(57)【要約】  ロボットが操縦可能デバイス４０２を含み、操縦可能デバイスは、当該操縦可能デバイスをステアリングする１つ以上のロボット制御されるジョイントを有する。デバイス制御システム４３０が、ターゲットに向かう操縦可能デバイスのナビゲーションと一致する方向に操縦可能デバイスをステアリングするために、制御コマンドが１つ以上のロボット制御されるジョイントに出されるように、画像制御システム４０６からの画像フィードバック又はボリューム内の計画のうちの一方に従って、操縦可能デバイスの位置決めを調整する。
2019512354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操縦可能デバイスをステアリングする１つ以上のロボット制御されるジョイントを有する前記操縦可能デバイスと、
ターゲットに向かう前記操縦可能デバイスのナビゲーションと一致する方向に前記操縦可能デバイスをステアリングするために、制御コマンドが前記１つ以上のロボット制御されるジョイントに出されるように、画像制御システムからの画像フィードバック又は計画のうちの一方に従って、前記操縦可能デバイスの位置決めを調整するデバイス制御システムと、
を含む、ロボット。
【請求項２】
前記１つ以上のロボット制御されるジョイントは、少なくとも２つの回転自由度を含む、請求項１に記載のロボット。
【請求項３】
前記画像制御システムは、単一の座標系における前記操縦可能デバイスの位置を特定するために、術前画像と術中画像とを位置合わせする、請求項１に記載のロボット。
【請求項４】
前記術中画像は、カメラ画像又はＸ線画像のうちの一方を含む、請求項３に記載のロボット。
【請求項５】
前記デバイス制御システムは、前記操縦可能デバイスを進路に向けてステアリングするために、前記１つ以上のロボット制御されるジョイントの回転を制御する、請求項１に記載のロボット。
【請求項６】
前記デバイス制御システムは、前記操縦可能デバイスが分岐構造に近づく際中の前記操縦可能デバイスの位置、方向及び速度に基づいて、前記１つ以上のロボット制御されるジョイントの回転量を制御する、請求項１に記載のロボット。
【請求項７】
前記１つ以上のロボット制御されるジョイントは、複数の並進可能ロッドを含むエンドエフェクタを含み、前記複数の並進可能ロッドの位置が、前記複数の並進可能ロッドを支えるシャフトの長手軸に対する前記エンドエフェクタの回転を提供する、請求項１に記載のロボット。
【請求項８】
前記デバイス制御システムは、前記１つ以上のロボット制御されるジョイントを制御するために、動態を評価するための運動学的モデルを含む、請求項１に記載のロボット。
【請求項９】
ロボット制御可能なジョイントに結合される調整可能な先端部を有する操縦可能デバイスと、
ボリューム内の前記操縦可能デバイスの位置を評価するために、術中画像を術前画像と組み合わせる画像制御システムと、
前記画像制御システムから位置情報を受信し、運動学的モデルを使用して前記操縦可能デバイスの位置決めを評価するデバイス制御システムであって、ターゲットに向かう前記操縦可能デバイスのナビゲーションと一致する方向に前記操縦可能デバイスをステアリングするために、制御コマンドを前記ロボット制御されるジョイントに出す、前記デバイス制御システムと、
を含む、誘導システム。
【請求項１０】
前記ロボット制御されるジョイントは、少なくとも２つの回転自由度を含む、請求項９に記載の誘導システム。
【請求項１１】
前記画像制御システムは、単一の座標系における前記操縦可能デバイスの位置を特定するために、術前画像と術中画像とを位置合わせする、請求項９に記載の誘導システム。
【請求項１２】
前記デバイス制御システムは、前記操縦可能デバイスを進路に向けてステアリングするために、前記ロボット制御されるジョイントの回転を制御する、請求項９に記載の誘導システム。
【請求項１３】
前記デバイス制御システムは、医療デバイスが分岐構造に近づく際中の前記医療デバイスの位置、方向及び速度に基づいて、回転量を制御する、請求項９に記載の誘導システム。
【請求項１４】
前記術中画像は、カメラ画像又はＸ線画像のうちの一方を含む、請求項９に記載の誘導システム。
【請求項１５】
前記ロボット制御されるジョイントは、複数の並進可能ロッドを含むエンドエフェクタを含み、前記複数の並進可能ロッドの位置が、前記複数の並進可能ロッドを支えるシャフトの長手軸に対する前記エンドエフェクタの回転を提供する、請求項９に記載の誘導システム。
【請求項１６】
ステアリングされる調整可能なロボット制御されるジョイントを有する操縦可能デバイスを、ボリューム内に挿入するステップと、
前記ボリューム内の前記操縦可能デバイスの位置又は画像フィードバックを提供するステップと、
前記フィードバックを受信し、前記ボリューム内の前記操縦可能デバイスの位置決めを評価し、前記操縦可能デバイスをステアリングするよう制御コマンドを前記ロボット制御されるジョイントに出すデバイス制御システムを使用して、計画に従ってターゲットに向かって前記操縦可能デバイスを自動的にナビゲートするステップと、
