JP2012223363A - Surgical imaging system and surgical robot - Google Patents

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健嗣 川嶋
Kotaro Tadano
耕太郎 只野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surgical imaging system and a surgical robot, allowing high-accuracy drive control of an imaging means to a desired position according to the motion of an operator in any work environment.SOLUTION: This surgical imaging system 1 including the imaging means 23 imaging the inside of a body cavity and an image display means 11 on which an image imaged by the imaging means 23 is displayed includes: an imaging position control means 22 controlling a drive position of the imaging means 23; and a marker detection means 12 detecting positions of markers 11b worn on the operator 14. A drive amount and a drive direction of the imaging means 23 is determined based on movement amounts and movement directions of the markers 11b detected by the marker detection means 13a, and the imaging position control means 22 controls the drive position of the imaging means 23 based on the determined drive amount and drive direction.

Description

本発明は、手術用撮像システム及び手術用ロボットに関する。   The present invention relates to a surgical imaging system and a surgical robot.

患者への痛みを低減したり、手術後の手術痕を目立ちにくいものとしたりすることを目的として、低侵襲外科手術が広く行われている。低侵襲外科手術においては、例えば内視鏡、手術用マニピュレータ(例えば鉗子)が手術者等によって使用される。具体的には、手術者等が、患者の体表面に設けられた挿入孔から内視鏡及び手術用マニピュレータ等を挿入して駆動させ、手術者が手術を行うようになっている。   Minimally invasive surgical operations are widely performed for the purpose of reducing pain to patients and making surgical scars after surgery inconspicuous. In minimally invasive surgery, for example, an endoscope and a surgical manipulator (for example, forceps) are used by an operator or the like. Specifically, the surgeon or the like inserts and drives an endoscope, a surgical manipulator or the like from an insertion hole provided on the body surface of the patient, and the surgeon performs the surgery.

具体的には、体腔内に挿入した内視鏡によって体腔内を手術者が観察しながら、手術者が手術用マニピュレータを操作して手術を行うようになっている。このような技術に関連して、例えば特許文献1には、磁気センサを用い、手術者の頭の動きに応じてスコープ(内視鏡)の位置を制御する手術用マニピュレータシステムが記載されている。また、例えば特許文献2には、先端部が湾曲可能な体腔内観察装置が記載されている。   Specifically, the surgeon operates the surgical manipulator while performing an operation while observing the inside of the body cavity with an endoscope inserted into the body cavity. In relation to such a technique, for example, Patent Document 1 describes a surgical manipulator system that uses a magnetic sensor to control the position of a scope (endoscope) according to the movement of the surgeon's head. . Further, for example, Patent Document 2 describes an in-vivo observation device whose tip can be bent.

特開平8−71072号公報JP-A-8-71072 特開平10−309258号公報JP-A-10-309258

特許文献1に記載の技術においては、前記のように、磁気センサを用いて頭部の動作を検出している。しかしながら、この技術においては、例えば核磁気共鳴画像装置(MRI)等の磁場を発生する装置の付近においては、磁場の乱れから正確な内視鏡の駆動制御が行えないことがある。   In the technique described in Patent Document 1, as described above, the motion of the head is detected using the magnetic sensor. However, in this technique, for example, in the vicinity of an apparatus that generates a magnetic field such as a nuclear magnetic resonance imaging apparatus (MRI), accurate endoscope drive control may not be performed due to the disturbance of the magnetic field.

また、手術には通常金属製の器具が用いられるため、このような金属製の器具によって頭部付近の磁場に乱れが生じることがある。そのため、このような磁場の乱れによって、やはり正確な内視鏡の駆動制御が行えないことがある。   In addition, since a metal instrument is usually used for surgery, the magnetic field in the vicinity of the head may be disturbed by such a metal instrument. For this reason, there is a case where accurate endoscope drive control cannot be performed due to such disturbance of the magnetic field.

さらに、磁気センサの信号送信部と信号受信部との間に障害物(磁気遮蔽物)が存在すると、磁気の乱れが生じたり、信号受信部が磁気信号を正確に受信できなかったりすることがある。その結果、やはり正確な内視鏡の駆動制御が行えないことがある。   Furthermore, if an obstacle (magnetic shield) exists between the signal transmission unit and the signal reception unit of the magnetic sensor, magnetic disturbance may occur, or the signal reception unit may not receive the magnetic signal accurately. is there. As a result, the endoscope drive control may not be accurate.

また、磁気センサを用いた場合、測定値のゼロ点が長期間使用による意図しない移動、即ちゼロ点ドリフトが生じうるという課題がある。   In addition, when a magnetic sensor is used, there is a problem that the zero point of the measured value may unintentionally move due to long-term use, that is, zero point drift may occur.

即ち、従来の技術においては、磁場、遮蔽物、金属物の存在等の作業環境に拠って磁場の乱れが生じ、精度の良い内視鏡の駆動制御を行えないことがある。また、このような環境で駆動制御を行う場合には、較正を多数行わなければならないことがあり、手術が煩雑になることがある。   That is, in the conventional technology, the magnetic field is disturbed depending on the work environment such as the presence of the magnetic field, the shielding object, and the metal object, and the endoscope drive control may not be performed with high accuracy. In addition, when drive control is performed in such an environment, many calibrations must be performed, and surgery may be complicated.

また、特許文献2に記載の技術においては、体腔内に挿入される内視鏡の先端部の駆動方向が限定的であるため、体腔内の所望の位置を観察できないことがある。   Moreover, in the technique described in Patent Document 2, since the driving direction of the distal end portion of the endoscope inserted into the body cavity is limited, a desired position in the body cavity may not be observed.

本発明は前記課題に鑑みて為されたものであって、その目的は、どのような作業環境であっても、手術者の動きに応じて精度良く所望の位置に撮像手段を駆動制御可能な手術用撮像システム及び手術用ロボットを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to be able to drive and control the imaging means to a desired position with high accuracy according to the movement of the operator regardless of the working environment. An object is to provide a surgical imaging system and a surgical robot.

本発明者らは前記課題を解決するべく鋭意検討した結果、手術者の動きをマーカによって検出することにより前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that the above problems can be solved by detecting the movement of the surgeon with a marker, and have completed the present invention.

即ち、本発明の要旨は、体腔内を撮像する撮像手段と、前記撮像手段によって撮像された像が表示される像表示手段と、を備える手術用撮像システムであって、前記撮像手段の駆動位置を制御する撮像位置制御手段と、手術者に装着されるマーカの位置を検出するマーカ検出手段と、を備え、該マーカ検出手段によって検出されたマーカの移動量及び移動方向に基づいて前記撮像手段の駆動量及び駆動方向が決定され、前記撮像位置制御手段が、決定された前記駆動量及び駆動方向に基づいて前記撮像手段の駆動位置を制御することを特徴とする、手術用撮像システムに関する(請求項1)。   That is, the gist of the present invention is a surgical imaging system including an imaging unit that images a body cavity and an image display unit that displays an image captured by the imaging unit, and a driving position of the imaging unit Imaging position control means for controlling the position of the marker and marker detection means for detecting the position of the marker attached to the surgeon, and the imaging means based on the amount and direction of movement of the marker detected by the marker detection means A driving amount and a driving direction are determined, and the imaging position control unit controls a driving position of the imaging unit based on the determined driving amount and driving direction. Claim 1).

このような手術用撮像システムに拠れば、磁場や遮蔽物等の影響を受けずに、撮像手段(例えば内視鏡)の体腔内での駆動制御を正確に行うことができる。   According to such a surgical imaging system, it is possible to accurately perform drive control of the imaging means (for example, an endoscope) in the body cavity without being affected by a magnetic field, a shield, or the like.

また、この時、前記マーカ検出手段は、光学系検出手段である(請求項2)。このような構成に拠れば、より簡易に手術者の動きを検知することができる。   At this time, the marker detection means is an optical system detection means. According to such a configuration, a surgeon's movement can be detected more easily.

この時、前記光学系検出手段は、前記マーカの3次元位置を検出する立体カメラである(請求項3)。このような構成に拠れば、手術者の立体的な動きを確実に検出することができる。   At this time, the optical system detection means is a stereoscopic camera that detects a three-dimensional position of the marker. According to such a configuration, the three-dimensional movement of the operator can be reliably detected.

さらにこの時、前記マーカ検出手段は複数備えられている(請求項4)。このような構成に拠れば、より確実に精度良く撮像手段の駆動を制御することができる。   Further, at this time, a plurality of the marker detection means are provided. According to such a configuration, it is possible to control the driving of the imaging unit more reliably and accurately.

