JP2020028645A - 推定システム、推定方法およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】術具に関する位置の推定を行う演算負荷の増加を抑制することができる推定システム、推定方法およびプログラムを提供する。【解決手段】被検体に取り付けられる器具の内部に挿通される術具における器具に対応する位置の推定を行う推定システム１０であって、術具における器具に挿入する側の端部である先端部から、反対側の端部である後端部までの長さである術具長さが予め記憶される記憶部２３と、術具における器具に挿入された長さである挿入長さを測定するセンサ１１と、センサ１１により測定された挿入長さ、および、記憶部２３に記憶された術具長さに基づいて、術具における器具に対応する位置を推定する演算部２４と、が設けられていることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、内視鏡外科手術等に用いられる手術支援ロボットに関する推定システム、推定方法およびプログラムに関する。

近年、手術支援ロボットを用いた内視鏡外科手術が普及しつつある。内視鏡外科手術では、手術支援ロボットに取り付けられた腹腔鏡や内視鏡、鉗子など（以下、「術具」とも表記する。）が用いられる。これらの手術支援ロボットにおいては、手術支援ロボットに設定された座標系に基づいて術具の移動を制御する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１８−０８８９９６号公報

上述の特許文献１では、被検体の臓器モデル上に術具の先端位置を位置合わせする技術であって、術具の先端に臓器の内壁が接触した場合に、術具の先端の実座標と、対応するモデル座標との変換式を、新たな変換式に更新する技術が提案されている。

しかしながら、上述の特許文献１では、術具の先端に臓器の内壁が接触するたびに新たな変換式に更新するという術具の先端位置を推定する演算とは別の演算を行う必要が発生し、演算負荷が高くなりやすいという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、術具に関する位置の推定を行う演算負荷の増加を抑制することができる推定システム、推定方法およびプログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の第１の態様に係る推定システムは、被検体に取り付けられる器具の内部に挿通される術具における前記器具に対応する位置の推定を行う推定システムであって、前記術具における前記器具に挿入する側の端部である先端部から、反対側の端部である後端部までの長さである術具長さが予め記憶される記憶部と、前記術具における前記器具に挿入された長さである挿入長さを測定するセンサと、前記センサにより測定された前記挿入長さ、および、前記記憶部に記憶された前記術具長さに基づいて、前記術具における前記器具に対応する位置を推定する演算部と、が設けられていることを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る推定方法は、被検体に取り付けられる器具の内部に挿通される術具における前記器具に対応する位置の推定を行う推定方法であって、前記術具における前記器具に挿入された長さである挿入長さを測定するステップと、前記術具における前記器具に挿入する側の端部である先端部から、反対側の端部である後端部までの長さである術具長さを取得するステップと、測定された前記挿入長さ、および、取得された前記術具長さに基づいて、前記術具における前記器具に対応する位置を推定するステップと、を有することを特徴とする。

本発明の第３の態様に係るプログラムは、被検体に取り付けられる器具の内部に挿通される術具における前記器具に対応する位置の推定を行うプログラムであって、コンピュータに、前記術具における前記器具に挿入された長さである挿入長さを測定する機能と、前記術具における前記器具に挿入する側の端部である先端部から、反対側の端部である後端部までの長さである術具長さを取得する機能と、測定された前記挿入長さ、および、取得された前記術具長さに基づいて、前記術具における前記器具に対応する位置を推定する機能と、を実現させることを特徴とする。

本発明の第１の態様に係る推定システム、第２の態様に係る推定方法、および、第３の態様に係るプログラムによれば、器具に挿入された術具の長さである挿入長を測定し、測定した挿入長および予め記憶された器具の長さである術具長さに基づくことにより、術具に関する位置の推定を行うことができる。推定を行う際に、例えば、術具に関する座標系や、術具を把持するアーム装置の座標系に基づいて術具に関する位置の推定を行う場合と比較して、推定を行う演算負荷の増加を抑制しやすい。

