(57)【要約】  力検出型表面走査システム２０は、走査ロボット４１及び表面走査制御装置５０を使用する。走査ロボット４１は、表面走査エンドエフェクタ４３により印加された解剖学的臓器への接触力の情報提示をする力検出データを生成するための表面走査エンドエフェクタ４３を含む。動作中、表面走査制御装置５０は、力検出データを表面走査エンドエフェクタ４３が生成することを有する表面走査エンドエフェクタ４３による解剖学的臓器の表面走査を制御することと、さらに、解剖学的臓器の規定の表面変形オフセットを示す表面走査エンドエフェクタ４３により生成された力検出データに応答して解剖学的臓器の術中ボリュームモデルを構築することとを行う。
2020512126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面走査エンドエフェクタにより印加された解剖学的臓器への接触力の情報提示をする力検出データを生成する前記表面走査エンドエフェクタを含む走査ロボットと、
前記表面走査エンドエフェクタが前記力検出データを生成することを有する、前記表面走査エンドエフェクタによって前記解剖学的臓器の表面走査を制御する、表面走査制御装置と、
を備え、
前記表面走査制御装置が、前記解剖学的臓器の規定の表面変形オフセットを示す前記表面走査エンドエフェクタにより生成された前記力検出データに応答して、前記解剖学的臓器の術中ボリュームモデルを構築する、
力検出型表面走査システム。
【請求項２】
前記術中ボリュームモデルが、術中ボリュームメッシュと術中ボリューム画像とのうちの一方である、
請求項１に記載の力検出型表面走査システム。
【請求項３】
前記表面走査制御装置がさらに、粘弾性特性パラメータ及び走査力パラメータの関数として前記表面変形オフセットのオペレーターの規定を制御し、
前記粘弾性特性パラメータが、前記解剖学的臓器の硬さを定量化し、
前記走査力パラメータが、前記解剖学的臓器の表面点をデジタル化するために所望の接触力を定量化する、
請求項１に記載の力検出型表面走査システム。
【請求項４】
前記表面走査制御装置がさらに、前記表面走査エンドエフェクタにより印加された前記解剖学的臓器へのオペレーターの所望の接触力を示す前記表面走査エンドエフェクタにより生成された前記力検出データに応答して前記表面変形オフセットの経験的な規定を制御する、
請求項１に記載の力検出型表面走査システム。
【請求項５】
前記表面走査制御装置が、
前記解剖学的臓器の術前セグメント分けボリュームモデルを横断するサンプリング走査経路を規定することと、
前記解剖学的臓器の表面を横断する幾何学的パターンと無作為なパターンとのうちの少なくとも１つを含むサンプリング走査経路を規定することと、
のうちの少なくとも１つを行う、請求項１に記載の力検出型表面走査システム。
【請求項６】
前記サンプリング走査経路が、ラインサンプリング走査経路と点サンプリング走査経路とのうちの少なくとも１つを含む、
請求項１に記載の力検出型表面走査システム。
【請求項７】
前記表面走査制御装置が、前記解剖学的臓器の前記規定の表面変形オフセットの関数として、前記解剖学的臓器の構築された術中ボリュームモデルの寸法変更を制御する、
請求項１に記載の力検出型表面走査システム。
【請求項８】
前記表面走査制御装置が、前記解剖学的臓器の前記術中ボリュームモデルと前記解剖学的臓器の術前セグメント分けボリュームモデルとの重ね合わせを制御する、
請求項１に記載の力検出型表面走査システム。
【請求項９】
前記走査ロボットが、スネーク走査ロボットである、
請求項１に記載の力検出型表面走査システム。
【請求項１０】
前記表面走査エンドエフェクタが、ツールポインターと超音波腹腔鏡とのうちの一方である、
請求項１に記載の力検出型表面走査システム。
【請求項１１】
表面走査エンドエフェクタを含む走査ロボットのための表面走査制御装置であって、前記表面走査制御装置が、
前記表面走査エンドエフェクタにより印加された解剖学的臓器への接触力の情報提示をする力検出データを前記表面走査エンドエフェクタが生成することを有する、前記表面走査エンドエフェクタによって前記解剖学的臓器の表面走査を制御する、走査コマンダーと、
前記解剖学的臓器の規定の表面変形オフセットを示す、前記表面走査エンドエフェクタにより生成された前記力検出データに応答して、前記解剖学的臓器の術中ボリュームモデルを構築するモデル構築器と、
を備える、表面走査制御装置。
【請求項１２】
前記モデル構築器が、粘弾性特性パラメータ及び走査力パラメータの関数として前記表面変形オフセットの規定を制御し、
前記粘弾性特性パラメータが、前記解剖学的臓器の硬さを定量化し、
前記走査力パラメータが、前記解剖学的臓器の表面点をデジタル化するために所望の接触力を定量化する、
請求項１１に記載の表面走査制御装置。
【請求項１３】
前記モデル構築器が、前記表面走査エンドエフェクタにより印加された前記解剖学的臓器へのオペレーターの所望の接触力を示す、前記表面走査エンドエフェクタにより生成された前記力検出データに応答して、前記表面変形オフセットの規定を制御する、
請求項１１に記載の表面走査制御装置。
【請求項１４】
前記走査コマンダーが、
前記解剖学的臓器の術前セグメント分けボリュームモデルを横断するサンプリング走査経路を規定することと、
前記解剖学的臓器の表面を横断する幾何学的パターンと無作為なパターンとのうちの少なくとも１つを含むサンプリング走査経路を規定することと、
のうちの少なくとも１つを行う、請求項１１に記載の表面走査制御装置。
【請求項１５】
前記モデル構築器が、前記解剖学的臓器の前記規定の表面変形オフセットの関数として、前記解剖学的臓器の構築された術中ボリュームモデルを寸法変更することを制御する、
請求項１１に記載の表面走査制御装置。
【請求項１６】
表面走査エンドエフェクタを含む走査ロボットのための力検出型表面走査方法であって、
前記力検出型表面走査方法は、
表面走査制御装置が、前記表面走査エンドエフェクタにより印加された解剖学的臓器への接触力の情報提示をする力検出データを、前記表面走査エンドエフェクタが生成するステップを有する、前記表面走査エンドエフェクタによる前記解剖学的臓器の表面走査を制御するステップと、
前記表面走査制御装置が、前記解剖学的臓器の規定の表面変形オフセットを示す前記表面走査エンドエフェクタにより生成された前記力検出データに応答して、前記解剖学的臓器の術中ボリュームモデルを構築するステップと、
を有する、力検出型表面走査方法。
【請求項１７】
前記表面走査制御装置が、粘弾性特性パラメータ及び走査力パラメータの関数として前記表面変形オフセットを規定するステップをさらに有し、
前記粘弾性特性パラメータが、前記解剖学的臓器の硬さを定量化し、
前記走査力パラメータが、前記解剖学的臓器の表面点をデジタル化するために所望の接触力を定量化する、
請求項１６に記載の力検出型表面走査方法。
【請求項１８】
前記表面走査制御装置が、前記表面走査エンドエフェクタにより印加された前記解剖学的臓器へのオペレーターの所望の接触力を示す前記表面走査エンドエフェクタにより生成された前記力検出データに応答して前記表面変形オフセットを規定することをさらに有する、
請求項１６に記載の力検出型表面走査方法。
【請求項１９】
前記表面走査制御装置が、前記解剖学的臓器の術前セグメント分けボリュームモデルにおけるサンプリング走査経路を描写するステップをさらに有する、
請求項１６に記載の力検出型表面走査方法。
【請求項２０】
前記表面走査制御装置が、前記解剖学的臓器の前記規定の表面変形オフセットの関数として、前記解剖学的臓器の構築された術中ボリュームモデルを寸法変更するステップをさらに有する、
請求項１６に記載の力検出型表面走査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の本発明は、概して、解剖学的臓器の術中表面走査ボリュームモデルを解剖学的臓器の術前画像セグメント分けボリュームモデルに重ね合わせることを目的とした、解剖学的臓器（例えば、肝臓、心臓、肺、脳、胃、脾臓、腎臓、膵臓、嚢など）の表面走査のためのシステム、デバイス、制御装置、及び方法に関する。
【０００２】
本開示の本発明は、より具体的には、解剖学的臓器のロボット支援型表面走査に力検出技術を利用することにより、解剖学的臓器の術中表面走査ボリュームモデルの、解剖学的臓器の術前画像セグメント分けボリュームモデルとの重ね合わせを改善することにより、このようなシステム、デバイス、制御装置、及び方法を改善することに関する。
