JP7648035B2 - 位置センサの重みベースの位置合わせのためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０１９年８月３０日に出願の米国仮出願第６２／８９４，６３９号の利益を主張するものである。

（発明の分野）
本明細書に開示されるシステム及び方法は、位置センサの位置合わせのためのシステム及び方法に関し、より具体的には、位置センサ座標系の別の座標系への位置合わせの重み付けに関する。

内視鏡検査（例えば気管支鏡検査）などの医療処置は、診断及び／又は治療目的で、患者の管腔網（例えば、気道）内への医療用具の挿入を伴うことがある。外科用ロボットシステムが、医療処置中の医療用具の挿入及び／又は操作を制御するために使用されることがある。外科用ロボットシステムは、医療処置前及び医療処置中に医療用具の位置決めを制御するために使用され得るマニピュレータアセンブリを含む少なくとも１つのロボットアームを備え得る。外科用ロボットシステムは、位置センサ座標系に対する医療用具の遠位端のポジションを示す位置データを生成するように構成された位置センサを更に備え得る。

外科用ロボットシステムは、患者の管腔網のモデルを更に利用することができ、このモデルは、モデル座標系に対して定義され得る。位置センサ座標系は、モデル座標系に位置合わせされなくてもよく、したがって、システムは、位置センサ座標系とモデル座標系との間の位置合わせを達成するプロセスを実行し、それにより位置センサから受信した位置データを使用して、モデルに対する医療用具の遠位端のポジションを判定することができる。

本開示のシステム、方法及び装置はそれぞれ、いくつかの革新的な態様を有し、そのうちの１つとして本明細書に開示される望ましい属性を単独で司るものではない。

一態様では、１つ又は２つ以上の位置センサのセットを備える器具であって、位置センサのセットが、位置センサ座標系内の位置センサのセットのポジションを示す位置データを生成するように構成されている、器具と、器具の遠位端の移動を制御するように構成された器具マニピュレータのセットと、プロセッサのセットと、プロセッサのセットと通信し、患者の管腔網のモデルを記憶した少なくとも１つのコンピュータ可読メモリと、を備え、モデルが、モデル座標系内のターゲット及びターゲットへの経路を含む、システムが提供される。メモリは、プロセッサのセットに、器具を管腔網の第１の分岐に沿って駆動するように、第１のコマンドセットを器具マニピュレータのセットに提供することであって、第１の分岐が、ターゲットへの経路の外側にある、提供することと、器具を第１の分岐に沿って駆動する間に、１つ又は２つ以上の位置合わせパラメータのセットを追跡することと、位置合わせパラメータのセットが位置合わせ基準を満たすことを判定することと、器具を経路に戻し、器具を第２の分岐に沿って駆動するように、第２のコマンドセットを器具マニピュレータのセットに提供することであって、第２の分岐が、ターゲットへの経路の一部である、提供することと、位置センサ座標系とモデル座標系との間の位置合わせを、器具を第１の分岐及び第２の分岐に沿って駆動する間に、位置センサのセットから受信した位置データに基づいて判定することと、を行わせるための、コンピュータ実行可能命令を更に記憶していてもよい。

別の態様では、非一時的コンピュータ可読記憶媒体であって、実行されると、少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、器具を管腔網の第１の分岐に沿って駆動するように、第１のコマンドセットを器具マニピュレータのセットに提供することであって、器具が、１つ又は２つ以上の位置センサのセットを含み、位置センサのセットが、位置センサ座標系内の位置センサのセットのポジションを示す位置データを生成するように構成されており、器具マニピュレータのセットが、器具の遠位端の移動を制御するように構成されており、メモリが、患者の管腔網のモデルを記憶しており、モデルが、モデル座標系内のターゲット及びターゲットへの経路を含み、第１の分岐は、ターゲットへの経路の外側にある、提供することと、器具を第１の分岐に沿って駆動する間に、１つ又は２つ以上の位置合わせパラメータのセットを追跡することと、位置合わせパラメータのセットが位置合わせ基準を満たすことを判定することと、器具を経路に戻し、器具を第２の分岐に沿って駆動するように、第２のコマンドセットを器具マニピュレータのセットに提供することであって、第２の分岐は、ターゲットへの経路の一部である、提供することと、器具を第１の分岐及び第２の分岐に沿って駆動する間に、位置センサのセットから、受信した位置データに基づいて、位置センサ座標系とモデル座標系との間の位置合わせを判定することと、を行わせるための、命令を記憶している、非一時的コンピュータ可読記憶媒体が提供される。

更に別の態様では、１つ又は２つ以上の位置センサのセットを位置合わせする方法であって、器具を管腔網の第１の分岐に沿って駆動するように、第１のコマンドセットを器具マニピュレータのセットに提供することであって、器具が、位置センサのセットを含み、位置センサのセットが、位置センサ座標系内の位置センサのセットのポジションを示す位置データを生成するように構成されており、器具マニピュレータのセットが、器具の遠位端の移動を制御するように構成されており、メモリが、患者の管腔網のモデルを記憶しており、モデルが、モデル座標系内のターゲット及びターゲットへの経路を含み、第１の分岐がターゲットへの経路の外側にある、提供することと、器具を第１の分岐に沿って駆動する間に、１つ又は２つ以上の位置合わせパラメータのセットを追跡することと、位置合わせパラメータのセットが、位置合わせ基準を満たすことを判定することと、器具を経路に戻し、器具を第２の分岐に沿って駆動するように、第２のコマンドセットを器具マニピュレータのセットに提供することであって、第２の分岐が、ターゲットへの経路の一部である、提供することと、器具を第１の分岐及び第２の分岐に沿って駆動する間に、位置センサのセットから受信した位置データに基づいて、位置センサ座標系とモデル座標系との間の位置合わせを判定することと、を含む、方法が提供される。

なおも更なる別の態様では、１つ又は２つ以上のプロセッサのセットと、プロセッサのセットと通信し、患者の管腔網のモデルを記憶している少なくとも１つのコンピュータ可読メモリと、を備えるシステムが提供され、このモデルが、モデル座標系内のターゲットと、ターゲットへの経路とを含み、メモリが、プロセッサのセットに、ディスプレイデバイスを介して管腔網を表示する命令を提供することと、モデル座標系内のターゲットの位置の指標を受信することと、管腔網内の第１の分岐及び第２の分岐を識別することであって、第１の分岐は、ターゲットへの経路の外側にあり、第２の分岐は、ターゲットへの経路の一部である、識別することと、器具の遠位端を第１の分岐に沿って駆動し、第１の分岐から経路に戻し、第２の分岐に沿って駆動するための命令のセットを生成することであって、命令に従って器具を駆動する間に１つ又は２つ以上の位置センサのセットから受信した位置データが、位置データの位置座標系とモデル座標系との間の位置合わせを容易にする、生成することと、器具を第１の分岐に沿って駆動する間に追跡される１つ又は２つ以上の位置合わせパラメータの位置合わせ基準を判定することと、を行わせる、コンピュータ実行可能命令を更に記憶している。

更に別の態様では、非一時的コンピュータ可読記憶媒体であって、実行されると、少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、ディスプレイデバイスを介して管腔網を表示する命令を提供することであって、管腔網が、非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶され、モデルが、モデル座標系内のターゲット及びターゲットへの経路を含む、提供することと、モデル座標系内のターゲットの位置の指標を受信することと、管腔網内の第１の分岐及び第２の分岐を識別することであって、第１の分岐が、ターゲットへの経路の外側にあり、第２の分岐が、ターゲットへの経路の一部である、識別することと、器具の遠位端を第１の分岐に沿って駆動し、第１の分岐から経路に戻し、第２の分岐に沿って駆動するための命令のセットを生成させることであって、命令に従って器具を駆動する間に１つ又は２つ以上の位置センサのセットから受信した位置データが、位置データの位置座標系とモデル座標系との間の位置合わせを容易にする、生成することと、器具を第１の分岐に沿って駆動する間に追跡される１つ又は２つ以上の位置合わせパラメータの位置合わせ基準を判定することと、を行わせるための、命令を更に記憶している、非一時的コンピュータ可読記憶媒体が提供される。

別の態様では、術前計画の方法であって、ディスプレイデバイスを介して管腔網を表示するための命令を提供することであって、管腔網は、非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶されており、モデルが、モデル座標系内のターゲット及びターゲットへの経路を含む、提供することと、モデル座標系内のターゲットの位置の指標を受信することと、管腔網内の第１の分岐及び第２の分岐を識別することであって、第１の分岐が、ターゲットへの経路の外側にあり、第２の分岐が、ターゲットへの経路の一部である、識別することと、器具の遠位端を第１の分岐に沿って駆動し、第１の分岐から経路に戻し、第２の分岐に沿って駆動するための命令のセットを生成することであて、命令に従って器具を駆動する間に１つ又は２つ以上の位置センサのセットから受信した位置データが、位置データの位置座標系とモデル座標系との間の位置合わせを容易にする、生成することと、器具を第１の分岐に沿って駆動する間に追跡される１つ又は２つ以上の位置合わせパラメータの位置合わせ基準を判定することと、を含む、術前計画の方法が提供される。

開示される態様は、以下、添付の図面と併せて説明され、開示された態様を例示するが、限定するものではなく、同様の称号は同様の要素を示す。
診断及び／又は治療用気管支鏡検査処置のために配置されたカートベースのロボットシステムの実施形態である。 図１のロボットシステムの更なる態様である。 尿管鏡検査のために配置された図１のロボットシステムの実施形態である。 血管処置のために配置された図１のロボットシステムの実施形態である。 気管支鏡検査処置のために配置されたテーブルベースのロボットシステムの実施形態である。 図５のロボットシステムの代替的な図である。 ロボットアームを格納するように構成された例示的なシステムである。 尿管鏡検査処置のために構成されたテーブルベースのロボットシステムの実施形態である。 腹腔鏡処置のために構成されたテーブルベースのロボットシステムの実施形態である。 ピッチ又は傾斜調整を備えた図５～図９のテーブルベースのロボットシステムの実施形態である。 図５～１０のテーブルベースのロボットシステムのテーブルとカラムとの間のインターフェースの詳細な図示を提供する。 例示的な器具ドライバである。 ペアの器具ドライバを備えた例示的な医療用器具である。 駆動ユニットの軸が器具の細長いシャフトの軸に平行である、器具ドライバ及び器具の代替的な設計を示す。 例示的な実施形態による、図１３及び１４の器具の位置などの、図１～図１０のロボットシステムの１つ又は２つ以上の要素の位置を推定する位置特定システムを示すブロック図である。 開示されたナビゲーションシステム及び技法の１つ又は２つ以上の態様を実施する例示的な動作環境を示す図である。 図１６Ａの手術環境においてナビゲートされることができる例示的な管腔網である。 図１６Ｂの管腔網を通る器具の移動を誘導するためのロボットシステムの例示的ロボットアームを示す図である。 例えば例示的な手術環境においてコマンドコンソールとして使用することができる例示的なコマンドコンソールを示す。 本明細書に記載されるような撮像及びＥＭ検知能力を有する例示的な器具、例えば、図１６Ａ～図１６Ｃの器具の遠位端を示す図である。 本開示の態様に従って、位置センサの位置合わせを実行することができる、例示的な管腔網を示す図である。 本開示の態様による、位置センサ座標系を対側に位置合わせするための、外科用ロボットシステム又はその構成要素によって動作可能な例示的方法を示すフローチャートである。 本開示の態様による、対側位置合わせを円滑にするために十分な位置データが受信されたかどうかを判定するための、外科用ロボットシステム又はその構成要素によって動作可能な例示的方法を示すフローチャートである。 本開示の態様による、管腔網のモデルに関する位置データを示す図である。 本開示の態様による、対側位置合わせプロセスを事前形成しない位置データの位置合わせの実施例を示す図である。 本開示の態様による、術前計画のための、外科用ロボットシステム又はその構成要素によって動作可能な例示的方法を示すフローチャートである。 センサ座標系とモデル座標系との間の位置合わせを判定するための例示的な方法を示すフローチャートである。 センサ位置点及びモデル位置点がモデル座標系内のモデル上に重ね合わされる実施例を示す。 距離に比例する重みを判定するための一実施例を示す。 距離に基づいてバイナリ重みを判定するための別の実施例を示す。 距離に基づいてバイナリ重みを判定するための更に別の実施例を示す。

１．概論
本開示の態様は、腹腔鏡などの低侵襲性、及び内視鏡などの非侵襲性の両方の処置を含む、様々な医療処置を行うことができるロボットで使用可能な医療用システムに統合され得る。内視鏡処置のうち、システムは、気管支鏡検査、尿管鏡検査、胃鏡検査などを行うことができる。

幅広い処置を行うことに加えて、システムは、医師を支援するための強調された撮像及び誘導などの追加の利益を提供することができる。追加的に、システムは、厄介な腕の動作及び姿勢を必要とせずに、人間工学的位置から処置を行う能力を医師に提供することができる。また更に、システムは、システムの器具のうちの１つ又は２つ以上が単一のユーザによって制御され得るように、改善された使いやすさで処置を行う能力を医師に提供することができる。

以下、説明を目的として、図面と併せて、様々な実施形態が説明される。開示される概念の多くの他の実装態様が可能であり、開示される実装態様で様々な利点が達成され得ることを理解されたい。見出しが、参照のために本明細書に含まれ、様々なセクションの位置を特定する支援となる。これらの見出しは、それに関して説明される概念の範囲を限定することを意図するものではない。そのような概念は、本明細書全体にわたって適用可能性を有し得る。

Ａ．ロボットシステム－カート
ロボットで使用可能な医療用システムは、特定の処置に応じて様々な方法で構成され得る。図１は、診断及び／又は治療用気管支鏡検査処置のために配置された、カートベースのロボット制御可能なシステム１０の実施形態を示す。気管支鏡検査の間、システム１０は、気管支鏡検査のための処置専用気管支鏡であり得る操縦可能な内視鏡１３などの医療用器具を、診断及び／又は治療用具を送達するための自然開口部アクセスポイント（すなわち、本実施例ではテーブル上に位置決めされている患者の口）に送達するための１つ又は２つ以上のロボットアーム１２を有するカート１１を含むことができる。示されるように、カート１１は、アクセスポイントへのアクセスを提供するために、患者の上部胴体に近接して位置決めすることができる。同様に、ロボットアーム１２は、アクセスポイントに対して気管支鏡を位置決めするために作動させることができる。図１の配置はまた、胃腸管（ＧＩ）処置を胃鏡（ＧＩ処置のための特殊な内視鏡）を用いて実行するときにも利用され得る。図２は、カートの例示的な実施形態をより詳細に描画する。

図１を引き続き参照すると、一旦カート１１が適切に位置付けられると、ロボットアーム１２は、操縦可能な内視鏡１３をロボットで、手動で、又はそれらの組み合わせで患者内に挿入することができる。示されるように、操縦可能な内視鏡１３は、内側リーダ部分及び外側シース部分などの少なくとも２つの入れ子式部品を含んでもよく、各部分は、器具ドライバの組２８から別個の器具ドライバに連結され、各器具ドライバは、個々のロボットアームの遠位端部に連結されている。リーダ部分をシース部分と同軸上に位置合わせするのを容易にする、器具ドライバ２８のこの直線配置は、１つ又は２つ以上のロボットアーム１２を異なる角度及び／又は位置に操作することによって空間内に再位置決めされ得る「仮想レール」２９を作成する。本明細書に記載される仮想レールは、破線を使用して図に示されており、したがって破線は、システムの物理的構造を示さない。仮想レール２９に沿った器具ドライバ２８の並進は、外側シース部分に対して内側リーダ部分を入れ子にするか、又は内視鏡１３を患者から前進若しくは後退させる。仮想レール２９の角度は、臨床用途又は医師の好みに基づいて調整、並進、及び枢動させられてもよい。例えば、気管支鏡検査では、示されるような仮想レール２９の角度及び位置は、内視鏡１３を患者の口内に曲げ入れることによる摩擦を最小限に抑えながら内視鏡１３への医師のアクセスを提供する妥協を表す。

内視鏡１３は、標的の目的地又は手術部位に到達するまで、ロボットシステムからの正確なコマンドを使用して挿入後に患者の気管及び肺の下方に向けられてもよい。患者の肺網を通したナビゲーションを高め、及び／又は所望の標的に到達するために、内視鏡１３を操縦して、内側リーダ部分を外側シース部分から入れ子状に延在させ、高められた関節運動及びより大きな曲げ半径を得てもよい。別個の器具ドライバ２８の使用により、リーダ部分及びシース部分が互いに独立して駆動することも可能になる。

例えば、内視鏡１３は、例えば、患者の肺内の病変又は小結節などの標的に生検針を送達するように方向付けられてもよい。針は、内視鏡の長さにわたる作業チャネルの下方に展開されて、病理医によって分析される組織サンプルを得てもよい。病理の結果に応じて、追加の生検のために追加のツールが内視鏡の作業チャネルの下方に展開されてもよい。小結節を悪性と識別した後、内視鏡１３は、潜在的な癌組織を切除するために器具を内視鏡的に送達してもよい。場合によっては、診断及び治療的処置は、別個の処置で送達される必要があってもよい。これらの状況において、内視鏡１３はまた、標的小結節の場所を「マーク」するために基準を送達するのに使用されてもよい。他の例では、診断及び治療的処置は、同じ処置中に送達されてもよい。

システム１０はまた、カート１１に支持ケーブルを介して接続されて、カート１１への制御、電子機器、流体工学、光学系、センサ、及び／又は電力のためのサポートを提供し得る移動可能なタワー３０を含んでもよい。タワー３０内にこのような機能を置くことにより、動作を行う医師及びそのスタッフがより容易に調整及び／又は再位置決めすることができるより小さいフォームファクタのカート１１が可能となる。追加的に、カート／テーブルと支持タワー３０との間の機能の分割は、手術室の乱雑さを低減し、臨床ワークフローの改善を促進する。カート１１は患者に近接して配置されてもよいが、タワー３０は、処置中に邪魔にならないように離れた場所に格納されてもよい。

上述のロボットシステムのサポートにおいて、タワー３０は、例えば、永続的な磁気記憶ドライブ、ソリッドステートドライブなどの非一時的コンピュータ可読記憶媒体内にコンピュータプログラム命令を記憶するコンピュータベースの制御システムの構成要素を含んでもよい。これらの命令の実行は、実行がタワー３０内で行われるのか又はカート１１で行われるのかにかかわらず、システム全体又はそのサブシステムを制御してもよい。例えば、コンピュータシステムのプロセッサによって実行されるとき、命令は、ロボットシステムの構成要素に、関連するキャリッジ及びアームマウントを作動させ、ロボットアームを作動させ、医療用器具を制御させてもよい。例えば、制御信号を受信したことに応答して、ロボットアームの関節内のモータは、アームをある特定の姿勢に位置決めしてもよい。

タワー３０は、内視鏡１３を通して展開され得るシステムに制御された灌注及び吸引能力を提供するために、ポンプ、流量計、弁制御、及び／又は流体アクセスも含んでもよい。これらの構成要素は、タワー３０のコンピュータシステムも使用して制御されてもよい。いくつかの実施形態では、灌注及び吸引能力は、別個のケーブルを通して内視鏡１３に直接送達されてもよい。

