JP2022142902A - 力計測装置及び力計測方法、手術装置、及び手術システム - Google Patents

Abstract

【課題】眼球内に挿入された術具に作用する力を計測する力計測装置を提供する。【解決手段】力計測装置は、トロッカーに作用する外力に関する第1の情報と、前記トロッカーに挿通される術具に作用する外力に関する第２の情報を取得する取得部と、前記第１の情報と前記第２の情報に基づいて、前記術具の先端に作用する外力を推定する演算部を具備する。前記術具は、前記トロッカーを介して前記生体と交差する挿入点に発生する力積がゼロとなるようにピボット操作され、前記演算部は、前記トロッカーが前記生体から受ける力積を無視して、前記術具の先端に作用する外力を推定する。【選択図】 図４

Description

本明細書で開示する技術（以下、「本開示」とする）は、手術中に生体組織と術具先端の間に作用する力を計測する力計測装置及び力計測方法、網膜手術装置、及び手術システムに関する。

一般に外科手術は、術者の感覚運動によって行われる難しい作業である。とりわけ網膜手術のように、小規模で脆弱な環境下で微細な術具を使用する手術の場合、術者はミクロンオーダーの動作を行う必要がある。このような作業においては、知覚不能な微小な力による患部への侵襲を抑制するために、術者に力覚を認識させることが好ましい。

例えば、網膜顕微鏡手術に使用される術具の先端近傍に力覚センサを配置して、眼球内部での生体組織と術具先端の間に作用する接触力を直接的に計測する方法が提案されている（特許文献１を参照のこと）。この方法によれば、術具の根元側（近位端）に力覚センサを搭載して、眼球外部から術具先端に作用する接触力を推定する方法に比べて、外乱（主に、トロッカー拘束点で発生する摩擦力など）の影響を受けずに高精度で計測することができるという利点がある。

しかしながら、臨床で使用されている一般的な鉗子の直径は概ね０．５ミリメートル程度と極めて細径であるため、このような術具の先端に力覚センサを配置することは、以下の点において不利である。
（１）構造上の複雑さ。
（２）洗浄及び滅菌といった医療要件の対応への難しさ。
（３）一般にディスポーザブルが取られいる眼科手術用鉗子における製造コストへのインパクト。

特表２０１３－５３６０１３号公報 ＷＯ２０１２／０２０３８６ ＷＯ２０１７／０７７７５５

本開示の目的は、例えば網膜手術において、トロッカーを介して眼球内に挿入された術具の先端と網膜との間に作用する力を計測する力計測装置及び力計測方法、網膜手術装置、及び手術システムを提供することにある。

本開示は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、
トロッカーに作用する外力に関する第1の情報と、前記トロッカーに挿通される術具に作用する外力に関する第２の情報を取得する取得部と、
前記第１の情報と前記第２の情報に基づいて、前記術具の先端に作用する外力を推定する演算部と、
を具備する力計測装置である。

前記取得部は、生体表面に挿入して用いられる前記トロッカーに取り付けられた第１の力覚センサから前記第１の情報を取得するとともに、前記術具の前記生体の外側の位置に取り付けられた第２の力覚センサから前記第２の情報を取得する。第１の側面に係る力計測装置は、前記第１の力覚センサ及び前記第２の力覚センサをさらに備えていてもよい。また、前記生体は眼球であり、前記演算部は、前記術具の先端が前記眼球の眼底から受ける力を推定する。

前記術具は、前記トロッカーを介して前記生体と交差する挿入点に発生する力積がゼロとなるようにピボット操作されるものとする。そして、前記演算部は、前記トロッカーが前記生体から受ける力積を無視して、前記術具の先端に作用する外力を推定する。

また、本開示の第２の側面は、
生体に挿入されるトロッカーに取り付けられた第１の力覚センサを用いて、前記トロッカーが前記生体から受ける外力及び前記術具から受ける外力を含む、前記トロッカーに作用する力に関する第１の情報を計測するステップと、
前記トロッカーに挿通される術具に取り付けられた第２の力覚センサを用いて、前記術具の先端に加わる接触力と前記鉗子が前記トロッカーから受ける外力を含む、前記術具に作用する力に関する第２の情報を計測するステップと、
前記第１の情報と前記第２の情報に基づいて前記術具の先端に作用する外力を推定する演算ステップと、
を有する力計測方法である。

また、本開示の第３の側面は、
生体に挿入されたトロッカーに挿通される術具を、前記術具が前記生体に挿入される挿入点において発生する力積がゼロとなるようにピボット操作するロボットと、
前記トロッカーに取り付けられた第１の力覚センサと、
前記術具に取り付けられた第２の力覚センサと、
前記第１の力覚センサによって計測される第１の情報と前記第２の力覚センサによって計測される第２の情報に基づいて、前記術具の先端に作用する外力を推定する演算部と、
を具備する手術装置である。

