CN104661612B - 手术支持系统和手术支持系统的控制方法 - Google Patents

手术支持系统和手术支持系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

一种手术支持系统，其在使用图像采集单元观察的同时使用安装在机械手远端侧即从机械手的固定端看时的远端的治疗单元对目标组织执行治疗，该手术支持系统包括：机械手，其具有对应于多个自由度的关节并且包括关节之中具有冗余关系的至少两个冗余关节；操作单元，其被构造成提供对应于自由度的操作信息；位置关系计算单元，其计算所述目标组织或所述治疗单元和所述图像采集单元之间的切换位置关系；控制单元，其根据所述操作信息来控制所述关节的操作。所述控制单元基于所述切换位置关系，使用一个冗余关节作为驱动关节并且使用其它冗余关节作为固定关节来控制所述机械手。

Description

手术支持系统和手术支持系统的控制方法
技术领域
本发明涉及具有冗余关节(joint)的手术支持系统和能够控制手术支持系统的手术支持系统的控制方法。
要求2012年11月30日提交的美国临时专利申请No.61/731,802的优先权，该专利申请的内容以引用方式并入本文中。
背景技术
近期，为了尝试节省医疗设施中的人手，已经对由机器人进行医疗治疗开展了研究。特别地，在外科手术领域，在由具有多个自由度(多个关节)的机械手对患者执行治疗的手术支持系统中，已经阐明了各种提议。在这种手术支持系统中，已知的是，直接接触患者体腔的机械手可由远程操作设备进行远程操作。
这里，当使用手术支持系统执行针-钩操作(用内窥镜进行手术时尤其困难)时，在滚动与机械手远端附接的夹具的同时钩住针。这里，滚轴关节没有设置在其远端的机械手中，另一个关节根据用于滚动与远端附接的夹具的滚动协作地进行操作。在这种情况下，可操作多个关节与周围的内部器官等相碰。
另一方面，因为所谓的冗余关节被安装在例如远端部分，所以在专利文献1中公开了只能够决定远端的位置和方向的主-从机械手。另外，在冗余关节中，设置具有运动轴的关节，运动轴是旋转轴和线性移动轴中的一种，并且在初始状态下，关节的运动轴是平行的，在机械手中设置具有与旋转轴和线性移动轴属于同种类型的运动轴的另一个关节。
发明内容
技术问题
通常，在专利文献1等中公开的在远端安装有冗余关节的手术支持系统的情况下，用于根据来自操作单元的操作信息计算机械手的各关节的驱动量的反向动力学计算变复杂。在这种情况下，例如，因为冗余关节暂时固定，所以机械手的自由度可与操作单元的自由度相一致，当机械手的关节一对一地彼此对应时，可简化反向动力学计算。
然而，当操作人员固定的冗余关节被切换时，手术期间带给操作人员的负担增加。
本发明提供了其中基于位置关系计算单元计算的切换位置关系由机械手控制单元自动地执行具有冗余关系的关节的切换的手术支持系统和手术支持系统的控制方法。因此，不需要操作主设备的操作单元的操作人员切换关节，可减少手术期间带给操作人员的负担，可高效地执行手术。
[问题的解决方案]
根据本发明的第一方面，一种手术支持系统，其被构造成使用安装在机械手的远端侧的治疗单元，在使用图像采集单元进行观察的同时，对作为治疗目标的目标组织执行治疗，所述机械手的远端侧是当从所述机械手的固定端看时的远端，该手术支持系统包括：
所述机械手，其具有对应于多个自由度的多个关节并且包括所述多个关节之中具有冗余关系的至少两个冗余关节；
操作单元，其被构造成提供对应于所述多个自由度的操作信息；
位置关系计算单元，其被构造成计算所述目标组织或所述治疗单元和所述图像采集单元之间的切换位置关系；
控制单元，其被构造成根据所述操作信息来控制关节的操作，
其中，所述控制单元基于所述切换位置关系，使用所述至少两个冗余关节中的一个作为驱动关节并且使用所述至少两个冗余关节中的其它冗余关节作为固定关节来控制所述机械手。
根据本发明的第二方面，在根据第一方面所述的手术支持系统中，所述切换位置关系可代表所述目标组织或所述治疗单元和所述图像采集单元之间的距离，当所述切换位置关系等于或小于阈值时，所述控制单元可使用所述至少两个冗余关节中与所述机械手的远端最靠近的关节作为驱动关节，
当所述切换位置关系大于阈值时，使用所述至少两个冗余关节中与所述机械手的远端最远离的关节作为驱动关节。
根据本发明的第三方面，在根据第一方面所述的手术支持系统中，所述位置关系计算单元可包括：
图像采集单元检测单元，其被构造成检测所述图像采集单元的位置；
治疗单元检测单元，其被构造成检测所述治疗单元的位置，所述位置关系计算单元可被构造成基于检测到的所述图像采集单元的位置和检测到的所述治疗单元的位置，计算所述治疗单元和所述图像采集单元之间的距离作为切换位置关系。
根据本发明的第四方面，根据第三方面所述的手术支持系统还可包括能够获取图像的所述图像采集单元。
根据本发明的第五方面，在根据第三方面所述的手术支持系统中，所述位置关系计算单元可被构造成只有当所述治疗单元位于所述图像采集单元的视场内时才计算切换距离。