【背景技術】
【０００３】
低侵襲手術工程は、通気された腹壁における小さい単一の切開口を通して実施される。従って、手術器具及び解剖学的臓器の外面への、内視鏡を介した見通し線が内視鏡画像により提供される。解剖学的臓器（例えば、脈管、腫瘍など）の内部構造物は、通常、二次元（「２Ｄ」）腹腔鏡超音波（ＬＵＳ）を使用して可視化される。しかし、特に、以前の腫瘍学的治療（例えば、熱アブレーション、経動脈性塞栓形成など）の存在により、及び／又は、解剖学的臓器に対するＬＵＳの不適切な音響結合により、画像品質が組織異常（例えば、硬変、脂肪性構造物など）により不明瞭とされる場合、ＬＵＳは、大きい解剖学的コンテキストにおいて解釈することが困難である。術中情報を改善するために、高品質三次元（「３Ｄ」）イメージングモダリティ（例えば、コンピュータ−断層撮影モダリティ（ＣＴ）、磁気共鳴イメージングモダリティ（ＭＲＩ）、コーンビームＣＴ（ＣＢＣＴ）など）が腹腔鏡画像と融合されることにより、画像の重ね合わせが、腫瘍位置の深さ、重要な解剖学的構造の近さ、既定の切除計画、及び、手術工程に有用な他の追加的な情報の知識情報を提供する。
【０００４】
いくつかの表面ベースの重ね合わせ技術が、３Ｄ術前画像を術中の物理的空間に融合するために、本開示の技術分野において知られている。これらの技術は、処置中に獲得された同じ表面のスパース表現に対して３Ｄ術前画像からセグメント分けされた解剖学的構造の表面をマッチングさせることにより、画像・患者（ｉｍａｇｅ−ｔｏ−ｐａｔｉｅｎｔ）変換行列を推定する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
手術工程中における軟組織解剖学的構造の術中表面走査に関する当技術分野において知られる現在の技術は、外部位置測定システムにより追跡される事前に校正されたツールポインター（例えば、光学的追跡、電磁追跡など）、外部レーザー範囲スキャナ、又は、内視鏡画像からの３Ｄ多視点再構成を使用する。しかし、未知の組織特性及び大きい組織変形に起因して、このような術中表面走査は困難である。
【０００６】
より具体的には、追跡されるツールポインターを使用した正確な解剖学的走査は、時間がかかり、ユーザーに大きく依存する。この方法の再現性は、ツール校正及び追跡システムの不正確さ、一定の圧力と臓器表面への接触との両方を維持するときにオペレーターにより引き起こされる誤り、及び、獲得中における軟組織解剖学的構造の未知の変形によっても妨げられる。
【０００７】
その一方で、レーザー走査方法は、低侵襲性手術室に統合することが困難な外部レーザー範囲スキャナを必要とし、臓器の表面の反射性の性質に起因して不正確である。
【０００８】
さらに内視鏡画像からの多視点３Ｄ再構成は、固有の特徴又はテクスチャを示す表面、及び、血液により覆われない表面を必要とする。
【０００９】
手術工程中における軟組織解剖学的構造の術中表面走査のための表面走査システム、デバイス、制御装置、及び方法を改善するために、本開示は、接触力が解剖学的臓器の規定の表面変形オフセットを表すことをもたらす、走査ロボットの表面走査エンドエフェクタにより印加された解剖学的臓器への接触力の検出に基づいて、解剖学的臓器の術中走査ボリュームモデルを構築するための発明を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の本発明の一実施形態は、走査ロボット及び表面走査制御装置を使用した力検出型表面走査システムである。
【００１１】
走査ロボットは、表面走査エンドエフェクタにより印加された解剖学的臓器への接触力の情報提示をする力検出データを生成するための表面走査エンドエフェクタを含む。
【００１２】
表面走査制御装置は、力検出データを表面走査エンドエフェクタが生成することを有する表面走査エンドエフェクタによる解剖学的臓器の表面走査を制御するために、及び、解剖学的臓器の規定の表面変形オフセットを示す表面走査エンドエフェクタにより生成された力検出データに応答して解剖学的臓器の術中ボリュームモデルを構築するために使用される。
【００１３】
本開示の本発明の第２の実施形態は、走査コマンダー（１３３）及びモデル構築器（１３４）を使用する表面走査制御装置である。
【００１４】
走査コマンダー（１３３）は、表面走査エンドエフェクタにより印加された解剖学的臓器に対してへの接触力の情報提示をする力検出データを表面走査エンドエフェクタが生成することを有する表面走査エンドエフェクタによる解剖学的臓器の表面走査を制御するために使用される。
【００１５】
モデル構築器（１３４）は、解剖学的臓器の規定の表面変形オフセットを示す表面走査エンドエフェクタにより生成された力検出データに応答して解剖学的臓器の術中ボリュームモデルを構築するために使用される。
【００１６】
本開示の本発明の第３の実施形態は、表面走査制御装置が、表面走査エンドエフェクタにより印加された解剖学的臓器への接触力の情報提示をする力検出データを表面走査エンドエフェクタが生成することを有する表面走査エンドエフェクタによる解剖学的臓器の表面走査を制御することを伴う力検出型表面走査方法である。
【００１７】
力検出型表面走査方法は、表面走査制御装置が、解剖学的臓器の規定の表面変形オフセットを示す表面走査エンドエフェクタにより生成された力検出データに応答して、解剖学的臓器の術中ボリュームモデルを構築することをさらに伴う。
【００１８】
本開示の本発明を説明すること、及び、本開示の本発明が特許されることを求めることを目的として以下のことがいえる。
【００１９】
（１）「イメージングモダリティ」、「走査ロボット」、及び「エンドエフェクタ」という用語を含むが、これらに限定されない本開示の当技術分野の用語は、本開示の技術分野において知られるように、及び、本明細書において例示的に説明されるように理解される。
【００２０】
（２）「力検出型表面走査システム」という用語は、本開示の技術分野において知られているように、及び、以下において考えられているように、解剖学的臓器のロボット支援型表面走査に力検出技術を利用するために本開示の本発明の原理を組み込んだすべての表面走査システムを広く包含する。知られた表面走査システムの例としてＰｈｉｌｉｐｓ拡張現実手術ナビゲーションシステム、Ｐｈｉｌｉｐｓ  Ｌ１０−４ｌａｐ線形トランスデューサーベースシステム、表面デジタル化のためのナビゲートされたポインターツールを含むＢｒａｉｎＬａｂ頭蓋ナビゲーション、及び、Ｐａｔｈｆｉｎｄｅｅｒ手術ナビゲーションシステムが挙げられるが、これらに限定されない。
【００２１】
（３）「力検出型表面走査方法」という用語は、本開示の技術分野において知られているように、及び、以下において考えられているように、解剖学的臓器のロボット支援型表面走査に力検出技術を利用するための本開示の本発明の原理を組み込んだすべての表面走査方法を広く包含する。知られた表面走査方法の非限定的な例は、Ｐｈｉｌｉｐｓ  Ｐｉｎｎａｃｌｅ３である。
【００２２】
（４）「制御装置」という用語は、本明細書において以下で例示的に説明されるように解剖学的管腔内における介入型デバイスの折り畳み、及び／又は、ねじれを監視することに関係した、本開示の様々な発明の原理の適用を制御するための特定用途向けメインボード又は特定用途向け集積回路のすべての構造上の構成を広く包含する。制御装置の構造上の構成として、プロセッサ、コンピュータ利用可能／コンピュータ可読記憶媒体、オペレーティングシステム、アプリケーションモジュール、周辺デバイス制御装置、インターフェース、バス、スロット、及びポートが挙げられるが、これらに限定されない。「制御装置」という用語に対して本明細書において使用される「イメージング」、「ロボット」、及び「表面走査」という名称は、「制御装置」という用語にいかなる追加的な限定を一切記載及び示唆することなく、本明細書において説明及び主張される特定の制御装置を他の制御装置から識別することを目的として区別する。
【００２３】
（６）「アプリケーションモジュール」という用語は、特定の用途を実行するための電子回路及び／又は実行可能プログラム（例えば、非一時的なコンピュータ可読媒体に記憶された実行可能ソフトウェア及び／又はファームウェア）からなる制御装置のコンポーネントを広く包含する。「モジュール」という用語に対して本明細書において使用される「走査コマンダー」、「モデル構築器」、「モデルレジスタ」及び「モデル融合器」という名称は、「アプリケーションモジュール」という用語に追加的な限定を一切記載及び示唆することなく、本明細書において説明及び主張される特定のモジュールを他のモジュールから識別することを目的として区別する。
