JP3986099B2 - 手術用マニピュレータシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は手術用マニピュレータシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
患者の腹腔等の体壁に挿入孔を開け、この挿入孔を通じて内視鏡や処置具を経皮的に体腔内に挿入することにより、体腔内で様々な処置を行う内視鏡下外科手術が従来より行われている。このような手術方法は、大きな切開を要しない低侵襲なものとして胆嚢摘出術や肺の一部を摘出除去する手術等で広く用いられている。
【０００３】
一方、近年、内視鏡や処置具を搭載した手術用マニピュレータシステムを使用して微細な処置を行なうようになっている。これには概してマスタースレーブ方式が用いられ、マスターである術者の動きに追従してスレーブアームを動作させることにより、体腔内における目的部位に対するアプローチを容易にしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の手術用マニピュレータシステムにおいては、患者の体腔内に内視鏡と処置具を挿入するので、体腔内の臓器を観察するための挿入孔と、処置具のための挿入孔の少なくとも２つの挿入孔が必要であり、患者への負担が重くなるという問題があった。
【０００５】
本発明の手術用マニピュレータシステムはこのような課題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、患者への安全を確保でき、かつ低侵襲の手術用マニピュレータシステムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様による手術用マニピュレータシステムは、患者の体腔内部位の処置を行う手術用マニピュレータと、患者の体表面に挿入孔を開けることなく当該体表面から体腔内部位に関する画像情報を得る観察手段と、この観察手段からの画像情報を術者が認識可能な画像情報として提供する画像提供手段と、前記観察手段を空間的に移動して前記患者に対して所望の位置に位置決めするための観察手段位置決め手段と、前記手術用マニピュレータを駆動する駆動手段と、前記手術用マニピュレータを操作するための第１の操作手段と、前記画像提供手段の空間的な位置関係の変化量を検出し、前記観察手段位置決め手段を操作するための第２の操作手段と、前記第１の操作手段の制御情報に基づき前記駆動手段の動作を制御し、前記第２の操作手段の移動に伴い該第２の操作手段が検出した変化量に基づく制御情報に基づいて、前記観察手段を所望の位置に移動するよう前記観察手段位置決め手段の動作を制御する制御手段とを具備する。
そして、本発明の第２の態様による手術用マニピュレータシステムは、前記第１の態様において、前記観察手段は、超音波信号を使用して前記画像情報を得る超音波検知手段を具備する。さらに、本発明の第３の態様による手術用マニピュレータシステムは、前記第１の態様において、前記観察手段は、前記患者の体表面にどの位の力で押し当てられているかを検知する力検知手段を更に具備し、当該力検知手段により検知された値が所定の閾値を越える場合には前記観察手段位置決め手段の駆動を停止することを特徴とする。また、本発明の第４の態様による手術用マニピュレータシステムは、前記第１の態様において、前記画像提供手段とはヘッドマウントディスプレイであることを特徴とする。そして、本発明の第５の態様による手術用マニピュレータシステムは、前記第１の態様において、前記制御手段と前記駆動手段とを電気的に結合するための電気的結合手段を更に具備することを特徴とする。さらに、本発明の第６の態様による手術用マニピュレータシステムは、前記第５の態様において、前記電気的結合手段が無線信号伝送手段であり、振幅変調方式、周波数変調方式、赤外線、光、のいずれかにより前記制御情報を前記駆動手段へ送ることを更に特徴とする。
【０００７】
【実施例】
以下に図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。図１は本発明の第１実施例が適用されるマスタースレーブ方式の手術用マニピュレータシステムの構成図である。同図において、１は、患者の観察・処置を行うための手術台であり、２は患者である。手術台１の両側にはベッドサイドレール３が設けられている。このベッドサイドレール３には、患者の体腔内において処置を行うための処置具４が先端に取り付けられた処置用アーム５と、観察用の超音波振動子ユニット６を位置決めするための観察用アーム７とが着脱自在に取り付けられている。ここで処置具４は図２に示すような構成を有し、患者２の体壁に開けられた挿入孔２ａから体腔内に挿入されるとともに、超音波振動子ユニット６は患者２の体壁をなぞる様に移動させられる。
【０００８】
処置用アーム５と処置具４との接続は複数の自由度を有する関節部であるフリー関節機構１９によって行われる。これは、患者が例えば術中に動いて挿入孔２ａの位置がずれるようなことがあっても、挿入孔２ａに無理な力が加わらない様にするためである。
【０００９】
処置用アーム５および観察用アーム７は、上下動作（図１中に示すａ方向）、旋回動作（図１中に示すｂ方向）、伸縮動作（図１中に示すｃ方向）を機構的に行うことが可能な様に構成されている。この様な動きを実現するために、各アーム５、７内にはアクチュエータ（図示しない）が配置されている。なお、このアクチュエータとしては、ロボットの位置決めに多く利用されているサーボモータを使用している。
【００１０】
処置用アーム５の先端に取り付けられている処置具４の挿入部４ａは、その先端部が図２中に示すａ方向およびｂ方向に湾曲駆動できるようになっている。この様な湾曲駆動は、処置具４のサーボモータ収納部４ｂに設けられたサーボモータ（図示しない）を駆動させて挿入部４ａ内に挿通配置されたワイヤー（図示しない）を牽引することによって行われる。
【００１１】
また、処置具４は、図２中に示すｃ方向に回転駆動できるようになっている。このような回転駆動は、フリー関節アームジョイント部４ｃ内に設けられたサーボモータ４ｄを駆動させて図示しない回転機構を作動させることにより行われる。
【００１２】
処置具４の先端の鉗子部４ｅには、この鉗子部４ｅを開閉させる開閉機構が設けられており、この開閉機構は、サーボモータ収納部４ｂ内に設けられたサーボモータ（図示しない）を駆動させて挿入部４ａ内に挿通配置されたロッドもしくはワイヤ部材を押し引き操作することにより作動される。
【００１３】
ここで、処置具４と処置用アーム５とを組み合わせたものを処置用スレーブマニピュレータ（手術用マニピュレータ）と称し、観察手段としての超音波振動子ユニット６と観察手段位置決め手段としての観察用アーム７とを組み合わせたものを観察用スレーブマニピュレータと称することにする。この処置用スレーブマニピュレータの入力手段であるマスターアーム（第１の操作手段）８と、観察用スレーブマニピュレータの入力手段であるヘッドマウントディスプレイ９（以下単にＨＭＤと呼ぶ）とが図１に示されている。ここで、ＨＭＤ９は画像提供手段及び第２の操作手段を構成している。マスターアーム８は、複数のリンク機構で構成されている。リンク機構を構成する各リンクには、位置検知用のエンコーダ（図示しない）が設けられている。このエンコーダによって、各リンクの動作を検知することで、マスターアーム８の移動量を検知できる。
【００１４】
また、操作者がマスターアーム８から手を離した場合にマスターアーム８がその自重によって勝手に動作しない様に、マスターアーム８の各アームリンクには電磁クラッチ（図示しない）が取り付けられている。つまり、マスターアーム８は、この電磁クラッチによって、必要以外の時には動かないようにその動作が制限される。
【００１５】
また、マスタースレーブモードで実際に処置用スレーブマニピュレータを動かす際、電磁クラッチはフットスイッチ１２を踏む動作によってその作動が制御される。つまり、マスターアーム８の動作のロックおよびこのロック状態の解除がフットスイッチ１２によって行えるようになっている。ここで、マスタースレーブモードとは、入力手段であるマスターアーム８の動きが処置用スレーブマニピュレータに伝達され得るモード、すなわち、処置用スレーブマニピュレータがマスターアーム８の動きに追従できるモードをいう。
【００１６】
さらに、超音波振動子ユニット６は観察用アーム７に支持されて患者の体腔表面に配置されており、患者の体腔内部位の画像情報を超音波によって走査可能である。この超音波振動子ユニット６から出力される超音波画像情報は、１５ａのラインを通り、超音波観察装置１５に入力される。超音波観察装置１５では、超音波情報信号をＴＶ信号に変換させる機能を有しており、その出力は操作者の頭に取り付けられるＨＭＤ９の表示部に表示される。この表示部は、ＨＭＤ９を術者の頭部に装着した際に術者の目の位置にセットされるように構成されている。また、ＨＭＤ９は、術者の頭がどのように動いても超音波振動子ユニット６で走査された超音波画像を常に観察できるような構成になっている。
【００１７】
ここで、術者には超音波画像で提供しているが、制御装置１１内に画像処理装置を設けて、わかりにくい超音波画像をコンピュータグラフィックスによるアニメーション画像に変換して、術者がよりわかりやすい画像で提供しても良い。
