JP2010082188A - 手術マニピュレータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】目標となる操作点への処置具の移動を簡易かつ迅速に行うことができ、術者にかかる負担を低減する。
【解決手段】患者Ａの術部を抑えるスタビライザ９を先端に備えるスタビライザ用マニピュレータ４と、該スタビライザ用マニピュレータ４により抑えられた術部を処置する処置具１０を先端に備える１以上の操作用マニピュレータ５と、これらマニピュレータ４，５を制御する制御装置６とを備え、スタビライザ用マニピュレータ４および操作用マニピュレータ５が、相互に対応づけられた座標系を有し、スタビライザ用マニピュレータ４に備えられたスタビライザ９に処置すべき目標位置の位置座標が固定され、制御装置６は、術部にスタビライザ９が配置されて術部が抑えられたときに、スタビライザ９に固定されている目標位置近傍に処置具１０を配置するように操作用マニピュレータ５を制御する手術マニピュレータシステム１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、手術マニピュレータシステムに関するものである。

従来、操作部の入力に従って動作するマスタースレーブ方式の複数のマニピュレータを備える手術マニピュレータシステムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この手術マニピュレータシステムにおいては、マニピュレータのエンドエフェクタとしてスタビライザを搭載し、マニピュレータとしてスタビライザを術部に押し当てて、術部、とりわけ動きが大きな自発運動を伴う心臓等の臓器の脈動を抑えつつ内視鏡画像を見ながら他のマニピュレータの処置具により処置を行う。

米国特許第６３９８７２６号明細書

しかしながら、従来の手術マニピュレータシステムにおいては、術者が内視鏡画像を目視で確認し、処置すべき位置とマニピュレータとの位置関係を認識して方向および距離を考えながら操作を行うので、処置すべき位置への処置具の移動に時間がかかるという不都合がある。特に、処置すべき位置が複数存在する場合や単一の処置すべき位置に何度も往復移動させる必要がある場合には、術者にかかる負担が大きいという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、術部の処置すべき位置への処置具の移動を簡易かつ迅速に行うことができ、術者にかかる負担を低減することができる手術マニピュレータシステムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、患者の術部を抑えるスタビライザを先端に備えるスタビライザ用マニピュレータと、該スタビライザ用マニピュレータにより抑えられた術部を処置する処置具を先端に備える１以上の操作用マニピュレータと、これらマニピュレータを制御する制御装置とを備え、前記スタビライザ用マニピュレータおよび操作用マニピュレータが、相互に対応づけられた座標系を有し、前記スタビライザ用マニピュレータに備えられたスタビライザに処置すべき目標位置の位置座標が固定され、前記制御装置は、術部に前記スタビライザが配置されて術部が抑えられたときに、前記スタビライザに固定されている目標位置近傍に前記処置具を配置するように前記操作用マニピュレータを制御する手術マニピュレータシステムを提供する。

本発明によれば、スタビライザに固定された目標位置が術部の処置すべき位置に一致するように、スタビライザ用マニピュレータを作動させて、スタビライザにより術部を抑えると、該スタビライザに固定された目標位置が術部の処置すべき位置に対応づけられる。スタビライザ用マニピュレータおよび操作用マニピュレータの座標系は相互に対応づけられているので、制御装置は、術部の処置すべき位置に対応づけられた目標位置近傍に処置具を配置するように操作用マニピュレータを制御することができ、処置すべき位置への処置具の移動を簡易かつ迅速に行うことができる。その結果、処置すべき位置が複数存在する場合や単一の処置すべき位置に何度も往復移動させる必要がある場合においても、術者にかかる負担を低減することができる。

上記発明においては、術部を観察するためのカメラを先端に備え、前記スタビライザ用マニピュレータと相互に対応づけられた座標系を有する観察用マニピュレータと、該観察用マニピュレータの前記カメラにより取得された術部の画像を表示する表示手段とを備え、該表示手段に表示される画像中に、前記処置すべき位置を特定するための指標を表示する指標表示手段を備えていてもよい。

このようにすることで、観察用マニピュレータを作動させて術部をカメラで撮影した状態で、術者がスタビライザ用マニピュレータを作動させると、表示手段により表示されている画像内においてスタビライザが移動する。表示手段には、指標表示手段により指標が表示されるので、術者は表示されている画像内の指標によって、スタビライザに固定された目標位置を術部の処置すべき位置に一致させるようにスタビライザを移動させることができる。そして、指標によって特定される処置すべき位置に目標位置を一致させた状態で、スタビライザを術部に押しつけることにより、目標位置を術部の処置すべき位置に簡易に固定することができる。

