JP2010035768A - 能動駆動式医療機器 - Google Patents

Abstract

【課題】長尺部材の先端側に力覚センサを搭載しない場合にも、その先端側の能動機構に作用した外力を算出できる能動駆動式医療機器を提供する。
【解決手段】内視鏡９の処置具チャンネル内に挿通され、先端側に能動機構５が設けられた処置具本体４に対して、この能動機構５を模したマスタ２を把持して、その姿勢を変える指示入力を行うことにより、その指示入力の位置および／または姿勢の検出に基づき、制御装置は、能動機構５がその位置および／または姿勢を追従するように、スレーブ駆動部６を駆動する。さらに制御装置７は、能動機構５に作用する外力を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、指示入力部側の指示入力により、能動機構を駆動する能動駆動式医療機器に関する。

近年、内視鏡は、医療用分野及び工業用分野において、広く用いられるようになっている。また、医療用分野においては、内視鏡と組み合わせて処置具も広く用いられる。
このような医療機器としての例えば内視鏡においては、手動操作により挿入部の先端側に設けられた湾曲部を湾曲させるものから、モータを用いて湾曲部を電気的に湾曲駆動する電動湾曲させる能動機構を設けて、操作性を向上したものが実用化されている。
また、処置具においても、処置具の先端側等に回動自在の関節を設けた能動機構としての処置部を、手元側での操作により電気的に駆動する能動機構を備えたものがある。
例えば、特開２００７−１８５３５５号公報には、電動湾曲内視鏡が開示されている。この従来例の電動湾曲内視鏡においては、操作者による指示入力部（或いは指示操作部）の指示入力により、制御部は、モータドライバを介して湾曲駆動部としてのモータを回転駆動し、この回転するモータにより湾曲ワイヤを牽引して挿入部に設けられた湾曲部を湾曲駆動する。

また、この従来例では、湾曲部の湾曲状態を検出する湾曲状態検出部としての例えば湾曲ワイヤを介して湾曲部に作用する力覚情報としてのテンションデータを指示入力部としてのジョイスティックによる指示入力値に重畳させることで、挿入部の状態を操作者に力覚情報をフィードバックとして返す構成としている。そして、テンシュンデータがジョイスティックの指令に対して反力が対応するように設定されている。
体腔内に挿入部等の長尺部材を挿入して使用する内視鏡や処置具のような医療機器（或いは能動駆動式医療機器）の場合には、長尺部材の先端側の能動機構が体壁等に当たっていることを検出できることが望まれる場合がある。
しかし、挿入部等の先端に力覚センサを搭載することは、細い挿入部や処置具にした場合には困難になる。このため、上記の従来例のよう手元側にテンションセンサを設け、このテンションセンサにより能動機構を動作させる駆動力を測定し、その測定した駆動力をフィードバックさせるようにしている。
特開２００７−１８５３５５号公報

しかしながら、上記の従来例の場合には、能動機構が体壁等に当たったことにより発生する外力による力覚情報を、体壁等に当たっていない、即ち、外力が作用していない場合と分離或いは識別して検出していない。つまり、上記従来例は、能動機構が体壁等に当たっている、当たっていないに無関係、即ち、外力の有無に無関係にフィードバックして、術者に力覚情報として提示するようにしている。
このため、従来例では、能動機構が体壁等に当たったために発生する力、つまり術者が知りたいと望む外力に対する力覚情報を算出して提示することができなかった。
本発明は上述した点に鑑みてなされたもので、長尺部材の先端側に力覚センサを搭載しない能動機構の場合にも、能動機構に作用する外力を算出可能にした能動駆動式医療機器を提供することを目的とする。

本発明の能動駆動式医療機器は、長尺部材の先端側に設けられた関節を備えた能動機構と、
前記能動機構を駆動する能動機構駆動部と、
前記長尺部材の後端側に設けられ、前記能動機構の現在の位置および／または姿勢を検出する位置および／または姿勢検出部と、
前記能動機構の位置および／または姿勢の指示入力を行う指示入力部と、
前記指示入力部からの位置および／または姿勢の指示入力に基づき、前記能動機構駆動部による現在の位置および／または姿勢から指示入力された位置および／または姿勢に前記能動機構を実際に駆動した場合に要した駆動力から、外力が作用しない状態において前記能動機構駆動部により現在の位置および／または姿勢から指示入力された位置および／または姿勢に前記能動機構を駆動した場合の推定による推定駆動力を差し引いた外力に対応する力を算出する力算出部と、
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、長尺部材の先端側に力覚センサを搭載しない能動機構を設けた場合にも、能動機構に作用する外力を算出できる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
（実施例１）
図１から図６は本発明の実施例１に係り、図１は本発明の実施例１の処置具システムを内視鏡と共に示し、図２は本発明の実施例１の処置具システムの構成を示し、図３はトルクと速度の関係を示し、図４は実施例１の制御系の構成を示し、図５は実施例１の変形例の処置具システムの外観を示し、図６は変形例におけるスレーブとしての能動機構の構成を示す。
図１に示す本発明の実施例１の処置具システム１は、例えば内視鏡９と共に使用される能動機能を備えた処置具により構成される。
この処置具システム１は、指示入力を行う指示入力部としてのマスタ２と、このマスタ２を駆動するマスタ駆動部３と、処置を行う処置具本体４と、この処置具本体４の先端に設けられた処置部を形成するスレーブとしての能動機構５を駆動する（能動機構駆動部としての）スレーブ駆動部６と、両駆動部３，６を制御する制御装置７とを有する。