【００１８】
このような構成のＨＭＤ９によれば、従来のように処置中に術者が手術室のモニターに設置されたＴＶモニターの方に視線を移すといった煩わしい動作が不要となり、操作性が向上する。なお、患者体腔内の各所望の部位を観察可能なように、超音波振動子のエコー周波数は任意に変更可能である。
【００１９】
術者の頭部の空間的な移動量は磁気センサー１０によって検知される。この磁気センサー１０は、一様な磁場を発生する磁気センサーソース部１０ｂと、磁気センサーセンス部１０ａとからなり、このうち磁気センサーセンス部１０ａがＨＭＤ９のほぼ中央に取り付けられている。
【００２０】
術者の頭の動きは、こうした磁気センサー１０によって検知されるが、その検知方法を簡単に説明すると、ＨＭＤ９以外の所定の場所にセットされた磁気センサーソース部１０ｂから発生される一様な磁場を磁気センサーセンス部１０ａで検知し、頭の動きに伴う磁場の変化分の情報を処理することによって、磁気センサーソース部１０ｂと磁気センサーセンス部１０ａとの空間的絶対移動量および磁気センサーセンス部１０ａの傾斜であるオイラー角（ロール，ピッチ，ヨー）を求めて、術者の頭の移動量および傾き量を検知するというものである。
【００２１】
図１中に示される１４ａは固有の超音波ゼリーチューブであり、この超音波ゼリーチューブ１４ａ内にあるゼリーを患者２の体表面に塗ることによって、正確な体腔内画像をとらえることが可能となる。この超音波ゼリーチューブ１４ａ内のゼリーを体表面に塗布する場合は、超音波ゼリーチューブ１４ａを固定するための固定部材１４ｂと、その反対側に配置されたローラー１４ｃとで超音波ゼリーチューブ１４ａをしごくことによってゼリーを超音波ゼリーチューブ１４ａから押し出せばよい。超音波ゼリーチューブ１４ａから出されたゼリーは、チューブ１４ｅを介して患者２の体表面に塗布される。なお、図中１４ｆは、超音波振動子ユニット６の近傍で患者２の体表面にゼリーを塗布できるようにするために観察用アーム７に取り付けられた固定部材である。
【００２２】
次に、上記した処置用スレーブマニピュレータと観察用スレーブマニピュレータの動作を制御する制御装置１１について説明する。
図１に示すように、制御装置１１は、各スレーブマニピュレータを動作させるために必要ないくつかの機能モジュールを具備している。
【００２３】
すなわち、図中１１ａは、制御装置１１の機能モジュールを統括制御する上位ＣＰＵであるマイクロコントローラである。１１ｅは、マスターアーム８に設けられた前記エンコーダの動作量を保持しておくためのアップダウンカウンタである。このアップダウンカウンタ１１ｅは、マスターアーム８に取り付けられたエンコーダ分の入力ポートを有している。また、このアップダウンカウンタ１１ｅはより詳細には、マスターアーム８の相対的移動量に従って、初期設定時（制御装置１１の電源を立ち上げた時）に予め設定したカウント値の増減を行なうものである。
【００２４】
１１ｄは、ＨＭＤ９に取り付けられた磁気センサーセンス部１０ａからの情報を検知するための磁気センサーデータインターフェイス回路である。この磁気センサーインターフェイス回路１１ｄには磁気センサー１０の絶対位置情報とオイラー角の情報とが磁気センサーセンス部１０ａから入力される。
【００２５】
１１ｆは、キーボード１３から入力された情報を受け取るためのキーボードインターフェイス部である。１１ｉは、本実施例におけるマニピュレータシステムの動作情報をフロッピーディスク１１０に記憶するためのフロッピーディスクドライブである。１１ｈは、フロッピーディスクドライブ１１ｉをコントロールするためのフロッピーディスクコントローラである。なお、フロッピーディスク１１０に保存される情報としては、観察用・処置用スレーブマニピュレータの動作教示データが挙げられる。
【００２６】
１１ｇは、フットスイッチ１２の入力情報を検知するためのフットスイッチインターフェイス部である。この部分でフットスイッチ１２が押されているか否かを判断する。
【００２７】
１１ｂは、スレーブ側の各構成要素である処置用アーム５、観察用アーム７、処置具４、のそれぞれを駆動するためのサーボインターフェイスであり、サーボの高速演算処理を行うためのディジタルシグナルプロセッサ（以下、ＤＳＰとする）を有する。１１ｃは、前記サーボインターフェイス１１ｂのＤＳＰによる処理結果の信号を実際にモータを駆動するために必要なパワーまで増幅するためのサーボドライバーである。
【００２８】
１１ｖは、超音波ゼリーを超音波ゼリーチューブ１４ａから押し出すためにローラー１４ｃを駆動するためのローラードライバであり、観察・処置を行う際に必要に応じて駆動され、これによって超音波ゼリーが患者体表面に塗布される。
【００２９】
次に、上記した各機能モジュールのインターフェイスについて説明する。
図１中、制御装置１１内に示されている１１ｍは、データバスラインである。このデータバスライン１１ｍは、マイクロコントローラ１１ａからサーボインターフェイス１１ｂに位置指令を送ったり、スレーブアーム側のサーボ部エンコーダフィードバック情報を読みとったり、アップダウンカウンタ１１ｅ、磁気センサー移動量インターフェイス１１ｄ、キーボードインターフェイス部１１ｆ、フットスイッチインターフェイス部１１ｇ、フロッピーディスクインターフェイス部１１ｈ、ローラードライバ１１ｖのそれぞれからのデータをマイクロコントローラ１１ａに取り込んだりするラインである。
【００３０】
１１ｊは、サーボインターフェイス１１ｂのＤＳＰによって得られた制御演算結果をサーボドライバ１１ｃに送るためのアナログ指令ラインである。１１ｋは、サーボドライバ１１ｃからのパワー信号を供給するラインおよびサーボ部フィードバックエンコーダラインである。１１ｕは、フロッピーディスクドライブ１１ｉとフロッピーディスクドライブコントローラ１１ｈとの間でのデータのやり取りを行うためのデータラインである。１１ｔは、フットスイッチ１２とフットスイッチインターフェイス部１１ｇとの間でのインターフェイスである。１１ｓは、キーボード１３とキーボードインターフェイス部１１ｆとの通信を行うためのデータラインである。
【００３１】
なお、前記インターフェイスにおいては、データの受け渡しを行うデータバスライン１１ｍしか示さなかったが、前記各機能モジュールを選択するためのアドレスバスやコントロールバス等が付加されていることは言うまでもない。また観察用スレーブマニピュレータと処置用スレーブマニピュレータのサーボ系を駆動するための１１ｊラインおよび１１ｋラインはアナログ指令ラインのものしか示さなかったが、実際にはサーボインターフェイス１１ｂでＰＩＤ制御則を実行するためのエンコーダフィードバック信号ラインも存在する。
【００３２】
次に、制御装置１１内のデータの流れについて説明する。
前記したように、マスタースレーブモードにおいては、マスターアーム８あるいはＨＭＤ９の動作に追従して、処置用スレーブマニピュレータあるいは観察用スレーブマニピュレータが動作する。データの流れは、観察用も処置用も基本的には同じであるので、ここでは、処置用マニピュレータにおけるマスタースレーブモードの制御装置１１内のデータの流れについてだけ説明する。
【００３３】
まず、マスターアーム８に設けられたエンコーダの情報は、アップダウンカウンタ１１ｅで読みとられる。このアップダウンカウンタ１１ｅでは、はじめにアップダウンカウンタ１１ｅに設定されたデータに対する移動量の増減を表すので絶対的な移動量（マスターアーム８の移動量）を検知することができる。このアップダウンカウンタ１１ｅ内に保持されているデータは、サンプリングが行われる毎にマイクロコントローラ１１ａ内にデータバス１１ｍを介して取り込まれる。マイクロコントローラ１１ａ内では、前記移動量に対して処置用スレーブマニピュレータの各軸をどの様に動作させるかを決定するための座標変換処理が行われる。
【００３４】
ここで、観察用の場合は、逆座標変換（磁気センサー１０の絶対位置と傾きとから、観察用スレーブマニピュレータの各駆動部へ出力する各リンクパラメータの関節変数を求める変換作業）のみを行えば良いが、処置用の場合には、マスターアーム８が複数のリンクからなるため、逆座標変換を行う前に順座標変換（マスターアーム８の先端の位置、姿勢を求める座標変換作業）を行うことが必要になってくる。なお、マスターアーム８と処置用スレーブマニピュレータとの動作の対応については、後述する。
【００３５】
上記した座標変換処理が行われ、処置用スレーブマニピュレータの各アーム部への移動量が算出されたら、この移動量の指令値がマイクロコントローラ１１ａからデータバス１１ｍを介してサーボインターフェイス１１ｂのＤＳＰに送られる。ＤＳＰ内での処理は、ある決められた制御則（例えば、ＰＩＤ制御のような簡単なアルゴリズムを用いる）に基づいて行われる。ＤＳＰで得られた制御演算結果は、アナログ指令値として、アナログ指令ライン１１ｊを介してサーボドライバ１１ｃに出力される。このアナログ指令値は、サーボドライバ１１ｃにより増幅され、この増幅された出力がサーボドライバ１１ｃからモータドライブライン１１ｋを介して処置用スレーブマニピュレータのモータに出力される。これによって、処置用スレーブマニピュレータ内に配置されたモータがスレーブ側の機構を駆動させて、処置用スレーブマニピュレータが動作する。
