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公開番号2025157277
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-15
出願番号2025109303,2022520085
出願日2025-06-27,2020-09-30
発明の名称ツールの動きを誘導するためのシステム及び方法
出願人マコサージカルコーポレーション
代理人個人,個人,個人,個人
主分類A61B 34/35 20160101AFI20251007BHJP(医学または獣医学;衛生学)
要約【課題】ツールの動きを誘導するためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】システムは、ツール20と、マニピュレータとを備える。誘導ハンドラは、ツールの目標状態を取得し、ツールの目標状態及び現在の状態に基づいて仮想制約を生成する。制約ソルバは、仮想制約に基づいて、ツールを目標状態に誘引する、またはツールを目標状態から退けるように適合された制約力を計算する。仮想シミュレータは、制約力と、1つ以上のセンサからの入力とに基づいた仮想シミュレーションでツールの動きをシミュレートし、指令姿勢を出力する。制御システムは、マニピュレータに指令して、ツールを指令姿勢に基づいて動かすことで、ツールを目標状態に配置する、または目標状態から離すようにユーザを誘導する触覚フィードバックをユーザに提供する。
【選択図】図10
特許請求の範囲【請求項１】
ツールと、
前記ツールを支持し、ユーザが前記ツールに加えたユーザの力及びトルクに応じて前記ツールを動かすマニピュレータと、
前記ツールに加えられた力及びトルクを測定する１つ以上のセンサと、
制御システムと
を備えた外科システムであって、
前記制御システムが、
前記ツールの目標状態を取得し、前記ツールの前記目標状態及び現在の状態に基づいて１つ以上の仮想制約を生成する誘導ハンドラと、
前記１つ以上の仮想制約に基づいて、前記ツールを前記目標状態に誘引する、または前記ツールを前記目標状態から退けるように適合された制約力を計算する制約ソルバと、
前記１つ以上のセンサからの入力と、前記制約力とに基づいた仮想シミュレーションで前記ツールの動きをシミュレートし、指令姿勢を出力する仮想シミュレータと
を備え、
前記制御システムは、前記マニピュレータに指令して、前記ツールを前記指令姿勢に基づいて動かすことで、前記ツールを前記目標状態に配置する、または前記目標状態から離すように前記ユーザを誘導する触覚フィードバックを前記ユーザに提供する、
外科システム。
続きを表示（約 880 文字）【請求項２】
前記目標状態は、目標位置、目標配向、または目標姿勢を含み、前記現在の状態は、現在の位置、現在の配向、または現在の姿勢を含む、請求項１に記載の外科システム。
【請求項３】
前記１つ以上の仮想制約は、前記目標位置に関連付けられた最大３つの仮想制約と、前記目標配向に関連付けられた最大３つの仮想制約とを含む、請求項２に記載の外科システム。
【請求項４】
前記制御システムは、前記ユーザが前記ツールを前記目標配向から離して再配向することを可能にする、請求項２に記載の外科システム。
【請求項５】
前記制御システムは、前記ユーザが前記ツールを前記目標位置から離して再配置することを可能にする、請求項２に記載の外科システム。
【請求項６】
前記目標状態は目標座標系を含み、前記ツールは誘導座標系を含み、前記制約力は、前記誘導座標系を前記目標座標系に誘引するように適合される、請求項１に記載の外科システム。
【請求項７】
前記誘導ハンドラは、前記現在の状態と前記目標状態との差に基づいて、１つ以上の自由度に関して前記１つ以上の仮想制約を計算する、請求項１に記載の外科システム。
【請求項８】
前記制御システムは、前記ツールを前記目標状態に誘引することに関連付けられた力及びトルクの成分を前記制約力が含むように、前記１つ以上の仮想制約を有効化するためのユーザインターフェースを備える、請求項１に記載の外科システム。
【請求項９】
