JP2006239278A - Medical master operation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マスター側の操作装置を操作することによってスレーブ側の内視鏡や処置具等のエンドエフェクタを作動し、生体組織の部位を診断、処置するマスタースレーブ方式における医療用マスター操作装置に関する。 The present invention relates to a medical master operation device in a master-slave system that operates an end effector such as a slave-side endoscope or a treatment tool by operating a master-side operation device, and diagnoses and treats a part of a living tissue. .
例えば、体腔内の血管等の生体組織を縫合する外科手術では、体腔内を観察する内視鏡と、縫合に要するピンセット、針、糸等の処置具を術者が経皮的に体腔内に挿入して行う従来からの内視鏡下手術のほか、術者に代わり操作者がマスターアームを手で遠隔操作し、その動きを制御装置で計測して動作指令に演算し、この値に基づきマニピュレータ等を介して内視鏡や処置具を操作して行うマスタースレーブ方式による手術が一般に知られている。 For example, in a surgical operation in which a biological tissue such as a blood vessel in a body cavity is sutured, an operator percutaneously inserts an endoscope for observing the inside of the body cavity and treatment tools such as tweezers, needles, and threads required for the suture into the body cavity. In addition to the conventional endoscopic surgery performed by insertion, the operator remotely operates the master arm by hand instead of the operator, measures the movement with a control device, calculates the operation command, and based on this value A master-slave type operation that is performed by operating an endoscope or a treatment instrument via a manipulator or the like is generally known.
このうち前者は、自由度不足に起因し、体壁に開けた穴から狭い体腔内に挿入される内視鏡や処置具を動かし所望の手術を行うことが困難なため、例えば臓器の摘出手術等の大きな切開を要しないような手術に限られていた。これに対し、後者は、自由度の大きい多関節構造の挿入部を備えた手術用マニピュレータを用いて行う手術であって十分な自由度が得られることから、近来では多く採用されている。 Of these, the former is caused by a lack of freedom, and it is difficult to perform a desired operation by moving an endoscope or treatment tool inserted into a narrow body cavity from a hole formed in a body wall. Such operations are not limited to large incisions. On the other hand, the latter is a surgery performed using a surgical manipulator having a multi-joint structure insertion portion with a high degree of freedom, and a sufficient degree of freedom can be obtained.
例えば特許文献1には、術者がマスター操作装置である操作用グリッパを操作し、この操作に追従した動きを複数の自由度を持つスレーブアームに伝達して外科手術を行うようにした医療用マスタースレーブ方式のマスター操作装置が開示されている。また、特許文2には、操作者が携帯型アーム操作部のアームを操作し、制御装置に指令信号を入力することによりスレーブアームを遠隔制御して外科手術を行う医療用マスタースレーブ方式のマスター操作装置が開示されている。
For example, Patent Document 1 discloses a medical device in which an operator operates an operation gripper that is a master operation device, and transmits a movement following the operation to a slave arm having a plurality of degrees of freedom to perform a surgical operation. A master-slave type master operating device is disclosed.
しかしながら、従来のこれらいずれの操作装置も、大きな切開をして行う手術に用いられる場合が多く、遠隔操作によりマスター側とスレーブ側とが1対1で作動するものが殆どであった。このため、微小部位の外科手術、例えば太さが0.3ないし0.5mm程度の細い血管の縫合手術を行うような場合には微細な動作コントロールが必要となるが、手先の極めて器用な専門の術者あるいは操作者であればともかく、これらの操作装置では所望の手術を行うことが困難であり、また、操作をするためには高度の技術と熟練を要するという問題があった。
本発明は上述したような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、操作が簡単で格別な熟練度を必要とせず、微小部位の外科手術であっても容易に行うことができるマスタースレーブ方式における医療用マスター操作装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and the object of the present invention is that it is easy to operate and does not require a special skill level, and can be easily performed even in a surgical operation of a minute part. An object of the present invention is to provide a medical master operating device in a master / slave system.