【００２４】
（７）「データ」及び「コマンド」という用語は、本開示の技術分野において理解されるように、及び、本明細書において例示的に説明されるように、本明細書において以下で説明されるように本開示の様々な発明の原理を適用することを支援する情報及び／又は命令を通信するための、すべての形態の検出可能な物理量又はインパルス（例えば、電圧、電流、又は磁場強度）を広く包含する。本開示のコンポーネント間のデータ／コマンド通信は、本開示の技術分野において知られているように、及び、以下において考えられているように、任意の種類の有線又は無線媒体／データリンクを介したデータ／コマンド送信／受信、及び、コンピュータ可用／コンピュータ可読記憶媒体にアップロードされたデータ／コマンドの読み出しが挙げられるがこれらに限定されない任意の通信方法を伴う。
【００２５】
本開示の本発明の前述の実施形態及び他の実施形態、及び、本開示の本発明の様々な特徴及び利点が、添付図面とともに読まれる本開示の本発明の様々な実施形態の以下の詳細な記述からさらに明らかとなる。詳細な記述及び図面は、限定ではなく本開示の本発明の例示にすぎず、本開示の本発明の範囲は、添付の請求項及びその均等なものにより規定される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】本開示の本発明の原理による力検出型表面走査方法の例示的な実施形態を示す図である。
【図１Ｂ】本開示の本発明の原理による力検出型表面走査システムの例示的な実施形態を示す図である。
【図２Ａ−２Ｂ】本開示の本発明の原理による例示的な走査経路計画を示す図である。
【図３Ａ−３Ｃ】本開示の本発明の原理による表面走査エンドエフェクタによる解剖学的臓器の例示的な表面走査を示す図である。
【図４】本開示の本発明の原理による図１Ｂの力検出型表面走査システムの例示的な実施形態を示す図である。
【図５】本開示の本発明の原理による図１Ａの力検出型表面走査方法の例示的な一実施形態を表すフロー図である。
【図６Ａ−６Ｆ】本開示の本発明の原理によるポインターツールによる解剖学的臓器の例示的な表面走査を示す図である。
【図７Ａ−７Ｆ】本開示の本発明の原理による超音波腹腔鏡による解剖学的臓器の例示的な表面走査を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
手術工程中における軟組織解剖学的臓器の術中表面走査のための知られた表面走査システム、デバイス、制御装置、及び方法の改善として、本開示は、接触力が解剖学的臓器の規定の表面変形オフセットを表すことをもたらす、走査ロボットの表面走査エンドエフェクタにより印加された解剖学的臓器への接触力の検出に基づいて、解剖学的臓器の術中走査ボリュームモデルを構築するための発明を提供する。
【００２８】
本開示の様々な発明の理解を促進するために、図１Ａ及び図１Ｂの以下の説明は、本開示の本発明の原理による力検出型表面走査方法１０及び力検出型表面走査システム２０の実施形態を教示する。本説明から、当業者は、本開示の本発明の原理による力検出型表面走査方法及び力検出型表面走査システムの様々な、及び多くの実施形態をどのように実施するかを理解するであろう。
【００２９】
さらに本説明から、当業者は、術前イメージングと術中イメージングとの融合を使用して手術工程をサポートする本開示の力検出型表面走査方法及び力検出型表面走査システムの適用を理解するであろう。このような手術工程の例として心胸手術、前立腺切除、脾摘出、腎摘出及び肝切除が挙げられるが、これらに限定されない。
【００３０】
図１Ｂを参照すると、力検出型表面走査システム２０は、ボリュームイメージングモダリティ３０、ロボットシステム４０、及び表面走査制御装置５０を使用する。
【００３１】
ボリュームイメージングモダリティ３１は、（例えば、胸領域、頭蓋領域、腹部領域又は骨盤領域の、コンピュータ断層撮影イメージング、磁気共鳴イメージング、超音波イメージングモダリティ、陽電子放射断層撮影イメージング、及び、単光子放射コンピュータ断層撮影イメージングといった）本開示の技術分野において知られている解剖学的領域の術前ボリューム画像を生成するためのイメージングモダリティである。
【００３２】
ロボットシステム４０は、走査ロボット４１、ロボット制御装置４２、表面走査エンドエフェクタ４３、及び、超音波イメージングエンドエフェクタ４４を使用する。
【００３３】
走査ロボット４１は、手術工程の実施に使用される１つ又は複数のエンドエフェクタを含む構造的に構築された、又は、構造的に構築可能な、本開示の技術分野において知られる、又は、以下において考えられている任意の種類のロボットである。さらに、走査ロボット４１は、本開示の技術分野において知られているポーズ追跡技術及び力検出技術を備える。
【００３４】
例示的な一実施形態において、走査ロボット４１は、本開示の技術分野において知られているようにスネーク走査ロボットのポーズを追跡するためのスネーク走査ロボットの各関節に組み込まれたロータリーエンコーダを備え、本開示の技術分野において知られているようにスネーク走査ロボットのエンドエフェクタと解剖学的臓器との間における接触力を検出するための力センサー、圧力センサー、又は光ファイバーをさらに備えるスネーク走査ロボットである。
【００３５】
ロボット制御装置４２は、本開示の技術分野において知られているように表面走査制御装置５０により発せられたロボット位置コマンド５５に従って関連する座標系内における走査ロボット４１のポーズを制御する。
【００３６】
表面走査エンドエフェクタ４３は、本明細書においてさらに説明されるように本発明の独創的な原理に従って解剖学的領域の術中走査ボリュームモデル１５を構築するように使用される。実際には、表面走査エンドエフェクタ４３は、本開示の技術分野において知られているようにエンドエフェクタ上に校正走査基準を含む任意の種類のエンドエフェクタである。例示的な実施形態において、表面走査エンドエフェクタ４３は、校正された走査基準として機能する球形遠位先端部を含むツールポインターを保持するマウントを含むか、又は、校正された走査基準として機能する超音波トランスデューサーを含む超音波腹腔鏡を保持するマウントを含む。
【００３７】
手術イメージングエンドエフェクタ４４は、外面、及び／又は、本開示において知られている手術工程をサポートする解剖学的臓器内における内部構造物を術中にイメージングするために使用される。例示的な実施形態において、手術イメージングエンドエフェクタ４４は、表面走査エンドエフェクタ４３としてさらに機能する超音波腹腔鏡である。
【００３８】
実際には、表面走査エンドエフェクタ４３が走査ロボット４１に搭載されており、結果として、ロボット制御装置４２が、本明細書においてさらに説明される図１Ａの力検出型表面走査方法１０のロボット表面走査１２を実施するように、表面走査制御装置５０からのロボット位置コマンド５５に従って走査ロボット４１を制御する。続いて、手術イメージングエンドエフェクタ４４が走査ロボット４１に搭載されており、結果として、ロボット制御装置４２は、本明細書においてさらに説明されるように手術工程中におけるロボットシステム４０のオペレーターからの対話型又は計画されたコマンドに従って走査ロボット４１を制御する。
【００３９】
実際には代替的に、表面走査エンドエフェクタ４３が走査ロボット４１に取り付けられており、結果として、ロボット制御装置４２は、本明細書においてさらに説明されるように図１Ａの力検出型表面走査方法１０のロボット表面走査１２を実施するように、表面走査制御装置５０からのロボット位置コマンド５５に従って走査ロボット４１を制御する。続いて、手術イメージングエンドエフェクタ４４が追加的な走査ロボット４１に取り付けられているか、又は搭載されており、結果として、ロボット制御装置４２は、本明細書においてさらに説明されるように手術工程中におけるロボットシステム４０のオペレーターからの対話型又は計画されたコマンドに従って、追加的な走査ロボット４１を制御する。
【００４０】
表面走査制御装置５０は、本明細書において説明されるように、本開示の力検出型表面走査方法１０（図１Ａ）の一実施態様を制御する。
【００４１】
図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、力検出型表面走査方法１０は、走査経路計画段階１１、ロボット表面走査段階１２、及びボリュームモデル重ね合わせ段階１３を伴う。
