JP2020141833A - 外科手術システムの制御方法および外科手術システム - Google Patents
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Abstract
【課題】マニピュレータアームに取り付けられた外科用器具を屈曲させた場合でもその先端部の画像を容易に取得することができる外科手術システムの制御方法および外科手術システムを提供する。【解決手段】外科手術システムは、複数のマニピュレータアームと、操作ユニットと、制御部と、を備え、複数のマニピュレータアームは、器具屈曲部を有する第1外科用器具が器具保持部に保持される第1マニピュレータアームと、内視鏡屈曲部を有し、先端部にカメラが設けられる内視鏡アセンブリが器具保持部に保持される第2マニピュレータアームと、を含み、外科手術システムの制御方法は、動作指令に基づく第1外科用器具の屈曲に追従して内視鏡アセンブリを屈曲させるように制御する。【選択図】図6
Description
本発明は、外科手術システムの制御方法および外科手術システムに関する。
複数のマニピュレータアームを備え、施術者の操作に基づいて当該複数のマニピュレータアームを動かして外科手術を行うマスタ−スレーブ型のシステムが知られている(例えば特許文献1,2等参照)。このようなシステムにおいて、複数のマニピュレータアームの先端部には鉗子ユニット等の様々な外科用器具が取り付けられる。このようなシステムに取り付けられる外科用器具として、外科用器具自体に屈曲部を有し、基端部から先端部に延びる長手方向が屈曲するもの(例えば特許文献3参照)が想定される。
上記外科手術システムにおいては、複数のマニピュレータのうちの1つに、先端部にカメラが設けられる内視鏡アセンブリが取り付けられ、内視鏡アセンブリのカメラで撮像された画像を見ながら他のマニピュレータアームを用いた施術が行われる。
また、上記外科手術システムにおいては、複数のマニピュレータアームが1つのアームベース(またはプラットホームとも呼ばれる)に取り付けられる。また、例えば外科手術システムを用いた腹腔鏡下手術では、患者の施術部位への侵襲性を低減するために、開腹手術を行わず、腹部の1ないし数箇所を開口し、当該開口から外科用器具および内視鏡アセンブリを体内に導入する施術が行われる。患者の施術部位への侵襲性を低減するためには、開口箇所は少ない方が好ましい。
このような制約から、各マニピュレータアームの先端部はだいたい同じ方向を向いている。したがって、通常、内視鏡アセンブリのカメラで撮像される画像は、外科用器具の先端部より奥方向(外科用器具の基端部から先端部を向く方向)を映す画像となる。
ところが、マニピュレータアームに外科用器具として屈曲部を有する器具が取り付けられた場合、その外科用器具の先端部がマニピュレータアームの基端側を向くような位置および姿勢を取り得る。この場合、施術箇所を適切に撮像するためには、内視鏡アセンブリのカメラで撮像される画像を外科用器具の先端部より手前方向を映すことが望ましいが、上記制約のため、屈曲した外科用器具の先端部のその先(例えば外科用器具の基端側)が画像に映るように、内視鏡アセンブリが取り付けられたマニピュレータアームを配置するには限界がある。
上記内視鏡アセンブリの配置を実現するために開口箇所を増やすことは、患者の負担になる。また、外科用器具を屈曲させる際に、内視鏡アセンブリの配置を施術者が一から調整することは煩雑である。
本発明は、以上のような課題を解決すべくなされたものであり、マニピュレータアームに取り付けられた外科用器具を屈曲させた場合でもその先端部の画像を容易に取得することができる外科手術システムの制御方法および外科手術システムを提供することを目的とする。
本発明の一態様は、外科手術システムの制御方法であって、前記外科手術システムは、それぞれの先端部に長軸状の外科用器具を保持可能な器具保持部を有し、それぞれの先端部が基端部に対して3次元的に移動する複数のマニピュレータアームと、操作入力に基づいて前記複数のマニピュレータアームを移動させるための動作指令を生成する操作ユニットと、前記動作指令に基づいて前記複数のマニピュレータアームの移動を制御する制御部と、を備え、前記複数のマニピュレータアームは、器具屈曲部を有する第1外科用器具が前記器具保持部に保持される第1マニピュレータアームと、内視鏡屈曲部を有し、先端部にカメラが設けられる内視鏡アセンブリが前記器具保持部に保持される第2マニピュレータアームと、を含み、前記制御方法は、前記動作指令に基づく前記第1外科用器具の屈曲に追従して前記内視鏡アセンブリを屈曲させるように制御する。
上記制御方法によれば、第1外科用器具および内視鏡アセンブリが屈曲可能に構成されており、第1外科用器具の屈曲に追従して内視鏡アセンブリが追従して屈曲するように制御される。このため、第1外科用器具の先端部の移動に応じて内視鏡アセンブリのカメラが撮像する画像を第1外科用器具の先端部が向く方向に調整し易くすることができる。したがって、第1外科用器具を屈曲させた場合でもその先端部の画像を容易に取得することができる。
前記第1外科用器具の前記器具屈曲部の屈曲角に応じて前記内視鏡アセンブリの前記内視鏡屈曲部の屈曲角を決定してもよい。これによれば、簡単な制御で第1外科用器具の屈曲に内視鏡アセンブリの屈曲を追従させることができる。
