JP2006312079A - 医療用マニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】マニピュレータを用いて内視鏡下外科手術を行う場合、挿入孔の位置を簡便な手段でマニピュレータ制御装置に教示することができる医療用マニピュレータを提供すること。
【解決手段】生体に形成した挿入孔に挿入される挿入体２２を遠隔操作によって駆動して生体内組織部位の観察または処置を行う医療用マニピュレータにおいて、挿入体２２を保持する保持部（ホルダ）２１と、その保持部２１が挿入体２２を保持した状態で操作可能となるアーム部とを有するマニピュレータ部７と、細長のパイプ部３４と先端部３５からなる挿入孔の位置を指示するポインタ部３６を有し、挿入体２２に代えて保持部２１に保持される位置決め治具２９と、位置決め治具２９が保持部２１に保持されたときにポインタ部３６により指示される挿入孔の位置に基づいて挿入体２２の取り付け位置を決定する取り付け位置決定手段と、を具備する。
【選択図】 図４

Description

本発明は医療用マニピュレータに関し、特に、内視鏡用外科手術を行う際に内視鏡や処置具を把持して移動させるために用いる外科手術支援用のマニピュレータ装置に関する。

最近、内視鏡下で外科手術を行うことが行われるようになってきた。この内視鏡下外科手術は例えば腹壁等の体壁に挿入孔を開け、この挿入孔を通じて内視鏡や処置具を経皮的に体腔内に挿入し、体腔内の観察及び処置を行うものである。このような内視鏡下外科手術にあたって、患者の体内に導き入れた内視鏡や処置具の操作は患者の体外に設置したマニピュレータを駆動して行う。この種の医療用マニピュレータ装置が米国特許第５，２１７，００３号明細書に開示されている。

また、特開平６−３０８９６号公報は、患者の体内での内視鏡の動きを操作するための観察用マニピュレータ装置を開示している。さらに、特願平６−１３１８０９号は着脱自在の観察・処置用の挿入体を有する医療用マニピュレータを開示している。上記したマニピュレータはいずれもマニピュレータ制御装置によってその動きが制御される。
米国特許第５，２１７，００３号明細書 特開平６−３０８９６号公報 特願平６−１３１８０９号

内視鏡下外科手術では、トラカールにより体壁に挿入孔を開け、そのトラカールを通じて体腔内に内視鏡や処置具を挿通する。この状態で、内視鏡や処置具を操作するため、内視鏡及び処置具の動きは体壁に開けた挿入孔の位置によって拘束されることになる。これにより、内視鏡及び処置具をマニピュレータ装置によって操作するようにした前記米国特許第５，２１７，００３号明細書や特開平６−３０８９６号公報に開示された医療用マニピュレータ装置でも、内視鏡及び処置具の動きは体壁に開けた挿入孔の位置に拘束される。

したがって、マニピュレータによって体腔内の内視鏡および処置具の位置を制御するためには、挿入孔の位置情報をその処置作業に先だってマニピュレータ制御装置に教示する必要がある。しかし、挿入孔の位置情報をキーボード操作で入力する作業は面倒であり、また、挿入孔の位置を入力するために、挿入孔の位置を検出する別の位置検出手段、例えば磁気や光学的なマーカを用いた位置センサ、画像処理による位置検出、多関節マニピュレータを用いた位置センサ等を設けることも考えられるが、かなり複雑な構成で高価な装置となってしまう。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、マニピュレータを用いて内視鏡下外科手術を行う場合、挿入孔の位置を簡便な手段でマニピュレータ制御装置に教示することができる医療用マニピュレータを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様は、生体に形成した挿入孔に挿入される挿入体を遠隔操作によって駆動して生体内組織部位の観察または処置を行う医療用マニピュレータにおいて、前記挿入体を保持する保持部と、その保持部が前記挿入体を保持した状態で操作可能となるアーム部とを有するマニピュレータ部と、細長のパイプ部と先端部からなる前記挿入孔の位置を指示するポインタ部を有し、前記挿入体に代えて前記保持部に保持される位置決め手段と、前記位置決め手段が前記保持部に保持されたときに前記ポインタ部により指示される前記挿入孔の位置に基づいて前記挿入体の取り付け位置を決定する取り付け位置決定手段と、を具備する。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記位置決め手段は、前記挿入体の挿入部長に併せて前記パイプ部の長さを調節できる調整機構を有する。

また、本発明の第３の態様は、第１または第２の態様において、前記位置決め手段は、前記アーム部に配置可能な脱着機構を有する。

本発明によれば、マニピュレータを用いて内視鏡下外科手術を行うにあたって、挿入孔の位置を簡便な手段でマニピュレータ制御装置に教示することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。まず、図１乃至図４を参照して本発明の第１実施形態を説明する。図１は第１実施形態の構成を示す図である。本構成は患者の体内で手術操作を行う処置用マニピュレータシステム１と、体内を観察する内視鏡３を術者の意志に従って操作するための観察用マニピュレータシステム２より構成されている。

処置用マニピュレータシステム１は、操作入力装置４によって術者の手５の位置、姿勢、把持の情報を読みとり、その位置、姿勢情報に基づき、処置用マニピュレータ制御装置６によって処置用マニピュレータ７を駆動する。処置用マニピュレータ７の先端処置具１５は手術台８上に固定された患者９の体内に挿入された筒状のトラカール１０を通して挿入されており、患部の処置を行う。

また、観察用マニピュレータシステム２では、術者は内視鏡像を立体観察するためのＦＭＤ１１（フェイスマウンテッドディスプレイ）を装着し、術者の頭の動きをこのＦＭＤ１１に設けられた３次元ディジタイザ１２により検出し、得られた位置、姿勢の情報に基づき観察用マニピュレータ制御装置１３によって、観察用マニピュレータ１４を駆動して先端の内視鏡３を術者の見たい方向に向ける。

図２に処置用マニピュレータ７の構成を示す。処置用マニピュレータ７は、円筒座標系に基づいて上下・回転・進退の動作を行う３軸（Ａ１軸１６（回転）、Ａ２軸１７（上下）、Ａ３軸１８（進退））のロボットアームおよびＡ３軸１８に対し自在に回転する自由関節Ａ４軸１９およびＡ４軸１９に対し垂直に回転自在の自由関節２０（Ａ５軸）と、先端処置具１５を動作させる挿入体２２および挿入体２２を自由関節２０（Ａ５軸）に対し垂直に回転させるホルダ２１（Ａ６軸）よりなる。

なお、観察用マニピュレータ２の挿入体２３については、先端処置具１５の代わりに内視鏡３が設けられている以外は処置用マニピュレータ７と同様の構成である。

図３に体内操作時の処置用マニピュレータ７の状態を示す。挿入体２２は、トラカール１０を通して体内に挿入される。体内への挿入孔の位置Ｐ0 ２４は固定点であると考えることができる。エンドエフェクタ部２５の位置Ｐｅ２６は、湾曲部５７の付け根で規定され、操作入力装置４により位置決められる。処置用マニピュレータ制御装置６は、操作入力装置４によって指示された位置Ｐｅ２６に位置決めするために、Ｐｅ２６とＰ0 ２４の位置と挿入基準長ｌ２７（位置Ｐｅ２６と挿入体取付位置２８への距離）より挿入体取付部の位置Ｐｍ２８を算出しＡ１軸１６、Ａ２軸１７、Ａ３軸１８を駆動する。このためには、挿入孔の位置Ｐ0 ２４を知る必要がある。

