バイオセンシング及び外科的処置のための能動的カニューレ
【課題】バイオセンシング及び外科的処置のための能動的カニューレを導くためのコンピュータで読取り可能な媒体を提供する。
【解決手段】外科用カニューレ１０２を導くためのソフトウェアにより符号化されたコンピュータ１５０で読取り可能な媒体であって、当該ソフトウェアが、所望のカニューレ経路を受け取るプログラム、所望のカニューレ経路にほぼ合致する複数の重なり合う可撓性チューブ１１０の構成を計算するプログラム、所望のカニューレ経路に対応する複数の中間的構成を計算するプログラム、及び複数の中間的構成に従って複数の作動器に命令するプログラムを含む、コンピュータで読取り可能な媒体。
【解決手段】外科用カニューレ１０２を導くためのソフトウェアにより符号化されたコンピュータ１５０で読取り可能な媒体であって、当該ソフトウェアが、所望のカニューレ経路を受け取るプログラム、所望のカニューレ経路にほぼ合致する複数の重なり合う可撓性チューブ１１０の構成を計算するプログラム、所望のカニューレ経路に対応する複数の中間的構成を計算するプログラム、及び複数の中間的構成に従って複数の作動器に命令するプログラムを含む、コンピュータで読取り可能な媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００５年１１月１５日出願の米国仮特許出願第６０／７３６７８９号（発明の表題「ACTIVE CANNULAS FOR BIO-SENSING AND SURGICAL INTERVENTION」）及び２００６年１０月６日出願の同第６０／８４９７８８号（発明の表題「METHOD FOR CONTROLLING SNAKE-LIKE ROBOTS FOR SURGICAL APPLICATIONS」）の優先権を主張し、これらの出願の内容全体を全ての目的のために本出願に参照文献として包含する。
【０００２】
本発明の分野
本発明は概して、侵襲が最小となるような手術を行うための外科用カニューレ及びバイオセンサに関する。具体的には、本発明は、外科用器具、注入可能物、診断デバイス、及び／又はバイオセンサを複雑な軌跡を通して導くためのデバイスと方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
関連技術の説明
近年の、侵襲を最小にする外科技術（ＭＩＳ）は、一般に伝統的な切開手術に起因する大規模な外傷を生じない外科的処置を可能にすることにより医学を革新した。ＭＩＳ技術は、従来の切開手術技術では到達不可能だった解剖学的構造領域に医師がアクセスして処置を行うことを可能にした。更にＭＩＳ技術は、手術に伴う外傷を大きく減少させ、これにより手術に関連する合併症を減らし、術後の回復を促進させた。実現性のあるＭＩＳの代替技術無しで、人体（特に、頭部及び頸部）内部の閉じ込められたスペースにおける手術を行うには、単に手術部位への術具のアクセスを可能にするのに、健康な骨、皮膚、及び筋肉構造の大規模な切開と破壊的な解体が必要である。
関連技術によるＭＩＳツールは剛性の腹腔鏡デバイスを含み、このデバイスは、手術で器用な動きをするために体の内部及び外部の両方に大きな開放スペースを要する。開放スペースに対するこの要件は概して、多くの種類の手術において腹腔鏡デバイスの使用を妨げる。関連技術による他のＭＩＳツールは可撓性の形状記憶合金デバイスを含み、この場合デバイスの形状は、デバイスが患者の体内で案内される際に形状記憶合金に熱を加えることにより変更が可能である。このようなデバイスの１つの問題は、周囲の組織に意図せずに熱を加えてしまうことである。別の問題は、形状記憶合金の熱時定数が、加えた適切な熱が放散するのにかなりの時間（数秒に亘る）を要することである。これらの熱時定数によって生じる遅れはこのようなＭＩＳデバイスの使用を制限する。
【０００４】
関連技術による他のＭＩＳツールは、一般に５〜１０ｍｍの直径を有する真っ直ぐで剛性のツールを備えた遠隔操作手術ロボットを含み、このようなロボットはワイヤ作動式又はプッシュロッド作動式の手関節を有する。このような関連技術による手術ロボットの問題は、このようなロボットが人体への進入点での転回に限定され、いったん体内に入ると湾曲した軌跡を通ったり、障害物を迂回したりする操作の器用さを持たないことである。人体の進入点に転回が限定されることより、このような手術ロボットは概して、子宮内での胎児の手術のような複雑な手術手順に適さない。胎児の手術の場合には、少なくとも２つの転回点、即ち母親の皮膚における転回点と、子宮の壁部における転回点が必要である。
頭部及び頸部に関する外科的処置は、ＭＩＳ技術の出現をもってしても特に難題である。例えば、頭蓋底における病変の処置では、一般に、鼻を通してＭＩＳデバイスを内視鏡的に挿入する。関連技術によるＭＩＳデバイスは、洞内の小さな開口部を迂回して又は通って曲がる器用さに欠けるので、頭蓋底を含む種々の手術部位にＭＩＳデバイスを到達させるために、鼻甲介のような多くの健康な組織及び骨構造を除去しなければならない。鼻甲介に関し、その通常の機能は、空気を浄化すること及び嗅覚を助けることである。手術部位へのアクセスのために除去されてしまうと、その機能が回復するような方法で鼻甲介を再構築することはできない。関連技術による直線的ＭＩＳデバイスを用いて到達できない手術部位の例を二つ挙げると、頚動脈の後の区域（眼底の近く）及び前頭洞で、これらの区域は鼻柱の直ぐ後に位置する骨を迂回して到達する操作を要する。
【０００５】
関連技術によるＭＩＳデバイスでは器用さを欠く他の手術方法の例は、肺の手術と喉の手術である。肺手術に関しては、関連技術による気管支鏡は概して肺の内部の約三分の一にしか到達できない。現今、それよりも深い肺内部において生検組織を取る方法又は直接癌を治療する方法で危険の低い方法はない。関連技術による肺生検及び治療の更なる方法は針の挿入で、これは肺収縮を含む合併症のリスクを生じさせる。喉の手術に関しては、喉の内部深くに位置する病変は、大規模な切開なしには極めて到達困難である。大規模な切開は一般に縫合可能に行われる。喉自体が縫合の道筋であり、大規模な切開の必要性が軽減される。しかし、関連技術によるＭＩＳデバイスは、一般に１１ｍｍの直径を有する喉頭鏡を通って長距離を移動する器用さに欠ける。
従って、必要とされるのは、他の手法では到達不可能な手術部位に到達するために、解剖学的身体部分を迂回して操作できる器用さを有する手術具である。更に、必要とされるのは、組織媒体だけでなく、洞、喉、及び肺のような空洞内の自由空間を通して動かすことが可能な手術デバイスである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、関連技術の限界に起因する上記問題の一以上を回避する、バイオセンシング及び外科的処置のための能動的カニューレを提供する。
【０００７】
従って、本発明の１つの利点は、一般に到達不可能な身体内部の領域への医師による到達領域を広げることである。
本発明の別の利点は、対象となる組織領域への到達過程で組織が受ける付帯的外傷を低減することである。
【０００８】
本発明の更に別の利点は、本発明が新規の治療方法を可能にすることである。
本発明の更に別の利点は、治療及び診断のための針の解剖学的特徴の到達能を増大させることである。
【０００９】
本発明の更に別の利点は、自由空間及び組織媒体の両方において外科用器具の操作性を向上させることである。
本発明の更に別の利点は、外科用カニューレの小型化が進むことである。
【００１０】
本発明の更に別の利点は、敏感な組織の存在下で外科用器具を導く際の安全性を向上させることができることである。
上記以外の本発明の利点は以下の説明で開示され、その一部は説明から明らかになるか、又は本発明の実施により教示される。本発明の利点は、添付図面だけでなく、本明細書及び特許請求の範囲において指摘される構造によって実現され、取得される。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
これらの及びその他の利点を達成するために、本発明は外科用カニューレに関する。この外科用カニューレは、第１の予め形成された湾曲を有する第１の可撓性チューブと、第２の予め形成された湾曲を有する第２の可撓性チューブであって、第１の可撓性チューブの内部に配置される第２のチューブと、第１の可撓性チューブに結合された第１の作動器であって、第１の可撓性チューブの平行移動及び回転を制御する第１の作動器と、第２の可撓性チューブに結合された第２の作動器であって、第１の可撓性チューブの平行移動及び回転から独立して第２の可撓性チューブの回転及び平行移動を制御する第２の作動器とを備える。
【００１２】
本発明の別の態様においては、上記及びその他の利点は、外科用カニューレを導くためのソフトウェアを用いて符号化されたコンピュータで読取り可能な媒体によって達成される。このソフトウェアは、所望のカニューレ経路を受け取るプログラムと、所望のカニューレ経路にほぼ合致する複数の重なり合う可撓性チューブの構成を計算するプログラムと、所望のカニューレ経路に対応する複数の中間的構成を計算するプログラムと、複数の中間的構成に従って複数の作動器に命令するプログラムとを備える。
【００１３】
本発明の別の態様においては、上記及びその他の利点は、複数の重なり合う可撓性チューブを有する外科用カニューレを導く方法によって達成される。本方法は、所望の針の経路を決定するステップと、各々が予め形成された湾曲と可撓性とを有する複数の可撓性チューブを選択するステップと、結果として得られる重なり合い構成の湾曲が、所望の針経路にほぼ対応するように、複数の可撓性チューブの最終的重なり合い構成を決定するステップと、各々が所望の針経路に対応する、複数の可撓性チューブの複数の中間的重なり合い構成を決定するステップとを含む。
【００１４】
上記の概要説明及び以下の詳細説明は共に、例示及び説明を目的とするものであり、請求の範囲に規定される本発明を更に説明することを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本開示内容に含まれて本開示内容の一部を構成する、本発明を更に説明するための添付図面は、本発明の実施形態を図示し、明細書と共に本発明の原理を説明する。
【図１】本発明による能動的カニューレ及びその制御システムを示す。
【図２】Ａ〜Ｃは、能動的カニューレの、それぞれ例示的外部チューブ、例示的中間チューブ及び例示的内部チューブを示し、Ｄは、Ａ〜Ｃに示す３つのチューブを含む例示的能動的カニューレを示す。
【図３】各チューブの自由度を含め、図２Ｂの能動的カニューレを更に示す。
【図４】Ａは、本発明による１組の２軸作動器を示し、Ｂは、２軸作動器の例示的機構を示す。
【図５】１組の手動作動器を示す。
【図６】能動的カニューレの制御の例示的方法を示す。
【図７】チューブを制御するための運動学的機構を示す。
【図８】ひずみとチューブの側長及び湾曲との関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図示された実施形態の詳細な説明
本発明は、中に外科針を配置することができる能動的カニューレ（外科用カニューレとも称する）に関する。能動的カニューレは、蛇状外科用ロボットとも称される。能動的カニューレは、複数の同心の可撓性中空チューブを有し、各チューブは所定の可撓性と予め形成された湾曲とを有する。能動的カニューレの先端部は、可撓性チューブの各々を選択的に平行移動及び回転させることにより前進する。能動的カニューレは、各可撓性チューブの可撓性、予め形成された湾曲、角度方向、及び平行移動位置に応じて、自由空間（例えば、洞の通路又は気管支の気道内で）及び／又は異なる抵抗を有する組織内における能動的カニューレの操作を可能にする計画された複雑形状を取るように操作することができる。能動的カニューレの形状は組織媒体の抵抗による影響も受ける。この場合、組織媒体の抵抗を利用して、能動的カニューレを導くことができる。能動的カニューレは、可撓性チューブが平行移動及び回転の間に互いに対してスライドする際に可撓性チューブの各々に蓄積される弾性エネルギーによって連続的に作動することができる。
更に、同心の可撓性チューブの相互作用力を介して「内部で押し合うこと」により、自由空間内又は組織媒体内を通って導かれながら、能動的カニューレは複雑な形状を取ることができる。これは、手術針を、軟組織又は動脈壁のような解剖学的形状で有り得る組織媒体に押し付けることにより導く関連技術の方法と対照的である。
【００１７】
図１は、本発明に従って能動的カニューレを制御するための例示的システム１００を示す。システム１００は、外部可撓性チューブ１１０、中間可撓性チューブ１１５、及び内部可撓性チューブ１２０を有する能動的カニューレ１０２を含む。内部可撓性チューブ１２０は、端部にエンドエフェクタ１２５を有する。システム１００は更に、内部可撓性チューブ１２０に結合された内部駆動モジュール１４０、中間可撓性チューブ１１５に結合された中間駆動モジュール１３５、及び外部可撓性チューブ１１０に結合された外部駆動モジュール１３０を有する。内部駆動モジュール１４０、中間駆動モジュール１３５、及び外部駆動モジュール１３０は、制御コンピュータ１４５に接続される。
制御コンピュータ１４５は、制御ネットワーク接続１４６ａを介してホストコンピュータ１５０に接続される。ホストコンピュータ１５０と制御コンピュータ１４５とが同じ場所に配置されている場合、制御ネットワーク接続１４６ａはローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）である。別の構成として、ホストコンピュータ１５０と制御コンピュータ１４５は大きく距離を隔てて配置することができ、その場合制御ネットワーク接続１４６ａはインターネットを含むことができる。
【００１８】
ホストコンピュータ１５０はメモリ１５２を有し、メモリ１５２は、本発明に連関するプロセスを実行するソフトウェア（以下、「本ソフトウェア」）により符号化されている。ホストコンピュータ１５０はユーザインタフェース１５５に接続される。ホストコンピュータ１５０は単一のコンピュータとすることができるか、又はインターネットを含むネットワークを介して接続された複数のコンピュータとすることができる。メモリ１５２は、ハードドライブのような単一の記憶デバイスを有することも、又は複数のコンピュータに分散された多数のメモリデバイス及びデータベースを有することもできる。当業者であれば、ホストコンピュータ１５０、メモリ１５２、及びユーザインタフェース１５５には多くのこのようなアーキテクチャが可能であり且つ本発明の範囲に含まれることを容易に理解するであろう。
