(57)【要約】  器具の推定位置を表示するためのシステム及び方法を提供し、一態様では、本方法は、器具のための一組の１つ又は２つ以上の位置センサによって生成された第１の位置データに基づいて、器具の第１の位置を決定することであって、第１の位置データが第１の期間に対応する、決定することと、第１の期間後、第２の期間中に器具を移動させるためのユーザコマンドを受信することと、を含む。本方法はまた、第１の位置及び受信したユーザコマンドに基づいて、器具の第２の位置を推定することであって、推定した第２の位置が第２の期間に対応する、推定することと、一組の位置センサによって生成された第２の位置データに基づいて、推定した第２の位置を確認することと、を含む。本方法は、推定した第２の位置の確認前に、推定した第２の位置を表示させることを更に含む。
2021519154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
システムであって、
プロセッサと、
少なくとも１つのコンピュータ可読メモリであって、前記少なくとも１つのコンピュータ可読メモリは、前記プロセッサと通信し、前記少なくとも１つのコンピュータ可読メモリに記憶されたコンピュータ実行可能命令を有し、前記コンピュータ実行可能命令が、前記プロセッサに、
器具のための一組の１つ又は２つ以上の位置センサによって生成された第１の位置データに基づいて、前記器具の第１の位置を決定することであって、前記第１の位置データが第１の期間に対応する、決定することと、
前記第１の期間後に、第２の期間中に前記器具を移動させるためのユーザコマンドを受信することと、
前記第１の位置及び受信した前記ユーザコマンドに基づいて、前記器具の第２の位置を推定することであって、推定した前記第２の位置が前記第２の期間に対応する、推定することと、
前記一組の位置センサによって生成された第２の位置データに基づいて、前記推定した第２の位置を確認することであって、前記第２の位置データが前記第２の期間に対応する、確認することと、
前記推定した第２の位置の前記確認前に、前記推定した第２の位置を表示させることと、を行わせる、少なくとも１つのコンピュータ可読メモリと、を備える、システム。
【請求項２】
前記第１の期間と前記第２の期間との差が、前記第２の位置推定の前記確認のための処理期間に基づく、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第２の位置を前記推定することが、第１の処理遅延を有し、
前記推定した第２の位置を前記確認することが、第２の処理遅延を有し、
前記第１の処理遅延が、前記第２の処理遅延未満である、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記メモリが、前記メモリに記憶されたコンピュータ実行可能命令を更に有し、前記コンピュータ実行可能命令が、前記プロセッサに、
前記第１の期間にわたって前記器具の前記第１の位置を推定することと、
前記第１の位置データに基づいて、推定した前記第１の位置を確認して、前記第１の位置を決定することと、を行わせる、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記メモリが、前記メモリに記憶されたコンピュータ実行可能命令を更に有し、前記コンピュータ実行可能命令が、前記プロセッサに、
前記器具の予測位置の一組の予測状態を維持することであって、前記予測状態の各々が、対応する確率と関連付けられる、維持することと、
前記第２の期間の最高確率を有する前記予測状態に基づいて、前記第２の位置を推定することと、を行わせる、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記メモリが、前記メモリに記憶されたコンピュータ実行可能命令を更に有し、前記コンピュータ実行可能命令が、前記プロセッサに、
前記予測状態の前記確率が閾値確率未満であることに応じて、前記器具の移動速度を調整することを行わせる、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記メモリが、前記メモリに記憶されたコンピュータ実行可能命令を更に有し、前記コンピュータ実行可能命令が、前記プロセッサに、
前記第２の期間中に、一組の前記位置センサから第２の位置データを受信することであって、前記推定した第２の位置を前記確認することが、前記第２の位置データに基づいて前記器具の前記第２の位置を決定することを含む、受信することと、
前記第２の位置データに基づいて前記第２の位置を決定する前に、前記推定した第２の位置を表示させることと、を行わせる、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記メモリが、前記メモリに記憶されたコンピュータ実行可能命令を更に有し、前記コンピュータ実行可能命令が、前記プロセッサに、
前記第２の位置と前記推定した第２の位置とを比較することと、
前記第２の位置が前記推定した第２の位置と異なることに応じて、前記第２の位置を前記メモリに記憶することと、を行わせる、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記メモリが、前記メモリに記憶されたコンピュータ実行可能命令を更に有し、前記コンピュータ実行可能命令が、前記プロセッサに、
前記推定した第２の位置に基づいて、前記器具の第３の位置を推定することであって、推定した前記第３の位置が、前記第２の期間後の第３の期間に対応する、推定することと、
前記第２の位置が、前記推定した第２の位置と異なることに応じて、前記第２の位置に基づいて、前記推定した第３の位置を更新することと、を行わせる、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記一組の位置センサが、電磁（ＥＭ）センサ、形状検知ファイバ、及びカメラ、のうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
非一時的コンピュータ可読記憶媒体であって、前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体は、前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令を有し、前記命令は、実行されたときに、少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、
器具のための一組の１つ又は２つ以上の位置センサによって生成された第１の位置データに基づいて、前記器具の第１の位置を決定することであって、前記第１の位置データが第１の期間に対応する、決定することと、
前記第１の期間後に、第２の期間中に前記器具を移動させるためのユーザコマンドを受信することと、
前記第１の位置及び受信した前記ユーザコマンドに基づいて、前記器具の第２の位置を推定することであって、推定した前記第２の位置が前記第２の期間に対応する、推定することと、
前記一組の位置センサによって生成された第２の位置データに基づいて、前記推定した第２の位置を確認することであって、前記第２の位置データが前記第２の期間に対応する、確認することと、
前記推定した第２の位置の前記確認前に、前記推定した第２の位置を表示させることと、を行わせる、非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項１２】
前記第１の期間と前記第２の期間との差が、前記第２の位置推定の前記確認のための処理期間に基づく、請求項１１に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項１３】
前記第２の位置を前記推定することが、第１の処理遅延を有し、
前記推定した第２の位置を前記確認することが、第２の処理遅延を有し、
前記第１の処理遅延が、前記第２の処理遅延未満である、請求項１１に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項１４】
前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令を更に有し、前記命令は、実行されたときに、少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、
前記第１の期間にわたって前記器具の前記第１の位置を推定することと、
前記第１の位置データに基づいて、推定した前記第１の位置を確認して、前記第１の位置を決定することと、を行わせる、請求項１１に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項１５】
前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令を更に有し、前記命令は、実行されたときに、少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、
前記器具の予測位置の一組の予測状態を維持することであって、前記予測状態の各々が、対応する確率と関連付けられる、維持することと、
前記第２の期間の最高確率を有する前記予測状態に基づいて、前記第２の位置を推定することと、を行わせる、請求項１１に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項１６】
前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令を更に有し、前記命令は、実行されたときに、少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、
前記予測状態の前記確率が閾値確率未満であることに応じて、前記器具の移動速度を調整することを行わせる、請求項１５に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項１７】
前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令を更に有し、前記命令は、実行されたときに、少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、
前記第２の期間中に、一組の前記位置センサから第２の位置データを受信することであって、前記推定した第２の位置を前記確認することが、前記第２の位置データに基づいて前記器具の前記第２の位置を決定することを含む、受信することと、
前記第２の位置データに基づいて前記第２の位置を決定する前に、前記推定した第２の位置を表示させることと、を行わせる、請求項１１に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項１８】
前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令を更に有し、前記命令は、実行されたときに、少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、
前記第２の位置と前記推定した第２の位置とを比較することと、
前記第２の位置が前記推定した第２の位置と異なることに応じて、前記第２の位置を前記メモリに記憶することと、を行わせる、請求項１７に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項１９】
前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令を更に有し、前記命令は、実行されたときに、少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、
前記推定した第２の位置に基づいて、前記器具の第３の位置を推定することであって、推定した前記第３の位置が、前記第２の期間後の第３の期間に対応する、推定することと、
前記第２の位置が、前記推定した第２の位置と異なることに応じて、前記第２の位置に基づいて、前記推定した第３の位置を更新することと、を行わせる、請求項１８に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項２０】
前記一組の位置センサが、電磁（ＥＭ）センサ、形状検知ファイバ、及びカメラ、のうちの少なくとも１つを備える、請求項１１に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項２１】
器具の推定位置を表示する方法であって、
前記器具のための一組の１つ又は２つ以上の位置センサによって生成された第１の位置データに基づいて、前記器具の第１の位置を決定することであって、前記第１の位置データが第１の期間に対応する、決定することと、
前記第１の期間後に、第２の期間中に前記器具を移動させるためのユーザコマンドを受信することと、
前記第１の位置及び受信した前記ユーザコマンドに基づいて、前記器具の第２の位置を推定することであって、推定した前記第２の位置が前記第２の期間に対応する、推定することと、
前記一組の位置センサによって生成された第２の位置データに基づいて、前記推定した第２の位置を確認することであって、前記第２の位置データが前記第２の期間に対応する、確認することと、
前記推定した第２の位置の前記確認前に、前記推定した第２の位置を表示させることと、を含む、方法。
【請求項２２】
前記第１の期間と前記第２の期間との差が、前記第２の位置推定の前記確認のための処理期間に基づく、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第２の位置を前記推定することが、第１の処理遅延を有し、
前記推定した第２の位置を前記確認することが、第２の処理遅延を有し、
前記第１の処理遅延が、前記第２の処理遅延未満である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１の期間にわたって前記器具の前記第１の位置を推定することと、
前記第１の位置データに基づいて、推定した前記第１の位置を確認して、前記第１の位置を決定することと、を更に含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記器具の予測位置の一組の予測状態を維持することであって、前記予測状態の各々が、対応する確率と関連付けられる、維持することと、
前記第２の期間の最高確率を有する前記予測状態に基づいて、前記第２の位置を推定することと、を更に含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記予測状態の前記確率が閾値確率未満であることに応じて、前記器具の移動速度を調整することを更に含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記第２の期間中に、一組の前記位置センサから第２の位置データを受信することであって、前記推定した第２の位置を前記確認することが、前記第２の位置データに基づいて前記器具の前記第２の位置を決定することを含む、受信することと、
前記第２の位置データに基づいて前記第２の位置を決定する前に、前記推定した第２の位置を表示させることと、を更に含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
前記第２の位置と前記推定した第２の位置とを比較することと、
前記第２の位置が前記推定した第２の位置と異なることに応じて、前記第２の位置を前記メモリに記憶することと、を更に含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記推定した第２の位置に基づいて、前記器具の第３の位置を推定することであって、推定した前記第３の位置が、前記第２の期間後の第３の期間に対応する、推定することと、
