(57)【要約】ロボット手術システムまたはシミュレータは、入力装置と、表示装置と、処理ユニットと、を含む。表示装置は、入力装置と動作可能に関連付けられる手術ツールの表示を含む。処理ユニットは、入力装置と通信し、手術ツールの表示と関連付けられて表示を第１の移動軸周りで、第１の回転軸周りの入力装置のスケーリングされた回転に基づいて回転させる。位置合わせ構成では、入力装置は表示と第１の回転軸周りで位置合わせされる。入力装置が表示と位置合わせずれとなっている場合、処理ユニットは、入力装置が第１の回転軸周りで位置合わせ構成から第１の所定のずれだけ位置合わせずれになるまで、入力装置のスケーリングされた回転を変化させて入力装置を第１の位置合わせ構成に復帰させる。【選択図】図２
2020532385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボット手術システムまたはシミュレータであって、
第１の回転軸周りで回転可能な入力装置と、
前記入力装置と動作可能に関連付けられる手術ツールの表示を含む表示装置と、
前記入力装置と通信し、手術ツールの前記表示と動作可能に関連付けられて、手術ツールの前記表示を第１の移動軸周りで、前記第１の回転軸周りの前記入力装置のスケーリングされた回転に基づいて回転させる処理ユニットと、を備え、前記入力装置は、前記入力装置が、手術ツールの前記表示と前記第１の回転軸周りで位置合わせされる位置合わせ構成を有し、
前記入力装置が、手術ツールの前記表示と前記第１の回転軸周りで位置合わせずれとなる場合に、前記処理ユニットは、前記入力装置が、前記第１の回転軸周りで前記位置合わせ構成から第１の所定のずれだけ、位置合わせずれとなるまで、前記第１の回転軸周りの前記入力装置の前記スケーリングされた回転を変化させて、前記入力装置を前記第１の位置合わせ構成に復帰させる、ロボット手術システムまたはシミュレータ。
【請求項２】
前記第１の所定のずれは、５°〜４５°の範囲である、請求項１に記載のロボット手術システムまたはシミュレータ。
【請求項３】
前記入力装置は、前記第１の回転軸と直角な第２の回転軸周りで回転可能であり、前記処理ユニットは、前記入力装置と通信し、手術ツールの前記表示と動作可能に関連付けられて、手術ツールの前記表示を第２の移動軸周りで、前記第２の回転軸周りの前記入力装置のスケーリングされた回転に基づいて回転させ、前記位置合わせ構成では、前記入力装置を手術ツールの前記表示に、前記第２の回転軸周りで位置合わせし、前記入力装置が、手術ツールの前記表示に、前記第２の回転軸周りで位置合わせずれとなる場合、前記処理ユニットは、前記入力装置が、前記第２の回転軸周りで前記位置合わせ構成から第２の所定のずれだけ、位置合わせずれとなるまで、前記第２の回転軸周りの前記入力装置の前記スケーリングされた回転を変化させて、前記入力装置を前記位置合わせ構成に復帰させる、請求項１に記載のロボット手術システムまたはシミュレータ。
【請求項４】
前記第１の所定のずれは、前記第２の所定のずれに等しい、請求項３に記載のロボット手術システムまたはシミュレータ。
【請求項５】
前記第１の所定のずれは、前記第２の所定のずれよりも大きい、請求項３に記載のロボット手術システムまたはシミュレータ。
【請求項６】
前記第１の所定のずれは、約１６°〜約４５°の範囲であり、前記第２の所定のずれは、約５°〜約１５°の範囲である、請求項５に記載のロボット手術システムまたはシミュレータ。
【請求項７】
前記入力装置は、前記第１および第２の回転軸と直角な第３の回転軸周りで回転可能であり、前記処理ユニットは、前記入力装置と通信し、手術ツールの前記表示と動作可能に関連付けられて、手術ツールの前記表示を第３の移動軸周りで、前記第３の回転軸周りの前記入力装置のスケーリングされた回転に基づいて回転させ、前記位置合わせ構成では、前記入力装置を手術ツールの前記表示に、前記第３の回転軸周りで位置合わせし、前記入力装置が、手術ツールの前記表示に、前記第３の回転軸周りで位置合わせずれとなる場合、前記処理ユニットは、前記入力装置が、前記第３の回転軸周りで前記位置合わせ構成から第３の所定のずれだけ、位置合わせずれとなるまで、前記第３の回転軸周りの前記入力装置の前記スケーリングされた回転を変化させて、前記入力装置を前記位置合わせ構成に復帰させる、請求項３に記載のロボット手術システムまたはシミュレータ。
【請求項８】
前記第１の所定のずれは、前記第２の所定のずれ、および前記第３の所定のずれの各ずれに等しい、請求項７に記載のロボット手術システムまたはシミュレータ。
