CN110934641A - 手术辅助装置及其控制方法、以及手术辅助系统 - Google Patents

手术辅助装置及其控制方法、以及手术辅助系统 Download PDF

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Abstract

提供手术辅助装置及其控制方法、以及手术辅助系统。手术辅助装置能够高精度地计测向体腔中插入的医疗器械在直线运动方向上的移动。本发明的手术辅助装置能够使用向体腔中插入的手术工具进行操作，其中，该手术辅助装置具有计测单元，该计测单元对向体腔中插入的所述手术工具的轴向体腔插入的插入深度和插入角度进行计测，以作为操作的输入，所述计测单元通过对在如下空间中传播的声波进行计测来计测插入深度，该空间是，安装于距向体腔插入的插入位置处于规定范围的位置和手术工具中的任意一方的发送器，与安装于另一方的接收器之间的空间。

Description

手术辅助装置及其控制方法、以及手术辅助系统
技术领域
本发明涉及手术辅助装置及其控制方法、以及手术辅助系统。
背景技术
已知有如下腹腔镜手术：在腹壁上开设多个小径的孔，通过将手术者手持的手术工具或内窥镜等医疗器械从小径的孔中分别插入到体腔内来进行手术。一般地，在腹腔镜手术中，操作超声刀或钳子等多个手术工具进行手术的手术者是在操作腹腔镜的腹腔镜操作者(scopist)或用钳子牵引脏器等的助手等的帮助下进行手术的，因此与切开腹部的开腹手术相比有时会变得烦杂。因此，提出了代替腹腔镜操作者等的辅助而由机械手臂(robot arm)来辅助手术者的技术(专利文献1、专利文献2)。
在专利文献1中提出了如下技术：利用设置在套管上的倾斜角检测传感器、进退量检测传感器和旋转量检测传感器来计测对供套管通过的医疗处置器械进行的操作，控制医疗处置器械的末端等的追踪基准以使得末端执行器对之进行追踪。此外，在专利文献2中提出了如下技术：在套管针(Trocar)上设置倾斜传感器等惯性传感器和插入量传感器来计测手术工具的姿态，控制腹腔镜的姿态以使之追踪手术工具的末端位置。
专利文献1：日本特开2015-24025号公报
专利文献2：日本特开2007-301378号公报
在专利文献1中，作为对医疗器械的长轴方向的移动进行计测的进退量检测传感器，采用了与医疗处置器械的表面接触而进行旋转的辊。但是，在使用辊对医疗处置器械的进退量进行计测的情况下，接触时的旋转由于手术工具的直径、表面材质、物质的附着状态等而受到影响，计测误差有时会变大。另一方面，在专利文献2中，采用光学式的位移传感器作为对医疗器械的长轴方向的移动进行计测的插入量传感器，根据在手术工具的表面上反射的半导体激光的强度变化计测出插入量。但是，该技术也由于夹设医疗器械以对激光的强度变化进行计测，所以计测误差有时由于医疗器械的表面材质、物质的对象物的状态而变大。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而完成的。即，其目的在于提供能够高精度地计测插入到体腔中的医疗器械的长轴方向的移动的技术。
为了解决该课题，例如，本发明的手术辅助装置具有以下结构。即，一种手术辅助装置，其能够进行使用插入到体腔中的手术工具的操作，其特征在于，所述手术辅助装置具有计测单元，该计测单元对向所述体腔中插入的所述手术工具的轴向所述体腔插入的插入深度和插入角度进行计测，以作为所述操作的输入，所述计测单元通过对在如下空间中传播的声波进行计测来计测所述插入深度，该空间是，安装于距向所述体腔插入的插入位置处于规定范围的位置和所述手术工具中的任意一方的发送器与安装于另一方的接收器之间的空间。
此外，本发明的手术辅助装置的控制方法是能够使用向体腔中插入的手术工具进行操作，其特征在于，所述手术辅助装置包含计测单元，所述控制方法具有计测工序，在该计测工序中，所述计测单元对向所述体腔中插入的所述手术工具的轴向所述体腔插入的插入深度和插入角度进行计测，以作为所述操作的输入，在所述计测工序中，通过对在如下空间中传播的声波进行计测来计测所述插入深度，该空间是，安装于距向所述体腔插入的插入位置处于规定范围的位置和所述手术工具中的任意一方的发送器与安装于另一方的接收器之间的空间。
并且，本发明的手术辅助系统包含手术辅助装置和医疗器械驱动装置，该手术辅助系统的特征在于，所述手术辅助装置能够使用向体腔中插入的第1手术工具进行操作，所述手术辅助装置具有计测单元，该计测单元对向所述体腔中插入的所述第1手术工具的轴向所述体腔插入的插入深度和插入角度进行计测，以作为所述操作的输入，所述计测单元通过对在如下空间中传播的声波进行计测来计测所述插入深度，该空间是，安装于距向所述体腔插入的插入位置处于规定范围的位置和所述第1手术工具中的任意一方的发送器与安装于另一方的接收器之间的空间，所述医疗器械驱动装置具有驱动单元，该驱动单元根据如下控制信息对向所述体腔插入且被机械地驱动的第2手术工具的姿态进行控制，该控制信息是基于由所述手术辅助装置的所述计测单元计测出的所述插入深度和所述插入角度的控制信息。