前記第２の位置が、前記推定した第２の位置と異なることに応じて、前記第２の位置に基づいて、前記推定した第３の位置を更新することと、を更に含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記一組の位置センサが、電磁（ＥＭ）センサ、形状検知ファイバ、及びカメラ、のうちの少なくとも１つを備える、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０１８年３月２８日に出願された米国仮出願第６２／６４９，５０１号の利益を主張するものであり、当該仮出願は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（発明の分野）
本明細書に開示されるシステム及び方法は、器具の推定位置を表示することを対象とし、より具体的には、器具の位置の表示における待ち時間を補償するための技術を対象とする。
【背景技術】
【０００３】
内視鏡検査（例えば、気管支鏡検査）などの医療処置は、診断及び／又は治療目的のために、患者の管腔網（例えば、気道）内への医療用具の挿入を伴うことがある。外科用ロボットシステムが、医療処置中の医療用具の挿入及び／又は操作を制御するために使用されることがある。外科用ロボットシステムは、医療処置前及び医療処置中に医療用具の位置決めを制御するために使用され得るマニピュレータアセンブリを含む少なくとも１つのロボットアームを備え得る。外科用ロボットシステムは、医療用具の遠位端の位置を示す位置データを生成するように構成された位置センサ（複数可）を更に備えることができる。
【０００４】
外科用ロボットシステムは、器具の遠位端の位置の表示をユーザに示すための１つ又は２つ以上のディスプレイを更に備えることができる。ディスプレイは、器具が管腔網を通してナビゲートされているときに、器具の移動及び現在の位置を追跡するために、器具の遠位端の位置を「リアルタイム」で表示するように構成することができる。しかしながら、器具の位置の表示と関連する一定量の待ち時間が存在し得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示のシステム、方法及びデバイスはそれぞれ、いくつかの革新的な態様を有し、そのうちの１つも、本明細書に開示される望ましい属性にのみ関与するものではない。
【０００６】
一態様では、システムを提供し、システムは、プロセッサと、少なくとも１つのコンピュータ可読メモリであって、少なくとも１つのコンピュータ可読メモリは、プロセッサと通信し、少なくとも１つのコンピュータ可読メモリに記憶されたコンピュータ実行可能命令を有し、コンピュータ実行可能命令が、プロセッサに、器具のための一組の１つ又は２つ以上の位置センサによって生成された第１の位置データに基づいて、器具の第１の位置を決定することであって、第１の位置データが第１の期間に対応する、決定することと、第１の期間後に、第２の期間中に器具を移動させるためのユーザコマンドを受信することと、第１の位置及び受信したユーザコマンドに基づいて、器具の第２の位置を推定することであって、推定した第２の位置が第２の期間に対応する、推定することと、一組の位置センサによって生成された第２の位置データに基づいて、推定した第２の位置を確認することであって、第２の位置データが第２の期間に対応する、確認することと、推定した第２の位置の確認前に、推定した第２の位置を表示させることと、を行わせる、少なくとも１つのコンピュータ可読メモリと、を備える。
【０００７】
別の態様では、非一時的コンピュータ可読記憶媒体を提供し、非一時的コンピュータ可読記憶媒体は、非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令を有し、命令は、実行されたときに、少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、器具のための一組の１つ又は２つ以上の位置センサによって生成された第１の位置データに基づいて、器具の第１の位置を決定することであって、第１の位置データが第１の期間に対応する、決定することと、第１の期間後に、第２の期間中に器具を移動させるためのユーザコマンドを受信することと、第１の位置及び受信したユーザコマンドに基づいて、器具の第２の位置を推定することであって、推定した第２の位置が第２の期間に対応する、推定することと、一組の位置センサによって生成された第２の位置データに基づいて、推定した第２の位置を確認することであって、第２の位置データが第２の期間に対応する、確認することと、推定した第２の位置の確認前に、推定した第２の位置を表示させることと、を行わせる。
【０００８】
更に別の態様では、器具の推定位置を表示するための方法を提供し、方法は、器具のための一組の１つ又は２つ以上の位置センサによって生成された第１の位置データに基づいて、器具の第１の位置を決定することであって、第１の位置データが第１の期間に対応する、決定することと、第１の期間後に、第２の期間中に器具を移動させるためのユーザコマンドを受信することと、第１の位置及び受信したユーザコマンドに基づいて、器具の第２の位置を推定することであって、推定した第２の位置が第２の期間に対応する、推定することと、一組の位置センサによって生成された第２の位置データに基づいて、推定した第２の位置を確認することであって、第２の位置データが第２の期間に対応する、確認することと、推定した第２の位置の確認前に、推定した第２の位置を表示させることと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
開示される態様は、以下、添付の図面と併せて説明され、開示された態様を例示するが、限定するものではなく、同様の指定は同様の要素を示す。
【図１】診断及び／又は治療用気管支鏡検査処置（複数可）のために配置されたカートベースのロボットシステムの実施形態を示す。
【図２】図１のロボットシステムの更なる態様を描写する。
【図３】尿管鏡検査のために配置された図１のロボットシステムの実施形態を示す。
【図４】血管処置のために配置された図１のロボットシステムの実施形態を示す。
【図５】気管支鏡検査処置のために配置されたテーブルベースのロボットシステムの実施形態を示す。
【図６】図５のロボットシステムの代替的な図を提供する。
【図７】ロボットアーム（複数可）を格納するように構成された例示的なシステムを示す。
【図８】尿管鏡検査処置のために構成されたテーブルベースのロボットシステムの実施形態を示す。
【図９】腹腔鏡処置のために構成されたテーブルベースのロボットシステムの実施形態を示す。
【図１０】ピッチ又は傾斜調整を備えた図５〜９のテーブルベースのロボットシステムの実施形態を示す。
【図１１】図５〜１０のテーブルベースのロボットシステムのテーブルとカラムとの間のインターフェースの詳細な図示を提供する。
【図１２】例示的な器具ドライバを示す。
【図１３】ペア器具ドライバを備えた例示的な医療用器具を示す。
【図１４】駆動ユニットの軸が器具の細長いシャフトの軸に平行である、器具ドライバ及び器具の代替的な設計を示す。
【図１５】例示的な実施形態による、図１３及び１４の器具の位置などの、図１〜１０のロボットシステムの１つ又は２つ以上の要素の位置を推定する位置特定システムを示すブロック図を描写する。
【図１６Ａ】開示する位置推定システム及び技術の１つ又は２つ以上の態様を実施する例示的な手術環境を示す。
【図１６Ｂ】図１６Ａの手術環境においてナビゲートすることができる例示的な管腔網を示す。
【図１７】例えば例示的な手術環境においてコマンドコンソールとして使用することができる例示的なコマンドコンソールを示す。
【図１８】本開示の態様による、医療処置中に表示することができる例示的な画像の図を示す。
【図１９】本開示の態様による、ユーザコマンド（複数可）に基づいて器具の位置を決定するための例示的な方法を示すフローチャートである。
【図２０】本開示の態様による、器具の位置を推定及び表示するための、ロボットシステム又はその構成要素（複数可）によって動作可能な例示的な方法を示すフローチャートである。
【図２１】本開示の態様による、医療処置中に表示され得る例示的な画像の別の図を示す。
【図２２】本開示の態様による、データバッファを含むシステムの一実施例を示すブロック図を描写する。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
１．概論
本開示の態様は、腹腔鏡検査などの低侵襲性、及び内視鏡検査などの非侵襲性の両方の処置を含む、様々な医療処置を実行することができるロボット制御可能な医療システムに統合され得る。内視鏡検査処置のうち、システムは、気管支鏡検査、尿管鏡検査、胃鏡検査などを実行することができる。
【００１１】
幅広い処置を実行することに加えて、システムは、医師を支援するための強調された画像及び誘導などの追加の利益を提供することができる。加えて、システムは、ぎこちない腕の運動及び位置を必要とせずに、人間工学的位置から処置を実行する能力を医師に提供することができる。また更に、システムは、システムの器具のうちの１つ又は２つ以上が単一のユーザによって制御され得るように、改善された使いやすさで処置を実行する能力を医師に提供することができる。
【００１２】
以下、説明を目的として、図面と併せて、様々な実施形態が説明される。開示された概念の多くの他の実施態様が可能であり、開示された実施態様で様々な利点が達成され得ると理解されたい。見出しが、参照のため、及び様々なセクションの位置を特定するのを支援するために本明細書に含まれる。これらの見出しは、それに関して説明される概念の範囲を限定することを意図するものではない。そのような概念は、本明細書全体にわたって適用可能性を有し得る。
【００１３】
Ａ．ロボットシステム−カート
ロボット制御可能な医療システムは、特定の処置に応じて様々な方法で構成され得る。図１は、診断及び／又は治療用気管支鏡検査処置のために配置された、カートベースのロボット制御可能なシステム１０の実施形態を示す。気管支鏡検査の間、システム１０は、気管支鏡検査のための処置特有の気管支鏡であり得る操縦可能な内視鏡１３などの医療用器具を、診断及び／又は治療用具を送達するための自然オリフィスアクセスポイント（すなわち、本実施例ではテーブル上に位置付けられた患者の口）に送達するための１つ又は２つ以上のロボットアーム１２を有するカート１１を含み得る。図示のように、カート１１は、アクセスポイントへのアクセスを提供するために、患者の上部胴体に近接して位置付けられ得る。同様に、ロボットアーム１２は、アクセスポイントに対して気管支鏡を位置付けるために作動され得る。図１の配置はまた、胃腸管（gastro-intestinal、ＧＩ）処置を胃鏡（ＧＩ処置のための特殊な内視鏡）を用いて実行するときにも利用され得る。図２は、カートの例示的な実施形態をより詳細に描画する。
【００１４】
図１を引き続き参照すると、一旦カート１１が適切に位置付けられると、ロボットアーム１２は、操縦可能な内視鏡１３をロボットで、手動で、又はそれらの組み合わせで患者内に挿入することができる。図示のように、操縦可能な内視鏡１３は、内側リーダー部分及び外側シース部分などの少なくとも２つの入れ子式部品を含んでもよく、各部分は、器具ドライバのセット２８から別個の器具ドライバに結合され、各器具ドライバは、個々のロボットアームの遠位端に結合されている。リーダー部分をシース部分と同軸上に整列させるのを容易にする器具ドライバ２８のこの直線配置は、１つ又は２つ以上のロボットアーム１２を異なる角度及び／又は位置に操作することによって空間において再配置され得る「仮想レール」２９を作成する。本明細書に記載される仮想レールは、破線を使用して図に示されており、したがって破線は、システムのいずれの物理的構造も示さない。仮想レール２９に沿った器具ドライバ２８の並進は、外側シース部分に対して内側リーダー部分を入れ子にするか、又は内視鏡１３を前進させるか若しくは患者から後退させる。仮想レール２９の角度は、臨床用途又は医師の好みに基づいて調整、並進、及び枢動されてもよい。例えば、気管支鏡検査では、示されるような仮想レール２９の角度及び位置は、内視鏡１３を患者の口内に曲げ入れることによる摩擦を最小限に抑えながら内視鏡１３への医師のアクセスを提供する妥協を表す。
【００１５】
内視鏡１３は、ターゲット目的地又は手術部位に到達するまで、ロボットシステムからの正確なコマンドを使用して挿入後に患者の気管及び肺の下方に指向されてもよい。患者の肺網を通したナビゲーションを高め、及び／又は所望のターゲットに到達するために、内側リーダー部分を外側シース部分から入れ子状に延在させて、高められた関節運動及びより大きな曲げ半径を得るように内視鏡１３を操作してもよい。別個の器具ドライバ２８の使用により、リーダー部分及びシース部分を互いに独立して駆動させることも可能になる。
【００１６】
例えば、内視鏡１３は、例えば、患者の肺内の病変又は小結節などのターゲットに生検針を送達するように指向されてもよい。針は、内視鏡の長さにわたる作業チャネルの下方に展開されて、病理医によって分析される組織試料を得てもよい。病理の結果に応じて、追加の生検のために追加のツールが内視鏡の作業チャネルの下方に展開されてもよい。小結節を悪性と特定した後、内視鏡１３は、潜在的な癌組織を切除するために器具を内視鏡的に送達してもよい。場合によっては、診断及び治療的処置は、別個の処置で送達される必要があってもよい。これらの状況において、内視鏡１３はまた、ターゲット小結節の位置を「マーク」するために基準を送達するために使用されてもよい。他の例では、診断及び治療的処置は、同じ処置中に送達されてもよい。
【００１７】
システム１０はまた、カート１１に支持ケーブルを介して接続されて、カート１１への制御、電子機器、流体工学、光学系、センサ、及び／又は電力のための支持を提供し得る移動可能なタワー３０を含んでもよい。タワー３０内にこのような機能を置くことにより、動作を行う医師及びそのスタッフにより容易に調整及び／又は再配置され得るより小さいフォームファクタのカート１１が可能となる。追加的に、カート／テーブルと支持タワー３０との間の機能の分割は、手術室の乱雑を低減し、臨床ワークフローの改善を促進する。カート１１は患者に近接して配置されてもよいが、タワー３０は、処置中に邪魔にならないように遠隔位置に収容されてもよい。
【００１８】
上述のロボットシステムのサポートにおいて、タワー３０は、例えば、永続的な磁気記憶ドライブ、ソリッドステートドライブなどの非一時的コンピュータ可読記憶媒体内にコンピュータプログラム命令を記憶するコンピュータベースの制御システムの構成要素（複数可）を含んでもよい。これらの命令の実行は、実行がタワー３０内で行われるか、又はカート１１がそのシステム又はサブシステム（複数可）全体を制御してもよい。例えば、コンピュータシステムのプロセッサによって実行されるときに、命令は、ロボットシステムの構成要素に、関連するキャリッジ及びアームマウントを作動させ、ロボットアームを作動させ、医療用器具を制御させてもよい。例えば、制御信号を受信したことに応答して、ロボットアームの関節内のモータは、アームをある特定の姿勢に配置してもよい。
【００１９】
タワー３０はまた、内視鏡１３を通して展開され得るシステムに制御された灌注及び吸引能力を提供するために、ポンプ、流量計、弁制御、及び／又は流体アクセスを含んでもよい。これらの構成要素はまた、タワー３０のコンピュータシステムを使用して制御されてもよい。いくつかの実施形態では、灌注及び吸引能力は、別個のケーブル（複数可）を通して内視鏡１３に直接送達されてもよい。
【００２０】
タワー３０は、フィルタリングされ、保護された電力をカート１１に提供するように設計された電圧及びサージ保護具を含んでもよく、それによって、より小さくより移動可能なカート１１をもたらす、カート１１内の電力変圧器及び他の補助電力構成要素の配置を回避する。
【００２１】