【請求項９】
前記第１の所定のずれは、前記第２の所定のずれ、および第３の所定のずれの各ずれよりも大きい、請求項７に記載のロボット手術システムまたはシミュレータ。
【請求項１０】
前記第２の所定のずれは、前記第３の所定のずれよりも大きい、請求項９に記載のロボット手術システムまたはシミュレータ。
【請求項１１】
前記第１の所定のずれは、ユーザにより選択可能である、請求項１に記載のロボット手術システムまたはシミュレータ。
【請求項１２】
前記第１の所定のずれは、手術ツールの前記表示に基づいて決定される、請求項１に記載のロボット手術システムまたはシミュレータ。
【請求項１３】
前記入力装置が、手術ツールの前記表示と前記第１の回転軸周りで、所定の位置合わせずれよりも大きい量だけ位置合わせずれとなる場合、前記位置合わせ構成を前記第１の回転軸周りで１８０°反転させる、請求項１に記載のロボット手術システムまたはシミュレータ。
【請求項１４】
手術ロボットまたは手術シミュレータを操作する方法であって、前記方法は、
処理ユニットで、第１の回転軸周りのロボット手術システムの入力装置の回転を受けることと、
前記入力装置の前記回転をツールの表示の回転に、表示装置で第１の移動軸周りでスケーリングすることであって、前記入力装置が、前記第１の回転軸周りのツールの前記表示と所定のずれ以内になるまで、前記入力装置を位置合わせ構成から離れて移動させて前記入力装置をツールの前記表示に位置合わせし直す場合に、前記処理ユニットが前記入力装置の回転を縮小する、スケーリングすることと、を含む、方法。
【請求項１５】
前記入力装置の回転をツールの前記表示の前記回転に、表示装置で前記第１の移動軸周りでスケーリングすることは、前記入力装置が、前記第１の回転軸周りのツールの前記表示と前記所定のずれ以内になるまで、前記入力装置を位置合わせ構成に向かって移動させて前記入力装置をツールの前記表示に位置合わせし直す場合に、前記処理ユニットが前記入力装置の回転を拡大することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記所定のずれを選択することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記所定のずれを選択することは、前記処理ユニットが前記所定のずれを、ツールの前記表示に基づいて決定することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記入力装置が、所定の位置合わせずれよりも大きい前記ツールの前記表示と位置合わせずれとなる場合に、前記入力装置の前記位置合わせ構成を、前記第１の回転軸周りで１８０°反転させることをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
ロボット手術システムは、侵襲を最小限に抑える医療手術に使用されている。医療手術中、ロボット手術システムは、外科医がユーザインターフェースとのインターフェースをとることにより制御される。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、外科医により移動可能であって、ロボット手術システムを制御する入力コントローラまたはハンドルを含む。
【０００２】
ロボット手術システムは通常、スケーリング倍率を使用して外科医の手の動きを縮小して、患者内のエンドエフェクタの望ましい位置を決定し、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させることができるようにしていた。しかしながら、スケーリング倍率がより大きくなると、外科医は入力装置ハンドルをより遠くに移動させてエンドエフェクタを同じ距離だけ移動させる必要があった。入力装置ハンドルの運動範囲は固定されているので、これは、スケーリング倍率がより大きくなる場合、外科医が入力ハンドルの運動範囲の末端に届くようにする頻度がより多くなる可能性があることを意味している。
【０００３】
加えて、医療手術中、外科医は、エンドエフェクタをロール軸、ピッチ軸、およびヨー軸周りで回転させて、エンドエフェクタを適切に配置して組織に作用させる必要がある。さらに、医療手術中、入力ハンドルを入力ハンドルに対して移動させてクラッチ状態にすると、入力ハンドルがエンドエフェクタと、ロール軸、ピッチ軸、および／またはヨー軸のうちの１つ以上の軸周りで位置合わせずれになる可能性がある。
