外科用マニプレータ
【課題】
【解決手段】本発明は、外科用すなわち医療用ツールが６自由度までの動きをするよう操作することのできる外科用マニプレータを提供する。該マニプレータは、接触型インターフェースと、それに関係した位置検知システムとを有している。マニプレータ及び接触型インターフェースの互いに相対的な向きに基づく、動きの情報が、接触型インターフェースから与えられる。この動きの情報を調節するため使用することのできるコントローラが提供される。
【解決手段】本発明は、外科用すなわち医療用ツールが６自由度までの動きをするよう操作することのできる外科用マニプレータを提供する。該マニプレータは、接触型インターフェースと、それに関係した位置検知システムとを有している。マニプレータ及び接触型インターフェースの互いに相対的な向きに基づく、動きの情報が、接触型インターフェースから与えられる。この動きの情報を調節するため使用することのできるコントローラが提供される。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［０００１］ 本特許出願は、２００７年４月２７日付けにて出願された米国特許出願第１１／７９６，２０４号の一部継続出願であり、該出願は、２００４年１月１３日付けにて出願された同時出願係属中の米国特許出願第１０／７５５，９３２号であり、該出願第１０／７５５，９３２号は、２００２年１月１６日付けにて出願され且つ米国特許第６，６７６，６６９号として発行された米国特許出願第１０／０５０，２４１号の継続出願であり、該出願第１０／０５０，２４１号の特許請求の範囲は、２００１年１月１６日付けにて出願された米国仮特許出願第６０／２６１，９４０号の利益を主張する。これら出願の全ての内容は、参考として引用し本明細書に含めるものとする。
【技術分野】
【０００２】
［０００２］ 本発明は、マニプレータ、より具体的には、外科的処置を含む医療処置にて使用するのに適したマニプレータに関する。
【背景技術】
【０００３】
［０００３］ 神経外科手術、脊椎外科手術、耳鼻科手術、頭及び首外科手術、手外科手術及び最小侵襲外科的方法のような、極めて複雑及び（又は）身体への負担が大きい外科的方法を実行するため使用されている従来の装置は、使いこなしが外科医の技量に関係するため、多数の短所を有している。例えば、外科医は、外科用装置の使用中、その装置を手で支持しなければならないので疲れ易い。更に、外科医は、該装置を操作するため自己の手を不自然な位置に向けなければならないことがある。更に、かかる外科的処置にて使用される従来の装置は、小さな操作の誤りを顕著に拡大する可能性がある。その結果、外科医は、かかる外科用装置を使用して手術を行なうとき、外科医がツールを直接把む従来の技術によって手術を行なうときよりも、技量及び正確さが著しく低下することになる。
【０００４】
［０００４］ 従って、医療処置を行なう間、外科用ツールを支持し且つ操作するため、ロボット型のマスタースレーブマニプレータのような、動力式マニプレータを使用することへの関心が増している。かかるマニプレータは、患者及び医療従事者の双方にとって多数の有利な効果を提供することができる。特に、マスター／スレーブ制御式マニプレータは、外科医／操作者の技量を向上させ、外科医が実際にツールを自分の手で保持することができる場合よりも、外科医が優れた技量にて医療用ツールを操作することを許容することができる。マニプレータは、また、外科医が医療用ツール又は装置を使用する間、その医療用ツール又は装置を物理的に支持している必要性を解消するため、外科医が経験する疲労を減少させることもできる。更に、外科医は、医療用ツールを動かすことなく、マニプレータを自由に動かし且つその他の作業を行なうことができ、このことは、外科手術の効率を向上させ且つ、特定の方法を実行するのに必要な員数を少なくすることができる。このように、マニプレータは、医療方法を遥かにより迅速に実行することを許容することができ、その結果、患者へのストレスは少なくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願第１０／７５５，９３２号明細書
【特許文献２】米国特許出願第１１／７９６，２０４号明細書
【特許文献３】米国仮特許出願第６０／２６１，９４０号明細書
【特許文献４】米国特許第６，６７６，６６９号明細書
【特許文献５】米国特許出願第１０／０５０，２４１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
［０００５］ しかし、かかる動力式マニプレータを使用することは、特定の安全上の問題を引き起す可能性がある。特に、外科的処置その他の介入的処置を行なう間、患者がマニプレータに対して動くと、大きな外傷を招く可能性がある。このため、患者は、動力式マニプレータを使用して行なわれる処置の間、全身麻酔又はその他の麻痺状態にしなければならないと一般に考えられている。すなわち動力式マニプレータは一般的に、覚醒方法にて使用するのに適していないと考えられている。しかし、神経−筋肉麻痺又は同様のものを伴う全身麻酔を使用することは、方法によっては多くの危険性を招き、また、患者がマニプレータに対して動いてしまうかも知れないという問題点を完全には解決しない。例えば、全身麻酔の状況下でさえ、呼吸、心臓−変縮動作、不随意的筋肉の動作（例えば、ミオクローヌス反射、震え、単収縮）、蠕動、人との偶発的な接触などによって患者の動きが引き起されることがある。
【０００７】
［０００６］ 従って、上記のことに鑑みて、本発明の全体的な目的は、外科的処置及びその他の介入的医療処置にて使用される改良されたマニプレータを提供することである。
【０００８】
［０００７］ 本発明のより特定的な目的は、外科医／操作者の技量及び正確さを向上させることのできる外科用マニプレータを提供することである。
【０００９】
［０００８］ 本発明の更なる目的は、患者がマニプレータに対して動く可能性を実質的に少なくすることにより、患者の安全性を向上させる外科用マニプレータを提供することである。
【００１０】
［０００９］ 本発明の別の目的は、画像誘導法のため、又は外科手術の間、識別された解剖学的中間地点（基準点）を使用するため、整合の精確さの向上を実現することのできる外科用マニプレータを提供することである。
【００１１】
［００１０］ 本発明の上記及びその他の特徴及び有利な効果は、本発明の好ましい一例としての実施の形態の以下の説明を読み且つ添付図面を参照することにより、容易に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の教示に従った構造とした一例としてのマニプレータの前方斜視図である。
【図２】図１のマニプレータの後方斜視図である。
【図３】本発明の教示に従った構造としたマニプレータ用の一例としての制御システムのブロック図である。
【図４】焼灼／切開ツールを支持する本発明に従った構造としたマニプレータの１つの代替的な実施の形態を示す斜視図である。
【図５】ドリルを支持する図４のマニプレータの斜視図である。
【図６】頭部締め止め固定システムに取り付けた図４のマニプレータの斜視図である。
【図７】頭部締め止め固定システムに取り付けた図４のマニプレータの別の斜視図である。
【図８】概略図的に示した位置トラッキング機構を更に含む、図４のマニプレータの斜視図である。
【図９】一例としての方法及び接触型インターフェースと、基準フレームの形態変更を実行することができるマニプレータとを含む、システムの概略フローチャート図である。
【００１３】
［００２０］ 本発明を、特定の好ましい実施の形態及び方法に関して説明し且つ開示するが、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定することを意図するものではない。本発明の思想及び範囲に属する全ての代替的な実施の形態及び改変例を本発明は包含することを意図するものである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［００２１］ 先ず、特に図面の図１を参照すると、本発明に従った構造とされた外科用マニプレータ１０の一例としての実施の形態が示されている。図示したマニプレータ１０は、医療用ツール１２を互換可能に支持し且つ該医療用ツール１２を６自由度まで動かすことができる。理解し得るように、本発明においては、任意の特定型式の医療用ツールにのみではなく、針ホルダ、ステープル又はクランプアプライヤー、プローブ、鋏、鉗子、焼灼器、吸引カッター、切開器、ドリル、レーザ、超音波装置及び診断用装置など（これらにのみ限定されない）をマニプレータと共に使用することができる。ツールは、再使用可能型、限定された再使用型又は使い捨て型とすることができる。医療用ツールが従来通り人力作動の可動部品を有する場合、マニプレータ１０は、例えば、電動式、空圧式又は液圧式アクチュエータのようなツール作動専用としたアクチュエータを受け入れるようにすることができる。
【００１５】
［００２２］ 外科的処置及び特定の介入的放射線処置を実行するとき、操作者／外科医の技量の向上を可能にするため、マニプレータ１０は、マスタースレーブロボット式システムのスレーブロボットとして使用することができる。かかるシステムにおいて、外科医／操作者は、図３の概略ブロック図におけるように、マスターすなわち接触型インターフェース１３を介して「スレーブ」マニプレータに対し位置入力信号を提供する。接触型インターフェース１３は、コントローラ１５又は制御盤を通じて作動する。特に、力フィードバック、ジョイスティック、足踏みペダル又は同様のものを有する、６自由度のツールハンドルのような、接触型インターフェース１３上の入力装置１７を使用することを通じて、外科医は、マニプレータ１０により保持されたツール１２の所望の動きを指示する。接触型インターフェース１３は、これらの信号をコントローラ１５に伝送する一方、該コントローラ１５は、これらの信号をスレーブマニプレータに伝送する前に、信号に対し色々な所望の所定の調節を為す。マニプレータと等しい又はより多くの自由度（ＤＯＦ）を有する任意の接触型インターフェースが、コントローラを介してマニプレータを制御すべく使用することができる。本発明と共に使用することのできる接触型インターフェース又はマスターの例は、カナダ、モントリオールのＭＰＢテクノロジーズ（ＭＰＢ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）から入手可能なフリーダム（Ｆｒｅｅｄｏｍ）６Ｓ、及びマサチューセッツ州、ケンブリッジのセンサブルテクノロジー（Ｓｅｎｓａｂｌｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）及びニューメキシコ州、アルバカーキのマイクロデキストリティシステムズ（ＭｉｃｒｏＤｅｘｔｅｒｉｔｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ）から商業的に入手可能なその他の接触型インターフェースを含む。
【００１６】
［００２３］ コントローラ１５により提供された信号に基づいて、マニプレータ１０は、ツール１２の所望の動き又は操作を実行する。このように、接触型インターフェース１３から送られた信号に対し適正な調節を実行するようコントローラ１５を設定することにより、任意の所望の技量の向上を実現することができる。例えば、これは、所望の技能の向上アルゴリズムを実行するソフトウェアをコントローラ１５に提供することにより、実現することができる。ソフトウェアの技量向上アルゴリズムは、任意の位置調整（典型的には、下方調整）、力の調整（骨及び軟骨に対して上方調整、柔軟な組織に対して下方調整）、震えのフィルタリング、重力補償、プログラム化可能な位置境界設定、動脈瘤に対する動きの補償、速度の制限（例えば、骨に穿孔した後、脳、神経又は脊髄組織内への急速な動きを防止する）、また、以下により詳細に説明するように、像の基準化を含むことができる。適用可能なアルゴリズムの上記及びその他の例は、ロボット工学の分野にて周知であり且つ出版された文献に詳細に記載されている。シンクネット（ＳｙｎｑＮｅｔ）システムを採用し且つカリフォルニア州、サンタバーバラのモーションエンジニアリング（Ｍｏｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）から入手可能なＺＭＰ ＳｙｎｑＮｅｔ（登録商標）シリーズモーションコントローラズは、本発明と共に使用される適正なコントローラの一例である。（ｗｗｗ．ｓｙｎｑｕｎｅｔ．ｏｒｇ及びｗｗｗ．ｍｏｔｉｏｎｅｎｇ．ｃｏｍ参照）。本発明にて使用するのに適したコントローラの別の一例は、カリフォルニア州、ノースリッジのデルタトウデータシステムズ（Ｄｅｌｔａ Ｔａｕ Ｄａｔａ Ｓｙｓｔｅｍｓ）から入手可能なターボＰＭＡＣである。
【００１７】
［００２４］ 図示した実施の形態において６自由度にてツール１２を動かすことを許容するため、ツールは、回転及び線形アクチュエータを介して空間内にて平行移動することのできる、ツール支持軸１４の下端に支持されている。より具体的には、図示した実施の形態にて、ツール支持軸１４は、この使用例にて、垂直に隔てられた１対の支持又は制御アーム１６、１８により支持されており、これらのアームの各々は、それぞれの線形アクチュエータ２０、２２及びそれぞれの回転アクチュエータ２４、２６を介して独立的に可動である。図１及び図２に示したように、制御アーム１６、１８の各々と関係付けた線形アクチュエータ２０、２２は、そのそれぞれの制御アームを、長手方向に向けて伸縮式の態様にて平行移動させ得るよう配置されている。一方、線形アクチュエータ２０、２２の各々は、その相応する回転アクチュエータ２４、２６の出力軸と接続され、線形アクチュエータ２０、２２、ひいては制御アーム１６、１８の回動可能な動きを許容する。この場合、回転アクチュエータ２４、２６は、それらの回転軸線が整合されるように、静止支持フレーム２８上にて積重ねた関係に配置される。しかし、２つの回転アクチュエータ２４、２６は互いに独立的に配置することができるから、回転アクチュエータは、積重ねた関係になるようにしなくともよい。
【００１８】