前記外科手術システムは、前記制御部にデータを読み出し可能な記憶部を備え、前記記憶部は、前記器具屈曲部の屈曲前の状態における前記第1外科用器具の先端部の位置および姿勢と、前記内視鏡屈曲部の屈曲前の状態における前記内視鏡アセンブリの先端部の位置および姿勢とを記憶し、前記制御方法は、前記第1外科用器具が屈曲した場合に、前記器具屈曲部の屈曲前の状態における前記第1外科用器具の先端部の位置および姿勢と、前記内視鏡屈曲部の屈曲前の状態における前記内視鏡アセンブリの先端部の位置および姿勢との相対関係を保持するように、前記内視鏡アセンブリの位置および姿勢を決定する第1演算処理を行ってもよい。これによれば、第1外科用器具の先端部の位置および姿勢と内視鏡アセンブリの先端部の位置および姿勢との相対関係が保持された状態で第1外科用器具および内視鏡アセンブリの屈曲動作が行われる。したがって、屈曲前後において第1外科用器具の先端部に対する、内視鏡アセンブリのカメラが撮像する画像領域が維持される。これにより、第1外科用器具が屈曲動作した後の内視鏡アセンブリの調整を少なくすることができる。
前記第1演算処理において前記相対関係を保持するような前記内視鏡アセンブリの位置が決定できない場合、前記器具屈曲部の屈曲前の状態における前記第1外科用器具の先端部の姿勢と、前記内視鏡屈曲部の屈曲前の状態における前記内視鏡アセンブリの先端部の姿勢との関係を保持するように、前記内視鏡アセンブリの先端部の姿勢を決定してもよい。これによれば、第1外科用器具の先端部の位置および姿勢と内視鏡アセンブリの先端部の位置および姿勢との相対関係が保持できない場合であっても、第1外科用器具の先端部の姿勢と内視鏡アセンブリの先端部の姿勢との関係が保持されるように動作する。したがって、第1外科用器具の屈曲動作に内視鏡アセンブリを可能な限り追従させることができる。
前記第1演算処理において前記相対関係を保持するような前記内視鏡アセンブリの位置が決定できない場合、前記第1外科用器具の前記器具屈曲部の屈曲角に応じて前記内視鏡アセンブリの前記内視鏡屈曲部の屈曲角を決定してもよい。これによれば、第1外科用器具の先端部の位置および姿勢と内視鏡アセンブリの先端部の位置および姿勢との相対関係が保持できない場合であっても、第1外科用器具の器具屈曲部の屈曲角に応じて内視鏡アセンブリの内視鏡屈曲部の屈曲角が決定される。したがって、第1外科用器具の屈曲動作に内視鏡アセンブリを可能な限り追従させることができる。
前記第1演算処理は、前記第1外科用器具の前記器具屈曲部の屈曲角に応じた前記内視鏡アセンブリの前記内視鏡屈曲部の屈曲角を拘束条件として演算を行ってもよい。これにより、内視鏡アセンブリの屈曲を前提とした内視鏡アセンブリの位置および姿勢演算を行うことができ、演算量を低減させることができる。
前記複数のマニピュレータアームは、器具屈曲部を有する第2外科用器具が前記器具保持部に保持される第3マニピュレータアームを含み、前記制御方法は、前記動作指令に基づく前記第2外科用器具の屈曲に追従して前記内視鏡アセンブリを屈曲可能とし、前記内視鏡アセンブリが追従する外科用器具を前記第1外科用器具および前記第2外科用器具から選択可能としてもよい。これにより、外科用器具が取り付けられたマニピュレータアームが複数ある場合に、施術者が見たい箇所の画像をより容易に取得することができる。
本発明の他の態様に係る外科手術システムは、それぞれの先端部に長軸状の外科用器具を保持可能な器具保持部を有し、それぞれの先端部が基端部に対して3次元的に移動する複数のマニピュレータアームと、操作入力に基づいて前記複数のマニピュレータアームを移動させるための動作指令を生成する操作ユニットと、前記動作指令に基づいて前記複数のマニピュレータアームの移動を制御する制御部と、を備え、前記複数のマニピュレータアームは、器具屈曲部を有する第1外科用器具が前記器具保持部に保持される第1マニピュレータアームと、内視鏡屈曲部を有し、先端部にカメラが設けられる内視鏡アセンブリが前記器具保持部に保持される第2マニピュレータアームと、を含み、前記制御部は、前記動作指令に基づく前記第1外科用器具の屈曲に追従して前記内視鏡アセンブリを屈曲させるように制御する。
上記構成によれば、第1外科用器具および内視鏡アセンブリが屈曲可能に構成されており、第1外科用器具の屈曲に追従して内視鏡アセンブリが追従して屈曲するように制御される。このため、第1外科用器具の先端部の移動に応じて内視鏡アセンブリのカメラが撮像する画像を第1外科用器具の先端部が向く方向に調整し易くすることができる。したがって、第1外科用器具を屈曲させた場合でもその先端部の画像を容易に取得することができる。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明は、マニピュレータアームに取り付けられた外科用器具を屈曲させた場合でもその先端部の画像を容易に取得することができるという効果を奏する。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下では、全ての図を通じて、同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
図1は、本発明の一実施の形態に係る外科手術システムの全体的な構成を示す概略図である。また、図2は、図1に示す外科手術システムの制御系の構成を示すブロック図である。図1に示すように、外科手術システム100は、ロボット支援手術やロボット遠隔手術などのように、医師などの施術者Oが操作ユニット2を操作することにより動作する動作ユニット1を用いて患者Pに内視鏡外科手術を施すシステムである。
