(57)【要約】  器具マニピュレータの実施形態が開示される。器具マニピュレータは、トラック；トラックに沿って動くように結合される並進キャリッジ；並進キャリッジに結合される肩ヨージョイント；肩ヨージョイントに結合され、アーム、アームに結合される手首マウント、手首マウントと肩ヨージョイントとの間に結合されるストラット、及びアームに結合される肩ピッチ機構を含む、肩ピッチジョイント；手首マウントに結合され、ヨージョイント及び差動ピッチ−ロールジョイントを含む、ヨー‐ピッチ‐ロール手首；並びに、手首に結合される器具マウント；を含むことができる。様々なジョイント及びキャリッジはモータによって駆動されることができる。
2015512666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トラック；
前記トラックに沿って動くように結合される並進キャリッジであって、リニアモータによって前記トラックに沿って推進される、並進キャリッジ；
前記並進キャリッジに結合される肩ヨージョイントであって、肩ヨーモータによって駆動される、肩ヨージョイント；
前記肩ヨージョイントに結合される肩ピッチジョイントであって、アーム、前記アームに結合される手首マウント、３Ｄ平行四辺形を形成するように前記手首マウントと前記肩ヨージョイントとの間に結合されるストラット、並びに、前記肩ピッチジョイント、前記ストラット、前記アーム、及び前記手首マウントを駆動するように結合される肩ピッチモータを含む、肩ピッチジョイント；
前記手首マウントに結合されるヨー−ピッチ−ロール手首であって、１又は複数の手首ヨーモータによって駆動されるヨージョイント及び差動ピッチ‐ロールモータによって駆動される差動ピッチ‐ロールジョイントを含むヨー‐ピッチ‐ロール手首；並びに、
前記手首に結合される器具マウントであって、器具駆動部を提供する１又は複数の器具モータを有する器具マウント；を有する、
器具マニピュレータ。
【請求項２】
前記リニアモータに結合されるコントローラをさらに含み、
前記コントローラは、前記リニアモータ、前記肩ヨーモータ、前記肩ピッチ‐ロールモータ、及び前記１又は複数の器具モータに結合され、
前記コントローラは、前記マニピュレータを位置決めするように及び前記器具マウントに取り付けられる針ベースの器具の挿入を調整するように信号を提供する、
請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項３】
前記手首は、前記器具マウントが患者の干渉を最小にするよう位置決めされるように、回転されることができる、
請求項２に記載のマニピュレータ。
【請求項４】
前記器具マウントは、無菌アダプタを通じて器具と結合する、
請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項５】
前記針ベースの器具は、生検用器具である、
請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項６】
前記針ベースの器具は、アブレーション器具である、
請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項７】
前記針ベースの器具は、画像内で前記針ベースの器具の針の位置設定のための基準を含む、
請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項８】
前記コントローラは、前記リニアモータ、前記肩ヨーモータ、前記肩ピッチモータ、前記１又は複数の手首ヨーモータ、前記差動ピッチ‐ロールモータ、及び前記１又は複数の器具モータに提供される信号に基づいて前記マニピュレータの位置を決定する、
請求項２に記載のマニピュレータ。
【請求項９】
前記コントローラはさらに、前記マニピュレータに取り付けられる１又は複数のセンサに基づいて前記マニピュレータの位置を決定する、
請求項８に記載のマニピュレータ。
【請求項１０】
前記並進キャリッジは、並進位置センサを含み、前記並進位置センサは、前記トラックの前記並進キャリッジの位置を決定する、
請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項１１】
前記並進位置センサは、抵抗式センサである、
請求項１０に記載のマニピュレータ。
【請求項１２】
前記並進位置センサは、光学式センサであり、光学式エンコーダが前記トラックに位置する、
請求項１０に記載のマニピュレータ。
【請求項１３】
前記並進キャリッジは、前記トラックのレールに係合するベアリングを含む、
請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項１４】
前記肩ヨージョイントは、
前記並進キャリッジに結合されるベースであって、前記肩ヨーモータが結合される、ベース；
前記ベースに結合されるサポートハウジング；
前記サポートハウジング及び前記ベースを貫通するシャフト；及び
前記シャフトの端部に結合されるプーリギアであって、前記肩ヨーモータが前記シャフトの回転を駆動できるように前記肩ヨーモータと係合する、プーリギア；を含む、
請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項１５】
前記サポートハウジングは、前記ストラットを受ける受け部を含む、
請求項１４に記載のマニピュレータ。
【請求項１６】
前記肩ピッチジョイントは、前記シャフトに結合される、
請求項１４に記載のマニピュレータ。
【請求項１７】
前記肩ピッチジョイントは、
前記肩ヨージョイントを受けるように結合されるクロスサポートと；
前記クロスサポートに取り付けられる第１のプーリギアと；
前記クロスサポートの周りを回転するように結合されるアームであって、前記肩ピッチモータが前記アームに固定されるとともに第２のプーリギアを駆動し、前記クロスサポートでの前記アームの回転が前記肩ピッチモータによって駆動されるように前記第２のプーリギアが前記第１のプーリギアと噛み合う、アームと；
前記手首マウントに加えられる重さを釣り合わせるように前記アームに取り付けられるカウンタバランスと；を含む、
請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項１８】
前記手首マウントは、
手首マウントクロスサポートであって、前記アームにおいて前記手首マウントクロスサポートの回転を可能にするように前記アームに結合される、手首マウントクロスサポート；
前記手首マウントクロスサポートに取り付けられるシャフト；及び
前記シャフトに回転可能に結合される１又は複数の受け部であって、前記ストラットを受ける、１又は複数の受け部；を含む、
請求項１７に記載のマニピュレータ。
【請求項１９】
前記アームと前記手首マウントクロスサポートとの間に結合される、前記肩ピッチ位置センサをさらに含む、
請求項１８に記載のマニピュレータ。
【請求項２０】
前記シャフトと前記１又は複数の受け部との間に結合される肩ヨー位置センサをさらに含む、
請求項１８に記載のマニピュレータ。
【請求項２１】
前記ヨー‐ピッチ‐ロール手首は、
前記肩ピッチジョイントの前記手首マウントに取り付けられる第１のセクションであって、１又は複数の手首ヨーモータを含む、第１のセクションと；
第２のセクションであって、前記１又は複数の手首ヨーモータによって駆動されるとき、前記第２のセクションが前記第１のセクションに対して回転するように前記第１のセクションと係合し、前記ピッチ‐ロールモータと係合する差動ギア装置を含み、前記差動ギア装置は前記マウントギアに結合されるときロール及びピッチを提供する、第２のセクションと；を含む、
請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項２２】
前記差動ギア装置は、
コアであって、前記コアが前記第２のセクションに固定されるシャフトの周りを回転するよう、前記マウントギアに取り付けられるマウントシャフト及び前記第２のセクションに固定される前記シャフトを受ける、コアと；
前記第２のセクションに固定される前記シャフトの周りを回転するように構成される第１のギアを持つ第１のホイールであって、前記第１のギアは前記マウントギアと噛み合い、第１のピッチ‐ロールモータによって駆動される、第１のホイールと；
