(57)【要約】  ロボット制御装置５１５は、撮像デバイスから関心領域の画像５２４を受信するように構成された第１の入力部５０２を含む。対象識別デバイス５１６は、画像内における対象領域を識別するように構成される。制御システム５１７は、ロボット制御処置デバイスに結合されて、ロボット制御処置デバイスが対象領域に対応して配置されたときに対象領域を処置するようにロボット制御処置デバイスを制御する制御信号を生成する。吸引デバイス、ロボットシステム、及び制御システムを備える処置システム、並びに、組織の処置のための方法がさらに開示される。
2019515719.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像デバイスから関心領域の画像を受信する第１の入力部と、
前記画像内における少なくとも１つの対象領域を識別する対象識別デバイスと、
ロボット制御処置デバイスに結合された制御システムであって、前記ロボット制御処置デバイスが前記少なくとも１つの対象領域に対応して配置されたときに前記少なくとも１つの対象領域を処置するように前記ロボット制御処置デバイスを制御する制御信号を生成する、制御システムと、
を備える、ロボット制御装置。
【請求項２】
ロボットは、各々が回転軸を含む少なくとも２つの関節を含み、両方の前記回転軸が、機械的遠隔運動中心構成に集中する、
請求項１に記載のロボット制御装置。
【請求項３】
前記制御システムが、ソフトウェア遠隔運動中心において前記ロボット制御処置デバイスを制御するロボットの運動を制約する制御信号を生成する、
請求項１に記載のロボット制御装置。
【請求項４】
前記撮像デバイスが、器具チャネルを持つ内視鏡を含み、
前記ロボット制御処置デバイスが、前記器具チャネル内に配置されるカテーテルを含む、
請求項１に記載のロボット制御装置。
【請求項５】
前記ロボット制御処置デバイスが、内視鏡検査画像と術前画像とを使用して前記制御システムにより画像誘導される、
請求項１に記載のロボット制御装置。
【請求項６】
前記対象識別デバイスが、ユーザーに選択される対象部位を許可し、前記画像内に前記対象部位の視覚的な識別を可能にする、
請求項１に記載のロボット制御装置。
【請求項７】
前記ロボット制御処置デバイスを制御するロボットの少なくとも１つの関節の軸と前記ロボット制御処置デバイスの長軸とが挿入点付近で合わさるように、前記ロボット制御処置デバイスが制御される、
請求項１に記載のロボット制御装置。
【請求項８】
前記ロボット制御処置デバイスが、前記少なくとも１つの対象領域とともに軸上に配置され、前記制御システムにより制御されて前記少なくとも１つの対象領域にアクセスする、
請求項７に記載のロボット制御装置。
【請求項９】
前記ロボット制御処置デバイスが、吸引デバイスを含み、ロボットが、前記少なくとも１つの対象領域とともに軸に沿って前記吸引デバイスを配置し、前記制御システムが、前記吸引デバイスの位置と前記少なくとも１つの対象領域とに従って、吸引の時間／レートを制御する、
請求項１に記載のロボット制御装置。
【請求項１０】
前記制御システムが、前記吸引デバイスの位置と前記少なくとも１つの対象領域とに従って、吸引の圧力及び持続期間を制御する、
請求項９に記載のロボット制御装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの対象領域の前記画像の倍率に基づいて、前記位置が演算される、
請求項９に記載のロボット制御装置。
【請求項１２】
前記制御システムが、前記少なくとも１つの対象領域内において識別された領域のみに処置を制限する、
請求項１に記載のロボット制御装置。
【請求項１３】
吸引デバイスと、
前記吸引デバイスに結合されることが可能なロボットシステムであって、前記ロボットシステムが、対象者内への挿入点における前記吸引デバイスの運動を制限する少なくとも１つの関節と少なくとも２つのリンクとを含む、前記ロボットシステムと、
前記ロボットシステムの運動に基づいて、内部対象部位にわたる吸引のバーストを可能にするために、前記対象者内の前記内部対象部位に対するアクセスを可能にするために、前記ロボットシステム及び前記吸引デバイスの運動を制御するために、前記ロボットシステムに結合された制御システムと、
を備える、処置システム。
【請求項１４】
前記少なくとも２つの関節の各々が、機械的遠隔運動中心に両方の軸が集中するように配置された回転軸を含む、
請求項１３に記載の処置システム。
【請求項１５】
器具チャネルを含む内視鏡をさらに備え、
前記吸引デバイスが、前記器具チャネル内に配置されたカテーテルを含む、
請求項１３に記載の処置システム。
【請求項１６】
前記吸引デバイスが、内視鏡画像と術前画像とを使用して前記制御システムにより画像誘導される、
請求項１５に記載の処置システム。
【請求項１７】
前記対象者内における回転運動を可能にする、前記内視鏡の遠位端上に配置された関節をさらに備える、
請求項１５に記載の処置システム。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの関節の軸と前記吸引デバイスの長軸とが前記挿入点付近で合わさるように、前記ロボットシステムが、前記吸引デバイスを固定する遠位リンクを含む、
請求項１３に記載の処置システム。
【請求項１９】
