JP2010525838A - マニピュレータのツールの一軸に沿った移動を非機械的に制限および／またはプログラミングする方法、装置、およびシステム - Google Patents

Abstract

医療用ロボットの移動を機械的に制限して一軸の移動を生成するのではなく、医療用ロボット移動を電子的に限定することによって達成される一軸に沿った、医療用ロボットのツールの移動を実行するための、方法、（コンピュータ可読媒体などの）装置、および（コンピュータシステムなどの）システム。このようなツールの移動は、一軸移動の間に、ユーザが、医療用ロボットに連結された入力デバイスを他の軸に移動させている場合でも、一軸に沿ったものとなる。さらに一軸移動を自動化するための技法が開示され、それによれば、目標場所に停止して、第２の（例えば、開始の）場所またはその近くで開始するように一軸移動をプログラムすることが可能であり、これは脳生体検査、胸部生体検査または移植などの処置に対して有用であるとともに、ユーザが入力装置を操作して、医療用ロボットのリアルタイム応答移動を生成させる必要なく、その移動を実行するように医療用ロボットに命令する指令をユーザが実行することができる。

Description

関係出願の相互参照
本出願は、参照により本明細書に組み入れてある、２００７年４月１６日出願の米国特許仮出願整理番号６０／９１２１４６号の優先権を主張するものである。同時係属の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ０８／６０５４１も参照により本明細書に組み入れてある。

本発明の方法、装置、およびシステムは、全体的には手術ロボットの分野に関し、より具体的には、マニピュレータ（例えば、多自由度を有するロボットアーム）を、一軸に沿ったマニピュレータによるツールの移動に非機械的に制限することに関する。

本発明の方法、装置、およびシステムよって実施することのできる処置の一例は、自動生体検査（automated biopsy）である。本発明の方法、装置およびシステムが関係する処置に使用することのできる手術ロボットの一例が、本明細書に組み入れてある米国特許第７１５５３１６号（３１６特許）に開示されている。
定位処置（stereotactic procedures）を実行する（例えば、針または小型ツールを取り上げ、３次元空間内で目標物に当てる）ためには、ツールが、その計画された軌跡から逸脱できる範囲を限定するのが有利である。したがって、ロボットを使用してマスター・スレーブインターフェイスを用いる定位処置を実行するのにためには、ＸおよびＹ座標におけるマスターコントローラへのすべての入力を無効にして、ツール先端の移動をＺ軸に制限するのが望ましいことがある。

フレームベースまたはフレームレスの定位ツール（stereotactic tools）を使用する現行の処置は、機械的な限定によってＺロック（Z-lock）状態を生成する。定位処置（フレームベース）に対する最も一般的な方法は、剛性のあるヘッドフレームを患者の頭部へ固定することを必要とする。このフレームは、Ｘ軸およびＹ軸移動を機械的に限定することによって、計画経路を通って定位ツールを誘導する機械的手段としての役割を果たす。機械式アームまたはツール取付け具を使用するその他のフレームレス定位ツールは、患者の頭部を空間において固定し、機械式アームを予め計画された経路位置に設置し、アームに関連する自由度を機械的にロックすることによって定位処置を実行する。その結果は、事前計画された経路に沿っての機械式Ｚロックとなる。

フレームベースおよびフレームレスの定位処置の両方において、事前計画経路は、処置の数時間前に撮られた画像から導出される。しかしながら、脳は、頭蓋腔（cranial cavity）内部で固定されておらず、損傷、腫瘍、水和、および体位変化の結果として位置がずれる可能性がある。これらの比較的小さな脳の位置ずれが、精度の上で問題となり、安全性に対する懸念を生じさせることがある。その結果として、手術後画像およびその他のツールを使用して、既存のツールを用いた正確で安全な処置が確保される。さらに、フレームベース定位処置においては、患者の頭部にヘッドフレームを取り付けることも必要であり、これは、不快であるとともに、時間もかかる。

手術前の計画および手術後の撮像には多大な時間がかかる。さらにフレームレス定位手術（stereotaxy）ナビゲーションシステムは、患者の頭部と外科医のツールとを見通し（line of sight）できることが必要がある。このことは、目標物まで定位ツールを誘導するために、患者の頭部によってその位置を決める必要のある外科医にとって問題となる可能性がある。

本発明の方法およびシステムの態様は、外科医などのユーザが、ツールの縦軸などの一軸に沿って、（ロボットアームに結合されたツール、ならびにロボットアームに一体化されたツールと含む、）ロボットアームの内の１つのツールの自動移動を設定して、実行することを可能にする。そのような移動は、脳組織または胸部組織などの組織の自動生体検査として実施されるときに、特に有利である。自動移動は、ロボットアームの一部または全部が磁気共鳴撮像機械の開放型または閉止型の磁石の内腔内に位置するときに、定位処置の間に、または１つまたは両方のロボットアームが準備されてそのような自動移動がその間に実行される顕微手術処置（microsurgical procedure）の間に、行われるようにプログラムしてもよい。本発明の技法によって操作することのできるロボットは、コンピュータ支援装置として特徴づけることもできる。

いくつかの態様では、本発明のシステムは、自動化手術処置をシミュレート、計画、および／または実行する上で有用である、コンピュータシステムの形態をとる。このコンピュータシステムは、少なくとも以下の機能：医療用ロボットによって保持されたツールに対する目標場所を指定するデータを受け取る；自動移動の間に、前記ツールが前記目標場所に向かってそこから移動する、前記ツールの第２の場所を指定するデータを受け取る；および自動移動を開始するユーザ指令に応答して、前記第２の場所と前記目標場所によって定義される一軸に沿って前記ツールが移動するように、前記医療用ロボットを移動させる、を実行するように構成される。目標場所を指定するデータには、ツールの先端の座標（例えば、直交座標（Cartesian coordinates））、または任意の座標系においてツールの縦軸に沿ってツールから間隔を空けた場所の座標、またはそのような座標の決定を可能にするのに十分なデータ（ロボットアームリンク長などの既知のパラメータに基づいて、順方向キネマティクスを用いて座標系の解を求めることを可能にする、ロボットアームの関節値など）を含めることができる。

いくつかの態様では、本発明の装置は、以下のことを行うためのマシン可読命令を含むコンピュータ可読媒体の形態をとる：手術に使用されるように構成されたロボットアームに保持されるか、またはそれと一体化された器具の移動を、一軸に沿って制限する指令を受け取ること；入力装置の位置および方位を受け取ること、但し、前記入力装置は、前記入力装置がマスターであるマスター・スレーブ関係で前記ロボットアームに連結されており、前記入力装置の位置および方位と、前記入力装置の以前の位置および方位との差が、前記機器の所望の移動と一致している；および所望の動きに応じて前記機器の移動を発生させる信号（単数または複数）を送付すること、但し、この移動は一軸に沿っており、該一軸と異なるいかなる軸に沿った移動をも含まない。信号（単数または複数）は、ロボットアームを適切に動かすのに十分な情報を含む任意好適な形態のデータとすることができる。例えば、信号（単数又は複数）は、ロボットアーム用のローカルコントローラに、または直接、個々の関節アクチュエータに出力される、関節変位および／または関節速度の組を表わしてもよい。

いくつかの態様では、ユーザは、マスター・スレーブ関係におけるマスターとしてロボットアームに連結されているハンドコントローラなどの、入力装置を介してコンピュータシステムに入力を与えることによって、処置を準備してもよい。また、ユーザは、タッチスクリーン制御器（例えば、ボタン、スライダーバー（slider bar）、ドロップダウンメニュー、タブ、その他）、マウス、またはその他などの好適な入力装置を使用して、１つまたは２つ以上のグラフィックユーザインターフェイス（ＧＵＩ）を介して入力を与えてもよい。本発明のシステムのいくつかの態様は、コンピュータシステムであり、これらのコンピュータシステムは、ユーザが、自動移動を設定するため、またはトレーニングのためのシミュレーションモードを（例えば、接触することによって選択することのできるボタン、マウス、その他などの制御器を介して）選択することを可能にするＧＵＩを、ディスプレイスクリーン上に表示するように構成してもよい。このコンピュータシステムは、また、顕微手術（microsurgery）、ロボットアームの一方による定位手術、他方のロボットアームによる定位手術などの、手術の種類を選択するための、（例えば、接触、マウス、その他を介して選択することのできる）１つまたは２つ以上の制御器をＧＵＩ上に表示するように構成してもよい。