前記第２のセクションに固定される前記シャフトの周りを回転するように構成される第２のギアを持つ第２のホイールであって、前記第２のギアは前記マウントギアと噛み合い、第２のピッチ‐ロールモータによって駆動される、第２のホイールと；を含む、
請求項２１に記載のマニピュレータ。
【請求項２３】
第１の差動位置センサが、前記第２のセクションと前記第１のギアとの間に結合され、
第２の差動位置センサが、前記第２のセクションと前記第２のギアとの間に結合される、
請求項２１に記載のマニピュレータ。
【請求項２４】
前記器具マウントは、
マウントシャフト及び前記ヨー‐ピッチ‐ロール手首に結合されるマウントギア；並びに
前記器具マウントのハウジングと前記器具駆動部との間に結合される位置センサ；を含む、
請求項１に記載のマニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、２０１２年２月１５日に出願された米国仮特許出願第６１／５９９，３３９号、及び２０１３年２月１４日に出願された米国特許出願第１３／７６７，８５６号の優先権の利益を主張し、これらの全体が本願に参照により援用される。
【０００２】
本発明の実施形態は、針を会陰部を通って送るロボットマニピュレータに関する。
【背景技術】
【０００３】
毎年、１５０万のコア針生検が行われ、数十万の前立腺がんの新規症例を生み出している。多くの場合、がんの早期発見は、用いられる治療方法のより高い有効性をもたらす。
【０００４】
さらに、ＭＲＩ誘導針ベースの治療（生研、局所的なレーザアブレーション、低線量（ＬＤＲ）恒久的近接照射療法で用いられる埋め込み型のシードの配送、これは前立腺がんののための一般的な治療である、又は他の治療）は、成功していることが証明されている。しかし、典型的なＭＲＩ装置によって提供される限定空間内での針の操作は、挑戦的であることが証明されている。
【０００５】
空気、超音波、又は圧電体によって駆動されるロボットを用いる解決方法が提供されている。しかし、これらの方法は、このような環境で求められる器用さ及びパワーを提供しない。
【０００６】
前立腺がんは、アメリカ人男性における最も一般的な非皮膚がんの１つである。前立腺がんに対して２つの一般的なスクリーニング方法、すなわち前立腺特異抗原検査（ＰＳＡ）及び直腸指診（ＤＲＥ）がある。ＰＳＡテストは、血液サンプルの抗原濃度から前立腺がんの可能性を決定し、決定的ではない。ＤＲＥでは、医師が前立腺が肥大しているかどうか又は異常な小結節が存在するかどうかを決定することができる。いずれの場合にも、針生検がしばしば、腫瘍が存在するか及び腫瘍が良性であるか悪性であるかどうかを決定するために、勧められる。
【０００７】
腫瘍の存在を調べることのためのケアの現在の標準は、経直腸超音波（ＴＲＵＳ）によるものである。超音波ガイド下で、医師は、生検針を直腸の壁を通って前立腺に置くことができる。生検針は、さらなる検査のために小さい円柱の組織を取り去る。通常、複数のサンプルが手術中に検査のために取り去られる。ＴＲＵＳ手術は、腫瘍局在診断に関してあまり正確でないことが証明されている。磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）及びコンピューター断層撮影（ＣＴ）Ｘ線イメージング等のイメージングの他の形態は、高空間分解能の能力があるとともに個別の腫瘍のより良い識別を可能にする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
生検を含む、針ベースの治療をより正確に行うために、ロボット針マニュレータを様々なイメージング技術と組み合わせる様々な試みがなされてきた。しかし、イメージング環境内で行われる針ベースの手術をより良く実行するマニピュレータを開発する必要が残っている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の態様によれば、器具マニピュレータの実施形態が開示される。幾つかの実施形態では、器具マニピュレータは、トラック；トラックに沿って動くように結合される並進キャリッジであって、リニアモータによってトラックに沿って推進される、並進キャリッジ；並進キャリッジに結合される肩ヨージョイントであって、肩ヨーモータによって駆動される、肩ヨージョイント；肩ヨージョイントに結合される肩ピッチジョイントであって、アーム、アームに結合される手首マウント、手首マウントと肩ヨージョイントとの間に結合されるとともに３Ｄ平行四辺形を形成するストラット、並びに、肩ピッチジョイント、ストラット、アーム、及び手首マウントを駆動するように結合される肩ピッチモータを含む、肩ピッチジョイント；手首マウントに結合されるヨー‐ピッチ‐ロール手首であって、１又は複数の手首ヨーモータによって駆動されるヨージョイント及び差動ピッチ‐ロールモータによって駆動される差動ピッチ‐ロールジョイントを含むヨー‐ピッチ−ロール手首；並びに、手首に結合される器具マウントであって、器具駆動部を提供する１又は複数の器具モータを有する器具マウント；を含むことができる。
【００１０】
これらの及び他の実施形態は、以下の図に関連して以下にさらに記される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の幾つかの実施形態によるマニピュレータが利用されることができる手術環境を示す。
【図２】スキャナ移動テーブルに取付けられた本発明の幾つかの実施形態によるロボットマニピュレータを示す。
【図３】本発明の幾つかの実施形態によるマニピュレータシステムのブロック図を示す。
【図４Ａ】本発明の幾つかの実施形態によるロボットマニピュレータを示す。
【図４Ｂ】図４Ａに示されたロボットマニピュレータの平面図を示す。
【図４Ｃ】図４Ａに示されたロボットマニピュレータの平面図を示す。
【図５Ａ】図４Ａに示されたロボットマニピュレータの挿入軸に沿った直線運動を示す。
【図５Ｂ】図４Ａに示されたロボットマニピュレータの挿入軸に沿った直線運動を示す。
【図６Ａ】図４Ａに示されたロボットマニピュレータの肩ヨージョイントを示す。
【図６Ｂ】図４Ａに示されたロボットマニピュレータの肩ヨージョイントを示す。
【図６Ｃ】図４Ａに示されたロボットマニピュレータに使用されることができるストラットを示す。
【図７Ａ】図４Ａに示されたロボットマニピュレータの肩ピッチジョイントを示す。
【図７Ｂ】図７Ａに示された肩ピッチジョイントの断面図を示す。
【図７Ｃ】図７Ａに示された接続ジョイント並びに肩ピッチ及びヨー位置センサの断面図を示す。
【図８Ａ】図４Ａに示されたロボットマニピュレータのヨー‐ピッチ‐ロール手首の態様の実施形態を示す。
【図８Ｂ】図４Ａに示されたロボットマニピュレータのヨー‐ピッチ‐ロール手首の態様の実施形態を示す。
【図８Ｃ】図４Ａに示されたロボットマニピュレータのヨー‐ピッチ‐ロール手首の態様の実施形態を示す。
【図８Ｄ】図４Ａに示されたロボットマニピュレータのヨー‐ピッチ‐ロール手首の態様の実施形態を示す。
【図８Ｅ】図４Ａに示されたロボットマニピュレータのヨー‐ピッチ‐ロール手首の態様の実施形態を示す。
【図８Ｆ】図８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄ、及び８Ｅに示された手首とともに利用される位置センサを示す。
【図８Ｇ】図８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄ、及び８Ｅに示された手首とともに利用される位置センサを示す。
【図８Ｈ】図８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄ、及び８Ｅに示された手首とともに利用される位置センサを示す。
【図９Ａ】図４Ａに示されたロボットマニピュレータのキャリッジマウントの実施形態を示す。
【図９Ｂ】図４Ａに示されたロボットマニピュレータのキャリッジマウントの実施形態を示す。
【図９Ｃ】図４Ａに示されたロボットマニピュレータのキャリッジマウントの実施形態を示す。
【図１０Ａ】図９Ａ、９Ｂ、及び９Ｃに示されたキャリッジマウントとともに利用されることができる無菌アダプタを示す。
