことができる。例えば、螺旋部３３０は、さらに長い遠位非螺旋部３２９を実現するためにさらに短くてもよく、その結果、螺旋部３３０の摩擦および／または剛性が低下する。
【００３７】
図３Ｇは、一実施形態による、図３Ｆに示す内視鏡１１８のシース３１１の別の図である。図３Ｇに示す遠位非螺旋部３２９は、図３Ｆに示す遠位非螺旋部３２９よりも大きな角度で曲がっている。
【００３８】
ＩＩＩ．Ｃ．内視鏡リーダ
図３Ｈは、一実施形態による内視鏡１１８のリーダ３１５の断面側面図である。リーダ３１５は、壁３４８の長さに沿ってそれぞれ導管３４１および３４２を通って延びる少なくとも１つの作業チャネル３４３ならびにプルワイヤ３４４および３４５を含む。プルワイヤ３４４および３４５ならびに導管３４１および３４２は、それぞれ図３Ｃのプルワイヤ３２５および３２６ならびに導管３２７および３２８と実質的に同じである。例えば、プルワイヤ３４４および３４５は、前述のシース３１１と同様に、リーダ３１５のマッスリングおよび曲線アライメントを軽減するのを支援する螺旋部を有してもよい。
【００３９】
図３Ｉは、一実施形態による、図３Ｈに示す内視鏡１１８のリーダ３１５の遠位先端部の断面等角図である。リーダ３１５は、撮像装置３４９（例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）または相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）カメラ、撮像ファイバ束など）、光源３５０（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、光ファイバなど）、少なくとも２つのプルワイヤ３４４および３４５、ならびに他の構成要素用の少なくとも１つの作業チャネル３４３を含む。例えば、他の構成要素には、カメラワイヤ、送気装置、吸引装置、電線、光ファイバ、超音波トランスデューサ、電磁（ＥＭ）感知構成要素および光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）感知構成要素が挙げられる。いくつかの実施形態では、リーダ３１５は、作業チャネル３４３に構成要素を挿入するためのポケット穴を含む。図３Ｉに示すように、プルワイヤ３４４および３４５は、撮像装置３４９または作業チャネル３４３と同心ではない。
【００４０】
ＩＩＩ．Ｄ．器具装置マニピュレータ
図４Ａは、一実施形態による外科用ロボットシステム１００の器具装置マニピュレータ１１７の等角図である。ロボットアーム１０２は、関節式インターフェース４０１を介してＩＤＭ１１７に連結される。ＩＤＭ１１７は内視鏡１１８に連結される。関節式インターフェース４０１は、ロボットアーム１０２およびＩＤＭ１１７との間で空気圧、電力信
号、制御信号およびフィードバック信号を伝達してもよい。ＩＤＭ１１７は、ギヤヘッド、モータ、ロータリーエンコーダ、電源回路および制御回路を含んでもよい。ＩＤＭ１１７から制御信号を受信するための器具基部４０３が、内視鏡１１８の近位端に連結される。ＩＤＭ１１７は、制御信号に基づいて出力軸を作動させることによって内視鏡１１８を操作する。出力シャフトについては、図４Ｂを参照して以下でさらに説明される。
【００４１】
図４Ｂは、一実施形態による、図４Ａに示す器具装置マニピュレータの分解等角図である。図４Ｂでは、内視鏡１１８は、出力シャフト４０５、４０６、４０７および４０８を見せるためにＩＤＭ１１７から取り外されている。
【００４２】
図４Ｃは、一実施形態による、図４Ａに示す器具装置マニピュレータ１１７の独立駆動機構の等角図である。独立駆動機構は、ＩＤＭ１１７の出力シャフト４０５、４０６、４０７および４０８をそれぞれ回転させることによって、内視鏡のプルワイヤ４２１、４２２、４２３および４２４を（例えば、互いに独立して）締め付けるか緩めることができる。出力シャフト４０５、４０６、４０７および４０８が、角運動を介してそれぞれプルワイヤ４２１、４２２、４２３および４２４に力を伝達するのとまったく同じように、プルワイヤ４２１、４２２、４２３および４２４は出力シャフトに力を伝達する。ＩＤＭ１１７および／または外科用ロボットシステム１００は、センサ、例えば、以下でさらに説明される歪みゲージを使用して、伝達された力を測定することができる。
【００４３】
図４Ｄは、一実施形態による、図４Ｃに示す独立駆動機構の歪みゲージ４３４によって力がどのように測定され得るかを示す概念図を示す。力４３１は、モータ４３７のモータマウント４３３に連結された出力シャフト４０５から離れる方向に向けられてもよい。したがって、力４３１は、モータマウント４３３の水平方向の変位をもたらす。さらに、モータマウント４３３に水平に連結された歪みゲージ４３４は、力４３１の方向に歪みを受ける。歪みは、歪みゲージ４３４の先端部４３５の水平方向の変位と歪みゲージ４３４の水平方向の全幅４３６との比として測定されてもよい。
【００４４】
いくつかの実施形態では、ＩＤＭ１１７は、ＩＤＭ１１７の向きを特定するために、追加のセンサ、例えば、傾斜計または加速度計を含む。外科用ロボットシステム１００は、追加のセンサおよび／または歪みゲージ４３４からの測定値に基づいて、歪みゲージ４３４からの読取値を較正して重力荷重効果を把握することができる。例えば、ＩＤＭ１１７がＩＤＭ１１７の水平側に配向されている場合、ＩＤＭ１１７の特定の構成要素の重量によってモータマウント４３３に歪みが生じる可能性がある。したがって、歪みゲージ４３４は、重力荷重効果を把握せずに、出力シャフト上の歪みから生じなかった歪みを測定し得る。
【００４５】
ＩＶ．非理想的な内視鏡の運動
図５Ａは、一実施形態による内視鏡１１８内部のプルワイヤを示す。内視鏡１１８は、内視鏡の構成に応じて異なる数のプルワイヤを含んでもよいが、例として、以下の説明では、内視鏡１１８が、それぞれヨー５１０軸およびピッチ５２０軸に沿った移動方向に対応する４つのプルワイヤ４２１、４２２、４２３および４２３を含む構成を想定する。具体的には、プルワイヤ４２１、４２２、４２３および４２３を引っ張ることによって、内視鏡１１８をそれぞれ正のピッチ方向、正のヨー方向、負のピッチ方向および負のヨー方向に移動させる。図５Ａに示すプルワイヤはそれぞれヨー５１０またはピッチ５２０方向に整列しているが、他の実施形態では、プルワイヤは必ずしもこれらの軸に沿って整列していなくてもよく、上記の軸は説明の便宜上任意に選択される。例えば、プルワイヤは、内視鏡１１８内の点５４０と整列（例えば交差）してもよい。したがって、プルワイヤを平行移動させると、内視鏡１１８がヨー５１０およびピッチ５２０の両方向に移動することになる。全体を通して説明される例示的な実施形態では、内視鏡１１８が静止位置にあ