図４に挿入孔の位置Ｐ0 ２４を知るための位置決め手段である位置決め治具２９を示す。位置決め治具２９は、挿入体２２の代わりにホルダ２１に挿入でき、ネジ部５６を締め付けナット３０で締めることで、着脱自在にホルダ２１に固定できる。位置決め治具２９はＡ４軸１９の自由回転を止め、常に定まった位置に位置決めするための、Ａ３軸１８に設けられた穴３２に嵌合する回転止め３１を有し、またＡ５軸２０の自由回転を止め、水平に保持できるための水平板３３および挿入孔の位置２４を指示するための、パイプ３４及び先端部３５からなるポインタ３６を有している。

以下に上記した構成の作用を述べる。本実施形態では挿入孔の位置Ｐ0 ２４を検出するためには以下の通り操作する。まず、処置用マニピュレータ７の挿入体２２を取り外し、代わりに位置決め治具２９をホルダ２１に挿入し、締め付けナット３０によって固定する。位置決め治具２９により、Ａ４軸１９およびＡ５軸２０の回転は定まった位置に固定されるため、位置決め治具２９の先端部３５の位置は、Ａ１軸１６、Ａ２軸１７、Ａ３軸１８の駆動量によって一意的に定まる。この状態で、操作入力装置４を用いてＡ１軸１６、Ａ２軸１７、Ａ３軸１８を駆動し、位置決め治具２９の先端部３５を挿入孔の位置Ｐ0 ２４に位置決めし、処置用マニピュレータ制御装置６に挿入孔Ｐ0 ２４の位置を記憶させる。

このときの位置決め治具２９の操作手段としては、操作入力装置４以外の手段、例えば、ジョイスティックやカーソル入力、３次元マウスなどを別途設けることもできる。

挿入孔の位置Ｐ0 ２４を記憶させた後、位置決め治具２９をホルダ２１より脱着し、代わりに挿入体２２を装着する。挿入孔の位置Ｐ0 ２４が既知であるので、操作入力装置４により入力されたエンドエフェクタ部２５の位置Ｐｅ２６に対して挿入体取付位置Ｐｍ２８を算出できる（取り付け位置決定手段）。位置Ｐｍ２８に位置決めするようにＡ１軸１６、Ａ２軸１７、Ａ３軸１８を動作させることで、エンドエフェクタ部２５はＰｅ２６に位置決めされる。

以上、処置用マニピュレータ７を中心に説明を行ったが、エンドエフェクタ部２５が、先端処置具１５から内視鏡３に置き換えられ、操作入力装置４が３次元ディジタイザ１２に置き換えられる点を除けば、観察用マニピュレータ１４についても全く同様である。

上記した第１実施形態によれば、内視鏡下外科手術において術者の見たい方向を観察することができ、また処置具の操作性を向上させることができる。内視鏡下外科手術で用いられるこのような医療用マニピュレータを操作するためには、内視鏡または処置具の挿入孔の位置Ｐ0 ２４を検出する必要があるが、本実施形態に示されるような位置決め治具２９を用いることで、挿入孔の位置検出のための、磁気や光学的なマーカを用いた位置センサ、画像処理による位置検出、多関節マニピュレータを用いた位置センサなどの別途機器が不要になる。

また、本実施形態では、位置決め治具２９が挿入孔の位置検出手段と自由関節Ａ４軸１９、Ａ５軸２０の拘束手段を兼ねるので使用時のマニピュレータへの着脱操作が簡単になる。

以下に、図５〜図７を参照して本発明の第２実施形態を説明する。まず、図５を参照して第２実施形態の構成を説明する。第２実施形態では第１実施形態の図２に示されるＡ４’軸１９およびＡ５軸２０の代わりに駆動手段を有する関節、Ａ４軸３７およびＡ５軸３８が設けられている。本実施形態においては、関節が受動的に動かないため、図３に示される挿入孔の位置Ｐ0 ２４を挿入体２２が通るように、Ａ１軸１６，Ａ２軸１７，Ａ３軸１８，Ａ４’軸３７，Ａ５’軸３８を制御しなければ、挿入孔２４付近の皮膚や近傍組織に強い力がかかり、損傷を与える可能性がある。

図６に本実施形態における位置決め治具３９を示す。本実施形態では、Ａ４’軸３７およびＡ５’軸３８が駆動手段を有するため、位置決め治具３９は固定用ネジ４０及びパイプ３４および先端部３５よりなるポインタ３６で構成される。第１実施形態と同様、挿入体２２を脱着し、代わりに位置決め治具３９を締め付けナット３０によってホルダ２１に取り付ける。操作入力装置４（観察用マニピュレータの場合は３Ｄディジタイザ１２）を用いてマニピュレータ７を操作し、ポインタ先端部３５を挿入孔の位置Ｐ0 ２４を指示するように制御し、マニピュレータ制御装置６に挿入点を記憶させる。また、基準挿入長ｌ’４２（挿入体取付位置２８とポインタ先端部３５との間の距離）を調整するために、パイプ３４の取付位置をパイプ取付ネジ４１により可変できる構造になっている。

図７には異なった種類の挿入体を示す。挿入体Ａ４３は先端処置具１５を有し、挿入体Ｂ４４は内視鏡３を有している。挿入体Ｂ４４の挿入基準長ｌB ４６は、挿入体Ａ４３の挿入基準長ｌA ４５に対して長い。パイプ３４の取付位置を挿入体の挿入基準長に対応して、ｌ’A ４７、ｌ’B ４８と可変することで、位置決め治具３９の挿入基準長ｌ’を挿入体の基準挿入長ｌと同じ長さとして扱うことができる。

上記した第２実施形態によれば、Ａ４’軸３７，Ａ５’軸３８に駆動手段があるため、患者の呼吸や術中の動き、気腹の状態の変化などにより、挿入孔の位置Ｐ0 ２４が若干変化しても、マニピュレータのエンドエフェクタ部２５の位置決めに影響しない。また本実施形態では、ポインタ先端部３５と挿入体取付位置Ｐｍ２８の間の長さを可変できるため、挿入孔回りの機器などとマニピュレータや治具が干渉して操作がしにくい場合にも位置教示が容易となる。

また、位置決め治具の挿入基準長ｌ’４２と挿入体の挿入基準長ｌ２７が同じ長さになるように設定した場合，位置決め治具の挿入基準長ｌ’４２に対して特別な定数を設定する必要がなくなる。この結果、一つの位置決め治具３９を複数の挿入体、マニピュレータに用いることができる。

以下に図８を参照して本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態では第１実施形態の図２に示されるＡ３軸１８に、位置決め治具４９の締め付けネジ５１により脱着機構５０を設けている。位置決め治具４９はパイプ３４およびポインタ先端部３５より構成されている。本実施形態では、挿入体２２を装着したままで、処置用マニピュレータ７および位置決め治具４９を用いて挿入孔の位置Ｐ0 ２４を指示できる。