根据本发明的第六方面，在根据第一方面所述的手术支持系统中，所述位置关系计算单元可被构造成基于通过拍摄所述治疗单元得到并且由所述图像采集单元获取的图像，计算所述治疗单元和所述图像采集单元之间的距离作为切换位置关系。
根据本发明的第七方面，在根据第一方面所述的手术支持系统中，所述图像采集单元可以能够获取通过从不同倾斜方向拍摄所述目标组织而得到的第一图像和第二图像，
所述位置关系计算单元可被构造成基于获取的所述第一图像和所述第二图像计算所述目标组织和所述图像采集单元之间的距离作为切换距离。
根据本发明的第八方面，一种手术支持系统的控制方法，其被构造成控制包括机械手的手术支持系统，所述机械手具有对应于多个自由度的多个关节并且包括所述多个关节之中具有冗余关系的至少两个冗余关节，该控制方法包括：
计算使用安装在所述机械手处的治疗单元进行治疗的目标组织或所述治疗单元与所述图像采集单元之间的切换位置关系；
使用所述至少两个冗余关节中的一个作为驱动关节并且使用所述至少两个冗余关节中的其它冗余关节作为固定关节，基于切换位置关系来控制所述机械手。
[本发明的有利效果]
根据本发明的优选实施方式的手术支持系统，提供了其中基于位置关系计算单元计算的切换位置关系由机械手控制单元自动地执行具有冗余关系的关节的切换的手术支持系统和手术支持系统的控制方法。因此，不需要操作主设备的操作单元的操作人员切换关节，可减少手术期间带给操作人员的负担，可有效地执行手术。
附图说明
[图1]
图1是示出根据本发明的第一优选实施方式的手术支持系统的全貌。
[图2]
图2是示意性示出根据本发明的第一优选实施方式的手术支持系统的从机械手中的一个的视图。
[图3]
图3是示出根据本发明的第一优选实施方式的手术支持系统的框图。
[图4]
图4是示意性示出根据本发明的第一优选实施方式的手术支持系统的从机械手中的另一个的远端侧的视图。
[图5]
图5是示出根据本发明的第一优选实施方式的手术支持系统的操作单元的立体图。
[图6]
图6是用于描述根据本发明的第一优选实施方式的手术支持系统的控制设备测得的切换距离的视图。
[图7]
图7是用于描述根据本发明的第一优选实施方式的手术支持系统的控制方法的视图。
[图8]
图8是示出根据本发明的第一优选实施方式的手术支持系统的控制方法的流程图。
[图9]
图9是示出根据本发明的第二优选实施方式的手术支持系统的框图。
[图10]
图10是用于描述根据本发明的第二优选实施方式的使用手术支持系统进行的过程的视图。
[图11]
图11是示出根据本发明的第三优选实施方式的手术支持系统的框图。
[图12]
图12是示出当将手术钳设置成相对接近内窥镜时的图像和构成该图像的放大像素中的一些的视图。
[图13]
图13是示出当将手术钳设置成相对远离内窥镜时的图像和构成该图像的放大像素中的一些的视图。
[图14]
图14是示出根据本发明的第四优选实施方式的手术支持系统的框图。
[图15]
图15是示出根据本发明的第四优选实施方式的与手术支持系统一起使用的内窥镜的视图。
[图16]
图16是示出根据本发明的第四优选实施方式的内窥镜所获取的第一图像和第二图像的示例的视图。
[图17]
图17是用于描述根据本发明的第四优选实施方式的手术支持系统的控制设备测得的切换距离的另一个示例的视图。
[图18]
图18是用于描述根据本发明的第四优选实施方式的手术支持系统的控制设备测得的切换距离的另一个示例的视图。
具体实施方式
(第一优选实施方式)
下文中，将参照图1至图8描述根据本发明的第一优选实施方式的手术支持系统。
如图1中所示，根据第一优选实施方式的手术支持系统1包括：从设备10，其具有多个从机械手(机械手)11；主设备(操作单元)40，其被构造成施加操作信息；控制设备70，其被构造成根据操作信息控制从机械手11。
如图1和图2中所示，从设备10具有：手术台12；多个从机械手11，其具有固定端11a，固定端11a被固定于安装在手术台12上的框架13。另外，由于从机械手11具有相同构造，所以在下文中，将描述多个从机械手11之中附接手术钳30(以下将进行描述)的从机械手11A。
在优选实施方式中，如图2中所示，从机械手11A具有对应于7个自由度的关节21至27，根据来自主设备40的操作信息驱动关节21至27。在从机械手11A中，七个关节21至27被设置成使得关节27被设置成靠近固定端11a。
在这些关节21至27之中，关节21和关节24是绕着滚动轴(X轴)旋转的关节。也就是说，关节21和24的运动轴是平行于X轴的旋转轴。关节22和关节27是绕着偏航轴(Z轴)旋转的关节，关节22和27的运动轴是平行于Z轴的旋转轴。关节23和关节26是绕着纵倾轴(Y轴)旋转的关节，关节23和26的运动轴是平行于Y轴的旋转轴。
另外，关节25是沿着滚动轴伸展和收缩的关节。
关节21至25的运动轴位于同一直线上。关节26和27的运动轴位于同一直线上。由于关节21和24的运动轴是旋转轴并且在图2中示出的初始状态下运动轴彼此平行，因此关节是具有冗余关系的冗余关节。