上記発明において前記演算部は、前記術具における前記後端部および前記術具に対応する位置の間の長さを推定することが好ましい。
このように術具に関する位置として、後端部および術具に対応する位置の間の長さの推定を行うことにより、術具の配置位置を移動させたり、被検体に対する相対的な姿勢を変化させたりする際に、術具が挿通される器具に対して負荷を与えにくくすることができる。

上記発明においては、前記術具における前記器具に挿入される領域に複数のマーカが設けられ、前記センサは、前記器具における挿入された前記器具の前記マーカと対向する位置に配置され、挿入により通過する前記マーカを測定し、前記演算部は、前記センサにより測定された前記マーカの数に基づいて前記挿入長さを算出することが好ましい。

このようにセンサの前を通過する術具に設けられたマーカの数に基づいて挿入長さを算出することにより、周囲が清潔な状態を維持しつつ挿入長さの算出を行いやすくなる。

本発明の推定システム、推定方法およびプログラムによれば、器具に挿入された術具の長さである挿入長を測定して術具に関する位置の推定を行うことにより、例えば、術具に関する座標系や、術具を把持するアーム装置の座標系に基づいて術具に関する位置の推定を行う場合と比較して、術具に関する位置の推定を行う演算負荷の増加を抑制しやすいという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る推定システムを説明する模式図である。 図１の推定システムを説明するブロック図である。 術具における各種長さの関係を説明する模式図である。 術具におけるピボット位置を推定する演算処理を説明するフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態に係る推定システム１０ついて図１から図４を参照しながら説明する。本実施形態では推定システム１０を、図１に示すような内視鏡外科手術に用いられる手術支援ロボットなどのアーム装置５０に用いる例に適用して説明する。

アーム装置５０は、術具７０の位置および姿勢を変更可能に支持するものである。また、アーム装置５０は、術具７０の位置や姿勢を変更しても、術具７０がアーム装置５０に対する所定の相対位置であるピボット位置Ｐ_ｐを通過するように制御されている。ピボット位置Ｐ_ｐは、内視鏡外科手術の対象である患者（被検体）８０の腹壁８１に配置されたトロッカー（器具）７５の配置位置と概ね一致している。

また、術具７０としては、内視鏡や鉗子など、内視鏡外科手術に用いられる各種の器具を例示することができる。本実施形態では、術具７０が内視鏡である例について説明する。

内視鏡である術具７０には、本体部７１と、筒状部７２と、が主に設けられている。本体部７１は、アーム装置５０によって把持される部分であって、筒状部７２により導かれた画像を電子信号に変換する撮像機器が収納されるものである。

筒状部７２は、筒状または棒状に延びる部材であって、トロッカー７５に挿通されて患者の腹壁８１の内部に挿入されるものである。また、筒状部７２は、先端から本体部７１へ画像の伝達が可能に形成されている。

更に筒状部７２におけるトロッカー７５に挿通される領域の外周面には、複数のマーカ７３が設けられている。本実施形態では、マーカ７３は、筒状部７２における他の外周面とは所定の波長の光の反射率が異なる部分である例に適用して説明する。具体的な例としては、マーカ７３が他の外周面と色が異なる部分である例に適用して説明する。また、複数のマーカ７３は、筒状部７２の長手方向に沿って所定の間隔をあけて規則的に配置されている。

アーム装置５０には、図１に示すように、回転部５２と、第１リンク部５５と、第２リンク部５６と、ジンバル部６１と、把持部６５と、が主に設けられている。回転部５２、第１リンク部５５および第２リンク部５６は、アーム装置５０の制御部など（図示せず）から入力される制御信号に基づいて、駆動制御されるものである。

回転部５２は、アーム装置５０が土台５１に固定される部分に配置される関節である。回転部５２としては、上下方向に延びる回転軸線まわりに回転駆動が可能な構成であればよく、具体的な構成を限定するものではない。