【０００４】
入力ハンドルをエンドエフェクタと医療手術中に位置合わせし直すロボット手術システムが引き続き必要となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本開示は概して、ユーザインターフェースの入力装置の移動を外科手術中のロボットシステムのツールの移動に、ロール軸、ピッチ軸、およびヨー軸のうちの１つ以上の軸周りで、「トリム」アルゴリズムおよび／または「反転」アルゴリズムを含むアルゴリズムでスケーリングすることに関する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の１つの態様では、ロボット手術システムまたはシミュレータは、入力装置と、表示装置と、処理ユニットと、を含む。入力装置は、第１の回転軸周りで回転可能である。表示装置は、入力装置と動作可能に関連付けられる手術ツールの表示を含む。処理ユニットは、入力装置と通信し、手術ツールの表示と動作可能に関連付けられて、手術ツールの表示を第１の移動軸周りで、第１の回転軸周りの入力装置のスケーリングされた回転に基づいて回転させる。入力装置は、入力装置が手術ツールの表示と第１の回転軸周りで位置合わせされる位置合わせ構成を有する。入力装置が手術ツールの表示と第１の回転軸周りで位置合わせずれになっている場合、処理ユニットは、入力装置が第１の回転軸周りで、位置合わせ構成から第１の所定のずれだけ位置合わせずれになるまで、第１の回転軸周りの入力装置のスケーリングされた回転を変化させて入力装置を第１の位置合わせ構成に復帰させる。第１の所定のずれは、約５°〜約４５°の範囲とすることができる。
【０００７】
態様では、入力装置は、第１の回転軸と直角な第２の回転軸周りで回転可能である。処理ユニットは、入力装置と通信することができ、手術ツールの表示と動作可能に関連付けられて、第２の移動軸周りの手術ツールの表示を、第２の回転軸周りの入力装置のスケーリングされた回転に基づいて回転させることができる。位置合わせ構成では、入力装置は、手術ツールの表示と第２の回転軸周りで位置合わせされる。入力装置が手術ツールの表示と第２の回転軸周りで位置合わせずれとなる場合、処理ユニットは、入力装置が第２の回転軸周りで、位置合わせ構成から第２の所定のずれだけ位置合わせずれとなるまで、第２の回転軸周りの入力装置のスケーリングされた回転を変化させて入力装置を位置合わせ構成に復帰させる。第１の所定のずれは、第２の所定のずれに等しくすることができる。あるいは、第１の所定のずれは、第２の所定のずれよりも大きくするか、または小さくすることができる。例えば、第１の所定のずれは、約１６°〜約４５°の範囲とすることができ、第２の所定のずれは、約５°〜約１５°の範囲とすることができる。
【０００８】
いくつかの態様では、入力装置は、第１および第２の回転軸と直角な第３の回転軸周りで回転可能である。処理ユニットは、入力装置と通信することができ、手術ツールの表示と動作可能に関連付けられて、第３の移動軸周りの手術ツールの表示を、第３の回転軸周りの入力装置のスケーリングされた回転に基づいて回転させることができる。位置合わせ構成では、入力装置は、手術ツールの表示と第３の回転軸周りで位置合わせされる。入力装置が、手術ツールの表示と第３の回転軸周りで位置合わせずれとなる場合、処理ユニットは、入力装置が第３の回転軸周りで、位置合わせ構成から第３の所定のずれだけ、位置合わせずれとなるまで、第３の回転軸周りの入力装置のスケーリングされた回転を変化させて入力装置を位置合わせ構成に復帰させる。
【０００９】
特定の態様では、第１の所定のずれは、第２および第３の所定のずれの各ずれに等しい。あるいは、第１の所定のずれは、第２または第３の所定のずれよりも大きくするか、または小さくすることができる。さらに、第２の所定のずれは、第２の所定のずれよりも大きくするか、または小さくすることができる。第１、第２、および／または第３の所定のずれは、ユーザにより選択可能とすることができる。追加または代替として、第１、第２、および／または第３の所定のずれは、ツールの表示に基づいて少なくとも部分的に決定することができる。入力装置が、手術ツールの表示と第１、第２、および／または第３の回転軸周りで、所定の位置合わせずれよりも大きい量だけ位置合わせずれになっている場合、第１、第２、および／または第３の回転軸のそれぞれ１つの回転軸周りの位置合わせ構成は、該当する回転軸周りで１８０°反転させることができる。
