JP3298013B2 - 最適位置決めのための自動内視鏡システム - Google Patents

最適位置決めのための自動内視鏡システム

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JP3298013B2
JP3298013B2 JP50555094A JP50555094A JP3298013B2 JP 3298013 B2 JP3298013 B2 JP 3298013B2 JP 50555094 A JP50555094 A JP 50555094A JP 50555094 A JP50555094 A JP 50555094A JP 3298013 B2 JP3298013 B2 JP 3298013B2
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    • A61B2090/508—Supports for surgical instruments, e.g. articulated arms with releasable brake mechanisms

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 1. 発明の分野 本発明は、手術器具の位置を遠隔制御するためのロボ
ット式システムに関する。
2. 関連技術の説明 内視鏡は通常、光フアイバ・ケーブルによってビジュ
アル・ディスプレイに結合される。そのようなシステム
によって、ユーザは内視鏡の前で画像を遠隔表示するこ
とができる。内視鏡は、腹部の小さな切開部を介して患
者に内視鏡を挿入することを含む腹腔鏡検査法として知
られる手術手順で広く使用されている。内視鏡によっ
て、医師は、対象に直接的な視線が入らなくても患者の
体内を見ることができる。内視鏡を使用することによっ
て通常、手術手順を実行するのに必要な切開部の寸法が
減少する。
内視鏡は、患者の胆嚢を除去する際に手術を助けるた
めに広く使用されている。医師は通常、両手で胆嚢を除
去する必要があるので、内視鏡は助手が保持して操作し
なければならない。この手術手順中に、医師は患者内で
内視鏡を移動するよう助手に頻繁に指示しなければなら
ない。そのような方法は、助手が内視鏡を適切な位置に
位置決めするまで医師が一連の指示を送る必要があるた
め、時間がかかることがある。また、助手はこの器具を
一貫して一定の位置に保持することができず、その結
果、画像が動く。これは、長時間かかる手術手順の場合
に特にそうである。
現在、内視鏡を機械的に保持するシステムが、レオナ
ルド・メディカル社（Leonard Medical Inc.）によっ
て市販されている。レオナルド・メディカル社のシステ
ムは、内視鏡を一定の位置に保持する複数の空気圧駆動
継手を有する連接機構である。内視鏡を移動するには、
最初に空気圧駆動継手を解除して弛緩状態にしなければ
ならない。次いで、医師または助手が内視鏡を移動し
て、空気圧システムを再作動させる。レオナルド社のシ
ステムでは、内視鏡がある位置で保持されるが、医師ま
たは助手が絶えず空気圧駆動装置を停止／作動させ、内
視鏡を手動で移動する必要がある。そのようなシステム
は、手術プロセスを妨害して、手術手順の時間を増加さ
せる。医師が内視鏡の移動を直接的かつ効率的に制御で
きるようにするシステムを提供することが望ましい。
発明の要旨 本発明は、医師の足で操作できるフット・ペダルの作
動に応答して手術器具を移動するロボット式システムで
ある。このロボット式システムは、内視鏡など手術器具
を保持するようになされたエンド・エフェクタ（end ef
fector）を有する。エンド・エフェクタは、内視鏡を患
者に対して移動できるロボット式アーム・アセンブリに
結合される。このシステムは、フット・ペダルからの入
力信号に応答してロボット式アームの移動を制御するコ
ンピュータを含む。
コンピュータは、１組のアルゴリズムに従って、エン
ド・エフェクタを移動するのに必要とされる増分運動量
を計算する。このアルゴリズムは、医師から見た内視鏡
の移動が常に、フット・ペダルの移動と同じ方向になる
ように、フット・ペダルの入力を変換する。したがっ
て、フット・ペダルを押して内視鏡を上または下に移動
すると、内視鏡が常に、画像に対して、医師から見て上
または下の方向に移動するように、エンド・エフェクタ
が操作される。このロボット式システムは、医師の見る
画像の一貫した配向を保証するアルゴリズムにも従って
移動される。
したがって、本発明の一目的は、医師が手術器具の位
置を遠隔制御できるようにするシステムを提供すること
である。
図面の簡単な説明 当業者には、本発明の目的および利点が、以下の詳細
な説明および添付の図面を検討した後、容易に明らかに
なろう。
第１図は、本発明のロボット式システムの側面図であ
る。
第２図は、第１図のロボット式システムの平面図であ
る。
第３図は、内視鏡を保持するために使用されるエンド
・エフェクタの平面図である。
第４図は、第１図のシステムのフット・ペダルの平面
図である。
第５図は、第４図のフット・ペダルの断面図である。
第６図は、第１図に示したロボット式システムのコン
ピュータの概略図である。
第７図は、第２の座標系で配向させた内視鏡の概略図
である。
第８図は、システムの動作を示すフローチャートであ
る。
第９図は、ロボット式アーム・アセンブリの増分運動
量を示すグラフである。
第10図は、クラッチ・アセンブリおよび駆動歯車列ア
センブリに結合されたアクチュエータを示すロボット式