また、本開示の第４の側面は、マスタ装置とスレーブ装置からなる手術システムであって、
前記スレーブ装置は、
生体に挿入されたトロッカーに挿通される術具を、前記術具が前記生体に挿入される挿入点において発生する力積がゼロとなるようにピボット操作するロボットと、
前記トロッカーに取り付けられた第１の力覚センサと、
前記術具に取り付けられた第２の力覚センサと、
前記第１の力覚センサによって計測される第１の情報と前記第２の力覚センサによって計測される第２の情報に基づいて、前記術具の先端に作用する外力を推定する演算部と、
を備え、
前記マスタ装置は、
前記ロボットに対する操作量の指示を入力する操作ユーザインターフェース部と、
前記演算部によって推定された外力に基づく力覚を提示する提示部と、
を備える、手術システムである。

但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない。

本開示によれば、例えば網膜手術において、トロッカーを介して眼球内に挿入された術具の先端と網膜との間に作用する力を間接的に計測する力計測装置及び力計測方法、網膜手術装置、及び手術システムを提供することができる。

なお、本明細書に記載された効果は、あくまでも例示であり、本開示によりもたらされる効果はこれに限定されるものではない。また、本開示が、上記の効果以外に、さらに付加的な効果を奏する場合もある。

本開示のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

図１は、マスタスレーブ方式の手術システム１００の機能的構成例を示した図である。 図２は、網膜手術の一般的なレイアウト（眼球表面）を示した図である。 図３は、網膜手術の一般的なレイアウト（眼球断面）を示した図である。 図４は、力計測装置４００の構成を示した図である。 図５は、鉗子４１３に作用する力の関係を示した図である。 図６は、トロッカー４１２に作用する力の関係を示した図である。 図７は、第１の力覚センサ４０１及び第２の力覚センサ４０２で計測される６軸力を示した図である。 図８は、ＲＣＭ構造を有する支持アーム装置８００の自由度構成例を示した図である。 図９は、ＲＣＭを中心とする第３のリンク８２３のピボット運動を行うアーム部８１０の姿勢の例を示した図である。 図１０は、ＲＣＭを中心とする第３のリンク８２３のピボット運動を行うアーム部８１０の姿勢の例を示した図である。 図１１は、ＲＣＭを中心とする第３のリンク８２３のピボット運動を行うアーム部８１０の姿勢の例を示した図である。 図１２は、ＲＣＭを中心とする第３のリンク８２３のピボット運動を行うアーム部８１０の姿勢の例を示した図である。

以下、図面を参照しながら本開示について、以下の順に従って説明する。

Ａ．手術システム
Ｂ．網膜手術について
Ｃ．外力検出機構
Ｄ．効果
Ｅ．ＲＣＭ構造を有するロボット装置

Ａ．手術システム
本明細書では、主に本開示をマスタスレーブ方式の手術システムに適用した実施形態を中心に説明する。このような手術システムでは、術者などのユーザはマスタ側で操作を行い、スレーブ側ではユーザの操作に従ってロボットの駆動をコントロールすることによって手術を行う。手術システムにロボティックス技術を取り入れる目的として、術者の手の振戦の抑止、操作支援や術者間の技量の相違の吸収、遠隔からの手術の実施などが挙げられる。

図１には、マスタスレーブ方式の手術システム１００の機能的構成例を示している。図示の手術システム１００は、ユーザ（術者）が手術などの作業を指示するマスタ装置１１０と、マスタ装置１１０からの指示に従って手術を実施するスレーブ装置１２０からなる。ここで言う手術として、主に網膜手術を想定している。マスタ装置１１０とスレーブ装置１２０間は、伝送路１３０を介して相互接続されている。伝送路１３０は、例えば光ファイバなどのメディアを用いて低遅延で信号伝送を行えることが望ましい。

マスタ装置１１０は、マスタ側制御部１１１と、操作ＵＩ（Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）部１１２と、提示部１１３と、マスタ側通信部１１４を備えている。マスタ装置１１０は、マスタ側制御部１１１による統括的な制御下で動作する。

操作ＵＩ部１１２は、ユーザ（術者など）が、スレーブ装置１２０において鉗子などの術具を操作するスレーブロボット１１２（後述）に対する指示を入力するためのデバイスからなる。操作ＵＩ部１１２は、例えば、コントローラやジョイスティックなどの専用の入力デバイス、さらにはマウス操作や指先のタッチ操作を入力するＧＵＩ画面などの汎用の入力デバイスで構成される。また、特許文献２で開示される「医療用装置」を操作ＵＩ部１１２として利用することができる。

提示部１１３は、主にスレーブ装置１２０側のセンサ部１２３（後述）で取得されるセンサ情報に基づいて、操作ＵＩ部１１２を操作しているユーザ（術者）に対して、スレーブ装置１２０において実施されている手術に関する情報を提示する。

例えば、センサ部１２３が患部の表面を観察する顕微鏡画像を撮り込むＲＧＢカメラやＯＣＴ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：光干渉断層装置）を装備し、又はＲＧＢカメラの撮像画像やＯＣＴ画像を取り込むインターフェースを装備し、これらの画像データが伝送路１３０を介して低遅延でマスタ装置１１０に転送される場合、提示部１１３は、リアルタイムの患部のＲＧＢ画像やＯＣＴ画像を画面表示する。

