(57)【要約】  ケーブル駆動される遠位端（例えば、プローブ、ステア可能なカテーテル、ガイドワイヤ及び結腸内視鏡）を有する介入ツール１４のセンサレス力制御のためのロボットアクチュエーションシステムが提供される。システムは、１又は複数のモータ駆動ギアに、介入ツール１４のケーブル駆動を操作させるロボットアクチュエータ３０を用いる。システムは更に、介入ツール１４のアクチュエーション位置及び接触力の同時制御のためのモータコマンドを生成するために、ロボットワークステーション２０を用いる。モータコマンドは、アクチュエーション位置測定、及び介入ツール１４の所望のアクチュエーション位置のための少なくとも１つのモータ駆動ギアのモータ電流測定の関数である。
2017511707.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーブル駆動される遠位端を有する介入ツールのセンサレス力制御のためのロボットアクチュエーションシステムであって、
アクチュエーション位置のレンジにおいて前記介入ツールを制御するロボットアクチュエータであって、前記介入ツールのケーブル駆動を操作する少なくとも１つのモータ駆動ギアを有する、ロボットアクチュエータと、
前記少なくとも１つのモータ駆動ギアに接続され、前記介入ツールのアクチュエーション位置及び接触力を同時に制御するためのモータコマンドを生成するロボットワークステーションであって、アクチュエーション位置測定、及び前記介入ツールの所望のアクチュエーション位置についての前記少なくとも１つのモータ駆動ギアのモータ電流測定の関数として、前記モータコマンドを生成する、ロボットワークステーションと、
を有するロボットアクチュエーションシステム。
【請求項２】
前記ロボットワークステーションは、前記介入ツールの所望のアクチュエーション位置に関連付けられる少なくとも１つの各モータ駆動ギアの所望のモータ位置に対する、少なくとも１つの各モータ駆動ギアの測定されたモータ位置の比較の関数として、モータ位置誤差を生成する、請求項１に記載のロボットアクチュエーションシステム。
【請求項３】
前記ロボットワークステーションは、前記モータ駆動ギアの所望のモータ電流に対する、前記モータ駆動ギアの期待されるモータ電流の比較の関数として、接触力誤差を生成する、請求項１に記載のロボットアクチュエーションシステム。
【請求項４】
前記ロボットワークステーションは、前記介入ツールの所望のアクチュエーション位置に関連付けられる少なくとも１つの各モータ駆動ギアの所望のモータ位置に対する、少なくとも１つの各モータ駆動の測定されたモータ位置の比較の関数として、モータ位置誤差を生成し、
前記ロボットワークステーションは、前記モータ駆動ギアの所望のモータ電流に対する、前記モータ駆動ギアの期待されるモータ電流の比較の関数として、接触力誤差を生成し、
前記モータコマンドが、前記モータ位置誤差及び前記接触力誤差を最小限にするために前記ロボットワークステーションによって生成される、請求項１に記載のロボットアクチュエーションシステム。
【請求項５】
前記ロボットワークステーションは、少なくとも１つの各モータ駆動ギアの測定されたモータ位置について期待されるモータ電流を含む較正ルックアップテーブルを有し、
前記ロボットワークステーションは、前記介入ツールの力対モータ電流曲線を含む較正曲線を有し、
前記ロボットワークステーションは、前記較正ルックアップテーブル及び前記較正曲線から、前記介入ツールの期待される接触力を導き出す、請求項３に記載のロボットアクチュエーションシステム。
【請求項６】
前記ロボットワークステーションは、少なくとも１つの期待されるモータ電流を出力するために、前記較正ルックアップテーブルに、少なくとも１つの各モータ駆動ギアの測定されたモータ位置を入力する、請求項５に記載のロボットアクチュエーションシステム。
【請求項７】
前記ロボットワークステーションは、前記介入ツールの前記期待される接触力を出力するために、前記較正曲線に少なくとも１つの各モータ駆動ギアの前記少なくとも１つの期待されるモータ電流及び測定されたモータ電流を適用する、請求項６に記載のロボットアクチュエーションシステム。
【請求項８】
前記介入ツールが、プローブ、ステア可能なカテーテル、ガイドワイヤ及び結腸内視鏡を含むケーブル駆動される介入ツールのグループのうちの１つである、請求項１に記載のロボットアクチュエーションシステム。
【請求項９】
前記ロボットアクチュエータは更に、前記介入ツールのハンドルに前記少なくとも１つのモータ駆動ギアを係合したものを収容するためのアクチュエーションチャンバを規定するために、ハンドルベース及びハンドルカバーの結合を有する、請求項１に記載のロボットアクチュエーションシステム。
【請求項１０】
ケーブル駆動の遠位端を有する介入ツールのセンサレス力制御のためのロボットワークステーションであって、
前記介入ツールと係合する少なくとも１つの各モータ駆動ギアの測定されたモータ位置について期待されるモータ電流を含む較正ルックアップテーブルを生成するアクチュエーション位置較正器と、
前記介入ツールのための力対モータ電流曲線を含む較正曲線を生成する力制御較正器と、