アーム・アセンブリの断面図である。
第11図は、ロボット式アーム・アセンブリを密封する
保護無菌バッグを示すシステムの側面図である。
第12図は、エンド・エフェクタの代替実施例の断面図
である。
第13図は、手術器具に作動可能に結合されたウォーム
・ギアを有するエンド・エフェクタの代替実施例の斜視
図である。
第14図は、第13図のウォーム・ギア継手を組み込んだ
ロボット式システムの代替実施例の斜視図である。
第15図は、第４の固定座標系内に位置する第３の座標
系を定義する手術器具の概略図である。
第16図は、ピボット・ポイントに対して移動される手
術器具の概略図である。
発明の詳細な説明 具合的には参照符号によって図面を参照すると、第１
図および第２図は、本発明のロボット式システムを示し
ている。システム10は通常、医師（図示せず）が患者12
に対して手術手順を実行する無菌手術室で使用される。
患者12は、手術台14に載せられる。手術台14には、手術
台14自体および患者12に対して手術器具18を移動できる
ロボット式アーム・アセンブリ16が取り付けられてい
る。手術器具18は通常、患者12の腹部に挿入される内視
鏡である。内視鏡18は、カニューラを介して患者に進入
し、患者の体内で、カニューラ・ピボット・ポイントの
周りで回転する。内視鏡は通常、医師が患者の器官など
を見られるようにする表示画面（図示せず）に接続され
る。内視鏡を説明し図示しているが、本発明は他の手術
器具と共に使用できることを理解されたい。
システム10は、ロボット式アーム・アセンブリ16およ
びフット・ペダル22に接続されたコンピュータ20を有す
る。フット・ペダル22は、手術台14に近接して位置して
おり、そのため、医師は、手術手順を実行しながらフッ
ト・ペダル22を操作することができる。システム10は、
医師がフット・ペダル22を押すだけで手術器具18を移動
できるように構成されている。
ロボット式アーム・アセンブリ16は、手術台14に固定
された線形アクチュエータ24を含む。線形アクチュエー
タ24は、リンケージ・アーム・アセンブリ26に接続さ
れ、第１の座標系のｚ軸に沿ってリンケージ・アセンブ
リ26を移動するようになされている。第２図に示したよ
うに、第１の座標系は、ｘ軸とｙ軸も有する。線形アク
チュエータ24は、アクチュエータの出力軸を移動するボ
ール・スクリューを回転させる電動機を有することが好
ましい。
リンケージ・アーム・アセンブリ26は、第１の回転式
アクチュエータ30およびエンド・エフェクタ32に取り付
けられた第１のリンケージ・アーム28を含む。第１の回
転式アクチュエータ30は、第１のリンケージ・アーム28
およびエンド・エフェクタ32をｚ軸に垂直な平面（ｘ−
ｙ平面）で回転させるようになされている。第１の回転
式アクチュエータ30は、第２のリンケージ・アーム36に
よって第２の回転式アクチュエータ34に接続されてい
る。第２の回転式アクチュエータ34は、第１の回転式ア
クチュエータ30をｘ−ｙ平面で回転させるようになされ
ている。第２の回転式アクチュエータ34は、第３のリン
ケージ・アーム40によって第３の回転式アクチュエータ
38に接続されている。第３の回転式アクチュエータ38
は、線形アクチュエータ24の出力軸に接続され、第２の
回転式アクチュエータ34をｘ−ｙ平面で回転させるよう
になされている。回転式アクチュエータは、それぞれの
リンケージ・アームに取り付けられた出力軸を含む電動
機であることが好ましい。アクチュエータ30、34、38
は、電動機に対するリンケージ・アームでのトルクを増
加させるための歯車減速ボックスを有する。アクチュエ
ータ24、30、34、38の電動機は、コンピュータ20によっ
て提供される出力信号に応答して回転する。
第３図に示したように、エンド・エフェクタ32は、内
視鏡18をつかんで保持することができるクランプ42を有
する。クランプ42は、内視鏡18の外径よりも小さい直径
を有するループを含むワイヤとして構成することができ
る。クランプ42によって、ロボット式アーム・アセンブ
リ16に内視鏡を容易に取り付け、かつロボット式アーム
・アセンブリから内視鏡を容易に取り外すことができ
る。簡単なワイヤ・クランプを図示し説明しているが、
エンド・エフェクタ32が、手術器具18を固定するのに必
要とされる任意の手段を有することができることを理解
されたい。第１図および第２図に示したように、内視鏡
18とエンド・エフェクタ32を結合することによって、x'
軸と、y'軸と、z'軸とを有する第２の座標系が形成され
る。エンド・エフェクタ32と内視鏡18を結合することに
よって、x"軸と、y"軸と、内視鏡18の長手方向軸に平行
なz"軸とを有する第３の座標系の原点も形成される。
エンド・エフェクタ32は、第１のリンケージ・アーム
28に結合できる軸44を有する。第１のリンケージ・アー
ム28は、エンド・エフェクタ32がアーム28の長手方向軸
の周りで回転できるようにする軸受けを有することがで
きる。エンド・エフェクタ32は、クランプ42と内視鏡18
がy'軸の周りで回転できるように構成することができ
る。エンド・エフェクタ32は、各手術手順ごとに無菌の
器具を使用できるように、第１のリンケージ・アーム28
から分離するように構成することが好ましい。ロボット
式システム10は、アセンブリ16を無菌状態にしておくた
めに、ロボット式アーム・アセンブリ16を密封するため
のバックまたはカバーを有することもできる。
アクチュエータ24、30、34、38はそれぞれ、コンピュ