システム１００は更に、医療用画像化システム１６０を含むことができ、この医療用画像化システム１６０は画像プロセッサ１６５を有する。画像プロセッサ１６５は、画像化ネットワーク接続１４６ｂを介してホストコンピュータ１５０に接続することができ、画像化ネットワーク接続１４６ｂは、制御ネットワーク接続１４６ａと同じ種類のネットワーク接続とすることができる。
【００１９】
図１は、患者の体１７０の内部に配置された能動的カニューレ１０２を示す。患者の体１７０及び能動的カニューレ１０２は共に、医療用画像化システム１６０の視野内にある。患者の体１７０は、能動的カニューレ１０２が患者に入る個所である進入点１７５と、外科的処置又は診断が行われる、対象となる患者内部の標的部位である手術部位１８０とを含む。
医療用画像化システム１６０は、蛍光透視、ＭＲＩ、超音波等の、１以上の医療用画像化態様を含むことができる。医療用画像化システム１６０の特定の画像化態様は、能動的カニューレ１０２に用いられる材料と、能動的カニューレ１０２を用いる患者の体１７０の性質とに応じて決定することができる。医療用画像化システム１６０は、ホストコンピュータ１５０上で動くソフトウェアによる能動的カニューレ１０２の画像に基づくフィードバック制御を可能にするのに十分な適時性及び十分なフレーム率を有する３次元画像を提供する種類のものとすることができる。
【００２０】
図２Ａ〜図２Ｄは、能動的カニューレ１０２と、それを構成する可撓性チューブとを示す。図２Ａは、例示的外部可撓性チューブ１１０を示す。外部可撓性チューブ１１０は、外部チューブ直線区分２１０、外部チューブ湾曲区分２１２、及び外部チューブ直線区分２１０と外部チューブ湾曲区分２１２との境界を画定する外部チューブ移行点２１１を有することができる。外部可撓性チューブ１１０は、中間可撓性チューブ１１５と内部可撓性チューブ１２０が外部可撓性チューブ１１０の内部表面内で独立して摺動することを可能にするのに十分な広さの内径を有することができる。外部可撓性チューブ１１０の厚さは、チューブに所望の可撓性の関数とすることができる。これについては後述で更に説明する。従って、外部可撓性チューブ１１０の厚さは、指定の可撓性をもたらすように調整することができる。外部可撓性チューブ１１０の、図示された円形の湾曲は例示的なものであり、チューブの材料、厚さ、及び能動的カニューレ１０２の使用目的に応じて、異なる湾曲形状が可能である。
外部可撓性チューブ１１０は、ニチノール等の形状記憶合金を用いて作製できるが、外科的使用に適し、例えば材料特性によって、又はチューブ壁の厚さを指定することによって予め定めることの可能な可撓性を有するものであれば、他の材料を使用することもできる。
【００２１】
図２Ｂは、例示的な中間可撓性チューブ１１５を示す。中間可撓性チューブ１１５は、中間チューブ直線区分２１５、中間チューブ湾曲区分２１７、及び中間チューブ直線区分２１５と中間チューブ湾曲区分２１７との境界を画定する中間チューブ移行点２１６を有することができる。中間可撓性チューブ１１５は、内部可撓性チューブ１２０が中間可撓性チューブ１１５の内部表面内で独立して摺動することを可能にするのに十分な広さの内径を有することができる。中間可撓性チューブ１１５の厚さは、チューブに所望の可撓性の関数とすることができる。これについては後述で更に説明する。従って、中間可撓性チューブ１１５の厚さは、指定の可撓性をもたらすように調整することができる。中間可撓性チューブ１１５の、図示された湾曲は例示的なものであり、チューブの材料、厚さ、及び能動的カニューレ１０２の使用目的に応じて、異なる湾曲が可能である。
外部可撓性チューブ１１０の場合と同様に、中間可撓性チューブ１１５は、ニチノール等の形状記憶合金を用いて作製できるが、外科的使用に適し、例えばチューブに特定の厚さを指定することによって予め定めることの可能な可撓性を有するものであれば、他の材料を試用することもできる。更に、中間可撓性チューブ１１５には、能動的カニューレ１０２に意図された形状、厚さ、及び全体的可撓性に応じて、外部可撓性チューブ１１０と同じ材料を用いても用いなくてもよい。
【００２２】
図２Ｃは、例示的な内部可撓性チューブ１２０を示す。内部可撓性チューブ１２０は、内部チューブ直線区分２２０、内部チューブ湾曲区分２２２、及び内部チューブ直線区分２２０と内部チューブ湾曲区分２２２との境界を画定する内部チューブ移行点２２１を有することができる。内部可撓性チューブ１２０は、流体等を通すためのカニューレとして機能するのに十分な広さの内径を有することができる。更に、この内径は、ワイヤ、針、弾性のプッシュロッド、又は光ファイバケーブルのようなケーブルがエンドエフェクタ１２５まで運ばれるのを可能にするのに十分に大きくすることができる。内部可撓性チューブ１２０の厚さは、チューブに所望の可撓性の関数とすることができる。これについては後述で更に説明する。従って、内部可撓性チューブ１２０の厚さは、指定の可撓性をもたらすように調整することができる。内部可撓性チューブ１２０の、図示された湾曲は例示的なものであり、チューブの材料、厚さ、能動的カニューレ１０２の使用目的に応じて異なる湾曲が可能である。
外部可撓性チューブ１１０の場合と同様に、内部可撓性チューブ１２０は、ニチノール等の形状記憶合金を用いて作製できるが、外科的使用に適し、例えばチューブに特定の厚さを指定することによって予め定めることの可能な可撓性を有するものであれば、他の材料を用いることもできる。更に、内部可撓性チューブ１２０には、外部可撓性チューブ１１０及び中間可撓性チューブ１１５と同じ材料を用いても用いなくてもよい。
【００２３】
エンドエフェクタ１２５は、目的の外科的処置に適した多くのデバイスの１つとすることができる。例えば、エンドエフェクタ１２５は、熱的切除プローブ、光ファイバカメラ、放射性シード注入用先端、生検用の針等とすることができる。更に、エンドエフェクタ１２５は、外部での分析のための組織又は流体試料を採取するために用いることができる。また更に、エンドエフェクタ１２５は、関心部位内で用いられるバイオセンサとすることができる。このようなバイオセンサには、定位位置決め装置（例えば、磁気トラッカー）、分子センサ、電気的インピーダンスセンサ、無接触型機械的インピーダンスセンサ、光学的発光センサ等が含まれる。当業者であれば、エンドエフェクタ１２５は多数の形態及び多数の異なる機能を有することができ、それらは全て本発明の範囲内に含まれることが分かるであろう。
図２Ｄは、図２Ａ〜図２Ｃに示される各チューブを含む能動的カニューレ１０２を示す。内部可撓性チューブ１２０は中間可撓性チューブ１１５内に挿入されており、内部可撓性チューブ１２０と中間可撓性チューブ１１５との組合せは外部可撓性チューブ１１０内に挿入されている。
【００２４】
図３は、内部可撓性チューブ１２０、中間可撓性チューブ１１５、及び外部可撓性チューブ１１０を含む能動的カニューレ１０２を示す。図示のように、各可撓性チューブは２つの自由度、即ち軸方向に沿った回転軸まわりの自由度と、直線平行移動軸に沿う自由度とを有する。例えば、外部可撓性チューブ１１０は、外部回転自由度３０５及び外部平行移動自由度３１０を有する。外部回転自由度３０５及び外部平行移動自由度３１０は、他のチューブとは無関係に外部可撓性チューブ１１０に適用される。中間可撓性チューブ１１５は、中間回転自由度３１５及び中間平行移動自由度３２０を有し、これらの自由度は共に、他のチューブとは無関係に中間可撓性チューブ１１５に適用される。内部可撓性チューブ１２０は、内部回転自由度３２５及び内部平行移動自由度３３０を有し、これらの自由度は共に、他のチューブとは無関係に内部可撓性チューブ１２０に適用される。
図３に示すように、能動的カニューレ１０２は複数の重なり合い移行点Ｔ１〜Ｔ５を有する。各重なり合い移行点Ｔ１〜Ｔ５は、外部可撓性チューブ１１０、中間可撓性チューブ１１５、及び内部可撓性チューブ１２０（又はこれら３つのチューブのいずれかの部分集合）の各々がほぼ一定の湾曲度を有するか又は湾曲を欠如する領域の境界を画定する。例えば、重なり合い移行点Ｔ１とＴ２の間の領域は、外部チューブ湾曲区分２１２と、中間チューブ直線区分２１５と、内部チューブ直線区分２２０とを含む。重なり合い移行点Ｔ２は、中間チューブ移行点２１６と一致する。従って、重なり合い移行点Ｔ２とＴ３の間の領域は、外部チューブ湾曲区分２１２と、中間チューブ湾曲区分２１７と、内部チューブ直線区分２２０とを含む。
【００２５】
重なり合い移行点Ｔ１〜Ｔ５のうちの少なくとも１つによって画定された各領域は、外部可撓性チューブ１１０、中間可撓性チューブ１１５、及び内部可撓性チューブ１２０の各々の湾曲及び可撓性並びに周囲の組織媒体の抵抗の関数である湾曲を有する。中間可撓性チューブ１１５及び内部可撓性チューブ１２０のみを有する領域があることに留意されたい。この場合、その領域の湾曲は、領域内のそれら２つのチューブの湾曲の関数である。最も単純な場合には、移行点Ｔ５からエンドエフェクタ１２５までの領域の湾曲は、内部可撓性チューブ１２０の湾曲及び周囲の組織媒体の抵抗の関数である。
【００２６】
図４Ａは、本発明による１組の２軸作動器を示す。これらの２軸作動器は、外部可撓性チューブ１１０に結合された外部駆動モジュール１３０、中間可撓性チューブ１１５に結合された中間駆動モジュール１３５、及び内部可撓性チューブ１２０に結合された内部駆動モジュール１４０を含む。これらの駆動モジュールの各々は、それぞれの可撓性チューブを独立して駆動する。例えば、外部駆動モジュール１３０は、外部可撓性チューブ１１０を、外部回転自由度３０５のまわりで、且つ外部平行移動自由度３１０に沿って駆動する。中間駆動モジュール１３５は、中間可撓性チューブ１１５を、中間回転自由度３１５のまわりで、且つ中間平行移動自由度３２０に沿って駆動する。内部駆動モジュール１４０は、内部可撓性チューブ１２０を、内部回転自由度３２５のまわりで、且つ内部平行移動自由度３３０に沿って駆動する。
図４Ｂは、本発明による例示的な２軸作動器４０５を示す。２軸作動器４０５は、外部駆動モジュール１３０、中間駆動モジュール１３５、及び内部駆動モジュール１４０のいずれに用いてもよい。２軸作動器４０５は、可撓性チューブ（例として外部可撓性チューブ１１０を示す）に堅固に取り付けることが可能な案内ねじ棒４１０と、案内ねじ棒４１０にねじ係合するナット４１５と、平行移動歯車４２５を介してナット４１５に結合される直線平行移動モータ４３５とを含む。２軸作動器４０５は更に、スプロケット４３７を介して案内ねじ棒４１０に結合されるベルト駆動部４４０を含む。ベルト駆動部４４０は、回転歯車４４５を介して回転モータ４５０にも結合される。２軸作動器４０５はまた、制御コンピュータ１４５に直線平行移動位置と角度方向の信号をそれぞれ供給する平行移動及び回転エンコーダ（図示しない）を含むことができる。
【００２７】
２軸作動器４０５は次のように動作する。直線平行移動の場合、直線平行移動モータ４３５が、制御コンピュータ１４５から、特定の平行移動距離だけその可撓性チューブを平行移動させるようにとの命令を受ける。これに応答して、直線平行移動モータ４３５は平行移動歯車４２５を回転させ、この平行移動歯車４２５はナット４１５と係合する。続いてナット４１５が回転して案内ねじ棒４１０と係合し、可撓性チューブを平行移動させる。
回転の場合、回転モータ４５０が、制御コンピュータ１４５から、特定の回転角だけその可撓性チューブを回転させるようにとの命令を受ける。これに応答して、回転モータ４５０は回転歯車４４５を回転させ、この回転歯車４４５はベルト駆動部４４０と係合する。ベルト駆動部４４０はスプロケット４３７と係合し、次にスプロケット４３７が案内ねじ棒４１０を回転させる。このような案内ねじ棒４１０の回転が、ナット４１５の存在によって案内ねじ棒４１０を平行移動させることに留意されたい。従って、寄生的な平行移動を防止するために、直線平行移動モータ４３５はナット４１５を反対方向に回転させることによって補償を行う。従って、可撓性チューブの純粋な回転には、回転モータ４５０と直線平行移動モータ４３５との負時の調和が必要である。
【００２８】
図４Ｂに示すように、案内ねじ棒４１０は中空とすることができる。この場合、２軸作動器４０５が外部駆動モジュール１３０として用いられるならば、外部可撓性チューブ１１０は案内ねじ棒４１０に結合され、中間可撓性チューブ１１５及び内部可撓性チューブ１２０は、案内ねじ棒４１０の中空部分の内部で独立して平行移動及び回転を行うことができる。このようにして、外部可撓性チューブ１１０、中間可撓性チューブ１１５、及び内部可撓性チューブ１２０は、独立して平行移動及び回転を行うことができる。
【００２９】
図５は、１組の手動２軸作動器５０５ａ〜５０５ｃを示す。この実施形態では、手動２軸作動器５０５ａは、外部駆動モジュール１３０の代わりに外部可撓性チューブ１１０を駆動することができ、手動２軸作動器５０５ｂは、中間駆動モジュール１３５の代わりに中間可撓性チューブ１１５を駆動することができ、手動２軸作動器５０５ｃは、内部駆動モジュール１４０の代わりに内部可撓性チューブ１２０を駆動することができる。手動２軸作動器５０５ａ〜５０５ｃの各々は、平行移動及び回転エンコーダを有することができ、これらのエンコーダは制御コンピュータ１４５に直線平行移動位置及び角度方向の信号を供給する。
２軸作動器には様々な変形例が可能である。例えば、２軸作動器４０５は、それぞれ直線平行移動モータ４３５及び回転モータ４５０に優先して作動するノブのような手動制御器を含むことができる。更に、システム１００は、モータ駆動式作動器と手動作動式との組み合わせを含むことができる。更に、２軸作動器は例示的なものである。従って、ここに示す方法以外に、可撓性チューブの各々の直線平行移動及び回転を行う他の方法が可能である。当業者であれば、本発明の範囲内で多数のこのような変形が可能であることを容易に理解するであろう。
【００３０】
図６は、本発明に連関する能動的カニューレを制御するための例示的プロセス６００を示す。プロセス６００の全部又は一部は、メモリ１５２上に記憶されホストコンピュータ１５０及び／又は制御コンピュータ１４５及び／又は画像プロセッサ１６５上で実行されるソフトウェアによって行うことができる。プロセス６００は、２つのサブプロセス、即ち経路計画（ステップ６０５〜６２５）と経路計画の実行（ステップ６３０〜６５５）に分割することができる。
