JP6552642B2 - 不整列時のマスターとスレーブと間の向きマッピング - Google Patents

Description

（関連出願の参照）
この出願は、２０１５年６月１０日に出願された「MASTER-TO-SLAVE ORIENTATION MAPPING WHEN MISALIGNED」という名称の米国仮特許出願第６２／１７３，８４４号の優先権及び利益を主張し、その全文を本明細書中に参照として援用する。

この発明の態様(aspects)は、手術システムに関し、より具体的には、手術システム中のマスターツールグリップの向き及びスレーブ手術器具先端の向きが初期的に整列させられていないときに、それらの向きを制御することに関する。

最小侵襲的な遠隔操作ロボットシステムのような手術システムは、身体に対する外傷の減少、素早い回復、より短い入院のような、多くの利益を患者にもたらす。典型的には、手術システムにおいて、外科医は、マスターツールと呼ぶことがあるマスターツールマニピュレータを用いて、スレーブ手術器具と呼ぶ手術器具の動きを制御する。

１つの遠隔操作手術システムでは、マスターツールマニピュレータのマスターツールグリップが、スレーブ手術器具を制御するために人間工学的であり且つ直感的であるよう特別に設計される。外科医は自分の人差し指及び親指を用いて特定の方法でマスターツールグリップを保持するので、標的化(targeting)及び把持(grasping)は、直感的な指向動作(pointing motion)及びピンチ動作(pinching motion)を含む。

スレーブ手術器具の直感的な制御を可能にするために、マスターツールグリップは、手術システム中の立体視ビューアのビューフレーム内でスレーブ手術器具先端と向きが整列させられるのが理想的である。スレーブ手術器具先端の動きは、理想的には、遠隔操作を介してマスターツールの動きに追従し、運動の向き及び絶対的な向きの両方において一貫する、即ち、手術器具先端の動きは、マスターツールグリップの動きに追従する。マスターツールとスレーブ手術器具先端との間で向き整列が達成されないならば、スレーブ手術器具先端は、外科医がマスターツールで指し示すのと同じ絶対的な向きを指すことも、外科医がマスターツールで指し示すのと同じ軸に沿ってロールすることもない。

１つの態様において、マスターツールマニピュレータは、ジンバルアセンブリ内のモータを用いて、外科医の視点(eye view)座標中のマスターツールグリップの配向軸をカメラビュー座標中の関連するスレーブ手術器具先端と能動的に整列させる。この整列は、追従(following)がマスターツールの動きとスレーブ手術器具の動きとの間で噛み合わせられる前に自動的に起こる。

具体的には、従来的な遠隔操作手術システムで追従に入る前に、システムは、カメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の向きを、アイフレーム(eye frame)と呼ぶことがある視点フレーム(eye-view frame)内のマスターツールグリップの向きと整列させようとする。典型的には、遠隔操作手術システムは、（ツール交換、カメラクラッチ、スレーブクラッチ、４アームシステムにおけるアームの交換等の後に）マスターツールグリップとスレーブ手術器具先端との間の向きの整列が損なわれることがあるモードから移行するときにはいつでも、マスター−スレーブ整列を行う。

マスター−スレーブ整列プロセスでは、マスターツールのグリップのｘ−ｙ−ｚ位置を変更せずに、視点フレーム内のマスターツールグリップの向きをカメラビューフレーム内のスレーブ手術器具先端の向きに一致させるよう、マスター手首ジョイント角度のセットが計算される。次に、マスター手首ジョイントは、モータを用いて計算される角度に一致するように命令される。

これはマスターツールグリップの向きとスレーブ手術器具先端の向きとの整列をもたらすはずである。しかしながら、モータがマスターツールにおいて手首ジョイントを位置決めしている間に、外科医がマスターツールグリップを強く把持し過ぎるならば、マスターツールグリップとスレーブ手術器具チップとの間に変位及び向き誤差の両方が存在することがある。

マスターツールグリップにおける手首ジョイントが、マスターツールグリップの向きとスレーブ手術器具先端の向きとを整列させるように命令された後に、遠隔操作手術システムは、使用者が追従に入るのを可能にする前に、マスターの向きとスレーブの向きとが一致していることを再度確認する。向きが一致していないならば、警告メッセージが表示され、マスター−スレーブ整列が再度試みられる。このプロセスは、マスターツールグリップの向きとスレーブ手術器具先端の向きの整列が受け入れ可能な許容範囲内になるまで、例えば、マスターとスレーブとの間の向き不整列が１０度未満になるまで、繰り返される。

マスターツールが回転させられるときに、スレーブ手術先端が同じように回転していると外科医が典型的に知覚するよう、向き不整列は小さな角度偏差に制限される。（図４Ｃ及び４Ｄ、並びに、向き不整列が、許容される小さな角度偏差よりも大きい場合に、マスターツールグリップが回転されるときにスレーブ手術器具先端が予期されない方法で回転することを実証する、以下の関連する議論を参照のこと。）

マスターツールグリップの向きとスレーブ手術器具先端の向きとの間の整列の誤差が、許容される小さな位置不整列よりも小さいとき、マスターツールグリップ及びスレーブ手術器具先端は整列させられていると考えられ、遠隔操作手術システムは追従に入る。マスターツールグリップ及びスレーブ手術器具先端をそのような小さな向き不整列で整列させる必要は、しばしば、外科医が追従に入るのを遅くする。

手術システムは、スレーブ手術器具先端を有するスレーブ手術器具と、マスターツールグリップを含むマスターツールマニピュレータとを含む。マスターツールグリップは、コントローラによってスレーブ手術器具先端に連結される。スレーブ手術器具先端とマスターツールグリップとの間で必要とされる向き整列は緩和されるので、コントローラは、通常、マスターツールグリップとスレーブ手術器具先端との間の如何なる向き不整列にも関係なく、スレーブ手術器具先端の動きがマスターツールグリップの動きに追従する追従に入る。

よって、小さな向き不整列を達成するマスター−スレーブ整列プロセスの従来技術の複数の繰返しは除去されるか、或いは有意に減少させられる。更に、追従に入る直前のマスターツールグリップとスレーブ手術器具先端との間の如何なるスウーピング向き不整列にも拘わらず、スレーブ手術器具先端の動きはマスターツールグリップの動きに直観的に追従し、追従中にマスターツールグリップの回転と関連付けられる予想外の動きはない。

１つの態様において、コントローラは、マスターツールマニピュレータから第１の命令を受信して、スレーブ手術器具先端の所望の向きを含む第２の命令をスレーブ手術器具に送信するように、構成される。コントローラは、マスターツールグリップの向きを用いてスレーブ手術器具先端の所望の向きを生成するように更に構成される。マスターツールグリップの向きは、第１の命令に含められる。

コントローラによって生成されるスレーブ手術器具先端の所望の向きは、マスターツールグリップとスレーブ手術器具チップとの間にスウーピング向き不整合があるときでさえも、マスターツールグリップとスレーブ手術器具先端との間で同じ知覚される回転を維持する。ここで、同じ知覚される回転は、マスターツールグリップの回転がマスターツールグリップの本体固定軸(body-fixed axis)の周りにあると知覚されるならば、スレーブ手術器具の回転がスレーブ手術器具先端の対応する本体固定軸の周りにあると知覚されることを意味する。例えば、マスターツールグリップの回転がマスターツールグリップの本体固定ｘ軸の周りにあると知覚されるならば、スレーブ手術器具の回転はスレーブ手術器具先端の対応する本体固定ｘ軸の周りにあると知覚され、或いはマスターツールグリップの回転がマスターツールグリップの本体固定ｙ軸の周りにあると知覚されるならば、スレーブ手術器具の回転はスレーブ手術器具先端の対応する本体固定ｙ軸の周りにあると知覚され、或いはマスターツールグリップの回転がマスターツールグリップの本体固定ｚ軸の周りにあると知覚されるならば、スレーブ手術器具の回転はスレーブ手術器具先端の対応する本体固定ｚ軸の周りにあると知覚される。

これはアイフレーム内の空間固定軸についてのマスターの回転がカメラフレーム内の同じ空間固定軸についてのスレーブ回転をもたらす従来的なシステムと対照的である。追従に入るときにマスターツールグリップとスレーブ手術器具先端との間の向きオフセットが大きいことが許可される場合、マスターツールグリップの指向方向についてのマスターグリップの回転は、スレーブビューフレームに投影されるマスター指向方向についての円形のスレーブ手術器具先端の動きをもたらし得る。よって、従来的なシステムにおいて、マスターツールグリップ及びスレーブ手術器具チップは、スウーピング向き不整列のために同じ知覚された動きを有さなかった。

１つの態様において、コントローラは、メモリと、方向制御モジュールとを含む。メモリは、スレーブ手術器具先端の基本向きをカメラフレーム内に格納し、アイフレームの基本向きをマスターフレーム内に格納するように、構成される。コントローラは、マスターツールマニピュレータから第１の命令を受信するように構成される。マスターツールマニピュレータからの第１の命令は、アイフレーム内のマスターツールグリップの現在の向きを含む。コントローラは、スレーブ手術器具の所望の向きを含む第２の命令をスレーブ手術器具に送信するように更に構成される。

コントローラを１つのユニット又は複数の異なるユニットで作製し得ることが理解されるべきである。コントローラが異なるユニットの間で分割されるとき、それらのユニットは１つの場所に集中されてよく、或いは手術システムに亘って分散させられてよい。

向き制御モジュールは、アイフレーム内のマスターツールグリップの現在の向きを受信して、スレーブ手術器具の所望の向きを生成するように構成される。また、向き制御モジュールは、マスターツールグリップの格納された基本向き及びスレーブ手術器具先端の格納された基本向きを取り出すようにも構成される。

向き制御モジュールは、カメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の格納された基本向き及び相対的な回転行列に基づきカメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の所望の向きを生成するように更に構成される。相対的な回転行列は、マスターフレーム内のアイフレームの相対的な回転を表す。向き制御モジュールは、スレーブ手術器具の所望の向きを生成するときの、マスターツールグリップとスレーブ手術器具先端との間の如何なるスウーピング向き不整列をも補償する。よって、スレーブ手術器具先端の動きは、如何なる予想外の動きも伴わずに、マスターツールグリップの動きに直観的に追従する。

本明細書において、スウーピング向き不整列は、従来的なシステムにおいて、マスターツールグリップがマスターツールグリップの対応する軸について回転させられるときに手術器具先端についての知覚可能な円内で動く手術器具の先端をもたらす、向き不整列である。従来的なシステムは、スレーブ手術器具先端の所望の向きを、マスターツールグリップの現在の向きと、カメラ基準フレーム内のスレーブ手術器具先端の基本向きと、アイフレーム内のマスターツールグリップの基本向きの転置の積として定義することによって特徴付けられる。

１つの態様において、相対的な回転行列は、アイフレーム内のマスターツールグリップの現在の向きと、マスターフレーム内のアイフレームの格納された向きとの組み合わせである。

コントローラは、マスター−スレーブ整列モジュールも含む。マスター−スレーブ整列モジュールは、マスターツールに命令を送信して、マスターツールグリップを移動させて、アイフレーム内のマスターツールグリップの向きをカメラフレーム内のスレーブ手術用器具先端の向きと整列させるように、構成される。また、マスターツールがマスターツールグリップを移動させた後、マスター−スレーブ整列モジュールは、アイフレーム内のマスターツールグリップの向きとカメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の向きとの間の向き整列誤差を決定するように構成される。更に、マスター−スレーブ整列モジュールは、向き整列誤差が最大の許容されるスウーピング向き不整列以下であるか否かを決定するように構成される。１つの態様において、最大の許容されるスウーピング向き不整列は限定的であるので、例えば、ピッチ及びヨーが混乱されないように、回転がどの軸の周りであるかについての混乱がない。一例として、最大の許容されるスウーピング向き不整列は、１つの態様において、５０度である。

１つの態様において、マスター−スレーブ整列モジュールは、向き整列誤差が最大の許容されるスウーピング向き整列誤差よりも大きい場合に限り、命令を送信すること、向き整列誤差を決定すること、向き整列誤差が最大の許容されるスウーピング向き不整列よりも小さいか否かを決定することを繰り返すように更に構成される。ここで、最大の許容されるスウーピング向き整列誤差は、最大の許容されるスウーピング向き不整列の異なる言い方である。