る場合、プルワイヤはロール５３０軸とほぼ平行である。
【００４６】
内視鏡１１８は、内視鏡１１８の遠位先端部に向かって連結された１つ以上の空間センサ５５０を含んでもよい。空間センサ５５０は、例えば、電磁（ＥＭ）センサ、加速度計、ジャイロスコープ、基準マーカおよび／または他の種類のセンサとすることができる。一実施形態では、空間センサ５５０は、内視鏡１１８の内部に埋め込まれ、かつ内視鏡１１８の長さに沿って延びる形状感知光ファイバである。空間センサ５５０は、例えば、リアルタイムで内視鏡１１８の位置および／または向きを示す空間データを提供してもよい。空間データはまた、内視鏡１１８の較正を支援するための較正データとして使用されてもよい。
【００４７】
理想的な内視鏡では、内視鏡のプルワイヤを平行移動させることによって、内視鏡の先端部を正のピッチ方向に９０度屈曲させるなど、内視鏡を目標位置または向きに正確に移動させる。しかし、実際には、内視鏡の不完全性のために、目標運動は必ずしも内視鏡の実際の運動と一致するわけではなく、内視鏡は非線形の動きを示すことがある。不完全性は様々な理由のために生じる可能性があり、その例には、製造上の欠陥（例えば、プルワイヤが運動軸と適切に整列していない）、プルワイヤの相違（例えば、他のプルワイヤよりも硬いか、他のプルワイヤと長さが異なる）または内視鏡材料の相違（例えば、ピッチ方向がヨー方向よりも容易に屈曲する）の結果が挙げられ得る。
【００４８】
ＩＶ．Ａ．ピッチ方向の非理想的なずれ
図５Ｂ〜図５Ｄは、静止位置にある内視鏡１１８の３つの図を示す。図５Ｅ〜図Ｇは、正のピッチ５２０方向に９０度の目標曲がり角度まで関節運動するためのコマンドに応答して、内視鏡１１８が屈曲位置に移動した後の同じく３つの図を示す。図５Ｅ〜図Ｇに示すように、内視鏡１１８の実際の曲がり角度は、正のピッチ５２０方向の非理想的なずれを示す。
【００４９】
図５Ｂは、一実施形態による、静止位置にある内視鏡１１８の背面図を示す。背面図では、観察者は内視鏡の近位端から見下ろしており、反対側の遠位端は患者の体内に挿入されている。内視鏡１１８の断面は、ヨー５１０軸およびピッチ５２０軸の起点に整列している。内視鏡１１８はロール５３０軸に平行であり、空間センサ５５０は内視鏡１１８の先端部に向かって連結されている。図５Ｃは、一実施形態による、図５Ｂに示す内視鏡１１８の上面図を示す。例示的な例として、外科的処置用の台の上に患者が水平に平らに横になっている。内視鏡１１８は患者の身体と平行になるように配置され、外科用ロボットシステム１００は、平行構成を維持しながら、内視鏡１１８を体内に挿入する。上面図では、観察者は患者の身体の上から見下ろしている。図５Ｄは、一実施形態による、図５Ｂに示す内視鏡１１８の側面図を示す。
【００５０】
図５Ｅは、一実施形態による、屈曲位置にある図５Ｂに示す内視鏡１１８の背面図を示す。図５Ｆは、一実施形態による、図５Ｅに示す内視鏡１１８の上面図を示す。図５Ｇは、一実施形態による、図５Ｅに示す内視鏡１１８の側面図を示す。内視鏡１１８の点線の輪郭は、コマンドに応答して内視鏡１１８が移動すべきであった目標屈曲位置を示し、例えば、内視鏡１１８の先端部がピッチ５２０軸と平行になるように正のピッチ方向に９０度曲がると想定される。しかし、実際の曲がり角度は９０度には及ばず、したがって、正のピッチ５２０方向に非理想的なずれが生じる。
【００５１】
ＩＶ．Ｂ．ヨー方向の非理想的なずれ
図５Ｈは、一実施形態による、非理想的なさらなるずれ（ｏｆｆｓｅｔ）を示す屈曲位置にある、図５Ｂに示す内視鏡１１８の背面図を示す。具体的には、図５Ｈに示す内視鏡は、正のピッチ５２０方向の非理想的なずれに加えて、正のヨー５１０方向の非理想的な
さらなるずれを示す。したがって、内視鏡１１８の遠位端（例えば、先端部）は、図５Ｆに示す内視鏡の「真っ直ぐ」である遠位端とは対照的に、「湾曲」している。図５Ｈに示す内視鏡１１８は、２つの方向（正のピッチおよびヨー）に不完全性を有するが、他の実施形態では、内視鏡は任意の数の方向（例えば、負のピッチおよびヨー、ならびにロール）に不完全性を示し得る。
【００５２】
図５Ｉは、一実施形態による、図５Ｈに示す内視鏡１１８の上面図を示す。
【００５３】
ＩＶ．Ｃ．ロール方向の非理想的なずれ
図５Ｊ〜図５Ｋは、静止位置にある内視鏡１１８の２つの図を示す。ヨー５１０およびピッチ５２０方向に対する内視鏡１１８の整列を示すために、４つのマーカ５６０が内視鏡１１８上に示されている。静止位置では、各マーカはヨー５１０軸およびピッチ５２０軸と整列している。
【００５４】
図５Ｌ〜図Ｍは、正のピッチ５２０方向に９０度の目標曲がり角度まで関節運動するためのコマンドに応答して、内視鏡１１８が屈曲位置に移動した後の同じく２つの図を示す。図５Ｌ〜図Ｍに示すように、内視鏡１１８の実際の曲がり角度は、ロール５３０方向の非理想的なずれを示す（この例では、他の非理想的なずれはない）。内視鏡１１８の点線の輪郭は、コマンドに応答して内視鏡が移動すべきであった目標曲がり角度に曲がった位置を示し、例えば、内視鏡１１８の先端部がピッチ５２０軸と平行になるように９０度曲がると想定される。実際屈曲位置では９０度の曲がり角度を有するが、ロール５３０軸に沿った回転も有する。したがって、４つのマーカ５６０は、ヨー５１０軸およびピッチ５２０軸ともはや整列していない。図５Ｅに示す内視鏡と同様に、図５Ｌの内視鏡の遠位端は「真っ直ぐ」であり、「湾曲」していない。いくつかの実施形態では、内視鏡の近位端の回転は、内視鏡の遠位端の対応する回転を伴う（およびその逆も同様）。回転は等しくても異なっていてもよく、例えば、近位端の１０度のロール方向のずれは、遠位端の２０度のロール方向のずれを引き起こす。別の例として、近位端にロール方向のずれがなく、遠位端にゼロ以外のロール方向のずれがあってよい。
【００５５】
図５Ｍは、一実施形態による、図５Ｌに示す内視鏡の側面図を示す。