上記した第３実施形態によれば、術中に体位の変化などにより、挿入孔の位置Ｐ0 ２４が変化し、新たに教示する必要がある場合にも、挿入体２２を抜去することなく教示できるという効果を有する。

以下に図９、図１０を参照して本発明の第４実施形態を説明する。第４実施形態では第３実施形態のパイプ３４の先端にあるポインタ先端部３５の代わりに、２台のレーザ６９、７０が設けられている。２本のレーザ光線の交点７１を指示点とし、挿入孔の位置Ｐ0 ２４と光線の交点７１が一致するように処置用マニピュレータ７を操作し、挿入孔の位置Ｐ0 ２４を教示する。

また、図１０に示すように一台のレーザ６９が回転可能な台５８に取り付けられており、２本のレーザ光線のなす角度５２がネジ５３とバネ５４から構成される角度可変機構５５により変更できるようになっている。これによってレーザ光線の交点の位置７１も可変されるため、第２実施形態における位置決め治具の挿入基準長ｌ’４２を可変した場合と同様の効果が得られる。

上記した実施形態によれば、生体と非接触で挿入孔の位置を教示できるので、術中に体位の変化等により挿入孔の位置が変化した場合、また挿入孔まわりの機器などと干渉して操作がしにくい場合にも容易に挿入孔の位置を教示することができる。

以下に上記した実施形態の付加的説明を行なう。体腔内の観察、処置のために内視鏡等の手術器械を体腔内に挿入可能な手術用マニピュレータが知られている。すなわち、腹壁等の体壁に挿入孔を開け、この挿入孔を通じて内視鏡や処置具を経皮的に体腔内に挿入することにより体腔内で様々な処置を行なう内視鏡下手術が従来から行なわれており、こうした術式は大きな切開を要しない低侵襲なものとして胆のう摘出手術や肺の一部を摘出除去する手術等で広く行なわれている。

内視鏡下手術では、一般的に体壁に第１の挿入孔を開け内視鏡を体腔内に挿入し、それを第１の術者が保持し術野を確保する。そして、第２、第３の挿入口を体壁に開け、鉗子等手術器具を体腔内に挿入し第２の術者が手術を行う。

このように内視鏡下手術では一般の開腹手術では不要な内視鏡を保持する術者が必要である。そこで、特願平４−２２１５７１号は、内視鏡を保持する術者がいなくとも術野を確保できるように、内視鏡装置を保持するスコープホルダーを開示している。

このようなスコープホルダーを電動化し術者が直接操作できるようにすることは内視鏡下手術の省力化を進める上で望ましい。しかし、体腔内に挿入された内視鏡は挿入孔において拘束されている。これを生体に無理な力が加わらないようにマニュピュレータを動作させる必要がある。

特開平６−３０８９６号公報は内視鏡装置等を保持し、電動で動作可能なマニュピュレータを開示している。ここでは、内視鏡を体腔内に挿入する挿入孔とマニュピュレータ先端に取り付けられた電動可動装置の動作中心を位置させることにより、内視鏡を動作させた場合でも、内視鏡を挿入した生体に無理な力が加わらない構造になっている。

しかし、上記した特開平６−３０８９６号公報に開示されたマニュピュレータでは、マニュピュレータ先端に取り付けられた可動装置が大きくなってしまい操作性を低下させてしまう。また、挿入孔と可動装置の動作中心の位置合わせを行う方法については何等記述していない。

以下にこのような問題点を解決して、内視鏡の動きを拘束する拘束点を決定させる操作を正確に短時間で行えるようにし、手術用マニピュレータの操作を容易に行える手術用マニピュレータについて述べる。

図１１〜図１６は第１の実施形態を示し、手術器械を体腔内に挿入し、体内の観察およびまたは処置を行う手術用マニピュレータにおいて、マスターマニピュレータを操作することにより、スレーブマニピュレータを動作させる場合に、スレーブマニピュレータの手術器械の挿入部が、体壁の挿入孔に対し無理な力が働かないように、マスターマニピュレータの位置および姿勢とスレーブマニピュレータの位置および姿勢を対応させるように構成したものである。

すなわち、図１１に示すように、手術用マニピュレータにおいて、マニピュレータとしてのスレーブマニピュレータ１０１は、その先端部を患者の体壁ａの挿入孔ｂを介して体腔ｃ内に挿入する挿入部１０２を有した手術器械１０３と、この手術器械１０３を支持するための直動および回転の自由度を有する複数の軸を有するロボット１０４から構成されている。挿入部１０２の先端部には３次元（立体）スコープ１０５と、一対の処置具１０６，１０７とを備えている。３次元（立体）スコープ１０５の先端部および一対の処置具１０６，１０７は、それぞれ多自由度にて湾曲可能となっている。

一方、操作手順としては、多関節構造を有する操作手段としてのマスターマニピュレータ１１１があり、そのマスターマニピュレータ１１１の先端部には、ＨＭＤ（ヘッドマウンティッドディスプレー）１１２と、一対の処置具操作用操作アーム１１３，１１４が設けられている。

スレーブマニピュレータ１０１およびマスターマニピュレータ１１１は、制御装置１２１に接続されており、マスターマニピュレータ１１１の先端部の位置がスレープマニピュレータ１０１の位置に対応し、また、ＨＭＤ１１２の回転部の位置が３次元（立体）スコープ１０５の湾曲角に対応し、さらに、処置操作用操作アーム１１３，１１４が処置具１０６，１０７の位置に対応して動作するよう制御される。

なお、スレーブマニピュレータ１０１の軸には、アクチュエータ（図示しない）とその回転位置を検出するエンコーダ１１８および減速機（図示しない）が設けてある。また、マスターマニピュレータ１１１の関節部、ＨＭＤ１１２の回転部および処置操作用アームの関節部には、エンコーダ１２０が設けられている。

なお、図１１においては、内視鏡としての３次元（立体）スコープ１０５と処置具１６７を一体とする挿入部を示しているが、内視鏡だけ、あるいは、処置具だけの構成でも構わない。また、内視鏡としては、先端部に湾曲機構を有する実施形態を示しているが、硬性鏡でも構わない。以上の構成について、リンク機構をわかりやすく示した図を図１３に示す。

図１２は、手術用マニピュレータの動作を制御するシステムの構造を示す。すなわち、スレーブマニピュレータ１０１と、スレーブマニピュレータ１０１を制御する制御装置１２１と、操作手段１２２および操作スイッチ１２４が設けられている。制御装置１２１には、ＭＰＵ１２５と、アクチュエータ駆動回路１２０および入出力インターフェース（Ｉ／Ｆ）１２７を備えており、それぞれ操作手段１２２と、スレーブマニピュレータ１０１および操作スイッチ１２４が接続されている。

