JP2012213426A - 手術用システムの制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スレーブアームの位置及び姿勢の制御対象とする部位を可変として操作性を向上させることが可能な手術用システムの制御装置及びその制御方法を提供すること。
【解決手段】マスタアーム５０ａ、５０ｂからの位置及び姿勢の操作入力値に従って、スレーブアーム２０ａ〜２０ｄに装着された術具２４ａ〜２４ｄ上の目標部位の位置及び姿勢を制御する手術用システムの制御装置であって、スレーブ制御回路４０は、目標部位の位置を設定するための設定情報に従って入力された操作入力値を修正することによって、目標部位の位置を修正し、修正された操作入力値に従って術具における修正後の目標部位の位置及び姿勢を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マスタスレーブ方式の手術用システムの制御装置及びその制御方法に関する。

近年、ロボットによる医療処置の研究が行われている。特に、外科分野では、多自由度（多関節）アームを有するマニピュレータによって患者の処置をするマニピュレータシステムについての各種の提案がなされている。このようなマニピュレータシステムにおいて、患者の体腔に直接接触するマニピュレータ（スレーブマニピュレータ）を、遠隔操作装置によって遠隔操作できるようにしたマスタスレーブシステムが知られている。例えば、特許文献１では遠隔操作装置としてのマスタアームとスレーブアームとを異構造とし、マスタアームによって指示される位置情報を拡大又は縮小するようなマトリクス変換を行ってからスレーブアームに入力するようにしている。これにより、マスタアームとスレーブアームとを異構造としてもスレーブアームの先端の位置制御を行うことが可能である。

特開昭６３−１５０１７２号公報

特許文献１等の従来のマスタスレーブマニピュレータシステムの場合、スレーブアーム上に予め設定されている目標部位（例えば特許文献１の場合は先端の関節）の位置及び姿勢を制御する。通常、この目標部位の位置はシステムの設計時において設定されるとその後は変更されることはない。ここで、特に手術用のスレーブアームの場合、その先端部には種々の術具が装着される。このため、スレーブアームの位置及び姿勢の制御対象の部位が固定であると、術具の種類によっては操作性に影響が生じる可能性がある。また、同じ術具でも使用場面によっては制御対象の部位を変えたほうが良い場合もある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、スレーブアームの位置及び姿勢の制御対象とする部位を可変として操作性を向上させることが可能な手術用システムの制御装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様の手術用システムの制御装置は、遠隔操作装置からの位置及び姿勢の操作入力値に従って、スレーブアームに装着された術具上の目標部位の位置及び姿勢を制御する手術用システムの制御装置であって、前記目標部位の位置を設定するための設定情報に従って前記操作入力値を修正して前記目標部位の位置を修正し、修正された前記操作入力値に従って前記術具における修正後の目標部位の位置及び姿勢を制御する制御部を具備することを特徴とする。

また、上記の目的を達成するために、本発明の第２の態様の手術用システムの制御方法は、マスタアームからの位置及び姿勢の操作入力値に従って、スレーブアームに装着された術具上の目標部位の位置及び姿勢を制御する手術用システムの制御方法であって、前記目標部位の位置を設定するための設定情報に従って前記操作入力値を修正することで前記目標部位の位置を修正し、修正された前記操作入力値に従って前記術具における修正後の目標部位の位置及び姿勢を制御する、ことを特徴とする。

本発明によれば、スレーブアームの位置及び姿勢の制御対象とする部位を可変として操作性を向上させることが可能な手術用システムの制御装置及びその制御方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る手術用システムの構成を示す図である。 対象物を把持することを目的とした術具における目標部位について示した図である。 対象物を抑えることを目的とした術具における目標部位について示した図である。 対象物を切断することを目的とした術具における最適な目標部位について示した図である。 使用者の個人差に応じて目標部位の位置を変更する際の考え方について説明するための図である。 術具の使用場面に応じて目標部位の位置を変更する際の考え方について説明するための図である。 目標部位の変更処理を含む本実施形態に係る手術用システムのメインの動作について示すフローチャートである。 設定情報判断処理Ａの詳細について示すフローチャートである。 設定情報判断処理Ｂの詳細について示すフローチャートである。 設定情報判断処理Ｃの詳細について示すフローチャートである。 場面変化判断処理Ａの詳細について示すフローチャートである。 場面変化判断処理Ｂの詳細について示すフローチャートである。 場面変化判断処理Ｃの詳細について示すフローチャートである。 目標部位を示す指標を重畳表示させる変形例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る手術用システムの構成を示す図である。図１に示す手術用システムは、手術台１０と、スレーブアーム２０ａ〜２０ｄと、スレーブ制御回路４０と、マスタアーム５０ａ及び５０ｂと、操作部６０と、入力処理回路７０と、画像処理回路８０と、ディスプレイ９０ａ及び９０ｂと、を有している。

手術台１０は、観察・処置の対象とする患者１が載置される台である。手術台１０の近傍には、複数のスレーブアーム２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄが設置されている。スレーブアーム２０ａ〜２０ｄを手術台１０に設置するようにしても良い。
スレーブアーム２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは、それぞれ複数の多自由度関節を有している。スレーブアーム２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは、各関節を湾曲させることによって、手術台１０に載置された患者１に対してスレーブアーム２０ａ〜２０ｄの先端側に装着される処置具や観察器具といった各種の術具を位置決めする。先端側は、患者１の体腔に向かう側とする。スレーブアーム２０ａ〜２０ｄの各関節は、アーム内に設けられた動力部によって個別に駆動される。動力部としては、例えばエンコーダや減速器等を備えたサーボ機構を有するモータ（サーボモータ）が用いられる。サーボモータの動作は、スレーブ制御回路４０によって制御される。