外科手術システム100は、動作ユニット1と、この動作ユニット1を操る操作ユニット2とを備えている。操作ユニット2は動作ユニット1から離れて配置され、動作ユニット1は操作ユニット2によって遠隔操作される。施術者Oは動作ユニット1に行わせる動作を操作ユニット2に入力し、操作ユニット2はその動作指令を動作ユニット1に送信する。そして、動作ユニット1は、操作ユニット2から送信された動作指令を受け取り、この動作指令に基づいて動作ユニット1が具備する内視鏡アセンブリ42や外科用器具41などを動作させる。
操作ユニット2は、外科手術システム100と施術者Oのインターフェースを構成し、動作ユニット1を操作するための装置である。操作ユニット2は、手術室内において手術台111の傍らにまたは手術台111から離れて、あるいは、手術室外に設置されている。操作ユニット2は、施術者Oが動作指令を入力するための操作用マニピュレータアーム51および操作ペダル52などの操作入力部を含む。本実施の形態において、操作用マニピュレータアーム51は、施術者Oが右手で操作する第1ハンドユニット51aと、左手で操作する第2ハンドユニット51bとを有している。
さらに操作ユニット2は、内視鏡アセンブリ42のカメラで撮像された画像を表示するモニタ53を含む。モニタ53は、操作入力部が設けられた操作ユニット2とは別のユニット(表示ユニット)として構成されてもよい。施術者Oは、モニタ53で患部を視認しながら、操作入力部を操作して操作ユニット2に動作指令を入力する。操作ユニット2に入力された動作指令は、有線または無線により動作ユニット1の後述するコントローラ6に伝達される。
動作ユニット1は、外科手術システム100と患者Pとのインターフェースを構成する。動作ユニット1は、手術室内において患者Pが横たわる手術台111の傍らに配置されている。手術室内は滅菌された滅菌野である。
動作ユニット1は、ポジショナ7と、ポジショナ7の先端部に取り付けられたプラットホーム5と、プラットホーム5に着脱可能に取り付けられた複数の患者側マニピュレータアーム(以下、単に「アーム3」という)とを備えている。ポジショナ7は、多軸ロボットとして構成されており、手術室の所定位置に載置されたベース70に対してプラットホーム5の位置を3次元的に移動させることができる。アーム3およびプラットホーム5は、滅菌ドレープ(図示せず)で覆われ、アーム3およびプラットホーム5が手術室内の滅菌野から遮蔽される。
上記の動作ユニット1において、プラットホーム5は、複数のアーム3の拠点となる「ハブ」としての機能を有している。本実施形態では、ポジショナ7およびプラットホーム5によって、複数のアーム3を移動可能に支持するマニピュレータアーム支持体Sが構成されている。ただし、マニピュレータアーム支持体Sは少なくともプラットホーム5を含んでいればよく、例えば、ポジショナ7に代えて直動レール、昇降装置、あるいは、天井または壁に取り付けられたブラケットに支持されたプラットホーム5によってマニピュレータアーム支持体Sが構成されてもよい。
上記の動作ユニット1では、ポジショナ7から内視鏡アセンブリ42または各外科用器具41まで、要素が一連に繋がっている。本明細書では、上記一連の要素において、ポジショナ7(より詳細には、ポジショナ7の手術室の床との接触部)へ向かう側の端部を「基端部」といい、その反対側の端部を「先端部」ということとする。
アーム3は、プラットホーム5に対し着脱可能に構成されている。アーム3は、洗浄処理及び滅菌処理のための耐水性、耐熱性、及び耐薬品性を備えている。アーム3の滅菌処理には様々な方法があるが、例えば、高圧蒸気滅菌法、EOG滅菌法、消毒薬による化学滅菌法などが選択的に用いられ得る。
詳しくは図示しないが、アーム3は、プラットホーム5に着脱可能に取り付けられるベースと、ベースから先端部に向けて順次連結された第1リンク〜第6リンクとを含む。アーム3は、冗長軸を含む7軸関節アームとして構成される。したがって、アーム3は、基端部に対し先端部を3次元空間内で移動させることができるように構成されている。さらに、アーム3は、冗長軸を有することにより、当該アーム3の先端部の位置を変化させることなく姿勢を変えることができる。なお、本実施の形態では、動作ユニット1が具備する複数のアーム3はいずれも同様または類似の構成を有するが、複数のアーム3のうち少なくとも1本が他のアームと異なる構成を有してもよい。
アーム3の外殻は、主にステンレスなどの耐熱性および耐薬品性を有する部材で形成されている。また、リンク同士の連結部には、耐水性を備えるためのシール(図示せず)が設けられている。このシールは、高圧蒸気滅菌法に対応する耐熱性や、消毒薬に対する耐薬品性を備えている。なお、リンク同士の連結部において、連結される一方のリンクの端部の内側に他方のリンクの端部が挿入されており、これらのリンクの端部同士の間を埋めるようにシールが配置されることによって、シールが外観から隠蔽されている。これにより、シールとリンクとの間から水、薬液、蒸気の浸入が抑制されている。
各アーム3の先端部には、後述する外科用器具41または内視鏡アセンブリ42を保持可能なホルダ(器具保持部)36(後述する図3および図4参照)が設けられる。アーム3の第6リンクの先端部には並進アーム(図示せず)が取り付けられていてもよい。この場合、ホルダ36は、並進アームの先端部に設けられる。これにより、並進アームのホルダ36を長軸方向に並進移動させることにより、ホルダ36に取り付けられた外科用器具41または内視鏡アセンブリ42を長軸方向に並進移動させることができる。