さらに、本実施形態に係る手術用撮像システムは、前記撮像手段を駆動させる駆動モードのオン及びオフを制御する撮像切替トリガを備え、前記駆動モードがオンの状態で、前記撮像位置制御手段による前記撮像手段の駆動が行われ、前記駆動モードがオフの状態で、前記撮像位置制御手段による前記撮像手段の駆動が停止されるものである(請求項5)。   Further, the surgical imaging system according to the present embodiment includes an imaging switching trigger for controlling on and off of a driving mode for driving the imaging means, and the imaging position control means by the imaging position control means in a state where the driving mode is on. The driving of the imaging unit is stopped by the imaging position control unit when the imaging unit is driven and the drive mode is off (Claim 5).

このような構成に拠れば、駆動モードをオフにしているときには撮像手段が駆動せず、像表示手段に表示される像が静止画になる。そのため、手術者が例えばマニピュレータ操作等をすることによってマーカが意図せず移動したとしても、表示される画像は静止画のままとすることができ、安定した手術を行うことができる。   According to such a configuration, when the drive mode is turned off, the imaging unit is not driven, and the image displayed on the image display unit becomes a still image. Therefore, even if the operator moves the marker unintentionally, for example, by operating a manipulator, the displayed image can remain as a still image, and a stable operation can be performed.

また、前記像表示手段が、前記手術者の頭部に装着されるヘッドマウントディスプレイである(請求項6)。このような構成に拠れば、体腔内をより肉眼に近い状態で観察することができる。   Further, the image display means is a head mounted display attached to the surgeon's head (claim 6). According to such a configuration, the inside of the body cavity can be observed in a state closer to the naked eye.

さらに、前記マーカが複数個設けられている(請求項7)。このような構成に拠れば、より確実に手術者の動作を検出することができる。   Further, a plurality of the markers are provided (Claim 7). According to such a configuration, the operation of the operator can be detected more reliably.

そして、前記撮像手段は、前記撮像手段が、手術用マニピュレータと一体となって構成されている(請求項8)。このような構成に拠れば、撮像手段と手術用マニピュレータとを一体に構成できるため、装置の簡素化を図ることができる。   The imaging means is configured such that the imaging means is integrated with a surgical manipulator (claim 8). According to such a configuration, since the imaging means and the surgical manipulator can be configured integrally, the apparatus can be simplified.

また、本発明の別の要旨は、前記の手術用撮像システムが適用されている手術用ロボットに関する(請求項9)。本実施形態に係る手術用ロボットに拠れば、従来よりも容易に撮像手段(例えば内視鏡)等を用いた手術が可能となる。   Another aspect of the present invention relates to a surgical robot to which the surgical imaging system is applied. According to the surgical robot according to the present embodiment, surgery using an imaging means (for example, an endoscope) or the like can be performed more easily than in the past.

本発明に拠れば、どのような作業環境であっても、手術者の動きに応じて精度良く所望の位置に撮像手段を駆動制御可能な手術用撮像システム及び手術用ロボットを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a surgical imaging system and a surgical robot capable of driving and controlling the imaging means to a desired position with high accuracy in accordance with the movement of the surgeon in any work environment. .

本実施形態に係る手術用撮像システムの全体構成を示す図である。1 is a diagram illustrating an overall configuration of a surgical imaging system according to the present embodiment. 本実施形態に係る手術用撮像システムに適用可能な、マーカを備えるヘッドマウントディスプレイの斜視図である。It is a perspective view of a head mounted display provided with a marker applicable to the imaging system for operation concerning this embodiment. ヘッドマウントディスプレイを装着した手術者の3つの動作を示す図である。It is a figure which shows three operation | movement of the operator who mounted | wore the head mounted display. 本実施形態に係る手術用撮像システムの運転時のフローチャートである。It is a flowchart at the time of the driving | operation of the imaging system for a surgery which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る手術用撮像システムを適用して測定した、横方向の位置分解能を示すグラフである。It is a graph which shows the position resolution of the horizontal direction measured by applying the imaging system for surgery concerning this embodiment.

以下、図面を適宜参照しながら、具体的な形態を挙げて本発明を実施するための形態(本実施形態)を説明する。ただし、本実施形態は以下の内容に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で任意に変更して実施可能である。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention (this embodiment) will be described by giving specific embodiments with appropriate reference to the drawings. However, the present embodiment is not limited to the following contents, and can be arbitrarily modified and implemented without departing from the gist thereof.

なお、本明細書において「内視鏡の駆動」とは、特に指定しない限り、内視鏡の撮像機能の駆動を表すものではなく、内視鏡そのものの物理的な移動を表すものとする。また、図1において、図示の都合上、マスタ側システム10に手術者14が、スレーブ側システム20に患者26が含まれて示されている。さらに、以下で説明する各機能、各手段、各部については、公知のハードウェア(Central Processing Unit(CPU)等)やソフトウェア、物理的な制御機構によって実現可能である。   In the present specification, unless otherwise specified, “driving the endoscope” does not represent driving of the imaging function of the endoscope but represents physical movement of the endoscope itself. In FIG. 1, for convenience of illustration, the master side system 10 includes the operator 14 and the slave side system 20 includes the patient 26. Furthermore, each function, each unit, and each unit described below can be realized by known hardware (such as a Central Processing Unit (CPU)), software, or a physical control mechanism.

[1.構成]
図1に示すように、本実施形態に係る手術用撮像システム1は、マスタ側システム10とスレーブ側システム20とからなる。マスタ側システム10とスレーブ側システム20とは、有線又は無線の形態で相互に接続されている(詳細は後記する。)。そして、手術用撮像システム1はこのような構成を有することにより、マスタ側システム10での操作によって、スレーブ側システム20での動作が行われるようになっている。それとともに、スレーブ側システム20で得られた結果(撮像された像等)がマスタ側システム10に送信されるようになっている。
[1. Constitution]
As shown in FIG. 1, the surgical imaging system 1 according to the present embodiment includes a master side system 10 and a slave side system 20. The master side system 10 and the slave side system 20 are connected to each other in a wired or wireless form (details will be described later). Since the surgical imaging system 1 has such a configuration, the operation on the slave side system 20 is performed by the operation on the master side system 10. At the same time, the result (taken image or the like) obtained by the slave side system 20 is transmitted to the master side system 10.

はじめに、マスタ側システム10について説明する。   First, the master side system 10 will be described.

マスタ側システム10は、図1に示すように、手術者14の頭部に装着されたヘッドマウントディスプレイ(HMD)11(像表示手段)と、立体カメラ12(マーカ検出手段)と、立体カメラ12に接続されているマスタ側装置13と、マスタ側装置13に接続されているフットスイッチSW(撮像切替トリガ)と、により構成される。   As shown in FIG. 1, the master side system 10 includes a head mounted display (HMD) 11 (image display means), a stereoscopic camera 12 (marker detection means), and a stereoscopic camera 12 mounted on the head of the operator 14. And a foot switch SW (imaging switching trigger) connected to the master side device 13.

HMD11は、前記のように、手術者14の頭部に装着されるものである。このように、像表示手段としてHMDを用いることにより、手術者14の頭部の動きと手術者14の視界の移動をより確実に同期することができる。即ち、手術用撮像システム1においては視線の移動に伴う頭部の動きが無いため、頭部の動きと視線の向きとが一致していると考えることができる。   The HMD 11 is attached to the head of the operator 14 as described above. As described above, by using the HMD as the image display means, the movement of the head of the operator 14 and the movement of the field of view of the operator 14 can be more reliably synchronized. That is, in the surgical imaging system 1, since there is no movement of the head accompanying the movement of the line of sight, it can be considered that the movement of the head matches the direction of the line of sight.

HMD11の拡大斜視図を図2に示す。図1及び図2に示すように、HMD11は、後記する内視鏡23(撮像手段)により撮影された像がカラーで表示される像表示部11aと、立体カメラ12により検出されるマーカ11bと、を備えるものである。そして、HMD11は、公知の任意のヘッドマウントディスプレイに対してマーカ11bが装着されることにより構成されるものである。即ち、HMD11を介して、マーカ11bが手術者14に装着されるようになっている。そして、HMD11(より具体的には像表示部11a)が、内視鏡23によって撮像された像が表示される像表示手段として機能する。   An enlarged perspective view of the HMD 11 is shown in FIG. As shown in FIGS. 1 and 2, the HMD 11 includes an image display unit 11 a in which an image photographed by an endoscope 23 (imaging unit) described later is displayed in color, and a marker 11 b detected by the stereoscopic camera 12. , Are provided. And HMD11 is comprised by attaching the marker 11b with respect to arbitrary well-known head mounted displays. That is, the marker 11 b is attached to the operator 14 via the HMD 11. The HMD 11 (more specifically, the image display unit 11a) functions as an image display unit that displays an image picked up by the endoscope 23.