【００４２】
方法１０の経路計画段階１１の前に、イメージング制御装置３０は、（例えば、胸領域、頭蓋領域、腹部領域、及び骨盤領域の、コンピュータ断層撮影イメージング、磁気共鳴イメージング、超音波イメージングモダリティ、陽電子放射断層撮影イメージング、及び、単光子放射コンピュータ断層撮影イメージングといった）本開示の技術分野において知られている解剖学的領域の術前ボリューム画像のボリュームイメージングモダリティ３１による生成を制御するために動作させられる。
【００４３】
方法１０の経路計画段階１１は、本開示の技術分野において知られる任意の通信技術（例えば、データアップロード又はデータストリーミング）による、表面走査制御装置５０への、解剖学的臓器の術前ボリューム画像を表すボリューム画像データ１４の通信を包含する。表面走査制御装置５０は、ボリューム画像データ１４を処理して、（例えば、肝臓、心臓、肺、脳、胃、脾臓、腎臓、膵臓、嚢などのセグメント分けボリュームモデルといった）本開示の技術分野において知られている解剖学的領域内における解剖学的臓器の術前画像セグメント分けボリュームモデル１５を生成する。
【００４４】
代替的に、イメージング制御装置３０は、本開示の技術分野において知られているように解剖学的臓器の術前画像セグメント分けボリュームモデル１５を生成するようにボリューム画像データ１４を処理し、結果として、方法１０の経路計画段階１１は、本開示の技術分野において知られる任意の通信技術（例えば、データアップロード又はデータストリーミング）による、表面走査制御装置５０への、解剖学的臓器の術前画像セグメント分けボリュームモデル１５の通信を包含する。
【００４５】
方法１０の経路計画段階１１は、本開示の技術分野において知られているように解剖学的臓器の術前画像セグメント分けボリュームモデル１５の表面の１つ又は複数のセグメント又は全体に沿った経路の規定を伴う走査経路計画５１を、表面走査制御装置５０が実行することをさらに包含する。
【００４６】
走査経路計画５１の一実施形態において、表面走査制御装置５０は、表面走査エンドエフェクタ４２が解剖学的臓器の術前画像セグメント分けボリュームモデル１５の表面セグメント又は全面にわたって１つ又は複数のラインに沿って横断させられるとき、表面走査エンドエフェクタ４３と解剖学的臓器との間における連続した接触を伴う、解剖学的臓器の術前画像セグメント分けボリュームモデル１５におけるラインサンプリング走査経路の、本開示の技術分野において知られているようなオペレーター又は体系的描写を実施する。
【００４７】
例えば、図２Ａは、肝臓の術前画像セグメント分けボリュームモデルの表面を横断する複数のラインを含むラインサンプリング走査経路１５ａの例示的な描写を示す。実際には、ラインは、示されるように切り離されるか、又は、経路１５ａのオペレーター又はシステムの描写により任意の程度だけ接続される。
【００４８】
実際には代替的に、ラインサンプリング走査経路は、術前画像セグメント分けボリュームに無関係に規定される。例えば、ラインサンプリング走査経路は、幾何学的パターン（例えば、螺旋パターン、ジグザグパターンなど）として、無作為なパターン（例えば、ホワイトノイズサンプリングスキーム）として、又は、それらの組み合わせとして規定される。
【００４９】
走査経路計画５１の第２の実施形態において、表面走査制御装置５０は、表面走査エンドエフェクタ４２が解剖学的臓器の術前画像セグメント分けボリュームモデル１５の表面セグメント又は全面にわたって横断させられるとき、表面走査エンドエフェクタ４３と解剖学的臓器との間における周期的な接触を伴う、解剖学的臓器の術前画像セグメント分けボリュームモデル１５における点サンプリング走査経路の、本開示の技術分野において知られているようなオペレーター又は体系的描写を実施する。
【００５０】
例えば、図２Ｂは、肝臓の術前画像セグメント分けボリュームモデルの表面にマーキングされた複数の点を含む点サンプリング走査経路１５ｂの例示的な描写を示す。実際には、経路１５ｂのオペレーター又はシステムの描写により設計されるものとして、点が、示されるように一様なパターンにより、又は、非一様なパターンにより配置される。
【００５１】
実際には代替的に、点サンプリング走査経路は、術前画像セグメント分けボリュームに無関係に規定される。例えば、ラインサンプリング走査経路は、幾何学的パターン（例えば、螺旋パターン、ジグザグパターンなど）として、無作為なパターン（例えば、ホワイトノイズサンプリングスキーム）、又は、それらの組み合わせとして規定される。
【００５２】
さらに実際には、走査経路計画５１は、解剖学的臓器の術前画像セグメント分けボリュームモデル１５において描写されたラインサンプリング走査経路と点サンプリング走査経路との任意の組み合わせをさらに伴ってよい。
【００５３】
加えて実際には、走査経路計画５１は、表面走査制御装置５０に対して省略されてよく、又は、特定の処置に対して表面走査制御装置５０により使用されなくてよい。このシナリオにおいて、システム２０のオペレーターは、オペレーター規定サンプリング走査経路を実現する際に走査ロボット４１のナビゲーションを制御する。
【００５４】
図１Ａ及び図１Ｂをさらに参照すると、方法１０のロボット表面走査段階１２が、解剖学的臓器の付近における表面走査エンドエフェクタ４３の画像ガイダンスを包含し、結果として、表面走査制御装置５０は、解剖学的臓器の術前画像セグメント分けボリュームモデル１５において描写された計画されたサンプリング走査経路に従って解剖学的臓器に対する手術走査エンドエフェクタ４３のナビゲーションを制御するために、ロボット制御装置４２にロボット位置コマンド５５を発するように動作させられる。
【００５５】
より具体的には、本明細書においてさらに詳しく説明されるように、本開示の本発明の原理によるモデル重ね合わせ５３を円滑化するために、ロボットシステム４０が表面走査制御装置５０に表面検出データ１６を通信し、結果として、表面走査制御装置５０は、本明細書においてさらに詳しく説明されるように、本開示の本発明の原理による解剖学的臓器の非動作ボリュームモデル１７のモデル構築５２を実施する。
【００５６】
より具体的には、表面検出データ１６が、ロボット制御装置４２により表面走査制御装置５０に通信されたロボット位置データ４５を含み、結果として、ロボット位置データ４５が、本開示の技術分野において知られているように解剖学的臓器又は術前セグメント分けボリュームモデルに重ね合わされた座標系における走査ロボット４１の現在のポーズの情報提示をする。
【００５７】
表面検出データ１６は、表面走査エンドエフェクタ４３により印加された解剖学的臓器への接触力の情報提示をする力検出データ４６をさらに含み、表面走査エンドエフェクタ４３のイメージングの実施形態に対して、表面検出データ１６は、解剖学的画像の現在の画像スライスを表す走査画像データ４７をさらに含む。
【００５８】
表面走査制御装置５０は、ロボット位置データ４５、力検出データ４６、及び（適切な場合には）走査画像データ４７を処理して、走査表面エンドエフェクタ４２による少しの変形（例えば、ナノメートルの組織変形）のもとで解剖学的臓器の軟組織の物理的挙動に基づいて解剖学的臓器の非動作ボリュームモデル１７を構築する。
【００５９】
特に、モデル構築５２は、少しの変形のもとでの解剖学的臓器の軟組織の物理的挙動が直線的に弾性であり、かつ一次元であるという仮定を前提としている。このような条件下で、変形されていない解剖学的組織と変形された解剖学的組織との間におけるオフセットが、式ｕ＝ｆ／ｋを使用して計算され、ここで、ｕは、組織の移動（オフセット）であり、ｆは、表面走査エンドエフェクタ４３と変形された解剖学的組織との間における検出された接触力であり、ｋは、解剖学的臓器の粘弾性特性を説明するパラメータである。
【００６０】
仮定より、モデル構築５２は、規定の走査力パラメータｆＤＣの、及び規定の粘弾性特性パラメータｋの指定を伴い、結果として、表面変形オフセットｕＳＤＯが、本明細書においてさらに説明されるように解剖学的臓器の非動作ボリュームモデル１７の構築をサポートするように計算される。
【００６１】