前記遠位リンクが、前記対象部位とともに軸上に前記吸引デバイスを配置し、吸引のために前記対象部位にアクセスするように制御される、
請求項１８に記載の処置システム。
【請求項２０】
前記遠位リンクが、前記対象部位とともに前記軸に沿って前記吸引デバイスを配置し、前記制御システムが、前記対象部位に対する前記吸引デバイスの位置に従って、吸引の時間／レートを制御する、
請求項１９に記載の処置システム。
【請求項２１】
前記位置が、前記対象部位の画像の倍率に基づいて演算される、
請求項２０に記載の処置システム。
【請求項２２】
処置デバイスとともに内視鏡を対象エリア内に挿入するステップであって、前記内視鏡がロボットシステムに結合されている、挿入するステップと、
対象部位を識別するステップと、
画像ベースの追跡を使用して前記対象部位を追跡するステップと、
前記内視鏡が対象者内への挿入点の周囲で回動するように、前記対象部位に対して前記内視鏡と前記処置デバイスとを位置合わせするステップと、
前記内視鏡の視界内で前記対象部位を測定して前記対象部位に対する前記処置デバイスの位置を特定するステップと、
処置のために前記対象部位からの既定の位置に前記処置デバイスを配置するステップと、
制御システムにより制御される前記処置デバイスの１つ又は複数のバーストで前記対象部位を処置するステップと、
を有する、組織の処置のための方法。
【請求項２３】
前記画像ベースの追跡が、オプティカルフロー又は正規化された相互相関による追跡のうちの１つを含む、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記対象部位に対して前記内視鏡と前記処置デバイスとを位置合わせする前記ステップが、
前記対象部位の縁部の周囲に形状をフィッティングするステップと、
前記内視鏡の視界と術前画像とから倍率を演算するステップと、
前記処置デバイスと前記対象部位との間の距離を演算するステップと、
を有する、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記対象部位の処置を完了するために１つ又は複数のステップを繰り返すステップをさらに有する、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記対象部位に対する前記処置デバイスの前記位置に基づいて、処置の時間／レートを制御するステップをさらに有する、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記ロボットシステムが、前記挿入点における前記対象者との接触を最小化しながら、前記対象者内の前記対象部位までのアクセスを可能にするための、前記対象者内への前記挿入点における前記処置デバイスの運動を制限するための、少なくとも１つの関節と少なくとも２つのリンクとを含む機械的遠隔運動中心構成を含む、
請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、医療器具に関し、より具体的には、医療用途においてロボットを使用して嚢胞、腫瘍、又は他の組織を処置（例えば、吸引）するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コロイド嚢胞は、脳の脳室（一般的に第３脳室）内に生じるゼラチン状の形成物である。重要な構造物に近いコロイド嚢胞の位置に起因して、脳の腫脹又は脳室の構造物の破裂を含む様々な合併症がもたらされ得る。コロイド嚢胞は、観血手術により、又は、内視鏡嚢胞吸引のための最小限に侵襲性の技術を使用して処置される。
【０００３】
最小限に侵襲性の手法は、頭蓋における穿頭孔を通した硬質の内視鏡の挿入を含む。内視鏡は、少なくとも１つの器具チャネルを含み、この器具チャネルを通して吸い上げ／吸引カテーテルが導入される。執刀医は、第３脳室内に内視鏡を導入し、嚢胞に向けて内視鏡を手動でガイドする。内視鏡及び吸引カテーテルが嚢胞に十分近いと執刀医が推定した後、吸引が開始される。カテーテルを通して嚢胞が回収されるまで、この工程が繰り返される。
【０００４】
心室から心臓腫瘍又は血栓を回収するために、同様の内視鏡アプローチが使用され得る。一般的な手術において、この技術は、腎臓、肝臓、及び他の臓器に対する嚢胞、膿瘍、又は腫瘍の除去のために使用される。さらに、このアプローチは、例えば、レーザー切断、アブレーション（例えば、ＲＦ又はマイクロ波電極）、焼灼、電気穿孔、組織破砕、高強度集中超音波などの他の技術とともに使用され得る。
【発明の概要】
【０００５】
本原理によると、ロボット制御装置は、撮像デバイスから関心領域の画像を受信するように構成された第１の入力部を含む。対象識別デバイスは、画像内における少なくとも１つの対象領域を識別するように構成される。制御システムは、ロボット制御処置デバイスに結合されて、ロボット制御処置デバイスが少なくとも１つの対象領域に対応して配置されたときに少なくとも１つの対象領域を処置するようにロボット制御処置デバイスを制御する制御信号を生成する。
【０００６】
処置システムは、吸引デバイスと、吸引デバイスに結合されることが可能なロボットシステムとを含む。ロボットシステムは、対象者内への挿入点における吸引デバイスの運動を制限する少なくとも１つの関節と少なくとも２つのリンクとを含む。制御システムは、ロボットシステムに結合されてロボットシステムと吸引デバイスとの運動を制御し、対象者内の内部対象物に対するアクセスを可能にして、ロボットシステムの運動に基づいて、対象部位にわたる吸引のバーストを可能にする。