次に、前述のように構成された手術用マニピュレータの作用について説明する。前記構成において、体壁ａの挿入孔ｂに無理な力が作用しないように、ポイントロックという動作を行わせる。本手術用マニピュレータにおいては、マスターマニピュレータ１１１を操作者が操作して、スレーブマニピュレータ１０１を動作させるが、この時、マスターマニピュレータ１１１の動きに追従してスレーブマニピュレータ１０１が動作してしまうため、例えば、術者が誤ってマスターマニピュレータ１１１を操作した場合、患者の体腔ｃ内に挿入されている手術器械１０３が挿入孔ｂによって動きを拘束されているにもかかわらず、スレーブ動作を行なうことによる挿入孔ｂへの無理な力をかけるということが生じる。

そこで、手術器械１０３が挿入孔ｂを支点として動作するような制御を行わせるように、スレーブマニピュレータ１０１の動作を制限することによって前述した問題点を解決することができる。ここでは、この前記動作制限のことを、ポイントロックということにする。

ポイントロックによる動作制限方法を説明すると、図１４（ａ）は、スレーブマニピュレータ１０１の挿入部１０２の先端部１２８を示し、同図（ｂ）は、マスターマニピュレータ１１１の先端部１２９を示す。

マスタースレーブモードのマスターマニピュレータ１１１とスレーブマニピュレータ１０１との動作関係は、マスターマニピュレータ１１１の先端部１２９の座標系の相対移動量をスレーブマニピュレータ１０１の先端部１２８の座標系に反映させて動作を行わせている。

初めに、図１４（ｂ）に示すように、マスターマニピュレータ１１１の先端部１２９のＴＣＰ（ツール先端点）の状態をＴＣＰｍ１３０とし、図１４（ａ）に示したスレーブマニピュレータ１０１の先端部１２８のＴＣＰの状態をＴＣＰｓ１３１とする。

前記マスターマニピュレータ１１１のＴＣＰを求め、スレーブマニピュレータ１０１のＴＣＰを求めてスレーブを動作させる処理は、まずマスターマニピュレータ１１１の各軸に配置されたエンコーダからの移動量から関節変数を求め、ＴＣＰの位置・姿勢を求める順座標変換処理を行う。これによって、マスターマニピュレータ１１１のＴＣＰが求まる。その後、その求めたＴＣＰの値からスレーブマニピュレータ１０１の各軸の制御量を求めるための逆座標変換を行わせる処理からなっている。

前記状態から、図１４（ｂ）に示すように、術者がマスターマニピュレータ１１１の先端部１２９のＴＣＰｍ１３０の位置・姿勢をＴＣＰｍ１３２の状態に移動させたとする。この時、ＴＣＰｍ１３０からＴＣＰｍ１３２へ移動した位置・姿勢を示すベクトルをＡとする。また、同時に、マスターマニピュレータ１１１の先端部１２９を図の様にθ回転させたとする。

制御装置１２１は、マスターマニピュレータ１１１の位置相対関係（同次座標変換行列Ａ）と同一になるように、図１４（ａ）に示した同次座標変換行列Ａ′（図１４（ａ）中のＴＣＰｓ１３１からＴＣＰｓ１３３を結んだベクトル）の算出を行う。同時に、ＴＣＰｓ１３１とポイントロック位置１３４とを結んだ線分をＯ軸と定義し、ポイントロック位置１３４とＴＣＰｓ１３３との結んだ線分をＰ軸と定義する。またＯ軸とＰ軸とをなす角α、前記Ｏ軸とＰ軸の２直線が作る平面に垂直なベクトルＱの算出を行う。

スレーブマニピュレータ１０１の先端部１２８をマスターマニピュレータ１１１の先端部１２９に追従させるため、スレーブマニピュレータ１０１の先端部１２８のＴＣＰｓ１３１からＴＣＰｓ１３３に移動させるが、この時、スレーブマニピュレータ１０１の先端部１２８の軸がポイントロック位置１３４を通るという条件にしなければならないので、スレーブマニピュレータ１０１の先端部１２８をＴＣＰｓ１３３へ移動させると同時に、前記求めたＯ軸とＰ軸のなす角α分だけＱベクトル回りに回転させながら移動させる。

また、マスターマニピュレータ１１１の先端部１２９を図１４（ｂ）中θ回転させているので、スレーブマニピュレータ１０１の先端部１２８の軸（Ｐ軸）に対してθ回転させるようにする。

以上の動作を制御装置１２１内において、一定時間毎に計算を行っている。この計算の繰り返しによって、実時間でのポイントロック動作付きマスタースレーブモードが実現される。

さて、以上は、スレーブマニピュレータ１０１を患者体腔内に挿入した後の場合の説明であるが、スレーブマニピュレータ１０１を挿入孔ｂに挿入する際、あるいは、抜去する際に生じる特異点の対策について示す。

スレーブマニピュレータ１０１の先端部１２８を挿入する際に生じる特異点とは、挿入孔ｂの位置とスレーブマニピュレータ１０１のＴＣＰとが一致した場合に、位置は求まっているが、挿入する姿勢が無数に存在するため、ロボット１０４の姿勢を決定することができなくなることである。また、挿入孔ｂの位置とスレーブマニピュレータ１０１のＴＣＰが一致しない場合でも、近傍においては演算精度の問題を生じるため、姿勢決定ができないこともある。

そこで、スレーブマニピュレータ１０１の先端部１２８のＴＣＰと挿入孔ｂが一致する部分において、姿勢に関しては、挿入してきた姿勢を決定することで、この問題を解決している。

ただし、どの部分から前記示した以前の姿勢を採用するかを予め決めておく必要があるので、挿入孔ｂの近傍にある一定範囲の不感帯を設けることによって、ロボット１０４の特異点が生じてもスムーズな動きができるようにしてある。

一方、操作手段としては、図１１に示すようにスレーブマニピュレータ１０１に設けられた把持部１５４に力覚センサ１５３ａ，１５３ｂが設けられている。スレーブマニピュレータ１０１および力覚センサ１５３ａ，１５３ｂは、制御装置１２１に接続されており、力覚センサ１５３ａ，１５３ｂにより決定される位置および姿勢がスレーブマニピュレータ１０１の位置および姿勢に対応するよう動作させる。

力覚センサ１５３ａは力の３つの方向ベクトル（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３）を、力覚センサ１５３ｂは力の２つの方向ベクトル（Ｂ４，Ｂ５）と１つの回転（Ｂ６）を検出できるように、内部に歪みゲージが搭載されている。力覚センサ１５３ａ，１５３ｂにより決定される位置および姿勢は、図１１における力覚センサ１５３ａ，１５３ｂの成分Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６を意味するが、挿入孔ｂに対し内視鏡１０５の長軸が交わるような拘束条件を設定しない場合においては、スレーブマニピュレータ１０１のＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５，Ａ６に各々対応するように制御されているが、ポイントロック時の場合、Ｂ１〜Ｂ５により決定される挿入部１０２の注目点の位置により、スレーブマニピュレータ１０１の先端部の位置および挿入部１０２の長軸が挿入孔ｂを通るための挿入部１０２の傾きを決定し、Ｂ６による挿入部１０２の回転角により、挿入部１０２の注目点および位置の回転を制御する。