此外，本发明的手术辅助装置使用从腹壁的第2孔向体腔插入的第2手术工具对从所述腹壁的第1孔向所述体腔插入且被机械地驱动的第1手术工具的姿态进行控制，其特征在于，具有：计测单元，其对经由外套管而向所述第2孔插入的所述第2手术工具的轴向所述体腔插入的插入深度进行计测；以及控制单元，其输出控制信息，该控制信息用于至少根据由所述计测单元计测出的所述插入深度对所述第1手术工具的姿态进行控制，所述计测单元通过对在如下空间中传播的声波进行计测来计测所述插入深度，该空间是，安装于所述外套管和所述第2手术工具中的任意一方的发送器与安装于另一方的接收器之间的空间。
根据本发明，能够高精度地计测插入到体腔中的医疗器械的长轴方向的移动。
附图说明
图1是示意性示出手术辅助系统的整体结构例的图。
图2是示意性示出本实施方式中的、位置姿态计测装置的结构例的图。
图3是示意性示出本实施方式中的、用于距离计测的控制部的结构例的图。
图4是示出本实施方式中的、声波发送器与声波接收器之间的距离与相位差之间的关系的图。
图5是用于说明本实施方式中的距离计测处理(正向)的图。
图6是用于说明本实施方式中的距离计测处理(反向)的图。
图7是说明本实施方式中的、声波接收器绕手持医疗器械的轴旋转的情况下的处理的图。
图8是用于说明本实施方式中的、声波接收器绕手持医疗器械的轴旋转时的影响及其校正的图。
图9是示出本实施方式中的用于计测绝对距离的结构例(使用光的例子)的图。
图10是示出本实施方式中的用于计测绝对距离的结构例(使用机械式开关的例子)的图。
图11是说明用于判别手持医疗器械的标签和标签检测用传感器的结构例的图。
图12是用于说明用于判别多个手持医疗器械的处理例(使用检测距离的例子)的图。
图13是用于说明用于判别多个手持医疗器械的处理例(使用惯性传感器的例子)的图。
图14是示意性示出本实施方式中的、包含声波接收器和惯性传感器的传感器单元的结构例的图。
图15是示意性示出本实施方式中的、将包含声波发送器的传感器单元安装在外套管上的情况下的结构例的图。
具体实施方式
在以下，参照附图对本发明所例示的实施方式进行详细说明。
(手术辅助系统的整体结构例)
首先，参照图1对本发明的手术辅助系统的整体结构例进行说明。图1示意性示出本实施方式的手术辅助系统1的功能结构例。本实施方式的手术辅助系统1包含手术辅助装置2、和对手术工具或末端执行器的姿态进行控制的医疗器械驱动部11。
此外，手术辅助装置2例如包含：对手术者所持有的手术工具(手持式医疗器械21)的姿态进行计测的位置姿态计测装置22、用于对控制状态进行切换的模式切换部3、进行坐标转换和控制对象的位置等的运算或控制医疗器械驱动部11的控制部4、显示部7和非易失性存储器8。另外，将由医疗器械驱动部11控制的手术工具与手持式医疗器械21区分而称作机器人医疗器械12。
图1示出经由外套管将手术工具或末端执行器插入到躺在手术台6上的患者的体腔内的情形。本实施方式的手术辅助系统1设置在靠近手术者和患者的位置处，通过控制医疗器械驱动部11来配合手术者对手术工具进行的操作，从而辅助手术者所进行的手术。手术者能够操作手持式医疗器械21以交替地进行处置(例如，对脏器的一部分进行切开或者切除、缝合)和对机器人医疗器械12或末端执行器13的控制(例如用钳子牵引脏器)。这时，使用手持式医疗器械21的处置、和机器人医疗器械12或末端执行器13的控制能够通过操作模式切换部3来进行切换。
因此，本实施方式的机器人医疗器械12的控制与始终计测手术者所使用的手术工具的末端位置而使腹腔镜等追随该手术工具的末端位置附近的控制不同，是在为了进行切开等处理而操作手持式医疗器械21的间隔进行的。因此，为了控制机器人医疗器械12或末端执行器13的姿态而进行的手持式医疗器械21的姿态的计测会在较短时间内结束。
医疗器械驱动部11包含对机器人医疗器械12的移动或末端执行器13的姿态进行控制的驱动部(例如机械手臂)。例如构成为能够控制机器人医疗器械12向腹壁5插入的插入角度、机器人医疗器械12的轴在长轴方向上的移动(插入深度)、以及末端执行器13的驱动。虽然驱动部的机构例如可以是使用了R引导件的机构、使用了平行连杆的机构、或者是基于垂直多关节臂的机构等，但只要能够主动地控制末端执行器13的姿态即可，其形状可以是任意的。在驱动部中包含多个伺服马达等定位用致动器，能够从致动器所包含的编码器取得机构的关节角等当前位置信息。医疗器械驱动部11经由LAN等通信线路或者总线而与手术辅助装置2连接，与手术辅助装置2的控制部4之间进行数据的发送接收。医疗器械驱动部11能够向手术辅助装置2的控制部4输出由编码器取得的关节角等当前位置信息。此外，还能够根据从控制部4输出的控制信息来控制机器人医疗器械12的移动或末端执行器13的姿态。另外，在之后的说明中仅称为“机器人”的情况下，指的是医疗器械驱动部11、机器人医疗器械12、末端执行器13全体。
机器人医疗器械12的一部分经由外套管14插入到体腔内，该外套管14插入到开设在腹壁5上的小径的孔中。例如，机器人医疗器械12和末端执行器13包括插入到体腔内使用的钳子、镊子、电手术刀、抽吸管、超声波凝固切开装置、止血装置、电波烧灼装置、内窥镜、胸腔镜、腹腔镜等，其形状虽然是直线状，但可以具有弯曲关节。