前記アクチュエーション位置較正器及び前記力制御較正器に接続され、前記較正ルックアップテーブル及び前記較正曲線から導き出される前記介入ツールのアクチュエーション位置及び接触力の同時制御のためのモータコマンドを生成するアクチュエーションコントローラと、
を有し、前記ロボットワークステーションは、アクチュエーション位置測定及び前記介入ツールの所望のアクチュエーション位置のための少なくとも１つのモータ駆動ギアのモータ電流測定の関数として、前記モータコマンドを生成する、ロボットワークステーション。
【請求項１１】
前記アクチュエーションコントローラは、前記介入ツールの所望のアクチュエーション位置に関連付けられる少なくとも１つの各モータ駆動ギアの所望のモータ位置に対する、少なくとも１つの各モータ駆動ギアの測定されたモータ位置の比較の関数として、モータ位置誤差を生成し、
前記ロボットワークステーションは、前記モータ駆動ギアの所望のモータ電流に対する、前記モータ駆動ギアの期待されるモータ電流の比較の関数として、接触力誤差を生成し、
前記モータコマンドは、前記モータ位置誤差及び前記接触力誤差を最小限にするために前記アクチュエータコントローラによって生成される、請求項１０に記載のロボットワークステーション。
【請求項１２】
前記アクチュエーションコントローラは、前記較正ルックアップテーブル及び前記較正曲線から、前記介入ツールの期待される接触力を導き出す、請求項１１に記載のロボットワークステーション。
【請求項１３】
前記アクチュエーションコントローラは、少なくとも１つの期待されるモータ電流を出力するために、前記較正ルックアップテーブルに、少なくとも１つの各モータ駆動ギアの測定されたモータ位置を入力する、請求項１２に記載のロボットワークステーション。
【請求項１４】
前記アクチュエーションコントローラは、前記介入ツールの期待される接触力を出力するために、前記較正曲線に、少なくとも１つの各モータ駆動ギアの少なくとも１つの期待されるモータ電流及び測定されたモータ電流を適用する、請求項１４に記載のロボットワークステーション。
【請求項１５】
前記介入ツールは、プローブ、ステア可能なカテーテル、ガイドワイヤ及び結腸内視鏡を含むケーブル駆動される介入ツールのグループのうちの１つである、請求項１４に記載のロボットワークステーション。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、経食道心エコー（「ＴＥＥ」）プローブに関する。本発明は、特に、介入プロシージャ中のＴＥＥプローブのセンサレスな力制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
経食道心エコー法は、構造心臓疾患（「ＳＨＤ」）の処置の間、心臓の解剖学的構造及び介入デバイスを視覚化するために一般に使用されている。図１は、超音波ワークステーション１１及びＸ線スキャナを有する検査室１０内の現場スタッフの典型的な配置を示しており、Ｘ線スキャナのＣアーム１２が図示されている。ＳＨＤ手術の間、心エコー検査技師１３は、ＴＥＥプローブ１４を保持し、ＴＥＥプローブ１４は、患者１６の心臓を視覚化するために、患者１６の口を通じて食道に通される。心臓専門医１５は、Ｘ線Ｃアーム１２及び手術テーブル１７の向こう側に位置する。心臓専門医１５は、さまざまな異なる診断又は治療プロシージャを実施するために、ＴＥＥプローブ１４を介するＸ線ガイダンス及び超音波ガイダンス下、動脈切開部から心臓に介入デバイス（図示せず）（例えばカテーテル及びガイドワイヤ）をナビゲートする。例えば僧帽弁クリップ配置又は経カテーテル大動脈弁置換術（「ＴＡＶＲ」）のようなプロシージャは、時間がかかることがあり、複雑でありうる。更に、プロシージャの間、ターゲット解剖学的構造の適当な視覚化を確実にすることは、心エコー検査技師１３の責任であり、心エコー検査技師は、プロシージャの持続中、ＴＥＥプローブ１４の先端の位置に対する一定の小さい調整を行わなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
実際、図１の手術条件は、いくつかの課題を示す。第１の課題は、疲労及び貧弱な視覚化である。具体的には、適当な視覚化は、適切な解剖学的構造が視野内にあること、及び適切な音響結合を達成するためにトランスデューサヘッドと食道壁との間に必要な接触力が達成されること、の両方を確実にすることを含む。この目的で、ＴＥＥプローブ１４のヘッドの位置及び向きは、ターゲット構造の適当な視覚化を維持するために、プロシージャの持続中一定の微小な調整を必要とする。これは、長いプロシージャの間の心エコー検査技師１３による疲労及び貧弱な視覚化につながりうる。
【０００４】
第２の課題は、Ｘ線曝露である。具体的には、長さをもつＴＥＥプローブ１４は、介入Ｘ線システムの線源のすぐ近くに心エコー検査技師１３を位置させ、こうして、プロシージャの最中、心エコー検査技師１３のＸ線曝露を最大にする。
【０００５】
