JP2013244377A - 内視鏡操作システム - Google Patents

Abstract

【課題】 強力な磁石の影響も受けることなく、安全面の観点から体内の内視鏡の移動速度を内視鏡の挿入量に応じて制御できること。
【解決手段】 速度制御用演算部４８が、内視鏡の撮像部における体内への挿入量に応じて撮像部の速度を変更可能とするように調節するために目標速度ベクトルＶｘｙに対し演算を行うことにより、内視鏡の撮像部における体内への進行方向の挿入量が増大するとき、内視鏡の撮像部の目標速度ベクトルV´ｘｙが大となり、一方、内視鏡の撮像部における挿入量が減少するとき、即ち、内視鏡の撮像部が体内から引き抜かれるとき、内視鏡の撮像部の目標速度ベクトルV´ｘｙが小となるもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、内視鏡操作システムに関する。

外科手術において、術後の回復が速く、手術の際の傷口が小さい等の利点から開腹手術に代えて内視鏡手術が広く行われている。このような内視鏡手術においては、遠隔操作が可能なマスタスレーブ型の内視鏡操作システムが提案されている。このような内視鏡操作システムは、例えば、特許文献１にも示されるように、内視鏡のズームレンズの拡大率が、ヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤともいう）内に設けられ手術者の頭の移動を検出する姿勢センサからの検出出力に基づいて制御されるものとされる。また、手術者の頭の移動は、磁界を発生する磁気ソースに対する姿勢センサの変位として取り出される。これにより、例えば、手術者が患者に対し左を向けば、内視鏡の固体撮像素子を通じて得られた撮像データに基づく左の画像がＨＭＤ内の一対の液晶モニタに映され、手術者が患者に近づいた場合、ズームレンズにより拡大された視野が得られることとなる。従って、手術者は、内視鏡が挿入された体腔内を立体的に観察できることとなる。

また、従来の内視鏡把持装置においては、５節リンク機構と、腹壁を貫通するトロッカーを腹壁部で保持するボールジョイント部と、リンク機構を駆動させる駆動部および操作部とにより内視鏡把持装置が構成されているものが提案されている。斯かる構成においては、内視鏡の一種である腹腔鏡は、ズーム式で、画面の遠近を素早く切り替えることができ、また、コントローラスイッチにより、ズーム式の腹腔鏡が手術者の欲する位置に迅速に移動可能とされる。

特開平１０−３０９２５８号公報

磁気共鳴画像装置（ＭＲＩ）が設置されている環境においては、磁気共鳴画像装置における強力な磁石の影響により、上述のような内視鏡操作システムにおける磁界を発生する磁気ソースを並設することは困難となる場合がある。また、上述の内視鏡把持装置において、腹腔鏡を迅速に移動させるとき、安全面の観点から体内における腹腔鏡の挿入量に応じて体内の腹腔鏡の移動速度を制御することが要望されるが、そのような装置は、未だ見当たらない。

以上の問題点を考慮し、本発明は、内視鏡操作システムであって、強力な磁石の影響も受けることなく、安全面の観点から体内の内視鏡の移動速度を内視鏡の挿入量に応じて制御できる内視鏡操作システムを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明に係る内視鏡操作システムは、往復動および自転可能に支持され、その姿勢情報を送出可能な保持アームユニット部と、保持アームユニットに支持され、先端部に撮像部を有する内視鏡部と、内視鏡部の画像撮像部からの画像信号に基づくヘッドマウントディスプレイにより画像を表示する表示部と、操作者の姿勢状態を検出するセンサからなる姿勢検出部と、フットスイッチとから構成される内視鏡操作システムにおいて、姿勢検出部からの姿勢の動き情報と、保持アームユニットの姿勢情報と、内視鏡部内の撮像部のカメラ情報とから、内視鏡部の先端部の移動方向および速度を制御することを特徴とする。

本発明に係る内視鏡操作システムは、姿勢検出部からの姿勢の動き情報と、保持アームユニットの姿勢情報と、内視鏡部内の撮像部のカメラ情報とから、内視鏡部の先端部の移動方向および速度を制御するので安全面の観点から体内の内視鏡の移動速度を内視鏡の挿入量に応じて制御できる。また、例えば、保持アームユニットが、複数の空気圧式アクチュエータにより駆動される場合、磁場と干渉しにくいので強力な磁石の影響も受けることもないという効果を奏する。