図2に示すように、複数のアーム3のうち、第1アーム3Aの先端部には、第1外科用器具41aが着脱可能に保持される。また、複数のアーム3のうち、第2アーム3Bの先端部には、内視鏡アセンブリ42が保持される。また、複数のアーム3のうち、第3アーム3Cの先端部には、第2外科用器具41bが着脱可能に保持される。図示しないが、その余のアーム3にも外科用器具が着脱可能に保持され得る。
図3は、本実施の形態における外科用器具の一例を示す図である。外科用器具41(第1外科用器具41aおよび第2外科用器具41bを含む)は、その基端部に設けられた駆動ユニット45と、その先端部に設けられたエンドエフェクタ(処置具)44と、駆動ユニット45とエンドエフェクタ44の間を繋ぐ細長いシャフト43とを有している。外科用器具41の基端部は、各アーム3のホルダ36に着脱可能に構成されている。
外科用器具41には長軸方向Dが規定されており、駆動ユニット45、シャフト43、およびエンドエフェクタ44は長軸方向Dに沿って配置される。外科用器具41のエンドエフェクタ44は、動作する関節を有する器具(例えば、鉗子、ハサミ、グラスパー、ニードルホルダ、マイクロジセクター、ステープルアプライヤー、タッカー、吸引洗浄ツール、スネアワイヤ、および、クリップアプライヤー等)、ならびに、関節を有しない器具(例えば、切断刃、焼灼プローブ、洗浄器、カテーテル、および、吸引オリフィス等)を含む群より選択される。図3においては一対の開閉爪(把持片)を有する鉗子が例示されている。
さらに、本実施の形態において、外科用器具41は、シャフト43を長軸方向Dに対して屈曲するための器具屈曲部46を備えている。器具屈曲部46は、所定の平面(屈曲面)内を屈曲可能なように構成されている。なお、本実施の形態において、器具屈曲部46が屈曲した場合の長軸方向Dは、器具屈曲部46を含むシャフト43の延在方向として定義される。すなわち、長軸方向Dは、器具屈曲部46の屈曲により変化する。
さらに、シャフト43は、基端部において外科用器具41の基部(駆動ユニット45)に対して長軸回りに回転可能に構成される(図3において基端側回転軸50として示す)。したがって、シャフト43を長軸回りに回転させることにより屈曲面が長軸回りに回転するため、器具屈曲部46による屈曲方向を3次元的に設定することができる。器具屈曲部46の屈曲動作は、油圧によるものまたは内部に通された複数のワイヤによる機械的なものなど公知の構成により実現される。
なお、外科用器具41は、さらに、シャフト43(器具屈曲部46)の先端部において先端側回転軸49を備えている。これにより、エンドエフェクタ44は、シャフト43に対して長軸回りに回転可能に構成されている。また、エンドエフェクタ44が図3に示すような鉗子ユニットである場合、一対の把持片の先端部を開閉させる(把持および把持解除を切り替える)把持片支軸44aを備えている。以上より、外科用器具41は、基端側回転軸50、器具屈曲部46、先端側回転軸49、把持片支軸44aを可動部として有している。
図4は、本実施の形態における内視鏡アセンブリの一例を示す図である。内視鏡アセンブリ42は、上記外科用器具41におけるエンドエフェクタ44の代わりに先端部にカメラ47が取り付けられている。したがって、内視鏡アセンブリ42は、駆動ユニット45、基端側回転軸50、シャフト43、先端側回転軸49およびカメラ47を有している。カメラ47により撮像された画像が操作ユニット2のモニタ53に表示される。内視鏡アセンブリ42の基端部は、アーム3のホルダ36に着脱可能に構成されている。なお、これに代えて、内視鏡アセンブリ42は、アーム3のホルダ36に着脱不能に取り付けられていてもよい。すなわち、動作ユニット1は、内視鏡アセンブリ42専用のアームを備えていてもよい。
内視鏡アセンブリ42は、シャフト43を長軸方向Dに対して屈曲するための内視鏡屈曲部48を備えている。内視鏡屈曲部48の構成は、外科用器具41における器具屈曲部46と同様である。内視鏡アセンブリ42においても、シャフト43は、基端部において外科用器具41の基部(駆動ユニット45)に対して長軸回りに回転可能に構成される。したがって、シャフト43を長軸回りに回転させることにより屈曲面が長軸回りに回転するため、内視鏡屈曲部48による屈曲方向を3次元的に設定することができる。
動作ユニット1は、コントローラ(制御部)6により動作制御される。コントローラ6は、例えばマイクロコントローラ等のコンピュータにより構成される。
上記構成の動作ユニット1を用いた施術において、まず、操作ユニット2から動作指令を受けたコントローラ6が、プラットホーム5と手術台111または患者Pとが所定の位置関係となるように、ポジショナ7を動作させてプラットホーム5の位置決めを行う。次に、コントローラ6が、患者Pの体表に留置されたスリーブ(カニューレスリーブ)110と内視鏡アセンブリ42および各外科用器具41とが所定の初期位置関係となるように、各アーム3を動作させて内視鏡アセンブリ42および各外科用器具41の位置決めを行う。なお、ポジショナ7の位置決め動作と各アーム3の位置決め動作とは同時に行われてもよい。
そして、コントローラ6は、原則としてポジショナ7を静止させた状態で、操作ユニット2からの動作指令に応じて、各アーム3を動作させて内視鏡アセンブリ42および各外科用器具41を適宜変位および姿勢変化させつつ、各外科用器具41を動作させて施術する。
操作ユニット2の第1ハンドユニット51aおよび第2ハンドユニット51bにはそれぞれ操作するアーム3が割り当てられる。例えば、第1ハンドユニット51aに第1アーム3Aが割り当てられ、第2ハンドユニット51bに第3アーム3Cが割り当てられる。これにより、第1ハンドユニット51aへの操作入力により第1外科用器具41aが保持された第1アーム3Aへの動作指令が生成され、第2ハンドユニット51bへの操作入力により第2外科用器具41bが保持された第3アーム3Cへの動作指令が生成される。
