(57)【要約】  様々な実施形態によれば、頭内にエネルギーを放出するプローブを含む、頭部に装着可能なヘッドセットが提供される。ヘッドセットは、プローブに結合された支持構造をさらに含む。支持構造は、プローブを頭部の表面の周囲で軸に沿って並進させる並進アクチュエータを含む。【選択図】図３
2019503220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験者の走査において使用されるロボットシステムであって、
前記被験者内にエネルギーを放出するプローブと、
前記プローブに結合されたロボット支持構造と、
を備え、前記ロボット支持構造は、前記プローブを前記被験者の表面と平行に移動させるアクチュエータを含む、
ことを特徴とするロボットシステム。
【請求項２】
５つの作動自由度を有するロボット支持構造をさらに備える、
請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項３】
６つの作動自由度を有するロボット支持構造をさらに備える、
請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項４】
６つよりも多くの作動自由度を有するロボット支持構造をさらに備える、
請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項５】
４つの作動自由度を有するロボット支持構造をさらに備える、
請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項６】
前記ロボット支持構造の動きを制御するように構成された制御コンピュータをさらに備える、
請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項７】
前記ロボット支持構造の動きを制御するように構成された遠隔操作コントローラをさらに備える、
請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項８】
前記ロボット支持構造の動きを制御するように構成されたハイブリッド位置−力コントローラをさらに備える、
請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項９】
前記プローブに接触する力／トルクセンサをさらに備える、
請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項１０】
標的表面と相互作用するように構成された装置であって、
前記標的表面と相互作用するように構成されたプローブと、
前記プローブに結合されて、該プローブを前記標的表面に対して動かす支持構造と、
を備え、前記支持構造は、前記支持構造の動きを制御するハイブリッド位置−力コントローラを含む、
ことを特徴とする装置。
【請求項１１】
前記ハイブリッド位置−力コントローラは、前記プローブを前記標的表面に押し付けて受動的に接触力を維持するように構成されたばねをさらに含む、
請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記ハイブリッド位置−力コントローラは、前記プローブを第１の軸に沿って動かすように構成された第１のモータをさらに含む、
請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記ハイブリッド位置−力コントローラは、前記プローブを第２の軸に沿って動かすように構成された第２のモータをさらに含む、
請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記ハイブリッド位置−力コントローラは、前記プローブを第３の軸の周囲で回転させるように構成された第３のモータをさらに含む、
請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記ハイブリッド位置−力コントローラは、前記プローブを第４の軸の周囲で回転させるように構成された第４のモータをさらに含む、
請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
自動ＴＣＤシステムであって、
患者の血管を超音波照射するように構成されたＴＣＤプローブと、
前記プローブに取り付けられたロボットと、
前記ロボットに接続されて、該ロボットの動きを制御するコンピュータと、
を備えることを特徴とする自動ＴＣＤシステム。
【請求項１７】
前記ロボットに取り付けられて前記プローブと通信する軸力センサを含むエンドエフェクタをさらに備える、
請求項１６に記載の自動ＴＣＤシステム。
【請求項１８】
前記ロボットは、少なくとも６つの作動自由度で動くように構成される、
請求項１６に記載の自動ＴＣＤシステム。
【請求項１９】
前記ロボットは、正確に５つの作動自由度で動くように構成される、
請求項１６に記載の自動ＴＣＤシステム。
【請求項２０】
前記ロボットは、正確に４つの作動自由度で動くように構成される、
請求項１６に記載の自動ＴＣＤシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔関連出願との相互参照〕
本出願は、２０１６年６月８日に出願された「可変剛性を有するプローブ支持構造（ＰＲＯＢＥ  ＳＵＰＰＯＲＴ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ  ＷＩＴＨ  ＶＡＲＩＡＢＬＥ  ＳＴＩＦＦＮＥＳＳ）」という名称の米国仮特許出願第６２／３４７，５２７号に対する優先権及びその利益を主張する、２０１５年６月１９日に出願された「経頭蓋ドップラーセンサの初期配置（ＩＮＩＴＩＡＬ  ＰＬＡＣＥＭＥＮＴ  ＯＦ  ＴＲＡＮＳＣＲＡＮＩＡＬ  ＤＯＰＰＬＥＲ  ＳＥＮＳＯＲＳ）」という名称の米国仮特許出願第６２／１８１，８６２号に対する優先権及びその利益を主張する、２０１５年６月１９日に出願された「経頭蓋ドップラーウィンドウの自動発見（ＡＵＴＯＭＡＴＩＣ  ＤＩＳＣＯＶＥＲＹ  ＯＦ  ＴＲＡＮＳＣＲＡＮＩＡＬ  ＤＯＰＰＬＥＲ  ＷＩＮＤＯＷ）」という名称の米国仮特許出願第６２／１８１，８５９号に対する優先権及びその利益を主張する、２０１６年６月２０日に出願されて現在も係属中である「経頭蓋ドップラープローブ（ＴＲＡＮＳＣＲＡＮＩＡＬ  ＤＯＰＰＬＥＲ  ＰＲＯＢＥ）」という名称の米国特許出願第１５／１８７，３９７号の一部継続出願であり、これらの文献はその全体が引用により本明細書に組み入れられる。本開示は、２０１６年１月５日に出願された「神経学的状態を検出するシステム及び方法（ＳＹＳＴＥＭＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＦＯＲ  ＤＥＴＥＣＴＩＮＧ  ＮＥＵＲＯＬＯＧＩＣＡＬ  ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＳ）」という名称の米国仮特許出願第６２／２７５，１９２号に対する優先権及びその利益を主張するものであり、この文献はその全体が引用により本明細書に組み入れられる。本開示は、２０１７年１月５日に出願された米国特許出願第１５／３９９，６４８号に対する優先権及びその利益を主張するものであり、この文献はその全体が引用により本明細書に組み入れられる。
【０００２】
本明細書において説明する主題は、一般に医療装置に関し、具体的には、医学的状態を診断するためのプローブを含むヘッドセットに関する。
【背景技術】
【０００３】
経頭蓋ドップラー（ＴＣＤ）は、脳の主な伝達動脈（ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ａｒｔｅｒｉｅｓ）（例えば、ウィリス動脈輪）の脳血流速度（ＣＢＦＶ）を非侵襲的に測定するために使用される。ＴＣＤは、くも膜下出血（ＳＡＨ）後の動脈の評価などの複数の神経学的状態の診断及びモニタリングにおいて使用され、鎌状赤血球貧血を患う小児の予防治療、及び塞栓性脳卒中患者又は被験者のリスク評価に役立つ。
【０００４】
従来、ＴＣＤ超音波法では、患者又は被験者に対するプローブの位置決めを技術者が手動で行っている。プローブは、患者又は被験者の頭内にエネルギーを放出する。技術者は、頭内の大脳動脈又は大脳静脈のＣＢＦＶ波形特性（ＣＢＦＶ  ｗａｖｅｆｏｒｍ  ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）を識別する。この信号の識別には、複数の超音波ウィンドウのうちの１つにおけるプローブ超音波照射（ｐｒｏｂｅ  ｉｎｓｏｎａｔｉｏｎ）の深さ、角度及び配置の統合と、波形スペクトル、音、Ｍモード及び速度を含む、超音波信号からの特性値とが必要である。プローブを利用する装置（例えば、自動経頭蓋ドップラー装置）には、位置合わせ及び使用中にプローブが加える圧力（例えば、人間に装着した時の快適性及び安全性、又はプローブの有効性の保証）に関する懸念がある。装置によっては、プローブ内にばねが組み込まれたものもあるが、このような装置は、プローブ内におけるばねの横方向へのずれ及び変位に起因して圧力制御に効果がない場合もある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