タワー３０はまた、ロボットシステム１０全体に配置されたセンサのための支持機器を含んでもよい。例えば、タワー３０は、ロボットシステム１０を通して光センサ又はカメラから受信したデータを検出、受信、及び処理するためのオプトエレクトロニクス機器を含んでもよい。制御システムと組み合わせて、このようなオプトエレクトロニクス機器は、タワー３０内を含むシステム全体に展開された任意の数のコンソール内に表示するためのリアルタイム画像を生成するために使用されてもよい。同様に、タワー３０はまた、展開された電磁（electromagnetic、ＥＭ）センサから受信した信号を受信及び処理するための電子サブシステムを含んでもよい。タワー３０はまた、医療用器具内又は医療用器具上のＥＭセンサによる検出のためにＥＭ場発生器を収容し、配置するために使用されてもよい。
【００２２】
タワー３０はまた、システムの残りの部分で利用可能な他のコンソール、例えば、カートの上部に装着されたコンソールに追加して、コンソール３１を含んでもよい。コンソール３１は、医師操作者のためのユーザインターフェース及びタッチスクリーンなどの表示画面を含んでもよい。システム１０内のコンソールは、一般に、ロボット制御、並びに内視鏡１３のナビゲーション情報及び位置特定情報などの処置の術前及びリアルタイム情報の両方を提供するように設計される。コンソール３１が医師に利用可能な唯一のコンソールではないときに、それは、看護師などの第２の操作者によって使用されて、患者の健康又は生命及びシステムの動作を監視し、並びにナビゲーション及び位置特定情報などの処置固有のデータを提供してもよい。
【００２３】
タワー３０は、１つ又は２つ以上のケーブル又は接続（図示せず）を介してカート１１及び内視鏡１３に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、タワー３０からの支持機能は、単一ケーブルを通してカート１１に提供され、手術室を簡略化し、整理整頓し得る。他の実施形態では、特定の機能は、別個のケーブリング及び接続で結合されてもよい。例えば、単一の電力ケーブルを通してカートに電力が供給されてもよいが、制御、光学、流体工学、及び／又はナビゲーションのためのサポートは、別個のケーブルを通して提供されてもよい。
【００２４】
図２は、図１に示されるカートベースのロボット制御可能なシステムからのカートの実施形態の詳細な図を提供する。カート１１は、概して、細長い支持構造１４（「カラム」と呼ばれることが多い）、カート基部１５、及びカラム１４の頂部にあるコンソール１６を含む。カラム１４は、１つ又は２つ以上のロボットアーム１２（図２には３つ示されている）の展開を支持するためのキャリッジ１７（代替的に「アーム支持体」）などの１つ又は２つ以上のキャリッジを含んでもよい。キャリッジ１７は、患者に対してより良好に配置するために、ロボットアーム１２の基部を調整するために、垂直軸に沿って回転する個別に構成可能なアームマウントを含んでもよい。キャリッジ１７はまた、キャリッジ１７がカラム１４に沿って垂直方向に並進することを可能にするキャリッジインターフェース１９を含む。
【００２５】
キャリッジインターフェース１９は、キャリッジ１７の垂直方向の並進を案内するためにカラム１４の両側に配置されたスロット２０などのスロットを通してカラム１４に接続されている。スロット２０は、カート基部１５に対して様々な垂直方向の高さでキャリッジを位置付け及び保持するための垂直方向の並進インターフェースを含む。キャリッジ１７の垂直方向の並進により、カート１１が、様々なテーブルの高さ、患者のサイズ、及び医師の好みを満たすようにロボットアーム１２の到達範囲を調整することを可能にする。同様に、キャリッジ１７上の個別に構成可能なアームマウントにより、ロボットアーム１２のロボットアーム基部２１が様々な構成で角度付けされることを可能にする。
【００２６】
いくつかの実施形態では、スロット２０には、キャリッジ１７が垂直方向に並進する際に、カラム１４の内部チャンバ及び垂直方向の並進インターフェース内への汚れ及び流体の侵入を防止するためにスロット表面と同一平面及び平行であるスロットカバーが追加されてもよい。スロットカバーは、スロット２０の垂直方向の頂部及び底部付近に配置されたばねスプールの対を通じて展開されてもよい。カバーは、キャリッジ１７が垂直方向に上下に並進する際に、延在するように展開して、それらのコイル状から後退するまでスプール内でコイル巻きにされている。スプールのばね荷重は、キャリッジ１７がスプールに向かって並進するときにカバーをスプール内に後退させるための力を提供する一方で、キャリッジ１７がスプールから離れるように並進するときに密封も維持する。カバーは、キャリッジ１７が並進する際にカバーの適切な延在及び後退を確実にするために、例えば、キャリッジインターフェース１９内のブラケットを使用してキャリッジ１７に接続されてもよい。
【００２７】
カラム１４は、例えば、コンソール１６からの入力などのユーザ入力に応答して生成された制御信号に応答してキャリッジ１７を機械的に並進させるために垂直方向に整列した主ねじを使用するように設計された歯車及びモータなどの機構を内部的に含んでもよい。
【００２８】
ロボットアーム１２は、一般に一連の関節２４によって接続されている一連の連結部２３によって分離したロボットアーム基部２１及びエンドエフェクタ２２を含んでもよく、各関節は独立したアクチュエータを含み、各アクチュエータは、独立して制御可能なモータを含む。それぞれ独立して制御可能な関節は、ロボットアームに利用可能な独立した自由度を表す。アーム１２の各々は、７つの関節を有し、したがって、７つの自由度を提供する。多数の関節は、多数の自由度をもたらし、「冗長」自由度を可能にする。冗長自由度は、ロボットアーム１２が、異なる連結位置及び関節角度を使用して空間内の特定の位置、向き、及び軌道で、それらのそれぞれのエンドエフェクタ２２を位置付けることを可能にする。これにより、医師がアーム関節を患者から離れる臨床的に有利な位置へと移動させて、アーム衝突を回避しながら、より大きなアクセスを作成することを可能にしながら、システムが空間内の所望のポイントから医療用器具を位置付け及び指向させることを可能にする。
【００２９】
カート基部１５は、床の上のカラム１４、キャリッジ１７及びアーム１２の重量の釣り合いをとる。したがって、カート基部１５は、電子機器、モータ、電源、及びカートの移動及び／又は固定化のいずれかを可能にする構成要素などの、より重い部品を収容する。例えば、カート基部１５は、処置前にカートが部屋の周りを容易に移動することを可能にする、転動可能なホイール形状のキャスター２５を含む。適切な位置に到達した後、キャスター２５は、処置中にカート１１を定位置に保持するために、ホイールロックを使用して固定化されてもよい。
【００３０】
カラム１４の垂直方向の端部に配置された、コンソール１６は、ユーザ入力を受信するためのユーザインターフェース及び表示画面（又は、例えば、タッチスクリーン２６などの二重目的デバイス）の両方を可能にして、術前データ及び術中データの両方を医師のユーザに提供する。タッチスクリーン２６上の潜在的な術前データは、術前計画、術前コンピュータ断層撮影（computerized tomography、ＣＴ）スキャンから導出されたナビゲーション及びマッピングデータ、及び／又は術前患者インタビューからのメモを含んでもよい。ディスプレイ上の術中データは、ツールから提供される光学情報、センサからのセンサ及び座標情報、及び呼吸、心拍数、及び／又はパルスなどのバイタル患者統計を含んでもよい。コンソール１６は、医師が、キャリッジ１７の反対側でカラム１４の側からコンソールにアクセスすることを可能にするように配置及び傾斜されてもよい。この位置から、医師は、コンソール１６をカート１１の背後から操作しながらコンソール１６、ロボットアーム１２及び患者を見ることができる。図示のように、コンソール１６はまた、カート１１の操作及び安定化を支援するハンドル２７を含む。
【００３１】
図３は、尿管鏡検査のために配されたロボット制御可能なシステム１０の実施形態を示す。尿管鏡検査処置では、カート１１は、患者の尿道及び尿管を横断するように設計された処置専用内視鏡である尿管鏡３２を患者の下腹部領域に送達するように配置されてもよい。尿管鏡検査では、尿管鏡３２が患者の尿道と直接整列して、領域内の敏感な解剖学的構造に対する摩擦及び力を低減することが望ましいことがある。図示のように、カート１１は、ロボットアーム１２が患者の尿道への直接的な線形アクセスのために、尿管鏡３２を位置付けすることを可能にするためにテーブルの脚部に整列されてもよい。テーブルの脚部から、ロボットアーム１２は、尿道を通して患者の下腹部に直接、仮想レール３３に沿って尿管鏡３２を挿入してもよい。
【００３２】
気管支鏡検査のような同様の制御技法を使用して、尿道への挿入後、尿管鏡３２は、診断及び／又は治療用途のために膀胱、尿管、及び／又は腎臓にナビゲートされてもよい。例えば、尿管鏡３２は、尿管及び腎臓に指向されて、尿管鏡３２の作業チャネルの下方に展開されたレーザー又は超音波砕石デバイスを使用して大きくなっている腎臓結石を破壊することができる。砕石術が完了した後、得られた結石片は、尿管鏡３２の下方に展開されたバスケットを使用して除去されてもよい。
【００３３】
図４は、血管処置のために同様に配されたロボット制御可能なシステムの実施形態を示す。血管処置において、システム１０は、カート１１が、操縦可能なカテーテルなどの医療用器具３４を、患者の脚内の大腿動脈内のアクセスポイントに送達することができるように構成され得る。大腿動脈は、ナビゲーションのためのより大きな直径と、患者の心臓への比較的迂回性及び蛇行性でない経路との両方を呈し、これによりナビゲーションが単純化する。尿管鏡処置のように、カート１１は、患者の脚及び下腹部に向かって配置されて、ロボットアーム１２が患者の大腿／腰領域内の大腿動脈アクセスポイントへの直接的な線形アクセスで仮想レール３５を提供することを可能にしてもよい。動脈内への挿入後、医療用器具３４は、器具ドライバ２８を並進させることによって指向され、挿入されてもよい。代替的には、カートは、例えば、肩及び手首付近の頚動脈及び腕動脈などの代替的な血管アクセスポイントに到達するために、患者の上腹部の周囲に配置されてもよい。
【００３４】
Ｂ．ロボットシステム−テーブル
ロボット制御可能な医療システムの実施形態はまた、患者のテーブルを組み込んでもよい。テーブルの組み込みは、カートを除去することによって手術室内の資本設備の量を低減し、患者へのより大きなアクセスを可能にする。図５は、気管支鏡検査処置のために配されたこのようなロボット制御可能なシステムの一実施形態を示す。システム３６は、床の上にプラットフォーム３８（「テーブル」又は「ベッド」として図示）を支持するための支持構造体又はカラム３７を含む。カートベースのシステムと同様に、システム３６のロボットアーム３９のエンドエフェクタは、器具ドライバ４２の線形整列から形成された仮想レール４１を通して、又はそれに沿って、図５の気管支鏡４０などの細長い医療用器具を操作するように設計された器具ドライバ４２を含む。実際には、Ｘ線透視撮像を提供するためのＣアームは、放射器及び検出器をテーブル３８の周囲に置くことによって、患者の上部腹部領域の上方に配置されてもよい。
【００３５】
図６は、説明を目的として患者及び医療用器具なしのシステム３６の代替図を提供する。図示のように、カラム３７は、１つ又は２つ以上のロボットアーム３９がベースとなり得るシステム３６内でリング形状として図示される１つ又は２つ以上のキャリッジ４３を含んでもよい。キャリッジ４３は、カラム３７の長さにわたる垂直方向のカラムインターフェース４４に沿って並進して、ロボットアーム３９が患者に到達するように配置され得る異なるバンテージポイントを提供してもよい。キャリッジ（複数可）４３は、カラム３７内に配置された機械的モータを使用してカラム３７の周りを回転して、ロボットアーム３９が、例えば患者の両側などのテーブル３８の複数の側面へのアクセスを有することを可能にしてもよい。複数のキャリッジを有する実施形態では、キャリッジはカラム上に個別に配置されてもよく、他のキャリッジとは独立して並進及び／又は回転してもよい。キャリッジ４３はカラム３７を取り囲む必要はなく、又は更には円形である必要はないが、図示されるようなリング形状は、構造的バランスを維持しながらカラム３７の周りでキャリッジ４３の回転を容易にする。キャリッジ４３の回転及び並進により、システムは、内視鏡及び腹腔鏡などの医療用器具を患者の異なるアクセスポイントに整列させることを可能にする。
【００３６】
アーム３９は、ロボットアーム３９に追加の構成可能性を提供するために個別に回転及び／又は入れ子式に延在し得る一連の関節を含むアームマウント４５のセットを通じてキャリッジに装着されてもよい。加えて、アームマウント４５は、キャリッジ４３が適切に回転されるとき、アームマウント４５がテーブル３８の片側（図６に示すように）、テーブル３８の両側（図９に示すように）、又はテーブル３８の隣接する側部（図示せず）のいずれかに配置され得るように、キャリッジ４３に配置され得る。
【００３７】
カラム３７は、テーブル３８の支持及びキャリッジの垂直方向の並進のための経路を構造的に提供する。内部的に、カラム３７には、キャリッジの垂直方向の並進を案内するための主ねじ、及び主ねじに基づく当該キャリッジの並進を機械化するためのモータが備えられ得る。カラム３７はまた、キャリッジ４３及びその上に装着されたロボットアーム３９に電力及び制御信号を伝達してもよい。
【００３８】
テーブル基部４６は、図２に示すカート１１のカート基部１５と同様の機能を果たし、テーブル／ベッド３８、カラム３７、キャリッジ４３及びロボットアーム３９の釣り合いをとるためにより重い構成要素を収容する。テーブル基部４６はまた、処置中に安定性を提供するために剛性キャスターを組み込んでもよい。テーブル基部４６の底部から展開されるキャスターは、基部４６の両側で反対方向に延在し、システム３６を移動させる必要があるときに後退させてもよい。
【００３９】
引き続き図６によれば、システム３６はまた、テーブルとタワーとの間のシステム３６の機能を分割して、テーブルのフォームファクタ及びバルクを低減するタワー（図示せず）を含んでもよい。先に開示された実施形態と同様に、タワーは、処理、計算、及び制御能力、電力、流体光学、及び／又は光学及びセンサ処理などの様々な支持機能をテーブルに提供してもよい。タワーはまた、医師のアクセスを改善し、手術室を整理整頓するために、患者から離れて配置されるように移動可能であってもよい。加えて、タワー内に構成要素を置くことにより、ロボットアームの潜在的な収納のために、テーブル基部内により多くの保管空間を可能にする。タワーはまた、キーボード及び／又はペンダントなどのユーザ入力のためのユーザインターフェース、及びリアルタイム撮像、ナビゲーション、及び追跡情報などの術前及び術中情報のための表示画面（又はタッチスクリーン）の両方を提供するコンソールを含んでもよい。
【００４０】
いくつかの実施形態では、テーブル基部は、使用されていないときにロボットアームを収容して格納してもよい。図７は、テーブルベースのシステムの一実施形態におけるロボットアームを収容するシステム４７を示す。システム４７では、キャリッジ４８は、ロボットアーム５０、アームマウント５１及びキャリッジ４８を基部４９内に収容する基部４９に垂直方向に並進されてもよい。基部カバー５２は、キャリッジ４８、アームマウント５１及びアーム５０をカラム５３の周りに展開させるように開放し、使用されていないときにそれらを保護するために収容するように閉鎖されるように、並進及び後退してもよい。基部カバー５２は、閉鎖したときに汚れ及び流体の侵入を防止するために、その開口の縁部に沿ってメンブレン５４で封止されてもよい。
【００４１】