【００１０】
本開示の別の態様では、手術ロボットまたは手術シミュレータを操作する方法は、処理ユニットが、第１の回転軸周りのロボット手術システムの入力装置の回転を受けることと、入力装置の回転を、ツールの表示の回転に表示装置で第１の移動軸周りでスケーリングすることと、を含む。入力装置が第１の回転軸周りのツールの表示と所定のずれ以内になるまで、入力装置を位置合わせ構成から離れて移動させて入力装置をツールの表示に位置合わせし直す場合に、処理ユニットは、入力装置の回転を縮小する。
【００１１】
態様では、入力装置の回転をツールの表示の回転に表示装置でスケーリングすることは、入力装置が、第１の回転軸周りのツールの表示と所定のずれ以内になるまで、入力装置を位置合わせ構成に向かって移動させて入力装置をツールの表示に位置合わせし直す場合に、処理ユニットが入力装置の回転を拡大することを含む。当該方法は、所定のずれを選択することを含むことができる。追加または代替として、所定のずれを選択することは、処理ユニットが、所定のずれを、ツールの表示に基づいて決定することを含むことができる。
【００１２】
いくつかの態様では、当該方法は、入力装置が、ツールの表示と、所定の位置合わせずれよりも大きく位置合わせずれとなる場合に、入力装置の位置合わせ構成を第１の回転軸周りで１８０°反転させることを含む。
【００１３】
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】
【００１４】
本開示の様々な態様が、本明細書に組み込まれ、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。
【００１５】
【図１】本開示によるユーザインターフェースおよびロボットシステムの概略図である。
【図２】図１のユーザインターフェースの制御アームの端部で支持される入力装置の斜視図である。
【図３】図１のロボットシステムの表示装置の図であり、第１の位置にある状態の手術部位内のツールの表示を示す。
【図４】図３の表示装置の図であり、表示装置のロール軸周りで約１８０°回転した図３のツールの表示を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
ここで、本開示の実施形態は、同様の参照番号が、いくつかの図の各図の同一の要素または対応する要素を指している図面を参照して詳細に説明される。本明細書において使用されるように、「臨床医」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、医療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、臨床医に最も近い装置部分または装置の構成要素部分を指し、「遠位」という用語は、臨床医から最も遠い装置部分または装置の構成要素部分を指している。加えて、本明細書において使用されるように、「ニュートラル」という用語は、近位および遠位以外の部分を意味すると理解される。
【００１７】
本開示は概して、ロボットシステムのツールを外科手術中に移動させるユーザインターフェースの入力装置の移動のスケーリングに関する。特に、本開示は、ツールのロール軸、ピッチ軸、およびヨー軸の周りの移動のスケーリングに関する。ロボットシステムは、ユーザインターフェースの入力装置を、ロール軸、ピッチ軸、およびヨー軸のうちの１つ以上の軸の周りのツールの位置に位置合わせし直すように構成される位置合わせアルゴリズムを含む。加えて、ロボットシステムは、入力装置をロール軸、ピッチ軸、およびヨー軸の各軸の周りで完全に位置合わせする代わりに、入力装置を、ロール軸、ピッチ軸、およびヨー軸のうちの１つ以上の軸の周りで、所定のオフセットだけずれて保持することができるようにする「トリム」アルゴリズムを含むことができる。追加または代替として、ロボットシステムは、入力装置が、ロール軸、ピッチ軸、およびヨー軸のそれぞれ１つの軸の周りで位置合わせずれとなっている所定の量よりも大きい量だけ位置合わせずれになっている場合に、入力装置をツールに対して位置合わせした構成を、ロール軸、ピッチ軸、およびヨー軸のそれぞれ１つの軸の周りで１８０°回転させる「反転」アルゴリズムを含むことができる。
【００１８】