［００２５］ 制御アーム１６、１８、及びそれらの相応する線形アクチュエータ２０、２２及び回転アクチュエータ２４、２６の組み合わせにより、ツール支持軸１４は、４自由度にて空間内を動くことができる。例えば、マニプレータ１０を差動機構として作動させることができる。２つの制御アーム１６、１８のための回転アクチュエータ２４、２６を互いに反対方向に回転させ、且つ、２つの制御アームのための線形アクチュエータ２０、２２を互いに反対方向に動かすことにより、ツール支持軸１４の比較的大きいピッチ及びヨー角度を発生させ、更に、ツール支持軸１４は、２つの制御アーム１６、１８のための回転アクチュエータ２４、２６を互いに同一方向に回転させ、且つ、２つの制御アームのための線形アクチュエータ２０、２２を互いに同一方向に動かすことにより、円柱座標又は極座標ロボットのように動かされることができる。
【００１９】
［００２６］ ツール１２をツール支持軸１４の長手方向に動かすと共に、ツールをツール支持軸の長手方向軸線の回りにて回転させるため、２つの追加的なアクチュエータが提供される。具体的には、線形アクチュエータ３０が、ツール支持軸１４内に組み込まれ、該ツール支持軸１４は、ツール１２がツール支持軸１４の長手方向軸線に対して伸縮式の態様にて長手方向に動くのを許容し得るよう作用可能にツール１２と接続されている（軸又はその他の手段を介して）。ツール支持軸１４に対するこのツール１２の長手方向への動きは、ツール１２を患者の体内に挿入し且つ体内から引き出すために使用することができる。ツール１２の回転動作は、回転アクチュエータ３２により生じせしめられ、回転アクチュエータ３２は、この場合、ツール支持軸１４の上端に配置され、且つ、ツール１２をツール支持軸１４の長手方向軸線の回りにて回転させるのを可能にし得るようにして、ツール１２と（この場合にも、軸又はその他の適正な手段を介して）接続されている。ツール支持軸１４に対するツール１２の回転動作は、例えば、ツール支持軸に対してある角度にて伸びる鋏のような、軸方向に関して非対称のツールを使用するとき有用であろう。
【００２０】
［００２７］ ツール支持軸が所望の自由度にて動くのを許容するため、制御アーム１６、１８の各々は、適正な自在継手又はジンバル継手を使用してツール軸１４と接続される。図示した実施の形態において、制御アームとツール支持軸との間の継手は、３自由度のフック（Ｈｏｏｋｅｓ）型継手３４、３６から成っている。ツール支持軸と制御アームとの間の継手は、ツール軸に対し６自由度を提供する必要がある。このことは、２自由度を有する１つの継手と、４自由度を有する第二の継手とを提供することにより実現することができる。更に、各々２自由度を有する２つの継手を、図１及び図２に示したように、２つの追加的な自由度をツールに供給するツール軸自体と共に使用することができる。
【００２１】
［００２８］ 色々な線形及び回転アクチュエータ２０、２２、２４、２６、３０、３２、また、制御アーム１６、１８、継手３４、３６及びツール支持軸１４の位置を検知するため、アクチュエータには、位置センサ５０を設けることができる。線形及び回転アクチュエータの各々は、コントローラと連通するようにすることができ、また、位置センサは、図３に示したように、フィードバックループにてコントローラに対し位置情報を提供することができる。参照のし易いように、１つのアクチュエータのみに対する位置センサが図３に示されている。１つの好ましい実施の形態において、色々なアクチュエータの位置を検知するため光エンコーダが使用されるが、任意の数の異なる従来の位置センサを使用することができることが理解されよう。同様に、ツール支持軸１４により加えられた力及びトルクを決定することを可能にし得るように、色々なアクチュエータには、アクチュエータにより加えられた力及びトルクを検知する力センサ５２（この場合にも、その１つのみが図３に示されている）を設けることもできる。図３に示したように、この情報は、フィードバック制御ループにてコントローラ１５に再び与えられ。これによって、例えば、接触型インターフェースの入力装置（線５６として概略図的に図示）に対して力をフィードバックさせることができる。勿論、例えば、箔型式又は半導体歪みゲージ又はロードセルなどを含む、力及び（又は）トルクを測定する任意の既知の方法を用いることができる。
【００２２】
［００２９］ 本発明によるマニプレータの別の実施の形態が図４及び図５に示されており、この場合、上述したものと同様の構成要素は１００番台の同様の参照番号にて表示されている。図４及び図５のマニプレータ１１０は、形態及び作用の点にて図１及び図２に示したマニプレータ１０のものと極めて類似している。具体的には、図４及び図５に示したマニプレータ１１０は、ツール支持軸１１４上に支持されたツール１１２が６自由度にて動くように動かすことができる。この目的のため、図１及び図２の実施の形態と同様に、ツール支持軸１１４は、１対の互いに隔った位置にある制御アーム１１６および１１８により支持されている。１対の制御アーム１１６、１１８は、それぞれの線形アクチュエータ１２０、１２２及びそれぞれの回転アクチュエータ１２４、１２６によって、互いに独立的に可動である。各制御アーム１１６、１１８のそれぞれと関係する線形アクチュエータ１２０、１２２は、制御アームをその長手方向に向けて移動させる。一方、回転アクチュエータ１２４、１２６は、線形アクチュエータを、ひいては制御アームを回動（枢動）させることができる。図４及び図５に示したマニプレータ１１０は、ツールの挿入及び引き出しを促進するツール支持軸１１４上の線形アクチュエータ１３０と、ツールの転動（回転）を促進するツール支持軸上の回転アクチュエータ１３２とを含む。
【００２３】
［００３０］ 図１及び図２に示したマニプレータと相違して、回転アクチュエータ１２４、１２６は、それらの回転軸線が互いに整合しないような態様でフレーム１２８上に支持されている。この実施形態の場合、支持フレーム１２８は、上方、下方及び中間支持アーム１２９を含み、これらのアームの間にて、回転及び線形アクチュエータが支持されている。図示した支持フレーム１２８は、以下により詳細に説明するように、既存の取り付け装置と容易に接続することができる比較的小型の装置を提供する。
【００２４】
［００３１］ 図４及び図５には、また、異なるツールを支持するため、本発明のマニプレータを使用する方法も示される。具体的には、図４に示したように、マニプレータ１１０は、ツール１１２、すなわち、図示した実施の形態において、ツール支持軸１１４と同軸状に配置された焼灼／切開ツールを支持することができる。これと代替的に、図５に示したように、ツール１１２（この場合、ドリル）を、ツール支持軸１１４から軸心が偏位した関係にて支持するようにして、例えば、動力式ツール用のアクチュエータの使用を受容することができる。この場合（図５）、ツール１１２は、コネクタピース１４４を介してツール支持軸１１４と接続されている。コネクタピース１４４は、ツール１１２が支持軸１１４と一緒に空間内にて動くことを許容する。更に、ツール１１２を、支持軸１１４の回動可能且つ伸長可能な下端と接続することにより、ツールは、支持軸上のツール線形アクチュエータ１３０及びツール回転アクチュエータ１３２を介して動かされることもできる。理解し得るように、ツールをツール支持軸上に取り付けるための他の装置を使用することもできる。
【００２５】
［００３２］ 図示したマニプレータの構造及び作用は、その開示内容を参考として引用し本明細書に含めることとする、「外科用マニプレータ（Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ）」という名称の、同時に譲渡された国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ９９／２７６５０号及びこれに対応する米国特許出願第０９／８５６，４５３号に開示されたマニプレータの実施の形態の幾つかと類似している。理解し得るように、図示したマニプレータの幾何学的形態は、６自由度の動作を実現できることを含む、特定の有利な効果を提供するが、本発明は、特定のマニプレータのアーキテクチャ又は運動学的スキームに限定されるものではない。必要なことは、ツールを所望の自由度にて動かすことのできるマニプレータを提供できることである。例えば、使用可能であるその他のマニプレータのアーキテクチャ及び運動学的スキームとして、それぞれ「マスタースレーブマイクロマニプレータ装置（Ｍａｓｔｅｒ−Ｓｌａｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ Ａｐｐａｒａｔｕｓ）」という名称の国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ９９／２７６５０号及び米国特許出願第０９／８５６，４５３号に開示されたようないわゆる二重ＳＣＡＲＡスキーム及び「マスタースレーブマイクロマニプレータ方法（Ｍａｓｔｅｒ−Ｓｌａｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ Ｍｅｔｈｏｄ）」という名称の米国特許出願第５，９４３，９１４号及び米国特許出願第６，０００，２９７号に開示されたような二重平面状スキームを挙げることができる。更に、図示した実施の形態は、単一のマニプレータのみを含むが、両手又は腕を必要とする方法のため２つ以上のマニプレータを提供することができる。
【００２６】
［００３３］ 本発明の１つの重要な特徴によれば、外科的処置又はその他の介入的処置を行なう際に患者がマニプレータ１０、１１０に対して動く可能性を実質的に少なくし、且つ、それにより患者の安全性を向上させるために、マニプレータ１０、１１０は、マニプレータを患者の身体の少なくとも特定の部分に対して固定することを許容する取り付け保持具を含むことができる。マニプレータ１０、１１０を患者の身体に対して固定することができるということは、全身麻酔及び筋肉の麻痺の必要性を解消し、また、これに関係する医療上の危険性を解消し、さらに、マニプレータのアクチュエータのアクティブなコンプライアンスやパッシブな逆駆動の可能性、すなわち、患者が動くことにより患者とツールとの相対位置が変化したり、動いた患者によってアクチュエータが逆に駆動されてしまう可能性を解消することになろう。
【００２７】
［００３４］ この目的のため、図１及び図２に示した実施の形態において、アクチュエータの支持フレーム２８、ひいてはツール支持軸１４は、患者の頭部又はその他の身体部分に直接取り付けることのできる取り付け構造体３７（この場合、具体的には取り付けリング３８）と接続されている。取り付けリング３８を、例えば患者の頭部に装着し易くするため、取り付けリング３８は、取り付け穴４０（図示した実施の形態にて３つ）を含む。取り付け穴４０は、取り付けリング３８を頭部に装着するために使用されるねじを受け入れることができる。アクチュエータ支持フレーム２８は、締止め（クランプ）機構４２により取り付けリング３８と接続される。該締止め機構４２は、アクチュエータの支持フレーム２８が取り付けリング３８の周縁の回りにおける任意の所定の位置に動き且つ任意の所定の位置に係止されることを許容する。
【００２８】
［００３５］ 取り付け構造体が頭部締止め固定システムを含んでいる本発明の１つの実施の形態が、図６及び図７に示されている。図示した実施の形態において、図４、図５のマニプレータ１１０の支持フレーム１２８を頭部クランプ１６２と接続するアーム１６０が提供される。クランプ１６２は、Ｃ字形フレーム１６４を含む。Ｃ字形フレーム１６４は、一側部にて第一の固定した頭部係合ピン１６６を支持し、また、反対側部にて第二、第三の頭部係合ピン１６８、１７０を支持する。第二及び第三の頭部係合ピン１６８、１７０は、Ｕ字形リンク１７２上に支持されており、該Ｕ字形リンク１７２は、フレーム１６４に対して回転し、外科医がフレーム１６４に対する患者の頭部の角度位置を調節することを許容する。クランプ１６２は、Ｕ字形リンク１７２をフレーム１６４に対する特定の角度位置にて解放可能に係止する回転機構１７４を含む。図示した実施の形態において、頭部クランプ１６２は、頭部クランプを医療テーブルに取り付けることを許容する基部ユニット１７６により支持されている。
【００２９】
［００３６］ 頭部の位置を調節する間、マニプレータ１１０が患者の頭部に対して固定されたままであることを保証するため、マニプレータを支持するアーム１６０は、クランプ１６２の回転機構１７４に連結される。具体的には、アーム１６０は、スリーブ１７８に連結される。該スリーブ１７８は、Ｕ字形リンクの角度位置が回転機構１７４のノブ１８０を介して調節されるとき、Ｕ字形リンク１７２と共に回転する。このように、マニプレータ１１０は、頭部の位置を調節している間、Ｕ字形リンク１７２、ひいては患者の頭部に対して、同一の位置に固定されたままである。本発明にて使用することのできる頭部クランプ固定システムの一例は、オハイオ州、シンシナティのオハイオメディカルプロダクツ（Ｏｈｉｏ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ）によりメイフィールド（ＭＡＹＦＩＥＬＤ）（登録商標）という商標名にて販売されている（例えば、米国特許第５，２６９，０３４号及び米国特許第５，５４６，６６３号を参照）。
【００３０】
［００３７］ 勿論、当該技術の当業者により理解されるように、本発明は、任意の特定の取り付け保持具にのみ限定されず、マニプレータを患者の身体の所望の部分に対して固定することを許容する任意の取り付け保持具又はシステムを含む。また、本発明は、身体上の特定の位置にのみ取り付け得ることに限定されるものではない。例えば、マニプレータ１０は、頭部（例えば、神経外科手術、耳の外科手術又は鼻の外科手術を実行するため）、脊椎又はその他の身体構造体に取り付けることができる。
【００３１】
［００３８］ マニプレータ１０を患者に取り付けることを許容するため、マニプレータ１０は、比較的低慣性力の、比較的軽量で小型の設計のものでなければならない。軽量、小型のマニプレータを利用すれば、患者に加わる重量の一部を解放するために代替的な支持構造体を提供することは必要なくなるであろう。かかる代替的な支持構造体は、マニプレータに起因して患者に加えられる応力の一部を小さくするのを助ける一方、顕著な慣性力の問題点を招来する可能性がある。低質量及び低慣性力を実現するためには、比較的大きい力対質量比を有する線形及び回転アクチュエータをマニプレータにて使用する必要がある。この目的のため、本発明の１つの好ましい実施の形態において、マニプレータにて使用される線形及び回転アクチュエータ（２０、２２、２４、２６、１２０、１２２、１２４、１２６）は、超音波モータを備えている。
