JP2006271546A - Puncture controller, puncture robot and program for puncture control - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、穿刺制御装置、穿刺ロボット及び穿刺制御用プログラムに係り、更に詳しくは、ロボットを使って生体組織に穿刺を行う際に、当該生体組織の特性を考慮し、穿刺のターゲットに針を確実に到達させることに寄与する穿刺制御装置、穿刺ロボット及び穿刺制御用プログラムに関する。 The present invention relates to a puncture control device, a puncture robot, and a puncture control program, and more particularly, when a puncture is performed on a biological tissue using a robot, in consideration of the characteristics of the biological tissue, a needle is used as a puncture target. The present invention relates to a puncture control device, a puncture robot, and a puncture control program that contributes to reliably reaching.
近時、医療現場では、患者に負担の少ない低侵襲な治療が求められているが、その中でも、針を用いた穿刺による治療法が注目を集めている。この治療法としては、例えば、ガン等の治療等に用いられるRFA(ラジオ波凝固療法)がある。このRFAは、腫瘍の存在する生体組織の病変部位に針を刺し、当該病変部位に対してラジオ波による高熱を付与することにより凝固壊死させる療法である。ところが、医師の手で生体組織の表面から穿刺の対象部分(ターゲット)に針を正確に到達させるには、針の移動に伴う生体組織の変形をも考慮に入れながら、針の位置や進入角度等を調整しなければならず、相当の熟練度を要し、医師の経験と勘に頼るところが大きい。特に、最も柔らかい臓器の一つである肝臓は、熟練した医師であっても、失敗する可能性が高いと言われている。 Recently, in the medical field, there is a demand for minimally invasive treatment with less burden on the patient. Among them, a treatment method by puncture using a needle is attracting attention. As this treatment method, for example, there is RFA (radiofrequency coagulation therapy) used for treatment of cancer and the like. This RFA is a therapy for coagulating necrosis by puncturing a lesion site in a living tissue where a tumor is present and applying high heat by radio waves to the lesion site. However, in order for a doctor to accurately reach the needle from the surface of the living tissue to the target portion (target) of the puncture, the position of the needle and the angle of entry while taking into account the deformation of the living tissue as the needle moves. Etc. must be adjusted, requires considerable skill, and relies heavily on the experience and intuition of doctors. In particular, the liver, which is one of the softest organs, is said to be highly likely to fail even by a skilled doctor.
従って、マスター・スレーブ方式等を採用する手術支援ロボットが種々研究されている中、マニピュレータに保持された針を生体組織表面から穿刺のターゲットに確実に到達させるような手術支援ロボットが要請されている。ここで、針の進路の決定に際しては、生体組織の状態や変形を考慮し、当該変形を予測して生体組織の状態に対応させることが必要である。 Therefore, a variety of surgical support robots employing a master / slave method have been studied, and there is a demand for a surgical support robot that can reliably reach the puncture target from the surface of the living tissue with the needle held by the manipulator. . Here, when determining the course of the needle, it is necessary to consider the state and deformation of the living tissue and predict the deformation to correspond to the state of the living tissue.
ところで、生体組織のターゲットに針を到達させる際に、生体組織の境界を貫通したか否かを針に作用する荷重の変化から検知する穿刺装置が知られている(特許文献1参照)。
しかしながら、前記穿刺装置にあっては、針が生体組織の境界を貫通したか否かを判断するものであって、針が正確に穿刺のターゲットに到達できるように、針の進路を決定するものでなく、針を正確にターゲットに導くことができない。 However, in the puncture device, it is determined whether or not the needle has penetrated the boundary of the living tissue, and determines the course of the needle so that the needle can accurately reach the puncture target. In addition, the needle cannot be accurately guided to the target.
本発明は、このような事情に鑑みて案出されたものであり、その目的は、穿刺される生体組織のターゲット部分に正確に針が到達するように、当該針を保持するマニピュレータの動作制御を行うことができる穿刺制御装置、穿刺ロボット及び穿刺制御用プログラムを提供することにある。 The present invention has been devised in view of such circumstances, and an object of the present invention is to control the operation of a manipulator that holds the needle so that the needle accurately reaches the target portion of the punctured living tissue. It is to provide a puncture control apparatus, a puncture robot, and a puncture control program that can perform puncture.