すなわち、術者がロボットの把持部１５４を握り、矢印方向に移動させるようとすると、第１の実施形態で示した拘束条件を満たすように、内視鏡１０５の先端部のＴＣＰが第１の実施形態と同様にベクトルＡのように移動しようとする。力覚センタ１５３ａ，１５３ｂからは、Ｂ１〜Ｂ６までの独立した位置・姿勢情報が検出されるため、第１の実施形態で行ったマスターマニピュレータ１１１の各関節に配置されたエンコーダ１２０の情報からマスターマニピュレータ１１１のＴＣＰの位置・姿勢を求め、マスターマニピュレータ１１１側の移動するベクトルＡの成分を計算する順座標変換は必要なく、そのまま力覚センサ１５３ａ，１５３ｂの情報を使用し、各関節の制御量によるスレーブ動作を行えば良い。

さて、前述した本実施形態の動作方法の一連の流れを示す。まず、ベッド上の患者の挿入孔ｂの位置を求めるために、例えば、スレーブマニピュレータ１０１に手術器械１０３を取り付け、挿入孔ｂの位置と手術器械１０３のＴＣＰの位置とを力覚センサ１５３ａ、１５３ｂを操作することにより合わせる（姿勢はどのような状態でも構わない）。位置合わせを行ったときのＴＣＰの位置はスレーブマニピュレータ１０１の各軸に取り付けられたエンコーダの出力に基づいて制御装置１２１で計算することにより求められる。また、このＴＣＰの座標は挿入孔ｂの位置として制御装置１２１に内部にある記憶手段に記憶される。このことによって、挿入孔ｂとスレーブマニピュレータ１０１との相対的な位置が求まり、スレーブマニピュレータ１０１の位置は固定されているため、挿入孔ｂの位置が求まる。

次に、術者の操作により、マスターマニピュレータ１１１を動作させる。図１６に示すように、制御装置１２１側ではマスターマニピュレータ１１１の先端部における位置および回転を動作指令として読み込む。マスターマニピュレータ１１１より求めた位置・姿勢情報をスレーブマニピュレータ１０１の位置または姿勢に座標変換する。

前記座標変換処理を終えたら、手術器械１０３の操作対象部位（スレーブマニピュレータ１０１の先端ＴＣＰ）が挿入孔ｂの近傍にあるか、ないかを判断する。ここでは、スレーブマニピュレータ１０１の先端ＴＣＰが体腔ｃ内にあるか否かを判断する。もし、体腔ｃ外にあるのであれば、挿入部１０２の長軸の傾きの値として、手術器械１０３の操作対象部位（スレーブマニピュレータ１０１の先端ＴＣＰ）の位置が、挿入孔ｂの近傍に入る直前の値を用い、さらに、挿入部１０２の長軸まわりの回転がスレーブマニピュレータ１０１の回転の指令に一致するように動作させる。もし、スレーブマニピュレータ１０１の先端ＴＣＰの位置が患者の体腔ｃ内に位置する場合は、挿入部１０２が挿入孔ｂの位置を通り、手術器械１０３の操作対象部位（スレーブマニピュレータ１０１の先端ＴＣＰ）の位置が、マスターマニピュレータ１１１により決定された指令位置に一致するようにし、さらに、挿入部１０２の長軸まわりの回転がマスターマニピュレータ１１１の回転の指令に一致するように動作させる。

したがって、マスターマニピュレータ１１１の操作により決定される位置および姿勢が、スレーブマニピュレータ１０１の手術器械１０３の挿入孔ｂを通る拘束条件を満たさない場合においても、この拘束条件を満たすよう動作させることができ、ひいては手術器械１０３の挿入部１０２が挿入孔ｂに対し無理な力を作用させることがない。また、術者は、マスターマニピュレータ１１１の操作を行うと、これに追従してスレーブマニピュレータ１０１が動作し、体腔ｃ内に挿入された手術器械１０３を操作することができ、また術者の頭部にＨＭＤ１１２およびＨＭＤ１１２の回転軸のエンコーダ１２０が設けてあるため、術者が頭部を動かすと、エンコーダ１２０の動きに追従して、スレーブマニピュレータ１０１に固定された３次元（立体）スコープ１０５が術野の画像をＨＭＤ１１２に表示し、術者はＨＭＤ１１２に表示された画像を観察しながら手術器械１０３で処置ができる。したがって、体腔ｃ内に居るような臨場感の中で処置が可能となるため開腹術の感覚で内視鏡下手術が可能となる。

図１７〜図２１は第２実施形態を示し、第１実施形態と同一構成部分は同一番号を付して説明を省略する。本実施形態は、手術器械を体腔内に挿入し、体内の観察およびまたは処置を行う手術用マニピュレータにおいて、スレーブマニピュレータに取り付けた力覚センサを操作することにより、スレーブマニピュレータを動作させる場合に、スレーブマニピュレータの手術器械の挿入部が、観察および処置を行う対象部位に対し、挿入部を真っ直ぐ挿入するように、力覚センサにより決定される位置および姿勢をスレーブマニピュレータの位置および姿勢を対応させるように構成したものである。

この手術用マニピュレータにおいて、スレーブマニピュレータ１７１は、その先端部を患者の頭部ｄ内に挿入する挿入部１７２ａを有した手術器械１７２と、この手術器械１７２を支持するための直動および回転の自由度を有する複数の軸を有するロボット１７３から構成されている。挿入部１７２ａの先端部には、３次元（立体）スコープ１７４と、一対の処置具１７５，１７６とを備えている。３次元（立体）スコープ１７４の先端部および一対の処置具１７５，１７６は、それぞれ多自由度にて湾曲可能となっている。また、術者の頭部には、ＨＭＤ１７７と３次元位置センサ１７８が設けられている。

一方、操作手順としては、スレーブマニピュレータ１７１に設けられた力覚センサ１７９ａ，１７９ｂが設けられている。スレーブマニピュレータ１７１、３次元位置センサ１７８および力覚センサ１７９ａ，１７９ｂは、制御装置１２１に接続されており力覚センサ１７９ａ，１７９ｂにより決定される位置および姿勢がスレーブマニピュレータ１７１の位置および姿勢に対応するよう動作し、３次元位置センサ１７８により決定される位置および姿勢が３次元（立体）スコープ１７４の湾曲角に対応するよう動作させる。

また、一対の処置具１７５，１７６は、操作部１８０ａ，１８０ｂ，１８０ｃ，１８０ｄにより機械的に操作される。また、力覚センサ１７９ａは力の３つの方向ベクトルを力覚センサ１７９ｂは力の２つの方向ベクトルと１つの回転を検出できるように、内部に歪みゲージが搭載されている。

なお、図１７においては、３次元（立体）スコープとしての内視鏡と処置具を一体とする挿入部を示しているが、内視鏡だけ、あるいは、処置具だけの構成でも構わない。また、内視鏡としては、先端部に湾曲機構を有する実施形態を示しているが、硬性鏡でも構わない。また、本実施形態の手術用マニピュレータの動作を制御するシステムの構造は、第１実施形態の図２に示したものと同一であり、説明を省略する。