本発明の上記目的は、マスター側の操作装置を操作することによりスレーブ側のエンドエフェクタを作動し、生体組織の部位を診断、処置するマスタースレーブ方式における医療用マスター操作装置であって、両手で操作可能な一対のペン形状の操作装置であるペンマスターをターンテーブル上に設置し、前記ペンマスターの相対角度を操作者の任意の位置及び角度に選定可能とし、前記ペンマスターを外装部と内装部とから成る二重構造とし、前記外装部には上下両端に三次元変位センサーを設け、前記内装部には回転センサーを備えた回転操作手段を設け、前記外装部の外周にはセンサースイッチを装着した指先挿入部を設けて成ることを特徴とする医療用マスター操作装置を提供することにより達成される。 The above-described object of the present invention is a medical master operation device in a master-slave system in which a slave-side end effector is operated by operating a master-side operation device to diagnose and treat a part of a living tissue, A pen master, which is a pair of pen-shaped operation devices that can be operated, is installed on a turntable, and the relative angle of the pen master can be selected at any position and angle of the operator. The exterior part is provided with three-dimensional displacement sensors at both upper and lower ends, the interior part is provided with a rotation operation means equipped with a rotation sensor, and a sensor switch is provided on the outer periphery of the exterior part. This is achieved by providing a medical master operating device characterized in that it is provided with an attached fingertip insertion portion.
また、本発明の上記目的は、前記外装部の上下両端に設けられた三次元変位センサーは、前記エンドエフェクタの姿勢を制御するものであって、下端部側の三次元変位センサーは前記エンドエフェクタの先端部の動作方向、動作量及び動作速度を指示するための信号を出力し、上端部側の三次元変位センサーは前記エンドエフェクタの後端部の動作方向、動作量及び動作速度を指示するための信号を出力することを特徴とする医療用マスター操作装置を提供することにより、より効果的に達成される。 Further, the object of the present invention is that the three-dimensional displacement sensors provided at the upper and lower ends of the exterior part control the posture of the end effector, and the three-dimensional displacement sensor on the lower end side is the end effector. A signal for instructing the movement direction, movement amount, and movement speed of the tip end portion is output, and the three-dimensional displacement sensor on the upper end side instructs the movement direction, movement amount, and movement speed of the rear end portion of the end effector. This is achieved more effectively by providing a medical master operating device characterized by outputting a signal for the purpose.
また、本発明の上記目的は、前記指先挿入部は前記外装部の外周における操作者の人差指が挿入可能な位置に設置され、かつ前記外装部の外周における操作者の親指が接触可能な位置には前記回転操作手段を回転操作するための窓が設けられていることを特徴とする医療用マスター操作装置を提供することにより、より効果的に達成される。 Further, the above object of the present invention is to place the fingertip insertion part at a position where the operator's index finger can be inserted on the outer periphery of the exterior part, and at a position where the operator's thumb can contact the outer periphery of the exterior part. Is achieved more effectively by providing a medical master operating device characterized in that a window for rotating the rotation operating means is provided.
また、本発明の上記目的は、前記センサースイッチは前記エンドエフェクタの開閉操作を行うことを特徴とする医療用マスター操作装置を提供することにより、より効果的に達成される。 Further, the above object of the present invention is more effectively achieved by providing a medical master operating device in which the sensor switch performs an opening / closing operation of the end effector.
また、本発明の上記目的は、前記内装部は、前記外装部の内側の上下端に設けられたバネによって前記外装部の中心軸上に保持され、浮遊する状態で回転自在であることを特徴とする医療用マスター操作装置を提供することにより、より効果的に達成される。 Further, the above object of the present invention is characterized in that the interior part is held on the central axis of the exterior part by springs provided at the upper and lower ends inside the exterior part and is rotatable in a floating state. This is achieved more effectively by providing a medical master operating device.
また、本発明の上記目的は、前記両手で操作可能な一対のペンマスターは、夫々を操作者が任意の位置及び角度に設定できる構造であることを特徴とする医療用マスター操作装置を提供することにより、より効果的に達成される。 Also, the above object of the present invention is to provide a medical master operating device characterized in that the pair of pen masters that can be operated with both hands has a structure in which the operator can set each to an arbitrary position and angle. This is achieved more effectively.
さらにまた、本発明の上記目的は、前記両手で操作可能な一対のペンマスターは、ペンマスター軸から所定の距離内にアイドルエリアを持ち、操作者が該ペンマスター軸から手を離したとき、スレーブは手を離す直前の位置を保つことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の医療用マスター操作装置を提供することにより、より効果的に達成される。 Furthermore, the above object of the present invention is such that the pair of pen masters that can be operated with both hands has an idle area within a predetermined distance from the pen master axis, and when the operator releases the hand from the pen master axis, The slave maintains the position immediately before releasing the hand, and this is achieved more effectively by providing the medical master operating device according to any one of claims 1 to 6.