第３の課題は、コミュニケーション及び視覚化である。プロシージャの特定のフェーズの間、心臓専門医１５は、どの構造を視覚化するべきかを心エコー検査技師１３に指示するので、心臓専門医１５及び心エコー検査技師１３は、常にコミュニケーションをとらなければならない。３Ｄ超音波ボリュームを解釈する難しさと、Ｘ線システム及び超音波システムによって表示される異なる座標系が提供される場合、心エコー検査技師１３は、心臓専門医１５の意図を理解することは困難でありうる。
【０００６】
本発明は、これらの課題に対処するために、ロボットアクチュエーションシステムを提供する。概して、図２に示すように、ロボットアクチュエータシステムを用いるロボットアクチュエータシステムを有する検査室１０ｂ内の現場スタッフの新しい配置は、ＴＥＥプローブ１４の超音波イメージングボリュームを調整するＴＥＥプローブ１４の２自由度と４自由度との間の遠隔制御のために、ロボットワークステーション２０及びロボットアクチュエータ３０を用いる。更に、ここに記述されるように、ロボットアクチュエータ３０は、既存の及びさまざまなタイプのＴＥＥプローブ１４に組み込まれる能力を有することができるとともに、心エコー検査技師１３が何らかの理由でＴＥＥプローブ１４の手動動作に戻ることを決める場合に、ＴＥＥプローブ１４から迅速に取り外される能力を有することができる。
【０００７】
しかしながら、ＴＥＥプローブ１４のロボット制御から生じる潜在的な問題は安全性である。特に、ＴＥＥプローブ１４のダイヤルが、心エコー検査技師１３の手ではなく、ロータアクチュエータ３０によって移動されるので、触覚フィードバックがない（すなわち、プローブ１４が患者１６の食道上の過剰な力を及ぼしているかどうかを心エコー検査技師１３が感じることができない）。
【０００８】
ロボットの力制御は、例えば研摩又は組立てのようなアプリケーションの技術において知られている。これらの方法は、ロボットエンドエフェクタ上又はロボット関節における力又はトルクを検出するために、力センサを使用する。同様に、プローブ−組織接触力は、当技術分野において知られている力センサによって測定されることができる。しかしながら、力センサによりプローブ−組織接触力を測定することに関するいくつかの問題がある。
【０００９】
第１に、ＴＥＥプローブ１４は、複数の力センサを有するように変更される必要がある。患者１６の安全性及び快適さのために、ＴＥＥプローブ１４のサイズは、可能な限り小さくなければならない。逆に、ガイダンス及び診断目的のために、ＴＥＥプローブ１４のイメージング素子は、視野を増大するために可能な限り大きくされるべきである。これらの制約に関して、ＴＥＥプローブ１４のヘッドに新しいエレクトロニクスを加えることは、ＴＥＥプローブ１４の主な機能、すなわち、超音波画像の取得に支障を来すことがある。
【００１０】
第２に、センサは、ＴＥＥプローブ１４の離散的なロケーションにのみ配置されることができ、他方、患者１６に対する外傷が、全体のＴＥＥプローブ１４の長さに沿ったいかなるポイントでも発生しうる。
【００１１】
第３に、直接的な力センシングが使われる場合、力センサベースの制御システムは、専ら新しく製造されるプローブとのみ使用されることができる。しかしながら、当分野ですでに展開されているＴＥＥプローブ１４と共に力制御システムを使用することが有利である。
【００１２】
センサレス力制御は、力が、システムの他のパラメータから導出される技術（最も一般にはモータの電流）においても知られている。従来のロボットアプリケーションにおいて、力及び位置は、切り離される。これらのアプリケーションにおいて、制御スキームは、経路制御及び力制御を組み合わせる。例えば、経路制御ループは、不適合モードにおいてプロセスを制御することができ、力制御ループは、適合モードにおいてシステムを制御することができる。これらのデュアルループは、同時に動作することができる。更に、従来のロボットアプリケーションにおいて、エンドエフェクタのモータの電流は、ロボット全体の位置に依存せず、これはセンサレス力制御を簡略化する。
【００１３】
ＴＥＥプローブ１４の力制御の問題は、全体のアクチュエーションがＴＥＥプローブ１４の近位端部で行われるという理由で、ケーブル駆動される類の装置（例えばＴＥＥ超音波プローブ及びカテーテル）にユニークであり、結果的に幾つかの問題にいたる。まず、ロボットアクチュエータ３０の各モータにおいてセンスされる又は測定される力は、ＴＥＥプローブ１４が組織に及ぼしている力及びＴＥＥプローブ１４の全長の形状に依存する。第２に、ロボットアクチュエータ３０のモータにおいてセンスされる又は測定される力は、ケーブルを引っ張るのに必要とされる力を含む。この力は、ＴＥＥプローブ１４のヘッドの位置に依存して変わる。
【００１４】