(1)前記目的を達成するため、本発明は、所定の生体組織に穿刺を行う針を保持するマニピュレータの動作を制御する穿刺制御装置において、
前記生体組織内の針に対する力情報及び/又は視覚情報と、前記生体組織の各種情報から得られたモデルによる情報とを複合して前記針の進路を決定し、当該進路に沿って針が動くように前記マニピュレータの動作を制御する、という構成を採っている。
(1) In order to achieve the above object, the present invention provides a puncture control apparatus that controls the operation of a manipulator that holds a needle that punctures a predetermined living tissue.
The path of the needle is determined by combining force information and / or visual information on the needle in the biological tissue and information based on a model obtained from various information on the biological tissue, and the needle moves along the path. The operation of the manipulator is controlled as described above.
(2)ここで、前記生体組織の各種情報は、当該生体組織の一般的なデータに対し、前記力情報及び/又は視覚情報から、個体差に応じて補正される、という構成を採ることが好ましい。 (2) Here, various information on the living tissue may be corrected according to individual differences from the force information and / or visual information with respect to general data of the living tissue. preferable.
(3)また、本発明に係る穿刺ロボットは、前述の穿刺制御装置を備えている。 (3) The puncture robot according to the present invention includes the puncture control device described above.
(4)更に、本発明は、所定の生体組織に穿刺を行う針を保持するマニピュレータの動作を制御する穿刺制御装置に組み込まれた穿刺制御用プログラムであって、
前記生体組織内の針に対する力情報及び/又は視覚情報と、前記生体組織の各種情報から得られたモデルによる情報とを複合して前記針の進路を決定するステップと、当該進路に沿って針が動くように前記マニピュレータへの動作指令を行うステップとを、
前記穿刺制御装置に実行させる、という構成を採っている。
(4) Furthermore, the present invention is a puncture control program incorporated in a puncture control device that controls the operation of a manipulator that holds a needle for puncturing a predetermined living tissue,
Determining a course of the needle by combining force information and / or visual information on the needle in the biological tissue and information based on a model obtained from various types of information on the biological tissue; and a needle along the course Instructing the manipulator to move so that the
The configuration is such that the puncture control device is executed.
前記(1)、(3)、(4)のように構成することで、生体組織内の針に対する力情報及び視覚情報から実際の針の状態を把握しつつ、生体組織の各種情報から得られるモデルを使って、針の動作を予測して針の進路を決定することができ、生体組織の状態と変形を考慮しながら、針をターゲットに確実に到達させることができる。このため、医師の経験と勘に全て頼らなくても、穿刺を確実に行うことができる。 By configuring as in the above (1), (3), and (4), it is obtained from various information on the living tissue while grasping the actual needle state from the force information and visual information on the needle in the living tissue. Using the model, it is possible to predict the movement of the needle by predicting the movement of the needle, and it is possible to reliably reach the target while considering the state and deformation of the living tissue. For this reason, puncture can be performed reliably without relying entirely on the experience and intuition of the doctor.
前記(2)のように構成することで、生体組織の状態や変形を個体差に応じて把握することができ、穿刺される生体組織のターゲット部分に針を一層正確に到達させることができる。 By configuring as in the above (2), the state and deformation of the living tissue can be grasped according to individual differences, and the needle can reach the target portion of the living tissue to be punctured more accurately.