【図１０Ｂ】図９Ａ、９Ｂ、及び９Ｃに示されたキャリッジマウントとともに利用されることができる無菌アダプタを示す。
【図１１】ロボットマニピュレータのコントローラを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下の記載では、本発明の幾つかの実施形態を記載する特定の詳細が説明される。しかし、幾つかの実施形態がこれらの特定の詳細の幾つか又は全てなしで実施され得ることは、当業者に明白となるであろう。ここに開示される特定の実施形態は、説明のためであって、限定するものではないことが意味される。当業者は、ここに具体的に記載されていないが、他の要素がこの開示の範囲及び精神の中にあることを理解することができる。
【００１３】
さらに、本明細書の用語は、本発明を限定するように意図されない。例えば、空間に関連する用語、例えば、「の下に」、「より下に」、「下方に」、「より上に」、「上方に」、「近位に」、「遠位に」、「水平に」、「垂直に」等は、図に示しているように他の要素又は特徴に対するある要素又は特徴の関連を表すように用いられ得る。これらの空間に関連する用語は、図に示されている位置及び向きに加えて、使用中の又は動作中の装置の異なる位置及び向きを包含することが意図される。例えば、図中の装置がひっくり返される場合、他の要素又は特徴「より下に」又は「下に」あるとして記載された要素又は特徴は、その場合、他の要素又は特徴「より上に」又は「上に」ある。従って、例示としての用語「より下に」は、より上及びより下の位置及び向きの両方を含むことができる。装置はまた、それ以外に向けられる（９０°又は他の向きに回転される）ことが可能であり、本明細書で用いられている空間に関連する記述は、それに応じて解釈される。同様に、種々の軸に沿った又は種々の軸周りの運動の記述は、種々の特定の装置の位置及び向きを含む。加えて、単数形”ａ“、”ａｎ“及び”ｔｈｅ“は、その文脈が他を意味しない限り、複数形も含むことが意図される。「有する」、「含む」等の用語は、記載されている特徴、ステップ、動作、要素及び／又は構成要素の存在を特定するが、１つ又はそれ以上の他の特徴、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はグループの存在又は付加を排除しない。結合されると記載される構成要素は、電気的に又は機械的に直接結合され得る、又は、１又は複数の中間構成要素を介して間接的に結合され得る。
【００１４】
そのままでの病状の局所／標的治療を目指す臨床の傾向がある。これらの治療は、効果的である場合、伝統的な摘出手術と比べて侵襲性の著しい削減を提供し得る。ロボットベースの技術は、この分野における臨床的必要性に取り組むのに役立ち得る。本開示を通じて、前立腺がんの治療が、このような局所的な治療の例として利用される。これは、ここに開示される実施形態の唯一の利用として解釈されるべきではない。
【００１５】
図１は、本発明の幾つかの実施形態によるロボットシステムを使用することができるシステム１００を示す。図１に示されるように、ロボットマニピュレータ１１０は、スキャナ１４０内に位置することができる。スキャナ１４０はこの例ではＭＲＩスキャナとして描かれているが、スキャナ１４０は、任意の他のタイプのスキャナであることもできる（例えば、ＣＴ、超音波、Ｘ線、ＰＥＴ等）。ロボット１１０の運動は、ロボットコントローラ１２０によって制御される。ロボットコントローラ１２０は、オペレータコンソール１３０と通信するとともに、オペレータコンソール１３０からの命令をロボット１１０の様々なモータ駆動ジョイントの協調運動に変換する。
【００１６】
スキャナ１４０は、スキャナコントローラ１４２に結合される。スキャナコントローラ１４２は、ワークステーション１４４と通信する。ワークステーション１４４は、スキャナコントローラ１４２と通信して、画像を生成するようにスキャナ１４０を操作する。
【００１７】
患者は、ロボット１１０と共に移動テーブル１６０の上に位置決めされるとともにスキャナ１４０内に置かれる、又は、ロボット１１０が手術野にアクセスすることを可能にするとともにスキャナ１４０が同じ手術野の画像を提供することを可能にするような方法でスキャナ１４０に対して位置決めされる。手術野の画像は、オペレータコンソール１３０に入力され、このオペレータコンソール１３０は、スキャナ１４０から受信した画像に対するロボット１１０の位置を記録する。このような方法で、オペレータコンソール１３０のオペレータは、手術野の明確に特定された標的に、この標的に又はこの標的の近くに針を置くことによって、作用するように、ロボットを管理することができる。
【００１８】
ある場合には、異なる治療のモダリティ、例えばレーザアブレーションのための別々のドライバ１４６が利用されることができる。さらに、システムは、患者を鎮静させておくのに使用される麻酔カート１６２及び患者準備又は回復エリア１５０を含むことができる。
【００１９】
図２は、そこに取付けられたロボットマニピュレータ１１０を備えるテーブル１６０を示す。ロボット１１０は、針マニピュレータとして働き、図２に示されるように、針ベースの器具２１０がロボット１１０に結合される。テーブル１６０はまた、フットレスト２２０及び手術中にロボット１１０に対して相対的に固定された患者を保持するために使用されることができる患者マウント２２２を含み得る。図２に示されるように、ロボットマニピュレータ１１０は、テーブル１６０に取付けられるとともに、テーブル１６０の長さに沿って直線運動が可能である。ロボット１１０は、テーブル１６０の患者の脚の間にあるとともに、例えば、ＭＲＩ装置ボアの限られたスペース内で動作するのに十分コンパクトである。さらに、ロボット１１０は、関心イメージング領域において、イメージャによって生成される如何なる磁界によって実質的影響されない、且つ実質的に影響を及ぼさない、材料で作られる。
【００２０】
図３は、本発明の幾つかの実施形態によるロボットシステム３００のブロック図を示す。図３に示されるようにロボットマニピュレータ１１０（ここではロボット又はマニピュレータとも称される）はコントローラ１２０によって制御される。コントローラ１２０はコンソール１３０と交信する。イメージャ３１０もユーザコンソール１３０と交信する。コンソール１３０は、ロボット１１０をイメージャ３１０によって提供される画像に登録するために、コントローラ１２０及びイメージャ３１０の両方からの入力を受信する。イメージャ３１０は、図１に示されるように、ＭＲＩイメージャであることができるが、例えば、ＣＴＸイメージャ等、他のイメージングモダリティでもあり得る。ロボット１１０のイメージャ３１０への登録は、コンソール１３０のオペレータが、針ベースの器具２１０の針４３０を画像によって情報を提供されたオペレータの指示に従って患者の特定の位置に置くようにコントローラ１２０を指示することを可能にする。コントローラ１２０は次に、これらの命令を満たすようにロボット１１０の様々なジョイントの運動を制御するための電気的な入力を提供する。
【００２１】
図４Ａは、ロボットマニピュレータ１１０の実施形態を示す。ロボット１１０は、器具マウント４１０に取り付けられた、針４３０を持つ、針ベースの器具２１０を備えて示される。針ベースの器具２１０は、無菌アダプタ４１４を介してマウント４１０に取り付けられることができる。針ベースの器具２１０及び無菌アダプタ４１４はロボット１１０から容易に取り外すことができる。針ベースの器具２１０は、マウント４１０を介してロボット１１０から入力を受信することができる。例えば、針４３０は、回転されることができ、針４３０は、伸ばされることができ、及び針４３０の挿入部はマウント４１０の入力を介して操作されることができる。
【００２２】
針４３０を備える針ベースの器具２１０は、生検用器具であることができ、光学式又はＲＦベースのレーザアブレーション技術のための光ファイバ又はＲＦアンテナを促進することができ、ＬＤＲ治療のためのインプラント可能なシードの配送を提供することができ、又は他の針ベースの治療を提供することができる。器具２１０は、１回だけの作業で使用される、１回使い切り又は使い捨て器具であり得る。このようなものとして、無菌アダプタ４１４が、器具２１０とマウント４１０との間に設けられ得る。マウント４１０に設けられる器具入力は、器具２１０とマウント４１０との間の無菌アダプタを介して器具２１０に結合され得る。治療中、ロボット１１０は、器具２１０の領域が無菌環境にとどまるように、ドレープされることができる。針ベースの器具２１０の例は、共に出願された米国仮特許出願第６１／５９９，３００号にさらに記され、その全体が参照によって本願に援用される。