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、ロボットシステム１０、処理ユニット３０、およびユーザインターフェース４０として概略図示されている。ロボットシステム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。加えて、アーム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。ユーザインターフェース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。
【００１９】
ユーザインターフェース４０は、３次元画像を表示するように構成される表示装置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、アーム１２の端部１４に位置決めされる撮像装置１６により撮影されるデータを含むことができる、および／または手術現場の周りで位置決めされる撮像装置（例えば、手術部位「Ｓ」内に位置決めされる撮像装置、患者「Ｐ」に隣接して位置決めされる撮像装置、撮像アーム５２の遠位端に位置決めされる撮像装置５６）により撮影される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。
【００２０】
ユーザインターフェース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、臨床医がロボットシステム１０を操作することができる（例えば、アーム１２、アーム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４２の各入力ハンドルは、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。追加または代替として、入力ハンドル４２の各入力ハンドルは入力装置４６（図２）を含むことができ、入力装置４６により、外科医がアーム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、突出させる、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）。
【００２１】
図２をさらに参照すると、入力ハンドル４２の各入力ハンドルは、所定の作業空間内を移動可能であり、アーム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。表示装置４４上の３次元画像の向きは、入力ハンドル４２の移動により、アーム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設定される。３次元画像は、アーム１２の端部１４の移動が３次元画像内に収まるように入力ハンドル４２の移動をスケーリングしながら静止したままとなる。３次元画像の向きを維持するために、入力ハンドル４２の運動学的マッピングは、アーム１２の端部１４の向きに対するカメラの向きに基づいている。表示装置４４上の３次元画像の向きは、患者「Ｐ」の上方からのビューに対して鏡像折り返しを行うことができる、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、臨床医が手術部位「Ｓ」内の構造のより良好なビューを有す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を支持するアーム１２の端部１４の移動を含むこともできる。
【００２２】
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、米国特許第８，８２８，０２３号の内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００２３】
上に詳述したように、ユーザインターフェース４０は、外科手術を患者に行うロボットシステム１０と動作可能に通信するが、ユーザインターフェース４０は、手術シミュレータ（図示せず）と動作可能に通信して、ロボットシステムおよび／またはツールを、シミュレートされた環境で仮想的に作動させることができることが想定される。例えば、ロボット手術システム１は、ユーザインターフェース４０がロボットシステム１０を作動させるように連結される第１のモードと、ユーザインターフェース４０が手術シミュレータに連結されてロボットシステムを仮想的に作動させる第２のモードと、を有することができる。手術シミュレータは、スタンドアロンユニットであっても、または処理ユニット３０内に組み込まれてもよい。