図８は、尿管鏡検査処置のために構成されたロボット制御可能なテーブルベースのシステムの一実施形態を示す。尿管鏡検査では、テーブル３８は、患者をカラム３７及びテーブル基部４６からオフアングルに配置するためのスイベル部分５５を含んでもよい。スイベル部分５５は、スイベル部分５５の底部をカラム３７から離すように位置付けるために、旋回点（例えば、患者の頭部の下に位置）の周りで回転又は旋回してもよい。例えば、スイベル部分５５の旋回により、Ｃアーム（図示せず）が、テーブル３８の下のカラム（図示せず）との空間を競合することなく、患者の下部腹部の上方に配置されることを可能にする。カラム３７の周りにキャリッジ３５（図示せず）を回転させることにより、ロボットアーム３９は、尿道に到達するように、仮想レール５７に沿って、鼠径部領域に直接尿管鏡５６を挿入してもよい。尿管鏡検査では、あぶみ５８はまた、処置中に患者の脚の位置を支持し、患者の鼠径部領域への明確なアクセスを可能にするために、テーブル３８のスイベル部分５５に固定されてもよい。
【００４２】
腹腔鏡処置では、患者の腹壁内の小さな切開部（複数可）を通して、低侵襲性器具（１つ又は２つ以上の切開部のサイズに適応するように形状が細長い）を患者の解剖学的構造に挿入してもよい。患者の腹腔の膨張後、腹腔鏡と呼ばれることが多い器具は、把持、切断、アブレーション、縫合などの外科的タスクを実行するように指向されてもよい。図９は、腹腔鏡処置のために構成されたロボット制御可能なテーブルベースのシステムの実施形態を示す。図９に示されるように、システム３６のキャリッジ４３は回転し、垂直方向に調整されて、腹腔鏡５９が患者の両側の最小切開部を通過して患者の腹腔に到達するようにアームマウント４５を使用し配置され得るように、ロボットアーム３９の対をテーブル３８の両側に位置付けてもよい。
【００４３】
腹腔鏡処置に対応するために、ロボット制御可能なテーブルシステムはまた、プラットフォームを所望の角度に傾斜させてもよい。図１０は、ピッチ又は傾斜調整を有するロボット制御可能な医療システムの実施形態を示す。図１０に示すように、システム３６は、テーブル３８の傾斜に適応して、テーブルの一方側の部分を他方側の部分よりも床から長い距離に位置付けることができる。加えて、アームマウント４５は、アーム３９がテーブル３８と同じ平面関係を維持するように、傾斜に一致するように回転してもよい。急角度に適応するために、カラム３７はまた、テーブル３８が床に接触するか、又は基部４６と衝突するのを防ぐために、カラム３７の垂直方向の延在を可能にする入れ子部分６０を含んでもよい。
【００４４】
図１１は、テーブル３８とカラム３７との間のインターフェースの詳細な図示を提供する。ピッチ回転機構６１は、複数の自由度において、カラム３７に対するテーブル３８のピッチ角を変更するように構成されてもよい。ピッチ回転機構６１は、カラム−テーブルインターフェースでの直交軸１、２の位置付けによって可能にされてもよく、各軸は、電気ピッチ角コマンドに応答して別個のモータ３、４によって作動される。一方のねじ５に沿った回転は、一方の軸１における傾斜調整を可能にし、他方のねじ６に沿った回転は、他方の軸２に沿った傾斜調整を可能にする。
【００４５】
例えば、ピッチ調整は、トレンデレンブルグ位置にテーブルを位置付け、すなわち下腹部手術のために患者の下腹部よりも床からより高い位置に患者の下腹部を位置付けさせようとするときに、特に有用である。トレンデレンブルグ位置は、患者の内臓を重力によって自分の上腹部に向かってスライドさせ、低侵襲性ツールのために腹腔を空にして腹腔鏡前立腺切除術などの下腹部外科処置に移行し、これを実行する。
【００４６】
Ｃ．器具ドライバ及びインターフェース
システムのロボットアームのエンドエフェクタは、（ｉ）医療用器具を作動させるための電気機械的手段を組み込む器具ドライバ（代替的には、「器具駆動機構」又は「器具デバイスマニピュレータ」と呼ばれる）と、（ｉｉ）モータなどの任意の電気機械的構成要素を欠いていてもよい除去可能な又は取り外し可能な医療用器具と、を含む。この二分法は、医療処置に使用される医療器具を滅菌する必要性、それらの複雑な機械的アセンブリ及び敏感な電子機器により、高価な資本設備を十分に滅菌することができないことにより駆動され得る。したがって、医療用器具は、医師又は医師のスタッフによる個々の滅菌又は廃棄のために、器具ドライバ（したがってそのシステム）から取り外し、除去、及び交換されるように設計され得る。対照的に、器具ドライバは交換又は滅菌される必要がなく、保護のために掛け布がされ得る。
【００４７】
図１２は、例示的な器具ドライバを示す。ロボットアームの遠位端に位置される器具ドライバ６２は、駆動シャフト６４を介して医療用器具に制御トルクを提供するために平行軸を伴って配された１つ又は２つ以上の駆動ユニット６３を含む。各駆動ユニット６３は、器具と相互作用するための個々の駆動シャフト６４と、モータシャフトの回転を所望のトルクに変換するためのギヤヘッド６５と、駆動トルクを生成するためのモータ６６と、モータシャフトの速度を測定し、制御回路にフィードバックを提供するエンコーダ６７と、制御信号を受信し、駆動ユニットを作動させるための制御回路６８と、を含む。各駆動ユニット６３は独立して制御及び電動化され、器具ドライバ６２は、複数（図１２に示すように４つ）の独立した駆動出力を医療用器具に提供してもよい。動作中、制御回路６８は、制御信号を受信し、モータ６６にモータ信号を送信し、エンコーダ６７によって測定されたモータ速度を所望の速度と比較し、モータ信号を変調して所望のトルクを生成する。
【００４８】
無菌環境を必要とする処置のために、ロボットシステムは、器具ドライバと医療用器具との間に位置する無菌ドレープに接続された無菌アダプタなどの駆動インターフェースを組み込んでもよい。無菌アダプタの主な目的は、器具ドライバの駆動シャフトから器具の駆動入力に角度運動を伝達する一方で、物理的分離を維持し、したがって、駆動シャフトと駆動入力との間で無菌性を維持することである。したがって、例示的な無菌アダプタは、器具ドライバの駆動シャフトと嵌合されることを意図した一連の回転入力部及び出力部と器具に対する駆動入力部で構成され得る。無菌アダプタに接続される無菌ドレープは、透明又は半透明プラスチックなどの薄い可撓性材料で構成され、器具ドライバ、ロボットアーム、及び（カートベースのシステムにおける）カート又は（テーブルベースのシステムにおける）テーブルなどの資本設備を覆うように設計される。ドレープの使用は、滅菌を必要としない領域（すなわち、非滅菌野）に依然として位置している間に、資本設備が患者に近接して配置することを可能にするであろう。滅菌ドレープの他方の側では、医療用器具は、滅菌（すなわち、滅菌野）を必要とする領域において患者とインターフェースしてもよい。
【００４９】
Ｄ．医療用器具
図１３は、ペアにされた器具ドライバを備えた例示的な医療用器具を示す。ロボットシステムと共に使用するために設計された他の器具と同様に、医療用器具７０は、細長いシャフト７１（又は細長い本体）及び器具基部７２を含む。医師による手動相互作用のために意図された設計により「器具ハンドル」とも呼ばれる器具基部７２は、概して、ロボットアーム７６の遠位端で器具ドライバ７５上の駆動インターフェースを通って延在する駆動出力部７４と嵌合するように設計された、回転可能な駆動入力部７３、例えば、レセプタクル、プーリ、又はスプールを含んでもよい。物理的に接続、ラッチ、かつ／又は結合されるときに、器具基部７２の嵌合された駆動入力部７３は、器具ドライバ７５における駆動出力部７４と回転軸線を共有してもよく、駆動出力部７４から駆動入力部７３へのトルクの伝達を可能する。いくつかの実施形態では、駆動出力部７４は、駆動入力部７３上のレセプタクルと嵌合するように設計されたスプラインを含んでもよい。
【００５０】
細長いシャフト７１は、例えば、内視鏡検査におけるような解剖学的開口部若しくは管腔、又は腹腔鏡検査におけるような低侵襲性切開部のいずれかを通して送達されるように設計されている。細長いシャフト６６は、可撓性（例えば、内視鏡と同様の特性を有する）若しくは剛性（例えば、腹腔鏡と同様の特性を有する）、又は可撓性部分及び剛性部分の両方のカスタマイズされた組み合わせを含むこと、のいずれかであってもよい。腹腔鏡検査のために設計されるとき、剛性の細長いシャフトの遠位端は、回転軸を有するクレビスから形成される接合された手首と、例えば、駆動入力部が器具ドライバ７５の駆動出力部７４から受け取ったトルクに応答して回転する際に、腱からの力に基づいて作動され得る把持具又ははさみである手術用ツールを含むエンドエフェクタに接続され得る。内視鏡検査のために設計されるときに、可撓性の細長いシャフトの遠位端は、器具ドライバ７５の駆動出力部７４から受信したトルクに基づいて関節運動及び屈曲され得る操縦可能又は制御可能な屈曲部を含んでもよい。
【００５１】
器具ドライバ７５からのトルクは、シャフト７１内の腱を使用して細長いシャフト７１の下方に伝達される。プルワイヤなどのこれらの個々の腱は、器具ハンドル７２内の個々の駆動入力部７３に個別に固設されてもよい。ハンドル７２から、腱は、細長いシャフト７１内の１つ又は２つ以上のプル管腔（pull lumen）を下方に指向され、細長いシャフト７１の遠位部分に固設される。腹腔鏡検査では、これらの腱は、手首、把持具、又ははさみなどの遠位に装着されたエンドエフェクタに結合されてもよい。このような構成の下で、駆動入力部７３に及ぼされるトルクは、腱に張力を伝達し、それによってエンドエフェクタを何らかの方法で作動させる。腹腔鏡検査では、腱は、関節を軸周りに回転させることができ、それによってエンドエフェクタを一方向又は別の方向に移動させる。あるいは、腱は、細長いシャフト７１の遠位端で把持具の１つ又は２つ以上のジョーに接続されてもよく、腱からの張力によって把持具が閉鎖される。
【００５２】
内視鏡検査では、腱は、接着剤、制御リング、又は他の機械的固定を介して、細長いシャフト７１に沿って（例えば、遠位端に）配置された屈曲又は関節運動部に結合されてもよい。屈曲部の遠位端に固定的に取り付けられるときに、駆動入力部７３に及ぼされるトルクは、腱の下方に伝達され、より軟質の屈曲部に（関節運動可能部又は領域と呼ばれることがある）を屈曲又は関節運動させる。非屈曲部分に沿って、個々の腱を内視鏡シャフトの壁に沿って（又は内側に）指向する個々のプル管腔を螺旋状又は渦巻状にして、プルワイヤにおける張力からもたらされる半径方向の力の釣り合いをとることが有利であり得る。これらの間の螺旋及び／又は間隔の角度は、特定の目的のために変更又は設計されてもよく、より狭い螺旋は負荷力下でより小さいシャフト圧縮を呈する一方で、より少ない量の螺旋は負荷力下でより大きなシャフト圧縮をもたらすが、屈曲制限も呈する。スペクトルのもう一方の端部では、プル管腔は、細長いシャフト７１の長手方向軸に平行に指向されてもよく、所望の屈曲又は関節運動可能部における制御された関節運動を可能にする。
【００５３】
内視鏡検査では、細長いシャフト７１は、ロボット処置を支援するある数の構成要素を収容する。シャフトは、シャフト７１の遠位端における手術領域への手術ツール、灌注、及び／又は吸引を展開するための作業チャネルを含んでもよい。シャフト７１はまた、光学カメラを含んでもよい遠位先端部で光学アセンブリに／そこから信号を伝達するために、ワイヤ及び／又は光ファイバを収容してもよい。シャフト７１はまた、発光ダイオードなどの近位に位置する光源からシャフトの遠位端に光を搬送するための光ファイバを収容してもよい。
【００５４】
器具７０の遠位端では、遠位先端はまた、診断及び／又は治療、潅注、及び吸引のためのツールを手術部位に送達するための作業チャネルの開口を含んでもよい。遠位先端はまた、内部解剖学的空間の画像をキャプチャするために、繊維スコープ又はデジタルカメラなどのカメラのためのポートを含んでもよい。関連して、遠位先端はまた、カメラを使用するときに解剖学的空間を照明するための光源のためのポートを含んでもよい。
【００５５】
図１３の例では、駆動シャフト軸、したがって駆動入力軸は、細長いシャフトの軸に直交する。しかしながら、この配置は、細長いシャフト７１のロール能力を複雑にする。駆動入力部７３を静止させながら、細長いシャフト７１をその軸に沿ってロールさせることにより、駆動入力部７３から延出し、細長いシャフト７１内のプル管腔に入る際に、腱の望ましくない絡まりをもたらす。そのような腱の得られたもつれは、内視鏡処置中の可撓性の細長いシャフトの移動を予測することを意図した任意の制御アルゴリズムを破壊することがある。
【００５６】
図１４は、駆動ユニットの軸が器具の細長いシャフトの軸に平行である、器具ドライバ及び器具の代替的な設計を示す。図示のように、円形の器具ドライバ８０は、ロボットアーム８２の端部において平行に整列された駆動出力部８１を備えた４つの駆動ユニットを含む。駆動ユニット及びそれらのそれぞれの駆動出力部８１は、アセンブリ８３内の駆動ユニットのうちの１つによって駆動される器具ドライバ８０の回転アセンブリ８３内に収容される。回転駆動ユニットによって提供されるトルクに応答して、回転アセンブリ８３は、回転アセンブリ８３を器具ドライバの非回転部分８４に接続する円形ベアリングに沿って回転する。電力及び制御信号は、電気接点を通して器具ドライバ８０の非回転部分８４から回転アセンブリ８３に伝達されてもよく、ブラシ付きスリップリング接続（図示せず）による回転を通して維持されてもよい。他の実施形態では、回転アセンブリ８３は、非回転可能部分８４に一体化され、したがって他の駆動ユニットと平行ではない別個の駆動ユニットに応答してもよい。回転機構８３は、器具ドライバ８０が、器具ドライバ軸８５周りの単一ユニットとして、駆動ユニット及びそれらのそれぞれの駆動出力部８１を回転させることを可能にする。
【００５７】
先に開示した実施形態と同様に、器具８６は、細長いシャフト８８と、器具ドライバ８０内の駆動出力部８１を受けるように構成された複数の駆動入力部８９（レセプタクル、プーリ、及びスプールなど）を含む器具基部８７（説明目的のために透明な外部スキンで示される）とを含んでもよい。以前に開示されている実施形態とは異なり、器具シャフト８８は、図１３の設計と直交するのではなく、駆動入力部８９の軸に実質的に平行な軸を有する器具基部８７の中心から延在する。
【００５８】
器具ドライバ８０の回転アセンブリ８３に結合されるときに、器具基部８７及び器具シャフト８８を含む医療用器具８６は、器具ドライバ軸８５を中心に回転アセンブリ８３と組み合わせて回転する。器具シャフト８８は器具基部８７の中心に配置されているため、器具シャフト８８は、取り付けられたときに器具ドライバ軸８５と同軸である。したがって、回転アセンブリ８３の回転により、器具シャフト８８は、それ自体の長手方向軸を中心に回転する。更に、器具基部８７が器具シャフト８８と共に回転すると、器具基部８７内の駆動入力部８９に接続された任意の腱は、回転中に絡まらない。したがって、駆動出力部８１、駆動入力部８９及び器具シャフト８８の軸の平行性は、任意の制御腱を絡めることなくシャフト回転を可能にする。
【００５９】
Ｅ．ナビゲーション及び制御
従来の内視鏡検査は、（例えば、Ｃアームを通して送達され得るような）蛍光透視法の使用、及び操作者の医師に腔内誘導を提供するための他の形態の放射線ベースの撮像モダリティの使用を伴うことがある。対照的に、本開示によって企図されるロボットシステムは、放射線への医師の曝露を低減し、手術室内の機器の量を低減するための非放射線ベースのナビゲーション及び位置特定手段を提供することができる。本明細書で使用するとき、用語「位置特定」は、基準座標系内のオブジェクトの位置を判定及び／又は監視することを指すことがある。術前マッピング、コンピュータ視覚、リアルタイムＥＭ追跡、及びロボットコマンドデータなどの技術は、放射線を含まない動作環境を達成するために個別に又は組み合わせて使用されてもよい。放射線ベースの撮像モダリティが依然として使用される場合、術前マッピング、コンピュータ視覚、リアルタイムＥＭ追跡、及びロボットコマンドデータは、放射線ベースの撮像モダリティによってのみ取得される情報を改善するために、個別に又は組み合わせて使用されてもよい。
【００６０】