また、センサ部１２３が、スレーブロボット１１２が操作する術具に作用する外力やモーメントを計測する機能を装備し、このような力覚情報が伝送路１３０を介して低遅延でマスタ装置１１０に転送される場合には、提示部１１３は、ユーザ（術者）に対して力覚提示を行う。例えば、提示部１１３は、操作ＵＩ部１１２を使ってユーザ（術者）に力覚提示を行うようにしてもよい。

マスタ側通信部１１４は、マスタ側制御部１１１による制御下で、伝送路１３０を介したスレーブ装置１２０との信号の送受信処理を行う。例えば伝送路１３０が光ファイバからなる場合、マスタ側通信部１１４は、マスタ装置１１０から送出する電気信号を光信号に変換する電光変換部と、伝送路１３０から受信した光信号を電気信号に変換する光電変換部を備えている。

マスタ側通信部１１４は、ユーザ（術者）が操作ＵＩ部１１２を介して入力した、スレーブロボット１２２に対する操作コマンドを、伝送路１３０を介してスレーブ装置１２０に転送する。また、マスタ側通信部１１４は、スレーブ装置１２０から送られてくるセンサ情報を、伝送路１３０を介して受信する。

一方、スレーブ装置１２０は、スレーブ側制御部１２１と、スレーブロボット１２２と、センサ部１２３と、スレーブ側通信部１２４を備えている。スレーブ装置１２０は、スレーブ側制御部１２１による統括的な制御下で、マスタ装置１１０からの指示に応じた動作を行う。

スレーブロボット１２２は、例えば多リンク構造からなるアーム型のロボットであり、先端（又は、遠位端）にエンドエフェクタとして鉗子などの術具を搭載している。スレーブ側制御部１２１は、伝送路１３０を介してマスタ装置１１０から送られてきた操作コマンドを解釈して、スレーブロボット１２２を駆動するアクチュエータの駆動信号に変換して出力する。そして、スレーブロボット１２２は、スレーブ側制御部１２１からの駆動信号に基づいて動作する。

本実施形態では、スレーブロボット１２２として、主に網膜手術を行うことを想定しており、ＲＣＭ（Ｒｅｍｏｔｅ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｍｏｔｉｏｎ）構造を有することを想定している。ＲＣＭ構造は、モータなどの駆動機構の回転中心から離れた位置に回転中心（すなわち、遠隔回転中心）を配置し、ピボット（不動点）運動を実現する構造とする。ＲＣＭ構造は、手術の際に患者の身体に開けた穴の位置（例えば、トロッカ位置）を常に通る構造を実現できることから安全性が高い。

センサ部１２３は、スレーブロボット１２２やスレーブロボット１２２が実施している手術の患部における状況を検出する複数のセンサを備え、さらに手術室内に設置された各種センサ装置からセンサ情報を取り込むためのインターフェースを装備している。

例えば、センサ部１２３は、スレーブロボット１２２の先端（遠位端）に搭載された術具に、手術中に作用する外力やモーメントを計測するための力覚センサ（Ｆｏｒｃｅ Ｔｏｒｑｕｅ Ｓｅｎｓｏｒ：ＦＴＳ）を備えている。この力覚センサの構成及び外力やモーメントを計測するための演算処理の詳細については、後述に譲る。

また、センサ部１２３は、スレーブロボット１２２が手術中の患部の表面を撮像するＲＧＢカメラや患部（眼球）の断面をスキャンするＯＣＴを装備し、又はＲＧＢカメラの撮像画像やＯＣＴ画像を取り込むインターフェースを装備している。

スレーブ側通信部１２４は、スレーブ側制御部１２１による制御下で、伝送路１３０を介したマスタ装置１１０都の信号の送受信処理を行う。例えば伝送路１３０が光ファイバからなる場合、スレーブ側通信部１２４は、スレーブ装置１２０から送出する電気信号を光信号に変換する電光変換部と、伝送路１３０から受信した光信号を電気信号に変換する光電変換部を備えている。

スレーブ側通信部１２４は、センサ部１２３によって取得される術具の力覚データや、患部のＲＧＢ画像、患部断面をスキャンしたＯＣＴ画像などを、伝送路１３０を介してマスタ装置１１０に転送する。また、スレーブ側通信部１２４は、マスタ装置１１０から送られてくるスレーブロボット１２２に対する操作コマンドを、伝送路１３０を介して受信する。

Ｂ．網膜手術について
図２及び図３には、網膜手術の一般的なレイアウトを示している。但し、図２は眼球表面を示し、図３はトロッカー及び術具（鉗子）が通過するように切断された眼球断面を示している。

図２に示すように、手術の対象となる眼球２００には開瞼器（ｅｙｅｌｉｄ ｓｐｅｃｕｌｕｍ）２０１が取り付けられ、瞼が閉じないように固定されている。そして、眼球２００の表面の複数箇所（図２に示す例では３箇所）に、トロッカー２０２～２０４が刺し込まれている。トロッカー２０２～２０４は、鉗子などの術具を挿入するための細径の管を有している。