様々な実施形態によれば、頭内にエネルギーを放出するプローブを含む、頭部に装着可能なヘッドセットが提供される。このヘッドセットは、頭部の表面に概ね平行な少なくとも２つの軸に沿ってプローブを並進させる並進アクチュエータを含む、プローブに結合された支持構造をさらに含むことができる。
【０００６】
いくつかの実施形態では、ヘッドセットが、頭部の表面に概ね垂直な垂直軸に沿ってプローブを並進させる少なくとも１つの垂直並進アクチュエータをさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、ヘッドセットが、プローブを少なくとも１つの回転軸の周囲で回転させる少なくとも１つの回転アクチュエータをさらに含むことができる。ヘッドセットは、垂直軸と概ね直交するチルト軸をさらに含むことができる。ヘッドセットは、垂直軸と概ね直交するパン軸をさらに含むことができる。
【０００７】
いくつかの実施形態では、ヘッドセットが、頭部の表面に概ね平行な２つの軸（ｘ、ｙ）を通じた２つの作動自由度の並進と、頭部の表面に概ね垂直な垂直軸（ｚ）を通じた１つの作動自由度と、チルト軸に沿った１つの作動自由度と、パン軸に沿った１つの作動自由度とを含む正確に５つの作動自由度のプローブの動きを提供することができる。
【０００８】
様々な実施形態によれば、標的表面と相互作用するように構成された装置が提供され、この装置は、標的表面と相互作用するように構成されたプローブを含む。装置は、プローブに結合されてプローブを標的表面に対して動かす支持構造をさらに含むことができる。支持構造は、標的表面に概ね平行な並進面に沿ってプローブを並進させるように構成することができる。支持構造は、プローブを少なくとも１つの回転軸の周囲で回転させるようにさらに構成することができる。
【０００９】
いくつかの実施形態では、支持構造が、並進面に概ね垂直な並進軸に沿ってプローブを並進させるように構成される。いくつか実施形態では、支持構造が、並進軸と異なるチルト軸を含む。いくつかの実施形態では、支持構造が、並進軸及びチルト軸と異なるパン軸を含む。いくつかの実施形態では、支持構造が、チルト軸及びパン軸の周囲で標的表面の方に及び標的表面から離してプローブを回転させるようにさらに構成される。いくつかの実施形態では、支持構造が、並進面及び並進軸の各々に沿った剛性を有し、並進面に沿った剛性は、並進軸に沿った剛性よりも高い。いくつかの実施形態では、プローブが、標的表面内に超音波を放出するように構成される。
【００１０】
いくつかの実施形態では、装置が、並進面に沿った第１の方向に沿ってプローブを並進させるように構成された第１のアクチュエータをさらに含む。いくつかの実施形態では、装置が、並進面に沿った第１の方向に垂直な第２の方向に沿ってプローブを並進させるように構成された第２のアクチュエータをさらに含む。いくつかの実施形態では、装置が、並進面に垂直な並進軸に沿ってプローブを並進させるように構成された第３のアクチュエータをさらに含む。いくつかの実施形態では、第１のアクチュエータ及び第２のアクチュエータが、並進面の剛性を有するように構成され、第３のアクチュエータが、並進軸の剛性を有するように構成される。
【００１１】
いくつかの実施形態では、第１、第２及び第３のアクチュエータがサーボモータである。
【００１２】
いくつかの実施形態では、プローブの支持構造の構成と、支持構造の第１、第２及び第３のアクチュエータの各々の構成とを決定するステップを含む方法によって、第１、第２及び第３のアクチュエータの各々の入力が決定される。いくつかの実施形態では、方法が、支持構造の構成と、支持構造の所望の条件付き剛性とに基づいて、支持構造の剛性行列を決定するステップをさらに含む。いくつかの実施形態では、方法が、プローブの所望の並進位置及び回転位置と実際の並進位置及び回転位置との差分のベクトルを剛性行列に乗算することによって力ベクトルを決定するステップをさらに含む。いくつかの実施形態では、方法が、支持構造のヤコビアンを計算するステップをさらに含む。いくつかの実施形態では、方法が、力ベクトルとヤコビアンの転置行列とを乗算することによって、第１、第２及び第３のアクチュエータの各々の入力を決定するステップをさらに含む。
【００１３】
様々な実施形態によれば、標的表面と相互作用するように構成された装置の製造方法であって、標的表面と相互作用するように構成されたプローブを準備するステップを含む方法が提供される。いくつかの実施形態では、この方法が、プローブを標的表面に対して動かす支持構造をプローブに結合するステップをさらに含み、支持構造は、標的表面に概ね平行な並進面、及び並進面に概ね垂直な並進軸の両方に沿ってプローブを並進させるとともに、少なくとも１つの回転軸の周囲でプローブを回転させるように構成される。いくつかの実施形態では、１つの回転軸が、並進軸と異なるチルト軸を含む。いくつかの実施形態では、１つの回転軸が、並進軸及びチルト軸と異なるパン軸を含む。
【００１４】
様々な実施形態によれば、被験者の走査において使用されるロボットシステムであって、被験者内にエネルギーを放出するプローブと、プローブに結合されたロボット支持構造とを含み、ロボット支持構造が、プローブを被験者の表面と平行に動かすアクチュエータを含むロボットシステムが提供される。いくつかの実施形態では、ロボットシステムが、５つの作動自由度を有するロボット支持構造を含む。いくつかの実施形態では、ロボットシステムが、６つの作動自由度を有するロボット支持構造を含む。いくつかの実施形態では、ロボットシステムが、６つよりも多くの作動自由度を有するロボット支持構造を含む。いくつかの実施形態では、ロボットシステムが、６つよりも多くの作動自由度を有するロボット支持構造を含む。いくつかの実施形態では、ロボットシステムが、４つの作動自由度を有するロボット支持構造を含む。いくつかの実施形態では、ロボットシステムが、ロボット支持構造の動きを制御するように構成された制御コンピュータを含む。いくつかの実施形態では、ロボットシステムが、ロボット支持構造の動きを制御するように構成された遠隔操作コントローラを含む。いくつかの実施形態では、ロボットシステムが、ロボット支持構造の動きを制御するように構成されたハイブリッド位置−力コントローラを含む。いくつかの実施形態では、ロボットシステムが、プローブに接触する力／トルクセンサを含む。
【００１５】
様々な実施形態によれば、標的表面と相互作用するように構成された装置であって、標的表面と相互作用するように構成されたプローブと、プローブに結合されて、プローブを標的表面に対して動かす支持構造とを含み、支持構造が、支持構造の動きを制御するハイブリッド位置−力コントローラを含む装置が提供される。いくつかの実施形態では、ハイブリッド位置−力コントローラが、プローブを標的表面に押し付けて受動的に接触力を維持するように構成されたばねを含む。いくつかの実施形態では、ハイブリッド位置−力コントローラが、プローブを第１の軸に沿って動かすように構成された第１のモータを含む。いくつかの実施形態では、ハイブリッド位置−力コントローラが、プローブを第２の軸に沿って動かすように構成された第２のモータを含む。いくつかの実施形態では、ハイブリッド位置−力コントローラが、プローブを第３の軸の周囲で回転させるように構成された第３のモータを含む。いくつかの実施形態では、ハイブリッド位置力−コントローラが、プローブを第４の軸の周囲で回転させるように構成された第４のモータを含む。
【００１６】
様々な実施形態によれば、自動ＴＣＤシステムであって、患者の血管を超音波照射するように構成されたＴＣＤプローブと、プローブに取り付けられたロボットと、ロボットに接続されてロボットの動きを制御するコンピュータとを含む自動ＴＣＤシステムが提供される。いくつかの実施形態では、自動化ＴＣＤシステムが、ロボットに取り付けられてプローブと通信する軸力センサを含むエンドエフェクタを含む。いくつかの実施形態では、自動ＴＣＤシステムが、少なくとも６つの作動自由度で動くように構成されたロボットを含む。いくつかの実施形態では、自動ＴＣＤシステムが、正確に５つの作動自由度で動くように構成されたロボットを含む。いくつかの実施形態では、自動ＴＣＤシステムが、正確に４つの作動自由度で動くように構成されたロボットを含む。
【００１７】
以下の説明、及び以下で簡単に説明する図面に示す付随する例示的な実施形態から、本発明の特徴、態様及び利点が明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】例示的な実施形態による、医療プローブを操作するための仮想支持構造を示す図である。