ータ20に接続された位置センサ46〜52を有することがで
きる。これらのセンサは、電動機の回転移動を検知して
フィードバック信号をコンピュータ20に提供することが
できる電位差計でよい。エンド・エフェクタ32は、x'軸
の周りのエフェクタの角変位を検知する第１のジョイン
ト位置センサ54と、y'軸の周りの内視鏡の角変位を検知
する第２のジョイント位置センサ55とを有することもで
きる。
第４図および第５図は、フット・ペダル22の好ましい
実施例を示す。フット・ペダル22は、第１のフット・ス
イッチ58および第２のフット・スイッチ60を支持するハ
ウジング56を有する。第１のフット・スイッチ58は、第
１の圧力変換器62と第２の圧力変換器64とを有する。第
２のフット・スイッチ60は、第３の圧力変換器66と、第
４の圧力変換器68と、第５の圧力変換器70と、第６の圧
力変換器72とを有する。圧力変換器はそれぞれ、電圧入
力をコンピュータ20に提供する対応する演算増幅器に接
続されている。圧力変換器62ないし72は、医師がフット
・スイッチに対する圧力を増加させるにつれて各変換器
の抵抗が減少するように接続されている。そのような圧
力変換器は、インタリンク・エレクトロニクス社（Inte
rlink Electronics）によって販売されている。圧力変
換器の抵抗が減少すると、演算増幅器からコンピュータ
20に提供される入力電圧が増加する。各圧力変換器は、
第３の座標系の所定の方向に対応する。好ましい実施例
では、第１の圧力変換器62は、医師から見て画像の方へ
内視鏡を移動することに対応する。第２の変換器64は、
内視鏡を画像から遠ざける。第３の変換器66および第４
の変換器68はそれぞれ、内視鏡18を「上」および「下」
に移動し、第５の変換器70および第６の変換器72はそれ
ぞれ、内視鏡18を「左」および「右」に移動する。
第６図は、コンピュータ20の概略図を示す。コンピュ
ータ20は、圧力変換器および位置センサに接続されたマ
ルチプレクサ74を有する。好ましい実施例では、マルチ
プレクサ74は、各センサおよび変換器ごとに１つある12
個のチャネルを有する。マルチプレクサ74は、単一のア
ナログ・ディジタル（A/D）変換器76に接続されてい
る。
コンピュータは、プロセッサ78とメモリ80も有する。
A/D変換器76は、システムの入力信号から受け取られた
各電圧レベルごとのバイナリ・ストリングをプロセッサ
78に提供できるように構成されている。一例を挙げる
と、圧力変換器は、−10Vないし10Vの範囲の電圧を提供
することができ、変換器76は、各電圧レベルごとの異な
る12ビット・バイナリ・ストリングを提供することがで
きる。1.0Vの入力信号は、バイナリ・ストリング000011
001010に対応し、2.0Vは000111010100に対応し、以下、
同様である。
プロセッサ78は、アドレス・デコーダ82および４つの
別々のディジタル・アナログ（D/A）変換器84に接続さ
れている。各D/A変換器は、アクチュエータ26、30、3
4、または38に接続されている。D/A変換器84は、プロセ
ッサ78から受け取られた出力信号に応答してアナログ出
力信号をアクチュエータに提供する。アナログ出力信号
は、電動機を作動させてロボット式アーム・アセンブリ
を移動するのに十分な電圧レベルを有することが好まし
い。D/A変換器84は、プロセッサからのバイナリ１が電
動機を駆動するアナログ出力信号を生成するように構成
することができる。そのような実施例では、電動機は、
プロセッサがバイナリ１出力信号を提供するかぎり作動
する。デコーダ82は、正しい電動機が駆動されるよう
に、プロセッサによって提供されたアドレスを対応する
D/A変換器に相関付ける。アドレス・デコーダ82は、A/D
変換器からの入力データが正しい入力チャネルに関連付
けられるようにそのデータ用のアドレスを提供する。
プロセッサ78は、以下の数式にしたがってロボット式
アーム・アセンブリ16の移動を計算する。
上式で、 a2＝第３のリンケージ・アームとｘ軸の間の角度、 a3＝第２のリンケージ・アームと第３のリンケージ・
アームの長手方向軸の間の角度、 a4＝第１のリンケージ・アームの第２のリンケージ・
アームの長手方向軸の間の角度、 L1＝第３のリンケージ・アームの長さ、 L2＝第２のリンケージ・アームの長さ、 L3＝第１のリンケージ・アームの長さ、 Π＝第１のリンケージ・アームと第２の座標系のx'軸
の間の角度、 ｘ＝第１の座標系におけるエンド・エフェクタのｘ座
標、 ｙ＝第１の座標系におけるエンド・エフェクタのｙ座
標である。
プロセッサ78は、ｘ−ｙ平面の新しい位置にエンド・
エフェクタを移動するために、角度a2、a3、a4の変化を
計算し、次いでそれに応じてアクチュエータを移動する
ための出力信号を提供する。
エンド・エフェクタの最初の角位置は、センサ46ない
し55によってプロセッサ78に提供される。プロセッサ
は、エンド・エフェクタの新しい位置と最初の位置の間
の差に対応する角度だけリンケージ・アームを移動す
る。角度差△a2は、第３のアクチュエータ38によって与
えられる角変位の量に対応し、角度差△a3は、第２のア
クチュエータ34によって与えられる角変位の量に対応
し、角度差△a4は、第１のアクチュエータ30によって与
えられる角変位の量に対応する。
システム10の効果を高めるには、医者から見た手術器
具の移動が常に、フット・ペダルの移動と同じ方向にな
るようにシステムを構成する。したがって、医者がフッ