【００３６】
次に具体的な動作について説明する。
マスタースレーブモードにおいて、術者が図４（ａ）に示すように、マスターアーム８の先端に設定された座標系のＺ軸を点線方向に移動させると、スレーブ（処置用）アーム５も図４（ｂ）に示すように、そのＺ軸が点線上に沿って移動するようになっている。すなわち、マスターアーム８の先端のベクトルＭの動きに追従してスレーブアーム５のベクトルＳが同じ動きをする。
【００３７】
こうした動作を可能ならしめるために、マイクロコントローラ１１ａ側で前述した座標変換が行われる。これによって、例えば、マスターアーム８の方向を図４（ａ）中のＹ方向に移動させた場合には、処置具４が図４（ｂ）中のＹ方向に向き、かつ、マスターアーム８の移動量と同じ移動量となるように処置具４の先端部が湾曲し、かつ、スレーブ（処置用）アーム５が移動する。
【００３８】
処置用スレーブマニピュレータにおける前述した動作と同様に、観察用スレーブマニピュレータにおいても、頭部に取り付けたＨＭＤ９の動作に追従して観察用アーム７と超音波振動子ユニット６とが動作する。例えば、ＨＭＤ９を図３（ａ）に示すＰの地点から点線に沿ってＱの地点まで動かした場合（この動作は、術者が前方に向けて前進する場合に相当する）、スレーブ側の超音波振動子ユニット６は、図３（ｂ）に示すＳ地点から点線に沿ってＴ地点まで移動する。ただし、超音波振動子ユニット６が患者体表面にあるときに前記前進の動作を行わせた場合は患者への圧迫が生じるため、超音波振動子ユニット６に図３（ｂ）中のＺ軸方向の力を検知する手段として力覚センサー（図示しない）を設け、この力覚センサーの示す値がある閾値を越えた場合に、Ｚ軸方向へは進めないようにしてある。ここでいう、力覚センサーの閾値は、患者が苦痛を訴えない程度の値を選定している。それ以外の方向には、超音波振動子ユニット６がＨＭＤ９の動きに追従して動作するように制御が行われている。
【００３９】
なお、第１実施例では力覚センサーによる力検知手段を採用しているが、押し当て力を大ざっぱに検知するのであれば、圧力センサーによるものでも構わない。
【００４０】
また、術者は観察のために超音波振動子ユニット６からの走査信号を観察しながら処置を行っていたが、Ｘ線装置の様な観察手段を選択して行っても構わない。
【００４１】
上記した第１実施例によれば、マスタースレーブマニピュレータによる観察・処置を行うことが可能となり、処置のための処置具挿入孔のみを患者の体表面に開けるだけですむようになり、従来のマスタースレーブマニピュレータシステムのものより低侵襲で処置を行なうことが可能となる。
【００４２】
以下に本発明の第２実施例を説明する。第２実施例は患者が離れた場所にいても、患者に低侵襲な手術用マニピュレータシステムを提供するものである。
図５は第２実施例の構成図であり、前記第１実施例で示した構成とほとんど同じ構成であるが、本実施例では患者が遠隔位置に居る場合について示す。
【００４３】
例えば、専門の医者がその場所にはいないが、どうしても処置を行う状況になった場合、前記した第１実施例の構成では観察・処置を行うことができない。そこで第２実施例では、図５に示すように、制御装置１１およびマスター入力手段（マスターアーム８およびＨＭＤ９）と、スレーブ（処置用）アーム５および患者ベッドを分離可能にすることによって、医者がどの場所にいても処置を行えるようにするために、患者側送受信回路３０と、操作側送受信回路３１とを設け、患者側と術者とを伝送ライン３１で結んでいる。ここでは、シリアル通信に良く用いられているＲＳ２３２Ｃ方式を採用している。
【００４４】
患者側送受信回路３０からの指令データは変換素子２０ａでパラレルデータに変換され、パラレルデータに変換された指令データは、スレーブ駆動信号の場合は２０ｂラインを通り、前記した第１実施例で示したスレーブアームを駆動するための制御則を実行するＤＳＰ２０ｃに送られ、その後ＤＳＰ指令ライン２０ｄを介してサーボアンプ２０ｅへと出力される。これによってスレーブアーム５の駆動が行われるようになる。一方、超音波ゼリー供給用のローラ１４ｃを駆動する場合は、変換素子２０ａから出力されるパラレルデータはデータライン２０ｆを介してローラドライバ２０ｇに送られる。これによって、超音波ゼリー供給用のローラ１４ｃを駆動させることが可能となる。
【００４５】
一方、操作者側の制御装置において、第１実施例では制御装置１１内に存在したＤＳＰ１１ｂおよびサーボアンプ１１ｃは、第２実施例では患者側に配置されているため、図５中の制御装置１１内にはパラレルデータをシリアルデータに変換する変換素子３４、３５のみが必要となる。
【００４６】
以下に上記した構成の第２実施例の作用を説明する。
超音波振動子ユニット６で観測されたデータは、患者側の超音波信号エンコーダ回路２０ｈで一旦符号化され、通信ライン３１を介して操作者側に送られる。操作者側では超音波信号デコード回路３３により超音波信号を源信号に変換する。この源信号は第１実施例で示した超音波観測装置１５に入力され、ＨＭＤ９に画像出力が行われるようになる。
【００４７】
上記した第２実施例によれば、観察は超音波により行い、処置具のみを患者体腔内に挿入して行うといったことが、患者が別の部屋にいてもあるいは操作者が別の部屋にいてもリアルタイムに行なうことができるようになり、患者に低侵襲な遠隔手術を行なうことができる。
【００４８】
以下に本発明の第３実施例を説明する。第３実施例は省スペース化による作業効率の向上を実現し、患者への負担を軽減するものである。
上記した第２実施例では操作者側と患者側とを有線で接続しているためにその分のケーブルが必要となり、内視鏡室のような器具がいろいろおいてある場所においては、このケーブルが邪魔になって医者の観察・処置動作に悪影響を及ぼすことがある。これによって作業効率が低下して処置時間が延長されることによる患者への負担が増大してしまう。そこで、第３実施例では、患者側と操作者側を結ぶ信号ケーブルをなくすことによって省スペース化をはかり、作業効率を向上させる。
【００４９】
図６は第３実施例の構成を示す図である。第２実施例と異なる点は、無線伝送手段を備えたことであり、本実施例では、周波数変調方式（ＦＭ）による無線通信を採用している。
【００５０】
第３実施例は、スレーブアーム駆動用信号を受信するための受信回路４０と、超音波ゼリー供給用のローラ１４ｃを駆動する駆動信号を受信するための受信回路４１と、超音波エンコード信号を送信する送信回路４２とを具備している。４４は操作者側の制御装置１１から出力されるＦＭ波を受信あるいは送信するための送受信アンテナである。
【００５１】
一方、操作者側の制御装置１１には、スレーブ駆動信号を送信する送信回路５０と、超音波ゼリー供給用のローラ１４ｃを駆動する駆動信号を送信する送信回路５１と、超音波デコード信号を受信する受信回路５２とが装備されている。５４は操作者側に配置されたＦＭ波送受信アンテナである。
【００５２】
以下に上記した第３実施例の構成の作用を述べる。図中示した４０〜４２、５０〜５２の送信回路または受信回路は、ＦＭ方式を用いているためＰＬＬ方式の回路を採用している。ＰＬＬとは、簡単に説明すると、入力されたＦＭ波と予め決められた基準となる周波数との位相が一致するように電圧制御発信器（一般に、ＶＣＯと呼ばれている）の出力を位相比較器にフィードバックさせて位相を一致させることによって所望の周波数でのデータを拾うことができるようにしたものである。以上の原理により、第３実施例では送受信回路にＰＬＬ方式の変調・復調回路を内蔵させ、所望のデータを無線で送受信させている。
【００５３】
なお、本実施例では、ＦＭ方式のものを示しているが、患者側と操作者側が近くにある場合は、赤外線、レーザー等の光による送受信を行っても構わない。また、ノイズ環境の小さいところで行う場合であれば、振幅変調方式（ＡＭ方式）による無線伝送を行っても良い。
【００５４】
また、観察・処置用の信号ラインを同じ送受信ラインでおこなっているが、これを、観察用ラインのアンテナと、処置用ラインのアンテナとを分離させることによって、観察者と操作者が別の場所にいながら通信することもできる。これは、例えば、実際の処置の画像を大学等の教育機関での教育を目的におこなうときには、極めて有効となる。
【００５５】
ここで、患部をそのままの画像で直接観察し、処置を行うといったときには、従来の内視鏡と処置具による手術用マニピュレータによるものを利用しても良い。また、本実施例の信号伝送手段が無線であるということによって、従来の手術用マニピュレータシステムでも省スペース化といったことによる作業効率が向上することは言うまでもない。
【００５６】
上記した第３実施例によれば、スレーブアーム駆動信号、超音波ゼリー供給用ローラ駆動信号、超音波観察信号を遠隔位置に無線で送信し、かつ、受信することができるので、ケーブルが必要なくなり、処置室の省スペース化が実現される。これによって作業効率が向上して患者への負担を軽減させることができる。
【００５７】
上記した具体的実施例から以下のような構成の技術的思想が導き出される。又、以下の技術的思想を組み合わせて構成してもかまわない。
（１） 患者の体腔内部位の処置を行う手術用マニピュレータと、
