(57)【要約】  エンドエフェクタに保持された医療器具を挿入するための装置は、２つのほぼ直交する方向の運動を提供する可動プラットフォームと、可動プラットフォームに連結され、それらの遠位端で共通ジョイントによってエンドエフェクタに取り付けられるシリンダ内で動作する２つのピストン機構とを備える。ピストンは、リニアアクチュエータであってもよい。エンドエフェクタは、ピストンを直線的に推進する駆動機構によって操作される。シリンダの近位端は、共通のシャフトに連結され得る。シリンダおよびピストンの軸、共通ジョイントを通るピストン軸とシリンダの共通シャフトの軸とを結ぶ線はすべて、実質的に単一の平面内に位置することができる。可動プラットフォームおよびピストン機構の協調運動は、医療器具の向きが変化するときに、医療器具の仮想遠隔運動中心の維持を可能にする。【選択図】図１１
2019520183.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
医療器具を対象者の体内に挿入するための自動化装置であって、
少なくとも１つの可動プラットフォームと、
第１および第２のピストン機構であって、各ピストン機構が、
シリンダと、
その少なくとも一部が前記シリンダ内に配置されているピストンと、
前記ピストンを前記シリンダの内外に制御可能に推進させるように構成された駆動機構とを備えた、第１および第２のピストン機構と、
対象者の身体の方向に前記医療器具を推進するように構成された挿入機構とを備え、
前記第１および第２のピストン機構のピストンの遠位端が、共通ジョイントに結合された、自動化装置。
【請求項２】
前記シリンダおよび前記ピストンの軸と、前記ピストンと前記共通ジョイントとの結合点を結ぶ線とが、実質的に単一の平面内に配置される、請求項１に記載の自動化装置。
【請求項３】
前記第１および第２のピストン機構の前記ピストンの遠位端は、ピストンエンドジョイントを介して前記共通ジョイントに結合され、各ピストンエンドジョイントは、少なくとも１つの回転自由度を有する、請求項１および２のいずれかに記載の自動化装置。
【請求項４】
前記第１および第２のピストン機構の前記シリンダの近位端が、前記単一の平面内に位置する単一のシャフトに結合される、請求項２および３のいずれかに記載の自動化装置。
【請求項５】
前記シリンダの前記近位端は、シリンダ端ジョイントを介して前記単一のシャフトに結合され、各シリンダ端ジョイントは、少なくとも１つの回転自由度を有する、請求項４に記載の自動化装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つの可動プラットフォームが、
第１の直線方向に移動するように適合された第１のプラットフォームと、
前記第１のプラットフォームに結合され、第１の直線方向に対して実質的に垂直な第２の直線方向に移動する第２のプラットフォームとを備え、
前記第１および第２のピストン機構は、前記第２のプラットフォームに連結された、請求項１〜５のいずれか１項に記載の自動化装置。
【請求項７】
前記駆動機構は、
ねじ付きシャフトと、
前記ねじ付きシャフトに作動的に連結され、前記ピストンに堅固に連結された雌ねじ付きナットとを備え、
前記ねじ付きシャフトの回転は、前記ピストンの直線運動をもたらす、請求項１〜６のいずれか１項に記載の自動化装置。
【請求項８】
前記共通ジョイントに連結されたエンドエフェクタをさらに含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の自動化装置。
【請求項９】
前記エンドエフェクタが、第１のジンバルを介して前記共通ジョイントに結合された、請求項８に記載の自動化装置。
【請求項１０】
前記第１のジンバルは、回転ジョイントを介して前記共通ジョイントに結合された、請求項９に記載の自動化装置。
【請求項１１】
前記第２のプラットフォームが、延長アームと、前記延長アームに結合された第２のジンバルとをさらに備える、請求項６〜１０のいずれか１項に記載の自動化装置。
【請求項１２】
前記挿入機構の少なくとも第１の部分が前記エンドエフェクタに結合される、請求項６〜１１のいずれか１項に記載の自動化装置。
【請求項１３】
挿入モジュールをさらに備え、挿入モジュールが前記医療器具と前記挿入機構の少なくとも第２の部分を備え、前記挿入機構の前記第１の部分が前記挿入機構の前記第１の部分に動作可能に結合するように構成される、請求項１２に記載の自動化装置。
【請求項１４】
前記自動化装置は、対象者の身体上の選択された入口点に位置する仮想遠隔運動中心を含む、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の自動化装置。
【請求項１５】
前記医療器具の前記角度作業空間は、円錐形状を形成し、前記円錐の頂点は、前記仮想遠隔運動中心に位置する、請求項１４に記載の自動化装置。
【請求項１６】
少なくとも１つの位置合わせ要素をさらに含む、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の自動化装置。
【請求項１７】
前記対象者の身体に固定するように適合されたベースをさらに含む、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の自動化装置。
【請求項１８】
前記ベースはプリント回路基板を備え、前記自動化装置は、前記プリント回路基板を前記少なくとも１つの可動プラットフォームの少なくとも１つの追加のプリント回路基板に接続するように構成された少なくとも１つの電気配線をさらに備える、請求項１７に記載の自動化装置。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの電気配線のうちの１つ以上が、フラットフレックスケーブルを含む、請求項１８に記載の自動化装置。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの可動プラットフォーム、前記第１のピストン機構、および前記第２のピストン機構のうちの１つ以上に結合されるように構成された１つ以上のセンサをさらに含む、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の自動化装置。
【請求項２１】
前記１つ以上のセンサのうちの少なくとも第１のセンサが、前記医療器具と身体組織との間の相互作用に関連するパラメータを測定するように構成された、請求項１〜２０のいずれか１項に記載の自動化装置。
【請求項２２】
前記少なくとも第１のセンサが力センサを含む、請求項２１に記載の自動化装置。
【請求項２３】
前記１つ以上のセンサのうちの少なくとも第２のセンサが、前記少なくとも１つの可動プラットフォーム、前記第１のピストン、および前記第２のピストンのうちの１つ以上の動きを監視するように構成される、請求項２０に記載の自動化装置。
【請求項２４】
医療器具を対象者の体内に挿入するための自動化装置であって、
装置ベースと、
前記装置ベースに連結され、第１の駆動機構の第１の部分を備える第１のプラットフォームと、
前記第１のプラットフォームに結合された第２のプラットフォームと、
前記第２のプラットフォームに結合された第３のプラットフォームと、
エンドエフェクタとを含み、
前記第２のプラットフォームは、
前記第１の駆動機構の第２の部分であって、前記第１の駆動機構が、前記第２のプラットフォームを第１の直線方向に推進するように構成されている、第２の部分と、
第２の駆動機構の第１の部分とを含み、
前記第３のプラットフォームは、
第２の駆動機構の第２の部分であって、前記第２の駆動機構は、前記第３のプラットフォームを前記第１の直線方向に対して実質的に垂直な第２の直線方向に推進させるように構成されている、第２の駆動機構の第２の部分と、
それぞれの遠位端で共通ジョイントに接続された第１および第２のピストンとを含み、
前記エンドエフェクタは、前記共通ジョイントに結合され、前記医療器具を前記共通ジョイントに結合するように構成された、自動化装置。
【請求項２５】
前記第１および第２のピストンの軸と、前記共通ジョイントを介して前記ピストン軸を接続する線とが、実質的に単一の平面内に位置する、請求項２４に記載の自動化装置。
【請求項２６】
前記医療器具を備え、前記エンドエフェクタに連結されるように構成された挿入モジュールをさらに備える、請求項２４および２５のいずれかに記載の自動化装置。
【請求項２７】
前記エンドエフェクタは、第３の駆動機構の第１の部分を含み、前記挿入モジュールは、前記第３の駆動機構の前記第１の部分に動作可能に連結可能な、前記第３の駆動機構の第２の部分を含み、前記第３の駆動機構は、対象者の身体の方向に前記医療器具を推進するように構成された、請求項２６に記載の自動化装置。
【請求項２８】
第１および第２のシリンダであって、前記第１のピストンの少なくとも一部が前記第１のシリンダ内に配置され、前記第２のピストンの少なくとも一部が前記第２のシリンダ内に配置される、第１および第２のシリンダと、
前記第１のピストンを前記第１のシリンダの内外に制御可能に推進するように構成された第４の駆動機構と、
前記第２のピストンを前記第２のシリンダの内外に制御可能に推進するように構成された第５の駆動機構とをさらに備えた、請求項２５〜２７のいずれか１項に記載の自動化装置。
【請求項２９】
前記第１および第２のシリンダの近位端は、単一のシャフトに連結され、前記第１および第２のシリンダならびに前記単一のシャフトの軸は、前記単一の平面に位置する、請求項２８に記載の自動化装置。
【請求項３０】
前記エンドエフェクタが、第１のジンバルを介して前記共通ジョイントに結合される、請求項２４〜２９のいずれかに記載の自動化装置。
【請求項３１】
前記エンドエフェクタが、第２のジンバルを介して前記第２のプラットフォームにさらに結合される、請求項３０に記載の自動化装置。
【請求項３２】
前記自動化装置は、対象者の身体上の選択された入口点に位置する仮想遠隔運動中心を含む、請求項２４〜３１のいずれか１項に記載の自動化装置。
【請求項３３】
前記装置ベースがプリント回路基板を含み、前記自動化装置が、前記プリント回路基板を、前記第１、第２、および第３のプラットフォームのうちの１つ以上に結合された少なくとも１つの追加のプリント回路基板に接続するように構成された少なくとも１つの電気配線をさらに含む、請求項２４〜３２のいずれか１項に記載の自動化装置。
【請求項３４】
前記少なくとも１つの電気配線のうちの１つ以上が、フラットフレックスケーブルを含む、請求項３３に記載の自動化装置。
【請求項３５】