タワー３０は、フィルタリングされ、保護された電力をカート１１に提供するように設計された電圧及びサージ保護具を含んでもよく、それによって、カート１１内に電力変圧器及び他の補助電力構成要素を配置することが回避され、カート１１はより小さく、より移動可能になる。

タワー３０は、ロボットシステム１０全体に配備されたセンサのための支持機器も含んでもよい。例えば、タワー３０は、ロボットシステム１０を通して光センサ又はカメラから受信したデータを検出、受信、及び処理するためのオプトエレクトロニクス機器を含んでもよい。制御システムと組み合わせて、そのようなオプトエレクトロニクス機器は、タワー３０内を含むシステム全体に配置された任意の数のコンソール内に表示するためのリアルタイム画像を生成するように使用されてもよい。同様に、タワー３０はまた、展開された電磁（ＥＭ）センサから信号を受信し、受信した信号を処理するための電子サブシステムも含んでもよい。タワー３０はまた、医療用器具内又は医療用器具上のＥＭセンサによる検出のためにＥＭ場発生器を収容し、位置決めするためにも使用されてもよい。

タワー３０はまた、システムの残りの部分で利用可能な他のコンソール、例えば、カートの上部上に装着されたコンソールに追加して、コンソール３１を含んでもよい。コンソール３１は、オペレータである医師のためのユーザインターフェース及びタッチスクリーンなどの表示画面を含んでもよい。システム１０内のコンソールは、一般に、ロボット制御、並びに内視鏡１３のナビゲーション情報及び位置特定情報などの処置の術前及びリアルタイム情報の両方を提供するように設計される。コンソール３１が医師に利用可能な唯一のコンソールではない場合、コンソール３１は、看護師などの第２のオペレータによって使用されて、患者の健康又は生命及びシステムの動作を監視し、並びにナビゲーション及び位置特定情報などの処置固有のデータを提供することができる。

タワー３０は、１つ又は２つ以上のケーブル又は接続部（図示せず）を介してカート１１及び内視鏡１３に連結されてもよい。いくつかの実施形態では、タワー３０からのサポート機能は、単一ケーブルを通してカート１１に提供されることにより、手術室を簡略化し、整理整頓することができる。他の実施形態では、特定の機能は、別個の配線及び接続部で連結されてもよい。例えば、単一の電力ケーブルを通してカートに電力が供給されてもよい一方、制御、光学、流体工学、及び／又はナビゲーションのためのサポートは、別個のケーブルを通して提供されてもよい。

図２は、図１に示されるカートベースのロボット制御可能なシステムからのカートの実施形態の詳細な図を提供する。カート１１は、概して、細長い支持構造１４（「カラム」と呼ばれることが多い）、カート基部１５、及びカラム１４の頂部にあるコンソール１６を含む。カラム１４は、１つ又は２つ以上のロボットアーム１２（図２には３つ示されている）の展開を支持するためのキャリッジ１７（代替的に「アーム支持体」）などの１つ又は２つ以上のキャリッジを含んでもよい。キャリッジ１７は、患者に対してより良好に位置決めするために垂直軸に沿って回転してロボットアーム１２の基部を調整する、個別に構成可能なアームマウントを含んでもよい。キャリッジ１７はまた、キャリッジ１７がカラム１４に沿って垂直方向に並進することを可能にするキャリッジインターフェース１９を含む。

キャリッジインターフェース１９は、キャリッジ１７の垂直方向の並進を案内するためにカラム１４の両側に位置決めされているスロット２０などのスロットを通してカラム１４に接続されている。スロット２０は、カート基部１５に対して様々な垂直方向の高さでキャリッジを位置付け及び保持するための垂直方向の並進インターフェースを含む。キャリッジ１７の垂直方向の並進により、カート１１は、様々なテーブルの高さ、患者のサイズ、及び医師の好みを満たすようにロボットアーム１２のリーチを調整することが可能となる。同様に、キャリッジ１７上の個別に構成可能なアームマウントにより、ロボットアーム１２のロボットアーム基部２１を様々な構成で角度付けすることが可能となる。

いくつかの実施形態では、キャリッジ１７が垂直方向に並進するときにカラム１４の内部チャンバ及び垂直方向の並進インターフェース内に汚れ及び流体が侵入するのを防止するために、スロット２０には、スロット表面と同一平面及び平行であるスロットカバーが追加されてもよい。スロットカバーは、スロット２０の垂直方向の頂部及び底部付近に位置決めされているばねスプールの対を通じて展開されてもよい。カバーは、キャリッジ１７が上下に垂直方向に並進するにつれてコイル状から伸縮するように展開されるまで、スプール内でコイル巻きにされている。スプールのばね荷重は、キャリッジ１７がスプールに向かって並進するときにカバーをスプール内に後退させるための力を提供する一方で、キャリッジ１７がスプールから離れるように並進するときに密封も維持する。カバーは、キャリッジ１７が並進するときにカバーが適切に伸縮するのを確実にするために、例えば、キャリッジインターフェース１９内のブラケットを使用してキャリッジ１７に接続されてもよい。

カラム１４は、例えば、コンソール１６からの入力などのユーザ入力に応答して生成された制御信号に応答してキャリッジ１７を機械的に並進させるために垂直方向に位置合わせされた主ねじを使用するように設計された、ギア及びモータなどの機構を内部に含んでもよい。

ロボットアーム１２は、一般に、一連の関節２４によって接続されている一連のリンク２３によって分離されたロボットアーム基部２１及びエンドエフェクタ２２を含んでもよく、各関節は独立したアクチュエータを含み、各アクチュエータは、独立して制御可能なモータを含む。それぞれ独立して制御可能な関節は、ロボットアームが利用可能な独立した自由度を表す。アーム１２の各々は、７つの関節を有し、したがって、７つの自由度を提供する。多数の関節は、多数の自由度をもたらし、「冗長」自由度を可能にする。冗長自由度は、ロボットアーム１２が、異なる連結位置及び関節角度を使用して空間内の特定の位置、向き、及び軌道で、それらのそれぞれのエンドエフェクタ２２を位置付けすることを可能にする。これにより、システムが空間内の所望のポイントから医療用器具を位置決めし、方向付けることが可能になると同時に、医師がアーム関節を患者から離れる臨床的に有利な位置へと移動させて、アームの衝突を回避しながらよりよいアクセスを生み出すことを可能にする。

カート基部１５は、床の上のカラム１４、キャリッジ１７、及びアーム１２の重量の釣り合いをとる。したがって、カート基部１５は、電子機器、モータ、電源、並びにカートの移動及び／又は固定化のいずれかを可能にする構成要素などの、より重い部品を収容する。例えば、カート基部１５は、処置前にカートが部屋中をあちこちに容易に移動することを可能にする、転動可能なホイール形状のキャスタ２５を含む。適切な位置に到達した後、キャスタ２５は、処置中にカート１１を所定の場所に保持するためのホイールロックを使用して静止させられてもよい。

カラム１４の垂直方向の端部に位置付けされたコンソール１６は、ユーザ入力を受信するためのユーザインターフェース及び表示画面（又は、例えば、タッチスクリーン２６などの二重目的デバイス）の両方を可能にして、術前データ及び術中データの両方を医師であるユーザに提供する。タッチスクリーン２６上の潜在的な術前データは、術前計画、術前コンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャンから導出されたナビゲーション及びマッピングデータ、及び／又は術前の患者への問診からのメモを含んでもよい。ディスプレイ上の術中データは、ツールから提供される光学情報、センサからのセンサ及び座標情報、及び呼吸、心拍数、及び／又はパルスなどの不可欠な患者統計を含んでもよい。コンソール１６は、医師が、キャリッジ１７の反対側のカラム１４側からコンソールにアクセスすることを可能にするように位置付けされ、傾斜がつけられてもよい。この位置から、医師は、コンソール１６をカート１１の背後から操作しながらコンソール１６、ロボットアーム１２及び患者を見ることができる。図示のように、コンソール１６はまた、カート１１の操作及び安定化を支援するハンドル２７を含む。

図３は、尿管鏡検査のために配されたロボット制御可能なシステム１０の実施形態を示す。尿管鏡検査処置では、カート１１は、患者の尿道及び尿管を横断するように設計された処置専用内視鏡である尿管鏡３２を患者の下腹部領域に送達するように位置決めされてもよい。尿管鏡検査では、尿管鏡３２が患者の尿道と直接位置合わせされ、領域内の敏感な解剖学的構造に対する摩擦及び力を低減することが望ましいことがある。示されるように、カート１１は、ロボットアーム１２が尿管鏡３２を、患者の尿道に直線状に直接アクセスするために位置決めすることを可能にするように、テーブルの脚部に位置合わせされてもよい。テーブルの脚部から、ロボットアーム１２は、尿道を通して患者の下腹部に直接、仮想レール３３に沿って尿管鏡３２を挿入してもよい。

気管支鏡検査におけるのと同様の制御技法を使用して尿道に挿入した後、尿管鏡３２は、診断及び／又は治療用途のために、膀胱、尿管、及び／又は腎臓にナビゲートされてもよい。例えば、尿管鏡３２は、尿管及び腎臓に指向され、尿管鏡３２の作業チャネルの下方に展開されたレーザ又は超音波砕石デバイスを使用して、形成された腎臓結石を破壊することができる。砕石術が完了した後、結果として得られた結石片は、尿管鏡３２の下方に配備されたバスケットを使用して除去されてもよい。

図４は、血管処置のために同様に配されたロボット制御可能なシステムの実施形態を示す。血管処置において、システム１０は、カート１１が、操縦可能なカテーテルなどの医療器具３４を、患者の脚内の大腿動脈内のアクセスポイントに送達することができるように構成することができる。大腿動脈は、ナビゲーションのためのより大きな直径と、患者の心臓への比較的迂回性及び蛇行性でない経路との両方を呈し、これによりナビゲーションが単純化する。尿管鏡検査処置のように、カート１１は、患者の脚及び下腹部に向かって位置決めされて、ロボットアーム１２が患者の大腿／腰領域内の大腿動脈アクセスポイントへの直接的な線形アクセスで仮想レール３５を提供することを可能にしてもよい。動脈内への挿入後、器具ドライバ２８を並進させることによって医療用器具３４が方向付けられ、挿入されてもよい。代替的には、カートは、例えば、肩及び手首付近の頸動脈及び腕動脈などの代替的な血管アクセスポイントに到達するために、患者の上腹部の周囲に位置決めされてもよい。

Ｂ．ロボットシステム－テーブル
ロボットで使用可能な医療用システムの実施形態は、患者テーブルも組み込んでもよい。テーブルの組み込みは、カートをなくすことによって手術室内の資本設備の量を低減し、患者へのより大きなアクセスを可能にする。図５は、気管支鏡検査処置のために配されたこのようなロボット制御可能なシステムの一実施形態を示す。システム３６は、床の上にプラットフォーム３８（「テーブル」又は「ベッド」として図示）を支持するための支持構造体又はカラム３７を含む。カートベースのシステムと同様に、システム３６のロボットアーム３９のエンドエフェクタは、器具ドライバ４２の線形整列から形成された仮想レール４１を通して、又はそれに沿って、図５の気管支鏡４０などの細長い医療用器具を操作するように設計された器具ドライバ４２を含む。実際には、Ｘ線透視撮像を提供するためのＣアームは、放射器及び検出器をテーブル３８の周囲に置くことによって、患者の上部腹部領域の上方に位置付けされてもよい。

図６は、考察目的で患者及び医療器具なしのシステム３６の代替図を提供する。示されるように、カラム３７は、１つ又は２つ以上のロボットアーム３９の基部となり得る、システム３６内でリング形状として図示される１つ又は２つ以上のキャリッジ４３を含んでもよい。キャリッジ４３は、カラム３７の長さにわたる垂直方向のカラムインターフェース４４に沿って並進して、ロボットアーム３９が患者に到達するように位置決めされ得る異なるバンテージポイントを提供してもよい。キャリッジ４３は、カラム３７内に位置決めされている機械的モータを使用してカラム３７の周りを回転して、ロボットアーム３９が、例えば、患者の両側などのテーブル３８の多数の側部へのアクセスを有することを可能にしてもよい。複数のキャリッジを有する実施形態では、キャリッジはカラム上に個別に位置付けされてもよく、他のキャリッジとは独立して並進及び／又は回転してもよい。キャリッジ４３はカラム３７を取り囲む必要はなく、又は更には円形である必要はないが、図示されるようなリング形状は、構造的バランスを維持しながらカラム３７の周りでキャリッジ４３が回転するのを容易にする。キャリッジ４３の回転及び並進により、システムは、内視鏡及び腹腔鏡などの医療器具を患者の異なるアクセスポイントに位置合わせさせることができる。

アーム３９は、ロボットアーム３９に追加の構成可能性を提供するために個別に回転及び／又は入れ子式に延び得る一連の関節を備えるアームマウント４５のセットを介してキャリッジに装着されてもよい。加えて、アームマウント４５は、キャリッジ４３が適切に回転されるとき、アームマウント４５がテーブル３８の片側（図６に示すように）、テーブル３８の両側（図９に示すように）、又はテーブル３８の隣接する側部（図示せず）のいずれかに配置され得るように、キャリッジ４３に配置され得る。

カラム３７は、テーブル３８の支持及びキャリッジの垂直方向の並進のための経路を構造的に提供する。内部に、カラム３７は、キャリッジの垂直方向の並進を案内するための主ねじ、及び主ねじに基づく当該キャリッジの並進を機械化するためのモータが備えられていてもよい。カラム３７は、キャリッジ４３及びその上に装着されたロボットアーム３９に電力及び制御信号も伝達してもよい。

テーブル基部４６は、図２に示すカート１１のカート基部１５と同様の機能を果たし、テーブル／ベッド３８、カラム３７、キャリッジ４３、及びロボットアーム３９の釣り合いをとるためにより重い構成要素を収容する。テーブル基部４６はまた、処置中に安定性を提供するために剛性キャスタを組み込んでもよい。テーブル基部４６の底部から展開されるキャスタは、基部４６の両側で反対方向に延在し、システム３６を移動させる必要があるときに引き込んでもよい。

引き続き図６によれば、システム３６はまた、テーブルとタワーとの間のシステム３６の機能を分割して、テーブルのフォームファクタ及びバルクを低減するタワー（図示せず）を含んでもよい。先に開示された実施形態と同様に、タワーは、処理、計算、及び制御能力、電力、流体工学、並びに／又は光学及びセンサ処理などの様々な支持機能をテーブルに提供してもよい。タワーはまた、医師のアクセスを改善し、手術室を整理整頓するために、患者から離れて位置決めされるように移動可能であってもよい。更に、タワー内に構成要素を位置付けすることにより、ロボットアームの潜在的な収納のために、テーブル基部内により多くの格納空間を可能にする。タワーはまた、キーボード及び／又はペンダントなどのユーザ入力のためのユーザインターフェース、並びにリアルタイム撮像、ナビゲーション、及び追跡情報などの術前及び術中情報のための表示画面（又はタッチスクリーン）の両方を提供するコンソールを含んでもよい。

いくつかの実施形態では、テーブル基部は、使用されていないときにロボットアームを収容して格納してもよい。図７は、テーブルベースのシステムの一実施形態におけるロボットアームを収容するシステム４７を示す。システム４７では、キャリッジ４８は、ロボットアーム５０、アームマウント５１、及びキャリッジ４８を基部４９内に格納するために、基部４９内へと垂直方向に並進させられてもよい。基部カバー５２は、並進及び後退して、キャリッジ４８、アームマウント５１、及びアーム５０をカラム５３の周りに配置させるように開き、使用されていないときにそれらを収容して保護するように閉じられてもよい。基部カバー５２は、閉じたときに汚れ及び流体の侵入を防止するために、その開口部の縁部に沿って膜５４で封止されてもよい。

図８は、尿管鏡検査処置のために構成されたロボット制御可能なテーブルベースのシステムの一実施形態を示す。尿管鏡検査では、テーブル３８は、患者をカラム３７及びテーブル基部４６からオフアングルに位置決めするためのスイベル部分５５を含んでもよい。スイベル部分５５は、スイベル部分５５の底部をカラム３７から離すように位置決めするために、枢動点（例えば、患者の頭部の下方に配置）を中心に回転又は枢動してもよい。例えば、スイベル部分５５の旋回により、Ｃアーム（図示せず）が、テーブル３８の下のカラム（図示せず）と空間を奪い合うことなく、患者の下部腹部の上方に位置決めされることを可能にする。カラム３７の周りにキャリッジ３５（図示せず）を回転させることにより、ロボットアーム３９は、尿道に到達するように、仮想レール５７に沿って、患者の鼠径部領域に尿管鏡５６を直接挿入してもよい。尿管鏡検査では、処置中に患者の脚の位置を支持し、患者の鼠径部領域への明確なアクセスを可能にするために、テーブル３８のスイベル部分５５にあぶみ５８が固定されてもよい。

腹腔鏡処置では、患者の腹壁内の小さな切開部（複数可）を通して、低侵襲性器具（１つ又は２つ以上の切開部のサイズに適応するように形状が細長い）を患者の解剖学的構造に挿入してもよい。患者の腹腔の膨張後、腹腔鏡と呼ばれることが多い器具は、把持、切断、アブレーション、縫合などの外科的タスクを実行するように指向されてもよい。図９は、腹腔鏡処置のために構成されたロボット制御可能なテーブルベースのシステムの実施形態を示す。図９に示されるように、システム３６のキャリッジ４３は回転し、垂直方向に調整されて、腹腔鏡５９が患者の両側の最小切開部を通過して患者の腹腔に到達するようにアームマウント４５を使用し配置され得るように、ロボットアーム３９の対をテーブル３８の両側に位置付けてもよい。

腹腔鏡処置に対応するために、ロボットで使用可能なテーブルシステムはまた、プラットフォームを所望の角度に傾斜させてもよい。図１０は、ピッチ又は傾斜調整を有するロボット制御可能な医療システムの実施形態を示す。図１０に示すように、システム３６は、テーブル３８の傾斜に適応して、テーブルの一方側の部分を他方側の部分よりも床から長い距離に位置付けることができる。加えて、アームマウント４５は、アーム３９がテーブル３８と同じ平面関係を維持するように、傾斜に一致するように回転させてもよい。急角度に適応するために、カラム３７は、テーブル３８が床に接触するか又は基部４６と衝突するのを防ぐためにカラム３７が垂直方向に延びるのを可能にする入れ子部分６０も含んでもよい。

図１１は、テーブル３８とカラム３７との間のインターフェースの詳細な図示を提供する。ピッチ回転機構６１は、カラム３７に対するテーブル３８のピッチ角を多数の自由度で変更するように構成されてもよい。ピッチ回転機構６１は、カラム－テーブルインターフェースでの直交軸１、２の位置決めによって可能にされてもよく、各軸は、電気ピッチ角コマンドに応答して別個のモータ３、４によって作動させられる。一方のねじ５に沿った回転は、一方の軸１における傾斜調整を可能にし、他方のねじ６に沿った回転は、他方の軸２に沿った傾斜調整を可能にする。