ト・スイッチを押して内視鏡を上に移動すると、内視鏡
は常に、上向きに移動するように見える。この結果を得
るために、プロセッサ78は第３の座標系での内視鏡の端
部の所望の運動量を第２の座標系での座標に変換し、次
いで第２の座標系の座標を第１の座標系の座標に変換す
る。
内視鏡の所望の運動量は、以下の変換マトリックスを
使用することによって第３の座標系から第２の座標系に
変換される。
上式で、 △x"＝第３の座標系のx"軸に沿った、内視鏡の所望の
増分運動量、 △y"＝第３の座標系のy"軸に沿った、内視鏡の所望の
増分運動量、 △z"＝第３の座標系のz"軸に沿った、内視鏡の所望の
増分運動量、 a5＝y'−z'平面でのz'軸と内視鏡の間の角度、 a6＝x'−z'平面でのz'軸と内視鏡の間の角度、 △x'＝第２の座標系のx'軸に沿った、内視鏡の算出さ
れた増分運動量 △y'＝第２の座標系のy'軸に沿った、内視鏡の算出さ
れた増分運動量 △z'＝第２の座標系のz'軸に沿った、内視鏡の算出さ
れた増分運動量である。
角度a5およびa6は、エンド・エフェクタ32上に位置す
る第１のジョイント位置センサ54および第２のジョイン
ト位置センサ55によって提供される。角度a5およびa6を
第７図に示す。
内視鏡の所望の運動量は、以下の変換マトリックスを
使用することよって、第２の座標系から第１の座標系に
変換される。
上式で、 △x'＝第２の座標系のx'軸に沿った、内視鏡の算出さ
れた増分運動量、 △y'＝第２の座標系のy'軸に沿った、内視鏡の算出さ
れた増分運動量 △z'＝第２の座標系のz'軸に沿った、内視鏡の算出さ
れた増分運動量、 Π＝第１のリンケージ・アームと第１の座標系のｘ軸
の間の角度、 △ｘ＝第１の座標系のｘ軸に沿った、内視鏡の算出さ
れた増分運動量、 △ｙ＝第１の座標系のｙ軸に沿った、内視鏡の算出さ
れた増分運動量、 △ｚ＝第１の座標系のｚ軸に沿った、内視鏡の算出さ
れた増分運動量である。
増分運動量△ｘおよび△ｙは、ロボット式アーム・ア
センブリの角運動量（△a2、△a3、△a4）を算出して、
各電動機によって与えられる回転の量を求めるために、
上述のアルゴリズム（１）に挿入される。値△ｚは、線
形アクチュエータ26によって与えられる線形運動量を求
めるために使用される。
内視鏡が移動するたびに、内視鏡の次の増分移動で使
用すべき新しいΠ値を算出しなければならない。内視鏡
は通常、常にy'−z'平面にあり、したがってΠ値は、エ
ンド・エフェクタがy'軸に沿って移動したときしか変化
しない。新しいΠ値は以下の数式で算出することができ
る。
上式で、 ｄ＝エンド・エフェクタとカニューラ・ピボット・ポ
イントの間の内視鏡の長さ ｒ＝エンド・エフェクタとカニューラ・ピボット・ポ
イントの間のy'軸に沿った距離 ｍ＝内視鏡の増分運動量 新しいΠ値は、算出されて、次の計算ができるように
コンピュータのメモリに記憶される。
第８図は、システムを操作するために使用されるプロ
グラムのフローチャートである。コンピュータ20は最
初、センサ46ないし55によって供給される入力によって
エンド・エフェクタ32の位置を算出する。医者が１つの
フット・スイッチを押すと、ペダルはコンピュータに入
力信号を提供する。たとえば、医師は、内視鏡の前で対
象を綿密に見たいことがある。その場合、医師は第１の
フット・スイッチの頂部を押して第１の圧力変換器を押
し、コンピュータに入力信号を供給する。入力信号は12
ビット・バイナリ・ストリングに変換され、このバイナ
リ・ストリングがプロセッサによって受け取られる。12
ビット・ストリングは、△z"の所定の増分に対応する。
コンピュータは常に、フット・ペダルをサンプリングす
る。各サンプルは、対応する軸”の所定の増分に対応す
る。医師が２サンプリング周期の間フット・ペダルを押
し続けた場合、移動すべき増分は、2x△z"である。A/D
変換器は、圧力変換器の増幅器から受け取られた電圧レ
ベルの各増加に関する増倍係数を提供し、そのため、電
圧が増加するたびに増分が増加する。したがって、医師
は、フット・スイッチに対する圧力を増加することによ
って増分運動量を増加させることができる。
プロセッサ78は次いで、第３の座標系での新しい座標
を求める。第３の座標系での増分運動量（△x"、△y"、
△z"）を使用して、第２の座標系での増分運動量（△
x'、△y'、△z'）および第１の座標系での座標（△ｘ、
△ｙ、△ｚ）が算出される。次いで、これらの増分運動
量を使用して、角度a2、a3、a4の変化と、アクチュエー
タ24の線形運動量が求められる。コンピュータは、ロボ
ット式アーム・アセンブリを新しい位置に移動するため
の出力信号を適当な電動機に提供する。新しいΠ角度が
算出され、プロセスが繰り返される。したがって、本発
明によって、医師は内視鏡を介して見られる表示画像に
直接、相関するように、手術器具を遠隔移動することが
できる。
好ましい実施例では、システムは、内視鏡が患者に対
して常に同じ配向で整列するようにエンド・エフェクタ
32を移動する。これは、角度a6が常にゼロに等しくなる
ようにエンド・エフェクタを移動することによって行わ
れる。したがって、内視鏡が移動するたびに、センサ55
によって角度a6が検知される。角度a6がゼロに等しくな
い場合、プロセッサは以下のサブルーチンに従ってエン
ド・エフェクタを移動する。
a6＞ゼロの場合、エンド・エフェクタは Δπ＝π＋定数 に等しい増分だけ移動される。
a6＜ゼロの場合、エンド・エフェクタは、 Δπ＝π−定数 に等しい増分だけ移動される。