コンピュータシステムはまた、以下のものに対する電力を起動するための、（例えば、接触、マウス、またはその他を介して選択することのできる）１つまたは２つ以上の制御器をＧＵＩ上に表示するように構成してもよい：すなわち、（例えば、別個のボタンを介して）ロボットアーム；顕微手術処置の間にロボットアームがその上に設置されている基台の高さを調整するためのベースモーター；被験者の一部分と固定された関係にある構造（例えば、無線周波数コイルアセンブリ）を、一方または両方のロボットアームに対して位置決めするための、物理的位置決め工程の間に有用なディジタル化アーム（digitizing arm）；顕微手術中に、手術フィールドを撮像するのに有用なフィールドカメラ；および磁気共鳴像装置の磁石のボア内に配置されるボアカメラ（単数または複数）である。また、コンピュータシステムは、一軸ロック（例えば、Ｚ軸ロック）を起動するための（例えば、接触、マウス、またはその他を介して選択することのできる）１つまたは２つ以上の制御器、およびいずれのロボットアームが一軸ロックと関連させるかを制御するための別のボタン（単数または複数）を、ＧＵＩ上に表示するように構成してもよい。

コンピュータシステムはまた、１つまたは２つ以上の追加のディスプレイスクリーン上に、（１度に１枚の）被験者の一部分の２次元画像を表示するため、および被験者の一部分の３次元表現（例えば、体積を表わす画像の３Ｄデータセットを形成する１組の２Ｄ画像）を表示するための、１つまたは２つ以上の追加のＧＵＩを、表示するように構成してもよい。１つの追加のディスプレイスクリーン上にそのようなＧＵＩが１つだけ設けられる場合には、コンピュータシステムは、ユーザが（１回に１枚の）２Ｄ画像または３Ｄ画像のどちらかを表示するかを選択することのできる、１つまた２つ以上の制御器（例えば、接触、マウス、またはその他を介して選択することのできる、ボタン、タブ、またはその他）を表示するように構成してもよい。

コンピュータシステムはまた、（例えば、接触、マウス、またはその他を介して選択／操作することのできる）ズームボタン、スライダーバー、またはその他を表示するように構成してもよく、これによって、２Ｄ表示を選択したユーザは、所与の２Ｄ画像上にズームインすることが可能となり、この場合に、前記２Ｄ画像は、その寸法が拡大または縮小されるときに、中心に配置されたままとなる。コンピュータシステムはまた、ユーザが、（ａ）選択されたロボットアームのツールの作動先端（例えば、遠位端）、または（ｂ）ツール先端から延びるラインの端部、のいずれかの場所を表わす十字線（crosshairs）として表示される、追跡機能を２つのロボットアームの一方に対して作動させることができる、（例えば、接触、マウス、またはその他を介して選択することのできる）制御器を表示するように構成してもよく、またさらに、ユーザが延長ラインの表示を起動して延長ラインの長さを制御することを可能にする、制御器（例えば、接触、マウス、またはその他を介して選択することのできる、ボタン、スライダーバー、またはその他）を表示するように構成してもよい。

ユーザが、選択されたロボットアームに連結された入力装置を操作して、ユーザの動作が（ロボットアームは実際には動かないシミュレーションモードにおいて）そのロボットアームに保持されるか、またはそれと一体化されたツールの位置を変えると、結果として十字線が移動し、（２Ｄ表示モードの場合には）表示された２Ｄ画像が、被験者に対してツール（または延長ライン）の見かけの深さと一致するように変化する。代替的に、所与の２Ｄ画像には、ツール軸に直角に配向された斜めスライス（oblique slice）を含めてもよい。このようなスライスは、２Ｄスライス間のピクセルを内挿して、軸外画像（off-axis image）を得る。同様に、３Ｄ画像を構成する２Ｄスライスが、被験者内部へのツール／延長ラインの深さに応じて、取り去られるかまたは追加されることによって、３Ｄ画像も応答して変化する。

コンピュータシステムはまた、２Ｄ表示または３Ｄ表示のいずれかが選択されている場合に、次のものを表示するように構成してもよい：すなわち、一軸に沿った自動移動（例えば、自動生体検査）に対する、（目標場所ボタンが選択されるときの、十字線の場所と対応する）目標場所を設定するのに使用することのできる、（例えば、接触、マウス、またはその他を介して選択することのできる）制御器の表示を含む、自動生体検査に対する計画に対応するセクション；目標場所と一緒にツール移動の経路を定義する第２の点（任意の移動は厳密に開始点より始めなくてもよいが、開始点として特徴づけることができ、この第２の点は、第２のボタンが選択されるときの、十字線の場所と対応している）；ユーザが関係するロボットアームを、自動化移動処置のための定位置（例えば、ゼロからある比較的小さい距離(例えば２ｃｍ)までの範囲のあらかじめ設定した距離以内の）に配置したい場合に使用することができ、押されると、ロボットアームを、ツール先端が開始点、またはその近くに位置するように動かす、ツール位置合せ機能；およびユーザが入力装置を（例えば、ユーザの指で、入力装置を保持して入力装置上のボタンを押すことによって）有効化していれば、ユーザが、自動移動を開始するために押すことのできる実行機能。

コンピュータシステムはまた、ユーザに選択された目標場所に対する指標（例えば、色のついた円）；およびこの指標からツール先端または延長ライン先端（どちらでも使用されているもの）まで延びるラインであって、このラインを追従すれば被験者を通過する経路をユーザに示すように設計されているライン、を表示するように構成してもよく、このコンピュータシステムは、第２のポイントが選択されるときには、ラインの外観を変更する（例えば、ラインの色または形状を変化させる）ように構成される。

したがって、いくつかの態様では、コンピュータシステムは、少なくとも以下の機能を実行するように構成してもよい：すなわち、ロボットアームによる自動移動において使用されるツールに対する目標場所を識別するための指令を（例えば、関係するＧＵＩを表示するスクリーンにユーザが触れることによって）受け取る；ツールに対する開始場所を識別する指令を受け取る；少なくとも部分的に開始場所と目標場所とによって定義される経路（例えば、線）に沿った自動移動を実行する指令を受け取る；および縦軸を有するツールが経路に沿って（例えば、一軸に沿って）進行するように自動移動を実行する、機能である。この経路はまた、ツールの縦軸と整列されていてもよい。

いくつかの態様では、コンピュータシステムはまた、（例えば、目標場所を識別する指令より前に）どのロボットアームを自動移動に使用するかを選択する指令を受け取るように構成してもよい。いくつかの態様では、コンピュータシステムは、（例えば、目標場所を識別する指令より前に、）シミュレーションおよび／またはセットアップモードを示す指令を受け取るように構成してもよく、このモードは、ツールを保持するか、またはそれと一体化されているロボットアームにマスター・スレーブの関係で連結されている入力装置を切り離し、シミュレーションモードにおいて、入力装置の移動によってロボットアームの移動が生じないようにする。

いくつかの態様では、コンピュータシステムはまた、（例えば、目標場所を識別する指令より前に、）（ユーザが入力装置上のボタンにユーザの手で触れるなどによって）ユーザによる入力装置の起動を示す指令を受け取るように構成してもよく、この起動によって、ユーザが目標場所と開始場所を選択するための追跡指標を配置する場所を決定するときに、ユーザが、見かけのツール先端の場所を示す追跡指標の位置を変更することを可能にする。いくつかの態様では、コンピュータシステムはまた、（例えば、開始場所を識別する指令の後に）新しい（例えば、第２の）目標場所を示す指令を受け取るように構成してもよい。

いくつかの態様では、コンピュータシステムはまた、（例えば、開始場所を識別する指令の後に、）新しい（例えば、第２の）開始場所を示す指令を受け取るように構成してもよい。いくつかの態様では、コンピュータシステムはまた、（例えば、開始場所を識別する指令の後に、）シミュレーションおよび／またはセットアップモードの終了を指示する指令を受け取るように構成してもよい。いくつかの態様では、コンピュータシステムは、入力装置がロボットアームとマスター・スレーブ関係で連動するモードを選択するのに使用することのできる、（例えば、接触、マウス、またはその他を介して選択することのできる）制御器をＧＵＩ上に表示するように構成してもよい。

いくつかの態様では、コンピュータシステムは、マスター・スレーブモードにあるときに、（例えば、ユーザの指で、入力装置を保持して入力装置上のボタンを押すことによって）入力装置を有効化する指令を受け取るように構成してもよい。いくつかの態様では、コンピュータシステムは、少なくとも部分的に開始場所および目標場所によって定義される経路に沿った自動移動を実行する指令を受け取るように構成してもよく、このコンピュータシステムはまた、（自動移動を進行させるために、ユーザが入力装置を保持していなければならないように、）入力装置が有効化されたことを示す指令を受け取った後にだけ、ロボットアームが、経路に沿った一軸内でツールを動かすように構成してもよい。

コンピュータシステムは、（例えば、ユーザの指で、入力装置を保持して入力装置上のボタンを押すことによって）自動移動を停止する指令を受け取った場合には、ロボットアームが自動移動を完了するのを停止させるように構成してもよく、また自動移動を継続する、方向を逆転させる、または停止するための、（例えば、接触、マウス、またはその他を介して選択することのできる、）ボタンおよびその他を含むメッセージをＧＵＩ上に表示するように構成してもよく、また、（例えば、ユーザの指で、入力装置を保持して入力装置上のボタンを押すことによって）入力装置が有効化されていることを示す指令を最初に受け取る場合には、起動されるボタンまたはその他に応じて、継続、逆転または停止のいずれかを行う指令を受け取るように構成してもよい。