本発明は、ロボットアクチュエータ３０からのＴＥＥプローブ１４の先端位置／力の同時の算出を処理するロボットワークステーション２０によって、ＴＥＥプローブ１４のセンサレス力制御を提供する。これはＴＥＥプローブ１４の安全な遠隔操作を可能にし、それによって、患者１６の食道に対する外傷のリスクを低減し、更に、ロボットワークステーション２０及びロボットアクチュエータ３０が、当分野においてすでに展開されているプローブと共に利用されることを可能にする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の１つの形態は、ケーブル駆動される遠位端を有する介入ツール（例えば、プローブ、ステア可能なカテーテル、ガイドワイヤ及び結腸内視鏡）のセンサレス力制御のためのロボットアクチュエーションシステムである。システムは、１又は複数のモータ駆動ギアに介入ツールのケーブル駆動を操作させるロボットアクチュエータを用いる。システムは、介入ツールのアクチュエーション位置及び接触力を同時に制御するためのモータコマンドを生成するために、ロボットワークステーションを更に用いる。モータコマンドは、介入ツールの所望のアクチュエーション位置について、少なくとも１つのモータ駆動ギアのモータ電流測定及びアクチュエーション位置測定の関数である。
【００１６】
本発明の上述の形態及び他の形態並びに本発明のさまざまな特徴及び効果は、添付の図面に関連して読まれる本発明のさまざまな実施形態の以下の詳細な説明から一層明らかになる。詳細な説明及び図面は、本発明を単に説明するものであって、制限するものではなく、本発明の範囲は、添付の請求項及びそれらと等価のものによって規定される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】当分野において知られているＴＥＥプローブの例示的な手動アクチュエーションを示す図。
【図２】本発明によるＴＥＥプローブの遠隔制御されるアクチュエーションの例示的な実施形態を示す図。
【図３】当分野において知られている例示のＴＥＥプローブを示す図。
【図４Ａ】図３に示されるＴＥＥプローブのアクチュエーションダイヤル及び本発明によるモータ駆動ギアの例示の係合を示す図。
【図４Ｂ】図３に示されるＴＥＥプローブのアクチュエーションダイヤル及び本発明によるモータ駆動ギアの例示の係合を示す図。
【図５】本発明によるロボットアクチュエータの例示の実施形態を示す図。
【図６Ａ】本発明によるプローブハンドルベースの例示の実施形態を示す図。
【図６Ｂ】本発明によるプローブハンドルカバーの例示の実施形態を示す図。
【図７】本発明による図６Ａ及び図６Ｂに示されるプローブハンドルベース及びプローブハンドルカバーの概略的な実施形態を示す図。
【図８Ａ】本発明によるアクチュエータプラットホームの例示の実施形態を示す図。
【図８Ｂ】本発明によるアクチュエータプラットホームの例示の実施形態を示す図。
【図９Ａ】図８Ａ及び図８Ｂに示されるアクチュエータプラットホームの動作を示す図。
【図９Ｂ】図８Ａ及び図８Ｂに示されるアクチュエータプラットホームの動作を示す図。
【図９Ｃ】図８Ａ及び図８Ｂに示されるアクチュエータプラットホームの動作を示す図。
【図９Ｄ】図８Ａ及び図８Ｂに示されるアクチュエータプラットホームの動作を示す図。
【図１０】本発明によるロボットワークステーションの例示の実施形態を示す図。
【図１１】本発明によるアクチュエーション位置較正方法の例示の実施形態を示すフローチャート。
【図１２】本発明による接触力較正方法の例示の実施形態を示すフローチャート。
【図１３】本発明によるセンサレス力制御の例示の実施形態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の理解を容易にするために、本発明のロボットアクチュエーションシステム及びさまざまなコンポーネントの例示の実施形態は、図３に示すようにＴＥＥプローブの遠隔制御アクチュエーションの状況において記述される。これらの記述から、当業者は、任意のタイプのプロシージャのための適切な設計の超音波プローブ及び他の腱駆動可撓性デバイス（例えば結腸内視鏡、胃カメラ、その他）に、本発明のロボットアクチュエーションシステムの原理を適用する方法を理解する。
【００１９】
図３を参照して、当分野において知られているＴＥＥプローブ４０は、ハンドル４１と、ハンドル４１に取り付けられる近位端部４２ｐ及び超音波トランスデューサ４３を有する遠位ヘッド端部４２ｄを有する細長いプローブと、を用いる。ＴＥＥプローブ４０は、プローブヘッド４２ｄのヨー自由度を調整するヨーアクチュエーションダイヤル４３と、プローブヘッド４２のピッチ自由度を調整するピッチアクチュエーションダイヤル４４とを用いる。
【００２０】
本発明は、ヨーアクチュエーションダイヤル４３及びピッチアクチュエーションダイヤル４４のアクチュエーションを制御するモータ駆動ギアを提供する。例えば、図４Ａに示すように、本発明の摩擦ギア３１は、ヨーアクチュエーションダイヤル４３の回転を制御するための十分なトルクを伝達するためにヨーアクチュエーションダイヤル４３と摩擦係合するように設計される。図４Ｂに示すように他の例によれば、本発明のクラウンギア３２は、ピッチアクチュエーションダイヤル４４の回転を制御するために、ヨーアクチュエーションダイヤル４３と接触せずにピッチアクチュエーションダイヤル４４と機械的に係合するように設計される。
【００２１】
実際、ロボットアクチュエータ３０（図２）のギアの設計は、係合されることが意図されるプローブの対応するアクチュエーションダイヤルの設計に依存するが、ロボットアクチュエータ３０の実施形態は、ギア３１及び３２の状況においてここに記述される。