次に、本実施形態の作用について説明する。脳外分野でのポイントロック位置は患者頭部ｄ内に位置する部分であるため、例えば、予めＣＴ等の画像観察装置によって、目的部位の位置を認識しておく必要がある。この目的部位の位置を知るためには、例えば、制御装置１２１の標準入力装置から位置情報を入力したりすることによって、制御装置１２１側で目的部位（ポイントロック位置）とスレーブマニピュレータ１０１との位置関係を認識させることも可能である。

また、ポイントロック位置が内視鏡を挿入する予め開けられた挿入孔より確認できる場合には、スレーブマニピュレータ１０１より手術器械１０３をいったん取り外し、その代わりに図２１に示すレーザーポインタ１９１と光学的測距手段１９２を備えるポイントロック点指示冶具１９０をスレーブマニピュレータに取り付ける。ここで測距手段にはカメラのオートフォーカス機構の焦点調節に用いられる機構などが利用できる。このポイントロック点指示冶具を使用するのに適した例は、本実施形態のように脳外科分野など不用意に患部に触れると患者に対して大きなダメージを与えてしまう場合が考えられる。また、本実施形態の装置は、ポイントロック点を患者に対して非接触測定できるため、ポイントロック点指示冶具を使用するたびに洗浄、消毒、滅菌する必要がない。

次に本実施形態におけるポイントロック点の求め方について説明する。図２１のようにスレーブマニピュレータ１０１に冶具１９０を取り付け、力覚センサ１５３ａ、１５３ｂを操作し、スレーブマニピュレータ１０１の位置、姿勢を変化させることにより、冶具１９０に取り付けられているレーザーポインタ１９１の指し示す位置とポイントロック点とを一致させる。このときのレーザーポインタ１９１の指し示す位置と、冶具１９０の先端との距離は光学的測距手段１９２により検出される。レーザーポインタ１９１の指し示す位置はスレーブマニピュレータ１０１の各軸に取り付けられたエンコーダの出力と光学的測距手段１９２により検出された距離情報を制御装置１２１で計算することで求められ、これを制御装置１２１内に設けられた記憶手段にポイントロック点として記憶させる。

その後、冶具１９０をスレーブマニピュレータ１０１より取り外し、手術器械１０３をスレーブマニピュレータ１０１に取り付ける。その後の操作作用等については第１実施形態と同様なので省略する。

次に、具体的な動作について説明すると、図１８（ａ）で示したように、手術器械１７２をＳ１の状態から水平方向（矢印方向）に移動させるために、スレーブマニピュレータ１７１のＡ３軸を伸長するように操作（力覚センサ１７９ａをＢ３方向に押す）したとする。ポイントロックモードでない時には、図１８（ａ）の点線で示されたように手術器械１７２の先端が移動するが、ポイントロックモードの時には、ポイントロック位置Ａと手術器械１７２の長軸とが一致するように動作するため、図１８（ａ）に示されているＳ１の状態からＳ２の状態に移動する。

手術器械１７２を図１８（ｂ）に示すようにＳ３の状態から垂直方向（矢印方向に移動させるために、図１７に示すように、スレーブマニピュレータ１７１のＡ２軸を短縮するように操作（力覚センサ１７９ａ−Ｂ２方向に押す）したとする。ポイントロックモードでない場合には、手術器械１７２は図１８（ｂ）の点線で示す部分に移動するが、ポイントロックモード時には、図１８（ｂ）に示すＳ４の状態に移動する。

また、水平・垂直についての移動方法を示したが、スレーブマニピュレータ１７１は、回転を行わせることも可能であり、それについては、図１８（ｃ）に示したＳ３の状態からスレーブマニピュレータ１７１のＡ５軸が回転するように力覚センサ１７９ｂのＢ５を操作する。ポイントロックモードでない時は、図１８（ｃ）のＳ５の状態から点線で示す部分に手術器械１７２が移動するが、ポイントロックモードの時は、ポイントロック拘束条件を満たすために、姿勢をＳ６に移動させる。

以上脳外分野で使用される手術器械１７２をスレーブマニピュレータ１７１に取り付けた時の、スレーブマニピュレータ１７１の操作方法を説明したが、脳外分野で使用する場合、ポイントロック位置というのは、患者頭部ｄ内にある。

したがって、第１実施形態で示したように、ポイントロック位置を通過するということは実際には無いが、もし、ポイントロック位置と手術器械１７２の先端部の位置が一致した場合、第１実施形態で示したように、特異点が生じるようになるため、本実施形態でも制御装置１２１側で第１の実施形態で示した不感帯の処理を行い、姿勢を決定できなくなった場合、不感帯に入る直前の姿勢に決定する処理を制御装置１２１側で行わせている。

前述した一連の作業を図１９に示す。図１９により、術者はダイレクトムーブの操作を行う。操作後は、力覚センサによって、ダイレクトムーブの先端における位置および回転を動作指令として制御装置に入力される。ダイレクトムーブの位置および回転情報が入力されると、ダイレクトムーブより求めた位置・姿勢情報をスレーブマニピュレータの手術器械の位置または姿勢に座標変換する。

座標変換された後、手術器械の操作対象部位の位置が、処置または観察対象とする部位の位置に対して近傍にあるか否かを判断し、対象部位近傍にある場合には、挿入部の長軸の傾きの値として、手術器械の操作対象部位の位置が、処置または観察を対象とする部位の位置に対して近傍の距離に入る直前の値を用い、さらに、挿入部の長軸まわりの回転が、スレーブマニピュレータの回転の指令に一致するように動作させる。

もし、手術器械の操作対象部の位置がマスタースレーブマニピュレータにより決定された指令位置に一致するように、挿入部の長軸まわりの回転がスレーブマニピュレータの回転の指令に一致するように動作させる。

したがって、力覚センサの操作により決定される位置および姿勢が、スレーブマニピュレータの手術器械の挿入部が、観察および処置を行う対象部位に対し、挿入部を真っ直ぐ挿入する拘束条件を満たさない場合においても、この拘束条件を満たすよう動作させることができる。

また、術者は、力覚センサの操作を行うと、これに追従してスレーブマニピュレータが動作し、体腔内に挿入された手術器械をスムーズに操作することができる。

また、術者は、また術者の頭部にＨＭＤおよび３次元位置センサを設けているので、術者が頭部を動かすと、３次元位置センサの動きに追従して、３次元スコープの湾曲部が動作するため、術者はＨＭＤに表示された画像を観察しながら手術器械で処置ができる。したがって、体腔内に居るような臨場感の中で処置が可能となるため開腹術の感覚で内視鏡下手術が可能となる。

図２０（ａ）は現在の処置具１８１の先端ＴＣＰと患者頭部ｄとの位置関係を示す。このまま、処置具１８１を患者頭部ｄに挿入しようとすると、図２０（ｂ）のように患者頭部ｄに接触して危険である。

そこで、患者頭部ｄ内の所望の位置と処置具Ｚ軸とが同一になるように姿勢変換させる。制御装置１２１側での処理としては、所望位置と現在の処置具１８１の先端ＴＣＰの位置とを結ぶ線分Ｒを引く。次に、線分Ｒの空間上の姿勢を求め、現在位置での処置具１８１の先端ＴＣＰの姿勢を求める。