【図２】例示的な実施形態による、医療プローブ及びジンバル構造の斜視図である。
【図３】例示的な実施形態による、図２の医療プローブの２リンク回転支持構造の斜視図である。
【図４】図３の支持構造の正面図である。
【図５】図３の支持構造の右側正面図である。
【図６】例示的な実施形態による、図２の医療プローブのプリズム支持構造の斜視図である。
【図７】図６の支持構造の正面図である。
【図８】図６の支持構造の右側正面図である。
【図９】図３の支持構造の概略的正面図である。
【図１０】図６の支持構造の概略的正面図である。
【図１１】例示的な実施形態による、アクチュエータの入力又はトルクを決定する方法のフローチャートである。
【図１２】例示的な実施形態による、図２の医療プローブの５バー並列機構（回転−回転）支持構造の斜視図である。
【図１３】図１２の支持構造の正面図である。
【図１４】図１２の支持構造の右側正面図である。
【図１５】ハイブリッド位置−力アドミッタンスコントローラを示す図である。
【図１６】冗長マニピュレータ上のプローブを示す図である。
【図１７】モニタリングステーションに取り付けられた冗長マニピュレータ上のプローブを示す図である。
【図１８】頬骨弓を走査する冗長マニピュレータ上のプローブを示す図である。
【図１９】眼窩又は眼球孔の経眼窩走査を行う冗長マニピュレータ上のプローブを示す図である。
【図２０】後頭骨を走査する冗長マニピュレータ上のプローブを示す図である。
【図２１】下顎を走査する冗長マニピュレータ上のプローブを示す図である。
【図２２】ＴＣＤシステムの概略図である。
【図２３Ａ】冗長マニピュレータ上のプローブを示す図である。
【図２３Ｂ】冗長マニピュレータ上のプローブの力出力のテスト結果を示す図である。
【図２４】４つの作動自由度と１つの受動自由度とを有する支持構造内のばね式プローブの上面斜視図である。
【図２５】４つの作動自由度と１つの受動自由度とを有する支持構造内のばね式プローブの正面斜視図である。
【図２６】４つの作動自由度と１つの受動自由度とを有する支持構造内のばね式プローブの断面図である。
【図２７】例示的な実施形態による、医療プローブの５作動自由度プリズム支持構造の正面斜視図である。
【図２８】例示的な実施形態による、医療プローブの５作動自由度プリズム支持構造の後面斜視図である。
【図２９】例示的な実施形態による、医療プローブの５作動自由度プリズム支持構造の分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
添付図面と共に後述する詳細な説明は、様々な構成の説明として意図するものであり、本明細書で説明する概念を実施できる唯一の構成を示すことを意図するものではない。詳細な説明は、様々な概念を完全に理解できるように具体的な詳細を含む。しかしながら、当業者には、これらの具体的な詳細を伴わずにこれらの概念を実施できることが明らかであろう。場合によっては、このような概念を曖昧にしないように、周知の構造及び構成要素についてはブロック図形式で示す。
【００２０】
様々な実施形態によれば、時間ウィンドウ品質の評価を完全に自動化して完全な信号消失後であっても時間ウィンドウを再発見できる５作動自由度（ＤＯＦ）運動学的機構が使用される。当業者にとっては、一方の能動自由度又は作動自由度と、他方の受動自由度との間に区別が存在する。能動自由度又は作動自由度は、例えばモータなどのアクチュエータを含む。受動自由度は、このようなアクチュエータを必要としない。本明細書において、「自由度」という用語を受動的として限定することなく用いている場合、この自由度は能動自由度又は作動自由度を意味する。いくつかの実施形態では、コンピュータが、この機構に対し、候補信号が見つかるまでプローブを頭部の表面に沿って並進させて再配向するように命令及び指示を行う。候補信号が見つかると、信号強度を高めるようにプローブを再配向する。いくつかの実施形態では、機構及びプローブを頬骨弓などの既知の解剖学的特徴に位置合わせすることにより、自動システムの探索時間の短縮及び時間ウィンドウの発見が行われる。いくつかの実施形態では、ユーザが耳と眼の間の頬骨弓に沿った初期開始点にプローブを配置できるようにする視覚的ウィンドウガイドを用いて位置合わせが行われる。
【００２１】
いくつかの実施形態では、プローブが正しく位置合わせされた後、プローブが頭部の表面をたどって頭部に対して内外に動く際に、プローブが着座したままであるほどの高いレベルではあるがユーザにとっては快適なほどの低いレベルでプローブの剛性を表面と垂直に保つ。いくつかの実施形態では、プローブ位置の精密な制御を維持するために、Ｘ軸及びＹ軸が高サーボ剛性を維持することができる。プローブの垂直抗力はＺ軸剛性によって決まるので、いくつかの実施形態では、Ｘ軸及びＹ軸が受ける摺動力が快適なレベルに制限され、プローブにＴＣＤウィンドウの探索を実行するように指示することができる。いくつかの実施形態では、プローブの配向を変化させる必要がある場合、ソフトウェアを介して配向剛性を高めることができる。
【００２２】
いくつかの実施形態では、プローブの運動学的機構が、５つの位置及び配向自由度Ｘ＝｛ｘ，ｙ，ｚ，パン、チルト｝（すなわち、タスク空間）をもたらす５つのモータ自由度又は作動自由度Ｑ＝｛Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５｝（すなわち、モータ空間又は関節空間）を含む。従って、順運動学は、モータ座標とプローブ座標との間の関係：Ｘ＝ｆｗｄ＿ｋｉｎ（Ｑ）として表すことができ、ｆｗｄ＿ｋｉｎは、典型的にはＤｅｎａｖｉｔ−Ｈａｒｔｅｎｂｅｒｇパラメータによって分析される、機構設計に基づく一連の方程式を表す関数である。
【００２３】
いくつかの実施形態では、ＴＣＤプローブの配置が、逆運動学を通じて、解析的逆解法Ｑ＝ｉｎｖ＿ｋｉｎ（Ｘ）、又はヤコビアン逆解法ｄＱcmd（ｎ）＝Ｊ-l（Ｘerr（ｎ））などの数値微分のいずれかを用いて指定され、Ｊは、モータの差動運動をプローブの差動運動に関連付けるヤコビアンであり、Ｘerr（ｎ）は、時点ｎにおけるプローブの位置及び配向誤差であり、ｄＱcmd（ｎ）は、時点ｎにおける差動モータ命令である。制御されるプローブの位置座標及び配向座標よりもモータ自由度又は作動自由度の方が多い機構では、この運動学が冗長と呼ばれ、このような機構は５つよりも多くのモータを有する。冗長機構では、逆運動学が、逆ヤコビアンからヤコビアンのムーア・ペンローズ擬似逆行列ｄＱcmd（ｎ）＝Ｊ†（Ｘerr（ｎ））（又はその他の一般逆行列）に変化する。
【００２４】
図１は、例示的な実施形態による、プローブ２０の仮想支持構造１０のモデルを示す図である。支持構造１０は、プローブ２０を標的表面２２に対して位置付けるように構成される。いくつかの実施形態では、プローブ２０が、標的表面２２に向けた超音波放射を放出する、経頭蓋ドップラー（ＴＣＤ）装置と共に使用される医療プローブなどの医療プローブである。他の実施形態では、プローブ２０が、限定するわけではないが、赤外線波及びＸ線などの他のタイプの波動を動作中に放出するように構成される。様々な実施形態では、プローブ２０を、経頭蓋色分け超音波検査法（ｔｒａｎｓｃｒａｎｉａｌ  ｃｏｌｏｒ−ｃｏｄｅｄ  ｓｏｎｏｇｒａｐｈｙ：ＴＣＣＳ）プローブ、或いは波動を放出する連続アレイ又は位相アレイなどのアレイとすることができる。
【００２５】
いくつかの実施形態では、プローブ２０が、第１の端部２０ａと第２の端部２０ｂとを有する。いくつかの実施形態では、第１の端部２０ａが支持構造１０と相互連結される。いくつかの実施形態では、第２の端部２０ｂが標的表面２２に接触し、この表面上の接点２１においてプローブ２０が動作する。いくつかの実施形態では、第２の端部２０ｂが凹状構造であることにより、接点２１がリング形状になる（すなわち、第２の端部２０ｂは、凹状の第２の端部２０ｂの円形の外縁に沿って標的表面２２に接触する）。支持構造１０は、プローブ２０の相対的位置（例えば、ｚ軸力、ｙ軸力、ｘ軸力、垂直位置合わせなど）を制御する。支持構造１０は、プローブ２０と仮想表面１２との間に結合されてｚ軸１３に沿った力を及ぼす第１の仮想ばね１１と、プローブ２０と仮想表面１５との間に結合されてｙ軸１６に沿った力を及ぼす第２の仮想ばね１４と、プローブ２０と仮想表面１９との間に結合されてｘ軸１８に沿った力を及ぼす第３の仮想ばね１７とを含む仮想構造として示している。仮想支持構造１０は、チルト軸２７を中心とするトルクをもたらすねじりばね２３と、パン軸２９を中心とするトルクをもたらす第２のねじりばね２５とをさらに含む。いくつかの実施形態では、仮想支持構造１０が、仮想ダンパー（図示せず）などの他の仮想要素を含む。仮想ダンパーは、システムの安定性を向上させる要素に相当し、システムの動的応答を調整するのに役立つ。プローブの仮想的な又は見掛けの慣性は、機構の慣性の効果、モータ回転の慣性、求心／遠心効果をモデル化してフィードフォワードし、これらを装置の物理的性能限界内で任意の慣性特性に置き換えることによって、等方性又は異方性を有するように設定することもできる。