手持式医疗器械21是手术者实际上通过手动进行通常的处置的医疗器械，其经由插入到开设于腹壁5的小径的孔中的外套管23而插入到体腔内，能够进行以腹壁5与外套管23相交的点为中心的旋转运动。此外，通过经由外套管23而插拔手持式医疗器械21而施加直线运动的自由度。即，只要能够计测旋转的3个自由度的运动和直线运动的1个自由度的运动，便能够计测手持式医疗器械21所具有的全部自由度。在手持式医疗器械21和外套管23上安装有位置姿态计测装置22，其通过后述的传感器来计测手持式医疗器械21的位置姿态。该传感器可以是一般的能够计测6个自由度的绝对位置姿态的传感器，但是，也可以是测定相对于某时刻、位置而言的相对位置姿态的传感器。
位置姿态计测装置22由能够计测3个自由度的姿态的惯性传感器和能够计测作为直线运动的1个自由度的声波传感器的组合构成，该1个自由度是向体腔内插入的插入深度。作为惯性传感器，例如能够利用加速度传感器、倾斜传感器、陀螺仪传感器、地磁传感器等一般的传感器和它们的组合。通过使用这样的手持式医疗器械21，能够将该手持式医疗器械21用作进行机器人医疗器械12的控制或显示部7所显示的用户接口的操作的情况下的输入装置。
模式切换部3包含用于恰当地切换手术辅助系统的操作模式的操作部件，例如由手动开关、脚踏开关等构成。操作模式包括：为了进行处置而操作手持式医疗器械21实际进行手术的模式(也简称为处置模式)、和为了操作机器人医疗器械12或末端执行器而使用手持式医疗器械21的模式(也简称为机器人操作模式)。当手术者通过模式切换部3对操作模式进行了切换时，控制部4根据来自模式切换部3的信号对系统的操作模式进行切换，将当前的操作模式记录于未图示的RAM中。另外，也可以是，经由模式切换部3取得规定的声音、规定的姿态信息，控制部4使得切换成与所输入的信息对应的操作模式。
控制部4包含CPU或者MPU等中央运算装置、ROM和RAM，执行存储于ROM或非易失性存储器8等记录介质中的程序，从而对手术辅助装置2的各模块的动作进行控制。此外，如后所述，控制部4在其与位置姿态计测装置22之间发送接收信号，求出由手术者操作的手持式医疗器械21的插入角度和插入深度。此外，从医疗器械驱动部11的编码器取得关节角等当前位置信息(或者是基于这些而获得的关节角等之间的移位信息等)。控制部4向医疗器械驱动部11输出如下控制信息，该控制信息根据向手持式医疗器械21的腹壁插入的插入角度和插入深度对机器人医疗器械12的移动或末端执行器13的姿态进行控制。另外，虽然作为根据手持式医疗器械21的插入角度和插入深度对机器人医疗器械12的移动或末端执行器13的姿态进行控制的方法、可以使用各种方法，例如可以使用日本特开第2018-110747号公报所公开的公知方法。
显示部7例如包括液晶显示器、有机EL显示器等显示器件，其显示由插入到腹壁的未图示的腹腔镜所拍摄到的体腔内的图像或者影像。此外，显示部7显示(包含表示机器人或手持式医疗器械21的姿态的数值等)系统内部的状态、和用于操作本系统的操作画面等。显示部7也可以配置于手术者佩戴的头戴式显示器内。
非易失性存储器8包括由半导体存储器或磁盘等构成的记录介质，存储由控制部4执行的程序或动作用的常数等。
(位置姿态计测装置的结构例)
接着，参照图2，以将位置姿态计测装置22安装在手持式医疗器械21和外套管23上的情况为例，对位置姿态计测装置22的结构例进行说明。在图2所示的例子中，在外套管23上安装有声波发送器201，并且在手持式医疗器械21上安装有声波接收器202，声波发送器201和声波接收器202配置成相互对置的朝向。此外，在手持式医疗器械21上安装有惯性传感器203。
在本实施方式的例子中，声波发送器201和声波接收器202例如由能够发送接收超声波的元件构成，但是，不限于超声波，只要是像麦克风和扬声器那样能够收发声波的成对的元件即可，能够以相同的原理进行计测。此外，惯性传感器203例如包括陀螺仪传感器和加速度传感器中的任意一方或双方。声波发送器201、声波接收器202和惯性传感器分别构成为通过无线或有线与控制部4连接，能够彼此发送接收所计测出的信号、控制指令等。控制部4根据所发送接收的信号，计测对置的声波发送器201与声波接收器202之间的距离(即手持式医疗器械21向外套管23插入的插入深度)。另外，在本实施方式中，示出将计测出的信号从位置姿态计测装置22发送到控制部4并由控制部4计算插入深度的例子，但是，也可以仅用位置姿态计测装置22进行插入深度的计测。此外，在本实施方式的例子中，说明了将位置姿态计测装置22安装在手持式医疗器械21和外套管23上的例子。但是，还可以将位置姿态计测装置22进一步安装在机器人医疗器械12和外套管14上，以对机器人医疗器械12向外套管14插入的插入深度进行计测。
在图2所示的结构中，将声波发送器201安装在外套管23上并将声波接收器202安装医疗器械21上，但是，也可以相反地，将声波接收器202安装在外套管23上，将声波发送器201安装在医疗器械21上。此外，如后所述，声波发送器201、声波接收器202的数量不一定是1对1，也可以是多对多。
声波以大约340m/s的速度在空气中传播，因此，能够通过计测从发送到接收的时间来计测声波发送器与声波接收器之间的距离。另外，一般地，在以计测时刻为目的的情况下，优选发送接收脉冲状的声波，但是在现实中(根据声波发送器和声波接收器的机械谐振频率的特性等)难以发送接收脉冲状的声波。因此，一般使用被称作脉冲串波的几个波长～几十个波长的声波。在使用脉冲串波的情况下，接收时刻根据脉冲串波的包线的阈值来判断。在该方法中，虽然能够将距离以绝对值来求出，但是，有时容易因信号强度而产生时间计测的误差，其结果，无法获得高精度的距离计测结果。因此，在以下说明的实施方式中，使用如下方法：使用基于相位计测的方法来高精度地计测相对距离。