１つの態様において、コントローラは、マスター−スレーブ整列モジュールに連結される記憶装置モジュールも含む。記憶装置モジュールは、向き整列誤差が最大の大きさの整列誤差よりも小さい場合にマスターツールグリップを移動させた後に、アイフレーム内のマスターツールグリップの向き及びカメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の向きを受信するように構成される。記憶装置モジュールは、メモリ内に、アイフレーム内のマスターツールグリップの向きをマスターフレーム内のアイフレームの基本向きとしてメモリ内に格納し、カメラ基準内のスレーブ手術器具先端の向きをカメラ基準内のスレーブ手術器具先端の基本向きとして格納するようにも、構成される。

１つの態様において、手術システムは、遠位端を有する内視鏡を含む。カメラフレームは、内視鏡の遠位端に対して定められる。手術システムは、ビューアとマスターツールマニピュレータとを含む外科医コンソールも含む。

手術システムにおけるスレーブマニピュレータのマスターツールグリップの整列との手術システムにおけるスレーブ手術器具のスレーブ手術器具先端の整列を制御する方法は、コントローラによって、アイフレーム内の向きを用いてスレーブ手術器具先端の所望の向きを生成することを含み、スレーブ手術器具先端の所望の向きは、マスターツールグリップとスレーブ手術器具先端との間のスウーピング向き不整列を伴って、マスターツールグリップとスレーブ外科用器具先端との間の同じ知覚される回転を維持する。

１つの態様において、生成することは、コントローラによって、アイフレーム内のマスターツールグリップの現在の向き及び回転オフセットに基づきカメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の所望の向きを生成することを含み、回転オフセットは、カメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の格納された向きとマスターフレーム内のアイフレームの格納された向きとの組み合わせである。方法は、コントローラによって、スレーブ手術器具先端の所望の向きを含む命令をスレーブ手術器具に送信することを更に含み、命令に応答してスレーブ手術器具によってスレーブ手術器具先端を所望の向きに移動させることを更に含む。

１つの態様において、生成することの前に、方法は、マスターツールマニピュレータに命令を送信して、マスターツールグリップを移動させて、アイフレーム内のマスターツールグリップの向きをカメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の向きと整列させる。マスターツールマニピュレータがマスターツールグリップを移動させた後、方法は、アイフレーム内のマスターツールグリップの向きとカメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の向きとの間の向き整列誤差を決定する。次に、方法は、向き整列誤差が最大の許容されるスウーピング向き不整列以下であるか否かを決定する。

他の態様では、コンピュータ支援医療システムが、マスターツールグリップと、スレーブ手術器具先端と、コントローラと、メモリとを含む。マスターフレームのロール軸は、マスターツールグリップの長さに沿って定められる。マスターフレームは、マスターツールグリップの向きと関連付けられ、マスターフレームは、本体固定マスターフレーム(body-fixed master frame)である。

スレーブフレームのロール軸は、スレーブ手術器具先端の長さに沿って定められる。スレーブフレームは、スレーブ手術器具先端の向きと関連付けられ、スレーブフレームは、本体固定スレーブフレームであり、

メモリは、コントローラに命令して行為を実行させる非一時的指令を含み、それらの行為は、マスターツールグリップのロールに対応する入力を受信するステップと、入力に応答して、スレーブ手術器具先端をロールさせる命令を生成するステップであって、その命令は、スレーブ手術器具先端を本体固定スレーブフレームのロール軸に対して直交する任意の軸の周りで回転させることなく、スレーブ手術器具先端を本体固定スレーブフレームのロール軸の周りで回転させることであるステップと、その命令に応答して、スレーブ手術用器具先端を本体固定スレーブフレームのロール軸の周りに回転させるステップとを含む。

アイフレーム内のマスターフレームのロール軸とカメラフレーム内のスレーブフレームのロール軸との間に向き不整列が存在するコンピュータ支援医療システムの状態のための方法であって、マスターフレームは、マスターマニピュレータのマスターツールグリップと関連付けられ、スレーブフレームは、スレーブ手術器具先端と関連付けられ、マスターツールグリップのロール軸は、マスターツールグリップの長さに沿って定められ、スレーブ手術器具先端のロール軸は、スレーブ手術器具先端の長さに沿って定められ、方法は、マスターフレームのロール軸の周りのマスターツールグリップのロールに対応する入力を受信することを含み、マスターフレームは、本体固定マスターフレームである。方法は、その入力に応答して、スレーブ手術器具先端をロールさせる命令を生成することを含み、その命令は、スレーブ手術器具先端を本体固定スレーブフレームのロール軸に対して直交する任意の軸の周りで回転させることなく、スレーブ手術器具先端を本体固定スレーブフレームのロール軸の周りで回転させることであり、方法は、その命令に応答して、スレーブ手術器具先端を本体固定スレーブフレームのロール軸の周りで回転させることを含む。

向き制御モジュールを含む追従モジュールを備える遠隔操作サーボコントローラを含む手術システムの概略図である。

図１の外科医コンソールの部分の概略図である。

１つの態様において図１のコントローラによって実施されるプロセスを例示するプロセスフロー図である。

図１のコントローラが用いる様々なフレームを例示している。 図１のコントローラが用いる様々なフレームを例示している。 図１のコントローラが用いる様々なフレームを例示している。

マスターとスレーブとの間に不整列があるときの従来的なシステムの向きの相対的制御の問題を例示している。 マスターとスレーブとの間に不整列があるときの従来的なシステムの向きの相対的制御の問題を例示している。 マスターとスレーブとの間に不整列があるときの従来的なシステムの向きの相対的制御の問題を例示している。 マスターとスレーブとの間に不整列があるときの従来的なシステムの向きの相対的制御の問題を例示している。

不整列があるときにマスター及びスレーブを制御するために図１のコントローラによって実行されるプロセスが従来的なシステムの制約を克服することを例示している。 不整列があるときにマスター及びスレーブを制御するために図１のコントローラによって実行されるプロセスが従来的なシステムの制約を克服することを例示している。 不整列があるときにマスター及びスレーブを制御するために図１のコントローラによって実行されるプロセスが従来的なシステムの制約を克服することを例示している。 不整列があるときにマスター及びスレーブを制御するために図１のコントローラによって実行されるプロセスが従来的なシステムの制約を克服することを例示している。

空間固定フレームが利用されるときにマスターツールグリップの知覚される動きを繰り返さないスレーブ手術器具先端をもたらすマスターツールグリップとスレーブ手術器具先端との間の向き不整列を例示している。 空間固定フレームが利用されるときにマスターツールグリップの知覚される動きを繰り返さないスレーブ手術器具先端をもたらすマスターツールグリップとスレーブ手術器具先端との間の向き不整列を例示している。

１つの態様において図１のコントローラによって実施されるプロセスを例示するより詳細なプロセスフロー図である。

図面中、図番の１桁目は、その図番の要素が最初に現れる図を示している。

本発明の態様は、システム１００と呼ぶことがある遠隔操作手術システム１００内のマスターツールグリップ及びスレーブ手術器具先端のための従来技術のマスター−スレーブ整列(master-slave alignment)プロセスが、スウーピング向き整列誤差(swooping orientation alignment error)、即ち、マスターツールグリップとスレーブ手術器具先端との間の大きな不整列をもたらす場合があることを予想する。マスターツールグリップの向きとスレーブ手術器具先端との向きが整列させられるまでマスター−スレーブ整列プロセスを繰り返すことに関連する先行技術の遅延を回避するために、コントローラ１５０は、追従(following)に入り得る、即ち、スウーピング向き整列誤差が許容可能である前の、マスターツールグリップの向きとスレーブ手術器具先端の向きとの間の許容可能な整列誤差についての基準を緩和する。追従に入り得る前のマスターツールグリップの向きとスレーブ手術器具先端の向きとの間の受け入れ可能な整列誤差についての緩和基準は、マスターツールグリップの向きとスレーブ手術器具先端の向きとの間のより精密な整列を必要とした先行技術プロセスと比較して、追従に入り得る前のマスター−スレーブ整列プロセスの所要の反復回数を減少させる。

本明細書において、スウーピング向き不整列(swooping orientation misalignment)は、上述の従来のシステムにおいて、マスターツールグリップの指向方向(pointing direction)についてのマスターツールグリップの回転が、スレーブビューフレーム(slave view frame)に投影されるマスターツールグリップ指向方向についての円形のスレーブ手術器具先端の回転を引き起こす、向き不整列である。従来のシステムは、スレーブ手術器具先端の所望の向きを、マスターツールグリップの現在の向き、カメラ基準フレーム(camera reference frame)内のスレーブ手術器具先端の基本向き(base orientation)、及びアイフレーム(eye frame)内のスレーブ手術器具先端の基本向き転置の積として定義することによって特徴付けられる。

従来のシステムは、スレーブ手術器具先端とマスターツールグリップとの間の向き誤差(orientation error)を小さな向き誤差に限定したので、スレーブ手術器具先端の円運動はユーザに知覚可能でなく、よって、従来のシステムにおける小さな向き誤差について、スレーブ手術器具先端及びマスターツールグリップは、同じ知覚された動きを有した。しかしながら、小さな向き誤差についての要求が緩和されると、スレーブ手術器具先端及びマスターツールグリップの知覚された動きは、もはや同じでない。

以下により完全に説明するように、コントローラ１５０は、マスター−スレーブ整列プロセスの完了後、マスターツールグリップ及びスレーブ手術器具先端の基本向きを格納し、追従に入る。本明細書において用いるとき、「追従」(“following”)は、システム１００のユーザによって外科医コンソール１１４（コンソール１１４の一例）のマスターツールのマスターツールグリップを動かすことが、マスターツールグリップを動かすのと同じ方法でスレーブ手術器具先端を動かすために、ツール１１２（「手術ツール１１２」及び「スレーブ手術器具１１２」を含む例）に命令を送信するコントローラ１５０をもたらす、遠隔操作手術システム１００の状態である。よって、追従中、スレーブ手術器具先端の動きは、追従を開始したときのマスターツールグリップとスレーブ手術器具先端との間の向き不整合に拘わらず、マスターツールグリップの動きに追従する。

追従中、追従に入る前のマスターツールグリップとスレーブ手術器具先端との間の如何なる整列誤差をも補償するために、マスターツールマニピュレータからのスレーブ手術器具先端のそれぞれの命令された動きは、コントローラ１５０によって、以下により完全に記載するような特別な方法において回転させられる。この回転の結果は、マスターツールグリップとスレーブ手術器具先端との間の初期的な向き不整合に拘わらず、スレーブ手術器具先端の動きがマスターツールグリップの動きに直感的に対応することである。スレーブ手術器具先端の動きは、ユーザがマスターツールグリップの動きに基づいて期待するものである。何故ならば、システム１００のユーザが知覚するマスターツールグリップの動きは、ユーザが知覚するスレーブ手術器具の動きと同じである、即ち、マスターツールグリップ及びスレーブ手術器具先端は同じ知覚される動きを有するからである。

これは、図４Ａ乃至図４Ｄに関して以下により完全に記載するような幾つかの状況において、マスターツールグリップの動きに追従するときに大きな初期的な不整列が手術器具先端の予想外の動きをもたらした、従来のシステムと対照的である。具体的には、マスターツールグリップ及びスレーブ手術器具先端の知覚される動きは異なった。何故ならば、アイフレーム内の空間固定軸についてのマスターツールグリップの回転は、カメラのフレーム内の同じ空間固定軸についてのスレーブ器具先端の回転をもたらしたからである。追従に入るときに、マスターツールグリップとスレーブ手術器具先端との間でオフセットさせられる向きが大きいことが許可される場合、マスターツールグリップの指向方向についてのマスターツールグリップの回転が、スレーブビューフレームに投影されるマスター指向方向についての円形のスレーブ手術器具先端の運動をもたらし得る。図４Ｃ及び４Ｄ並びに以下の付随する説明を参照のこと。

より具体的には、１つの態様において、コントローラ１５０（図１）は、マスターツールマニピュレータ（図示されていないが、マスターツールマニピュレータ３７０（図３Ｃ）を参照のこと）から第１の命令１３３を受信し、スレーブ手術器具１１２の所望の向きを含む第２の命令１３５をスレーブ手術器具１１２に送信する。コントローラ１５０は、マスターツールグリップの向きを用いてスレーブ手術器具先端の所望の向きを生成するように構成される。マスターツールグリップの向きは、第１の命令１３３に含められる。本明細書では、「第２の命令１３５」を「制御命令１３５」と呼ぶことがある。本明細書では、「マスター移動命令１３３」は第１の命令１３３の一例であり、「スレーブ移動命令１３５」は第２の命令１３５の一例である。

