(57)【要約】本開示は概して、エンドエフェクタまたは手術ロボットが境界に接近するときの、エンドエフェクタまたは手術ロボットの動きの速度スケーリングに関する。手術ロボットのツールの所望の速度を処理ユニットでスケーリングする方法は、入力信号を受信することと、手術部位の境界に対するツールの位置を判定することと、ツールが手術部位の境界の所定の距離内にあるときに、ツールの所望の移動速度をスケーリングすることと、を含む。入力信号は、ツールの所望の移動速度を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
手術ロボットのツールの所望の速度を処理ユニットでスケーリングする方法であって、
ツールの所望の移動速度を含む入力信号を受信することと、
手術部位の境界に対する前記ツールの位置を判定することと、
前記ツールが前記手術部位の前記境界の所定の距離内にあるときに、前記ツールの前記所望の移動速度をスケーリングすることと、を含む、方法。
【請求項２】
前記所望の移動速度をスケーリングすることは、前記ツールの前記所望の移動速度を減少させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記境界は、前記手術部位の仮想境界である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記境界に対する前記ツールの移動方向を判定することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ツールの前記所望の移動速度をスケーリングすることは、前記ツールの前記移動方向が前記境界に向かっているときにのみ行なわれる、請求項０に記載の方法。
【請求項６】
前記ツールの前記所望の移動速度をスケーリングすることは、速度倍率を前記所望の移動速度に適用することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記速度倍率を、前記境界に対する前記ツールの前記判定位置の関数として決定することをさらに含む、請求項０に記載の方法。
【請求項８】
前記速度倍率を決定することは、前記境界に対する前記ツールの前記判定位置が所定の距離を超える場合に、前記速度倍率を１とすることを含む、請求項０に記載の方法。
【請求項９】
前記速度倍率を前記ツールの前記判定位置の前記関数として決定することは、前記境界に対する前記ツールの前記判定位置が所定の距離を下回る場合に、前記倍率を１から最小値に向かって減少させることを含む、請求項０に記載の方法。
【請求項１０】
前記速度倍率の前記最小値は非ゼロである、請求項０に記載の方法。
【請求項１１】
前記ツールの前記所望の移動速度をスケーリングした後に、制御信号を生成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記制御信号を手術ロボットに送信することをさらに含む、請求項０に記載の方法。
【請求項１３】
前記ツールの前記所望の移動速度をスケーリングするときに、フィードバック制御信号をユーザコンソールに送信することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ロボット手術システムは、低侵襲医療処置に使用されてきた。医療処置中、ロボット手術システムは、ユーザインターフェースとインターフェース接続している外科医により制御される。ユーザインターフェースにより、外科医は患者に作用するエンドエフェクタを操作することができる。ユーザインターフェースは、ロボット手術システムを制御するための、外科医が動かすことが可能な入力コントローラまたはハンドルを含む。
【背景技術】
【０００２】
ロボット手術システムは通常、外科医がエンドエフェクタを患者の内部でより正確に移動することができるように、倍率を使用して外科医の手の動きを縮小し、患者内のエンドエフェクタの所望の位置を判定する。外科医が入力ハンドルを移動させると、手術ロボットがエンドエフェクタを患者内で移動させる。手術ロボットがエンドエフェクタを移動させると、手術ロボットのアームおよび／またはエンドエフェクタが、移動境界に接近することができる。この移動境界は、人工壁、例えば仮想壁でもよく、または実際の境界、例えば手術ロボットの関節限界、手術空間の物理的な端、または別の物体との衝突でもよい。通常、エンドエフェクタまたは手術ロボットが境界に達すると、エンドエフェクタまたはロボットアームは、突然停止する。この減速は、エンドエフェクタまたは手術ロボットが境界に向かって高速で移動しているときに強まる場合がある。エンドエフェクタまたは手術ロボットのこの突然の減速により、手術ロボットが損傷し、かつ／または手術ロボットが意図しない動きをする場合がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本開示は概して、エンドエフェクタまたは手術ロボットが境界に接近するときの、エンドエフェクタまたは手術ロボットの動きの速度スケーリングに関する。速度スケーリングは、エンドエフェクタまたは手術ロボットが境界に接近するときのエンドエフェクタまたは手術ロボットの速度を、所望の衝撃速度に低下させる。速度スケーリングは、境界に向かう速度を、制御された減速率で所望の衝撃速度に低下させる。所望の衝撃速度は、急な停止により、手術ロボットが損傷しないような速度であってもよいし、または所望の衝撃速度はゼロであってもよい。