を含む、誘導方法。
【請求項１７】
前記ロボット制御されるジョイントは、少なくとも２つの回転自由度を含む、請求項１６に記載の誘導方法。
【請求項１８】
単一の座標系における前記操縦可能デバイスの位置を特定するために、術前画像と術中画像とを位置合わせするステップを更に含む、請求項１６に記載の誘導方法。
【請求項１９】
前記デバイス制御システムは、前記操縦可能デバイスが分岐構造に近づく際中の前記操縦可能デバイスの位置、方向及び速度に基づいて、前記操縦可能デバイスの回転量を制御する、請求項１６に記載の誘導方法。
【請求項２０】
前記ロボット制御されるジョイントは、複数の並進可能ロッドを含むエンドエフェクタを含み、前記複数の並進可能ロッドの位置が、前記複数の並進可能ロッドを支えるシャフトの長手軸に対するエンドエフェクタの回転を提供する、請求項１６に記載の誘導方法。
【請求項２１】
前記デバイス制御システムは、前記ロボット制御されるジョイントを制御するために、動態を評価するための運動学的モデルを含む、請求項１６に記載の誘導方法。
【請求項２２】
前記挿入するステップは、操作者によって手動で行われ、前記自動的にナビゲートするステップは、計画に従って、前記デバイス制御システムによって制御されるステアリングするステップを含む、請求項１６に記載の誘導方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、医療機器に関し、より具体的には、医学的応用において被制御ジョイントを使用してデバイスをロボットでステアリングするシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バルーンサイヌプラスティ（balloon sinuplasty）は、副鼻腔感染症の症状から患者を解放するために、詰まった副鼻腔内にバルーンカテーテルが挿入される処置である。この処置中に、ガイドカテーテルが鼻を通り副鼻腔へと挿入される。ガイドカテーテルは、適切な副鼻腔に侵入し易くするために先端が曲がっている。ガイドワイヤがカテーテル内に入れられ、ガイドカテーテルは、ガイドワイヤが正しい位置となると、引き戻される。バルーンカテーテルが、ガイドワイヤの上に置かれ、バルーンが膨らまされて空気通路が開かれる。この処置は、フレキシブル内視鏡及びＸ線の誘導下で行われる。Ｘ線は、通常、ガイドワイヤが適切な副鼻腔開口内に入れられたことを確認するために使用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
副鼻腔の解剖学的構造は非常に複雑で、鼻から副鼻腔空洞に達するまで複数の急な湾曲部を含む。更に、治療を成功させるためには、バルーンを展開するのに適切な場所を見つけることが必要である。ナビゲーションは、次に説明する問題の幾つかによって更に妨害される。例えばガイドカテーテルの制御が複雑である。外科医は、曲がった先端の適切な角度を選択する必要があるが、これは、患者のコンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャンから決定される。そして、ガイドカテーテルは、湾曲部を副鼻腔の侵入点に配置させるように旋回及び回転される。処置は、ガイドカテーテル内に挿入される光ファイバ内視鏡並びに／又は生体構造及びデバイスの２次元画像を撮るＣアームＸ線システムを含む画像誘導下で行われる。２Ｄ画像は複雑な３Ｄ生体構造を捉えることができないため、Ｘ線誘導は、困難な場合がある。内視鏡誘導は、副鼻腔開口を、それがカテーテルの前にある場合にのみ示すことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本原理によれば、ロボットが操縦可能デバイスを含み、当該操縦可能デバイスは、当該操縦可能デバイスをステアリングする１つ以上のロボット制御されるジョイントを有する。デバイス制御システムが、ターゲットに向かう操縦可能デバイスのナビゲーションと一致する方向に操縦可能デバイスをステアリングするために、制御コマンドが１つ以上のロボット制御されるジョイントに出されるように、画像制御システムからの画像フィードバック又はボリューム内の計画のうちの一方に従って、操縦可能デバイスの位置決めを調整する。
【０００５】
誘導システムが、調整可能な先端部を有する操縦可能デバイスを含み、先端部は、ロボット制御可能なジョイントに結合される。画像制御システムが、ボリューム内の操縦可能デバイスの位置を評価するために、術中画像を術前画像と組み合わせる。デバイス制御システムが、画像制御システムから位置情報を受信し、運動学的モデルを使用して、ボリューム内の操縦可能デバイスの位置決めを評価する。デバイス制御システムは、ターゲットに向かう操縦可能デバイスのナビゲーションと一致する方向に操縦可能デバイスをステアリングするために、制御コマンドをロボット制御されるジョイントに出す。
【０００６】
