JP2017021388A - 手術シミュレータ用鉗子 - Google Patents

Abstract

【課題】コンピュータグラフィックスによる内視鏡手術シミュレーションにおける模擬術具である鉗子の回転による反力を簡単で小型・軽量な機構により実現し、違和感なく手術シミュレーションを提示する。【解決手段】長尺状の筒状部材の内部にその長さ方向に移動可能に内部部材を配置する。筒状部材後端に内部部材と連結した移動駆動力伝達手段を配置し、内部部材を筒状部材内の長さ方向に移動する。把持機構は、接触部材を筒状部材の中間部の対する両側面に接触可能にし、手術シミュレーションにおける鉗子の回転の状況に応じて当該接触部材の接触力を制御して鉗子の回転反力を模擬する。【選択図】 図４

Description

本発明は、手術をする事前訓練のための手術シミュレーションに用いる鉗子に関するものである。

医療技術と医療機器の進歩により、腹部手術の多くが腹腔鏡下に行われるようになってきた。腹腔鏡下手術は、３次元のものを２次元の画像表示装置を見ながら操作するので、その習得にはトレーニングが不可欠である。
近年、医療関係者が行う手術の訓練のために、仮想現実技術を用いた訓練装置が用いられる。この装置は、臓器、血管、リンパ管等をモデルデータとして構成し、仮想現実として表現した臓器、血管、リンパ管等を表示装置に表示できるようにし、表示装置に映し出された施術部分を見ながら模擬術具を用いて、模擬術具の操作移動に応じて臓器、血管、リンパ管等の移動変化の表示をバーチャルリアリティとして体験訓練できる装置である。
内視鏡下手術を行う場合、模擬患者の体表に穴を設置し、内視鏡・術具を、そこから挿入する。術具には、鉗子があり、操作者の操作に応じてその位置が移動変化するとともに先端が臓器に接触して挟むようにし、牽引したり圧迫したりするため、先端を例えば開閉する機構を有する。

内視鏡手術での鉗子操作は、微細な感覚によるところが大きいが、手術訓練シミュレータで、把持・開閉操作での把持対象の臓器に応じた反力を提示するものは存在しない。これは、術具（鉗子）の３次元空間上での移動に加え、把持の力覚を提示するための機構を術具に持たせるためには、小型・軽量でないと、実際の手術操作との間に生じる違和感が大きくなるためである。

特開２０１１−１３３８３０号公報

解決しようとする問題点は、コンピュータグラフィックスによる内視鏡手術シミュレーションにおける模擬術具である鉗子の回転による反力を簡単で小型・軽量な機構により実現し、違和感なく手術シミュレーションを提示することである。

請求項１に係る手術シミュレータに用いる鉗子は、コンピュータ制御による手術シミュレータに用いる鉗子であって、長尺状の筒状部材と、前記筒状部材の内部にその長さ方向に移動可能に配置した内部部材と、前記筒状部材後端に前記内部部材と連結して内部部材を筒状部材内の長さ方向に移動する移動駆動力伝達手段と、前記筒状部材の中間部の対する両側面に接触可能に接触部材を配置し、手術シミュレーションにおける鉗子の回転の状況に応じて当該接触部材の接触力を制御して鉗子の回転反力を模擬する把持機構と、を有することを特徴とするものである。

請求項１に係る手術シミュレータに用いる鉗子によると、筒状部材を回転させると、把持機構は、回転による反力を模擬するために、筒状部材の外面に接触する接触力を制御し、筒状部材の回転を制御することで、鉗子の回転による反力を模擬することができる。

模擬術具の一実施例を示した説明図である。 シミュレータの機能ブロック図である。 模擬術具の一例を説明する図である。 回転に対する反力を提示する模擬術具の一例を説明する図である。

鉗子の回転反力の感覚を与えるため、筒状部材の側面に前記把持機構とは異なる把持機構の接触部材により、鉗子の回転移動を制御するように制限制御するようにし、これらをコンピュータで構成するシミュレータで制御することで、簡単で小型・軽量な機構により実現した。