患者の体表面から体腔内部位に関する画像情報を得る観察手段と、
この観察手段からの画像情報を術者が認識可能な画像情報として提供する画像提供手段と、
前記観察手段を所望の位置に位置決めするための観察手段位置決め手段と、
前記手術用マニピュレータを操作するための第１の操作手段と、
前記観察手段位置決め手段を操作するための第２の操作手段と、
前記第１及び第２の操作手段からの制御情報に基づいて、前記手術用マニピュレータ及び観察手段位置決め手段の動作を制御する制御手段と、
を具備することを特徴とする手術用マニピュレータシステム。
（２） 前記観察手段が超音波信号を使用して前記画像情報を得る超音波検知手段を具備することを特徴とする構成（１）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（３） 前記超音波検知手段の超音波周波数を任意に可変にするための周波数可変手段を具備することを特徴とする構成（２）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（４） 前記画像提供手段が術者の頭部に取り付けられるヘッドマウントディスプレイであることを特徴とする構成（１）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（５） 前記画像提供手段がＴＶモニターであることを特徴とする構成（１）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（６） 前記画像提供手段に出力される画像情報が超音波画像であることを特徴とする構成（４）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（７） 前記画像提供手段に出力される画像情報がコンピュータグラフィックスによるアニメーション画像であることを特徴とする構成（４）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（８） 前記画像提供手段に出力される画像情報が超音波画像であることを特徴とする構成（５）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（９） 前記画像提供手段に出力される画像情報がコンピュータグラフィックスによるアニメーション画像であることを特徴とする構成（５）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（10） 前記手術用マニピュレータを操作する第１の操作手段がマスターマニピュレータであることを特徴とする構成（１）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（１１） 前記第２の操作手段が位置検知センサーを含むことを特徴とする構成（１）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（１２） 前記位置検知センサーが磁気センサーであることを特徴とする構成（１１）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（１３） 前記観察手段が患者体表面にどの位の力で押し当てられているかを検知する力検知手段を具備したことを特徴とする構成（１）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（１４） 前記力検知手段が圧力センサーであることを特徴とする構成（１３）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（１５） 前記力検知手段が力覚センサーであることを特徴とする構成（１３）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（１６） 前記力検知手段が歪みゲージであることを特徴とする構成（１３）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（１７） 前記超音波検知手段に超音波ゼリー供給手段を具備したことを特徴とする構成（２）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（１８） 患者の体腔内部位の観察と処置の少なくとも一方を行う手術用マニピュレータと、
この手術用マニピュレータを駆動するための駆動手段と、
前記手術用マニピュレータを操作するための操作手段と、
この操作手段からの制御情報に基づいて前記手術用マニピュレータの動作を制御するための制御手段と、
前記制御手段からの制御情報と前記駆動手段とを電気的に結合するための電気的結合手段と、
を具備したことを特徴とする手術用マニピュレータシステム。
（１９） 前記電気的結合手段が無線信号伝送手段であり、振幅変調方式により前記制御情報を前記駆動手段へ送ることを特徴とする構成（１８）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（２０） 前記電気的結合手段が無線信号伝送手段であり、周波数変調方式により前記制御情報を前記駆動手段へ送ることを特徴とする構成（１８）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（２１） 前記電気的結合手段が無線信号伝送手段であり、赤外線により前記制御情報を前記駆動手段へ送ることを特徴とする構成（１８）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（２２） 前記電気的結合手段が無線信号伝送手段であり、光により前記制御情報を前記駆動手段へ送ることを特徴とする構成（１８）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（２３） 前記光がレーザーであることを特徴とする構成（２２）に記載の手術用マニピュレータシステム。
【００５８】
上記した構成（１）乃至（２３）に対する従来の技術は上記した通りであるが、発明が解決しようとする課題、目的は以下の通りである。
１．構成（１）乃至（１７）
（発明が解決しようとする課題）
しかしながら、患者の体腔内に内視鏡と処置具を挿入するので、体腔内の臓器を観察するための挿入孔と処置具の挿入孔の少なくとも２つの挿入孔が必要であり、患者への負担が重くなる。
（目的）
患者への安全を確保し、かつ、低侵襲の手術用マニピュレータの提供を行うことである。
２．構成（１８）乃至（２３）
（発明が解決しようとする課題）
手術用マニピュレータのように、多軸のロボットを制御するような場合、信号ラインが多くなり、その分のケーブルが必要となるが、内視鏡室のような医療器具がいろいろ配置してある場所においてはこのようなケーブルが邪魔になり、強いては、医者の観察・処置動作に影響を及ぼして効率がわるくなる。それによって、処置時間が延長されることによる患者への負担が増大してしまう。
（目的）
作業現場の省スペース化による作業効率の向上を行い、術時間短縮によって患者への負担を軽くすることである。
【００５９】
【発明の効果】
本発明に係る手術用マニピュレータシステムによれば、処置具挿入のための穴を体壁に１つだけ開けることで患者に対する処置が可能となるため、患者に対する侵襲を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例が適用されるマスタースレーブ方式の手術用マニピュレータシステムの構成図である。
【図２】処置具の構成を示す図である。
【図３】観察用マニピュレータについてマスタースレーブ動作を説明するための図である。
【図４】処置用マニピュレータについてマスタースレーブ動作を説明するための図である。
【図５】本発明の第２実施例が適用されるマスタースレーブ方式の手術用マニピュレータシステムの構成図である。
【図６】本発明の第３実施例が適用されるマスタースレーブ方式の手術用マニピュレータシステムの構成図である。
【符号の説明】
４…処置具、５…処置用アーム、６…超音波振動子ユニット、７…観察用アーム、８…マスターアーム、９…ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）。
【産業上の利用分野】
本発明は手術用マニピュレータシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
患者の腹腔等の体壁に挿入孔を開け、この挿入孔を通じて内視鏡や処置具を経皮的に体腔内に挿入することにより、体腔内で様々な処置を行う内視鏡下外科手術が従来より行われている。このような手術方法は、大きな切開を要しない低侵襲なものとして胆嚢摘出術や肺の一部を摘出除去する手術等で広く用いられている。
【０００３】
一方、近年、内視鏡や処置具を搭載した手術用マニピュレータシステムを使用して微細な処置を行なうようになっている。これには概してマスタースレーブ方式が用いられ、マスターである術者の動きに追従してスレーブアームを動作させることにより、体腔内における目的部位に対するアプローチを容易にしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の手術用マニピュレータシステムにおいては、患者の体腔内に内視鏡と処置具を挿入するので、体腔内の臓器を観察するための挿入孔と、処置具のための挿入孔の少なくとも２つの挿入孔が必要であり、患者への負担が重くなるという問題があった。