誘導方法が、ステアリングされる調整可能なロボット制御されるジョイントを有する操縦可能デバイスを、ボリューム内に挿入するステップと、ボリューム内の操縦可能デバイスの位置又は画像フィードバックを提供するステップと、フィードバックを受信し、ボリューム内の操縦可能デバイスの位置決めを評価し、操縦可能デバイスをステアリングするよう制御コマンドをロボット制御されるジョイントに出すデバイス制御システムを使用して、計画に従ってターゲットに向かって操縦可能デバイスを自動的にナビゲートするステップとを含む。
【０００７】
本開示のこれら及び他の目的、特徴並びに利点は、添付図面と併せて読まれるべきであるその例示的な実施形態の以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本開示は、次の図面を参照して、好適な実施形態の説明を以下に詳述する。
【０００９】
【図１】図１は、一実施形態に従って、医療デバイスの操縦可能先端部を形成するようにロボット制御されるジョイントを有する操縦可能デバイスを使用する誘導システムを示すブロック／フロー図である。
【図２】図２は、例示的な実施形態に従って、（例えばロボット制御される）操縦可能デバイスを誘導する方法を示すフロー図である。
【図３】図３は、一実施形態に従って、３つの回転自由度及び並進を有する例示的なジョイントを示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、一実施形態に従って、分岐構造に近づく操縦可能デバイスを示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、一実施形態に従って、所望の進路を選択するように調整された後の図４Ａの操縦可能デバイスを示す図である。
【図５】図５は、別の実施形態に従って、操縦可能デバイス及びデバイス制御システムを使用するロボットを示すブロック／フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本原理に従って、副鼻腔、他の複雑な空洞又は内腔の網状組織内にガイドワイヤを配置するために画像誘導システム使用して誘導される被作動ロボット制御ジョイントを含む操縦可能デバイス用のシステム及び方法が提供される。操縦可能デバイスは、１つ以上のジョイントを含み、ロボットと呼ばれる。ジョイントは、操縦可能デバイスを正しい通路へと誘導するために、当該デバイスの形状を変更する。ガイドワイヤは、操縦可能デバイスのルーメン内に入れられる。画像制御システムが、術前画像及び術中画像の統合を行い、当該画像から、操縦可能先端を誘導しなければならない生体構造内の場所と、操縦角とを決定する。
【００１１】
当然ながら、本発明は、医療機器に関して説明されるが、本発明の教示内容は、はるかに広義であり、身体の任意の部分における使用のための任意の操縦可能機器に適用可能である。幾つかの実施形態では、本原理は、複雑な生体系又は機械系の追跡又は解析に使用される。特に、本原理は、生体系の内部追跡及び手術処置、並びに、肺、脳、心臓、胃腸管、排泄器、血管といった身体のあらゆる領域における処置に適用可能である。図面に示される要素は、ハードウェア及びソフトウェアの様々な組み合わせで実現されてよく、単一の要素又は複数の要素にまとめられる機能を提供する。
【００１２】
図面に示される様々な要素の機能は、専用ハードウェアだけでなく、適切なソフトウェアに関連してソフトウェアを実行可能であるハードウェアを使用することによって提供可能である。当該機能は、プロセッサによって提供される場合、単一の専用プロセッサによって、単一の共有プロセッサによって、又は、複数の個別のプロセッサによって提供可能であり、個別のプロセッサのうちの幾つかは共有されてよい。更に、「プロセッサ」又は「コントローラ」との用語の明示的な使用は、ソフトウェアを実行可能なハードウェアを排他的に指すと解釈されるべきではなく、デジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）ハードウェア、ソフトウェアを記憶する読み出し専用メモリ（「ＲＯＭ」）、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、不揮発性記憶装置等を暗に含むが、これらに限定されない。
【００１３】
更に、本発明の原理、態様及び実施形態だけでなく、これらの具体例を列挙する本明細書におけるすべての記述は、これらの構造上の等価物及び機能上の等価物の両方を包含することを意図している。更に、このような等価物は、現在知られている等価物だけでなく、将来開発される等価物（即ち、構造に関係なく、同じ機能を行うように開発される任意の要素）の両方も含むことを意図している。したがって、例えば当業者であれば、本明細書において提示されるブロック図は、本発明の原理を具現化する例示的なシステムコンポーネント及び／又は回路の概念図を表すことは理解できるであろう。同様に、当然ながら、任意のフローチャート、フロー図等は、コンピュータ可読記憶媒体において実質的に表現される様々な処理を表し、したがって、コンピュータ又はプロセッサによって、当該コンピュータ又はプロセッサが明示的に示されているか否かに関わらず、実行される。