本発明の方法、装置、およびシステムのいずれかのいずれの態様も、前記のステップおよび／または特徴を備える（comprise/include/contain/have）のではなく、それらからなる（consist of）か、または本質的にそれらからなる（consist essentially of）としてもよい。すなわち、いずれの請求項においても、所与の請求項の範囲を、オープンエンド形連結動詞を使用して、そうしない場合の範囲から変更するために、「consist of」または「consist essentially of」という語句を、上記のオープンエンド形連結動詞のいずれによって代用してもよい。

以下の図面は、限定としてではなく、例として示される。同一の参照数字は、必ずしも同一の構造、システム、または表示を示すものではない。むしろ、同一の参照数字は、類似の特徴または類似の機能を備える特徴を示すのに使用することもある。図を分かり易くするために、各態様が表われるすべての図において常にその態様のすべての特徴が示されるわけではない。図に示されるコントーラ装置、マニピュレータ、およびツールは、尺度通りに描かれており、記述された要素の寸法が、互いに相対的に正確であることを意味している。

図１Ａは、本発明の技法と適合して使用することのできる２つの入力装置（ハンドコントローラ）の一態様の斜視図である。 図１Ｂは、左利きの入力装置の拡大図である。 図１Ｃは、定位処置の第１の位置にあるロボットアームによって保持されたツールを示す、異なる視野の図である。 図１Ｄは、定位処置の第１の位置にあるロボットアームによって保持されたツールを示す、異なる視野の図である。 １Ｅは、定位処置の第１の位置にあるロボットアームによって保持されたツールを示す、異なる視野の図である。 図２Ａは、定位処置の第２の位置における、図１Ｃ〜１Ｅのツールを示す、異なる視野の図である。 図２Ｂは、定位処置の第２の位置における、図１Ｃ〜１Ｅのツールを示す、異なる視野の図である。 図２Ｃは、定位処置の第２の位置における、図１Ｃ〜１Ｅのツールを示す、異なる視野の図である。 図３Ａは、定位処置の第３の位置における、図１Ｃ〜１Ｅのツールを示す、異なる視野の図である。 図３Ｂは、定位処置の第３の位置における、図１Ｃ〜１Ｅのツールを示す、異なる視野の図である。 図３Ｃは、定位処置の第３の位置における、図１Ｃ〜１Ｅのツールを示す、異なる視野の図である。 図４は、図１Ｃ〜３Ｃに示されるツール移動の計画および制御に使用するためのワークステーションの斜視図である。 ５図は、図１Ｃ〜３Ｃに示すツール移動の準備と制御に使用できる、グラフィカルユーザインターフェイスを示す図である。 図６は、両方のロボットアームを含む、トレーニング／シミュレーションモードにおける図５のＧＵＩを示す図である。

図７は、左アームが定位手術に選択された、トレーニング／シミュレーションモードにおける図５のＧＵＩを示す図である。 図８は、右アームが定位手術に選択されて、そのアームのツールに対するＺ軸ロック機能が起動されている、トレーニング／シミュレーションモードにおける図５のＧＵＩを示す図である。 図９は、顕微手術応用が選ばれ、両アームが有効化され、両ツールが選ばれている、トレーニング／シミュレーションモードにおける図５のＧＵＩを示す図である。 図１０は、（図７におけるのと同様に）左アームが定位手術に選択されて、そのアームのツールに対するＺ軸ロック（Ｚ Ａｘｉｓ Ｌｏｃｋ）機能が起動されている、トレーニング／シミュレーションモードにおける図５のＧＵＩを示す図である。 図１１図は、１Ｃ〜３Ｃに示されているツール移動を準備するのに使用できる、別のＧＵＩを示す図である。ツール先端の場所に対応する十字線の形態の指標が、２Ｄ画像上に示され、２Ｄ画像における被験者の部分に対するツール先端の場所を表わしている。 図１２は、トレーニング／シミュレーションでの使用に選択されたツールの表現が、被験者の部分の３Ｄ画像内部の関連する深さに表示されている、３Ｄモードにおける図１１のＧＵＩを示す図である。このＧＵＩは、ユーザが「プレーンカット（Ｐｌａｎｅ Ｃｕｔ）」オプションを選択しており、この結果として斜めのスライスが、頭部上で関係するツール先端深さまで切り開かれていること反映している。 図１３は、自動化処置の間に問題が発生する場合には、図５におけるものと同様のＧＵＩ上に現れる可能性のある、警報ボックスを示す図である。

用語「comprise」（および、「comprises」や「comprising」などのcompriseのすべての形態）、「have」（および「has」や「having」などのhaveのすべての形態）、「include」（および「includes」や「including」などのincludeのすべての形態）および「contain」（および「contains」や「containing」などのcontainのすべての形態）は、オープンエンド形連結動詞である。結果として、１つまたは２つ以上の記載のステップまたは要素を含む（「comprises」、「has」、「contains」、または「includes」）方法、装置、またはシステムは、それらの記載のステップまたは要素を有するが、それらのステップまたは要素だけを有することに限定はされることはなく、記載されていない要素またはステップをも有する（すなわち範囲に含む）。同様に、１つまたは２つ以上の記載の特徴を含む（「comprises」、「has」、「contains」、または「includes」）方法、装置、またはシステムは、それらの特徴を含むが、それらだけを有することには限定されることはなく、記載されていない特徴を有してもよい。

同様に、あるステップを実行するためのマシン可読命令を「含む」（または「コーディングがされた」）コンピュータ可読媒体は、少なくとも記載のステップを実装するためのマシン可読命令を有するコンピュータ可読媒体であるが、追加の記載されていないステップを実装するためのマシン可読命令を有する媒体もその範囲に含む。さらに、少なくともある機能を実行するように構成されたコンピュータシステムは、その記載の機能だけを実行することに限定されることはなく、システムが記載の機能を実行するように構成されている限り、指定されていない方法（単数または複数）で形成されてもよい。

用語「a」および「an」は、本明細書では、そうではないと明白に断らない限りは、１つまたは２つ以上と定義される。用語「another」は、少なくとも第２の、または２つ以上と定義される。用語「実質的に（substantially）」は、所与の値または状態に少なくとも近い（とともにそれを含む）、より好ましくは、その１％の範囲内、最も好ましくはその０．１％の範囲内と定義される。
いくつかの態様では、本発明は、多自由度を有するロボットアームによって、一軸に沿った、ツールの移動に対する、ソフトウエア・エネーブルド（software enabled）一軸ロックである。このソフトウエア解決策によって、無制限の数の自由度を有するロボットアームを、そのツールの一軸に沿った動きに機械的に制限されているロボットまたは装置と同様に動作させることができる。処置の以前に、指令をそのソフトウエアに送付して、ＧＵＩ上のタッチスクリーン上のボタンや入力装置（例えば、ハンドコントローラ）上のボタンなどの、任意好適な入力装置を使用して、所与のロボットアームによって、そのツール（ロボットアームが保持しているツール、またはロボットアームと一体化されたツールを意味し；本発明のツールは、より詳細には、医療用ツールまたは手術用ツールとして特徴づけることができる）の動きを一軸にロックしてもよい。

本発明の技法を応用することのできる装置は、いくつかの態様において、ハンドコントローラなどのマスター入力装置の指令を受けるスレーブロボットを含む。それぞれ、医療用または手術ロボットシステムの、２つの異なるロボットアームを制御するのに使用することのできる、一対の入力装置の例が図１Ａに示されている。互いの鏡像となっている入力装置２０が、それぞれ、長いペンのように保持することのできるスタイラス２５と、スタイラス２５の方向に握ると、ツールをスレーブロボットアームと一体化させるか、またはそれに保持させて、作動させることができるレバー２７（例えば、レバー２７を握ると鉗子を閉じさせることができる）と、入力装置を起動するために、短い時間の間、接触または保持することのできる有効化／無効化（enable/disable）ボタン２９を含む。入力装置２０を保持する一つの方法は、レバー２７を人差し指で握ることができ、ボタン２９に親指で触れることができるように、スタイラス２５を把持することである。図１Ｂは、左利き入力装置２０の拡大図を示す。

オープンフォームまたはクローズドフォームの順方向および逆方向キネマティクス解を生成して、当業者が、ロボットの各関節の位置を特徴づける関節値を使用して、（許容された移動軸を考慮に入れて）指令されたツール先端位置の解を求め、次いでその指令されたツール先端位置を取り込み、一軸に沿って指令されたツール先端位置まで手術用ツールを動かすために達成しなくてはならない、関節角度の解を求められるようにしてもよい。

