JP6703524B2 - 医療器具力検知のためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

（関連出願）
この特許出願は、２０１４年８月２５日に出願された“SYSTEMS AND METHODS FOR MEDICAL INSTRUMENT FORCE SENSING”と題する米国仮特許出願第６２／０４１，２０４号の優先権及び出願日の利益を主張し、その全文が参照によりここに援用される。

本開示は、医療処置の間に患者の解剖学的構造の中の医療装置を追跡するためのシステム及び方法を対象とし、より具体的には、器具が患者の内部にある間に、医療器具の先端の圧力を効果的に決定するためのシステム及び方法を対象とする。

低侵襲医療技術は、医療処置の間に損傷を受ける組織の量を低減することを目的としており、それによって患者の回復時間、不快感及び有害な副作用を低減する。このような低侵襲技術は、患者の解剖学的構造の自然（natural）開口部を通じて、又は１又は複数の外科的切開部を通じて行われる場合がある。臨床医は、介入器具を、これらの自然開口部又は切開部を通じて標的組織の位置に到達させるように挿入することがある。標的組織の位置に到達させるために、低侵襲医療ツールは、肺、結腸、腸、腎臓、心臓、循環器系等のような解剖学的システムにおける自然の又は外科的に形成された通路を進む（navigate）ことがある。

低侵襲医療処置は、標的組織の位置への適切なアクセス及び標的組織の位置での適切な挙動を確保するために器具位置モニタリングに依存することがある。幾つかの処置に関して、低侵襲医療器具は、標的組織の位置に到達するために解剖学的システムにおける自然の又は外科的に形成された通路を進むことがある。例えば、低侵襲医療器具は、肺、結腸、腸、腎臓、心臓、循環器系等の自然の通路を進むことがある。幾つかの低侵襲医療器具は、遠隔操作される又はその他の方法でコンピュータ支援されることがある。

正確な医療器具のモデルは、器具制御システムの設計、安定解析、及びリアルタイム操作において有用である。しばしば、器具モデリングは、有限要素解析（ＦＥＡ）のような連続数値モデリング技術に依存する。これらの技術は、しばしば、計算に関して費用がかかり、かなりの変数パラメータフィッティング及びチューニングを必要とする。これらのシステムに関連付けられる計算の複雑さのために、リアルタイムモデリング又は制御及びモニタリング用途のための器具先端における組織相互作用力を予測するためにそれらを使用することは多くの場合実現可能でない。改良されたシステム及び方法が、制御、モニタリング、及び安全用途のために、器具先端と周囲組織との間の相互作用力を予測するために必要とされる

本発明の実施形態は、以下に続く請求項によって要約される。

１つの実施形態では、器具の先端の力を決定する方法が、患者の体の中にある間に医療器具の位置を操作するために使用される少なくとも１つの細長い作動部材を有する医療器具からの入力を受信するステップ、器具の集中モデル（lamped model）に入力を加えるステップ、並びに入力及び集中モデルの両方に基づいて器具の先端の力を決定するステップ、を含む。

他の実施形態では、処理システムが、プロセッサ及びそこに格納されたコンピュータ可読命令を有するメモリを含み、コンピュータ可読命令は、プロセッサによって実行されるとき、システムに医療器具内の細長い作動部差異に取り付けられたモータからの入力を受信させ、細長い作動部材は医療器具の先端の位置を操作するために使用される。システムはさらに、医療システムの先端の位置を示す入力を受信し、医療器具のモデルに入力を加え、患者の組織から器具の先端にかけられた力を決定するためにモデルに入力を使用する。

他の実施形態では、医療システムは、遠位端に先端部を有するカテーテルボディを含む医療器具、回転部材を有する少なくとも１つのモータ、及び回転部材の周りに巻かれ、回転部材から医療器具を通って延び、カテーテルボディ先端部の位置を操作するように構成されるケーブルを含む。システムはさらに、モータの位置を示す入力を受信するように、モータへの力を示す入力を受信するように、カテーテルボディ先端部の位置を示す入力を受信するように、並びにリアルタイムで、入力及び器具の構成要素のモデルに基づいてカテーテルボディ先端部への力を決定するように、構成される制御システムを含む。

本開示の態様は、添付の図面と共に読まれるとき、以下の詳細な説明から最も良く理解される。この業界での標準的な慣例に従って、様々な特徴は一定の縮尺で描かれていないことを強調しておく。実際、様々な特徴の寸法は、議論を明確にするために適宜拡大又は縮小されることがある。また、本開示は、様々な例において参照数字及び／又は文字を繰り返して使用することがある。この繰返しは、簡略化と明瞭化の目的のためであり、論じられる様々な実施形態及び／又は構成の間の関係をそれ自体で規定するものではない。
本明細書に記載される原理の１つの例による、遠隔操作医療システムである。 本明細書に記載される原理の１つの例による、医療器具システムを示す。 本明細書に記載される原理の１つの例による、プルワイヤを備える例示の医療器具を示す図である。 本明細書に記載される原理の１つの例による、器具システムの例示のモデルを示す図である。 本明細書に記載される原理の１つの例による、位置センサを備える例示の医療器具システムを示す図である。 本明細書に記載される原理の１つの例による、医療器具システムとともに使用されることができる例示の処理システムを示す図である。 本明細書に記載される原理の１つの例による、医療器具の先端圧力をモニタするためにモデルを使用する例示の方法を示すフローチャートである。

本開示の原理の理解を促進する目的のために、図面に示される実施態様がここで参照され、特定の言語がそれを記載するために用いられる。それにも拘わらず、本開示の範囲の限定は意図されていないことが理解されよう。本発明の態様の以下の詳細な記述において、数多くの特定の詳細が、開示された実施態様の網羅的な理解をもたらすために示される。しかし、この開示の実施態様は、これらの特定の詳細がなくても実施され得ることは、当業者に明らかであろう。他の場合には、本発明の実施形態の態様を不必要に曖昧にしないよう、周知の方法、手順、構成部品、及び回路は詳細に記載されていない。

本開示が関連する分野の当業者に通常想起されるように、記載された装置、器具、及び方法に対する任意の代替及び更なる変更、並びに、本開示の原理の任意の更なる適用が十分に考えられる。特に、１つの実施形態に対して記載される特徴、構成要素、及び／又はステップは、本開示の他の実施形態に対して記載される特徴、構成要素、及び／又はステップと組み合わせられ得ることができることが十分に考えられる。加えて、本明細書で提供される寸法は、特定の例のためであり、異なるサイズ、寸法、及び／又は比が本開示の概念を実現するために用いられ得ることが考えられる。不必要な説明の繰り返しを避けるために、１つの例示の実施形態に従って記載された１又は複数の構成要素又は動作は、他の例示の実施形態に適用可能であるとして使用されることができる又は省略されることができる。簡潔にするために、これらの組み合わせの多くの繰り返しは別個には記載されない。簡明さのために、幾つかの例において、同じ参照数字が、同じ又は同様の部品を示すために図面を通して使用される。

以下の実施形態は、３次元空間における状態の観点から、様々な器具及び器具の部分を説明する。本明細書で使用されるとき、用語「位置（position）」は、３次元空間（例えば、デカルトＸ、Ｙ、Ｚ座標に沿った並進３自由度）における対象物又は対象物の一部の場所を示す。本明細書で使用されるとき、用語「向き（orientation）」は、対象物又は対象物の一部の回転配置（回転３自由度−例えば、ロール、ピッチ、及びヨー）を示す。本明細書で使用されるとき、用語「姿勢（pose）」は、少なくとも１つの並進自由度における対象物又は対象物の一部の位置、及び少なくとも１つの回転自由度における対象物又は対象物の一部の向き（合計６つの自由度まで）を示す。本明細書で使用される場合に、用語「形状（shape）」は、対象物に沿って測定された姿勢、位置、又は向きのセットを示す。