コントローラ１５０によって生成されるスレーブ手術器具先端の所望の向きは、マスターツールグリップとスレーブ手術器具との間にスウーピング向き不整合があるときでさえも、マスターツールグリップとスレーブ手術器具先端との間で同じ知覚される回転を維持する。ここで、同じ知覚される回転は、マスターツールグリップの回転がマスターツールグリップの本体固定軸の周りにあると知覚されるならば、スレーブ手術器具の回転がスレーブ手術器具先端の対応する本体固定軸の周りにあることを意味する。例えば、マスターツールグリップの回転がマスターツールグリップの本体固定ｘ軸の周りにあると知覚されるならば、スレーブ手術器具の回転はスレーブ手術器具先端の対応する本体固定ｘ軸の周りにあると知覚され、或いは、マスターツールグリップの回転がマスターツールグリップの本体固定ｙ軸の周りにあると知覚されるならば、スレーブ手術器具の回転はスレーブ手術器具先端の対応する本体固定ｙ軸の周りにあると知覚され、或いは、マスターツールグリップの回転がマスターツールグリップの本体固定ｚ軸の周りにあると知覚されるならば、スレーブ手術器具の回転はスレーブ手術器具先端の対応する本体固定ｚ軸の周りにあると知覚される。

丁度説明したように、これは、向きオフセットが大きいことが許容されるときに、マスターツールグリップの指向方向についてのマスターツールグリップの回転が、ビューフレームに投影されるマスター指向方向についての円形のスレーブ手術器具先端の動きをもたらし得る、従来のシステムと対照的である。よって、従来のシステムにおけるマスターツールグリップ及びスレーブ手術器具先端は、スウーピング向き誤差について同じ知覚される動きを有していなかった。

手術システム１００では、ユーザ、典型的には、外科医が、コンソール１１４に座って、マスターツールグリップ（図示せず）を親指と人差し指との間で把持するので、標的化(targeting)及び把持(grasping)は、直感的な位置指示動作(pointing motion)及びピンチ動作(pinching motion)を含む。マスターツールグリップは、マスターツールと呼ぶことがあるマスターツールマニピュレータの部分である。コントローラ１５０は、マスターツールグリップの動きを用いて、以下により完全に記載するように、スレーブ手術器具１１２の先端を移動させ、例えば、手術器具のエンドエフェクタを移動させる。

コンソール１１４（図１及び図２Ａ）は、ビューアと呼ぶことがあるマスターディスプレイを含み、マスターディスプレイは、患者１１１の手術部位１０３の少なくとも立体画像２１０（図２Ａ）を表示する。立体画像２１０は、典型的に、手術部位１０３の画像２０３、スレーブ手術器具１１２の部分の画像２１２、及びスレーブ手術器具１１２の先端の画像２１２Ｔを含む。コンソール１１４は、１つ又はそれよりも多くのフットペダル（図示せず）も含む。

コンソール１１４（図１）は、コントローラ１５０に接続され、次いで、コントローラ１５０は、ロボットアーム１１３を含む複数のロボットアームを支持するカート１１０に接続される。スレーブ手術器具１１２は、ロボットアーム１１３によって保持され、位置付けられる。図１には示されていないが、立体画像２１０を提供するために、典型的には、他のロボットアームによって保持される内視鏡が用いられる。

外科医は快適に座って、手術を通じてコンソール１１４にあるマスターディスプレイを見る。外科医は、少なくともマスターツールグリップ２３０（図２Ａ）を操作することによって、医療処置を実行する。マスターツールグリップ２３０は、ピンチャー(pinchers)と呼ぶことがある２つのレバー２３１，２３２を含み、外科医は、典型的に、２つのレバーを親指と人差し指との間で把持する。マスターツールは、少なくともマスターツールグリップ２３０の現在の向きを含むマスター動作命令１３３を提供する。マスター動作命令１３３を第１の命令と呼ぶことがある。

マスターツールからのマスター動作命令１３３に応答して、コントローラ１５０、例えば、コントローラ１５０の遠隔操作サーボコントローラ１６０が、スレーブ手術器具１１２にスレーブ動作命令１３５を送信する。スレーブ動作命令１３５に応答して、スレーブ手術器具１１２は、スレーブ手術器具１１２の先端を、スレーブ動作命令１３５において指示されるように位置決めする。スレーブ動作命令１３５を第２の命令と呼ぶことがある。

典型的には、コンソール１１４は、少なくとも２つのマスターツールを含み、各マスターツールは、異なる手術器具を制御する。ここでは、マスターツールグリップ３０を備える単一のマスターツールが考察される。この記述を考慮して、任意の所望の数のマスターツールについて本発明の態様を実施し得る。

マスターディスプレイは、外科医が手術部位１０３を実際に直接見下ろしていると感じるように、マスターディスプレイに見られる画像２１０（図２Ａ）が方向付けられるように、外科医の手の近くでコンソール１１４（図１）に位置付けられる。ツール１１２の画像２１２は、外科医の手が配置される場所に実質的に配置されるように見えるか、或いはツール１１２が自分の手の位置に基づいていると外科医が期待するように実質的に方向付けられるように見える。しかしながら、典型的に、外科医は、画像２１０を見ている間にマスターツールグリップ２３０の位置又は向きを見ることができない。

内視鏡からのリアルタイム画像は、外科医が恰も実質的にトゥループレゼンス(true presence)において作業空間を見るように、その関連するマスターツールグリップ２３０を通じてツール１１２の手術器具エンドエフェクタを操作し得るように、透視画像２１０（例えば、立体画像２１０）に投影される。トゥループレゼンスによって、画像の表現が、手術器具を物理的に操作している操作者の視点をシミュレートする真の透視画像であることを意味する。よって、コントローラ１５０は、透視画像が、内視鏡が開放空洞処置の間に外科医の眼球レベルからツール１１２を直接見るならば外科医が見る画像であるように、ツール１１２の座標を知覚位置に変換する。

コントローラ１５０は、システム１００内の様々な機能を実行する。コントローラ１５０は、内視鏡から画像を受け取り、外科医が見る立体画像を生成する。コントローラ１５０は、遠隔操作サーボコントローラ１６０を用いて、スレーブ動作命令１３５を通じてマスターツールグリップ２３０の機械的動作を関連するスレーブ手術器具に伝えるので、外科医はツール１１２を効果的に操作することができる。コントローラ１５０及び遠隔操作サーボコントローラ１６０は、以下により完全に記載する態様を除いて、従来のシステムと類似する。

コントローラ１５０として記載しているが、コントローラ１５０は、実際には任意の数のモジュールによって実施されてよく、各モジュールは、コンポーネントの任意の組み合わせを含んでよいことが理解されるべきである。各モジュール及び各コンポーネントは、ハードウェア、プロセッサ上で実行されるソフトウェア、及びファームウェア、又はこれらの３つの任意の組み合わせを含んでよい。本明細書において記載するような、コントローラ１５０の機能及び作用は、１つのモジュールによって実行されてよく、或いは異なるモジュールの間で分割されてよく、或いはモジュールの異なるコンポーネントの間で分割されてさえよい。異なるモジュール又はコンポーネントの間で分割されるとき、モジュール又はコンポーネントは、１つの場所に集中されられてよく、或いは分散処理目的のためにシステム１００に亘って分散されてよい。よって、コントローラ１５０は、単一の物理的実体を必要とするものと解釈されるべきでない。何故ならば、幾つかの態様において、コントローラ１５０は、システム１００に亘って分散されるからである。

一度に使用される手術器具の数、結果的に、システム１００において使用される手術器具の数は、一般的に、数ある要因の中でも、実行される医療処置及び手術室内の空間制約に依存する。処置中に使用されている手術器具のうちの１つ又はそれよりも多くを交換する必要があるならば、補助者が手術器具を取り外し、その手術器具を異なる手術器具と交換してよい。

システム１００内に２つのマスターツールだけがあるとき、及び外科医が２つのマスターツールに連結された２つのスレーブ手術器具と異なるスレーブ手術器具の動きを制御することを欲するとき、外科医は、２つのスレーブ手術器具の一方又は両方を所定の場所に係止する。次に、外科医は、マスターツールの一方又は両方をロボットアームの他方によって保持される他のスレーブ手術器具と関連付け、次に、コントローラ１５０は、それらの手術器具に関してアクティブになる。

コントローラ１５０によって実行される行為(acts)の議論を容易にするために、様々なフレームが使用される。フレームは、３つの空間軸、例えば、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸と、３つの向き、例えば、ピッチ、ヨー、及びロールとを含む、デカルト座標系である。向きの各々は、空間軸のうちの１つについての回転である。

第１のフレームをアイフレーム(eye frame)と呼ぶ。１つの態様において、アイフレームの原点(origin)は、外科医が外科医コンソール１１４内で手術部位１０３を見ているときに外科医の眼が通常位置する位置に対応するように、選択される。マスター動作命令１３３において、マスターツールグリップ２３０の位置及び向きは、１つの態様では、アイフレーム内で特定される。アイフレーム内のマスターツールグリップ２３０の位置及び向きを決定する技術は知られている。例えば、本明細書中に参照として援用する、（２００３年１２月３０日に付与された「Camera Referenced Control In a Minimally Invasive Surgical Apparatus」を開示する）米国特許第６，６７１，５８１Ｂ２号明細書を参照のこと。

第２のフレームをマスターフレーム(master frame)と呼ぶ。１つの態様において、マスターフレームの原点は、マスターツールグリップ２３０上の点として選択される。

第３のフレームをカメラフレーム(camera frame)と呼ぶ。１つの態様において、カメラフレームの原点は、内視鏡の遠位端上の位置と対応するように選択される。１つの態様において、スレーブ動作命令１３５では、スレーブ手術器具の先端の所望の向きが、カメラフレームにおいて特定される。カメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の位置及び向きを決定する技法は知られている。例えば、従前に参考として援用した、米国特許第６，６７１，５８１Ｂ２号を参照のこと。

第４のフレームをスレーブフレーム(slave frame)と呼ぶ。１つの態様において、スレーブフレームの原点は、スレーブ手術器具先端上の点として選択される。

図２Ｂは、追従プロセス(following process)が開始される直前に、マスターツールの整列及びスレーブ手術器具先端の整列との相対的な回転を使用する、追従プロセスのプロセスフロー図である。追従プロセスは、コントローラ１５０内の追従モジュール１３０(following module)によって実施される。

この追従プロセスにおいて、スレーブ手術器具先端の動きは、スレーブ手術器具先端の如何なる予期せぬ動きをも伴わずに、マスターツールの動きに追従する。以下により完全に記載するように、相対的な回転を同様に使用した従来の追従プロセスは、マスターツール及びスレーブ手術器具先端が追従プロセスに入る際にずれるときに、スレーブ手術器具先端の予期しない回転を引き起こした。

この態様において、追従有効化確認プロセス２７０(FOLLOWING ENABLED check process)(図２Ｂ）は、システム１００がマスターツールグリップ２３０とスレーブ手術器具先端との間の追従を可能にしたか否かを決定する。１つの態様において、追従有効化確認モジュール２７０は、追従モジュール１３０（図１及び図２Ｂ）によって実装される。追従モジュール１３０は、コントローラ１５０に含められ、よって、コントローラ１５０は、追従が有効にされているか否かを決定する。同様に、図２Ｂの追従セッションに関して記載する他のプロセス及び行為の各々は、コントローラ１５０の遠隔操作サーボコントローラ１６０によって実行され、よって、コントローラ１５０は、プロセス及び行為を実行すると言える。

追従が有効にされるならば、追従有効化確認プロセス２７０は、マスターツールマニピュレータからの各マスター動作命令１３３を新しいスレーブ向き生成プロセス２８０(GENERATE NEW SLAVE ORIENTATION process)に伝え、さもなければ、何もしない。追従有効化確認プロセス２７０は、追従が有効にされているか否かを決定するために、コントローラ１５０が継続的にポーリングする(poll)ことを必要とするものと解釈されてはならない。追従有効化確認プロセス２７０は、追従が有効にされるまで追従を開始することができないことを例示的に示すに過ぎない。例えば、追従有効化イベントを受信するときに追従プロセスを開始するイベントハンドラ(event handler)によって、追従が有効にされているか否かの決定を行うことができる。

