(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
姿勢を決定し且つ姿勢変化を追跡する形状センサシステムの作動方法であって、当該作動方法は：
前記形状センサシステムの制御システムが、第１の形状センサの第１の細長く形成された光ファイバ部分から第１の形状データを受信するステップであって、第１の細長く形成された光ファイバ部分は、基準固定冶具と患者の解剖学的構造に結合された第１の解剖学的固定冶具との間に延びる、受信するステップと；
前記制御システムが、第１の形状データから前記基準固定冶具に対する第１の解剖学的固定冶具の姿勢を決定するステップと；
前記制御システムが、第１の解剖学的固定冶具についての姿勢変化を追跡するステップと；
前記制御システムが、前記基準固定冶具と医療器具に結合された器具固定冶具との間に延びる第２の形状センサから第２の形状データを受信するステップと；
前記制御システムが、第２の形状データから前記基準固定冶具に対する前記器具固定冶具の第１の姿勢を決定するステップと；
前記制御システムが、前記器具固定冶具についての第１の姿勢変化を追跡するステップと；
前記制御システムが、第１の解剖学的固定冶具と前記器具固定冶具との間に延びる第１の形状センサの第２の細長く形成された光ファイバ部分から第３の形状データを受信するステップと；
前記制御システムが、第３の形状データ及び第１の形状データから前記基準固定冶具に対する前記器具固定冶具の第２の姿勢を決定するステップと；
前記制御システムが、前記器具固定冶具についての第２の姿勢変化を追跡するステップと；
前記制御システムが、前記器具固定冶具の第１の姿勢及び第２の姿勢に基づいて、器具固定冶具の姿勢冗長性を評価するステップと；を含む、
作動方法。
【請求項２】
前記制御システムが、前記基準固定冶具と前記患者の解剖学的構造に結合された第１の解剖学的固定冶具との間に延びる第３の形状センサから第４の形状データを受信するステップと；
前記制御システムが、第４の形状データから前記基準固定冶具に対する第１の解剖学的固定冶具の姿勢を決定するステップと；
前記制御システムが、第１の解剖学的固定冶具についての姿勢変化を追跡するステップと；をさらに含む、
請求項１に記載の作動方法。
【請求項３】
前記医療器具は、点の位置をデジタル化するように適合されたプローブである、請求項１に記載の作動方法。
【請求項４】
第１の形状データから前記基準固定冶具に対する第１の解剖学的固定冶具の姿勢を決定するステップは、前記制御システムが、第１の形状データから複数の個別の形状推定値についての積分変換を行うステップを含む、
請求項１に記載の作動方法。
【請求項５】
第３の形状データを受信するステップは、前記制御システムが、第１の解剖学的固定冶具と前記患者の解剖学的構造に結合された第２の解剖学的固定冶具との間に延びる第３の細長く形成された光ファイバ部分から第４の形状データを受信するステップを含み、第２の細長く形成された光ファイバ部分は第３の細長く形成された光ファイバ部分を含む、
請求項１に記載の作動方法。
【請求項６】
第４の形状データを受信するステップは、前記制御システムが、第１の細長く形成された光ファイバ部分を介して第４の形状データを受信するステップ、又は前記制御システムが、第３の細長く形成された光ファイバ部分に直接的に接続された問合せ器から第４の形状データを受信するステップを含む、
請求項５に記載の作動方法。
【請求項７】
第１の形状センサは、外科用ドレープに結合される、請求項１に記載の作動方法。
【請求項８】
前記制御システムが、第１の細長く形成された光ファイバ部分についての、器具の状態、器具の識別、使用回数、又は加えられた力のひずみ情報を含む器具データ信号を受信するステップをさらに含む、
請求項１に記載の作動方法。
【請求項９】
第１の細長く形成された光ファイバ部分は、結合機構により第１の解剖学的固定冶具に取り外し可能に結合される、
請求項１に記載の作動方法。
【請求項１０】
第１の形状センサは、前記基準固定冶具と第１の解剖学的固定冶具との間に延びる第３の細長く形成された光ファイバ部分を含み、第１及び第３の細長く形成された光ファイバ部分は、支持材料に結合されており、且つ該支持材料によって離間した構成で横方向距離だけ離間され、前記支持材料は、第１の細長く形成された光ファイバ部分と第３の細長く形成された光ファイバ部分との間の前記横方向距離を維持する、
請求項１に記載の作動方法。
【請求項１１】
医療器具をさらに含み、該医療器具は、デジタル化用プローブ、骨を研磨するためのツール、組織切断用ツール、アブレーション器具、組織近接器具、生検器具、インピーダンス測定用器具、組織撮像用器具、又は治療器具を含む、請求項１に記載の作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、形状センサシステムを使用して解剖学的標的及び／又は介入器具を追跡するためのシステム及び方法を対象としており、具体的には、冗長な形状センサを使用して形状センサシステムの精度を向上させるシステム及び方法を対象としている。
【背景技術】
【０００２】
低侵襲性医療技術は、介入手術の間に損傷を受ける組織の量を低減することを目的としており、それによって患者の回復時間、不快感、及び有害な副作用を低減する。患者の解剖学的構造内での解剖学的標的、埋込み装置、及び／又は（外科用の、診断用の、治療用の、又は生検用の器具を含む）介入器具の位置を追跡するために、低侵襲性センサシステムを使用することができる。既存のシステムでは、電磁（EM）ナビゲーションを使用して、患者の解剖学的構造内での介入器具、埋込み装置、又は標的の動きを追跡することができる。ＥＭナビゲーションシステムは、多くの手術に有用であるが、それらシステムは、手術部位において他の器具から磁気干渉を受けることがある。例えば、Ｘ線透視撮像システムのＣアーム又は金属器具によって、ＥＭナビゲーションシステムとの磁気干渉が発生し、介入器具の追跡に許容できないエラーを引き起こすことがある。他の既存のシステムでは、光ファイバの形状センサシステムを使用して、患者の解剖学的構造内での介入器具の動きを追跡することができる。光ファイバ形状のセンサシステムは、単一の光ファイバに沿った様々な点におけるひずみを監視して、光ファイバの形状を決定する。単一の光ファイバの形状から、この光ファイバに沿った様々な点の姿勢（位置及び向き）を導出することができる。単一の光ファイバに沿った様々な点について導出された姿勢に関連するエラーは、エラーの累積によって光ファイバ問合せ器からの距離に応じて増大し得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
改良されたナビゲーションシステム及び方法が、手術環境で介入器具、埋込み装置、及び解剖学的標的を追跡するために必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の実施形態は、詳細な説明に続く特許請求の範囲によって要約される。
一実施形態では、この方法は、第１の形状センサの第１の細長く形成された光ファイバ部分から第１の形状データを受信するステップを含む。第１の細長く形成された光ファイバ部分は、基準固定冶具と患者の解剖学的構造に結合された第１の解剖学的固定冶具との間に延びる。この方法は、第１の形状データから第１の解剖学的固定冶具の姿勢を決定するステップと、第１の解剖学的固定冶具についての姿勢変化を追跡するステップとをさらに含む。