HMD11には、4つのマーカ11bが備えられ、本実施形態においてはそれぞれ異なる色のマーカ(例えば、青、赤、黄及び緑等)が備えられている。そして、これらのマーカ11bは、背景の色と重複しない、或いは類似しない色のものを用いることが好ましい。   The HMD 11 includes four markers 11b. In the present embodiment, markers of different colors (for example, blue, red, yellow, and green) are provided. These markers 11b preferably have colors that do not overlap with or are not similar to the background color.

また、マーカの個数は特に制限されず、1個のみであってもよいし、複数個であってもよい。ただし、手術者14の動作をより正確に把握する観点から、マーカ11bの個数は3個以上とすることが好ましい。   Further, the number of markers is not particularly limited, and may be only one or plural. However, from the viewpoint of more accurately grasping the operation of the surgeon 14, the number of markers 11b is preferably 3 or more.

さらに、マーカ11bの形状や大きさも、マーカ検出手段が検出できる限り特に制限されない。ただし、マーカ11bの形状としては、球状が好ましい。さらに、マーカ11bの大きさとしては、画像のピクセルサイズよりも大きなものとすることが好ましい。   Further, the shape and size of the marker 11b are not particularly limited as long as the marker detection unit can detect the marker 11b. However, the shape of the marker 11b is preferably spherical. Further, the size of the marker 11b is preferably larger than the pixel size of the image.

HMD11に備えられるマーカ11bの位置は、図1及び図2に示すように、手術者14の頭頂部と左右の頭側部と前頭部との4箇所である。このように、頭部全体を覆いつつ、マーカ11b同士にある程度の間隔を設けることにより、手術者14の頭部の動きをより正確に把握することができるようになる。なお、マーカ11bの設置場所はHMD11本体に限られず、手術者14の身体(例えば上半身の複数の箇所等)に直接設ける(固定する)ようにしてもよい。   As shown in FIGS. 1 and 2, there are four positions of the marker 11 b provided in the HMD 11, that is, the top of the operator 14, the left and right head sides, and the frontal region. Thus, by providing a certain amount of space between the markers 11b while covering the entire head, the movement of the head of the operator 14 can be grasped more accurately. The installation location of the marker 11b is not limited to the main body of the HMD 11, and may be directly provided (fixed) on the body of the operator 14 (for example, a plurality of locations on the upper body).

ここで、HMD11の動作、即ち、手術者14の動作と、内視鏡23の駆動との関係について、図3を参照ながら説明する。なお、図3に示す「前後左右」とは、手術者14から見た「前後左右」を表す。   Here, the relationship between the operation of the HMD 11, that is, the operation of the operator 14 and the driving of the endoscope 23 will be described with reference to FIG. Note that “front and rear, left and right” shown in FIG. 3 represents “front and rear, right and left” as viewed from the operator 14.

本実施形態においては、図3(a)においては、手術者14が頭部を右方向に向けたとき、内視鏡23も右方向に駆動し、HMD11に表示される像も右方向に移動するようになっている。一方、手術者14が頭部を左方向に向けたとき、内視鏡23も左方向に駆動し、HMD11に表示される像も左方向に移動するようになっている。即ち、手術者13の視線の方向に、内視鏡23が駆動するようになっている。そして、これらの回転量が、内視鏡23の駆動量に相当することになる。   In the present embodiment, in FIG. 3A, when the operator 14 turns his head to the right, the endoscope 23 is also driven to the right, and the image displayed on the HMD 11 also moves to the right. It is supposed to be. On the other hand, when the operator 14 turns his head leftward, the endoscope 23 is also driven leftward, and the image displayed on the HMD 11 is also moved leftward. That is, the endoscope 23 is driven in the direction of the line of sight of the operator 13. These rotation amounts correspond to the drive amount of the endoscope 23.

また、図3(a)に示す場合の他、図3(b)に示すように、手術者14の身体全体の位置を右方向に移動した場合にも内視鏡23は右方向に、身体全体を左方向に移動した場合にも内視鏡23は左方向に駆動するようになっている。この場合には、身体全体の移動量が、内視鏡23の駆動量に相当するものとなる。なお、本実施形態における内視鏡23は、その先端部が屈曲機構を有していないため、前記のように駆動する。従って、屈曲機構を有する内視鏡を用いた場合には、図3(b)に示すような手術者の左右並進に伴って、内視鏡の向きを変えずに内視鏡の左右併進が行われるようにすることができる。   In addition to the case shown in FIG. 3A, as shown in FIG. 3B, when the position of the entire body of the operator 14 is moved in the right direction, the endoscope 23 is moved in the right direction. The endoscope 23 is driven in the left direction even when the whole is moved in the left direction. In this case, the movement amount of the entire body corresponds to the driving amount of the endoscope 23. Note that the endoscope 23 in this embodiment is driven as described above because the distal end portion thereof does not have a bending mechanism. Therefore, when an endoscope having a bending mechanism is used, the left-right translation of the endoscope is performed without changing the direction of the endoscope in accordance with the left-right translation of the operator as shown in FIG. Can be done.

さらに、図3(c)に示すように、頭部を前方向に傾けた場合には、内視鏡23は下方向に駆動してHMD11に表示される像も下方向に移動する。一方、頭部を後ろ方向に傾けた場合には、内視鏡23は上方向に駆動してHMD11に表示される像も上方向に移動する。   Furthermore, as shown in FIG. 3C, when the head is tilted forward, the endoscope 23 is driven downward, and the image displayed on the HMD 11 also moves downward. On the other hand, when the head is tilted backward, the endoscope 23 is driven upward and the image displayed on the HMD 11 also moves upward.

このような図3(a)〜(c)に示すように、頭部のみの回転(移動)や、身体全体の移動に拠って、内視鏡23の駆動量及び駆動方向を制御することができるようになっている。   As shown in FIGS. 3A to 3C, the driving amount and the driving direction of the endoscope 23 can be controlled based on the rotation (movement) of only the head and the movement of the entire body. It can be done.

なお、図示はしていないが、手術者14が身体全体を前方向に移動させることにより、内視鏡23が前方向に移動して、HMD11に表示される像の大きさが大きくなる(即ち像が拡大される)。一方、手術者14が身体全体を後方向に移動させることにより、内視鏡23が後方向に移動して、HMD11に表示される像の大きさが小さくなる(即ち像が縮小される)。   Although not shown, when the operator 14 moves the entire body in the forward direction, the endoscope 23 moves in the forward direction, and the size of the image displayed on the HMD 11 increases (that is, The image is magnified). On the other hand, when the operator 14 moves the entire body in the backward direction, the endoscope 23 moves in the backward direction, and the size of the image displayed on the HMD 11 is reduced (that is, the image is reduced).

以上説明したように、直観的な方法に拠って内視鏡23の駆動が制御されるため、手術中のような極めて緊迫した状況下、内視鏡23の操作の煩雑さを低減させることができる。   As described above, since the driving of the endoscope 23 is controlled based on an intuitive method, it is possible to reduce the complexity of the operation of the endoscope 23 under extremely tense situations such as during surgery. it can.

図1を参照しながら再び説明する。立体カメラ12(マーカ検出手段)は、手術者14に装着されているマーカ11bの位置を検出するものである。本実施形態においては、手術者14が装着しているHMD11に備えられたマーカ11bを立体カメラ12が検出するようになっている。そして、立体カメラ12がマーカ11bの3次元位置を検出することにより、手術者14の動作を把握することができる。   The description will be given again with reference to FIG. The stereoscopic camera 12 (marker detection means) detects the position of the marker 11b attached to the operator 14. In the present embodiment, the stereoscopic camera 12 detects the marker 11b provided in the HMD 11 worn by the operator 14. And the operation | movement of the operator 14 can be grasped | ascertained when the three-dimensional camera 12 detects the three-dimensional position of the marker 11b.

また、本実施形態においては、フェイルセイフ(Fail Safe)の観点から、図示していないが立体カメラ12は複数台設置されている。このように、立体カメラ12を複数台設置することにより、より正確に手術者14の動作を把握することができる。また、例えば1台の立体カメラ12と手術者14との間に意図しない遮蔽物が生じた場合でも、他の立体カメラ12によって手術者14の動きを追跡できるようにすることができる。   In the present embodiment, a plurality of stereoscopic cameras 12 are installed, although not shown, from the viewpoint of fail safe. Thus, by installing a plurality of stereoscopic cameras 12, it is possible to grasp the operation of the surgeon 14 more accurately. Further, for example, even when an unintended shielding object is generated between one stereoscopic camera 12 and the operator 14, the movement of the operator 14 can be tracked by the other stereoscopic camera 12.