図３に示すように、眼球３００の表面には細径の管を有するトロッカー３０１が刺されており、鉗子３０２がトロッカー３０１を介して眼球３００内に挿入され、さらに眼底に到達して、網膜手術が実施される。ここで、術者（又は、マスタ装置１１０を介して術者に遠隔操作されるスレーブロボット１２２）は、低侵襲の都合により、トロッカー３０１と眼球３００の表面との交点（以下、この交点のことを「挿入点」とも呼ぶ）付近に対してできるだけ小さな負荷で手術が行われるように常に配慮する。したがって、スレーブロボット１２２のＲＣＭ機構により、挿入点を支点として鉗子３０２をピボット操作することで、挿入点に発生する力積をゼロにする操作を行うことが理想的である。なお、ＲＣＭ構造からなるスレーブロボット１２２の構成については、後述する。

Ｃ．外力検出機構
このＣ項では、本開示に係る、トロッカーを介して眼球に挿入される鉗子の先端に作用する外力を検出する機構の詳細について説明する。

網膜手術のように、小規模で脆弱な環境下で微細な術具を使用する手術の場合、術者はミクロンオーダーの動作を行う必要がある。このような作業においては、知覚不能な微小な力による患部への侵襲を抑制するために、術者に力覚を認識させる必要がある。特許文献１では術具の先端近傍に力覚センサを配置して、眼球内部での生体組織と術具先端の間に作用する接触力を直接的に計測する方法が開示されている。しかしながら、網膜手術に使用される細径の術具の先端に力覚センサを配置することは、構造上難しく、製造コストも増大する（前述）。

そこで、本開示では、細径のトロッカーに挿入される鉗子の先端に力覚センサを配置することなく、鉗子の先端に作用する外力を間接的に且つ高精度で検出できる力計測装置について提案する。

図４には、本開示の一実施形態に係る力計測装置４００の構成を示している。同図では、人の眼球に取り付けられた状態の力計測装置４００の機能的構成を、眼球の断面とともに示している。

図３と同様に、眼球４１１の表面には細径の管を有するトロッカー４１２が刺されており、鉗子４１３がトロッカー４１２を介して眼球４１１内に挿入され、さらに眼底に到達して、網膜手術が実施される。

網膜手術の間（又は、トロッカー４１２に挿通されている間）、鉗子４１３は、スレーブロボット１２２のＲＣＭ機構により、眼球４１１の表面を通過する挿入点付近を支点としてピボット操作される。このため、挿入点に発生する力積をゼロにする操作が可能となり、挿入点に対してできるだけ小さな負荷で低侵襲の手術が実現する。

まず、鉗子４１３、トロッカー４１２、及び眼球４１１における相互の接触事象について考察する。図４中、患部（網膜）と鉗子４１３の先端の間における第１の接触事象と、トロッカー４１２とトロッカー４１２の細管に挿通される鉗子４１３間における第２の接触事象と、トロッカー４１２とトロッカー４１２が刺された眼球４１１間における第３の接触事象の、合計３つの接触事象が発生している。

そして、力計測装置４００は、トロッカー４１２に作用する外力及びトルクを検出する第１の力覚センサ（ＦＴＳ１）４０１と、鉗子４１３の根元付近（又は、眼球４１１内に挿入されない、トロッカー４１２より外側）に作用する外力及びトルクを検出する第２の力覚センサ（ＦＴＳ２）４０２と、第１の力覚センサ４０１及び第２の力覚センサ４０２の各々が検出するセンサ値に基づいて鉗子４１３の先端に作用する接触力及びトルクを計算する演算部４０３を備えている。この力計測装置４００は、図１に示した手術システム１００のセンサ部１２３に組み込んで使用することができる。

本実施形態では、第１の力覚センサ４０１及び第２の力覚センサ４０２はともにｘｙｚの各軸方向に作用する力と、各軸回りに作用するトルクの合計６自由度を持つ６ＤＯＦセンサであることを想定している。なお、説明の便宜上、鉗子４１３の長軸方向をｚ軸に設定し（但し、先端から根元側の方向を正方向）、このｚ軸に直交するｘｙ軸を設定する。

第１の力覚センサ４０１及び第２の力覚センサ４０２の構成は特に限定されない。第１の力覚センサ４０１は、例えば鉗子４１３の根元付近に取り付けられた起歪体（又は、鉗子４１３の根元付近に形成された起歪体構造部分）に貼設された歪みセンサで構成される。また、第２の力覚センサ４０２は、トロッカー４１２の表面に取り付けられた起歪体（又は、トロッカー４１２の表面付近に形成された起歪体構造部分）に貼設された歪みセンサで構成される。歪みセンサは、例えば歪みゲージ、又はＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）センサでもよい。

ここで、鉗子４１３の先端に患部（網膜など）から加わる接触力を（ｆ_tip，τ_tip）とし、鉗子４１３がトロッカー４１２から受ける外力（具体的には、摩擦力）を（ｆ_fric，τ_fric）とする。図５には、鉗子４１３に作用する力の関係（すなわち、鉗子４１３の先端に加わる接触力（ｆ_tip，τ_tip）と、鉗子４１３がトロッカー４１２から受ける外力（ｆ_fric，τ_fric）との関係）を示している。

また、トロッカー４１２が眼球４１１から受ける外力を（ｆ_eye，τ_eye）とし、トロッカー４１２が鉗子４１３から受ける外力（具体的には、摩擦力）を（ｆ_fric´，τ_fric´）とする。図６には、トロッカー４１２に作用する力の関係（すなわち、トロッカー４１２が眼球４１１から受ける外力（ｆ_eye，τ_eye）と、トロッカー４１２が鉗子４１３から受ける外力（ｆ_fric´，τ_fric´）との関係）を示している。