(用于距离计测的控制部的结构)
接着，参照图3对用于距离计测的控制部4的结构例进行说明。控制部4包含使用声波来进行距离计测的结构，图3中仅示出控制部4所具有的功能中的、使用声波来进行距离计测的结构。
控制部4包含：声波信号输出部301，其向声波发送器201输出声波信号；声波信号放大部302，其对由声波接收器202接收到的信号进行放大和噪声过滤；振幅计测部303；以及比较器部304。从声波信号输出部301发送的信号和由声波接收器202接收到的信号输入到振幅计测部303和比较器部304中。
振幅计测部303对所发送的声波信号和接收到的声波信号的振幅进行计测。另外，作为要计测的物理量，不一定是振幅，也可以是与如RMS(Root Mean Square：均方根)或以该RMS为基准的振幅相关的信号。比较器部304进行用于通过将声波信号转换为矩形波来对发送与接收的相位差进行计测的前处理。比较器部304将转换为矩形波的声波信号输出到运算部305，运算部305对发送和接收之间的相位差进行计测。另外，比较器部304是用于简单地进行相位差计测的比较器部，只要能够根据声波波形计测相位差即可，不是必须的。此外，在图3中示出301～304的结构包含在控制部4中并配置于与声波发送器201、声波接收器202分离的位置的例子，但是这些301～304的结构也可以配置于声波发送器201或声波接收器202的周边。此外，这些301～304的结构的一部分或全部可以通过控制部4所执行的软件来实现。
另外，虽然在图1和图3中未明确示出，但是，控制部4也可以具有用于将由运算部305运算出的运算结果输出到其他设备的接口(作为运算结果输出部发挥功能)。此外，也可以向控制部4输入从惯性传感器203输出的信号，控制部4利用运算部305对该信号与声波信号同时进行处理。
(距离计测处理的例子)
图4示出分别用纵轴和横轴表示由运算部305计测出的相位差、和声波发送器201与声波接收器202之间的距离的曲线图。如图4所示，相位差与距离的关系用在0～360°之间周期性地发生变化的波形表示。如果移动相当于1个周期的距离(d1)，由于相位与距离成比例，因此，能够根据相位唯一地计算出距离。但是，如果是d1以上的距离，则无法判别相当于哪个周期的相位，因此，无法确定距离。
因此，运算部305通过依次计算相位的变化量，即使在跨相位的情况下，也可转换为恰当的移动量(即距离的变化量)。如图5所示，考虑距离发生变化且相位从360°返回0°的情况。该情况下，作为被计测的值，存在某时刻tk的相位pk、和时刻tk+1的相位pk+1。如上所述，在仅关注相位的值的情况下，从pk到pk+1的路径考虑有两条。因此，当使用波长λ表示时，成为位置dn＝λ(pk+1-pk)/360+dk或dm＝λ(pk+1-pk)/360+λ+dk中的某一个。因此，为了判断实际上位于哪个位置，要设置针对速度的限制条件。
在从时刻tk到tk+1期间，相位从pk变为pk+1的情况下，与该相位对应的速度成为(dm-dk)/(tk+1-tk)或(dn-dk)/(tk+1-tk)中的某一个。如果定性地表示该状态，则为以非常快的速度使距离减少或以较慢的速度使距离增加中的某一个。这时，在本实施方式中，假设在某个采样间隔之间没有移动半波长以上。当使用波长λ表示该假设涉及的阈值时，为vt＝λ(tk+1-tk)/2。该情况下，在图5所示的例子中，在移动至位置dn的情况下，是超过阈值的(在采样间隔的期间内移动半波长以上)速度，因此，能够确定除了该移动以外，都移动到了(以不超过该阈值的速度移动)位置dm。
在参照图5的例子中，考虑的是pk+1-pk为负值的情况，但是在其为正的情况下，也按照相同的过程考虑。图6示出pk+1-pk为正值的状况。在图6所示的例子中，根据相位求出的位置被求出为dn＝λ(pk+1-pk)/360+dk或dm＝λ(pk+1-pk)/360-λ+dk。在该例子中也同样，只要利用速度的阈值判断，运算部305能够判断出实际上移动到哪里。
这样，运算部305通过在相位的变化的跨周期时进行适当的处理，能够确定相对移动量。在该方法中，不需要声波信号的振幅信息，因此，存在即使接收强度因周边环境的干扰的影响而发生变化也完全不会对计测结果带来影响的优点。
计测的分辨率由相位差计测的时间分辨率来决定。一般地，该时间分辨率相当于微处理器或FPGA的时钟频率。例如，当利用16MHz的时钟计测出相位差时，分辨率成为大约0.02mm。此外，如果使用FPGA那样的器件，则能够按照与声波的频率相同的周期计测相位差，因此，速度的阈值vt成为音速的一半的速度。这相对于人的手动的速度而言是足够高的速度。
这样，在本实施方式中，通过对在安装在外套管23和手持式医疗器械21中的一个上的声波发送器201与安装在另一个上的声波接收器202之间的空间传播的声波进行计测，来计测手持式医疗器械21的插入深度。具体而言，通过从配置在外套管23上的声波发送器201发送声波并由配置在手持式医疗器械21上的声波接收器202接收，根据在空气中传播的声波的时间来计测手持式医疗器械21的直线运动方向的插入深度。由此，能够大幅度地减少手持式医疗器械21的表面材质或轻微的附着物等对插入深度的计测的影响。即，能够高精度地计测插入到体腔中的医疗器械的长轴方向的移动。