上式で、 △π＝エンド・エフェクタの増分角運動量 π＝前の角度π 定数＝エンド・エフェクタのある所定の増分角運動量 プロセッサは、角度a6がゼロに等しくなるまで、上述
のサブルーチンに従ってエンド・エフェクタを移動す
る。次いで、新しいπ角度は、記憶されて、次の計算の
ために使用される。角度a6をゼロに維持することによっ
て、医師の見る視界は、すべてのエンド・エフェクタ位
置に関して同じ配向になる。
第10図に示したように、各リンケージ・アーム28、3
6、80は第１のはすば歯車92に結合することが好まし
い。第１のはすば歯車92は、クラッチ96によってアクチ
ュエータ30、34、または38に結合される第２のはすば歯
車94にかみ合う。クラッチ96は、それら自体に電力が供
給されたときに結合される磁気プレートで構成すること
が好ましい。電力が終了すると、オペレータがリンケー
ジ・アームを手動で移動できるように、クラッチ96が係
合解除されて、アクチュエータが駆動軸から結合解除さ
れる。電力は、医師が操作できるスイッチ98を介してク
ラッチ96に供給される。クラッチによって、医師は、ア
クチュエータを係合解除し、内視鏡の位置を手動で移動
することができる。
第６図に示したように、システムは、一般に「ジョイ
スティック」と呼ばれるレバー作動入力装置100を有す
ることができる。入力装置100は、フット・ペダルと同
様に使用することができ、オペレータは装置100のレバ
ー102を移動することによって内視鏡を移動することが
できる。装置100は、オペレータが操作できる複数のメ
モリ・ボタン104を有することもできる。メモリ・ボタ
ン104は、コンピュータのプロセッサに結合される。メ
モリ・ボタン104は、セーブ・ボタン106とリコール・ボ
タン108とを含む。セーブ・ボタン106を押すと、第１の
座標系でのエンド・エフェクタの座標が、コンピュータ
・メモリの専用アドレスに保存される。リコール・ボタ
ン108を押すと、プロセッサは、メモリに記憶されてい
るデータを検索して、セーブ・ボタンが押されたときの
エンド・エフェクタの座標にエンド・エフェクタを移動
する。
セーブ・メモリ・ボタンによって、オペレータは第１
の位置におけるエンド・エフェクタの座標を記憶し、エ
ンド・エフェクタを第２の位置に移動し、次いでボタン
を押すことによって第１の位置に戻ることができる。一
例を挙げると、医師は、所定の位置から患者を幅広く見
て、その位置の座標をメモリに記憶することができる。
医師は続いて、内視鏡を使用して空洞などに入ることが
でき、それによって、より狭い視野が提供される。医師
は、単にシステムのリコール・ボタンを押すことによっ
て、幅広い視野から迅速に戻ることができる。医師が再
び、リコール・ボタンを押す前の内視鏡の最後の位置に
戻れるように、この位置を記憶することもできる。
第９図に示したように、リンケージ・アーム・アセン
ブリが急激に移動しないように、システムは、リコール
・サイクル中に単調増加的に移動することが好ましい。
プロセッサは、アクチュエータがエンド・エフェクタを
点Ａから点Ｂへ移動する純粋な線形移動の代わりに、以
下の数式に従ってリンケージ・アーム・アセンブリを移
動することが好ましい。
上式で、 ｔ＝時間 θｏ＝エンド・エフェクタの最初の位置 θ１＝エンド・エフェクタの最後の位置 ０＝位置θ０でのエンド・エフェクタの速度 １＝位置θ１でのエンド・エフェクタの速度 上述のアルゴリズムに従って各アクチュエータを移動
することによって、リンケージ・アーム・アセンブリの
運動量は、アームが、最初の位置を離れて最後の位置に
接近するにつれてそれぞれ、次第に増加し、次いで次第
に減少する。上述の数式に従ってアームを移動すること
によって、低い初期アーム加速値および低い最終アーム
加速値が生成される。アームの運動量が次第に増加して
次第に減少することによって、アーム・アセンブリが急
激に移動することが防止される。
第11図に示したように、ロボット式アーム・アセンブ
リは、バッグ110によって密封することが好ましい。バ
ッグ110は、アームが手術室のsterile fieldを汚染し
ないようにアーム・アセンブリ26を分離する。バッグ11
0は、手術室の無菌状態を維持するのに適した任意の材
料で構成することができる。バッグ110は、各手術手順
の後にバッグを定期的に取り外して交換できるようにす
るフック・ループ材料やジッパーなどの固定手段を有す
ることができる。
第12図は、エンド・エフェクタ120の代替実施例を示
す。エンド・エフェクタ120は、内視鏡18に結合された
金属カラー124を保持する磁石122を有する。カラー124
は、内視鏡18と、ねじ130と共に内視鏡18を捕捉する１
対のアーム128を収容する中央穴126を有する。カラー12
4は、エンド・エフェクタ120に位置するチャネル132内
にはまるように構成されている。磁石122は通常、リン
ケージ・アームの移動時に内視鏡を保持できるほど強い
が、オペレータがカラーおよび内視鏡をエンド・エフェ
クタから引き離せるほど弱い磁力を有する。
第13図は、手術器具142をロボット式システム144に結
合するエンド・エフェクタ140の好ましい実施例を示
す。エンド・エフェクタ140は、器具142に取り付けられ
たカラー148を捕捉できるカラー・ホルダ146を有する。
カラー148は、器具142がロボット式アセンブリ144に結
合されたときにカラー・ホルダ146の基部によって支持
されるリップ150を有する。カラー148は、器具142に固