また、図７に示すように、トロッカー４１２に取り付けられた第１の力覚センサ４０１で計測される６軸力を（ｆ_FTS1,τ_FTS1）とし、鉗子４１３に取り付けられた第２の力覚センサ４０２で計測される６軸力を（ｆ_FTS2,τ_FTS2）とする。

なお、上記において、力ｆはそれぞれｘｙｚの各軸方向の３成分を有し、トルクτはそれぞれｘｙｚの各軸回りの３成分を有するものとする。

トロッカー４１２に取り付けられた第１の力覚センサ４０１で計測される６軸力（ｆ_FTS1,τ_FTS1）は、トロッカー４１２が眼球４１１から受ける外力（ｆ_eye，τ_eye）と、トロッカー４１２が鉗子４１３から受ける外力（ｆ_fric´，τ_fric´）に基づいて、以下の式（１）で示される。

また、鉗子４１３の根元付近に取り付けられた第２の力覚センサ４０２で計測される６軸力を（ｆ_FTS2,τ_FTS2）は、鉗子４１３の先端に加わる接触力（ｆ_tip，τ_tip）と、鉗子４１３がトロッカー４１２から受ける外力（ｆ_fric，τ_fric）に基づいて、以下の式（２）で示される。

他方、鉗子４１３とトロッカー４１２間に作用する力は、作用反作用の関係から、下式（３）のように与えられる。

また、鉗子４１３は、スレーブロボット１２２のＲＣＭ機構により、挿入点を支点としてピボット操作されため、挿入点に発生する力積はゼロである。したがって、下式（４）が成り立つ。

上式（１）～（４）より、鉗子４１３の先端に加わる接触力（ｆ_tip，τ_tip）は、第１の力覚センサ４０１及び第２の力覚センサ４０２の計測値のみを用いて、下式（５）のように表される。

したがって、演算部４０３は、第１の力覚センサ４０１で計測される６軸力（ｆ_FTS1,τ_FTS1）と、鉗子４１３に取り付けられた第２の力覚センサ４０２で計測される６軸力（ｆ_FTS2,τ_FTS2）から、上式（５）に基づいて、鉗子４１３の先端に加わる接触力（ｆ_tip，τ_tip）を算出することができる。上式（５）では、第１の力覚センサ４０１で計測される６軸力（ｆ_FTS1,τ_FTS1）と、第２の力覚センサ４０２で計測される６軸力（ｆ_FTS2,τ_FTS2）の合力から、鉗子４１３の先端に加わる接触力（ｆ_tip，τ_tip）を算出している。

なお、イナーシャが極めて小さい術具（網膜手術用の鉗子４１３）を用いて低速な操作を行うことを想定していることから、慣性力を無視して上式（１）～（５）を示している。

力計測装置４００において、必要に応じてキャリブレーションを実施してもよい。この場合、演算部４０３では、上式（５）に束縛されず、キャリブレーションによって導出された補正定数や補正式を用いて、鉗子４１３の先端に加わる接触力（ｆ_tip，τ_tip）を算出するようにしてもよい。もちろん、力計測装置４００は、上式（５）によらず、第１の力覚センサ４０１及び第２の力覚センサ４０２の計測値から、機械学習モデルを用いて鉗子４１３の先端の作用力（ｆ_tip，τ_tip）を推定するようにしてもよい。

力計測装置４００が、図１に示した手術システム１００のセンサ部１２３に組み込んで使用される場合、演算部４０３で算出した接触力（ｆ_tip，τ_tip）に関する情報は、伝送路１３０を介してマスタ装置１１０に転送される。そして、マスタ装置１１０側では、提示部１１３が、ユーザ（術者）に対して、接触力（ｆ_tip，τ_tip）に基づく力覚フィードバックを行うことができる。

Ｄ．効果
このＤ項では、本開示の効果について言及する。

例えば網膜手術に使用される鉗子４１３は、細管からなるトロッカー４１２に挿通させるため、極めて細径であり、このような鉗子４１３の先端に力覚センサを配置することは難しく（前述）、医療要件に関わる実用上に問題が発生し易い。

これに対し、本開示に係る力計測装置４００を用いれば、鉗子４１３の先端（言い換えれば、眼球４１１の内部）に力覚センサを配置せずに、鉗子４１３の先端に作用する力を推定することができる。したがって、本開示によれば、鉗子４１３をシンプルな構造に維持したまま、その先端の作用力を計測することが可能になる。

Ｅ．ＲＣＭ構造を有するロボット装置
このＥ項では、スレーブロボット１２２において適用される、ＲＣＭ構造を有するロボット装置について説明する。

本明細書において、ＲＣＭ構造は、モータなどの駆動機構の回転中心から離れた位置に回転中心（すなわち、遠隔回転中心）を配置し、ピボット（不動点）運動を実現する構造とする。ＲＣＭ構造は、手術の際に患者の身体に開けた穴の位置（例えば、トロッカー位置）を常に通る構造（さらに言えば、トロッカー位置を支点としてピボット操作が可能で、トロッカー位置における力積をゼロとして低侵襲の構造）を実現できることから安全性が高く、既にいくつかのロボットや医療機器において採用されている（例えば、特許文献３を参照のこと）。