例えば、ピッチ調節は、テーブルをトレンデレンブルグ体位に位置付けしようとするときに、すなわち下腹部手術のために患者の下腹部よりも床からより高い位置に患者の下腹部を位置付けしようとするときに、特に有用である。トレンデレンブルグ体位は、患者の内臓を重力によって自分の上腹部に向かってスライドさせ、低侵襲性ツールが入って腹腔鏡前立腺切除術などの下腹部外科処置を実施行するために、腹腔を空にする。

Ｃ．器具ドライバ及びインターフェース
システムのロボットアームのエンドエフェクタは、（ｉ）医療器具を作動させるための電気機械的手段を組み込む器具ドライバ（代替的には、「器具駆動機構」又は「器具デバイスマニピュレータ」と呼ばれる）と、（ｉｉ）モータなどの任意の電気機械的構成要素を欠いていてもよい除去可能な又は取り外し可能な医療器具と、を含む。この二分法は、医療処置に使用される医療用器具を滅菌する必要性、それらの複雑な機械的アセンブリ及び繊細な電子機器により、高価な資本設備を十分に滅菌することができないことを根拠とする場合がある。したがって、医療用器具は、医師又は医師のスタッフによる個々の滅菌又は廃棄のために、器具ドライバ（したがってそのシステム）から取り外され、除去され、及び交換されるように設計することができる。対照的に、器具ドライバは交換又は滅菌される必要がなく、保護のために掛け布をすることができる。

図１２は、例示的な器具ドライバを示す。ロボットアームの遠位端部に配置される器具ドライバ６２は、駆動シャフト６４を介して医療器具に制御トルクを提供するために平行軸を伴って配された１つ又は２つ以上の駆動ユニット６３を含む。各駆動ユニット６３は、器具と相互作用するための個々の駆動シャフト６４と、モータシャフトの回転を所望のトルクに変換するためのギアヘッド６５と、駆動トルクを生成するためのモータ６６と、モータシャフトの速度を測定し、制御回路にフィードバックを提供するエンコーダ６７と、制御信号を受信し、駆動ユニットを作動させるための制御回路６８と、を含む。各駆動ユニット６３は独立して制御及び電動化され、器具ドライバ６２は、多数（図１２に示すように４つ）の独立した駆動出力を医療器具に提供してもよい。動作中、制御回路６８は、制御信号を受信し、モータ６６にモータ信号を送信し、エンコーダ６７によって測定された結果として得られたモータ速度を所望の速度と比較し、モータ信号を変調して所望のトルクを生成する。

無菌環境を必要とする処置のために、ロボットシステムは、器具ドライバと医療用器具との間に位置する、滅菌ドレープに接続された滅菌アダプタなどの駆動インターフェースを組み込んでもよい。滅菌アダプタの主な目的は、器具ドライバの駆動シャフトから器具の駆動入力部に角度運動を伝達する一方で、駆動シャフトと駆動入力部との間の物理的分離、したがって無菌性を維持することである。したがって、例示的な無菌アダプタは、器具ドライバの駆動シャフトと嵌合されることが意図された一連の回転入力部及び出力部と、器具に対する駆動入力部とで構成することができる。滅菌アダプタに接続される滅菌ドレープは、透明又は半透明プラスチックなどの薄い可撓性材料で構成され、器具ドライバ、ロボットアーム、及び（カートベースのシステムにおける）カート又は（テーブルベースのシステムにおける）テーブルなどの資本設備を覆うように設計される。ドレープの使用により、滅菌を必要としない領域（すなわち、非滅菌野）に依然として位置決めされている間に、資本設備を患者に近接して配置することが可能となる。滅菌ドレープの反対側では、医療用器具は、滅菌を必要とする領域（すなわち、滅菌野）において患者とインターフェースしてもよい。

Ｄ．医療用器具
図１３は、ペアの器具ドライバを備えた例示的な医療用器具を示す。ロボットシステムと共に使用するために設計された他の器具と同様に、医療用器具７０は、細長いシャフト７１（又は細長い本体）及び器具基部７２を含む。医師による手動相互作用が意図されているその設計により「器具ハンドル」とも呼ばれる器具基部７２は、一般に、ロボットアーム７６の遠位端部において器具ドライバ７５上の駆動インターフェースを通って延びる駆動出力部７４と嵌合するように設計された、回転可能な駆動入力部７３、例えば、レセプタクル、プーリ、又はスプールを含んでもよい。物理的に接続、ラッチ、及び／又は連結されるときに、器具基部７２の嵌合された駆動入力部７３は、器具ドライバ７５における駆動出力部７４と回転軸線を共有して、駆動出力部７４から駆動入力部７３へのトルクの伝達を可能にすることができる。いくつかの実施形態では、駆動出力部７４は、駆動入力部７３上のレセプタクルと嵌合するように設計されたスプラインを含んでもよい。

細長いシャフト７１は、例えば、内視鏡におけるような解剖学的開口部若しくは管腔、又は腹腔鏡検査におけるような低侵襲性切開部のいずれかを通して送達されるように設計される。細長いシャフト６６は、可撓性であってもよく（例えば、内視鏡と同様の特性を有する）、剛性であってもよく（例えば、腹腔鏡と同様の特性を有する）よく、又は可撓性部分及び剛性部分の両方のカスタマイズされた組み合わせを含んでもよい。腹腔鏡検査のために設計される場合、剛性の細長いシャフトの遠位端は、回転軸を有するクレビスから形成される接合された手首と、例えば、駆動入力部が器具ドライバ７５の駆動出力部７４から受け取ったトルクに応答して回転する際に、腱からの力に基づいて作動され得る把持具又ははさみである手術用ツールとを含むエンドエフェクタに接続され得る。内視鏡検査のために設計される場合、可撓性の細長いシャフトの遠位端部は、器具ドライバ７５の駆動出力部７４から受信したトルクに基づいて関節運動及び屈曲され得る操縦可能又は制御可能な屈曲部を含んでもよい。

器具ドライバ７５からのトルクは、シャフト７１内の腱を使用して細長いシャフト７１の下方に伝達される。プルワイヤなどのこれらの個々の腱は、器具ハンドル７２内の個々の駆動入力部７３に個別に固定されてもよい。ハンドル７２から、腱は、細長いシャフト７１内の１つ又は２つ以上のプルルーメン（pull lumen）の下方に指向され、細長いシャフト７１の遠位部分に固設される。腹腔鏡検査では、これらの腱は、手首、把持具、又ははさみなどの、遠位に装着されたエンドエフェクタに結合されてもよい。このような構成の下で、駆動入力部７３に及ぼされるトルクは、腱に張力を伝達し、それによってエンドエフェクタを何らかの方法で作動させる。腹腔鏡検査では、腱は、関節を軸周りに回転させることができ、それによってエンドエフェクタをいずれかの方向に移動させる。代替的に、腱は、細長いシャフト７１の遠位端部で把持具の１つ又は２つ以上のジョーに接続されてもよく、腱からの張力によって把持具が閉鎖される。

内視鏡検査では、腱は、接着剤、制御リング、又は他の機械的固定を介して、細長いシャフト７１に沿って（例えば、遠位端部に）位置決めされている屈曲部又は関節運動部に連結されてもよい。屈曲部の遠位端部に固定的に取り付けられる場合、駆動入力部７３に及ぼされるトルクは、腱の下流に伝達され、より軟質の屈曲部（関節運動可能部又は領域と呼ばれることがある）を屈曲又は関節運動させる。非屈曲部分に沿って、個々の腱を内視鏡シャフトの壁に沿って（又は内側に）向く個々のプルルーメンをねじ状又は渦巻状にして、プルワイヤにおける張力からもたらされる半径方向の力の釣り合いをとることが有利であり得る。これらの間のねじ及び／又は間隔の角度は、特定の目的のために変更又は設計されてもよく、より狭いねじは負荷力下でより小さいシャフト圧縮を呈する一方で、より少ない量のねじは負荷力下でより大きなシャフト圧縮をもたらすが、屈曲制限も示す。スペクトルのもう一方の端部では、プル管腔は、細長いシャフト７１の長手方向軸に平行に指向されてもよく、所望の屈曲又は関節運動可能部における制御された関節運動を可能にする。

内視鏡検査では、細長いシャフト７１は、ロボット処置を支援するいくつかの構成要素を収容する。シャフトは、シャフト７１の遠位端における手術領域への手術ツール、灌注、及び／又は吸引を展開するための作業チャネルを含んでもよい。シャフト７１は、光学カメラを含んでもよい遠位先端部の光学アセンブリとの間で信号の授受を行うために、ワイヤ及び／又は光ファイバも収容してもよい。シャフト７１は、発光ダイオードなどの近位に位置する光源からシャフトの遠位端部に光を搬送するための光ファイバも収容してもよい。

器具７０の遠位端部では、遠位先端部は、診断及び／又は治療、灌注、及び吸引のためにツールを手術部位に送達するための作業チャネルの開口部を含んでもよい。遠位先端部はまた、内部解剖学的空間の画像をキャプチャするために、ファイバスコープ又はデジタルカメラなどのカメラのためのポートを含んでもよい。関連して、遠位先端部はまた、カメラを使用する場合に解剖学的空間を照明するための光源用のポートを含んでもよい。

図１３の実施例では、駆動シャフト軸、したがって駆動入力軸は、細長いシャフトの軸に直交する。しかしながら、この配置は、細長いシャフト７１のロール能力を複雑にする。駆動入力部７３を静止させながら、細長いシャフト７１をその軸に沿ってロールさせることにより、駆動入力部７３から延出し、細長いシャフト７１内のプルルーメンに入る際に、腱の望ましくない絡まりをもたらす。そのような腱の得られたもつれは、内視鏡処置中の可撓性の細長いシャフトの移動を予測することを意図した任意の制御アルゴリズムを破壊することがある。

図１４は、駆動ユニットの軸が器具の細長いシャフトの軸に平行である、器具ドライバ及び器具の代替的な設計を示す。示されるように、円形の器具ドライバ８０は、ロボットアーム８２の端部において平行に位置合わせされた駆動出力部８１を備える４つの駆動ユニットを含む。駆動ユニット及びそれらのそれぞれの駆動出力部８１は、アセンブリ８３内の駆動ユニットのうちの１つによって駆動される器具ドライバ８０の回転アセンブリ８３内に収容される。回転駆動ユニットによって提供されるトルクに応答して、回転アセンブリ８３は、回転アセンブリ８３を器具ドライバの非回転部分８４に接続する円形ベアリングに沿って回転する。電力及び制御信号は、電気接点を通して器具ドライバ８０の非回転部分８４から回転アセンブリ８３に伝達されてもよく、ブラシ付きスリップリング接続（図示せず）による回転を通して維持されてもよい。他の実施形態では、回転アセンブリ８３は、非回転可能部分８４に一体化され、したがって他の駆動ユニットと平行ではない別個の駆動ユニットに応答してもよい。回転機構８３は、器具ドライバ８０が、器具ドライバ軸８５周りの単一ユニットとして、駆動ユニット及びそれらのそれぞれの駆動出力部８１を回転させることを可能にする。

先に開示した実施形態と同様に、器具８６は、細長いシャフト８８と、器具ドライバ８０内の駆動出力部８１を受けるように構成された複数の駆動入力部８９（レセプタクル、プーリ、及びスプールなど）を含む器具基部８７（考察目的で透明な外部スキンで示される）とを含んでもよい。先の開示した実施形態とは異なり、器具シャフト８８は、器具基部８７の中心から延び、軸は、図１３の設計にあるように直交するのではなく、駆動入力部８９の軸に実質的に平行である。

器具ドライバ８０の回転アセンブリ８３に連結されると、器具基部８７及び器具シャフト８８を含む医療用器具８６は、器具ドライバ軸８５を中心にして回転アセンブリ８３と一緒に回転する。器具シャフト８８は器具基部８７の中心に位置決めされているため、器具シャフト８８は、取り付けられたときに器具ドライバ軸８５と同軸である。したがって、回転アセンブリ８３の回転により、器具シャフト８８は、それ自体の長手方向軸を中心に回転する。更に、器具基部８７が器具シャフト８８と共に回転すると、器具基部８７内の駆動入力部８９に接続された任意の腱は、回転中に絡まらない。したがって、駆動出力部８１、駆動入力部８９、及び器具シャフト８８の軸の平行性は、制御腱を絡めることなくシャフト回転を可能にする。

Ｅ．ナビゲーション及び制御。
従来の内視鏡検査は、オペレータである医師に腔内誘導を提供するために、蛍光透視法（例えば、Ｃアームを通して送達され得るような）、及び他の形態の放射線ベースの撮像モダリティの使用を伴うことがある。対照的に、本開示によって企図されるロボットシステムは、放射線への医師の暴露を低減し、手術室内の機器の量を低減するために、非放射線ベースのナビゲーション及び位置特定手段を提供することができる。本明細書で使用するとき、用語「位置特定」は、基準座標系内のオブジェクトの位置を判定及び／又は監視することを指すことがある。術前マッピング、コンピュータビジョン、リアルタイムＥＭ追跡、及びロボットコマンドデータなどの技術は、放射線を含まない動作環境を達成するために個別に又は組み合わせて使用されてもよい。放射線ベースの撮像モダリティが依然として使用されるその他の場合、術前マッピング、コンピュータビジョン、リアルタイムＥＭ追跡、及びロボットコマンドデータは、放射線ベースの撮像モダリティによってのみ取得される情報を改善するために、個別に又は組み合わせて使用されてもよい。

図１５は、例示的な実施形態にかかる、器具の位置など、ロボットシステムの１つ又は２つ以上の要素の位置を推定する位置特定システム９０を示すブロック図である。位置特定システム９０は、１つ又は２つ以上の命令を実行するように構成されている１つ又は２つ以上のコンピュータデバイスの組であってもよい。コンピュータデバイスは、上で考察された１つ又は２つ以上の構成要素内のプロセッサ（又は複数のプロセッサ）及びコンピュータ可読メモリによって具現化されてもよい。例として、限定するものではないが、コンピュータデバイスは、図１に示されるタワー３０内にあってもよく、図１～図４に示されるカートであってもよく、図５～図１０に示されるベッドであってもよく、その他であってもよい。

図１５に示すように、位置特定システム９０は、入力データ９１～９４を処理して医療器具の遠位先端部の位置データ９６を生成する位置特定モジュール９５を含んでもよい。場所データ９６は、基準系に対する器具の遠位端部の場所及び／又は向きを表すデータ又は論理であってもよい。基準系は、患者の解剖学的構造、又はＥＭ場発生器（ＥＭ場発生器についての以下の考察を参照）などの既知の物体に対する基準系とすることができる。位置データ９６はまた、本明細書では、患者の解剖学的構造のモデル（例えば、骨格モデル）に対する医療器具の遠位先端部の現在の状態を説明する「状態データ」とも称され得る。状態データは、所与のサンプル期間にわたる医療器具の遠位先端部のポジション及び配向などの情報を含み得る。例えば、患者の解剖学的構造が、管腔網の中間点に基づいて骨格モデルを使用してモデル化される場合、その位置は、セグメントＩＤの形態及びセグメントに沿った深さを取り得る。

ここで、様々な入力データ９１～９４についてより詳細に説明する。術前マッピングは、低用量ＣＴスキャンの収集を利用して達成することができる。術前ＣＴスキャンは、例えば、患者の内部解剖学的構造の切欠き図の「スライス」として可視化される３次元（three-dimensional、３Ｄ）画像に再構成される。全体として分析される場合、患者の肺網などの患者の解剖学的構造の解剖学的空腔、空間、及び構造のための画像ベースのモデルが生成され得る。中心線幾何学形状などの技法を判定し、ＣＴ画像から概算して、術前モデルデータ９１と呼ばれる患者の解剖学的構造の３Ｄボリュームを生成することができる。中心線形状の使用は、米国特許出願第１４／５２３，７６０号で考察されており、その内容はその全体が本明細書に組み込まれる。ネットワーク位相モデルもまた、ＣＴ画像から導出されてもよく、気管支鏡検査に特に適している。

いくつかの実施形態では、器具はカメラを装備して、視覚データ９２を提供してもよい。位置特定モジュール９５は、視覚データを処理して、１つ又は２つ以上の視覚ベースの位置追跡を可能にしてもよい。例えば、術前モデルデータは、医療器具（例えば、内視鏡、又は内視鏡の作業チャネルを通って前進する器具）のコンピュータビジョンベースの追跡を可能にするために、視覚データ９２と共に使用されてもよい。例えば、術前モデルデータ９１を使用して、ロボットシステムは、内視鏡の予想される移動経路に基づいて、モデルから、予測される内視鏡画像のライブラリを生成することができ、各画像はモデル内の場所にリンクされる。手術中に、このライブラリは、カメラ（例えば、内視鏡の遠位端部でのカメラ）で捕捉されたリアルタイム画像を画像ライブラリ内のものと比較して、位置特定を支援するために、ロボットシステムによって参照することができる。

他のコンピュータビジョンベースの追跡技術は、追跡機能を使用して、カメラ、したがって内視鏡の動作を決定する。位置特定モジュール９５のいくつかの特徴は、解剖学的管腔に対応する術前モデルデータ９１内の円形幾何学形状を特定し、どの解剖学的管腔が選択されたかと、カメラの相対的な回転及び／又は並進運動とを判定するためにそれらの幾何学的形状の変化を追跡してもよい。位相マップの使用は、視覚ベースのアルゴリズム又は技術を更に向上させることがある。

光学フロー、別のコンピュータビジョンベースの技術は、カメラの移動を推測するために、視覚データ９２内のビデオシーケンス内の画像ピクセルの変位及び並進を分析してもよい。光学フロー技術の例としては、動作検出、オブジェクトセグメンテーション計算、輝度、動作補償符号化、立体視差測定などを挙げることができる。複数の反復にわたり多数のフレームを比較することにより、カメラ（及びしたがって内視鏡）の移動及び位置を判定することができる。

位置特定モジュール９５は、リアルタイムＥＭ追跡を使用して、術前モデルによって表される患者の解剖学的構造に登録され得るグローバル座標系内に、内視鏡のリアルタイムの場所を生成することができる。ＥＭ追跡では、医療器具（例えば、内視鏡器具）内に１つ又は２つ以上の位置及び配向で埋め込まれた１つ又は２つ以上のセンサコイルを構成するＥＭセンサ（又はトラッカ）は、既知の場所に位置付けられた１つ又は２つ以上の静的ＥＭ場発生器によって生成されるＥＭ場の変動を測定する。ＥＭセンサによって検出された位置情報は、ＥＭデータ９３として記憶される。ＥＭ場発生器（又は送信機）は、埋め込まれたセンサが検出し得る低強度磁場を生成するために、患者に近接して配置することができる。磁場はＥＭセンサのセンサコイル内に小さな電流を誘導し、ＥＭセンサとＥＭ場発生器との間の距離及び角度を判定するためにこの電流が分析され得る。これらの距離及び配向は、患者の解剖学的構造の術前モデル内の位置と座標系内の単一の位置を整合させる幾何学的変換を決定するために、患者の解剖学的構造（例えば、術前モデル）に術中「位置合わせ」することができる。一旦登録されると、医療用器具の１つ又は２つ以上の位置（例えば、内視鏡の遠位先端部）に埋め込まれたＥＭトラッカは、患者の解剖学的構造を通る医療用器具の進行のリアルタイム表示を提供することができる。