前記処理が終わったら、処置具１８１の先端ＴＣＰの位置をそのまま保持しながら線分Ｒの姿勢と処置具１８１との姿勢が同一になるようにスレーブマニピュレータ１７１を動作させる。具体的には、制御装置１２１側で処置具１８１の姿勢の値と線分Ｒの姿勢の値との差がゼロになるように動作させる。これによって、図２０（ｃ）に示すように、処置具１８１の挿入のための姿勢変換がなされ、姿勢変換後ポイントロックを行いながら処置具１８１を患者頭部ｄに挿入していく。

したがって、スレーブマニピュレータ１７１に設けた処置具１８１の長軸が頭部ｄの挿入孔に向かっていない場合においても、長軸の延長線上に挿入孔がくるように動作させることができ、ひいては処置具１８１の挿入が容易となる。

また、術者は、マスターマニピュレータの操作を行うと、これに追従してスレーブマニピュレータ１７１が動作し、体腔内に挿入された処置具１８１を操作することができ、また術者の頭部ｄにＨＭＤ１７７およびＨＭＤ１７７の回転軸にエンコーダ１２０が設けてあるため、術者が頭部を動かすと、エンコーダ１２０の動きに追従して、スレーブマニピュレータ１７１に固定された３次元（立体）スコープ１７４が術野の画像をＨＭＤ１７７に表示し、術者はＨＭＤ１７７に表示された画像を観察しながら処置具１８１で処置ができる。したがって、体腔内に居るような臨場感の中で処置が可能となるため開腹術の感覚で内視鏡下手術が可能となる。

次に第３実施形態について説明する。図２２は第１実施形態にて説明した手術用マニピュレータの手術器械１０３をスレーブマニピュレータより取り外しポイントロック位置決定用冶具１９５を取り付けた状態を示す。ポイントロック位置決定用の冶具１９５はスレーブマニピュレータに取り付ける取り付け部を有する棒状のものであり、手術器械１０３の挿入部１０２よりも長い全長を有している。好ましくは冶具１９５の全長は挿入部１０２よりも１ｃｍから数ｃｍ長いことが望ましい。これは冶具１９５を使用してポイントロック点を求めた後、スレーブマニピュレータの位置、姿勢を変化させることなく冶具１９５を取り外し、手術器械１０３を取り付けたとしても、取り付け作業中において手術器械１０３の先端がポイントロック点より先に行かないようにするためである。本実施形態の冶具１９５を使用すると好ましい条件は手術器械１０３の先端にある装置に湾曲機構が存在し、手術器械１０３の剛性が低く、わずかな接触圧で変形してしまい、正確なポイントロック点を手術器械１０３の先端では求められない場合や、複数の機器が手術器械１０３の先端に取り付けられていて、正確なポイントロック点を手術器械１０３では指し示せない場合に特に有効である。

次に本実施形態におけるポイントロック点の求め方について述べる。図２２のように、スレーブマニピュレータ１０１に冶具１９５を取り付け、力覚センサ１５３ａ、１５３ｂを操作し、スレーブマニピュレータ１０１の位置、姿勢を変化させることにより、冶具１９５の先端とポイントロック点とを一致させる。このときの冶具１９５の先端位置はスレーブマニピュレータ１０１の各軸に取り付けられたエンコーダの出力を制御装置１２１で計算することで求められ、これを制御装置１２１内に設けられた記憶手段にポイントロック点として記憶させる。

その後、冶具１９５をスレーブマニピュレータ１０１より取り外し、手術器械１０３をスレーブマニピュレータ１０１に取り付ける。その後の操作作用等については第１実施形態と同様なので省略する。

以上、図１１乃至図２２を参照して上記した第１乃至第３実施形態によれば、術者が手術器械の動きを拘束する拘束点を予め計測するときに、マニピュレータに取り付けられた入力手段をマニピュレータ先端を動かしたいと思う方向に操作し、拘束点を指示する装置の指示点を拘束点に合わせることのみで拘束点の位置を容易に手術用マニピュレータの記憶手段に記憶させ、記憶手段で記憶された拘束点に拘束された動きをマニピュレータに行わせることができる。また、これによりマニピュレータが患者に過大な力を加えることがなくなるので、安全に手術を行うことができるようになる。

上記した具体的実施形態から以下のような構成の技術的思想が導き出される。

（１） 生体に形成した挿入孔を介して脱着可能な挿入体を遠隔操作によって駆動して生体内組織部位の観察または処置を行う医療用マニピュレータにおいて、前記挿入孔の位置を指示するポインタを有する位置決め手段を具備することを特徴とする医療用マニピュレータ。

（２） 前記挿入体の代わりに挿入でき着脱自在に固定する固定手段を有する構成（１）に記載の医療用マニピュレータ。

（３） 前記医療用マニピュレータの関節を拘束する拘束手段を有する構成（１）に記載の医療用マニピュレータ。

（４） 前記挿入体の代わりに挿入して着脱自在に固定する固定手段と、前記医療用マニピュレータの関節を拘束する拘束手段を有する構成（１）に記載の医療用マニピュレータ。

（５） 前記固定手段が前記拘束手段と連動している構成（４）に記載の医療用マニピュレータ。

（６） 前記ポインタと位置決め手段の前記医療用マニピュレータへの取付け位置との位置関係を可変する可変手段を有する構成（１）乃至（５）のいずれかに記載の医療用マニピュレータ。

（７） 前記ポインタが光線を使用して位置を指示する構成（１）に記載の医療用マニピュレータ。

（８） ２本以上の光線を使用し、各光線は交点を有するようにアライメントされている構成（７）に記載の医療用マニピュレータ。

（９） 前記２本以上の光線がなす交点の位置が可変である構成（８）に記載の医療用マニピュレータ。

（１０） 前記医療用マニピュレータを操作する操作手段と、構成（１）乃至（９）のいずれかに記載の位置決め手段を有する医療用マニピュレータ。

（１１） 術者が操作できる領域内に設置された操作手段と、術野にアクセスするように設置された前記操作手段の操作に追従した動きを行うマニピュレータと、前記マニピュレータにより保持され、体腔内に挿入される挿入部を有した手術器具とを具備して、前記手術器具が拘束点により拘束された動きを行う手術用マニピュレータシステムにおいて、前記マニピュレータに取り付けられ、前記マニピュレータの動きを指示する術者が操作可能な入力手段と、前記拘束点を指示する指示手段と、この指示手段で指示された位置を記憶する拘束点記憶手段と、前記手術器具が前記拘束点で拘束された動きを行うように前記マニピュレータを制御する制御手段とを具備する手術用マニピュレータ。

（１２） 前記指示手段が前記マニピュレータの先端に着脱自在に取り付けられ、前記入力手段を操作して前記マニピュレータを動作させることにより、前記拘束点を前記指示手段により指示する構成（１１）に記載の手術用マニピュレータ。

（１３） 前記指示手段の長さが、前記手術器具の挿入部の長さよりも長い構成（１１）に記載の手術用マニピュレータ。

上記した構成（１）〜（１３）の作用は以下の通りである。

１．構成（１）〜（１０）に係る発明の作用は、マニピュレータに着脱自在で、挿入孔の位置を指示するポインタを有する位置決め手段をマニピュレータに装着した状態で、マニピュレータに対する操作入力手段を用いてマニピュレータを操作し、挿入孔をポインタで指示することで、挿入孔の位置をマニピュレータ制御装置に取り込むことである。