手术钳(治疗单元)30附接于从机械手11A的远端11b。线材用电动机30b(参见图3)经由操作线材(未示出)连接到安装在手术钳30的远端部分的一对钳片30a。当驱动线材用电动机30b以推进或撤回操作线材时，这对钳片30a的远端部分可彼此接近或分开。在这个示例中，手术钳30形成为杆形。
如图3中所示，被构造成驱动关节21的关节电动机21a和被构造成检测关节21的旋转角度的编码器21b安装在关节21处。像关节21一样，关节电动机22a至24a、26a和27a和编码器22b至24b、26b和27b也分别安装在关节22至24、26和27处。被构造成驱动关节25的关节电动机25a和被构造成检测关节25的伸展量和收缩量的编码器25b安装在关节25处。
可通过驱动关节电动机21a至27a独立地驱动这些关节21至27。编码器21b至27b检测到的检测结果被输出到控制设备70。
因为图2中示出的关节22至27被合作地驱动，所以在从机械手11A中，实现从机械手11A的远端(当从固定端11a观看时的远端)的手术钳30的3个位置自由度和3个方向自由度。另外，除了这些关节22至27之外，在从机械手11A中，被构造成滚动远端的手术钳30的关节21被作为冗余关节安装。根据以上提到的构造，例如，当滚动从机械手11A的远端的手术钳30时，可以按及时方式选择是滚动关节24(远离远端的手术钳30的关节)还是关节21(靠近远端的手术钳30的关节)。在优选实施方式中，因为具有冗余关系的关节21和关节24没有同时驱动，所以简化了反向动力学计算。
将内窥镜(图像采集单元)31附接于图4中示出的从机械手11B的远端11b，从机械手11B是从机械手11中除了从机械手11A之外的一个。具有LED等的照明单元31a和光学单元31b在暴露于外部的状态下安装在内窥镜31的远端部分。诸如CCD等图像采集元件31c(参见图3)比光学单元31b更靠近内窥镜31的近端侧安装。光学单元31b将限定在光学单元31b前方的视场R1中的目标的图像成像于图像采集元件31c的图像的光接收表面(未示出)上。图像采集元件31c通过光接收表面上的图片获取图像，并且将图像切换成信号，以将信号输出到控制设备70。
如图1中所示，主设备40具有操作单元41和显示单元42。
例如，如图5中所示，操作单元41具有驱动单元50，驱动单元50包括由旋转机构构成的驱动轴51至54和由线性运动机构构成的驱动轴55和56。被构造成支承操作单元41和显示单元42的支承框架43被固定于驱动单元50(参见图1)的近端部分。夹具59被安装在操作单元41的远端部分(被诸如执业医生等操作人员O的手臂O1夹持)。
在这种构造中，当操作人员O在夹持夹具59的同时移动或旋转操作单元41时，驱动构成操作单元41的驱动轴51至56。分别由安装在驱动轴51至56的编码器51a至56a(参见图3)检测驱动轴51至56的驱动量(就旋转机构而言是旋转角或就线性运动机构而言是位移量)，编码器51a至56a的检测信号被作为表明操作单元41的操作信息的信号(操作信号)输出到控制设备70，该操作信息用于指示从设备10的从机械手11远端的手术钳30的位置和方向。
优选实施方式的操作单元41具有六个驱动轴并且输出通过移动六个驱动轴51至56而得到的编码器51a至56a的六个操作信号θ1、d1、d2、θ2、θ3和θ4。控制设备70的主控制单元72(以下将描述)使用这些值计算针对从机械手11的位置/方向指示信号。
机械手选择器开关61被安装于操作单元41(参见图3)，机械手选择器开关61被构造成切换由操作单元41控制的从机械手11。另外，虽然未示出，但被构造成驱动线材电动机30b等的开关等被安装于操作单元41。
例如，显示单元42由液晶显示器构成并且基于从控制设备70输入的图像信号来显示图像。
如图3中所示，控制设备70具有连接到总线71的主控制单元72、治疗工具位置检测单元73、内窥镜位置检测单元74、距离计算单元75、机械手控制单元(控制单元)76、图像处理单元77、输入单元78和电源79。从机械手11的关节电动机21a至27a、编码器21b至27b、手术钳30的线材用电动机30b、内窥镜31的图像采集元件31c、操作单元41的编码器51a至56a、机械手选择器开关61和显示单元42连接到总线71。
主控制单元72、治疗工具位置检测单元73、内窥镜位置检测单元74、距离计算单元75、机械手控制单元76和图像处理单元77中的每个由计算装置、存储器、控制程序等构成。
主控制单元72根据对应于六个自由度的来自主设备40的操作信号，计算从机械手11远端的手术钳30的位置和方向的指示值。然后，计算出的指示值被输出到机械手控制单元76。
从机械手11A的相邻关节之间的长度、手术钳30的长度等被存储在治疗工具位置检测单元73中。治疗工具位置检测单元73基于从从机械手11A的编码器21b至27b输入的检测结果、上述存储的长度等来检测手术钳30的远端部分的位置。另外，治疗单元检测单元由从机械手11A的编码器21b至27b和治疗工具位置检测单元73构成。
从机械手11B的相邻关节之间的长度、内窥镜31的长度等被存储在内窥镜位置检测单元74中。内窥镜位置检测单元74基于从从机械手11B的编码器21b至27b输入的检测结果和上述存储的长度来检测内窥镜31的远端部分的位置和方向。另外，图像采集单元检测单元由从机械手11B的编码器21b至27b和内窥镜位置检测单元74构成。