【０００４】
本開示の１つの態様では、手術ロボットのツールの所望の速度を処理ユニットでスケーリングする方法は、入力信号を受信することと、手術部位の境界に対するツールの位置を判定することと、ツールが手術部位の境界の所定の距離内にあるときに、ツールの所望の移動速度をスケーリングすることと、を含む。入力信号は、ツールの所望の移動速度を含むことができる。
【０００５】
態様では、所望の移動速度をスケーリングすることは、ツールの所望の移動速度を低下させることを含む。境界は、手術部位の仮想境界とすることができる。
【０００６】
幾つかの態様では、方法は、境界に対するツールの移動方向を判定することを含む。ツールの所望の移動速度をスケーリングすることは、ツールの移動方向が境界に向かっているときにのみ行なうことができる。
【０００７】
特定の態様では、ツールの所望の移動速度をスケーリングすることは、速度倍率を所望の移動速度に適用することを含む。この方法は、速度倍率を、境界に対するツールの判定位置の関数として決定することを含むことができる。速度倍率を決定することは、境界に対するツールの判定位置が所定の距離を超える場合に、速度倍率を１とすることを含むことができる。速度倍率を、ツールの判定位置の関数として決定することは、境界に対するツールの判定位置が所定の距離を下回る場合に、倍率を１から最小値に向かって減少させることを含むことができる。速度倍率の最小値は、非ゼロとすることができる。
【０００８】
特定の態様では、方法は、ツールの所望の移動速度をスケーリングした後に、制御信号を生成することを含む。方法は、制御信号を手術ロボットに送信することを含むことができる。方法は、ツールの所望の移動速度をスケーリングするときに、フィードバック制御信号をユーザコンソールに送信することを含むことができる。
【０００９】
本開示の例示的な実施形態のさらなる詳細および態様が、添付の図を参照して以下により詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本開示の様々な態様が、本明細書に組み込まれ、かつ本明細書の一部を構成する図面を参照して、本明細書において以下に説明される。
【００１１】
【図１】本開示によるユーザコンソールおよびロボットシステムの概略図である。
【図２】患者の手術部位内にある、図１の手術ロボットのツールの斜視図である。
【図３】境界からのツールの距離の関数としての最大速度を示すグラフである。
【図４】境界からのツールの距離の関数としての最大速度を示す別のグラフである。
【図５】本開示によるツールの速度をスケーリングする方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ここで、本ロボット手術システムの実施形態が、図面を参照しながら詳細に説明され、これらの図面では、同様の参照番号は、同じ、または対応する要素を、幾つかの図の各図において指している。本明細書において使用される場合、「臨床家」という用語は、医師、看護師、または任意の他の医療提供者を指し、支援従事者を含むことができる。この説明の全体を通して、「近位」という用語は、臨床家に最も近い、装置の部分または装置の構成要素の部分を指し、「遠位」という用語は、臨床家から最も遠い、装置の部分または装置の構成要素の部分を指している。加えて、本明細書において使用される場合、「ニュートラル」という用語は、スケールされないものを意味すると理解される。
【００１３】
本開示は概して、手術ロボットの構成要素の速度を、構成要素と境界との間の距離に基づいてスケーリングすることに関する。手術ロボットの構成要素は、例えば、関節、アーム、またはツールとすることができる。速度のスケーリングは、手術器具の構成要素と境界との間の距離の関数とすることができ、構成要素が境界に近づくにつれて、構成要素の速度が縮小することになる。
【００１４】
図１を参照すると、本開示によるロボット手術システム１は、概して、手術ロボット１０、処理ユニット３０、およびユーザコンソール４０として示されている。手術ロボット１０は概して、リンケージ１２およびロボットベース１８を含む。リンケージ１２は、組織に作用するように構成されているエンドエフェクタまたはツール２０を移動可能に支持する。リンケージ１２は、アームの形態とすることができ、各アームは、組織に作用するように構成されているエンドエフェクタまたはツール２０を支持する端部１４を有する。さらに、リンケージ１２の端部１４は、手術部位「Ｓ」を撮像する撮像装置１６を含むことができる。ユーザコンソール４０は、処理ユニット３０を介して、ロボットベース１８と通信する。
【００１５】