【０００７】
組織の処置のための方法は、対象エリア内に処置デバイスとともに内視鏡を挿入することであって、内視鏡がロボットシステムに結合された、挿入することと、対象部位を識別することと、画像ベースの追跡を使用して対象部位を追跡することと、内視鏡が対象者内への挿入点の周囲で回動するように、対象部位に内視鏡と処置デバイスとを位置合わせすることと、内視鏡の視界内で対象部位を測定して、対象部位に対する処置デバイスの位置を特定することと、処置のために対象部位からの既定の位置に処置デバイスを配置することと、制御システムにより制御されるとおりに処置デバイスの１つ又は複数のバーストを使用して対象部位を処置することとを有する。
【０００８】
本開示のこれらの、及び他の目的、特徴、及び利点は、添付図面を参照して読まれるこれら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だろう。
【０００９】
本開示は、以下の図を参照しながら好ましい実施形態の以下の説明を詳細に示す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態に従った吸引システムを示すブロック／フロー図である。
【図２】一実施形態に従った器具チャネル内における吸引カテーテルを示す内視鏡の断面図である。
【図３】一実施形態に従った内視鏡／吸引デバイスの対象位置合わせをともなうロボットシステムを示す図である。
【図４】別の一実施形態に従った内視鏡／吸引デバイスの対象位置合わせのための工程を示す図である。
【図５】別の一実施形態に従った内視鏡の遠位端を位置移動するために内視鏡と一体化されたロボットシステムを示す図である。
【図６】例示的な実施形態に従ったロボットシステムを使用した吸引のための方法を示すフロー図である。
【図７】別の一実施形態に従ったロボットの運動を制御する制御装置を示すブロック／フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本原理によると、嚢胞、血栓、又は臓器内における他の望ましくない形成物（例えば、コロイド嚢胞又は心臓腫瘍）を除去する吸引のための、内視鏡の画像誘導配置及び内視鏡の画像誘導配備のためのシステム及び方法が提供される。画像誘導方法は、内視鏡の効果的な運動を確実なものとして、組織の損傷を減らし、及び、効果的な吸引制御を促進して、除去される流体の量、又は、望ましくない組織の除去を少なくする。
【００１２】
手術処置における内視鏡の取り扱い、及び内視鏡画像を内視鏡の動きにマッピングすることは困難である。さらに、挿入点における支点効果が、体外における内視鏡位置に対して先端位置のマッピングを反転させる。これは、対象部位に向けて内視鏡を配置しようとする試みの繰り返しをもたらし、このことは、特に内視鏡の支点が、例えば、脳神経外科手術の場合の頭蓋又は心臓手術の場合の肋骨などの吸引サイトから遠い場合に、組織の損傷又は破裂を引き起こし得る。これらの場合において、内視鏡の運動は、組織の損傷をもたらす。従って、内視鏡の運動量は、最小経路及び単一の試みに低減されなければならない。
【００１３】
吸引の配備は、吸引手順において使用される。過剰な量の流体が臓器又はエリアから除去された場合、流体は、体内にカテーテルを通して再循環して戻されることを必要とする。これは、感染症の危険性を高め得る。従って、吸引は、流体の過剰な除去を避けるために、好ましくは少数の短いバーストにおいて配備されなければならない。
【００１４】
本原理は、少なくとも１つの関節と２つのリンクとを含む作動されるロボットシステムを使用する。一実施形態において、ロボットシステムは、ロボットエンドエフェクタ（例えば、機能を実施するロボットの遠位端（例えば、内視鏡、内視鏡と吸引デバイスとの組み合わせの先端など））の運動を挿入／支点の周囲における回転に制限するために、機械的遠隔運動中心を実現する。例えば、ロボットは、交差する軸をもつ２つの回転関節と、さらに回転軸と交差するエンドエフェクタ（例えば、内視鏡及び／又は吸引カテーテル）を含む遠位リンクとを使用する。これは、弧形状のロボットリンクを使用して実現され得る。第３の自由度が、第３の軸に沿ったエンドエフェクタの平行移動を可能にするために追加され得る。臨床業務において使用される内視鏡は、少なくとも１つの器具チャネルと吸引カテーテルとがそのチャネルを通して挿入された状態で、ロボットの遠位端に装着される。制御システムは、ロボットと吸引機構とを制御して、内視鏡から画像データを受信する。
【００１５】
一実施形態において、遠隔運動中心（ＲＣＭ：ｒｅｍｏｔｅ  ｃｅｎｔｅｒ  ｏｆ  ｍｏｔｉｏｎ）がロボットのために使用される。ＲＣＭは、空間内の固定点であり、この固定点の周りで、ロボットシステムの一部が回転可能であり、任意の関節からある距離に配置される。ＲＣＭは、ロボットのアクションを制御して、ロボットにより操作されるデバイスのデバイス中心に運動を制約する。ＲＣＭは、機械設計により、又はソフトウェアの制約を通して制御され得る。ＲＣＭソフトウェアは、多自由度ロボットの連動した関節制御を通して実現される。ＲＣＭソフトウェアは、制御装置又は制御システムから発せられたコマンドを通してロボット制御を自動化し、ロボットの運動を制約（関節運動を制御）してＲＣＭを維持するか、又は他の運動能力の制約を提供する。