【００１４】
更に、本発明の実施形態は、コンピュータ若しくは任意の命令実行システムによる又は当該コンピュータ若しくはシステムに関連して使用されるプログラムコードを提供するコンピュータ使用可能又はコンピュータ可読記憶媒体からアクセス可能であるコンピュータプログラムプロダクトの形を取ることができる。本説明のために、コンピュータ使用可能又はコンピュータ可読記憶媒体は、命令実行システム、装置若しくはデバイスによる又は当該システム、装置若しくはデバイスに関連して使用されるプログラムを、含む、記憶する、通信する、伝搬する又は運搬する任意の装置であってよい。媒体は、電子、磁気、光学、電磁、赤外若しくは半導体システム（若しくは装置若しくはデバイス）又は伝搬媒体であってよい。コンピュータ可読媒体の例には、半導体若しくは固体メモリ、磁気テープ、取り外し可能なコンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、剛性磁気ディスク及び光学ディスクが含まれる。光学ディスクの現在の例には、コンパクトディスク−読み出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、コンパクトディスク−読み出し／書き込み（ＣＤ−Ｒ／Ｗ）、ブルーレイ（登録商標）及びＤＶＤが含まれる。
【００１５】
明細書における本原理の「一実施形態（one embodiment又はan embodiment）」だけでなくその他の変形例への参照は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、特性等が、本原理の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、明細書全体を通して様々な場所における「一実施形態において」との表現だけでなく任意の他の変形例の出現は、必ずしもすべて同じ実施形態を指しているわけではない。
【００１６】
当然ながら、次の「／」、「及び／又は」及び「少なくとも１つの」、例えば「Ａ／Ｂ」、「Ａ及び／又はＢ」及び「Ａ及びＢの少なくとも１つ」のうちの何れか１つの使用は、第１のオプションだけの選択（Ａ）、第２のオプションだけの選択（Ｂ）、又は、両方のオプションの選択（Ａ及びＢ）を包含することを意図している。更なる例として、「Ａ、Ｂ及び／又はＣ」及び「Ａ、Ｂ及びＣの少なくとも１つ」の場合、このような表現は、第１のオプションだけの選択（Ａ）、第２のオプションだけの選択（Ｂ）、第３のオプションだけの選択（Ｃ）、第１及び第２のオプションだけの選択（Ａ及びＢ）、第１及び第３のオプションだけの選択（Ａ及びＣ）、第２及び第３のオプションだけの選択（Ｂ及びＣ）、又は、すべてのオプションの選択（Ａ、Ｂ及びＣ）を包含することを意図している。これは、当技術分野及び関連の技術分野における当業者には容易に理解されるように、列挙されるアイテムの数だけ拡大適用される。
【００１７】
更に、当然ながら、要素、領域又は材料といった要素が、別の要素の「上（on又はover）」にあると言及される場合、当該要素は、当該他の要素の上に直接あっても、介在要素が存在していてもよい。対照的に、要素が、別の要素の「上に直接ある」と言及される場合、介在要素は存在しない。当然ながら、要素が、他の要素に「接続」又は「結合」されると言及される場合、当該要素は、当該他の要素に直接的に接続又は結合されていても、介在要素が存在していてもよい。対照的に、要素が、別の要素に「直接的に接続される」又は「直接的に結合される」場合、介在要素は存在しない。
【００１８】
次に、図面を参照する。図面中、同じ参照符号が同じ又は同様の要素を示す。最初に、図１を参照する。一実施形態にしたがって、被験者内の組織におけるロボット誘導のためのシステム１００が例示的に示される。システム１００は、ワークステーション又はコンソール１１２を含み、そこから、処置が監視及び／又は管理される。ワークステーション１１２は、好適には、１つ以上のプロセッサ１１４と、プログラム及びアプリケーションを記憶するメモリ１１６とを含む。メモリ１１６は、１つ以上の入力部から提供されるユーザ入力及び／又はフィードバックにしたがって作動される１つ以上のロボットジョイント１０８及び他の可能なロボット制御される特徴の動作及びプログラミングを制御するデバイス制御システム１３０を記憶する。システム１００は、操縦可能デバイス１０２と、例えば副鼻腔空洞等である管又は空洞の複雑な又は分岐する網状組織内にガイドワイヤを配置することを可能にする画像誘導又は制御システム１０６とを含む。被作動デバイス１０２は、１つ以上のジョイント１０８を含む。ジョイント１０８は、操縦可能デバイス１０２の先端をステアリングする。画像制御システム又は画像誘導システム１０６は、術前画像１４２及び術中画像１４４の統合を行い、当該画像１４２、１４４から、デバイス１０２（例えばカテーテル又はカテーテル状デバイス）の操縦可能先端１２４をステアリングする必要のある生体構造内の場所と、操縦角とを決定する。