手術シミュレータは、ユーザインターフェース４０とのインターフェースをとる臨床医に、視覚、聴覚、力、および／または触覚フィードバックを臨床医に対してユーザインターフェース４０を介して行うことにより仮想的に応答する。例えば、臨床医が入力ハンドル４２とのインターフェースをとると、手術シミュレータは、組織に仮想的に作用する担当ツールを移動させる。手術シミュレータにより臨床医が、外科手術を患者に行う前に、外科手術を施すことができるようにすることが想定される。加えて、手術シミュレータは、外科処置に関して臨床医を訓練するために使用することができる。さらに、外科シミュレータは、「合併症」を、提案した外科手術中にシミュレートして臨床医が、外科手術を計画することができるようにする。
【００２４】
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は制御信号を制御ユニット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４２のうちの１つの入力ハンドルで移動させた距離）をスケーリング倍率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。スケーリング倍率ＳＦは、約１〜約１０の範囲（例えば、３）である。スケーリング倍率は、以下の方程式で表わされる：
Ｏｕｔｐｕｔｄｉｓｔａｎｃｅ＝Ｉｎｐｕｔｄｉｓｔａｎｃｅ／ＳＦ
スケーリング倍率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を理解されたい。
【００２５】
入力ハンドル４２の移動をＸ、Ｙ、およびＺ座標軸に沿って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号を参照されたく、これらの開示の各開示の内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００２６】
図２および図３をさらに参照すると、Ｘ、Ｙ、およびＺ座標軸の各座標軸に対する入力装置４６の回転は、ロール軸「Ｒ」、ピッチ軸「Ｐ」、およびヨー軸「Ｙ」（ＲＰＹ）周りのツール２０の回転にスケーリングすることができる。ロール軸「Ｒ」が、表示装置４４に表示される通り、ツール、例えばツール２０のエンドエフェクタに位置合わせされるのに対し、ピッチ軸「Ｐ」およびヨー軸「Ｙ」の向きは、表示装置４４に表示される通り、カメラフレームに設定されて、ハンドル４２および／または入力装置４６の運動が表示装置４４の臨床医のビューを基準とするようになる。具体的には、ピッチ軸「Ｐ」は、ハンドルのニュートラルフレームのＸ座標軸周りであり、ヨー軸「Ｙ」は、ハンドルのニュートラルフレームのＹ座標軸周りである。Ｒ軸、Ｐ軸、Ｙ軸の各軸周りの入力装置４６の回転のスケーリングは、拡大するように、縮小するように、またはニュートラルを保つように行うことができる。回転を拡大するようにスケーリングすることにより、臨床医は、Ｒ軸、Ｐ軸、Ｙ軸の特定の１つの軸周りの入力装置４６の回転を縮小して、該当するＲＰＹ軸周りのツール２０の所望の回転を実現することができる。この拡大スケーリングにより臨床医は、人体の自然な動きを超えた器用さを持つことができる。例えば、臨床医は、ツール２０を、臨床医の手首の動きで可能となる範囲を超えて入力装置４６を離すことなくロールさせることができる。これとは異なり、回転を縮小することにより、臨床医は、入力装置４６の回転に応答して、ツール２０のＲ軸、Ｐ軸、Ｙ軸の特定の１つ軸周りのツール２０の回転をより正確に制御することができる。
【００２７】
Ｒ軸、Ｐ軸、Ｙ軸の各軸周りの入力装置４６の回転は、ツール２０の回転に異なる方式でスケーリングすることができる。例えば、制御シャフト４３周りの入力装置４６の回転、すなわちロール軸「Ｒ」周りの回転は拡大することができ、ピッチ軸「Ｐ」周りの入力装置４６の回転はニュートラルにスケーリングすることができ、ヨー軸「Ｙ」周りの入力装置４６の回転は、縮小することができる。本明細書では、スケーリングの任意の他の組み合わせが想到され、本開示の一部を形成する。
【００２８】
外科手術中、入力装置４６の回転は、Ｒ軸、Ｐ軸、Ｙ軸周りのツール２０の回転に対して「ｃｌｕｔｃｈｅｄ（クラッチ状態にする）」ことができる。入力装置４６をツール２０に対して「ｃｌｕｔｃｈｉｎｇ（クラッチ状態にすること）」は、臨床医が手動で選択することができる、またはロボット手術システム１により自動的に選択することができる。入力装置４６をＲ軸、Ｐ軸、Ｙ軸周りで回転するツール２０と関連付けし直すか、または「ｄｅｃｌｕｔｃｈｅｄ（デクラッチ状態にする）」場合、入力装置４６は、ツール２０の向きと、Ｒ軸、Ｐ軸、Ｙ軸のうちの１つ以上の軸周りで位置合わせずれとなる可能性がある。
