JP2016002445A - 手術器具位置姿勢計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】慣性センサと変位計側センサを用い、手術器具の高精度な３次元位置姿勢計測を目的とする手術器具位置姿勢計測装置を提供する。
【解決手段】内視鏡下外科手術に用いられる中空管３に慣性センサ５と変位計測センサ６を組み込み、体内への刺入点４での拘束条件を用いて中空管を通して挿入された術具２の基準とする座標系に変換することにより、術具の位置姿勢を計算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内視鏡下外科手術に用いる手術器具の位置姿勢を計測する装置に関する。

手術ナビゲーションや手術ロボットの位置姿勢を計測する方法として、光学式位置計測装置（ＮＤＩ社，Ｐｏｌａｒｉｓ等）、磁気式位置計測装置（ＮＤＩ社，Ａｕｒｏｒａ等）、機械式位置計測装置（Ｍｉｔｓｕｔｏｙｏ社，ＳｐｉｎＡｒｍ−Ａｐｅｘ等）が用いられている。光学式位置計測装置は２台のカメラにより、画像から得られる視差情報を元にしてマーカーの３次元的な位置姿勢を計測する。磁気式位置計測装置は、人為的に発生させた磁場の中に計測用コイルを置き、そのコイルで発生する誘導起電力を計測することにより位置姿勢を計測する。機械式位置計測装置は、剛体で構成されたリンク間の角度をエンコーダ等により計測することにより位置姿勢を計測する。

一方で、航空宇宙および自動車の分野では慣性センサによる位置姿勢の推定も行われている。一般的な慣性センサは加速度センサ、ジャイロ（角速度）センサ、地磁気センサで構成されており、加速度を２回積分することにより位置を、角速度を積分することにより角度を、地磁気により基準となる方向を求めている。手術機器の分野では、慣性センサ単体ではなく、上記に挙げた位置計測装置等と情報を統合し、精度を向上する技術もある。

Ｒｅｎ，Ｈｏｎｇｌｉａｎｇ ａｎｄ Ｋａｚａｎｚｉｄｅｓ，Ｐｅｔｅｒ"Ｈｙｂｒｉｄ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｌａｐａｒｏｓｃｏｐｉｃ ｓｕｒｇｉｃａｌ ｔｏｏｌｓ：Ａ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｓｔｕｄｙ"Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ Ｓｏｃｉｅｔｙ，Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ，ｐｐ．５５８３−５５８６，２００９

従来の光学式位置計測装置では、計測装置から計測対象が見える位置になければ計測が行えない。そのため、術者や助手は絶えず計測装置とマーカーの位置を気にかけながら手術しなければならない。また、計測範囲も限られているため、計測装置の設置の自由度も低い。

磁気式位置計測装置では、磁性体や金属に大きく影響を受けて精度が大幅に低下する。通常、手術機器の多くは金属でできているため、実際の外科手術で磁気式位置計測装置を使用して術具の高精度な位置姿勢計測を行うことは難しい。また、計測範囲も限られているため、計測装置の設置の自由度も低い。

機械式位置計測装置では、リンク間の角度をエンコーダ等により計測するため、計測の自由度が低く、機器自体が大きくなる。また、計測範囲も限られているため、計測装置の設置の自由度も低い。

慣性センサを用いた位置姿勢の計測装置では、計測範囲等の制限はないが、位置を求めるためには積分を２回する必要があることから、実用的な位置計測精度に達しない。また、光学式、磁気式、機械式と組み合わせて使用する場合は、それぞれの計測手法が持つ課題は解決されない。

本発明は、上記の位置計測装置の課題を解決するものであり、光学的な障害物の影響を受けず、金属や磁性体の影響も受けず、通常使用されている手術器具内部に組み込めるほど小さく、計測範囲の制限が無い手術器具位置姿勢計測装置を提供する。

本発明は、体壁に開けられた穴より挿入して手術器具を体腔内に誘導するための中空管と、前記中空管に取り付けられた前記手術器具の挿入深さおよび回転角を計測する変位計測センサと、前記中空管または前記手術器具に取り付けられた前記中空管または前記手術器具の姿勢を計測する慣性センサと、前記変位計測センサおよび前記慣性センサの情報を処理して外部機器へ出力するための演算装置と、前記演算装置から出力される情報を取得および処理する外部演算装置と、前記変位計測センサおよび前記慣性センサの情報を基に前記演算装置を用いて前記手術器具の３次元位置姿勢を計算するためのソフトウェアと、を具備することを特徴とする手術器具位置姿勢計測装置である。