【００１９】
一実施形態では、操縦可能デバイス１０２は、（例えば医用位置決めアームを使用して）近位端における空間に固定される。各ジョイント１０８の座標フレームが、近位端における座標系（固定座標系）で定義される。各ジョイント１０８用の各モータ（図示せず）の位置が、モータエンコーダから分かっているので、各ジョイント１０８の位置及び３つの方位角も、固定座標系で分かっている。
【００２０】
このビューを固定座標フレームにおけるデバイス１０２の３Ｄ位置と位置合わせするために、固定座標系におけるジョイントの位置と、Ｘ線画像（又は他の画像）におけるジョイントの位置とが対応させられる。撮像システム１１１によって撮られた画像において、閾値化セグメンテーション及び形状フィッティングといった当技術分野において知られている画像処理方法を使用して、各剛体セグメントが検出される。或いは、Ｘ線不透過マーカを各ジョイント１０８に取り付けてもよい。
【００２１】
一実施形態では、ジョイント１０８の検出後、ジョイント１０８は、ノードの親及び子が、任意の所与のジョイントの直接の隣同士である単純なツリー構造で順序付けられてよい。デバイス１０２の連結アーキテクチャを前提とすると、２つの可能なツリー（近位から遠位と遠位から近位）がある。この場合、２つのツリーに従って２つの対応が規定される。ツリーにおけるノード数が、デバイス１０２のジョイント１０８の数と同じである場合、２つの位置合わせを計算する必要がある。可視ノード数（ｍ）が、ノード総数（ｎ）よりも少ない場合、可能な位置合わせの数は、２×（ｎ  ｃｈｏｏｓｅ  ｍ）である。
【００２２】
位置合わせ処理は、２ＤＸ線空間においてｍ個の点を、３Ｄロボット空間（固定座標系）においてｍ個の点を想定する。位置合わせ処理は更に、焦点距離又はＸ線システムが既知であると想定する。したがって、デバイス１０２の座標フレームにおけるシステム１１１のＸ線検出器の姿勢は、反復最近接点、ＲＡＮＳＡＣ（ランダムサンプルコンセンサス）ベースの反復方法等といった当技術分野において知られている任意の方法を使用して検出される。
【００２３】
ｍ＜ｎである場合、正しくない対応について報告される残余誤差は、正しい対応からの残余誤差よりも大幅に大きく、これは、残余誤差を基準として使用することにより棄却することができる。例えば最適残余誤差を有するソリューションが、デバイス１０２に対するＸ線システム１１１の位置として、ユーザに示されることが可能である。反転されたジョイントの順番の場合、ユーザは、両方のソリューションのレンダリングを観察することによって、又は、簡単な質問（例えば「画像検出器は患者の上か又は下か？」）に答えることによって、正しいソリューションを選択することができる。術中画像１４４、術前画像１４２及び操縦可能デバイス１０２を位置合わせするために、他の位置合わせ方法が使用されてもよい。
【００２４】
システム１００は、通路又は解剖学的管腔（例えば副鼻腔通路）内で操縦可能先端１２４を有する操縦可能デバイス１０２を使用する。デバイス１０２は更に、デバイス１０２を体内の主軸に沿って並進移動させる挿入段１２８を含む。操縦可能先端１２４の一実施形態では、デバイス１０２は、１つのジョイントを使用して一平面内の操縦を実現することができる。操縦可能先端１２４の別の実施形態では、デバイス１０２は、２つのジョイントを使用してヨー及びピッチ運動を実現することができる。別の実施形態では、２つ以上の並列モータを使用して、操縦角が実現される。更に別の実施形態では、デバイス１０２内に２つ以上の腱が埋め込まれ、腱の遠位端においてアクチュエータ／モータに結合される腱駆動システムが操縦を提供する。更に別の実施形態では、追加の回転自由度によって、デバイス１０２を、デバイスの主軸（長手軸）を軸として回転させることができる。これらの作動及び／又は回転スキームのうちの１つ以上を、必要に応じて、任意の１つ以上の他の作動及び／又は回転スキームと組み合わせてもよい。
【００２５】
デバイス制御システム１３０は、メモリ１１６に記憶され、ジョイント１０８の角度をデバイスのアクチュエータコマンドに変換するか、又は、アクチュエータコマンドを生成して、画像フィードバックに従ってジョイントの角度を変更する。デバイス制御システム１３０は、デバイスの運動学的モデル１３２と、当技術分野において知られている制御スキームとを含む。運動学的モデル１３２は、通路内でデバイス１０２を誘導するために必要な構成を計算する。速度、位置及び他の空間的検討事項（例えば内部ボリューム構造に起因する角度）といったパラメータがモデル１３２によって考慮される。例えばデバイス制御システム１３０は、医療デバイス１０２が分岐構造、分岐点等に近づいている最中の医療デバイス１０２の位置及び速度に基づいて、ジョイント１０８の回転量を制御する。次の構成が決定されると、デバイス制御システム１３０によって、操縦可能デバイス１２４を調整することによりデバイス１０２をステアリングするアクチュエータコマンドが生成される。本原理に従うデバイス１０２のナビゲーションは、速度を速めて進めることができ、結果として、操作時間が短縮される。