さらに、スレーブアーム２０ａ〜２０ｄは、各々の先端側に装着される術具２４ａ〜２４ｄを駆動するための複数の動力部も有している。この動力部も例えばサーボモータが用いられる。このサーボモータの動作もスレーブ制御回路４０によって制御される。

手術用動力伝達アダプタ（以下、単にアダプタと言う）２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは、スレーブアーム２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄと術具２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄとの間に介在される。これにより、アダプタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは、スレーブアーム２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄと術具２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄとをそれぞれ接続する。これらアダプタ２２ａ〜２２ｄは、対応するスレーブアームの動力部において発生した動力を対応する術具に伝達するように構成されている。

術具２４ａ〜２４ｄは、複数の自由度に対応した関節を有し、患者１の体壁に開けられた図示しない挿入孔から患者１の体腔内に挿入される。また、術具２４ａ〜２４ｄは、先端部が湾曲駆動したり回転駆動したりできるように構成されている。この湾曲駆動は、例えばスレーブアーム２０ａ〜２０ｄ内にそれぞれ設けられたサーボモータを駆動させて術具２４ａ〜２４ｄ内に挿通配置されているワイヤやロッドを押し引き操作することによって行われる。また、回転駆動は、例えばスレーブアーム２０ａ〜２０ｄ内にそれぞれ設けられたサーボモータを駆動させて術具２４ａ〜２４ｄ内にそれぞれ設けられた回転機構を作動させたりすることによって行われる。さらに、術具の種類によっては、術具の先端に開閉機構が設けられている。この開閉機構も、例えばスレーブアーム２０ａ〜２０ｄにそれぞれ設けられたサーボモータを駆動させて術具内に挿通配置されたワイヤやロッドを押し引き操作することにより作動される。

図１に示す４本のスレーブアーム２０ａ〜２０ｄのうち、例えば、スレーブアーム２０ａ、２０ｂ、２０ｄは処置用のスレーブアームとして用いられるものである。これら処置用のスレーブアーム２０ａ、２０ｂ、２０ｄには、術具２４ａ、２４ｂ、２４ｄとして各種の外科手術器具が装着される。本実施形態における外科手術器具とは、例えば把持鉗子や持針器、メスや鋏といった、患者１の体内の組織部位に対して処置や操作を行うための術具を言う。また、スレーブアーム２０ｃは観察用のカメラアームとして用いられる。スレーブアーム２０ｃには、術具２４ｃとして各種の観察器具が装着される。本実施形態における観察器具とは、電子内視鏡等の、患者１の体内の組織部位を観察するための術具を言う。

アダプタ２２ａ〜２２ｄに装着された術具２４ａ〜２４ｄは、交換用術具２４ｅと交換可能になされている。このような術具の交換作業は、例えば助手２によって行われる。
ドレープ３０は、本医療用マニピュレータシステムにおいて滅菌処理を行う部位（以下、清潔域と言う）と滅菌処理を行わない部位（以下、不潔域と言う）とを分けるためのものである。手術の際には、図１に示すように、スレーブアーム２０ａ〜２０ｄの動力部の部分をドレープ３０によって覆った状態で手術を行う。ドレープ３０によって清潔域と不潔域とを分けておくことにより、滅菌処理後において、清潔域と不潔域との交錯も防止される。図１のように必要最小限の範囲をドレープ３０で覆っても良いし、より広範囲に、例えばスレーブ制御回路４０までドレープ３０で覆っても良い。

スレーブ制御回路４０は、例えばＣＰＵやメモリ等を有して構成されている。このスレーブ制御回路４０は、スレーブアーム２０ａ〜２０ｄの制御を行うための所定のプログラムを記憶している。また、本実施形態におけるスレーブ制御回路４０は、スレーブアーム２０ａ、２０ｂ、２０ｄにおける位置・姿勢の制御対象とする目標部位の変更に伴って、入力処理回路７０からの操作入力値を修正するための設定情報を記憶している。この設定情報の詳細については後述する。

このようなスレーブ制御回路４０は、入力処理回路７０からの入力信号に従って、スレーブアーム２０ａ〜２０ｂ又は術具２４ａ〜２４ｄの動作を制御する。そして、スレーブ制御回路４０は、入力処理回路７０からの入力信号に基づいて、使用者３によって操作されたマスタアームの操作対象のスレーブアームを特定する。さらに、スレーブ制御回路４０は、特定したスレーブアームに装着されている術具の種類や術具の使用場面等に従って定まる目標部位の位置・姿勢を、マスタアームを介して指令された位置・姿勢の目標値を修正することによって得られた目標値とするために必要なスレーブアームの各関節の駆動量を算出する。この駆動量の算出は従来周知の逆運動学演算によって行うことが可能である。各関節の駆動量の算出後、スレーブ制御回路４０は、算出した駆動量に応じてマスタアームの操作対象のスレーブアームの各関節を制御する。また、スレーブ制御回路４０は、術具に設けられた把持部等を操作する旨の入力信号が入力処理回路７０から入力された場合には、その入力信号に従って術具の動作を制御する。

さらに、スレーブ制御回路４０は、スレーブアーム２０ｃに装着された観察器具から画像信号が入力されてきた場合には、入力された画像信号を画像処理回路８０に出力する。スレーブ制御回路４０を介さず、観察器具と画像処理回路が直結されても良い。
遠隔操作装置の一例としてのマスタアーム５０ａ、５０ｂは複数のリンクを有している。各リンクには、例えばエンコーダ等の位置検出器が設けられている。また、マスタアーム５０ａ、５０ｂの先端部にはスレーブアームの先端に装着される術具を操作するための操作部が設けられている。使用者３は、操作部を把持しつつ、マスタアーム５０ａ、５０ｂを操作する。このとき、各位置検出器から、マスタアーム５０ａ、５０ｂの各リンクの操作量を示す検出信号が術具上の目標部位の位置・姿勢の目標値に対応した信号として入力処理回路７０に入力される。

