(57)【要約】  患者に対する細長い器具の動きを伴う医療処置中に細長い器具を制御する方法が提供される。この方法は、制御システムによって細長い器具の第１のモデルを生成し、制御システムによって細長い器具の基準姿勢に基づいて細長い器具の第２のモデルを生成することを含む。この方法は、さらに、制御システムによって、第１のモデルを第２のモデルと比較し、制御システムによって、比較に基づいてシステム構成の状態を決定することを含む。
2020531070.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者に対する細長い器具の動きを伴う医療処置中に前記細長い器具を制御する方法であって：
制御システムが、前記細長い器具の第１のモデルを生成するステップと；
前記制御システムが、前記細長い器具の基準姿勢に基づいて前記細長い器具の第２のモデルを生成するステップと；
前記制御システムが、前記第１のモデルを前記第２のモデルと比較するステップと、
前記制御システムが、前記の比較に基づいてシステム構成の状態を決定するステップと；を含む、
方法。
【請求項２】
前記第１のモデルは、前記細長い器具の測定された姿勢に基づく、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記測定された姿勢および前記基準姿勢はそれぞれ、前記細長い器具の長さに沿って延びる形状センサからなる第１のセンサシステムによって提供されるデータに基づく、
請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記形状センサによって提供される前記データは、測定ゾーンに位置する前記細長い器具のセグメントから受信される、
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記測定ゾーンは、気管内チューブのセグメントまたは患者の気管のセグメントに対応する、
請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第２のモデルはさらにユーザコマンドに基づく、
請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ユーザコマンドは、挿入距離のためのコマンドである、
請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第２のモデルはさらに、第２のセンサシステムによって測定される挿入距離に基づく、
請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記システム構成の前記状態は、前記患者の状態を含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記患者の前記状態を決定するステップは、前記制御システムが、前記第１のモデルおよび前記第２のモデルの前記比較に基づいて前記患者が動いたかどうかを決定するステップを含む、
請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記比較に基づいて前記システム構成の前記状態を決定するステップはさらに：
前記制御システムが、前記比較および前記比較に関連付けられる閾値に基づいて前記システム構成の前記状態を決定するステップを含む、
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記細長い器具の前記基準姿勢は第１の基準姿勢であり、
前記細長い器具の前記第２のモデルを生成するステップはさらに：
前記細長い器具の前記第１の基準姿勢に基づいて第１の基準モデルを生成するステップと；
前記細長い器具の第２の基準姿勢に基づいて第２の基準モデルを生成するステップと；
前記第１の基準モデルおよび前記第２の基準モデルに基づいて前記細長い器具の前記第２のモデルを生成するステップと；
を含む、
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記第２のモデルは、前記細長い器具の予測される状態に関連付けられる確率分布を含む、
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記システム構成の前記状態は、前記細長い器具の状態を含む、
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記細長い器具の前記状態を決定するステップは、前記細長い器具の座屈を検出するステップを含む、
請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記システム構成の前記状態の前記の決定に基づいて表示システムに提示のためのメッセージを生成するステップをさらに含む、
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
前記メッセージに応じてユーザによって選択されるインタラクティブなインターフェース要素を生成するステップをさらに含む、
請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記システム構成の決定された前記状態に基づいて、前記制御システムが、前記細長い器具の制御を変更するステップをさらに含む、
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記制御システムが、前記細長い器具の制御を変更するステップは：
マスタアセンブリを経由して受信される入力コマンドを無視するステップ；
前記細長い器具を前記患者に対して再レジストレーションするステップ；
前記細長い器具を術前画像データに対して再レジストレーションするステップ；
前記細長い器具の現在の姿勢を維持するステップ；および
前記細長い器具が前記細長い器具の作業部位において組織によって加えられる力に従うことを可能にするステップ；
のうちの少なくとも１つを含む、
請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記システム構成の決定された前記状態に応じて前記システムを安全状態に移行させるステップをさらに含む、
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
前記安全状態は、前記細長い器具の駆動ユニットから動力を除去するステップを含む、
請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
センサシステムを有する細長い器具と；
前記細長い器具の姿勢を測定するために前記センサシステムと通信する制御システムであって、前記制御システムは：
前記細長い器具の第１のモデルを生成すること；
前記細長い器具の基準姿勢に基づいて前記細長い器具の第２のモデルを生成すること；
前記第１のモデルを前記第２のモデルと比較すること；および
前記比較に基づいてシステム構成の状態を決定すること；
を含む動作を実行するように構成される、制御システムと；
を有する、
医療システム。
【請求項２３】
前記細長い器具は、中を延びる第１のセンサシステムを有する可撓性構成要素を含む、
請求項２２に記載の医療システム。
【請求項２４】
前記第１のセンサシステムは、光ファイバ形状センサまたは複数の電磁（ＥＭ）センサを含む形状センサを含む、
請求項２３に記載の医療システム。
【請求項２５】
前記第１のモデルは前記細長い器具の測定された姿勢に基づく、
請求項２３に記載の医療システム。
【請求項２６】
前記測定された姿勢および前記基準姿勢はそれぞれ、前記細長い器具の前記可撓性構成要素の前記形状センサからの形状データに基づく、
請求項２５に記載の医療システム。
【請求項２７】
前記形状センサによって提供される前記形状データは、測定ゾーンに位置する前記細長い器具のセグメントから受信される、
請求項２６に記載の医療システム。
【請求項２８】
前記測定ゾーンは、気管内チューブのセグメントまたは患者の気管のセグメントに対応し、
前記細長い器具は前記患者に対して位置決めされる、
請求項２７に記載の医療システム。
【請求項２９】
前記第２のモデルはさらに、前記細長い器具の挿入距離に基づく、
請求項２２に記載の医療システム。
【請求項３０】
ロボットアセンブリであって、前記ロボットアセンブリに沿って配置された第２のセンサシステムを含む、ロボットアセンブリをさらに有し、前記細長い器具は、前記ロボットアセンブリに結合され、前記制御システムは、前記第２のセンサシステムと通信する、
請求項２９に記載の医療システム。
【請求項３１】
前記ロボットアセンブリは、挿入ステージ、マニピュレータ、またはロボットアームのうちの少なくとも１つを含む、
請求項３０に記載の医療システム。
【請求項３２】
前記挿入距離は、前記第２のセンサシステムによって測定される、
請求項３０に記載の医療システム。
【請求項３３】
前記第２のセンサシステムは、回転エンコーダまたはリニアエンコーダを含む、
請求項３０に記載の医療システム。
【請求項３４】
入力制御装置をさらに有し、前記制御システムは、前記入力制御装置および前記ロボットアセンブリと通信して前記細長い器具の前記挿入距離を制御し、前記挿入距離は、前記入力制御装置から受信される１つまたは複数のコマンドに基づく、
請求項３０に記載の医療システム。
【請求項３５】
前記システム構成の前記状態は、前記細長い器具が患者に対して位置決めされるときの前記患者の状態を含み、前記システム構成の前記状態を決定することは、前記患者が動いたかどうかを決定することを含む、
請求項２２乃至３４のいずれか１項に記載の医療システム。
【請求項３６】
前記システム構成の前記状態は、前記細長い器具の状態を含み、前記システム構成の前記状態を決定することは、前記細長い器具の座屈を検出することを含む、
請求項２２乃至３４のいずれか１項に記載の医療システム。
【請求項３７】
前記比較に基づいて前記システム構成の前記状態を決定することは：
前記制御システムによって、前記比較および前記比較に関連付けられる閾値に基づいて前記システム構成の前記状態を決定することをさらに含む、
請求項２２乃至３４のいずれか１項に記載の医療システム。
【請求項３８】
前記第２のモデルは、前記細長い器具の予測される状態に関連付けられる確率分布を含む、
請求項２２乃至３４のいずれか１項に記載の医療システム。
【請求項３９】
前記システム構成の前記状態を決定することに基づいてメッセージを表示するための表示システムをさらに有する、
請求項２２乃至３４のいずれか１項に記載の医療システム。
【請求項４０】
制御システムが、細長い器具の測定状態に基づいて前記細長い器具の第１のモデルを生成するステップと；
前記制御システムが、前記細長い器具の基準状態およびユーザコマンドに基づいて前記細長い器具の第２のモデルを生成するステップと；
前記制御システムが、前記第１のモデルを前記第２のモデルと比較するステップと；
前記制御システムが、前記比較に基づいてシステム構成の状態を決定するステップと；を含む、
方法。
【請求項４１】
前記システム構成は、患者に対する前記細長い器具の動きを伴う医療処置中の前記患者の状態を含む、
請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記システム構成は、前記細長い器具の状態を含む、
請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
前記細長い器具の前記状態を決定するステップは、前記細長い器具の座屈を検出するステップを含む、
請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
測定ゾーンを決定するステップをさらに含み、前記測定状態および前記基準状態はそれぞれ、前記測定ゾーンに位置する前記細長い器具のセグメントから受信されるデータに基づく、
請求項４０に記載の方法。
【請求項４５】
前記測定ゾーンを決定するステップは：
レジストレーションプロセスの間に決定される位置および前記位置からの距離に基づいて前記測定ゾーンを決定するステップを含む、
請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記位置は、分岐位置を含む、
請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記測定ゾーンを決定するステップは：
前記細長い器具の抗座屈ガイドの前記細長い器具の気管内チューブに基づいて前記測定ゾーンを決定するステップを含む、
請求項４４に記載の方法。
【請求項４８】
前記システム構成の前記状態の前記の決定に基づいて前記細長い器具の制御を変更するステップをさらに含む、