【０００５】
別の実施形態では、システムは、骨固定装置と、形状センサの基準固定冶具と、形状センサの基準固定冶具と骨固定装置との間に結合された光ファイバ形状センサ装置とを有する。光ファイバ形状センサは、骨固定装置の姿勢を決定するための第１の形状データを提供するように構成される。
別の実施形態では、システムは、骨固定装置と、形状センサの基準固定冶具と、形状センサの基準固定冶具と骨固定装置との間に結合された形状センサ装置とを有する。形状センサは、骨固定装置の姿勢を決定するための第１の形状データを提供するように構成される。形状センサ装置は、細長く形成されたリボン材料に結合された複数の光ファイバを含んでおり、複数の光ファイバを予め規定された空間的関係に維持する。
【０００６】
別の実施形態では、システムは、骨固定装置と、形状センサの基準固定冶具と、基端部で形状センサの基準固定冶具に結合され且つ先端部で骨固定装置に着脱可能に結合された光ファイバ形状センサ装置とを有する。光ファイバ形状センサは、骨固定装置の姿勢を決定するための第１の形状データを提供するように構成される。システムは、骨固定装置の先端部を光ファイバ形状センサ装置に着脱可能に結合する結合器をさらに有する。
別の実施形態では、この方法は、第１の形状センサの第１の細長く形成された光ファイバ部分から第１の形状データを受信するステップを含む。第１の細長く形成された光ファイバ部分は、基準固定冶具と医療器具に結合された器具固定冶具との間に延びる。この方法は、第１の形状データから器具固定冶具の姿勢を決定するステップと、器具固定冶具についての姿勢変更を追跡するステップも含む。
本発明の追加の態様、特徴、及び利点は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本開示の実施形態に従ったセンサシステムである。
【図２】図１のセンサシステムのマルチコア光ファイバ部品である。
【図３】図２のマルチコア光ファイバ部品の断面図である。
【図４】本開示の別の実施形態に従った複数の光ファイバセンサを含むセンサシステムである。
【図５】図４のセンサシステムを使用する方法を示す図である。
【図６】本開示の別の実施形態に従って順次連結された光ファイバセンサを含むセンサシステムである。
【図７】本開示の別の実施形態に従った複数の光ファイバセンサを含むセンサシステムである。
【図８】本開示の別の実施形態に従った閉ループセンサシステムである。
【図９】本開示の別の実施形態に従った滅菌ドレープに組み込まれたセンサシステムである。
【図１０】本開示の別の実施形態に従った複数の冗長な光ファイバセンサを含むセンサシステムである。
【図１１】本開示の別の実施形態に従ったリボン構成の複数の冗長な光ファイバセンサを示す図である。
【図１２】本開示の別の実施形態に従ったリボン構成の複数の冗長な光ファイバセンサを示す図である。
【図１３】本開示の別の実施形態に従った骨固定用ハードウェアに組み込まれた光ファイバセンサを示す図である。
【図１４】本開示の別の実施形態に従った骨固定用ハードウェアの結合部材で終端する光ファイバセンサを示す図である。
【図１５】本開示の別の実施形態に従った骨固定用ハードウェアへの結合器においてひずみ緩和部を含む光ファイバセンサを示す図である。
【図１６】本開示の実施形態に従ったロボット介入システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本開示の態様は、添付の図面と併せて確認するときに、以下の詳細な説明から最も良く理解される。この業界での一般的な慣例に従って、様々な特徴を一定の縮尺で描いていないことを強調しておく。実際には、議論を明確にするために、様々な特徴の寸法を適宜拡大又は縮小することがある。また、本開示は、様々な実施例において参照符号及び／又は記号を繰り返して使用し得る。この繰返しは、簡略化と明瞭化を目的として行われており、説明される様々な実施形態及び／又は構成の間の関係をそれ自体で規定するものではない。
【０００９】
本発明の態様の以下の詳細な説明において、開示された実施形態の完全な理解を提供するために、多数の特定の詳細について説明する。しかしながら、本開示の実施形態は、これら特定の詳細がなくても実施できることは当業者には明らかであろう。他の例では、周知の方法、手順、構成要素、及び回路は、本発明の実施形態の態様を不必要に曖昧にしないように詳細に説明していない。また、説明の不要な重複を避けるために、例示的な一実施形態について説明した１つ又は複数の構成要素又は動作は、他の例示的な実施形態について必要に応じて使用又は省略され得る。
【００１０】
以下の実施形態は、３次元空間内の状態の観点から、様々な装置及び装置の部分について説明する。本明細書で使用される場合に、用語「位置」は、３次元空間（例えば、デカルト座標Ｘ，Ｙ，Ｚに沿った並進３自由度）における対象物又は対象物の一部の位置を指す。本明細書で使用される場合に、用語「向き」は、対象物又は対象物の一部の回転配置（例えば、ロール、ピッチ、及びヨーの回転３自由度）を指す。本明細書で使用される場合に、用語「姿勢」は、並進自由度の少なくとも１つの自由度における対象物又は対象物の一部の位置、及び回転自由度の少なくとも１つの自由度における対象物又は対象物の一部の向き（合計６つの自由度まで）を指す。本明細書で使用される場合に、用語「形状」は、細長く形成された対象物に沿って測定された姿勢、位置、又は向きのセットを指す。説明の便宜上、本明細書で説明するシステム及び方法は、一般に、整形外科手術の観点から説明している。しかしながら、同じシステム及び方法は、患者の解剖学的構造の他の領域で行われる手術に適用することができる。
【００１１】
低侵襲性の外科手術で使用される従来の光学的ナビゲーション手順は、典型的には、解剖学的基準固定冶具やツール案内基準固定冶具への直接的な視線（見通し線）を含む大規模なカメラヘッドを必要としている。従来のナビゲーション手法に関連したいくつかの不利な点が存在している。例えば、従来の光学式追跡システムは、カメラと基準固定冶具の追跡マーカーとの間に連続的な視線を必要とする。視線の中断は、ワークフローの問題や安全性の問題につながることがある。例えば、関節鏡手術では、器具及び関節鏡が散乱した小さな手術野では、光学的な視線追跡を行うことができないことがある。従来の光学式追跡システムは、１つ又は複数の骨ねじによって患者に固定しなければならない基準固定冶具を用いる。これらの基準固定冶具は、嵩張り且つ外科的アクセスを制限し得る。本開示の方法及びシステムは、従来の光学式追跡方法及びシステムの代替又は補助方法及びシステムとして使用することができる。一般的に、本開示の方法及びシステムは、形状センサシステムを使用して、介入処置の間に解剖学的標的及び器具の追跡及び特定を含む。
【００１２】
図１を参照すると、例えば、外科用、診断用、治療用、生検用、医療用監視又は医学的評価に使用するセンサシステムが、概して参照符号１０によって示されている。センサシステム１０は、一般的に、問合せシステム１２と；基準固定冶具１４と；センサ装置１６，１８，２０，３０と；介入器具２２と；デジタル化用プローブ２３と；制御システム２４と；標的固定冶具２６と；センサ処理及び制御システム２７と；を含む。様々な実施形態では、センサシステムのこれらの構成要素の１つ又は複数を省略してもよく、同じ種類の複数の構成要素を含んでもよい。以下で詳細に説明するように、センサシステム１０は、システムの形状検出及び姿勢決定機能の精度を向上させる冗長なセンサ部品を含むことができる。冗長なセンサ部品は、例えば、きつい屈曲部、高い張力部、又は著しいねじれを含む領域においてセンサの不正確さの原因及び場所を特定し、それらの不正確さを修正することもできる。