図１の例において、マスタアーム５０ａが使用者３の右手によって操作されるアームであり、マスタアーム５０ｂが使用者３の左手によって操作されるアームである。図１は、２本のマスタアーム５０ａ、５０ｂを用いて４本のスレーブアームを操作する場合の例を示している。この場合、マスタアームの操作対象のスレーブアームを適宜切り替える必要が生じる。このような切り替えは、例えば使用者３の操作部６０の操作によって行われる。勿論、マスタアームの本数とスレーブアームの本数とを同数とすることで操作対象を１対１の対応とすれば、このような切り替えは不要である。
ここで、本実施形態では、遠隔操作装置の例として複数のリンクを有するアームを例示しているが、遠隔操作装置としてはスレーブ制御回路４０に対して位置・姿勢の指令を与えることができれば必ずしもリンクを有していなくとも良い。

操作部６０は、マスタアーム５０ａ、５０ｂの操作対象のスレーブアームを切り替えるための切替ボタン（以下、切替ボタンと言う）や、マスタとスレーブの動作比率を変更するスケーリング変更スイッチ、システムを緊急停止させたりするためのフットスイッチ等の各種の操作部材を有している。使用者３によって操作部６０を構成する何れかの操作部材が操作された場合には、対応する操作部材の操作に応じた操作信号が操作部６０から入力処理回路７０に入力される。

入力処理回路７０は、マスタアーム５０ａ、５０ｂからの検出信号及び操作部６０からの操作信号を解析する。そして、入力処理回路７０は、これらの信号の解析結果に従って、位置・姿勢の目標値を示す入力信号を生成する。さらに、入力処理回路７０は、この位置・姿勢の目標値を示す入力信号と、制御対象のスレーブアームを示す入力信号とをスレーブ制御回路４０に入力する。

画像処理回路８０は、スレーブ制御回路４０から入力された画像信号を表示させるための各種の画像処理を施す。これにより、使用者用ディスプレイ９０ａ、助手用ディスプレイ９０ｂにおける表示用の画像データが生成される。使用者用ディスプレイ９０ａ及び助手用ディスプレイ９０ｂは、例えば液晶ディスプレイで構成されている。これらのディスプレイは、観察器具を介して取得された画像信号に従って画像処理回路８０において生成された画像データに基づく画像を表示する。画像は二次元画像であれば簡便に表示でき、三次元画像であれば奥行き感を得ることができる。

次に、制御部の一例として機能するスレーブ制御回路４０による位置・姿勢の制御対象とする術具上の目標部位の位置を変更する際の考え方について説明する。本実施形態では、スレーブアームに装着される術具の種類や使用場面といった各種の条件毎に最適と考えられる術具上の目標部位をスレーブ制御回路４０による位置・姿勢の制御対象とする。

まず、本実施形態では、スレーブアームの先端に装着される術具の用途に応じて、位置・姿勢の制御対象とする術具上の目標部位の位置を変更する。図２〜図４は、術具の種類に応じて目標部位の位置を変更する際の考え方について説明するための図である。この例では、対象物に対して作用する術具上の部位を目標部位とする。

図２は、対象物を「把持する」ことを目的とした術具における目標部位について示した図である。ここで、図２（ａ）は、持針器１００の例を示している。持針器とは、患部等を縫合するために用いられる針を対象物として把持する術具である。また、図２（ｂ）は、把持鉗子１１０の例を示している。把持鉗子とは、血管等を対象物として把持する術具である。ここで、図２に関連する以下の説明は、図２で示した以外の「把持する」ことを目的とした各種の術具に対して適用されるものである。

図２（ａ）に示す持針器１００は、関節１０１と、把持部１０２とを主に有している。関節１０１は、予め定められた軸周りに回転自在に構成された関節である。ここで、図２（ａ）に示す関節は、回転関節の例を示しているが、予め定められた軸に沿って移動可能な直動関節としても良い。把持部１０２は、図示Ａ方向に開閉自在に関節１０１に取り付けられた顎部を有している。この把持部１０２を形成する顎部は、スレーブ制御回路４０の制御に従って開閉され、閉じられたときに対象物としての針を把持する。

図２（ｂ）に示す把持鉗子１１０は、関節１１１と、把持部１１２とを主に有している。関節１１１は、予め定められた軸周りに回転自在に構成された関節である。ここで、図２（ｂ）に示す関節は、回転関節の例を示しているが、予め定められた軸に沿って移動可能な直動関節としても良い。把持部１１２は、図示Ａ方向に開閉自在に関節１１１に取り付けられた顎部を有している。この把持部１１２を形成する顎部は、スレーブ制御回路４０の制御に従って開閉され、閉じられたときに対象物としての血管等を把持する。ここで、図２（ｂ）に示す把持鉗子１１０の把持部１１２を形成する顎部には、歯が形成されている。このような歯を形成しておくことで、より確実に対象物を固定して把持することが可能である。

図２（ａ）や図２（ｂ）で示したような対象物を「把持する」ことを目的とした術具を手術に用いることを考えた場合、関節１０１や関節１１１の位置・姿勢を制御するよりも、実際に対象物を把持する部位の位置・姿勢を直接的に制御することのほうが使用者にとって重要である。したがって、本実施形態においては、図２（ａ）及び図２（ｂ）で示したような「把持する」ことを目的とした術具に対しては、位置・姿勢の制御の対象とする目標部位の位置をデフォルト位置から、図２（ａ）の参照符号１０３と図２（ｂ）の参照符号１１３とでそれぞれ示した把持部の中央部位の位置に変更する。ここでは、把持部の中央部位としているが、把持部上であれば良く、必ずしも中央とする必要はない。