新しいスレーブ向き生成プロセス２８０は、マスターツール命令内の情報及び格納された方向１３１、例えば、格納された方向ｍＲｅ’及びｃＲｓ’を用いて、カメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の所望の向きｃＲｓ＿ｄｅｓを生成する。格納された向きｍＲｅ’及びｃＲｓ’を基本向きと呼ぶ。新しいスレーブ向き生成プロセス２８０は、コントローラ１５０に含められる方向制御モジュール１３４によって実施される。

マスター動作命令１３３は、アイフレーム内のマスターツールグリップ２３０の向きｅＲｍを含む。向きｅＲｍをアイフレーム内のマスターツールグリップの現在の向き(current orientation)と呼ぶことがある。

向きｍＲｅ’及びｃＲｓ’は、追従セッションと呼ぶことがある追従プロセスが開始される前にメモリ２６５内に格納される。ここで、向き参照番号のプライム表記(prime notion)は、その向きが追従セッションに入る前の瞬間の対応する向き状態のスナップショットであり、１つの態様において、格納される向きは同じ追従セッションにおいて変化しない固定量であることを示す。

格納される向きｍＲｅ’は、現在の追従セッションが開始される前のマスターフレーム内のアイフレームの最後の向きである。この態様では、アイフレームを静止的に保持し、従来のシステムにおけるようにマスターツールグリップの動きを考慮する代わりに、マスターツールグリップは静止したままであり、アイフレームは動いていると仮定される。これはマスターツールグリップの動きを表す代替的な技法である。

格納される向きｃＲｓ’は、現在の追従セッションが開始される前のカメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の最後の向きである。向きｍＲｅ’及びｃＲｓ’は追従セッションが開始される前に格納されるので、向きｍＲｅ’及びｃＲｓ’を基本向き(base orientations)と呼ぶ。何故ならば、それらは追従セッション中の向きの変化の基準となる向きである、即ち、スレーブ手術器具先端の新しい向きは、スレーブ手術器具先端の格納された基本向きｃＲｓ’に対して決定されるからである。

新しいスレーブ向き生成プロセス２８０は、アイフレーム内のマスターツールグリップの回転オフセットＲｏｆｆｓｅｔ及び現在の向きｅＲｍに基づき、カメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の所望の向きｃＲｓ＿ｄｅｓを生成する。例えば、カメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の所望の向きｃＲｓ＿ｄｅｓは、以下のように定義される。

回転オフセットＲｏｆｆｓｅｔは、カメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の格納された向きｃＲｓ’とマスターフレーム内のアイフレームの格納された向きｍＲｅ’との組み合わせである。１つの態様では、以下に更に完全に議論するように、以下の通りであり、

よって、以下の通りである。

先に述べたように、最後の式の所望の向きｃＲｓ＿ｄｅｓは、カメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の所望の向きｃＲｓ＿ｄｅｓが、２つの格納された向きとアイフレーム内のマスターツールグリップの現在の向きとの組み合わせであることを明示する。更に、（ｍＲｅ’*ｅＲｍ）は相対的な回転行列Ｒ２(rotation matrix)の転置であることを以下に明示する。よって、カメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の所望の向きｃＲｓ＿ｄｅｓは、カメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の格納された向きｃＲｓと相対的な回転行列Ｒ２の転置との積である。相対的な回転行列Ｒ２は、マスターフレーム３４０におけるアイフレーム３３０の相対的な回転を表す。

カメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の格納された向きｃＲｓ’と相対回転行列Ｒ２の転置との積を用いて、カメラフレーム内のスレーブ手術器具先端のｃＲｓ＿ｄｅｓを決定することは、追従に入れられるときのマスターツールグリップ２３０と手術器具ツール先端との間の如何なる向き整列誤差をも補償する。更に、以下により完全に議論するように、このプロセスは、手術器具ツール先端の如何なる予期しない動きをももたらさないので、手術器具先端の動きは、マスターツールグリップ２３０の動きに直感的に追従すると言える。

新しいスレーブ向き生成プロセス２８０が、カメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の所望の向きｃＲｓ＿ｄｅｓを生成した後、スレーブ動作命令送信プロセス２９０(SEND SLAVE MOVE COMMAND process)は、所望の向きｃＲｓ＿ｄｅｓを含む、命令１３５と呼ぶことがあるスレーブ動作命令１３５を、スレーブ手術器具マニピュレータ２２２又は他のスレーブ機器コントローラに送信する。命令１３５に応答して、スレーブ手術器具マニピュレータ２２２は、スレーブ手術器具先端を所望の向きに動かす。スレーブ手術器具が器具先端の向きを変更する命令にどのように応答するかは知られているので、スレーブ手術器具による器具先端の向きの変化は、更に詳細に考慮されていない。スレーブ動作命令１３５を送信した後、スレーブ動作命令送信プロセス２９０は、追従有効化確認プロセス２７０に戻る。

システム１００が最初に始動するときに図２Ｂの追従プロセスに入り、システム１００が追従を無効にするまで継続する。追従がシステム１００によって無効にさるとき、１つの態様において、マスター−スレーブ整列プロセス２５０(MASTER-SLAVE ALIGNMENT process)中のスウーピング向き誤差許容確認プロセス(SWOOPING ORIENTATION ERROR ACCEPTABLE check process)（図示しないが、図６のプロセス６２０を参照のこと）は、アイフレーム内のマスターツールグリップの向きとカメラフレーム内のスレーブ手術器具先端との間の向き不整列が、最大の許容されるスウーピング向き不整列(maximum permitted swooping orientation misalignment)以下であるか否かを決定する。

スウーピング向き誤差許容確認プロセスが、アイフレーム内のマスターツールグリップの向きとカメラフレーム内のスレーブ手術器具先端との間の向き不整列が、最大の許容されるスウーピング向き不整列以下であると決定するならば、向き格納プロセス２６０(STORE ORIENTATIONS process)は、カメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の現在の向きを受信し且つ格納し、マスターフレーム内のアイフレームの向きであるアイフレーム内のマスターツールグリップの現在の向きの転置を受信し且つ格納する。１つの態様において、プロセス２６０と呼ぶことがある向き格納プロセス２６０は、記憶装置モジュール２６１によって実施される。記憶装置モジュール２６１は、コントローラ１５０に含められる。プロセス２６０がひとたび完了すると、追従セッションが有効にされる。

システム１００の初期始動の間に、並びに、スウーピング向き誤差許容確認プロセスが、向き不整列が最大の許容されるスウーピング向き不整列よりも大きいと決定するときに、マスター−スレーブ整列プロセス２５０は、外科医コンソール１１４内のマスターツールに命令を送信して、アイフレーム内のマスターツールグリップ２３０の向きがカメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の向きと一致するように、マスターツールグリップ２３０を動かす。マスターツールグリップ２３０の向きを変えるためにマスターツール内のモータを使用することは知られているので、更に詳細に考慮されない。マスターツール位置決めプロセス(POSITION MASTER TOOL process)（図示しないが、図６のプロセス６１０を参照のこと）がひとたび完了すると、スウーピング向き誤差許容確認プロセスが繰り返される。

マスター−スレーブ整列プロセス２５０の終了時のより大きな許容される不整列は、殆どの場合、マスター−スレーブ整列プロセス２５０が一度だけ実行され、次に、追従プロセスに入ることを意味する。よって、多数の不整列の警告の故に外科医が以前に経験したフラストレーションは、排除されないとしても、最小限に抑えられる。

コントローラ１５０は、少なくとも１つの、典型的には、複数のプロセッサを含み、プロセッサは、追従セッションの間に、コントローラ１５０の処理サイクル速度によって決定される連続的なベース(continual basis)で、マスターツール動作入力命令に応答してスレーブ手術器具先端の新しい対応する位置及び向きを決定することが理解されるであろう。コントローラ１５０の典型的な処理サイクル速度は、約１３００Ｈｚである。よって、マスターツールが１つの位置から次の位置に移動させられるとき、スレーブ手術器具先端の対応する所望の動きは、約１３００Ｈｚで決定される。もちろん、コントローラ１５０は、コントローラ内で使用されるプロセッサ又は複数のプロセッサに依存して、任意の適切な処理サイクル速度を有し得る。

上述の本発明の態様を更に詳細に記載する前に、各々の基準フレームの具体的な例を図３Ａ乃至図３Ｃに提示する。次に、本発明の態様をより明確に例示するのを助けるために、従来的なシステム及びスウーピング向き不整列についてのそれらの欠点を議論する。最後に、上記の本発明の態様をより詳細に考察し、従来的なシステムと比較する。

図３Ａにおいて、カメラフレーム３１０は、その原点３１５が内視鏡３１４の視認端３１６に位置付けられるように、位置付けられる。この態様において、カメラフレーム３１０は、デカルト座標系であり、例えば、ｘ軸Ｘｃ、ｙ軸Ｙｃ、及びｚ軸Ｚｃを含む。ｚ軸についての回転はロールと呼ばれる。ｘ軸についての回転Ｘｃはピッチと呼ばれ、ｙ軸についての回転はヨーと呼ばれる。本来的に、ｘ軸Ｘｃ及びｙ軸Ｙｃは、ｚ軸Ｚｃに対して垂直な平面内に位置付けられる。特定の軸との向きの関連付けは例示的であるに過ぎず、限定的であることを意図しない。特定の軸と回転との間の関連付けは、関連付けが基準フレームの各々において一貫して定められる限り、本明細書で記載するものと異なり得る。

便利には、カメラフレーム３１０のｚ軸Ｚｃは、内視鏡３１４の視認軸３１７に沿って軸方向に延びる。図３Ａにおいて、視認軸３１７は、内視鏡３１４のシャフト軸と同軸に整列して示されているが、視認軸３１７は、内視鏡３１４の長手軸に対して角度を有し得ることも理解されるべきである。よって、内視鏡３１４は、角度付き内視鏡であることもできる。内視鏡３１４は、典型的に、その長手軸について角度的に変位可能である。ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、内視鏡の長手軸についての内視鏡３０４の角変位と共振して(in sympathy with)長手軸について角度的に変位するよう、内視鏡３０４の視認軸３１７に対して固定される。

遠隔操作サーボコントローラ１６０がスレーブ位置及び向きを決定するのを可能にするために、スレーブフレーム３２０がスレーブ手術器具先端３１２Ｔに定められ或いは取り付けられる。図３Ａの例において、スレーブフレーム３２０は、枢動接続部３２６にその原点３２５を有する。この態様において、スレーブフレーム３２０は、デカルト座標系であり、例えば、ｘ軸Ｘｓ、ｙ軸Ｙｓ、及びｚ軸Ｚを含む。ｚ軸Ｚｓについての回転はロールと呼ばれる。ｘ軸Ｘｓについての回転はピッチと呼ばれ、ｙ軸Ｙｓについての回転はヨーと呼ばれる。本来的に、ｘ軸Ｘｓ及びｙ軸Ｙｓは、ｚ軸Ｚｓに対して垂直な平面内に位置付けられる。

便利には、スレーブフレームの軸のうちの１つ、例えば、ｚ軸Ｚｓは、器具先端３１２Ｔの対称軸等に沿って延びるように定められる。スレーブ手術器具１１２の向きは、カメラフレーム３１０に対する枢動接続部３２６にその原点を有するスレーブフレーム３２０の向きによって定められる。同様に、スレーブ手術器具１１２の位置は、カメラフレーム３１０の原点３１５に対するスレーブフレーム３２０の原点の位置によって定められる。

アイフレーム３３０（図３Ｂ）の原点３３５は、原点３３５が、外科医が外科医コンソール１１４内のビューア３０２で手術部位を見ているときに外科医の眼が通常位置付けられる位置３３６と対応するように、選択される。この態様において、アイフレーム３３０は、デカルト座標系であり、例えば、ｘ軸Ｘｅ、ｙ軸Ｙｅ、及びｚ軸Ｚｅを含む。ｚ軸Ｚｅについての回転はロールと呼ばれる。ｘ軸Ｘｅについての回転はピッチと呼ばれ、ｙ軸Ｙｅについての回転はヨーと呼ばれる。本来的に、ｘ軸Ｘｅ及びｙ軸Ｙｅは、ｚ軸Ｚｅに対して垂直な平面内に位置する。

ｚ軸Ｚｅは、ビューア３０２を通じて手術部位を見るときに、軸３３７によって示される、外科医の視線に沿って延びる。便利には、ｙ軸Ｙｅは、ビューア３０２に対して概ね垂直に延びるように選択され、ｘ軸Ｘｅは、ビューア３０２に対して概ね水平に延びるように選択される。