【００１３】
問合せシステム１２は、光を生成するとともに戻ってくる光を検出して、センサ装置１６，１８，２０，３０の現在の形状を決定する。問合せシステム１２は、戻ってきたデータを処理して臨床医に表示することもできる。次に、この情報を使用して、センサ装置が接続された標的又は器具の姿勢、速度、及び加速度等の関連する他の変数を決定することができる。センサ装置１６，１８は、基端部１６ａ，１８ａでそれぞれ問合せシステム１２に結合される。これらの基端部は、並置され、或いは既知の又は測定可能な距離及び向きだけ分離してもよい。既知の変換を使用する共通のベースフレームを使用することができる。センサ装置１６，１８は、それぞれ、先端部１６ｂ，１８ｂも含む。センサ装置２０は、基端部２０ａで問合せシステム１２に結合され且つ先端部２０ｂで介入器具２２に結合される。センサ装置２０は、介入器具内に又はこれに沿って完全に延びるように示されているが、様々な代替実施形態では、このセンサ装置は、介入器具内に又はこれに沿って部分的にのみ延びてもよい。介入器具２２は、例えば、電力及び通信信号を受信するために制御システム２４に結合される。センサ装置３０は、基端部３０ａで問合せシステム１２に結合され且つ先端部３０ｂでデジタル化用プローブ２３に結合される。センサ装置３０は、プローブ２３内に又はこれに沿って完全に延びるように示されているが、様々な代替実施形態では、このセンサ装置は、プローブ内に又はこれに沿って部分的にのみ延びてもよい。デジタル化用プローブ２３は、例えば、電力及び通信信号を受信するために作動制御システム２４に結合される。デジタル化用プローブ２３を使用して、ナビゲーションランドマークを特定し且つ記録することができる。
【００１４】
センサ装置１６，１８，２０，３０のそれぞれは、基端部と先端部との間のその長さに沿った中間部で基準固定冶具１４に結合される。センサ装置１６，１８，２０，３０の結合部の姿勢は、基準固定冶具１４によって固定された状態で保持される。また、センサ装置１６，１８，２０，３０の結合部の姿勢は、基準固定冶具１４によって互いに対して既知の運動学的関係で維持される。例えば、センサと固定冶具との間の関係は、センサ装置が、基準固定冶具に対して任意の自由度で移動しないように固定してもよい。あるいはまた、センサと固定冶具との間の関係は、センサが既知の範囲内で基準固定冶具に対して移動可能となるように可動してもよい。例えば、基準固定冶具は、既知の回転角度を有する回転式継手を有してもよいが、互いに対する及び基準固定冶具に対するセンサの相対的な位置は、依然として既知である。例えば、基準固定冶具１４は、硬質金属、ポリマー、又はセラミック材料で形成してもよく、且つセンサ装置の一部を受容するとともにそのセンサ装置を固定冶具に対して及び他の結合されたセンサ装置に対して固定された関係に維持するための溝、チューブ、クランプ、及び／又は他の機械的コネクタを含んでもよい。一例では、基準固定冶具は、いくつかの機械加工された締り嵌め(tight-fitting)される平行溝を含むアルミニウム板で形成してもよく、その平行溝に、センサ装置を接着又は他の方法で取り付けることができる。こうして、結合されたセンサ装置同士の間の位置及び向きのオフセットは、センサ装置を基準固定冶具１４に結合する位置で既知となる。様々な代替実施形態では、基準固定冶具１４は、患者に隣接して配置され、そして患者と一緒に撮像され、その画像内に参照基準を提供する。
【００１５】
使用時には、標的固定冶具２６は、患者の解剖学的組織の解剖学的構造に固定される。標的固定冶具２６は、１つ又は複数のセンサ装置１６，１８の一部を標的固定冶具に固定するとともに、センサ装置の固定部分を予め規定された形状又は姿勢に保持するためのコネクタ２８を含む。センサ装置を、標的固定冶具内に接着し、機械的に保持し、又は他の方法で取り付けてもよい。一実施例では、標的固定冶具は、複数の締り嵌め溝を含む小さなアルミニウム板であってもよく、その溝内で、センサ装置の一部が固定された運動学的関係に維持される。骨固定装置を含む標的固定冶具についての追加の構成は、これ以降の実施形態で説明する。
【００１６】
センサ装置１６，１８，２０，３０は、それぞれ、１つ又は複数の光学コアを含む単一の光ファイバを含むことができる。あるいはまた、各センサ装置は、複数の光ファイバを含んでもよく、各光ファイバは、１つ又は複数の光学コアを含む。図２及び図３に示されるように、単一の光ファイバ５０は、クラッド６６内に複数の光学コア５２，５４，５６，５８，６０，６２，６４を有することができる。一実施形態では、マルチコア光ファイバは、約２００μｍの直径を有する。他の実施形態では、この寸法は、これより大きくても小さくてもよい。代替実施形態では、センサ装置は、７つのコアより多い又は少ないコアを有してもよい。
【００１７】
シングルコア光ファイバ又はマルチコア光ファイバ内の各コアは、各コアの光が他のコアで搬送される光と有意に相互作用しないような、十分な距離を有しておりコアを分離するクラッドを含むシングルモードであってもよい。各コアは、１つ又は複数の次元でのひずみ測定値を提供するために、ファイバブラッグ回折格子（FBG）を含むことができる。光ファイバの形状及び相対位置を３次元で監視するための様々なシステム及び方法は、２００５年７月１３日に出願された、”Fiber  optic  position  and  shape  sensing  device  and  method  relating  thereto”を開示する米国特許出願第１１／１８０，３８９号、２００４年７月１６日に出願された、”Fiber-optic  shape  and  relative  position  sensing”を開示する米国仮特許出願第６０／５８８，３３６号、及び１９９８年６月１７日に出願された、”Optical  Fibre  Bend  Sensor”を開示する米国特許第６，３８９，１８７号に記載されており、これらの文献は、その全体を参照することより本明細書に組み込まれる。他の代替形態では、レイリー散乱、ラマン散乱、ブリルアン散乱、及び蛍光散乱等の他のひずみ感知技術を用いるセンサが適している。
【００１８】
いくつかの実施形態では、ＦＢＧのアレイが、各コア内に設けられる。各ＦＢＧは、屈折率の空間周期性を生成するように、コアの屈折率の一連の変調を含む。各屈折率変化からの部分的な反射が狭帯域の波長についてコヒーレントとして追加され、したがって、多くの広帯域の波長を通過させながらこの狭帯域の波長のみを反射するように間隔を選択することができる。ＦＢＧの製造中に、この変調によって、既知の距離だけ離間され、それにより既知の波長の帯域の反射を引き起す。しかしながら、ひずみがファイバコアに誘起された場合に、変調の間隔は、コア内のひずみの量に応じて変化する。あるいはまた、光ファイバの屈曲に伴って変化する後方散乱又は他の光学的現象を使用して、各コア内のひずみを決定することができる。
【００１９】