（例えば、それを生成するように指令を受け取った後に、）非機械的な一軸ツール移動ロックを生成する１つの方法は、以下のことを必要とする：
ａ）ツール先端空間（例えば、直交座標Ｘ、Ｙ、Ｚ、ロール、ピッチ、ヨー）において入力装置（例えば、ハンドコントローラ）指令を取得する。この取得には、ハンドコントローラの位置および方位を意味するハンドコントローラ信号（複数を含む）（指令（複数を含む）、またはデータ）を受け取ること；一軸（例えば、ツール先端移動がそれに限定されている一軸への変換によって関係づけられる軸）における、ハンドコントローラの移動のデルタ値を求める（例えば、計算する）こと；およびそのハンドコントローラデルタを使用して、そのツール先端の対応するデルタ値を求めることを含む。ハンドコントローラ空間におけるデルタ値から、ツール先端空間におけるデルタ値への変換が求められると、すべてのツール先端デルタ値を、関係する一軸に沿ったデルタを除いて、無視してもよい。これは、ハンドコントローラから取得した非一軸パラメータの単純なゼロ化によるか、または各軸に対するすべてのデルタ値を計算し、一軸方向におけるデルタだけを使用することによって効率的に達成することもできる。

ｂ）マニピュレータの現在位置（これは、ロボットアームを記述することのできる項である）を取り、順方向キネマティクス解法を実行してツール先端Ｘ、Ｙ、Ｚ、ロール、ピッチ、ヨーを得ること。
ｃ）ステップａ）において求められた一軸デルタを、ステップｂ）において求められた現在マニピュレータ先端位置に加えること。
ｄ）この新しい先端位置を使用して、逆キネマティクスを実行して要求される関節角度の解を求めること。
ｅ）マニピュレータを新しい関節値に指令すること。
ｆ）ステップａ）から反復すること。

いくつかの態様においては、上記のループの実行速度は、ツール先端における線形運動を生成するために、任意に小さくすることができる。長い時間をとるか、またはより大きなステップをとるほど、各直交座標位置間での動きが関節空間にあるときに、より多くの非線形性が生成される可能性があり、関節は、所望の移動範囲にわたって直線的に解釈される。１０ミリ秒オーダーのより小さな動きは、各直交座標先端指令と有効な直線運動との間に、感知できない非線形性を生ずる。
さらに、以下でより詳細に考察するように、いくつかの態様において、一軸に沿ったツールの移動は、自動化されるように事前プログラムしてもよい。

ここで図１Ｃ〜３Ｃを参照すると、マニピュレータ１００および手術用ツール１５０の詳細図が、定位処置においてマニピュレータ１００が一軸に沿ったツールの移動を生じさせるときの（そのような移動は、顕微手術処置その他任意の処置においても達成することができる）、様々な位置において示されている。多自由度ロボットアームの一例であるマニピュレータ１００（具体的には、マニピュレータ１００は、６自由度スレーブマニピュレータとして特徴づけることができ、米国特許第７１５５３１６号（３１６特許）に開示されるロボットアームと機能および動作において類似している）と、ヘッドクランプと（ヘッドクランプに結合されて、フレキシブル多関節アームによって操作室テーブルにさらに結合することができる）無線周波数コイル装置を備えるアセンブリ２００と、カメラ１９０（その１つだけが見えており、他方は延長ボードの反対側にある）と、が延長ボード２６０に結合されている。延長ボード２６０は、任意好適なテーブルまたは患者支持表面（図示せず）を有する、その他の構造に結合してもよい。示された図においては、アセンブリ２００のヘッドクランプに保持された、患者頭部３００の概略図が示されている。

図１Ｃおよび図１Ｄは第１の位置におけるマニピュレータ１００を示しており、この位置では、手術用ツール１５０が、頭部３００の外部で、頭部３００内の開口３５０近くに位置し、この開口３５０は、頭蓋穿孔（burr hole）またはその他任意好適な手術用開口とすることができる。しかしながら、ツール１５０の先端１６０は、開口３５０の外部にある。図１Ｅは、図１Ｃおよび図１Ｄに示された位置の側面図であり、分かり易くするためにアセンブリ２００を含めていない。図２Ａおよび図２Ｂは、第２の位置に移動したマニピュレータ１００を示しており、この位置においては、手術用ツール１５０の先端１６０が、マニピュレータ１００によって軸１１０に沿って、しかし他の軸には沿わずに前進させられて、その結果として先端１６０が開口３５０の境界を貫通している。図２Ｃは、図２Ａおよび図２Ｂに示された位置の側面図であり、分かり易くするためにアセンブリ２００は含めていない。

図３Ａおよび図３Ｂは、第３の位置に移動したマニピュレータ１００を示しており、この位置においては、先端１６０が軸１１０に沿って頭部３００内部の場所中に移動しており、その先端は、ユーザ／オペレータ（例えば、外科医）によってさらに操作されて、組織の生体検査を行うなどの、任意の数の機能を実行することができる。図３Ｃは、図３Ａおよび図３Ｂに示された位置の側面図であり、分かり易くするためにアセンブリ２００は含めていない。軸１１０は、ツール１５０の縦軸（別個に図示せず）と実質的に整列されている（図示された態様においては完全に整列されている）。湾曲部（bends）および隅部（angles）を有するその他のツールに対しては、ツールおよびツール先端は、やはり一軸に沿って動くが、その軸は、ツール自体の縦軸とは一致しないこともある。

図４は、マニピュレータ１００（または２つのそのようなマニピュレータ）および手術用ツール１５０（または、２つのそのようなマニピュレータのそれぞれによってそれぞれ保持された、２つのそのような手術用ツール）を制御するのに使用することのできる、ワークステーション４００の斜視図を示す。いくつかの態様においては、ワークステーション４００は、マニピュレータ１００の移動を制御する、図１Ａおよび１Ｂに示された入力装置２０を含む。ワークステーション４００は、入力装置がそれに固定されるテーブルに加えて、ディスプレイスクリーン４０１および４０２を含む、一連のディスプレイスクリーンを含み、ディスプレイスクリーンのそれぞれは、マニピュレータ１００を使用する処置の準備に使用することのできる、グラフィカルユーザインターフェイス（ＧＵＩ）を提供することができる。

好ましい態様においては、ディスプレイスクリーン４１０上に示されたＧＵＩは２つの点を選択するのに使用してもよく、これらの点は、自動化一軸移動において、関係するツールの先端がそれに沿って移動する軸（または経路もしくは軌跡）を定義することになる（このようなスクリーンは、本明細書においては指令状態ディスプレイ（ＣＳＤ：command status display）と呼ぶ）、またディスプレイスクリーン４０２上に示されたＧＵＩは、磁気共鳴撮像装置などの３次元撮像装置を使用して撮られた被験者の３次元画像データセットから１枚または２枚以上の画像を表示するのに使用してもよく、このことは、ディスプレイスクリーン４０２上でどの点を選択するかの決定がオペレータによって行われたと見なしてもよい（このようなスクリーンは、本明細書においては、磁気共鳴画像ディスプレイ（ＭＲＩＤ）と呼ぶ）。図４に示す他のディスプレイスクリーンは、一方または両方のマニピュレータ１００を使用する、任意の処置に関連する、その他の画像または表示を示すのに使用してもよい。

図５〜１１は、ディスプレイ４０１および４０２のためのＧＵＩとして使用することのできる、様々なスクリーン表示を示している。図に示されるように、スクリーンに触れる、マウスなどの入力装置を操作する、またはその他の任意好適な手段でユーザ入力を受け取るための、（ボタン、スライダーバー、ラジオボタン、チェックボックス、ドロップダウンメニュー、その他などの）複数の制御器が、それぞれのスクリーンに設けられている。本開示に提示される特徴に関係する制御器のみについて考察する。

いくつかの態様では、コンピュータシステムは、コンピュータシステムによってサポートされる１次アプリケーションを開始すると、ユーザに図５に図示するような開始スクリーンが示されるように構成してもよい。本開示の便益を有する当業者は、以下に説明するとともに図で示す、（グラフィカルユーザインターフェイスを含む）特徴を達成するのに、過度の実験を行うことなく、コード（ソフトウエア、ハードウエア、またはこれらの２つ以上を任意に組み合わせによって実装することのできる、マシン可読命令）を書くことができる。図５は、一方または両方のマニピュレータに対する、（一軸だけに沿ってそのツールを動かすマニピュレータの能力を表わす、「Ｚ軸ロック（Ｚ Ａｘｉｓ Ｌｏｃｋ）」などの）所望のモード、または所与のマニピュレータ１００による手術用ツールの（例えば、一軸に沿った）自動移動などの所望の処置、を準備するのに使用することのできるＣＳＤ４０１を示す。

この表示は、処置タイプ（顕微手術、定位手術左アーム、定位手術右アーム）に加えて、右アーム、左アーム、可動かつロック可能なベース上に支持されたアーム（マニピュレータ１００）の高さを調整するためのベースモーター、顕微手術中に撮像を行うためのフィールドカメラ、および被験者画像対マニピュレータ位置決めの物理的部分に使用するディジタル化アームのための電源選択のオプションを含む。電源ボタンは、「手術タイプ（Ｓｕｒｇｅｒｙ Ｔｙｐｅ）」と同様に、「モード制御（Ｍｏｄｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ）」タブ内に示されている。マニピュレータ１００は、図５に示されているＧＵＩ上ではハイライトなしで示されており、いずれのマニピュレータも、スクリーンの左下部にあるボタンを使用して、トレーニング／シミュレーションまたは処置のいずれの使用にも選択されていないことを意味している。