請求項４０に記載の方法。
【請求項４９】
前記細長い器具の制御を変更するステップは、入力制御装置から受信されるオペレータ入力を無視するステップを含む、
請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
レジストレーションプロセスの実行の後に前記入力制御装置による前記細長い器具の制御を復活させるステップをさらに含む、
請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記システム構成の前記状態を決定するステップに基づいて表示システムでの提示のためのメッセージを生成するステップをさらに含む、
請求項４０に記載の方法。
【請求項５２】
前記メッセージに応じてユーザによって選択されるインタラクティブなインターフェース要素を生成するステップをさらに含む、
請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
制御システムの処理装置によって実行されるとき、請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の方法を前記処理装置に実行させるプログラム命令を記憶する有形の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項５４】
制御システムの処理装置によって実行されるとき、請求項４０乃至５２のいずれか１項に記載の方法を前記処理装置に実行させるプログラム命令を記憶する有形の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、2017年8月16日に出願された、“SYSTEMS
AND METHODS FOR MONITORING PATIENT MOTION DURING A MEDICAL PROCEDURE”と題する、米国仮出願第62/546,366号に対する優先権およびその出願日の利益を主張する。
【０００２】
本開示は、医療処置中に患者または患者に対する医療システムの動きをモニタする（monitoring）ためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
低侵襲医療技術は、医療処置中に損傷を受ける組織の量を減らし、それによって患者の回復時間、不快感、有害な副作用を減らすことを意図している。このような低侵襲技術は、患者の解剖学的構造における自然開口部を通して、または１つまたは複数の外科的切開部を通して実施されることがある。これらの自然開口部または切開部を通って、医師は、標的組織の位置に到達するために、低侵襲医療器具（手術用器具、診断用器具、治療用器具、または生検用器具を含む）を挿入することができる。１つのそのような低侵襲技術は、解剖学的通路に挿入され、患者の解剖学的構造内の関心領域に向かってナビゲートすることができる、可撓性カテーテルなどの可撓性および／またはステアリング可能（steerable）な細長い装置を使用することである。他の低侵襲技術は、患者の解剖学的構造内で操作される比較的硬質（rigid）の装置の使用を含むことができる。医療従事者によるこのような細長い装置の制御は、少なくとも細長い装置の挿入及び後退（retraction）の管理並びに装置のステアリング（steering）を含むいくつかの自由度の管理を伴う。加えて、異なる動作モードもまた、サポートされることがある。
【０００４】
医療処置中、患者が動くことがある。場合によっては、これは、患者が置かれている麻酔の種類に依存することがある。例えば、不随意的な身体運動が起こることがある、または、患者が、手術環境にいる医師または他の人によって衝突される若しくは別の方法で動かされたりすることがある。加えて、低侵襲システムは、患者に対して動かされることがある。このような動きは、画像ガイド下の医療処置を含む、低侵襲処置中に混乱を引き起こす可能性がある。
【０００５】
従って、医療処置中の患者の動きをモニタするための改善された方法およびシステムを提供することが有利であろう。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の実施形態は、明細書に続く特許請求の範囲によって最もよく要約される。
【０００７】
いくつかの実施形態と一致して、患者に対する細長い器具の動きを伴う医療処置中に細長い器具を制御する例示的な方法が提供される。この方法は、制御システムによって、細長い器具の第１のモデルを生成するステップと、制御システムによって、細長い器具の基準姿勢（reference  pose）に基づいて細長い器具の第２のモデルを生成するステップとを含む。この方法は、さらに、制御システムによって、第１のモデルを第２のモデルと比較するステップと、制御システムによって、比較に基づいてシステム構成（system  configuration）の状態を決定するステップとを含む。
【０００８】
いくつかの他の実施形態と一致して、例示的な医療システムが提供される。医療システムは、センサシステムを有する細長い器具と、細長い器具の姿勢を測定するためにセンサシステムと通信する制御システムとを含む。制御システムは、動作（operations）を実行するように構成されている。このような動作は、細長い器具の第１のモデルを生成すること、および細長い器具の基準姿勢に基づいて細長い器具の第２のモデルを生成することを含み得る。動作は、さらに、第１のモデルと第２のモデルとを比較し、比較に基づいてシステム構成の状態を決定することを含み得る。
【０００９】
いくつかの他の実施形態と一致して、例示的な方法が提供される。この方法は、制御システムによって、細長い器具の測定状態に基づいて細長い器具の第１のモデルを生成するステップと、制御システムによって、細長い器具の基準状態およびユーザコマンドに基づいて細長い器具の第２のモデルを生成するステップとを含む。この方法は、さらに、制御システムによって、第１のモデルを第２のモデルと比較するステップと、制御システムによって、比較に基づいてシステム構成の状態を決定するステップとを含む。
【００１０】
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、本質的に例示的かつ説明的なものであり、本開示の範囲を限定することなく、本開示の理解を提供することが意図されていることが理解されるべきである。この点に関して、本開示のさらなる態様、特徴、および利点は、以下の詳細な説明から当業者に明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】いくつかの実施形態による遠隔操作医療システムの簡略図である。
【図２Ａ】いくつかの実施形態による医療器具システムの簡略図である。
【図２Ｂ】いくつかの実施形態による延ばされた医療ツールを備えた医療器具システムの簡略図である。
【図２Ｃ】いくつかの実施形態による運動学的チェーンを有する医療器具システムの図である。
【図３Ａ】いくつかの実施形態による挿入アセンブリに取り付けられた医療器具を含む患者座標空間の患者の側面視の簡略図である。
【図３Ｂ】いくつかの実施形態による挿入アセンブリに取り付けられた医療器具を含む患者座標空間の側面視の簡略図である。
【図４】いくつかの実施形態による医療処置中の患者の動きをモニタするための方法のフローチャートである。
【図５Ａ】いくつかの実施形態によるヒトの肺内で使用中の、図２Ａ〜２Ｃ、３Ａ、および３Ｂの医療器具システムの遠位端部を示す。
【図５Ｂ】いくつかの実施形態によるヒトの肺内で使用中の、図２Ａ〜２Ｃ、３Ａ、および３Ｂの医療器具システムの遠位端部を示す。
【図５Ｃ】いくつかの実施形態によるヒトの肺内で使用中の、図２Ａ〜２Ｃ、３Ａ、および３Ｂの医療器具システムの遠位端部を示す。
【図６Ａ】いくつかの実施形態による患者の動きを識別するのに使用され得る画像を示す。
【図６Ｂ】いくつかの実施形態による患者の動きを識別するのに使用され得る画像を示す。
【図７】いくつかの実施形態による医療器具システムへの使用を容易にするために気管内チューブが挿入された患者の側面視の簡略図を示す。
【図８】いくつかの実施形態によるユーザインターフェースを示す。
【図９】いくつかの実施形態による医療処置中の患者の動きをモニタするための別の方法のフローチャートである。
【図１０Ａ】いくつかの実施形態による測定モデルに関連付けられた医療器具のシステム構成を示す。
【図１０Ｂ】いくつかの実施形態による基準モデルに関連付けられた図１０Ａの医療器具の別のシステム構成を示す。
【図１０Ｃ】いくつかの実施形態による、図１０Ａの測定モデルの一部と、医療器具の予測モデルの対応する一部とを示す。
【図１０Ｄ】いくつかの実施形態による測定モデルに関連付けられた医療器具の別のシステム構成を示す。
【図１０Ｅ】いくつかの実施形態による基準モデルに関連付けられた図１０Ａの医療器具の別のシステム構成を示す。
【図１０Ｆ】いくつかの実施形態による、図１０Ｄの測定モデルの一部と、医療器具の予測モデルの対応する一部とを示す。
【図１１Ａ】いくつかの実施形態による患者の動きを決定するために比較され得る測定モデルおよび予測モデルの表現を示す。
【図１１Ｂ】いくつかの実施形態による患者の動きを決定するために比較され得る測定モデルおよび予測モデルの表現を示す。
【００１２】
本開示の実施形態およびそれらの利点は、以下の詳細な説明を参照することによって最もよく理解される。同様の参照番号は、１つまたは複数の図面に示されている同様の要素を識別するために使用され、その中の表示は、本開示の実施形態を説明するためのものであり、それを限定するためのものではないことが理解されるべきである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の説明では、本開示と一致するいくつかの実施形態を記載する特定の詳細が記載される。実施形態の完全な理解を提供するために、多数の特定の詳細が記載される。しかし、いくつかの実施形態が、これらの特定の詳細の一部または全部なしに実施され得ることは、当業者には明らかであろう。本明細書に開示される特定の実施形態は、例示的であるが、限定するものではないことを意味する。当業者は、本明細書に具体的に記載されていないが、本開示の範囲および精神内にある他の要素を認識することができる。さらに、不必要な繰り返しを避けるために、１つの実施形態に関連して示され説明された１つまたは複数の特徴は、他に特に説明されないかまたは１つ若しくは複数の特徴が実施形態を非機能的にする場合を除いて、他の実施形態に組み込むことができる。
【００１４】
いくつかの例では、良く知られた方法、手順、構成要素、および回路は、実施形態の態様を不必要に不明瞭にしないように詳細には説明されていない。
【００１５】
この開示は、三次元空間におけるそれらの状態に関して、種々の器具及び器具の部分を記載する。本明細書で使用する場合、用語「位置」は、三次元空間内の物体または物体の一部の場所を指す（例えば、デカルト座標ｘ、ｙ、およびｚ座標に沿った並進３自由度）。本明細書で使用される場合、用語「向き（orientation）」は、物体または物体の一部の回転配置（回転３自由度‐例えば、ロール、ピッチ、およびヨー）を指す。本明細書で使用される場合、用語「姿勢（pose）」は、少なくとも１つの並進自由度における物体または物体の一部の位置および少なくとも１つの回転自由度における物体または物体の一部の向きを指す（最大６つのトータルの自由度）。本明細書で使用される場合、「形状（shape）」という用語は、物体に沿って測定された姿勢、位置、または向きのセットを指す。
【００１６】
本開示は、概して、医療処置を受ける患者の動きをモニタするための方法およびシステムに関する。幾つかのアプローチでは、専用装置が患者Ｐをモニタするために使用され得る。本開示の実施形態は、患者の動きをモニタする以外の主目的を有するアセンブリおよび器具からの情報を利用する。従って、本開示の実施形態は、他のシステムおよび装置が患者動作モニタ手段を二次的に提供することを可能にすることによって、専用の患者動作モニタ装置の必要性を回避し得る。また、本開示の原理は、患者の動きをモニタする際の精度および性能を向上させるために、専用装置に適用され得る。本明細書で提供されるいくつかの実施形態は、主として医療処置に関して論じられるが、医学的または手術器具および医学的または手術方法への任意の参照は、非限定的である。本明細書に記載されるシステム、器具、および方法は、動物、ヒトの死体、動物の死体、