【００２３】
マウント４１０への制御入力は、マウント４１０の１又は複数のモータによって提供され、これらのモータは、いくつかの実施形態では、無菌アダプタ４１４を介して、器具２１０への入力駆動部を提供する。いくつかの実施形態では、マウント４１０に任意の数のモータがあり得る。いくつかの例では、器具２１０内に、２自由度（ＤＯＦ）を提供するように２つある。器具２１０は、針４３０に複数のＤＯＦを提供することができる。例えば、器具２１０は、マウント４１０からの入力駆動部によって駆動される、ロール及び並進運動を提供し得る。レーザ又はＲＦアブレーション治療では、例えば、器具２１０は、針４３０を引き込ませ得るとともにいったん針４３０が治療のために適切に位置決めされると、光ファイバ又はＲＦアンテナを押し進め得る。さらに、器具２１０の機構は、物質の挿入、シードの沈着、又は特定の治療のための他の配送を可能にし得る。
【００２４】
器具２１０は、マウント４１０を介してコントローラ１２０とインタフェース接続されるプロセッサ及びメモリを含み得る。器具２１０は、起動又はマウント４１０への器具２１０の挿入に際して、器具のタイプ、器具シリアル番号、器具動作特性、及び器具使用履歴等の情報を、コントローラ１２０に送信し得る。器具２１０はまた、画像内の針４３０の位置を決定するために使用されることができる、器具２１０に沿って取り付けられる基準を含み得る。
【００２５】
マウント４１０は、ヨー‐ピッチ‐ロール手首４１１に結合され、このヨー‐ピッチ‐ロール手首４１１は、ヨー、ピッチ、及びロールのＤＯＦを有する。手首４１１は、セクション４１３及びセクション４１２を含む。セクション４１２は、ヨージョイント４１７でセクション４１３に機械的に結合される。ロール及びピッチＤＯＦは、以下にさらに記すように、異なった方法で動作する、セクション４１２に収容された一組の手首ピッチ‐ロールモータによって実現される。セクション４１２は、以下にさらに記すように、セクション４１３に取り付けられた１又は複数の手首ヨーモータによってヨー軸周りに回転される。
【００２６】
手首４１１は、ジョイント４４８でアーム４２０に及びジョイント４１６でストラット４１８に取り付けられる。アーム４２０は、シャフト４３２に取付けられる。ストラット４１８は、シャフト４３２が通過するサポートハウジング４４４に、ピボットジョイント４４２において結合される。アーム４２０及びストラット４１８は、手首４１１の支持のための３Ｄ平行四辺形構造を確立する。アーム４２０は、肩ピッチ駆動機構４２２によって上げ下げされることができる。以下にさらに記すように、肩ピッチジョイントは、アーム４２０を貫通するとともに、その周りをアーム４２０が回転するプーリギア４２６に取り付けられるクロスサポート（図７のクロスサポート７０２参照）によって形成されることができる。アーム４２０及びストラット４１８は、アームが上げ下げされるとき、手首４１１のセクション４１３が、実質的に水平に配向されたままであるように、構成される。さらに、セクション４１３は、アーム４２０が水平面内で回転されるとき、実質的に挿入軸（トラック４４０に沿った軸）に沿って配向されたままである。さらに、針４３０は、針４３０に沿った軸が、手首４１１のセクション４１２の中心部を貫通するように、中心に置かれる。針４３０を挿入するのに用いられる、高いかもしれない、針挿入力が、手首４１１に集中されるので、手首４１１を動作させるために用いられる作動トルクは、実質的に減少され得る。さらに、アーム４２０及びストラット４１８で形成される３Ｄ平行四辺形もまた、手首４１１の作動トルクを減らすのに役立つ。アーム４２０及びストラット４１８で形成される３Ｄ平行四辺形はまた、アーム４２０を上げ下げするために必要な作動トルク（肩ピッチジョイントの駆動とも称される）を減らすのにも役立つ。
【００２７】
機構４２２は、ベルト４３０を用いて連結される、２つのプーリギア、ギア４２８及び４２６を含む。ギア４２８は肩ピッチモータ４２４によって駆動される。アーム４２０は、支持部４３２におけるアーム４２０、手首４１１、マウント４１０、及び針器具２１０のトルクのオフセットを設定するように、重り４４６によって釣り合わされる。プーリギア４２６は、モータ４２４によるプーリギア４２８の回転がアーム４２０を上げ下げさせるように、その周りでアーム４２０が回転するクロスサポート（図７Ｂのクロスサポート７０２参照）に固定される。
【００２８】
シャフト３２は、アーム４２０のための支持を提供するとともに、ハウジング４４４を貫通し、ベース４３８に入る。アーム４２０は、シャフト４３２の頂部で水平軸に沿って回転される。シャフト４３２自体が、回転されることができるとともに、肩ヨーモータ４３４によって駆動される。モータ４３４は、ベース４３８内でシャフト４３２より下に取付けられたプーリ（図４Ａには示さず）に結合されるベルト４３６によって支持部４３２に機械的に連結される。シャフト４３２及びアーム４２０は共に、シャフト４３２周りのヨー軸及び手首４１１のセクション４１３の昇降制御を可能にする水平に配向されたピッチ軸を持つ肩を形成する。
【００２９】
ベース４３８は、並進キャリッジ（図４Ａに示されず）に結合され、この並進キャリッジは、ロボット１１０をトラック４４０に沿って駆動するリニアモータ（図４Ａに示されず）を収容する。トラック４４０に沿うロボット１１０の運動は、挿入軸に沿った運動と称される。
【００３０】
モータ４３４及び４２４は、米国特許出願第１３／７６７，８０１号に記載されるように高出力コンパクトモータであり、この出願はその全体が参照により本願に援用される。ロボット１１０は、針４３０の広範囲の運動を可能にするコンパクトマニピュレータである。図２に示されるように、ロボット１１０は、患者の脚の間且つイメージング器具内、例えばＭＲＩイメージャ内で作動するように設計される。したがって、ロボット１１０の全ての構成要素は、非強磁性である。さらに、ロボット１１０は、患者からの干渉が実質的に無い動作を可能にする。
【００３１】
図４Ａに示されるように、ロボットマニピュレータ１１０は、トラック４４０に沿った直線運動を提供し、このトラック４４０は図２に示されるように、ＭＲＩ装置のボアに概して沿って平行移動するように位置決めされる。直線運動は、したがって、トラック４４０に沿って向けられた挿入軸に沿う。ロボットマニピュレータ１１０はまた、シャフト４３２周りのアーム４２０の水平回転（図２に示されるテーブル１６０と平行な平面での回転）を提供し、これは肩ヨーとも称される。セクション４１３の水平運動は、駆動機構４２２によって実現されることができ、肩ピッチとも称される。この運動中、セクション４１３は、アーム４２０及びストラット４１８によって形成された３Ｄ平行四辺形を通じて実質的に水平に向けられたままである。手首４１１は、ピボット４１７周りのヨー軸の回転を提供する。さらに、手首のロール及びピッチは、手首４１１のセクション４１２を通じてマウント４１０に提供されることができる。さらに、マウント４１０によって駆動されることで、針器具４１０は、針器具２１０に応じて、例えば直線挿入運動及び回転運動等、針４３０に更なるＤＯＦを提供することができる。
【００３２】
図４Ａはアーム４２０が持ち上げられたロボットマニピュレータ１１０を示す。図４Ｂはアーム４２０がシャフト４３２周りに回転されるとともに手首４１１の僅かなヨーを伴うロボット１１０の平面図を示す。さらに、手首４１１のセクション４１３はトラック４４０と実質的に整列されたままである。図４Ｃは、図４Ｂに示されたのと同様のロボット１１０の他の平面図を示すが、マウント４１０が手首４１１のセクション４１２に対して回転されている。
【００３３】
上述のように、ロボットマニピュレータ１１０は、患者及びロボットマニピュレータ１１０の両方が、例えばＭＲＩボア等、イメージャの領域内にある間、針ベースの器具１１０の針４３０を会陰部を通って送ることができる。ロボット１１０の制御は、コンソール１３０の指示の下でコントローラ１２０によって制御され、このコンソール１３０はオペレータによって制御される。