被験者の一部分の１枚または２枚以上の２次元画像を、一方または両方のマニピュレータ１００と位置決めするのに好適な技法が、参照により組み入れてある、同時係属の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ０８／６０５３８に開示されている。撮像された被験者を物理的構造に位置づけるＭＲＩ位置決め観点と、所与のマニピュレータをその物理構造に位置決めする物理的位置決め観点の両方を含む、好適な位置決めが達成されると、準備を開始できる。

１つの例示的態様においては、ユーザは、図６のＣＳＤ４０１に示された「ユーザ設定（Ｕｓｅｒ Ｓｅｔｔｉｎｇｓ）」タブの下の「トレーニング／シミュレーションモード（Ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ）」ボタンを選択することによって、シミュレーションモードを選択することができる。シミュレーションモードを選択することによって、マニピュレータ１００の実際の移動を発生させることなく、ユーザは、入力装置の移動に応答する、マニピュレータ１００および手術用ツール１５０のシミュレートされた移動を目視することができる。「シミュレーション」の単語は、例えば図５〜７に示されるように、ディスプレイの下部近くにも現れる。シミュレーションモードにおいて、ユーザは、手術処置において使用できる手術用ツール１５０の起こり得る移動経路を目視することができる。これによって、ユーザは、マニピュレータ１００および手術用ツール１５０の複数の起こり得る経路を、その処置において実際に使用する経路を以下のように定義する前に、評価することができる。

図７におけるＣＳＤ４０１は、左アームを有効化した、シミュレートされた定位手術モードにおけるシステムを説明している。ここで、このバージョンのＣＳＤ４１０は、左アームを選択した結果として、１つのマニピュレータだけを示しており、それがハイライトされた状態で示されている。また、被験者の頭部（例えば、頭部３００）のグラフィック表現の上に配置された（アセンブリ２００からの）ＲＦコイル装置の上部も示している。それは、またユーザが、左アームと、「ボアカメラ（Ｂｏｒｅ Ｃａｍｅｒａ）」（または、図１Ｃ〜３Ｃに示されるカメラ１９０などのカメラであって、これらはＭＲＩ環境内で生成される磁場に、影響を受けることなく晒すことができる）およびディジタル化アームとに対する電源を有効化したことを示している（なお、選択されていない「右アーム（Ｒｉｇｈｔ Ａｒｍ）」ボタンおよび「ベースモーター（Ｂａｓｅ Ｍｏｔｏｒ）」ボタンは選択されておらず、灰色にぼかされている）。

図８は、ユーザが、右アームを定位手術モードおよびＺ軸ロックモードに入れたことを示す、ＣＳＤ４０１のバージョンを示しており、この場合に、右マニピュレータが使用するのに選択されているツールは、スクリーンの右下部に示されている（これは図１Ｃ〜３Ｃに示された同じ生体検査ツールである）。図８に示される表示されたマニピュレータのモードは、（図５におけるボタンに示すように）定位手術右アーム（ｓｔｅｒｅｏｔａｘｙ ｒｉｇｈｔ ａｒｍ）、図８に示されているマスター／スレーブ（Ｍａｓｔｅｒ／Ｓｌａｖｅ）ボタンの選択によるマスター／スレーブモード、および図８に示す「モード制御器（Ｍｏｄｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ）」タブの「アーム有効化（Ａｒｍ Ｅｎａｂｌｅ）」ボックスにおける「右アーム（Ｒｉｇｈｔ Ａｒｍ）」を選択することによって右アームの有効化、をユーザが選択したことによって達成された。次に、ユーザは、右手コントローラ２０のボタン２９を押すことによって、右マニピュレータと関連する入力装置を有効化する。入力装置が有効化されると、ユーザはシステムをトレーニング／シミュレーションモードに入れていないので、ユーザは、有効化された入力装置を操作して、一軸に沿ったツールの移動のために、ユーザが望む位置と方位にマニピュレータを配備することができる。

マニピュレータが定位置になると、ユーザは、再びボタン２９を押すことによって、マニピュレータの制御を無効化することができ、そうでない場合には、ユーザは、（図示された態様においては）図８に示された「モード制御（Ｍｏｄｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）」タブの「Ｚ軸ロック（Ｚ Ａｘｉｓ Ｌｏｃｋ）」ボックス内の「右ツール（Ｒｉｇｈｔ Ｔｏｏｌ）」を選択することによって、そのマニピュレータによって保持されるツールに対する、Ｚ軸ロックの有効化へと進むことができる。このモードにおいて、マニピュレータによって保持されるツールは、マニピュレータのエンドエフェクタに結合されたツールホルダ部分によってそこで保持されているツールの上部によって定義される軸（この態様においては、ツールの全長において中心にある縦軸である）に沿って進むだけであり、そのような移動は、ユーザの入力装置の動きに応じて、前方方向または後方方向に行われる。ユーザが、ツールの動きをそのような軸にロックすることを望まなくなると、ユーザは、同じ「右ツール（Ｒｉｇｈｔ Ｔｏｏｌ）」ボタンを押して、そのモードを無効化することができる。

図９は、ユーザが顕微手術モードおよびシミュレーションモードを選択し、両方のマニピュレータを有効化し（これらは両方ともハイライト表示されている）、それらのためのツールを選択したことを示す、ＣＳＤ４０１のバージョンである。ユーザは、このＣＳＤ４０１のバージョンから、両アームのツールに対するＺ軸ロック（Ｚ Ａｘｉｓ Ｌｏｃｋ）機能を有効化することができる。各マニピュレータに対して選択されたツールは、マニピュレータの横に示されている（左に双極鉗子（bipolar forceps）、右に生体検査ツール）。
図１０は、ＣＳＤ４０１の１つのバージョンを示し、この場合には、（例えば、図５に示された「定位手術左アーム（Ｓｔｅｒｅｏｔａｘｙ Ｌｅｆｔ Ａｒｍ）」ボタンを選択することによって）シミュレートされた定位手術左アームモードが選択されており、左アームが有効化され、Ｚ軸ロック（Ｚ Ａｘｉｓ Ｌｏｃｋ）機能が左ツールに対して選択されている。

ここで図１１を参照すると、ＭＲＩＤ４０２がＧＵＩを図示しており、このＧＵＩによって、ユーザは、スクリーンの左下部の２Ｄタブ「２Ｄツール（２Ｄ Ｔｏｏｌｓ）」および「２Ｄ視界（２Ｄ Ｖｉｅｗ）」、およびスクリーンの右下部の３Ｄタブ「３Ｄツール（３Ｄ Ｔｏｏｌ）」および「３Ｄ視界（３Ｄ Ｖｉｅｗ）」に反映されているように、被験者の部分（頭部など）の（ＭＲＩ装置などの）３Ｄ撮像モードで撮られた、２Ｄ視界と３Ｄ視界とを切り替えることが可能になる。図１１において、指標（この例においては、十字線）が、（２Ｄ画像の複数スライスからなる３Ｄ画像とすることもできる）画像または画像のデータセット内に表示された被験者の部分の内部で、関連するツールの先端（例えば、手術用ツール１５０、または他の態様においては、追跡されているツールの下の「ツール先端延長：（Ｔｏｏｌ Ｔｉｐ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ：）」ボックスの下に示されたスライダーバーを使用して選択された距離だけ、ツール先端から延びる延長ラインの終端）の場所に表示される。

ＭＲＩＤ４０２の図１１バージョンにおいて、２Ｄツール（２Ｄ Ｔｏｏｌｓ）タブが選択されており、２次元画像が、被験者内部での右ツールの先端の場所を示す十字線指標を重ねて示されている。これらの十字線は、ユーザが、関係ツール（複数を含む）に対するセクションの下の、「追跡（Ｔｒａｃｋ）」ボタンをユーザが選択するのに応答して現れる。ＭＲＩＤ４０２上で追跡（Ｔｒａｃｋ）オプションを選択することによって、関係する入力装置を操作するときに、ユーザは、ＭＲＩＤを目視して、ツール先端が被験者を通過して進むときに、被験者に対するツール先端の場所を（または、ツール先端延長ライン終点を、ユーザがシミュレーション／トレーニングモードにあるかどうかにかかわらず）追う（または追跡する）ことができる。