位置・姿勢の制御の対象とする目標部位の位置を変更した場合、この目標部位の位置の変更に伴って入力処理回路７０からの操作入力値も修正する必要がある。この修正を行うため、本実施形態におけるスレーブ制御回路４０のメモリに、操作入力値を修正するための設定情報を記憶させておく。この設定情報は、予め定められた基準の目標部位の位置から術具毎に定めた目標部位の位置までの距離を示す情報である。基準の目標部位は、例えば、術具に設けられた関節（関節１０１や関節１１１）の位置とする。これは、以後に説明する他の術具の場合も同様とする。関節の位置を基準の目標部位に設定した場合、持針器１００の設定情報としては図２（ａ）に示す距離Ｌ１を記憶させ、把持鉗子１１０の設定情報としては図２（ｂ）に示す距離Ｌ２を記憶させる。

また、持針器１００のような特定の術具の目標部位の位置を基準の目標部位の位置とすることもできる。例えば図２（ａ）の参照符号１０３で示した位置を基準位置とした場合、他の術具の設定情報としては、それぞれの術具に対して設定された目標部位の位置と参照符号１０３に対応した位置との距離の差分情報を記憶させる。

図３は、対象物を「抑える」ことを目的とした術具における目標部位について示した図である。ここで、図３（ａ）は、リトラクタ２００の例を示している。リトラクタ２００とは、各種の対象物を抑えて固定する術具である。このリトラクタ２００は、例えば手術に必要な視野の妨げとなる臓器等を対象物として抑えて手術に必要な視野を確保するために用いられる。また、図３（ｂ）は、スタビライザ２１０の例を示している。スタビライザ２１０は、心臓を対象物として抑えることで心臓の拍動を抑制する術具である。ここで、図３に関連する以下の説明は、図３で示した以外の「抑える」ことを目的とした各種の術具に対して適用されるものである。

図３（ａ）に示すリトラクタ２００は、関節２０１と、当接部２０２とを主に有している。関節２０１は、予め定められた軸周りに回転可能に構成された関節である。ここで、図３（ａ）に示す関節は、回転関節の例を示しているが、予め定められた軸に沿って移動可能な直動関節としても良い。当接部２０２は、対象物に当接されることで対象物を抑えつつ固定する。図３（ａ）に示す当接部２０２は、開閉自在に構成された２枚の薄板を有しており、これらの薄板で対象物を抑えるように構成されている。しかしながら、当接部２０２の構成はこれに限るものではない。

また、図３（ｂ）に示すスタビライザ２１０は、関節２１１と、当接部２１２とを主に有している。関節２１１は、予め定められた軸周りに回転可能に構成された関節である。ここで、図３（ｂ）に示す関節は、回転関節の例を示しているが、予め定められた軸に沿って移動可能な直動関節としても良い。当接部２１２は、対象物に当接されることで対象物を抑えつつ固定する。

図３（ａ）や図３（ｂ）で示したような対象物を「抑える」ことを目的とした術具を手術に用いることを考えた場合、関節２０１や関節２１１の位置・姿勢を制御するよりも、実際に対象物を抑える部位の位置・姿勢を直接的に制御することのほうが使用者にとって重要である。したがって、本実施形態においては、図３（ａ）及び図３（ｂ）で示したような「抑える」ことを目的とした術具に対しては、位置・姿勢の制御の対象とする目標部位の位置をデフォルト位置から、図３（ａ）の参照符号２０３と図３（ｂ）の参照符号２１３とでそれぞれ示した当接部によって抑えられる対象物が存在していると仮定した場合の仮想的な当接部の重心位置に変更する。実際には、当接部を構成する薄板間の中央位置とする。必ずしも中央位置とする必要はない。

位置・姿勢の制御の対象とする目標部位の位置を変更した場合、この目標部位の位置の変更に伴って入力処理回路７０からの操作入力値も修正する必要がある。この修正を行うため、本実施形態におけるスレーブ制御回路４０のメモリに、操作入力値を修正するための設定情報を記憶させておく。リトラクタ２００の設定情報としては図３（ａ）に示す距離Ｌ３を記憶させ、スタビライザ２１０の設定情報としては図３（ｂ）に示す距離Ｌ４を記憶させる。

図４は、対象物を「切断する」ことを目的とした術具における最適な目標部位について示した図である。ここで、図４（ａ）は、鋏３００の例を示している。また、図４（ｂ）は、（電気）メス３１０の例を示している。ここで、図４に関連する以下の説明は、図４で示した以外の「切断する」ことを目的とした各種の術具に対して適用されるものである。

図４（ａ）に示す鋏３００は、関節３０１と、切断部３０２とを主に有している。関節３０１は、予め定められた軸周りに回転可能に構成された関節である。ここで、図４（ａ）に示す関節は、それぞれ、回転関節の例を示しているが、予め定められた軸に沿って移動可能な直動関節としても良い。切断部３０２は、開閉自在に構成された２枚の刃部を有している。この２枚の刃部によって対象物を挟むことによって対象物を切断する。

図４（ｂ）に示す電気メス３１０は、関節３１１と、切断部３１２とを主に有している。関節３１１は、予め定められた軸周りに回転可能に構成された関節である。ここで、図４（ｂ）に示す関節は、それぞれ、回転関節の例を示しているが、予め定められた軸に沿って移動可能な直動関節としても良い。切断部３１２は、先端部に高周波電流を発生するように構成されている。この先端部に発生させた高周波電流によるジュール熱によって対象物を切断する。

図４（ａ）や図４（ｂ）で示したような対象物を「切断する」ことを目的とした術具を手術に用いることを考えた場合、関節３０１や関節３１１の位置・姿勢を制御するよりも、実際に対象物を切断する部位の位置・姿勢を直接的に制御することのほうが使用者にとって重要である。したがって、本実施形態においては、図４（ａ）及び図４（ｂ）で示したような「切断する」ことを目的とした術具に対しては、位置・姿勢の制御の対象とする目標部位の位置をデフォルト位置から、図４（ａ）の参照符号３０３と図４（ｂ）の参照符号３１３とでそれぞれ示した切断部の先端位置に変更する。必ずしも先端位置とする必要はない。