この処置具本体４は、長尺の長尺部材８及びその先端の能動機構５とを有し、長尺の長尺部材８及び能動機構５は、内視鏡９の処置具チャンネル内に挿通される。 この内視鏡９は、体腔内に挿入される長尺部材としての挿入部１０と、この挿入部１０の後端に設けられた操作部１９と、この操作部１９から延出されるユニバーサルケーブル２０とを有し、このユニバーサルケーブル２０の端部は、図示しない光源装置と信号処理装置に接続される。
また、挿入部１０は、その先端に設けられた先端部２１と、この先端部の後端に設けられた湾曲自在の湾曲部２２と、この湾曲部２２の後端から操作部１９の前端に至る長尺の可撓部２３とを有する。
また、湾曲部２２は操作部１９に設けられた湾曲ノブ２４を術者が回動する操作を行うことにより上下、左右における任意の方向に湾曲される。

また、操作部１９の前端付近には、処置具挿入口２５が設けてあり、この処置具挿入口２５は挿入部１０の長手方向に設けられた処置具チャンネルと連通している。この処置具チャンネルは、先端部２１において開口している。
従って、図１に示すように（処置具チャンネルが設けられた挿入部１０を、処置具本体４のガイド部材として用い）この処置具挿入口２５に、処置具本体４を、その先端側から挿入することにより、その先端側を処置具チャンネルの先端の開口から突出させて、図示しない病変部等に対して治療のための処置を行うことができる。
また、本実施例においては、術者による操作性を向上するために、能動機構５を模擬した（或いは類似した）構造のマスタ２により、術者が指示入力する指示入力部を形成している。

処置部を形成する能動機構５は、可動部として、回動自在となる複数の関節を有する。 具体的には、能動機構５は、関節軸（回動軸又は湾曲軸）１１ａ、１１ｂ、１１ｃにおいて回動自在に連結された先端カップ片及び関節駒（或いは湾曲駒）１１，１１，１１を有する。例えば先端カップ片は、その基端が関節軸１１ａにより、この先端カップ片に隣接する関節駒１１と回動自在に連結され、この関節軸１１ａの回りで開閉する。なお、ここでは、簡略化して対の先端カップ片は、関節軸１１ａの回りで連動して開閉、或いは一方が開閉するとする。
この能動機構５を模擬した形状及び構造となるようにマスタ２が形成されている。但し、能動機構５は、処置具チャンネル内に挿通可能となるように細く形成されているのに対して、マスタ２は、術者が手（指）で操作し易いように能動機構５よりは大きなサイズで形成されている。

マスタ２は、関節軸１１ａ′、１１ｂ′、１１ｃ′において回動自在に連結された先端カップ片及び関節駒１１′，１１′，１１′を有し、例えば先端カップ片は、その基端が関節軸１１ａ′により関節駒１１′と回動自在に連結され、この関節軸１１ａ′の回りで開閉する。上記のように対の先端カップ片が、関節軸１１ａ′の回りで連動して開閉、或いは一方が開閉するとする。
そして、術者が操作入力部側となるマスタ２を把持して指示入力のための操作、具体的には先端カップ片、関節駒１１′、１１′、１１′を関節軸１１ａ′，１１ｂ′，１１ｃ′の回りで回動して各部の位置および／または（或いは複数の位置による）姿勢を変える操作を行うと、その位置および／または姿勢の状態が検出され、処置部側となる能動機構５も対応した位置および／または姿勢となるように関節軸１１ａ，１１ｂ，１１ｃの回りで回動（湾曲）駆動するように制御装置７が駆動部３，６を制御する。

つまり、術者はマスタ２を把持して能動機構５を、処置しようと望む位置および／または姿勢状態に設定する操作を行うことにより、その操作が位置および／または姿勢検出手段により検出され、制御装置７は、そのマスタ２の位置および／または姿勢を追従するように能動機構５を駆動して同じ位置および／または姿勢状態に設定する。
図２は、この処置具システム１の概略の構成を示す。なお、図２において、関節軸（回動軸）１１ａ〜１１ｃ、１１ａ′〜１１ｃ′を模式的に示している。
上述したように能動機構５及びマスタ２は、それぞれ複数の関節軸１１ａ〜１１ｃ、１１ａ′〜１１ｃ′が設けられている。
具体的には、図２に示すようにその紙面をＸ−Ｙ平面とした場合、能動機構５における最先端の関節軸（回動軸）１１ａは、紙面に垂直なＺ軸方向となり、次の関節軸１１ｂは、紙面内のＹ軸方向となり、次の関節軸１１ｃは紙面に垂直なＺ軸方向となっている。

マスタ２側の関節軸１１ａ′〜１１ｃ′も、関節軸１１ａ〜１１ｃの場合と同様である。

また、能動機構５（の関節駒１１）内には、それぞれ関節軸１１ａ〜１１ｃの回りで回動する力を伝達するワイヤ１２ａ，１２ａ；１２ｂ，１２ｂ；１２ｃ，１２ｃが挿通されている。
ワイヤ１２ｉ，１２ｉ（ｉ＝ａ〜ｃ）の先端は、関節軸１１ｉの回りの先端カップ片又は関節駒１１に固着され、その後端はスレーブ駆動部６内のプーリ１３ｉに架け渡し、ないしは巻回固定されている。
また、このプーリ１３ｉは、駆動部としてのモータ１４ｉの回転軸に図示しないギアを介して取り付けられ、このモータ１４ｉの回転軸には、その回転角（回動角）を検出する位置センサとなる例えばロータリエンコーダ（単にエンコーダ略記）１５ｉが取り付けられている。

なお、複数の位置センサにより、能動機構５の姿勢が検出される。従って、エンコーダ１５ａ〜１５ｃは、位置および／または姿勢を検出する位置および／または姿勢検出部を形成する。駆動部を構成するモータ１４ｉは、それぞれモータドライバ１６ｉからのモータドライブ信号が印加されることにより、回転駆動する。
また、ワイヤ１２ｉ、１２ｉの例えば後端側には、各ワイヤ１２ｉ、１２ｉに作用する力を検出する張力センサ１７ｉ，１７ｉが取り付けられている。なお、張力センサ１７ｉの場合に限定されるものでなく、モータ１４ｉのトルクを検出するトルクセンサ等でも良い。
また、張力センサ１７ｉの検出信号、エンコーダ１５ｉの検出信号は、制御装置７を構成するＣＰＵ２６に入力される。このＣＰＵ２６は、モータドライバ１６ｉを介してモータ１４ｉの回転を制御する。