本発明に係る内視鏡操作システムの一例の全体構成を示すブロック図である。 本発明に係る内視鏡操作システムの全体構成を手術者とともに概略的に示す図である。 本発明に係る内視鏡操作システムの一例に用いられる保持アームユニットを示す図である。 本発明に係る内視鏡操作システムの一例におけるジャイロセンサの出力についてのドリフト補償による効果を示す特性図である。 本発明に係る内視鏡操作システムの一例におけるドリフト補償用演算部が、例えば、マイクロコンピュータにより構成されるとき、そのマイクロコンピュータが実行するプログラムを示すフローチャートである。

図２は、本発明に係る内視鏡操作システムの一例の構成を、手術者とともに示す。
図２において、内視鏡操作システムは、内視鏡２４と、内視鏡２４を保持するとともに内視鏡２４の姿勢を制御する保持アームユニット１０と、手術者ＯＰの頭部に着脱可能に装着されるヘッドマウントディスプレイ３０（以下、ＨＭＤ３０ともいう）と、を主な要素として含んで構成されている。

内視鏡２４は、例えば、体内に挿入される先端部に撮像部を有する柔軟な挿入部と、光学系の制御を行う操作部６２と（図１参照）、操作部に接続され光源等を操作部に接続する接続部とを含んで構成されている。

撮像部は、対物レンズ等からなる光学部と、固体撮像素子と、撮像部により得られる画像を拡大または縮小すべく光学部のレンズを制御するアクチュエータを含むズーム機構部とを含んで構成される。その撮像部のズーム機構部は、後述する内視鏡制御ユニット６４により制御される。挿入部の先端部における対物レンズに隣接してライトガイドが設けられている。ライトガイドは、上述の光源から導かれた光により体内を照らすものとされる。
なお、内視鏡としては、硬性内視鏡及び軟性内視鏡を採用することができる。

ＨＭＤ３０は、図２に示されるように、手術者ＯＰの頭部に装着されている。ＨＭＤ３０は、手術者ＯＰの顔の正面に向き合って手術者ＯＰの両眼に対応した位置にそれぞれ左右一対の表示部３２（図１参照）を備えている。表示部３２は、例えば、３Ｄ形式のカラー画像を表示するものとされる。なお、表示部は、斯かる例に限られることなく、例えば、２Ｄ形式の白黒画像を表示するものでもよい。

ＨＭＤ３０全体が、手術者ＯＰの頭部の動きに追従することとなる。即ち、ＭＨＤ３０においては、図２において矢印で示されるように、手術者ＯＰ側から見た場合、首を中心軸線とした右向き（時計回り方向）の回転（右回旋）、首を中心軸線とした左向き（反時計回り方向）の回転（左回旋）、首に対し縦方向の回転（屈曲、伸展）、首に対し右方向への傾動（右側屈）、首に対し左方向への傾動（左側屈）の移動が可能とされる。

また、ＨＭＤ３０は、上述したＨＭＤ３０の回旋、側屈、屈曲、および、伸展を検出するジャイロセンサ（以下、ジャイロスコープともいう）３６、および、地磁気センサ３４（図１参照）を備えている。ジャイロセンサ３６、および、地磁気センサ３４からの検出出力は、後述する制御ユニット４０に供給される。なお、地磁気センサ３４に代えて、加速度センサでもよい。

保持アームユニット１０は、手術者から離隔した手術台に隣接した架台（不図示）に後述するベーンモータユニット１６のブラケット（不図示）を介して支持されている。保持アームユニット１０は、図２および図３に示されるように、内視鏡２４を回動可能に支持するベーンモータ２０を移動可能に支持するシャーシと、そのシャーシに固定され内視鏡２４およびベーンモータ２０を患者に対し近接または離隔させる空気圧シリンダー１８と、上述のシャーシに一端部が支持される平行リンク機構１４を介して支持されるベーンモータユニット１６と、ベーンモータユニット１６の出力軸に連結されるタイミングベルトプーリ、および、タイミングベルトを介して回動されることにより、上述のシャーシ全体を回動させる回転軸部と、平行リンク機構１４を駆動させる空気圧シリンダー１２を主な要素として含んで構成されている。