【００３２】
［００３９］ 超音波モータは、比較的大きい力対質量比であることに加えて、従来のステッパ及び直流モータに優る幾つかのその他の有利な効果を提供する。例えば、超音波モータは、出力を落としたとき、動いているときの力に等しい力にて固有のブレーキ作用を有する。このことは、患者の安全性を向上させる。超音波モータは、熱の放散の問題点がなく、且つ、電気的に絶縁されることができる。更に、超音波モータは、極めて安定的なので、クリーンルーム内にて使用することができる。更に、空圧式アクチュエータと比較して、超音波モータに基づくアクチュエータは、ツールが剛体に力を加えるように使用されるときに、力を加えすぎてしまうという問題がない。したがって、その剛体が破壊してしまう心配がない。本発明にて線形又は回転アクチュエータの何れかとして使用するのに適した超音波モータの一例は、イスラエル、ヨークネマンのナノモーション（Ｎａｎｏｍｏｔｉｏｎ）から入手可能なＳＡＷ超音波モータである。
【００３３】
［００４０］ これと代替的に、マニプレータ上の線形及び回転アクチュエータとして、電気力学的モータ、液圧式アクチュエータ又はケーブル駆動装置を使用してもよい。ケーブル駆動装置については、回転型又はプッシュ−プル型の何れも使用することができる。ケーブルの原動機としては、空気又は流体タービン又はサーボモータを含むことができる。ケーブル駆動装置を使用するとき、コントローラを通して顕著なトルクの増幅を行ない、バックラッシュ、ワインドアップ、ヒステリシス及びケーブルの摩擦効果を補償しなければならない。線形及び回転アクチュエータのために液圧アクチュエータが使用される場合、液圧流体が患者と接触したときの患者の安全性を保証するため、液圧作動用流体として、水、食塩水、又は過フッ化炭化水素液体を使用することができる。歯車ポンプや、蠕動ポンプ、隔膜ポンプ、ピストンポンプ及びベンチュリポンプなどのその他の適正なポンプを使用して液圧流体の流れを制御することができる。液圧流体は、空圧作動に利用される気体と比較して非圧縮性なので、オーバシュートの問題を回避することができる。アクチュエータ自体は、例えば、ピストン／シリンダアクチュエータ（線形アクチュエータ）、回転ベーン、隔膜及びブルドン管を備えることができる。静止摩擦及び動摩擦を少なくするため、回転及び線形アクチュエータのための静圧軸受を使用することができる。比較的大きい力対質量比を有するその他の型式のアクチュエータを使用することもできる。
【００３４】
［００４１］ 本発明の更なる特徴により、マニプレータ１０、１１０を患者に対して固定可能であることは、マニプレータ１０及びツール１２、１１２の患者に対する整合の精密さを向上させることもできる。特に、マニプレータ１０、１１０を患者に対して固定することは、一定の機械的基準を提供し、このため。処置が進行するにつれて次々に得られる像又は像の一定の集合体は、マニプレータ１０、１１０に対して同一の位置に止まるであろう。
【００３５】
［００４２］ 図１及び図２に示した実施の形態において、これを用いるための１つの方法は、既に、患者に埋め込まれている状態の、マニプレータ１０を固定すべく使用されるねじと一緒に手術前の画像を撮る（例えば、磁気共鳴（ＭＲ）又はＸ線により）ことである。ＭＲ又はＸ線による撮影に適合可能な材料で作られたものとすることのできるねじは、そのとき、像中の参照点又は基準点として機能することができる。外科手術時、ねじは、マニプレータの取り付けリング３８の取り付け点を規定すべく使用される。次に、手術が行なわれている間、ねじの位置を基準として、手術前の像に対するツール１２の位置を表示することができる。所望であるとき、手術中、ツール１２の位置を表わすことのできる像データは、例えば、ＣＴ、ＭＲ又は同様のものを使用して更新することができる。
【００３６】
［００４３］ 取り付けねじが適所にある状態にて手術前の像形成を行なう１つの代替例として、ミネソタ州、ミネアポリスのメドトロニック（Ｍｅｄｔｒｏｎｉｃ）から入手可能なステルスステーション（ＳｔｅａｌｔｈＳｔａｔｉｏｎ）（登録商標）システムにてマニプレータを一体化し又は例えば、電磁トラッキング法のような、神経、脊椎及びその他の型式の外科手術の分野にて周知の別の三次元的な６自由度の位置検知の技術を使用することにより、光三角測量法を使用してツール１２、１１２、取り付け構造体又はマニプレータ構造体１０、１１０の位置を手術前又は手術中の像に対してトラッキングすることができる。
【００３７】
［００４４］ 電磁トラッキング又は誘導システムは、例えば、磁界強度、位相遅れ、走行測定値の位相対位置又はパルス時間に対する感度に基づくものとし、１度から６度の制約の中で任意の確実度にてツールの位置及び向きを計算することができる。これを実現することのできる１つの方法は、電磁界発生装置を使用することである。電磁界発生装置おしては、例えば、図８に概略図的に示したもののように３次元的に多次元界を発生させることのできる、互いに直交状に配設した３つのコイルループから成る電磁界発生装置９０を使用することができる。３つのコイルの各々により発生された磁界は、位相、周波数又は時間的多重化を介して相互に識別可能である。互いに直交状に配設した３つのダイポール検知要素から成るものとすることのできる電磁界発生装置により発生された磁界を検出する遠隔センサ９２は、図８に示したように、ツール上、および、マニプレータ上のようなその他の位置に配置することができる。磁界発生装置９０に対する遠隔センサ９２の位置は、監視され、且つ、位置検出コントローラ９４により、保存されている手術前の像と相関させられ、また、ディスプレイ９６に表示されることができる。位置検出コントローラは、マニプレータの動きを制御するために使用されるものと同一のコントローラとしてもよいし、又は別のコントローラとしてもよい。
【００３８】
［００４５］ これらの型式の電磁的な位置決め技術は、全地球測位システム（ＧＰＳ）、レーダ、レゾルバ及びその他の電磁式位置決定システムと共に使用される。かかる電磁トラッキング又は誘導システムは、本明細書に開示した特定のマニプレータの形態と共に使用することにのみ限定されず、マニプレータ又はロボットに支持され且つ１以上自由度にて動くように動かされる任意のタイプのツールをトラッキングし且つ（又は）誘導すべく使用することができる。本発明と共に使用し得るようにすることのできる電磁位置決めシステムは、マサチューセッツ州、ボストンのビジュアリゼーションテクノロジーズ（Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）（米国特許第５，６７６，６７３号及び米国特許第５，８２９，４４４号を参照）、コロラド州、レークウッドのウルトラガイド（ＵｌｔｒａＧｕｉｄｅ）及びヴァーモンド州、コルチェスターのポールヘモス（Ｐｏｌｈｅｍｕｓ）から入手可能である。
【００３９】
［００４６］ 医療処置を行なう間、マニプレータ１０、１１０と接触型インターフェース１３とを互いに対して傾動又は回転させ、これらが患者に対して異なる向きとなるようにすることが可能である。例えば患者は、顕微鏡などによる手術箇所の映像を見ることができるよう、特定の向きに配置されることができる。マニプレータ１０、１１０は、手術箇所の視覚化（見やすさ）を害することなく、手術箇所への最良のアクセスを提供し得るように配置されよう。一方、接触型インターフェースは、外科医の腕にとって都合の良い（やりやすい）、人間工学的に良好で且つ安楽な位置を提供するような向きとされよう。かかる場合、マニプレータ及び接触型インターフェースの座標基準フレームは、互いに且つ患者に対して傾斜するようにすることが可能である。
【００４０】
［００４７］ 接触型インターフェースを通してマニプレータを操作する外科医は、外科手術中、マニプレータ１０、１１０により保持されたツール１２、及び外科手術箇所を観察するであろう。従って、位置トラッキングシステム（電磁式、光学式又は任意のその他の適正なシステムとすることができる）、及びこれに付随する位置検出コントローラは、マニプレータ、接触型インターフェース及び患者の位置を特定すると共に、患者の座標基準フレームにおける任意の動きを、接触型インターフェースの基準フレーム及びマニプレータの基準フレームにおける動きに置き換える（変換する）ことができる。このような変換は、例えば、コントローラにより行われる変換アルゴリズムによって実行することができ、また、このような変換は、接触型インターフェース及びマニプレータの、互いに対する、また、患者に対する向きに関係なく、接触型インターフェースの入力装置とマニプレータにより保持されたツールとの動きを患者の基準フレームに対して調和させることができる。このように、外科医が接触型インターフェースを使用してその手を前方に真直ぐに且つ水平に動かすとき、マニプレータにより保持された医療用ツールも、また、同一の軌跡にて動くであろう。マニプレータが患者に対して傾斜した向きにて取り付けられたときでさえ、そうであろう。
【００４１】
［００４８］ 接触型インターフェース及びマニプレータの基準フレームは、一般的に、それらのそれぞれの取り付け位置により規定される。しかし、患者の基準フレームの場合、そうではない。患者の基準フレームは、患者の位置に依存するであろう。または、顕微鏡又は何らかの種類のその他の画像技術の助けを受けて処置が実行される場合、患者の基準フレームは、おそらく幾分かは像の基準フレームに依存するであろう。従って、患者の座標基準フレームは、接触型インターフェースの座標基準フレームと同一としてもよいし、又は特定の医療方法に対して望まれるように、接触型インターフェースの座標基準フレームから偏位するものとしてもよい。接触型インターフェース及びマニプレータの向きと同様、患者の基準フレームの向きは、システムの入力とし、又は、手操作のような何らかのその他の態様にてコントローラに入力することができる。所望の患者の基準フレーム、接触型インターフェースの基準フレーム及びマニプレータの基準フレームの向きが分かったなら、コントローラは、接触型インターフェースを介して発生された動きの情報の必要な変換又は調節を実行し、コントローラによりマニプレータに対して提供される、動きの命令又は指令が、患者の基準フレームにおける医療用ツールの所望の動きとなるようにする。
【００４２】
［００４９］ マスタースレーブロボットシステムに対してかかる基準フレームの変換を実行することのできる一例としてのシステムを示す概略図的なフローチャートが図９に示されている。図９に示したシステムにおいて、マニプレータ１０、接触型インターフェース１３及び患者の座標基準フレームの向きを検知するため、位置トラッキング又は検知システム２００が使用される。次に、これらの基準フレームの向きに関するデータは、コントローラ１５に送信され、このデータは、マニプレータ、接触型インターフェース及び患者の基準フレームの相対的な向きを決定する。次に、相対的な向きに関するこのデータ又は情報は、接触型インターフェース１３から受け取った動きの命令を調節し、マニプレータ１０に送信される動きの命令を生成させるべく使用される。
【００４３】
［００５０］ 多くの外科的処置は、骨のような生存組織を除去し、骨のような生存組織内へのインプラントを形成し、又は望ましくない組織をその他の生存組織から除去するステップを含む。かかる場合、生存組織を使用して患者の基準フレームを規定することが有益である。例えば、患者の基準フレームは、インプラントがその内部に配置されるところの骨により規定することができる。しかし、生体の骨は、医療処置を行なう間、固定位置に完全に拘束することは極めて困難である。その結果、骨は、医療方法を行なう間、接触力又はその他の外的刺激により動き、その結果、患者の基準フレームの向きが変位、すなわち変わってしまうことがある。
【００４４】
［００５１］ かかる動きに対処するため、位置検知システム又は何らかの他の動き監視システムが、患者の基準フレームを規定する骨又はその他の生存組織の動きを連続的にリアルタイムにて監視し得るようにすることができる。これは、例えば、動き監視装置を直接、生存組織に装着することにより実行することができる。これにより得られるデータは、コントローラにより使用される。この場合にもリアルタイムにて、患者、接触型インターフェース及びマニプレータの相対的な向きに関するデータは連続的に更新され、骨の任意の動きを把握する。コントローラにより為される、接触型インターフェースの動きの情報に対する調節は、常に、骨又はその他の生存組織の位置に関する最新の情報を使用するようにする。このように、骨等が動いたら医療用ツールの動き又は操作を更に続けるのをやめなければならないというのではなく、動く骨等に従うようにツールを自動的に動かすマニプレータの作動を中断させることなく、医療処置を続行することができる。
【００４５】
［００５２］ 図９には、マニプレータ、接触型インターフェース及び患者の基準フレームの向きを検出すべく使用される位置検知システム１１０が所望の身体組織の動きを検出するためにも使用される、本発明の１つの実施の形態が示されている。図９の実施の形態において、位置検知システムは、身体組織の動きが検出されたとき、患者の基準フレームの向きに関するデータ又は情報を更新する。次に、患者の基準フレームの向きに関する新たなデータは、コントローラに送られ、このコントローラは、新たな患者の基準フレームを使用してマニプレータ、接触型インターフェース及び患者の基準フレームの相対的向きを再度計算する。上述したように、この動きの検出および患者の基準フレームの向きのデータの更新は、コントローラによる相対的な向きのデータの更新の場合と同様、リアルタイムにて行なわれる。勿論、システムは、接触型インターフェース及び（又は）マニプレータのような、システムのその他の要素の動きをリアルタイムにて監視し得るようにすることができる。
【００４６】
［００５３］ コントローラは、マニプレータに対する動きの命令を生成するとき、システムが全体として骨の動きを考慮してこれに対処する限り、骨の動きに関するデータを任意の適正な態様にて操作することができる。例えば、コントローラは、骨の動きに関するデータを使用して骨（すなわち、患者の基準フレーム）に対するマニプレータの基準フレームの位置を連続的にリアルタイムにて更新し、マニプレータが骨の動きに従うような態様にて動くよう設定することができる。当該技術の当業者により理解されるように、骨の動きを極めて高度な検出帯域幅にて検出することのできる位置／動き検知システムを使用する必要があり、また、コントローラは、その骨の動きのデータを取得し、且つ、基準フレームの変換を十分に高いサーボ速度にて更新し、骨の動きに拘らず、マニプレータの連続的な作動を可能にすることができなければならない。