【００２６】
仮想支持構造１０は、以下でさらに詳細に説明するような、プローブ２０を標的表面２２に対して位置付けるために利用できる様々な機械構造を表す。いくつかの実施形態では、プローブ２０の第２の端部２０ｂが、患者又は被験者の皮膚などの比較的繊細な表面に接触する。支持構造は、その剛性（例えば、インピーダンス、コンプライアンスなど）を調整してプローブ２０に可変線形力及び回転力を与えるように構成され、方向によって比較的剛性であったり比較的柔軟であったりすることができる。例えば、支持構造１０は、標的表面２２に概ね垂直な平面では、（例えば、患者又は被験者が支持構造に対して動いた場合に）患者又は被験者に加わる力を最小化するようにｚ軸１３に沿って最小限の力を及ぼして比較的柔軟であることができ、標的表面２２に概ね平行な平面沿いでは、プローブ２０の位置の正確さ及び精密さを向上させるようにｙ軸１６及びｘ軸１８に沿って比較的剛性であることができる。さらに、様々な軸に沿った支持構造１０の所望の剛性は、その時のタスクに応じて時間と共に変化することができる。例えば、支持構造は、支持構造１０が患者又は被験者に対して動いている状況（例えば、プローブ構造の初期配置中、プローブ構造の取り外し中など）、又は比較的自由に動くことが有利である時（例えば、保守中／清掃中など）には、比較的柔軟であるように構成することができ、プローブ２０の位置決めの正確さ及び精密さが有利である状況（例えば、ＴＣＤ手順中又はプローブ２０を用いて行われる他の処置中）には、いくつかの方向に比較的剛性であるように構成することができる。
【００２７】
以下でさらに詳細に説明するように、支持構造１０の運動学的モデルを利用して、プローブ２０が標的表面２２に加える力と、支持構造１０を作動させるアクチュエータが加える力（例えば、トルク）との間の関係を計算することができる。従って、理想的なシステムにおいてプローブ２０が標的表面２２に加える力は、直接力を感知することなく理論的に求めることができ、これによってプローブ２０と一直線に配置されたロードセル及び／又はプローブ２０に結合された力トルクセンサが信号品質を最大化する適切な接触力を維持する必要性がなくなる。物理系では、静止摩擦及びその他のモデル化されていない物理的影響によって何らかの不確実性が導入されることもある。
【００２８】
図２に、例示的な実施形態による、ジンバル構造２４として示す支持構造の一部に取り付けられた、第１の端部２０ａが複数の軸を中心に回転できるプローブ２０を示す。ジンバル構造２４は、チルト軸２７を中心に回転できる第１のフレーム部材２６と、パン軸２９を中心に回転できる第２のフレーム部材２８とを含む。標的表面２２は、非平坦（例えば、非平面）とすることができる。ジンバル構造２４は、プローブ２０を、接点２１において標的表面２２と垂直になるように配向することができる。
【００２９】
次に、図３〜図５に、例示的な実施形態による、２リンク回転（例えば、回転−回転）ロボットとしてのプローブ２０の支持構造３０を示す。支持構造３０は、第１のフレーム部材３２と、第２のフレーム部材３４と、第３のフレーム部材３６と、第４のフレーム部材３８と、ジンバル構造２４とを含む。第１のフレーム部材３２は、静止部材として構成される。第１のフレーム部材３２は、例えば患者又は被験者の頭部に装着されたハロー又はヘッドセット３３に、或いは第１のフレーム部材３２を患者又は被験者に取り付ける、又は第１のフレーム部材３２の位置を患者又は被験者に対して固定する他の構造に取り付けることができる。プローブ２０は、患者又は被験者の頭内にエネルギーを放出するように構成される。
【００３０】
図３を参照すると、第２のフレーム部材３４は、ｚ軸１３の周囲で回転するように構成されたリンクである。ｚ軸１３は、頭部の表面に対して概ね垂直である。第２のフレーム部材３４の第１の端部４０は、第１のフレーム部材３２に結合される。例示的な実施形態によれば、第１のフレーム部材３２に対する第２のフレーム部材３４の回転は、第１のフレーム部材３２を通じて取り付けられた電気モータ及びギヤボックスとして示すアクチュエータ４２によって制御される。アクチュエータ４２は、頭部の表面に対して概ね垂直な垂直軸に沿ってプローブを並進させる垂直並進アクチュエータとして機能する。
【００３１】
第３のフレーム部材３６は、ｚ軸１３の周囲で回転するように構成されたリンクである。第３のフレーム部材３６の第１の端部４４は、第２のフレーム部材３４の第２の端部４６に結合される。例示的な実施形態によれば、第２のフレーム部材３４に対する第３のフレーム部材３６の回転は、第２のフレーム部材３４を通じて取り付けられた電気モータ及びギヤボックスとして示すアクチュエータ４８によって制御される。
【００３２】
第４のフレーム部材３８は、ｚ軸１３に沿って（例えば、頭部に近付いたり離れたりなどして内外に）並進するように構成される。例示的な実施形態によれば、第４のフレーム部材３８は、第３のフレーム部材３６の第２の端部５２に固定されたレール部材５０に沿って摺動する。第３のフレーム部材３６に対する第４のフレーム部材３８の位置は、電気モータ及び送りねじ（明確にするために図示せず）などのアクチュエータによって制御される。
【００３３】
ジンバル構造２４及びプローブ２０は、第４のフレーム部材３８に取り付けられる。ジンバル構造２４は、チルト軸２７及びパン軸２９の周囲のプローブ２０の配向（例えば、パン及びチルト）を制御する。チルト軸２７の周囲のプローブ２０の位置は、電気モータ及びギヤボックスとして示すアクチュエータ５４によって制御される。アクチュエータ５４は、プローブを回転させる回転アクチュエータとして機能する。パン軸２９の周囲のプローブ２０の位置は、電気モータ及びギヤボックスとして示すアクチュエータ５６によって制御される。アクチュエータ５６は、プローブを回転させる回転アクチュエータとして機能する。１つの実施形態では、チルト軸２７及びパン軸２９の周囲のプローブ２０の回転が、フレーム部材３４及び３６の回転に関わらずｚ軸１３と異なる。
【００３４】
プローブ２０は、第２のフレーム部材３４及び第３のフレーム部材３６の回転を通じて、ｘ軸１８及びｙ軸１６によって定められるｘ−ｙ平面、すなわち並進面上で動くことができる。プローブ２０は、第４のフレーム部材３８の並進を通じて、ｚ軸１３、すなわち並進軸に沿って動くことができる。さらに、プローブ２０は、ジンバル構造２４を通じてチルト軸２７及びパン軸２９を中心に回転することができる。これらの５つの作動自由度を組み合わせると、標的表面２２に対するプローブ２０の位置及び配向を完全に表現して制御できるようになり、パン軸２９及びチルト軸２７に直交する第３の軸を中心とする回転を無視することができる。
【００３５】
例示的な実施形態によれば、支持構造３０の位置決めに利用されるアクチュエータがサーボモータである。サーボモータを用いて支持構造を制御すると、モータのトルク出力、回転位置及び角速度、並びに対応するプローブ２０の位置及びプローブ２０と標的表面２２との間の相互作用に関し、ステッパモータに比べて正確な制御が可能になる。当然ながら、当業者に周知の他の好適なモータを使用することもできる。
【００３６】
次に、図６〜図８に、別の例示的な実施形態による、プリズム（例えば、デカルト、直線など）ロボットとしてのプローブ２０の支持構造６０及びジンバル構造２４を示す。図６には、例示的なプリズム−プリズム−プリズムロボットを示す。支持構造６０は、第１のフレーム部材６２と、第２のフレーム部材６４と、第３のフレーム部材６６と、第４のフレーム部材６８と、ジンバル構造２４とを含む。第１フレーム部材６２は、静止部材として構成される。第１のフレーム部材６２は、例えば患者又は被験者の頭部に装着されたハロー又はヘッドセット３３に、或いは患者又は被験者に対する第１のフレーム部材６２の位置を固定する他の構造に取り付けることができる。
【００３７】
第２のフレーム部材６４は、ｙ軸１６に沿って（例えば、耳の底部から耳の頂部などに上下に）並進するように構成される。例示的な実施形態によれば、第２のフレーム部材６４は、第１のフレーム部材６２に固定されたレール部材７０に沿って摺動する。第１のフレーム部材６２に対する第２のフレーム部材６４の位置は、電気モータ及び送りねじ（明確にするために図示せず）などのアクチュエータによって制御される。
【００３８】
第３のフレーム部材６６は、ｘ軸１８に沿って（例えば、目から耳などへ前方及び後方に）並進するように構成される。例示的な実施形態によれば、第３のフレーム部材６６は、第２のフレーム部材６４に固定されたレール部材７２に沿って摺動する。レール部材７２は、レール部材７０と直交する。第２のフレーム部材６４に対する第３のフレーム部材６６の位置は、電気モータ及び送りねじ（明確にするために図示せず）などのアクチュエータによって制御される。
【００３９】