図１２に示されたＭＲＩＤ４０２のバージョンにおいて、３Ｄツール（３Ｄ Ｔｏｏｌｓ）タブが選択されており、被験者の頭部に対するツールの先端の場所が３Ｄで示されており、この場合に、スクリーンの右近くの「右ツール（Ｒｉｇｈｔ Ｔｏｏｌ）」ボックス内部の「プレーンカット（Ｐｌａｎｅ Ｃｕｔ）」ボタンを選択した結果として、３Ｄ画像は、この態様においては、ツール先端がそれに沿って進む軸に垂直な平面上で、切開して示されている。ユーザは、任意好適な入力装置（例えば、スペースボール）によって、３Ｄ画像の方位を操作して、提案されたツール位置および経路によって影響を受ける組織の所望の視界を得るように、表示画像と重畳されたツールとを動かすことができる。この重畳機能は、物理的位置決めおよびＭＲＩ位置決め工程およびツール選択の受領に続いて、利用可能になる。

「簡易（Ｓｉｍｐｌｅ）」ボタンを選択すると、小さい構造の視界を妨害しないように、ツール画像が、例えば、ツールと同じ長さの細い赤い線に置き換えられることになる。「ウェッジカット（Ｗｅｄｇｅ Ｃｕｔ）」ボタンを選択すると、くさびを切開することによって、ツール先端／延長ライン端の場所における表示３Ｄ画像が切開され、３つの直交面（例えば、球欠面（sagital）、軸面（axial）、前頭面（coronal））が露呈され、この場合に、ツールの先端／延長ライン端は３つの面の接合部にある。このような切開オプションによって、ユーザは、３次元ＭＲ画像の内部構造を評価して、処置中に関係するツールの最適経路を決定することができる。

上述の位置決め手順に続いて、処置（例えば、自動生体検査）を設定して実行するのに使用することのできる、一連のステップの例示的一態様を以下に提示する。ユーザは、最初に、定位手術左アームモード（Ｓｔｅｒｅｏｔａｘｙ Ｌｅｆｔ Ａｒｍ Ｍｏｄｅ）などの、モードをＣＳＤ上で選択し、次いで、左アームを有効化し、ボアカメラ（複数を含む）の電源を入れてもよい。次いで、ユーザは、ＣＳＤ上でシミュレーションモード（Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ）を選び、左マニピュレータ（これは、例えば、図１Ｃ〜３Ｃからのマニピュレータ１００の左バージョンであるか、または米国特許第７１５５３１６号（３１６特許）に示されるマニピュレータの１つである）を、（入力装置２０などの）関係する入力装置の動きから切り離してもよい。ＭＲＩＤ上において、ユーザは、次いで２Ｄツール（２Ｄ Ｔｏｏｌｓ）タブおよびトラック（Ｔｒａｃｋ）モード／機能を「左ツール（Ｌｅｆｔ Ｔｏｏｌｓ）」ボックス内で選択して、２Ｄモードが選択された場合に、十字線が被験者の２Ｄ画像に重畳して現れるようにしてもよい。

ユーザは、ツール先端延長ラインが望まれる場合には、スライダーバーを使用して、非ゼロ「ツール先端延長（Ｔｏｏｌ Ｔｉｐ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）」値を選択してもよい。ツール先端延長（Ｔｏｏｌ Ｔｉｐ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）機能が、０．０ｍｍを超えて設定される場合には、十字線は、延長ラインの端部の場所を追跡することになる。このパラメータがゼロに設定される場合には、追跡機能は、ツールの先端（遠位端）の場所において２Ｄスライス画像上に十字線を図示することになる。ツールまたは延長ラインが被験者（例えば、脳）を通過すると、その後の２Ｄ画像（例えば、２Ｄスライス）が示される。同様に、ツールまたは延長ラインが、被験者から引き出されたら、先の２Ｄスライスが示される。

この例示的態様においては、ユーザは、左入力装置を把持して入力装置上の有効化ボタン（例えば、ボタン２９）を（例えば、親指を使って）作動することによって、仮想の、またはシミュレーションによるツールの動きを有効化してもよい。ユーザは、次いで、入力装置を手に取り、必要に応じて２Ｄと３ＤのＭＲＩＤ視界を切換えることにより得られる視覚キューに基づいて、ＣＳＤ上に示される仮想マニピュレータおよびマニピュレータの手術用ツールを、意図する目標物の領域まで移動させることができる。ある態様においては、ＣＳＤと、２Ｄおよび３ＤのＭＲＩＤ画像とは、リアルタイムで更新して、（シミュレーションモードのときに）仮想マニピュレータおよびそのツールの場所を示すことができる。

ユーザが所望の目標場所を決定すると、ユーザは入力装置を無効化することによって、入力装置の移動が仮想マニピュレータおよびそのツールのさらなる移動につながらないようにしてもよい。次いでユーザは、「自動生体検査（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｉｏｐｓｙ）」（例えば、図１１および図１２を参照）下におけるＭＲＩＤスクリーンの２Ｄバージョンまたは３Ｄバージョンのいずれかにおいて、「目標物（Ｔａｒｇｅｔ）」を押して、処置の目標場所を選択することができ、この目標場所は、画像空間（例えば、磁気共鳴画像空間）においてツール先端のＸ、Ｙ、Ｚ直交座標で記憶されており、これが次いでロボット空間に変換される。延長ライン値がゼロに等しい場合には、これらの座標はツール先端として登録され、値がゼロよりも大きい場合には、延長ラインの端部として登録され、結果として、目標場所指標が、２Ｄ視界における十字線場所（例えば、赤い円）および３Ｄ視界において延長ライン端部場所に現れて、意図する目標物を表わすことになる。

次いで、ユーザは、入力装置が無効化されている場合に（入力装置が無効化されたのと同様な方法で）、それを有効化して、ツール先端または延長ライン端部を、被験者に対する意図する挿入点に向かって動かす。次いで、先端／延長ライン端を選択された目標物に連結する、経路指標（例えば、緑の線）が３Ｄ視界で可視となり、その結果として、ユーザは、軌跡と、提案のツール先端経路によって貫通されるか、または妨害されるどのような組織でも見ることができる。次いで、ユーザは、入力装置を所望の進入点（これは、例えば、脳または頭部の表面にあるか、または頭部の外側の短い距離にあってもよい）へと動かしてもよい。頭蓋穿孔がすでに設けられている場合には、ユーザは、経路が頭部に接触することなく、確実にその頭蓋穿孔を通過して進むようにしてもよい。進入点と軌跡とを許容できるときには、次いでユーザは、必須ではないが、入力装置を無効化してもよい。

次いで、ユーザは、ＭＲＩＤの２Ｄバージョンまたは３Ｄバージョンのいずれかの上の「開始点（Ｓｔａｒｔ Ｐｏｉｎｔ）」とラベルのついたボタンを押してもよく、指標（例えば、緑の円）が、２Ｄ視界における十字線の位置、および３Ｄ視界における延長ライン端部に現れて意図する開始点を示し、この開始点が画像空間（例えば、磁気共鳴画像空間）においてツール先端のＸ、Ｙ、およびＺ直交座標で記憶され、この画像空間が次いでロボット空間に変換される。延長ライン値がゼロに等しい場合には、これらの座標はツール先端として登録され、値がゼロよりも大きい場合には、延長ラインの端部として登録される。この態様においては、指標は、何らかの方法で変化して（例えば、緑色の線が赤に変わる）、ライン（または経路）が設定されたことを示し、開始点、終了点および軌跡（または経路）がＣＳＤ上に現れる。

ユーザが、開始点（Ｓｔａｒｔ Ｐｏｉｎｔ）または目標物（Ｔａｒｇｅｔ）の場所を変更したい場合には、ユーザは、入力装置を使用して、シミュレーションによるツール先端／延長ラインを新しい場所に動かし、ＭＲＩＤの２Ｄバージョンまたは３Ｄバージョンのいずれかにおいて、再び「開始点（Ｓｔａｒｔ Ｐｏｉｎｔ）」または「目標物（Ｔａｒｇｅｔ）」ボタンを押すことができる。ある態様においては、システムが、古い点を新しい点に置き換えることを確認するために、ユーザに関連するボタンをもう一度、押すように要求する。許容できる軌跡を選んだ後に、ユーザは、ＣＳＤ上でそのボタンを再び指定する（例えば、スクリーン上でそれに再び触れる）ことによって、シミュレーションモードから出ることができる。

選んだツールに対して所望の軌跡を選択／決定した後に、ユーザは、ＣＳＤ上でマスター／スレーブモードを選び、（例えば、ボタン２９を押すことによって）入力装置を有効化し、（図４に示されているディスプレイスクリーン４０３上に示される、ＭＲＩＤおよび／またはボアカメラまたはフィールドカメラ画像を見ながら）入力装置を動かして、マニピュレータを、その移動に対して選択された開始点に近い場所へと動かし、選択された軌跡にできる限り近い方位にすることによって、自動移動を実行することができる。次いで、ユーザは、入力装置を無効化してもよい。

ＭＲＩＤ上で、２Ｄまたは３Ｄ視界における「自動生体検査」の下で、ユーザは「ツール整列」（例えば、図１１および図１２を参照）ボタンを押すことができ、マニピュレータが、プログラムされた軌跡と整列するように移動し、ツール先端を選択開始点またはその近くに（プログラムされた軌跡に沿って、開始点から半径方向外向きに、約２ｃｍなど）、ツール先端を配置する。次いで、ユーザは、（「自動生体検査（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｉｏｐｓｙ）」の下で）「実行（Ｅｘｅｃｕｔｅ）」ボタンを押してもよく、するとユーザは、入力装置を有効化して自動移動（例えば、自動生体検査）を開始するように促される。