このように、本発明に係わる医療用マスター操作装置は、一対のペン形状の操作装置であるペンマスターを両手で軽く握り、指先だけでスレーブ側の動きの全てを表現できるようにし、これをスレーブ側に伝達するように構成されているので、操作が簡単で熟練度を要さず、とくに微小部位の外科手術を容易に行うことができる。 As described above, the medical master operating device according to the present invention allows the pen master, which is a pair of pen-shaped operating devices, to be gripped lightly with both hands so that all the movements on the slave side can be expressed only with the fingertips. Since it is configured to transmit to the side, it is easy to operate and does not require skill, and in particular, it is possible to easily perform a surgical operation on a minute part.
以下、本発明の内容を一実施例、具体的には指先内の極めて細い血管を縫合する外科手術をする場合、に基づき説明する。なお、本発明は必ずしも以下の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱しない範囲において、その構成を種々に変更できるものであることはいうまでもない。 Hereinafter, the contents of the present invention will be described based on one embodiment, specifically, when a surgical operation for suturing an extremely thin blood vessel in a fingertip is performed. The present invention is not necessarily limited to the following embodiments, and it goes without saying that the configuration can be variously changed without departing from the scope of the claims.
図1は、本発明が適用されるマスタースレーブ方式の医療システムの構成をブロック図で示したものである。図において、100は本発明の一実施形態に係わるマスター側の医療用マスター操作装置(以下、「本マスター操作装置」という)、200は制御装置、300はスレーブ側のエンドエフェクタ310等を含むスレーブ装置、400はスレーブ側の動きを観察する表示装置である。この医療システムでは、マスター操作装置100での操作信号S1が制御装置200に送られ、マスター側の動きが縮小(例えば1/5ないし1/10程度に)変換され、この信号S2がスレーブ装置300に伝達され、この信号S2に基づきエンドエフェクタ310が作動され、この作動信号S3が制御装置200にフィードバックされてその動きが表示装置400に写し出されるようになっている。ここに、制御装置200の及び表示装置400の内部構成については格別なものではなく、当分野では一般によく知られたものであるので、この詳細については説明を省略する。なお、本実施例ではエンドエフェクタ310の一つに後述する電動式のピンセット310Pが使用されている。
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a master-slave type medical system to which the present invention is applied. In the figure, 100 is a master medical operation device (hereinafter referred to as “the master operation device”) according to an embodiment of the present invention, 200 is a control device, 300 is a slave including a
図2は本マスター操作装置100の構成を示す図であって、(A)はその平面図、(B)は(A)のX−X断面に沿った部分断面図である。また、図3は図2(B)のY−Y断面図であり、図4は図3のZ−Z断面矢視図である。
2A and 2B are diagrams showing the configuration of the
本マスター操作装置100は、図2(A)(B)に示すように、垂直軸A回りに回転するターンテーブル110の上面に、全体がペン形状に形成された一対の操作装置、すなわち一対のペンマスター140A、140Bを逆ハの字状に設置して成っている。一対のペンマスター140A、140Bは、図2(A)に示すように、夫々X軸線上に一直線に並んだ状態のみならず、後述するように、ターンテーブル110の中心回りを滑らせて設置することにより操作者が作業を容易にすることができる構造となっている。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the
ターンテーブル110はスタンド111により支持された固定テーブル112の上面に回転サポートローラ113、軸受119を介して回転自在に支持されている。このようにターンテーブル110を回転可能とすることにより、この上面に装着されたペンマスター140A、140Bを含む操作部全体を同時に回転させることができ、これによりマスター側の座標軸とスレーブ側の座標軸とを自動的に一致させることができるので、操作性及び運用性が高められる。ターンテーブル110の回転方向及び回転角は手動で回転して任意の角度に操作固定できる。なお、スレーブが操作者の意図に反して暴走等の異常動作を示したときは、ターンテーブル110の上面に設けられた回転停止手段である非常停止ボタン115が押される。
The
固定テーブル112側には信号伝達スリップリング116が設けられており、マスター側からの全ての指令信号が通信ケーブル117、信号伝達スリップリング116、信号ケーブル118を介して図2(B)に点線で示すように前記制御装置200に送られるようになっている。
A signal