第４のフレーム部材６８は、ｚ軸１３に沿って（例えば、頭部に近付いたり離れたりなどして内外に）並進するように構成される。例示的な実施形態によれば、第４のフレーム部材６８は、第３のフレーム部材６６に固定されたレール部材７４に沿って摺動する。第３のフレーム部材６６に対する第４のフレーム部材６８の位置は、電気モータ及び送りねじ（明確にするために図示せず）などのアクチュエータによって制御される。
【００４０】
ジンバル構造２４及びプローブ２０は、第４のフレーム部材６８に取り付けられる。ジンバル構造２４は、チルト軸２７及びパン軸２９の周囲のプローブ２０の配向（例えば、チルト及びパン）を制御する。チルト軸２７の周囲のプローブ２０の位置は、電気モータ及びギヤボックスとして示すアクチュエータ８４によって制御される。パン軸２９の周囲のプローブ２０の位置は、電気モータ及びギヤボックスとして示すアクチュエータ８６によって制御される。
【００４１】
プローブ２０は、第２のフレーム部材６４及び第３のフレーム部材６６の並進を通じてｘ−ｙ平面上で動くことができ、第４のフレーム部材６８の並進を通じてｚ軸１３に沿って動くことができ、ジンバル構造２４を通じてチルト軸２７及びパン軸２９を中心に回転することができる。これらの５つの作動自由度を組み合わせると、標的表面２２に対するプローブ２０の位置及び配向を完全に表現して制御できるようになり、パン軸２９及びチルト軸２７に直交する第３の軸を中心とする回転を無視することができる。
【００４２】
プローブ２０の支持構造のいずれかの実施形態のための運動学的モデルを開発して、プローブ２０に加わる力と、支持構造を制御するアクチュエータによって加えられる力との間の関係を求めることができる。
【００４３】
最初に、支持構造の剛性行列を求める。剛性行列は、（フレーム部材の幾何学的形状、個々のフレーム部材の剛性などの）支持構造の物理的特性、選択された座標系軸に沿ったシステム剛性、及びシステム減衰のための速度ベースの項を含む数多くの変数を用いて求められる。例示的な実施形態によれば、支持構造の所望の剛性は、（例えば、図１の仮想ばね１１、１４及び１７によって表されるような）ｚ方向（Ｋz）、ｙ方向（Ｋy）及びｘ方向（Ｋx）において、並びに（例えば、図１の仮想のねじりばね２３及び２５によって表されるような）パン軸２９（Ｋωx）及びチルト軸２７（Ｋωy）の周囲において定められる。上述したように、いくつかの実施形態では、仮想剛性が、プローブ２０を用いて達成されるタスクに基づいて時間と共に変化する。例えば、ｙ方向及びｘ方向の剛性は、支持構造が比較的柔軟に構成される配置手順中又は取り外し手順中の比較的低い横方向剛性に対応する下限と、支持構造が比較的剛性に構成されてプローブ２０のより正確な位置付けを可能にする走査手順中の比較的高い剛性に対応する上限とを有することができる。同様に、ｚ方向の剛性は、（例えば、患者又は被験者の不快感を最小限に抑えるように）支持構造が比較的柔軟に構成されてプローブ２０の自己位置合わせを可能にするプローブ２０のｚ方向の初期位置決め中の比較的低い剛性に対応する下限と、プローブ２０と標的表面２２との間の摩擦力に打ち勝ってプローブ２０の配向を維持するように支持構造がより剛性に構成される走査手順中の比較的高い剛性に対応する上限とを有することができる。さらに、ｙ軸及びｘ軸の周囲の回転剛性は、（例えば、患者又は被験者の不快感を最小限に抑えるように）支持構造（例えば、ジンバル構造２４）が比較的柔軟に構成される、プローブ２０を標的表面２２の輪郭（例えば、患者又は被験者の頭部）に適合するように位置決めしている最中の比較的低い回転剛性に対応する下限と、プローブ２０のより正確な位置決め（例えば、パン、チルトなど）が望ましい時の比較的高い回転剛性に対応する上限とを有することができる。
【００４４】
次に、以下の式を用いて力ベクトルを導き出す。
2019503220.tif 000003
（式１）
式中、Ｋは剛性行列であり、
2019503220.tif 000004
は、プローブ２０のｘ、ｙ及びｚ方向における望ましい並進位置と実際の並進位置、並びにｘ軸１８及びｙ軸１６の周囲の望ましい回転位置と実際の回転位置の差分のベクトルである。
【００４５】
次に、以下の式を用いて、支持構造の位置を制御するアクチュエータによって加えられる力（例えば、回転アクチュエータによって加えられるトルク）を求めることができる。
2019503220.tif 000005
（式２）
【００４６】
式中、ＪTは、特定の支持構造の運動学によって決まるヤコビアン転置行列である。ヤコビアンは、関節位置とエンドエフェクタの位置及び配向（例えば、プローブ２０の位置）との間の微分関係である。関節位置は、ラジアン単位（例えば、回転関節の場合）又は長さ単位（たとえば、プリズム関節又は線形関節の場合）のいずれかである。ヤコビアンは静的ではなく、支持構造の位置が連接するにつれて変化する。
【００４７】
次に、図９に、支持構造３０の概略的正面図を示す。第２のフレーム部材３４は、長さｌ1を有する第１のリンク９０によって表される。第１のリンク９０は、回転をｑ1として示す回転アクチュエータ９４によって関節接合される。第３のフレーム部材３６は、長さｌ2を有する第２のリンク９２によって表される。第２のリンク９２は、回転をｑ2として示す回転アクチュエータ９６によって関節接合される。アクチュエータ９４及び９６は、プローブ２０をｘ−ｙ平面内で動かす。
【００４８】
この装置の順運動学は以下の通りである。
2019503220.tif 000006
（式３）
2019503220.tif 000007
（式４）
【００４９】
このような回転−回転ロボットのヤコビアンは、ｑ1及びｑ2の両方に関する順運動学の偏導関数を取ることによって導き出される。
2019503220.tif 000008
（式５）
式５に示すヤコビアンは、関節運動とプローブ運動との間の微分関係を表現する、ｘ−ｙ平面における回転−回転ロボットのデカルト運動（例えば、ｙ軸１６及びｘ軸１８に沿った並進）のヤコビアンである。当業者であれば、他の実施形態では、このヤコビアンに追加項を含めて、プローブ２０の動きとロボットの他の動きと（例えば、チルト軸２７及びパン軸２９の周囲のプローブ２０の回転と、ｚ軸１３に沿った並進と）の間の微分関係を表現することもできると理解するであろう。
【００５０】
次に、図１０に、支持構造６０の概略的正面図を示す。プローブ２０は、第１の線形アクチュエータ１００（例えば、電気モータ及び送りねじ）によってｙ方向に動き、第２の線形アクチュエータ１０２（例えば、電気モータ及び送りねじ）によってｘ方向に動く。アクチュエータ１００及び１０２は、プローブ２０をｘ−ｙ平面内で動かす。各関節は他方の関節と直交し、関節運動をデカルト運動に１対１でマッピングするので、このようなプリズムロボットのヤコビアンは単位行列になる。
2019503220.tif 000009
（式６）
式６に示すヤコビアンは、関節運動とプローブ運動との間の微分関係を表現する、ｘ−ｙ平面におけるプリズムロボットのデカルト運動（例えば、ｙ軸１６及びｘ軸１８に沿った並進）のヤコビアンである。他の実施形態では、このヤコビアンに追加項を含めて、プローブ２０の動きとロボットの他の動きと（例えば、チルト軸２７及びパン軸２９の周囲のプローブ２０の回転と、ｚ軸１３に沿った並進と）の間の微分関係を表現することもできる。
【００５１】
図３を参照すると、支持構造３０は、単一の線形アクチュエータ（例えば、電気モータ及び送りねじ）を用いた第４のフレーム部材３８の並進によってプローブ２０のｚ方向の位置を制御する。図６を参照すると、同様に、支持構造６０も、単一の線形アクチュエータ（例えば、電気モータ及び送りねじ）を用いた第４のフレーム部材６８の並進によってプローブ２０のｚ方向位置を制御する。いずれの支持構造についても、アクチュエータの位置とプローブ２０の位置との間には直接相関が存在する。
【００５２】
次に、図１１に、例示的な実施形態による、プローブ支持構造のアクチュエータの入力又はトルクを決定する方法１１０を示す。最初に、プローブの支持構造の構成を決定する（ステップ１１２）。この構成は、あらゆる数の回転関節及び／又はプリズム関節を含むことができる。いくつかの実施形態では、支持構造が、１又は２以上の軸（例えば、デカルト座標系のｘ軸、ｙ軸及びｚ軸、極座標系のｒ、θ及びｚ軸など）に沿ったプローブの並進、及び／又は１又は２以上の軸の周囲の回転をもたらす。
【００５３】
支持構造の構成と支持構造の所望の可変剛性とに基づいて、支持構造の剛性行列を求める（ステップ１１４）。剛性行列は、フレーム部材の幾何学的形状及び個々のフレーム部材の剛性と、ｚ方向（Ｋｚ）、ｙ方向（Ｋｙ）及びｘ方向（Ｋｘ）における支持構造の所望の剛性と、支持構造の所望の回転剛性（Ｋωx，Ｋωy）と、システム減衰のための速度ベースの項とを含む、支持構造の物理的特性に基づく項を含む。
【００５４】