図１５は、例示的な実施形態による、器具の位置などのロボットシステムの１つ又は２つ以上の要素の位置を推定する位置特定システム９０を示すブロック図である。位置特定システム９０は、１つ又は２つ以上の命令を実行するように構成されている１つ又は２つ以上のコンピュータデバイスのセットであってもよい。コンピュータデバイスは、上述の１つ又は２つ以上の構成要素内のプロセッサ（又は複数のプロセッサ）及びコンピュータ可読メモリによって具現化されてもよい。例として、限定するものではないが、コンピュータデバイスは、図１に示されるタワー３０内にあってもよく、図１〜４に示されるカートであってもよく、図５〜１０に示されるベッドなどであってもよい。
【００６１】
図１５に示すように、位置特定システム９０は、入力データ９１〜９４を処理して医療用器具の遠位先端のための位置データ９６を生成する位置特定モジュール９５を含んでもよい。位置データ９６は、基準系に対する器具の遠位端の位置及び／又は配向を表すデータ又は論理であってもよい。基準系は、患者の解剖学的構造、又はＥＭ場発生器（ＥＭ場発生器について以下の説明を参照）などの既知の物体に対する基準系とすることができる。位置データ９６はまた、本明細書では、患者の解剖学的構造のモデル（例えば、骨格モデル）に対する医療器具の遠位先端の現在の状態を説明する「状態データ」とも称され得る。状態データは、所与のサンプル期間にわたる医療器具の遠位先端の位置及び向きなどの情報を含み得る。例えば、患者の解剖学的構造が、管腔網の中間点に基づいて骨格モデルを使用してモデル化されるとき、その位置は、セグメントＩＤの形態及びセグメントに沿った深さを取り得る。
【００６２】
ここで、様々な入力データ９１〜９４についてより詳細に説明する。術前マッピングは、低用量ＣＴスキャンの収集を使用することを通して達成され得る。術前ＣＴスキャンは、例えば、患者の内部解剖学的構造の切欠き図の「スライス」として可視化される３次元（３Ｄ）画像に再構成される。まとめて分析されるときに、患者の肺網などの患者の解剖学的構造の解剖学的空腔、空間、及び構造のための画像ベースのモデルが生成され得る。中心線幾何学形状などの技法を判定し、ＣＴ画像から概算して、術前モデルデータ９１と呼ばれる患者の解剖学的構造の３Ｄボリュームを生成することができる。中心線幾何学形状の使用は、米国特許出願公開第１４／５２３，７６０号で述べられており、その内容物は、その全体が本明細書に組み込まれる。ネットワークトポロジックモデルはまた、ＣＴ画像から導出されてもよく、気管支鏡検査に特に適している。
【００６３】
いくつかの実施形態では、器具は、視覚データ９２を提供するためのカメラを装備してもよい。位置特定モジュール９５は、視覚データを処理して、１つ又は２つ以上の視覚ベースの位置追跡を可能にしてもよい。例えば、術前モデルデータは、医療用器具（例えば、内視鏡又は器具が内視鏡の作業チャネルを通って前進する）のコンピュータ視覚ベースの追跡を可能にするために、視覚データ９２と共に使用されてもよい。例えば、術前モデルデータ９１を使用して、ロボットシステムは、内視鏡の予想される移動経路に基づいてモデルから予測される内視鏡画像のライブラリを生成することができ、各画像はモデル内の位置にリンクされる。操作可能には、このライブラリは、カメラ（例えば、内視鏡の遠位端でのカメラ）でキャプチャされたリアルタイム画像を画像ライブラリ内のものと比較して、位置特定を支援するために、ロボットシステムによって参照され得る。
【００６４】
他のコンピュータ視覚ベースの追跡技法は、カメラの動き、したがって内視鏡を判定するための特徴追跡を使用する。位置特定モジュール９５のいくつかの特徴は、解剖学的管腔に対応する術前モデルデータ９１内の円形幾何学形状を特定し、どの解剖学的管腔が選択されたかと、カメラの相対的な回転及び／又は並進運動とを判定するためにそれらの幾何学的形状の変化を追跡してもよい。トポロジカルマップの使用は、視覚ベースのアルゴリズム又は技法を更に向上させることがある。
【００６５】
光学フロー、別のコンピュータ視覚ベースの技法は、カメラの動きを推測するために、視覚データ９２内のビデオシーケンス内の画像ピクセルの変位及び並進を分析してもよい。光学フロー技術の例としては、運動検出、オブジェクト分割計算、輝度、運動補償符号化、ステレオ視差測定などを挙げることができる。複数の繰り返しを通じて複数のフレームを比較することにより、カメラ（したがって内視鏡）の移動及び位置が決定され得る。
【００６６】
位置特定モジュール９５は、リアルタイムＥＭ追跡を使用して、術前モデルによって表される患者の解剖学的構造に位置合わせされ得るグローバル座標系内で内視鏡のリアルタイム位置を生成し得る。ＥＭ追跡では、医療用器具（例えば、内視鏡器具）内の１つ又は２つ以上の位置及び配向に埋め込まれた１つ又は２つ以上のセンサコイルを含むＥＭセンサ（又はトラッカー）は、既知の位置に配置された１つ又は２つ以上の静的ＥＭ場発生器によって生成されるＥＭ場の変動を測定する。ＥＭセンサによって検出された位置情報は、ＥＭデータ９３として記憶される。ＥＭ場発生器（又は送信機）は、埋め込まれたセンサが検出し得る低強度磁場を生成するために、患者に近接して置かれ得る。磁場はＥＭセンサのセンサコイル内に小さな電流を誘導し、ＥＭセンサとＥＭ場発生器との間の距離及び角度を判定するために分析され得る。これらの距離及び配向は、患者の解剖学的構造の術前モデル内の位置と座標系内の単一の位置を位置合わせする幾何学的変換を判定するために、患者の解剖学的構造（例えば、術前モデル）に術中「登録」され得る。一旦登録されると、医療用器具の１つ又は２つ以上の位置（例えば、内視鏡の遠位先端）に埋め込まれたＥＭトラッカーは、患者の解剖学的構造を通じた医療用器具の進行のリアルタイム表示を提供し得る。
【００６７】
ロボットコマンド及び運動学データ９４はまた、ロボットシステムのための位置特定データ９６を提供するために、位置特定モジュール９５によって使用されてもよい。関節運動コマンドから生じるデバイスピッチ及びヨーは、術前較正中に判定され得る。術中、これらの較正測定値は、既知の挿入深度情報と組み合わせて使用されて、器具の位置を推定し得る。あるいは、これらの計算は、ネットワーク内の医療用器具の位置を推定するために、ＥＭ、視覚、及び／又はトポロジカルモデリングと組み合わせて分析され得る。
【００６８】
図１５が示すように、ある数の他の入力データが位置特定モジュール９５によって使用され得る。例えば、図１５には示されていないが、形状検知繊維を利用する器具は、位置特定モジュール９５が器具の位置及び形状を判定するために使用することができる形状データを提供することができる。
【００６９】
位置特定モジュール９５は、組み合わせた入力データ９１〜９４（複数可）を使用し得る。場合によっては、このような組み合わせは、位置特定モジュール９５が入力データ９１〜９４の各々から判定された位置に信頼重みを割り当てる確率的アプローチを使用し得る。したがって、ＥＭデータが信頼できるとはいえないことがある場合（ＥＭ干渉が存在する場合など）、ＥＭデータ９３によって判定された位置の信頼性を低下させることができ、位置特定モジュール９５は、視覚データ９２並びに／又はロボットコマンド及び運動学データ９４により重く依存してもよい。
【００７０】
上述のように、本明細書で論じられるロボットシステムは、上記の技術のうちの１つ又は２つ以上の組み合わせを組み込むように設計され得る。タワー、ベッド、及び／又はカートに基づいて、ロボットシステムのコンピュータベースの制御システムは、例えば、永続的な磁気記憶ドライブ、ソリッドステートドライブなどの非一時的コンピュータ可読記憶媒体内に、コンピュータプログラム命令を記憶してもよく、コンピュータプログラム命令は、実行されると、システムに、センサデータ及びユーザコマンドを受信及び分析させ、システム全体の制御信号を生成させ、グローバル座標系内の器具の位置、解剖学的マップなどのナビゲーション及び位置特定データを表示させる。
【００７１】
２．センサに基づくナビゲーション概論
本開示の実施形態は、器具の位置の表示を表示する際に導入される待ち時間の影響を低減させることを含む、器具のセンサに基づくナビゲーションを改善するためのシステム及び技術に関する。例えば、受信したユーザコマンドに基づいて器具の位置を制御するように構成された外科用ロボットシステムでは、ユーザ入力デバイスによってユーザコマンド（複数可）が受信された時間と、ディスプレイを介した器具の移動の表示との間に、一定量の待ち時間が存在し得る。待ち時間が閾値待ち時間値よりも長い場合、待ち時間はユーザに知覚可能であり得、ユーザエクスペリエンスの低下につながり得る。例えば、より短い待ち時間は、より長い待ち時間を有するシステムよりも、ユーザに対して「応答性」の高いシステムとして知覚され得る。
【００７２】
器具が管腔網に挿入されるときに、ユーザは、器具の遠位端の移動を直接観察することができないので、ユーザは、器具の移動の表示として器具の位置の表示に頼り得る。ユーザコマンドと、器具の位置の対応する変化の表示との間の待ち時間（又は遅延）が大きすぎる場合は、遅延の少なくとも一部分が、器具の位置を決定するために必要とされる検出及び処理に起因し得る場合であっても、ユーザは、待ち時間を器具の移動の遅れと解釈し得る。
【００７３】
したがって、ユーザコマンドに対するシステムの知覚される応答性を向上させることによる上述の待ち時間の任意の減少は、ユーザエクスペリエンスの向上に関連し得る。特定の実施形態では、待ち時間を、約３００ｍｓの閾値待ち時間未満に制限することが望ましい場合がある。
【００７４】
下でより詳細に論じるように、全体の待ち時間に寄与する複数の源又は原因が存在し得る。実施形態に応じて、待ち時間の達成可能な低減に対する実際的な限度が存在し得る。例えば、待ち時間の１つの源は、複数のデータ源（例えば、位置センサデータ、ロボットデータ、モデルデータ、など）に基づいて器具の位置を決定するための計算要件であり得る。したがって、本開示の態様は、器具の位置を推定すること、及びデータソースから受信したデータに基づいて器具の位置を決定する前に推定位置を表示することに関し得る。
【００７５】
Ａ．ＥＭナビゲーション案内気管支鏡
以下、器具の位置を推定及び表示するための技術を用い得る例示的なシステムを、ＥＭナビゲーション案内気管支鏡検査処置において経験することになる器具の位置の推定及び表示の実施形態に関して説明する。しかしながら、本開示の態様はまた、対応する位置センサ座標系内の位置データを生成することができる他の位置センサ、並びに他の医療種類の医療処置にも適用され得る。
【００７６】
図１６Ａは、開示される位置推定システム及び技術の１つ又は２つ以上の態様を実施する例示的な動作環境１００を示す。手術環境１００は、患者１０１と、患者１０１を支持するプラットフォーム１０２と、器具１１５の移動を案内する外科用又は医療用ロボットシステム１１０と、ロボットシステム１１０の動作を制御するためのコマンドセンター１０５と、ＥＭコントローラ１３５と、ＥＭ場発生器１２０と、ＥＭセンサ１２５、１３０と、を含む。図１６Ａはまた、図１６Ｂにより詳細に示される、患者１０１内の管腔網１４０の領域の輪郭も示す。
【００７７】
システム１１０は、患者１０１の管腔網１４０を通して器具１１５の移動を位置決め及び案内するための１つ又は２つ以上のロボットアームを含むことができる。コマンドセンター１０５は、位置データを受信するために及び／又はユーザからの制御信号を提供するために、ロボットシステム１１０に通信可能に結合することができる。本明細書で使用するとき、「通信可能に結合する」は、無線ワイドエリアネットワーク（wireless wide area network、ＷＷＡＮ）（例えば、１つ又は２つ以上のセルラーネットワーク）、無線ローカルエリアネットワーク（wireless local area network、ＷＬＡＮ）（例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１（Ｗｉ−Ｆｉ）などの１つ又は２つ以上の規格用に構成される）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、データ転送ケーブル、及び／又は同類のものが挙げられるが、これらに限定されない、任意の有線及び／又は無線データ転送媒体を指す。医療用ロボットシステム１１０は、図１〜１５に関して上述したシステムのいずれかであり得る。
【００７８】
器具１１５は、患者の解剖学的構造内に挿入して解剖学的構造（例えば、体組織）の画像をキャプチャし、ターゲット組織部位に他の医療器具を挿入するための作業チャネルを提供する、管状で可撓性の外科用器具であり得る。上述したように、器具１１５は、処置特有の内視鏡、例えば、気管支鏡、胃鏡、若しくは尿管鏡であり得るか、又は腹腔鏡若しくは血管操縦可能なカテーテルであり得る。器具１１５は、その遠位端に１つ又は２つ以上の撮像デバイス（例えば、カメラ又は他の種類の光学センサ）を含むことができる。撮像デバイスは、光ファイバ、ファイバアレイ、感光性基板、及び／又はレンズ（複数可）などの、１つ又は２つ以上の光学構成要素を含み得る。光学構成要素は、器具１１５の先端部と共に移動するため、器具１１５の先端部が移動すると、撮像デバイスによってキャプチャされる画像の視野に、対応する変化がもたらされる。器具１１５の遠位端には、管腔網１４０の周りに生成されたＥＭ場内の遠位端の位置を追跡するための１つ又は２つ以上のＥＭセンサ１２５が設けられ得る。
【００７９】
ＥＭコントローラ１３５は、ＥＭ場発生器１２０を制御して、様々なＥＭ場を生成することができる。ＥＭ場は、実施形態によって、時間的に変動し得、及び／又は空間的に変動し得る。いくつかの実施形態では、ＥＭ場発生器１２０は、ＥＭ場発生ボードであり得る。開示されるシステムのいくつかの実施形態は、患者と患者１０１を支持するプラットフォーム１０２との間に位置付けられたＥＭ場発生器ボードを使用することができ、ＥＭ場発生器ボードは、その下に配置された導電材料又は磁気材料によって生じる任意の追跡歪みを最小にする薄いバリアを組み込むことができる。他の実施形態では、ＥＭ場発生器ボードは、例えばロボットシステム１１０に示されるものに類似する、ロボットアーム上に装着することができ、これは、患者の周りの柔軟なセットアップオプションを提供することができる。
【００８０】
図１６Ｂは、図１６Ａの手術環境１００内でナビゲートすることができる例示的な管腔網１４０を示す。管腔網１４０は、患者１０１の気道１５０の分岐構造と、主竜骨１５６（典型的には、気管支検鏡法ナビゲーション中に遭遇する第１の分岐）につながる気管１５４と、診断及び／又は処置ために本明細書で説明するようアクセスすることができる小結節（又は病変）１５５と、を含む。例示されるように、小結節１５５は、気道１５０の末端部に位置する。器具１１５は、第１の直径を有するシース１４１を備えることができ、したがって、シース１４１の遠位端は、小結節１５５の周りのより小さい直径の気道を通して位置付けることができない。したがって、スコープ１４５は、器具１１５の作業チャネルから、小結節１５５までの残りの距離全体にわたって延在する。スコープ１４５は、器具、例えば生検針、細胞ブラシ、及び／又は組織サンプリング鉗子を小結節１５５のターゲット組織部位まで通すことができる管腔を有することができる。そのような実施形態では、シース１４１の遠位端及びスコープ１４５の遠位端のどちらにも、気道１５０内のそれらのそれぞれの位置を追跡するためのＥＭセンサが設けられ得る。
【００８１】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載される３Ｄ管腔網モデルの２Ｄ表示、又は３Ｄモデルの断面は、図１６Ｂに類似し得る。推定位置情報は、そのような表現の上へ重ね合わせることができる。特定の実施形態では、推定位置は、図１７に示されるコマンドコンソール２００などのコマンドコンソールの表示の上に表示され得る。
【００８２】
図１７は、例えば例示的な手術環境１００においてコマンドコンソール１０５として使用することができる、例示的なコマンドコンソール２００を示す。コマンドコンソール２００は、コンソール基部２０１と、１つ又は２つ以上のディスプレイ２０２（例えば、モニタ）と、１つ又は２つ以上の制御モジュール（例えば、キーボード２０３及びジョイスティック２０４）と、を含み得る。いくつかの実施形態では、コマンドモジュール２００の機能のうちの１つ又は２つ以上は、ロボットシステム１１０の基部１８０、又は外科用ロボットシステム１１０に通信可能に結合された別のシステムに統合され得る。ユーザ２０５、例えば、医師は、コマンドコンソール２００を使用して、人間工学的位置からロボットシステム１１０を遠隔制御する。