第１リンク部５５は、第１関節部６２と第２リンク部５６との間に配置され、アクチュエータ（図示せず）により駆動されるものである。第１リンク部５５は、一対の並行なバー５５ｂを２組有した矩形状に形成され、バー５５ｂとバー５５ｂとの交点は、一自由度の回転を許容するピン５５ｐにより結合された構成を有している。本実施形態では、第１リンク部５５が上下方向へ延びた姿勢に配置される例に適用して説明する。

第２リンク部５６は、第１リンク部５５とジンバル部６１との間に配置され、アクチュエータ（図示せず）により駆動されるものである。第２リンク部５６は、第１リンク部５５と同様に、一対の並行なバー５６ｂを２組有した矩形状に形成され、隣接する２つのバー５６ｂは一自由度の回転を許容するピン５６ｐにより結合された構成を有している。本実施形態では、第２リンク部５６が横方向（上下方向と交差する面に沿った方向）へ延びた姿勢に配置される例に適用して説明する。

ジンバル部６１は、第２リンク部５６と把持部６５との間に配置されるものである。ジンバル部６１は、回転軸線が互いに交差する第１関節部６２、第２関節部６３および第３関節部６４と、から主に構成されている。

第１関節部６２は、第２リンク部５６と隣接する位置に配置されるものである。第１関節部６２は、その回転軸線が水平方向から斜め上方へ延びる姿勢に配置されている。より好ましくは、水平方向から４５°の角度で斜め上方へ延びる姿勢に配置されている。

第２関節部６３は、第１関節部６２と第３関節部６４との間に配置されるものである。第３関節部６４は、把持部６５に隣接する位置に配置されるものである。なお、第１関節部６２、第２関節部６３および第３関節部６４としては、回転軸回りの回転を可能とするものであればよく、特に限定するものではない。

把持部６５は、ジンバル部６１と隣接する位置、言い換えるとアーム装置５０の先端に配置されるものである。把持部６５としては、術具７０を把持することができる構成であればよく、具体的な構成を限定するものではない。

推定システム１０は、患者８０に取り付けられるトロッカー７５の内部に挿通される術具７０におけるトロッカー７５に対応する位置の推定を行うものである。推定システム１０には、センサ１１と、推定装置２１と、が主に設けられている。

センサ１１は、術具７０におけるトロッカー７５に挿入された長さである挿入長さｍを測定するものである。センサ１１は、トロッカー７５における術具７０のマーカ７３と対向する位置に配置されるものである。なお、センサ１１は、トロッカー７５に対して着脱可能に取り付けられてもよいし、トロッカー７５に内蔵されていてもよく、配置の方法を特に限定するものではない。

また、センサ１１と対向する位置のマーカ７３や、筒状部７２における他の外周面から反射される所定の波長の光の強度を測定するものである。具体的な例としては、センサ１１と対向する位置の色の変化を測定するものである。言い換えると、センサ１１と対向する位置を通過するマーカ７３を検出するものである。センサ１１は、マーカ７３の検出信号を推定装置２１の取得部２２に出力するものでもある。

推定装置２１は、アーム装置５０に把持された術具７０におけるピボット位置Ｐ_ｐ（トロッカー７５に対応する位置）の推定を行うものである。推定装置２１により推定された術具７０におけるピボット位置Ｐ_ｐは、例えば、アーム装置５０を制御する制御部などへ出力される。ここで、推定装置２１により推定されるピボット位置Ｐ_ｐは、アーム装置５０に関する座標系で表現されるものである。

推定装置２１は、図２に示すように、ＣＰＵ（中央演算処理ユニット）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インタフェース等を有するコンピュータ等の情報処理装置である。上述のＲＯＭ等の記憶装置に記憶されているプログラムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インタフェースを協働させて、少なくとも取得部２２、記憶部２３、および、演算部２４として機能させるものである。