前記第１のプラットフォーム、前記第２のプラットフォーム、前記第３のプラットフォーム、前記第１のピストン、前記第２のピストン、および前記エンドエフェクタのうちの１つ以上に結合された１つ以上のセンサをさらに含む、請求項２４〜３４のいずれか１項に記載の自動化装置。
【請求項３６】
前記１つ以上のセンサのうちの少なくとも第１のセンサが、前記医療器具と身体組織との間の相互作用に関連するパラメータを測定するように構成された、請求項３５に記載の自動化装置。
【請求項３７】
前記少なくとも第１のセンサが力センサを含む、請求項３６に記載の自動化装置。
【請求項３８】
前記１つ以上のセンサのうちの少なくとも第２のセンサが、前記第１のプラットフォーム、前記第２のプラットフォーム、前記第３のプラットフォーム、前記第１のピストン、および前記第２のピストンのうちの１つ以上の動きを監視するように構成された、請求項３５に記載の自動化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、介入処置（ｉｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎａｌ  ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ）の分野に関し、特に、対象者の体内のターゲット内への医療器具の自動挿入のための装置、システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代の臨床診療において使用される多くの日常的な処置は、生検、薬物送達、ならびに他の診断および治療手順のための、針およびカテーテルなどの医療器具の経皮的挿入を含む。挿入処置の目的は、病変、腫瘍、器官または血管であり得るターゲット領域に、適切な医療器具の先端を安全かつ正確に配置することである。このような医療器具の挿入を必要とする処置の例としては、ワクチン接種、血液／流体サンプリング、局所麻酔、組織生検、カテーテル挿入、低温アブレーション、電解アブレーション、近接照射療法、神経外科、脳深部刺激、および種々の低侵襲手術が挙げられる。
【０００３】
軟組織における針の誘導および操縦は、良好な三次元協調、患者の解剖学的構造の知識、および高レベルの経験を必要とする複雑な作業である。したがって、これらの機能を実行するために、画像誘導自動（例えば、ロボット（ｒｏｂｏｔｉｃ））システムが提案されている。そのようなシステムの中には、Ｓｔｏｉａｎｏｖｉｃｉの米国特許第７，００８，３７３号、「Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｒｏｂｏｔ  ｔａｒｇｅｔｉｎｇ  ｕｎｄｅｒ  ｆｌｕｏｒｏｓｃｏｐｙ」、Ｇｌｏｚｍａｎらの米国特許第８，３４８，８６１号、「Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｓｔｅｅｒｉｎｇ  ｏｆ  ａ  Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｎｅｅｄｌｅ」、Ｎｅｕｂａｃｈらの米国特許第８，６６３，１３０号、「Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  Ｇｕｉｄｅｄ  Ｒｏｂｏｔ  ｆｏｒ  Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｎｅｅｄｌｅ  Ｓｔｅｅｒｉｎｇ」、およびＧｌｏｚｍａｎらの米国出願第１５／０２７，４３９号、「Ｇｒｉｐｐｅｒ  ｆｏｒ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ｉｍａｇｅ  Ｇｕｉｄｅｄ  Ｎｅｅｅｄｌｅ  Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ」に記載されているものがある。
【０００４】
近年、身体装着型自動化装置が導入されている。これらの装置のいくつかは、挿入点を選択し、針を挿入点およびターゲットと整列させるのを助ける案内装置であり、医師は手動で針を挿入する。他のものは、針をターゲットに向かって挿入する操縦装置である。例えば、Ｇｕｐｔａらの米国特許出願公開第２００６／０２２９６４１号、「Ｇｕｉｄａｎｃｅ  ａｎｄ  Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」、Ｋｉｍの米国特許出願公開第２００９／０１１２１１９号、「Ｒｏｔａｔｉｎｇ  Ｂｉｏｐｓｙ  Ｄｅｖｉｃｅ  ａｎｄ  Ｂｉｏｐｓｙ  Ｒｏｂｏｔ」、Ｃｌｅａｒｙらの米国特許出願公開第２０１４／０３７１５８４号、「Ｐａｔｉｅｎｔ  Ｍｏｕｎｔｅｄ  ＭＲＩ  ａｎｄ  ＣＴ  Ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ  Ｒｏｂｏｔ  ｆｏｒ  Ｎｅｅｄｌｅ  Ｇｕｉｄｕｒａｎｃｅ  ｉｎ  Ｉｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ」、およびＧｌｏｚｍａｎらの米国特許出願公開第２０１６／０２４９９９０号「Ｓｈａｆｔ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ」に開示されている。
【０００５】
しかしながら、医療器具を患者の体内のターゲット内に正確にかつ確実に操縦することができ、挿入装置のための薄型作業空間を維持しながら、医療器具のための大きな角度の作業空間を提供する自動挿入装置が依然として必要とされている。
【０００６】
本明細書のこのセクションおよび他のセクションで言及される刊行物の各々の開示は、それぞれその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【発明の概要】
【０００７】
本開示は、診断および／または治療の目的で、医療器具（例えば、針）を対象者の身体に挿入するための、新しい例示的な自動化システムおよび装置を記載する。
【０００８】
いくつかの実装形態では、挿入装置、プロセッサ、およびコントローラを含む、挿入システムが開示される。挿入システムは、撮像システムと連動して動作するように構成されてもよい。利用される撮像モダリティは、Ｘ線透視法、ＣＴ、コーンビームＣＴ、ＣＴ透視法、ＭＲＩ、超音波、または任意の他の適切な撮像モダリティのうちの任意の１つであり得る。
【０００９】
プロセッサは、とりわけ、イメージングシステム（例えば、ＣＴ、ＭＲＩ）からの画像を受信し、処理し、ディスプレイ上に表示するように、経路内の障害物を回避しながら、入口点からターゲットまでの医療器具（例えば、針）のための最適経路を計算するように、および計算された最適経路に従ってターゲットに向かって針を操縦するための命令を提供するように、構成され得る。いくつかの実施態様では、針の操縦は、閉ループ方式で制御され、すなわち、プロセッサは、コントローラを介して挿入装置に運動コマンドを生成し、ニードルの実際の位置に関するフィードバックを受信し、次いで、このフィードバックは、リアルタイム経路補正のために使用される。最適経路ならびに経路補正は、二次元平面または三次元空間のいずれかで計算および実行することができる。いくつかの実施態様では、入口点、ターゲット、および骨または血管などの障害物は、取得された画像のうちの１つ以上上で医師によって手動でマーキングされる。
【００１０】
自動針挿入およびリアルタイム操縦は、手動針挿入よりも多くの利点を有する。例えば、医師が手動で針を挿入し、例えば、針が体内に挿入されているときの組織の動きのためにターゲットに到達しないときにしばしば必要とされるような、針を引き抜き、再挿入する必要性を排除する。また、自動針操縦は、処置の精度を改善することにより、小さなターゲットに到達することを可能にし、従って、例えば、悪性新生物のより早期の検出を可能にする。さらに、ヒューマンエラーのリスクが著しく低いため、患者にとっての安全性が向上する。さらに、このような処置は、処置中の放射線被曝を最小限に抑えるので、医療従事者にとってより安全である。自動化された装置は、例えば病院の外からのような遠隔の場所から制御され得るので、医師が処置室にいる必要性はもはやない。
【００１１】
いくつかの実施態様では、挿入装置は、少なくとも１つの可動プラットフォームと、少なくとも１つの可動プラットフォームに結合された２つのピストン機構と、医療器具が直接または挿入モジュールによって結合されるエンドエフェクタとを含む。各ピストン機構は、シリンダと、少なくとも部分的にシリンダ内に配置されたピストンと、エンドエフェクタを操作するためにピストンをシリンダの内外に推進するように構成された駆動機構とを含むことができる。いくつかの実施態様では、２つのピストンの遠位端は、共通のジョイントに結合されてもよく、シリンダの近位端は、共通のシャフトに結合されてもよく、またはそれぞれ別個のシャフトに結合されてもよい。いくつかの実施態様では、シリンダ、ピストン、ピストンの共通ジョイント、およびシリンダのシャフトはすべて、実質的に単一の平面内に配置され、より大きな角度運動を可能にし、したがって、挿入装置のエンドエフェクタおよび医療器具のためのより大きな作業空間を可能にする。実質的に単一の平面に位置するシリンダ、ピストン、ピストンの共通ジョイント、およびシリンダのシャフトは、特に、シリンダ、ピストン、およびシリンダのシャフトの軸（すなわち、長手方向軸）、ならびに共通ジョイントを介してピストンの軸間を接続する線を指し、すべてが単一の平面に位置することを理解することができる。いくつかの実施態様では、シリンダの共通シャフトの軸（または別個のシャフトの軸）は、共通ジョイントを介してピストンの軸間を接続する線に平行であってもよく、シリンダシャフト（または複数のシャフト）の軸（または複数の軸）、共通ジョイントを介してピストンの軸間を接続する線、およびシリンダおよびピストンの軸は、ほぼ台形を形成してもよい。
【００１２】
ピストンおよびシリンダ機構は、本開示全体を通して、モータ駆動リニアアクチュエータアセンブリとして説明および例示され、作動ロッドは「ピストン」と呼ばれ、スラストチューブまたは外側ハウジングは、流体作動装置との類似により「シリンダ」と呼ばれる。しかしながら、電動機（モータ）駆動装置は一般に、最も単純で最も制御可能な実施であると理解されるが、従来の空気圧シリンダまたは油圧シリンダをそれらの関連するピストンと共に使用して装置を実施することも可能であることを理解されたい。したがって、シリンダおよびピストンという用語は、本開示全体にわたって使用され、特許請求される場合、任意の制御可能な直線運動生成装置を含むと理解される。