図８には、先端に鉗子などの術具を支持する支持アーム装置８００の構成例を示している。図示の支持アーム装置８００は、スレーブロボット１２２に適用されることを想定している。支持アーム装置８００は、少なくとも１つの平行リンクを含むアーム部８１０を備えており、アーム部８１０の先端に鉗子などの術具（図８では図示を省略）を支持している。支持アーム装置８００は、アーム部８１０を第１のモータ８３０及び第２のモータ８４０により動作させることで、アーム部８１０の先端に支持された術具の、ＲＣＭを中心とするピボット運動が実現される。また、支持アーム装置８００は、アーム部８１０の先端に支持された術具の直進運動を実現する機構をさらに備えていてもよいが、ここでは便宜上、図示と説明を省略する。

第１のモータ８３０の出力軸には第１の駆動軸としてのユニバーサルジョイント８３１が連結され、第１のモータ８３０は、ユニバーサルジョイント８３１を軸回転させる。ユニバーサルジョイント８３１は、一端の基部が第１のモータ８３０の出力軸に対して同軸に固定され、他端の回動部が基部に対して回動自在に連結されている。また、第２のモータ８４０の出力軸には第２の駆動軸８４１が同軸に連結され、第２のモータ８４０は、第２の駆動軸８４１を軸回転させる。

アーム部８１０は、複数のリンクによって構成される少なくとも１つの平行リンクを含む多リンク構造からなる。図８では、この多リンク構造体の自由度構成が分かり易くなるように、各リンクの形状及びリンク間を接続する関節部の構造を簡単化して描いている。アーム部８１０は、複数の関節部８１１～８１７と、関節部８１１～８１７によって回動可能に連結される第１のリンク８２１、第２のリンク８２２、第３のリンク８２３、第４のリンク８２４、及び第５のリンク８２５を含む。また、第１のリンク８２１は、先端に鉗子などの術具（図８では図示を省略）を支持する支持部を備えているものとする。

第１のリンク８２１、第２のリンク８２２、第３のリンク８２３、第４のリンク８２４、及び第５のリンク８２５により平行リンクが形成されている。そして、これらの複数のリンク８２１～８２５のうち、第４のリンク８２４が第１の駆動リンクに相当し、第５のリンク８２５が第２の駆動リンクに相当する。

かかるアーム部８１０では、第１のモータ８３０及び第２のモータ８４０の駆動により、術具（図８では図示を省略）を支持する第３のリンク８２３の長軸が常にＲＣＭを通るように、第３のリンク８２３がＲＣＭを中心に回動させることができる。

続いて、支持アーム装置８００のアーム部８１０が取り得るさまざまな姿勢について説明する。図９～図１２には、ＲＣＭを中心とする第３のリンク８２３のピボット運動を行うアーム部８１０の姿勢の例を示している。なお、図９～図１２には、図８に示したアーム部８１０の姿勢（基本姿勢）との比較を容易にするために、図８に示したアーム部８１０の姿勢を表す仮想線（一点鎖線）を示している。

図９には、図８に示した状態から、第１のモータ８３０を図示の反時計回りに回転させるとともに、第２のモータ８４０を左方向（図９中、参照番号９０１で示す矢印の方向）に回転させた場合のアーム部８１０の姿勢を示している。この場合、第１のリンク８２１及び第２のリンク８２２が平行な状態で維持されたまま、アーム部８１０は、左方向に回動しながら、前方に回動する。これにより、術具（図８では図示を省略）を支持する第３のリンク８２３が、ＲＣＭを中心に左方向に回動しつつ、前方に傾けられている。

図１０には、図９に示した状態から、第１のモータ８３０を図示の時計回りに回転させた場合のアーム部８１０の姿勢を示している。この場合、第１のリンク８２１及び第２のリンク８２２が平行な状態で維持されたまま、アーム部８１０は、後方に回動する。これにより、術具（図８では図示を省略）を支持する第３のリンク８２３が、ＲＣＭを中心に後方に傾けられている。

図１１には、図１０に示した状態から、第２のモータ８４０を右方向（図１１中、参照番号１１０１で示す矢印の方向）に回転させた場合のアーム部８１０の姿勢を示している。この場合、アーム部８１０は、右方向に傾けられる。これにより、第３のリンク８２３が、ＲＣＭを中心に右方向に傾けられている。このとき、第４のリンク８２４は、ユニバーサルジョイント８３１を介して第１のモータ８３０の出力軸に連結されているために、第４のリンク８２４の回転動作が妨げられることがない。

図１２には、図１１に示した状態から、第２のモータ８４０を左方向（図１２中、参照番号１２０１で示す矢印の方向）に回転させた場合のアーム部８１０の姿勢を示している。この場合、アーム部８１０は、左方向に傾けられる。これにより、第３のリンク８２３が、ＲＣＭを中心に左方向に傾けられている。このとき、第４のリンク８２４は、ユニバーサルジョイント８３１を介して第１のモータ８３０の出力軸に連結されているために、第４のリンク８２４の回転動作が妨げられることがない。