【００１６】
１つの例示的な方法において、吸引カテーテルを含む内視鏡は、対象エリア、例えば脳の第３脳室内に挿入される。内視鏡はロボットに直接的又は間接的に結合され、例えば、内視鏡はＲＣＭ機構の回転軸に交差する第３の軸に沿って位置合わせされる。対象部位（例えば、コロイド嚢胞）は、執刀医により識別されて、制御システムに通信される（例えば、内視鏡又は術前画像において観測され、マウスのクリック又は同様のユーザーインターフェースを使用して画像にマーキングされる）。制御システムは、例えばオプティカルフロー又は正規化された相互相関などの方法を使用して、内視鏡画像ストリーミングで嚢胞の画像ベースの追跡を実施する。執刀医が内視鏡の配置を有効化し、ロボットが、視覚サーボを実施して、対象部位に内視鏡と吸引カテーテルとを位置合わせする。これは、未校正視覚サーボを使用して実施され得る。内視鏡は挿入点（例えば頭蓋又は肋骨）の周囲において回動するようにされ、軸は対象部位と位置合わせされる。
【００１７】
内視鏡が位置合わせされた後、対象部位（例えば嚢胞）の寸法が内視鏡の視界内で測定される。これは、例えば嚢胞の縁部の周囲に円をフィッティングすることにより実行され得る。同様の円又は球が、術前の嚢胞画像、例えば磁気共鳴画像（ＭＲＩ：ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｉｍａｇｅ）にフィッティングされる。倍率は、ｍ＝内視鏡の視界内における嚢胞の半径（ピクセルで表す）／術前画像からの嚢胞の半径（ｍｍで表す）と定義される。倍率が知られた後、内視鏡先端（及び吸引カテーテル）と嚢胞との間の距離が、距離＝ｍ×ｆにより演算され得、式中ｆは内視鏡レンズの焦点距離である。代替的な実施形態において、内視鏡の焦点距離が知られていない場合、内視鏡は、嚢胞に向けて知られた距離だけ動かされ得る。倍率の数字の変化は、焦点距離に対する校正するための知られた運動に関係し得る。
【００１８】
距離が知られた後、内視鏡が嚢胞に向けて進められて、吸引カテーテル（又は、治療デバイス）と嚢胞とを（治療デバイスにより規定される）最適な動作のための既定の距離に配置する。内視鏡が所望の距離に達すると、距離／吸引速度と定義される最小時間長にわたって吸引が開始される。これらのステップは、嚢胞が首尾よく回収されるまで反復される。
【００１９】
他の実施形態において、内視鏡システムは、少なくとも１つの関節が体内に挿入されるヘビ様ロボットとして実現される。好ましい実施形態において、２つの同心関節が、内視鏡の先端のヨー及びピッチ運動を実現する２つのモーターにより制御される。これらの２つの関節は、第３脳室壁又は心臓壁などの体の内部の構造物と位置合わせされ得る。デバイスは、吸引のための内視鏡チャネルをさらに実現する。関節がＲＣＭロボットと同じ手法で局所遠隔運動中心（ＲＣＭ）として制御されるので、デバイスの制御は説明されたものと同じである。このデバイスは、さらに異なる別の一実施形態においてＲＣＭロボットと組み合わされ得る。
【００２０】
本発明は医療器具の観点で説明されるが、本発明の教示ははるかに広く、任意のロボット制御される器具に適用可能であることが理解されなければならない。いくつかの実施形態において、本原理は、複雑な生物又は機械システムを追跡又は分析することに使用される。特に、本原理は、生物システムの内部における追跡及び動作手順、及び例えば肺、脳、心臓、胃腸管、排泄器官、血管などの体のすべてのエリアにおける手順に適用可能である。図に描かれた要素は、ハードウェアとソフトウェアとの様々な組み合わせにより実装され、単一の要素又は複数の要素に組み合わされる機能を提供する。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
類似の数字が同一又は類似の要素を表す図面を参照するにあたり、まずは図１を参照すると、生きた対象者における組織のロボット吸引のためのシステム１００が一実施形態に従って例示的に示される。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、このワークステーション又はコンソール１１２から手順が監督及び／又は管理される。ワークステーション１１２は、好ましくは、１つ又は複数のプロセッサ１１４と、プログラム及びアプリケーションを記憶するためのメモリ１１６とを含む。メモリ１１６は、ユーザー入力及び／又は１つ又は複数の入力から提供されるフィードバックに従って、作動されるロボットシステム１０４の動きとプログラミングとを制御するように構成された制御システム１１５を記憶する。
【００２８】
ロボットシステム１０４は、最小でも１つの関節と２つのリンクとを含み、好ましくは、ロボットシステム１０４は、少なくとも２つの関節１０６、１０７と２つのリンク１０８、１０９とを含む。一実施形態において、ロボットシステム１０４は、機械的遠隔運動中心（ＲＣＭ）を実現して、ロボットの運動を挿入／支点１１３の周囲における回転に制限する。ロボットシステム１０４は、交差する軸をもつ２つの回転関節（１０６、１０７）と、さらに回転軸と交差する遠位リンク１１１とを使用する。これは、弧形状のロボットリンクを使用して実現され得る。リンク１１１（及びリンク１１１に保持又は装着された任意の器具）の、及び第３の軸に沿った平行移動を可能にするために、第３の自由度が追加され得る。