【０００５】
本発明の手術用マニピュレータシステムはこのような課題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、患者への安全を確保でき、かつ低侵襲の手術用マニピュレータシステムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様による手術用マニピュレータシステムは、患者の体腔内部位の処置を行う手術用マニピュレータと、患者の体表面に挿入孔を開けることなく当該体表面から体腔内部位に関する画像情報を得る観察手段と、この観察手段からの画像情報を術者が認識可能な画像情報として提供する画像提供手段と、前記観察手段を空間的に移動して前記患者に対して所望の位置に位置決めするための観察手段位置決め手段と、前記手術用マニピュレータを駆動する駆動手段と、前記手術用マニピュレータを操作するための第１の操作手段と、前記画像提供手段の空間的な位置関係の変化量を検出し、前記観察手段位置決め手段を操作するための第２の操作手段と、前記第１の操作手段の制御情報に基づき前記駆動手段の動作を制御し、前記第２の操作手段の移動に伴い該第２の操作手段が検出した変化量に基づく制御情報に基づいて、前記観察手段を所望の位置に移動するよう前記観察手段位置決め手段の動作を制御する制御手段とを具備する。
そして、本発明の第２の態様による手術用マニピュレータシステムは、前記第１の態様において、前記観察手段は、超音波信号を使用して前記画像情報を得る超音波検知手段を具備する。さらに、本発明の第３の態様による手術用マニピュレータシステムは、前記第１の態様において、前記観察手段は、前記患者の体表面にどの位の力で押し当てられているかを検知する力検知手段を更に具備し、当該力検知手段により検知された値が所定の閾値を越える場合には前記観察手段位置決め手段の駆動を停止することを特徴とする。また、本発明の第４の態様による手術用マニピュレータシステムは、前記第１の態様において、前記画像提供手段とはヘッドマウントディスプレイであることを特徴とする。そして、本発明の第５の態様による手術用マニピュレータシステムは、前記第１の態様において、前記制御手段と前記駆動手段とを電気的に結合するための電気的結合手段を更に具備することを特徴とする。さらに、本発明の第６の態様による手術用マニピュレータシステムは、前記第５の態様において、前記電気的結合手段が無線信号伝送手段であり、振幅変調方式、周波数変調方式、赤外線、光、のいずれかにより前記制御情報を前記駆動手段へ送ることを更に特徴とする。
【０００７】
【実施例】
以下に図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。図１は本発明の第１実施例が適用されるマスタースレーブ方式の手術用マニピュレータシステムの構成図である。同図において、１は、患者の観察・処置を行うための手術台であり、２は患者である。手術台１の両側にはベッドサイドレール３が設けられている。このベッドサイドレール３には、患者の体腔内において処置を行うための処置具４が先端に取り付けられた処置用アーム５と、観察用の超音波振動子ユニット６を位置決めするための観察用アーム７とが着脱自在に取り付けられている。ここで処置具４は図２に示すような構成を有し、患者２の体壁に開けられた挿入孔２ａから体腔内に挿入されるとともに、超音波振動子ユニット６は患者２の体壁をなぞる様に移動させられる。
【０００８】
処置用アーム５と処置具４との接続は複数の自由度を有する関節部であるフリー関節機構１９によって行われる。これは、患者が例えば術中に動いて挿入孔２ａの位置がずれるようなことがあっても、挿入孔２ａに無理な力が加わらない様にするためである。
【０００９】
処置用アーム５および観察用アーム７は、上下動作（図１中に示すａ方向）、旋回動作（図１中に示すｂ方向）、伸縮動作（図１中に示すｃ方向）を機構的に行うことが可能な様に構成されている。この様な動きを実現するために、各アーム５、７内にはアクチュエータ（図示しない）が配置されている。なお、このアクチュエータとしては、ロボットの位置決めに多く利用されているサーボモータを使用している。
【００１０】
処置用アーム５の先端に取り付けられている処置具４の挿入部４ａは、その先端部が図２中に示すａ方向およびｂ方向に湾曲駆動できるようになっている。この様な湾曲駆動は、処置具４のサーボモータ収納部４ｂに設けられたサーボモータ（図示しない）を駆動させて挿入部４ａ内に挿通配置されたワイヤー（図示しない）を牽引することによって行われる。
【００１１】
また、処置具４は、図２中に示すｃ方向に回転駆動できるようになっている。このような回転駆動は、フリー関節アームジョイント部４ｃ内に設けられたサーボモータ４ｄを駆動させて図示しない回転機構を作動させることにより行われる。
【００１２】
処置具４の先端の鉗子部４ｅには、この鉗子部４ｅを開閉させる開閉機構が設けられており、この開閉機構は、サーボモータ収納部４ｂ内に設けられたサーボモータ（図示しない）を駆動させて挿入部４ａ内に挿通配置されたロッドもしくはワイヤ部材を押し引き操作することにより作動される。
【００１３】
ここで、処置具４と処置用アーム５とを組み合わせたものを処置用スレーブマニピュレータ（手術用マニピュレータ）と称し、観察手段としての超音波振動子ユニット６と観察手段位置決め手段としての観察用アーム７とを組み合わせたものを観察用スレーブマニピュレータと称することにする。この処置用スレーブマニピュレータの入力手段であるマスターアーム（第１の操作手段）８と、観察用スレーブマニピュレータの入力手段であるヘッドマウントディスプレイ９（以下単にＨＭＤと呼ぶ）とが図１に示されている。ここで、ＨＭＤ９は画像提供手段及び第２の操作手段を構成している。マスターアーム８は、複数のリンク機構で構成されている。リンク機構を構成する各リンクには、位置検知用のエンコーダ（図示しない）が設けられている。このエンコーダによって、各リンクの動作を検知することで、マスターアーム８の移動量を検知できる。
【００１４】
また、操作者がマスターアーム８から手を離した場合にマスターアーム８がその自重によって勝手に動作しない様に、マスターアーム８の各アームリンクには電磁クラッチ（図示しない）が取り付けられている。つまり、マスターアーム８は、この電磁クラッチによって、必要以外の時には動かないようにその動作が制限される。
【００１５】
また、マスタースレーブモードで実際に処置用スレーブマニピュレータを動かす際、電磁クラッチはフットスイッチ１２を踏む動作によってその作動が制御される。つまり、マスターアーム８の動作のロックおよびこのロック状態の解除がフットスイッチ１２によって行えるようになっている。ここで、マスタースレーブモードとは、入力手段であるマスターアーム８の動きが処置用スレーブマニピュレータに伝達され得るモード、すなわち、処置用スレーブマニピュレータがマスターアーム８の動きに追従できるモードをいう。
【００１６】
さらに、超音波振動子ユニット６は観察用アーム７に支持されて患者の体腔表面に配置されており、患者の体腔内部位の画像情報を超音波によって走査可能である。この超音波振動子ユニット６から出力される超音波画像情報は、１５ａのラインを通り、超音波観察装置１５に入力される。超音波観察装置１５では、超音波情報信号をＴＶ信号に変換させる機能を有しており、その出力は操作者の頭に取り付けられるＨＭＤ９の表示部に表示される。この表示部は、ＨＭＤ９を術者の頭部に装着した際に術者の目の位置にセットされるように構成されている。また、ＨＭＤ９は、術者の頭がどのように動いても超音波振動子ユニット６で走査された超音波画像を常に観察できるような構成になっている。
【００１７】
ここで、術者には超音波画像で提供しているが、制御装置１１内に画像処理装置を設けて、わかりにくい超音波画像をコンピュータグラフィックスによるアニメーション画像に変換して、術者がよりわかりやすい画像で提供しても良い。
【００１８】
このような構成のＨＭＤ９によれば、従来のように処置中に術者が手術室のモニターに設置されたＴＶモニターの方に視線を移すといった煩わしい動作が不要となり、操作性が向上する。なお、患者体腔内の各所望の部位を観察可能なように、超音波振動子のエコー周波数は任意に変更可能である。
【００１９】
術者の頭部の空間的な移動量は磁気センサー１０によって検知される。この磁気センサー１０は、一様な磁場を発生する磁気センサーソース部１０ｂと、磁気センサーセンス部１０ａとからなり、このうち磁気センサーセンス部１０ａがＨＭＤ９のほぼ中央に取り付けられている。
【００２０】
術者の頭の動きは、こうした磁気センサー１０によって検知されるが、その検知方法を簡単に説明すると、ＨＭＤ９以外の所定の場所にセットされた磁気センサーソース部１０ｂから発生される一様な磁場を磁気センサーセンス部１０ａで検知し、頭の動きに伴う磁場の変化分の情報を処理することによって、磁気センサーソース部１０ｂと磁気センサーセンス部１０ａとの空間的絶対移動量および磁気センサーセンス部１０ａの傾斜であるオイラー角（ロール，ピッチ，ヨー）を求めて、術者の頭の移動量および傾き量を検知するというものである。