【００１３】
いくつかの実施形態では、エンドエフェクタは、１つ以上のジンバルを介して挿入装置の少なくとも１つの可動プラットフォームのうちの１つに連結され得る。例えば、エンドエフェクタは、２つのジンバルによって可動プラットフォームに連結されてもよく、第１のジンバルはその上端に位置し、第２のジンバルはその下端に位置する。いくつかの実施態様では、シリンダ、ピストン、ピストンの共通ジョイント、およびシリンダシャフトの全てが単一の平面内に留まる一方で、シリンダの内外へのピストンの推進がジンバルの回転をもたらすように、第１の（上部）ジンバルは、軸方向ジョイントを介してピストンの共通ジョイントに結合されてもよく、第２の（下部）ジンバルは、別の軸方向ジョイントを介して可動プラットフォームの延長アーム部材に結合されてもよい。
【００１４】
伸長アームおよびピストン機構の組み合わせは、エンドエフェクタ（つまりエンドエフェクタに連結された針）を、挿入装置の金属構成要素（たとえば、モータおよび歯車）から遠ざける。したがって、画像誘導手順において走査されて、挿入手順中の針の位置を追跡し、決定するためにスキャンされる領域において、針に近接する領域の画像化アーチファクトを最小限にする。
【００１５】
いくつかの実施態様では、挿入装置は、いくつかの自由度（ＤＯＦ）を有することができる。例えば、装置は、前後および左右の直線移動、前後および左右の回転、ならびに、対象者の身体に向かう縦針移動、の５つのＤＯＦを有することができる。いくつかの実施態様では、装置は、Ｚプラットフォーム、Ｘプラットフォーム、およびトップアセンブリを備えることができる。トップアセンブリは、２つのピストン機構を含む。ＺプラットフォームおよびＸプラットフォームはそれぞれ、Ｚプラットフォームの上部に、ＸプラットフォームをＺ軸に沿って推進させるボールねじ機構などの駆動機構の一部を含むことができる。Ｘプラットフォームおよびトップアセンブリは、それぞれ、Ｘプラットフォームの上部に、Ｚ軸に垂直であり得るＸ軸に沿ってトップアセンブリを推進する、ボールねじ機構でもあり得る、別の駆動機構の一部を含んでもよい。したがって、Ｚプラットフォーム、Ｘプラットフォーム、およびトップアセンブリの組み合わせは、トップアセンブリ、したがってそれに結合されたエンドエフェクタの完全な平面移動を可能にする。いくつかの実装形態では、トップアセンブリの各ピストン機構は、シリンダと、例えばボールねじ機構を介してシリンダの内外に移動可能なピストンとを含むことができる。ピストンの動きを制御することは、装置に２つの回転ＤＯＦを提供する。いくつかの実施形態では、長手方向の針の移動は、挿入機構によって可能にされる。この挿入機構は、エンドエフェクタに連結され得るか、または、エンドエフェクタと、エンドエフェクタに連結可能であって針を含む挿入モジュールとの間で分割され得る。
【００１６】
一般的には、針軌道は直線状であることが好ましいが、ターゲット（例えば、腫瘍、病変）の位置、障害物（例えば、骨、血管）の存在などに起因して、直線状の軌道が必ずしも計画可能であるとは限らず、したがって、計画された軌道は、ある程度の湾曲を有し得る。また、計画軌道が直線的であっても、例えば、挿入処置中のターゲットおよび／または障害物の移動により、計画直線軌道に必ずしも追従できない場合がある。このような場合、針軌道は、例えば、上述の米国特許第８，３４８，８６１号に記載されるように、挿入手順の間に調節され得る。
【００１７】
いくつかの実施形態では、エンドエフェクタの遠隔運動中心（Ｒｅｍｏｔｅ  Ｃｅｎｔｅｒ  ｏｆ  Ｍｏｔｉｏｎ）（ＲＣＭ）は、仮想的であり得、対象者の身体上の針入口点に位置し得、すなわち、仮想ＲＣＭは、設計によって固定されず、選択された入口点に従って変化する。針入口点が選択されると、ユーザは、選択された入口点を仮想ＲＣＭとして設定することができる。次いで、システムのソフトウェアは、例えば、上述の米国特許第８，３４８，８６１号に記載されているように、逆運動学アルゴリズムを使用して、入口点を仮想ＲＣＭとして維持するために、エンドエフェクタが回転されている間に、Ｘプラットフォームおよび／またはトップアセンブリから必要とされる直線運動を決定することができる。針の入口点に配置される仮想ＲＣＭは、直線軌道が追従できない場合、および／または針が患者の体内に挿入されているときに計画された軌道（直線軌道またはその他）が調整を必要とする場合、皮膚／組織の裂傷を防止する。
【００１８】
いくつかの実施態様では、針の全体の角度のある作業空間は、その頂点が仮想ＲＣＭ、すなわち選択された針入口点である円錐形状を形成することができる。
【００１９】
したがって、本開示に記載される装置の例示的な実装に従って、医療器具を対象者の身体に挿入するために、以下を備えた自動化装置が提供される。
【００２０】
（ｉ）少なくとも１つの可動プラットフォーム；
（ｉｉ）シリンダ、ピストン、および駆動機構を含む、第１および第２のピストン機構。前記ピストンの少なくとも一部は、シリンダ内に配置されている。前記駆動機構は、ピストンをシリンダの内外に制御可能に推進するように構成されている；
（ｉｉｉ）対象者の身体の方向に医療器具を推進するように構成された挿入機構。ここで、第１および第２のピストン機構のピストンの遠位端は、共通ジョイントに連結されている。
【００２１】
このような自動化装置では、シリンダおよびピストンの軸線、およびピストンと共通ジョイントとの結合点を結ぶ線はすべて、実質的に単一の平面内に位置することができる。軸は、シリンダおよびピストンの長手方向軸とすることができる。
【００２２】
さらに、このような自動化装置では、第１および第２のピストン機構のピストンの遠位端は、ピストン端ジョイントを介して共通ジョイントに結合され得、各ピストン端ジョイントは、少なくとも１つの回転自由度を有する。上記２つの装置のいずれにおいても、第１および第２のピストン機構のシリンダの近位端は、同じく単一平面内に位置する単一シャフトに連結することができる。その場合、シリンダの近位端は、シリンダ端ジョイントを介して単一のシャフトに連結されてもよく、各シリンダ端ジョイントは、少なくとも１つの回転自由度を有する。
【００２３】
さらに、上述のいずれかの代替的な実装では、少なくとも１つの可動プラットフォームは、以下を備えることができる。
【００２４】
（ｉ）第１の直線方向に移動するように適合された第１のプラットフォーム；
（ｉｉ）第１のプラットフォームに結合され、第１の直線方向に対して実質的に垂直な第２の直線方向に移動するように適合された、第２のプラットフォーム。ここで、第１および第２のピストン機構は、第２のプラットフォームに連結される。
【００２５】
さらに、これらの装置のいずれにおいても、駆動機構は、ねじ付きシャフトと、ねじ付きシャフトに動作可能に結合され、ピストンに堅固に接続された雌ねじ付きナット（ｉｎｔｅｒｎａｌｌｙ  ｔｈｒｅａｄｅｄ  ｎｕｔ）とを備え、ねじ付きシャフトの回転がピストンの直線運動をもたらすようにしてもよい。
【００２６】
上述の装置のさらに他の例示的な実装は、共通ジョイントに連結されたエンドエフェクタをさらに含んでもよい。エンドエフェクタは、第１のジンバルを介して共通ジョイントに結合されてもよく、第１のジンバルは、回転ジョイントを介して共通ジョイントに結合されてもよい。
【００２７】
上述の装置のいずれにおいても、第２のプラットフォームは、延長アームと、延長アームに結合された第２のジンバルとをさらに備えることができる。次いで、挿入機構の少なくとも第１の部分をエンドエフェクタに連結することができる。後者の場合、装置は、挿入モジュールをさらに含んでもよく、挿入モジュールは、医療器具と、挿入機構の少なくとも第２の部分とを備え、挿入機構の第１の部分は、挿入機構の第１の部分に動作可能に結合するように構成される。
【００２８】
上述の装置のいずれにおいても、自動化装置は、対象者の身体上の選択された入口点に位置する仮想ＲＣＭを備えることができる。そして、医療器具の角度作業空間（ａｎｇｕｌａｒ  ｗｏｒｋｓｐａｃｅ）は、円錐形状を形成し、円錐の頂点は、仮想ＲＣＭに位置する。
【００２９】
さらなる実装は、少なくとも１つの位置合わせ要素をさらに備える、前述したような装置を含む。前述の装置は、対象者の身体に固定するように適合されたベース（基板）をさらに含んでもよい。後者の場合、ベースはプリント回路基板を含むことができ、自動化装置は、プリント回路基板を少なくとも１つの可動プラットフォームの少なくとも１つの追加のプリント回路基板に接続するように構成された少なくとも１つの電気配線をさらに含むことができる。少なくとも１つの電気配線のうちの１つ以上は、フラットフレックスケーブルを備えることができる。
【００３０】
さらに他の実施形態は、少なくとも１つの可動プラットフォーム、第１のピストン機構、および第２のピストン機構のうちの１つ以上に結合されるように構成された１つ以上のセンサをさらに含む、上述の実施形態のうちのいずれかによる自動化装置を含むことができる。そのような場合、１つ以上のセンサのうちの少なくとも第１のセンサは、医療器具と身体組織との間の相互作用に関連するパラメータを測定するように構成されてもよい。第１のセンサは、力センサであってもよい。
【００３１】
センサを備える上述の自動化装置のいずれにおいても、１つ以上のセンサのうちの少なくとも第２のセンサは、少なくとも１つの可動プラットフォーム、第１のピストン、および第２のピストンのうちの１つ以上の動きを監視するように構成されてもよい。
【００３２】
本開示のさらなる実施態様によれば、医療器具を対象者の体内に挿入するための自動化装置がさらに提供される。この自動化装置は、以下を含む。
【００３３】
（ｉ）装置ベース； 
（ｉｉ）装置ベースに連結され、第１の駆動機構の第１の部分を備える第１のプラットフォーム；
（ｉｉｉ）第１のプラットフォームに結合された第２のプラットフォーム。第２のプラットフォームは、第１の駆動機構の第２の部分と、第２の駆動機構の第１の部分とを含む。第１の駆動機構の第２の部分は、第２のプラットフォームを第１の直線方向に推進するように構成される；
（ｉｖ）第２のプラットフォームに結合された第３のプラットフォーム。第３のプラットフォームは、第２の駆動機構の第２の部分と、第１および第２のピストンとを含む。第２の駆動機構は、第１の直線方向に対して実質的に垂直な第２の直線方向に第３のプラットフォームを推進するように構成される。第１および第２のピストンは、それらの遠位端で共通ジョイントに連結される；