【００３４】
コントローラ１２０の指示の下で、ロボット１１０は、針ベースの器具２１０の完全なデカルト位置及び回転配向を制御することができる。加えて、制御入力が、ロボット１１０を通じて針ベースの器具２１０に提供されることができる。図４Ａに示されるように、及び上述のように、ロボット１１０の運動学は、リニアモータによって駆動されるトラック４４０に沿った直線運動を含む。トラック４４０は、概して、ＭＲＩイメージャ又は他のイメージャのボアに沿って配向される。さらに、シャフト４３２は、針４３０の支持部４３２周りの水平回転を提供することができる。回転マウント４１０は、針４３０を手首４１１のセクション４１２に整列させたまま、患者との相互作用に対する追加的なクリアランスを提供することができる。
【００３５】
図５Ａ及び５Ｂは、トラック４４０に沿ったロボット１１０の運動を示す。図５Ａ及び５Ｂに示されるように、並進キャリッジ５０２は、トラック４４０に支えられて動く。トラック４４０はレール５１６を含む。並進キャリッジ５０２は、レール５１６に支えられて動くキャリッジ５０２に機械的に取付けられたベアリング５０４を含む。このように、キャリッジ５０２は、レール５１６に沿って動くベアリング５０４を用いてトラック４４０に沿って平行移動することができる。
【００３６】
図５Ａ及び５Ｂに示されるように、１又は複数のリニアモータ５０６が、並進キャリッジ５０２に機械的に取り付けられるとともに、セラミックパッド５０８に対して並進キャリッジ５０２に平行移動力を提供する。リニアモータ５０６は、例えば、圧電モータであり得る。セラミックパッド５０８は、モータ５０６の圧電要素が、パッド５０８に係合するとともにトラック４４０に沿って並進キャリッジ５０２を動かすように、トラック４４０に機械的に取り付けられる。さらに、トラック４４０は、図２に示されるテーブル１６０に、トラック４４０に沿った直線運動、挿入運動が、テーブル１６０の長手軸に沿って向けられるように、固定されることができる。
【００３７】
図５Ａ及び５Ｂにさらに示されるように、キャリッジ位置決めセンサ５１０がまた、並進キャリッジ５０２に取り付けられ得る。図５Ａ及び５Ｂに示されるように、センサ５１０は、エンコーダ５１４に沿って動くヘッド５１２を含み得る。エンコーダ５１４は、トラック４４０に取付けられる。センサヘッド５１２及びエンコーダ５１４は、光学式位置決めセンサ、抵抗式位置決めセンサ、又は組み合わせであり得る。センサ５１０が抵抗ベースである場合、トラック４４０に沿った並進キャリッジ５０２の位置は、ヘッド５１２において、ポテンショメータとして動作する、エンコーダ５１４の抵抗によって決定され、抵抗はトラック４４０に沿った並進キャリッジ５０２の移動量とともに増加する。センサ５１０が光学ベースである場合、ヘッド５１２は、エンコーダ５１４からの光放射を測定するように整列された光センサであり得る。センサ５１０は、光入力に基づいて、トラック４４０に沿った並進キャリッジ５０２の位置を決定することができる。
【００３８】
図６Ａ及び６Ｂは、図４Ａに示されるようなロボット１１０の肩ヨージョイント６００を示す。図６Ａに示されるように、肩ヨージョイント６００は、ベース４３８及びサポートハウジング４４４を含む。サポートハウジング４４４は、ベース４３８、又はベースの一部に取り付けられる。ベース４３８は、次に並進キャリッジ５０２に取り付けられることができ、これは図５Ａ及び５Ｂに示される。加えて、モータ４３４がベース４３８に取り付けられる。図６Ａにさらに示されるように、シャフト４３２はサポートハウジング４４４を貫通する。プーリギア６０２が、シャフト４３２に取り付けられるとともに、ベルト６１０を用いてモータ４３２に連結される。ベルト６１０は、プーリギア６０２をモータ４３４のプーリギア４３６（図４Ａ参照）と連結する。
【００３９】
図６Ａにさらに示されるように、サポートハウジング４４４は、受け部６１２を含む。受け部６１２は、ジョイント４４２を機械的に受ける。図４Ａに示されるように、ジョイント４４２は、サポートハウジング４４４への取付の固定点を提供しながらジョイント４４２がアーム４２０とともに動くことができるように、受け部６１２に結合される。
【００４０】
図６Ｃは、ストラット４１８の実施形態の端部を示す。ストラット４１８のジョイント４４２及びジョイント４１６が示される。図６Ｃに示されるように、ジョイント４４２は、ピボット６２４においてストラット４１８に結合されるシャフト６２２を含む。このような方法で、ストラット４１８は、シャフト６２２の長手軸周りに回転されることができるとともに、ピボット６２４においてストラット４１８及びシャフト６２２の平面内で回転されることができる。さらに、ジョイント４１６は、ピボット６２４においてストラット４１８に結合されるシャフト６２６を含む。ピボット６２４及びピボット６２８は、シャフト６２２及び６２６をストラット４１８に結合するとともに、ストラット４１８に対するシャフト６２２及び６２６の回転を可能にする、任意の装置であり得る。幾つかの実施形態では、ピボット６２４及び６２８は、ストラット４１８並びにシャフト６２２及び６２６、それぞれを通るピンであり得る、又はボールジョイントであり得る。図７Ｃ及び４Ａに示されるように、ジョイント４４２及びジョイント４１６は、実質的に同一であることができる。
【００４１】
図６Ｂは、ハウジングサポート４４の中心を通るとともに、ベース４３８が移動キャリッジ５０２に固定されるとき、挿入軸に直交する平面内での、肩ヨージョイント６００の断面図を示す。図６Ｂに示されるように、受け部６１２は、ベアリング６１４及び６１６を含み、シャフト６２２が受け部６１２においてシャフト６２２の長さに沿って固定されるが、受け部６１２内でシャフト６２２の長さの周りに回転することを可能にするような方法で、ジョイント４４２のシャフト６２２を受ける。
【００４２】
シャフト４３２は、サポートハウジング４４４の中心を通って挿入される。ベアリング６０６及び６０８は、支持及びシャフト４３２の長手軸に沿ったシャフト４３２の回転自由の能力を提供する。図示されるように、プーリギア６０２は、シャフト４３２の長手軸周りのシャフト４３２の回転を駆動するように、シャフト４３２に結合される。プーリ６０２は、ロック機構６０４を用いてシャフト４３２に固定されることができる。
【００４３】
図７Ａは、肩ヨージョイント６００とともに肩ピッチジョイント７００を示す。図７Ａに示されるように、肩ピッチジョイント７００は、アーム４２０、ピッチ駆動機構４２２、及びストラット４１８を含む。
【００４４】
図７Ｂは、肩ヨージョイント６００及び肩ピッチジョイント７００の断面図を示す。図７Ｂに示されるように、シャフト４３２は、シャフト４３２に固定されるクロスサポート７０２を含む。プーリギア４２６はクロスサポート７０２に固定される。アーム４２０は、ベアリング７０４及び７０６によってクロスサポート７０２の軸７１０周りを回転する。プーリギア４２８と、プーリギア４２８に取り付けられるモータ４２４は、いずれもアーム４２０に機械的に結合される。したがって、プーリギア４２８が回転するとき、アーム４２０は軸７１０周りに回転し、手首４１１を上げ下げし、この手首は、手首マウント７１２においてアーム４２０の端部に結合される。
【００４５】
図７Ａに示されるように、手首マウント７１２は、アーム４２０及びストラット４１８に機械的に結合される。図７Ａに示されるように、手首マウント７１２は、ストラット４１８のシャフト４２６を受けるための受け部７１４を含む。さらに、手首マウント７１２は、ジョイント４４８においてアーム４２０に結合される。図７Ａに示されるように、手首マウント７１２は、アーム４２０が、肩ヨージョイント６００によって水平に回転されるとき又は肩ピッチジョイント７００を用いて垂直に回転されるとき、手首マウント７１２の回転を可能にするように、ジョイント７１６においてジョイント４４８に結合される。結果として、手首マウント７１２は、挿入方向に垂直のままであるとともに垂直なままでもある面を有する。
【００４６】