次いで、ユーザは入力装置を把持して、システムを有効化し、入力装置を前回に有効化されたのと同じ方法で（例えば、ボタン２９を押すことによって）有効化することによって、自動生体検査を開始する。このステップをとることによって、ユーザは、処置を行うために入力装置を保持することになる。入力装置を有効化する結果として、ツールは、目標場所に向かって（初期化ファイルに設定することができる）所定の速度で前方に移動し、目標場所の点において、手術用ツールは、生体検査材料の除去などの、事前にプログラムされた機能を実行することができる。手術用ツールが、ツールの縦軸に垂直は軸のまわりに互いに離れる方向に開いた２つの小さな鋭利なへら（scoop）を備える生体検査ツールである、ある態様においては、手術用ツールのへらが開き、時計方向に９０度回転し、再び閉じて、結果として組織を取り込む。次いで、手術用ツールは、挿入軌跡に沿って、まっすぐ外へと方向を逆転させることができる。

自動移動の実行中に問題が発生すると、ユーザは、（例えば、ボタン２９を押して）入力装置を無効化して移動を停止させることができる。ＣＳＤは、図１３に示すもののような、選択ボックスをユーザに提示し、この選択ボックスには、停止、継続、および方向逆転するオプションが含まれる。選択がなされると、ユーザが入力装置を有効化するときに、ツールは再び移動する。

したがって、任意の処置の間に所与の手術用ツールの移動に対する一軸ロックを提供することに加えて、本発明の方法、装置、およびシステムの態様は、ユーザ（例えば、外科医）が実際外科処置を行う前に、手術用ツールに対する多重経路をシミュレートし、それらが影響を与える組織に対してそれらの経路を評価し、目標点と開始点を選択することによって所望の経路を選ぶことも可能にする。本発明の装置およびシステムは、ツールを直線経路に（電子的に）限定するように構成されており、その結果として、ツール経路を決定するのに、開始点および目標点だけが必要である。本発明の装置およびシステムの態様は、ユーザがツールの制御を維持することを可能にする複数の安全機能も含めることができる。

本発明の方法の態様は、任意好適なコンピュータ可読媒体（例えば、実体的なコンピュータ可読媒体（tangible computer readable media））に記憶されるソフトウエアとしてコーディングしてもよく、それらの媒体としては、それに限定はされないが、ハードドライブ媒体、光学媒体、ＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、テープ媒体、カートリッジ媒体、フラッシュメモリ、メモリスティック、および／またはその他を含む、任意好適な形態のメモリまたはデータ記憶装置がある。実体的なコンピュータ可読媒体としては、情報を記憶または転送することのできる、任意の物理的媒体があげられる。そのような態様は、あるステップ（複数を含む）を実行するためのコンピュータ実行可能な（例えばマシン可読の）命令を有する（または命令がコーディングされている）、実体的なコンピュータ可読媒体として特徴づけられる。

「実体的なコンピュータ可読媒体」という用語は、搬送波などの無線伝送媒体を含まない。しかしながら、「コンピュータ可読媒体」の用語は、無線伝送媒体をその範囲に含み、本発明の方法の一部の態様には、上述のコンピュータ可読命令を搬送する無線伝送媒体を含めてもよい。ソフトウエアは、当該技術において知られている任意の技法によって書き込むことができる。例えば、ソフトウエアは、いずれか１つまたは２つ以上のコンピュータ言語（例えば、アッセンブリ（ＡＳＳＥＭＢＬＹ）、パスカル（ＰＡＳＣＡＬ）、フォートラン（ＦＯＲＴＲＡＮ）、ベーシック（ＢＡＳＩＣ）、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、ＪＡＶＡ（登録商標）、Ｐｅｒｌ、Ｐｙｔｈｏｎ）によるか、またはそれに限定はされないが、Ｍａｔｌａｂ（登録商標）、Ｒ、Ｓ−ｐｌｕｓ（登録商標）、およびＳＡＳ（登録商標）などの科学パッケージを使用して書き込むことができる。コードは、それを共通プラットフォーム（例えば、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ（登録商標）、Ｌｉｎｕｘ（登録商標）、Ａｐｐｌｅ Ｍａｃｉｎｔｏｓｈ（登録商標）ＯＳ Ｘ、Ｕｎｉｘ（登録商標））にコンパイルさせるためのものであってもよい。

ＯｐｅｎＧＬ（登録商標）などのよく確立されたプラットフォーム間ライブラリを利用して、本発明の方法、装置およびシステムを実行してもよい。現代のシングルプロセッサおよびマルチプロセッサベースのハードウエアプラットフォーム上で、計算時間を低減するために、適用可能場合にはいつでも、マルチスレッディングを使用してもよい。上記で考察し、図に示したように、ソフトウエアには、ソフトウエアを実行するときにユーザにより直感的な感覚を提供することのできる、ＧＵＩを含めてもよい。スクリーンタッチ、マウスおよび／またはキーボードによって異なるフィールドにアクセスしてもよい。ポップアップウィンドウ、音響アラート、または当該技術において知れられている任意その他の技法を介して、アラーム、キュー、その他を行ってもよい。

上記の章で説明したステップの一部（全部までを含む）を、ファームウエアおよび／または実行ソフトウエアでプログラミングされた、プロセッサ（例えば、１つまたは２つ以上の集積回路）を有するコンピュータを使用して実施してもよい。上記の章で説明したステップの一部（全部までを含む）を、コンピュータシステムの一例（例えば制御システム）である、分散コンピューティング環境を使用して実施してもよい。分散コンピューティング環境においては、任意好適な数の接続媒体（例えば、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、またはそれには限定されないが、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）、企業内コンピュータネットワーク、イントラネットおよびインターネットを含むその他コンピュータネットワーク）によって接続されたものなど、複数のコンピュータを使用してもよく、コンピュータ間の接続は有線または無線とすることができる。

サーバーおよびユーザ端末は、任意のコンピュータシステムの一部とすることができる。さらに、好適なコンピュータシステムの態様は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）または大規模集積（ＶＬＳＩ）回路上に実装してもよく、またさらに（あるいは代替的に）、リソースの仮想化、仮想コンピューティング、および／またはクラウドコンピューティング（cloud computing）を使用して指定された機能を達成するように構成してもよい。実際に、当業者であれば、本開示と整合性のあるコンピュータシステムにおいて上述した機能を達成するために、論理演算を実行することのできる任意の数の好適な構造を利用することができる。

よく知られた処理技法、構成要素および機器の説明は、不必要な詳細さにおいて、本発明の方法、装置およびシステムを不必要に曖昧にしないように、省略されている。本発明の方法、装置およびシステムの説明は、例示的であり、限定的ではない。請求の範囲に含まれるが、本明細書に明白に記載されていない、ある種の置換、修正、追加および／または再配設が、この開示に基づいて、当業者には明白になる。

例えば、ユーザが２Ｄ画像と３Ｄ画像の表示を切り替えることのできる１つのＭＲＩＤが開示されているのに対して、代替的態様においては、２つの別個のディスプレイスクリーンを、それぞれ、２Ｄ画像および３Ｄ画像に使用してもよい。別の例として、上述した技法により事前プログラムすることのできる好適な移動の例として、脳組織の生体検査に対する自動移動について上述したが、本発明の技法を使用して自動化することのできる、その他の多くの手術移動および／または診断移動があり、これには、胸部生体検査、薬物の移植、（例えば癲癇（epilepsy）用の）電極の移植、幹細胞の移植、および見通しなしでの脊椎からの骨棘（bone spurs）の穿孔、その他があげられる。

さらに、実動する態様の開発においては、開発者の特定の目的を達成するために、実装毎に変わる、システム関連またはビジネス関連の制約への準拠などの、多数の実装固有の決定を行わなければならないことが、理解されるであろう。そのような開発努力は複雑で時間がかかるが、それでも、本開示の利益を有する当業者には、定型的な業務であろう。
添付の特許請求の範囲は、所与の請求項に「means for」および／または「step for」の語句（複数を含む）を用いて、ミーンズ・プラス・ファンクション（means-plus- function）の限定が明示的に記載されない限り、そのような限定を含むものとは解釈すべきではない。

Claims (21)