【００２９】
内視鏡１０２は、ロボットシステム１０４の遠位端（遠位リンク１１１）に対して、又は遠位端（遠位リンク１１１）において使用及び装着又は把持される。内視鏡１０２は、少なくとも１つの器具チャネル１２１と、そのチャネル１２１を通して挿入された処置デバイス（例えば、吸引カテーテル）１２０とを含む（図２）。制御システム１１５は、ロボットシステム１０４と、（例えば、吸引カテーテル１２０に結合された）吸引システム又はモジュール１２３とを制御し、内視鏡１０２から画像データを受信する。
【００３０】
処置デバイス（吸引カテーテル）１２０を含む内視鏡１０２は、対象エリア、例えば脳の第３脳室内に挿入される。内視鏡１０２は、ロボットシステム１０４の遠位リンク１１１に装着される。対象部位１５０（例えば、コロイド嚢胞）は、内視鏡１０２（例えば、内視鏡１０２により、又は内視鏡１０２を通して提供される撮像デバイス）により生成された内視鏡画像１２２内で執刀医により識別され、ディスプレイ１１８にレンダリングされる。画像１２２は、マウスのクリック又は同様のユーザーインターフェース１２７を使用してマーキングされる。制御システム１１５は、例えばオプティカルフロー又は正規化された相互相関などの方法を使用して、内視鏡画像ストリーミングにおいて対象部位１５０の画像ベースの追跡を実施する。執刀医は、（例えばトリガーイベントを使用して）内視鏡の配置を有効化する。ロボットシステム１０４は、トリガーイベント（例えば、ボタンを押圧すること、スイッチを入れることなど）に応答し、視覚サーボを実施して、対象部位１５０に内視鏡１０２と吸引カテーテル１２０とを位置合わせする。これは、未校正視覚サーボを使用して実施され得、対象部位１５０上の点に処置デバイス１２０（吸引カテーテル）の長軸を位置合わせすることを有する。内視鏡１０２は、挿入点（例えば頭蓋又は肋骨）の周囲において回動するようにされ、軸は、対象部位１５０と位置合わせされる。
【００３１】
内視鏡１０２が位置合わせされた後、対象部位１５０（例えば嚢胞）の縁部の周囲に円若しくは他の形状又は境界１３３をフィッティングすることにより、内視鏡の視界内で対象部位１５０の寸法が測定される。同様の円又は球が、対象部位１５０の術前画像１４６、例えば磁気共鳴画像（ＭＲＩ）にフィッティングされる。
【００３２】
倍率は、ｍ＝内視鏡の視界内における対象部位１５０の半径（ピクセルで表す）／術前画像１４６からの対象部位１５０の半径（ｍｍ又は同等なもので表す）と定義される。倍率が知られた後、内視鏡先端（及び吸引カテーテル１２０）と対象部位１５０との間の距離が、距離＝ｍ×ｆにより演算され得、式中ｆは内視鏡レンズの焦点距離である。代替的な実施形態において、内視鏡１０２の焦点距離が知られていない場合、内視鏡１０２が対象部位１５０に向けて知られた距離だけ動かされ得る。倍率の数字の変化は、焦点距離に対する校正するための知られた運動に関係し得る。
【００３３】
内視鏡１０２は、吸引カテーテル１２０と対象部位１５０との間の距離を、最適な吸引のための既定の距離まで縮めるように、対象部位１５０に向けて自動的に進められ得る。最適な吸引距離／時間は、制御システム１１５により演算される。吸引システム１２３は、手術計画に従って、又は、画像若しくはシステム１００の他のコンポーネントからのフィードバックに基づいて、吸引の種類、持続期間、パルス幅、圧力差などを演算及び／又は制御するようにプログラムされる。内視鏡１０２が所望の距離に達すると、距離／吸引速度と定義される最小時間長にわたって吸引が開始される。これらのステップは、対象部位１５０（例えば嚢胞）が首尾よく回収／排出されるまで反復される。自動配備の繰り返し又はパスの各々にともなって、対象部位が除去されるまで、対象部位が係合されながら（例えば、画像、及びロボット及び従って吸引デバイスが対象部位からどの程度遠いかの情報に基づいて）吸引の短いバーストが実施される。
【００３４】
吸引システム又はモジュール１２３は、制御点及び吸引サイクルを記憶するためにメモリ内のコンポーネントを含む。吸引システム１２３は、吸引カテーテル１２０内における吸引を生成及び制御する真空ポンプ１４７又は他のデバイスを含む。
【００３５】
一実施形態において、ワークステーション１１２は、内視鏡１０２から画像フィードバックを受信するように構成された画像生成モジュール１４８を含む。画像生成モジュール１４８は、画像内にコンピュータ又はユーザーの生成した境界１３３を生成し得る。これらの境界又は形状１３３は、画像１２２、１４６（例えば、その場の画像、術前画像、又はその両方）に重ねられる。ワークステーション１１２は、対象者（患者）又はボリューム１３２の画像１２２、１４６を見るためのディスプレイ１１８を含み、オーバーレイ又は他のレンダリングをともなう画像１２２、１４６を含む。ディスプレイ１１８は、ワークステーション１１２並びにワークステーション１１２のコンポーネント及び機能、又はシステム１００内における任意の他の要素とユーザーが対話することをさらに可能にする。これは、ワークステーション１１２からのユーザーフィードバック、及びワークステーション１１２との対話を可能にする、キーボード、マウス、ジョイスティック、触覚デバイス、又は任意の他の周辺機器若しくは制御を含むインターフェース１２７によりさらに円滑化される。