【００２２】
図５を参照して、ロボットアクチュエータ３０の一実施形態は、１又は複数の磁気カップラ３７を通じて磁気的に結合されるときにアクチュエーションチャンバを規定するために、凹形内側表面３３ａを有するプローブハンドルカバー３３と、凹形内側表面３３ｂを有するプローブハンドルベース３４を用いる。動作中、チャンバはプローブのアクチュエーションダイヤルを収容し、特に手術環境がプローブの手動制御を指図する場合、磁気結合は、所望のプローブの容易な除去を容易にする利点を提供する。
【００２３】
ロボットアクチュエータ３０は、各々のギア３１及び３２用のモータ３５及びモータコントローラ３６（「ＭＣＯＮＴＲＯＬ」）を更に用い、ロボットワークステーション２０のモータコントローラ３６への電気結合を通じて、ロボットワークステーション２０（図２）によって制御可能なモータ駆動ギアを与える。動作中、モータ駆動ギアは、プローブのアクチュエーションダイヤルを係合し回転させるのに十分であり、これは、プローブハンドルカバー３３の軽量設計を容易にする。
【００２４】
更に、ロボットアクチュエータ３０が作動される環境（例えば手術室）に依存して、当分野において知られているプローブハンドルベース３４及び／又はアクチュエータプラットホーム３８が、環境内の座標系にロボットアクチュエータ３０を固定するために利用されることができる。例えば、プローブハンドルベース３４及び／又はアクチュエータプラットホーム３８は、手術室内の座標系にロボットアクチュエータ３０を固定するために、固定具、手術テーブル、手術機器又は他のやり方で任意の対象に、取り付けられることができる。
【００２５】
図６Ａ及び図６Ｂを参照して、ロボットアクチュエータ３０の概略的な実施形態は、プローブ（例えば表示されるプローブハンドル４１）のアクチュエーションダイヤルを制御するために、プローブハンドルベース５０及びプローブハンドルカバー６０を用いる。具体的には、プローブハンドルカバー５０は、凹形内側表面５１を有し、プローブハンドルベース６０は、凹形内側表面６１を有し、これらは、プローブハンドルベース５０の磁気手段５２ａ及びプローブハンドルカバー６０のスチールロケータピン６２ｂを通じて磁気的に結合されるときにアクチュエーションチャンバを規定する。
【００２６】
プローブハンドルベース５０は、ロボットワークステーション２０（図２）に電気的に接続されるモータ制御盤５３を用い、プローブハンドルカバー６０は、モータ６４（例えば２つのスパーギヤを介するブラシＤＣモータ）に電気的に接続されるモータ制御盤６３を用いる。モータ制御盤５３及び６３は、モータコントローラを形成するために、プローブハンドルベース５０及びプローブハンドルカバー６０の磁気結合に応じて係合される電気接点（図示せず）（例えばバネ接触）を有する。モータコントローラ５３ａ／６３ａは、クラウンギア６５に対するモータ６４ａの電流制御を実現し、それによりクラウンギア６５の回転を制御する。同様に、モータコントローラ５３ｂ／６３ｂは、クラウンギア６５と同心の摩擦ギア６６に対するモータ６４ｂの電流制御を実施し、それにより摩擦ギア６６の回転を制御する。
【００２７】
図７は、プローブハンドル１４１のアクチュエーションダイヤル（図示せず）を収容し制御するために、プローブハンドルベース１５０及びプローブハンドルカバー１６０の磁気結合を有するロボットアクチュエータ１３０の審美的な実際のビューを示す。
【００２８】
図８Ａ及び図８Ｂは、一対のレール７１、一対のスライダ７２、一対の回転モータ７３及びクランク軸７５を用いるアクチュエータプラットホーム３８（図５）の一実施形態７０を示す。当技術分野において知られている技法によって、スライダ７２は、レール７１に摺動可能に結合されるとともに回転モータ７３に固定され、クランク軸７５は、回転モータ７３に回転可能に結合される。動作中、プラットホームコントローラ７６は、スライダ７２の移動の従来の制御を通じて、矢印方向の一方においてレール７１に沿ってクランクシャフト７５を横方向に移動させるために、及び回転モータ７３の制御を通じて回転軸ＲＡを中心にクランク軸７５を回転させるために（例えば、図８Ｂに示される１８０°の回転）、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア及び／又は回路を用いる。実際、回転モータ７３は、プローブハンドル、プローブ自体及び／又はプローブの配線の一部を支持するためのグローブ７４を有することができる。
【００２９】
クランクシャフト７５の重要性は、クランクシャフト７５が、図９Ａ及び図９Ｂの矢印によって例示的に示されるように横方向に移動され、又は図９Ｃ及び図９Ｄに示されるように回転軸ＲＡを中心にされるとき、プローブハンドルの回転軸ＲＡとの回転アライメントを維持することである。具体的には、クランクシャフト７５は、プローブハンドル（「ＰＨ」）ベース５０を通って延び、プローブハンドルベース５０とプローブハンドルカバー６０との間に位置するプローブハンドル４１は、回転方向において回転軸ＲＡにアラインされる。