【００４７】
［００５４］ 当該技術の当業者により理解されるように、接触型インターフェース、マニプレータ及び患者により規定された座標基準フレームの相対的な向きは、任意の数の異なる位置トラッキング又は誘導システムを使用して決定することができ、本発明は、任意の特定の方法にのみ限定されるものではない。例えば、上述したように、接触型インターフェース、マニプレータ及び患者の基準フレームの向きは、電磁位置検知システムを使用して検知することができる。かかる場合、接触型インターフェース、マニプレータ及び患者（例えば、医療方法を受ける組織）の位置は、送信機と受信機との間の無線接続又はリンクを介して全地球測位システムと同様の態様にて局所的な三角測量法により決定することができる。例えば、手術室又は外科手術ユニットは、規定された位置にて幾つかの固定型送信機を有することができ、また、接触型インターフェース、マニプレータ及び患者の各々は、送信機から信号を受け取り且つ位置データを生成することのできる関係した受信機を有することができる。接触型インターフェース、マニプレータ及び患者の各々にて十分な受信機（及び（又は）送信機）を設け、各々の基準フレームの向きを三次元的に規定することになるであろう。これと代替的に、送信機は、接触型インターフェース、マニプレータ及び患者に設けてもよく、また、受信器は、規定された位置に固定することができる。
【００４８】
［００５５］ 光位置決めシステムは、接触型インターフェース、マニプレータ及び患者の相対的な向きを規定すべく使用することもできるもう１つの型式の位置決めシステムである。接触型インターフェース、マニプレータ及び患者上に配置されたジャイロスコープを使用するような慣性力利用の位置トラッキングシステムを使用することもできる。レーザ距離スキャナ利用の位置検出システムは、接触型インターフェース、マニプレータ及び患者の基準フレームの相対的向きを検知する更にもう１つの方法である。
【００４９】
［００５６］ 本発明の更に別の特徴によれば、マニプレータ１０、１１０は、ＭＲ又はＸ線の環境と適合可能な構造、すなわち、ＭＲ又はＸ線を利用した画像法と関連させて使用できる構造とすることができる。このことは、ＭＲ画像法又はその他のＸ線方法を行なう間、マニプレータ１０が作動し、これにより外科医が例えば、標的組織、正常な組織及びツール１２、１１２を、同一のリアルタイム又はほぼリアルタイムの画像環境内にて視覚化することを可能にする。マニプレータ１０、１１０がＭＲ環境にて作動することを許容するため、マニプレータは、特定の金属、プラスチック、ガラス及びセラミックのような、ＭＲ画像法と適合可能な、すなわちＭＲ画像法に適した（同画像法の実施に悪影響を与えない）材料にて全体が出来ていなければならない。更に、マニプレータにて使用される線形及び回転アクチュエータ２０、２２、２４、２６、１２０、１２２、１２４、１２６もＭＲ画像法と適合可能でなければならない。この点に関して、超音波及び液圧アクチュエータの双方がＭＲ適合可能であるという追加的に有利な効果を有する。Ｘ線画像法を行なう間、マニプレータ１０、１１０を使用することを許容するため、マニプレータの特定の構成要素は、プラスチック、黒鉛、セラミック及びガラスのような放射線透過性材料にて出来たものとすることができる。アクチュエータと関係した位置エンコーダ及び力センサは、ＭＲ及び（又は）Ｘ線画像法と適合可能なものとすることもできる。位置暗号化及び力を検知する圧電歪み計に対して、例えば、マイクロＥ（ＭｉｃｒｏＥ）、レニショー（Ｒｅｎｉｓｈａｗ）又はコンピュータオプティカルプロダクツ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ）から商業的に入手可能なもののような光ファイバ接続した正弦−余弦光エンコーダを使用することができる。
【００５０】
［００５７］ 上記の説明から、本発明は、マスタースレーブロボット式システムにて使用して操作者／外科医の技量を向上させることのできる軽量で且つ小型の患者に取り付け可能なマニプレータを提供するものであることが理解されよう。マニプレータを患者の身体に対して固定可能であることは、マニプレータに対する患者の意図しない動きに起因する外傷の可能性を実質的に少なくすることにより安全性を向上させる。更に、マニプレータを患者の身体に対して固定することは、手術前及び（又は）手術後の像に対して医療用ツールのトラッキングを容易にする極めて精密な機械的基準を提供する。マニプレータは、ツールの位置をリアルタイム又はほぼリアルタイム像に対して基準とすることを許容し得るようＭＲ又はＸ線画像法を実行する間、作動可能な構造とすることができる。このように、本発明によるマニプレータが軽量、小型であること、及び、比較的大きい作業スペース内にてツールを６自由度まで作動させることが可能であるということは、本発明を例えば、神経外科手術、耳の外科手術、洞の外科手術及び脊椎の外科手術を含む任意の数の異なる医療方法にて使用するのに適したものにする。
【００５１】
［００５８］ 特許、特許出願及び出版物を含む、本明細書にて引用した全ての文献は、その全体を参考として引用し本明細書に含めるものとする。
【００５２】
［００５９］ 本発明は、好ましい実施の形態に特に重点的に説明したが、当該技術の当業者には、好ましい実施の形態の変形例を使用することができ、また、本発明は本明細書にて具体的に記載したもの以外の形態にて実行可能であることことを意図するものであることが明らかであろう。従って、本発明は、以下の特許請求の範囲により規定された本発明の思想及び範囲に包含される全ての改変例を含むものである。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［０００１］ 本特許出願は、２００７年４月２７日付けにて出願された米国特許出願第１１／７９６，２０４号の一部継続出願であり、該出願は、２００４年１月１３日付けにて出願された同時出願係属中の米国特許出願第１０／７５５，９３２号であり、該出願第１０／７５５，９３２号は、２００２年１月１６日付けにて出願され且つ米国特許第６，６７６，６６９号として発行された米国特許出願第１０／０５０，２４１号の継続出願であり、該出願第１０／０５０，２４１号の特許請求の範囲は、２００１年１月１６日付けにて出願された米国仮特許出願第６０／２６１，９４０号の利益を主張する。これら出願の全ての内容は、参考として引用し本明細書に含めるものとする。
【技術分野】
【０００２】
［０００２］ 本発明は、マニプレータ、より具体的には、外科的処置を含む医療処置にて使用するのに適したマニプレータに関する。
【背景技術】
【０００３】
［０００３］ 神経外科手術、脊椎外科手術、耳鼻科手術、頭及び首外科手術、手外科手術及び最小侵襲外科的方法のような、極めて複雑及び（又は）身体への負担が大きい外科的方法を実行するため使用されている従来の装置は、使いこなしが外科医の技量に関係するため、多数の短所を有している。例えば、外科医は、外科用装置の使用中、その装置を手で支持しなければならないので疲れ易い。更に、外科医は、該装置を操作するため自己の手を不自然な位置に向けなければならないことがある。更に、かかる外科的処置にて使用される従来の装置は、小さな操作の誤りを顕著に拡大する可能性がある。その結果、外科医は、かかる外科用装置を使用して手術を行なうとき、外科医がツールを直接把む従来の技術によって手術を行なうときよりも、技量及び正確さが著しく低下することになる。
【０００４】
［０００４］ 従って、医療処置を行なう間、外科用ツールを支持し且つ操作するため、ロボット型のマスタースレーブマニプレータのような、動力式マニプレータを使用することへの関心が増している。かかるマニプレータは、患者及び医療従事者の双方にとって多数の有利な効果を提供することができる。特に、マスター／スレーブ制御式マニプレータは、外科医／操作者の技量を向上させ、外科医が実際にツールを自分の手で保持することができる場合よりも、外科医が優れた技量にて医療用ツールを操作することを許容することができる。マニプレータは、また、外科医が医療用ツール又は装置を使用する間、その医療用ツール又は装置を物理的に支持している必要性を解消するため、外科医が経験する疲労を減少させることもできる。更に、外科医は、医療用ツールを動かすことなく、マニプレータを自由に動かし且つその他の作業を行なうことができ、このことは、外科手術の効率を向上させ且つ、特定の方法を実行するのに必要な員数を少なくすることができる。このように、マニプレータは、医療方法を遥かにより迅速に実行することを許容することができ、その結果、患者へのストレスは少なくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願第１０／７５５，９３２号明細書
【特許文献２】米国特許出願第１１／７９６，２０４号明細書
【特許文献３】米国仮特許出願第６０／２６１，９４０号明細書
【特許文献４】米国特許第６，６７６，６６９号明細書
【特許文献５】米国特許出願第１０／０５０，２４１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
［０００５］ しかし、かかる動力式マニプレータを使用することは、特定の安全上の問題を引き起す可能性がある。特に、外科的処置その他の介入的処置を行なう間、患者がマニプレータに対して動くと、大きな外傷を招く可能性がある。このため、患者は、動力式マニプレータを使用して行なわれる処置の間、全身麻酔又はその他の麻痺状態にしなければならないと一般に考えられている。すなわち動力式マニプレータは一般的に、覚醒方法にて使用するのに適していないと考えられている。しかし、神経−筋肉麻痺又は同様のものを伴う全身麻酔を使用することは、方法によっては多くの危険性を招き、また、患者がマニプレータに対して動いてしまうかも知れないという問題点を完全には解決しない。例えば、全身麻酔の状況下でさえ、呼吸、心臓−変縮動作、不随意的筋肉の動作（例えば、ミオクローヌス反射、震え、単収縮）、蠕動、人との偶発的な接触などによって患者の動きが引き起されることがある。
【０００７】
［０００６］ 従って、上記のことに鑑みて、本発明の全体的な目的は、外科的処置及びその他の介入的医療処置にて使用される改良されたマニプレータを提供することである。
【０００８】
［０００７］ 本発明のより特定的な目的は、外科医／操作者の技量及び正確さを向上させることのできる外科用マニプレータを提供することである。
【０００９】
［０００８］ 本発明の更なる目的は、患者がマニプレータに対して動く可能性を実質的に少なくすることにより、患者の安全性を向上させる外科用マニプレータを提供することである。
【００１０】
［０００９］ 本発明の別の目的は、画像誘導法のため、又は外科手術の間、識別された解剖学的中間地点（基準点）を使用するため、整合の精確さの向上を実現することのできる外科用マニプレータを提供することである。
【００１１】
［００１０］ 本発明の上記及びその他の特徴及び有利な効果は、本発明の好ましい一例としての実施の形態の以下の説明を読み且つ添付図面を参照することにより、容易に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の教示に従った構造とした一例としてのマニプレータの前方斜視図である。
【図２】図１のマニプレータの後方斜視図である。
【図３】本発明の教示に従った構造としたマニプレータ用の一例としての制御システムのブロック図である。
【図４】焼灼／切開ツールを支持する本発明に従った構造としたマニプレータの１つの代替的な実施の形態を示す斜視図である。
【図５】ドリルを支持する図４のマニプレータの斜視図である。
【図６】頭部締め止め固定システムに取り付けた図４のマニプレータの斜視図である。
【図７】頭部締め止め固定システムに取り付けた図４のマニプレータの別の斜視図である。
【図８】概略図的に示した位置トラッキング機構を更に含む、図４のマニプレータの斜視図である。
【図９】一例としての方法及び接触型インターフェースと、基準フレームの形態変更を実行することができるマニプレータとを含む、システムの概略フローチャート図である。
【００１３】
［００２０］ 本発明を、特定の好ましい実施の形態及び方法に関して説明し且つ開示するが、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定することを意図するものではない。本発明の思想及び範囲に属する全ての代替的な実施の形態及び改変例を本発明は包含することを意図するものである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［００２１］ 先ず、特に図面の図１を参照すると、本発明に従った構造とされた外科用マニプレータ１０の一例としての実施の形態が示されている。図示したマニプレータ１０は、医療用ツール１２を互換可能に支持し且つ該医療用ツール１２を６自由度まで動かすことができる。理解し得るように、本発明においては、任意の特定型式の医療用ツールにのみではなく、針ホルダ、ステープル又はクランプアプライヤー、プローブ、鋏、鉗子、焼灼器、吸引カッター、切開器、ドリル、レーザ、超音波装置及び診断用装置など（これらにのみ限定されない）をマニプレータと共に使用することができる。ツールは、再使用可能型、限定された再使用型又は使い捨て型とすることができる。医療用ツールが従来通り人力作動の可動部品を有する場合、マニプレータ１０は、例えば、電動式、空圧式又は液圧式アクチュエータのようなツール作動専用としたアクチュエータを受け入れるようにすることができる。
【００１５】