【００２６】
ワークステーション１１２は、被験者（患者）又はボリューム１３４の内部画像１４４及び１４２を見るためのディスプレイ１１８を含み、また、オーバーレイ又は他のレンダリングを有する画像１４２、１４４を含む。ディスプレイ１１８は更に、ユーザが、ワークステーション１１２並びにそのコンポーネント及び機能又はシステム１００内の任意の他の要素とやり取りできるようにする。これは、キーボード、マウス、ジョイスティック、触覚デバイス又はワークステーション１１２からのユーザフィードバック及びワークステーション１１２とのやり取りを可能にする任意の他の周辺機器又は制御部を含むユーザインターフェース１２０によって更に容易にされる。一実施形態では、術前画像１４２を得るための撮像システム１１０（例えばＭＲＩ、ＣＴ等）があってよい。他の実施形態では、撮像システム１１０は、別箇に設置され、画像は、他の動作によって遠隔から収集されてもよい。術中撮像システム１１１は、術中画像を得るための光ファイバスコープ、カメラシステム、Ｘ線撮像システム、モバイルＸ線撮像システム等を含む。
【００２７】
デバイス制御システム１３０は、運動学的モデル１３２を使用して、ジョイント１０８の角度を、進路を選択し、デバイス１０２をステアリングするためのデバイス１０２用のアクチュエータコマンドに変換する。１つの方法では、画像１４２、１４４は、開放進路と組織とを区別する。デバイス制御システム１３０は、術前画像１４２及び術中画像１４４の両方を使用して、ターゲット位置へとつながる開放進路を選択する。一実施形態では、術中撮像システム１１１は、生体構造及びデバイス１０２を撮像するモバイルＸ線システム、デバイスルーメン内に挿入される若しくはデバイスと一体化される光ファイバ内視鏡、又は、他の撮像構成及び技術を含む。
【００２８】
画像制御システム１０６は、術前３Ｄ画像１４２（ＣＴ、ＭＲＩ等）と術中画像１４４（Ｘ線、内視鏡等）とを統合し、これらを、ロボットデバイス１０２の単一の座標系において位置合わせする。画像制御システム１０６は更に、ユーザが、病変副鼻腔又は他のターゲットまでの進路を計画するか、又は、ターゲットを特定することを可能にする。一実施形態では、生体構造内の位置に基づいて、進路が計画され、先端操縦のための位置及び角度が特定される。計画段階中に、操縦制御用のコマンドの命令セットが生成される。動作中に、これらのコマンドは、デバイス制御システム１３０に通信される。コマンドは、操縦可能先端を制御するコマンドを使用して進路を選択するために、正しい時間におけるコマンドの発行を可能とするために、生体構造内の位置又は他の手がかりに関連付けられる。
【００２９】
操縦は、メモリ１１６に記憶される計画１５０に従ってもよい。計画１５０は、（例えば術前画像１４２を使用して）仮想空間において選択される。操縦制御は、デバイス１０２が前進するにつれて、進路決定及び角度調整を行うように、デバイス制御システム１３０を使用してリアルタイムで行われる。
【００３０】
図２を参照するに、例示的な実施形態に従って、ロボットを操縦する方法が提供される。この方法は、図１のシステム１００を使用して実行される。ステップ２０２において、術前３Ｄ画像が撮られ、病変副鼻腔又は他のターゲットが特定される。ステップ２０４において、その中のルーメンにガイドワイヤが入れられた操縦可能デバイス（例えばロボット）が、生体構造（例えば鼻）の中に挿入される。これは手動で行われてよい。
【００３１】
ステップ２０６において、ボリューム内の操縦可能デバイスについて、位置又は画像フィードバックが収集される。例えば操縦可能デバイスのＸ線画像が取得され、位置合わせ（例えば術前画像の術中画像及び操縦可能デバイスに対する位置合わせ）が行われる。操縦可能デバイスとＸ線システムとの位置合わせは、当技術分野において知られている方法を使用して行うことができる。別の実施形態では、ステップ２０６において、内視鏡画像が取得され、位置合わせが行われる。デバイスと内視鏡画像との位置合わせは、当技術分野において知られている方法を使用して行うことができる。別の実施形態では、（例えば光ファイバ位置決め、電磁位置決め、画像位置決め等を使用して）操縦可能デバイスの位置が決定される。操縦可能デバイスの位置は、（画像ありで又はなしで）ボリューム内で操縦可能デバイスをナビゲートするために使用される。
【００３２】