内窥镜31中的视场R1等的配置被存储在距离计算单元75中。距离计算单元75用治疗工具位置检测单元73检测到的手术钳30的远端部分的位置和内窥镜位置检测单元74检测到的内窥镜31的远端部分的位置，计算切换距离(切换位置关系)L1，L1是沿着如图6中所示的视场R1的中轴扩展成基本上圆锥形形状的、手术钳30的远端部分和内窥镜31的远端部分之间的距离。位置关系计算单元由图像采集单元检测单元、治疗单元检测单元和距离计算单元75构成。另外，距离计算单元75可根据手术钳30的远端部分的位置和内窥镜31的远端部分的位置和方向来检测手术钳30的远端部分是否位于内窥镜31的视场R1中。
机械手控制单元76通过基于来自主设备40的位置和方向的指示值进行的反向动力学计算，计算为了与从机械手11远端的手术钳30的位置和方向的指示值一致而所需的从机械手11的关节21至27的驱动量。
另外，机械手控制单元76进行控制，以基于切换距离L1选择和驱动关节21和24中的一个并且固定其它关节。更具体地，当切换距离L1是预定阈值或更小时，机械手控制单元76选择和驱动从机械手11的关节21和24中的靠近从机械手11远端的手术钳30的关节21，并且将远离远端的手术钳30的关节24固定。也就是说，机械手控制单元76使用关节21作为驱动关节并且使用关节24作为固定关节来控制从机械手11。同时，当切换距离L1大于阈值时，机械手控制单元76选择和驱动关节24并且固定关节21。可根据过程的内容、所使用的治疗工具(治疗单元)的种类等将阈值设置成例如20mm等。
图像处理单元77将图3中示出的内窥镜31获取的图像切换成图像信号并且将图像信号输出到显示单元42。
输入单元78是例如键盘并且设置在从设备10的附近。助手从输入单元78输入的指示被输出到主控制单元72等。
电源79将从外部输入的电力供应到从机械手11、主设备40、主控制单元72等。
接下来，将描述使用具有上述构造的优选实施方式的手术支持系统1的过程。下文中，将示例性描述将治疗工具引入患者体腔并且缝合目标组织的情况。
助手让患者Q平躺在如图1中所示的手术台12上，并且执行诸如消毒、麻醉等合适处理。当助手操作输入单元78以启动手术支持系统1时，从电源79向从机械手11、主设备40、主控制单元72等供电。
如图7中所示，将套管针T1和T2附接于患者Q的体壁Q1，从而被引导到不同方向。
向照射单元31a供电以照射内窥镜31的前面，在显示单元42上显示图像采集元件31c获取的图像。在操作人员O观察显示单元42的图像的状态下，助手将内窥镜31通过套管针T1引入患者Q的体腔Q2中。另外，可通过控制主设备40来执行内窥镜31的引入。
操作人员O操作操作单元41并且输入与该过程的内容等对应的合适阈值。输入的阈值被存储在机械手控制单元76中。操作单元41被操作用于驱动手术钳30的线材用电动机30b，将用于缝合的弯曲针N夹持在患者Q体外的一对钳片30a之间。
机械手选择器开关61被操作用于进行切换，使得从机械手11A由操作单元41控制。这里，如下地控制优选实施方式的手术支持系统1。图8是示出手术支持系统1的控制方法的流程图。
首先，在步骤S10中，治疗工具位置检测单元73检测手术钳30的远端部分的位置，内窥镜位置检测单元74检测内窥镜31的远端部分的位置和方向。距离计算单元75用检测到的手术钳30的远端部分的位置和检测到的内窥镜31的远端部分的位置和方向，检测手术钳30的远端部分是否位于内窥镜31的视场R1中。当距离计算单元75确定手术钳30的远端部分位于视场R1中(“是”)时，执行步骤S20。
当距离计算单元75确定手术钳30的远端部分不位于视场R1中(“否”)时，执行步骤S11。在步骤S11中，将关节21设置为固定关节而将关节24设置为驱动关节。然后，执行步骤S36。
在上述步骤S20中，距离计算单元75用就在之前执行的步骤S10中检测到的手术钳30的远端部分的位置和内窥镜31的远端部分的位置，计算切换距离L1。也就是说，只有当手术钳30的远端部分位于内窥镜31的视场R1中时，距离计算单元75才计算切换距离L1。然后，执行步骤S30。
在步骤S30中，机械手控制单元76确定切换距离L1是否是阈值或更小。当切换距离L1是阈值或更小(“是”)时，执行S31。在步骤S31中，将关节24设置为固定关节而将关节21设置为驱动关节。然后，执行步骤S36。
同时，在步骤S30中，当机械手控制单元76确定切换距离L1不是阈值或更小(“否”)时，执行S32。在步骤S32中，将关节21设置为固定关节而将关节24设置为驱动关节。然后，执行步骤S36。
接下来，在步骤S36中，机械手控制单元76基于从主控制单元72接收的位置和方向的指示值和步骤S31和32中被设置为固定关节和驱动关节的关节信息，通过反向动力学计算，用指示值计算为了与从机械手11A远端的手术钳30的位置和方向一致而所需的从机械手11A的关节21至27的驱动量。另外，确定针对关节21至27中的每个的指示值。