前記誘導ハンドラは、前記現在の状態と前記目標状態との関係性に基づいて、前記１つ以上の仮想制約を計算する、請求項１に記載の外科システム。
【請求項１０】
前記１つ以上の仮想制約のそれぞれは、チューニングパラメータの値を有し、前記誘導ハンドラは、前記現在の状態と前記目標状態との関係性に基づいて前記チューニングパラメータの値を変更する、請求項１に記載の外科システム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年９月３０日に出願された米国仮特許出願第６２／９０８，０５６号に対する優先権及び全ての利益を主張し、その内容全体は、参照により本明細書に組み込まれるものとする。
続きを表示（約 3,200 文字）【０００２】
本開示は、概して、ツールの動きを誘導するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
外科システムは、ロボットマニピュレータと、マニピュレータに結合されたツールとを含み、患者に外科的処置を行い得る。ある種の外科システムは、手動動作モードでは、ユーザがツールに手動で加えた力及びトルクを感知する。外科システムは、ロボットアームを備え得るマニピュレータに指令して、感知された力及びトルクを適用することにより、ユーザが期待する動きをエミュレートするようにツールを配置する。よって、外科システムは、一般に、ユーザの意図及び期待に従ってツールを配置し、これによりユーザは、例えば所望の体積の組織を除去することができる。しかし、手動モードで目標位置及び／または目標配向にツールを正確に配置することは、ユーザには困難であり得る。従って、外科システムはまた、マニピュレータに指令して、ツールを自律的に動かして、ツールを目標位置及び／または目標配向に配置し得る。しかし、ツールを自律的に動かす場合、ツールを制御しにくいとユーザが感じる場合がある。このため、ユーザが少なくとも部分的にツールの動きに関与する手動モードが、一部のユーザに好まれ、及び／または特定の状況で好まれ得る。
【０００４】
これらの課題に対処するためのシステム及び方法が当技術分野で必要とされている。
【発明の概要】
【０００５】
この発明の概要は、下記の発明を実施するための形態でさらに後述される概念の精選を、簡略化された形式で紹介する。この発明の概要は、特許請求される発明の主題の範囲を制限することを意図しておらず、特許請求される発明の主題のそれぞれの重要なまたは不可欠な特徴を必ずしも特定するものではない。
【０００６】
第１の態様によれば、ツールと、ツールを支持し、ユーザがツールに加えたユーザの力及びトルクに応じてツールを動かすマニピュレータとを備えた外科システムが提供される。１つ以上のセンサが、ツールに加えられた力及びトルクを測定する。制御システムは、ツールの目標状態を取得し、ツールの目標状態及び現在の状態に基づいて１つ以上の仮想制約（virtual constraint）を生成する誘導ハンドラを備える。制御システムはまた、１つ以上の仮想制約に基づいて、ツールを現在の状態から目標状態に誘引するように適合された制約力（constraint force）を計算する制約ソルバを備える。制御システムはさらに、１つ以上のセンサからの入力と、制約力とに基づいた仮想シミュレーションでツールの動きをシミュレートし、指令姿勢を出力する仮想シミュレータを備える。制御システムは、マニピュレータに指令して、ツールを指令姿勢に基づいて動かすことで、ツールを目標状態に配置するようユーザを誘導する触覚フィードバックをユーザに提供するように、構成される。
【０００７】
第２の態様によれば、外科システムのマニピュレータにより支持されたツールを誘導するための方法が提供される。マニピュレータは、ユーザがツールに加えたユーザの力及びトルクに応じて、ツールを支持して動かす。方法は、ツールに加えられた力及びトルクを測定する１つ以上のセンサからの入力を受信することを含む。方法はまた、ツールの目標状態を取得することと、ツールの目標状態及び現在の状態に基づいて１つ以上の仮想制約を生成することとを含む。１つ以上の仮想制約に基づいて、ツールを現在の状態から目標状態に誘引するように適合された制約力が計算される。１つ以上のセンサからの入力と、制約力とに基づいた仮想シミュレーションで、ツールの動きがシミュレートされる。仮想シミュレーションに基づいて、指令姿勢が出力される。マニピュレータは、ツールを指令姿勢に基づいて動かすことで、ツールを目標状態に配置するようユーザを誘導する触覚フィードバックをユーザに提供するように、指令される。