コントローラ１５０がアイフレーム３３０内のマスターツールグリップ２３０の位置及び向きを決定するのを可能にするために、マスターフレーム３４０の原点３４５を定めるマスターツールグリップ２３０（図３Ｂ及び３Ｃ）上の点が選択される。１つの態様において、この点はマスターツールマニピュレータ３７０の第１の回転軸３４７とマスターツールマニピュレータ３７０の第２の回転軸３４８との間の交点３４９で選択される（米国特許第６，６７１，５８１Ｂ２号の図６Ａ中の点３Ａも参照のこと）。

この態様において、マスターフレーム３４０は、デカルト座標系であり、例えば、ｘ軸Ｘｍ、ｙ軸Ｙｍ、及びｚ軸Ｚｍを含む。ｚ軸Ｚｍについての回転はロールと呼ばれる。ｘ軸Ｘｍについての回転はピッチと呼ばれ、ｙ軸Ｙｍについての回転はヨーと呼ばれる。本来的に、ｘ軸Ｘｍ及びｙ軸Ｙｍは、ｚ軸Ｚｍに対して垂直な平面内に位置する。

マスターツールグリップ２３０上のマスターフレーム３４０のｚ軸Ｚｍは、回転軸３４８に沿って同軸に延びるピンチャー２３１及び２３２の対称軸に沿って延びるよう選択される。アイフレーム３３０内のマスターツールグリップ２３０の向きは、アイフレーム３３０に対するマスターフレーム３４０の向きによって定められる。アイフレーム３３０内のマスターツールグリップの位置は、アイフレーム３３０の原点に対する原点３４５の位置によって定められる。マスターフレームとアイフレームとの間のマッピングが知られている。例えば、米国特許第６，６７１，５８１Ｂ２号を参照のこと。

マスターツールグリップ動作とスレーブ手術器具先端動作との間の制御は、アイフレーム３３０内のマスターツールグリップ２３０の位置ｅＰｍとカメラフレーム３１０内のスレーブ手術器具先端３１２Ｔの位置ｃＰｓ及びｃＲｓとを使用して達成される。ここで、位置ｅＰｍは、（ｅＰｍのｅによって表される）アイフレーム３３０内の（ｅＰｍのｍによって表される）マスターフレーム３４０の原点３４５のｘ、ｙ、ｚ位置を備える、（ｅＰｍのＰによって表される）３×１行列である。同様に、位置ｃＰｓは、（ｃＰｍのｃによって表される）カメラフレーム３１０内の（ｃＰｓのｓによって表される）スレーブフレーム３２０の原点３２５のｘ、ｙ、ｚ位置を備える、（ｃＰｓのＰによって表される）３×１行列である。向きｅＲｍは、（ｅＲｍのｅによって表される）アイフレーム３３０内の（ｅＲｍのｍで表される）マスターフレーム３４０の向きを特定する（ｅＲｍのＲによって表される）３×３回転行列である。同様に、向きｃＲｓは、（ｃＲｍのｃによって表される）カメラフレーム３１０内の（ｃＲｓのｓによって表される）スレーブフレーム３２０の向きを特定する（ｃＲｓのＲによって表される）３×３回転行列である。

従来的なシステムは、背景技術において上述したように、マスターツールグリップとスレーブ手術器具とを整列させることを試みた。このシステムにおいて、追従に入る直前の向き整列の不一致は、小さな向き不整列に限定されていた。向きの処理に関して、以前のシステム挙動を「ビューフレームセントリック」(“view-frame centric”)と最良に記載し得る。追従に入る前に、従来的なシステムは、アイフレーム内にマスターツールグリップの向きｅＲｍ’を格納し、カメラフレーム内にスレーブ手術器具先端の向きｃＲｓ’を格納した。向きｅＲｍ’及び向きｃＲｓ’を回転行列として格納した。

従来的なシステムでは、オフセット行列Ｒｏｆｆｓｅｔ＿ｐｒｉｏｒが、２つの格納された向きを乗算することによって、例えば、回転行列を乗算することによって、格納された向きから生成された。即ち、以下の通りである。

ｓＲｃ＝ｃＲｓ^Ｔであることが知られており、それはｓＲｃ’＝ｃＲｓ’^Ｔを意味し、よって、回転オフセットは、以下の通りである。

以下において、マスターツールグリップは、アイフレーム内で表される、追加的な回転を受ける。

よって、現在の向きｅＲｍは、アイフレーム内の相対的なマスター回転行列Ｒ１及び格納された向きｅＲｍ’の積と等しいものとして定められる。

従来的なシステムにおいて、カメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の所望のスレーブ向きｃＲｓ＿ｄｅｓは、以下のように定められた。

回転オフセットの上記定義Ｒｏｆｆｓｅｔを前の式に代入すると以下がもたらされる。

追加的な回転ｅＲｍの上記定義を前の式に代入すると以下がもたらされる。

しかしながら、回転行列は、直交行列(orthogonal matrices)であることが知られている。即ち、以下の通りである。

よって、以下の通りである。

効果的には、マスターツールグリップが動かされるときにスレーブ手術器具の動作を制御する動作命令を送信するために、従来的なシステムは、先ず、アイフレーム内の相対的なマスター回転行列Ｒ１を計算する。例えば、上から、相対的なマスター回転行列は、以下のように定められる。

しかしながら、以下の通りである。

アイフレーム内の相対的なマスター回転行列Ｒ１を計算するために、従来的なシステムは、格納された向きｅＲｍ’の転置によって現在の回転行列ｅＲｍに乗算した。

所望のスレーブ向きｃＲｓ＿ｄｅｓを得るために、従来的なシステムは、次に、カメラフレーム３１０内のスナップショットスレーブ向きｃＲｓ’に同じ相対的なマスター回転行列Ｒ１を適用した。所望のスレーブ向きｃＲｓ＿ｄｅｓを決定するこのプロセスを、「ビューフレームセントリック」と呼ぶ。何故ならば、システムはアイフレーム内のマスターツールグリップの動きのデルタをモニタリングし、そのデルタをカメラフレーム内のスレーブ手術器具で複製するからである。アイフレーム内のマスターツールグリップとカメラフレーム内のスレーブ手術器具先端との間の不整列に対する動きの使用は、システムが追従に入る直前にスウーピング向き不整列を許容するならば、従来的なシステムのユーザを混乱させる動きを創り出す。

図４Ａは、従来的なシステムにおけるマスター−スレーブ整列に続く、アイフレーム３３０内のマスターツールグリップの場所Ｌｍのグラフィック表示である。議論の容易さのために、場所Ｌｍは、Ｘｅ−Ｙｅ平面内にある。場所Ｌｍは、（ｅＰｍ’，ｅＲｍ’）として保存される。場所Ｌｍは、眼球フレーム３３０に対する空間内に定められ、よって、従来的なシステムにおいて、フレーム３４０は、空間固定座標系である。図４Ｂは、マスター−スレーブ整列に続く、カメラフレーム３１０内のスレーブ手術器具先端の場所Ｌｓのグラフィック表示である。場所Ｌｓは、Ｘｃ−Ｙｃ平面内にある。場所Ｌｓは、（ｃＰｓ’，ｃＲｓ’）として保存される。この例において、場所Ｌｓは、カメラフレーム３１０に対する空間内に定められ、よって、従来的なシステムにおいて、フレーム３２０は、空間固定座標系である。マスター−スレーブ整列の終了時に、マスターツールグリップとのスレーブ手術器具先端の不整列は、システムによって以前に許容されたものよりも大きい。

ひとたび追従に入ると、外科医は、図４Ｃに例示するように、マスターツールグリップを回転させる。回転はＸｅ−Ｙｅ平面内の空間固定ｘ軸Ｘｓｍについてのものである。アイフレームの空間固定軸Ｘｓｍについてのマスターツールグリップの回転は、カメラフレーム内の同じ空間固定軸Ｘｓｓについてのスレーブ器具先端の回転をもたらす。向きオフセットが大きくなることが許容されるとき、マスターツールグリップの指示方向についてのマスターツールグリップの回転は、スレーブビューフレーム上に投影されるマスター指向方向についての円形のスレーブ手術器具先端運動をもたらし得る。しかしながら、外科医は、スレーブ手術器具先端がＸｃ−Ｙｃ平面内でｘ軸Ｘｓｓについて回転することを予期する可能性が高い。

スウープ向き不整列を伴って、先行技術のシステムは、今しがた記載したマスターツールグリップの回転に応答して所望のスレーブ向きｃＲｓ＿ｄｅｓを決定する。初期的な無機の変位の故に、スレーブ手術器具先端は、予想されるように回転しない。何故ならば、相対的に回転がスレーブ手術器具先端に加えられるとき、スレーブ手術器具先端の回転はもはやＸｃ−Ｙｃ平面内にないからである。Ｘｃ−Ｙｃ平面内で回転するよりもむしろ、スレーブ手術器具先端は、カメラフレーム３１０内で円形の経路４０１に沿って回転する。図４Ｄにおいて、破線４０２は、マスターツールグリップ２３０及びスレーブ手術器具先端３１２Ｔが整列させられた場合のスレーブ手術器具先端３１２Ｔの場所を表している。２つが整列させられるならば、その軸のうちの１つについてマスターツールグリップの回転は、その軸からの空間変位を伴わずに、その軸のうちの同じ１つについて回転するスレーブ手術器具先端をもたらす。しかしながら、スウープ向き不整列の故に、スレーブ手術器具の回転の経路は、経路４０１によって示されるように、軸から変位させられる。

よって、この例において、マスターツールグリップの軸Ｘｓｍについて平面内でマスターツールグリップを回転させることの知覚される動きは、平面内で破線４０２によって示される対応する軸について回転する手術器具先端の知覚される動きをもたらさない。むしろ、今しがた記載したように、スレーブ手術器具先端の動きは、円形の経路４０１に沿う。円形の経路４０１は、Ｘｃ−Ｙｃ平面に対して垂直な平面内にある。故に、従来的なシステムにおけるスウープ向き不整列について、マスターツールグリップの知覚される回転及びスレーブ手術器具先端の知覚される回転は同じでない。

より一般的には、前述のように、アイフレーム内の空間固定軸についてのマスターツールグリップの回転は、カメラフレーム内の同じ空間固定軸についてのスレーブ手術器具先端の回転をもたらす。向きオフセットが大きいことが許容されるとき、マスターツールグリップの指向方向についてのマスターツールグリップの回転は、従来的なシステムのスレーブビューフレーム上に投影されるマスター指向方向についての円形のスレーブ手術器具先端運動をもたらし得る。

結果的に、従来的なシステムでは、最大整列誤差が小さな向きの不整列からスウーピング向き不整列に増加するならば、スレーブ手術器具の不自然な回転をもたらす。遠隔操作サーボコントローラ１６０内の向き制御モジュール１３４は、追従セッションが開始されるときにスウーピング向き不整列がある場合の従来的なシステムの問題を解消する。

向き制御モジュール１３４は、従来的なシステムと関連付けられる問題を解消する。第１に、マスターツールグリップとスレーブ手術器具先端との間の不整列があるか否かを確認するための基準は緩和される。追従が有効にされるときに、マスターツールグリップ２３０とスレーブ手術器具先端３１２Ｔとの間のスウーピング向き不整列が許容される。

最大の許容される向き不整列は、殆どの場合、マスター−スレーブ整列プロセス２５０が１回だけ実行され、次に、追従プロセスに入れられることを意味する。よって、多数の不整列の警告の故に外科医が以前に従来的なシステムに経験したフラストレーションは、排除されないとしても、最小限に抑えられる。

第２に、大きな初期的な向き不整列にも拘わらず、スレーブ手術器具先端３１２Ｔの動きは、マスターツールグリップ２３０の動きに直観的に追従する。マスターツールグリップ２３０の回転と関連付けられる予期しない動きはない。よって、追従に入った後のスウーピング向き不整列にも拘わらず、マスターツールグリップ２３０の知覚される回転は、スレーブ手術器具先端３１２Ｔの知覚される回転と同じである。マスターツールグリップ２３０の回転がマスターツールグリップ２３０の本体固定軸(body-fixed axis)についてであるならば、スレーブ手術器具先端３１２Ｔの回転はスレーブ手術器具先端３１２Ｔの同じ本体固定軸についてであるので、マスター及びスレーブの動きはユーザにとって直観的である。