定され、歯153を有するベアリング152を有し、歯153は
エンド・エフェクタ140に組み込まれたウォーム・ギア1
54とかみ合う。ウォーム・ギア154は通常、それ自体を
回転して器具142をその長手方向軸の周りで回転させる
ことができる電動機（図示せず）に接続される。
エンド・エフェクタ140は、第14図に概略的に示した
ロボット式システムで使用することが好ましい。ウォー
ム・ギアは、第１図に示したロボット式システムの第１
のアクチュエータ30に取って代わるものである。受動継
手156および158によって、第３図に示した受動継手によ
って与えられるのと同じ自由度が可能になる。継手156
および158は、図を明確にするために別々に示されてい
るが、物理的にエンド・エフェクタ140内に配置できる
ことを理解されたい。
手術器具は通常、カメラ（図示せず）と、器具がその
長手方向軸の周りで回転したときに、それに対応して表
示画面上の画像が回転するような表示画面（図示せず）
に結合される。器具および表示画像の回転によって、ビ
ューアが方向感覚を失うことがある。したがって、表示
画像の配向を維持することが望ましい。
第１図に示した実施例では、ロボット式アセンブリ
は、角度a6をゼロの値に維持する１組のアルゴリズムに
従って器具を移動する。これは、各移動の後に新しい角
度a6を算出し、次いでa6がゼロに等しくなるように器具
を移動することによって行われる。エンド・エフェクタ
の位置に応じて、器具をゼロa6に移動するためにいくつ
かまたはすべてのアクチュエータを作動させることが必
要になり、したがって角度a2、a3、a4を算出することが
必要になる。エンド・エフェクタ140のウォーム・ギア1
54を使用して、ウォーム・ギア154および内視鏡142を、
器具142の長手方向軸の周りで、算出された角度だけ回
転させることによって、表示画像の妥当な配向を維持す
ることができる。
第15図に示したように、内視鏡142は、第１図に示し
た第１の座標系のｚ軸に平行なｚ軸を有する固定された
第４の座標系内で配置される。第４の座標系の原点は、
器具とエンド・エフェクタの交差点である。基準点を提
供するために、器具は最初、第１の位置にあり、第２の
位置に移動される。内視鏡142自体は、z"軸が器具142の
長手方向軸に一致する第３の座標系を形成する。ウオー
ム・ギア154は、内視鏡142をうまく配向させるために、
器具142をその長手方向軸の周りで量△θ６だけ回転さ
せて、固定された座標系内の最垂直方向にy"軸を配向さ
せる。△θ６は、以下の外積から算出される。
△θ６＝zi"x（yo" x yi"） 上式で、 △θ６＝z"軸の周りで器具を回転させる角度、 yo"＝器具が第１の位置にあるときのy"軸のベクトル
配向、 yi"＝器具が第２の位置にあるときのy"軸のベクトル
配向、 zi"＝器具が第２の位置にあるときのz"軸のベクトル
配向である。
yi"軸およびzi"軸のベクトルは、以下のアルゴリズム
で算出される。
上式で、 Θ４＝ｙ−ｚ平面での器具とｚ軸の間の角度、 Θ５＝ｘ−ｚ平面での器具とｚ軸の間の角度、 ｚ＝第１の座標系のｚ軸の単位ベクトルである。
角度Θ４およびΘ５は、継手156および158に結合され
たジョイント位置センサによって提供される。ベクトル
yo"は、原点または第１の位置における器具の角度Θ４
およびΘ５を使用して算出される。yi"の算出する場
合、変換マトリックスで第２の位置の角度Θ４およびΘ
５が使用される。アームが移動するたびに、yo"がyi"に
セットされ、新しいyi"ベクトルおよび対応するΔθ６
が算出されて、内視鏡を再配向させるために使用され
る。上述のアルゴリズムを使用すると、内視鏡のピボッ
ト移動によってそれに対応する表示画像の回転が発生し
ないように、ウォーム・ギアが器具をその長手方向軸の
周りで連続的に回転させる。
最初に手術器具を患者に挿入する際、器具のピボット
・ポイントの正確な位置は不明である。ピボット・ポイ
ントを算出して、内視鏡のレンズ部を移動するのに必要
なロボティック運動量を求めることが望ましい。エンド
・エフェクタとそれに対向する器具のレンズ部の正確な
移動は、ピボット・ポイントと、ピボット・ポイントと
エンド・エフェクタの間の距離を知ることによって与え
られる。ピボット・ポイントの位置を使用して、器具の
基部が患者に押し込まれないようにして、器具が患者か
ら引き抜かれるのを防ぐことができる。
器具のピボット・ポイントは、最初に、エンド・エフ
ェクタと器具と交差点の最初の位置POと、器具と同じ配
向を有する単位ベクトルUoを求めることによって算出さ
れる。位置Ｐ（x,y,z）の値は、上述のロボット式アセ
ンブリの様々な位置センサから導くことができる。単位
ベクトルUoは、以下の変換マトリックスによって算出さ
れる。
エンド・エフェクタが移動するたびに、以下の一次方
程式LoおよびL1に従って器具の第１および第２の単位ベ
クトルUoおよびU1の外積の逆正弦を得ることによって、
器具の角運動量が算出される。
Δθ＝arcsin（|T|） Ｔ＝Uo×U1 上式で、 Ｔ＝単位ベクトルUoおよびU1の外積であるベクトルで
ある。
上述の位置センサおよび変換マトリックスを使用し
て、新しい器具の位置の単位ベクトルU1が再び求められ
る。角度Δθがしきい値よりも大きい場合、新しいピボ
ット・ポイントが算出され、UoがU1にセットされる。第
16図に示したように、第１および第２の器具配向は、一
次方程式LoおよびL1によって定義することができる。