ステップ６０５において、医療用画像化システム１６０は患者の体１７０の内部の画像を取得する。医療用画像化システム１６０は、進入点１７５及び手術部位１８０を含む視野を有するように構成することができる。その画像化態様（例えば、ＭＲＩ、超音波等）により、医療用画像化システム１６０は、画像の各画素又は３Ｄ画素が画像座標フレームに登録されている患者の体の三次元画像を取得することができる。画像プロセッサ１６５は、画像、並びに画像登録情報を、画像化ネットワーク接続１４６ｂを介してホストコンピュータ１５０に供給することができる。
【００３１】
ステップ６１０では、医師が進入点１７５から手術部位１８０までの所望の経路を決定する。その際、医師は、能動的カニューレ１０２が通る経路を、経路の周りの誤境界と共に特定することができる。手術部位１８０の位置及び介入する組織又は器官の存在に応じて、経路は種々の誤境界を有する複雑な経路となり得る。
医師は、経路及びその誤境界を画定するためのユーザインタフェース１５５を用いることができる。その際、医師は、ステップ６０５において取得された登録画像内部の点にタグをつけるためにカーソルを用いることができる。ソフトウェアは、登録画像中のこれら選択された点の位置を特定し、これらの位置をメモリ１５２に記憶する。
【００３２】
ステップ６１５では、ソフトウェアは、ステップ６１０において選択された経路を達成する能動的カニューレ１０２の最終構成を計算する。その際、ソフトウェアは、外部可撓性チューブ１１０、中間可撓性チューブ１１５、及び内部可撓性チューブ１２０の各々の平行移動位置及び回転方向を決定することができ、これによって能動的カニューレ１０２が経路に適合される。
経路に適合した最終構成を計算するため、ソフトウェアは、重なり合い移行点Ｔ１〜Ｔ５によって画定される一組の領域に能動的カニューレ１０２を分割する。その際、ソフトウェアは、外部可撓性チューブ１１０及び中間可撓性チューブ１１５の各々について、平行移動位置と回転方向位置との最初の組を選択することができる。重なり合い移行点Ｔ１〜Ｔ５の位置は、３つの可撓性チューブの重なり合いに依存する。次いで、重なり合い移行点Ｔ１〜Ｔ５により画定された各領域について、ソフトウェアが、次の関係式により、その領域における瞬時的平衡曲線（ｘ及びｙ成分）を計算する。
ここで、ｎは可撓性チューブの数（本実施例ではｎ＝３）であり、κｉはその領域内でのｉ番目の可撓性チューブの瞬時的湾曲であり、Ｅｉは当該ｉ番目の可撓性チューブの材料の弾性係数（ヤング係数）であり、Ｉｉはｉ番目の可撓性チューブの横断面慣性モーメントであり、θｉは作動器の方向で最も近い重なり合い移行点Ｔにおけるｉ番目の可撓性チューブの角度方向であり、φは、組み合わされた可撓性チューブの個別の角度方向が既知である場合のこれら組み合わせの平衡角であり、φは当該領域の底部において決定される。言い換えれば、例えば、重なり合い移行点Ｔ３とＴ４によって画定された領域のφは、Ｔ３における平衡角に関係する。
【００３３】
これらの項のうち、κｉ、Ｅｉ、及びＩｉは既知である。残りの項は、（１）作動器と第１の移行点の間の直線区分における捩れエネルギーと、能動的カニューレ内に蓄積された曲げエネルギー（可撓性チューブの方位の関数として）とを計算することによって、及び（２）最小エネルギーを与える形状を解くことによって導かれる。その際、ソフトウェアは、外部可撓性チューブ１１０、中間可撓性チューブ１１５、及び内部可撓性チューブ１２０のそれぞれの直線区分２１０、２１５、及び２２０に蓄積された捩れエネルギーを計算し、且つ外部可撓性チューブ１１０、中間可撓性チューブ１１５、及び内部可撓性チューブ１２０のそれぞれの湾曲区分２１２、２１７、及び２２２に蓄積された曲げエネルギーを計算する。ソフトウェアは、次の関係式により組み合わされた蓄積エネルギーを計算することによってこれを行う。
ここで、αｉは、内部駆動モジュール１４０、中間駆動モジュール１３５、及び外部駆動モジュール１３０に入力される角度であり、θｉ，ｊはｊ番目の移行点Ｔｊにおけるｉ番目の可撓性チューブの角度であり、φ１，φ２，・・・φｍは、重なり合い移行点Ｔの間のｍ個の重なり合い領域の各々の平衡平面であり、ｑ＝（θ１，１，θ１，２，・・・θ１，ｎ，φ１，φ２，・・・φｍ）である。Ｅ（ｑ）の最小値を解くことで、移行点Ｔ１における回転方向θ１，１，θ１，２，・・・θ１，ｎ、及び移行点Ｔ間の各重なり領域の平衡平面φ１，φ２，・・・φｍが得られる。これらの値はまた、能動的カニューレ１０２の移行点Ｔ間の各重なり領域における湾曲を計算するために、上記等式のκｘ及びκｙに用いることができる。
図７は、可撓性チューブを制御するための運動フレームを示す。図示のように、φは重なり合い移行点Ｔｉにおける可撓性チューブ７１０の平衡角を示し、αは２軸作動器４０５の回転モータによって伝達される入力回転角を示す。
【００３４】
ステップ６１５では更に、ソフトウェアにより、外部可撓性チューブ１１０、中間可撓性チューブ１１５、及び内部可撓性チューブ１２０のチューブ目録から複数の異なるチューブを選択することができる。この場合、複数の各種可撓性チューブが利用可能であり、それらの特性（直線区分の長さ、湾曲区分の長さ、湾曲区分の曲率半径、可撓性等）をメモリ１５２に記憶することができる。従って、ソフトウェアは、毎回異なるチューブを用いて上記のステップ６１０において蒸気計算を反復することができる。このようにして、ソフトウェアが２つのこと、即ち、第１に、医師によって決定された経路を能動的カニューレ１０２によって複製可能か、第２に、どのようなチューブの組合せがそのような経路を達成するかを決定することができる。更に、上記の関係は、３つの可撓性チューブに限られない。従って、ソフトウェアは、医師によって決定された経路を達成するために、使用する可撓性チューブの数を含め、チューブの種々の組み合わせを選択することができる。当業者であれば、４以上の可撓性チューブについて上記の関係式を実施する方法が分かるであろう。
ステップ６２０では、ソフトウェアは、ステップ６１５において計算された最終構成を徐々に達成でき、医師によって決定された経路及び誤境界以外に位置することのない能動的カニューレ１０２の複数の構成を計算する。その際、ソフトウェアは、一連の中間構成を計算し、各中間構成を達成する一組の直線平行移動及び回転を計算することができる。ソフトウェアは、計算された各中間構成を次に計算される中間構成の初期構成としながら、上記ステップ６１５において行われた計算とほぼ同様の計算を反復的に行うことができる。
【００３５】
ステップ６２０では更に、各中間構成を連続的に達成するために、ソフトウェアは、外部駆動モジュール１３０、中間駆動モジュール１３５、及び内部駆動モジュール１４０の各々の、一連の回転モータ４５０への回転命令及び直線平行移動モータ４３５への直線平行移動命令を計算することができる。
ステップ６２５では、ソフトウェアは、ステップ６１５及びステップ６２０においてそれぞれ計算された能動的カニューレの最終及び中間構成を、医療用画像化システム１６０の座標フレームに登録する。その際、ソフトウェアは、ステップ６０５において取得された登録画像に、ステップ６１０において医師が経路を指定したものを取り出し、能動的カニューレ１０２の最終及び中間構成を登録することができる。この結果、１の中間構成につき１の曲線と最終構成の１の曲線とからなる一組の曲線が得られ、各組の湾曲は重なり合い移行点Ｔ１〜Ｔ５の間の能動的カニューレ１０２の領域に対応する。ソフトウェアはこれを、能動的カニューレの起点（画像スペースに登録されている）から開始して、進入点１７５を通り、手術部位１８０で（又は中間構成における能動的カニューレ１０２のエンドエフェクタ１２５において）で終結することによって行うことができる。ソフトウェアはこれらの湾曲の組をメモリ１５２に格納する。
【００３６】
これによりプロセス６００の例示的経路計画サブプロセスが完了する。このような経路計画のサブプロセスは、手術室において手術の直前に行われる。或いは、経路計画サブプロセスは術前に、手術室とは異なる設定において行ってもよい。後者の場合、経路計画サブプロセスと実行サブプロセスとの間に患者が動いてしまっているために、ステップ６０５において取得された画像は古いかもしれない。この場合、実行サブプロセスの準備段階として医療用画像化システム１６０により新たな登録画像を取得する必要があり、新たに取得された画像を、ステップ６２５において計算された能動的カニューレ１０２の登録された構成（湾曲）を有する以前の登録画像に加えて登録する必要がある。ロボット的経路計画に関する更なる情報について、Planning Algorithms, Steven M. La Valle, Cambridge University Press (2006), (ISBN-10:0521862051 | ISBN-13:9780521862059)を参照することができ、この文献の内容全体をここに引用文献として包含する。
【００３７】
実行サブプロセスの開始時点では、患者の手術の準備が整い、図１に示すように、患者の体１７０が医療用画像化システム１６０の視野内に置かれる。能動的カニューレ１０２を進入点１７５の近傍に配置し、外部駆動モジュール１３０、中間駆動モジュール１３５、及び内部駆動モジュール１４０を能動的カニューレ１０２に接続する。制御コンピュータ１４５をこれら３つの駆動モジュール１３０、１３５、及び１４０に接続し、制御ネットワーク接続１４６ａを介して制御コンピュータ１４５とホストコンピュータ１５０との通信を確立する。
実行サブプロセスの第１のステップであるステップ６３０において、医師は（ユーザインタフェース１５５を介して）ソフトウェアに対し、ステップ６２０（経路計画サブプロセス）で計算された第１の中間構成へ能動的カニューレ１０２を動かすように命令する。その際、ホストコンピュータ１５０及び／又は制御コンピュータ１４５上で実行されるソフトウェアは、ステップ６２０で計算された第１の中間構成を達成するように外部駆動モジュール１３０、中間駆動モジュール１３５、及び内部駆動モジュール１４０の各々の平行移動モータ４３５及び回転モータ４５０に対し、適切に命令する。
【００３８】
ステップ６３５では、医療用画像化システム１６０が、患者の体１７０内の能動的カニューレ１０２の画像を取得する。その際、画像プロセッサ１６５は、画像座標フレーム内で能動的カニューレ１０２をセグメント化して登録することができる。画像プロセッサ１６５は、既知の１以上のセグメント化アルゴリズムを利用することができる。画像プロセッサ１６５は、画像化ネットワーク接続１４６ｂを介してホストコンピュータ１５０に登録情報及び画像を送信することができる。ソフトウェアは、患者の体１７０の内部の能動的カニューレ１０２の登録情報及び画像を受信し、ユーザインタフェース１５５を介してこの情報及び画像を医師に提供することができる。
ステップ６４０では、ソフトウェアは、能動的カニューレ１０２の登録画像を、ステップ６２０で計算された中間構成と比較する。その際、ソフトウェアは、２つの画像を比較するための多数の画像処理アルゴリズムのうちの１以上を利用することができる。更に、ソフトウェアは、セグメント化されて登録された能動的カニューレ１０２の座標を、所与の中間構成の計算された座標と比較し、この比較に基づいて経路誤り又は微分変位を計算することができる。
【００３９】
ステップ６４５において、ソフトウェアは、セグメント化されて登録された能動的カニューレ１０２と所与の中間構成の間に不一致があるかどうかを決定する。不一致がない場合、プロセス６００は「いいえ」の分岐を通ってステップ６４５からステップ６５５に進む。
ステップ６５５では、ソフトウェアは、所与の中間構成がステップ６１５において計算された最終構成であるかどうかを決定する。そうである場合、プロセス６００はステップ６５５から「はい」の分岐を通って進み、終了する。最終構成でない場合、プロセス６００はステップ６５５の「いいえ」の分岐を通って進み、次の中間構成（又は最終構成）についてステップ６３０〜６４５を繰り返す。
【００４０】
ステップ６４５において、セグメント化されて登録された能動的カニューレ１０２と所与の中間構成の間に不一致がある場合、プロセス６００はステップ６４５から「はい」の分岐を通ってステップ６５０に進む。
ステップ６５０では、ソフトウェアにより、ステップ６３０において能動的カニューレ１０２が患者の体１７０を通して押し込まれた際に能動的カニューレ１０２に加わる力及びトルクを計算する。ソフトウェアは、次の関係式によってこの力及びトルクを計算することができる。
ここで、ｆｘ，ｙ，ｚは２つの重なり合い移行点Ｔｉ及びＴｉ＋１の間の所与の領域において組織媒体によって能動的カニューレ１０２上に伝達される力の成分であり、τｘ，ｙ，ｚは、同じ領域において組織媒体によって能動的カニューレ１０２上に伝達されるトルクであり、ｄｉｓｐｘ，ｙ，ｚは、ステップ６４０において計算された能動的カニューレ１０２の微分変位の平行移動成分であり、ｒｏｔｘ，ｙ，ｚは、ステップ６４０において計算された能動的カニューレ１０２の微分変位の回転成分であり、Ｋはコンプライアンス行列である。この行列は、２つの重なり合い移行点ＴｉとＴｉ＋１の間の所与の領域の能動的カニューレ１０２の力とトルクのコンプライアンスに対応する６Ｘ６行列である。
【００４１】
コンプライアンス行列Ｋは、能動的カニューレ１０２を、既知の抵抗特性を有する１以上の擬似環境において平行移動及び回転させる較正過程において予め決定することができる。加えて、コンプライアンス行列Ｋが既知であれば、能動的カニューレ１０２は力センサとして使用できる。この場合、医師は、エンドエフェクタ１２５が対象の組織領域に接触するように能動的カニューレの経路を（例示的プロセス６００の全部又は一部を用いて）計画することができる。エンドエフェクタ１２５が対象の組織領域に接触した後では、ステップ６５０において計算された値ｆｘ，ｙ，ｚ及びτｘ，ｙ，ｚは、それぞれ対象の組織領域によってエンドエフェクタ１２５上に伝達される力及びトルクに対応する。従って、能動的カニューレ１０２は力センサとして用いることができる。
【００４２】
図８は、ひずみが可撓性チューブの側長にどのように関係するかを示す。この可撓性チューブは、外部可撓性チューブ１１０、中間可撓性チューブ１１５、及び内部可撓性チューブ１２０のいずれでもよい。ステップ６１５及びステップ６２０で最終及び中間構成を計算する際に、ソフトウェアは、可撓性チューブに塑性変形を生じさせない範囲の限界となる最大湾曲度又は最小半径を決定することができる。塑性変形とは、材料がもはや本来の形状に復帰しなくなる形状記憶材料の曲げ度合いを指す。これは、可撓性チューブの許容湾曲の限度に対応する。ソフトウェアは、次の関係式により最大湾曲度を計算することができる。