ヒトまたは動物の解剖学的構造から取り出されそのようなヒトまたは動物の解剖学的構造に戻されないヒトまたは動物の組織、非外科的治療、診断、または美容的改良のために使用され得る。本明細書に記載のシステム、器具、および方法は、また、ヒトまたは動物組織を含まないワークピースを操作またはその他の方法で相互作用させるためのものを含む、工業システムおよび一般的なロボットまたは遠隔操作システムに使用され得る。
【００１７】
図１は、いくつかの実施形態による遠隔操作医療システム１００の簡略図である。いくつかの実施形態では、遠隔操作医療システム１００は、例えば、手術、診断、治療、または生検処置における使用に適し得る。図１に示すように、医療システム１００は、概して、患者Ｐに種々の処置を行う医療器具１０４を操作する遠隔操作マニピュレータアセンブリ１０２を含む。遠隔操作マニピュレータアセンブリ１０２は、手術台Ｔにまたはその近傍に取り付けられている。入力制御装置またはマスタアセンブリ１０６は、オペレータＯ（例えば、図１に示す外科医、臨床医、または医師）が、遠隔操作マニピュレータアセンブリ１０２を制御し、いくつかの実施形態では、介入部位を見ることを可能にする。
【００１８】
遠隔操作マニピュレータアセンブリ１０２は、医療器具１０４を支持し、１つまたは複数の非サーボ制御リンク（例えば、手動で配置され、所定位置にロックされ得る１つまたは複数のリンク、一般に、セットアップ構造と称される）および遠隔操作マニピュレータの運動学的構造を含み得る。遠隔操作マニピュレータアセンブリ１０２は、制御システム（例えば、制御システム１１２）からのコマンドに応答して医療器具１０４への入力を駆動する複数のアクチュエータまたはモータをオプションで含み得る。アクチュエータは、オプションで、医療器具１０４に結合されると、医療器具１０４を自然のまたは外科的に形成された解剖学的開口部に前進させる駆動システムを含み得る。他の駆動システムは、医療器具１０４の遠位端部を複数の自由度で動かすことができ、これは、３自由度の直線運動（例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚデカルト軸に沿った直線運動）および３自由度の回転運動（例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚデカルト軸周りの回転）を含み得る。さらに、アクチュエータを使用して、生検装置等のジョー部において組織を把持するための医療器具１０４の関節動作可能（articulable）なエンドエフェクタを作動させることができる。レゾルバ、エンコーダ、ポテンショメータ、および他の機構などのアクチュエータ位置センサは、モータシャフトの回転および向きを記述するセンサデータを医療システム１００に提供し得る。この位置センサデータは、アクチュエータによって操作される物体の動きを決定するために使用され得る。
【００１９】
遠隔操作医療システム１００は、遠隔操作マニピュレータアセンブリ１０２の器具に関する情報を受信するための１つまたは複数のサブシステムを有するセンサシステム１０８を含み得る。このようなサブシステムは、位置／場所（location）センサシステム（例えば、電磁（ＥＭ）センサシステム）；医療器具１０４を構成し得る可撓性ボディに沿った遠位端部及び／又は１つまたは複数のセグメントの位置、向き、速さ、速度、姿勢、及び／又は形状を決定するための形状センサシステム；および／または、医療器具１０４の遠位端部から画像を取り込むための可視化システム；を含み得る。センサシステム１０８は、いくつかの実施形態では、マニピュレータアセンブリ１０２の運動学的チェーン（kinematic  chain）に沿って配置された複数のセンサを含み得る。
【００２０】
遠隔操作医療システム１００はまた、制御システム１１２を含み得る。制御システム１１２は、少なくとも１つのメモリと、医療器具１０４、マスタアセンブリ１０６、センサシステム１０８、および表示システム１１０、および／または医療システム１００の他の構成要素間の制御を行うための少なくともおよび少なくとも１つのコンピュータプロセッサ（図示せず）を含む。制御システム１１２はまた、表示システム１１０に情報を提供するための命令を含む、本明細書に開示された態様に従って説明された方法のいくつかまたは全てを実施するためのプログラム命令（例えば、命令を記憶する非一時的機械可読媒体）を含む。制御システム１１２は、図１の簡略化された概略図において単一のブロックとして示されているが、システムは、２つ以上のデータ処理回路を含むことができ、処理の１つの部分は、オプションで、マニピュレータアセンブリ１０２上でまたはそれに隣接して実行され、処理の別の部分は、マスタアセンブリ１０６で実行される、などである。制御システム１１２のプロセッサは、本明細書に開示され、以下により詳細に説明されるプロセスに対応する命令を含む命令を実行し得る。広範な種類の集中型または分散型データ処理アーキテクチャのいずれかが使用され得る。同様に、プログラムされた命令は、いくつかの別個のプログラムまたはサブルーチンとして実装され得る、または、それらは、本明細書に記載される遠隔操作システムのいくつかの他の態様に統合され得る。一実施形態では、制御システム１１２は、Bluetooth(登録商標)、IrDA、HomeRF、IEEE  802.11、DECT、および無線テレメトリなどの無線通信プロトコルをサポートする。
【００２１】
いくつかの例では、制御システム１１２は、遠隔操作マニピュレータアセンブリ１０２の１つまたは複数のアクチュエータに医療器具１０４を動かすように指示する信号を送信し得る。医療器具１０４は、患者Ｐの体内の開口部を経由して、患者Ｐの体内の内部手術部位内に延び得る。任意の適切な従来型および／または専用のアクチュエータが使用され得る。
【００２２】
仮想ナビゲーション手順の間、センサシステム１０８は、患者Ｐの解剖学的構造に対する医療器具１０４の近似位置を計算するために使用され得る。その位置は、患者Ｐの解剖学的構造のマクロレベル（外部）追跡画像および患者Ｐの解剖学的構造の仮想内部画像の両方を生成するために使用され得る。システムは、１つまたは複数の電磁センサ、光ファイバセンサ、および／または他のセンサを実装して、仮想可視化システムからのもののような、手術前に記録された手術画像と共に医療器具をレジストレーションし（register）、表示するようにし得る。例えば、その全体が参照により本明細書に組み込まれている、米国特許出願第13/107,562号（2011年5月13日出願）（“Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an Anatomic Structure for
Image-Guided Surgery”を開示）は、そのようなシステムの１つを開示している。
【００２３】
図２Ａは、いくつかの実施形態による医療器具システム２００の簡略図である。いくつかの実施形態では、医療器具システム２００は、遠隔操作医療システム１００を用いて実行される画像誘導医療処置において医療器具１０４として使用され得る。いくつかの例では、医療器具システム２００は、非遠隔操作の診査処置に、または内視鏡などの従来の手動操作の医療器具を伴う処置に使用され得る。オプションで、医療器具システム２００は、患者Ｐなどの患者の解剖学的通路内の位置に対応するデータ点のセットを集める（すなわち、測定する）ために使用され得る。
【００２４】
図２Ａ及び図２Ｂの医療器具システム２００は、駆動ユニット２０４に結合された可撓性カテーテルなどの細長い装置２０２（細長い器具２０２とも呼ばれる）を含む。駆動ユニット２０４は、細長い装置の遠位部分をステアリングする（steer）ために制御されることができる複数のアクチュエータを含み得る。いくつかの実施形態では、駆動ユニット２０４は、細長い装置２０２の少なくとも遠位部分をステアリングするために回転することができるキャプスタンまたは回転要素を含み得る。細長い装置２０２は、近位端部２１７および遠位端部２１８を有する可撓性ボディ２１６を含む。
【００２５】
医療器具システム２００は、さらに、以下にさらに詳細に説明するように、１つまたは複数のセンサおよび／またはイメージング装置を使用して、遠位端部２１８および／または可撓性ボディ２１６に沿った１つまたは複数のセグメント２２４の位置、向き、速さ、速度、姿勢、および／または形状を決定するためのトラッキングシステム２３０を含む。遠位端部２１８と近位端部２１７との間の可撓性ボディ２１６の全長は、セグメント２２４に効果的に分割され得る。医療器具システム２００が遠隔操作医療システム１００の医療器具１０４と一致する場合、トラッキングシステム２３０は、制御システム１１２のサブシステムとして含まれ得る。従って、トラッキングシステム２３０は、オプションで、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせとして実装することができ、これらは、図１の制御システム１１２のプロセッサを含み得る１つまたは複数のコンピュータプロセッサとインタラクトするか、またはそうでなければそれによって実行される。
【００２６】
トラッキングシステム２３０は、オプションで、形状センサ２２２を使用して、遠位端部２１８、および／または、セグメント２２４の１つまたは複数をトラッキングし得る。形状センサ２２２は、オプションで、可撓性ボディ２１６と整列した（例えば、内部チャネル（図示せず）内に設けられた、または外部に取り付けられた）光ファイバを含み得る。形状センサ２２２の光ファイバは、可撓性ボディ２１６の形状を決定するための光ファイバ屈曲センサを形成する。１つの代替では、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を含む複数の光ファイバコアが、１つまたは複数の次元における構造の歪み測定値を提供するために使用される。三次元における光ファイバの形状及び相対位置をモニタするための種々のシステム及び方法は、米国特許出願第11/180,389号（2005年7月13日出願）（“Fiber optic position and shape sensing device and method relating thereto”を開示）；米国特許出願第12/047,056号（2004年7月16日出願）（“Fiber-optic shape and relative position sensing”を開示）；および米国特許第6,389,187号（1998年6月17日出願）（“Optical Fibre Bend Sensor”を開示）に記載されており、これらは全て、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。いくつかの実施形態におけるセンサは、レイリー散乱、ラマン散乱、ブリルアン散乱、および蛍光散乱などの他の適切な歪検出技術を使用し得る。いくつかの実施形態では、細長い装置の形状は、他の技術を用いて決定され得る。例えば、可撓性ボディ２１６の遠位端部姿勢の履歴が、時間間隔にわたる可撓性ボディ２１６の形状を再構成するために使用されることができる。いくつかの実施形態では、トラッキングシステム２３０は、位置センサシステム２２０を使用して、遠位端部２１８をオプションでおよび／または追加的にトラッキングし得る。位置センサシステム２２０は、外部で生成された電磁場に曝され得る１つまたは複数の導電性コイルを含む位置センサシステム２２０を有するＥＭセンサシステムの構成要素であり得る。その場合、ＥＭセンサシステム２２０の各コイルは、外部生成電磁場に対するコイルの位置および向きに依存する特性を有する誘導電気信号を生成する。いくつかの実施形態では、位置センサシステム２２０は、６自由度、例えば、３つの位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚ、および基点のピッチ、ヨー、およびロールを示す３つの方向角（orientation  angles）、または５自由度、例えば、３つの位置座標Ｘ、Ｙ、Ｚ、および基点のピッチおよびヨーを示す２つの方向角を測定するように構成および位置決めされ得る。位置センサシステムのさらなる説明は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第6,380,732号（1999年8月11日出願）（“Six-Degree of Freedom Tracking System Having a
Passive Transponder on the Object Being Tracked”を開示）に提供されている。
【００２７】