こうして、ひずみを測定するために、光がファイバのコアに送られ、戻ってくる光の特性が測定される。この実施形態では、問合せ器１２が光を生成し、各コアについて戻ってくる光を受け取る。代替実施形態では、複数の問合せ器を使用してもよい。ＦＢＧは、ファイバ上のひずみとその温度との関数である反射波長を生成する。このＦＢＧ技術は、英国のブラックネルにあるSmart  Fibres  Ltd.等の様々な供給先から市販されている。ロボット手術についてＦＢＧ技術の位置センサの使用は、２００６年７月２０日に出願された、”Robotic  Surgery  System  Including  Position  Sensors  Using  Fiber  Bragg  Gratings”を開示する米国特許第７，９３０，０６５号に記載されており、この文献は、その全体を参照することにより本明細書に組み込まれる。
【００２０】
マルチコア光ファイバに力を加えた場合に、光ファイバの曲げによって、コアにひずみが誘起され、このひずみは、各コアにおける波長シフトを監視することによって測定される。光ファイバの軸線から外れて配置された２つ以上のコアを有することにより、光ファイバの曲げによって、各コアに異なるひずみが誘起される。これらのひずみは、光ファイバの局所的な曲げの程度の関数である。そのため、例えばＦＢＧを含むコアの領域が、ファイバが曲げられる点に位置する場合に、これらの点での曲げ量を決定するために使用することができる。ＦＢＧ領域の既知の間隔と組み合わされるこれらのデータを使用して、光ファイバの形状を再構築することができる。センサ装置の形状から、センサ装置の先端部１６ｂ，１８ｂ，２０ｂ，３０ｂや他の軸線方向の部分の位置及び向きを決定することができる。
【００２１】
図１を再び参照すると、センサ処理及び制御システム２７は、問合せシステム１２から受信した情報を処理するための少なくとも１つのプロセッサ（図示せず）、典型的には複数のプロセッサを含む。このシステム２７は、本明細書で説明する方法の一部又は全部を実装するようにプログラムされた命令を含む。システム２７は、図１の簡略図で単一のブロックとして示されているが、このシステムは、多数のデータ処理回路を含んでおり、必要に応じて処理の一部を異なる位置で実行することができる。多種多様の集中型又は分散型データ処理アーキテクチャを用いてもよい。同様に、プログラムされた命令は、多数の別個のプログラムやサブルーチンとして実装してもよく、又はそれら命令は、本明細書で説明するロボットシステムの多数の他の態様に組み込んでもよい。
【００２２】
図４は、本開示の実施形態に従ったセンサシステム１０の構成５００を示している。この実施形態では、３つのセンサ装置が、共通の基準固定冶具に取り付けられ、且つ異なるツール又は解剖学的位置まで延びている。説明するように、センサ装置の測定された形状を使用して、各センサ装置の先端部の位置及び向きを決定する。次に、各センサ装置の先端部同士の間の相対的位置を決定し且つ追跡することができる。説明の便宜上、本明細書で説明するシステム及び方法は、一般に、患者の脚部での整形外科手術の観点から説明している。しかしながら、同じシステム及び方法は、患者の解剖学的構造の他の領域で行われる手術に適用することができる。この構成では、センサ装置１６，１８，２０のそれぞれの基端部１６ａ，１８ａ，２０ａは、問合せシステム１２に接続される。センサ装置１６，１８，２０は、基準固定冶具１４によって固定された又は既知の運動学的姿勢に保持される。基準固定冶具におけるセンサ装置１６，１８，２０同士の間の位置及び向きのオフセットを測定することができる。センサ装置１６の先端部１６ｂは、患者の大腿骨４０上の位置で標的固定冶具３２ａに固定される。センサ装置１８の先端部１８ｂは、患者の脛骨４２上の位置で標的固定冶具３２ｂに固定される。センサ装置２０の先端部２０ｂは、標的固定冶具３２ｃによって器具２２のハンドピースに結合される。器具２２は、例えば、バリ取り器、ドリル、のこぎり、シェーバー、又は他の骨研磨器具等の骨調整ツールとすることができる。他の様々な実施形態では、器具２２は、例えば、組織切断用器具；（例えば、レーザ、無線周波数（RF）、マイクロ波、プラズマ、又は超音波エネルギーを使用する）組織アブレーション器具；組織近接器具、組織生検又はサンプリング器具、組織インピーダンス測定用器具、組織撮像用器具、又は治療器具であってもよい。標的固定冶具３２ａ，３２ｂ，３２ｃは、センサ装置１６，１８，２０それぞれの先端部をこれら標的固定冶具に対して固定した運動学的な姿勢に保持する。
【００２３】
図５は、運動中の解剖学的標的と器具標的の相対的な位置を追跡するために、構成５００のシステム１０を使用する方法５５０を示している。５５２では、構成５００のシステム１０が提供される。５５４では、基準固定冶具１４におけるセンサ装置１６の既知の又は固定された姿勢が取得される。５５６では、センサ装置１６は、基準固定冶具１４と標的固定冶具３２ａとの間のセンサ装置の形状を決定するために問合せを受ける。具体的には、ＦＢＧのひずみ測定値を使用して、ファイバの長さに沿った特定の位置における光ファイバの屈曲部を規定するような局所的な曲がり測定値を決定する。一連の局所的な曲げ測定値は、光ファイバに沿った形状を決定するために統合(integrate)される。５５８では、標的固定冶具３２ａにおける（ベースフレーム１４に対する）センサ装置１６の姿勢が、センサ装置１６の決定された形状を使用して取得される。例えば、基準固定冶具１４によって固定姿勢に保持されたセンサ装置を用いて、センサ装置の複合形状を基準固定冶具における固定姿勢に累積的に適用して、標的固定冶具３２ａにおけるセンサ装置の姿勢を決定することができる。より詳細には、形状検知は、センサ装置の個別のセグメントにおける形状の推定を示す。全ての個別の形状の推定による変換は、姿勢のエンドポイントを取得するために統合される。
【数１】
0006567532.tif 000002
ここで、baseTtip（ベースＴチップ）は、形状センサのベース（例えば、基準固定冶具１４に固定された座標フレーム）と先端チップとの間の均質な変換である。iTi+1は、長さセグメントiにおいてセンサによって推定された局所的な形状変換である。変換行列（iTi+1）の計算に関する更なる情報は、２００８年６月３０日に出願された、”Fiber  Optic  Shape  Sensor”を開示する米国特許第７，７２０，３２２号に確認され、この文献は、その全体を参照することより本明細書に組み込まれる。較正プロセスが、問合せシステム１２において基準固定冶具１４とセンサ装置１６の基端部１６ａとの間の既知のオフセットを補正するようにさらに行ってもよい。
【００２４】
こうして、標的固定冶具におけるセンサ装置１６の姿勢を、基準固定冶具１４の基準フレーム内で決定することができる。同様の技術を使用して、標的固定冶具３２ｂにおけるセンサ装置１８の姿勢及び標的固定冶具３２ｃにおけるセンサ装置２０の姿勢を、基準固定冶具１４に関して決定する。
５６０では、標的固定冶具３２ａ，３２ｂ，３２ｃの相対位置は、標的固定冶具を基準固定冶具に対して移動させる際に追跡することができる。例えば、患者を治療するための手術中に、脚部を、可動キャリア４４に取り付けることができる。キャリア４４が様々な離散的な位置又は非離散的な位置の間で移動されると、大腿骨４０及び脛骨４２が移動する。骨が移動すると、取り付けられた標的固定冶具及びセンサ装置も移動し、標的固定冶具の位置は、センサ装置１６，１８によって追跡される。患者の脚部を治療するために器具２２を移動すると、標的固定冶具３２ｃが、移動され且つセンサ装置２０によって追跡される。こうして、大腿骨及び脛骨上での標的固定冶具に対する機器の相対的な位置を追跡することができる。