また、マスタ２の構成は、能動機構５と同様であり、マスタ２における構成要素を表す符号に′を付けてマスタ２の構成要素を示している。但し、関節軸１１ｉ′は、８ギア付き）モータ１４ｉ′と連結された状態で、（能動機構５の場合におけるワイヤ１２ｉを介することなく）回転駆動される。このため、図２では図１の場合と同様にマスタ２側にマスタ駆動部３の一部を構成するモータ１４ｉ′、エンコーダ１５ｉ′が設けられた状態で示している。
関節軸１１ｉ′の位置においてマスタ２とマスタ駆動部３とを分けるように表した場合（つまり図２の能動機構５とスレーブ駆動部６に対応した分け方で表した場合）には、 マスタ駆動部３の構成は、スレーブ駆動部６における張力センサ１７ｉが設けてないことを除くと、同様の構成であり、スレーブ駆動部６における構成要素を表す符号に′を付けてマスタ駆動部３の構成要素を示している。

制御装置７を構成するＣＰＵ２６には、術者によるマスタ２の指示入力の操作に対応したエンコーダ１５ａ′〜１５ｃ′による検出信号が、位置および／または姿勢情報として入力される。
つまり、術者により操作されるマスタ２を構成する関節軸１１ａ′〜１１ｃ′は、その回転方向及び回転角（以下、回動角と定義）がエンコーダ１５ａ′〜１５ｃ′により検出され、そのエンコーダ出力信号が検出信号としてＣＰＵ２６に入力される。そして、ＣＰＵ２６は、その際、能動機構５側（つまり能動機構を構成する）関節軸１１ａ〜１１ｃの回動角を検出するエンコーダ１５ａ〜１５ｃからの検出信号と比較する。
そして、ＣＰＵ２６は、エンコーダ１５ａ′〜１５ｃ′からの検出信号からエンコーダ１５ａ〜１５ｃの検出信号を減算した差分値の検出信号を生成し、その差分値を能動機構５を駆動する指令値として、モータドライバ１６ａ〜１６ｃを介して関節軸１１ａ〜１１ｃの回りで先端カップ片、又は関節駒１１を回動させる。

これにより、能動機構５の位置および／または姿勢は、マスタ２の位置および／または姿勢に追従するように制御される。
本実施例においては、さらにＣＰＵ２６には、先端カップ片、関節駒１１を関節軸１１ａ〜１１ｃの回りの回動に作用する力が張力センサ１７ａ〜１７ｃにより検出されて、その検出信号も力覚情報（又は力情報）として入力される。
この場合、ＣＰＵ２６は、張力センサ１７ｉ（ｉ＝ａ〜ｃ）からの測定による検出信号から実際に能動機構５の先端カップ片、関節駒１１に作用する外力を推定により算出する力算出部２６ａの機能を有する。なお、張力センサ１７ｉの代わりにモータ１４ｉによるモータトルクを測定するモータトルクセンサでも良い。
ＣＰＵ２６は、力算出部２６ａの機能により張力センサ１７ｉ等の検出信号から以下のように外力を算出する。

この場合、実際に能動機構５を駆動した駆動力を張力センサ１７ｉの検出信号から取得し、この駆動力から予め外力が作用していない状態の駆動力（推定駆動力という）を差し引いて外力に相当する力を算出する。また、この場合、推定駆動力を算出する情報を予め情報格納部としての例えばメモリ２７に格納する。
張力センサ１７ｉ等は、モータ１４ｉが発生する力Ｆｍを実際に検出（測定）するものであり、モータ１４ｉ及びギア自身を動かすための力をＦｐｍ、能動機構５の先端カップ片、関節駒１１を、外力無しで動かすための力をＦｓ、能動機構５の先端カップ片又は関節駒１１に作用する外力に相当する力をＦｏとした場合、モータ１４ｉが発生する力Ｆｍは、これらの力の和になる。
つまり、
Ｆｍ＝Ｆｐｍ＋Ｆｓ＋Ｆｏ …（１）
そして、上記のようにモータ１４ｉが発生する力Ｆｍを張力センサ１７ｉ等により取得する。

また、術者等の操作者は、外力に相当する力Ｆｏを知覚することを望むので、（１）式を変形して
Ｆｏ＝Ｆｍ−（Ｆｐｍ＋Ｆｓ） …（２）
とし、力算出部２６ａはこの力Ｆｏを算出する。
つまり、実際に能動機構５側を駆動するに要した駆動力となる力Ｆｍから、外力無し（外力が作用しない）状態での推定駆動力としての力（Ｆｐｍ＋Ｆｓ）を差し引くことにより、術者が望む外力に相当する力Ｆｏを算出する。
また、モータ１４ｉ及びギア自身を動かすための力Ｆｐｍは、モータ１４ｉ自身にかかる粘性摩擦力Ｆｐｍｎと、モータ１４ｉの慣性力Ｆｐｍｉを用いて、
Ｆｐｍ＝Ｆｐｍｎ＋Ｆｐｍｉ …（３）
とした関係が成立する。
ここで、（３）式中の粘性摩擦力Ｆｐｍｎに関して説明する。無負荷状態のギア付きモータ１４ｉに一定電圧を印加すると、そのモータ１４ｉは定速運動をする。
その時のモータ１４ｉのトルクを測定し、モータ１４ｉに印加する電圧を変えていくと、図３に示す速度―トルク曲線が得られる。