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1には、本実施例に係る穿刺制御装置の概略構成図が示されている。この穿刺制御装置10は、生体組織を穿刺する穿刺ロボット11の動作制御に用いられ、具体的には、ヒトの肝臓に対して穿刺する針13を保持するマニピュレータ14の動作を制御する装置である。このマニピュレータ14は、マスター・スレーブ方式によって医師が遠隔操作可能に設けられており、医師が超音波画像等を見ながら、図示しない操作具を操作することで、肝臓の表面からその内部であるターゲットに向かって針13を移動させるようになっている。ここで、本実施例の穿刺制御装置10は、針13が肝臓内を移動する際の当該肝臓の状態や変形によって、針13の先端側が医師の意図しない方向に進んだときでも、針13の先端側がターゲットに向かうように、医師の指示した進路を自動修正し、マニピュレータ14を動作させるアクチュエータ16に動作指令する。この穿刺ロボット11には、針13に作用する力情報(外力)を測定する力センサ18と、肝臓内を移動する針13の視覚情報(画像)を所定時間単位で取得する超音波診断装置、磁気共鳴画像診断装置(MRI)等の画像取得装置19とが設けられている。
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a puncture control apparatus according to the present embodiment. This puncture control device 10 is used for controlling the operation of a puncture robot 11 that punctures a living tissue, and specifically, is a device that controls the operation of a manipulator 14 that holds a
前記穿刺制御装置10は、図1に示されるように、一般的なヒトの肝臓の各種情報(以下、「一般情報」と称する。)が記憶された情報記憶部21と、情報記憶部21の一般情報を穿刺対象患者の個体差に応じた個体情報に補正する補正部22と、補正部22での個体情報から得られたモデルによる情報と力センサ18及び画像取得装置19によって得られた力情報及び/又は視覚情報とを複合して針13の進路を決定し、アクチュエータ16に駆動指令を行う進路決定部23とを備えて構成されている。
As shown in FIG. 1, the puncture control device 10 includes an
前記情報記憶部21は、一般的なヒトの肝臓の弾性係数、摩擦係数、せん断係数、ポアソン比、大きさ、形状等の各種情報が一般情報として記憶されている。
The
前記補正部22は、力センサ18及び/又は画像取得装置19によって得られたデータに基づく穿刺対象患者の肝臓内の針13の状態から、情報記憶部21に記憶された一般情報を前記穿刺対象患者の個体情報に補正するように機能する。例えば、前記各種情報のうち弾性係数は、肝臓内の針に作用する力が力センサ18で検出され、そのときの分布荷重と、予め記憶された情報記憶部21の弾性係数から算出された分布荷重とが対比され、誤差等が考慮されて、針13の周囲の肝臓部位における患者個人の弾性係数が決定される。なお、前記補正部22では、画像取得装置19のデータによって得られた穿刺対象患者の肝臓内の針13の状態に基づいて、前述した補正を行うことも可能である。
The
前記進路決定部23では、図示しない操作具からの指令に基づき、次のステップで針の進路が決定される。すなわち、予めターゲットとなる肝臓内の部位が記憶された状態で、肝臓の表面からその内部に進入した針13の現在の状態が力センサ18及び/又は画像取得装置19によって把握され、次なる針13の進路を決定する際の参考とされる。すなわち、力センサ18で針13に作用する力が一定の閾値を超えたときには、針13から肝臓に危険な力が付与されたと判断され、針13を進行させ難くするように穿刺ロボット11を制御する。また、肝臓は、ある一定以上伸びると、硬化する性質を持つため、前記閾値は、肝臓を硬化させないような値に設定される。ここで、針13を進行させ難くする穿刺ロボット11の制御とは、例えば、マニピュレータ14を操作する医師の操作具(図示省略)に対し操作上の抵抗を付加したり、装置から警告音を発したり、図示しないモニターに危険情報を表示したり、針13の進行を停止する等、種々の態様がある。
The
また、画像取得装置19のデータから、肝臓内の針13の画像が撮像され、針13の原形を撮像した画像とマッチングを行うことで、針13の変形が把握される。すなわち、肝臓内を移動する針は、肝臓に囲まれているため、針13の動作に応じて肝臓から反力を受け、撓みを生じる場合がある。このとき、針13の先端は、撓みが生じていない場合に対して位置がずれることになる。従って、前述した画像マッチングによって、針の撓み量を求め、当該撓みによる針13の先端の位置ずれをキャンセルする方向に針13が動くように、マニピュレータ14を動作させる。また、画像取得装置19のデータから、予め設定された穿刺不可部位(例えば、肝硬変部位や血管等)と針13の先端との距離が求められ、当該距離が一定以下になったときには、針13を進行させ難くするように、穿刺ロボット11が制御される。ここでの制御も、例えば、マニピュレータ14を操作する医師の操作具に対し、操作上の抵抗を付加したり、警告音を発したり、図示しないモニターに危険情報を表示したり、針13の進行を停止したり等、種々の態様がある。
Further, the image of the
更に、補正部22で求められた穿刺対象患者の個体情報を考慮して、マニピュレータの動作が予測制御される。すなわち、肝臓には個体差があり、個々で特性が異なることから、補正部22で求めた穿刺対象患者の肝臓の各種情報から、当該肝臓がモデル化(モデリング)され、針13が意図するルートで進むと、実際どうなるのかを有限要素法等を用いて判断され、前述した力センサ18及び/又は画像取得装置19の各種データによる進路決定と複合して進路決定が行われる。例えば、画像取得装置19のデータから、針13の先端が進行方向左側に5mm撓んだことが把握されると、針13の先端は、ある時間の目標位置から左側に5mmずれてしまうことになる。そのため、その針13の撓みの影響を考慮し、針13を進行方向右側に5mm移動させながら進行させれば良いと判定される。ところが、穿刺対象患者の肝臓のモデリングから、針13の移動前後における肝臓の部位の硬度が相違するため、実際には、針13を進行方向右側に5mm移動させても、針13の先端が前記目標位置から例えば進行方向左側に1mmずれてしまうと計算され、当該計算から、その1mmを加え、針13を進行方向右側に6mm移動させながら進行させれば良いと決定される。