接下来，在步骤S37中，机械手控制单元76根据步骤S36中得到的从机械手11A的关节21至27的指示值来驱动关节21至27。然而，在步骤S11、S31或S32中被设置成固定的关节在固定状态下不被驱动。然后，执行步骤S10。
以各预定时间Δt(例如，1毫秒)重复步骤S10至S37。也就是说，将关节21和24中的任一个设置为固定关节可自动地在每个时刻变化。当操作单元41中机械手选择器开关61被操作用于控制不同于从机械手11A不同的另一个从机械手11时，这个流程被强制终止。
以此方式，在执行步骤S10至S37时，当手术钳30的远端部分位于内窥镜31的视场R1之外时，以及当手术钳30的远端部分位于内窥镜31的视场R1内使得切换距离L1相对长时，关节21被固定在靠近从机械手11A远端的手术钳30的位置。同时，当手术钳30的远端部分位于内窥镜31的视场R1内并且另外切换距离L1相对短时，关节24被固定在远离从机械手11A远端的手术钳30的位置。
操作人员O操作操作单元41，以在观察显示单元42上显示的图像的同时，如图7中所示将从机械手11A的手术钳30通过套管针T2引入体腔Q2中。然后，手术钳30的远端部分接近待治疗的目标组织Q3。
总体上，在使用弯曲针N进行的针-钩操作中，在滚动与从机械手11A远端的手术钳30附接的手术钳30的同时，弯曲针N被钩到目标组织Q3。如上所述，从机械手11A在协作地操作七个关节21至27的同时控制手术钳30的位置和方向。这里，当远离手术钳30(即，远离从机械手11A远端的手术钳30)的关节24滚动时，手术钳30也滚动，但比关节24更靠近远端的关节21至23也大规模地被操作，这些关节21至23等可与周围组织等相碰。
出于这个原因，当主要需要诸如针-钩操作的滚动操作时，关节21即靠近从机械手11A远端的手术钳30的关节可滚动，使得其它关节并不多余地操作。在这种情况下，可将关节24设置为固定关节。切换距离L1相对短，手术钳30的远端部分大规模地显示在内窥镜31的视场R1中，在内窥镜31的视场R1内不能容易地识别到从机械手11A的近端侧的状态。然而，由于关节21至27被控制成并不多余地操作，因此没有问题。
当将关节24设置为固定关节时，由于得到的从机械手11A远端的手术钳30的位置和方向的范围大规模地受限，因此在除了滚动还需要旋转的操作的情况下，可驱动关节24进行滚动。在这种情况下，可将关节21设置为固定关节。由于切换距离L1相对大并且从机械手11A的远端侧的大范围显示在内窥镜31的视场R1中，因此即使当从机械手11A大规模地操作时，操作人员O也可容易地识别操作，从而能够有简单的对策。
以此方式，当优选实施方式的从机械手11A包括对应于7个自由度的关节21至27时，一个关节固定而其它六个关节操作，而不顾及切换距离L1的值。出于此原因，不同于将所有这七个关节相对于六个自由度的位置和方向的驱动量设置为未知量，当相对于六个独立关节执行反向动力学计算时，可避免冗余的问题并且可简化反向动力学计算。
在使用弯曲针N缝合目标组织Q3之后，从套管针T2抽出手术钳30并且从套管针T1抽出内窥镜31。
执行合适的治疗(诸如，从患者Q的体壁Q1抽出套管针T1和T2以及缝合体壁Q1的切口)，从而终止一系列过程。
总体上，在专利文献1等中示出的具有安装在远端的冗余关节的手术支持系统的情况下，根据来自操作单元的操作信息，用于计算机械手的关节驱动量的反向动力学计算变复杂。在这种情况下，机械手的自由度与操作单元的自由度一致，因为例如冗余关节被暂时固定，并且当机械手的关节一对一对应时，可简化反向动力学计算。
然而，操作人员固定的冗余关节的切换在该过程期间为操作人员增加了负担。
另一方面，根据优选实施方式的手术支持系统1和手术支持系统1的控制方法，基于构成位置关系计算单元的距离计算单元75计算的切换距离L1，机械手控制单元76自动地执行具有冗余关系的关节21和24的切换。因此，不需要由操作主设备40的操作单元41的操作人员O执行关节21和24的切换，可减少该过程起来带给操作人员O的负担，并且可有效执行该过程。
由于构成从机械手11A的关节中的一个固定，可简化控制从机械手11A所需的反向动力学计算。
当切换距离L1是阈值或更小时，固定关节24而驱动关节21。出于此原因，当执行诸如针-钩操作的相对小操作时，可抑制除了关节21外的关节与周围组织等接触。然后，可提高手术支持系统1的操作性能。同时，当切换距离L1大于阈值时，固定关节21而驱动关节24。因此，可容易地执行相对大操作。
位置关系计算单元包括图像采集单元检测单元和治疗单元检测单元。图像采集单元检测单元可使用编码器21b至27b和从机械手11B或内窥镜31的形状尺寸，精确地检测内窥镜31的远端部分的位置和方向。由于治疗单元检测单元还具有与图像采集单元检测单元相同的构造，因此可精确地检测手术钳30的远端部分的位置。
由于手术支持系统1包括与从机械手11B的远端11b附接的内窥镜31，因此手术支持系统1可包括还含有内窥镜31的所有构造。
只有当手术钳30位于内窥镜31的视场R1内时，距离计算单元75才计算切换距离L1。因此，可减小距离计算单元75的计算处理量。