［００２２］ 外科的処置及び特定の介入的放射線処置を実行するとき、操作者／外科医の技量の向上を可能にするため、マニプレータ１０は、マスタースレーブロボット式システムのスレーブロボットとして使用することができる。かかるシステムにおいて、外科医／操作者は、図３の概略ブロック図におけるように、マスターすなわち接触型インターフェース１３を介して「スレーブ」マニプレータに対し位置入力信号を提供する。接触型インターフェース１３は、コントローラ１５又は制御盤を通じて作動する。特に、力フィードバック、ジョイスティック、足踏みペダル又は同様のものを有する、６自由度のツールハンドルのような、接触型インターフェース１３上の入力装置１７を使用することを通じて、外科医は、マニプレータ１０により保持されたツール１２の所望の動きを指示する。接触型インターフェース１３は、これらの信号をコントローラ１５に伝送する一方、該コントローラ１５は、これらの信号をスレーブマニプレータに伝送する前に、信号に対し色々な所望の所定の調節を為す。マニプレータと等しい又はより多くの自由度（ＤＯＦ）を有する任意の接触型インターフェースが、コントローラを介してマニプレータを制御すべく使用することができる。本発明と共に使用することのできる接触型インターフェース又はマスターの例は、カナダ、モントリオールのＭＰＢテクノロジーズ（ＭＰＢ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）から入手可能なフリーダム（Ｆｒｅｅｄｏｍ）６Ｓ、及びマサチューセッツ州、ケンブリッジのセンサブルテクノロジー（Ｓｅｎｓａｂｌｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）及びニューメキシコ州、アルバカーキのマイクロデキストリティシステムズ（ＭｉｃｒｏＤｅｘｔｅｒｉｔｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ）から商業的に入手可能なその他の接触型インターフェースを含む。
【００１６】
［００２３］ コントローラ１５により提供された信号に基づいて、マニプレータ１０は、ツール１２の所望の動き又は操作を実行する。このように、接触型インターフェース１３から送られた信号に対し適正な調節を実行するようコントローラ１５を設定することにより、任意の所望の技量の向上を実現することができる。例えば、これは、所望の技能の向上アルゴリズムを実行するソフトウェアをコントローラ１５に提供することにより、実現することができる。ソフトウェアの技量向上アルゴリズムは、任意の位置調整（典型的には、下方調整）、力の調整（骨及び軟骨に対して上方調整、柔軟な組織に対して下方調整）、震えのフィルタリング、重力補償、プログラム化可能な位置境界設定、動脈瘤に対する動きの補償、速度の制限（例えば、骨に穿孔した後、脳、神経又は脊髄組織内への急速な動きを防止する）、また、以下により詳細に説明するように、像の基準化を含むことができる。適用可能なアルゴリズムの上記及びその他の例は、ロボット工学の分野にて周知であり且つ出版された文献に詳細に記載されている。シンクネット（ＳｙｎｑＮｅｔ）システムを採用し且つカリフォルニア州、サンタバーバラのモーションエンジニアリング（Ｍｏｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）から入手可能なＺＭＰ ＳｙｎｑＮｅｔ（登録商標）シリーズモーションコントローラズは、本発明と共に使用される適正なコントローラの一例である。（ｗｗｗ．ｓｙｎｑｕｎｅｔ．ｏｒｇ及びｗｗｗ．ｍｏｔｉｏｎｅｎｇ．ｃｏｍ参照）。本発明にて使用するのに適したコントローラの別の一例は、カリフォルニア州、ノースリッジのデルタトウデータシステムズ（Ｄｅｌｔａ Ｔａｕ Ｄａｔａ Ｓｙｓｔｅｍｓ）から入手可能なターボＰＭＡＣである。
【００１７】
［００２４］ 図示した実施の形態において６自由度にてツール１２を動かすことを許容するため、ツールは、回転及び線形アクチュエータを介して空間内にて平行移動することのできる、ツール支持軸１４の下端に支持されている。より具体的には、図示した実施の形態にて、ツール支持軸１４は、この使用例にて、垂直に隔てられた１対の支持又は制御アーム１６、１８により支持されており、これらのアームの各々は、それぞれの線形アクチュエータ２０、２２及びそれぞれの回転アクチュエータ２４、２６を介して独立的に可動である。図１及び図２に示したように、制御アーム１６、１８の各々と関係付けた線形アクチュエータ２０、２２は、そのそれぞれの制御アームを、長手方向に向けて伸縮式の態様にて平行移動させ得るよう配置されている。一方、線形アクチュエータ２０、２２の各々は、その相応する回転アクチュエータ２４、２６の出力軸と接続され、線形アクチュエータ２０、２２、ひいては制御アーム１６、１８の回動可能な動きを許容する。この場合、回転アクチュエータ２４、２６は、それらの回転軸線が整合されるように、静止支持フレーム２８上にて積重ねた関係に配置される。しかし、２つの回転アクチュエータ２４、２６は互いに独立的に配置することができるから、回転アクチュエータは、積重ねた関係になるようにしなくともよい。
【００１８】
［００２５］ 制御アーム１６、１８、及びそれらの相応する線形アクチュエータ２０、２２及び回転アクチュエータ２４、２６の組み合わせにより、ツール支持軸１４は、４自由度にて空間内を動くことができる。例えば、マニプレータ１０を差動機構として作動させることができる。２つの制御アーム１６、１８のための回転アクチュエータ２４、２６を互いに反対方向に回転させ、且つ、２つの制御アームのための線形アクチュエータ２０、２２を互いに反対方向に動かすことにより、ツール支持軸１４の比較的大きいピッチ及びヨー角度を発生させ、更に、ツール支持軸１４は、２つの制御アーム１６、１８のための回転アクチュエータ２４、２６を互いに同一方向に回転させ、且つ、２つの制御アームのための線形アクチュエータ２０、２２を互いに同一方向に動かすことにより、円柱座標又は極座標ロボットのように動かされることができる。
【００１９】
［００２６］ ツール１２をツール支持軸１４の長手方向に動かすと共に、ツールをツール支持軸の長手方向軸線の回りにて回転させるため、２つの追加的なアクチュエータが提供される。具体的には、線形アクチュエータ３０が、ツール支持軸１４内に組み込まれ、該ツール支持軸１４は、ツール１２がツール支持軸１４の長手方向軸線に対して伸縮式の態様にて長手方向に動くのを許容し得るよう作用可能にツール１２と接続されている（軸又はその他の手段を介して）。ツール支持軸１４に対するこのツール１２の長手方向への動きは、ツール１２を患者の体内に挿入し且つ体内から引き出すために使用することができる。ツール１２の回転動作は、回転アクチュエータ３２により生じせしめられ、回転アクチュエータ３２は、この場合、ツール支持軸１４の上端に配置され、且つ、ツール１２をツール支持軸１４の長手方向軸線の回りにて回転させるのを可能にし得るようにして、ツール１２と（この場合にも、軸又はその他の適正な手段を介して）接続されている。ツール支持軸１４に対するツール１２の回転動作は、例えば、ツール支持軸に対してある角度にて伸びる鋏のような、軸方向に関して非対称のツールを使用するとき有用であろう。
【００２０】
［００２７］ ツール支持軸が所望の自由度にて動くのを許容するため、制御アーム１６、１８の各々は、適正な自在継手又はジンバル継手を使用してツール軸１４と接続される。図示した実施の形態において、制御アームとツール支持軸との間の継手は、３自由度のフック（Ｈｏｏｋｅｓ）型継手３４、３６から成っている。ツール支持軸と制御アームとの間の継手は、ツール軸に対し６自由度を提供する必要がある。このことは、２自由度を有する１つの継手と、４自由度を有する第二の継手とを提供することにより実現することができる。更に、各々２自由度を有する２つの継手を、図１及び図２に示したように、２つの追加的な自由度をツールに供給するツール軸自体と共に使用することができる。
【００２１】
［００２８］ 色々な線形及び回転アクチュエータ２０、２２、２４、２６、３０、３２、また、制御アーム１６、１８、継手３４、３６及びツール支持軸１４の位置を検知するため、アクチュエータには、位置センサ５０を設けることができる。線形及び回転アクチュエータの各々は、コントローラと連通するようにすることができ、また、位置センサは、図３に示したように、フィードバックループにてコントローラに対し位置情報を提供することができる。参照のし易いように、１つのアクチュエータのみに対する位置センサが図３に示されている。１つの好ましい実施の形態において、色々なアクチュエータの位置を検知するため光エンコーダが使用されるが、任意の数の異なる従来の位置センサを使用することができることが理解されよう。同様に、ツール支持軸１４により加えられた力及びトルクを決定することを可能にし得るように、色々なアクチュエータには、アクチュエータにより加えられた力及びトルクを検知する力センサ５２（この場合にも、その１つのみが図３に示されている）を設けることもできる。図３に示したように、この情報は、フィードバック制御ループにてコントローラ１５に再び与えられ。これによって、例えば、接触型インターフェースの入力装置（線５６として概略図的に図示）に対して力をフィードバックさせることができる。勿論、例えば、箔型式又は半導体歪みゲージ又はロードセルなどを含む、力及び（又は）トルクを測定する任意の既知の方法を用いることができる。
【００２２】
［００２９］ 本発明によるマニプレータの別の実施の形態が図４及び図５に示されており、この場合、上述したものと同様の構成要素は１００番台の同様の参照番号にて表示されている。図４及び図５のマニプレータ１１０は、形態及び作用の点にて図１及び図２に示したマニプレータ１０のものと極めて類似している。具体的には、図４及び図５に示したマニプレータ１１０は、ツール支持軸１１４上に支持されたツール１１２が６自由度にて動くように動かすことができる。この目的のため、図１及び図２の実施の形態と同様に、ツール支持軸１１４は、１対の互いに隔った位置にある制御アーム１１６および１１８により支持されている。１対の制御アーム１１６、１１８は、それぞれの線形アクチュエータ１２０、１２２及びそれぞれの回転アクチュエータ１２４、１２６によって、互いに独立的に可動である。各制御アーム１１６、１１８のそれぞれと関係する線形アクチュエータ１２０、１２２は、制御アームをその長手方向に向けて移動させる。一方、回転アクチュエータ１２４、１２６は、線形アクチュエータを、ひいては制御アームを回動（枢動）させることができる。図４及び図５に示したマニプレータ１１０は、ツールの挿入及び引き出しを促進するツール支持軸１１４上の線形アクチュエータ１３０と、ツールの転動（回転）を促進するツール支持軸上の回転アクチュエータ１３２とを含む。
【００２３】
［００３０］ 図１及び図２に示したマニプレータと相違して、回転アクチュエータ１２４、１２６は、それらの回転軸線が互いに整合しないような態様でフレーム１２８上に支持されている。この実施形態の場合、支持フレーム１２８は、上方、下方及び中間支持アーム１２９を含み、これらのアームの間にて、回転及び線形アクチュエータが支持されている。図示した支持フレーム１２８は、以下により詳細に説明するように、既存の取り付け装置と容易に接続することができる比較的小型の装置を提供する。
【００２４】
［００３１］ 図４及び図５には、また、異なるツールを支持するため、本発明のマニプレータを使用する方法も示される。具体的には、図４に示したように、マニプレータ１１０は、ツール１１２、すなわち、図示した実施の形態において、ツール支持軸１１４と同軸状に配置された焼灼／切開ツールを支持することができる。これと代替的に、図５に示したように、ツール１１２（この場合、ドリル）を、ツール支持軸１１４から軸心が偏位した関係にて支持するようにして、例えば、動力式ツール用のアクチュエータの使用を受容することができる。この場合（図５）、ツール１１２は、コネクタピース１４４を介してツール支持軸１１４と接続されている。コネクタピース１４４は、ツール１１２が支持軸１１４と一緒に空間内にて動くことを許容する。更に、ツール１１２を、支持軸１１４の回動可能且つ伸長可能な下端と接続することにより、ツールは、支持軸上のツール線形アクチュエータ１３０及びツール回転アクチュエータ１３２を介して動かされることもできる。理解し得るように、ツールをツール支持軸上に取り付けるための他の装置を使用することもできる。
【００２５】
［００３２］ 図示したマニプレータの構造及び作用は、その開示内容を参考として引用し本明細書に含めることとする、「外科用マニプレータ（Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ）」という名称の、同時に譲渡された国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ９９／２７６５０号及びこれに対応する米国特許出願第０９／８５６，４５３号に開示されたマニプレータの実施の形態の幾つかと類似している。理解し得るように、図示したマニプレータの幾何学的形態は、６自由度の動作を実現できることを含む、特定の有利な効果を提供するが、本発明は、特定のマニプレータのアーキテクチャ又は運動学的スキームに限定されるものではない。必要なことは、ツールを所望の自由度にて動かすことのできるマニプレータを提供できることである。例えば、使用可能であるその他のマニプレータのアーキテクチャ及び運動学的スキームとして、それぞれ「マスタースレーブマイクロマニプレータ装置（Ｍａｓｔｅｒ−Ｓｌａｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ Ａｐｐａｒａｔｕｓ）」という名称の国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ９９／２７６５０号及び米国特許出願第０９／８５６，４５３号に開示されたようないわゆる二重ＳＣＡＲＡスキーム及び「マスタースレーブマイクロマニプレータ方法（Ｍａｓｔｅｒ−Ｓｌａｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ Ｍｅｔｈｏｄ）」という名称の米国特許出願第５，９４３，９１４号及び米国特許出願第６，０００，２９７号に開示されたような二重平面状スキームを挙げることができる。更に、図示した実施の形態は、単一のマニプレータのみを含むが、両手又は腕を必要とする方法のため２つ以上のマニプレータを提供することができる。
【００２６】