1. 手術に使用されるように構成されたロボットアームに保持されるか、またはそれと一体化された機器の移動を、一軸に沿って制限する指令を受け取ること；
   入力装置の位置および方位を受け取ること、但し、前記入力装置は、前記入力装置がマスターであるマスター・スレーブ関係で前記ロボットアームに連結されており、前記入力装置の位置および方位と、前記入力装置の以前の位置および方位との差が、前記機器の所望の移動と一致している；および
   所望の動きに応じて前記機器の移動を発生させる信号（単数または複数）を送付すること、但し、この移動は一軸に沿っており、該一軸と異なるいかなる軸に沿った移動をも含まない、
   を行うためのマシン可読命令を含む、コンピュータ可読媒体。
2. ロボットアームが６自由度を有する、請求項１に記載のコンピュータ可読媒体。
3. 入力装置の位置および方位を受け取ること、但し、前記入力装置は、前記入力装置がマスターである、マスター・スレーブ関係でロボットアームに連結されており、前記入力装置の位置および方位と、前記入力装置の以前の位置および方位との差が、前記ロボットアームによって保持されるか、またはそれと一体化されている機器の所望の移動と一致している；および
   前記所望の移動に応じて前記機器の移動を発生させる信号（単数または複数）を送付すること、但し、この移動は、一軸に沿っており、前記入力装置の位置および方位と前記入力装置の以前の位置および方位との差のために、他の移動が指令されている場合でも、該一軸と異なるいずれかの軸に沿った、そのような他のどの移動をも含まない、
   を行うためのマシン可読命令を含む、コンピュータ可読媒体。
4. ロボットアームが６自由度を有する、請求項３に記載のコンピュータ可読媒体。
5. 手術に使用されるように構成されたロボットアームに保持されるか、またはそれと一体化された手術用ツールの移動を、単一の移動軸に沿って制限する指令を受け取ること；
   前記手術用ツールの一部分の位置と前記手術用ツールの方位の決定を可能にするのに十分なデータを受け取ること、但し、前記手術用ツールは、前記方位に基づいて、前記単一の移動軸を定義する縦軸を有する；
   前記手術用ツールを移動させる指令を受け取ること；および
   前記単一の移動軸に沿って前記手術用ツールを移動させる信号（単数または複数）を送付すること、
   を行うためのマシン可読命令を含む、コンピュータ可読媒体。
6. 少なくとも以下の機能：
   手術に使用されるように構成されたロボットアームに保持されるか、またはそれと一体化された機器の移動を、一軸に沿って制限する指令を受け取る；
   入力装置の位置および方位を受け取る、但し、前記入力装置はマスター・スレーブ関係でロボットアームに連結されており、前記入力装置の位置および方位と、前記入力装置の以前の位置および方位との差が、前記機器の所望の移動と一致している；および
   所望の移動に応じて前記機器の移動を発生させる信号（単数または複数）を送付する、但し、この移動は一軸に沿っており、該一軸と異なるいかなる軸に沿った移動をも含まない、
   を実行するように構成された、コンピュータシステム。
7. ロボットアームが６自由度を有する、請求項６に記載のコンピュータシステム。
8. 少なくとも以下の機能：
   入力装置の位置および方位を受け取る、但し、前記入力装置はマスター・スレーブ関係でロボットアームに連結されており、前記入力装置の位置および方位と、前記入力装置の以前の位置および方位との差が、前記ロボットアームによって保持された手術用ツールの所望の移動と一致している；および
   前記所望の移動に応じて前記手術用ツールの移動を発生させる信号（単数または複数）を送付すること、但し、この移動は一軸に沿っており、入力装置の位置および方位と前記入力装置の以前の位置および方位との差のために、他の移動が指令されている場合でも、該一軸と異なるいずれかの軸に沿った、そのような他のどの移動をも含まない、
   を実行するように構成された、コンピュータシステム。
9. ロボットアームが６自由度を有する、請求項８に記載のコンピュータシステム。
10. 少なくとも以下のこと：
    手術に使用されるように構成されたロボットアームに保持されるか、またはそれと一体化された手術用ツールの移動を、単一の移動軸に沿って制限する指令を受け取ること；
    前記手術用ツールの一部分の位置と前記手術用ツールの方位の決定を可能にするのに十分なデータを受け取ること、但し、前記手術用ツールは、前記方位に基づいて、前記単一の移動軸を定義する縦軸を有する；
    前記手術用ツールを移動させる指令を受け取ること；および
    前記単一の移動軸に沿って前記手術用ツールを移動させる信号（単数または複数）を送付すること、
    を実行するように構成された、コンピュータシステム。
11. 自動化手術処置をシミュレート、計画および／または実行するのに有用なコンピュータシステムであって、
    少なくとも以下の機能：
    医療用ロボットによって保持されたツールに対する目標場所を指定するデータを受け取る；
    自動移動の間に、前記ツールが前記目標場所に向かってそこから移動する、前記ツールの第２の場所を指定するデータを受け取る；および
    自動移動を開始するユーザ指令に応答して、前記第２の場所と前記目標場所によって定義される一軸に沿って前記ツールが移動するように、前記医療用ロボットを移動させる、
    を実施するように構成されている、前記コンピュータシステム。
12. ユーザが、医療用ロボットにマスター・スレーブの関係で連結されたハンドコントローラを有効化したことを示すデータが受け取られた場合にだけ、移動が行われる、請求項１１に記載のコンピュータシステム。
13. 少なくとも以下の追加の機能：
    目標場所においてツールの操作を行わせる、
    を実行するようにさらに構成された、請求項１１および１２のいずれかに記載のコンピュータシステム。
14. 少なくとも以下の追加の機能：
    第２の場所を指定するデータを受け取る前に、目標場所からツールの先端まで延びる軌跡計画ラインを、被験者の一部分を表わす３次元表現の上に重畳させて表示する、および
    ツールのシミュレーションによる表示バージョンに連結されたハンドコントローラからのユーザ入力に応答して、軌跡計画ラインを移動させる、
    を実行するように構成された、請求項１１〜１３のいずれかに記載のコンピュータシステム。
15. 少なくとも以下の機能：
    患者の一部の範囲内に、医療用ロボットアームによって保持されるか、またはそれと一体化された手術用ツールの対する、目標場所を指定する指令を受け取る；
    前記手術用ツールに対して第２の場所を指定する指令を受け取る、但し、前記第２の場所は、前記手術用ツールが前記目標場所に向かってそこから移動する場所である、
    前記第２の場所および前記目標場所によって定義される一軸に沿って前記手術用ツールの自動移動を開始する、ユーザからの指令を受け取る；
    前記医療用ロボットアームに前記自動移動を達成させるのに十分な指令（単数または複数）を送付して、それによって前記手術用ツールを少なくとも前記第２の場所から前記目標場所まで移動させる、但し、自動移動は、所定の速度で、ユーザによる入力装置の操作に対してリアルタイム応答ではなく行われる、および
    前記自動移動が完了する前に、前記自動移動を停止する指令を受け取る、
    を実行するように構成されたコンピュータシステム。
16. 以下の追加の機能：
    第２の場所から目標場所への経路を示す指標を含む、手術用ツールのシミュレーションによる視界を表示する、
    を実行するようにさらに構成された、請求項１５に記載のコンピュータシステム。
17. 自動化手術処置をシミュレート、計画および／または実行するのに有用なコンピュータシステムであって、
    少なくとも以下の機能：
    ユーザ入力に応答して、２つのアームを有する医療用ロボットシステムの一方または両方のアーム画像を表示する、
    シミュレーションモードにおいて動作する指令を受け取る；
    ユーザ入力に応答して、被験者の一部分の２次元画像を表示する；
    ユーザ入力に応答して、２Ｄ画像上に重畳された目標場所指標を表示する；
    ユーザ入力に応答して、目標場所指標を移動させる；
    ユーザ入力に応答して、被験者の一部分の異なる２Ｄ画像を表示する；
    ユーザ入力に応答して、被験者の一部分の３次元表現上に重畳された、ツールを表わす画像を表示する、但し、前記ツールは、前記目標場所指標と同じ相対的場所に示されている、ツール先端または前記ツールから延びるラインを有する、
    ユーザ入力に応答して、前記ツール先端または前記ラインを移動させる、および
    ユーザ入力に応答して、前記３Ｄ表現を変更する、
    を実行するように構成された、コンピュータシステム。
18. 少なくとも以下の追加の機能：
    ツールに対する目標場所を指定する指令を受け取る；
    自動移動の間に、前記ツールが目標場所に向かってそこから移動する、ツールに対する第２の場所を指定する指令を受け取る；
    前記ツールが、前記第２の場所および前記目標場所によって定義される一軸に沿って移動するように、前記自動移動を開始させるユーザ指令に応答して、医療用ロボットを移動させる、
    を実行するように構成された、請求項１７に記載のコンピュータシステム。
19. 一軸に沿って移動するツールは、医療用ロボットシステムのアームの１つによって保持されており、移動は、そのアームにマスター・スレーブ関係で連結されているハンドコントローラをユーザが有効化したことを示すデータが受け取られた場合にだけ行われる、請求項１８に記載のコンピュータシステム。
20. 少なくとも以下の追加の機能：
    目標場所においてツールの操作を行わせる、
    を実行するように構成された、請求項１８および１９のいずれかに記載のコンピュータシステム。
21. 少なくとも、請求項１１〜２０のいずれかの機能を実行するためのマシン可読命令を含む、コンピュータ可読媒体。