２．構成（２）、（４）に係る発明の作用は、挿入体を有する医療用マニピュレータにおいて、位置決め手段の脱着機構を挿入体の脱着機構と共用することにより、マニピュレータの構成を単純にすることである。

３．構成（３）、（４）に係る発明の作用は、自由関節を有するマニピュレータにおいて、位置決め手段によって自由関節を拘束することで、ポインタの位置を一意的に定めることである。

４．構成（５）に係る発明の作用は、挿入体および自由関節を有するマニピュレータの場合、位置決め手段の脱着と自由関節の拘束を連動させることにより、一つの動作で位置決め手段の固定と自由関節の拘束を行うことである。

５．構成（６）に係る発明の作用は、ポインタと位置決め手段のマニピュレータへの取付位置を可変することで、周囲機器とマニピュレータとの干渉を避けて挿入孔検出を行うことである。また、挿入体と位置決め手段の位置関係を同等にすることで、位置決め手段の位置関係の定数を入力することを不要にする。

６．構成（７）に係る発明の作用は、光線を位置指示のポインタとして用いることで、非接触で挿入孔の位置を指示することができることである。

７．構成（８）に係る発明の作用は、２本の光線の交点を位置指示のポインタとして用いることで、非接触で挿入孔の位置を正確に指示することである。

８．構成（９）に係る発明の作用は、２本の光線の交点の位置を可変することで光線が他の機器と干渉して見えなくなることを避けられることである。

９．構成（１１）〜（１３）に係る発明の作用は、マニピュレータの動きを指示する術者が操作可能な入力手段をマニピュレータに取り付けるとともに、指示手段によって拘束点を指示する。そして、この指示手段で指示された位置を記憶して、手術器具が前記拘束点で拘束された動きを行うように前記マニピュレータを制御することである。

上記した構成（１）〜（１３）の効果は以下の通りである。

１．構成（１）〜（１０）に係る発明の効果は、マニピュレータに着脱自在の位置決め手段を取り付けることによって、別途３次元位置検出手段を設けることなく、マニピュレータの操作手段を用いて、挿入孔の位置を検出できることである。

２．構成（２）、（４）に係る発明の効果は、位置決め手段の脱着機構を挿入体の脱着機構と共用することにより、マニピュレータの構成を単純化できることである。

３．構成（３）、（４）に係る発明の効果は、位置決め手段によってマニピュレータの自由関節を拘束することで、ポインタの位置を一意的に定めることである。

４．構成（５）に係る発明の効果は、位置決め手段の脱着と自由関節の拘束を連動させることにより、挿入孔の検出時の操作者の労力を減らしたことである。

５．構成（６）に係る発明の効果は、位置決め手段を取付けた状態でマニピュレータが周囲機器と干渉した場合にも、ポインタと位置決め手段のマニピュレータへの取付位置を可変することで干渉を避けられることである。また、先端処置具の種類、内視鏡や、挿入部の長さといった挿入体の位置関係の違いが存在するが、位置決め手段の位置関係を挿入体と一致させることで、位置決め手段の位置関係の定数を入力する必要がなくなる。また、一つの位置決め手段で、多数の挿入体の位置決め手段として共通に用いることができるという効果がある。

６．構成（７）に係る発明の効果は、非接触で位置を指示できるため、周辺機器で挿入孔付近に障害物が多くても、容易に挿入孔の位置を教示できることである。

７．構成（８）に係る発明の効果は、２本の光線の交点を位置指示のポインタとして用いることで、非接触で挿入孔の位置を正確に指示できることである。

８．構成（９）に係る発明の効果は、２本の光線の交点の位置を可変することで光線が他の機器と干渉して見えなくなることを防止できることである。

９．構成（１１）〜（１３）に係る発明の効果は、術者が手術器械の動きを拘束する拘束点を予め計測するときに、マニピュレータに取り付けられた入力手段をマニピュレータ先端を動かしたいと思う方向に操作し、拘束点を指示する装置の指示点を拘束点に合わせることのみで拘束点の位置を容易に手術用マニピュレータの記憶手段に記憶させ、記憶手段で記憶された拘束点に拘束された動きをマニピュレータに行わせることができる。また、これによりマニピュレータが患者に過大な力を加えることがなくなるので、安全に手術を行うことができるようになる。

本発明の第１実施形態に係るシステム構成図である。 第１実施形態の処置用マニピュレータの構成を示す図である。 生体内操作時の処置用マニピュレータの状態を示す図である。 挿入孔の位置を知るための第１実施形態の方法を説明するための図である。 第２実施形態の処置用マニピュレータの構成を示す図である。 挿入孔の位置を知るための第２実施形態の方法を説明するための図である。 異なる種類の挿入体を示す図である。 挿入孔の位置を知るための第４実施形態の方法を説明するための図である。 挿入孔の位置を知るための第４実施形態の方法を説明するための図である。 挿入孔の位置を知るための第３実施形態の他の方法を説明するための図である。 第１の実施形態に係る手術用マニピュレータの全体構成図である。 手術用マニピュレータの制御装置のブロック図である。 手術用マニピュレータの概略的構成図である。 手術用マニピュレータの作用を説明するための図である。 スレーブマニピュレータの側面図である。 第１実施形態の作用を示すフローチャート図である。 第２実施形態を示す手術用マニピュレータの斜視図である。 手術用マニピュレータの作用を説明するための図である。 第２実施形態の作用を示すフローチャートである。 現在の処置具の先端と患者頭部との位置関係を示す図である。 第２実施形態において、ポイントロック点の求め方を説明するための図である。 第３実施形態を説明するための図である。

符号の説明

１ 処置用マニピュレータシステム
２ 観察用マニピュレータ
３ 内視鏡
７ 処置用マニピュレータ
１４ 観察用マニピュレータ
１５ 先端処置具
２４ 挿入孔の位置
２９ 位置決め冶具。

Claims (3)

1. 生体に形成した挿入孔に挿入される挿入体を遠隔操作によって駆動して生体内組織部位の観察または処置を行う医療用マニピュレータにおいて、
   前記挿入体を保持する保持部と、その保持部が前記挿入体を保持した状態で操作可能となるアーム部とを有するマニピュレータ部と、
   細長のパイプ部と先端部からなる前記挿入孔の位置を指示するポインタ部を有し、前記挿入体に代えて前記保持部に保持される位置決め手段と、
   前記位置決め手段が前記保持部に保持されたときに前記ポインタ部により指示される前記挿入孔の位置に基づいて前記挿入体の取り付け位置を決定する取り付け位置決定手段と、
   を具備することを特徴とする医療用マニピュレータ。
2. 前記位置決め手段は、前記挿入体の挿入部長に併せて前記パイプ部の長さを調節できる調整機構を有することを特徴とする請求項１記載の医療用マニピュレータ。
3. 前記位置決め手段は、前記アーム部に配置可能な脱着機構を有することを特徴とする請求項１または２記載の医療用マニピュレータ。

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