剛性行列とプローブの所望の並進位置及び回転位置とに基づいて力ベクトルを求める（ステップ１１６）。プローブの所望の位置は、いずれかの座標系を用いて決定することができる。例示的な実施形態によれば、力ベクトルは、式１に示すように、剛性行列とプローブの所望の並進位置及び回転位置の行列との積から導き出される。
【００５５】
次に、支持構造のヤコビアンを計算する（ステップ１１８）。ヤコビアンは、特定の支持構造の運動学によって決定される。ヤコビアンは、関節位置とエンドエフェクタ位置との間の微分関係である。関節位置は、ラジアン単位（例えば、回転関節の場合）又は長さ単位（たとえば、プリズム関節又は線形関節の場合）のいずれかである。ヤコビアンは静的ではなく、支持構造の位置が連接するにつれて変化する。
【００５６】
力ベクトルとヤコビアンとに基づいて、アクチュエータの入力を決定する（ステップ１２０）。例示的な実施形態によれば、アクチュエータの入力は、式２に示すようにヤコビアンと力ベクトルとの積から導き出される。
【００５７】
次に、図１２〜図１４に、別の例示的な実施形態による、５リンク回転ロボットとしてのプローブ２０の支持構造１３０を示す。支持構造１３０は、第１のフレーム部材１３２と、第１のフレーム部材１３２に結合された、第２のフレーム部材１３４ａ及び第３のフレーム部材１３４ｂとして示す１対の近位部材と、それぞれの近位フレーム部材に結合されるとともに互いに結合された、第４のフレーム部材１３６ａ及び第５のフレーム部材１３６ｂとして示す１対の遠位部材と、遠位フレーム部材に結合された第６のフレーム部材１３８と、ジンバル構造２４とを含む。第１のフレーム部材１３２は、静止部材として構成される。第１のフレーム部材１３２は、例えば患者又は被験者の頭部に装着されたハロー又はヘッドセット３３に、或いは患者又は被験者に対する第１のフレーム部材１３２の位置を固定する他の構造に取り付けることができる。
【００５８】
第２のフレーム部材１３４ａ及び第の３フレーム部材１３４ｂは、ｚ軸１３の周囲で回転するように構成されたリンクである。第２のフレーム部材１３４ａの第１の端部１４０ａは、第１のフレーム部材１３２に結合される。同様に、第３のフレーム部材１３４ｂの第１の端部１４０ｂは、第１のフレーム部材１３２の別個の部分に結合される。例示的な実施形態によれば、第１のフレーム部材１３２に対する第２のフレーム部材１３４ａの回転は、第１のフレーム部材１３２を通じて取り付けられた電気モータ及びギヤボックスとして示すアクチュエータ１４２ａによって制御される。例示的な実施形態によれば、第１のフレーム部材１３２に対する第３のフレーム部材１３４ｂの回転は、第１のフレーム部材１３２を通じて取り付けられた電気モータ及びギヤボックスとして示すアクチュエータ１４２ｂによって制御される。
【００５９】
第４のフレーム部材１３６ａ及び第５のフレーム部材１３６ｂは、ｚ軸１３の周囲で回転するように構成されたリンクである。第４のフレーム部材１３６ａの第１の端部１４４ａ及び第２のフレーム部材１３４ａの第２の端部１４６ａは、それぞれ軸受（例えば圧入軸受など）を介してハブ部材１４８ａに結合される。同様に、第５のフレーム部材１３６ｂの第１の端部１４４ｂ及び第３のフレーム部材１３４ｂの第２の端部１４６ｂは、それぞれ軸受（例えば圧入軸受など）を介してハブ部材１４８ｂに結合される。
【００６０】
第４のフレーム部材１３６ａ及び第５のフレーム部材１３６ｂは、軸受（例えば、圧入軸受など）を介して共に結合されて、５バーリンク機構を形成する。ハブ部材１４８ａ及び１４８ｂは、近位部材をｚ軸１３に沿って遠位部材からオフセットさせ、これによってアクチュエータ１４２ａ及び１４２ｂによるリンクの回転時に、近位フレーム部材（例えば、第２のフレーム部材１３４ａ及び第３のフレーム部材１３４ｂ）が遠位フレーム部材（例えば、第４のフレーム部材１３６ａ及び第５のフレーム部材１３６ｂ）を越えて自由に動けるようになる。
【００６１】
ジンバル構造２４及びプローブ２０は、第６のフレーム部材１３８に取り付けられる。第６のフレーム部材１３８は、遠位部材の一方（例えば、第４のフレーム部材１３６ａ又は第５のフレーム部材１３６ｂ）に結合され、ジンバル構造２４及びプローブ２０をｚ軸１３に沿って（例えば、頭部に近付いたり離れたりなどして内外に）並進させるように構成される。第６のフレーム部材１３８は、支持構造３０の第４のフレーム部材３８に関して上述したように（図３〜図５を参照）、例えばレール上で並進することができる。ジンバル構造２４は、チルト軸２７及びパン軸２９の周囲のプローブ２０の配向（例えば、パン及びチルト）を制御する。チルト軸２７の周囲のプローブ２０の位置は、電気モータ及びギヤボックスなどのアクチュエータ（図示せず）によって制御される。パン軸２９の周囲のプローブ２０の位置は、電気モータ及びギヤボックスなどのアクチュエータ（図示せず）によって制御される。１つの実施形態では、チルト軸２７及びパン軸２９の周囲のプローブ２０の回転が、フレーム部材１３４及び１３６の回転に関わらずｚ軸１３と異なる。
【００６２】
プローブ２０は、第１のフレーム部材１３２と、第２のフレーム部材１３４ａと、第３のフレーム部材１３４ｂと、第４のフレーム部材１３６ａと、第５のフレーム部材１３６ｂとによって形成された５バーリンク機構の動きを通じてｘ−ｙ平面内で動くことができる。プローブ２０は、第６のフレーム部材１３８の並進を通じてｚ軸１３に沿って動くことができる。さらに、プローブ２０は、ジンバル構造２４を通じてチルト軸２７及びパン軸２９の周囲で回転することができる。これらの５つの作動自由度を組み合わせると、標的表面２２（図１〜図２を参照）に対するプローブ２０の位置及び配向を完全に表現して制御できるようになり、パン軸２９及びチルト軸２７に直交する第３の軸を中心とする回転を無視することができる。
【００６３】
例示的な実施形態によれば、支持構造１３０の位置決めに利用されるアクチュエータがサーボモータである。当然ながら、サーボモータの代わりにいずれかの好適なモータを使用することもできる。サーボモータを用いて支持構造を制御すると、モータの回転位置及び角速度、並びに対応するプローブ２０の位置及びプローブ２０と標的表面２２との間の相互作用に関し、ステッパモータに比べて正確な制御が可能になる。
【００６４】
アクチュエータ１４２ａ及び１４２ｂの入力は、上述した方法と同様に、力ベクトルを求め、支持構造１３０の順運動学を求め、アクチュエータ１４２ａ及び１４２ｂの各々の回転に関する順運動学の偏導関数を取ることによってヤコビアンを計算することによって計算することができる。
【００６５】
いくつかの実施形態では、プローブ２０の接触及び着座のために、プローブ２０の正確な位置及び配向を予測して制御しようと試みる代わりに、機械設計又はソフトウェアのいずれによって行うかに関わらず、プローブ２０のインピーダンスを選択的に制御する。従って、プローブ２０の配向自由度は、プローブ２０を接触及び着座に抗して頭部と同じ高さで回転できるように柔軟にすることができるのに対し、並進自由度は、プローブ２０を動かして頭部への接触配置を保つほど十分に剛性にされる。いくつかの実施形態では、各方向が異なるインピーダンスを有する。
【００６６】
いくつかの実施形態では、プローブ２０のモータトルク及びモータサーボ剛性を制限するソフトウェアが実装される。いくつかの実施形態では、方向毎に異なる制限が存在し、異なる方向において異なる剛性が生じることができる。いくつかの実施形態では、パン及びチルトが非常に柔軟であるのに対し、並進運動は適度に剛性である。いくつかの実施形態では、プローブ２０を通る剛性が、Ｘ、Ｙの並進自由度よりも柔軟である。
【００６７】
いくつかの実施形態では、タスク空間のインピーダンス制御のためのソフトウェアが実装される。換言すれば、プローブ２０の配向を考慮して、プローブ２０の中心を通るＺ軸を含むローカル座標系を定めることができる。モータのサーボ剛性及びトルクの制限を調整することによってプローブ２０のインピーダンスを操作する代わりに、いくつかの実施形態では、ロボット全体の運動学を考慮して、プローブ２０の座標フレームの局所的なＸ、Ｙ、Ｚ、パン及びチルトの５つの方向の各々のインピーダンスを設定することができる。従って、プローブ２０の中心線を通じてプローブ２０をさらに柔軟にしながらも、依然として皮膚の表面との接触を維持し、プローブ２０の位置を正確に制御できるほどの局所的なＸ剛性及びＹ剛性を有するようにすることができる。
【００６８】
様々な実施形態によれば、プローブ２０が、一連の弾性アクチュエータを含む。いくつかの実施形態では、モータ内へのばね要素又はロボットの構造部材としての柔軟な部材を機械設計に追加することによって装置のインピーダンスを変化させる。いくつかの実施形態では、プローブ２０の正確な位置及び配向を測定するために撓み量の測定を行う。一連の弾性アクチュエータは、正確なコンプライアンスに合わせて設計され、さらには減衰要素も追加される一方で、インピーダンスのプログラミングに関連する計算上の非線形性及び不安定性を回避するという利点を有する。
【００６９】