【００８３】
コンソール基部２０１は、例えば図１６Ａ及び１６Ｂに示される器具１１５からの、カメラ画像データ及び追跡センサデータなどの信号の解釈及び処理に関与する、中央処理ユニット、メモリユニット、データバス、及び関連するデータ通信ポートを含み得る。いくつかの実施形態では、コンソール基部２０１及び基部１８０はどちらも、負荷平衡化のための信号処理を実行する。コンソール基部２０１はまた、ユーザ２０５によって制御モジュール２０３及び２０４を通じて提供されるコマンド及び命令を処理してもよい。図１７に示されるキーボード２０３及びジョイスティック２０４に加えて、制御モジュールは、他のデバイス、例えば、コンピュータマウス、トラックパッド、トラックボール、制御パッド、ハンドヘルドリモートコントローラなどのコントローラ、並びにハンドジェスチャ及び指ジェスチャをキャプチャするセンサ（例えば、モーションセンサ又はカメラ）を含み得る。コントローラは、器具の動作（例えば、関節運動、駆動、灌水、など）をマッピングする、又はそれにリンクされた、一組のユーザ入力（例えば、ボタン、ジョイスティック、方向パッド、など）を含むことができる。
【００８４】
ディスプレイ２０２としては、電子モニタ（例えば、液晶ディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、タッチセンシティブディスプレイ）、仮想現実視覚デバイス、例えばゴーグル若しくは眼鏡、及び／又は他のディスプレイデバイスが挙げられ得る。いくつかの実施形態では、ディスプレイモジュール２０２は、例えば、タッチスクリーンを有するタブレットデバイスとして、制御モジュールに統合される。いくつかの実施形態では、ディスプレイ２０２のうちの一方は、患者の管腔網及び仮想ナビゲーション情報（例えば、ＥＭセンサの位置に基づくモデル内の内視鏡の端部の仮想表現）の３Ｄモデルを表示することができ、一方で、ディスプレイ２０２のうちの他方は、器具１１５の端部のカメラ又は別の感知デバイスから受信した画像情報を表示することができる。いくつかの実装形態では、ユーザ２０５は、統合されたディスプレイ２０２及び制御モジュールを使用して、データを見ることと、システム１１０へのコマンド入力の両方を行うことができる。ディスプレイ２０２は、立体デバイス、例えばバイザ又はゴーグルを使用して、３Ｄ画像の２Ｄレンダリング及び／又は３Ｄ画像を表示することができる。３Ｄ画像は、患者の解剖学的構造を示すコンピュータ３Ｄモデルである「エンドビュー」（すなわち、内視鏡ビュー）を提供する。「エンドビュー」は、患者の内部の仮想環境、及び患者の内部における器具１１５の予想される位置を提供する。ユーザ２０５は、「エンドビュー」モデルを、カメラによってキャプチャされた実際の画像と比較して、器具１１５が患者の体内の正しい（又は概ね正しい）位置にあるように、頭の中において方向付けし確認する助けとする。「エンドビュー」は、器具１１５の遠位端の周りの解剖学的構造、例えば患者の腸又は結腸の形状に関する情報を提供する。ディスプレイモジュール２０２は、器具１１５の遠位端の周りの解剖学的構造の３Ｄモデル及びＣＴスキャンを同時に表示することができる。更に、ディスプレイモジュール２０２は、器具１１５の既に決定したナビゲーション経路を、３Ｄモデル及びＣＴスキャン画像に重ね合わせることができる。
【００８５】
いくつかの実施形態では、器具１１５のモデルが３Ｄモデルと共に表示され、外科処置の状態を示す助けとなる。例えば、ＣＴスキャン画像により、生検が必要であり得る解剖学的構造にある病変が特定される。動作中、ディスプレイモジュール２０２は、器具１１５の現在の位置に対応する、器具１１５によってキャプチャされた基準画像を示すことができる。ディスプレイモジュール２０２は、ユーザ設定及び特定の外科処置に応じて、器具１１５のモデルの異なるビューを自動的に表示することができる。例えば、ディスプレイモジュール２０２は、器具１１５が患者の手術領域に接近する際のナビゲーション工程中には、器具１１５の頭上からのＸ線透視図を示す。
【００８６】
Ｂ．推定した器具位置の表示
図１８は、本開示の態様による、医療処置中に表示することができる例示的な画像の図を示す。示される実施例では、患者の管腔網のモデル３００は、器具３１０の以前の位置を示す経路３０５と共に表示される。器具３１０の現在の位置もまた、モデル３００に重ね合わせられて、器具３１０の現在の位置に関するフィードバックをシステムのユーザに提供する。任意の好適なシンボル又はアイコン（グラフィカル及び／又はテクスチャ）を使用して、器具３１０の１つ又は２つ以上の位置を示すことができる。図１８の実施例では、三角形シンボルを使用して、器具３１０の現在の位置を示す。シンボルは、随意に、器具３１０の位置を指定するために使用されるシンボルの形状に応じて、器具の方向及び／又は方向を示すことができる。
【００８７】
上述したように、器具３１０の現在の位置の決定は、待ち時間の１つ又は２つ以上の源に影響を受け得る。本明細書で使用するとき、全体的な待ち時間は、一般に、ユーザ入力デバイスを介して受信したユーザコマンドと、１つ又は２つ以上の位置センサから受信されているセンサデータの確認に基づくなどの、器具３１０の位置の状態更新との間の期間を指し得る。
【００８８】
図１９は、本開示の態様による、ユーザコマンドに基づいて器具の位置を決定するための例示的な技術を示すフローチャートを示す。方法４００は、本開示の態様による、器具の位置を決定及び表示するための、外科用ロボットシステム又はその構成要素によって動作可能であり得る。例えば、図１９に示される方法４００の工程は、外科用ロボットシステムの１つ又は２つ以上のプロセッサによって実行され得る。便宜上、方法４００は、システムのプロセッサによって実行されるものとして記載される。
【００８９】
本方法は、ブロック４０１において開始する。ブロック４０５で、プロセッサは、器具を移動させるためのユーザコマンドを受信する。ユーザコマンドは、例えば、コンピュータマウス、トラックパッド、トラックボール、制御パッド、ハンドヘルドリモートコントローラなどのコントローラ、並びにハンドジェスチャ及び指ジェスチャをキャプチャするセンサ（例えば、モーションセンサ又はカメラ）が挙げられ得るユーザ入力デバイスを介して受信され得る。コントローラは、器具の動作（例えば、関節運動、駆動することなど）にマッピングされた一組のユーザ入力（例えば、ボタン、ジョイスティック、方向パッド、など）を含むことができる。ブロック４１０で、プロセッサは、受信したユーザコマンドに基づいて、器具の移動を制御するためのコマンド（複数可）を生成する。生成されるコマンド（複数可）としては、ロボットアームの移動を制御するように構成されたロボットコントローラに提供されるコマンド（複数可）、器具の関節運動を制御するように構成された器具コントローラに提供されるコマンド（複数可）、などが挙げられ得る。ロボットコントローラ及び器具関節運動コマンドはまた、器具の位置を決定するための及び／又は器具の移動を予測するための入力として使用されるナビゲーションアルゴリズムにも提供され得る。
【００９０】
ブロック４１５で、プロセッサは、器具４１５の位置を決定する。具体的には、プロセッサは、例えば、ブロック４１０で生成されたコマンド、１つ又は２つ以上の位置センサから受信した位置データ、などを含む、いくつかの源から受信したデータを使用して、器具の遠位端の位置を決定することができる。特定の実施形態では、プロセッサは、複数の源から受信した器具の遠位端の位置を示す情報を組み合わせて器具の位置を決定する、「融合」アルゴリズムを用いることができる。融合アルゴリズムの１つの例は、図１５に示す位置特定システム９０である。ブロック４２０で、プロセッサは、決定した器具の位置の表示をディスプレイに表示することができる。方法は、ブロック４２５において終了する。
【００９１】
ブロック４０５〜４２０の各々は、ブロック４０５でユーザコマンドを受信した時間と、ブロック４２０で器具の位置を表示した時間との間の総待ち時間に関与する、一定量の遅延を伴い得る。例えば、ブロック４０５は、コマンド待ち時間（例えば、ユーザによるジョイスティックの移動のために必要とされる時間、プロセッサがユーザコマンドを受信して処理するために必要とされる時間、など）を含み得るか、又はさもなければコマンド待ち時間に関連し得る。ブロック４１０は、ユーザコマンド（複数可）に基づいた器具コマンド（複数可）を生成することに起因する、処理遅延を有し得る。ブロック４１５は、例えば、ロボット運動待ち時間（例えば、ロボットアーム（複数可）による命令された移動を作動させるための時間の量）、可撓性器具のヒステリシス（例えば、制御ワイヤに印加された力を、器具の遠位端における命令された移動に変換するために必要とされる一定量の時間をもたらす器具の物理的特性）、センサ待ち時間、アルゴリズム処理遅延、センサデータの時間窓フィルタリング、などを含む、いくつかの待ち時間源を含み得る。
【００９２】
センサ待ち時間は、位置データを生成するために使用される特定のセンサに依存し得る。例えば、ＥＭベースの位置センサは、ＥＭ場を測定し、測定したＥＭデータを処理してＥＭ場内のＥＭセンサの位置を決定することに関連する、関連取得遅延を有し得る。視覚ベースの位置センサは、器具の遠位端に又はその近くに位置付けられた１つ又は２つ以上のカメラを介して管腔網の画像をキャプチャし、キャプチャした画像を処理して、管腔網の形状に対応する特徴を確認することに関連する遅延を有し得る。特定の種類の位置センサもまた、患者の呼吸を補償するために、呼吸に関連する周波数をフィルタリングする、データに適用される時間窓フィルタを有し得る。したがって、システムで使用される位置センサの種類に基づいて、器具の遠位端の位置を示すデータを生成するために必要とされる一定量の待ち時間が存在する。
【００９３】
ブロック４２０は、ディスプレイに画像を送信して、画像を表示することに関連する待ち時間を含み得る。いくつかのシステムでは、ブロック４０５、４１０、及び４２０に関連する待ち時間は、比較的短くなり得る（例えば、１０ｍｓ未満）。したがって、これらのブロックは、方法４００に著しい待ち時間を導入し得ない。しかしながら、ブロック４１５は、ユーザコマンドに対するシステムの知覚される応答性に影響を及ぼし得る、比較的大きい程度の待ち時間を導入し得る。特定の実施形態では、位置センサ待ち時間及び器具位置特定アルゴリズム待ち時間は、待ち時間をそれよりも短くすることが実現困難な下限を有し得る。例えば、ＥＭセンサは、約２５ｍｓでジッタを伴う約１１０ｍｓの入力待ち時間を有し得る。したがって、ロボットアームコントローラに提供される特定の移動コマンドと、ＥＭセンサデータに基づいて検出される対応するＥＭセンサイベントとの間の時間は、１３５ｍｓ程度の長さになり得る。
【００９４】
更に、プロセッサは、生の位置センサデータ及び呼吸データをフィルタリングする、複数の位置センサレベルのフィルタリングアルゴリズムを適用し得る。これらのフィルタリングアルゴリズムは、位置センサデータのフィルタリングに対して約１２５ｍｓ、及び呼吸のフィルタリングに対して５００ｍｓ超の追加の待ち時間を加え得る。下限が、呼吸の周波数に基づく呼吸フィルタリングにより導入される待ち時間には、下限が存在し得る。すなわち、患者の呼吸は０．２Ｈｚ程度であり得るので、呼吸をフィルタリングすることにより導入される待ち時間は、位置特定データから呼吸を十分にフィルタリングするためのフィルタリングに関しては、少なくとも５００ｍｓであり得る。フィルタリングアルゴリズムに関連する追加的な処理遅延（複数可）及びジッタは、約１０〜２０ｍｓ程度の遅延を導入し得る。
【００９５】
カメラベースの位置センサの場合、特定の実施形態に関する推定待ち時間及びジッタは、約１５０ｍｓであり得、約３３〜５０ｍｓの平均処理遅延を伴う。位置センサ源の各々からのデータを使用するために、融合ナビゲーションアルゴリズムは、データ源の各々のセンサデータの処理の準備ができるまで（例えば、最も長い遅延を有する位置センサに関連する遅延が経過するまで）待機し得る。すなわち、融合位置特定アルゴリズムは、特定の時間に生成されたイベントに対応する複数の源から受信したデータを比較することができ、したがって測定の特定の時間における器具の位置を決定する前に、測定時間のデータがデータ源の各々から入手可能になるまで待機し得る。位置センサに関連する処理遅延及び器具の位置の決定を考慮すると、ユーザコマンドの受信と器具の位置の表示との間の総待ち時間は、閾値待ち時間よりも長くなり得る。特定の実施形態では、閾値待ち時間は、約３００ｍｓであり得、これは、システムの知覚される応答性のための許容可能な量の待ち時間に基づき得る。他の実施形態では、閾値待ち時間の他の値は、システムの許容可能な応答性に応じて選択することができる。特定の実施形態では、閾値待ち時間は、ユーザごとに定義することができ、ユーザが、システムの所望の応答性を選択することを可能にする。
【００９６】
器具の位置の表示の知覚待ち時間を低減させるための１つの技術は、器具の位置を推定し、推定位置を表示することを含み得る。器具の位置の推定が、（例えば、ブロック４１５を介して）器具の位置を決定する待ち時間よりも少ない処理遅延を必要とする場合、システムの知覚待ち時間を低減させることができる。
【００９７】
図２０は、本開示の態様による、器具の位置を推定及び表示するための、ロボットシステム又はその構成要素（複数可）によって動作可能な例示的な方法を示すフローチャートである。例えば、図２１に示される方法５００の工程は、外科用ロボットシステムのプロセッサによって実行され得る。便宜上、方法５００は、システムのプロセッサによって実行されるものとして記載される。
【００９８】
方法５００は、ブロック５０１において開始する。ブロック５０５で、プロセッサは、器具の一組の１つ又は２つ以上の位置センサによって生成された第１の位置データに基づいて、器具の第１の位置を決定する。第１の位置データは、第１の期間に対応し得る。したがって、プロセッサは、例えば図１５の位置特定システム９０を使用して、第１の位置データに基づいて、第１の期間中の器具の第１の位置を決定することができる。第１の期間後に、ブロック５１０で、プロセッサは、第２の期間中に器具を移動させるためのユーザコマンドを受信する。第２の期間は、期間後に生じる期間であり得る。ブロック５１５で、プロセッサは、（ブロック５０５で決定した）第１の位置及び受信したユーザコマンドに基づいて、器具の第２の位置を推定する。推定した第２の位置は、第２の期間に対応する。
【００９９】
特定の実施形態では、プロセッサは、第１の期間における器具の位置及びユーザコマンドに基づいて、第２の期間中の器具の位置を推定することができる。例えば、器具は、第１の期間中に管腔網の管腔内に配置され得、ユーザコマンドは、器具を特定の距離だけ前進させるためのコマンドを含み得る。したがって、プロセッサは、ユーザコマンドによって第１の期間から指定された距離だけ管腔網に沿って前進させたときの、第２の期間における器具の位置を推定することができる。管腔網が分岐している場合、プロセッサはまた、器具の方向（例えば、器具の指示方向）、管腔網の形状及び方向、器具の現在の関節運動、などの追加的なデータを使用して、第２の期間中の器具の位置を推定することもできる。プロセッサは、管腔網のどの分岐に器具が進入する可能性が最も高いのかを予測し、その予測に基づいて器具の位置を推定するように構成することができる。
【０１００】