取得部２２は、センサ１１から出力されるマーカ７３の検出信号が入力されるものである。取得部２２に入力されたマーカ７３の検出信号は、演算部２４へ出力される。
記憶部２３は、術具７０におけるトロッカー７５に挿入する側の端部である先端部Ｐ_ｔから、反対側の端部である後端部Ｐ_ｒまでの長さである術具長さＬが予め記憶されているものである（図３参照）。

演算部２４は、センサ１１から入力されたマーカ７３の検出信号に基づいて挿入長さｍを推定するとともに、記憶部２３に記憶された術具長さＬに更に基づいて、術具７０におけるピボット位置Ｐ_ｐ（トロッカー７５に対応する位置）を推定するものである。演算部２４における推定の際の具体的な演算内容は後述する。

次に、上記の構成からなる推定システム１０における術具７０におけるピボット位置Ｐ_ｐ（トロッカー７５に対応する位置）を推定する演算処理について説明する。図２から図４を参照しながら説明する。本実施形態の推定システム１０の推定装置２１は、ピボット位置Ｐ_ｐの推定を行う演算処理が開始されると、繰り返し推定の演算処理を行う。推定の演算処理は、少なくとも、アーム装置５０の操作が終了するまで継続される。

まず、推定システム１０のセンサ１１および推定装置２１は、術具７０における器具に挿入された長さである挿入長さｍを測定する処理を行う（Ｓ１１）。具体的には、トロッカー７５に術具７０が挿通されると、トロッカー７５に配置されたセンサ１１は、センサ１１に対向する領域を通過するマーカ７３を測定し、マーカ７３の検出信号を出力する。

推定装置２１の取得部２２は、センサ１１から出力されるマーカ７３の検出信号を取得し、取得した検出信号を演算部２４へ出力する。演算部２４は、入力された検出信号に基づいて挿入長さｍを算出する演算処理を行う。

例えば、マーカ７３の検出信号と、センサ１１に対向する領域を通過するマーカ７３の数とが１対１に対応し、隣接するマーカ７３の距離（間隔）がΔｍである場合には、演算部２４は、検出信号の数ｎと隣接するマーカ７３の距離Δｍとを乗算することにより、挿入長さｍを算出する。なお、隣接するマーカ７３の距離Δｍは、予め記憶部２３に記憶されていてもよいし、外部から入力されてもよい。

次いで、推定装置２１の演算部２４は、記憶部２３から術具７０における先端部Ｐ_ｔから後端部Ｐ_ｒまでの長さである術具長さＬを取得する演算処理を行う（Ｓ１２）。
その後、推定装置２１の演算部２４は、術具７０におけるピボット位置Ｐ_ｐ（トロッカー７５に対応する位置）を推定する演算処理を行う（Ｓ１３）。具体的には、Ｓ１２の処理により取得された術具長さＬからＳ１１の演算処理により求められた挿入長さｍを減算して、術具７０における後端部Ｐ_ｒからピボット位置Ｐ_ｐまでの距離ｄを求める。この距離ｄを術具７０におけるピボット位置Ｐ_ｐとして求める演算処理を行う。

本実施形態では、術具７０における後端部Ｐ_ｒを基準として、術具７０におけるピボット位置Ｐ_ｐを求める例に適用して説明するが、術具７０における先端部Ｐ_ｔを基準として術具７０におけるピボット位置Ｐ_ｐを求めてもよい。

上記の構成の推定システム１０によれば、トロッカー７５に挿入された術具７０の長さである挿入長さｍを測定し、測定した挿入長さｍおよび予め記憶されたトロッカー７５の長さである術具長さＬに基づくことにより、ピボット位置Ｐ_ｐ（術具７０に関する位置）の推定を行うことができる。推定を行う際に、例えば、術具７０に関する座標系や、術具７０を把持するアーム装置５０の座標系に基づいて術具７０に関する位置の推定を行う場合と比較して、推定を行う演算負荷の増加を抑制しやすい。