Further, the operation of the manipulator is predicted and controlled in consideration of the individual information of the puncture target patient obtained by the
従って、このような実施例によれば、穿刺対象患者の肝臓に関する個体情報によるシミュレーションを行いながら、力センサ18や画像取得装置19から実際の状態に応じた制御が行われることになるため、穿刺制御の難しい肝臓等の臓器に対しても、穿刺ロボットにより針13を正確にターゲットに到達させることができるという効果を得る。
Therefore, according to such an embodiment, the control according to the actual state is performed from the force sensor 18 or the image acquisition device 19 while performing the simulation based on the individual information regarding the liver of the puncture target patient. The effect that the
なお、本発明は、肝臓の穿刺制御に限らず、他の臓器や生体組織の穿刺制御に適用することも可能であり、また、他の動物の生体組織に対する穿刺制御にも適用可能である。 The present invention is not limited to puncture control of the liver, but can also be applied to puncture control of other organs and biological tissues, and can also be applied to puncture control of biological tissues of other animals.
また、前記穿刺制御装置10は、針13を保持するマニピュレータ14を有する穿刺ロボット11に一体的に設けられていても良いし、別体としても良い。
Further, the puncture control device 10 may be provided integrally with the puncture robot 11 having the manipulator 14 that holds the
その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。 In addition, the configuration of each part of the apparatus in the present invention is not limited to the illustrated configuration example, and various modifications are possible as long as substantially the same operation is achieved.
10 穿刺制御装置
11 穿刺ロボット
13 針
14 マニピュレータ
18 力センサ
19 画像取得装置
21 情報記憶部
22 補正部
23 進路決定部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Puncture control apparatus 11
Claims (4)
前記生体組織内の針に対する力情報及び/又は視覚情報と、前記生体組織の各種情報から得られたモデルによる情報とを複合して前記針の進路を決定し、当該進路に沿って針が動くように前記マニピュレータの動作を制御することを特徴とする穿刺制御装置。 In a puncture control device that controls the operation of a manipulator that holds a needle that punctures a predetermined biological tissue,
The path of the needle is determined by combining force information and / or visual information on the needle in the biological tissue and information based on a model obtained from various information on the biological tissue, and the needle moves along the path. A puncture control device that controls the operation of the manipulator as described above.
前記生体組織内の針に対する力情報及び/又は視覚情報と、前記生体組織の各種情報から得られたモデルによる情報とを複合して前記針の進路を決定するステップと、当該進路に沿って針が動くように前記マニピュレータへの動作指令を行うステップとを、
前記穿刺制御装置に実行させることを特徴とする穿刺制御用プログラム。 A puncture control program incorporated in a puncture control device that controls the operation of a manipulator that holds a needle for puncturing a predetermined biological tissue,
Determining a course of the needle by combining force information and / or visual information on the needle in the biological tissue and information based on a model obtained from various types of information on the biological tissue; and a needle along the course Instructing the manipulator to move so that the
A puncture control program which is executed by the puncture control apparatus.
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