【００３６】
ロボットシステム１０４は、好ましくは、嚢胞、血栓、又は臓器内における他の望ましくない形成物（例えば、コロイド嚢胞又は心臓腫瘍）を除去するために、内視鏡１０２の画像誘導配置と吸引カテーテル１２０の画像誘導配備とを含む。画像誘導方法は、内視鏡の効果的な運動を確実なものとし、組織の損傷を減らす。吸引システム１２３による効果的な吸引制御は、望ましくない形成物から除去される流体の量を減らす。撮像システム１１０は、術前画像（例えばＭＲＩなど）を取得するために存在する場合、又は存在しない場合がある。
【００３７】
図２を参照すると、一実施形態に従った内視鏡１０２の断面図が例示的に示される。内視鏡１０２は、少なくとも１つの器具チャネル１２１を含む。吸引カテーテル１２０は、チャネル１２１を通して挿入される。カメラ１４２又は他の撮像デバイスは、また、同じ又は異なる器具チャネル１２１内に配置される。
【００３８】
図３を参照すると、ロボットシステム１０４がさらに詳細に示される。ロボットシステム１０４は、少なくとも１つの関節と２つのリンクとを使用して作動するようにされるが、好ましくは、２つの関節１０６、１０７と２つのリンク１０８、１０９とを使用して作動するようにされる。一実施形態において、ロボットシステム１０４は、ロボットエンドエフェクタ（例えば、内視鏡デバイス１０２又は処置デバイス１２０）の運動を挿入／支点１１３の周囲における回転に制限するように、機械的遠隔運動中心（ＲＣＭ）を実現する。ロボットシステム１０４は、交差する軸をもつ２つの回転関節（１０６、１０７）と、さらに回転軸と交差するエンドエフェクタを含む遠位リンク１１１とを使用する。関節１０６、１０７及びエンドエフェクタ（例えば、内視鏡デバイス１０２又は処置デバイス１２０）の交差する軸は、点１１３で交差する。ロボットリンク１０８、１０９は、弧形状である。第３の軸１２９に沿ったエンドエフェクタ（例えば、内視鏡デバイス１０２又は処置デバイス１２０）の平行移動を可能にするために、第３の自由度が追加され得る。内視鏡１０２は、内視鏡１０２のチャネルを通して挿入される吸引カテーテル（１２０）を収容する少なくとも１つの器具チャネルを含む遠位リンク１１１により固定される。
【００３９】
図４を参照すると、吸引カテーテル（１２０）を含む内視鏡１０２は、対象エリア２０２、例えば脳の第３脳室内に挿入される。内視鏡１０２は、ロボットシステム１０４の遠位リンク１１１（図３）に装着される。対象部位１５０（例えばコロイド嚢胞）は、内視鏡画像２０８内で執刀医により識別されて、例えば、執刀医がマウスのクリック又は同様のユーザーインターフェースを使用して画像にマーキングすることにより、制御システムに通信される。対象部位１５０の画像ベースの追跡は、内視鏡画像ストリーミングにおいて、例えばオプティカルフロー又は正規化された相互相関を使用して実施される。ユーザー／執刀医は、内視鏡の配置機能を有効化し、ロボットシステム１０４の視覚サーボを開始して、挿入軸２１２から対象部位１５０の軸２１０に沿って内視鏡１０２及び吸引カテーテル１２０を位置合わせする。これは、未校正視覚サーボを使用して実施される。内視鏡１０２は、挿入点１１３の周囲において回動するようにされ、内視鏡１０２又はデバイス１２０の軸は、対象部位１５０と位置合わせされる。
【００４０】
位置合わせされた後、内視鏡１０２が、内視鏡の視界内で対象部位１５０（例えば嚢胞）の寸法を測定するために使用される。倍率が特定され、内視鏡先端（及び吸引カテーテル）と嚢胞との間の距離が演算され得る。代替的な実施形態において、内視鏡の焦点距離が知られていない場合、内視鏡は、対象部位１５０に向けて知られた距離だけ動かされ得る。倍率の数字の変化は、焦点距離に対する校正のための知られた運動に関係し得る。距離が知られたとき、内視鏡は、吸引カテーテル（１２０）と対象部位１５０との間の距離をカバーするように、（吸引システムにより規定された）最適な吸引のための既定の距離まで嚢胞に向けて自動的に進められ得る。内視鏡１０２が所望の距離に達すると、距離／吸引速度と定義される最小時間長にわたって吸引が開始される。これは、対象部位１５０が適切に処理されるまで反復され得る。
【００４１】
図５を参照すると、別の一実施形態において内視鏡システム３０４は、体内に挿入される少なくとも１つの関節３０６を含むヘビ様ロボット３０２として実現される。一実施形態において、２つの同心関節は、内視鏡先端３１４のヨー及びピッチ運動を実現するために、２つのモーター（図示されない）により制御される。これらの２つのロボット関節は、例えば参考例として第３脳室壁又は心臓壁といった体の内部の構造物３０８と位置合わせされ得る。内視鏡システム３０４は、カテーテルなどの吸引デバイスのために内視鏡システム３０４内にチャネルを実現する。
【００４２】
別の一実施形態において、内視鏡システム３０４の制御は、（図３を参照してここまでに説明される）ＲＣＭロボットと同じ手法で局所ＲＣＭとして制御される関節１０６、１０７（図３）を含む。システム３０４は、任意選択的にＲＣＭロボット１０４と組み合わされ得、ＲＣＭロボット１０４が外部運動を制御し、ヘビ様ロボット３０２が内部運動を制御する。ヘビ様ロボット３０２は、回動点３０６の周りにおける、及びその長軸の周りにおける動きを生成し得る。他の運動も意図される。