【００２１】
図１中に示される１４ａは固有の超音波ゼリーチューブであり、この超音波ゼリーチューブ１４ａ内にあるゼリーを患者２の体表面に塗ることによって、正確な体腔内画像をとらえることが可能となる。この超音波ゼリーチューブ１４ａ内のゼリーを体表面に塗布する場合は、超音波ゼリーチューブ１４ａを固定するための固定部材１４ｂと、その反対側に配置されたローラー１４ｃとで超音波ゼリーチューブ１４ａをしごくことによってゼリーを超音波ゼリーチューブ１４ａから押し出せばよい。超音波ゼリーチューブ１４ａから出されたゼリーは、チューブ１４ｅを介して患者２の体表面に塗布される。なお、図中１４ｆは、超音波振動子ユニット６の近傍で患者２の体表面にゼリーを塗布できるようにするために観察用アーム７に取り付けられた固定部材である。
【００２２】
次に、上記した処置用スレーブマニピュレータと観察用スレーブマニピュレータの動作を制御する制御装置１１について説明する。
図１に示すように、制御装置１１は、各スレーブマニピュレータを動作させるために必要ないくつかの機能モジュールを具備している。
【００２３】
すなわち、図中１１ａは、制御装置１１の機能モジュールを統括制御する上位ＣＰＵであるマイクロコントローラである。１１ｅは、マスターアーム８に設けられた前記エンコーダの動作量を保持しておくためのアップダウンカウンタである。このアップダウンカウンタ１１ｅは、マスターアーム８に取り付けられたエンコーダ分の入力ポートを有している。また、このアップダウンカウンタ１１ｅはより詳細には、マスターアーム８の相対的移動量に従って、初期設定時（制御装置１１の電源を立ち上げた時）に予め設定したカウント値の増減を行なうものである。
【００２４】
１１ｄは、ＨＭＤ９に取り付けられた磁気センサーセンス部１０ａからの情報を検知するための磁気センサーデータインターフェイス回路である。この磁気センサーインターフェイス回路１１ｄには磁気センサー１０の絶対位置情報とオイラー角の情報とが磁気センサーセンス部１０ａから入力される。
【００２５】
１１ｆは、キーボード１３から入力された情報を受け取るためのキーボードインターフェイス部である。１１ｉは、本実施例におけるマニピュレータシステムの動作情報をフロッピーディスク１１０に記憶するためのフロッピーディスクドライブである。１１ｈは、フロッピーディスクドライブ１１ｉをコントロールするためのフロッピーディスクコントローラである。なお、フロッピーディスク１１０に保存される情報としては、観察用・処置用スレーブマニピュレータの動作教示データが挙げられる。
【００２６】
１１ｇは、フットスイッチ１２の入力情報を検知するためのフットスイッチインターフェイス部である。この部分でフットスイッチ１２が押されているか否かを判断する。
【００２７】
１１ｂは、スレーブ側の各構成要素である処置用アーム５、観察用アーム７、処置具４、のそれぞれを駆動するためのサーボインターフェイスであり、サーボの高速演算処理を行うためのディジタルシグナルプロセッサ（以下、ＤＳＰとする）を有する。１１ｃは、前記サーボインターフェイス１１ｂのＤＳＰによる処理結果の信号を実際にモータを駆動するために必要なパワーまで増幅するためのサーボドライバーである。
【００２８】
１１ｖは、超音波ゼリーを超音波ゼリーチューブ１４ａから押し出すためにローラー１４ｃを駆動するためのローラードライバであり、観察・処置を行う際に必要に応じて駆動され、これによって超音波ゼリーが患者体表面に塗布される。
【００２９】
次に、上記した各機能モジュールのインターフェイスについて説明する。
図１中、制御装置１１内に示されている１１ｍは、データバスラインである。このデータバスライン１１ｍは、マイクロコントローラ１１ａからサーボインターフェイス１１ｂに位置指令を送ったり、スレーブアーム側のサーボ部エンコーダフィードバック情報を読みとったり、アップダウンカウンタ１１ｅ、磁気センサー移動量インターフェイス１１ｄ、キーボードインターフェイス部１１ｆ、フットスイッチインターフェイス部１１ｇ、フロッピーディスクインターフェイス部１１ｈ、ローラードライバ１１ｖのそれぞれからのデータをマイクロコントローラ１１ａに取り込んだりするラインである。
【００３０】
１１ｊは、サーボインターフェイス１１ｂのＤＳＰによって得られた制御演算結果をサーボドライバ１１ｃに送るためのアナログ指令ラインである。１１ｋは、サーボドライバ１１ｃからのパワー信号を供給するラインおよびサーボ部フィードバックエンコーダラインである。１１ｕは、フロッピーディスクドライブ１１ｉとフロッピーディスクドライブコントローラ１１ｈとの間でのデータのやり取りを行うためのデータラインである。１１ｔは、フットスイッチ１２とフットスイッチインターフェイス部１１ｇとの間でのインターフェイスである。１１ｓは、キーボード１３とキーボードインターフェイス部１１ｆとの通信を行うためのデータラインである。
【００３１】
なお、前記インターフェイスにおいては、データの受け渡しを行うデータバスライン１１ｍしか示さなかったが、前記各機能モジュールを選択するためのアドレスバスやコントロールバス等が付加されていることは言うまでもない。また観察用スレーブマニピュレータと処置用スレーブマニピュレータのサーボ系を駆動するための１１ｊラインおよび１１ｋラインはアナログ指令ラインのものしか示さなかったが、実際にはサーボインターフェイス１１ｂでＰＩＤ制御則を実行するためのエンコーダフィードバック信号ラインも存在する。
【００３２】
次に、制御装置１１内のデータの流れについて説明する。
前記したように、マスタースレーブモードにおいては、マスターアーム８あるいはＨＭＤ９の動作に追従して、処置用スレーブマニピュレータあるいは観察用スレーブマニピュレータが動作する。データの流れは、観察用も処置用も基本的には同じであるので、ここでは、処置用マニピュレータにおけるマスタースレーブモードの制御装置１１内のデータの流れについてだけ説明する。
【００３３】
まず、マスターアーム８に設けられたエンコーダの情報は、アップダウンカウンタ１１ｅで読みとられる。このアップダウンカウンタ１１ｅでは、はじめにアップダウンカウンタ１１ｅに設定されたデータに対する移動量の増減を表すので絶対的な移動量（マスターアーム８の移動量）を検知することができる。このアップダウンカウンタ１１ｅ内に保持されているデータは、サンプリングが行われる毎にマイクロコントローラ１１ａ内にデータバス１１ｍを介して取り込まれる。マイクロコントローラ１１ａ内では、前記移動量に対して処置用スレーブマニピュレータの各軸をどの様に動作させるかを決定するための座標変換処理が行われる。
【００３４】
ここで、観察用の場合は、逆座標変換（磁気センサー１０の絶対位置と傾きとから、観察用スレーブマニピュレータの各駆動部へ出力する各リンクパラメータの関節変数を求める変換作業）のみを行えば良いが、処置用の場合には、マスターアーム８が複数のリンクからなるため、逆座標変換を行う前に順座標変換（マスターアーム８の先端の位置、姿勢を求める座標変換作業）を行うことが必要になってくる。なお、マスターアーム８と処置用スレーブマニピュレータとの動作の対応については、後述する。
【００３５】
上記した座標変換処理が行われ、処置用スレーブマニピュレータの各アーム部への移動量が算出されたら、この移動量の指令値がマイクロコントローラ１１ａからデータバス１１ｍを介してサーボインターフェイス１１ｂのＤＳＰに送られる。ＤＳＰ内での処理は、ある決められた制御則（例えば、ＰＩＤ制御のような簡単なアルゴリズムを用いる）に基づいて行われる。ＤＳＰで得られた制御演算結果は、アナログ指令値として、アナログ指令ライン１１ｊを介してサーボドライバ１１ｃに出力される。このアナログ指令値は、サーボドライバ１１ｃにより増幅され、この増幅された出力がサーボドライバ１１ｃからモータドライブライン１１ｋを介して処置用スレーブマニピュレータのモータに出力される。これによって、処置用スレーブマニピュレータ内に配置されたモータがスレーブ側の機構を駆動させて、処置用スレーブマニピュレータが動作する。
【００３６】
次に具体的な動作について説明する。
マスタースレーブモードにおいて、術者が図４（ａ）に示すように、マスターアーム８の先端に設定された座標系のＺ軸を点線方向に移動させると、スレーブ（処置用）アーム５も図４（ｂ）に示すように、そのＺ軸が点線上に沿って移動するようになっている。すなわち、マスターアーム８の先端のベクトルＭの動きに追従してスレーブアーム５のベクトルＳが同じ動きをする。
【００３７】
こうした動作を可能ならしめるために、マイクロコントローラ１１ａ側で前述した座標変換が行われる。これによって、例えば、マスターアーム８の方向を図４（ａ）中のＹ方向に移動させた場合には、処置具４が図４（ｂ）中のＹ方向に向き、かつ、マスターアーム８の移動量と同じ移動量となるように処置具４の先端部が湾曲し、かつ、スレーブ（処置用）アーム５が移動する。
【００３８】