【００５６】
要約すると、図５Ｂ〜図Ｇは、正のピッチ方向の非理想的なずれを示し、図５Ｈ〜図Ｉは、正のピッチ方向に加えてヨー方向の非理想的なずれを示し、図５Ｊ〜図Ｍは、ロール方向の非理想的なずれを示す。他の実施形態では、内視鏡は、任意の数、または方向の組合せの非理想的なずれを示し得る。ずれの大きさは、異なる方向間で異なり得る。
【００５７】
Ｖ．空間センサ
Ｖ．Ａ．電磁センサ
図６Ａは、一実施形態による電磁追跡システムの図である。内視鏡１１８の先端部に連結された空間センサ５５０は、内視鏡１１８に近接した１つ以上のＥＭＦ発生器６００によって発生した電磁場（ＥＭＦ）を検出する１つ以上のＥＭセンサ５５０を含む。検出されたＥＭＦの強度は、内視鏡１１８の位置および／または向きの関数である。例えば、内視鏡１１８が１つよりも多いＥＭセンサ５５０を含む場合、第１のＥＭセンサはリーダ管状部品に連結され、第２のＥＭセンサは内視鏡１１８のシース管状部品に連結される。
【００５８】
１つ以上のＥＭＦ発生器６００が患者の体外に配置される。ＥＭＦ発生器６００は、ＥＭセンサ５５０によって拾われるＥＭ場を放出する。
【００５９】
複数のＥＭＦ発生器６００および／またはＥＭセンサ５５０が使用される場合、それらの放出／受信電磁場がコンピュータシステム１２０（または外科用ロボットシステム１０
０の外部にある任意のコンピュータシステム）によって処理される際に信号が分離可能であるように、それらはいくつかの異なる方法で変調されてもよい。したがって、コンピュータシステム１２０は、複数の信号（送信および／または受信）をそれぞれ別個の入力として処理して、ＥＭセンサ（単数または複数）５５０の位置に関する別個の三角測量位置、ひいては内視鏡１１８の位置を提供することができる。例えば、複数のＥＭＦ発生器６００は、時間的にまたは周波数的に変調されてもよく、各信号が、場合により時間的に重複しているにもかかわらず、（例えば、フィルタリングおよびフーリエ変換などの信号処理技術を使用して）互いの信号から完全に分離可能であるように、直交変調を使用してもよい。さらに、複数のＥＭセンサ５５０および／またはＥＭＦ発生器６００は、デカルト空間において、非ゼロ、非直交の角度で互いに対して配向されてもよく、その結果、ＥＭセンサ（単数または複数）５５０の向きの変化によって、少なくとも１つのＥＭセンサ（単数または複数）５５０が、任意の瞬間に１つ以上のＥＭＦ発生器６００から少なくともいくつかの信号を受信することになる。例えば、各ＥＭＦ発生器６００は、任意の軸に沿って、２つの他のＥＭ発生器６００の各々から（かつ同様に複数のＥＭセンサ５５０とともに）小さい角度（例えば７度）でずれてもよい。この構成では、３つすべての軸に沿って、また必要に応じて内視鏡１１８に沿った複数の点で正確なＥＭセンサ位置情報を確保するために、必要なだけ多くのＥＭＦ発生器またはＥＭセンサが使用されてもよい。
【００６０】
Ｖ．Ｂ．カメラセンサ
図６Ｂは、一実施形態による、内視鏡１１８に近接したカメラの図である。カメラには、デジタルビデオカメラ、ステレオカメラ、高速度カメラ、ライトフィールドカメラなどの任意の種類の光学カメラが挙げられ得る。第１のカメラ６１０は内視鏡１１８の長手方向軸と平行である。第２のカメラ６２０は第１のカメラ６１０と直交している。カメラはそれぞれ少なくとも２次元で内視鏡の位置および／または向きを示す画像フレームを撮像するため、２つのカメラを互いに直交するように整列させることにより、外科用ロボットシステム１００は少なくとも３次元（例えば、ピッチ、ヨーおよびロール軸に対応）で内視鏡に関する情報を受け取ることができる。他の実施形態では、３つ以上のカメラを用いて内視鏡１１８の画像を撮像してもよい。データ処理モジュール１６０は、撮像された画像フレームを使用する対象追跡画像処理技術を実装して、内視鏡１１８のリアルタイム３Ｄ位置を特定してもよい。例示的な技術には、相関に基づくマッチング方法、特徴に基づく方法およびオプティカルフローが挙げられる。
【００６１】
図６Ｃは、一実施形態による、基準マーカを含む内視鏡１１８に近接したモーションカメラの図である。内視鏡１１８の遠位端に向かって連結された空間センサ５５０は基準マーカである。モーションカメラ６３０および６４０は、基準マーカの位置および動きを追跡する画像フレームを撮像する。図６Ｃには２つの基準マーカおよび２つのモーションカメラが示されているが、他の実施形態は、基準マーカを追跡するために任意の他の数の、内視鏡に連結された基準マーカおよび／またはモーションカメラを含んでもよい。
【００６２】
図６Ｂのカメラとは対照的に、図６Ｃのモーションカメラは、基準マーカの動きを表すデータをとらえる。したがって、いくつかの実施形態では、データ処理モジュール１６０は、基準マーカを使用せずに他の光学カメラでとらえたデータを処理するよりも少ない演算リソースでモーションカメラデータを処理する。例えば、他の光学カメラは、内視鏡１１８の外観（例えば、色および大きさ）を表すデータをとらえる。しかし、モーションカメラは、各基準マーカのリアルタイム座標位置をとらえれば十分であり得、各基準マーカのリアルタイム座標位置は、データ処理モジュール１６０が、外科用ロボットシステム１００からのコマンドに応答して、内視鏡１１８の様々な方向（例えば、ピッチ、ヨーおよびロール）の全体的な動きを特定するために使用するのに十分である。
【００６３】
患者の体外の内視鏡の位置を特定するのにはカメラに基づくセンサの方が適している場
合があるが、内視鏡が体内にある場合に使用するのにはＥＭセンサの方が適している場合がある。いくつかの実施形態では、カメラデータを使用する画像処理技術は、例えば、体外で内視鏡を見ているユーザが画像処理技術の結果を検証することができるため、ＥＭセンサに基づく技術よりも正確な、または解像度の高い位置および動きデータを提供する。対照的に、ＥＭセンサは、内視鏡が患者の体内に配置されている場合であっても、ＥＭＦ発生器によって発生されたＥＭ場を依然として検出することができるという利点を有する。
【００６４】
Ｖ．Ｃ．形状感知光ファイバ