いくつかの実施形態では、モータの印加電流をモニタすることによって間接的に力を測定する。静的な例では、ロボットの運動学を考慮して、ヤコビアンＦ＝（ＪT）-1τからシステムの力ベクトル／トルクベクトルを計算し、τは、モータへの印加電流によって予測されるモータトルクのベクトルである。
【００７０】
いくつかの実施形態では、プローブ２０の背後に力／トルク検知機構を配置することによって、プローブ２０と頭部との間の相互作用力及びトルクを制御する。測定された力及びトルクに関連してプローブの位置及び配向を特定して所望の力／トルクベクトルを達成する。この種の閉ループコントローラはアドミッタンス制御と呼ばれ、ソフトウェアにプログラムされる。アドミッタンス制御は、以下の式に示すように、測定された力をプローブの所望の位置及び配向に関連付ける。
2019503220.tif 000010
【００７１】
この所望の位置ベクトルを用いて、逆運動学から所望の関節位置を計算する。モータ関節コントローラは、高いサーボ剛性で外乱除去を強化して低いサーボ追従誤差を有するようにプログラムされる。ハイブリッド位置−力アドミッタンスコントローラ１５０を図１５に示す。
【００７２】
このハイブリッド位置−力コントローラの例では、プローブのｚ方向において力が制御される一方で、ｘ方向及びｙ方向、並びにパン及びチルト方向において位置が制御される。探索などのタスク指向のプローブの動きを決定するプローブ命令入力ブロック１５４によって、タスク空間における位置と力のハイブリッド命令［ｘｃｍｄ，ｙｃｍｄ，Ｆcmd，ｐａｎcmd，ｔｉｌｔcmd］１５２が送信される。この場合、位置及び配向は、ｘ、ｙ、パン及びチルトで指定されて長さ及び角度の単位（ｍｍ及びラジアン）で与えられる。力は、ｚ方向に指定されてニュートン単位で与えられる。アドミッタンスコントローラでは、力命令を所望の位置に変換しなければならない。プローブ入力命令ブロック１５４からは、アドミッタンス力制御ブロック１５４のための命令として使用される力命令Ｆcmd１５６が抽出される。アドミッタンス力制御法則ブロック１５８は、測定された力であるＦmeasuredを用いてｚ位置の変化であるΔｚを計算する。単純な単一の比例ゲインコントローラを示しているが、他のコントローラ形態を使用することもできる。ｚ命令位置更新ブロック１６０では、古いｚ命令位置にΔｚ１６２を加えて、更新されたｚ命令であるＺcmd１６４を作成する。この情報は、プローブ命令調和ブロック１６６において他のプローブ位置及び方向命令と融合される。調和した命令Ｒcmd１６８は、プローブの位置及び配向を長さ及び角度の単位［ｘcmd，ｙcmd，ｚcmd，ｐａｎcmd，ｔｉｌｔcmd］で指定する。逆運動学ブロック１７０は、調和した命令Ｒcmd１６８を用いて、特定のロボットの機構に基づいて新たなロボット関節命令位置ｑcmd１７２を決定する。上記の説明から、このロボットは、自由度の数に応じて、直接解析逆解法、或いは逆ヤコビアン又は擬似逆ヤコビアンに基づく数値解法を有すると理解される。
【００７３】
関節命令位置ｑcmd１７２は、関節モータコントローラブロック１７４と、出力トルク１７６と、物理的ロボットであるロボット機構ブロック１７８と、測定された関節位置ｑ１８０とから成る内部位置制御ループの入力として使用される。ロボット機構ブロック１７８は、測定された力であるＦmeasured１８２を出力する力センサも含む。測定された力Ｆmeasured１８２は、アドミッタンス力制御法則ブロック１５８への第２の入力であり、この入力によって力制御ループが閉じられる。
【００７４】
測定された関節位置ｑ１８０は、プローブの現在の位置及び配向である［ｘ，ｙ，ｚ，ｐａｎ，ｔｉｌｔ］１８６を計算してプローブ命令生成アルゴリズムで使用できるようにプローブ命令入力ブロック１５４に返送する順運動学計算ブロック１８４への入力として使用される。
【００７５】
インピーダンス法則と組み合わせると、プローブ２０における異なる方向及び配向の剛性をプログラムすることができる。アドミッタンス制御は、力−トルクセンサが無ければユーザに抵抗する静止摩擦を停止中に観測できないという理由で純粋なインピーダンスコントローラと共に使用するのが困難な非逆駆動モータに適する。
【００７６】
支持構造の他の構成は、過駆動機構（ｏｖｅｒ  ａｃｔｕａｔｅｄ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）及び劣駆動機構（ｕｎｄｅｒ  ａｃｔｕａｔｅｄ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）を含む。過駆動機構又は冗長マニピュレータは、制御しようとするタスク空間座標よりも多くの作動自由度を含み、例えばモータの数Ｑ＝｛Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，…｝が、制御されているプローブの５つの位置及び配向自由度Ｘ＝｛ｘ，ｙ，ｚ，ｐａｎ，ｔｉｌｔ｝よりも多い。このような機構では、多くの、場合によっては無限数の逆運動学解法が存在すると思われる。
【００７７】
過駆動機構又は冗長マニピュレータの一例に、Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｒｏｂｏｔ社によって製造されたＵＲ３ロボットがあり、このロボットは、それぞれが独自のアクチュエータ又はモータによって６つの作動自由度の動きを可能にするように制御される６つの回転関節を有する。図１６を参照すると、いくつかの実施形態では、プローブ２０を冗長マニピュレータ１９０上に配置することができる。図１７参照すると、いくつかの実施形態では、冗長マニピュレータ１９０を、ディスプレイ画面１９４を含むことができるモニタリングステーション１９２に都合良く取り付けることができる。図１８を参照すると、冗長マニピュレータを制御して頬骨弓１９６を走査することができる。図１９を参照すると、冗長マニピュレータを制御して、眼窩又は眼球孔１９８を通じて眼窩走査を行うことができる。図２０を参照すると、冗長マニピュレータを制御して後頭部骨２００を走査することができる。図２１を参照すると、冗長マニピュレータを制御して顎下２０２を走査することができる。
【００７８】
図２２に示すように、いくつかの実施形態では、自動ＴＣＤシステム２０３が、ロボットの位置決めを行う冗長マニピュレータ１９０と、力センサ２０６を含むプローブホルダ２０４と、プローブドライバ基板２０８と、制御コンピュータ２１０とを含む。冗長マニピュレータ１９０のいくつかの実施形態は、十分な運動学的精度を提供し、作業空間内の人間の周囲での使用が認定されており、速度及び衝撃力を制限するための設定可能な安全レベルを有する。これらの特徴は、安全上の懸念に対応して人間との使用を可能にすることができる。「エンドエフェクタ」と呼ばれるプローブホルダ２０４には、患者又は被験者の血管を超音波照射するＳｐｅｎｃｅｒＴＣＤプローブとすることができるプローブ２０が取り付けられる。プローブホルダ２０４は、冗長マニピュレータ１９０の端部に取り付けられ、走査する表面に冗長マニピュレータ１９０が加える力を直接モニタする軸力センサ２０６を有する。力センサ２０６は、冗長マニピュレータ１９０に力センサ情報２１２を送信する。この力センサ２０６は、プローブ２０と走査する表面との間に十分な接触力が生じることを確実にする役割を果たすだけでなく、接触力の過負荷を防ぐ第２の安全措置でもある。いくつかの実施形態では、プローブに電力２１４を送信して超音波エネルギーを放出し、戻ってきたセンサ出力信号２１６を処理する電子機器を提供するプローブドライバ基板２０８がプローブ２０に接続される。
【００７９】
いくつかの実施形態では、制御コンピュータ２１０が、ＴＣＰ／ＩＰ通信２１８を介して冗長マニピュレータ１９０のコントローラ２２０に接続されるとともに、ＵＳＢ２２２によってプローブドライバ基板２０８にも接続される。冗長マニピュレータ１９０は、その現在の位置、速度、エンドエフェクタに加わる推定力、カスタムセンサの読み取り値及びその他のステータス情報などに関する情報２２４をコントローラ２２０に提供し、この情報２２４は、その後にＴＣＰ／ＩＰ２１８を介して制御コンピュータ２１０に通信される。プローブドライバ基板２０８のＵＳＢ２２２のインターフェイスは、プローブ２０の深さなどのパラメータ及び動作の設定方法を提供し、速度エンベロープなどの処理データを戻す。制御コンピュータ２１０は、この情報を全て取り込んでプローブ探索アルゴリズムを実行し、新たな冗長マニピュレータ１９０命令を発行して冗長マニピュレータを動かす。実施形態は、超音波照射された血管を突き止める熟練技術者の専門技術を模倣する機械学習アルゴリズムを使用することもできる。いくつかの実施形態では、制御コンピュータ２１０がプローブ２０の走査プロセスを自律的に制御するが、他の実施形態では、ＮｅｕｒｏＡｒｍ及びＤａＶｉｎｃｉ手術ロボットにおいて使用される技術などの当業者に周知の技術を用いて人間がプローブ２０の走査プロセスを遠隔操作することもできる。