ここで、ｄは可撓性チューブの直径であり、εは可撓性チューブの材料の、復元可能な最大ひずみである。ニチノールのεは、０．０８〜０．１である。上記の関係式から推測できるように、可撓性チューブが細いほど最大湾曲度は大きく（又は最小曲率半径が小さく）なる。従って、ステップ６１０で医師により決定された経路によっては、チューブは細い方が望ましい。ソフトウェアは、ステップ６１０において決定された経路に応じて医師が可撓性チューブの好ましい太さを選択するのを援助する。
能動的カニューレ１０２、システム１００、及びプロセス６００の変形例が可能であり、且つ本発明の範囲に含まれる。例えば、能動的カニューレ１０２内の可撓性チューブの一部又は全部は、ほぼ同じ度合いの可撓性を有してもよく、又は異なる度合いの可撓性を有してもよい。可撓性チューブのすべてが同様の可撓性を有する場合、能動的カニューレ１０２の動きは機敏となり、複雑な経路内を容易に導くことができる。別の構成では、外部可撓性チューブ１１０を中間可撓性チューブ１１５より堅くし、中間可撓性チューブ１１５を内部可撓性チューブ１２０より堅くすることができる。この場合、能動的カニューレ１０２の機敏さは前記実施例（全ての可撓性チューブが同じ可撓性を有する）より低下する。しかしながら、後者の場合、能動的カニューレ１０２の経路は計算し易く、例えば図５に示した手動２軸作動器５０５を用いることにより、手動操作能が向上する。
【００４３】
別の変形例では、任意の可撓性チューブの内部形状及び／又は外部形状を非円形とすることができる。可撓性チューブの横断面をこのように変形させることで、曲げ角度の関数として異なる可撓性が得られる。更に、可撓性チューブの形状を長さに沿って変えることができ、よって異なる形状を有する各領域は異なる横断面形状を有する。
能動的カニューレ１０２内の任意の可撓性チューブは、１の湾曲区分のみ又は１の直線区分のみを有してもよい。更に、任意の可撓性チューブは、各々が異なる湾曲度合い（湾曲のない場合を含む）を備える複数のセグメントを有することができる。これにより、能動的カニューレ１０２は更に複雑な形状を取ることが可能になる。例えば、任意の可撓性チューブは、一連の３次元湾曲と直線領域とを有することができる。また、任意の可撓性チューブは、らせん形状、楕円形状、放物線形状、３次元での可変湾曲等の複雑な形状を持つセグメントを有することができる。これらの場合のいずれにおいても、特定の可撓性チューブの曲率半径の変化を表わす複数の移行点（内部チューブ移行点２２１、中間チューブ移行点２１６、及び外部チューブ移行点２１１等）を画定することができる。従って、ステップ６１５及びステップ６２０におけるカニューレの最終及び中間構成の計算の一部において、重なり合い領域を画定するために、湾曲の個別の段階をセグメント化することができる。
【００４４】
別の変更例では、１以上の可撓性チューブの剛性を、可撓性チューブが曲げられる方向に沿って可変に設計することができる。例えば、１以上の可撓性チューブは、可撓性チューブの内部又は外部表面上に切り込み又は溝を有することができる。
別の変更例では、１以上の可撓性チューブは基準となる指標を有することができ、これらの基準はチューブ材料に埋め込むことができ、医療用画像化システム１６０に可視となるように設計することができる。例えば、医療用画像化システム１６０が光学カメラである場合、埋め込まれる基準は、色付きの縞、又は明色と暗色の縞の形態を取ることができる。更に、医療用画像化システムがＣアーム透視装置である場合、埋め込まれる基準は、チューブ材料に植え込まれたワイヤ構造を含むことができる。当業者であれば、多数のこのような変形が可能であり且つ本発明の範囲に含まれることを理解するであろう。
【００４５】
上記の可撓性チューブのいずれかにニチノールが用いられる場合、システム１００は１以上の加熱エレメントを含むことができ、これらの加熱エレメントは、可撓性チューブ１１０、１１５、及び１２０のうちの１以上に沿って配置することができる。この変形例によれば、所与の可撓性チューブの形状を変化させるために熱を加えることが可能である。当業者であれば、能動的カニューレ１０２及びシステム１００内に加熱エレメントを組み込む方法、及びこのような変形が本発明に含まれることを理解するであろう。
上述の肺及び咽頭の手術に加えて、本発明は、能動的カニューレ１０２及びシステム１００により付与される器用さが有利となる他の手術法にも使用できる。このような手術法には高周波切除が含まれる。高周波切除においては、手術部位に電極が置かれ、電極の周囲の組織を加熱するために、無痛高周波エネルギーが伝達される。この手術法は、肝臓、腎臓、及び肺の腫瘍の治療の一部として細胞を殺すために用いられる。能動的カニューレ１０２及びシステム１００は、電極を配置するのに用いることができる。
【００４６】
別の可能な外科的用途には、網膜の後側での外科的処置が含まれる。１のこのような外科的処置には、失明の主な原因の１つである凝血を治療するための網膜のカニューレ挿入が含まれる。
別の可能な外科的適用途には経胃手術が含まれ、この場合、口から術具を胃に挿入し、胃から腹腔に出す。能動的カニューレ１０２の、器用さ、並びに自由空間及び組織内を導き易い性質は、経胃手術を可能にすることができる。
【００４７】
別の変形例では、システム１００は第２の能動的カニューレ１０２を有することができ、これには制御コンピュータ１４５に接続された第２の組の内部、中間、及び外部駆動モジュールが含まれる。この変形例では、これら２つの能動的カニューレを並行ロボットとして用いることができ（「スチュアートプラットフォーム」は並行ロボットの種類の一例であるが、多数の変形例が当分野で既知である）、この場合、２つの能動的カニューレの内部可撓性チューブの先端が単一のエンドエフェクタ１２５に結合される。これにより、システムが、エンドエフェクタの位置及び方位を制御すること、並びに位置及び方位の固さを制御することが可能になる。２つの能動的カニューレを有するシステム１００の変形例の別の適用例では、これら２つの能動的カニューレを患者の体１７０の内部に配置して、柔組織を手術部位から離して保持し、手術部位を露出させるための反応器として用いることができる。
上記の説明は本発明の外科的用途に関するが、当業者であれば、自由空間を伴う複雑な経路を通してデバイスを導く必要がある他の用途に使用できることを理解するであろう。他の用途には、製造及び微細組立、遠隔構造検査、兵器の信管除去、崩壊した構造物内部での捜索及び救出等が含まれる。
【００４８】
当業者には、本発明の精神又は範囲から離脱することなく、本発明に種々の改変及び変形が可能であることは明らかである。従って、請求の範囲及び本発明の均等物に含まれる限り、本発明はそれらの改変及び変形を含む。
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００５年１１月１５日出願の米国仮特許出願第６０／７３６７８９号（発明の表題「ACTIVE CANNULAS FOR BIO-SENSING AND SURGICAL INTERVENTION」）及び２００６年１０月６日出願の同第６０／８４９７８８号（発明の表題「METHOD FOR CONTROLLING SNAKE-LIKE ROBOTS FOR SURGICAL APPLICATIONS」）の優先権を主張し、これらの出願の内容全体を全ての目的のために本出願に参照文献として包含する。
【０００２】
本発明の分野
本発明は概して、侵襲が最小となるような手術を行うための外科用カニューレ及びバイオセンサに関する。具体的には、本発明は、外科用器具、注入可能物、診断デバイス、及び／又はバイオセンサを複雑な軌跡を通して導くためのデバイスと方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
関連技術の説明
近年の、侵襲を最小にする外科技術（ＭＩＳ）は、一般に伝統的な切開手術に起因する大規模な外傷を生じない外科的処置を可能にすることにより医学を革新した。ＭＩＳ技術は、従来の切開手術技術では到達不可能だった解剖学的構造領域に医師がアクセスして処置を行うことを可能にした。更にＭＩＳ技術は、手術に伴う外傷を大きく減少させ、これにより手術に関連する合併症を減らし、術後の回復を促進させた。実現性のあるＭＩＳの代替技術無しで、人体（特に、頭部及び頸部）内部の閉じ込められたスペースにおける手術を行うには、単に手術部位への術具のアクセスを可能にするのに、健康な骨、皮膚、及び筋肉構造の大規模な切開と破壊的な解体が必要である。
関連技術によるＭＩＳツールは剛性の腹腔鏡デバイスを含み、このデバイスは、手術で器用な動きをするために体の内部及び外部の両方に大きな開放スペースを要する。開放スペースに対するこの要件は概して、多くの種類の手術において腹腔鏡デバイスの使用を妨げる。関連技術による他のＭＩＳツールは可撓性の形状記憶合金デバイスを含み、この場合デバイスの形状は、デバイスが患者の体内で案内される際に形状記憶合金に熱を加えることにより変更が可能である。このようなデバイスの１つの問題は、周囲の組織に意図せずに熱を加えてしまうことである。別の問題は、形状記憶合金の熱時定数が、加えた適切な熱が放散するのにかなりの時間（数秒に亘る）を要することである。これらの熱時定数によって生じる遅れはこのようなＭＩＳデバイスの使用を制限する。
【０００４】
関連技術による他のＭＩＳツールは、一般に５〜１０ｍｍの直径を有する真っ直ぐで剛性のツールを備えた遠隔操作手術ロボットを含み、このようなロボットはワイヤ作動式又はプッシュロッド作動式の手関節を有する。このような関連技術による手術ロボットの問題は、このようなロボットが人体への進入点での転回に限定され、いったん体内に入ると湾曲した軌跡を通ったり、障害物を迂回したりする操作の器用さを持たないことである。人体の進入点に転回が限定されることより、このような手術ロボットは概して、子宮内での胎児の手術のような複雑な手術手順に適さない。胎児の手術の場合には、少なくとも２つの転回点、即ち母親の皮膚における転回点と、子宮の壁部における転回点が必要である。
頭部及び頸部に関する外科的処置は、ＭＩＳ技術の出現をもってしても特に難題である。例えば、頭蓋底における病変の処置では、一般に、鼻を通してＭＩＳデバイスを内視鏡的に挿入する。関連技術によるＭＩＳデバイスは、洞内の小さな開口部を迂回して又は通って曲がる器用さに欠けるので、頭蓋底を含む種々の手術部位にＭＩＳデバイスを到達させるために、鼻甲介のような多くの健康な組織及び骨構造を除去しなければならない。鼻甲介に関し、その通常の機能は、空気を浄化すること及び嗅覚を助けることである。手術部位へのアクセスのために除去されてしまうと、その機能が回復するような方法で鼻甲介を再構築することはできない。関連技術による直線的ＭＩＳデバイスを用いて到達できない手術部位の例を二つ挙げると、頚動脈の後の区域（眼底の近く）及び前頭洞で、これらの区域は鼻柱の直ぐ後に位置する骨を迂回して到達する操作を要する。
【０００５】
関連技術によるＭＩＳデバイスでは器用さを欠く他の手術方法の例は、肺の手術と喉の手術である。肺手術に関しては、関連技術による気管支鏡は概して肺の内部の約三分の一にしか到達できない。現今、それよりも深い肺内部において生検組織を取る方法又は直接癌を治療する方法で危険の低い方法はない。関連技術による肺生検及び治療の更なる方法は針の挿入で、これは肺収縮を含む合併症のリスクを生じさせる。喉の手術に関しては、喉の内部深くに位置する病変は、大規模な切開なしには極めて到達困難である。大規模な切開は一般に縫合可能に行われる。喉自体が縫合の道筋であり、大規模な切開の必要性が軽減される。しかし、関連技術によるＭＩＳデバイスは、一般に１１ｍｍの直径を有する喉頭鏡を通って長距離を移動する器用さに欠ける。
従って、必要とされるのは、他の手法では到達不可能な手術部位に到達するために、解剖学的身体部分を迂回して操作できる器用さを有する手術具である。更に、必要とされるのは、組織媒体だけでなく、洞、喉、及び肺のような空洞内の自由空間を通して動かすことが可能な手術デバイスである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、関連技術の限界に起因する上記問題の一以上を回避する、バイオセンシング及び外科的処置のための能動的カニューレを提供する。
【０００７】
従って、本発明の１つの利点は、一般に到達不可能な身体内部の領域への医師による到達領域を広げることである。
本発明の別の利点は、対象となる組織領域への到達過程で組織が受ける付帯的外傷を低減することである。
【０００８】
本発明の更に別の利点は、本発明が新規の治療方法を可能にすることである。
本発明の更に別の利点は、治療及び診断のための針の解剖学的特徴の到達能を増大させることである。
【０００９】
本発明の更に別の利点は、自由空間及び組織媒体の両方において外科用器具の操作性を向上させることである。
本発明の更に別の利点は、外科用カニューレの小型化が進むことである。
【００１０】
本発明の更に別の利点は、敏感な組織の存在下で外科用器具を導く際の安全性を向上させることができることである。
上記以外の本発明の利点は以下の説明で開示され、その一部は説明から明らかになるか、又は本発明の実施により教示される。本発明の利点は、添付図面だけでなく、本明細書及び特許請求の範囲において指摘される構造によって実現され、取得される。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
これらの及びその他の利点を達成するために、本発明は外科用カニューレに関する。この外科用カニューレは、第１の予め形成された湾曲を有する第１の可撓性チューブと、第２の予め形成された湾曲を有する第２の可撓性チューブであって、第１の可撓性チューブの内部に配置される第２のチューブと、第１の可撓性チューブに結合された第１の作動器であって、第１の可撓性チューブの平行移動及び回転を制御する第１の作動器と、第２の可撓性チューブに結合された第２の作動器であって、第１の可撓性チューブの平行移動及び回転から独立して第２の可撓性チューブの回転及び平行移動を制御する第２の作動器とを備える。
【００１２】