したがって、プロセッサは、第１の位置及び受信したユーザコマンドに基づいて、器具の第２の位置を推定することができ、推定した第２の位置は、第２の期間に対応する。ブロック５２０で、プロセッサは、一組の位置センサによって生成された第２の位置データに基づいて、推定した第２の位置を確認する。第２の位置データは、第２の期間に対応することができ、第２の期間中に１つ又は２つ以上の位置センサによって生成され得る。ブロック５２５で、プロセッサは、推定した第２の位置の確認前に、推定した第２の位置を表示させる。本明細書で使用するとき、確認は、システムが、その期間中に得られた位置データに基づいて、所与の時間の器具の位置を決定することが可能であるときに生じる。いくつかの実施形態では、推定位置が確認前に表示される場合、ユーザコマンドの受信と推定位置の表示との間の総待ち時間が、ユーザコマンドの受信と第２の位置データに基づく推定の確認との間の時間の量よりも短くなり得、それによって、システムの知覚される応答性が低減することを理解されたい。図２０に示される方法５００は、ブロック５３０において終了する。
【０１０１】
図２１は、本開示の態様による、医療処置中に表示され得る例示的な画像の別の図を示す。一実施形態では、図２１に示される図は、図２０に示される方法５００を実行しているプロセッサに基づいて表示され得る。図２１に示される実施例では、患者の管腔網のモデル６００は、器具の以前の位置を示す経路（又は痕跡）６０５と共に表示される。最初に器具の第１の位置６１０を表示することができ、第２の時間において、器具の推定した第２の位置６１５を表示することができる。図２１に示すように、第１の位置６１０（正方形で示す）及び推定した第２の位置６１５（星印で示す）は、経路６０５に沿った異なる位置に位置付けられる。ここで示される第１の位置６１０及び第２の位置６１５の描写は、単に、位置がどのようにユーザに対して描写され得るのかを示しており、他の実施形態は、正方形及び星印以外の任意の好適な表現を使用してもよいことを理解されたい。
【０１０２】
図２１の実施例では、位置センサから受信したデータを使用して第１の位置６１０を決定する際のシステムの待ち時間のため、プロセッサが、第１の位置６１０に対応する期間中に位置センサから受信したデータに基づいて、第１の位置６１０において器具の位置を確認することが可能になる前に、器具が第２の位置６１５まで前進し得る。したがって、プロセッサは、決定した第１の位置６１０及びユーザコマンドデータに基づいて、第２の期間において推定した第２の位置６１５を表示することができる。ここで、第１の期間と第２の期間との差は、第２の位置推定の確認のための処理期間に基づき得る。すなわち、ユーザコマンドの受信の閾値待ち時間の範囲内で、器具の推定した第２の位置６１５を表示するために、第１の位置６１０と関連付けられた第１の期間と、推定した第２の位置６１５と関連付けられた第２の期間との差は、位置センサデータに基づいて器具の位置を決定する際に関与する総待ち時間と同程度であり得る。
【０１０３】
特定の実施形態では、第２の位置を推定することは、第１の処理遅延を有し、推定した第２の位置を確認することは、第２の処理遅延を有する。第２の位置を推定するために使用する技術は、大量の待ち時間を含まない（例えば、位置センサデータを必要としない）データに基づき得るので、第１の処理遅延は、第２の処理遅延未満であり得る。例えば、第２の位置の推定は、第１の位置データ及びロボット挿入データに基づくことができ、ロボット挿入データは、受信したユーザコマンドから決定することができる。ロボットデータの生成に関連する遅延（例えば、図４のブロック４１０に関連する待ち時間）が比較的少ないので、推定は、システムの許容可能な量の知覚される応答性に関連する閾値待ち時間未満である待ち時間で表示することができる。
【０１０４】
システムはまた、状態推定及び器具の位置の状態確認のための十分なデータが記憶されることを確実にするために、データのバッファも記憶することができる。図２２は、本開示の態様による、そのようなシステムの一実施例を示すブロック図を描写する。論理的にブロックに分けられているが、システム７００の様々なブロックの機能は、本開示を逸脱しない範囲で、組み合わせること、及び／又は共に実施され得る。
【０１０５】
図２２に示すように、位置センサデータ７０５及びロボットデータ７１０は、データバッファ７１５に提供することができ、ロボットデータ７１０は、データが生成されたときに、状態推定器又は状態推定ブロック７２０に提供することができる。実施形態に応じて、ロボットデータ７１０は、対応する期間中にユーザから受信したユーザコマンドに基づいて決定される、挿入量、ロール量、及び／又は関節運動量などの、命令されたデータを含み得る。示していないが、示される位置センサデータ７０５及びロボットデータ７１０以外の追加データが、状態推定ブロック７２０及び／又は状態確認器若しくは状態確認ブロック７２５によって使用される実施形態では、追加データはまた、データバッファ７１５及び／又は状態推定ブロック７２０にも供給され得る。状態推定ブロック７２０はまた、状態確認ブロック７２５から確認された状態データも受信する。特定の実施形態では、状態推定ブロック７２０によって推定されるか、又はブロック７２５によって確認されたときの器具の状態は、モデルに対する器具の位置及び方向を示す情報を含み得る。例えば、各状態は、管腔網のモデルのセグメントの識別情報、セグメントに沿った挿入距離、及び／又は器具の遠位端の方向を含み得る。
【０１０６】
一実施形態では、データバッファ７１５、状態推定ブロック７２０、及び状態確認ブロック７２５の各々は、対応する機能をプロセッサに実行させるコンピュータ実行可能命令に基づいて、プロセッサによって実施することができる。別の実施形態では、データバッファ７１５、状態推定ブロック７２０、及び状態確認ブロック７２５は、本明細書で説明する対応する機能を提供するように構成された専用ハードウェアによって実行することができる。代替的に、又は加えて、データバッファ７１５は、メモリ、レジスタ、及び／又は他の一時的又は非一時的記憶媒体によって実施することができる。
【０１０７】
状態推定ブロック７２０で、プロセッサは、状態確認ブロック７２５から過去に受信した時点での器具の位置の正確な決定に基づいて、器具の位置を推定することができる。状態確認ブロック７２５は、プロセッサが、バッファデータの融合を介して（例えば、図１５の位置特定システム９０を介して）器具の状態を決定することと、決定された状態が状態推定ブロック７２０から受信した以前の状態推定と一致するかどうかを確認することと、を含むことができる。
【０１０８】
特定の実施形態では、システムはまた、図２２において予測状態データ７３０として示されている、器具の位置の一組の予測状態も維持することができる。予測状態の各々は、対応する確率と関連付けることができる。したがって、状態推定ブロック７２０で、プロセッサは、対応する期間の最高確率を有する予測状態データ７３０から受信した予測状態に基づいて、器具の位置を推定することができる。すなわち、最高確率を有する予測状態は、期間中に器具がそれに沿って前進した管腔網のモデルの最も可能性の高いセグメントであると決定され得る。したがって、ロボットデータ（例えば、ユーザコマンドに基づく）が現在のセグメントから子セグメントへと前進している器具と一致する場合、プロセッサは、対応する期間中に器具が前進したセグメントとして最高確率を有する予測状態に依存し得る。
【０１０９】
いくつかの実施形態では、データバッファ７１５に記憶したロボットデータ７１０は、所与の時間にわたって確認した場所が推定位置と異なる場合に推定位置の再構成を可能にする情報を有する時系列として記憶され得る。データバッファ７１５は、例えば、所与の時間にわたる挿入量などの、時間及び命令されたデータの量を記憶することができる。時間Ｔｎにわたる推定位置が時間Ｔｎにわたる確認場所と異なるときに、システムは、時間Ｔｎにわたる新しく確認した場所に基づいて、時間Ｔｎに続く時間にわたる（例えば、時間Ｔｎ＋１〜Ｔｃ、ここで、時間Ｔｃは、現在の時刻である）予測状態を更新することができ、次いで、上記の実施例の挿入量及び更新した予測状態を使用して、時間Ｔｎの後の時間にわたる推定位置を再構成することができる。
【０１１０】
いくつかの実装形態では、プロセッサは、予測状態の確率が閾値確率未満であることに応じて、器具の移動速度を調整するように構成することができる。例えば、最高確率を有する予測状態の確率が閾値確率未満であるときに、システムは、器具の推定位置に対して高い信頼性を有し得ない。したがって、表示された器具の推定位置は、正確ではない場合があり、したがって、器具の位置に関して、誤解を招くフィードバックをユーザに提供し得る。この場合、プロセッサは、位置センサデータを使用して器具の位置が確認される前に器具を現在の位置からはるかに離れて駆動させることができないように、器具の移動速度を制限することができる。したがって、表示された推定位置が誤っている場合、ユーザは、より少ない距離だけ器具を後退させて、誤った経路に沿った器具の潜在的な駆動を修正する。
【０１１１】
特定の実施形態では、推定した第２の推定位置の確認は、プロセッサが、位置センサから受信した第２の位置データに基づいて決定される第２の位置と、推定した第２の位置とを比較することを含むことができる。プロセッサは、第２の位置が推定した第２の位置と異なることに応じて、第２の位置をメモリに記憶することができる。すなわち、プロセッサは、位置センサデータに基づいて決定されるような第２の期間中の器具の位置を反映するように、医療処置中の器具の位置を示す履歴を更新することができる。
【０１１２】
プロセッサはまた、推定した第２の位置に基づいて、器具の第３の位置を推定することもでき、推定した第３の位置は、第２の期間後の第３の期間に対応する。すなわち、システムが、受信したユーザコマンドに基づいて、第２の位置から第３の位置まで器具を移動させ続けると、プロセッサは、表示された推定位置を第３の位置に更新することができる。一実施例では、ユーザコマンドは、器具を前進させるためのコマンドを含むことができ、したがって、推定した第３の位置は、器具を、管腔網の現在のセグメントに沿って、推定した第２の位置からユーザコマンドに対応する距離だけ前進させることに対応し得る。
【０１１３】
しかしながら、第２の推定位置が誤って推定された場合、推定した第３の位置もまた誤っている場合がある。したがって、プロセッサは、第２の位置が、推定した第２の位置と異なることに応じて、位置データに基づいて決定される第２の位置に基づいて、推定した第３の位置を更新することができる。例えば、位置センサから受信したデータに基づいて決定した第２の位置が、推定した第２の位置から異なる管腔網のセグメントに沿って配置される場合、プロセッサは、新しく決定した第２の位置及びユーザコマンドを使用して、推定した第３の位置を更新することができる。
【０１１４】
図１９の方法４００に関連して上述した実施例は、ユーザコマンドを受信することと、１つ又は２つ以上のロボットアームを介して器具の移動を制御するためのコマンドを生成することと、を含むが、本開示は、必ずしもこれらに限定されない。例えば、特定の実施形態では、器具は、ロボットアームを使用することなく、ユーザによって直接制御することができる。これらの実施形態では、システムは、器具の遠位端の位置を示すデータを生成するように構成された１つ又は２つ以上の位置センサを含むことができる。システムは、位置センサによって生成されたデータに基づいて、器具の遠位端の位置を表示するように構成された表示を更に含むことができる。上述したように、器具の遠位端の位置の決定は、ユーザによる器具の移動と器具の位置の表示との間の待ち時間に関与し得る、処理遅延を伴い得る。待ち時間は、部分的に、位置センサの待ち時間、及び位置センサデータに基づいて器具の位置を決定するために必要とされる処理遅延に起因し得る。
【０１１５】
プロセッサは、上述した技術うちの１つ又は２つ以上を使用して、器具の位置の表示の知覚待ち時間を低減させるように構成することができる。例えば、プロセッサは、位置センサデータを使用して器具の直近に決定した位置に基づいて、器具の遠位端の位置を推定するように構成することができる。プロセッサはまた、器具の位置を推定するために器具の移動を示すことができるデータの１つ又は２つ以上の源を組み込むように構成することもできる。例えば、プロセッサは、器具が挿入されている速度を決定し、したがって、器具の以前に決定した位置及び器具の速度に基づいて器具の位置を推定するように構成することができる。プロセッサはまた、器具の遠位端の移動と比例し得るユーザの腕の運動を追跡するように構成することもできる。したがって、ユーザの腕の位置の変化に基づいて、プロセッサは、以前に決定した器具の位置からの器具の位置の変化を推定することが可能であり得る。特定の実施形態では、システムは、ユーザの腕の位置を追跡するための１つ又は２つ以上の追加のセンサを含むことができる。センサとしては、例えば、カメラ、埋め込みセンサを有するグローブ、器具の制御機構に統合されたセンサ、などが挙げられ得る。
【０１１６】
３．システムの実施及び用語
本明細書に開示される実施形態は、器具の推定位置を表示するためのシステム、方法、及び装置を提供する。
【０１１７】
本明細書で使用するとき、用語「結合する」、「結合している」、「結合された」、又は単語結合の他の変形は、間接的接続又は直接的接続のいずれかを示し得ることに留意されたい。例えば、第１の構成要素が第２の構成要素に「結合される」場合、第１の構成要素は、別の構成要素を介して第２の構成要素に間接的に接続されるか、又は第２の構成要素に直接的に接続されてもよい。
【０１１８】
本明細書に記載する機能は、プロセッサ可読媒体又はコンピュータ可読媒体上の１つ又は２つ以上の命令として記憶されてもよい。用語「コンピュータ可読媒体」は、コンピュータ又はプロセッサによってアクセスすることができる任意の利用可能な媒体を指す。一例として、限定するものではないが、このような媒体は、ランダムアクセスメモリ（random access memory、ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（read-only memory、ＲＯＭ）、電気的消去可能プログラム可能読み出し専用メモリ（electrically erasable programmable read-only memory、ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、コンパクトディスク読み出し専用メモリ（compact disc read-only memory、ＣＤ−ＲＯＭ）、又は他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置若しくは他の磁気記憶デバイス、又は命令若しくはデータ構造の形態で所望のプログラムコードを記憶するために使用することができ、コンピュータによってアクセスすることができる任意の他の媒体を含んでもよい。コンピュータ可読媒体は、有形であり、非一時的であってもよいと留意されたい。本明細書で使用するとき、用語「コード」は、コンピューティングデバイス又はプロセッサによって実行可能であるソフトウェア、命令、コード、又はデータを指してもよい。
【０１１９】
本明細書に開示される方法は、記載される方法を達成するための１つ又は２つ以上の工程又は行為を含む。方法工程及び／又は行為は、特許請求の範囲から逸脱することなく互いに交換されてもよい。換言すれば、記載されている方法の適切な動作のために特定の順序の工程又は行為が必要とされない限り、請求項の範囲から逸脱することなく、特定の工程及び／又は行為の順序及び／又は使用を修正してもよい。
【０１２０】
本明細書で使用するとき、用語「複数」は、２つ又は３つ以上を示す。例えば、複数の構成要素は、２つ又は３つ以上の構成要素を示す。用語「判定する」は、多種多様な行為を包含し、したがって、「判定する」は、計算する、演算する、処理する、導出する、調査する、ルックアップする（例えば、テーブル、データベース又は別のデータ構造を見ること）、確認することなどを含むことができる。また、「判定する」は、（例えば、情報を受信すること）、アクセス（例えば、メモリ内のデータにアクセスすること）などを含むことができる。また、「判定する」は、解決する、選択する、選出する、確立するなどを含むことができる。