ユーザコンソール４０は、３次元画像を表示するように構成されている表示装置４４を含む。表示装置４４は、手術部位「Ｓ」の３次元画像を表示し、３次元画像は、リンケージ１２の端部１４に位置決めされた撮像装置１６により撮影されたデータを含むことができ、かつ／または手術現場の周りに位置決めされた撮像装置（例えば、手術部位「Ｓ」内に位置決めされた撮像装置、患者「Ｐ」に隣接して位置決めされた撮像装置、撮像アーム５２の遠位端に位置決めされた撮像装置５６）により撮影されたデータを含むことができる。撮像装置（例えば、撮像装置１６、５６）は、手術部位「Ｓ」の視覚画像、赤外線画像、超音波画像、Ｘ線画像、感熱画像、および／または任意の他の既知のリアルタイム画像を撮影することができる。撮像装置は、撮影した撮像データを処理ユニット３０に送信し、処理ユニット３０は、手術部位「Ｓ」の３次元画像を撮像データからリアルタイムに生成し、３次元画像を表示装置４４に送信して表示する。
【００１６】
ユーザコンソール４０は、制御アーム４３に支持される入力ハンドル４２も含み、制御アーム４３により、臨床家が手術ロボット１０を操作することができる（例えば、リンケージ１２、リンケージ１２の端部１４、および／またはツール２０を移動させる）。入力ハンドル群４２の各々は、処理ユニット３０と通信して制御信号を処理ユニット３０に送信し、フィードバック信号を処理ユニット３０から受信する。追加的に、または代替的に、入力ハンドル群４２の各々は入力装置（明示的には図示せず）を含むことができ、入力装置により、外科医がリンケージ１２の端部１４で支持されるツール２０を操作することができる（例えば、クランプする、把持する、発射する、開放する、閉鎖する、回転させる、突き刺す、スライスするなど）。
【００１７】
入力ハンドル群４２の各々は、リンケージ１２の端部１４、例えばツール２０を手術部位「Ｓ」内で移動させるように、所定の作業空間のいたるところを移動可能である。表示装置４４上の３次元画像は、入力ハンドル４２の移動により、リンケージ１２の端部１４が表示装置４４上で見られるように移動するように配向される。３次元画像は、入力ハンドル４２の移動が、３次元画像内のリンケージ１２の端部１４の移動にスケーリングされている間、静止したままとなる。３次元画像の配向を維持するために、入力ハンドル４２の運動学的マッピングは、リンケージ１２の端部１４の配向に対するカメラの配向に基づく。表示装置４４上の３次元画像の配向は、撮像装置１６，５６で撮影される視点に対して鏡像反転することができるか、または回転させることができる。加えて、表示装置４４上の３次元画像のサイズは、手術部位の実際の構造よりも大きくなるように、または小さくなるようにスケーリングして、臨床家が手術部位「Ｓ」内の構造をより良く見ることができるようにする。入力ハンドル４２を移動させると、以下に詳述するように、ツール２０が手術部位「Ｓ」内で移動する。ツール２０の移動は、ツール２０を支持する、リンケージ１２の端部１４の移動を含むこともできる。
【００１８】
ロボット手術システム１の構成および操作の詳細な説明については、米国特許第８，８２８，０２３号を参照することができ、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００１９】
ツール２０の移動は、入力ハンドル４２の移動に対してスケーリングされる。入力ハンドル４２を所定の作業空間内で移動させると、入力ハンドル４２は制御信号を処理ユニット３０に送信する。処理ユニット３０は、制御信号に応答して、制御信号を分析してツール２０を移動させる。処理ユニット３０は、入力ハンドル４２の移動に応答して、スケーリングした制御信号をロボットベース１８に送信してツール２０を移動させる。処理ユニット３０は制御信号を、Ｉｎｐｕｔｄｉｓｔａｎｃｅ（例えば、入力ハンドル群４２のうちの１つの入力ハンドルで移動させた距離）を倍率ＳＦで除算することによりスケーリングして、スケーリングしたＯｕｔｐｕｔｄｉｓｔａｎｃｅ（例えば、端部群１４のうちの１つの端部を移動させた距離）になるようにする。倍率ＳＦは、約１〜約１０の範囲（例えば、３）である。このスケーリングは、以下の方程式で表わされる：
Ｏｕｔｐｕｔｄｉｓｔａｎｃｅ＝Ｉｎｐｕｔｄｉｓｔａｎｃｅ／ＳＦ
倍率ＳＦがより大きくなると、入力ハンドル４２の移動に対するツール２０の移動がより小さくなることがわかる。
【００２０】
入力ハンドル４２の移動をＸ、Ｙ、およびＺ座標軸に沿って、ツール２０の移動にスケーリングする場合の詳細な説明については、同一出願人が保有する２０１５年９月２１日に出願された「Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｉｎｐｕｔ  Ｓｃａｌｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｓ  ｏｆ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題する国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０５１１３０号、および２０１６年１月２０日に出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１６／１４０３１号を参照することができ、これらの開示の各々の内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００２１】