(第二优选实施方式)
接下来，在将参照图9和图10描述本发明的第二优选实施方式时，用相同的参考标号指明与上述优选实施方式相同的组件并且将省略详细描述而只描述不同点。
如图9中所示，相对于第一优选实施方式的手术支持系统1的组件，该优选实施方式的手术支持系统2包括摄像机(图像采集单元检测单元)91作为内窥镜31和内窥镜位置检测单元74的替代。手术支持系统2可连接到传统内窥镜92。也就是说，不包括内窥镜的手术支持系统2可与传统内窥镜92相结合进行使用。
如图10中所示，摄像机91可悬于手术室的屋顶C。摄像机91被安装成，使得该过程期间的内窥镜92进入视场R2。在摄像机91中安装检测电路(未示出)。检测电路具有计算装置或存储器。当从操作单元41或输入单元78输入与手术支持系统2连接的内窥镜92的长度、内窥镜92中的视场R2的配置等时，长度、配置等被存储在存储器中。
检测电路可通过已知图像处理用摄像机91获取的图像检测内窥镜92的远端部分的位置和方向。摄像机91连接到图9中示出的控制设备70的总线71，检测到的内窥镜92的远端部分的位置和方向可被输出到控制设备70。
内窥镜92可使用已知的传统构造。内窥镜92包括例如具有LED等照明单元92a和具有CCD等的图像采集元件92b。例如，在该过程期间，内窥镜92被固定于手术台12或者被助手保持。
图像采集元件92b获取的图像经由可与控制设备70的总线71连接的线缆92c输出到图像处理单元77，在显示单元42上显示图像。
作为检测内窥镜92的远端部分的位置和方向的方法示例，已知以下方法。也就是说，如图10中所示，沿着内窥镜92的整个周长安装多个标记92d。相邻标记92d彼此分隔的距离被之前存储在检测电路中。当通过图像处理方法检测多个标记92d的位置时，检测到内窥镜92的远端部分的位置和方向。
根据具有上述构造的优选实施方式的手术支持系统2，由于具有冗余关系的关节21和24的切换是由机械手控制单元76自动执行的，因此可减少该过程期间带给操作人员O的负担。
由于手术支持系统2不包括内窥镜并且可连接到传统内窥镜92，因此可有效地利用传统内窥镜92并且可抑制手术支持系统2的制造成本。当提供操作人员O或助手熟悉的内窥镜时，手术支持系统2可连接到内窥镜并进行使用。即使以此方式，可提高操作人员O或助手的操作性能。
在优选实施方式中，摄像机91悬于屋顶C。然而，摄像机91的配置不限于此，例如，摄像机可固定于手术台12或者助手可保持摄像机91。
(第三优选实施方式)
接下来，在将参照图11至图13描述本发明的第三优选实施方式时，用相同的参考标号指明与上述优选实施方式相同的组件并且将省略详细描述而只描述不同点。
如图11中所示，相对于第一优选实施方式的手术支持系统1的组件，该优选实施方式的手术支持系统3包括控制设备100作为内窥镜31和控制设备70的替代。
手术支持系统3可连接到传统内窥镜92，像第二优选实施方式的手术支持系统2一样。
相对于第一优选实施方式的控制设备70的组件，控制设备100包括距离计算单元(位置关系计算单元)101作为治疗工具位置检测单元73、内窥镜位置检测单元74和距离计算单元75的替代。
距离计算单元101可使用已知的图像处理方法，用通过拍摄手术钳30形成且由内窥镜92获取的图像，计算手术钳30的远端部分和内窥镜92的远端部分之间的距离作为切换距离(切换位置关系)。在上述优选实施方式的手术支持系统1和2中，检测内窥镜的位置和手术钳30的位置以计算切换距离。另一方面，优选实施方式的距离计算单元101用上述图像直接计算切换距离。
在用于计算切换距离的图像处理方法不特别限于已知方法时，可使用下面的方法。
图12和图13示出通过拍摄手术钳30得到的图像P10和P20。图像P10是通过将手术钳30的远端部分设置在相对靠近内窥镜92的远端部分的位置处获取的，图像P20是通过将手术钳30的远端部分设置在相对远离内窥镜92的远端部分的位置处获取的。这些图像P10和P20被显示为多个像素P以格子形状位于参考平面上的配置，如各附图中局部放大的。
手术钳30在图像中被拍摄得小，达到通过将手术钳30设置在远离内窥镜92的位置而获取的图像水平。
距离计算单元101通过已知的图像处理方法，识别图像P10和P20中的每个中形成为杆形的手术钳30的径向方向D。可在手术钳30的外表面上安装代表方向的标记，使得距离计算单元101可容易地识别图像P10和P20中的手术钳30的径向方向D。
距离计算单元101计算图像P10和P20中的代表径向方向D和治疗单元30的外径的像素P1的数量。在图12的示例中，像素P1的数量是6，或者在图13的示例中，像素P1的数量是3。
另外，代表像素P1的数量和切换距离的对应关系的表被之前存储在距离计算单元101的存储器中。距离计算单元101基于该表计算切换距离。
根据具有上述构造的优选实施方式的手术支持系统3，可自动地执行具有冗余关系的关节21和24的切换。