【００４３】
本原理が、体内における望ましくない形成物の内視鏡吸引のために使用される。望ましくない形成物として、心臓内のコロイド嚢胞、血栓、腫瘍、若しくは異物、又は、腎臓、肝臓、若しくは血管構造内の同様の構造などが挙げられる。吸引は、針、内視鏡、カテーテル、又は任意の他の適切な器具の運動を制御することにより実施される。
【００４４】
図６を参照すると、本原理に従ったロボットシステムを使用した組織の処置のための方法が示される。本方法は、例示的に嚢胞の吸引について言及するが、任意の組織に対する任意の処置方法に適用可能である。ブロック４０２において、処置デバイス（例えば、吸引カテーテル）を含む内視鏡が対象エリア内に挿入される。一実施形態において、内視鏡はロボットシステムのエンドエフェクタである。ロボットシステムは、対象者内への挿入点における吸引デバイスの運動を制限して、挿入点における対象者との接触を最小化しながら対象者内の対象部位までのアクセスを可能にするための、少なくとも１つの関節と少なくとも２つのリンクとを含む機械的遠隔運動中心構成を含む。他の実施形態において、ロボットシステムは、内視鏡内に一体化される（例えば、内視鏡及び／又は吸引デバイスの回転調節を可能にする遠位端部分における関節）。
【００４５】
ブロック４０４において、対象部位が内視鏡画像内で識別及びマーキングされる。ブロック４０６において、対象部位が画像ベースの追跡を使用して、処置デバイス（例えば、吸引カテーテル）とともに追跡される。画像ベースの追跡は、オプティカルフロー又は正規化された相互相関による追跡のうちの１つを含む。
【００４６】
ブロック４０８において、内視鏡が対象者内への挿入点の周囲で回動するように、内視鏡（及び吸引カテーテル）が対象部位と位置合わせされる。ロボットシステムは、挿入点の周囲のエリアとの不必要な接触を避けるために運動を制限する。対象部位に対する内視鏡及び吸引カテーテルの位置合わせは、対象部位の縁部の周囲に形状をフィッティングすることと、内視鏡の視界と術前画像とから倍率を演算することと、吸引カテーテルと対象部位との間の距離を演算することとを有する。
【００４７】
ブロック４１０において、位置又は吸引デバイスと対象部位との間の距離を特定するために、対象部位が内視鏡の視界内で測定される。内視鏡先端（及び吸引カテーテル）と対象部位との間の距離を算出するために、倍率（ｍ＝内視鏡の視界内における対象部位の半径（ピクセルで表す）／術前画像からの対象部位の半径）が特定される。これは、距離＝ｍ×ｆと演算され得、式中、ｆは内視鏡レンズの焦点距離である。内視鏡の焦点距離が知られていない場合、内視鏡は、対象部位に向けて知られた距離だけ動かされ得る。倍率の数字の変化は、焦点距離に対する校正するための知られた運動に関係し得る。
【００４８】
ブロック４１２において、吸引のための既定の距離まで吸引カテーテルと対象部位との間の位置（距離）を変化させるために、内視鏡が配置される（例えば、進められる、後退させられる、維持される、横方向に動かされるなど）。ブロック４１４において、吸引の距離又は速度のための吸引を提供するように、所定の距離が（吸引しながら任意の方向に）カバーされる。ブロック４１６において、対象部位に対する処置デバイス（吸引カテーテル）の位置（例えば距離）に基づいて、吸引の時間／レート（例えば、圧力及び持続期間）が制御され得る。吸引デバイスが対象部位（例えば嚢胞）内に、又は、対象部位を通って動くときに、距離又は時点が吸引量を制御するために使用される。制御システムは、吸引デバイスと対象領域との位置に従って吸引の圧力及び持続期間を制御する。制御システムは、対象領域内において識別された領域のみに処置を制限する。
【００４９】
ブロック４１８において、対象部位の吸引を完了するために、１つ又は複数のステップが繰り返され得る。一実施形態において、吸引デバイスの自動配備は、吸引デバイスが嚢胞又は対象部位を通って進められ、及び後退されるときに、吸引の短いバーストをもたらす。画像とロボット及び吸引デバイスが対象部位からどの程度遠いかの情報とに基づいて、配備が制御される。吸引の速度及びレートは、嚢胞を効果的に除去するように最適化され得る。
【００５０】
図７を参照すると、一実施形態に従って、制御装置５１５を含むシステム５００がさらに詳細に示される。制御装置５１５は、他のコンポーネントとともに組み立てられた独立したユニットであるか、又は、制御システム１１５（図１）と同様に、ワークステーション１１２（図１）の一部である。制御装置５１５は、１つの入力部５０２において、内視鏡若しくは他のカメラデバイス、又はｘ線撮像デバイスなどの撮像デバイス５１０から対象エリアの画像を受信する。画像５２４が制御装置５１５に提供され、制御装置５１５がディスプレイデバイス５１８に表示画像を表示し得る。制御装置５１５は、臨床医から対象部位を表す入力をさらに受信する（例えば、臨床医が画像５２４内において１つ又は複数の対象部位を選択する）。入力は、インターフェースデバイス５２０（コンピュータキーボードなど（図１のインターフェース１２７を参照））を使用して提供される。対象部位は、対象識別デバイス５１６を使用して画像自体に描写され得る（例えば、円で囲まれるか、又は別様にデジタル的に区別される）。対象識別デバイス５１６は、ユーザーが対象部位を識別した画像内における位置を規定する。対象識別デバイス５１６はさらに、表示された画画像内で対象部位が簡単に見られるように、ユーザーが対象部位付近に形状（円）などを描くことをさらに可能にする。