いくつかの実施形態では、トラッキングシステム２３０は、呼吸などの交互の生理的運動のサイクルに沿って、器具システムの既知のポイントについて記憶された履歴の姿勢、位置、または向きデータに、代替的におよび／または追加的に依存し得る。この記憶されたデータは、可撓性ボディ２１６に関する形状情報を発展させるために使用され得る。いくつかの例では、位置センサ２２０内のセンサに類似の電磁センサなどの一連の位置センサ（図示せず）が、可撓性ボディ２１６に沿って位置決めされ、次いで、形状感知のために使用され得る。いくつかの例では、特に解剖学的通路が概して静止している場合には、処置中に取られたこれらのセンサのうちの１つまたは複数からのデータの履歴が、細長い装置２０２の形状を表すために使用され得る。
【００２８】
可撓性ボディ２１６はまた、例えば、遠位端部２１８の破線描写２１９によって示されるように、遠位端部２１８を制御可能に曲げるために、駆動ユニット２０４と遠位端部２１８との間に延在するケーブル、リンク、または他のステアリング制御部（図示せず）を収容し得る。いくつかの例では、少なくとも４つのケーブルが、遠位端部２１８のピッチを制御するための独立した「上下」ステアリングと、遠位端部２１８のヨーを制御するための「左右」ステアリングとを提供するために使用される。ステアリング可能な細長い装置は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願第13/274,208号（2011年10月14日出願）（“Catheter with Removable Vision Probe”を開示）に詳細に記載されている。駆動ユニット２０４は、線形または回転位置データ、特定のケーブル上で駆動ユニット２０４によって加えられる力を特徴付ける力データ、および／または特定のケーブル上の張力を特徴付ける張力データを生成するセンサまたはエンコーダを含み得る。加えて、駆動ユニット２０４のいくつかの実施形態は、可撓性ボディ２１６の近位端部２１７、ひいては遠位端部２１８を挿入軸に沿って移動させるように制御することができるスレッジまたはキャリッジを含み得る。挿入軸に沿ったキャリッジの位置は、センサまたはエンコーダによってモニタされ得る。本明細書に記載されているように、位置データを提供するセンサまたはエンコーダはまた、例えば、医療器具システム２００などの医療器具システムの動きを特徴付ける速度データおよび加速度データを提供し得る。
【００２９】
細長い装置２０２は、ステアリング可能であり得る、または、システムは、遠位端部２１８の曲げのオペレータ制御のための一体化された機構を備えずにステアリング不能であり得る。いくつかの例では、医療器具が展開され、ターゲット手術位置で使用され得る１つまたは複数の管腔が、可撓性ボディ２１６の壁内に画定される。
【００３０】
いくつかの実施形態では、医療器具システム２００は、肺の検査、診断、生検、または治療に使用するために、気管支鏡または気管支カテーテルなどの可撓性気管支器具を含み得る。医療器具システム２００はまた、結腸、腸、腎臓および腎杯、脳、心臓、脈管構造を含む循環系などを含む種々の解剖学的システムのいずれかにおいて、自然または外科的に作られた接続通路を経由して、他の組織のナビゲーションおよび治療にも適している。
【００３１】
トラッキングシステム２３０からの情報は、ナビゲーションシステム２３２に送られ、そこでは可視化システム２３１および／または術前に得られたモデルからの情報と組み合わされて、医師または他のオペレータにリアルタイムの位置情報を提供する。いくつかの例では、リアルタイム位置情報は、医療器具システム２００の制御において医師Ｏが使用するために、図１の表示システム１１０に表示され得る。いくつかの例では、図１の制御システム１１２は、医療器具システム２００を位置決めするためのフィードバックとして位置情報を利用し得る。手術器具を手術画像とレジストレーションし表示するために光ファイバセンサを使用するための種々のシステムが、「“Medical System Providing Dynamic Registration
of a Model of an Anatomic Structure for Image-Guided Surgery”を開示する2011年5月13日出願の米国特許出願第13/107,562号に提供されており、その全体は参照により本明細書に組み込まれる。
【００３２】
図２Ｃは、医療器具システム２５０を示しており、これは、遠隔操作医療システム１００によって実行される医療処置において医療器具システム１０４として使用され得る。図２Ｃは、図１のマニピュレータアセンブリ１０２に取り付けられ得るまたは組み込まれ得る、制御アームのマニピュレータ２５２の斜視図である。医療器具システム２５０は、複数のジョイントから構成される運動学的チェーンを含む。運動学的チェーンにおけるジョイントの少なくともいくつかは、医療器具システム２５０のモニタおよび制御を容易にするためのジョイントセンサデータを提供するように、図１の制御システム１１２と通信することができるジョイントセンサまたはエンコーダを含む。ジョイントセンサデータは、制御システム１１２が医療器具システム２５０のモデルを生成することができるように位置データを含み得るので、マニピュレータ２５２のバックエンド位置及び向きが分かると、医療器具システム２５０の運動学的チェーンに沿った各構成要素の遠位端部位置及び向きが分かる。
【００３３】
マニピュレータ２５２は、ヨーサーボジョイント２５４と、ピッチサーボジョイント２５６と、挿入及び引き抜き（withdrawal）（“Ｉ／Ｏ”）アクチュエータ２５８とを含む。手術器具２５９は、取り付けキャリッジ２６１を含む器具スパー２６０に取り付けられて示されている。ヨーサーボジョイント２５４は、ヨー運動２７０を提供し、ピッチジョイント２５６は、ピッチ運動２７２を提供し、Ｉ／Ｏアクチュエータ２５８は、遠隔中心を通して挿入および引き抜き運動２７４を提供する。マニピュレータ２５２は、Ｉ／Ｏアクチュエータ２５８の挿入軸に沿ったサーボ位置に関連する位置、速度、および／または加速度を追跡するエンコーダと、ヨーサーボジョイント２５４およびピッチサーボジョイント２５６の位置および速度を追跡する他のエンコーダとを含み得る。
【００３４】
いくつかの例では、医療器具システム２００または医療器具システム２５０は、マニピュレータアセンブリ１０２またはその構成要素として図１の医療システム１００のコンテキスト内で遠隔操作され得る。いくつかの実施形態では、図１の遠隔操作マニピュレータアセンブリ１０２は、直接オペレータ制御によって置き換えられ得る。いくつかの例では、直接オペレータ制御は、器具のハンドヘルド操作のための種々のハンドルおよびオペレータインターフェースを含み得る。
【００３５】
図３Ａおよび３Ｂは、いくつかの実施形態による挿入アセンブリに取り付けられた医療器具を含む患者座標空間の側面視の簡略図である。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、手術環境３００は、患者Ｐが手術台Ｔ上に位置決めされることを含む。手術環境３００内では、医療器具３０４が器具キャリッジ３０６に結合されている。医療器具３０４は、図２Ａおよび図２Ｂの医療器具システム２００によって提供され得る。いくつかの実施形態では、医療器具３０４は、ＥＭセンサ、形状センサ、および／または他のセンサモダリティを使用し得る。器具キャリッジ３０６は、手術環境３００内に固定された挿入ステージ３０８に取り付けられる。代替的には、挿入ステージ３０８は、可動であり得るが、手術環境３００内に既知の位置（例えば、トラッキングセンサまたは他のトラッキングデバイスを介して）を有し得る。器具キャリッジ３０６は、医療器具３０４に結合し、挿入動作（すなわち、Ａ軸に沿った動作）および、オプションで、ヨー、ピッチ、およびロールを含む多方向における細長い装置３１０の遠位端部３１８の動きを制御する、遠隔操作マニピュレータアセンブリ（例えば、遠隔操作マニピュレータアセンブリ１０２）の構成要素であり得る。細長い装置３１０は、可撓性のステアリング可能なカテーテルであり得る。器具キャリッジ３０６または挿入ステージ３０８は、挿入ステージ３０８に沿った器具キャリッジ３０６の動きを制御するサーボモータ（図示せず）などのアクチュエータを含み得る。
【００３６】
細長い装置３１０は、器具ボディ３１２に結合されている。器具ボディ３１２は、器具キャリッジ３０６に対して結合および固定される。いくつかの実施形態では、光ファイバ形状センサ３１４が、器具ボディ３１２上の近位点３１６に固定される。いくつかの実施形態では、光ファイバ形状センサ３１４の近位点３１６は、器具ボディ３１２と共に移動可能であり得るが、近位点３１６の位置が既知であり得る（例えば、トラッキングセンサまたは他のトラッキングデバイスを介して）。形状センサ３１４は、近位点３１６から細長い装置３１０の遠位端部３１８などの別の点への形状を測定する。医療器具３０４は、医療器具システム２００と実質的に類似し得る。
【００３７】
位置測定装置３２０が、挿入軸Ａに沿って挿入ステージ３０８上を移動するときの器具ボディ３１２の位置に関する情報を提供する。位置測定装置３２０は、器具キャリッジ３０６の動きを制御し、その結果器具ボディ３１２の動きを制御するアクチュエータの回転および／または向きを決定するレゾルバ、エンコーダ、ポテンショメータ、および／または他のセンサを含み得る。いくつかの実施形態では、挿入ステージ３０８は、直線状である。いくつかの実施形態では、挿入ステージ３０８は、湾曲し得る、または湾曲したセクションと線形セクションとの組み合わせを有し得る。
【００３８】
図３Ａは、挿入ステージ３０８に沿った後退位置にある器具ボディ３１２および器具キャリッジ３０６を示す。この後退位置では、近位点３１６は、軸Ａ上の位置Ｌ０にある。図３Ｂでは、器具ボディ３１２および器具キャリッジ３０６は、挿入ステージ３０８の直線トラックに沿って前進しており、細長い装置３１０の遠位端部３１８は、患者Ｐの中に前進している。この前進位置では、近位点３１６は、軸Ａ上の位置Ｌ１にある。いくつかの例では、挿入ステージ３０８に沿った器具キャリッジ３０６の移動を制御する１つまたは複数のアクチュエータおよび／または器具キャリッジ３０６および／または挿入ステージ３０８に関連付けられる１つまたは複数の位置センサからのエンコーダおよび／または他の位置データが、位置Ｌ０に対する近位点３１６の位置Ｌｘの位置を決定するために使用される。いくつかの例では、位置Ｌｘはさらに、細長い装置３１０の遠位端部３１８が患者Ｐの解剖学的構造の通路内に挿入される距離または挿入深さのインジケータとして使用され得る。
【００３９】
図３Ａおよび３Ｂはまた、挿入および後退の間に細長い装置３１０の近位端部を支持する、格子（lattice）または他の展開可能な構造などの伸長可能な（extendible）機構である抗座屈（anti-bucking）ガイド３２２を示す。例示的な伸長可能な機構のさらなる詳細は、“Guide Apparatus for Delivery of an Elongate
Device and Methods of Use”と題する2017年7月7日に出願されたPCT/US17/41160の開示に含まれており、その全体は本明細書に組み込まれる。
【００４０】
図４は、医療処置を受ける患者の動きを検出するために、医療処置中の患者の動きをモニタする方法４００のフローチャートである。方法４００は、患者の動きモニタ以外の主目的を有する医療器具を利用し得る。図４に示すように、方法４００は、例示されたシーケンスで実行され得る、いくつかの列挙されたステップまたは動作を含む。方法４００の実施形態は、列挙された動作の前、後、間、または一部として、追加のまたは代替の動作を含み得る。方法４００のいくつかの実施形態は、列挙された動作の１つまたは複数を省略し得る。さらに、方法４００の実施形態は、方法４００の動作を実行するために、コンピュータ読取可能媒体に記憶され、図１の制御システム１１２のプロセッサなどのプロセッサによって実行される実行可能命令を含み得る。
【００４１】
従って、本方法４００の一実施形態は、状態情報が医療器具と通信する制御システムから受信され得る動作４０２から開始してもよい。動作４０４において、制御システムは、医療器具の少なくとも一部の動きを検出し得る。制御システムは、医療器具または患者の状態を判定するために、動作４０６において、制御システムから受信した状態情報に基づいて、医療器具の一部の動きを動き閾値（threshold  motion  value）と比較し得る。これは、患者の動きを決定することを含み得る。動作４０８において、制御システムは、動き閾値との動きの比較および患者の動きの決定に基づいて、表示システムにおいてレンダリングするための通信を生成し得る。また、動作４１０において、制御システムは、比較に基づいて医療器具の制御を変更し得る。例えば、制御システムは、医療器具を安全状態または安全モードにすることによって、医療器具の制御を変更し得る。この安全状態は、医療器具は、コンプライアント（compliant）または柔軟（limp）になるように、図２Ａの駆動ユニット２０４のような駆動ユニットから電力を除去することを含み得る。いくつかの実施形態では、安全状態は、アブレーションプローブまたは他の通電（energized）器具などの、追加の医療器具または医療器具を介して導入される器具の制御を変更し得る。安全状態では、制御システムは、通電器具に供給されたエネルギ供給源を切断またはパワーダウン（power  down）し得る。