本発明の別の態様においては、上記及びその他の利点は、外科用カニューレを導くためのソフトウェアを用いて符号化されたコンピュータで読取り可能な媒体によって達成される。このソフトウェアは、所望のカニューレ経路を受け取るプログラムと、所望のカニューレ経路にほぼ合致する複数の重なり合う可撓性チューブの構成を計算するプログラムと、所望のカニューレ経路に対応する複数の中間的構成を計算するプログラムと、複数の中間的構成に従って複数の作動器に命令するプログラムとを備える。
【００１３】
本発明の別の態様においては、上記及びその他の利点は、複数の重なり合う可撓性チューブを有する外科用カニューレを導く方法によって達成される。本方法は、所望の針の経路を決定するステップと、各々が予め形成された湾曲と可撓性とを有する複数の可撓性チューブを選択するステップと、結果として得られる重なり合い構成の湾曲が、所望の針経路にほぼ対応するように、複数の可撓性チューブの最終的重なり合い構成を決定するステップと、各々が所望の針経路に対応する、複数の可撓性チューブの複数の中間的重なり合い構成を決定するステップとを含む。
【００１４】
上記の概要説明及び以下の詳細説明は共に、例示及び説明を目的とするものであり、請求の範囲に規定される本発明を更に説明することを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本開示内容に含まれて本開示内容の一部を構成する、本発明を更に説明するための添付図面は、本発明の実施形態を図示し、明細書と共に本発明の原理を説明する。
【図１】本発明による能動的カニューレ及びその制御システムを示す。
【図２】Ａ〜Ｃは、能動的カニューレの、それぞれ例示的外部チューブ、例示的中間チューブ及び例示的内部チューブを示し、Ｄは、Ａ〜Ｃに示す３つのチューブを含む例示的能動的カニューレを示す。
【図３】各チューブの自由度を含め、図２Ｂの能動的カニューレを更に示す。
【図４】Ａは、本発明による１組の２軸作動器を示し、Ｂは、２軸作動器の例示的機構を示す。
【図５】１組の手動作動器を示す。
【図６】能動的カニューレの制御の例示的方法を示す。
【図７】チューブを制御するための運動学的機構を示す。
【図８】ひずみとチューブの側長及び湾曲との関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図示された実施形態の詳細な説明
本発明は、中に外科針を配置することができる能動的カニューレ（外科用カニューレとも称する）に関する。能動的カニューレは、蛇状外科用ロボットとも称される。能動的カニューレは、複数の同心の可撓性中空チューブを有し、各チューブは所定の可撓性と予め形成された湾曲とを有する。能動的カニューレの先端部は、可撓性チューブの各々を選択的に平行移動及び回転させることにより前進する。能動的カニューレは、各可撓性チューブの可撓性、予め形成された湾曲、角度方向、及び平行移動位置に応じて、自由空間（例えば、洞の通路又は気管支の気道内で）及び／又は異なる抵抗を有する組織内における能動的カニューレの操作を可能にする計画された複雑形状を取るように操作することができる。能動的カニューレの形状は組織媒体の抵抗による影響も受ける。この場合、組織媒体の抵抗を利用して、能動的カニューレを導くことができる。能動的カニューレは、可撓性チューブが平行移動及び回転の間に互いに対してスライドする際に可撓性チューブの各々に蓄積される弾性エネルギーによって連続的に作動することができる。
更に、同心の可撓性チューブの相互作用力を介して「内部で押し合うこと」により、自由空間内又は組織媒体内を通って導かれながら、能動的カニューレは複雑な形状を取ることができる。これは、手術針を、軟組織又は動脈壁のような解剖学的形状で有り得る組織媒体に押し付けることにより導く関連技術の方法と対照的である。
【００１７】
図１は、本発明に従って能動的カニューレを制御するための例示的システム１００を示す。システム１００は、外部可撓性チューブ１１０、中間可撓性チューブ１１５、及び内部可撓性チューブ１２０を有する能動的カニューレ１０２を含む。内部可撓性チューブ１２０は、端部にエンドエフェクタ１２５を有する。システム１００は更に、内部可撓性チューブ１２０に結合された内部駆動モジュール１４０、中間可撓性チューブ１１５に結合された中間駆動モジュール１３５、及び外部可撓性チューブ１１０に結合された外部駆動モジュール１３０を有する。内部駆動モジュール１４０、中間駆動モジュール１３５、及び外部駆動モジュール１３０は、制御コンピュータ１４５に接続される。
制御コンピュータ１４５は、制御ネットワーク接続１４６ａを介してホストコンピュータ１５０に接続される。ホストコンピュータ１５０と制御コンピュータ１４５とが同じ場所に配置されている場合、制御ネットワーク接続１４６ａはローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）である。別の構成として、ホストコンピュータ１５０と制御コンピュータ１４５は大きく距離を隔てて配置することができ、その場合制御ネットワーク接続１４６ａはインターネットを含むことができる。
【００１８】
ホストコンピュータ１５０はメモリ１５２を有し、メモリ１５２は、本発明に連関するプロセスを実行するソフトウェア（以下、「本ソフトウェア」）により符号化されている。ホストコンピュータ１５０はユーザインタフェース１５５に接続される。ホストコンピュータ１５０は単一のコンピュータとすることができるか、又はインターネットを含むネットワークを介して接続された複数のコンピュータとすることができる。メモリ１５２は、ハードドライブのような単一の記憶デバイスを有することも、又は複数のコンピュータに分散された多数のメモリデバイス及びデータベースを有することもできる。当業者であれば、ホストコンピュータ１５０、メモリ１５２、及びユーザインタフェース１５５には多くのこのようなアーキテクチャが可能であり且つ本発明の範囲に含まれることを容易に理解するであろう。
システム１００は更に、医療用画像化システム１６０を含むことができ、この医療用画像化システム１６０は画像プロセッサ１６５を有する。画像プロセッサ１６５は、画像化ネットワーク接続１４６ｂを介してホストコンピュータ１５０に接続することができ、画像化ネットワーク接続１４６ｂは、制御ネットワーク接続１４６ａと同じ種類のネットワーク接続とすることができる。
【００１９】
図１は、患者の体１７０の内部に配置された能動的カニューレ１０２を示す。患者の体１７０及び能動的カニューレ１０２は共に、医療用画像化システム１６０の視野内にある。患者の体１７０は、能動的カニューレ１０２が患者に入る個所である進入点１７５と、外科的処置又は診断が行われる、対象となる患者内部の標的部位である手術部位１８０とを含む。
医療用画像化システム１６０は、蛍光透視、ＭＲＩ、超音波等の、１以上の医療用画像化態様を含むことができる。医療用画像化システム１６０の特定の画像化態様は、能動的カニューレ１０２に用いられる材料と、能動的カニューレ１０２を用いる患者の体１７０の性質とに応じて決定することができる。医療用画像化システム１６０は、ホストコンピュータ１５０上で動くソフトウェアによる能動的カニューレ１０２の画像に基づくフィードバック制御を可能にするのに十分な適時性及び十分なフレーム率を有する３次元画像を提供する種類のものとすることができる。
【００２０】
図２Ａ〜図２Ｄは、能動的カニューレ１０２と、それを構成する可撓性チューブとを示す。図２Ａは、例示的外部可撓性チューブ１１０を示す。外部可撓性チューブ１１０は、外部チューブ直線区分２１０、外部チューブ湾曲区分２１２、及び外部チューブ直線区分２１０と外部チューブ湾曲区分２１２との境界を画定する外部チューブ移行点２１１を有することができる。外部可撓性チューブ１１０は、中間可撓性チューブ１１５と内部可撓性チューブ１２０が外部可撓性チューブ１１０の内部表面内で独立して摺動することを可能にするのに十分な広さの内径を有することができる。外部可撓性チューブ１１０の厚さは、チューブに所望の可撓性の関数とすることができる。これについては後述で更に説明する。従って、外部可撓性チューブ１１０の厚さは、指定の可撓性をもたらすように調整することができる。外部可撓性チューブ１１０の、図示された円形の湾曲は例示的なものであり、チューブの材料、厚さ、及び能動的カニューレ１０２の使用目的に応じて、異なる湾曲形状が可能である。
外部可撓性チューブ１１０は、ニチノール等の形状記憶合金を用いて作製できるが、外科的使用に適し、例えば材料特性によって、又はチューブ壁の厚さを指定することによって予め定めることの可能な可撓性を有するものであれば、他の材料を使用することもできる。
【００２１】
図２Ｂは、例示的な中間可撓性チューブ１１５を示す。中間可撓性チューブ１１５は、中間チューブ直線区分２１５、中間チューブ湾曲区分２１７、及び中間チューブ直線区分２１５と中間チューブ湾曲区分２１７との境界を画定する中間チューブ移行点２１６を有することができる。中間可撓性チューブ１１５は、内部可撓性チューブ１２０が中間可撓性チューブ１１５の内部表面内で独立して摺動することを可能にするのに十分な広さの内径を有することができる。中間可撓性チューブ１１５の厚さは、チューブに所望の可撓性の関数とすることができる。これについては後述で更に説明する。従って、中間可撓性チューブ１１５の厚さは、指定の可撓性をもたらすように調整することができる。中間可撓性チューブ１１５の、図示された湾曲は例示的なものであり、チューブの材料、厚さ、及び能動的カニューレ１０２の使用目的に応じて、異なる湾曲が可能である。
外部可撓性チューブ１１０の場合と同様に、中間可撓性チューブ１１５は、ニチノール等の形状記憶合金を用いて作製できるが、外科的使用に適し、例えばチューブに特定の厚さを指定することによって予め定めることの可能な可撓性を有するものであれば、他の材料を試用することもできる。更に、中間可撓性チューブ１１５には、能動的カニューレ１０２に意図された形状、厚さ、及び全体的可撓性に応じて、外部可撓性チューブ１１０と同じ材料を用いても用いなくてもよい。
【００２２】
図２Ｃは、例示的な内部可撓性チューブ１２０を示す。内部可撓性チューブ１２０は、内部チューブ直線区分２２０、内部チューブ湾曲区分２２２、及び内部チューブ直線区分２２０と内部チューブ湾曲区分２２２との境界を画定する内部チューブ移行点２２１を有することができる。内部可撓性チューブ１２０は、流体等を通すためのカニューレとして機能するのに十分な広さの内径を有することができる。更に、この内径は、ワイヤ、針、弾性のプッシュロッド、又は光ファイバケーブルのようなケーブルがエンドエフェクタ１２５まで運ばれるのを可能にするのに十分に大きくすることができる。内部可撓性チューブ１２０の厚さは、チューブに所望の可撓性の関数とすることができる。これについては後述で更に説明する。従って、内部可撓性チューブ１２０の厚さは、指定の可撓性をもたらすように調整することができる。内部可撓性チューブ１２０の、図示された湾曲は例示的なものであり、チューブの材料、厚さ、能動的カニューレ１０２の使用目的に応じて異なる湾曲が可能である。
外部可撓性チューブ１１０の場合と同様に、内部可撓性チューブ１２０は、ニチノール等の形状記憶合金を用いて作製できるが、外科的使用に適し、例えばチューブに特定の厚さを指定することによって予め定めることの可能な可撓性を有するものであれば、他の材料を用いることもできる。更に、内部可撓性チューブ１２０には、外部可撓性チューブ１１０及び中間可撓性チューブ１１５と同じ材料を用いても用いなくてもよい。
【００２３】
エンドエフェクタ１２５は、目的の外科的処置に適した多くのデバイスの１つとすることができる。例えば、エンドエフェクタ１２５は、熱的切除プローブ、光ファイバカメラ、放射性シード注入用先端、生検用の針等とすることができる。更に、エンドエフェクタ１２５は、外部での分析のための組織又は流体試料を採取するために用いることができる。また更に、エンドエフェクタ１２５は、関心部位内で用いられるバイオセンサとすることができる。このようなバイオセンサには、定位位置決め装置（例えば、磁気トラッカー）、分子センサ、電気的インピーダンスセンサ、無接触型機械的インピーダンスセンサ、光学的発光センサ等が含まれる。当業者であれば、エンドエフェクタ１２５は多数の形態及び多数の異なる機能を有することができ、それらは全て本発明の範囲内に含まれることが分かるであろう。
図２Ｄは、図２Ａ〜図２Ｃに示される各チューブを含む能動的カニューレ１０２を示す。内部可撓性チューブ１２０は中間可撓性チューブ１１５内に挿入されており、内部可撓性チューブ１２０と中間可撓性チューブ１１５との組合せは外部可撓性チューブ１１０内に挿入されている。
【００２４】
図３は、内部可撓性チューブ１２０、中間可撓性チューブ１１５、及び外部可撓性チューブ１１０を含む能動的カニューレ１０２を示す。図示のように、各可撓性チューブは２つの自由度、即ち軸方向に沿った回転軸まわりの自由度と、直線平行移動軸に沿う自由度とを有する。例えば、外部可撓性チューブ１１０は、外部回転自由度３０５及び外部平行移動自由度３１０を有する。外部回転自由度３０５及び外部平行移動自由度３１０は、他のチューブとは無関係に外部可撓性チューブ１１０に適用される。中間可撓性チューブ１１５は、中間回転自由度３１５及び中間平行移動自由度３２０を有し、これらの自由度は共に、他のチューブとは無関係に中間可撓性チューブ１１５に適用される。内部可撓性チューブ１２０は、内部回転自由度３２５及び内部平行移動自由度３３０を有し、これらの自由度は共に、他のチューブとは無関係に内部可撓性チューブ１２０に適用される。
図３に示すように、能動的カニューレ１０２は複数の重なり合い移行点Ｔ１〜Ｔ５を有する。各重なり合い移行点Ｔ１〜Ｔ５は、外部可撓性チューブ１１０、中間可撓性チューブ１１５、及び内部可撓性チューブ１２０（又はこれら３つのチューブのいずれかの部分集合）の各々がほぼ一定の湾曲度を有するか又は湾曲を欠如する領域の境界を画定する。例えば、重なり合い移行点Ｔ１とＴ２の間の領域は、外部チューブ湾曲区分２１２と、中間チューブ直線区分２１５と、内部チューブ直線区分２２０とを含む。重なり合い移行点Ｔ２は、中間チューブ移行点２１６と一致する。従って、重なり合い移行点Ｔ２とＴ３の間の領域は、外部チューブ湾曲区分２１２と、中間チューブ湾曲区分２１７と、内部チューブ直線区分２２０とを含む。
【００２５】