平行リンク機構１４は、一部を構成するリンク部材の一端が回転軸部に連結され他端部がシャーシに連結されている。これにより、例えば、平行リンク機構１４に連結される空気圧シリンダー１２のロッドが伸長状態のとき、図３においてシャーシが回転軸部の下端を中心として時計回り方向に回動され、一方、空気圧シリンダー１２のロッドが縮小状態のとき、図３においてシャーシが回転軸部の下端の回転中心に対し反時計回り方向に回動される。即ち、後述するように、内視鏡２４の撮像部がＭＨＤ３０における手術者の首に対し頭部の縦方向の回転（屈曲、伸展）に対応した方向に回転中心点ＧＰを中心として移動可能とされる。回転中心点ＧＰは、後述する回転軸部の回転軸線Ｇと共通の直線上にあって患者の体壁近傍に位置する。回転軸線Ｇは、保持アームユニット１０においてとられる図３における直交座標系のＬｘ座標軸に対し平行となるように設定されている。Ｌｘ座標軸は、患者の体壁に直交する方向に設定され、座標軸Ｌｚは、Ｌｘ座標軸に対し直角となるように設定されている。

空気圧シリンダー１８は、そのロッドが内視鏡２４の中心軸線と略平行となるようにシャーシに支持されている。空気圧シリンダー１８のロッドが伸長状態のとき、図３において内視鏡２４の撮像部およびベーンモータ２０が患者に対し離隔する方向にシャーシに対し移動せしめられ、一方、空気圧シリンダー１８のロッドが縮小状態のとき、図３において内視鏡２４の撮像部およびベーンモータ２０が患者に対し近接する方向にシャーシに対し移動せしめられる。

ベーンモータユニット１６に並設される回転軸部におけるその中心軸線に沿った所定の間隔、離隔した位置には、平行リンク機構１４を構成するリンク部材の一端がそれぞれ連結されている。その回転軸部は、回転軸線Ｇの回りにベーンモータユニット１６に回動可能に支持されている。これにより、ベーンモータユニット１６が作動状態とされる場合、内視鏡２４の撮像部およびベーンモータ２０が回転軸線Ｇの回りに回動可能とされる。即ち、後述するように、内視鏡２４の撮像部がＭＨＤ３０における手術者の頭部の首回りの回旋に対応した方向に移動可能とされる。

また、内視鏡２４における操作部近傍は、ベーンモータ２０により回動可能に支持されている。これにより、内視鏡２４の撮像部がベーンモータ２０の回転中心軸線回りに所定の角度だけ自転（ロール）可能とされる。即ち、後述するように、内視鏡２４の撮像部がＭＨＤ３０における手術者の側屈に対応した方向に移動せしめられる。

さらに、本発明に係る内視鏡操作システムの一例においては、図１に示されるように、保持アームユニット１０の動作制御を行う制御ユニット４０および内視鏡制御システム６０を備えている。

内視鏡制御システム６０は、操作部６２からの指令信号群に基づいて内視鏡２４のズーム機構部、光源の動作制御を行う内視鏡制御ユニット６４と、内視鏡制御ユニット６４を通じて内視鏡２４の固体撮像素子から得られた撮像データＤＤに基づいて所定の画像処理を行う画像処理ＰＣ６６と、を含んで構成されている。

画像処理ＰＣ６６は、撮像データＤＤに基づいて所定の画像処理を行い画像データＩＤを形成しそれを制御ユニット４０およびＭＨＤ３０に供給する。これにより、画像処理ＰＣ６６からの画像データＩＤに基づく画像が、ＭＨＤ３０の表示部３２に３Ｄ形式で表示される。

制御ユニット４０には、ＭＨＤ３０におけるジャイロセンサ３６からの手術者の頭部の上述した各方向の角速度ベクトルをあらわす信号群ＧＳ、手術者の頭部の上述した各方向の各地磁気センサ３４からの傾き角度をあらわす信号群ＥＭ、オンオフ切替用フットスイッチ５０からの保持アームユニット１０の動作停止命令をあらわす指令信号Ｃｆ、および、ズーム操作用フットスイッチ５２からの内視鏡２４の挿入部の体内への挿入量を所定量、増大させる命令をあらわす指令信号Ｃｚ１または内視鏡２４の挿入部の挿入量を所定量、減少させる命令をあらわす指令信号Ｃｚ２が供給される。

制御ユニット４０は、ベーンモータユニット１６、ベーンモータ２０、空気圧シリンダー１２および空気圧シリンダー１８の空気圧制御についてのプログラムデータ、画像処理ＰＣ６６からの画像データＩＤ、後述するドリフト補償用演算部４６の演算結果をあらわすデータ、速度制御用演算部４８の演算結果をあらわすデータ、地磁気センサ３４からのからの傾き角度をあらわす信号群ＥＭ等を格納する記憶部４０Ｍを備えている。