【００３０】
従って、レール７１上を横方向に摺動するスライダ７２の制御を介したクランクシャフト７５の横方向の移動は、図９Ａ及び図９Ｂに例示的に示されるように、回転方向における回転軸ＲＡとのアライメントを保ちつつプローブハンドル４０を横方向に移動させる。更に、回転モータ７３の制御を介した回転軸ＲＡを中心とするクランクシャフト７５の回転運動は、図９Ｃ及び図９Ｄに示されるように、回転軸ＲＡを中心にプローブハンドル４０を回転させる。
【００３１】
実際に、図７に示すアクチュエータプラットホーム７０は、プローブ４０の遠位ヘッド４２ｄのピッチング及び／又はヨーイングを可能にするために、横方向運動及び回転運動の付加の２度の自由度を提供する。
【００３２】
図１に戻って、ロボットワークステーション２０は、ユーザ入力部を介してロボットアクチュエータ３０のモータ駆動ギアに対するモータコマンドを生成するための技法を実行するための、当技術分野において知られているハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア及び／又は回路によって構造的に構成される。実際、ロボットワークステーション２０は、被検体プローブの特定のアクチュエーションスキームのためのモータコマンドを生成するために、任意の知られている技法を実現することができる。特にＴＥＥプローブ１４に関して、ロボットワークステーション２０は、プローブ１４の遠位ヘッドのピッチ自由度及びヨー自由度を制御するためにモータコマンドを生成する知られている技法を実行する。更に、アクチュエータプラットホーム７０又は任意の他のアクチュエータプラットホームが、プローブ１４の遠位ヘッドの横方向運動及び回転運動を容易にする場合、アクチュエータプラットホームのコントローラは、ロボットワークステーション２０に結合される又はロボットワークステーション２０内に組み込まれるスタンドアロンのコントローラでありうる。アクチュエータプラットホームのコントローラが、ロボットワークステーション２０内に結合され又は組み込まれる場合、ロボットワークステーション２０は、ユーザ入力部を介してアクチュエータプラットホームのコントローラに対する運動コマンドを生成する知られている技法を実行するための、当分野において知られているハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア及び／又は回路によって構造的に構成される。
【００３３】
更に実際に、ロボットワークステーション２０は、ロボットアクチュエーションシステムの１又は複数のユーザとインタフェースするための知られているコンポーネント及びスキームを実現することができる。特に図１を参照して、直接制御スキームにおいて、ロボットワークステーション２０は、心エコー検査技師１３によるＴＥＥプローブ１４のヘッドの直接制御を容易にするために、適当なユーザインタフェース（図示せず）（例えばジョイスティック、マウス、タッチスクリーン、その他）を用いる。共同制御スキームにおいて、ロボットワークステーション２０は、心エコー検査技師１３及び心臓専門医１５によるＴＥＥプローブ１４のヘッドの共有される制御を容易にするために適当なユーザインタフェース（図示せず）（例えばジョイスティック、マウス、タッチスクリーン、その他）を用いる。
【００３４】
図１０を参照して、ロボットワークステーション２０は、ＴＥＥプローブ１４（図２）のアクチュエーションを制御するために、本発明に従ってロボットアクチュエータ３０（図２）に対しモータコマンドを生成するハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア及び／又は回路によって構造的に構成される。実際、ロボットワークステーション２０は、このようなモータコマンドの生成に適した任意の技法を実行することができる。
【００３５】
一実施形態において、ロボットワークステーション３０は、（１）ＴＥＥプローブ１４のヘッドの位置／形状とロボットアクチュエータ３０のモータ電流との間の動作関係を確立するプローブ較正方法と、（２）ＴＥＥプローブ１４のアクチュエーション位置及び接触力の同時制御と、を含む本発明のセンサレス力制御スキームを組み込むためにその中に搭載されるモジュール２２−２４のネットワーク２１を用いる。図４Ａ及び図４Ｂに示されるように個々のアクチュエーションダイヤル４２及び４３の角度位置に対するギア３１及び３２の角度位置の１対１の対応が重要である。
【００３６】
図１１を参照して、フローチャート８０は、アクチュエーション位置較正器２２（図１０）によって実行される本発明のアクチュエーション位置較正方法を表す。フローチャート８０のステージＳ８２は、ロボットアクチュエータ３０によるＴＥＥプローブ１４のプローブアクチュエーションサイクルを起動する較正器２２を含み、フローチャート８０のステージＳ８４は、較正器２２に通信されるロボットアクチュエータ３０によるモータ電流の測定を含む。
【００３７】