【０００８】
第３の態様によれば、ツールと、ツールを支持してツールを動かすマニピュレータとを備えた外科システムが提供される。マニピュレータは、マニピュレータがツール経路に沿ってツールを自律的に動かす第１のモードで動作可能であり、ユーザがツールに加えたユーザの力及びトルクに応じてマニピュレータがツールを動かす第２のモードで動作可能である。１つ以上のセンサが、ツールに加えられた力及びトルクを測定する。制御システムは、ツールの目標状態を取得し、ツールの目標状態及び現在の状態に基づいて１つ以上の仮想制約を生成する誘導ハンドラを備える。目標状態は、ツール経路外に位置する。制御システムはまた、１つ以上の仮想制約に基づいて、ツールを現在の状態から目標状態に誘引するように適合された制約力を計算する制約ソルバを備える。制御システムはさらに、１つ以上のセンサからの入力と、制約力とに基づいた仮想シミュレーションでツールの動きをシミュレートし、指令姿勢を出力する仮想シミュレータを備える。制御システムは、マニピュレータに指令して、ツールを指令姿勢に基づいて動かすことで、ツールを目標状態に配置するようユーザを誘導する触覚フィードバックをユーザに提供するように、構成される。
【０００９】
第４の態様によれば、外科システムのマニピュレータにより支持されたツールを誘導するための方法が提供される。マニピュレータは、マニピュレータがツール経路に沿ってツールを自律的に動かす第１のモードで動作可能であり、ユーザがツールに加えたユーザの力及びトルクに応じてマニピュレータがツールを動かす第２のモードで動作可能である。方法は、ツールに加えられた力及びトルクを測定する１つ以上のセンサからの入力を受信することと、ツールの目標状態を取得することとを含む。方法はさらに、ツールの目標状態及び現在の状態に基づいて、１つ以上の仮想制約を生成することを含む。目標状態は、ツール経路外に位置する。１つ以上の仮想制約に基づいて、ツールを現在の状態から目標状態に誘引するように適合された制約力が計算される。１つ以上のセンサからの入力と、制約力とに基づいた仮想シミュレーションで、ツールの動きがシミュレートされる。仮想シミュレーションに基づいて、指令姿勢が出力される。マニピュレータは、ツールを指令姿勢に基づいて動かすことで、ツールを目標状態に配置するようユーザを誘導する触覚フィードバックをユーザに提供するように、指令される。
【００１０】
第５の態様によれば、ツールと、マニピュレータとを備えた外科システムが提供される。マニピュレータは、マニピュレータがツール経路に沿ってツールを自律的に動かす半自律モードで動作可能であり、ツールがツール経路上にまだ存在する間にユーザがツールに加えたユーザの力及びトルクに応じて、ツールを再配向するように動作可能である。１つ以上のセンサが、ツールに加えられた力及びトルクを測定する。制御システムは、ツールの推奨配向を取得し、ツールの推奨配向及び現在の配向に基づいて１つ以上の仮想制約を生成する誘導ハンドラを備える。制御システムはまた、１つ以上の仮想制約に基づいて、ツールを現在の配向から推奨配向に誘引するように適合された制約力を計算する制約ソルバを備える。制御システムはさらに、１つ以上のセンサからの入力と、制約力とに基づいた仮想シミュレーションでツールの動きをシミュレートし、指令姿勢を出力する仮想シミュレータを備える。制御システムは、マニピュレータに指令して、ツールを指令姿勢に基づいて動かすことで、ツールを推奨配向に配置するようユーザを誘導する触覚フィードバックをユーザに提供するように、構成される。
（【００１１】以降は省略されています）

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