ここで中空管とは一般的に内視鏡外科手術に用いられるトロッカー等を指す。慣性センサは、少なくとも加速度センサおよびジャイロセンサの両方を有し、それらに加えて地磁気センサを有するものでもよい。変位計側センサは２つの物体の相対的な２次元変位を計測するものである。情報処理装置および外部情報処理装置には一般的なマイクロコンピュータ等が使用できる。

中空管を通して挿入された手術器具の運動は、体壁の刺入点における回転の３自由度と挿入方向の並進１自由度の計４自由度に拘束される。この拘束条件の下で、手術器具に取り付けられた慣性センサにより回転の３自由度を、中空管に取り付けられた変位計測センサにより並進の１自由度を計測することにより、手術器具の加速度を２回積分することを避け、高精度な位置姿勢の計測を可能にする。

また、中空管に慣性センサが取り付けられた場合は、並進と挿入軸回りの２自由度を変位計測センサで、残りの回転２自由度を慣性センサで計測することにより、同様に加速度を２回積分することを避け、高精度な手術器具の位置姿勢の計測を可能にする。

本発明は慣性センサと変位計測センサを用いた位置計測手法であるため、光学的な障害物や磁性体の影響を受けない。また、基準となる位置から機械的に連結された装置ではないため、設置の自由度が高く、計測範囲の制限が無い。さらに、体壁の刺入点での拘束条件を用いた計算手法により、加速度を２回積分することを避けて位置姿勢の計算が可能となり、従来の慣性センサのみを用いた位置姿勢計測装置よりも高精度の計測を可能にする。

図１を用いて本発明の第１の実施形態を説明する。図１の中空管３には変位計側センサ６および慣性センサ５が固定されている。また、手術器具２と中空管３の間のがたつきを無くすためのガイド位置調節機構１０ａ，１０ｂと、中空管３の姿勢と手術器具２の挿入方向を一致させるためのガイド機構９ａ，９ｂが設けられている。

変位計測センサ６は、光学式マウスに使用されている変位センサ、各種磁気式または光学式エンコーダ等、直行する２方向の変位を計測できる手段であれば任意のものを使用できる。変位計測センサ６によって適切に計測が可能となるように、変位計測センサ位置調節機構８によって調節することもできる。

変位計測センサ６の持つ座標系の座標軸のいずれかが手術器具２の挿入方向と一致するように固定されているため、中空管３に手術器具２が挿入されると、変位計測センサ６によって手術器具２の挿入深さが計測可能となる。また、挿入軸回りの回転角は、挿入方向と直行する軸の変位を挿入された手術器具２の半径で割るなどして求められる。

慣性センサ５は中空管３に対して任意の姿勢で固定されているため、手術器具２の挿入方向と慣性センサ５の座標系は必ずしも一致しない。そこで、慣性センサ５の座標系から見た時の手術器具２の挿入方向を知るため、装置作成時にキャリブレーションを行う。

キャリブレーションはまず中空管３に手術器具２を挿入した状態で手術器具２を固定し、その状態での姿勢を慣性センサ５により計測する。次に、手術器具２を固定した状態で中空管３を任意の角度だけ回転させ、その状態の姿勢を慣性センサ５により計測する。この２つの姿勢間の回転行列を計算し、その回転行列の固有ベクトルを計算すれば、その固有ベクトルは手術器具２の挿入方向と平行な単位ベクトルとなる。

上記キャリブレーションにより求めた手術器具２の挿入方向のベクトルと、慣性センサ５によって求まる重力方向のベクトルの外積を計算することによって、手術器具２の挿入方向と重力方向の両方に垂直なベクトルが求まる。さらに、このベクトルと手術器具２の挿入方向のベクトルの外積を計算することによって、中空管３の姿勢を規定する座標系が定義でき、各軸を表す単位ベクトルを並べたものは慣性センサ５の座標系から中空管３の座標系への回転行列となる。この中空管３の座標系への変換は、計測開始時の姿勢をもとに計算される。