各ハンドユニット51a,51bに割り当てられるアーム3は、操作ユニット2への操作により複数のアーム3の中から選択される。すなわち、施術中においても、各ハンドユニット51a,51bへの操作によって動作するアーム3を切り替えることができる。例えば、上記例において第2ハンドユニット51bに割り当てられるアーム3が第3アーム3Cから第2アーム3Bに切り替えられる。これにより、第2ハンドユニット51bへの操作入力により内視鏡アセンブリ42が保持された第2アーム3Bへの動作指令が生成される。
ハンドユニット51a,51bへの操作入力により、外科用器具41および内視鏡アセンブリ42の屈曲部46,48を動作させる動作指令を生成することも可能である。
コントローラ6は、動作指令に基づいて複数のアーム3の移動を制御する。コントローラ6は、増幅回路などを介してアーム3の各軸を駆動するサーボモータ(図示せず)の回転制御を行う。各サーボモータの回転角は対応するエンコーダにより検出され、当該回転角と動作指令とに基づいてそのサーボモータの駆動指令値が生成される。このようにして、アーム3の先端部が、動作指令に基づく位置および姿勢に到達するように、各サーボモータがサーボ制御される。
外科手術システム100は、コントローラ6にデータを読み出し可能な記憶部60を備えている。記憶部60には、操作ユニット2を介して入力された手術情報が予め記憶されている。この手術情報には、手術で使用される複数のアーム3の組み合わせが含まれている。また、記憶部60には、アーム3の先端部に保持される外科用器具(内視鏡アセンブリ42または各外科用器具41)の長軸方向Dに沿った長さ等の情報が記憶されている。これにより、コントローラ6は、アーム3の先端部に保持された外科用器具41および内視鏡アセンブリ42の先端部の位置座標を把握可能となっている。
コントローラ6は、動作指令に基づく外科用器具41の器具屈曲部46の屈曲に追従して内視鏡アセンブリ42を屈曲させるように制御する屈曲追従制御を実行可能に構成されている。操作ユニット2は、屈曲追従制御を行うか否かを切り替える操作入力が可能に構成されている。
以下では、施術者Oの操作ユニット2への操作入力により第1外科用器具41aの屈曲に追従する屈曲追従制御を行うように切り替えられた場合を例示する。この場合、その後の操作入力において、第1外科用器具41aの動作指令に器具屈曲部46への屈曲動作が含まれている場合、コントローラ6は、第1外科用器具41aの屈曲に追従して内視鏡アセンブリ42を屈曲させるように制御する。
このため、第1外科用器具41aの先端部の移動に応じて内視鏡アセンブリ42のカメラ47が撮像する画像を第1外科用器具41aの先端部が向く方向に調整し易くすることができる。したがって、第1外科用器具41aを屈曲させた場合でもその先端部の画像を容易に取得することができる。以下に屈曲追従制御の具体例を例示する。
[第1の制御態様]
第1の制御態様において、コントローラ6は、第1外科用器具41aの器具屈曲部46の屈曲角θHに応じて内視鏡アセンブリ42の内視鏡屈曲部48の屈曲角θCを決定する。例えば、θH=θCの場合、コントローラ6は、第1外科用器具41aの器具屈曲部46の屈曲角θHと同じ屈曲角で内視鏡屈曲部48を屈曲させるように第2アーム3Bおよび内視鏡アセンブリ42を制御する。
第1の制御態様において、コントローラ6は、第1外科用器具41aの器具屈曲部46の屈曲角θHに応じて内視鏡アセンブリ42の内視鏡屈曲部48の屈曲角θCを決定する。例えば、θH=θCの場合、コントローラ6は、第1外科用器具41aの器具屈曲部46の屈曲角θHと同じ屈曲角で内視鏡屈曲部48を屈曲させるように第2アーム3Bおよび内視鏡アセンブリ42を制御する。
器具屈曲部46の屈曲角θHと内視鏡屈曲部48の屈曲角θCとの関係は、上記に限られない。例えば、器具屈曲部46の屈曲角θHより小さい屈曲角θC(θC<θH。例えばθC=θH/2等)に設定されてもよい。また、器具屈曲部46の屈曲角θHより大きい屈曲角θC(θC>θH。例えばθC=2θH等)に設定されてもよい。また、器具屈曲部46の屈曲角θHの大きさに応じて当該屈曲角θHと内視鏡屈曲部48の屈曲角θCとの関係が変化してもよい。例えば、θC=kθHの関係において、器具屈曲部46の屈曲角θHが大きくなるほど内視鏡屈曲部48の屈曲角θCに掛けられる係数kが大きくなる(または小さくなる)としてもよい。
このような態様によれば、簡単な制御で第1外科用器具41aの屈曲に内視鏡アセンブリ42の屈曲を追従させることができる。
なお、上述したように、内視鏡アセンブリ42およびそれが保持される第2アーム3Bは、第1ハンドユニット51aまたは第2ハンドユニット51bの操作対象として第2アーム3Bを割り当てることにより、施術者Oの操作に基づいて動作可能である。したがって、第1外科用器具41aの屈曲に追従するように内視鏡アセンブリ42の屈曲動作を実施した後において、施術者Oにとってより望ましい撮像領域がモニタ53に表示されるように施術者Oの操作に基づいて内視鏡アセンブリ42の位置および姿勢を調整可能である。このように、屈曲追従制御の実行後に操作ユニット2を操作して内視鏡アセンブリ42の位置および姿勢の調整を行う場合であっても、予め内視鏡アセンブリ42の追従制御を実行することにより、施術者Oの操作による調整量を少なくすることができる。
[第2の制御態様]