立体カメラ12の具体的な構成は特に制限されず、任意の立体カメラを適用することが可能である。また、マーカ検出手段として、本実施形態においては立体カメラを用いているが、他の光学系検出手段(例えば複数台の2次元カメラ等)や、さらに別の検出手段を用いてもよい。このようにマーカ検出手段を構成しても、立体カメラを用いた場合と同様の効果が得られる。   The specific configuration of the stereoscopic camera 12 is not particularly limited, and any stereoscopic camera can be applied. Further, as the marker detection means, a stereoscopic camera is used in the present embodiment, but other optical system detection means (for example, a plurality of two-dimensional cameras) or another detection means may be used. Even if the marker detection unit is configured in this manner, the same effect as that obtained when a stereoscopic camera is used can be obtained.

マスタ側装置13は、立体カメラ12に接続されているものである。具体的には、マスタ側装置13は、画像解析部13aと、信号送信部13bと、信号受信部13cと、信号変換部13dと、演算部(図示しない。)とを備えてなる。そして、マスタ側装置13の画像解析部13aが、前記のように立体カメラ12に接続されている。さらに、マスタ側装置13の信号変換部13dは、HMD11に接続されている。   The master side device 13 is connected to the stereoscopic camera 12. Specifically, the master side device 13 includes an image analysis unit 13a, a signal transmission unit 13b, a signal reception unit 13c, a signal conversion unit 13d, and a calculation unit (not shown). And the image analysis part 13a of the master side apparatus 13 is connected to the stereo camera 12 as mentioned above. Further, the signal conversion unit 13 d of the master side device 13 is connected to the HMD 11.

画像解析部13aは、立体カメラ12によって検出されたマーカ11bの移動量を計測するものである。そして、計測された移動量に基づいて、演算部が内視鏡23の駆動量を演算するようになっている。   The image analysis unit 13 a measures the amount of movement of the marker 11 b detected by the stereoscopic camera 12. Based on the measured movement amount, the calculation unit calculates the drive amount of the endoscope 23.

マーカ11bの具体的な移動量の決定方法としては、立体カメラ12により撮影された像中のマーカ11bの位置を所定時間追跡することにより、当該時間に移動したマーカ11bの移動量を計測するようになっている。より具体的には、例えば、時刻t0で座標(X1,Y1,Z1)の位置にあったマーカ11bが、時刻t0+Δtで座標(X2,Y2,Z2)の位置に移動した場合、座標(X1,Y1,Z1)から座標(X2,Y2,Z2)までの距離が移動量となる。そして、座標(X1,Y1,Z1)から座標(X2,Y2,Z2)への方向が移動方向となる。   As a specific method for determining the movement amount of the marker 11b, the movement amount of the marker 11b moved at the time is measured by tracking the position of the marker 11b in the image taken by the stereoscopic camera 12 for a predetermined time. It has become. More specifically, for example, when the marker 11b that was at the position of coordinates (X1, Y1, Z1) at time t0 has moved to the position of coordinates (X2, Y2, Z2) at time t0 + Δt, coordinates (X1, The distance from Y1, Z1) to coordinates (X2, Y2, Z2) is the amount of movement. The direction from the coordinates (X1, Y1, Z1) to the coordinates (X2, Y2, Z2) is the moving direction.

そして、このような移動量の計測をそれぞれのマーカ11bについて行い、それぞれのマーカ11bの移動量を画像解析部13aが決定するようになっている。そして、決定された移動量及び移動方向に基づいて、演算部が内視鏡23の駆動量及び駆動方向を決定するようになっている。そして、後記するフィルタ処理も、演算部が行うようになっている。   Such movement amount measurement is performed for each marker 11b, and the image analysis unit 13a determines the movement amount of each marker 11b. Then, based on the determined moving amount and moving direction, the calculation unit determines the driving amount and driving direction of the endoscope 23. And the filter process mentioned later is also performed by the calculating part.

なお、本実施形態においては、マーカ11bの移動量と内視鏡23の駆動量とが同じ量になるように設定している。ただし、これらの関係は必ずしも同じ量に設定する必要は無く、内視鏡23の急激な駆動を回避する観点から、マーカ11bの移動量5に対して、内視鏡23が1駆動するように設定してもよい。   In the present embodiment, the movement amount of the marker 11b and the driving amount of the endoscope 23 are set to be the same amount. However, these relationships do not necessarily have to be set to the same amount, and from the viewpoint of avoiding rapid driving of the endoscope 23, the endoscope 23 is driven once for the amount of movement 5 of the marker 11b. It may be set.

信号送信部13bは、演算部により決定された内視鏡23の駆動量及び駆動方向を、後記するスレーブ側システム20に備えられる信号受信部21aに信号として送信するものである。   The signal transmission unit 13b transmits the driving amount and driving direction of the endoscope 23 determined by the calculation unit as a signal to a signal reception unit 21a provided in the slave system 20 described later.

信号送信部13bは、フットスイッチSWに接続されている。フットスイッチSWは、撮像位置制御手段22による内視鏡23の駆動のオン及びオフ、換言すれば内視鏡23を駆動させる駆動モードのオン及びオフを制御するものである。即ち、フットスイッチSWがオンの状態で内視鏡23の駆動が行われるようになっている。一方、フットスイッチSWがオフの状態では内視鏡23の駆動は行われない(停止する)ようになっている。このようなフットスイッチSWを備えることで、手術中、手術者14が自身の意図しない動きをした場合であっても、内視鏡23が意図しない方向に駆動することを防止することができる。   The signal transmission unit 13b is connected to the foot switch SW. The foot switch SW controls on / off of driving of the endoscope 23 by the imaging position control unit 22, in other words, on / off of a driving mode for driving the endoscope 23. That is, the endoscope 23 is driven while the foot switch SW is on. On the other hand, when the foot switch SW is OFF, the endoscope 23 is not driven (stopped). By providing such a foot switch SW, it is possible to prevent the endoscope 23 from being driven in an unintended direction even when the surgeon 14 moves unintentionally during the operation.

フットスイッチSWは、通常はオフ状態になっているものであり、手術者14が押下するとオン状態に切り替わる。そして、手術者14が足を外すと再びオフ状態に切り替わるようになっている。即ち、本実施形態においては、手術者14がフットスイッチSWを押下し続けている間のみ、内視鏡23が駆動するようになっている。内視鏡を用いた通常の手術中においては、手術者14は両手でマニピュレータ24を操作している。そのため、撮像切替トリガとしてフットスイッチSWを用いることで、手術者14のマニピュレータ24の操作を阻害することを防止することができる。   The foot switch SW is normally in an off state, and is switched on when the operator 14 presses it. And when the operator 14 removes a foot | leg, it will switch to an OFF state again. That is, in the present embodiment, the endoscope 23 is driven only while the operator 14 continues to press the foot switch SW. During normal surgery using an endoscope, the operator 14 operates the manipulator 24 with both hands. Therefore, by using the foot switch SW as the imaging switching trigger, it is possible to prevent the operation of the manipulator 24 of the operator 14 from being hindered.

信号受信部13cは、内視鏡23により撮像された体腔内の様子についての信号を、後記する信号送信部21cから受信するものである。また、信号変換部13dは、信号受信部13cで受信した信号を、HMD11に表示させる形式に変換するものである。このようにして受信した信号が変換され、内視鏡23によって撮像されたカラー画像(映像)がHMD11に表示されるようになっている。   The signal receiving unit 13c receives a signal about a state inside the body cavity imaged by the endoscope 23 from a signal transmitting unit 21c described later. The signal converting unit 13d converts the signal received by the signal receiving unit 13c into a format to be displayed on the HMD 11. The received signal is converted in this way, and a color image (video) captured by the endoscope 23 is displayed on the HMD 11.

次に、スレーブ側システム20について説明する。   Next, the slave side system 20 will be described.

スレーブ側システムは、スレーブ側装置21と、撮像位置制御手段22と、内視鏡23と、マニピュレータ24(手術用マニピュレータ)と、支持台25と、を備えてなる。   The slave-side system includes a slave-side device 21, an imaging position control unit 22, an endoscope 23, a manipulator 24 (surgical manipulator), and a support base 25.