スウーピング向き不整列が許容されるときの従来的なシステムの挙動に取り組むために、「マニピュレータセントリック」アプローチ(“manipulator centric” approach)が、向き制御モジュール１３４において採用される。マニピュレータセントリックでは、マスターツールグリップの動きにおける任意のデルタ、任意の相対的な変化が、位置が固定されたマスターツールグリップ２３０に対して動くアイフレーム３３０で定められる。すなわち、マスターフレーム３４０は、本体固定フレームである。具体的には、マスターフレーム３４０におけるアイフレーム３３０の向きｍＲｅは、相対回転行列Ｒ２と格納された向きｍＲｅ’との積に等しいものとして定められる。すなわち、以下の通りである。

アイフレーム３３０において見られるようなマスターフレーム３４０の向きｅＲｍに対して行列転置を実行することによってマスターフレーム３４０において見られるようなアイフレーム３３０の向きｍＲｅを得ることは取るに足らないことに留意のこと。即ち、以下の通り。

また、回転行列は、直交行列である。即ち、以下の通りであり、

ここで、Ｉは、単位行列(identity matrix)である。

よって、ｍＲｅ’＝ｅＲｍ’^Ｔである。この態様では、マスター−スレーブ整列プロセス２５０からの向きｅＲｍ’は転置され、向きｍＲｅ’は向き格納プロセス２６０において格納される。

この態様において、オフセット行列Ｒｏｆｆｓｅｔは、２つの格納された向きを乗算することによって、例えば、２つの格納された回転行列を乗算することによって、格納された向きから生成される。

この態様において、カメラフレーム内の所望のスレーブ向きｃＲｓ＿ｄｅｓは、以下のように定められる。

回転オフセットＲｏｆｆｓｅｔの上記定義を式（２）に代入すると以下がもたらされる。

この追加的な回転ｅＲｍの定義を式（３）に代入すると以下がもたらされる。

しかしながら、以下の通りである。

よって、以下の通りである。

しかしながら、上記のように、回転行列は、直交行列である。即ち、以下の通りである。

よって、以下の通りである。

式（４）は、カメラフレームにおける所望のスレーブ向きｃＲｓ＿ｄｅｓが、カメラフレームにおけるスレーブ手術器具先端の相対的な回転行列Ｒ２と基本向きｃＲｓ’との組み合わせであることを示している。よって、所望のスレーブ向きは、カメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の基本向きｃＲｓ’に対して定められる。

式（４）は、マスターツールグリップ２３０が動いたことを示すメッセージに応答してカメラフレームにおける所望のスレーブ向きｃＲｓ＿ｄｅｓを決定するために用いられる。向き制御モジュール１３４は、先ず、マスターフレーム３４０における転置された相対的な回転行列Ｒ２Ｔを計算する。例えば、上から、相対的な行列Ｒ２は、以下のように定められる。

しかしながら、以下の通りである。

よって、式（６）における使用のために相対的な回転行列Ｒ２の転置を計算するために、向き制御モジュール１３４は、マスターツール電流回転行列ｅＲｍと格納された向きｍＲｅ’とを乗算する。

所望のスレーブ向きｃＲｓ＿ｄｅｓを得るために、向き制御モジュール１３４は、相対的な回転Ｒ２の転置をカメラフレーム３１０内のスナップショットスレーブ向きｃＲｓ’に適用する。所望のスレーブ向きｃＲｓ＿ｄｅｓを決定するこのプロセスをマニピュレータセントリックと呼ぶ。何故ならば、システムは、位置が固定されたマスターツールグリップに対するアイフレーム３３０の動きのデルタをモニタリングし、そのデルタをカメラフレーム３１０内のスレーブ手術器具１１２で複製するからである。所望のスレーブ向きｃＲｓ＿ｄｅｓを生成するこの方法は、マスターツールグリップ２３０とスレーブ手術器具先端３１２Ｔとの間の不整列が従来的なシステムよりも有意に大きくあり得るとしても、スレーブ手術器具先端（図４Ｄ）の予想されない動きの問題を解消する。

一例として、追従に入る直前のマスターツールグリップ２３０とスレーブ手術器具先端３１２Ｔとの間の不整列が図４Ａ及び図４Ｂに関して上述したものと同じであると仮定する。ひとたび追従に入ると、外科医は、図５Ａに例示するように、マスターツールグリップ２３０を回転させる。その回転は、Ｘｅ−Ｙｅ平面内の本体固定ｘ軸Ｘｂｍである。ここで、マスターフレームのｘ軸Ｘｍは本体固定軸であり、例えば、回転はマスターツールグリップに固定されたｘ軸に関して定められる。外科医は、スレーブ手術器具先端がＸｅ−Ｙｅ平面内で本体固定ｘ軸Ｘｂｓについて回転する、すなわち、スレーブフレームのｘ軸Ｘｓは固定され、回転はｘ軸について定められると予測する可能性が高い。

図４Ｄに例示する動きと異なり、この実施を用いて、システム１００は、マスターフレーム３４０におけるアイフレーム３３０の相対的な動きを効果的に記載する。何故ならば、マスターフレーム３４０は本体固定フレームと考えられ、スレーブ側で同じ関係を維持するからである。本体固定マスターｘ軸Ｘｂｍについての回転は、図５Ｂに例示するように、本体固定スレーブｘ軸Ｘｂｓについての回転を所望に生成する。

図５Ａ及び図５Ｂに示すように、コントローラ１５０によって生成されるスレーブ手術器具先端の所望の向きｃＲｓ＿ｄｅｓは、マスターツールグリップ２３０とスレーブ手術器具先端３１２Ｔとの間にスウーピング向き不整列があるときでさえも、マスターツールグリップ２３０（図５Ａ）とスレーブ手術器具先端３１２Ｔ（図５Ｂ）との間の同じ知覚される回転を維持する。ここで、マスターツールグリップ２３０の回転は、Ｘｅ−Ｙｅ平面内にあるものとして知覚され、スレーブ手術器具先端３１２Ｔの回転は、マスターツールグリップ２３０の知覚された動きがスレーブ手術器具先端３１２Ｔの知覚される動きと同じであるよう、対応するＸｃ−Ｙｃ平面内にあるものとして知覚される。

より一般的には、コントローラ１５０によって生成されるスレーブ手術器具先端の所望の向きｃＲｓ＿ｄｅｓは、マスターツールグリップ２３０（図５Ａ）とスレーブ手術器具先端３１２Ｔとの間の同じ知覚される回転を維持する。前に説明したように、同じ知覚される回転は、マスターツールグリップの回転がマスターツールグリップの本体固定軸の周りにあると知覚されるならば、スレーブ手術器具の回転はスレーブ手術器具先端の本体固定軸の周りにあると知覚されることを意味する。例えば、マスターツールグリップの回転がマスターツールグリップの本体固定ｘ軸の周りにあると知覚されるならば、スレーブ手術器具の回転はスレーブ手術器具先端の対応する本体固定ｘ軸の周りにあると知覚され、或いは、マスターツールグリップの回転がマスターツールグリップの本体固定ｙ軸の周りにあると知覚されるならば、スレーブ手術器具の回転はスレーブ手術器具先端の対応する本体固定ｙ軸の周りにあると知覚され、マスターツールグリップの回転がマスターツールグリップの本体固定ｚ軸の周りにあると知覚されるならば、スレーブ手術器具の回転はスレーブ手術器具先端の対応する本体固定ｚ軸の周りにあると知覚される。

ｘ軸の周りの回転が図４Ａ乃至図４Ｄに示されているが、ｙ軸の周りの回転及びｚ軸の周りの回転について同じ挙動が従来的なシステム及びシステム１００において見られる。よって、本明細書における説明は、ピッチ、ヨー、及びロールの各々に当て嵌まる。しかしながら、ｙ軸及びｚ軸の各々についての記述及び例示は提示されない。何故ならば、それはｘ軸に関する記述と重複するからである。当業者は、軸の各々について図４Ａ乃図４Ｄ並びに図５Ａ及び図５Ｂの記述の反復がなくても、ｙ軸及びｚ軸についての回転への適用を理解する。

それにも拘わらず、別の例が提示される。先行技術のシステムでは、追従に入る前に、アイフレーム３３０内のマスターフレーム３４０のｚ軸Ｚｍとカメラフレーム３１０内のスレーブフレーム３２０のｚ軸Ｚｓとの間に向き不整合がある。具体的には、マスターフレーム３４０のｚ軸Ｚｍは、アイフレーム３３０のｚ軸Ｚｅと一致するのに対し、スレーブフレーム３２０のｚ軸Ｚｓは、カメラフレーム３１０のｚ軸Ｚｃから変位させられる。スレーブフレーム３２０のｚ軸Ｚｓは、Ｙｃ−Ｚｃ平面内にある。

上で説明したように、従来的なシステムでは、マスターフレーム３４０の軸とスレーブフレーム３２０の軸は、空間固定される(spaced fixed)。よって、従来的なシステムにおいて、マスターフレーム３４０のｚ軸Ｚｍは、間固定軸Ｚｓｍであり、スレーブフレーム３２０のｚ軸Ｚｓは、空間固定ｚ軸Ｚｓｓである。

ひとたび追従に入ると、外科医は、図５Ｃに例示するように、マスターツールグリップを回転させる。その回転は、Ｚｅ−Ｙｅ平面内の空間固定されたｚ軸Ｚｓｍについてである。アイフレーム内の空間固定軸Ｚｓｍについてのマスターツールグリップの回転は、カメラフレーム内の同じ空間固定軸Ｚｓｓについてのスレーブ手術器具先端の回転をもたらす。向きオフセットが大きいことが許容されるとき、マスターツールグリップの指示方向についてのマスターツールグリップの回転は、スレーブビューフレーム上に投影されるマスター指向方向についての円形のスレーブ手術器具先端の動きをもたらし得る。しかしながら、外科医は、スレーブ手術器具先端がＺｃ−Ｙｃ平面内でそのｚ軸Ｚｓｓについて回転すると予測する可能性が高い。

スウーピング向き不整列を用いて、先行技術のシステムは、今しがた記載したマスターツールグリップの回転に応答して、所望のスレーブ向きｃＲｓ＿ｄｅｓを依然として決定する。初期的な大きな向きの変異の故に、スレーブ手術器具先端は、予想通りに回転しない。何故ならば、相対的に回転がスレーブ手術器具先端に加えられると、スレーブ手術器具先端の回転は、もはやＺｃ−Ｙｃ平面内にないからである。Ｚｃ−Ｙｃ平面内で回転するのでなく、スレーブ手術器具先端は、むしろカメラフレーム３１０の円形の経路５０１に沿って回転する。スウーピング向き不整列の故に、スレーブ手術器具の回転の経路は、経路５０１によって示すように、軸Ｚｃから変位させられる。

よって、この例において、マスターツールグリップの空間固定軸Ｚｓｍについてマスターツールグリップを回転させる知覚された動きは、対応する軸Ｚｃについて回転する手術器具先端の知覚された動きをもたらさない。むしろ、今しがた述べたように、スレーブ手術器具先端の動きは、円形の経路５０１に沿う。円形の経路５０１は、Ｚｃ−Ｙｃ平面に対して垂直な平面内にある。故に、従来的なシステムにおけるスウーピング向き不整列について、マスターツールグリップの知覚される回転及びスレーブ手術器具先端の知覚される回転は同じでない。

より一般的には、前に説明したように、アイフレームの空間固定軸についてのマスターツールグリップの回転は、カメラフレーム内の同じ空間固定軸についてのスレーブ手術器具先端の回転をもたらす。向きオフセットが大きいことが許容されるとき、マスターツールグリップの指向方向についてのマスターツールグリップの回転は、従来的なシステムのスレーブビューフレームに投影されるマスター指向方向についての円形のスレーブ手術器具先端の動きをもたらし得る。

図５Ｄに例示する動きと異なり、この実施を用いるならば、システム１００は、マスターフレーム３４０におけるアイフレーム３３０の相対的な動きを効果的に記載する。何故ならば、マスターフレーム３４０は本体固定フレームと考えられ、スレーブ側で同じ関係を維持するからである。本体固定ｚ軸Ｚｂｍについての回転は、図５Ｆに例示するように、本体固定スレーブｚ軸についての回転を所望に生成する。