ペンマスター140Aは(ペンマスター140Bも同様に)、構造を図3に断面図で示すように、外装部146と内装部145とから成る二重構造となっている。外装部146は端部が閉鎖された円筒状体から成り、この上端部には三次元変位センサー141を備えた第1支軸142が設けられ、この下端部には三次元変位センサー143を備えた第2支軸144が設けられている。これらの各支軸142、144は、夫々、後述する圧縮コイルバネ122、132を介してターンテーブル110の上面に設置されたアーム型の支持部材120と台形状の支持部材130とにより右上がりに傾斜して支持されている。支持部材120はターンテーブル110の上面において垂直軸Aを中心に円弧状に形成されたスライド溝123に沿って移動することができ、操作者が希望する位置及び角度に設定することができる。
The
ここに、三次元変位センサー141、143はエンドエフェクタ310の姿勢を制御するものであって、上端部側の三次元変位センサー141はエンドエフェクタ310の後端部の動作方向、動作量及び動作速度を指示するための信号を出力し、下端部側の三次元変位センサー143はエンドエフェクタ310の先端部の動作方向、動作量及び動作速度を指示するための信号を出力する。なお、このセンサーには、例えば渦電流センサー、レーザーセンサー、PSD、ボリューム、CCDカメラ、変位ゲージ、歪ゲージ等が適用される。
Here, the three-
支持部材120には円形状の凹部121が形成されており、この内部には、図4に示すように、一端部が凹部121の内壁に固定され他端部が凹部121の中心に向かって延びた3本の圧縮コイルバネ122が設けられている。同様に、支持部材130にも円形状の凹部131が形成されており、この内部に、一端部が凹部131の内壁に固定され他端部が凹部131の中心に向かって延びた3本の圧縮コイルバネ132が設けられている。ペンマスター140Aの第1支軸142は支持部材120の凹部121内に設けられた3本の圧縮コイルバネ122によって凹部121の中心位置に支持され、同様に、第2支軸144は支持部材130の凹部131内に設けられた3本の圧縮コイルバネ132によって支持されている。このように、ペンマスター140Aの両端部は圧縮コイルバネ122、132によって浮遊状態に支持されているので、第1支軸142及び第2支軸144の各端部、すなわちペン先部に外力が加えられると(具体的には、後述するように術者あるいは操作者の手によってペン先部が動かされると)、各ペン先部は図3に示すように夫々X、Y、Zの3軸、すなわち三次元方向に自由に動かされる。この各ペン先部の三次元方向への動きは三次元変位センサー141、143によって検出され、この検出値に基づきスレーブ側のエンドエフェクタ310(本実施例におけるピンセット310P)の全ての姿勢が制御装置200を介して制御される。また、このようにペンマスター140Aの両端部を浮遊状態に支持することにより、外部から本マスター操作装置100に振動が加えられても、この振動を圧縮コイルバネ122、132によって吸収することができ、これによりマスターペン140Aの軸心を常に所定の中心位置に保持することができる。
A
内装部145は、外装部146の内部にいてローラー147が軸部148、149を夫々軸受150、151により支えられて回転可能になっている。軸148の先端部には回転センサー152が備えられており、ローラー147の本体中央部には回転時に指先が滑らないようにするため複数条のローレット147rが刻まれている。この回転センサー152には、例えばエンコーダあるいは抵抗ボリューム等が適用される。
The
外装部146の上面側中央部の、術者あるいは操作者の指先が接触する位置には窓146aが形成されており、ローラー147のローレット147r部分がこの窓146aから露出されている。この窓146aから術者あるいは操作者の指先が入れられ、ローレット147r部分が回転される。この回転は回転センサー152によって検出され、この検出値に基づきスレーブ側のピンセット310Pの回転が制御される。なお、窓146aを設ける位置は、操作性の点から親指が容易に接触できる位置であることが望ましく、また、この回転角度は±30°以内に設定されることが望ましい。
A window 146a is formed in the center of the upper surface side of the
外装部146の下方側外周には、エンドエフェクタ310の開閉操作を行うセンサースイッチを内蔵した指先挿入部155が設置されている。図5はこの指先挿入部155の構造を示す拡大断面図で、プラスチック材等により全体が指サック状に形成され、その中空内部の上側内壁には開センサースイッチ153が、下側内壁には閉センサースイッチ154が設けられている。この中空内部には術者あるいは操作者の人差指Fが挿入され、この人差指Fが矢印で示される上下方向に動かされることにより夫々のスイッチが作動するようになっている。本実施例においては、開センサースイッチ153が作動すると図6(A)に示すようにスレーブ側のピンセット310Pの先端把持部310P1が開かれ、閉センサースイッチ154が作動すると図6(B)に示すように先端把持部31P1が閉じるようになっている。
A
以上、操作装置であるペンマスター140Aの構造について説明したが、ペンマスター140Bの構造も実質的に同一となっていることは前述したとおりである。前述したように、このペンマスター140Aとペンマスター140Bとはターンテーブル110の上面に逆ハの字状に設置される。両者をこのように設置すると、操作性がよくなることが実技によって確認されている。
The structure of the
次に、以上のとおり構成された本マスター操作装置100の操作方法について説明する。
操作に際し、術者あるいは操作者はターンテーブル110を前にして右手をペンマスター140Aの回転操作手段145に添え、人差指Fを指先挿入部155の内部に装着し、親指をローラー147のローレット147r部分に当てて残りの指で操作部本体146を軽く握りしめる。同時に、左手をペンマスター140B側に添えて同様に軽く握りしめる。この状態を維持し、術者あるいは操作者は表示装置400の画面を見ながらペンマスター140A、140Bの各ペン先部を所望の方向及び距離に動かし、必要に応じて所望の角度に回転させることにより、マスター側からスレーブ側のエンドエフェクタ310にあらゆる動きが伝達され、これにより所望の手術が行われる。
Next, an operation method of the
In operation, the operator or the operator attaches the right hand to the rotation operation means 145 of the