図２を参照すると、ツール２０は、手術部位「Ｓ」内で境界「Ｂ」に向かって移動可能であり、境界「Ｂ」から離れるように移動可能である。境界「Ｂ」は、ツール２０の位置、またはリンケージ１２の一部とすることができる。例えば、ツール２０は、手術部位「Ｓ」を画定する壁に接近しているとすることができる、またはリンケージ１２の一部が、手術ロボット１０の別のリンケージに接近しているとすることができる。また、境界「Ｂ」は、リンケージ１２の関節の位置であってもよい。例えば、境界「Ｂ」は、リンケージ１２の関節の特異点で画定されてもよい。
【００２２】
ツール２０が境界「Ｂ」に向かって矢印「Ｍ」の方向に移動すると、境界「Ｂ」に向かう、例えば矢印「Ｍ」の方向におけるツール２０の速度が処理ユニット３０により分析される（図１）。境界「Ｂ」に向かう速度が、境界「Ｂ」に到達する前に、所定の境界速度まで安全に減速することができる速度よりも大きい場合、処理ユニット３０は、ツール２０の速度を矢印「Ｍ」の方向に、速度倍率「α」で低下させるか、または下げて、ツール２０が境界「Ｂ」に接近するときに、ツール２０の速度を矢印「Ｍ」の方向において低下させる。
【００２３】
さらに図３を参照すると、速度倍率「α」は、ツール２０の境界「Ｂ」からの距離「ｄ」の関数として変化する。速度倍率「α」は、「Ｍ」方向のツール２０の速度を、ツール２０が境界「Ｂ」に到達して距離「ｄ」がゼロになるときにツール２０が方向「Ｍ」に有することができる最大速度「Ｖｍａｘ」を所定の境界速度に低下させるような減速に基づいて縮小する。図３に示すように、ツール２０が境界「Ｂ」から所定の距離「Ｄ」より大きい距離である場合、速度倍率「α」は１であり、ツール２０の速度は速度倍率「α」の影響を受けない。ツール２０が境界「Ｂ」から所定の距離「ｄ」以内にあるようにツール２０を移動させると、速度倍率「α」はツール２０の速度を下げる。速度倍率「α」は、ツール２０が所定の距離「ｄ」以内にあるときにツール２０の全ての移動に適用することができる、または速度倍率「α」は、境界「Ｂ」に向かうツール２０の移動にのみ適用することができる。さらに、速度倍率「α」は、最大速度「Ｖｍａｘ」線を下回る移動が速度倍率「α」の影響を受けないように、ツール２０の速度の限界値として利用することができる。図３に示すように、速度倍率「α」は、距離「ｄ」がゼロである場合にゼロに減少する。
【００２４】
図４を参照すると、速度倍率「α」の関数は、非ゼロの最小値を有することができる。非ゼロの最小値は、０〜１であり、ツール２０の最大速度「Ｖｍａｘ」を下げて境界「Ｂ」で、ツール２０、手術ロボット１（図１）、または境界「Ｂ」に損傷を引き起こすことなく急に停止するのと等しい速度倍率「α」に対応する。
【００２５】
図５を参照すると、本開示によるツール２０の速度を処理ユニット３０でスケーリングする方法１００が、図１および図２のロボット手術システム１ならびに図４の関数を参照して開示されている。まず、入力ハンドル４２を、ツール２０を移動させる方向に移動させる。入力ハンドル４２の移動に応答して、ユーザコンソール４０が入力信号を処理ユニット３０に送信する。処理ユニット３０は、入力信号を受信して制御信号を生成し、制御信号を手術ロボット１０に送信してツール２０を所望の位置に移動させる（ステップ１１０）。
【００２６】
制御信号を生成するために（ステップ１５０）、処理ユニット３０は、所望の位置に向かうツール２０の移動方向を判定することができる（ステップ１２０）。幾つかの実施形態では、所望の位置に向かうツール２０の移動が境界「Ｂ」に向かっている（ステップ１２４）場合、処理ユニット３０は、速度倍率「α」をツールの所望の移動速度に適用し（ステップ１３０）、所望の位置に向かうツール２０の移動が境界「Ｂ」から離れていく場合、処理ユニット２０は、速度倍率「α」を所望の移動速度に適用しない（ステップ１２２）。他の実施形態では、処理ユニット３０は、所望の位置に向かうツール２０の移動方向に関係なく、ステップ１３０に直接飛ぶことにより速度倍率「α」を所望の移動速度に適用する。
【００２７】
速度倍率「α」をツール２０の所望の移動速度に適用する（ステップ１３０）ために、処理ユニット３０は、境界「Ｂ」に対するツール２０の位置、およびツール２０の所望の位置を判定する（ステップ１３２）。ツール２０の位置および／またはツール２０の所望の位置が共に、境界「Ｂ」からの所定の距離「Ｄ」以上である場合、速度倍率「α」は１に等しくなり、ツール２０の所望の移動速度が、速度倍率「α」の適用による影響を受けない。ツール２０の位置またはツール２０の所望の位置が所定の距離「Ｄ」未満である場合、速度倍率「α」を適用して、所望の位置に向かうツール２０の移動速度を下げることができる。具体的には、幾つかの実施形態では、図４に示すように、速度倍率「α」を、所望の位置に向かうツール２０の所望の移動速度に直接適用して、所望の速度が速度倍率だけ減少するようにする（ステップ１３４）。他の実施形態では、最大速度「Ｖｍａｘ」を減少させると、所定の距離「ｄ」に関する最大速度「Ｖｍａｘ」を下回る任意の所望の速度は不変のままであり、最大速度「Ｖｍａｘ」を上回る所望の速度のみが低下する（ステップ１４０）。