図６Ｄは、一実施形態による、形状感知光ファイバを有する内視鏡１１８の図である。空間センサ５５０は、内視鏡１１８の内部に埋め込まれた形状感知光ファイバである。内視鏡１１８に近接して配置されたコンソール６５０は、形状感知光ファイバに連結される。コンソール６５０は、形状感知光ファイバを介して光を透過させ、形状感知光ファイバから反射された光を受光する。形状感知光ファイバは、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）のセグメントを含んでもよい。ＦＢＧは光の特定の波長を反射し、他の波長を透過させる。コンソール６５０は、ＦＢＧによって反射された光の波長に基づいて、反射スペクトルデータを生成する。
【００６５】
データ処理モジュール１６０は、反射スペクトルデータを分析して、二次元または三次元空間内の内視鏡１１８の位置および向きデータを生成することができる。具体的には、内視鏡１１８が屈曲するにつれて、内部に埋め込まれた形状感知光ファイバも屈曲する。ＦＢＧによって反射される光の特定の波長は、形状感知光ファイバの形状に基づいて変化する（例えば、「真っ直ぐな」内視鏡は「湾曲した」内視鏡とは異なる形状である）。したがって、データ処理モジュール１６０は、例えば、反射スペクトルデータの差を識別することによって、（例えば、外科用ロボットシステム１００からのコマンドに応答して）内視鏡１１８が１つ以上の方向に何度屈曲したかを特定することができる。ＥＭセンサと同様に、形状感知光ファイバは、形状感知光ファイバへの見通し線を必要としないため、患者の体内でのデータ収集に適している。
【００６６】
Ｖ．Ｄ．透視撮像
図６Ｅは、一実施形態による、内視鏡１１８に近接した透視撮像システム６６０の図である。内視鏡１１８は、ロボットアーム１０２によって、外科的処置を受けている患者６７０に挿入される。透視撮像システム６６０は、発生器、検出器および撮像システム（図示せず）を含むＣアームである。発生器は、Ｃアームの下端に連結され、患者６７０に向かって上方を向いている。検出器は、Ｃアームの上端に連結され、患者６７０に向かって下方を向いている。発生器は患者６７０に向けてＸ線波を放射する。Ｘ線波は患者６７０を透過し、検出器によって受信される。透視撮像システム６６０は、受信したＸ線波に基づいて、内視鏡１１８など、患者６７０の体内の身体部分または他の物体の画像を生成する。実際の内視鏡の画像を撮像する、第Ｖ．Ｂ．節「カメラセンサ」で説明した光学カメラとは対照的に、透視撮像システム６６０は、患者６７０の体内の物体の表現、例えば、反射Ｘ線に基づく内視鏡の形状の輪郭を含む画像を生成する。したがって、データ処理モジュール１６０は、例えば、外科用ロボットシステム１００からのコマンドに応答して、オプティカルフローなどの前述と同様の画像処理技術を使用して内視鏡の位置および動きを特定することができる。
【００６７】
ＶＩ．挿入およびロール方向のずれ
図７Ａは、一実施形態による、内視鏡１１８のシース３１１の外側に延びた内視鏡１１８のリーダ３１５の長さ７００を示す。長さ７００が増大するにつれて、長さ７００がシース３１１によって大きく囲まれなくなるため、リーダ３１５の遠位端の柔軟性が増大する。比較すると、シース３１１の材料の方が高い剛性を提供するため、シース３１１によ
って半径方向に囲まれたリーダ３１５の部分は柔軟性が低い。いくつかの実施形態では、内視鏡の物理的特性は延出長に基づいて変化することから、外科用ロボットシステム１００は、内視鏡を移動させるために、延出を把握するコマンドを提供する必要がある。例えば、シースの外側のリーダの長さの方が長いため、内視鏡の遠位端は、延出が増加するにつれてさらに重くなり得る（および／またはさらに柔軟になり得る）。したがって、同じ屈曲動作を達成するために、外科用ロボットシステム１００は、比較的短い延出長で内視鏡を移動させるためのコマンドと比較して、内視鏡のプルワイヤをさらに大きく平行移動させるコマンドを提供する必要がある場合がある。
【００６８】
図７Ｂは、一実施形態による、内視鏡１１８のシース３１１に対する内視鏡１１８のリーダ３１５の相対ロール角７１０を示す。リーダ３１５および／またはシース３１１は、例えば、内視鏡１１８の材料の相違により、他の方向よりも特定の方向で柔軟性が高い場合がある。したがって、相対ロール角７１０に基づいて、内視鏡１１８の柔軟性は特定の方向で変化し得る。外科用ロボットシステム１００はまた、上記のように延出長を把握することに加えて、内視鏡を移動させるためのコマンドを提供する際に相対ロール角を把握する必要がある場合がある。例えば、内視鏡を９０度屈曲するようにコマンドを発すると、相対ロール角が５度の場合には実際には８０度屈曲することがあるが、相対ロール角が−５度の場合には実際には１００度屈曲することがある。
【００６９】
ＶＩＩ．較正
ＶＩＩ．Ａ．概要
外科用ロボットシステム１００は、内視鏡の動きの不完全性を補償するゲイン値を決定するための較正プロセスを実行する。較正プロセス中、外科用ロボットシステム１００は、１つ以上のコマンドに従って１つ以上のプルワイヤを平行移動させることによって、内視鏡を１つ以上の目標位置（または角度）に移動させる。外科用ロボットシステム１００は、コマンドに応答して達成された内視鏡の実際の位置および向きを示す空間データを受け取るが、実際の位置は、内視鏡の不完全性のために目標位置とは異なる場合がある。外科用ロボットシステム１００は、コマンド、達成されることが望まれる目標位置、および達成された実際の位置に基づいてゲイン値を決定する。外科用ロボットシステム１００は、外科的処置の前に、例えば、品質保証のための製造ライン上で、または実験室もしくは臨床現場で、そのような較正プロセスを実行することができる。さらに、外科用ロボットシステム１００は、患者に対して外科的処置を実行しながらそのような較正プロセスを実行することができる。
【００７０】
簡単な例示的な例として、特定の内視鏡の材料は予想よりも硬い場合がある。較正プロセスが実行される場合、空間データは、内視鏡がピッチ方向に３０度の実際の位置に曲がったのに対して、目標位置は６０度であったことを示す。例示的な較正プロセスの一部として、外科用ロボットシステム１００は、目標位置が実際の位置の値の２倍であるため、内視鏡に対する対応するゲイン値が１０進値の２．０であると決定する。他の実施形態では、ゲイン値は、他のフォーマット、例えば、百分率、整数、度単位などを用いて表されてもよい。
【００７１】