【００２５】
図６は、本開示の一実施形態に従ったセンサシステム６００を示している。この実施形態では、順次連結された形状センサ装置は、独立して移動可能な複数の形状センサ装置によって引き起こされる手術領域への混乱を低減することができる。センサシステム６００の構成では、センサ装置６０２は、セグメント６０４，６０６，６０８を含む。セグメント６０４は、基準固定冶具１４と患者の大腿骨に固定された標的固定冶具３２ａとの間に延びる少なくとも１つの光ファイバを含む。セグメント６０６は、標的固定冶具３２ａと患者の脛骨に固定された標的固定冶具３２ｂとの間に延びる少なくとも１つの別個の光ファイバを含む。セグメント６０８は、標的固定冶具３２ｂと外科用器具２２のハンドピースに固定された標的固定冶具３２ｃとの間に延びる少なくとも１つの別個の光ファイバを含む。セグメント６０４における光ファイバの先端エンドポイントは、セグメント６０６における光ファイバの基端エンドポイントと並置することができる。あるいはまた、セグメント６０４における光ファイバの先端エンドポイントは、既知の距離及び向きだけセグメント６０６における光ファイバの基端エンドポイントから分離することができる。例えば、エンドポイント同士の間に固定された既知の機械的幾何学的形状が存在してもよく、すなわちエンドポイントの位置は、互いに対して又は基準フレームに対して追跡又は測定することができる。エンドポイント同士の間の既知の関係を用いて、エンドポイント同士の間の変換を結び付けることができる。
【００２６】
一実施形態では、小型の問合せ器を、標的固定冶具３２ａ及び３２ｂに結合してもよい。メインの問合せ器１２は、形状センサ６０４に問い合わせて、標的固定冶具３２ａの姿勢を決定することができる。標的固定冶具３２ａにおける小型の問合せ器は、形状センサ６０６に問い合わせて、標的固定冶具３２ａに関してセンサ６０６の形状及び標的固定冶具３２ｂの姿勢を決定することができる。セグメント６０６の形状及び標的固定冶具３２ｂの姿勢に関するデータは、セグメント６０４を介して、例えば専用の通信光ファイバ又はマルチコアファイバの選択されたコア上で電気信号又は無線として制御システム２７に伝達される。セグメント６０４及び６０６に関する形状情報を組み合わせて、基準固定冶具１４に対する標的固定冶具３２ｂについての姿勢を決定することができる。標的固定冶具３２ｂにおける小型の問合せ器は、形状センサ６０８に問い合わせて、標的固定冶具３２ｂに関してセンサ６０８の形状及び標的固定冶具３２ｃの姿勢を決定することができる。セグメント６０８の形状及び標的固定冶具３２ｃの姿勢に関するデータは、セグメント６０４，６０６を介して例えば専用の通信光ファイバ又はマルチコアファイバの選択されたコア上で電気信号又は無線として制御システム２７に伝達される。セグメント６０４，６０６，６０８に関する形状情報を組み合わせて、基準固定冶具１４に対する標的固定冶具３２ｃについての姿勢を決定することができる。固定冶具３２ｃの姿勢は、固定冶具３２ｃと、固定冶具３２ｂと、固定冶具３２ａと、基準固定冶具１４との間の変換を計算することによって決定される。例えば、固定冶具３２ｂの基準フレームにおけるセンサ６０８の形状及び固定冶具３２ｃの姿勢を決定した後に、固定冶具３２ｃの姿勢を、（センサ６０６の形状に基づいて）固定冶具３２ａの基準フレームに変換する。次に、固定冶具３２ａの基準フレームにおける固定冶具３２ｃの姿勢を、（センサ６０４の形状に基づいて）基準固定冶具１４の基準フレームに変換する。
【００２７】
あるいはまた、標的固定冶具３２ａ，３２ｂにおける小型の問合せ器のそれぞれは、形状データを制御システム２７に無線で送信するような無線通信装置を装備することができる。さらに別の代替形態では、小型の問合せ器を省略してもよく、形状センサ装置のセグメント６０２は、接続部を介して問い合わせを許可する光カプラによって結合することができる。患者の脚部が外科手術中に移動されると、センサシステム６００は、標的固定冶具３２ａ，３２ｂ，３２ｃの相対的な位置を追跡する。（実質的にその全長に沿って回折格子を有する）より長い個々の形状センサが基準固定冶具と個々の標的固定冶具との間に延びる実施形態と比較して、システム内で全体的にＦＢＧがより少ないので、センサシステム６００の構成は、減衰損失を低減することができる。
【００２８】
様々な代替実施形態では、光ファイバのあらゆるセグメントは、形状に関連しないデータも搬送することができる。例えば、光ファイバは、装置のステータス（例えば、電源オン、電源オフ、アイドル状態）についての情報；器具又は標的の識別情報；（例えば、器具、センサ装置、及び／又は標的固定冶具についての）使用回数を送信する信号を搬送することができる。形状に関連しないデータは、例えば、マルチコア光ファイバの専用のコアを介して送信してもよく、又は共通のコアを介して送信するために形状に関するデータと多重化してもよい。光ファイバは、外力を受けている光ファイバのセグメントからのひずみ情報を送信することもできる。例えば、器具ハンドピース上の屈曲要素からのひずみ情報は、光ファイバを介して送信され、屈曲要素に加えられた線形力又はトルクを推定するために使用することができる。ユーザによって器具に加えられた又は器具により患者組織に加えられた力やトルクを測定するための光学ひずみ感知の使用に関する更なる情報は、２００６年９月２９日に出願された、”Force  and  Torque  Sensing  For  Surgical  Instruments”を開示する米国特許出願第１１／５３７，２４１号、及び２００７年９月２９日に出願された、”Force  Sensing  for  Surgical  Instruments”を開示する米国特許第８，３７５，８０８号に確認され、これらの文献は、その全体を参照することにより本明細書に組み込まれる。
様々な代替実施形態では、センサ装置及び標的固定冶具は、単回の使用後に使い捨ててもよい。更なる代替実施形態では、センサ装置の光ファイバは、バリ取り器、ドリル、のこぎり、又は他の電動器具やネットワーク機器等の器具等の既存の電力又は通信ケーブルに組み込んでもよい。
【００２９】