ロボットコマンド及び運動学データ９４はまた、ロボットシステムのための位置特定データ９６を提供するために、位置特定モジュール９５によって使用されてもよい。関節運動コマンドから生じるデバイスピッチ及びヨーは、術前較正中に判定することができる。術中、これらの較正測定値は、既知の挿入深度情報と組み合わせて使用されて、器具の位置を推定することができる。代替的には、これらの計算は、ＥＭ、視覚、及び／又は位相モデリングと組み合わせて分析して、ネットワーク内の医療用器具の位置を推定し得る。

図１５が示すように、いくつかの他の入力データが、位置特定モジュール９５によって使用することができる。例えば、図１５には示されていないが、形状感知ファイバを利用する器具は、位置特定モジュール９５が器具の位置及び形状を判定するために使用することができる形状データを提供することができる。

位置特定モジュール９５は、入力データ９１～９４を組み合わせて使用することができる。場合によっては、このような組み合わせは、位置特定モジュール９５が入力データ９１～９４の各々から判定された場所に信頼重み（confidence weight）を割り当てる確率的アプローチを使用し得る。したがって、ＥＭデータが信頼でき得ない場合（ＥＭ干渉が存在する場合など）、ＥＭデータ９３によって判定された場所の信頼性を低下させることになり、位置特定モジュール９５は、視覚データ９２並びに／又はロボットコマンド及び運動学データ９４により重く依存してもよい。

上で考察されるように、本明細書で考察されるロボットシステムは、上述の技術のうちの１つ又は２つ以上の組み合わせを組み込むように設計することができる。タワー、ベッド、及び／又はカートをベースとするロボットシステムのコンピュータベースの制御システムは、例えば、永続的な磁気記憶ドライブ、ソリッドステートドライブなどの非一時的コンピュータ可読記憶媒体内に、コンピュータプログラム命令を記憶してもよく、コンピュータプログラム命令は、実行されると、システムに、センサデータ及びユーザコマンドを受信及び分析させ、システム全体の制御信号を生成させ、グローバル座標系内の器具の位置、解剖学的マップなどのナビゲーション及び位置特定データを表示させる。

２．位置センサの位置合わせの概要
本開示の実施形態は、１つ又は２つ以上の位置センサによって使用される座標系を、解剖学的モデルによって使用される座標系などの別の座標系と位置合わせするためのシステム及び技法に関する。位置合わせは、位置センサデータに適用されて、位置センサデータを解剖学的モデルの座標系にマッピングすることができる変換を指し得る。したがって、位置合わせは、位置センサデータに基づいて解剖学的モデルに対する１つ又は２つ以上の位置センサの位置を判定するために、システムによって使用され得る。位置センサを使用して、医療処置中に器具の遠位端を解剖学的位置に位置特定することができる。位置センサは、器具の遠位端に若しくはその近くに位置決めされてもよく、又は器具の遠位端から離れて位置決めされてもよい。器具の遠位端に又はその近くに位置決めされ得る位置センサの例としては、ＥＭセンサ、ビジョンベースの位置センサ（例えば、カメラ）、形状感知繊維等が挙げられる。器具の遠位端から離れて位置決めされ得る位置センサの例としては、Ｘ線透視撮像デバイス、１つ又は２つ以上の器具マニピュレータを介して器具のポジションを制御するために使用されるロボットデータ等が挙げられる。

位置センサは、位置センサ座標系に対する器具の遠位端のポジションを示す位置データを生成するように構成されてもよい。位置センサが器具の遠位端と並置されるとき、位置データは、位置センサ自体の位置を表すことができ、これを使用して器具の遠位端の位置を判定することができる。ある特定の実施形態では、位置センサ座標系は、位置センサを実現するために使用される特定の技術に基づいて画定され得る、軸及び起点のセットを含んでもよい。

例えば、器具内又は器具上に位置するＥＭセンサは、ＥＭ場発生器によって生成されたＥＭ場を測定するように構成され得る。ＥＭ場の特性、したがってＥＭセンサによって測定されるＥＭ値は、ＥＭ場発生器の位置及び配向に関して定義され得る。したがって、ＥＭ場発生器の位置決めは、ＥＭセンサによって測定された値に影響を及ぼすことができ、ＥＭ座標系の位置及び配向を定義することもできる。

上述のように、患者の管腔網は、例えば、低用量ＣＴスキャンを使用して術前にマッピングされて、管腔網のモデルを生成することができる。モデルは、器具の遠位端の位置を特定するために使用されるものとは異なる技法を介して生成され得るため、モデル座標系は、位置センサ座標系と整合されなくてもよい。したがって、位置センサ座標系を使用して、モデルに対する器具の位置を追跡するために、本開示のある特定の態様は、位置センサ座標系をモデル座標系に「位置合わせすること」に関する。この位置合わせは、例えば、位置データを位置センサ座標系からモデル座標系にマッピングするために位置データに適用することができる、並進及び／又は回転を含んでもよい。

管腔網のモデルは、患者の管腔網のマッピングを提供するため、モデル座標系は、患者に対して「固定」又は定義される。すなわち、モデル座標系に関する基準系は、処置中の患者の位置及び／又は配向に基づく。位置センサ座標系をモデル座標系に位置合わせする１つの課題は、位置センサ座標系に関する基準系が、患者に対して「固定」又は既定されていない場合があることである。例えば、位置センサがＥＭセンサとして具現化されるとき、ＥＭ座標系の基準系は、ＥＭ場発生器であってもよい。しかしながら、ある特定の実施態様では、ＥＭ場発生器は、ＥＭ場発生器がロボット外科用システム（例えば、ロボットアーム、Ｃアーム等）の他の要素の経路から外れて位置決めされ得るように、ある特定の領域内に自由に位置決めされてもよい。ＥＭ場発生器のポジション、したがってＥＭ座標系の基準系は予め定義されていないため、ＥＭ座標系をモデル座標系に位置合わせするためのプロセスを実行するように構成され得る。

ＥＭ座標系をモデル座標系に位置合わせするための１つの技法は、術前モデル内の複数の位置を特定する術前工程と、器具をこれらの位置の各々に駆動するためにユーザに命令を提供する術中工程と、を含み得る。システムは、他の形態のナビゲーション（例えば、カメラフィードバック）に依存して、器具を位置の各々に駆動するようにユーザに指示することができ、システムは、器具が識別された位置の各々に位置するときを確認する、ユーザからの入力を受信するように更に構成されてもよい。ユーザから受信した確認、ＥＭデータ、及びモデル内の特定された位置を使用して、システムは、ＥＭデータを識別された位置にマッピングする位置合わせを判定することができる。次いで、この位置合わせを使用して、器具の遠位端の位置を表すＥＭデータを、処置の残りの部分についてモデルにマッピングすることができる。

しかしながら、上記の位置合わせプロセスは、ユーザにとって複雑で時間がかかる場合がある。例えば、十分にロバストな位置合わせを提供するために、システムは、空間的に多様である比較的多数の位置（例えば、６つ以上の位置）を識別するために必要とされ得る（例えば、識別された位置は、互いに少なくとも一定の距離だけ離れている必要があり得る）。したがって、本開示のある特定の態様は、簡略化されたプロセスを介して位置センサ座標系とモデル座標系との間の位置合わせを提供し得るシステム及び技法に関する。

Ａ．ＥＭナビゲーション案内気管支鏡。
以下、ＥＭナビゲーション誘導気管支鏡処置で使用するためのＥＭセンサの位置合わせの実施形態に関して、位置センサの位置合わせについて説明する。しかしながら、本開示の態様はまた、対応する位置センサ座標系内の位置データを生成することができる他の位置センサ、並びに他の医療種類の医療処置にも適用され得る。

気管支鏡は、医師が患者の気管及び気道を検査することを可能にする光源及び小型カメラを含むことができる。患者の気道内の気管支鏡の正確な位置が知られていない場合、患者の外傷が起こり得る。気管支鏡の位置を確認するために、画像ベースの気管支鏡誘導システムは、気管支鏡カメラからのデータを使用して、患者の気道の分岐において局所位置合わせ（例えば、管腔網内の特定の位置での位置合わせ）を実行することができ、したがって有利に、患者の呼吸運動による位置誤差の影響を受けにくい可能性がある。しかしながら、画像ベースの誘導法は気管支鏡ビデオに依存するため、患者の咳又は粘液閉塞等によって引き起こされる気管支鏡ビデオのアーチファクトによって影響を受ける可能性がある。

ＥＭナビゲーション誘導気管支鏡検査は、ＥＭ技術を実施して、肺の気管支経路を通して内視鏡用具又はカテーテルを位置特定及び誘導するためにＥＭ技術を実施する気管支鏡処置の種類である。ＥＭナビゲーション誘導気管支鏡システムは、低強度の可変ＥＭ場を放出し、患者の管腔網の周囲の追跡ボリュームのポジションを確立するＥＭ場発生器を使用することができる。ＥＭ場は、電界付近における荷電物体の挙動に影響を及ぼす、荷電物体によって生成される物理場である。生成された電界内に位置決めされたときに器具に取り付けられたＥＭセンサを使用して、ＥＭ場内の器具の位置及び配向を追跡することができる。小さな電流は、様々なＥＭ場によってＥＭセンサ内に誘導される。これらの電気信号の特性は、センサとＥＭ場発生器との間の距離及び角度に依存する。したがって、ＥＭナビゲーション誘導気管支鏡システムは、ＥＭ場発生器と、その遠位先端に又はその近くに１つ又は２つ以上のＥＭセンサを有する操縦可能な器具と、誘導コンピューティングシステムと、を含むことができる。ＥＭ場発生器は、ナビゲートされる患者の管腔網、例えば、気道、胃腸管、又は循環経路の周囲にＥＭ場を生成する。操縦可能なチャネルは、気管支鏡の作業チャネルを通して挿入され、ＥＭセンサを介してＥＭ場内で追跡される。

ＥＭナビゲーション誘導気管支鏡検査処置の開始前に、例えば、術前ＣＴ胸部スキャンから、患者の特定の気道構造に対して仮想３Ｄ気管支モデルを得ることができる。モデル及びＥＭナビゲーション誘導気管支鏡システムを使用して、医師は、生検病変に対する肺内の所望の位置にナビゲートし、リンパ節をステージ分類し、放射線療法を誘導するか又は近接照射療法カテーテルを誘導するためのマーカーを挿入することができる。例えば、ＥＭ座標系とモデル座標系との間のマッピングを生成するために、処置の開始時に位置合わせを実行することができる。したがって、気管支鏡検査中に器具が追跡されると、モデル座標系内の器具のポジションは、ＥＭセンサからのポジションデータに基づいて名目上既知になる。

図１６Ａは、開示されたナビゲーションシステム及び技法の１つ又は２つ以上の態様を実施する例示的な動作環境１００を示す。動作環境１００は、患者１０１、患者１０１を支持するプラットフォーム１０２、器具１１５の動きを誘導する外科用又は医療用ロボットシステム１１０、ロボットシステム１１０の動作を制御するためのコマンドセンター１０５、ＥＭコントローラ１３５、ＥＭ場発生器１２０、及びＥＭセンサ１２５、１３０を含む。図１６Ａはまた、図１６Ｂにより詳細に示される、患者１０１内の管腔網１４０の領域の輪郭も示す。

システム１１０は、患者１０１の管腔網１４０を通して器具１１５の移動を位置決め及び案内するための１つ又は２つ以上のロボットアームを含むことができる。コマンドセンター１０５は、位置データを受信するために及び／又はユーザからの制御信号を提供するために、ロボットシステム１１０に通信可能に結合することができる。本明細書で使用するとき、「通信可能に結合する」は、無線ワイドエリアネットワーク（wireless wide area network、ＷＷＡＮ）（例えば、１つ又は２つ以上のセルラーネットワーク）、無線ローカルエリアネットワーク（wireless local area network、ＷＬＡＮ）（例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１（Ｗｉ－Ｆｉ）などの１つ又は２つ以上の規格用に構成される）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、データ転送ケーブル、及び／又は同類のものが挙げられるが、これらに限定されない、任意の有線及び／又は無線データ転送媒体を指す。ロボットシステム１１０は、図１～図１５に関連して上述されるシステムのうちのいずれかであり得る。システム１１０の実施形態は、図１６Ｃに関してより詳細に論じられ、コマンドセンター１０５は、図１７に関してより詳細に論じられる。

器具１１５は、患者の解剖学的構造内に挿入されて解剖学的構造（例えば、体組織）の画像をキャプチャし、ターゲット組織部位に他の医療器具を挿入するための作業チャネルを提供する、管状で可撓性の外科用器具であり得る。上述したように、器具１１５は、処置特有の内視鏡、例えば、気管支鏡、胃鏡、若しくは尿管鏡であり得るか、又は腹腔鏡若しくは血管操縦可能なカテーテルであり得る。器具１１５は、その遠位端に１つ又は２つ以上の撮像デバイス（例えば、カメラ又は他のタイプの光学センサ）を含むことができる。撮像デバイスは、光ファイバ、ファイバアレイ、感光性基板、及び／又はレンズ（複数可）などの、１つ又は２つ以上の光学構成要素を含み得る。光学構成要素は、器具１１５の先端部と共に移動するため、器具１１５の先端部が移動すると、撮像デバイスによってキャプチャされる画像の視野に、対応する変化がもたらされる。器具１１５の遠位端には、管腔網１４０の周りに生成されたＥＭ場内の遠位端のポジションを追跡するための１つ又は２つ以上のＥＭセンサ１２５が設けられ得る。器具１１５の遠位端は、以下の図１８を参照して更に説明される。

ＥＭコントローラ１３５は、ＥＭ場発生器１２０を制御して、様々なＥＭ場を生成することができる。ＥＭ場は、実施形態によって、時間的に変動し得、及び／又は空間的に変動し得る。いくつかの実施形態では、ＥＭ場発生器１２０は、ＥＭ場発生ボードであり得る。開示される患者ナビゲーションシステムのいくつかの実施形態は、患者と患者を支持するプラットフォーム１０２との間に位置決めされたＥＭ場発生器ボードを使用することができ、ＥＭ場発生器ボードは、それより下に位置する導電性又は磁気性材料によって引き起こされる何らかの追跡歪みを最小限に抑える薄いバリアを組み込むことができる。他の実施形態では、ＥＭ場発生器ボードは、例えばロボットシステム１１０に示されるものに類似する、ロボットアーム上に装着することができ、これは、患者の周りの柔軟なセットアップオプションを提供することができる。

図１６Ｂは、図１６Ａの手術環境１００内でナビゲートすることができる例示的な管腔網１４０を示す。管腔網１４０は、患者１０１の気道１５０の分岐構造と、主竜骨１５６（典型的には、気管支検鏡法ナビゲーション中に遭遇する第１の分岐）につながる気管１５４と、診断及び／又は処置ために本明細書で説明するようアクセスすることができる小結節（又は病変）１５５と、を含む。例示されるように、小結節１５５は、気道１５０の末端部に位置する。器具１１５は、第１の直径を有するシース１４１を備えることができ、したがって、シース１４１の遠位端は、小結節１５５の周りのより小さい直径の気道を通して位置付けることができない。したがって、スコープ１４５は、器具１１５の作業チャネルから、小結節１５５までの残りの距離全体にわたって延在する。スコープ１４５は、器具、例えば、生検針、細胞ブラシ、及び／又は組織サンプリング鉗子を小結節１５５のターゲット組織部位まで通すことができる管腔を有することができる。そのような実施態様では、シース１４１の遠位端及びスコープ１４５の遠位端のどちらにも、気道１５０内のそれらのそれぞれの位置を追跡するためのＥＭセンサが設けられ得る。

いくつかの実施形態では、本明細書に記載される３Ｄ管腔網モデルの２Ｄ表示、又は３Ｄモデルの断面は、図１６Ｂに類似し得る。推定位置情報は、そのような表現の上へ重ね合わせることができる。

図１６Ｃは、図１６Ｂの管腔網１４０を通る器具の移動を誘導するためのロボットシステム１１０の例示的ロボットアーム１７５を示す。ロボットアーム１７５は、いくつかの実施形態で上述したロボットアーム１２、３９を含むことができ、様々な実施形態では、患者プラットフォーム３８のカート基部１５、カラム３７又はシーリングベースのマウントを含むことができる基部１８０に結合される。上述のように、ロボットアーム１７５は、ロボットアーム１７５を複数の自由度で提供する連結部１６５に結合された複数のアームセグメント１７０を含む。

ロボットアーム１７５は、例えば、機構交換インターフェース（mechanism changer interface、ＭＣＩ）１６０を使用して、器具マニピュレータ１９０、例えば、上述の器具マニピュレータ６２に結合されてもよい。器具マニピュレータ１９０は、除去され、異なるタイプの器具マニピュレータ、例えば、内視鏡を操作するように構成された第１のタイプの器具マニピュレータ、又は腹腔鏡を操作するように構成された第２のタイプの器具マニピュレータと交換することができる。ＭＣＩ １６０は、空気圧、電力、電気信号、及び光信号をロボットアーム１７５から器具ドライバ１９０に伝達するためのコネクタを含む。ＭＣＩ１６０は、止めねじ又は基部プレートコネクタであり得る。器具マニピュレータ１９０は、直接駆動、高調波駆動、ギア駆動、ベルト及びプーリ、磁気ドライブ等を含む技法を使用して、器具、例えば器具１１５を操作する。ＭＣＩ １６０は、器具マニピュレータ１９０のタイプに基づいて交換可能であり、ある特定のタイプの外科処置のためにカスタマイズされ得る。ロボット１７５アームは、関節レベルトルク感知器及び遠位端における手首部を含むことができる。

ロボットシステム１１０のロボットアーム１７５は、器具１１５の先端を偏向させるために、上述のように腱を使用して器具１１５を操作することができる。器具１１５は、細長い運動部材によって印加される力に応答して、非直線的挙動を呈し得る。非直線的挙動は、器具１１５の剛性及び圧縮性、並びに異なる細長い運動部材どうしの間の緩み又は剛性の変動性に基づくものであり得る。

基部１８０は、ロボットアーム１７５が患者に対して外科処置を実施又は支援するためのアクセスを有するように位置決めされ得るが、一方で医師などのユーザは、コマンドコンソールから快適に、ロボットシステム１１０を制御し得る。ベース１８０は、図１６Ａに示されるコマンドコンソール１０５に通信可能に結合することができる。