制御ユニット４０は、バルブユニットコントローラ５６の通信部５４と制御データＣＤについての送受信を双方向方式で行う通信部４２を有している。バルブユニットコントローラ５６は、上述の保持アームユニット１０におけるベーンモータユニット１６、ベーンモータ２０、空気圧シリンダー１２および空気圧シリンダー１８を制御すべく、制御ユニット４０からの制御データＣＤに基づいて制御信号ＤＭ１、ＤＭ２、ＤＣ１、および、ＤＣ２をそれぞれ、形成し、それらをバルブユニット５８に供給する。これにより、バルブユニット５８は、制御信号ＤＭ１、ＤＭ２、ＤＣ１、および、ＤＣ２に基づいて各バルブを制御し、空気供給源からの作動空気を保持アームユニット１０におけるベーンモータユニット１６、ベーンモータ２０、空気圧シリンダー１２および空気圧シリンダー１８に供給する。

なお、上述の例においては、バルブユニットコントローラ５６が設けられているが、斯かる例に限られることなく、例えば、バルブユニットコントローラ５６を用いることなく、制御ユニット４０とバルブユニット５８とが直接的に配線され、保持アームユニット１０が制御ユニット４０により制御されてもよいことは勿論である。

制御ユニット４０は、内視鏡２４の挿入部における患者の体内への挿入量および速度制御を行うとともに、内視鏡２４の撮像部の姿勢制御を行うように、保持アームユニット１０に動作を行わせるものとされる。また、制御ユニット４０は、ＭＨＤ３０におけるジャイロセンサ３６からの手術者の頭部の上述した各方向の角速度ベクトルをあらわす信号群ＧＳについてドリフト補償を所定のタイミングで行う。

制御ユニット４０における速度制御用演算部４８は、ＭＨＤ３０におけるズーム操作用フットスイッチ５２からの内視鏡２４の挿入部の体内への挿入量を所定量、増大させる命令をあらわす指令信号Ｃｚ１または内視鏡２４の挿入部の挿入量を所定量、減少させる命令をあらわす指令信号Ｃｚ２と、ＭＨＤ３０におけるジャイロセンサ３６からの手術者の頭部の上述した各方向の角速度ベクトルをあらわす信号群ＧＳに基づいて内視鏡２４の撮像部の目標速度値Ｐ_ｒｅｆオーバードットを設定する。制御データ形成部４４は、目標速度値Ｐ_ｒｅｆオーバードットに基づいて内視鏡２４の撮像部がその目標速度値に追従するように、保持アームユニット１０の空気圧シリンダー１２、１８、および、ベーンモータ１６に動作を行わせるべく、制御データＣＤを形成しそれを通信部４２に供給する。

速度制御用演算部４８は、数１に示される各演算ステップに従い後述する演算式により演算を行う。

速度制御用演算部４８は、先ず、ジャイロスコープ３６からの角速度ベクトルをあらわす信号群ＧＳに基づいて角速度指令ベクトルω_ｃｍｄを次式により算出する。

なお、Ｋｒは、後述する行列であらわされる速度ゲインをあらわし、ωｓは、下記の角速度ベクトルをあらわす。ωｓは、ジャイロスコープから得られた頭部の角速度ベクトルであり、この角速度ベクトルがドリフト補償（後述する）されたときはドリフト補償後の角速度ベクトルである。

ここで、座標系は、頭部に固定された座標系を用いる。図２に示す手術者ＯＰの首の中心軸をｙ軸とし、手術者ＯＰの左右方向をｘ軸とし、手術者ＯＰの前後方向をｚ軸とする。

また、角速度に定数Ｋｒをかけることで動きの感度をユーザの好みに合わせて設定することができる。この定数Ｋｒは、各方向ごとに異なる値を設定することができる。なお、Ｋｒは、関数でもよい。

次に、速度制御用演算部４８は、角速度指令ベクトルω_ｃｍｄをリミッタにより所定の制限値ω_ｌｉｍに設定する。即ち、角速度指令ベクトルω_ｃｍｄが制限値ω_ｌｉｍよりも超える場合、角速度指令ベクトルω´ｃｍｄを制限値ω_ｌｉｍに設定され、角速度指令ベクトルω_ｃｍｄが制限値ω_ｌｉｍ以下の場合、角速度指令ベクトルω´ｃｍｄが、その角速度指令ベクトルω_ｃｍｄに設定される。これは、保持アームユニット１０の動作が過剰な速度で動作し、撮像部により内臓を傷めないようにするためである。なお、角速度指令ベクトルω´ｃｍｄの値のデータは、記憶部４０Ｍに格納される。