また、上記発明においては、前記指標が、前記スタビライザの表面に設けた形状物であってもよい。
また、上記発明においては、前記形状物が、前記スタビライザの表面に描かれた目盛であってもよい。
また、上記発明においては、前記形状物が、前記スタビライザ本体に施した形状的な特徴部分であってもよい。
このようにすることで、スタビライザを移動させるとスタビライザの表面に描かれた形状物（目盛、特徴部分）も同時に移動するので、形状物によって特定される処置すべき位置に目標位置を容易に一致させるようにスタビライザ用マニピュレータを作動させることができる。

また、上記発明においては、前記指標表示手段が、スタビライザに固定された指標の画像を術部の画像に重ね合わせて表示することとしてもよい。
また、前記指標の画像が目盛であってもよい。
このようにすることで、表示手段に表示されている術部の画像中においてスタビライザとともに重ね合わせられた指標の画像（目盛）が移動するので、指標によって特定される処置すべき位置を容易にスタビライザの目標位置に一致させることができる。

本発明によれば、術部の処置すべき位置への処置具の移動を簡易かつ迅速に行うことができ、術者にかかる負担を低減することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る手術マニピュレータシステム１について、図１〜図８を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る手術マニピュレータシステム１は、図１および図２に示されるように、患者Ａを寝かせるベッド２の周囲にキャスタＢにより移動可能に配置される複数（図に示す例では４つ）のマニピュレータ３，４，５と、該マニピュレータ３〜５に接続される制御装置６と、該制御装置６に対しマニピュレータ３〜５の操作信号を入力する操作部７とを備えている。

マニピュレータ３〜５は、図３〜図５に示されるように、先端位置を任意の方向に向けることができる多関節型（例えば、６軸多関節型等）のものであり、複数の関節３ａ〜５ａにより連結された複数のリンク３ｂ〜５ｂを備えている。各関節３ａ〜５ａには、図２に示されるように、駆動部（モータおよび減速機）３ｃ〜５ｃと、リンク３ｂ〜５ｂの回転角度を検出するセンサ３ｄ〜５ｄとが備えられている。図２に示す例では、複数の関節３ａ〜５ａ毎に設けられた駆動部３ｃ〜５ｃおよびセンサ３ｄ〜５ｄをまとめて示している。

４つのマニピュレータ３〜５の内、１つのマニピュレータ３は、図３に示されるように、最先端のリンクとしてカメラ８を備えた観察用マニピュレータ（以下、観察用マニピュレータ３とも言う。）である。観察用マニピュレータ３を作動させると、カメラ８の先端を任意の３次元方向に向けることが可能となり、患者Ａの術部の撮影範囲を任意に変更することができるようになっている。

また、１つのマニピュレータ４は、図４に示されるように、最先端のリンクとしてスタビライザ９を備えたスタビライザ用マニピュレータ（以下、スタビライザ用マニピュレータ４とも言う。）である。スタビライザ用マニピュレータ４を作動させると、スタビライザ９を任意の３次元方向に向けることが可能となり、患者Ａの術部の押さえつける位置を任意に変更することができるようになっている。

スタビライザ９は、例えば、図６（ａ）に示されるように、Ｕ字状の平板部材により構成されている。図６（ｃ）に示されるように、スタビライザ９の一面側には、術部の周囲の生体組織に吸着させるために負圧に吸引される吸着孔９ａが設けられている。図６（ｂ）に示されるように、スタビライザ９の他面側には、Ｕ字状の形状の内縁に沿って間隔をあけて目盛９ｂが描かれている。目盛９ｂはスタビライザ９の内側に固定される処置すべき位置を特定しやすくする指標として機能している。

スタビライザ９は、低侵襲手術等の場合には、外皮を貫通して配置したトラカール（図示略）を通して体内に挿入するために、図示しない折り畳み構造に構成されていて、トラカールを通過する際には小さく折り畳まれ、体内に挿入された後には、図６に示される形態に広がるようになっていることが好ましい。

他の２つのマニピュレータ５は、図５に示されるように、最先端のリンクとして鉗子等の処置具１０を備えた操作用マニピュレータ（以下、操作用マニピュレータ５とも言う。）である。操作用マニピュレータ５を作動させると、処置具１０を任意の３次元姿勢に配置することが可能となり、患者Ａの術部に所望の方向からアクセスして処置することができるようになっている。

４つのマニピュレータ３〜５は、いずれも共通の座標系により対応づけられている。
操作部７には、術者Ｘが操作するジョイスティック等の入力手段７ａと、カメラ８により取得された画像を表示する表示手段７ｂとが備えられている。入力手段７ａは、マニピュレータ３〜５毎に、あるいは、スイッチ（図示略）により切り替えることによって、全てのマニピュレータ３〜５に対応できるように設けられている。