基部１８０は、電源１８２、空気圧源１８６、制御系及びセンサ電子機器１８４（中央処理ユニット、データバス、制御回路、及びメモリなどの構成要素を含む）、並びに関連するアクチュエータ（ロボットアーム１７５を動かすためのモータなど）を含み得る。電子機器１８４は、本明細書に記載されるナビゲーション制御技法を実施することができる。基部１８０内の電子機器１８４はまた、コマンドコンソールから伝達される制御信号を処理及び送信してもよい。いくつかの実施形態では、基部１８０は、ロボットシステム１１０を搬送するためのホイール１８８と、ホイール１８８用のホイールロック／ブレーキ（図示せず）と、を含む。ロボットシステム１１０の可動性は、外科手術室における空間制約に順応する助けとなり、かつ外科用装置の適切な位置決め及び移動を容易にする助けとなる。更に、この可動性により、ロボットアーム１７５が、患者、医師、麻酔科医、又はいかなる他の装置とも干渉しないように、ロボットアーム１７５を構成することが可能となる。手術中、ユーザは、制御デバイス、例えばコマンドコンソールを使用して、ロボットアーム１７５を制御し得る。

図１７は、例えば例示的な手術環境１００においてコマンドコンソール１０５として使用することができる、例示的なコマンドコンソール２００を示す。コマンドコンソール２００は、コンソール基部２０１と、１つ又は２つ以上のディスプレイ２０２（例えば、モニタ）と、１つ又は２つ以上の制御モジュール（例えば、キーボード２０３及びジョイスティック２０４）と、を含み得る。いくつかの実施形態では、コマンドモジュール２００の機能のうちの１つ又は２つ以上は、ロボットシステム１１０の基部１８０、又は外科用ロボットシステム１１０に通信可能に結合された別のシステムに統合され得る。ユーザ２０５、例えば、医師は、コマンドコンソール２００を使用して、人間工学的位置からロボットシステム１１０を遠隔制御する。

コンソールベース２０１は、例えば、図１６Ａ～図１６Ｃに示される器具１１５からのカメラ撮像データ及び追跡センサデータなどの信号の解釈及び処理に関与する、中央処理ユニット、メモリユニット、データバス、及び関連データ通信ポートを含んでもよい。いくつかの実施形態では、コンソール基部２０１及び基部１８０はどちらも、負荷平衡化のための信号処理を実行する。コンソール基部２０１はまた、ユーザ２０５によって制御モジュール２０３及び２０４を通じて提供されるコマンド及び命令を処理してもよい。図１７に示されるキーボード２０３及びジョイスティック２０４に加えて、制御モジュールは、他のデバイス、例えば、コンピュータマウス、トラックパッド、トラックボール、制御パッド、ハンドヘルドリモートコントローラなどのコントローラ、並びにハンドジェスチャ及び指ジェスチャをキャプチャするセンサ（例えば、モーションセンサ又はカメラ）を含み得る。コントローラは、器具の動作（例えば、関節運動、駆動、灌水、など）をマッピングする、又はそれにリンクされた、一組のユーザ入力（例えば、ボタン、ジョイスティック、方向パッドなど）を含むことができる。

ディスプレイ２０２としては、電子モニタ（例えば、液晶ディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、タッチセンシティブディスプレイ）、仮想現実視覚デバイス（例えばゴーグル若しくは眼鏡）、及び／又は他のディスプレイデバイスが挙げられ得る。いくつかの実施形態では、ディスプレイモジュール２０２は、例えば、タッチスクリーンを有するタブレット装置として、制御モジュールに統合される。いくつかの実施形態では、ディスプレイ２０２のうちの一方は、患者の管腔網及び仮想ナビゲーション情報（例えば、ＥＭセンサのポジションに基づくモデル内の内視鏡の端部の仮想表現）の３Ｄモデルを表示することができ、一方で、ディスプレイ２０２のうちの他方は、器具１１５の端部におけるカメラ又は別の感知デバイスから受信した画像情報を表示することができる。いくつかの実装形態では、ユーザ２０５は、統合されたディスプレイ２０２及び制御モジュールを使用して、データを見ることと、システム１１０へのコマンド入力の両方を行うことができる。ディスプレイ２０２は、立体デバイス、例えば、バイザ又はゴーグルを使用して、３Ｄ画像の２Ｄレンダリング及び／又は３Ｄ画像を表示することができる。３Ｄ画像は、患者の解剖学的構造を示すコンピュータ３Ｄモデルである「エンドビュー」（すなわち、内視鏡ビュー）を提供する。「エンドビュー」は、患者の内部の仮想環境、及び患者の内部における器具１１５の予想される位置を提供する。ユーザ２０５は、「エンドビュー」モデルを、カメラによってキャプチャされた実際の画像と比較して、器具１１５が患者の体内の正しい（又は概ね正しい）位置にあるように、頭の中において方向付けし確認する助けとする。「エンドビュー」は、器具１１５の遠位端の周りの解剖学的構造、例えば、患者の気道、循環血管、又は腸若しくは結腸の形状に関する情報を提供する。ディスプレイモジュール２０２は、器具１１５の遠位端の周りの解剖学的構造の３Ｄモデル及びＣＴスキャンを同時に表示することができる。更に、ディスプレイモジュール２０２は、器具１１５の既に判定したナビゲーション経路を、３Ｄモデル及びＣＴスキャン画像に重ね合わせることができる。

いくつかの実施形態では、外科処置の状態を示すのを支援するために、器具１１５のモデルが３Ｄモデルと共に表示される。例えば、ＣＴスキャンにより、生検が必要であり得る解剖学的構造にある病変が識別される。動作中、ディスプレイモジュール２０２は、器具１１５の現在の位置に対応する、器具１１５によってキャプチャされた基準画像を示すことができる。ディスプレイモジュール２０２は、ユーザ設定及び特定の外科処置に応じて、器具１１５のモデルの異なるビューを自動的に表示することができる。例えば、ディスプレイモジュール２０２は、器具１１５が患者の手術領域に接近する際のナビゲーション工程中には、器具１１５の頭上からのＸ線透視図を示す。

図１８は、本明細書に記載されるような撮像及びＥＭ検知能力を有する例示的な器具、例えば、図１６Ａ～図１６Ｃの器具の１１５の遠位端３００を示す。図１８では、器具の遠位端３００は、撮像デバイス３１５、照明源３１０、及びＥＭセンサコイル３０５の端部を含む。遠位端３００は、内視鏡の作業チャネル３２０への開口部を更に含み、この開口部を通して、生検針、細胞学的ブラシ、及び鉗子などの外科用器具が内視鏡シャフトに沿って挿入され得、内視鏡先端付近の領域へのアクセスを可能にする。

遠位端３００上に位置するＥＭコイル３０５は、ＥＭ追跡システムと共に使用されて、解剖学的システム内に配置されている間に内視鏡の遠位端３００のポジション及び配向を検出することができる。いくつかの実施形態では、コイル３０５は、異なる軸に沿ってＥＭ場に感度を提供するように角度付けされてもよく、開示されたナビゲーションシステムに、完全な６つの自由度（３つの位置自由度及び３つの角度自由度）を測定する能力を与える。他の実施形態では、単一のコイルのみが遠位端３００上又は内部に配置されてもよく、その軸は器具の内視鏡シャフトに沿って配向されてもよい。そのようなシステムの回転対称性に起因して、その軸を中心にロールすることは非感受性であり、そのような実施態様においては５つの自由度だけが検出され得る。

Ｂ．位置センサ位置合わせのための技法
上述のように、位置センサを使用して、医療処置中に器具が駆動される患者の解剖学的構造のモデルに対して器具の一部分（例えば、器具の遠位端）の位置を追跡することができる。モデルは、術前測定値に基づいて生成されてもよく、位置センサは、独立座標系に基づいて機能し得ることを理解されたい。位置センサを使用して器具の位置を正確に判定するために、位置センサ座標系は、モデル座標系に位置合わせされ、これは、位置センサからの測定に適用されて、モデル座標系内の対応するポジションに到達することができる変換を提供する。図１７は、例えば、例示的な動作環境１００内のコマンドコンソール１０５として使用することができる例示的なコマンドコンソール２００を示す。コマンドコンソール２００は、コンソールベース２０１、１つ又は２つ以上のディスプレイ２０２（例えば、モニタ）、及び１つ又は２つ以上の制御モジュール（例えば、キーボード２０３及びジョイスティック２０４）を含み得る。いくつかの実施形態では、コマンドモジュール２００の機能のうちの１つ又は２つ以上は、ロボットシステム１１０の基部１８０、又は外科用ロボットシステム１１０に通信可能に結合された別のシステムに統合され得る。ユーザ２０５、例えば、医師は、コマンドコンソール２００を使用して、人間工学的位置からロボットシステム１１０を遠隔制御する。

ある特定の実施態様では、位置センサ座標系は、器具が患者の解剖学的構造内で駆動されている間に取られた位置センサデータに基づいて、モデル座標系に位置合わせすることができる。位置センサ座標系を解剖学的構造のモデルの座標系に位置合わせするために必要とされるデータの量及び種類は、所与の解剖学的構造の形状に依存し得る。例えば、位置センサ座標系をモデル座標系に位置合わせするための１つの技法は、位置センサから受信したデータの履歴を維持することと、位置データ履歴によって形成された形状を、解剖学的構造のモデルに基づいて器具が移動することができる候補経路に一致させることとを伴う。この技法は、ある特定の量の非対称性を有する解剖学的構造のための位置センサ座標系とモデル座標系との間の位置合わせを見つけることにおいて、より成功し得る。

図１９は、本開示の態様に従って、位置センサの位置合わせを実行することができる、例示的な管腔網を示す。図１９の実施形態では、図示された管腔網４００は、患者の気道に対応しており、第１代気道４０５（例えば、気管）を含み、この気道は主竜骨４１０において２つの第２代気道４１５及び４２０（例えば、一次気管支）に分岐する。また、システムが医療処置中に器具を駆動することができるターゲット４２５（例えば、管腔網４００内の病変又は小結節）も示されている。ターゲット経路４３０は、器具がターゲット４２５に到達するように駆動され得る計画された経路を提供する。実施形態に応じて、システムは、管腔網４００の術前にスキャンされたモデル及びターゲット４２５の位置に基づいて、ターゲット経路４２５を自動的に生成してもよい。他の実施形態では、ターゲット経路４２５は、術前計画中にユーザによって選択されてもよい。システムは、ディスプレイ上のモデルに対するターゲット経路４３０の例示を表示して、器具を駆動しターゲット４２５に到達させる方向の指標をユーザに提供することができる。ある特定の実施形態では、ターゲット経路４３０は、管腔網の同じ部分を１回より多く横断しない（すなわち、ターゲット経路４２５を横断することは、管腔網のセグメントの下方に前進させ、器具を同じセグメントに沿って後退させることを伴わない）、ターゲット４２５への直接経路のみを含んでもよい。

理解されるように、第２代分岐４１５及び４２０によって画定される気道は対称でなくてもよいが、代わりに、異なる長さを有し、第１代気道４０５と異なる角度を形成してもよい。本開示によるある特定の位置合わせ技法では、いわゆる対側位置合わせは、分岐４１５と４２０との間のこの非対称性を活用して器具の位置合わせを改善する。実施形態は、器具を対側経路４３５に沿って駆動することによって非対称性を活用することができ、これは、器具を、ターゲット経路４３０上の気道と対側である第２代気道４１５に駆動して、第１代気道４０５に引き戻し、次いで経路４３０上の第２代気道に駆動することを含み得る。以下に論じられるように、実施形態は、対側分岐４１５を自動的に検出し、対側分岐４１５に沿って器具によって横断される距離が十分であるときに自動的に判定することなどの、対側位置合わせを容易にする特徴を追加的に含んでもよい。

対側経路４３５の使用をより良く説明するために、位置合わせプロセス中に位置センサからのデータ出力によって画定される経路又はトレース（対側経路４３５を含む）を、管腔網４００のモデルによって画定される様々な形状と比較することができる。管腔網４００によって形成された非対称形状により、位置合わせプロセス中に位置センサデータによって画定される経路は、管腔網４００のモデルの単一部分、すなわち、第１代気道４０５及び第２代気道４１５及び４２０の各々によって画定される形状に固有に対応し得る。したがって、位置センサ座標系とモデル座標系との間の位置合わせは、位置合わせプロセス中に位置センサデータ（例えば、対側経路４３５）によって画定される経路又はトレースと、第１代気道４０５及び第２代気道４１５及び４２０の各々によって画定される形状との間の変換に基づいて画定されてもよい。

図１９は、管腔網の実施形態として患者の気道の例を提供するが、本開示の態様はまた、他の管腔網をナビゲートするために使用される位置センサ、特に、少なくとも部分的に非対称である管腔網の位置合わせにも適用され得る。例えば、本開示の態様は、胃腸管網、尿路、血管網等に適用され得る。したがって、本開示の態様は、器具を管腔網内の非対称経路の少なくとも一部分に沿って駆動している間に受信された位置データに基づいた位置センサの位置合わせに関する。

図２０Ａは、本開示の態様による、位置センサ座標系を対側に位置合わせするための、外科用ロボットシステム又はその構成要素によって動作可能な例示的方法を示すフローチャートである。図２０Ａに示される方法５００の工程は、外科用ロボットシステムのプロセッサによって実行され得ることを理解されたい。便宜上、方法５００は、システムのプロセッサによって実行されるものとして記載される。方法５００の様々な工程の説明に関連する場合、以下の方法５００の一実施形態を説明するために、図１９に示される管腔網４００を参照する。

プロセッサは、１つ又は２つ以上の位置センサのセットを有する器具を含むシステムの一部として含まれてもよい。位置センサのセットは、位置センサ座標系内の位置センサのセットのポジションを示す位置データを生成するように構成されてもよい。位置センサは、器具の遠位端に又はその近くに位置してもよく（例えば、図１８を参照）、したがって位置データは、器具の遠位端の位置を示すことができる。システムは、器具の遠位端の移動を制御するように構成された器具マニピュレータのセットと、プロセッサと通信し、患者の管腔網のモデルを記憶した少なくとも１つのコンピュータ可読メモリと、を更に含んでもよい。モデルは、モデル座標系内のターゲット及びターゲットへの経路を含んでもよい。メモリは、プロセッサのセットに方法５００を実行させるために、コンピュータ実行可能命令を更に記憶していてもよい。

方法５００は、ブロック５０１において開始する。ブロック５０５において、プロセッサは、器具を管腔網の第１の分岐（例えば、対側分岐４１５）に沿って駆動するように、第１のコマンドセットを器具マニピュレータのセットに提供する。いくつかの実施形態では、第１のコマンドセットは、１つ又は２つ以上のユーザ入力デバイスのセットから受信したユーザ入力に基づいて生成されてもよい。したがって、プロセッサは、位置合わせプロセスに関連付けられた移動のセットに従うための（例えば、器具を対側位置合わせ経路４３５の第１の部分に沿って駆動するための）命令を含む、ユーザ命令をユーザに提供することができる。次いで、システムは、ユーザ命令に対応するユーザ入力を受信し、第１の分岐に沿った器具の移動のために第１のコマンドセットを生成することができる。図１９に示されるように、第１の分岐４１５は、ターゲット経路４３０の外側でターゲット４３０に位置する。したがって、第１のコマンドセットは、器具マニピュレータに、器具を対側位置合わせ経路４３５の第１の部分に沿って対側分岐４１５の下方に駆動させることができる。

ブロック５１０において、プロセッサは、器具を第１の分岐に沿って駆動する間に、１つ又は２つ以上の位置合わせパラメータのセットを追跡する。位置合わせパラメータは、システムによって追跡され、位置センサ座標系とモデル座標系との間の位置合わせを実行するために、システムによって十分なデータが収集されたかどうかを判定するために使用され得る任意のデータであってもよい。ブロック５１５において、プロセッサは、位置合わせパラメータのセットが位置合わせ基準を満たすことを判定する。位置合わせ基準を満たす位置合わせパラメータは、対側分岐４１５に沿って十分な距離を移動する器具を示してもよく、位置合わせプロセスは、器具がターゲット経路４３０に後退して戻る状態で継続することができる。位置合わせパラメータを追跡し、位置合わせパラメータが位置合わせ基準を満たすかどうかを判定するためのより詳細な実施形態が、図２０Ｂに関連して以下に提供される。

ブロック５２０において、プロセッサは、器具をターゲット経路４３０に戻し、器具を第２の分岐（例えば、側方分岐４２０）に沿って駆動するように、第２のコマンドセットを器具マニピュレータのセットに提供する。図１９に示すように、分岐４２０は、ターゲット４２５へのターゲット経路４３０に沿って位置する。プロセッサは、器具を、側方分岐４２０を下り続ける対側位置合わせ経路４３５の残りの部分に沿って駆動してもよい。

ブロック５２５において、プロセッサは、器具を第１の分岐及び第２の分岐に沿って（例えば、対側位置合わせ経路４３５に沿って）駆動する間に、位置センサのセットから受信した位置データに基づいて、位置センサ座標系とモデル座標系との間の位置合わせを判定する。器具を側方分岐４２０に後退させるコマンドを提供する前に、ブロック５１５において位置合わせパラメータが位置合わせ基準を満たすことを確認することによって、プロセッサは、位置合わせを判定するために十分な位置データが収集されることを確実にすることができる。方法５００は、ブロック５３０において終了する。

ある特定の実施形態では、位置センサ座標系とモデル座標系との間の位置合わせは、工程５０５で参照される第１のコマンドセット及び工程５２０からの第２のコマンドセットに更に基づいてもよい。すなわち、第１及び第２のコマンドセットは、器具の移動を制御するために器具マニピュレータに提供されるロボットデータであってもよい。第１及び第２のコマンドセットは、器具の移動を制御するために使用されるため、プロセッサは、第１及び第２のコマンドセットに基づいて移動されたときに器具の位置を判定することができる。したがって、プロセッサは、器具を駆動するために使用されるロボットデータに基づいて、モデルに対する器具の遠位端の位置を判定することができる。例として、器具の遠位端が竜骨（図１９に示される竜骨４１０を参照）に、又はその近くに位置し、第１の分岐（例えば、対側分岐４１５）の下方に駆動するように位置決めされる場合、挿入コマンドを器具に提供した後、プロセッサは、器具の遠位端が挿入コマンドに指示された量だけ第１の分岐内に挿入されたことを判定することができる。

プロセッサは、１つ又は２つ以上のユーザ入力デバイスのセットから受信したユーザ入力に基づいて、器具マニピュレータに提供される第１及び第２のコマンドセットを生成するように更に構成されてもよい。したがって、器具の駆動は、システムによって受信されたユーザ入力に基づいて手動で実行されてもよい。

上述のように、位置合わせは、位置センサ座標系からモデル座標系にデータをマッピングすることができる変換を含んでもよい。変換は、位置センサデータに適用され得る並進及び／又は回転を含み得る。位置センサ座標系からモデル座標系にデータを正確にマッピングする位置合わせを判定するのを支援するために、プロセッサは、位置センサ座標系とモデル座標系との間のアンカーとして使用することができる２つの座標系の各々における既知の位置を特定することができる。図１９を参照すると、竜骨４１０は、管腔網のモデルから自動的に識別することができ、ユーザは、器具を竜骨４１０に容易にナビゲートし、竜骨４１０の位置を示すフィードバックをプロセッサに提供することができる。