図５Ｅ及び図５Ｆに示すように、コントローラ１５０によって生成されるスレーブ手術器具先端の所望の向きｃＲｓ＿ｄｅｓは、マスターツールグリップ２３０とスレーブ手術器具先端３１２Ｔとの間にスウーピング向き不整列があるときでも、マスターツールグリップ２３０（図５Ｅ）とスレーブ手術器具先端３１２Ｔ（図５Ｆ）との間の同じ知覚される回転を維持する。ここで、マスターツールグリップ２３０の回転は、Ｚｅ−Ｙｅ平面内にあるものとして知覚され、スレーブ手術器具先端３１２Ｔの回転は、マスターツールグリップ２３０の知覚される動きがスレーブ手術器具先端３１２Ｔの知覚される動きと同じであるよう、対応するＺｃ−Ｙｃ平面内にあるものとして知覚される。

図６は、コントローラ１５０によって実行されるプロセス６００の１つの態様についてのより詳細なプロセスフロー図である。議論の容易さのために、プロセス６００は、線形プロセスとして示されている。これは例示的であるに過ぎず、限定的であることを意図しない。以下の開示を考慮して、プロセス６００は、以下に記載するように実施されることができ、或いは、代替的に、例えば、行為の一部又は全部が並行して実行された状態で実施されることができる。

ユーザ、典型的には、外科医が、外科医コンソール１１４でセッションを先ず開始すると、マスター−スレーブ整列プロセス２５０が開始させられる。マスター−スレーブ整列プロセス２５０は、遠隔操作サーボコントローラ１６０に含められるマスター−スレーブ整列モジュール１３２によって実施される。遠隔操作サーボコントローラ１６０は、コントローラ１５０に含められる。よって、マスター−スレーブ整列プロセス２５０に関して以下に記載する行為の各々は、コントローラ１５０によって実行されるので、遠隔操作サーボコントローラの明示は任意的である。

マスター−スレーブ整列プロセス２５０のマスターツール位置決めプロセス６１０は、従来的なシステムにおけるプロセスと等しい。スレーブ手術器具先端３１２Ｔの場所（位置及び向き）はカメラフレーム３１０内で決定され、次に、マスターツール位置決めプロセス６１０が遠隔操作サーボコントローラ１６０に命令を送信して、マスターツールグリップ２３０をアイフレーム３３０内の対応する所望の場所（位置及び向き）に移動させる。これが１つの態様においてどのように行われるかについての背景技術の上記記載を参照のこと。

しかしながら、外科医がマスターツールグリップ２３０を強く握り過ぎるならば、遠隔操作サーボコントローラ１６０は、マスターツールグリップ２３０を所望の場所に動かさないことがある。よって、この場合には、アイフレーム３３０内のマスターツールグリップ２３０の場所とカメラフレーム３１０内のスレーブ手術器具先端３１２Ｔの場所との間に不整合がある。マスターツールを位置決めするプロセス６１０がひとたび完了すると、処理は、マスター−スレーブ整列プロセス２５０におけるスウーピング向き誤差許容可能確認プロセス６２０に移る。

スウーピング向き誤差許容可能確認プロセス６２０は、カメラフレーム３１０内のスレーブ手術器具先端３１２Ｔとアイフレーム３３０内のマスターツールグリップ２３０との間の任意の向き不整列が、最大の許容される向き不整列以下であるか否か、すなわち、最大の許容されるスウーピング向き誤差以下であるか否かを決定する。最大の向き不整列が数度以下であることを必要とする従来技術のシステムと異なり、向き整列の制限は有意に緩和される。

１つの態様では、２つの要因を用いて最大の許容されるスウーピング向き不整列を選択する。第１の要因は、マスター−スレーブ整列プロセス２５０が繰り返される間に、手術システム１００の殆どのユーザが待つことを強制されないのに十分な程に、最大の許容されるスウーピング向き不整列を大きくすることである。第２の要因は、外科医による様々な軸についての動きの間の混同を避けるために、最大の許容されるスウーピング向き不整列を選択することである。例えば、最大の許容されるスウーピング向き不整列が９０度であるならば、マスターツールグリップのヨー運動は、スレーブ手術器具先端のピッチ運動として現れ、それは外科医にとって紛らわしい可能性が最も高い。

例えば、多くの未経験のユーザに手術システム１００を使用させ、マスター−スレーブ整列プロセス２５０の完了後の最大の向き不整列を決定させることによって、第１の要因を決定することができる。経験の少ないユーザは、マスターツールグリップを最も強く握る傾向があり、それはより大きな向き不整列をもたらす傾向があることが観察された。実験が示したことは、約５０度の最大の許容されるスウーピング向き不整列が、様々な軸についての動きの間で混乱をもたらさないことである。

しかしながら、５０度の使用は例示的であるに過ぎず、限定的であることを意図しない。この開示を考慮すると、当業者は手術システム１００のユーザに適した最大の許容される向き不整列を選択し得る。例えば、ある状況において、最大の許容される向きは６０度以上に延ばされてよいが、手術システム１００の全てのユーザが経験豊富なユーザである状況において、最大の許容されるスウーピング向きは３０度以下に下げられてよい。

いずれの場合においても、最大の許容されるスウーピング向き誤差は、従来的なシステムの最大の許容される小さな向き不整列よりも大きい。ここで、スウーピング向き不整列は、以下のように定められる。スウーピング向き不整列は、カメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の所望のスレーブ向きｃＲｓ＿ｄｅｓが以下のように定められるときのような向き不整列である。

アイフレーム３３０内のマスターツールグリップ２３０の指向方向についてのマスターツールグリップ２３０の回転は、スレーブビューフレームに投影されるマスター指向方向についてのユーザに知覚できる円内を動く、スレーブ手術器具先端３１２Ｔをもたらす。この所望のスレーブ向きｃＲｓ＿ｄｅｓの定義が使用され、最大の許容されるスウーピング向き不整列が従来技術の小さな不整列に限定されるとき、手術器具先端３１２Ｔのあらゆる円形の動きは、ユーザによって知覚されない。

よって、スウーピング向き不整列は、従来的な最大の許容される小さな向き不整列よりも大きい。この定義は、追従に入るために許容される不整列を得るために、新しい最大の許容されるスウーピング向き不整列がマスター−スレーブ整列プロセス２５０の反復回数を制限するという事実と一致する。本明細書では、最大の許容される向き不整列を従来的なシステムの最大の許容される小さな向き不整列から区別するために、システム１００の最大の許容される向き不整列を最大の許容されるスウーピング向き誤差(maximum permitted swooping orientation error)と呼ぶ。

１つの態様では、上述のように、スウーピング向き誤差許容可能確認プロセス６２０は、アイフレーム３３０内のマスターツールグリップ２３０とカメラフレーム３１０内のスレーブ手術器具との間のいずれかの向き不整列が最大の許容される向き誤差以下であるか否かを決定する。スウーピング向き誤差許容可能確認プロセス６２０は、先ず、向き不整列の不整列角を以下のように決定する。

ここで、ａｃｏｓは、逆余弦関数である。向き不整列の不整列角が最大の許容されるスウーピング向き誤差以下であるならば、スウーピング向き誤差許容可能確認プロセス６２０は、処理を場所格納プロセス６３０(STORE LOCATIONS process)に移し、さもなければ、スウーピング向き誤差許容可能確認プロセス６２０は、処理をマスターツール位置決めプロセス６１０に戻す。よって、１つの態様では、向き不整列の向き不整列角が５０度以下であるならば、スウーピング向き誤差許容可能確認プロセス６２０は、処理を場所格納プロセス６３０に移す。

プロセス６３０と呼ぶことがある場所格納プロセス６３０(STORE ORIENTATIONS process)は、１つの態様において、向き格納プロセス２６０を含む。１つの態様において、場所格納プロセス６３０は、記憶装置モジュール２６１によって実施される。

１つの態様では、先ず、ｅＲｍ’を転置してｍＲｅ’を得て、次に、マスターツールグリップ２３０の場所Ｌｍ（ｅＰｍ’，ｍＲｅ’）をメモリ２６５に格納し、スレーブ手術器具先端３１２Ｔの場所Ｌｓ（ｃＰｓ’，ｃＲｓ’）をメモリ２６５に格納する。格納場所プロセス６３０がひとたび完了すると、追従が有効にされ、追従プロセス６９０に入る。

１つの態様において、追従プロセス６９０は、遠隔操作サーボコントローラ１６０に含められる追従モジュール１３０によって実施される。遠隔操作サーボコントローラ１６０は、コントローラ１５０に含められる。よって、追従プロセス６９０に関して以下に記載する行為の各々は、コントローラ１５０によって実行される。

追従プロセス６９０において、追従が有効にされるならば、追従有効化確認プロセス２７０(FOLLOWING ENABLED check process)が、マスターツールマニピュレータからの各マスター動作命令１３３を新しいスレーブ位置生成プロセス６６０に伝え、さもなければ、何もしない。

プロセス６６０と呼ぶことがある新しいスレーブ位置生成プロセス６６０は、カメラフレーム３１０内のスレーブ手術器具先端３１２Ｔの新しい所望の位置ｃＰｓ＿ｄｅｓを決定する。マスター動作命令１３３は、眼座標フレーム３３０(eye coordinate frame)内のマスターツールグリップ２３０の位置ｅＰｍを含む。マスターツールグリップ２３０の位置における相対的な位置変化Δを決定するために、格納された位置ｅＰｍ’がプロセス６６０によってメモリ２６５から取り出され、位置ｅＰｍから減算される。即ち、以下の通りである。

ここで、Δは、３×１行列である。新しい所望の位置ｃＰｓ＿ｄｅｓは、以下の通りである。

新しい所望の位置ｃＰｓ＿ｄｅｓの決定後、新しいスレーブ位置生成プロセス６６０が新しいスレーブ向き生成プロセス２８０に移る。

プロセス２８０と呼ぶことがある新しいスレーブ向き生成プロセス２８０は、カメラフレーム３１０内のスレーブ手術器具先端３１２Ｔの新しい所望の向きｃＲｓ＿ｄｅｓを決定する。上述の通り、以下の通りである。

よって、新しいスレーブ向き生成プロセス２８０は、格納された向きｍＲｅ’と格納された向きｃＲｓ’を取り出し、次に、向きｃＲｓ’、ｍＲｅ’、及びｅＲｍを互いに乗算して、新しい所望の向きｃＲｓ＿ｄｅｓを生成する。図５Ａ及び図５Ｂに関して説明したように、コントローラ１５０によって生成されるスレーブ手術器具先端の所望の向きｃＲｓ＿ｄｅｓは、マスターツールグリップ２３０とスレーブ手術器具先端３１２Ｔとの間にスウーピング向き不整列があるときでさえも、マスターツールグリップ２３０とスレーブ手術器具先端３１２Ｔとの間の同じ知覚される回転を維持する。新しい所望の向きｃＲｓ＿ｄｅｓの決定後、新しいスレーブ向き生成プロセス２８０は、スレーブ動作命令送信プロセス２９０に移行する。

新しいスレーブ向き生成プロセス２８０がカメラフレーム内のスレーブ手術器具先端の所望の向きｃＲｓ＿ｄｅｓを生成した後、スレーブ動作命令送信プロセス２９０は、所望の位置ｃＰｓ＿ｄｅｓを含む命令１３５と呼ぶことがあるスレーブ動作命令１３５を、スレーブ手術器具マニピュレータ２２２に送信する。命令１３５に応答して、スレーブ手術器具マニピュレータ２２２は、スレーブ手術器具１１２の手術器具先端３１２Ｔを所望の場所に移動させる。この態様では、スレーブ動作命令１３５の送信後、スレーブ動作命令送信プロセス２９０は、追従無効化確認プロセス６４０(FOLLOWING DISABLED check process)に移行する。

追従がシステム１００によって無効にされるならば、追従無効化確認プロセス６４０は、大きな向き誤差許容可能確認プロセス６２０に移行し、さもなければ、新しいスレーブ位置生成プロセス６６０に戻る。追従無効化確認プロセス６４０は、処理がプロセス６９０によって実行されるサイクル毎に無効にされたか否かを決定するためにポーリングすることがプロセス６９０によって要求されていると解釈されてならない。例えば、追従プロセス６９０は、イベントハンドラが追従無効化イベントを受信し、次にイベントハンドラが追従プロセス６９０を無効化するまで、可能にされ得る。

本発明の態様及び実施形態を例示する上記の記述及び添付の図面は限定として理解されてならない。請求項が保護される発明を定義する。この記述及び請求項の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な機械的、構成的、構造的、電気的、及び動作的な変更が行われてよい。幾つかの場合には、本発明の態様を曖昧にするのを避けるために、周知の回路、構造、及び技法は詳細に示されず或いは記載されない。