第2の制御態様において、コントローラ6は、第1外科用器具41aが屈曲した場合に、器具屈曲部46の屈曲前の状態における第1外科用器具41aの先端部の位置および姿勢と、内視鏡屈曲部48の屈曲前の状態における内視鏡アセンブリ42の先端部の位置および姿勢との相対関係を保持するように、内視鏡アセンブリ42の位置および姿勢を決定する第1演算処理を行う。
第2の制御態様において、コントローラ6は、第1外科用器具41aが屈曲した場合に、器具屈曲部46の屈曲前の状態における第1外科用器具41aの先端部の位置および姿勢と、内視鏡屈曲部48の屈曲前の状態における内視鏡アセンブリ42の先端部の位置および姿勢との相対関係を保持するように、内視鏡アセンブリ42の位置および姿勢を決定する第1演算処理を行う。
このために、記憶部60は、器具屈曲部46の屈曲前の状態における第1外科用器具41aの先端部の位置および姿勢と、内視鏡屈曲部48の屈曲前の状態における内視鏡アセンブリ42の先端部の位置および姿勢とを記憶する。
図5は、本実施の形態の第2の制御態様における第1外科用器具および内視鏡アセンブリの屈曲前の状態を示す部分拡大図である。また、図6は、本実施の形態の第2の制御態様における第1外科用器具の屈曲動作に対して内視鏡アセンブリが追従した後の状態を示す部分拡大図である。図5に示す例においては、第1外科用器具41aの器具屈曲部46の屈曲角θHおよび内視鏡アセンブリ42の内視鏡屈曲部48の屈曲角θCがともに0となっている。
第1外科用器具41aの先端部における座標系(第1外科用器具座標系)をΣH1とし、内視鏡アセンブリ42の先端部における座標系(内視鏡アセンブリ座標系)をΣC1とする。このとき、屈曲前における内視鏡アセンブリ42の先端部の内視鏡アセンブリ座標系ΣC1の位置姿勢を表す行列PC1と、屈曲前における第1外科用器具41aの先端部の第1外科用器具座標系ΣH1の位置姿勢を表す行列PH1との相対関係は、以下の式(1)で表せる。ここで、C1TH1は、第1外科用器具座標系ΣH1の位置姿勢を内視鏡アセンブリ座標系ΣC1から見た場合の同次変換行列を示す。
同次変換行列C1TH1は、内視鏡アセンブリ座標系ΣC1における第1外科用器具41aの先端部の位置座標(X,Y,Z)、内視鏡アセンブリ座標系ΣC1から見た第1外科用器具座標系ΣH1のx軸単位ベクトル成分(nx,ny,nz)、同じくy軸単位ベクトル成分(ox,oy,oz)、同じくz軸単位ベクトル成分(ax,ay,az)を用いて次のように示される。
上記式(2)のうち、内視鏡アセンブリ座標系ΣC1から見た第1外科用器具座標系ΣH1の各軸の単位ベクトル成分(ni,oi,ai(iはx,y,z)によって示される3×3行列)が内視鏡アセンブリ42の先端部から見た第1外科用器具41aの先端部の姿勢を示している。
記憶部60は、上記相対関係としてその同次変換行列C1TH1を記憶する。その後、第1外科用器具41aに対する動作指令として器具屈曲部46を屈曲させる屈曲動作を含む動作指令が生成された場合、コントローラ6は、第1外科用器具41aの動作に追従する内視鏡アセンブリ42の先端部の位置姿勢を表す行列PC2を、屈曲時における第1外科用器具41aの先端部の位置姿勢を表す行列PH2および上記同次変換行列C1TH1を用いて以下のように演算する。
コントローラ6は、内視鏡アセンブリ42の先端部が、演算された位置姿勢を表す行列PC2によって示される位置および姿勢となるように、内視鏡アセンブリ42の内視鏡屈曲部48の屈曲角θCおよび内視鏡アセンブリ42が保持されている第2アーム3Bの位置および姿勢(第2アーム3Bの各関節軸の変位量)を逆変換により演算して求める。
例えば、コントローラ6は、第1演算処理において、屈曲動作後の第1外科用器具41aの器具屈曲部46の屈曲角θH(=α)に応じた内視鏡アセンブリ42の内視鏡屈曲部48の屈曲角θC(=kα)を拘束条件として演算を行ってもよい。これにより、内視鏡アセンブリ42の屈曲を前提とした内視鏡アセンブリ42の位置および姿勢演算を行うことができ、演算量を低減させることができる。
上記演算後、コントローラ6は、演算結果に基づいて、内視鏡アセンブリ42の内視鏡屈曲部48の屈曲動作および第2アーム3Bの動作を制御する。この結果、図6に示されるように、第1外科用器具41aの屈曲動作前後で、第1外科用器具41aの先端部の位置および姿勢と内視鏡アセンブリ42の先端部の位置および姿勢との相関関係が保持されるように内視鏡アセンブリ42が追従制御される。
このような、第1演算処理を用いた第2の制御態様によれば、第1外科用器具41aの先端部の位置および姿勢と内視鏡アセンブリ42の先端部の位置および姿勢との相対関係が保持された状態で第1外科用器具41aおよび内視鏡アセンブリ42の屈曲動作が行われる。したがって、屈曲前後において第1外科用器具41aの先端部に対する、内視鏡アセンブリ42のカメラ47が撮像する画像領域が維持される。
本制御態様においても、第1外科用器具41aの屈曲に追従するように内視鏡アセンブリ42を動作させた後において、施術者Oにとってより望ましい撮像領域がモニタ53に表示されるように施術者Oの操作に基づいて内視鏡アセンブリ42の位置および姿勢を調整可能である。本制御態様によれば、第1外科用器具41aが屈曲動作した後の内視鏡アセンブリ42の施術者Oの操作による調整量をより少なくすることができる。