ある特定の実施形態では、システムはまた、位置センサ座標系及びモデル座標系の各々において、既知の位置にあるアンカー点を判定するための誘導命令を生成してもよい。誘導命令は、ユーザに対し、器具の遠位端を駆動して、竜骨４１０に接触させ、次いで竜骨４１０に触れた後に器具を後退させる命令を含んでもよい。ユーザ入力に基づいて、プロセッサは、器具を竜骨４１０に駆動し、竜骨４１０に到達した後に器具を後退させるコマンドを提供してもよい。したがって、後退の直前に器具の位置を識別することによって、プロセッサは、位置センサ座標系内の識別された位置が、竜骨４１０の位置に対応することを判定することができる。次いで、２つの座標系の各々における竜骨４１０の位置は、位置センサ座標系をモデル座標系にマッピングする変換を判定するために、１つのデータとして使用することができる。

別の例示的な実施形態では、器具を後退させることによって、ユーザが竜骨４１０の位置を指示することを必要とするのではなく、プロセッサは、器具の遠位端に含まれるカメラを使用して、モデルに対する器具の位置を判定することができる。ユーザは、カメラによってキャプチャされた画像を使用し、ディスプレイに提供して、管腔網を通ってナビゲートすることができる。一実施形態では、カメラによって取得された画像は、リアルタイムでユーザに表示されてもよい。プロセッサは、カメラから受信した画像の分析に基づいて、器具の遠位端のポジションを判定するように構成されてもよい。管腔網の内部の特徴を判定することができる任意の画像処理技法を使用して、モデルに対する器具の遠位端のポジションを判定することができる。プロセッサは更に、器具の遠位端の遠位端が、器具の遠位端の判定されたポジションに基づいて、第１の位置（例えば、竜骨４１０）からの閾値距離内にあることを判定してもよい。

図２０Ｂは、本開示の態様による、対側位置合わせを円滑にするために十分な位置データが受信されたかどうかを判定するための、外科用ロボットシステム又はその構成要素によって動作可能な例示的方法を示すフローチャートである。図２０Ｂに示される方法５５０の工程は、外科用ロボットシステムのプロセッサによって実行され得ることを理解されたい。便宜上、方法５５０は、システムのプロセッサによって実行されるものとして記載される。方法５５０の工程は、図２０Ａのブロック５１０及び５１５の実施態様として実行されてもよい。

方法５５０は、ブロック５５１において開始する。ブロック５５５において、プロセッサは、生の位置データ及び状態データを受信する。本明細書で使用するとき、「生の位置データ」は、位置センサ座標系内の位置を示す位置データを指し得る。したがって、「生の位置データ」は、モデル座標フレームではなく器具座標フレーム内の位置を表す位置データであってもよい。位置合わせプロセスを実行し、位置センサ座標系とモデル座標系との間の位置合わせを判定する前に、プロセッサは、位置センサデータをモデル座標系にマッピングすることができない。したがって、位置合わせプロセスの完了前に受信した位置データは、登録されていないか、又は生の位置データであることが理解されるであろう。

状態データは、モデル内の器具の位置を示すプロセッサによって生成されたデータを指し得る。例えば、図１５に示される位置特定システム９０は、方法５００及び５５０で使用することができる位置データ９６（状態データとも称される）を生成するために使用されてもよい。状態データは、所与のセグメント内の器具の現在の深さ、又は解剖学的モデル内の挿入深さなどの深さ情報を含んでもよい。状態データはまた、モデル座標フレーム内の器具の遠位端の配向を含んでもよい。ある特定の実施形態では、プロセッサは、図２０Ａに示される位置合わせプロセス５００を通して生の位置データ及び状態データを受信してもよい。

ブロック５６０において、プロセッサは、方法５００により実行される位置合わせプロセスなどの位置合わせプロセス中に収集された位置データ及び状態データを記憶してもよい。位置合わせプロセスは、管腔網の形状に関連し得る、器具の移動の、演出されたセットを含んでもよい。移動のセットはまた、モデル内のターゲット４２５への画定されたターゲット経路４３０に基づいてもよい。位置合わせプロセスは、器具を管腔網の第１の分岐に沿って駆動するように、第１のコマンドセットを器具マニピュレータのセットに提供することを含んでもよく、第１の分岐は対側分岐４１５上にあり、したがって、ターゲット４２５へのターゲット経路４３０の外側にある。位置合わせプロセスはまた、器具をターゲット部位４２５へのターゲット経路４３０に戻し、経路に沿って継続させるコマンドを提供することを伴ってもよい。演出された移動のセットは、器具の遠位端を、対側位置合わせ経路４３５によって画定される経路に沿って駆動するために必要とされるコマンドのセットを含んでもよい。プロセッサは、第１の分岐に沿って器具を駆動する間に、深さ情報などの１つ又は２つ以上の位置合わせパラメータのセットを追跡してもよい。

ブロック５６５において、プロセッサは、追跡されている位置合わせパラメータに基づいて、位置合わせプロセスの対側相の一部として、十分な位置センサデータが収集されたかどうかを判定してもよい。一実施形態では、プロセッサは、深さ情報（例えば、器具の挿入深さ）などの位置合わせパラメータを使用して、器具が対側経路４３５の対側分岐４１５に沿って十分な距離を駆動されたかどうかを判定することができる。ある特定の実施形態では、１つの位置合わせ基準が満たされた後、プロセッサは、器具をターゲット経路４３０に戻すため、及び器具をターゲット部位に向かって第２の分岐に沿って駆動するように、第２のコマンドセットを器具マニピュレータのセットに提供してもよい。器具がターゲット部位に沿って継続するとき、プロセッサは、位置合わせプロセスのために器具位置データ及び状態データを追跡し続けることができる。

器具が対側分岐４１５に沿って十分な距離だけ駆動されたかどうかを判定することによって、システムは、ユーザから要求される入力の量を低減することができ、それによってユーザエラーの機会を低減することができる。例えば、ある特定の位置合わせプロセスは、ユーザが複数の定義された位置に駆動することを必要とし、器具が定義された位置に駆動されたことを示す入力をシステムに提供することを必要とし得る。このタイプの必要なユーザ入力を排除することにより、本開示の態様は、位置合わせプロセスの容易性を改善し、ユーザエラーの潜在的なソースを低減することができる。

ブロック５７０において、プロセッサは、位置合わせプロセス中に追跡された位置データ及び状態データ（例えば、対側経路４３５及びターゲット経路４３０に沿って追跡された位置データ及び状態データ）を使用して、位置座標系をモデル座標系に位置合わせしてもよい。上述したように、これは、位置センサを使用して追跡したときに器具によって取られた経路の形状を、モデルの骨格構造によって画定される管腔網の形状に一致させることを含んでもよい。ある特定の実施形態では、追跡された経路から最も低い差を有するモデルの形状が選択され、それを使用して位置センサ座標系とモデル座標系との間の位置合わせを判定する。追跡された経路が対側分岐４１５を含むため、実施形態は、追跡された経路がモデル内の他の候補経路に一致する可能性を低減し得ることを理解されたい。方法５５０は、ブロック５７５において終了する。

位置合わせを判定する際に、プロセッサは、位置センサデータ及びロボットデータの履歴によって画定される形状に一致するように更に構成されてもよい。したがって、ある特定の実施態様では、プロセッサは、器具を対側位置合わせ経路に沿って駆動しながら、位置座標系に対する器具の遠位端の位置を表す位置データ点のセットを生成するように構成されてもよい。プロセッサは、器具を対側位置合わせ経路に沿って駆動しながら、モデル座標系に対する器具の遠位端の位置を表すモデル点のセットを更に生成してもよい。プロセッサは、ロボットデータの履歴及びモデルに基づいてモデル点を生成してもよい。２つの点のセットは、位置座標系とモデル座標系との間の位置合わせを判定するためにプロセッサによって使用されてもよく、位置座標系内の位置データ点のセットをモデル座標系内の第２のモデル点のセットにマッピングする位置合わせを判定することに基づく。

図２１は、本開示の態様による、管腔網のモデルに関する位置データを示す図である。図２１の実施例では、図６００は、管腔網の術前スキャンのモデル６０２を含み、これはまた、モデル６０２によって画定される気道の各々に沿った中点又は中心点によって画定される骨格６０５を含んでもよい。具体的には、骨格６０５は、各々が管腔網内の対応する管腔の中点に位置する一連のセグメントを含む。また、解剖学的構造に対する対側位置合わせプロセス中の器具の遠位端の実際の位置又は真の位置を表すグラウンドトゥルースデータ６１０も示されている。図２１に示されるグラウンドトゥルースデータ６１０は、対側位置合わせプロセスの精度を強調するために処置中に通常使用されない試験用具によって生成されていてもよい。図示した例では、ターゲット６２５は、図の左側に位置してもよい。したがって、位置合わせ処置の間、器具は、第１代気道６３０から対側第２代気道６３５内へと駆動されてもよい。その後、器具を第１代気道６３０内に後退させ、ターゲット６２５への経路に沿って位置する側方第２代気道６４０内に前進させてもよい。

システムはまた、モデル６０５の骨格に沿った器具の位置を表す状態データ６１５を追跡してもよい。上述のように、プロセッサは、器具の遠位端の位置を示すデータの１つ又は２つ以上の異なるデータ源から受信したデータに基づいて（例えば、図１５の位置特定モジュール９５を介して）状態データを判定することができる。位置合わせプロセス中に十分なデータが受信されると、位置合わせされた位置データ６２０を生成するために位置合わせ変換を生の位置データに適用することができる。図２１に示すように、位置合わせされた位置データ６２０は、グラウンドトゥルースデータ６１０を厳密に追跡してもよい。位置データが位置合わせされた後、プロセッサは、状態データ６１５を判定する際に、位置合わせされた位置データ６２０を入力として使用してもよい。

図２２は、本開示の態様による、対側位置合わせプロセスを事前形成しない位置データの位置合わせの実施例を示す図である。この実施例では、対側位置合わせプロセスが実行されない（例えば、器具は対側分岐の下方に駆動されない）場合、生の位置データ７０５は、モデル内の２つの異なる候補経路７１０及び７１５と実質的に一致してもよい。すなわち、２つの候補経路７１０及び７１５の各々は、生の位置データ７０５の回転及び／又は並進が経路７１０及び７１５の両方と実質的に一致し得るような同様の形状を有してもよい。しかしながら、２つの経路７１０及び７１５が分岐しているため、位置合わせのために誤った経路７１５を選択することにより、位置データに、２つの経路７１０と７１５との間の分岐を通過して駆動されたときに器具の位置の不正確な指標を提供させることができる。対照的に、本開示の態様による対側位置合わせプロセスを実行することによって、誤った候補位置合わせ経路７１５に基づく位置合わせが、器具によって取られた対側経路に沿った形状に一致しないため、誤った候補位置合わせ経路７１５は、候補位置合わせのセットから除去され得る（例えば、図２１を参照）。

上述したように、対側位置合わせ処置は、第１の分岐及び第２の分岐が非対称であるとき（例えば、第２代セグメント）、より正確かつよりロバストな位置合わせを提供することができる。したがって、ある特定の実施形態では、プロセッサは、対側位置合わせ処置のために、管腔網の非対称な分岐を選択してもよい。管腔網内の位置のこの選択はまた、位置データとモデルとの間の一致に対する可能な解決策の数を低減し、よりロバストな位置合わせ処置をもたらすことができる。気管支鏡検査の例では、経路に沿ってターゲットへと進む前に器具を対側分岐に駆動することは、位置センサのモデル座標系への位置合わせを容易にするのに十分な生の位置データを提供することができる。したがって、ある特定の実施形態では、第１の分岐は、ターゲットに対する管腔網の対側に位置する。

Ｃ．位置センサ位置合わせ計画
本開示の態様はまた、位置センサ位置合わせ処置に関連する命令及び／又は基準を判定することを伴い得る術前計画にも関する。図２３は、本開示の態様による、術前計画のための、外科用ロボットシステム又はその構成要素によって動作可能な例示的方法を示すフローチャートである。術前計画のための処置８００は、本開示の態様による術前計画のために、外科用ロボットシステム又はその構成要素によって動作可能であり得る。例えば、術前計画のための方法８００の態様は、図１７に例示されるコマンドコンソール２００などのコマンドコンソールによって実行され得るか、又はコマンドコンソールの一部として含まれ得る、外科用ロボットシステムのプロセッサ（若しくはプロセッサのセット）によって実行され得る。便宜上、術前計画のための方法は、システムのプロセッサによって実行されるものとして記載される。ある特定の実施形態では、システムはまた、プロセッサのセットと通信し、患者の管腔網のモデルを記憶した、少なくとも１つのコンピュータ可読メモリを含んでもよい。モデルは、モデル座標系内のターゲット及びターゲットへの経路を含む。メモリはまた、プロセッサのセットに方法８００を実行させるコンピュータ実行可能命令を記憶してもよい。

方法８００は、ブロック８０１において開始する。ブロック９０５において、プロセッサは、ディスプレイデバイスを介して管腔網を表示する命令を提供する。具体的には、プロセッサは、ディスプレイデバイスを介して管腔網を表示する命令を提供してもよい。これは、例えば、プロセッサが、メモリから管腔網のモデルを取得し、ユーザによって閲覧されるモデルを表示することを伴い得る。モデルの表示は、例えば、管腔網の術前スキャンに基づいて生成された管腔網の３Ｄモデルを表示することを含み得る。他の実施形態では、モデルの表示は、管腔網の術前スキャン（図１９、２１、及び２２に示される）に基づいて生成された骨格及び／又はより詳細にセグメント化された画像を表示することを伴い得る。

ブロック８１０において、プロセッサは、モデル座標系内のターゲットの位置の指標を受信する。例えば、プロセッサは、ユーザ入力デバイスを介して、医療処置の少なくとも一部分が実行されるモデルのターゲット部分の指標をユーザから受信してもよい。ターゲットは、例えば、病変を生検し、リンパ節をステージ分類し、放射線療法を誘導するか又は近接照射療法カテーテルを誘導するためにマーカーを挿入するための肺内の所望の位置であり得る。他の実施形態では、システムは、術前スキャンにおいて腫瘍を示す特徴を検出することに基づいて、ターゲット位置４２５を自動的に検出するか、又は別の方法で判定することができる。

ブロック８１５において、プロセッサは、管腔網内の第１の分岐（例えば、図１９の対側分岐４１５などの、管腔網の対側に位置する分岐）と、管腔網内の第２の分岐（図１９の側方分岐４２０などの、管腔網の側方に位置する分岐）を識別する。識別された第１及び第２の分岐は、ターゲットの位置に関して管腔網の対側及び側方にそれぞれ位置するため、第１の分岐は、ターゲットへの経路の外側に位置してもよく、第２の分岐は、ターゲットへの経路に沿って位置してもよい。

ある特定の実施形態では、モデル及び選択されたターゲットに基づいて、プロセッサは、位置センサの位置合わせを支援するために器具によって横断され得るモデルのある特定のセグメントを自動的に識別してもよい。これは、管腔網の対側に位置する分岐として第１の分岐を識別し、管腔網の側方に位置する分岐として第２の分岐を識別するプロセッサを含み得る。ある特定の実施形態では、第１及び第２の分岐は、図１９に示される分岐４１５及び４２０などの、管腔網の第２代分岐であってもよい。プロセッサは、第１及び第２の分岐によって形成された形状が、管腔網内で十分に固有であることを判定するように更に構成されてもよく、器具が第２代分岐によって画定される対側位置合わせ経路に沿って駆動されるとき、モデル内の他の形状は、対側位置合わせプロセス中に器具によって取られた経路と一致することはない。この判定は、第１及び第２の分岐の形状をモデル内の他の可能な形状と比較して、形状に任意の可能な矛盾が存在するかどうかを判定することによって実行されてもよい。

上述したように、ある特定の位置合わせプロセスは、ユーザが器具を管腔網内の複数の画定された位置に駆動し、器具が画定された位置に位置するときにシステムに指標を提供することを必要とし得る。この技法はまた、ユーザが術前計画段階中に画定された位置を識別することを必要とし得る。しかしながら、プロセッサは、位置合わせプロセスに使用することができる対側経路を自動的に識別することができるため、術前計画段階中にユーザに必要な工程を低減することができる。

ブロック８２０において、プロセッサは、器具の遠位端を第１の分岐に沿って駆動し、第１の分岐から経路に戻り、第２の分岐に沿って駆動するための誘導命令のセットを生成する。したがって、命令のセットは、図１９の対側位置合わせ経路４３５などの対側位置合わせ経路を画定し得る。誘導命令は、医療処置中にユーザに提供されるメモリに記憶されてもよい。医療処置中、命令に従って器具を駆動する間に、１つ又は２つ以上の位置センサのセットから受信した位置データは、位置データの位置座標系とモデル座標系との間の位置合わせを容易にし得る。位置合わせは、位置座標系とモデル座標系との間の並進及び回転のうちの少なくとも１つを含んでもよい。ブロック８２５において、プロセッサは、器具を第１の分岐に沿って駆動する間に追跡される１つ又は２つ以上の位置合わせパラメータに対する位置合わせ基準を判定する。方法８００は、ブロック８３０において終了する。

位置合わせ基準は、位置センサ座標系の、モデル座標系への位置合わせに必要な位置データの量に関連し得る。例えば、基準は、器具を第１の分岐から経路に戻すことができる前に、対側分岐に沿った器具の必要な移動距離を指定してもよい。位置合わせ基準はまた、患者の解剖学的構造の特定の形状に依存し得る。例えば、いくつかの患者の気道は、他の患者よりも第１の分岐と第２の分岐との間に形成された形状と角度との間に、より大きな不一致を有し得る。第１の分岐と第２の分岐との間の差がより顕著である場合、位置合わせのために十分なデータを受信するために、器具が第１の分岐のはるか下方を移動する必要はない場合がある。他の実施形態では、位置合わせ基準は、実行される特定の処置のための患者の大部分に対する位置合わせ用の十分な位置データを提供するために判定された閾値に基づいて設定されてもよい。

位置合わせパラメータは、対側分岐への器具の挿入深さを含んでもよい。この実施形態では、位置合わせパラメータのセットは、第１の分岐への挿入深さが閾値挿入深さよりも大きいことに応じて、位置合わせ基準を満たす。例えば、位置合わせ基準は、経路上の第１代分岐に戻る前に、器具を対側分岐の少なくとも５０％に沿って駆動する命令を含んでもよい。特定の値は、医療処置に関与する特定の解剖学的構造に応じて、及び／又は一般集団における解剖学的構造の形状の変化の分析に基づいて異なっていてもよい。

特定の医療処置に応じて、プロセッサはまた、第１の分岐及び第２の分岐が非対称であるかどうかを判定してもよい。プロセッサは、第１及び第２の分岐が非対称であることを判定したことに応じて、第１及び第２の分岐を識別することができる。上述したように、位置合わせプロセスは、非対称経路及び／又は非対称形状の管腔網に対してより正確であり得る。したがって、プロセッサは、位置合わせプロセスが実行される場所に対して非対称な形状を有する、管腔網内の分岐点を選択してもよい。気道の場合などのある特定の実施形態では、位置合わせプロセスが実行され得る１つの分岐は、気管から主気管支内への分岐である。したがって、プロセッサは、第１の分岐が、ターゲットに対する管腔網の対側に位置することを判定することに更に応答して、第１の分岐を識別することができる。