図面のうちの図１を参照すると、例えば、診断、治療、又は外科処置を含む医療処置で使用される遠隔操作医療システムが、参照数字１００で概して示されている。記載されるように、本開示の遠隔操作医療システムは、外科医の遠隔操作の制御下にある。代替実施形態では、遠隔操作医療システムは、処置又は下位処置（sub-procedure）を実行するようにプログラムされたコンピュータの部分的な制御下にあってよい。さらに他の代替実施形態では、処置又は下位処置を実行するようにプログラムされたコンピュータの完全な制御下の、完全に自動化された医療システムが、処置又は下位処置を実行するために使用されてよい。

図１に示すように、遠隔操作システム１００は、概して、患者Ｐに様々な処置を行うのに医療器具システム１０４を操作するための遠隔操作アセンブリ１０２を含む。アセンブリ１０２は、患者Ｐが位置する手術台Ｏに又は手術台Ｏの近くに取り付けられる。医療器具システム１０４は、遠隔操作アセンブリ１０２に動作可能に結合される。オペレータ入力システム１０６は、外科医又は他の種類の臨床医Ｓが手術部位の又は手術部位を示す画像を見ること及び医療器具システム１０４の動作を制御することを可能にする。

代替実施形態では、遠隔操作システムは、１より多いマニピュレータアセンブリを含み得る。マニピュレータアセンブリの正確な数は、とりわけ外科処置及び手術室の中の空間制約に依存する。

オペレータ入力システム１０６は、外科医コンソールＣに置かれることができ、この外科医コンソールＣは通常手術台Ｏと同じ部屋に置かれる。しかし、外科医Ｓは患者Ｐと異なる部屋又は完全に異なる建物に位置し得ることが理解されるべきである。オペレータ入力システム１０６は概して、医療器具システム１０４を制御するための１又は複数の制御装置を含む。制御装置（複数可）１１２は、任意の数の様々な、ハンドグリップ、ジョイスティック、トラックボール、データグローブ、トリガ−ガン、手動操作コントローラ、音声認識装置、タッチスクリーン、ボディモーション又は存在センサ等のような入力装置の１又は複数を含み得る。いくつかの実施形態では、制御装置（複数可）１１２は、テレプレゼンス、手術部位にいるかのように外科医が器具を直接的に制御する強い感覚を有するよう制御装置（複数可）が器具と一体化されるような知覚を外科医に提供するために遠隔操作アセンブリの医療器具と同じ自由度を備える。他の実施形態では、制御装置（複数可）１１２は、関連する介入器具より多い又は少ない自由度を有し得るとともに、依然としてテレプレゼンスを外科医に提供し得る。いくつかの実施形態では、制御装置（複数可）１１２は、６自由度で動く手動入力装置であり、（例えば、把持ジョーを閉じる、電位を電極に印加する、薬物療法を送達する等のための）器具を作動させるための作動可能ハンドルも含み得る。

遠隔操作アセンブリ１０２は、医療器具システム１０４を支持し、１又は複数の非サーボ制御リンク（例えば、一般的にセットアップ構造と呼ばれる、所定の位置に手動で位置決めされ且つロックされ得る１又は複数のリンク）及び遠隔操作マニピュレータの運動学的構造を含み得る。遠隔操作アセンブリ１０２は、制御システム（例えば、制御システム１１６）からのコマンドに応答して医療器具１０４の入力装置を駆動する複数のアクチュエータ又はモータを含む。モータは、医療器具１０４に結合されるとき、自然の又は外科的に形成された解剖学的構造の開口部に医療器具を前進させ得る駆動システムを含む。他のモータ駆動システムは、医療器具の遠位端を多自由度で動かすことができ、この多自由度は、３自由度の直線運動（例えば、Ｘ，Ｙ，Ｚデカルト座標軸に沿った直線運動）及び３自由度の回転運動（例えば、Ｘ，Ｙ，Ｚデカルト座標軸回りの回転）を含むことができる。さらに、モータは、生検装置等のジョーで組織を把持するための器具の関節動作可能なエンドエフェクタを作動させるために使用されることができる。

遠隔操作医療システム１００は、遠隔操作アセンブリの器具に関する情報を受信するための１又は複数のサブシステムを有するセンサシステム１０８も含む。このようなサブシステムは、位置センサシステム（例えば、電磁（ＥＭ）センサシステム）、カテーテル先端の及び／又は器具システム１０４の可撓性ボディに沿った１又は複数のセグメントの、位置、向き、速さ、速度、姿勢、及び／又は形状を決定するための形状センサシステム、並びに／又はカテーテルシステムの遠位端から画像を取り込むための可視化システム１１０を含み得る。

可視化システム１１０は、手術部位の同時発生又はリアルタイム画像が外科医コンソールＣに提供されるように、（以下により詳細に記載される）目視スコープ（viewing scope）アセンブリを含み得る。同時発生画像は、例えば、手術部位内に位置する内視鏡によって取り込まれる二次元又は三次元画像であり得る。この実施形態では、可視化システム１１０は、医療器具１０４に一体に又は取外し可能に結合され得る内視鏡構成要素を含む。しかし、代替実施形態では、別のマニピュレータアセンブリに取り付けられた別の内視鏡が、手術部位を撮像するために医療器具と共に使用され得る。可視化システム１１０は、１若しくは複数のコンピュータプロセッサと相互作用する又は、１若しくは複数のコンピュータプロセッサによってその他の方法で実行されるハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア又はそれらの組み合わせとして実装されることができ、この１又は複数のコンピュータプロセッサは、（以下に記載される）制御システム１１６のプロセッサを含み得る。

遠隔操作医療システム１００は、手術部位及びセンサシステム１０８のサブシステムによって生成される医療器具システム１０４の画像又は表現（representation）を表示するためのディスプレイシステム１１１も含む。ディスプレイ１１１及びオペレータ入力システム１０６は、オペレータが、医療器具システム１０４及びオペレータ入力システム１０６をテレプレゼンスの知覚を伴って制御できるように向き合わせされ得る。

ディスプレイシステム１１１は、可視化システム１１０によって取り込まれた手術部位及び医療器具の画像も表示し得る。ディスプレイ１１１及び制御装置１１２は、オペレータが、実質的に本当の存在感の中で作業空間を見ているかのように、医療器具１０４及び手動制御部を操作することができるように、スコープアセンブリにおけるイメージング装置及び医療器具の相対位置が、外科医の眼及び手の相対位置と類似するように向き合わせされ得る。実際の存在感によって、画像の表示が、器具１０４を物理的に操作しているオペレータの視点をシミュレートする実際の透視画像であることを意味する。

代替的に又は追加的に、ディスプレイ１１１は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、磁気共鳴画像診断（ＭＲＩ）、Ｘ線透視法、サーモグラフィ、超音波、光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ）、サーマルイメージング（thermal imaging）、インピーダンスイメージング、レーザーイメージング、又はナノチューブＸ線イメージングのような撮像技術を使用して手術前に記録された及び／又はモデル化された手術部位の画像を提示し得る。提示される手術前画像は、２次元、３次元、又は４次元画像を含み得る。提示される手術前又は手術中画像は、２次元、３次元、又は（例えば、時間ベース又は速度ベースの情報を含む）４次元画像及び画像を再生するための付随する画像データセットを含み得る。