ゲイン値は、特定のプルワイヤ、内視鏡、運動方向（例えば、正のピッチ方向、負のヨー方向またはロール方向）および／または他の種類の要因に関連付けることができる。具体的には、上述の例は、内視鏡のあらゆる状態に対して２．０の一定のゲイン値を想定する平凡なシナリオである。しかし、実際には、ゲイン値は、独立してまたは組み合わせて、多数の要因に応じて決まるため、内視鏡を較正することはさらに複雑な問題である。例えば、ゲイン値は、正のピッチ方向で２．０、負のピッチ方向で３．０、正のヨー方向で１．５などであり得る。さらに、ゲイン値は、同じ内視鏡でも、第１のプルワイヤについては正のピッチ方向で２．０であり得るが、第２のプルワイヤについては２．２であり得
る。さらに、ゲイン値は、第１の内視鏡の第１のプルワイヤについては２．０であり得るが、第２の内視鏡の第１のプルワイヤについては２．５であり得る。
【００７２】
いくつかの実施形態では、較正モジュール１３０は、内視鏡のシースの外側に延びる（または内視鏡のシースによって半径方向に囲まれる）内視鏡のリーダの長さおよび／またはシースに対するリーダの相対ロール角を受け取る。較正モジュール１３０は、長さおよび／または相対ロール角にさらに基づいてゲイン値を決定する。内視鏡は内視鏡の特定の方向またはセグメントでは柔軟性が高い場合があるため、特定の長さまたは相対ロール角に対するゲイン値は、別の長さまたは相対ロール角に対するゲイン値とは異なる場合がある。
【００７３】
一実施形態では、内視鏡（例えば、リーダおよび／またはシース）は、それぞれ異なる程度の剛性を有する複数のセグメントを含む。較正モジュール１３０は、少なくとも１つのセグメントのヤング率を受け取り、さらにこのヤング率に基づいてゲイン値を決定する。
【００７４】
一実施形態では、完全な較正プロセスはいくつかのサブ較正プロセスを含む。例えば、外科用ロボットシステム１００は、内視鏡を第１の方向の目標位置に移動させるためのコマンドを提供する。較正モジュール１３０は、目標位置とは異なり得る内視鏡の実際の位置を示す較正データを受け取る。外科用ロボットシステム１００は、内視鏡を緩めて静止位置に戻し、他のいくつかの方向についてデータ収集プロセスを繰り返す。外科用ロボットシステム１００はまた、シースの外側のさらに長い長さまでリーダを延ばすためのコマンドを提供し、いくつかの異なる延出長について較正データ収集プロセスを繰り返すことができる。同様に、外科用ロボットシステム１００は、シースに対して相対ロール角までリーダを回転させるためのコマンドを提供し、いくつかの異なる相対ロール角について較正データ収集プロセスを繰り返すことができる。
【００７５】
較正モジュール１３０は、サブ較正プロセスのそれぞれからの集約較正データセットに基づいてゲイン値を決定する。較正中に考慮する必要がある要因の潜在的な組合せの数から明らかなように、較正プロセスは、様々なテストの多数の入れ子ループを有するさらに複雑なプロセスになる可能性がある。したがって、例えば、テストする必要があるあらゆる要因を追跡するのを支援し、較正エラーまたは見落としの可能性を減らし、ユーザがテストごとに機械的タスクを手動で実行する必要性を排除するために、外科用ロボットシステム１００を使用して較正を自動化することが有利である。
【００７６】
いくつかの実施形態では、較正モジュール１３０は、較正記憶装置１４０内に、１つ以上の他の要因（例えば、内視鏡を移動させるための対応するコマンドに関する情報、移動方向、特定のプルワイヤの識別子、シースに対するリーダの長さおよび／または相対ロール角、または内視鏡の固有の識別子）とともに較正データおよび関連するゲイン値を記憶する。較正モジュール１３０は、複数の内視鏡からの情報を含む包括的較正データベースに、較正データ、ゲイン値および／または要因をアップロードしてもよい。
【００７７】
ＶＩＩ．Ｂ．較正モデル
外科用ロボットシステム１００は、１つ以上の種類のモデルを使用して、較正データに基づいて内視鏡を適切に移動させるためのコマンドを生成してもよい。具体的には、コマンドモジュール１５０は、モデルのうちの１つのパラメータに基づいて内視鏡の各プルワイヤのためのコマンドを生成し、ここでパラメータおよび関連するゲイン値が較正データに基づいて決定される。パラメータは、いくつかのモデルについてはゲイン値と同じであってよいが、他のモデルについては、外科用ロボットシステム１００は、パラメータに基づいてゲイン値を決定してもよい。モデルは、内視鏡のリーダ、シース、またはリーダお
よびシースの両方に関連付けられてもよい。リーダおよびシースの両方に関連するモデルの実施形態は、リーダとシースとの間の相互作用、例えば、シースに対するリーダの延出長および相対ロール角を表すパラメータを把握する。
【００７８】
一実施形態では、較正モジュール１３０は、ゲイン値の行列を用いて実装された経験的モデルを使用する。ゲイン値は、以前に完了した較正プロセスからの較正データに基づいて、一組の一次方程式を解くことによって経験的に決定される。較正モジュール１３０は、入力コマンドを表すベクトル（例えば、内視鏡の各プルワイヤに対する目標平行移動ならびに延出および相対ロール値を含む）にゲイン値の行列を乗算して、調整コマンドを表す出力ベクトル（例えば、プルワイヤのうちの１つ以上のための修正された平行移動を含む）を生成することができる。経験的モデルゲイン値は、内視鏡の屈曲に基づいてプルワイヤ特有の圧縮または拡張を補償してもよい。具体的には、特定のプルワイヤが内視鏡内を移動する距離は、内視鏡の湾曲に基づいて縮小または延長する可能性がある。いくつかの実施形態では、経験的モデルは、反対方向のワイヤ間の依存性を把握する。例えば、第１のワイヤは正のピッチ方向に対応し、第２のワイヤは負のピッチ方向に対応する。第２のワイヤを引っ張りながら第１のワイヤに弛みを設けることは、ともに、内視鏡を負のピッチ方向に屈曲させるという同じ運動に寄与する。
【００７９】
一実施形態では、較正モジュール１３０は、物理学に基づくモデルを使用して、内視鏡が屈曲する際の内視鏡の有効な物理的特性を決定する。物理学に基づくモデルは、内視鏡の動きをさらに完全に捉える可能性を有する。比較として、平凡なモデルは、屈曲した内視鏡がその特定の長さにおける所与の曲げ剛性に従って、内視鏡の特定の長さ全体にわたって一様に屈曲し、内視鏡の残りの長さ全体にわたって真っ直ぐなままであると想定し得る。さらに、物理学に基づくモデルは、それぞれが関連する曲げ剛性を有する個々のセグメントに、内視鏡のリーダおよびシースを分解してもよい。物理学に基づくモデルはまた、プルワイヤの剛性、および任意の特定のセグメントの剛性に対するシースとリーダとの相互作用（例えば、延出長および相対ロール角）の影響を考慮する。