実際の制御の際には、予めこのグラフの近似式の情報を、図２の例えばＣＰＵ２６から参照可能なメモリ２７に保存しておき、ＣＰＵ２６は、その状態の速度に対応するトルクを算出することで、ギアを含むモータ１４ｉの粘性摩擦力Ｆｐｍｎの値を獲得できる。なお、このメモリ２７を、ＣＰＵ２６内部に設けるようにしても良い。
次にモータ１４ｉの慣性力Ｆｐｍｉに関して説明する。モータ１４ｉのロータ・イナーシャをJMとし、ギアのロータ・イナーシャJGとする。また、モータ１４ｉの角加速度をαとすると、慣性力Ｆｐｍｉは、
Ｆｐｍｉ＝JM×α＋JG×α＝（JM＋JG）×α …（４）
から求めることできる。
次に（２）式中の右辺の能動機構５の関節駒１１を動かすための力Ｆｓを説明する。

この力Ｆｓは、能動機構５の機械的構造に依存するもので、個体差が大きい場合が多々ある。
そこで、回動可能な回動角範囲内で取りうる回動角にて、それぞれの回転角の状態にするために必要なトルク（力）を予め計測し、回動角とトルクとを関係付ける情報を取得する。
この計測により取得した情報を、回動角とトルクのテーブルとして予め、例えばメモリ２７内に格納しておき、実際に回動制御（湾曲制御）する時は、設定する回動角の時のテーブルを参照することで、対応するトルク値を獲得できる。このトルク値が能動機構５の先端カップ片、又は関節駒１１を動かすための力Ｆｓの値となる。

また能動機構５の関節軸１１ｉがワイヤ１２ｉの牽引によって、回動（湾曲）動作する場合、ワイヤ１２ｉの屈曲経路の状態によって、先端カップ片、又は各関節駒１１を関節軸１１ａ〜１１ｃの回りで回動するためのトルク値は変化する。
そのため、例えば３つの関節軸１１ａ〜１１ｃを持つ場合には、各関節軸の回りで回動させる場合のトルク値は、互いに（回動が）影響しあうので、各関節軸を全ての取り得る回動角に対して、３つのトルク値を計測して、例えばテーブルを作成する。即ち、この計測により、各関節軸の回りの回動角（湾曲角）θ1，θ2，θ3及び各関節軸の回りで回動させるためのトルク値Tu1，Tu2，Tu3のテーブルが完成する。
そして、このテーブルを、例えばメモリ２７に格納しておくことにより、より精度の良い力Ｆｓを算出或いは推定でき、この力Ｆｓを用いることにより、（２）式からより精度の良い力Ｆｏを算出或いは推定することができる。なお、図２ではこのテーブルをルックアップテーブル（ＬＵＴと略記）２７ａとしてメモリ２７内に格納していることを示している。

なお、この処置具本体４が、内視鏡９の処置具チャンネル内に挿通されて使用される場合には、内視鏡９の処置具チャンネルの屈曲状態、つまり挿入部１０の屈曲状態にも能動機構５の関節駒１１を関節軸の回りで動かすための力Ｆｓの値が変化する。
このため、後述するように内視鏡９の挿入部１０の屈曲等の姿勢情報を利用して、この値Ｆｓを算出するようにしても良い（実施例３で後述）。
このようにしてＣＰＵ２６（の力算出部２６ａ）は力Ｆｏを算出すると、この力Ｆｏの情報を図２の制御装置７のフロントパネル等に設けられた（力の情報の提示部としての）表示部２８に送り、この表示部２８で力Ｆｏの値を表示し、術者等に外力の情報を提示或いは知らせる。

また、ＣＰＵ２６は、この力Ｆｏを対応するマスタ２の関節軸１１ｊ′の回りで回動させるべく、モータドライバ１６ｊに、力Ｆｏに対応した例えば電流指令値を与え、モータ１４ｊ′を回動させる。このモータ１４ｊ′の回動により、能動機構５の関節駒１１に対応したマスタ２の関節駒１１′には、力Ｆｏに対応した力が出力される。
そして、術者は、能動機構５の先端カップ片、又は関節駒１１に対応した先端カップ片、関節駒１１′にフィードバックして作用（駆動）する力により、外力の大きさ及びその方向を、操作している手（指）により知覚することができる。
この場合の制御装置７による制御系の構成例は、図４に示すブロック線図のようになる。 図４に示す制御系では、指示入力部となるマスタ２への入力指示により発生する位置情報Ｘｍを、処置部としての能動機構５の位置情報Ｘｓから減算してスレーブ制御部６′に送り、このスレーブ制御部６′は、減算した位置情報Ｘｍ−Ｘｓにより能動機構５の位置制御を行う。また、この位置情報Ｘｓは、力算出部２６ａ′に送られる。

能動機構５に作用する力情報Ｆｍは、力算出部２６ａ′による力情報が減算されて外力に相当する力Ｆｏの力情報がマスタ制御部３′に送られ、このマスタ制御部３′はこの力情報により、マスタ２を力制御する。
なお、図４において、マスタ制御部３′は、マスタ駆動部３の機能に制御装置７によるその制御部を含む構成に相当し、またスレーブ制御部６′は、スレーブ駆動部６の機能に制御装置７によるその制御部を含む構成に相当する。また、力算出部２６ａ′は、上記力算出部２６ａによる減算による力Ｆｏの算出前の力情報（（２）式の推定駆動力（Ｆｐｍ＋Ｆｓ））の算出部に対応する。
本実施例によれば、実際に能動機構５が体壁等に当たった際に、その能動機構５に働く力の大きさをその方向を含めて算出し、術者に提示すると共に、術者が操作するマスタ２にその力覚情報としてフィードバックして術者が知覚できるようにしているので、能動機構５を体腔内で操作する場合の操作性を向上できる。