いくつかの実施形態では、ディスプレイ１１１は、医療器具１０４の実際の位置が、医療器具１０４の先端の位置における内部手術部位の仮想的な画像を外科医Ｓに与えるために手術前又は同時発生の画像に位置合わせされる（すなわち動的に参照される）、仮想的なナビゲーション画像を表示し得る。器具１０４の先端の画像又は他のグラフィカル若しくは英数字の表示が、医療器具を制御する外科医を補助するために、仮想画像に重ねられ得る。或いは、器具１０４は、仮想画像において可視でなくてもよい。

他の実施形態では、ディスプレイ１１１は、医療器具の実際の位置が、外部視点からの手術部位内の医療器具の仮想画像を外科医Ｓに与えるように、手術前又は同時発生の画像に位置合わせされる、仮想的なナビゲーション画像を表示し得る。医療器具の一部の画像又は他のグラフィカル若しくは英数字の表示が器具１０４を制御する外科医を補助するために、仮想画像に重ねられ得る。

遠隔操作医療システム１００は、制御システム１１２も含む。制御システム１１２は、医療器具システム１０４、オペレータ入力システム１０６、センサシステム１０８、及びディスプレイシステム１１０の間で制御を行うための、少なくとも１つのメモリ及び少なくとも１つのプロセッサ（図示せず）、典型的には複数のプロセッサを含む。制御システム１１２は、本明細書に開示される態様に従って記載される方法の幾つか又は全てを実装するプログラムされた指令（例えば、指令を格納するコンピュータ可読媒体）も含む。制御システム１１２は図１の単純化された概略図に単一のブロックとして示されているが、このシステムは、処理の一部が、オプションで、遠隔操作アセンブリ１０２で又はこれに隣接して実行され、処理の他の部分が、オペレータ入力システム１０６等で実行される、２以上のデータ処理回路を含み得る。多種多様な集中型又は分散型データ処理アーキテクチャのいずれかが用いられ得る。同様に、プログラムされた指令は、多数の別々のプログラム又はサブルーチンとして実装され得る、又はそれらは、本明細書に記載される遠隔操作システムの多数の他の態様に組み込まれ得る。１つの実施形態では、制御システム１１２は、ブルートゥース（登録商標）、ＩｒＤＡ、ホームＲＦ、ＩＥＥＥ８０２．１１、ＤＥＣＴ及び無線テレメトリのような無線通信プロトコルをサポートする。

いくつかの実施形態では、制御システム１１２は、医療器具システム１０４から力及び／又はトルクフィードバックを受ける１又は複数のサーボコントローラを含み得る。フィードバックに応じて、サーボコントローラは、オペレータ入力システム１０６に信号を送信する。サーボコントローラ（複数可）はまた、患者の身体の開口部を介してこの身体内の内部手術部位内に延びる医療器具システム（複数可）１０４を移動させるよう遠隔操作アセンブリ１０２に命令する信号を送信し得る。任意の適切な従来の又は専用のサーボコントローラが使用され得る。サーボコントローラは、遠隔操作アセンブリ１０２から分離され得る、又は遠隔操作アセンブリ１０２と一体にされ得る。いくつかの実施形態では、サーボコントローラ及び遠隔操作アセンブリは、患者の身体に隣接して位置決めされる遠隔操作アームカートの一部として設けられる。

制御システム１１２は、医療器具システム（複数可）１０４にナビゲーション支援を提供するために、仮想可視化システムをさらに含み得る。仮想可視化システムを使用する仮想ナビゲーションは、解剖学的構造の通路の３次元構造に関連して取得されたデータセットに対する参照に基づく。より具体的には、仮想可視化システムは、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、磁気共鳴画像診断（ＭＲＩ）、Ｘ線透視法、サーモグラフィ、超音波、光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ）、サーマルイメージング、インピーダンスイメージング、レーザーイメージング、ナノチューブＸ線イメージング等のような撮像技術を使用して撮像された手術部位の画像を処理する。ソフトウェアが、記録された画像を、部分的な又は全体的な解剖学的構造の臓器又は解剖学的構造の領域の２次元又は３次元合成表現（composite representation）に変換するために使用される。画像データセットは、合成表現と関連付けられる。合成表現及び画像データセットは、通路及びそれらの接続の様々な位置及び形状を示す。合成表現を生成するために使用される画像は、臨床処置の間に手術前又は手術中に記録され得る。代替実施形態では、仮想可視化システムは、標準的表現（すなわち、患者固有ではない）、又は標準的表現及び患者固有データのハイブリッドを使用し得る。合成表現及びこの合成表現によって生成された仮想画像は、運動の１又は複数の段階の間の（例えば、肺の吸気／呼気サイクルの間の）変形可能な解剖学的構造の領域の静的な姿勢（posture）を表し得る。

仮想ナビゲーション手順の間、センサシステム１０８は、患者の解剖学的構造に対する器具のおおよその位置を計算するために使用され得る。この位置は、患者の解剖学的構造のマクロレベル追跡画像及び患者の解剖学的構造の仮想内部画像の両方を生成するために使用されることができる。仮想可視化システム等からの手術前に記録された手術画像と一緒に医療器具を位置合わせし且つ表示するために光ファイバセンサを使用する様々なシステムが、知られている。例えば、その全体が参照により本明細書に援用される（２０１１年５月１３日に出願された）（”Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an Anatomical Structure for Image-Guided Surgery”を開示する）米国特許出願第１３／１０７，５６２号は、１つのこのようなシステムを開示する。

遠隔操作医療システム１００は、照明システム、操向（操縦（steering））制御システム、洗浄システム、及び／又は吸引システムのようなオプションのオペレーション及びサポートシステム（図示せず）をさらに含み得る。代替実施形態では、遠隔操作システムは、複数の遠隔操作アセンブリ及び／又は複数のオペレータ入力システムを含み得る。マニピュレータアセンブリの正確な数は、他の要因の中でもとりわけ、外科処置及び手術室内の空間的制約に依存する。オペレータ入力システムは併置され得る、又はそれらは別々の位置に配置され得る。複数のオペレータ入力システムは、複数のオペレータが１又は複数のマニピュレータアセンブリを種々の組合せで制御することを可能にする。

図２は、遠隔操作医療システム１００の医療器具システム１０４として使用され得る医療器具システム２００を示している。代替的に、医療器具システム２００は、非遠隔操作試験処置のために又は手動内視鏡のような従来の手動操作医療器具を含む処置において使用され得る。

器具システム２００は、器具ボディ２０４に結合されるカテーテルシステム２０２を含む。カテーテルシステム２０２は、近位端２１７と遠位端又は先端部分２１８とを有する、細長い可撓性カテーテルボディ２１６を含む。１つの実施態様において、可撓性ボディ２１６は、約３ｍｍの外径を有する。他の可撓性ボディ外径は、より大きくてもより小さくてもよい。カテーテルシステム２０２は、オプションで、遠位端２１８にあるカテーテル先端の及び／又はボディ２１６に沿った１又は複数のセグメント２２４の、位置、向き、速さ、速度、姿勢、及び／又は形状を決定する形状センサ２２２を含む。遠位端２１８と近位端２１７との間のボディ２１６の全長は効果的にセグメント２２４に分割され得る。器具システム２００が遠隔操作医療システム１００の医療器具システム１０４である場合、形状センサ２２２は、センサシステム１０８の構成部品であり得る。器具システム２００が手動操作されるか或いは非遠隔操作処置のためにその他の方法で用いられる場合、形状センサ２２２は、追跡システムに結合されることができ、この追跡システムは形状センサに問い合わせ（interrogate）、受信した形状データを処理する。

形状センサシステム２２２は、可撓性カテーテルボディ２１６と整列させられる（例えば、内部チャンネル（図示せず）内に設けられる或いは外部的に取り付けられる）光ファイバを含み得る。１つの実施態様では、光ファイバは、約２００μｍの直径を有する。他の実施態様では、その寸法はより大きくてもより小さくてもよい。