【００４２】
方法４００の実施形態をより良く説明するために、図１および３の患者Ｐの肺５００の解剖学的通路５０２を通る図３Ａおよび３Ｂの細長い装置３１０の位置決めに関する追加の図５Ａ〜Ｃおよび図６Ａ〜Ｂを本明細書で参照する。これらの通路５０２は、気管及び気管支気道を含む。図３Ａおよび３Ｂに示すように、キャリッジ３０６が挿入ステージ３０８に沿って移動すると、細長い装置３１０は、肺５００の解剖学的通路５０２内で前進される。肺５００内で細長い装置３１０をナビゲートするために、医師Ｏは、挿入軸Ａに沿ってキャリッジ３０６の移動を指示しながら細長い装置３１０の遠位端部３１８をステアリングし得る。解剖学的通路５０２を通って誘導中（すなわち、駆動状態または駆動モードにおいて）細長い装置３１０は、細長い装置３１０内に延びる形状センサ３１４によって測定され得る形状を呈する。また、制御システム１１２は、細長い装置３１０が、医師Ｏからマスタアセンブリ１０６を介して移動コマンドが受信されないパーク状態（parked  state）またはパークモード（parked  mode）にあるときに、形状センサ３１４、および／または、（電磁システムおよび／またはジョイントセンサなど）位置情報を提供することができる追加のセンサに問い合わせ得る。動作４０２において、医療システム１００の状態は、いくつかの可能な状態のうちのどれが現在実施されているかを示す状態情報から制御システム１１２によって受信され得る。パーク状態および駆動状態に加えて、医療システム１００は、医療処置が細長い装置３１０の遠位端部３１８に近接する患者の解剖学的構造に適用されている治療状態を有し得る。例えば、医療処置は、生検針の挿入、アブレーションプロセス、焼灼プロセス、イメージングプロセス、注射またはドラッグデリバリ（drug  delivery）プロセス、または任意の他の医療処置であり得る。
【００４３】
本明細書に記載されているように、望ましい位置にナビゲートするために、遠隔操作医療システム１００は、医師Ｏにリアルタイムイメージングを提供し得る。リアルタイム画像は、取り込まれた画像であり得る。いくつかの実施形態では、イメージキャプチャ装置は、細長い装置３１０の遠位端部３１８に配置される。リアルタイム画像は、術前画像または術中画像から導出されたコンピュータモデルに基づいて、シミュレートされ得るまたは仮想画像レンダリングされ得る。仮想画像は、患者Ｐの外観を示す画像内に細長い装置３１０を描写し得る。加えて、仮想画像は、細長い装置３１０の遠位端部３１８の位置および向きによって決定される視点から、肺５００の通路５０２の内部表面の表現を描写し得る。このようなイメージングは、以下にさらに説明する図６Ａおよび図６Ｂに関連して、より詳細に説明される。
【００４４】
動作４０４において、制御システム１１２は、細長い装置３１０の少なくとも一部の動きを検出し得る。動きは、経時的な細長い装置３１０の位置の変化をモニタすることによって検出され得る。例えば、細長い装置３１０の位置は、毎秒１０回、毎秒１００回、または別の適切な周波数でサンプリングされ得る。図５Ｂに示すように、細長い装置３１０の遠位先端３１８は、第１の位置５０４Ａから第２の位置５０４Ｂに移動した。この動きは、光ファイバ形状センサ３１４からの情報、電磁位置センサ、または解剖学的通路５０２内で得られた光学画像の比較を使用して定量化され得る。制御システム１１２は、第１と第２の位置５０４との間の移動を動き閾値（threshold  movement  value）と比較し得る。動き閾値は、患者の移動として遠位端部３１８の移動を誤って識別することを防止するために、制御システム１１２によって実装され得る。例えば、温度変動または他の小さな変化のために、遠位端部３１８または細長い装置３１０の別の部分の示された位置の変化は、いかなる大きな位置変化または移動も起こさずにレジストレーションされ得る（registered）。
【００４５】
図５Ｂに示すように、動き閾値は、移動方向に対して決定され得る。図示のように、遠位先端３１８の横方向移動は、動き閾値５０６Ａを有し得、一方、挿入／引き抜き（Ｉ／Ｏ）移動は、動き閾値５０６Ｂを有得る。図示されるように、横方向の動き閾値５０６Ａは、いくつかの実施形態では、Ｉ／Ｏ動き閾値５０６Ｂよりも小さくなり得る。加えて、動き閾値５０６の大きさは、医療システム１００の状態に依存し得る。例えば、動作４０２で受信された状態情報が、医療システム１００（またはそのマニピュレータアセンブリ１０２）がパーク状態にあることを示す場合、動き閾値５０６の大きさは、状態情報が駆動状態を示す場合よりも小さくなり得る。さらに、いくつかの実施形態では、動き閾値は、遠位先端３１８の周囲の三次元の形状として実現され得る。したがって、三次元閾値を越えて移動するデカルトＸ、Ｙ、およびＺ座標における遠位端部３１８の所与の移動は、制御システム１１２によって、患者の動きを示すものとみなされ得る。形状は、円形、卵形、矩形、対称、非対称、またはその他の形状であり得る。三次元閾値形状は、部分的に、動き閾値５０６によって定義され、その関数であり得る。いくつかの実施形態では、検出された移動および閾値移動の周波数は定量化され得、代替的にまたは追加的に、患者の動きを決定するために、検出された運動および閾値移動の大きさと比較され得る。
【００４６】
概して、細長い装置３１０の実際の動きは、肺５００内の呼吸運動のような周期的な生理学的運動のために、医療システム１００がパーク状態にあるときに起こり得る。他の実施形態では、心臓の動きが、細長い装置３１０から得られた形状／位置情報から検出され得る。このような予想される自然な動きは、患者の動きを識別する際に制御システム１１２によって考慮され得る。予想される生理的運動による患者Ｐの動きを識別するために制御システム１１２を誤ってトリガすることを避けるために、パーク状態に関連する動き閾値５０６は、このような生理的運動を説明するのに十分である。パーク状態の間に細長い装置３１０から得られた形状／位置情報は、心拍または呼吸などの生理学的運動を識別し、定量化するために使用され得る。例えば、形状／位置情報は、一定期間にわたって収集され得、周期性または周期的として識別される場合、生理学的運動とみなされることができる。周期的運動の大きさは、患者の動きを確立するために使用される動き閾値の値を決定するのを助けるために使用され得る。さらなる実施形態では、生理学的運動の効果は、細長い装置３１０の位置に依存し得るため、動き閾値５０６の大きさは、遠位先端３１８の挿入深さまたは三次元位置に基づき得る。例えば、肺５００の主気管支は、正常な呼吸の間、肺５００の下葉よりも小さく動き得るので、動き閾値は、モニタされている細長い装置３１０の部分が、肺５００内により深く位置決めされている場合よりも、主気管支内に位置決めされている場合に低くなり得る。代替実施形態では、生理的運動は、呼吸モニタ、人工呼吸器をモニタする、患者の心電図をモニタする、運動パッド（movement  pad）を用いて患者の胸部の運動をモニタするなどのような別個のセンサまたは装置を用いて検出され得る。
【００４７】
図５Ｂに示すように、遠位先端３１８は、横方向の動き閾値５０６Ａよりも大きな距離を移動した。従って、制御システム１１２が、動作４０６において遠位先端３１８の移動を横方向の動き閾値５０６Ａと比較する場合、制御システム１１２は、患者Ｐの有意な移動を示す移動を検出し得る。
【００４８】
次に、図５Ｃを参照すると、患者の動きは、駆動状態の間にも検出され得る。上述したように、動き閾値５０６は、医療システム１００が駆動状態にある場合には、医療システム１００がパーク状態にある場合とは異なり得る。加えて、医療システム１００が、動作４０２において受信された状態情報によって示されるパーク状態にある場合、制御システム１１２は、マスタアセンブリ１０６を介して提供される医師Ｏからの移動コマンドを受信および分析し得る。例えば、移動コマンドを受信する前に、細長い装置３１０の遠位先端３１８は、第１の位置５０８Ａにあり得る。受信された移動コマンドは、指令移動ベクトル５１０によって表され得る。換言すれば、医師Ｏから受け取った移動コマンドは、ベクトル５１０によって示されるように、例えば、気管支の第１の分岐点の壁に向かって動かすことを意図し、そのように動くように遠位先端３１８（および細長い装置３１０の後続（trailing）部分）を向ける（direct）べきである。
【００４９】
代わりに、遠位先端３１８は、図５Ｃに示すように、第２の位置５０８Ｂに移動する。この動きは、指令移動ベクトル５１０とは異なる実際の移動ベクトル５１２として、制御システム１１２によって計算され得る。状態情報は、医療システム１００が駆動状態にあることを示すので、制御システム１１２は、指令移動ベクトル５１０を実際の移動ベクトル５１２と比較し、それらの間の差を決定し得る。指令移動ベクトル５１０と実際の移動ベクトル５１２との間の差が動き閾値を超える場合、制御システム１１２は、患者Ｐの何らかの動きが発生したと判断し得る。いくつかの実施形態では、アクチュエータ電流またはトルクが測定され、実際の移動ベクトル５１２と比較され得る。比較は、患者の動きを決定するために、閾値アクチュエータ値に対して評価されることができる。例えば、アクチュエータは、所望の位置で細長い装置３１０を保持するまたは所望の位置に細長い装置３１０を移動させるために、ある量のトルクを加え得る。細長い装置３１０が、患者の動きの間に組織と接触する場合、所望の動きに必要なトルクの量は、患者の移動を示す閾値アクチュエータ値を超えて増加する。
【００５０】
次に、図６Ａおよび６Ｂを参照すると、そこに示されているのは、細長い装置３１０の遠位先端３１８の動きを決定するために制御システム１１２によって使用され得る画像である。図６Ａは、遠位先端３１８からの仮想ビュー（virtual  view）を表す画像６００Ａを含む。この仮想ビューは、ＣＴスキャンなどの術前または術中の医用画像から導出された表面モデルのような肺５００のモデルの内部ビュー（interior  view）である。図６Ｂは、肺５００内に位置する細長い装置３１０の遠位先端３１８に配置された画像キャプチャ装置によって得られた実際のビュー（actual  view）を表す画像６００Ｂを含む。制御システム１１２は、いくつかの実施形態では、受信した状態情報によって示される状態に基づいて、画像６００Ａの仮想ビューを選択し得る。例えば、医療システム１００がパーク状態にある場合、細長い装置３１０の遠位先端３１８の位置および向きが、位置および向きによって示される視点から肺の三次元表面モデルの仮想ビューを生成するために使用され得る。医療システム１００が駆動状態にあるとき、制御システム１１２は、実際の画像６００Ｂが、遠位先端３１８の指令された動作に基づいて所与の時間に見えるべき表面モデルの部分と比較され得るように、遠位先端３１８の予測された視点を生成するとともに使用し得る。制御システム１１２は、画像６００Ａの仮想ビューを画像６００Ｂの実際のビューと比較するために画像処理技術を利用し得る。画像６００間の関係に応じて、制御システム１１２は、画像６００間の視点の差を推定することができる。
【００５１】
いくつかの実施形態では、制御システム１１２は、実際の画像６００Ｂに最も良く対応する画像を見つけるためにモデルを検索し、次いで、それらの間の位置および向きの差を計算し得る。予期される画像６００Ａの位置および実際の画像６００Ｂに最も良く対応するモデルで識別された検索された画像の位置は、制御システム１１２によって計算され得る。加えて、制御システム１１２は、実際の画像６００Ｂと仮想画像６００Ａとを比較して、それらの間の位置および／または向きの差を決定し得る。位置の差は、遠位先端３１８の動きを決定するために、制御システム１１２によって使用され得る。次いで、この動きは、患者Ｐが有意に移動したか否かを決定するために、動き閾値と比較され得る。
【００５２】