（ｖ）共通ジョイントに結合され、医療器具を共通ジョイントに結合するように構成されたエンドエフェクタ。
【００３４】
このような自動化装置では、第１および第２のピストンの軸線と、共通ジョイントを介してピストン軸線を接続する線とを、実質的に単一平面内に配置することができる。
【００３５】
このような自動化装置は、医療器具を備え、エンドエフェクタに連結されるように構成される挿入モジュールをさらに備え得る。さらに、そのような自動化装置では、エンドエフェクタは、第３の駆動機構の第１の部分を備えることができ、挿入モジュールは、第３の駆動機構の第１の部分に動作可能に連結可能な第３の駆動機構の第２の部分を備えることができ、第３の駆動機構は、対象者の身体の方向に医療器具に動きを与えるように構成されることができる。
【００３６】
代替のさらなる実装形態では、自動化装置は、以下をさらに含むことができる。
【００３７】
（ｖｉ）第１および第２のシリンダ。第１のピストンの少なくとも一部が第１のシリンダ内に配置され、第２のピストンの少なくとも一部が第２のシリンダ内に配置されている；
（ｖｉｉ）第１のピストンを第１のシリンダの内外に制御可能に推進するように構成された第４の駆動機構；
（ｖｉｉｉ）第２のピストンを第２のシリンダの内外に制御可能に推進するように構成された第５の駆動機構。
【００３８】
このような構成では、第１および第２のシリンダの近位端は、単一のシャフトに連結されてもよく、第１および第２のシリンダおよび単一のシャフトの軸は、単一の平面内に位置してもよい。さらに、これらの自動化装置のいずれにおいても、エンドエフェクタは、第１のジンバルを介して共通ジョイントに結合されてもよく、その場合、エンドエフェクタは、第２のジンバルを介して第２のプラットフォームにさらに結合されてもよい。
【００３９】
上述の装置のいずれにおいても、自動化装置は、対象者の身体上の選択された入口点に位置する仮想ＲＣＭを含むことができる。
【００４０】
前述の装置は、対象者の身体に固定するように適合されたベースをさらに含んでもよい。後者の場合、ベースは、プリント回路基板を含むことができ、自動化装置は、プリント回路基板を、第１、第２、および第３のプラットフォームのうちの１つ以上に結合された少なくとも１つの追加のプリント回路基板に接続するように構成された少なくとも１つの電気配線をさらに含むことができる。少なくとも１つの電気配線のうちの１つ以上は、フラットフレックスケーブルを備えることができる。
【００４１】
さらに他の実施形態は、第１のプラットフォーム、第２のプラットフォーム、第３のプラットフォーム、第１のピストン、第２のピストン、およびエンドエフェクタのうちの１つ以上に結合されるように構成された１つ以上のセンサをさらに含む、上述の実施形態のいずれかによる自動化装置を含むことができる。そのような場合、１つ以上のセンサのうちの少なくとも第１のセンサは、医療器具と身体組織との間の相互作用に関連するパラメータを測定するように構成されてもよい。その場合、１つ以上のセンサのうちの少なくとも第１のセンサは、医療器具と身体組織との間の相互作用に関連するパラメータを測定するように構成されてもよい。第１のセンサは、力センサであってもよい。
【００４２】
センサを備える上述の自動化装置のいずれにおいても、１つ以上のセンサのうちの少なくとも第２のセンサは、第１のプラットフォーム、第２のプラットフォーム、第３のプラットフォーム、第１のピストン、および第２のピストンのうちの１つ以上の動きを監視するように構成され得る。
【００４３】
上述のシステムおよび装置の実装は、他のシステムおよび装置実装に関連して上述した特徴のいずれかを含む、本開示で説明した特徴のいずれかをさらに含むことができる。
【００４４】
本開示で使用される近位および遠位という用語は、臨床技術分野において通常の意味を有し、すなわち、近位とは、装置または物体を挿入または使用する人あるいは機械に最も近く、かつ、患者から離れた、装置または物体の端部を指し、遠位とは、患者に最も近く、かつ、装置または物体を挿入または使用する人あるいは機械から離れた、装置または物体の端部を指す。
【００４５】
また、本開示全体を通して使用されるいくつかの例は、対象者の体内に針を挿入するためのシステムおよび方法に関するが、これは以下のために行われることも理解されたい。
【００４６】
単純化の理由のみ、および本開示の範囲は、対象者の体内への針の挿入に限定されることを意味せず、診断および／または治療の目的で、ポート、イントロデューサ、カテーテル（例えば、切除カテーテル）、カニューレ、外科用ツール、流体送達ツール、または任意の他のこのような挿入可能なツールを含む任意の医療器具の、対象者の体内への挿入を含むと理解される。
【００４７】
さらに、用語「ユーザ（ｕｓｅｒ）」、「医師（ｄｏｃｔｏｒ）」、「医師（ｐｈｙｓｉｃｉａｎ）」、「臨床医（ｃｌｉｎｉｃｉａｎ）」、「技術者（ｔｅｃｈｎｉｃｉａｎ）」、「医療従事者（ｍｅｄｉｃａｌ  ｐｅｒｓｏｎｎｅｌ）」、および「医療スタッフ（ｍｅｄｉｃａｌ  ｓｔａｆｆ）」は、本開示全体を通して互換的に使用され、実施される医療処置に参加する任意の人を指し得る。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
本開示の方法およびシステムのいくつかの例示的な実装が、添付の図面を参照して説明される。図面において、同様の参照番号は、同一または実質的に同様の要素を示す。
【００４９】
図１は、医療器具を対象者の体内に挿入するための例示的なシステムの概略図を示す。
【００５０】
図２は、例示的な自動挿入装置の斜視図を示す。
【００５１】
図３は、例示的な自動挿入装置の分解図を示す。
【００５２】
図４は、例示的な挿入装置ベースの斜視図を示す。
【００５３】
図５は、自動挿入装置の例示的なロボットプラットフォームの斜視図を示す。
【００５４】
図６Ａ〜６Ｂは、自動挿入装置の別の例示的なロボットプラットフォームの斜視図を示す。
【００５５】
図７Ａ〜７Ｂは、自動挿入装置の例示的なトップアセンブリの斜視図を示し、図７Ｃは、図７Ａ〜７Ｂのトップアセンブリのピストンが連結される共通ジョイントの上面図である。図７Ｄは、図７Ａ〜７Ｂのトップアセンブリのピストン機構の縦断面図を示す。
【００５６】
図８は、例示的な挿入アセンブリの分解図を示す。
【００５７】
図９は、異なるプラットフォーム間のインターフェースを示す、例示的な自動化挿入装置の横断面図を示す。
【００５８】
図１０Ａ〜１０Ｅは、挿入アセンブリの例示的な回転範囲を示す。
【００５９】
図１１は、例示的な挿入アセンブリの全体的な角度作業空間を示す。
【発明を実施するための形態】
【００６０】
図１は、医療器具（例えば、針）１１０を対象者の身体１５に挿入するためのシステム１０の概略図を示す。このシステムは、対象者の身体１５内への針の挿入中に針を操縦するように構成された自動挿入装置１００を含む。針１１０は、挿入装置１００が新しい針と共に繰り返し使用できるように、挿入装置１００に取り外し可能に連結可能である。
【００６１】
いくつかの実施態様では、システム１０は、挿入手順が画像誘導されるように、撮像システムと連動して動作するように構成されてもよい。利用される撮像モダリティは、Ｘ線透視法、ＣＴ、コーンビームＣＴ、ＣＴ透視法、ＭＲＩ、超音波、または任意の他の適切な撮像モダリティのうちの任意の１つであり得る。
【００６２】
挿入装置１００は、図１に示されるように、対象者の身体１５に直接取り付けられるように構成されてもよく、または、例えば、上述の米国特許出願第１５／０２７，４３８号、および「Ｇｒｉｐｐｅｒ  ｆｏｒ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ｉｍａｇｅ  Ｇｕｉｄｅｄ  Ｎｅｅｄｌｅ  Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ」という名称のＧｌｏｚｍａｎらの米国特許出願第１５／０２７，４３９号に記載されるように、患者のベッド、患者のベッドに隣接して位置付けられるカート、または撮像装置に固定される専用アームまたはベースに結合されるように構成されてもよく、その両方は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００６３】
システム１０はさらに、画像処理、最適な針挿入経路の計算などのための少なくとも１つのプロセッサ（図示せず）を含むコンピュータ１３０と、得られた画像、計算された挿入経路などを表示することができるディスプレイ１３１とを含む。コンピュータ１３０は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、ラップトップ、タブレット、スマートフォン、または任意の他のプロセッサベースの装置であり得る。コンピュータ１３０はまた、ボタン、スイッチ、キー、キーボード、コンピュータマウス、ジョイスティック、タッチセンシティブスクリーンなどの形態であり得るユーザインターフェース１３２を含み得る。ディスプレイ１３１およびユーザインターフェース１３２は、２つの別個の構成要素であってもよく、または、タッチセンシティブスクリーン（「タッチスクリーン」）などの単一の構成要素を一緒に形成してもよい。
【００６４】
コンピュータ１３０は、とりわけ、撮像システム（例えば、ＤＩＣＯＭフォーマット）から得られた画像をディスプレイ１３１上で受信、処理、および視覚化し、医療器具の最適経路を計算し、閉ループ方式で実行され得る針操縦を制御するように構成され得、すなわち、プロセッサは、コントローラ１２０を介して挿入装置１００に運動コマンドを生成し、次いで、ツールの実際の位置に関するフィードバックを受信し、次いで、リアルタイム経路補正のために使用され得る。いくつかの実装形態では、最適経路は、ユーザが取得画像のうちの少なくとも１つにおいてマークする、入口点、目標、および途中で避けるための領域（「障害物」とも呼ばれる）などの、ユーザからの入力に基づいて計算することができる。他の実装形態では、プロセッサは、ターゲット、障害物、および最適なエントリポイントを識別し、マークするようにさらに構成され得る。最適経路は、二次元平面または三次元空間で計算することができる。いくつかの実施態様では、針経路は、二次元平面で計算されてもよい。しかし、例えば、組織の動きのために、計画された経路をたどることができず、また、針経路が、元の経路が計算された同じ平面にとどまるように、針経路を調整して、リアルタイムの経路補正が三次元空間で実行されるようにすることもできない。
【００６５】