図７は、本開示の実施形態に従ったセンサシステム６５０を示している。センサシステム６５０の構成では、連結されたセンサ装置６５２は、互い違いのセグメント６５４，６５６，６５８を含む。セグメント６５４は、基準固定冶具１４と、標的固定冶具３２ａと、標的固定冶具３２ｂと、標的固定冶具３２ｃとの間に延びる少なくとも１つの光ファイバを含む。格子は、標的固定冶具３２ｂと３２ｃとの間のセグメント６５４の一部に沿ってのみ延びることができる。セグメント６５４が問合せ器１２によって問い合わせされた場合に、固定冶具３２ｂと３２ｃとの間のセグメント６５４の一部に関する形状情報のみが返される。ＦＢＧのこの限定された使用は、格子がセグメント６５４全長に沿って延びる場合に予想されるものと比較して減衰損失を低減することができる。非格子化光ファイバは比較的低い信号損失を受ける。セグメント６５６は、基準固定冶具１４と、標的固定冶具３２ａと、標的固定冶具３２ｂとの間に延びる少なくとも１つの光ファイバを含む。格子は、標的固定冶具３２ａと３２ｂとの間のセグメント６５６の一部に沿ってのみ延びることができる。セグメント６５６が問合せ器１２によって問い合わせされた場合に、固定冶具３２ａと３２ｂとの間のセグメント６５６の一部に関する形状情報のみが返される。セグメント６５８は、基準固定冶具１４と標的固定冶具３２ａとの間に延びる少なくとも１つの光ファイバを含む。格子は、基準固定冶具１４と標的固定冶具３２ａとの間のセグメント６５６の長さに沿って延びることができる。セグメント６５８が問合せ器１２によって問い合わせされた場合に、基準固定冶具１４と標的固定冶具３２ａとの間のセグメント６５８の一部に関する形状情報のみが返される。セグメント６５８及び６５６からの形状情報は、標的固定冶具３２ｃの姿勢を決定するために、セグメント６５４からの形状情報と組み合わされる。セグメント６５８及び６５６からの形状情報は、標的固定冶具３２ｂの姿勢を決定するために組み合わされる。セグメント６５８からの形状情報は、標的固定冶具３２ａについての姿勢情報を提供する。患者の脚部が外科手術中に移動されると、センサシステム６５０は、標的固定冶具３２ａ，３２ｂ，３２ｃの相対的な位置を追跡する。
【００３０】
図８は、本開示の実施形態に従ったセンサシステム７００を示している。この閉路の実施形態では、冗長なセンサ装置は、連結された形状センサ装置７０２と共に使用され、測定エラーを低減する。センサシステム７００の構成では、センサ装置７０２は、セグメント７０４，７０６，７０８を含む。セグメント７０４，７０６，７０８の形状及び標的固定冶具３２ａ，３２ｂ，３２ｃの姿勢は、システム６００及び６５０について上述したように決定してもよい。この実施形態では、センサ装置７１０は、基準固定冶具１４と標的固定冶具３２ａとの間に延びる。センサ装置７１２は、基準固定冶具１４と標的固定冶具３２ｃとの間に延びる。前述したような技術を使用して、センサ装置７１０は、標的固定冶具３２ａの姿勢及びセンサの形状を決定するために問い合わせを受ける。冗長なセンサ装置７１０によって決定された標的固定冶具３２ａの決定された姿勢は、平均化され、又は他の方法でセンサセグメント７０４によって決定された標的固定冶具３２ａの姿勢と組み合わせることができる。こうして、冗長なセンサ装置７１０を使用して、標的固定冶具３２ａの決定された姿勢の精度を向上させることができる。センサ装置７１２は、標的固定冶具３２ｃの姿勢及びセンサの形状を決定するために問い合わせを受ける。冗長なセンサ装置７１２によって決定された標的固定冶具３２ａの決定された姿勢は、平均化され、又は他の方法でセンサセグメント７０４，７０６，７０８の累積により決定された標的固定冶具３２ｃの姿勢と組み合わせることができる。こうして、冗長なセンサ装置７１２を使用して、標的固定冶具３２ｃの決定された姿勢の精度を向上させる、又は光ファイバのエラーや破損を検出することができる。冗長なセンサ装置は、閉路によって基準固定冶具１４に戻る変換を測定する必要があるため、システムの操作性のチェックも提供することができる。
【００３１】
上述したセンサシステムのいずれかは、手術領域内に延びる独立したセンサ装置に関連したあらゆる干渉を低減するために、滅菌ドレープに組み込んでもよい。図９は、外科用の減菌ドレープ７２０に組み込まれたセンサシステム６００を示している。この本実施形態では、センサセグメント６０４，６０６は、センサセグメントの長さに沿って外科用ドレープ７２０に係留、埋め込み、又は他の方法取り付けられており、それによってセンサセグメントは、ドレープと共に移動する。器具に延びる部分６０８は、外科用ドレープ７２０に部分的に取り付けてもよく、又はドレープとは独立して移動可能であってもよい。ドレープ７２０は、標的固定冶具３２ａ，３２ｂの領域において、接着材料を用いて脚部に接着してもよい。あるいはまた、ドレープ７２０は、標的固定冶具３２ａ，３２ｂに直接的に接続することにより所定の位置に保持してもよい。
【００３２】
図１０は、本開示の実施形態に従ったセンサシステム７５０を示している。この実施形態では、３つの冗長なセンサ装置７５２，７５４，７５６が、共通の基準固定冶具１４に取り付けられており、且つ異なるツール又は解剖学的位置に延びる。各センサ装置は、複数の（この実施形態では、３つの）光ファイバ形状センサを含む。光ファイバ形状センサは、単一コア又はマルチコアであってもよい。センサ装置７５２は、基準固定冶具１４と標的固定冶具３２ａとの間に延びる。センサ装置７５２の形状センサのそれぞれは、標的固定冶具３２ａについての推定された姿勢及びセンサの形状を決定するために問い合わせを受ける。標的固定冶具３２ａについての決定された形状及び／又は推定された姿勢は、平均化され、又は他の方法でセンサ装置７５２の精密な推定値及び標的固定冶具３２ａについての形状及び姿勢を決定するために組み合わせることができる。センサ装置７５４は、基準固定冶具１４と標的固定冶具３２ｂとの間に延びており、同様の方法を使用して、標的固定冶具３２ｂの精密な姿勢を決定する。センサ装置７５６は、基準固定冶具１４と標的固定冶具３２ｃとの間に延びており、同様な方法を使用して、標的固定冶具３２ｃの精密な姿勢を決定する。この実施形態のセンサ装置を含む光ファイバ形状センサは、光ファイバ同士の間の既知の空間的関係を有した状態でリボン構成として組み立てることができる。一般的に、リボン構成のセンサ装置同士の間の分離がより大きくなると、改善されたロール測定がもたらされ、こうして、改善された姿勢測定値をもたらす。
【００３３】
図１１は、シングルコア又はマルチコアファイバである３つの光ファイバ７６２，７６４，７６６を含むリボン構成７６０の一実施形態を示している。光ファイバ７６２，７６４，７６６は、ポリマー、金属、天然繊維、又は追加の光ファイバを含む他の可撓性材料で形成されるリボン支持材料７６８に固定される。この実施形態では、リボン材料は、細長く形成され、略平坦であってもよい。光ファイバ７６２，７６４，７６６は、光ファイバ同士の間に一定の線形的な間隔Ｓ１を維持した状態でリボン材料７６８に固定される。様々な実施形態では、この間隔は、隣接する光ファイバの異なるペア同士の間で変化し得るが、そのリボンは、隣接する光ファイバ同士の間の選択された間隔を維持する。光ファイバ７６２，７６４，７６６は、リボンに埋め込んでもよく、又は接着剤、機械的結合器、又は他の公知の接続システムによってリボン材料７６８に固定してもよい。
図１２は、チューブ形状に配置されたリボン材料７７８に固定された３つの光ファイバ７７２，７７４，７７６を含むリボン構成７７０の別の実施形態を示している。この実施形態では、光ファイバは、光ファイバ同士の間に一定の半径方向間隔Ｓ２を維持した状態でリボン材料の内面に固定される。代替実施形態では、光ファイバは、光ファイバ同士の間に一定の間隔を有した状態でリボン材料の外面に固定してもよい。
【００３４】
図１３は、骨固定用ハードウェア７８２に組み込まれた光ファイバセンサ装置７８０を示している。センサ装置７８０は、前述したセンサ装置のいずれかと実質的に同様であってもよい。この実施形態では、骨固定用ハードウェアは、骨ねじであるが、様々な代替実施形態では、骨固定用ハードウェアは、骨クランプ、骨プレート、骨ネイル、ピン、ステープル、又は骨に結合するための他の機械的コネクタであってもよい。骨固定用ハードウェア７８２は、前述した実施形態のいずれかの標的固定冶具として使用することができる。この実施形態では、センサ装置７８０は、骨固定用ハードウェアに恒久的に結合されており、それによって骨固定用ハードウェアを取り外した場合に、センサ装置のみを患者の解剖学的構造から取り外すことができる。