位置・姿勢の制御の対象とする目標部位の位置を変更した場合、この目標部位の位置の変更に伴って入力処理回路７０からの操作入力値も修正する必要がある。この修正を行うため、本実施形態におけるスレーブ制御回路４０のメモリに、操作入力値を修正するための設定情報を記憶させておく。鋏３００の設定情報としては図４（ａ）に示す距離Ｌ５を記憶させ、電気メス３１０の設定情報としては図４（ｂ）に示す距離Ｌ６を記憶させる。

また、本実施形態では、マスタアームを操作する使用者３の個人差に応じて、位置・姿勢の制御対象とする術具上の目標部位の位置を変更する。図５は、使用者３の個人差に応じて目標部位の位置を変更する際の考え方について説明するための図である。
例えば、使用者がメスを実際に持って手術を行う場合において、図５（ａ）に示すようにしてメスを短く持って使用する使用者もいれば、図５（ｂ）に示すようにしてメスを長く持って使用する使用者もいる。これらは、それぞれの使用者が自身の好みや使用場面等を考慮して最適と考える持ち方をするためである。このような使用者毎の違いはマスタアームの操作の場合にも言える。例えば同じ構造のマスタアームの操作部であっても、使用者が異なればその持ち方に差異が生じる。この他、同じメスであっても、使用者によってそれぞれが想定する切断部３１２の「先端部」の位置が異なる可能性もある。本実施形態では、このような使用者毎の差異を反映して目標部位の位置の調整を行えるようにする。なお、このような調整は、例えば各使用者が手動で目標部位を調整するための調整情報を入力することで行う。この調整情報の入力に従って、上述した設定情報Ｌ１〜Ｌ６の値が使用者毎に変更される。

さらに、本実施形態では、マスタアームを操作している際の術具の使用場面に応じて、位置・姿勢の制御対象とする術具上の目標部位の位置を変更する。図６は、術具の使用場面に応じて目標部位の位置を変更する際の考え方について説明するための図である。

例えば、持針器１００を例とする。上述した図２の例では、持針器１００の目標部位を、図６（ａ）に示す把持部１０２の中央付近の部位１０３ａとしている。このような設定は、持針器１００によって針を把持しようとしている間に特に重要な設定である。これに対し、針を把持した後は、その針を縫合対象の臓器等に移動させる必要があるので、把持部１０２の中央付近の部位１０３ａよりも、図６（ｂ）に示す把持部１０２の先端部位１０３ｂの位置・姿勢、即ち把持している対象物の位置・姿勢を制御することが望ましい。より好ましくは、図６（ｃ）に示す針１０４先の部位１０３ｃの位置・姿勢を直接的に制御することが望ましい。

以上のような術具毎の使用場面に応じた目標部位の設定情報をスレーブ制御回路４０のメモリに記憶させておく。例えば図６（ａ）の場面に対応した設定情報としては距離Ｌ１１（＝Ｌ１）を記憶させ、図６（ｂ）の場面に対応した設定情報としては距離Ｌ１２を記憶させ、図６（ｃ）の場面に対応した設定情報としては距離Ｌ１３を記憶させる。

図７は、上述したような目標部位の変更処理を含む本実施形態に係る手術用システムのメインの動作について示すフローチャートである。ここで、図７に示すフローチャートの処理は例えばスレーブ制御回路４０によって行われる。
手術用システムの電源投入後、スレーブ制御回路４０は、手術用システムの各ブロックを起動するための起動処理を行う（ステップＳ１０１）。この起動処理においては、マスタアーム５０ａ、５０ｂの位置の初期化処理やスレーブアーム２０ａ〜２０ｄの位置の初期化処理、スレーブ制御回路４０で使用する各種の設定値の初期化処理等を行う。また、起動処理の際に、使用者３の情報をスレーブ制御回路４０に入力することが可能である。この使用者３の情報は、例えば使用者３が手動で情報を入力することで行う。この他、ＩＤカードによる認証や指紋認証等を併用して情報を入力しても良い。さらに、起動処理の際に、目標部位の位置を調整するための調整情報をスレーブ制御回路４０に入力することが可能である。この使用者３の情報は、例えば使用者３が手動で情報を入力することで行う。

起動処理の後、スレーブ制御回路４０は、設定情報判断処理Ａを行う（ステップＳ１０２）。その後、スレーブ制御回路４０は、設定情報判断処理Ｂを行う（ステップＳ１０３）。さらに、スレーブ制御回路４０は、設定情報判断処理Ｃを行う（ステップＳ１０４）。ここで、設定情報判断処理Ａ、Ｂ、Ｃの実行順序は適宜変更可能である。また、設定情報判断処理Ａ、Ｂ、Ｃを適宜省略しても良い。

以下、各設定情報判断処理について説明する。
図８は、設定情報判断処理Ａの詳細について示すフローチャートである。図８において、スレーブ制御回路４０は、使用者情報が入力されているか否かを判定する（ステップＳ２０１）。ステップＳ２０１の判定において、使用者情報が入力されている場合、スレーブ制御回路４０は、その使用者情報によって示される使用者に対応した設定情報をメモリから読み込む（ステップＳ２０２）。この設定情報は、図５に示したような使用者３の個人差に応じて目標部位を修正するための情報である。設定情報の読み込み後、スレーブ制御回路４０は、図８の処理を終了させて図７のステップＳ１０３以後の処理を実行する。