処置用スレーブマニピュレータにおける前述した動作と同様に、観察用スレーブマニピュレータにおいても、頭部に取り付けたＨＭＤ９の動作に追従して観察用アーム７と超音波振動子ユニット６とが動作する。例えば、ＨＭＤ９を図３（ａ）に示すＰの地点から点線に沿ってＱの地点まで動かした場合（この動作は、術者が前方に向けて前進する場合に相当する）、スレーブ側の超音波振動子ユニット６は、図３（ｂ）に示すＳ地点から点線に沿ってＴ地点まで移動する。ただし、超音波振動子ユニット６が患者体表面にあるときに前記前進の動作を行わせた場合は患者への圧迫が生じるため、超音波振動子ユニット６に図３（ｂ）中のＺ軸方向の力を検知する手段として力覚センサー（図示しない）を設け、この力覚センサーの示す値がある閾値を越えた場合に、Ｚ軸方向へは進めないようにしてある。ここでいう、力覚センサーの閾値は、患者が苦痛を訴えない程度の値を選定している。それ以外の方向には、超音波振動子ユニット６がＨＭＤ９の動きに追従して動作するように制御が行われている。
【００３９】
なお、第１実施例では力覚センサーによる力検知手段を採用しているが、押し当て力を大ざっぱに検知するのであれば、圧力センサーによるものでも構わない。
【００４０】
また、術者は観察のために超音波振動子ユニット６からの走査信号を観察しながら処置を行っていたが、Ｘ線装置の様な観察手段を選択して行っても構わない。
【００４１】
上記した第１実施例によれば、マスタースレーブマニピュレータによる観察・処置を行うことが可能となり、処置のための処置具挿入孔のみを患者の体表面に開けるだけですむようになり、従来のマスタースレーブマニピュレータシステムのものより低侵襲で処置を行なうことが可能となる。
【００４２】
以下に本発明の第２実施例を説明する。第２実施例は患者が離れた場所にいても、患者に低侵襲な手術用マニピュレータシステムを提供するものである。
図５は第２実施例の構成図であり、前記第１実施例で示した構成とほとんど同じ構成であるが、本実施例では患者が遠隔位置に居る場合について示す。
【００４３】
例えば、専門の医者がその場所にはいないが、どうしても処置を行う状況になった場合、前記した第１実施例の構成では観察・処置を行うことができない。そこで第２実施例では、図５に示すように、制御装置１１およびマスター入力手段（マスターアーム８およびＨＭＤ９）と、スレーブ（処置用）アーム５および患者ベッドを分離可能にすることによって、医者がどの場所にいても処置を行えるようにするために、患者側送受信回路３０と、操作側送受信回路３１とを設け、患者側と術者とを伝送ライン３１で結んでいる。ここでは、シリアル通信に良く用いられているＲＳ２３２Ｃ方式を採用している。
【００４４】
患者側送受信回路３０からの指令データは変換素子２０ａでパラレルデータに変換され、パラレルデータに変換された指令データは、スレーブ駆動信号の場合は２０ｂラインを通り、前記した第１実施例で示したスレーブアームを駆動するための制御則を実行するＤＳＰ２０ｃに送られ、その後ＤＳＰ指令ライン２０ｄを介してサーボアンプ２０ｅへと出力される。これによってスレーブアーム５の駆動が行われるようになる。一方、超音波ゼリー供給用のローラ１４ｃを駆動する場合は、変換素子２０ａから出力されるパラレルデータはデータライン２０ｆを介してローラドライバ２０ｇに送られる。これによって、超音波ゼリー供給用のローラ１４ｃを駆動させることが可能となる。
【００４５】
一方、操作者側の制御装置において、第１実施例では制御装置１１内に存在したＤＳＰ１１ｂおよびサーボアンプ１１ｃは、第２実施例では患者側に配置されているため、図５中の制御装置１１内にはパラレルデータをシリアルデータに変換する変換素子３４、３５のみが必要となる。
【００４６】
以下に上記した構成の第２実施例の作用を説明する。
超音波振動子ユニット６で観測されたデータは、患者側の超音波信号エンコーダ回路２０ｈで一旦符号化され、通信ライン３１を介して操作者側に送られる。操作者側では超音波信号デコード回路３３により超音波信号を源信号に変換する。この源信号は第１実施例で示した超音波観測装置１５に入力され、ＨＭＤ９に画像出力が行われるようになる。
【００４７】
上記した第２実施例によれば、観察は超音波により行い、処置具のみを患者体腔内に挿入して行うといったことが、患者が別の部屋にいてもあるいは操作者が別の部屋にいてもリアルタイムに行なうことができるようになり、患者に低侵襲な遠隔手術を行なうことができる。
【００４８】
以下に本発明の第３実施例を説明する。第３実施例は省スペース化による作業効率の向上を実現し、患者への負担を軽減するものである。
上記した第２実施例では操作者側と患者側とを有線で接続しているためにその分のケーブルが必要となり、内視鏡室のような器具がいろいろおいてある場所においては、このケーブルが邪魔になって医者の観察・処置動作に悪影響を及ぼすことがある。これによって作業効率が低下して処置時間が延長されることによる患者への負担が増大してしまう。そこで、第３実施例では、患者側と操作者側を結ぶ信号ケーブルをなくすことによって省スペース化をはかり、作業効率を向上させる。
【００４９】
図６は第３実施例の構成を示す図である。第２実施例と異なる点は、無線伝送手段を備えたことであり、本実施例では、周波数変調方式（ＦＭ）による無線通信を採用している。
【００５０】
第３実施例は、スレーブアーム駆動用信号を受信するための受信回路４０と、超音波ゼリー供給用のローラ１４ｃを駆動する駆動信号を受信するための受信回路４１と、超音波エンコード信号を送信する送信回路４２とを具備している。４４は操作者側の制御装置１１から出力されるＦＭ波を受信あるいは送信するための送受信アンテナである。
【００５１】
一方、操作者側の制御装置１１には、スレーブ駆動信号を送信する送信回路５０と、超音波ゼリー供給用のローラ１４ｃを駆動する駆動信号を送信する送信回路５１と、超音波デコード信号を受信する受信回路５２とが装備されている。５４は操作者側に配置されたＦＭ波送受信アンテナである。
【００５２】
以下に上記した第３実施例の構成の作用を述べる。図中示した４０〜４２、５０〜５２の送信回路または受信回路は、ＦＭ方式を用いているためＰＬＬ方式の回路を採用している。ＰＬＬとは、簡単に説明すると、入力されたＦＭ波と予め決められた基準となる周波数との位相が一致するように電圧制御発信器（一般に、ＶＣＯと呼ばれている）の出力を位相比較器にフィードバックさせて位相を一致させることによって所望の周波数でのデータを拾うことができるようにしたものである。以上の原理により、第３実施例では送受信回路にＰＬＬ方式の変調・復調回路を内蔵させ、所望のデータを無線で送受信させている。
【００５３】
なお、本実施例では、ＦＭ方式のものを示しているが、患者側と操作者側が近くにある場合は、赤外線、レーザー等の光による送受信を行っても構わない。また、ノイズ環境の小さいところで行う場合であれば、振幅変調方式（ＡＭ方式）による無線伝送を行っても良い。
【００５４】
また、観察・処置用の信号ラインを同じ送受信ラインでおこなっているが、これを、観察用ラインのアンテナと、処置用ラインのアンテナとを分離させることによって、観察者と操作者が別の場所にいながら通信することもできる。これは、例えば、実際の処置の画像を大学等の教育機関での教育を目的におこなうときには、極めて有効となる。
【００５５】
ここで、患部をそのままの画像で直接観察し、処置を行うといったときには、従来の内視鏡と処置具による手術用マニピュレータによるものを利用しても良い。また、本実施例の信号伝送手段が無線であるということによって、従来の手術用マニピュレータシステムでも省スペース化といったことによる作業効率が向上することは言うまでもない。
【００５６】
上記した第３実施例によれば、スレーブアーム駆動信号、超音波ゼリー供給用ローラ駆動信号、超音波観察信号を遠隔位置に無線で送信し、かつ、受信することができるので、ケーブルが必要なくなり、処置室の省スペース化が実現される。これによって作業効率が向上して患者への負担を軽減させることができる。
【００５７】
上記した具体的実施例から以下のような構成の技術的思想が導き出される。又、以下の技術的思想を組み合わせて構成してもかまわない。
（１） 患者の体腔内部位の処置を行う手術用マニピュレータと、
患者の体表面から体腔内部位に関する画像情報を得る観察手段と、
この観察手段からの画像情報を術者が認識可能な画像情報として提供する画像提供手段と、
前記観察手段を所望の位置に位置決めするための観察手段位置決め手段と、
前記手術用マニピュレータを操作するための第１の操作手段と、
前記観察手段位置決め手段を操作するための第２の操作手段と、
前記第１及び第２の操作手段からの制御情報に基づいて、前記手術用マニピュレータ及び観察手段位置決め手段の動作を制御する制御手段と、
を具備することを特徴とする手術用マニピュレータシステム。