例えば、切断された血管同士を縫合する手術に先立ち、右側のペンマスター140Aにより一つのピンセット310Pに開閉及び移動の動作を指令して一方の血管を把持し、同様にして左側のペンマスター140Bにより他のピンセット310Pに同様な動作を指令して他方の血管を把持し、血管同士を結合させることにより所望の手術が行われる。
なお、この手術は両手を使用して操作を行う場合であるが、手術の内容によっては片手で行うことができる。
For example, prior to the operation of suturing the cut blood vessels, the
This operation is performed using both hands, but depending on the contents of the operation, it can be performed with one hand.
以上に説明したように、本発明に係わるマスター操作装置は、ペンマスターを両手で軽く握り、指先だけでスレーブ側の動きを全て表現可能とし、これをスレーブ側に伝達するように構成されているペンマスターの保持位置中間点にはアイドルエリアがあって、操作者が何らかの理由でペンマスターから手を離したときスレーブは手を離す直前の位置で停止した状態を保つので、操作が簡単で熟練度を要さず、とくに微小部位の外科手術を容易に行うことができる。また、ペンマスターの両端部がバネによって浮遊状態に支持され、振動が吸収されるようになっているので、マスター操作装置に外部から振動が与えられたような場合にも、この振動によりペンマスターが直接影響を受けることがなく、これにより、常に所望の指令をマスター側からスレーブ側に伝達することができる。 As described above, the master operating device according to the present invention is configured so that the pen master can be grasped lightly with both hands, all the movements on the slave side can be expressed only with the fingertips, and this can be transmitted to the slave side. There is an idle area at the midpoint of the holding position of the pen master, and when the operator releases his hand from the pen master for any reason, the slave keeps the stopped state just before releasing the hand, so the operation is simple and skilled In particular, it is possible to easily perform a surgical operation on a minute part. In addition, since both ends of the pen master are supported in a floating state by springs so that vibrations are absorbed, even when external vibrations are applied to the master operating device, the pen masters are also affected by these vibrations. Is not directly affected by this, so that a desired command can always be transmitted from the master side to the slave side.
以上、本発明の内容を一実施例に基づき説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではないことは前述したとおりである。 The content of the present invention has been described based on one embodiment. However, as described above, the present invention is not limited to the above embodiment.
本発明は医療用に限らず、例えば微小精密部品の組立てやバイオエンジニアリング等の分野においても適用が可能である。 The present invention is not limited to medical use, and can be applied to fields such as assembly of fine precision parts and bioengineering.
100 マスター操作装置
110 ターンテーブル
111 スタンド
112 固定テーブル
113 回転サポートローラ
114 回転検出エンコーダ
115 非常停止ボタン
116 信号伝達スリップリング
117 通信ケーブル
118 信号ケーブル
119 軸受
120 支持部材
121 凹部
122 圧縮コイルバネ
123 (支持部材の)スライド溝
130 支持部材
131 凹部
132 圧縮コイルバネ
140A、140B ペンマスター(操作装置)
141 三次元変位センサー
142 第1支軸
143 三次元変位センサー
144 第2支軸
145 内装部
146 外装部
147 ローラー
148、149 軸部
150、151 軸受
152 回転センサー
153 開センサースイッチ
154 閉センサースイッチ
155 指先挿入部
200 制御装置
300 スレーブ装置
310 エンドエフェクタ
310P ピンセット
400 表示装置
100
141 Three-
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Legal Events
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20090827 |
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A02 | Decision of refusal |
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