図１は、本発明の術具の一実施例の構成図であって、術具として鉗子を一例にして説明する。１０１は鉗子の主要部分を構成する長尺状の筒状部材、１０２は前記筒状部材１０１の内部にその長さ方向に移動可能に配置した内部部材として金属棒で形成したロッド、１０２ａは係止部材、１０３は模擬する鉗子の把持感覚を実現する第１の把持機構、１０４は移動駆動力伝達手段としてのハンドル、１０４ａはハンドル桿、１０４ｂは案内部材、１０４ｃは軸、１０５は前記筒状部材１０１の中間部の対する両側面に形成した開口部、１０６は前記開口部１０５を通して前記ロッド１０２の両側面に接触可能に配置し第１の把持機構１０３を構成する接触部材、１０７は第１の把持機構１０３を構成し前記接触部材１０６を開閉制御するネジ、１０８は第１の把持機構１０３を構成し模擬する鉗子の把持の状況に応じて前記ネジ１０７に回転力を与える傘歯車、１０９は第１の把持機構１０３を構成し前記傘歯車１０８を駆動するモータ、モータ１０９は図示しない手術シミュレータにより制御される。第１の把持機構１０３の要部を図１（ｂ）に示す。
係止部材１０２ａはロッド１０２の端部に形成され例えばピン状に形成する。ハンドル１０４は、ハンドル桿１０４ａと、案内部材１０４ｂと、軸１０４ｃとを備える。案内部材１０４ｂは細長く変形され内部が空間部を有する長円状に形成され、長尺のハンドル桿１０４ａを介してハンドル１０４に固着されるとともに、ハンドル桿１０４ａの１箇所が軸１０４ｃを介して模擬術具本体例えば筒状部材１０１が延長した部材に取り付けられる。案内部材１０４ｂの長円状の内部空間部には前記ロッド１０２の係止部材１０２ａが配置され、ハンドル１０４とロッド１０２とが連結される。ハンドル１０４の操作により、係止部材１０２ａは案内部材１０４ｂの長円状の内部空間部を形成する側面を摺動移動することができる。図１（ｃ）にハンドル１０４を軸１０４ｃ中心に回転させるように操作した状態を示す。
図２は、本発明に用いるシミュレータの機能ブロック図である。２０１は模擬術具、２０２は把持機構、２０３は術具位置姿勢機構であり、模擬術具２０１の位置姿勢を示す。２０４は把持機構２０２が模擬する鉗子の位置（開閉状態）を検出する第１の検出部、２０５は術具位置姿勢機構２０３を構成する各部分の位置を検出する第２の検出部、２０６は術具の操作に対する応答を計算するシミュレーション計算部、２０７は第１の検出部２０５と第２の検出部２０７との位置情報により手術模擬計算をする手術模擬計算部、２０８は手術模擬計算部２０７の計算に基づき、模擬手術の操作者が見ることができるように画像を生成計算する表示計算部、２０９は把持機構２０２が模擬する鉗子の把持反力を計算する把持力計算部、２１０は把持反力以外の模擬術具２０１への反力を計算する反力計算部、２１１は表示計算部２０８が生成した画像を表示する表示部、２１２は把持力計算部２０９の計算による把持力を発生するように把持機構２０２を制御する第１の制御部、２１３は反力計算部２１０の計算による反力を発生するように術具位置姿勢機構２０３を制御する第２の制御部である。

ロッド１０２の一端方向の部分には第１の把持機構１０３が設けてあり、他端にはハンドル１０４が連結されている。ハンドル１０４を駆動してロッド１０２を移動させたとき、一端方向の部分に第１の把持機構１０３が設けていることにより、実際のハンドル１０４の操作を模擬する。第１の把持機構１０３は臓器の一部を挟むような“開閉操作による感覚を模擬”するものであるが、実際の鉗子のように挟み状の形態を持つ必要はなく、挟み状形態物の開閉の感覚をロッド１０２を介してハンドル１０４に伝えるように模擬するものであればよい。ロッド１０２が移動可能として、ロッド１０２の一端は後述する円板３０１（図３）にユニバーサルジョイントで構成する第１の連結部材３０２により連結する。
筒状部材１０１はハンドル１０４とは反対方向の先端が術具位置姿勢機構２０３を介してシミュレータ装置の一部に連結される。術具位置姿勢機構２０３は、円板３０１、第１の連結部材３０２および３個の支持部材３０３，３０４，３０５で構成する。各支持部材３０３，３０４，３０５の各下方部分はモータ等の駆動装置を介してシミュレータ装置に設置され、各駆動装置の制御により円板３０１を所定の領域で自在に移動制御することができる。そして、鉗子本体を模擬する筒状部材１０１が円板３０１により移動が制御され、反力を受ける。

操作者は模擬術具を用いて、表示部２１１に表示されている手術状況に応じて、手術操作を行う。術具は手術操作によりその位置・姿勢を変化し、変化の状態は術具位置姿勢機構２０３の変化に現れ、その位置・姿勢変化を計測した第２の検出部２０５を介して手術模擬計算部２０７に送られ、表示計算部２０８でその変化が画像生成され、表示部２１１に表示される。
操作者が例えば、臓器として血管を鉗子により把持するとき、ハンドル１０４を握ると、ロッド１０２が引かれ移動する。ロッド１０２の移動量は第１の検出部２０４で検出される。第１の検出部２０４で検出された移動量は、前述の第２の検出部２０５からの術具の位置・姿勢の変化量とともに、手術模擬計算部２０７に取り込まれる。手術模擬計算部２０７は手術状況に応じた模擬計算をする。表示計算部２０８は、鉗子が血管を把持する状況の画像を生成し、表示部２１１に表示する。把持力計算部２０９は、把持物がない場合は少ない力で把持部が閉まり、把持部が血管にあたると把持を模擬して、血管の弾性に応じて、ハンドル１０４を握るときのロッド１０２の移動を接触部材１０６が制限するように第１の制御部２１２を制御する。操作者はハンドル１０４にかける力に抗してロッド１０２の移動が制限されることで血管を把持する感覚をハンドル１０４の操作を通じて体感することができる。ロッド１０２の移動の制限制御は接触部材１０６をモータ１０９の駆動により閉制御して行う。反力計算部２１０は、術具位置姿勢機構２０３の移動に応じて円板３０１を移動させ、支持部材３０３，３０４，３０５にフィードバックし、支持部材３０３，３０４，３０５を駆動して、円板３０１の位置・姿勢を制御して模擬術具２０１に反力に応じた力を発生させる。