ステップ２０８において、ユーザ／外科医が、画像（例えばＣＴ）のうちの１つにおける病変副鼻腔又はターゲットの位置を特定する。進路計画を行って、インタラクティブ進路が決定される。進路計画には、画像制御システムを使用して、鼻（又は他の開口部）から副鼻腔（又は他のターゲット）までのすべての可能な進路を計算することが含まれる。ステップ２１０において、ユーザ／外科医は、デバイスの先端を前進させるようにデバイス１０２の並進段を操縦及び使用することによって、ボリューム（例えば鼻腔）内の計画進路をたどる。並進段は、手動（手持ち、摺動段等）であっても、（モータトリガ又は速度制御を有する）モータが付けられてもよい。操縦可能デバイスは、自動的にナビゲートされ、操縦は、計画に従って、又は、位置若しくは画像フィードバックを使用してリアルタイムで、制御システムによって制御される。一実施形態では、画像制御システムは、デバイス制御システムからデバイス位置を受信し、進路の座標系における先端位置を計算する。デバイス制御システムは、各計算サイクルで、操縦可能先端を作動させる必要があるかどうかを計算する。先端位置を作動させない場合、デバイスは、前の進路方向に沿って前進を続ける。デバイス制御システムが、方向変更が必要であることを決定すると、所与の位置の角度及び方向が変更されて操縦可能先端がステアリングされる。デバイス制御システムは、所望の又は計画された進路に従うように、先端を自動的にステアリングする。
【００３３】
ステップ２１２において、処置に応じて、ターゲット領域で治療又は他の活動が行われる。一実施形態では、ターゲットに到達すると、操縦可能デバイスは引き戻され、操縦可能デバイス内に入れられたガイドワイヤを使用してバルーンが誘導される。バルーンが配置されると、バルーンは広げられて、副鼻腔又は他の解剖学的特徴が広げられる。ステップ２１４において、処置が終了すると、デバイスは引き戻される。デバイスの引き戻しも、デバイスの操縦可能性を使用する。鼻の処置に関して説明されているが、当然ながら、本原理は、任意の処置に適用可能であり、制約のある空間内での任意のナビゲーションに特に有用である。
【００３４】
図３を参照するに、一例に従って、ロボット特徴３００が例示的に示される。特徴３００は、デバイス１０２内に含まれ、デバイス１０２の先端の並進運動及び回転運動を提供する。特徴３００は、ガイドワイヤ（又はカテーテル）又は他の細長い器具を入れるための内部ルーメン３０８を含むシャフト３１０を含む。特徴３００は、操縦可能デバイス１０２の遠位端部をステアリングするために使用される。他の実施形態では、特徴３００はシース等によって覆われる。１つの特に有用な実施形態では、特徴３００は、カテーテルの一部であり、内部ルーメン内にガイドワイヤが入れられる。ガイドワイヤ及び操縦可能デバイスが所定の位置に置かれると、操縦可能デバイス（及び特徴３００）は引き戻される。次に、ガイドワイヤを使用してバルーンカテーテルがターゲット位置まで誘導され、そこで、バルーンを使用して、治療のために空洞が広げられる。
【００３５】
特徴３００は、内部ルーメン３０８を通過するカテーテル又は他のデバイスを取り囲むリング状又は他の形状のエンドエフェクタ３１２を含む。エンドエフェクタ３１２は、内部ルーメン３０８を通過するカテーテル又は他の器具を導くために使用される。
【００３６】
エンドエフェクタ３１２は、ジョイント３０２によって並進可能ロッド３０６（腱）に結合される。並進可能ロッド３０６は、シャフト３１０内へと前進又は引き込んで、矢印「Ｃ」の方向における並進運動を提供する。例えば３つのロッド３０６すべてが同時に前進する（又は引き込む）と、並進が実現される。ロッド３０６が異なる速度又は異なる量で前進する又は引き込むと、相対運動によって矢印「Ａ」及び／又は「Ｂ」の方向におけるエンドエフェクタ３１２の回転が提供される。更に、エンドエフェクタ３１２全体がシャフト３１０の長手軸の周りを（例えば矢印「Ｄ」の方向に）回転するように、回転プラットホーム３０４が使用される。特徴３００は、局所的な位置において、複数の自由度を提供する。このようにすると、デバイス１０２が正確に且つうまく制御されてステアリングされる。
【００３７】
図３は、例示的なジョイントを示すが、当然ながら、より複雑な又はより単純なジョイントが使用されてもよい。これらの他のジョイントのタイプには、単純なヒンジジョイント、回転ジョイント、並進機構等が含まれる。
【００３８】
図４Ａを参照するに、第１の構成にある操縦可能デバイス１０２の例示的な例が示される。第１の構成は、鼻腔３２０内に挿入された後の操縦可能デバイス１０２を示す。デバイス１０２が分岐点又は進路分割部３２４に近づくにつれて、デバイス制御システムは、所望の又は計画された進路に従うために、先端１２４をステアリングするためにステアリング動作が必要であることを自動的に検知するか、又は、デバイス制御システムは、計画に従って、特定の進路へとナビゲートする必要があることを検知する。デバイス制御機構は、信号制御を使用して、特徴３００を調整して先端１２４の角度を制御することによってデバイス１０２を適切にナビゲートする。
【００３９】
図４Ｂを参照するに、第２の構成にある操縦可能デバイス１０２が示される。第２の構成は、鼻腔３２０内の特定方向への挿入を制御するために、デバイス制御システムが、特徴３００を使用して先端１２４を回転させるコマンドを出した後の操縦可能デバイス１０２を示す。デバイス１０２が分岐点又は進路分割部３２４に近づくにつれて、デバイス制御システムは、計画された進路に従うように先端１２４を自動的にステアリングするか、又は、進路は、本目的若しくはターゲットに到達するためのよりよい進路であることを検知する。