スレーブ側装置21は、信号受信部21aと、画像処理部21bと、信号送信部21cと、を備えてなる。信号受信部21aは信号送信部13bからの内視鏡23の駆動量及び駆動方向に関する信号を受信するものである。そして、信号受信部21aは、後記する撮像位置制御手段22に接続されている。   The slave side device 21 includes a signal reception unit 21a, an image processing unit 21b, and a signal transmission unit 21c. The signal receiving unit 21a receives a signal related to the driving amount and driving direction of the endoscope 23 from the signal transmitting unit 13b. And the signal receiving part 21a is connected to the imaging position control means 22 mentioned later.

画像処理部21bは、内視鏡23により撮影された像を送信可能な信号に変換するものである。そして、画像処理部21bによって変換された信号は、信号送信部21cに送信される。また、信号送信部21cは、画像処理部21bから送信された信号を、前記した信号受信部13cに送信するものである。そして、このようにして、スレーブ側装置21からの信号がマスタ側装置13に送信される。   The image processing unit 21b converts an image photographed by the endoscope 23 into a signal that can be transmitted. The signal converted by the image processing unit 21b is transmitted to the signal transmission unit 21c. The signal transmission unit 21c transmits the signal transmitted from the image processing unit 21b to the signal reception unit 13c. In this way, a signal from the slave side device 21 is transmitted to the master side device 13.

撮像位置制御手段22は、信号受信部21aに接続され、内視鏡23の駆動量及び駆動方向を制御するものである。即ち、撮像位置制御手段22は、前記した演算部により計算された駆動量及び駆動方向に基づいて、内視鏡23の駆動位置制御を行うものである。   The imaging position control means 22 is connected to the signal receiving unit 21a and controls the driving amount and driving direction of the endoscope 23. That is, the imaging position control means 22 controls the drive position of the endoscope 23 based on the drive amount and the drive direction calculated by the above-described calculation unit.

本実施形態における撮像位置制御手段22は、空気圧を利用したピストン方式の装置によって、駆動量及び駆動方向を制御するように構成されている。撮像位置制御手段22は、手術者14に装着されたマーカ11bに追従して、3方向(挿入口を回転中心とした左右方向、上下方向及び前後方向)に内視鏡23を駆動させることが可能となっている。即ち、撮像位置制御手段22は、従来の内視鏡視野内における3次元空間内の任意の位置を内視鏡23が撮影可能になるように構成されている。   The imaging position control means 22 in this embodiment is configured to control the drive amount and the drive direction by a piston-type device using air pressure. The imaging position control means 22 can drive the endoscope 23 in three directions (left-right direction, up-down direction, and front-rear direction with the insertion port as a rotation center) following the marker 11 b attached to the operator 14. It is possible. That is, the imaging position control means 22 is configured so that the endoscope 23 can capture an arbitrary position in a three-dimensional space within a conventional endoscope visual field.

マニピュレータ24は、所謂鉗子と呼称されるものである。本実施形態においては2つのマニピュレータ24が備えられ、患者26の体表面に設けられた挿入孔26aから体腔内に挿入されるようになっている。マニピュレータ24は図示しない電気信号線によって手術者14の手に装着された遠隔操作手段と接続されている。そのため、マニピュレータ24は、手術者14の手の動きに追従して、その先端部を駆動させることができるようになっている。   The manipulator 24 is called a so-called forceps. In the present embodiment, two manipulators 24 are provided, and are inserted into a body cavity from an insertion hole 26 a provided on the body surface of the patient 26. The manipulator 24 is connected to remote control means attached to the hand of the operator 14 by an electric signal line (not shown). For this reason, the manipulator 24 can follow the movement of the hand of the operator 14 and drive the distal end portion thereof.

本実施形態におけるマニピュレータ24は、空気圧によって駆動するように構成されている。即ち、本実施形態に係るマニピュレータ24は、空気圧揺動アクチュエータと空気圧シリンダと(いずれも図示しない。)を備えるものである。マニピュレータ24がこのような構成を有することにより、マニピュレータ24が並進、上下、前後方向に移動可能になっている。   The manipulator 24 in the present embodiment is configured to be driven by air pressure. That is, the manipulator 24 according to the present embodiment includes a pneumatic swing actuator and a pneumatic cylinder (both not shown). Since the manipulator 24 has such a configuration, the manipulator 24 can be translated, moved up and down, and moved back and forth.

支持台25は、内視鏡23及びマニピュレータ24等を一体的に支持するものであり、患者26を取り囲むように設置される。ただし、内視鏡23は、任意の方向に駆動可能に支持台25に支持されている。また、支持台25は例えばアルミニウム合金等の軽量で剛性の高い金属により構成される。   The support base 25 integrally supports the endoscope 23, the manipulator 24, and the like, and is installed so as to surround the patient 26. However, the endoscope 23 is supported by the support base 25 so that it can be driven in any direction. Further, the support base 25 is made of a lightweight and highly rigid metal such as an aluminum alloy.

以上の構成を有する手術用撮像システム1に拠れば、HMD11に装着されたマーカ11bにより、手術者14の頭部の動きを正確に把握することができる。即ち、手術者14の頭部の動きを検出することにより、手術者14の視線を検出することができる。従って、手術者14の視線に基づいて内視鏡23の方向を制御することにより、内視鏡23により撮像される体腔内の部位を制御することができる。そして、内視鏡23により撮像された当該部位をHMD11に表示させることができる。その結果、手術者14は手術中に内視鏡23の操作から開放され、容易に所望の位置に内視鏡23を駆動させて体腔内の様子を観察することができる。   According to the surgical imaging system 1 having the above configuration, the movement of the head of the operator 14 can be accurately grasped by the marker 11b attached to the HMD 11. That is, the line of sight of the operator 14 can be detected by detecting the movement of the head of the operator 14. Therefore, by controlling the direction of the endoscope 23 based on the line of sight of the surgeon 14, it is possible to control the part in the body cavity imaged by the endoscope 23. And the said site | part imaged with the endoscope 23 can be displayed on HMD11. As a result, the operator 14 is released from the operation of the endoscope 23 during the operation, and can easily observe the state in the body cavity by driving the endoscope 23 to a desired position.

[2.制御方法]
次に、手術用撮像システム1における内視鏡23の駆動制御について、図4及び図5を参照しながら説明する。
[2. Control method]
Next, drive control of the endoscope 23 in the surgical imaging system 1 will be described with reference to FIGS. 4 and 5.

手術用撮像システム1を起動すると、立体カメラ12により撮影されるHMD11を装着した手術者14が立体カメラ12により撮影される。立体カメラ12は、図1に示すように2台の2次元カメラ(即ち、左目カメラ及び右目カメラ)によって構成されているため、それぞれの2次元カメラにより撮影された手術者14が、図示しないモニタに一緒に表示されるようになっている。なお、この時、内視鏡23にも電力が供給され、現時点で内視鏡23により撮影されている像が、HMD11に表示されている。   When the surgical imaging system 1 is activated, the surgeon 14 wearing the HMD 11 photographed by the stereoscopic camera 12 is photographed by the stereoscopic camera 12. Since the stereoscopic camera 12 is composed of two two-dimensional cameras (that is, a left-eye camera and a right-eye camera) as shown in FIG. 1, an operator 14 photographed by each two-dimensional camera can monitor a monitor (not shown). To be displayed together. At this time, electric power is also supplied to the endoscope 23, and an image currently captured by the endoscope 23 is displayed on the HMD 11.

モニタには、前記のようにマーカ11bを装着した手術者14が表示されている。そして、モニタに表示されたマーカ11bのうち、追跡するマーカ11bをモニタの画面上にて指定する(ステップS101)。このとき、追跡するマーカ11bの数は任意に変更可能であるが、より正確な駆動を行う観点から3つ以上のマーカ11bを指定するものとする。また、モニタ上には2台の2次元カメラにより撮影された2つの画面が表示されており、それぞれの画面で、対応する同一のマーカ11bを指定するものとする。   On the monitor, the operator 14 wearing the marker 11b as described above is displayed. Then, the marker 11b to be tracked among the markers 11b displayed on the monitor is designated on the monitor screen (step S101). At this time, the number of markers 11b to be tracked can be arbitrarily changed, but three or more markers 11b are designated from the viewpoint of more accurate driving. Also, two screens photographed by two two-dimensional cameras are displayed on the monitor, and the same corresponding marker 11b is designated on each screen.

ステップS101で指定されたマーカ11bについて、画像解析部13aは、色情報ヒストグラムを用いて追跡する(ステップS102,S103)。この追跡は、左目カメラと右目カメラとで撮影された像の両方について行われる。具体的な追跡方法としては、本実施形態においては色情報のヒストグラムが利用される。   The image analysis unit 13a tracks the marker 11b specified in step S101 using a color information histogram (steps S102 and S103). This tracking is performed for both images taken by the left eye camera and the right eye camera. As a specific tracking method, a histogram of color information is used in the present embodiment.