ステップＳ２０１の判定において、使用者情報が入力されていない場合、スレーブ制御回路４０は、使用者に対応した設定情報を採用せず、デフォルトの設定情報を採用する（ステップＳ２０３）。この場合、スレーブ制御回路４０は、図８の処理を終了させて図７のステップＳ１０３以後の処理を実行する。ここで、デフォルトの設定情報を採用した場合、後述する操作信号の修正を行わない。この場合、目標部位の位置は基準の目標部位の位置となる。

図９は、設定情報判断処理Ｂの詳細について示すフローチャートである。図９において、スレーブ制御回路４０は、調整情報が入力されているか否かを判定する（ステップＳ３０１）。ステップＳ３０１の判定において、調整情報が入力されている場合、スレーブ制御回路４０は、その調整情報に対応した設定情報をメモリから読み込む（ステップＳ３０２）。設定情報の読み込み後、スレーブ制御回路４０は、図９の処理を終了させて図７のステップＳ１０４以後の処理を実行する。

ステップＳ３０１の判定において、調整情報が入力されていない場合、スレーブ制御回路４０は、使用者に対応した設定情報を採用せず、デフォルトの設定情報を採用する（ステップＳ３０３）。この場合、スレーブ制御回路４０は、図９の処理を終了させて図７のステップＳ１０４以後の処理を実行する。

図１０は、設定情報判断処理Ｃの詳細について示すフローチャートである。図１０において、スレーブ制御回路４０は、術具情報が入力されているか否かを判定する（ステップＳ４０１）。術具情報とは各スレーブアームに装着されている術具の種別を示す情報である。ここで、スレーブアームと術具とが電気的に接続されている場合には、術具情報を術具から直接取得することができる。この場合、術具には術具情報を記憶させておくためのメモリ等を設けておく。この他、術具情報を使用者３が手動で入力できるようにしても良い。ステップＳ４０１の判定において、術具情報が入力されている場合、スレーブ制御回路４０は、その術具情報によって示される術具に対応した設定情報をメモリから読み込む（ステップＳ４０２）。この設定情報は、図２〜図４に示したような術具の種別（用途）に応じて目標部位を修正するための情報である。設定情報の読み込み後、スレーブ制御回路４０は、図１０の処理を終了させて図７のステップＳ１０５以後の処理を実行する。

ステップＳ４０１の判定において、術具情報が入力されていない場合、スレーブ制御回路４０は、術具に対応した設定情報を採用せず、デフォルトの設定情報を採用する（ステップＳ４０３）。この場合、スレーブ制御回路４０は、図１０の処理を終了させて図７のステップＳ１０５以後の処理を実行する。

ここで、図７に戻って説明を続ける。図８〜図１０で示した各種の設定情報判断処理を行った後、スレーブ制御回路４０は、設定情報判断処理に対する競合時処理を行う（ステップＳ１０５）。競合時処理は、複数の設定情報が読み出された場合に、これら複数の設定情報を１つの設定情報とするための処理である。例えば、設定情報判断処理Ａで読み出される設定情報は、現在の使用者３に対応した設定情報であり、この中には術具毎の目標部位の設定も含まれている場合がある。したがって、設定情報判断処理Ａで読み出された設定情報に術具毎の設定も含まれている場合には、設定情報判断処理Ａで読み出された設定情報のほうを優先し、設定情報判断処理Ｃで読み出された設定情報を例えば無効化する。これに対し、設定情報判断処理Ｂで読み出される設定情報は、目標部位を微調整するための情報である。したがって、設定情報判断処理Ｂで設定情報が読み出された場合には、他の設定情報判断処理で読み出された設定情報を設定情報判断処理Ｂで設定情報に従って修正する。なお、ここでは優先順位を付ける例を示したが、複数の設定情報の平均値を求めるようにしても良い。

ステップＳ１０５の競合時処理の後、スレーブ制御回路４０は、例えば入力処理回路７０の出力から、本手術用システムの操作が開始されたか否かを判定する（ステップＳ１０６）。例えば、入力処理回路７０から入力信号としての操作入力値が入力された場合に、手術用システムの操作が開始されたと判定する。

ステップＳ１０６の判定において、手術用システムの操作が開始された場合に、スレーブ制御回路４０は、入力された操作入力値を読み込む（ステップＳ１０７）。その後、スレーブ制御回路４０は、場面変化判断処理Ａを行う（ステップＳ１０８）。その後、スレーブ制御回路４０は、場面変化判断処理Ｂを行う（ステップＳ１０９）。さらに、スレーブ制御回路４０は、場面変化判断処理Ｃを行う（ステップＳ１１０）。ここで、場面変化判断処理Ａ、Ｂ、Ｃの実行順序は適宜変更可能である。また、場面変化判断処理Ａ、Ｂ、Ｃを適宜省略しても良い。

以下、各場面変化判断処理について説明する。なお、ここでは術具が「把持する」ことを目的とした術具である場合の場面変化判断処理について説明する。他の種類の術具の場合には、後述するステップＳ５０１、ステップＳ６０１、ステップＳ７０１の判定の内容を対応する術具に即したものとすれば良い。
図１１は、場面変化判断処理Ａの詳細について示すフローチャートである。図１１において、スレーブ制御回路４０は、入力処理回路７０から読み込んだ操作入力値より、術具の把持部を閉じるように指令されたか否かを判定する（ステップＳ５０１）。ステップＳ５０１の判定において、術具の把持部を閉じるように指令された場合、スレーブ制御回路４０は、把持部が閉じた場合に対応した設定情報をメモリから読み込む（ステップＳ５０２）。この設定情報は、図６（ｂ）で示したような場面に対応した設定情報である。設定情報の読み込み後、スレーブ制御回路４０は、図１１の処理を終了させて図７のステップＳ１０９以後の処理を実行する。