制御装置５は、入力手段７ａからの入力に応じた各関節３ａ〜５ａの回転角度を演算する演算手段６ａと、該演算手段６ａにより演算された回転角度に基づいて、駆動部３ｃ〜５ｃに対する指令信号を算出して出力する駆動手段６ｂと、カメラ８により取得された画像データを処理して表示手段７ｂに表示するための画像情報を生成する画像処理部６ｃと、各マニピュレータ３〜５のリンク３ｂ〜５ｂの寸法を記憶する記憶手段６ｄを備えている。

術者Ｘは、操作部７の入力手段７ａを操作することにより、スタビライザ用マニピュレータ４を作動させて、スタビライザ９によって術部を抑えた状態で、スタビライザ９に固定されている目標位置の近傍に向けて２つの操作用マニピュレータ５の処置具１０の先端位置を移動させるように操作用マニピュレータ５を制御するようになっている。具体的には、術部を抑えた状態のスタビライザ９に固定されている目標位置近傍に処置具１０の先端位置が配置されるように、各関節３ａ〜５ａの動作角度を算出し、センサ３ｄ〜５ｄからの検出信号を監視しながら算出された動作角度が達成されるように駆動部３ｃ〜５ｃを作動させるようになっている。

このように構成された本実施形態に係る手術マニピュレータシステム１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る手術マニピュレータシステム１を用いて、患者Ａの術部の処置を行うには、まず、術者Ｘが入力手段７ａを操作して、観察用マニピュレータ３を作動させ、カメラ８の撮像範囲に術部が入るようにカメラ８の姿勢および位置を調節する。

次いで、術者Ｘが入力手段７ａを操作して、スタビライザ用マニピュレータ４を作動させ、先端のリンクとしてのスタビライザ９をカメラ８の撮像範囲内に移動させる。スタビライザ９には目盛９ｂが設けられているので、術者Ｘは、表示手段７ｂに表示された目盛９ｂと術部とを見比べながら、スタビライザ９に固定されている目標位置Ｐが、術部の処置すべき位置に一致するようにスタビライザ用マニピュレータ５を動作させるよう入力手段７ａを操作することができる。
図に示す例では目標位置Ｐとして１点を例示して説明するが、同図に示されるように、所定の領域Ｐ′を目標位置としてスタビライザ９に固定することにしてもよい。

すなわち、例えば、図７に示されるように、スタビライザ９の目盛９ｂによって、目標位置Ｐとして座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（３，１，２）が設定されている場合には、臓器Ｃの処置すべき位置が、ちょうどスタビライザ９の目盛９ｂの座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（３，１，２）の位置に一致するようにスタビライザ９を移動させ、その位置でスタビライザ９を臓器Ｃに固定する。ここでＺ軸方向は予め決めておいた数値を用いることとして、（Ｘ，Ｙ）＝（３，１）のようにしてもよい。なお、Ｚ軸は、Ｘ軸およびＹ軸に直交する軸として定義される。

そして、臓器Ｃに負担がかからない程度にスタビライザ９を接触させた状態で、吸着孔９ａを負圧に吸引することにより、スタビライザ９を臓器Ｃの処置すべき位置の周囲に吸着させる。これにより、心臓のような臓器Ｃである場合であっても、臓器Ｃの拍動等の脈動がスタビライザ９によって軽減される。

さらに、本実施形態に係る手術マニピュレータシステム１によれば、制御装置６が、スタビライザ９によって臓器Ｃの処置すべき位置に一致させられた目標位置Ｐの近傍に処置具１０の先端が配置されるように操作用マニピュレータ５を制御する。すなわち、本実施形態に係る手術マニピュレータシステム１においては、各マニピュレータ３〜５の座標系が対応づけられており、かつ、各マニピュレータ３〜５を構成するリンク３ｂ〜５ｂの寸法等は既知であるので、目標位置Ｐが設定されると、処置具１０の先端が目標位置Ｐの近傍に配置されるように、操作用マニピュレータ５の各関節５ａの動作角度を逆算することができる。したがって、スタビライザ９を所望の位置に固定した後には、ワンタッチで、図８に示されるように、処置具１０を臓器Ｃの処置すべき位置の近傍に配置することができる。

その結果、処置すべき目標位置Ｐが複数存在する場合や、同一の目標位置Ｐに複数回処置を施さなければならない場合、例えば、吻合処置の場合等には、術者がその都度処置具１０の移動を目測で行うのではなく、自動的に行うことができる。したがって、操作用マニピュレータ５を簡易かつ迅速に動作させることができるという利点があり、術者Ｘにかかる負担を軽減することができる。