【００８０】
物理学に基づくモデルでは、コンピュータシステム１２０は、逆固体力学（ｉｎｖｅｒｓｅ  ｓｏｌｉｄ  ｍｅｃｈａｎｉｃｓ）を使用して、外科用ロボットシステム１００が１つ以上のプルワイヤを平行移動させて望ましい運動を達成すべき距離に、内視鏡を移動させるためのコマンド（例えば、ピッチ方向および／またはヨー方向に屈曲する角度を示す）を変換してもよい。さらに、ロボットシステム１００は、物理学に基づくモデルを使用することによって、１つ以上のＩＤＭを動かして、屈曲運動に連結された軸方向の変形の結果としての内視鏡の遠位先端部のあらゆる望ましくない運動を補償してもよい。
【００８１】
一実施形態では、較正モジュール１３０は、モデルレス反転プロセス（ｍｏｄｅｌ−ｌｅｓｓ  ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｐｒｏｃｅｓｓ）を使用して内視鏡を移動させるためのコマンドを生成する。例えば、較正モジュール１３０は、ゲイン値および／またはパラメータの使用を必要としないルックアップテーブルを実装する。代わりに、ルックアップテーブルは、較正データに基づいて、以前に記録された入力値（例えば、内視鏡をピッチ方向およびヨー方向に移動させるためのコマンド）を出力値（例えば、内視鏡の各プルワイヤの平行移動）にマッピングする。正確な入力−出力マッピングが分からず、例えば、４０度および４５度のデータ点を使用して４２度の屈曲を内挿することができる場合、ルックアップテーブルは、データ点間で（例えば、ドローネ三角形分割または他の多次元三角測量技術を介して解かれる）内挿するか、外挿してもよい。ルックアップテーブルを実行するためにコンピュータシステム１２０に必要とされる演算リソースの量を減らすために、較正モジュール１３０は、テイラー分解などの技法を使用するか、フーリエ表現を使用するデータセットを近似することによって、マッピングのデータセットのサイズを最小化することができる。
【００８２】
ＶＩＩ．Ｃ．プロセスフロー例
図８Ａは、一実施形態による、内視鏡の自動較正のためのプロセス８００のフローチャートである。プロセス８００は、いくつかの実施形態で図８Ａに関連して説明されたものとは異なる工程またはそれ以外の追加の工程を含んでもよいか、図８Ａに関連して説明された順序とは異なる順序で工程を実行してもよい。プロセス８００は、特に、例えば、それぞれが９０度離れており、正または負のピッチまたはヨー方向に対応する４つのプルワイヤを含む内視鏡の実施形態を較正するためのものである。もっとも、プロセス８００は、任意の数のプルワイヤに一般化することができ、図８Ｂを参照してさらに説明され得る。コンピュータシステム１２０はプロセス８００を自動化することができるため、ユーザは外科用ロボットシステム１００を使用するために較正手順を手動で実行する必要がない。自動較正は、例えば、このプロセスが内視鏡を較正するのに必要な時間を短縮するため有利である。
【００８３】
コマンドモジュール１５０は、内視鏡を第１の方向の目標位置に移動させるためのコマンドを提供する（８０４）。較正モジュール１３０は、コマンドに応答して移動した内視鏡の実際の位置および向きを示す空間データを受け取る（８０６）。空間データは、第Ｖ節「空間センサ」で前述したように、加速度計、ジャイロスコープ、基準マーカ、光ファイバケーブル、カメラまたは撮像システムなどの空間センサ（例えば、内視鏡に連結されるか、内視鏡に近接して配置される）から受け取ることができる。空間データは、１つ以上の移動方向での内視鏡（または内視鏡の一部）の位置および／または向きを表す。コマンドモジュール１５０は、内視鏡を緩めて静止位置に戻すためのコマンドを提供する（８０８）。
【００８４】
コマンドモジュール１５０は、内視鏡を第２の方向の目標位置に移動させるためのコマンドを提供する（８１０）。較正モジュール１３０は空間データを受け取る（８１２）。コマンドモジュール１５０は、内視鏡を緩めて静止位置に戻すためのコマンドを提供する（８１４）。
【００８５】
コマンドモジュール１５０は、内視鏡を第３の方向の目標位置に移動させるためのコマンドを提供する（８１６）。較正モジュール１３０は空間データを受け取る（８１８）。コマンドモジュール１５０は、内視鏡を緩めて静止位置に戻すためのコマンドを提供する（８２０）。
【００８６】
コマンドモジュール１５０は、内視鏡を第４の方向の目標位置に移動させるためのコマンドを提供する（８２２）。較正モジュール１３０は空間データを受け取る（８２４）。コマンドモジュール１５０は、内視鏡を緩めて静止位置に戻すためのコマンドを提供する（８２６）。
【００８７】
目標位置は、４つの方向のそれぞれに対して一定のままであり得る。いくつかの実施形態では、目標位置は様々な方向間で変化する。例えば、目標位置は、第１および第３の方向に対して９０度であり、第２および第４の方向に対して４５度である。第１、第２、第３および第４の方向は、任意の特定の順序で、正のピッチ方向、正のヨー方向、負のピッチ方向および負のヨー方向であり得る。他の実施形態では、コマンドは、正のピッチ方向および正のヨー方向の両方に６０度など、２つ以上の方向に同時に目標位置に向かって内視鏡を移動させる。プロセス８００は４つの方向を含むが、他の実施形態では、コンピュータシステム１２０は、他の任意の数の（さらに多いまたはさらに少ない）方向について工程８０４から８０８を繰り返すことができる。
【００８８】
較正モジュール１３０は、１つ以上の方向に関する空間データに基づいて、内視鏡のプ
ルワイヤのゲイン値を決定する（８２８）。較正モジュール１３０は、各プルワイヤに関連するゲイン値を決定してもよい。ゲイン値のうちの少なくとも１つは、１とは異なる値を有し得る。１のゲイン値は、対応するプルワイヤが理想的な動きを示すこと、例えば、内視鏡の実際の運動が、対応するプルワイヤの平行移動に基づく目標運動と一致することを示す。いくつかの実施形態では、較正モジュール１３０は、プルワイヤのための（例えば、前の較正プロセスで決定された）デフォルトゲイン値を検索し、さらにそのデフォルトゲイン値に基づいてゲイン値を決定する。