形状センサシステム２２２の光ファイバは、カテーテルシステム２０２の形状を決定するための光ファイバ曲げセンサを形成する。１つの代替では、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧｓ）を含む光ファイバが、１又は複数の次元での構造におけるひずみ測定値を提供するために使用される。三次元で光ファイバの形状及び相対位置をモニタする様々なシステム及び方法が、（２００５年７月１３日に出願された）（”Fiber optic position and shape sensing device and method relating thereto”を開示する）米国特許出願第１１／１８０，３８９号、（２００４年７月１６日に出願された）（”Fiber-optic shape and relative position sensing”を開示する）米国特許出願第１２／０４７，０５６号、及び（１９９８年６月１７日に出願された）（”Optical Fiber Bend Sensor”を開示する）米国特許第６，３８９，１８７号に記載されており、それらの全体はここに参照として援用される。代替的な実施態様におけるセンサは、レイリー散乱、ラマン散乱、ブリルアン散乱、及び蛍光散乱のような、他の適切なひずみ検知技法を利用し得る。他の代替実施態様では、カテーテルの形状は、他の技法を用いて決定され得る。例えば、カテーテルの遠位先端姿勢の履歴が、時間間隔に亘る装置の形状を再構築するために使用されることができる。他の例として、履歴的な姿勢、位置、又は向きデータが、呼吸のような交互の運動のサイクルに沿う器具システムの既知の点に対して格納され得る。この格納データは、カテーテルに関する形状情報を明らかにするために使用され得る。代替的に、カテーテルに沿って配置されるＥＭセンサのような一連の位置センサが形状検知のために使用され得る。代替的に、処置中の器具システム上のＥＭセンサのような位置センサからのデータの履歴が、特に解剖学的通路が概して静止している場合に、器具の形状を表すために使用され得る。代替的に、外部磁場によって制御される位置又は向きを備える無線装置が形状検知のために使用され得る。無線装置の位置の履歴は、進められる通路のための形状を決定するために使用され得る。

この実施態様では、光ファイバは、単一のクラッディング内に多数のコアを含み得る。各コアは、各コア内の光が他のコア内で運ばれる光と有意に相互作用しないように、コアを分離する十分な距離及びクラッディングを備える単一モードであり得る。他の実施態様では、コアの数は変わり得る、又は各コアは別個の光ファイバ内に含まれ得る。

幾つかの実施形態では、ＦＢＧのアレイが各コアの中に設けられる。各ＦＢＧは、屈折率における空間的な周期性を生成するように、コアの屈折率の一連の変調（modulation）を有する。間隔は、各屈折率変化からの部分的な反射が波長の狭いバンドのためにコヒーレントに加わり、したがって、より広いバンドを通過させながら波長のこの狭いバンドのみを反射するように、選ばれ得る。ＦＢＧの製造の間、変調は、既知の距離によって間隔をあけられ、それによって波長の既知のバンドの反射を生じさせる。しかし、ひずみがファイバコアに生じるとき、変調の間隔は、コアのひずみの量に応じて、変化する。代替的には、後方散乱又は光ファイバの曲げによって変化する他の光学現象が、各コア内のひずみを決定するために使用されることができる。

したがって、ひずみを測定するために、光がファイバコアに送られ、戻り光の特性が測定される。例えば、ＦＢＧは、ファイバのひずみ及びその温度に応じた反射波長を生成する。このＦＢＧ技術は、イングランド、BracknellのSmart Fibres Ltd.のような、様々なソースから商業的に入手可能である。ロボット手術用位置センサにおけるＦＢＧ技術の使用は、（２００６年７月２０日に出願された）（“Robotic Surgery System Including Position Sensors Using Fiber Bragg Gratings”を開示する）米国特許第７，９３０，０６５号に記載され、これはその全体が本出願に参照により援用される。光ファイバは、カテーテルシステム２０２の少なくとも一部のモニタするために使用され得る。より具体的には、光ファイバを通過する光は、カテーテルシステム２０２の形状を検出するために及び、外科処置を支援するようその情報を利用するために、処理される。センサシステム（例えば、センサシステム１０８）は、カテーテルシステム２０２の形状を決定するために用いられる光を生成し且つ検出する問い合わせシステム(interrogation system)を含み得る。この情報は次に、医療器具システムの部分の速度及び加速度のような、他の関連する変数を決定するために使用されることができる。検知することは、遠隔操作システムによって作動される自由度にのみ限定され得る、又は、検知することは、受動的な自由度（例えば、ジョイント間の剛性部材の作動されない曲げ）及び能動的な自由度（例えば、器具の作動運動）の両方に適用され得る。

医療器具システムは、オプションで位置センサシステム２２０を含み得る。位置センサシステム２２０は、外部で生成される電磁場に晒され得る１又は複数の導電コイルを含むセンサ２２０を備えるＥＭセンサシステムの構成部品であり得る。ＥＭセンサシステム２２０の各コイルは、その結果、外部で生成される電磁場に対するコイルの位置及び向きに依存する特性を有する誘導電気信号（induced electrical signal）を生成する。１つの実施態様では、ＥＭセンサシステムは、６自由度、例えば、３つの位置座標Ｘ，Ｙ，Ｚ、並びに、基点のピッチ、ヨー、及びロールを示す３つの配向角(orientation angles)、又は、５つの自由度、例えば、３つの位置座標Ｘ，Ｙ，Ｚ、並びに、基点のピッチ及びヨーを示す２つの配向角を測定するように、構成され且つ配置され得る。ＥＭセンサシステムの更なる記載は、ここにその全体が参照として援用される（１９９９年８月１１日に出願された）（“Six-Degree of Freedom Tracking System Having a Passive Transponder on the Object Being Tracked”を開示する）米国特許第６，３８０，７３２号に提供されている。

追跡システム２３０は、遠位端２１８並びに器具２００に沿った１又は複数のセグメント２２４の位置、向き、速度、姿勢及び／又は形状を決定するために、位置センサシステム２２０及び形状センサシステム２２２を含み得る。追跡システム２３０は、１又は複数のコンピュータプロセッサと相互作用するか又はさもなければ１又は複数のコンピュータプロセッサによって実行されるハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア又はそれらの組み合わせとして実装されることができ、この１又は複数のコンピュータプロセッサは、制御システム１１６のプロセッサを含み得る。

可撓性カテーテルボディ２１６は、補助器具２２６を受け入れるような大きさ及び形状とされるチャンネルを含む。補助器具は、例えば、イメージキャプチャプローブ、生検器具、レーザ焼灼ファイバ、又は他の外科的、診断的、若しくは治療的ツールを含み得る。補助器具は、外科用メス、鈍い刃（blunt blade）、光ファイバ、又は電極のような、単一の作業部材を有するエンドエフェクタを含み得る。他のエンドエフェクタは、例えば、鉗子（forceps）、グラスパ（grasper）、ハサミ、又はクリップアプライヤ（clip applier）を含み得る。電気的にアクティブにされるエンドエフェクタの例は、電気手術電極、トランスデューサ、センサ、及び同等物を含む。様々な実施態様において、補助器具２２６は、イメージキャプチャプローブであってよく、このイメージキャプチャプローブは、表示のために可視化システム１１０によって処理される（ビデオ画像を含む）画像をキャプチャするために可撓性カテーテルボディ２１６の遠位端２１８に又はその付近に立体又は平面カメラを備える遠位部分を含む。イメージキャプチャプローブは、キャプチャされた画像データを送信するためにカメラに結合されるケーブルを含み得る。代替的に、イメージキャプチャ器具は、イメージングシステムに結合するファイバスコープのような光ファイバ束であり得る。イメージキャプチャ器具は、単スペクトル又は多スペクトルであってよく、例えば、可視スペクトル、赤外スペクトル、又は紫外スペクトルのうちの１又は複数で画像データをキャプチャする。