重なり合い移行点Ｔ１〜Ｔ５のうちの少なくとも１つによって画定された各領域は、外部可撓性チューブ１１０、中間可撓性チューブ１１５、及び内部可撓性チューブ１２０の各々の湾曲及び可撓性並びに周囲の組織媒体の抵抗の関数である湾曲を有する。中間可撓性チューブ１１５及び内部可撓性チューブ１２０のみを有する領域があることに留意されたい。この場合、その領域の湾曲は、領域内のそれら２つのチューブの湾曲の関数である。最も単純な場合には、移行点Ｔ５からエンドエフェクタ１２５までの領域の湾曲は、内部可撓性チューブ１２０の湾曲及び周囲の組織媒体の抵抗の関数である。
【００２６】
図４Ａは、本発明による１組の２軸作動器を示す。これらの２軸作動器は、外部可撓性チューブ１１０に結合された外部駆動モジュール１３０、中間可撓性チューブ１１５に結合された中間駆動モジュール１３５、及び内部可撓性チューブ１２０に結合された内部駆動モジュール１４０を含む。これらの駆動モジュールの各々は、それぞれの可撓性チューブを独立して駆動する。例えば、外部駆動モジュール１３０は、外部可撓性チューブ１１０を、外部回転自由度３０５のまわりで、且つ外部平行移動自由度３１０に沿って駆動する。中間駆動モジュール１３５は、中間可撓性チューブ１１５を、中間回転自由度３１５のまわりで、且つ中間平行移動自由度３２０に沿って駆動する。内部駆動モジュール１４０は、内部可撓性チューブ１２０を、内部回転自由度３２５のまわりで、且つ内部平行移動自由度３３０に沿って駆動する。
図４Ｂは、本発明による例示的な２軸作動器４０５を示す。２軸作動器４０５は、外部駆動モジュール１３０、中間駆動モジュール１３５、及び内部駆動モジュール１４０のいずれに用いてもよい。２軸作動器４０５は、可撓性チューブ（例として外部可撓性チューブ１１０を示す）に堅固に取り付けることが可能な案内ねじ棒４１０と、案内ねじ棒４１０にねじ係合するナット４１５と、平行移動歯車４２５を介してナット４１５に結合される直線平行移動モータ４３５とを含む。２軸作動器４０５は更に、スプロケット４３７を介して案内ねじ棒４１０に結合されるベルト駆動部４４０を含む。ベルト駆動部４４０は、回転歯車４４５を介して回転モータ４５０にも結合される。２軸作動器４０５はまた、制御コンピュータ１４５に直線平行移動位置と角度方向の信号をそれぞれ供給する平行移動及び回転エンコーダ（図示しない）を含むことができる。
【００２７】
２軸作動器４０５は次のように動作する。直線平行移動の場合、直線平行移動モータ４３５が、制御コンピュータ１４５から、特定の平行移動距離だけその可撓性チューブを平行移動させるようにとの命令を受ける。これに応答して、直線平行移動モータ４３５は平行移動歯車４２５を回転させ、この平行移動歯車４２５はナット４１５と係合する。続いてナット４１５が回転して案内ねじ棒４１０と係合し、可撓性チューブを平行移動させる。
回転の場合、回転モータ４５０が、制御コンピュータ１４５から、特定の回転角だけその可撓性チューブを回転させるようにとの命令を受ける。これに応答して、回転モータ４５０は回転歯車４４５を回転させ、この回転歯車４４５はベルト駆動部４４０と係合する。ベルト駆動部４４０はスプロケット４３７と係合し、次にスプロケット４３７が案内ねじ棒４１０を回転させる。このような案内ねじ棒４１０の回転が、ナット４１５の存在によって案内ねじ棒４１０を平行移動させることに留意されたい。従って、寄生的な平行移動を防止するために、直線平行移動モータ４３５はナット４１５を反対方向に回転させることによって補償を行う。従って、可撓性チューブの純粋な回転には、回転モータ４５０と直線平行移動モータ４３５との負時の調和が必要である。
【００２８】
図４Ｂに示すように、案内ねじ棒４１０は中空とすることができる。この場合、２軸作動器４０５が外部駆動モジュール１３０として用いられるならば、外部可撓性チューブ１１０は案内ねじ棒４１０に結合され、中間可撓性チューブ１１５及び内部可撓性チューブ１２０は、案内ねじ棒４１０の中空部分の内部で独立して平行移動及び回転を行うことができる。このようにして、外部可撓性チューブ１１０、中間可撓性チューブ１１５、及び内部可撓性チューブ１２０は、独立して平行移動及び回転を行うことができる。
【００２９】
図５は、１組の手動２軸作動器５０５ａ〜５０５ｃを示す。この実施形態では、手動２軸作動器５０５ａは、外部駆動モジュール１３０の代わりに外部可撓性チューブ１１０を駆動することができ、手動２軸作動器５０５ｂは、中間駆動モジュール１３５の代わりに中間可撓性チューブ１１５を駆動することができ、手動２軸作動器５０５ｃは、内部駆動モジュール１４０の代わりに内部可撓性チューブ１２０を駆動することができる。手動２軸作動器５０５ａ〜５０５ｃの各々は、平行移動及び回転エンコーダを有することができ、これらのエンコーダは制御コンピュータ１４５に直線平行移動位置及び角度方向の信号を供給する。
２軸作動器には様々な変形例が可能である。例えば、２軸作動器４０５は、それぞれ直線平行移動モータ４３５及び回転モータ４５０に優先して作動するノブのような手動制御器を含むことができる。更に、システム１００は、モータ駆動式作動器と手動作動式との組み合わせを含むことができる。更に、２軸作動器は例示的なものである。従って、ここに示す方法以外に、可撓性チューブの各々の直線平行移動及び回転を行う他の方法が可能である。当業者であれば、本発明の範囲内で多数のこのような変形が可能であることを容易に理解するであろう。
【００３０】
図６は、本発明に連関する能動的カニューレを制御するための例示的プロセス６００を示す。プロセス６００の全部又は一部は、メモリ１５２上に記憶されホストコンピュータ１５０及び／又は制御コンピュータ１４５及び／又は画像プロセッサ１６５上で実行されるソフトウェアによって行うことができる。プロセス６００は、２つのサブプロセス、即ち経路計画（ステップ６０５〜６２５）と経路計画の実行（ステップ６３０〜６５５）に分割することができる。
ステップ６０５において、医療用画像化システム１６０は患者の体１７０の内部の画像を取得する。医療用画像化システム１６０は、進入点１７５及び手術部位１８０を含む視野を有するように構成することができる。その画像化態様（例えば、ＭＲＩ、超音波等）により、医療用画像化システム１６０は、画像の各画素又は３Ｄ画素が画像座標フレームに登録されている患者の体の三次元画像を取得することができる。画像プロセッサ１６５は、画像、並びに画像登録情報を、画像化ネットワーク接続１４６ｂを介してホストコンピュータ１５０に供給することができる。
【００３１】
ステップ６１０では、医師が進入点１７５から手術部位１８０までの所望の経路を決定する。その際、医師は、能動的カニューレ１０２が通る経路を、経路の周りの誤境界と共に特定することができる。手術部位１８０の位置及び介入する組織又は器官の存在に応じて、経路は種々の誤境界を有する複雑な経路となり得る。
医師は、経路及びその誤境界を画定するためのユーザインタフェース１５５を用いることができる。その際、医師は、ステップ６０５において取得された登録画像内部の点にタグをつけるためにカーソルを用いることができる。ソフトウェアは、登録画像中のこれら選択された点の位置を特定し、これらの位置をメモリ１５２に記憶する。
【００３２】
ステップ６１５では、ソフトウェアは、ステップ６１０において選択された経路を達成する能動的カニューレ１０２の最終構成を計算する。その際、ソフトウェアは、外部可撓性チューブ１１０、中間可撓性チューブ１１５、及び内部可撓性チューブ１２０の各々の平行移動位置及び回転方向を決定することができ、これによって能動的カニューレ１０２が経路に適合される。
経路に適合した最終構成を計算するため、ソフトウェアは、重なり合い移行点Ｔ１〜Ｔ５によって画定される一組の領域に能動的カニューレ１０２を分割する。その際、ソフトウェアは、外部可撓性チューブ１１０及び中間可撓性チューブ１１５の各々について、平行移動位置と回転方向位置との最初の組を選択することができる。重なり合い移行点Ｔ１〜Ｔ５の位置は、３つの可撓性チューブの重なり合いに依存する。次いで、重なり合い移行点Ｔ１〜Ｔ５により画定された各領域について、ソフトウェアが、次の関係式により、その領域における瞬時的平衡曲線（ｘ及びｙ成分）を計算する。
ここで、ｎは可撓性チューブの数（本実施例ではｎ＝３）であり、κｉはその領域内でのｉ番目の可撓性チューブの瞬時的湾曲であり、Ｅｉは当該ｉ番目の可撓性チューブの材料の弾性係数（ヤング係数）であり、Ｉｉはｉ番目の可撓性チューブの横断面慣性モーメントであり、θｉは作動器の方向で最も近い重なり合い移行点Ｔにおけるｉ番目の可撓性チューブの角度方向であり、φは、組み合わされた可撓性チューブの個別の角度方向が既知である場合のこれら組み合わせの平衡角であり、φは当該領域の底部において決定される。言い換えれば、例えば、重なり合い移行点Ｔ３とＴ４によって画定された領域のφは、Ｔ３における平衡角に関係する。
【００３３】
これらの項のうち、κｉ、Ｅｉ、及びＩｉは既知である。残りの項は、（１）作動器と第１の移行点の間の直線区分における捩れエネルギーと、能動的カニューレ内に蓄積された曲げエネルギー（可撓性チューブの方位の関数として）とを計算することによって、及び（２）最小エネルギーを与える形状を解くことによって導かれる。その際、ソフトウェアは、外部可撓性チューブ１１０、中間可撓性チューブ１１５、及び内部可撓性チューブ１２０のそれぞれの直線区分２１０、２１５、及び２２０に蓄積された捩れエネルギーを計算し、且つ外部可撓性チューブ１１０、中間可撓性チューブ１１５、及び内部可撓性チューブ１２０のそれぞれの湾曲区分２１２、２１７、及び２２２に蓄積された曲げエネルギーを計算する。ソフトウェアは、次の関係式により組み合わされた蓄積エネルギーを計算することによってこれを行う。
ここで、αｉは、内部駆動モジュール１４０、中間駆動モジュール１３５、及び外部駆動モジュール１３０に入力される角度であり、θｉ，ｊはｊ番目の移行点Ｔｊにおけるｉ番目の可撓性チューブの角度であり、φ１，φ２，・・・φｍは、重なり合い移行点Ｔの間のｍ個の重なり合い領域の各々の平衡平面であり、ｑ＝（θ１，１，θ１，２，・・・θ１，ｎ，φ１，φ２，・・・φｍ）である。Ｅ（ｑ）の最小値を解くことで、移行点Ｔ１における回転方向θ１，１，θ１，２，・・・θ１，ｎ、及び移行点Ｔ間の各重なり領域の平衡平面φ１，φ２，・・・φｍが得られる。これらの値はまた、能動的カニューレ１０２の移行点Ｔ間の各重なり領域における湾曲を計算するために、上記等式のκｘ及びκｙに用いることができる。
図７は、可撓性チューブを制御するための運動フレームを示す。図示のように、φは重なり合い移行点Ｔｉにおける可撓性チューブ７１０の平衡角を示し、αは２軸作動器４０５の回転モータによって伝達される入力回転角を示す。
【００３４】
ステップ６１５では更に、ソフトウェアにより、外部可撓性チューブ１１０、中間可撓性チューブ１１５、及び内部可撓性チューブ１２０のチューブ目録から複数の異なるチューブを選択することができる。この場合、複数の各種可撓性チューブが利用可能であり、それらの特性（直線区分の長さ、湾曲区分の長さ、湾曲区分の曲率半径、可撓性等）をメモリ１５２に記憶することができる。従って、ソフトウェアは、毎回異なるチューブを用いて上記のステップ６１０において蒸気計算を反復することができる。このようにして、ソフトウェアが２つのこと、即ち、第１に、医師によって決定された経路を能動的カニューレ１０２によって複製可能か、第２に、どのようなチューブの組合せがそのような経路を達成するかを決定することができる。更に、上記の関係は、３つの可撓性チューブに限られない。従って、ソフトウェアは、医師によって決定された経路を達成するために、使用する可撓性チューブの数を含め、チューブの種々の組み合わせを選択することができる。当業者であれば、４以上の可撓性チューブについて上記の関係式を実施する方法が分かるであろう。
ステップ６２０では、ソフトウェアは、ステップ６１５において計算された最終構成を徐々に達成でき、医師によって決定された経路及び誤境界以外に位置することのない能動的カニューレ１０２の複数の構成を計算する。その際、ソフトウェアは、一連の中間構成を計算し、各中間構成を達成する一組の直線平行移動及び回転を計算することができる。ソフトウェアは、計算された各中間構成を次に計算される中間構成の初期構成としながら、上記ステップ６１５において行われた計算とほぼ同様の計算を反復的に行うことができる。
【００３５】
ステップ６２０では更に、各中間構成を連続的に達成するために、ソフトウェアは、外部駆動モジュール１３０、中間駆動モジュール１３５、及び内部駆動モジュール１４０の各々の、一連の回転モータ４５０への回転命令及び直線平行移動モータ４３５への直線平行移動命令を計算することができる。
ステップ６２５では、ソフトウェアは、ステップ６１５及びステップ６２０においてそれぞれ計算された能動的カニューレの最終及び中間構成を、医療用画像化システム１６０の座標フレームに登録する。その際、ソフトウェアは、ステップ６０５において取得された登録画像に、ステップ６１０において医師が経路を指定したものを取り出し、能動的カニューレ１０２の最終及び中間構成を登録することができる。この結果、１の中間構成につき１の曲線と最終構成の１の曲線とからなる一組の曲線が得られ、各組の湾曲は重なり合い移行点Ｔ１〜Ｔ５の間の能動的カニューレ１０２の領域に対応する。ソフトウェアはこれを、能動的カニューレの起点（画像スペースに登録されている）から開始して、進入点１７５を通り、手術部位１８０で（又は中間構成における能動的カニューレ１０２のエンドエフェクタ１２５において）で終結することによって行うことができる。ソフトウェアはこれらの湾曲の組をメモリ１５２に格納する。
【００３６】
これによりプロセス６００の例示的経路計画サブプロセスが完了する。このような経路計画のサブプロセスは、手術室において手術の直前に行われる。或いは、経路計画サブプロセスは術前に、手術室とは異なる設定において行ってもよい。後者の場合、経路計画サブプロセスと実行サブプロセスとの間に患者が動いてしまっているために、ステップ６０５において取得された画像は古いかもしれない。この場合、実行サブプロセスの準備段階として医療用画像化システム１６０により新たな登録画像を取得する必要があり、新たに取得された画像を、ステップ６２５において計算された能動的カニューレ１０２の登録された構成（湾曲）を有する以前の登録画像に加えて登録する必要がある。ロボット的経路計画に関する更なる情報について、Planning Algorithms, Steven M. La Valle, Cambridge University Press (2006), (ISBN-10:0521862051 | ISBN-13:9780521862059)を参照することができ、この文献の内容全体をここに引用文献として包含する。