更に、この記述の用語は、本発明を限定することを意図しない。例えば、「下」(“beneath”)、「下」(“below”)、「下方」(“lower”)、「上」(“above”)、「上方」(“upper”)、「近位」(“proximal”)、「遠位」(“distal”)等のような、空間的に相対的な用語は、図に例示するような他の要素又は構成に対する１つの要素又は構成の関係を記載するために用いられることがある。これらの空間的に相対的な用語は、図に示す位置及び向きに加えて、使用中又は動作中のデバイスの異なる位置及び向きを包含することが意図されている。例えば、図中の装置が逆にされるならば、他の要素又は構成の「下」(“below”)又は「下」(“beneath”)に記載する要素は、他の要素又は構成の「上」(“above”)又は「上」(“over”)にある。よって、例示的な用語「下」(“below”)は、上(above)及び下(below)の両方の位置及び向きを包含し得る。デバイスは、他の方向に向けられてよく（９０度又は他の向きに回転されてよく）、本明細書で使用される空間的に相対的な記述子は相応して解釈される。

単数形「a」、「an」、及び「the」は、文脈が他を示さない限り、複数形も含むことを意図する。「含む」(“comprises”)、「含む」(“comprising”)、「含む」(“includes”)等は、述べられる構成、ステップ、動作、要素、及び／又はコンポーネントの存在を特定するが、１つ又はそれよりも多くの他の構成、ステップ、動作、要素、コンポーネント、及び／又は群の存在又は追加を排除しない。

全ての例及び例示的な参考文献は非限定的であり、請求項を本明細書に記載される特定の実施及び実施形態並びにそれらの均等物に限定するために用いられてならない。あらゆる見出しは専ら書式化のためであり、主題を制限するために決して用いられてならない。何故ならば、１つの見出しの下にある文章(text)は、１つ又はそれよりも多くの見出しの下にある文章を相互参照することがあり、或いはそれに当て嵌まることがあるからである。最後に、この開示を考慮して、１つの態様又は実施形態に関連して記載される特定の構成は、たとえ図面に具体的に示されていないか或いは文章に具体的に記載されていないとしても、本発明の他の開示の態様又は実施形態に適用されてよい。

メモリは統一的な構造として例示されているが、これは全てのメモリが同じ物理的場所にあることを必要とするものとして解釈されてならない。メモリの全部又は部分は、プロセッサと異なる物理的場所にあり得る。メモリは、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、又はそれらの２つの任意の組み合わせを指す。

プロセッサは、プロセッサによって実行される指令を含むメモリに連結される。これはコンピュータシステム内で達成されることができ、或いは、代替的に、モデム及びアナログ回線、又はデジタルインターフェース及びデジタル搬送回線を介した他のコンピュータへの接続を介して達成されることができる。

本明細書において、コンピュータプログラム製品は、本明細書に記載の方法及び／又はプロセスの任意の１つ又は任意の組み合わせに必要とされるコンピュータ可読コードを格納するように構成された媒体を含み、或いは、本明細書に記載の方法及び／又はプロセスの任意の１つ又は任意の組み合わせのためのコンピュータ可読媒体は、コンピュータプログラム製品内に格納される。コンピュータプログラム製品の幾つかの例は、ＣＤ−ＲＯＭディスク、ＤＶＤディスク、フラッシュメモリ、ＲＯＭカード、フロッピーディスク、磁気テープ、コンピュータハードドライブ、ネットワーク上のサーバ、及びコンピュータ可読プログラムコードを表すネットワークを通じて送信される信号である。有形のコンピュータプログラム製品は、本明細書に記載の方法及び／又はプロセスの任意の１つ又は任意の組み合わせのためのコンピュータ可読指令を格納するように構成される媒体を含み、或いは、本明細書に記載の方法及び／又はプロセスの任意の１つ又は任意の組み合わせのためのコンピュータ可読指令が、有形のコンピュータプログラム製品に格納される。有形のコンピュータプログラム製品は、ＣＤ−ＲＯＭディスク、ＤＶＤディスク、フラッシュメモリ、ＲＯＭカード、フロッピーディスク、磁気テープ、コンピュータハードドライブ及び他の物理的記憶媒体である。

この開示を考慮して、本明細書に記載の方法及び／又はプロセスの任意の１つ又は任意の組み合わせのための命令は、ユーザの関心のコンピュータプログラミング言語及びオペレーティングシステムを用いる多種多様なコンピュータシステム構成において実装され得る。

Claims (14)

1. マスターツールグリップと、
   コントローラとを含み、
   該コントローラは、
   前記マスターツールグリップから第１の命令を受信して、アイフレーム内の前記マスターツールグリップの軸の向きとカメラフレーム内のスレーブ器具先端の対応する軸の向きとの間にスウーピング向き不整列があるときに前記スレーブ器具先端の動きを制御する第２の命令を送信するように構成され、前記第１の命令は、前記マスターツールグリップの向きを含み、前記第２の命令は、前記スレーブ器具先端の所望の向きを含み、
   前記コントローラは、
   前記マスターツールグリップの前記向きと前記マスターツールグリップの前記軸の前記向きと前記スレーブ器具先端の前記対応する軸の前記向きとの間の相対的な回転とを用いることによって前記スレーブ器具先端の前記所望の向きを生成するように更に構成され、前記スレーブ器具先端の前記所望の向きは、前記マスターツールグリップとスレーブ器具先端との間に前記スウーピング向き不整列が存在するときに、前記スレーブ器具先端を、前記マスターツールグリップが前記マスターツールグリップの対応する本体固定軸について回転するのと同じように、スレーブ器具の本体固定軸について回転させ、前記スレーブ器具は、前記スレーブ器具先端を含む、
   システム。
2. 前記スレーブ器具先端は、カメラフレーム内に向きを有し、
   前記コントローラは、メモリと、向き制御モジュールとを含み、
   前記メモリは、前記カメラフレーム内の前記スレーブ器具先端の向きを格納し、マスターフレーム内のアイビューフレームの向きを格納するように、構成され、
   前記向き制御モジュールは、前記カメラフレーム内の前記スレーブ器具先端の前記格納された向きと前記マスターフレーム内の前記アイビューフレームの前記格納された向きとを用いて、前記スレーブ器具先端の前記所望の向きを生成するように構成される、
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記向き制御モジュールは、前記マスターツールグリップの向きを受信するように更に構成され、前記マスターツールグリップの前記向きは、前記アイビューフレーム内の前記マスターツールグリップの現在の向きであり、
   前記向き制御モジュールは、前記マスターフレーム内の前記アイビューフレームの前記格納された向き及び前記カメラフレーム内の前記スレーブ器具先端の前記格納された向きを取り出して、
   前記カメラフレーム内の前記スレーブ器具先端の前記格納された向きと前記相対的な回転に基づく相対的な回転行列とに基づいて前記カメラフレーム内の前記スレーブ器具先端の前記所望の向きを生成するように更に構成され、前記相対的な回転行列は、前記マスターフレーム内の前記アイビューフレームの相対的な回転を表す、
   請求項２に記載のシステム。
4. 前記相対的な回転行列は、前記アイビューフレーム内の前記マスターツールグリップの前記現在の向きと前記マスターフレーム内の前記アイビューフレームの前記格納された向きとの組み合わせを更に含む、請求項３に記載のシステム。
5. 前記コントローラは、マスター−スレーブ整列モジュールを更に含み、
   該マスター−スレーブ整列モジュールは、
   アイビューフレーム内の前記マスターツールグリップの向きをカメラフレーム内の前記スレーブ器具先端の向きと整列させる命令を送信し、
   前記アイビューフレーム内の前記マスターツールグリップの前記向きを前記カメラフレーム内の前記スレーブ器具先端の前記向きと整列させる前記命令に応答して、前記マスターツールグリップが移動させられた後の、前記アイビューフレーム内の前記マスターツールグリップの前記向きと前記カメラフレーム内の前記スレーブ器具先端の前記向きとの間の整列誤差を決定し、且つ
   前記向き不整列が最大スウーピング向き誤差以下であるか否かを決定するように、更に構成される、
   請求項１に記載のシステム。
6. 前記マスター−スレーブ整列モジュールは、前記向き整列誤差が前記最大スウーピング向き誤差よりも大きいならば、整列させる前記命令を送信すること、前記向き整列誤差を決定すること、及び前記向き整列誤差が前記最大スウーピング向き誤差以下であるか否かを決定することを繰り返すように更に構成される、請求項５に記載のシステム。
7. 前記マスター−スレーブ整列モジュールに連結される記憶装置モジュールを更に含み、
   該記憶装置モジュールは、
   前記向き整列誤差が前記最大スウーピング向き誤差以下であるならば、前記アイビューフレーム内の前記マスターツールグリップの前記向き及び前記カメラフレーム内の前記スレーブ器具先端の前記向きを受信し、
   前記アイビューフレーム内の前記マスターツールグリップの前記向きをマスターフレーム内の前記アイビューフレームの向きとして前記コントローラのメモリ内に格納し、且つ
   前記カメラフレーム内の前記スレーブ器具先端の前記向きを前記メモリ内に格納するように、構成される、
   請求項５に記載のシステム。
8. ビューアと、前記マスターツールグリップとを含む、コンソールを更に含む、請求項１に記載のシステム。
9. スレーブ器具のスレーブ器具先端をマスターツールグリップと整列させる方法であって、
   アイフレーム内の前記マスターツールグリップの軸の向きとカメラフレーム内の前記スレーブ器具先端の対応する軸の向きとの間にスウーピング向き不整列があるときに、コントローラによって、前記マスターツールグリップの向きと前記マスターツールグリップの前記軸の前記向きと前記スレーブ器具先端の前記対応する軸の前記向きとの間の相対的な回転とを用いて前記スレーブ器具先端の所望の向きを生成するステップであって、前記スレーブ器具先端の前記所望の向きは、前記マスターツールグリップとスレーブ器具先端との間に前記スウーピング向き不整列が存在するときに、前記スレーブ器具先端を、前記マスターツールグリップが前記マスターツールグリップの対応する本体固定軸について回転するのと同じように、前記スレーブ器具の本体固定軸について回転させる、ステップと、
   前記コントローラによって、前記スレーブ器具先端の前記所望の向きを含む命令を送信するステップとを含む、
   方法。
10. 前記所望の向きを生成するステップは、前記カメラフレーム内の前記スレーブ器具先端の格納された向きと前記相対的な回転に基づく相対的な回転行列とに基づいて、前記カメラフレーム内の前記スレーブ器具先端の前記所望の向きを生成するステップを含み、前記相対的な回転行列は、マスターフレーム内のアイフレームの相対的な回転を表す、請求項９に記載の方法。
11. 前記相対的な回転行列は、前記アイフレーム内の前記マスターツールグリップの現在の向きと前記マスターフレーム内の前記アイフレームの格納された基本向きとの組み合わせを更に含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記生成するステップの前に、
    アイフレーム内の前記マスターツールグリップの向きをカメラフレーム内の前記スレーブ器具先端の向きと整列させる命令を送信するステップと、
    アイフレーム内の前記マスターツールグリップの向きをカメラフレーム内の前記スレーブ器具先端の向きと整列させる前記命令に応答して、前記マスターツールグリップが移動させられた後の、前記アイフレーム内の前記マスターツールグリップの前記向きと前記カメラフレーム内の前記スレーブ器具先端の前記向きとの間の向き整列誤差を決定するステップと、
    前記向き整列誤差が最大スウーピング向き誤差以下であるか否かを決定するステップとを、更に含む、
    請求項９に記載の方法。
13. 前記向き整列誤差が前記最大スウーピング向き誤差よりも大きいならば、前記送信するステップと、前記向き整列誤差を決定するステップと、前記向き整列誤差が前記最大スウーピング向き誤差以下であるか否かを決定するステップとを繰り返すステップを更に含む、請求項１２に記載の方法。
14. 複数の機械可読指令を含む非一時的コンピュータ可読媒体であって、前記複数の機械可読指令は、医療デバイスと関連付けられる１つ又はそれよりも多くのプロセッサによって実行されるときに、前記１つ又はそれよりも多くのプロセッサに請求項９乃至１３のうちのいずれか１項に記載の方法を実行させるように構成される、非一時的コンピュータ可読媒体。

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