いくつかの実施形態では、画像６００Ａおよび６００Ｂの両方が実際の画像であり得る。例えば、画像６００Ａは、動きの程度が検出される前に取得される画像であり得、一方、画像６００Ｂは、その動きの程度が検出された後に取得された画像であり得る。制御システム１１２は、画像６００を、肺５００のモデルから得られた仮想ビューと比較し得る。例えば、制御システム１１２は、遠位先端３１８に近い領域内の仮想ビューによって提供される画像に一致する画像を検索するために、画像６００を利用し得る。両方の画像６００の一致が識別されると、肺５００のモデルにおける一致画像に関連する位置同士間のベクトルが、遠位先端３１８の動きを識別するために使用され得る。この識別された動きベクトルは、方法４００の動作４０６の実施形態における動き閾値と比較され得る。
【００５３】
いくつかの追加の実施形態では、精度を改善するために、１つより多い動き感知モダリティが、患者の動きを検出するために使用され得る。例えば、形状センサ３１４（第１の動き検出モダリティ）および画像処理（第２の動き検出モダリティ）の両方からの情報が、患者の動きが発生したことを決定するために使用され得る。いくつかの実施形態では、２つの感知モダリティのいずれかが動きを示す場合、制御システム１１２は、動きを緩和するステップを実行するように閾値が設定され得る。加えて、他の実施形態は、より低い、制御システム１１２が患者の動きを識別する前に複数のモダリティに対して超過することが要求される、閾値を含み得る。
【００５４】
本明細書に記載されているように、患者Ｐの運きが頻繁に参照される。本開示のいくつかの実施形態は、患者座標フレームに対する患者Ｐの動きの検出、別の部分に関する患者Ｐの一部の動きの検出（例えば、気管に対する肺の動き）、および／または医療システム１００自体に対する患者Ｐの動きの検出を提供する。本開示のいくつかの他の実施形態は、患者Ｐに対する医療システム１００の動きを検出することによって患者Ｐの動きの検出を提供する。従って、本明細書で使用される患者Ｐの動きは、動くのが患者Ｐの体であるかどうかまたは動くのが医療器具１０４若しくはマニピュレータ１０２であるかどうかにかかわらず、患者Ｐの体と医療器具１０４および／またはマニピュレータアセンブリ１０２との間の相対的な動きを指し得る。
【００５５】
場合によっては、医師Ｏ、または、医療器具１０４および／またはマニピュレータアセンブリ１０２の近傍にいる他の者が、医療器具１０４および／またはマニピュレータアセンブリ１０２の動きを引き起こし得る。例えば、医師Ｏは、誤って器具１０４に当たり、細長い装置３１０の遠位先端の動きを引き起こし得る。従って、器具１０４のこの偶発的な衝突は、制御システム１１２によって患者の動きとして解釈され得る。制御システム１１２は、この患者の動きから生じる危害を防止するために、１つまたは複数の操作を自動的に実行し得る。例えば、医師Ｏは、図２Ｃの医療器具システム２５０に当たることがある。サーボジョイント２５４及び２５６におけるエンコーダは、制御システム１１２に対して動き又は位置の変化を報告し得る。患者が動いたかどうかを決定するために、その動きは、パーク状態であろうと駆動状態であろうと、予想される動きと比較される。従って、患者Ｐに対する医療システム１００の構成要素の動きは、患者Ｐの動きとして制御システム１１２によって検出され得るとともに応答され得る。
【００５６】
次に図７を参照すると、例示的な気管内（ＥＴ）チューブ７００が、患者Ｐの肺５００内への細長い装置３１０の挿入を容易にするために、患者Ｐ内に位置決めされているように示されている。断面部分７０２は、ＥＴチューブ７００内に延びる細長い装置３１０の一部を示している。ＥＴチューブ７００の屈曲部７０４が制御システム１１２に知られるように、ＥＴチューブ７００の幾何学的形状は制御システム１１２に提供され得る。チューブ７００の屈曲部７０４が正確に知られていない場合でも、ＥＴチューブ７００の近位端部における細長い装置３１０の部分は、ＥＴチューブ７００の遠位端部における細長い装置３１０の部分に対して既知の角度（ほぼ９０度）を形成するため、湾曲（curvature）は、上気道および気管に対応する形状データにおいて識別されるのに十分に特徴的（distinctive）であり得る。細長い装置３１０の近位端部の姿勢は、図示の実施形態の光ファイバ形状センサ３１４のように、その中に伸びるセンサによって知られ得る。この形状情報およびＥＴチューブ７００の既知の湾曲に基づいて、患者Ｐの気管が識別され得る。肺内の医療処置の間、患者Ｐの気管は、細長い装置３１０の存在のために動く可能性は低い。従って、任意の所与の時間におけるＥＴチューブ７００内に位置する細長い装置３１０の部分が、患者Ｐの動きを識別するために、モニタされ得る。細長い装置３１０のこの部分の動きが制御システム１１２によって検出されるとき、その動きは、患者の動きを示すものとして制御システム１１２によって解釈される可能性が高い。換言すれば、気管内チューブ７００に関連する動き閾値は、細長い装置３１０の遠位先端３１８における患者の動きを検出するために使用される動き閾値よりも小さくなり得る。
【００５７】
ＥＴチューブ７００のいくつかの実施形態は、ＥＴチューブ７００の遠位端部近傍に示される摂動部（perturbation）７０６のような既知の形状特徴部を含み得る。摂動部７０６は、細長い装置３１０から受け取った形状情報から、制御システム１１２によって容易に検出され得る小さなうねり（undulation）または他の特徴部であり得る。そのような実施形態では、摂動部７０６内に配置された細長い装置３１０の部分は、本明細書に記載されるように、患者の動きを検出するためにモニタされ得る。図４の方法４００の他の実施形態は、患者の動きを示す医療器具の少なくとも一部の動きを検出する際に、他の構造に依存し得る。
【００５８】
再び図４に戻ると、医療器具の部分の動きが動き閾値またはいくつかの閾値運動値と比較された後、制御システム１１２は、動作４０６において実行される比較に基づいて、表示システム１１０内でレンダリングまたは提示のための通信またはメッセージを生成し得る。動作４０８では、メッセージは、図８に示すように、ディスプレイで生成され、レンダリングされる。図８は、グラフィカルユーザインターフェース８００のレンダリングを含む表示システム１１０の一実施形態を示す。図８に示すように、ユーザインターフェース８００は、肺５００のレンダリングを含み、これは、術前または術中の画像データから導出される表面モデルまたは画像データ自体のレンダリングであり得る。細長い装置３１０のモデルもまた、図示されたユーザインターフェース８００の実施形態においてレンダリングされる。例示的な通信、患者動作メッセージ（patient  motion  message）８０２は、ユーザインターフェース８００上にオーバーレイされて、患者Ｐが動いたまたは動いた可能性が高いことが制御システム１１２によって決定されることを医師Ｏに通信し得る。例えば、患者動作メッセージ８０２は、テキスト（例えば、「警告：患者動作検出！」）および／または医師Ｏに通信するためのグラフィカル要素を含み得る。いくつかの実施形態では、メッセージ８０２は、ディスプレイの下部、中央部、または上部を横切る移動メッセージまたはグラフィックとして表示され得る。患者動作メッセージ８０２は、医師Ｏに提示されるオプションに関連付けられる１つまたは複数のグラフィカルユーザインターフェース要素を含み得る。例えば、患者動作メッセージ８０２は、それにより医師Ｏは、制御システム１１２が既存のレジストレーションを破棄し、肺５００と肺５００のモデルとの間の新しいレジストレーションを実行するよう要求し得る、オプション８０４Ａに関連付けられるインターフェース要素（例えば、選択可能ボタン）を含み得る。オプション８０４Ａを選択することは、既存のレジストレーションを更新する要求を含み得る。メッセージ８０２は、センサ測定値および／または連続画像における差に基づいて、検出された患者の動きの大きさを示す数値（または数値のグラフ表示）を表示することを含み得る。いくつかの実施形態では、患者動作メッセージ８０２は、オプション８０４Ｂに関連付けられるインターフェース要素を含み得、その選択により、制御システム１１２は、レジストレーションを更新することなくまたは新しいレジストレーションを実行することなく、動作を再開し得る。
【００５９】
他の通信またはメッセージは、制御システム１１２によって生成され得る。例えば、制御システム１１２は、スクリーン又はスクリーン上のエレメントをフラッシュさせ得る又はパルスにし得る。メッセージは、アラーム音や言語メッセージなどの、制御システム１１２に結合されたスピーカから発せられる音を含み得る。メッセージはインタラクティブであり得、医師Ｏが何らかの行動をとる（例えば、レジストレーションの更新を要求する、または新しいレジストレーションを要求する）か、または検出された動きを無視するオプションを提供し得る。幾つかの実装形態では、医師Ｏが物理的ボタン、仮想ボタンを押す、又は口頭コマンドを話すことによって警告メッセージを確認するまで、制御システム１１２は、いかなる移動コマンド又はエンドエフェクタ作動コマンドも無視又は除外（filter  out）し得る。
【００６０】
方法４００のいくつかの実装は、医療器具の部分の動きと動き閾値との間の差の大きさを識別する動作を含み得る。閾値制御値が、差が閾値制御値を下回る場合にのみ、制御システム１１２によって、オプション８０４Ｂを選択することによる患者動作メッセージ８０２を無視することが許可されるように適用され得る。差が閾値制御値より大きい場合、オプション８０４Ｂは、医師Ｏに提示されなくてもよい。加えて、差が閾値制御値を超える場合、制御システム１１２は、動作４１０における医療器具の制御を変更し得る。例えば、制御システム１１２は、新しいレジストレーションが実行されるまたは既存のレジストレーションが更新されるまで、マスタアセンブリ１０６から受け取った後続の動作コマンドを無視し得る。この方法では、制御システム１１２は、医師Ｏが、患者Ｐまたは医療システム１００の比較的大きい動きのために信頼できない可能性が高いレジストレーションに依存することを防ぎ得る。同様に、遠位先端３１８から突出する生検針による生検の実施のような、治療の実施に関連する任意のコマンドは、患者Ｐの動きを補償するために信頼できるレジストレーションが提供されるまで無視され得る。
【００６１】
図９は、いくつかの実施形態による、医療処置中の患者の動きをモニタするための方法９００のフローチャートである。図９は、方法９００を一連の動作または動作のシーケンスとして示す。本方法の実施形態は、列挙された動作の前、後、間、または一部として、追加動作または代替動作を含み得る。方法９００のいくつかの実施形態は、制御システム１１２のプロセッサによって実行されると、プロセッサは、医療処置の間の患者の動きのモニタを改善するために、動作を実行または実装させる、コンピュータ可読命令またはプログラミングを含み得る。
【００６２】
方法９００の例示の実施形態は、動作９０２から始まり、ここでは制御システムの処理装置は、現在の測定モデルとも呼ばれる医療器具の第１のモデルを生成する。第１のモデルは、解剖学的構造の第１の挿入位置における医療器具に対応し得る。一実施形態では、第１のモデルは、医療器具の現在の測定状態を特徴付けるものとして理解され得る。いくつかの例では、医療器具の第１のモデルは、図２Ａおよび２Ｂの細長い装置２０２、図２Ｃのマニピュレータ２５２、および／または図３Ａおよび３Ｂのキャリッジ３０６および挿入ステージ３０８を含み得る、医療器具の状態（例えば、姿勢、形状、または動き）を表すデータのセットとして理解され得る。データのセットは、カテーテルの長さに沿った点に関連付けられる測定データを含み得る。一例として、医療器具の第１のモデルは、駆動ユニット２０４内のまたは図２のマニピュレータアセンブリ１０２内のキャプスタン、回転駆動要素、または線形駆動要素の回転または並進位置、速度、または加速度を示す回転または並進センサからのデータを使用して、制御システム１１２によって生成され得る。別の例として、制御システム１１２は、医療器具の遠位端部を制御するように医療器具を通って延びるケーブル上の張力をモニタする張力センサを使用し得る。別の例として、制御システム１１２は、図２Ｃの医療器具システム２５０に関して説明したジョイントセンサからのデータを使用し得る。ジョイントセンサからのデータは、マニピュレータ２５２の制御アーム内の既知の構成要素の長さ、および／または可撓性ボディ２１６の長さと組み合わせて、医療器具のモデルを生成し得る。代替的または追加的に、制御システムは、図３Ａおよび３Ｂの形状センサ３１４のような光ファイバ形状センサ、または医療器具の長さに沿った位置に配置された電磁コイルのセットを使用して、第１のモデルを生成するのに使用されるデータの少なくとも一部を生成し得る。いくつかの例では、医療器具の第１のモデルは、医療器具が既知の基準フレーム内で完全にモデル化されることができるように、医療器具システムの動く構成要素の全てをモデル化し得る。いくつかの例では、第１のモデルは、医療器具の一部のみを記載し得る。例えば、いくつかの実施形態では、第１のモデルには、細長い装置２０２（図２Ａ及び２Ｂ）の可撓性ボディ２１６の遠位端部２１８のみが含まれる。いくつかの実施形態では、データは、解剖学的構造内の位置によって確立された測定ゾーン内にある医療装置の一部分について捕捉され得る。その測定ゾーンは、ランドマークおよびそのランドマークからの設定された後退または挿入距離のような、解剖学的構造内の挿入深さに基づき得る。特定の例では、測定ゾーンは、主気管分岐部および／または気管の気管分岐部に近接する特定の距離内の領域を含み得る。測定ゾーンは、レジストレーション中に決定され得る。一例では、気管分岐部から近位側の気管内の後退距離が定義され得る。気管分岐部が決定されると、挿入深さが記録され、挿入軸エンコーダによって識別される後退方向の固定距離として測定ゾーンが確立される。データは、その測定ゾーン内にあるカテーテルのセクションについて測定されます。いくつかの実施形態では、測定ゾーンは、細長い器具の抗座屈ガイドの細長い器具の気管内チューブに基づいて決定される。