補助器具２２６は、器具の遠位端を制御可能に曲げるために器具の近位端と遠位端との間に延びるケーブル、リンク装置（linkages）、又は他の作動制御部（図示せず）を収容し得る。操向可能（steerable）な器具は、（２００５年１０月４日に出願され）（“Articulated Surgical Instrument for Performing Minimally Invasive Surgery with Enhanced Dexterity and Sensitivity”を開示する）米国特許第7,316,681号及び（２００８年９月３０日に出願され）（“Passive Preload and Capstan Drive for Surgical Instruments”を開示する）米国特許出願第１２／２８６，６４４号に記載され、これらはその全体が本出願に参照により援用される。

可撓性カテーテルボディ２１６もまた、例えば、遠位端の破線描写２１９によって示されるように、遠位端２１８を制御可能に曲げるためにハウジング２０４と遠位端２１８との間に延びる、ケーブル、リンク装置、又は他の操向制御部（図示せず）を収容し得る。操向可能カテーテルは、（２０１１年１０月１４日に出願され）（“Catheter with Removable Vision Probe”を開示する）米国特許出願第１３／２７４，２０８号に記載され、これはその全体が本出願に参照により援用される。器具システム２００が遠隔操作アセンブリによって作動させられる実施態様では、ハウジング２０４は、遠隔操作アセンブリの電動式駆動要素に取り外し可能に結合し且つ電動式駆動要素から電力を受け取る、駆動入力を含み得る。器具システム２００が手動操作される実施態様において、器具本体２０４は、把持機構、手動アクチュエータ、又は器具システムの動きを手動で制御するための他の構成部品を含み得る。カテーテルシステムは操向可能であり得る、又は、代替的に、カテーテルシステムは、器具の曲げの操作者制御のための統合された機構を備えずに操向不能であり得る。更に又は代替的に、１又は複数の管腔が可撓性ボディ２１６内に定められ、この１又は複数の管腔を通って医療器具は標的外科位置に展開されることができる。

様々な実施態様では、医療器具システム２００は、肺の検査、診断、生検、又は治療での使用のために、気管支鏡又は気管支カテーテルのような、可撓性の気管支器具を含み得る。医療器具システム２００はまた、結腸、腸、腎臓、脳、心臓、循環器系、及び同等物を含む、様々な解剖学的システムのいずれかにおける、自然の又は外科的に創り出された通路を介した、他の組織の治療及びナビゲーションに適する。

追跡システム２３０からの情報は、ナビゲーションシステム２３２に送られることができ、そこで、器具２００の制御で用いるディスプレイシステム１１１上のリアルタイムの位置情報を外科医又は他のオペレータに提供するために、可視化システム１１０からの情報及び／又は手術前に撮られた画像と組み合わされる。制御システム１１６は、器具２００を位置決めするためのフィードバックとしてその位置情報を利用し得る。手術器具を手術画像に位置合わせする及びそれを表示するために光ファイバセンサを使用する種々のシステムが、“Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an Anatomical Structure for Image-Guided Surgery”を開示する、２０１１年５月１３日に出願された米国特許出願第１３／１０７，５６２号に提供され、これはその全体が本明細書に参照により援用される。

図２の実施形態では、器具２００は、遠隔操作医療システム１００内で遠隔操作される。代替実施形態では、遠隔操作アセンブリ１０２は、直接のオペレータ制御と交換され得る。直接の操作の代替において、種々のハンドル及びオペレータインターフェースが、器具のハンドヘルドの操作のために含まれ得る。

器具システム（例えば、システム２００）の動的モデルが、コントローラの設計をガイドするのに及び安定性解析を実行するのに有用である。コントローラの設計から得られた仕様はまた、カテーテル構造及び設計をガイドするためにも使用されることができ、したがって、カテーテル設計及び性能検証のための長期にわたる試行錯誤のプロセスを回避し得る。このようなモデルはまた、安全性に影響する重大なシステムパラメータを予測するためにも使用され得る。例えば、モデルは、リアルタイムで組織から加えられる力／トルクをモデル化するために使用されることができ、したがって、組織又は器具への損傷を防ぐ又は減らし得る。動的モデリングは、遠位先端力を直接測定するための大きい圧力センサが空間制約を考えると現実的でない小さい直径の器具で、特に有用であり得る。

図３は、器具３００の可撓性カテーテルボディ３１４の中を長手方向に延びる対向する作動部材３１０ａ、３１０ｂを備える、器具システム２００と同様の、医療器具システム３００を概略的に示している。作動部材３１０ａ、３１０ｂは、一自由度（例えば、ピッチ自由度の動作）で歯に対方向に可撓性ボディ３１４の遠位端部分３１５を動かす。可撓性ボディ３１４はまた、他の自由度（例えば、ヨー自由度）で反対方向に可撓性ボディの遠位先端３１７を動かすための対向する駆動構成要素（図示せず）も収容し得る。この実施形態では、作動部材は、プルワイヤのような、テンドンである。テンドン３１０ａ、３１０ｂの少なくとも一部は、細長い外側に巻かれたシース３１１ａ、３１１ｂそれぞれに対して移動可能である細長い内側構成要素３１２ａ、３１２ｂ（例えば、ワイヤ又はケーブル）をそれぞれ、及び細長い外側に巻かれたシース３１１ａ、３１１ｂをそれぞれ有する、ボーデンケーブルから形成され得る。テンドン３１０ａ、３１０ｂはまた、ボディ３１４の内側、又はテンドンがそこを通って延びる任意の管腔との摩擦の最小量を有するように設計される。これは、テンドン３１０ａ、３１０ｂが器具先端３１５の動作及び操作の間に必要に応じてスライドすることを可能にする。幾つかの例では、テンドン３１０ａ、３１０ｂは、ボディ３１４を形成する主管腔の内側管腔の中に配置され得る。

各ケーブル３１２ａ、３１２ｂは、それぞれの駆動機構３１６ａ、３１６ｂに結合される。この実施形態では、駆動機構３１６ａ、３１６ｂは、駆動シャフト３１８ａ、３１８ｂをそれぞれ備えるサーボモータである。ケーブル３１２ａは駆動シャフト３１８ａの周りに巻かれ、ケーブル３１２ｂは駆動シャフト３１８ｂの周りに巻かれる。作動部材３１０ａ、３１０ｂの遠位端は、器具遠位先端３１７に又はその近くに接続される。駆動機構３１６ａ、３１６ｂは、テンションシステム（tensioning system）３２０ａ、３２０ｂを通ってモータハウジングに又は互いに、柔軟に（compliantly）結合される。例えば、駆動機構３１６ａは、駆動機構３１６ｂに取り付けられたバネで張力をかけられる。テンションシステム３２０ａ、３２０ｂは、駆動構成要素３１６ａ、３１６ｂにねじれプリロード張力を加える付勢部材（例えば、バネ）を含む。テンションシステムは、作動部材３１０ａ、３１０ｂで生じ得る緩みを補償できる。