【００２９】
ロボット手術システム１は、ＲＰＹスケーリング倍率を変化させて、入力装置４６で手術している臨床医に知覚されないように入力装置４６をツール２０と位置合わせし直すことができる。入力装置４６をツール２０と位置合わせし直すために、位置合わせされた位置、または中心とされる位置から離反する方向のスケーリング倍率は、ツール２０が入力装置４６に位置合わせされるまで臨床医が入力ハンドル４６を位置合わせ構成に向かって移動させる場合よりも大きく縮小することができる。入力ハンドル４６が位置合わせ構成に向かって移動するときの入力ハンドル４６の移動を縮小することにより、ロボット手術システム１０は、入力装置４６がツール２０の位置に、入力装置４６とのインターフェースをとっている臨床医に気付かれないように「追いつく」ことを可能にする。例えば、ＲＰＹスケーリング倍率のうちの１つ以上のスケーリング倍率は、入力装置４６が、位置合わせ構成から離反して移動する場合に約５％〜約２００％の範囲で（例えば、２５％または５０％に）増加することができ、ＲＰＹスケーリング倍率は、入力装置４６が位置合わせ構成に向かって移動する場合に不変のままとすることができる。追加または代替として、ＲＰＹスケーリング倍率のうちの１つ以上のスケーリング倍率は、入力装置４６が、位置合わせ構成に向かって移動することによりツール２０が入力装置４６の位置に追いつくようになる場合に、約５％〜約２００％の範囲で（例えば、２５％または５０％に）減少することができる。ツール２０が入力装置４６に位置合わせされると、ＲＰＹスケーリング倍率は、拡大する、縮小する、またはニュートラルとすることができるように対称に作用するように戻ることができる、例えば同じスケーリング倍率を有することができる。このようにして、ツール２０に対する入力装置４６の移動をスケーリングすることにより、ツール２０は、入力装置４６が静止している場合に静止したままであり、ツール２０は、臨床医が入力装置４６を移動させるのに応答してのみ移動することを理解できるであろう。
【００３０】
１つの実施形態では、ＲＰＹスケーリング倍率は、該当するＲＰＹ軸の位置合わせずれ量に基づいて変化する可能性がある。例えば、ロール軸「Ｒ」が約１５度位置合わせずれとなると、ロール軸「Ｒ」のスケーリング倍率は、入力装置４６が位置合わせ構成に向かって移動する場合に約１０％縮小する可能性があり、ロール軸「Ｒ」が約３０度位置合わせずれとなると、ロール軸「Ｒ」は、入力装置４６が位置合わせ構成に向かって移動する場合に約２０％縮小する可能性がある。スケーリング倍率の変化は、直線的関係、指数関数的関係、多項式関係、直線段階的関係、または他の数学的関係とすることができると考えられる。スケーリング倍率が距離または位置合わせずれ量に基づいて変化することに関する詳細な説明については、２０１６年１月２０日に出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ１６／１４０３１号を参照することができ、この国際特許出願の内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。
【００３１】
いくつかの実施形態では、ロボット手術システム１は、ツール２０との入力装置４６の位置合わせずれが、所定のずれになるまで、または所定のずれ以内になるまで、ＲＰＹスケーリング倍率を変化させて入力装置４６をツール２０と位置合わせし直すことができる。例えば、入力装置４６は、ツール２０とロール軸周りで１００°位置合わせずれとなっている可能性がある。ロボット手術システム１は、入力装置４６が、入力装置４６に対して約１０°〜約４５°の範囲（例えば、約３０°）の所定のずれになる、または「トリム（調整量）」になるまで、ロールスケーリング倍率を変化させることができる（例えば、入力装置４６が位置合わせ構成から離れるときにロールスケーリング倍率を増加させる、および／または入力装置４６が位置合わせ構成に向かって移動するときにロールスケーリング倍率を減少させる）。一旦、入力装置４６が、入力装置４６に対して所定のずれになると、ロボット手術システム１は、ロールスケーリング倍率を変化させて入力装置４６をツール２０と位置合わせし直すのを止める。
【００３２】