ある特定の実施形態では、命令のセットは、器具を管腔網内の第１の位置に駆動する命令を含む。第１の位置は、位置センサ座標系及びモデル座標系の各々の内部に既知の位置を提供することができる、医療処置中にユーザによって識別可能な位置であってもよい。例えば、気管支鏡検査処置中、第１の位置は、患者の竜骨に対応してもよい。竜骨は、主気管支間の分岐におけるその位置に基づいてモデル内で識別されてもよく、ユーザは、位置データの位置合わせの前に、竜骨に駆動することができる場合がある。この実施形態では、第１及び第２の分岐は、患者の主気管支に対応してもよい。器具の遠位端が第１の位置から閾値距離内にある間は、位置センサ座標系とモデル座標系との間の位置合わせは、位置センサのセットから受信した位置データに更に基づいてもよい。位置座標系とモデル座標系との間の既知の基準点として第１の位置を使用することによって、位置合わせのための並べ替えの数を制限することができる。加えて、ユーザ命令は、竜骨に触れた後に器具を後退させる命令を含んでもよい。この後退は、位置合わせ処置中に第１の位置として使用することができる、竜骨のポジションの指標として解釈され得る。

Ｄ．位置センサの重みベース位置合わせの概要
図１５に関連して上述したように、医療器具の遠位端を位置特定するための特定の技術は、異なるセンサ／ソースからの入力を組み合わせて、医療器具の遠位端の位置を判定することを含み得る。これらの入力は、器具の遠位端の位置センサ（例えば、ＥＭセンサ）、遠位端の画像センサ（例えば、カメラ）、及び／又はロボット挿入データ（例えば、ロボットコマンド及び運動学データ）を含むことができる。一例では、３つのアルゴリズムモジュール（例えば、ＥＭベース、ロボットベース、及び画像ベース）は、器具の遠位端の位置の各々の推定状態データを、３つのアルゴリズムモジュールからの情報を組み合わせてナビゲーションフレームワークの出力を生成するセンサ融合モジュール（例えば、図１５の位置特定モジュール９５）に出力することができる。いくつかの実施態様では、位置特定アルゴリズムは、医療器具の遠位端の現在位置に確率を提供することができる（例えば、患者の管腔網のモデルを参照して、対応するセグメント内のセグメントＩＤ及び深度／挿入によって定義され得る）。モデルの一実施例は、管腔網の中心線に基づいて生成され得る骨格である。モデル位置点は、医療器具の遠位端の位置の表現が対応する管腔の中心線／骨格に沿っているように、骨格に沿って定義され得る。加えて、分岐予測アルゴリズムのいくつかの実施態様は、医療器具が現在の管腔のどの子管腔に向かって駆動しているかに関する確率（例えば、医療器具が対応する管腔に入る可能性がある各子管腔の確率）として確率を提供することができる。

いくつかの実施態様では、位置センサ位置合わせアルゴリズムを使用して、センサ座標系（例えば、ＥＭセンサ空間）とモデル座標系（例えば、ＣＴ／骨格空間）との間の変換を計算する。位置センサ位置特定アルゴリズムモジュール及び位置センサ分岐予測アルゴリズムモジュールの各々は、モデル座標系における医療器具の遠位端の位置合わせされた姿勢を判定することができ、この姿勢は、アルゴリズム出力値（例えば、医療器具の遠位端の現在位置、及び医療器具が子管腔の各々に入ると思われる確率）を判定するための各位置センサアルゴリズムモジュールによって使用され得る。

図２４は、本開示の態様による、センサ座標系とモデル座標系との間の位置合わせを判定するために、外科用ロボットシステム又はその構成要素（複数可）によって動作可能な例示的方法９００を示すフローチャートである。図２４に示される方法９００の工程は、外科用ロボットシステムのプロセッサによって実行され得ることを理解されたい。便宜上、方法９００は、システムのプロセッサによって実行されるものとして記載される。

プロセッサは、１つ又は２つ以上の位置センサのセットを有する器具を含むシステムの一部として含まれてもよい。位置センサのセットは、位置センサ座標系内の位置センサのセットのポジションを示す位置データを生成するように構成されてもよい。位置センサは、器具の遠位端に又はその近くに位置してもよく（例えば、図１８を参照）、したがって位置データは、器具の遠位端の位置を示すことができる。システムは、器具の遠位端の移動を制御するように構成された器具マニピュレータのセットと、プロセッサと通信し、患者の管腔網のモデルを記憶した少なくとも１つのコンピュータ可読メモリと、を更に含んでもよい。モデルは、モデル座標系内のターゲット及びターゲットへの経路を含んでもよい。メモリは、プロセッサのセットに方法９００を実行させるために、コンピュータ実行可能命令を更に記憶していてもよい。

方法９００は、ブロック９０１で開始してもよい。ブロック９０２で、プロセッサは、位置センサのセットから位置データを受信し、器具の遠位端の現在の状態を示す状態データを受信する。特定の実施態様では、状態データは、様々なアルゴリズムモジュール（例えば、ＥＭベース、ロボットベース、及び画像ベース）からの情報の組み合わせに基づくセンサ融合モジュール（例えば、図１５の位置特定モジュール９５）によって生成することができる。［０１７８］いくつかの実施態様では、方法９００は、位置センサのセンサ座標系と（例えば、位置センサがＥＭセンサを含むときの場発生器の位置に基づく）、モデル座標系との間の同次変換を表す剛体変換（例えば、位置合わせ）を計算するために使用することができる位置合わせアルゴリズムを含んでもよい。次いで、変換を使用して、医療器具の遠位端の任意の姿勢を位置センサ座標系からモデル座標系に変換することができる。

ブロック９０４において、プロセッサは、対側位置合わせを実行し、骨格位置履歴（モデル位置履歴とも呼ばれる）及び位置センサ位置履歴を保持する。例えば、プロセッサは、図２０Ａ及び２０Ｂに関連して記載される方法５００及び５５０とによる対側位置合わせを実行することができる。更に、プロセッサは、状態データを記憶することによって骨格位置データを保持し、位置データを記憶することによって位置センサ位置履歴を保持することができる。いくつかの実施態様では、骨格位置履歴及び位置センサ位置履歴は、経時的な器具の遠位端の位置を表す点群としてフォーマットされてもよい。

位置センサ履歴点群及び対応するモデル履歴点群は、位置合わせ変換を判定するための入力として使用することができる。実施態様に応じて、位置合わせを判定するための様々な技術を使用することができる。例えば、位置合わせは、特異値分解（ＳＶＤ）技術、反復閉鎖点（ＩＣＰ）技術、又は２つの座標系間の位置合わせを判定することができる任意の他の技術を用いて判定することができる。

ブロック９０６で、プロセッサは、登録前条件が満たされたかどうかを判定する。いくつかの実施態様では、登録前条件が満たされたかどうかを判定することは、位置合わせのための骨格位置履歴及び位置センサ位置履歴の各々に十分なデータが収集されたかどうかを判定することを含んでもよい。いくつかの実施態様では、プロセッサは、以下の条件のうちの１つ以上が満たされたことに応答して十分なデータが収集されたと判定することができる。それらの条件は、器具が、例えば第２世代セグメント（又は第３世代セグメントなど）に配置されていること、器具が第２世代セグメントへ少なくとも閾値距離（又は閾値速度で）前進していること、及び／又は骨格位置及び位置センサ位置履歴のサイズ（例えば、データ点の数）が閾値サイズ（例えば、骨格位置履歴のデータのサイズ／量が第１の閾値を満たす／超える、位置センサ位置履歴のデータのサイズ／量が第２の閾値を満たす／超える、及び／又は、骨格位置履歴及び位置センサ位置履歴のサイズ／量が第３の閾値を満たす／超える）より大きいことである。

ブロック９０８で、プロセッサは、骨格位置履歴及び位置センサ位置履歴に基づいて初期位置合わせを判定する。位置合わせの判定は、例えば、図２０Ａのブロック５２５及び／又は図２０Ｂのブロック５７０に関連して上述したように実行されてもよい。判定された位置合わせを使用して、システムは、位置合わせを位置センサデータに適用することによって、医療器具の遠位端の位置合わせされた姿勢を判定することができる。［０１８３］ブロック９１０で、プロセッサは、位置センサ履歴点群からの追加点を位置合わせに含めることが、閾値誤差よりも大きい誤差をもたらすかどうかを判定する。ブロック９１０における判定は、器具が管腔網を通って前進する際に、位置センサ履歴点群内の各点に対して実行することができる。誤差が閾値誤差よりも大きいことに応答して、方法９００は、ブロック９１２で位置合わせを固定又は維持し、ブロック９１６で手順を継続することを含む。

しかしながら、誤差が閾値誤差以下であることに応答して、方法９００は、位置センサ履歴点群からの追加の点に基づいて、ブロック９１４で位置合わせを更新する（又は位置合わせを再判定すること）を含む。いくつかの実施態様では、プロセッサは、ブロック９１０で閾値誤差以下の誤差をもたらす位置センサ履歴点群からの点を使用して、位置合わせを更新することができる。

例えば、いくつかのユーザ駆動行動又は傾向、例えば、医療器具の管腔壁への接近（例えば、医療器具を壁に向かって歪める、壁に接触させる、医療器具を管腔路の中心線から離れる又は外れるように駆動させる、及び／又は別様に医療器具を管腔路の中心線から変位した経路に沿って駆動させる）、又は医療器具の屈曲は、位置合わせされた位置センサ点とモデル上の対応する点との間のあるレベルのミスマッチを引き起こす可能性がある。図２５は、本開示の態様による、センサ位置点及びモデル位置点がモデル座標系内のモデル上に重ね合わされる実施例を示す。具体的には、図２５の画像では、センサ位置点１００２及びモデル位置点１００４は、モデル（例えば、骨格）１００６に関して例示される。図示されたセンサ位置点１００２は、ブロック９０８で判定された初期位置合わせに基づいてモデル座標系に変換され、これは、いくつかの実施例では、ブロック９０２における対側位置合わせの後に完了させることができる。

位置合わせの精度、及び気道壁への接近などの最適以下の駆動行動に対する堅牢性を向上させるために、本開示の特定の態様は、対側ステップが完了し、初期位置合わせが計算された後の重みベースの位置合わせの使用に関する。したがって、ブロック９１２で判定された誤差が閾値誤差よりも大きい場合、方法９００は、ブロック９１４において、プロセッサが初期位置合わせを更新することを含む。いくつかの実施態様では、初期位置合わせを更新することは、以下で更に詳細に説明する重みベースの位置合わせ技術を使用することを含む。以下で論じられるように、重みベースの位置合わせは、位置合わせ中に使用される位置センサ点及びモデル点の異なる重みを判定し割り当てることを含むことができる。ブロック９１６で、プロセッサは、方法９００によって判定された位置合わせを使用して、手順を継続する。方法９００は、ブロック９１８で開始してもよい。

Ｅ．位置合わせで使用する重みを判定するための例示的な技術
特定の実施態様では、初期位置合わせは、対応するセンサ位置点及びモデル位置点に異なる重みを判定及び割り当てて、重みを使用して位置合わせを再判定することによって（例えば、方法９００のブロック９１４で）修正することができる。

特定の実施態様では、重みは、ｉ）初期位置合わせが判定された後にモデル座標系に変換された位置センサ点１００２、及びｉｉ）モデル位置点１００４に基づいて計算することができる。図２５は、変換された位置センサ点１００２とモデル位置点１００４との間の距離を示す。

１つ又は２つ以上の実施態様では、重みの各々は、０～１の値に設定することができる。重みを判定するためにプロセッサによって使用され得る多くの様々な技術が存在する。一実施態様では、プロセッサは、位置センサ点１００２とモデル位置点１００４との間の距離に比例して重みを判定又は割り当てることができる。例えば、ｎ番目の重みは、以下の式を使用して判定することができる。

ただし、ａは、いくつかの実施態様では定数である。他の実施態様では、ａは、対応する管腔（例えば、ｎ番目の点が位置する気管又は気道）の半径である。図２６は、距離に比例する重みを判定するための一実施例を示す。具体的には、図２６は、変換されたセンサ位置点とモデル位置点（骨格点と呼ばれることもある）との間の距離の第１のグラフ１１０２と、対応する重みの第２のグラフ１１０４とを含む。

別の実施態様では、重みは、２値（例えば、０又は１）であってもよい。例えば、プロセッサは、距離と距離閾値（例えば、５ｍｍ）との比較に基づいて重みを判定することができ、センサ位置点とモデル位置点との間の距離が０．５又は別の距離閾値以上である場合には、重み付け計数０が所与の点（例えば、センサ位置点）に割り当てられ、センサ位置点とモデル位置点との間の距離が閾値未満である場合には、重み付け係数１が所与の点に割り当てられる。距離閾値は、センサ位置点と対応するモデル位置点との間の差異の許容レベルに対応し、どのレベルの差異が許容可能と考えられるかに関して、臨床要件及び／又はユーザ選好に基づいて設定することができる。図２７は、距離に基づいてバイナリ重みを判定するための別の実施例を示す。具体的には、図２７は、変換されたセンサ位置点とモデル位置点との間の距離の第１のグラフ１２０２、及び対応する重みの第２のグラフ１２０４を含む。

図２８は、本開示の態様による、距離に基づいてバイナリ重みを判定するための更に別の実施例を示す。例えば、プロセッサは、距離に基づいて各管腔内の点を選別することによって重みを割り当てることができる。最小距離を有するある割合の各管腔内の点には、重み１を割り当てることができ、残りの点には、重み０を割り当てることができる。この実施態様は、図２８で、重み１を有する第１のセットの点１３０２と、重み０を有する第２のセットの点１３０４とで示されている。

いくつかの実施態様では、プロセッサは、初期位置合わせが判定された後、対側位置合わせ点について距離に基づいて１回重みを計算することができる。これらの重みは後続のサイクルの位置合わせにおける同じ点に適用することができる一方（図２４）、プロセッサは、更なる世代（例えば、第２世代以上）の位置合わせに関して累積された残りの点に重み１を割り当てることができる。

他の実施態様では、プロセッサは、対側点について１回だけ重みを判定するのではなく、医療器具の遠位端が更なる世代に前進し、位置合わせが更新されるときに、反復的又は定期的に重みを判定及び更新することができる。プロセッサは、更なる世代に蓄積される位置合わせ点の重みも判定することができる。プロセッサは、以前の点について判定されたメモリ内の重み／距離の履歴を維持することができ、処置中に後で計算された位置合わせの結果としてどの程度重みが変化し得るかどうかに関する制約を設定することができる。

いくつかの実施態様では、プロセッサは、医療器具が管腔網内に前進させられる際に、管腔の直径に比例する重みを適応的に増加させることができる。初期世代の点（所与の管腔の直径が大きい）では、重みはより小さくなり得、更なる世代の点では、小径の管腔で中心線経路から分岐する範囲が小さくなる見込みであるため、重みはより大きくなり得る。

特定の実施態様では、プロセッサは、重みを判定するために、初期位置合わせと、モデルの中心線まで変換されたセンサ位置の距離とを使用するのではなく、視覚アルゴリズムを使用して、機器のカメラによってキャプチャされた画像から見える気道の輪郭を追跡することで中心線駆動のメトリックを評価することによって、重みを判定することができる。プロセッサはまた、中心線からの位置センサ点の距離に基づいて重みを判定するために、医療器具の中心線駆動を識別するための別の入力としてロボット関節データを使用することができる。例えば、ユーザが医療器具の遠位端を中心線に近づくように駆動している対応点に、より大きな重みを割り当てることができ、医療器具の遠位端が中心線に面していない点（管腔壁に接近している）に、より小さな重みを割り当てることができる。

本開示の態様は、手順全体を通してセンサ位置をモデル点に連続的に位置合わせすることに関連する位置合わせアルゴリズムの堅牢性を改善することができる。例えば、位置合わせを判定する際に使用される位置センサ点を重み付けすることにより、プロセッサは、位置合わせを判定又は実行するときに骨格から遠く離れた点の影響又は作用を低減しながら、骨格モデルの近くに位置する点により大きな重み付けすることで、位置合わせの精度を改善することができる。

本開示の態様はまた、形状感知ベース及び／又は他のセンサベースの解決策を含む、２セットの３Ｄ点群（例えば、ＥＭ点及び骨格モデル点）を位置合わせするための他の技術にも適用可能であり得る。

３．実装システム及び用語
本明細書に開示される実施態様は、位置センサをモデル座標系に位置合わせするためのシステム、方法、及び装置を提供する。

本明細書で使用するとき、用語「連結する」、「連結している」、「連結された」、又は連結という単語の他の変形は、間接的接続又は直接的接続のいずれかを示し得ることに留意されたい。例えば、第１の構成要素が第２の構成要素に「連結される」場合、第１の構成要素は、別の構成要素を介して第２の構成要素に間接的に接続される、又は第２の構成要素に直接的に接続される、のいずれかであってもよい。

本明細書に記載する機能は、プロセッサ可読媒体又はコンピュータ可読媒体上の１つ又は２つ以上の命令として記憶されてもよい。用語「コンピュータ可読媒体」は、コンピュータ又はプロセッサによってアクセスすることができる任意の利用可能な媒体を指す。一例として、限定するものではないが、このような媒体は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、電気的消去可能プログラム可能読み出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、コンパクトディスク読み出し専用メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）、又は他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置、若しくは他の磁気記憶デバイス、又は命令若しくはデータ構造の形態で所望のプログラムコードを記憶するために使用することができ、コンピュータによってアクセスされ得る任意の他の媒体を含んでもよい。コンピュータ可読媒体は、有形であり、非一時的であってもよいことに留意されたい。本明細書で使用するとき、用語「コード」は、コンピューティング装置又はプロセッサによって実行可能であるソフトウェア、命令、コード、又はデータを指してもよい。

本明細書に開示される方法は、記載される方法を達成するための１つ又は２つ以上のステップ又は行為を含む。方法ステップ及び／又は行為は、特許請求の範囲から逸脱することなく互いに交換されてもよい。換言すれば、記載されている方法の適切な動作のために特定の順序のステップ又は行為が必要とされない限り、特許請求の範囲から逸脱することなく、特定のステップ及び／又は行為の順序及び／又は使用を修正してもよい。

本明細書で使用するとき、用語「複数」は、２つ以上を示す。例えば、複数の構成要素は、２つ以上の構成要素を示す。用語「判定する」は、多種多様な行為を包含し、したがって、「判定する」は、計算する、演算する、処理する、算出する、調査する、ルックアップする（例えば、テーブル、データベース又は別のデータ構造を見ること）、確認することなどを含むことができる。また、「判定する」は、受け取る（例えば、情報を受信すること）、アクセスする（例えば、メモリ内のデータにアクセスすること）などを含むことができる。また、「判定する」は、解決する、選択する、選出する、確立するなどを含むことができる。

語句「基づく」は、別途明示的に指定されない限り、「のみに基づく」ことを意味しない。換言すれば、語句「基づく」は、「のみに基づく」及び「少なくとも基づく」の両方を記載する。