［００３３］ 本発明の１つの重要な特徴によれば、外科的処置又はその他の介入的処置を行なう際に患者がマニプレータ１０、１１０に対して動く可能性を実質的に少なくし、且つ、それにより患者の安全性を向上させるために、マニプレータ１０、１１０は、マニプレータを患者の身体の少なくとも特定の部分に対して固定することを許容する取り付け保持具を含むことができる。マニプレータ１０、１１０を患者の身体に対して固定することができるということは、全身麻酔及び筋肉の麻痺の必要性を解消し、また、これに関係する医療上の危険性を解消し、さらに、マニプレータのアクチュエータのアクティブなコンプライアンスやパッシブな逆駆動の可能性、すなわち、患者が動くことにより患者とツールとの相対位置が変化したり、動いた患者によってアクチュエータが逆に駆動されてしまう可能性を解消することになろう。
【００２７】
［００３４］ この目的のため、図１及び図２に示した実施の形態において、アクチュエータの支持フレーム２８、ひいてはツール支持軸１４は、患者の頭部又はその他の身体部分に直接取り付けることのできる取り付け構造体３７（この場合、具体的には取り付けリング３８）と接続されている。取り付けリング３８を、例えば患者の頭部に装着し易くするため、取り付けリング３８は、取り付け穴４０（図示した実施の形態にて３つ）を含む。取り付け穴４０は、取り付けリング３８を頭部に装着するために使用されるねじを受け入れることができる。アクチュエータ支持フレーム２８は、締止め（クランプ）機構４２により取り付けリング３８と接続される。該締止め機構４２は、アクチュエータの支持フレーム２８が取り付けリング３８の周縁の回りにおける任意の所定の位置に動き且つ任意の所定の位置に係止されることを許容する。
【００２８】
［００３５］ 取り付け構造体が頭部締止め固定システムを含んでいる本発明の１つの実施の形態が、図６及び図７に示されている。図示した実施の形態において、図４、図５のマニプレータ１１０の支持フレーム１２８を頭部クランプ１６２と接続するアーム１６０が提供される。クランプ１６２は、Ｃ字形フレーム１６４を含む。Ｃ字形フレーム１６４は、一側部にて第一の固定した頭部係合ピン１６６を支持し、また、反対側部にて第二、第三の頭部係合ピン１６８、１７０を支持する。第二及び第三の頭部係合ピン１６８、１７０は、Ｕ字形リンク１７２上に支持されており、該Ｕ字形リンク１７２は、フレーム１６４に対して回転し、外科医がフレーム１６４に対する患者の頭部の角度位置を調節することを許容する。クランプ１６２は、Ｕ字形リンク１７２をフレーム１６４に対する特定の角度位置にて解放可能に係止する回転機構１７４を含む。図示した実施の形態において、頭部クランプ１６２は、頭部クランプを医療テーブルに取り付けることを許容する基部ユニット１７６により支持されている。
【００２９】
［００３６］ 頭部の位置を調節する間、マニプレータ１１０が患者の頭部に対して固定されたままであることを保証するため、マニプレータを支持するアーム１６０は、クランプ１６２の回転機構１７４に連結される。具体的には、アーム１６０は、スリーブ１７８に連結される。該スリーブ１７８は、Ｕ字形リンクの角度位置が回転機構１７４のノブ１８０を介して調節されるとき、Ｕ字形リンク１７２と共に回転する。このように、マニプレータ１１０は、頭部の位置を調節している間、Ｕ字形リンク１７２、ひいては患者の頭部に対して、同一の位置に固定されたままである。本発明にて使用することのできる頭部クランプ固定システムの一例は、オハイオ州、シンシナティのオハイオメディカルプロダクツ（Ｏｈｉｏ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ）によりメイフィールド（ＭＡＹＦＩＥＬＤ）（登録商標）という商標名にて販売されている（例えば、米国特許第５，２６９，０３４号及び米国特許第５，５４６，６６３号を参照）。
【００３０】
［００３７］ 勿論、当該技術の当業者により理解されるように、本発明は、任意の特定の取り付け保持具にのみ限定されず、マニプレータを患者の身体の所望の部分に対して固定することを許容する任意の取り付け保持具又はシステムを含む。また、本発明は、身体上の特定の位置にのみ取り付け得ることに限定されるものではない。例えば、マニプレータ１０は、頭部（例えば、神経外科手術、耳の外科手術又は鼻の外科手術を実行するため）、脊椎又はその他の身体構造体に取り付けることができる。
【００３１】
［００３８］ マニプレータ１０を患者に取り付けることを許容するため、マニプレータ１０は、比較的低慣性力の、比較的軽量で小型の設計のものでなければならない。軽量、小型のマニプレータを利用すれば、患者に加わる重量の一部を解放するために代替的な支持構造体を提供することは必要なくなるであろう。かかる代替的な支持構造体は、マニプレータに起因して患者に加えられる応力の一部を小さくするのを助ける一方、顕著な慣性力の問題点を招来する可能性がある。低質量及び低慣性力を実現するためには、比較的大きい力対質量比を有する線形及び回転アクチュエータをマニプレータにて使用する必要がある。この目的のため、本発明の１つの好ましい実施の形態において、マニプレータにて使用される線形及び回転アクチュエータ（２０、２２、２４、２６、１２０、１２２、１２４、１２６）は、超音波モータを備えている。
【００３２】
［００３９］ 超音波モータは、比較的大きい力対質量比であることに加えて、従来のステッパ及び直流モータに優る幾つかのその他の有利な効果を提供する。例えば、超音波モータは、出力を落としたとき、動いているときの力に等しい力にて固有のブレーキ作用を有する。このことは、患者の安全性を向上させる。超音波モータは、熱の放散の問題点がなく、且つ、電気的に絶縁されることができる。更に、超音波モータは、極めて安定的なので、クリーンルーム内にて使用することができる。更に、空圧式アクチュエータと比較して、超音波モータに基づくアクチュエータは、ツールが剛体に力を加えるように使用されるときに、力を加えすぎてしまうという問題がない。したがって、その剛体が破壊してしまう心配がない。本発明にて線形又は回転アクチュエータの何れかとして使用するのに適した超音波モータの一例は、イスラエル、ヨークネマンのナノモーション（Ｎａｎｏｍｏｔｉｏｎ）から入手可能なＳＡＷ超音波モータである。
【００３３】
［００４０］ これと代替的に、マニプレータ上の線形及び回転アクチュエータとして、電気力学的モータ、液圧式アクチュエータ又はケーブル駆動装置を使用してもよい。ケーブル駆動装置については、回転型又はプッシュ−プル型の何れも使用することができる。ケーブルの原動機としては、空気又は流体タービン又はサーボモータを含むことができる。ケーブル駆動装置を使用するとき、コントローラを通して顕著なトルクの増幅を行ない、バックラッシュ、ワインドアップ、ヒステリシス及びケーブルの摩擦効果を補償しなければならない。線形及び回転アクチュエータのために液圧アクチュエータが使用される場合、液圧流体が患者と接触したときの患者の安全性を保証するため、液圧作動用流体として、水、食塩水、又は過フッ化炭化水素液体を使用することができる。歯車ポンプや、蠕動ポンプ、隔膜ポンプ、ピストンポンプ及びベンチュリポンプなどのその他の適正なポンプを使用して液圧流体の流れを制御することができる。液圧流体は、空圧作動に利用される気体と比較して非圧縮性なので、オーバシュートの問題を回避することができる。アクチュエータ自体は、例えば、ピストン／シリンダアクチュエータ（線形アクチュエータ）、回転ベーン、隔膜及びブルドン管を備えることができる。静止摩擦及び動摩擦を少なくするため、回転及び線形アクチュエータのための静圧軸受を使用することができる。比較的大きい力対質量比を有するその他の型式のアクチュエータを使用することもできる。
【００３４】
［００４１］ 本発明の更なる特徴により、マニプレータ１０、１１０を患者に対して固定可能であることは、マニプレータ１０及びツール１２、１１２の患者に対する整合の精密さを向上させることもできる。特に、マニプレータ１０、１１０を患者に対して固定することは、一定の機械的基準を提供し、このため。処置が進行するにつれて次々に得られる像又は像の一定の集合体は、マニプレータ１０、１１０に対して同一の位置に止まるであろう。
【００３５】
［００４２］ 図１及び図２に示した実施の形態において、これを用いるための１つの方法は、既に、患者に埋め込まれている状態の、マニプレータ１０を固定すべく使用されるねじと一緒に手術前の画像を撮る（例えば、磁気共鳴（ＭＲ）又はＸ線により）ことである。ＭＲ又はＸ線による撮影に適合可能な材料で作られたものとすることのできるねじは、そのとき、像中の参照点又は基準点として機能することができる。外科手術時、ねじは、マニプレータの取り付けリング３８の取り付け点を規定すべく使用される。次に、手術が行なわれている間、ねじの位置を基準として、手術前の像に対するツール１２の位置を表示することができる。所望であるとき、手術中、ツール１２の位置を表わすことのできる像データは、例えば、ＣＴ、ＭＲ又は同様のものを使用して更新することができる。
【００３６】
［００４３］ 取り付けねじが適所にある状態にて手術前の像形成を行なう１つの代替例として、ミネソタ州、ミネアポリスのメドトロニック（Ｍｅｄｔｒｏｎｉｃ）から入手可能なステルスステーション（ＳｔｅａｌｔｈＳｔａｔｉｏｎ）（登録商標）システムにてマニプレータを一体化し又は例えば、電磁トラッキング法のような、神経、脊椎及びその他の型式の外科手術の分野にて周知の別の三次元的な６自由度の位置検知の技術を使用することにより、光三角測量法を使用してツール１２、１１２、取り付け構造体又はマニプレータ構造体１０、１１０の位置を手術前又は手術中の像に対してトラッキングすることができる。
【００３７】
［００４４］ 電磁トラッキング又は誘導システムは、例えば、磁界強度、位相遅れ、走行測定値の位相対位置又はパルス時間に対する感度に基づくものとし、１度から６度の制約の中で任意の確実度にてツールの位置及び向きを計算することができる。これを実現することのできる１つの方法は、電磁界発生装置を使用することである。電磁界発生装置おしては、例えば、図８に概略図的に示したもののように３次元的に多次元界を発生させることのできる、互いに直交状に配設した３つのコイルループから成る電磁界発生装置９０を使用することができる。３つのコイルの各々により発生された磁界は、位相、周波数又は時間的多重化を介して相互に識別可能である。互いに直交状に配設した３つのダイポール検知要素から成るものとすることのできる電磁界発生装置により発生された磁界を検出する遠隔センサ９２は、図８に示したように、ツール上、および、マニプレータ上のようなその他の位置に配置することができる。磁界発生装置９０に対する遠隔センサ９２の位置は、監視され、且つ、位置検出コントローラ９４により、保存されている手術前の像と相関させられ、また、ディスプレイ９６に表示されることができる。位置検出コントローラは、マニプレータの動きを制御するために使用されるものと同一のコントローラとしてもよいし、又は別のコントローラとしてもよい。
【００３８】
［００４５］ これらの型式の電磁的な位置決め技術は、全地球測位システム（ＧＰＳ）、レーダ、レゾルバ及びその他の電磁式位置決定システムと共に使用される。かかる電磁トラッキング又は誘導システムは、本明細書に開示した特定のマニプレータの形態と共に使用することにのみ限定されず、マニプレータ又はロボットに支持され且つ１以上自由度にて動くように動かされる任意のタイプのツールをトラッキングし且つ（又は）誘導すべく使用することができる。本発明と共に使用し得るようにすることのできる電磁位置決めシステムは、マサチューセッツ州、ボストンのビジュアリゼーションテクノロジーズ（Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）（米国特許第５，６７６，６７３号及び米国特許第５，８２９，４４４号を参照）、コロラド州、レークウッドのウルトラガイド（ＵｌｔｒａＧｕｉｄｅ）及びヴァーモンド州、コルチェスターのポールヘモス（Ｐｏｌｈｅｍｕｓ）から入手可能である。
【００３９】
［００４６］ 医療処置を行なう間、マニプレータ１０、１１０と接触型インターフェース１３とを互いに対して傾動又は回転させ、これらが患者に対して異なる向きとなるようにすることが可能である。例えば患者は、顕微鏡などによる手術箇所の映像を見ることができるよう、特定の向きに配置されることができる。マニプレータ１０、１１０は、手術箇所の視覚化（見やすさ）を害することなく、手術箇所への最良のアクセスを提供し得るように配置されよう。一方、接触型インターフェースは、外科医の腕にとって都合の良い（やりやすい）、人間工学的に良好で且つ安楽な位置を提供するような向きとされよう。かかる場合、マニプレータ及び接触型インターフェースの座標基準フレームは、互いに且つ患者に対して傾斜するようにすることが可能である。
【００４０】
［００４７］ 接触型インターフェースを通してマニプレータを操作する外科医は、外科手術中、マニプレータ１０、１１０により保持されたツール１２、及び外科手術箇所を観察するであろう。従って、位置トラッキングシステム（電磁式、光学式又は任意のその他の適正なシステムとすることができる）、及びこれに付随する位置検出コントローラは、マニプレータ、接触型インターフェース及び患者の位置を特定すると共に、患者の座標基準フレームにおける任意の動きを、接触型インターフェースの基準フレーム及びマニプレータの基準フレームにおける動きに置き換える（変換する）ことができる。このような変換は、例えば、コントローラにより行われる変換アルゴリズムによって実行することができ、また、このような変換は、接触型インターフェース及びマニプレータの、互いに対する、また、患者に対する向きに関係なく、接触型インターフェースの入力装置とマニプレータにより保持されたツールとの動きを患者の基準フレームに対して調和させることができる。このように、外科医が接触型インターフェースを使用してその手を前方に真直ぐに且つ水平に動かすとき、マニプレータにより保持された医療用ツールも、また、同一の軌跡にて動くであろう。マニプレータが患者に対して傾斜した向きにて取り付けられたときでさえ、そうであろう。
【００４１】