Lo: xo＝Mxo・Zo＋Cxo yo＝Myo・Zo＋Cyo L1: x1＝Mx1・Z1＋Cx1 y1＝My1・Z1＋Cy1 上式で、 Zo＝第１の座標系のｚ軸に対する線Loに沿ったｚ座
標、 Z1＝第１の座標系のｚ軸に対する線L1に沿ったｚ座
標、 Mxo＝Zoの関数としての線Loの勾配、 Myo＝Zoの関数としての線Loの勾配、 Mx1＝Z1の関数としての線L1の勾配、 My1＝Z1の関数としての線L1の勾配、 Cxo＝線Loと第１の座標系のｘ軸の交差点を表す定
数、 Cyo＝線Loと第１の座標系のｙ軸の交差点を表す定数 Cx1＝L1と第１の座標系のｘ軸の交差点を表す定数 Cy1＝線L1と第１の座標系のｙ軸の交差点を表す定数 勾配は、以下のアルゴリズムを使用して算出される。
Mxo＝Uxo/Uzo Myo＝Uyo/Uzo Mx1＝Ux1/Uz1 My1＝Uy1/Uz1 Cxo＝Pox−Mx1・Poz Cyo＝Poy−My1・Poz Cx1＝P1x−Mx1・P1z Cy1＝P1y−My1・P1z 上式で、 Uo（x,y,z）＝第１の座標系内の第１の位置での器具
の単位ベクトル、 U1（x,y,z）＝第１の座標系内の第２の位置での器具
の単位ベクトル、 Po（x,y,z）＝第１の座標系内の第１の位置でのエン
ド・エフェクタと器具の交差点の座標、 P1（x,y,z）＝第１の座標系内の第２の位置でのエン
ド・エフェクタと器具の交差点の座標、 おおよそのピボット・ポイント位置を見つけるには、
第１の配向Loおよび第２の配向L1での器具のピボット・
ポイントを求め（それぞれ、ピボット・ポイントRoおよ
びR1）、２つの点RoとR1のそれぞれからそれらの中間ま
での距離を算出して器具のピボット・ポイントRaveとし
て記憶する。ピボット・ポイントRaveは、外積ベクトル
Ｔを使用することによって求められる。
位置RoおよびR1を見つけるには、以下の数式によっ
て、LoとL1の両方を通過する。ベクトルＴと同じ配向を
もつ線を定義する。
tx＝TX/Tz ty＝Ty/Tz 上式で、 tx＝第１の座標系のｚ−ｘ平面に対する、ベクトルＴ
によって定義される線の勾配、 ty＝第１の座標系のｚ−ｙ平面に対する、ベクトルＴ
によって定義される線の勾配、 Tx＝ベクトルＴのｘ成分、 Ty＝ベクトルＴのｙ成分、 Tz＝ベクトルＴのｚ成分、 ２つの点を選択して勾配Tx、Ty、Tzを求め（たとえ
ば、Tx＝x1−xo、Ty＝y1−yo、Tz＝z1−z0）、一次方程
式LoおよびL1を代入すると、以下のようにRo（xo,yo,z
o）およびR1（x1,y1,z1）の点座標に関する解が与えら
れる。
zo＝（（Mx1−tx）z1＋Cx1−Cxo）／（Mxo−tx） z1＝（（Cy1−Cyo）（Mxo−tx）−（Cx1−Cxo）（Myo−ty））／ （（Myo−tx）（Mx1−tx）−（My1−ty）（Mxo−tx）） yo＝Myo・zo＋Cyo y1＝My1・z1＋Cy1 xo＝Mxo・zo＋Cxo x1＝Mx1・z1＋Cx1 ピボット・ポイントRoとR1の間の平均距離は、以下の
数式によって算出され、器具のピボット・ポイントとし
て記憶される。
Ravr＝（（x1＋xo）/2,（y1＋yo）/2,（z1＋zo）/2） ピボット・ポイントは、上述のアルゴリズム・ルーチ
ンで連続的に更新することができる。ピボット・ポイン
トのあらゆる運動量をしきい値と比較することができ、
ピボット・ポイントが、設定された限界を超えて移動し
た場合、警告信号を発行することも、あるいはロボット
式システムを係合解除することもできる。設定された限
界との比較は、患者が動いていないかどうか、あるいは
器具が患者の外側で操作されていないかどうかを判定す
るうえで有用である。前記の状況では、患者または手術
室内にいる人が負傷する恐れがある。
ある典型的な実施例を説明し、添付の図面に示した
が、そのような実施例が例示的なものに過ぎず、広範囲
な本発明を制限するものではなく、かつ当業者には他の
修正を構想することができるので、本発明が、図示し説
明した特定の構成に限らないことが理解されよう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ０７２，９８２ (32)優先日 平成５年６月３日(1993．6．3) (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (72)発明者 ラビー，キース・フィリップ アメリカ合衆国 93109 カリフォルニ ア州・サンタ バーバラ・サンタ ロー ザ・220 (56)参考文献 特開 平５−76482（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−224553（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−280449（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−122416（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−205048（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−136014（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−106125（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) A61B 1/00 - 1/32 G02B 23/24 実用ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ) 特許ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ)