この追跡時、例えば手術者14が立体カメラ12からフレームアウトしたり、立体カメラ12と手術者14との間に遮蔽物が出現したりしてマーカ11bを追跡できなくなることがある(ステップS104のYes方向)。このような場合には、指定されたマーカ11bが再度追跡可能になるまで、ステップS102及びステップS103が繰り返される。   At the time of this tracking, for example, the operator 14 may be unable to track the marker 11b due to a frame out of the stereoscopic camera 12 or a shield appearing between the stereoscopic camera 12 and the operator 14 (in step S104). Yes direction). In such a case, steps S102 and S103 are repeated until the designated marker 11b can be traced again.

指定されたマーカ11bが全て追跡可能であると画像解析部13aが判断した場合(ステップS104のNo方向)、画像解析部13aは指定されたマーカ11bの3次元位置を、左目画面及び右目画面(即ち左右画面)の位置に基づいて計算する(ステップS105)。具体的には、手術者14が頭部を上下方向に移動することに伴うマーカ11bの軌跡に基づいて、手術者14の頭部の位置及び回転中心並びに手術者14の姿勢等が計算される(ステップS106)。   When the image analysis unit 13a determines that all the designated markers 11b can be traced (No direction in step S104), the image analysis unit 13a displays the three-dimensional position of the designated marker 11b on the left-eye screen and the right-eye screen ( That is, calculation is performed based on the position of the left and right screens (step S105). Specifically, the position and rotation center of the operator 14, the posture of the operator 14, and the like are calculated based on the trajectory of the marker 11 b as the operator 14 moves the head up and down. (Step S106).

以上のようにして初期設定が完了し、待機状態になる。次に、ステップS106が終了した後の、手術用撮像システム1運転時の制御について説明する。   As described above, the initial setting is completed and a standby state is entered. Next, control during operation of the surgical imaging system 1 after step S106 is completed will be described.

前記待機状態において、手術者14が頭部の位置をずらしたり回転させたりした場合、画像解析部13aは指定したマーカ11bの並進量及び回転量に基づいて、頭部の並進量及び回転量を計算する(ステップS107)。そして、図示しない演算部が、計算された並進量及び回転量(即ち、移動量及び移動方向)に基づいて、内視鏡23の駆動量及び駆動方向を計算する。   When the operator 14 shifts or rotates the head position in the standby state, the image analysis unit 13a determines the translation amount and the rotation amount of the head based on the translation amount and the rotation amount of the designated marker 11b. Calculate (step S107). A calculation unit (not shown) calculates the driving amount and driving direction of the endoscope 23 based on the calculated translation amount and rotation amount (that is, the moving amount and the moving direction).

そして、演算部において計算された駆動量及び駆動方向(即ち、撮像位置制御手段22に送信される動作指令値)に対して、フィルタ処理が行われる(ステップS108)。具体的には、前記動作指令値に対して、高周波成分をカットするローパスフィルタの適用と、所定の閾値以下の微小な動作指令値のカットとの2つの処理が行われる。動作指令値に対してこのような処理が行われることにより、内視鏡23の駆動が滑らかなものになる。   Then, a filtering process is performed on the driving amount and the driving direction (that is, the operation command value transmitted to the imaging position control means 22) calculated by the calculation unit (step S108). Specifically, two processes are performed on the operation command value: application of a low-pass filter that cuts a high-frequency component and cut of a minute operation command value that is equal to or less than a predetermined threshold. By performing such processing on the operation command value, the driving of the endoscope 23 becomes smooth.

そして、フットスイッチSWが押下されている状態(オンになっている状態、ステップS109のYes方向)になると、信号送信部13bはスレーブ側システム20の信号受信部21aに対して、内視鏡23の駆動量及び駆動方向(動作指令値)を送信する(ステップS110)。すると、内視鏡23は、演算部により計算された駆動量及び駆動方向に基づいて駆動される。そして、手術者14がフットスイッチSWから足を外すことにより、フットスイッチSWが押下されていない状態(オフになっている、ステップS109のNo方向)になると、内視鏡23の駆動は停止する。   When the foot switch SW is pressed (turned on, Yes in step S109), the signal transmission unit 13b makes an endoscope 23 to the signal reception unit 21a of the slave side system 20. The driving amount and driving direction (operation command value) are transmitted (step S110). Then, the endoscope 23 is driven based on the driving amount and the driving direction calculated by the calculation unit. When the operator 14 removes his / her foot from the foot switch SW and the foot switch SW is not depressed (turned off, No direction in step S109), the driving of the endoscope 23 is stopped. .

その後、手術者14による手術が終了する等して、内視鏡23の操作が不要になった場合には、例えばシステム停止ボタンを押下すると(ステップS111のYes方向)、手術用撮像システム1が終了する。   Thereafter, when the operation of the endoscope 23 becomes unnecessary because the operation by the operator 14 is completed, for example, when the system stop button is pressed (Yes direction in step S111), the surgical imaging system 1 is finish.

このようにして、手術者14の頭部の動作に追従して、内視鏡23の駆動が制御される。   In this manner, the driving of the endoscope 23 is controlled following the operation of the head of the operator 14.

[3.適用用途]
本実施形態に係る手術用撮像システムは、任意の用途に適用することができる。例えば、スレーブ側システム20を構成する内視鏡23及びマニピュレータ23を一体に保持した手術用ロボット等に適用可能である。
[3. Application]
The surgical imaging system according to the present embodiment can be applied to any application. For example, the present invention can be applied to a surgical robot or the like that integrally holds an endoscope 23 and a manipulator 23 that constitute the slave system 20.

[4.効果]
本実施形態に係る手術用撮像システムは磁気センサを用いていないため、周辺環境の影響を受けにくいという利点がる。そのため、本実施形態に係る手術用撮像システムに拠れば、どのような作業環境であっても、精度良く所望の位置に撮像手段を駆動制御可能となる。特に、MRI等の強磁場を発生させる場所や、手術器具等の金属物が大量に存在する場所であっても、内視鏡駆動位置の精度低下を生じることなく、所望の位置に内視鏡を駆動させることができる。
[4. effect]
Since the surgical imaging system according to the present embodiment does not use a magnetic sensor, there is an advantage that the surgical imaging system is hardly affected by the surrounding environment. Therefore, according to the surgical imaging system according to the present embodiment, it is possible to accurately drive and control the imaging unit at a desired position in any work environment. In particular, even in a place where a strong magnetic field such as MRI is generated or a place where a large amount of metal such as a surgical instrument is present, the endoscope can be placed at a desired position without causing a decrease in accuracy of the endoscope driving position. Can be driven.

特に、従来の磁気センサを用いた方式の場合、前記課題のほかにも、磁場送信部と受信部との距離に制限があるという課題がある。即ち、これらの間の距離が長くなればなるほど、精度が低下するという課題がある。具体的には、距離の3乗に比例して磁場量が減少することが知られており、その結果、これらをできるだけ近い距離に設置しなければならないという課題がある。   In particular, in the case of a system using a conventional magnetic sensor, there is a problem that the distance between the magnetic field transmission unit and the reception unit is limited in addition to the above problem. That is, there is a problem that the accuracy decreases as the distance between them increases. Specifically, it is known that the amount of magnetic field decreases in proportion to the cube of the distance, and as a result, there is a problem that these must be installed as close as possible.

しかしながら、本実施形態に係る手術用撮像システムに拠れば、そのような制限が無い。即ち、例えば距離が長い場合であっても、立体カメラ12に望遠レンズを取り付けたり、立体カメラ12の解像度を増加させたりすれば、マーカ11bの位置を正確に検出することができる。その結果、距離が長い場合であっても、内視鏡23の駆動を精度良く行うことができる。   However, according to the surgical imaging system according to the present embodiment, there is no such limitation. That is, even if the distance is long, for example, if the telephoto lens is attached to the stereoscopic camera 12 or the resolution of the stereoscopic camera 12 is increased, the position of the marker 11b can be accurately detected. As a result, even when the distance is long, the endoscope 23 can be driven with high accuracy.