［００４８］ 接触型インターフェース及びマニプレータの基準フレームは、一般的に、それらのそれぞれの取り付け位置により規定される。しかし、患者の基準フレームの場合、そうではない。患者の基準フレームは、患者の位置に依存するであろう。または、顕微鏡又は何らかの種類のその他の画像技術の助けを受けて処置が実行される場合、患者の基準フレームは、おそらく幾分かは像の基準フレームに依存するであろう。従って、患者の座標基準フレームは、接触型インターフェースの座標基準フレームと同一としてもよいし、又は特定の医療方法に対して望まれるように、接触型インターフェースの座標基準フレームから偏位するものとしてもよい。接触型インターフェース及びマニプレータの向きと同様、患者の基準フレームの向きは、システムの入力とし、又は、手操作のような何らかのその他の態様にてコントローラに入力することができる。所望の患者の基準フレーム、接触型インターフェースの基準フレーム及びマニプレータの基準フレームの向きが分かったなら、コントローラは、接触型インターフェースを介して発生された動きの情報の必要な変換又は調節を実行し、コントローラによりマニプレータに対して提供される、動きの命令又は指令が、患者の基準フレームにおける医療用ツールの所望の動きとなるようにする。
【００４２】
［００４９］ マスタースレーブロボットシステムに対してかかる基準フレームの変換を実行することのできる一例としてのシステムを示す概略図的なフローチャートが図９に示されている。図９に示したシステムにおいて、マニプレータ１０、接触型インターフェース１３及び患者の座標基準フレームの向きを検知するため、位置トラッキング又は検知システム２００が使用される。次に、これらの基準フレームの向きに関するデータは、コントローラ１５に送信され、このデータは、マニプレータ、接触型インターフェース及び患者の基準フレームの相対的な向きを決定する。次に、相対的な向きに関するこのデータ又は情報は、接触型インターフェース１３から受け取った動きの命令を調節し、マニプレータ１０に送信される動きの命令を生成させるべく使用される。
【００４３】
［００５０］ 多くの外科的処置は、骨のような生存組織を除去し、骨のような生存組織内へのインプラントを形成し、又は望ましくない組織をその他の生存組織から除去するステップを含む。かかる場合、生存組織を使用して患者の基準フレームを規定することが有益である。例えば、患者の基準フレームは、インプラントがその内部に配置されるところの骨により規定することができる。しかし、生体の骨は、医療処置を行なう間、固定位置に完全に拘束することは極めて困難である。その結果、骨は、医療方法を行なう間、接触力又はその他の外的刺激により動き、その結果、患者の基準フレームの向きが変位、すなわち変わってしまうことがある。
【００４４】
［００５１］ かかる動きに対処するため、位置検知システム又は何らかの他の動き監視システムが、患者の基準フレームを規定する骨又はその他の生存組織の動きを連続的にリアルタイムにて監視し得るようにすることができる。これは、例えば、動き監視装置を直接、生存組織に装着することにより実行することができる。これにより得られるデータは、コントローラにより使用される。この場合にもリアルタイムにて、患者、接触型インターフェース及びマニプレータの相対的な向きに関するデータは連続的に更新され、骨の任意の動きを把握する。コントローラにより為される、接触型インターフェースの動きの情報に対する調節は、常に、骨又はその他の生存組織の位置に関する最新の情報を使用するようにする。このように、骨等が動いたら医療用ツールの動き又は操作を更に続けるのをやめなければならないというのではなく、動く骨等に従うようにツールを自動的に動かすマニプレータの作動を中断させることなく、医療処置を続行することができる。
【００４５】
［００５２］ 図９には、マニプレータ、接触型インターフェース及び患者の基準フレームの向きを検出すべく使用される位置検知システム１１０が所望の身体組織の動きを検出するためにも使用される、本発明の１つの実施の形態が示されている。図９の実施の形態において、位置検知システムは、身体組織の動きが検出されたとき、患者の基準フレームの向きに関するデータ又は情報を更新する。次に、患者の基準フレームの向きに関する新たなデータは、コントローラに送られ、このコントローラは、新たな患者の基準フレームを使用してマニプレータ、接触型インターフェース及び患者の基準フレームの相対的向きを再度計算する。上述したように、この動きの検出および患者の基準フレームの向きのデータの更新は、コントローラによる相対的な向きのデータの更新の場合と同様、リアルタイムにて行なわれる。勿論、システムは、接触型インターフェース及び（又は）マニプレータのような、システムのその他の要素の動きをリアルタイムにて監視し得るようにすることができる。
【００４６】
［００５３］ コントローラは、マニプレータに対する動きの命令を生成するとき、システムが全体として骨の動きを考慮してこれに対処する限り、骨の動きに関するデータを任意の適正な態様にて操作することができる。例えば、コントローラは、骨の動きに関するデータを使用して骨（すなわち、患者の基準フレーム）に対するマニプレータの基準フレームの位置を連続的にリアルタイムにて更新し、マニプレータが骨の動きに従うような態様にて動くよう設定することができる。当該技術の当業者により理解されるように、骨の動きを極めて高度な検出帯域幅にて検出することのできる位置／動き検知システムを使用する必要があり、また、コントローラは、その骨の動きのデータを取得し、且つ、基準フレームの変換を十分に高いサーボ速度にて更新し、骨の動きに拘らず、マニプレータの連続的な作動を可能にすることができなければならない。
【００４７】
［００５４］ 当該技術の当業者により理解されるように、接触型インターフェース、マニプレータ及び患者により規定された座標基準フレームの相対的な向きは、任意の数の異なる位置トラッキング又は誘導システムを使用して決定することができ、本発明は、任意の特定の方法にのみ限定されるものではない。例えば、上述したように、接触型インターフェース、マニプレータ及び患者の基準フレームの向きは、電磁位置検知システムを使用して検知することができる。かかる場合、接触型インターフェース、マニプレータ及び患者（例えば、医療方法を受ける組織）の位置は、送信機と受信機との間の無線接続又はリンクを介して全地球測位システムと同様の態様にて局所的な三角測量法により決定することができる。例えば、手術室又は外科手術ユニットは、規定された位置にて幾つかの固定型送信機を有することができ、また、接触型インターフェース、マニプレータ及び患者の各々は、送信機から信号を受け取り且つ位置データを生成することのできる関係した受信機を有することができる。接触型インターフェース、マニプレータ及び患者の各々にて十分な受信機（及び（又は）送信機）を設け、各々の基準フレームの向きを三次元的に規定することになるであろう。これと代替的に、送信機は、接触型インターフェース、マニプレータ及び患者に設けてもよく、また、受信器は、規定された位置に固定することができる。
【００４８】
［００５５］ 光位置決めシステムは、接触型インターフェース、マニプレータ及び患者の相対的な向きを規定すべく使用することもできるもう１つの型式の位置決めシステムである。接触型インターフェース、マニプレータ及び患者上に配置されたジャイロスコープを使用するような慣性力利用の位置トラッキングシステムを使用することもできる。レーザ距離スキャナ利用の位置検出システムは、接触型インターフェース、マニプレータ及び患者の基準フレームの相対的向きを検知する更にもう１つの方法である。
【００４９】
［００５６］ 本発明の更に別の特徴によれば、マニプレータ１０、１１０は、ＭＲ又はＸ線の環境と適合可能な構造、すなわち、ＭＲ又はＸ線を利用した画像法と関連させて使用できる構造とすることができる。このことは、ＭＲ画像法又はその他のＸ線方法を行なう間、マニプレータ１０が作動し、これにより外科医が例えば、標的組織、正常な組織及びツール１２、１１２を、同一のリアルタイム又はほぼリアルタイムの画像環境内にて視覚化することを可能にする。マニプレータ１０、１１０がＭＲ環境にて作動することを許容するため、マニプレータは、特定の金属、プラスチック、ガラス及びセラミックのような、ＭＲ画像法と適合可能な、すなわちＭＲ画像法に適した（同画像法の実施に悪影響を与えない）材料にて全体が出来ていなければならない。更に、マニプレータにて使用される線形及び回転アクチュエータ２０、２２、２４、２６、１２０、１２２、１２４、１２６もＭＲ画像法と適合可能でなければならない。この点に関して、超音波及び液圧アクチュエータの双方がＭＲ適合可能であるという追加的に有利な効果を有する。Ｘ線画像法を行なう間、マニプレータ１０、１１０を使用することを許容するため、マニプレータの特定の構成要素は、プラスチック、黒鉛、セラミック及びガラスのような放射線透過性材料にて出来たものとすることができる。アクチュエータと関係した位置エンコーダ及び力センサは、ＭＲ及び（又は）Ｘ線画像法と適合可能なものとすることもできる。位置暗号化及び力を検知する圧電歪み計に対して、例えば、マイクロＥ（ＭｉｃｒｏＥ）、レニショー（Ｒｅｎｉｓｈａｗ）又はコンピュータオプティカルプロダクツ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ）から商業的に入手可能なもののような光ファイバ接続した正弦−余弦光エンコーダを使用することができる。
【００５０】
［００５７］ 上記の説明から、本発明は、マスタースレーブロボット式システムにて使用して操作者／外科医の技量を向上させることのできる軽量で且つ小型の患者に取り付け可能なマニプレータを提供するものであることが理解されよう。マニプレータを患者の身体に対して固定可能であることは、マニプレータに対する患者の意図しない動きに起因する外傷の可能性を実質的に少なくすることにより安全性を向上させる。更に、マニプレータを患者の身体に対して固定することは、手術前及び（又は）手術後の像に対して医療用ツールのトラッキングを容易にする極めて精密な機械的基準を提供する。マニプレータは、ツールの位置をリアルタイム又はほぼリアルタイム像に対して基準とすることを許容し得るようＭＲ又はＸ線画像法を実行する間、作動可能な構造とすることができる。このように、本発明によるマニプレータが軽量、小型であること、及び、比較的大きい作業スペース内にてツールを６自由度まで作動させることが可能であるということは、本発明を例えば、神経外科手術、耳の外科手術、洞の外科手術及び脊椎の外科手術を含む任意の数の異なる医療方法にて使用するのに適したものにする。
【００５１】
［００５８］ 特許、特許出願及び出版物を含む、本明細書にて引用した全ての文献は、その全体を参考として引用し本明細書に含めるものとする。
【００５２】
［００５９］ 本発明は、好ましい実施の形態に特に重点的に説明したが、当該技術の当業者には、好ましい実施の形態の変形例を使用することができ、また、本発明は本明細書にて具体的に記載したもの以外の形態にて実行可能であることことを意図するものであることが明らかであろう。従って、本発明は、以下の特許請求の範囲により規定された本発明の思想及び範囲に包含される全ての改変例を含むものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の身体に医療処置を実行する方法において、
医療用ツールを少なくとも１自由度にて動かすことのできるマニプレータにより前記医療用ツールを支持する工程と、
マニプレータの座標基準フレームを規定し得るように前記マニプレータを前記患者の身体に対して支持する工程と、
マスターの座標基準フレームを規定し得るように接触型インターフェースを前記患者の身体に対して支持する工程と、
所望の患者の座標基準フレームを決定する工程と、
前記接触型インターフェースの座標基準フレーム、マニプレータの座標基準フレーム及び患者の座標基準フレームの互いに相対的な向きに関するデータを採取する工程と、
前記接触型インターフェースの入力装置の動きを通じて前記医療用ツールに対する動きの命令を入力する工程と、
前記動きの命令に基づいてマスターの座標基準フレームの動きの情報を生成する工程と、
前記相対的な向きのデータを使用して、マニプレータに対する動きの指令を発生させ得るように前記接触型インターフェースの座標基準フレームの動きを調節する工程と、
前記動きの指令を前記マニプレータに送信する工程と、を備える、患者の身体に医療処置を実行する方法。
【請求項２】
請求項1に記載の方法において、前記接触型インターフェース、マニプレータ及び患者の座標基準フレームの前記相対的な向きに関するデータを採取する前記工程は、少なくとも一部分、電磁トラッキング法を使用して実行される、方法。
【請求項３】
請求項1に記載の方法において、前記接触型インターフェース、マニプレータ及び患者の座標基準フレームの前記相対的な向きに関するデータを採取する前記工程は、少なくとも一部分、光三角測量法を使用して実行される、方法。
【請求項４】
請求項1に記載の方法において、前記接触型インターフェース、マニプレータ及び患者の座標基準フレームの前記相対的な向きに関するデータを採取する前記工程は、少なくとも一部分、三角測量法を使用して実行される、方法。
【請求項５】
請求項1に記載の方法において、前記所望の患者の座標基準フレームは、患者の身体組織に対して規定される、方法。
【請求項６】
請求項1に記載の方法において、前記所望の患者の座標基準フレームは、前記接触型インターフェースの座標基準フレームと同一の向きを有する、方法。
【請求項７】
患者の身体の一部分に医療処置を実行するときに使用されるマニプレータにおいて、
医療用ツールと、
前記医療用ツールを保持し、且つ、該医療用ツールが少なくとも１自由度にて動けるように該医療用ツールを動かす位置決め機構と、
前記位置決め機構に対する動きの命令を受け取り、且つ、該動きの命令に基づいて動きの情報を生成する接触型インターフェースと、
前記位置決め機構の座標基準フレームの向き及び前記接触型インターフェースの座標基準フレームの向きを検知する三次元的位置検知システムと、
前記接触型インターフェースからの前記動きの情報を受け取ると共に、前記位置決め機構の座標基準フレーム及び前記接触型インターフェースの座標基準フレームの検知された向き及び所望の患者の座標基準フレームの向きに基づいて動きの情報を調節し、且つ、該調節された動きの情報に基づいて前記位置決め機構により前記医療用ツールの動きを導くコントローラと、を備える、マニプレータ。
【請求項８】
請求項７に記載のマニプレータにおいて、前記位置検出システムは電磁トラッキング法を使用している、マニプレータ。