入力装置４６がツール２０から、Ｒ軸、Ｐ軸、Ｙ軸のうちの１つ以上の軸周りでずれたままとすることができることにより、当該位置で臨床医は、手および／または腕の位置を外科手術中に、より快適に維持することができる。所定のずれは、Ｒ軸、Ｐ軸、Ｙ軸の各軸周りで同じとすることができる、または異ならせることができる。例えば、所定のずれは、Ｒ軸、Ｐ軸、Ｙ軸の各軸周りで約５°〜約４５°の範囲（例えば、約１５°）とすることができる。あるいは、ロール軸周りの所定のずれは約３０°とすることができ、ピッチ軸周りの、およびヨー軸周りの所定のずれは約１５°とすることができる。
【００３３】
所定のずれは、ロボット手術システム１により設定することができる、またはユーザが選択することができる。所定のずれは、ロボット手術システム１により、入力装置４６と関連付けられるアーム１２に接続されるツール２０のタイプに基づいて設定することができる、および／またはロボット手術システム１により、外科手術のタイプに基づいて設定することができる。所定のずれが増加すると、ツール２０の制御が、より困難になる可能性があることを理解できるであろう。したがって、限界値を、ユーザが所定のずれを選択した場合に設定される最大限界値に設定することができる。
【００３４】
図３および図４を参照すると、位置合わせずれが所定の位置合わせずれよりも大きい場合、Ｒ軸、Ｐ軸、Ｙ軸のうちの１つ以上の軸を「反転させる」と有用となり得る。Ｒ軸、Ｐ軸、Ｙ軸のうちの１つ以上の軸は、該当する軸周りの位置合わせ構成が、該当する軸周りで１８０°回転する場合に反転する。該当する軸周りで「反転させる」ことは、ツール２０が非対称である、または方向性がある（例えば、フック、湾曲したはさみ、湾曲した解剖用器具など）場合、ツール２０の制御に有用となり得る。例えば、ツール２０が、図３の表示装置４４に示されるように、開口部２１が右に向いたフックである場合、ツール２０をロール軸「Ｒ」周りで「反転させる」ことができ、開口部２１が、図４に示す表示装置４４に図示される通り、左に向くようになる。所定の位置合わせずれは、約１２５°〜約１９５°の範囲（例えば、約１３５°）とすることができる。追加または代替として、臨床医は、Ｒ軸、Ｐ軸、Ｙ軸のうちの１つ以上の軸を、ボタン、音声コマンド、またはＧＵＩ入力を使用して「反転させる」ことができる。ロボット手術システム１は、「トリム」および「反転」アルゴリズムの両方を組み込むことができると考えられる。
【００３５】
追加または代替として、ロボット手術システム１は、「反転」アルゴリズムと同様の「スナップ」アルゴリズムを含むことができる。「スナップ」は、Ｒ軸、Ｐ軸、Ｙ軸のうちの１つ以上の軸が所定の位置合わせずれよりも大きく位置合わせずれとなる場合に発生する。例えば、ロール軸「Ｒ」が約４５°位置合わせずれになっている場合、ロール軸「Ｒ」のトリム（調整量）が、４５°のずれに急になり得る。スナップアルゴリズムは、複数の連続的なずれを含むことができ、特定のＲＰＹ軸が所定の位置合わせずれを上回るたびに、それぞれのＲＰＹ軸が、所定の位置合わせずれに関連するずれに「スナップする（急になる）」。例えば、ロール軸「Ｒ」は、ロール軸「Ｒ」周りで１５度、３０度、または４５度の間隔を空けた所定のスナップ点を有することができる。
【００３６】
図２に戻って参照すると、入力装置４６は、ＲＰＹスケーリング倍率のうちの１つ以上のスケーリング倍率のスケーリングを変更するボタン４７を含む。例えば、ボタン４７を押下すると、ロール軸「Ｒ」周りのスケーリング倍率は、所定の値に拡大または縮小することができる。あるいは、ボタン４７を押下すると、入力装置４６をロール軸「Ｒ」周りでクラッチアウト状態（乖離状態）とすることができるのに対し、他の軸は、入力装置４６の移動に関係付けられたままである。
【００３７】
本開示のいく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広い範囲として捉えられるべきであり、本明細書も同様に読み取られるべきであると考えられるので、本開示はこれらの実施形態に限定されるものではないことが意図される。上の実施形態の任意の組み合わせが、さらに想定され、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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【国際調査報告】
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