【００３５】
図１４は、結合機構７９２に取り付けられた光ファイバセンサ装置７９０を示している。骨固定用ハードウェア７９４は、結合機構７９２に着脱可能に接続された結合機構７９６と嵌合する。互いに接続されると、結合機構７９２，７９６は、センサ装置７９０の先端部７９１を骨固定用ハードウェア７９４に対して固定した姿勢に維持する。結合機構７９２，７９６は、クリップ、クランプ、ツイストロック、ねじ接続、磁気接続、又はスナップ式嵌め込み接続を含む任意の公知の結合システムを用いて互いに接続することができる。結合機構７９２，７９６は、骨固定用ハードウェアをセンサ装置７９０から切り離すように着脱可能にすることができる。この実施形態の結合機構を用いて、標的固定冶具及びセンサ装置を迅速に接続及び切断することができる。
図１５は、ひずみ緩和装置８０４を含む骨固定用ハードウェア８０２に結合された光ファイバセンサ装置８００を示している。ひずみ緩和装置８０４によって、骨固定用ハードウェア８０２に対する接続部でのセンサ装置８００のきつい光ファイバの曲げ又は他の高いひずみ構成を防止する。ひずみ緩和装置８０４は、穿孔、コイル、ループ、又は他の公知の可撓性の相互接続装置を含む又は含まないような可撓性プラスチック又はゴムジャケットであってもよい。
【００３６】
説明したセンサシステム構成のいずれかを使用して、コンピュータ支援システムを含む医療介入処置を支援することができる。コンピュータ支援システムは、ロボット介入システム等の遠隔操作介入システムを含んでもよい。図１６の図を参照すると、例えば、外科用、診断用、治療用、又は生検用処置において使用される遠隔操作介入システムが、参照符号４００によって概して示されている。図１６に示されるように、遠隔操作介入システム４００は、一般的に、患者Ｐが配置される手術台Ｏに又はこの近くに取り付けられたロボットアセンブリ４０２を含む。介入器具システム４０４が、ロボットアセンブリ４０２に作動可能に結合される。オペレータ入力システム４０６によって、外科医Ｓが手術部位を視認して、介入器具システム４０４の動作を制御するのを可能にする。
【００３７】
オペレータ入力装置４０６は、通常、手術台Ｏと同じ部屋に位置するような外科医コンソールに配置することができる。もっとも、外科医Ｓは、患者Ｐとは別の部屋に又は全く別の建物に位置し得ることを理解すべきである。オペレータ入力システム４０６は、一般的に、介入器具システム４０４を制御するための１つ又は複数の制御装置（複数可）を含む。制御装置（複数可）は、ハンドグリップ、ジョイスティック、トラックボール、データグローブ、トリガーガン、手動制御装置、音声認識装置、タッチスクリーン、身体の動き又は存在センサ等の多数の様々な入力装置を含むことができる。いくつかの実施形態では、制御装置（複数可）は、ロボットアセンブリの介入器具と同じ自由度で提供され、テレプレゼンスを外科医に提供する、又は制御装置（複数可）が器具と一体化しているような知覚を提供し、外科医は器具を直接的に制御しているような強い感覚を有することになる。他の実施形態では、制御装置（複数可）は、関連する介入器具よりも多い又は少ない自由度を有しており、依然としてテレプレゼンスを外科医に提供することができる。いくつかの実施形態では、制御装置（複数可）は、６つの自由度で動く手動入力装置であり、これの制御装置は、（例えば、顎部を把持して閉じる、電位を電極に印加する、薬物療法を送達する等をするために）器具を作動させるための作動ハンドルも含み得る。
【００３８】
ロボットアセンブリ４０２は、介入器具システム４０４をサポートしており、且つ１つ又は複数の非サーボ制御リンク（例えば、所定の位置に手動で位置付けされ且つロックされる１つ又は複数のリンク、一般的にセットアップ構造と呼ばれる）及びロボットマニピュレータの運動学的構造を含むことができる。ロボットアセンブリ４０２は、介入器具４０４の入力装置を駆動させる複数のアクチュエータ（例えば、モータ）を含む。これらのモータは、制御システム（例えば、制御システム４１２）からのコマンドに応答して、能動的に動く。モータは、介入器具４０４に結合された場合に、自然に又は手術によって形成された解剖学的オリフィスに介入器具を前進させる及び／又は介入器具の先端部を複数の自由度で動かすことができる駆動システムを含み、３つの自由度の直線運動（例えば、Ｘ，Ｙ，Ｚ座標軸に沿った直線運動）及び３つの自由度の回転運動（例えば、Ｘ，Ｙ，Ｚ座標軸回りの回転）を含むことができる。また、モータを使用して、生検装置等の顎部で組織を把持するための、器具の関節接合可能なエンドエフェクタを作動させることができる。
【００３９】
ロボット介入システム４００は、ロボットアセンブリの器具に関する情報を受信するための１つ又は複数のサブシステムを有するセンサシステム４０８も含む。センサシステム４０８は、例えば、上述した構成のいずれかの形状センサ装置１０を含むことができる。センササブシステムは、器具の先端部から画像を取り込むための電磁（EM）位置センサシステム及び／又は可視化システムも含むことができる。
ロボット介入システム４００は、センサシステム４０８のサブシステムによって生成された手術部位及び介入器具４０４の画像を表示するための表示システム４１０も含む。ディスプレイ４１０及びオペレータ入力システム４０６は、オペレータが、実質的に真のものが作業空間に存在しているかのように視認して、介入器具システム４０４及びオペレータ入力システム４０６を制御することができるように向き合せされる。真のものの存在は、表示された組織画像が、オペレータに、このオペレータが画像位置に物理的に存在しており且つ画像の視点から組織を直接的に視認しているかのように表示されることを意味する。
【００４０】
代替的に又は追加的に、表示システム４１０は、コンピュータ断層撮影（CT）、磁気共鳴画像診断（MRI）、Ｘ線透視法、サーモグラフィ、超音波、光コヒーレンストモグラフィー（OCT）、赤外線画像、インピーダンスイメージング、レーザーイメージング、ナノチューブＸ線イメージング等の撮像技術を使用して手術前に記録され及び／又はモデル化された手術部位の画像を提示することができる。提示された手術前画像は、２次元、３次元、又は４次元（例えば、時間ベース又は速度ベースの情報を含む）画像及びモデルを含むことができる。
いくつかの実施形態では、表示システム４１０は、介入器具の実際の位置が手術前又は同時の画像と共に記録され（例えば、動的に参照され）、外科用器具のチップの位置における内部手術部位のバーチャル画像を外科医に提供するような仮想の可視化画像を表示することができる。
【００４１】
他の実施形態では、表示システム４１０は、介入器具の実際の位置が、（手術前に記録された画像を含む）以前の画像又は同時画像と共に記録され、手術部位における介入器具のバーチャル画像を外科医に提示するような仮想の可視化画像を表示することができる。介入器具を制御する外科医を支援するために、介入器具４０４の一部の画像をバーチャル画像に重畳してもよい。