【００６３】
動作９０４において、処理装置は、医療器具の第２のモデルを生成する。第２のモデルは、制御システム１１２によって生成することができ、第１のモデルとは異なるデータソース、第１のモデルに組み込まれたソースのサブセット、または異なるデータソースと第１のモデルに組み込まれたソースのサブセットとの組み合わせに基づくことができる。この例では、第２のモデルは、医療器具の予測状態（例えば、姿勢、形状、または動き）を特徴付けるものとして理解され得、予測モデルとも呼ばれる。
【００６４】
方法９００に関連して記載されるように、第２のモデルは、ある仮定を与えられた第１のモデルの予想される状態（例えば、姿勢、形状、または動き）を示す予測モデルである。仮定には、１回または複数回における測定された医療器具の状態など、多くの要因が含まれ得る。１回または複数回の医療器具の状態は１回または複数回の前回の測定で測定され得、処理装置によって記録され得る。基礎となる仮定は、現在の時点における図２の駆動ユニット２０４内の１つまたは複数の回転センサまたは並進センサからのデータをさらに含み得る。基礎となる仮定は、仮定の組み合わせを含み得る。例えば、第２のモデルは、医療器具の測定状態（複数可）（例えば、１つまたは複数の対応する基準モデルを使用する）と、図２の駆動ユニット２０４内の１つまたは複数の回転センサまたは並進センサからのデータ（挿入など）とを、現在の時点で組み合わせ得る。
【００６５】
図９に示すように、いくつかの実施形態では、動作９０４は、処理装置が、第１の基準挿入位置における医療器具の測定状態に基づいて、医療器具の第１の基準モデルを生成する、動作９０５Ａ−１を含む。動作９０５Ａ−１の第１の基準挿入位置は、動作９０２の第１の挿入位置と同じであってもよく、異なるものであってもよい。動作９０４は、さらに、処理装置が、第２の基準挿入位置における医療器具の測定状態に基づいて、医療器具の第２の基準モデルを生成する動作９０５Ａ−２を含む。動作９０５Ａ−２の第２の基準挿入位置は、動作９０５Ａ−１の第１の基準挿入位置および／または動作９０２の第１の挿入位置と同じであっても、異なるものであってもよい。動作９０５Ａ−１および９０５Ａ−２の医療器具の測定状態は、動作９０２の時間（現在の時間（current  time）とも呼ばれる）より前の時間（前の時間（previous  time）とも呼ばれる）で測定され得る。動作９０５Ａ−１および９０５Ａ−２からの２つの基準モデルが記述されるが、動作９０４は、互いに同じかまたは異なる基準挿入位置に関連する任意の数（例えば、１、２、...、Ｎ）の基準モデルを生成する動作を含み得ることに留意されたい。
【００６６】
いくつかの実施形態では、動作９０４は、処理装置が、動作９０５Ａ−１および９０５Ａ−２の１つまたは複数の基準モデルに基づいて、（例えば、動作９０２の第１の挿入位置における）医療器具の予測モデルを生成する、動作９０５Ｂを含む。例えば、予測モデルは、動作９０２の第１のモデルの第１の挿入位置、および／または動作９０５Ａ−１および９０５Ａ−２の基準モデルの参照挿入位置を使用して生成され得る。いくつかの実施形態では、予測モデルは、例えば、平均および標準偏差を含む、医療器具の可能な予想される状態の確率分布を含み得る。
【００６７】
「現在の時間」と「前の時間」との間の時間間隔は、短くてもよく、例えば、ミリ秒または秒であってもよいが、より長くてもよい。例えば、前の時間は、レジストレーションアルゴリズムが実行された最後の時間であってもよく、これは、分のオーダーで測定することができる。仮定はさらに、医療器具の機械的挙動、例えば、近位端部の測定された動きに基づく細長い装置２０２の可撓性ボディ２１６の遠位端部の予想される動きの知識を含み得る。この予想される動きは、近位端部の測定された動きに加えて、細長い装置２１８を構成する構成要素の物理的寸法および特性に基づき得る。基礎となる仮定はさらに、使用時に医療器具を取り囲む環境を提供する患者Ｐの組織の知識を含み得る。例えば、ＣＴスキャンが、作業部位の周囲の組織のタイプ（tissue  types）を分類し、その寸法を決定するために分割され処理され得る。制御システム１１２は、組織のタイプの各々に関連する物理的特性の表を含み得、組織が医療器具にどのように影響するかを予測するために、患者の解剖学的構造の三次元モデルおよび組織のタイプの物理的特性を使用し得る。例えば、患者の解剖学的構造は、制御システム１１２が、解剖学的構造およびその特性、例えば、特定の力で医療器具を特定の方向に押す傾向に基づいて、医療器具の押される部分の位置を予測するように、医療器具をある方向または別の方向に押し得る。
【００６８】
動作９０６において、制御システム１１２は、（例えば、動作９０２で生成される）第１のモデルの状態（例えば、姿勢、形状、または動き）と（例えば、動作９０４で生成される）予測モデルを比較する。いくつかの実施形態では、動作９０６は、気管内チューブ（ＥＴチューブ）もしくはラリンジアルマスク（ＬＭＡ）を通って延びるセグメントまたは患者Ｐの気管内に延びる医療器具のセグメントなどの、医療器具のセグメント（例えば、測定ゾーン）のみの比較を含み得る。図１０Ａ〜１０Ｆの例を参照すると、第１のモデル、基準モデル、および予測モデルのグラフ表示が図示されている。図１０Ａ、１０Ｂ、および１０Ｃの例は、第１のモデルと予測モデルとの間の差が、（例えば、患者の動きを決定するための）特定の閾値を下回ることを示す。図１０Ｄ、１０Ｅ、および１０Ｆの例では、第１のモデルと予測モデルとの間の差が、（例えば、患者の動きを決定するための）特定の閾値を超えることを示す。
【００６９】
次に、図１０Ａおよび１０Ｂを参照すると、ここに示されているのは、患者の解剖学的構造内に配置された医療器具を有するシステム構成のグラフである。モデル１０００の各々は、本明細書に提供される様々な実施形態において存在し得るまたは存在しないいくつかの構成要素を含む。図１０Ｃは、第１のモデル１０１０（測定モデル１０１０とも呼ばれる）および例示的な予測モデル１０１２のグラフ表示を示す。
【００７０】
図１０Ａの例では、第１の構成１０００Ａは、第１の構成要素１００２、第２の構成要素１００４、および第３の構成要素１００６を含む。第１の構成要素１００２は、ジョイントによって接続された剛性（rigid）セグメントを有するマニピュレータ２５２のようなマニピュレータを表す。第２の構成要素１００４は、図３Ａ及び３Ｂの挿入ステージ３０８のような挿入ステージを表す。第２の構成要素１００４は、固定された態様で、又は、構成要素１００２と１００４との間の関係が制御システム１１２に知られるようにセンサを有するヒンジによって、第１の構成要素１００２に結合され得る。第３の構成要素１００６は、図２Ａ及び図２Ｂに示す細長い装置２０２の可撓性ボディ２１６のような可撓性ボディを有する医療器具を表す。第３の構成要素１００６の可撓性ボディは、バックエンド機構（backend  mechanism）によって第２の構成要素１００４に結合されてもよく、バックエンド機構に対して固定された又は測定された向きを有してもよい。第３の構成要素１００６は、さらに、光ファイバ形状センサまたは一連の電磁センサなどの形状感知システムを含み得る。医療器具の近位端部からその遠位端部まで分布されたセンサに問い合わせすることによって、医療器具の長さに沿ったデータ点のセットが、含まれる構成要素に関連する長さ及び他の幾何学的情報を決定し、記憶するために、収集され得るとともに使用され得、医療器具の状態（例えば、姿勢、形状、または動き）が制御システム１１２によって測定されるとともにモデル化され得る。加えて、制御システム１１２は、医療器具の動きを測定することができるように、毎秒数十、数百、又は数千回問い合わせし得る。
【００７１】
同様に、基準構成１０００Ｂは、第１の構成要素１００２、第２の構成要素１００４、および第３の構成要素１００６を含む。基準構成１０００Ｂは、基準構成１０００Ｂが第１の構成１０００Ａに関連付けられた時間（例えば、現在の時間）とは異なる時間（例えば、前の時間）における医療器具の測定状態に基づいて生成されることを除いて、第１の構成１０００Ａと実質的に同様であり得る。図１０Ａおよび１０Ｂの例では、第１の構成１０００Ａは、第１の挿入位置に関連付けられ、基準構成１０００Ｂは、基準挿入位置に関連付けられ、第１の挿入位置と基準挿入位置との間に距離Ｄ１が存在する。図１０Ａおよび１０Ｂの例では、構成要素１００２および１００２Ｂならびに構成要素１００４Ａおよび１００４Ｂは、実質的に同様の姿勢を有する。図１０Ａおよび１０Ｂは、いくつかの実施形態による、モデル１０００Ａおよび１０００Ｂを示す。これら２つの図の間で、構成要素１００４Ａおよび１００４Ｂ上のバックエンド機構の位置が変化している。バックエンド機構の移動Ｄ１は、１００６Ａおよび１００６Ｂとしてモデル化された可撓性構成要素の後退をもたらす。
【００７２】
図１０Ｃに示すように、制御システム１１２は、例えば、予測モデル１０１２および第１のモデル１０１０を含む複数のモデルの比較を実行し得る。第１のモデル１０１０および予測モデル１０１２は、それぞれ、異なる時間および／または異なる挿入距離で取られた、測定ゾーン１００８などの、特定のゾーン内の医療器具１００６の形状を表すデータに基づいて、それぞれ生成され得る。
【００７３】
第１のモデル１０１０は、例えば、システム構成１０００Ａの間に取られた、１つまたは複数の現在の状態または１つまたは複数の現在測定されているモデルから生成され得る。
【００７４】
予測モデル１０１２は、例えば、システム構成１０００Ｂ（例えば、動作９０５Ａ−１および９０５Ａ−２の基準モデルに関連付けられる基準構成）の間に取られた、１つまたは複数の前の状態または１つまたは複数の前に測定されたモデル、および医療器具が前の状態にあった間にオペレータから受け取られた、挿入距離のための挿入コマンドなどの１つまたは複数のコマンドから生成され得る。例えば、予測モデル１０１２は、基準構成１０００Ｂのバックエンド機構の前の位置、および移動Ｄ１に関連して受信、発行、および実装された入力コマンドおよびアクチュエータコマンドの知識を使用して生成され得る。予測モデル１０１２は、アクチュエータによって実現されることになる所望の動きを記述したユーザから受け取った入力などの状態情報をさらに含み得る。入力は、マスタアセンブリ１０６などの入力装置の操作、および／または、医療器具を動かすまたは作動させるためにケーブルに張力を加えるキャプスタンなどのアクチュエータのための制御信号への操作の変換の点から定義され得る。図１０Ｃは、測定ゾーン１００８における第３の構成要素１００６に関連付けられる予測モデル１０１２を示しているが、様々な実施形態では、予測モデル１０１２は、例えば、カテーテルの全長に関するデータを使用して、第３の構成要素１００６の全長に関連付けられ得る。
【００７５】
加えて、本明細書に記載されるように、予測モデル１０１２はさらに、医療器具の一部を押圧している組織など、医療器具の周囲の環境を特徴付ける解剖学的情報または他の情報に基づき得る、加えて、予測モデルは、ユーザ入力装置からのデータを使用し得る。例えば、ユーザが入力装置を通してシステムに左を曲げるように命令する場合、予測モデルは、カテーテルが左に曲がることをその予測に示す。いくつかの例では、予測モデルは、動作９０５Ａ−１および９０５Ａ−２の基準モデルを特徴付ける状態情報に含まれる移動コマンドの予測結果を含む。例えば、動作９０５Ａ−１および９０５Ａ−２の基準モデルは、移動コマンドから生じる医療器具の実際の構成および／または移動コマンド自体を含み得、一方、予測モデル１０１２は、移動コマンドに基づく医療器具の予測される構成を含み得る。制御システム１１２は、実際の構成と予測される構成との差を検出し得る。