システム１０はさらに、制御装置１２０（例えば、ロボット制御装置）を含み、制御装置１２０は、挿入装置１００の動き、および対象者の身体１５内のターゲット（例えば、病変または腫瘍）に向かう医療器具１１０の操縦を制御する。計画された軌道に応じて、針の操縦は、二次元平面または三次元空間で実行されてもよい。いくつかの実装形態では、コントローラ１２０は、システム１０内に実装された力センサおよび／または加速度センサなどのセンサ（図示せず）の動作を制御するようにさらに構成され得る。医療器具と身体組織との間の相互作用に関連するパラメータを感知するための、例えば力センサなどのセンサの使用、および医療器具の挿入を誘導するための、および／または撮像を開始するためのセンサデータの利用は、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、Ｓｈｏｃｈａｔらの共有の国際特許出願ＰＣＴ／ＩＬ２０１６／０５１０１３号「Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｇｕｉｄｉｎｇ  Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｔｏｏｌ」に記載されている。
【００６６】
コントローラ１２０は、図１に示されるように、別個の構成要素であってもよい。あるいは、コントローラ１２０の少なくとも一部は、挿入装置１００内および／またはコンピュータ１３０内に埋め込まれてもよい。
【００６７】
図２は、５自由度（ＤＯＦ）を有する例示的な自動挿入装置２０の斜視図を示す。５つの自由度は、Ｚプラットフォーム２３０によって提供されるＺ軸（前後）に沿った直線並進、Ｘプラットフォーム２４０によって提供されるＸ軸（左右）に沿った直線並進、Ｘ軸（前後）Ｒ１を中心とした回転、Ｚ軸（左右）Ｒ２を中心とした回転、Ｙ軸に沿った長手方向の針並進（挿入機構によって提供される挿入）、を含む。Ｘ軸（前後）Ｒ１を中心とした回転と、Ｚ軸（左右）Ｒ２を中心とした回転とは、両方、トップアセンブリ２５０によって提供される。挿入機構は、以下に詳細に説明されるように、エンドエフェクタ（ＥＥＦＦ）２６０、ＥＥＦＦに結合された挿入モジュール（ＩＭ）２７０の一部であってもよく、またはＥＥＦＦとＩＭとの間で分割されてもよい。
【００６８】
挿入装置２０は、ベース２２０をさらに含んでもよい。いくつかの実施態様では、挿入装置２０は、対象者の身体に直接取り付けることができ、したがって、ベース２２０は、ストラップ（図２には示さず）と、ストラップをベースに接続するためのハンドル（またはアンカー）２２２と、ベース２２０の底面上の接着層（図示せず）と、またはベースを対象者の身体に取り付けるための任意の他の適切な手段とを備えることができる。他の実施例では、挿入装置２０は、専用の取り付けパッド２２５を介して対象者の身体に取り付けられてもよい。装着パッド２２５は、装置ベース２２０の底部に、または挿入装置２０を少なくとも部分的に覆うために使用される滅菌ドレープ（図２には示さず）の底部に取り付けられてもよく、または少なくとも部分的に、対象者の身体上に最初に位置付けられてもよく、次いで挿入装置２０（より具体的には挿入装置のベース２２０）が装着パッドに結合される。装着パッドは、例えば、挿入装置を患者の身体に取り付けることによって生じる、患者に対する不快感を最小限に抑えるように、クッションとして構成されてもよい。いくつかの実施形態では、挿入手順が画像誘導される場合、取り付けパッド２２５は、１つ以上の基準マーカー（図示せず）を含んでもよく、これらの基準マーカーは、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、Ｒｏｔｈらの共有の国際特許出願ＰＣＴ／ＩＬ２０１６／０５１３９６号「Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ  Ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ  Ｆｒａｍｅ」に記載されるように、装置２０が走査体積の外側にある場合、手順中の任意の時点で挿入装置の位置を決定するための調整可能な位置合わせフレームを一緒に形成する。さらなる実施態様では、挿入装置２０は、専用の取り付けベース（またはクレードル）（図示せず）に装置を結合することによって、対象者の身体に取り付けることができる。例示的なアタッチメント装置は、Ａｒｎｏｌｄらの「Ｄｅｖｉｃｅｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ａｔｔａｃｈｉｎｇ  ａ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｄｅｖｉｃｅ  ｔｏ  ａ  Ｓｕｂｊｅｃｔ」という名称の共有の米国国際特許出願ＰＣＴ／ＩＬ２０１７／０５０４３０に開示されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００６９】
挿入装置２０は、少なくとも１つのプリント回路基板（ＰＣＢ）２８２および電気ケーブル／配線２８３をさらに含んで、コントローラと、モータおよび挿入装置の他の電子構成要素との間の電気接続を提供してもよい。いくつかの実装形態では、電気ケーブルのうちの少なくとも１つは、ＦＦＣ（フレキシブルフラットケーブル）、例えば、ＦＦＣ２８４として構成され得る。このようなケーブルは、占めるスペースがより少なく、より大きな柔軟性およびより容易なケーブル管理を提供する。さらに、いくつかの実装形態では、単一のＦＦＣを使用して、挿入装置の遠隔電子構成要素間の電気接続を提供することができる。このような場合、ＦＦＣ２８４は、例えば、装置２０の異なるプラットフォーム間で複数回折り畳まれ、曲げられて、ベース２２０をトップアセンブリ２５０に電気的に接続することができる。したがって、多数の丸いケーブルの代わりに単一のＦＦＣ２８４を使用してもよく、ワイヤ結合の問題を排除し、占めるスペースを少なくし、それぞれが異なる方向に移動するいくつかのベース／プラットフォームを有する複雑な挿入装置において必要とされる柔軟性を提供する。
【００７０】
挿入装置２０は、画像誘導手順において画像空間に装置を位置合わせするために、装置上の特定の位置に配置された基準マーカー（または位置合わせ要素）２８５をさらに含むことができる。
【００７１】
いくつかの実施態様では、挿入装置２０は、装置２０の機械的および電子的構成要素を少なくとも部分的に覆い、損傷または障害から保護するハウジング（またはカバー）２９０を含むことができる。
【００７２】
図３は、図２の例示的な挿入装置２０（図３において符号３０で示される）の分解図であり、装置ベース３２０、Ｚプラットフォーム３３０、Ｘプラットフォーム３４０、トップアセンブリ３５０、エンドエフェクタ３６０、および挿入モジュール３７０を示す。いくつかの実装形態では、装置ベース３２０は、例えば、１つ以上のストラップ３２５が使用者によって結合される１つ以上のストラップアンカー３２２、またはベース３２０と一緒に提供され得るストラップ３２５自体のような、挿入装置３０を対象者の身体に取り付けるための機構の少なくとも一部を含むことができる。いくつかの実施態様では、装置のカバー（図３には示さず）はまた、ストラップアンカーなどの取り付け機構の少なくとも一部を含んでもよい。Ｚプラットフォーム３３０は、（例えば、ねじを用いて）装置ベース３２０に連結されてもよく、Ｘプラットフォーム３４０がＺプラットフォーム３３０の上部でＺ軸に沿って直線的に移動することを可能にする機構の少なくとも一部を含んでもよい。Ｘプラットフォーム３４０は、Ｚ軸に沿って直線的に移動することを可能にする機構の相補的な部分と、トップアセンブリ３５０がＸプラットフォーム３４０の上部でＸ軸に沿って直線的に移動することを可能にする機構の少なくとも一部とを含むことができる。トップアセンブリ３５０は、Ｘ軸に沿って直線的に移動することを可能にする機構の相補的部分を含むことができ、エンドエフェクタ３６０が回転することを可能にする機構をさらに含むことができる。いくつかの実装形態では、エンドエフェクタ３６０は、１つ以上のジンバル３５２および３５４を介してトップアセンブリに連結され得る。エンドエフェクタ３６０は、挿入モジュール３７０を受けるためのハウジング（又はフレーム）３６２を含むことができ、以下で詳細に説明するように、挿入機構の少なくとも一部をさらに含むことができる。挿入モジュール３７０は、エンドエフェクタ３６０が挿入機構の一部を含む場合、挿入機構全体、または挿入機構の相補的部分を含むことができ、さらに、対象者の身体に挿入される医療器具３１０を含むことができる。このような医療器具は、針（例えば、生検針）、導入器、カテーテルなどであり得る。いくつかの実施態様では、医療器具３１０は、挿入モジュール３７０と一体であってもよい。他の実装形態では、医療器具３１０は、挿入処置を開始する前に医療スタッフのメンバーによって挿入モジュール３７０に結合されるように、挿入モジュール３７０から分離されてもよい。
【００７３】
図４は、例示的な装置ベース４０の斜視図を示す。ベースは、直接、または専用の取り付けパッドまたは取り付けベース（両方とも図４に示されていない）を介して、対象者の身体に取り付けるためのベースプレート４１０を含み得る。ベースプレート４１０は、Ｚプラットフォーム（図４には示さず）を受け入れてそれに結合するための、くぼみ４１２の形態などの専用領域を含むことができる。装置ベース４０はさらに、ストラップ／ベルト４２５が結合されてベース４０（したがって挿入装置）を対象者の身体に固定することができる複数のアンカー４２０を含むことができる。あるいは、ストラップ／ベルト４２５は、挿入装置が次に結合される取り付けパッドまたは取り付けベースに結合されてもよい。装置ベース４０は、さらに、ＣＰＵなどの装置の電子コンポーネントと、ベースＰＣＢ４３０とコントローラ（図４には示されていない）にベースＰＣＢ４３０を接続するケーブル４４２などの外部コンポーネントとの間の電気接続を提供する電気配線と、ベースＰＣＢ４３０とＸプラットフォームＰＣＢ（図４には示されていない）との間の電気接続を提供するＦＦＣ４４４などの挿入装置のベースＰＣＢ４３０と他の電子コンポーネントとの間に接続する少なくとも１つのプリント回路ボード４３０を含むことができる。
【００７４】
装置ベース４０はさらに、画像誘導手順において挿入装置を画像空間に位置合わせするプロセスにおいて利用される、基準マーカー４５０などの１つ以上の位置合わせ要素を含むことができる。
【００７５】