モデル構築５２の一実施形態において、表面走査制御装置５０のオペレーターは、入力デバイス及び／又はグラフィカルインターフェースを介して、対象者の解剖学的臓器の粘弾性特性を表す一定値として粘弾性特性パラメータｋを提供又は選択し、さらに、解剖学的臓器の表面が走査される走査力パラメータｆＤＣ（例えば、メガニュートンの接触力）をさらに提供又は選択する。表面変形オフセットｕＳＤＯは、解剖学的臓器の非動作ボリュームモデル１７の構築をサポートするために、提供／選択された粘弾性特性パラメータｋ及び走査力パラメータｆＤＣから計算される。
【００６２】
代替的に、本開示は、変形のもとでの解剖学的臓器の軟組織の粘弾性挙動が非常に複雑な処理であることを認識する。第１に、任意の不均一に分布した力に対する粘弾性パラメータが力の方向及び表面のトポロジーを考慮した多次元行列により説明される。第２に、変形の線形性は、非常に小さい（例えば、ナノメートル台の）変形に対してのみ成り立つ。第３に、解剖学的臓器の軟組織の粘弾性特性パラメータｋは、組織異常に起因して、又は、患者に特有の解剖学的特性に起因して未知である。従って、モデル構築５２の第２の実施形態において、表面変形オフセットｕＳＤＯは、本明細書においてさらに説明されるように経験的に規定される。
【００６３】
図１Ａ及び図１Ｂをさらに参照すると、表面走査制御装置５０は、解剖学的臓器の術前画像セグメント分けボリュームモデル１５において描写された計画されたサンプリング走査経路に従って解剖学的臓器に対する手術走査エンドエフェクタ４３のナビゲーションを制御するので、方法１０のロボット表面走査段階１２は、表面走査制御装置５０が走査力パラメータｆＤＣに等しい表面走査エンドエフェクタ４３により印加された解剖学的臓器への接触力に対応した走査表面エンドエフェクタ４３の校正された走査基準の各位置を記録することをさらに包含する。実際には、走査力パラメータｆＤＣに等しい検出された接触形態は、誤差の許容可能マージンをもつ状態で実現されてよい。
【００６４】
走査表面エンドエフェクタ４３の校正された走査基準の記録位置の各々が、デジタル化モデル点の記録位置の各々の一様な変形オフセットの仮定に基づいた、解剖学的臓器の低密度点群表現の生成に適したデジタル化モデル点とみなされる。
【００６５】
実際には、本明細書においてさらに説明されるように、ラインサンプリング走査経路は、走査力パラメータｆＤＣに等しい表面走査エンドエフェクタ４３により印加された解剖学的臓器への接触力に対応した走査表面エンドエフェクタ４３の校正された走査基準の位置の部分集合の観点から、及び、さらに、走査力パラメータｆＤＣに等しい表面走査エンドエフェクタ４３により印加された解剖学的臓器への接触力に対応していない、走査表面エンドエフェクタ４３の校正された走査基準の位置の部分集合の観点から、解剖学的臓器の低密度点群表現を生成する。
【００６６】
さらに実際には、本明細書においてさらに説明されるように、点サンプリング走査経路は、解剖学的臓器の術前画像セグメント分けボリュームモデル１５における点の空間描写に基づいて解剖学的臓器の低密度点群表現を生成する。
【００６７】
走査表面エンドエフェクタ４３の非イメージングの実施形態に対して、方法１０のロボット表面走査段階１２は、表面走査制御装置５０が、本開示の技術分野において知られる任意のメッシュ構成技術（例えば、ドローネー三角分割）を介して低密度点群表現から生成されたメッシュとして術中ボリュームモデル１７を構築することをさらに包含する。
【００６８】
規定の変形オフセットに起因して、メッシュは、重ね合わせを目的として解剖学的臓器の術前画像セグメント分けボリュームモデル１５の形状と同等な形状をもつが、メッシュは、解剖学的臓器の術前画像セグメント分けボリュームモデル１５の寸法と同等な寸法をもつとは限らない。ほとんどの重ね合わせ処理に対して必要とは限らないが、同等なサイズを達成するために、表面走査制御装置５０は、本開示の技術分野において知られる任意のメッシュノーマライゼーション技術（例えば、ミーンウェイトイコール）を介して規定の変形オフセットの関数として各頂点における法線ベクトルさらに計算し、メッシュの形状を維持しながら寸法を大きくするように、関係する法線ベクトルの方向にメッシュの各点を移動する。
【００６９】
走査表面エンドエフェクタ４３のイメージングの実施形態に対して、方法１０のロボット表面走査段階１２は、表面走査制御装置５０が結果的に術中ボリュームモデル１７を解剖学的臓器の画像としてレンダリングするように寸法決めされていない、又は寸法決めされたメッシュの各点に関係した画像を連結することをさらに包含する。実際には、メッシュの各点に関係した画像を連結すると共に、表面走査制御装置５０は、走査表面エンドエフェクタ４３の校正された走査基準の未記録位置に起因してメッシュから欠けている画像を補間する。
【００７０】
本開示の様々な発明の理解を促進するために、図３Ａ〜図３Ｃの以下の説明は、本開示の本発明の原理によるデジタル化モデル点の例示的な記録位置を示す。本説明から、当業者は、本開示の本発明の原理による力検出型表面走査方法及び力検出型表面走査システムの様々な、及び多くの実施形態をどのように実施するかをさらに理解するであろう。
【００７１】
図３Ａを参照すると、表面走査エンドエフェクタ４３は、解剖学的臓器の表面の走査の前に解剖学的臓器を変形させることが示される。より具体的には、表面走査制御装置５０は、最初に解剖学的臓器の組織に接触力を印加するために、解剖学的臓器に対する走査エンドエフェクタ４３の配置を制御し、変形されていない解剖学的組織ＵＡＴと変形された解剖学的組織ＤＡＴＩとの間におけるＯＦＦＳＥＴＩを結果的にもたらす。走査エンドエフェクタ４３の配置は、力検出データＦＳＤに従った検出された接触力ＳＣＦ１が所望のコントラクト力ＤＣＦに等しくなるまで調節され、結果として、変形されていない解剖学的組織ＵＡＴと変形された解剖学的組織ＤＡＴＩとの間におけるＯＦＦＳＥＴＩは、本明細書においてここまでに説明されているように解剖学的臓器の規定の表面変形オフセットｕＳＤＯに一致するとみなされる。結果として、ロボット位置データ４５に従った対応するロボット位置ＲＰＩから、表面走査制御装置５０が、初期デジタル化モデル点ＤＭＰＩとして黒色のドットにより表される表面走査エンドエフェクタ４３の校正された走査基準位置ＳＲＰを記録する。
【００７２】
解剖学的臓器の表面の走査中、図３Ａは、所望のコントラクト力ＤＣＦに等しい力検出データＦＳＤに従った検出された接触力ＳＣＦＸを使用した、変形されていない解剖学的組織ＵＡＴと変形された解剖学的組織ＤＡＴＸとの間におけるＯＦＦＳＥＴＸを結果的にもたらす解剖学的臓器に対するロボット位置ＲＰＸへの走査エンドエフェクタ４３の位置移動を示し、図３Ｂは、所望のコントラクト力ＤＣＦに等しくない力検出データＦＳＤに従った検出された接触力ＳＣＦＹを使用した、変形されていない解剖学的組織ＵＡＴと変形された解剖学的組織ＤＡＴＹとの間におけるＯＦＦＳＥＴＹを結果的にもたらす、解剖学的臓器に対するロボット位置ＲＰＹへの走査エンドエフェクタ４３の位置移動を示す。
【００７３】
点サンプリング走査経路の実施形態に対して、力検出データＦＳＤに従った検出された接触力ＳＣＦが図３Ａに示されるように所望のコントラクト力ＤＣＦに等しくなるまで、走査エンドエフェクタ４３の位置移動が調節され、結果として、変形されていない解剖学的組織ＵＡＴと変形された解剖学的組織ＤＡＴＸとの間におけるＯＦＦＳＥＴＸは、本明細書においてここまでに説明されているように解剖学的臓器の規定の表面変形オフセットｕＳＤＯに一致するとみなされる。結果として、ロボット位置データ４５に従った対応するロボット位置ＲＰＸから、表面走査制御装置５０が追加的なデジタル化モデル点ＤＭＰＸとして黒色のドットにより表される表面走査エンドエフェクタ４３の校正された走査基準位置ＳＲＰを記録する。点サンプリング走査経路における各点に対してこの工程が繰り返される。
【００７４】
ラインサンプリング走査経路の実施形態の場合、表面検出エンドエフェクタ４３が解剖学的臓器の表面にわたってラインに沿って横断させられるとき、表面走査制御装置５０は、図３Ａに示されるようにロボット位置ＲＰＸをデジタル化し、図３Ｂに示されるようにロボット位置ＲＰＹ、及び、走査力パラメータＳＦＰに等しい接触力を検出しないすべての他のロボット位置をデジタル化しない。
【００７５】
いずれかの実施形態に対する結果が、非動作ボリュームモデル１７の寸法決めされていない、又は寸法変更されたメッシュの生成を円滑化する解剖学的臓器のスペアクラウド表現となる。
【００７６】
図１Ａ及び図１Ｂを再度参照すると、方法１０のボリュームモデル重ね合わせ１３は、表面走査制御装置５０が、本開示の技術分野において知られている重ね合わせ技術を介して術前セグメント分けボリュームモデル１５及び術中ボリュームモデル１７のモデル重ね合わせ５３を実施することを包含する。