【００２８】
速度倍率「α」をツール２０の所望の移動速度に適用した後、処理ユニット３０は制御信号を生成し（ステップ１５０）、制御信号を手術ロボット１０に送信してツール２０を所望の位置に、スケーリングされた所望の速度で移動させる（ステップ１６０）。
【００２９】
幾つかの実施形態では、速度倍率「α」が１未満である場合、処理ユニット３０はフィードバック制御信号をユーザコンソール４０に送信して、ツール２０の速度がスケーリングされたというフィードバックを臨床家に提供する。例えば、ユーザコンソール４０は、ツール２０を境界「Ｂ」に向かって移動させる方向の入力ハンドル４２の移動に反する力のフィードバックを提供することができる。
【００３０】
本明細書における例示的な実施形態に関して詳述したように、速度倍率「α」は、境界「Ｂ」から離れる距離「ｄ」の線形関数として縮小する。しかしながら、速度倍率「α」は、指数関数的に、段階的に、または境界「Ｂ」から離れる距離「ｄ」に基づく他の適切な関数で縮小するようにしてもよい。
【００３１】
本開示の幾つかの実施形態が図面に示されているが、本開示は当該技術分野が許容するのと同程度に広い範囲であるとされるべきであり、本明細書が同様に読み取られるべきであると意図されているので、本開示はこれらの実施形態に限定されることを意図していない。上の実施形態の任意の組み合わせも想定され、添付の特許請求の範囲内にある。したがって、上の説明は、限定として解釈されるべきではなく、特定の実施形態の単なる例示として解釈されるべきである。当業者であれば、他の変形を、本明細書に添付される特許請求の範囲内で想定するであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年5月8日(2020.5.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
手術ロボットのツールの所望の速度を処理ユニットでスケーリングする方法であって、
ツールの所望の移動速度を含む入力信号を受信することと、
手術部位の境界に対する前記ツールの位置を判定することと、
前記ツールが前記手術部位の前記境界の所定の距離内にあるときに、前記ツールの前記所望の移動速度をスケーリングすることと、を含む、方法。
【請求項２】
前記所望の移動速度をスケーリングすることは、前記ツールの前記所望の移動速度を減少させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記境界は、前記手術部位の仮想境界である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記境界に対する前記ツールの移動方向を判定することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ツールの前記所望の移動速度をスケーリングすることは、前記ツールの前記移動方向が前記境界に向かっているときにのみ行なわれる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ツールの前記所望の移動速度をスケーリングすることは、速度倍率を前記所望の移動速度に適用することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記速度倍率を、前記境界に対する前記ツールの前記判定位置の関数として決定することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記速度倍率を決定することは、前記境界に対する前記ツールの前記判定位置が所定の距離を超える場合に、前記速度倍率を１とすることを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記速度倍率を前記ツールの前記判定位置の前記関数として決定することは、前記境界に対する前記ツールの前記判定位置が所定の距離を下回る場合に、前記倍率を１から最小値に向かって減少させることを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記速度倍率の前記最小値は非ゼロである、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ツールの前記所望の移動速度をスケーリングした後に、制御信号を生成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記制御信号を手術ロボットに送信することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ツールの前記所望の移動速度をスケーリングするときに、フィードバック制御信号をユーザコンソールに送信することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【国際調査報告】
2020533061.tif 000008
2020533061.tif 000009
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