【００８０】
次に、図２３Ａ及び図２３Ｂを参照すると、図２３Ａには、図２２の冗長マニピュレータ１９０と、力センサ２０６と、プローブホルダ２０４と、プローブ２０とを示している。図２３Ｂには、２Ｎ〜１０Ｎの不感帯範囲２２０に制御された力出力を示す、この構成を用いたテスト結果を示す。
【００８１】
結合テスト（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  ｔｅｓｔｉｎｇ）では、プローブドライバ基板２０８からの全てのデータを読み取り、冗長マニピュレータ１９０からの全ての状態データを読み取り、信号処理及び計画アルゴリズムを更新し、冗長マニピュレータ１９０にそのサーボ速度での新たな動作命令を発行するのに十分な速さの１２５Ｈｚの制御ループをシステム全体にわたって維持できることが示された。
【００８２】
いくつかの実施形態では、ＵＲ３の代わりに、６よりも多くの作動自由度を有するモジュール式蛇型ロボット又はその他のロボットの運動学的構成が冗長マニピュレータとして使用される。
【００８３】
次に、図２４〜図２６に、作動中のシステム３００を示す。このようなシステムは、ｘ軸、ｙ軸、パン軸、チルト軸における４つの作動自由度と、ｚ軸に沿った力をもたらすばねとを有する。図示の作動中のシステム３００では、システムの作動自由度が５よりも少ないが、依然としてＴＣＤ位置決めタスクを実行することができる。図示の作動中のシステム３００は、プローブ２０を位置決めして配向することができる４作動自由度機構Ｘ＝｛ｘ，ｙ，ｐａｎ，ｔｉｌｔ｝である。作動中のシステム３００では、ばね３０２がｚ軸１３に沿ってプローブ２０に力を及ぼす。５作動自由度システムでは、作動中のシステム３００においてばねが及ぼす力をモータ駆動機構によって作動させる。ジンバル構造２４は、プローブ２０の配向を可能にする。ｚ軸１３における力は、実際にはばね３０２に関連するばね定数の特性によってモニタされる。ｘ軸１８における作動は、電気モータ及び送りねじとして示すアクチュエータ３０４によって制御される。ｙ軸１６における作動は、電気モータ及び送りねじとして示すアクチュエータ３０６によって制御される。パン軸２９における作動は、モータ３０８によって制御される。チルト軸２７における作動は、モータ３１０によって制御される。
【００８４】
次に、図２７、図２８及び図２９にプローブ２０の支持構造４００を示しており、ジンバル構造２４については、別の例示的な実施形態によるプリズム（例えば、デカルト、直線などの）ロボットとして示す。支持構造４００は、例えば患者又は被験者の頭部に装着されたハロー又はヘッドセット３３、或いはその他の構造に取り付けることができる。支持構造４００は、支持構造４００の機構の一部を覆うカバー４０１を含む。支持構造４００の分解図である図２９には、支持構造４００から取り外したカバー４０１を示す。
【００８５】
第１のモータ４０２は、第１の平歯車４０４を用いて送りねじ４０５機構を作動させるように構成される。第１の平歯車４０３は、第１のモータ４０２の回転運動を送りねじ４０５に沿った線形運動に変換してプローブ２０をｙ軸１６に沿って（例えば、耳の底部から耳の頂部などに上下に）並進させる第２の平歯車４０４に結合される。第２のモータ４０６は、ラックアンドピニオン機構４０９に結合された第４の平歯車４０８に結合された第３の平歯車４０７を用いて、プローブ２０をｚ軸１３に沿って被験者の頭部の方に及び頭部から離して並進させるように構成される。図２８に示すように、第３のモータ４１２及び軸受４１０は、この実施形態ではｘ軸１８に平行なチルト軸２７の周囲におけるジンバル２４の回転を可能にする。プレート４１４は、２つの線形レール４１６、４１８を収容して、ｘ軸１８に沿って（例えば、耳から目などへ前方及び後方に）並進する第４のモータ（明確にするために図示せず）の取り付けを可能にする。図２９に示すように、第５のモータ４２０は、この実施形態ではｙ軸１６に平行なパン軸２９の周囲におけるジンバル２４の回転の制御を可能にし、この結果、５自由度作動ロボットシステムを規定するのに必要な自由度が完結する。
【００８６】
以上、プローブ２０の支持構造のごくわずかな構成を説明して図示したが、当業者であれば、他にも多くの構成が可能であり、同様の方法を用いて支持システムのアクチュエータの、又は力−トルクセンサからの入力を決定して、あらゆる方向における所望の可変剛性を達成することができると理解するであろう。
【００８７】
上記で使用した「取り付けられた（ａｔｔａｃｈｅｄ）」、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」及び「固定された（ｓｅｃｕｒｅｄ）」などを含む用語は、同義的に使用するものである。また、実施形態によっては、第２の要素に「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」（又は「取り付けられた（ａｔｔａｃｈｅｄ）」、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「締結された（ｆａｓｔｅｎｅｄ）」など）第１の要素を含むように説明したものもあるが、第１の要素は、第２の要素に直接結合することも、或いは第３の要素を介して第２の要素に間接的に結合することもできる。
【００８８】
上記の説明は、本明細書で説明した様々な態様をあらゆる当業者が実施できるように行ったものである。当業者には、これらの態様の様々な修正が容易に明らかになると思われ、また本明細書で定めた一般的原理は、他の態様に適用することもできる。従って、特許請求の範囲は、本明細書に示した態様に限定されるものではなく、特許請求の範囲の文言に一致する完全な範囲が認められるものであり、単数形の要素についての言及は、特にそのように記載していない限り「唯一の」を意味するものではなく、むしろ「１又は２以上」を意味するように意図される。別途明示していない限り、「いくつかの（ｓｏｍｅ）」という用語は、１又は２以上を意味する。上記の説明全体を通じて説明した様々な態様の要素の、当業者に周知の又は後で知られるようになる全ての構造的及び機能的同等物は、引用によって本明細書に明確に組み入れられ、特許請求の範囲に含まれるように意図される。さらに、本明細書に開示した内容は、これらが特許請求の範囲に明示されているかどうかに関わらず、一般に公開されることを意図するものではない。請求項の要素については、この要素が「〜のための手段」という表現を用いて明確に示されていない限りミーンズプラスファンクションとして解釈すべきではない。
【００８９】
開示したプロセスにおけるステップの特定の順序又は階層は、例示的な方法の一例であると理解されたい。設計嗜好に基づいて、プロセスにおけるステップの特定の順序又は階層は、上記の説明の範囲を超えない状態で再構成することができると理解されたい。付随する方法の請求項は、様々なステップの要素をサンプル順で提示したものであり、提示する特定の順序又は階層に限定する意図はない。
【００９０】
開示した実装についての上記の説明は、開示した主題をあらゆる当業者が実施又は利用できるように行ったものである。当業者には、これらの実装の様々な修正が容易に明らかになると思われ、また本明細書で定めた一般的原理は、上記の説明の趣旨又は範囲から逸脱することなく他の実装にも適用することができる。従って、上記の説明は、本明細書に示した実装に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示した原理及び新規の特徴と一致する最も広い範囲を許容すべきものである。
【符号の説明】
【００９１】
１３  ｚ軸
１６  ｙ軸
１８  ｘ軸
２０  プローブ
２４  ジンバル構造
２７  チルト軸
２９  パン軸
３０  支持構造
３２  第１のフレーム部材
３３  ヘッドセット
３４  第２のフレーム部材
３６  第３のフレーム部材
３８  第４のフレーム部材
４０  第２のフレーム部材の第１の端部
４２  アクチュエータ
４４  第３のフレーム部材の第１の端部
４６  第２のフレーム部材の第２の端部
４８  アクチュエータ
５０  レール部材
５２  第３のフレーム部材の第２の端部
５４  アクチュエータ
５６  アクチュエータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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１３】
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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２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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