【００８９】
較正モジュール１３０は、較正記憶装置１４０にゲイン値を記憶する（８３０）。内視鏡は、ゲイン値を記憶するためのコンピュータ可読有形媒体、例えばフラッシュメモリまたはデータベースを含んでもよい。いくつかの実施形態では、コマンドモジュール１５０は、シースに対するリーダの長さおよび／または相対ロール角を修正するためのコマンドを提供し、外科用ロボットシステム１００は、プロセス８００の工程を繰り返して、修正された長さおよび／または相対ロール角に関連するゲイン値を決定する。
【００９０】
図８Ｂは、一実施形態による、延出長および相対ロール角に基づく内視鏡の自動較正のためのプロセス８４０のフローチャートである。プロセス８４０は、いくつかの実施形態で図８Ｂに関連して説明されたものとは異なる工程またはそれ以外の追加の工程を含んでもよいか、図８Ｂに関連して説明された順序とは異なる順序で工程を実行してもよい。プロセス８００とは対照的に、プロセス８４０は、任意の数の方向、ならびに内視鏡のシースに対するリーダの任意の数の延出長および相対ロール角に一般化される。例えば、内視鏡が互いに９０度の間隔で離れた４つのプルワイヤを有する代わりに、内視鏡が、互いに１２０度の間隔で離れた３つのプルワイヤを含むか、異なる角度の間隔（例えば、時計の１１時、２時および６時の針の位置）に配置される他の任意の構成にあってよい。
【００９１】
外科用ロボットシステム１００は、内視鏡をある延出長および／または相対ロール角まで移動させるためのコマンドを提供する（８５０）。外科用ロボットシステム１００は、その延出長および／または相対ロール角で較正を実行する（８６０）。工程８６０では、コマンドモジュール１５０は、内視鏡をある方向の目標位置に移動させるためのコマンドを提供する（８６２）。較正モジュール１３０は、内視鏡の実際の位置および向きを示す空間データを受け取る（８６４）。コマンドモジュール１５０は、内視鏡を緩めて静止位置に戻すためのコマンドを提供する（８６６）。外科用ロボットシステム１００は、一組の方向の各方向について工程８６２〜８６６を繰り返す。さらに、外科用ロボットシステム１００は、一組の異なる延出長および／または相対ロール角の各延出長および／または相対ロール角（または延出長と相対ロール角との組合せ）ごとに工程８５０〜８６０を繰り返す。較正モジュール１３０は、各較正から受け取った空間データに基づいてゲイン値を決定する（８７０）。
【００９２】
図９は、一実施形態による、内視鏡の術中自動較正のためのプロセス９００のフローチャートである。プロセス９００は、いくつかの実施形態で図９に関連して説明されたものとは異なる工程またはそれ以外の追加の工程を含んでもよく、または図９に関連して説明された順序とは異なる順序で工程を実行してもよい。いくつかの実施形態では、コマンドコンソール２００は、第ＩＩ節「コマンドコンソール」で前述した速度モードまたは位置制御モードでプロセス９００を使用してもよい。
【００９３】
較正モジュール１３０は、プルワイヤ、リーダおよびシースを含む内視鏡のためのデフォルトゲイン値を検索する（９１０）。各プルワイヤは、デフォルトゲイン値のうちの１つに関連付けられてもよい。外科用ロボットシステム１００は、外科的処置、例えば、尿管鏡検査、経皮的腎切石術（ＰＣＮＬ）、大腸内視鏡検査、蛍光透視法、前立腺切除術、結腸切除術、胆嚢切除術、鼠径ヘルニア、および気管支鏡検査を受ける患者に内視鏡を挿
入する（９２０）。較正モジュール１３０は、シースに対するリーダの相対ロール角およびシースによって半径方向に囲まれたリーダの長さに関する情報を受け取る（９３０）。相対ロール角および長さに関する情報は、内視鏡を移動させるために提供された以前のコマンド、デフォルトの相対ロール角および長さ値、またはセンサ（例えば、内視鏡に連結された加速度計およびジャイロスコープ）によって生成されたデータに基づいてもよい。コマンドモジュール１５０は、プルワイヤのうちの少なくとも１つを平行移動させることによって内視鏡を移動させるためのコマンドを提供する（９４０）。
【００９４】
較正モジュール１３０は、コマンドに応答して移動させられた内視鏡の空間データを受け取る（９５０）。一実施形態では、空間データは透視撮像システムから受け取られる。透視撮像システムは、患者の体内の内視鏡の画像を撮像することができ、それにより、外科用ロボットシステム１００が外科的処置中にプロセス９００を実行することが可能になる。較正モジュール１３０は、空間データ、対応するデフォルトゲイン値、延出長、相対ロール角および／またはコマンドに基づいて、新しいゲイン値を決定する（９６０）。較正モジュール１３０は、較正記憶装置１４０に新しいゲイン値を記憶する（９７０）。外科用ロボットシステム１００は、プロセス９００によって決定された新しいゲイン値に基づいて、追加のコマンドを生成することができる。例えば、内視鏡は第１のコマンドに応答して８０度の実際の位置に移動する。ここで目標位置は実際には９０度である。コマンドモジュール１５０は、新しいゲイン値に基づいて新しいコマンドを生成し、外科用ロボットシステム１００を使用して内視鏡を移動させるための新しいコマンドを提供する。新しいコマンドは角度の不一致を補償するため（すなわち、８０度は９０度より１０度足りない）、内視鏡は新しいコマンドに応答して９０度の実際の位置に移動する。
【００９５】
ＶＩＩＩ．その他の考慮事項
この開示を読めば、当業者であれば、本明細書に開示された原理を通して、さらに追加の代替の構造的および機能的設計を認識するであろう。したがって、特定の実施形態および用途を例示し説明してきたが、開示された実施形態は、本明細書に開示された厳密な構造および構成要素に限定されないことを理解されたい。添付の特許請求の範囲に規定された精神および範囲から逸脱することなく、本明細書に開示された方法および装置の構成、動作および詳細に対して、当業者に明らかな様々な修正、変更および変形を実施することができる。
【００９６】