ステップＳ５０１の判定において術具の把持部を閉じるように指令されていない場合、スレーブ制御回路４０は、把持部が閉じていない場合に対応した設定情報をメモリから読み込む（ステップＳ５０３）。この設定情報は、図６（ａ）で示したような場面に対応した設定情報である。設定情報の読み込み後、スレーブ制御回路４０は、図１１の処理を終了させて図７のステップＳ１０９以後の処理を実行する。

図１２は、場面変化判断処理Ｂの詳細について示すフローチャートである。場面変化判断処理Ｂは、場面変化判断処理Ａと同様の場面変化を判断するものであるが、その判断手法が異なる。図１２において、スレーブ制御回路４０は、画像処理回路８０から取得した術具付近の画像より、術具の把持部が閉じられているか否かを判定する（ステップＳ６０１）。この判定は、例えばテンプレートマッチングによって行うことができる。即ち、把持部が閉じられている状態のテンプレート画像をメモリに記憶させておき、画像処理回路８０から取得した画像における把持部がテンプレート画像における把持部と略一致していると判定された場合に、把持部が閉じられていたと判定する。ステップＳ６０１の判定において、術具の把持部を閉じるように指令された場合、スレーブ制御回路４０は、把持部が閉じた場合に対応した設定情報をメモリから読み込む（ステップＳ６０２）。なお、設定情報判断の際に術具毎や使用者毎の設定情報が読み込まれている場合には、その読み込んだ設定情報に対応した把持部が閉じた場合の設定情報をメモリから読み込む。これは以後の場面変化判断処理においても同様である。設定情報の読み込み後、スレーブ制御回路４０は、図１２の処理を終了させて図７のステップＳ１１０以後の処理を実行する。

ステップＳ６０１の判定において把持部が閉じていない場合、スレーブ制御回路４０は、把持部が閉じていない場合に対応した設定情報をメモリから読み込む（ステップＳ６０３）。この設定情報は、図６（ａ）で示したような場面に対応した設定情報である。設定情報の読み込み後、スレーブ制御回路４０は、図１２の処理を終了させて図７のステップＳ１１０以後の処理を実行する。

図１３は、場面変化判断処理Ｃの詳細について示すフローチャートである。図１３において、スレーブ制御回路４０は、画像処理回路８０から取得した術具付近の画像より、術具の把持部が何らかの対象物を把持しているか否かを判定する（ステップＳ７０１）。この判定も、例えばテンプレートマッチングによって行うことができる。即ち、把持部を構成する顎部の間に針等既知の対象物があると認識された場合、把持部がそれらの対象物を把持していると判定する。ステップＳ７０１の判定において、術具の把持部がそれらの対象物を把持している場合、スレーブ制御回路４０は、把持部が対象物を把持している場合に対応した設定情報をメモリから読み込む（ステップＳ７０２）。この設定情報は、図６（ｃ）で示したような場面に対応した設定情報である。設定情報の読み込み後、スレーブ制御回路４０は、図１３の処理を終了させて図７のステップＳ１１１以後の処理を実行する。

術具の把持部が針等既知の対象物を把持していない場合、スレーブ制御回路４０は、把持部が対象物を把持していない場合に対応した設定情報をメモリから読み込む（ステップＳ７０３）。この設定情報は、図６（ａ）で示した場面及び図６（ｂ）で示した場面の何れかに対応した設定情報である。設定情報の読み込み後、スレーブ制御回路４０は、図１３の処理を終了させて図７のステップＳ１１１以後の処理を実行する。

ここで、図７に戻って説明を続ける。図１１〜図１３で示した各種の場面変化判断処理を行った後、スレーブ制御回路４０は、読み込んだ設定情報に従って、操作入力値を修正する（ステップＳ１１１）。例えば、修正後の操作入力値は、修正前の操作入力値（ステップＳ１０７で読み込んだ操作入力値）に、設定情報判断の結果として読み込まれた設定情報と場面変化判断の結果として読み込まれた設定情報とを加算したものである。

実際には、設定情報としての基準の目標部位からの距離情報は、３次元空間における距離情報である。この場合、術具の姿勢が変化した場合には、その姿勢変化に応じて基準の目標部位に対する修正後の目標部位の方向が変化する。このため、術具の姿勢変化に応じて設定情報を変換する必要がある。例えば、操作入力値が６自由度（位置の自由度３＋姿勢の自由度３）の場合で、かつ修正後の目標部位が基準の目標部位に対してＸ軸方向の位置に存在している場合には、操作入力値のＸ成分に設定情報としての距離情報を加算する。

操作入力値を修正した後、スレーブ制御回路４０は、競合時処理を行う（ステップＳ１１２）。例えば、設定情報判断と場面変化判断の何れかのみで設定情報が読み込まれた場合には、その設定情報を採用する。両方が読み込まれた場合には、場面変化判断の結果として読み込まれた（即ち設定情報判断の結果として読み込まれた設定情報を修正した後の）設定情報を採用する。

その後、スレーブ制御回路４０は、修正後の目標部位の位置・姿勢を修正後の操作入力値によって指令された位置・姿勢とするために必要なスレーブアームの各関節の駆動量を逆運動学演算によって算出する（ステップＳ１１３）。逆運動学演算の詳細は周知の技術であるのでここではその説明を省略する。その後、スレーブ制御回路４０は、算出した駆動量に従ってスレーブアームの各関節を駆動する（ステップＳ１１４）。ここで、術具の開閉指令等がなされていた場合には、術具の駆動も行う。

その後、スレーブ制御回路４０は、例えば入力処理回路７０の出力から、本手術用システムの操作が終了されたか否かを判定する（ステップＳ１１５）。例えば、入力処理回路７０から入力信号としての操作入力値が所定の時間、入力されなかった場合に、手術用システムの操作が終了されたと判定する。ステップＳ１１５の判定において、手術用システムの操作が終了されていない場合、スレーブ制御回路４０は、処理をステップＳ１０７に戻して次の操作入力値を読み込む。