【請求項９】
請求項７に記載のマニプレータにおいて、前記位置検出システムは光三角測量法を使用している、マニプレータ。
【請求項１０】
請求項７に記載のマニプレータにおいて、前記位置検出システムは三角測量法を使用している、マニプレータ。
【請求項１１】
請求項７に記載のマニプレータにおいて、前記位置決め機構は、前記医療用ツールが６自由度にて動くように該医療用ツールを動かすことができる、マニプレータ。
【請求項１２】
患者の身体に医療処置を実行する方法において、
医療用ツールを少なくとも１自由度にて動かすことのできるマニプレータにより前記医療用ツールを支持する工程と、
マニプレータの座標基準フレームを規定し得るように前記マニプレータを前記患者の身体に対して支持する工程と、
マスターの座標基準フレームを規定し得るように前記マスターを前記患者の身体に対して支持する工程と、
前記患者の身体組織に対する患者の座標基準フレームを決定する工程と、
前記マスターの座標基準フレーム、マニプレータの座標基準フレーム及び患者の座標基準フレームの互いに相対的な向きに関するデータを採取する工程と、
前記患者の座標基準フレームを規定するため使用される身体組織の動きをリアルタイムにて監視すると共に、前記患者の身体組織の動きに基づいて前記相対的な向きのデータをリアルタイムにて更新する工程と、
前記マスターの入力装置の動きを通じて前記医療用ツールに対する動きの命令を入力する工程と、
前記動きの命令に基づいてマスターの座標基準フレームの動きの情報を生成する工程と、
前記相対的な向きのデータを使用して、前記マニプレータに対する動きの指令を発生させ得るように前記マスターの座標基準フレームの動きを調節する工程と、
前記動きの指令を前記マニプレータに送信する工程と、を備える、患者の身体に医療処置を実行する方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法において、前記接触型インターフェース、マニプレータ及び患者のそれぞれの座標基準フレームの前記相対的な向きに関するデータを採取する前記工程は、少なくとも一部分、電磁トラッキング法を使用して実行される、方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の方法において、前記接触型インターフェース、マニプレータ及び患者のそれぞれの座標基準フレームの前記相対的な向きに関するデータを採取する前記工程は、少なくとも一部分、光三角測量法を使用して実行される、方法。
【請求項１５】
請求項１２に記載の方法において、前記接触型インターフェース、マニプレータ及び患者のそれぞれの座標基準フレームの前記相対的な向きに関するデータを採取する前記工程は、少なくとも一部分、三角測量法を使用して実行される、方法。
【請求項１６】
請求項１２に記載の方法において、前記身体組織は骨を含む、方法。
【請求項１７】
患者の身体の一部分に医療処置を実行するときに使用されるマニプレータにおいて、
医療用ツールと、
前記医療用ツールを保持し且つ該医療用ツールが少なくとも１自由度にて動くように該医療用ツールを動かす位置決め機構と、
前記位置決め機構に対する動きの命令を受け取り、且つ、該動きの命令に基づいて動きの情報を生成する接触型インターフェースと、
前記位置決め機構の座標基準フレームの向きと、前記接触型インターフェースの座標基準フレームの向きと、患者の組織の位置とを検知する三次元的位置検知システムであって、前記患者の組織の位置をリアルタイムにて連続的に監視する前記三次元的位置検知システムと、
前記接触型インターフェースからの前記動きの情報を受け取ると共に、前記位置決め機構の座標基準フレーム及び前記接触型インターフェースの座標基準フレームの検知された向きと、前記患者の組織の前記リアルタイムの位置と、所望の患者の座標基準フレームの向きとに基づいて前記動きの情報を調節し、該調節された動きの情報に基づいて前記位置決め機構により前記医療用ツールの動きを指示するコントローラと、を備える、マニプレータ。
【請求項１８】
請求項１７に記載のマニプレータにおいて、前記位置検出システムは電磁トラッキング法を使用している、マニプレータ。
【請求項１９】
請求項１７に記載のマニプレータにおいて、前記位置検出システムは光三角測量法を使用している、マニプレータ。
【請求項２０】
請求項１７に記載のマニプレータにおいて、前記位置検出システムは三角測量法を使用している、マニプレータ。
【請求項２１】
請求項１７に記載のマニプレータにおいて、前記位置決め機構は、前記医療用ツールが６自由度にて動くように該医療用ツールを動かすことができる、マニプレータ。
【請求項１】
患者の身体に医療処置を実行する方法において、
医療用ツールを少なくとも１自由度にて動かすことのできるマニプレータにより前記医療用ツールを支持する工程と、
マニプレータの座標基準フレームを規定し得るように前記マニプレータを前記患者の身体に対して支持する工程と、
マスターの座標基準フレームを規定し得るように接触型インターフェースを前記患者の身体に対して支持する工程と、
所望の患者の座標基準フレームを決定する工程と、
前記接触型インターフェースの座標基準フレーム、マニプレータの座標基準フレーム及び患者の座標基準フレームの互いに相対的な向きに関するデータを採取する工程と、
前記接触型インターフェースの入力装置の動きを通じて前記医療用ツールに対する動きの命令を入力する工程と、
前記動きの命令に基づいてマスターの座標基準フレームの動きの情報を生成する工程と、
前記相対的な向きのデータを使用して、マニプレータに対する動きの指令を発生させ得るように前記接触型インターフェースの座標基準フレームの動きを調節する工程と、
前記動きの指令を前記マニプレータに送信する工程と、を備える、患者の身体に医療処置を実行する方法。
【請求項２】
請求項1に記載の方法において、前記接触型インターフェース、マニプレータ及び患者の座標基準フレームの前記相対的な向きに関するデータを採取する前記工程は、少なくとも一部分、電磁トラッキング法を使用して実行される、方法。
【請求項３】
請求項1に記載の方法において、前記接触型インターフェース、マニプレータ及び患者の座標基準フレームの前記相対的な向きに関するデータを採取する前記工程は、少なくとも一部分、光三角測量法を使用して実行される、方法。
【請求項４】
請求項1に記載の方法において、前記接触型インターフェース、マニプレータ及び患者の座標基準フレームの前記相対的な向きに関するデータを採取する前記工程は、少なくとも一部分、三角測量法を使用して実行される、方法。
【請求項５】
請求項1に記載の方法において、前記所望の患者の座標基準フレームは、患者の身体組織に対して規定される、方法。
【請求項６】
請求項1に記載の方法において、前記所望の患者の座標基準フレームは、前記接触型インターフェースの座標基準フレームと同一の向きを有する、方法。
【請求項７】
患者の身体の一部分に医療処置を実行するときに使用されるマニプレータにおいて、
医療用ツールと、
前記医療用ツールを保持し、且つ、該医療用ツールが少なくとも１自由度にて動けるように該医療用ツールを動かす位置決め機構と、
前記位置決め機構に対する動きの命令を受け取り、且つ、該動きの命令に基づいて動きの情報を生成する接触型インターフェースと、
前記位置決め機構の座標基準フレームの向き及び前記接触型インターフェースの座標基準フレームの向きを検知する三次元的位置検知システムと、
前記接触型インターフェースからの前記動きの情報を受け取ると共に、前記位置決め機構の座標基準フレーム及び前記接触型インターフェースの座標基準フレームの検知された向き及び所望の患者の座標基準フレームの向きに基づいて動きの情報を調節し、且つ、該調節された動きの情報に基づいて前記位置決め機構により前記医療用ツールの動きを導くコントローラと、を備える、マニプレータ。
【請求項８】
請求項７に記載のマニプレータにおいて、前記位置検出システムは電磁トラッキング法を使用している、マニプレータ。
【請求項９】
請求項７に記載のマニプレータにおいて、前記位置検出システムは光三角測量法を使用している、マニプレータ。
【請求項１０】
請求項７に記載のマニプレータにおいて、前記位置検出システムは三角測量法を使用している、マニプレータ。
【請求項１１】
請求項７に記載のマニプレータにおいて、前記位置決め機構は、前記医療用ツールが６自由度にて動くように該医療用ツールを動かすことができる、マニプレータ。
【請求項１２】
患者の身体に医療処置を実行する方法において、
医療用ツールを少なくとも１自由度にて動かすことのできるマニプレータにより前記医療用ツールを支持する工程と、
マニプレータの座標基準フレームを規定し得るように前記マニプレータを前記患者の身体に対して支持する工程と、
マスターの座標基準フレームを規定し得るように前記マスターを前記患者の身体に対して支持する工程と、
前記患者の身体組織に対する患者の座標基準フレームを決定する工程と、
前記マスターの座標基準フレーム、マニプレータの座標基準フレーム及び患者の座標基準フレームの互いに相対的な向きに関するデータを採取する工程と、
前記患者の座標基準フレームを規定するため使用される身体組織の動きをリアルタイムにて監視すると共に、前記患者の身体組織の動きに基づいて前記相対的な向きのデータをリアルタイムにて更新する工程と、
前記マスターの入力装置の動きを通じて前記医療用ツールに対する動きの命令を入力する工程と、
前記動きの命令に基づいてマスターの座標基準フレームの動きの情報を生成する工程と、
前記相対的な向きのデータを使用して、前記マニプレータに対する動きの指令を発生させ得るように前記マスターの座標基準フレームの動きを調節する工程と、
前記動きの指令を前記マニプレータに送信する工程と、を備える、患者の身体に医療処置を実行する方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法において、前記接触型インターフェース、マニプレータ及び患者のそれぞれの座標基準フレームの前記相対的な向きに関するデータを採取する前記工程は、少なくとも一部分、電磁トラッキング法を使用して実行される、方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の方法において、前記接触型インターフェース、マニプレータ及び患者のそれぞれの座標基準フレームの前記相対的な向きに関するデータを採取する前記工程は、少なくとも一部分、光三角測量法を使用して実行される、方法。
【請求項１５】
請求項１２に記載の方法において、前記接触型インターフェース、マニプレータ及び患者のそれぞれの座標基準フレームの前記相対的な向きに関するデータを採取する前記工程は、少なくとも一部分、三角測量法を使用して実行される、方法。
【請求項１６】
請求項１２に記載の方法において、前記身体組織は骨を含む、方法。
【請求項１７】
患者の身体の一部分に医療処置を実行するときに使用されるマニプレータにおいて、
医療用ツールと、
前記医療用ツールを保持し且つ該医療用ツールが少なくとも１自由度にて動くように該医療用ツールを動かす位置決め機構と、
前記位置決め機構に対する動きの命令を受け取り、且つ、該動きの命令に基づいて動きの情報を生成する接触型インターフェースと、
前記位置決め機構の座標基準フレームの向きと、前記接触型インターフェースの座標基準フレームの向きと、患者の組織の位置とを検知する三次元的位置検知システムであって、前記患者の組織の位置をリアルタイムにて連続的に監視する前記三次元的位置検知システムと、
前記接触型インターフェースからの前記動きの情報を受け取ると共に、前記位置決め機構の座標基準フレーム及び前記接触型インターフェースの座標基準フレームの検知された向きと、前記患者の組織の前記リアルタイムの位置と、所望の患者の座標基準フレームの向きとに基づいて前記動きの情報を調節し、該調節された動きの情報に基づいて前記位置決め機構により前記医療用ツールの動きを指示するコントローラと、を備える、マニプレータ。
【請求項１８】
請求項１７に記載のマニプレータにおいて、前記位置検出システムは電磁トラッキング法を使用している、マニプレータ。
【請求項１９】
請求項１７に記載のマニプレータにおいて、前記位置検出システムは光三角測量法を使用している、マニプレータ。
【請求項２０】
請求項１７に記載のマニプレータにおいて、前記位置検出システムは三角測量法を使用している、マニプレータ。
【請求項２１】
請求項１７に記載のマニプレータにおいて、前記位置決め機構は、前記医療用ツールが６自由度にて動くように該医療用ツールを動かすことができる、マニプレータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公表番号】特表２０１０−５２４６３４（Ｐ２０１０−５２４６３４Ａ）
【公表日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５０６２８０（Ｐ２０１０−５０６２８０）
【出願日】平成２０年４月２５日（２００８．４．２５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００５３９３
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１３４０１７
【国際公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【出願人】（５０１２０５７９５）マイクロデクステラティー・システムズ・インコーポレーテッド (4)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月２５日（２００８．４．２５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００５３９３
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１３４０１７
【国際公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【出願人】（５０１２０５７９５）マイクロデクステラティー・システムズ・インコーポレーテッド (4)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]