図５は変形例の処置具システム１Ｂの構成を示す。この処置具システム１Ｂは、図１の処置具システム１において、マスタ２及びマスタ駆動部３の代わりにジョイスティック装置３１が採用されている。
このジョイスティック装置３１は、マスタ２に対応するジョイスティック３２と、その基端側に設けられ、このジョイスティック３２を傾動させるように駆動する図示しない駆動部とを備える。
また、この処置具システム１Ｂは、図１の開閉する先端カップ片を備えた処置具本体４の代わりに、例えばＬ字形状の先端処置部を有する能動機構３５を備えた処置具本体３４が採用されている。
この能動機構３５は、複数の関節駒１１、１１、１１を回動自在に連結する２つの関節軸１１ａ、１１ｂを有する。なお、最も後端側の関節駒１１の後端は、処置具本体４の先端に連結されている。

図６は能動機構３５のより詳細な構成を示す。
関節駒１１，１１，１１はそれぞれリベット等の関節軸１１ａ、１１ｂにより互いに直交する方向で回動自在に連結されている。関節駒１１内に挿通され、関節軸１１ａを一方の方向（図６では紙面の略下側）に回動するためのワイヤ１２ａは、関節軸１１ａの前の関節駒１１における切り欠き部において固着されている。
この関節軸１１ａを逆の方向（図６では紙面の略上側）に回動するための図示してないワイヤ１２ａも同様に固着されている。
また、同様に関節軸１１ｂを一方の方向（図６では紙面に略垂直上側）に回動するためのワイヤ１２ｂは、関節軸１１ｂの前の関節駒１１における切り欠き部において固着されている。関節軸１１ｂを逆の方向に回動するための図示してないワイヤ１２ｂも同様に固着されている。

この変形例においては、例えばスレーブ駆動部としてのモータボックス３６は、図２に示したスレーブ駆動部６における３個のモータ、エンコーダの数が２個になっている。また、６個の張力センサが４個になっている。
ジョイスティック装置３１側の図示しないモータ及びエンコーダの数も、モータボックス３６の場合と同様の数である。
また、本変形例においては、ジョイスティック３２の例えば上下方向の傾動（回動）が関節軸１１ａの回動に、ジョイスティック３２の左右方向の傾動（回動）が関節軸１１ｂの回動に対応付けられている。
そして、術者がジョイスティック３２を、例えば上下方向に傾動すると、その傾動角の位置センサとしてのエンコーダの検出信号により制御装置７内のＣＰＵはモータドライバを介して能動機構３５の対応する関節駒１１を関節軸１１ａ′の回りで回動させるように制御する。

その他は、実施例１と同様の構成である。本変形例は、ジョイスティック３２の傾動操作により能動機構３５を傾動操作に対応した姿勢状態に制御することができる。
また、実施例１の場合と同様に、能動機構３５が体壁等に当たった場合には、その際、能動機構３５に作用する外力が制御装置７内の力算出部により算出され、制御装置７の表示部で表示すると共に、その力情報がジョイスティック３２にフィードバック、つまり力覚フィードバックされる。
従って、ジョイスティック３２を操作する術者は、体壁等に当たって能動機構３５に作用する外力の大きさ及びその方向を知覚することができる。また、術者は、表示部での表示によりその大きさ、方向を知ることもできる。このため、術者による処置を行う場合の操作性を向上することができる。

（実施例２）
次に図７及び図８を参照して本発明の実施例２を説明する。図７は、本発明の実施例２の内視鏡システム４０を示す。実施例１においては、術者が湾曲ノブ２４を手動で回動する操作を行うことにより湾曲部２２を手動で湾曲させる内視鏡９が採用されていた。
これに対して、本実施例は、術者は、ジョイスティック装置４１のジョイスティック４２を傾動する操作（指示入力）を行うことにより、駆動部を用いて能動機構を構成する湾曲部２２′を電気的（能動的）に駆動する。
この内視鏡システム４０は、電動湾曲内視鏡（以下、単に内視鏡）９Ｃと、この内視鏡９Ｃに照明光を供給する光源装置４８と、この内視鏡９Ｃの撮像素子に対する信号処理を行う信号処理装置としてのビデオプロセッサ４９と、このビデオプロセッサ４９から出力される映像信号を表示するモニタ５０とを有する。

また、この内視鏡９Ｃは、図１の内視鏡９と同様に挿入部１０，操作部１９，ユニバーサルケーブル２０を有し、挿入部１０は、先端部２１，湾曲部２２′，可撓部２３からなる。
また、操作部１９の前端付近には処置具挿入口２５が設けられており、この処置具挿入口２５は挿入部１０の長手方向に設けられたチャンネル３０に連通している。そして、この挿入口２５から、例えば図５の処置具システム１Ｂを形成する能動機構３５を備えた処置具本体３４を挿入することができる。
この処置具システム１Ｂの動作は、ここでは省略する。なお、図１で説明した処置具システム１を挿通して、処置を行うこともできる。また、駆動部を有しない図示しない処置具を挿通して処置を行うこともできる。

さらにこの内視鏡システム４０は、湾曲の指示入力の操作を行うジョイスティック４２を備えたジョイスティック装置４１と、本実施例における湾曲部２２′を湾曲駆動する駆動部として、例えば操作部１９内に設けられたモータボックス（又はモータユニット）４６Ａと、このモータボックス４６Ａ内の動力手段（駆動手段）としてのモータを駆動するモータドライブボックス４６Ｂと、湾曲部２２′の湾曲制御を行う制御装置４７とを有する。
ユニバーサルケーブル２０の端部の図示しないコネクタが着脱自在に接続される光源装置４８は照明光を発生し、この照明光は、内視鏡９Ｃのライトガイド５１に供給され、このライトガイド５１の先端面から照明光を出射する。
この照明光で照明された患部等の被写体は、観察窓に取り付けられた対物レンズ５２により、その結像位置に結像される。その結像位置には電荷結合素子（ＣＣＤと略記）５３が配置されている。このＣＣＤ５３は、信号線を介してビデオプロセッサ４９内のＣＣＤドライブ回路５４と映像処理回路５５とに接続されている。