（２） 前記観察手段が超音波信号を使用して前記画像情報を得る超音波検知手段を具備することを特徴とする構成（１）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（３） 前記超音波検知手段の超音波周波数を任意に可変にするための周波数可変手段を具備することを特徴とする構成（２）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（４） 前記画像提供手段が術者の頭部に取り付けられるヘッドマウントディスプレイであることを特徴とする構成（１）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（５） 前記画像提供手段がＴＶモニターであることを特徴とする構成（１）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（６） 前記画像提供手段に出力される画像情報が超音波画像であることを特徴とする構成（４）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（７） 前記画像提供手段に出力される画像情報がコンピュータグラフィックスによるアニメーション画像であることを特徴とする構成（４）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（８） 前記画像提供手段に出力される画像情報が超音波画像であることを特徴とする構成（５）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（９） 前記画像提供手段に出力される画像情報がコンピュータグラフィックスによるアニメーション画像であることを特徴とする構成（５）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（10） 前記手術用マニピュレータを操作する第１の操作手段がマスターマニピュレータであることを特徴とする構成（１）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（１１） 前記第２の操作手段が位置検知センサーを含むことを特徴とする構成（１）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（１２） 前記位置検知センサーが磁気センサーであることを特徴とする構成（１１）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（１３） 前記観察手段が患者体表面にどの位の力で押し当てられているかを検知する力検知手段を具備したことを特徴とする構成（１）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（１４） 前記力検知手段が圧力センサーであることを特徴とする構成（１３）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（１５） 前記力検知手段が力覚センサーであることを特徴とする構成（１３）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（１６） 前記力検知手段が歪みゲージであることを特徴とする構成（１３）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（１７） 前記超音波検知手段に超音波ゼリー供給手段を具備したことを特徴とする構成（２）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（１８） 患者の体腔内部位の観察と処置の少なくとも一方を行う手術用マニピュレータと、
この手術用マニピュレータを駆動するための駆動手段と、
前記手術用マニピュレータを操作するための操作手段と、
この操作手段からの制御情報に基づいて前記手術用マニピュレータの動作を制御するための制御手段と、
前記制御手段からの制御情報と前記駆動手段とを電気的に結合するための電気的結合手段と、
を具備したことを特徴とする手術用マニピュレータシステム。
（１９） 前記電気的結合手段が無線信号伝送手段であり、振幅変調方式により前記制御情報を前記駆動手段へ送ることを特徴とする構成（１８）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（２０） 前記電気的結合手段が無線信号伝送手段であり、周波数変調方式により前記制御情報を前記駆動手段へ送ることを特徴とする構成（１８）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（２１） 前記電気的結合手段が無線信号伝送手段であり、赤外線により前記制御情報を前記駆動手段へ送ることを特徴とする構成（１８）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（２２） 前記電気的結合手段が無線信号伝送手段であり、光により前記制御情報を前記駆動手段へ送ることを特徴とする構成（１８）に記載の手術用マニピュレータシステム。
（２３） 前記光がレーザーであることを特徴とする構成（２２）に記載の手術用マニピュレータシステム。
【００５８】
上記した構成（１）乃至（２３）に対する従来の技術は上記した通りであるが、発明が解決しようとする課題、目的は以下の通りである。
１．構成（１）乃至（１７）
（発明が解決しようとする課題）
しかしながら、患者の体腔内に内視鏡と処置具を挿入するので、体腔内の臓器を観察するための挿入孔と処置具の挿入孔の少なくとも２つの挿入孔が必要であり、患者への負担が重くなる。
（目的）
患者への安全を確保し、かつ、低侵襲の手術用マニピュレータの提供を行うことである。
２．構成（１８）乃至（２３）
（発明が解決しようとする課題）
手術用マニピュレータのように、多軸のロボットを制御するような場合、信号ラインが多くなり、その分のケーブルが必要となるが、内視鏡室のような医療器具がいろいろ配置してある場所においてはこのようなケーブルが邪魔になり、強いては、医者の観察・処置動作に影響を及ぼして効率がわるくなる。それによって、処置時間が延長されることによる患者への負担が増大してしまう。
（目的）
作業現場の省スペース化による作業効率の向上を行い、術時間短縮によって患者への負担を軽くすることである。
【００５９】
【発明の効果】
本発明に係る手術用マニピュレータシステムによれば、処置具挿入のための穴を体壁に１つだけ開けることで患者に対する処置が可能となるため、患者に対する侵襲を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例が適用されるマスタースレーブ方式の手術用マニピュレータシステムの構成図である。
【図２】処置具の構成を示す図である。
【図３】観察用マニピュレータについてマスタースレーブ動作を説明するための図である。
【図４】処置用マニピュレータについてマスタースレーブ動作を説明するための図である。
【図５】本発明の第２実施例が適用されるマスタースレーブ方式の手術用マニピュレータシステムの構成図である。
【図６】本発明の第３実施例が適用されるマスタースレーブ方式の手術用マニピュレータシステムの構成図である。
【符号の説明】
４…処置具、５…処置用アーム、６…超音波振動子ユニット、７…観察用アーム、８…マスターアーム、９…ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）。
Claims (6)
- 患者の体腔内部位の処置を行う手術用マニピュレータと、
患者の体表面に挿入孔を開けることなく当該体表面から体腔内部位に関する画像情報を得る観察手段と、
この観察手段からの画像情報を術者が認識可能な画像情報として提供する画像提供手段と、
前記観察手段を空間的に移動して前記患者に対して所望の位置に位置決めするための観察手段位置決め手段と、
前記手術用マニピュレータを駆動する駆動手段と、
前記手術用マニピュレータを操作するための第１の操作手段と、
前記画像提供手段の空間的な位置関係の変化量を検出し、前記観察手段位置決め手段を操作するための第２の操作手段と、
前記第１の操作手段の制御情報に基づき前記駆動手段の動作を制御し、前記第２の操作手段の移動に伴い該第２の操作手段が検出した変化量に基づく制御情報に基づいて、前記観察手段を所望の位置に移動するよう前記観察手段位置決め手段の動作を制御する制御手段と、
を具備したことを特徴とする手術用マニピュレータシステム。 - 前記観察手段は、超音波信号を使用して前記画像情報を得る超音波検知手段を具備することを特徴とする請求項１に記載の手術用マニピュレータシステム。
- 前記観察手段は、前記患者の体表面にどの位の力で押し当てられているかを検知する力検知手段を更に具備し、当該力検知手段により検知された値が所定の閾値を越える場合には前記観察手段位置決め手段の駆動を停止することを特徴とする請求項１に記載の手術用マニピュレータシステム。
- 前記画像提供手段とはヘッドマウントディスプレイであることを特徴とする請求項１に記載の手術用マニピュレータシステム。
- 前記制御手段と前記駆動手段とを電気的に結合するための電気的結合手段を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の手術用マニピュレータシステム。
- 前記電気的結合手段が無線信号伝送手段であり、振幅変調方式、周波数変調方式、赤外線、光、のいずれかにより前記制御情報を前記駆動手段へ送ることを更に特徴とする請求項５に記載の手術用マニピュレータシステム。
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