さらに、磁気センサを用いた場合とは異なり、本実施形態に係る手術用撮像システムにおいてはマーカ11bの数を任意に増加させることができる。そして、マーカ11bの数が増加すればするほど、検出精度は高いものとすることができる。さらに、マーカ11bを任意に増加させた場合でも、ハードウェアの変更は少なくて済み、極めて容易に検出精度を増加させることができる。また、マーカ11bは通常は安価であるため、安価に検出精度を増加させることもできる。   Furthermore, unlike the case of using a magnetic sensor, the number of markers 11b can be arbitrarily increased in the surgical imaging system according to the present embodiment. And the detection accuracy can be made higher as the number of markers 11b increases. Furthermore, even if the marker 11b is arbitrarily increased, the hardware change is small and the detection accuracy can be increased very easily. Moreover, since the marker 11b is usually inexpensive, the detection accuracy can be increased at a low cost.

また、本実施形態に係る手術用撮像システムに拠れば、仮に立体カメラ12とマーカ11bとの間に遮蔽物が存在してもソフトウェア上で当該遮蔽物の存在を補正することができる。従って、このような遮蔽物が存在しても、存在しない場合と同等の操作及び精度で内視鏡23が駆動可能となる。また、必要に応じて市販のカメラを増設することにより、やはり同等の精度で内視鏡23の駆動が可能となる。   Further, according to the surgical imaging system according to the present embodiment, even if there is a shielding object between the stereoscopic camera 12 and the marker 11b, the presence of the shielding object can be corrected on the software. Therefore, even if such a shield is present, the endoscope 23 can be driven with the same operation and accuracy as when there is no such shield. Further, by adding a commercially available camera as necessary, the endoscope 23 can be driven with the same accuracy.

さらに、従来は、患者に対して手術を行う手術者と、内視鏡操作を行う助手と、の少なくとも2人が手術時に従事していた。そのため、内視鏡の方向が、手術者の意図と異なる方向に向くことがあり、手術の高効率化の妨げとなっていた。   Furthermore, conventionally, at least two people, an operator who performs an operation on a patient, and an assistant who performs an endoscope operation have been engaged during the operation. Therefore, the direction of the endoscope may be in a direction different from the surgeon's intention, which hinders high efficiency of the operation.

このような課題を解決するために、手術者自身が内視鏡の操作を行うことが考えられた。具体的には、マニピュレータを用いた手術中に手術者がフットペダルを押下してモード切替を行い、手術者が手動で内視鏡の位置を制御する技術もあった。しかしながら、この技術に拠っては、マニピュレータの操作と内視鏡の駆動制御とを同時かつ同期して行うことができなかった。   In order to solve such a problem, it was considered that the surgeon himself operated the endoscope. Specifically, there has been a technique in which an operator presses a foot pedal to switch modes during an operation using a manipulator, and the operator manually controls the position of the endoscope. However, according to this technique, the operation of the manipulator and the driving control of the endoscope cannot be performed simultaneously and synchronously.

しかしながら、本実施形態に係る手術用撮像システムに拠れば、内視鏡操作を手術者自身が行うことができる。そのため、従来要していた助手が不要となる。また、マニピュレータの操作(手術)を行いながら内視鏡の向きを手術者14の意図するように制御することもできる。従って、従来よりも効率よく内視鏡を操作することができ、手術時間の短縮等の手術の高効率化が図れる。   However, according to the surgical imaging system according to the present embodiment, the surgeon himself can perform an endoscope operation. This eliminates the need for a conventional assistant. Further, the direction of the endoscope can be controlled as intended by the operator 14 while operating the manipulator (surgery). Therefore, the endoscope can be operated more efficiently than before, and the efficiency of the operation such as shortening of the operation time can be improved.

さらに、本実施形態に係る手術用撮像システムに拠れば、手術者14が所望するように、内視鏡23を上下前後左右の任意の方向に駆動させることができる。従って、手術者14の視界の向きに応じて自動的に内視鏡が駆動するため、直観的な操作が可能になる。   Furthermore, according to the surgical imaging system according to the present embodiment, the endoscope 23 can be driven in any direction up, down, front, back, left, and right as desired by the operator 14. Therefore, since the endoscope is automatically driven according to the direction of view of the surgeon 14, an intuitive operation can be performed.

ここで、本実施形態に係る手術用システムを適用した場合の、内視鏡23の分解能について図5を参照して説明する。図5は本発明者らの検討によって得られたグラフである。即ち、図5は、マーカ11bを装着した手術者14が立体カメラ12に対して頭部を横方向に動作(図3(b)に示す動作)させた際の、マーカ11bの位置を画像認識で取得した実験結果である。   Here, the resolution of the endoscope 23 when the surgical system according to the present embodiment is applied will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a graph obtained by the study of the present inventors. That is, FIG. 5 shows image recognition of the position of the marker 11b when the operator 14 wearing the marker 11b moves the head sideways with respect to the stereoscopic camera 12 (the operation shown in FIG. 3B). It is the experimental result acquired by.

図5に示す実験の際には、立体カメラ12として、左右方向の包括角度が84.9°、上下方向の包括角度が68.9°、解像度が320ピクセル×240ピクセル、基線長(2つのカメラ間の距離)が300mmの3次元カメラを用いた。そして、立体カメラ12から0.5m離れた位置に手術者14を配置した場合に得られた結果である。   In the experiment shown in FIG. 5, as the stereoscopic camera 12, the comprehensive angle in the horizontal direction is 84.9 °, the comprehensive angle in the vertical direction is 68.9 °, the resolution is 320 pixels × 240 pixels, and the baseline length (two A three-dimensional camera having a distance of 300 mm between the cameras was used. And it is a result obtained when the operator 14 is arranged at a position 0.5 m away from the stereoscopic camera 12.

図5に示すように、本実施形態に係る手術用撮像システムに拠れば、位置分解能が1mm程度であり、高い位置分解能(駆動精度)を有することがわかる。また、本発明者らの検討によると、図示はしないが、HMD11の位置に対する内視鏡23の追従性(即ち同期性)も極めて優れていることを示すグラフも得られている。   As shown in FIG. 5, according to the surgical imaging system according to the present embodiment, it can be seen that the position resolution is about 1 mm and has high position resolution (driving accuracy). Further, according to the study by the present inventors, although not shown, a graph showing that the followability (that is, synchronization) of the endoscope 23 with respect to the position of the HMD 11 is also excellent is obtained.

[5.変更例]
以上、具体的な実施形態を挙げて本実施形態を説明したが、本実施形態は前記の内容に何ら制限されるものではなく、本発明の要旨を損なわない範囲で任意に変更して実施可能である。
[5. Example of change]
The present embodiment has been described with reference to a specific embodiment. However, the present embodiment is not limited to the above-described content, and can be implemented with any modifications without departing from the scope of the present invention. It is.

例えば、本実施形態においては、支持台25に内視鏡23とマニピュレータ24とを一体に固定しているが、内視鏡23とマニピュレータ24とを一体に構成し、一体に構成された内視鏡23及びマニピュレータ24を支持台25に固定するようにしてもよい。このように構成することにより、患者26の体表面に形成する挿入孔26aの数を減らすことができる。そのため、よりいっそうの低侵襲外科手術が可能となる。   For example, in the present embodiment, the endoscope 23 and the manipulator 24 are integrally fixed to the support base 25. However, the endoscope 23 and the manipulator 24 are integrally configured, and the endoscope configured integrally is configured. The mirror 23 and the manipulator 24 may be fixed to the support base 25. By comprising in this way, the number of the insertion holes 26a formed in the body surface of the patient 26 can be reduced. As a result, a further minimally invasive surgical operation is possible.

またこの場合、例えばマニピュレータ24の先端部を空気圧揺動アクチュエータと空気圧シリンダとによって構成することにより、内視鏡によるフェイルセイフを高めることができる。即ち、マニピュレータに内視鏡を取り付けた場合、内視鏡が臓器に接触した場合に空気圧アクチュエータの差圧から当該接触を検出することができる。そして、このような場合には、内視鏡のそれ以上の駆動を停止させ、内視鏡による臓器の損傷をより確実に防止することができる。   Further, in this case, for example, by configuring the tip portion of the manipulator 24 with a pneumatic oscillation actuator and a pneumatic cylinder, the fail safety by the endoscope can be enhanced. That is, when an endoscope is attached to the manipulator, when the endoscope comes into contact with an organ, the contact can be detected from the differential pressure of the pneumatic actuator. In such a case, further driving of the endoscope can be stopped, and organ damage caused by the endoscope can be more reliably prevented.

さらに、本実施形態においては、マスタ側装置13とスレーブ側装置21とに、それぞれ信号送信部13b,21c及び信号受信部13c,21aが設けられているが、これらをまとめてそれぞれ信号送受信部とし、マスタ側装置13の信号送受信部とスレーブ側装置21の信号送受信部とで通信させるようにしてもよい。   Furthermore, in the present embodiment, the signal transmission units 13b and 21c and the signal reception units 13c and 21a are provided in the master side device 13 and the slave side device 21, respectively. The signal transmitting / receiving unit of the master side device 13 and the signal transmitting / receiving unit of the slave side device 21 may communicate with each other.