図７Ｃは、手首マウント７１２を通るジョイント４４８の断面図を示す。図７Ａ及び７Ｂに示されるように、ジョイント４４８は、手首マウント７１２のアーム４２０及びストラット４１８への機械的な結合を容易にする。図７Ｃに示されるように、ピボット６２８は、ストラット４１８の端部においてピン受け部７２２に受けられるピン７２０を含む。ピン７２０は、ピン７２０の長手軸周りのピン７２０の回転を可能にするように、ストラット４１８の一部である、ピン受け部７２２内に位置決めされたベアリング７２４及び７２６によって回転する。ピン７２０は、シャフト７２６に取り付けられる。シャフト６２６は、図７Ｃに示されるように、受け部７１４に挿入される。ベアリング７２８及び７３０は、シャフト７１４の長手軸周りのシャフト７１４の回転を可能にするように位置決めされる。
【００４７】
ジョイント４４８は、クロスメンバサポート７３４及びシャフト７３２を含む。クロスメンバサポート７３４は、長手軸を含むとともに、クロスメンバサポート７３４が、アーム４２０に取り付けられた、ベアリング７４２及び７４０の外径に乗って、その長手軸周りに回転できるように、アーム４２０の端部に位置する。シャフト７３２は、クロスメンバサポート７３４に取り付けられる。手首マウントは、ベアリング７３６及び７３８によってシャフト７３２の長手軸周りに回転できるように、シャフト７３２に取り付けられる。手首マウント７１２は、リテーナ７５０を用いてシャフト７３２に保持されることができる。
【００４８】
手首マウント７１２の配向位置決定が、位置センサ７４６及び７４８を通じて提供される。位置センサ７４６は、アーム４２０の肩ピッチ配向に関する位置データを提供する。位置センサ７４８は、手首マウント７１２の肩ヨー配向に関する位置情報を提供する。位置センサ７４６は、光学式エンコーダ、ポテンショメータ（抵抗）ベースのセンサ、又は両方を含むことができる。
【００４９】
図７Ｃに示されるように、位置センサ７４６は、アーム４２０に固定される第１の部分７５２及びクロスメンバサポート７３４に固定される第２の部分７５４を含む。このようなものとして、クロスメンバサポート７３４がアーム４２０に対して回転されるとき、第１の部分７５２は第２の部分７５４に対して回転される。位置センサ７４６がポテンショメータベースのセンサを含む場合には、第１の部分７５２又は第２の部分７５４の一方はスイーパ（ｓｗｅｅｐｅｒ）を含むとともに、第１の部分７５２又は第２の部分７５４の他方はスイーパと係合する抵抗素子を含む。全抵抗の結果として生じる示度は、第２の部分７５４に対する第１の部分７５２の角度配向を示す。同様に、位置センサ７４６が光学式センサを含む場合には、第１の部分７５２又は第２の部分７５４の一方は光学式エンコーダを含むとともに、第１の部分７５２又は第２の部分７５４の他方は光学式エンコーダを読み取るための光学ヘッドを含む。この場合もやはり、第２の部分７５４に対する第１の部分７５２の角度配向が、結果として生じる情報によって決定されることができる。
【００５０】
同様に、肩ヨー位置センサ７４８は、手首マウント７１２に固定される第１の部分７５８及びシャフト７３２に固定される第２の部分７５６を含む。手首マウント７１２がシャフト７３２に対して回転されるとき、これは肩ヨージョイント６００が駆動されるとき行い、その結果第１の部分７５８は第２の部分７５６に対して回転される。さらに、位置センサ７４８がポテンショメータベースのセンサを含む場合には、第１の部分７５８又は第２の部分７５６の一方はスイーパを含むとともに、第１の部分７５８又は第２の部分７５６の他方は、測定された抵抗から第２の部分７５４に対する第１の部分７５２の角度配向を決定するために、スイーパと係合する抵抗素子を含む。同様に、位置センサ７４８が光学式センサを含む場合には、第１の部分７５８又は第２の部分７５６の一方は光学式エンコーダを含むとともに、第１の部分７５８又は第２の部分７５６の他方は、第２の部分７５４に対する第１の部分７５２の角度配向を決定するために、光学式エンコーダを読み取るための光学ヘッドを含む。
【００５１】
図８Ａは、手首４１１のヨーを示す。手首４１１のセクション４１３は、図７Ａに示される手首マウント７１２に機械的に結合される。セクション４１２は、ヨーピボット４１７を形成するように、面８０８及び８１０の整合孔をそれぞれ通って突出することができるピン８０６及び８２８を含む。図８Ａに示されるように、ベアリング８０２及び８０４が、面８０８及び８１０に対してそれぞれ、ピン８０６及び８２８の周りに設けられることができる。このようなものとして、セクション４１２は、ヨーピボット４１７周りに回転されることができる。
【００５２】
図８Ｂは、セクション４１３のさらなる態様を示す。図８Ｂに示されるように、セクション４１３は、１又は複数のモータ８１６を含む。モータ８１６は、ヨーピボット４１７周りの図８Ａに示されるようなセクション８１２の回転に作用する力をもたらす。図８Ｂにさらに示されるのは、光学式位置センサ８２８及び抵抗式位置センサ８２６の両方が、図８Ａに示されるように、セクション２１３に対するセクション２１２のヨー回転配向に関する情報を提供する。
【００５３】
光学式位置センサ８２８は、光学ヘッド８１８及びエンコーダ８２０を含む。図８Ｂに示されるように、エンコーダ８２０は、マウント８１２に配置され、このマウント８２１はピン８０６に取り付けられる。この場合、光学ヘッド８１８は、エンコード８２０を読み取り、ヘッド８１８に対するエンコーダ８２０の角度配向が決定されることができる。
【００５４】
抵抗式センサ８２６は、スイーパ８２４及び抵抗素子８２２を含む。抵抗素子８２２はセクション４１３に固定されることができる。スイーパ８２４は、マウント８１４に固定されることができ、このマウントは、ピン８２８に取り付けられるとともに固定される。この場合もやはり、抵抗素子８２２に対するスイーパ８２４の角度配向が、したがって、セクション４１３に対するセクション４１２の角度配向が、スイーパアーム８２４で測定される抵抗によって、決定されることができる。
【００５５】
図８Ｃはさらに手首４１１のセクション４１２を示す。図８Ｃに示されるように、セラミックホイール８３０及び８３２が、その上でモータ８１６がセクション４１３に対するセクション４１２のヨー回転に作用するように動作することができる、面を提供する。ピッチ及びロール駆動は、ギア装置８３８によって実行される。ギア装置８３８は、マウント４１０の一部であるギア８５０に噛み合う。ギア８５０は、シャフト８４８に機械的に結合される。図８Ｃに示されるように、ギア装置８３８は、以下にさらに記されるように、モータ８３４によって部分的に駆動される。シャフト８４８のロール及びピッチ運動は、ギア装置８３８の差動駆動を通じて達成される。
【００５６】
図８Ｃにさらに示されるように、ギア装置８３８は、コア８６０を含む。さらに、ワイヤ（図示せず）が、スプリング８４０と８４２との間に且つコア８６０のワイヤの取り回し８４６を通って取り付けられることができる。このような構成は、シャフト８４８及びマウント４１０のピッチ運動に対するバネ付勢カウンタバランスを提供する。
【００５７】
図８Ｄは、ギア装置８３８の動作を示すセクション４１２の断面を示す。図８Ｄに示されるように、ギア装置８３８は、セクション４１２に固定されるシャフト８６６を含む。シャフト８６６は、コア８６０を貫通する。コア８６０は、シャフト８４８がコア８６０内でシャフト８６６を貫通するように、シャフト８４８及びシャフト８６８を受ける。さらに、ホイール８７６及び８７８が、シャフト８６６の周りを回転するように配置される。ホイール８７６は、ベアリング８６０及び８７４によって回転する一方ホイール８７８はベアリング８７０及び８７２によって回転する。ギア８５２は、ホイール８７６に機械的に取り付けられる一方、ギア８５４は、ホイール８７８に機械的に取り付けられる。ギア８５２及び８５４はギア８５０と噛み合い、このギア８５０はシャフト８４８に取り付けられる。
【００５８】
ベアリング８６８及び８８０は、コア８６０内でシャフト８４８が回転することを可能にする。シャフト８４８及びコア８６０は、その結果、ベアリング８８２及び８８４によってシャフト８６６周りに回転することができる。このようなものとして、シャフト８４８は、その長さ周りに回転されることができ、これは手首ロール運動であり、シャフト８４８は、シャフト８６６の長さ周りに傾けられることができ、これは手首ピッチ運動である。