当切换距离相对小并且将手术钳30和内窥镜92靠近设置时，由于关节21至27被控制成并不多余地操作，因此防止手术钳30接触内窥镜92。另外，当切换距离相对大并且将手术钳30和内窥镜92彼此远离地设置时，即使从机械手11A大规模地操作时，也不存在问题。
(第四优选实施方式)
接下来，在将参照图14至图16描述本发明的第四优选实施方式时，用相同的参考标号指明与上述优选实施方式相同的组件并且将省略详细描述而只描述不同点。
如图14中所示，相对于第一优选实施方式的手术支持系统1的组件，该优选实施方式的手术支持系统4包括控制设备110作为内窥镜31和控制设备70的替代。
如图14和图15中所示，被构造成测量距离的已知内窥镜120可连接到手术支持系统4。也就是说，在优选实施方式中，内窥镜120用作距离计算单元(位置关系计算单元)。
内窥镜120包括具有安装在其远端部分的LED等的照明单元120a和诸如CCD等一对图像采集元件120b和120c。
图像采集元件120b可获取通过在方向E1上拍摄目标组织Q3而得到的第一图像P30(参见图16)。同时，图像采集元件120c可获取通过在方向E2上拍摄目标组织Q3而得到的第二图像P40(参见图16)。这两个方向E1和E2互不相同并且彼此倾斜。也就是说，当同时获取第一图像P30和第二图像P40时，例如，用右眼看显示在显示单元42上的第一图像P30并且用左眼看第二图像P40，操作人员O可在显示单元42上三维观察目标组织Q3。
另外，在内窥镜120中安装检测电路(未示出)。检测电路具有计算装置或存储器。检测电路可通过已知的图像处理方法，基于通过图像采集元件120b和120c获取的第一图像P30和第二图像P40，计算目标组织Q3和内窥镜120的远端部分之间的距离作为切换距离(切换位置关系)L2。也就是说，在优选实施方式中，基于第一图像P30和第二图像P40之间的视差，计算切换距离L2。
另外，相对于第一优选实施方式的控制设备70的组件，控制设备110不包括治疗工具位置检测单元73、内窥镜位置检测单元74和距离计算单元75。
根据具有上述构造的优选实施方式的手术支持系统4，可自动地执行具有冗余关系的关节21和24的切换。
当切换距离L2相对小并且将目标组织Q3和内窥镜120靠近设置时，由于关节21至27被控制成并不多余地操作，因此防止内窥镜120接触目标组织Q3。另外，当切换距离L2相对大并且将目标组织Q3和内窥镜120彼此远离地设置时，即使从机械手11B大规模地操作时，也不存在问题。
另外，在优选实施方式中，基于第一图像P30和第二图像P40之间的视差，计算目标组织Q3和内窥镜120的远端部分之间的距离作为切换距离L2。然而，切换距离L2的计算方法不限于此。例如，可使用超声波、激光束等的到达时间或波长的变化，计算切换距离L2。
上文中，虽然已经参照附图描述了本发明的第一优选实施方式至第四优选实施方式，但具体构造不限于这些优选实施方式，而是可在不脱离本发明的范围的情况下包括构造的变化。另外，无须说，可合适地组合使用优选实施方式中示出的构造。
例如，在第一优选实施方式至第四优选实施方式中，治疗单元是手术钳30。作为治疗单元，除此之外，可合适地选择使用勒除器、注射器、高频治疗工具等。
另外，在具有七个关节21至27的从机械手11中，运动轴是旋转轴的关节22和24具有冗余关系。然而，从机械手可具有八个关节或更多个关节，八个或更多个关节之中的除了六个关节外的关节可具有冗余关系。在这种情况下，当自动地选择固定具有冗余关系的多个关节中的一个或多个时，表现出与优选实施方式相同的效果。另外，运动轴是线性移动轴的两个或更多个关节可具有冗余关系。从机械手可具有六个或更少的关节并且这些关节中的两个或更多个可具有冗余关系。
从机械手11可包括具有冗余关系的三个或更多个冗余关节。在这种情况下，机械手控制单元76基于切换距离L1选择驱动三个或更多个冗余关节中的一个，并且固定剩余的冗余关节。
在第三优选实施方式和第四优选实施方式中，即使当通过穿过变焦透镜的反射光来获取图像时，如果可检测变焦透镜的放大倍数，则可在考虑放大倍数的情况下计算切换距离。
手术支持系统中包括的从机械手11的数量不受限制，可提供至少一个从机械手11A。
操作单元可不通过布线等电连接控制设备，操作单元和控制设备可通过无线通信连接。在这种情况下，随着夹持操作单元的操作人员O在三维空间中移动或旋转操作单元，对应于位置的三个自由度的操作信号可被输出到控制设备。
在第一优选实施方式和第二优选实施方式中，可固定内窥镜，从输入单元78输入内窥镜的位置和方向，将其存储在距离计算单元75等中。在这种情况下，由于每个时刻可检测手术钳30的远端部分的位置，可计算切换距离。
在第一优选实施方式中，计算手术钳30的远端部分和内窥镜31的远端部分之间沿着视场R1中轴的距离作为切换距离L1。然而，如图17中所示，当手术钳30的远端部分位于视场R1的边缘时，可计算手术钳30的远端部分和内窥镜31的远端部分之间沿着视场R1边缘的距离作为切换距离L3。
另外，如图18中所示，从基本上圆锥形形状扩展的视场R1的中轴L11到手术钳30的远端部分的距离可以是切换距离L4。
此外，本发明不限于上述描述，而是只限于随附权利要求书的范围。