ロボット介入システム４００は、制御システム４１２も含む。制御システム１１２は、介入器具システム４０４と、オペレータ入力システム４０６と、センサシステム４０８と、表示システム４１０との間で制御を行うための、少なくとも１つのプロセッサ（図示せず）、典型的には複数のプロセッサを含む。制御システム４１２は、算術加算器又は論理加算器、及び１つ又は複数のメモリ装置等の論理ユニットを含む一般的なコンピュータ構成要素を含むことができる。制御システム４１２は、プログラムされた命令（例えば、命令を格納するコンピュータ可読媒体）も含み、本明細書で説明される方法の一部又は全てを実施する。
【００４２】
制御システム４１２が、図１６の簡略化した概略図に単一のブロックとして示されているが、このシステムは、多数のデータ処理回路を含んでもよく、処理の一部は、必要に応じて、ロボットアセンブリ４０２で又はこれに隣接して実行され、一部は、オペレータ入力システム４０６等で実行される。制御システム２４、センサ処理及び制御システム２７は、制御システムの構成要素であってもよい。多種多様な集中型又は分散型データ処理アーキテクチャのいずれかを用いてもよい。同様に、プログラムされた命令は、多数の別々のプログラム又はサブルーチンとして実装してもよく、又はそれら命令は、本明細書で説明するロボットシステムの多数の他の態様に組み込んでもよい。一実施形態では、制御システム１１２は、ブルートゥース（登録商標）、ＩｒＤＡ、ホームＲＦ、ＩＥＥＥ８０２．１１、ＤＥＣＴ、及び無線テレメトリ等の無線通信プロトコルをサポートする。
【００４３】
いくつかの実施形態では、制御システム４１２は、１つ又は複数のサーボ制御装置を含んでおり、介入器具システム４０４からオペレータ入力システム１０６の対応する１つ又は複数のサーボモータに力及びトルクフィードバックを提供することができる。サーボ制御装置（複数可）は、ロボットアセンブリ４０２に命令する信号を送信して、患者の身体の開口部を介してこの身体内の内部手術部位内に延びる介入器具４０４を移動させることもできる。任意の適切な従来の又は特殊なサーボ制御装置を使用してもよい。サーボ制御装置は、ロボットアセンブリ４０２から分離される、又はロボットアセンブリ４０２と一体化することができる。いくつかの実施形態では、サーボ制御装置及びロボットアセンブリは、患者の身体に隣接して位置付けされたロボットアームカートの一部として設けられる。
【００４４】
制御システム４１２は、仮想可視化システムをさらに含み、介入器具４０４にナビゲーション支援を提供することができる。仮想可視化システムを使用する仮想ナビゲーションは、解剖学的通路の３次元構造に関連して取得されたデータセットに対する参照に基づくものである。具体的には、仮想可視化システムは、コンピュータ断層撮影（CT）、磁気共鳴画像診断（MRI）、Ｘ線透視法、サーモグラフィ、超音波、光コヒーレンストモグラフィー（OCT）、赤外線画像、インピーダンスイメージング、レーザーイメージング、ナノチューブＸ線イメージング、デジタル化プローブ取得等の撮像技術を使用して記録され及び／又はモデル化された手術部位の画像を処理する。ソフトウェアを使用して、記録した画像を、部分的な又は全体的な解剖学的臓器又は解剖学的領域の２次元又は３次元モデルに変換する。モデルは、通路及びそれら接続部の様々な位置や形状を示す。モデルを生成するために使用した画像を、臨床診断中に手術前又は手術中に記録してもよい。代替実施形態では、仮想可視化システムは、標準的なモデル（すなわち、特定の患者ではない）、又は標準モデル及び患者の固有データのハイブリッドを使用してもよい。
【００４５】
仮想ナビゲーション手順の間に、センサシステム４０８を使用して、患者の解剖学的構造に対する器具のおおよその位置を計算することができる。この位置を使用して、患者の解剖学的構造のマクロレベル追跡画像及び患者の解剖学的構造の内部バーチャル画像の両方を生成することができる。仮想可視化システム等からの手術前に記録された手術画像と一緒に介入実装形態を記録し且つ表示するために光ファイバセンサを使用する様々なシステムが、知られている。このようなシステムは、例えば、２０１１年５月１３日に出願された、”Medical  System  Providing  Dynamic  Registration  of  a  Model  of  an  Anatomical  Structure  for  Image-Guided  Surgery”を開示する米国特許出願第１３／１０７，５６２号に記載されており、この文献は、その全体を参照することにより本明細書に組み込まれる。
【００４６】
ロボット介入システム４００は、照明システム、操作制御システム、洗浄システム、及び／又は吸引システム等のオプションのオペレーション及びサポートシステム（図示せず）をさらに含んでもよい。代替実施形態では、ロボットシステムは、複数のロボットアセンブリ及び／又は複数のオペレータ入力システムを含んでもよい。マニピュレータアセンブリの正確な数は、他の要因の中でもとりわけ、外科手術及び手術室内の空間的制約に依存する。複数のオペレータ入力システムを並置してもよく、又はそれらを別々の位置に配置してもよい。複数のオペレータ入力システムによって、複数のオペレータが１つ又は複数のマニピュレータアセンブリを種々の組合せで制御することを可能にする。
【００４７】
本発明の実施形態の１つ又は複数の要素は、制御システム４１２等のコンピュータシステムのプロセッサ上で実行されるソフトウェアとして実装してもよい。ソフトウェアで実装された場合に、本発明の実施形態の要素は、基本的に、必要なタスクを実行するためのコードセグメントである。伝送媒体又は通信リンクを通じた搬送波で具現化されるコンピュータデータ信号を介してダウンロードしてもよいプログラム又はコードセグメントを、プロセッサ可読記憶媒体又は記憶装置に格納することができる。プロセッサ可読記憶装置は、光媒体、半導体媒体、及び磁気媒体を含む、情報を格納することができる任意の媒体含むことができる。プロセッサ可読記憶装置の例は、電子回路；半導体装置、半導体記憶装置、読取り専用メモリ（ROM）、フラッシュメモリ、消去可能なプログラマブル読取り専用メモリ（EPROM）；フロッピーディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、光ディスク、ハードディスク、又は他の記憶装置等を含む。コードセグメントは、インターネット、イントラネット等のコンピュータネットワークを介してダウンロードしてもよい。
【００４８】
提示されるプロセス及び表示は、特定のコンピュータ又は他の装置に本質的に関連しなくてもよいことに注意されたい。様々なこれらのシステムに必要な構成は、特許請求の範囲において要素として表される。また、本発明の実施形態は、特定のプログラミング言語を参照して記載されるわけではない。本明細書に説明されているように、様々なプログラミング言語が、本発明の教示を実践するために使用することができることを理解されるであろう。
本発明の特定の例示的な実施形態について説明し且つ添付の図面に示してきたが、このような実施形態は、単なる例示であり、広範な本発明に対する制限ではなく、本発明の実施形態は、様々な他の修正が当業者に想起されるので、図示され及び説明された特定の構成及び配置に限定されるものではないことを理解すべきである。
【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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