図５は、挿入装置の例示的なＺプラットフォーム５０の斜視図を示す。Ｚプラットフォーム５０は、複数のねじ（図示せず）および対応するソケット５０２を使用することなどによって、装置ベース（図５に図示せず）に連結されてもよく、Ｚプラットフォーム５０の上部およびＺ軸に沿ったＸプラットフォーム（図５に図示せず）の移動を可能にする駆動機構の少なくとも一部を含んでもよい。いくつかの実施態様では、駆動機構は、ボールねじ（または、親ねじ）機構を含むことができる。ボールねじ機構は、ＸプラットフォームをＺ軸に沿って推進させる機構の一例に過ぎず、他の適切な推進機構を代わりにまたは追加して実施できることを理解されたい。
【００７６】
いくつかの実施態様では、Ｚプラットフォーム５０は、ピニオン５１６およびギア５１８を介してモータ５１４（例えば、ブラシレス電気モータ）によって回転されるねじ付きシャフト５１２を含むことができ、Ｘプラットフォームは、その底面に結合された、雌ねじ付きナット（図５には示さず）を含むことができ、ねじ付きシャフト５１２の回転は、ナットの線形運動に変換され、したがって、Ｚ軸に沿ったＸプラットフォームの線形運動に変換される。いくつかの実装形態では、ねじ付きシャフトおよびナットは、一体型ユニットとして予め組み立てられて提供されてもよく、Ｘプラットフォームは、予め組み立てられたシャフトおよびナット（すなわち、ボールねじ機構）がＺプラットフォームに固定された後にのみ、ねじ付きナットに固定されてもよい。しかしながら、本開示において、シャフト５１２は、Ｚプラットフォーム５０の一部として参照され、ナットは、Ｘプラットフォームの一部として参照されることに留意すべきである。なぜなら、シャフトは、Ｚプラットフォーム上で静止したままであり（回転するが）、ナットは、Ｘプラットフォームと一体として移動するからである。
【００７７】
モータ５１４は、ドイツ、ＳｃｈｏｎａｉｃｈのＦａｕｌｈａｂｅｒによって製造された回転磁気エンコーダモデルＩＥＭ３−１０２４などの回転エンコーダを備えることができる。エンコーダは、モータとは別個に設けてもよいし、モータとそのエンコーダの両方が参照番号５１４で示されるように、モータの一体部分として設けてもよい。
【００７８】
Ｚプラットフォーム５０は、例えば、Ｘプラットフォームの底面に取り付けられ、レール５２０に沿って自由に移動できるようにレール５２０と結合するように構成されたキャリッジ（図５には示さず）を介して、ＸプラットフォームのＺ軸に沿った移動を案内する１つ以上のレール５２０をさらに含むことができる。リニアエンコーダ、例えば、スイス、コロンビアのＰｏｓｉｃ  Ｌｔｄ．によって製造されたリニア磁気エンコーダモデルＩＤ１１０１Ｌは、Ｚ軸に沿ったＸプラットフォームの動きを監視するために使用され得る。エンコーダスケール５２５は、レール５２０の少なくとも１つに隣接して配置することができ、エンコーダリーダ（図５には示さず）は、Ｘプラットフォームの底部に連結することができる。Ｘプラットフォームの移動を制限し、Ｘプラットフォームの移動がレールの端部に到達するのを防止するために、リミットスイッチもまた利用され得る。Ｘプラットフォームの移動がレールの端部に到達すると、Ｘプラットフォームおよび／またはレールの適切な機能を妨害するか、またはＸプラットフォームおよび／またはレールの損傷さえ引き起こし得るからである。リミットスイッチは、レール５２０のうちの少なくとも１つの各端部の近くに互いに対向して配置された光（例えば、赤外線）源および光検出器を有する光結合器などのセンサ５４０と、Ｘプラットフォームの底面に結合された少なくとも１つのセンサフラグ（図５には示さず）とを含むことができ、それにより、フラグが光源と光検出器との間を通過し、放射光が光検出器に到達するのを阻止するとき、警告を促すことができ、および／またはＸプラットフォームの移動を自動的に停止することができる。開示される装置において実施されるリミットスイッチは、光センサに限定されず、近接センサ（磁場、キャパシタンスなど）に基づくリミットスイッチなどの他のタイプのリミットスイッチもまた使用され得ることが理解され得る。
【００７９】
図６Ａは、挿入装置の例示的なＸプラットフォーム６０の底面斜視図を示す。Ｘプラットフォーム６０は、その底面に結合され、Ｚプラットフォームのねじ付きシャフトと嵌合する雌ねじ付きナット６０２を含むことができる。Ｚプラットフォームのモータおよびギアによるねじ付きシャフトの回転は、Ｚ軸に沿ったナット６０２の、したがってＸプラットフォーム６０の直線運動に変換される。また、Ｘプラットフォーム６０のＺ軸に沿った直線運動を案内し、方向付けるように、Ｚプラットフォームのレールと噛み合い、それに沿って摺動するキャリッジ６０４も示されている。Ｘプラットフォーム６０は、その底面に結合され、Ｚプラットフォームのエンコーダスケール（図６Ａには示されていない）と連動して動作してＺ軸に沿ったＸプラットフォーム６０の移動を監視するリニアエンコーダリーダ６０６と、Ｘプラットフォームの移動を制限し、Ｚプラットフォームのレールの端部に到達するのを防止するためにＺプラットフォームのリミットスイッチセンサ（図６Ａには示されていない）と連動して動作するリミットスイッチフラグ６０８とをさらに含んでもよい。
【００８０】
図６Ｂは、Ｘプラットフォーム６０の上面斜視図を示す。Ｘプラットフォーム６０は、Ｘプラットフォーム６０の頂部上およびＸ軸に沿った頂部アセンブリ（図６Ｂには示さず）の移動を可能にする駆動機構の少なくとも一部を含むことができる。いくつかの実施態様では、駆動機構は、ボールねじ（または、親ねじ）機構を含むことができる。ボールねじ機構は、Ｘ軸に沿ってトップアセンブリを推進する機構の一例に過ぎず、他の適切な推進機構が、代替的または追加的に、実施され得ることが理解され得る。
【００８１】
いくつかの実施態様では、Ｘプラットフォーム６０は、ピニオン６１６および１つ以上の歯車６１８および６１９を介してモータ６１４（例えば、ブラシレス電気モータ）によって回転されるねじ付きシャフト６１２を含むことができ、トップアセンブリは、その底面に連結された、雌ねじ付きナット（図６Ｂには示さず）を含むことができ、ねじ付きシャフト６１２の回転は、ナット（つまりトップアセンブリ）のＸ軸に沿った直線運動に変換される。いくつかの実装形態では、ねじ付きシャフトおよび雌ねじ付きナットは、一体型ユニットとして予め組み立てられて提供されてもよく、トップアセンブリは、予め組み立てられたシャフトおよびナット（すなわち、ボールねじ機構）がＸプラットフォームに固定された後に、ねじ付きナットに固定されてもよい。しかし、本開示では、シャフト６１２がＸプラットフォームと一体として移動し、ナットが一体としてトップアセンブリと一緒に移動するので、シャフト６１２はＸプラットフォーム６０の一部と称され、ナットはトップアセンブリの一部と称されることに留意されたい。
【００８２】
モータ６１４は、ドイツ、ＳｃｈｏｎａｉｃｈのＦａｕｌｈａｂｅｒによって製造された回転磁気エンコーダモデルＩＥＭ３−１０２４などの回転エンコーダを備えることができる。エンコーダは、モータから分離されてもよく、モータとそのエンコーダの両方が符号６１４で示されるように、モータと一体的に設けられてもよい。
【００８３】
Ｘプラットフォーム６０は、例えば、トップアセンブリの底面に取り付けられ、レール６２２に沿って自由に移動できるようにレール６２２と結合するように構成されたキャリッジ（図６Ｂには示さず）を介して、トップアセンブリのＸ軸に沿った移動を案内する１つ以上のレール６２２をさらに含むことができる。
【００８４】
ＺプラットフォームとＸプラットフォームの組み合わせは、トップアセンブリの完全な平面移動を可能にする。
【００８５】
スイス、コロンビアのＰｏｓｉｃ  Ｌｔｄ．によって製造されたリニア磁気エンコーダモデルＩＤ１１０１Ｌなどのリニアエンコーダを使用して、Ｘ軸に沿ったトップアセンブリの動きを監視することができる。エンコーダスケール６２５は、レール６２２のうちの少なくとも１つに隣接して配置されてもよく、エンコーダリーダ（図６Ｂに示されていない）は、トップアセンブリの底部に結合されてもよい。トップアセンブリの移動を制限し、それがレール６２２の端部に到達することを防止するために、リミットスイッチもまた利用され得る。トップアセンブリがレール６２２の端部に到達すると、挿入装置の適切な機能を破壊し得るか、またはトップアセンブリおよび／またはレール６２２に損傷を与え得るからである。リミットスイッチは、レール６２２のうちの少なくとも１つの各端部の近くに配置された、互いに対向して配置された光源および光検出器を有する光カプラなどのセンサ６４４と、トップアセンブリの底面に結合された少なくとも１つのセンサフラグ（図６Ｂには示さず）とを含むことができる。開示される装置において実施されるリミットスイッチは、光センサに限定されず、近接センサ（磁場、キャパシタンスなど）に基づくリミットスイッチなどの他のタイプのリミットスイッチが、代替的に使用され得ることが理解され得る。
【００８６】
Ｘプラットフォーム６０は、複数のＸプラットフォームの電子部品を収容する少なくとも１つのＰＣＢ６３０と、電気配線とをさらに含むことができる。いくつかの実装形態では、装置ベースのＰＣＢとトップアセンブリのＰＣＢとの間の電気接続を提供するＦＦＣ６５０は、Ｘプラットフォーム６０に機械的に結合され得る。
【００８７】
図７Ａは、挿入装置の例示的なトップアセンブリ７０の底面斜視図を示す。トップアセンブリ７０は、Ｘプラットフォームのねじ付きシャフトと嵌合する雌ねじ付きナット７０２が底面に結合されるベース７００を含むことができる。Ｘプラットフォームのモータおよび歯車によるねじ付きシャフトの回転は、ナット７０２（つまり上部ベース７００およびトップアセンブリ７０全体）のＸ軸に沿った直線運動に変換される。また、Ｘ軸に沿ったトップアセンブリ７０の直線運動を案内し、方向付けるように、Ｘプラットフォームのレールと噛み合い、それに沿って摺動するキャリッジ７０４も示されている。トップアセンブリ７０は、その底面に結合され、Ｘプラットフォームのエンコーダスケール（図７Ａには示さず）と連動して動作してＸ軸に沿ったトップアセンブリ７０の移動を監視するリミットスイッチフラグ７０６と、Ｘプラットフォームのリミットスイッチセンサ（図７Ａには示さず）と連動して動作してトップアセンブリ７０の移動を制限してＸプラットフォームのレールの端部に到達するのを防止するリミットスイッチフラグ７０８とをさらに含むことができる。