【００７７】
術中ボリュームモデル１７のメッシュの実施形態において、表面走査制御装置５０は、術前セグメント分けボリュームモデル１５と術中ボリュームモデル１７とを重ね合わせるための点ごとの重ね合わせ技術を実行する。このような点ごとの重ね合わせ技術の例として剛性又は非剛性反復近傍点（ＩＣＰ）重ね合わせ、剛性又は非剛性ロバスト点マッチング（ＲＰＭ）重ね合わせ、及び、パーティクルフィルタベースの重ね合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
【００７８】
術中ボリュームモデル１７の連結された画像の実施形態において、表面走査制御装置５０は、術前セグメント分けボリュームモデル１５と術中ボリュームモデル１７とを重ね合わせる画像重ね合わせ技術を実行する。このような点ごとの重ね合わせ技術の例として内部解剖学的標識ベースの画像重ね合わせ（例えば、分岐又は石灰化部位）、内部に埋め込まれたマーカーベースの画像の重ね合わせ、及び、相互情報ベースの画像重ね合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
【００７９】
さらに図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、走査処理の完了後に、表面走査制御装置５０は、本開示の技術分野において知られているようにモデル重ね合わせ５３に基づいてモデル融合５４を実施し、結果として、重ね合わされたモデル融合体５６が、象徴的に示される適用可能な座標系に表示される。
【００８０】
一実施形態において、重ね合わされたモデル融合体５６は、術中ボリュームモデル１７に対する術前セグメント分けボリュームモデル１５の重なりを含む。
【００８１】
別の実施形態において、重ね合わされたモデル融合体５６は、ロボットシステム４０の座標系に重ね合わされた解剖学的臓器に対する術前セグメント分けボリュームモデル１５の重なりを含む。
【００８２】
本開示の様々な発明の理解を促進するために、図４及び図５の以下の説明は、本開示の本発明の原理による力検出型表面走査システム１００及び力検出型表面走査システム１４０の追加的な実施形態を教示する。本説明から、当業者は、本開示の本発明の原理による力検出型表面走査方法及び力検出型表面走査システムの様々な、及び多くの実施形態をどのように実施するかをさらに理解するであろう。
【００８３】
図４を参照すると、力検出型表面走査システム１００は、スネーク走査ロボット１１０、ツールポインター１１３、超音波腹腔鏡１１４、及び内視鏡１１５を使用する。
【００８４】
走査を目的として、ツールポインター１１３又は超音波腹腔鏡１１４が、本開示の技術分野において知られているようにスネーク走査ロボット１１０に搭載される。
【００８５】
スネーク走査ロボット１１０は、圧力の開示に関する技術分野において知られるように搭載されたツールポインター１１３又は超音波腹腔鏡１１４により印加される解剖学的臓器への接触力を検出するための、力／圧力センサー１１１及び／又は光ファイバー１１２を備える。
【００８６】
内視鏡１１５は、解剖学的臓器の表面の付近におけるツールポインター１１３又は超音波腹腔鏡１１４の配置を視認することを目的として追加的なスネーク走査ロボット１１０に搭載可能である。
【００８７】
力検出型表面走査システム１００は、ワークステーション１２０及び走査制御デバイス１３０をさらに使用する。
【００８８】
ワークステーション１２０は、本開示の技術分野において知られているモニター１２１、キーボード１２２、及びコンピュータ１２３の知られた構成を含む。
【００８９】
走査制御デバイス１３０は、いずれもコンピュータ１２３にインストールされたロボット制御装置１３１、表面走査制御装置１３２、及びディスプレイ制御装置１３７を使用する。
【００９０】
実際には、ロボット制御装置１３１、表面走査制御装置１３２、及びディスプレイ制御装置１３７は、本明細書においてさらに説明されるように、本開示の本発明の原理による図５に示される力検出型表面走査方法を実施するために、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、及び／又は電子回路の任意の構成を具現化する。
【００９１】
一実施形態において、ロボット制御装置１３１、表面走査制御装置１３２、及びディスプレイ制御装置１３７の各々が、１つ又は複数のシステムバスを介して相互接続された、プロセッサ、メモリ、ユーザーインターフェース、ネットワークインターフェース、及び記憶装置を含む。
【００９２】
プロセッサは、本開示の技術分野において知られているように、又は、以下において考えられているように、メモリ又は記憶装置に記憶された命令を実行可能な、又は、データを別様に処理する任意のハードウェアデバイスであってよい。非限定的な例において、プロセッサは、マイクロプロセッサ、フィールドプログラム可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、又は他の同様のデバイスを含んでよい。
【００９３】
メモリとして、本開示の技術分野において知られているように、又は、以下において考えられているように、Ｌ１、Ｌ２、又はＬ３キャッシュ又はシステムメモリが挙げられるがこれらに限定されない様々なメモリを含んでよい。非限定的な例において、メモリとして、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、ダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）、フラッシュメモリ、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、又は他の同様のメモリデバイスが挙げられる。
【００９４】
ユーザーインターフェースは、本開示の技術分野において知られているように、又は、以下において考えられているように、管理者などのユーザーとの通信を可能にするための１つ又は複数のデバイスを含んでよい。非限定的な例において、ユーザーインターフェースは、ネットワークインターフェースを介して遠隔端末に提示されるコマンドラインインターフェース又はグラフィカルユーザーインターフェースを含んでよい。
【００９５】
ネットワークインターフェースは、本開示の技術分野において知られているように、又は、以下において考えられているように、他のハードウェアデバイスとの通信を可能にするための１つ又は複数のデバイスを含んでよい。非限定的な例において、ネットワークインターフェースは、Ｅｔｈｅｒｎｅｔプロトコルに従って通信するように構成されたネットワークインターフェースカード（ＮＩＣ）を含んでよい。さらに、ネットワークインターフェースは、ＴＣＰ／ＩＰプロトコルに従った通信のためのＴＣＰ／ＩＰスタックを実現してよい。ネットワークインターフェースのための様々な代替的な、又は追加的なハードウェア又は構成が明らかとなる。
【００９６】
記憶装置は、本開示の技術分野において知られているように、又は、以下において考えられているように、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、磁気ディスク記憶媒体、光記憶媒体、フラッシュメモリデバイス、又は同様の記憶媒体が挙げられるがこれらに限定されない１つ又は複数の機械可読記憶媒体を含んでよい。様々な非限定的な実施形態において、記憶装置は、プロセッサによる実行のための命令、又は、プロセッサが動作する対象となるデータを記憶する。例えば、記憶装置は、ハードウェアの様々な基本動作を制御するための基本オペレーティングシステムを記憶する。記憶装置は、実行可能ソフトウェア／ファームウェアの形態をとる１つ又は複数のアプリケーションモジュールをさらに記憶する。
【００９７】
より具体的には、さらに図４を参照すると、ロボット制御装置１３１は、本開示の技術分野において知られているようにロボット座標系においてスネーク走査ロボット１１０のナビゲーションを制御するためのアプリケーションモジュールを含み、ディスプレイ制御装置１３７は、本開示の技術分野において知られているようにモニター１２０における画像、グラフィカルユーザーインターフェースなどの表示を制御するためのアプリケーションモジュールを含む。
【００９８】