【００３７】
実行サブプロセスの開始時点では、患者の手術の準備が整い、図１に示すように、患者の体１７０が医療用画像化システム１６０の視野内に置かれる。能動的カニューレ１０２を進入点１７５の近傍に配置し、外部駆動モジュール１３０、中間駆動モジュール１３５、及び内部駆動モジュール１４０を能動的カニューレ１０２に接続する。制御コンピュータ１４５をこれら３つの駆動モジュール１３０、１３５、及び１４０に接続し、制御ネットワーク接続１４６ａを介して制御コンピュータ１４５とホストコンピュータ１５０との通信を確立する。
実行サブプロセスの第１のステップであるステップ６３０において、医師は（ユーザインタフェース１５５を介して）ソフトウェアに対し、ステップ６２０（経路計画サブプロセス）で計算された第１の中間構成へ能動的カニューレ１０２を動かすように命令する。その際、ホストコンピュータ１５０及び／又は制御コンピュータ１４５上で実行されるソフトウェアは、ステップ６２０で計算された第１の中間構成を達成するように外部駆動モジュール１３０、中間駆動モジュール１３５、及び内部駆動モジュール１４０の各々の平行移動モータ４３５及び回転モータ４５０に対し、適切に命令する。
【００３８】
ステップ６３５では、医療用画像化システム１６０が、患者の体１７０内の能動的カニューレ１０２の画像を取得する。その際、画像プロセッサ１６５は、画像座標フレーム内で能動的カニューレ１０２をセグメント化して登録することができる。画像プロセッサ１６５は、既知の１以上のセグメント化アルゴリズムを利用することができる。画像プロセッサ１６５は、画像化ネットワーク接続１４６ｂを介してホストコンピュータ１５０に登録情報及び画像を送信することができる。ソフトウェアは、患者の体１７０の内部の能動的カニューレ１０２の登録情報及び画像を受信し、ユーザインタフェース１５５を介してこの情報及び画像を医師に提供することができる。
ステップ６４０では、ソフトウェアは、能動的カニューレ１０２の登録画像を、ステップ６２０で計算された中間構成と比較する。その際、ソフトウェアは、２つの画像を比較するための多数の画像処理アルゴリズムのうちの１以上を利用することができる。更に、ソフトウェアは、セグメント化されて登録された能動的カニューレ１０２の座標を、所与の中間構成の計算された座標と比較し、この比較に基づいて経路誤り又は微分変位を計算することができる。
【００３９】
ステップ６４５において、ソフトウェアは、セグメント化されて登録された能動的カニューレ１０２と所与の中間構成の間に不一致があるかどうかを決定する。不一致がない場合、プロセス６００は「いいえ」の分岐を通ってステップ６４５からステップ６５５に進む。
ステップ６５５では、ソフトウェアは、所与の中間構成がステップ６１５において計算された最終構成であるかどうかを決定する。そうである場合、プロセス６００はステップ６５５から「はい」の分岐を通って進み、終了する。最終構成でない場合、プロセス６００はステップ６５５の「いいえ」の分岐を通って進み、次の中間構成（又は最終構成）についてステップ６３０〜６４５を繰り返す。
【００４０】
ステップ６４５において、セグメント化されて登録された能動的カニューレ１０２と所与の中間構成の間に不一致がある場合、プロセス６００はステップ６４５から「はい」の分岐を通ってステップ６５０に進む。
ステップ６５０では、ソフトウェアにより、ステップ６３０において能動的カニューレ１０２が患者の体１７０を通して押し込まれた際に能動的カニューレ１０２に加わる力及びトルクを計算する。ソフトウェアは、次の関係式によってこの力及びトルクを計算することができる。
ここで、ｆｘ，ｙ，ｚは２つの重なり合い移行点Ｔｉ及びＴｉ＋１の間の所与の領域において組織媒体によって能動的カニューレ１０２上に伝達される力の成分であり、τｘ，ｙ，ｚは、同じ領域において組織媒体によって能動的カニューレ１０２上に伝達されるトルクであり、ｄｉｓｐｘ，ｙ，ｚは、ステップ６４０において計算された能動的カニューレ１０２の微分変位の平行移動成分であり、ｒｏｔｘ，ｙ，ｚは、ステップ６４０において計算された能動的カニューレ１０２の微分変位の回転成分であり、Ｋはコンプライアンス行列である。この行列は、２つの重なり合い移行点ＴｉとＴｉ＋１の間の所与の領域の能動的カニューレ１０２の力とトルクのコンプライアンスに対応する６Ｘ６行列である。
【００４１】
コンプライアンス行列Ｋは、能動的カニューレ１０２を、既知の抵抗特性を有する１以上の擬似環境において平行移動及び回転させる較正過程において予め決定することができる。加えて、コンプライアンス行列Ｋが既知であれば、能動的カニューレ１０２は力センサとして使用できる。この場合、医師は、エンドエフェクタ１２５が対象の組織領域に接触するように能動的カニューレの経路を（例示的プロセス６００の全部又は一部を用いて）計画することができる。エンドエフェクタ１２５が対象の組織領域に接触した後では、ステップ６５０において計算された値ｆｘ，ｙ，ｚ及びτｘ，ｙ，ｚは、それぞれ対象の組織領域によってエンドエフェクタ１２５上に伝達される力及びトルクに対応する。従って、能動的カニューレ１０２は力センサとして用いることができる。
【００４２】
図８は、ひずみが可撓性チューブの側長にどのように関係するかを示す。この可撓性チューブは、外部可撓性チューブ１１０、中間可撓性チューブ１１５、及び内部可撓性チューブ１２０のいずれでもよい。ステップ６１５及びステップ６２０で最終及び中間構成を計算する際に、ソフトウェアは、可撓性チューブに塑性変形を生じさせない範囲の限界となる最大湾曲度又は最小半径を決定することができる。塑性変形とは、材料がもはや本来の形状に復帰しなくなる形状記憶材料の曲げ度合いを指す。これは、可撓性チューブの許容湾曲の限度に対応する。ソフトウェアは、次の関係式により最大湾曲度を計算することができる。
ここで、ｄは可撓性チューブの直径であり、εは可撓性チューブの材料の、復元可能な最大ひずみである。ニチノールのεは、０．０８〜０．１である。上記の関係式から推測できるように、可撓性チューブが細いほど最大湾曲度は大きく（又は最小曲率半径が小さく）なる。従って、ステップ６１０で医師により決定された経路によっては、チューブは細い方が望ましい。ソフトウェアは、ステップ６１０において決定された経路に応じて医師が可撓性チューブの好ましい太さを選択するのを援助する。
能動的カニューレ１０２、システム１００、及びプロセス６００の変形例が可能であり、且つ本発明の範囲に含まれる。例えば、能動的カニューレ１０２内の可撓性チューブの一部又は全部は、ほぼ同じ度合いの可撓性を有してもよく、又は異なる度合いの可撓性を有してもよい。可撓性チューブのすべてが同様の可撓性を有する場合、能動的カニューレ１０２の動きは機敏となり、複雑な経路内を容易に導くことができる。別の構成では、外部可撓性チューブ１１０を中間可撓性チューブ１１５より堅くし、中間可撓性チューブ１１５を内部可撓性チューブ１２０より堅くすることができる。この場合、能動的カニューレ１０２の機敏さは前記実施例（全ての可撓性チューブが同じ可撓性を有する）より低下する。しかしながら、後者の場合、能動的カニューレ１０２の経路は計算し易く、例えば図５に示した手動２軸作動器５０５を用いることにより、手動操作能が向上する。
【００４３】
別の変形例では、任意の可撓性チューブの内部形状及び／又は外部形状を非円形とすることができる。可撓性チューブの横断面をこのように変形させることで、曲げ角度の関数として異なる可撓性が得られる。更に、可撓性チューブの形状を長さに沿って変えることができ、よって異なる形状を有する各領域は異なる横断面形状を有する。
能動的カニューレ１０２内の任意の可撓性チューブは、１の湾曲区分のみ又は１の直線区分のみを有してもよい。更に、任意の可撓性チューブは、各々が異なる湾曲度合い（湾曲のない場合を含む）を備える複数のセグメントを有することができる。これにより、能動的カニューレ１０２は更に複雑な形状を取ることが可能になる。例えば、任意の可撓性チューブは、一連の３次元湾曲と直線領域とを有することができる。また、任意の可撓性チューブは、らせん形状、楕円形状、放物線形状、３次元での可変湾曲等の複雑な形状を持つセグメントを有することができる。これらの場合のいずれにおいても、特定の可撓性チューブの曲率半径の変化を表わす複数の移行点（内部チューブ移行点２２１、中間チューブ移行点２１６、及び外部チューブ移行点２１１等）を画定することができる。従って、ステップ６１５及びステップ６２０におけるカニューレの最終及び中間構成の計算の一部において、重なり合い領域を画定するために、湾曲の個別の段階をセグメント化することができる。
【００４４】
別の変更例では、１以上の可撓性チューブの剛性を、可撓性チューブが曲げられる方向に沿って可変に設計することができる。例えば、１以上の可撓性チューブは、可撓性チューブの内部又は外部表面上に切り込み又は溝を有することができる。
別の変更例では、１以上の可撓性チューブは基準となる指標を有することができ、これらの基準はチューブ材料に埋め込むことができ、医療用画像化システム１６０に可視となるように設計することができる。例えば、医療用画像化システム１６０が光学カメラである場合、埋め込まれる基準は、色付きの縞、又は明色と暗色の縞の形態を取ることができる。更に、医療用画像化システムがＣアーム透視装置である場合、埋め込まれる基準は、チューブ材料に植え込まれたワイヤ構造を含むことができる。当業者であれば、多数のこのような変形が可能であり且つ本発明の範囲に含まれることを理解するであろう。
【００４５】
上記の可撓性チューブのいずれかにニチノールが用いられる場合、システム１００は１以上の加熱エレメントを含むことができ、これらの加熱エレメントは、可撓性チューブ１１０、１１５、及び１２０のうちの１以上に沿って配置することができる。この変形例によれば、所与の可撓性チューブの形状を変化させるために熱を加えることが可能である。当業者であれば、能動的カニューレ１０２及びシステム１００内に加熱エレメントを組み込む方法、及びこのような変形が本発明に含まれることを理解するであろう。
上述の肺及び咽頭の手術に加えて、本発明は、能動的カニューレ１０２及びシステム１００により付与される器用さが有利となる他の手術法にも使用できる。このような手術法には高周波切除が含まれる。高周波切除においては、手術部位に電極が置かれ、電極の周囲の組織を加熱するために、無痛高周波エネルギーが伝達される。この手術法は、肝臓、腎臓、及び肺の腫瘍の治療の一部として細胞を殺すために用いられる。能動的カニューレ１０２及びシステム１００は、電極を配置するのに用いることができる。
【００４６】
別の可能な外科的用途には、網膜の後側での外科的処置が含まれる。１のこのような外科的処置には、失明の主な原因の１つである凝血を治療するための網膜のカニューレ挿入が含まれる。
別の可能な外科的適用途には経胃手術が含まれ、この場合、口から術具を胃に挿入し、胃から腹腔に出す。能動的カニューレ１０２の、器用さ、並びに自由空間及び組織内を導き易い性質は、経胃手術を可能にすることができる。
【００４７】
別の変形例では、システム１００は第２の能動的カニューレ１０２を有することができ、これには制御コンピュータ１４５に接続された第２の組の内部、中間、及び外部駆動モジュールが含まれる。この変形例では、これら２つの能動的カニューレを並行ロボットとして用いることができ（「スチュアートプラットフォーム」は並行ロボットの種類の一例であるが、多数の変形例が当分野で既知である）、この場合、２つの能動的カニューレの内部可撓性チューブの先端が単一のエンドエフェクタ１２５に結合される。これにより、システムが、エンドエフェクタの位置及び方位を制御すること、並びに位置及び方位の固さを制御することが可能になる。２つの能動的カニューレを有するシステム１００の変形例の別の適用例では、これら２つの能動的カニューレを患者の体１７０の内部に配置して、柔組織を手術部位から離して保持し、手術部位を露出させるための反応器として用いることができる。
上記の説明は本発明の外科的用途に関するが、当業者であれば、自由空間を伴う複雑な経路を通してデバイスを導く必要がある他の用途に使用できることを理解するであろう。他の用途には、製造及び微細組立、遠隔構造検査、兵器の信管除去、崩壊した構造物内部での捜索及び救出等が含まれる。
【００４８】
当業者には、本発明の精神又は範囲から離脱することなく、本発明に種々の改変及び変形が可能であることは明らかである。従って、請求の範囲及び本発明の均等物に含まれる限り、本発明はそれらの改変及び変形を含む。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の予め形成された湾曲を有する第１の可撓性チューブ、
第２の予め形成された湾曲を有する第２の可撓性チューブであって、第１の可撓性チューブの内部に配置される第２の可撓性チューブ、
第１の可撓性チューブに結合された第１の作動器であって、第１の可撓性チューブの平行移動及び回転を制御する第１の作動器、及び
第２の可撓性チューブに結合された第２の作動器であって、第２の可撓性チューブの回転及び平行移動を、第１の可撓性チューブの平行移動及び回転とは関係なく制御する第２の作動器
を備える外科用カニューレ。
【請求項２】
第１の可撓性チューブが第２の可撓性チューブよりも堅い、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項３】
第１の可撓性チューブが第１の剛性を有し、第２の可撓性チューブが第２の剛性を有し、第１の剛性と第２の剛性がほぼ等しい、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項４】
第１の可撓性チューブがニチノールを含む、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項５】
第１の可撓性チューブが直線部分を有する、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項６】
第１の可撓性チューブが複雑な形状を有する領域を含む、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項７】
第１の可撓性チューブが、それぞれ厚さの異なる複数の領域を含む、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項８】