続いて、速度制御用演算部４８は、次式に従い角速度指令ベクトルω´ｃｍｄを変換行列Ｔで保持アームのローカル座標（Ｌｘ，Ｌｙ，Ｌｚ）（図３参照）に変換し、さらに行列Ｒを乗算して、内視鏡２４の先端部における直交座標系（Ｃｘ，Ｃｙ，Ｃｚ）（図３参照）の角速度指令ベクトルω´´ｃｍｄを求める。直交座標系において座標軸Ｃｚは、内視鏡２４の挿入部の中心軸線に沿って、即ち、内視鏡２４の撮像部の進行方向または後退方向に沿ってとられている。

行列Rは、内視鏡２４の姿勢を表し、保持アームユニット１０の関節変位ｑ（図３におけるｑ１、ｑ２、ｑ４参照）から順運動学演算によって逐次得られる。ここで、Eは回転行列を表す。

これにより、ＭＨＤ３０における表示部の画面内の上下左右方向と手術者の頭部の上下左右が常に一致することとなる。即ち、ＭＨＤ３０における頭部に固定された座標系と内視鏡先端に固定された座標系が一致することとなる。従って、ＭＨＤ３０における表示部に表示される画像が、手術者の頭部の動きに追従することとなる。

なお、上述の例においては、角速度指令ベクトルω´ｃｍｄを変換行列Ｔで保持アームのローカル座標（Ｌｘ，Ｌｙ，Ｌｚ）に変換し、さらに行列Ｒを乗算して、内視鏡２４の先端部における直交座標系（Ｃｘ，Ｃｙ，Ｃｚ）の角速度指令ベクトルω´´ｃｍｄを求めていたが、斯かる例に限られることはない。保持アームのローカル座標（Ｌｘ，Ｌｙ，Ｌｚ）から、内視鏡２４の先端部における直交座標系（Ｃｘ，Ｃｙ，Ｃｚ）への変換を省略することもできる。例えば、ＭＨＤ３０における表示部に表示される画像を外部のＣＲＴ画像として見る場合などで、このＣＲＴ画像とＣＴ画像との重ね合わせができるようにするために、保持アームのローカル座標（Ｌｘ，Ｌｙ，Ｌｚ）から、内視鏡２４の先端部における直交座標系（Ｃｘ，Ｃｙ，Ｃｚ）への変換を省略することもできる。

続いて、速度制御用演算部４８は、次式に従い角速度指令ベクトルω´´ｃｍｄを内視鏡２４の先端（撮像部）の目標速度ベクトルＶｘｙに変換する。即ち、角速度指令ベクトルは、保持アームユニット１０の回転中心ＧＰから内視鏡の先端までのベクトルｌ_３と外積をとることで直交座標系（Ｃｘ，Ｃｙ，Ｃｚ）における内視鏡の先端の目標速度の上下、左右方向の成分Ｖｘｙに変換される。

続いて、速度制御用演算部４８は、内視鏡の撮像部における体内への挿入量に応じて撮像部の速度を変更可能とするように調節するために目標速度ベクトルＶｘｙに対し演算を次式により行う。これにより、内視鏡の撮像部における体内への進行方向の挿入量が増大するとき、内視鏡の撮像部の目標速度ベクトルV´ｘｙが大となり、一方、内視鏡の撮像部における挿入量が減少するとき、即ち、内視鏡の撮像部が体内から引き抜かれるとき、内視鏡の撮像部の目標速度ベクトルV´ｘｙが小となる。

内視鏡の先端の挿入量をあらわすｑ３（図３参照）に依存した係数ｒ_ｘｙを上式のようにそれぞれのＶｘｙの値に乗算することで、画面の移動量の挿入度に対する依存度が調節される。これにより、頭の回転による視界の移動量を調節できる。例えば、頭を回転させたときの注視対象物の画面上での移動量を、ズーム位置によらずほぼ一定にすることなどができる。そのため操作の直感性が向上する。

ここで、ｒ_ｘｙは、定数であり、Ｖｘｙの値の正負が反転しない範囲で設定される。但し、ｑ３は、中間位置から内視鏡を挿入する方向を正、引き抜く方向を負とする。図３におけるｑ３の可動範囲の中央を中間位置とし、中間位置を０にとっている。なお、ｒ_ｘｙは、関数でもよい。

また、速度制御用演算部４８は、次式に従いズーム操作用フットスイッチ５２からの指令信号Ｃｚ１およびＣｚ２があらわす変数ｄに基づいて内視鏡２４の撮像部におけるＣｚ座標軸（図３参照）に沿った目標速度ベクトルＶｚを算出する。なお、変数ｄは、指令信号Ｃｚ１のみがあったときは１であり、指令信号Ｃｚ２のみがあったときは−１であり、指令信号Ｃｚ１およびＣｚ２の双方ともないときは０である。