表面走査制御装置１３２は、本明細書においてさらに説明されるように本開示の本発明の原理による図５に示される力検出型表面走査方法の実施態様を制御するための、走査コマンダー（１３３）１３３、モデル構築器（１３４）１３４、モデルレジスタ１３５、及びモデル融合器１３６の形態をとるアプリケーションモジュールを含む。
【００９９】
実際には、走査制御デバイス１３０は、タブレット、又は、ワークステーション及びタブレットによりアクセス可能なサーバーが挙げられるがこれらに限定されない他の種類の処理デバイスに代替的に、又は同時にインストールされてよく、又は、図５に示される本開示の力検出型表面走査方法を使用した手術工程の実行をサポートするネットワークにわたって分散されてよい。
【０１００】
さらに実際には、制御装置１３１、１３２、及び１３５は、走査制御デバイス１３０の統合されたコンポーネント、分離されたコンポーネント、又は、論理的に区切られたコンポーネントであってよい。
【０１０１】
図５は、本明細書において説明されるように表面走査制御装置１３２のアプリケーションモジュール１３３〜１３６により実施される、本開示の本発明の原理による力検出型表面走査方法を表すフロー図１４０を示す。
【０１０２】
図５を参照すると、フロー図１４０のステージＳ１４２は、走査コマンダー（１３３）１３２（図４）により実施される走査前活動を包含する。これらの走査前活動として、
１．走査コマンダー１３３が、当技術分野において知られるように、スネーク走査ロボット１１０の重ね合わせ、及び、術前セグメント分けボリュームモデル重ね合わせを制御すること、
２．走査コマンダー１３３が、図１Ａ及び図１Ｂの説明に関連して本明細書においてここまでに説明されているようにスネーク走査ロボット１１０に対するサンプリング走査経路、特に、ラインサンプリング走査経路又は点サンプリング走査経路の計画を制御すること、
３．走査コマンダー１３３が、粘弾性特性パラメータｋ及び走査力パラメータｆのオペレーターの提供、又は、オペレーターの選択のためのグラフィカルユーザーインターフェースを制御すること、及び、
４．走査コマンダー１３３が、例えば、図６Ａに示されるツールポインター１１３の初期配置、又は、図７Ａに示される超音波腹腔鏡１１４の初期配置など、表面検出エンドエフェクタの初期オフセット配置を制御すること、が挙げられるが、これらに限定されない。
【０１０３】
より具体的には、規定の表面変形オフセットｕが、提供／選択された粘弾性特性パラメータｋ及び走査力パラメータｆから計算され、結果として、走査パラメータ１３３が、検出された接触力を走査力パラメータｆに一致させるように、表面検出エンドエフェクタの初期オフセット配置を制御することにより、本明細書においてここまでに説明されているように解剖学的臓器の変形されていない解剖学的組織と変形された解剖学的組織との間における規定の表面変形オフセットｕを達成する。
【０１０４】
粘弾性特性パラメータｋが知られることをもたらす実施形態の場合、規定の表面変形オフセットｕは、
１．走査コマンダー１３３が、例えば、図６Ａに示されるツールポインター１１３の初期配置、又は、図７Ａに示される超音波腹腔鏡１１４の初期配置など、選択された非ゼロの検出された制御力における表面検出エンドエフェクタの初期オフセット配置のオペレーターの制御のためにグラフィカルユーザーインターフェースを制御すること、
２．走査コマンダー１３３が、検出された制御力がゼロになる時点まで、表面検出エンドエフェクタを後退させること、並びに、
３．走査コマンダー１３３が、表面検出エンドエフェクタの初期オフセット配置に関係した選択された非ゼロの検出された制御力として走査力パラメータｆを規定すること、及び、さらに、表面検出エンドエフェクタの退避距離として表面変形オフセットｕを規定することにより、経験的に規定されてよい。
【０１０５】
実際には代替的に、サンプリング走査経路は、ステージＳ１４２中、術前画像セグメント分けボリュームに無関係に規定されてよく、それにより、術前セグメント分けボリュームモデルにスネーク走査ロボット１１０を重ね合わせる必要性を無くす。例えば、サンプリング走査経路は、幾何学的パターン（例えば、螺旋パターン、ジグザグパターンなど）として、無作為なパターン（例えば、ホワイトノイズサンプリングスキーム）、又は、それらの組み合わせとして規定されてよい。ステージＳ１４２のこのような代替的な実施形態の場合、解剖学的臓器の表面は手術口を介してさらされ、及びスネーク走査ロボット１１０が、表面検出エンドエフェクタの初期オフセット配置、又は、表面変形オフセットｕの経験的な規定に対する位置に到達するまで、手術口を通して解剖学的臓器の表面まで挿入される。続いて、スネーク走査ロボット１１０が、既定の幾何学的パターンに沿うように、解剖学的臓器の表面を無作為に横断するように、又は、それらの組み合わせにより、手動により、又は、制御装置により動作させられる。
【０１０６】
さらに図５を参照すると、フロー図１４０のステージＳ１４４は、走査コマンダー（１３３）１３２（図４）、及び、モデル構築器（１３４）１３４（図４）により実施される走査活動を包含する。これらの走査活動として、
１．走査コマンダー１３３が図１Ａ及び図１Ｂの説明に関連して本明細書においてここまでに説明されているように、計画されたサンプリング走査経路に従って解剖学的臓器に対するスネーク走査ロボット１１０のナビゲーションを制御すること、
２Ａ．モデル構築器１３４が、例えば、図６Ｅに示される術中ボリュームメッシュ１７０などの、図１Ａ及び図１Ｂの説明に関連して本明細書においてここまでに説明されている術中ボリュームメッシュを構築すること、又は、
２Ｂ．モデル構築器１３４が、例えば、図７Ｅに示される術中ボリューム画像１８０などの、図１Ａ及び図１Ｂの説明に関連して本明細書においてここまでに説明されている術中ボリューム画像を連結すること、が挙げられるがこれらに限定されない。
【０１０７】
ツールポインター１１３を使用するステージＳ１４４の実施形態についてより具体的には、スネーク走査ロボット１１０のナビゲーションは、図６Ｂに例示的に示されるように走査力パラメータｆに一致した検出された接触力を示すサンプル点のデジタル化、及び、図６Ｃに例示的に示されるように走査力パラメータｆに一致しない検出された接触力を示すサンプル点の非デジタル化を結果的にもたらす。
【０１０８】
図６Ｄを参照すると、グラフ１５０は、ワークステーション１２０（図４）のオペレーターに対して表示され、それにより、特定のサンプル点のデジタル化期間１５２及び１５４、及び、残りのサンプル点の非デジタル化期間１５１、１５３及び１５５を可視化する。
【０１０９】
一実施形態において、非デジタル化期間１５１は、解剖学的領域に対するツールポインター１１３の走査前配置を表し、デジタル化期間１５２及び１５４は、解剖学的臓器のラインサンプリング走査中の複数のデジタル化されたサンプル点を表す。
【０１１０】
別の実施形態において、非デジタル化１５１期間は、解剖学的領域に対するツールポインター１１３の走査前配置を表し、デジタル化期間１５２及び１５４は、解剖学的臓器の点サンプリング走査中における単一のデジタル化サンプル点を表す。
【０１１１】
図４を再度参照すると、超音波腹腔鏡１１４を使用するステージＳ１４４の実施形態についてより具体的には、スネーク走査ロボット１１０のナビゲーションは、図７Ｂに例示的に示されるように走査力パラメータｆに一致した検出された接触力を示すサンプル点のデジタル化、及び、図７Ｃに例示的に示されるように走査力パラメータｆに一致しない検出された接触力を示すサンプル点の非デジタル化を結果的にもたらす。
【０１１２】
図７Ｄを参照すると、グラフ１７０がワークステーション１２０（図４）のオペレーターに表示されることにより、特定のサンプル点のデジタル化期間１７２及び１７４、及び、残りのサンプル点の非デジタル化期間１７１、１７３及び１７５を可視化する。
【０１１３】
一実施形態において、非デジタル化期間１７１は、解剖学的領域に対する超音波腹腔鏡１１４の走査前配置を表し、デジタル化期間１７２及び１７４は、解剖学的臓器のラインサンプリング走査中における複数のデジタル化されたサンプル点を表す。
【０１１４】
別の実施形態において、非デジタル化１５１期間は、解剖学的領域に対する超音波腹腔鏡１１４の走査前配置を表し、デジタル化期間１７２及び１７４は、解剖学的臓器の点サンプリング走査中における単一のデジタル化サンプル点を表す。
【０１１５】