本明細書で使用される場合、「一実施形態（ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「一実施形態（ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」への言及は、その実施形態に関連して説明された特定の要素、特徴、構造または特性が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書の様々な箇所における「一実施形態では（ｉｎ  ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」という句の出現は、必ずしもすべて同じ実施形態に言及しているとは限らない。
【００９７】
いくつかの実施形態は、「連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」および「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」という表現をそれらの派生語とともに使用して説明され得る。例えば、いくつかの実施形態は、２つ以上の要素が直接的に物理的または電気的に接触していることを示すために「連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語を使用して説明され得る。しかし、「連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語はまた、２つ以上の要素が互いに直接接触していないが、それでもなお互いに協働または相互作用することを意味し得る。別途明確に記載しない限り、実施形態はこの文脈に限定されない。
【００９８】
本明細書で使用される場合、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」またはそれらの任意の他の変形は、
非排他的包含を網羅するように意図される。例えば、要素の列挙を含むプロセス、方法、物品または装置は必ずしもそれらの要素のみに限定されず、明示的に列挙されていない他の要素またはそのようなプロセス、方法、物品もしくは装置に固有の他の要素を含み得る。さらに、相反する明示的な記載がない限り、「または（ｏｒ）」は包括的な「または」を指し、排他的な「または」を指さない。例えば、条件ＡまたはＢが、以下のいずれか１つによって満たされる。Ａが真であり（または存在する）かつＢが偽である（または存在しない）、Ａが偽であり（または存在しない）かつＢが真である（または存在する）、ＡおよびＢの両方が真である（または存在する）。
【００９９】
さらに、「ａ」または「ａｎ」の使用は、本明細書の実施形態の要素および構成要素を説明するために用いられる。これは、便宜上かつ本発明の一般的な意味を示すために行われているにすぎない。この説明は、１つまたは少なくとも１つを含むように解釈されるべきであり、単数形は、別段の意味であることが明らかでない限り、複数形も含む。
【０１００】
この説明のいくつかの部分は、情報に関する動作のアルゴリズムおよび記号表現に関して本発明の実施形態を説明する。これらのアルゴリズム的記述および表現は、データ処理分野の当業者によって、その作業の実体を他の当業者に効果的に伝えるために一般的に使用されている。これらの動作は、機能的に、計算的に、または論理的に説明されているが、コンピュータプログラムまたは同等の電気回路、マイクロコードなどによって実装されると理解される。さらに、一般性を失うことなく、モジュールとしてこれらの動作の配置に言及することは、時には便利であると証明されている。説明した動作およびそれらに関連するモジュールは、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェアまたはそれらの任意の組合せで具現化され得る。
【０１０１】
本明細書に記載の工程、動作またはプロセスのいずれも、単独でまたは他の装置と組み合わせて、１つ以上のハードウェアまたはソフトウェアモジュールを用いて実行または実装され得る。一実施形態では、ソフトウェアモジュールには、説明された工程、動作またはプロセスのいずれかまたはすべてを実行するために、コンピュータプロセッサによって実行され得るコンピュータプログラムコードを含むコンピュータ可読非一時的媒体を含むコンピュータプログラム製品が実装される。
【０１０２】
本発明の実施形態はまた、本明細書に記載のコンピューティングプロセスによって製造される製品にも関連し得る。そのような製品は、コンピューティングプロセスから生じる情報を含んでもよく、それらの情報は、非一時的な有形のコンピュータ可読記憶媒体上に記憶され、本明細書に記載のコンピュータプログラム製品またはその他のデータの組合せの任意の実施形態を含んでもよい。
【図１】
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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３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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【図３Ｈ】
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【図３Ｉ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図５Ｈ】
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【図５Ｉ】
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【図５Ｊ】
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【図５Ｋ】
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【図５Ｌ】
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【図５Ｍ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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