以上に示したように、変位計測センサ６から挿入深さと手術器具２の回転角が、慣性センサ５から中空管３の姿勢が計測される。ガイドにより中空管３の姿勢と手術器具２の挿入方向は平行になるように拘束されていることから、手術器具２の挿入方向回りの回転を除き、中空管３の姿勢と手術器具２の姿勢は一致することとなる。

ここで、体壁１に刺入された中空管３は、刺入点４を回転中心とする３自由度に拘束されている。この拘束条件を用いることにより、挿入深さだけオフセットした後に中空管３の姿勢を表す回転行列を乗算すれば、手術器具２先端の位置と姿勢が計測可能となる。

ただし挿入軸回りの回転は中空管３の姿勢を表す回転行列に含まれていないため、挿入時の回転角を０°として、そこからの相対角を計測し、回転行列の形にして乗算すれば、挿入軸回りの回転を含む手術器具２の位置姿勢が計測可能となる。

上記の処理を、情報処理装置７もしくは外部情報処理装置１３内で行う。処理は、情報処理装置７内で全て行っても、外部情報処理装置１３内で全て行ってもよく、また、処理の一部だけを情報処理装置７もしくは外部情報処理装置１３で行ってもよい。

次に、図２を用いて本発明の第２の実施形態を説明する。第２の実施形態では、慣性センサ５は手術器具２に取り付けられる。この場合も慣性センサ５は手術器具２に対して任意の姿勢で固定されるが、取り付け用の治具５ａにより、繰り返し着脱しても手術器具２との位置と姿勢は一意に決まるように固定される。

第１の実施形態と同様に、慣性センサ５の座標系から見た時の手術器具２の挿入方向を知るため、装置作成時にキャリブレーションを行う。Ｖ字ブロック上に手術器具２を置き、そのときの姿勢情報を慣性センサ５から取得する。次に手術器具２を挿入軸回りに任意の角度だけ回転させ、再び姿勢情報を取得する。この２つの姿勢間の回転行列を計算し、その回転行列の固有ベクトルを計算すれば、その固有ベクトルは手術器具２の挿入方向と平行な単位ベクトルとなる。

次に、残りの２つの座標軸を設定したい方向とＶ字ブロックの底面とが平行となるように手術器具２を置き、その際の姿勢情報を慣性センサ５から取得する。次に、Ｖ字ブロックと手術器具２が相対的に動かないように固定しながら、平らな面上でＶ字ブロックごと手術器具２を任意の角度だけ回転させ、再び姿勢情報を取得する。

この２つの姿勢間の回転行列を計算し、その回転行列の固有ベクトルを計算すれば、その固有ベクトルは設定したい手術器具２の座標軸と平行になる。さらに先ほど求めた挿入方向のベクトルと外積を計算することにより、残りの１軸の方向が算出できる。各軸を表す単位ベクトルを並べたものは慣性センサ５の座標系から手術器具２の座標系への回転行列となる。

変位計側センサ６を含む中空管３の構造は第一の実施形態と同様である。第二の実施形態では、変移計測センサ６は挿入深さの計測のみに使用される。

以上の計測により、手術器具２の姿勢と挿入深さが計測された。ここで、体壁１に刺入された中空管３は、刺入点４を回転中心とする３自由度に拘束されている。この拘束条件を用いることにより、挿入深さ分だけオフセットさせた後に慣性センサ５によって求めた回転行列を乗算することにより、手術器具２先端の位置姿勢に変換することが可能となる。

上記の処理を、情報処理装置７もしくは外部情報処理装置１３内で行う。処理は、情報処理装置７内で全て行っても、外部情報処理装置１３内で全て行ってもよく、また、処理の一部だけを情報処理装置 ７もしくは外部情報処理装置１３で行ってもよい。

第３および第４の実施形態を図３および図４を用いて説明する。第３の実施形態は、第１の実施形態の、第４の実施形態は第２の実施形態の情報伝送を無線で行うものである。第１または第２の実施形態で使用する装置に加え、情報処理装置７と外部情報処理装置１３の間の情報伝送を行うための無線伝送装置１１ａ，１１ｂが組み込まれる。無線伝送装置１１ａ，１１ｂはｂｌｏｏｔｏｏｔｈ，ｗｉｆｉ等、いかなる無線通信の手段であってもよく、情報処理装置７内部に組み込まれてもよい。また、慣性センサ５、変位計測センサ６、情報処理装置７、無線伝送装置１１ａに電力を供給するためのバッテリー１２を含む。その他の構成、処理方法については第１または第２の実施形態と同等のため省略する。