モータ３１６ａ、３１６ｂの回転は、シャフト３１８ａ、３１８ｂと器具先端３１７との間の作動部材距離を伸ばす或いは縮める。モータシャフト３１８ａ、３１８ｂは、遠位端部分３１５がジョイント領域３１９の周りで、ピッチ動作で旋回（pivot）するように往復式の方法で回転されることができる。例えば、遠位端部分３１５をピッチ方向３２２に動かすために、モータ３１６ａは、シャフト３１８ａと器具先端３１７との間の作動部材３１０ａの距離を短くするようにシャフト３１８ａを回転させ得る。追加的に、又は代替的に、モータ３１６ｂは、シャフト３１８ｂと器具先端３１７との間の作動部材３１０ｂの距離が延ばされるようにシャフト３１８ｂを回転させ得る。同様に、遠位端部分３１５を反対のピッチ方向３２４に動かすために、モータ３１６ａは、シャフト３１８ａと器具先端３１７との間の作動部材３１０ａの距離を伸ばすようにシャフト３１８ａを回転させ得る。追加的に、又は代替的に、モータ３１６ｂは、シャフト３１８ｂと器具先端３１７との間の作動部材３１０ｂの距離が短くされるようにシャフト３１８ｂを回転させ得る。器具の遠位端部分３１５は、記載されたようにピッチで又は、ヨー若しくはロールのような、他の自由度の動きで、患者の内部通路を進むために、動かされることができる。ジョイント３１９と遠位先端３１７との間の角形成（angulation）θｔｉｐ及び遠位先端３１７とジョイント３１９の近位の器具を通って定められる長手方向軸Ａとの間のオフセット距離Ｒの量は、遠位部分３１５のピッチにより、したがって、モータ３１６ａ、３１６ｂそれぞれの角度回転θ１及びθ２の量によって変わる。

器具３００は、様々な医療処置を実行するために様々なツールのいずれかの通過のためにサイズを決められた通路３２８を含む。１つの例では、生検ツールが、遠位先端３１７を通って患者から組織を除去するために通路を通って延び得る。生検されることになる具体的な組織の位置は、手術前又は手術中ＣＴ画像から特定されていてよい。他の例では、器具３００は、外科医が患者の内部通路内の標的位置を視覚的に検査することを可能にするために、イメージング装置を含み得る又は通路３２８を通るイメージング装置の通過を可能にし得る。したがって、器具先端３１７は、標的位置に達するために患者の内部通路を進み得る。

図４に示されるように、器具システム３００は、集中パラメータモデル４００のようにモデル化され得る。集中モデルは、空間的に分布した物理系の挙動の単純化された記述である。それは典型的には、ある仮定の下で分布系の挙動を近似する離散的な実体（discrete entities）からなるトポロジーを使用する。機械系に関する集中モデルは典型的には、剛体の間にバネ及び減衰力を伴う剛体のセットを含む。ＦＥＡのようなより計算機的な複雑な連続数値モデリング技術と比べて、集中パラメータモデル４００は、器具３００のリアルタイムモデリングを可能にする単純な動的カテーテルモデルである。したがって、モデルは、医療処置の間にオペレータに案内（guidance）及びフィードバックを提供するために使用されることができる。

モデル４００では、モータ３１６ａ、３１６ｂは、グランド（ground）４０２に結び付けられるクーロン摩擦ｆ１及び粘性摩擦ｄ１にさらされる剛体質量Ｍｍｏｔｏｒとしてモデル化される。グランド４０２は、理論的な固定された、安定したボディを表す。摩擦ｆ１及びｄ１は、回転するモータシャフトが受ける摩擦力に対応する。モデル４００は集中モデルであるので、ｆ１及びｄ１は、モータシャフトが受ける摩擦及びモータシャフトに接続されたケーブルの部分が受ける摩擦の組み合わされた効果を表し得る。モータシャフト３１８ａ、３１８ｂの角度回転及び／又は向き（又は向きの変化）は、向き変位Ｘ１としてモデル化され得る。モータシャフトの回転及び／向きは、リアルタイムで決定されることができる。これは、例えば、レゾルバ、エンコーダ、ポテンショメータ、並びにモータシャフトの回転及び向きを決定することができる他の機構の使用を通じて、行われ得る。モータを作動させるために加えられる力は、質量Ｍｍｏｔｏｒに加えられる力Ｆｍｏｔｏｒとしてモデル化される。ピックアップバネ３２０ａ／３２０ｂは、一定バネ力を提供する場合、Ｆ＿ｍｏｔｏｒに定数を加えることによってモデルに織り込まれることができる。ピックアップバネ３２０ａ／３２０ｂが線形バネである場合、それらはモータ位置を使用するために考慮されることができる。しかし、ある場合には、ピックアップバネ３２０ａ／３２０ｂからの力がとても軽微であるので、モデル４００はピックアップバネ３２０ａ／３２０ｂを考慮せずに十分正確である。

モデル４００は、単一の剛体質量として２つのモータ３１６ａ、３１６ｂを表しているが、代替実施形態では、モータは、別個の剛体質量としてモデル化され得る。２つのモータ３１６ａ、３１６ｂは、１つのモータがそのプルワイヤを引っ張り且つ反対のモータがそのプルワイヤを解放することからなる動作の成分のみを考慮することによって単純化されることができる。したがって、２つのモータ３１６ａ／３１６ｂは、１つの質量によって表されることができる。力Ｆｍｏｔｏｒ４０４は、リアルタイムでモニタされることができる。これは、モータに加えられている電流から力を計算することによって行われ得る。いくつかの例では、加えられる電流は、ソフトウェアで制御される。したがって、電流、したがって力は、容易にモニタされることができる。しかし、いくつかの場合には、ケーブル又はモータシャフトの力センサが、モータ力Ｆｍｏｔｏｒ４０４をモニタするために使用され得る。

カテーテルボディ３１４（及びその中に延びる任意のツール）の全て又は一部は、グランド４０２に結び付けられるクーロン摩擦ｆ２及び粘性摩擦ｄ２にさらされる剛体質量Ｍｃａｔｈｅｔｅｒとしてモデル化される。例えば、質量Ｍｃａｔｈｅｔｅｒは、先端３１７又は遠位端３１５を表し得る。摩擦ｆ２及びｄ２は、解剖学的構造の通路に沿ってスライドするカテーテルボディ３１４が受ける摩擦力に対応する。摩擦ｆ２及びｄ２は、カテーテルボディの中をスライドするケーブル又はケーブルの部分の摩擦、並びに遠位セクション３１５が曲がるときの遠位セクション３１５における摩擦を表す。カテーテルの遠位先端３１７の位置及び向き（例えば、角形成θｔｉｐ及びオフセット距離Ｒ）は、変位Ｘ２としてモデル化される。Ｘ２はθｔｉｐを表し、Ｒはθｔｉｐから導き出されることができる。カテーテルボディ３１４の曲げ剛性及び軸方向剛性は、質量Ｍｃａｔｈｅｔｅｒとグランド４０２との間に結合されたバネ定数ｋｏｆｆｓｅｔを持つバネとしてモデル化される。

作動部材３１０ａ、３１０ｂは、質量ＭｃａｔｈｅｔｅｒとＭｍｏｔｏｒとの間に結合されたバネとしてモデル化される。バネは、バネ定数ｋｃａｂｌｅ及び粘性摩擦ｄ３を提供する対応する減衰パラメータを有する。モデル４００は、単一のバネ及び単一のダンパを持つ単一の要素として作動部材３１０ａ、３１０ｂを表しているが、代替実施形態では、作動要素は、別個の剛体質量としてモデル化され得る。

次に図５を参照すると、器具３００の遠位端３１５が患者の内部通路を通って動くとき、それは人間の組織３５０に直面する。したがって、力が、遠位先端３１７によって組織３５０に加えられるとともに、等しく且つ反対の力Ｆｔｉｓｓｕｅが組織３５０によって遠位先端３１７に加えられる。上述のように、この力が予め定められた閾値を超える場合、遠位端３１５は組織３５０に損傷を与えることがある。例えば、器具先端３１７は、組織３５０の内面を引っ掻くかもしれず、又は組織に孔をあけるかもしれない。モデル４００を使用することで、医療器具３００のオペレータは、どのくらいの圧力又は力が組織３５０に加えられているかを、リアルタイムで知り得る。モデル４００はしたがって、組織と器具との間の相互作用力を継続的にモニタするための動的状態オブザーバとして働く。