図８～図１２に示したように、支持アーム装置８００は、第１のモータ８３０及び第２のモータ８４０をそれぞれ駆動させ、アーム部８１０の姿勢を変化させることにより、術具等の治具が支持される第３のリンク８２３を、ＲＣＭを中心にピボット動作させることができる。本実施形態にかかる支持アーム装置８００は、例えば、図８～図１２に示したように、ＲＣＭを中心とする球面Ｙに対してさまざまな角度からアプローチする動作に適用することができる。また、第２のモータ３３０ｂを駆動させることにより、アーム部８１０を構成する平行リンクの傾きが第２の駆動軸３４５を中心に左右方向に変化する。アーム部８１０の先端の第３のリンク８２３の長軸が常にＲＣＭに向けられることから、アーム部３１０の姿勢にかかわらず、第３のリンク８２３で支持される術具（又は、術具の軸線）は常にＲＣＭを通過する。

このように、支持アーム装置８００は、アーム部８１０の姿勢を変化させることにより、アーム部８１０に支持される術具を、ＲＣＭを中心にピボット運動させることができる。なお、支持アーム装置８００は、アーム部８１０の先端に支持された術具の直進運動を実現する機構をさらに備えていてもよいが、ここでは便宜上、図示と説明を省略する。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本開示について詳細に説明してきた。しかしながら、本開示の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。

本明細書では、本開示を網膜手術などの眼球手術に適用した実施形態を中心に説明してきたが、本開示の要旨はこれに限定されるものではない。トロッカーを介して術具を体内に挿入して行うさまざまな手術にも、同様に本開示を適用することができる。また、本開示は、例えばマスタスレーブ方式のロボットを用いた遠隔操作又は操作支援や、手術ロボットの自律制御にも適用することができる。

また、本明細書で説明した実施形態では、術具として主に鉗子を利用した例を示しているが、術具は、鉗子以外にも、攝子、気腹チューブ、エネルギー処置具、顕微鏡や内視鏡（腹腔鏡や関節鏡などの硬性内視鏡、消化管用内視鏡や気管支鏡などの軟性内視鏡）などの医療用観察装置でもよい。

要するに、例示という形態により本開示について説明してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本開示の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。

なお、本開示は、以下のような構成をとることも可能である。

（１）トロッカーに作用する外力に関する第1の情報と、前記トロッカーに挿通される術具に作用する外力に関する第２の情報を取得する取得部と、
前記第１の情報と前記第２の情報に基づいて、前記術具の先端に作用する外力を推定する演算部と、
を具備する力計測装置。

（２）前記取得部は、生体表面に挿入して用いられる前記トロッカーに取り付けられた第１の力覚センサから前記第１の情報を取得するとともに、前記術具の前記生体の外側の位置に取り付けられた第２の力覚センサから前記第２の情報を取得する、
上記（１）に記載の力計測装置。

（３）前記第１の力覚センサ及び前記第２の力覚センサをさらに備える、
上記（２）に記載の力計測装置。

（４）前記生体は眼球であり、
前記演算部は、前記術具の先端が前記眼球の眼底から受ける力を推定する、
上記（２）又は（３）のいずれかに記載の力計測装置。

（５）前記第１の情報は、前記トロッカーが前記生体から受ける外力及び前記術具から受ける外力を含み、
前記第２の情報は、前記術具の先端に加わる接触力と前記鉗子が前記トロッカーから受ける外力を含む、
上記（２）乃至（４）のいずれかに記載の力計測装置。

（６）前記術具は、前記トロッカーを介して前記生体と交差する挿入点に発生する力積がゼロとなるようにピボット操作され、
前記演算部は、前記トロッカーが前記生体から受ける力積を無視して、前記術具の先端に作用する外力を推定する、
上記（２）乃至（５）のいずれかに記載の力計測装置。

（７）前記第１の情報及び第２の情報はそれぞれ６軸の外力に関する情報を含み、
前記演算部は、前記第１の情報に含まれる第１の６軸力と前記第２の情報に含まれる第２の６軸力の合力に基づいて、前記術具の先端に作用する６軸外力を推定する、
上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の力計測装置。

（８）生体に挿入されるトロッカーに取り付けられた第１の力覚センサを用いて、前記トロッカーが前記生体から受ける外力及び前記術具から受ける外力を含む、前記トロッカーに作用する力に関する第１の情報を計測するステップと、
前記トロッカーに挿通される術具に取り付けられた第２の力覚センサを用いて、前記術具の先端に加わる接触力と前記鉗子が前記トロッカーから受ける外力を含む、前記術具に作用する力に関する第２の情報を計測するステップと、
前記第１の情報と前記第２の情報に基づいて前記術具の先端に作用する外力を推定する演算ステップと、
を有する力計測方法。

（９）生体に挿入されたトロッカーに挿通される術具を、前記術具が前記生体に挿入される挿入点において発生する力積がゼロとなるようにピボット操作するロボットと、
前記トロッカーに取り付けられた第１の力覚センサと、
前記術具に取り付けられた第２の力覚センサと、
前記第１の力覚センサによって計測される第１の情報と前記第２の力覚センサによって計測される第２の情報に基づいて、前記術具の先端に作用する外力を推定する演算部と、
を具備する手術装置。