ＣＣＤドライブ回路５４は、ＣＣＤドライブ信号をＣＣＤ５３に印加し、光電変換された撮像信号をＣＣＤ５３から出力させる。ＣＣＤ５３から出力された撮像信号は、映像処理回路５５による信号処理により、映像信号に変換される。そして、この映像信号が入力されるモニタ５０の表示面における内視鏡画像表示エリア５０ａには、ＣＣＤ５３に結像された光学像が内視鏡画像として表示される。
また、湾曲部２２′は、複数の関節駒或いは湾曲駒５６が関節軸（回動軸）としてのリベット５７により回動（或いは湾曲）自在に連結されている。なお、図７においては、簡略化して紙面に垂直な方向のみに回動自在なリベット５７を示しているが、実際には長手方向に隣接する湾曲駒５６は上下方向と左右方向とに交互に回動自在となるようにリベット５７により連結されている。

また、挿入部１０内における上下方向と左右方向に沿って挿通された対の湾曲ワイヤ５８ｕ，５８ｄ；５８ｌ、５８ｒの先端は、最先端の湾曲駒５６又は先端部２１に固着され、その後端は、操作部１９内の上下湾曲用プーリ５９ａと左右湾曲用プーリ５９ｂにそれぞれ掛けわたす等して固着されている。
各プーリ５９ａ、５９ｂは、それぞれ動力手段としてのモータ６１ａ、６１ｂの回転軸に、図示しないギアを介して回動自在に連結されている。各モータ６１ａ、６１ｂの回転軸には、エンコーダ６２ａ、６２ｂがそれぞれ連結され、エンコーダ６２ａ、６２ｂはモータ６１ａ、６１ｂの回転角をそれぞれ検出することにより、湾曲部２２′を構成する湾曲駒５６の湾曲角の位置および／または姿勢を検出する。

また、プーリ５９ａ、５９ｂの近傍の各湾曲ワイヤ５８ｕ，５８ｄ；５８ｌ、５８ｒには、各湾曲ワイヤに働く張力を検出する張力センサ６３ａ、６３ａ；６３ｂ、６３ｂが取り付けられている。湾曲部２２′を湾曲駆動するモータ６１ａ、６１ｂは、それぞれモータドライバ６４ａ、６４ｂと接続され、モータドライバ６４ａ、６４ｂからのモータドライブ信号の印加により回転駆動する。
また、モータドライバ６４ａ、６４ｂは、制御装置４７を構成するＣＰＵ６５と接続されている。このＣＰＵ６５は、モータドライバ６４ａ、６４ｂの動作等、湾曲動作を制御する。
また、エンコーダ６２ａ、６２ｂの検出信号と、張力センサ６３ａ、６３ｂの検出信号もＣＰＵ６５に入力される。

なお、本実施例においては、湾曲部２２′側の位置および／または姿勢情報を検出する位置および／または姿勢センサとしてのエンコーダ６２ａ、６２ｂと力情報を検出する力センサとしての張力センサ６３ａ、６３ｂとを設けているが、位置および／または姿勢センサにより力情報を算出することができる場合には、位置および／または姿勢センサのみを設ける構成としても良い。
また、ジョイスティック装置４１内には、ジョイスティック４２の基端部の上下方向に回動自在に支持するローラ６６ａには、動力手段としてのモータ６１ａ′の回転軸が連結され、さらにこのモータ６１ａ′の回転軸には位置および／または姿勢センサとしてのエンコーダ６２ａ′が連結され、エンコーダ６２ａ′は、ジョイスティック４２の上下方向の傾動角（換言するとモータ６１ａ′の回転角）を検出する。

同様にジョイスティック４２の基端部の左右方向に回動自在に支持するローラ６６ｂには、動力手段としてのモータ６１ｂ′の回転軸が連結され、さらにこのモータ６１ｂ′の回転軸にはエンコーダ６２ｂ′が連結され、エンコーダ６２ｂ′は、ジョイスティック４２の左右方向の傾動角（換言するとモータ６１ｂ′の回転角）を検出する。
さらにモータ６１ａ′、６１ｂ′は、モータドライバ６４ａ′、６４ｂ′とそれぞれ接続され、これらモータドライバ６４ａ′、６４ｂ′の動作はＣＰＵ６５により制御される。このＣＰＵ６５には、エンコーダ６２ａ′、６２ｂ′の検出信号が入力される。
そして、ＣＰＵ６５は、例えばメモリ６７内のプログラムに従って、湾曲の制御動作を行う。

またＣＰＵ６５は、湾曲部２２′及びその先端側の先端部２１が体壁等に当たった場合に作用する外力を算出する力算出部６５ａの機能を有する。この力算出部６５ａは、実施例１の場合とほぼ同様に湾曲部２２′の湾曲駒５６を湾曲軸となるリベット５７の周りで回動（湾曲）させる場合、外力に相当する力Ｆｏを算出する。
そして、ＣＰＵ６５は、外力に相当する力Ｆｏを算出すると、この力Ｆｏにより、マスタとしてのジョイスティック４２を）モータドライバ６４ａ′、６４ｂ′を介して）力制御する。
これにより、ジョイスティック４２を操作する術者は、外力の大きさ及びその方向を知覚することができる。なお、メモリ６７には、実施例１の場合と同様に外力が作用していない状態で、推定駆動力を算出するための情報がテーブル化等されて格納されている。つまり、このメモリ６７は、推定駆動力を算出するための情報格納部を形成している。

また、ＣＰＵ６５は、算出した力Ｆｏの大きさ及びその方向の情報を制御装置４７のフロントパネル等に設けた（提示部としての）表示部６８で表示により術者に提示すると共に、その情報を映像処理回路５５に出力する。そして、表示モニタ５０の力情報表示エリア５０ｂには、力Ｆｏの大きさ及び方向が表示される。
制御装置４７のＣＰＵ６５による湾曲の制御動作は、例えば図８に示すように制御系を採用したものであり、この制御系は基本的に、図４の制御系と同様である。
つまり、図４のマスタ２をジョイスティック４２と読み替え、同様にマスタ制御部３′を、ジョイスティック４２の駆動部を含む制御部としてのジョイスティック制御部４３′と、能動機構５を湾曲部２２′と、スレーブ制御部６′を湾曲部２２′の駆動部を含む制御部としての湾曲部制御部４６′と、力算出部２６ａ′を力算出部６５ａ′とそれぞれ読み替えると、図４と同様の制御内容となる。