開示される実装形態の前述の説明は、任意の当業者が本発明を製造すること、又は使用することを可能にするために提供される。これらの実装形態に対する様々な修正は、当業者には容易に明らかになり、かつ、本明細書で規定される一般的な原理は、本発明の範囲から逸脱することなく、他の実装形態に適用され得る。例えば、当業者であれば、締結、装着、連結、又は係合ツール構成要素の均等の方法、特定の作動運動を生み出すための均等の機構、及び電気エネルギーを送達するための均等の機構など、多くの対応する代替的かつ均等の構造的詳細を採用することができると理解されるであろう。したがって、本発明は、本明細書に示される実装形態に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示される原則及び新規な特徴と一致する最も広い範囲が与えられるものである。

〔実施の態様〕
（１） システムであって、
１つ又は２つ以上の位置センサのセットを備える器具であって、前記位置センサが、センサ座標系における前記器具の遠位端の位置を示す位置データを生成するように構成されている、器具と、
１つ又は２つ以上のプロセッサのセットと、
前記１つ又は２つ以上のプロセッサのセットと通信し、かつモデル座標系に関して患者の管腔網のモデルを記憶している少なくとも１つのコンピュータ可読メモリと、
を備え、前記メモリが、前記メモリに記憶されたコンピュータ実行可能命令を更に有し、前記コンピュータ実行可能命令が、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
前記位置センサによって生成された前記位置データに基づいて、前記センサ座標系内のセンサ位置点のセットを生成させ、
前記モデル座標系内のモデル位置点のセットを判定させ、
前記センサ位置点のセット及び前記モデル位置点のセットに基づいて、前記センサ座標系と前記モデル座標系との間の初期位置合わせを判定させ、
前記センサ位置点のセットに対応する重み値のセットを判定させ、
前記センサ位置点のセット、前記モデル位置点のセット、及び前記重み値のセットに基づいて、前記センサ座標系と前記モデル座標系との間の更新された位置合わせを判定させる、
システム。
（２） 前記モデルが、前記管腔網の管腔に沿った中点によって画定される骨格を含み、
前記コンピュータ実行可能命令が更に、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
前記初期位置合わせを使用して、前記センサ位置点を前記センサ座標系から前記モデル座標系に変換させ、
前記モデル座標系内の変換された前記センサ位置点の各々と前記骨格との間の距離を判定させ、
前記重み値の前記判定が、変換された前記センサ位置点と前記骨格との間の距離に更に基づく、実施態様１に記載のシステム。
（３） 前記重み値のセットが、バイナリである、実施態様２に記載のシステム。
（４） 前記コンピュータ実行可能命令が更に、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
変換された前記センサ位置点の各々と前記骨格との間の各距離を、距離閾値と比較させ、
前記比較に基づいて、変換された前記センサ位置点の各々に、前記バイナリ重み値のうちの１つを割り当てさせる、実施態様３に記載のシステム。
（５） 前記モデルが、前記管腔網の前記管腔の直径値を更に含み、
前記重み値の前記判定が、前記管腔の前記直径値に更に基づく、実施態様１に記載のシステム。

（６） 前記器具が、前記管腔網の内部の画像をキャプチャするように構成されたカメラを更に備え、
前記コンピュータ実行可能命令が更に、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、前記センサ位置点の各々に関して、キャプチャされた前記画像に基づいて、前記器具の前記遠位端と前記器具の前記遠位端が位置する管腔の中心線との間の距離を判定させ、
前記センサ位置点の前記重み値の前記判定が、前記器具の前記遠位端と前記管腔の対応する中心線との間の距離に更に基づく、実施態様１に記載のシステム。
（７） 前記モデルが、前記管腔網の管腔に沿った中点によって画定される骨格を含み、
前記コンピュータ実行可能命令が更に、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
前記センサ位置点の各々から所与の管腔の前記骨格までの距離に基づいて、前記センサ位置点を選別させ、
選別された前記センサ位置点に基づいて、前記重みを前記センサ位置点に割り当てさせる、実施態様１に記載のシステム。
（８） 前記センサ位置点の前記選別が、
最小距離を有する定義された割合の前記センサ位置点を第１の群に選別し、残りのセンサ位置点を第２の群に選別することを含む、実施態様７に記載のシステム。
（９） 前記重み値のセットがバイナリであり、前記コンピュータ実行可能命令が更に、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
前記第１の群内の前記センサ位置点の各々に、重み値１を割り当てさせ、
前記第２の群内の前記センサ位置点の各々に、重み値０を割り当てさせる、実施態様１に記載のシステム。
（１０） 前記重み値のセットが、バイナリであり、
前記センサ位置点のセットのサブセットが、第２の生成管腔に位置する前記器具の前記遠位端に対応し、
前記センサ位置点のセットの前記サブセットに、重み値１が割り当てられる、実施態様１に記載のシステム。

（１１） 前記コンピュータ実行可能命令が更に、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
前記センサ位置点のうちの第１のセンサ位置点に関して、前記初期位置合わせに関連付けられた誤差を判定させ、
前記誤差が閾値誤差よりも大きいことに応答して、前記初期位置合わせを固定させる、実施態様１に記載のシステム。
（１２） 前記更新された位置合わせの前記判定が、前記誤差が前記閾値誤差以下であることに応答して、前記第１のセンサ位置点に更に基づく、実施態様１１に記載のシステム。
（１３） センサ座標系とモデル座標系との間の位置合わせを判定する方法であって、
器具の位置センサによって生成された位置データに基づいて、前記センサ座標系内のセンサ位置点のセットを生成することであって、前記位置データが、前記センサ座標系における前記器具の遠位端の位置を示す、生成することと、
前記モデル座標系内のモデル位置点のセットを判定することと、
前記センサ位置点のセット及び前記モデル位置点のセットに基づいて、前記センサ座標系と前記モデル座標系との間の初期位置合わせを判定することと、
前記センサ位置点のセットに対応する重み値のセットを判定することと、
前記センサ位置点のセット、前記モデル位置点のセット、及び前記重み値のセットに基づいて、前記センサ座標系と前記モデル座標系との間の更新された位置合わせを判定することと、
を含む、方法。
（１４） 前記モデルが、前記管腔網の管腔に沿った中点によって画定される骨格を含み、
前記方法が、
前記初期位置合わせを使用して、前記センサ位置点を前記センサ座標系から前記モデル座標系に変換することと、
前記モデル座標系内の変換された前記センサ位置点の各々と前記骨格との間の距離を判定することと、
を更に含み、
前記重み値の前記判定が、変換された前記センサ位置点と前記骨格との間の距離に更に基づく、実施態様１３に記載の方法。
（１５） 前記重み値のセットが、バイナリである、実施態様１４に記載の方法。

（１６） 変換された前記センサ位置点の各々と前記骨格との間の各距離を、距離閾値と比較することと、
前記比較に基づいて、変換された前記センサ位置点の各々に前記バイナリ重み値のうちの１つを割り当てることと、
を更に含む、実施態様１５に記載の方法。
（１７） 前記モデルが、前記管腔網の前記管腔の直径値を更に含み、
前記重み値の前記判定が、前記管腔の前記直径値に更に基づく、実施態様１３に記載の方法。
（１８） 前記器具が、前記管腔網の内部の画像をキャプチャするように構成されたカメラを更に備え、
前記方法が、前記センサ位置点の各々に関して、キャプチャされた前記画像に基づいて、前記器具の前記遠位端と前記器具の前記遠位端が位置する管腔の中心線との間の距離を判定することを更に含み、
前記センサ位置点の前記重み値の前記判定が、前記器具の前記遠位端と前記管腔の対応する中心線との間の距離に更に基づく、実施態様１３に記載の方法。
（１９） 前記モデルが、前記管腔網の管腔に沿った中点によって画定される骨格を含み、
前記方法が、
前記センサ位置点の各々から所与の管腔の前記骨格までの距離に基づいて、前記センサ位置点を選別することと、
選別された前記センサ位置点に基づいて、前記重みを前記センサ位置点に割り当てることと、を更に含む、実施態様１３に記載の方法。
（２０） 前記センサ位置点の前記選別が、
最小距離を有する定義された割合の前記センサ位置点を第１の群に選別し、残りのセンサ位置点を第２の群に選別することを含む、実施態様１９に記載の方法。

（２１） 前記重み値のセットが、バイナリであり、
前記方法が、
前記第１の群の前記センサ位置点に重み１を割り当てることと、
前記第２の群の前記センサ位置点に重み０を割り当てることと、
を更に含む、実施態様２０に記載の方法。
（２２） 前記重み値のセットが、バイナリであり、
前記センサ位置点のセットのサブセットが、第２の生成管腔に位置する前記器具の前記遠位端に対応し、
前記モデル位置点のセットの前記サブセットに、値１が割り当てられる、実施態様１３に記載の方法。
（２３） 前記方法が、
前記センサ位置点のうちの第１のセンサ位置点に関して、前記初期位置合わせに関連付けられた誤差を判定することと、
前記誤差が閾値誤差よりも大きいことに応答して、前記初期位置合わせを固定することと、
を更に含む、実施態様１３に記載の方法。
（２４） 前記更新された位置合わせの前記判定が、更に、前記誤差が前記閾値誤差以下であることに応答して、前記第１のセンサ位置点である、実施態様２３に記載の方法。
（２５） 非一時的コンピュータ可読記憶媒体であって、前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令を有し、前記命令が実行されたときに、少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、
器具の位置センサによって生成された位置データに基づいて、前記センサ座標系内のセンサ位置点のセットを生成することであって、前記位置データが、前記センサ座標系における前記器具の遠位端の位置を示す、ことと、
前記モデル座標系内のモデル位置点のセットを判定することと、
前記センサ位置点のセット及び前記モデル位置点のセットに基づいて、前記センサ座標系と前記モデル座標系との間の初期位置合わせを判定することと、
前記センサ位置点のセットに対応する重み値のセットを判定することと、
前記センサ位置点のセット、前記モデル位置点のセット、及び前記重み値のセットに基づいて、前記センサ座標系と前記モデル座標系との間の更新された位置合わせを判定することと、
を行わせる、
非一時的コンピュータ可読記憶媒体。

（２６） 前記モデルが、前記管腔網の管腔に沿った中点によって画定される骨格を含み、
前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体が、前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令を更に有し、前記命令が実行されるときに、前記少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、
前記初期位置合わせを使用して、前記センサ位置点を前記センサ座標系から前記モデル座標系に変換させ、
前記モデル座標系内の変換された前記センサ位置点の各々と前記骨格との間の距離を判定させ、
前記重み値の前記判定が、変換された前記センサ位置点と前記骨格との間の距離に更に基づく、実施態様２５に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
（２７） 前記重み値のセットが、バイナリである、実施態様２６に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
（２８） 前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体が、前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令を更に有し、前記命令が実行されるときに、前記少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、
変換された前記センサ位置点の各々と前記骨格との間の各距離を、距離閾値と比較させ、
前記比較に基づいて、変換された前記センサ位置点の各々に、前記バイナリ重み値のうちの１つを割り当てさせる、実施態様２７に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
（２９） 前記モデルが、前記管腔網の前記管腔の直径値を更に含み、
前記重み値の前記判定が、前記管腔の前記直径値に更に基づく、実施態様２５に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
（３０） 前記器具が、前記管腔網の内部の画像をキャプチャするように構成されたカメラを更に備え、
前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体が、前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令を更に有し、前記命令が実行されるときに、前記少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、前記センサ位置点の各々に関して、キャプチャされた前記画像に基づいて、前記器具の前記遠位端と前記器具の前記遠位端が位置する管腔の中心線との間の距離を判定させ、
前記センサ位置点の前記重み値の前記判定が、前記器具の前記遠位端と前記管腔の対応する中心線との間の距離に更に基づく、実施態様２５に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。

Claims (15)

1. システムであって、
   １つ又は２つ以上の位置センサのセットを備える器具であって、前記位置センサが、センサ座標系における前記器具の遠位端の位置を示す位置データを生成するように構成されている、器具と、
   １つ又は２つ以上のプロセッサのセットと、
   前記１つ又は２つ以上のプロセッサのセットと通信し、かつモデル座標系に関して患者の管腔網のモデルを記憶している少なくとも１つのコンピュータ可読メモリであって、前記モデルが、前記管腔網の管腔に沿った中点によって画定される骨格を含む、少なくとも１つのコンピュータ可読メモリと、
   を備え、前記少なくとも１つのコンピュータ可読メモリが、前記少なくとも１つのコンピュータ可読メモリに記憶されたコンピュータ実行可能命令を更に有し、前記コンピュータ実行可能命令が、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
   前記位置センサによって生成された前記位置データに基づいて、前記センサ座標系内のセンサ位置点のセットを生成させ、
   前記モデル座標系内のモデル位置点のセットを判定させ、
   前記センサ位置点のセット及び前記モデル位置点のセットに基づいて、前記センサ座標系と前記モデル座標系との間の初期位置合わせを判定させ、
   前記センサ位置点の各々から所与の管腔の前記骨格までの距離に基づいて、前記センサ位置点を第１の群と第２の群に選別させ、
   前記センサ位置点のセットに対応する重み値のセットを判定させ、
   選別された前記センサ位置点に基づいて、前記重み値を前記センサ位置点に割り当てさせ、
   前記センサ位置点のセット、前記モデル位置点のセット、及び前記重み値のセットに基づいて、前記センサ座標系と前記モデル座標系との間の更新された位置合わせを判定させ、
   前記第１の群における前記センサ位置点と前記骨格までの距離は、前記第２の群における前記第２の群における前記センサ位置点と前記骨格までの距離よりも小さく、
   前記第１の群における前記センサ位置点に割り当てられた前記重み値は、前記第２の群における前記センサ位置点に割り当てられた前記重み値よりも大きい、
   システム。
2. 前記コンピュータ実行可能命令が更に、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
   前記初期位置合わせを使用して、前記センサ位置点を前記センサ座標系から前記モデル座標系に変換させ、
   前記モデル座標系内の変換された前記センサ位置点の各々と前記骨格との間の距離を判定させ、
   前記重み値の前記判定が、変換された前記センサ位置点と前記骨格との間の距離に基づく、請求項１に記載のシステム。
3. 前記重み値のセットが、バイナリである、請求項２に記載のシステム。
4. 前記コンピュータ実行可能命令が更に、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
   変換された前記センサ位置点の各々と前記骨格との間の各距離を、距離閾値と比較させ、
   前記比較に基づいて、変換された前記センサ位置点の各々に、前記バイナリである前記重み値のうちの１つを割り当てさせる、請求項３に記載のシステム。
5. 前記モデルが、前記管腔網の前記管腔の直径値を更に含み、
   前記重み値の前記判定が、前記管腔の前記直径値に更に基づく、請求項１に記載のシステム。
6. 前記器具が、前記管腔網の内部の画像をキャプチャするように構成されたカメラを更に備え、
   前記コンピュータ実行可能命令が更に、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、前記センサ位置点の各々に関して、キャプチャされた前記画像に基づいて、前記器具の前記遠位端と前記器具の前記遠位端が位置する管腔の中心線との間の距離を判定させ、
   前記センサ位置点の前記重み値の前記判定が、前記器具の前記遠位端と前記管腔の対応する中心線との間の距離に更に基づく、請求項１に記載のシステム。
7. 前記重み値のセットがバイナリであり、前記コンピュータ実行可能命令が更に、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
   前記第１の群内の前記センサ位置点の各々に、重み値１を割り当てさせ、
   前記第２の群内の前記センサ位置点の各々に、重み値０を割り当てさせる、請求項１に記載のシステム。
8. 前記重み値のセットが、バイナリであり、
   前記センサ位置点のセットのサブセットが、第２の生成管腔に位置する前記器具の前記遠位端に対応し、
   前記センサ位置点のセットの前記サブセットに、重み値１が割り当てられる、請求項１に記載のシステム。
9. 前記コンピュータ実行可能命令が更に、前記１つ又は２つ以上のプロセッサに、
   前記センサ位置点のうちの第１のセンサ位置点に関して、前記初期位置合わせに関連付けられた誤差を判定させ、
   前記誤差が閾値誤差よりも大きいことに応答して、前記初期位置合わせを固定させる、請求項１に記載のシステム。
10. 前記更新された位置合わせの前記判定が、前記誤差が前記閾値誤差以下であることに応答して、前記第１のセンサ位置点に更に基づく、請求項９に記載のシステム。
11. 非一時的コンピュータ可読記憶媒体であって、前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令を有し、前記命令が実行されたときに、少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、
    器具の位置センサによって生成された位置データに基づいて、センサ座標系内のセンサ位置点のセットを生成することであって、前記位置データが、前記センサ座標系における前記器具の遠位端の位置を示す、ことと、
    患者の管腔網のモデルのモデル座標系内のモデル位置点のセットを判定することであって、前記モデルが、前記管腔網の管腔に沿った中点によって画定される骨格を含む、ことと、
    前記センサ位置点のセット及び前記モデル位置点のセットに基づいて、前記センサ座標系と前記モデル座標系との間の初期位置合わせを判定することと、
    前記センサ位置点の各々から所与の管腔の前記骨格までの距離に基づいて、前記センサ位置点を第１の群と第２の群に選別することと、
    前記センサ位置点のセットに対応する重み値のセットを判定することと、
    選別された前記センサ位置点に基づいて、前記重み値を前記センサ位置点に割り当てることと、
    前記センサ位置点のセット、前記モデル位置点のセット、及び前記重み値のセットに基づいて、前記センサ座標系と前記モデル座標系との間の更新された位置合わせを判定することと、
    を行わせ、
    前記第１の群における前記センサ位置点と前記骨格までの距離は、前記第２の群における前記第２の群における前記センサ位置点と前記骨格までの距離よりも小さく、
    前記第１の群における前記センサ位置点に割り当てられた前記重み値は、前記第２の群における前記センサ位置点に割り当てられた前記重み値よりも大きい、
    非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
12. 前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体が、前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令を更に有し、前記命令が実行されるときに、前記少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、
    前記初期位置合わせを使用して、前記センサ位置点を前記センサ座標系から前記モデル座標系に変換させ、
    前記モデル座標系内の変換された前記センサ位置点の各々と前記骨格との間の距離を判定させ、
    前記重み値の前記判定が、変換された前記センサ位置点と前記骨格との間の距離に基づく、請求項１１に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
13. 前記重み値のセットが、バイナリである、請求項１２に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
14. 前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体が、前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令を更に有し、前記命令が実行されるときに、前記少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、
    変換された前記センサ位置点の各々と前記骨格との間の各距離を、距離閾値と比較させ、
    前記比較に基づいて、変換された前記センサ位置点の各々に、前記バイナリである前記重み値のうちの１つを割り当てさせる、請求項１３に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
15. 前記器具が、前記管腔網の内部の画像をキャプチャするように構成されたカメラを更に備え、
    前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体が、前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令を更に有し、前記命令が実行されるときに、前記少なくとも１つのコンピューティングデバイスに、前記センサ位置点の各々に関して、キャプチャされた前記画像に基づいて、前記器具の前記遠位端と前記器具の前記遠位端が位置する管腔の中心線との間の距離を判定させ、
    前記センサ位置点の前記重み値の前記判定が、前記器具の前記遠位端と前記管腔の対応する中心線との間の距離に更に基づく、請求項１１に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。

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