【０１２１】
語句「基づく」は、別途明示的に指定されない限り、「のみに基づく」ことを意味しない。換言すれば、語句「基づく」は、「のみに基づく」及び「少なくとも基づく」の両方を記載する。
【０１２２】
開示される実施形態の前述の説明は、任意の当業者が本発明を製造すること、又は使用することを可能にするために提供される。これらの実施態様に対する種々の修正は、当業者には容易に明らかになり、かつ、本明細書で規定される一般的な原理は、本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施態様に適用され得る。例えば、当業者であれば、締結、装着、結合、又は係合ツール構成要素の均等の方法、特定の作動運動を生み出すための均等の機構、及び電気エネルギーを送達するための均等の機構など、多くの対応する代替的かつ均等の構造的詳細を使用することができると理解されるであろう。したがって、本発明は、本明細書に示される実施形態に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示される原則及び新規な特徴と一致する最も広い範囲が与えられるものである。
【０１２３】
〔実施の態様〕
（１）  システムであって、
プロセッサと、
少なくとも１つのコンピュータ可読メモリであって、前記少なくとも１つのコンピュータ可読メモリは、前記プロセッサと通信し、前記少なくとも１つのコンピュータ可読メモリに記憶されたコンピュータ実行可能命令を有し、前記コンピュータ実行可能命令が、前記プロセッサに、
器具のための一組の１つ又は２つ以上の位置センサによって生成された第１の位置データに基づいて、前記器具の第１の位置を決定することであって、前記第１の位置データが第１の期間に対応する、決定することと、
前記第１の期間後に、第２の期間中に前記器具を移動させるためのユーザコマンドを受信することと、
前記第１の位置及び受信した前記ユーザコマンドに基づいて、前記器具の第２の位置を推定することであって、推定した前記第２の位置が前記第２の期間に対応する、推定することと、
前記一組の位置センサによって生成された第２の位置データに基づいて、前記推定した第２の位置を確認することであって、前記第２の位置データが前記第２の期間に対応する、確認することと、
前記推定した第２の位置の前記確認前に、前記推定した第２の位置を表示させることと、を行わせる、少なくとも１つのコンピュータ可読メモリと、を備える、システム。
（２）  前記第１の期間と前記第２の期間との差が、前記第２の位置推定の前記確認のための処理期間に基づく、実施態様１に記載のシステム。
（３）  前記第２の位置を前記推定することが、第１の処理遅延を有し、
前記推定した第２の位置を前記確認することが、第２の処理遅延を有し、
前記第１の処理遅延が、前記第２の処理遅延未満である、実施態様１に記載のシステム。
（４）  前記メモリが、前記メモリに記憶されたコンピュータ実行可能命令を更に有し、前記コンピュータ実行可能命令が、前記プロセッサに、
前記第１の期間にわたって前記器具の前記第１の位置を推定することと、
前記第１の位置データに基づいて、推定した前記第１の位置を確認して、前記第１の位置を決定することと、を行わせる、実施態様１に記載のシステム。
（５）  前記メモリが、前記メモリに記憶されたコンピュータ実行可能命令を更に有し、前記コンピュータ実行可能命令が、前記プロセッサに、
前記器具の予測位置の一組の予測状態を維持することであって、前記予測状態の各々が、対応する確率と関連付けられる、維持することと、
前記第２の期間の最高確率を有する前記予測状態に基づいて、前記第２の位置を推定することと、を行わせる、実施態様１に記載のシステム。
【０１２４】
（６）  前記メモリが、前記メモリに記憶されたコンピュータ実行可能命令を更に有し、前記コンピュータ実行可能命令が、前記プロセッサに、
前記予測状態の前記確率が閾値確率未満であることに応じて、前記器具の移動速度を調整することを行わせる、実施態様５に記載のシステム。
（７）  前記メモリが、前記メモリに記憶されたコンピュータ実行可能命令を更に有し、前記コンピュータ実行可能命令が、前記プロセッサに、
前記第２の期間中に、一組の前記位置センサから第２の位置データを受信することであって、前記推定した第２の位置を前記確認することが、前記第２の位置データに基づいて前記器具の前記第２の位置を決定することを含む、受信することと、
前記第２の位置データに基づいて前記第２の位置を決定する前に、前記推定した第２の位置を表示させることと、を行わせる、実施態様１に記載のシステム。
（８）  前記メモリが、前記メモリに記憶されたコンピュータ実行可能命令を更に有し、前記コンピュータ実行可能命令が、前記プロセッサに、
前記第２の位置と前記推定した第２の位置とを比較することと、
前記第２の位置が前記推定した第２の位置と異なることに応じて、前記第２の位置を前記メモリに記憶することと、を行わせる、実施態様７に記載のシステム。
（９）  前記メモリが、前記メモリに記憶されたコンピュータ実行可能命令を更に有し、前記コンピュータ実行可能命令が、前記プロセッサに、
前記推定した第２の位置に基づいて、前記器具の第３の位置を推定することであって、推定した前記第３の位置が、前記第２の期間後の第３の期間に対応する、推定することと、
前記第２の位置が、前記推定した第２の位置と異なることに応じて、前記第２の位置に基づいて、前記推定した第３の位置を更新することと、を行わせる、実施態様８に記載のシステム。
（１０）  前記一組の位置センサが、電磁（ＥＭ）センサ、形状検知ファイバ、及びカメラ、のうちの少なくとも１つを備える、実施態様１に記載のシステム。
【０１２５】
（１１）  非一時的コンピュータ可読記憶媒体であって、前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体は、前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令を有し、前記命令は、実行されたときに、少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、
器具のための一組の１つ又は２つ以上の位置センサによって生成された第１の位置データに基づいて、前記器具の第１の位置を決定することであって、前記第１の位置データが第１の期間に対応する、決定することと、
前記第１の期間後に、第２の期間中に前記器具を移動させるためのユーザコマンドを受信することと、
前記第１の位置及び受信した前記ユーザコマンドに基づいて、前記器具の第２の位置を推定することであって、推定した前記第２の位置が前記第２の期間に対応する、推定することと、
前記一組の位置センサによって生成された第２の位置データに基づいて、前記推定した第２の位置を確認することであって、前記第２の位置データが前記第２の期間に対応する、確認することと、
前記推定した第２の位置の前記確認前に、前記推定した第２の位置を表示させることと、を行わせる、非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
（１２）  前記第１の期間と前記第２の期間との差が、前記第２の位置推定の前記確認のための処理期間に基づく、実施態様１１に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
（１３）  前記第２の位置を前記推定することが、第１の処理遅延を有し、
前記推定した第２の位置を前記確認することが、第２の処理遅延を有し、
前記第１の処理遅延が、前記第２の処理遅延未満である、実施態様１１に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
（１４）  前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令を更に有し、前記命令は、実行されたときに、少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、
前記第１の期間にわたって前記器具の前記第１の位置を推定することと、
前記第１の位置データに基づいて、推定した前記第１の位置を確認して、前記第１の位置を決定することと、を行わせる、実施態様１１に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
（１５）  前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令を更に有し、前記命令は、実行されたときに、少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、
前記器具の予測位置の一組の予測状態を維持することであって、前記予測状態の各々が、対応する確率と関連付けられる、維持することと、
前記第２の期間の最高確率を有する前記予測状態に基づいて、前記第２の位置を推定することと、を行わせる、実施態様１１に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【０１２６】
（１６）  前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令を更に有し、前記命令は、実行されたときに、少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、
前記予測状態の前記確率が閾値確率未満であることに応じて、前記器具の移動速度を調整することを行わせる、実施態様１５に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
（１７）  前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令を更に有し、前記命令は、実行されたときに、少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、
前記第２の期間中に、一組の前記位置センサから第２の位置データを受信することであって、前記推定した第２の位置を前記確認することが、前記第２の位置データに基づいて前記器具の前記第２の位置を決定することを含む、受信することと、
前記第２の位置データに基づいて前記第２の位置を決定する前に、前記推定した第２の位置を表示させることと、を行わせる、実施態様１１に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
（１８）  前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令を更に有し、前記命令は、実行されたときに、少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、
前記第２の位置と前記推定した第２の位置とを比較することと、
前記第２の位置が前記推定した第２の位置と異なることに応じて、前記第２の位置を前記メモリに記憶することと、を行わせる、実施態様１７に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
（１９）  前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令を更に有し、前記命令は、実行されたときに、少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、
前記推定した第２の位置に基づいて、前記器具の第３の位置を推定することであって、推定した前記第３の位置が、前記第２の期間後の第３の期間に対応する、推定することと、
前記第２の位置が、前記推定した第２の位置と異なることに応じて、前記第２の位置に基づいて、前記推定した第３の位置を更新することと、を行わせる、実施態様１８に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
（２０）  前記一組の位置センサが、電磁（ＥＭ）センサ、形状検知ファイバ、及びカメラ、のうちの少なくとも１つを備える、実施態様１１に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【０１２７】
（２１）  器具の推定位置を表示する方法であって、
前記器具のための一組の１つ又は２つ以上の位置センサによって生成された第１の位置データに基づいて、前記器具の第１の位置を決定することであって、前記第１の位置データが第１の期間に対応する、決定することと、
前記第１の期間後に、第２の期間中に前記器具を移動させるためのユーザコマンドを受信することと、
前記第１の位置及び受信した前記ユーザコマンドに基づいて、前記器具の第２の位置を推定することであって、推定した前記第２の位置が前記第２の期間に対応する、推定することと、
前記一組の位置センサによって生成された第２の位置データに基づいて、前記推定した第２の位置を確認することであって、前記第２の位置データが前記第２の期間に対応する、確認することと、
前記推定した第２の位置の前記確認前に、前記推定した第２の位置を表示させることと、を含む、方法。
（２２）  前記第１の期間と前記第２の期間との差が、前記第２の位置推定の前記確認のための処理期間に基づく、実施態様２１に記載の方法。
（２３）  前記第２の位置を前記推定することが、第１の処理遅延を有し、
前記推定した第２の位置を前記確認することが、第２の処理遅延を有し、
前記第１の処理遅延が、前記第２の処理遅延未満である、実施態様２１に記載の方法。
（２４）  前記第１の期間にわたって前記器具の前記第１の位置を推定することと、
前記第１の位置データに基づいて、推定した前記第１の位置を確認して、前記第１の位置を決定することと、を更に含む、実施態様２１に記載の方法。
（２５）  前記器具の予測位置の一組の予測状態を維持することであって、前記予測状態の各々が、対応する確率と関連付けられる、維持することと、
前記第２の期間の最高確率を有する前記予測状態に基づいて、前記第２の位置を推定することと、を更に含む、実施態様２１に記載の方法。
【０１２８】
（２６）  前記予測状態の前記確率が閾値確率未満であることに応じて、前記器具の移動速度を調整することを更に含む、実施態様２５に記載の方法。
（２７）  前記第２の期間中に、一組の前記位置センサから第２の位置データを受信することであって、前記推定した第２の位置を前記確認することが、前記第２の位置データに基づいて前記器具の前記第２の位置を決定することを含む、受信することと、
前記第２の位置データに基づいて前記第２の位置を決定する前に、前記推定した第２の位置を表示させることと、を更に含む、実施態様２１に記載の方法。
（２８）  前記第２の位置と前記推定した第２の位置とを比較することと、
前記第２の位置が前記推定した第２の位置と異なることに応じて、前記第２の位置を前記メモリに記憶することと、を更に含む、実施態様２７に記載の方法。
（２９）  前記推定した第２の位置に基づいて、前記器具の第３の位置を推定することであって、推定した前記第３の位置が、前記第２の期間後の第３の期間に対応する、推定することと、
前記第２の位置が、前記推定した第２の位置と異なることに応じて、前記第２の位置に基づいて、前記推定した第３の位置を更新することと、を更に含む、実施態様２８に記載の方法。
（３０）  前記一組の位置センサが、電磁（ＥＭ）センサ、形状検知ファイバ、及びカメラ、のうちの少なくとも１つを備える、実施態様２１に記載の方法。
【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１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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