【００５９】
ホイール８７６は、セラミックディスク８５６を含み、ホイール８７８は、セラミックディスク８５８を含む。セラミックディスク８５６及び８５８は、シャフト８６６周りにホイール８７８及び８７６を（したがって、ギア８５２及び８５４）を回転させるように、モータ８３４及び８３６それぞれに、係合されることができる。図８Ｄに示されるように、ホイール８７６及び８７８がモータ８３４及び８３６それぞれによって、同じ回転の向きに、回転される場合、シャフト８４８はシャフト８６６周りに回転されるとともにピッチ回転が影響を受ける。ホイール８７６及び８７８が反対の回転で回転されるとき、シャフト８４８はその軸周りに回転されるとともにロール回転が影響を受ける。
【００６０】
図８Ｅは、ギア装置８３８をさらに示す。図示されるように、モータ８３４は、セラミックディスク８５６に係合する一方、モータ８３６はセラミックディスク８５８に係合する。回転中、ギア８５２及び８５４は、上述のように、ギア８５０と噛み合う。両方のギア８５４及び８５２が同じ方向に駆動されるとき、コア８６０、したがってシャフト８４８が回転される。ギア８５４及び８５２が反対方向に駆動されるとき、ギア８５０が回転され、シャフト８４８はその長手軸周りに回転される。
【００６１】
図８Ｅは、位置センサ８６２及び８６４をさらに示す。位置センサ８６２及び８６４は、ホイール８７６及び８７８の回転位置に関する情報をそれぞれ提供する。ホイール８７６及び８７８のそれぞれの回転位置から、シャフト８４８及びギア８５０のピッチ及びロール位置が決定されることができる。
【００６２】
図８Ｆは、位置センサ８６２を示す。幾つかの実施形態では、位置センサ８６４は、位置センサ８６２と実質的に同じであることができる。一般的に、位置センサ８６２及び８６４は、ホイール８７６及び８７８の回転位置をそれぞれ提供する任意のセンサであることができる。図８Ｆに示される位置センサ８６２は、光学式センサ及び抵抗式センサの両方を含む。
【００６３】
図８Ｆに示されるように、位置センサ８６２は、セクション４１２に固定して取付けられる固定部分８９０を含む。図８Ｇに示されるように、固定部分８９０は、光学ヘッド８９８及び抵抗式ポテンショメータトラック８９４を含む。図８Ｇは固定部分８９０を示し、ホイール８７６を向く固定部分８９０の側部を示す。図８Ｈに示されるように、ポテンショメータトラック８９４からの及び光学ヘッド８９８からの信号は、電子コネクタ８９９に入力され、この電子コネクタ８９９は、位置の２つの測定値に関する信号を提供する。このようなものとして、光学ヘッド８９８からの及び抵抗スイープ８９２からの信号は、図８Ｅに示されるように他の電子装置に供給される。
【００６４】
図８Ｆ及び８Ｈは、抵抗スイープ８９２の位置を示し、この抵抗スイープはポテンショメータトラック８９４と電気的に係合する。図８Ｈに示されるように、抵抗スイープ８９２は、ホイール８７６の上に設けられるとともに固定部分８９０のポテンショメータトラック８９４との間で電気的な接続を提供する。光学ヘッド８９８は、図８Ｈに示されるように、ホイール８７６に設けられたエンコーダ８９６からのデータを読み取る。エンコーダ８９６及びスイープ８９２は、固定部分８９０に対向する。スイープ８９２及びエンコーダ８９６は、固定部分８９０に対するホイール８７６の運動の回転範囲を反映するように、ホイール８７６に設けられることができる。幾つかの実施形態では、ホイール８７６は、固定部分８９０に対して全３６０度の運動を回転しない。位置センサ８６２は、その結果、抵抗ベースの位置情報及び光学ベースの位置情報の両方を提供する。
【００６５】
図９Ａは、マウント４１０の実施形態を示す。図９Ａに示されるように、マウント４１０は、シャフト８４８及びギア８５０を含む。前述したように、シャフト８４８及びギア８５０は、手首４１１に結合される。マウント４１０は、駆動部９０６及び９０８並びに電気コネクタ９１０を含む。上述のように、駆動部９０６及び９０８は、針ベースの器具２１０の機構を駆動するために使用される。電気コネクタ９１０は、針ベースの器具２１０に記憶されたプロセス又はデータと通信することを可能にする。多くの場合において、無菌アダプタ４１４がマウント４１０に結合されるとともに針ベースの器具２１０は無菌アダプタ４１４に結合される。マウント４１０は、無菌アダプタ４１４を受けるように、ボタン９０２及びキャッチ９０４を含むことができる。
【００６６】
図９Ｂは、マウント４１０の駆動部９０６及び９０８を通る断面を示す。図９Ｂに示されるように、駆動部９０６は、シャフト９２０に結合される。駆動部９０８は、シャフト９２２に結合される。モータ９１２は、シャフト９１６に取り付けられるセラミックディスクに係合する。モータ９１２がセラミックディスク９１６に対して係合するとき、シャフト９２０は回転する。シャフト９２０は、ベアリング９２８及び９２４によって回転される。同様に、モータ９１４は、シャフト９２２に結合されるセラミックディスク９１８に係合する。モータ９１４が係合するとき、シャフト９１８はベアリング９２６及び９３０で回転される。
【００６７】
幾つかの実施形態では、駆動部９０６とシャフト９２０との間及び駆動部９０８とシャフト９２２との間にバネ荷重があり得る。この方法では、駆動部９０６及び９０８は、使用中、針ベースの器具２１０又は無菌アダプタ４１４からの運動を吸収し得る。
【００６８】
加えて、シャフト９２０は位置センサ９４０に係合し得るとともにシャフト９２２は位置センサ９４２に係合し得る。位置センサ９４０及び９４２は、駆動部９０６及び９０８に関する回転位置情報を提供する。
【００６９】
図９Ｃは、位置センサ９４０の例示的な実施形態を示す。位置センサ９４２は、位置センサ９０４と実質的に同様であり得る。図９Ｃに示された実施形態では、位置センサ９４０は、抵抗式センサ及び光学式センサの両方を含む。ディスク９５０が、シャフト９２０とともに回転するように、シャフト９２０と係合する。光学ヘッド９４８が、ディスク９５０に固定されたエンコーダ９５２からの光学情報を受信することによって位置情報を提供する。さらに、抵抗式スイープアーム９４６もまたディスク９５０に取り付けられる。抵抗式スイープアーム９４６は、マウント４１０に固定されたポテンショメータ抵抗素子９４４に電気的に係合する。このようなものとして、位置情報は、スイープアーム９４６及びポテンショメータ抵抗素子９４４から受信された抵抗信号から並びに光学ヘッド９４８及びエンコーダ９５２によって決定された光学データから決定されることができる。
【００７０】
図１０Ａ及び１０Ｂは、マウント４１０とともに使用されることができる無菌アダプタ４１４を示す。図１０Ａに示されるように、無菌アダプタ４１４は、マウント４１０のラッチ９０４と係合するアダプタ１００２を含む。さらに、駆動部１００６がマウント４１０の駆動部９０６と係合するとともに駆動部１００８はマウント４１０の駆動部９０８と係合する。無菌アダプタ４１４の電気コネクタ１００４は、マウント４１０の電気コネクタ９１０と接続する。無菌アダプタ４１４はまた、針ベースの装置２１０を受けるためのクレードル１０１０を含む。
【００７１】
図１０Ｂに示されるように、針ベースの装置２１０は、駆動部１００６及び１００８と結合し得る。電気コネクタ１０１２は、電気コネクタ１００４と結合され得る。さらに、クレードル１０１０のラッチ１０１４が、針ベースの装置２１０を無菌アダプタ４１４に固定し得る。
【００７２】
上述のように、手首４１１及びマウント４１０の垂直の位置決めは、アーム４２０及びストラット４１８によって形成される３Ｄ平行四辺形を通じて提供されるとともに、駆動機構４２２を通じてモータ４２４によって駆動される。平行四辺形は、他のジョイントにおけるトルクを最小にするのに役立つとともに、手首４１１のセクション４１３を水平に配向に保つとともに実質的にトラック４４０に沿って整列させた状態に保つ。図４Ａに示されるように、アーム４２０は、運動の容易さのために、重り４４６で釣り合わされる。上述のように、手首４１１は、ヨー‐ピッチ‐ロール手首である。
【００７３】