具体的には、ステージＳ８２について、ＴＥＥプローブ１４は、複数の配置に位置付けられることができ、それらのうち２つの可能性がある形状配置９０及び９１が図示されている。具体的には、配置９０は、ＴＥＥプローブ１４が手術テーブル（図示せず）と平行に載置されることを必要とし、又は、配置９１は、ＴＥＥプローブ１４が手術テーブルに対し垂直に載置されることを必要とする。いずれの配置においても、ＴＥＥプローブ１４は、自由に動かされることを可能にされ、それにより、ＴＥＥプローブ１４のヘッドに及ぼされる付加の力がなく、ＴＥＥプローブ１４はヘッドをまっすぐに保持したままにする。
【００３８】
プローブ較正サイクルは、ロボットアクチュエータ３０が、指定された程度のサンプルレートで、第２の自由度の複数の角度において第１の自由度の完全な角度レンジにわたってＴＥＥプローブ１４のヘッドを移動させることを含む。ＴＥＥプローブ１４に関するように、ロボットアクチュエータ３０は、ピッチアクチュエーションダイヤルの多数の角度位置について、ヨーアクチュエーションダイヤルをそのフルレンジの角度位置にわたって、指定されたサンプルレートで回転させる。例えば、５度ごと及び−９０度から９０度までのフルレンジのサンプリングレートで、ロボットアクチュエータ３０は、ピッチアクチュエーションダイヤルの角度位置の５度ごとに、ヨーアクチュエーションダイヤルをフルレンジにわたって５度ずつ回転させる。
【００３９】
各サンプリングは、ロボットアクチュエータ３０の各モータのモータ電流の測定及び記憶を含む。センサレス力制御を容易にするために、ステージＳ８４は、測定されたモータ電流のルックアップテーブルの生成を伴うことができる。以下の表は、（動きレンジ）^2/（サンプリングレート）^2 + 1エレメント数から導き出される６４９のエントリのための例示的なルックアップテーブルである（選択された１０のエントリのみが示されていることを注意されたい）：
2017511707.tif 000003
【００４０】
較正器２２は、プローブアクチュエーションサイクルの終了までステージＳ８２／Ｓ８４をループする。
【００４１】
図１２を参照して、フローチャート１００は、接触力較正器２３（図８）によって実行される本発明の接触力較正方法を表す。フローチャート１００のステージＳ１０２は、フローチャート８０（図１１）のステージＳ８２について上述したように、ロボットアクチュエータ３０によるＴＥＥプローブ１４のプローブアクチュエーションサイクルを起動する較正器２３を含み、フローチャート１００のステージＳ１０４は、較正器２３に通信される力センサによる力の測定を含み、これは、力／モータ電流比を生成する。
【００４２】
具体的には、ステージＳ１０２について、ＴＥＥプローブ１４のヘッドは、知られている機械特性をもつ２つのばねにより２つの力センサに取り付けられる。１つの力センサは、プローブヘッドに対して垂直に取り付けられ、力センサ１０２は、例えば図１０に示すようにＴＥＥプローブ１４のヘッドに対し垂直に取り付けられる。他方の力センサ（図示せず）は、プローブヘッドと同じ面に取り付けられる。プローブヘッドが直線的な配置１１０を有する場合には力がゼロであるように、及びプローブヘッドが曲がった配置（例えば曲がった配置１１１）を有する場合は力がゼロ以外であるように、バネが構成される。
【００４３】
モータ電流及び力の値は、ステージＳ１０４の間に記録される。電流及び力の値は、各々の自由度についてヒステリシス曲線を形成することが期待され、これは、以下に説明されるように接触力制御を容易にするために正確な１つの力／モータ電流比があることを確実にするよう、ラインがこれらの値にフィットされることを可能にする。
【００４４】
較正器２３は、プローブアクチュエーションサイクルの終了までステージＳ１０２／Ｓ１０４をループする。
【００４５】
図１３を参照して、アクチュエーションコントローラ２４（図８）は、アクチュエーション位置及び接触力を同時に制御する制御スキーム１２０を実現する。基本的に、ＴＥＥプローブ１４のヘッドの所望のアクチュエーション位置ＰＤは、位置制御のためジョイスティック、キーボード又は任意の他の入力装置を介してロボットワークステーション２０のユーザによってコントローラ２４に通信され、それに応じて、コントローラ２４は、位置制御ステージＳ１２２の間、ギア／アクチュエーションダイヤルの対応する角度位置によって達成されるＴＥＥプローブ１４のヘッドの特定のピッチ及びヨーに関してＴＥＥプローブ１４のアクチュエーション位置ＰＡを生成する。更に、組織との接触を維持し音響結合を保証するように一般にゼロより大きい定数値であるＴＥＥプローブ１４の所望の力ＦＤが、力制御ステージＳ１２４の間、コントローラ２４に通信され、それにより、コントローラ２４は、ＴＥＥプローブ１４のアクチュエーション位置ＰＡについて接触力補正ＦＣを生成する。
【００４６】
モータコマンドＭＣの生成は、アクチュエーション位置ＰＡと測定されたモータ位置ＰＭとの間の位置誤差及び接触力補正ＦＣと期待される接触力ＦＥとの間で接触力誤差を最小限にするという観点で、アクチュエーション位置ＰＡに対する接触力補正ＦＣの適用を含む。
【００４７】