但し、Ｋｚは、ユーザが設定したゲインをあらわす。ｄが１の場合、ズームインをあらわし、ｄが−１の場合、ズームアウトをあらわす。ｄが０の場合、不変をあらわす。

次に、速度制御用演算部４８は、目標速度指令ベクトルＶｚをリミッタにより所定の制限値V_ｚｌｉｍに設定する。即ち、目標速度指令ベクトルＶｚが制限値V_ｚｌｉｍよりも超える場合、目標速度指令ベクトルＶ´ｚが制限値Ｖ_ｚｌｉｍに設定され、目標速度指令ベクトルＶｚが制限値Ｖ_ｚｌｉｍ以下の場合、目標速度指令ベクトルＶ´ｚが、その目標速度指令ベクトルＶｚに設定される。これは、保持アームユニット１０の動作が過剰な速度で動作しないようにするためである。保持アームユニット１０の動作が過剰な速度とならないように抑制することにより、内視鏡がぶつかって内臓を傷めないよう安全性を図ることができる。

続いて、速度制御用演算部４８は、得られた目標速度指令ベクトルＶ´ｚを、次式に従い内視鏡２４の先端（撮像部）の目標速度ベクトルＶ´´ｚに変換する。これにより、頭の前後の動きと内視鏡の前後の動きを一致させることができる。

但し、行列Ｒおよび変換行列Ｔは、上述の式と同様である。

速度制御用演算部４８は、内視鏡の撮像部における体内への挿入量に応じて撮像部の速度を変更可能とするように調節するために目標速度ベクトルＶ´´ｚに対し演算を次式により行う。

上下左右の動作(保持アームユニット１０の回転ｑ１ 、ｑ２の動き)（図３参照） については、ズームインした場合（深く挿入した場合）には拡大され、ズームアウトした場合は縮小される。前後の動き（保持アームの内視鏡挿入ｑ３の動き)は、その逆のふるまいとなる。これにより、ズームしたときの注視対象物の画面上での拡大量を、ズーム位置によらずほぼ一定にすることができる。また、深く挿入している時のズーム移動量が小さくなるので、内視鏡と臓器の予期せぬ接触を避けることができる。
なお、ｒ_ｚは、定数であっても、関数であってもよい。

そして、速度制御用演算部４８は、次式に従い上下左右方向と前後方向の速度成分を加算し、最終的な内視鏡の先端（撮像部）の目標速度値Ｐ_ｒｅｆオーバードットとする。

なお、上述の例においては、手術者の頭部の回転速度のうちロール成分（首を傾げる動作）は、上述の角速度指令ベクトルω´ｃｍｄのロール成分を、直接、内視鏡のロールｑ４の目標速度として与えられているが、斯かる例に限られることない。また、この動作は無効にしてもよい。

上述した説明では、前後方向の指令はフットスイッチによって行ったが、この方法に限定されるものではない。この他の方法としては、加速度センサ、オプティカルフロー、眉間付近の皮膚変位または筋電位計測などによる前後方向指令値の生成がある。

オンオフ切替用フットスイッチ５０を使用することにより発生する効果は、つぎのようなものがある。内視鏡を動作させたくないときにはスイッチをオフにしておけば、頭を自由に動かすことができる。また、例えば、スイッチをオンにして内視鏡を右に動かす際、自分の頭が右の可動限界に達した場合でも、スイッチをオフにして頭を左に戻してからスイッチをオンにすることで、さらに内視鏡を右に動かすことができる。また、スイッチをオンにしない限り内視鏡が頭の動きに連動することはないので、予期せぬ動作を避けることができる。

さらに、制御ユニット４０のドリフト補償用演算部４６は、例えば、マイクロコンピュータにより構成されるが、斯かるマイクロコンピュータが実行するプログラムを図５に示されるフローチャートを参照して説明する。

図５において、スタート後、ステップＳ１において、オフセット値を所定の値ＡＤＶに設定し、ステップＳ２において、ＭＨＤ３０におけるジャイロセンサ３６からの手術者の頭部の上述した各方向の角速度ベクトルをあらわす信号群ＧＳ、手術者の頭部の上述した各方向の各地磁気センサ３４からの傾き角度をあらわす信号群ＥＭを取り込み、続くステップＳ３において信号群ＥＭに基づいて微分演算を行い、角速度を得てステップＳ４に進む。ステップＳ４において、得られた角速度の絶対値｜Ｄｗ｜が所定の閾値Dα以下であるか否かを判断する。即ち、ドリフト補償用演算部４６は、ＭＨＤ３０が静止状態であるか否かを判断する。