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】内視鏡の長手方向軸に対して垂直で、相互
    にも垂直である左右方向軸と上下方向軸とを有している
    内視鏡座標系に位置した内視鏡の動作をユーザが制御で
    きるようにするシステムであって、 ワールド座標系に位置した第１のアクチュエータを備
    え、 この第１のアクチュエータに結合されていて、ワールド
    座標系に位置した第２のアクチュエータを備え、前記第
    １のアクチュエータおよび前記第２のアクチュエータは
    前記内視鏡を移動させ得るものであり； ユーザからコマンドを受けて、前記内視鏡を内視鏡座標
    系において上下方向軸に沿って移動させるための入力装
    置を備え、 ユーザからの前記コマンドを受けて、内視鏡座標系での
    内視鏡の移動をワールド座標での内視鏡の移動へと変換
    し、出力信号を前記第１及び第２のアクチュエータへと
    与え、内視鏡をワールド座標系内で移動させ、もって、
    内視鏡を上下方向軸に沿って移動させるようにした制御
    装置を備えている ことを特徴とする、システム。
  2. 【請求項２】ユーザによって制御されるメディカル・シ
    ステムであって、 ワールド座標系に位置した第１のアクチュエータを備
    え、 この第１のアクチュエータに結合されていて、ワールド
    座標系に位置した第２のアクチュエータを備え、 内視鏡の長手方向軸に対して垂直で、相互にも垂直であ
    る左右方向軸と上下方向軸とを有している内視鏡座標系
    に位置していて、前記第１のアクチュエータおよび前記
    第２のアクチュエータに結合された内視鏡を備え、 ユーザからのコマンドを受けて、前記内視鏡を内視鏡座
    標系において上下方向軸に沿って移動させるための入力
    装置を備え、 ユーザからの前記コマンドを受けて、内視鏡座標系での
    内視鏡の移動をワールド座標での内視鏡の移動へと変換
    し、出力信号を前記第１及び第２のアクチュエータへと
    与え、内視鏡をワールド座標系内で移動させ、もって、
    内視鏡を上下方向軸に沿って移動させるようにした制御
    装置を備えている ことを特徴とする、システム。
  3. 【請求項３】請求項１又は２に記載のシステムにおい
    て、前記第２のアクチュエータに結合されていて、前記
    正解座標系に位置した第３のアクチュエータを備えてい
    る、ことを特徴とするシステム。
  4. 【請求項４】請求項１又は２に記載のシステムにおい
    て、前記制御装置に接続されていて、前記内視鏡を回転
    させるエンド・エフェクタを備えている、ことを特徴と
    するシステム。
  5. 【請求項５】請求項１又は２に記載のシステムにおい
    て、前記入力装置はフット・ペダルである、ことを特徴
    とするシステム。
  6. 【請求項６】請求項１又は２に記載のシステムにおい
    て、前記第１および第２のアクチュエータは電動機であ
    る、ことを特徴とするシステム。
  7. 【請求項７】請求項１又は２に記載のシステムにおい
    て、前記第１のアクチュエータに結合された第１の位置
    センサと、前記第２のアクチュエータに結合された第２
    の位置センサとを備えている、ことを特徴とするシステ
    ム。
  8. 【請求項８】請求項１又は２に記載のシステムにおい
    て、前記制御装置は、内視鏡座標系での内視鏡の移動を
    ワールド座標での内視鏡の移動へと、複数の変換式に従
    って変換する、ことを特徴とするシステム。
  9. 【請求項９】請求項１又は２に記載のシステムにおい
    て、前記第１および第２のアクチュエータに結合された
    台を備えている、ことを特徴とするシステム。
  10. 【請求項１０】内視鏡の移動を制御する方法において、 内視鏡の長手方向軸に対して垂直で、相互にも垂直であ
    る左右方向軸と上下方向軸とを有している内視鏡座標系
    において、上下方向軸に沿って内視鏡を移動させるコマ
    ンドを入力するステップを備え、 内視鏡座標系での内視鏡の移動をワールド座標での移動
    へと前記コマンドを変換するステップを備え、 出力信号を前記第１のアクチュエータおよび前記第２の
    アクチュエータへと送り、内視鏡をワールド座標系内で
    移動させ、もって、内視鏡を上下方向軸に沿って移動さ
    せるステップを備える、 ことを特徴とする方法。
  11. 【請求項１１】請求項10記載の方法において、前記内視
    鏡は回転できることを特徴とする方法。
  12. 【請求項１２】請求項10記載の方法において、内視鏡座
    標系での内視鏡の移動と、ワールド座標での内視鏡の移
    動との間の変換は、複数の変換式に従って変換されるこ
    とを特徴とする方法。
  13. 【請求項１３】請求項10記載の方法において、前記内視
    鏡は、患者の切開部におけるピボット・ポイントを中心
    にして回転することを特徴とする方法。
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