図７Ｂは、トップアセンブリ７０の上面斜視図を示す。トップアセンブリ７０は、ベース部分７００と、ベース部分７００から延びるアーム部材７１０とを含むことができる。延長アーム７１０は、その遠位端に結合された下部ジンバル７１５を含むことができ、この下部ジンバル７１５に、装置のエンドエフェクタ（図７Ｂには示さず）が結合される。下部ジンバル７１５は、軸方向ジョイント７１２を介してアーム部材７１０に結合されて、アーム７１０がその角度位置を維持しながらジンバル７１５（つまりエンドエフェクタ）の回転を可能にすることができる。いくつかの実装形態では、トップアセンブリアーム７１０は、画像誘導手順において、挿入装置を画像空間に位置合わせするプロセスにおいて利用される、少なくとも１つの位置合わせ要素７１７を、トップアセンブリアーム７１０に結合されて含むことができる。位置合わせ要素７１７は、例えば、炭素製の管（またはロッド）を含むことができる。いくつかの実装形態では、トップアセンブリ７０は、例えば、対象者の体内への医療器具の挿入中に医療器具に及ぼされる力を測定するために、アーム部材７１０に取り付けられた力センサ（図示せず）をさらに含み得る。力センサのリアルタイム測定は、上述の国際特許出願ＰＣＴ／ＩＬ２０１６／０５１０１３号に全て記載されている以下の機能の１つ以上を提供する。（ｉ）ゲーティング（ｇａｔｉｎｇ）機能：すなわち、関心領域の撮像を開始するための最適な時間／段階を規定するために使用されてもよい。（ｉｉ）モニタリングおよびガイダンス機能：すなわち、挿入手順の進行をモニタリングし、針がその予め計画された軌道をたどっていることを検証するのを補助するために使用されてもよい。（ｉｉｉ）安全機能：すなわち、臨床医に警告するために使用されてもよく、好ましくは、骨や血管などの障害物に針が衝突／進入したことを検出すると、挿入手順の自動停止を促進するために使用されてもよい。
【００８８】
トップアセンブリ７０は、トップアセンブリのベース部分７００およびアーム部材７１０の上方に配置されたピストン機構７２０をさらに含むことができる。アーム部材７１０およびピストン機構７２０は、針（図７Ｂには示さず）を装置の金属部品（例えば、モータおよび歯車）から離す。これにより、挿入手順の間に針の位置を追従し、決定するために走査される針近接領域における、画像化アーチファクトの発生を最小限にすることができる。
【００８９】
いくつかの実施態様では、各ピストン機構７２０は、シリンダ７２２と、例えばボールねじ機構を介してシリンダ７２２の内外に移動可能なピストン７２４とを含むことができる。ボールねじ機構は、ピストンをシリンダの内外に推進させる機構の一例に過ぎず、他の適切な推進機構を実施してもよいことが理解されよう。
【００９０】
いくつかの実施態様では、各ピストン機構７２０は、ピニオン７４４およびギア７４６を介して、シリンダ７２２内に配置されたねじ付きシャフト（図７Ｂには示さず）を回転させるモータ７４２を含むことができる。ピストン７２４は、シリンダ７２２内に配置されるその近位端に、ねじ付きシャフトに動作可能に連結される雌ねじ付きナット（図７Ｂには示されない）を含んでもよく、その結果、ねじ付きシャフトの回転は、必要に応じて、ナット（したがって、シリンダ７２２の内外のピストン）の直線運動に変換される。モータ７４２には、その回転を監視する回転エンコーダ７４３を設けることができる。
【００９１】
いくつかの実施態様では、各ピストン７２４の遠位端は、少なくとも２つの回転ＤＯＦを有する別個のジョイントに結合されてもよく、両方のジョイントは、エンドエフェクタに直接接続されてもよい（図７Ｂには示さず）。このような別個のジョイントは、例えば、ボールソケットジョイントとして、カルダンジョイントとして、または任意の他の適切なジョイントとして構成され得る。他の実装形態では、図７Ｂの斜視図および図７Ｃの上面図から示されるように、ピストン７２４の遠位端ジョイント７２５は、共通ジョイント７２６に結合され得、共通ジョイント７２６は、次に、上部ジンバル７２８に結合され、上部ジンバル７２８に、装置のエンドエフェクタ（図７Ｂおよび７Ｃに示されていない）が、下部ジンバル７１５への結合に加えて、それに結合される。そのような実装形態では、遠位端ジョイント７２５は、１つの回転ＤＯＦを有することができ、共通ジョイント７２６は、２つの回転ＤＯＦを有することができる。さらに、そのような実装形態では、例えば、カルダンジョイントを備え、各シリンダ７２２に２つのＤＯＦを提供し得るピストンの遠位端ジョイント７２５およびシリンダの近位端ジョイント７２３は、シリンダ７２２およびピストン７２４がすべて同じ平面上に配置され得るように、互いに平行であり得る。上部ジンバル７２８を共通ジョイント７２６に接続する軸方向ジョイント７２７は、シリンダ７２２、ピストン７２４および共通ジョイント７２６がすべて、連結されたエンドエフェクタが回転している上部ジンバル７２８と同じ平面上にとどまることを可能にする。シリンダ７２２およびピストン７２４はすべて、単一の平面内に配置され、両方のシリンダ７２２のカルダンジョイント７２３の水平軸も、単一のシャフト（またはアクスル（ａｘｌｅ））７３０に結合されることを可能にするが、いくつかの実装形態では、各カルダンジョイント７２３は、別個のシャフトに結合されてもよい。シリンダ７２２、ピストン７２４、共通ジョイント７２６およびシャフト７３０がすべて同一平面上に配置されるこの構成は、より大きな角度移動を可能にし、したがって、エンドエフェクタのより大きな作業空間を可能にし、ボールソケットジョイントの制限なしに、例えば、単純でコンパクトな設計におさまる。上部ジンバル７２８および下部ジンバル７１５は図に示されていることを理解されたい。図７Ａ〜７Ｃは、エンドエフェクタに連結するための２つのアームを有し、いくつかの実施態様では、ジンバルの一方または両方が、エンドエフェクタに連結するための１つのアームのみを有することができ、または、それらはそれぞれ、エンドエフェクタに連結するのに適した任意の他の適切な構成を有することができる。
【００９２】
トップアセンブリ７０は、１つ以上のＰＣＢをさらに含んでもよく、例えば、ＰＣＢ７１９は、トップアセンブリのベース部分７００に取り付けられてもよく、追加のＰＣＢ７２９は、シリンダ７２２の各々に結合されてもよい。リニアエンコーダ、例えば、スイス、コロンビアのＰｏｓｉｃ  Ｌｔｄ．によって製造されたリニア磁気エンコーダモデルＩＤ１１０１Ｌは、シリンダ７２２内のピストン７２４の動きを監視するために使用され得る。リニアエンコーダのスケール７２４２はピストン７２４に結合され、エンコーダリーダ７２４４はシリンダ７２２に結合される。ピストン７２４の移動を制限し、ピストン７２４がねじ付きシャフトの端部に到達するのを防止するために、リミットスイッチ７２４６を利用することもできる。
【００９３】
図７Ｄは、図７Ａ〜７Ｂのピストン機構の１つの断面図を示す。上述したように、各ピストン機構７２０は、シリンダ７２２と、ボールねじ機構を介してシリンダ７２２の内外に移動可能なピストン７２４とを含むことができる。各ピストン機構７２０は、ピニオン７４４およびギア７４６を介してシリンダ７２２内に配置されたねじ付きシャフト７４８を回転させるモータ７４２を含むことができる。ピストン７２４は、シリンダ７２２内に配置されるその近位端に、ねじ付きシャフト７４８に動作可能に結合される雌ねじ付きナット７４９を含むことができ、ねじ付きシャフト７４８の回転が、ナット７４９（つまりピストン７２４）の、シリンダ７２２の内外への直線運動に変換される。
【００９４】
図８は、エンドエフェクタ８０および挿入モジュール８５を含む例示的な挿入アセンブリの分解図を示す。挿入モジュール８５は、それらの中心線で針８５５を包む領域を除いて、それらの幅に沿って互いに結合された２つの可撓性ストリップ８５２を含むことができる。可撓性ストリップ８５２は、その長さの少なくとも一部に沿って、中心線に沿った針位置の両側に延びる穿孔８５２２を有することができる。挿入モジュール８５は、突起を有するローラ（図示せず）をさらに含んでもよい。これにより、ストリップ８５２の穿孔８５２２がローラ上の突起と係合し、ローラが適切な方向に逆回転すると、二重ストリップ−針アセンブリが遠位方向、すなわち患者の身体に向かって押される。次いで、ストリップ８５２が針８５５から剥がれ、針８５５が患者の体内に侵入する。挿入モジュール８５は、針ヘッド８５９とストリップ８５２の近位端とを一緒に固定する針ヘッドホルダ８５８をさらに含むことができる。
【００９５】
エンドエフェクタ８０は、挿入モジュール８５を受け入れるためのフレーム８０２を備えることができる。一旦フレーム８０２に挿入されると、挿入モジュール８５は、例えば、ねじ８０４、またはスナップ嵌め機構などの任意の他の適切な固定機構を使用して、その中にロックされ得る。エンドエフェクタ８０は、モータエンコーダ（図示せず）を備えた歯車付きモータ８１２（すなわち、モータおよび遊星歯車システム）、傘歯車８１４、およびＰＣＢ８１６を含むことができるモータアセンブリ８１０をさらに含むことができる。モータアセンブリ８１０は、以下のように挿入機構を作動させることができる。ギア付きモータ８１２は、傘歯車８１４を回転させ、傘歯車８１４は、それが結合される挿入モジュール８５の傘歯車８５４を回転させる。次いで、挿入モジュール８５の傘歯車８５４が、挿入モジュール８５のローラを回転させ、ローラの逆回転が、ローラの突起およびストリップの穿孔からなる「タイミングベルト状」機構を介して、結合されたストリップ８５２を下方に引っ張る。
【００９６】
いくつかの実施態様では、エンドエフェクタのフレーム８０２は、挿入モジュール８５が挿入された後、傘歯車８５４がフレーム８０２の外側に留まり、エンドエフェクタのモータ組立体８１０の傘歯車８１２への結合を可能にするように、挿入モジュールの傘歯車８５４のシャフト８５６を受け入れるための専用スロット８０２２を含んでもよい。
【００９７】
エンドエフェクタ８０は、そのフレーム８０２に結合され得る１つ以上の位置合わせ要素８０８をさらに含み得る。
【００９８】
例示的な挿入アセンブリのさらなる詳細および実施形態は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる「Ｎｅｅｄｌｅ  Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ  Ｇｕｉｄｅ」のＧａｌｉｌｉらとの共有の国際特許出願ＰＣＴ／ＩＬ２０１５／０５１１５８号に開示されている。
【００９９】
いくつかの実施態様では、挿入モジュール８５は、使い捨てユニットであり、エンドエフェクタ８０は、再使用可能であり、すなわち、新しい使い捨て挿入モジュール８５と共に繰り返し使用することができる。このような場合、エンドエフェクタ８０は、挿入装置の一体型ユニットであってもよい。他の実施形態では、エンドエフェクタ８０は、使い捨てとすることもでき、したがって、自動挿入装置とは別個に設けることができる。このような場合、エンドエフェクタ８０および挿入モジュール８５は、単一の使い捨てユニットとして提供されてもよい。