そして、力算出部６５ａ（或いは６５ａ′）により算出された外力に相当する力Ｆｏが力情報としてジョイスティック制御部４３′に与えられ、このジョイスティック制御部４３′は、この力情報に対応した力でジョイスティック４２を駆動する。
本実施例による動作は、実施例１における能動機構５を湾曲部２２′または湾曲部２２′及び先端部２１に読み替えた動作となる。
そして、本実施例も体腔内に挿入される挿入部１０の先端側が体壁等に当たった場合に、湾曲部２２′に作用する外力を算出して、表示すると共に、術者等が実際に知覚できるように術者が操作するジョイスティック４２に力フィードバックしている。
従って、本実施例も、術者が内視鏡９Ｃを用いて内視鏡検査や処置具を用いて処置する際の、操作性を向上することができる。

（実施例３）
次に図９から図１１を参照して本発明の実施例３を説明する。図９は本発明の実施例３の処置具システム１Ｄの概略の構成を示す。本実施例３は、実施例１の処置具システム１において、さらに内視鏡９Ｄの挿入部１０の（複数の位置による）姿勢情報を利用して処置等を行うものである。
この処置具システム１Ｄは、図１及び図２等で示した構成の他に、内視鏡９Ｄの姿勢情報を算出する構成を備えている。
この内視鏡９Ｄは、図１の内視鏡９において、挿入部１０内にはその長手方向に所定の間隔で磁界を発生する複数のコイル（以下、ソースコイル）７１、７１、…、７１が配置されたものであり、これらのソースコイル７１、７１、…、７１は、ユニバーサルケーブル２０を介して挿入形状検出装置７２内のソースコイル駆動回路７３に接続される。

ソースコイル駆動回路７３は、複数のソースコイル７１、７１、…、７１に交流の駆動信号を印加し、各ソースコイル７１の周囲に磁界を発生させる。
また、この内視鏡９Ｄの挿入部１０が挿入される図示しない患者の周囲には、センスコイルユニット（或いはアンテナユニット）７４が配置され、このセンスコイルユニット７４内には、各ソースコイル７１により発生する磁界を検出するための複数のコイル（以下、センスコイル）７５、７５、…、７５が配置されている。
複数のセンスコイル７５、７５、…、７５により検出された検出信号は、挿入形状検出装置７２内のソースコイル位置算出回路７６に入力され、このソースコイル位置算出回路７６は、検出信号の振幅及び位相の情報から、各センスコイル７５からソースコイル７１までの距離を算出し、複数の基準位置（センスコイル７５の位置）からの（複数の）距離の情報を用いて各ソースコイル７１の位置を算出する。

このソースコイル位置算出回路７６により算出された各ソースコイル７１の位置の情報は挿入形状算出回路７７に入力され、各ソースコイル７１の位置を連結して挿入部１０の挿入形状の映像信号を生成し、挿入形状表示モニタ７８に出力する。
そして、挿入形状表示モニタ７８の表示画面に算出された挿入部１０の挿入形状が表示される。
また、挿入形状算出回路７７により算出された挿入部１０の挿入形状の情報（換言すると挿入部１０の姿勢情報）は、所定の周期で、制御装置７Ｄを構成するＣＰＵ２６に送信される。この制御装置７Ｄは、図１の制御装置７において、さらに内視鏡９Ｄの挿入部１０の姿勢情報を利用する機能を備えたものである。

この制御装置７Ｄにおけるメモリ２７には、実施例１で説明した能動機構５の先端カップ片及び関節駒１１を関節軸の回りで回動させる回動角とトルクの関係の情報がＬＵＴ２７ａに格納されている。
そして、本実施例においては、ＣＰＵ２６は、ＬＵＴ２７ａから読み出したトルクの情報を挿入部１０の姿勢情報により補正する。この補正情報は、例えばメモリ２７のＬＵＴ２７ｂに挿入部１０の姿勢情報と関連付けて格納されている。
姿勢情報で補正する代わりに、ＬＵＴ２７ａの回動角とトルクの関係の情報を、挿入部１０の姿勢情報とも関連付けたものにテーブル化し、回転角及び挿入部１０の姿勢情報とから対応するトルクを算出するようにしても良い。

挿入形状算出回路７７からＣＰＵ２６には、図１０に示すような挿入部１０の挿入形状が姿勢情報として入力される。
図１０における最も左側の挿入部１０は、湾曲部２２をその後端を含めて大きく湾曲させた状態を示し、中央の図は湾曲部２２をその長手方向の中央付近から湾曲させた状態を示し、最も右側の図は挿入部１０を真っ直ぐにした状態を示す。
図１０に示すように挿入部１０の姿勢に応じて、その処置具チャンネル内に挿通された処置具本体の先端の能動機構５にかかる力Ｆｓは変化する。なお、図１０では、簡単化のため最も左側の図のみに処置具チャンネル内に挿通された状態の能動機構５を２点鎖線で示している。

本実施例では、この力Ｆｓを挿入部１０の姿勢情報を考慮して算出する。つまり、ＣＰＵ２６は、この姿勢情報により、現在の回転角に対応するトルクを補正或いは、姿勢情報も考慮したトルクを算出する。
図１１は、本実施例の制御系のブロック線図を示す。この制御系は、図４に示した制御系において、力算出部２６ａ′には、さらに内視鏡９Ｄの挿入部１０の姿勢情報Ｘｎが入力され、この姿勢情報Ｘｎを考慮して力情報Ｆが算出される。
その他の構成は、実施例１と同様である。本実施例は、実施例１と同様の作用効果を有すると共に、さらに内視鏡９Ｄの挿入部１０の姿勢も考慮して外力を算出するようにしているので、より精度の高い外力を算出することができる。
その他、実施例１と同様の効果を有する。