【００５１】
１つ又は複数の対象部位が、撮像デバイス５１０から受信された画像５２４に基づいて、画像ベースの追跡を使用して追跡される。これらは、リアルタイム画像を含むが、同様に、融合又は記録された術前画像を含み得る。制御装置５１５は、ロボット５０４を動かすための制御信号を生成するためのロボット５０４に結合された制御システム５１７を含む。制御信号は、対象部位を画像視野内に入れることと、次に、対象部位１５０までの距離を推定することとに基づいて生成される。
【００５２】
制御装置５１５は、ロボット５０４に動き信号５２６を送信して、ロボット５０４の遠位リンク５１４を配置するようにロボット５０４に関節運動させる。ロボット５０４は、吸引デバイス５２２又は他のデバイス（例えば、レーザー切断のためのレーザー、アブレーション電極（例えば、ＲＦ又はマイクロ波）、焼灼装置、電気穿孔デバイス、組織破砕デバイス、高強度集中超音波プローブなど）を保持する。吸引デバイス５２２とカメラ（内視鏡）とロボット５０４との間における空間的関係は知られているので、ロボット５０４の動きが吸引器５２２及び関係するカメラ又は撮像デバイスの動きを正確に制御する。制御装置５１５は、対象部位が内視鏡を使用して撮像され得るように、ロボットの運動をアプローチ軸に沿ってガイドする。カメラ画像は、対象部位１５０を追尾するために位置フィードバックを提供する。
【００５３】
画像５２４から、制御装置５１５は、画像５２４に基づいて、対象部位の寸法（ボリューム）と、対象部位からロボット５０４の遠位リンク５１４までの距離とを特定し得る。必要な場合、ロボット５０４が治療デバイスの操作性能に基づいて、アプローチ軸に沿って開始位置まで関節運動するようにされる。ロボット運動は制御装置５１５により制御され、制御装置５１５は、吸引デバイス（又は他の処置デバイス）の距離及び角度を制限して、処置領域を特に対象部位（例えば嚢胞など）の処置領域に制限する。治療（例えば吸引）は、（とりわけ損傷／流体の除去を制限するために）対象部位の知られた寸法及び位置に基づいて実施される。区切られて明確に規定された対象エリアは、ロボットの動きが画像５２４内に規定された特定の対象領域内で適切に制御されることを可能にする。
【００５４】
撮像は、対象部位の残りの１つ又は複数の部分の寸法及び／又は形状並びに位置を更新するために、処理の全体にわたって続く。（リアルタイムで、又は連続して）処置中に発生する変化に基づいて、ロボットの関節運動に対して変更がなされる。処置は、撮像デバイス５１０からの画像フィードバックを使用して処置デバイス５２２のロボット配置を続ける。処置又は吸引は、観測された距離及び計算されたボリュームに基づいて、又は、吸引がバースト状態である場合、バースト当たりの最大吸引ボリュームに基づいて、連続的であり得る。手順が完了したこと、又は満足のいく結果が達成されたことを撮像が示すまで、必要に応じて工程が繰り返される。
【００５５】
付属の特許請求の範囲を解釈する際には、
ａ）「備える」という用語が、所与の請求項に列記された要素又は工程以外の他の要素又は工程の存在を排除しないことと、
ｂ）要素に先行する「１つ（ａ又はａｎ）」といった語句が、複数のこのような要素の存在を排除しないことと、
ｃ）特許請求の範囲における参照符号がいずれもそれらの範囲を限定しないことと、
ｄ）いくつかの「手段」が、同じもの、又は、ハードウェア若しくはソフトウェアにより実現された構造若しくは機能により表されることと、
ｅ）明示的に記載されない限り、工程の特定のシーケンスがいずれも必須であることが意図されるわけではないことと、
が理解されなければならない。
【００５６】
（例示的であって限定ではないことが意図される）腫瘍吸引のための画像誘導ロボットシステムの好ましい実施形態について説明されているが、上述の教示を考慮に入れて当業者により変更と変形とがなされ得ることに留意されたい。従って、添付の特許請求の範囲により説明されるように、本明細書において開示される実施形態の範囲内である開示される本開示の特定の実施形態に変更がなされることが理解される。従って、特許法により要求される詳細及び特徴が説明されているが、請求項に記載されて特許により保護されることが所望されるものは付属の特許請求の範囲に記載される。
【図１】
2019515719.tif 000003
【図２】
2019515719.tif 000004
【図３】
2019515719.tif 000005
【図４】
2019515719.tif 000006
【図５】
2019515719.tif 000007
【図６】
2019515719.tif 000008
【図７】
2019515719.tif 000009
【国際調査報告】
2019515719.tif 000010
2019515719.tif 000011
2019515719.tif 000012
2019515719.tif 000013
2019515719.tif 000014