ステップＳ４において、得られた角速度の絶対値｜Ｄｗ｜が所定の閾値Dα以下でない場合、即ち、ＭＨＤ３０が静止状態でない場合、続くステップＳ５において、後述する積分値ＧＩＶを零に設定し、ステップＳ６に進み、静止カウンタのカウント値ＣＮを零に設定し、続くステップＳ７において、静止カウンタのカウント値ＣＮが所定の計測時間に対応する閾値Ｔ以上であるか否かを判断する。

ステップＳ７において静止カウンタのカウント値ＣＮが閾値Ｔ未満であると判断された場合、ステップＳ８に進み、ジャイロセンサ３６からの信号群ＧＳに基づく角速度ベクトルωｓからオフセット値としての所定の値ＡＤＶを引き算し、ステップＳ９に進み、フィルタ処理プログラムを実行し、続くステップＳ１０において角速度ベクトルωｓを速度制御用演算部４８に送出し、続くステップＳ１１に進む。ステップＳ１１において、終了フラグが設定されているか否かを判断し、終了フラグが設定されている場合、プログラムを終了し、終了フラグが設定されていない場合、ステップＳ２に戻る。そして、ステップ２において上述と同様に実行しそれ以降のステップも同様に実行する。

また、ステップＳ４において、得られた角速度の絶対値｜Ｄｗ｜が所定の閾値Ｄα以下である場合、即ち、ＭＨＤ３０が静止状態である場合、ステップＳ１２に進み、信号群ＧＳに基づき角速度ベクトルωｓを積分し積分値ＧＩＶを算出し、続くステップＳ１３において静止カウンタのカウント値ＣＮをインクリメントし、ステップＳ７に進み、それ以降の各ステップを上述と同様に実行する。

さらに、ステップＳ７において、静止カウンタのカウント値ＣＮが閾値Ｔ以上であると判断された場合、ステップＳ１４に進み、積分値ＧＩＶをカウント値ＣＮで割ることにより平均値ＡＤＶを算出した後、記憶し、続くステップＳ８に進み、更新された値ＡＤＶを引き算する。それ以降の各ステップを上述と同様に実行する。

従って、制御ユニット４０のドリフト補償用演算部４６により、ジャイロセンサ３６からの信号群ＧＳに起因したゼロ点ドリフトの問題が解消される。従って、ＭＨＤ３０の表示部３２に表示される画像は、頭部が停止状態であっても動くということがなくなり、また、頭部の右回旋および左回旋により、画像の移動速度（角速度）が異なるといった事態が解消される。さらに、ＭＨＤ３０のより正確な位置情報を得ることができるので手術の安全性を高めることとなる。

図４は、ドリフト補償用演算部４６によってジャイロセンサ３６からの信号群ＧＳに基づく角速度の出力値についてドリフト補償演算がなされた場合の効果をあらわす特性線を示す。図４において、縦軸に角速度をとり、横軸に時間をとって示されており、特性線Ｌ１が、ドリフト補償演算がなされた場合を示し、特性線Ｌ２が、ドリフト補償演算が行われていない場合を示す。

図４の特性線Ｌ１において、特性線Ｌ２に比して３８秒近傍において明らかなように、角速度が確実に零近傍に収斂している。

なお、数８に示した演算方法に限定されるものではない。例えば、以下に示すいずれかの演算方法が採用できる。このほか、Ｖｘｙにかかる係数としては、 ｑ３が０のとき１であり、かつｑ３に対して単調増加するものを採用できる。

また、数１１に示した演算方法に限定されるものではない。例えば、以下に示すいずれかの演算方法が採用できる。このほか、Ｖ´´ｚにかかる係数としては、 ｑ３が０のとき１であり、かつｑ３に対して単調増加するものを採用できる。

また、内視鏡部内の撮像部のカメラ情報から、内視鏡部の先端部の移動速度を制御することができる。ここで、内視鏡部内の撮像部のカメラ情報は、カメラのズーム倍率である。

速度制御用演算部４８は、カメラのズーム倍率に応じて撮像部の速度を変更可能とするように調節するために目標速度ベクトルＶｘｙに対し演算を行う。これにより、頭の回転による視界の移動量を調節できる。そのため操作の直感性が向上する。