一方、ステップＳ１１５の判定において、手術用システムの操作が終了された場合、スレーブ制御回路４０は、本手術システムの動作を終了するか否かを判定する（ステップＳ１１６）。例えば、本手術システムの電源がオフされた場合やフットスイッチがオンされた場合にシステムの動作を終了すると判定する。ステップＳ１１６の判定において、手術システムの動作を終了しない場合に、スレーブ制御回路４０は、処理をステップＳ１０２に戻して設定情報判断処理Ａ以後の処理を再び実行する。使用者の交代や術具交換、各種設定変更等は動作停止中に行われる。また、ステップＳ１１６の判定において、手術システムの動作を終了する場合に、スレーブ制御回路４０は、終了処理を行った後、図７の処理を終了させる（ステップＳ１１７）。

以上説明したように、本実施形態によれば、マスタスレーブ方式の手術用システムにおいて、使用者毎や術具毎、術具の使用場面の変化といった種々の条件に応じてスレーブアームの位置及び姿勢の制御対象とする目標部位を変化させている。これにより、操作性を向上させることが可能である。

ここで、場面変化に応じて目標部位を変化させる場合、使用者は、現在の目標部位がどの部位か分からずに混乱する可能性がある。このため、図１４に示すように、使用者用ディスプレイ９０ａに表示される画像上に、現在の目標部位を示す指標２０３を重畳表示しておくことが望ましい。また、術具自体に指標２０４を設けておくようにしても良い。このような指標２０４は、上述の画像による術具の開閉判定の際の目印とすることもできる。さらに、画像による術具の開閉判定は、術具のエッジを検出することで判定するようにしても良い。この場合、臓器や血液等で術具が隠れてしまう可能性を考慮して、複数個所のエッジから判定することがより望ましい。

また、設定情報は、必ずしもスレーブ制御回路４０のメモリに記憶させておく必要はない。スレーブ制御回路４０とは別体の記憶装置に記憶させておき、必要に応じて読み出せるようにしても良い。
以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。

さらに、上記した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、上述したような課題を解決でき、上述したような効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。

１０…手術台、２０ａ〜２０ｄ…スレーブアーム、２２ａ〜２２ｂ…手術用動力伝達アダプタ（アダプタ）、２４ａ〜２４ｄ…術具、２４ｅ…交換用術具、３０…ドレープ、４０…スレーブ制御回路、５０ａ，５０ｂ…マスタアーム、６０…操作部、７０…入力処理回路、８０…画像処理回路、９０ａ…使用者用ディスプレイ、９０ｂ…助手用ディスプレイ、１００…持針器、１１０…把持鉗子、２００…リトラクタ、２１０…スタビライザ、３００…鋏、３１０…電気メス

Claims (11)

1. 遠隔操作装置からの位置及び姿勢の操作入力値に従って、スレーブアームに装着された術具上の目標部位の位置及び姿勢を制御する手術用システムの制御装置であって、
   前記目標部位の位置を設定するための設定情報に従って前記操作入力値を修正して前記目標部位の位置を修正し、修正された前記操作入力値に従って前記術具における修正後の目標部位の位置及び姿勢を制御する制御部を具備することを特徴とする手術用システムの制御装置。
2. 前記制御部は、前記修正された前記操作入力値に従って、前記術具における修正後の目標部位の位置及び姿勢を前記修正された操作入力値によって示される位置及び姿勢にするために必要な前記スレーブアームの駆動量を逆運動学計算によって算出することを特徴とする請求項１に記載の手術用システムの制御装置。
3. 前記設定情報は、前記目標部位の位置を、基準位置から前記術具毎に定められた所定の位置に修正するように前記操作入力値を修正するための情報であることを特徴とする請求項１又は２に記載の手術用システムの制御装置。
4. 前記術具には、対象物を把持する把持部が設けられており、
   前記設定情報は、前記目標部位の位置を、基準位置から前記把持部における前記対象物を把持する位置に修正するように前記操作入力値を修正するための情報であることを特徴とする請求項３に記載の手術用システムの制御装置。
5. 前記術具には、対象物に当接して該対象物を抑える当接部が設けられており、
   前記設定情報は、前記目標部位の位置を、基準位置から前記当接部における前記対象物に当接される位置に修正するように前記操作入力値を修正するための情報であることを特徴とする請求項３に記載の手術用システムの制御装置。
6. 前記術具には、対象物に接触して該対象物を切断する切断部が設けられており、
   前記設定情報は、前記目標部位の位置を、基準位置から前記切断部における前記対象物に接触される位置に修正するように前記操作入力値を修正するための情報であることを特徴とする請求項３に記載の手術用システムの制御装置。
7. 前記設定情報は、前記目標部位の位置を、基準位置から前記遠隔操作装置の使用者の個人差に応じた前記術具上の位置に修正するように前記操作入力値を修正するための情報であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の手術用システムの制御装置。
8. 前記制御部は、前記術具の使用場面が変化する毎に異なる前記設定情報に従って前記操作入力値を修正することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の手術用システムの制御装置。
9. 前記術具における修正後の目標部位の位置を表示する表示部をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の手術用システムの制御装置。
10. 前記術具には、修正後の目標部位の位置を示す指標が設けられていることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の手術用システムの制御装置。
11. マスタアームからの位置及び姿勢の操作入力値に従って、スレーブアームに装着された術具上の目標部位の位置及び姿勢を制御する手術用システムの制御方法であって、
    前記目標部位の位置を設定するための設定情報に従って前記操作入力値を修正することで前記目標部位の位置を修正し、
    修正された前記操作入力値に従って前記術具における修正後の目標部位の位置及び姿勢を制御する、
    ことを特徴とする手術用システムの制御方法。

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