患者への針の挿入は、ロボット１１０の１つの専用ジョイントの運動と対照的に、ロボット１１０全体の協調運動によって実行される。幾つかの実施形態では、ロボット１１０は、図２に示されるように、ＭＲＩ装置のボア内の患者の脚の間の空間内で動作するように制限される。したがって、ロボット１１０の幾つかの実施形態では、構成要素のサイズ及び許容ＤＯＦ動作は、この制限された空間内で、構成されることができる。
【００７４】
ＤＯＦの様々な組み合わせを使用するロボットマニピュレータ１１０の実施形態が、提供されることができる。限定されるものではない例として、ＤＯＦの特定の組み合わせが以下に示される。トラック４４０に沿った水平／軸方向運動は、約２１５ｍｍであり得る。肩ヨージョイント６００による手首４１１での水平／横運動は、約±１１５ｍｍであり得る。肩ピッチジョイント７００によって駆動される手首４１１の垂直運動は、約±１２５ｍｍであり得る。垂直可動域中心は約１７７．５であり得る。傾き又は迎角パラメータは＋３０°及び−１５°であり得る。手首４１１によって与えられるパン又は方位角の運動は±１５°であり得る。ロボット１１０によって与えられる挿入距離は１５０ｍｍであり得る。手首４１１よって与えられるロールは±１３５°であり得る。器具２１０の幾つかの実施形態では、シース後退及びレーザ前進運動が２５ｍｍ及びロールの継続であり得る。針挿入力は、針挿入速度５０ｍｍ／ｓで約４０Ｎであり得る。
【００７５】
全てのジョイントは、Ｎａｎｏｍｏｔｉｏｎによって製造されたもののような圧電モータによって駆動されることができる。モータ４２４及び４３４は、例えば、米国特許出願第１３／７６７，８０１号に記載されるような、圧電モータであり得る。ベース４３８のモータは、例えば、リニア圧電モータであり得る。幾つかの実施形態では、リニアモータ５０６（図５Ａ）は、２つのＮａｎｏｍｏｔｉｏｎ  ＨＲ８モータであり得る。手首ヨーモータ８１６（図８Ｂ）はそれぞれ、例えば、２つのＨＲ２モータであり得る。手首ピッチ‐ロールモータ８３４及び８３６は、Ｎａｎｏｍｏｔｉｏｎ  ＨＲ２モータであり得る。マウント４１０のモータ９１２及び９１４（図９Ｂ）は、マウント４１０のハウジング内に取り付けられた個別の圧電素子で形成され得る。
【００７６】
図１１は、コントローラ１２０の機能を示すブロック図である。図１１に示されるように、オペレータ入力は、運動学プロセッサ１１０２においてコントローラ１２０に受信される。オペレータ入力は、ロボット１１０によって実行されることになる手順のオペレータ命令の結果としてコンソール１３０で生じる。運動学プロセッサ１１０２は、ロボット１１０の運動を決定するとともにモータドライバ１１０４に適切な信号を提供する。モータドライバ１１０４は、ロボット１１０のモータのそれぞれに駆動信号を提供する。運動学プロセッサ１１０２はまた、器具ドライバ及びインタフェース１１０６に信号を提供し、この器具ドライバ及びインタフェース１１０６は、モータ９１２及び９１４を駆動し、器具２１０への入力を提供する。幾つかの実施形態では、器具２１０は、インタフェース１１０６への入力情報を提供する。この入力情報は、例えば、器具タイプ、器具履歴、及び器具操作パラメータを含むことができる。インタフェース１１０６によって提供される情報は、ロボット１１０及び器具２１０の適切な運動が協調され得るために、運動学プロセッサ１１０２及びコンソール１３０に提供される。
【００７７】
位置決定部１１１０は、ロボット１１０の位置を決定するとともに追跡する。位置決定部１１１０は、運動学プロセッサ１１０２からモータドライバ１１０４に送られる制御信号を監視するとともに、各モータの動作に基づいてロボット１１０の各ジョイントの配向を決定するために、これらの運動を積分する。このようなものとして、ジョイント位置検知が、上述のように、位置決定部１１０において、インクリメント式エンコーダに主に基づき得る。ある場合には、抵抗式ポテンショメータ又は光学式位置センサ等のセンサが、位置センサ１１０８に信号を提供することができる。位置センサ１１０８は、ロボット１１０のセンサを監視し、位置決定部１１１０に実時間絶対位置情報を提供し、これは、ロボット１１０の起動位置を決定するために及びインクリメント式に決定された位置のエラーチェックのために利用され得る。上述のように、ロボットマニピュレータ１１０のモータは、圧電もモータである。これらのモータの起動位置に対するこれらのモータの相対位置は、コントローラ１２０がそれらの送信する制御信号に基づいてコントローラ１２０で決定され得る。幾つかの実施形態では、抵抗式又は光学式位置決めセンサが、起動位置及びエラーチェックを提供するために、ロボット１１０に配置され得る。
【００７８】
幾つかの実施形態では、位置決定部１１１０はまた、イメージプロセッサ１１１２からのデータを受信する。イメージプロセッサ１１１２は、スキャナ１４０からの画像を受信する。イメージプロセッサ１１１２は、器具２１０の画像に基づいて、ロボットマニピュレータ１１０の位置を決定し得る。幾つかの実施形態では、イメージプロセッサ１１１２は、スキャナ１４０からの画像内で特に検出可能である器具２１０に取り付けられた基準に基づいて、器具２１０の位置決めを決定し得る。
【００７９】
ロボット１１０を造るために使用される材料は、非強磁性であり、例えば、アルミニウム、チタン、及びウルテム（Ｕｌｔｅｍ）、ＰＥＥＫ、又はデルリン等のエンジリアリングプラスチックであり得る。カーボンファイバが特定の領域に使用され得る。ベース４４０に使用されるリニアベアリングは、セラミックベアリングであり得る。ロボット１１０の他の運動で使用されるボールベアリングは、セラミックベアリングであり得る又は非磁性ハイブリッドベアリングであり得る。位置センサに用いられるエンコーダは、例えば、Ａｖａｇｏ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓの光学チップを用いることができる。位置センサに用いられるたいていのポテンショメータは、Ｓｐｅｃｔｒｕｍ  Controlsから得ることができる。
【００８０】
上述のように、ロボット１１０は、標的診断及び治療のために針を位置決めするとともに送るためのコンパクトなマニピュレータである。器具２１０は、例えば、生検用器具、レーザアブレーション器具、治療配送器具、又は任意の他の針ベースの器具であり得る。完全なデカルト位置及び配向が、器具２１０内の個別のＤＯＦ、例えば回転を制御するために、マウント４１０及びモータ４１３を通じた複数の駆動入力を用いて器具２１０に提供される。いったんロボット１１０が初期位置決めされると、針挿入がロボット１１０のジョイントの協調運動によって駆動される。初期位置決めでは、例えば、エンドエフェクタマウント４１０が、患者の干渉を最小化するように位置決めされることができる。
【００８１】
器具２１０は、米国仮特許出願第６１／５９９，３００号においてより詳細に記される。器具２１０は、エフェクタマウント４１０に取り付けられる前に、無菌アダプタ４１４に取り付けられることができる。無菌アダプタ及び器具２１０を合わせること及びロックすることは、米国仮特許出願第６１／５９９，３００号に記される。
【００８２】
さらに、無菌インタフェースが、ロボット１１０の上のドレープによって提供され得る。器具２１０とロボット１１０との間のインタフェースは、コントローラ１２０が器具２１０に関する情報、例えば、器具ＩＤ、シリアルナンバ、幾何形状パラメータ、及び用途等を決定することを可能にする。幾つかの実施形態では、器具２１０は、イメージャ内の位置特定のための埋込まれた基準を含み得る。
【００８３】
上述の詳細な記載は、本発明の特定の実施形態を説明するために提供されており、限定することを意図するものではない。本発明の範囲内の多数な変形及び変更が可能である。本発明は、以下の請求項に述べられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図８Ｇ】
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【図８Ｈ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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