図４を再度参照すると、フロー図１４０のステージＳ１４６は、モデル構築器（１３４）１３４（図４）及び／又はモデルレジスタ１３５により実施される走査後活動を包含する。これらの走査後活動として、
１Ａ．モデル構築器１３４が、例えば、図６Ｆに示される術中ボリュームメッシュ１５１への術中ボリュームメッシュ１５０の寸法変更など、図１Ａ及び図１Ｂの説明に関連して本明細書においてここまでに説明されているように規定の表面変形オフセットの関数として術中ボリュームメッシュの寸法変更をすることを任意選択的に制御すること（寸法変更は通常、ナノメートル程度であるので、図６Ｆに示される寸法変更は概念を可視化するために誇張されていることに留意されたい）、
２Ａ．モデルレジスタ１３５が、図１Ａ及び図１Ｂの説明に関連して本明細書においてここまでに説明されているように、寸法決めされていない／寸法変更された術中ボリュームメッシュを術前セグメント分けボリュームモデルに重ね合わせること、又は、
１Ｂ．モデル構築器１３４が、例えば、図７Ｆに示されるような術中ボリュームメッシュ１８１への術中ボリューム画像１８０の寸法変更など、図１Ａ及び図１Ｂの説明に関連して本明細書においてここまでに説明されているように、規定の表面変形オフセットの関数として術中ボリューム画像の寸法変更を任意選択的に制御すること（寸法変更は通常、ナノメートル程度であるので、図７Ｆに示される寸法変更は概念を可視化するために誇張されていることに留意されたい）、及び、
２Ｂ．モデルレジスタ１３５が、図１Ａ及び図１Ｂの説明に関連して本明細書においてここまでに説明されているように、寸法決めされていない／寸法変更された術中ボリューム画像を術前セグメント分けボリュームモデルに重ね合わせることが挙げられるが、これらに限定されない。
【０１１６】
ステージＳ１４６の完了後、モデル融合器１３６が、本明細書においてここまでに説明されているように重ね合わされたモデル融合体１３８を生成するために、本開示の技術分野において知られているように融合技術を実施し、結果として、ディスプレイ制御装置１３７が、示されるように重ね合わされたモデル融合体１３８の表示を制御する。
【０１１７】
図１〜図７を参照すると、接触力が解剖学的臓器の規定の表面変形オフセットを表すことをもたらす、走査ロボットの表面走査エンドエフェクタにより印加された解剖学的臓器への接触力の検出に基づく、解剖学的臓器の術中走査ボリュームモデルの構築を提供することにより、解剖学的臓器の術前画像セグメント分けボリュームモデルとの解剖学的臓器の術中表面走査ボリュームモデルの重ね合わせを改善する本開示の本発明による表面走査システム、デバイス、制御装置、及び方法にわたる改善が挙げられるがこれらに限定されない本開示の多くの利点を当業者は理解するであろう。
【０１１８】
さらに、当業者は、本明細書において提供される教示を考慮して、本開示／明細書において説明される、及び／又は、図面に示される特徴、要素、コンポーネントなどが、電子コンポーネント／回路、ハードウェア、実行可能ソフトウェア、及び、実行可能ファームウェアの様々な組み合わせにより実現されること、並びに、単一の要素又は複数の要素に組み合わされる機能を提供することを理解するであろう。例えば、図面に示される／例示される／描かれる様々な特徴、要素、コンポーネントなどの機能は、専用ハードウェア、及び、適切なソフトウェアと連携してソフトウェアを実行することが可能なハードウェアの使用を通して提供され得る。プロセッサにより提供される場合、機能は、単一の専用プロセッサにより、単一の共用プロセッサにより、又は、複数の個々のプロセッサにより提供され得、それらのうちのいくつかは、共用及び／又は多重化され得る。さらに、「プロセッサ」という用語の明示的な使用は、ソフトウェアを実行することが可能なハードウェアを排他的に表すように解釈されてはならず、デジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）ハードウェア、メモリ（例えば、ソフトウェアを記憶するための読み出し専用メモリ（「ＲＯＭ」）、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、不揮発性記憶装置など）、及び、処理を実施及び／又は制御することが可能な（及び／又は、するように構成可能な）（ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、回路、それらの組み合わせなどを含む）実質的に任意の手段及び／又は機械を、限定されないが暗示的に含み得る。
【０１１９】
さらに、本発明の原理、態様、及び実施形態について記載した本明細書におけるすべての記述、及び、それらの特定の例は、それらの構造的に同等なものと機能的に同等なものとの両方を包含することが意図される。さらに、このような同等なものが（例えば、構造に関わらず同じ又は実質的に同様の機能を実施し得る開発される任意の要素といった）現在知られている同等なものと将来的に開発される同等なものとの両方を含むことが意図される。従って、例えば、本明細書で提示される任意のブロック図が、本発明の原理を具現化する例示的なシステムコンポーネント及び／又は回路の概念的な図を表し得ることが本明細書において提供される教示を考慮して当業者により理解される。同様に、当業者は、任意のフローチャート、フロー図などがコンピュータ可読記憶媒体において実質的に表されて、そのようにコンピュータ、プロセッサ、又は処理能力をもつ他のデバイスにより、このようなコンピュータ又はプロセッサが明示的に示されるか否かにかかわらず実行され得る様々な工程を表し得ることを本明細書において提供される教示を考慮して理解するはずである。
【０１２０】
さらに、本開示の例示的な実施形態は、例えば、コンピュータ又は任意の命令実行システムによる、又は、コンピュータ又は任意の命令実行システムに関連した使用のための、プログラムコード及び／又は命令を提供するコンピュータ可用及び／又はコンピュータ可読記憶媒体からアクセス可能なコンピュータプログラム製品又はアプリケーションモジュールの形態をとり得る。本開示によると、コンピュータ可用又はコンピュータ可読記憶媒体は、例えば、命令実行システム、装置、又はデバイスによる、又は、命令実行システム、装置、又はデバイスに関連した使用のためのプログラムを含み、記憶し、通信し、伝播し、又は、移送し得る任意の装置であり得る。このような例示的な媒体は、例えば、電子的、磁気的、光学的、電磁的、赤外線、又は半導体システム（又は、装置又はデバイス）、又は、伝播媒体であり得る。コンピュータ可読媒体の例として、例えば、半導体又はソリッドステートメモリ、磁気テープ、取り外し可能なコンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュ（ドライブ）、硬質磁気ディスク、及び光ディスクが挙げられる。光ディスクの現在の例として、コンパクトディスク読み出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、読み出し／書き込み型コンパクトディスク（ＣＤ−Ｒ／Ｗ）、及びＤＶＤが挙げられる。さらに、今後開発される任意の新しいコンピュータ可読媒体も本開示の例示的な実施形態に従って使用又は参照されるものと同様に、コンピュータ可読媒体とみなされなければならないことが理解されなければならない。
【０１２１】
新規性及び進歩性がある力検出型表面走査システム、デバイス、制御装置、及び方法の好ましい、及び例示的な実施形態（本実施形態は例示的であって限定ではないことが意図される）を説明してきたが、図面を含む本明細書において提供される教示を考慮した当業者により変更及び変形がなされ得ることに留意されたい。従って本開示の好ましい、及び例示的な実施形態において／対して変更がなされ得、本変更が本明細書において開示される実施形態の範囲内であることが理解される。
【０１２２】
さらに、デバイス、又は、本開示によるデバイスにおいて使用／実施されるものを組み込んだ、及び／又は実現した対応する、及び／又は関係するシステムも本開示の範囲に入ると想定され、本開示の範囲に入るとみなされることが意図される。さらに、本開示によるデバイス及び／又はシステムを製造及び／又は使用するための対応する、及び／又は関係する方法も本開示の範囲に入ると想定され、本開示の範囲に入るとみなされる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【国際調査報告】
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