[工业可应用性]
本发明可广泛地应用于手术支持系统和手术支持系统的控制方法，并且提供其中可基于通过位置关系计算单元计算的切换位置关系由机械手控制单元自动地执行具有冗余关系的关节的切换的手术支持系统和手术支持系统的控制方法。因此，不需要操作主设备的操作单元的操作人员执行关节的切换，可减少该过程期间带给操作人员的负担，可有效地执行该过程。
[参考符号列表]
1、2、3、4 手术支持系统
10 从设备
11 从机械手(机械手)
11A 从机械手
11B 从机械手
11a 固定端
11b 远端
12 手术台
13 框架
21至27 关节
21a至27a 关节电动机
21b至27b 编码器
30 手术钳(治疗单元)
30a 钳片
30b 线材用电动机
31 内窥镜(图像采集单元)
31a 照射单元
31b 光学单元
31c 图像采集元件
40 主设备(操作单元)
41 操作单元
42 显示单元
43 支承框架
50 驱动单元
51至56 驱动轴
51a至56a 编码器
59 夹具
61 机械手选择器开关
70、100、110 控制设备
71 总线
72 主控制单元
73 治疗工具位置检测单元
74 内窥镜位置检测单元
75 距离计算单元
76 机械手控制单元(控制单元)
77 图像处理单元
78 输入单元
79 电源
91 摄像机(图像采集单元检测单元)
92 内窥镜
92a 照明单元
92b 图像采集元件
92c 线缆
92d 标记
101 距离计算单元(位置关系计算单元)
120 内窥镜
120a 照明单元
120b、120c 图像采集元件
N 弯曲针
O 操作人员
O1 手臂
P1 像素
P10、P20、P30、P40 图像
Q 患者
Q1 体壁
Q2 体腔
Q3 目标组织
R1 视场
T1、T2 套管针
[引用列表]
[专利文献]
[PTL1]
日本未经审查的专利申请，首次公开No.S63-267177

Claims (8)

1.一种手术支持系统，其被构造成使用安装在机械手的远端侧的治疗单元，在利用图像采集单元进行观察的同时，对作为治疗目标的目标组织执行治疗，所述机械手的远端侧是当从所述机械手的固定端看时的远端，所述手术支持系统包括：
所述机械手，其具有对应于多个自由度的多个关节，所述多个关节之中包括具有冗余关系的至少两个冗余关节；
操作单元，其被构造成提供对应于所述多个自由度的操作信息；
位置关系计算单元，其被构造成计算所述目标组织或所述治疗单元和所述图像采集单元之间的切换位置关系；以及
控制单元，其被构造成根据所述操作信息来控制关节的操作，
其中，所述控制单元基于所述切换位置关系，使用所述至少两个冗余关节中的一个作为驱动关节并且使用所述至少两个冗余关节中的其它冗余关节作为固定关节来控制所述机械手。
2.根据权利要求1所述的手术支持系统，其中，
所述切换位置关系代表所述目标组织或所述治疗单元和所述图像采集单元之间的距离，
当所述切换位置关系等于或小于阈值时，所述控制单元使用所述至少两个冗余关节中与所述机械手的远端最靠近的关节作为驱动关节，并且
当所述切换位置关系大于所述阈值时，所述控制单元使用所述至少两个冗余关节中与所述机械手的远端最远离的关节作为驱动关节。
3.根据权利要求1所述的手术支持系统，其中，所述位置关系计算单元包括：
图像采集单元检测单元，其被构造成检测所述图像采集单元的位置；以及
治疗单元检测单元，其被构造成检测所述治疗单元的位置，
所述位置关系计算单元被构造成基于检测到的所述图像采集单元的位置和检测到的所述治疗单元的位置，计算所述治疗单元和所述图像采集单元之间的距离作为所述切换位置关系。
4.根据权利要求3所述的手术支持系统，所述手术支持系统还包括能够获取图像的所述图像采集单元。
5.根据权利要求3所述的手术支持系统，其中，所述位置关系计算单元被构造成只有当所述治疗单元位于所述图像采集单元的视场内时才计算切换距离。
6.根据权利要求1所述的手术支持系统，其中，所述位置关系计算单元被构造成基于通过拍摄所述治疗单元得到并且由所述图像采集单元获取的图像，计算所述治疗单元和所述图像采集单元之间的距离作为所述切换位置关系。
7.根据权利要求1所述的手术支持系统，其中，
所述图像采集单元能够获取通过从不同倾斜方向拍摄所述目标组织而得到的第一图像和第二图像，并且
所述位置关系计算单元被构造成基于获取的所述第一图像和所述第二图像计算所述目标组织和所述图像采集单元之间的距离作为切换距离。
8.一种手术支持系统的控制方法，其被构造成控制包括机械手的手术支持系统，所述机械手具有对应于多个自由度的多个关节，所述多个关节之中包括具有冗余关系的至少两个冗余关节，所述控制方法包括：
计算使用安装在所述机械手处的治疗单元进行治疗的目标组织或所述治疗单元与被用于进行观察的图像采集单元之间的切换位置关系；以及
使用所述至少两个冗余关节中的一个作为驱动关节并且使用所述至少两个冗余关节中的其它冗余关节作为固定关节，基于所述切换位置关系来控制所述机械手。
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