また、速度制御用演算部４８は、カメラのズーム倍率に応じて撮像部の速度を変更可能とするように調節するために目標速度ベクトルＶ´´ｚに対し演算を行う。この演算により、内視鏡の前後移動による視界の移動量を調節できる。そのため操作の直感性が向上する。

また、上述の例において、万一、内視鏡２４の撮像部が体内の臓器に接触した場合、安全性の観点からＨＭＤ３０で手術者に知らせるとともに、本システムを自動停止させるように構成されてもよい。

また、上述した説明では、頭部に固定された座標系から保持アームのローカル座標に変換したが、この方法に限定されるわけではない。座標系の取り方は任意なので、例えば頭の前後方向をｙ軸、上下方向をｚ軸に設定してもよい。また、座標変換を経ずにｑ４の計算と同様に、頭の角速度から直接ｑ１、ｑ２を算出してもよい。

したがって、本発明の一例においては、以下のような効果を奏する。
１．空気圧シリンダーなどの空気圧アクチュエータの駆動によって、受動的な柔らかさを実現し、過度な駆動力を生じない。また、柔らかさは、圧力の調整によって容易に実現できる。
２．内視鏡の一部が万一臓器等に接触した場合、接触力を空気圧アクチュエータの差圧から推定有することも可能である。
３．腹壁の挿入点が機構的に不動点となるように設計されている。スライダクランク機構によって空気圧シリンダーの直動運動を回転に変換し、上下方向の動作を実現し、左右、回転は、空気圧揺動アクチュエータで実現している。前後方向の動作は空気圧シリンダーの直動を用いて、合計４ 自由度を実現できる。

なお、本発明は上述の発明を実施するための形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０ 保持アームユニット
２４ 内視鏡
３０ ＭＨＤ
３４ 地磁気センサ
３６ ジャイロセンサ
４０ 制御ユニット
４６ ドリフト補償用演算部
４８ 速度制御用演算部
５２ ズーム操作用フットスイッチ
６０ 内視鏡制御システム

Claims (8)

1. 往復動および自転可能に支持され、その姿勢情報を送出可能な保持アームユニット部と、前記保持アームユニットに支持され、先端部に撮像部を有する内視鏡部と、前記内視鏡部の画像撮像部からの画像信号に基づくヘッドマウントディスプレイにより画像を表示する表示部と、操作者の姿勢状態を検出するセンサからなる姿勢検出部と、フットスイッチとから構成される内視鏡操作システムにおいて、
   前記姿勢検出部からの姿勢の動き情報と、前記保持アームユニットの姿勢情報と、前記内視鏡部内の撮像部のカメラ情報とから、前記内視鏡部の先端部の移動方向および速度を制御することを特徴とする内視鏡操作システム。
2. 前記操作者の姿勢状態を検出する姿勢検出部は、ジャイロセンサからなり、検出出力に基づく角速度ベクトルを補償するドリフト補償用演算部をさらに備え、前記操作者の頭部の姿勢変位に基づく角速度を送出し、前記保持アームユニットの姿勢情報は、保持アームの位置情報を送出し、前記内視鏡部内の撮像部のカメラ情報は、カメラのズーム倍率を送出することを特徴とする請求項１記載の内視鏡操作システム。
3. 前記保持アームユニット、および、前記内視鏡部の駆動は、複数の空気圧式アクチュエータにより駆動されることを特徴とする請求項２記載の内視鏡操作システム。
4. 前記ジャイロセンサからの角速度ベクトルに、前記保持アームユニットの姿勢を表す行列と変換行列とを乗算した値と、撮像部からのカメラのズーム倍率とから前記内視鏡部の移動速度を演算処理する制御部を設けたことを特徴とする請求項２記載の内視鏡操作システム。
5. 前記移動速度を演算処理する制御部は、前記内視鏡部の撮像部の移動速度が所定値を超えない値に設定されることを特徴とする請求項４記載の内視鏡操作システム。
6. 前記移動速度を演算処理する制御部は、フットスイッチからの指令信号があらわす変数に基づいて内視鏡部の撮像部における目標速度ベクトルを算出することを特徴とする請求項５記載の内視鏡操作システム。
7. 前記制御部において、目標速度ベクトルが、内視鏡の先端の挿入量をあらわす係数に基づいて調整されることを特徴とする請求項４記載の内視鏡操作システム。
8. 前記制御部は、さらに、オンオフ切替用フットスイッチに接続されることを特徴とする請求項４記載の内視鏡操作システム。

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