【０１００】
図９は、挿入装置９０の横断面図を示し、異なるプラットフォーム間の界面を示す。上述したように、Ｚ軸に沿ったＸプラットフォームおよびＸ軸に沿ったトップアセンブリの両方の移動は、ボールねじ機構を介して推進され得る。さらに、Ｘプラットフォームおよびトップアセンブリの両方の直線運動は、レールキャリッジ機構を介して案内され得る。
【０１０１】
Ｚ−Ｘプラットフォーム：
Ｚプラットフォーム９３０は、ねじ付きシャフト９３２を含むことができ、Ｘプラットフォーム９４０は、シャフト９３２に動作可能に結合された雌ねじ付きナット９４８を含むことができる。モータ９３４およびギヤ（図９には示さず）によるシャフト９３２の回転は、Ｚ軸に沿ったナット９４８（つまりＸプラットフォーム９４０）の直線運動に変換される。さらに、Ｚプラットフォーム９３０は１つ以上のレール９３６を含むことができ、Ｘプラットフォーム９４０は１つ以上の対応するキャリッジ９４４を含むことができ、これらのキャリッジ９４４はレール９３６に動作可能に結合され、レール９３６に沿って自由に動くことができ、Ｘプラットフォームの直線運動をＺ軸に沿って案内する。
【０１０２】
Ｘプラットフォーム−トップアセンブリ：
Ｘプラットフォーム９４０はねじ付きシャフト９４２を含み、トップアセンブリ９５０は雌ねじ付きナット９５８を含み、これはシャフト９４２に動作可能に連結される。モータ（図９には示されていない）およびギア９４５および９４６によるシャフト９４２の回転は、Ｘ軸に沿った、ナット９５８（つまりトップアセンブリ９５０）の直線運動に変換される。さらに、Ｘプラットフォーム９４０は、１つ以上のレール（図９には示さず）を含むことができ、トップアセンブリ９５０は、１つ以上の対応するキャリッジ（図９には示さず）を含むことができ、これらのキャリッジは、レールに動作可能に結合され、Ｘ軸に沿ってトップアセンブリの直線運動を案内するために、レールに沿って自由に（またはスライドして）移動することができる。また、図９には、ねじ付きシャフト９５４が配置されたトップアセンブリのシリンダ９５２も示されている。
【０１０３】
図１０Ａ〜図１０Ｄは、装置の挿入アセンブリ、すなわち、ＥＥＦＦおよびＩＭの例示的な回転範囲を示す４つの異なる状態のトップアセンブリ１０００を示す。
【０１０４】
図１０Ａは、挿入アセンブリ１１００がその最大後向き回転角θ１にある、すなわち、挿入アセンブリ１１００が装置からＸ軸を中心に最大に回転される、トップアセンブリ１０００の側面図を示す。後方角度は、両方のピストン１０１０をシリンダ１０２０から前方に推進し、針ヘッド１１１２を前方に回転させ、針先端１１１０を後方に、すなわち装置に向かって指向させることによって達成される。図示されるように、針の回転およびその挿入の両方の操作は、一般的に針ヘッドで針を操作する従来技術のシステムとは異なり、患者の身体に近い上部ジンバル１０３０およびＥＥＦＦ１１２０の結合ポイントで実行される。針の全長の回転および挿入に必要な運動（これは相当であり得る）を生じさせる必要がないので、開示される挿入システムによって必要とされる作業空間は、従来技術のシステムの作業空間よりもかなり小さい。さらに、本開示の装置は、前述の米国特許出願第１５／０２７，４３８号に記載されているように、駆動機構の寸法および作業空間が針の長さに依存しない一方で、可変長の針を駆動することができる。
【０１０５】
図１０Ｂは、挿入アセンブリ１１００がその最大前向き回転角θ２＝４５度にある、すなわち、挿入アセンブリ１１００がＸ軸を中心として装置に向かって最大に回転される、トップアセンブリ１０００の側面図を示す。前方角度は、両方のピストン１０１０をシリンダ１０２０内に後方に推進し、針ヘッド１１１２を後方に回転させ、針先端１１１０を前方に、すなわち装置から離れる方向に向けることによって達成される。
【０１０６】
図１０Ｃは、挿入アセンブリ１１００がその最大右回転角度θ３＝４５度（図１０Ｅにおいて以下に示される）にあるトップアセンブリ１０００の上面図を示す、すなわち、挿入アセンブリ１１００は、Ｚ軸の周りで右に最大に回転される（ページレイアウトを参照する「右」方向）。直角は、両方のシリンダ１０２０ａおよび１０２０ｂを右に回転させることによって達成される。このような回転は、右ピストン１０１０ａが右シリンダ１０２０ｂから推進されるよりも、左ピストン１０１０ｂを左シリンダ１０２０ｂからさらに推進することによって達成される。挿入アセンブリ１１００を右に回転させると、針ヘッド１１１２が右に回転し、針先端１１１０が左を向く。
【０１０７】
図１０Ｄは、挿入アセンブリ１１００が、最大左回転角０４＝４５度（図１０Ｅに示される）で、すなわち、挿入アセンブリ１１００が、Ｚ軸を中心に最大回転され、左側に最大回転される、トップアセンブリ１０００の上面図を示す。左角度は、両方のシリンダ１０２０ａ、１０２０ｂを左に回転させることによって達成される。このような回転は、左ピストン１０１０ｂが左シリンダ１０２０ｂから推進されるよりも右ピストン１０１０ａを右シリンダ１０２０ａからさらに推進することによって達成される。挿入アセンブリ１１００を左に回転させると、針ヘッド１１１２が左に回転し、針先端１１１０が右を向く。
【０１０８】
図に示すように挿入アセンブリ１１００がその全回転範囲にわたって回転しているとき、トップアセンブリのアーム部材１０５０は静止したままであり、シリンダ１０２０ａおよび１０２０ｂ、ピストン１０１０ａおよび１０１０ｂ、シャフト１０２５および共通ジョイント１０６０はすべて同じ平面上に留まる。
【０１０９】
図１０Ｅは、それぞれ、図１０Ｃおよび図１０Ｄの挿入アセンブリの最大左右回動角θ３およびθ４を示す。また、針がＹ軸に平行であり、挿入アセンブリがその最大右回転角および最大左回転角にそれぞれ到達するときの上部ジンバルの位置１０９０Ａ、１０９０Ｂ、および１０９０Ｃも示されている。左右の最大回転角の間の上部ジンバルの軌道は、Ｘ−Ｙ平面上に円弧を形成する。挿入アセンブリが最大前方角度と最大後方角度との間で回転しているときの上部ジンバルの軌道もまた、Ｚ−Ｙ平面上で円弧を形成することが理解できる。
【０１１０】
図１０Ａ〜１０Ｅにおいては、最大の針回転角は、θ１＝θ２＝θ３＝θ４＝４５度であるが、これは、単純化のためだけであることが理解されるべきである。なお、最大回転角度θ１、θ２、θ３、θ４は必ずしも等しくなくてもよい。また、４５度に限らず、４５度よりも大きくても小さくてもよい。
【０１１１】
図１１は、２つの回転自由度を有する挿入アセンブリ１１００の長手方向軸の全体的な作業空間１２００を示し、２つの回転自由度の１つ目は図１０Ａ〜１０Ｂに示され、２つ目は図１０Ｃ〜１０Ｅに示されたものである。いくつかの実施形態では、挿入アセンブリ１１００の遠隔運動中心（ＲＣＭ）は、仮想的であり、針の入口点に位置し得る。挿入アセンブリの回転軸は、図１０Ｅに示されるように、装置のトップアセンブリの下部ジンバルに位置するが、仮想ＲＣＭの位置は、Ｚ軸に沿ったＸプラットフォームおよび／またはＸ軸に沿ったトップアセンブリの直線運動を介して、針の入口点に維持される。
【０１１２】
針入口点が選択されると、ユーザは、選択された入口点を仮想ＲＣＭとして設定することができる。次いで、システムのソフトウェアは、例えば、上述の米国特許第８，３４８，８６１号に記載されているように、逆運動学アルゴリズムを使用して、仮想ＲＣＭとして入口点を維持するために、挿入アセンブリが回転されている間に、Ｘプラットフォームおよび／またはトップアセンブリから必要とされる直線運動を決定することができる。針入口点において維持される仮想ＲＣＭは、直線状の針軌道が追従できない場合、および／または針が挿入されているときに計画された軌道（直線状またはその他）が調整を必要とする場合、皮膚／組織の裂傷を防止する。
【０１１３】
作業空間１２００は、その頂点１５００が仮想ＲＣＭであり、針の入口点に位置する円錐形状を形成することができる。挿入アセンブリの作業空間は、必ずしもすべての軸において対称である必要はないことを理解することができる。最大回転角度が、例えば、上記の図１０Ａ〜図１０Ｅに示されるように、全ての軸の周りで同一である場合、図１１に示されるように、作業空間は全ての軸に関して対称である。すなわち、形成された円錐の横断面は円である。しかし、Ｘ軸周りの最大回転角度がＺ軸周りの最大回転角度と異なっている場合（例えば、θ１＝θ２＝４５度であり、θ３＝θ４＝５５度である場合）、形成された円錐の横断面は楕円である。いくつかの実装形態では、最大回転角度は、各方向において異なり得る。さらに、角度作業空間は、Ｘ軸を中心とする回転およびＺ軸を中心とする回転と必ずしも等しくなく、したがって、作業空間は、例えば、長方形となり得る。
【０１１４】
本明細書では特定の実施形態を詳細に開示したが、これは例示の目的のみのために例示として行ったものであり、添付の特許請求の範囲に関して限定することを意図するものではない。特に、特許請求の範囲によって定義される本開示の精神および範囲から逸脱することなく、様々な置換、変更、および修正がなされ得ることが企図される。他の態様、利点、および修正は、以下の特許請求の範囲内であると考えられる。提示される特許請求の範囲は、本明細書で開示される実装形態および特徴の代表である。他のクレームされていない実施および特徴も考えられる。したがって、他の実施は、特許請求の範囲内にある。
【図１】
2019520183.tif 000003
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
2019520183.tif 000009
【図７Ａ】
2019520183.tif 000010
【図７Ｂ−７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図９】
2019520183.tif 000014
【図１０Ａ】
2019520183.tif 000015
【図１０Ｂ】
2019520183.tif 000016
【図１０Ｃ】
2019520183.tif 000017
【図１０Ｄ】
2019520183.tif 000018
【図１０Ｅ】
2019520183.tif 000019
【図１１】
2019520183.tif 000020
【国際調査報告】
2019520183.tif 000021
2019520183.tif 000022