此外，在上述的实施方式中，根据所发送的声波信号与接收到的声波信号之间的相位差对配置在外套管23上的声波发送器201与配置在手持式医疗器械21上的声波接收器202之间的移动距离进行计测。这时，在基于声波信号的相位差对距离进行的计测中，通过去除手持式医疗器械21以超过规定阈值的(在采样间隔的期间内移动半波长以上的)速度进行的移动，来确定手持式医疗器械21的相对移动量。通过利用相位差来计测移动量，不需要声波信号的振幅的信息，即使在接收强度因周边环境的干扰而发生变化的情况下，也能够高精度地计测移动量。
(障碍物的检测处理)
接着，对应用上述的距离计测处理来进行障碍物的检测处理的例子进行说明。在该计测方法中，声波发送器201和声波接收器202配置成相互对置的朝向，因此，当在二者之间存在障碍物时，无法进行计测。因此，通过在手持式医疗器械21的轴的周围配置若干个声波发送器201和声波接收器202，能够使用声波的路径上不存在障碍物的声波发送器201与声波接收器202的对。是否存在障碍物能够由控制部4内的振幅计测部303根据计测出的值来判断。被计测的信号的振幅也会根据距离而增减，但是，在手持式医疗器械21的轴的长度的范围内变化的量与根据是否存在障碍物而变化的量明显是不同的，因此，只要通过实验等预先设定恰当的阈值，便能够检测障碍物。因此，控制部4能够对从声波发送器201与声波接收器202的多个对中获得的多个声波信号，判定是否其是否具有超过障碍物检测用的阈值的振幅。然后，选择被判定为具有超过障碍物检测用的阈值的振幅的声音信号作为未被障碍物遮挡的声音信号，使用所选择的声音信号进行距离计测处理。
(由于绕轴的旋转引起的影响的减少)
一般地，在存在多个声源的情况下，声波发生干渉而在空间上产生声压分布。优选地，即使在将多个声波发送器201配置于外套管23的情况下，也优选在某一时间间隔中，在发送侧仅使用1个声波发送器201的状态下进行距离计测处理。与此相对，接收侧能够同时使用2个以上。在本实施方式中，利用该特性对手持式医疗器械21的绕轴的旋转进行处理以使得减小距离的计测误差。
例如，如图2所示，声波发送器201和声波接收器202能够配置在手持式医疗器械21的轴周围。该情况下，在手持式医疗器械21绕轴旋转的情况下，即使插入深度相同，对应的声波发送器201与声波接收器202之间的距离也发生变化。
参照图7，更加具体地说明由于绕轴的旋转引起的影响。在图7所示的例子中，2个声波接收器202即声波接收器A和声波接收器B以隔着手持式医疗器械21的轴的方式分开hrx而对称地安装。此外，各个声波发送器201与轴隔开htx而安装在外套管23上。这时，当利用轴上的距离l和绕轴的旋转角θ表示声波发送器201与声波接收器A之间的距离LA时，如下所述。
[式1]
Figure BDA0002207774400000111
这里，声波接收器B的位置相当于θ+180°。图8示出使用上述的式子来描绘在某一l时θ发生了变化的情况下的情形的曲线图。这里，示出θ的速度为360°/s、l为100mm的情况。在计测的性质上，绝对距离没有意义，因此，纵轴是LA与LB的速度。由于处于l被固定的状态，因此，LA和LB的速度应该是0，但是，如果各声波接收器的计测值不变，则根据θ的变化，LA和LB的速度会从实际的l的速度较大偏离。这里，在对根据各接收器的声波信号而获得的距离的变化(速度)等计测值进行相加并除以2时(即，当使多个计测值均衡化时)，能够获得几乎不受θ的影响的结果。这样，在存在多个声波接收器的情况下，例如，通过对处于规定的位置关系的多个声波接收器的计测值进行平均化，能够消除手持式医疗器械21的绕轴的旋转(即θ)的影响，实现精度更高的距离计测。
在参照图7而说明的例子中，对将2个声波接收器202安装成关于手持式医疗器械21的轴而轴对称的情况进行了说明。但是，在本实施方式中，在具有3个以上的声波接收器202的情况下，配置成以轴为中心按照均等的角度分配，由此，只要与2个声波接收器202的情况同样地对这些计测结果进行平均，则能够获得与上述相同的结果。
(计测绝对距离的结构)
到目前为止所说明的距离计测处理是对相对于计测开始而言的相对距离进行计测，在这里，对将声波发送器与声波接收器之间的距离以绝对距离进行计测的结构进行说明。
作为本实施方式中的计测绝对距离的结构，位置姿态计测装置22在外套管23上具有插入检测传感器(之后参照图9和图10叙述)，该插入检测传感器用于对手持式医疗器械21的轴的末端通过了外套管23的情况进行检测。另外，在本实施方式中，作为插入检测传感器的一例，对使用光(光传感器)的插入检测传感器和使用机械式开关的插入检测传感器进行说明，但是，只要是能够检测手持式医疗器械21的插入的传感器即可，也可以使用其他方法。在其他方法中，也可以使用对例如电感的变化、电容的变化、轴通过的空间的压力的变化等进行计测的方法。
图9示出使用光的插入检测传感器。在该例子中，在手持式医疗器械21的轴通过的部分上安装有光发送器901和光接收器902。当轴穿过时，从光发送器901发出的光被遮挡，因此，能够根据光接收器902的光接收状态的变化对已插入手持式医疗器械21的情况进行检测。