再び図４を参照すると、患者組織への遠位端３１７の力Ｆｔｉｓｓｕｅは、モデル４００を用いて決定され得る。パラメータ力Ｆｍｏｔｏｒ、変位Ｘ１、及び変位Ｘ２は、医療処置の間中ずっと測定され得るとともにリアルタイム力Ｆｔｉｓｓｕｅを決定するためにモデルに適用され得る。集中モデル４００に適用される力Ｆｍｏｔｏｒは、力Ｆｔｉｓｓｕｅのリアルタイム推定を提供する。摩擦パラメータｆ１、ｆ２、ｄ１、ｄ２、ｄ３並びにバネパラメータｋｃａｂｌｅ及びｋｏｆｆｓｅｔは、結果として生じる力Ｆｔｉｓｓｕｅを決定するために力Ｆｍｏｔｏｒに影響を及ぼす器具システム３００に作用している他の力を決定するために使用される。いくつかの実施形態では、摩擦パラメータはｆ１、ｆ２、ｄ１、ｄ２、ｄ３並びにバネパラメータｋｃａｂｌｅ及びｋｏｆｆｓｅｔは、特定の患者に医療処置を実行するために使用される特定の医療器具に対して一定であり得る。代替的には、これらのパラメータの１又は複数は、医療処置の始めに又は医療処置中に特定の患者に基づいて変えられ得る。例えば、通路に接して動くカテーテルボディ３１４の摩擦に関連付けられる摩擦パラメータｆ２、ｆ３は、患者の年齢、組織の種類、および患者の解剖学的構造の通路に沿った位置（すなわち、通路は、ある位置において他と比べてより硬くなり得る）により変わり得る。加えて、カテーテルボディ３１４の形状が測定され得るとともに、形状情報は、バネ定数ｋｏｆｆｓｅｔの値を調整するために使用され得る。例えば、カテーテルボディ３１４がどのように曲げられるかに基づいて、より大きい又はより小さい軸方向剛性及び曲げ剛性があり得る。モデルは集中モデル４００であるので、カテーテル及びプルワイヤの剛性及び摩擦は、カテーテルの形状に依存する。例えば、９０度の曲げを作るときのカテーテルの剛性は、真っすぐのときのカテーテルの剛性と異なることがある。この効果を訂正するための１つの方法は、オフライン（offline）の幾つかの異なる形状のカテーテルに対して慣性、剛性及び摩擦パラメータ（すなわち、Ｍ＿ｃａｔｈｅｔｅｒ、ｋ＿ｏｆｆｓｅｔ、ｆ２、ｄ２、ｋ＿ｃａｂｌｅ、ｄ３）を決定すること、そして次に、オフライン形状のどれが最も適切かを決定するために処置の間に形状センサを使用することである。

追加的に又は代替的に、摩擦力ｆ２、ｄ２、及びｄ３は、外側に巻かれたシース３１１ａ、３１１ｂの基部に力センサを取り付けることによって直接測定されることができる。カテーテルの近位部分（３１８と３１９との間）が形状を変えるとき、所望のθｔｉｐのための正しいモータ位置が変わる。形状センサを使用することによって、カテーテル形状を測定できるとともに正しいモータ位置が何であるべきかを決定することができる。

図４のシステムの動作は、次の関係を伴う：Ｍ＿ｍｏｔｏｒ ａ１＝−ｄ１ｖ１−ｆ１ｓｉｎ（ｖ１）＋ｋ＿ｃａｂｌｅ（ｘ２−ｘｌ）＋ｄ３（ｖ２−ｖｌ）＋Ｆ＿ｍｏｔｏｒ＋Ｆ＿ｒｅｔｕｒｎ＿ｓｐｒｉｎｇ；及びＭ＿ｃａｔｈｅｔｅｒ ａ２＝−ｋ＿ｏｆｆｓｅｔ ｘ２−ｄ２ｖ２−ｆ２ｓｉｎ（ｖ２）＋ｋ＿ｃａｂｌｅ（ｘｌ−ｘ２）＋ｄ３（ｖｌ−ｖ２）−Ｆ＿ｔｉｓｓｕｅ；ここで、ｖ１（速度）は、ｘ１の時間微分であり、ａ１はｖ１の時間微分である（ｖ２、ａ２、及びｘ２についても同様）。ｘ１（モータ位置）、ｘ２（カテーテル先端位置）、及びＦ＿ｍｏｔｏｒ（モータに加えられる力）を知っているので、ｘ１及びｘ２からｖ１、ｖ２、ａ１、及びａ２を導き出すことができ、オフラインの実験からｄ１、ｄ２、ｄ３、Ｍ＿ｍｏｔｏｒ、Ｍ＿ｃａｔｈｅｔｅｒ、ｆ１、ｆ２、ｋ＿ｃａｂｌｅ、及びｋ＿ｏｆｆｓｅｔを知っているので、上の式からＦ＿ｔｉｓｓｕｅを導き出すことができる。

図５は、１つの実施形態において、遠位先端３１７の変位Ｘ２及び／又は遠位端部分３１５の形状が、位置及び／又は形状センサによって決定され得ることを示している。図示された実施形態によれば、形状センサ３６２（例えば、上述の形状センサ２２２）は、器具３００を通って延びる光ファイバケーブルを含む。形状センサ３６２は、近位端でインテロゲータ３６０に結合されるとともに遠位先端３１７まで延びる。代替実施形態では、センサは、遠位端部分３１５のどこかで終端し得る。問い合わせをされた形状センサ３６２は、遠位端部分３１５の形状に関する情報を提供し、形状情報は、ジョイント３１９又は患者の解剖学的構造に対して固定され得るインテロゲータ３６０のようなセンサに沿った他の点に対して遠位先端３１７の位置及び向きを決定するために使用され得る。医療器具の部分の位置を決定する光学形状センサの使用に関する追加の情報は、その全体が参照により本明細書に援用される（２００８年６月３０日に出願された）（”Fiber Optic Shape Sensor”を開示する）米国特許第７，７２０，３２２号に提供される。

図６は、医療器具システム３００とともに使用されることができる例示の処理システム（例えば、制御システム１１６）を示す図である。処理システム６００は、ソフトウェア６０６及びデータ格納部６０８を含み得るメモリ６０４を含む。処理システムはまた、プロセッサ６１０及び入出力（Ｉ／Ｏ）ポート６０２も含む。

メモリ６０４は、幾つかの異なるタイプのメモリの１つであり得る。ソリッドステート ドライブのような幾つかのタイプのメモリは、記憶装置用に設計される。これらのタイプのメモリは典型的には、大きい記憶容量を有するが、比較的低い性能である。ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）のような、他のタイプのメモリは、速度のために最適化され、しばしば「ワーキングメモリ」と称される。様々なタイプのメモリが、ソフトウェア６０６及びデータ格納部６０８のデータの形態で情報を格納し得る。

処理システム６００はまた、ソフトウェア６０６を実行するとともにメモリ６０４に格納されたデータを使用する又は更新するためのプロセッサ６１０を含む。ソフトウェア６０６は、モデル及び入力のセットに基づいて器具先端力をリアルタイムで計算するために必要なツールを含み得る。ソフトウェアはまた、器具先端力が予め定められた値を超える場合に器具のオペレータに警告するための機構も含み得る。例えば、器具のオペレータは、器具先端力がその値を超える場合に彼又は彼女が警告されるべき値を設定し得る。この値は、医療業界標準によって設定された標準的な値であり得る。幾つかの場合には、値は、患者の性質に基づいて調整され得る。例えば、患者が内部組織の裂け目をより生じやすいかもしれないとオペレータが信じる場合、オペレータは、器具先端力が特定の患者に対して安全でないとみなされるレベルを超えるとき彼又は彼女が警告されることができるように、値をより低く設定し得る。