上記第1演算処理において、上記相対関係を保持するような内視鏡アセンブリ42の位置が決定できない場合がある。例えば、追従動作後の位置姿勢を表す行列PC2となる第2アーム3Bの位置および姿勢と内視鏡屈曲部48の屈曲角θCとの組み合わせが複数存在する場合(解が複数存在する場合)には内視鏡アセンブリ42の位置が決定できない。また、第2アーム3Bの移動範囲等の制約、他のアームとの干渉、スリーブ11の位置(内視鏡アセンブリ42のシャフト43が必ず通過しなければいけない位置)等の他の拘束条件により、内視鏡アセンブリ42の先端部が追従動作後に到達すべき位置に位置させることができない場合(解が存在しない場合)等が生じ得る。
このような場合、コントローラ6は、器具屈曲部46の屈曲前の状態における第1外科用器具41aの先端部の姿勢と、内視鏡屈曲部48の屈曲前の状態における内視鏡アセンブリ42の先端部の姿勢との関係を保持するように、内視鏡アセンブリ42の先端部の姿勢を決定してもよい。この場合、両者の姿勢の関係を保持するように内視鏡アセンブリ42の内視鏡屈曲部48の屈曲角θCおよび第2アーム3Bが位置制御され得る。
これによれば、第1外科用器具41aの先端部の位置および姿勢と内視鏡アセンブリ42の先端部の位置および姿勢との相対関係が保持できない場合であっても、第1外科用器具41aの先端部の姿勢と内視鏡アセンブリ42の先端部の姿勢との関係が保持されるように動作する。したがって、第1外科用器具41aの屈曲動作に内視鏡アセンブリ42を可能な限り追従させることができる。
これに代えて、第1演算処理において、上記相対関係を保持するような内視鏡アセンブリ42の位置が決定できない場合、第1外科用器具41aの器具屈曲部46の屈曲角θHに応じて内視鏡アセンブリ42の内視鏡屈曲部48の屈曲角θCを決定してもよい。すなわち、コントローラ6は、第2の制御態様において第1演算処理における解が決定できない場合、第1の制御態様に切り替えてもよい。
これによれば、第1外科用器具41aの先端部の位置および姿勢と内視鏡アセンブリ42の先端部の位置および姿勢との相対関係が保持できない場合であっても、第1外科用器具41aの器具屈曲部46の屈曲角θHに応じて内視鏡アセンブリ42の内視鏡屈曲部48の屈曲角θCが決定される。したがって、第1外科用器具41aの屈曲動作に内視鏡アセンブリ42を可能な限り追従させることができる。
上記例においては、第1アーム3Aに保持された第1外科用器具41aの屈曲動作に内視鏡アセンブリ42(および第2アーム3B)が追従するように動作する態様について説明したが、他のアーム3に保持された外科用器具41の屈曲動作に内視鏡アセンブリ42(および第2アーム3B)が追従するように動作可能としてもよい。例えば、第3アーム3Cに保持された第2外科用器具41bの屈曲動作に内視鏡アセンブリ42(および第2アーム3B)が追従するように動作可能としてもよい。すなわち、内視鏡アセンブリ42が追従する外科用器具を第1外科用器具41aおよび第2外科用器具41bから選択可能としてもよい。
例えば、操作ユニット2には、屈曲追従制御の切り替えスイッチ(図示せず)が設けられていてもよい。切り替えスイッチは、第1ハンドユニット51aに割り当てられたアーム3への追従、第2ハンドユニット51bに割り当てられたアーム3への追従、または、非追従を切り替えるように構成されていてもよい。切り替えスイッチにおいて非追従が選択された場合には、第1外科用器具41aおよび第2外科用器具41bの何れが屈曲動作を行っても、内視鏡アセンブリ42の内視鏡屈曲部48はそれらの屈曲動作に追従しない。ただし、この場合でも、何れかのハンドユニット51a,51bに内視鏡アセンブリ42が保持された第2アーム3Bが割り当てられた場合には、当該ハンドユニット51a,51bの操作によって内視鏡アセンブリ42を独立して屈曲動作させることは可能である。
切り替えスイッチにおいて、何れかのハンドユニット51a,51bが追従対象として選択された場合、選択されたハンドユニット51a,51bに割り当てられたアーム3が器具屈曲部46を有する外科用器具41a,41bであれば、コントローラ6は、当該外科用器具41a,41bの屈曲動作に内視鏡アセンブリ42および第2アーム3Bが追従するように、内視鏡アセンブリ42および第2アーム3Bを制御する。
なお、何れか一方のハンドユニット(例えば第1ハンドユニット51a)に第1外科用器具41aが保持される第1アーム3Aが割り当てられ、切り替えスイッチにおいて、第1ハンドユニット51aが追従態様として選択されている場合であって、さらに、他方のハンドユニット(例えば第2ハンドユニット51b)に内視鏡アセンブリ42が保持される第2アーム3Bが割り当てられた場合には、コントローラ6は、第1外科用器具41aの器具屈曲部46における屈曲動作にかかわらず、内視鏡アセンブリ42および第2アーム3Bに対して屈曲追従制御を行わない(自動的に追従を解除する)ように制御してもよい。これに代えて、コントローラ6は、内視鏡アセンブリ42が保持される第2アーム3Bが何れかのハンドユニット51a,51bに割り当てられている場合であっても屈曲追従制御を実行してもよい。
また、コントローラ6は、操作ユニット2による操作に基づいてハンドユニット51a,51bへの割り当てに関係なく内視鏡アセンブリ42が追従する外科用器具41a,41bを予め設定可能に構成されてもよい。
このような構成によれば、複数の外科用器具41a,41bが対応するアーム3A,3Cにそれぞれ保持されている場合、内視鏡アセンブリ42および第2アーム3Bの屈曲追従制御における追従対象を切り替えることができる。これにより、外科用器具41a,41bが取り付けられたアーム3A,3Bが複数ある場合に、施術者Oが見たい箇所の画像をより容易に取得することができる。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および/または機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明に係る外科手術システムの制御方法および外科手術システムは、マニピュレータアームに取り付けられた外科用器具を屈曲させた場合でもその先端部の画像を容易に取得するために有用である。