【００４０】
図５を参照するに、本原理によるロボット４００が示される。ロボット４００は、操縦可能デバイス４０２（デバイス１０２も参照）をステアリングする１つ以上のロボット制御されるジョイント４０８を有する操縦可能デバイス４０２を含む。デバイス４０２は、ガイドワイヤ等といった他の器具を格納するルーメン４０４を含む。各ジョイント４０８は、それに関連付けられる１つ以上のモータ４１０を含んでもよい。モータ４１０は、ジョイント４０８を制御する制御コマンドに従って生成される信号を受信する。
【００４１】
デバイス制御システム４３０（システム１０３も参照）は、画像制御システム４０６（システム１０６も参照）からフィードバックを受信して、ボリューム内の操縦可能デバイス４０２の位置決めを評価する。これにより、制御コマンドが、１つ以上のロボット制御されるジョイント４０８に出され、操縦可能デバイス４０２が、ターゲットに向かう医療デバイスのナビゲーションと一致する方向に、又は、計画に従ってステアリングされる。
【００４２】
画像制御システム４０６は、術前画像及び術中画像を位置合わせして、単一の座標系における操縦可能デバイスの位置を特定する。術中画像には、カメラ画像（内視鏡）、Ｘ線画像又は他の撮像モダリティの画像が含まれる。
【００４３】
デバイス制御システム４３０は、１つ以上のロボット制御されるジョイント４０８の並進及び／又は回転を制御して、医療デバイスを進路に向けて付勢する。デバイス制御システム４３０は更に、操縦可能デバイス４０２が分岐構造に近づく際中の操縦可能デバイス４０２の位置、方向及び速度に基づいて、並進及び／又は回転の量を制御する。デバイス制御システム４３０は、１つ以上のロボット制御されるジョイント４０８を制御するために、操縦可能デバイス４０２の動態を評価するための運動学的モデル４３２を含む。運動学的モデル４３２は、操縦可能デバイス４０２が取るべき次の方向転換又は構成を予測するために使用される。
【００４４】
１つ以上のロボット制御されるジョイント４０８は、１つ以上の回転自由度を含む。操縦可能デバイス４０２は更に、操縦可能デバイス４０２の前進及び／又は引き戻しを支援する並進段４１４を含む。１つ以上のロボット制御されるジョイント４０８は、操縦可能先端、エンドエフェクタ４１１、又は、ロボット４００の遠位に取り付けられる他の構造体を含む。エンドエフェクタ４１１は、ロッドの位置が、ロッドを支えるシャフト（図３）の長手軸に対するエンドエフェクタ４１１の回転を提供するように複数の並進可能ロッドを含む。
【００４５】
一実施形態では、操縦可能先端４１１は、（１つ以上のモータ４１０に対して）２つのモータ４１０’を、また、（１つ以上のジョイント４０８に対して）ユニバーサルジョイント４０８’を使用してヨー及びピッチ運動を実現することができる。２つ以上の並列モータ４１０’を使用して、操縦角が実現される。別の実施形態では、２つ以上の腱がデバイス１０２に埋め込まれ、腱の遠位端においてアクチュエータ／モータに結合される腱駆動システム３００がステアリングを提供することができる。更に別の実施形態では、追加の回転自由度によって、デバイス４０２を、デバイス４０２の主軸（長手軸）を軸として回転させることができる。これらの作動及び／又は回転スキームのうちの１つ以上を、必要に応じて、任意の１つ以上の他の作動及び／又は回転スキームと組み合わせてもよい。
【００４６】
添付の請求項を解釈する際に、次の通りに理解されるべきである。
ａ）「含む」との用語は、所与の請求項に列挙される要素又は行為以外の要素又は行為の存在を排除しない。
ｂ）要素に先行する「ａ」又は「ａｎ」との用語は、当該要素が複数存在することを排除しない。
ｃ）請求項における任意の参照符号は、その範囲を限定しない。
ｄ）幾つかの「手段」は、同じアイテム、ハードウェア若しくはソフトウェアによって実現される構造体又は機能によって表される。
ｅ）特に明記されない限り、行為の特定の順番を必要とすることを意図していない。
【００４７】
（例示的であって限定を意図していない）画像誘導されるロボット誘導カテーテル配置の好適な実施形態が説明されたが、上記教示内容に鑑みて、当業者によって修正及び変更がなされうることに留意されたい。したがって、開示された開示内容の特定の実施形態に変更を行ってもよく、これらの変更は、添付の請求項によって概説される本明細書に開示される実施形態の範囲内であることは理解されるべきである。したがって、特許法によって義務付けられているように、詳細及び特殊性を説明することによって、特許証によって請求され、保護を望むものは、添付の請求項に記載される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【国際調査報告】
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