【００７６】
いくつかの実施形態では、第１の構成１０００Ａから生成された測定モデル１０１０および基準構成１０００Ｂ（および対応する基準モデル）から少なくとも部分的に生成された予測モデル１０１２は、測定ゾーン１００８内で実質的に重複する形状を有するが、近位端部および遠位端部では形状が異なる。比較は、測定モデル１０１０および予測モデル１０１２またはそのサブセットの全ての構成要素を含み得る。いくつかの実施形態では、図１０Ｃに示すように、比較は、構成要素１００２および１００４を無視して、測定ゾーン１００８内の測定モデル１０１０および予測モデル１０１２に基づいてもよい。図１０Ｃの例では、測定モデル１０１０および予測モデル１０１２は、実質的に互いに重複する。したがって、図１０Ｃの例では、測定モデル１０１０と予測モデル１０１２との間の差が特定の閾値より小さいため、患者の動きがないと決定される。
【００７７】
図１０Ｄ、１０Ｅ、および１０Ｆの例を参照すると、患者の解剖学的構造の位置の差が示されており、第１のモデルと予測モデルとの間に（例えば、患者の動きを決定するための）特定の閾値を超える差が生じている。図１０Ｄおよび１０Ｅは、第１のシステム構成１０００Ｄおよび基準システム構成１０００Ｅのグラフ図を示す。図１０Ｆは、第１のモデル１０１０（例えば、第１のシステム構成１０００Ｄから生成される）と予測モデル１０１２（例えば、基準構成１０００Ｅから生成される基準モデルから生成される）との例示的な比較を示す。システム構成１０００Ｄおよび１０００Ｅは、システム構成１０００Ａおよび１０００Ｂと実質的に類似しているが、図１０Ｆの比較は、以下に説明される差を除いて、図１０Ｃの比較と実質的に類似している。図１０Ｄは、患者の解剖学的構造５０２のシフト（shift）を示す。図１０Ｆは、第１のモデル１０１０と予測モデル１０１２が互いに離れる（diverge）ことを示す。動作９０６で実行される比較は、第１のモデル１０１０と予測モデル１０１２との間のこの乖離（divergence）（例えば、その大きさおよび姿勢の観点から）を同定し得る。これに基づいて、制御システム１１２は、動作９０８において、比較に基づいて、システム構成１０００Ａ若しくは１０００Ｄによって表される器具の現在の状態、または患者の現在の状態を決定し得る。本明細書に記載されているように、制御システム１１２はまた、動作９１０において、比較および同定に基づいて患者が動いたかどうかを決定し得る。図１０Ｆの例では、制御システム１１２は、測定された第１のモデル１０１０と予測モデル１０１２との間の差が特定の閾値を超えることを決定し、それによって、患者が動いたことを決定し得る。
【００７８】
動作９０６において実行される比較は、例えば測定ゾーン１００８をシフトすることによって、構成要素１００２、１００４、および１００６のいずれかまたは全て、又はそれらの特定部分の比較であり得る。例えば、いくつかの比較は、図３Ａ及び図３Ｂの抗座屈ガイド３２２内の構成要素１００６の部分の比較のみを含み得る。いくつかの実施形態では、異なる重み（different  weights）が、医療器具の異なる構成要素または異なる構成要素の異なる部分に割り当てられ得る。例えば、動作９０６のいくつかの実施形態は、気管内チューブ（ＥＴチューブ）もしくはラリンジアルマスク（ＬＭＡ）を通って延びるセグメントまたは患者Ｐの気管内に延びる医療器具のセグメントなどの、測定された構成要素１００６Ａのセグメント（例えば、測定ゾーン１００８）のみと予測された構成要素１００６Ｃの比較を含み得る。いくつかの例では、モデルを比較することは、特定の方向におけるまたは特定の場所に沿ったもしくは特定の場所から離れる、測定された動きまたは形状と予測される動きまたは形状の比較を含み得る。例えば、モデルは、台Ｔに垂直な方向、台Ｔに平行な方向、または関心のある他の方向におけるそれらの動きに基づいて比較され得る。患者の状態を決定することは、患者が動いたことを決定することを含み得るとともに、咳のまたは呼吸動作などの正常な周期的動作の識別のような、患者の動きのタイプを決定することを含み得る。代替的または追加的に、患者または器具の状態を決定することは、医療処置に使用される追加の構成要素を決定することを含み得る。例えば、状態は、医療器具が特定のトロカールカニューレを介して、特定のＥＴチューブを通って、特定のＬＭＡを通って等、患者に導入されることを示し得る。状態に含まれる形状情報は、複数のこのようなエントリ装置（entry  device）の既知の幾何学的形状に一致し得る。患者の状態を決定することはまた、抗座屈ガイド３２２内に配置された医療器具の部分の座屈を検出することを含み得る。
【００７９】
図１１Ａは、患者Ｐの肺Ｌに対する測定モデル１０１０および予測モデル１０１２の表示を示している。いくつかの例では、このようなグラフ表示は、図１の表示システム１１０のようなディスプレイにおいて医療器具のオペレータに提供され得る。図１１Ａは、モデルの長さに沿った複数の乖離を示す。場合によっては、比較は、モデルの長さに沿って一定の間隔で行われ得る。いくつかの例では、特定の方向の乖離のみが注目される。例えば、図１１Ｂは、モデル１０００Ａおよび１０００Ｃの側面図を示し、乖離または差Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６、およびＤ７がラベル付けされている。これらの乖離は、台Ｔに対して垂直な軸に沿って数値的に表され得る。
【００８０】
動作９１０に戻って、制御システム１１２は、測定モデル１０１０と予測モデル１０１２との比較に基づいて、患者Ｐが移動したかどうかを決定し得る。上述のように、場合によっては、モデルの特定のセグメントのみが比較され得る。例えば、いくつかの実施形態では、図１１Ｂの乖離Ｄ４の周囲の領域のみが比較され、患者Ｐが移動したかどうかを決定するために使用され得る。患者Ｐが移動したかどうかを決定するために、制御システム１１２は、同定されたいずれかの乖離または差を閾値と比較し得る。この閾値は、比較されるモデルの構成要素または比較されるモデルの特定の部分に依存して異なり得る。例えば、乖離Ｄ４が、１０ｍｍ、５ｍｍ、または１ｍｍより大きい場合、制御システム１１２は、患者Ｐが動いたことを乖離Ｄ４が示していると識別し得る。概して、乖離は、絶対的な大きさなど、多くの方法で決定され得るが、特定の方向の大きさ、または動きの周波数の観点からも決定され得る。患者Ｐが動いたことの兆候は、医療器具に対して決定され、その結果、患者に対する医療器具の移動（例えば、医療器具を支持するカートが誤って押される可能性がある）は、患者の移動と解釈される。患者Ｐが動いたかどうかを決定する際に適用される閾値は、作業部位または医療器具を取り囲む環境に対する医療器具のおよその位置に依存し得る。例えば、気管の領域における乖離の閾値は、肺の内側または内側にある可能性が高い領域における乖離の閾値とは異なり得る。閾値はまた、実行されるタスクまたは要求される精度のレベルに依存して異なり得る。例えば、システムが特定の小領域にアクセスするために使用されている場合、標的領域が血管または胸膜などの傷つきやすい身体構造に近い場合、またはタスクの性質（例えば、アブレーション）がより高い精度を必要とする場合には、閾値はより厳しく設定され得る。制御システム１１２は、そのような情報を含み、比較および決定動作中にそれを利用し得る。
【００８１】
いくつかの実施形態では、測定モデルと予測モデルとの間の差は、測定モデルの点を予測モデルの点と比較することによって決定される（例えば、１つまたは複数の比較基準に基づいて）。差が比較基準の対応する閾値より小さい場合には患者の動きがなく、差が対応する閾値以上である場合には患者の動きがあると決定され得る。対応する閾値を持つ種々の比較基準が用いられ得る。一例では、差は、測定モデル１０１０の測定点と予測モデル１０１２の対応する予測点との間の振幅差の和に基づいており、対応する閾値は、総計の閾値距離（例えば、１５ｍｍ）である。別の例では、差は、振幅差（例えば、半径方向）および／または長さ差（例えば、挿入軸に沿った直線方向）を使用して決定される。さらに別の例では、差は、測定ゾーン１００８の全長にわたる平均振幅差または最大振幅差を使用して決定される。いくつかの例では、振幅は、測定ゾーン１００８の全長に沿った最大値に基づく。さらに別の例では、比較基準は、移動特性（例えば、周波数、速度、加速度など）および形状特性（例えば、振幅、ピーク数、くぼみ（dip）数、曲率など）と対応する閾値との比較を提供する。いくつかの実施形態では、比較基準は、閾値が予測モデル１０１２の分布に基づくことを提供し得る。例えば、測定ゾーン１００８における測定モデル１０１０が、予測モデル１０１２の分布の標準偏差の範囲外である場合、患者の動きがあると決定され得る。
【００８２】
動作９１０の結果として、制御システム１１２は、表示システム１１０を介してオペレータに警告を発する、および／または動作９１２において図９に示すように比較および決定に基づいて医療器具の制御を変更するなどのアクションをとり得る。いくつかの実施形態では、制御システム１１２は、図８に示すように、患者動作メッセージ８０２を表示し得る。いくつかの実施形態では、ユーザは、警告またはメッセージを無視または却下し得る、またはアクションが取られるまでメッセージを却下することができなくなり得る。制御システム１１２は、メッセージ８０２が確認されるまたはインターフェース要素オプション８０４Ａおよび／または８０４Ｂが選択されるまで、オペレータから受信されたいかなる移動コマンドまたはエンドエフェクタ作動コマンドも無視、取り合わない、または実行しないことができる。いくつかの実施形態では、制御システム１１２は、医療器具の実際の位置を維持しようと能動的に試み得る、または医療器具が、組織および周囲の環境によって加えられる圧力および力に迎合的に従う（compliantly  yield  to）ことを可能にし得る。別の実施形態では、制御システムは、患者を治療するために方法９００で使用される、アブレーションプローブなどの通電器具へのエネルギ供給を無効にし得る。さらに、患者Ｐが動いたことを制御システムが決定するときに、制御システム１１２は、医療器具、患者の解剖学的構造のモデル、および実際の患者の解剖学的構造の間でレジストレーションプロセスを実行するまたは既存のレジストレーションを更新するようにユーザに指示し得る。これは、患者Ｐの動きが、これらの特徴の既存のレジストレーションを、オペレータによる使用のために信頼性がなく且つ不適当にする可能性があるからである。
【００８３】
本開示の実施形態は、実施される医療処置に必要な構造に配置されたセンサを使用し、利用される医療器具の姿勢および／または動きの測定および予測モデルを使用して、患者の動きの検出を提供し得る。例えば、（光学センサ、ＥＭセンサ、または光ファイバセンサなど）患者の動きをモニタするために専用のシステムを使用する代わりに、細長い装置３１０の光ファイバ形状センサ３１４などの既存のセンサおよびシステムに依存して、位置決め、向き、および／または形状情報を得ることができる。この情報は、主に、画像誘導医療処置におけるレジストレーションおよび使用の目的でカテーテルを特徴付ける際に、制御システム１１２によって使用され得る。本明細書に記載されるように、このような情報は、信頼できないレジストレーションの使用を防止するために、患者の動きをモニタするために二次的に使用され得る。多くの実施形態において、本明細書に記載のシステムは、かかる専用システムの交換を可能にし、より少ない数の装置からより多くの情報を得ることを可能にする。これにより、処置を手頃な価格にすることができ、作業部位からクラッタ（clutter）を取り除くことができる。
【００８４】
当業者は、開示された実施形態および本開示の範囲内にある追加の特徴の組み合わせを同定することができる。従って、本開示の精神および範囲は、以下の特許請求の範囲を参照することによって最もよく理解され得る。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ−１０Ｃ】
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【図１０Ｄ−１０Ｆ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【国際調査報告】
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