図７は、医療器具の先端圧力をモニタするためにモデルを使用する例示の方法を示すフローチャートである。１つの図示された実施形態によれば、器具の先端への力を決定するための方法７００は、患者の体の中にある間に器具の位置を操作するために使用される少なくとも１つの作動部材を有する器具から入力を受信するステップ７０２を含む。入力は、モータ力、モータ位置、及び器具先端位置を含み得る。これらの入力は、上述のような様々な器具によって測定され得る。例えば、器具先端位置は、光ファイバセンサによって決定され得る。

方法はさらに、器具の集中モデルに入力を適用するステップ７０４を含む。上述のように、集中モデルは、モータ質量及び器具の部分に関連付けられる医療器具質量を含む。これらの２つの質量は、バネ力及び減衰力を通じて互いに相互作用する。加えて、これらの２つの質量は、摩擦力を伴う。

方法はさらに、入力及び集中モデルの両方に基づいて器具の先端への力を決定するステップ７０６を含む。これは、リアルタイムで実行され得る。したがって、入力及び集中モデルに基づいて、オペレータは、器具の先端に置かれている力の十分正確な読取り値を得ることができる。力が、予め定められた値を超える場合、オペレータはそれに応じて通知されることができる。

本開示のシステム及び方法は、肺の接続された気管支通路に使用され得る。システム及び方法はまた、自然の又は外科的に形成された接続通路を介して、結腸、腸、腎臓、脳、心臓、循環器系を含む様々な解剖学的システムのいずれかの他の組織のナビゲーション及び治療にも適し得る。本開示の実施形態及び方法はまた、非外科的用途にも適し得る。

本発明の実施態様における１又は複数の要素は、制御処理システム６００のようなコンピュータシステムのプロセッサ上で実行するソフトウェアで実装され得る。ソフトウェアで実装されるとき、本発明の実施態様の要素は、本質的に、必要なタスクを行うコードセグメントである。プログラム又はコードセグメントは、プロセッサ読出し可能な記憶媒体又は装置に格納されることができ、送信媒体又は通信リンク上の搬送波に取り入れられたコンピュータデータ信号によってダウンロードされ得る。プロセッサ読出し可能な記憶装置は、光媒体、半導体媒体、及び磁気媒体を含む、情報を格納し得る任意の媒体を含み得る。プロセッサ読出し可能な記憶装置の例は、電子回路、半導体デバイス、半導体メモリデバイス、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、消去可能なプログラマブル読取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、フロッピーディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、光ディスク、ハードディスク、又は他の記憶装置を含む。コードセグメントは、インターネット、イントラネット等のような、コンピュータネットワークを介してダウンロードされ得る。

提示されたプロセス及びディスプレイは、本質的には、如何なる特定のコンピュータ又は他の装置にも関係しないことに留意されたい。様々な汎用システムが、本明細書の教示によるプログラムと共に使用され得る、又は記載された動作を実行するためにより専用の装置を構成することが便利であると証明するかもしれない。様々なこれらのシステムのための必要な構造は、請求項中の要素として現れる。加えて、本発明の実施形態は、如何なる特定のプログラミング言語を参照しても記載されない。ここに記載する本発明の教示を実施するために様々なプログラミング言語が用いられ得ることが理解されるだろう。

本発明の特定の例示的な実施形態が記載され且つ添付の図面に示されているが、そのような実施形態は、広範な発明の単なる例示に過ぎず、広範な発明を限定するものでなく、並びに本発明の実施形態は、様々な他の変更が当業者の心に思い浮かび得るので、図示され且つ記載される特定の構造及び配置に限定されないことが理解されるべきである。

Claims (13)

1. 医療器具の先端に加えられる力を決定するための処理システムの作動方法であって：
   前記処理システムが、前記医療器具から少なくとも１つの入力を受信するステップであって、前記医療器具は、前記医療器具の少なくとも一部を動かすために使用される少なくとも１つの細長い作動部材を含む、ステップ、及び
   前記処理システムが、前記医療器具の集中モデルに前記少なくとも１つの入力を適用することによって前記医療器具の前記先端への力を決定するステップ、を含み、
   前記少なくとも１つの入力は：
   前記少なくとも１つの細長い作動部材に結合されるモータによって加えられるモータトルク、
   前記モータの駆動シャフトの回転位置、及び
   前記医療器具の前記先端の位置、を含み、
   前記集中モデルは、
   前記少なくとも１つの細長い作動部材を動作させるために使用される前記モータの質量、及び
   前記医療器具のカテーテルボディの少なくとも一部の質量、を含む、
   作動方法。
2. 前記医療器具の前記先端への前記力はリアルタイムで決定される、
   請求項１に記載の作動方法。
3. 前記医療器具の前記先端への前記力が特定の値を超える場合に前記医療器具のオペレータに警告するステップをさらに含む、
   請求項２に記載の作動方法。
4. 前記処理システムが、光ファイバ形状センサで前記医療器具の前記先端の前記位置を決定するステップをさらに含む、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の作動方法。
5. 前記集中モデルはさらに、
   前記モータの前記質量を前記カテーテルボディの前記少なくとも一部の前記質量と結び付けるバネパラメータ、及び
   前記モータの前記質量を前記カテーテルボディの前記少なくとも一部の前記質量と結び付ける減衰パラメータ、を含む、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の作動方法。
6. 前記集中モデルはさらに、
   前記モータに関連付けられる摩擦パラメータ、及び
   前記カテーテルボディに関連付けられる摩擦パラメータ、を含む、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載の作動方法。
7. 前記集中モデルはさらに、
   前記モータの前記質量とグランドとの間の第１の減衰を示す第１の減衰パラメータ、及び
   前記カテーテルボディの前記少なくとも一部の前記質量とグランドとの間の第２の減衰を示す第２の減衰パラメータ、を含む、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の作動方法。
8. 前記集中モデルはさらに、前記カテーテルボディの前記少なくとも一部の前記質量とグランドとの間のバネ定数を示すオフセットバネパラメータを含む、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の作動方法。
9. 医療器具、及び
   前記医療器具と通信するコンピュータシステム、を有し、
   前記コンピュータシステムは、
   前記医療器具の先端を動かすために使用される前記医療器具の細長い作動部材に結合されるモータから少なくとも１つの入力を受信し、
   前記医療器具の前記先端の位置を示す少なくとも１つの入力を受信し、
   前記モータからの前記少なくとも１つの入力及び前記先端の前記位置を示す前記少なくとも１つの入力を、前記医療器具の集中モデルに適用することによって、前記医療器具の前記先端に加えられる力を決定するように、構成され、
   前記集中モデルは、
   前記細長い作動部材に結合された前記モータの質量、及び
   前記医療器具のカテーテルボディの少なくとも一部の質量、を含む、
   処理システム。
10. 前記医療器具の前記先端に加えられる前記力はリアルタイムで決定される、
    請求項９に記載のシステム。
11. 前記コンピュータシステムはさらに、前記医療器具の前記先端に加えられる前記力が特定の値を超える場合に前記システムに前記医療器具のオペレータを警告させるように構成される、
    請求項９又は１０に記載のシステム。
12. 前記モータからの前記少なくとも１つの入力は、
    前記モータに加えられる力、及び
    前記モータの位置、を含む、
    請求項９乃至１１のいずれか１項に記載のシステム。
13. 前記医療器具の前記先端の前記位置を示す前記入力は、光ファイバ形状センサから受信される情報を含む、
    請求項９乃至１２のいずれか１項に記載のシステム。

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