具体的には、ロボットアクチュエータ４０のモータコントローラ３６（図５）は、スキーム１２０の個々のステージＳ１２６及びＳ１２８の間、センスされたモータ位置ＰＳ及びセンスされたモータ電流ＩＳをコントローラ２４に連続的に通信する。それに応じて、コントローラ２４は、センスされたモータ位置ＰＳを周期的に測定し、測定されたモータ位置ＰＭを、ＴＥＥプローブ１４のヘッドの所望のアクチュエーション位置ＰＤに関連付けられるモータ位置と比較し、結果的に得られる位置誤差は、位置誤差を最小限にするように設計される位置制御ステージＳ１２２への入力となる。実際に、コントローラ２４は、位置誤差を最小限にするための当技術分野において知られている任意の制御技法（例えばＰＩＤ制御）を実行することができる。
【００４８】
コントローラ２４は、センスされたモータ電流ＩＳを周期的に同期して測定し、センスされ測定されたモータ電流ＩＳを、期待されるモータ電流ＩＥに組み合わせ、期待されるモータ電流ＩＥは、較正器２２（図１１）によって生成されるステージＳ１３０のルックアップテーブルに、測定されたモータ位置ＰＭを入力することによって計算される。ルックアップテーブルは、２つのダイヤルの位置の２つの入力を取得し、各々の自由度に２つの期待される電流値ＩＥを返す。ステージＳ１３２の間、期待される電流値ＩＥ及び測定されたモータ電流値ＩＭは、ＴＥＥプローブ１４のヘッド上の期待される接触力ＦＥを算出するために、較正器２３（図１２）によって計算される供給される電流対力曲線（Ｃ→Ｆ）に供給される。  
【００４９】
力制御ステージＳ１２４は、所望の接触力ＦＤ及び期待される接触力ＦＥの比較から、接触力補正ＦＣを受け取り、ＴＥＥプローブ１４のヘッドによって及ぼされる力を制限するために、位置制御ステージＳ１２２によって生成される経路を調整する。１つの実施形態において、この運動をモデル化する直接的な方法は、接触表面が理想ばねとして振る舞うことを仮定する：
2017511707.tif 000004
上式で、Δｆは、力誤差信号であり、ｘは接触点の位置であり、ｘｏは、障害物がない場合のＴＥＥプローブ１４の位置であり、Ｋは、患者の食道の弾性定数（文献において知られている値が使用されることができる）である。ｘ０は、ＴＥＥプローブ１４の運動モデルから知られることができ、直接的なリンクがモータコマンドと力との間にある。位置制御値と同様に：
2017511707.tif 000005
【００５０】
コントローラ２４は、プロシージャの間、スキーム１２０のステージをループする。
【００５１】
図１−図１１を参照して、当業者であれば、ケーブル駆動の介入ツール（例えば、ＴＥＥプローブ、ステア可能なカテーテル、ガイドワイヤ、結腸内視鏡、その他）を含む任意のプロシージャのためのセンサレス力制御を非限定的な例として含む本発明の多数の利点を理解する。
【００５２】
本発明の各種実施形態が図示され記述されているが、当業者により、ここに記述される本発明の実施形態は説明的であり、さまざまな変形及び変更は実施されることができ、等価なものは、本発明の真の範囲を逸脱しない範囲でそれらの素子と置き換えられることができることが理解される。更に、多くの変更が、その中心の範囲を逸脱することなく本発明の教示を適応させるために行われることができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示される特定の実施形態に制限されず、本発明は、添付の請求項の範囲内にあるすべての実施形態を含むことが意図される。
【図１】
2017511707.tif 000006
【図２】
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【図３】
2017511707.tif 000008
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2017511707.tif 000010
【図５】
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【図６Ａ】
2017511707.tif 000012
【図６Ｂ】
2017511707.tif 000013
【図７】
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【図８Ａ】
2017511707.tif 000015
【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
2017511707.tif 000017
【図９Ｂ】
2017511707.tif 000018
【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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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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【国際調査報告】
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