第２の可撓性チューブがニチノールを含む、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項９】
第２の可撓性チューブが直線部分を有する、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項１０】
第２の可撓性チューブが複雑な形状を有する領域を含む、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項１１】
第２の可撓性チューブが、それぞれ厚さの異なる複数の領域を含む、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項１２】
更に、第１の作動器と第２の作動器とに接続されたコンピュータを含み、このコンピュータが、第１の可撓性チューブの直線部分の位置、第１の可撓性チューブの角度方向、第１の予め形成された湾曲、第２の可撓性チューブの直線部分の位置、第２の可撓性チューブの角度方向、第２の予め形成された湾曲、及び第１の可撓性チューブと第２の可撓性チューブの重なり合いに基づいて外科用カニューレの形状を決定するプログラムにより符号化された、コンピュータで読取り可能な媒体を備える、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項１３】
第３の予め形成された湾曲を有する第３の可撓性チューブであって、第２の可撓性チューブの内部に配置される第３の可撓性チューブ、及び
第３の可撓性チューブに結合された第３の作動器
を更に備える、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項１４】
更に、第１の作動器、第２の作動器、及び第３の作動器に接続されたコンピュータを備え、このコンピュータが、第１の可撓性チューブの直線部分の位置、第１の可撓性チューブの角度方向、第１の予め形成された湾曲、第２の可撓性チューブの直線部分の位置、第２の可撓性チューブの角度方向、第２の予め形成された湾曲、第３の可撓性チューブの直線部分の位置、第３の可撓性チューブの角度方向、第３の予め形成された湾曲、第１の可撓性チューブと第２の可撓性チューブと第３の可撓性チューブとの重なり合いに基づいて外科用カニューレの形状を決定するプログラムにより符号化された、コンピュータで読取り可能な媒体を備える、請求項１３に記載の外科用カニューレ。
【請求項１５】
外科用カニューレを導くためのソフトウェアにより符号化されたコンピュータで読取り可能な媒体であって、当該ソフトウェアが、
所望のカニューレ経路を受け取るプログラム、
所望のカニューレ経路にほぼ合致する複数の重なり合う可撓性チューブの構成を計算するプログラム、
所望のカニューレ経路に対応する複数の中間的構成を計算するプログラム、及び
複数の中間的構成に従って複数の作動器に命令するプログラム
を含む、コンピュータで読取り可能な媒体。
【請求項１６】
ソフトウェアが更に、
カニューレの画像を取得するプログラム、
画像内のカニューレの位置を登録するプログラム、及び
カニューレの位置を所望のカニューレ経路と比較するプログラム
を含む、請求項１５に記載のコンピュータで読み取り可能な媒体。
【請求項１７】
ソフトウェアが更に、カニューレに加わる力及びトルクを計算するプログラムを含む、請求項１６に記載のコンピュータで読取り可能な媒体。
【請求項１８】
複数の重なり合う可撓性チューブの構成を計算するプログラムが、
複数の重なり合う領域を特定するプログラム、及び
重なり合う領域の各々の内部の、複数の重なり合う可撓性チューブの各々の予め形成された湾曲と、重なり合う可撓性チューブの各々の可撓性とに基づいて、複数の重なり合う領域の各々の湾曲を計算するプログラム
を含む、請求項１５に記載のコンピュータで読取り可能な媒体。
【請求項１９】
複数の重なり合う可撓性チューブを有する外科用カニューレを導く方法であって、
所望のカニューレ経路を決定するステップ、
各々が予め定め形成された湾曲と可撓性とを有する、複数の可撓性チューブを選択するステップ、
結果として得られる重なり合い構成の湾曲が所望のカニューレ経路にほぼ対応するように、複数の可撓性チューブの最終的な重なり合い構成を決定するステップ、及び
各々が所望のカニューレ経路に対応する、複数の可撓性チューブの複数の中間的重なり合い構成を決定するステップ
を含む方法。
【請求項２０】
最終的な重なり合い構成を決定するステップが、複数の重なり合う可撓性チューブの各々の平行移動及び回転を決定するステップを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
複数の中間的重なり合い構成の各々に従って、複数の可撓性チューブの各々を平行移動及び回転させるステップを更に含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
最終的な重なり合い構成を決定するステップが、
複数の重なり合う可撓性チューブの各々に対応する平行移動及び回転の最初の組を選択するステップ、
平行移動及び回転の最初の組に対応する複数の重なり合う領域を特定するステップ、及び
複数の重なり合う領域の各々に対応する瞬間的湾曲を計算するステップ
を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
複数の重なり合う領域の各々に対応する瞬間的湾曲を計算するステップが、
外科用カニューレの直線区分に対応する捩れエネルギーを計算するステップ、
外科用カニューレに対応する曲げエネルギーを計算するステップ、及び
最小の捩れエネルギーと最小の曲げエネルギーとに対応する外科用カニューレの形状を求めるステップ
を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項１】
第１の予め形成された湾曲を有する第１の可撓性チューブ、
第２の予め形成された湾曲を有する第２の可撓性チューブであって、第１の可撓性チューブの内部に配置される第２の可撓性チューブ、
第１の可撓性チューブに結合された第１の作動器であって、第１の可撓性チューブの平行移動及び回転を制御する第１の作動器、及び
第２の可撓性チューブに結合された第２の作動器であって、第２の可撓性チューブの回転及び平行移動を、第１の可撓性チューブの平行移動及び回転とは関係なく制御する第２の作動器
を備える外科用カニューレ。
【請求項２】
第１の可撓性チューブが第２の可撓性チューブよりも堅い、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項３】
第１の可撓性チューブが第１の剛性を有し、第２の可撓性チューブが第２の剛性を有し、第１の剛性と第２の剛性がほぼ等しい、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項４】
第１の可撓性チューブがニチノールを含む、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項５】
第１の可撓性チューブが直線部分を有する、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項６】
第１の可撓性チューブが複雑な形状を有する領域を含む、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項７】
第１の可撓性チューブが、それぞれ厚さの異なる複数の領域を含む、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項８】
第２の可撓性チューブがニチノールを含む、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項９】
第２の可撓性チューブが直線部分を有する、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項１０】
第２の可撓性チューブが複雑な形状を有する領域を含む、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項１１】
第２の可撓性チューブが、それぞれ厚さの異なる複数の領域を含む、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項１２】
更に、第１の作動器と第２の作動器とに接続されたコンピュータを含み、このコンピュータが、第１の可撓性チューブの直線部分の位置、第１の可撓性チューブの角度方向、第１の予め形成された湾曲、第２の可撓性チューブの直線部分の位置、第２の可撓性チューブの角度方向、第２の予め形成された湾曲、及び第１の可撓性チューブと第２の可撓性チューブの重なり合いに基づいて外科用カニューレの形状を決定するプログラムにより符号化された、コンピュータで読取り可能な媒体を備える、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項１３】
第３の予め形成された湾曲を有する第３の可撓性チューブであって、第２の可撓性チューブの内部に配置される第３の可撓性チューブ、及び
第３の可撓性チューブに結合された第３の作動器
を更に備える、請求項１に記載の外科用カニューレ。
【請求項１４】
更に、第１の作動器、第２の作動器、及び第３の作動器に接続されたコンピュータを備え、このコンピュータが、第１の可撓性チューブの直線部分の位置、第１の可撓性チューブの角度方向、第１の予め形成された湾曲、第２の可撓性チューブの直線部分の位置、第２の可撓性チューブの角度方向、第２の予め形成された湾曲、第３の可撓性チューブの直線部分の位置、第３の可撓性チューブの角度方向、第３の予め形成された湾曲、第１の可撓性チューブと第２の可撓性チューブと第３の可撓性チューブとの重なり合いに基づいて外科用カニューレの形状を決定するプログラムにより符号化された、コンピュータで読取り可能な媒体を備える、請求項１３に記載の外科用カニューレ。
【請求項１５】
外科用カニューレを導くためのソフトウェアにより符号化されたコンピュータで読取り可能な媒体であって、当該ソフトウェアが、
所望のカニューレ経路を受け取るプログラム、
所望のカニューレ経路にほぼ合致する複数の重なり合う可撓性チューブの構成を計算するプログラム、
所望のカニューレ経路に対応する複数の中間的構成を計算するプログラム、及び
複数の中間的構成に従って複数の作動器に命令するプログラム
を含む、コンピュータで読取り可能な媒体。
【請求項１６】
ソフトウェアが更に、
カニューレの画像を取得するプログラム、
画像内のカニューレの位置を登録するプログラム、及び
カニューレの位置を所望のカニューレ経路と比較するプログラム
を含む、請求項１５に記載のコンピュータで読み取り可能な媒体。
【請求項１７】
ソフトウェアが更に、カニューレに加わる力及びトルクを計算するプログラムを含む、請求項１６に記載のコンピュータで読取り可能な媒体。
【請求項１８】
複数の重なり合う可撓性チューブの構成を計算するプログラムが、
複数の重なり合う領域を特定するプログラム、及び
重なり合う領域の各々の内部の、複数の重なり合う可撓性チューブの各々の予め形成された湾曲と、重なり合う可撓性チューブの各々の可撓性とに基づいて、複数の重なり合う領域の各々の湾曲を計算するプログラム
を含む、請求項１５に記載のコンピュータで読取り可能な媒体。
【請求項１９】
複数の重なり合う可撓性チューブを有する外科用カニューレを導く方法であって、
所望のカニューレ経路を決定するステップ、
各々が予め定め形成された湾曲と可撓性とを有する、複数の可撓性チューブを選択するステップ、
結果として得られる重なり合い構成の湾曲が所望のカニューレ経路にほぼ対応するように、複数の可撓性チューブの最終的な重なり合い構成を決定するステップ、及び
各々が所望のカニューレ経路に対応する、複数の可撓性チューブの複数の中間的重なり合い構成を決定するステップ
を含む方法。
【請求項２０】
最終的な重なり合い構成を決定するステップが、複数の重なり合う可撓性チューブの各々の平行移動及び回転を決定するステップを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
複数の中間的重なり合い構成の各々に従って、複数の可撓性チューブの各々を平行移動及び回転させるステップを更に含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
最終的な重なり合い構成を決定するステップが、
複数の重なり合う可撓性チューブの各々に対応する平行移動及び回転の最初の組を選択するステップ、
平行移動及び回転の最初の組に対応する複数の重なり合う領域を特定するステップ、及び
複数の重なり合う領域の各々に対応する瞬間的湾曲を計算するステップ
を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
複数の重なり合う領域の各々に対応する瞬間的湾曲を計算するステップが、
外科用カニューレの直線区分に対応する捩れエネルギーを計算するステップ、
外科用カニューレに対応する曲げエネルギーを計算するステップ、及び
最小の捩れエネルギーと最小の曲げエネルギーとに対応する外科用カニューレの形状を求めるステップ
を含む、請求項２２に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２２８５２３（Ｐ２０１２−２２８５２３Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−１３９０８８（Ｐ２０１２−１３９０８８）
【出願日】平成２４年６月２０日（２０１２．６．２０）
【分割の表示】特願２００８−５４１３１９（Ｐ２００８−５４１３１９）の分割
【原出願日】平成１８年１１月１５日（２００６．１１．１５）
【出願人】（３９８０７６２２７）ザ・ジョンズ・ホプキンス・ユニバーシティー (35)
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１３９０８８（Ｐ２０１２−１３９０８８）
【出願日】平成２４年６月２０日（２０１２．６．２０）
【分割の表示】特願２００８−５４１３１９（Ｐ２００８−５４１３１９）の分割
【原出願日】平成１８年１１月１５日（２００６．１１．１５）
【出願人】（３９８０７６２２７）ザ・ジョンズ・ホプキンス・ユニバーシティー (35)
[ Back to top ]