ピボット位置Ｐ_ｐ（術具７０に関する位置）として、後端部Ｐ_ｒおよび術具７０に対応するピボット位置Ｐ_ｐの位置の間の長さｄの推定を行うことにより、術具７０の配置位置を移動させたり、患者８０に対する相対的な姿勢を変化させたりする際に、術具７０が挿通されるトロッカー７５に対して負荷を与えにくくすることができる。

センサ１１の前を通過する術具７０に設けられたマーカ７３の数に基づいて挿入長さｍを算出することにより、周囲が清潔な状態を維持しつつ挿入長さｍの算出を行いやすくなる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記の実施の形態において推定システム１０の推定装置２１は、アーム装置５０およびその制御部とは別に配置される例に適用して説明したが、推定装置２１は、アーム装置５０およびその制御部の内部に組み込まれたものであってもよい。

また、本実施形態では、対向する位置の色の変化を測定するセンサ１１を用いて術具７０におけるトロッカー７５に挿入された長さである挿入長さｍを測定する例に適用して説明したが、対向する位置の磁場（磁力）の変化を測定するセンサを用いて挿入長さｍを測定してもよい。この場合、マーカ７３は、筒状部７２における他の外周面と比較して磁場の強度が異なる部分となる。

１０…推定システム、１１…センサ、２３…記憶部、２４…演算部、７３…マーカ、７０…術具、７５…トロッカー（器具）、８０…患者（被検体）、ｍ…挿入長さ、Ｌ…術具長さ、Ｐ_ｔ…先端部、Ｐ_ｒ…後端部

Claims (5)

1. 被検体に取り付けられる器具の内部に挿通される術具における前記器具に対応する位置の推定を行う推定システムであって、
   前記術具における前記器具に挿入する側の端部である先端部から、反対側の端部である後端部までの長さである術具長さが予め記憶される記憶部と、
   前記術具における前記器具に挿入された長さである挿入長さを測定するセンサと、
   前記センサにより測定された前記挿入長さ、および、前記記憶部に記憶された前記術具長さに基づいて、前記術具における前記器具に対応する位置を推定する演算部と、
   が設けられていることを特徴とする推定システム。
2. 前記演算部は、前記術具における前記後端部および前記術具に対応する位置の間の長さを推定することを特徴とする請求項１記載の推定システム。
3. 前記術具における前記器具に挿入される領域に複数のマーカが設けられ、
   前記センサは、前記器具における挿入された前記器具の前記マーカと対向する位置に配置され、挿入により通過する前記マーカを測定し、
   前記演算部は、前記センサにより測定された前記マーカの数に基づいて前記挿入長さを算出することを特徴とする請求項１記載の推定システム。
4. 被検体に取り付けられる器具の内部に挿通される術具における前記器具に対応する位置の推定を行う推定方法であって、
   前記術具における前記器具に挿入された長さである挿入長さを測定するステップと、
   前記術具における前記器具に挿入する側の端部である先端部から、反対側の端部である後端部までの長さである術具長さを取得するステップと、
   測定された前記挿入長さ、および、取得された前記術具長さに基づいて、前記術具における前記器具に対応する位置を推定するステップと、
   を有することを特徴とする推定方法。
5. 被検体に取り付けられる器具の内部に挿通される術具における前記器具に対応する位置の推定を行うプログラムであって、
   コンピュータに、
   前記術具における前記器具に挿入された長さである挿入長さを測定する機能と、
   前記術具における前記器具に挿入する側の端部である先端部から、反対側の端部である後端部までの長さである術具長さを取得する機能と、
   測定された前記挿入長さ、および、取得された前記術具長さに基づいて、前記術具における前記器具に対応する位置を推定する機能と、
   を実現させることを特徴とするプログラム。

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