为了使相对距离成为绝对距离，当利用插入检测传感器检测出手持式医疗器械21的轴插入到外套管23中时，控制部4同时开始利用声波进行相对距离的计测(清除计测值)。这里，从医疗器械的末端到声波接收器202的距离是已知的，因此，其结果，能够转换为以插入检测传感器为原点的绝对距离。另外，关于作为原点的插入检测传感器的位置，例如能够以如下方式确定：预先确定外套管23的旋转中心的绝对位置，并根据从旋转中心到检测位置之间的距离和外套管23的角度来确定。
在图9所示的例子中，在外套管23的内部存在光发送器901和光接收器902。但是，如果外套管23的材质是使光通过的材质，则也可以将光发送器901和光接收器902以能够装拆的方式安装在外套管23的外侧。这里，光的波长可以使用近红外区域，以使得即使附着了血液等生物体组织也不会发生反应。
此外，图10示出使用机械式开关的插入检测传感器的其他例。在该例子中，获得在手持式医疗器械21的轴通过外套管23时开关1001被按压的机构。此外，不仅设置开关，还将用于接受反作用力的引导辊1002设置于与开关相反的一侧，由此，能够降低错误检测。引导辊1002不一定需要进行旋转，只要摩擦力较小即可，可以是突起物那样的部件。此外，对于开关1001，除了一般的机械开关以外，只要是检测物体的移动或变形而接通和断开的开关即可，不限定于此。例如，可以利用霍尔传感器、光传感器、电感传感器、电容传感器等。
(计测绝对距离的其它结构)
也可以不使用对手持式医疗器械21的轴进行检测的插入检测传感器，而使用其他结构求出绝对位置。例如，作为用于计测绝对距离的结构，也可以使用间歇地发送声波的结构。在使用间歇的声波的情况下，能够通过在声波的发送开始或停止时检测接收信号的上升沿或下降沿，基于声波的到达时间来计测绝对距离。另外，接收信号的上升沿或下降沿的检测与在图2中使用上述的脉冲串波的计测方法相同即可。即，利用脉冲串波的包线的阈值来判断接收的时刻。这样，只要是根据声波的到达时间求出绝对距离，便能够通过上述的准确的相对位置的计测，从始至终地计测声波发送器与声波接收器之间的绝对距离。
(对更换的手持医疗器械进行自动判别的结构)
在上述的结构中，说明了外套管23与手持医疗器械1对1地对应使用的例子。但是，在实际的手术中，要从多个医疗器械中选择要使用的医疗器械，以切换的方式使用插入到1个外套管23中的医疗器械。
为了对新插入到外套管23中的手持式医疗器械21执行计测，将安装在已使用的(更换前的)手持式医疗器械21上的传感器依次重新安装在之后要使用的(更换后的)手持式医疗器械21上要花费时间。因此，预先在多个手持式医疗器械21上分别安装声波接收器202，由控制部4(在对手持式医疗器械21进行了更换时)对以哪个传感器的数据为处理对象进行切换这样的方式不会妨碍手术的进展，手术辅助系统的操作变得容易。
特别是，为了不妨碍手术的进展，并不是由手术者通过开关等以手动的方式进行手持式医疗器械21的切换，而是可以在系统侧自动地判别手持式医疗器械21的切换。因此，参照图11和图12对自动地对要使用的手持式医疗器械21的传感器进行判别的结构进行说明。另外，安装在多个手持式医疗器械21上的各传感器(即位置姿态计测装置22)均通过有线或无线与控制部4连接。
作为判别正在使用的手术工具的方法，如图11所示，预先在手术者的手上佩戴可装拆的标签1101～1103，使用手持式医疗器械21所具备的标签检测用传感器1104来检测该标签的接近或接触。例如，预先将由磁铁构成的标签安装在手术者的手上，利用由磁力传感器构成的标签检测用传感器检测标签。控制部4响应于从标签检测用传感器接收到表示检测到标签的检测信号而将安装有检测出该标签的标签检测用传感器的手持医疗器械判别为使用的手持医疗手术工具。
标签检测用传感器1104在将检测信号发送到控制部4时，可以将识别标签检测传感器1104的ID(标签检测传感器ID)一起发送到控制部4。控制部4可以在从标签检测传感器1104接收到标签检测传感器ID和检测信号时，根据该ID来确定正在使用的手持式医疗器械21，取得手持式医疗器械21的信息。在手持式医疗器械21的信息中，除了例如医疗器械的类别或轴的长度等医疗器械信息以外，还包含所安装的声波接收器的数量、各声波接收器之间的角度、与轴之间的距离等信息。例如，预先使非易失性存储器8存储对安装有标签检测传感器1104的手持医疗器械的信息与标签检测传感器ID进行了关联的表。由此，控制部4能够响应于标签检测传感器1104检测到标签的情况从该表中取得安装有标签检测传感器的手持医疗器械的信息。而且，例如，能够根据声波接收器的数量对距离计测处理进行切换，或者根据手持式医疗器械21的特性来调整控制信息。控制部4也可以响应于标签检测传感器1104检测到标签的情况，使显示部7显示如下信息中的至少任意一个，该信息示出检测到正在使用的手持式医疗器械21的情况、和检测到的手持医疗器械的类别或特性。由此，手术者能够掌握系统识别出手持医疗器械的更换的情况、以及被系统识别出的手持医疗器械的信息等。