なお、本実施形態においては、スタビライザ９の表面に描かれた目盛９ｂにより処置すべき位置を特定する指標を構成したが、術部に接触するスタビライザ９の表面（画像取得可能な面）に対して画像認識可能に形成され、かつ、術部の座標を提示できるような形状物であれば、任意の種類の目盛であってもよい。また、目盛に代わる形状物として、スタビライザ９本体の形状の特徴的な部分（例えば、術部と接触するスタビライザ９の先端部および／または基端部を含む領域）を指標用の領域として設定し、カメラ８により取得されたスタビライザ９の画像の中から前記指標用領域を画像処理することにより、スタビライザ９の形状から目標位置Ｐを算出し、算出された目標位置Ｐ自体、あるいは目標位置Ｐを間接的に表示するための指標を示す画像をスタビライザ９の画像に重ね合わせて表示する指標表示手段（図示略）を備えていてもよい。

この場合、適宜、指定用領域の画像認識が容易となるような特徴的なデザイン（突起、切欠等）をスタビライザ９の外縁部分に施してもよい。目標位置Ｐ自体を表示する指標としては、図９に示される十字状の指標９ｂ′や円形の指標を挙げることができ、目標位置Ｐを間接的に表示するための指標としては、図１０に示されるように、スタビライザの内縁に重ねる上で有利な目盛９ｂや罫線９ｃが挙げられるが、スタビライザ９の画像に設定した座標と同一のスケールを有する座標系の指標である目盛が好ましい。また、上記の各種指標とは別に、指標となる画像をスタビライザ９の画像に一致させるための基準位置を示すような重ね合わせ用の指標をスタビライザ９の表面に描いてもよい。

また、本実施形態においては、２つの操作用マニピュレータ５を有する手術マニピュレータシステム１に適用することとしたが、これに代えて、１つまたは３以上の操作用マニピュレータ５を有する手術マニピュレータシステム１に適用することにしてもよい。

本発明の一実施形態に係る手術マニピュレータシステムを示す斜視図である。 図１の手術マニピュレータシステムを示すブロック図である。 図１の手術マニピュレータシステムに備えられた観察用マニピュレータを示す斜視図である。 図１の手術マニピュレータシステムに備えられたスタビライザ用マニピュレータを示す斜視図である。 図１の手術マニピュレータシステムに備えられた操作用マニピュレータを示す斜視図である。 図４のスタビライザ用マニピュレータに備えられるスタビライザの一例を示す（ａ）斜視図、（ｂ）裏面図、（ｃ）平面図である。 図６のスタビライザに設けられた指標の一例を示す平面図である。 図１の手術マニピュレータシステムによる術部の処置の様子を示す斜視図である。 図７の指標の変形例を示す平面図である。 図７の指標の他の変形例を示す平面図である。

符号の説明

Ａ 患者
Ｐ 目標位置
１ 手術マニピュレータシステム
３ 観察用マニピュレータ
４ スタビライザ用マニピュレータ
５ 操作用マニピュレータ
６ 制御装置
７ｂ 表示手段
８ カメラ
９ スタビライザ
９ｂ 目盛（指標）
１０ 処置具

Claims (7)

1. 患者の術部を抑えるスタビライザを先端に備えるスタビライザ用マニピュレータと、該スタビライザ用マニピュレータにより抑えられた術部を処置する処置具を先端に備える１以上の操作用マニピュレータと、これらマニピュレータを制御する制御装置とを備え、
   前記スタビライザ用マニピュレータおよび操作用マニピュレータが、相互に対応づけられた座標系を有し、
   前記スタビライザ用マニピュレータに備えられたスタビライザに処置すべき目標位置の位置座標が固定され、
   前記制御装置は、術部に前記スタビライザが配置されて術部が抑えられたときに、前記スタビライザに固定されている目標位置近傍に前記処置具を配置するように前記操作用マニピュレータを制御する手術マニピュレータシステム。
2. 術部を観察するためのカメラを先端に備え、前記スタビライザ用マニピュレータと相互に対応づけられた座標系を有する観察用マニピュレータと、
   該観察用マニピュレータの前記カメラにより取得された術部の画像を表示する表示手段とを備え、
   該表示手段に表示される画像中に、前記目標位置を特定するための指標を表示する指標表示手段を備える請求項１に記載の手術マニピュレータシステム。
3. 前記指標が、前記スタビライザの表面に設けた形状物である請求項２に記載の手術マニピュレータシステム。
4. 前記形状物が前記スタビライザの表面に設けた目盛である請求項３に記載の手術マニピュレータシステム。
5. 前記形状物が、前記スタビライザ本体に施した形状的な特徴部分である請求項３に記載の手術マニピュレータシステム。
6. 前記指標表示手段が、前記スタビライザに固定された指標の画像を術部の画像に重ね合わせて表示する請求項２に記載の手術マニピュレータシステム。
7. 前記指標の画像が目盛である請求項６に記載の手術マニピュレータシステム。

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