2 操作ユニット
3 アーム(マニピュレータアーム)
3A 第1アーム(第1マニピュレータアーム)
3B 第2アーム(第2マニピュレータアーム)
3C 第3アーム(第3マニピュレータアーム)
6 コントローラ(制御部)
36 ホルダ(器具保持部)
41 外科用器具
41a 第1外科用器具
41b 第2外科用器具
42 内視鏡アセンブリ
46 器具屈曲部
47 カメラ
48 内視鏡屈曲部
60 記憶部
100 外科手術システム
3 アーム(マニピュレータアーム)
3A 第1アーム(第1マニピュレータアーム)
3B 第2アーム(第2マニピュレータアーム)
3C 第3アーム(第3マニピュレータアーム)
6 コントローラ(制御部)
36 ホルダ(器具保持部)
41 外科用器具
41a 第1外科用器具
41b 第2外科用器具
42 内視鏡アセンブリ
46 器具屈曲部
47 カメラ
48 内視鏡屈曲部
60 記憶部
100 外科手術システム
Claims (8)
- 外科手術システムの制御方法であって、
前記外科手術システムは、
それぞれの先端部に長軸状の外科用器具を保持可能な器具保持部を有し、それぞれの先端部が基端部に対して3次元的に移動する複数のマニピュレータアームと、
操作入力に基づいて前記複数のマニピュレータアームを移動させるための動作指令を生成する操作ユニットと、
前記動作指令に基づいて前記複数のマニピュレータアームの移動を制御する制御部と、を備え、
前記複数のマニピュレータアームは、
器具屈曲部を有する第1外科用器具が前記器具保持部に保持される第1マニピュレータアームと、
内視鏡屈曲部を有し、先端部にカメラが設けられる内視鏡アセンブリが前記器具保持部に保持される第2マニピュレータアームと、を含み、
前記制御方法は、前記動作指令に基づく前記第1外科用器具の屈曲に追従して前記内視鏡アセンブリを屈曲させるように制御する、外科手術システムの制御方法。 - 前記第1外科用器具の前記器具屈曲部の屈曲角に応じて前記内視鏡アセンブリの前記内視鏡屈曲部の屈曲角を決定する、請求項1に記載の外科手術システムの制御方法。
- 前記外科手術システムは、前記制御部にデータを読み出し可能な記憶部を備え、
前記記憶部は、前記器具屈曲部の屈曲前の状態における前記第1外科用器具の先端部の位置および姿勢と、前記内視鏡屈曲部の屈曲前の状態における前記内視鏡アセンブリの先端部の位置および姿勢とを記憶し、
前記制御方法は、
前記第1外科用器具が屈曲した場合に、前記器具屈曲部の屈曲前の状態における前記第1外科用器具の先端部の位置および姿勢と、前記内視鏡屈曲部の屈曲前の状態における前記内視鏡アセンブリの先端部の位置および姿勢との相対関係を保持するように、前記内視鏡アセンブリの位置および姿勢を決定する第1演算処理を行う、請求項1に記載の外科手術システムの制御方法。 - 前記第1演算処理において前記相対関係を保持するような前記内視鏡アセンブリの位置が決定できない場合、前記器具屈曲部の屈曲前の状態における前記第1外科用器具の先端部の姿勢と、前記内視鏡屈曲部の屈曲前の状態における前記内視鏡アセンブリの先端部の姿勢との関係を保持するように、前記内視鏡アセンブリの先端部の姿勢を決定する、請求項3に記載の外科手術システムの制御方法。
- 前記第1演算処理において前記相対関係を保持するような前記内視鏡アセンブリの位置が決定できない場合、前記第1外科用器具の前記器具屈曲部の屈曲角に応じて前記内視鏡アセンブリの前記内視鏡屈曲部の屈曲角を決定する、請求項3に記載の外科手術システムの制御方法。
- 前記第1演算処理は、前記第1外科用器具の前記器具屈曲部の屈曲角に応じた前記内視鏡アセンブリの前記内視鏡屈曲部の屈曲角を拘束条件として演算を行う、請求項3から5の何れかに記載の外科手術システムの制御方法。
- 前記複数のマニピュレータアームは、器具屈曲部を有する第2外科用器具が前記器具保持部に保持される第3マニピュレータアームを含み、
前記制御方法は、
前記動作指令に基づく前記第2外科用器具の屈曲に追従して前記内視鏡アセンブリを屈曲可能とし、
前記内視鏡アセンブリが追従する外科用器具を前記第1外科用器具および前記第2外科用器具から選択可能とする、請求項1から6の何れかに記載の外科手術システムの制御方法。 - それぞれの先端部に長軸状の外科用器具を保持可能な器具保持部を有し、それぞれの先端部が基端部に対して3次元的に移動する複数のマニピュレータアームと、
操作入力に基づいて前記複数のマニピュレータアームを移動させるための動作指令を生成する操作ユニットと、
前記動作指令に基づいて前記複数のマニピュレータアームの移動を制御する制御部と、を備え、
前記複数のマニピュレータアームは、
器具屈曲部を有する第1外科用器具が前記器具保持部に保持される第1マニピュレータアームと、
内視鏡屈曲部を有し、先端部にカメラが設けられる内視鏡アセンブリが前記器具保持部に保持される第2マニピュレータアームと、を含み、
前記制御部は、前記動作指令に基づく前記第1外科用器具の屈曲に追従して前記内視鏡アセンブリを屈曲させるように制御する、外科手術システム。
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