なお、図４では慣性センサ５と情報処理装置７は有線で接続されているが、慣性センサ５を駆動するためのバッテリーと情報を無線で伝送するための無線伝送ユニットを別途設けることも可能である。

本発明の第１の実施形態でのシステム構成を表す図。 本発明の第２の実施形態でのシステム構成を表す図。 本発明の第３の実施形態でのシステム構成を表す図。 本発明の第４の実施形態でのシステム構成を表す図。

１ 体壁
２ 手術器具
３ 中空管
４ 刺入点
５ 慣性センサ
６ 変位計測センサ
７ 情報処理装置
８ 変位計測センサ位置調節機構
９ａ，９ｂ ガイド機構
１０ａ，１０ｂ ガイド位置調節機構
１１ａ，１１ｂ 無線伝送装置
１２ バッテリー
１３ 外部情報処理装置

Claims (7)

1. 内視鏡外科手術に使用される手術器具の３次元位置姿勢を計測する装置において、
   体壁に開けられた穴より挿入して手術器具を体腔内に誘導するための中空管と、
   前記中空管に取り付けられた前記手術器具の挿入深さおよび回転角を計測する変位計測センサと、
   前記中空管に取り付けられた前記中空管の姿勢を計測する慣性センサと、
   前記変位計測センサおよび前記慣性センサの情報を処理して外部機器へ出力するための演算装置と、
   前記演算装置から出力される情報を取得および処理する外部演算装置と、
   前記変位計測センサおよび前記慣性センサの情報を基に前記演算装置を用いて前記手術器具の３次元位置姿勢を計算するためのソフトウェアと、
   を具備することを特徴とする手術器具位置姿勢計測装置。
2. 内視鏡外科手術に使用される手術器具の３次元位置姿勢を計測する装置において、
   体壁に開けられた穴より挿入して手術器具を体腔内に誘導するための中空管と、
   前記中空管に取り付けられた前記手術器具の挿入深さを計測する変位計測センサと、
   前記手術器具に取り付けられた前記手術器具の姿勢を計測する慣性センサと、
   前記変位計測センサおよび前記慣性センサの情報を処理して外部機器へ出力するための演算装置と、
   前記演算装置から出力される情報を取得および処理する外部演算装置と、
   前記変位計測センサおよび前記慣性センサの情報を基に前記手術器具の３次元位置姿勢を計算するためのソフトウェアと、
   を具備することを特徴とする手術器具位置姿勢計測装置。
3. 請求項２に記載の慣性センサは、着脱を繰り返した際にも前記慣性センサと前記手術器具の取り付け姿勢および位置を一致させるための、前記手術器具の特徴的構造に合致する前記慣性センサを覆う剛体を具備すること、
   を特徴とする誇求項２に記載の手術器具位置姿勢計測装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の手術器具位置姿勢計測装置において、
   前記変位センサ、前記慣性センサ、前記演算装置のうち少なくともいずれか一つの電力をまかなうための電力源と、
   前記変位センサまたは前記慣性センサの少なくともいずれかの情報を無線で伝送するための無線伝送装置と、
   を具備することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の手術器具位置姿勢計測装置。
5. 前記中空管は、挿入された前記手術器具の太さが異なっても前記変位計測センサによって計測が可能となるように、前記変位計測センサと前記手術器具の相対位置を調節する機構と、
   さらに挿入された前記手術器具の姿勢と前記中空管の姿勢が一致するようにガイド機構と、
   を具備することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の手術器具位置姿勢計測装置。
6. 前記ソフトウェアは、前記中空管が体壁の刺入点で回転中心となる運動に拘束されることを利用し、加速度を２回積分することなく前記変位計側センサおよび前記慣性センサの情報から前記手術器具の３次元位置姿勢を計算する、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の手術器具位置姿勢計測装置。
7. 前記ソフトウェアは、少なくともその処理の一部を前記演算装置または前記外部演算装置のいずれかで行う、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の手術器具位置姿勢計測装置。

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