（１０）マスタ装置とスレーブ装置からなる手術システムであって、
前記スレーブ装置は、
生体に挿入されたトロッカーに挿通される術具を、前記術具が前記生体に挿入される挿入点において発生する力積がゼロとなるようにピボット操作するロボットと、
前記トロッカーに取り付けられた第１の力覚センサと、
前記術具に取り付けられた第２の力覚センサと、
前記第１の力覚センサによって計測される第１の情報と前記第２の力覚センサによって計測される第２の情報に基づいて、前記術具の先端に作用する外力を推定する演算部と、
を備え、
前記マスタ装置は、
前記ロボットに対する操作量の指示を入力する操作ユーザインターフェース部と、
前記演算部によって推定された外力に基づく力覚を提示する提示部と、
を備える、手術システム。

１００…手術システム、１１０…マスタ装置
１１１…マスタ側制御部、１１２…操作ＵＩ部、１１３…提示部
１１４…マスタ側通信部、１２０…スレーブ装置
１２１…スレーブ側制御部、１２２…スレーブロボット
１２３…センサ部、１２４…スレーブ側通信部、１３０…伝送路
４００…力計測装置、４０１…第１の力覚センサ
４０２…第２の力覚センサ、４０３…演算部
４１１…眼球、４１２…トロッカー、４１３…鉗子

Claims (10)

1. トロッカーに作用する外力に関する第1の情報と、前記トロッカーに挿通される術具に作用する外力に関する第２の情報を取得する取得部と、
   前記第１の情報と前記第２の情報に基づいて、前記術具の先端に作用する外力を推定する演算部と、
   を具備する力計測装置。
2. 前記取得部は、生体表面に挿入して用いられる前記トロッカーに取り付けられた第１の力覚センサから前記第１の情報を取得するとともに、前記術具の前記生体の外側の位置に取り付けられた第２の力覚センサから前記第２の情報を取得する、
   請求項１に記載の力計測装置。
3. 前記第１の力覚センサ及び前記第２の力覚センサをさらに備える、
   請求項２に記載の力計測装置。
4. 前記生体は眼球であり、
   前記演算部は、前記術具の先端が前記眼球の眼底から受ける力を推定する、
   請求項２に記載の力計測装置。
5. 前記第１の情報は、前記トロッカーが前記生体から受ける外力及び前記術具から受ける外力を含み、
   前記第２の情報は、前記術具の先端に加わる接触力と前記鉗子が前記トロッカーから受ける外力を含む、
   請求項２に記載の力計測装置。
6. 前記術具は、前記トロッカーを介して前記生体と交差する挿入点に発生する力積がゼロとなるようにピボット操作され、
   前記演算部は、前記トロッカーが前記生体から受ける力積を無視して、前記術具の先端に作用する外力を推定する、
   請求項２に記載の力計測装置。
7. 前記第１の情報及び第２の情報はそれぞれ６軸の外力に関する情報を含み、
   前記演算部は、前記第１の情報に含まれる第１の６軸力と前記第２の情報に含まれる第２の６軸力の合力に基づいて、前記術具の先端に作用する６軸外力を推定する、
   請求項１に記載の力計測装置。
8. 生体に挿入されるトロッカーに取り付けられた第１の力覚センサを用いて、前記トロッカーが前記生体から受ける外力及び前記術具から受ける外力を含む、前記トロッカーに作用する力に関する第１の情報を計測するステップと、
   前記トロッカーに挿通される術具に取り付けられた第２の力覚センサを用いて、前記術具の先端に加わる接触力と前記鉗子が前記トロッカーから受ける外力を含む、前記術具に作用する力に関する第２の情報を計測するステップと、
   前記第１の情報と前記第２の情報に基づいて前記術具の先端に作用する外力を推定する演算ステップと、
   を有する力計測方法。
9. 生体に挿入されたトロッカーに挿通される術具を、前記術具が前記生体に挿入される挿入点において発生する力積がゼロとなるようにピボット操作するロボットと、
   前記トロッカーに取り付けられた第１の力覚センサと、
   前記術具に取り付けられた第２の力覚センサと、
   前記第１の力覚センサによって計測される第１の情報と前記第２の力覚センサによって計測される第２の情報に基づいて、前記術具の先端に作用する外力を推定する演算部と、
   を具備する手術装置。
10. マスタ装置とスレーブ装置からなる手術システムであって、
    前記スレーブ装置は、
    生体に挿入されたトロッカーに挿通される術具を、前記術具が前記生体に挿入される挿入点において発生する力積がゼロとなるようにピボット操作するロボットと、
    前記トロッカーに取り付けられた第１の力覚センサと、
    前記術具に取り付けられた第２の力覚センサと、
    前記第１の力覚センサによって計測される第１の情報と前記第２の力覚センサによって計測される第２の情報に基づいて、前記術具の先端に作用する外力を推定する演算部と、
    を備え、
    前記マスタ装置は、
    前記ロボットに対する操作量の指示を入力する操作ユーザインターフェース部と、
    前記演算部によって推定された外力に基づく力覚を提示する提示部と、
    を備える、手術システム。

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