对手术者标记标签的位置或安装方式可以像图11所示那样不同。此外，标签的位置、安装方式可以根据手持式医疗器械21的形状而不同。例如，可以如1101那样佩戴在指尖上、可以如1102那样在手掌上安装标签、也可以如1103那样将标签埋设于从手腕延伸出的带状的形状中。如果采用这样的标签，则在使用手持式医疗器械21时容易使标签与手持式医疗器械21的标签检测用传感器接近，较方便。此外，标签或标签检测用传感器无需为1个，可以以与全部手术工具对应的方式安装在任意位置。标签检测用传感器不限于磁力，只要能够判断出接近的情况即可，可以是其他方法，也可以使用例如RFID等近距离无线通信。
这样，如果采用自动选择与手术者的手接近的手持医疗器械作为要使用的手持医疗器械的方式，则还能够用于如下用途：在手术者拿错手持医疗器械而将该手持医疗器械放下时，使拿起该手持医疗器械的操作无效。在该情况下，当手持式医疗器械21从手术者的手离开时，无法识别出标签，因此，控制部4能够响应于该标签的识别状态的变更，按照手持式医疗器械21没有被使用的情况来处理(例如，无视来自位置姿态计测装置22的信号)。
(利用声波进行的手持医疗器械的选择)
还能够使用声波来识别正在使用的手持式医疗器械21。如图12所示，存在手持式医疗器械21即医疗器械A～C，在图12所示的例子中，手术者使用医疗器械A，剩余的医疗器械放置在位于在一定程度上远离外套管23的位置(即，超过可计测距离的位置)的机械台上。
这里，对由各个声波接收器202计测出的声波的振幅进行计测。通常，在将医疗器械设置在机械台上的情况下，由于处于几乎无法计测声波的距离，声波的振幅小于规定阈值。因此，例如，在计测出的声波的振幅为规定阈值以上的情况下，控制部4能够判别为正在使用该手持式医疗器械21。
在上述的例子中，假想没有被使用的医疗器械放置在无法计测到声波的距离的情况，但是，无法否定医疗器械可能会放置在可计测到声波的位置。因此，在本实施方式中，为了更高精度地选择手持医疗器械，除了上述的振幅以外，还进行基于脉冲串波的绝对距离的计测。一般地，在腹腔镜手术中使用的手术工具的长度大致恒定。因此，即使万一没有被使用的医疗器械存在于可计测声波的位置，控制部4在与声波发送器201之间的距离为一般的医疗器械的长度(即、预先确定的长度的阈值)以上的情况下，也判别它是没有被使用的医疗器械。
并且，还考虑没有被使用的医疗器械放置在距声波发送器201的距离比一般的医疗器械的长度近的位置的情况，进行还使用了惯性传感器的判别处理。在该实施方式中，如图13所示，使用安装在手持式医疗器械21上的惯性传感器203即惯性传感器1301、1302、和安装在外套管23上的外套管侧惯性传感器1303。
作为正在被使用的手持式医疗器械21的医疗器械A插入到外套管23中，因此，从手持式医疗器械21和外套管23各自的惯性传感器获得的姿态应该一致。另一方面，放置在外套管23的附近但是没有被使用的医疗器械B的姿态几乎不与外套管23的姿态平行。即，控制部4能够根据各手持医疗器械的姿态的角度差来判别正在使用的医疗器械。由于实际上外套管与医疗器械的轴之间存在间隙，所以无法达到完全平行，并且，关于绕重力轴的旋转仅能够计测相对值，因此无法进行比较。因此，控制部4例如能够在外套管23相对于重力轴的倾斜度和手持式医疗器械21相对于重力轴的倾斜度在一定程度上一致的情况(即，角度差小于规定阈值的情况)下，对被插入的手持医疗器械进行判别。
(装拆式传感器单元的结构)
声波接收器202和惯性传感器203可以内置于手持式医疗器械21中，但是，多数情况下，安装成能够装拆以对应各种医疗器械更为方便。图14示出包含声波接收器202和惯性传感器203的本实施方式的传感器单元1401的结构例。该传感器单元1401构成为能够在手持式医疗器械21上装拆的壳体。传感器单元1401通过拧紧固定具1402的螺钉1403，被固定在手持式医疗器械21的轴上。
根据手持式医疗器械21的形状的不同，可以直接安装在手持式医疗器械21的把手部分上，而不安装在轴上。此外，如图14所示，除了声波接收器202和惯性传感器203以外，也可以具有用于进行开关操作的杆1404。该情况下，手术者能够一边保持手持式医疗器械21一边进行开关操作。在图14所示的例子中，杆1404配置于左右，但是，该配置可以采用任何方式。
此外，关于包含声波发送器201的传感器单元1501也同样如此，以能够装拆的方式安装在外套管23上更为方便。图15示出将包含声波发送器201的传感器单元1501安装在外套管23上的情况下的结构例。在该例子中，传感器单元1501构成能够在外套管23上装拆的壳体，包含3个声波发送器201。此外，传感器单元1501通过固定器械1502固定在外套管23上。传感器单元1501的中心设置有用于使手持式医疗器械21的轴通过的孔。
另外，在上述的说明中，说明了将位置姿态计测装置22设置在手持式医疗器械21和外套管23上来计测手持式医疗器械21的位置姿态的情况的例子。但是，本实施方式的位置姿态计测装置22也可以安装在机器人医疗器械12和外套管14上从而计测机器人医疗器械12的位置姿态。即，位置姿态计测装置22还能够用作对机器人医疗器械12的运动进行控制的传感器，能够代替医疗器械驱动部11的关节部的编码器来使用。
(其他实施方式)
并且，上述的手术辅助系统的结构也可以分别作为分离或者合并的结构实现。此外，本发明除了控制部从记录介质读出执行上述的处理的计算机程序并执行的情况以外，还可以包含经由有线通信或无线通信而取得程序并执行的情况。