図４は、第２の把持機構４０１を筒状部材１０１と円板３０１との間に介在させ、筒状部材１０１の長さ方向を軸とする回転に対する反力を提示する実施例を説明する図である。
図４において、４０１は第２の把持機構、４０２は搭載部材、４０３は筒状部材１０１の外側面に接触可能に配置し第２の把持機構４０１を構成する第２の接触部材、４０４は第２の把持機構４０１を構成し前記接触部材４０３を開閉制御するネジ、４０５は第２の把持機構４０１を構成し筒状部材１０１の長さ方向を軸とする回転操作の状況に応じて前記ネジ４０４に回転力を与える傘歯車、４０６は第２の把持機構４０１を構成し前記搭載部材４０２に搭載され前記傘歯車４０５を駆動するモータ、モータ４０６は図示しない手術シミュレータにより制御される。４０７は、前記搭載部材４０２を筒状部材１０１の周囲に回転可能にベアリングを内蔵して連結する第２の連結部材、４０８は、ユニバーサルジョイントで構成し、前記搭載部材４０２を円板３０１に連結する第３の連結部材である。したがって、図２における術具位置姿勢機構２０３は、実施例２において図４に示すように、円板３０１、第１の連結部材３０２、第３の連結部材４０８および３個の支持部材３０３，３０４，３０５で構成する。第２の把持機構４０１の要部を図４（ｂ）に示す。

操作者が例えば、臓器として血管を鉗子により把持して鉗子を回転すると、筒状部材１０１の回転量は第２の検出部２０５で検出される。第２の検出部２０５で検出された回転量は、前述の第１の検出部２０４からのロッド１０２の移動量とともに、手術模擬計算部２０７に取り込まれる。手術模擬計算部２０７は手術状況に応じた模擬計算をする。表示計算部２０８は、鉗子が血管を把持回転する状況の画像を生成し、表示部２１１に表示する。把持物がない場合は少ない力で把持部が閉まり、抵抗なく筒状部材１０１を第２の連結部材４０７により搭載部材４０２上を滑らかに回転することができる。把持力計算部２０９は、把持部が血管にあたると把持を模擬して、血管の弾性に応じて、ハンドル１０４を握るときのロッド１０２の移動を接触部材１０６が制限するように第１の制御部２１２を制御する。このとき、把持力計算部２０９は、筒状部材１０１を回転すると、血管の弾性に応じて、筒状部材１０１の回転を第２の接触部材４０３が制限するように第１の制御部を制御する。操作者はハンドル１０４にかける力に抗して鉗子の回転すなわち筒状部材１０１の回転が制限されることで血管を回転変形する感覚をハンドル１０４の操作による筒状部材１０１の回転を通じて体感することができる。筒状部材１０１の回転の制限制御は第２の接触部材４０３をモータ４０６の駆動により閉制御して行う。回転制御の場合、反力計算部２１０は、術具位置姿勢機構２０３の回転移動に応じて円板３０１を移動させ、支持部材３０３，３０４，３０５にフィードバックし、支持部材３０３，３０４，３０５を駆動して、円板３０１の位置・姿勢を制御して模擬術具２０１に回転反力に応じた力を発生させる。

１０１ 筒状部材
１０２ ロッド
１０３ 第１の把持機構
１０４ ハンドル（移動駆動力伝達手段）
１０５ 開口部
１０６ 第１の接触部材
１０７ ネジ
１０８ 傘歯車
１０９ モータ

Claims (1)

1. コンピュータ制御による手術シミュレータに用いる鉗子であって、
   長尺状の筒状部材と、前記筒状部材の内部にその長さ方向に移動可能に配置した内部部材と、
   前記筒状部材後端に前記内部部材と連結して内部部材を筒状部材内の長さ方向に移動する移動駆動力伝達手段と、
   前記筒状部材の中間部の対する両側面に接触可能に接触部材を配置し、手術シミュレーションにおける鉗子の回転の状況に応じて当該接触部材の接触力を制御して鉗子の回転反力を模擬する把持機構と、を
   有することを特徴とする手術シミュレータに用いる鉗子。
   

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