なお、本実施例においては、能動機構５側の位置および／または姿勢情報を検出する位置および／または姿勢センサと力情報を検出する力センサとを設けているが、位置および／または姿勢センサにより力情報を算出することができる場合には、位置および／または姿勢センサのみを設ける構成としても良い。
また、上述した処置具チャンネルを有する挿入部１０を備えた内視鏡の代わりに、処置具を挿通可能とする中空のチャンネルを備えた湾曲部を備えたオーバーチューブ（ガイドチューブ）、或いは内視鏡の挿入部を挿通可能とするオーバーチューブ（ガイドチューブ）を用いた場合にも同様に適用することができる。
なお、上述した実施例等を部分的に組み合わせる等して構成される実施例も本発明に属する。

先端側に回動する関節を備えた能動機構を、手元側での指示入力部からの指示入力の操作により能動機構を駆動する。

本発明の実施例１の処置具システムの外観を示す斜視図。 実施例１の処置具システムの構成を示す構成図。 トルクと速度の関係を示す特性図。 実施例１の制御系の構成を示すブロック線図。 実施例１の変形例の処置具システムの外観を示す斜視図。 変形例における能動機構の構成を示す斜視図。 本発明の実施例２の内視鏡システムの構成を示す構成図。 実施例２の制御系の構成を示すブロック線図。 本発明の実施例３の処置具システムの構成を示す図。 内視鏡の挿入部の姿勢状態を示す図。 実施例３の制御系の構成を示すブロック線図。

符号の説明

１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…処置具システム、２…マスタ、３…マスタ駆動部、４…処置具本体、５…能動機構、６…スレーブ駆動部、７…制御装置、８…長尺部材、９…内視鏡、１０…挿入部、１１，１１′…関節駒、１１ａ〜１１ｃ，１１ａ′〜１１ｃ′…関節軸、１２ａ〜１２ｃ…ワイヤ…、１４ａ〜１４ｃ，１４ａ′〜１４ｃ′…モータ、１５ａ〜１５ｃ，１５ａ′〜１５ｃ′…エンコーダ、１６ａ〜１６ｃ，１６ａ′〜１６ｃ′…モータドライバ、１７ａ〜１７ｃ…張力センサ、２１…先端部、２２…湾曲部、２６…ＣＰＵ、２６ａ…力算出部、２７…メモリ、２７ａ，２７ｂ…ＬＵＴ、２８…表示部、３０…処置具チャンネル、４０…内視鏡システム、４１…ジョイスティック装置、４２…ジョイスティック、４６Ａ…モータユニット、４６Ｂ…モータドライブユニット、４７…制御装置、５６…湾曲駒、５７…リベット、６１ａ〜６１ｂ，６１ａ′〜６１ｂ′…モータ、６２ａ〜６２ｂ，６２ａ′〜６２ｂ′…エンコーダ、６３ａ〜６３ｂ…張力センサ、６４ａ〜６４ｂ，６４ａ′〜６４ｂ′…モータドライバ、６５…ＣＰＵ、６５ａ…力算出部、６７…メモリ、６８…表示部

Claims (8)

1. 長尺部材の先端側に設けられた関節を備えた能動機構と、
   前記能動機構を駆動する能動機構駆動部と、
   前記長尺部材の後端側に設けられ、前記能動機構の現在の位置および／または姿勢を検出する位置および／または姿勢検出部と、
   前記能動機構の位置および／または姿勢の指示入力を行う指示入力部と、
   前記指示入力部からの位置および／または姿勢の指示入力に基づき、現在の位置および／または姿勢から指示入力された位置および／または姿勢に、前記能動機構駆動部によって前記能動機構を実際に駆動した場合に要する駆動力から、外力が作用しない状態において前記能動機構駆動部により現在の位置および／または姿勢から指示入力された位置および／または姿勢に前記能動機構を駆動した場合の推定による推定駆動力を差し引いた外力に対応する力を算出する力算出部と、
   を備えたことを特徴とする能動駆動式医療機器。
2. さらに前記力算出部により算出された前記力の情報を提示する提示部を有することを特徴とする請求項１に記載の能動駆動式医療機器。
3. さらに前記指示入力部を駆動する指示入力部駆動部を有し、前記力算出部により算出された前記力の情報を前記指示入力部駆動部にフィードバックして、前記指示入力部を駆動することを特徴とする請求項１又は２に記載の能動駆動式医療機器。
4. 前記力算出部は、前記外力が作用しない状態において前記能動機構駆動部により現在の位置および／または姿勢から指示入力された位置および／または姿勢に前記能動機構を駆動した場合の推定による推定駆動力の情報を予め格納した情報格納部を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つの請求項に記載の能動駆動式医療機器。
5. 前記能動機構は、電動で湾曲部を湾曲動作可能な電動湾曲内視鏡、電動で関節を屈曲または湾曲動作可能な能動処置具、又は電動で湾曲部を湾曲可能な能動オーバーチューブであることを特徴とする請求項１から４の何れか１つの請求項に記載の能動駆動式医療機器。
6. 前記能動駆動式医療機器は、前記能動機構を有する処置具を有し、該処置具がガイド部材の長手方向に設けられた中空のチャンネル内を挿通される場合には、前記力算出部は、前記ガイド部材の姿勢の情報を用いて前記力を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つの請求項に記載の能動駆動式医療機器。
7. 前記ガイド部材は、内視鏡またはオーバーチューブの挿入部により形成され、前記力算出部は、前記挿入部の姿勢の情報を用いて前記力を算出することを特徴とする請求項５に記載の能動駆動式医療機器。
8. 前記力算出部が前記力を算出するための前記駆動力を検出するセンサを有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１つの請求項に記載の能動駆動式医療機器。

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