Claims (15)

1.一种手术辅助装置，其能够使用向体腔中插入的手术工具进行操作，其特征在于，
所述手术辅助装置具有计测单元，该计测单元对向所述体腔中插入的所述手术工具的轴向所述体腔插入的插入深度和插入角度进行计测，以作为所述操作的输入，
所述计测单元通过对在如下空间中传播的声波进行计测来计测所述插入深度，该空间是，安装于距向所述体腔插入的插入位置处于规定范围的位置和所述手术工具中的任意一方的发送器与安装于另一方的接收器之间的空间。
2.根据权利要求1所述的手术辅助装置，其特征在于，
所述计测单元根据从所述发送器发送的声波信号与所述接收器所接收到的声波信号的相位差来计测所述插入深度。
3.根据权利要求1所述的手术辅助装置，其特征在于，
所述计测单元为了计测所述插入深度，根据从所述发送器发送的声波信号与所述接收器所接收到的声波信号的相位差对所述发送器与所述接收器之间的距离的变化量进行计测。
4.根据权利要求3所述的手术辅助装置，其特征在于，
所述计测单元在基于所述相位差进行的计测中，通过去除所述手术工具以超过规定阈值的速度进行的移动，来计测所述发送器与所述接收器之间的距离的变化量。
5.根据权利要求1所述的手术辅助装置，其特征在于，
所述接收器由绕所述手术工具的轴每隔规定的角度配置的多个接收器构成，
通过由所述多个接收器接收从1个发送器发送的声波，并且由所述计测单元对基于多个所述接收器所接收到的声波信号的计测值进行均衡化，来计测所述插入深度。
6.根据权利要求1所述的手术辅助装置，其特征在于，
所述计测单元还具有插入检测单元，该插入检测单元对所述手术工具的轴的末端通过了插入到所述体腔中的外套管的情况进行检测。
7.根据权利要求1所述的手术辅助装置，其特征在于，
在来自所述接收器的声波信号的振幅为规定阈值以上的情况下，所述计测单元判别为所述手术工具正在被使用。
8.根据权利要求1所述的手术辅助装置，其特征在于，
所述计测单元还具有标签检测单元，该标签检测单元安装在所述手术工具上，对与安装于手术者的标签接近或接触的情况进行检测，
在存在多个所述手术工具的情况下，响应于所述标签检测单元检测到所述标签的情况，将与检测出所述标签的所述标签检测单元对应的所述手术工具判别为正在使用的所述手术工具。
9.根据权利要求1所述的手术辅助装置，其特征在于，
所述计测单元使用安装于所述手术工具的惯性传感器来计测所述插入角度。
10.根据权利要求1所述的手术辅助装置，其特征在于，
所述计测单元对在对在如下空间中传播的超声波进行计测，该空间是，安装于距向所述体腔插入的插入位置处于所述规定范围的位置和所述手术工具中的任意一方的发送器与安装于另一方的接收器之间的空间。
11.根据权利要求1所述的手术辅助装置，其特征在于，
所述接收器配置在能够相对于所述手术工具进行装拆的壳体上。
12.根据权利要求1所述的手术辅助装置，其特征在于，
所述手术辅助装置还具有控制单元，该控制单元输出控制信息，该控制信息用于根据由所述计测单元计测出的所述插入深度和所述插入角度对向所述体腔插入且被机械地驱动的手术工具的姿态进行控制。
13.一种手术辅助装置的控制方法，该手术辅助装置能够使用向体腔中插入的手术工具进行操作，其特征在于，
所述手术辅助装置包含计测单元，
所述控制方法具有计测工序，在该计测工序中，所述计测单元对向所述体腔中插入的所述手术工具的轴向所述体腔插入的插入深度和插入角度进行计测，以作为所述操作的输入，
在所述计测工序中，通过对在如下空间中传播的声波进行计测来计测所述插入深度，该空间是，安装于距向所述体腔插入的插入位置处于规定范围的位置和所述手术工具中的任意一方的发送器与安装于另一方的接收器之间的空间。
14.一种手术辅助系统，其包含手术辅助装置和医疗器械驱动装置，其特征在于，所述手术辅助装置能够使用向体腔中插入的第1手术工具进行操作，
所述手术辅助装置具有计测单元，该计测单元对向所述体腔中插入的所述第1手术工具的轴向所述体腔插入的插入深度和插入角度进行计测，以作为所述操作的输入，
所述计测单元通过对在如下空间中传播的声波进行计测来计测所述插入深度，该空间是，安装于距向所述体腔插入的插入位置处于规定范围的位置和所述第1手术工具中的任意一方的发送器与安装于另一方的接收器之间的空间，
所述医疗器械驱动装置具有驱动单元，该驱动单元根据如下控制信息对向所述体腔插入且被机械地驱动的第2手术工具的姿态进行控制，该控制信息是基于由所述手术辅助装置的所述计测单元计测出的所述插入深度和所述插入角度的控制信息。
15.一种手术辅助装置，其使用从腹壁的第2孔向体腔插入的第2手术工具对从所述腹壁的第1孔向所述体腔插入且被机械地驱动的第1手术工具的姿态进行控制，其特征在于，具有：
计测单元，其对经由外套管而向所述第2孔插入的所述第2手术工具的轴向所述体腔插入的插入深度进行计测；以及
控制单元，其输出控制信息，该控制信息用于至少根据由所述计测单元计测出的所述插入深度对所述第1手术工具的姿态进行控制，
所述计测单元通过对在如下空间中传播的声波进行计测来计测所述插入深度，该空间是，安装于所述外套管和所述第2手术工具中的任意一方的发送器与安装于另一方的接收器之间的空间。
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