また、図1に示す実施形態においては立体カメラ12と手術者14とが比較的に近い位置に存在するように示しているが、例えば部屋の4隅に手術者14を捕捉できるように2次元カメラを設置し、当該部屋内の任意の場所で手術者14が手術を行うようにすることもできる。   In the embodiment shown in FIG. 1, the stereoscopic camera 12 and the operator 14 are shown to be relatively close to each other. A camera may be installed so that the surgeon 14 can perform an operation at an arbitrary location in the room.

さらに、マスタ側システム10とスレーブ側システム20とは必ずしも近い位置にある必要は無く、例えば遠隔地医療等、それぞれのシステムが離れた位置にある場合でも、本実施形態に係る手術用撮像システムが適用可能である。   Furthermore, the master side system 10 and the slave side system 20 do not necessarily have to be close to each other. For example, even when the respective systems are at remote positions such as remote medical care, the surgical imaging system according to this embodiment is provided. Applicable.

また、本実施形態においては、マーカ11bはHMD11に装着させているが、手術者14の頭部(例えば耳等)に直接装着するようにしてもよい。また、例えば手術者14の肩等に装着する等、マーカ11bの装着位置は何ら限定されるものではない。従って、手術者14に装着されて手術者の視線を推定できる部位である限り、あらゆる部位にマーカ11bを装着可能である。   In the present embodiment, the marker 11b is attached to the HMD 11. However, the marker 11b may be attached directly to the head (for example, ear) of the operator 14. Further, the mounting position of the marker 11b is not limited in any way, for example, it is mounted on the shoulder of the operator 14 or the like. Therefore, the marker 11b can be attached to any part as long as the part can be estimated by the operator 14 and the surgeon's line of sight can be estimated.

さらに、本実施形態においては、フットスイッチSWが押下されているときに内視鏡23が駆動するようにしているが、このようなスイッチを設けずに、例えば手術者14が素早く2回頭部を動かした場合に内視鏡23が駆動されるモードになるように設定し、さらに2回動かした場合に内視鏡23が駆動しないモードになるように設定してもよい。このような場合、頭部を素早く2回動かす動作が撮像切替トリガとなる。   Furthermore, in the present embodiment, the endoscope 23 is driven when the foot switch SW is pressed, but without providing such a switch, for example, the surgeon 14 quickly turns the head twice. It may be set so that the endoscope 23 is driven when it is moved, and it is set so that the endoscope 23 is not driven when it is further rotated twice. In such a case, an operation for quickly moving the head twice serves as an imaging switching trigger.

また、撮像切替トリガとして、手術者等の声を用いてもよい。即ち、手術者が「切り替え」と発声することにより内視鏡23が駆動するモードとなり、「止め」と発声することにより内視鏡23が停止するモードになるようにしてもよい。   In addition, a voice of an operator or the like may be used as an imaging switching trigger. In other words, the mode may be such that the endoscope 23 is driven when the surgeon utters “switch”, and the endoscope 23 is stopped when the surgeon utters “stop”.

さらに、マーカ11bの移動速度が所定の速度よりも速い(若しくは低い)場合には手術者14の意図する移動ではないとみなし、このような場合には内視鏡23を駆動させないように制御してもよい。   Further, when the moving speed of the marker 11b is faster (or lower) than the predetermined speed, it is considered that the movement is not intended by the operator 14, and in such a case, control is performed so that the endoscope 23 is not driven. May be.

また、図1に示す実施形態において、各手段は有線で接続されていてもよく、無線で接続されていてもよい。また、有線と無線とを適宜組み合わせて接続されていてもよい。   In the embodiment shown in FIG. 1, each unit may be connected by wire or may be connected wirelessly. In addition, wired and wireless may be connected in an appropriate combination.

1 手術用撮像システム
10 マスタ側システム
11 ヘッドマウントディスプレイ(HMD、像表示手段)
11a 像表示部
11b マーカ
12 立体カメラ(マーカ検出手段)
13 マスタ側装置
13a 画像解析部
13b 信号送信部
13c 信号受信部
13d 信号変換部
14 手術者
20 スレーブ側システム
21 スレーブ側装置
21a 信号受信部
21b 画像処理部
21c 信号送信部
22 撮像位置制御手段
23 内視鏡(撮像手段)
24 マニピュレータ
25 支持台
26 患者
26a 挿入孔
SW フットスイッチ(撮像切替トリガ)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Surgical imaging system 10 Master side system 11 Head mounted display (HMD, image display means)
11a Image display unit 11b Marker 12 Stereo camera (marker detection means)
13 Master side device 13a Image analysis unit 13b Signal transmission unit 13c Signal reception unit 13d Signal conversion unit 14 Surgeon 20 Slave side system 21 Slave side device 21a Signal reception unit 21b Image processing unit 21c Signal transmission unit 22 Imaging position control means 23 Inside Endoscope (imaging means)
24 Manipulator 25 Support base 26 Patient 26a Insertion hole SW Foot switch (imaging switching trigger)

Claims (9)

体腔内を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段によって撮像された像が表示される像表示手段と、
を備える手術用撮像システムであって、
前記撮像手段の駆動位置を制御する撮像位置制御手段と、
手術者に装着されるマーカの位置を検出するマーカ検出手段と、
を備え、
該マーカ検出手段によって検出されたマーカの移動量及び移動方向に基づいて、前記撮像手段の駆動量及び駆動方向が決定され、
前記撮像位置制御手段が、決定された前記駆動量及び駆動方向に基づいて前記撮像手段の駆動位置を制御する
ことを特徴とする、手術用撮像システム。
Imaging means for imaging the body cavity;
Image display means for displaying an image picked up by the image pickup means;
A surgical imaging system comprising:
Imaging position control means for controlling the drive position of the imaging means;
Marker detection means for detecting the position of the marker worn by the surgeon;
With
Based on the movement amount and movement direction of the marker detected by the marker detection means, the driving amount and the driving direction of the imaging means are determined,
The imaging system for surgery, wherein the imaging position control means controls the driving position of the imaging means based on the determined drive amount and drive direction.
前記マーカ検出手段は、光学系検出手段である
ことを特徴とする、請求項1に記載の手術用撮像システム。
The surgical imaging system according to claim 1, wherein the marker detection unit is an optical system detection unit.
前記光学系検出手段は、前記マーカの3次元位置を検出する立体カメラである
ことを特徴とする、請求項2に記載の手術用撮像システム。
The surgical imaging system according to claim 2, wherein the optical system detection means is a stereoscopic camera that detects a three-dimensional position of the marker.
前記マーカ検出手段は複数備えられている
ことを特徴とする、請求項1〜3の何れか1項に記載の手術用撮像システム。
The surgical imaging system according to any one of claims 1 to 3, wherein a plurality of the marker detection means are provided.
前記撮像手段を駆動させる駆動モードのオン及びオフを制御する撮像切替トリガを備え、
前記駆動モードがオンの状態で、前記撮像位置制御手段による前記撮像手段の駆動が行われ、
前記駆動モードがオフの状態で、前記撮像位置制御手段による前記撮像手段の駆動が停止される
ことを特徴とする、請求項1〜4の何れか1項に記載の手術用撮像システム。
An imaging switching trigger for controlling on and off of a driving mode for driving the imaging means;
In the state where the drive mode is on, the imaging unit is driven by the imaging position control unit,
5. The surgical imaging system according to claim 1, wherein driving of the imaging unit by the imaging position control unit is stopped in a state in which the driving mode is off.
前記像表示手段が、前記手術者の頭部に装着されるヘッドマウントディスプレイである
ことを特徴とする、請求項1〜5の何れか1項に記載の手術用撮像システム。
The surgical imaging system according to any one of claims 1 to 5, wherein the image display means is a head-mounted display attached to the surgeon's head.
前記マーカが複数個設けられている
ことを特徴とする、請求項1〜6の何れか1項に記載の手術用撮像システム。
The surgical imaging system according to any one of claims 1 to 6, wherein a plurality of the markers are provided.
前記撮像手段が、手術用マニピュレータと一体となって構成されている
ことを特徴とする、請求項1〜7の何れか1項に記載の手術用撮像システム。
The surgical imaging system according to claim 1, wherein the imaging unit is configured integrally with a surgical manipulator.
請求項1〜8の何れか1項に記載の手術用撮像システムが適用される
ことを特徴とする、手術用ロボット。
A surgical robot to which the surgical imaging system according to any one of claims 1 to 8 is applied.
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